JP7343347B2

JP7343347B2 - 光変調器用接合体、光変調器および光変調器用接合体の製造方法

Info

Publication number: JP7343347B2
Application number: JP2019183583A
Authority: JP
Inventors: 知義多井; 雄大鵜野; 順悟近藤; 義政小林; 達也菱木; 博治小林
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-10-04
Also published as: CN112612149B; EP3800501A1; CN112612149A; US11448907B2; JP2021060479A; US20210103164A1

Description

本発明は、光変調器用接合体、光変調器および光変調器用接合体の製造方法に関するものである。

ニオブ酸リチウムからなる光導波路用基板を支持基板に対して接合した光変調器が知られている。特許文献１によれば、ニオブ酸リチウム基板と低誘電率基板とを有機物や低融点ガラスを介して接合している。特許文献２によれば、ニオブ酸リチウムからなる光導波路用基板を、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムからなる支持基板に対して接着層を介して接合している。特許文献３によれば、シリコンやサファイアの単結晶基板上にニオブ酸リチウムのエピタキシャル膜を成長させ、これを光導波路用基板として利用する。

特開平01-18121 特許4667932 特開2015-14716

例えばニオブ酸リチウム結晶にチタンを拡散させた光導波路は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に金属チタン膜を堆積し、1000℃程度の温度で数時間の熱拡散を経て作製する。この加工時にニオブ酸リチウム結晶の結晶性が劣化するために、この結晶性劣化を改善するには、600~1000℃のアニール工程が必要となる。しかし、このような高温のアニール工程において、ニオブ酸リチウム基板と支持基板の熱膨張差が大きいと、割れが発生する。
更に、ニオブ酸リチウム基板と支持基板との相性によって、光変調器の周波数に対する光応答特性（帯域幅）にも限界がある。

本発明の課題は、ニオブ酸リチウム等からなる光導波路用材料を支持基板に接合してなる光変調器用接合体および光変調器において、光導波路用材料のアニール処理による割れを抑制するとともに、光変調器の周波数に対する光応答特性を改善することである。

本発明は、
支持基板、
前記支持基板上に設けられた、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる光導波路用材料、
前記前記光導波路用材料にある光導波路、および
前記支持基板と前記光導波路用材料とを接合する、酸化物膜からなる接合層を備えている光変調器用接合体であって、
前記支持基板が、マグネシウム－珪素複合酸化物からなることを特徴とする。

また、本発明は、前記光変調器用接合体、および前記光導波路用材料上に設けられ、前記光導波路を伝搬する光を変調する電極を備えていることを特徴とする、光変調器に係るものである。

また、本発明は、
マグネシウム－珪素複合酸化物からなる支持基板と、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる光導波路用材料とを接合する工程、および
前記光導波路用材料に光導波路を設ける工程
を有することを特徴とする、光変調器用接合体の製造方法に係るものである。

本発明によれば、ニオブ酸リチウム等からなる光導波路用材料を支持基板に接合してなる光変調器用接合体および光変調器において、光導波路用材料のアニール処理による割れを抑制するとともに、光変調器の周波数に対する光応答特性を改善することができる。

（ａ）は、光導波路用材料１上に中間層２および第一の酸化物膜３Ａを設けた状態を示し、（ｂ）は、支持基板４上に第二の酸化物膜３Ｂを設けた状態を示し、（ｃ）は、支持基板４と光導波路用材料１との接合体５を示す。（ａ）は、光導波路用材料７にリッジ型光導波路８を形成した状態を示し、（ｂ）は、光変調器１１に変調電極１０Ａ、１０Ｂを形成した状態を示す。（ａ）は、支持基板４と光導波路用材料７Ａとの接合体６Ａを示し、（ｂ）は、光変調器１１Ａを示す。接合体の要部断面写真である。

図１～図２は、本発明の実施形態に係る光変調器用接合体および光変調器を示すものである。
図１（ａ）に示すように、光導波路用材料１上に中間層２を介して第一の酸化物膜３Ａを設ける。そして、第一の酸化物膜３Ａの表面に対して矢印Ａのように中性化原子ビームを照射し、活性化面１２Ａとする。また、図１（ｂ）に示すように、支持基板４上に第二の酸化物膜３Ｂを設ける。そして、第二の酸化物膜３Ｂの表面に対して矢印Ｂのように中性化原子ビームを照射し、活性化面１２Ｂとする。次いで、第一の酸化物膜３Ａの活性化面１２Ａと第二の酸化物膜３Ｂの活性化面１２Ｂとを当接させ、直接接合することによって、図１（ｃ）に示す接合体５を得る。第一の酸化物膜と第二の酸化物膜は一体化して接合層を構成する。

