光機能素子の製造方法
【課題】異なる周期の周期分極反転構造を均一に形成することができる光機能素子の製造方法を得ること。
【解決手段】強誘電体材料からなる基板１０１の一の主面上の対向する一対の辺の周縁部に絶縁層１０２を形成する工程と、基板１０１の一の主面上に金属膜を形成し、他の主面上に裏面電極１０４を形成する工程と、金属膜１０３Ａをパターニングし、一対の絶縁層１０２間に形成された領域内に、絶縁層１０２間を結ぶ方向に延在した所定の周期の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂを、複数の周期でそれぞれ異なる領域に形成し、絶縁層１０２上にそれぞれの櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部と接続される外枠電極１０５Ｃを形成する工程と、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を印加する工程と、を含み、櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの延在方向における外枠電極１０５Ｃの長さは、櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成される。
【解決手段】強誘電体材料からなる基板１０１の一の主面上の対向する一対の辺の周縁部に絶縁層１０２を形成する工程と、基板１０１の一の主面上に金属膜を形成し、他の主面上に裏面電極１０４を形成する工程と、金属膜１０３Ａをパターニングし、一対の絶縁層１０２間に形成された領域内に、絶縁層１０２間を結ぶ方向に延在した所定の周期の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂを、複数の周期でそれぞれ異なる領域に形成し、絶縁層１０２上にそれぞれの櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部と接続される外枠電極１０５Ｃを形成する工程と、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を印加する工程と、を含み、櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの延在方向における外枠電極１０５Ｃの長さは、櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、強誘電体材料基板に周期分極反転構造を形成した光機能素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームや形状加工した電極を用いて強誘電体材料基板に電界を印加すると、任意箇所に分極反転領域を形成することができ、種々の光機能素子を実現することができる。たとえば、この技術を用いて強誘電体材料の非線形光学結晶基板に反転と非反転を繰り返す周期分極反転構造を形成することで、非線形光学結晶基板への入射波と非線形光学効果によって発生した第２高調波の擬似位相整合が成立し、高効率な光波長変換素子を製造することができる。
【０００３】
このような周期分極反転構造の形成方法として、Ｚ面でカットされたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）の結晶基板に対して、結晶基板の＋Ｚ面へ櫛歯電極を設け、−Ｚ面へ平面電極を設け、櫛歯電極と平面電極との間に所定の分極反転電圧を印加し、櫛歯電極直下のＺ軸方向に分極反転領域を成長させ、周期分極反転構造を形成するものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、この特許文献１による分極反転構造は、櫛歯幅よりも分極反転幅が広がってしまう（以下、これを過反転という）という問題があった。
【０００４】
光波長変換素子の波長変換効率は、基板材料の非線形光学係数に依存するとともに、光入射方向において反転／非反転の１周期における反転／非反転幅の比率が５０：５０に近いほど、高い変換効率を得られることが知られている。そのため、特許文献１による波長変換素子は、光入射方向における反転／非反転幅の比率が不均一であるので、低い波長変換効率しか得られず、産業面で活用することは困難であった。
【０００５】
そこで、１０μｍ以下の周期のような狭い間隔の分極反転構造を形成する場合に、過反転を抑える様々な製造方法が提案されている。たとえば、狭い周期の櫛歯電極を広い周期の櫛歯電極に分割し、それぞれの電極へ別々に電圧を印加して分極反転を行う製造方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。この製造方法によって、たとえば、７μｍ程度の単一の周期による分極反転構造が高精度に形成することが可能となる。
【０００６】
ところで、反転／非反転の周期は単一でも波長変換機能などを発現することができるが、複数の異なる周期の分極反転構造を１つの素子に形成することで、複数の光の和周波数や差周波数を発生させることができ、さらに多くの用途に用いることができる（たとえば、非特許文献１，２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１９７１９号公報
【特許文献２】特開２００３−３０７７５８号公報
【非特許文献１】M. Robles-Agudo, et al, “RGB source based on simultaneous quasi-phase-matched second and third harmonic generation in periodically poled lithium niobate”, OPTICS EXPRESS, Vol.14, No.22, Oct, 2006
【非特許文献２】X. P. Hu, et al, “High-power red-green-blue laser light source based on intermittent oscillating dual-wavelength Nd:YAG laser with a cascaded LiTaO3 superlattice”, OPTICS LETTERS, Vol.33, No.4, Feb, 2008, p.408-410
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１，２に記載されている異なる周期の分極反転パターンを形成するには、たとえばその分極反転パターンに合わせて異なる周期の櫛歯電極を強誘電体結晶基板の＋Ｚ面に設け、平面電極を−Ｚ面に設け、櫛歯電極と平面電極との間に所定の分極反転電圧を印加し、櫛歯電極直下のＺ軸方向に分極反転領域を成長させ、周期分極反転構造を形成する。このとき、広い間隔の周期を持つ櫛歯電極下の分極反転の進行は遅く、狭い間隔の分極反転の進行は速くなる現象が起こる。このため、広い間隔の分極反転が終了するときには、狭い間隔の分極反転は所定の分極反転幅よりも過剰に広くなってしまう。逆に、狭い間隔の分極反転の完了に合わせて電圧を印加する時間を短くすると、長い周期の櫛歯電極における分極反転は半分程度しか完了していない状態になってしまう。
【０００９】
このような問題点は、１０μｍを超える複数の周期で構成される周期分極反転構造を形成する場合には、過反転が数μｍ程度で起こることを考慮して、短い周期の櫛歯電極の幅を狭くするという設計の変更によって解決可能である。しかし、１０μｍ以下の周期を含む周期分極反転構造を形成する場合には、製造設計上の電極幅の制限があるために、最大で数μｍの過反転マージンしか設けることができない。つまり、所定の領域における分極反転が完了してからさらに電圧を印加すると、隣接する分極反転の櫛歯が繋がってしまうなどの問題が起こってしまう。
【００１０】
