(57)【要約】【課題】  光学デバイスの製造において量産化及び高品質化に適した方法及び装置を提供する。【解決手段】  酸化リチウム及び酸化タンタル等の材料を用いたＶＴＥ（気相平衡法処理）において、原料粉末３が充填された収容部材４を容器７に入れて該収容部材４内に基板１を配置させてから、原料粉末３及び基板１の周囲を被覆部材６で覆った状態とし、これらを容器７内に収容した後、炉に入れて高温処理を行う。熱処理時に収容部材４から原料粉末３の蒸気を直に供給することができ、また、原料粉末３及び基板１の周囲を被覆部材６で覆った状態で高温処理を行えるので蒸気漏れ対策に有効である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物材料を蒸気化して拡散させた基板を用いて構成される光学デバイスの製造方法において、
原料粉末が充填された収容部材を容器に入れて該収容部材内に基板を配置させてから、該原料粉末及び基板の周囲を被覆部材で覆った状態とし、該収容部材及び被覆部材を容器内に収容した状態で高温処理を行う
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載した光学デバイスの製造方法において、
上記収容部材に上記原料粉末を充填してから、ほぼ直立状態に支持された複数の基板を該原料粉末の上方に配置し、該収容部材及び基板の周囲を上記被覆部材で被った状態で上記容器内に収容する
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載した光学デバイスの製造方法において、
上記光学デバイスが周期分極反転構造を有する非線形光学デバイスである
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載した光学デバイスの製造方法において、
強誘電体材料を用いた気相平衡法処理により上記基板を作製する
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載した光学デバイスの製造方法において、
気相平衡法処理前の上記基板がコングルエント組成のタンタル酸リチウム基板とされ、上記原料粉末に酸化リチウム及び酸化タンタルを用いる
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載した光学デバイスの製造方法において、
厚み１ミリメートルの基板を、上記原料粉末とともに上記容器内に収容して高温処理を行った後で研磨する
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項７】
酸化物材料を蒸気化して拡散させた基板を用いて構成される光学デバイスの製造装置において、
原料粉末を入れるための収容部材と、
基板を保持するための保持部材と、
上記原料粉末が充填された上記収容部材に対して、上記基板を保持した保持部材を配置した状態で、該原料粉末及び基板を覆うために一端が開口した被覆部材と、
上記原料粉末が充填された収容部材、上記基板を保持した状態の保持部材、上記原料粉末及び基板を周囲から覆った状態の被覆部材を収容して高温加熱するための容器を備えている
ことを特徴とする光学デバイスの製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載した光学デバイスの製造装置において、
上記原料粉末が充填された上記収容部材に対して、上記基板をほぼ直立状態で保持した上記保持部材を配置した状態で、該原料粉末及び収容部材の周囲を上記被覆部材で覆うように構成した
ことを特徴とする光学デバイスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体材料等を用いた結晶基板を加工して作製される光学デバイス（光機能素子）の製造において、量産化及び品質向上のための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学結晶は、レーザ光発生装置において波長変換等に用いられる。例えば、第二高調波発生（ＳＨＧ）の場合、近赤外光を入射して緑色光を得ることができ、レーザ光源を用いた画像生成装置（プロジェクタやプリンタ等）や光学記録再生装置等に適用することができる。