次いで、図２（ａ）に示すように、光導波路用材料１を加工することによって、リッジ部８を有する光導波路用材料７を得る。ここで、リッジ部８をリッジ型光導波路とすることができるが、リッジ部８中に更に金属拡散法やプロトン交換法によって金属イオンやプロトンを拡散させることによって、光導波路を生成させてもよい。６は光変調器用接合体である。また前記金属イオンやプロトンの拡散のみで光導波路を生成させてもよい。

次いで、図２（ｂ）に示すように、光導波路用材料７上にバッファ層９を介して変調電極１０Ａ、１０Ｂを形成することによって、光変調器１１を得る。本例では、光導波路用材料がＺ板なので、光導波路８の直上に電極１０Ａを形成しているが、電極の位置は光導波路用材料の形態に応じて適宜変更する。
Ｘ板を使用する場合は、バッファ層９はなくてもよい。

また、図３の実施形態では、図３（ａ）に示すように、光導波路用材料に、金属拡散またはプロトン交換光導波路８Ａを形成することによって、光導波路用材料７Ａおよび光変調器用接合体６Ａを得ている。ただし、本例では、第一の酸化物膜３Ａと第二の酸化物膜３Ｂとが直接接合されているとともに、中間層２は省略している。第一の酸化物膜と第二の酸化物膜は一体化して接合層を構成する。また、光導波路８Ａにはリッジ部を設けていない。次いで、図３（ｂ）に示すように、光導波路用材料７Ａ上にバフッァ層９を介して変調電極１０Ａ、１０Ｂを形成することによって、光変調器１１Ａを得る。

以下、本発明の各構成要素について更に述べる。
支持基板の材質は、マグネシウム－珪素複合酸化物とする。また、マグネシウム－珪素複合酸化物は、マグネシウム原子と珪素原子と酸素原子との複合酸化物であり、安定な結晶組成としてはステアタイト(MgSiO3)、フォルステライト(Mg2SiO4)またはこれらの混合物が好ましい。

支持基板を構成する材質の相対密度は、９０％以上であることが好ましく、１００％であってもよい。また、支持基板の製法は特に限定されないが、加圧焼結法によって相対密度を高くすることが好ましい。
光導波路用材料の厚さは，光導波路の伝搬効率の観点からは、0.05～5μｍであることが好ましく、0.1～1.0μｍであることが更に好ましい。

光導波路用材料を構成する材質は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質とする。これらの材質は、支持基板を構成するマグネシウム－珪素複合酸化物と相性がよく、アニール時（あるいは、光導波路用材料の成膜時）の割れを抑制でき、また広帯域化することが可能になった。

光導波路を構成する材質は、ＬｉｘＡＯｚ（Ａ＝Ｎｂ、Ｔａ）で表すと、ｘが０．９～１．０５であることが好ましく、ｚは２．８～３．２であることが好ましい。また、ＬｉおよびＡは、１０％以下を別元素に置き換えても良い。別元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。

光導波路用材料に設けられる光導波路は、いわゆるリッジ型光導波路であってよく、また金属拡散光導波路やプロトン交換光導波路であってよい。好ましくは、リッジ部中に金属拡散やプロトン交換によって拡散型光導波路を形成することによって、光の閉じ込めを強くする。

光導波路用材料の表面上に、光導波路用材料の材質よりも誘電率の低い材質からなる中間層を設けることで、光導波路への光の閉じ込めを強くできる。この観点からは、中間層の材質は、酸化珪素が好ましい。また、中間層の厚さは2.0～15μｍが好ましく、4.0~10μmが更に好ましい。

好適な実施形態においては、光導波路用材料１上に第一の酸化物膜を設け、支持基板上に第二の酸化物膜を設け、第一の酸化物膜の表面と第二の酸化物膜の表面とをそれぞれ中性化原子ビームによって活性化し、各活性化面を直接接合する。ただし、光導波路用材料１と第二の酸化物膜とを直接接合してもよく、支持基板と第一の酸化物膜とを直接接合してもよく、光導波路用材料１と支持基板とを直接接合してもよい。第一の酸化物膜と第二の酸化物膜は一体化して接合層を構成する。

中性化原子ビームによる表面活性化の際には、好ましくは、接合すべき各表面を平坦化して平坦面を得る。ここで、各表面を平坦化する方法は、ラップ(lap)研磨、化学機械研磨加工(CMP)などがある。また、平坦面は、Ra≦1nmが好ましく、0.3nm以下にすると更に好ましい。

次いで、研磨剤の残渣や加工変質層の除去のため、各表面を洗浄する。表面を洗浄する方法は、ウエット洗浄、ドライ洗浄、スクラブ洗浄などがあるが、簡便かつ効率的に清浄表面を得るためには、スクラブ洗浄が好ましい。この際には、洗浄液としてサンウオッシュLH540を用いた後に、アセトンとＩＰＡの混合溶液を用いてスクラブ洗浄機にて洗浄することが特に好ましい。

