JP4974872B2

JP4974872B2 - 周期分極反転構造の製造方法

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Publication number: JP4974872B2
Application number: JP2007329825A
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: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP2009151149A

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る。

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、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、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、主面上で電極片部の長手方向に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、電極片部の長手方向の導電膜の縁部における電極片部の幅が、導電膜の縁部にある電極片部から見て内側にある電極片部の幅よりも大きいことを特徴とする。

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、電極片部の長手方向の導電膜の縁部における電極幅を大きくし、電荷が集中する電極エッジ（縁部）が基板に接触する面積を増やすことで、より反転に寄与する電荷を多く取り込むことが出来、反転時間が従来より短くなることを見いだした。

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。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。この導電膜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。

図２は、基板１の主面１ａを概略的に示す平面図であり、図３は、電極片部の形態を拡大して示す平面図である。

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。

この後、導電膜５と一様電極７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。

ここで、本発明者は、図２に示すＡのような、電極の縁部（エッジ部分）の形態に着目した。即ち、電極構造の縁部においては、末端の電極片部５が長手方向ｙに向かって延びているが、末端の電極片部５の途中を導電膜２０の縁部２０ａが横切っている。この結果、電極片部５は縁部２０ａで終止し、その先では隙間８に導電膜が充填されておらず、基板表面１ａが露出している。

ここで、従来は、導電膜２０の縁部２０ａにおいても、電極片部５の幅Ｔは特に変化しなかった。即ち、Ｔは、縁部２０ａから離れた場所における電極片部５の幅ｔと等しかった。

しかし、本発明者はこの縁部２０ａに着目し、図５に示すように、長手方向ｙの導電膜２０の縁部２０ａにおける電極片部２２の幅Ｔを、電極片部２２から見て内側にある電極片部５の幅ｔよりも大きくした。内側の電極片部５は、絶縁膜の隙間を導電膜がすべて充填している場所の電極片部を示す。内側の電極片部５は、縁部の電極片部２２から見て隣接する電極片部５であることが好ましい。即ち、導電膜２０の縁部２０ａの近傍で電極片部を幅広にした。これによって、導電膜のエッジ付近で発生する電荷を電極片の端部に集中して収集し、単位時間当たりの分極反転量を著しく増大できることを見いだした。

絶縁膜をパターニングするときのＸ方向の周期Γｘ（図３参照）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。電極片部５の幅ｔは、周期Γｘの影響を受けて定まるので、特に好適範囲を定めるものではない。しかし、例えば実用上は、ｔを0.8〜1.5μｍとすることができる。

本発明の観点からは、（Ｔ−ｔ）、（Ｔ／ｔ）を大きくすることによって、末端の電極片部における電荷の回収を促進することができ、単位時間当たりの分極反転部の生成量を増大させることができる。この観点からは、（Ｔ−ｔ）を18μｍ以上とすることが好ましく、30μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、（Ｔ／ｔ）を10以上とすることが好ましく15以上とすることがさらに好ましい。

ただし、Ｔの上限は特になく、周期Γｘ未満であってよい。

また、（Ｔ／ｔ）の上限は特になく、（Γｘ／ｔ）未満であってよい。

本発明において、好ましくは、縁部から連続する電極片部が、電極片部の長手方向へと向かって延びる一定幅の拡幅部と、この拡幅部から幅が狭くなるテーパ部とを備えている。例えば、図５の例では、縁部２０ａから連続する電極片部２２が、電極片部の長手方向へと向かって延びる一定幅Ｔの拡幅部２２ｂと、この拡幅部２２ｂから幅が狭くなるテーパ部２２ａとを備えている。これによって、分極反転効率への影響を最小限とすることができる。

好適な実施形態においては、図６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３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、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。

絶縁膜の隙間と隙間との間隔Ｇｙは、特に限定されないが、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、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１〜４および図６を参照しつつ説明した手順に従い、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）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。電極片部の幅ｔは０．８μｍ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。導電膜の縁部における電極形状は、図４に示すようにした。このように作製した基板１を、図６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14.5ｍｍにわたる分極反転に要する時間は、9分であった。

（実施例）
対照例において、導電膜の縁部近傍の電極形状を、本発明に従って、図５に示すように変更した。ただし、縁部２０ａの電極片部から内側に隣接する電極片部５の幅ｔは０．８μｍとし、導電膜の縁部１０ａにおける電極片部２２の幅Ｔは３．２μｍとした。

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14.5ｍｍにわたる分極反転に要する時間は、7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の主面１ａ上の電極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。対照例における導電膜縁部の近傍の電極形状を示す平面図である。本発明の実施形態における導電膜縁部の近傍の電極形状を示す平面図である。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。

１基板１ａ、１ｂ主面２一様電極５、２２電極片部６絶縁膜被覆部７絶縁膜２０導電膜２０ａ導電膜の縁部２２ａテーパ部ｔ電極片部の幅Ｔ導電膜の縁部における電極片部の幅ｘ電極片部の長手方向に垂直な方向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、前記主面上で前記電極片部の長手方向に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、前記電極片部の前記長手方向の前記導電膜の縁部における前記電極片部の幅が、前記縁部にある前記電極片部から見て内側にある電極片部の幅よりも大きいことを特徴とする、周期分極反転構造の製造方法。
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記載の方法。
前記縁部から連続する前記電極片部が、前記電極片部の前記長手方向へと向かって延びる一定幅の拡幅部と、この拡幅部から幅が狭くなるテーパ部とを備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。