JP2012027182A - 分極反転領域の形成方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気泡の取り込みを低減した絶縁膜を電極上に作成することで、電界が電極周囲に漏れることを防げる分極反転領域の形成方法およびその装置を提供する。
【解決手段】強誘電体結晶基板１の表側に第１電極３を形成し裏側に第２電極４を形成する電極形成工程と、電極形成工程後、強誘電体結晶基板１の表側に絶縁膜２を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜形成工程後、第１電極３と第２電極４の間に電圧を印加する電圧印加工程と、を行い、第１電極３と第２電極４に挟まれた強誘電体結晶基板の領域に分極反転領域を形成する方法において、絶縁膜形成工程は、強誘電体結晶基板１の表側に絶縁材料２を被せたものを真空ラミネートする。
【選択図】図２

Description

本発明は、分極反転領域の形成方法およびその装置に関する。

ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃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。上記技術により、安価なレーザー光源を用いて、より高い周波数のレーザー光を得ることが可能になる。

分極反転領域を形成する方法としては、Ｔｉ拡散法、電子ビーム照射法、電圧印加法などさまざまな手法が研究開発されてきている。特に電圧印加法の進歩は目覚しい（例えば特許文献１）。電圧印加法は、例えば特許文献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。

電圧印加法による分極反転では、電界が電極周囲にも漏れ出し、電極の周囲の広い範囲で分極反転領域が形成されてしまう。これを防止するため、絶縁液体や絶縁樹脂によって電極を覆い、電界の漏れを低減する方法がある（例えば特許文献２ではフロリナートを使用）。

特開２０１０−１３４４２５号公報

徳田勝彦 他８名「ＭｇＯドープＳＬＴ基板を用いた周期分極反転デバイス」、島津評論、２００７年９月２８日発行、Ｖｏｌ．６４、Ｎｏ．１・２、ｐ.１３−２３

電圧印加法によって分極反転領域を形成する場合、電極からの漏れ電界を抑制するために電極周囲を絶縁膜で被覆することが有効であるが、その際、電極と絶縁樹脂膜との間に気泡を取り込むと、気泡での電界漏れによって分極反転領域を高精度に形成することが出来ないということを発明者は見出した。

上記の課題を解決するべく、本発明は、気泡の取り込みを低減した絶縁膜を電極上に作成することで、電界が電極周囲に漏れることを防げる分極反転領域の形成方法およびその装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の分極反転領域の形成方法は、強誘電体結晶基板の表側に第１電極を形成し裏側に第２電極を形成する電極形成工程と、電極形成工程後、強誘電体結晶基板の表側に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜形成工程後、第１電極と第２電極の間に電圧を印加する電圧印加工程と、を行い、第１電極と第２電極に挟まれた強誘電体結晶基板の領域に分極反転領域を形成する方法において、絶縁膜形成工程は、強誘電体結晶基板の表側に絶縁材料を被せたものを真空ラミネートする。

上記方法によれば、強誘電体結晶基板の表側と絶縁膜との間を真空ラミネートにより密着させることができ、第１電極の端に気泡が入ることを低減できる。第１電極の周囲の強誘電体結晶基板と絶縁膜の間に隙間（気泡）が無くなると第１電極の周囲に電界が漏れることを防げるので、分極反転領域の寸法精度を向上できる。

また、上記分極反転領域の形成方法において、電極形成工程は、第１電極が櫛歯状の電極であり、この櫛歯状部分の電極の周期は擬似位相整合を生じる周期で形成されている。
上記の方法によれば、分極反転領域の寸法精度が向上した擬似位相整合素子を製造することができる。

また、本発明に係る分極反転領域形成装置は、強誘電体結晶基板の表側に第１電極を形成し裏側に第２電極を形成する電極形成装置と、強誘電体結晶基板の表側に絶縁膜を形成する絶縁膜形成装置と、第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加する電圧印加装置とを備え、この絶縁膜形成装置は、強誘電体結晶基板の表側に絶縁材料を被せたものを真空ラミネートすることを特徴とする。

上記装置によれば、強誘電体結晶基板の表側と絶縁膜との間を真空ラミネートにより密着させることができ、第１電極の端に気泡が入ることを低減できる。第１電極の周囲の強誘電体結晶基板と絶縁膜の間に隙間（気泡）が無くなると第１電極の周囲に電界が漏れることを防げるので、分極反転領域の寸法精度を向上できる。

