JP2001116943A - Method for manufacturing metal oxide thin film element - Google Patents
Method for manufacturing metal oxide thin film elementInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 より高い生産性を有し、良好な特性を有する
金属酸化物薄膜素子、特に強誘電体薄膜素子を製造する
方法を提供することにあり、より詳細には、良好な特性
を有する微細パターンを効率良く形成することが可能
で、広範囲の強誘電体薄膜素子を生産性良く作製するこ
とが可能な前記素子の製造法を提供すること。
【解決手段】 第一の層の上に、第二の層として化学量
論組成よりも過剰の鉛を含有するアモルファス状金属酸
化物薄膜を形成する工程、該アモルファス状金属酸化物
薄膜をエッチングする工程、およびエッチングされたア
モルファス状金属酸化物薄膜を加熱により結晶化する工
程を含むことを特徴とする、金属酸化物薄膜素子の製造
方法。
(57) [PROBLEMS] To provide a method for producing a metal oxide thin film element having higher productivity and good characteristics, particularly a ferroelectric thin film element. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a ferroelectric thin-film element capable of efficiently forming a fine pattern having good characteristics and producing a wide range of ferroelectric thin-film elements with high productivity. A step of forming an amorphous metal oxide thin film containing lead in excess of a stoichiometric composition as a second layer on a first layer, and etching the amorphous metal oxide thin film A method for manufacturing a metal oxide thin film element, comprising: a step of crystallizing the etched amorphous metal oxide thin film by heating.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、金属酸化物薄膜素
子の製造方法に関するものであり、特に、各種のスイッ
チング素子、変調素子、フィルター素子、あるいは偏向
素子などの強誘電体薄膜素子全般の製造方法に関するも
ので、良好な特性を有するチャンネル光導波路やグレー
ティングなどの微細パターンを容易に設ける方法を提供
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a metal oxide thin film element, and more particularly to a method for manufacturing various ferroelectric thin film elements such as various switching elements, modulation elements, filter elements, and deflection elements. The present invention relates to a method, and provides a method for easily providing a fine pattern such as a channel optical waveguide or a grating having good characteristics.
【0002】[0002]
【従来の技術】プレーナ導波路材料としては石英などの
ガラス、LiNbO3などの酸化物強誘電体または電気光学材
料、Y3Ga5O12などの磁気光学材料、PMMAなどのポリマ
ー、またはGaAs系の化合物半導体が用いられる。これら
のうち、例えば、良好な音響光学効果または電気光学効
果を有する材料はLiNbO3などの酸化物強誘電体材料であ
り、これらの効果を利用して実際に作製された素子はほ
とんどがLiNbO3である。強誘電体としてはLiNbO3のほか
にBaTiO3、PbTiO3、Pb1-x Lax(ZryTi1-y)1-x/4O3 (xお
よびyの値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、
KNbO3、LiTaO3、SrxBa1-xNb2O6、PbxBa1-xNb2O6、Bi4Ti
3O12、Pb2KNb5O15、K3Li2Nb5O15など多くの材料があ
り、これらのうち多くの材料はLiNbO3よりも良好な特性
を有している。特に、Pb1-x Lax(ZryTi1-y)1-x/4O3はLi
NbO3よりも非常に高い電気光学係数を有する材料として
知られ、LiNbO3単結晶の電気光学係数が30.9 pm/Vであ
るのに対し、PLZT(8/65/35: x=8%, y=65%, 1-y=35%)セ
ラミックスの電気光学係数は612 pm/Vが得られている。
LiNbO3よりも良好な特性を有している強誘電体が多いに
もかかわらず実際に作製された素子がほとんどLiNbO3や
LiTaO3を用いているのは、単結晶成長技術とそのウエハ
へのTi拡散やプロトン交換による光導波路技術の確立し
たLiNbO3やLiTaO3以外は薄膜のエピタキシャル成長を行
わなければならず、従来の気相成長では実用レベルの品
質の薄膜光導波路が作製できなかったことがある。2. Description of the Related Art Planar waveguide materials include glass such as quartz, ferroelectric or electro-optical materials such as LiNbO 3 , magneto-optical materials such as Y 3 Ga 5 O 12 , polymers such as PMMA, and GaAs-based materials. Is used. Among these, for example, a material having a good acousto-optic effect or an electro-optic effect is an oxide ferroelectric material such as LiNbO 3 , and most of the devices actually manufactured using these effects are LiNbO 3. It is. Strong addition to BaTiO 3 of LiNbO 3 as dielectric, PbTiO 3, Pb 1-x La x (Zr y Ti 1-y) 1-x / 4 O 3 (x and y PZT by the value of, PLT, PLZT) , Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ,
KNbO 3 , LiTaO 3 , Sr x Ba 1-x Nb 2 O 6 , Pb x Ba 1-x Nb 2 O 6 , Bi 4 Ti
There are many materials such as 3 O 12 , Pb 2 KNb 5 O 15 , K 3 Li 2 Nb 5 O 15, and many of these materials have better properties than LiNbO 3 . In particular, Pb 1-x La x ( Zr y Ti 1-y) 1-x / 4 O 3 is Li
Known as a material having a much higher electro-optic coefficient than NbO 3, the electro-optic coefficient of LiNbO 3 single crystal is 30.9 pm / V, whereas PLZT (8/65/35: x = 8%, y = 65%, 1-y = 35%) The electro-optic coefficient of ceramics is 612 pm / V.
LiNbO 3 despite ferroelectric often have better properties than actually fabricated elements Ya almost LiNbO 3
What using LiTaO 3, except LiNbO 3 and LiTaO 3, which has established optical waveguide technology by Ti diffusion and proton exchange to the single crystal growth technology and its wafer must perform epitaxial growth of a thin film, the conventional air In some cases, thin-film optical waveguides of practical quality could not be produced by phase growth.
【0003】これに対して本発明者らは、実用レベルの
品質の薄膜光導波路作製に関して固相エピタキシャル成
長技術により実用レベルの品質の薄膜光導波路を作製す
る方法を発明し(特開平7-78508)、上記の実用レベルの
品質の光導波路が作製できなかった問題を解決した。し
かし、エピタキシャル薄膜光導波路が作製できてもチャ
ンネル光導波路やグレーティングなどの良好な微細パタ
ーンを作製する技術がなかったことが、実際に作製され
た素子がほとんどLiNbO3やLiTaO3を用いているもうひと
つの大きな理由である。すなわち、LiNbO3などにおいて
はTi拡散やプロトン交換技術を応用した三次元(チャン
ネル)光導波路やグレーティングの作製法が西原、春
名、栖原、光集積回路、オーム社 (1993) pp. 195〜23
0.にも示されているが、それら以外の材料、特にPb1-x
Lax(ZryTi1-y)1-x/4O3においては他元素を拡散したりイ
オン交換をする方法は知られていない。On the other hand, the present inventors have invented a method for producing a thin film optical waveguide of a practical level by a solid phase epitaxial growth technique for producing a thin film optical waveguide of a practical level (Japanese Patent Laid-Open No. 7-78508). This solves the problem that an optical waveguide of a practical level of quality could not be manufactured. However, even though epitaxial thin-film optical waveguides could be manufactured, there was no technology for manufacturing good fine patterns such as channel optical waveguides and gratings, and almost all devices actually manufactured use LiNbO 3 or LiTaO 3. That is one big reason. That is, for LiNbO 3 and the like, a method for producing a three-dimensional (channel) optical waveguide or grating using Ti diffusion or proton exchange technology is described in Nishihara, Haruna, Suhara, Optical Integrated Circuits, Ohmsha (1993) pp. 195-23.
As shown in Fig. 0, other materials, especially Pb 1-x
La x (Zr y Ti 1- y) in 1-x / 4 O 3 not known how to ion exchange or diffusion of other elements.
【0004】また、LiNbO3やLiTaO3において単結晶ウエ
ハにTi拡散やプロトン交換によって光導波路を作製する
ために、チャンネル光導波路の実効屈折率をそのまわり
の実効屈折率より十分に高くできず、屈折率差を大きく
できないため、S字型チャンネル光導波路の曲率を大き
くする必要も生じ、マトリックス光スイッチのサイズが
大きくなることも課題である。一方、石英光導波路など
では、反応性イオン・エッチングによりチャンネル光導
波路などを作製する方法が河内、NTT R&D、43 (1994) 1
273.などに示されているが、単結晶状のエピタキシャル
強誘電体薄膜光導波路に散乱損失の原因となる表面荒れ
を与えず、かつ、薄膜光導波路と同種の酸化物である基
板などにダメージを与えずに選択的にエッチングするこ
とは困難である。このため、損失の少ないチャンネル光
導波路がエピタキシャル強誘電体薄膜光導波路に作製さ
れた報告例は見られなかった。Also, in order to produce an optical waveguide in LiNbO 3 or LiTaO 3 by diffusing Ti or proton in a single crystal wafer, the effective refractive index of the channel optical waveguide cannot be made sufficiently higher than the effective refractive index around it. Since the refractive index difference cannot be increased, it is necessary to increase the curvature of the S-shaped channel optical waveguide, and the size of the matrix optical switch is also an issue. On the other hand, for quartz optical waveguides, etc., a method of producing a channel optical waveguide etc. by reactive ion etching has been proposed by Kawachi, NTT R & D, 43 (1994) 1
As shown in 273., etc., the single-crystal epitaxial ferroelectric thin-film optical waveguide does not have surface roughness that causes scattering loss, and damages substrates such as oxides of the same type as the thin-film optical waveguide. It is difficult to selectively etch without imparting the surface. For this reason, there has been no report that a channel optical waveguide having a small loss is produced in an epitaxial ferroelectric thin film optical waveguide.
【0005】これに対し、本発明者らは先に特願平11
−42285号として、単結晶基板、スラブ型酸化物光
導波路等の表面に、アモルファス状薄膜を形成した後、
このアモルファス状薄膜をエッチングによって凸型形状
にパターニングし、次いで、パターニングされたアモル
ファス状薄膜を加熱して固相エピタキシャル成長させる
ことにより、パターニングされたエピタキシャル状酸化
物薄膜光導波路を形成することからなる光導波路素子の
製造方法を出願した。この方法によると、パターニング
速度が大きくまたエッチングの制御性も良好であるた
め、微細パターンを有する光導波路素子を効率よくかつ
精度よく加工することができ、また散乱による光損失が
小さい極めて平滑なエッジ、側壁、表面を有するパター
ンを形成することができる。しかし、この方法でもエッ
チング速度においてはなお改善の余地を残すものであっ
た。On the other hand, the present inventors have previously described Japanese Patent Application No.
