JP2009125820A

JP2009125820A - 結晶材料の研磨方法及び研磨装置

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Publication number: JP2009125820A
Application number: JP2007299783A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Imai; 欽之今井; Masahiro Sasaura; 正弘笹浦; Kazuo Fujiura; 和夫藤浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】単結晶材料の使用状態においても、所望の平滑精度を確保する。
【解決手段】結晶の構造相転移を有する単結晶材料を研磨する結晶材料の研磨方法であって、単結晶材料を用いて作製した素子の使用温度領域において、単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態で、単結晶材料の表面の研磨を行う。単結晶材料１０５を固定する治具１０４と単結晶材料を研磨する研磨盤１０１を固定する治具１０２の少なくとも一方の温度を調整し、単結晶材料を使用温度領域に設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、結晶材料の研磨方法及び研磨装置に関し、より詳細には、結晶の構造相転移を有する単結晶材料の研磨方法及び研磨装置に関する。

従来、光学レンズ、プリズムなどの光学部品、光導波路、偏向素子、波長変換素子などの光機能部品として、単結晶材料が用いられている。これら光学部品、光機能部品は、広い波長域にわたって、光透過性が良いことはもちろん、小型化の観点から屈折率が高く、集光性の観点から複屈折を持たない均質な材料が求められている。屈折率が高い光学材料として、多くの酸化物結晶が知られている（例えば、特許文献１参照）。このうち、複屈折が無い光学的に均質な材料は、結晶構造が立方晶であるものに限定される。特許文献１には、等方性の材料としては、ＳｒＮｂＯ₃、ＳｒＴａＯ₃、Ｂｉ₂₀ＳｉＯ₁₂、Ｂｉ₂₀ＧｅＯ₁₂、Ｂｉ₄Ｇｅ₃Ｏ₁₂、ＧａＰが開示されている。

一方、屈折率が高く、複屈折の無い結晶材料として、ＫＴａＯ₃（以下、ＫＴという）が知られている（例えば、特許文献２参照）。ＫＴは立方晶であるので、幅広い温度範囲において複屈折が無く、可視光領域で２．２〜２．４の高い屈折率を有している。

さらに、屈折率が高い材料を必要とする場合には、ＫＴにＮｂを添加することで効果的に屈折率を上昇させることができる。ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（以下、ＫＴＮという）は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する物質であり、図１に、立方晶相のＫＴＮ結晶の単位胞を示す。カリウムイオンを格子点に配置した単純立方格子を考えたとき、その体心位置にタンタルまたはニオブのイオンが配置され、面心位置に酸素イオンが配置される。ＫＴＮは、電界を印加することによって屈折率が変化する現象である電気光学効果が非常に大きい結晶材料である（例えば、特許文献２参照）。

ＫＴＮの屈折率は、Ｎｂの添加量が増大するほど高くなる。一方、Ｎｂの添加量が増大すると、正方晶相から立方晶相への相転移温度が上昇し、Ｎｂの含有量ｘ＞０．３５となると、相転移温度が室温以上となる。このとき、室温では立方晶相ではなく、正方晶相となって複屈折を有することになる。

この複屈折を消失させるためには、室温よりも高くなった相転移温度以上にＫＴＮを昇温し、立方晶相に相転移させる必要がある。つまり、ＫＴＮの屈折率を高く、かつ複屈折のない状態で使用するためには、Ｎｂの添加量を増やし、相転移温度が上昇した分だけＫＴＮを加熱して使用しなければならない。

特開２０００−１９３０１号公報特開２００３−３５８３１号公報

一方、単結晶材料を用いて光部品を作製するためには、単結晶材料から所望の大きさのバルクまたは基板を切り出し、表面を研磨することが行われている。ここで、光信号の入出力を行う面、基板上に形成される光導波路の端面等は、表面の平滑度が光部品、光機能部品の特性を左右するので、所望の平滑精度以下で、研磨する必要がある。

