JP4721455B2

JP4721455B2 - 周期分極反転構造の製造方法

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Publication number: JP4721455B2
Application number: JP2007066065A
Authority: JP
Inventors: 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: JP2008225279A

Description

本発明は、周期分極反転構造の製造方法に関するものである。

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転構造を周期的に形成することで、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線型分極の分極反転を利用した光波長変換素子などを実現することができる。特に、非線型光学材料の非線型分極を周期的に反転することが可能となれば、高効率な波長変換素子を作製することができ、これを用いて固体レーザなどの光を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御などの分野に応用できる小型軽量の短波長光源を構成することができる。

強誘電体非線型光学材料に周期状の分極反転構造を形成する手法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。この方法では、強誘電体単結晶の基板の一方の主面に周期電極を形成し、他方の主面に一様電極を形成し、両者の間にパルス電圧を印加する。こうした方法は、特許文献１、非特許文献１に記載されている。
特開平８−２２０５７８応用物理学会結晶工学分科会第１０９回研究会テキスト「酸化物結晶の導波型光波長変換デバイスへの応用」栖原敏明

ニオブ酸リチウム単結晶などの非線型光学材料から第二高調波を発生させるためには、単結晶に周期状の分極反転を形成する必要がある。ノンドープのニオブ酸リチウムに関しては基板の上面に櫛型の電極を周期状に配列し、下面側に一様な電極を形成し、抗電界以上となるように電圧を供給すれば、分極反転構造を得ることができる。しかしながらＭｇＯが添加されたニオブ酸リチウムの場合には、上記と同じような方法で電圧を印加しても、櫛型電極の一部で周期状分極反転構造が得られたものの、他の領域では形成されないことがあり、周期電極の全体にわたって良好な周期状分極反転部を形成することが難しかった。

この問題を解決するため、本出願人は、特許文献２において、第一の導電膜および第二の導電膜を有する下地基板を、強誘電体単結晶基板と積層し、下地基板および強誘電体単結晶基板の全体に電圧を印加することを開示した。
WO 2005/ 019921

しかし、これらの方法では、反転電圧は、例えばＭｇＯドープニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造を形成する場合、室温で2kV 以上の電圧が必要であり、印加時のダメージが基板表面に発生する傾向があった。電圧印加時の環境温度を上げることによって、分極反転に必要な電圧を低くすることはできる。しかし、この場合には、焦電のために表面に異常反転が発生しやすくなり、やはり不良品の発生を招き、これによって歩留り低下を生じさせる可能性があった。

本発明の課題は、単分域化している強誘電体単結晶基板に電圧印加法によって周期分極反転部を形成するのに際して、分極反転に必要な電圧を低くすることである。

本発明は、強誘電体単結晶からなり、背面に凹部が形成されている基体、
基体の背面および凹部の壁面を被覆する一様電極、および
支持基板と基体の背面とを一様電極を介して接着する接着層を備えている部品を使用し、
基体を背面と反対側の表面から加工して基体を薄くすることで凹部の位置に貫通孔を形成して被処理基板を得、被処理基板の貫通孔に面する側面および背面に一様電極が設けられており、
被処理基板の表面上に周期電極を設け、被処理基板の側面で一様電極上にリード膜を設け、リード膜と周期電極との間に電圧を印加することによって被処理基板に周期分極反転構造を形成することを特徴とする、周期分極反転構造の製造方法に係るものである。

本発明者は、電圧印加法を適用する被処理基板を、別体の支持基板に対して接着し、この状態で周期電極と一様電極との間に電圧を印加することによって被処理基板に周期分極反転構造を形成する。したがって、被処理基板を薄くすることで、分極反転の形成に必要な印加電圧を著しく低下させることが可能である。これとともに、被処理基板を別体の支持基板に対して接着することで、被処理基板の割れやクラックを防止することができる。被処理基板を単独で十分に薄くした場合には、被処理基板が割れやすく、電圧印加法による周期分極反転構造の形成は不可能であった。この結果、従来の電圧印加法に比べて、著しく低い温度で周期分極反転構造を形成することに成功した。
更に、基体の凹部にあらかじめ一様電極を設けることで、基体の薄板化加工後に被処理基板の側面に一様電極が露出するようにし、その上にリード膜を設けて一様電極と電気的に接続し、リード膜と周期電極との間に電圧を印加し、周期分極反転構造を形成することができる。

以下、図面を適宜参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、従来法を説明するための模式図である。強誘電体単結晶からなる被処理基板２１の表面２１ａには、ストライプ状の絶縁体２３、および絶縁体２３と表面２１ａとを被覆する導電膜２４が形成されており、導電膜２４が周期電極を形成している。また、被処理基板２１の背面２１ｂ側に一様電極２２が形成されている。電極２４と一様電極２２との間に電源１５から所定のパルス電圧を印加し、周期分極反転構造２５を形成する。

しかし、この方法では、被処理基板２１にはある程度の厚さが必要である。本発明者の検討によると、例えば被処理基板２１がニオブ酸リチウム単結晶からなる場合には、被処理基板の厚さが５００μｍ程度であると分極反転構造が形成できるが、厚さが３００μｍ以下になると、被処理基板の割れやクラックが生じ、周期分極反転構造を形成できなかった。