また、上記分極反転領域形成装置において、電極形成装置は、第１電極が櫛歯状の電極であり、この櫛歯状部分の電極の周期は擬似位相整合を生じる周期で形成されている。
上記装置によれば、分極反転領域の寸法精度が向上した擬似位相整合素子を製造することができる。

本発明によれば、電圧を印加する電極近傍での気泡発生を抑制し、高精度の分極反転領域を形成することができる。

本発明の第１の実施形態における電圧印加前の強誘電体結晶基板の上面図 本発明の第１の実施形態における電圧印加前の強誘電体結晶基板のＡ−Ａ断面図 比較例１による電圧印加前の強誘電体結晶基板の断面図 比較例２による電圧印加前の強誘電体結晶基板の断面図 本発明の実施例の分極反転の様子を示す断面図 比較例１の分極反転の様子を示す断面図 比較例２の分極反転の様子を示す断面図 本発明に係る分極反転領域の形成方法の概略フロー図 本実施形態に示した分極反転領域の形成方法を行うためのシステム構成を示す図

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。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。

本実施例では強誘電体結晶基板として定比組成のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いた。基板の大きさは、直径３インチ、厚さ０．５ｍｍである。
図１に、本発明の第１の実施形態における電圧印加前の強誘電体結晶基板の上面図を示す。図２に本発明の第１の実施形態における電圧印加前の強誘電体結晶基板のＡ−Ａ断面図を示す。強誘電体結晶基板に第１電極３と第２電極４と絶縁樹脂膜２を形成する各工程のフロー図を図８に示した。

まず、電極形成工程について説明する。強誘電体結晶基板１の第１面側（＋Ｚ面側）と第２面側（−Ｚ面側）のそれぞれの全面に導電膜を形成する。導電膜としては、例えば、クロムと金をこの順に強誘電体結晶基板１へ積層した金属膜である。導電膜の製造方法としては、例えば、真空蒸着法又はスパッタリング法により形成される。ここでは、スパッタリング法を用い、クロム膜を５０ｎｍ、金膜を２００ｎｍ積層した２層構造の金属膜を形成した。その後、第１面側（＋Ｚ面側）の金属膜を、櫛歯状の電極に加工した。その際、櫛歯状部分の各電極間が分極反転周期に対応した周期になるようにした。

その工程の概略を以下に述べる。強誘電体結晶基板１の第１面側（＋Ｚ面側）の金属膜上にフォトレジストをスピンコートで塗布した後、９０℃でプリベークを実施した。その後、露光機によって、このフォトレジスト膜に櫛歯状パターンのフォトマスクを用いて強誘電体結晶基板１の第１面側へ投影しフォトレジスト膜を感光させた。その後、フォトレジスト膜を現像、洗浄、１３０℃でポストベークし、櫛歯状部分が分極反転周期に対応した周期になるレジストパターンを形成した。なお、擬似位相整合を生じる周期に関しては、非特許文献１に記載されている。その後、レジストパターンに覆われていない金属膜部分をエッチングによって除去した。最後に、レジストパターンを剥離して、周期パターンを有する電極３を形成した。本実施例では櫛歯状部分のレジストパターンは、ライン幅約１１μｍ、周期約２７μｍのストライプパターンとした。

次に、電極３を形成した強誘電体結晶基板１に絶縁樹脂膜２を形成する絶縁膜形成工程について説明する。絶縁樹脂膜の素材には感光性のドライフィルムレジストを用い、この強誘電体結晶基板１全体をポリエチレンテレフタレートフィルムで覆うように真空ラミネート装置で加工した。具体的には、電極３が形成された強誘電体結晶基板１の第１面側（＋Ｚ面側）上に強誘電体結晶基板１の全面を覆うドライフィルムレジストを載せ、これらをドライフィルムレジストより大きいポリエチレンテレフタレートフィルムで上下から挟んだ状態にして、真空ラミネート装置で真空引きと加圧を行い、強誘電体結晶基板１にドライフィルムレジストを圧着させた。厚さ約５０μｍのドライフィルムレジスト、厚さ約４０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムを使用した。ラミネート条件としては、例えば温度８０℃、圧力０．３ＭＰａ、加圧時間３０秒である。ラミネートが終了すると、減圧し、大気開放してからポリエチレンテレフタレートフィルムを取り除く。本実施例では、ラミネートするための気密部材としてポリエチレンテレフタレートフィルムを使用したが、気密性を有する他の部材を用いても良い。

