JP4521859B2 - 分極反転形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、強誘電体基板の所望領域を分極反転させる分極反転形成方法に関し、特に強誘電体基板が表面に凹凸構造を有し、該凸部の一部を含む領域の基板を分極反転するための分極反転形成方法に関する。

光通信や光計測の分野において、波長変換素子や光変調器などの光学素子が利用されている。
波長変換素子の例としては、以下の特許文献１に示すように、強誘電体ＬｉＮｂＯ_３などの電気光学効果を有する基板上に周期的な分極反転構造を形成しているものがある。
また、光変調器の例としては、以下の特許文献２に示すように、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成すると共に、該光導波路に係る基板の一部を分極反転させ、チャープ発生の抑制や変調強度の消光比の向上を図るものが提案されている。
特開２０００−１４７５８４ 特開２００３−２０２５３０

このような強誘電体基板上に分極反転領域を形成する方法としては、Ｔｉ熱拡散による方法、ＳｉＯ_２を装荷した後に熱処理する方法、プロトン交換処理と熱処理とを行う方法などがある。また、強誘電体の自発分極が電界により反転することを利用して、約２０ｋＶ／ｍｍ以上の電界を印加することにより、分極反転領域を形成する方法が知られている。
特に、電界の印加による分極反転は、分極反転領域を正確に形成できると共に、形成方法が簡便であることなどの理由から、分極反転形成方法として良く利用されている。

電界を用いた分極反転形成方法としては、図１に示すように、基板１の上面及び下面に電極２，３を形成し、両電極間に電圧４を印加することにより形成する方法や、図２に示すように、基板１の上面に絶縁性のマスクパターン５を施し、電極６及び７により、シール部材８，９を介して該基板を狭持すると共に、基板１と各電極６，７との間に導電性液体を充填し、電極６，７に電圧４を印加する方法などが知られている。なお、電極６及び７の代わりにアクリル板などの絶縁材料を利用する場合には、電圧４からの給電用に、電線を導電性液体に直接接触させるよう構成される。
これらの方法により、図１の場合には、電極２のパターンに応じた分極反転領域が、また、図２の場合には、マスクパターン５が形成されていない領域に対応した分極反転領域が、各々形成される。

他方、光変調器などの光学素子において、駆動電圧の低下、インピーダンスマッチング、広帯域化などを目的として、リッジ構造を有する光学素子が実用化されている。
図３（ａ）は、リッジ構造を有する光学素子を示す斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の一点鎖線Ａにおける基板の断面図を示す。なお、図面では、光学素子を制御するための電極等は省略されている。
図３では、強誘電体基板１に、光導波路１２を形成すると共に、該光導波路１２を含む部分にリッジ１０が形成されている。さらに、光導波路１２の一部に、分極反転領域１１を形成する構成を図示している。

図３のように、強誘電体基板の表面にリッジなどの凹凸構造を有し、しかも該凸部の一部を含む領域に分極反転を形成する方法としては、図４に示すように、強誘電体基板の一部を分極反転した後、該基板の表面におけるリッジを形成する領域以外を、機械的な切削や化学的なエッチングなどにより、選択的に除去する方法が一般的である。

具体的な手順は、まず最初に、図４（ａ）に示すように、強誘電体基板１の表面に所望のパターンを有する電極２０と、該基板の裏面全体に電極２１を形成する。次に、該電極２０と２１との間に、電圧源２２により、高電圧を印加し、電極２０のパターンに対応した領域の基板を分極反転１１させる。
その後、基板上の電極２０，２１を除去すると共に、基板１の表面に形成するリッジの形状に対応して、マスクを形成し、該マスク以外の基板表面を、ドライエッチング、ウエットエッチングなどにより化学的に除去、あるいは、サンドブラストや切削加工などにより機械的に除去することで、リッジ２３を形成する（図４（ｂ）参照）。なお、図４以降の図面においては、本発明の説明を容易にするため、図３（ｂ）に相当する基板の断面図では、光導波路が形成される基板領域以外における基板表面の凹凸を省略して記載する。

しかしながら、化学的な除去においては、分極反転した領域とそれ以外の領域とでは、エッチングの速度や方向が異なるため、所望のリッジを形成することが難しく、また、機械的な除去においては、基板全体に多くの衝撃が付加されるため、基板割れが生じ易くなるという欠点を生じる。

このため、強誘電体基板上にリッジを形成した後、該基板所望の領域に分極反転を行うことが求められている。
図５では、リッジ形成後に分極反転を行う場合の方法を図示したものである。
最初に、基板１の表面に光導波路３０を形成し（図５（ａ）参照）、次に、基板１の表面のリッジを形成する領域にマスク部材３１を設け、エッチング等によりマスク部材３１が形成された領域以外を除去し、リッジ３２を形成する。

