JP2016161654A - 補強部材を用いた基板加工方法、及び補強部材により補強された基板より成る機能素子 - Google Patents

Abstract

【課題】機能素子が形成される基板についてその厚さを薄くする等の加工を行う際に、当該基板にクラックが発生するのを効果的に防止すること。【解決手段】一の表面に機能素子が形成される基板（２００）のいずれかの表面を、補強部材（２０４）を介して機械的構造物（２０６）に張り合わせる工程を有し、前記補強部材の素材は、前記加工を行うための工程において生じ得る前記基板の温度変動の範囲内において、当該温度変動により当該基板に応力が生ずることで発生する当該基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択される。【選択図】図２

Description

本発明は、補強部材を用いて基板を加工する方法、及び補強部材により補強された基板より成る機能素子に関し、例えば光導波路素子が形成されたニオブ酸リチウム結晶基板を補強部材を用いて薄く加工する方法、及び補強部材により補強された当該基板より成る光導波路素子に関する。なお、本明細書において「機能素子」とは、電気的及び又は光学的な何らかの機能を発揮するよう基板上に形成された任意の種類の素子をいうものとし、例えば、光導波路素子、電気回路素子等を含むものとする。

光通信や光計測の分野においては、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成して成る光導波路素子を用いた光変調器等の光制御デバイスが、多く用いられている。

光導波路素子では、更に、基板表面に形成された光導波路に近接して当該光導波路に電界を印加するための電極が設けられ、光導波路の屈折率を印加電界により制御することで光変調等の光制御機能が実現される。

このような光導波路素子の基板として、例えば強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO₃）（「ＬＮ」とも称する）が広く用いられている。光導波路素子の基板としてＬＮを用いる場合、光制御に要する駆動電圧を低減したり、高周波信号による駆動に必要な電気特性を向上させるため、基板の誘電損失を低減させる必要がある。

光導波路素子の駆動電圧低減や電気特性向上のための技術として、ＺカットＬＮ基板の場合には光導波路の近傍を加工してリッジ構造とすることや、ＸカットＬＮ基板の場合には基板厚を１０μｍ以下に薄く加工することが知られている。

ＬＮ基板の薄板化加工は、例えば、図４に示す手順で行われる。まず、図４（ａ）に示すように、ＬＮ基板４００のオモテ面（図示上側の面）に光導波路を形成する。この光導波路の形成は、Ｔｉ熱拡散法等の公知の手法で行うことができる。次に、ＬＮ基板４００のオモテ面（光導波路が形成された面）を、例えば樹脂４０４により、金属で構成された研磨治具４０６に張り付ける（図４（ｂ））。続いて、適切な研磨剤を用いて、ＬＮ基板４００の厚さが所望の厚さになるまで、当該ＬＮ基板４００の裏面を研磨する（図４（ｃ））。

ところが、このようなＬＮ基板を薄く加工する工程を含む製造工程においては、当該加工の際にＬＮ基板にクラックを生じさせやすく、これが光導波路素子の製造歩留りを低下させる一つの要因となり得る。一般に、薄板化加工の際には、上述のようにＬＮ基板の表面（オモテ面）を金属等から成る研磨治具に貼り合わせて固定して、当該ＬＮ基板の裏面を研磨加工する。ここで、治具とＬＮ基板との貼り合わせには、一般に高温で融解する樹脂等を用いることが多く、常温に戻して樹脂を硬化させる際に、温度変動に伴う治具の熱膨張・収縮とＬＮ基板の熱膨張・収縮との差によってＬＮ基板に応力が発生し、その後の工程において当該ＬＮ基板にクラックを生じさせやすくなる。

ＬＮ基板に生ずる当該応力は、原理的には治具の線膨張係数とＬＮ基板の線膨張係数とを一致させることで防止し得るが、ＬＮ基板は結晶軸に平行な方向と垂直な方向とで互いに異なる線膨張係数を有する（異方性を有する）ことから、現実的には線膨張係数を一致させることは困難である。

従来、デバイスにおける基板クラックの発生を防止する技術として、タンタル酸リチウム等の異方性結晶からなる圧電基板を、異方性を有さず且つ当該圧電基板と線膨張係数が近いサファイア等の部材から成る支持層に貼り合わせ、且つ貼り合わせ後の全体厚さに対する支持層厚さを所定の比率以下とすることが知られている（特許文献１）。

しかしながら、上記従来の技術は、圧電デバイスへの適用を意図するものであり、圧電デバイスに比べて１０倍以上の大きなチップサイズを要する光導波路素子においては、応力の発生を上記構成によって十分に低減することはそもそも困難である。一般に、光導波路素子を製造する際には、さらに大きい円形基板内に複数の光導波路素子を形成しておき、当該円形基板の裏面を研磨することで基板の薄型化が行われる（バッチ処理）。したがって、上記従来の技術を当該バッチ処理用の円形基板の薄型化工程の際に適用しても、当該基板に発生する応力を防止することは、極めて困難である。