上記の工程後には、強誘電体結晶基板１の第１面側（＋Ｚ面側）に全面絶縁樹脂膜が形成されており、電圧印加のための電極を出しておくために、絶縁樹脂膜の一部をそれぞれ除去する必要がある。絶縁樹脂膜の一部を除去するため、絶縁樹脂膜（ドライフィルムレジスト）を所定パターンになるように絶縁樹脂膜を感光させた。なお、ドライフィルムレジストは先のレジストとは異なり、ネガレジストである。その後、絶縁樹脂膜を現像、洗浄した後、紫外線を照射して絶縁樹脂膜を硬化させた。そして、１８０℃でベークした。このようにして、第１電極の一部である第１電極３ａを剥き出しにした。次に、先の加熱乾燥によって絶縁樹脂の蒸気が電極表面に再付着するので、それを酸素プラズマ洗浄で除去した。

この後、電圧印加装置によって第１電極３ａと第２電極４の間に高電圧を印加して、強誘電体結晶１の第１電極３と第２電極４に挟まれた領域を分極反転することで、強誘電体結晶１に周期分極反転構造を形成する。分極反転のための条件としては、第１電極３ａをプラス、第２電極４をマイナスの電位として、３ｋＶを１０ｍｓ、１．５ｋＶを５０ｍｓのパルスシーケンスを１回印加した。

その後、ダイシング装置によってチップ状に分割する。なお、電圧印加工程とダイシング工程の順番は、逆にしても良い。
図９は、本実施形態に示した分極反転領域の形成方法を行うためのシステム構成を示す図である。図９の矢印は、矢印前後の装置間で搬送装置によって強誘電体結晶基板１が搬送されることを示す（以下、強誘電体結晶基板１が各装置間を搬送されることの説明を省略する）。このシステムは、少なくとも電極形成装置１１０、絶縁膜形成装置１３０、及び電圧印加装置１５０を備え、さらに、ダイシング装置１６０を備えることがより望ましい。

まず、電極形成装置１１０について詳細に述べる。電極形成装置１１０は、電極膜形成装置１１１、フォトレジスト膜塗布装置１１２、プリベーク炉１１３、露光装置１１４、現像装置１１５、ポストベーク炉１１６、エッチング装置１１７、及びレジスト剥離装置１１８を備える。電極膜形成装置１１１は、例えば蒸着装置やスパッタリング装置であり、強誘電体結晶基板１の第１面側（＋Ｚ面側）と第２面側（−Ｚ面側）のそれぞれの全面に導電膜を形成する。導電膜は、単層膜であってもよいし、互いに異なる材料を積層させた積層膜であってもよい。後者の場合、この積層膜は、例えばクロムと金をこの順に積層させた金属膜である。フォトレジスト膜塗布装置１１２は、第１電極３と第２電極４となる導電膜上に、フォトレジスト膜をスピンコート法で塗布する。プリベーク炉１１３は、フォトレジスト膜塗布装置１１２で塗布されたフォトレジスト膜を９０℃でプリベークする。

電極膜形成装置をでた強誘電体結晶基板１は、露光装置１１４に搬送装置で搬送される。露光装置１１４は、フォトマスクを用いて、フォトレジスト膜に複数の櫛歯状パターンを感光させる。現像装置１１５は、現像液を保持している容器を有しており、この容器内に強誘電体結晶基板１を所定の間浸漬させることにより、感光後のフォトレジスト膜を現像する。現像後の強誘電体結晶基板１は、純水で洗浄された後、エアーガン又はスピンドライヤーを用いて水分を除去する。ポストベーク炉１１６は、現像装置１１５で処理された後の強誘電体結晶基板１を１３０℃でポストベークし、現像後のフォトレジスト膜を硬化させる。エッチング装置１１７は、エッチング液を保持している容器を有しており、この容器内に強誘電体結晶基板１を所定の間浸漬させることにより、フォトレジスト膜をマスクとして、第１電極３となる導電膜をエッチングする。これにより、第１電極３が形成される。