しかしながら、室温付近で行われる研磨工程において所望の平滑精度を有していても、光部品の使用状態において、温度制御を行うと、結晶の構造相転移が原因で、表面に凹凸ができてしまうという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単結晶材料の使用状態においても、所望の平滑精度を有することができる結晶材料の研磨方法及び研磨装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、結晶の構造相転移を有する単結晶材料を研磨する結晶材料の研磨方法であって、前記単結晶材料を用いて作製した素子の使用温度領域において、前記単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態で、前記単結晶材料の表面の研磨を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の研磨方法において、前記単結晶材料を固定する治具と前記単結晶材料を研磨する研磨盤を固定する治具の少なくとも一方の温度を調整し、前記単結晶材料を前記使用温度領域に設定し、前記単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態を維持することを特徴とする。

前記単結晶材料は、ペロブスカイト型結晶構造を有し、前記単結晶材料が発現する結晶構造は、立方晶であることが望ましい。前記単結晶材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウムを主成分とする結晶材料が好適である。

請求項６に記載の発明は、結晶の構造相転移を有する単結晶材料を研磨するための研磨装置であって、前記単結晶材料を固定する治具と前記単結晶材料を研磨する研磨盤を固定する治具の少なくとも一方の温度を調整する温度調整手段を備えたこと特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の前記温度調整手段は、前記単結晶材料を用いて作製した素子の使用温度領域に設定し、前記単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態を維持することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の研磨装置において、前記研磨盤と前記研磨盤を固定する治具との間に、前記研磨盤より熱膨張係数の小さい基体を配置することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、単結晶材料を用いて作製した素子の使用温度領域において、単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態で研磨するので、単結晶材料の使用状態においても、所望の平滑精度を有することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下、ＫＴＮについて説明するが、結晶の構造相転移を有する単結晶材料であれば、いずれにも適用できることは明らかである。

図２に、正方晶相のＫＴＮ結晶の単位胞を示す。上述したように、ＫＴＮは、相転移温度以下では正方晶相である。正方晶相のＫＴＮ結晶は、図１に示した立方晶相のＫＴＮ結晶と比較すると、ｃ軸方向の格子定数がａ軸方向の格子定数よりも大きい。同時に、ＫＴＮは、強誘電体となりｃ軸方向を向いた自発分極を有している。

ＫＴＮ結晶の内部は、ドメインという複数の領域に分かれている。各々のドメインの内部では、自発分極の向きは揃っているが、隣り合うドメインでは、自発分極の向きが異なっている。図３（ａ）に示すように、ドメイン壁と呼ばれるドメインの境界を境にして、２つの隣り合うドメインは、自発分極の向き、すなわちｃ軸の向きが、互いに９０度の角度を成していることが多い。しかし、図３（ｂ）に示すように、ドメイン壁で、格子の整合が取れなければならないため、この角度は、厳密には９０度から少しずれている。なお、図３（ｂ）では、理解の便宜のため、角度のずれを強調して記載してある。

図４（ａ）に、ＫＴＮが正方晶相にある状態で研磨加工を行った状態を示す。研磨加工後に、温度制御を行うと、結晶の構造相転移によって単結晶材料が変形してしまう。すなわち、図４（ｂ）に示すように、研磨表面に凹凸ができ、所望の平滑精度を保つことができない。これは、結晶の構造相転移が原因で、ｃ軸方向の格子定数は小さくなり、ａ軸方向の格子定数は大きくなるので、表面に凹凸ができると考えられる。

従って、ＫＴＮ結晶を使用するときの結晶構造と、研磨するときの結晶構造とを同じにすれば、結晶の構造相転移による表面の凹凸は抑えられる。具体的には、室温付近では正方晶相であるＫＴＮ結晶を、相転移温度以上に加熱して立方晶相とし、研磨することにより、ＫＴＮ結晶の使用状態において、所望の平滑精度以下となるようにする。

