(57)【要約】  結晶ポリング装置が、炉−ドメイン［ingle-domain/単一ドメインsingle domain］強誘電体基板（例えばＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３：ニオブ酸リチウム）として、サンプルホルダ、高電圧源、コロナトーチ、ガス源、チャンバ、及び少なくとも１つの真空ポンプを有する。一定の構造（例えば周期的なパターン）を有する電極が基板の第１の面に形成され、その基板は、サンプルホルダの上に下向きになるように電極がセットされる。電極を接地して、コロナトーチによって基板の第２の面に生じた電荷の編成により、電極のある領域に高電場を形成する。基板の第２の面の電荷分布を、高電圧源及びガス源によって制御する。最適な結晶ポリングを達成するために、基板の温度を温度調節器によって設定し、基板の第１の面の電極を真空ポンプによって絶縁する。
2010504562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体ドメイン反転のための方法であって、基板の一方の面の上方に位置決めされたコロナトーチと、前記基板の対向する他方の面にある電極とを用いる、必要な電場を生成させて、強誘電体結晶の分極を反転させる方法。
【請求項２】
強誘電体基板の一方の面の上方に位置決めされたコロナトーチ、
コロナ放電を生成するために前記コロナトーチに接続された高電圧（ＤＣ、ＡＣ又はＲＦ）電源、
一方の面に周期的に電極パターンを備える強誘電体結晶基板、
該基板がセットされ、かつ該基板の前記電極パターンが対面しているサンプルホルダ、
前記電極パターンの電気的な区別をはっきりとさせるための手段、
前記基板の温度を制御するための手段、及び
コロナ放電に必要とされる、必要な環境をもたらすためのガス源
を含む結晶ポリング装置。
【請求項３】
接地され；及び
前記強誘電体基板の＋ｃ面に形成されている、請求項２に記載の電極パターン。
【請求項４】
真空ポンプ；及び
基板と真空ポンプとを接続するコネクタ
を含む、請求項２に記載の電極パターンの電気的な区別をはっきりとさせるための手段。
【請求項５】
前記電極パターンの上に電気絶縁フィルムを含む、請求項２に記載の電極パターンの絶縁を高めるための手段。
【請求項６】
前記コロナトーチ、サンプルホルダ、及び基板のような構成部品がチャンバに含まれる、請求項２に記載の結晶ポリング装置。
【請求項７】
前記サンプルホルダに接続されたヒータ、
前記基板付近に位置決めされた温度センサ、及び
前記基板の温度を安定化させるためのフィードバック回路
を含む、請求項２に記載の基板の温度を制御するための手段。
【請求項８】
前記サンプルホルダの脇に配置された輻射ヒータ、
前記基板付近に位置決めされた温度センサ、及び
前記基板の温度を安定化させるためのフィードバック回路
を含む、請求項２に記載の基板の温度を制御するための手段。
【請求項９】
一定の距離で一定の構成で配置された複数のトーチを含む請求項２に記載のコロナトーチ。
【請求項１０】
前記トーチが単一の電源に接続されている、請求項９に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１１】
各トーチが、個々の電源にそれぞれ接続されている、請求項９に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１２】
前記トーチが一列に沿って配置されている、請求項９に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１３】
前記トーチが単一の円又は複数の円に沿って配置されている、請求項９に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１４】
前記トーチが正方形又は矩形の角部に配置されている、請求項９に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１５】
追加的なトーチが、前記円又は正方形又は矩形の中心にセットされている、請求項１３または１４に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１６】
前記トーチが異なる高さに設定されている、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１７】
前記円又は正方形又は矩形の中心付近の前記トーチが、他のトーチとは異なる高さに設定されている、請求項１６に記載の複数のコロナトーチ。
【請求項１８】
ガスタンク、
ガス流制御器、及び
ガス温度調節器
を含む、請求項２に記載のガス供給器。
【請求項１９】
窒素Ｎ２又は他の貴ガスを含む、請求項１８に記載のガスタンク。
【請求項２０】
円又は正方形又は矩形に配置された前記トーチが、湾曲したコロナワイヤによって置き換えられる、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載のコロナトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、疑似位相整合（ＱＰＭ）技術に基づいた非線形光デバイス及び他のフォトニックデバイスに必要な、強誘電体基板にドメイン反転構造を形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体材料の反転ドメインは、波長変換器などの非線形光デバイスの開発における主要な技術である。波長変換器の一例が、非特許文献１、２及び３に開示されている。これらの文献によれば、波長変換装置は、導波路を有する波長変換素子を用い、その導波路において、周期的ドメイン反転格子が導波路の方向に形成されて疑似位相整合（ＱＰＭ）条件を満たしている。角周波数ωＰのポンプ光及び角周波数ωｓの信号光を波長変換素子に入力することにより、波長変換が行われて、角周波数ωｃに変換された光を得る。より高い角周波数のポンプ光を使用する場合、変換された角周波数ωｃは以下の式：ωｃ＝ωｐ−ωｓ（すなわち、差周波発生（ＤＦＧ））によって与えられるか、あるいは、変換された角周波数ωｃは以下の式：ωｃ＝２ωｐ−ωｓ（すなわち、カスケード状の二次非線形相互作用）によって与えられる。波長変換器の別の例が、非特許文献１及び非特許文献４に開示されている。これらの文献によれば、波長変換装置は、周期的ドメイン反転格子のみを用い、疑似位相整合条件を満たしている。角周波数ωｆのポンプ光を波長変換素子に入力することにより、波長変換が行われて、角周波数２ωｆに変換された光、すなわち、第二高調波発生（ＳＨＧ））を得る。
