JPWO2004068235A1 - 光偏向素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

光偏向素子は、シリコン単結晶基板２１上に、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、上部電極２６が順次積層された構成とし、これらのうち、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４のＰＬＺＴ膜、及びコア層２５のＰＺＴ膜は、それぞれの下層に対してエピタキシャル成長により形成されている。下部電極２３と上部電極２６との間に印加される電圧に応じて電気光学効果により屈折率が変化する屈折率変化領域２５Ａ、２４Ａが形成され、コア層２５に入射された光は屈折率変化領域２５Ａとの境界においてコア層２５の面内方向に偏向される。

Description

本発明は、光通信に用いられる光偏向素子およびその製造方法に係り、特に光導波路中の光ビームを電気光学効果により偏向させる光偏向素子およびその製造方法に関する。

近年の情報通信にかかるデータ量の増大に伴い、光を媒体とした通信技術の重要度が増してきている。特に、光ファイバ網が各家庭に張り巡らせ始め、末端ユーザが急激に増加することが予定されている。光ファイバ網を使用して多数の末端ユーザに効率良くデータを送るためには、伝送損失が少なく、切り替えチャンネル数の多い高性能な光スイッチが必要となる。
現在提案されている光スイッチには、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）方式、バブル方式、薄膜導波路方式などが提案されている。このうち薄膜導波路方式は、基板上にクラッド層−コア層−クラッド層の多層構造を設け、コア層に光を伝送させるものである。これらの層のうち特にコア層に、電界をかけると屈折率が変化する材料、いわゆる電気光学効果をもつ材料を用いれば、電界を印加するだけで光を偏向することができる。このような原理を用いた薄膜導波路方式の光スイッチは、ＭＥＭＳ方式やバブル方式と比較して、微小な機械的駆動部や複雑な構造を持たないため、製造コストを低減することが可能であると期待されている。
多くの物質が電気光学効果を有していることが知られているが、電界印加による屈折率変化が大きい材料は、現在のところ一部の酸化物に限られている。電気光学効果は物質を構成する原子の特定な配列、すなわち結晶に由来するものであり、非晶質（アモルファス）状態では、電気光学効果が発現しなかったり、大きく低下したりする。通常、酸化物を利用する場合、酸素の存在下で数百℃に加熱して結晶化を行うことで、電気光学効果を得ることができる。これらの材料の薄膜実装を考える場合、組成が均一で欠陥のない酸化物単結晶膜が高い光透過率・電気光学効果、シングルモードの動作を得るためには理想的である。
しかし、多くの場合単結晶膜を得るのは非常に困難で、通常は多結晶膜としてしか得られない。多結晶膜には結晶粒界等の欠陥が存在するため、単結晶膜より光透過率が低い。一般に、結晶が大きくなればなるほど、特定の面方向に配向すればするほど光透過率は大きくなる傾向がある。したがって基板に垂直方向だけでなく、基板面内にも配向した膜、いわゆるエピタキシャル膜（３軸配向膜）が、低損失の光スイッチを得るためには好ましい。
従来、高い光透過率をもつ、低損失の酸化物のエピタキシャル膜を得るために、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）などの酸化物単結晶基板が用いられてきた。これらの基板は導電性を持たないので、まずこれらの基板上に下部電極となる金属膜、例えば白金膜をエピタキシャル成長させた後、その結晶性を引き継ぐ形で、エピタキシャル成長させることで、良質な酸化物結晶膜を得ている。
しかし、一般に用いられている酸化物単結晶基板は２インチ程度であり、大型化が困難である。また価格の点でも、６インチのシリコン単結晶基板が数千円であるのに対し、２インチのＭｇＯ基板は十数万円と高価であるので実用上難点がある。そこで、酸化物層のエピタキシャル膜を成長させる基板として、シリコン単結晶基板を用いる検討が行われている。
まず、シリコン単結晶基板上にエピタキシャル膜を成長させるためには、シリコン単結晶基板の表面の配向を利用する必要がある。しかし、シリコン単結晶基板の表面が高温で酸素雰囲気中に曝されると、酸化されてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）が形成されてしまう。シリコン酸化膜は非晶質で配向を持たないのでシリコン酸化膜上にはエピタキシャル膜は成長しない。また、エピタキシャル膜の成長には、成長させる膜とシリコン単結晶基板との間の反応や拡散が少ないことも重要である。これまでに、シリコン単結晶基板上にエピタキシャル成長可能な材料として、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の希土類元素の酸化物、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）などが開示されている。これらの材料の結晶層を中間層として、中間層上にペロブスカイト構造を有する酸化物のエピタキシャル膜を形成する試みがなされている。
これらに中間層のうち、マグネシアスピネル膜は、シリコン基板（００１）面上に（００１）面を主面としてエピタキシャル成長し、さらにペロブスカイト構造を有する結晶の（００１）面がエピタキシャル成長することが知られている（例えば、特開昭５５−６１０３５号公報、Ｍａｔｓｕｂａｒａ ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，６６（１９８９）５８２６参照）。
ところで、シリコン単結晶基板上にマグネシアスピネル膜、ペロブスカイト構造を有する結晶が形成された積層体を光偏向素子などに用いるためには、ペロブスカイト構造を有する結晶の上下に電界を印可する電極を設けることが必要となる。すなわち、マグネシアスピネル膜とペロブスカイト構造の酸化物層のエピタキシャル膜との間に導電層を設ける必要がある。
しかし、かかる導電層の結晶性が低い場合は、導電層上に形成されるペロブスカイト酸化物層の結晶性が低下し、光伝搬損失が増加し、また電気光学効果が低下してしまうという問題がある。
特開昭５５−６１０３５号公報 Ｍａｔｓｕｂａｒａ ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，６６（１９８９）５８２６

そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な光偏向素子およびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、光伝搬損失が低く光学的特性の優れた、低製造コストの光偏向素子およびその製造方法を提供することにある。
本発明の一観点によれば、
単結晶基板と、
前記単結晶基板上に形成されたマグネシアスピネル膜よりなる中間層と、
前記中間層上に形成された白金族元素を含む導電層よりなる下部電極と、
前記下部電極上に形成された第１の酸化物層と、
前記第１の酸化物層上に形成された第２の酸化物層と、
前記第２の酸化物層上に形成された上部電極とを有した光偏向素子であって、
前記中間層、下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層はエピタキシャル膜よりなり、
前記第２の酸化物層の屈折率が、前記第１の酸化物層の屈折率より大きい光偏向素子が提供される。
本発明によれば、単結晶基板上に形成された中間層、下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、単結晶基板の結晶性を引き継いだエピタキシャル膜より形成されている。したがって、光導波路となる第２の酸化物層がエピタキシャル膜であるので、結晶性が優れて良好である。その結果、光学特性が優れて良好であり、特に光伝搬損失の低減を図ることができる。
ここで、エピタキシャル膜とは、エピタキシャル膜が形成される基板あるいは下地層を構成する結晶とある方位関係を持って形成された膜である。したがって、エピタキシャル膜は、成長方向の結晶配向性のみならず、面内の方位の結晶配向性を有する。
前記単結晶基板はシリコン単結晶基板とする。従来光偏向素子に使用されるＭｇＯ等の酸化物単結晶基板と比較して、シリコン単結晶基板は大型の基板が得られ、かつ安価であるので、光偏向素子の製造コストを大幅に低減することができる。
前記単結晶基板と中間層との間にさらに非晶質層が形成されてもよい。単結晶基板上の中間層はエピタキシャル成長により形成されている。したがって、単結晶基板表面とその上に成長した中間層であるマグネシアスピネル膜とはヘテロエピタキシャル構造を形成し、これらの界面は強固に結合している。その結果、マグネシアスピネル膜を構成する原子が熱処理等により再配列しようとしても、単結晶基板の結晶面の原子配列に拘束されて再配列が制限されてしまう。単結晶基板上にマグネシアスピネル膜が形成されている状態で、これらの界面に非晶質層を設けて上記の拘束を切ることにより、マグネシアスピネル膜の自己再配列を可能とすることができる。したがってマグネシアスピネル膜の結晶性が向上し、その上に形成される下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、良好な結晶性を引き継いで、それぞれの層の結晶性が向上される。
前記第２の酸化物層が電気光学効果を有する。前記下部電極と上部電極との間に電圧を印加することにより、第２の酸化物層に屈折率変化領域を形成して、伝搬する光ビームの進行方向を第２の酸化物層の面内方向に偏向することが可能となる。
前記第１及び第２の酸化物層のうち少なくとも１つが単純ペロブスカイト格子を含む結晶構造を有する。単純ペロブスカイト格子を有する酸化物層は電気光学効果を有し、例えば、ポッケルス効果あるいはカー効果などが大きい。したがって屈折率の変化が大であるので、偏向角を増加することが可能となる。
前記単結晶基板、中間層及び下部電極の積層方向の結晶方位が［００１］であってもよい。さらに、前記第１及び第２の酸化物層の積層方向の結晶方位が［００１］であってもよい。下部電極と上部電極とによる電界の印加方向に対して、第１及び第２の酸化物層の結晶方位のうち自発分極が最大となる方向、すなわち分極軸方向［００１］を平行にする。ペロブスカイト構造を有する酸化物のような酸素８面体型強誘電体の１次の電気光学定数は、誘電率、自発分極の大きさ、及び２次の電気光学定数の積で表わされる。正方晶のペロブスカイト構造を有する酸化物の分極軸方向は［００１］であるので、下部電極と上部電極とによる電界の印加方向と分極軸方向を一致させることにより、電気光学効果が最大となり、屈折率の可変範囲を拡大することが可能となる。その結果偏向角を増加することが可能となる。
前記第２の酸化物層と上部電極とに間に、前記第２の酸化物層上にエピタキシャル成長により形成された第３の酸化物層を更に有し、前記第２の酸化物層の屈折率が、前記第１及び第３の酸化物層の屈折率より大きい構成としてもよい。第３の酸化物層をクラッド層として、第１の酸化物層と第３の酸化物層により第２の酸化物層を挟んだ光導波型偏向素子を構成する。第３の酸化物層も、第２の酸化物層上にエピタキシャル成長により形成されるので、結晶性に優れているため、第２の酸化物層からの光ビームの染みだしによる損失を抑制することが可能となる。
本発明の他の観点によれば、
単結晶基板上にマグネシアスピネルよりなる中間層を形成する中間層形成工程と、
前記中間層上に白金族元素よりなる導電層よりなる下部電極を形成する下部電極形成工程と、
前記下部電極上に第１の酸化物層を形成する第１酸化物層形成工程と、
前記第１の酸化物層上に第２の酸化物層を形成する第２酸化物層形成工程と、
前記第２の酸化物層上に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備えた光偏向素子の製造方法であって、
前記中間層、下部電極、第１の酸化物層、及び第２の酸化物層はエピタキシャル成長により形成される光偏向素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、単結晶基板上に形成された中間層、下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、単結晶基板の結晶性を引き継いだエピタキシャル膜より形成されている。したがって、光導波路となる第２の酸化物層がエピタキシャル膜であるので、結晶性が優れて良好である。その結果、光学特性が優れて良好であり、特に光伝搬損失の低減を図ることができる。
前記中間層形成工程と下部電極形成工程との間に、酸素ガスあるいは水蒸気を含む雰囲気中で熱処理を行う工程を更に備えてもよい。熱処理により単結晶基板と中間層との界面に熱酸化膜が形成される。したがって、ヘテロエピタキシャル構造をなす単結晶基板と中間層との結合が切られるので、中間層であるマグネシアスピネル膜が熱処理により自己再配列が可能となる。したがって、マグネシアスピネル膜の結晶性がさらに良好となり、その上に形成される下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、良好な結晶性を引き継いで、それぞれの層の結晶性が向上される。

