CN101517475B - 在非线性铁电基板上制作畴反转结构的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种晶体极化装置具有一个单畴铁电基板(例如掺杂氧化镁的铌酸锂基板)、样本架、高压电源、电晕炬、气体源、腔室及至少一个真空泵。在基板的第一个面上形成具有一定结构(例如周期性光栅)的电极，在样品架的顶部设置有带有面朝下的电极的基板。电极接地以使该电极区域形成高电场，该高电场是由于基板的第二个面上的电晕炬产生的电荷形成所导致的。而基板的第二个面上的电荷分布受高压电源和气体源的控制。为了使晶体极化达到最优化，利用温度控制器来设置基板的温度，并且使用真空泵使基板第一个面上的电极绝缘。
Description
技术领域
本发明涉及在铁电基板上制作晶畴反转结构，要求其在非线性光学设备和其他光子器件下进行，该非线性光学设备以准相位匹配(QPM)技术为基准。
背景技术
铁电材料反转晶畴是开发光学非线性设备例如波长转换器的关键技术。波长转换器的一个实例公开于文献“J.A.Armstrong etal.，Physical Review，vol.127，No.6，Sep.15，1962，pp.1918-1939；C.Q.Xu，et al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.63，1993，pp.3559-3561；以及K.Gallo，et al.，Appl.Phys.Lett.，vol.71，1997，pp.1020-1022”。该文献中，波长转换装置采用了带有波导的波长转换元件，其中在波导方向上形成周期性晶畴反转光栅，用以满足准相位匹配(QPM)的条件。通过向波长转换元件输入角频率ωp的泵浦光和角频率ωs的信号光，实现波长转换，以获取角频率ωc的转换光。如果使用更高角频率的泵浦光，那么转换角频率ωc可以通过ωc＝ωp-ωs得到(即产生差频(DFG))，另外转换角频率ωc可以通过ωc＝2ωp-ωs得到(即级联二阶非线性相互作用)。波长转换器的另一个实例在文献“J.A.Armstrong et al.，PhysicalReview，vol.127，No.6，Sep.15，1962，pp.1918-1939；M.Yamada，et al.，Applied Physics Letters，vol.62，no.5，1993，pp.435-436”中公开。该文献中，波长转换装置仅仅采用了周期性晶畴反转光栅来满足准相位匹配的条件。通过向波长转换元件输入角频率ωf的泵浦光来实现波长转换，以获取角频率2ωf的转换光，即产生二次谐波(SHG)。
为了实现高效率的波长转换，必需高度均匀周期性晶畴反转结构。在文献“AKinori Harada，U.S.Patent No.5,594,746；AKinoriHarada，U.S.Patent No.5,568,308；A.Harada，et al.，Applied PhysicsLetters，vol.69，no.18，1996，pp.2629-2631”中公开了周期性晶畴反转结构的一种制作方法，如图1所示。在该文献中，将电晕线3与接地屏蔽4安置在掺杂氧化镁的铌酸锂单晶基板1的-c面上方，同时将周期性电极图案2安置在基板的+c面上。电极是接地的。只要高压电源5向电晕线输入了高电压，电晕放电就被启动，则基板-c面上产生了负电荷。由于-c面上存在电荷，造成了电压电势差，从而产生穿过基板的强电场。若产生的电场大于晶体的内部电场(即矫顽电场)，在电极之下的晶畴就可被反转，这是因为所产生电场的方向与晶体内部电场是相反的。由于矫顽电场会随着温度的上升而减小，在该文献中采用了温度控制器6来减小畴反转所需的电场。利用真空泵7来增强周期性电极图案(electrode pattern)之间的电绝缘。
由于使用电晕线(corona wire)，以上所公开的畴反转方法只能沿着电晕线的方向在一个狭小的面积内进行晶体极化。期待能在整个晶片(例如3″圆形晶片)的全部面积上实现均匀畴反转。
在文献“Fang，U.S.Patent No.5,045,364，Soane，et al.，U.S.Patent No.5,026,147”中公开了另一种用来制作周期性晶畴反转结构的方法，如图2所示。该文献中，在聚合物薄膜21一面的上方安置一个针形电极3，同时在聚合物膜另一个面的上方安置一个电极图案22。此薄膜形成于基板24上。电极需接地。只要高压电源5向针形电极输入了高电压，电晕就向聚合物顶面释放电荷。由于顶面存在电荷，造成了电压电势差，从而产生了穿过聚合物薄膜的强 电场。一旦产生了足够的电场，电极下的聚合物分子将沿着电场进行排列。除非受热，聚合物偶极取向将保持相对不变。因此极化过程包括加热样本、应用极化电场，还包括了冷却样本，该步骤使排列的聚合物偶极子固化。该文献中，聚合物极化需要温度控制器6。