【０００３】
尚、ＬＢＯ等のバルク結晶をＳＨＧ素子として形成する場合に、その育成速度の遅さが問題とされ、大型結晶の製造が難しく、また、量産化や低コスト化において克服すべき課題を有する。これに対して、光導波路型ＳＨＧ素子等では、その光伝播方向に周期分極反転構造（ドメイン反転構造）を有するデバイスが知られており、ウエハープロセス技術による量産化及び低コスト化が可能である。
【０００４】
ところで、レーザ光を照射して使用する光学デバイスにおいては光損傷を受け難いことが要求され、そのための材料処理方法が求められている。例えば、気相平衡法処理（ＶＴＥ：Vapor Transport Equilibration）による化学量論組成周期分極タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）のように、原料粉末（酸化リチウム、酸化タンタル）を高温処理で気化させて結晶基板に拡散させる製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、光学材料に使用されるニオブ酸リチウムの場合に、コングルエント組成を外れた基板の製造方法としてＶＴＥ法を用いた方法が知られており、基板と原料粉末を密閉容器に入れて熱処理が行われる（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４０７１３２３号明細書
【０００６】
【特許文献２】特開平６−１７２０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の方法にあっては品質保証や作業性の面で充分な配慮がなされていないことが問題とされる。
【０００８】
例えば、原料供給源を基板サイズに合わせて整形しなければならない場合には、基板を取り囲む原料供給源としてバインダーを用いて整形した場合に該バインダーからの不純物の混入が問題となる（整形時における不純物の混入量が多いと品質を低下させる原因となる。）。そして、基板サイズに合わせて原料供給源をその都度整形しなければならないので量産化に適さず、また基板を保持するための穴加工等を要するため、不純物の混入を回避する必要性が生じることや、穴開けや洗浄のための工数が増え、作業性の低下が問題となる。あるいは、基板を吊るすための隙間を確保する必要があるため、その部分からリチウム蒸気が抜け出してしまった場合に、充分な処理が保証されない等の問題が残る。
【０００９】
また、基板と原料粉末を容器内に入れて蓋をすることで密閉する場合には、容器と蓋との隙間から蒸気が漏れないように、充分なシールを施す必要があり、また、ＶＴＥ後に蓋が容器に固着してしまうと作業性に悪影響を及ぼしたり、あるいは無理に蓋を開けようとした場合の基板への損傷等が問題となる。
【００１０】
そこで、本発明は、量産化及び高品質化に適した光学デバイスの製造方法及び製造装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光学デバイスの製造方法は、上記した課題を解決するために、酸化物材料を蒸気化して基板に拡散させる場合に、原料粉末が充填された収容部材を容器に入れて該収容部材に基板を配置させてから、該原料粉末及び基板の周囲を被覆部材で覆った状態とし、収容部材及び被覆部材を容器内に収容して高温処理を行うものである。
【００１２】
また、本発明に係る光学デバイスの製造装置は、下記に示す構成要素を備えたものである。
【００１３】
・原料粉末を入れるための収容部材
・基板を保持するための保持部材
・原料粉末が充填された収容部材に対して、基板を保持した保持部材を配置した状態で、該原料粉末及び基板を覆うために一端が開口した被覆部材
・原料粉末が充填された収容部材と、基板を保持した保持部材と、原料粉末及び基板を周囲から覆った状態の被覆部材とを収容して高温加熱するための容器。
【００１４】