さらに言えば、光導波路素子の構成の観点から見ても、上記従来の技術は、数十μｍ（５０〜７０μｍ）の厚さの異方性結晶基板を前提として、支持層の厚さを異方性結晶基板の厚さの半分以下にするものであり、１０μｍ前後の厚さまで加工することが求められる光導波路素子においては、当該構成によって実用に耐え得る機械強度を確保することは困難である。

ＷＯ２０１４／０１０６９６Ａ１

上記背景より、光導波路素子等の機能素子が形成される基板において、当該基板についてその厚さを薄くする等の加工を行う際に、当該基板にクラックが発生するのを効果的に防止し得る加工方法の実現が求められている。

本発明の一の態様は、一の表面に機能素子が形成される基板を加工する方法であって、当該基板のいずれかの表面を、補強部材を介して機械的構造物に張り合わせる工程を有し、前記補強部材を構成する素材は、前記加工を行うための任意の工程において生じ得る前記基板の温度変動の範囲内において、当該温度変動により前記基板と前記補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する当該基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択される。
本発明の他の態様によると、前記基板は、線膨張係数が異方性を有する材料で構成されており、前記補強部材を構成する前記素材は、等方性の線膨張係数を有するものである。
本発明の他の態様によると、前記基板はニオブ酸リチウムから成り、前記所定の歪量は、１１０ｐｐｍである。
本発明の他の態様によると、前記基板の表面に発生する歪の種類は、前記基板の線膨張係数と前記補強部材を構成する素材の線膨張係数との差により特定される。
本発明の他の態様によると、前記加工は、前記基板の厚さを薄くするための加工である。
本発明の他の態様は、基板に形成される機能素子であって、前記基板の一の面に貼り合わされた補強部材を備え、前記補強部材の素材は、当該機能素子の動作温度範囲内の温度変動において、当該温度変動により前記基板と前記補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する前記基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択される。
本発明の他の態様は、ニオブ酸リチウム基板の表面に形成された光導波路により構成される光導波路素子であって、前記基板の一の面に貼り合わされた補強部材を備え、前記補強部材の素材は、当該光導波路素子の動作温度範囲内の温度変動において、当該温度変動により前記基板と前記補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する前記基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択される。

本発明の一実施形態に係る、光導波路素子の製造工程の概略を示すフロー図である。 図１に示す製造工程における、研磨治具に張り付けたＬＮ基板の状態を示す図である。 ＬＮ結晶の結晶軸に対し平行及び垂直な方向におけるＬＮ基板と補強部材との間の線膨張係数差の符号が異なる場合にＬＮ基板に生じ得る歪を、模式的に示した図である。 従来の、ＬＮ基板の薄板化加工の手順を説明するための図である。 ＬＮ基板に生じた引張歪によりクラックが発生する様子を模式的に示した図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態は、基板を１０μｍ程度の厚さまで薄板化加工することにより作成される光導波路素子の製造方法に関するものである
図１は、本発明の一実施形態に係る光導波路素子の製造工程の概略を示すフロー図である。

まず、ＬＮ基板の表面に光導波路が形成される（Ｓ１００）。ＬＮ基板は、例えばＸカットのＬＮ基板であり、基板表面への光導波路の形成は、Ｔｉ拡散法等の公知の任意の方法により行うことができる。また、この工程においては、光導波路内を伝搬する光波を制御するための電極を更に形成するものとしてもよい。

次に、補強部材を介してＬＮ基板を研磨治具に張り付ける（Ｓ１０２）。図２は、研磨治具に張り付けたＬＮ基板の状態を示す図であり、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）はその側面図である。ＬＮ基板２００のオモテ面（光導波路が形成された側の面（図２（ｂ）におけるＬＮ基板２００の図示下側の面））が、補強部材２０４を介して、例えば金属から成る研磨治具２０６に張り付けられている。

この貼り付けは、高温で融解する樹脂等を用いることで行うことができる。例えば、ＬＮ基板２００と補強部材２０４との間に当該樹脂を挟んだ後、ＬＮ基板２００、補強部材２０４、及び研磨治具２０６の全体を１００〜２００℃の温度まで加熱して樹脂を融解した後、常温まで冷却して樹脂を硬化させることで、ＬＮ基板２００と補強部材２０４とを張り合わせるものとすることができる。なお、補強部材２０４と研磨治具２０６との間は、上記樹脂か、又は上記温度に耐え得る適切な接着用樹脂を用いて貼り合わせることができる。

