JP2014219685A - 光学デバイス、光学デバイスの製造方法および露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体結晶により構成される強誘電体基板に周期分極反転構造が形成される光学デバイスに関し、その強誘電体結晶の薄膜化および周期分極反転構造の高精度化を可能とする。【解決手段】単分極化された強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aと、支持基板１４の一方主面Ｓ1Bとの間に接合部１３を介在させて強誘電体基板１１を支持基板１４で支持しながら一体化しているので、上記した平面研磨処理により強誘電体基板１１、つまり強誘電体結晶を薄膜化することができ、その結果、周期分極反転構造を薄くすることができる。そして、こうして薄膜化された強誘電体基板１１に対し、上記したように電圧印加法により分極反転部を形成する。【選択図】図３

Description

この発明は、周期分極反転構造を有する光学デバイス（以下においては、単に「光学デバイス」という）、該光学デバイスの製造方法および該光学デバイスを使用する露光装置に関するものである。

従来より、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）やリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）などの強誘電体結晶は、光変調や波長変換などの制御を行うことを目的とした光学デバイスへの応用が検討されている。例えば非特許文献１では、周期分極反転構造を有する強誘電体結晶を用いたブラッグ偏向型の光変調器が記載されている。また、例えば非特許文献２では、平面導波路周期分極反転（ＭｇＯ：ＬＮ（ＰＰＭｇＬＮ））を用いた波長変換素子が記載されている。

H.Gnewuch et al "Nanosecond Response of Bragg Deflectors inPeriodically Poled LiNbO3", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 10,NO. 12, DECEMBER 1998 平野嘉仁、"超小型波長変換緑色レーザーとレーザーＴＶ"、応用物理 第７８巻 第１１号（２００９）

ところで、非特許文献１に記載の光変調器では、電気光学効果を利用して光変調が可能となっているが、強誘電体結晶の厚さは３００μｍ程度で分極反転周期が４０μｍと粗く、駆動電圧も２５Ｖ以上要求されているため、高速変調が困難であった。したがって、さらなる高速変調を得るためには、駆動電圧を下げる必要がある。これを達成するアプローチのひとつとして、強誘電体結晶の厚みを薄くする（薄化とも言う）ことが挙げられる。つまり、強誘電体結晶の薄膜化によって強誘電体結晶に電圧を印加する電極間の距離が短縮され、駆動電圧の低下が可能となる。また、波長変換素子においては数μｍ幅の導波路上に分極反転周期３μｍが実現されているが、分極反転構造の作製精度を向上させるとともに、分極反転周期を短縮することにより変換波長の短波長化への対応が望まれている。

周期分極反転構造を形成する方法として電圧印加法（電界印加法、パルス電界印加法などとも言う）が現在主流である。この電圧印加法では、１５０μｍ〜５００μｍの厚みを有する強誘電体結晶の片面に格子状電極を形成し、もう片面に設けた電極との間に材料固有の特性である分極反転電圧を超える高電圧を印加し、分極の向きを反転させて作成する。このため、周期は短いもので３μｍ程度であり、また広い面積にわたり均一な精度を保つことは極めて困難である。

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、強誘電体結晶により構成される強誘電体基板に周期分極反転構造が形成される光学デバイスに関し、その強誘電体結晶の薄膜化および周期分極反転構造の高精度化を可能とする技術を提供することを目的とする。

本発明にかかる光学デバイスの第１態様は、上記目的を達成するため、第１分極方向と、第１分極方向とは反対方向の第２分極方向に周期的に分極した周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板と、支持基板と、強誘電体基板の一方主面と、強誘電体基板の一方主面と対向する支持基板の一方主面とに挟まれて強誘電体基板を支持基板で支持しながら一体化させる接合部と、を備え、接合部は、強誘電体基板の一方主面に形成された第１金属層と、支持基板の一方主面に形成された第２金属層とを接合させた導電層であり、第１金属層および第２金属層には、周期分極反転構造における第１分極方向に分極した部分の周期と一致するパターンが形成される、ことを特徴としている。

また、本発明にかかる光学デバイスの製造方法の第１態様は、上記目的を達成するため、強誘電体結晶により構成された強誘電体基板の一方主面と、支持基板の一方主面との間に導電性の接合部を介在させて強誘電体基板を支持基板で支持しながら一体化させる第１工程と、強誘電体基板の他方主面に周期パターンを有するパターン電極を形成する第２工程と、パターン電極と接合部との間で電圧を印加して分極反転部を強誘電体基板に周期的に形成する第３工程とを備え、第１工程は、強誘電体基板の一方主面に周期パターンと対応するパターンを有する第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、支持基板の一方主面に周期パターンと対応するパターンを有する第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、第１金属層のパターンの凸部と、第２金属層の凸部とを接合して、接合部を形成することで、強誘電体基板を支持基板で支持しながら一体化させる一体化工程と、を有する、ことを特徴としている。

また、本発明にかかる光学デバイスの第２態様は、上記目的を達成するため、第１分極方向と、第１分極方向とは反対方向の第２分極方向に周期的に分極した周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板と、支持基板と、強誘電体基板の一方主面に形成された絶縁層と、絶縁層と、絶縁層の一方主面と対向する支持基板の一方主面とに挟まれて、絶縁層を介して強誘電体基板を支持基板で支持しながら一体化させる接合部と、を備え、接合部は、絶縁層の一方主面に形成された第１金属層と、支持基板の一方主面に形成された第２金属層とを接合させた導電層であり、第１金属層および第２金属層には、周期分極反転構造における第１分極方向に分極した部分の周期と一致するパターンが形成されることを特徴としている。

また、本発明にかかる光学デバイスの製造方法の第２態様は、上記目的を達成するため、強誘電体結晶により構成された強誘電体基板の一方主面と、支持基板の一方主面との間に導電性の接合部を介在させて強誘電体基板を支持基板で支持しながら一体化させる第１工程と、強誘電体基板の他方主面に周期パターンを有するパターン電極を形成する第２工程と、パターン電極と接合部との間で電圧を印加して分極反転部を強誘電体基板に周期的に形成する第３工程とを備え、第１工程は、強誘電体基板の一方主面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、絶縁層の一方主面に周期パターンと対応するパターンを有する第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、支持基板の一方主面に周期パターンと対応するパターンを有する第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、第１金属層のパターンの凸部と、第２金属層の凸部とを接合して、接合部を形成することで、絶縁層を介して強誘電体基板を支持基板で支持しながら一体化させる一体化工程と、を有する、ことを特徴としている。

このように構成された発明（光学デバイスおよびその製造方法）では、周期分極反転構造を有する強誘電体基板が接合部を介して支持基板で支持されるため、周期分極反転構造を有する強誘電体結晶の薄膜化が可能となる。また、周期分極反転構造を高精度に製造することが可能となる。したがって、例えば上記光学デバイスを用いて光変調器を構成した場合、周期分極反転構造を有する強誘電体結晶の結晶厚が薄いため、電極間距離が短く駆動電圧を低く抑えることができ、これによって高速変調が可能となっている。また、例えば上記光学デバイスを用いた波長変換素子では、薄膜化によって短い周期の分極反転構造の作製が可能となり、変換波長を更に短くすることができる。また、高精度な周期分極反転構造、つまり均一で、周期バラツキの少ない周期分極反転構造が得られるため、変換効率を向上させることができる。さらに、分極反転構造を形成するための印加電圧をより低くできるため、安全に作業ができる。

ここで、接合部については、第１態様では、強誘電体基板の一方主面に形成された第１金属層と、支持基板の一方主面に形成された第２金属層とを接合させて作製されており、第２態様では、強誘電体基板の一方主面に絶縁層を介して形成された第１金属層と、支持基板の一方主面に形成された第２金属層とを接合させて作製されている。これによって強誘電体基板と支持基板との接合強度を高めることができる。

また、光学デバイスおよび光学デバイスの製造方法の第２態様では、強誘電体基板の一方主面と接合部との間に絶縁層を介挿させているため、強誘電体基板と接合部との間にリーク電流が流れるのを防止することができる。このことは、いわゆる電圧印加法により分極反転構造を作製する場合、特に有利に作用する。なお、この作用効果については後の実施形態で詳しく説明する。

また、上記のように一方主面に絶縁層（第１絶縁層）が設けられた強誘電体基板に対して、その他方主面に絶縁層（第２絶縁層）を形成してもよい。この場合、これら２つの絶縁層で挟まれた領域がステップインデックス型導波路となる。また、強誘電体基板の一方主面の表面近傍および他方主面の表面近傍のうち少なくとも一方にプロトン交換導波路を形成してもよい。

