(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、強誘電体薄膜からなる光導波路を形成する光導波路形成工程と、
該光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を、酸素含有雰囲気下に０℃以上１５０℃未満の温度で所定形状に形成する電極形成工程と、
形成された透明酸化物電極をアニール処理するアニール処理工程と、
を有する光導波路素子の製造方法。
【請求項２】
前記電極形成工程において、透明酸化物電極をスパッタリングにより形成する請求項１に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項３】
前記スパッタリングは、酸素圧力のアルゴン圧力に対する比（酸素圧力／アルゴン圧力）が０より大きく０．１未満の条件下で行われる請求項２に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項４】
前記スパッタリングは、酸素流量のアルゴン流量に対する比（酸素流量／アルゴン流量）が０．０２以上０．２未満の条件下で行われる請求項２に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項５】
前記電極形成工程において、透明酸化物電極を１０ｎｍ以上１０μｍ未満の膜厚で形成する請求項１から４までのいずれか１項に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項６】
前記電極形成工程をリフトオフ法にて行う請求項１から５までのいずれか１項に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項７】
前記アニール処理工程において、透明酸化物電極を２００℃以上４００℃未満の温度でアニール処理する請求項１から６までのいずれか１項に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項８】
下部電極が形成された基板上に、電気光学効果を有するエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜からなる光導波路を形成する光導波路形成工程と、
該光導波路に接触し、前記下部電極と対向するように形成され前記下部電極との間に電圧を印加する、インジウム含有上部透明酸化物電極を、酸素含有雰囲気下に０℃以上１５０℃未満の温度で所定形状に形成する電極形成工程と、
形成された上部透明酸化物電極をアニール処理するアニール処理工程と、
を有する光導波路素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路素子の製造方法に関し、詳しくは、強誘電体薄膜からなる光導波路に接触して透明酸化物電極が形成された光導波路素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光制御素子には、音響光学効果を利用したもの（C. S. Tsai and P. Le, Appl. Phys. Lett. vol. 60 (1992) 431.）の他に、電気光学効果を利用したものが存在する。電気光学効果を利用した光制御素子は、Ｐｂ1-xＬａx（Ｚｒ1-yＴｉy）1-x/4Ｏ3（ＰＬＺＴ）、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3等の強誘電体材料に電圧を印可することにより光導波路中の屈折率を変化させる。
【０００３】
かかる光制御素子としては、従来、プリズム偏向素子（A.Yariv,New York,Rineh art and Winston,(1991) 336.）や、Ｔｉ拡散導波路やプロトン交換光導波路を作製したＬｉＮｂＯ3ウェハーを用いて形成したドメイン反転光偏向素子（Q. Chen, et al., J. Lightwave Tech. vol. 12 (1994) 1401.）や、プリズム型電極光偏向素子（特開昭６２−４７６２７号公報）等いくつか提案されている。更には、電気光学結晶の一部領域に所定の電界を形成する一対の電極によりコヒーレント光を偏向する光制御素子（特開平５−１３４２７５号公報）、電気光学結晶上に装荷型クラツド層と電極とを形成することで光の偏向分離やスイッチングを行う光制御素子（特開平５−２８１５８３号公報）が開示されいてる。
【０００４】
しかしながら、セラミックや単結晶を用いたバルク型の光制御素子は、小型化が困難であり、駆動電圧の高いものしか得ることができなかった。また、Ｔｉ拡散導波路やプロトン交換型光導波路を形成したＬｉＮｂＯ3単結晶ウェハーを用いたプリズム型電極光偏向素子でも、ＬｉＮｂＯ3単結晶ウェハーの厚さと等しい０．５ｍｍ程度の電極間隔が必要となるために駆動電圧が高くなってしまう。例えばこのような光偏向素子では、０．５°程度の光偏向を得るために６００Ｖ程度の駆動電圧が必要となるが、６００Ｖもの電圧を印加するためには電源も大掛かりなものとなり、設備コストが嵩むという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、導電性または半導電性の単結晶基板からなる下部電極上に、電気光学効果を有するエピタキシャルまたは配向性の強誘電体薄膜からなる光導波路形成し、更にその上に、前記光導波路を挟んで下部電極に対向するように酸化物導電体からなる上部透明電極を形成した光導波路素子により、駆動電圧を１０Ｖ以下に低減できることを見出し、すでに提案している（特開平９−５９７９号公報）。
【０００６】
ここで、上部透明電極の材料に酸化物導電体を用いたのは以下の理由による。
【０００７】
上部透明電極の材料に金属を用いた場合には、光導波路上に積層した金属により導波光の一部が吸収されるという問題が生じる。導波光には導波路面に電界の方向が平行なＴＥモード光と垂直なＴＭモード光の二つがあるが、特にＴＭモード光に関して、この金属による伝播損失が大きくなる。
【０００８】