続いて、ＬＮ基板２００が所望の厚さ（例えば、約１０μｍ）となるまで当該ＬＮ基板２００の裏面を研磨して薄板化加工した後（Ｓ１０４）、ＬＮ基板２００を補強部材２０４から剥離し（Ｓ１０６）、当該薄板化加工されたＬＮ基板２００をダイシングして（Ｓ１０８）、光導波路素子の製造工程が終了する。

なお、図１は、光導波路素子の製造工程の概略を示したものであり、各工程における検査や、ＬＮ基板に対する他の部材の張り合わせ等、製造に関連して行われるその他の工程の適用を排除するものではない。

図１に示す製造工程においては、ステップＳ１０４の研磨工程（薄板化工程）においてＬＮ基板２００にクラックが発生するのを防止すべく、ステップＳ１０２において用いる補強部材２０４の素材選択が重要となる。ＬＮ基板２００に生ずる応力の大きさ並びに当該応力に起因してＬＮ基板２００の表面に発生する歪の種類及び大きさは、補強部材２０４の線膨張係数に依存するためである。

本願発明の発明者は、種々の素材を用いて補強部材２０４を構成し、補強部材２０４の素材が持つ物理的特性と、ＬＮ基板２００におけるクラック発生との因果関係を明らかにし、（１）ＬＮ基板は、熱膨張／収縮に伴って補強部材との間に発生する圧縮方向の応力に対してはクラックを生じ難く、伸長方向（引張方向）の応力に対してクラックを生じやすい、（２）ＬＮ基板に対し引張方向に応力が加わる場合には、その最大応力を、当該応力に起因するＬＮ基板の歪み量が１１０ｐｐｍ以下となる値に留めることで、クラックの発生を効果的に防止できる、
との知見を得た。

図５は、ＬＮ基板に生じた引張歪によりクラックが発生する様子を模式的に示した図である。図示のように、ＬＮ基板５００の結晶軸に対し、（例えば垂直な方向に発生する）圧縮歪（矢印５０８、５１０）に対してはクラックは発生しにくいが、（例えば平行な方向に発生する）引張歪（矢印５０４、５０６）に対してはクラックが発生しやすく、例えば当該引張歪に起因して発生した僅かな割れが成長することで、符号５１２ａ〜ｄで示すような、様々な形状の様々な方向に走るクラックが発生し得る。

なお、上記歪み量は、応力発生方向に沿ってＬＮ基板上において測った長さに対する、当該応力発生によって生じる当該長さの変化量の比、で定義される。

本発明は、上記知見に基づくものであり、補強部材２０４の素材選択にあたって、従来のように“その素材の線膨張係数がＬＮ基板の線膨張係数に近いほど良い”という選択基準を用いるのではなく、加工時の温度変動に対して発生するＬＮ基板２００の上記歪み量を基準とする。

すなわち、補強部材２０４を、「加工工程で発生する温度変動に対し、ＬＮ基板の基板面内の一の方向に生じる歪が、圧縮歪又は１１０ｐｐｍ以下の引張歪となる素材」で構成されるものとする。そして、温度変動に対して発生するＬＮ基板２００の歪の種類は、ＬＮ基板２００と補強部材２０４の素材との間の線膨張係数（又は線膨張率）の差で推定することができる。

下表は、本願の出願時点において市販されている、補強部材２０４についての選択対象となり得る種々の素材ａ〜ｄの、線膨張係数を示した表である。参考のため、下表には、ＬＮ結晶の線膨張係数も示している。

表１より、素材ａ又は素材ｃを補強部材２０４として使用した場合には、ＬＮ基板２００には引張歪のみが生じ、素材ｂ又は素材ｄを補強部材２０４として使用した場合には、ＬＮ基板２００には、結晶軸に平行な方向に圧縮歪を生じ、結晶軸に垂直な方向に引張歪を生ずることが判る。図３は、補強部材２０４として素材ｂ又は素材ｄを用いた場合の、ＬＮ基板２００に生ずる歪を模式的に示した図である。上述したように、ＬＮ基板２００には、結晶軸に対し平行な方向に圧縮歪（矢印３００、３０２）が生じ、結晶軸に対し垂直な方向には引張歪（矢印３０４、３０６）が生じる。

本願の発明者が行った実験によれば、ＬＮ基板２００、補強部材２０４、及び研磨治具２０６を１００〜２００℃の温度まで加熱して張り合わせ用樹脂を融解した後、常温まで冷却して当該樹脂を硬化させる場合、補強部材２０４として素材ａ〜ｃを用いた場合にはＬＮ基板２００にクラックを生じ、補強部材２０４として素材ｄを用いた場合にはＬＮ基板２００にクラックは発生せず、クラックの発生が効果的に防止された。表１に示した線膨張係数差と温度変化幅とを乗算して得られる値は、上述した引張歪の許容量１１０ｐｐｍとは異なるものとなる。これは、上記加熱した基板を常温まで冷却する過程における補強部材２０４へのＬＮ基板２００の固定と当該固定に起因するＬＮ基板２００に応力の発生とが、当該冷却過程の途中の温度において開始することによるものと考えられる。