図１は、本発明による光偏向素子の基本となる積層構造体の断面図である。
図２は、積層構造体の製造工程を示すフローチャートである。
図３は、積層構造体のうちシリコン単結晶基板／マグネシアスピネル／白金膜の薄膜積層体のＸ線回折パターンを示す図である。
図４Ａは、白金膜の（２０２）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図４Ｂは、マグネシアスピネル膜の（４０４）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図４Ｃは、シリコン単結晶基板の（２０２）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図５Ａは、薄膜積層体の白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。
図５Ｂは、本発明によらないＭｇＯ単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。
図６は、積層構造体のＰＬＺＴ膜の（２２２）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図７は、本発明の第１実施例に係る光偏向素子の平面図である。
図８は、第１実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図９は、本発明の第２実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図１０は、本発明の第４実施例に係る光偏向素子の平面図である。
図１１は、第４実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図１２は、本発明の第５実施例に係るコア層の伝搬損失と結晶性との関係を示す図である。
発明を実施するための最良の態様
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
（本発明による光偏向素子に係る積層構造体）
図１は、本発明による光偏向素子の基本となる積層構造体の断面図である。
図１を参照するに、積層構造体１０は、単結晶基板１１上に、中間層１２、導電層１３、及び酸化物層１４が順次積層された構成となっている。本願発明者は、かかる積層構造体１０において、単結晶基板１１に例えばシリコン単結晶基板またはＧａＡｓ単結晶基板、中間層１２にマグネシアスピネル膜、及び導電層１３に白金族の元素等を用いることにより、シリコン単結晶基板またはＧａＡｓ単結晶基板の安価でかつ直径の大なる単結晶基板上に、マグネシアスピネル膜を介して、良質な結晶性を有するエピタキシャル層の導電層を形成できることを見出した。導電層の結晶性の程度は、ＭｇＯ単結晶基板に直接エピタキシャル成長させた導電層と同程度であり、優れて結晶性が良好であることを確認した。本発明に係る積層構造体は、安価で大直径が得られる単結晶基板を用いることができる点において従来の積層構造体に対して特に有用である。
さらに、本願発明者は、積層構造体の導電層上に形成される酸化物層が導電層の結晶性を受け継いで、（００１）面が成長面となるエピタキシャル層を形成できることを見出した。本発明は、かかる積層構造体１０を光偏向素子に適用したものである。先ず、積層構造体１０について説明する。
積層構造体１０の単結晶基板１１は、例えばシリコンまたはＧａＡｓの単結晶基板が用いられる。単結晶基板１１の厚さは約５００μｍ、主面を（００１）面としたものである。主面を（００１）にすることにより単結晶基板１１上にエピタキシャル成長させる各層の面方位を揃え、最終的に酸化物層１４の面方位を（００１）面とすることができる。なお、主面を（００１）面とし０°より４°の範囲で微傾斜した単結晶基板１１を用いても良い。単結晶基板１１表面の微少な凹凸に起因して中間層１２に結晶粒界が発生することがあるが、微傾斜した単結晶基板１１を用いることにより、中間層１２の膜面内の成長方向を揃えて結晶粒界の発生を抑制することができる。
中間層１２は、前記単結晶基板１１上にＣＶＤ法等によりエピタキシャル成長した厚さ１００ｎｍのマグネシアスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）により構成される。具体的には、中間層１２は、厚さが８０ｎｍ〜６００ｎｍである。中間層１２であるマグネシアスピネル膜は、例えばシリコンの単結晶基板の（００１）面上には、（００１）面が成長する。単結晶基板１１の（００１）面上にマグネシアスピネル膜の（００１）面が形成され、単結晶基板１１の［１００］方向とマグネシアスピネル膜の［１００］方向が一致する。
導電層１３は、前記中間層１２上にＲＦスパッタ法等によりエピタキシャル成長した厚さ２００ｎｍの白金族の元素あるいは合金により構成される。白金族の元素は、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔである。このうち特にＩｒ又Ｐｔが優れた結晶配向性が得られる点で好適である。
また、導電層１３は、マグネシアスピネルの（００１）面上に、白金族の元素又は合金の（００１）面が成長したものである。従来、シリコン単結晶基板にエピタキシャルのマグネシアスピネル膜を形成し、さらにＰＺＴ膜等を形成した例は報告されていたが、シリコン単結晶基板上にマグネシアスピネル膜及び白金族元素又は合金のエピタキシャル膜が順次積層された例は報告されていない。本実施の形態に係る単結晶基板１１／マグネシアスピネルの中間層１２／白金族元素又は合金膜の導電層１３からなる薄膜積層体１６は、この薄膜積層体１６上に後述する単純ペロブスカイト格子を有する結晶の酸化物層１４をエピタキシャル成長させることができ、白金族元素又は合金膜の導電層１３は導電性であり、比抵抗が１１μΩ・ｃｍ程度で低抵抗であるので電極（例えば第１実施例の下部電極２３）として用いることができる。特に、高周波を用いて酸化物層１４に電界を印加する場合は、導電層の結晶性が優れているので結晶粒界等に起因するインピーダンスの増加が抑制されるという利点がある。
酸化物層１４は、前記導電層１３上にエピタキシャル成長した単純ペロブスカイト格子を有する結晶により構成される。単純ペロブスカイト格子を有する結晶は、例えば、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造等が挙げられる。これらの結晶構造を有する結晶は強誘電体であり、電気光学効果を有している。
さらに、酸化物層１４には、ペロブスカイト構造を有する、例えばＰｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０≦ｘ≦１）の一般式で示されるＰＺＴを用いることができる。また、Ｐｂ（Ｂ’_１／３Ｂ”_２／３）Ｏ_３（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：５価の金属）や、Ｐｂ（Ｂ’_１／２Ｂ”_１／２）Ｏ_３（Ｂ’：３価の金属、Ｂ”：５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’_１／２Ｂ”_１／２）Ｏ_３（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：６価の金属）の一般式で示される結晶、更にＰＺＴに添加元素を加え、（Ｐｂ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１）の一般式で示されるＰＬＺＴ、Ｐｂ（Ｂ’_１／３Ｂ”_２／３）_ｘＴｉ_ｙＺｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’_１／２Ｂ”_１／２）_ｘＴｉ_ｙＺｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’：３価の金属、Ｂ”：５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’_１／２Ｂ”_１／２）_ｘＴｉ_ｙＺｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：６価の金属）、又は（Ｓｒ_１−ｘＢａ_ｘ）ＴｉＯ_３（０≦ｘ≦１）の一般式で示される結晶を用いることができる。
上記Ｐｂ（Ｂ’_１／３Ｂ”_２／３）Ｏ_３（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：５価の金属）の一般式で示される結晶のうち更に好ましいものは、例えばＰｂＮｉ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＣｏ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＭｇ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＺｎ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＭｎ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＮｉ_１／３Ｔａ_２／３Ｏ_３、ＰｂＣｏ_１／３Ｔａ_２／３Ｏ_３、ＰｂＭｇ_１／３Ｔａ_２／３Ｏ_３、ＰｂＺｎ_１／３Ｔａ_２／３Ｏ_３、ＰｂＭｎ_１／３Ｔａ_２／３Ｏ_３が挙げられる。これらのうち特に好ましいものは、ＰｂＮｉ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＣｏ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＭｇ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３、ＰｂＺｎ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３が挙げられる。
また、上記Ｐｂ（Ｂ’_１／２Ｂ”_１／２）Ｏ_３（Ｂ’：３価の金属、Ｂ”：５価の金属）の一般式で示される結晶のうち特に好ましいものは、例えばＰｂＦｅ_１／２Ｎｂ_１／２Ｏ_３、ＰｂＳｃ_１／２Ｎｂ_１／２Ｏ_３、ＰｂＳｃ_１／２Ｔａ_１／２Ｏ_３が挙げられる。
さらに、上記Ｐｂ（Ｂ’_１／２Ｂ”_１／２）Ｏ_３（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：６価の金属）の一般式で示される結晶のうち好ましいものは、例えばＰｂＭｇ_１／２Ｗ_１／２Ｏ_３が挙げられる。なお、例えば、０．６５ＰｂＭｇ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３−０．３５ＰｂＴｉＯ_３や０．５ＰｂＮｉ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３−０．３５ＰｂＴｉＯ_３−０．１５ＰｂＺｒＯ_３などの多成分系結晶でもよい。
また、ビスマス層状構造を有する結晶で代表的なものは、例えば、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９（ＳＢＴ）、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、（Ｂｉ_４−ｘＲ_ｘ）Ｔｉ_３Ｏ_１２（ＲはＹ、Ｓｃ、及び希土類元素、１≦ｘ≦３）、（Ｓｒ_ｘＢａ_１−ｘ）Ｂｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５、ＰｂＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５が挙げられ、さらにこれらの結晶に、Ｖ（バナジウム）あるいはＷ（タングステン）を１〜２ｍｏｌ％添加してもよい。タングステンブロンズ構造を有する結晶で代表的なものは、例えば、Ｂａ_２ＮａＮｂ_３Ｏ_１５、Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＮｂ_２Ｏ_６等が挙げられる。
酸化物層１４は、ＣＶＤ法、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ゾル・ゲル法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属ＣＶＤ）法などを用いて形成することができるが、大面積の基板に適用可能な方法であれば限定されないが、ＣＳＤ法が比較的大面積の基板に容易に形成できる点で好適である。
なお、導電層１３と酸化物層１４との間に、半導性あるいは導電性を示すペロブスカイト格子を有する結晶構造の半導性酸化物層あるいは導電性酸化物層を形成してもよい。具体的には、例えば、半導性酸化物としては、ＮｂあるいはＬａをドープしたＳｒＴｉＯ_３が好適である。ドープ量は例えば１原子％とする。また、導電性酸化物としては、ＳｒＲｕＯ_３、ＣａＲｕＯ_３、ＬａＲｕＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏＯ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）が挙げられる。電気光学効果により屈折率変化を起こさせるために、酸化物層１４に電界を印加して、その電界をオン、オフまたは方向を反転するなどして酸化物層１４の分極反転を繰り返すと、導電層１３と酸化物層１４との界面の酸素欠損等の格子欠陥に起因して、酸化物層１４の自発分極が劣化すると共に電気光学効果が劣化することがある。導電層１３及び酸化物層１４との間に半導性あるいは電気導電性酸化物層を形成することにより自発分極の劣化を抑制し、電気光学効果による屈折率の可変範囲の狭小化を抑制することが可能となる。なお、後述する光偏向素子においては酸化物層１４上に上部電極が形成されるが、酸化物層と上部電極との界面においても同様に、半導性あるいは導電性を示すペロブスカイト格子を有する結晶構造の半導性酸化物層あるいは導電性酸化物層を形成してもよい。
次に、積層構造体の製造方法を説明する。図２は、積層構造体の製造工程を示すフローチャートである。
図２を参照するに、先ず、単結晶基板１１を洗浄後、単結晶基板１１の自然酸化膜を希フッ酸により除去する。自然酸化膜を除去して、単結晶基板１１の結晶面を露出させる（Ｓ１０２）。
次にＣＶＤ法、ＭＢＥ法等により、自然酸化膜が除去された単結晶基板１１上にマグネシアスピネルの中間層１２をエピタキシャル成長させる（Ｓ１０４）。ＣＶＤ法は、大面積、例えば直径３００ｍｍ程度の単結晶基板１１にも均一に成膜可能な点で好適である。ＣＶＤ法による場合は、マグネシアスピネルの構成元素を、各々のソースチャンバ内で加熱して蒸発させ、キャリアガスにより成膜チャンバ内に送り、単結晶基板１１を７５０℃〜１０５０℃に加熱し、成膜速度５ｎｍ／分〜３０ｎｍ／分に設定して厚さ８０ｎｍ〜６００ｎｍ形成する。
次にマグネシアスピネルの中間層１２上に導電層１３をエピタキシャル成長させる（Ｓ１０６）。具体的には、基板を４００℃以上、好ましくは５００℃以上の温度に加熱・保持して、アルゴンガス雰囲気中でＲＦスパッタ法により白金族の金属を厚さ２０〜２０００ｎｍ堆積する（Ｓ１０６）。この際、アルゴンガス雰囲気に少量の酸素、例えばアルゴンガス３０ｓｃｃｍに対して酸素ガス１ｓｃｃｍ〜３ｓｃｃｍを加えることで、さらに結晶性の良好な導電層１３を形成することができる。中間層１２表面のマグネシアスピネルの酸素原子が成膜中に乖離するのを抑制し、マグネシアスピネル膜表面の結晶性が保持され、良好な結晶性が導電層１３に反映されるためである。
次に、導電層１３上に例えばＣＳＤ法により酸化物層１４を形成する（Ｓ１０８）。具体的には、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉ等の濃度が調製されたＰＺＴ薄膜形成剤を導電層１３上にスピンコートし、溶剤を揮発乾燥させる。必要に応じてスピンコートを数回繰り返して所望の厚さを得る。
次に酸化物層１４を結晶化させ、エピタキシャル成長させるための加熱処理を行う（Ｓ１１０）。具体的には、ＲＴＡ（短時間アニール）が可能なハロゲンランプアニール装置、ファーネス等により酸素雰囲気中で５００℃〜８００℃、５分〜１５分に設定して行う。
なお、ＰＬＤ法により酸化物層１３を形成してもよい（Ｓ１０８Ａ）。具体的には、真空チャンバ内の圧力を２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）としてＰＺＴ等よりなるターゲットと導電層１３まで形成した基板をセットし、レーザをターゲットに照射してターゲット材が霧化され、プルーム経由して導電層１３上に堆積される。レーザの出力、折り返し周波数等により堆積させる厚さを調節する。なお、大面積の基板に対して成膜する場合は、ターゲットや基板をプルーム相対的に移動させることによって、より均一な厚さの酸化物層を形成することができる。以上により、図１に示す積層構造体１０が形成される。
図３は、積層構造体のうち、シリコン単結晶基板１１／マグネシアスピネル膜１２／白金膜１３よりなる薄膜積層体１６のＸ線回折パターンを示す図である。薄膜積層体１６は、上述した本実施の形態において、単結晶基板１１にシリコン、中間層１２にマグネシアスピネル膜、導電層１３に白金膜を用いたものである。図３は、薄膜積層体１６を、Ｘ線ディフラクトメータを使用して、薄膜積層体１６の膜面にθのなす角より入射し、２θ方向の回折角に現れた強度を測定したものである（２θ−θ法）。
図３を参照するに、シリコン単結晶基板１１の（００４）面、マグネシアスピネル膜の（００４）面、及び白金膜の（００２）面の回折線が現れている。白金膜の回折線に注目すると、２θ＝４６°に（００２）面の回折線が現れている一方で、例えば（１１１）面（２θ＝３９°）及び（０１１）面（２θ＝６５°）は表れていない。このことから、白金膜は（００１）面を主面として、積層方向が完全に［００１］方向に配向していることがわかる。なお、マグネシアスピネル膜は（００４）面の回折線のみが現れている。したがって、シリコン単結晶基板の（００１）面上にマグネシアスピネル膜さらにその上に白金膜が一軸配向していることが分かる。
図４Ａ〜図４Ｃは、図３の薄膜積層体１６のそれぞれの膜について、試料のみを回転させるφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。図４Ａは白金膜の（２０２）面、図４Ｂはマグネシアスピネル膜の（４０４）面、図４Ｃはシリコン単結晶基板の（２０２）面についてφスキャンを行ったものである。図４Ａ〜図４Ｃを参照するに白金膜、マグネシアスピネル膜、シリコン単結晶基板１１は同じ角度で４回対称軸を有することが分かる。すなわち、薄膜積層体１６は、シリコンの単結晶基板１１上にｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅの様式でエピタキシャル成長していることが分かる。
図５Ａは、の薄膜積層体１６の白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。一方、図５Ｂは本発明によらないＭｇＯ単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。図５Ａを参照するに、本実施の形態の白金膜の（００２）面の回折線のピークの半値幅は０．３９°になっている。図５Ｂに示す本発明によらない白金膜の（００２）面の回折線のピークの半値幅０．４１と同等以上であるので、本実施の形態の導電層１３の白金膜は、結晶性が優れていることがわかる。
白金膜の結晶性は、白金膜上にエピタキシャル成長されるＰＺＴ等の酸化物層の結晶性を決定する上で重要であり、可能な限り結晶性が良好であることが好ましい。本実施の形態によれば、ＭｇＯ単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜と同等であるので、結晶性の良好な酸化物層を形成することができる。
図６は、本実施の形態の酸化物層についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。この酸化物層はＣＳＤ法によりＰＬＺＴ薄膜形成剤（ＰＬＺＴ１１３／３／４５／５５、濃度１５質量％）を塗布、結晶化してＰＬＺＴ膜を形成したものである。ここでＰＬＺＴ１１３／３／４５／５５は、Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度比がそれぞれ１１３：３：４５：５５であることを示す。また、φスキャンは、ＰＬＺＴ膜の（２２２）面について行ったものである。
図６を参照するに、酸化物層１４のＰＬＺＴ膜は、図４Ａ〜図４Ｃに示した単結晶基板１１／中間層１２／導電層１３と同じ角度で４回対称軸を有することが分かる。すなわち、酸化物層１４は、導電層１３上にｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅの様式で形成されていることが分かる。
上述したように、積層構造体は、シリコンまたはＧａＡｓの単結晶基板１１上にマグネシアスピネル膜の中間層１２、導電層１３、酸化物層１４が順次エピタキシャル成長して形成され、酸化物層１４の下地層となる導電層１３が従来のＭｇＯの単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜と同等の良好な結晶性を有しており、したがって、導電層１３上に形成された酸化物層がエピタキシャル層となり、優れて良好な結晶性を有している。
よって、この積層構造体、すなわち、酸化物層上にさらに形成される他の酸化物層もエピタキシャル膜となり、良好な結晶性を有することが可能となる。その結果、酸化物層をクラッド層、その他の酸化物層をコア層とする導波路型光偏向素子は、その他の酸化物層（コア層）の結晶性が良好なため散乱による光伝搬損失を極めて低減することができ、酸化物層（クラッド層）の結晶性も良好なため、その他の酸化物層との界面での全反射における損失を低減することができる。
また、積層構造体は導電層が結晶性の良好な白金膜などの金属あるいは金属酸化物であるので、電気抵抗が低く、結晶粒界、格子欠陥等に起因する高周波におけるインピーダンスの増加を防止することができる。以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
［第１実施例］