As No. 42285, after forming an amorphous thin film on the surface of a single crystal substrate, a slab type oxide optical waveguide, or the like,
This amorphous thin film is patterned into a convex shape by etching, and then the patterned amorphous thin film is heated to cause solid phase epitaxial growth, thereby forming a patterned epitaxial oxide thin film optical waveguide. Applied for a method of manufacturing a waveguide element. According to this method, the patterning speed is high and the controllability of etching is good, so that an optical waveguide device having a fine pattern can be efficiently and accurately processed, and an extremely smooth edge with small light loss due to scattering. , A pattern having side walls and a surface can be formed. However, this method still leaves room for improvement in the etching rate.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、より高い生産
性を有し、良好な特性を有する金属酸化物薄膜素子、特
に強誘電体薄膜素子を製造する方法を提供することにあ
り、より詳細には、良好な特性を有する微細パターンを
効率良く形成することが可能で、広範囲の強誘電体薄膜
素子を生産性良く作製することが可能な前記素子の製造
法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a metal oxide thin film element having higher productivity and good characteristics, particularly a ferroelectric element. Provided is a method of manufacturing a body thin film element, more specifically, it is possible to efficiently form a fine pattern having good characteristics and to manufacture a wide range of ferroelectric thin film elements with high productivity. It is to provide a method for manufacturing the device, which is capable of:
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的は、以下の金属
酸化物薄膜素子の製造方法を提供することにより解決さ
れる。 (1) 第一の層の上に、第二の層として化学量論組成
よりも過剰の鉛を含有するアモルファス状金属酸化物薄
膜を形成する工程、該アモルファス状金属酸化物薄膜を
エッチングする工程、およびエッチングされたアモルフ
ァス状金属酸化物薄膜を加熱により結晶化する工程を含
むことを特徴とする、金属酸化物薄膜素子の製造方法。
本発明は、化学量論組成よりも過剰の鉛を含有するアモ
ルファス状金属酸化物薄膜からなる第二の層をエッチン
グ工程に供するため、エッチング速度が大きく、また、
第一の層に対する第二の層のエッチング速度比(エッチ
ング選択比)が大きく、第一の層を粗すことなく、第二
の層に必要なエッチングを充分施すことができる。その
ため、チャンネル光導波路、グレーティングなどの微細
パターンを良好なエッチング制御性を保ちつつ、かつ効
率よく形成することが可能である。したがって、上記製
造方法によって、高機能の各種のスイッチング素子、変
調素子、フィルター素子、あるいは偏向素子などの広範
囲の強誘電体薄膜素子を生産性よく提供することができ
る。また、上記エッチング方法により、多結晶薄膜にも
良好な微細パターンを容易に設けることができるので、
上記製造方法は不揮発性メモリーやDRAMなどの電子デバ
イス全般への適用が可能である。The above object can be attained by providing the following method for manufacturing a metal oxide thin film element. (1) A step of forming an amorphous metal oxide thin film containing lead in excess of a stoichiometric composition as a second layer on the first layer, and a step of etching the amorphous metal oxide thin film And a step of crystallizing the etched amorphous metal oxide thin film by heating.
The present invention provides a second layer of an amorphous metal oxide thin film containing lead in excess of the stoichiometric composition to the etching step, so that the etching rate is high,
The etching rate ratio (etching selectivity) of the second layer to the first layer is large, and the second layer can be sufficiently etched without roughening the first layer. Therefore, it is possible to efficiently form a fine pattern such as a channel optical waveguide and a grating while maintaining good etching controllability. Therefore, a wide range of ferroelectric thin film devices such as various high-performance switching devices, modulation devices, filter devices, and deflection devices can be provided with high productivity by the above manufacturing method. In addition, by the above-described etching method, a good fine pattern can be easily provided on a polycrystalline thin film.
The above manufacturing method can be applied to all electronic devices such as nonvolatile memories and DRAMs.
【0008】(2)前記アモルファス状金属酸化物薄膜
がアモルファス状PLZT系薄膜であることを特徴とす
る前記(1)に記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。 (3)前記素子が強誘電体薄膜素子であることを特徴と
する前記(1)または(2)に記載の金属酸化物薄膜素
子の製造方法。 (4)前記アモルファス状金属酸化物薄膜の形成が、金
属有機化合物溶液の第一の層への塗布と、それに続く加
熱によるアモルファス化によってなされることを特徴と
する前記(1)ないし(3)のいずれか1に記載の金属
酸化物薄膜素子の製造方法。 (5)前記エッチングがウェットエッチングであること
を特徴とする前記(1)ないし(4)のいずれか1に記
載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。 (6)ウェットエッチングがHCl水溶液の使用を含む
ことを特徴とする前記(1)ないし(5)のいずれか1
に記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。(2) The method for manufacturing a metal oxide thin film element according to (1), wherein the amorphous metal oxide thin film is an amorphous PLZT-based thin film. (3) The method for producing a metal oxide thin film device according to (1) or (2), wherein the device is a ferroelectric thin film device. (4) The above-mentioned (1) to (3), wherein the formation of the amorphous metal oxide thin film is performed by applying a metal organic compound solution to the first layer, and then performing amorphization by heating. The method for producing a metal oxide thin film element according to any one of the above. (5) The method for manufacturing a metal oxide thin film element according to any one of (1) to (4), wherein the etching is wet etching. (6) The method according to any one of (1) to (5), wherein the wet etching includes use of an aqueous HCl solution.
3. The method for producing a metal oxide thin film element according to item 1.
【0009】(7)前記アモルファス状金属酸化物薄膜
が、化学量論組成に相当する鉛の量の1モル%ないし3
0モル%の鉛を過剰に含有することを特徴とする前記
(1)ないし(6)のいずれか1に記載の金属酸化物薄
膜素子の製造方法。 (8) 前記第一の層が、少なくともSrTiO3を含むこと
を特徴とする前記(1)ないし(7)のいずれか1に記
載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。 (9)前記アモルファス状金属酸化物薄膜がPb1xLa
x(ZryTi1y)1x/4O 3の薄膜であることを特徴とす
る前記(1)ないし(8)のいずれか1に記載の金属酸
化物薄膜素子の製造方法。 (10)前記結晶化工程において、アモルファス状のP
b1xLax(ZryTi1y)1x/4O3が固相エピタキシャ
ル成長されることを特徴とする前記(1)ないし(9)
のいずれか1に記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。(7) The amorphous metal oxide thin film
Is from 1 mol% to 3 mol% of the amount of lead corresponding to the stoichiometric composition.
The above-mentioned, which contains an excess of 0 mol% of lead.
The metal oxide thin film according to any one of (1) to (6)
Manufacturing method of membrane element. (8) The first layer is made of at least SrTiO.ThreeIncluding
The method according to any one of the above (1) to (7),
The method for manufacturing a metal oxide thin film element described above. (9) The amorphous metal oxide thin film is composed of Pb1xLa
x(ZryTi1y)1x / 4O ThreeCharacterized by a thin film of
Metal acid according to any one of the above (1) to (8)
A method for producing a compound thin film element. (10) In the crystallization step, amorphous P
b1xLax(ZryTi1y)1x / 4OThreeIs a solid phase epitaxy
(1) to (9), characterized in that they are grown
The method for producing a metal oxide thin film element according to any one of the above.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】本発明者らはチャンネル光導波路
やグレーティングを有する光導波路などの微細パターン
の製造方法において、アモルファス状薄膜をエッチング
して微細パターンを形成した後、このアモルファス状薄
膜を結晶化あるいはエピタキシャル成長させることによ
り、微細パターンが形成された結晶状あるいはエピタキ
シャル状の薄膜を得る方法において、化学量論組成より
も過剰の鉛を含有するアモルファス状金属酸化物薄膜を
エッチングすると、エッチング速度が大きくかつアモル
ファス状薄膜の下の層とのエッチング選択比が大きくな
り、エッジ、側壁および表面が平滑で散乱損失の少ない
チャンネル光導波路やグレーティングなどを有する光導
波路素子をより生産性よく製造することができることを
見出し本発明を完成した。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In a method for producing a fine pattern such as a channel optical waveguide or an optical waveguide having a grating, the present inventors form a fine pattern by etching an amorphous thin film and then crystallize the amorphous thin film. In the method of obtaining a crystalline or epitaxial thin film on which a fine pattern is formed by crystallization or epitaxial growth, when an amorphous metal oxide thin film containing lead in excess of the stoichiometric composition is etched, the etching rate increases. The etching selectivity with the layer under the amorphous thin film is large and the edge, the side wall and the surface are smooth, and the optical waveguide device having the channel optical waveguide or the grating with small scattering loss can be manufactured with higher productivity. Find out what can be done and complete the present invention. It was.
【0011】すなわち、本発明は、金属酸化物薄膜素
子、特に強誘電体薄膜素子の製造方法において、第一の
層の上に、第二の層として化学量論組成よりも過剰の鉛
を含有するアモルファス状金属酸化物薄膜を形成する工
程、該アモルファス状金属酸化物薄膜をエッチングする
工程、およびエッチングされたアモルファス状金属酸化
物薄膜を加熱により結晶化する工程を行うことを特徴と
している。本発明の製造方法においては、第一の層の上
に設けたアモルファス状の金属酸化物薄膜をエッチング
すると、エッチングの深さ方向における進行は、第一の
層と第二の層であるアモルファス状薄膜の界面でストッ
プし、加えて、アモルファス状薄膜の鉛含有量を過剰に
含有させたことに基づき、エッチング速度がさらに大き
くなり、かつ下地となる第一の層に対するアモルファス
状薄膜のエッチング速度比(エッチング選択比)が大き
くなるため、第一の層を粗すことなく、第二の層に必要
なエッチングを充分施すことができる。エッチング方法
としてウェットエッチングを採用すると上記の効果は顕
著に現れる。That is, the present invention relates to a method of manufacturing a metal oxide thin film element, particularly a ferroelectric thin film element, wherein the second layer contains an excess of lead over the stoichiometric composition on the first layer. Forming an amorphous metal oxide thin film to be etched, etching the amorphous metal oxide thin film, and crystallizing the etched amorphous metal oxide thin film by heating. In the manufacturing method of the present invention, when the amorphous metal oxide thin film provided on the first layer is etched, the progress of the etching in the depth direction is the first layer and the second layer of the amorphous metal oxide thin film. Stopping at the interface of the thin film, and in addition to the excessive lead content of the amorphous thin film, the etching rate is further increased, and the etching rate ratio of the amorphous thin film to the underlying first layer Since the (etching selectivity) is large, the second layer can be sufficiently etched without roughening the first layer. When wet etching is adopted as the etching method, the above-mentioned effects are remarkably exhibited.
【0012】本発明の方法において前記の第一の層と
は、エッチングをほとんど受けない層もしくはエッチン
グ速度が極めて遅い層であり、目的とする素子の層構造
に基づき、たとえばSrTiO3等の単結晶基板、単結晶状あ
るいはエピタキシャル状のスラブ型酸化物光導波路、単
結晶状あるいはエピタキシャル状のバッファ層等を意味
する。前記アモルファス状の金属酸化物薄膜はたとえ
ば、上記単結晶基板の上に、あるいは単結晶基板の上に
設けたエピタキシャル状のスラブ型酸化物光導波路の表
面に、あるいは単結晶基板の上に設けたエピタキシャル
状の酸化物バッファ層の上に形成される。In the method of the present invention, the above-mentioned first layer is a layer which is hardly subjected to etching or a layer whose etching rate is extremely low, and is, for example, a single crystal such as SrTiO 3 based on a layer structure of a target element. It means a substrate, a single-crystal or epitaxial slab type oxide optical waveguide, a single-crystal or epitaxial buffer layer, or the like. The amorphous metal oxide thin film is provided, for example, on the single crystal substrate, or on the surface of an epitaxial slab-type oxide optical waveguide provided on the single crystal substrate, or provided on the single crystal substrate. It is formed on an epitaxial oxide buffer layer.
【0013】本発明における金属酸化物、たとえば単結
晶状あるいはエピタキシャル状のスラブ型酸化物光導波
路、パターニングされた酸化物薄膜光導波路、バッファ
層、クラッド層などに用いる金属酸化物としては、ABO3
型のペロブスカイト型強誘電体または電気光学材料では
正方晶、三方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えば
BaTiO3、PbTiO3、Pb1-x Lax(ZryTi1-y)1-x/4O3 (0<x<0.
