(57)【要約】【課題】  非線形光学結晶基板に分極反転構造を作成する方法において、非分極反転面に電界が漏れて分極反転領域が不均一となり、高い製造歩留まりが実現しなかった。【解決手段】  周期分極反転のための電極を形成する工程において、非分極反転面に犠牲層を設け、分極反転面に電極を形成した後に犠牲層を除去することで、非分極反転面には空気層が形成される。  そのため、電極へ電圧を印加する際に、絶縁破壊や電界漏れが抑制され、また犠牲層を用いることでフォトリソグラフィーの寸法精度で電極幅を制御できるので、均一で精度の良い周期分極反転構造を効率的に製造することが可能となる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学結晶の基板上に電極を形成し、前記電極に電圧を印加して分極反転素子を製造する方法において、前記基板上に所定形状の犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に電極材料を成膜する工程と、前記電極材料の成膜後に前記犠牲層を除去する工程と、前記犠牲層の除去後に前記電極に電圧を印加して分極反転させる工程とを備えた分極反転素子の製造方法。
【請求項２】
非線形光学結晶の基板上に周期的に所定形状の犠牲層を配列することを特徴とする請求項１に記載の分極反転素子の製造方法。
【請求項３】
所定形状の犠牲層の端部の上に成膜された電極材料を一部開口し、前記開口を介して前記犠牲層を除去することを特徴とする請求項１に記載の分極反転素子の製造方法。
【請求項４】
犠牲層が感光性樹脂材料であることを特徴とする請求項１記載の分極反転素子の製造方法。
【請求項５】
犠牲層が卑金属またはシリコン、ポリシリコン、シリコン酸化物およびシリコン窒化物から選択されるシリコン化合物であることを特徴とする請求項１に記載の分極反転素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体材料からなる非線形光学結晶基板に分極反転構造を施した光機能素子、電子デバイス等の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームや形状加工した電極を用いて非線形光学結晶基板に電界を印加すると、任意箇所に分極反転領域を形成することができ、メモリ機能や光変調機能を持つ素子を製造することができる。
例えば、特許文献１に開示されているような周期分極反転構造の形成方法が知られていた。この方法は、Ｚ面でカットされたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の結晶基板に対して、結晶基板の＋Ｃ面へ櫛歯状の第１の電極、−Ｃ面へ平面の第２の電極を設け、第１の電極と第２の電極との間に所定の分極反転電圧を印加し、第１の電極直下のＣ軸方向に分極反転領域を成長させ、周期分極反転構造を形成するものであった。しかし、この製造方法では、電圧が印加された櫛歯電極パターンの端部において放電が起こるため、結晶基板への電圧印加が再現性良く行えない問題があった。そのため、この製法で作成した周期分極反転構造は、櫛歯状の電極パターンの直下にできる分極反転領域と、電極パターンが無く分極反転しなかった部分の非分極反転領域とが同じ領域幅ではなく不均一なものであった。
【０００３】
また、特許文献２に開示されているように、非分極反転面に絶縁膜のパターンを形成した後に金属膜を成膜して電極とする方法があった。この方法を用いることで電極を櫛歯形状にする必要がなくなり、上述の特許文献１の方法の欠点である放電現象を防止できる利点があった。しかしながら、この絶縁膜を用いた分極反転の方法では、絶縁膜を介して電界が漏れるため、分極反転領域と非分極反転領域との電界強度の差を大きくすることができず、再現性良く任意パターンの分極反転構造を形成することが難しかった。例えば、０．５ｍｍ厚のニオブ酸リチウム基板の上に厚み０．５μｍのＳｉＯ２の絶縁層を形成した後にこの分極反転の方法で作成すると、非分極反転領域と分極反転領域の電界強度の差は僅か３％であり、基板の保持温度や印加電圧が僅かに変動するだけで、非分極反転領域にも分極反転が発生し、均一な周期分極反転構造を形成できない、といった問題があった。
【０００４】
さらに、特許文献３に開示されているように、非線形光学結晶基板の上面にスリット状の穴が開口された膜を載せ、スリット状の穴を介して導電性液体を基板へ接触させ、この接触部分を電極として分極反転電圧を印加する方法があった。この方法を用いることで、櫛歯構造の金属電極パターンを用いず、また、空気層を絶縁層として用いることができるので、放電現象や電界漏れを抑制でき、必要の無い部分にまで分極反転領域が発生することが防止できた。しかし、この方法では、導電性液体と基板との接触幅は導電性液体への加圧力に依存するため、電極幅の制御が難しく、分極反転領域の幅の不均一性は改善されなかった。
