JP4736019B2

JP4736019B2 - 成形体の製造方法

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Publication number: JP4736019B2
Application number: JP2004338997A
Authority: JP
Inventors: 正文中田; 啓之大橋; 純明渡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: US7120326B2; JP2005181995A; US20050147343A1

Description

本発明は、光通信、光配線あるいは光ストレージに用いられる光学素子、それを集積した光集積デバイス、光情報伝搬システム及びそれらの製造方法に関する。

光通信や光ストレージの普及に伴い、それを構成する光学素子の需要が増大している。特に光通信においては、波長多重伝送の実用化に伴い、光ファイバーを中心としたいわゆる基幹系から、メトロ、アクセス系への利用が加速している。このため、光信号のアド・ドロップ等に用いられる光学素子もバルク材を組み合わせたものから、薄膜の光学材料を用いた小型で集積化しやすい平面導波路の利用が進んでいる。

平面導波路は、通常、石英基板もしくはシリコン基板上にシリコン酸化物を中心とした非晶質材料で形成される。薄膜の形成方法には、積層した材料を火炎堆積法により溶融形成する方法やCVDなどによる気相成長法が用いられている。形成された薄膜は、反応性イオンエッチング法などにより所定の寸法形状に加工し、光学素子としている。

光信号の変調やスイッチングのように光を能動的に制御するためには、電気や熱等の外部入力信号と光学素子を形成する材料の相互作用による物理効果を用いる必要がある。シリコン系の平面導波路では、方向性結合器にヒータを付加し、熱光学効果を利用する光スイッチや、MEMSとの組み合わせによるスイッチ等が知られているが、いずれも応答速度がμsレベルと遅いこと、さらに熱光学効果を利用した光スイッチでは消費電力が大きいこと、MEMS型では構造が複雑になり高価であるという欠点を有する。

電界と物質の相互作用により屈折率が変化する電気光学効果は、その高速性、電圧駆動であることによる低消費電力性、構造の単純性から、光変調器に応用されている。LiNbO₃を用いた光変調器では、単結晶LiNbO₃基板上にTi拡散法によりマッハツエンダー型導波路を形成し、電極を組み合わせることで光変調器を形成している。電圧を印加することで、導波路の屈折率を変化させ、光信号のON/OFFをおこなうことができる。しかし、単結晶基板を用いる必要があることから高価であること、また、LiNbO₃の電気光学効果が小さいことから導波路の長さが必要になり、素子サイズがcm台と非常に大きいという欠点がある。

透明セラミックスであるPb_1-xLa_x（Zr_yTi_1-y）_1-x/4O_{3 （}PLZT）は、現行の光変調器に用いられているLiNbO₃単結晶より二桁近く電気光学係数が大きいことから、光素子の小型化による低コスト化、低消費電力化及び高速化が期待でき、これまでゾルゲル法による薄膜化の検討がなされてきている。（非特許文献１及び非特許文献２参照）。

しかし、光の透過率が高く電気光学効果の大きな薄膜を形成するためには、エピタキシャル成長をさせる必要があり、下地材料として単結晶基板が必要になることからシリコン系導波路等の他基板上の形成が困難であること、光学素子に必要な膜厚をゾルゲル法で形成するためには長時間の成膜プロセスを必要とすることから高価になるという欠点があった。

LiNbO3、PLZT等の電気光学材料はいずれも強誘電性材料であり、その特性はそれぞれの化合物に特有の結晶構造を形成した場合に発現する。このため電気光学材料を光学素子として利用するためには、それ自身の単結晶基板を用いるか、単結晶基板上に電気光学材料をエピタキシャル成長させることが必須と考えられてきた。

今後、光とエレクトロニクスの１チップ上の集積を可能とするナノフォトニックデバイスの実現が大きな革新技術として求められている。これを実現するためには中央処理装置（CPU）、メモリー等のLSIと光スイッチ等の能動光学素子を同一基板上に形成する技術が必要であり、シリコンや石英基板上にPLZT等の電気光学材料を、高い結晶性で成膜する技術が求められている。

一方、セラッミクの新たな膜形成技術として、エアロゾルデポジション（AD法）が開発されている。AD法は、衝撃固化現象による膜形成方法で、超微粒子材料の衝突付着現象を利用している。従来の薄膜形成法に比べ高い成膜速度と低いプロセス温度の実現が期待されている（非特許文献３及び非特許文献４参照）。また、AD法は、膜特性が下地層に依存しないことから、基板を自由に選択することができる。

特許文献１に開示されている技術はAD法の形成方法であり、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃を負荷して粉砕して前記超微粒子脆性材料同士または前記超微粒子脆性材料同士及び前期超微粒子脆性材料と前記基板を接合させることを特徴としている。これにより、超微粒子相互の接合を実現し、熱を加えることなく、高密度、高強度の膜が形成される。

特許文献２に開示されている技術はAD法により形成された構造物に関するものであり、構造物は結晶配向性がない多結晶体であり、ガラス層からなる粒界層が実質的にないことを特徴としている。また、この構造物は、平均結晶子径が50nm以下で緻密度が９９％以上であることを特徴としている。この特許文献２の平均結晶子径はX線回折法におけるScherrerの方法によって算出される結晶子のサイズである。

特許文献３に開示されている技術はAD法の形成方法であり、超微粒子材料を基板表面上に吹き付けることによって供給して形成する成膜方法で、吹き付けの流れの少なくとも一部分が前記基板表面に斜めに入射することを特徴としている。これにより膜内の超微粒子材料の接合が十分で、組織が緻密であり、表面が平滑であり、密度が均一な膜が形成できるとしている。

