JP4653391B2 - Manufacturing method of light control element - Google Patents
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Description
本発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜を用いた光制御素子に関する。 The present invention relates to a light control element using a dielectric thin film made of an electro-optic material or a nonlinear optical material.
基板に薄膜層を形成する技術には様々は方法があるが、高品質な薄膜層を形成には結晶成長技術が多く用いられている。結晶成長技術は、高精度な膜厚制御と、異なる材料を多層膜で構成することが可能である。しかし、高品質な薄膜層を形成するためには、成長させる基板と薄膜材料との格子定数が近い必要がある、安定した成長条件の存在と確立が必要であり、成長のための材料が限定される、などの多くの要件が必要となり、このヘテロ成長は限られた材料でしか用いることができない。 There are various methods for forming a thin film layer on a substrate, but a crystal growth technique is often used to form a high-quality thin film layer. In the crystal growth technique, it is possible to control the film thickness with high accuracy and to form different materials with multilayer films. However, in order to form a high-quality thin film layer, the lattice constant between the substrate to be grown and the thin film material needs to be close, and the existence and establishment of stable growth conditions is necessary, and the materials for growth are limited. This hetero-growth can only be used with limited materials.
半導体の場合の結晶成長では、GaAs基板上にAlGaAsの薄膜層を結晶成長技術により形成することは可能であるが、AlGaAsを格子定数が異なる半導体基板上に形成することは困難であり、半導体ではないガラスなどの基板上に形成することは、さらに困難である。また、電気光学又は非線形光学材料として用いられるニオブ酸リチウム薄膜の形成は、高周波スパッタ法などで形成できるが、これら一般的に用いられている方法では、光学的な用途として重要な大きい電気光学定数や非線形光学定数等を有する高品質な薄膜形成は極めて困難である。 In crystal growth in the case of a semiconductor, it is possible to form an AlGaAs thin film layer on a GaAs substrate by crystal growth technology, but it is difficult to form AlGaAs on a semiconductor substrate having a different lattice constant. It is even more difficult to form on a substrate such as no glass. In addition, a lithium niobate thin film used as an electro-optic or nonlinear optical material can be formed by a high-frequency sputtering method or the like, but these generally used methods have a large electro-optic constant that is important for optical applications. It is extremely difficult to form a high-quality thin film having a nonlinear optical constant or the like.
電気光学材料又は非線形光学材料としてニオブ酸リチウムは優れた特性をもっているが、その高品質なニオブ酸リチウム薄膜を異なる材料上に形成する方法として、特許文献1には液相成長法の記載がある。これは、タンタル酸リチウム基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を液晶成長により形成する方法である。成長条件の操作により、ニオブ酸リチウム薄膜とタンタル酸リチウム基板の格子整合を実現し、薄膜の形成を可能としている。しかし、薄膜成長には格子整合をさせる必要があるため、基板の選択範囲は極めて狭く、ほぼ同系列の材料であることが求められ、ニオブ酸リチウム基板への酸化マンガンをドープしたニオブ酸リチウム薄膜の成長が実用化されている程度である。 Although lithium niobate has excellent characteristics as an electro-optic material or a nonlinear optical material, Patent Document 1 describes a liquid phase growth method as a method for forming a high-quality lithium niobate thin film on a different material. . This is a method of forming a lithium niobate single crystal thin film on a lithium tantalate substrate by liquid crystal growth. By manipulating the growth conditions, lattice matching between the lithium niobate thin film and the lithium tantalate substrate is realized, and the thin film can be formed. However, since it is necessary to match the lattice for thin film growth, the selection range of the substrate is extremely narrow, and it is required that the material is almost the same series. Lithium niobate thin film doped with manganese oxide on the lithium niobate substrate The growth of this is to the extent that it has been put to practical use.
半導体に関しては、シリコンの薄膜層を形成する技術として、SOI(Silicon on insulator)基板の製作方法のであるスマートカット法があり、例えば特許文献2に記載されている。この方法では、酸化されたシリコンウエハに、水素イオンをイオン注入して、ウエハ内部に微小気泡層を形成する。その後、このイオン注入したシリコンウエハのイオン注入面と別のシリコンウエハとを酸化膜を介して密着させて、500度以上の熱処理を加えて、ウエハを薄膜状に分離し、SOI基板を形成する方法が記載されている。薄膜が分離された基板は、表面処理の後、さらに同様の工程で再利用もできるので、基板を無駄にすることなく、コストを考慮した大量生産も可能である。しかし、この方法では、SiO2 層同士の接着強度を強くするために、実際には1100度での結合熱処理を行う。そのため、この結合熱処理に耐える材質でなくては、強固な接着強度を持つ基板を形成できない。また、SiO2 層を介さずにシリコンとSiO2 を接合する方法も可能であるが、高温による強固な接合ないので、常温に戻したときに、熱膨張係数の違いから薄膜シリコン層に境界面と平行方向に応力が生じてしまい、接合面の強度や界面の結晶品質が保つことができない。 With respect to semiconductors, as a technique for forming a thin film layer of silicon, there is a smart cut method which is a method for manufacturing an SOI (Silicon on insulator) substrate, which is described in Patent Document 2, for example. In this method, hydrogen ions are implanted into an oxidized silicon wafer to form a microbubble layer inside the wafer. Thereafter, the ion-implanted surface of the silicon wafer into which the ions are implanted is brought into close contact with another silicon wafer through an oxide film, and a heat treatment of 500 ° C. or more is applied to separate the wafer into a thin film to form an SOI substrate. A method is described. Since the substrate from which the thin film has been separated can be reused in a similar process after the surface treatment, mass production considering cost can be performed without wasting the substrate. However, in this method, in order to increase the adhesive strength between the SiO 2 layers, a bonding heat treatment is actually performed at 1100 degrees. Therefore, a substrate having strong adhesive strength cannot be formed unless the material can withstand this bonding heat treatment. In addition, a method of bonding silicon and SiO 2 without using an SiO 2 layer is also possible. However, since there is no strong bonding due to high temperature, the interface between the thin film silicon layer and the thin film silicon layer is reduced when the temperature is returned to room temperature. In other words, stress is generated in the parallel direction, and the strength of the joint surface and the crystal quality of the interface cannot be maintained.
また、特許文献3には、半導体としてシリコンではなく、GaAsからなる化合物半導体とSiO2 を貼り合せ、GaAs薄膜にフォトニック結晶を形成する方法を提案されている。結晶成長技術によりInGaAsなどから形成されるエッチストップ層を持つGaAs層を形成し、その表面にSiO2 層を成膜する。このSiO2 層を介してウエハ接着し、ウェットエッチングによりエッチストップ層まで基板側をエッチングし、最後にエッチストップ層をエッチングすることで、GaAsの薄膜層を形成する。この方法では、エッチストップ層を形成した後に、必要とするGaAs層を高品質で形成する必要がある。化合物半導体であれば、有機金属気相成長法などのエピタキシャル成長技術が確立しているので、比較的容易に形成することができるが、半導体以外の材質ではこのようなエッチストップ層を形成することは材料が限定されてくる。また、この方法は、エッチストップ層までウェットエッチングをしてしまうと、その部分までの基板がすべて無駄になってしまい、大量生産が難しい基板製作方法である。また、エッチングストップ層自体が、特性のかなり異なる材料の結晶作製が必要である。しかし、半導体のGaAsやシリコンの場合と異なり、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体材料の場合には、良好なエッチングストップ層の結晶成長による形成が困難である。 Patent Document 3 proposes a method for forming a photonic crystal on a GaAs thin film by bonding a compound semiconductor made of GaAs and SiO 2 instead of silicon as a semiconductor. A GaAs layer having an etch stop layer formed of InGaAs or the like is formed by a crystal growth technique, and a SiO 2 layer is formed on the surface thereof. The wafer is bonded through the SiO 2 layer, the substrate side is etched to the etch stop layer by wet etching, and finally the etch stop layer is etched to form a GaAs thin film layer. In this method, it is necessary to form a required GaAs layer with high quality after forming the etch stop layer. For compound semiconductors, epitaxial growth techniques such as metal organic vapor phase epitaxy have been established and can be formed relatively easily. However, it is not possible to form such an etch stop layer for materials other than semiconductors. Material is limited. In addition, this method is a substrate manufacturing method in which, if wet etching is performed up to the etch stop layer, all the substrates up to that portion are wasted, and mass production is difficult. In addition, the etching stop layer itself needs to produce crystals of materials with considerably different characteristics. However, unlike the case of semiconductor GaAs or silicon, it is difficult to form a good etching stop layer by crystal growth in the case of a dielectric material made of an electro-optic material or a nonlinear optical material.