以上所报道的畴反转方法只能直接在针形电极下的小区域内进行晶体极化。期待能在整个晶片(例如3″圆晶片)的全部面积上实现均匀极化。所报道方法的一个缺陷是：存在转化为火花放电或形成离子束的高风险，可能会损坏基板或者导致不均匀极化。
发明内容
本发明的目标在于提供一种改进的畴反转方法，该方法简化了构造并能进行大面积极化。
本发明提供了一种铁电畴反转方法，其中将电晕炬(cornoatouch)安置在基板的一个表面上，把电极安置在基板另一个相反面上，利用它们产生所需的电场进行铁电晶体(ferroelectric crystal)的反转极化(reverse polarization)。
本发明同时提供了极化晶体的装置，包括：电晕炬，被安置在铁电基板的其中一个面的上方；一个高压(DC，AC或RF)电源，与电晕炬连接以形成电晕放电；一个铁电晶体基板，基板的一个面上具有周期性电极图案；一个样本架，基板安放在其上，并且基板上的电极图案面向着样本架； 用于增强电极图案的电绝缘(electrical discrimination of theelectrode pattern)的装置；用于控制基板温度的装置；和一个气体源，用于提供电晕放电时所需的必要的环境。该温度控制器可以包括与所述样品架连接的加热器、位于所述基板附近的温度传感器、以及稳定所述基板温度的反馈回路。该加热器优选为一个辐射加热器。在一种具体实施方式中，气体源包括一个储气罐、气流控制器及一个气体温度控制器。
附图说明
将以举例的方式描述本发明的具体实施方式，并参照附图，其中：图1是基于电晕线放电方法的晶体极化装置的现有技术的示意图，图2是基于尖端放电方法(needle discharge method)的聚合物极化装置的现有技术的示意图，图3是用于说明根据本发明的晶体极化装置的示意图，图4是用于说明根据本发明的电晕炬的结构的第一种优选实施方式的示意图，图5是用于说明根据本发明的电晕炬布置的各种构型的第二种优选实施方式的示意图，图6是用于说明根据本发明的改进的电晕炬布置的第三种优选实施方式的示意图，图7用于说明根据本发明的电晕炬和电晕线的组合的第四种优选实施方式的示意图，图8是用于说明根据本发明的电晕线布置的第五种优选实施方式的示意图， 图9是用于说明根据本发明的改进的气体流动单元的第六种优选实施方式的示意图，图10是用于说明根据本发明的改进的电极的第七种优选实施方式的示意图。
具体实施方式
在第一种优选的实施方式中，如图3所示，优选的晶体极化装置包括电晕炬3，安置在带有电源5的铁电单晶的-c面上方。基板1接地，且基板的+c面上具有周期性电极图案2。将铁电基板设置在样本架11上，样本架与真空泵6及温度控制器8连接。真空度设置在10-6托～1大气压之间，温度在室温～200℃的范围之间。整个系统可置于腔室12中，该腔室带有一个顶盖9和一个底盖10，且将该系统与第二个真空泵7连接。第二个真空泵的真空度可以设置在10-3托～1大气压的范围之间。电晕炬3与高压电源5连接，并通过气体源4供给N2气体。电源5供给的电压值可以设置在1kV～100kV之间(例如10kV)，以达到晶体极化所需要的电场强度。N2气体流速为0～100L/min之间的值(例如5L/min)。
图4中示出了在图3中所示的晶体极化装置中使用的电晕炬。该电晕炬由具有相同内径的两个金属管形成。金属管的内径可以在1mm～10mm之间(例如1mm)。两个金属管的外径可以是1mm至1000mm之间的值(例如第一圆筒1为10mm，而第二圆筒为14为2mm)。两个金属管的长度可以是1mm至1000mm之间的值(例如第一金属管1为50mm，且第二金属管14为50mm)。该两个金属管被由电绝缘材料(例如特氟纶)制成的管15所保护，并且与电源5以及气体源4相连接。在绝缘管15的外露表面(outletsurface)上形成的第二电极16是接地的。
在本发明的第二种优选实施方式中，图5中示出了在图3中所示的晶体极化装置中使用的具有排列构型的可替换电晕炬。在图5(a)中，若多个炬(例如5个炬)均按一定的间隔(例如10mm)沿着一条线排列而成。每个炬可以与相同高压电源连接或与不同的高压电源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图5(a)所示的构型能有效进行更大矩形面积的晶体极化。在图5(b)中，多个炬(例如8个炬)按一定的角度间隔(如45°)排列成圆形。该圆的半径可以是1mm至100mm之间的值(例如10mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图5(b)所示的构型能有效进行更大圆形面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。在图5(c)中，将多个炬(例如4个炬)设置在一个圆周上且间隔一定角度(例如90°)，同时还有炬设置在该圆周的中心。该圆周的半径可以是1mm至100mm之间的值(例如10mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图5(c)所示的构型能有效进行更大圆形面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。