JP2009092843A - 周期分極反転構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧印加法によって周期分極反転構造を製造するのに際して、光の進行方向で隣接する分極反転部が連結することを防止すると共に、光進行方向と垂直方向では分極反転部が細長くつながるようにする。
【解決手段】単分域化している強誘電体単結晶基板の主面上に設けられた電極構造を用いて、電圧印加法により周期分極反転構造を製造する。電極構造が、基板の主面１ａ上に設けられた複数の隙間のある絶縁膜と、絶縁膜の隙間および絶縁膜を被覆するように設けられている導電膜２０とを備えている。導電膜２０が、絶縁膜を被覆する絶縁膜被覆部６と、隙間を被覆する電極片部５とを備えている。電極片部５が、光の進行方向ｘと直交する方向ｙに向かって互いに離間された状態で配列されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、周期分極反転構造の製造方法に関するものである。

ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶などの強誘電体単結晶に、周期的な分極反転構造を形成した擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ）方式の第２高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）デバイスは、紫外から赤外まで、比較的任意な波長の光を発生させることができる。このデバイスは、光ディスクメモリ用、医学用、光化学用、及び各種光計測用などの幅広い応用が可能である。

第２高調波発生デバイスにおいて高い変換効率を得るためには、強誘電体単結晶内に深い分極反転構造を形成する必要がある。特許文献１では、櫛形電極および一様電極を形成したニオブ酸リチウム基板を、別体のニオブ酸リチウム基板と積層一体化し、絶縁油内に浸漬して電圧を印加することが記載されている。
特開2005-70192

また、非特許文献１の記載の方法では、ニオブ酸リチウムのＺ基板の表面に絶縁膜を設け、絶縁膜にストライプ状の細長い隙間を設けた上で、絶縁膜および隙間を被覆するように導電膜を設けている。そして、この導電膜にパルス電圧を印加することによって、基板に周期分極反転構造を形成している。
電子情報通信学会論文誌 C-I, Vol. J78-C-1, No.5 pp.238-245、「電圧印加によるLiNbO3 SHGデバイス用分極反転グレーティングの作製」 金高 健二, 藤村 昌寿, 栖原 敏明, 西原 浩

また、特許文献２では、ニオブ酸リチウム基板の表面に、金属の櫛形電極を形成している。この櫛形電極は、細長い太幅の給電電極と、この給電電極のエッジから多数延びている細長い電極片とを備えている。各電極片は、その長手方向に向かって、所定長さごとに分離されている。
WO 2005 124447

しかし、非特許文献１記載の方法では、電極片が長くなると、分極反転に要する時間が長く、分極反転幅が揃わなくなる傾向がある。特許文献２記載の方法では、電極片をその長手方向に向かって複数の細長い断片に分け、断片間に隙間を設けている。これによって、電極片の各断片の各エッジをそれぞれ出発点として分極反転を開始させ、進行させており、これによって、分極反転に要する時間を短くし、また分極反転深さを大きくすることができる。

しかし、特許文献２記載の方法でも、金属によって電極片を形成するが、その際にパターニングの不良などによって、一部不要な金属膜が残留し、反転したくない部分も分極反転してしまう場合がある。この結果、分極反転部と非分極反転部の配列方向（光の進行方向）に向かって分極反転部分が連結し、一体化することがある。こうなると、その部分は分極反転に寄与しないので、全体の波長変換効率が低下する。一方、各電極片の長手方向，つまり光進行方向と垂直な方向で見たときには、隣り合う電極片下に生ずる分極反転部分は、互いにつながりにくく、その間に非分極反転部が残る傾向があった。このように、本来分極反転するべき部分が分極反転しないと、全体としての波長変換効率が低下する。

本発明の課題は、電圧印加法によって周期分極反転構造を製造するのに際して、光の進行方向で隣接する分極反転部が連結することを防止すると共に、光進行方向と垂直方向では分極反転部が細長くつながるようにすることである。