一方、特許文献3には、SOI基板を用いて、これを熱圧着して積層することにより、フォトニック結晶構造を有する複数のシリコン層を有する多層基板が記載されている。しかしながら、この多層基板における複数層のシリコン層を作製する場合にもエッチングによるSiO2層の除去を基本としており、エッチングストップ層を形成することが必要となり、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体材料の場合に適用することは困難である。 On the other hand, Patent Document 3 describes a multilayer substrate having a plurality of silicon layers having a photonic crystal structure by using an SOI substrate and laminating them by thermocompression bonding. However, even when a plurality of silicon layers are produced on this multilayer substrate, it is fundamental to remove the SiO2 layer by etching, and it is necessary to form an etching stop layer, and a dielectric made of an electro-optic material or a nonlinear optical material. It is difficult to apply in the case of materials.
以上説明したように、電気光学材料や非線形光学材料からなる誘電体基板は、多くの場合、薄膜の結晶成長が困難であり、高温加熱による結晶品質の劣化、犠牲層の成膜が困難である。したがって、上記のいずれの方法も用いることができないために、格子定数が異なる材質上にこれらの材料の薄膜層を安定的にヘテロ成長により大量生産するのは極めて困難である。このため、これらを用いた薄膜による光制御素子を作製することは、直接的なヘテロ成長により作製することも、エッチングストップ層のヘテロ成長により作製することも、どちらも困難であった。 As described above, dielectric substrates made of electro-optic materials or nonlinear optical materials are often difficult to grow thin-film crystals, and are difficult to degrade crystal quality due to high-temperature heating and to form a sacrificial layer. . Therefore, since none of the above methods can be used, it is extremely difficult to stably mass-produce thin film layers of these materials on materials having different lattice constants by hetero-growth. For this reason, it is difficult to fabricate a light control element using a thin film using these by either direct heterogrowth or heterogrowth of an etching stop layer.
本発明の第1の課題は、高機能で経済性に優れた光制御素子を提供することである。 A first object of the present invention is to provide a light control element that is highly functional and economical.
本発明の第2の課題は、薄膜の厚さが均一で素子ばらつきの小さい光制御素子を提供することである。 A second object of the present invention is to provide a light control element having a uniform thin film thickness and small element variation.
本発明の第3の課題は、接合時の歩留まりが高いと同時に微細形状精度の高い光制御素子を提供することである。 A third object of the present invention is to provide a light control element that has a high yield at the time of bonding and at the same time has a high fine shape accuracy.
本発明の第4の課題は、微細形状加工が非常に高く、これにより波長精度の高い光制御素子を提供することである。 A fourth problem of the present invention is to provide a light control element that has a very high fine shape processing and thereby has high wavelength accuracy.
本発明の第5の課題は、薄膜の厚さがより一層に均一で散乱による損失の小さい光制御素子を提供することである。 The fifth object of the present invention is to provide a light control element in which the thickness of the thin film is further uniform and the loss due to scattering is small.
本発明の第6の課題は、誘電体薄膜材料の熱による光学特性低減してより高効率化することで、小型低消費電力である同時に、異なる材料の熱膨張係数差から生じる応力がもたらすストレスによる誘電体薄膜破損、光学機能信頼性低下を低減した光制御素子を提供することである。 The sixth problem of the present invention is to reduce the optical characteristics of the dielectric thin film material by heat and to make it more efficient, so that the stress caused by the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient of different materials at the same time is small and low power consumption. It is an object of the present invention to provide a light control element that can reduce dielectric thin film breakage and optical function reliability degradation.
本発明の第7の課題は、異なる材料間での接合力を増加すると同時に、誘電体材料の熱膨張係数差から生じる応力がもたらすストレスによる誘電体薄膜破損、光学機能の信頼性低下を低減した光制御素子を提供することである。 The seventh problem of the present invention is to increase the bonding force between different materials, and at the same time, reduce the dielectric thin film breakage due to the stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient of the dielectric material, and reduce the reliability of the optical function. It is to provide a light control element.
本発明の第8の課題は、電気光学効果又は非線形効果を高めることで、より高機能で小型低消費電力である光制御素子を有する光制御素子を提供することである。 An eighth object of the present invention is to provide a light control element having a light control element that has a higher function, a smaller size, and lower power consumption by enhancing the electro-optic effect or the nonlinear effect.
本発明の第9の課題は、フォトニックバンド効果により急峻な光の伝播光の偏向とすることと同時に、群速度を遅延させて非線形効果を高めるとで、より高機能で小型低消費電力である光制御素子提供することである。 The ninth problem of the present invention is that the non-linear effect is enhanced by delaying the group velocity at the same time as making the steep propagation light deflection by the photonic band effect. It is to provide a light control element.
本発明の第10の課題は、光制御効果を複合可能な光制御素子を提供することである。 A tenth problem of the present invention is to provide a light control element capable of combining light control effects.
本発明の一形態は、支持基板と電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜とを有する光制御素子の製造方法であって、誘電体基板にイオンを注入してイオン注入分離層を形成する分離層形成工程と、前記誘電体基板のイオンが注入された面を前記支持基板に接合する接合工程と、残存する前記誘電体基板が前記誘電体薄膜となるように前記イオン注入分離層の部分で前記誘電体基板の一部を分離除去する分離工程と、前記分離層形成工程と前記接合工程との間に、前記誘電体基板に光制御構造を形成する光制御構造形成工程と、を備えることを特徴とする光制御素子の製造方法である。又、本発明の他の形態は、支持基板と電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜とを有する光制御素子の製造方法であって、誘電体基板にイオンを注入してイオン注入分離層を形成する分離層形成工程と、前記誘電体基板のイオンが注入された面を前記支持基板に接合する接合工程と、残存する前記誘電体基板が前記誘電体薄膜となるように前記イオン注入分離層の部分で前記誘電体基板の一部を分離除去する分離工程と、前記分離層形成工程の前に、前記誘電体基板に光制御構造を形成する光制御構造形成工程と、を備えることを特徴とする光制御素子の製造方法である。 One form of the present invention is a manufacturing method of an optical control device having a dielectric thin film made of a supporting lifting the substrate and the electro-optic material or non-linear optical material, an ion implantation separation layer by implanting ions into the dielectric substrate A separation layer forming step to be formed; a bonding step of bonding a surface of the dielectric substrate into which ions are implanted; and the ion implantation separation layer so that the remaining dielectric substrate becomes the dielectric thin film. A separation step of separating and removing a part of the dielectric substrate at the portion, and a light control structure forming step of forming a light control structure on the dielectric substrate between the separation layer forming step and the bonding step ; A method for manufacturing a light control element comprising: Another embodiment of the present invention is a method of manufacturing a light control element having a support substrate and a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material, and ion implantation is performed by implanting ions into the dielectric substrate. A separation layer forming step of forming a layer; a bonding step of bonding the surface of the dielectric substrate into which ions are implanted; and the ion implantation so that the remaining dielectric substrate becomes the dielectric thin film. A separation step of separating and removing a part of the dielectric substrate at a separation layer portion; and a light control structure formation step of forming a light control structure on the dielectric substrate before the separation layer formation step. This is a method for manufacturing a light control element.
前記分離工程の後に、前記誘電体基板の一部を分離除去されて形成された前記誘電体薄膜の表面に研磨加工を施しても良い。 After the previous SL separation step may be facilities polished on the dielectric the dielectric surface of the thin film part is formed separately removal of the substrate.
前記接合工程は、真空中での前記基板表面に対するイオン照射処理又はプラズマ照射処理を含んでも良い。 Before SL bonding step may also contains I ion irradiation treatment or plasma irradiation treatment to said substrate surface in a vacuum.