特許文献４に開示されている技術はAD法による超微粒子材料平坦化成膜方法であり、堆積膜の表面を平坦にする平坦化工程を一回以上加えて膜形成することを特徴としている。

K. D. Preston and G. H. Haertling : Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 2831. K. Nashimoto, K. Haga, M. Watanabe, S. Nakamura and E. Osakabe : Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 1054. 明渡純、Maxim Lebedev：まてりあ 41(2002)459. Jun Akedo and Maxim Lebedev: Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5397. 特開2001-3180号公報特開2002-235181号公報特開2002-20878号公報特開2001-38274号公報

このように、AD法による圧電材料等に関する開発技術は大きく進展しているが、AD法による光学素子応用の検討はなく、PZT、PLZT薄膜に関しては、これまで透明性に関する報告があるだけである（Jun Akedo and Maxim Lebedev: Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) 6980.、Jun Akedo and Maxim Lebedev: Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) 5528.参照）。このときのAD法による膜の透明度は、透過損失で30dB/mm以上であり、光学素子応用は不可能である。

本発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、透明度の高いAD法による成形体の提供と、その成形体よりなる光学素子を提供することを目的とする。

また、透明度の高い成形体のAD法による製造方法及びその製造方法に最適な製造装置を提供することを目的とする。

さらには、AD法による成形体よりなる光学素子を用いた光集積デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の成形体は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させる衝撃固化現象により形成した成形体であって、成形体中の散乱中心半径をｄとしたとき、ｄ≦15nmであることを特徴とする。

ここで、散乱中心半径とは成形体に含有されるポア(空孔)、異相等の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分のことである。本発明では、この散乱中心半径ｄをｄ≦15nmとしたことにより、散乱中心半径が光の波長よりも十分小さいという理由で透明な成形体を衝撃固化法により得ることができた。

請求項１に係る本発明の光学素子では、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させる衝撃固化現象により成形体を形成した光学素子であって、前記光学素子に含有されるポア(空孔)、異相等の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径ｄ(nm)と前記成形体を伝搬する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴<4x10^-5 nm²の関係があることを特徴としている。

本発明では、衝撃固化現象による形成された成形体の透明性が、レイリー散乱により発生することをはじめて明らかにしたことによりなされている。レイリー散乱では、散乱体の大きさが光の波長よりも十分小さい場合に発生する。この場合、散乱体は空間的に振動する一様な電磁界の中に置かれているとすることができ、散乱の大きさは波長と散乱体の半径から規定できる。平均半径ｄ(nm)と前記成形体を伝搬する光の波長λ(nm)の間の関係をd⁶/λ⁴<4x10^-5としたことにより、光の散乱中心半径を光の波長よりも十分小さくすることができるという理由から、透明な光学素子を衝撃固化現象により得ることができた。

請求項２に係る本発明は、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させ成形体を形成した光学素子であって、前記光学素子に含有されるポア、異相等の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径ｄ(nm)と前記成形体を伝搬する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴<１x10^-5nm² の関係があることを特徴としている。

本発明では、平均半径ｄ(nm)と前記成形体を伝搬する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴<１x10^-5としたことにより、光の散乱中心半径を光の波長よりもさらに十分小さくすることができるという理由から、さらに透明度の高い光学素子を衝撃固化現象により得ることができた。

請求項３に係る本発明の成形体の製造方法では、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させ成形体を形成する成膜法であって、前記成膜法に粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去する工程を含むことを特徴とする。

本発明では、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去することにより、光の散乱中心となる成分の含有量を低減し、且つ散乱中心半径を小さくすることができるという理由から、透明な光学素子を衝撃固化現象により得ることができた。

請求項４に係る本発明の成形体の製造方法では、請求項３に記載の光学素子の製造方法において、前記粒子間接合力の弱い粒子は粉砕が不十分な前記超微粒子脆性材料もしくは異相の少なくとも一つであることを特徴とする。

本発明では、粒子間接合力の弱い粒子である粉砕が不十分な超微粒子脆性材料、もしくは異相を選択的に除去することにより、光の散乱中心となる成分の含有量を低減し、且つ散乱中心半径を小さくすることができるという理由から、透明な光学素子を衝撃固化現象により得ることができた。

粉砕が不十分な超微粒子脆性材料は成形体の主たる構成体の微結晶粒よりも大きいため、その影の部分には、飛来粒子が衝突することが困難になり、散乱中心になるポアが発生しやすくなる。この粗大粒は、粉砕が不十分なため新生面の形成が困難であり、膜表面との接合力は、膜を主に構成する微結晶粒間の結合力よりも小さくなる。また、もうひとつの散乱中心の原因である異相も、膜を主に構成する微結晶粒と組成、結晶構造が異なるため、膜表面との接合力は小さくなる。

請求項５に係る本発明の製造方法では、請求項３に記載の光学素子の製造方法において、基板上に供給する超微粒子の材料、粒径、凝集状態、速度、硬度、基板に対する前記超微粒子脆性材料の入射角の少なくとも一つが、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去する条件であることを特徴とする。

本発明では、基板上に供給する超微粒子の材料、粒径、凝集状態、速度、硬度、基板に対する前記超微粒子脆性材料の入射角の少なくとも一つを変えることで、粒子間接合力の弱い粒子の除去速度と膜を主に構成する微結晶粒の堆積速度のバランスを制御し、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去することができる。これにより、光の散乱中心となる成分の含有量を低減し、且つ散乱中心半径を小さくすることができるという理由から、透明な光学素子を衝撃固化現象により得ることができた。

