(57)【要約】【課題】シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶との複合基板であって、基板の反り、剥離、割れが生じにくい複合基板を提供する。【解決手段】複合基板１は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板４、厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板２、および基板４と薄板２とを接合する接合層３を備えている。薄板２が、非線形光学効果を有する単結晶（例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム単結晶）からなる。【選択図】         図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板、厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板および前記基板と前記薄板とを接合する接合層を備えており、前記薄板が、非線形光学効果を有する単結晶からなることを特徴とする、複合基板。
【請求項２】
前記非線形光学効果を有する単結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項１記載の複合基板。
【請求項３】
前記薄板内に周期分極反転構造が形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の複合基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の複合基板を備えていることを特徴とする、光学部品。
【請求項５】
シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶からなる板状体とを接合し、次いで前記板状体を加工することによって、厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板を形成することを特徴とする、複合基板の製造方法。
【請求項６】
前記非線形光学効果を有する単結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記複合基板が光学部品であることを特徴とする、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶からなる厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板とを接合することを特徴とする、複合基板の製造方法。
【請求項９】
前記非線形光学効果を有する単結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記複合基板が光学部品であることを特徴とする、請求項８または９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶との複合基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶からなる基板に光導波路を作製した場合には、この基板を所望寸法に切断して素子を形成した後に、素子の入射面および出射面を光学研磨する必要があった。また、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶内に周期分極反転構造を形成しようとした場合、結晶に対して比較的大きな電圧を印加する必要があった。
【０００３】
一方、ＧａＡｓ基板やシリコン基板上に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶基板を直接接合する方法が公開されている（特許文献１〜３）。
【特許文献１】特許第２５６３７３３号公報
【特許文献２】特開平７−３８３６１号公報
【特許文献３】特開平７−１０６９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶からなる光学素子の端面の光学研磨を不要とし、また周期分極反転構造を形成するのに必要な電圧を小さくすることを試みた。この目的のために、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムの板をシリコン基板やＧａＡｓ基板上に接合することを試みた。しかし、特許文献１〜３に記載の方法では、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶基板とシリコン基板やＧａＡｓ基板とを貼り合わせる際に、例えば高温（例えば３５０℃）で加熱することが、所望の接合強度を得る上で必要である。この接合温度が低いと、次にニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム基板を研磨加工する際に、基板の剥離や反りが生じてしまうからである。しかし、このような接合温度では、基板の寸法が２インチ以上になると、基板に割れや剥離が発生することが判明した。また、基板の接合面に凹凸が存在する場合には、直接接合によって基板を接合することは困難である。
【０００５】
なお、シリコン基板上に、ＭＯＣＶＤ法、スパッタリング法、ゾルゲル法によってニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムの薄膜を作製するという報告もあるが、これによって生成する膜は多結晶膜である。
【０００６】