3、0<y<1.0、xおよびyの値によりPZT、PLT、PLZT)、Pb
(Mg1/3Nb2/3)O3、KNbO3など、六方晶または三方晶系と
して例えばLiNbO3、LiTaO3などに代表される強誘電体お
よびそれにTi拡散またはプロトン交換を行った強誘電
体、タングステンブロンズ型ではSrxBa1-xNb 2O6、PbxBa
1-xNb2O6などのほか、Bi4Ti3O12、Pb2KNb5O15、K3Li2Nb
5O15、さらにこれらの置換誘導体などが挙げられる。磁
気光学材料としてはY3Al5O12、Y3Fe5O 12、Y3Ga5O12など
や、これらにEr、Nd、Prなどをドープした光増幅材料が
挙げられるがこれらに限られるわけではない。The metal oxide of the present invention, for example, a single bond
Crystalline or epitaxial slab type oxide optical waveguide
, Patterned oxide thin film optical waveguide, buffer
ABO is used as the metal oxide for the layers and cladding layers.Three
Type perovskite ferroelectric or electro-optic material
Eg as tetragonal, trigonal, orthorhombic or pseudo-cubic
BaTiOThree, PbTiOThree, Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x / 4OThree (0 <x <0.
3, 0 <y <1.0, PZT, PLT, PLZT depending on the values of x and y), Pb
(Mg1/3Nb2/3) OThree, KNbOThreeSuch as hexagonal or trigonal
For example, LiNbOThree, LiTaOThreeEtc.
And its ferroelectric with Ti diffusion or proton exchange
Body, Sr for tungsten bronze typexBa1-xNb TwoO6, PbxBa
1-xNbTwoO6Besides, BiFourTiThreeO12, PbTwoKNbFiveOFifteen, KThreeLiTwoNb
FiveOFifteenAnd their substituted derivatives. Magnetic
Y as an optical materialThreeAlFiveO12, YThreeFeFiveO 12, YThreeGaFiveO12Such
And optical amplification materials doped with Er, Nd, Pr, etc.
These include, but are not limited to.
【0014】本発明における、化学量論組成よりも過剰
の鉛を含有するアモルファス状金属酸化物薄膜の形成法
は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレー
ティング、Rf-マグネトロン・スパッタリング、イオン
・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーショ
ン、MBE、CVD、プラズマCVD、MOCVDなどより選ばれる気
相成長法、またはゾルゲル法、MOD法などのウェットプ
ロセスによる通常の化学量論組成に基づく鉛含有量を有
するアモルファス薄膜を製造する方法と同様の方法によ
って作製することができる。たとえばゾルゲル法により
化学量論組成よりも過剰の鉛を含有するアモルファス薄
膜を作製する場合には、アモルファス薄膜を作製するた
めの前駆体溶液を調製する際に、原料有機金属化合物の
混合割合が鉛有機化合物が化学量論組成より過剰になる
ように添加される。また、スパッタリング等のドライプ
ロセスの場合には、化学量論組成より鉛を過剰にしたタ
ーゲットを用いる等によって化学量論組成よりも過剰の
鉛を含有するアモルファス薄膜が形成される。鉛は、好
ましくは化学量論組成の1%〜30%、さらに好ましくは1%
〜20%過剰とすることが適切である。化学量論組成の1%
を下回る量の過剰量では、エッチング速度が充分改善さ
れず、また、化学量論の30%を超える量の過剰量では、
アモルファス状薄膜の表面に酸化鉛の析出が生じること
があるので、前記範囲とすることが好ましい。本発明に
おいてはアモルファス状の金属酸化物薄膜としては、ア
モルファス状PLZT系薄膜を用いることが好ましい。PLZT
系薄膜としては、PZT、PLT、PLZT等の薄膜が挙げられ
る。In the present invention, the method of forming an amorphous metal oxide thin film containing lead in excess of the stoichiometric composition includes electron beam evaporation, flash evaporation, ion plating, Rf-magnetron sputtering, ion Amorphous with lead content based on normal stoichiometry by vapor deposition method selected from beam sputtering, laser ablation, MBE, CVD, plasma CVD, MOCVD, etc., or wet process such as sol-gel method, MOD method It can be manufactured by a method similar to the method of manufacturing a thin film. For example, when producing an amorphous thin film containing an excess of lead over the stoichiometric composition by a sol-gel method, when preparing a precursor solution for producing an amorphous thin film, the mixing ratio of the raw material organometallic compound is lead. Organic compounds are added in excess of the stoichiometric composition. In the case of a dry process such as sputtering, an amorphous thin film containing lead in excess of the stoichiometric composition is formed, for example, by using a target in which lead exceeds the stoichiometric composition. Lead is preferably 1% to 30% of the stoichiometric composition, more preferably 1%
Suitably a 〜20% excess. 1% of stoichiometric composition
If the amount is less than the above, the etching rate is not sufficiently improved, and if the amount exceeds 30% of the stoichiometry,
Since precipitation of lead oxide may occur on the surface of the amorphous thin film, the above range is preferable. In the present invention, it is preferable to use an amorphous PLZT-based thin film as the amorphous metal oxide thin film. PLZT
Examples of the system thin film include thin films such as PZT, PLT, and PLZT.
【0015】本発明の金属酸化物薄膜素子の製造方法
は、アモルファス化工程と結晶化工程を含んでいるた
め、本発明の前記製造方法には、前記のゾルゲル法やM
OD法など、アモルファス化工程と結晶化工程の組み合
わせによりエピタキシャル成長をさせるウェットプロセ
スを採用することが好ましい。これらのウェットプロセ
スは、金属アルコキシドや有機金属塩などの金属有機化
合物の溶液(前駆体溶液)を基板に塗布し加熱するアモ
ルファス化工程と、さらに高温に加熱する結晶化工程か
らなる固相エピタキシャル成長法であり、各種気相成長
法と比較して設備コストが低く、基板面内での均一性が
良いだけでなく、前記バッファ層、スラブ型酸化物光導
波路、酸化物薄膜光導波路、およびクラッド層等の構造
制御にとって重要な屈折率の制御を、前記各層に必要な
屈折率に応じて、金属有機化合物前駆体の組成を調節す
るだけで、容易にかつ再現性良く実現することができ
る。また、この固相エピタキシャル成長法により、光伝
搬損失が低い、バッファ層、光導波路、およびクラッド
層を作製することが可能である。さらに、前記ウェット
プロセスによる固相エピタキシャル成長では、段差のあ
る表面を平坦化する効果があるので、この方法を使用し
た製造方法によって作製される光導波路素子は極めて平
坦な表面を有している。Since the method for manufacturing a metal oxide thin film element of the present invention includes an amorphizing step and a crystallization step, the manufacturing method of the present invention includes the sol-gel method and the M
It is preferable to employ a wet process for performing epitaxial growth by a combination of an amorphous process and a crystallization process, such as an OD method. These wet processes consist of a solid phase epitaxial growth method consisting of an amorphization step in which a solution (precursor solution) of a metal organic compound such as a metal alkoxide or an organic metal salt is applied to a substrate and heated, and a crystallization step in which the solution is heated to a higher temperature. In addition to the low equipment cost and good uniformity in the substrate surface as compared with various vapor phase growth methods, the buffer layer, the slab type oxide optical waveguide, the oxide thin film optical waveguide, and the cladding layer The control of the refractive index, which is important for controlling the structure, can be easily and reproducibly realized only by adjusting the composition of the metal organic compound precursor in accordance with the refractive index required for each layer. In addition, a buffer layer, an optical waveguide, and a clad layer having low light propagation loss can be manufactured by the solid phase epitaxial growth method. Further, since the solid phase epitaxial growth by the wet process has an effect of flattening a surface having a step, an optical waveguide element manufactured by a manufacturing method using this method has an extremely flat surface.
【0016】上記のウェットプロセスに使用する前駆体
としての有機金属化合物は、各種の金属と、有機化合
物、望ましくは常圧での沸点が80℃以上である有機化合
物との反応生成物である金属アルコキシドまたは金属塩
より選ばれるがこれに限られるわけではない。金属アル
コキシド化合物の有機配位子としては、R1O-またはR2OR
3O- より選ばれる(式中、R1およびR2は脂肪族炭化水素
基を表し、R3はエーテル結合を有してもよい2価の脂肪
族炭化水素基を表す)。これらの原料は所定の組成にて
望ましくは常圧での沸点が80℃以上であるアルコール
類、ジケトン類、ケトン酸類、アルキルエステル類、オ
キシ酸類、オキシケトン類、及び酢酸などより選ばれた
溶媒と反応され、または溶媒中に溶解されたのち、基板
への塗布をされる。これら有機金属化合物は加水分解を
した後に塗布をすることも可能であるが、エピタキシャ
ル強誘電体薄膜を得るためには加水分解をしないことが
望ましい。さらに、これらの反応工程は、乾燥した窒素
やアルゴン雰囲気中にて行うことが得られる薄膜の品質
の点より望ましい。Precursor used in the above wet process
Organometallic compounds, as well as various metals, and organic compounds
, Preferably an organic compound having a boiling point of 80 ° C or higher at normal pressure.
Metal alkoxide or metal salt which is a reaction product with a product
More choice but not limited to this. Metal Al
As the organic ligand of the cooxide compound, R1O- or RTwoOR
ThreeSelected from O-1And RTwoIs an aliphatic hydrocarbon
Represents a group, RThreeIs a divalent fat that may have an ether bond
Represents a group hydrocarbon group). These raw materials are in the specified composition
Desirably alcohol having a boiling point of 80 ° C or higher at normal pressure
, Diketones, ketone acids, alkyl esters,
Selected from xy acids, oxy ketones, and acetic acid
After being reacted with or dissolved in a solvent, the substrate
Is applied. These organometallic compounds undergo hydrolysis.
It is possible to apply after the
To obtain a ferroelectric thin film, it is necessary to avoid hydrolysis.
desirable. In addition, these reaction steps involve dry nitrogen
Quality of thin films obtained in a gas or argon atmosphere
Is more desirable.
【0017】前駆体としての金属アルコキシド化合物
は、金属のカルボン酸塩やアルコキシド等の有機金属化
合物と、R1OHまたはR2OR3OHで表される有機溶媒中で蒸
留や還流によって合成することができ、R1およびR2の脂
肪族炭化水素基としては、炭素数1〜4のアルキル基が好
ましく、R3は、炭素数2〜4のアルキレン基、炭素数2〜4
のアルキレン基がエーテル結合によって結合している全
炭素数4〜8の2価の基が好ましい。沸点が80℃以上であ
る溶媒としては具体的には、金属アルコキシドのアルコ
ール交換反応が容易な例えば(CH3)2CHOH (沸点82.3
℃)、CH3(C2H5)CHOH (沸点99.5℃)、(CH3)2CHCH2OH (沸
点108℃)、C4H9OH (沸点117.7℃)、(CH3)2CHC2H4OH (沸
点130.5℃)、CH3OCH2CH2OH (沸点124.5℃)、C2H5OCH2CH
2OH (沸点135℃)、C4H9OCH2CH2OH (沸点171℃)などのア
ルコール類が最も望ましいが、これらに限定されるもの
ではなくC2H5OH (沸点78.3℃)なども使用可能である。The metal alkoxide compound as a precursor is synthesized with an organic metal compound such as a metal carboxylate or alkoxide by distillation or reflux in an organic solvent represented by R 1 OH or R 2 OR 3 OH. As the aliphatic hydrocarbon group of R 1 and R 2 is preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 3 is an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, 2 to 4 carbon atoms.
