JP7085599B2 - 電気光学素子用複合基板 - Google Patents
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Description
1つの実施形態においては、上記電気光学結晶基板の厚みは0.1μm~10μmである。
1つの実施形態においては、上記電気光学結晶基板は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸・ニオブ酸カリウム、および、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体からなる群から選択される1つで構成されている。
1つの実施形態においては、上記第1の高誘電率層および上記第2の高誘電率層の厚みは、それぞれ0.001μm~1μmである。
1つの実施形態においては、上記第1の高誘電率層および上記第2の高誘電率層は、それぞれ、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムおよびシリコンからなる群から選択される1つで構成されている。
1つの実施形態においては、上記支持基板は、シリコン、ガラス、サイアロン、ムライト、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化マグネシウム、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム、炭化シリコンおよび酸化ガリウムからなる群から選択される1つで構成されている。
1つの実施形態においては、上記支持基板は、上記第2の高誘電率層側に形成された低誘電率層を含む。
図1は、本発明の1つの実施形態による電気光学素子用複合基板(以下、単に複合基板と称する場合がある)の概略斜視図であり;図2は、図1の複合基板の概略断面図である。本発明の実施形態による複合基板は、代表的には図1に示すように、いわゆるウェハの形態で製造され得る。複合基板のサイズは、目的に応じて適切に設定され得る。例えば、ウェハの直径は4インチ(約10cm)であり得る。通常、一枚の複合基板から複数の電気光学素子が製造され得る。なお、複合基板は、ウェハの形態に限定されず、様々な形態で製造され提供されてもよい。
電気光学結晶基板10は、電気光学素子において電気光学効果を有する層(機能層)となり得る。例えば、電気光学結晶基板10の一部または全部は、電気光学素子において光を伝える光導波路となり得る。電気光学結晶基板10は、外部に露出する上面と、複合基板内に位置する下面と、を有する。電気光学結晶基板10は、電気光学効果を有する材料の結晶で構成されている。具体的には、電気光学結晶基板10は、電界が印加されると光学定数(例えば、屈折率)が変化し得る。1つの実施形態においては、電気光学結晶基板10のc軸は、電気光学結晶基板10に平行であり得る。すなわち、電気光学結晶基板10は、Xカットの基板であってもよくYカットの基板であってもよい。別の実施形態においては、電気光学結晶基板10のc軸は、電気光学結晶基板10に垂直であり得る。すなわち、電気光学結晶基板10は、Zカットの基板であってもよい。電気光学結晶基板10の厚みは、目的に応じて任意の適切な厚みに設定され得る。電気光学結晶基板10の厚みは、例えば0.1μm~10μmであり得る。後述するように、複合基板は支持基板により補強されているので、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。電気光学結晶基板の厚みは、好ましくは0.2μm以上であり、より好ましくは0.3μm以上であり、さらに好ましくは0.45μm以上である。電気光学結晶基板の厚みの下限がこのような範囲であれば、電気光学素子において光の伝搬損失を小さくすることができる。一方、電気光学結晶基板の厚みは、好ましくは5.0μm以下であり、より好ましくは2.8μm以下であり、さらに好ましくは1.0μm以下である。電気光学結晶基板の厚みの上限がこのような範囲であれば、電気光学素子の高速および低電圧駆動性能を向上させることができる。また、電気光学結晶基板の厚みがこのような範囲であれば、高誘電率層を用いる効果が顕著なものとなる。すなわち、光の伝搬損失の低下を抑制しつつ、より高速およびより低電圧での駆動を実現することが可能となる。
支持基板30は、複合基板内に位置する上面と、外部に露出する下面と、を有する。支持基板30は、複合基板の強度を高めるために設けられており、これにより、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。支持基板30としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板30を構成する材料の具体例としては、シリコン(Si)、ガラス、サイアロン(Si3N4-Al2O3)、ムライト(3Al2O3・2SiO2,2Al2O3・3SiO2)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(Si3N4)、酸化マグネシウム(MgO)、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム(GaN)、炭化シリコン(SiC)、酸化ガリウム(Ga2O3)が挙げられる。なお、支持基板30を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板10を構成する材料の線膨張係数に近いほど好ましい。このような構成であれば、複合基板の熱変形(代表的には、反り)を抑制することができる。好ましくは、支持基板30を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板10を構成する材料の線膨張係数に対して50%~150%の範囲内である。この観点から、支持基板30の構成材料は電気光学結晶基板10と同じであってもよく、特にLNまたはLTを使用する場合には、その焦電性を抑えた基板を使用することができる。