請求項６に係る本発明の成形体の製造方法では、請求項５に記載の光学素子の製造方法において、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去する工程が、前記成形体の主たる構成体を形成する超微粒子脆性材料を基板に供給するノズルとは異なる一つ以上のノズルから供給される微粒子によりなされることを特徴とする。

本発明では、成形体の主たる構成体を形成する超微粒子脆性材料を基板に供給するノズルと、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去する超微粒子を供給するノズルを分離することで、成形体の堆積条件と除去条件をそれぞれ最適化することができ、光の散乱中心となる成分の含有量を低減し、且つ散乱中心半径を小さくすることができるという理由から、透明な光学素子を衝撃固化現象により得ることができた。

請求項７に係る本発明の成形体の製造方法では、請求項５に記載の光学素子の製造方法において、基板上に供給する超微粒子がドライアイス（CO₂)であることを特徴とする。

本発明では、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去する超微粒子としてドライアイス（CO₂)を用いることで、揮発性の高いドライアイスからなる除去用粒子の膜中への取り込みは発生しなくなる。これにより、膜中に取り込まれた除去用粒子による光の散乱は生じなくなり、透明度の高い光学素子を衝撃固化現象により得ることができた。

請求項８に係る本発明の成形体の製造方法では、請求項５に記載の光学素子の製造方法において、粒子間結合力の弱い粒子の粒子間接合力を選択的に弱めるために前記成形体に電磁波を照射することにより、粒子間接合力の弱い粒子の選択的除去を促進することを特徴とする。

本発明では、粒子間結合力の弱い粒子の粒子間接合力を選択的に弱めるために前記成形体にマイクロ波や赤外線レーザ等の電磁波を照射することにより、粒子間接合力の弱い粒子の温度を選択的に高めることができ、接合力をさらに弱めることが可能となり、選択除去を促進することができた。

請求項９に係る本発明の光学素子では、請求項1又は２に記載の光学素子において、基板上に形成された下部電極と、この下部電極上に形成された前記成形体よりなる導波路と、この導波路上に形成された上部電極とからなることを特徴とする。

本発明の光学素子は下部電極上に導波路を形成するが、衝撃固化現象を使って形成することで、導波路特性が下電極材料の種類や構造に依存しないという理由から、下電極を自由に選択でき、光学設計から最適なものが選択できた。

請求項１０及び１１に係る本発明の光集積デバイスでは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させた成形体よりなる光学素子とレーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子の少なくとも１つを同一の基板上に集積する光集積デバイスであって、前記成形体よりなる光学素子に含有されるポア（空孔）、異相等の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径ｄ(nm)と前記成形体を伝搬する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴<4x10^-5nm²の関係があることを特徴とする。

本発明では、製造プロセスが異なるために困難であった複数の光学素子の集積化を、どのような下地材料上でも室温で形成可能な衝撃固化現象により形成することで可能にし、光集積デバイスを得ることができた。

請求項１２及び１３に係る本発明の光集積デバイスでは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させた成形体よりなる光学素子と中央処理装置（CPU）、メモリー等の電子回路の少なくとも１つを同一の基板上に集積する光集積デバイスであって、前記成形体よりなる光学素子に含有されるポア（空孔）、異相等の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径ｄ(nm)と前記成形体を伝搬する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴<4x10^-5nm²の関係があることを特徴とする。

本発明では、製造プロセスが異なるために困難であった光学素子と電子回路の同一基板上での集積化を、どのような下地材料上でも室温で形成可能な衝撃固化現象により形成することで可能にし、光集積デバイスを得ることができた。

請求項１４に係る本発明の光情報伝搬システムでは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させることにより形成した成形体よりなる光学素子に波長が800nm以上の光波が伝搬することを特徴とする。

本発明では、光情報伝搬システムを構成する前記成形体を伝搬する光の波長を800nmとすることで、成形体内の光の散乱中心半径を光の波長よりも十分小さくすることができるという理由から導波損失の小さな光情報伝搬システムを得ることができた。

請求項１５及び１６に係る本発明の光情報伝搬システムでは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させた成形体よりなる光学素子とレーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスに波長が800nm以上の光波を伝搬させることを特徴とする。

請求項１７及び１８に係る本発明の光情報伝搬システムでは、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させた成形体よりなる光学素子と中央処理装置（CPU）、メモリー等の電子回路の少なくとも１つを基板上に集積する光集積デバイスに波長が800nm以上の光波を伝搬させることを特徴とする。

請求項１９に係る本発明の光学素子では、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、複合させ成形体を形成し、前記成形体に含有される空孔あるいは異相の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径d(nm)と前記成形体を伝播する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴＜4 x 10^-5nm²の関係があり、成形体の主たる構成体の平均半径D(nm)と成形体を伝播する光の波長λ(nm)の間にD⁶/λ⁴＜4 x 10^-5nm²の関係があることを特徴とする。

請求項２０に係る本発明の光学素子では、成形体に含有される空孔あるいは異相の屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径d(nm)と前記成形体を伝播する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴＜4 x 10^-5nm²の関係があり、成形体の主たる構成体の平均半径D(nm)と成形体を伝播する光の波長λ(nm)の間にD⁶/λ⁴＜4 x 10^-5nm²の関係があることを特徴とする。

エアロゾル成膜法は、高い特性の機能性酸化物を低コストで成膜できる利点がある。その透明化には、次の2点が必要となる。

第１に、ポア（空孔）、異相等の屈折率が成形体と異なる物質が含まれる場合の散乱を小さくする。この場合、散乱点を小さくするために、主たる構成体と異なる部分の平均半径d(nm)と前期成形体を伝播する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴＜4X10^-5nm²の関係があることが、透明性の確保には必要である。