Is preferably a divalent group having 4 to 8 carbon atoms in which the alkylene group is bonded by an ether bond. As the solvent having a boiling point of 80 ° C. or higher, specifically, an alcohol exchange reaction of a metal alkoxide is easy, for example, (CH 3 ) 2 CHOH (boiling point 82.3
° C), CH 3 (C 2 H 5 ) CHOH (boiling point 99.5 ° C), (CH 3 ) 2 CHCH 2 OH (boiling point 108 ° C), C 4 H 9 OH (boiling point 117.7 ° C), (CH 3 ) 2 CHC 2 H 4 OH (boiling point 130.5 ° C), CH 3 OCH 2 CH 2 OH (boiling point 124.5 ° C), C 2 H 5 OCH 2 CH
Alcohols such as 2 OH (boiling point 135 ° C) and C 4 H 9 OCH 2 CH 2 OH (boiling point 171 ° C) are most desirable, but not limited to these, such as C 2 H 5 OH (boiling point 78.3 ° C) Can also be used.
【0018】この溶液を単結晶基板等の第一の層の上に
スピンコート法、ディッピング法、スプレー法、スクリ
ーン印刷法、インクジェット法より選ばれた方法にて塗
布する。これらの塗布の工程は、乾燥した窒素やアルゴ
ン雰囲気中にて行うことが、得られる薄膜の品質の点よ
り望ましい。この後、必要に応じて、前処理として酸素
を含む雰囲気中、望ましくは酸素中にて、0.1〜1000℃/
秒の昇温速度、望ましくは1〜100℃/秒の昇温速度で基
板を加熱し、100℃〜500℃、望ましくは200℃〜400℃の
結晶化の起こらない温度範囲で塗布層を熱分解すること
によりアモルファス状の薄膜を形成する。アモルファス
状の薄膜は後述の方法によりエッチングされパターンが
形成される。This solution is applied on a first layer such as a single crystal substrate by a method selected from a spin coating method, a dipping method, a spray method, a screen printing method and an ink jet method. These coating steps are preferably performed in a dry nitrogen or argon atmosphere from the viewpoint of the quality of the obtained thin film. Thereafter, if necessary, in an atmosphere containing oxygen as a pretreatment, preferably in oxygen, 0.1 to 1000 ° C /
The substrate is heated at a heating rate of 2 seconds, preferably 1 to 100 ° C./second, and the coating layer is heated at a temperature range of 100 ° C. to 500 ° C., preferably 200 ° C. to 400 ° C. where crystallization does not occur. By decomposing, an amorphous thin film is formed. The amorphous thin film is etched by a method described later to form a pattern.
【0019】本発明において製造される金属酸化物薄膜
素子は、その構造中エピタキシャル状酸化物バッファ
層、エピタキシャル状スラブ型酸化物光導波路、エピタ
キシャル状酸化物薄膜光導波路、エピタキシャル状酸化
物クラッド層等を含むことができるが、これらのエピタ
キシャル状酸化物は、前記のようにして形成されるアモ
ルファス状の薄膜を、さらに、酸素を含む雰囲気中、望
ましくは酸素中にて、1〜500℃/秒の昇温速度、望まし
くは10〜100℃/秒の昇温速度で高速加熱し、500℃〜120
0℃、望ましくは600℃〜900℃の温度範囲で固相エピタ
キシャル成長させることにより形成することができる。
このエピタキシャル結晶化においては、上記の温度にて
1秒間から24時間、望ましくは10秒間から12時間の加熱
を行う。これらの酸素雰囲気としては少なくとも一定時
間乾燥した酸素雰囲気を用いることが、得られるエピタ
キシャル状薄膜の品質の点より望ましいが、必要に応じ
て加湿することも可能である。これらのエピタキシャル
結晶化工程において、一層の膜厚が10 nmから1000 nm、
望ましくは膜厚10 nmから200 nmの強誘電体薄膜層を単
結晶基板上に固相エピタキシャル成長することを一回以
上行うことにより所望の膜厚の層を形成する。それぞれ
のエピタキシャル成長の後には0.01〜100℃/秒の冷却速
度で冷却を行なう。The metal oxide thin film element manufactured in the present invention has an epitaxial oxide buffer layer, an epitaxial slab type oxide optical waveguide, an epitaxial oxide thin film optical waveguide, an epitaxial oxide clad layer, etc. in its structure. However, these epitaxial oxides, the amorphous thin film formed as described above, further in an atmosphere containing oxygen, preferably in oxygen, 1 ~ 500 ° C. / second High-speed heating, desirably at a rate of 10 to 100 ° C./sec.
It can be formed by solid phase epitaxial growth at a temperature of 0 ° C., preferably 600 ° C. to 900 ° C.
In this epitaxial crystallization, at the above temperature
Heating is performed for 1 second to 24 hours, desirably 10 seconds to 12 hours. As the oxygen atmosphere, it is desirable to use an oxygen atmosphere dried for at least a certain time from the viewpoint of the quality of the obtained epitaxial thin film, but it is also possible to humidify as necessary. In these epitaxial crystallization processes, the thickness of one layer is from 10 nm to 1000 nm,
Desirably, a layer having a desired thickness is formed by performing solid phase epitaxial growth of a ferroelectric thin film layer having a thickness of 10 nm to 200 nm on a single crystal substrate at least once. After each epitaxial growth, cooling is performed at a cooling rate of 0.01 to 100 ° C./sec.
【0020】また、前記スラブ型酸化物光導波路は前記
の方法による他、単結晶基板表面への不純物拡散あるい
はイオン交換によっても形成することが可能である。さ
らに、以上の説明においては、単結晶あるいはエピタキ
シャル状の層を有する素子について説明してきたが、本
発明の製造方法は、アモルファス状薄膜のエッチングに
続く結晶化によってパターニングされた多結晶薄膜を形
成する方法としても有効である。したがって、本発明の
方法は、不揮発性メモリーやDRAMなどの電子デバイス全
般に対して利用することができる。Further, the slab-type oxide optical waveguide can be formed not only by the above method but also by impurity diffusion or ion exchange on the surface of the single crystal substrate. Furthermore, in the above description, an element having a single crystal or epitaxial layer has been described. However, the manufacturing method of the present invention forms a patterned polycrystalline thin film by crystallization following etching of an amorphous thin film. It is also effective as a method. Therefore, the method of the present invention can be applied to all electronic devices such as nonvolatile memories and DRAMs.
【0021】次に、本発明のパターン形成におけるエッ
チングについて説明する。本発明においては、パターニ
ングされたアモルファス薄膜を固相エピタキシャル成長
させるために、極めて平滑なエッジ、側壁、表面が得ら
れ、その結果散乱による光損失が小さが、これに対し、
多結晶薄膜を類似の方法でパターニングした場合では、
ランダムな結晶粒による凹凸で、エッジ、側壁、表面な
どが粗れてしまい光損失が大きくなる。一般的には、前
記のようにして作製したアモルファス薄膜表面に、フォ
トレジスト、あるいは電子線レジストを塗布した後、露
光、現像、エッチング、レジスト剥離という一連の工程
によって、前記アモルファス薄膜をパターニングする。
エッチングはHCl、HNO3、HF、H2SO4、H3PO4、C2H2O2、N
H4Fなどの水溶液やその混合水溶液によるウェットエッ
チング、CCl4、CCl2F2、CHClFCF3などや、それらのO2と
の混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング、
またはイオンビーム.エチングなどのドライ・エッチン
グなどが有効である。なかでも1%〜36%のHClによるウ
ェットエッチングは、化学量論組成より過剰の鉛を含有
するアモルファス薄膜を効率よくエッチングでき、短時
間で、容易に、精度良くアモルファス薄膜をエッチング
することが可能である。Next, the etching in the pattern formation of the present invention will be described. In the present invention, in order to carry out solid phase epitaxial growth of a patterned amorphous thin film, extremely smooth edges, side walls, and surfaces are obtained, and as a result, light loss due to scattering is small.
If the polycrystalline thin film is patterned by a similar method,
Edges, side walls, surfaces, and the like are roughened by irregularities due to random crystal grains, and light loss is increased. In general, after applying a photoresist or an electron beam resist to the surface of the amorphous thin film produced as described above, the amorphous thin film is patterned by a series of steps of exposure, development, etching, and resist peeling.
Etching HCl, HNO 3, HF, H 2 SO 4, H 3 PO 4, C 2 H 2 O 2, N
Wet etching using an aqueous solution such as H 4 F or a mixed aqueous solution thereof, reactive ion etching using a mixed gas of CCl 4 , CCl 2 F 2 , CHClFCF 3 or the like, and O 2 thereof,
Alternatively, dry etching such as ion beam etching is effective. Above all, wet etching with 1% to 36% HCl can efficiently etch amorphous thin films containing lead in excess of the stoichiometric composition, making it possible to etch amorphous thin films easily and accurately in a short time. It is.
【0022】特に、ウェットエッチングの場合、エッチ
ングの深さと幅を独立に制御することができるため、光
導波路を理想形状に精度よく加工することができる。す
なわち、深さ方向のエッチングはアモルファス状薄膜の
下の、ほとんどエッチングを受けないもしくはエッチン
グ速度が極めて遅い第一の層たとえばエピタキシャル膜
によってストップされて終了し、また幅方向のエッチン
グはマスク下のアモルファス状薄膜がアンダーエッチま
たはサイドエッチされるため、エッチング幅は、エッチ
ング時間を調節することにより制御することができる。
図5は、本発明においてウェットエッチングを行った場
合のエッチングの状態を示す図であり、図中1は基板、
2はエピタキシャル状酸化物バッファ層、2aは加熱に
よりエピタキシャル状酸化物バッファ層となるアモルフ
ァス状薄膜を示し、8はフォトマスクを示す。この図に
は、ウェットエッチングの際、マスクの開口部より幅広
くエッチングされる、アンダーエッチまたはサイドエッ
チの状態が表されている。In particular, in the case of wet etching, the depth and width of the etching can be independently controlled, so that the optical waveguide can be accurately processed into an ideal shape. That is, the etching in the depth direction is stopped by the first layer under the amorphous thin film, which is hardly etched or has a very low etching rate, such as an epitaxial film, and is terminated. Since the thin film is under-etched or side-etched, the etching width can be controlled by adjusting the etching time.
FIG. 5 is a diagram showing an etching state when wet etching is performed in the present invention.
Reference numeral 2 denotes an epitaxial oxide buffer layer, 2a denotes an amorphous thin film which becomes an epitaxial oxide buffer layer by heating, and 8 denotes a photomask. This figure shows an under-etch or side-etch state where the etching is performed wider than the opening of the mask during wet etching.
