(57)【要約】【課題】分極反転領域と非分極判定領域の幅が等しくかつ分極反転周期が均一に形成される。【解決手段】絶縁膜形成工程と、電極接触工程と、分極反転構造形成工程とを含んで構成される周期的分極反転構造の形成方法である。絶縁膜形成工程において、強誘電体結晶基板Z面の第1主表面に形成される絶縁膜20(24)は、ストライプ状の開口部22(26)が周期的に並べて形成されている。そして、このストライプ状の開口部の長手方向が強誘電体結晶基板の結晶軸のY軸方向と平行な方向に一致させて形成されている。【選択図】図３
2011043604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発分極の向きに直交する平面でカットされた、平行平板でかつ単一ドメインの強誘電体結晶基板のZ面の第1主表面に、互いに幅の等しいストライプ状の開口部を周期的に設けた絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記強誘電体結晶基板の前記第1主表面の前記開口部に第1電極を接触させ、かつ前記第1主表面に対向する第2主表面に第2電極を接触させる電極接触工程と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加して、前記強誘電体結晶基板に周期的分極反転構造を形成する分極反転構造形成工程と
を含み、
前記絶縁膜形成工程において、前記ストライプ状に開けられた開口部の長さ方向が前記強誘電体結晶基板のY軸の方向と平行となるように当該開口部を設けて前記絶縁膜を形成することを特徴とする周期的分極反転構造の形成方法。
【請求項２】
前記第1電極及び前記第2電極として、電解質溶液を用いることを特徴とする請求項1に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
【請求項３】
前記第1電極及び前記第2電極として、金属薄膜電極を用いることを特徴とする請求項1に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
【請求項４】
前記絶縁膜を、フォトレジストマスクとして形成すること特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
【請求項５】
前記絶縁膜を、窒化シリコン膜として形成すること特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
【請求項６】
前記絶縁膜を、酸化シリコン膜として形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の周期的分極反転構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、平行平板でかつ単一ドメインの強誘電体結晶基板に周期的分極反転構造を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周期的分極反転構造によって擬似位相整合（QPM: Quasi-Phase Matching）を実現して波長変換を行う擬似位相整合型波長変換素子（以後「QPM型波長変換素子」ということもある。）が注目されている。QPM型波長変換素子は、被波長変換光の波長に応じて周期的分極反転構造の周期を設定することによって任意の波長の被波長変換光に対して波長変換を可能とするからである。この優れた特長を具えていることによって、QPM型波長変換素子は、光ファイバ通信の分野に限らず、光計測の分野等においても積極的に利用されつつある。
【０００３】
また、周期的分極反転構造が形成された強誘電体結晶(ferroelectric crystal)基板は、上述の波長変換素子として利用される他、電気光学偏光器（例えば、特許文献1参照）、テラヘルツ波発生装置（例えば、特許文献2参照）あるいは光変調器等（例えば、特許文献3参照）にも利用されており、産業上広い用途をもっている。
【０００４】
QPM型波長変換素子の素材には、LiNbO3結晶あるいはLiTaO3結晶が盛んに利用されており、分極反転構造の形成には電圧印加法が有力な形成手法として注目されている（例えば、特許文献4参照）。
【０００５】