また、光学デバイスにおいては、導電層では、第１電極層と、第２電極層とが、アルゴン高速原子ビームを照射することで接合されても良く、光学デバイスの製造方法においては、一体化工程は、アルゴン高速原子ビームを照射することで、第１金属層のパターンの凸部と、第２金属層の凸部とを活性化させる活性化工程を有しても良い。

また、上記のように構成された光学デバイスを用いて光変調器を構成し、露光装置に適用することも可能である。すなわち、光源から出射される光を光変調器で変調した変調光を光学系により被露光面に照射して露光する露光装置において、光変調器が、上記光学デバイスと、強誘電体基板の他方主面側に配置された複数の電極と、複数電極と接合部との間での電界発生をそれぞれ制御して強誘電体基板内での回折効率を変調させる変調部とを有するように構成してもよい。また、光変調器に適用するのに好適な光学デバイスの一態様としては、例えば強誘電体基板の他方主面に形成された複数の電極をさらに備え、複数の電極と接合部との間に電界が発生させられると、周期分極反転構造内での回折効率が変調されるように構成したものがある。すなわち、このように構成された光学デバイスは光変調器の光変調素子として機能する。

また、支持部材の材料や構造などに関しては任意であるが、強誘電体基板の強誘電体結晶と同一の結晶で構成したり、支持基板を構成する結晶の結晶方位の絶対値が強誘電体基板の強誘電体結晶の結晶方位の絶対値と一致するように構成したりしてもよい。そこで、光学デバイスの製造方法においては、支持基板は、強誘電体基板の強誘電体結晶と同一の結晶で構成され、一体化工程は、支持基板と、強誘電体基板との結晶方位の絶対値を互いに一致させながら、第１金属層と第２金属層とを接合するようにしても良い。

なお、光学デバイスの光変調器や波長変換素子への適用を考慮すると、強誘電体基板の強誘電体結晶としては、厚さ０．１μｍないし２００μｍが好適である。この際、光学デバイスにおいては、支持基板を強誘電体基板よりも厚く構成しても良く、光学デバイスの製造方法においては、支持基板と一体化された強誘電体基板の他方主面側表面領域を除去して強誘電体結晶の厚みを０．１μｍないし２００ μｍに調整する第４工程をさらに備えても良い。

また、強誘電体基板の他方主面に形成された複数の電極をさらに備え、複数の電極と接合部との間に電界が発生させられると、周期分極反転構造内での回折効率が変調されるように、光学デバイスを構成しても良い。

以上のように、本発明によれば、強誘電体結晶により構成される強誘電体基板が接合部によって支持基板と接合されるとともに、その強誘電体基板に周期分極反転構造が形成されている。したがって、強誘電体結晶を薄くすることができ、しかも高精度な周期分極反転構造が得られる。

本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態を示す断面図である。 図１に示す光学デバイスの製造方法を示す図である。 図１に示す光学デバイスの製造方法を示す図である。 図１に示す光学デバイスの製造方法を示す図である。 本発明にかかる光学デバイスの第２実施形態を示す断面図である。 図５に示す光学デバイスの製造方法を示す模式図である。 本発明にかかる光学デバイスの第３実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる光学デバイスの第４実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる光学デバイスの第５実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる光学デバイスを適用した光変調器を装備したパターン描画装置を示す斜視図である。 図１０に示すパターン描画装置の側面図である。 図１０のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。 光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図である。 図１の光学デバイスを適用した空間光変調器の一例を示す図である。 図１の光学デバイスを適用した空間光変調器の他の例を示す図である。 図１の光学デバイスを適用した波長変換素子の一例を示す図である。 図１の光学デバイスを適用した波長変換素子の他のを示す図である。

＜第１実施形態＞
図１は本発明にかかる光学デバイスの第１実施形態を示す断面図である。この光学デバイス１Ａは、周期分極反転構造を有する（Periodically Poled）強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１を有しており、ＳｉＯ_２などの絶縁層１２および４層構造の接合部１３を介して強誘電体基板１１を支持基板１４で支持している。この実施形態では、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したリチウムナイオベート（MgO：Lithium Niobate）やストイキオメトリリチウムタンタレート（MgO：Stoichiometric Lithium Tantalate）の単結晶基板に対して後述する処理を加えることで、周期分極反転構造を有する強誘電体基板１１が薄膜状に形成されている。以下においては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したリチウムナイオベートを「MgO：ＬＮ」と称し、そして、ストイキオメトリリチウムタンタレートを「ＭｇＯ：ＳＬＴ」と称する。この強誘電体基板１１の下面に対して絶縁層１２が全面均一に形成されている。さらに、絶縁層１２にクロム（Ｃｒ）膜１３ａおよび金（Ａｕ）膜１３ｂがこの順序で形成されており、これらクロム膜１３ａおよび金膜１３ｂにより２層構造の第１金属層が形成されている。

また、支持基板１４は、周期分極反転構造を有する強誘電体基板１１よりも厚肉の板状部材であり、本実施形態では強誘電体基板１１と同一組成で、かつ結晶方位の絶対値が強誘電体基板１１と一致するＭｇＯ：ＬＮやＭｇＯ：ＳＬＴの単結晶基板で構成されている。なお、第１実施形態では、図１に示すように、支持基板１４は強誘電体基板１１よりも長尺状に形成されているが、これは後述する方法で光学デバイス１Ａを製造する際の合理性や後で説明するように光変調器として利用する際の合理性を考慮したものであり、基板形状はこれに限定されるものではなく、任意であり、例えば後の第３実施形態ないし第５実施形態のように強誘電体基板１１と同一形状に仕上げてもよいことはいうまでもない。また、支持基板１４を構成する材料や組成などについても任意である。ただし、第１実施形態のように支持基板１４を強誘電体基板１１と同一結晶で構成することは、耐環境性能を向上させることができ、好適である。この点に関しては、後で説明する光学デバイスについても同様である。

このように構成された支持基板１４の上面に対してクロム（Ｃｒ）膜１３ｄが全面均一に形成され、さらにクロム膜１３ｄの上面に金（Ａｕ）膜１３ｃが全面均一に形成されている。このようにクロム膜１３ｄおよび金膜１３ｃで構成された２層構造の第２金属層が支持基板１４の上面に形成されている。そして、この第２金属層を構成する金膜１３ｃがが上記第１金属層を構成する金膜１３ｂと互いに接合されて４層構造の接合部１３が形成され、これによって強誘電体基板１１が支持基板１４と一体化されている。なお、その詳しい形状や接合状態などについては、次に説明する製造方法を参照しつつ詳述する。

図２ないし図４は図１に示す光学デバイスの製造方法を示す図である。なお、図３中の上段図面は上方から見た平面図であり、下段図面は平面図のＡ−Ａ線断面図である。また、図４中の上段図面は上方から見た平面図であり、下段図面は平面図の断面図である。本実施形態では、まず単分極化されたＭｇＯ：ＬＮやＭｇＯ：ＳＬＴの単結晶ウエハから支持基板１４と同一サイズを有する短冊状のチップＣＡ、ＣＢをそれぞれ強誘電体基板１１および支持基板１４の原材料として切り出す。このとき、各チップＣＡ、ＣＢに対して結晶方位を示す切欠部をマーカーとして設ける。そして、チップＣＡの一方主面Ｓ1Aを上方に向けるとともに、チップＣＢの一方主面Ｓ1Bを上方に向けた状態で、各チップＣＡ、ＣＢを治具に装着する。そして、チップＣＡの一方主面Ｓ1Aに対してのみ絶縁層１２を形成する。それに続いて、スパッタリング処理により、チップＣＡの絶縁層１２、チップＣＢの一方主面Ｓ1Bの各々に、クロム膜および金膜をこの順序で形成する。こうして、チップＣＡでは、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1A上に絶縁層１２、クロム膜１３ａおよび金膜１３ｂが形成されると同時に、チップＣＢでは支持基板１４の一方主面Ｓ1B上にクロム膜１３ｄおよび金膜１３ｃが形成される（図２（ａ））。なお、この第１実施形態では、クロム膜および金膜をスパッタリング処理により形成しているが、蒸着処理などの方法により形成してもよい。

