JP2010060764A - 分極反転領域の形成方法、擬似位相整合素子の製造方法、電極、及び電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストであり、かつ分極反転領域の平面形状の制御性が良い分極反転領域の形成方法を提供する。
【解決手段】まず、強誘電体結晶基板１００の第１面に、強誘電体結晶基板１００から独立して形成された第１電極２４０を重ね合わせる。そして、強誘電体結晶基板１００の第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極２２０と、第１電極２４０の間に電圧を印加することにより、強誘電体結晶基板１００に分極反転領域１１０を形成する。第１電極２４０は、導電性の電極用基板２４２と、電極用基板２４２上にメッキ法により形成されていて分極反転領域１１０に対応するパターンを有する導電性の電極用凸部２４４とを有する。そして強誘電体結晶基板１００の第１面に第１電極２４０を重ね合わせる工程において、電極用凸部２４４を第１面に押し当てる。
【選択図】図３

Description

本発明は、低コストであり、かつ分極反転領域の平面形状の制御性が良い分極反転領域の形成方法、擬似位相整合素子の製造方法、電極、及び電極の製造方法に関する。

ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの強誘電体結晶の誘電分極方向を周期的に１８０度反転（分極反転）させることにより擬似的に位相整合をさせる方法は、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matching）と呼ばれている。分極反転領域を形成する方法の一つである電圧印加法は、例えば非特許文献１に記載されているように、強誘電体結晶の上面に上面電極を設け、下面の略全面に下面電極を形成し、両電極間に高電圧をパルス印加するものである。上面電極及び下面電極は、一般的には蒸着又はスパッタリング法により、強誘電体結晶に直接形成される。

一方、特許文献１には、上面電極及び下面電極の少なくとも一方を強誘電体結晶とは別の基板に形成する技術が開示されている。この技術によれば、少なくとも一方の電極を繰り返し使用することができる。特許文献１において、電極パターンは、リフトオフ法又は異方性ドライエッチング法により形成されている。

栗村直 他９名「ＬｉＮｂＯ3の分極反転における選択的核成長法Ｉ〜動機とその背景〜」、第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集（２００２年３月 ２７ａ−ＺＳ−９） 特開２００６−２５９３３８号公報

強誘電体結晶に分極反転領域を形成するとき、電極を繰り返し使用できるようにすることは、製造コスト面で有利になる。一方、電圧印加法では電極に高い電圧が印加されるため、分極反転領域の平面形状の制御性をよくするためには電極パターンの凸部を高くする必要がある。しかし特許文献１に記載の技術では、電極パターンをリフトオフ法又は異方性ドライエッチング法により形成しているため、電極パターンの凸部を高くすることができなかった。このため、従来は、分極反転領域の形成において、コストが低いことと、分極反転領域の平面形状の制御性が良いことを両立させることは難しかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コストであり、かつ分極反転領域の平面形状の制御性が良い分極反転領域の形成方法、擬似位相整合素子の製造方法、電極、及び電極の製造方法を提供することにある。

強誘電体結晶の第１面に、前記強誘電体結晶から独立して形成された第１電極を重ね合わせる工程と、
前記強誘電体結晶の前記第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極と、前記第１電極の間に電圧を印加することにより、前記強誘電体結晶に分極反転領域を形成する工程と、
を備え、
前記第１電極は、導電性の電極用基板と、前記電極用基板に設けられていて前記分極反転領域に対応するパターンを有する導電性の電極用凸部と、を有し、
前記第１面に前記第１電極を重ね合わせる工程において、前記電極用凸部を前記第１面に押し当てる分極反転領域の形成方法が提供される。

本発明によれば、上記した分極反転領域の形成方法により、前記強誘電体結晶に複数の前記分極反転領域を周期的に形成する工程を有する擬似位相整合素子の製造方法が提供される。

本発明によれば、強誘電体結晶に分極反転領域を形成するための電極であって、
導電性の電極用基板と、
前記電極用基板に設けられており、前記分極反転領域に対応するパターンを有する導電性の電極用凸部と、
を備える電極が提供される。

本発明によれば、強誘電体結晶に分極反転領域を形成するための電極の製造方法であって、
導電性の電極用基板の一面上に、前記分極反転領域に対応する開口パターンを有する絶縁膜を形成する工程と、
メッキ液に前記電極用基板の前記一面及び前記絶縁膜を接触させてメッキを行うことにより、前記一面上に、前記開口パターン内に位置する電極用凸部を形成する工程と、
前記絶縁膜を除去する工程と、
を備える電極の製造方法が提供される。