本発明は、単分域化している強誘電体単結晶基板の主面上に設けられた電極構造を用いて、電圧印加法により周期分極反転構造を製造する方法であって、
電極構造が、強誘電体単結晶基板の前記主面上に設けられた複数の隙間のある絶縁膜と、この絶縁膜の隙間および絶縁膜を被覆するように設けられている導電膜とを備えており、この導電膜が、絶縁膜を被覆する絶縁膜被覆部と、隙間を被覆する電極片部とを備えており、電極片部が、光の進行方向と直交する方向に向かって互いに離間された状態で配列されていることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁膜の隙間に形成された導電膜は、光の進行方向と垂直方向に向かって絶縁膜によって複数の電極片部に分断されている。これによって、各電極片部の各エッジを出発点として分極反転が進展するので、深い分極反転を短時間で形成可能である。

その上で、本発明では、各電極片部を、絶縁膜で包囲された各隙間上に形成している。これによって、分極反転部と非分極反転部の配列方向（光の進行方向）に向かって分極反転部分が連結することを防止できる。これと共に、各電極片の長手方向，つまり光進行方向と垂直な方向で見たときには、隣り合う断片下に生ずる分極反転部分は互いにつながり易く、一連の細長い分極反転部を形成しやすいことを発見し、本発明に到達した。光の進行方向に向かっては分極反転部が連結しにくいのに、電極片の長手方向に向かっては分極反転部が連結して一体化しやすい理由は不明である。

以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、強誘電体結晶基板１の一方の主面１ａに絶縁膜２を形成する。１ｂは他方の主面である。次いで、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜２に所定の隙間４を形成し、パターニングされた絶縁膜３を残す。絶縁膜３には、多数の隙間４が形成されており、各隙間４には基板１の主面１ａが露出している。次いで、図1(ｃ)に示すように、基板１上に導電膜20を形成する。この導電膜20は、基板主面１ａの全体を被覆しており、絶縁膜３を被覆する絶縁膜被覆部６と、主面１ａを直接被覆する電極片部５を備えている。基板１の他方の主面１ｂには一様電極７を形成する。

図２は、基板１の主面１ａを概略的に示す平面図であり、図３は、電極片部の形態を拡大して示す平面図である。

各電極片部５は、基板主面１ａ上に形成されているものであり、絶縁膜被覆部６は、絶縁膜３上に形成されているものである。各電極片部５は、絶縁膜被覆部６と切れ目なくつながっている。平面的に見ると、電極片部５は、いずれも細長いストライプ状の形態を有している。そして、複数の電極片部５が、光の進行方向ｘに向かって配列されており、方向ｘで見て隣接する電極片部５間には間隙１４が形成されている。また、電極片部５が、光の進行方向ｘに対して垂直の方向ｙに向かって配列されており、方向ｙで見て隣接する電極片部５間には間隙９が形成されている。

この後、導電膜５、６と、一様電極７との間に、所定の電圧を印加し、多数の分極反転構造を基板１内に形成することによって、周期分極反転構造を形成する。この電圧印加方法は特に限定されない。例えば不活性雰囲気中に基板を設置して電圧を印加してもよく、絶縁体液体中に基板を設置して電圧を印加してもよい。

好適な実施形態においては、図４に示すように、基板１の下に別体の支持基板１１を積層し、基板１と１１との間に少なくとも一様電極７を介在させる。そして、基板１１のうち基板１とは反対側の主面にも電極１２を形成する。そして、基板１と１１とを絶縁性気体１３内に浸漬し、基板１上の導電膜２０と電極１２とにそれぞれ電線１９を結線する。そして、電源１８から導電膜２０および電極１２に対して電圧を印加し、周期分極反転構造を形成する。