前記接合工程は、前記分離層形成工程に先立ち、前記支持基板と前記誘電体薄膜との互いに接合する面に接合層を形成する工程を含んでも良い。 Before SL bonding step, said prior to the separation layer forming step, the supporting substrate and the step of forming the bonding layer on the surface to be bonded to each other with the dielectric film may also do free.
前記光制御構造形成工程は、光制御構造として、チャネル型光導波路構造を形成しても良い。 Before Symbol light control structure formation step, a light control structure may be formed a channel type optical waveguide structure.
前記光制御構造形成工程は、光制御構造として、フォトニック結晶構造を形成しても良い。 Before Symbol light control structure formation step, a light control structure may be formed a photonic crystal structure.
前記分離工程の後に、別の誘電体基板にイオンを注入してイオン注入分離層を形成する第2の分離層形成工程と、前記別の誘電体基板のイオンが注入された面を前記支持基板上に既に形成された前記誘電体薄膜に接合する第2の接合工程と、残存する前記別の誘電体基板が前記誘電体薄膜となるように前記イオン注入分離層の部分で前記別の誘電体基板の一部を分離除去する第2の分離工程と、から構成される多層化工程を1回又は複数回実行しても良い。 After the previous SL separation step, by implanting ions into another dielectric substrate ion implantation and the second separation layer forming step of forming a separation layer, the said further dielectric ions have been implanted face of the substrate support A second bonding step for bonding to the dielectric thin film already formed on the substrate; and the other dielectric substrate at the ion implantation separation layer so that the remaining dielectric substrate becomes the dielectric thin film. A multi-layering process including a second separation process for separating and removing a part of the body substrate may be executed once or a plurality of times .
請求項1記載の発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れた光制御素子を提供することができる。 The invention according to claim 1 can provide a light control element that is highly functional and excellent in economy when light control is performed by a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material.
請求項1記載の発明は、光制御構造の形成をイオン注入分離層を設ける前に行うことになり、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、接合時の歩留まりが高いと同時に微細形状精度の高い光制御素子を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention , the light control structure is formed before the ion implantation separation layer is provided. When the light control is performed by a dielectric thin film made of an electro-optic material or a nonlinear optical material, the light control structure is highly functional. It is possible to provide a light control element that is excellent in economic efficiency, has a high yield at the time of bonding, and has a high fine shape accuracy.
請求項2記載の発明は、光制御構造の形成をイオン注入分離層後の誘電体薄膜の分離前に行うことになり、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、微細形状加工が非常に高く、これにより波長精度の高い光制御素子を提供することができる。 In the invention according to claim 2 , the light control structure is formed before separation of the dielectric thin film after the ion implantation separation layer, and light control is performed by a dielectric thin film made of an electro-optic material or a nonlinear optical material. In addition, it is possible to provide a light control element with high function and economy, and at the same time having a very high fine shape processing, and thereby high wavelength accuracy.
請求項3記載の発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、薄膜の厚さがより一層に均一で散乱による損失の小さい光制御素子を提供することができる。 According to the third aspect of the present invention, when light control is performed by a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material, it is highly functional and economical, and at the same time, the thickness of the thin film is more uniform and due to scattering. A light control element with small loss can be provided.
請求項4記載の発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、誘電体薄膜材料の熱による光学特性低減してより高効率化することで小型低消費電力である同時に、異なる材料の熱膨張係数差から生じる応力がもたらすストレスによる誘電体薄膜破損、光学機能信頼性低下を低減した光制御素子を提供することができる。 In the invention according to claim 4, when optical control is performed with a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material, it is highly functional and economical, and at the same time, optical characteristics due to heat of the dielectric thin film material are reduced. It is possible to provide a light control element that is small in size and low in power consumption through higher efficiency, and at the same time reduces damage to the dielectric thin film due to the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between different materials and reduced optical function reliability. it can.
請求項5記載の発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、異なる材料間での接合力を増加すると同時に、誘電体材料の熱膨張係数差から生じる応力がもたらすストレスによる誘電体薄膜破損、光学機能の信頼性低下を低減した光制御素子を提供することができる。 In the invention of claim 5, when performing light control with a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material, it is highly functional and economical, and at the same time increases the bonding force between different materials, It is possible to provide a light control element in which the dielectric thin film breakage due to the stress caused by the stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient of the dielectric material and the reliability of the optical function are reduced.
請求項6記載の発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、伝播光の基板水平方向の光の閉じ込を行い、電気光学効果又は非線形効果を高めることで、より高機能で小型低消費電力である光制御素子を有する光制御素子を提供することができる。 According to the sixth aspect of the present invention, when light control is performed by a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material, it is highly functional and excellent in economic efficiency, and at the same time, confines the light in the horizontal direction of the propagation light. By performing the electro-optic effect or the non-linear effect, it is possible to provide a light control element having a light control element that has higher functionality, smaller size, and lower power consumption.
請求項7記載の発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、フォトニックバンド効果により急峻な光の伝播光の偏向とすることと同時に、群速度を遅延させて非線形効果を高めるとで、より高機能で小型低消費電力である光制御素子提供することができる。 According to the seventh aspect of the present invention, when optical control is performed by a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material, it is highly functional and economical, and at the same time, a steep light propagation light due to the photonic band effect. At the same time as the deflection, by delaying the group velocity and enhancing the nonlinear effect, it is possible to provide a light control element that has a higher function and a smaller size and lower power consumption.
請求項8記載の発明は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜により光制御を行う場合に、高機能で経済性に優れると同時に、光制御効果を複合可能な光制御素子を提供することができる。 The invention according to claim 8 provides a light control element capable of combining a light control effect while at the same time being highly functional and economical when performing light control with a dielectric thin film made of an electro-optic material or a non-linear optical material. can do.
[第1の実施の形態(請求項1、5記載の発明の実施の形態)]
本発明の第1の実施の形態を図1に基づいて説明する。
[First Embodiment (Embodiments of the Inventions of Claims 1 and 5)]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1は、本発明の第1の実施の形態として、光制御素子の製造方法を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a light control element as a first embodiment of the present invention.
