周期极化反转结构的制造方法与流程

本发明涉及基于电压施加法的周期极化反转结构的制造。

背景技术：

作为在强电介质非线性光学材料上形成周期状的极化反转结构的方法，已知有所谓的电压施加法。在该方法中，在强介电性晶体基板的一个主面形成梳形电极，在另一个主面形成均匀电极，在两者之间施加脉冲电压。

为了在2次高次谐波产生装置中获得高转换效率，需要在强介电性晶体内形成较深的极化反转结构。在专利文献1中记载了使形成了梳形电极以及均匀电极的铌酸锂基板与另一铌酸锂基板层叠一体化，并浸渍于绝缘油内来施加电压。

另外，在专利文献2、3所述的方法中，在铌酸锂的z切割基板的表面设置绝缘膜，在绝缘膜上设置条纹状且细长的间隙，然后设置导电膜从而将绝缘膜以及间隙包覆。并且，对该导电膜施加脉冲电压，从而在基板上形成周期极化反转结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2005-070192

专利文献2:日本特开2014-153555

专利文献3:日本专利第4642065

技术实现要素：

为了量产具有周期极化反转结构的元件、例如高次谐波产生元件，需要增加从1片晶片获取的元件数。作为增加元件数的方法，存在缩短元件的长度、使元件的配置间隔变窄这两种方法，但如前者那样缩短元件的长度时，转换效率显著下降，因此无法得到所期望的光输出性能，无法简单地进行变更。另一方面，关于后者的使元件间隔变窄的方法，针对形成极化反转结构的工序需要进行条件变更来确认是否能够进行稳定的制造。其中，为了使前者为在不牺牲光输出性能的情况下提高量产性的方法，尝试着对可以将相邻的周期极化反转结构的间隔缩小到何种程度进行了研究。然而发现，因以下原因而使得周期极化反转结构的密度提高存在着极限。

一边参照附图一边对该问题点进行叙述。

例如，如图1(a)所示，在强介电性晶体基板1的第一主面1a，隔着规定间隔l而设置多列电极片部排列体2。可以在第二主面1b设置对置的电极22。如图1(b)(对应于图1(a)的区域a)所示，各电极片部排列体2分别由多个电极片部3和间隙部4构成。并且，在相邻的电极片部排列体2间也设置了间隙部8。需要说明的是，l是电极片排列体的周期，30是浮置电极，31为供电电极。

此处，若在各电极片部3和对置电极22之间如箭头b那样施加电压，则在强介电性晶体基板1内形成周期极化反转结构。即，在电极片部3之下形成极化反转部，在间隙部4之下形成非极化反转部。其结果，如图2所示，形成了与各电极片部排列体对应的周期极化反转结构5。各周期极化反转结构5由多个极化反转部6和它们之间的非极化反转部7构成。在相邻的周期极化反转结构5间设置有间隙部18。为了增大周期极化反转结构的密度，需要减小周期极化反转结构的周期l。

因此，如图3(a)、图3(b)所示，本发明人尝试了减小相邻的电极片部排列体2的周期s。但是，可知在该情况下，施加电压时，在相邻的电极片部排列体和浮置电极30之间会产生绝缘击穿，如箭头c那样发生电流泄露。如此，例如如图11所示，无法从电极片部施加电压，从而判断无法形成周期极化反转结构。

本发明的课题在于，在强介电性晶体基板的第一主面上设置由多个电极片部构成的电极片部排列体并通过对电极片部排列体施加电压而形成周期极化反转结构时，减小相邻的周期极化反转结构的周期，并且同时防止电极片部排列体间的绝缘击穿、提高周期极化反转结构的生产率。

本发明的特征在于，其是在具有第一主面和第二主面的强介电性晶体基板上制造周期极化反转结构的方法，其具有以下工序:

在所述强介电性晶体基板的所述第一主面上设置由多个电极片部构成的第一电极片部排列体的工序；

通过对所述第一电极片部排列体施加电压而形成第一周期极化反转结构的工序；

在相邻的多个所述第一周期极化反转结构之间设置由多个电极片部构成的第二电极片部排列体的工序；以及

通过对所述第二电极片部排列体施加电压而形成第二周期极化反转结构的工序。

发明效果

根据本发明，将应形成的周期极化反转结构至少分为第一以及第二组，分别利用电压施加法形成第一组周期极化反转结构和第二组周期极化反转结构。由此，在施加电压时可以较大地维持相邻的电极片部排列体的周期、并且同时进一步减小周期极化反转结构的周期。其结果，可以减小相邻的周期极化反转结构的周期，并且同时防止电极片部排列体间的绝缘击穿、提高周期极化反转结构的生产率。

附图说明

图1(a)示意性地表示在强介电性晶体基板1上设置了多列电极片部排列体2的状态，(b)是(a)的区域a的放大图。

图2表示在基板1上形成了周期极化反转结构5的状态。

图3(a)示意性地表示在强介电性晶体基板1上设置了多列电极片部排列体2的状态，(b)是(a)的区域a的放大图。

图4(a)示意性地表示在强介电性晶体基板1的第一主面1a上设置了第一电极片部排列体2a的状态，(b)表示在第一主面1a上设置了第二电极片部排列体2b的状态，(c)表示在强介电性晶体基板1内设置了第一周期极化反转结构5a以及第二周期极化反转结构5b的状态。

图5(a)表示第一周期极化反转结构5a从第一电极片部排列体2a延伸的状态，(b)表示第二周期极化反转结构5b从第二电极片部排列体2a延伸的状态。

图6(a)表示从第二电极片部排列体2b朝向第一周期极化反转结构5a的绝缘击穿d，(b)表示损伤位置12。

图7表示在强介电性晶体基板1的第一主面1a上设置了第一电极片部排列体2a的状态。

图8表示在第一主面1a上设置第二电极片部排列体2c，此时使电极片部排列体2c的端部和第一周期极化反转结构5a的端部分开的状态。

图9表示在强介电性晶体基板设置了第一周期极化反转结构5a以及第二周期极化反转结构5c的状态。

图10表示在强介电性晶体基板的第一主面1a设置了被图案化的导电膜以及绝缘膜、并在第二主面1b设置了对置电极的状态。

图11是表示在比较例1中未形成周期极化反转结构的状态的照片。

图12是表示在比较例2中周期极化反转结构变短的状态的照片。

图13是表示在本发明的实施例1中形成了优选的周期极化反转结构的状态的照片。

图14是表示在实施例1中在周期极化反转结构的端部处因电场集中而产生了局部损伤的状态的照片。

图15是表示在实施例2中在周期极化反转结构的端部处因电场集中而产生了损伤的状态的照片。

图16是表示在实施例3中形成了优选的周期极化反转结构的状态的照片。

图17是表示在实施例3中在周期极化反转结构的端部处因电场集中导致的局部损伤得以防止的状态的照片。

具体实施方式

以下，一边适当地参照附图，一边详细地对本发明的实施方式进行说明。

首先，如图4(a)所示，准备具有第一主面1a和第二主面1b的强介电性晶体基板1。然而，在附图中，因为纸张宽度的限制，仅将强介电性晶体基板1的一部分a放大表示，在实际的强介电性晶体基板1上形成有多个电极片部排列体。

在强介电性晶体基板1的第一主面1a上设置由多个电极片部3构成的第一电极片部排列体2a。相邻的电极片部3之间设置了间隙部4，另外，相邻的电极片部排列体2a之间也设置了间隙部8以及浮置电极30。另外，各电极片排列体通过供电电极31而被连接。将相邻的电极片部排列体的周期设为l。

接着，通过对第一电极片部排列体施加电压，从而如图4(b)、图5(a)所示那样形成第一周期极化反转结构5a。此处，在各电极片部3之下形成极化反转部6，在各间隙部4之下形成非极化反转部7，通过极化反转部6和非极化反转部7形成了周期极化反转结构5a。在第一主面1a上，相邻的周期极化反转结构5a的周期为l。