伝播損失だけに着目すれば、例えば、光導波路を形成する強誘電体層と金属電極の間に屈折率が小さく透明な誘電体膜を導入しても、伝搬損失を低減することが可能となる。しかし、この場合には、導波路へ印加される実効電圧の低下をまねき、駆動電圧の増大を引き起こす。そこで、上部透明電極の材料として、低吸収係数でかつ光導波路に対して低い屈折率を持つ酸化物導電体を用いて、電極による伝播損失を著しく低減すると同時に、導波路へ印加される実効電圧の低下を防止している。
【０００９】
しかしながら、酸化物導電体からなる上部透明電極を、強誘電体薄膜からなる光導波路上にパターニング形成する場合に、基板温度を高くすると、上部透明電極の材料が微結晶化する。このように上部透明電極材料が微結晶化すると、導波光の散乱を引き起こすなど導波特性が低下するという問題がある。
【００１０】
また、上部透明電極材料が微結晶化するとエッチングレートが低下して、上部透明電極をエッチングによりパターニング形成する場合に、下層に存在する光導波路の強誘電体との選択比が大きくとれず、光導波路に損傷を与えたり、エッジの乱れが生じるという問題もある。例えば、透明電極を備えた光学制御素子であっても、液晶ディスプレイ等に使用される場合には、透明電極の下側の層が損傷を受けても、特性に大きな影響を与えないと考えられる。しかしながら、光導波路上に透明電極が設けられる光導波路素子では、光導波路の損傷は素子の電気光学特性に大きな影響を与えるため、特に問題になる。
【００１１】
一方、インジウムを含む酸化物導電体の成膜は、通常は、２００℃前後の比較的高い基板温度で行われる。基板温度が低いと、成膜中の温度変動が起こり易く、酸化物導電体膜の膜質がばらつく、隣接する層との界面で欠陥を生じるなどの問題があり、素子を作製した場合にも、安定した電気光学特性を得ることができない。
【００１２】
また、ＰＬＺＴ薄膜上に上部透明電極を室温で形成した後にアニール処理を行うと、透明電極が微結晶化され、そのグレインが大きく成長することで導波光の散乱を引き起こし、導波特性が低下してしまう、等の問題を生じてしまう。
【００１３】
従って、本発明の目的は、光導波路素子の電気光学特性を損なうことなく、強誘電体薄膜からなる光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を形成することができる光導波路素子の製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の光導波路素子の製造方法は、基板上に、強誘電体薄膜からなる光導波路を形成する光導波路形成工程と、該光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を、酸素含有雰囲気下に０℃以上１５０℃未満の温度で所定形状に形成する電極形成工程と、形成された透明酸化物電極をアニール処理するアニール処理工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、基板温度を微結晶化の生じ難い条件下、即ち、酸素含有雰囲気下に０℃以上１５０℃未満の温度で、インジウム含有透明酸化物電極を所定形状に形成することで、微結晶の少ない透明電極を形成することができ、導波光の散乱が防止される他、透明酸化物電極をエッチングによりパターニング形成する場合にも光導波路に損傷を与えることがない。かつ、所定形状に形成された透明酸化物電極をさらにアニール処理しているため、膜質のばらつきがなくなり、光導波路との界面での欠陥も改善される。従って、この方法で製造した光導波路素子は、良好な電気光学特性を示す。
【００１６】
前記電極形成工程においては、透明酸化物電極をスパッタリングにより形成することが好ましく、スパッタリングは、酸素圧力のアルゴン圧力に対する比（酸素圧力／アルゴン圧力）が０より大きく０．１未満の条件下で行われることが好ましい。また、この時の酸素流量のアルゴン流量に対する比（酸素流量／アルゴン流量）は、０．０２以上０．２未満が好ましく、より好ましくは０．０３以上０．１以下である。また、透明酸化物電極を１０ｎｍ以上１０μｍ未満の膜厚で形成することが好ましい。また、前記電極形成工程は種々の方法により行うことができるが、エッチング法及びリフトオフ法が好ましく、リフトオフ法が特に好ましい。
【００１７】
前記アニール処理工程においては、透明酸化物電極を２００℃以上４００℃未満の温度でアニール処理することが好ましい。
【００１８】
特に、本発明の製造方法は、基板裏面に形成された下部電極と、電気光学効果を有するエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜からなる光導波路と、インジウムを含む酸化物導電体からなり、前記光導波路上に前記下部電極と対向するように形成され、前記下部電極との間に電圧を印加する上部透明電極と、を備えた光導波路素子の製造に好適に使用されるものである。
【００１９】
従って、請求項７に記載の光導波路素子の製造方法は、下部電極が形成された基板上に、電気光学効果を有するエピタキシャルまたは単一配向性の強誘電体薄膜からなる光導波路を形成する光導波路形成工程と、該光導波路に接触し、前記下部電極と対向するように形成され前記下部電極との間に電圧を印加する、インジウム含有上部透明酸化物電極を、酸素含有雰囲気下に０℃以上１５０℃未満の温度で所定形状に形成する電極形成工程と、形成された上部透明酸化物電極をアニール処理するアニール処理工程と、を有することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（光導波路形成工程）
本発明の光導波路素子の製造方法の第１の工程は、基板上に強誘電体薄膜からなる光導波路を形成する光導波路形成工程である。
【００２１】
本発明において使用する基板としては、下部電極としても用いることができる導電性または半導電性の単結晶基板が好ましく、導電性または半導電性のエピタキシャルまたは単一配向性の薄膜を表面に設けた基板も好適に用いられる。
【００２２】