次に、治具からチップＣＡ、ＣＢを取り出した後、金膜１３ｂ、１３ｃにアルゴン高速原子ビーム（ＦＡＢ；Fast Atom Beam）を照射してチップ表面を活性化する。そして、チップＣＡを上下反転させ、チップＣＡの金膜１３ｂをチップＣＢの金膜１３ｃに対向させながら密着させてチップＣＢ上にチップＣＡを積層させて接合する（図２（ｂ））。このＦＡＢ接合によって４層構造の接合部１３が形成されてチップＣＡ、ＣＢが一体化される。このとき、同図（ｂ）に示すように、チップＣＡ、ＣＢの長手方向（図面中の左右方向）においてチップＣＡ、ＣＢを互いに距離Ｗだけずらして上下方向に積層配置している。なお、ＦＡＢ接合に限らず、酸素プラズマ親水化処理等による接合でもよい。また、半田付けによる接合でもよい。

こうしてチップＣＢと一体化されたチップＣＡの他方主面、つまり強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aを平面研磨して強誘電体基板１１を薄膜化する（図２（ｃ））。後述するように光学デバイス１Ａを光変調器や波長変換素子に適用することを考慮すると、０．１μｍ〜２００μｍの厚さまで薄膜化するのが望ましい。この点については、後で説明する他の実施形態も同様である。

このように第１実施形態では、強誘電体基板１１を絶縁層１２および接合部１３を介して支持基板１４と一体化しているため、強誘電体基板１１を高精度に、しかも所望膜厚まで容易に薄膜化することができる。また、研磨後の強誘電体基板１１と支持基板１４の厚みを比較すると、当然のことながら支持基板１４はウエハと同一厚さであり、研磨後の強誘電体基板１１に比べて十分に厚く、薄膜化された強誘電体基板１１を強固に支持可能となっている。

そして、チップＣＢから長手方向に飛び出したチップＣＡの端部１１ａを取り除いてチップＣＢの端面に揃えた（図２（ｄ））後、凹部１５ａが周期的に複数個設けられたレジスト層１５を強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2A上に形成する（図３（ａ））。より具体的には、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aにフォトレジスト膜を全面塗布した後、いわゆる写真製版法によりフォトレジスト膜をパターニングする。こうして、第１実施形態では、フォトレジスト膜のうち強誘電体基板１１に形成すべき分極反転部分に対応する領域に幅方向（図３上段図面における上下方向）に延びる凹部１５ａが複数本形成されたパターンを、レジスト層１５に形成している。

次に、パターニングされたレジスト層１５上にクロム膜１６をスパッタリング処理（あるいは蒸着処理）により形成する。これによりクロム膜１６の一部は凹部１５ａに入り込んで強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2A上に位置する。また、このクロム膜１６上に金膜１７をスパッタリング処理（あるいは蒸着処理）により全面形成する（図３（ｂ））。こうして、分極反転を予定している強誘電体基板１１の領域上にクロム膜１６を介して金膜１７が電気的に接続される。このようにレジスト層１５によりクロム膜１６を介して金膜１７が強誘電体基板１１と電気的に接続される領域が周期パターン化されており、クロム膜１６および金膜１７が本発明の「パターン電極」として機能する。さらに、この強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2A側で露出した部分（強誘電体基板１１、レジスト層１５および金膜１７）に保護用のレジスト層１８を塗布する（図３（ｃ））。

それに続いて、いわゆる電圧印加法によって強誘電体基板１１のうちレジスト層１５の凹部１５ａに対応する領域を分極反転させる。この実施形態では、シリコンオイルが貯留された処理容器ＴＢに図３（ｃ）に示す構造体１０を浸漬させた状態で、プローブＰＢ１、ＰＢ２をそれぞれ強誘電体基板１１上の金膜１７および接合部１３の金膜１３ｃに電気的に接続し、高圧電源ＰＳにより両プローブＰＢ１、ＰＢ２間に高電圧を印加することで、パターン電極（クロム膜１６および金膜１７）と接合部１３との間で電界を発生させて強誘電体基板１１の強誘電体結晶中に周期的な分極反転部１１ｂを形成する（図４）。こうして、強誘電体基板１１に周期分極反転構造が形成される。なお、周期分極反転構造の形成後においては、光学デバイス１Ａを処理容器ＴＢから取り出し、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aからレジスト層１５、クロム膜１６、金膜１７および保護用レジスト層１８を取り除く。こうして、図１に示す光学デバイス１Ａが得られる。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、単分極化された強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aと、強誘電体基板１１よりも厚い支持基板１４の一方主面Ｓ1Bとの間に絶縁層１２および接合部１３を介在させて強誘電体基板１１を支持基板１４で支持しながら一体化しているので、上記した平面研磨処理により強誘電体基板１１、つまり強誘電体結晶を薄膜化したとしても、強誘電体結晶をしっかりと支持固定することができる。したがって、第１実施形態では、強誘電体結晶を０．１μｍ〜２００μｍ程度の厚みにまで薄くすることができる。

また、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aに形成された第１金属層（クロム膜１３ａ＋金膜１３ｂ）と、支持基板１４の一方主面Ｓ2Aに形成された第２金属層（金膜１３ｃ＋クロム膜１３ｄ）とを接合させて接合部１３を作製しているため、強誘電体基板１１と支持基板１４とを強固に接合して一体化させることができる。

また、強誘電体基板１１の一方主面S1Aと、接合部１３との間に絶縁層１２が介在しているため、図４に示すように電圧印加法により分極反転構造を確実に作製することができる。すなわち、ＭｇＯ：ＬＮやＭｇＯ：ＳＬＴの単結晶基板で構成された強誘電体基板１１は、ＭｇＯドープにより光損傷耐性が高いものの、電圧が印加されると、誘電体であるにもかかわらず、僅かにリーク電流が発生し、電圧印加法による分極反転部１１ｂを形成することができない。そこで、絶縁層１２を設けることでリーク電流の発生を抑え、強誘電体基板１１への分極反転部１１ｂの形成を確実なものとしている。

さらに、第１実施形態では、強誘電体基板１１を薄膜化した上で電圧印加法により周期分極反転構造を形成しているので、分極反転周期の短縮が可能となるとともに、高精細・高精度な分極反転構造が得られる。というのも、周期分極反転構造を電圧印加法により作製する場合、分極の周期に対して作製可能な分極の深さが決まるからである。すなわち、分極反転周期をＡ、深さをｄとすると、その比ｄ/Ａは最大５０までの範囲であれば加工ができ、比が小さいほど高精度な加工が可能であるとされている。また、強誘電体結晶の厚さが１５０μｍ以上あれば、強誘電体結晶の機械的な強度も十分に保たれ、一方主面Ｓ1A側に設けた電極（上記実施形態では「接合部１３」がこれに相当）と、他方主面Ｓ2A側に設けた電極（上記実施形態ではパターン電極（クロム膜１６および金膜１７）がこれに相当）への電圧印加が無理なくでき、周期Ａ＝３μｍ程度の周期分極反転が可能である。したがって、強誘電体基板１１の薄膜化の進行に伴って、上記した周期と深さの関係から分極反転周期を更に短く、また、加工精度を向上させることができる。なお、このような特徴を有する光学デバイス１Ａを光変調器や波長変換素子に適用することで優れた特有の作用効果が得られる。これらの点に関しては、後の「光学デバイスを用いた光変調器」および「光学デバイスを用いた波長変換素子」の項で詳述する。

このように第１実施形態では、レジスト層１５に形成された凹部１５ａの配設パターンが本発明の「周期パターン」に相当する。また、絶縁層１２が本発明の「第１絶縁層」に相当する。

＜第２実施形態＞
図５は本発明にかかる光学デバイスの第２実施形態を示す断面図であり、同図（ａ）が全体構成を示す図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の破線部分の拡大模式図である。また、図６は図５に示す光学デバイスの製造方法を示す模式図であり、第２実施形態における特徴的な製造工程のみを図示している。第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は接合部１３の構成であり、その他の構成は第１実施形態と同一である。したがって、同一構成に関しては同一符号を付して説明を省略する。