エッチング後の強誘電体結晶基板１は、純水で洗浄された後、エアーガン又はスピンドライヤーを用いて水分を除去する。また導電膜が、互いに異なる材料を積層させた積層膜である場合、エッチング液が互いに異なる複数のエッチング装置１１７を準備し、複数のエッチング装置１１７それぞれで上記した処理を行なう。レジスト剥離装置１１８は、レジスト剥離液を保持している容器を有しており、この容器内に強誘電体結晶基板１を所定の間浸漬させることにより、フォトレジスト膜を剥離する。フォトレジスト膜を剥離した後の強誘電体結晶基板１は、純水で洗浄された後、エアーガン又はスピンドライヤーを用いて水分を除去する。

次に絶縁膜形成装置１３０について詳細に述べる。絶縁樹脂膜形成装置１３０は絶縁樹脂膜２を形成する装置であり、真空ラミネート装置１３１、露光装置１３２、現像装置１３３、紫外線硬化装置１３４、ポストベーク炉１３５、酸素プラズマ洗浄装置１３６を有している。真空ラミネート装置１３１は、電極が形成された強誘電体結晶基板１にドライフィルムレジスト（感光性）を圧着させる装置である。絶縁樹脂膜の素材には感光性のドライフィルムレジストを用い、この強誘電体結晶基板１全体をポリエチレンテレフタレートフィルムで覆うように真空ラミネート装置で加工した。具体的には、電極３が形成された強誘電体結晶基板１の第１面側（＋Ｚ面側）上に強誘電体結晶基板１の全面を覆うドライフィルムレジストを載せ、これらをドライフィルムレジストより大きいポリエチレンテレフタレートフィルムで上下から挟んだ状態にして、真空ラミネート装置で真空引きと加圧を行い、強誘電体結晶基板１にドライフィルムレジストを圧着させた。厚さ約５０μｍのドライフィルムレジスト、厚さ約４０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムを使用した。ラミネート条件としては、例えば温度８０℃、圧力０．３ＭＰａ、加圧時間３０秒である。ラミネートが終了すると、減圧し、大気開放してからポリエチレンテレフタレートフィルムが除去される。

本実施例では、ラミネートするための気密部材としてポリエチレンテレフタレートフィルムを使用したが、気密性を有する他の部材を用いても良い。露光装置１３２は、フォトマスクを用いて、ドライフィルムレジストに所定のパターンを感光させる。現像装置１３３は、現像液を保持している容器を有しており、強誘電体結晶基板１を自動搬送させながら現像、純水洗浄及び約６０℃で温風乾燥する装置である。紫外線硬化装置１３４は、現像装置１３３で処理された後の強誘電体結晶基板１に紫外線を照射して硬化させる装置である。紫外線の照射時間および照射強度は、使用するドライフィルムレジストの厚さや材質に応じて予め処理条件調査を行って設定する。ポストベーク炉１３５は、紫外線硬化後の強誘電体結晶基板１を熱硬化させる装置である。酸素プラズマ洗浄装置１３６は、ポストベークによって電極上に再付着した絶縁樹脂材料を酸素プラズマによって洗浄する装置である。

電圧印加装置１５０は、強誘電体結晶基板に形成された第１電極と第２電極の間に電圧を印加する装置であり、高電圧電源を有している。電圧印加装置によって第１電極３ａと第２電極４の間に高電圧を印加して、強誘電体結晶１の第１電極３と第２電極４に挟まれた領域を分極反転することで、強誘電体結晶１に周期分極反転構造を形成する。分極反転のための条件としては、第１電極３ａをプラス、第２電極４をマイナスの電位として、３ｋＶを１０ｍｓ、１．５ｋＶを５０ｍｓのパルスシーケンスを１回印加した。