導電性または半導電性の単結晶基板としては、ＮｂやＬａなどをドープしたＳｒＴｉＯ3、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3、ＲｕＯ2、ＢａＰｂＯ3、ＳｒＲｕＯ3、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x、ＳｒＶＯ3、ＬａＮｉＯ3、Ｌａ0。5Ｓｒ0。5ＣｏＯ3、ＺｎＧａ2Ｏ4、ＣｄＧａ2Ｏ4、ＣｄＧａ2Ｏ4、Ｍｇ2ＴｉＯ4、ＭｇＴｉ2Ｏ4などの酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，ダイアモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，  ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどのIII-Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ，  ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳなどのII-VI系の化合物半導体、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇなどの金属などが挙げられるが、上部に配置する光導波路の材料との相性が良いことから、酸化物を用いることが好ましい。
【００２３】
エピタキシャルまたは単一配向性の導電性または半導電性の薄膜を基板表面に設ける場合、表面に設けられる薄膜材料には、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＢａＺｒＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3８％−ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯなどの酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，  ダイアモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどのIII-Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳなどのII-VI系の化合物半導体などを用いることができるが、上部に配置する光導波路の材料との相性が良いことから、酸化物を用いることが好ましい。
【００２４】
これらの基板材料及び薄膜材料は、光導波路に用いられる強誘電体薄膜の結晶構造、偏向速度、スイッチング速度、または変調速度等、素子によって必要とされるキャリア・モビリティに応じて選ばれることが望ましい。
【００２５】
また、光導波路に用いられる強誘電体材料の比誘電率は、数１０から数１０００であるが、このような強誘電体材料からなる光導波路素子でも、１ｋＨｚ以上の応答を示すためには基板の抵抗率を１０4Ω・ｃｍ以下とすることが必要であり、ＲＣ時定数及び電圧降下の点から、１０2Ω・ｃｍ以下が好ましい。
【００２６】
本発明の光導波路に用いられる強誘電体材料は、具体的には、ＡＢＯ3型のペロブスカイト型では、例えば、正方晶、斜方晶または擬立方晶系材料としてはＢａＴｉＯ3、ＰｂＴｉＯ3、Ｐｂ1-xＬａx（ＺｒyＴｉ1-y）1-x/4Ｏ3（ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、ＫＮｂＯ3などが挙げられ、六方晶系としてはＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3などに代表される強誘電体などが挙げられる。タングステンブロンズ型では、例えば、ＳｒxＢａ1-xＮｂ2Ｏ6、ＰｂxＢａ1-xＮｂ2Ｏ6などが挙げられる。この他に、Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12、Ｐｂ2ＫＮｂ5Ｏ15、Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15、さらに以上列挙した強誘電体の置換誘導体などから選択される、鉛を含むＡＢＯ3型のペロブスカイト型酸化物も好適に用いられる。
【００２７】
薄膜光導波路は、単結晶基板に対してエピタキシャルまたは単一配向性を有することが必要とされることから、光導波路材料には、単結晶基板材料の結晶構造に類似で、格子定数の差が１０％以下の材料を用いることが望ましい。但し、必ずしもこの関係に従わなくともエピタキシ関係を保持できれば良い。また、薄膜光導波路に光を閉じ込めるために、光導波路材料の屈折率が単結晶基板よりも大きくなるように設計される。
【００２８】
基板上に強誘電体薄膜を成膜することにより光導波路を形成する。強誘電体薄膜の成膜方法としては、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）、ＣＶＤ（気相成長法）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）などの気相法、ゾルゲル法、及びＭＯＤ法などのウエット・プロセスのいずれの方法をも用いることができる。強誘電体薄膜の膜厚は、目的に応じて適宜選択されるが、通常は０．１μｍから１０μｍの間に設定される。
（電極形成工程）
本発明の光導波路素子の製造方法の第２の工程は、光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を、酸素含有雰囲気下に０℃以上１５０℃未満の温度で所定形状に形成する電極形成工程である。
【００２９】
本発明では、電極材料として、導電性のインジウム含有透明酸化物を用いる。導電性のインジウム含有透明酸化物としては、ＩｎＳｎＯ、ＩｎＧａＯ2、ＭｇＩｎ2Ｏ4、Ｉｎ2Ｏ3、等のインジウムを含む酸化物に、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｆ、Ｚｎ、Ｆ、Ｇｅ、Ｓｉ等の材料を０．１重量％から３０重量％まで添加することで導電性としたものが、良好な電気光学特性と容易なパターニング形成を行うことが可能な点で好ましい。