第２実施形態では、第１金属層を構成するクロム膜１３ａおよび金膜１３ｂがレジスト層１５に形成された凹部１５ａの配設パターン、つまり分極反転部１１ｂの形成パターンにパターニングされている。一方、第２金属層を構成する金膜１３ｃおよびクロム膜１３ｄでは、チップＣＢに対してチップＣＡが積層されない領域（図５および図６の右側領域）を除き第１金属層と同様にパターニングされている。そして、図５（ｂ）に示すように、パターニングされた金膜１３ｂ、１３ｃ同士が一対となるように、両金属層が接合されて接合部１３が形成されている。以下、図６を参照しつつ図５の光学デバイス１Ｂの製造方法について説明する。なお、図６における接合部１３のサイズは図５のそれと大きく相違しているが、これは図５の光学デバイス１Ｂ光学デバイス１Ｂの製造方法を明確にするために接合部１３の構成を他の構成に比べて拡大したためであり、本質的には図５の構成と同一である。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様にして、チップＣＡ側では強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1A上に絶縁層１２、クロム膜１３ａおよび金膜１３ｂを形成するとともに、チップＣＢ側では支持基板１４の一方主面Ｓ1B上にクロム膜１３ｄおよび金膜１３ｃを形成する。そして、写真製版法により分極反転部１１ｂのパターンと一致するようにポジパターンを、チップＣＡのクロム膜１３ａおよび金膜１３ｂを形成するとともに、チップＣＢの一方主面Ｓ1B上にクロム膜１３ｄおよび金膜１３ｃを形成する（図６（ａ））。なお、少なくともチップＣＢ側のクロム膜１３ｄおよび金膜１３ｃのうち、パターニングされたパターニング領域（図５（ａ）の左手側領域）と、パターニングされずに膜状態のまま残された非パターニング領域（図５（ａ）の右手側領域）とは電気的に接続されており、後述するように非パターニング領域にプローブＰＢ２を接触させて所定電位を印加すると、パターニング領域に同電位となるように構成されている。

そして、パターニングされた金膜１３ｂ、１３ｃにアルゴン高速原子ビームを照射してチップ表面を活性化した後、チップＣＡを上下反転させ、同一パターンを有する金膜１３ｂ、１３ｃを一対に対向させながら密着させてチップＣＢ上にチップＣＡを積層させて接合する（図６（ｂ））。このＦＡＢ接合によって４層構造の接合部１３が形成されてチップＣＡ、ＣＢが一体化される。

それに続いて、第１実施形態と同様に、平面研磨による薄膜化処理およびチップＣＡの端部除去処理を行った後、パターニングされたレジスト層１５、クロム膜１６および金膜１７を形成してパターン電極を形成する。さらに、保護用のレジスト層１８を塗布する。そして、こうして形成された構造体１０を、同図（ｃ）に示すように、シリコンオイルが貯留された処理容器ＴＢに浸漬させた状態で、プローブＰＢ１、ＰＢ２をそれぞれ強誘電体基板１１上の金膜１７および金膜１３ｃの非パターニング領域に電気的に接続し、高圧電源ＰＳにより両プローブＰＢ１、ＰＢ２間に電圧を印加することで、パターン電極（クロム膜１６および金膜１７）と接合部１３のパターニング領域との間で電界を発生させて強誘電体基板１１の強誘電体結晶中に周期的な分極反転部１１ｂを形成する。

以上のように、第２実施形態の光学デバイス１Ｂにおいても、第１実施形態と同様に、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aと、強誘電体基板１１よりも厚い支持基板１４の一方主面Ｓ1Bとの間にパターニングされた接合部１３を介在させて強誘電体基板１１を支持基板１４で支持しながら一体化しているので、上記した平面研磨処理により強誘電体基板１１、つまり強誘電体結晶を薄膜化することができる。また、接合部１３を分極反転部１１ｂのパターンにパターニングしているので、次の作用効果が得られる。つまり、電圧を印加した際、電気力線が真っ直ぐに強誘電体基板１１の強誘電体結晶に作用して良好な分極反転構造が形成される。

なお、上記第１実施形態および第２実施形態では、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aに絶縁層１２を形成しているが、図１や図５に示す光学デバイスを構成する強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aに絶縁層を形成し、これら２つの絶縁層で強誘電体基板１１を挟み込んで、いわゆるステップインデックス型の導波路を形成してもよい。これによって、導波路内で光を封じ込めながら伝播させることができるため、強誘電体基板１１内での光の損失を低減させることができる。また、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aから一方主面Ｓ1Aに向かう厚さ方向の一部にプロトン交換導波路を設けてもよく、これによって導波路内で光が封じ込められて伝播するため、上記と同様に、強誘電体基板１１内での光の損失を低減させることができる。

また、上記第１実施形態および第２実施形態では、ＭｇＯ：ＬＮやＭｇＯ：ＳＬＴの単結晶基板で構成された強誘電体基板１１を用いて光学デバイス１Ａ、１Ｂを構成しているが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したリチウムタンタレート（MgO：Lithium Tantalate）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したストイキオメトリリチウムナイオベート（MgO：Stoichiometric Lithium Niobate）で強誘電体基板１１を構成してもよい。

また、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が添加されていない、リチウムタンタレート（Lithium Tantalate）、ストイキオメトリリチウムタンタレート（Stoichiometric Lithium Tantalate）、リチウムナイオベート（Lithium Niobate）、ストイキオメトリリチウムナイオベート（Stoichiometric Lithium Niobate）で強誘電体基板１１を構成してもよい。また、これらの強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aの表面近傍および他方主面Ｓ2Aの表面近傍のうち少なくとも一方にプロトン交換導波路を形成しておき、強誘電体基板１１内での光の損失を低減させてもよい。ただし、これらの実施形態では、ＭｇＯが添加されていないことから分極反転構造形成の時に高電圧を印加してもリーク電流の発生はないので、絶縁層１２の形成は不要である。なお、その他の構成や製造方法は同一である。

＜第３実施形態＞
図７は本発明にかかる光学デバイスの第３実施形態を示す断面図である。この第３実施形態にかかる光学デバイス１Ｃは、同図（ｄ）に示すように、周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１と、強誘電体基板１１よりも厚い支持基板１４とを４層構造の接合部１３を介して接合して一体化したものであり、以下のようにして製造される。

この第３実施形態では、周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１と支持基板１４とを準備する。なお、第３実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態と同様に、支持基板１４を強誘電体基板１１と同一組成で、かつ結晶方位の絶対値が強誘電体基板１１と一致する強誘電体結晶で構成している。そして、スパッタリング処理また蒸着処理により、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1A上にクロム膜１３ａおよび金膜１３ｂをこの順序で積層して第１金属層を形成するとともに支持基板１４の一方主面Ｓ1B上にクロム膜１３ｄおよび金膜１３ｃをこの順序で積層して第２金属層を形成する（図７（ａ））。

そして、金膜１３ｂ、１３ｃにアルゴン高速原子ビームを照射してチップ表面を活性化する。さらに、強誘電体基板１１と第１金属層とからなるチップＣＡを上下反転させた後、支持基板１４と第２金属層とからなるチップＣＢ上にチップＣＡを積層させて接合する（図７（ｂ））。このＦＡＢ接合によって４層構造の接合部１３が形成されてチップＣＡ、ＣＢが一体化される。なお、第３実施形態では、両チップＣＡ、ＣＢがぴったり一致するように重ね合わせている。

こうしてチップＣＢと一体化されたチップＣＡの他方主面、つまり強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aを平面研磨して強誘電体基板１１を所望厚さ（厚さ０．１μｍ〜２００μｍ）まで薄膜化する（図７（ｃ））。さらに、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aから一方主面Ｓ1Aに向かう厚さ方向の一部にプロトン交換導波路１９を設け、当該導波路１９内で光を封じ込めながら強誘電体基板１１を伝播させて光損失の低減を図っている。こうして製造された光学デバイス１Ｃが本発明の第３実施形態である。

以上のように、第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aと、強誘電体基板１１よりも厚い支持基板１４の一方主面Ｓ1Bとの間に接合部１３を介在させて強誘電体基板１１を支持基板１４で支持しながら一体化しているので、上記した平面研磨処理により強誘電体基板１１、つまり強誘電体結晶を薄膜化することができる。

＜第４実施形態＞
図８は本発明にかかる光学デバイスの第４実施形態を示す断面図である。この第４実施形態にかかる光学デバイス１Ｄが第３実施形態と大きく相違する点は導波路の形態である。つまり、第４実施形態では、周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１をＳｉＯ_２などの絶縁層で挟み込んでステップインデックス型の導波路を形成している。なお、その他の構成および作用効果は第３実施形態と同一である。以下、同図を参照しつつ光学デバイス１Ｄの製造方法について説明する。

この第４実施形態では、周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１と支持基板１４とを準備する。そして、強誘電体基板１１では、スパッタリング処理により一方主面Ｓ1A上にＳｉＯ_２の絶縁層１２ａを形成した後、スパッタリング処理また蒸着処理により絶縁層１２ａ上にクロム膜１３ａおよび金膜１３ｂをこの順序で積層して第１金属層を形成する。一方、支持基板１４では、第３実施形態と同様にして、支持基板１４の一方主面Ｓ1B上にクロム膜１３ｄと金膜１３ｃとを積層させた第２金属層を形成する（図８（ａ））。

