JPH04361238A - 単結晶性薄膜素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、第２高調波発生素子（
ＳＨＧ素子）等の波長変換素子などに利用される単結晶
性薄膜素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非線形光学効果を有するＬｉＮｂ
Ｏ３，ＬｉＴａＯ３などの酸化物を所定基板上に単結晶
性薄膜として形成するのに、例えば、ＲＦスパッタリン
グによる方法、ＣＶＤ法による方法、あるいは１９７５
年に発行の文献「Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａ
ｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　２９，　２８９〜２９５頁」に開示
されているようなＬＰＥ法（液相エピタキシャル法）に
よる方法などが知られており、これらの方法により基板
上に単結晶性薄膜を形成し、これを単結晶性薄膜素子と
して完成させて例えばＳＨＧ素子に利用することができ
る。なお、この場合、基板上の単結晶性薄膜はＳＨＧ素
子の光導波路として機能させることができる。

【０００３】上記各方法のうち、ＬＰＥ法による方法で
は、ＬｉＴａＯ３基板上にＬＰＥ法により膜厚１〜１０
μｍの範囲でＬｉＮｂＯ３の薄膜を結晶性良くエピタキ
シャル成長させることができ、光の伝搬損失を１〜５ｄ
Ｂ／ｃｍ程度に抑え、また、電気光学定数ｒ３３を（２
８．５／１０１２）ｍ／Ｖとバルクの場合とほぼ同じレ
ベルのものにすることができた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、基
板上に形成された例えばＬｉＮｂＯ３の単結晶性薄膜を
導波路型のＳＨＧ素子の光導波路として機能させる場合
、これにＳＨＧ素子の駆動用光源としての半導体レーザ
から波長８３０ｎｍの基本波光を入射させると、ＬｉＮ
ｂＯ３単結晶薄膜における基本波光の常光屈折率ｎ０（
ω），第２高調波光の異常光屈折率ｎｅ（２ω）は各々
、“２．２５３”，“２．２８２”と異なっており、第
２高調波を効率良く発生させるのに必要な条件ｎ０（ω
）＝ｎｅ（２ω）は満たされていない。

【０００５】基本波光と第２高調波光との位相整合を可
能とし第２高調波光を効率良く発生させるためには、Ｌ
ｉＴａＯ３の基板上に例えばＭｇＯがドープされた単結
晶性薄膜ＬｉＮｂＯ３：Ｍｇドープをエピタキシャル成
長させて、上記双方の屈折率ｎ０（ω），ｎｅ（２ω）
をほぼ同程度のものにさせれば良い。

【０００６】しかしながら、上述したＬＰＥ法による単
結晶性薄膜の製造方法では、ＭｇＯドープの単結晶性薄
膜ＬｉＮｂＯ３：Ｍｇドープを液相エピタキシャル成長
により形成する際に、ＭｇＯのドーパント量が５％まで
に限られていた。また、ＬＰＥ法では、Ｍｇ以外に使用
可能なドーパント，すなわち金属元素は、Ｆｅ，Ｚｎ，
Ｖ等の数種類に限られていた。このため、ＳＨＧ素子へ
の適用において、ある種の半導体レーザが光源として用
いられ、このレーザからの所定波長の基本波光に対して
は、ｎ０（ω）及びｎｅ（２ω）の屈折率を同程度のも
のにするように単結晶性薄膜を作成することができたと
しても、他の半導体レーザが光源として用いられ、その
基本波光の波長が上記と異なっており、例えばＭｇＯの
ドーパント量を１０％以上にしなければｎ０（ω）及び
ｎｅ（２ω）の屈折率を同程度にできないような場合に
は、ドーパント組成，ドーパント種類の制限によって双
方の屈折率を同程度にするような単結晶性薄膜を作成す
ることができないという問題があった。