このように、特許文献１，２に記載の方法で、非特許文献１，２に記載されている異なる周期の分極反転構造を形成しようとしても、異なる周期の分極反転構造を均一で、高精度にしかも高い歩留まりで形成することができないという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、異なる周期の周期分極反転構造を有する光機能素子を形成する方法において、異なる周期の周期分極反転構造を均一で、高精度にしかも高い製造歩留まりで形成することができる光機能素子の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光機能素子の製造方法は、強誘電体材料からなる基板の第１の主面上に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記基板の対向する一対の辺の周縁部にのみ前記絶縁層が残るようにパターニングするパターニング工程と、前記パターニングされた絶縁層が形成された前記基板上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記基板の第２の主面上に裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、前記一対の絶縁層間に形成された周期分極反転構造形成領域内に、前記絶縁層間を結ぶ方向に延在した電極を所定の周期で櫛歯状に複数並列に配置した櫛歯電極が、複数の周期でそれぞれ異なる領域に形成され、前記絶縁層上に、前記櫛歯電極の端部と接続され、前記異なる周期の櫛歯電極間を接続する外枠電極が形成されるように、前記金属膜をパターニングし、表面電極を形成する表面電極形成工程と、前記外枠電極と前記裏面電極との間に、少なくとも周期の最も短い櫛歯電極の下の領域で分極反転が完了する時間の間、電圧を印加して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程と、を含み、前記櫛歯電極の延在方向における前記外枠電極の長さは、前記櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、櫛歯電極の延在方向における外枠電極の長さを、櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成したので、周期の短い櫛歯電極ほど、櫛歯電極の延在方向の分極反転の形成が遅くなるようにした。そのため、過反転のマージンの小さい狭い周期間隔の分極反転パターンに対して電圧印加時間を調整できるので、異なる周期を持つ分極反転パターンにおいても均一で高精度な周期分極反転構造を実現することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光機能素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる光機能素子の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１５】
実施の形態１．
強誘電体結晶基板に周期的な分極反転構造を形成するための光機能素子の製造方法を説明する。図１−１〜図１−６は、この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である。なお、以下の説明では強誘電体結晶基板としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いるが、このニオブ酸リチウムの基板を単に「基板」と称して、この実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。また、明細書全文に表れている構成要素の形容やサイズは、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。さらに、以下説明する製造方法では、ニオブ酸リチウムの基板を例にとって説明するが、電界の印加により分極反転を起こす非線形光学結晶であればニオブ酸リチウムに限られずに利用できる製造方法である。
【００１６】
まず、図１−１に示されるように、厚さ０．５ｍｍの矩形状の基板１０１の表面に、スパッタ法や蒸着法によって厚さ０．５μｍの絶縁層１０２Ａを成膜する。ここで、図１−１中に示した絶縁層１０２Ａが形成されている側の基板１０１の面は、ニオブ酸リチウム基板の＋Ｚ面である。また、絶縁層１０２Ａとして、電気絶縁性と加工容易性を考慮して、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）やシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）などを用いることができる。以下では、ＳｉＯ2を絶縁層１０２Ａとして用いる場合を説明する。
【００１７】
ついで、絶縁層１０２Ａ上に、３．０μｍの厚さとなるようにノボラック系などの感光性レジストを塗布し、フォトリソグラフィによって後述する外枠電極の下に位置する感光性レジストをパターニングする。そして、図１−２に示されるように、この感光性レジストをエッチングマスクとして、ＢＨＦ（バッファドフッ酸）で絶縁層１０２Ａをエッチングした後、エッチングマスクを酸素プラズマアッシングなどで除去して、外枠電極の下部に位置する絶縁層１０２を形成する。結果的に、基板１０１の一対の対向する辺の周縁部に絶縁層１０２が形成される。また、この絶縁層１０２で挟まれる領域を、周期分極反転構造形成領域Ｒというものとする。
【００１８】
ついで、図１−３に示すように、パターニングされた絶縁層１０２が形成された基板１０１の表面（＋Ｚ面）に、０．５μｍの金属膜１０３Ａをスパッタ法や蒸着法、イオンプレーティング法などの成膜方法によって成膜する。さらに、基板１０１の裏面（−Ｚ面）にも厚さ０．５μｍの金属膜をスパッタ法や蒸着法、イオンプレーティング法などの成膜方法によって成膜し、裏面電極１０４を形成する。ここで、形成する金属膜１０３Ａと裏面電極１０４には、基板１０１との密着性を考慮して、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，ＮｉＣｒなどが有効である。一方で、成膜前にフッ酸洗浄などの基板洗浄を行って密着性を向上させた基板１０１を用いる場合には、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどの低抵抗な金属を用いても、櫛歯間の電気抵抗を下げるので電界均一化の点で有効である。以下では、Ｔｉを金属膜１０３Ａと裏面電極１０４に用いる場合を説明する。
【００１９】
ついで、金属膜１０３Ａ上に感光性レジストを塗布し、第１の周期の第１の櫛歯電極と、第１の周期よりも長い第２の周期の第２の櫛歯電極と、第１と第２の櫛歯電極の端部と接続され、第１の櫛歯電極と第２の櫛歯電極とを接続するように形成される外枠電極と、を含む表面電極のパターンとなるように、フォトリソグラフィによって感光性レジストをパターニングしてエッチングマスクを形成する。そして、平行平板型プラズマエッチャによる塩素プラズマエッチングでエッチングマスクを用いて金属膜１０３Ａをパターニングし、その後にエッチングマスクを除去する。その結果、図１−４の斜視図に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａ、第２の櫛歯電極１０５Ｂおよび外枠電極１０５Ｃを含む表面電極が形成される。なお、外枠電極１０５Ｃは、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部と接続され、絶縁層１０２上に形成される。また、ここで、第１の櫛歯電極１０５Ａと第２の櫛歯電極１０５Ｂは、周期分極反転構造形成領域Ｒに形成された部分のことをいうものとする。
【００２０】
ここで、第１の櫛歯電極１０５Ａの櫛歯周期ｐ１は１０μｍであり、櫛歯幅ｗ１は３μｍであり、第２の櫛歯電極１０５Ｂの櫛歯周期ｐ２は３０μｍであり、櫛歯幅ｗ２は１０μｍである。また、背景技術で説明したように、それぞれの周期における非分極反転幅と分極反転幅は、５０：５０が理想的であるので、この実施の形態１の場合には、第１の櫛歯電極１０５Ａによって形成される分極反転幅は５μｍが理想的であり、第２の櫛歯電極１０５Ｂによって形成される分極反転幅は１５μｍが理想的である。これらの理想的な分極反転幅と櫛歯幅の差が過反転マージンである。すなわち、第１の櫛歯電極１０５Ａの過反転マージンは２μｍであり、第２の櫛歯電極１０５Ｂの過反転マージンは５μｍである。
【００２１】
また、この実施の形態１では、絶縁層１０２上に形成される外枠電極１０５Ｃの櫛歯電極の延在方向における長さ（以下、外枠電極絶縁長さという）を、櫛歯周期が広いほど短くするように、外枠電極１０５Ｃがパターニングされる。このように、櫛歯周期の長さに応じて外枠電極絶縁長さを変化させることで、周期分極反転構造を形成する際に電圧を印加したとき、反転核が発生する時間を、外枠電極絶縁長さが長いほど遅らせることが可能となる。ここでは、外枠電極絶縁長さ（第１の櫛歯電極１０５Ａの端部から外枠電極１０５Ｃの端部までの距離）ａは５００μｍであり、外枠電極絶縁長さ（第２の櫛歯電極１０５Ｂの端部から外枠電極１０５Ｃの端部まで距離）ｂは２００μｍである。
【００２２】
このように、実施の形態１では、絶縁層１０２上に形成する外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さを異なる周期の櫛歯電極が形成される領域ごとに変えるようにしたので、異なる周期の櫛歯電極が形成される領域の境界で、外枠電極１０５Ｃのパターンが曲げられて、角部１０６が生じる。
【００２３】
ついで、上記の工程を経て作製した基板１０１の電極形成面を分極反転させる。具体的には、基板１０１上の外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を印加し、基板１０１の第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂが形成された領域を分極反転させる。このとき、少なくとも第２の櫛歯電極１０５Ｂで分極反転が完了する時間、電圧を印加するものとする。
【００２４】