リッジ３２を形成した後の基板１を分極反転するには、図５（ｄ）のように、基板１の表面の所望の領域に電極３３を形成し、他方、基板１の裏面には全面に電極３４を形成する。そして、両者の電極３３，３４の間に、高電圧３５を印加することにより、電極３３のパターンに対応した基板の領域を、分極反転３６することができる。
分極反転後は、電極３３，３４を除去することにより、図５（ｅ）のように、リッジを有する基板の一部を分極反転したものを得ることができる。

しかしながら、図５に示す分極反転方法によると、図５（ｄ）のリッジに形成した電極３３のエッジ部３７に電界が集中し、基板の割れが生じ易く、しかも、リッジとそれ以外の領域とに渡って分極反転を形成する場合には、リッジとそれ以外の領域とでは基板の厚みが異なるため、電界の強さが異なり、分極反転時の電圧調整が複雑化するなどの弊害を生じる。

他方、図５（ｃ）のリッジを形成した基板１を分極反転する方法として、図６及び７のように絶縁性マスクを利用する方法がある。
図６では、基板１の表面に分極反転の形成領域以外に絶縁性マスク４０を形成し、図２と同様に、電極４２及び４３により、シール部材４１を介して該基板を狭持すると共に、基板１と各電極４２，４３との間に導電性液体４５，４６を充填し、電極４２，４３に高電圧４４を印加する。
これにより、絶縁性マスク４０が形成されていない領域の基板を分極反転４７することが可能となる。分極反転後、絶縁性マスクは剥離される。

また、図７では、基板１の裏面に分極反転の形成領域以外に絶縁性マスク５０を形成し、図２又は６と同様に、電極５２及び５３により、シール部材５１を介して該基板を狭持すると共に、基板１と各電極５２，５３との間に導電性液体５５，５６を充填し、電極５２，５３に高電圧５４を印加する。
そして、絶縁性マスク５０が形成されていない領域の基板を分極反転５７し、その後、絶縁性マスク５０は除去される。

しかしながら、図６及び図７に記載の絶縁性マスクを利用した分極反転する方法においては、絶縁性マスク材料として、強誘電体基板１より高い抵抗値を有する材料を選定する必要があり、使用する材料が限定されるという問題がある。
しかも、絶縁性マスクとして一般に広く利用されているレジストマスクを利用する場合には、レジストマスクの抵抗値を高めるため、ハードベーク処理が有効手段となるが、分極反転後のレジストマスク剥離が困難となる上、加熱処理により意図しない微小の分極反転領域（マイクロドメイン）が基板全体に導入され、分極反転領域の制御精度が低下するとともに、波長変換素子や光変調器など分極反転構造を利用したデバイスの動作不良や特性劣化が懸念されることとなる。

また、絶縁性マスクの抵抗値が十分に高くできない場合には、図６の４８や図７の５８に示すように、分極反転領域が、意図しない基板領域まで広がることがあり、分極反転領域の形成を正確に制御することが困難となる。

本発明の目的は、上述した問題を解決し、強誘電体基板の表面に、リッジなどの凹凸構造を有するものにおいて、該凸部の一部を含む領域の基板を、精度良く分極反転するための分極反転形成方法を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、強誘電体基板と、該基板表面に凹凸構造を形成し、その後、該凸部の一部を含む領域の基板を分極反転する分極反転形成方法において、分極反転する領域の内、少なくとも該凸部が形成された領域の基板裏面に凹部を形成し、該凹部の深さは、該凹部が形成された基板表面の凸部の高さより大きく、かつ該凹部の幅は、該基板裏面の凹部を形成する領域における基板表面の凸部の幅より広くなるよう設定され、該基板に分極反転のための電界を液体電極を介して印加することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の分極反転形成方法において、分極反転を形成した後、該基板裏面における該凹部以外の領域の少なくとも一部の基板裏面を除去することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明では、請求項１に記載の分極反転形成方法において、分極反転を形成した後、該基板裏面の凹部の全部又は一部に、該基板の誘電率または熱膨張率がほぼ等しい材料を充填することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、凸部が形成された領域の強誘電体基板の裏面に凹部を形成することにより、該凸部の領域における基板の厚みを薄くし、分極反転形成時の電界の強さを高めることが可能となる。
これにより、該凸部を含む領域の基板に対しても、正確に分極反転を形成することが可能となる。

そして、基板裏面に形成する凹部の深さを、該凹部が形成された基板表面の凸部の高さより大きくすることにより、分極反転形成時に、基板表面の凸部の領域に印加される電界の強さを、他の領域と同じかそれ以上とすることが可能となり、該凸部の領域の基板を正確に分極反転することが可能となる。