そして、第３実施形態と同様に、金膜１３ｂ、１３ｃにアルゴン高速原子ビームを照射してチップ表面を活性化し、さらに強誘電体基板１１、絶縁層１２ａおよび第１金属層とからなるチップＣＡを上下反転させた後、支持基板１４と第２金属層とからなるチップＣＢ上にチップＣＡを積層させて接合する（図８（ｂ））。このＦＡＢ接合によって４層構造の接合部１３が形成されてチップＣＡ、ＣＢが一体化される。

これに続いて、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aを平面研磨して強誘電体基板１１を所望厚さ（厚さ０．１μｍ〜２００μｍ）まで薄膜化する（図８（ｃ））。さらに、研磨後の強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2A上に、スパッタリング処理によりＳｉＯ_２の絶縁層１２ｂを堆積させてステップインデックス型の導波路を形成する（図８（ｄ））。こうして製造された光学デバイス１Ｄが本発明の第４実施形態である。

＜第５実施形態＞
図９は本発明にかかる光学デバイスの第５実施形態を示す断面図である。この第５実施形態にかかる光学デバイス１Ｅが第４実施形態と大きく相違する点は導波路の形態である。つまり、第５実施形態では、強誘電体基板１１と支持基板１４との接合前に強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aから一方主面Ｓ1Aに向かう厚さ方向の一部にプロトン交換導波路１９を形成しており、上記接合後の平面研磨処理によって強誘電体基板１１が薄膜化された後にもプロトン交換導波路１９が強誘電体基板１１に残存するように構成されている。なお、その他の構成および作用効果は第３実施形態や第４実施形態と同一である。以下、同図を参照しつつ光学デバイス１Ｅの製造方法について説明する。

この第５実施形態では、周期分極反転構造を有するとともに、少なくとも一方主面Ｓ1A近傍にプロトン交換導波路１９が設けられた強誘電体結晶により構成された強誘電体基板１１と支持基板１４とを準備する。そして、第４実施形態と同様にして、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1Aに対して絶縁層１２ａ、クロム膜１３ａおよび金膜１３ｂをこの順序で積層して第１金属層を形成する一方、支持基板１４の一方主面Ｓ1Bに対してクロム膜１３ｄと金膜１３ｃとを積層させた第２金属層を形成する（図９（ａ））。

そして、上記実施形態と同様に、金膜１３ｂ、１３ｃにアルゴン高速原子ビームを照射してチップ表面を活性化し、さらに強誘電体基板１１、絶縁層１２ａおよび第１金属層とからなるチップＣＡを上下反転させた後、支持基板１４と第２金属層とからなるチップＣＢ上にチップＣＡを積層させて接合する（図９（ｂ））。このＦＡＢ接合によって４層構造の接合部１３が形成されてチップＣＡ、ＣＢが一体化される。これに続いて、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aを平面研磨して強誘電体基板１１を所望厚さ（厚さ０．１μｍ〜２００μｍ）まで薄膜化する（図９（ｃ））。こうして製造された光学デバイス１Ｅが本発明の第５実施形態である。

＜光学デバイスを用いた光変調器＞
本発明にかかる光学デバイスでは上記した特徴を有しているため、光変調器に適用することで優れた作用効果が得られる。そこで、例えば図１の光学デバイス１Ａを適用した光変調器の構成および動作を、光変調器を装備する露光装置およびパターン描画装置の構成説明を通じて説明する。

図１０は本発明にかかる光学デバイスを適用した光変調器を装備したパターン描画装置を示す斜視図であり、図１１は図１０に示すパターン描画装置の側面図であり、図１２は図１０のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。このパターン描画装置１００は、感光材料が表面に付与された半導体基板やガラス基板等の基板Ｗの表面に光を照射してパターンを描画する装置である。

このパターン描画装置１００では、本体フレーム１０１に対してカバー１０２が取り付けられて形成される本体内部に装置各部が配置されて本体部が構成されるとともに、本体部の外側（本実施形態では、図１１に示すように本体部の右手側）に基板収納カセット１１０が配置されている。この基板収納カセット１１０には、露光処理を受けるべき未処理基板Ｗが収納されており、本体内部に配置される搬送ロボット１２０によって本体部にローディングされる。また、未処理基板Ｗに対して露光処理（パターン描画処理）が施された後、当該基板Ｗが搬送ロボット１２０によって本体部からアンローディングされて基板収納カセット１１０に戻される。

この本体部では、図１０および図１１に示すように、カバー１０２に囲まれた本体内部の右手端部に搬送ロボット１２０が配置されている。また、この搬送ロボット１２０の左手側には基台１３０が配置されている。この基台１３０の一方端側領域（図１０および図１１の右手側領域）が、搬送ロボット１２０との間で基板Ｗの受け渡しを行う基板受渡領域となっているのに対し、他方端側領域（図１０および図１１の左手側領域）が基板Ｗへのパターン描画を行うパターン描画領域となっている。この基台１３０上では、基板受渡領域とパターン描画領域の境界位置にヘッド支持部１４０が設けられている。このヘッド支持部１４０では、基台１３０から上方に２本の脚部材１４１、１４２が立設されるとともに、それらの脚部材１４１、１４２の頂部を橋渡しするように梁部材１４３が横設されている。そして、図１１に示すように、梁部材１４３のパターン描画領域側側面にカメラ（撮像部）１５０が固定されてステージ１６０に保持された基板Ｗの表面（被描画面、被露光面）を撮像可能となっている。

このステージ１６０は基台１３０上でステージ移動機構１６１によりＸ方向、Ｙ方向ならびにθ方向に移動される。すなわち、ステージ移動機構１６１は基台１３０の上面にＹ軸駆動部１６１Ｙ（図１２）、Ｘ軸駆動部１６１Ｘ（図１２）およびθ軸駆動部１６１Ｔ（図１２）をこの順序で積層配置したものであり、ステージ１６０を水平面内で２次元的に移動させて位置決めする。また、ステージ１６０をθ軸（鉛直軸）回りに回転させて後述する光学ヘッド３に対する相対角度を調整して位置決めする。なお、このようなステージ移動機構１６１としては、従来より多用されているＸ−Ｙ−θ軸移動機構を用いることができる。

また、このように構成されたヘッド支持部１４０のパターン描画領域側で光学ヘッド３がボックス１７２に対して固定的に取り付けられている。なお、光学ヘッド３は本発明にかかる光学デバイス１Ａを用いた空間光変調器を装備して基板Ｗに対して光を照射して露光するものであり、本発明の「露光装置」に相当している。その構成および動作については、後で詳述する。

また、基台１３０の反基板受渡側端部（図１０および図１１の左手側端部）においても、２本の脚部材１４４が立設されている。そして、この梁部材１４３と２本の脚部材１４４の頂部を橋渡しするように光学ヘッド３の照明光学系を収納したボックス１７２が設けられており、基台１３０のパターン描画領域を上方から覆っている。したがって、パターン描画装置１００が設置されるクリーンルーム内に供給されているダウンフローを本体内部に引き入れたとしても、パターン描画領域にダウンフローが供給されない空間ＳＰが形成される。

そこで、本実施形態にかかるパターン描画装置１００では、上記空間ＳＰの反搬送ロボット側にステージ１６０と光学ヘッド３のボックス１７２とに挟まれた空間ＳＰに向けて温調された気体を吹き出す気体吹出部１９０が配置されている。この実施形態では、本体部の左手側壁を構成するカバー１０２を貫通するように２つの気体吹出部１９０が上下に取り付けられている。これらの気体吹出部１９０は空調器１９１に接続されており、露光制御部１８１から指令に応じて作動して空調器１９１で温調された空気を空間ＳＰに向けて吹き出す。これによって、気体吹出部１９０から吹き出された温調気体が横向きに流れて空間ＳＰを通過する。これによって上記空間ＳＰの雰囲気が入れ替えられてパターン描画領域での温度変化が抑制される。また、このように上記空間ＳＰを通過した空気は搬送ロボット１２０に流れ込むが、この実施形態では、搬送ロボット１２０の下方部に排気口１９２が設けられるとともに、排気口１９２が配管１９３を介して空調器１９１に接続されている。したがって、排気口１９２を設けたことで搬送ロボット１２０を取り囲む雰囲気は排気されて同雰囲気内で下向きの気流、つまりダウンフローが形成される。したがって、搬送ロボット１２０でパーティクルが舞い上がり散乱するのが効果的に防止される。