図７は、本発明の第１実施例に係る光偏向素子の平面図である。また、図８は、第１実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図７及び図８を参照するに、本実施例に係る光偏向素子２０は、シリコン単結晶基板２１上に、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、上部電極２６が順次積層された構成となっている。これらのうち、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４のＰＬＺＴ膜、及びコア層２５のＰＺＴ膜は、それぞれの下層に対して下層の結晶性を引き継いでエピタキシャル成長されている。
光偏向素子２０は、導波路型の偏向素子を形成している。ここで、例えば、コア層２５のＰＺＴ膜の屈折率を２．４５、下部クラッド層２４の屈折率を２．３６に設定する。つまり、コア層２５の屈折率に対して、下部クラッド層２４の屈折率を小とする。なお、コア層２５の上面にはクラッド層を形成していないが、空気の屈折率は１．０程度であるので、コア層２５の屈折率が大きくコア層２５の上面において、コア層２５を伝搬する光は全反射される。なお、下部クラッド層２４に吸収されることによる光損失の観点からは、コア層２５の屈折率と下部クラッド層２４の屈折率との差は、コア層２５の屈折率に対して０．５％以上あればよい。０．５％より小さい場合はコア層２５を伝搬する光が下部クラッド層２４との界面において全反射しづらくなり、光損失が大となる。
光偏向素子２０は、下部電極２３と上部電極２６との間に印加される電圧に応じて、上部電極２６の下方のコア層２５及び下部クラッド層２４には、電気光学効果により屈折率が変化する屈折率変化領域２５Ａ、２４Ａが形成される。屈折率変化領域２５Ａ、２４Ａは、上部電極２６と同一の形状を上面とする三角柱状に形成される。
コア層２５に入射された光は、コア層２５と下部クラッド層２４との界面や、コア層２５上面（空気との界面）で全反射を繰り返しながらコア層２５中を伝搬する。コア層２５を伝搬し、屈折率変化領域２５Ａとの境界において、屈折の法則に基づいて光が偏向される。すなわち、屈折率変化領域２５Ａとの境界に垂直あるいは平行に入射する光は偏向せず直進し、それ以外の場合は光は偏向される。屈折率変化領域２５Ａの入射側は、図７に示すように、光に対して上部電極２６の底辺が垂直に設けられているので、入射光は偏向せず直進し、そして上部電極２６の斜辺に対応する屈折率変化領域からの射出部において光が偏向され、光偏向素子２０の出射面より、例えば矢印ＬＢ１〜ＬＢ２の範囲のように偏向された光が射出される。例えば、本実施例の光偏向素子２０は、下部電極２３に対して上部電極２６に２５Ｖ〜１００Ｖの電圧を印加・掃引すると、０．５度〜２度偏向することが可能である。なお、電圧の印加によって、コア層２５の屈折率変化領域２５Ａのみならず、下部クラッド層２４の屈折率変化領域２４Ａの屈折率も変化する。コア層２５の屈折率変化領域２５Ａの屈折率に対して０．５％以上小さい。コア層２５の屈折率変化領域２５Ａ中の光損失を抑制することができる。次に、本実施例の光偏向素子２０の製造例について説明する。
先ず、（００１）面を主面とする２インチのシリコン単結晶基板２１を洗浄後、９質量％の希フッ酸に浸漬して、シリコン単結晶基板の表面の自然酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）を除去した。
次に、シリコン単結晶基板上にＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍのマグネシアスピネル膜を形成する。具体的には、シリコン単結晶基板をＣＶＤの成膜チャンバ内に配置し、基板温度９００℃に保持した。Ｍｇ原料にはＭｇＣｌ２を用い、Ｍｇソースチャンバ内で５００℃に加熱して蒸発させ、ＭｇＣｌ２の蒸発物をキャリアガスに水素ガスを用いて成膜チャンバ送った。Ａｌ原料には金属Ａｌを用い、Ａｌソースチャンバ内で５５０℃に加熱して蒸発させ、塩化水素ガスと水素ガスをキャリアガスとして、ＡｌＣｌ_３として成膜チャンバに送った。また、炭酸ガス及び水素ガスを導入し、前記ＭｇＣｌ２の蒸発物とＡｌＣｌ３と混合して成膜チャンバに導入した。成膜チャンバにおいてシリコン単結晶基板を９００℃に加熱して成膜速度２０ｎｍ／分でマグネシアスピネル膜を形成した。
次に、マグネシアスピネル膜上にスパッタ法により厚さ２００ｎｍの白金膜を形成した。具体的には、スパッタ装置内を１Ｐａ（７．５×１０^−３Ｔｏｒｒ）の圧力にして、３０ｓｃｃｍのアルゴンガスと１ｓｃｃｍの酸素ガスを流しながら、基板を６００℃に加熱してエピタキシャル成長させた。
次に白金膜上にＣＳＤ法により下部クラッド層となるＰＬＺＴ膜を形成した。具体的には、市販のＰＬＺＴ薄膜形成剤（ＰＬＺＴ９／６５／３５、濃度１７質量％）を白金膜上に約０．３ｃｍ^３滴下し、３０００ｒｐｍ２０秒間回転させた。ここでＰＬＺＴ９／６５／３５は、Ｌａ、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度比がそれぞれ９：６５：３５であることを示す。次いで、ＰＬＺＴを塗布後の基板を１４０℃で予熱したホットプレート上で５分間加熱して、ＰＺＴ薄膜形成剤の溶剤を揮発させ、さらに３５０℃で５分加熱してＰＬＺＴ薄膜形成剤を熱分解させた。次いで室温まで冷却した。
次に、ＲＴＡ（短時間アニール）処理、例えばハロゲンランプアニール装置によりＰＬＺＴ膜を結晶化させた。具体的には、ハロゲンランプアニール装置に基板を配置して、酸素ガスを５Ｌ／分流しながら、６５０℃、１０分間加熱して、ＰＬＺＴ膜を結晶化させた。結晶化後のＰＬＺＴ膜の膜厚は２００ｎｍであった。ＰＬＺＴ薄膜形成剤の塗布から結晶化までの処理を計１１回繰り返し、ＰＬＺＴ膜の総厚を２．２μｍとした。
次に、下部クラッド層のＰＬＺＴ膜の上にＣＳＤ法によりコア層となるＰＺＴ膜を形成した。具体的には、市販のＰＺＴ薄膜形成剤（ＰＺＴ５２／４８、濃度１７質量％）をＰＬＺＴ膜上に約０．３ｃｍ^３滴下し、３０００ｒｐｍ２０秒間回転させた。次いで、ＰＺＴを塗布後の基板を１４０℃で予熱したホットプレート上で５分間加熱して、ＰＺＴ薄膜形成剤の溶剤を揮発させ、さらに３５０℃で５分加熱して、ＰＺＴ薄膜形成剤を熱分解させた。次いで室温まで冷却した。
次に、例えばハロゲンランプアニール装置によりＰＺＴ膜を結晶化させた。具体的には、ハロゲンランプアニール装置に基板を配置して、酸素ガスを５Ｌ／分流しながら、６５０℃、１０分間加熱して、ＰＬＺＴ膜を結晶化させた。結晶化後のＰＺＴ膜の膜厚は２００ｎｍであった。ＰＺＴ薄膜形成剤の塗布から結晶化までの処理を計１３回繰り返し、コア層のＰＺＴ膜の総厚を２．６μｍとした。
次に、コア層２５のＰＺＴ膜上にスパッタ法により厚さ１５０ｎｍの白金膜の上部電極２６を形成した。具体的には、ＰＺＴ膜上に直角三角形のパターンを配置して、スパッタ装置内の圧力を１Ｐａ（７．５×１０^−３Ｔｏｒｒ）、アルゴンガス３０ｓｃｃｍを流して白金膜を形成した。上部電極２６の寸法を、底辺３００μｍ、高さ１０００μｍの直角三角形とし、底辺を入射側に配置した。
なお、上部電極２６はエピタキシャル成長させる必要はなくスパッタ法、蒸着法などにより形成することができ、材料はＰｔ膜に限定されず、金属あるいは合金、あるいは導電性酸化物を用いることができる。上部電極２６に好適な金属又は合金は、酸化されにくい、例えば、白金族の元素、Ｒｕ等であり、また導電性酸化物は、例えばＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２等である。
次に、スパッタ時のＰＺＴ膜の損傷を除去するために、アニールを行った。具体的には電気炉で５Ｌ／分の酸素ガスを流しながら、６００℃１時間加熱した。上部電極２６を形成する際に、上部電極２６を構成するスパッタ原子等によりＰＺＴ膜表面が損傷を受けているため、加熱処理により、歪みを除去し残留応力等を緩和させ、ＰＺＴ膜表面の結晶性を向上することができる。
次に、入射側及び出射側の端面を研磨して、レーザ光を入射・出射可能とした。以上により本実施例の光偏向素子２０を形成した。
なお、結晶学的関係は、エピタキシャル成長されたＰＺＴ膜（コア層２５）（００１）／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）（００１）／／Ｐｔ膜（下部電極２３）（００１）／／マグネシアスピネル膜２２（００１）／／シリコン単結晶基板２１（００１）、面内方位は、ＰＺＴ膜（コア層２５）［１００］／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）［１００］／／Ｐｔ膜（下部電極２３）［１００］／／マグネシアスピネル膜２２［１００］／／シリコン単結晶基板２１［１００］の構造が得られた。
［第２実施例］
本実施例に係る光偏向素子は、コア層上にさらに上部クラッド層を形成した以外は第１実施例と同様である。
図９は、本発明の第２実施例に係る光偏向素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図９を参照するに、本実施例に係る光偏向素子３０は、シリコン単結晶基板２１上に、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、上部クラッド層３１、上部電極２６が順次積層された構成となっている。このうち、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４のＰＬＺＴ膜、コア層２５のＰＺＴ膜及び上部クラッド層３１のＰＬＺＴ膜は、それぞれの下層に対してエピタキシャル成長されており、下層の結晶性を引き継いでいる。マグネシアスピネル膜２２からコア層２５まで、上部電極２６、及び端面の加工は第１実施例と同様に形成した。
光偏向素子３０は、第１実施例の光偏向素子２０と同様に導波路型の偏向素子を形成しており、コア層２５が、下部クラッド層２４及び上部クラッド層３１に挟まれた構造となっている。第１実施例では空気（屈折率１．０）を上部クラッド層として機能させたが、本実施例ではＰＬＺＴ膜を用いた。そしてコア層のＰＺＴ膜の屈折率を２．４５、下部及び上部クラッド層２４、３１のＰＬＺＴ膜の屈折率を２．３６に設定する、つまり、コア層の屈折率に対して、下部及び上部クラッド層の屈折率を小とする。
さらに、下部及び上部クラッド層２４，３１に吸収されることによる光損失の観点からは、コア層２５の屈折率と、下部及び上部クラッド層２４，３１の屈折率との差は、第１実施例において説明したコア層２５と下部クラッド層２４の屈折率との関係と同様である。
したがって、コア層２５に入射された光は、コア層２５と、下部及び上部クラッド層２４、３１との界面で全反射を繰り返しながらコア層中を伝搬する。また、上部電極は第１実施例と同様に形成されているので、説明を省略する。
コア層２５のＰＺＴ膜上に下部クラッド層２４のＰＬＺＴ膜と同様の材料及び工程により、上部クラッド層３１のＰＬＺＴ膜を形成した。ＰＬＺＴ膜の総厚を２．２μｍとした。以上により第２実施例の光偏向素子３０を形成した。
なお、結晶学的関係は、エピタキシャル成長されたＰＬＺＴ膜（上部クラッド層３１）（００１）／／ＰＺＴ膜（コア層２５）（００１）／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）（００１）／／Ｐｔ膜（下部電極２３）（００１）／／マグネシアスピネル膜２２（００１）／／シリコン単結晶基板２１（００１）の構造が得られた。また、面内方位は、ＰＬＺＴ膜（上部クラッド層３１）［１００］／／ＰＺＴ膜（コア層２５）［１００］／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）（［１００］／／Ｐｔ膜（下部電極２３）［１００］／／マグネシアスピネル膜２２［１００］／／シリコン単結晶基板２１［１００］の構造が得られた。
なお、上部クラッド層３１は、上記したコア層２５と屈折率の条件の範囲内であれば、下部クラッド層と同様の材料のみならず、他の材料、例えば、酸化シリコン膜などを用いることができる。
［第３実施例］
本実施例に係る光偏向素子は、第２実施例の導電層の下部電極２３の白金膜に替えてイリジウム膜を形成した以外は、第２実施例と同様である。以下、第２実施例と同じ製造工程の説明を省略する。なお符号は、第２実施例の光偏向素子の断面を示す図９の符号を用いる。
イリジウム膜は、マグネシアスピネル膜２２上にスパッタ法により厚さ２００ｎｍで形成した。具体的には、スパッタ装置内を１Ｐａ（７．５×１０−３Ｔｏｒｒ）の圧力にして、３０ｓｃｃｍのアルゴンガスと１ｓｃｃｍの酸素ガスを流しながら、基板を６００℃に加熱してエピタキシャル成長させた。
本実施例によれば、イリジウム膜の成長方向が（００１）、イリジウム膜の面内方位［１００］が他の層の［１００］と同じ方向となった。
［第４実施例］
本実施例は、シリコン単結晶基板とマグネシアスピネル膜との間に熱酸化膜を設け、さらに上部クラッド層に２つの上部電極及びプリズムを設けた以外は第２実施例と同様である。
図１０は、本発明の第４実施例に係る光偏向素子の平面図である。また、図１１は、第４実施例に係る光偏向素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１０及び図１１を参照するに、本実施例に係る光偏向素子４０は、シリコン単結晶基板４１上に、熱酸化膜４２、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、上部クラッド層３１、第１及び第２上部電極２６Ａ、２６Ｂが順次積層され、上部クラッド層３１上にはさらにレーザ光をコア層に導入するためのプリズムが設けられた構成となっている。このうち、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、及び上部クラッド層３１は、それぞれの下層に対して下層の結晶性を引き継いでエピタキシャル成長されている。
光偏向素子４０は、上部クラッド層３１上に設けられたプリズム４４によりレーザ光が入射され、上部クラッド層３１を介してコア層２５に伝搬される。コア層２５を伝搬する光は、第１及び第２上部電極２６Ａ、２６Ｂにより偏向され、光偏向素子４０の出射面よりコア層の面内方向に偏向された光が出射される。
ここで、第１及び第２上部電極２６Ａ、２６Ｂにより形成される２つの屈折率変化領域２５Ａ、２５Ｂにより広い偏向角が得られる。
次に、本実施例の光偏向素子４０の製造例について説明する。
先ず、（００１）面を主面とする２インチのシリコン単結晶基板を用いて、第１実施例と同様にして、マグネシアスピネル膜まで形成した。
次に、大気圧下で酸素ガスを５Ｌ／分で流しながら、１０００℃〜１１００℃で３０分〜３時間の熱処理を行う。この熱処理により、マグネシアスピネル膜の中間層２２を通って酸素が単結晶基板４１に拡散し、単結晶基板４１の表面に熱酸化膜４２が形成される。なお、酸素ガスの替わりに水蒸気を用いたウェットアニールを行ってもよい。この場合の温度条件および熱処理時間は酸素ガスを使用する場合と同様である。
熱酸化膜４２によりシリコン単結晶基板とマグネシアスピネル膜との結合が切り離されるので、マグネシアスピネル膜がシリコン単結晶基板の拘束を受けずに自己再配列することができ、熱処理により原子の移動も容易化されるので、さらにマグネシアスピネル膜の結晶性を向上することが可能となる。熱酸化膜とマグネシアスピネル膜の膜厚の総和は１５０ｎｍとした。なお、酸素ガスに替えて窒素ガスを用いた場合は、熱酸化膜は形成されず、さらにマグネシアスピネルの結晶性の向上も認められなかった。
次に、マグネシアスピネル膜上にスパッタ法により厚さ２００ｎｍの白金膜を形成した。具体的には、スパッタ装置内を１Ｐａ（７．５×１０−３Ｔｏｒｒ）の圧力にして、３０ｓｃｃｍのアルゴンガスと１ｓｃｃｍの酸素ガスを流しながら、基板を６００℃に加熱してエピタキシャル成長させた。
次に、下部クラッド層の（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、（Ｂａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＴｉＯ_３のターゲットを用い、チャンバ内を１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを２．８ｓｃｃｍ流しながら基板を８００℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍの（Ｂａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＴｉＯ_３膜を形成した。
次に、ターゲットを交換して、下部クラッド２４層上にコア層２５のＰＺＴ膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、ＰＺＴ１０／９０のターゲットを用い、チャンバ内を２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを６ｓｃｃｍ流しながら基板を６５０℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍのＰＺＴ膜を形成した。
次に、コア層２５上に上部クラッド層３１の（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、（Ｂａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＴｉＯ_３のターゲットを用い、チャンバ内を１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを２．８ｓｃｃｍ流しながら基板を８００℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍの（Ｂａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＴｉＯ_３膜を形成した。
次に、上部クラッド層３１の（Ｂａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＴｉＯ_３膜上にスパッタ法により厚さ１５０ｎｍの白金膜の上部電極２６Ａ，２６Ｂを形成した。具体的には、（Ｂａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＴｉＯ_３膜上に直角三角形のパターンを配置して、スパッタ装置内の圧力を１Ｐａ（７．５×１０^−３Ｔｏｒｒ）、アルゴンガス３０ｓｃｃｍを流して白金膜を形成した。上部電極２６Ａ，２６Ｂの寸法を、底辺３００μｍ、高さ１０００μｍの直角三角形とした。
次に、スパッタ時の（Ｂａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＴｉＯ_３膜の損傷を除去するため、アニールを行った。具体的には電気炉で５Ｌ／分の酸素ガスを流しながら、６００℃１時間加熱した。
次に、出射側の端面を研磨して、レーザ光を出射可能とし、また上部クラッド層３１にプリズムを固着した。以上により本実施例の光偏向素子４０を形成した。
本実施例の光偏向素子４０によれば、シリコン単結晶基板４１とマグネシアスピネル膜２２との間に熱酸化膜４２が設けられている。熱酸化膜４２によりシリコン単結晶基板４１とマグネシアスピネル膜２２との界面における結合が切り離されるので、マグネシアスピネル膜２２がシリコン単結晶基板の結晶面に拘束されず熱処理の過程で自己再配列可能となる。したがって、マグネシアスピネル膜２２がより結晶性が高く形成されるので、マグネシアスピネル膜２２上に形成される下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、及び上部クラッド層３１の結晶性を向上することができる。
［第５実施例］
本実施例の光偏向素子は第４実施例と同様の構成とした。また、本実施例の光偏向素子はコア層の作製条件が異なる以外は、第４実施例と同様である。
本実施例において、下部クラッド２４層上にコア層２５のＰＺＴ膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、ＰＺＴ１０／９０のターゲットを用い、チャンバ内を２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）〜２７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを６ｓｃｃｍ流しながら基板を６００℃〜７００℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍのＰＺＴ膜を形成した。
図１２は、本実施例に係るコア層２５の伝搬損失と結晶性との関係を示す図である。図１２中において、縦軸はコア層２５の伝搬損失を示し、横軸はコア層２５のＰＺＴ膜の（００２）面についてのロッキングカーブより得られたピークの半値幅を示す。なお、ＰＺＴ膜の（００２）面のロッキングカーブは、Ｘ線ディフラクトメータを用いて２θ−θ法によりＰＺＴ膜の（００２）面の回折線の角度に合わせ、入射面を変化させることにより得られる。また、伝搬損失は、フォトディテクターで検出した光をフォトパワーメータにより測定した。
図１２を参照するに、本実施例のチャンバ内圧力２０ｍＰａ、基板温度６５０℃の条件で形成したＰＺＴ膜は、半値幅が０．９度、損失が１９ｄＢであった。図１２に示すように半値幅が小さいほど、すなわちＰＺＴ膜の結晶性が良好なほど、光の伝搬損失が低減されることが分かる。
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、第１〜第３実施例と第４実施例は組み合わせることができる。また、第１〜第４実施例において、下部又は上部クラッド層にＰＬＺＴ膜、コア層にＰＺＴ膜を用いたが、上述した下部又は上部クラッド層とコア層との屈折率の大小関係が確保されていさえすれば、実施の形態において挙げた酸化物層の材料を用いることができることはいうまでもない。
また、実施例では偏向素子を例に説明したが、ブラッグ反射型スイッチ、全反射型スイッチ、方向性結合スイッチ、マッハツェンダ干渉スイッチ、位相変調素子、モード変換素子、波長フィルター素子など電気光学効果を用いるすべての光導波路素子において同様に適応可能である。