しかも、基板裏面に形成する凹部の幅を、基板表面の凸部の幅より幅広とすることにより、該凸部を含む領域の基板を確実に分極反転することが可能となる。しかも、凸部の裾と凹部の底部とが近接し、これらの近接部では、分極反転形成時の初期段階で分極反転が形成され、その後、凸部の領域に分極反転が進行することとなるため、分極反転領域をより明確に制御することが可能となる。

さらに、導電性液体を利用する液体電極により分極反転を行うため、強誘電体基板の表面の凹凸構造や裏面の凹部の形状に依存せず、基板全体に基板の厚みに応じた電界を印加することが可能となる。これにより、基板の表面及び裏面の形状を精度良く設定することにより、分極反転領域を正確に制御することが可能となる。

請求項２に係る発明により、分極反転を形成した後、基板裏面の凹部以外の領域の少なくとも一部を除去することにより、強誘電体基板全体に掛かる温度変化による応力分布や、誘電体基板を光学素子として利用する場合のマイクロ波等の伝搬特性変化等を補償することが可能となる。

請求項３に係る発明により、分極反転を形成した後、基板裏面の凹部の全部又は一部に、基板の誘電率又は熱膨張率がほぼ等しい材料を充填することにより、基板の誘電率や熱膨張率の空間分布を調整し、基板の電気的特性や熱膨張に係る応力分布などを補償することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の特徴は、強誘電体基板に分極反転を形成する際に、予め基板の表面に、リッジなどの凹凸構造が形成されている場合に、凸部の一部を含む領域の基板を、精度良く分極反転することを可能とする分極反転形成方法を提供するものである。

具体的には、図８に示すように、強誘電体基板１の表面にリッジ３２が形成されているものにおいて、分極反転を形成する領域に、リッジ３２が含まれる場合には、該リッジが形成されている基板の裏面に、凹部６０を形成し、分極反転形成時に印加される電界の強さを調整するものである。３０は、リッジに形成された光導波路３０を示す。

凹部の形状に関しては、凹部の深さＨがリッジの高さｈと比較して、Ｈ≧ｈ、好ましくはＨ＞ｈとなるように設定し、凹部の幅Ｗがリッジの幅ｗと比較して、Ｗ≧ｗとなるように設定する。
これにより、分極反転を形成する領域の基板にリッジなどの凸部が形成されている場合でも、該凸部の領域の基板の厚みを、他の領域の基板の厚みと同じ又は、それ以下とすることが可能となるため、分極反転形成時に電圧を印加した場合でも、該凸部の領域において電界の強さが他の領域と同じ又はそれ以上となるため、分極反転領域を精度良く制御することが可能となる。

凹部の幅Ｗに関しては、リッジの幅ｗの1.0〜1.5倍の範囲に設定するのが、より好ましい。
Ｗ＜1.0ｗの場合には、リッジの幅全体に分極反転領域を形成するのが難しくなる。
他方、Ｗ＞1.0ｗの場合には、リッジの裾の基板が、リッジの領域より薄くなるため、分極反転形成時の電界が、リッジの領域より、これらの裾でより強くなるため、リッジの裾の領域に優先的に分極反転が形成される。そして、その後、リッジ領域にも分極反転が形成され、分極反転領域をより明確に制御することが可能となる。
ただし、Ｗ＞1.5ｗの場合には、リッジの周辺領域に、リッジ領域より基板の薄い領域が形成されることとなるため、これらの周辺領域を中心に分極反転が進行し、リッジ領域だけでなく、リッジの周辺領域の外側にも分極反転が形成される。このため、分極反転領域をリッジ領域のみに精度良く制御することが困難となる。しかしながら、例えば光変調器などの構成上、リッジ周辺領域を含んでより広範囲に分極反転を形成したい場合にはこの限りではない。

基板裏面の凹部の形成方法としては、基板裏面の凹部を形成する領域以外を、ゴム系レジスト膜などで被覆し、砂目が＃６００程度の微小硬質材料を噴射して、基板表面のリッジの高さｈ以上に掘り込む方法がある。
また、弗酸系ケミカルエッチングや、ＥＣＲ，ＩＣＰ方式などのドライエッチングなどを利用することも可能であり、例えば、弗酸系ケミカルエッチングにおいては、基板裏面上の分極反転領域外をポリイミド系レジストなどで被覆し、弗酸エッチングを行う。

図８のように、基板裏面に凹部を形成した強誘電体基板を分極反転するには、図９に示すように、図８の基板を、電極６２及び６３により、シール部材６１を介して狭持すると共に、該基板と各電極６２，６３との間に導電性液体６５，６６を充填し、電極６２，６３に高電圧６４を印加する。