【００３０】
透明酸化物電極を所定形状に形成する方法としては、透明酸化物薄膜を成膜した後、不要部分をエッチングにより除去するエッチング法と、透明酸化物電極を形成しない部分にマスクを形成し、このマスクを用いて透明酸化物薄膜を成膜した後マスクを除去するリフトオフ法とがある。
【００３１】
エッチング法の場合は、透明酸化物薄膜を成膜した後、薄膜上にフォトレジストあるいは電子線レジストを塗布、露光してマスクを形成し、このマスクを用いてエッチングを行う。エッチング方法としては、ＨＣｌ、ＨＮＯ3、ＨＦ、Ｈ2ＳＯ4、Ｈ3ＰＯ4、Ｃ2Ｈ2Ｏ2、ＮＨ4Ｆなどの水溶液やその混合水溶液によるウエット・エッチング、ＣＣｌ4、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＨＣｌＦＣＦ3やそれらのＯ2との混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング、またはイオンビーム・エチングなどのドライ・エッチングなどが好適である。
【００３２】
リフトオフ法の場合は、光導波路上にフォトレジストあるいは電子線レジストを塗布し、ネガパターンを露光してマスクを形成し、このマスクを用いて透明酸化物薄膜を成膜する。その後、マスク上の堆積物と共にマスクを除去する。
【００３３】
透明酸化物電極の形成は、上記エッチング法とリフトオフ法のいずれによっても可能であるが、下側に形成される光導波路に対する損傷がより少ない点で、リフトオフ法の方が好ましい。
【００３４】
透明酸化物薄膜を成膜する方法としては、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ等が挙げられるが、スループットを上げることができ、平滑な膜を効率良く得られる点で、スパッタリング法を用いることが好ましい。
【００３５】
本発明においては、透明酸化物薄膜を成膜する際の雰囲気を、酸素含有雰囲気とすることが重要である。酸素含有雰囲気とは雰囲気中に１％より多く酸素を含有していることを要し、好適な酸素含有量は成膜方法に応じて適宜選択される。酸素含有していない雰囲気下で透明酸化物薄膜を成膜すると、薄膜表面の凹凸が大きくなり過ぎ、上部電極近辺での光の散乱が大きくなって、導電損失が大きくなり、出射光の強度が小さくなって導波路素子として使用することができない。
【００３６】
例えば、スパッタリング法を用いる場合には、良好な電気的光学的特性を得るためには、酸素とアルゴンの圧力比（酸素圧力／アルゴン圧力）を０より大きく０．１より小さい範囲にすることが好ましい。また、酸素ガスとアルゴンガスの流量比（酸素流量／アルゴン流量）は、０．０２以上０．２未満が好ましい。流量比が０．０２より小さいと薄膜表面の凹凸が大きくなり過ぎ、上部電極近辺での光の散乱が大きくなって、導電損失が大きくなり、出射光の強度が小さくなる。また、流量比が０．２以上だと電極の抵抗値が大きくなること等により、素子の電気的特性が悪化する。また、薄膜表面の凹凸の低減、電気的及び光学的特性を考慮すると、より好ましくは０．０３以上０．１以下である。この範囲とすることにより、電極表面の凹凸を更に低減させ、抵抗値を小さくすることができ、導波路素子の出射光強度を更に向上することができる。
【００３７】
本発明においては、透明酸化物薄膜を成膜する際の基板温度を、０℃以上１５０℃未満とすることが重要であり、操作性等を考慮すると、室温以上１５０℃未満とすることがより好ましい。基板温度を比較的低くすることで、微結晶の含有量の少ない略アモルファス状の薄膜を得ることができる。
【００３８】
一方、基板温度が１５０℃以上になると、透明酸化物薄膜が微結晶化して、導波光の散乱を引き起こし導波特性が低下するほか、エッチングレートが低下して、次に上部透明電極をエッチングによりパターニング形成する場合に、下部に存在する光導波路の強誘電体との選択比が大きくとれず、光導波路に損傷を与えたり、エッジの乱れが生じたりする。また、パターニングに用いるレジストの変質が生じてパターニング精度が悪化することもある。基板温度が０℃未満でも、レジストの特性が悪化し、パターニング精度に悪影響を及ぼす虞がある。
【００３９】
電極材料の抵抗は、偏向速度、スイッチング速度、及び変調速度等、素子によって必要とされるキャリア・モビリティに応じて選択される。ＲＣ時定数及び電圧降下を考慮しても、実際に素子の動作速度として１ｋＨｚ以上の応答を示すためには、抵抗率を１０-6Ω・ｃｍ以上１０2Ω・ｃｍ未満の範囲とすることが好ましい。
【００４０】
電極材料の屈折率は、薄膜光導波路に光を閉じ込めるために、薄膜光導波路材料の屈折率よりも小さいことが必要である。また、透明酸化物電極の膜厚は、素子の動作速度の高速化、挿入損失の低減の観点から、１０ｎｍ〜１０μｍとすることが好ましい。
（アニール処理工程）
本発明の光導波路素子の製造方法の第３の工程は、形成された透明酸化物電極をアニール処理するアニール処理工程である。透明酸化物薄膜を成膜する際の基板温度を比較的低い温度としたため、薄膜の膜質にばらつきが生じ、光導波路と透明酸化物電極との界面に欠陥が生じている。この欠陥をアニールにより改善する。
【００４１】
アニール温度は、良好な光電気特性を得るために、２００℃以上４００℃未満とすることが好ましい。２００℃未満の場合は光導波路と透明酸化物電極との界面の欠陥状態を十分に改善することができず、良好な電気特性を得ることができず、４００℃以上でアニール処理を行うと、電極材料の微結晶化が大幅に進み、逆に界面での欠陥を増大させてしまう。
【００４２】