図1(a)、(b)に示すように、本実施の形態では、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板(以下、基板A)と、台座となる支持基板(以下、基板B)とから光制御素子101を構成する。そのための工程として、本実施の形態では、分離層形成工程、接合工程、分離工程、研磨工程とを有する。
(1)分離層形成工程
図1(c)に示すように、希ガスイオンをイオン注入により注入し、ウエハ内部にイオン注入分離層201を形成する。例えばニオブ酸リチウムでは、ヘリウムイオンガスのイオン注入での加速電圧を500kV、イオン濃度が5×1016[1/個]で、層厚方向1μmm程度の部分にイオン注入分離層201を形成する(図中の×による線は、イオン注入分離層201を示す)。この値は材料の特性によって変化するので最適に制御することが必要である。イオンの加速電圧を変化させることにより、注入深さを制御することができる。注入深さが数μmm以上と深くなると、加速電圧が大きい必要があり、大きな装置が必要となるが、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板を光制御素子101として用いる場合には、導波路とし機能させるためにイオン注入分離層201が1μm程度又は1μm以下と薄くても良いので、イオン注入分離層201の深となる注入深さが薄くても構わない。このため、注入エネルギーが小さくてすむ。このニオブ酸リチウム薄膜の上下をSiO2 を有する基板で挟み込んだ3層平板光導波路を形成した場合では、光信号の制御が容易である単一モードを与えるコア層つまり、ニオブ酸リチウム層の厚さは波長1.3μmに対して、電気的横波、磁気的横波に対してそれぞれ0.5μm程度である。0.5μmの膜厚で良いので、高い加速電圧は必要なく、比較的制御しやすい1MeV以下の加速電圧でのイオン注入が可能となる。また、イオン注入によるイオン注入分離層201は、加熱処理によりイオン拡散を行い、その打ち込み深さやイオン濃度を変化しても良い。オン注入にさいしては、材料に応じてヘリウムガスのかわりに、他の希ガスイオンを用いたり、また希ガス以外のイオンを用いたりしても良い。
(2)接合工程
次に、図1(d)に示すように、基板Aと基板Bとを、基板Aのイオン注入面が接触するように接合する。接合には陽極接合方式、加熱接合方式、などを用いて原子レベルで基板Aと基板Bとを強固に接合することができる。電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板を用いた光制御素子101としては、誘電体材料の光学特性が変化しない温度での接合が必要となる。ニオブ酸リチウムは700℃以上で相変化により光学特性が劣化する場合があるので、ニオブ酸リチウムとSiO2 との接合では、600℃以内での接合温度とすることが必要である。
As shown in FIGS. 1A and 1B, in this embodiment, a dielectric substrate (hereinafter referred to as substrate A) made of an electro-optic material or a nonlinear optical material and a support substrate (hereinafter referred to as substrate B) serving as a base. ) To form the
(1) Separation Layer Formation Step As shown in FIG. 1 (c), rare gas ions are implanted by ion implantation to form an ion
(2) Bonding Step Next, as shown in FIG. 1D, the substrate A and the substrate B are bonded so that the ion implantation surface of the substrate A is in contact. For the bonding, the substrate A and the substrate B can be firmly bonded at the atomic level by using an anodic bonding method, a heat bonding method, or the like. The
また、加熱を伴う接合で、異種の材料を直接接合する場合には、その熱膨張係数の差により、冷却したときの応力による接合面の劣化が生じる。ニオブ酸リチウムとSiO2 の組み合わせでは、2つの材料の熱膨張係数はほぼ同じであるので、ニオブ酸リチウムの光学特性が変化しない範囲の高温での加熱接合も可能である。しかしながら、他の材料の組み合わせ場合には、接合の温度に関して熱による応力による信頼性の低下を考慮する必要がある。
(3)分離工程
図1(e)に示すように、接合された基板を前工程の接合と同時に又は次工程として加熱することにより、分離面から基板がドライ工程で剥離され、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板による膜厚が約1μmの薄膜構造を形成することができる。ニオブ酸リチウム基板は、400℃以上の加熱によりイオン注入分離層201で、誘電体基板からその誘電体基板の光学薄膜である誘電体薄膜301を分離することができる。このとき、異種の材料を直接接合する場合には、その熱膨張係数の差により、加熱時に応力が接合面に生じると同時に、イオン注入分離層201にも応力が生じる。この応力は、イオン注入分離層201から基板が剥離される場合のドライビングフォースの一つともなるので、接合面での信頼性低下を低減しながらも、加熱する温度や速度や時間を制御してこのイオン注入分離層201での応力を最適にすることが好ましい。また、図1に示すように基板Bをあらかじめ基板Aに接合させてからイオン注入分離層201から剥離しているので、分離した非常に薄い誘電体薄膜301が分離時の応力により破壊されたり、その後の工程で加わる力により破壊されたりすることを低減している。このため、単独で電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板にイオン注入分離層201を形成して加熱して誘電体薄膜301を形成する場合と比較して、接合部付近にイオン注入分離層201がある場合の方が、均一で欠陥の少ない信頼性の高い誘電体薄膜301を形成することができる。
(4)研磨工程
図1(e)の工程により分離された誘電体薄膜301は、イオン注入時のイオン加速電圧ばらつき、基板となる結晶の欠陥や不均一さにより、そのイオン注入された深さや濃度にばらつきが生じ、この結果として誘電体薄膜301の表面や厚さが不均一となる場合がある。しかしながら、図1(f)に示すように、次に研磨加工や化学処理により、薄膜表面を平滑に均一な厚さにすると同時に欠陥部分を減少させることで、誘電体薄膜301の面粗さや厚さムラに伴う光損失を低減すると同時に、長期的な光学特性劣化を低減することができるようになる。とくに、誘電体薄膜301の面内方向に光を伝播させる場合は、その損失を低減することができるので非常に効果的である。研磨加工としては、通常の光学研磨以外にも、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械的研磨)やレーザ加工等の方法を用いても良い。
Further, when different types of materials are directly joined by joining with heating, the joining surface is deteriorated due to the stress when cooled due to the difference in thermal expansion coefficient. In the combination of lithium niobate and SiO 2 , the thermal expansion coefficients of the two materials are almost the same. Therefore, heat bonding at a high temperature within a range where the optical properties of lithium niobate do not change is possible. However, in the case of a combination of other materials, it is necessary to consider a decrease in reliability due to thermal stress with respect to the bonding temperature.
(3) Separation process As shown in FIG. 1 (e), by heating the bonded substrate simultaneously with the previous process or as the next process, the substrate is peeled off from the separation surface in the dry process, and the electro-optic material or A thin film structure having a film thickness of about 1 μm can be formed by a dielectric substrate made of a nonlinear optical material. In the lithium niobate substrate, the dielectric
(4) Polishing process The dielectric
図1に示す光制御素子101は、従来のエッチングストッパ層を用いた支持基板上への誘電体薄膜301の形成方法とは異なるので、エッチング選択比の大きいエッチングストッパ層をヘテロ成長や後処理により形成できない材料に関しても支持基板上に電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体材料の誘電体薄膜301を容易に形成できるようになる。これにより、この誘電体薄膜301に光を伝播させて電気光学効果又は非線形光学効果を伝播光に作用させることにより、従来のイオン拡散を用いた屈折率差による光制御素子101としての方向性結合器、マッハツェンダー型干渉器、波長変換素子、回折格子、及びこれらを用いた光ルーティング素子、光変調器、DEMUX/MUX素子、レーザ発振素子等を、従来よりも非常に小型にかつ高性能で実現することができるようになる。さらに、これらは、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体材料を支持基板上の誘電体薄膜301として非常に少ない量しか用いずに、誘電体基板自体は何回も再利用して誘電体薄膜301を分離できるので、高価な電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体材料をほとんど消費しないので、経済性に非常に優れ大量生産に向いている。
Since the
本実施の形態の発明において、基板Aは、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板であるが、この電気光学材料もしくは非線形光学材料かなる誘電体材料としては、ニオブ酸リチウムやニオブ酸チタン、KTP、KDP、SBN(ニオブバリウム酸ストロンチウム)等の無機光学結晶,もしくはPZT、PLZT等の光学セラミックス、又はアゾ色素,スチルベンゼン色素,DASTなどの有機分子を有する材料又は有機光学結晶を用いることができる。また、これらの材料は、電気光学定数や非線形定数が半導体と比較して大きいが、その物性値が半導体と大きく異なり、そのバルクの屈折率が高くても2.5程度であり、半導体のような屈折率3よりは小さく、接合させる材料としては光を閉じ込めるために、低屈折率の材料が好ましい。また、電気光学効果を生じせしめる場合には、電界を付与するために誘電体薄膜301近傍に電極を設けることが必要であるが、半導体ではないので半導体又は金属と接合して電極として用い、狭ギャップ間の電極を構成して低電圧による駆動を実現することができる。
In the invention of the present embodiment, the substrate A is a dielectric substrate made of an electro-optic material or a nonlinear optical material. Examples of the dielectric material made of this electro-optic material or nonlinear optical material include lithium niobate and niobate. Use inorganic optical crystals such as titanium, KTP, KDP, and SBN (strontium niobium barium acid), optical ceramics such as PZT and PLZT, or materials having organic molecules such as azo dyes, stilbene dyes, and DAST, or organic optical crystals. be able to. In addition, these materials have large electro-optic constants and nonlinear constants compared to semiconductors, but their physical properties are significantly different from those of semiconductors, and even if the bulk refractive index is high, it is about 2.5. The refractive index is smaller than 3, and the material to be bonded is preferably a low refractive index material in order to confine light. In order to generate the electro-optic effect, it is necessary to provide an electrode in the vicinity of the dielectric
[第2の実施の形態(請求項2記載の発明の実施の形態)]
本発明の第2の実施の形態を図2に基づいて説明する。第1の実施の形態と同一部分は同一図面及び同一符号で示し、その説明も省略する(以下同様)。
[Second Embodiment (Embodiment of the Invention of Claim 2)]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those of the first embodiment are denoted by the same drawings and the same reference numerals, and the description thereof is also omitted (the same applies hereinafter).