【０００３】
波長変換を効率的に達成するためには、非常に均一に、周期的にドメインが反転された構造が必要とされる。図１に示すように、この周期的ドメイン反転構造を形成する方法が、特許文献１、２及び非特許文献５に開示されている。これらの文献によれば、コロナワイヤ３及び接地シールド４が、ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウム単結晶基板１の−ｃ面の上方に位置決めされ、その基板の＋ｃ面は、周期的な電極パターン２を備える。電極を接地する。コロナワイヤに、高電圧源５からもたらされる高電圧を供給すると、コロナ放電が開始され、基板の−ｃ面に負の電荷をもたらす。−ｃ面に電荷が存在するために、電位差が生じ、基板全体に強電場を生成する。生成された電場が、結晶の内部電場（すなわち抗電場（ｃｏｅｒｃｅｉｖｅ  ｆｉｅｌｄ））よりも大きい場合、電極下のドメインは反転される。それは、生成された電場の方向は、結晶の内部電場と反対であるからである。抗電場は、温度が上昇するにつれて減少するので、文献では温度調節器６を用いて、ドメイン反転に必要な電場を減少させている。各周期的な電極パターン間の電気的な区別をはっきりとさせる（すなわち、高電圧が供給された際に電極の存在区間及び非存在区間のそれぞれの直下の強誘電体結晶基板の内部に生成される電場強度の差を十分大きくとる）ために、真空ポンプ７を用いる。
【０００４】
上述のドメイン反転法は、コロナワイヤを使用することによってワイヤの方向に沿って狭い領域の結晶を分極（ｐｏｌｅ）させることができるのみである。全ウェハ（例えば３インチ（１インチは２．５４ｃｍ）の円形ウェハ）の全域にわたってドメイン反転を均一に達成することが望ましい。
【０００５】
図２に示すように、周期的ドメイン反転構造を形成するために使用し得る別の方法が、特許文献３及び４に開示されている。これらの文献によれば、針３が高分子フィルム２１の一方の面の上方に位置決めされていて、高分子フィルムの他方の面には電極パターン２２を備えている。フィルムを基板２４上に形成する。電極を接地する。針に、高電圧源５からもたらされた高電圧を供給すると、コロナ放電により高分子の上面を帯電させる。上面に電荷が存在するために、電位差が生じ、高分子フィルム全体に強電場が生じる。生成された電場が適切であれば、電極下の高分子が電場に沿って整列される。高分子の双極子の向きは、加熱されない限り比較的変わらないままで留まる。それゆえ、分極（ポリング）（ｐｏｌｉｎｇ）処理には、サンプルを加熱すること、ポリング場（ｐｏｌｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）を適用すること、及びサンプルを冷却して、高分子の双極子を整列させて固定させることを含む。これら文献では、高分子ポリングには温度調節器６が必要である。
【０００６】
上述の報告されたドメイン反転法は、針の真下の小さな領域の結晶を分極することができるのみである。全ウェハ（例えば３インチの円形ウェハ）の全域にわたって均一にポリングを達成することが望ましい。上述の報告された方法の欠点は、基板を損傷させるとか又は非均一的なポリングをもたらす火花放電又はイオンビーム形成へ移行してしまう危険性が高いことにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，５９４，７４６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，５６８，３０８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０４５，３６４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，０２６，１４７号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J． A. Armstrongら、Physical Review、第１２７巻、第６号、９月１５日、１９６２年、１９１８〜１９３９頁
【非特許文献２】C． Q． Xuら、Appl． Phys． Lett、第６３巻、１９９３年、３５５９〜３５６１頁
【非特許文献３】K． Galloら、Appl． Phys． Lett．、第７１巻、１９９７年、１０２０〜１０２２頁
【非特許文献４】M． Yamadaら、Applied Physics Letters、第６２巻、第５号、１９９３年、４３５〜４３６頁
【非特許文献５】A． Haradaら、Applied Physics Letters、第６９巻、第１８号、１９９６年、２６２９〜２６３１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、構成が簡単でかつ広域にわたってポリングする能力を有する、改良されたドメイン反転法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、強誘電体ドメイン反転のための方法であって、基板の一方の面の上方に位置決めされたコロナトーチと、基板の対向する他方の面にある電極とを用いて、必要な電場を生成して、強誘電体結晶の分極を反転させる方法を提供する。
【００１１】
本発明はまた、
強誘電体基板の一方の面の上方に位置決めされたコロナトーチ、
コロナ放電を生成するためにコロナトーチに接続される高電圧（ＤＣ、ＡＣ又はＲＦ）電源、
基板の一方の面上に周期的に電極パターンを備える強誘電体結晶基板、
基板がセットされ、かつこの基板の電極パターンが対面しているサンプルホルダ、
電極パターンの電気的な区別をはっきりとさせるための手段、
基板の温度を制御するための手段、及び
コロナ放電に必要とされる、必要な環境をもたらすためのガス源