【０００５】
また、非特許文献１に開示されているように、電極パターンの形状をしたモールドを基板に押し当て、電極とする方法が提案されている。この方法は空気層が絶縁層となり絶縁破壊や電界漏れは抑制される。しかし、モールドの電極パターンと非線形光学結晶基板との接触状態が安定しない問題があり、一定の幅の分極反転領域を均一に製造することが難しかった。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−１９７１９号公報（第４頁〜第５頁、図１）
【特許文献２】特開平９−２３０４０３号公報（第３頁〜第４頁、図１）
【特許文献３】特開平１０−４８６８０号公報（第３頁、図２）
【非特許文献１】Ｍ．  Ｓａｔｏ，  Ｐ．Ｇ．Ｒ．  Ｓｍｉｔｈ  ａｎｄ  Ｄ．Ｃ．  Ｈａｎｎａ，  “Ｃｏｎｔａｃｔ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  ｂｕｌｋ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ＬｉＮｂＯ３”，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．３４，  ｐｐ．６６０−６６１，  １９９８．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の放電現象や電極幅精度の低下に起因する課題を解決するためになされたものであり、均一で高精度な周期分極反転構造を高い製造歩留まりで実現する分極反転素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の非線形光学結晶の基板上に電極を形成し、その電極に電圧を印加して分極反転素子を製造する方法は、電極を形成するにあたって基板上にいったん所定形状の犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に電極材料を成膜する工程と、電極材料の成膜後に犠牲層を除去する工程と、犠牲層の除去後に電極に電圧を印加して分極反転させる工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る分極反転素子の製造方法によれば、非分極反転面を空気層とすることで電界漏れが抑止され、また犠牲層を用いることでフォトリソグラフィーの寸法精度で電極幅を制御できるので、均一で高精度な周期分極反転構造を高い製造歩留まりで実現する分極反転素子の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
分極反転によって非線形光学結晶に周期的に分極反転構造を形成するための分極反転素子の製造方法を説明する。図１〜７は、本実施の形態１に係る分極反転素子の製造方法を工程順に示した図である。また、各図は、工程中の分極反転素子の斜視図であって、素子端面も合わせて図示したものである。また、説明の煩雑さを避けるためにニオブ酸リチウムの基板を単に「基板」と称して、この発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。また、以下説明する製法はニオブ酸リチウムの基板を例にとって説明するが、電界の印加により分極反転を起こす非線形光学結晶ならニオブ酸リチウムに限られることなく利用できる製造方法である。
【００１１】
図１を参照して、まず、厚み０．５ｍｍの基板１０１の裏面に、第２の電極１０２となる金属膜をスパッタ法で成膜する。金属膜としては例えばＣｒが使用可能である。ここで、図１中に示した第２の電極１０２が付着している側の基板１０１の面は、ニオブ酸リチウム基板の−Ｃ面である。なお、この面の反対側の面は＋Ｃ面である。
【００１２】
つぎに、図２を参照して、基板１０１の表面に厚み２.０μｍの感光性材料（例えば、ノボラック系のポジ型フォトレジスト）を塗布し、フォトリソグラフィーを用いてライン・アンド・スペース状の犠牲層１０６を形成する。なお、犠牲層１０６が形成されている側の面がニオブ酸リチウム基板の＋Ｃ面である。
【００１３】
さらに、図３に示すように、厚み０．５μｍの金属膜をスパッタ成膜して、第１の電極１０４を形成する。金属膜としては例えばＣｒが使用可能である。金属膜は犠牲層１０６のある部分と基板１０１が露出している部分の両方の上に積層されるため、第１の電極１０４は犠牲層１０６が無い部分は基板１０１の＋Ｃ面と直接接触し、犠牲層１０６のある部分はその上を覆うように形成される。
【００１４】
