JP4646150B2

JP4646150B2 - 周期分極反転構造の製造方法

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Publication number: JP4646150B2
Application number: JP2008024839A
Authority: JP
Inventors: 良藤村; 省一郎山口; 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2028-02-05
Also published as: JP2009186634A

Description

本発明は、周期分極反転構造の製造方法に関するものである。

ニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶などの強誘電体単結晶に、周期的な分極反転構造を形成した擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ）方式の第２高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）デバイスは、紫外から赤外まで、比較的任意な波長の光を発生させることができる。このデバイスは、光ディスクメモリ用、医学用、光化学用、及び各種光計測用などの幅広い応用が可能である。

非特許文献１の記載の方法では、ニオブ酸リチウムのＺ基板の表面に絶縁膜を設け、絶縁膜にストライプ状の細長い隙間を設けた上で、絶縁膜および隙間を被覆するように導電膜を設けている。そして、この導電膜にパルス電圧を印加することによって、基板に周期分極反転構造を形成している。
電子情報通信学会論文誌 C-I, Vol. J78-C-1, No.5 pp.238-245、「電圧印加によるLiNbO3 SHGデバイス用分極反転グレーティングの作製」金高健二, 藤村昌寿, 栖原敏明, 西原浩

また、特許文献１では、ニオブ酸リチウム基板の表面に、金属の櫛形電極を形成している。この櫛形電極は、細長い太幅の給電電極と、この給電電極のエッジから多数延びている細長い電極片とを備えている。各電極片は、その長手方向に向かって、所定長さごとに分離されている。
WO 2005 124447

また、特許文献２の電圧印加法では、基板表面の櫛形電極の各電極片を複数に区分し、隣接する電極片の間にギャップを設けている。そして、電極片の長さを変化させたり、電極片の間のギャップの寸法を規定することで、深い分極反転構造を形成することを試みている。
特開2006-003488

特許文献１、２記載の方法では、電極片をその長手方向に向かって複数の細長い断片に分け、断片間に隙間を設けている。これによって、電極片の各断片の各エッジをそれぞれ出発点として分極反転を開始させ、進行させており、これによって、分極反転に要する時間を短くし、また分極反転深さを大きくすることができる。しかし、隣接する分極反転部がつながりやすい傾向があり、基本波エネルギーの変換効率の低下をもたらすことがある。

非特許文献１記載の方法では、隣接する分極反転部がつながりにくいが、しかし電極片が長くなると、分極反転に要する時間が長く、分極反転幅が揃わなくなる傾向がある。特に分極反転に時間がかかることから生産性が低くなる。

本発明の課題は、電圧印加法によって周期分極反転構造を形成するのに際して、隣接する分極反転部の連結を防止すると共に、短時間で周期分極反転構造を形成可能な方法を提供することである。

本発明は、単分域化している強誘電体単結晶基板の主面上に設けられた電極構造を用いて、電圧印加法により周期分極反転構造を製造する方法であって、
電極構造が、強誘電体単結晶基板の主面上に設けられた複数の隙間のある絶縁膜と、この絶縁膜の隙間および絶縁膜を被覆するように設けられている導電膜とを備えており、この導電膜が、絶縁膜を被覆する絶縁膜被覆部と、隙間に設けられた電極片部とを備えており、電極片部が、電極片部の長手方向に対して垂直な方向に向かって互いに離間された状態で配列されており、導電膜に、電極片部の長手方向に対して垂直な方向へと向かって延びる切り欠き部が設けられており、切り欠き部が複数の隙間を通過していることを特徴とする。

本発明によれば、電極構造が、強誘電体単結晶基板の主面上に設けられた複数の隙間のある絶縁膜と、この絶縁膜の隙間および絶縁膜を被覆するように設けられている導電膜とを備えており、この導電膜が、絶縁膜を被覆する絶縁膜被覆部と、隙間に設けられた電極片部とを備えている。これによって、隣接する分極反転部が連結しにくい。

その上で、本発明者は、絶縁層および隙間を被覆する導電膜にスリットを入れることにより、各電極片のエッジと強誘電体基板がと接触する接触面積を増やした。通常、例えば四角形の電極片に電界を印加した場合には、電界分布は、電極片のエッジで強度が最大となる形となる。このため、分極反転も電極片のエッジから進展しやすく、四角形の電極片の内部で分極反転の形成分布に偏りが生じる。そして、分極反転の形成速度が低い。しかし、本発明のように、導電膜に、電極片部の長手方向に対して垂直な方向へと向かって細長く延びる切り欠き部を形成することによって、電極片の内部にも電極エッジを形成することができ、電界分布が電極片の内部でより均一になる。それにより、分極反転の形成分布もより均一になりやすく、反転時間が短くなるのではないかと考えられる。