を含む結晶ポリング装置も提供する。
【００１２】
本発明の実施形態を以下、一例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】コロナワイヤ放電法に基づいた結晶ポリング装置の従来技術の概略図である。
【図２】針放電法に基づいた高分子ポリング装置の従来技術の概略図である。
【図３】本発明による結晶ポリング装置を説明する概略図である。
【図４】本発明によるコロナトーチの構造の第１の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図５】本発明によるコロナトーチアレイの様々な構成の第２の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図６】本発明による変更されたコロナトーチアレイの第３の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図７】本発明によるコロナトーチとコロナワイヤとの組み合わせの第４の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図８】本発明によるコロナワイヤアレイの第５の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図９】本発明による変更されたガス流ユニットの第６の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図１０】本発明による変更された電極の第７の好ましい実施形態を説明するを説明する構造的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の好ましい実施形態では、図３に示すように、好ましい結晶ポリング装置は、強誘電体単結晶の−ｃ面の上方に位置決めされていて、電源５を備えるコロナトーチ３を含む。基板の＋ｃ面に周期的な電極パターン２を備える当該基板１を接地する。強誘電体基板を、真空ポンプ６及び温度調節器８に接続されたサンプルホルダ１１にセットすなわち配置する。真空レベルを１０−６トル（１トルは１．３３３２２×１０２Ｐａ）〜１気圧（１気圧（ａｔｍ）は、１．０１３２５×１０５Ｐａ）の間に設定し、かつ温度を室温〜２００℃の範囲とし得る。システム全体を、上カバー９及び下カバー１０を備えるチャンバ１２内に含めてもよく、かつ第２の真空ポンプ７に接続してもよい。第２の真空ポンプの真空レベルを、１０−３トル〜１気圧に設定する。コロナトーチ３を高電圧源５に接続し、ガス源４を介してＮ２ガスを供給する。電力供給源５からの電圧を１ｋＶ〜１００ｋＶの間（例えば１０ｋＶ）に設定し、結晶を分極させるために必要な電場強度を達成する。Ｎ２ガスの流量は、０〜１００リットル／分の間の値（例えば５リットル／分）とし得る。
【００１５】
図３に示す結晶ポリング装置において用いられたコロナトーチを図４に示す。コロナトーチを、内径が同じである２つの金属チューブから形成する。金属チューブの内径を、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの間の値（例えば１ｍｍ）とし得る。２つの金属チューブの外径を、１ｍｍ〜１０００ｍｍの間の値（例えば第１のシリンダ１は１０ｍｍ及び第２のシリンダ１４は２ｍｍ）とし得る。２つの金属チューブの長さを１ｍｍ〜１０００ｍｍの間の値（例えば第１の金属チューブ１は５０ｍｍ及び第２の金属チューブ１４は５０ｍｍ）とし得る。２つの金属チューブを、電気的絶縁材料（例えばテフロン、テフロンはデュポン株式会社（イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー）の登録商標である。）製のチューブ１５によって保護し、かつ電源５及びガス源４に接続する。絶縁チューブ１５の外側表面に形成された第２の電極１６を接地させる。
【００１６】
本発明の第２の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたアレイ（配列）構成を備える代替的なコロナトーチを、図５に示す。図５（ａ）では、複数のトーチ（例えば５個のトーチ）が、一定の間隔（例えば１０ｍｍ）で一列に沿って配置されている。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ａ）に示す構成は、矩形の広域の結晶をポリング（分極）するのに効果的である。図５（ｂ）では、複数のトーチ（例えば８個のトーチ）を、一定の角度間隔（例えば４５°）で円形に配置する。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｂ）に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｃ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を一定の角度間隔（例えば９０°）で円形に配置する一方、追加的なトーチを円の中心にセットする。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｃ）に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｄ）では、複数のトーチ（例えば１２個のトーチ）を、一定の角度間隔（例えば第１の円では４５°及び第２の円では９０°）で２つの円に配置する。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば第１の円は１０ｍｍ及び第２の円は２０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｄ）に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｅ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を、正方形の各角部に配置する。