本発明の課題は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶との複合基板であって、基板の反り、剥離、割れが生じにくい複合基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板、厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板および前記基板と薄板とを接合する接合層を備えており、薄板が、非線形光学効果を有する単結晶からなることを特徴とする、複合基板に係るものである。
【０００８】
本発明者は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶との間に接合層を設け、これによって両者を接合することを試みた。これによって、直接接合の場合のような高温は必要ないために、基板の割れは生じない。また、基板表面に凹凸がある場合でも、基板同士を接合することが可能である。しかし、得られた複合基板に例えば光導波路を形成して素子を作製したところ、素子の環境温度が変化すると、基板に反りが発生し、光軸のずれを引き起こすことを見いだした。
【０００９】
本発明者は、こうした知見に基づき、ＧａＡｓ基板またはシリコン基板上に接合層を介して、非線形光学効果を有する単結晶板を接合するのとともに、この単結晶板の厚さを２５μｍ以下にすることを想到した。この結果、複合基板の環境温度が変化しても、複合基板の反りを防止できることが分かった。
【００１０】
こうして得られた複合基板は、へき開性や高熱伝導性などの点で、シリコンやＧａＡｓ単結晶の性質を有している。これと共に、単結晶の非線形光学特性を利用することが可能である。更に、非線形光学効果を有する単結晶の結晶方位、薄板の平面的寸法、シリコンやＧａＡｓ単結晶の方位および寸法を任意に選択することができる。
【００１１】
また、本発明は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶からなる板状体とを接合し、次いで板状体を加工することによって、厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板を形成することを特徴とする、複合基板の製造方法に係るものである。
【００１２】
また、本発明は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶からなる厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板とを接合することを特徴とする、複合基板の製造方法に係るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る複合基板１を概略的に示す断面図である。複合基板１は、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板４、非線形光学効果を有する単結晶からなる薄板２、および基板４と薄板２とを接合する接合層３を備えている。本例では、接合層３は、基板４の接合面４ａに接触しており、かつ、薄板２の接合面２ａに接触している。２ｂ、４ｂは非接合面である。薄板２の厚さＴＰは、０．１μｍ以上、２５μｍ以下である。
【００１４】
図２は、本発明の他の実施形態に係る複合基板１Ａを示す断面図である。複合基板１Ａは、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板４、非線形光学効果を有する単結晶からなる薄板２、基板４の主面４ａ上に設けられた導電層５、および基板４と薄板２とを接合する接合層３を備えている。本例では、接合層３は、導電層５の接合面５ａに接触しており、かつ、薄板２の接合面２ａに接触している。薄板２の厚さＴＰは、０．１μｍ以上、２５μｍ以下である。
【００１５】
非線形光学効果を有する単結晶の種類は特に限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体、ニオブ酸カリウム、チタニルリン酸カリウム、ホウ酸バリウム、ホウ酸リチウムが好ましい。
【００１６】
非線形光学効果を有する単結晶中には、例えば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。
【００１７】
非線形光学効果を有する単結晶中には、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、例えばレーザー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。
【００１８】
また、シリコン単結晶、ＧａＡｓ単結晶中には、例えば以下の元素が添加されていてもよい。
ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、水素（Ｈ）
【００１９】
シリコン単結晶やＧａＡｓ単結晶の導電率の値は特に限定されない。導電率は、例えば他の元素を添加することによって調節することができる。
【００２０】
また、シリコン単結晶基板やＧａＡｓ単結晶基板の代わりとして、ＳｉＣ単結晶基板、ＡｌＮ単結晶基板、ＧａＮ単結晶基板を使用することもできる。これらの基板には、他の元素が添加されていてもよい。
【００２１】
薄板２の厚さＴＰは２５μｍ以下である。ＴＰは、本発明の観点からは、１５μｍ以下であることが更に好ましい。また、薄板２の厚さＴＰは０．１μｍ以上とする。これが０．１μｍ未満であると、薄板２の厚さのバラツキが薄板２の厚さに与える影響が大きくなる。薄板２の厚さのバラツキの影響を低減するという観点からは、薄板２の厚さＴＰは０．５μｍ以上とすることが一層好ましい。
【００２２】
基板４の厚さＴＳは特に限定されない。複合基板の取り扱い時の機械的強度を向上させるという観点からは、ＴＳは５０μｍ以上であることが好ましい。
【００２３】
薄板２と基板４との間の接合層３を構成する接着剤は以下のものが好ましい。