従って、本発明では、熱処理時に収容部材内の原料粉末の蒸気を基板に直接供給することができるので、原料供給源を基板サイズに合わせて整形する必要がなく、これに伴う不純物の混入等の問題がなくなる。そして、基板保持のための加工等が不要であり、また、原料粉末及び基板の周囲を一つの被覆部材で覆った状態で加熱処理を行えるので、蒸気漏れ等への対策を充分に講じることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、工数削減によって作業性が向上し、量産化に有利であり、その結果として光学デバイスの低コスト化に寄与する。また、基板処理における品質管理面で有効である。
【００１６】
そして、収容部材に原料粉末を充填してから、保持部材に支持された基板を原料粉末の上方に位置させ、収容部材及び基板に対して被覆部材で被せた状態で容器内に収容して熱処理を行うことにより、熱処理後において被覆部材の取り外しを容易に行えるため、作業性の向上等に有効である。また、蒸気漏れ対策を充分に講じることができる。
【００１７】
さらには、収容部材に原料粉末を充填してから、ほぼ直立状態に支持された複数の基板を該原料粉末の上方に配置することにより、作業性を高め、歩留まりを良くすることができる。
【００１８】
強誘電体材料を用いた気相平衡法処理により基板を作製する場合に、非線形光学デバイス等への適用において充分な品質を保証することができる。例えば、気相平衡法処理前の基板がコングルエント組成のタンタル酸リチウム基板とされ、原料粉末に酸化リチウム及び酸化タンタルを用いたＶＴＥでは、周期分極反転構造をもった光学デバイスへの適用に有効である（光損傷等の防止）。その際、使用する基板の厚みについては、線状欠陥（ツイン）の低減を考慮した場合に、０．５ミリメートルを超える厚みとすることが好ましい。例えば、厚み１ミリメートルの基板を、原料粉末とともに容器内に収容して高温処理を行った後で、研磨を行う方法が望ましい（尚、基板が厚すぎると処理時間がかかりすぎるので、量産化やコスト面で支障を来す虞が生じる。）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、結晶基板に対して原材料を気化して拡散させた基板を加工して作製される光学デバイスの製造に関するものであり、例えば、ＳＨＧ等の波長変換や、偏光、焦点等の制御やスイッチング、光記憶等に用いる各種の光学デバイスへの適用が挙げられる。
【００２０】
本発明に係る光学デバイスの製造方法は、例えば、強誘電体材料を用いて気相平衡法処理される基板の作製に有用であり、以下では、周期分極反転構造を有する非線形光学デバイス（ＳＨＧ素子等）への適用において、化学量論組成周期分極タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ０3）の基板に関する製造工程を例にして説明する。
【００２１】
図１は、製造プロセスの概要を示す模式的な説明図であり、例えば、下記に示す工程を経て光学デバイスが作製される。
【００２２】
（１）ウエハー投入
（２）ＶＴＥ
（３）単分域化
（４）パターニング（電極形成等）
（５）周期分域反転（電圧印加による書き込み処理）
（６）切断、研磨、コート等。
【００２３】
先ず、基板（結晶基板）１を装置に投入して設定作業を行う。例えば、図１（Ａ）において、約５１ｍｍ（２インチ）のフルウエハーが用いられる。尚、基板１は、引上法（所謂チョクラルスキー法）で育成されたコングルエント組成の単結晶（モル分率（Ｌｉ2Ｏ／（Ｌｉ2Ｏ＋Ｔａ2Ｏ5））＝０．４８３０〜０．４８５３）を、所定の厚み（基板厚１ｍｍ程度）にスライスして製造される。コングルエント組成の結晶基板にＶＴＥ処理を施す方法は結晶組成を定比組成に近づけやい方法として知られている。
【００２４】
そして、ＶＴＥによる高温処理を経た基板１を取り出した後、所定温度で電界を印加して単分域化を行う。
【００２５】
次に、図１（Ｂ）に示すように、リソグラフィーによるパターンニング工程で所定周期（数μｍ程度）の電極パターン（図には簡略化して示すが、櫛状アルミニウム電極等）を形成する。周期分極反転構造では、例えば、強誘電体基板において片面に分極周期パターンに一致する周期電極を形成し、他方の面に一様電極を形成する。そして、図１（Ｃ）に示すように、対をなす電極間（表裏面の電極）に数百ボルト程度の外部直流電圧を印加する。これによって、図１（Ｄ）に概念的に示すように、所定の分極反転周期をもったドメイン構造が実現される。