電圧印加法では、強誘電体結晶基板面に分極反転を起こす領域に電極を配置、すなわち、QPM条件を満たす周期で電極を配置して、この電極に高電圧を印加することによって分極反転を実現させる。しかしながら、電極直下領域をはみ出して分極反転が生じるという現象が起こるため、分極反転領域を電極パターンの形状を正確に反映した形状に形成することが難しいという問題がある。
【０００６】
波長変換素子において、波長変換効率が最も大きく実現される条件の一つが、分極反転領域の幅と非分極反転領域の幅とが等しく形成されていることにある。すなわち、強誘電体結晶基板に周期的分極反転構造を形成する方法に共通する課題は、分極反転周期を均一に、しかも分極反転領域と非分極反転領域の幅が等しくなるように形成することである。
【０００７】
この課題を解決するために、電圧印加法による周期的分極反転構造の形成に当たり、非分極反転領域にプロトン交換処理を施すことにより強誘電性を劣化させて分極反転を抑制し、更に電極を覆うように強誘電体結晶基板表面に絶縁膜を形成することで、電極で覆われた領域から電極で覆われていない領域に分極反転が広がることを抑える技術が提案されている（例えば、特許文献5参照）。
【０００８】
また、電圧印加法による周期的分極反転構造の形成に当たり、電圧印加手段に電解質溶液を電極として利用する手法も提案されている（例えば、特許文献6〜8参照）。以下の説明において、電解質溶液で形成される電極を液体電極ということもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−８３００１号公報
【特許文献２】特開２００５−７７４７０号公報
【特許文献３】特開平１１−１７４３９０号公報
【特許文献４】特開平０８−２２０５７８号公報
【特許文献５】特開２０００−１４７５８４号公報
【特許文献６】特許第３９９９３６２号公報
【特許文献７】特開２００６−２３４９３９号公報
【特許文献８】特開２００３−３３００５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非分極反転領域にプロトン交換処理を施すことにより強誘電性を劣化させ分極反転が起こるのを抑制する方法は、プロトン交換処理工程を必要とし作業工程が複雑となり量産に向かない方法である。
【００１１】
また、電圧印加手段に電解質溶液を電極として利用する手法においても、分極反転領域と非分極反転領域の幅が等しくなるように周期的分極反転構造を形成することについて、未だ改良の余地が残されている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
電圧印加法による周期的分極反転構造の形成において、分極反転領域が周期的に複数箇所に設けられる。そして、これら分極反転領域には電極が形成されるが、それぞれの分極反転領域に形成された電極は電圧印加時に等電位となるように互いに接続されている。この接続を実現するための電極部分（以後、等電位化電極ということもある。）と、分極反転領域に形成される電極部分とは一続きの金属膜で形成されている。すなわち、両電極部分は、一枚の金属電極膜をエッチング処理によってパターニングされて形成される。
【００１３】
このため、接続を実現するための等電位化電極で覆われた部分も分極反転される。そして分極反転現象は、電界強度の大きい部分から開始されるため、電界強度が一番大きくなる等電位化電極と分極反転領域に形成される電極部分との接続部分から分極反転が開始される。その事実から、この出願の発明者は、分極反転領域に形成される電極部分の端において分極反転が起こる領域が広くなり、分極反転領域の幅と非分極反転領域の幅の比が長手方向で均一に形成されないことを見出した。
【００１４】
更に、この出願の発明者は、強誘電体結晶基板に電圧を印加して分極反転を実現させる分極反転構造形成工程において、分極反転領域の形成速度がX軸方向よりもY軸方向のほうが大きいことを実験的に見出した。
【００１５】
そこで、この出願の発明者は、分極反転領域に形成される電極部分を接続するための等電位化電極を必要としないで電圧印加法による周期的分極反転構造を形成する方法を模索した結果、分極反転周期の不均一化の原因となる等電位化電極を必要としない方法を用いかつ分極反転領域の形成速度がX軸方向よりもY軸方向のほうが大きいという性質を応用すれば、分極反転周期を均一にし、かつ分極反転領域と非分極反転領域の幅が等しくなるように周期的分極反転構造を形成することが可能であることを確信した。
【００１６】