その後、図１−５に示されるように、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂ、外枠電極１０５Ｃ、裏面電極１０４および絶縁層１０２を、５０％濃度のフッ酸などの酸溶剤で除去する。基板１０１上の第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂが形成されていた領域は、電圧印加によって分極反転して分極反転領域２０１となり、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂと接しなかった基板１０１上の領域は非分極反転領域２０２となる。以上の工程で第１の櫛歯電極１０５Ａの櫛歯周期ｐ１と第２の櫛歯電極１０５Ｂの櫛歯周期ｐ２を適宜調整することによって、所望の２つの周期による分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２とが繰り返される周期分極反転構造を作製することができる。
【００２５】
ここで、分極反転は材料固有の分極反転電界が印加されたときに発生するが、ニオブ酸リチウムの分極反転電界の強度は室温で約２０ｋＶ／ｍｍである。したがって、この実施の形態１で説明している０．５ｍｍ厚のニオブ酸リチウム基板の例では、分極反転電圧は常温で１０ｋＶ程度が好ましいことになる。また、分極反転はパターン（櫛歯電極）の延在方向の端部に形成される反転核を起点として、電極に沿って分極反転領域２０１が広がっていく。この分極反転領域２０１が広がる速度は、電圧や電極パターンに依存する。印加電圧が高く、電極パターンが密なほど分極反転領域２０１は速く広がっていく。この実施の形態１による場合では、３〜５秒程度の電圧印加で所定の分極反転領域２０１が形成される。
【００２６】
また、長い周期の第２の櫛歯電極１０５Ｂに接続される外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さｂが、短い周期の第１の櫛歯電極１０５Ａに接続される外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さａよりも短くなっているため、フリンジ効果による高電界の影響を受けて、反転核が第１の櫛歯電極１０５Ａよりも速く生成され、その結果、分極反転の進行が速くなる。このため、第２の櫛歯電極１０５Ｂにおける分極反転が先に完了する。さらに、第２の櫛歯電極１０５Ｂは、第１の櫛歯電極１０５Ａに比して長周期であるため過反転のマージンを設計上大きく取ることができる。その結果、第１の櫛歯電極１０５Ａにおける分極反転が完了するまで電圧を印加しても、第２の櫛歯電極１０５Ｂにおいて隣接する櫛歯間の分極反転領域２０１が繋がってしまうなどの過剰なパターン劣化が生じない。
【００２７】
最後に、基板１０１外周の不要な領域をダイシングソーなどで切り落とし、断面を光学研磨することで、図１−６に示されるような均一で高精度な周期分極反転構造を持つ波長変換素子１０７を製造することができる。
【００２８】
なお、上述した説明では、異なる周期の２つの周期分極反転構造を基板１０１に形成する場合を例に挙げたが、異なる周期の３つ以上の周期分極反転構造を基板１０１に形成する場合にも、同様の方法によって形成することができる。
【００２９】
ここで、外枠電極絶縁長さを、周期の異なる櫛歯電極で同じにして、異なる周期の分極反転パターンを形成した場合と比較して、この実施の形態１による効果について説明する。図２−１は、外枠電極絶縁長さを周期の異なる櫛歯電極で同じにして形成した電極の状態を模式的に示す斜視図であり、図２−２は、図２−１の基板に電圧を４秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図であり、図２−３は、図２−１の基板に電圧を１０秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図である。
【００３０】
なお、ここでは、１０μｍの周期間隔で３μｍの櫛歯幅で５ｍｍ長さの櫛歯が５００本並んだ第１の櫛歯電極１０５Ａと、３０μｍの周期間隔で１０μｍの櫛歯幅で長さ５ｍｍの櫛歯が１６０本並んだ第２の櫛歯電極１０５Ｂと、が配置される場合を例に挙げて説明する。また、この例では、上述したように、第１の櫛歯電極１０５Ａが形成される領域と第２の櫛歯電極１０５Ｂが形成される領域に接続され、絶縁層１０２上に形成される外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さは同じとなっている。
【００３１】
まず、図２−１に示される状態で、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を４秒間印加する。この場合、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に接続される外枠電極絶縁長さがともに同じであるので、電圧を印加してから第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に反転核が形成されるまでの時間は等しい。そのため、この反転核を起点として第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの延在方向に沿って分極反転領域が広がっていく。しかし、上記したように、広い櫛歯周期を有する第２の櫛歯電極１０５Ｂの方が分極反転の進行が遅いので、図２−２に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａの分極反転が完了する４秒間の電圧印加では、第２の櫛歯電極１０５Ｂの分極反転は半分程度しか完了していない。すなわち、第１の櫛歯電極１０５Ａが形成された領域では、分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２の幅は所望の幅となっているが、第２の櫛歯電極１０５Ｂが形成された領域では、分極反転領域２０１が櫛歯電極の延在方向で非分極反転領域２０２が切断される構造となっている。
【００３２】
一方、図２−１に示される状態で、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を１０秒間印加する。この場合も、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に接続される外枠電極絶縁長さがともに同じであるので、電圧を印加してから第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に反転核が形成されるまでの時間は等しい。そのため、この反転核を起点として第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの延在方向に沿って分極反転領域が広がっていく。しかし、上記したように、狭い櫛歯周期を有する第１の櫛歯電極１０５Ａの方が分極反転の進行が速いので、図２−３に示されるように、第２の櫛歯電極１０５Ｂの分極反転が完了する１０秒間の電圧印加では、第１の櫛歯電極１０５Ａにおける分極反転は、櫛歯間も分極反転が進行しており、過反転状態となる。すなわち、第２の櫛歯電極１０５Ｂが形成された領域では、分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２の幅は所望の幅となっているが、第１の櫛歯電極１０５Ａが形成された領域では、分極反転領域２０１が所望の幅よりも太く形成され、非分極反転領域２０２の幅が狭くなってしまっている。
【００３３】
このように、図２−１に示されるような外枠電極絶縁長さを周期の異なる櫛歯電極で同じにして、異なる周期の分極反転パターンを形成する方法では、電圧印加時間を調整しても、過反転を起こさずに短い周期と長い周期の分極反転を完了させることができない。
【００３４】
しかし、この実施の形態１では、櫛歯電極の周期に応じて外枠電極絶縁長さを変えるようにしたので、より具体的には、櫛歯電極の周期が長いほど、外枠電極絶縁長さを短くするようにしたので、電圧印加時に櫛歯電極の周期が長いほど速く反転核が櫛歯電極の端部に形成され、周期の短い櫛歯電極に比して早く分極反転が開始されるので、櫛歯周期の長い櫛歯電極と短い櫛歯電極との間で、分極反転が完了する時間を制御することができる。
【００３５】
この実施の形態１によれば、櫛歯電極の周期に応じて外枠電極絶縁長さを変えるようにしたので、過反転を起こさずに短い櫛歯周期と長い櫛歯周期の分極反転を完了させることができる。また、櫛歯周期の長い櫛歯電極で先に分極反転が完了したとしても、櫛歯周期の長い櫛歯電極の方が過反転マージンを大きく取ることができるので、過反転マージンを適切に取ることで、隣接する櫛歯との間で過反転による分極反転領域が繋がってしまうことを防ぐこともできる。
【００３６】