また、透明酸化物電極の抵抗を低下させ、素子の動作速度を向上させるために、透明酸化物電極の上側に、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ等の金属、またはＴｉ−Ａｌ，Ａｌ−Ｃｕ，Ｔｉ−Ｎ，Ｎｉ−Ｃｒ等の合金を、単層もしくは２層以上の多層構造に積層することが好ましく、金属としてはＡｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ、及びこれらの合金が特に好ましい。また、この金属層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ未満とすることが好ましい。
【００４３】
また、この金属層はアニール処理工程の前に設けられ、金属層を電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、ＭＢＥ等によって形成した後、透明酸化物電極と同時にアニール処理を行う。
【００４４】
上記した通り、本発明の製造方法により得られる光導波路素子は、レーザー・プリンター、デジタル複写機、ファクシミリ用の光偏向素子、光通信や光コンピューター用の光スイッチおよび光変調素子、光ディスク用のピックアップなどの各種用途に使用され、良好な電気光学特性を示す。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の製造方法を、実施例に基づいて詳細に説明する。
（実施例１）
本発明の製造方法を用い、図１に示す光偏向素子を作製した。
【００４６】
この光偏向素子は、図１に示すように、下部電極でもある単結晶基板１２上に、２つの円形レンズ１４ａ、１４ｂが設けられ、単結晶基板１２と円形レンズ１４ａ、１４ｂとを覆うように光導波路１６が設けられている。光導波路１６上には、透明酸化物電極としてプリズム型のＩＴＯ電極２２が設けられている。光偏向素子の入射側にはチャンネル型光導波路２４ａ、２４ｂ、２４ｃが設けられ、出射側にはチャンネル型光導波路２８ａ、２８ｂ、２８ｃが設けられている。
【００４７】
まず、洗浄、エッチング、乾燥を予め行ったＮｂドープＳｒＴｉＯ3（１００）からなる単結晶基板１２上に、Ｐｂ濃度で０．６ＭのＰＺＴ（３０／７０）用前駆体溶液をスピンコーティングにより塗布した。塗布膜をＯ2雰囲気中で３００℃まで昇温し同温度にて保持する処理を５回繰り返すことによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を得た。これを直径８００μｍの円形レンズ形状にエッチングして、焼成処理することによって、膜厚５００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜からなる円形レンズ１４ａ、１４ｂを形成した。
【００４８】
次に、円形レンズ１４ａ、１４ｂが形成された単結晶基板１２上に、Ｐｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴ（９／６５／３５）用前駆体溶液をスピンコーティングにより塗布した。塗布後に焼成することで膜厚６００ｎｍのエピタキシャルＰＬＺＴ（９／６５／３５）薄膜からなる光導波路１６を形成した。結晶学的関係は、単一配向のＰＬＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ3（１００）、面内方位ＰＬＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ3［００１］の構造が得られた。次に、この薄膜光導波路１６のポーリングを行った。
【００４９】
光導波路１６の薄膜表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、底辺５００μｍ、高さ１０００μｍのプリズム形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、プリズム形状のテーパ状レジストパターンを形成した。
【００５０】
このレジストパターンを用いて、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング装置により、Ｏ2／Ａｒガス流量比が０．０５、Ｏ2／Ａｒ圧力比が０．００５、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃の条件で、酸化インジウムに錫を５重量％添加した密度９０％以上のターゲットからＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成した。ここでリフトオフを行い、膜厚１００ｎｍ、底辺５００μｍ、高さ１０００μｍのプリズム型のＩＴＯ電極２２を形成した。
【００５１】
ＩＴＯ電極２２がパターニング形成された基板を、３００℃の温度にてアニール処理し、その後、単結晶基板１２の裏面にＡｌ−Ｃｕからなる電極（図示せず）を形成し、オーミックコンタクトを得た。
【００５２】
得られた光偏向素子を用い、チャンネル導波路２４ｂの端面に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路１６内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路２４ｂから出射すると光導波路１６内で発散し、円形レンズ１４ａを通過すると０．４ｍｍにコリメートされた。下部電極でもある単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加しない場合には、コリメートされたレーザービームは、実線で示す通り、二つめの円形レンズ１４ｂを通過すると集光され、チャンネル導波路２８ｃの端面を通じて出射した。単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加した場合には、電気光学効果によって、光導波路１６のうちＩＴＯ電極２２が接触する部分とそれ以外の部分とにおいて屈折率差が生じ、破線で示す通り、レーザービームが偏向され、偏向されたレーザービームは二つめの円形レンズ１４ｂを通過すると集光されて、チャンネル導波路２８ｂの端面を通じて出射した。
（比較例１）
ＩＴＯ電極２２形成後にアニール処理を行わなかった以外は、実施例１と同様にして、図１に示す構造の光偏向素子を作製した。