第２に、光学異方性の大きな材料では、粒界の散乱が大きくなり、透明度は低下する。この場合、散乱点を小さくするために、成形体の平均半径Ｄ(nm)と成形体を伝播する光の波長λ(nm)の間にD⁶/λ⁴＜4X10^-5nm²の関係があることが、透明性の確保には必要である。いずれも、レーリー散乱から導かれるものである。

本発明によれば、超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させ成形体の透明度を高め、それにより形成された光学素子を提供することが可能となる。

機械的衝撃力を負荷して超微粒子脆性材料を粉砕、接合させ形成した成形体を光学素子として使用可能にするために、数多くの実験を行い、鋭意検討の結果、従来にない透明度の高い素子の作成に成功した。また、その結果を光の散乱理論から考察し、本発明とすることができた。

以下、実施例１で、本発明の原理を含めて詳細に説明する。

図２は、本発明で用いた成膜装置の概略図である。

窒素ガスを内蔵するガスボンベ２０は搬送管を介してガラスボトル２１に接続されている。ガラスボトル２１内に粉末原料２２を入れ、排気管２３を介して20Torr程度の真空に排気した後、キャリアガスとして窒素の流量を制御しながら導入する。ガラスボトル２１を加振器２４により振動させることで、気体中に原料粉末の微粒子を分散させたエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管２５を介して、成膜チャンバー２６に搬送する。成膜チャンバー２６は真空ポンプ２７により所定の真空度に排気される。ノズル２８から基板２９に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。

成膜材料として電気光学効果の大きな透明セラミックであるPLZTを用い、ガラス基板上に成膜した。キャリアガスはN₂とし、ノズルと基板の入射角、ガス流量、成膜速度、加振器の振動数を変化させ、３試料を成膜した。成膜条件は表１に示す。組成は、（Pb_1-xLa_x）(Zr_yTi_z)_1-x/4O₃においてx=0.09、y=0.65、z=0.35である。原料粉末の平均粒径は、0.7μmである。ペロブスカイト型結晶構造を持ちRelaxorと呼ばれる誘電領域の組成である。二次の大きな電気光学係数を持ち、通常光学デバイスに適応される組成である。

図３に成膜条件の異なる３試料の外観写真、膜断面FE-SEM写真を示す。

透過率への表面ラフネスの影響を除くために、試料表面は研磨した。膜厚はいずれも4μmである。試料の透明度は大きく異なり、No,1が最も透明であり、No.2,No.3の順に透明度は悪くなる。膜断面FE-SEM写真から、透明度の高いNo.１,2では、100nm以下の超微粒子が緻密に結合しているが、透明度の低いNo.3では、0.3μm程度の粒径の粒子が大量に膜中に存在していることがわかる。

図４は、各試料の透過率スペクトルを示す。

透過率は、分光光度計（島津製UV-365：商品名）で測定した。試料No.１の透過率41は波長とともに増加し、波長1μm以上でほぼ飽和している。一方、No.2,3の透過率42,43では、波長2μmにおいても、飽和していない。

この試料による透過率の差の原因が、ポア（空孔）径の差と、組成の異なる相（異相）の存在の有無によることを発明者らは、はじめて明らかにした。以下、透過電子顕微鏡（TEM）とEDXによる組成分布像による観察の結果を使って説明する。

図５にTEMの明視野像を示す。

透過率の高い５１の試料No.1では、数十nmレベルの超微粒子が緻密に結合し、部分的に小さなポアが観察できる。ポアの部分を写真中に白い矢印で示す。ポアの平均半径は15nmであった。一方、透過率の低い５２のNo.2では、サブミクロン径のポアが存在し、ポアの平均半径は25nmと増大した。ポアの部分を写真中に黒い矢印で示す。ポアと成形体を構成する微粒子の屈折率差は大きいため、光散乱の原因となる。

また、異相の屈折率は膜の主たる構成材料と異なるため、光散乱の原因となる。膜組成の均一性を調べるために、断面のEDX元素分布像の観察を行った。

図６に構成元素であるPbとZrの元素分布像を示す。

透過率の高いNo.1のPb分布像を６１に、Zr分布像を６２に示す。濃淡がそれぞれの元素の分布を示している。PbとZrのいずれも均一であり、組成の異なる相（異相）は存在しないことがわかる。一方、透過率の低いNo.2のPb分布像を６３に、Zr分布像を６４に示す。Pb分布像を示す６３には、Pb濃度の高い部分が存在し、Zr分布像を示す６４には、それに対応した部分の濃度が低くなっている。この部分はPbと酸素だけから構成されており、X線回折測定からPbOと推定された。その平均粒径は、80nmである。PbOの屈折率はPLZTとは異なるため光散乱の原因となる。以上により、No.1とNo.2の透過率の差の原因が、ポア（空孔）径の差と、組成の異なる相（異相）の存在の有無によることを示すことができた。

次に、作成方法により透過率に大きな差が現れる要因を明らかにするために、光の散乱理論に基づいた解析を行った。

試料N0.1,No.2,No.3について、成膜時間を変えることで膜厚の異なる試料を作成し、透過率スペクトルを測定した。

図７に試料No.1の各波長における透過率の膜厚依存性を示す。

透過率は、島津製UV-365分光光度計で測定した。７１は波長500nm、７２は波長600nm、７３は波長800nm、７４は波長1550nmでそれぞれ測定した透過率である。透過率は膜厚の増加に伴い低下するが、その依存性は短波長ほど大きくなる。測定の波長域で光学吸収のないPLZTの透過率の減少は、界面のフレネル反射と散乱が主要因である。透過率の膜厚による変化は、Lambert-Beerの法則に基づき(１)式で表すことができる。