以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、光ビームが伝搬する第２の酸化物層がエピタキシャル膜より形成され、結晶性が優れて良好であるので、光伝搬損失が低く光学的特性の優れた、低製造コストの光偏向素子およびその製造方法を提供することができる。

【書類名】明細書
【技術分野】
本発明は、光通信に用いられる光偏向素子およびその製造方法に係り、特に光導波路中の光ビームを電気光学効果により偏向させる光偏向素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
近年の情報通信にかかるデータ量の増大に伴い、光を媒体とした通信技術の重要度が増してきている。特に、光ファイバ網が各家庭に張り巡らせ始め、末端ユーザが急激に増加することが予定されている。光ファイバ網を使用して多数の末端ユーザに効率良くデータを送るためには、伝送損失が少なく、切り替えチャンネル数の多い高性能な光スイッチが必要となる。
現在提案されている光スイッチには、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）方式、バブル方式、薄膜導波路方式などが提案されている。このうち薄膜導波路方式は、基板上にクラッド層−コア層−クラッド層の多層構造を設け、コア層に光を伝送させるものである。これらの層のうち特にコア層に、電界をかけると屈折率が変化する材料、いわゆる電気光学効果をもつ材料を用いれば、電界を印加するだけで光を偏向することができる。このような原理を用いた薄膜導波路方式の光スイッチは、ＭＥＭＳ方式やバブル方式と比較して、微小な機械的駆動部や複雑な構造を持たないため、製造コストを低減することが可能であると期待されている。
多くの物質が電気光学効果を有していることが知られているが、電界印加による屈折率変化が大きい材料は、現在のところ一部の酸化物に限られている。電気光学効果は物質を構成する原子の特定な配列、すなわち結晶に由来するものであり、非晶質（アモルファス）状態では、電気光学効果が発現しなかったり、大きく低下したりする。通常、酸化物を利用する場合、酸素の存在下で数百℃に加熱して結晶化を行うことで、電気光学効果を得ることができる。これらの材料の薄膜実装を考える場合、組成が均一で欠陥のない酸化物単結晶膜が高い光透過率・電気光学効果、シングルモードの動作を得るためには理想的である。
しかし、多くの場合単結晶膜を得るのは非常に困難で、通常は多結晶膜としてしか得られない。多結晶膜には結晶粒界等の欠陥が存在するため、単結晶膜より光透過率が低い。一般に、結晶が大きくなればなるほど、特定の面方向に配向すればするほど光透過率は大きくなる傾向がある。したがって基板に垂直方向だけでなく、基板面内にも配向した膜、いわゆるエピタキシャル膜（３軸配向膜）が、低損失の光スイッチを得るためには好ましい。
従来、高い光透過率をもつ、低損失の酸化物のエピタキシャル膜を得るために、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）などの酸化物単結晶基板が用いられてきた。これらの基板は導電性を持たないので、まずこれらの基板上に下部電極となる金属膜、例えば白金膜をエピタキシャル成長させた後、その結晶性を引き継ぐ形で、エピタキシャル成長させることで、良質な酸化物結晶膜を得ている。
しかし、一般に用いられている酸化物単結晶基板は２インチ程度であり、大型化が困難である。また価格の点でも、６インチのシリコン単結晶基板が数千円であるのに対し、２インチのＭｇＯ基板は十数万円と高価であるので実用上難点がある。そこで、酸化物層のエピタキシャル膜を成長させる基板として、シリコン単結晶基板を用いる検討が行われている。
まず、シリコン単結晶基板上にエピタキシャル膜を成長させるためには、シリコン単結晶基板の表面の配向を利用する必要がある。しかし、シリコン単結晶基板の表面が高温で酸素雰囲気中に曝されると、酸化されてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_x）が形成されてしまう。シリコン酸化膜は非晶質で配向を持たないのでシリコン酸化膜上にはエピタキシャル膜は成長しない。また、エピタキシャル膜の成長には、成長させる膜とシリコン単結晶基板との間の反応や拡散が少ないことも重要である。これまでに、シリコン単結晶基板上にエピタキシャル成長可能な材料として、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）等の希土類元素の酸化物、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉO₃）などが開示されている。これらの材料の結晶層を中間層として、中間層上にペロブスカイト構造を有する酸化物のエピタキシャル膜を形成する試みがなされている。
これらに中間層のうち、マグネシアスピネル膜は、シリコン基板（００１）面上に（００１）面を主面としてエピタキシャル成長し、さらにペロブスカイト構造を有する結晶の（００１）面がエピタキシャル成長することが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
ところで、シリコン単結晶基板上にマグネシアスピネル膜、ペロブスカイト構造を有する結晶が形成された積層体を光偏向素子などに用いるためには、ペロブスカイト構造を有する結晶の上下に電界を印可する電極を設けることが必要となる。すなわち、マグネシアスピネル膜とペロブスカイト構造の酸化物層のエピタキシャル膜との間に導電層を設ける必要がある。
しかし、かかる導電層の結晶性が低い場合は、導電層上に形成されるペロブスカイト酸化物層の結晶性が低下し、光伝搬損失が増加し、また電気光学効果が低下してしまうという問題がある。
【特許文献１】特開昭５５−６１０３５号公報
【非特許文献1】Matsubara et al, J. Appl. Phys., 66 (1989) 5826
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な光偏向素子およびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、光伝搬損失が低く光学的特性の優れた、低製造コストの光偏向素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、
単結晶基板と、
前記単結晶基板上に形成されたマグネシアスピネル膜よりなる中間層と、
前記中間層上に形成された白金族元素を含む導電層よりなる下部電極と、
前記下部電極上に形成された第１の酸化物層と、
前記第１の酸化物層上に形成された第２の酸化物層と、
前記第２の酸化物層上に形成された上部電極とを有した光偏向素子であって、
前記中間層、下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層はエピタキシャル膜よりなり、
前記第２の酸化物層の屈折率が、前記第１の酸化物層の屈折率より大きい、前記下部電極が、ＰｔまたはＩｒを主成分とする光偏向素子が提供される。
本発明によれば、単結晶基板上に形成された中間層、下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、単結晶基板の結晶性を引き継いだエピタキシャル膜より形成されている。したがって、光導波路となる第２の酸化物層がエピタキシャル膜であるので、結晶性が優れて良好である。その結果、光学特性が優れて良好であり、特に光伝搬損失の低減を図ることができる。
ここで、エピタキシャル膜とは、エピタキシャル膜が形成される基板あるいは下地層を構成する結晶とある方位関係を持って形成された膜である。したがって、エピタキシャル膜は、成長方向の結晶配向性のみならず、面内の方位の結晶配向性を有する。
前記単結晶基板はシリコン単結晶基板とする。従来光偏向素子に使用されるＭｇＯ等の酸化物単結晶基板と比較して、シリコン単結晶基板は大型の基板が得られ、かつ安価であるので、光偏向素子の製造コストを大幅に低減することができる。
前記単結晶基板と中間層との間にさらに非晶質層が形成されてもよい。単結晶基板上の中間層はエピタキシャル成長により形成されている。したがって、単結晶基板表面とその上に成長した中間層であるマグネシアスピネル膜とはヘテロエピタキシャル構造を形成し、これらの界面は強固に結合している。その結果、マグネシアスピネル膜を構成する原子が熱処理等により再配列しようとしても、単結晶基板の結晶面の原子配列に拘束されて再配列が制限されてしまう。単結晶基板上にマグネシアスピネル膜が形成されている状態で、これらの界面に非晶質層を設けて上記の拘束を切ることにより、マグネシアスピネル膜の自己再配列を可能とすることができる。したがってマグネシアスピネル膜の結晶性が向上し、その上に形成される下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、良好な結晶性を引き継いで、それぞれの層の結晶性が向上される。
前記第２の酸化物層が電気光学効果を有する。前記下部電極と上部電極との間に電圧を印加することにより、第２の酸化物層に屈折率変化領域を形成して、伝搬する光ビームの進行方向を第２の酸化物層の面内方向に偏向することが可能となる。
前記第１及び第２の酸化物層のうち少なくとも１つが単純ペロブスカイト格子を含む結晶構造を有する。単純ペロブスカイト格子を有する酸化物層は電気光学効果を有し、例えば、ポッケルス効果あるいはカー効果などが大きい。したがって屈折率の変化が大であるので、偏向角を増加することが可能となる。
前記単結晶基板、中間層及び下部電極の積層方向の結晶方位が［００１］であってもよい。さらに、前記第１及び第２の酸化物層の積層方向の結晶方位が［００１］であってもよい。下部電極と上部電極とによる電界の印加方向に対して、第１及び第２の酸化物層の結晶方位のうち自発分極が最大となる方向、すなわち分極軸方向［００１］を平行にする。ペロブスカイト構造を有する酸化物のような酸素８面体型強誘電体の１次の電気光学定数は、誘電率、自発分極の大きさ、及び２次の電気光学定数の積で表わされる。正方晶のペロブスカイト構造を有する酸化物の分極軸方向は［００１］であるので、下部電極と上部電極とによる電界の印加方向と分極軸方向を一致させることにより、電気光学効果が最大となり、屈折率の可変範囲を拡大することが可能となる。その結果偏向角を増加することが可能となる。
前記第２の酸化物層と上部電極とに間に、前記第２の酸化物層上にエピタキシャル成長により形成された第３の酸化物層を更に有し、前記第２の酸化物層の屈折率が、前記第１及び第３の酸化物層の屈折率より大きい構成としてもよい。第３の酸化物層をクラッド層として、第１の酸化物層と第３の酸化物層により第２の酸化物層を挟んだ光導波型偏向素子を構成する。第３の酸化物層も、第２の酸化物層上にエピタキシャル成長により形成されるので、結晶性に優れているため、第２の酸化物層からの光ビームの染みだしによる損失を抑制することが可能となる。
本発明の他の観点によれば、
単結晶基板上にマグネシアスピネルよりなる中間層を形成する中間層形成工程と、
前記中間層上に白金族元素よりなる導電層よりなる下部電極を形成する下部電極形成工程と、
前記下部電極上に第１の酸化物層を形成する第１酸化物層形成工程と、
前記第１の酸化物層上に第２の酸化物層を形成する第２酸化物層形成工程と、
前記第２の酸化物層上に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備えた光偏向素子の製造方法であって、
前記中間層、下部電極、第１の酸化物層、及び第２の酸化物層はエピタキシャル成長により形成される光偏向素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、単結晶基板上に形成された中間層、下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、単結晶基板の結晶性を引き継いだエピタキシャル膜より形成されている。したがって、光導波路となる第２の酸化物層がエピタキシャル膜であるので、結晶性が優れて良好である。その結果、光学特性が優れて良好であり、特に光伝搬損失の低減を図ることができる。
前記中間層形成工程と下部電極形成工程との間に、酸素ガスあるいは水蒸気を含む雰囲気中で熱処理を行う工程を更に備えてもよい。熱処理により単結晶基板と中間層との界面に熱酸化膜が形成される。したがって、ヘテロエピタキシャル構造をなす単結晶基板と中間層との結合が切られるので、中間層であるマグネシアスピネル膜が熱処理により自己再配列が可能となる。したがって、マグネシアスピネル膜の結晶性がさらに良好となり、その上に形成される下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、良好な結晶性を引き継いで、それぞれの層の結晶性が向上される。
【発明を実施するための最良の態様】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
（本発明による光偏向素子に係る積層構造体）
図１は、本発明による光偏向素子の基本となる積層構造体の断面図である。
図１を参照するに、積層構造体１０は、単結晶基板１１上に、中間層１２、導電層１３、及び酸化物層１４が順次積層された構成となっている。本願発明者は、かかる積層構造体１０において、単結晶基板１１に例えばシリコン単結晶基板またはＧａＡｓ単結晶基板、中間層１２にマグネシアスピネル膜、及び導電層１３に白金族の元素等を用いることにより、シリコン単結晶基板またはＧａＡｓ単結晶基板の安価でかつ直径の大なる単結晶基板上に、マグネシアスピネル膜を介して、良質な結晶性を有するエピタキシャル層の導電層を形成できることを見出した。導電層の結晶性の程度は、ＭｇＯ単結晶基板に直接エピタキシャル成長させた導電層と同程度であり、優れて結晶性が良好であることを確認した。本発明に係る積層構造体は、安価で大直径が得られる単結晶基板を用いることができる点において従来の積層構造体に対して特に有用である。
さらに、本願発明者は、積層構造体の導電層上に形成される酸化物層が導電層の結晶性を受け継いで、（００１）面が成長面となるエピタキシャル層を形成できることを見出した。本発明は、かかる積層構造体１０を光偏向素子に適用したものである。先ず、積層構造体１０について説明する。
積層構造体１０の単結晶基板１１は、例えばシリコンまたはＧａＡｓの単結晶基板が用いられる。単結晶基板１１の厚さは約５００μｍ、主面を（００１）面としたものである。主面を（００１）にすることにより単結晶基板１１上にエピタキシャル成長させる各層の面方位を揃え、最終的に酸化物層１４の面方位を（００１）面とすることができる。なお、主面を（００１）面とし０°より４°の範囲で微傾斜した単結晶基板１１を用いても良い。単結晶基板１１表面の微少な凹凸に起因して中間層１２に結晶粒界が発生することがあるが、微傾斜した単結晶基板１１を用いることにより、中間層１２の膜面内の成長方向を揃えて結晶粒界の発生を抑制することができる。
中間層１２は、前記単結晶基板１１上にＣＶＤ法等によりエピタキシャル成長した厚さ１００ｎｍのマグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）により構成される。具体的には、中間層１２は、厚さが８０ｎｍ〜６００ｎｍである。中間層１２であるマグネシアスピネル膜は、例えばシリコンの単結晶基板の（００１）面上には、（００１）面が成長する。単結晶基板１１の（００１）面上にマグネシアスピネル膜の（００１）面が形成され、単結晶基板１１の［１００］方向とマグネシアスピネル膜の［１００］方向が一致する。
導電層１３は、前記中間層１２上にＲＦスパッタ法等によりエピタキシャル成長した厚さ２００ｎｍの白金族の元素あるいは合金により構成される。白金族の元素は、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔである。このうち特にＩｒ又Ｐｔが優れた結晶配向性が得られる点で好適である。