以上、説明したように、本実施形態に係る光導波路素子の製造方法では、ＬＮ基板の研磨を行う際に、ＬＮ基板を、補強部材を介して、他の機械的構造物である研磨治具に張り付けるものとし、且つ、製造工程における温度変動に起因して発生するＬＮ基板の歪が、圧縮歪又は１１０ｐｐｍ以下の引張歪となるように、上記補強部材の素材が選択される。これにより、本実施形態に係る製造方法においては、ＬＮ基板のクラックの発生を効果的に防止することができる。

尚、上述した実施形態ではＬＮ基板を用いた光導波路素子について記載したが、これに限らず、任意の機能素子を構成する任意の基板について任意の加工を行う際にも、当該基板を他の機械的構造物（例えば、当該加工に適した治具）に張り合わせる際には、補強部材２０４に相当する補強部材を介して当該基板を当該機械的構造物に張り合わせることで、工程中の温度変動に伴う当該基板の表面でのクラック発生を有効に防止することができる。この場合、当該補強部材の素材は、工程中の温度変動によって当該基板と当該補強部材との境界面に生ずる応力に起因して当該基板に生ずる歪みが、圧縮歪又は所定の歪量以下の引張歪となるように選択される。

また、上述した実施形態では、光導波路が形成されたＬＮ基板の厚さを薄く加工するため、光導波路が形成されていない基板表面を、補強部材を介して研磨治具に貼り付ける構成としたが、これに限らず、光導波路等の機能素子が形成されていない基板や、当該機能素子上に保護膜を設ける等により当該機能素子を損なうことなく行うことのできる加工の場合には、当該基板のいずれか任意の表面（例えば、当該加工に適したいずれかの表面）を、補強部材を介して他の機械的構造物に貼り合わせるものとすることができる。

また、本実施形態では、ＬＮ基板２００を薄板化加工する際に補強部材２０４を用いるものとしたが、これに限らず、ＬＮ基板に形成された光導波路素子の一の面に補強部材を貼り合わせて当該光導波路素子の機械強度を向上するものとし、当該補強部材の素材を、当該光導波路素子の動作温度範囲内の温度変動において、当該温度変動により前記基板と前記補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する前記基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量（例えば、上述した１１０ｐｐｍ）以下の引張歪となるように選択されるものとすることができる。

同様に、光導波路素子に限らず、基板に形成される機能素子の当該基板の一の面に補強部材を貼り合わせて当該機能素子の機械強度を向上するものとし、当該補強部材の素材を、当該機能素子の動作温度範囲内の温度変動において、当該温度変動により基板と補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択されるものとすることができる。

２００、４００、５００・・・ＬＮ基板、２０４・・・補強部材、２０６、４０６・・・研磨治具、４０４・・・樹脂。

Claims (7)

1. 一の表面に機能素子が形成される基板を加工する方法であって、
   当該基板のいずれかの表面を、補強部材を介して機械的構造物に張り合わせる工程を有し、
   前記補強部材を構成する素材は、前記加工を行うための任意の工程において生じ得る前記基板の温度変動の範囲内において、当該温度変動により前記基板と前記補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する当該基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択される、
   方法。
2. 前記基板は、線膨張係数が異方性を有する材料で構成されており、
   前記補強部材を構成する前記素材は、等方性の線膨張係数を有するものである、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記基板はニオブ酸リチウムから成り、
   前記所定の歪量は、１１０ｐｐｍである、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記基板の表面に発生する歪の種類は、前記基板の線膨張係数と前記補強部材を構成する素材の線膨張係数との差により特定される、
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記加工は、前記基板の厚さを薄くするための加工である、
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法
6. 基板に形成される機能素子であって、
   前記基板の一の面に貼り合わされた補強部材を備え、
   前記補強部材の素材は、当該機能素子の動作温度範囲内の温度変動において、当該温度変動により前記基板と前記補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する前記基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択される、
   機能素子。
7. ニオブ酸リチウム基板の表面に形成された光導波路により構成される光導波路素子であって、
   前記基板の一の面に貼り合わされた補強部材を備え、
   前記補強部材の素材は、当該光導波路素子の動作温度範囲内の温度変動において、当該温度変動により前記基板と前記補強部材との境界面に応力が生ずることで発生する前記基板の表面における歪が、圧縮歪又は予め定めた所定の歪量以下の引張歪となるように選択される、
   光導波路素子。

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