正方形の辺を１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｅ）に示す構成は、正方形又は円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｆ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を、正方形の各角部に配置する一方、追加的なトーチを正方形の中心にセットする。正方形の辺を１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｆ）に示す構成は、正方形又は円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。���ぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｇ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を２つの正方形の各角部に配置する。正方形の辺を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば第１の正方形を１０ｍｍ及び第２の正方形を２０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｇ）に示す構成は、正方形又は円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。
【００１７】
本発明の第３の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたアレイ構成を備える代替的なコロナトーチを、図６に示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）に、構成の側面図及び平面図をそれぞれ示す。図６では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を正方形の各角部に配置する一方、正方形の中心にトーチをセットする。正方形の辺を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。正方形の中心にあるトーチと、正方形の角部にあるトーチとの間の高さの差ｄを、１ｍｍ〜１０ｍｍの間の値（例えば５ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図５（ｆ）に示すトーチ構成と比較して、図６に示す構成は、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたってより均一な電荷分布を生じることができる。それは、以下の理由による。第１に、各トーチによってもたらされるコロナ電荷は、一定の分布を有する。トーチの真下の電荷密度は、そのほかの部分よりも高い。その結果、通常、正方形の中心付近の位置における電荷密度が高くなっている。第２に、電荷密度は、トーチの高さ（すなわちトーチと基板の−ｃ面との間の距離）に依存する。コロナトーチの位置が高いほど、表面の電荷密度が低くなる。その結果、正方形トーチアレイの中心におけるトーチの高さを上下させることにより、コロナトーチの電荷分布を制御できる。
【００１８】
本発明の第４の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたコロナトーチを、図７に示す。図７では、円形のコロナワイヤ７１を使用する一方、追加的なトーチ７３を、円の中心にセットする。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。コロナワイヤ及びトーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源７４、７５に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図７に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。
【００１９】
本発明の第５の好ましい実施形態では、図３に示すようなコロナトーチを、図８に示すアレイ構造に用いる。図８では、コロナトーチアレイ８２を使用する。荷電用（ｃｈａｒｇｉｎｇ）アレイを、基板８１の上方に位置決めする。このアレイの間隔を１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。コロナトーチを、同じ高電圧源８５又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。コロナトーチを、同じガス源８４又は互いに独立した異なるガス源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成又は図１の単一のワイヤ構成と比較して、図８に示す構成は、広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。コロナトーチのアレイを、図１に類似のコロナワイヤのアレイに置き換えることもできる。
【００２０】
本発明の第６の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたガス流源を図９に示す。図９では、コロナトーチに流入する（ガス源９４からの）ガスの温度をヒータ９８によって制御する。図３に示すガス流ユニットと比較して、図９に示す構成は、ガスと基板との間の温度差に起因する応力を低減するので、ポリングプロセス中の基板へのいかなる損傷も回避できる。
【００２１】
本発明の第７の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられるサンプルホルダを図１０に示す。図１０では、電極パターンの電気絶縁を、基板１０１上に形成された電極１０２の上にＳｉＯ２フィルム１０３を用いることによって達成する。その結果、サンプルホルダを高真空ポンプに接続する必要がなくなる。図３に示すサンプルホルダと比較して、図１０に示す構成は、サンプルホルダを単純化するので、製造コストを削減できる。
【００２２】