【0023】また、図7には、チャンネル導波路のY分
岐部の鋭角部9aがなまった形状を有し、直線部分の線
幅が所定の幅の開口を有するフォトマスク8(図7の点
線部分を参照)を用いてウェットエッチングを行った場
合に、エッチングにより除去される部分の形状(図7の
実線部分を参照)が示されている。図7が示すように、
Y分岐部の鋭角部9aがなまった形状のマスクからで
も、Y分岐チャンネルの交差部の開き角度が鋭角である
鋭角部9が得られ、また、マスクの開口線幅よりも広い
チャンネル幅が得られ、理想形状のY分岐チャンネル光
導波路が作製可能となる。したがって、Y分岐部での放
射損失が小さく、極めて平滑なエッジ、側壁、および表
面が得られるため散乱による光損失も小さい。FIG. 7 shows a photomask 8 (shown by a dotted line in FIG. 7) in which the acute angle portion 9a of the Y-branch portion of the channel waveguide has a rounded shape and the line width of the linear portion has an opening having a predetermined width. FIG. 7 shows the shape of the portion to be removed by the etching when the wet etching is performed (see the solid line in FIG. 7). As FIG. 7 shows,
Even from a mask having a shape in which the acute angle portion 9a of the Y branch portion is blunted, the acute angle portion 9 in which the opening angle of the intersection of the Y branch channel is an acute angle is obtained, and a channel width wider than the opening line width of the mask is obtained. As a result, a Y-branch channel optical waveguide having an ideal shape can be manufactured. Therefore, the radiation loss at the Y-branch is small, and extremely smooth edges, side walls, and surfaces are obtained, so that light loss due to scattering is small.
【0024】本発明のパターン形成法においては、化学
量論組成より過剰の鉛を含有するアモルファス薄膜をエ
ッチングに供するため、エッチング速度がさらに速く、
かつ第一の層である単結晶基板、単結晶状あるいはエピ
タキシャル状のスラブ型酸化物光導波路、さらにエピタ
キシャル状バッファ層などとのエッチング選択比が大き
いため、エッチストップもさらに容易であり、前記のウ
ェットエッチングの良好な制御性をより一層向上させる
ことができる。In the pattern forming method of the present invention, an amorphous thin film containing lead in excess of the stoichiometric composition is subjected to etching, so that the etching rate is further increased.
And the first layer is a single-crystal substrate, a single-crystal or epitaxial slab-type oxide optical waveguide, since the etching selectivity with the epitaxial buffer layer and the like is large, the etch stop is even easier, the above-mentioned Good controllability of wet etching can be further improved.
【0025】本発明のエッチングによるパターニング、
すなわちチャンネル光導波路やグレーティングを有する
光導波路などの微細パターンとしては、直線型、S字型、
Y分岐型、X交差型、あるいはそれらの組み合わせのチ
ャンネル光導波路があげられ、一般的に適用される埋め
込み型、リッジ型、リブ型のいずれかの方式を用いるこ
とができるが、本発明では薄膜光導波路に凸を設けたチ
ャンネル光導波路構造、薄膜光導波路に凸を設けた後に
クラッド層を設けるチャンネル光導波路構造が容易に作
製できる。チャンネルの幅と高さあるいは深さも薄膜の
積層によるため、例えばマッハツェンダ干渉スイッチ、
方向性結合スイッチ、全反射型スイッチ、ブラッグ反射
型スイッチ、あるいはデジタル型スイッチなどのスイッ
チング方式、曲がりチャンネル導波路の曲率、導波路の
材料、および作製プロセスによって最適な値を選択する
ことが容易である。また、湾曲方向の異なるS字型チャ
ンネル光導波路間や、S字型チャンネル光導波路と直線
型チャンネル光導波路との間には必要に応じてオフセッ
トを設けることによって、光伝搬損失を低下させること
ができる。Patterning by etching of the present invention,
That is, as a fine pattern such as a channel optical waveguide or an optical waveguide having a grating, linear type, S-shaped,
A channel optical waveguide of a Y-branch type, an X-cross type, or a combination thereof can be used, and any of commonly applied buried, ridge, and rib types can be used. A channel optical waveguide structure in which a projection is provided in an optical waveguide and a channel optical waveguide structure in which a cladding layer is provided after a projection is provided in a thin film optical waveguide can be easily manufactured. Since the width and height or depth of the channel are also based on the lamination of thin films, for example, Mach-Zehnder interference switches,
It is easy to select the optimal value depending on the switching method such as directional coupling switch, total reflection type switch, Bragg reflection type switch or digital type switch, curvature of curved channel waveguide, waveguide material and fabrication process. is there. Further, by providing an offset as needed between the S-shaped channel optical waveguides having different bending directions or between the S-shaped channel optical waveguide and the linear channel optical waveguide, the optical propagation loss can be reduced. it can.
【0026】次に、本発明の製造方法によって作製され
る光導波路素子の例を図を用いて説明する。図1および
図2は本発明の製造方法により作製することができる、
直線状のチャンネル型光導波路を形成した光導波路素子
の一例を示しており、図1はその断面図を、また図2は
その斜視図を示す。図中1は基板、2はエピタキシャル
状のバッファ層、3はエピタキシャル状のスラブ型酸化
物光導波路、4はエピタキシャル状の直線状チャンネル
型光導波路を、5は該光導波路のエッジ部分、および6
は入射端をそれぞれ示す。(なお、以下の図において、
同じ数字で表される各層は同じものをさすので、説明を
省略することがある。)Next, an example of an optical waveguide device manufactured by the manufacturing method of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 can be produced by the production method of the present invention.
FIG. 1 shows an example of an optical waveguide device in which a linear channel optical waveguide is formed, FIG. 1 is a sectional view thereof, and FIG. 2 is a perspective view thereof. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an epitaxial buffer layer, 3 is an epitaxial slab-type oxide optical waveguide, 4 is an epitaxial linear channel optical waveguide, 5 is an edge portion of the optical waveguide, and 6
Indicates an incident end. (In the following figure,
Since each layer represented by the same numeral indicates the same thing, the description may be omitted. )
【0027】また、図3および図4に、直線状のチャン
ネル型光導波路を形成した光導波路素子の他の一例を示
す。図3はその断面図を、また図4はその斜視図を示
す。図中1は基板、2は凹型形状にパターニングされた
エピタキシャル状のバッファ層、3はパターニングされ
たエピタキシャル状のスラブ型酸化物光導波路、4はチ
ャンネル光導波路、5はそのエッジ部、また6は入射端
をそれぞれ示す。この例は、単結晶基板表面にあらかじ
め酸化物バッファ層をエピタキシャル成長させた後、加
熱によってエピタキシャル状酸化物バッファ層となるア
モルファス状薄膜を形成し、次にエッチングを行って凹
型形状にパターニングする工程を含む方法で作製される
光導波路素子である。FIGS. 3 and 4 show another example of an optical waveguide device in which a linear channel optical waveguide is formed. FIG. 3 is a sectional view, and FIG. 4 is a perspective view. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an epitaxial buffer layer patterned in a concave shape, 3 is a patterned epitaxial slab type oxide optical waveguide, 4 is a channel optical waveguide, 5 is an edge portion thereof, and 6 is an edge portion thereof. Each of the incident ends is shown. In this example, a step of epitaxially growing an oxide buffer layer on the surface of a single crystal substrate in advance, forming an amorphous thin film to be an epitaxial oxide buffer layer by heating, and then performing etching to pattern it into a concave shape. An optical waveguide element manufactured by a method including:
【0028】また、図示していないが、エピタキシャル
状酸化物薄膜光導波路の表面あるいはエピタキシャル状
スラブ型酸化物光導波路の表面に酸化物クラッド層を設
けてもよい。さらに、エピタキシャル状酸化物薄膜光導
波路を2層以上設けた構造、たとえばスラブ型酸化物光
導波路/酸化物薄膜光導波路/酸化物クラッド層の組み
合わせを2つ以上有する構造とすることも可能である。Although not shown, an oxide cladding layer may be provided on the surface of the epitaxial oxide thin film optical waveguide or the surface of the epitaxial slab type oxide optical waveguide. Further, a structure having two or more layers of epitaxial oxide thin film optical waveguides, for example, a structure having two or more combinations of a slab type oxide optical waveguide / oxide thin film optical waveguide / oxide cladding layer is also possible. .
【0029】さらに、図6はY分岐型チャンネル状の光
導波路を示す図である。さらに図8および図9はグレー
ティングを設けた光導波路素子の一例を示すもので、図
8はその斜視図を、また図9はその断面図を示す。図中
10はグレーティングを示す。図10は、本発明の製造
方法によって作製することが可能な半導体素子の一例を
示すもので、図中、11はSi基板、12はSiO
2膜、13はTi薄膜、14はPt薄膜(下部電
極))、15は多結晶PZT、16はPt薄膜(上部電
極)をそれぞれ示す。15の多結晶PZTはアモルファ
スPZTをエッチング後、加熱することにより形成され
る。FIG. 6 is a view showing a Y-branch channel optical waveguide. 8 and 9 show an example of an optical waveguide device provided with a grating. FIG. 8 is a perspective view thereof, and FIG. 9 is a sectional view thereof. In the figure, reference numeral 10 denotes a grating. FIG. 10 shows an example of a semiconductor element that can be manufactured by the manufacturing method of the present invention. In the figure, 11 is a Si substrate, and 12 is a SiO substrate.
2 , 13 a Ti thin film, 14 a Pt thin film (lower electrode), 15 a polycrystalline PZT, and 16 a Pt thin film (upper electrode). Fifteen polycrystalline PZTs are formed by heating amorphous PZT after etching.
【0030】以上説明したように、本発明では単結晶基
板、酸化物バッファ層、または単結晶状あるいはエピタ
キシャル状のスラブ型酸化物光導波路等の第一の層の表
面に、化学量論組成より過剰の、好ましくは1%〜30%、
さらに好ましくは1%〜20%の過剰の鉛を含有するアモル
ファス状薄膜を形成した後、このアモルファス状薄膜を
エッチングによってパターニングするため、前記特願平
11−42285号に係る製造方法の効果、すなわち、
光導波路のエッジ、側壁、表面に粗れが観察されず、散
乱による光損失が小さい光導波路が形成され、さらに、
製造される光導波路素子の表面は極めて平坦である等の
効果に加えて、アモルファス状薄膜に対するエッチング
速度がさらに大きく、かつアモルファス状薄膜とその下
にある第一の層とのエッチング選択比が大きいため、エ
ッチストップもより容易であって制御性が良好であると
いう効果を有する。さらに、前記方法はウェットエッチ
ングおよびドライ・エッチングの双方に適用することが
できる。したがって、上記の製造方法により、良好な特
性を有する金属酸化物薄膜素子を生産性良く製造するこ
とができる。また、前記方法により、チャンネル光導波
路やグレーティングなどの微細パターンを設けることが
可能となり、高機能の各種のスイッチング素子、変調素
子、フィルター素子、あるいは偏向素子などの広範囲の
光導波路素子を高生産性で提供可能となる。また、本発
明は多結晶薄膜に良好なパターンを容易に設ける方法を
も提供し、不揮発性メモリーやDRAMなどの電子デバイス
全般への利用が可能である。As described above, according to the present invention, the surface of the first layer, such as a single crystal substrate, an oxide buffer layer, or a single crystal or epitaxial slab type oxide optical waveguide, has a stoichiometric composition. Excess, preferably 1% to 30%,
More preferably, after forming an amorphous thin film containing an excess of 1% to 20% lead, in order to pattern the amorphous thin film by etching, the effect of the manufacturing method according to Japanese Patent Application No. 11-42285, namely, ,
No roughness is observed on the edges, side walls, and surface of the optical waveguide, and an optical waveguide having small light loss due to scattering is formed.