図３の例では、ｙ方向の電極片部間の間隙９は、ｘ方向に向かって真っ直ぐに形成されており、ｙ方向の電極片部間の間隙１４は、ｙ方向に向かって真っ直ぐに形成されている。しかし、図５に示すように、ｙ方向の電極片間の間隙９は、ｘ方向に隣接する電極片部において異なる位置にあってよい。これは、ｘ方向で隣りあう間隙９が，ｙ方向に見て異なる位置にあることを意味する。この場合には、ｘ方向への過剰分極反転が生じても、周期的な構造が得られやすくなる。特に好ましくは、図５に示すように、間隙９が、ｘ方向に見て１列おきに同じ位置（ｙ方向座標で同位置）にある。あるいは、好適な実施形態においては、ｘ方向に見て隣り合う間隙９の位置（ｙ方向座標）を段階的にずらしていき、これによって間隙９が、ｘ方向に見てｎ列おきに同じ位置（ｙ方向座標で同位置）にある。ｎは、２以上の整数であり、好ましくは５以下の整数である。

本発明では、絶縁膜３の隙間に形成された導電膜２０は、光の進行方向ｘと垂直方向ｙに向かって絶縁膜３によって複数の電極片部５に分断されている。これによって、各電極片部５の各エッジを出発点として分極反転が進展するので、深い分極反転を短時間で形成可能である。

その上で、本発明では、分極反転部と非分極反転部の配列方向ｘに向かって分極反転部分が連結することを防止できる。これと共に、各電極片の長手方向，つまり光進行方向と垂直な方向ｙで見たときには、隣り合う電極片５下に生ずる分極反転部分は互いにつながり易く、一連の細長い分極反転部を形成しやすい。

即ち、図６に示すように、基板主面１ａ上に、直接、絶縁膜なしに給電部１５および多数の電極片を形成するものとする。この場合には、給電部１５に対して、プロービングパッド１６から電力を供給する。そして、給電部１５のエッジから電極片部１７ａが延びており、電極片部１７ａの先端から更に電極片部１７ｂ、１７ｃが延びている。隣接する電極片部１７ａと１７ｂとの間、１７ｂと１７ｃとの間には、それぞれ空隙が形成されている。

この場合には、分極反転構造の形成には効果的であった。しかし、微細な電極片をパターニッグする際には、図７（ｂ）に示すように、ｘ方向に隣接する電極片１７ａ（１７ｂ、１７ｃ）の隙間に不要な導電膜が残留する傾向がある。このように隙間に導電膜が残留すると、隣接する分極反転部３０がｘ方向に連結し、大きな分極反転部３０Ａを形成することがある。このような大きな分極反転部３０Ａは分極反転に寄与しないので、全体の波長変換効率が低下する。

これに対して、本発明では、絶縁膜のパターニングは行うが、図７（ａ）に示すように、導電膜の残留によって、隣接する分極反転部３０が連結するという問題は生じにくい。これに加えて、図３、図５においてｙ方向に見たときに、各電極片部下から延びる分極反転部は連結しやすい。この結果、高い波長変換効率を得ることが可能となる。

周期分極反転構造を形成するべき基板を構成する強誘電体材料の種類は、限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５の各単結晶が特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザ発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

本発明では、基板としてZカット基板を使用するが、オフカットＺ基板であってもよい。このオフカット角度は、本発明の作用効果という観点から、１０°以下が好ましく、５°以下が更に好ましい。

また、オフカットＺ基板のオフカット角が１０ °以下であれば、半導体レーザとの光軸調整も、傾き補正しなくても波長変換効率の劣化は無視でき、高効率な波長変換素子を実現することができる。

絶縁膜の材質は限定されないが、ＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５のような酸化物、窒化珪素のような窒化物であってよい。絶縁膜の成膜方法としては、蒸着法でもスパッタリング法、スピンコート法でもよい。絶縁膜の成膜厚さは、特に限定されないが、５００オングストローム以上、３０００オングストローム以下が好ましい。絶縁膜の厚さが小さい場合は、絶縁性が低くなり、周期状分極反転が形成されにくい。絶縁膜が厚すぎる場合は、パターニング精度が悪くなる。