本発明によれば、低コストであり、かつ分極反転領域の平面形状の制御性が良い分極反転領域の製造方法、擬似位相整合素子の製造方法、電極、及び電極の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１〜図３の各図は、実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を説明するための図である。この分極反転領域の製造方法は、以下の通りである。まず、強誘電体結晶（強誘電体結晶基板）１００の第１面に、強誘電体結晶１００から独立して形成された第１電極２４０を重ね合わせる。そして、強誘電体結晶基板１００の第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極２２０と、第１電極２４０の間に電圧を印加することにより、強誘電体結晶基板１００に分極反転領域を形成する。第１電極２４０は、導電性の電極用基板２４２と、電極用基板２４２に設けられていて分極反転領域に対応するパターンを有する導電性の電極用凸部２４４とを有する。そして強誘電体結晶基板１００の第１面に第１電極２４０を重ね合わせる工程において、電極用凸部２４４を第１面に押し当てる。なお、この分極反転領域の形成方法は、例えば擬似位相整合素子を形成する工程の一部である。以下、第１電極２４０の製造方法を含めて詳細に説明する。

まず図１（ａ）の断面図に示すように、電極用基板２４２を準備する。電極用基板２４２は、例えばＣｕである。電極用基板２４２の厚さは例えば１ｍｍであるが、これに限定されない。次いで、電極用基板２４２の一面上に絶縁膜３００を形成する。絶縁膜３００は、後述する分極反転領域に対応する開口パターンを有している。絶縁膜３００は、例えばレジスト膜である。この場合、絶縁膜３００の開口パターンは、露光及び現像によって形成される。開口パターンの中心間距離は例えば２７μｍであり、開口パターンの幅は例えば１３．５μｍであるが、これに限定されない。なお、絶縁膜３００としてレジスト膜を用いる場合、ドライフィルムレジストを用いても良い。

次いで図１（ｂ）の断面図に示すように、メッキ液（図示せず）に電極用基板２４２の一面及び絶縁膜３００を接触させ、メッキを行う。メッキは、例えば電解メッキであるが、無電解メッキであってもよい。これにより、絶縁膜３００の開口パターン内には、電極用基板２４２の一面上に位置する複数の電極用凸部２４４が形成される。電極用凸部２４４は、例えばＣｕである。電極用凸部２４４の高さｔ（図２（ａ）参照）は、例えば５μｍ以上８０μｍ以下である。

その後、図２（ａ）の断面図及び図２（ｂ）の平面図に示すように、絶縁膜３００を除去する。このようにして、電極用基板２４２及び複数の電極用凸部２４４を有する第１電極２４０が形成される。電極用基板２４２及び電極用凸部２４４は、平面形状が長方形である。複数の電極用凸部２４４は、電極用基板２４２の長辺方向に周期的に配置されている。電極用凸部２４４は、後述する分極反転領域に対応して配置されており、また短辺が、電極用基板２４２の長辺と平行になっている。

そして図３に示すように、強誘電体結晶基板１００を準備する。強誘電体結晶基板１００は、例えばニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムであり、厚さは例えば０．５ｍｍである。強誘電体結晶基板１００は、例えば強誘電体ウェハである。強誘電体結晶基板１００は、例えばニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの場合、その結晶構造が擬イルメナイト構造（三方晶）を有しており、基板厚み方向が結晶軸のｃ軸方向であれば（表面が＋Ｚ面であり、裏面が−Ｚ面）、結晶軸のａ軸方向は強誘電体結晶基板１００の表面に対して平行になっている。

強誘電体結晶基板１００の裏面には、予め第２電極２２０が、例えばスパッタリング法又は真空蒸着法により形成されている。第２電極２２０は開口部を有しておらず、例えば強誘電体結晶基板１００の裏面の全面に形成されている。第２電極２２０は、例えばＡｌ又はＣｕであるが、他の金属であっても良い。

次いで強誘電体結晶基板１００の表面に、第１電極２４０を、電極用凸部２４４が強誘電体結晶基板１００の表面に対向する方向に重ね合わせ、複数の電極用凸部２４４それぞれを強誘電体結晶基板１００の表面に押し当てる。このとき、第１電極２４０の電極用凸部２４４の短辺が強誘電体結晶基板１００のａ軸と平行になるようにする。このようにすると、複数の電極用凸部２４４が強誘電体結晶基板１００のａ軸に沿って周期的に位置する。