T＝(1-Rp) (1-Rps)(1-Rs)Exp(-β・ｔ) (１)
ここで、Rp：PLZT表面のフレネル反射、Rps：PLZT/基板界面のフレネル反射、Rs：基板表面のフレネル反射、β：消衰係数、ｔ：PLZT膜厚、である。このうち、フレネル反射による透過損失は反射防止層等の付加により防止可能であり、粒界等による散乱で発生する消衰係数βの低減が重要になる。

鋭意検討の結果、透過率の高い試料No.1では、消衰係数βはレイリー散乱に従うことを発見した。レイリー散乱では、散乱体の大きさが光の波長よりも十分小さい場合、散乱体は空間的に振動する一様な電磁界の中に置かれていると考えることができ、その消衰係数は(２)式で表すことができる（宮内克巳、戸田尭三：オプトセラミックス、技法堂出版、P.33（1984））。

β=Σm_i（（128π⁵/3λ⁴）*d_i ⁶*（(M²-1)/(M²+2)）²） (２)
ここで、m_i ：散乱中心の個数、λ：波長、d_i：散乱中心半径、M：散乱体と媒質の屈折率差、である。

ここで、PLZTの屈折率の波長依存性は小さいことから、Mを一定とすることができる。従って、透過率の高い試料No.1における消衰係数βの波長による変化が、レイリー散乱によることを検証するためには、βがλ^-4に比例することを示せばよいことになる。

図８に試料N0.1,No.2,No.3のそれぞれについての消衰係数βとλ^-4の関係を示す。

８１はNo.1、８２はNo.2、８３はNo.3の試料にそれぞれ対応する。実線は、それぞれのデータに対する近似線である。膜中に大きなポアと異相が存在するNo.２，３では、消衰係数βとλ^-4に比例関係はなく、透過光の減衰はレイリー散乱では説明できない。図９に試料No.１の消衰係数βとλ^-4の関係の拡大図を示す。

ポア径の小さく、異相が存在しない透明度の高いNo.1では、消衰係数βとλ^-4に比例関係が成り立ち、光の減衰はレイリー散乱により生じていることは明らかである。

従って、消衰係数βを小さくするためには、用いる光の波長λを大きくすること、散乱中心半径ｄを小さくすること、散乱体と媒質の屈折率差Mを小さくすることが有効である。つまり、散乱中心半径ｄを波長λに比べて十分小さくすることができれば、実用可能な透明な光学素子とすることができる。

上記の実験結果からその関係をまとめた。図１は、レイリー散乱で光の減衰が説明できる試料No.1についての、透過損失とd⁶/λ⁴の関係である。

ｄはTEM写真から求め15nmである。光学素子に応用可能な透過損失が20dB/mmであることから、d⁶/λ⁴の範囲は、4x10^-5nm²以下となる。また、光学素子の応用に望ましい透過損失５dB/mmでは、d⁶/λ⁴の範囲は、１x10^-5nm²以下となる。

また、本方式で形成した光学素子を用いた光情報伝搬システムでは、使用可能な光の波長に下限があることになる。本実施例から、本成膜法において最適化された膜の透過損失の波長依存性は図１０のようになる。

透過損失は波長の増加に伴い急激に改善される。本成膜法による光学素子を用いる光情報伝搬システムで透過損失を実用可能なレベルにするためには、情報の伝播に用いる光の波長は800nm以上である必要がある。

図１１に実施例２に係わるノズルと基板の入射角による透過率の膜厚依存性を示す。成膜装置は実施例１と同一である。キャリアガスに窒素を用い、ガス流量は8l/分、ノズル基板間距離は25mm一定とした。組成は、（Pb_1-xLa_x）(Zr_yTi_z)_1-x/4O₃においてx=0.09、y=0.65、z=0.35である。透過率は、Beckman製DU640分光解析システムにより波長800nmで測定した。入射角10度では、透過率は垂直入射とほとんど変わらないが、２０度以上にすることで透過率を大きく改善することができた。したがって、実施例１で示した透過率の改善は、入射角の変化によるものと判断できる。

入射角の効果により、膜中のポアと異相を大幅に除去できるメカニズムは、次のように考えられる。平均粒径0.7μmの原料粉末を基板に衝突させることで、粉末に機械的衝撃を加え脆性材料である酸化物を粉砕、接合させ成形体を形成するが、飛来する粒子の粒子速度、形状、粒径、凝集状態の不均一性から粉砕が不十分で粗大な粒子も膜表面に接合される。

粗大粒の存在は、図３の試料No.3のSEM写真や、図５の５２の試料No.3のTEM写真から確認できる。その場合、粗大粒の影の部分には、飛来粒子が衝突することが困難になり、ポアが発生しやすくなる。この粗大粒は、粉砕が不十分なため新生面の形成が困難であり、膜表面との接合力は、膜を主に構成する微結晶粒よりも小さくなる。また、もうひとつの透過率減少の原因である異相も、膜を主に構成する微結晶粒と組成、結晶構造が異なるため、膜表面との接合力は小さくなる。

微粒子の入射角を大きくすることで、入射粒子は斜め成分の運動量を持つことになり、膜表面に接合した粒子を除去する効果が増大する。従って、入射角を適切に選ぶことで、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去することが可能になる。入射角が大きくなりすぎると、除去効果が大きくなりすぎ、膜は堆積できなくなる。実施例２では、入射角を40度以上に大きくすると、膜の堆積はほとんど見られなくなった。