図２〜図８は、本発明の実施形態に係るものである。
図２に示すように、強誘電体単結晶からなる基体１を準備する。この基体１には凹部１ａを形成する。そして、基体１の表面１ｂ上に、バッファ層２および一様電極３を順次形成する。一様電極３およびバッファ層２は、凹部１ａの壁面も被覆している。

次いで、図３に示すように、基体１を支持基板４の表面４ａ上に接着層５を介して接着する。この時点では、凹部６が支持基板４の表面４ａと対向するようにする。次いで、基体１の凹部と反対側の表面１ｃを加工することによって、基体１の厚さを小さくしていく。この薄板化加工の過程で、凹部６は表面１ｃに対して貫通し、図４に示す状態となる。

すなわち、図４においては、基体の加工によって薄い基板７、８が形成されており、基板７と８とは凹部９によって分離されている。基板７の表面７ａは加工面であり、背面７ｂは、バッファ２Ａ、一様電極３Ａおよび接着層５を介して支持基板４に対して接着されている。バッファ層２Ａおよび一様電極３Ａは、基板７の側面７ｃを被覆するように延びており、基板７の表面７ａに各端面が出ている。基板８の背面および側面もバッファ層２Ｂおよび導電膜３Ｂによって被覆されている。

この段階で、基板７の表面７ａ側に周期電極を形成する。この周期電極の形態は特に限定されず、例えば梯子電極、波板電極、液体電極であってよい。好ましくは、図５に示すように、絶縁体からなるストライプ状の膜１０を所定間隔で周期的に形成し、絶縁体１０および表面７ａを被覆するように導電膜１１を設ける。導電膜１１は、周期的に設置された絶縁体１０によって表面７ａから絶縁されるので、周期電極２０を形成する。またリード膜１２が凹部９を被覆するように形成されている。リード膜１２の基板７側の末端は一様電極２Ａの末端に電気的に接続されている。リード膜１２の基板８側の端部は基板８の表面を被覆する。

この状態で、図６に示すように、電源１５の一方の極をリード膜１２に接続し、他方の極を電極１１に対して接続する。そして被処理基板２１に所定のパルス電圧を印加する。このとき、絶縁体１０の直下では分極反転が起こらず、電極１１と基板７との接触部分から分極反転部１６が下へ向かって延びる。この結果、周期分極反転構造２２が形成される。

次いで、リード膜１２、電極１１および絶縁体１０を除去する。次いで、図７に示すように、必要に応じて所定のバッファ層１８を形成する。あるいは、電極１１および絶縁体１０を除去した後に、基板７を更に研磨加工し、一層薄くすることによって、スラブ光導波路７Ａを形成することもできる。次いで、基板７（７Ａ）の端部および支持基板４を切断し、不要な基板８を除去し、図８の状態とする。

被処理基板を構成する強誘電体単結晶の種類は限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５の各単結晶が特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。分極反転特性（条件）が明確であるとの観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、タンタル酸リチウム単結晶にそれぞれマグネシウムを添加したものが特に好ましい。また、強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

被処理基板としては、いわゆるＺカット基板，オフカットＸ板、オフカットＹ板を使用することが特に好適である。

電圧印加法において使用する周期電極、一様電極の材質は限定されないが、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr 、Pd、Taが好ましい。
電圧印加に使用する一様電極、周期電極の材質は、限定されないが、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr、Pd、Taが好ましい。また、絶縁体１０の材質は、SiO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃、Si₃N₄、有機レジストを例示できる。

支持基板の材質は、絶縁性が高く、材質内の体積抵抗率が均一で、所定の構造強度を有していることが必要である。この材質としては、シリコン、サファイア、水晶、ガラスを例示できる。

前記バッファ層（クラッド層）の材質はSiO₂、Ta₂O₅ 、Nb₂O₅ 、Al₂O₃を例示できる。

本発明においては、前記被処理部品が、一様電極と電気的に接続されているリード膜を備えており、リード膜と周期電極との間に電圧を印加する。こうしたリード膜の材質や形成方法は常法を適用できる。

本発明においては、基板の側面に沿って一様電極が延びており、一様電極がリード膜と基板の側面で電気的に接続されている。

また、本発明においては、強誘電体単結晶からなる基体に一様電極を設け、この基体を支持基板に接着し、次いで基体を一様電極と反対側の表面から加工して除去することによって基体を薄くし、基板を作製する。こうした方法であれば、最初から薄い基板を単独でハンドリングする必要がなく、基板の割れやクラックを防止できる。

この際、基体の一様電極側に凹部を形成し、基体を薄くすることによって凹部を基体の表面に対して貫通させて貫通孔を形成する。これによって、凹部に基板の側面が露出するので、側面上にリード膜を設けることで容易に電気的導通を図ることができる。

周期分極反転構造を形成するための基板の厚さは限定されないが、印加電圧を低くするため、100 μｍ以下が好ましく、80μｍ以下が更に好ましく、40μｍ以下が最も好ましい。また、この下限は特にないが、実際上は 10μｍ以上とすることが好ましい。