次いで、第１電極２４０と第２電極２２０に高電圧電源５０を接続し、第１電極２４０と第２電極２２０の間に高電圧をパルス印加する。電圧の大きさは、例えば２．２ｋＶであり、パルス幅は、例えば１ｍｓであり、パルス形状は、例えば矩形である。また印加されるパルス数は、例えば１００回である。これにより、強誘電体結晶基板１００には、複数の電極用凸部２４４それぞれの下に位置する分極反転領域１１０が周期的に形成される。分極反転領域１１０の平面形状は、電極用凸部２４４の平面形状と略同じである。なお本図に示す例において、分極反転領域１１０は強誘電体結晶基板１００の第２面にまで到達している。

その後、第１電極２４０を強誘電体結晶基板１００の表面から外し、かつ第２電極２２０をエッチングにより強誘電体結晶基板１００の裏面から除去する。その後、第１電極２４０は再度利用される。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。まず第１電極２４０には電極用凸部２４４が形成されている。本実施形態では、リフトオフ法やエッチング法により電極用凸部２４４を形成する場合と比較して、電極用凸部２４４を高く、例えば５μｍ以上にすることができる。従って、第１電極２４０の電極用凸部２４４を強誘電体結晶基板１００の表面に押し当てたときに、強誘電体結晶基板１００の表面と、第１電極２４０の電極用基板２４２の距離を確保することができ、これにより、電極用基板２４２が直接強誘電体結晶基板１００に電界を与えて強誘電体結晶基板１００を分極反転させることを抑制できる。従って、分極反転領域１１０の平面形状の制御性が良くなる。

また、周期パターンを直接形成する場合は、金属膜形成、パターニング、エッチング、及び剥離などの工程が必要になるが、本実施形態に示した方法は、この方法と比較して必要な工程数が少なくなる。また、第１電極２４０を繰り返し利用することができる。従って、強誘電体結晶基板１００の製造コストを低くすることができる。

また、第１電極２４０を、複数の電極用凸部２４４が強誘電体結晶基板１００のａ軸に沿って周期的に位置するように強誘電体結晶基板１００の第１面に重ね合わせている。第１電極２４０の電極用基板２４２及び電極用凸部２４４はＣｕであり、熱膨張係数が１６．８×１０^−６／Ｋである。一方、強誘電体結晶基板１００のａ軸の熱膨張係数は、ＬｉＮｂＯ_３の場合が１５．９×１０^−６／Ｋであり、ＬｉＴａＯ_３の場合が１６×１０^−６／Ｋである。このように、電極用基板２４２の熱膨張係数は強誘電体結晶基板１００のａ軸の熱膨張率に近いため、分極反転領域１１０を形成する時の雰囲気温度が変わっても、分極反転領域１１０の周期性の精度が低くなることが抑制される。この効果は、本実施形態のように電極用凸部２４４の短辺が強誘電体結晶基板１００のａ軸に平行な場合、特に顕著になる。

また、第１電極２４０の電極用基板２４２をＣｕで形成したため、電極用基板２４２を石英や半導体基板で形成する場合と比較して、第１電極２４０を強誘電体結晶基板１００に押し当てたときに基板が破損することが無いため、第１電極２４０の耐久性は高くなる。また、電極用基板２４２及び電極用凸部２４４の双方を同一の材料で形成したため、第１電極２４０が熱応力によって反ることを抑制できる。

また、電極用凸部２４４の上面、及び強誘電体結晶基板１００の表面は、いずれも完全な平面ではなく、微細な凹凸がある。このため、電極用凸部２４４の上面の全面が強誘電体結晶基板１００の表面に接するのではなく、電極用凸部２４４の上面が島状に強誘電体結晶基板１００の表面に接する。従って、電極端、すなわち電界集中領域が増大し、分極反転の核密度が高くなる。

なお、電極用基板２４２はＣｕでなくてもよく、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉ、及びＴａからなる群から選ばれた少なくとも一つであってもよい。Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉ、及びＴａの熱膨張係数は、それぞれ２３．７×１０^−６／Ｋ、８．４×１０^−６／Ｋ、１４．２×１０^−６／Ｋ、８．５×１０^−６／Ｋ、６．６×１０^−６／Ｋであり、ＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３のａ軸方向の熱膨張係数との差が小さい。このため、電極用基板２４２としてこれらの金属を用いても、上記した効果を得ることができる。