このように、強誘電体基板を分極反転する際には、従来のような絶縁性マスクは不要であり、従来のような絶縁性マスクの形成、剥離などの複雑な工程を省略することが可能となるため、製造工程を簡略化することができる。しかも、絶縁性マスクとしてレジストを用いる場合、抵抗率を高めるためのハードベーク工程も不要となるため、マイクロドメインの発生が無い。

なお、本発明は、図９に示すように絶縁性マスクを使用しない例に限定されるものではなく、図８の強誘電体基板に対し、必要に応じて図６及び図７のように絶縁性マスクを利用することも可能である。
この場合には、基板裏面に凹部が形成され、リッジの領域の基板に掛る電界の強さを高めることが可能となっているため、絶縁性マスクとしても多種多様な材料を利用することが可能となると共に、絶縁性マスクの抵抗率を高めるための熱プロセスも不要となるなど、本発明を利用する利便性が高い。

次に、分極反転を形成した後の強誘電体基板の処理について説明する。
基板裏面に凹部が形成された状態で、強誘電体基板を各種の用途に利用することも可能であるが、該凹部が局所的に形成されているため、例えば、基板の温度が変化するに伴い、基板にかかる熱応力の分布が不均一となり、強誘電体基板の機械的特性や電気光学的特性が劣化する原因ともなる。また、光変調器などの光学素子に多用されるマイクロ波により、強誘電体基板に電界を印加する場合には、マイクロ波の伝搬特性が、該凹部の存在により変化することも危惧される。

このような、基板裏面の凹部の存在による不具合を解消するため、図１０（ａ）に示すように、基板裏面における該凹部以外の領域の少なくとも一部の基板裏面を除去し、基板裏面の凹部の影響を緩和する。
また、図１０（ｂ）に示すように、基板裏面の凹部の全部又は一部に、該基板の誘電率または熱膨張率がほぼ等しい材料を充填することにより、基板裏面の凹部の影響を緩和することも可能である。

本発明は、以上説明したものに限られるものではなく、必要に応じて当該技術分野における公知の技術を適用可能であることは、言うまでも無い。

以上、説明したように、本発明によれば、強誘電体基板の表面に、リッジなどの凹凸構造を有するものにおいて、該凸部の一部を含む領域の基板を、精度良く分極反転するための分極反転形成方法を提供することが可能となる。

従来の電極パターンを用いた分極反転方法を示す図である。 従来の液体電極法を示す図である。 リッジを有する強誘電体基板を示す図であり、（ａ）は該基板の斜視図、（ｂ）は該基板の断面図を示す。 従来の分極反転後にリッジを形成する例を示す図である。 従来のリッジ形成後に、分極反転を行う例を示す図である。 従来の強誘電体基板の表面に絶縁性マスクを形成し、分極反転を行う例を示す図である。 従来の強誘電体基板の裏面に絶縁性マスクを形成し、分極反転を行う例を示す図である。 本発明の強誘電体基板の裏面に凹部を形成する状態を示す図である。 本発明の基板裏面に凹部を有する強誘電体基板の分極反転の形成方法を示す図である。 基板裏面に凹部を有する強誘電体基板に関し、分極反転後の処理を示す図であり、（ａ）は該凹部以外の領域の一部を切除する図、（ｂ）は該凹部の全部又は一部を充填する図を示す。

符号の説明

１ 強誘電体基板
２ パターン電極
３ 裏面電極
４ 印加電圧
５ 絶縁性マスクパターン
６，７，６２，６３ 電極
８，９，６１ シール部材
３０ 光導波路
３２ リッジ
６０ 凹部
６５，６６ 導電性液体
６７ 分極反転領域
７０ 切除部
７１ 充填部

Claims (3)

1. 強誘電体基板と、該基板表面に凹凸構造を形成し、その後、該凸部の一部を含む領域の基板を分極反転する分極反転形成方法において、
   分極反転する領域の内、少なくとも該凸部が形成された領域の基板裏面に凹部を形成し、該凹部の深さは、該凹部が形成された基板表面の凸部の高さより大きく、かつ該凹部の幅は、該基板裏面の凹部を形成する領域における基板表面の凸部の幅より広くなるよう設定され、
   該基板に分極反転のための電界を液体電極を介して印加することを特徴とする分極反転形成方法。
2. 請求項１に記載の分極反転形成方法において、分極反転を形成した後、該基板裏面における該凹部以外の領域の少なくとも一部の基板裏面を除去することを特徴とする分極反転形成方法。
3. 請求項１に記載の分極反転形成方法において、分極反転を形成した後、該基板裏面の凹部の全部又は一部に、該基板の誘電率または熱膨張率がほぼ等しい材料を充填することを特徴とする分極反転形成方法。

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