さらに、櫛歯電極端部での過反転を抑制することができ、それぞれの櫛歯周期の領域で、櫛歯電極の延在方向に沿って均一な幅の分極反転領域２０１を形成することができる。これによって、基板１枚あたりの素子有効面積を減らさずに、分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２の幅の比率が５０：５０となる均一で高精度な周期分極反転構造を、高い製造歩留まりで実現することができる。その結果、低生産コストでかつ高い波長変換効率を実現する光機能素子の製造方法が得られるという効果も有する。
【００３７】
さらにまた、このようにして形成された周期分極反転構造を有する波長変換素子を光機能素子に適用すると、波長変換効率の向上により、基本レーザの消費エネルギを抑えることができ、また光源モジュールを小型化することができるという効果も有する。
【００３８】
実施の形態２．
実施の形態１では、絶縁層にＳｉＯ2などの無機材料を用いた場合を説明したが、この実施の形態２では、絶縁層に樹脂を用いる場合を説明する。
【００３９】
図３−１〜図３−４は、この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である。まず、図３−１に示されるように、基板１０１上にスピンコート法によって、フォトレジスト１１１Ａを塗布する。このフォトレジスト材料は半導体装置の製造工程で汎用的に使用されるものでよく、たとえばＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製のＡＺ４３３０（商品名）などの樹脂材料を用いることができる。塗布する膜厚は絶縁性を考慮して１μｍ以上が好ましく、たとえば回転数３０００ｒｐｍでスピンコートして３μｍの膜厚を塗布すればよい。
【００４０】
ついで、図３−２に示されるように、フォトリソグラフィによってフォトレジスト１１１Ａをパターニングして、絶縁層１１１を形成する。これによって、周期分極反転構造が形成される領域の基板１０１表面が露出される。そして、絶縁性を向上させるため、１５０℃で３時間のベーク処理を施す。
【００４１】
このとき、短い櫛歯周期の第１の櫛歯電極を形成する領域と長い櫛歯周期の第２の櫛歯電極を形成する領域とで、櫛歯電極の長さが異なるように、絶縁層１１１間の距離が変えられる。つまり、短い櫛歯周期の第１の櫛歯電極を形成する領域では、絶縁層１１１間の距離（周期分極反転構造形成領域Ｒの櫛歯電極の延在方向の長さ）がＬ１となるようにパターニングされ、長い櫛歯周期の第２の櫛歯電極を形成する第２の領域では、絶縁層１１１間の距離がＬ１よりも長いＬ２となるようにパターニングされる。
【００４２】
これによって、実施の形態１では、絶縁層１１１上に形成される外枠電極絶縁長さを、櫛歯周期幅に応じて外枠電極１０５Ｃのパターニングによって変化させていたものを、この実施の形態２では、絶縁層１１１の幅を変えることによって変化させている。
【００４３】
その後、実施の形態１で示したように、基板１０１の表面（＋Ｚ面）に金属膜１０３Ａを形成し、基板１０１の裏面（−Ｚ面）に裏面電極１０４を形成した後、基板１０１の表面の金属膜１０３Ａをフォトリソグラフィとエッチングを用いてパターニングを行う。その結果、図３−３に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａ、第２の櫛歯電極１０５Ｂおよび外枠電極１０５Ｃを有する電極パターンが形成される。なお、このとき、櫛歯周期の異なる領域ごとに絶縁層１１１の幅を変えているので、絶縁層１１１上に形成される外枠電極１０５Ｃの端部は、直線状の形状となる。つまり、実施の形態１の図１−４に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａの形成領域と第２の櫛歯電極１０５Ｂの形成領域との間で外枠電極１０５Ｃの配線を曲げる必要がない。
【００４４】
そして、実施の形態１で説明したように、少なくとも櫛歯周期の最も短い第１の櫛歯電極１０５Ａで分極反転が完了する時間、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を印加すると、図３−４に示されるような構造の周期分極反転構造が得られる。
【００４５】
この実施の形態２によれば、フォトレジスト１１１Ａを用いて絶縁層１１１を形成するようにしたので、絶縁層１１１を所望の形状にパターニングすることが容易となる。そこで、第１の櫛歯電極１０５Ａの形成領域と第２の櫛歯電極１０５Ｂの形成領域との間に絶縁層１１１のパターン形状に角部を持たせることによって、実施の形態１の図１−４の外枠電極１０５Ｃに形成される角部１０６を削減して、電圧印加時に外枠電極１０５Ｃの角部１０６で生じる放電の危険性を減少させることができるという効果を、実施の形態１の効果に加えて有する。また、絶縁層１０２にフォトレジストを用いるようにしたので、絶縁層１０２の成膜やパターニング工程の製造コストが抑えられ、低コストで光機能素子を製造することができるという効果も有する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、この発明にかかる光機能素子の製造方法は、周期分極反転構造を有する強誘電体の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１−１】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その１）。
【図１−２】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その２）。
【図１−３】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その３）。
【図１−４】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その４）。
【図１−５】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その５）。
【図１−６】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その６）。
【図２−１】外枠電極絶縁長さを周期の異なる櫛歯電極で同じにして形成した電極の状態を模式的に示す斜視図である。
【図２−２】図２−１の基板に電圧を４秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図である。
【図２−３】図２−１の基板に電圧を１０秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図である。
【図３−１】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その１）。
【図３−２】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その２）。
【図３−３】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その３）。
【図３−４】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その４）。
【符号の説明】
【００４８】
１０１ 基板
１０２，１０２Ａ，１１１ 絶縁層
１０３Ａ 金属膜
１０４ 裏面電極
１０５Ａ 第１の櫛歯電極
１０５Ｂ 第２の櫛歯電極
１０５Ｃ 外枠電極
１０６ 角部
１０７ 波長変換素子
１１１Ａ フォトレジスト
２０１ 分極反転領域
２０２ 非分極反転領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、強誘電体材料基板に周期分極反転構造を形成した光機能素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームや形状加工した電極を用いて強誘電体材料基板に電界を印加すると、任意箇所に分極反転領域を形成することができ、種々の光機能素子を実現することができる。たとえば、この技術を用いて強誘電体材料の非線形光学結晶基板に反転と非反転を繰り返す周期分極反転構造を形成することで、非線形光学結晶基板への入射波と非線形光学効果によって発生した第２高調波の擬似位相整合が成立し、高効率な光波長変換素子を製造することができる。
【０００３】
このような周期分極反転構造の形成方法として、Ｚ面でカットされたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）の結晶基板に対して、結晶基板の＋Ｚ面へ櫛歯電極を設け、−Ｚ面へ平面電極を設け、櫛歯電極と平面電極との間に所定の分極反転電圧を印加し、櫛歯電極直下のＺ軸方向に分極反転領域を成長させ、周期分極反転構造を形成するものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、この特許文献１による分極反転構造は、櫛歯幅よりも分極反転幅が広がってしまう（以下、これを過反転という）という問題があった。
【０００４】