上述の実施形態では、ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウムの結晶ポリングについて説明した。当然のことながら、本発明において説明した方法は、例えばＬｉＴａＯ３、ＫＴＰなどの他の強誘電材料にも適用することができる。
【００２３】
上述の実施形態には、コロナトーチ及びコロナワイヤ用の複数の異なる構成が含まれている。当然のことながら、上述の構成の異なる組み合わせも、広域の結晶ポリングを達成することができる。これらの構成を、本明細書において明確に説明したものを用いて、多数の異なる方法で組み合わせることができる。
【００２４】
上述の実施形態では、サンプルホルダに取り付けられた加熱ユニットを説明した。当然のことながら、ＩＲヒータなどの他の加熱ユニットも、基板の温度を上昇させる同様の効果をもたらすことができる。
【００２５】
上述の実施形態では電気絶縁層（すなわちＳｉＯ２）について説明した。当然のことながら、フォトレジスタなどの他の絶縁体も、電極パターンの電気的な区別をはっきりとさせる同様の効果をもたらすことができる。
【００２６】
上述の実施形態ではフローガス（すなわちＮ２）について説明した。当然のことながら、Ａｒなどの他の貴ガスも、コロナ放電を生成させる同様の効果をもたらすことができる。
【００２７】
上述の実施形態では、チャンバから不必要な空気を除去するために当該チャンバに接続された第２の真空ポンプについて説明した。当然のことながら、チャンバ内のガスをパージする他の方法も、チャンバから不必要な空気を除去する同様の効果をもたらすことができる。
【００２８】
本発明の他の実施形態は、いまや当業者には容易に明らかであろう。本発明の範囲を、添付の特許請求の範囲に規定する。
【図１】
2010504562.tif 000003
【図２】
2010504562.tif 000004
【図３】
2010504562.tif 000005
【図４】
2010504562.tif 000006
【図５（ａ）】
2010504562.tif 000007
【図５（ｂ）】
2010504562.tif 000008
【図５（ｃ）】
2010504562.tif 000009
【図５（ｄ）】
2010504562.tif 000010
【図５（ｅ）】
2010504562.tif 000011
【図５（ｆ）】
2010504562.tif 000012
【図５（ｇ）】
2010504562.tif 000013
【図６（ａ）】
2010504562.tif 000014
【図６（ｂ）】
2010504562.tif 000015
【図７】
2010504562.tif 000016
【図８】
2010504562.tif 000017
【図９】
2010504562.tif 000018
【図１０】
2010504562.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月29日(2009.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、疑似位相整合（ＱＰＭ）技術に基づいた非線形光デバイス及び他のフォトニックデバイスに必要な、強誘電体基板にドメイン反転構造を形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体材料の反転ドメインは、波長変換器などの非線形光デバイスの開発における主要な技術である。波長変換器の一例が、非特許文献１、２及び３に開示されている。これらの文献によれば、波長変換装置は、導波路を有する波長変換素子を用い、その導波路において、周期的ドメイン反転格子が導波路の方向に形成されて疑似位相整合（ＱＰＭ）条件を満たしている。角周波数ωｐのポンプ光及び角周波数ωｓの信号光を波長変換素子に入力することにより、波長変換が行われて、角周波数ωｃに変換された光を得る。より高い角周波数のポンプ光を使用する場合、変換された角周波数ωｃは以下の式：ωｃ＝ωｐ−ωｓ（すなわち、差周波発生（ＤＦＧ））によって与えられるか、あるいは、変換された角周波数ωｃは以下の式：ωｃ＝２ωｐ−ωｓ（すなわち、カスケード状の二次非線形相互作用）によって与えられる。波長変換器の別の例が、非特許文献１及び非特許文献４に開示されている。これらの文献によれば、波長変換装置は、周期的ドメイン反転格子のみを用い、疑似位相整合条件を満たしている。角周波数ωｆのポンプ光を波長変換素子に入力することにより、波長変換が行われて、角周波数２ωｆに変換された光、すなわち、第二高調波発生（ＳＨＧ））を得る。
【０００３】
波長変換を効率的に達成するためには、非常に均一に、周期的にドメインが反転された構造が必要とされる。図１に示すように、この周期的ドメイン反転構造を形成する方法が、特許文献１、２及び非特許文献５に開示されている。これらの文献によれば、コロナワイヤ３及び接地シールド４が、ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウム単結晶基板１の−ｃ面の上方に位置決めされ、その基板の＋ｃ面は、周期的な電極パターン２を備える。電極を接地する。コロナワイヤに、高電圧源５からもたらされる高電圧を供給すると、コロナ放電が開始され、基板の−ｃ面に負の電荷をもたらす。−ｃ面に電荷が存在するために、電位差が生じ、基板全体に強電場を生成する。生成された電場が、結晶の内部電場（すなわち抗電場（ｃｏｅｒｃｅｉｖｅ  ｆｉｅｌｄ））よりも大きい場合、電極下のドメインは反転される。それは、生成された電場の方向は、結晶の内部電場と反対であるからである。抗電場は、温度が上昇するにつれて減少するので、文献では温度調節器６を用いて、ドメイン反転に必要な電場を減少させている。各周期的な電極パターン間の電気的な区別をはっきりとさせる（すなわち、高電圧が供給された際に電極の存在区間及び非存在区間のそれぞれの直下の強誘電体結晶基板の内部に生成される電場強度の差を十分大きくとる）ために、真空ポンプ７を用いる。
【０００４】
上述のドメイン反転法は、コロナワイヤを使用することによってワイヤの方向に沿って狭い領域の結晶を分極（ｐｏｌｅ）させることができるのみである。全ウェハ（例えば３インチ（１インチは２．５４ｃｍ）の円形ウェハ）の全域にわたってドメイン反転を均一に達成することが望ましい。