実施例２の入射角の制御による粒子間接合力の弱い粒子の選択的除去は、透過率の高い光学素子の製造方法の一例に過ぎず、超微粒子の材料、粒径、凝集状態、速度、硬度の少なくとも一つ変えることで達成可能である。以下実施例により説明する。

図１２は実施例3で用いた成膜装置の概略図である。

実施例１との違いは粉末を吹き付けるノズルが二つあることであり、一方が薄膜形成用、他方は結合力の弱い粒子を選択的に除去する粒子を吹き付けることに用いる。窒素ガスを内蔵するガスボンベ１２００は搬送管を介してガラスボトル１２０１に接続されている。ガラスボトル１２０１内に粉末原料１２０２を入れ、排気管１２０３を介して20Torr程度の真空に排気した後、キャリアガスとして窒素の流量を制御しながら導入する。ガラスボトル１２０１を加振器１２０４により振動させることで、粉末のエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管１２０５を介して、成膜チャンバー１２０６に搬送する。

成膜チャンバー１２０６は真空ポンプ１２０７により所定の真空度は排気される。ノズル１２０８から基板１２０９に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。基板１２０９は自転しており、ノズル１２０８と相対する位置にノズル１２１０があり、結合力の弱い粒子を選択的に除去するための粉末を吹き付ける。窒素ガスを内蔵するガスボンベ１２１１は搬送管を介してガラスボトル１２１２に接続されている。

ガラスボトル１２１２内に除去用粉末１２１３を入れ、排気管１２１４を介して20Torr程度の真空に排気した後、キャリアガスとして窒素の流量を制御しながら導入する。ガラスボトル１２１２を加振器１２１５により振動させることで、粉末のエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管１２１６を介して、成膜チャンバー１２０６に搬送する。成膜チャンバーの中央には、原料粉末と除去用粉末の混合を防ぐ目的で隔壁１２１７が設けられている。

成膜材料としてPLZT、除去材料としてアルミナを用い、ガラス基板上に試料を成膜した。基板回転速度は20rpmである。ノズルと基板の入射角は成膜ノズルが0度、除去用ノズルが30度である。キャリアガスはN₂とし、PLZTのガス流量を8l/min一定とし、アルミナのガス流量を変化させ成膜した。組成は、（Pb_1-xLa_x）(Zr_yTi_z)_1-x/4O₃においてx=0.09、y=0.65、z=0.35である。原料粉末PLZTの平均粒径は、0.7μm、除去用粒子アルミナの平均粒径は１μmである。

アルミナのガス流量がゼロ、つまり原料粉末による成膜だけを行った場合、PLZT膜の透過率は低く４２％であった。膜厚は4μmである。アルミナのガス流量を増加させることで透過率は徐々に増加し、4l/minとすることで、透過率は70%となった。本実施例では、除去用超微粒子として粒径1μmのアルミナを用いたが、本発明はそれに限定されるものではなく、シリカ微粒子、ダイヤモンド微粒子などの材料を用いることができる。また、材料が同じであっても粒径、凝集状態、速度、硬度を変えることで、粒子間接合力の弱い粒子を選択的に除去することが可能であり、透過率の高い光学素子を作成することができる。

図１３は実施例４で用いた成膜装置の概略図である。

実施例３との違いは、結合力の弱い粒子を選択的に除去する粒子にドライアイスを用いていることである。窒素ガスを内蔵するガスボンベ１３００は搬送管を介してガラスボトル１３０１に接続されている。ガラスボトル１３０１内に粉末原料１３０２を入れ、排気管１３０３を介して20Torr程度の真空に排気した後、キャリアガスとして窒素の流量を制御しながら導入する。

ガラスボトル１３０１を加振器１３０４により振動させることで、粉末のエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管１３０５を介して、成膜チャンバー１３０６に搬送する。成膜チャンバー１３０６は真空ポンプ１３０７により所定の真空度は排気される。ノズル１３０８から基板１３０９に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。基板１３０９は自転しており、ノズル１３０８と相対する位置にノズル１３１０があり、結合力の弱い粒子を選択的に除去するためにドライアイス（CO₂）の微粒子を吹き付ける。CO₂ガスを内蔵するガスボンベ１３１１は搬送管１３１２を介して、成膜チャンバー１３０６に搬送する。CO₂ガスは低圧力の真空チャンバー１３０６内にノズル１３１０から出た段階で、断熱膨張し凝集し微粒子を形成する。成膜チャンバーの中央には、原料粉末とドライアイス微粒子の混合を防ぐ目的で隔壁１３１３が設けられている。

成膜材料としてPLZT、ガラス基板上に成膜した。基板回転速度は20rpmである。ノズルと基板の入射角は成膜ノズル、ドライアイスノズルともに0度である。原料粉末のキャリアガスはN₂とし、PLZTのガス流量を8l/min、ドライアイスのガス流量は1l/minとした。組成は、（Pb_1-xLa_x）(Zr_yTi_z)_1-x/4O₃においてx=0.09、y=0.65、z=0.35である。原料粉末PLZTの平均粒径は、0.7μmである。ドライアイスの吹きつけがなく原料粉末による成膜だけを行った場合、PLZT膜の透過率は低く４２％であった。膜厚は4μmである。ドライアイスを吹き付けることで透過率は７２%となった。ドライアイスは揮発性が高いことから粒子間結合力の弱い粒子を除去した後に瞬時に揮発し、除去用粒子の膜中への取り込みは発生しなくなる。このことから、除去用粒子による光の散乱は生じなくなり、透明度の高い光学素子を得ることができる。