【０００７】このように、ＬＰＥ法による製造方法では
、ドーパント組成，ドーパント種類が限定され、さらに
は、精密な膜厚制御を行なうことができないので、ＬＰ
Ｅ法により作成された強誘電体の単結晶性薄膜あるいは
上述した他の方法により作成された単結晶性薄膜を用い
て高性能ＳＨＧ素子を実現するのは困難であった。

【０００８】また、ＲＦスパッタリングやＬＰＥ法等の
方法によって基板上に形成された強誘電体の単結晶性薄
膜をＳＨＧ素子の光導波路に利用する場合、従来では、
図４のような構造の単結晶性薄膜素子として作成するこ
とが提案されている。すなわち、基板５０上に上記のよ
うな方法によって強誘電体の単結晶性薄膜を形成後、こ
の単結晶性薄膜に対してＲＩＥ，スパッタエッチングに
よる所謂ドライエッチングを施したり、ウェットエッチ
ング（但し、強誘電体薄膜についてはまだプロセスが確
立していない）を施し、これを符号５１で示すようにリ
ッジ状に加工することが提案されている。このように単
結晶性薄膜５１の外形をリッジ形状に加工することによ
り、これをＳＨＧ素子の光導波路として機能させるとき
に、基本波光のエネルギー集中度を高め、第２高調波光
を効率良く発生させることが期待できる。

【０００９】しかしながら、図４のような構造の単結晶
性薄膜素子では、強誘電体の単結晶性薄膜の外形をエッ
チングによってリッジ状に加工する際、強誘電体薄膜の
エッチングされる面の損傷が大きく、光導波部としての
伝搬損失が大きくなり、ＳＨＧ素子を実現する上で大き
な支障となっていた。

【００１０】本発明は、高性能ＳＨＧ素子の実現に適し
た単結晶性薄膜素子及びその製造方法を提供することを
目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶性薄膜素
子は、図１に示すように、所定基板１上に基本的にはＬ
ｉＴａｙＮｂ１−ｙＯ３からなる単結晶性薄膜２が形成
されており、この単結晶性薄膜２の一部分に任意の金属
元素Ｍが任意所望量ドープされて、この部分がＬｉＴａ
ｙＮｂ１−ｙＯ３：Ｍドープ（０≦ｙ≦１）の単結晶性
薄膜３となっていることを特徴としている。

【００１２】また、上記のような単結晶性薄膜素子は、
図２（ａ）乃至（ｄ）に示すように、所定基板１上にＬ
ｉＴａｙＮｂ１−ｙＯ３（０≦ｙ≦１）の単結晶性薄膜
２を形成する工程（図２（ａ）参照）と、単結晶性薄膜
２の上層に金属元素Ｍの金属膜または金属酸化膜４を形
成する工程（図２（ｂ）参照）と、金属膜または金属酸
化膜４の一部を除去する工程（図２（ｃ）参照）と、除
去されずに残っている金属膜または金属酸化膜４の金属
または金属酸化物を単結晶性薄膜２内に拡散させ、単結
晶性薄膜２の一部を金属元素ＭがドープされたＬｉＴａ
ｙＮｂ１−ｙＯ３：Ｍドープ（０≦ｙ≦１）の単結晶性
薄膜３とする工程（図２（ｄ）参照）とにより、作成さ
れるようになっている。

【００１３】これらの各工程の少なくとも１つの工程は
、レーザによるプロセス，例えばレーザアブレーション
法やレーザによる光分解法によって行なわれる。

【００１４】より具体的には、図３に示すようにレーザ
のアブレーション用ターゲットＴＧ１，ＴＧ２，ＴＧ３
，ＴＧ４として、金属酸化物Ｌｉ２Ｏ，Ｎｂ２Ｏ５，Ｔ
ａ２Ｏ５およびＭＯｚ（ｚは任意）の各々を予め用意し
ておく。しかる後、例えばエキシマレーザ２０からのレ
ーザビームＢＭを各ターゲットＴＧ１，ＴＧ２，ＴＧ３
に所定の順序に順次に入射させてアブレーションを起こ
させ、各ターゲットの表面からアブレートされた金属酸
化物を基板１としての単結晶性のＬｉＴａｘＮｂ１−ｘ
Ｏ３（０≦ｘ≦１）上に順次にエピタキシャル成長させ
て、ＬｉＴａｙＮｂ１−ｙＯ３の単結晶性薄膜２を先づ
形成する。