以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、強誘電体結晶基板１の一方の主面１ａに絶縁膜を形成する。１ｂは他方の主面である。次いで、絶縁膜に細長い隙間８を形成し、パターニングされた絶縁膜７を残す。このパターニングされた絶縁膜７の平面形状を図２に模式的に示す。絶縁膜７には、多数の隙間８が形成されており、各隙間８には基板１の主面１ａを露出させる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、基板１上に導電膜２０を形成する。導電膜２０の平面的形状を図３に示す。導電膜２０は、基板主面１ａを被覆しており、絶縁膜７を被覆する絶縁膜被覆部６と、主面１ａを直接被覆する電極片部５を備えている。基板１の他方の主面１ｂには一様電極２を形成する。

ここで、各電極片部５は、基板主面１ａ上に形成されているものであり、絶縁膜被覆部６は、絶縁膜７上に形成されているものである。各電極片部５は、絶縁膜被覆部６と切れ目なくつながっている。平面的に見ると、電極片部５は、いずれも細長いストライプ状の形態を有している。そして、複数の電極片部５が、電極片部の長手方向に対して垂直な方向ｘに向かって配列されており、方向ｘで見て隣接する電極片部５間には間隙４が形成されている。また、複数の電極片部５が、電極片５の長手方向ｙに向かって配列されており、方向ｙで見て隣接する電極片部５間には間隙９が形成されている。

ここで、導電膜２０には、図３に示すように、方向ｘに向かって延びる切り欠き部２１を設けてある。導電膜２０が存在する領域では、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜７は導電膜下に埋まっているので、図３には、電極片部５の輪郭を点線で示す。一方、切り欠き部２１においては、絶縁膜７および隙間８が表面に露出し、隙間８内に電極片部５が形成されない。この状態を図５に部分断面図として模式的に示す。

この後、導電膜２０と一様電極２との間に所定の電圧を印加し、多数の分極反転部を基板１内に形成することによって、周期分極反転構造を形成する。この電圧印加方法は特に限定されない。例えば不活性雰囲気中に基板を設置して電圧を印加してもよく、絶縁体液体中に基板を設置して電圧を印加してもよい。

例えば四角形の電極片５に電界を印加した場合には、電界分布は、電極片のエッジで強度が最大となる形となる。このため、分極反転も電極片５のエッジから進展しやすく、四角形の電極片の内部で分極反転の形成分布に偏りが生じる。そして、分極反転の形成速度が低い。しかし、本例のように、導電膜２０に、方向ｘへと向かって細長く延びる切り欠き部２１を形成することによって、電極片部５の内部にも電極エッジＥを形成することができ、電界分布が電極片の内部でより均一になる。それにより、分極反転の形成分布もより均一になりやすく、反転時間が短くなる。

導電膜の切り欠き部の形成箇所は特に限定されない。図３の例では、導電膜の対向辺２０ａ、２０ｂからそれぞれ切り欠き部２１を内側へと向かって形成した。しかし、図6に示す例では、導電膜２０の一辺２０ａから対向辺２０ｂへと向かって切り欠き部21Ａを形成した。また、図7に示す例では、導電膜２０の一辺２０ａから対向辺２０ｂへと向かって延びる切り欠き部２１Ｂを形成すると共に、導電膜２０の前記対向辺２０ｂから前記一辺２０ａへと向かって延びる切り欠き部２１Ｃを異なる高さに形成した

各切り欠き部の幅ｂは特に限定されない。しかし、電極片エッジにおいて発生した電荷を分極反転形成に有効に利用するという観点からは、ｂは、2μｍ以上が好ましく、 10μｍ以上がさらに好ましい。一方、切り欠き部の幅ｂが大きくなり過ぎると、分極反転に使用できる領域が小さくなってくる。この観点からは、切り欠き部の幅ｂは、50μｍ以下が好ましく、20μｍ以下がさらに好ましい。

隣接する切り欠き部の間隔ａは特に限定されない。しかし、分極反転部を短時間で効率良く形成するという観点からは、ａは、200〜1000μｍが好ましく、200〜400μｍがさらに好ましい。

また、ｂ／ａは特に限定されない。しかし、分極反転部を短時間で効率良く形成するという観点からは、ｂ／ａは、20〜200が好ましく、20〜40がさらに好ましい。

切り欠き部２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの長さｃは、特に限定されず、形成するべき分極反転部の大きさに合わせて設計すればよい。

好適な実施形態においては、図８に示すように、基板１の下に別体の支持基板１１を積層し、基板１と１１との間に少なくとも一様電極２を介在させる。そして、支持基板１１のうち基板１とは反対側の主面にも電極１２を形成する。そして、基板１と１１とを絶縁性気体１３内に浸漬し、基板１上の導電膜２０と電極１２とにそれぞれ電線１５、１９を結線する。そして、電源１８から導電膜２０および電極１２に対して電圧を印加し、周期分極反転構造を形成する。