【００５３】
得られた光偏向素子の電気特性をＣＶ（容量Ｃと電位Ｖとの関係を示す）特性により評価した。図２（Ａ）に示すように、比較例１の光偏向素子ではヒステリシスが崩れた形が現れた。このように水平部分が少ないヒステリシス曲線は、光導波路１６とＩＴＯ電極２２との界面に欠陥が多く存在する場合に見られるものであり、容量が小さく、リーク電流も大きくなった。一方、実施例１の光偏向素子のＣＶ特性は、図２（Ｂ）に示すように、整ったヒステリシス曲線を示した。
【００５４】
この光偏向素子に６３３ｎｍの波長のレーザービームをチャンネル導波路２４ｂの端面に集光し、光導波路１６へ導入した。単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に実施例１と同じ電圧を印加しても、入射したレーザービームは通常の偏向角度の１／５程度しか偏向せず、偏向効率が落ちており、印加電圧に対して充分な偏向角度を得ることができなかった。
（実施例２）
本発明の製造方法を用い、図１に示す光偏向素子を作製した。
【００５５】
まず、エッチング、乾燥を予め行ったＳｒＴｉＯ3（１００）からなる単結晶基板１２上に、スパッタリングによりアモルファスＰＺＴ（３０／７０）薄膜を形成した。これを直径８００μｍの円形レンズ形状にエッチングして、焼成処理することによって、膜厚８００ｎｍのエピタキシャルＰＺＴ（３０／７０）薄膜からなる円形レンズ１４ａ、１４ｂを形成した。
【００５６】
次に、円形レンズ１４ａ、１４ｂが形成された単結晶基板１２上に、スパッタリングによりＰＺＴ（５２／４８）薄膜をエピタキシャル成長して、エピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜からなる光導波路１６を形成した。結晶学的関係は、単一配向のＰＺＴ（１００）／／ＰＺＴ（１００）／／ＳｒＴｉＯ3（１００）、面内方位ＰＺＴ［００１］／／ＰＺＴ［００１］／／ＳｒＴｉＯ3［００１］の構造が得られた。次に、この薄膜光導波路１６のポーリングを行った。
【００５７】
光導波路１６の薄膜表面に、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置を用い、Ｏ2／Ａｒガス流量比が０．０５、Ｏ2／Ａｒ圧力比が０．００５、圧力０．５Ｐａ、基板温度０℃の条件で、酸化インジウムに錫を５重量％添加した密度９０％以上のターゲットから１５０ｎｍの膜厚のＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成した。
【００５８】
ＩＴＯ薄膜の上に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、底辺５００μｍ、高さ４０００μｍのプリズム形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、プリズム形状のレジストパターンを形成した。
【００５９】
このレジストパターンを用い、ＨＣｌ水溶液でエピタキシャルＰＺＴ（５２／４８）薄膜をエッチングすることで、膜厚１５０ｎｍ、底辺５００μｍ、高さ４０００μｍのプリズム型のＩＴＯ電極２２を形成した。
【００６０】
パターニングされたＩＴＯ電極２２が形成された基板を、２２０℃の温度にてアニール処理し、その後、単結晶基板１２の裏面にＡｌ−Ｃｕからなる電極（図示せず）を形成し、オーミックコンタクトを得た。
【００６１】
得られた光偏向素子を用い、実施例1と同様に、チャンネル導波路２４ｂの端面に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路１６内へ導入した。下部電極でもある単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加した場合には、破線で示す通り、レーザービームが偏向され、偏向されたレーザービームは円形レンズ１４ｂを通過すると集光されて、チャンネル導波路２８ｂの端面を通じて出射し、偏向素子として充分な特性を得ることができた。
（比較例２）
光導波路１６の薄膜表面に、ＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成する際の基板温度を２５０℃とした以外は、実施例２と同様にして、図１に示す構造の光偏向素子を作製した。
【００６２】
得られた光偏向素子のＩＴＯ電極２２をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した所、１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度のグレインが観察され、端部には凹凸が生じていた。
【００６３】
この光偏向素子に６３３ｎｍの波長のレーザービームをチャンネル導波路２４ｂの端面に集光し、光導波路１６へ導入した。単結晶基板１２とＩＴＯ電極２２との間に電圧を印加しても、入射したレーザービームはＩＴＯ電極２２の端面で散乱した状態で偏向し、複数の端面から出射され、光偏向素子に必要な特性を得ることができなかった。
（実施例３）
本発明の製造方法を用い、図３に示す光スイッチを作製した。
【００６４】
この光スイッチは、図３に示すように、下部電極でもある単結晶基板３２上へ、第１バッファ層３４を固相エピタキシャル成長させ、次に、第１バッファ層３４上に第２バッファ層３６をアモルファス状に形成した後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成、焼成し、その表面に光導波路４０を固相エピタキシャル成長させたものであり、Ｙ分岐チャンネル３８の上方に位置する光導波路４０上には、分岐した各枝に対応して、透明酸化物電極としてＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂが設けられている。
【００６５】