図2は、本発明の第2の実施の形態として、光制御素子101の製造方法を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a method for manufacturing the
図2(c)に示すように、電気光学材料又は非線形光学材料の基板Aに、イオン注入によりイオン注入分離層201を形成する。
As shown in FIG. 2C, an ion
その後、図2(d)、(e)に示すように、材料の異なる基板Bと基板Aとを接合し、加熱してイオン注入分離層201で基板を剥がすことで、電気光学材料又は非線形材料の膜厚1μm以下の薄膜構造で、光制御素子101が構成された光学基板を形成することができる。
Thereafter, as shown in FIGS. 2D and 2E, the substrate B and the substrate A of different materials are joined, heated, and peeled off by the ion
次に、図2(f)に示すように、研磨加工や化学処理により、薄膜表面を平滑にする。薄膜が切り離された基板A上には、光素子を形成したときのパターンの凹凸が存在しているので、その凹凸を研磨や化学処理に除去して、再利用する。 Next, as shown in FIG. 2F, the thin film surface is smoothed by polishing or chemical treatment. On the substrate A from which the thin film has been separated, there are irregularities in the pattern when the optical element is formed. Therefore, the irregularities are removed by polishing or chemical treatment and reused.
そして、図2(g)に示すように、光制御素子101となる光制御構造401を構成する(光制御構造形成工程)。光制御構造401は半導体プロセス用いられるリソグラフィーとエッチングにより形成される。イオン注入されたニオブ酸リチウムの基板Aに感光レジストをスピンコート法により付着させ、マスクで覆った後に光照射と現像によって光素子のパターニングをする。その後、フロン系ガスによるドライエッチングによりレジストをマスクとして、ニオブ酸リチウム基板に転写する。このとき、イオン注入されたイオン注入分離層201までエッチングする。この後、レジストを除去して、表面を洗浄することで、光制御構造401として誘電体薄膜301がパターニングされている基板Aが形成される。
Then, as shown in FIG. 2G, a
図2中の光制御構造401は、波長の1/10程度の微細加工から数cm程度の大きさの加工により形成された光伝播構造であり、誘電体薄膜301の面内方向の加工や誘電体薄膜301の面に垂直方向の加工を示す。誘電体薄膜301の上部に周期構造を設けることにより回折格子型光結合素子を形成したり、垂直ミラーを形成して偏向素子又は集光レンズを形成したり、さらには導波路を作製したりすることによる微細構造による誘電体薄膜301内を光伝播が可能な光制御構造401を形成し、この誘電体薄膜301に電気光学効果又は非線形光学効果を付与する手段を形成することにより、光変調、光ルーティング、波長変換等の高機能な光制御を行うことができるようになる。
A
図2においては、光学研磨又は化学処理された平滑な面にイオン注入をしてイオン注入分離層201を形成し、その後に光制御構造401を形成しているので、イオン注入を均一に行え、かつ分離の再の加熱やこの加熱に伴う応力を均一に印加できるので、支持基板上に分離された誘電体薄膜301の厚さが均一で素子ばらつきの小さい光制御素子101を提供することができる。
In FIG. 2, ion implantation is performed on a smooth surface subjected to optical polishing or chemical treatment to form an ion
[第3の実施の形態(請求項3記載の発明の実施の形態)]
本発明の第3の実施の形態を図3に基づいて説明する。
[Third Embodiment (Embodiment of Invention of Claim 3)]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3は、本発明の第3の実施の形態として、光制御素子101の製造方法を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic view showing a method for manufacturing the
図3(c)に示すように、電気光学材料又は非線形光学材料の基板Aに、イオン注入によりイオン注入分離層201を形成した基板に、図3(d)に示すように、光制御構造401を構成する(光制御構造形成工程)。光制御構造401は、半導体プロセス用いられるリソグラフィーとエッチングを用いて形成することができる。
As shown in FIG. 3C, a
イオン注入されたニオブ酸リチウムの基板Aに感光レジストをスピンコート法により付着させ、マスクで覆った後に光照射と現像によって光素子のパターニングをする。その後、フロン系ガスによるドライエッチングによりレジストをマスクとして、ニオブ酸リチウム基板に転写する。このとき、イオン注入されたイオン注入分離層201までエッチングする。
A photosensitive resist is attached to the ion-implanted lithium niobate substrate A by spin coating, and after covering with a mask, the optical element is patterned by light irradiation and development. Thereafter, the resist is used as a mask by dry etching with a chlorofluorocarbon gas and transferred to a lithium niobate substrate. At this time, etching is performed up to the ion-implanted
この後、レジストを除去して、表面を洗浄することで、パターニングされた基板Aを形成することができる。 Thereafter, the patterned substrate A can be formed by removing the resist and washing the surface.
さらにその後、図3(e)、(f)に示すように、材料の異なる基板Bと基板Aとを接合し、加熱してイオン注入分離層201で基板を剥がすことで、電気光学材料又は非線形材料の膜厚1μm以下の薄膜構造で、光制御構造401が構成された光学基板を形成することができる。次に、図3(g)に示すように、研磨加工や化学処理により、薄膜表面を平滑にすることにより光制御素子101を形成する。
Then, as shown in FIGS. 3E and 3F, the substrate B and the substrate A made of different materials are bonded, heated, and the substrate is peeled off by the ion
図3において、光制御構造401の形成を、イオン注入分離層201を設けただけの誘電体基板に行っているので、光学研磨又は化学処理された平滑な面に近い良好な基板面に直接に微細構造からなる光制御構造401を形成していることになり、これにより、微細構造を均一に行うことができるようになると同時に、光や電界によるパターニングの分解能を向上することもできることから、より微細な構造の形成も可能となる。これにより、光制御素子101として用いる場合に光制御構造401の均一性が向上するので、光制御素子101としての適用波長精度が向上し、また微細形状も可能となるので光利用効率を向上させることもできる。また、イオン注入は、光制御構造401の形成の前にあらかじめ形成しているので、支持基板上に分離された誘電体薄膜301の厚さが均一で素子ばらつきの小さい光制御素子101を提供することもできる。
In FIG. 3, since the
[第4の実施の形態(請求項4記載の発明の実施の形態)]
本発明の第4の実施の形態を図4に基づいて説明する。
[Fourth Embodiment (Embodiment of Invention of Claim 4)]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図4は、本発明の第4の実施の形態として、光制御素子101の製造方法を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic view showing a method of manufacturing the
図4(c)に示すように、電気光学材料又は非線形光学材料の基板Aに、リソグラフィーとエッチングにより光制御構造401を構成する(光制御構造形成工程)。
As shown in FIG. 4C, a
その後、ウエハ表面をクリーニングし、図4(d)に示すように、基板Aにイオン注入によりイオン注入分離層201を形成する。
Thereafter, the wafer surface is cleaned, and an ion
そして、図4(e)に示すように、パターニングされている基板表面と、基板Aとは異なる材料で構成された基板Bとを接合し、図4(f)、(g)に示すように、加熱、研磨加工することでパターン形成された薄膜層を分離する。 Then, as shown in FIG. 4 (e), the patterned substrate surface and the substrate B made of a material different from the substrate A are joined, and as shown in FIGS. 4 (f) and 4 (g). Then, the patterned thin film layer is separated by heating and polishing.
図4において、光制御構造401の形成をイオン注入等の処理を一切していない光学研磨又は化学処理された平滑な面に直接に微細構造からなる光制御構造401を形成しているので、非常に高精細に微細構造を均一に行うことができるようになると同時に、光や電界によるパターニングの分解能を向上することもできるので、より一層の微細な構造の形成も可能となる。これにより、光制御素子101として用いる場合に光制御構造401の均一性が向上するので、光制御素子101としてのより適用波長精度が向上し、また微細形状も可能となるのでより光利用効率を向上することもできるようになる。ただし、イオン注入を、光制御構造401の形成の後に行っているので光制御構造401がイオン注入とそれに伴う分離工程により形状変形をうけるので、あらかじめその形状変形に対応した光制御構造401を作製しておく必要があるので、デバイス設計に若干に制約を受けるので、あらかじめその光制御構造401を後工程のイオン注入工程に対して最適化しておくことが必要である。
In FIG. 4, since the
図5は、本発明の参考例として、光制御素子101の製造方法を示す模式図である。図5は、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板である基板Aと支持基板である基板Bとの間に接合部分を設け、該誘電体基板の一部を研磨工程により誘電体薄膜として分離することにより、該支持基板である基板Bと該誘電体薄膜からなる誘電体薄膜301基板を形成した一例を示す。
FIG. 5 is a schematic view showing a method for manufacturing the
図5においては、図5(c)に示すように、電気光学材料又は非線形光学材料からなる基板Aと、基板Aとは異なる材料からなる基板Bとを接合し、基板Aの接合面とは反対側を研磨により薄膜化し(図5(d))、表面処理することで(図5(e))、薄膜基板を形成する。 In FIG. 5, as shown in FIG. 5C, a substrate A made of an electro-optic material or a nonlinear optical material and a substrate B made of a material different from the substrate A are joined, and the joining surface of the substrate A is The opposite side is thinned by polishing (FIG. 5D) and surface-treated (FIG. 5E) to form a thin film substrate.