ダイシング装置１６０は、強誘電体結晶基板１の裏面にダイシングテープを貼り付けた後、擬似位相整合素子単位に個片化する。なお、ダイシング装置１６０を用いて強誘電体結晶基板１を個片化した後に電圧印加装置１５０による電圧印加工程を行なっても良い。
（比較例１）
図２のＡ−Ａ断面に相当する部分に関する比較例１の断面図を図３に示す。比較例１として、絶縁樹脂膜が無いものを作製した。絶縁膜形成工程を除いた点以外は上記本発明の実施例と同じ工程を行った。
（比較例２）
図２のＡ−Ａ断面に相当する部分に関する比較例２の断面図を図４に示す。絶縁膜形成工程以外は上記本発明の実施例と同じ工程を行った。絶縁膜形成工程の絶縁膜形成に、ドライフィルムレジストの代わりに、液状の感光性レジストを適用した。液状のレジストのパターニングは、電極形成工程で適用したレジストパターニング手順と同様である。

実施例の分極反転が進行する様子（模式図）を図５に、比較例１、２の電圧印加後の分極反転が進行する様子（模式図）を図６、７に示す。
図６に示すように、比較例１の絶縁樹脂が全く無い場合には、第１電極３と第２電極４間の強誘電体結晶基板１で分極反転が進行すると、第１電極３の端のところでも分極反転が進行し始め、最終的には、電極の無いところでも分極反転して、形状が矩形でない精度の悪いものが形成されてしまう。

図７に示すように、比較例２では絶縁樹脂は形成しているが、真空ラミネート法を用いていないので、電極とレジストの境界で気泡が抜けきれず、その気泡がある領域で電界が漏れ出し、その領域で分極反転が進行してしまい、分極反転領域の幅の精度を低下させてしまう。

一方、本発明の実施例のように真空ラミネート法で絶縁樹脂膜を形成した場合には気泡の発生が低減でき、高精度の分極反転領域を形成することができた。

１ 強誘電体結晶基板
２ 真空ラミネート工程で形成した絶縁樹脂膜
２−２ 真空ラミネート工程を適用しないで形成した絶縁樹脂膜
３ 第１電極
３ａ 第１電極の絶縁樹脂膜に覆われていない部分
３ｂ 第１電極の絶縁樹脂膜に覆われた部分
４ 第２電極
５ 分極反転領域
５−２ 横方向に大きく広がった分極反転領域
６ａ 分極方向
６ｂ 逆の分極方向
７ 気泡
１００ 電極形成装置
１１１ 電極膜形成装置
１１２ フォトレジスト膜塗布装置
１１３ プリベーク炉
１１４ 露光装置
１１５ 現像装置
１１６ ポストベーク炉
１１７ エッチング装置
１１８ レジスト剥離装置
１３０ 絶縁樹脂膜形成装置
１３１ 真空ラミネート装置
１３２ 露光装置
１３３ 現像装置
１３４ 紫外線硬化装置
１３５ ポストベーク炉
１３６ 酸素プラズマ洗浄装置
１５０ 電圧印加装置
１６０ ダイシング装置

Claims (4)

1. 強誘電体結晶基板の表側に第１電極を形成し裏側に第２電極を形成する電極形成工程と、
   前記電極形成工程後、前記強誘電体結晶基板の表側に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記絶縁膜形成工程後、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加する電圧印加工程と、
   を行い、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた強誘電体結晶基板の領域に分極反転領域を形成する方法において、
   前記絶縁膜形成工程は、前記強誘電体結晶基板の表側に絶縁材料を被せたものを真空ラミネートすることを特徴とす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、前記電極形成工程は、前記第１電極が櫛歯状の電極であり、前記櫛歯状部分が擬似位相整合を生じる周期で形成されていることを特徴とする分極反転領域の形成方法。
3. 強誘電体結晶基板の表側に第１電極を形成し裏側に第２電極を形成する電極形成装置と、
   前記強誘電体結晶基板の表側に絶縁膜を形成する絶縁膜形成装置と、
   前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加する電圧印加装置と、
   を備えた分極反転領域形成装置において、
   前記絶縁膜形成装置は、前記強誘電体結晶基板の表側に絶縁材料を被せたものを真空ラミネートすることを特徴とする分極反転領域形成装置。
4. 請求項３に記載の分極反転領域形成装置において、前記電極形成装置は、前記第１電極が櫛歯状の電極であり、前記櫛歯状部分が擬似位相整合を生じる周期で形成されていることを特徴とする分極反転領域形成装置。