次いで、各表面に中性化ビームを照射することで、各表面を活性化する。
中性化ビームによる表面活性化を行う際には、ビーム源として、サドルフィールド型の高速原子ビーム源を使用する。そして、チャンバーに不活性ガスを導入し、電極へ直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）と筺体（負極）との間に生じるサドルフィールド型の電界により、電子ｅが運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス（アルゴン、窒素等）が好ましい。
ビーム照射による活性化時の電圧は0.5～2.0kVとすることが好ましく、電流は50～200mAとすることが好ましい。

次いで、真空雰囲気で、活性化された表面同士を接触させ、接合する。この際の温度は常温であるが、具体的には40℃以下が好ましく、30℃以下が更に好ましい。また、接合時の温度は20℃以上、25℃以下が特に好ましい。接合時の圧力は、100～20000Nが好ましい。

第一の酸化物膜、第二の酸化物膜は、直接接合時の接合強度を向上させる目的で設ける。こうした観点からは、各酸化物膜の材質（接合層の材質）は、酸化珪素、酸化マグネシウム、アルミナ、五酸化タンタル、酸化チタンおよび五酸化ニオブからなる群より選ばれた材質であることが好ましい。
また、第一の酸化物膜、第二の酸化物膜の厚さは、本発明の観点からは、2.0μｍ以下であることが好ましく、1.0μｍ以下が好ましく、0.5μｍ以下が更に好ましい。また、第一の酸化物膜、第二の酸化物膜の厚さは、本発明の観点からは、0.01μｍ以上であることが好ましい。

中間層、第一の酸化物膜、第二の酸化物膜の成膜方法は限定されないが、スパッタリング、化学的気相成長法（CVD）、蒸着を例示できる。

光導波路用材料は、図１～図３に示したような基板形状をしていてもよい。あるいは、支持基板上に成膜により光導波路用材料を形成することもできる。この場合、成膜方法としてスパッタリング、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）が例示でき、単結晶膜や配向膜を形成することができる。こうした単結晶膜や配向膜を光導波路用材料として利用できる。

（実施例１）
図１～図２を参照しつつ説明した方法により、光変調器を作製した。
具体的には、ニオブ酸リチウム単結晶からなる光導波路用材料１を準備した。この光導波路用材料はＸ板である。次いで、光導波路用材料１上に、スパッタリング法によって、酸化珪素からなる中間層２、アモルファス酸化珪素からなる第一の酸化物膜３Ａを順次スパッタリング法によって成膜した。第一の酸化物膜３Ａの厚さは50ｎｍとした。

一方、酸化マグネシウムからなる支持基板４上に、アモルファス酸化珪素からなる第二の酸化物膜３Ｂをスパッタリング法によって成膜した。第二の酸化物膜３Ｂの厚さは50ｎｍとした。
次いで、各酸化物膜の各表面を化学機械研磨加工（CMP）し、膜厚を20~40ｎｍとし、Ｒａを０．０８～０．４ｎｍとした。

次いで、第一のケイ素酸化物膜の表面および第二のケイ素酸化物膜の表面に中性化原子ビームを照射して表面を活性化して直接接合した。
具体的には、各表面を洗浄し、汚れを取った後、真空チャンバーに導入した。１０－６Ｐａ台まで真空引きした後、各表面に高速原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量27ｓｃｃｍ）を120ｓｅｃ間照射し，各表面を活性化して活性化面とした。ついで、第一の酸化物膜の活性化面と第二の酸化物膜の活性化面とを接触させた後、10000Ｎで２分間加圧して接合した。

なお、接合体の要部断面写真を図４に示す（透過電子顕微鏡で倍率200万倍）。この写真においては、下から順番に、支持基板、第二のケイ素酸化物膜、直接接合界面、第一のケイ素酸化物膜、中間層(酸化珪素)を示す。また各ポイントにおける組成比率の測定結果を表１に示す。

次いで、光導波路用材料１上にフォトリソグラフィの手法でリッジ部８をレジストでパターニングし、ミリング装置で光導波路用材料１のドライエッチングを行った。ミリング装置はＶｅｅｃｏ製のＲＦ－３５０で、ビーム電圧３００～７００Ｖ、ビーム電流３００～８００ｍＡの条件を用いた。そして、レジスト部分を有機溶剤で剥離し、高さ０．４μｍ、幅２μｍ、長さ２０ｍｍのリッジ部を形成した。

次いで、リッジ部上に金属チタン膜を堆積し、1000℃で10時間の熱拡散を行い、チタン拡散光導波路を形成した。次いで、６５０℃でアニール工程を実施した。
得られた接合体について、割れの有無を目視で観察した。
また、接合体に電極１０Ａ、１０Ｂを形成し、光学特性(帯域)を測定した。具体的には、光変調器の周波数に対する光応答特性(dB)を測定し、3dBダウンするときの周波数を帯域幅とする。光応答特性は、光コンポーネントアラナイザー(HP8530)を用い、周波数0~50GHzで測定した。これらの結果を表２に示す。