また、導電層１３は、マグネシアスピネルの（００１）面上に、白金族の元素又は合金の（００１）面が成長したものである。従来、シリコン単結晶基板にエピタキシャルのマグネシアスピネル膜を形成し、さらにＰＺＴ膜等を形成した例は報告されていたが、シリコン単結晶基板上にマグネシアスピネル膜及び白金族元素又は合金のエピタキシャル膜が順次積層された例は報告されていない。本実施の形態に係る単結晶基板１１／マグネシアスピネルの中間層１２／白金族元素又は合金膜の導電層１３からなる薄膜積層体１６は、この薄膜積層体１６上に後述する単純ペロブスカイト格子を有する結晶の酸化物層１４をエピタキシャル成長させることができ、白金族元素又は合金膜の導電層１３は導電性であり、比抵抗が１１μΩ・ｃｍ程度で低抵抗であるので電極（例えば第１実施例の下部電極２３）として用いることができる。特に、高周波を用いて酸化物層１４に電界を印加する場合は、導電層の結晶性が優れているので結晶粒界等に起因するインピーダンスの増加が抑制されるという利点がある。
酸化物層１４は、前記導電層１３上にエピタキシャル成長した単純ペロブスカイト格子を有する結晶により構成される。単純ペロブスカイト格子を有する結晶は、例えば、ペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、タングステンブロンズ構造等が挙げられる。これらの結晶構造を有する結晶は強誘電体であり、電気光学効果を有している。
さらに、酸化物層１４には、ペロブスカイト構造を有する、例えばＰｂ（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）O₃（０≦ｘ≦１）の一般式で示されるＰＺＴを用いることができる。また、Ｐｂ（Ｂ’_1/3Ｂ”_2/3）O₃（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：５価の金属）や、Ｐｂ（Ｂ’_1/2Ｂ”_1/2）O₃（Ｂ’：３価の金属、Ｂ”：５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’_1/2Ｂ”_1/2）O₃（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：６価の金属）の一般式で示される結晶、更にＰＺＴに添加元素を加え、（Ｐｂ_1-yＬａ_y）（Ｚｒ_1-xＴｉ_x）O₃（０≦ｘ、ｙ≦１）の一般式で示されるＰＬＺＴ、Ｐｂ（Ｂ’_1/3Ｂ”_2/3）_xＴｉ_yＺｒ_1-x-yＯ₃（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’_1/2Ｂ”_1/2）_xＴｉ_yＺｒ_1-x-yＯ₃（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’：３価の金属、Ｂ”：５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’_1/2Ｂ” _1/2）_xＴｉ_yＺｒ_1-x-yＯ₃（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：６価の金属）、又は（Ｓｒ_1-xＢａ_x）ＴｉO₃（０≦ｘ≦１）の一般式で示される結晶を用いることができる。
上記Ｐｂ（Ｂ’_1/3Ｂ”_2/3）Ｏ₃（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：５価の金属）の一般式で示される結晶のうち更に好ましいものは、例えばＰｂＮｉ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＣｏ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＭｇ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＺｎ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＭｎ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＮｉ_1/3Ｔａ_2/3Ｏ₃、ＰｂＣｏ_1/3Ｔａ_2/3Ｏ₃、ＰｂＭｇ_1/3Ｔａ_2/3Ｏ₃、ＰｂＺｎ_1/3Ｔａ_2/3Ｏ₃、ＰｂＭｎ_1/3Ｔａ_2/3Ｏ₃が挙げられる。これらのうち特に好ましいものは、ＰｂＮｉ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＣｏ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＭｇ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃、ＰｂＺｎ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃が挙げられる。
また、上記Ｐｂ（Ｂ’_1/2Ｂ”_1/2）O₃（Ｂ’：３価の金属、Ｂ”：５価の金属）の一般式で示される結晶のうち特に好ましいものは、例えばＰｂＦｅ_1/2Ｎｂ_1/2Ｏ₃、ＰｂＳｃ_1/2Ｎｂ_1/2Ｏ₃、ＰｂＳｃ_1/2Ｔａ_1/2Ｏ₃が挙げられる。
さらに、上記Ｐｂ（Ｂ’_1/2Ｂ”_1/2）O₃（Ｂ’：２価の金属、Ｂ”：６価の金属）の一般式で示される結晶のうち好ましいものは、例えばＰｂＭｇ_1/2Ｗ_1/2Ｏ₃が挙げられる。なお、例えば、０．６５ＰｂＭｇ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−０．３５ＰｂＴｉＯ₃や０．５ＰｂＮｉ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−０．３５ＰｂＴｉＯ₃−０．１５ＰｂＺｒＯ₃などの多成分系結晶でもよい。
また、ビスマス層状構造を有する結晶で代表的なものは、例えば、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉（ＳＢＴ）、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、（Ｂｉ_4-xＲ_x）Ｔｉ₃Ｏ₁₂（ＲはＹ、Ｓｃ、及び希土類元素、１≦ｘ≦３）、（Ｓｒ_xＢａ_1-x）Ｂｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅、ＰｂＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅が挙げられ、さらにこれらの結晶に、Ｖ（バナジウム）あるいはＷ（タングステン）を１〜２ｍｏｌ％添加してもよい。タングステンブロンズ構造を有する結晶で代表的なものは、例えば、Ｂａ₂ＮａＮｂ₃Ｏ₁₅、Ｂａ_1-xＳｒ_xＮｂ₂Ｏ₆等が挙げられる。
酸化物層１４は、ＣＶＤ法、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ゾル・ゲル法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属ＣＶＤ）法などを用いて形成することができるが、大面積の基板に適用可能な方法であれば限定されないが、ＣＳＤ法が比較的大面積の基板に容易に形成できる点で好適である。
なお、導電層１３と酸化物層１４との間に、半導性あるいは導電性を示すペロブスカイト格子を有する結晶構造の半導性酸化物層あるいは導電性酸化物層を形成してもよい。具体的には、例えば、半導性酸化物としては、ＮｂあるいはＬａをドープしたＳｒＴｉＯ₃が好適である。ドープ量は例えば１原子％とする。また、導電性酸化物としては、ＳｒＲｕＯ₃、ＣａＲｕＯ₃、ＬａＲｕＯ₃、Ｌａ_xＳｒ_1-xＣｏＯ₃（０≦ｘ≦１）、Ｌａ_xＳｒ_1-xＭｎＯ₃（０≦ｘ≦１）が挙げられる。電気光学効果により屈折率変化を起こさせるために、酸化物層１４に電界を印加して、その電界をオン、オフまたは方向を反転するなどして酸化物層１４の分極反転を繰り返すと、導電層１３と酸化物層１４との界面の酸素欠損等の格子欠陥に起因して、酸化物層１４の自発分極が劣化すると共に電気光学効果が劣化することがある。導電層１３及び酸化物層１４との間に半導性あるいは電気導電性酸化物層を形成することにより自発分極の劣化を抑制し、電気光学効果による屈折率の可変範囲の狭小化を抑制することが可能となる。なお、後述する光偏向素子においては酸化物層１４上に上部電極が形成されるが、酸化物層と上部電極との界面においても同様に、半導性あるいは導電性を示すペロブスカイト格子を有する結晶構造の半導性酸化物層あるいは導電性酸化物層を形成してもよい。
次に、積層構造体の製造方法を説明する。図２は、積層構造体の製造工程を示すフローチャートである。
図２を参照するに、先ず、単結晶基板１１を洗浄後、単結晶基板１１の自然酸化膜を希フッ酸により除去する。自然酸化膜を除去して、単結晶基板１１の結晶面を露出させる（Ｓ１０２）。
次にＣＶＤ法、ＭＢＥ法等により、自然酸化膜が除去された単結晶基板１１上にマグネシアスピネルの中間層１２をエピタキシャル成長させる（Ｓ１０４）。ＣＶＤ法は、大面積、例えば直径３００ｍｍ程度の単結晶基板１１にも均一に成膜可能な点で好適である。ＣＶＤ法による場合は、マグネシアスピネルの構成元素を、各々のソースチャンバ内で加熱して蒸発させ、キャリアガスにより成膜チャンバ内に送り、単結晶基板１１を７５０℃〜１０５０℃に加熱し、成膜速度５ｎｍ／分〜３０ｎｍ／分に設定して厚さ８０ｎｍ〜６００ｎｍ形成する。
次にマグネシアスピネルの中間層１２上に導電層１３をエピタキシャル成長させる（Ｓ１０６）。具体的には、基板を４００℃以上、好ましくは５００℃以上の温度に加熱・保持して、アルゴンガス雰囲気中でＲＦスパッタ法により白金族の金属を厚さ２０〜２０００ｎｍ堆積する（Ｓ１０６）。この際、アルゴンガス雰囲気に少量の酸素、例えばアルゴンガス３０ｓｃｃｍに対して酸素ガス１ｓｃｃｍ〜３ｓｃｃｍを加えることで、さらに結晶性の良好な導電層１３を形成することができる。中間層１２表面のマグネシアスピネルの酸素原子が成膜中に乖離するのを抑制し、マグネシアスピネル膜表面の結晶性が保持され、良好な結晶性が導電層１３に反映されるためである。
次に、導電層１３上に例えばＣＳＤ法により酸化物層１４を形成する（Ｓ１０８）。具体的には、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉ等の濃度が調製されたＰＺＴ薄膜形成剤を導電層１３上にスピンコートし、溶剤を揮発乾燥させる。必要に応じてスピンコートを数回繰り返して所望の厚さを得る。
次に酸化物層１４を結晶化させ、エピタキシャル成長させるための加熱処理を行う（Ｓ１１０）。具体的には、ＲＴＡ（短時間アニール）が可能なハロゲンランプアニール装置、ファーネス等により酸素雰囲気中で５００℃〜８００℃、５分〜１５分に設定して行う。
なお、ＰＬＤ法により酸化物層１３を形成してもよい（Ｓ１０８Ａ）。具体的には、真空チャンバ内の圧力を２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）としてＰＺＴ等よりなるターゲットと導電層１３まで形成した基板をセットし、レーザをターゲットに照射してターゲット材が霧化され、プルーム経由して導電層１３上に堆積される。レーザの出力、折り返し周波数等により堆積させる厚さを調節する。なお、大面積の基板に対して成膜する場合は、ターゲットや基板をプルーム相対的に移動させることによって、より均一な厚さの酸化物層を形成することができる。以上により、図１に示す積層構造体１０が形成される。
図３は、積層構造体のうち、シリコン単結晶基板１１／マグネシアスピネル膜１２／白金膜１３よりなる薄膜積層体１６のＸ線回折パターンを示す図である。薄膜積層体１６は、上述した本実施の形態において、単結晶基板１１にシリコン、中間層１２にマグネシアスピネル膜、導電層１３に白金膜を用いたものである。図３は、薄膜積層体１６を、Ｘ線ディフラクトメータを使用して、薄膜積層体１６の膜面にθのなす角より入射し、２θ方向の回折角に現れた強度を測定したものである（２θ−θ法）。
図３を参照するに、シリコン単結晶基板１１の（００４）面、マグネシアスピネル膜の（００４）面、及び白金膜の（００２）面の回折線が現れている。白金膜の回折線に注目すると、２θ＝４６°に（００２）面の回折線が現れている一方で、例えば（１１１）面（２θ＝３９°）及び（０１１）面（２θ＝６５°）は表れていない。このことから、白金膜は（００１）面を主面として、積層方向が完全に［００１］方向に配向していることがわかる。なお、マグネシアスピネル膜は（００４）面の回折線のみが現れている。したがって、シリコン単結晶基板の（００１）面上にマグネシアスピネル膜さらにその上に白金膜が一軸配向していることが分かる。
図４Ａ〜図４Ｃは、図３の薄膜積層体１６のそれぞれの膜について、試料のみを回転させるφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。図４Ａは白金膜の（２０２）面、図４Ｂはマグネシアスピネル膜の（４０４）面、図４Ｃはシリコン単結晶基板の（２０２）面についてφスキャンを行ったものである。図４Ａ〜図４Ｃを参照するに白金膜、マグネシアスピネル膜、シリコン単結晶基板１１は同じ角度で４回対称軸を有することが分かる。すなわち、薄膜積層体１６は、シリコンの単結晶基板１１上にｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅの様式でエピタキシャル成長していることが分かる。
図５Ａは、の薄膜積層体１６の白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。一方、図５Ｂは本発明によらないＭｇＯ単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。図５Ａを参照するに、本実施の形態の白金膜の（００２）面の回折線のピークの半値幅は０．３９°になっている。図５Ｂに示す本発明によらない白金膜の（００２）面の回折線のピークの半値幅０．４１と同等以上であるので、本実施の形態の導電層１３の白金膜は、結晶性が優れていることがわかる。
白金膜の結晶性は、白金膜上にエピタキシャル成長されるＰＺＴ等の酸化物層の結晶性を決定する上で重要であり、可能な限り結晶性が良好であることが好ましい。本実施の形態によれば、ＭｇＯ単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜と同等であるので、結晶性の良好な酸化物層を形成することができる。
図６は、本実施の形態の酸化物層についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。この酸化物層はＣＳＤ法によりＰＬＺＴ薄膜形成剤（ＰＬＺＴ１１３／３／４５／５５、濃度１５質量％）を塗布、結晶化してＰＬＺＴ膜を形成したものである。ここでＰＬＺＴ１１３／３／４５／５５は、Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度比がそれぞれ１１３：３：４５：５５であることを示す。また、φスキャンは、ＰＬＺＴ膜の（２２２）面について行ったものである。
図６を参照するに、酸化物層１４のＰＬＺＴ膜は、図４Ａ〜図４Ｃに示した単結晶基板１１／中間層１２／導電層１３と同じ角度で４回対称軸を有することが分かる。すなわち、酸化物層１４は、導電層１３上にｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅの様式で形成されていることが分かる。
上述したように、積層構造体は、シリコンまたはＧａＡｓの単結晶基板１１上にマグネシアスピネル膜の中間層１２、導電層１３、酸化物層１４が順次エピタキシャル成長して形成され、酸化物層１４の下地層となる導電層１３が従来のＭｇＯの単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜と同等の良好な結晶性を有しており、したがって、導電層１３上に形成された酸化物層がエピタキシャル層となり、優れて良好な結晶性を有している。
よって、この積層構造体、すなわち、酸化物層上にさらに形成される他の酸化物層もエピタキシャル膜となり、良好な結晶性を有することが可能となる。その結果、酸化物層をクラッド層、その他の酸化物層をコア層とする導波路型光偏向素子は、その他の酸化物層（コア層）の結晶性が良好なため散乱による光伝搬損失を極めて低減することができ、酸化物層（クラッド層）の結晶性も良好なため、その他の酸化物層との界面での全反射における損失を低減することができる。
また、積層構造体は導電層が結晶性の良好な白金膜などの金属あるいは金属酸化物であるので、電気抵抗が低く、結晶粒界、格子欠陥等に起因する高周波におけるインピーダンスの増加を防止することができる。以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