【０００５】
図２に示すように、周期的ドメイン反転構造を形成するために使用し得る別の方法が、特許文献３及び４に開示されている。これらの文献によれば、針３が高分子フィルム２１の一方の面の上方に位置決めされていて、高分子フィルムの他方の面には電極パターン２２を備えている。フィルムを基板２４上に形成する。電極を接地する。針に、高電圧源５からもたらされた高電圧を供給すると、コロナ放電により高分子の上面を帯電させる。上面に電荷が存在するために、電位差が生じ、高分子フィルム全体に強電場が生じる。生成された電場が適切であれば、電極下の高分子が電場に沿って整列される。高分子の双極子の向きは、加熱されない限り比較的変わらないままで留まる。それゆえ、分極（ポリング）（ｐｏｌｉｎｇ）処理には、サンプルを加熱すること、ポリング場（ｐｏｌｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）を適用すること、及びサンプルを冷却して、高分子の双極子を整列させて固定させることを含む。これら文献では、高分子ポリングには温度調節器６が必要である。
【０００６】
上述の報告されたドメイン反転法は、針の真下の小さな領域の結晶を分極することができるのみである。全ウェハ（例えば３インチの円形ウェハ）の全域にわたって均一にポリングを達成することが望ましい。上述の報告された方法の欠点は、基板を損傷させるとか又は非均一的なポリングをもたらす火花放電又はイオンビーム形成へ移行してしまう危険性が高いことにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，５９４，７４６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，５６８，３０８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０４５，３６４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，０２６，１４７号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J． A. Armstrongら、Physical Review、第１２７巻、第６号、９月１５日、１９６２年、１９１８〜１９３９頁
【非特許文献２】C． Q． Xuら、Appl． Phys． Lett、第６３巻、１９９３年、３５５９〜３５６１頁
【非特許文献３】K． Galloら、Appl． Phys． Lett．、第７１巻、１９９７年、１０２０〜１０２２頁
【非特許文献４】M． Yamadaら、Applied Physics Letters、第６２巻、第５号、１９９３年、４３５〜４３６頁
【非特許文献５】A． Haradaら、Applied Physics Letters、第６９巻、第１８号、１９９６年、２６２９〜２６３１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、構成が簡単でかつ広域にわたってポリングする能力を有する、改良されたドメイン反転法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、強誘電体ドメイン反転のための方法であって、基板の一方の面の上方に位置決めされたコロナトーチと、基板の対向する他方の面にある電極とを用いて、必要な電場を生成して、強誘電体結晶の分極を反転させる方法を提供する。
【００１１】
本発明はまた、
強誘電体基板の一方の面の上方に位置決めされたコロナトーチ、
コロナ放電を生成するためにコロナトーチに接続される高電圧（ＤＣ、ＡＣ又はＲＦ）電源、
基板の一方の面上に周期的に電極パターンを備える強誘電体結晶基板、
基板がセットされ、かつこの基板の電極パターンが対面しているサンプルホルダ、
電極パターンの電気的な区別をはっきりとさせるための手段、
基板の温度を制御するための手段、及び
コロナ放電に必要とされる、必要な環境をもたらすためのガス源
を含む結晶ポリング装置も提供する。
【００１２】
本発明の実施形態を以下、一例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】コロナワイヤ放電法に基づいた結晶ポリング装置の従来技術の概略図である。
【図２】針放電法に基づいた高分子ポリング装置の従来技術の概略図である。
【図３】本発明による結晶ポリング装置を説明する概略図である。
【図４】本発明によるコロナトーチの構造の第１の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図５】本発明によるコロナトーチアレイの様々な構成の第２の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図６】本発明による変更されたコロナトーチアレイの第３の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図７】本発明によるコロナトーチとコロナワイヤとの組み合わせの第４の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図８】本発明によるコロナワイヤアレイの第５の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図９】本発明による変更されたガス流ユニットの第６の好ましい実施形態を説明する概略図である。