（１）有機系接着剤：例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂
（２）無機系接着剤：例えば低融点ガラス、水ガラス
【００２４】
接合層３の厚さＴＪが大きいと、接合層３の厚さのバラツキの絶対値が大きくなる。本発明においては、薄板２の厚さを２５μｍ以下と非常に小さくしているので、接合層３の厚さのバラツキが大きくなると、薄板２の厚さのバラツキも大きくなり易い。特に、薄板２を接合後の加工によって形成する場合には、このような薄板２の厚さのバラツキが大きくなる。従って、薄板２の厚さを均一化するという観点からは、接合層３の厚さＴＪは、１μｍ以下であることが好ましい。また、接合層３の厚さＴＪは、薄板２の厚さＴＰ以下であることが好ましい。また、接合層３の厚さＴＪの下限は特にないが、接合強度を向上させるという観点からは、０．１μｍ以上が好ましい。
【００２５】
薄板２、基板４の各表面には、それぞれ任意の被膜を形成することができる。好適な実施形態においては、薄板２の主面、基板４の主面に導電膜を形成できる。例えば、図２の例においては、基板４の主面４ａ上に導電膜５が形成されている。
【００２６】
この導電膜５は、基板４の主面４ａの全面もしくは一部に設けることができる。この場合には、導電膜５は電極として利用可能である。また、導電膜５の代わりに各種の電子素子を形成することができる。このような電子素子としては、集積回路、半導体レーザー素子、光検出器を例示できる。
【００２７】
また、薄板２内に光導波路を例えばチタン拡散法、プロトン交換法によって形成できる。また、薄板２の主面上にリッジ型光導波路を形成できる。更に薄板２内あるいは薄板２上のこれらの光導波路内に周期分極反転構造を形成することができる。
【００２８】
本発明の複合基板の用途は特に限定されないが、波長変換素子、光変調器素子、表面弾性波素子、半導体レーザー素子、光検出器素子、圧電振動子を例示できる。
【００２９】
前記波長変換素子は、第二高調波発生素子に限定されず、第三、第四高調波発生素子及び和周波発生素子や差周波発生素子であってもよい。こうした波長変換素子は、波長３９０ｎｍ−５５０ｎｍの領域の光を発生させる用途に特に適している。こうした短波長の光を発振する素子は、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【００３０】
本発明の複合基板の製造手順は限定されないが、以下が好ましい。
（１）図３に示すように、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板４と、非線形光学効果を有する単結晶からなる板状体６とを接合する。両者の間には接合層３を生成させる。次いで、板状体６を点線Ａに沿って加工することによって、厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板２を形成する。この加工方法としては、研削、レーザーアブレーション、ラッピング、ポリッシング、スライシング、サンドブラスト、ＲＩＥ、イオンミリング、酸・アルカリなどによるエッチングなどを例示できる。
【００３１】
（２）シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板４と、非線形光学効果を有する単結晶からなる厚さ０．１μｍ以上、２５μｍ以下の薄板２とを接合する。
【００３２】
接合時の温度は、接着剤の種類によって決定されるので、特に限定されない。しかし、複合基板の反りや割れを防止するという観点からは、接合時の温度は２００℃以下であることが好ましい。
【実施例】
【００３３】
（実施例１）
寸法４インチ、厚さ１ｍｍのＸカットのタンタル酸リチウムの板状体６と、寸法４インチ、厚さ０．５ｍｍのシリコン基板４とを熱硬化性樹脂によって接着した。接着時の温度は１００℃であった。接合層３の厚さは０．５μｍである。次いで、板状体６を機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨し、厚さ５μｍの薄板２を形成した。薄板２内には割れや剥離は観察されなかった。こうして得られた複合基板１を、温度１２１℃、湿度１００％の高温高湿雰囲気中に９６時間曝露したが、薄板２の剥離、割れ、基板の反りは観察されなかった。
【００３４】
（実施例２）
寸法３インチ、厚さ０．５ｍｍの板状体６を準備した。この板状体６は、ＭｇＯが５ｍｏｌ％添加されたニオブ酸リチウム単結晶からなるＸカット基板である。この板状体６を機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨し、厚さ１５μｍの薄板２を形成した。薄板２内には割れや剥離は観察されなかった。この薄板２を、寸法４インチ、厚さ０．５ｍｍのシリコン基板４に対して、紫外線硬化型樹脂接着剤によって接着し、複合基板１を得た。接合層３の厚さは１μｍである。複合基板１の薄板２内には割れや剥離は観察されなかった。こうして得られた複合基板１を、温度１２１℃、湿度１００％の高温高湿雰囲気中に９６時間曝露したが、薄板２の剥離、割れ、基板の反りは観察されなかった。
【００３５】
（実施例３）
寸法３インチ、厚さ０．５ｍｍの３６°−Ｙカットのタンタル酸リチウムの板状体６と、寸法３インチ、厚さ０．３８ｍｍのシリコン基板４とを、紫外線硬化型樹脂接着剤によって接着した。接合層３の厚さは０．３μｍである。次いで、板状体６を機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨し、厚さ１μｍの薄板２を形成した。薄板２内には割れや剥離は観察されなかった。こうして得られた複合基板１を、温度１２１℃、湿度１００％の高温高湿雰囲気中に９６時間曝露したが、薄板２の剥離、割れ、基板の反りは観察されなかった。