【００１５】すなわち、例えば、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）
エキシマレーザ２０からのレーザビームＢＭをターゲッ
トＴＧ１に入射させターゲットＴＧ１からのＬｉ２Ｏを
基板２上に積層させて第１層を形成し、次いでレーザビ
ームＢＭをターゲットＴＧ２（またはＴＧ３）に入射さ
せターゲットＴＧ２（またはＴＧ３）からのＴａ２Ｏ５
（またはＮｂ２Ｏ５）を第１層の上に積層させて第２層
を形成し、次いでレーザビームＢＭをターゲットＴＧ１
に入射させＬｉ２Ｏを第２層の上に積層させて第３層（
実質的に第１層）を形成し、次いでレーザビームＢＭを
ターゲットＴＧ３（またはＴＧ２）に入射させターゲッ
トＴＧ３（またはＴＧ２）からのＮｂ２Ｏ５（またはＴ
ａ２Ｏ５）を第３層の上に積層させ、このような各層を
厚さ方向に規則正しく繰り返し積層することによって、
所定の膜厚のＬｉＴａｙＮｂ１−ｙＯ３の単結晶性薄膜
２を形成することができる。

【００１６】しかる後、レーザビームＢＭをターゲット
ＴＧ４に入射させターゲットＴＧ４からのアブレーショ
ンによりＭＯｚを放出させることにより、上記単結晶性
薄膜２上にＭＯｚの金属膜または金属酸化膜４を形成す
ることができる。なお、有機金属化合物または金属カル
ボニル化合物を用いたレーザによる光分解の方法によっ
ても金属膜または金属酸化膜４を形成することができる
。

【００１７】このようにして、基板１上に単結晶性薄膜
２を形成し、さらにその上に金属膜または金属酸化膜４
を形成した後、この金属膜または金属酸化膜４を所定形
状（例えばリッジ状）に加工する。この加工は、ＮＦ３
，Ｃｌ２，ＣＣｌ４等のフッ素系あるいは塩素系ガス雰
囲気で、例えばＫｒＦ（２４８ｎｍ）エキシマレーザか
らのレーザビームＢＭ１を図２（ｃ）に示すように金属
膜または金属酸化膜４の除去したい部分に照射し、この
部分を光エッチングにより除去することによって行なう
ことができる。あるいは、除去したい部分にレーザを照
射し、レーザアブレーションによって直接除去すること
によって、加工することもできる。なお、レーザによる
光分解の方法によって金属膜または金属酸化膜４を形成
する場合には、レーザビームの照射部位を単結晶性薄膜
２上に所定部分に限定することによって、所定形状（リ
ッジ形）の金属膜または金属酸化膜４を直接形成するこ
とができ、このときには上述した除去処理を行なわずと
も良い。

【００１８】金属膜または金属酸化膜４を所定形状に加
工した後、レーザによる加熱によって全体をアニールし
、所定形状に加工された金属膜または金属酸化膜４から
の金属元素をその直下の単結晶性薄膜２に拡散させて、
図１に示す構造の単結晶性薄膜素子を得ることができる
。図１に示す本発明の構造を図４に示した従来の構造と
比較すればわかるように、従来の構造では、単結晶性薄
膜の外形自体がリッジ形状にエッチング加工されている
のに対し、本発明の構造では、単結晶性薄膜２の外形自
体にはエッチング加工等が施されず、金属元素の拡散に
よって所定形状（リッジ形状）の単結晶性薄膜３が単結
晶性薄膜に埋込まれた形で形成されている。