第1の高誘電率層21および第2の高誘電率層22は、それぞれが同一の構成(実質的には、構成材料、厚み)であってもよく、互いが異なる構成であってもよい。好ましくは、第1の高誘電率層21および第2の高誘電率層22は、それぞれが同一材料で構成され得る。互いに異なる構成材料の第1の高誘電率層21と第2の高誘電率層22とを直接接合した場合、接合界面に形成されたアモルファス層を介して第1の高誘電率層および第2の高誘電率層を構成する材料(実質的には、原子)が互いに拡散・移行し得る。その結果、第1の高誘電率層および第2の高誘電率層のアモルファス層近傍部分は、それ以外の部分と異なる組成となり得る。その結果、予期せぬ導電率上昇および/または過度な応力の発生を引き起こす可能性がある。第1の高誘電率層および第2の高誘電率層を同一材料で構成することにより、このような不具合を防止することができる。
アモルファス層40は、第1の高誘電率層21と第2の高誘電率層22との直接接合により接合界面に形成された層である。アモルファス層40は名称のとおりアモルファス構造を有しており、第1の高誘電率層21を構成する元素と第2の高誘電率層22を構成する元素とで構成されている。アモルファス層は、代表的には、直接接合に用いられる中性原子ビームを構成する原子種(代表的には、アルゴン、窒素)をさらに含み得る。アモルファス層におけるこのような原子種の含有量は、例えば1.5原子%~2.5原子%であり得る。
電気光学結晶基板として直径4インチのXカットニオブ酸リチウム基板、支持基板として直径4インチのシリコン基板(厚み500μm)を用意した。まず、電気光学結晶基板上に酸化タンタルをスパッタリングして、厚み0.03μmの第1の高誘電率層を形成した。次いで、支持基板上に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み10.0μmの低誘電率層を形成した。得られた低誘電率層をわずかにCMP研磨して、低誘電率層表面の算術平均粗さRaを小さくした。次いで、低誘電率層表面を洗浄し、当該洗浄表面に酸化タンタルをスパッタリングして、厚み0.03μmの第2の高誘電率層を形成した。ここで、原子間力顕微鏡を用いて、第2の高誘電率層と低誘電率層との界面の□10μm算術平均粗さ、および、低誘電率層と支持基板との界面の算術平均粗さを測定したところ、いずれも□10μmで0.2nmであった。次に、第1の高誘電率層および第2の高誘電率層の表面を洗浄した後、第1の高誘電率層と第2の高誘電率層とを直接接合することにより電気光学結晶基板と支持基板とを一体化した。直接接合は、以下のようにして行った。電気光学結晶基板および支持基板を真空チャンバーに投入し、10-6Pa台の真空中で、電気光学結晶基板および支持基板の接合面(第1の高誘電率層および第2の高誘電率層の表面)に高速Ar中性原子ビーム(加速電圧1kV、Ar流量60sccm)を70sec間照射した。照射後、10分間放置して電気光学結晶基板および支持基板を放冷したのち、電気光学結晶基板および支持基板の接合面(第1の高誘電率層および第2の高誘電率層のビーム照射面)を接触させ、4.90kNで2分間加圧して電気光学結晶基板と支持基板とを接合した。接合後、電気光学結晶基板の厚みが0.5μmになるまで研磨加工し、図2の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
支持基板として石英ガラス基板(厚み500μm)を用いたこと、および、支持基板に低誘電率層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして、図2に類似した電気光学素子用複合基板(ただし、第2の高誘電率層と支持基板との間に低誘電率層なし)を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
さらに、得られた複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Vπと電極長Lの積Vπ・Lは1.0Vcmであった。光導波路の伝搬損失は0.5dBであった。さらに、変調帯域は50GHzであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
電気光学結晶基板に第1の高誘電率層を形成しなかったこと(すなわち、電気光学結晶基板10と第2の高誘電率層22とを直接接合したこと)以外は実施例1と同様にして、図3の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