絶縁膜をパターニングして隙間を形成する方法は特に限定されない。例えば、絶縁膜上にフォトレジストをスピンコーティングし、マスク露光、現像を経て、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、エッチング処理を行うことで、隙間を形成できる。エッチング処理はウェットエッチングでも、ドライエッチングでもよいが、理想的には基板表面にダメージを与えにくいウェットエッチングの方が好適である。

電圧印加法において使用する電極片部、一様電極の材質は限定されないが、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr 、Pd、Ta 、Mo、W、Ta、AuCrの積層膜などが好ましい。

支持基板１１の材質は、絶縁性が高く、材質内の体積抵抗率が均一で、所定の構造強度を有していることが必要である。この材質としては、シリコン、サファイア、水晶、ガラスを例示できる。

基板を絶縁性液体に浸漬して電圧印加法を実施するのに際しては、絶縁オイル（例えばシリコンオイル）、フッ素系不活性液体を例示できる。

絶縁膜をパターニングするときのＸ方向の周期Γｘは、発生させたい波長変換光の波長に適した値に設計する。例えば、緑色の2次高調波を発生させる場合は、Γｘは約7μｍとなる。

絶縁膜の隙間と隙間との間隔Ｇｙは、特に限定されないが、本発明の作用効果の観点から０．５μｍ以上が好ましく、０．８μｍ以上がさらに好ましい。絶縁膜の隙間と隙間との間隔Ｇｙは、ｙ方向に隣接する分極反転部の連結を促進するという観点から、２．０μｍ以下が好ましく、１．５μｍ以下がさらに好ましい。ｙ方向の周期Γyは、特に制限を設けるわけではないが、５〜100μmであってよい。

基板背面側の一様電極の形成方法は特に限定されず、蒸着法でもよく、スパッタリング法でもよい。一様電極の膜厚は、例えば５００〜３０００オングストロームとすることができる。

（実施例１）
図１〜３を参照しつつ説明した本発明方法に従い、図２および図３に示す形状の電極を基板に形成した。ただし、基板１としては、MgO添加のLiNbO₃（MgOLN）のＺカット基板を使用した。基板１の＋z面１ａに、絶縁膜２としてＳｉＯ_２膜を成膜した。絶縁膜の膜厚は約２０００オングストロームとした。次いで、絶縁膜２上にフォトレジストをスピンコーティングし、マスク露光、現像を経て、レジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクにして、ウェットエッチング処理を行うことで、図１（ｂ）に示すような絶縁膜パターン３を形成した。周期Γxは約7μmとし、Ｇｙは１．２μｍとした。Γyは１０μｍとした。

続いて、スパッタリング法によって、導電膜２０および７を成膜した。これらの膜厚は １０００ オングストロームとし、材質はタンタルとした。このように作製した基板１を、図４を参照しつつ説明した方法（特開2005-70192記載）を適用することによって、周期状分極反転構造を得ることができた。ただし、絶縁性液体として絶縁オイルを使用し、温度設定を１５０℃にした。また、電圧印加条件としては、ウェハの抗電界となる電界強度の約３ｋＶ／ｍｍに設定し、約１ｍｓｅｃ幅の矩形パルスを印加した。パルスの印加回数は、パターン面積に依存するが、例えば２０ｍｍ^２のとき、２００００パルスが好適であった。

こうした得られた基板表面を、ふっ硝酸でウェットエッチングし、次いで顕微鏡で観察した。図８は、こうして得られた表面の拡大写真である。図８からわかるように、Ｘ方向（横方向）にみたときに、隣接する分極反転部は互いにつながることはない。また、ｙ方向（縦方向）にみたときには、隣接する分極反転部は互いにつながり、1本の繋がった分極反転部が形成されている。