ＮｂドープＳｒＴｉＯ3（１００）からなる単結晶基板３２上へ、ＰＺＴ第１バッファ層３４を１２００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させ、次に、ＰＺＴ第１バッファ層３４上に、ＰＺＴ第２バッファ層３６をアモルファス状に２３０ｎｍの膜厚で形成の後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成し、焼成によりエピタキシャル化した後、その表面にＰＺＴ光導波路４０を１３７０ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させた。
【００６６】
次に、光導波路４０の薄膜表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、図３に斜線を付して示す所定の電極形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、所定形状のテーパ状レジストパターンを形成した。
【００６７】
このレジストパターンを用いて、ＤＣ−マグネトロンスパッタリング装置により、Ｏ2／Ａｒガス流量比が０．０９、Ｏ2／Ａｒ圧力比が０．００９、圧力０．５Ｐａ、基板温度１４０℃の条件で、酸化インジウムに錫を７重量％添加した密度９０％以上のターゲットからＩＴＯ薄膜を２００ｎｍの膜厚でスパッタリング形成した。ＩＴＯ薄膜の上に、さらに１００ｎｍの膜厚のＡｕ薄膜（図示せず）を、Ａｒガス流量が２００ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃の条件でスパッタリング形成した。ここでリフトオフを行い、Ａｕ薄膜が積層されたＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
【００６８】
Ａｕ薄膜が積層されたＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂが形成された基板を、３８０℃の温度にてアニール処理し、その後、単結晶基板１２の裏面にＡｌ−Ｃｕからなる電極（図示せず）を形成し、オーミックコンタクトを得た。
【００６９】
得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路の各端面４６、４８から出射した。
【００７０】
下部電極でもある単結晶基板３２とＩＴＯ電極４２ａとの間に電圧を印加し、単結晶基板３２とＩＴＯ電極４２ｂとの間には電圧を印加しなかった。電気光学効果によって、光導波路４０のうちＩＴＯ電極４２ａが接触するチャンネルと電圧の印加されていないＩＴＯ電極４２ｂが接触するチャンネルとの間で屈折率差が生じ、チャンネル導波路の端面４６からは出射されなくなり、端面４８からのみ出射した。
（実施例４）
本発明の製造方法を用い、図３に示す光スイッチを作製した。
【００７１】
ＮｂドープＳｒＴｉＯ3（１００）からなる単結晶基板３２上へ、ＰＺＴ第１バッファ層３４を１２００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させ、次に、ＰＺＴ第１バッファ層３４上に、ＰＺＴ第２バッファ層３６をアモルファス状に２３０ｎｍの膜厚で形成の後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成し、焼成によりエピタキシャル化した後、その表面にＰＺＴ光導波路４０を１３７０ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させた。
【００７２】
光導波路４０の薄膜表面に、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置を用い、Ｏ2／Ａｒガス流量比が０．０４、Ｏ2／Ａｒ圧力比が０．００４、圧力０．５Ｐａ、基板温度６０℃の条件で、酸化インジウムに錫を１０重量％添加した密度９０％以上のターゲットから５μｍの膜厚のＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成した。
【００７３】
ＩＴＯ薄膜の上に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、図３に斜線を付して示す所定の電極形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより所定形状のレジストパターンを形成した。ここで、ＨＣｌ水溶液でＩＴＯ薄膜をエッチングすることで、膜厚５μｍのＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
【００７４】
パターニングされたＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂが形成された基板を、３００℃の温度にてアニール処理し、ＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂの上に、さらに５ｎｍの膜厚のＴｉ薄膜（図示せず）と１μｍの膜厚のＡｌ薄膜（図示せず）とを、Ａｒガス流量が２００ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃の条件でスパッタリング形成し、最終的に、５ｎｍの膜厚のＴｉ薄膜と１μｍの膜厚のＡｌ薄膜とが積層された５μｍの膜厚のＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
【００７５】
その後、単結晶基板３２の裏面にＡｌ−Ｃｕからなる電極（図示せず）を形成し、オーミック・コンタクトを得た。
【００７６】
得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路の各端面４６、４８から出射した。
【００７７】
下部電極でもある単結晶基板３２とＩＴＯ電極４２ａとの間に電圧を印加すると、電気光学効果によって、光導波路４０のうちＩＴＯ電極４２ａが接触するチャンネルと電圧の印加されていないＩＴＯ電極４２ｂが接触するチャンネルとの間で屈折率差が生じ、チャンネル導波路の端面４６からは出射されなくなり、端面４８からのみ出射した。