【図１０】本発明による変更された電極の第７の好ましい実施形態を説明するを説明する構造的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の好ましい実施形態では、図３に示すように、好ましい結晶ポリング装置は、強誘電体単結晶の−ｃ面の上方に位置決めされていて、電源５を備えるコロナトーチ３を含む。基板の＋ｃ面に周期的な電極パターン２を備える当該基板１を接地する。強誘電体基板を、真空ポンプ６及び温度調節器８に接続されたサンプルホルダ１１にセットすなわち配置する。強誘電体基板と真空ポンプ６とを接続するためのコネクタを具えるのが好適である。また、温度調節器８は、サンプルホルダ１１にヒータを接続するか、あるいはサンプルホルダ１１の脇に輻射ヒータを配置し、基板の温度を安定化するためのフィードバック回路を具えて構成し得る。真空レベルを１０−６トル（１トルは１．３３３２２×１０２Ｐａ）〜１気圧（１気圧（ａｔｍ）は、１．０１３２５×１０５Ｐａ）の間に設定し、かつ温度を室温〜２００℃の範囲とし得る。システム全体を、上カバー９及び下カバー１０を備えるチャンバ１２内に含めてもよく、かつ第２の真空ポンプ７に接続してもよい。第２の真空ポンプの真空レベルを、１０−３トル〜１気圧に設定する。コロナトーチ３を高電圧源５に接続し、ガス源４を介してＮ２ガスを供給する。電力供給源５からの電圧を１ｋＶ〜１００ｋＶの間（例えば１０ｋＶ）に設定し、結晶を分極させるために必要な電場強度を達成する。Ｎ２ガスの流量は、０〜１００リットル／分の間の値（例えば５リットル／分）とし得る。ガス源４を介してＮ２ガスを供給するために、ガスタンク、ガス流制御器、及びガス温度調節器を含めて構成するのが好ましい。また、ガスには窒素ガスあるいは他の貴ガスを含めるのがよい。
【００１５】
図３に示す結晶ポリング装置において用いられたコロナトーチを図４に示す。コロナトーチを、内径が同じである２つの金属チューブから形成する。金属チューブの内径を、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの間の値（例えば１ｍｍ）とし得る。２つの金属チューブの外径を、１ｍｍ〜１０００ｍｍの間の値（例えば第１のシリンダ１は１０ｍｍ及び第２のシリンダ１４は２ｍｍ）とし得る。２つの金属チューブの長さを１ｍｍ〜１０００ｍｍの間の値（例えば第１の金属チューブ１は５０ｍｍ及び第２の金属チューブ１４は５０ｍｍ）とし得る。２つの金属チューブを、電気的絶縁材料（例えばテフロン、テフロンはデュポン株式会社（イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー）の登録商標である。）製のチューブ１５によって保護し、かつ電源５及びガス源４に接続する。絶縁チューブ１５の外側表面に形成された第２の電極１６を接地させる。
【００１６】
本発明の第２の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたアレイ（配列）構成を備える代替的なコロナトーチを、図５に示す。コロナトーチは一定の距離で一定の構成で配置された複数のトーチを含んで構成し得る。これらのトーチは単一の電源に接続する構成とすることが可能である。また、これらのトーチは個々の電源に接続する構成とすることも可能である。図５（ａ）では、複数のトーチ（例えば５個のトーチ）が、一定の間隔（例えば１０ｍｍ）で一列に沿って配置されている。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ａ）に示す構成は、矩形の広域の結晶をポリング（分極）するのに効果的である。図５（ｂ）では、複数のトーチ（例えば８個のトーチ）を、一定の角度間隔（例えば４５°）で円形に配置する。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｂ）に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｃ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を一定の角度間隔（例えば９０°）で円形に配置する一方、追加的なトーチを円の中心にセットする。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｃ）に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｄ）では、複数のトーチ（例えば１２個のトーチ）を、一定の角度間隔（例えば第１の円では４５°及び第２の円では９０°）で２つの円に配置する。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば第１の円は１０ｍｍ及び第２の円は２０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｄ）に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｅ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を、正方形の各角部に配置する。正方形の辺を１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｅ）に示す構成は、正方形又は円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｆ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を、正方形の各角部に配置する一方、追加的なトーチを正方形の中心にセットする。正方形の辺を１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例���ば１０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｆ）に示す構成は、正方形又は円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。図５（ｇ）では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を２つの正方形の各角部に配置する。正方形の辺を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば第１の正方形を１０ｍｍ及び第２の正方形を２０ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図５（ｇ）に示す構成は、正方形又は円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。
【００１７】