【００２６】
その後、研磨等の処理工程を経て基板上に形成された個々の素子部分が分離され、図１（Ｅ）に示すような光学デバイス２が完成する（例えば、光線伝播方向の長さが８ｍｍ程度の非線形光学デバイス等。）。
【００２７】
本発明に係る光学デバイスの製造方法は、主として上記工程（１）、（２）に関するものであり、その基本プロセスを下記に示す。
【００２８】
（イ）原料粉末が充填された収容部材（白金皿等）を容器に入れる
（ロ）収容部材に対して基板を配置する
（ハ）原料粉末及び基板の周囲を被覆部材で覆ってほぼ密閉状態とし、それらを容器内に収容して密封する
（ニ）容器を高温で所定時間に亘り加熱する
（ホ）高温処理後、容器から被覆部材を取り外して基板を取り出す。
【００２９】
図２乃至図４は、本発明に係る構成形態の一例について説明するための説明図である。
【００３０】
図２は、原材料及び基板の収容状態について説明するための概略図であり、容器等の断面構成を示している。
【００３１】
本例では、原料粉末３を入れるための収容部材４として、一端部に開口を有し、所定の深さをもった白金皿が用いられている。原料粉末（酸化リチウム及び酸化タンタル）の組成については、例えば、モル分率「Ｌｉ2Ｏ／（Ｌｉ2Ｏ＋Ｔａ2Ｏ5）」が０．５０以上１．０以下とされ、実用上では耐光損傷性の向上等を考慮して、Ｌｉ過剰とされる０．５５以上０．９５以下の範囲が好ましい。
【００３２】
複数枚の基板１（本例ではフルウエハー）は保持部材５によって支持された状態で、収容部材４に配置される。図３は保持部材５（支持治具あるいはホルダー）を例示したものであり、基板１、１、…が、個々の基板に対してそれぞれ形成された溝５ａ、５ａ、…内に受け入れられることにより、直立状態で整列されている。保持部材５については、白金製の板や線材等を加工して作製される。
【００３３】
尚、各基板を積み重ねて積層状態に配置し、隣り合う基板の間にスペーサ（白金線等）を介在させる方法も考えられるが、作業性に問題があり、また、基板のうちスペーサの存在によって隠れてしまう場所にはリチウム蒸気が当たらないので処理ができなくなって有効面積が減少し、歩留まりの悪化に繋がる等の問題が生じる。そこで、本例のように、各基板を直立状態で整列させることにより、基板の間にスペーサ等を介在させる必要がなくなり、作業性や量産性を向上させることができる。
【００３４】
保持状態の基板同士の間隔が狭すぎると処理に支障を来す虞があるので、十乃至十数ミリメートル程度の間隔を確保することが望ましい（但し、基板同士の間隔を大きくしずぎると、一度にセット可能な基板枚数が少なくなってしまうことに注意を要する。）。また、保持部材５に対して各基板を正確に垂直な状態で保持する必要はないので、許容される傾斜角度をもって各基板をほぼ直立状態で保持すれば良い。
【００３５】
原料粉末３が充填された収容部材４に対して、基板１、１、…を保持した保持部材５は原料粉末３の上に載置される。そして、この状態で被覆部材６を被せる。
【００３６】
被覆部材６は、原料粉末３及び基板１、１、…を密封するための部材であり、本例では、一端部が開口された円筒状の白金製ルツボを用いている。つまり、原料粉末３及び各基板１の周囲を覆うようにして被覆部材６を被せた状態では、該被覆部材６の開口縁が容器７の内底面に接触された状態となる。
【００３７】
容器７（加熱用容器）は、原料粉末３が充填された収容部材４と、各基板１をほぼ垂直の状態に保持した状態の保持部材５と、これらの部材を覆っている被覆部材６を収容して高温で加熱するための部材である。本例では、角箱状をした２分割型のアルミナ角型容器が用いられ、上ハーフ７Ｈと、下ハーフ７Ｌとで画成される空間内に上記の各部材や基板等が収容される。つまり、原料粉末３が充填された収容部材４が下ハーフ７Ｌの内底面に位置され、これに基板１を保持した状態の保持部材５が配置される。そして、これらを被覆部材６で覆うことにより、該被覆部材６と下ハーフ７Ｌとの間に形成される空間内に、基板１や原料粉末３等がほぼ密封状態で閉じ込められる。そして、下ハーフ７Ｌに上ハーフ７Ｈを載せて両者を一体にすることで、全てが容器７内に収容される。