印加電圧の大きさは限定されないが、本発明の観点からは、0.5 ｋＶ以下が好ましく、0.2 ｋＶ以下が更に好ましい。印加電圧の下限は特にないが、周期分極反転構造を形成するには0.05ｋＶ以上が好ましい。印加電圧のパルス周波数は１Ｈｚ〜１００００Ｈｚが好ましい。

前記のような電圧印加法を実施するのに際しては、被処理部品の全体を絶縁オイル中に浸漬することが好ましい。こうした絶縁オイルとしては、通常使用されている絶縁オイル、例えばシリコンオイル、フッ素系不活性液体を例示できる。

本発明によって形成された周期状分極反転部は、このような分極反転部を有する任意の光学デバイスに対して適用できる。このような光学デバイスは、例えば、第二高調波発生素子等の高調波発生素子を含む。第二高調波発生素子として使用した場合には、高調波の波長は３３０−１６００ｎｍが好ましい。

図２〜図８を参照しつつ説明した前記方法に従い、周期分極反転構造を形成した。具体的には、図２に示すように、厚さ0.5mm のＭｇＯ５％ドープニオブ酸リチウムのZ カット基体１の-Z面１ｂに、直径1mm 、深さ120um の凹部１ａをエキシマレーザーアブレーション法によって形成した。その-Z面１ｂに、厚さ5000オングストロームのSiO₂クラッド（バッファ）層２を成膜した後、SiO₂層上にTa電極３を厚さ1000オングストローム成膜した。

図３に示すように、上記基体１を、厚さ0.5mm
のニオブ酸リチウムのZ カット基板４上に接着剤５により貼り合わせた。次いで、基体１の＋Z 面１ｃ側を厚さ100 μｍになるまで研磨した。これにより、図４に示すように、最初に形成した凹部６が貫通し、露出凹部９が形成された。

基板７の研磨した＋Z 面７ａ上に、周期7 μｍの櫛状SiO_２絶縁体のパターン１０をフォトリソグラフィ法によって形成した。そのSiO₂パターン１０上に、厚さ1000オングストロームのTa電極膜１１を形成したのち、０．２ｋV の電圧を印加し、周期分極反転構造２２を形成した。周期分極反転構造２２を形成した後、＋Z 面７ａ側をさらに厚さ10umまで研磨し、スラブ光導波路７Ａを形成した（図７）。その後、表面に厚さ0.6um のSiO₂クラッド１８をスパッタ法によって形成した。上記スラブ光導波路基板をダイサーで切断し、長さ5mm 、幅2mm の素子を得た（図８）。素子の両端を端面研磨した。その後、両端に反射防止膜を施した。

この導波路において波長１０６４nmの固体レーザーを使用して光学特性を測定した。レーザーからの発振出力を５W に調整し、その基本光をレンズで導波路端面に集光した結果、ほぼ１００％が導波路に結合できた。導波路基板を温度によって位相整合させた結果、最高２W のSHG 出力が得られた。

分極反転が形成されているのかどうかを確認するため、弗硝酸混合液（弗酸：硝酸＝1:2 ）で基板７をウェットエッチングした。図９に、ウェハ表面の+z面の観察写真を示す。周期７μｍに対応した周期状分極反転構造が一様に得られていることが確認でき、本作製方法が有用であることがわかる。

従来の電圧印加法を説明するための模式図である。基体１に凹部１ａ、バッファ層２および一様電極３を形成した状態を示す断面図である。基体１を支持基板４に接着した状態を示す断面図である。基体１を加工し、薄い基板７、８を形成した状態を示す断面図である。基板７上に絶縁体１０および電極１１を形成した状態を示す断面図である。周期分極反転構造２２を形成している状態を示す断面図である。図６から絶縁体１０および電極１１を除去した状態を示す断面図である。図７の素子から更に不要な部分を除去した状態を示す断面図である。ウェハ表面の+z面を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１基体１ａ凹部２、２Ａバッファ層３、３Ａ一様電極４支持基板５接着層６閉塞した凹部７基板７ａ基板７の表面７ｂ基板７の背面１０絶縁体１１導電膜２０周期電極２１被処理部品２２周期電極

Claims

強誘電体単結晶からなり、背面に凹部が形成されている基体、
前記基体の前記背面および前記凹部の壁面を被覆する一様電極、および
支持基板と前記基体の前記背面とを前記一様電極を介して接着する接着層を備えている部品を使用し、
前記基体を前記背面と反対側の表面から加工して前記基体を薄くすることで前記凹部の位置に貫通孔を形成して被処理基板を得、この被処理基板の前記貫通孔に面する側面および背面に前記一様電極が設けられており、
前記被処理基板の表面上に周期電極を設け、前記被処理基板の前記側面で前記一様電極上にリード膜を設け、前記リード膜と前記周期電極との間に電圧を印加することによって前記被処理基板に周期分極反転構造を形成することを特徴とする、周期分極反転構造の製造方法。
前記一様電極と前記接着層との間にバッファ層が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。