在图5(d)中，将多个炬(例如12个炬)设置在两个圆周上，并间隔一定角度(例如第一圆周上为45°，而第二圆周上为90°)。该圆周的半径可以是1mm至100mm之间的值(例如第一圆周为10mm，而第二圆周为20mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图5(d)所示的构型能有效进行更大圆形面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。在图5(e)中，多个炬(例如4个炬)排列在正方形的每个角上。该正方形的边可以是1mm至100mm之间(例如10mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图5(e)所示的构型能有效进行更大 正方形或者圆形面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。在图5(f)中，多个炬(例如4个炬)排列在正方形的每个角上，同时在正方形的中央设置另一个炬。该正方形的边可以是1mm至100mm之间的值(例如10mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图5(f)所示的构型能有效进行更大正方形或者圆形面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。在图5(g)中，将多个炬(例如4个炬)排列在两个正方形的每个角上。正方形的边可以是1mm至100mm之间的值(例如第一正方形为10mm，而第二个为20mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图5(g)所示的构型能有效进行更大正方形或者圆形面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。
在本发明的第三种优选实施方式中，图6中示出了在图3中所示的晶体极化装置中使用的具有布置构型的可替换电晕炬。图6(a)和图6(b)分别是该构型的侧视图和俯视图。在图6中，多个炬(例如4个炬)排列在一个正方形的四个角上，同时在正方形的中央设置一个炬。该正方形的边可以是1mm至100mm之间的值(例如10mm)。正方形中心的炬与正方形角上的炬之间的高度差d可以是1mm至10mm之间的值(例如5mm)。每个炬可以与相同的高压电源连接或与不同的高电压源彼此独立地连接。与图5(f)所示的炬构型相比，采用图6所示的构型能在基板的整个-c面上实现更均匀的电荷分布，是由于下面的原因。第一，每个电晕炬所释放的晕电荷具有特定的分布。炬正下方的电荷密度会偏高。因此，正方形中央附近位置的电荷密度往往偏高。第二，电荷密度取决于炬的高度(即炬与基板-c面之间的距离)。电晕炬越高，表 面电荷密度就越低。因此，可以通过升高或者降低位于正方形炬排列中央的炬的高度来控制电晕炬的电荷分布。
本发明的第四种优选实施方式中，图7中示出了在图3中所示的晶体极化装置中使用的电晕炬。在图7中，采用了圆形的电晕线71，同时还在圆的中央设置炬73。该圆周的半径可以是1mm至100mm之间的值(例如10mm)。电晕线和炬可以与相同高压电源连接或不同的高压电源74、75彼此独立地连接。与图3所示的单个炬构型相比，图7所示的构型能有效进行更大圆形面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。
在本发明的第五种优选实施方式中，在图8中所示的排列结构中使用了如图3中所示的电晕炬。在图8中，采用了电晕炬布置82。放电装置被安置在基板81的上方。排列的间隔可以是1mm至100mm之间的值(例如10mm)。电晕炬可以与相同高压电源85连接或彼此独立地与不同的高电压源连接。电晕炬可以与相同气体源84连接或彼此独立地与不同的气体源连接。与图3所示的单个炬构型或与图1所示的单线状构型相比，图8所示的构型能有效进行更大面积的晶体极化，因为通过使用这种构型，在基板的整个-c表面上可以实现均匀的电荷分布。电晕炬的布置可以用类似图1的电晕线的布置取代。
本发明的第六种优选实施方式中，在图9中示出了在图3中所示的晶体极化装置中使用的气流源。在图9中，流入电晕炬的气体(来自气体源94)的温度由加热器98控制。与图3所示的气流装置相比，图9所示的构型能减少气体与基板之间因存在温差而引起的压力，这样可以防止极化过程中对基板造成任何损坏。
本发明的第七种优选实施方式中，图10中示出了在图3中所示的晶体极化装置中使用的样品架。在图10中，电极102形成于基板101上，在电极102的顶部上使用SiO2薄膜103以实现电极图案的电绝缘。因此，样本架无需与高真空泵连接。与图3所示的样本架相比，图10所示的构型简化了样本架，因此降低了制造成本。