（実施例２）
実施例１と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、実施例１において、Ｇｙを、１．２μｍから２．０μｍに変更した。得られた基板の表面について、実施例１と同様にしてふっ硝酸でウェットエッチングし、次いで顕微鏡で観察した。図９は、こうして得られた表面の拡大写真である。

図９からわかるように、Ｘ方向（横方向）にみたときに、隣接する分極反転部は互いに分離されている。また、ｙ方向（縦方向）にみたときにも、隣接する分極反転部は互いにつながり、1本の繋がった分極反転部が形成されている。ただし、２箇所で、ｙ方向に隣接する分極反転部が連結していないところがあり、実施例１の方が効果が更に優れていることがわかる。

（比較例１）
次に、図１（ａ）の絶縁膜２を成膜しないで電極を形成し、周期分極反転構造を作製した。具体的には、基板１としては、MgO添加のLiNbO3（MgOLN）のＺカット基板を使用した。基板１の＋z面１ａに、図６に示すように、蒸着法によって、タンタル膜１５、１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよび７を成膜した。これらの膜厚は１０００オングストロームとした。周期は５μｍとし、隙間ｔは１μｍとし、電極片の線幅は０．８μｍとした。

このように作製した基板１を、実施例１と同様に処理し、周期状分極反転構造を得ることができた。こうした得られた基板表面を、ふっ硝酸でウェットエッチングし、次いで顕微鏡で観察した。図１０は、こうして得られた基板表面の拡大写真である。

図１０からわかるように、分極反転部は長手方向に繋がりにくく、隙間部分が生じやすい傾向にある。この理由としては、電極の隙間には、理論的に電荷が存在しないため反転しにくいことが予想される。

本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。

（ａ）は、基板１上に絶縁膜２を形成した状態を示す概略断面図であり、（ｂ）は、絶縁膜２に隙間４を形成した状態を示す断面図であり、（ｃ）は、絶縁膜３上および主面１ａを被覆する導電膜２０を形成した状態を示す断面図である。 基板１の主面1ａ上の電極を模式的に示す平面図である。 基板１の主面１ａ上の電極形状を示す拡大平面図である。 基板１に電圧を印加するための方法例を模式的に示す図である。 基板１の主面1ａ上の電極を模式的に示す平面図である。 比較例の電極パターンを説明するための平面図である。 （ａ）は、本発明例の電極形状を説明するための模式的断面図であり、（ｂ）は、比較例の電極形状を説明するための模式的断面図である。 実施例１で得られた基板表面の周期分極反転パターンを示す写真である。 実施例２で得られた基板表面の周期分極反転パターンを示す写真である。 比較例１で得られた基板表面の周期分極反転パターンを示す写真である。

符号の説明

１ 基板 １ａ 、１ｂ 主面 ２、３ 絶縁膜 ４ 隙間 ５ 主面を被覆する電極片部 ６ 絶縁膜被覆部 ７ 一様電極 ２０ 導電膜 ｘ 光の進行方向 ｙ ｘと垂直な方向 Ｇｙ 方向ｙに見た電極片部の間隔 Γｘ ｘ方向の周期 Γｙ ｙ方向の周期

Claims (2)

1. 単分域化している強誘電体単結晶基板の主面上に設けられた電極構造を用いて、電圧印加法により周期分極反転構造を製造する方法であって、
   前記電極構造が、前記強誘電体単結晶基板の前記主面上に設けられた複数の隙間のある絶縁膜と、この絶縁膜の前記隙間および前記絶縁膜を被覆するように設けられている導電膜とを備えており、この導電膜が、前記絶縁膜を被覆する絶縁膜被覆部と、前記隙間を被覆する電極片部とを備えており、前記電極片部が、光の進行方向と直交する方向に向かって互いに離間された状態で配列されていることを特徴とする、周期分極反転構造の製造方法。
2. 前記光の進行方向と直交する方向において隣接する前記電極片部間に間隙が設けられており、前記光の進行方向に向かって隣接する前記間隙が、前記光の進行方向と直交する方向に見て異なる位置に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。

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