そこで、この発明の目的は、プロトン交換処理を必要とせず、分極反転周期を均一、かつ分極反転領域と非分極判定領域の幅が等しくなるように周期的分極反転構造を形成することが可能である方法を提供することにある。
【００１７】
この発明の要旨によれば、周期的分極反転構造の形成方法は、以下の特徴を具えている。
【００１８】
この発明の周期的分極反転構造の形成方法は、絶縁膜形成工程と、電極接触工程と、分極反転構造形成工程とを含んで構成される。
【００１９】
絶縁膜形成工程は、自発分極の向きに直交する平面でカットされた、平行平板でかつ単一ドメインの強誘電体結晶基板のZ面の第1主表面に、互いに幅の等しいストライプ状の開口部を周期的に設けた絶縁膜を形成する工程である。
【００２０】
Z面とは、強誘電体結晶基板のZ軸と直交する平面を指す。また、強誘電体結晶の自発分極を表す自発分極ベクトルの始点であるZ-面と、自発分極ベクトルの終点であるZ+面のいずれでも良い場合、あるいはいずれの面も指す場合は、単にZ面と表記する場合もある。
【００２１】
電極接触工程は、強誘電体結晶基板の第1主表面の開口部に第1電極を接触させ、かつ第1主表面に対向する第2主表面に第2電極を接触させる工程である。
【００２２】
分極反転構造形成工程は、第1電極と第2電極との間に電圧を印加して、強誘電体結晶基板に周期的分極反転構造を形成する工程である。
【００２３】
そして、絶縁膜形成工程において、ストライプ状に開けられた開口部の長さ方向が強誘電体結晶のY軸の方向と平行となるようにこの開口部を設けて絶縁膜が形成される。
【００２４】
この発明の好適な実施形態の周期的分極反転構造の形成方法において、第1電極及び第2電極として、電解質溶液を用いるのが良い。
【００２５】
また、この発明の他の好適な実施形態の周期的分極反転構造の形成方法において、第1電極及び第2電極として、金属薄膜電極を用いるのが良い。
【００２６】
この発明の好適な実施形態の周期的分極反転構造の形成方法において、絶縁膜は、フォトレジストマスク、窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜として形成するのが良い。
【発明の効果】
【００２７】
この発明の周期的分極反転構造の形成方法によれば、幅の等しいストライプ状の開口部が周期的に設けられた絶縁膜がZ面の第1主表面に形成されている。そして、この開口部同士はつながって形成されていない。また、分極反転構造形成工程においてZ面の第1主表面に形成されたストライプ状に開けられた開口部に第1電極が接触され、この開口部が従来技術における分極反転を起こす部分に形成された櫛型電極あるいは梯子型電極の平行ストライプ部分に相当する。
【００２８】
従って、この発明の周期的分極反転構造の形成方法によれば、分極反転領域に形成される電極部分同士を接続するための等電位化電極を有していないので、等電位化電極から分極反転が広がることがない。そのため、分極反転周期を均一に、しかも分極反転領域と非分極反転領域の幅が等しくなるように形成することが可能となる。
【００２９】
更に、ストライプ状に開けられた開口部の長さ方向が強誘電体結晶のY軸の方向と平行となるように当該開口部が設けられている。これによって、より一層厳密に分極反転周期を均一に形成することが可能となる。これは、上述したように、分極反転領域が、X軸に沿った方向よりY軸に沿った方向に早く形成されていく特性があるためである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】櫛型電極による分極反転領域の形成過程の説明に供する図である。(A)は櫛型電極パターンを示す図であり、(B)は電圧印加によって形成された分極反転領域のZ面における形状を示す図である。
【図２】梯子型電極パターンを示す図である。
【図３】絶縁膜のパターンを示す図である。(A)はストライプ状の開口部が矩形である場合を示す図であり、(B)はストライプ状の開口部が強誘電体結晶基板のZ面の全面に及ぶ長さである場合を示す図である。
【図４】第1電極及び第2電極に電解質溶液を利用して周期的分極反転構造を形成する際の電極接触工程で使われる装置についての説明に供する図であり、強誘電体結晶基板のZ軸に平行な方向に切断して示す概略的切断面図である。
【図５】第1電極及び第2電極に金属薄膜電極を利用して周期的分極反転構造を形成する方法の説明に供する図であり、金属薄膜電極が形成された状態の強誘電体結晶基板のZ軸に平行な方向に切断して示す概略的切断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