ここで、所望の平滑精度は、光部品で一般的に用いられているＨｅ−Ｎｅレーザ波長の１／２（以下、λ／２と記す）を基準とする。具体的な数値は、レーザ波長６３２．８ｎｍの半分の３１６．４ｎｍである。また、高精度を要求される光部品では、λ／１０である６３．３ｎｍを基準とする場合もある。

以下の実施例は、一例であり、発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の改良を行いうることは言うまでもない。

実施例１では、ＫＴＮの相転移温度を２５℃付近に設定（このとき、Ｎｂの含有量ｘ＝０．３９）しておき、光部品の使用の際には、ＫＴＮを３０℃付近に昇温し立方晶相で使用する場合を例に説明する。このとき、ＫＴＮ結晶の研磨も３５℃付近（以下、使用温度領域という）に昇温した上で行う。なお、実施例１のＫＴＮは、室温２２℃では正方晶相である。

図５に、実施例１にかかる研磨装置を示す。研磨装置の内部の研磨盤付近を拡大した図である。円盤状の研磨盤１０１は、研磨盤を固定する治具である回転ステージ１０２の上に固定され、回転軸１０３を中心に回転する。一方、研磨治具１０４に研磨対象１０５となるＫＴＮ結晶を固定しておく。研磨工程では、回転ステージ１０２を回転させ、研磨治具１０４を回転ステージ１０２の方向に、一定の力で押し付ける。研磨盤１０１の表面に、研磨材を供給することにより、研磨対象１０５を研磨盤１０１で研磨する。研磨対象１０５のＫＴＮ結晶は、７ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍであり、７ｍｍ×５ｍｍの面を研磨する。

また、回転ステージ１０２の内部は、図５に示すように、中空になっており、内部を温水が還流するように仕切っておく。回転ステージ１０２の内部に、温水が流れるパイプを張り巡らせてもよい。温水の温度を制御することにより、研磨対象１０５の温度を使用温度領域に設定する。

図６に、実施例１にかかる研磨装置で研磨したＫＴＮ結晶の表面の平滑精度を示す。図６（ａ）は、回転ステージ１０２内部に温水を還流させず、研磨対象１０５の温度を室温２２℃に制御して研磨を行った場合を示す。横軸は、ＫＴＮ結晶の７ｍｍの辺の位置を表し、縦軸は、ＫＴＮ結晶の表面の高さを示す。研磨対象１０５のＫＴＮ結晶を、使用状態の３０℃付近に昇温し、立方晶相の状態で測定した。結晶の構造相転移による表面の凹凸は、およそ５００ｎｍあることがわかる。これは、上述した所望の平滑精度であるλ／２を超えている。

図６（ｂ）は、回転ステージ１０２内部に温水を還流させ、研磨対象１０５の温度を３５℃に制御して研磨を行った場合を示す。研磨加工後も、使用状態の３０℃付近に昇温し、立方晶相の状態で測定した。表面の凹凸は、およそ５０ｎｍ程度であり、所望の平滑精度が得られており、上述したλ／１０を満たしていることがわかる。

図７に、実施例２にかかる研磨装置を示す。研磨装置の内部の研磨盤付近を拡大した図である。円盤状の研磨盤２０１は、回転ステージ２０２の上に固定され、回転軸２０３を中心に回転する。一方、研磨治具２０４に研磨対象２０５となるＫＴＮ結晶を固定しておく。研磨工程では、回転ステージ２０２を回転させ、研磨治具２０４を回転ステージ２０２の方向に、駆動軸２０６を介して一定の力で押し付ける。研磨盤２０１の表面に、研磨材を供給することにより、研磨対象２０５を研磨盤２０１で研磨する。