次に光学ヘッド（露光装置）３の構成および動作について説明する。この実施形態では、光学ヘッド３はボックス１７２に対して固定的に取り付けられており、光学ヘッド３の直下位置で移動している基板Ｗに対して光を落射することでステージ１６０に保持された基板Ｗを露光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、光学ヘッド３はＸ方向に複数チャンネルで光を同時に照射可能となっており、Ｘ方向が「副走査方向」に相当している。また、ステージ１６０をＹ方向に移動させることで基板Ｗに対してパターンを２次元的に描画することが可能となっており、Ｙ方向が「主走査方向」に相当している。

図１３は光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図であり、同図（ａ）は光学ヘッド３の光軸ＯＡおよび副走査方向Ｘに沿って光学ヘッド３を上方（すなわち、図１０中の（＋Ｙ）側）から見た場合の光学ヘッド３の内部構成を示し、同図（ｂ）は主走査方向Ｙに沿って図１０の装置手前側（左下側）から光学ヘッド３側を見た場合（すなわち、光学ヘッド３の（−Ｘ）側から（＋Ｘ）方向を向いて見た場合）の光学ヘッド３の内部構成を示している。

図１３に示す光学ヘッド３は、所定の波長（例えば、８３０、６３５、４０５、あるいは、３５５ナノメートル（ｎｍ））の光ビームを出射する半導体レーザなどにより構成された光源部３１を有している。なお、３５５ｎｍのレーザ光を用いる場合は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの３倍高調波を用いる固体レーザ光源となる。この光源部３１はコリメータレンズ（図示省略）を有しており、半導体レーザから出射される光ビームはコリメータレンズを介して平行光とされて図示を省略するミラーを介して照明光学系３２に入射する。

この照明光学系３２は３枚のシリンドリカルレンズ３２１〜３２３により構成されており、光源部３１から出射してきた光ビームはシリンドリカルレンズ３２１〜３２３の順で通過して空間光変調器３３に入射する。これらのうちシリンドリカルレンズ３２１はＸ方向にのみビーム拡大機能（負の集光機能）を有しており、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光は光軸ＯＡに垂直な光束断面が円形から次第にＸ方向に長い楕円形へと変化する。一方、光軸ＯＡおよびＸ方向に垂直なＹ方向に関して、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光の光束断面の幅は（ほぼ）一定とされる。また、シリンドリカルレンズ３２２はＸ方向にのみ正の集光機能を有しており、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光ビームはシリンドリカルレンズ３２２によりビーム整形される。つまり、シリンドリカルレンズ３２２を通過した光は、光束断面がＸ方向に長い一定の大きさの楕円形とされてシリンドリカルレンズ３２３へと入射する。このシリンドリカルレンズ３２３は、Ｙ方向にのみ正の集光機能を有し、Ｙ方向のみに着目した場合には、図１３（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３２３を通過した光ＬＩは集光しつつ、空間光変調器３３の入射面３３１ａへと入射する。また、Ｘ方向に関しては、図１３（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ３２３からの光ビームは平行光ビームとして空間光変調器３３に入射する。

空間光変調器３３は、本発明の第１実施形態にかかる光学デバイス１Ａで構成された光変調素子３３１と、電極基板３３２と、電気回路基板３３６と、光変調素子３３１（光学デバイス１Ａ）の強誘電体基板１１内で電界を発生させて強誘電体基板１１の強誘電体結晶を伝播する光を変調する変調部３３８（図１２）とを有している。

図１４は空間光変調器を示す図であり、同図（ａ）はＹＺ平面における空間光変調器の部分断面図であり、同図（ｂ）はＸＹ平面における空間光変調器の部分断面図である。この空間光変調器３３では、図１３および図１４に示すように、電極基板３３２の上方主面には配線領域Ｒａと、光学デバイス１Ａで構成された光変調素子３３１を載置するための載置領域Ｒｂとが設けられている。そして、複数の電極３３３の各々が配線領域Ｒａから載置領域ＲｂまでＺ軸方向に延設されている。より詳しくは、各電極３３３の（−Ｚ側端部）は配線領域ＲａでＺ方向に延び、載置領域Ｒｂに達している。この載置領域Ｒｂでは各電極３３３の（＋Ｚ側端部）がＺ方向にほぼ平行に延設されている。なお、本実施形態では各電極３３３のうち配線領域Ｒａ上に位置する部位、つまり各電極３３３の（−Ｚ側端部）は後述する誘導結合の被誘導部であり、以下において「被誘導パターン部」と称する。また、載置領域Ｒｂ上に位置する部位、つまり各電極３３３の（＋Ｚ側端部）は光変調素子３３１の強誘電体基板１１に対向しており、周期分極反転構造を制御するための電極部として機能するため、以下において「電極部」と称する。

これらの電極３３３を覆うようにＳｉＯ_２などの絶縁材料で構成される保護膜３３４が電極基板３３２の上方主面全体に形成されて電極３３３を保護するとともに、保護膜３３４の表面（上方主面）を平坦化している。そして、載置領域Ｒｂでは、載置領域Ｒｂに相当する位置上に光変調素子３３１が載置されている。こうして、図１４に示すように各電極３３３の電極部が保護膜３３４を介して強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aと対向して配置される。

このように配置された光変調素子３３１では、強誘電体基板１１の一方主面Ｓ1A全体を覆うように接合部１３が絶縁層１２を介して形成されている。そして、光学デバイス１Ａを光変調素子３３１として使用するため、接合部１３に対して接地電位が与えられる。これに対し、上記した複数の電極３３３の各々に対しては、光変調に応じた電圧が電気回路基板３３６の上方主面に設けられた配線（図示省略）を介して誘導結合によって変調部３３８から付与される。

この電気回路基板３３６の上方主面上には、被誘導パターン部と同一形状を有する、導電材料で構成される配線が被誘導パターン部（電極３３３のうち配線領域Ｒａ上に位置する部位）と一対一で対応して形成されている。このため、互いに一対一で対向する電極間は誘導結合によって電気的に接続される。また、電気回路基板３３６の下方主面上には、変調部３３８を構成する複数の電子部品３３８１が搭載されており、電気回路基板３３６を介して電極３３３と電気的に接続され、次に説明するように露光制御部１８１からの各種信号およびデータに応じてそれぞれ独立して電極３３３に電圧を付与する。

変調部３３８には、図１２に示すように、露光制御部１８１から露光タイミング信号、露光位置信号および露光データが与えられる。この変調部３３８は、電極３３３毎、つまりチャンネル毎にアナログ回路（図示省略）を有しており、露光制御部１８１から与えられた露光データに基づき駆動電圧（Ｖ1または０Ｖ）を電極３３３に付与する。なお、露光制御部１８１は、周期分極反転構造の周期より長くなるように複数の電極３３３（例えば、隣接する２以上の電極３３３）を１チャンネルとして制御する。

空間光変調器３３では、接合部１３は接地されるのに対し、各チャンネルを構成する電極３３３は上記のように露光制御部１８１からの露光データなどに応じてそれぞれ独立して変調部３３８から電圧付与を受ける。このため、光変調素子３３１の周期分極反転構造内では、変調部３３８から所定電位Ｖ1（０Ｖ以外の電位）が付与された電極３３３に対応する領域でのみ電極３３３と接合部１３の間で生じる電界により分極方位に従った屈折率変化が発生して回折格子が形成される。その結果、当該チャンネルでは回折光ＤＬが発生する。一方、それ以外のチャンネルでは入射光がそのまま０次光Ｌ０として光変調素子３３１を通過する。

図１３に戻って、光学ヘッド３の構成説明を続ける。上記のように構成された空間光変調器３３の出射側（図１３の右手側）に、Ｙ方向にのみ正の集光機能を有するシリンドリカルレンズ３４、レンズ３５１、アパーチャ３５２１を有するアパーチャ板３５２、レンズ３５３がこの順序で配置されている。シリンドリカルレンズ３４はＹ方向にのみ正の集光機能を有しており、空間光変調器３３からの０次光Ｌ０または回折光ＤＬは、図１３（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３４にてＹ方向に関してほぼ平行な光とされ、正の集光機能を有するレンズ３５１に入射する。

ここで、レンズ３５１の前側焦点は電極３３３の（＋Ｚ）側の端部近傍における光変調素子３３１内の位置とされ、レンズ３５１の後側焦点にアパーチャ３５２１が位置するようにアパーチャ板３５２が配置される。したがって、光変調素子３３１中で回折を受けず、レンズ３４を通過してＸ方向およびＹ方向の双方にほぼ平行とされる０次光Ｌ０は、図１３（ａ）中に細い実線にて示すように、レンズ３５１を介してアパーチャ３５２１に集光し、当該アパーチャ３５２１を通過してレンズ３５３に入射する。このレンズ３５３は、前側焦点がアパーチャ３５２１の近傍に位置し、後側焦点がステージ１６０に保持された基板Ｗの表面上となるように配置されており、０次光Ｌ０はレンズ３５３を介して基板Ｗの表面上に照射されて露光される。一方、回折光ＤＬは、図１３（ａ）中に破線にて示すように、光軸ＯＡに対して所定角度だけ傾いて光変調素子３３１から出射されるため、アパーチャ３５２１から離れた位置、つまりアパーチャ板３５２の表面で遮蔽される。