接着，如图4(b)所示，在相邻的多个第一周期极化反转结构5a之间设置由多个电极片部3构成的第二电极片部排列体2b。此处，使浮置电极30位于相对的电极片排列体和供电电极31之间。典型的是，浮置电极30形成于周期极化反转结构5a之上。然后，通过对第二电极片部排列体2b施加电压，从而如图4(c)、图5(b)所示那样形成第二周期极化反转结构5b。此处，在各电极片部3之下形成极化反转部6，在各间隙部4之下形成非极化反转部7，通过极化反转部6和非极化反转部7形成了周期极化反转结构5b。

其结果，在第一主面1a上，相邻的第一周期极化反转结构5a的周期为l，相邻的第二周期极化反转结构5b的周期也为l(图5(a))。但是，可以使相邻的第一周期极化反转结构5a和第二周期极化反转结构5b的周期s明显小于l(图5(b))。并且，当以图4(a)、(b)所示的状态对各电极片部排列体施加电压时，可以增大相邻的电极片部排列体的间隔，而为l，因此可以防止由电极片部排列体间的绝缘击穿而导致的极化反转不良，可以形成周期极化反转结构。

然而，发现在上述实施方式中有时会新产生以下的问题点。

即，如图6(a)所示，在形成第一周期极化反转结构5a后设置第二电极片部排列体2b，并对第二电极片部排列体2b施加电压。该情况下，会如箭头d那样产生短路，如图6(b)所示，有时在第二周期极化反转结构5b局部性地发生损伤12。

本发明人进一步对该损伤12的原因进行了研究，结果得到了以下见解。即，判断出:损伤12集中于第二周期极化反转结构的端部。可以认为其原因在于，在第二电极片部排列体的端部和形成于第二电极片部排列体下部的第一周期极化反转结构的端部之间产生了绝缘击穿。

基于该设想，尝试着使第一周期极化反转结构的端部和第二电极片部排列体的端部在第二电极片部排列体的长度方向上观察时分开，结果发现，所述损伤得到抑制。以下，对该实施方式进行举例说明。

即，如图7所示，在强介电性晶体基板1的第一主面1a上设置由多个电极片部3构成的第一电极片部排列体2a。在相邻的电极片部3之间设置了间隙部4，另外，在相邻的电极片部排列体2a之间也设置了间隙部8。将相邻的电极片部排列体的周期设为l。

接着，通过对第一电极片部排列体施加电压，从而如图8那样形成第一周期极化反转结构5a。在第一主面1a上，相邻的周期极化反转结构5a的周期为l。

接着，在相邻的多个第一周期极化反转结构5a之间设置由多个电极片部3构成的第二电极片部排列体2c。此处，使第一周期极化反转结构5a的端部5e和第二电极片部排列体2c的端部2a在第二电极片部排列体2c的长度方向p观察时分开。在该状态下，对第二电极片部排列体2c施加电压，从而如图9所示那样形成第二周期极化反转结构5c。

其结果，在第一主面1a上，相邻的第一周期极化反转结构5a的周期为l，相邻的第二周期极化反转结构5c的周期也为l。但是，可以使相邻的第一周期极化反转结构5a和第二周期极化反转结构5c的周期s明显小于l。并且，在第二周期极化反转结构5c的长度方向p观察时，第一周期极化反转结构5a的端部5e和第二周期极化反转结构5c的端部5f是分开的。其结果，可以防止由从第二电极片部排列体的端部向第一周期极化反转结构的端部的短路导致的周期极化反转结构的损伤12。

需要说明的是，供电电极从未在图8中描绘的左侧端部而连接于这些第二电极片部排列体2c的情况下，在该左侧端部不会发生局部的电场集中，因此不会发生损伤。因此，在左侧端部，无需使第一电极片部排列体2a的左侧端部和第二电极片部排列体2c的左侧端部在长度方向上错开。

电极片部的形式没有特别限定，可以为通常的梳形电极。在优选的实施方式中，在强介电性晶体基板的第一主面，在电极片部间分别形成绝缘膜，在强介电性晶体基板的第二主面设置均匀电极，在电极片部和所述均匀电极之间施加电压。图10是该实施方式的附图。