本発明において、好ましくは、電極片部が、電極片部の長手方向に向かって互いに離間された状態で配列されている。

図４の例では、絶縁膜の隙間に形成された導電膜２０は、方向ｙに向かって絶縁膜によって複数の電極片部５に分断されている。これによって、各電極片部５の各エッジを出発点として分極反転が進展するので、深い分極反転を短時間で形成可能である。

その上で、本例では、分極反転部と非分極反転部の配列方向ｘに向かって分極反転部分が連結することを防止できる。これと共に、各電極片の長手方向ｙで見たときには、隣り合う電極片５下に生ずる分極反転部分は互いにつながり易く、一連の細長い分極反転部を形成しやすい。

周期分極反転構造を形成するべき基板を構成する強誘電体材料の種類は、限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５の各単結晶が特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザ発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

本発明では、基板としてZカット基板を使用するが、オフカットＺ基板であってもよい。このオフカット角度は、本発明の作用効果という観点から、１０°以下が好ましく、５°以下が更に好ましい。

また、オフカットＺ基板のオフカット角が１０ °以下であれば、半導体レーザとの光軸調整も、傾き補正しなくても波長変換効率の劣化は無視でき、高効率な波長変換素子を実現することができる。

絶縁膜の材質は限定されないが、ＳｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５のような酸化物、窒化珪素のような窒化物であってよい。絶縁膜の成膜方法としては、蒸着法でもスパッタリング法、スピンコート法でもよい。絶縁膜の成膜厚さは、特に限定されないが、５００オングストローム以上、３０００オングストローム以下が好ましい。絶縁膜の厚さが小さい場合は、絶縁性が低くなり、周期状分極反転が形成されにくい。絶縁膜が厚すぎる場合は、パターニング精度が悪くなる。

絶縁膜をパターニングして隙間を形成する方法は特に限定されない。例えば、絶縁膜上にフォトレジストをスピンコーティングし、マスク露光、現像を経て、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、エッチング処理を行うことで、隙間を形成できる。エッチング処理はウェットエッチングでも、ドライエッチングでもよいが、理想的には基板表面にダメージを与えにくいウェットエッチングの方が好適である。

電圧印加法において使用する電極片部、一様電極の材質は限定されないが、Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr 、Pd、Ta 、Mo、W、Ta、AuCrの積層膜などが好ましい。

支持基板１１の材質は、絶縁性が高く、材質内の体積抵抗率が均一で、所定の構造強度を有していることが必要である。この材質としては、シリコン、サファイア、水晶、ガラスを例示できる。

基板を絶縁性液体に浸漬して電圧印加法を実施するのに際しては、絶縁オイル（例えばシリコンオイル）、フッ素系不活性液体を例示できる。

絶縁膜をパターニングするときのＸ方向の周期Γｘ（図４参照）は、発生させたい波長変換光の波長に適した値に設計する。例えば、緑色の2次高調波を発生させる場合は、Γｘは約7μｍとなる。

絶縁膜の隙間と隙間との間隔Ｇｙは、特に限定されないが、分極反転の促進という観点から、０．５μｍ以上が好ましく、０．８μｍ以上がさらに好ましい。絶縁膜の隙間と隙間との間隔Ｇｙは、ｙ方向に隣接する分極反転部の連結を促進するという観点から、２．０μｍ以下が好ましく、１．５μｍ以下がさらに好ましい。ｙ方向の周期Γyは、特に制限を設けるわけではないが、５〜100μmであってよい。

基板背面側の一様電極の形成方法は特に限定されず、蒸着法でもよく、スパッタリング法でもよい。一様電極の膜厚は、例えば５００〜３０００オングストロームとすることができる。

（対照例）
図１、図２、図４および図８を参照しつつ説明した方法に従い、周期分極反転構造を形成した。ただし、基板１としては、ＭｇＯ添加のＬｉＮｂＯ_３（MgOLN）のＺカット基板を使用した。基板１の＋z面１ａに、絶縁膜としてＳｉＯ_２膜を成膜した。絶縁膜の膜厚は約２０００オングストロームとした。次いで、絶縁膜上にフォトレジストをスピンコーティングし、マスク露光、現像を経て、レジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクにして、ウェットエッチング処理を行うことで、図１（ａ）、図２に示すような絶縁膜パターン７を形成した。周期Γxは約7μmとし、Ｇｙは１．２μｍとし、Γyは１０μｍとした。