まず、分極反転領域に形成される電極部分同士を接続するための等電位化電極が存在するために、分極反転領域に形成される電極部分の端から分極反転が開始される状況について、図1及び図2を参照して説明する。そして、図3〜図5を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。
【００３２】
なお、図3〜図5の各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の断面形状や配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、図1〜図3の各図において、構成要素にハッチングを付して示してあるが、これらのハッチングは断面を表すのではなく、図１及び図２においては電極部分、図３においては絶縁膜であることを強調して示しているにすぎない。また、以下の説明において、特定の材料および条件等を用いることがあるが、これら材料および条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。
【００３３】
＜電圧印加法による分極反転領域の形成の原理＞
図1(A)及び図1(B)と図2を参照して、電圧印加法による分極反転領域の形成に従来広く用いられてきた金属電極パターンの代表的な形状を示し、電圧印加法による分極反転領域の形成の過程につき説明する。図1(A)及び図1(B)は、櫛型電極による分極反転領域の形成過程の説明に供する図であり、図1(A)は櫛型電極パターンを示す図であり、図1(B)は電圧印加によって形成された分極反転領域のZ面における形状を示す図である。また、図2は梯子型電極パターンを示す図である。
【００３４】
図1(A)に示す櫛型電極の、櫛に例えられる軸に相当する部分が等電位化電極10Cであり、この軸に垂直に突き出た平行に並ぶストライプ部分10Dが分極反転領域に形成される電極部分に相当する。
【００３５】
図1(A)に示す櫛型電極パターン10は、強誘電体結晶基板のZ面に形成された金属薄膜をフォトリソグラフィーによってパターン形成されたものである。理想的に分極反転が起これば、強誘電体結晶基板のZ面の櫛型電極パターン10直下においてのみ分極反転が起こる。しかしながら、図1(B)に示すように、分極反転領域12は、櫛型電極パターン10直下以外の領域にも広がる。分極反転は印加電圧によって形成される電場強度が強い電極境界線14のコーナー部分14Cから始まり徐々に広がっていく。
【００３６】
図1(B)には分極反転領域12に電極境界線14を重ねて示してある。分極反転領域12が電極境界線14（図1(B)において波線で示してある。）の内側にも広がっていることが読み取れる。特に電極境界線14のコーナー部分14Cからの広がりが大きいので、分極反転領域12と非分極反転領域との境界は略レンズ状の形状となる。
【００３７】
従って、図1(A)に示す櫛型電極パターン10による分極反転を実施すれば、図1(B)で示すように、分極反転領域12の幅は端（図1(B)の右側）では広く、徐々に左側に進むにつれて狭くなる形状となる。すなわち、分極反転領域12の分極反転周期を均一に形成することができないことが分かる。
【００３８】
同様に、図2に示す梯子型金属電極16によって分極反転領域を形成しても、梯子型金属電極16の左右の両側に形成されている、梯子部分どうしを接続するための等電位化電極16Sに近い部分において、分極反転が始まり、梯子部分の両側の部分で分極反転領域の幅が広くなり、分極反転領域と非分極反転領域との境界は略レンズ状の形状となる。従って、梯子型金属電極16によって分極反転領域を形成しても、分極反転領域の分極反転周期や幅を長手方向で均一に形成することができない。
【００３９】
＜この発明の実施形態の周期的分極反転構造の形成方法＞
図3(A)及び(B)を参照して、この発明の実施形態の周期的分極反転構造の形成方法において利用される絶縁膜及びその形成工程について説明する。図3(A)及び(B)は、自発分極の向きに直交する平面でカットされた、平行平板でかつ単一ドメインの強誘電体結晶基板（図示を省略してある。）のZ面の第1主表面に形成される絶縁膜のパターンを示す図である。図3(A)はストライプ状の開口部が矩形である場合を示す図であり、図3(B)はストライプ状の開口部が、強誘電体結晶基板のZ面の全面に及ぶ長さである場合を示す図である。