上述实施方式已对掺杂氧化镁的铌酸锂的晶体极化进行了描述。当然，本发明中所叙述的方法可适用于其他铁电材料，例如LiTa03、KTP等等。
以上实施方式包括了适合多种不同电晕炬和电晕线的不同构型。当然，所述构型的不同组合也可以进行大面积的晶体极化。这些构型可以与本专利中明确叙述的那些以多种不同的方式组合。
上述实施方式已经描述了与样品架相连的加热单元。当然，其他的加热单元，诸如IR加热器也可以提供升高基板的温度的相似效果。
上述实施方式已经描述了电绝缘层(即SiO2)。当然，其他绝缘体如光刻胶也能为增强电极图案的电绝缘提供相似的效果。
上述实施方式已经描述了气流(即N2)。当然，其他惰性气体如Ax也能为产生电晕放电提供类似的效果。
上述实施方式已经描述了与腔室连接的为了排除腔室内不必要气体的第二真空泵。当然，其他清除腔室内气体的方法也能为排除腔室内不必要的气体提供类似的效果。
现在对于本领域的技术人员来说，本发明的其他实施方式是显而易见的，本发明的范围在所附的权利要求书作出了限定。
Claims (20)
1.一种晶体极化装置，包括
电晕炬，位于铁电晶体基板的一个表面的上方；
高压电源，连接所述电晕炬以产生电晕放电；
铁电晶体基板，在所述铁电晶体基板的另一个表面上具有周期性的电极图案；
样品架，其上设置有所述铁电晶体基板，且所述铁电晶体基板的所述电极图案朝向所述样品架；
增强所述电极图案的电绝缘的装置；
控制所述铁电晶体基板温度的装置；以及
气体源，提供电晕放电所需的必要环境，其中，
所述电晕炬、样品架、和铁电晶体基板包含在一个腔室中，所述电晕炬由具有相同内径的两个金属管形成，所述两个金属管被由电绝缘材料制成的管保护，并且与电源以及气体源相连接，所述电晕炬是以一定距离排列的具有一定构型的多个炬。
2.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述电极图案是：接地的；并且
形成于所述铁电晶体基板的+c表面上。
3.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述的增强所述电极图案的电绝缘的装置，包括：
真空泵；以及
连接铁电晶体基板与所述真空泵的连接器。
4.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中所述增强电极图案的电绝缘的装置包括在所述电极图案的顶部的电绝缘膜。
5.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述控制所述铁电晶体基板温度的装置，包括：
与所述样品架连接的加热器；
位于所述铁电晶体基板附近的温度传感器；以及
稳定所述铁电晶体基板温度的反馈回路。
6.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述控制所述铁电晶体基板温度的装置，包括：
设置于所述样品架旁边的辐射加热器；
位于所述铁电晶体基板附近的温度传感器；以及
稳定所述铁电晶体基板温度的反馈回路。
7.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述多个炬与一个电源相连。
8.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，每个炬分别与独立的电源相连。
9.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述多个炬沿一条直线排列。
10.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述多个炬沿着一个单独的圆周或多个圆周进行设置。
11.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述多个炬设置在矩形的角上。
12.根据权利要求11所述的晶体极化装置，其中，所述多个炬设置在正方形角上。
13.根据权利要求10所述的晶体极化装置，其中，至少一个另外的炬设置在所述圆周的中心。
14.根据权利要求11所述的晶体极化装置，其中，至少一个另外的炬设置在矩形的中心。
15.根据权利要求12所述的晶体极化装置，其中，至少一个另外的炬设置在所述正方形的中心。
16.根据权利要求13所述的晶体极化装置，其中，所述圆周的中心处设置的炬的高度被设置成与其他炬不同的高度。
17.根据权利要求14所述的晶体极化装置，其中，所述矩形的中心处设置的炬的高度被设置成与其他炬不同的高度。
18.根据权利要求15所述的晶体极化装置，其中，所述正方形的中心处设置的炬的高度被设置成与其他炬不同的高度。
19.根据权利要求1所述的晶体极化装置，其中，所述气体源包括：一个储气罐；气流控制器及一个气体温度控制器。
20.根据权利要求19所述的晶体极化装置，其中，所述储气罐包含氮气N2或惰性气体。
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