つぎに、図４に示すように、金属膜をパターニングして犠牲層１０６を除去するためのエッチングホール１０５を形成する。そして、基板１０１および第１の電極１０４、第２の電極１０２に損傷を与えない薬液（例えば、アセトン）へ浸漬し、エッチングホール１０５を介して犠牲層１０６を溶解して除去する。その結果、図５に示すようなトンネル状の構造１１０が完成する。トンネルの空洞部分は、犠牲層１０６が元々あった部分であるから、除去後は空気の層となる。したがって、この空気層と接する基板１０１の表面は、後の分極反転の工程において、結晶が分極反転しない領域（非分極反転面１０７）となる。
【００１５】
ここで、犠牲層１０６を除去する工程において、プラズマアッシングなどのドライプロセスを用いると有機残渣が低減できる。また、第１の電極および第２の電極の金属膜として用いる材料は、Ｃｒ以外にＮｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉなどの卑金属でもよく、あるいはＡｕやＰｔなどの貴金属類でもパターニングのためのエッチング液があれば使用可能である。
【００１６】
つぎに、上記の工程を経て作製した基板１０１を分極反転させる。具体的には、基板１０１上の第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に電圧を印加し、基板１０１を分極反転させる。図６は係る工程の説明図であり、第１の電極と接した部分の近辺が電圧印加によって分極反転して分極反転領域１０３となり、第１の電極と接しなかった部分は非分極反転領域１０９となる。したがって、ライン・アンド・スペース状の犠牲層１０６のパターン寸法を適宜調整することによって、所望の周期で分極反転領域と非分極反転領域とがくり返される周期分極反転構造が作製できる。
ここで、分極反転は強誘電体材料固有の分極反転電界が印加されたときに発生するが、ニオブ酸リチウムの分極反転電界の強度は室温で約２０ｋＶ／ｍｍである。したがって、本実施の形態で説明している０．５ｍｍ厚のニオブ酸リチウム基板の例では、分極反転電圧は常温で１０ｋＶ程度が好ましいことになる。
【００１７】
最後に、第１の電極１０４と第２の電極１０２を除去すると、図７に示すような、均一性に優れた周期分極反転素子を製造することができる。電極の除去方法は、例えば、電極材料がＣｒの場合は酸溶剤を用いて除去することができる。
【００１８】
本実施の形態では、半導体工業で用いられているフォトリソグラフィーの手法等を利用して分極反転のための電極パターンを形成しているため、高精度かつ均一に所望の電極パターンを作ることができる。また、電極パターンはスパッタ法など半導体工業で用いられている手法で形成されるため基板との密着性に優れ、基板との接触状態が問題となることはない。したがって、分極反転させる部分の幅や形状を精密に、しかも基板全域で均一に制御することが可能となる。
【００１９】
また、本実施形態の工程では、犠牲層のパターンを一旦形成し、その後除去することによって電極パターンが基板と接触する部分と接触しない部分とを作り分けている。そのため電極はトンネル状の構造となり、犠牲層のあった部分は空気層となる。この製法により、誘電率が低い空気層を絶縁層として用いることができ、かつ容易に絶縁層の厚みを所望の厚みにすることができる。つまり、非分極反転領域１０９に加わる電界は空気層の分だけ緩和されるので、分極反転領域１０８と非分極反転領域１０９の電界強度の差を容易に大きくすることができる。本実施の形態の場合、分極反転領域１０８には２０ｋＶ/ｍｍの電界が印加されるが、非分極反転領域１０９には１５Ｋｖ/ｍｍの電界しか印加されなくなる。これにより、保持温度や印加電圧が設定値から数％変動しても、非分極反転領域１０９には分極反転を起こす電界が加わることがなくなる。したがって、従来のように非分極反転領域における不都合な分極反転が発生せず、さらにフォトリソグラフィーの精度で基板と電極の接触面積を制御できるので、高精度かつ均一に周期分極反転構造を形成することができる。
【００２０】
また、犠牲層の形状と犠牲層の配列周期とを調整することによって、所望の周期で分極反転領域と非分極反転領域とがくり返される周期分極反転構造が作製できる。そのため、所望の非線形光学特性を得るための構造が容易に作成可能となる。
【００２１】
さらに、本実施形態の工程では、犠牲層を除去するために金属膜をパターニングしてエッチングホールを形成している。このホールを設けることで容易に犠牲層を除去できるので、工程時間の短縮と工程コストの低減が図れる。
【００２２】
また、犠牲層のパターンが細長い形状のときは、犠牲層パターンの両端近辺の金属膜を開口してエッチングホールを設けることもできる。この場合は、犠牲層のパターンの中央付近にエッチングホールを設ける場合に比べて、より高精度かつ均一に周期分極反転構造を形成することができる。