【００１９】ところで、一般に、不純物としての金属元
素Ｍがドープされていない状態での混晶ＬｉＴａｙＮｂ
１−ｙＯ３で単結晶性薄膜を構成し、これにより導波路
型ＳＨＧ素子を実現し、単結晶性薄膜をＳＨＧ素子の導
波路として機能させるときには、前述したように、この
単結晶性薄膜における基本波光の常光屈折率ｎ０（ω）
と第２高調波光の異常光屈折率ｎｅ（２ω）とが異なっ
て基本波光と第２高調波光との位相整合がとれず、第２
高調波光を効率良く発生させることができない。

【００２０】これに対し、本発明のように単結晶性薄膜
２の一部を金属元素Ｍが所定量ドープされた混晶ＬｉＴ
ａｙＮｂ１−ｙＯ３：Ｍの単結晶性薄膜３として構成し
、これをＳＨＧ素子の光導波路として機能させるときに
は、基本波光の常光屈折率ｎ０（ω），第２高調波光の
異常光屈折率ｎｅ（２ω）をほぼ同程度のものにするこ
とができる。この場合には、基本波光と第２高調波光と
の位相整合がとれて、第２高調波光を効率良く発生させ
ることができる。

【００２１】この際、本発明では、レーザアブレーショ
ン法により単結晶性薄膜２を形成しているので、各ター
ゲットＴＧ１乃至ＴＧ３へのレーザビームＢＭのパワー
，ショット数，あるいは照射時間制御により、各層Ｌｉ
２Ｏ，Ｔａ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５の数と成膜スピードを制
御して、単結晶性薄膜２の厚さをÅのオーダで精度良く
制御できる。

【００２２】また、金属膜または金属酸化膜４について
も、これをレーザアブレーション法あるいはレーザによ
る光分解の方法によって形成するので、同様にして、金
属膜または金属酸化膜４の厚さをÅのオーダで精度良く
制御でき、また、ドーパントの種類，すなわち金属元素
Ｍの種類の制限をもなくすことができる。さらに、金属
膜または金属酸化膜４の加工についても光エッチングや
レーザアブレーションによって行なっているので、金属
膜または金属酸化膜４の所定部分の除去についても、こ
れをÅのオーダで精度良く制御することができる。従っ
て、任意所望量の任意の金属膜または金属酸化膜４を所
定形状に精密に加工することができて、以後の拡散工程
において、任意所望量の任意の金属元素を単結晶性薄膜
２中に精密に拡散させることができる。これにより、本
発明では、ＳＨＧ素子への適用において、任意の半導体
レーザが光源として用いられ、基本波光の波長が任意の
ものとなっていても、その波長に応じて屈折率ｎ０（ω
），ｎｅ（２ω）を同程度のものにさせるように任意量
，任意の種類の金属元素を単結晶性薄膜２中にドープす
ることができる。

【００２３】また、従来では一般に、拡散工程を１００
０℃近い高い温度の熱アニールにより行なっていたが、
本発明ではこれをレーザアニールにより行なうことによ
って、金属元素が拡散される部分だけの局部的な加熱で
済むので、全体として低温化プロセスが可能となり、素
子全体に与える損傷を少なくすることができる。

【００２４】なお、上述した説明では、単結晶性薄膜２
を基板１上に形成する際、３つのターゲットＴＧ１，Ｔ
Ｇ２，ＴＧ３からのアブレーションによって金属酸化物
Ｌｉ２Ｏ，Ｔａ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５の各層を所定順序に
形成するとしたが、単結晶性薄膜２を基板１上に形成す
るためのターゲットとしては金属酸化物ＬｉＴａｙＮｂ
１−ｙＯ３からなる１つのターゲットだけを用意し、同
様のレーザアブレーション法によって、基板１上にＬｉ
ＴａｙＮｂ１−ｙＯ３の単結晶性薄膜２を形成するよう
にしても良い。但し、この場合には、ｙの値を任意に設
定することはできない。