光波長変換素子の波長変換効率は、基板材料の非線形光学係数に依存するとともに、光入射方向において反転／非反転の１周期における反転／非反転幅の比率が５０：５０に近いほど、高い変換効率を得られることが知られている。そのため、特許文献１による波長変換素子は、光入射方向における反転／非反転幅の比率が不均一であるので、低い波長変換効率しか得られず、産業面で活用することは困難であった。
【０００５】
そこで、１０μｍ以下の周期のような狭い間隔の分極反転構造を形成する場合に、過反転を抑える様々な製造方法が提案されている。たとえば、狭い周期の櫛歯電極を広い周期の櫛歯電極に分割し、それぞれの電極へ別々に電圧を印加して分極反転を行う製造方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。この製造方法によって、たとえば、７μｍ程度の単一の周期による分極反転構造が高精度に形成することが可能となる。
【０００６】
ところで、反転／非反転の周期は単一でも波長変換機能などを発現することができるが、複数の異なる周期の分極反転構造を１つの素子に形成することで、複数の光の和周波数や差周波数を発生させることができ、さらに多くの用途に用いることができる（たとえば、非特許文献１，２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１９７１９号公報
【特許文献２】特開２００３−３０７７５８号公報
【非特許文献１】M. Robles-Agudo, et al, “RGB source based on simultaneous quasi-phase-matched second and third harmonic generation in periodically poled lithium niobate”, OPTICS EXPRESS, Vol.14, No.22, Oct, 2006
【非特許文献２】X. P. Hu, et al, “High-power red-green-blue laser light source based on intermittent oscillating dual-wavelength Nd:YAG laser with a cascaded LiTaO3 superlattice”, OPTICS LETTERS, Vol.33, No.4, Feb, 2008, p.408-410
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１，２に記載されている異なる周期の分極反転パターンを形成するには、たとえばその分極反転パターンに合わせて異なる周期の櫛歯電極を強誘電体結晶基板の＋Ｚ面に設け、平面電極を−Ｚ面に設け、櫛歯電極と平面電極との間に所定の分極反転電圧を印加し、櫛歯電極直下のＺ軸方向に分極反転領域を成長させ、周期分極反転構造を形成する。このとき、広い間隔の周期を持つ櫛歯電極下の分極反転の進行は遅く、狭い間隔の分極反転の進行は速くなる現象が起こる。このため、広い間隔の分極反転が終了するときには、狭い間隔の分極反転は所定の分極反転幅よりも過剰に広くなってしまう。逆に、狭い間隔の分極反転の完了に合わせて電圧を印加する時間を短くすると、長い周期の櫛歯電極における分極反転は半分程度しか完了していない状態になってしまう。
【０００９】
このような問題点は、１０μｍを超える複数の周期で構成される周期分極反転構造を形成する場合には、過反転が数μｍ程度で起こることを考慮して、短い周期の櫛歯電極の幅を狭くするという設計の変更によって解決可能である。しかし、１０μｍ以下の周期を含む周期分極反転構造を形成する場合には、製造設計上の電極幅の制限があるために、最大で数μｍの過反転マージンしか設けることができない。つまり、所定の領域における分極反転が完了してからさらに電圧を印加すると、隣接する分極反転の櫛歯が繋がってしまうなどの問題が起こってしまう。
【００１０】
このように、特許文献１，２に記載の方法で、非特許文献１，２に記載されている異なる周期の分極反転構造を形成しようとしても、異なる周期の分極反転構造を均一で、高精度にしかも高い歩留まりで形成することができないという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、異なる周期の周期分極反転構造を有する光機能素子を形成する方法において、異なる周期の周期分極反転構造を均一で、高精度にしかも高い製造歩留まりで形成することができる光機能素子の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光機能素子の製造方法は、強誘電体材料からなる基板の第１の主面上に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記基板の対向する一対の辺の周縁部にのみ前記絶縁層が残るようにパターニングするパターニング工程と、前記パターニングされた絶縁層が形成された前記基板上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記基板の第２の主面上に裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、前記一対の絶縁層間に形成された周期分極反転構造形成領域内に、前記絶縁層間を結ぶ方向に延在した電極を所定の周期で櫛歯状に複数並列に配置した櫛歯電極が、複数の周期でそれぞれ異なる領域に形成され、前記絶縁層上に、前記櫛歯電極の端部と接続され、前記異なる周期の櫛歯電極間を接続する外枠電極が形成されるように、前記金属膜をパターニングし、表面電極を形成する表面電極形成工程と、前記外枠電極と前記裏面電極との間に、少なくとも周期の最も短い櫛歯電極の下の領域で分極反転が完了する時間の間、電圧を印加して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程と、を含み、前記櫛歯電極の延在方向における前記外枠電極の長さは、前記櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、櫛歯電極の延在方向における外枠電極の長さを、櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成したので、周期の短い櫛歯電極ほど、櫛歯電極の延在方向の分極反転の形成が遅くなるようにした。そのため、過反転のマージンの小さい狭い周期間隔の分極反転パターンに対して電圧印加時間を調整できるので、異なる周期を持つ分極反転パターンにおいても均一で高精度な周期分極反転構造を実現することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光機能素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる光機能素子の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１５】
実施の形態１．
強誘電体結晶基板に周期的な分極反転構造を形成するための光機能素子の製造方法を説明する。図１−１〜図１−６は、この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である。なお、以下の説明では強誘電体結晶基板としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いるが、このニオブ酸リチウムの基板を単に「基板」と称して、この実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。また、明細書全文に表れている構成要素の形容やサイズは、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。さらに、以下説明する製造方法では、ニオブ酸リチウムの基板を例にとって説明するが、電界の印加により分極反転を起こす非線形光学結晶であればニオブ酸リチウムに限られずに利用できる製造方法である。
【００１６】
まず、図１−１に示されるように、厚さ０．５ｍｍの矩形状の基板１０１の表面に、スパッタ法や蒸着法によって厚さ０．５μｍの絶縁層１０２Ａを成膜する。ここで、図１−１中に示した絶縁層１０２Ａが形成されている側の基板１０１の面は、ニオブ酸リチウム基板の＋Ｚ面である。また、絶縁層１０２Ａとして、電気絶縁性と加工容易性を考慮して、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）やシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）などを用いることができる。以下では、ＳｉＯ2を絶縁層１０２Ａとして用いる場合を説明する。
【００１７】
ついで、絶縁層１０２Ａ上に、３．０μｍの厚さとなるようにノボラック系などの感光性レジストを塗布し、フォトリソグラフィによって後述する外枠電極の下に位置する感光性レジストをパターニングする。そして、図１−２に示されるように、この感光性レジストをエッチングマスクとして、ＢＨＦ（バッファドフッ酸）で絶縁層１０２Ａをエッチングした後、エッチングマスクを酸素プラズマアッシングなどで除去して、外枠電極の下部に位置する絶縁層１０２を形成する。結果的に、基板１０１の一対の対向する辺の周縁部に絶縁層１０２が形成される。また、この絶縁層１０２で挟まれる領域を、周期分極反転構造形成領域Ｒというものとする。