首先，在强介电性晶体基板1的第一主面1a上形成均匀的导电膜，接着将导电膜图案化，从而如图10所示那样形成多列细长的导电膜41。接着，设置绝缘膜42以包覆导电膜41。

其结果，排列有多个由多列细长的导电膜41构成的电极片部，并且绝缘膜42夹在邻接的电极片部间。从公用的供电电极31对各电极片部施加电压。

在基板1的第二主面1b上，在整个面形成导电膜40。

构成应形成周期极化反转结构的基板的强介电性晶体的种类没有限定。但是，可示例出铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)、铌酸锂-钽酸锂固溶体、k3li2nb5o15、la3ga5sio14。强介电性晶体特别优选为单晶。

作为强介电性晶体基板，优选为x切割基板、斜切x切割基板、y切割基板、斜切y切割基板。这些基板的斜切角度优选为10°以下，进一步优选为5°以下。

绝缘膜的材质没有限定，可以为氧化硅(sio2)或五氧化钽(ta2o5)、氧化铝(al2o3)这样的氧化物；氮化硅这样的氮化物。另外，进一步优选为氧化硅，其在极化反转后容易利用试剂蚀刻除去。

图案化后的绝缘膜的厚度没有特别限定，优选为500埃以上且4000埃以下。绝缘膜的厚度小的情况下，绝缘性变低，难以形成极化反转。绝缘膜过厚的情况下，图案化精度变差。

电极片部、对置电极的材质没有限定，优选为al、au、ag、cr、cu、ni、ni-cr、pd、ta、mo、w、ta、aucr的层叠膜等。

电极片部、对置电极的形成方法没有特别限定，可以为蒸镀法，也可以为溅射法。电极的膜厚例如可以为500～3000埃。

接着，利用电压施加法在电极片部和对置电极之间施加电压，在基板上形成周期极化反转结构。

从促进极化反转结构的形成的观点出发，施加电压时的强介电性晶体基板的温度优选为15℃以上，进一步优选为25℃以上。另外，从防止强介电性晶体基板的破裂或焦电的观点出发，施加电压时的强介电性晶体基板的温度优选为60℃以下，进一步优选为40℃以下。

强介电性晶体基板可以设置于气氛中，但优选浸渍于绝缘性液体中。作为该绝缘性液体，可以示例出绝缘油(例如硅油)、氟系非活性液体。

电压施加方法没有特别限定。例如可以将基板设置于非活性气氛中来施加电压，也可以将基板设置于绝缘体液体中来施加电压。施加电压时，使用电压施加探针的情况下，针相对于电极的接触位置期望为正中间。

电压优选为脉冲电压，可以进一步施加直流偏置电压。脉冲电压的优选条件如下所述。

脉冲电压:2.0kv～8.0kv(/mm)

脉冲宽度:0.1ms～10ms

直流偏置电压:1.0kv～5.0kv(/mm)

在本发明中，形成第二电极片部排列体而形成第二周期极化反转结构后，还可以进一步在第一周期极化反转结构和第二周期极化反转结构之间另外形成第三电极片部排列体，对第三电极片部排列体施加电压而形成第三周期极化反转结构。该情况下，电压施加次数增加，但取而代之，能够进一步提高周期极化反转结构的密度。另外，也可以分别实施4次以上的电极片部排列体的形成和电压施加。

在施加电压时相邻的电极片部排列体的周期l可以根据材质而进行选择，但例如优选为1.4mm以下，进一步优选为1.2mm以下。另外，若在施加电压时使相邻的电极片部排列体的周期l过小则会产生短路的影响，因此优选为0.4mm以上，进一步优选为0.6μm以上，更进一步优选为0.7mm以上。

在优选的实施方式中，在第二电极片部排列体的长度方向进行观察时，相邻的第一周期极化反转结构的端部和第二电极片部排列体的端部是分开的。该情况下，优选使在所述长度方向进行观察时的第一周期极化反转结构的端部和第二电极片部排列体的端部的间隔t(参照图8)为1mm以上，进一步优选为3mm以上。然而，即使使该间隔过大，效果也不会特别地增大，因此所述间隔t优选为5mm以下。