また、電極用凸部２４４もＣｕでなくてもよく、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉ、及びＴａからなる群から選ばれた少なくとも一つであってもよい。この場合においても、上記した効果を得ることができる。

また、上記した実施形態では、メッキ法を用いて電極用凸部２４４を形成していたが、金属型成型やナノインプリント法を用いて電極用凸部２４４を一体形成しても良い。この場合、電極用基板２４２に、凹凸が形成された原版を押し付け、凹凸を電極用基板２４２の表面に転写することにより、電極用凸部２４４が形成される。

また、上記した実施形態では、第２電極２２０をスパッタリング法又は真空蒸着法により強誘電体結晶基板１００の裏面に直接形成していたが、導電性の基板を強誘電体結晶基板１００の裏面に押し当てることにより、第２電極２２０として使用しても良い。この場合、強誘電体結晶基板１００の裏面に電極パターンを直接形成する場合と比較して必要な工程数が少なくなり、かつ第２電極２２０を繰り返し使用することができるため、分極反転領域１１０の製造コストがさらに低くなる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

各図は実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を説明するための断面図である。 （ａ）は実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を説明するための断面図であり、（ｂ）は平面図である。 実施形態にかかる分極反転領域の形成方法を説明するための断面図である。

符号の説明

５０ 高電圧電源
１００ 強誘電体結晶基板
１１０ 分極反転領域
２２０ 第２電極
２４０ 第１電極
２４２ 電極用基板
２４４ 電極用凸部
３００ 絶縁膜

Claims (8)

1. 強誘電体結晶の第１面に、前記強誘電体結晶から独立して形成された第１電極を重ね合わせる工程と、
   前記強誘電体結晶の前記第１面の反対面である第２面上に形成された第２電極と、前記第１電極の間に電圧を印加することにより、前記強誘電体結晶に分極反転領域を形成する工程と、
   を備え、
   前記第１電極は、導電性の電極用基板と、前記電極用基板に設けられていて前記分極反転領域に対応するパターンを有する導電性の電極用凸部と、を有し、
   前記第１面に前記第１電極を重ね合わせる工程において、前記電極用凸部を前記第１面に押し当てる分極反転領域の形成方法。
2. 請求項１に記載の分極反転領域の形成方法において、
   前記電極用凸部は、メッキ法、金属型成型、またはナノインプリント法により前記電極用基板上に形成されている分極反転領域の形成方法。
3. 請求項１または２に記載の分極反転領域の形成方法において、
   前記強誘電体結晶はニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムであり、かつ前記第１面は前記強誘電体結晶の結晶軸のａ軸に平行であり、
   前記電極用凸部は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉ、及びＴａからなる第１群から選ばれた少なくとも一つから形成され、
   前記電極用基板は、前記第１群から選ばれた少なくとも一つから形成され、かつ複数の前記電極用凸部が一方向に沿って周期的に配置されており、
   前記強誘電体結晶に分極反転領域を形成する工程において、前記第１電極を、複数の前記電極用凸部が前記強誘電体結晶の結晶軸のａ軸に沿って周期的に位置するように前記第１面に重ね合わせる分極反転領域の形成方法。
4. 請求項３に記載の分極反転領域の形成方法において、
   前記電極用基板及び前記電極用凸部はＣｕから形成される分極反転領域の形成方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の分極反転領域の形成方法により、強誘電体結晶に複数の前記分極反転領域を周期的に形成する工程を有する擬似位相整合素子の製造方法。
6. 強誘電体結晶に分極反転領域を形成するための電極であって、
   導電性の電極用基板と、
   前記電極用基板に設けられており、前記分極反転領域に対応するパターンを有する導電性の電極用凸部と、
   を備える電極。
7. 請求項６に記載の電極において、
   前記電極用凸部は、メッキ法、金属型成型、またはナノインプリント法により前記電極用基板上に形成されている電極。
8. 強誘電体結晶に分極反転領域を形成するための電極の製造方法であって、
   導電性の電極用基板の一面上に、前記分極反転領域に対応する開口パターンを有する絶縁膜を形成する工程と、
   メッキ液に前記電極用基板の前記一面及び前記絶縁膜を接触させてメッキを行うことにより、前記一面上に、前記開口パターン内に位置する電極用凸部を形成する工程と、
   前記絶縁膜を除去する工程と、
   を備える電極の製造方法。

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