図１４は実施例５で用いた成膜装置の概略図である。

実施例３との違いは、結合力の弱い粒子を選択的に除去する粒子が基板に吹き付ける位置にレーザー光が集光されていることである。窒素ガスを内蔵するガスボンベ１４００は搬送管を介してガラスボトル１４０１に接続されている。ガラスボトル１４０１内に粉末原料１４０２を入れ、排気管１４０３を介して20Torr程度の真空に排気した後、キャリアガスとして窒素の流量を制御しながら導入する。ガラスボトル１４０１を加振器１４０４により振動させることで、粉末のエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管１４０５を介して、成膜チャンバー１４０６に搬送する。

成膜チャンバー１４０６は真空ポンプ１４０７により所定の真空度は排気される。ノズル１４０８から基板１４０９に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。基板１４０９は自転しており、ノズル１４０８と相対する位置にノズル１４１０があり、結合力の弱い粒子を選択的に除去するための粉末を吹き付ける。窒素ガスを内蔵するガスボンベ１４１１は搬送管を介してガラスボトル１４１２に接続されている。ガラスボトル１４１２内に除去用粉末１４１３を入れ、排気管１４１４を介して20Torr程度の真空に排気した後、キャリアガスとして窒素の流量を制御しながら導入する。

ガラスボトル１４１２を加振器１４１５により振動させることで、粉末のエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管１４１６を介して、成膜チャンバー１４０６に搬送する。ノズル１４１０から吹き付けられる粉末が基板１４０９に吹き付けられる位置に光源１４１８から照射されたレーザー光が集光される。成膜チャンバーの中央には、原料粉末と除去用粉末の混合を防ぐ目的で隔壁１４１７が設けられている。

成膜材料としてPLZT、除去材料としてジルコニアを用い、ガラス基板上に成膜した。基板回転速度は20rpmである。ノズルと基板の入射角は成膜ノズルが0度、除去用ノズルが１５度である。キャリアガスはN₂とし、PLZTのガス流量を8l/min、ジルコニアのガス流量を２l/minと一定として成膜した。レーザー光は波長488nmのアルゴンレーザーを用い、照射面のパワー密度を０から2mW/mm²まで変化させて、そのとき膜の透過率を測定した。PLZT組成は、（Pb_1-xLa_x）(Zr_yTi_z)_1-x/4O₃においてx=0.09、y=0.65、z=0.35である。原料粉末PLZTの平均粒径は、0.7μm、除去用粒子ジルコニアの平均粒径は0.5μmである。

レーザーの照射パワーがゼロの場合、PLZT膜の透過率は低く、５１％であった。膜厚は4μmである。レーザーの照射パワーを増加させることで透過率は徐々に増加し、2mW/mm²とすることで、透過率は７３%となった。

本実施例では、電磁波として波長488nmの可視レーザー光を用いたが、本発明はそれに限定されるものではなく、紫外、可視、赤外光、マイクロ波などを用いることができる。電磁波により粒子間接合力の弱い粒子の選択的除去を促進することで、除去用微粒子の機械的エネルギーを小さくすることができる。これにより、成形体を構成する微結晶への機械的衝撃による欠陥やひずみの導入を小さくすることができ、成形体の電気光学特性を改善することができる。

次に、本光学素子を用いた光変調器の実施例について説明する。

まず、ガラス基板上にITO膜を下部電極として、スパッタ法により200nm成膜した。マグネトロンスパッタ法を用い、３００℃に基板加熱し、アルゴンと酸素の混合ガスにより成膜した。

ITO下部電極上に、マッハツエンダー型の導波路形状にリフトオフ用のレジストを形成した。その後、図１２の成膜装置を用いPLZTを２μｍ成膜し、コア層とした。成膜条件は実施例３と同一である。その後、レジストを除去し、PLZT表面を研磨により平坦化し、導波路を作成した。次に、La組成を15%に高め、屈折率を小さくしたPLZTを本方式により3μm成膜し、2.5μmの厚さになるまで研磨し、クラッド層とした。コア層上にITO電極/Au電極をスパッタ法で成膜し、上部電極とした。

波長1.55μmの光を先球ファイバーにより、形成した光変調器に導入し、電極に１０Vの電圧を印加することで、15dBの変調度を得ることができた。

本実施例の光変調器の伝搬損失の波長依存性を測定したところ、波長800nm以上で、導波損失が20dB以下となり、実用可能であった。さらに、測定波長を高めるに従い、導波損失は低下し、波長1.55μmでは5dBとなった。

本実施例では、PLZTコア層の作成にリフトオフ法を用いているが、PLZTコア層を成膜後、レジストにより所望の導波路形状を形成した後、反応性イオンエッチング等で膜をエッチングする方法で形成することもできる。また、本実施例の、導波路形状をかえることで、光スイッチを形成することもできる。

本発明による光学素子は下地材料に特性が依存しないため、ITOのような結晶構造が異なる多結晶体の上の形成が可能となるという有効性がある。

また、本発明の光学素子は基板や下地層にかかわりなく形成が可能であるため、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の光学素子をあらかじめ形成した基板や、CPU、メモリー等の電子回路を形成した基板上に、光学素子を形成し、光集積デバイスを作成することができる。

図１５は実施例７の光情報伝搬システムの構成図である。

レーザー１５０１から出射された連続光は、マイクロレンズ１５０２で集光され、光変調器１５０３に入射する。光変調器１５０３は、実施例６と同一のプロセスで形成されたマッハツエンダー型の導波路１５０４と電極１５０５より形成され、光変調器１５０３は、レーザーがあらかじめ形成された基板上に作成した。電極１５０５には変調信号発生回路1506と電気的に接続されており、電圧駆動による高周波信号を電極に供給する。この電圧により導波路の屈折率が変化し、光信号を変調できる。光変調器により変調された光信号は、光電気変換器１５０７により、電気信号に変換される。