（実施例２）
実施例１と同様にして光変調器用接合体および光変調器を得、割れの有無および帯域を測定した。
ただし、本例においては、支持基板をフォルステライト(Mg2SiO4)によって形成した。具体的には、MgOとSiO2の原料粉末を所定比率で秤量し、これを混合、仮焼、粉砕することで、フォルステライト(Mg2SiO4)の混合粉を得た。次に、この混合粉に対して、アルミナ(Al2O3)、分散剤を添加し、エタノール中で混合、乾燥させた。続いて、得られた混合粉にバインダおよびアセトンを添加し、湯煎乾燥させ、篩い通しによって粒径100μm前後の粉末を得た。さらに、この粉末を金型に充填し、一軸プレス機を用いて、ウェハー形状の円柱状の成形体を成形した。これをCIP処理(冷間等方静水圧プレス処理)を行い、所定温度(1300~1400℃)で焼成することで、円柱状の酸化物焼結体からなる支持基板を得た。

（実施例３）
実施例１と同様にして光変調器用接合体および光変調器を得、割れの有無および帯域を測定した。
ただし、本例においては、支持基板をステアタイト(MgSiO3)によって形成した。具体的には、MgOとSiO2の原料粉末を所定比率で秤量し、これを混合、仮焼、粉砕することで、ステアタイト(MgSiO3)の混合粉を得た。次に、この混合粉に対して、アルミナ(Al2O3)、分散剤を添加し、エタノール中で混合、乾燥させた。続いて、得られた混合粉にバインダおよびアセトンを添加し、湯煎乾燥させ、篩い通しによって粒径100μm前後の粉末を得た。さらに、この粉末を金型に充填し、一軸プレス機を用いて、ウェハー形状の円柱状の成形体を成形した。これをCIP処理(冷間等方静水圧プレス処理)を行い、所定温度(1300~1400℃)で焼成することで円柱状の酸化物焼結体からなる支持基板を得た。

（比較例１）
実施例１と同様にして光変調器用接合体および光変調器を得、割れの有無および帯域を測定した。
ただし、支持基板の材質をガラス（石英ガラス）とした。この他は実施例１と同様とした。

（比較例２）
実施例１と同様にして光変調器用接合体および光変調器を得、割れの有無および帯域を測定した。
ただし、支持基板の材質をニオブ酸リチウムとした。この他は実施例１と同様とした。

表２からわかるように、本発明の実施例によれば、アニール時の割れがなく、また光学特性が良好であった。
比較例１では、ガラスからなる支持基板を用いたが、アニール時の割れが生じた。
比較例２では、帯域が本発明実施例に比べて劣っていた。

Claims

支持基板、
前記支持基板上に設けられた、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる光導波路用材料、
前記光導波路用材料にある光導波路、および
前記支持基板と前記光導波路用材料とを接合する、酸化物膜からなる接合層を備えている光変調器用接合体であって、
前記支持基板が、マグネシウム－珪素複合酸化物からなることを特徴とする、光変調器用接合体。
前記マグネシウム－珪素複合酸化物が、ステアタイトまたはフォルステライトであることを特徴とする、請求項１記載の光変調器用接合体。
請求項１または２記載の光変調器用接合体、および前記光導波路用材料上に設けられ、前記光導波路を伝搬する光を変調する電極を備えていることを特徴とする、光変調器。
マグネシウム－珪素複合酸化物からなる支持基板と、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウムからなる群より選ばれた材質からなる光導波路用材料とを接合する工程、および
前記光導波路用材料に光導波路を設ける工程
を有することを特徴とする、光変調器用接合体の製造方法。
前記マグネシウム－珪素複合酸化物が、ステアタイトまたはフォルステライトであることを特徴とする、請求項４記載の方法。
前記支持基板と前記光導波路用材料との間に接合層を設けることを特徴とする、請求項４または５記載の方法。
前記光導波路用材料上に第一の酸化物膜を形成する工程、
前記支持基板上に第二の酸化物膜を形成する工程、および
前記第一の酸化物膜と前記第二の酸化物膜とを直接接合する工程
を有することを特徴とする、請求項４～６のいずれか一つの請求項に記載の方法。
前記第一の酸化物膜の表面に中性化原子ビームを照射することによって第一の活性化面とする工程、および
前記第二の酸化物膜の表面に中性化原子ビームを照射することによって第二の活性化面とする工程
を有しており、前記第一の活性化面と前記第二の活性化面とを直接接合することを特徴とする、請求項７記載の方法。