［第１実施例］
図７は、本発明の第１実施例に係る光偏向素子の平面図である。また、図８は、第１実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図７及び図８を参照するに、本実施例に係る光偏向素子２０は、シリコン単結晶基板２１上に、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、上部電極２６が順次積層された構成となっている。これらのうち、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４のＰＬＺＴ膜、及びコア層２５のＰＺＴ膜は、それぞれの下層に対して下層の結晶性を引き継いでエピタキシャル成長されている。
光偏向素子２０は、導波路型の偏向素子を形成している。ここで、例えば、コア層２５のＰＺＴ膜の屈折率を２．４５、下部クラッド層２４の屈折率を２．３６に設定する。つまり、コア層２５の屈折率に対して、下部クラッド層２４の屈折率を小とする。なお、コア層２５の上面にはクラッド層を形成していないが、空気の屈折率は１．０程度であるので、コア層２５の屈折率が大きくコア層２５の上面において、コア層２５を伝搬する光は全反射される。なお、下部クラッド層２４に吸収されることによる光損失の観点からは、コア層２５の屈折率と下部クラッド層２４の屈折率との差は、コア層２５の屈折率に対して０．５％以上あればよい。０．５％より小さい場合はコア層２５を伝搬する光が下部クラッド層２４との界面において全反射しづらくなり、光損失が大となる。
光偏向素子２０は、下部電極２３と上部電極２６との間に印加される電圧に応じて、上部電極２６の下方のコア層２５及び下部クラッド層２４には、電気光学効果により屈折率が変化する屈折率変化領域２５Ａ、２４Ａが形成される。屈折率変化領域２５Ａ、２４Ａは、上部電極２６と同一の形状を上面とする三角柱状に形成される。
コア層２５に入射された光は、コア層２５と下部クラッド層２４との界面や、コア層２５上面（空気との界面）で全反射を繰り返しながらコア層２５中を伝搬する。コア層２５を伝搬し、屈折率変化領域２５Ａとの境界において、屈折の法則に基づいて光が偏向される。すなわち、屈折率変化領域２５Ａとの境界に垂直あるいは平行に入射する光は偏向せず直進し、それ以外の場合は光は偏向される。屈折率変化領域２５Ａの入射側は、図７に示すように、光に対して上部電極２６の底辺が垂直に設けられているので、入射光は偏向せず直進し、そして上部電極２６の斜辺に対応する屈折率変化領域からの射出部において光が偏向され、光偏向素子２０の出射面より、例えば矢印ＬＢ１〜ＬＢ２の範囲のように偏向された光が射出される。例えば、本実施例の光偏向素子２０は、下部電極２３に対して上部電極２６に２５Ｖ〜１００Ｖの電圧を印加・掃引すると、０．５度〜２度偏向することが可能である。なお、電圧の印加によって、コア層２５の屈折率変化領域２５Ａのみならず、下部クラッド層２４の屈折率変化領域２４Ａの屈折率も変化する。コア層２５の屈折率変化領域２５Ａの屈折率に対して０．５％以上小さい。コア層２５の屈折率変化領域２５Ａ中の光損失を抑制することができる。 次に、本実施例の光偏向素子２０の製造例について説明する。
先ず、（００１）面を主面とする２インチのシリコン単結晶基板２１を洗浄後、９質量％の希フッ酸に浸漬して、シリコン単結晶基板の表面の自然酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）を除去した。
次に、シリコン単結晶基板上にＣＶＤ法により厚さ１００ｎｍのマグネシアスピネル膜を形成する。具体的には、シリコン単結晶基板をＣＶＤの成膜チャンバ内に配置し、基板温度９００℃に保持した。Ｍｇ原料にはＭｇＣｌ2を用い、Ｍｇソースチャンバ内で５００℃に加熱して蒸発させ、ＭｇＣｌ2の蒸発物をキャリアガスに水素ガスを用いて成膜チャンバ送った。Ａｌ原料には金属Ａｌを用い、Ａｌソースチャンバ内で５５０℃に加熱して蒸発させ、塩化水素ガスと水素ガスをキャリアガスとして、ＡｌＣｌ₃として成膜チャンバに送った。また、炭酸ガス及び水素ガスを導入し、前記ＭｇＣｌ2の蒸発物とＡｌＣｌ3と混合して成膜チャンバに導入した。成膜チャンバにおいてシリコン単結晶基板を９００℃に加熱して成膜速度２０ｎｍ／分でマグネシアスピネル膜を形成した。
次に、マグネシアスピネル膜上にスパッタ法により厚さ２００ｎｍの白金膜を形成した。具体的には、スパッタ装置内を１Ｐａ（７．５×１０^-3Ｔｏｒｒ）の圧力にして、３０ｓｃｃｍのアルゴンガスと１ｓｃｃｍの酸素ガスを流しながら、基板を６００℃に加熱してエピタキシャル成長させた。
次に白金膜上にＣＳＤ法により下部クラッド層となるＰＬＺＴ膜を形成した。具体的には、市販のＰＬＺＴ薄膜形成剤（ＰＬＺＴ９／６５／３５、濃度１７質量％）を白金膜上に約０．３ｃｍ³滴下し、３０００ｒｐｍ２０秒間回転させた。ここでＰＬＺＴ９／６５／３５は、Ｌａ、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度比がそれぞれ９：６５：３５であることを示す。次いで、ＰＬＺＴを塗布後の基板を１４０℃で予熱したホットプレート上で５分間加熱して、ＰＺＴ薄膜形成剤の溶剤を揮発させ、さらに３５０℃で５分加熱してＰＬＺＴ薄膜形成剤を熱分解させた。次いで室温まで冷却した。
次に、ＲＴＡ（短時間アニール）処理、例えばハロゲンランプアニール装置によりＰＬＺＴ膜を結晶化させた。具体的には、ハロゲンランプアニール装置に基板を配置して、酸素ガスを５Ｌ／分流しながら、６５０℃、１０分間加熱して、ＰＬＺＴ膜を結晶化させた。結晶化後のＰＬＺＴ膜の膜厚は２００ｎｍであった。ＰＬＺＴ薄膜形成剤の塗布から結晶化までの処理を計１１回繰り返し、ＰＬＺＴ膜の総厚を２．２μｍとした。
次に、下部クラッド層のＰＬＺＴ膜の上にＣＳＤ法によりコア層となるＰＺＴ膜を形成した。具体的には、市販のＰＺＴ薄膜形成剤（ＰＺＴ５２／４８、濃度１７質量％）をＰＬＺＴ膜上に約０．３ｃｍ³滴下し、３０００ｒｐｍ２０秒間回転させた。次いで、ＰＺＴを塗布後の基板を１４０℃で予熱したホットプレート上で５分間加熱して、ＰＺＴ薄膜形成剤の溶剤を揮発させ、さらに３５０℃で５分加熱して、ＰＺＴ薄膜形成剤を熱分解させた。次いで室温まで冷却した。
次に、例えばハロゲンランプアニール装置によりＰＺＴ膜を結晶化させた。具体的には、ハロゲンランプアニール装置に基板を配置して、酸素ガスを５Ｌ／分流しながら、６５０℃、１０分間加熱して、ＰＬＺＴ膜を結晶化させた。結晶化後のＰＺＴ膜の膜厚は２００ｎｍであった。ＰＺＴ薄膜形成剤の塗布から結晶化までの処理を計１３回繰り返し、コア層のＰＺＴ膜の総厚を２．６μｍとした。
次に、コア層２５のＰＺＴ膜上にスパッタ法により厚さ１５０ｎｍの白金膜の上部電極２６を形成した。具体的には、ＰＺＴ膜上に直角三角形のパターンを配置して、スパッタ装置内の圧力を１Ｐａ（７．５×１０^-3Ｔｏｒｒ）、アルゴンガス３０ｓｃｃｍを流して白金膜を形成した。上部電極２６の寸法を、底辺３００μｍ、高さ１０００μｍの直角三角形とし、底辺を入射側に配置した。
なお、上部電極２６はエピタキシャル成長させる必要はなくスパッタ法、蒸着法などにより形成することができ、材料はＰｔ膜に限定されず、金属あるいは合金、あるいは導電性酸化物を用いることができる。上部電極２６に好適な金属又は合金は、酸化されにくい、例えば、白金族の元素、Ｒｕ等であり、また導電性酸化物は、例えばＩｒＯ₂、ＲｕＯ₂等である。
次に、スパッタ時のＰＺＴ膜の損傷を除去するために、アニールを行った。具体的には電気炉で５Ｌ／分の酸素ガスを流しながら、６００℃１時間加熱した。上部電極２６を形成する際に、上部電極２６を構成するスパッタ原子等によりＰＺＴ膜表面が損傷を受けているため、加熱処理により、歪みを除去し残留応力等を緩和させ、ＰＺＴ膜表面の結晶性を向上することができる。
次に、入射側及び出射側の端面を研磨して、レーザ光を入射・出射可能とした。以上により本実施例の光偏向素子２０を形成した。
なお、結晶学的関係は、エピタキシャル成長されたＰＺＴ膜（コア層２５）（００１）／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）（００１）／／Ｐｔ膜（下部電極２３）（００１）／／マグネシアスピネル膜２２（００１）／／シリコン単結晶基板２１（００１）、面内方位は、ＰＺＴ膜（コア層２５）［１００］／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）［１００］／／Ｐｔ膜（下部電極２３）［１００］／／マグネシアスピネル膜２２［１００］／／シリコン単結晶基板２１［１００］の構造が得られた。