【００３６】
また、複合基板１の薄板２上に、フォトリソグラフィー法によって励起電極を作製し、圧電素子を得た。
【００３７】
（実施例４）
寸法３インチ、厚さ０．５ｍｍのＸカットのニオブ酸リチウム単結晶からなる板状体６の主面６ａ側に、チタン拡散法によって光導波路を形成した。光導波路を形成した主面６ａを接着面とし、寸法３インチ、厚さ０．２ｍｍのシリコン基板４と熱硬化性接着剤によって接着した。接着時の温度は１００℃であり、接合層３の厚さは０．５μｍとした。次いで、板状体６の非接合面６ｂを機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨加工し、厚さ１０μｍの薄板２を形成した。次いで、基板４を機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨加工し、厚さを０．１ｍｍとした。基板４および薄板２内には割れや剥離は見られなかった。この複合基板１から、へき開によって、光導波路方向の長さ３０ｍｍの光導波路素子を得た。この素子の端面には、ＡＲコートを施した。この素子の端面を光ファイバーと結合し、結合損失を測定したところ、波長１．５５μｍで両端合わせて１ｄＢ以下であった。
【００３８】
（実施例５）
寸法３インチ、厚さ１ｍｍの板状体６を準備した。板状体６は、ＭｇＯが５ｍｏｌ％添加されたニオブ酸リチウム単結晶からなるＺカット基板である。板状体６を、寸法３インチ、厚さ０．５ｍｍの導電性シリコン基板と熱硬化性樹脂によって接着し、複合基板１Ａを得た。接着時の温度は１００℃であり、接合層３の厚さは０．３μｍである。次いで、板状体６を非接合面６ｂ側から機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨加工し、厚さ３μｍの薄板２を形成した。薄板２内には割れや剥離は観察されなかった。
【００３９】
次いで、フォトリソグラフィー法によって、薄板２の非接合面２ｂ上に櫛形電極を成膜した。この櫛形電極を上部電極とし、導電性シリコン基板を下部電極とし、電圧印加法によって周期２．８μｍの周期分極反転構造を薄板２内に形成した。次いで櫛形電極を除去し、周期分極反転構造部分に、機械加工によって幅４μｍのリッジ型光導波路を形成した。次いで複合基板をダイサーで切断してチップを得、チップの端面を化学機械研磨することにより、幅２ｍｍ、長さ１０ｍｍの第二高調波発生素子を作製した。この素子の端面には、ＡＲコートを施した。
【００４０】
この素子を使用し、チタンサファイアレーザーを用いて第二高調波を発生させた。位相整合波長は８２０ｎｍであり、第二高調波の波長は４１０ｎｍであった。ＳＨＧ変換効率は５００％／Ｗであった。基本波の入射出力が１００ｍＷのときに、５０ｍＷの第二高調波が出力された。
【００４１】
（実施例６）
寸法３インチ、厚さ０．５ｍｍの板状体６を準備した。板状体６は、ニオブ酸リチウム単結晶からなるＺカット基板である。板状体６を、寸法３インチ、厚さ０．５ｍｍの導電性シリコン基板と熱硬化性樹脂によって接着し、複合基板１Ａを得た。接着時の温度は３０℃であり、接合層３の厚さは０．３μｍである。次いで、板状体６を非接合面６ｂ側から機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨加工し、厚さ１５μｍの薄板２を形成した。これを１５０℃で加熱することによって樹脂を硬化させ、薄板２を非接合面２ｂ側から機械研削装置および研磨装置によって研削および研磨加工し、厚さ１μｍの薄板２を形成した。薄板２内には割れや剥離は観察されなかった。
【００４２】
次いで、薄板２の非接合面２ｂ上にマイクロプローブの先端を接触させた。このマイクロプローブを上部電極とし、導電性シリコン基板を下部電極とし、電圧印加によって六角形の分極反転構造を薄板２内に形成した。
【００４３】
（実施例７）
シリコン単結晶基板をＧａＡｓ単結晶基板に変更した以外は、実施例１と同様にして複合基板１を製造した。この結果、実施例１と同様の結果を得た。また、シリコン単結晶基板やＧａＡｓ単結晶基板の代わりとして、ＳｉＣ単結晶基板、ＡｌＮ単結晶基板、ＧａＮ単結晶基板を使用することもできる。
【００４４】
（比較例１）
実施例１と同様にして複合基板１を製造した。ただし、薄板２の厚さを３０μｍとした。得られた複合基板１を、温度１２１℃、湿度１００％の高温高湿雰囲気中に９６時間曝露したところ、薄板２の剥離、基板の反りが観察された。
【００４５】
以上述べたように、本発明によれば、シリコン単結晶またはＧａＡｓ単結晶からなる基板と、非線形光学効果を有する単結晶との複合基板であって、基板の反り、剥離、割れが生じにくい複合基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合基板１を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る複合基板１Ａを概略的に示す断面図である。
【図３】複合基板１の一製造工程における接着体を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、１Ａ  複合基板        ２  薄板        ２ａ  薄板２の接合面        ２ｂ  薄板２の非接合面        ３  接合層        ４  基板        ５  導電層        ６  板状体        ＴＪ  接合層３の厚さ        ＴＰ  薄板２の厚さ        ＴＳ  基板４の厚さ
【図１】
2004295089.tif 000003
【図２】
2004295089.tif 000004
【図３】
2004295089.tif 000005