本发明的元件可以适用于2次高次谐波产生元件等高次谐波产生元件。用作2次高次谐波产生元件的情况下，高次谐波的波长优选为330-1700nm。

实施例

(比较例1)

如图3以及图10所示，在强介电性晶体基板1形成了周期极化反转结构5。

具体而言，作为基板1，使用了添加mgo的linbo3的斜切y切割基板。斜切角为5°。在基板1的第一主面1a形成钼膜作为导电膜。另外，与其同样地，在基板1的第二主面1b上形成钼膜作为导电膜40。各导电膜的膜厚为约1000埃。

接着，将光致抗蚀剂旋涂于表面1a上的导电膜，经过掩模曝光、显影，形成周期约6.5μm的抗蚀剂图案。将该抗蚀剂图案作为掩模而进行湿式蚀刻处理，从而形成了如图10所示的图案化后的导电膜41。

接着，利用溅射法形成绝缘膜42。该膜厚为2000埃，材质为氧化硅。其中，如图3所示，主面1a上的相邻的电极片部排列体2的周期s为0.4mm。

将如此制作的基板1浸渍于绝缘油内，在25℃施加脉冲电压。作为电压施加条件，设定为约2.8kv/mm，施加1msec宽的矩形脉冲。

施加电压后，为了确认是否形成极化反转，利用50％氢氟酸进行了湿式蚀刻。其结果，如图11所示，未形成周期极化反转结构。其原因在于，电极片部排列体2的周期s窄，因此即使为较小的电压，在电极间也产生了短路，未形成极化反转部。

(比较例2)

与比较例1同样，尝试着在强介电性晶体基板形成周期极化反转结构。其中，由于使邻接的电极片部排列体2的周期s增大至0.6mm，从而使电极片部排列体的密度稍许降低。

其结果，如图12所示，形成了周期极化反转结构，但周期极化反转结构的长度为约30μm，变短(箭头的长度为30μm)。其原因在于，为了防止邻接的电极片部排列体间的短路，无法施加高电压。

(实施例1)

与比较例1同样，形成了周期极化反转结构。然而，在本示例中，如图4、图5所示，将第一电极片部排列体2a和第二电极片部排列体2b区分设置，从而分别形成第一周期极化反转结构5a和第二周期极化反转结构5b。第一电极片部排列体2a的周期l为0.8mm，第一周期极化反转结构和第二电极片部排列体的周期s为0.4mm。其它与比较例1相同。

其结果，如图13所示，成功地以较窄的间隔形成了长度约60μm的良好的周期极化反转结构(箭头的长度为60μm)。然而，如图14所示，在对第二电极片部排列体施加电压时，因一部分的电极片部排列体的端部和第一周期极化反转结构的端部之间的电场集中，有时观察到损伤12(参照图6(b))。

(实施例2)

与实施例1同样地形成了周期极化反转结构。然而，在本示例中，第一电极片部排列体的周期l为1.2mm，第一周期极化反转结构和第二电极片部排列体的周期s为0.6mm。由此，使周期极化反转结构的密度稍许降低。

其结果，可以形成长度约50μm的良好的第一周期极化反转结构以及第二周期极化反转结构。另外，成功地以较窄的间隔形成。然而，如图15所示，在对第二电极片部排列体施加电压时，因一部分的电极片部排列体的端部和第一周期极化反转结构的端部之间的电场集中，有时观察到损伤12(参照图6(b))。然而，该损伤的程度低于实施例1中的损伤(参照图14)。

(实施例3)

与实施例1同样地形成电极片部排列体，并尝试着形成周期极化反转结构。然而，在本示例中，如图8所示，使得在第一电极片部排列体2c的长度方向p进行观察时，第一周期极化反转结构5a的端部5e和第二电极片部排列体2c的端部2a分开2mm(t)。

其结果，如图16所示，成功地以较窄的间隔形成了长度约60μm的良好的周期极化反转结构(箭头的长度为60μm)。另外，如图17所示，在对第二电极片部排列体施加电压时，未观察到因一部分的电极片部排列体的端部和第一周期极化反转结构的端部之间的电场集中而导致的损伤12。