【００２５】以上のようにして作成された単結晶性薄膜
素子は、図４に示した従来の素子と比べて、任意所望量
の任意の金属元素Ｍが精密にドープされた単結晶性薄膜
３が単結晶性薄膜２中に形成されており、この単結晶性
薄膜３は、拡散により単結晶性薄膜２の一部としてこれ
に埋込まれた形でリッジ状に形成されているので、図４
に示した素子のように外形がリッジ状とはなっておらず
、面がエッチング等による損傷を受けていない。従って
、これをＳＨＧ素子の光導波路として機能させるときに
光の伝搬損失を従来に比べ少なくし、かつその形状によ
ってエネルギー集中を図ることができ、また基本波光，
第２高調波光の屈折率ｎ０（ω），ｎｅ（２ω）を同程
度のものにすることができるので、第２高調波光を極め
て効率良く発生させることができて、高性能のＳＨＧ素
子として動作させることができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説
明する。

【００２７】実施例１ 　　この実施例１では、基板１にＬｉＴａＯ３の単結晶
を用い、この基板１上にｙの比率が“０”の単結晶性薄
膜ＬｉＮｂＯ３を作成した。次いで、ＭｇＯのターゲッ
トＴＧ４にＡｒＦエキシマレーザからの波長１９３ｎｍ
のレーザビームＢＭを０．２Ｊ／ｃｍ２の強度で５ショ
ット入射させ、ターゲットＴＧ４からのアブレーション
によってＭｇまたはＭｇＯの層を金属膜または金属酸化
膜４として１００Å形成した。しかる後、金属膜または
金属酸化膜４を所定形状（リッジ状）に加工するため、
金属膜または金属酸化膜４の除去されるべき部分にＡｒ
Ｆレーザからのレーザビームを２Ｊ／ｃｍ２の強度で走
査照射し、所定形状に仕上げる部分以外の部分をレーザ
アブレーションによって除去した。

【００２８】次いで、所定形状（リッジ状）にレーザ加
工された金属膜または金属酸化膜４に対し０．１〜０．
５Ｊ／ｃｍ２の強度のレーザビームを照射しアニールを
施した。このアニールによって、所定形状に加工された
金属膜または金属酸化膜４から金属元素Ｍｇをその直下
の単結晶性薄膜２の部分へ約１μｍ拡散させた。このよ
うにして、単結晶性薄膜２中にリッジ状に埋込まれた形
のＭｇドープの単結晶性薄膜３を完成させた。ここで、
レ−ザアニ−ル時に保護層としてＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎｘ
等を被着させても問題ない。

【００２９】実施例２ 　　実施例２では、金属元素Ｍとして、実施例１で用い
られたＭｇのかわりに、Ａｌを用いた。すなわち、金属
膜または金属酸化膜４としてＡｌの層を形成するため、
Ａｌ（ＣＨ３）３トリエチルアルミニウムガス雰囲気中
においてＫｒＦエキシマレーザからの波長１９３ｎｍの
レーザビームを１／Ｊｃｍ２の強度で単結晶性薄膜２の
表面の所定部分に入射させた。これにより、Ａｌ（ＣＨ
３）３トリエチルアルミニウムをレーザビームによって
光分解させ、単結晶性薄膜２上に所定形状（リッジ状）
のＡｌの層を約１００Å形成させることができた。この
ようにして直接所定形状のものに成膜されたＡｌの金属
膜または金属酸化膜４にレーザアニールを施し、その直
下の単結晶性薄膜２の部分へ金属元素Ａｌを拡散させ、
単結晶性薄膜２中にリッジ状に埋込まれた形のＡｌドー
プの単結晶性薄膜３を完成させた。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように本発明の単結晶性
薄膜素子は、これをＳＨＧ素子に用いる場合、各種の半
導体レーザからの基本波光の各種の波長に応じて、基本
波光と第２高調波光との屈折率を同程度のものとさせる
よう金属元素Ｍのドープ量，金属元素Ｍの種類を自由に
設定可能となっており、また、光導波路として機能する
金属元素Ｍドープの単結晶性薄膜部分が基となる単結晶
性薄膜に埋込まれた形で形成されており単結晶性薄膜の
外面はエッチング等による加工処理が施されていないの
で、極めて高性能のＳＨＧ素子を容易に実現することが
できる。