つまり、非線形光学結晶を分極反転させる場合は結晶基板に電極を介して電界をかけるが、この電極形状が電界に影響を与えるので電極形状に不連続な部分が無い方が好ましい。
そこで、電界に影響を与える可能性のあるエッチングホールはなるべく犠牲層パターンの両端近辺に配置して分極反転の工程を行うこととする。こうしてできる構造の中央部分は、乱れた電界の影響が無い部分であるから、より高精度かつ均一な周期分極反転構造となる。具体的には、一旦分極反転構造を作成し、乱れた電界の影響の無い中央部分の結晶板を切り出して使用する。
【００２３】
本実施の形態では、上述したように、従来技術で生じていた放電現象や電界漏れ、電極幅精度の低下に起因する製造歩留の低下が無く、均一で高精度な周期分極反転構造を高い製造歩留まりで実現する分極反転素子の製造方法を提供することができる。
【００２４】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、ノボラック系のポジ型フォトレジストなどの感光性材料を犠牲層に使用する例を説明したが、本実施の形態では犠牲層に金属を用いる場合を説明する。
【００２５】
フォトレジストを犠牲層として用いる場合は、その後の工程中で高温となったときにフォトレジストが変質して容易に除去できなくなる欠点がある。そこで、犠牲層に金属を用いることで係る問題を回避することとした。
【００２６】
本形態の分極反転素子の製造方法は、犠牲層が金属になること、その後の工程で犠牲層を除去するときのエッチャントが金属用になることが前述の実施形態１の工程と異なる他は、実施形態１と同じ工程手順であるので、説明の煩雑さを避けるため工程の説明は省略する。なお、エッチングして金属犠牲層を除去する必要があるため、第１の電極、第２の電極にはエッチャントに対して耐性のある金属を選択する必要がある。
【００２７】
例えば、犠牲層にＡｌを使用し、第１の電極、第２の電極にはＣｒを使用する。また、エッチャントには、熱燐酸を使用する。実施形態１と同じ工程手順を経ることにより周期分極反転構造を作成することができる。なお、適宜エッチャントを選択すればＡｌ以外でもＮｉ、Ｃｕ、ＣｒあるいはＴｉなどの卑金属も使用可能である。
【００２８】
また、第１の電極および第２の電極に使用する金属種によっては、犠牲層には、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４などの無機絶縁材料、あるいはＳｉ、ポリＳｉも用いることができる。例えば、電極材料にＣｒ、Ｔａを選択する場合は、エッチャントにバッファドフッ酸（フッ化アンモニウムとフッ酸の混合液）を使用してＳｉＯ２の犠牲層を除去することも可能である。
【００２９】
本実施の形態では、実施の形態１で説明した効果に加えて、高温の工程を採用できるようになるので製造方法の自由度がより向上する利点がある。また、犠牲層にフォトレジストなどの有機材料を使用することに由来する残渣に起因した弊害も、犠牲層に金属あるいはシリコン、ポリシリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの無機材料を使用することで解決可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１の製造工程を示した斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１の製造工程を示した斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１の製造工程を示した斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１の製造工程を示した斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１の製造工程を示した斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態１の製造工程を示した斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態１の製造工程を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１  非線形光学結晶基板、１０２  第２の電極、１０３  分極反転領域、１０４  第１の電極、１０５  エッチングホール、１０６  犠牲層、１０７  非分極反転面、１０８  分極反転面、１０９  非分極反転領域、１１０  トンネル状の構造、１１０  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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