In addition to the effect that the surface of the manufactured optical waveguide element is extremely flat, the etching rate for the amorphous thin film is further increased, and the etching selectivity between the amorphous thin film and the underlying first layer is large. Therefore, there is an effect that the etch stop is easier and the controllability is good. Further, the method can be applied to both wet etching and dry etching. Therefore, a metal oxide thin film element having good characteristics can be manufactured with high productivity by the above manufacturing method. In addition, the above-mentioned method enables a fine pattern such as a channel optical waveguide or a grating to be provided, and a wide range of optical waveguide elements such as various high-performance switching elements, modulation elements, filter elements, or deflection elements can be manufactured with high productivity. It can be provided by. The present invention also provides a method for easily providing a good pattern on a polycrystalline thin film, and can be used for all electronic devices such as nonvolatile memories and DRAMs.
【0031】[0031]
【実施例】以下に実施例を示し本発明をさらに具体的に
説明するが、本発明はこれらの実施例により限定される
ものではない。 実施例 1 この例では図1および図2で示される、基板1の上にバ
ッファ層2、スラブ型酸化物光導波路3、直線状チャン
ネル型酸化物薄膜光導波路4を順次設けた光導波路素子
の製造方法について説明する。1の基板は、波長1.3 μ
mでの屈折率が2.31のSrTiO3 (100)単結晶基板であり、
2のバッファ層は、モード・フィールド径を拡大するた
めに屈折率が2.415で1200 nmの膜厚のエピタキシャル状
のPZTバッファ層であり、金属有機化合物溶液の塗布と
加熱を利用した固相エピタキシャル成長によって作製さ
れる。3のスラブ型酸化物光導波路は、屈折率が2.477
で1370 nmの膜厚のエピタキシャル状のPZT光導波路層で
ありバッファ層と同様にして作製される。4のチャンネ
ル型光導波路は、化学量論より3%過剰の鉛を含有する金
属有機化合物溶液の塗布と加熱により形成されるアモル
ファスPZT薄膜を230nmの膜厚で形成の後、線幅6.5 μm
の直線状のフォトレジスト・パターンを用いてHCl水溶
液によるウェットエッチングを行い、その後加熱をする
ことによって作製され、屈折率が2.477で薄膜が230 nm
のエピタキシャル状チャンネル型光導波路である。The present invention will be described in more detail with reference to the following Examples, but it should not be construed that the present invention is limited to these Examples. Example 1 In this example, an optical waveguide device shown in FIGS. 1 and 2 in which a buffer layer 2, a slab type oxide optical waveguide 3, and a linear channel type oxide thin film optical waveguide 4 are sequentially provided on a substrate 1 is shown. The manufacturing method will be described. Substrate 1 has a wavelength of 1.3 μm
SrTiO 3 (100) single crystal substrate with a refractive index of 2.31 at m
The buffer layer 2 is an epitaxial PZT buffer layer with a refractive index of 2.415 and a thickness of 1200 nm in order to enlarge the mode field diameter. The buffer layer is formed by solid-phase epitaxial growth using application of a metal organic compound solution and heating. It is made. The slab type oxide optical waveguide of No. 3 has a refractive index of 2.479.
This is an epitaxial PZT optical waveguide layer having a thickness of 1370 nm and is manufactured in the same manner as the buffer layer. The channel-type optical waveguide of No. 4 has an amorphous PZT thin film formed by applying and heating a metal organic compound solution containing 3% excess of lead by stoichiometry to a thickness of 230 nm, and then has a line width of 6.5 μm.
Fabricated by wet etching with HCl aqueous solution using a linear photoresist pattern of, followed by heating, a refractive index of 2.474 and a thin film of 230 nm
Is an epitaxial channel type optical waveguide.
【0032】以下に、上記の構造を有する光導波路素子
の製造方法について詳細に説明する。 (1)バッファ層2の形成 無水酢酸鉛 Pb(CH3COO)2、ジルコニウム・イソプロポキ
シド Zr(O-i-C3H7)4、およびチタン・イソプロポキシド
Ti(O-i-C3H7)4を出発原料として、2-メトキシエタノー
ルに溶解し、蒸留と還流を行い、最終的にPb濃度で0.6
M のエピタキシャル成長後の屈折率が2.415のPZTバッフ
ァ層用前駆体溶液を得た。次に、この前駆体溶液を、洗
浄、エッチング、乾燥を行った、SrTiO3 (100)単結晶基
板上へスピンコーティングを行った。O2雰囲気中で昇温
して300 ℃にて保持し、さらに650℃にて保持の後、冷
却した。これを繰り返すことにより1200 nmの膜厚のPZT
バッファ層2を固相エピタキシャル成長させた。Hereinafter, a method of manufacturing the optical waveguide device having the above structure will be described in detail. (1) Formation of buffer layer 2 Pb (CH 3 COO) 2 anhydrous lead acetate, zirconium isopropoxide Zr (OiC 3 H 7 ) 4 , and titanium isopropoxide
Using Ti (OiC 3 H 7 ) 4 as a starting material, it was dissolved in 2-methoxyethanol, distilled and refluxed, and finally a Pb concentration of 0.6
A precursor solution for a PZT buffer layer having a refractive index of 2.415 after epitaxial growth of M was obtained. Next, this precursor solution was spin-coated on a SrTiO 3 (100) single crystal substrate which had been washed, etched and dried. The temperature was raised in an O 2 atmosphere, maintained at 300 ° C., further maintained at 650 ° C., and then cooled. By repeating this, PZT with a thickness of 1200 nm
The buffer layer 2 was grown by solid phase epitaxial growth.
【0033】(2)スラブ型酸化物光導波路3の形成 エピタキシャル成長後の屈折率が2.477となるようなPZT
光導波路層用前駆体溶液を同様に調製し、上記(1)で
作製したエピタキシャルPZTバッファ層の上へスピンコ
ーティングを行い、O2雰囲気中で昇温して300℃にて保
持し、さらに650℃にて保持の後、冷却した。これを繰
り返すことにより1370 nmの膜厚のPZT光導波路層3を固
相エピタキシャル成長させた。 (3)チャンネル型光導波路4の形成 その後、前記(2)のPZT光導波路層用前駆体溶液と同
様でありただ化学量論組成より3%過剰の鉛を含有する点
だけが異なるPZT光導波路層用前駆体溶液を用いてエピ
タキシャルPZT光導波路上へスピンコーティングを行
い、O2雰囲気中で昇温して300℃にて保持の後、冷却す
ることを繰り返すことにより、330 nmの膜厚のアモルフ
ァスPZT薄膜を形成した。次に、フォトレジストをスピ
ンコートし、プリベークの後、露光し、さらに現像を行
うことにより、チャンネル幅6.5 μmのレジスト・パタ
ーンを形成した。続いて、ポストベークの後、18%HCl水
溶液でアモルファスPZT薄膜をエッチングすることによ
って、深さ方向はエピタキシャル光導波路層に到達する
ことによってストップし、チャンネル幅はアンダー・エ
ッチによりレジスト・パターンより狭い5.0 umとなる時
間でエッチングをストップさせることによりアモルファ
ス状態のチャンネル部が高さ330 nm、幅5.0 umで形成さ
れた。次いでこれを加熱しエピタキシャル成長させるこ
とによって、高さ230 nm、幅5.0 μmのチャンネル光導
波路4が形成された。本実施例においては、エッチング
速度は約0.1 μm/minであるが、前駆体溶液の鉛の過剰
量を増加することにより、より早いエッチング速度を得
ることもできる。さらに、リムーバによってレジストを
剥離した後、O2雰囲気中で昇温して350℃にて保持の
後、650℃にて保持することによりアモルファス状のPZT
チャンネル光導波路4の固相エピタキシャル成長を行わ
せた。得られたチャンネル光導波路の屈折率は2.477で
あった。得られた光導波路素子の結晶学的関係は、単一
配向のPZT (100) 薄膜光導波路// PZT (100)バッファ層
// SrTiO3 (100)基板、面内方位PZT [001] 薄膜光導
波路 // PZT [001]バッファ層 // SrTiO3 [001]基板 の
構造を有していた。(2) Formation of Slab-Type Oxide Optical Waveguide 3 PZT whose refractive index after epitaxial growth is 2.477
A precursor solution for an optical waveguide layer was prepared in the same manner, spin-coated on the epitaxial PZT buffer layer prepared in the above (1), heated in an O 2 atmosphere, kept at 300 ° C., and further heated to 650 ° C. After holding at ℃, it was cooled. By repeating this, a 1370 nm-thick PZT optical waveguide layer 3 was grown by solid phase epitaxial growth. (3) Formation of the channel type optical waveguide 4 Thereafter, the PZT optical waveguide is the same as the precursor solution for the PZT optical waveguide layer of the above (2), except that the stoichiometric composition contains a 3% excess of lead. Spin coating on the epitaxial PZT optical waveguide using the layer precursor solution, raising the temperature in an O 2 atmosphere, holding at 300 ° C., and then repeating the cooling to give a film thickness of 330 nm An amorphous PZT thin film was formed. Next, a photoresist was spin-coated, pre-baked, exposed, and developed to form a resist pattern having a channel width of 6.5 μm. Subsequently, after post-baking, the amorphous PZT thin film is etched with an 18% HCl aqueous solution, the depth direction is stopped by reaching the epitaxial optical waveguide layer, and the channel width is narrower than the resist pattern due to under-etch. By stopping the etching at a time of 5.0 um, an amorphous channel portion was formed with a height of 330 nm and a width of 5.0 um. Next, this was heated and epitaxially grown to form a channel optical waveguide 4 having a height of 230 nm and a width of 5.0 μm. In this embodiment, the etching rate is about 0.1 μm / min, but a higher etching rate can be obtained by increasing the excess amount of lead in the precursor solution. Furthermore, after removing the resist with a remover, the temperature is raised in an O 2 atmosphere, and the temperature is maintained at 350 ° C.
The solid-phase epitaxial growth of the channel optical waveguide 4 was performed. The refractive index of the obtained channel optical waveguide was 2.478. The crystallographic relationship of the obtained optical waveguide device is as follows: PZT (100) thin film optical waveguide with a single orientation // PZT (100) buffer layer
// SrTiO 3 (100) substrate, in-plane orientation PZT [001] Thin-film optical waveguide // PZT [001] buffer layer // SrTiO 3 [001] substrate structure.
【0034】上記のように本実施例においては、エッチ
ングの際の深さと幅が独立に制御できるため、エッチン
グによりパターニングされたアモルファス薄膜を固相エ
ピタキシャル成長させることにより形成されるチャンネ
ル光導波路は、散乱による光損失が小さい極めて平滑な
エッジ、側壁、および表面が得られ、またエッジ部5
(図1参照)の凹凸またはうねりとしては0.1 um以下が
容易に得られた。このため、光ファイバーから波長1.3
umのレーザー光を入射端面6(図2参照)へ導入した場
合のスラブ型薄膜光導波路の光伝搬損失を差引いたチャ
ンネル型に加工したことによる光伝搬損失は、無視でき
るレベルと小さい。チャンネル光導波路4を理想形状に
精度良く加工することができた。さらに、本実施例にお
いては、化学量論より3%過剰の鉛を含有する金属有機化
合物溶液より形成したアモルファスPZT薄膜をエッチン
グしたため、短時間でエッチングすることができ、また
より良好なエッチング制御性が達成されるため、チャン
ネル光導波路4を理想形状に精度良く加工することがで
きた。As described above, in the present embodiment, since the depth and width at the time of etching can be controlled independently, the channel optical waveguide formed by solid phase epitaxial growth of an amorphous thin film patterned by etching has a scattering property. Very smooth edges, sidewalls, and surfaces with low light loss due to
0.1 μm or less was easily obtained as unevenness or undulation (see FIG. 1). Therefore, the wavelength 1.3
When the um laser beam is introduced into the incident end face 6 (see FIG. 2), the light propagation loss caused by processing the slab type thin film optical waveguide into a channel type in which the light propagation loss is subtracted is negligible. The channel optical waveguide 4 could be accurately processed into an ideal shape. Furthermore, in this example, the amorphous PZT thin film formed from the metal organic compound solution containing 3% excess of lead by stoichiometry was etched, so that etching could be performed in a short time, and better etching controllability was obtained. Therefore, the channel optical waveguide 4 can be accurately processed into an ideal shape.