このように、本実施形態では、レンズ３５１、アパーチャ板３５２およびレンズ３５３により、いわゆるシュリーレン光学系３５が構成されている。このシュリーレン光学系３５は両側テレセントリック光学系と同等の配置であり、図１３に示すように、複数のチャンネルを有する光学ヘッド３で基板Ｗに露光する場合にも、その露光面（基板Ｗの表面）に対して各チャンネルの０次光ＬＯの主光線（図１３中の２点鎖線）は垂直であり、露光面のピント方向Ｚの変動に対して倍率の変化を受けない。その結果、高精度な露光が可能となる。このように第１実施形態では０次光を用いて基板Ｗへのパターン描画を行っている。また、上記のように配置されたレンズ３４およびシュリーレン光学系３５が本発明の「光学系」として機能しており、空間光変調器３３からの光を基板Ｗの表面（被露光面、被描画面）に案内している。

なお、上記のように構成されたパターン描画装置１００は装置全体を制御するためにコンピュータ２００を有している。このコンピュータ２００はＣＰＵやメモリ２０１等を有しており、露光制御部１８１とともに電装ラック（図示省略）内に配置されている。また、コンピュータ２００内のＣＰＵが所定のプログラムに従って演算処理することにより、ラスタライズ部２０２、伸縮率算出部２０３、データ修正部２０４およびデータ生成部２０５が実現される。例えば１つのＬＳＩに相当するパターンのデータは外部のＣＡＤ等により生成されたデータであり、予めＬＳＩデータ２１１としてメモリ２０１に準備されており、当該ＬＳＩデータ２１１に基づき次のようにしてＬＳＩのパターンが基板Ｗ上に描画される。

ラスタライズ部２０２は、ＬＳＩデータ２１１が示す単位領域を分割してラスタライズし、ラスタデータ２１２を生成してメモリ２０１に保存する。こうしてラスタデータ２１２の準備後、または、ラスタデータ２１２の準備と並行して、上記のようにしてカセット１１０に収納されている未処理の基板Ｗが搬送ロボット１２０により搬出され、搬送ロボット１２０によってステージ１６０に載置される。

その後、ステージ移動機構１６１によりステージ１６０がカメラ１５０の直下位置に移動して基板Ｗ上の各アライメントマーク（基準マーク）を順番にカメラ１５０の撮像可能位置に位置決めし、カメラ１５０によるマーク撮像が実行される。カメラ１５０から出力される画像信号は電装ラック内の画像処理回路（図１２において図示省略）により処理され、アライメントマークのステージ１６０上の位置が正確に求められる。そして、これらの位置情報に基づきθ軸駆動部１６１Ｔが作動してステージ１６０を鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗへのパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）される。ここで、ステージ１６０を光学ヘッド３の直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。

図１２に示す伸縮率算出部２０３は、画像処理回路にて求められた基板Ｗ上のアライメントマークの位置、および基板Ｗの向きの修正量を取得し、アライメント後のアライメントマークの位置、並びに、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｘに対する基板Ｗの伸縮率（すなわち、主面の伸縮率）を求める。

一方、データ修正部２０４はラスタデータ２１２を取得し、伸縮の検出結果である伸縮率に基づいてデータの修正を行う。なお、このデータ修正については、例えば特許第４０２０２４８号に記載の方法を採用することができ、１つの分割領域のデータ修正が終了すると、修正後のラスタデータ２１２がデータ生成部２０５へと送られる。データ生成部２０５では、変更後の分割領域に対応する描画データ、すなわち、１つのストライプに相当するデータが生成される。

こうして生成された描画データは、データ生成部２０５から露光制御部１８１へと送られ、露光制御部１８１が変調部３３８、ヘッド移動機構１７１およびステージ移動機構１６１の各部を制御することにより１ストライプ分の描画が行われる。なお、露光動作については上記したとおり変調部３３８による電界発生制御により行われる。そして、１つのストライプに対する露光記録が終了すると、次の分割領域に対して同様の処理が行われ、ストライプごとの描画が繰り返される。こうして、基板Ｗ上の全ストライプの描画が終了して基板Ｗの表面への所望パターンの描画が完了すると、ステージ１６０は描画済み基板Ｗを載置したまま基板受渡位置（図１０および図１１の右側領域）に移動した後、基板搬送ロボット１２０により基板Ｗがカセット１１０へと戻され、次の基板Ｗが取り出されて上記したと同様の一連の処理が繰り返される。さらに、カセット１１０に収納されている全ての基板Ｗに対するパターン描画が終了すると、カセット１１０がパターン描画装置１００から搬出される。

以上のように、上記したパターン描画装置１００は第１実施形態にかかる光学デバイス１Ａをそのまま光変調器３３の光変調素子３３１として適用しているため、次の作用効果が得られる。つまり、既述したように光学デバイス１Ａでは、従来技術に比べて周期分極反転構造が薄いため、接合部１３と各電極３３３との距離も短くなっている。したがって、駆動電圧を低く設定することができ、高速変調が可能となっている。

なお、パターン描画装置１００の光学ヘッド３（本発明の「露光装置」に相当）では、第１実施形態にかかる光学デバイス１Ａをそのまま光変調器３３の光変調素子３３１として適用しているが、その他の実施形態にかかる光学デバイスを光変調素子３３１として用いてもよい。

また、上記光学ヘッド３では、複数の電極３３３が形成された電極基板３３２に対し、光学デバイス１Ａの強誘電体基板１１を対向配置して光変調器３３を構成しているが、光学デバイス１Ａを光変調器に適用する場合、例えば図１５に示すように強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aに複数の電極を配置し、変調部から各電極に駆動電圧を付与するように構成してもよい。

＜光学デバイスを用いた波長変換素子＞
次に、本発明にかかる光学デバイスを波長変換素子に適用することでも優れた作用効果が得られる。そこで、例えば図１の光学デバイス１Ａを適用した波長変換素子について説明する。

図１６は本発明にかかる光学デバイスを用いた波長変換素子の一例を示す図である。同図（ａ）は強誘電体基板の強誘電体結晶の一部に分極反転導波路を形成した波長変換素子を示す斜視図であり、同図（ｂ）は強誘電体基板の強誘電体結晶全体を分極反転させたスラブ導波路を有する波長変換素子を示す斜視図であり、同図（ｃ）は同図（ａ）および同図（ｂ）に示す波長変換素子の導波路部分の断面図である。

図１６に示す波長変換素子４００Ａ、４００Ｂは、第１実施形態にかかる光学デバイス１Ａを用いたものであり、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2Aの近傍で強誘電体結晶内にプロトン交換導波路１９が形成されている。なお、同図（ａ）の波長変換素子４００Ａと同図（ｂ）の波長変換素子４００Ｂとの相違点は、プロトン交換導波路１９の形成範囲であり、同図（ａ）は数μｍ幅のチャンネル導波路で光Ｌ(λin)は該導波路に入射され、同図（ｂ）は結晶幅方向に広いスラブ導波路で光Ｌ(λin)も導波路幅に広く入射させる構成となっている。なお、その他の構成は同一である。また、両者４００Ａ、４００Ｂとも、プロトン交換導波路１９の一方端に対して波長λinの光Ｌ（λin）が入射されると、光はプロトン交換導波路１９内を伝播し、波長λinと異なる波長λoutを有する光Ｌ（λout）がプロトン交換導波路１９の他方端面から出射される。

以上のように構成された波長変換素子４００Ａ、４００Ｂでは、次の作用効果が得られる。つまり、既述したように光学デバイス１Ａでは、薄膜化された強誘電体基板１１に対し、電圧印加法により分極反転部１１ｂを形成するため、強誘電体結晶により構成される強誘電体基板１１に周期分極反転構造を高精度に形成することができる。また、薄膜化によって分極反転部１１ｂの周期を従来技術よりも短くすることができるため、変換波長を従来技術よりも更に短くすることができ、また周期分極反転構造を高精度に形成でき、変換効率も向上させることができる。したがって、従来より要望されている、高変換効率で紫外波長に対応した波長変換素子を作製することも可能となる。