【００３８】
図４は、上記（ニ）の加熱工程で使用される装置８の要部を示したものであり、上記容器７は炉９に移送されて大気中で高温処理が行われる。
【００３９】
例えば、円柱状をした炉９には凹部９ａが設けられ、その内底面に、図２に示す収容状態の容器７が位置されて炉蓋が閉じられる。そして、図示しない熱源（ヒーター）及び温度検出手段（熱電対を用いた温度センサ）、温度制御手段を用いて熱処理が行われる。
【００４０】
ＶＴＥの処理温度は、１１００乃至１６５０°Ｃ（好ましくは１２００乃至１５００°Ｃ）とされる。また、ＶＴＥの処理時間については基板の厚みに依存し、５乃至４００時間程度とされる。薄い基板を用いると時間を短縮化できるが、薄すぎると加工や取り扱い、強度等に問題が起こり得ることを考慮し、例えば、基板厚を０．５乃至１ｍｍ程度とした場合に、１０乃至３００時間程度の熱処理が好ましい。
【００４１】
ＶＴＥ後には炉９から容器７を取り出して、その上ハーフ７Ｈを外し、被せてある被覆部材６（白金ルツボ）を容易に取り外すことができる。そして、中の基板を手際良く取り出すことが出来るため、従来の方法に比して工数及び時間を短縮できる。従って、作業性が良好であり、量産化に適している。尚、得られた基板について必要な特性を充分に満足することが確認されている（例えば、ＳＨＧ等の非線形光学デバイスへの適用において、耐光損傷性が大幅に改善される。）。
【００４２】
尚、容器材質については、熱的及び化学的な安定性を考慮して、収容部材４、保持部材５、被覆部材６の何れにも白金（Ｐｔ）を用いており、それら全体を囲む容器としてアルミナ容器を用いることが好ましいが、原料粉末の特性やコスト要求等に応じた材質選定、改変等が勿論可能である。
【００４３】
図５は、別の構成形態を例示したものであり、上記した例との相違点は下記に示す通りである（上記の例と同じ機能をもつ要素については、上記と同じ符号又は該符号にアルファベットを付記したものを使用する。）。
【００４４】
・被覆部材６Ａが収容部材４よりもひと回り小さくされて該部材内に配置されること
被覆部材６Ａの開口縁が原料粉末３に埋設した状態で基板１Ａの収容空間が形成されること（原料粉末３の介在によって、ほぼ密閉状態となる。）。
【００４５】
尚、本例では、基板の収容スペースが少ないため、フルウエハーを４分割した扇形状の基板１Ａを用いている。
【００４６】
収容部材４の開口サイズよりも被覆部材６Ａの方が小さいので、収容部材４の周囲全体を被うことができないが、収容部材４内の原料粉末３上に配置された基板１Ａを被覆部材６Ａによって覆った状態とし、これらを容器７に収容した状態で処理（ＶＴＥ）を行うことができる。
【００４７】
但し、この場合には、被覆部材６Ａのうち、原料粉末との接触部分が焼結で固着することに起因する弊害への対策が必要となる（原料が被覆部材６Ａに固着しないようにするためのガード等）。例えば、基板１Ａを覆うように被せた白金ルツボに対して原料粉末が焼結によって固着してしまうと、白金ルツボの取り出しに手間がかかってしまい、作業性が低下する。また、この状態で無理に白金ルツボを取り出そうとすると内部の基板を損傷させる危険性があるので、その取り扱いには充分な注意が必要である。
【００４８】
このように、白金皿よりも小サイズの白金ルツボを基板の上から被せるようにした形態でもＶＴＥは可能であるが、量産時の作業性や基板サイズの大径化、あるいは基板の密閉状態等を考慮すると、図２に示すように、収容部材の周囲を被覆部材で全体的に覆うようにした形態が好適である。
【００４９】
ところで、上記ＶＴＥに関しては基板厚に注意する必要があり、特に、強誘電体材料の場合に、０．５ｍｍを超える厚みの基板を用いて、これを原料粉末とともに容器内に収容して、高温処理を行うことが好ましい。
図６は、基板上に発生する線状の欠陥（所謂ツイン）についての説明図である。
【００５０】
ＶＴＥに用いる基板が薄いと、（Ａ）図の直線ａ、ａ、…に示すように、基板の中心部を通るツインが目立つようになり、ツインの発生した範囲が使用できなくなり、素子製造の歩留まりを低下させる原因となる。