図5においては、イオン注入のプロセスが必要なので、図1〜4に示すイオン注入による方法では製作困難であったり、イオン注入により誘電体薄膜301又は支持基板が損傷を受けて機能が劣化したりする場合にも、膜厚が数μmの薄膜層を製作することができる。また、図5における工程を、図1〜4における工程と組み合わせることにより、種々の材料に関して、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体薄膜301を形成できるようになる。研磨工程には通常の光学研磨以外に、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械的研磨)による方法を用いて、平滑な面を構成することが効果的である。
In FIG. 5, since an ion implantation process is necessary, it is difficult to manufacture by the ion implantation method shown in FIGS. 1 to 4, or the dielectric
[第5の実施の形態(請求項6記載の発明の実施の形態)]
本発明の第5の実施の形態を説明する。
[Fifth Embodiment (Embodiment of the Invention of Claim 6)]
A fifth embodiment of the present invention will be described.
図1〜4においては、表面活性化処理をした後に常温又は低温で接合することにより、基板同士を接合することで、誘電体薄膜材料の熱による光学特性を低減してより高効率化し、これによって、小型低消費電力である同時に、異なる材料の熱膨張係数差から生じる応力がもたらすストレスによる誘電体薄膜破損、光学機能信頼性低下を低減した光制御素子101を提供することができ、非常に効果的である。ここでの表面活性化処理とは、原子もしくはイオンビーム又はプラズマビームを真空中で基板に照射することを意味する。これにより、基板表面の自然酸化膜を除去して、原子の結合状態を活性化し、ダングリングボンドを生じせしめる。この後に、再び参加する前にウエハ同士を真空中で張り合わせることで、原子レベルで結合を生じせしめた原子間の結合を実現する方法である。真空度は酸素の再結合量に影響するので、超高真空が好ましいが、1×10−7 Torr程度でも良い。この方法であれば、金属と誘電体、高分子誘電体と無機誘電体等の多くの材料に関しての接合、も可能となる。
In FIGS. 1 to 4, after the surface activation treatment, the substrates are bonded to each other at a normal temperature or a low temperature, thereby reducing the optical characteristics due to the heat of the dielectric thin film material and increasing the efficiency. Can provide the
これにより、加熱せずに又は加熱による温度上昇が低い状態で、異種材料を接合がすることにより、熱膨張係数の違いによるハクリや応力による光学特性の劣化などを回避することができる。特に形成される薄膜厚は1μm以下と極めて薄いものであるために、膨張係数差による接合面の破損は大きな課題となる。ニオブ酸リチウムとSiO2 の場合のように熱膨張係数が、ほぼ同一なものであれば、熱膨張係数差は影響が無いが、通常の異種材料の組み合わせでは、熱膨張係数が不一致であると同時に、高温にすることによる光学特性の劣化も生じるので、この光学材料の光学特性劣化も最小限とすることができる。さらに本発明では、この基板への表面活性化処理を組み合わせることで、金属電極、誘電体、電気光学材料、誘電体、金属電極というサンドイッチ構造を数μmの幅で構成することも可能となり、電界印加を高効率で行え、低消費電力、超小型の光制御素子101を実現することができる。
As a result, by bonding different materials without heating or with a low temperature rise due to heating, it is possible to avoid peeling due to a difference in thermal expansion coefficient or deterioration of optical characteristics due to stress. In particular, since the thin film formed is extremely thin with a thickness of 1 μm or less, damage to the joint surface due to a difference in expansion coefficient is a big problem. If the thermal expansion coefficients are almost the same as in the case of lithium niobate and SiO 2, the difference in thermal expansion coefficient is not affected, but in the combination of ordinary dissimilar materials, the thermal expansion coefficient is inconsistent. At the same time, the optical characteristics are deteriorated by increasing the temperature, so that the optical characteristics of the optical material can be minimized. Furthermore, in the present invention, by combining this surface activation treatment on the substrate, it becomes possible to form a sandwich structure of a metal electrode, a dielectric, an electro-optic material, a dielectric, and a metal electrode with a width of several μm. Application can be performed with high efficiency, and an ultra-compact
[第6の実施の形態(請求項7記載の発明の実施の形態)]
本発明の第6の実施の形態を図6に基づいて説明する。
[Sixth Embodiment (Embodiment of the Invention of Claim 7)]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図6は、本発明の第6の実施の形態として、光制御素子101の製造方法を示す模式図である。
FIG. 6 is a schematic view showing a manufacturing method of the
図6(c)に示すように、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板である基板Bと支持基板である基板Aとに、それぞれ、元の基板A、Bとは別材料からなる接合層501を同一材料として形成する。接合層501は、低温でも互いに接合するような材料からなる。この後、図6(d)に示すように、電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板である基板Bの方にのみイオン注入を行ってイオン注入分離層201を形成する。そして、図6(e)に示すように、このイオン注入分離層201を形成した誘電体基板である基板Bと支持基板である基板Aとをそれぞれの基板A、Bに設けた接合層501同士で接合する。さらにこの後、図6(f)に示すように、加熱してイオン注入分離層201から誘電体の一部を分離する。そして、図6(g)に示すように、表面に対して研磨処理を行い、誘電体を含む誘電体薄膜301を支持基板である基板Aに形成する。
As shown in FIG. 6C, the substrate B, which is a dielectric substrate made of an electro-optic material or a nonlinear optical material, and the substrate A, which is a support substrate, are made of different materials from the original substrates A and B, respectively. The
電気光学材料又は非線形光学材料からなる誘電体基板(基板B)の接合においては、温度を上げて強固に接合できても、光制御素子101として機能させるには、相変化による光学特性変化により電気光学効果又は非線形光学効果の減少が生じる温度までの高温にすることができない。しかしながら、図6に示すように、低温でも接合するような材料を予めそれぞれの基板A及びB又は一方の基板A又はBに接合層501として成膜しておくことにより、高温にしなくても強固な接合界面を得ることができる。接合層501の形成方法としては、接合を行う前にあらかじめ基板A又はBのどちらか一方もしくは両方に、接合層501を、蒸着、高周波スパッタ、スピンコート、気相エピタキシャル成長、液相エピタキシャル成長等の方法により形成しておく。この後、それぞれの基板A、Bを直接に接合したり、密着させた状態で光学特性が変化しない範囲で加熱したりすることにより接合が可能となる。この方法であれば、真空中で常温接合する必要がなく、製作方法が簡易である。接合層501の材料としては、光学材料、光学結晶、高分子材料以外にも、水ガラスのように水の蒸発温度で固体化する物質を接合層501として挟んで用いることも効果的である。
In bonding a dielectric substrate (substrate B) made of an electro-optic material or a non-linear optical material, even if the temperature can be raised and the substrate can be firmly joined, in order to function as the
[第7の実施の形態(請求項8記載の発明の実施の形態)]
本発明の第7の実施の形態を説明する。
[Seventh Embodiment (Embodiment of Invention of Claim 8)]
A seventh embodiment of the present invention will be described.