本発明の第３の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたアレイ構成を備える代替的なコロナトーチを、図６に示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）に、構成の側面図及び平面図をそれぞれ示す。図６では、複数のトーチ（例えば４個のトーチ）を正方形の各角部に配置する一方、正方形の中心にトーチをセットする。正方形の辺を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。正方形の中心にあるトーチと、正方形の角部にあるトーチとの間の高さの差ｄを、１ｍｍ〜１０ｍｍの間の値（例えば５ｍｍ）とし得る。各トーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。図５（ｆ）に示すトーチ構成と比較して、図６に示す構成は、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたってより均一な電荷分布を生じることができる。それは、以下の理由による。第１に、各トーチによってもたらされるコロナ電荷は、一定の分布を有する。トーチの真下の電荷密度は、そのほかの部分よりも高い。その結果、通常、正方形の中心付近の位置における電荷密度が高くなっている。第２に、電荷密度は、トーチの高さ（すなわちトーチと基板の−ｃ面との間の距離）に依存する。コロナトーチの位置が高いほど、表面の電荷密度が低くなる。その結果、正方形トーチアレイの中心におけるトーチの高さを上下させることにより、コロナトーチの電荷分布を制御できる。円又は正方形又は矩形に配置されている上述したコロナトーチを湾曲したコロナワイヤによって置き換えることも可能である。
【００１８】
本発明の第４の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたコロナトーチを、図７に示す。図７では、円形のコロナワイヤ７１を使用する一方、追加的なトーチ７３を、円の中心にセットする。円の半径を、１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。コロナワイヤ及びトーチを、同じ高電圧源又は互いに独立した異なる高電圧源７４、７５に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成と比較して、図７に示す構成は、円形の広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。
【００１９】
本発明の第５の好ましい実施形態では、図３に示すようなコロナトーチを、図８に示すアレイ構造に用いる。図８では、コロナトーチアレイ８２を使用する。荷電用（ｃｈａｒｇｉｎｇ）アレイを、基板８１の上方に位置決めする。このアレイの間隔を１ｍｍ〜１００ｍｍの間の値（例えば１０ｍｍ）とし得る。コロナトーチを、同じ高電圧源８５又は互いに独立した異なる高電圧源に接続し得る。コロナトーチを、同じガス源８４又は互いに独立した異なるガス源に接続し得る。図３に示す単一のトーチ構成又は図１の単一のワイヤ構成と比較して、図８に示す構成は、広域の結晶をポリングするのに効果的である。なぜなら、この構成を用いることによって、基板の−ｃ面全体にわたって均一な電荷分布を達成し得るからである。コロナトーチのアレイを、図１に類似のコロナワイヤのアレイに置き換えることもできる。
【００２０】
本発明の第６の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられたガス流源を図９に示す。図９では、コロナトーチに流入する（ガス源９４からの）ガスの温度をヒータ９８によって制御する。図３に示すガス流ユニットと比較して、図９に示す構成は、ガスと基板との間の温度差に起因する応力を低減するので、ポリングプロセス中の基板へのいかなる損傷も回避できる。
【００２１】
本発明の第７の好ましい実施形態では、図３に示す結晶ポリング装置において用いられるサンプルホルダを図１０に示す。図１０では、電極パターンの電気絶縁を、基板１０１上に形成された電極１０２の上にＳｉＯ２フィルム１０３を用いることによって達成する。その結果、サンプルホルダを高真空ポンプに接続する必要がなくなる。図３に示すサンプルホルダと比較して、図１０に示す構成は、サンプルホルダを単純化するので、製造コストを削減できる。
【００２２】
上述の実施形態では、ＭｇＯがドープされたニオブ酸リチウムの結晶ポリングについて説明した。当然のことながら、本発明において説明した方法は、例えばＬｉＴａＯ３、ＫＴＰなどの他の強誘電材料にも適用することができる。
【００２３】
上述の実施形態には、コロナトーチ及びコロナワイヤ用の複数の異なる構成が含まれている。当然のことながら、上述の構成の異なる組み合わせも、広域の結晶ポリングを達成することができる。これらの構成を、本明細書において明確に説明したものを用いて、多数の異なる方法で組み合わせることができる。
【００２４】
上述の実施形態では、サンプルホルダに取り付けられた加熱ユニットを説明した。当然のことながら、ＩＲヒータなどの他の加熱ユニットも、基板の温度を上昇させる同様の効果をもたらすことができる。
【００２５】
上述の実施形態では電気絶縁層（すなわちＳｉＯ２）について説明した。当然のことながら、フォトレジスタなどの他の絶縁体も、電極パターンの電気的な区別をはっきりとさせる同様の効果をもたらすことができる。
【００２６】
上述の実施形態ではフローガス（すなわちＮ２）について説明した。当然のことながら、Ａｒなどの他の貴ガスも、コロナ放電を生成させる同様の効果をもたらすことができる。
【００２７】
上述の実施形態では、チャンバから不必要な空気を除去するために当該チャンバに接続された第２の真空ポンプについて説明した。当然のことながら、チャンバ内のガスをパージする他の方法も、チャンバから不必要な空気を除去する同様の効果をもたらすことができる。
【００２８】
本発明の他の実施形態は、いまや当業者には容易に明らかであろう。本発明の範囲を、添付の特許請求の範囲に規定する。
【国際調査報告】
2010504562.tif 000020
2010504562.tif 000021