本実施例の光情報伝搬システムに１０MHｚの信号を入力し、S/Nの波長依存性を測定したところ、波長800nm以上で、S/Nが１５dB以上となり、実用可能であった。

光学素子における成膜方法等は上記実施例１と同様である。具体的には、図２の成膜装置を用いて薄膜を形成する。

成膜材料として、光学異方性の大きなPZTを用い、ガラス基板上に成膜して透明化した。組成は、Pb (Zr_yTi_z)O₃においてy=0.52、z=0.48である。

図１６に、試料の透過率スペクトルを示す。

透過率は、実施例１と同様に、分光光度計（島津製UV-365：商品名）で測定した。試料の透過率は波長とともに増加し、波長1μm以上でほぼ飽和している。

本発明の実施例１に係る透過損失と結晶粒径ｄ⁶/波長λ⁴の関係を示す図である。本発明の実施例１に係る成膜装置を説明する図である。本発明の実施例１に係る成膜条件の異なる３試料の外観写真、膜断面FE-SEM写真の図である。本発明の実施例１に係る成膜条件の異なる３試料の透過率スペクトルの図である。本発明の実施例１に係る成膜条件の異なる２試料のTEM写真である。本発明の実施例１に係る成膜条件の異なる２試料のEDX組成分布図である。本発明の実施例１に係る試料No.1の各波長における透過率の膜厚依存性を示す図である。本発明の実施例１に係る成膜条件の異なる３試料の消衰係数βとλ^-4の関係を示す図である。本発明の実施例１に係る試料No.1の消衰係数βとλ^-4の関係を示す図である。本発明の実施例１に係る透過損失と波長の関係を示す図である。本発明の実施例２に係るノズルと基板の入射角による透過率の膜厚依存性示す図である。本発明の実施例３に係る成膜装置を説明する図である。本発明の実施例４に係る成膜装置を説明する図である。本発明の実施例５に係る成膜装置を説明する図である。本発明の実施例７の光情報伝搬システムを説明する図である。本発明の実施例８に係る透過率スペクトルの図である。

符号の説明

２０ガスボンベ
２１ガラスボトル
２２粉末原料
２３排気管
２４加振器
２５搬送管
２６成膜チャンバー
２７真空ポンプ
２８ノズル
２９基板
４１試料No.１の透過率
４２試料No.２の透過率
４３試料No.３の透過率
５１試料No.１のTEMの明視野像写真
５２試料No.２のTEMの明視野像写真
６１試料No.1のPbのEDX組成分布図
６２試料No.1のZrのEDX組成分布図
６３試料No.２のPbのEDX組成分布図
６４試料No.２のZrのEDX組成分布図
７１波長500nmで測定した透過率の膜厚依存性
７２波長600nmで測定した透過率の膜厚依存性
７３波長800nmで測定した透過率の膜厚依存性
７４波長1550nmで測定した透過率の膜厚依存性
８１試料No.1の消衰係数βとλ^-4の関係
８２試料No.２の消衰係数βとλ^-4の関係
８３試料No.３の消衰係数βとλ^-4の関係
１２００ガスボンベ
１２０１ガラスボトル
１２０２粉末原料
１２０３排気管
１２０４加振器
１２０５搬送管
１２０６成膜チャンバー
１２０７真空ポンプ
１２０８ノズル
１２０９基板
１２１０ノズル
１２１１ガスボンベ、
１２１２ガラスボトル
１２１３粉末原料
１２１４排気管
１２１５加振器
１２１６搬送管
１２１７隔壁
１３００ガスボンベ
１３０１ガラスボトル
１３０２粉末原料
１３０３排気管
１３０４加振器
１３０５搬送管
１３０６成膜チャンバー
１３０７真空ポンプ
１３０８ノズル
１３０９基板
１３１０ノズル
１３１１ガスボンベ
１３１２搬送管
１３１３隔壁
１４００ガスボンベ
１４０１ガラスボトル
１４０２粉末原料
１４０３排気管
１４０４加振器
１４０５搬送管
１４０６成膜チャンバー
１４０７真空ポンプ
１４０８ノズル
１４０９基板
１４１０ノズル
１４１１ガスボンベ
１４１２ガラスボトル
１４１３粉末原料
１４１４排気管
１４１５加振器
１４１６搬送管
１４１７隔壁
１４１８光源
１５０１レーザー
１５０２マイクロレンズ
１５０３光変調器
１５０４マッハツエンダー型の導波路
１５０５電極
１５０６変調信号発生回路
１５０７光電気変換器

Claims

基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して超微粒子脆性材料を粉砕・接合させることにより成形体を形成する成膜法であって、
前記成形体の主たる構成体を形成する超微粒子脆性材料を第１のノズルから前記基板に供給することにより薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記第１のノズルとは異なる第２のノズルから超微粒子を供給することにより、前記成形体の主たる構成体を形成する超微粒子脆性材料より粒径の大きい超微粒子脆性材料を選択的に除去する選択除去工程とを有し、前記第２のノズルから供給される超微粒子がドライアイス（CO ₂ ）であることを特徴とする成形体の製造方法。
前記選択除去工程において、前記粒径の大きい超微粒子脆性材料の粒子間接合力を選択的に弱めるために、前記成形体に電磁波を照射することを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法。
前記電磁波は、レーザ光であることを特徴とする請求項２に記載の成形体の製造方法。