【００４０】
図3(A)に示すように、絶縁膜20にストライプ状の開口部22が周期的に並べて形成されている。そして、このストライプ状の開口部22の長手方向が強誘電体結晶基板28の結晶軸のY軸方向と平行な方向に一致させて形成されている。また、図3(B)に示すように、絶縁膜24にストライプ状の開口部26を周期的に並べて形成し、この開口部26の強誘電体結晶基板28のZ面の端から端まで届く長さに形成しても良い。
【００４１】
図3(A)に示すように絶縁膜20にストライプ状の開口部22を形成して、電圧印加して分極反転を行うと、開口部22の左右の両端の角の部分から分極反転が開始されるが、分極反転領域がX軸方向へ広がる前にY軸方向への分極反転が終了し、その後、X軸方向への分極反転が均一に進むので、分極反転領域の幅は均一に形成される。
【００４２】
分極反転領域がY軸方向への分極反転が終了し、X軸方向への分極反転が均一に進む段階で電圧印加を終了するタイミングを調整することによって、ストライプ状の開口部22の幅を調整することが可能である。すなわち、開口部22のX軸方向の幅を、分極反転領域のX軸方向の幅よりも狭く設定しておき、電圧印加時間を調整することによって、分極反転領域のX軸方向の幅を設計値に確定させ、所望の周期的分極反転構造を形成することが可能となる。図3(B)の開口部26のX軸方向の幅も、開口部22と同様に電圧印加時間を調整すれば所望の周期的分極反転構造を形成することができる。
【００４３】
開口部を図3(A)あるいは図3(B)のいずれに形成するかは、周期的分極反転構造を具える素子の設計上の事項に属する。
【００４４】
絶縁膜20あるいは24として、フォトレジストマスク、窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜のいずれを用いることも可能である。窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜は、スパッタリング法あるいは真空蒸着法等の周知の方法で形成できる。また、開口部22あるいは26は、周知のフォトリソグラフィー及びエッチング処理によって形成可能である。
【００４５】
次に、強誘電体結晶基板の第1主表面に第1電極を接触させかつ第1主表面に対向する第2主表面に第2電極を接触させる電極接触工程について説明する。
【００４６】
まず、第1電極及び第2電極に液体電極である電解質溶液を利用する方法について図4を参照して説明する。図4は、第1電極及び第2電極に電解質溶液を利用して周期的分極反転構造を形成する際の電極接触工程で使われる装置についての説明に供する図であり、強誘電体結晶基板のZ軸に平行な方向に切断して示す概略的切断面図である。
【００４７】
強誘電体結晶基板30のZ+面を第1主表面として設定し、Z-面を第2主表面に設定してある。第1主表面には、ストライプ状の開口部が形成された絶縁膜32が形成されている。
【００４８】
第2電極として電解質溶液50が強誘電体結晶基板30の第2主表面に接触されて構成される。電解質溶液50は円柱状の第1容器40に満たされており、電解質溶液50が漏れ出さないように、O-リング42を挟んで第2主表面に接触されている。
【００４９】
一方、第1電極として電解質溶液52が強誘電体結晶基板30の第1主表面に接触されて構成されている。電解質溶液52は、円柱状の第2容器46に満たされており、電解質溶液52が漏れ出さないように、O-リング44を挟んで第1主表面に接触されている。
【００５０】
電解質溶液52には第1電極棒36が挿入されており、電解質溶液50には第2電極棒38が挿入されている。第2電極棒38は、第1容器40の底から挿入されており、第2電極棒38の挿入部分から電解質溶液50が漏れ出さないように接着剤等で処置が施されている。
【００５１】
以上説明した様に、第1容器40に満たされた電解質溶液50及び第2容器46に満たされた電解質溶液52が、それぞれ強誘電体結晶基板30の第2主表面であるZ-面及び第1主表面であるZ+面に接触されて構成される。これによって電極接触工程が完了する。
【００５２】
電極接触工程が完了したら、続いて第1電極棒36を電圧源34のプラス極に接続し、第2電極棒38を電圧源34のマイナス極に接続して電圧を印加することによって、分極反転構造形成工程を実施する。