【0035】実施例2 この例では図3および図4で示される、基板1の上に凹
型形状(高さ330 nm、幅5.0 μm)の直線状パターンを
形成したバッファ層2、およびスラブ型酸化物光導波路
3、および直線状チャンネル型酸化物薄膜光導波路4を
設けた光導波路素子の製造方法について説明する。1の
基板は、波長1.3 μmでの屈折率が2.31のSrTiO3 (100)
単結晶基板であり、2のバッファ層は、屈折率が2.415
で1530nm(1200 nm+330nm)の膜厚のエピタキシャル状
のPZTバッファ層であり、また、3のスラブ型酸化物光
導波路は膜厚が1700nm(330nm+1370nm)のエピタキシ
ャルPZT光導波路である。Example 2 In this example, a buffer layer 2 having a concave-shaped (having a height of 330 nm and a width of 5.0 μm) linear pattern formed on a substrate 1 as shown in FIGS. A method for manufacturing an optical waveguide device provided with the object optical waveguide 3 and the linear channel type oxide thin film optical waveguide 4 will be described. The substrate of No. 1 is SrTiO 3 (100) having a refractive index of 2.31 at a wavelength of 1.3 μm.
It is a single crystal substrate, and the buffer layer 2 has a refractive index of 2.415
Is an epitaxial PZT buffer layer having a thickness of 1530 nm (1200 nm + 330 nm), and the slab type oxide optical waveguide 3 is an epitaxial PZT optical waveguide having a thickness of 1700 nm (330 nm + 1370 nm).
【0036】(1)まず、無水酢酸鉛 Pb(CH3COO)2、ジ
ルコニウム・イソプロポキシド Zr(O-i-C3H7)4、および
チタン・イソプロポキシド Ti(O-i-C3H7)4を出発原料と
して、2-メトキシエタノールに溶解し、蒸留と還流を行
い、最終的にPb濃度で0.6 M のエピタキシャル成長後の
屈折率が2.415のPZTバッファ層用前駆体溶液を調製し
た。次に、この前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥
を行ったSrTiO3 (100)単結晶基板の上にスピンコーティ
ングを行った。O2雰囲気中で昇温して350℃にて保持
し、さらに650℃にて保持の後、冷却する。これを繰り
返すことにより1200 nmの膜厚のPZTバッファ層を固相エ
ピタキシャル成長させた。次に、前記PZTバッファ層用
前駆体溶液と同様でありただ化学量論組成より15%過剰
の鉛を含有する点だけが異なるPZTバッファ層用前駆体
溶液を、前記エピタキシャルPZTバッファ層上へスピン
コーティングを行い、O2雰囲気中で昇温して300 ℃にて
保持の後、冷却した。これを繰り返すことにより、330
nmの膜厚のアモルファスPZTバッファ層を形成した。次
に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの
後、露光し、さらに現像を行うことにより、チャンネル
幅3.5 μmの開口を有するレジスト・パターンを形成し
た。続いて、ポストベークの後、25%HCl水溶液でアモル
ファスPZT薄膜をエッチングすることによって、深さ方
向はエピタキシャル・バッファ層に到達することによっ
てストップし、チャンネル幅はアンダー・エッチにより
レジスト・パターンより広い5.0 μmとなる時間でエッ
チングをストップさせることにより高さ330 nm、幅5.0
μmの凹型形状の溝が形成された。本実施例におけるエ
ッチング速度は0.2 um/minであった。(1) First, anhydrous lead acetate Pb (CH 3 COO) 2 , zirconium isopropoxide Zr (OiC 3 H 7 ) 4 , and titanium isopropoxide Ti (OiC 3 H 7 ) 4 were used as starting materials. Was dissolved in 2-methoxyethanol, distilled and refluxed, and finally a PZT buffer layer precursor solution having a Pb concentration of 0.6M and a refractive index of 2.415 after epitaxial growth was prepared. Next, this precursor solution was spin-coated on a SrTiO 3 (100) single crystal substrate which had been washed, etched and dried. The temperature is raised in an O 2 atmosphere, kept at 350 ° C., further kept at 650 ° C., and then cooled. By repeating this, a PZT buffer layer having a thickness of 1200 nm was grown by solid phase epitaxial growth. Next, a PZT buffer layer precursor solution that is the same as the PZT buffer layer precursor solution and differs only in that it contains a 15% excess of lead from the stoichiometric composition is spun onto the epitaxial PZT buffer layer. Coating was performed, the temperature was raised in an O 2 atmosphere, the temperature was maintained at 300 ° C., and then the temperature was cooled. By repeating this, 330
An amorphous PZT buffer layer having a thickness of nm was formed. Next, a photoresist was spin-coated, pre-baked, exposed, and developed to form a resist pattern having an opening with a channel width of 3.5 μm. Subsequently, after post-baking, the amorphous PZT thin film is etched with a 25% HCl aqueous solution, the depth direction is stopped by reaching the epitaxial buffer layer, and the channel width is wider than the resist pattern by under-etching. Stopping the etching at the time of 5.0 μm, height 330 nm, width 5.0
A groove having a concave shape of μm was formed. The etching rate in this example was 0.2 um / min.
【0037】(2)次に、650℃に加熱することによっ
て凹型形状の溝を有する前記バッファ層とアモルファス
PZT薄膜の固相エピタキシャル成長を行わせた。さら
に、この表面にPZT光導波路層用前駆体溶液をスピンコ
ーティングを行い、O2雰囲気中で昇温して350℃にて保
持し、さらに650℃にて保持の後、冷却した。これを繰
り返すことにより1370 nmの膜厚のPZT光導波路層を固相
エピタキシャル成長させた。前記の凹型形状の溝を有す
るバッファ層の屈折率は2.415であった。このようにし
て作製された光導波路素子の結晶学的関係は、単一配向
のPZT (100) 薄膜光導波路 // PZT (100)バッファ層 //
SrTiO3 (100)基板、面内方位PZT[001] 薄膜光導波路 /
/ PZT [001]バッファ層 // SrTiO3 [001]基板の構造が
得られた。本実施例においても実施例1と同様に、制御
性良くエッチングを行うことができ、エッジ部5、側壁
および表面が極めて平滑なチャンネル光導波路4を理想
形状に精度良く加工することができた。また、バッファ
層に形成された凹部に基づく段差も平坦化され、この例
の光導波路素子は平坦な表面が得られた。(2) Next, by heating to 650 ° C., the buffer layer having the concave grooves
Solid phase epitaxial growth of PZT thin films was performed. Further, the surface was spin-coated with a precursor solution for a PZT optical waveguide layer, heated in an O 2 atmosphere, kept at 350 ° C., kept at 650 ° C., and cooled. By repeating this, a 1370 nm-thick PZT optical waveguide layer was grown by solid phase epitaxial growth. The buffer layer having the concave grooves had a refractive index of 2.415. The crystallographic relationship of the optical waveguide device fabricated in this way is a unidirectional PZT (100) thin film optical waveguide // PZT (100) buffer layer //
SrTiO 3 (100) substrate, in-plane orientation PZT [001] Thin film optical waveguide /
/ PZT [001] buffer layer // SrTiO 3 [001] substrate structure obtained. In this embodiment, similarly to the first embodiment, etching can be performed with good controllability, and the channel optical waveguide 4 having extremely smooth edge portions 5, side walls, and surfaces can be accurately processed into an ideal shape. Further, the step due to the concave portion formed in the buffer layer was also flattened, and the optical waveguide device of this example had a flat surface.
【0038】実施例3 この例では、基板の上に、図6に示すようなY分岐型チ
ャンネル状の凹部が形成されたバッファ層と、スラブ型
酸化物光導波路が形成された光導波路素子の製造方法に
ついて説明する。凹部がY分岐型チャンネル状である他
は図4に示された光導波路素子と同様の構成を有する。
波長1.3 μmでの屈折率が2.31のSrTiO3 (100)単結晶基
板の上に、エピタキシャル成長後の屈折率が2.420のPLZ
Tバッファ層用前駆体溶液を用いて上記と同様にして、P
LZT層を1400 nmの膜厚で固相エピタキシャル成長させ
た。次に前記PLZTバッファ層用前駆体溶液と同様であり
ただ化学量論組成より25%過剰の鉛を含有する前駆体溶
液を用いて、アモルファスPLZTバッファ層を500 nmの膜
厚で形成した。引き続き、図7の点線で示したような、
チャンネル導波路のY分岐部の鋭角部9aがなまった形
状を有し、直線部分の線幅が3.5 μmの開口を有するフ
ォトマスク8を用い、12%HCl水溶液によるウェットエッ
チングを行った。この後、加熱することによって凹型形
状のY分岐パターンを有するバッファ層の固相エピタキ
シャル成長を行った。このバッファ層の屈折率は2.432
であった。次に、その表面に屈折率2.477のスラブ型PZT
光導波路層3を2200 nmの膜厚で固相エピタキシャル成長
させた。Example 3 In this example, a buffer layer in which a Y-branch channel-shaped recess as shown in FIG. 6 was formed on a substrate and an optical waveguide element in which a slab-type oxide optical waveguide was formed were used. The manufacturing method will be described. It has the same configuration as that of the optical waveguide device shown in FIG. 4 except that the concave portion has a Y-branch channel shape.
PLZ with a refractive index of 2.420 after epitaxial growth on a SrTiO 3 (100) single crystal substrate with a refractive index of 2.31 at a wavelength of 1.3 μm.
In the same manner as above using the precursor solution for the T buffer layer, P
The LZT layer was grown by solid phase epitaxial growth at a thickness of 1400 nm. Next, an amorphous PLZT buffer layer having a thickness of 500 nm was formed using the same precursor solution as that for the PLZT buffer layer but containing a lead in excess of 25% of the stoichiometric composition. Subsequently, as shown by the dotted line in FIG.
Wet etching with a 12% HCl aqueous solution was performed using a photomask 8 having a shape in which the acute angle portion 9a of the Y-branch portion of the channel waveguide was rounded and having an opening having a line width of 3.5 μm in a straight line portion. Thereafter, by heating, a solid phase epitaxial growth of a buffer layer having a concave Y-branch pattern was performed. The refractive index of this buffer layer is 2.432
Met. Next, a slab type PZT with a refractive index of
The optical waveguide layer 3 was grown by solid phase epitaxial growth at a thickness of 2200 nm.