【００１８】
ついで、図１−３に示すように、パターニングされた絶縁層１０２が形成された基板１０１の表面（＋Ｚ面）に、０．５μｍの金属膜１０３Ａをスパッタ法や蒸着法、イオンプレーティング法などの成膜方法によって成膜する。さらに、基板１０１の裏面（−Ｚ面）にも厚さ０．５μｍの金属膜をスパッタ法や蒸着法、イオンプレーティング法などの成膜方法によって成膜し、裏面電極１０４を形成する。ここで、形成する金属膜１０３Ａと裏面電極１０４には、基板１０１との密着性を考慮して、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，ＮｉＣｒなどが有効である。一方で、成膜前にフッ酸洗浄などの基板洗浄を行って密着性を向上させた基板１０１を用いる場合には、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどの低抵抗な金属を用いても、櫛歯間の電気抵抗を下げるので電界均一化の点で有効である。以下では、Ｔｉを金属膜１０３Ａと裏面電極１０４に用いる場合を説明する。
【００１９】
ついで、金属膜１０３Ａ上に感光性レジストを塗布し、第１の周期の第１の櫛歯電極と、第１の周期よりも長い第２の周期の第２の櫛歯電極と、第１と第２の櫛歯電極の端部と接続され、第１の櫛歯電極と第２の櫛歯電極とを接続するように形成される外枠電極と、を含む表面電極のパターンとなるように、フォトリソグラフィによって感光性レジストをパターニングしてエッチングマスクを形成する。そして、平行平板型プラズマエッチャによる塩素プラズマエッチングでエッチングマスクを用いて金属膜１０３Ａをパターニングし、その後にエッチングマスクを除去する。その結果、図１−４の斜視図に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａ、第２の櫛歯電極１０５Ｂおよび外枠電極１０５Ｃを含む表面電極が形成される。なお、外枠電極１０５Ｃは、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部と接続され、絶縁層１０２上に形成される。また、ここで、第１の櫛歯電極１０５Ａと第２の櫛歯電極１０５Ｂは、周期分極反転構造形成領域Ｒに形成された部分のことをいうものとする。
【００２０】
ここで、第１の櫛歯電極１０５Ａの櫛歯周期ｐ１は１０μｍであり、櫛歯幅ｗ１は３μｍであり、第２の櫛歯電極１０５Ｂの櫛歯周期ｐ２は３０μｍであり、櫛歯幅ｗ２は１０μｍである。また、背景技術で説明したように、それぞれの周期における非分極反転幅と分極反転幅は、５０：５０が理想的であるので、この実施の形態１の場合には、第１の櫛歯電極１０５Ａによって形成される分極反転幅は５μｍが理想的であり、第２の櫛歯電極１０５Ｂによって形成される分極反転幅は１５μｍが理想的である。これらの理想的な分極反転幅と櫛歯幅の差が過反転マージンである。すなわち、第１の櫛歯電極１０５Ａの過反転マージンは２μｍであり、第２の櫛歯電極１０５Ｂの過反転マージンは５μｍである。
【００２１】
また、この実施の形態１では、絶縁層１０２上に形成される外枠電極１０５Ｃの櫛歯電極の延在方向における長さ（以下、外枠電極絶縁長さという）を、櫛歯周期が広いほど短くするように、外枠電極１０５Ｃがパターニングされる。このように、櫛歯周期の長さに応じて外枠電極絶縁長さを変化させることで、周期分極反転構造を形成する際に電圧を印加したとき、反転核が発生する時間を、外枠電極絶縁長さが長いほど遅らせることが可能となる。ここでは、外枠電極絶縁長さ（第１の櫛歯電極１０５Ａの端部から外枠電極１０５Ｃの端部までの距離）ａは５００μｍであり、外枠電極絶縁長さ（第２の櫛歯電極１０５Ｂの端部から外枠電極１０５Ｃの端部まで距離）ｂは２００μｍである。
【００２２】
このように、実施の形態１では、絶縁層１０２上に形成する外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さを異なる周期の櫛歯電極が形成される領域ごとに変えるようにしたので、異なる周期の櫛歯電極が形成される領域の境界で、外枠電極１０５Ｃのパターンが曲げられて、角部１０６が生じる。
【００２３】
ついで、上記の工程を経て作製した基板１０１の電極形成面を分極反転させる。具体的には、基板１０１上の外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を印加し、基板１０１の第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂが形成された領域を分極反転させる。このとき、少なくとも第２の櫛歯電極１０５Ｂで分極反転が完了する時間、電圧を印加するものとする。
【００２４】
その後、図１−５に示されるように、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂ、外枠電極１０５Ｃ、裏面電極１０４および絶縁層１０２を、５０％濃度のフッ酸などの酸溶剤で除去する。基板１０１上の第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂが形成されていた領域は、電圧印加によって分極反転して分極反転領域２０１となり、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂと接しなかった基板１０１上の領域は非分極反転領域２０２となる。以上の工程で第１の櫛歯電極１０５Ａの櫛歯周期ｐ１と第２の櫛歯電極１０５Ｂの櫛歯周期ｐ２を適宜調整することによって、所望の２つの周期による分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２とが繰り返される周期分極反転構造を作製することができる。
【００２５】
ここで、分極反転は材料固有の分極反転電界が印加されたときに発生するが、ニオブ酸リチウムの分極反転電界の強度は室温で約２０ｋＶ／ｍｍである。したがって、この実施の形態１で説明している０．５ｍｍ厚のニオブ酸リチウム基板の例では、分極反転電圧は常温で１０ｋＶ程度が好ましいことになる。また、分極反転はパターン（櫛歯電極）の延在方向の端部に形成される反転核を起点として、電極に沿って分極反転領域２０１が広がっていく。この分極反転領域２０１が広がる速度は、電圧や電極パターンに依存する。印加電圧が高く、電極パターンが密なほど分極反転領域２０１は速く広がっていく。この実施の形態１による場合では、３〜５秒程度の電圧印加で所定の分極反転領域２０１が形成される。
【００２６】
また、長い周期の第２の櫛歯電極１０５Ｂに接続される外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さｂが、短い周期の第１の櫛歯電極１０５Ａに接続される外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さａよりも短くなっているため、フリンジ効果による高電界の影響を受けて、反転核が第１の櫛歯電極１０５Ａよりも速く生成され、その結果、分極反転の進行が速くなる。このため、第２の櫛歯電極１０５Ｂにおける分極反転が先に完了する。さらに、第２の櫛歯電極１０５Ｂは、第１の櫛歯電極１０５Ａに比して長周期であるため過反転のマージンを設計上大きく取ることができる。その結果、第１の櫛歯電極１０５Ａにおける分極反転が完了するまで電圧を印加しても、第２の櫛歯電極１０５Ｂにおいて隣接する櫛歯間の分極反転領域２０１が繋がってしまうなどの過剰なパターン劣化が生じない。
【００２７】
最後に、基板１０１外周の不要な領域をダイシングソーなどで切り落とし、断面を光学研磨することで、図１−６に示されるような均一で高精度な周期分極反転構造を持つ波長変換素子１０７を製造することができる。
【００２８】
なお、上述した説明では、異なる周期の２つの周期分極反転構造を基板１０１に形成する場合を例に挙げたが、異なる周期の３つ以上の周期分極反転構造を基板１０１に形成する場合にも、同様の方法によって形成することができる。
【００２９】
ここで、外枠電極絶縁長さを、周期の異なる櫛歯電極で同じにして、異なる周期の分極反転パターンを形成した場合と比較して、この実施の形態１による効果について説明する。図２−１は、外枠電極絶縁長さを周期の異なる櫛歯電極で同じにして形成した電極の状態を模式的に示す斜視図であり、図２−２は、図２−１の基板に電圧を４秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図であり、図２−３は、図２−１の基板に電圧を１０秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図である。
【００３０】