支持基板(基板A)上の誘電体薄膜301としての薄膜構造による基板に対して上下の閉じ込めに加えて、基板に対して左右を完全に分離したチャネル型光導波路を構成にすることにより、3次元的に光を強く閉じ込める構造とすることが、電気光学効果又は非線形光学効果により光制御を行う場合に非常に効果的である。これは、チャネル型光導波路に伝播光を閉じ込めているので体積当りに非常に強い光強度を伝播できると同時に、チャネル型光導波路の左右方向にも電圧を印加したりすることでその効果を大きくすることができる。また、チャネル型光導波路で形成される光導波路の分岐構造や、グレーティングによる分散補償構造、波長フィルター、方向性結合器、マッハツェンダー干渉による光変調器や光スイッチ、非線形効果を使った波長変換素子などといった光素子や光回路、さらにはそれらを組み合わせた光集積回路が構成でき、同時に屈折率差が大きくすることができるので導波路の曲率を大きくすることができるので、光回路の小型化も実現できる。
In addition to the upper and lower confinement with respect to the substrate having a thin film structure as the dielectric
従来の技術により、電気光学材料や非線形材料からなる誘電体基板(基板B)に光導波路を形成するには、ニオブ酸リチウムの場合には、チタンを拡散することで屈折率をわずかに上昇させ、この部分をコア、その他の屈折率の低い部分をクラッドとして光導波路が形成されていた。しかし、屈折率変化は僅かであり導波路の曲率を大きくすることができず光制御素子101が大きくならざるを得なかった。基板表面は平面のままであったため、小さいコア部分にのみに有効に電圧を印加することができずに、クラッドの一部も同時に電圧を印加しており、動作電圧がその分大きくする必要があった。しかしながら、本発明においては、電気光学材料や非線形材料からなる誘電体薄膜を用いてチャネル導波路を形成しているので、屈曲率を大きくしたりすることが容易である。さらに、本発明は誘電体薄膜301の厚さを制御することもできるので、上下方向の閉じこめも制御可能であり、単一モードの強い光強度の閉じこめが可能であり、電気光学効果や非線形効果を増大することができる。
In order to form an optical waveguide on a dielectric substrate (substrate B) made of an electro-optic material or a non-linear material by conventional techniques, in the case of lithium niobate, the refractive index is slightly increased by diffusing titanium. The optical waveguide was formed with this portion as the core and the other low refractive index portions as the cladding. However, since the refractive index change is slight, the curvature of the waveguide cannot be increased, and the
[第8の実施の形態(請求項9記載の発明の実施の形態)]
本発明の第8の実施の形態を図7に基づいて説明する。
[Eighth Embodiment (Embodiment of Claim 9)]
An eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図7は、2次元フォトニック結晶配列を有する光制御素子101を示す模式図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a
図7においては、誘電体薄膜301に黒丸で示す周期的な複数の微細孔をドライエッチングによりフォトニック結晶を形成している。図7に示すフォトニック結晶は、波長程度の誘電体周期配列を有しており、結晶中で電子のバンドと類似のフォトニックバンドを形成できる。このフォトニックバンドの性質により、光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップを形成、強い波長分散性、バンド端での特異的な光伝播等のフォトニック結晶特有の伝播光に対する光制御効果により、これまでとは異なる光制御素子101やこれまでの光制御素子101のサイズを非常に小さくすることができるようになる。
In FIG. 7, a photonic crystal is formed by dry etching a plurality of periodic fine holes indicated by black circles in the dielectric
より具体的な光制御素子101としては、フォトニックバンドギャップを利用した偏光分離素子、欠陥を導入した急激曲げを有する光導波路や、低閾値レーザ、異常分散プリズム等の電気光学材料や非線形材料からなる誘電体薄膜をパッシブ的に用いる光制御素子101に加えて、光変調器、ルーティング素子、波長変換素子、4光波混合素子によるMEMUX素子等のアクティブ的に用いる光制御素子101など光制御素子101を実現することができる。
More specific examples of the
フォトニック結晶には完全な光の閉じこめが可能な3次元方向に対して周期的構造を有する3次元フォトニック結晶と、2次元方向にのみフォトニック結晶として光を閉じ込めることが可能な2次元フォトニック結晶とがある。ある面内に形成する2次元のフォトニック結晶構造は、半導体プロセス技術を転用することで、3次元フォトニック結晶構造と比較に対して比較的容易に形成することが可能である。2次元面内にリソグラフィーでパターンを形成し、エッチングによりパターンを転写する法で構成できる。2次元フォトニック結晶は結晶を構成している面とは垂直方向の光閉じ込めを実現する必要があり、多くの場合スラブ構造が採用されている。スラブ構造とは低屈折率媒質上にサブμmの高屈折率媒質が形成されている構造である。このため、本発明の支持基板上に形成した電気光学材料や非線形材料からなる誘電体材料からなる誘電体薄膜301を用い、この誘電体薄膜301に微細加工を施すことにより2次元フォトニック結晶を構成することは、その作製プロセスを簡単にする上で効果的である。
The photonic crystal is a three-dimensional photonic crystal having a periodic structure with respect to a three-dimensional direction capable of completely confining light, and a two-dimensional photo capable of confining light as a photonic crystal only in the two-dimensional direction. There is a nick crystal. A two-dimensional photonic crystal structure formed in a certain plane can be formed relatively easily by comparison with a three-dimensional photonic crystal structure by diverting semiconductor process technology. A pattern can be formed by lithography in a two-dimensional plane, and the pattern can be transferred by etching. The two-dimensional photonic crystal needs to realize light confinement in a direction perpendicular to the plane constituting the crystal, and in many cases, a slab structure is adopted. The slab structure is a structure in which a sub-μm high refractive index medium is formed on a low refractive index medium. For this reason, a dielectric
また、スラブ型フォトニック結晶以外にも多層膜構造や金属膜で上下を閉じこめた2次元フォトニック結晶を実現できるが、この場合にも同様に、本発明の支持基板上に形成した電気光学材料や非線形材料からなる誘電体材料からなる誘電体薄膜301を用いたフォトオニック結晶を形成することで、比較的容易に形成することが可能である。
In addition to the slab type photonic crystal, it is possible to realize a two-dimensional photonic crystal whose upper and lower sides are confined by a multilayer structure or a metal film. In this case as well, the electro-optic material formed on the support substrate of the present invention In addition, it can be formed relatively easily by forming a photonic crystal using a dielectric
図7において、フォトニック結晶は空気円孔の3角配列により構成している。このフォトニック結晶構造は、周期構造を調整することで、光の禁制体であるフォトニックバンドギャップを持たせることが可能であり、このフォトニック結晶の特性は、基板と形成された構造体、ここでは空気円孔の誘電率の差、その配置、光の波長と構造体の大きさや形状、構造体間の距離などによって決定される。このため、これらのどれかを変化することにより、光制御素子101として用いる波長に応じて、フォトニック結晶の特性を最適に制御することができる。また、フォトニック結晶配列は空気円孔のほかにも、誘電体ピラーで周囲が低屈折率媒質である構造でも良い。また、この誘電体周期構造は円形形状である必要はなく、多角形形状でも良い。
In FIG. 7, the photonic crystal is composed of a triangular array of air holes. This photonic crystal structure can have a photonic band gap, which is a light forbidden body, by adjusting the periodic structure, and the characteristics of this photonic crystal are the structure formed with the substrate, Here, it is determined by the difference in permittivity of the air holes, its arrangement, the wavelength of light and the size and shape of the structures, the distance between the structures, and the like. Therefore, by changing any of these, the characteristics of the photonic crystal can be optimally controlled according to the wavelength used as the
本発明の第8の実施の形態の変形例を図8に基づいて説明する。 A modification of the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図8に示すように、フォトニック結晶配列の一部に線状に配列を無くしたことで、線欠陥構造を有する光導波路を形成できる。このような線欠陥導波路を組み合わせることで、このフォトニック結晶により形成される線欠陥導波路により構成した方向性結合器やマッハツェンダー干渉器などの小型の光回路を形成できる。また、フォトニック結晶による線欠陥導波路に特有の群速度減少効果を利用して群速度遅延素子を実現することもできる。 As shown in FIG. 8, an optical waveguide having a line defect structure can be formed by eliminating the linear arrangement in a part of the photonic crystal arrangement. By combining such a line defect waveguide, a small optical circuit such as a directional coupler or a Mach-Zehnder interferometer constituted by the line defect waveguide formed by the photonic crystal can be formed. In addition, a group velocity delay element can be realized by utilizing a group velocity reduction effect peculiar to a line defect waveguide by a photonic crystal.