【0039】得られた光導波路素子のY分岐型チャンネ
ルは、マスクの開口線幅3.5μmより広い5 μmのチャン
ネル幅を有し、また、Y分岐の交差部の開き角度は0.5
度という鋭角であった。本実施例のプロセスによると、
Y分岐部の鋭角部9a(図7参照)がなまった形状のマ
スクからでも、理想形状のY分岐鋭角部9をもつチャン
ネル光導波路が作製可能となるために、Y分岐部での放
射損失が小さく、極めて平滑なエッジ、側壁、および表
面が得られるため散乱による光損失も小さい。またこの
例でも得られた光導波路素子の表面は平坦であった。The Y-branch type channel of the obtained optical waveguide device has a channel width of 5 μm which is wider than the opening line width of the mask of 3.5 μm, and the opening angle of the intersection of the Y-branch is 0.5.
It was an acute angle of degrees. According to the process of this embodiment,
Since a channel optical waveguide having an ideally shaped Y-branch acute portion 9 can be manufactured even from a mask having a shape in which the acute-angle portion 9a of the Y-branch portion (see FIG. 7) is blunt, radiation loss at the Y-branch portion is reduced. Light losses due to scattering are small due to the small, very smooth edges, sidewalls and surfaces. Also in this example, the surface of the obtained optical waveguide device was flat.
【0040】実施例4 この例では、図8に示すようにスラブ型導波路の端部に
グレーティング型結合器を設けた光導波路素子の製造方
法について説明する。図9にはその断面図が示されてい
る。SrTiO3 (100)単結晶基板1の上へ、スラブ型PLZT光
導波路層3をRfスパッタリングによって650℃でエピタキ
シャル成長させる。次に、エピタキシャルPLZT光導波路
と同様の組成で15%鉛過剰のアモルファスPLZT薄膜をRf
スパッタリングによって室温で形成の後、グレーティン
グ状のパターンを有する電子線レジストを用いてHCl水
溶液によるウェットエッチングを行う。このエッチング
の後、750℃に加熱することによって固相エピタキシャ
ル成長を行い、グレーティング8を表面に有するズラブ
型PLZT光導波路素子を作製できる。Embodiment 4 In this embodiment, a method of manufacturing an optical waveguide device in which a grating type coupler is provided at an end of a slab type waveguide as shown in FIG. 8 will be described. FIG. 9 shows a sectional view thereof. On the SrTiO 3 (100) single crystal substrate 1, a slab type PLZT optical waveguide layer 3 is epitaxially grown at 650 ° C. by Rf sputtering. Next, an amorphous PLZT thin film having a composition similar to that of the epitaxial PLZT optical waveguide and containing 15%
After being formed at room temperature by sputtering, wet etching with an aqueous HCl solution is performed using an electron beam resist having a grating-like pattern. After this etching, solid phase epitaxial growth is performed by heating to 750 ° C., and a slab type PLZT optical waveguide device having a grating 8 on the surface can be manufactured.
【0041】実施例5 この例では、図10に示すような構成の半導体素子の製造
方法について説明する。本実施例では図10に示したよう
にSi基板上に熱酸化SiO2、Ti薄膜、およびPt薄膜を積層
し、その上に化学量論組成より25%過剰の鉛を含有するP
ZT層前駆体溶液を用いて、アモルファスPZT層を形成
し、10μm□のパターンを有するフォトレジスト8を用い
て12%HCl水溶液によるウェットエッチングを行う。その
後700℃に加熱することによって10μm□のパターンを多
結晶PZTとする。さらにその上に9μm□の開口パター
ンを有するフォトレジストを形成し、Ptをスパッタリ
ングによって成膜し、その後レジストとレジスト上のP
tをリフトオフにより除去することによって、図10に示
すような構成の半導体素子を作製できる。Embodiment 5 In this embodiment, a method of manufacturing a semiconductor device having a structure as shown in FIG. 10 will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 10, a thermally oxidized SiO 2 , a Ti thin film, and a Pt thin film are laminated on a Si substrate, and a P containing a 25% excess lead over the stoichiometric composition is formed thereon.
An amorphous PZT layer is formed using a ZT layer precursor solution, and wet etching is performed with a 12% HCl aqueous solution using a photoresist 8 having a 10 μm square pattern. Thereafter, by heating to 700 ° C., a 10 μm square pattern is made polycrystalline PZT. Further, a photoresist having an opening pattern of 9 μm square is formed thereon, Pt is formed by sputtering, and then the resist and P on the resist are formed.
By removing t by lift-off, a semiconductor device having a configuration as shown in FIG. 10 can be manufactured.
【0042】[0042]
【発明の効果】本発明は上記のごとき構成を採用したた
め、前記第二の層であるアモルファス状薄膜に対するエ
ッチング速度が大きく、かつアモルファス状薄膜とその
下にある第一の層とのエッチング選択比が大きいため、
第二の層のエッチングを完全に行うために過剰のエッチ
ングを行っても下の第一の層を粗すことがない。したが
って、エッチストップが容易であってエッチングの制御
性が良好であり、良好な特性を有する金属酸化物薄膜素
子を生産性良く製造することができる。また、前記方法
により、チャンネル光導波路やグレーティングなどの微
細パターンを設けることが可能となり、高機能の各種の
スイッチング素子、変調素子、フィルター素子、あるい
は偏向素子などの広範囲の光導波路素子を高生産性で提
供可能となる。また、本発明は多結晶薄膜に良好なパタ
ーンを容易に設ける方法をも提供し、不揮発性メモリー
やDRAMなどの電子デバイス全般への利用が可能である。According to the present invention, since the above structure is adopted, the etching rate with respect to the amorphous thin film as the second layer is high, and the etching selectivity between the amorphous thin film and the first layer thereunder. Is large,
Excessive etching to completely etch the second layer does not roughen the underlying first layer. Therefore, the etch stop is easy, the controllability of etching is good, and a metal oxide thin film element having good characteristics can be manufactured with high productivity. In addition, the above-mentioned method enables a fine pattern such as a channel optical waveguide or a grating to be provided, and a wide range of optical waveguide elements such as various high-performance switching elements, modulation elements, filter elements, or deflection elements can be manufactured with high productivity. It can be provided by. The present invention also provides a method for easily providing a good pattern on a polycrystalline thin film, and can be used for all electronic devices such as nonvolatile memories and DRAMs.
【図1】 直線型チャンネル光導波路を設けた光導波路
素子の一例を示す模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an optical waveguide device provided with a linear channel optical waveguide.
【図2】 図1の光導波路素子の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the optical waveguide device of FIG.
【図3】 直線型チャンネル光導波路を設けた光導波路
素子の他の一例を示す模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another example of the optical waveguide device provided with the linear channel optical waveguide.
【図4】 図3の光導波路素子の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of the optical waveguide device of FIG. 3;
【図5】 本発明において、エピタキシャル・バッファ
層上のアモルファス状バッファ層がエッチングされる状
態を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing a state where an amorphous buffer layer on an epitaxial buffer layer is etched in the present invention.
【図6】 Y分岐型チャンネル光導波路を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing a Y-branch type channel optical waveguide.
【図7】 Y分岐型チャンネル光導波路のパターニング
において、使用するマスクと形成されるチャンネルの関
係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a mask to be used and channels to be formed in patterning a Y-branch channel optical waveguide.
【図8】 グレーティングを設けた光導波路素子を示す
斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing an optical waveguide element provided with a grating.
【図9】 図8の光導波路素子の模式的断面図を示す。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the optical waveguide device of FIG.
【図10】 本発明の方法によって製造される半導体素
子の一例を示す模式的断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing one example of a semiconductor device manufactured by the method of the present invention.
1:基板、2:バッファ層、2a:アモルファス状薄膜
(バッファ層)、3:スラブ型光導波路、4:チャンネ
ル光導波路、5:エッジ部、6:入射端、7:クラッド
層、8:マスク、9:Y分岐部、10:グレーティン
グ、11:Si基板、12:SiO2膜、13:Ti薄
膜、14:Pt下部電極、15:多結晶PZT、16:
Pt上部電極1: substrate, 2: buffer layer, 2a: amorphous thin film (buffer layer), 3: slab type optical waveguide, 4: channel optical waveguide, 5: edge portion, 6: incident end, 7: cladding layer, 8: mask , 9: Y branch, 10: grating, 11: Si substrate, 12: SiO 2 film, 13: Ti thin film, 14: Pt lower electrode, 15: polycrystalline PZT, 16:
Pt upper electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H047 KA05 PA02 PA06 PA24 2H049 AA37 AA44 AA46 5F083 AD11 FR01 JA15 PR05 PR25 PR33 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2H047 KA05 PA02 PA06 PA24 2H049 AA37 AA44 AA46 5F083 AD11 FR01 JA15 PR05 PR25 PR33
Claims (10)
論組成よりも過剰の鉛を含有するアモルファス状金属酸
化物薄膜を形成する工程、該アモルファス状金属酸化物
薄膜をエッチングする工程、およびエッチングされたア
モルファス状金属酸化物薄膜を加熱により結晶化する工
程を含むことを特徴とする、金属酸化物薄膜素子の製造
方法。1. A step of forming an amorphous metal oxide thin film containing lead in excess of a stoichiometric composition as a second layer on a first layer, and etching the amorphous metal oxide thin film. And a step of crystallizing the etched amorphous metal oxide thin film by heating.
モルファス状PLZT系薄膜であることを特徴とする請
求項1に記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the amorphous metal oxide thin film is an amorphous PLZT-based thin film.
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の金属酸化
物薄膜素子の製造方法。3. The method according to claim 1, wherein the device is a ferroelectric thin film device.
成が、金属有機化合物溶液の第一の層への塗布と、それ
に続く加熱によるアモルファス化によってなされること
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に
記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the formation of the amorphous metal oxide thin film is carried out by applying a metal organic compound solution to a first layer, and then by heating to form an amorphous state. 4. The method for producing a metal oxide thin film element according to any one of the above items 3.
あることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれ
か1項に記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。5. The method for manufacturing a metal oxide thin film device according to claim 1, wherein the etching is wet etching.
用を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のい
ずれか1項に記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。6. The method according to claim 1, wherein the wet etching includes the use of an aqueous HCl solution.
化学量論組成に相当する鉛の量の1モル%ないし30モ
ル%の鉛を過剰に含有することを特徴とする請求項1な
いし請求項6のいずれか1項に記載の金属酸化物薄膜素
子の製造方法。7. The amorphous metal oxide thin film,
7. The metal oxide thin-film element according to claim 1, wherein an excess of 1 mol% to 30 mol% of the lead amount corresponding to the stoichiometric composition is contained. Manufacturing method.
むことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか
1項に記載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。8. The method according to claim 1, wherein the first layer contains at least SrTiO 3 .
b1xLax(ZryTi1y)1x/4O3の薄膜であることを
特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記
載の金属酸化物薄膜素子の製造方法。9. The method according to claim 1, wherein the amorphous metal oxide thin film is P
b 1x La x (Zr y Ti 1y) 1x / 4 method for producing a metal oxide thin film element according to any one of claims 1 to 8, characterized in that O 3 is of a thin film.
ス状のPb1xLax(ZryTi1y)1x/4O3が固相エピ
タキシャル成長されることを特徴とする請求項1ないし
請求項9のいずれか1項に記載の金属酸化物薄膜素子の
製造方法。10. The crystallization process, either amorphous Pb 1x La x (Zr y Ti 1y) 1x / 4 claim O 3 is characterized in that it is solid phase epitaxial growth 1 to claim 9 2. The method for producing a metal oxide thin film element according to claim 1.
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- 1999-10-20 JP JP29766099A patent/JP2001116943A/en active Pending
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