続いて、スパッタリング法によって、導電膜２０および２を成膜した。これらの膜厚は１０００オングストロームとし、材質はタンタルとした。ただし、導電膜２０には切り欠き部を設けなかった。このように作製した基板１を、図８を参照しつつ説明した方法を適用することによって、周期状分極反転構造を得ることができた。ただし、絶縁性液体として絶縁オイルを使用し、温度設定を１５０℃にした。また、電圧印加条件としては、ウェハの抗電界となる電界強度の約３ｋＶ／ｍｍに設定し、約１ｍｓｅｃ幅の矩形パルスを印加した。パルスの印加回数は、パターン面積に依存するが、例えば２０ｍｍ^２のとき、２００００パルスが好適であった。

こうした得られた基板表面を、ふっ硝酸でウェットエッチングし、次いで顕微鏡で観察した。ｘ方向（横方向）にみたときに、隣接する分極反転部は互いにつながることはなかった。また、ｙ方向（縦方向）にみたときには、隣接する分極反転部は互いにつながり、1本の繋がった分極反転部が形成されていた。長さ3.3ｍｍにわたる分極反転に要する時間は、2.3分であった。

（実施例１）
対照例と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、導電膜２０の形態は図３に示すようにし、切り欠き部２１を形成した。切り欠き部２１の幅ｂを５μｍとし、切り欠き部２１の長さｃを2.4ｍｍとし、隣接する切り欠き部の間隔ａを２００μｍとした。この結果、長さ3.3ｍｍにわたる分極反転に要する時間は、1.8分であった。即ち、単位分極反転面積あたりに必要な時間が、約２０％短縮された。

（実施例２）
対照例と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、導電膜２０の形態は図６に示すようにし、切り欠き部２１Ａを形成した。切り欠き部２１Ａの幅ｂを５μｍとし、切り欠き部２１の長さｃを4.8ｍｍとし、隣接する切り欠き部の間隔ａを２００μｍとした。この結果、長さ3.3ｍｍにわたる分極反転に要する時間は、1.8分であった。即ち、単位分極反転面積あたりに必要な時間が、約20％短縮された。

（実施例３）
対照例と同様にして周期分極反転構造を形成した。ただし、導電膜２０の形態は図７に示すようにし、切り欠き部２１Ｂ、２１Ｃを形成した。切り欠き部２１Ｂ、２１Ｃの幅ｂを５μｍとし、切り欠き部２１の長さｃを4.8ｍｍとし、隣接する切り欠き部の間隔ａを２００μｍとした。この結果、長さ3.3ｍｍにわたる分極反転に要する時間は、1.8分であった。即ち、単位分極反転面積あたりに必要な時間が、約20％短縮された。

本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。

（ａ）は、基板１上に絶縁膜７を形成した状態を示す概略断面図であり、（ｂ）は、絶縁膜７上および主面１ａを被覆する導電膜２０を形成した状態を示す断面図である。基板１上に、パターニングされた絶縁膜７が形成された状態を示す平面図である。基板１の主面１ａ上の電極構造を模式的に示す平面図である。基板１の主面１ａ上の電極形状を示す拡大平面図である。切り欠き部の近辺における電極構造の断面図である。他の実施形態に係る電極構造の平面図である。更に他の実施形態に係る電極構造の平面図である。基板１に電圧を印加するための方法例を模式的に示す図である。

符号の説明

１基板１ａ、１ｂ主面２一様電極５電極片部６絶縁膜被覆部７絶縁膜２０導電膜２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ切り欠き部Ｅ電極片のエッジａ隣接する切り欠き部の間隔ｂ切り欠き部の幅ｘ電極片部の長手方向に対して垂直な方向ｙ電極片部の長手方向Ｇｙ方向ｙに見た電極片部の間隔 Γｘｘ方向の周期 Γｙｙ方向の周期

Claims

単分域化している強誘電体単結晶基板の主面上に設けられた電極構造を用いて、電圧印加法により周期分極反転構造を製造する方法であって、
前記電極構造が、前記強誘電体単結晶基板の前記主面上に設けられた複数の隙間のある絶縁膜と、この絶縁膜の前記隙間および前記絶縁膜を被覆するように設けられている導電膜とを備えており、この導電膜が、前記絶縁膜を被覆する絶縁膜被覆部と、前記隙間に設けられた電極片部とを備えており、前記電極片部が、前記電極片部の長手方向に対して垂直な方向に向かって互いに離間された状態で配列されており、前記導電膜に、前記電極片部の前記長手方向に対して垂直な方向へと向かって延びる切り欠き部が設けられており、前記切り欠き部が前記複数の隙間を通過していることを特徴とする、周期分極反転構造の製造方法。
前記導電膜に複数の前記切り欠き部が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
複数の前記電極片部が、前記電極片部の前記長手方向に向かって互いに離間された状態で配列されていることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。