【００５３】
ここでは、強誘電体結晶基板30としてニオブ酸リチウム結晶(LiNbO3)基板を利用した。電圧源34から電圧を6 kV/mmでパルス幅が数百ミリ秒のパルス状の電圧信号を供給した。分極反転構造形成工程をこのように実施したところ、分極反転領域と非分極反転領域の幅が等しくかつ分極反転周期が均一に形成されることが確かめられた。電圧源34から供給される電圧信号のパルス幅が電圧印加時間に相当する。
【００５４】
分極反転構造形成工程が終了したら、電解質溶液50及び52を水洗して取り除き、絶縁膜32を周知の化学エッチングで取り除くことによって、強誘電体結晶基板30への周期的分極反転構造の形成が完了する。
【００５５】
電解質溶液50及び52として、電解質である塩化リチウム(LiCl)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)等の水溶液を適宜利用することが可能である。
【００５６】
次に、第1電極及び第2電極に金属薄膜電極を利用する方法について図5を参照して説明する。図5は、第1電極及び第2電極に金属薄膜電極を利用して周期的分極反転構造を形成する方法の説明に供する図であり、金属薄膜電極が形成された状態の強誘電体結晶基板のZ軸に平行な方向に切断して示す概略的切断面図である。
【００５７】
強誘電体結晶基板60のZ+面を第1主表面として設定し、Z-面を第2主表面に設定してある。第1主表面には、ストライプ状の開口部が形成された絶縁膜62が形成されている。
【００５８】
第1電極として金属薄膜電極72が強誘電体結晶基板60の第1主表面に接触されて形成されている。第2電極として金属薄膜電極70が強誘電体結晶基板60の第2主表面に接触されて形成されている。
【００５９】
このように、第1及び第2電極の形成が終了、すなわち電極接触工程が完了したら、続いて第1電極である金属薄膜電極72を電圧源64のプラス極に接続し、第2電極である金属薄膜電極70を電圧源64のマイナス極に接続して電圧を印加することによって、分極反転構造形成工程を実施する。
【００６０】
ここでも上述の電解質溶液を用いる液体電極によって電圧を印加する場合と同様に、強誘電体結晶基板60としてニオブ酸リチウム結晶(LiNbO3)基板を利用した。電圧源64から電圧を6 kV/mmでパルス幅が数百ミリ秒のパルス状の電圧信号を供給した。分極反転構造形成工程をこのように実施したところ、分極反転領域と非分極反転領域の幅が等しくかつ分極反転周期が均一に形成されることが確かめられた。
【００６１】
分極反転構造形成工程が終了したら、第1電極である金属薄膜電極72、第2電極である金属薄膜電極70及び絶縁膜62を周知の化学エッチングで取り除くことによって、強誘電体結晶基板60への周期的分極反転構造の形成が完了する。
【００６２】
強誘電体結晶基板30あるいは60として、上述のLiNbO3以外に、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、Potassium titanyl phosphate (KTP: KTiOPO4)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)等を適宜利用することが可能である。また、光の電場によって屈折率が変化する、いわゆる光損傷が発生しにくくするために、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、スカンジウム（Sc）、インジウム(In)等の元素がドーピングされた強誘電体結晶基板を用いるのが好適である。
【符号の説明】
【００６３】
10：櫛型電極パターン
10C、16S：等電位化電極
10D：ストライプ部分
12：分極反転領域
14：電極境界線
16：梯子型金属電極
20、24：絶縁膜
22、26：開口部
28：強誘電体結晶基板
30、60：強誘電体結晶基板
32、62：絶縁膜
34、64：電圧源
36：第1電極棒
38：第2電極棒
40：第1容器
42、44：O-リング
46：第2容器
50、52：電解質溶液
70、72：金属薄膜電極
【図１】
2011043604.tif 000003
【図２】
2011043604.tif 000004
【図３】
2011043604.tif 000005
【図４】
2011043604.tif 000006
【図５】
2011043604.tif 000007