図７（ａ）に示したように、金属製の研磨治具２０４の裏側には、赤外線ランプ２０７ａ，２０７ｂを配置し、赤外線の照射により研磨治具２０４を昇温し、研磨対象２０５の温度を制御する。実施例１と同様の条件で、ＫＴＮを研磨したところ、図６（ｂ）に示した結果と同様の平滑精度を得ることができる。なお、研磨治具２０４の温度制御には、例えば、図７（ｂ）に示したように、研磨治具２０４に抵抗ヒータ３０７を内蔵したり、実施例１と同様に、研磨治具２０４の内部に温水を還流させてもよい。

図５に示した研磨装置においては、回転ステージ１０２の内部に温水を還流させるので、研磨盤１０１の回転ステージ１０２と接する面が、研磨面より高温になるため、熱膨張の差による反りを生じる場合がある。研磨盤１０１の反りは、回転ステージ１０２との間に隙間を生じ、研磨盤１０１を安定して回転させることができない。

そこで、２層構造の研磨盤を用いる。研磨面の側の上層には、従来と同様に、銅または錫などの金属円盤を使用する。回転ステージ１０２側の下層には、熱膨張率の小さいステンレスの金属円盤を使用する。上層と下層とは、ボルトで固定したり、熱伝導性の高いペースト状の接着剤により固定する。

このようにして、研磨盤１０１と回転ステージ２０２との間に、反りの少ない基体を配置することにより、研磨盤１０１を安定して回転させることができる。なお、ステンレスの金属円盤は、銅または錫製の金属円盤よりも熱伝導率は低いが、研磨対象１０５の温度を制御する上で、問題とはならない。

また、本実施形態においては、ＫＴＮを例にして説明したが、添加不純物としてリチウムを含む、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃を用いることもできる。

立方晶相のＫＴＮ結晶の単位胞を示す図である。正方晶相のＫＴＮ結晶の単位胞を示す図である。ＫＴＮの自発分極からなるドメインを示す図である。ＫＴＮ結晶の研磨表面を示す図である。実施例１にかかる研磨装置を示す図である。実施例１にかかる研磨装置で研磨したＫＴＮ結晶の表面の平滑精度を示す図である。実施例２にかかる研磨装置を示す図である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１研磨盤
１０２，２０２，３０２回転ステージ
１０３，２０３，３０３回転軸
１０４，２０４，３０３研磨治具
１０５，２０５，３０５研磨対象
２０６，３０６駆動軸
２０７赤外線ランプ
３０７抵抗ヒータ

Claims

結晶の構造相転移を有する単結晶材料を研磨する結晶材料の研磨方法であって、
前記単結晶材料を用いて作製した素子の使用温度領域において、前記単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態で、前記単結晶材料の表面の研磨を行うことを特徴とする結晶材料の研磨方法。
前記単結晶材料を固定する治具と前記単結晶材料を研磨する研磨盤を固定する治具の少なくとも一方の温度を調整し、前記単結晶材料を前記使用温度領域に設定し、前記単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態を維持することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
前記単結晶材料は、ペロブスカイト型結晶構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
前記単結晶材料が発現する結晶構造は、立方晶であることを特徴とする請求項３に記載の研磨方法。
前記単結晶材料は、タンタル酸ニオブ酸カリウムを主成分とする結晶材料であることを特徴とする請求項３または４に記載の研磨方法。
結晶の構造相転移を有する単結晶材料を研磨するための研磨装置であって、
前記単結晶材料を固定する治具と前記単結晶材料を研磨する研磨盤を固定する治具の少なくとも一方の温度を調整する温度調整手段を備えたことを特徴とする研磨装置。
前記温度調整手段は、前記単結晶材料を用いて作製した素子の使用温度領域に設定し、前記単結晶材料が発現する結晶構造と同一の結晶構造を発現した状態を維持することを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
前記研磨盤と前記研磨盤を固定する治具との間に、前記研磨盤より熱膨張係数の小さい基体を配置することを特徴とする請求項６または７に記載の研磨装置。