［第２実施例］
本実施例に係る光偏向素子は、コア層上にさらに上部クラッド層を形成した以外は第１実施例と同様である。
図９は、本発明の第２実施例に係る光偏向素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図９を参照するに、本実施例に係る光偏向素子３０は、シリコン単結晶基板２１上に、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、上部クラッド層３１、上部電極２６が順次積層された構成となっている。このうち、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４のＰＬＺＴ膜、コア層２５のＰＺＴ膜及び上部クラッド層３１のＰＬＺＴ膜は、それぞれの下層に対してエピタキシャル成長されており、下層の結晶性を引き継いでいる。マグネシアスピネル膜２２からコア層２５まで、上部電極２６、及び端面の加工は第１実施例と同様に形成した。
光偏向素子３０は、第１実施例の光偏向素子２０と同様に導波路型の偏向素子を形成しており、コア層２５が、下部クラッド層２４及び上部クラッド層３１に挟まれた構造となっている。第１実施例では空気（屈折率１．０）を上部クラッド層として機能させたが、本実施例ではＰＬＺＴ膜を用いた。そしてコア層のＰＺＴ膜の屈折率を２．４５、下部及び上部クラッド層２４、３１のＰＬＺＴ膜の屈折率を２．３６に設定する、つまり、コア層の屈折率に対して、下部及び上部クラッド層の屈折率を小とする。
さらに、下部及び上部クラッド層２４，３１に吸収されることによる光損失の観点からは、コア層２５の屈折率と、下部及び上部クラッド層２４，３１の屈折率との差は、第１実施例において説明したコア層２５と下部クラッド層２４の屈折率との関係と同様である。
したがって、コア層２５に入射された光は、コア層２５と、下部及び上部クラッド層２４、３１との界面で全反射を繰り返しながらコア層中を伝搬する。また、上部電極は第１実施例と同様に形成されているので、説明を省略する。
コア層２５のＰＺＴ膜上に下部クラッド層２４のＰＬＺＴ膜と同様の材料及び工程により、上部クラッド層３１のＰＬＺＴ膜を形成した。ＰＬＺＴ膜の総厚を２．２μｍとした。以上により第２実施例の光偏向素子３０を形成した。
なお、結晶学的関係は、エピタキシャル成長されたＰＬＺＴ膜（上部クラッド層３１）（００１）／／ＰＺＴ膜（コア層２５）（００１）／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）（００１）／／Ｐｔ膜（下部電極２３）（００１）／／マグネシアスピネル膜２２（００１）／／シリコン単結晶基板２１（００１）の構造が得られた。また、面内方位は、ＰＬＺＴ膜（上部クラッド層３１）［１００］／／ＰＺＴ膜（コア層２５）［１００］／／ＰＬＺＴ膜（下部クラッド層２４）（［１００］／／Ｐｔ膜（下部電極２３）［１００］／／マグネシアスピネル膜２２［１００］／／シリコン単結晶基板２１［１００］の構造が得られた。
なお、上部クラッド層３１は、上記したコア層２５と屈折率の条件の範囲内であれば、下部クラッド層と同様の材料のみならず、他の材料、例えば、酸化シリコン膜などを用いることができる。