【００５１】
これに対して基板が厚くなるとツインが発生しないか、又は（Ｂ）図に短い線ｂ、ｂ、…で示すように、基板の外周縁寄りの部分にツインが発生するものの、歩留まりの低下原因となる程の影響はなくなる。
【００５２】
ＶＴＥ後の基板に関して基板のほぼ中央部を走るツインの本数を調べた結果、約５１ｍｍ（２インチ）フルウエハーでは、基板厚０．５ｍｍの基板８枚中の７枚について１０本以上のツインが確認されたのに対して、基板厚１ｍｍの基板では、１０枚中の１枚に２本程度のツインが確認された。
【００５３】
また、基板のサイズ効果について検証するために、２インチフルウエハーを４分割した扇状基板（図５に示す基板１Ａを参照）について調べた結果、基板厚０．５ｍｍの分割基板６枚中の４枚について２乃至５本程度のツインが確認されたのに対して、基板厚１ｍｍの分割基板では、ツインが殆ど確認されなかった。
【００５４】
この結果から、ツインの発生には主として基板厚が関係していることが分かる。つまり、ツインの発生原因として、熱ストレスに伴う基板の変形等が考えられ、形状やサイズが同じ場合に薄い基板では発生確率が高いことを示している。
【００５５】
ＰＰＳＬＴの場合には厚み１ｍｍの基板を用い、該基板を原料粉末とともに容器内に収容して高温処理を行った後で研磨することが好ましい（尚、１ｍｍ厚の基板を研磨して０．５ｍｍまで薄くしても、ツインが増加しないことが確認されており、歩留まりの良い素子作製が可能となる。）。
【００５６】
基板が厚すぎるとＶＴＥ処理時間がかかりすぎ、量産化に向かないことや、コスト面でも不利となる。
【００５７】
尚、基板厚の上限については材質にも依るが、ＶＴＥの処理時間に対するコスト条件等により決められる。例えば、厚みのほぼ二乗に比例して処理時間がかかる場合に、２ｍｍでは、１ｍｍの４倍もの処理時間がかかってしまい、素子の製造コストが高くなってしまう。また、基板厚の下限については、基板が薄い場合（０．５ｍｍ未満、例えば、０．３〜０．４ｍｍ程度）に、ツイン発生の他、基板の取り扱いが難しくなり、研磨等の工程で問題が生じる。そこで、実用上では１ｍｍ又は１ｍｍ前後（例えば、０．８〜１．３ｍｍ）の基板厚が望ましい。
【００５８】
上記に説明した構成によれば、下記に示す各種の利点が得られる。
【００５９】
（ａ）白金皿に原料粉末を入れるだけで済むため、不純物の混入が無く、バインダー等の整形の必要が無いこと
（ｂ）基板を保持部材に乗せるだけで設定作業を行え、基板保持のための穴開加工等が不要であること及び各基板をほぼ直立状態に保持することでスペーサ等を不要にできること
（ｃ）基板サイズの変更に対して容易かつ柔軟に対応できること
（ｄ）上から白金ルツボを被せて基板をほぼ密閉状態にすることができるので、有効にリチウム蒸気中での処理（ＶＴＥ）を行えること。
【００６０】
従って、（ａ）、（ｂ）は工数削減や品質管理面で好ましく、また、（ｃ）によれば、基板サイズの変更に応じた製造設備の大幅な改変が不要となる。そして、（ｄ）はリチウム蒸気の漏れ対策に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】光学デバイスの製造プロセスに関する概略的な説明図である。
【図２】本発明に係る原材料及び基板の収容状態を説明するための概略図である。
【図３】基板の保持方法を例示した図であり、（Ａ）図が側面図、（Ｂ）図が斜視図である。
【図４】製造装置の要部を示す概略図であり、（Ａ）図が断面構成図、（Ｂ）図が斜視図である。
【図５】原材料及び基板の収容状態の別例を説明するための概略図である。
【図６】基板厚の違いに起因するツイン発生について説明するための図であり、（Ａ）図は基板が薄い場合を示し、（Ｂ）図は基板が厚い場合を示す。
【符号の説明】
【００６２】
１Ａ…基板、２…光学デバイス、３…原料粉末、４…収容部材、５…保持部材、６、６Ａ…被覆部材、７…容器
【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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