（実施例５）
本発明の製造方法を用い、図３に示す光スイッチを作製した。
【００７８】
ＮｂドープＳｒＴｉＯ3（１００）からなる単結晶基板３２上へ、ＰＺＴ第１バッファ層３４を１２００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させ、次に、ＰＺＴ第１バッファ層３４上に、ＰＺＴ第２バッファ層３６をアモルファス状に２３０ｎｍの膜厚で形成の後、５μｍ幅の開口を有するＹ分岐チャンネル３８を形成し、焼成によりエピタキシャル化した後、その表面にＰＺＴ光導波路４０を１３７０ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長させた。
【００７９】
次に、光導波路４０の薄膜表面に、フォトレジストをスピンコートし、プリベークの後、図３に斜線を付して示す所定の電極形状に露光した。さらにポストベークを行い、これに続いて現像を行うことにより、所定形状のテーパ状レジスト・パターンを形成した。
【００８０】
このレジスト・パターンを用いて、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置により、Ｏ2／Ａｒガス流量比が０．０３、Ｏ2／Ａｒ圧力比が０．００３、圧力０．５Ｐａ、基板温度６０℃の条件で、酸化インジウムに錫を５重量％添加した密度９０％以上のターゲットからＩＴＯ薄膜を０．６μｎｍの膜厚でスパッタリング形成した。
【００８１】
図３には示されていないが、そのＩＴＯ薄膜の上に、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリング装置を用い、さらにＴｉを５ｎｍ、Ａｕを０．５μｎｍの膜厚でスパッタリング形成した。スパッタリングの条件は、Ａｒガス流量が２００ｓｃｃｍ、圧力０．５Ｐａ、基板温度１００℃である。ここでリフトオフを行い、５００ｎｍのＡｕ薄膜、１０ｎｍのＴｉ薄膜、及び６００ｎｍのＩＴＯ薄膜が積層された構造の上部電極としてのＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂを形成した。
【００８２】
その後、Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ3単結晶基板３２の裏面に、Ｔｉ−Ａｕからなる電極によってオーミック・コンタクトを形成した後、ＩＴＯ電極４２ａ、４２ｂが形成された基板を、３００℃の温度にてアニール処理した。
【００８３】
アニール処理後のＩＴＯ薄膜の表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察した結果を図４に示す。図４から分かるように、表面のグレインの大きさは０．１μｍ程度で薄膜表面の凹凸の高さは数ｎｍ〜２０ｎｍと平滑な膜となっていた。
【００８４】
得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入した。入射したレーザービームはチャンネル導波路の各端面４６、４８から出射した。ＩＴＯ薄膜が平滑であるため、導波損失が少なく良好な導波特性を示した。
（比較例３）
ＩＴＯ薄膜をスパッタリング形成する際のＯ2／Ａｒガス流量比を０とした以外は、実施例５と同様にして、図３に示す光スイッチを作製した。
【００８５】
この条件で形成されたＩＴＯ薄膜の表面をＡＦＭで観察した結果を図５に示す。表面のグレインの大きさは０．２〜０．４μｍと大きくなり、また薄膜表面の凹凸の高さは１０ｎｍ〜８０ｎｍと数倍大きくなり、
得られた光スイッチを用い、チャンネル導波路の端面４４に６３３ｎｍの波長のレーザービームを集光し、光導波路４０内へ導入したが、導波光の散乱が観測され、導波損失が大きくなった。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の製造方法により、光導波路素子の電気光学特性を損なうことなく、強誘電体薄膜からなる光導波路に接触するインジウム含有透明酸化物電極を形成することが初めて可能となり、光導波路構造を有する偏向素子、スイッチング素子、または変調素子等の各種の光制御素子において良好な特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で作製した光偏向素子の構造を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は実施例１の光偏向素子を駆動した場合のＣＶ特性を表すグラフであり、（Ｂ）は比較例１の光偏向素子を駆動した場合のＣＶ特性を表すグラフである。
【図３】実施例３で作製した光スイッチの構造を示す斜視図である。
【図４】Ｏ2／Ａｒガス流量比が０．０３の場合のＩＴＯ表面のＡＦＭ観察像である。
【図５】Ｏ2／Ａｒガス流量比が０．０１の場合のＩＴＯ表面のＡＦＭ観察像である。
【符号の説明】
１２、３２              単結晶基板
１４ａ、１４ｂ          円形レンズ
１６、４０              光導波路
２２、４２ａ、４２ｂ    ＩＴＯ電極
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ  チャンネル型光導波路
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ  チャンネル型光導波路
３４                    第１バッファ層
３６                    第２バッファ層
３８                    Ｙ分岐チャンネル
４４、４６、４８        端面
【図１】
0004412796.tif 000002
【図２】
0004412796.tif 000003
【図３】
0004412796.tif 000004
【図４】
0004412796.tif 000005
【図５】
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