【００３１】このような単結晶性薄膜素子を作成する場
合に、そのうちの少なくとも１つの工程をレーザによる
プロセスにより行なうようにしているので、精密な膜厚
制御等が可能となり、また、作成時の素子の損傷を抑え
ることができて、高性能のＳＨＧ素子を実現可能な単結
晶性薄膜素子を得ることができる。

【００３２】すなわち、基板上にレーザアブレーション
法を用いて単結晶性薄膜を形成することにより、単結晶
性薄膜の膜厚を精密に制御することができる。また、レ
ーザアブレーション法あるいはレーザによる光分解法に
より金属膜または金属酸化膜を形成することにより、金
属膜または金属酸化膜の形状および膜厚を精密に制御す
ることができる。またレーザアニールによる局部加熱で
アニールを施すことにより、素子全体への損傷を少なく
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶性薄膜素子の構成図である
。

【図２】（ａ）乃至（ｄ）は図１に示す単結晶性薄膜素
子の製造工程の一例を示す図である。

【図３】レーザアブレーション法による薄膜形成を説明
するための図である。

【図４】従来の単結晶性薄膜素子の構成図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　　　　　　　　　基板２　　　
　　　　　　　　　　　　　　　ＬｉＴａｙＮｂ１−ｙ
Ｏ３の単結晶性薄膜 ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＬｉＴａｙＮ
ｂ１−ｙＯ３：Ｍドープの単結晶性薄膜 ４　　　　　　　　　　　　　　　　　　金属膜または
金属酸化膜２０　　　　　　　　　　　　　　　　エキ
シマレーザＴＧ１乃至ＴＧ４　　　　ターゲット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定基板上に基本的にはＬｉＴａｙＮ
   ｂ１−ｙＯ３（０≦ｙ≦１）からなる単結晶性薄膜が形
   成されており、該単結晶性薄膜の一部分には任意の金属
   元素Ｍが任意所望量ドープされて、この部分がＬｉＴａ
   ｙＮｂ１−ｙＯ３：Ｍドープ（０≦ｙ≦１）の単結晶性
   薄膜となっていることを特徴とする単結晶性薄膜素子。
2. 【請求項２】　　所定基板上にＬｉＴａｙＮｂ１−ｙＯ
   ３（０≦ｙ≦１）の単結晶性薄膜を形成する第１の工程
   と、単結晶性薄膜の上層に任意の金属元素Ｍの金属膜ま
   たは金属酸化膜を所定形状に形成する第２の工程と、所
   定形状の金属膜または金属酸化膜をアニールし、該金属
   膜または金属酸化膜からの金属元素Ｍをその直下に位置
   する単結晶性薄膜の部分に拡散させて、その部分をＬｉ
   ＴａｙＮｂ１−ｙＯ３：Ｍドープ（０≦ｙ≦１）の単結
   晶性薄膜として形成する第３の工程とを有していること
   を特徴とする単結晶性薄膜素子の製造方法。
3. 【請求項３】　　前記第１，第２，第３の工程のうち少
   なくとも１つの工程は、レーザによるプロセスによって
   なされることを特徴とする請求項２記載の単結晶性薄膜
   素子の製造方法。
4. 【請求項４】　　前記レーザによるプロセスによって前
   記各工程がなされるとした場合、前記第１の工程におい
   ては、レーザアブレーション法を用いて単結晶性薄膜が
   形成され、前記第２の工程においては、レーザアブレー
   ション法を用いて、あるいは、有機金属化合物または金
   属カルボニル化合物を用いたレーザによる光分解法を用
   いて金属膜または金属酸化膜が形成され、前記第３の工
   程においては、レーザアニールによって金属膜または金
   属酸化膜がアニールされることを特徴とする請求項３記
   載の単結晶性薄膜素子の製造方法。