例えばパターン描画装置１００の紫外光源として、従来では大型のガスレーザや固体レーザでしか実現できていなかったが、上記した波長変換素子４００Ａ、４００Ｂを半導体レーザなどの小型の高出力光源と組み合わせることで、小型の波長変換型紫外光源が得られる。また、分極反転構造の高精度化により波長変換効率が向上するため、波長変換型紫外光源は産業用に限らず医療用途などにも適用可能となり、その用途は広がっていくと考えられる。

なお、上記波長変換素子４００Ａ、４００Ｂでは光学デバイス１Ａの強誘電体結晶内にプロトン交換導波路１９を形成したものであるが、例えば図１７に示すように、強誘電体基板１１の他方主面Ｓ2AにＳｉＯ_２などの絶縁層１２ｂを形成し、ステップインデックス型の導波路を形成した波長変換素子４００Ｃ、４００Ｄも上記波長変換素子４００Ａ、４００Ｂと同様の作用効果を奏する。特に、同図（ａ）では、導波路幅方向をダイヤモンドカッター等で切り込みを入れることで数μｍ程度の溝を形成し、光を閉じ込めている。

また、上記実施形態では、光学デバイス１Ａを波長変換素子に適用しているが、他の光学デバイスを波長変換素子に適用可能であることは言うまでもなく、同様の作用効果が得られる。

＜その他＞
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記第２実施形態においてのみ、パターニングされた接合部１３を用いているが、第３実施形態ないし第５実施形態にかかる光学デバイス１Ｃ〜１Ｅにおいて接合部１３として、第２実施形態と同様にパターニングされた接合部を採用してもよい。

また、上記実施形態では、強誘電体基板１１に金（Ａｕ）を安定的に付着させることが困難であることから、両者の間にクロム膜を中間層として介在させているが、この中間層としては、クロム（Ｃｒ）以外に、チタン（Ｔｉ）やタンタル（Ｔａ）を用いることができる。

また、上記実施形態では、絶縁層としてＳｉＯ_２を用いたが、酸化窒素膜（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などの透明誘電体膜を用いてもよい。

この発明は、周期分極反転構造を有する光学デバイス、当該光学デバイスの製造方法および当該光学デバイスを使用する露光装置に適用することができる。

１Ａ〜１Ｅ…光学デバイス
３…光学ヘッド（露光装置）
１１…強誘電体基板
１２、１２ａ、１２ｂ…絶縁層
１３…接合部
１３ａ…クロム膜（第１金属層）
１３ｂ…金膜（第１金属層）
１３ｃ…金膜（第２金属層）
１３ｄ…クロム膜（第２金属層）
１４…支持基板
１６…クロム膜（パターン電極）
１７…金膜（パターン電極）
１９…プロトン交換導波路
３３…空間光変調器
３３１…光変調素子
３３８…変調部
Ｓ1A…（強誘電体基板の）一方主面
Ｓ1B…（支持基板の）一方主面
Ｓ2A…（強誘電体基板の）他方主面

Claims (13)

1. 第１分極方向と、前記第１分極方向とは反対方向の第２分極方向に周期的に分極した周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板と、
   支持基板と、
   前記強誘電体基板の一方主面と、前記強誘電体基板の一方主面と対向する前記支持基板の一方主面とに挟まれて前記強誘電体基板を前記支持基板で支持しながら一体化させる接合部と、
   を備え、
   前記接合部は、前記強誘電体基板の一方主面に形成された第１金属層と、前記支持基板の一方主面に形成された第２金属層とを接合させた導電層であり、
   前記第１金属層および前記第２金属層には、前記周期分極反転構造における前記第１分極方向に分極した部分の周期と一致するパターンが形成される、光学デバイス。
2. 第１分極方向と、前記第１分極方向とは反対方向の第２分極方向に周期的に分極した周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成された強誘電体基板と、
   支持基板と、
   前記強誘電体基板の一方主面に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層と、前記絶縁層の一方主面と対向する前記支持基板の一方主面とに挟まれて、前記絶縁層を介して前記強誘電体基板を前記支持基板で支持しながら一体化させる接合部と、
   を備え、
   前記接合部は、前記絶縁層の一方主面に形成された第１金属層と、前記支持基板の一方主面に形成された第２金属層とを接合させた導電層であり、
   前記第１金属層および前記第２金属層には、前記周期分極反転構造における前記第１分極方向に分極した部分の周期と一致するパターンが形成される、光学デバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学デバイスであって、
   前記導電層では、前記第１電極層と、前記第２電極層とが、アルゴン高速原子ビームを照射することで接合される、光学デバイス。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光学デバイスであって、
   前記支持基板は前記強誘電体基板の強誘電体結晶と同一の結晶で構成される、光学デバイス。
5. 請求項４に記載の光学デバイスであって、
   前記支持基板を構成する結晶の結晶方位の絶対値は、前記強誘電体基板の強誘電体結晶の結晶方位の絶対値と一致している、光学デバイス。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光学デバイスであって、
   前記支持基板は、前記強誘電体基板よりも厚く、
   前記強誘電体基板の強誘電体結晶は、厚さ０．１
   μｍないし２００ μｍである、光学デバイス。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学デバイスであって、
   前記強誘電体基板の他方主面に形成された複数の電極をさらに備え、
   前記複数の電極と前記接合部との間に電界が発生させられると、前記周期分極反転構造内での回折効率が変調される、光学デバイス。
8. 強誘電体結晶により構成された強誘電体基板の一方主面と、支持基板の一方主面との間に導電性の接合部を介在させて前記強誘電体基板を前記支持基板で支持しながら一体化させる第１工程と、
   前記強誘電体基板の他方主面に周期パターンを有するパターン電極を形成する第２工程と、
   前記パターン電極と前記接合部との間で電圧を印加して分極反転部を前記強誘電体基板に周期的に形成する第３工程と
   を備え、
   前記第１工程は、前記強誘電体基板の一方主面に前記周期パターンと対応するパターンを有する第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、
   前記支持基板の一方主面に前記周期パターンと対応するパターンを有する第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、
   前記第１金属層の前記パターンの凸部と、前記第２金属層の凸部とを接合して、前記接合部を形成することで、前記強誘電体基板を前記支持基板で支持しながら一体化させる一体化工程と、
   を有する、光学デバイスの製造方法。
9. 強誘電体結晶により構成された強誘電体基板の一方主面と、支持基板の一方主面との間に導電性の接合部を介在させて前記強誘電体基板を前記支持基板で支持しながら一体化させる第１工程と、
   前記強誘電体基板の他方主面に周期パターンを有するパターン電極を形成する第２工程と、
   前記パターン電極と前記接合部との間で電圧を印加して分極反転部を前記強誘電体基板に周期的に形成する第３工程と
   を備え、
   前記第１工程は、前記強誘電体基板の一方主面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
   前記絶縁層の一方主面に前記周期パターンと対応するパターンを有する第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、
   前記支持基板の一方主面に前記周期パターンと対応するパターンを有する第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、
   前記第１金属層の前記パターンの凸部と、前記第２金属層の凸部とを接合して、前記接合部を形成することで、前記絶縁層を介して前記強誘電体基板を前記支持基板で支持しながら一体化させる一体化工程と、
   を有する、光学デバイスの製造方法。
10. 請求項８または請求項９に記載の光学デバイスの製造方法であって、
    前記一体化工程は、アルゴン高速原子ビームを照射することで、前記第１金属層の前記パターンの凸部と、前記第２金属層の凸部とを活性化させる活性化工程を有する、光学デバイスの製造方法。
11. 請求項８ないし請求項１０のいずれか一項に記載の光学デバイスの製造方法であって、
    前記支持基板は、前記強誘電体基板の強誘電体結晶と同一の結晶で構成され、
    前記一体化工程は、前記支持基板と、前記強誘電体基板との結晶方位の絶対値を互いに一致させながら、前記第１金属層と前記第２金属層とを接合する、光学デバイスの製造方法。
12. 請求項８ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光学デバイスの製造方法であって、
    前記支持基板と一体化された前記強誘電体基板の他方主面側表面領域を除去して前記強誘電体結晶の厚みを０．１
    μｍないし２００ μｍに調整する第４工程をさらに備える、光学デバイスの製造方法。
13. 光源から出射される光を光変調器で変調した変調光を光学系により被露光面に照射して露光する露光装置において、
    前記光変調器が、
    請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光学デバイスと、
    前記強誘電体基板の他方主面側に配置された複数の電極と、
    前記複数電極と前記接合部との間での電界発生をそれぞれ制御して前記強誘電体基板内での回折効率を変調させる変調部と
    を有していることを特徴とする露光装置。
    

Images