なお、ここでは、１０μｍの周期間隔で３μｍの櫛歯幅で５ｍｍ長さの櫛歯が５００本並んだ第１の櫛歯電極１０５Ａと、３０μｍの周期間隔で１０μｍの櫛歯幅で長さ５ｍｍの櫛歯が１６０本並んだ第２の櫛歯電極１０５Ｂと、が配置される場合を例に挙げて説明する。また、この例では、上述したように、第１の櫛歯電極１０５Ａが形成される領域と第２の櫛歯電極１０５Ｂが形成される領域に接続され、絶縁層１０２上に形成される外枠電極１０５Ｃの外枠電極絶縁長さは同じとなっている。
【００３１】
まず、図２−１に示される状態で、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を４秒間印加する。この場合、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に接続される外枠電極絶縁長さがともに同じであるので、電圧を印加してから第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に反転核が形成されるまでの時間は等しい。そのため、この反転核を起点として第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの延在方向に沿って分極反転領域が広がっていく。しかし、上記したように、広い櫛歯周期を有する第２の櫛歯電極１０５Ｂの方が分極反転の進行が遅いので、図２−２に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａの分極反転が完了する４秒間の電圧印加では、第２の櫛歯電極１０５Ｂの分極反転は半分程度しか完了していない。すなわち、第１の櫛歯電極１０５Ａが形成された領域では、分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２の幅は所望の幅となっているが、第２の櫛歯電極１０５Ｂが形成された領域では、分極反転領域２０１が櫛歯電極の延在方向で非分極反転領域２０２が切断される構造となっている。
【００３２】
一方、図２−１に示される状態で、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を１０秒間印加する。この場合も、第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に接続される外枠電極絶縁長さがともに同じであるので、電圧を印加してから第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの端部に反転核が形成されるまでの時間は等しい。そのため、この反転核を起点として第１と第２の櫛歯電極１０５Ａ，１０５Ｂの延在方向に沿って分極反転領域が広がっていく。しかし、上記したように、狭い櫛歯周期を有する第１の櫛歯電極１０５Ａの方が分極反転の進行が速いので、図２−３に示されるように、第２の櫛歯電極１０５Ｂの分極反転が完了する１０秒間の電圧印加では、第１の櫛歯電極１０５Ａにおける分極反転は、櫛歯間も分極反転が進行しており、過反転状態となる。すなわち、第２の櫛歯電極１０５Ｂが形成された領域では、分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２の幅は所望の幅となっているが、第１の櫛歯電極１０５Ａが形成された領域では、分極反転領域２０１が所望の幅よりも太く形成され、非分極反転領域２０２の幅が狭くなってしまっている。
【００３３】
このように、図２−１に示されるような外枠電極絶縁長さを周期の異なる櫛歯電極で同じにして、異なる周期の分極反転パターンを形成する方法では、電圧印加時間を調整しても、過反転を起こさずに短い周期と長い周期の分極反転を完了させることができない。
【００３４】
しかし、この実施の形態１では、櫛歯電極の周期に応じて外枠電極絶縁長さを変えるようにしたので、より具体的には、櫛歯電極の周期が長いほど、外枠電極絶縁長さを短くするようにしたので、電圧印加時に櫛歯電極の周期が長いほど速く反転核が櫛歯電極の端部に形成され、周期の短い櫛歯電極に比して早く分極反転が開始されるので、櫛歯周期の長い櫛歯電極と短い櫛歯電極との間で、分極反転が完了する時間を制御することができる。
【００３５】
この実施の形態１によれば、櫛歯電極の周期に応じて外枠電極絶縁長さを変えるようにしたので、過反転を起こさずに短い櫛歯周期と長い櫛歯周期の分極反転を完了させることができる。また、櫛歯周期の長い櫛歯電極で先に分極反転が完了したとしても、櫛歯周期の長い櫛歯電極の方が過反転マージンを大きく取ることができるので、過反転マージンを適切に取ることで、隣接する櫛歯との間で過反転による分極反転領域が繋がってしまうことを防ぐこともできる。
【００３６】
さらに、櫛歯電極端部での過反転を抑制することができ、それぞれの櫛歯周期の領域で、櫛歯電極の延在方向に沿って均一な幅の分極反転領域２０１を形成することができる。これによって、基板１枚あたりの素子有効面積を減らさずに、分極反転領域２０１と非分極反転領域２０２の幅の比率が５０：５０となる均一で高精度な周期分極反転構造を、高い製造歩留まりで実現することができる。その結果、低生産コストでかつ高い波長変換効率を実現する光機能素子の製造方法が得られるという効果も有する。
【００３７】
さらにまた、このようにして形成された周期分極反転構造を有する波長変換素子を光機能素子に適用すると、波長変換効率の向上により、基本レーザの消費エネルギを抑えることができ、また光源モジュールを小型化することができるという効果も有する。
【００３８】
実施の形態２．
実施の形態１では、絶縁層にＳｉＯ2などの無機材料を用いた場合を説明したが、この実施の形態２では、絶縁層に樹脂を用いる場合を説明する。
【００３９】
図３−１〜図３−４は、この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である。まず、図３−１に示されるように、基板１０１上にスピンコート法によって、フォトレジスト１１１Ａを塗布する。このフォトレジスト材料は半導体装置の製造工程で汎用的に使用されるものでよく、たとえばＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製のＡＺ４３３０（商品名）などの樹脂材料を用いることができる。塗布する膜厚は絶縁性を考慮して１μｍ以上が好ましく、たとえば回転数３０００ｒｐｍでスピンコートして３μｍの膜厚を塗布すればよい。
【００４０】
ついで、図３−２に示されるように、フォトリソグラフィによってフォトレジスト１１１Ａをパターニングして、絶縁層１１１を形成する。これによって、周期分極反転構造が形成される領域の基板１０１表面が露出される。そして、絶縁性を向上させるため、１５０℃で３時間のベーク処理を施す。
【００４１】
このとき、短い櫛歯周期の第１の櫛歯電極を形成する領域と長い櫛歯周期の第２の櫛歯電極を形成する領域とで、櫛歯電極の長さが異なるように、絶縁層１１１間の距離が変えられる。つまり、短い櫛歯周期の第１の櫛歯電極を形成する領域では、絶縁層１１１間の距離（周期分極反転構造形成領域Ｒの櫛歯電極の延在方向の長さ）がＬ１となるようにパターニングされ、長い櫛歯周期の第２の櫛歯電極を形成する第２の領域では、絶縁層１１１間の距離がＬ１よりも長いＬ２となるようにパターニングされる。
【００４２】
これによって、実施の形態１では、絶縁層１１１上に形成される外枠電極絶縁長さを、櫛歯周期幅に応じて外枠電極１０５Ｃのパターニングによって変化させていたものを、この実施の形態２では、絶縁層１１１の幅を変えることによって変化させている。
【００４３】
その後、実施の形態１で示したように、基板１０１の表面（＋Ｚ面）に金属膜１０３Ａを形成し、基板１０１の裏面（−Ｚ面）に裏面電極１０４を形成した後、基板１０１の表面の金属膜１０３Ａをフォトリソグラフィとエッチングを用いてパターニングを行う。その結果、図３−３に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａ、第２の櫛歯電極１０５Ｂおよび外枠電極１０５Ｃを有する電極パターンが形成される。なお、このとき、櫛歯周期の異なる領域ごとに絶縁層１１１の幅を変えているので、絶縁層１１１上に形成される外枠電極１０５Ｃの端部は、直線状の形状となる。つまり、実施の形態１の図１−４に示されるように、第１の櫛歯電極１０５Ａの形成領域と第２の櫛歯電極１０５Ｂの形成領域との間で外枠電極１０５Ｃの配線を曲げる必要がない。
【００４４】
そして、実施の形態１で説明したように、少なくとも櫛歯周期の最も短い第１の櫛歯電極１０５Ａで分極反転が完了する時間、外枠電極１０５Ｃと裏面電極１０４との間に電圧を印加すると、図３−４に示されるような構造の周期分極反転構造が得られる。
【００４５】