［第３実施例］
本実施例に係る光偏向素子は、第２実施例の導電層の下部電極２３の白金膜に替えてイリジウム膜を形成した以外は、第２実施例と同様である。以下、第２実施例と同じ製造工程の説明を省略する。なお符号は、第２実施例の光偏向素子の断面を示す図９の符号を用いる。
イリジウム膜は、マグネシアスピネル膜２２上にスパッタ法により厚さ２００ｎｍで形成した。具体的には、スパッタ装置内を１Ｐａ（７．５×１０-3Ｔｏｒｒ）の圧力にして、３０ｓｃｃｍのアルゴンガスと１ｓｃｃｍの酸素ガスを流しながら、基板を６００℃に加熱してエピタキシャル成長させた。
本実施例によれば、イリジウム膜の成長方向が（００１）、イリジウム膜の面内方位［１００］が他の層の［１００］と同じ方向となった。

［第４実施例］
本実施例は、シリコン単結晶基板とマグネシアスピネル膜との間に熱酸化膜を設け、さらに上部クラッド層に２つの上部電極及びプリズムを設けた以外は第２実施例と同様である。
図１０は、本発明の第４実施例に係る光偏向素子の平面図である。また、図１１は、第４実施例に係る光偏向素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図１０及び図１１を参照するに、本実施例に係る光偏向素子４０は、シリコン単結晶基板４１上に、熱酸化膜４２、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、上部クラッド層３１、第１及び第２上部電極２６Ａ、２６Ｂが順次積層され、上部クラッド層３１上にはさらにレーザ光をコア層に導入するためのプリズムが設けられた構成となっている。このうち、マグネシアスピネル膜２２、下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、及び上部クラッド層３１は、それぞれの下層に対して下層の結晶性を引き継いでエピタキシャル成長されている。
光偏向素子４０は、上部クラッド層３１上に設けられたプリズム４４によりレーザ光が入射され、上部クラッド層３１を介してコア層２５に伝搬される。コア層２５を伝搬する光は、第１及び第２上部電極２６Ａ、２６Ｂにより偏向され、光偏向素子４０の出射面よりコア層の面内方向に偏向された光が出射される。
ここで、第１及び第２上部電極２６Ａ、２６Ｂにより形成される２つの屈折率変化領域２５Ａ、２５Ｂにより広い偏向角が得られる。
次に、本実施例の光偏向素子４０の製造例について説明する。
先ず、（００１）面を主面とする２インチのシリコン単結晶基板を用いて、第１実施例と同様にして、マグネシアスピネル膜まで形成した。
次に、大気圧下で酸素ガスを５Ｌ／分で流しながら、１０００℃〜１１００℃で３０分〜３時間の熱処理を行う。この熱処理により、マグネシアスピネル膜の中間層２２を通って酸素が単結晶基板４１に拡散し、単結晶基板４１の表面に熱酸化膜４２が形成される。なお、酸素ガスの替わりに水蒸気を用いたウェットアニールを行ってもよい。この場合の温度条件および熱処理時間は酸素ガスを使用する場合と同様である。
熱酸化膜４２によりシリコン単結晶基板とマグネシアスピネル膜との結合が切り離されるので、マグネシアスピネル膜がシリコン単結晶基板の拘束を受けずに自己再配列することができ、熱処理により原子の移動も容易化されるので、さらにマグネシアスピネル膜の結晶性を向上することが可能となる。熱酸化膜とマグネシアスピネル膜の膜厚の総和は１５０ｎｍとした。なお、酸素ガスに替えて窒素ガスを用いた場合は、熱酸化膜は形成されず、さらにマグネシアスピネルの結晶性の向上も認められなかった。
次に、マグネシアスピネル膜上にスパッタ法により厚さ２００ｎｍの白金膜を形成した。具体的には、スパッタ装置内を１Ｐａ（７．５×１０-3Ｔｏｒｒ）の圧力にして、３０ｓｃｃｍのアルゴンガスと１ｓｃｃｍの酸素ガスを流しながら、基板を６００℃に加熱してエピタキシャル成長させた。
次に、下部クラッド層の（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、（Ｂａ_0.6Ｓｒ_0.4）ＴｉＯ₃のターゲットを用い、チャンバ内を１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを２．８ｓｃｃｍ流しながら基板を８００℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍの（Ｂａ_0.6Ｓｒ_0.4）ＴｉＯ₃膜を形成した。
次に、ターゲットを交換して、下部クラッド２４層上にコア層２５のＰＺＴ膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、ＰＺＴ１０／９０のターゲットを用い、チャンバ内を２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを６ｓｃｃｍ流しながら基板を６５０℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍのＰＺＴ膜を形成した。
次に、コア層２５上に上部クラッド層３１の（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、（Ｂａ_0.6Ｓｒ_0.4）ＴｉＯ₃のターゲットを用い、チャンバ内を１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを２．８ｓｃｃｍ流しながら基板を８００℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍの（Ｂａ_0.6Ｓｒ_0.4）ＴｉＯ₃膜を形成した。
次に、上部クラッド層３１の（Ｂａ_0.6Ｓｒ_0.4）ＴｉＯ₃膜上にスパッタ法により厚さ１５０ｎｍの白金膜の上部電極２６Ａ，２６Ｂを形成した。具体的には、（Ｂａ_0.6Ｓｒ_0.4）ＴｉＯ₃膜上に直角三角形のパターンを配置して、スパッタ装置内の圧力を１Ｐａ（７．５×１０^-3Ｔｏｒｒ）、アルゴンガス３０ｓｃｃｍを流して白金膜を形成した。上部電極２６Ａ，２６Ｂの寸法を、底辺３００μｍ、高さ１０００μｍの直角三角形とした。
次に、スパッタ時の（Ｂａ_0.6Ｓｒ_0.4）ＴｉＯ₃膜の損傷を除去するため、アニールを行った。具体的には電気炉で５Ｌ／分の酸素ガスを流しながら、６００℃１時間加熱した。
次に、出射側の端面を研磨して、レーザ光を出射可能とし、また上部クラッド層３１にプリズムを固着した。以上により本実施例の光偏向素子４０を形成した。
本実施例の光偏向素子４０によれば、シリコン単結晶基板４１とマグネシアスピネル膜２２との間に熱酸化膜４２が設けられている。熱酸化膜４２によりシリコン単結晶基板４１とマグネシアスピネル膜２２との界面における結合が切り離されるので、マグネシアスピネル膜２２がシリコン単結晶基板の結晶面に拘束されず熱処理の過程で自己再配列可能となる。したがって、マグネシアスピネル膜２２がより結晶性が高く形成されるので、マグネシアスピネル膜２２上に形成される下部電極２３、下部クラッド層２４、コア層２５、及び上部クラッド層３１の結晶性を向上することができる。

［第５実施例］
本実施例の光偏向素子は第４実施例と同様の構成とした。また、本実施例の光偏向素子はコア層の作製条件が異なる以外は、第４実施例と同様である。
本実施例において、下部クラッド２４層上にコア層２５のＰＺＴ膜をＰＬＤ法により形成した。具体的には、ＰＺＴ１０／９０のターゲットを用い、チャンバ内を２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）〜２７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）、酸素ガスを６ｓｃｃｍ流しながら基板を６００℃〜７００℃に加熱し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）のレーザ光をターゲットに１０Ｈｚの折り返し周波数２００分照射し、厚さ３．０μｍのＰＺＴ膜を形成した。
図１２は、本実施例に係るコア層２５の伝搬損失と結晶性との関係を示す図である。図１２中において、縦軸はコア層２５の伝搬損失を示し、横軸はコア層２５のＰＺＴ膜の（００２）面についてのロッキングカーブより得られたピークの半値幅を示す。なお、ＰＺＴ膜の（００２）面のロッキングカーブは、Ｘ線ディフラクトメータを用いて２θ−θ法によりＰＺＴ膜の（００２）面の回折線の角度に合わせ、入射面を変化させることにより得られる。また、伝搬損失は、フォトディテクターで検出した光をフォトパワーメータにより測定した。
図１２を参照するに、本実施例のチャンバ内圧力２０ｍＰａ、基板温度６５０℃の条件で形成したＰＺＴ膜は、半値幅が０．９度、損失が１９ｄＢであった。図１２に示すように半値幅が小さいほど、すなわちＰＺＴ膜の結晶性が良好なほど、光の伝搬損失が低減されることが分かる。
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、第１〜第３実施例と第４実施例は組み合わせることができる。また、第１〜第４実施例において、下部又は上部クラッド層にＰＬＺＴ膜、コア層にＰＺＴ膜を用いたが、上述した下部又は上部クラッド層とコア層との屈折率の大小関係が確保されていさえすれば、実施の形態において挙げた酸化物層の材料を用いることができることはいうまでもない。
また、実施例では偏向素子を例に説明したが、ブラッグ反射型スイッチ、全反射型スイッチ、方向性結合スイッチ、マッハツェンダ干渉スイッチ、位相変調素子、モード変換素子、波長フィルター素子など電気光学効果を用いるすべての光導波路素子において同様に適応可能である。
【産業上の利用可能性】
以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、光ビームが伝搬する第２の酸化物層がエピタキシャル膜より形成され、結晶性が優れて良好であるので、光伝搬損失が低く光学的特性の優れた、低製造コストの光偏向素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による光偏向素子の基本となる積層構造体の断面図である。
図２は、積層構造体の製造工程を示すフローチャートである。
図３は、積層構造体のうちシリコン単結晶基板／マグネシアスピネル／白金膜の薄膜積層体のＸ線回折パターンを示す図である。
図４Ａは、白金膜の（２０２）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図４Ｂは、マグネシアスピネル膜の（４０４）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図４Ｃは、シリコン単結晶基板の（２０２）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図５Ａは、薄膜積層体の白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。
図５Ｂは、本発明によらないＭｇＯ単結晶基板上にエピタキシャル成長された白金膜の（００２）面についてのロッキングカーブを示す図である。
図６は、積層構造体のＰＬＺＴ膜の（２２２）面についてのφスキャンによるＸ線回折パターンを示す図である。
図７は、本発明の第１実施例に係る光偏向素子の平面図である。
図８は、第１実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図９は、本発明の第２実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図１０は、本発明の第４実施例に係る光偏向素子の平面図である。
図１１は、第４実施例に係る光偏向素子の断面図である。
図１２は、本発明の第５実施例に係るコア層の伝搬損失と結晶性との関係を示す図である。

Claims (19)

1. 単結晶基板と、
   前記単結晶基板上に形成されたマグネシアスピネル膜よりなる中間層と、
   前記中間層上に形成された白金族元素を含む導電層よりなる下部電極と、
   前記下部電極上に形成された第１の酸化物層と、
   前記第１の酸化物層上に形成された第２の酸化物層と、
   前記第２の酸化物層上に形成された上部電極とを有した光偏向素子であって、
   前記中間層、下部電極、第１の酸化物層及び第２の酸化物層はエピタキシャル膜よりなり、
   前記第２の酸化物層の屈折率が、前記第１の酸化物層の屈折率より大きいことを特徴とする光偏向素子。
2. 前記単結晶基板はシリコン単結晶基板であることを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
3. 前記単結晶基板と中間層との間にさらに非晶質層が形成されることを特徴とする請求項２記載の光偏向素子。
4. 前記非晶質層はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項３記載の光偏向素子。
5. 前記単結晶基板はガリウム−砒素基板よりなることを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
6. 前記下部電極が、ＰｔまたはＩｒを主成分とすることを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
7. 前記第２の酸化物層が電気光学効果を有することを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
8. 前記第１及び第２の酸化物層のうち少なくとも１つが単純ペロブスカイト格子を含む結晶構造を有することを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
9. 前記単純ペロブスカイト格子を含む結晶構造がペロブスカイト構造、ビスマス層状構造、又はタングステンブロンズ構造のいずれかの構造であることを特徴とする請求項８記載の光偏向素子。
10. 前記第１の酸化物層が（Ｓｒ_１−ｘＢａ_ｘ）ＴｉＯ_３（０≦ｘ≦１）、または（Ｐｂ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１）の一般式で示される結晶層であることを特徴とする請求項８記載の光偏向素子。
11. 前記単結晶基板、中間層及び下部電極の積層方向の結晶方位が［００１］であることを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
12. 前記第１及び第２の酸化物層の積層方向の結晶方位が［００１］であることを特徴とする請求項１０記載の光偏向素子。
13. 前記第１及び第２の酸化物層のうち少なくとも１つが、Ｐｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、（Ｐｂ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｂ’_１／３Ｂ”_２／３）_ｘＴｉ_ｙＺｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は２価の金属、Ｂ”は５価の金属）、Ｐｂ（Ｂ’_１／２Ｂ”_１／２）_ｘＴｉ_ｙＺｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_３（０≦ｘ、ｙ≦１、Ｂ’は３価の金属及びＢ”は５価の金属、又はＢ’は２価の金属及びＢ”は６価の金属）、（Ｓｒ_１−ｘＢａ_ｘ）Ｎｂ_２Ｏ_６（０≦ｘ≦１）、（Ｓｒ_１−ｘＢａ_ｘ）Ｔａ_２Ｏ_６（０≦ｘ≦１）、ＰｂＮｂ_２Ｏ_６、またはＢａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５であることを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
14. 前記第２の酸化物層と上部電極とに間に、前記第２の酸化物層上にエピタキシャル成長により形成された第３の酸化物層を更に有し、
    前記第２の酸化物層の屈折率が、前記第１及び第３の酸化物層の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
15. 前記第３の酸化物層が単純ペロブスカイト格子を含む結晶構造を有することを特徴とする請求項１４記載の光偏向素子。
16. 前記第３の酸化物層の積層方向の結晶方位が［００１］であることを特徴とする請求項１４記載の光偏向素子。
17. 単結晶基板上にマグネシアスピネルよりなる中間層を形成する中間層形成工程と、
    前記中間層上に白金族元素よりなる導電層よりなる下部電極を形成する下部電極形成工程と、
    前記下部電極上に第１の酸化物層を形成する第１酸化物層形成工程と、
    前記第１の酸化物層上に第２の酸化物層を形成する第２酸化物層形成工程と、
    前記第２の酸化物層上に上部電極を形成する上部電極形成工程とを備えた光偏向素子の製造方法であって、
    前記中間層、下部電極、第１の酸化物層、及び第２の酸化物層はエピタキシャル成長により形成されることを特徴とする光偏向素子の製造方法。
18. 前記中間層形成工程と下部電極形成工程との間に、酸素ガスまたは水蒸気を含む雰囲気中で熱処理を行う工程を更に備えることを特徴とする請求項１７記載の光偏向素子の製造方法。
19. 前記単結晶基板と前記中間層との間に熱酸化膜が形成されることを特徴とする請求項１８記載の光偏向素子の製造方法。

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