さらに、得られた複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Vπと電極長Lの積Vπ・Lは1.2Vcmであった。光導波路の伝搬損失は1.0dBであった。さらに、変調帯域は50GHzであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
半波長電圧が増加してしまった理由としては、接合界面に形成されたアモルファス層40が電気光学結晶基板10内に進展しまったため、この領域においてニオブ酸リチウム結晶の電気光学効果が低下したことが原因と考えられる。この領域に分布する光電界は電圧印加による屈折率変化が小さくなり、光導波路を伝搬する光の位相シフト量が低下し、その結果、光変調器の半波長電圧が増加したものと推察され得る。
また、光伝搬損失が増加した理由としては、接合界面に形成されたアモルファス層40による吸収および/または散乱が原因と考えられる。アモルファス層は、ニオブ酸リチウムと酸化タンタルの混成層となっており、このアモルファス層内の組成のバラツキおよび/またはアモルファス層形成時の内部応力により光が吸収され、アモルファス層と電気光学結晶基板との界面において光が散乱したと推察され得る。
支持基板に第2の高誘電率層を形成しなかったこと(すなわち、第1の高誘電率層21と低誘電率層50とを直接接合したこと)以外は実施例1と同様にして、図4の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれの不良が発生した。はがれは、複合基板の全面積に対して約30%の割合で発生していた。なお、上記と同様にして別の複合基板(ウェハ)の作製を試みたところ、全く接合できない場合もあった。
さらに、上記のはがれが約30%の複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Vπと電極長Lの積Vπ・Lは1.0Vcmであった。光導波路の伝搬損失は0.5dBであった。さらに、変調帯域は40GHzであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
変調帯域が低下した理由としては、第1の高誘電率層21の誘電率が低下したことが原因と考えられる。直接接合時に第1の高誘電率層21と低誘電率層50との界面にアモルファス層40が形成されることにより、第1の高誘電率層のある部分は酸化シリコンの拡散によって誘電率が低下してしまい、電気信号の実効誘電率および実効屈折率の低下を抑制できず、速度整合条件からのずれによって変調帯域が低下したと推察され得る。
表1に示す構成で電気光学素子用複合基板を作製し、接合界面のはがれ等の不良の有無を観察した。さらに、得られた複合基板から光変調器を作製し、実施例1と同様の評価に供した。結果を表1に示す。
21 第1の高誘電率層
22 第2の高誘電率層
30 支持基板
40 アモルファス層
50 低誘電率層
100 電気光学素子用複合基板
Claims (6)
- 電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、該電気光学結晶基板に直接形成された第1の高誘電率層と、支持基板と、該支持基板に直接形成された低誘電率層と、該低誘電率層に直接形成された第2の高誘電率層と、を有し、
該第1の高誘電率層と該第2の高誘電率層とが直接接合されており、該第1の高誘電率層と該第2の高誘電率層との接合界面にアモルファス層が形成されており、
該低誘電率層が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウムおよびフッ化カルシウムからなる群から選択される1つで構成されている、
電気光学素子用複合基板。 - 前記電気光学結晶基板の厚みが0.1μm~10μmである、請求項1に記載の電気光学素子用複合基板。
- 前記電気光学結晶基板が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸・ニオブ酸カリウム、および、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体からなる群から選択される1つで構成されている、請求項1または2に記載の電気光学素子用複合基板。
- 前記第1の高誘電率層および前記第2の高誘電率層の厚みが、それぞれ0.001μm~1μmである、請求項1から3のいずれかに記載の電気光学素子用複合基板。
- 前記第1の高誘電率層および前記第2の高誘電率層が、それぞれ、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムおよびシリコンからなる群から選択される1つで構成されている、請求項1から4のいずれかに記載の電気光学素子用複合基板。
- 前記支持基板が、シリコン、ガラス、サイアロン、ムライト、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化マグネシウム、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム、炭化シリコンおよび酸化ガリウムからなる群から選択される1つで構成されている、請求項1から5のいずれかに記載の電気光学素子用複合基板。
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