この実施の形態２によれば、フォトレジスト１１１Ａを用いて絶縁層１１１を形成するようにしたので、絶縁層１１１を所望の形状にパターニングすることが容易となる。そこで、第１の櫛歯電極１０５Ａの形成領域と第２の櫛歯電極１０５Ｂの形成領域との間に絶縁層１１１のパターン形状に角部を持たせることによって、実施の形態１の図１−４の外枠電極１０５Ｃに形成される角部１０６を削減して、電圧印加時に外枠電極１０５Ｃの角部１０６で生じる放電の危険性を減少させることができるという効果を、実施の形態１の効果に加えて有する。また、絶縁層１０２にフォトレジストを用いるようにしたので、絶縁層１０２の成膜やパターニング工程の製造コストが抑えられ、低コストで光機能素子を製造することができるという効果も有する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、この発明にかかる光機能素子の製造方法は、周期分極反転構造を有する強誘電体の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１−１】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その１）。
【図１−２】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その２）。
【図１−３】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その３）。
【図１−４】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その４）。
【図１−５】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その５）。
【図１−６】この実施の形態１にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その６）。
【図２−１】外枠電極絶縁長さを周期の異なる櫛歯電極で同じにして形成した電極の状態を模式的に示す斜視図である。
【図２−２】図２−１の基板に電圧を４秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図である。
【図２−３】図２−１の基板に電圧を１０秒印加して周期分極反転構造を形成した状態を模式的に示す斜視図である。
【図３−１】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その１）。
【図３−２】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その２）。
【図３−３】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その３）。
【図３−４】この実施の形態２にかかる光機能素子の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す斜視図である（その４）。
【符号の説明】
【００４８】
１０１ 基板
１０２，１０２Ａ，１１１ 絶縁層
１０３Ａ 金属膜
１０４ 裏面電極
１０５Ａ 第１の櫛歯電極
１０５Ｂ 第２の櫛歯電極
１０５Ｃ 外枠電極
１０６ 角部
１０７ 波長変換素子
１１１Ａ フォトレジスト
２０１ 分極反転領域
２０２ 非分極反転領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体材料からなる基板の第１の主面上に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記基板の対向する一対の辺の周縁部にのみ前記絶縁層が残るようにパターニングするパターニング工程と、
前記パターニングされた絶縁層が形成された前記基板上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記基板の第２の主面上に裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、
前記一対の絶縁層間に形成された周期分極反転構造形成領域内に、前記絶縁層間を結ぶ方向に延在した電極を所定の周期で櫛歯状に複数並列に配置した櫛歯電極が、複数の周期でそれぞれ異なる領域に形成され、前記絶縁層上に、前記櫛歯電極の端部と接続され、前記異なる周期の櫛歯電極間を接続する外枠電極が形成されるように、前記金属膜をパターニングし、表面電極を形成する表面電極形成工程と、
前記外枠電極と前記裏面電極との間に、少なくとも周期の最も短い櫛歯電極の下の領域で分極反転が完了する時間の間、電圧を印加して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程と、
を含み、
前記櫛歯電極の延在方向における前記外枠電極の長さは、前記櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成されることを特徴とする光機能素子の製造方法。
【請求項２】
前記表面電極形成工程で、前記櫛歯電極の延在方向における前記外枠電極の長さが、前記櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように、前記外枠電極のパターニングが行われることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁層は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の光機能素子の製造方法。
【請求項４】
前記パターニング工程で、前記周期の長い櫛歯電極が形成される領域ほど、前記櫛歯電極の延在方向における前記周期分極反転構造形成領域の長さが長くなるように、前記絶縁層がパターニングされることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁層は、フォトレジスト材料であることを特徴とする請求項４に記載の光機能素子の製造方法。
【請求項１】
強誘電体材料からなる基板の第１の主面上に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記基板の対向する一対の辺の周縁部にのみ前記絶縁層が残るようにパターニングするパターニング工程と、
前記パターニングされた絶縁層が形成された前記基板上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記基板の第２の主面上に裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、
前記一対の絶縁層間に形成された周期分極反転構造形成領域内に、前記絶縁層間を結ぶ方向に延在した電極を所定の周期で櫛歯状に複数並列に配置した櫛歯電極が、複数の周期でそれぞれ異なる領域に形成され、前記絶縁層上に、前記櫛歯電極の端部と接続され、前記異なる周期の櫛歯電極間を接続する外枠電極が形成されるように、前記金属膜をパターニングし、表面電極を形成する表面電極形成工程と、
前記外枠電極と前記裏面電極との間に、少なくとも周期の最も短い櫛歯電極の下の領域で分極反転が完了する時間の間、電圧を印加して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程と、
を含み、
前記櫛歯電極の延在方向における前記外枠電極の長さは、前記櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように形成されることを特徴とする光機能素子の製造方法。
【請求項２】
前記表面電極形成工程で、前記櫛歯電極の延在方向における前記外枠電極の長さが、前記櫛歯電極の周期が長い領域ほど短くなるように、前記外枠電極のパターニングが行われることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁層は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の光機能素子の製造方法。
【請求項４】
前記パターニング工程で、前記周期の長い櫛歯電極が形成される領域ほど、前記櫛歯電極の延在方向における前記周期分極反転構造形成領域の長さが長くなるように、前記絶縁層がパターニングされることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁層は、フォトレジスト材料であることを特徴とする請求項４に記載の光機能素子の製造方法。
【図１−１】
【図１−２】
【図１−３】
【図１−４】
【図１−５】
【図１−６】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図３−４】
【図１−２】
【図１−３】
【図１−４】
【図１−５】
【図１−６】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図３−４】
【公開番号】特開２０１０−１５６７８７（Ｐ２０１０−１５６７８７Ａ）
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３４３２９（Ｐ２００８−３３４３２９）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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