図8における2次元フォトニック結晶は、層厚方向は全反射により光を閉じ込め、層が形成されている部分にフォトニック結晶が形成されている。また、層厚方向が全反射によって光を閉じ込めているので、伝搬光の波数によっては光閉じ込めができなくなる場合がある。この全反射による光閉じ込めができなくなるのは、光が閉じ込められている部分において波数が大きく変化する場合や、大きな波数分布をもったモードが励振されてしまう場合である。しかしながら、この現象は上下のクラッドとなる部分の材料の屈折率に大きく影響され、この部分とコア部分の屈折率差によって、全反射による光閉じ込めが無効になるかどうかが決定されるので、上下のクラッド部分にはその屈折率を閉じこめる場合には屈折率差が大きくなるようにし、漏洩させるには屈折率差が小さくなるようにと、光制御に応じて最適化された材料を用いる必要がある。このため、クラッドとなる材料としては、複数種類の材料を用いることが必要で、これには、電気光学材料や非線形材料からなる誘電体基板に光導波路を形成する本発明が非常に効果的である。すべて全反射させる場合には、とくにコアに屈折率が高い材料、クラッドに屈折率が低い材料と組み合わせてその屈折率差をなるべく大きくした方が光学的に安定であるため、コア部分とかなり異なる物性値の材料を用いることが好ましく、この点でも本発明の電気光学材料や非線形材料からなる誘電体基板に光導波路を形成する形成方法による光制御素子101は2次元フォトニック結晶の光制御素子101として非常に有効である。
In the two-dimensional photonic crystal in FIG. 8, light is confined by total reflection in the layer thickness direction, and the photonic crystal is formed in a portion where the layer is formed. In addition, since the light is confined by total reflection in the layer thickness direction, the light confinement may not be possible depending on the wave number of the propagating light. The light confinement due to the total reflection cannot be performed when the wave number changes greatly in the portion where the light is confined or when a mode having a large wave number distribution is excited. However, this phenomenon is greatly influenced by the refractive index of the material of the upper and lower cladding parts, and the difference in refractive index between this part and the core part determines whether or not the optical confinement due to total reflection becomes invalid. It is necessary to use a material that is optimized according to the light control so that the refractive index difference is increased when confining the refractive index of the clad part of the cladding, and the refractive index difference is decreased for leakage. is there. For this reason, it is necessary to use a plurality of types of materials as the cladding material. For this purpose, the present invention in which an optical waveguide is formed on a dielectric substrate made of an electro-optic material or a nonlinear material is very effective. is there. In the case of total reflection, it is optically stable to increase the difference in refractive index as much as possible by combining a material with a high refractive index for the core and a material with a low refractive index for the cladding. It is preferable to use a material having a physical property value. Also in this respect, the
図7及び図8に示した2次元フォトニック結晶配列の構成は、コア部となる電気光学材料や非線形材料からなる誘電体基板に形成した誘電体薄膜301に、光の半波長程度の円孔を半導体プロセスによるリソグラフィーとエッチングで形成することができる。リソグラフィーには、レジスト上に電子ビーム露光や短波長のフォトリソグラフィーなどでパターニングすることで可能である。また、エッチングはドライエッチング技術を用いることで、レジストパターンを転写することができる。より具体的には、電気光学材料としてはニオブ酸リチウム(LN)を用いた場合には、フォトニック結晶としての微細周期構造の形成としては、光学結晶のZ軸カット結晶基板の表面を、CF系ガスに対して貴金属を含む金属や窒化物マスクを用いてドライエッチングすることにより、1μm以下の深さの微細孔を形成することができる。この場合、誘電体薄膜301のエッチング深さは1μm以下の極めて薄いものであるので、高アスペクト比を与えるエッチングプロセスは必要なく、容易に形成することができる
また、LNの微細孔付近の上下部分や、微細孔に電極を設けておくと、微小空間に強電解を印加することができ、より効果的である。さらに、シリコン上に電気駆動素子を設けており、エレクトロフォレシスによりLN上の電極とシリコン上の電気駆動素子との電気的接続を行い、複合基板による電気駆動素子一体型の光制御素子101を構成することも非常に効果的である。
The configuration of the two-dimensional photonic crystal array shown in FIG. 7 and FIG. 8 is a circular hole having a half wavelength of light in a dielectric
また、ニオブ酸リチウムのかわりに、ニオブ酸チタン、KTP、SBN(ニオブ酸ストロンチウムバリウム)の光学無機結晶や高屈折率の有機材料、さらにはPZT、PZLT等の無機光学セラミックスに対して、同様にドライエッチングにより微細孔を作製しても良い。また、シリコン基板のかわりに、ニオブ酸リチウム基板、MgOドープニオブ酸リチウム基板等その他の基板を用いても良い。さらに、これらLNのフォトニック結晶の一部に、プロトン拡散又はチタン拡散による導波路を設けて複合したり、ダイシングやドライエッチによるリッジ形又は埋め込み形導波路を作製して複合したりしても良い。 Similarly, instead of lithium niobate, optical inorganic crystals of titanium niobate, KTP, SBN (strontium barium niobate), organic materials with a high refractive index, and inorganic optical ceramics such as PZT and PZLT are similarly used. You may produce a micropore by dry etching. Further, instead of the silicon substrate, other substrates such as a lithium niobate substrate and an MgO-doped lithium niobate substrate may be used. Furthermore, some of these LN photonic crystals may be combined with a waveguide by proton diffusion or titanium diffusion, or may be combined by forming a ridge or buried waveguide by dicing or dry etching. good.
また、ニオブ酸リチウムやPZTの誘電体薄膜301又はフォトニック結晶構造薄膜は、結晶を用いることに限定されるわけではなく、ゾルゲル法を用いた前駆体及びその前駆体のドライエッチングにより作製しても良い。また、SiO2 基板からなる誘電体薄膜301にドライエッチングにより形成した微細孔に、液晶を充填して構成する液晶フォトニック結晶を用いることも効果的である。このとき、液晶の配向を基板に対して垂直な方向とし、横電界を印加することにより液晶の電気光学効果と配向規制力を利用し応答速度を実現することができる。また、さらには、単なる基板ではなく、LN基板のような電気光学効果を有する基板に液晶を部分的に充填して、複合的に電気光学効果を生じさせても良い。
The dielectric
[第9の実施の形態(請求項10記載の発明の実施の形態)]
本発明の第9の実施の形態を図9に基づいて説明する。
[Ninth Embodiment (Embodiment of Claim 10)]
A ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図9は、本発明の第9の実施の形態を模式的に示した構成図である。前述の光制御素子101の形成を繰り返すことにより、電気光学材料又は非線形光学材料の誘電体薄膜301を多層に配置することができる(第2の分離層形成工程、第2の接合工程、第2の分離工程からなる多層化工程)。
FIG. 9 is a configuration diagram schematically showing a ninth embodiment of the present invention. By repeating the formation of the
電気光学材料又は非線形光学材料から形成される基板Aと、基板Aとは異なる基板Bとを用意する。基板Aと基板Bとは、イオン注入によりイオン注入分離層201を形成できる材料である。イオン注入によりイオン注入分離層201を形成された基板Aと、基板Bとを接合し、加熱によりイオン注入分離層201から基板Aの薄膜層部分が分離され、基板B上に薄膜層が形成される。その基板Aの薄膜層が形成された基板Bに、基板Bと同じ材料でイオン注入されイオン注入分離層201が形成された基板Cを接合し、加熱によりイオン注入分離層201から基板Cの薄膜層が分離される。この工程を繰り返すことにより、基板Aと基板Cの薄膜層が形成される。基板Cの材料は必ずしも基板Bと同じである必要でない。基板Aと基板Bと異なる材料であっても良い。また、図5に示す研磨工程による誘電体薄膜301層の形成を組み合わせることも効果的である。
A substrate A made of an electro-optic material or a nonlinear optical material and a substrate B different from the substrate A are prepared. The substrate A and the substrate B are materials that can form the ion
図9においては、多層構造とすることにより、各層ごとに光制御を行ったり、各層間において光制御を行ったり、さらには、多層構造からなる伝播構造を形成して複数の層で光制御を行ったりすることができるようになり、光制御効果を複合可能でより高機能な光制御素子101を提供することができるようになる。
In FIG. 9, a multilayer structure is used so that light control is performed for each layer, light control is performed between each layer, and furthermore, a multi-layer propagation structure is formed to control light in a plurality of layers. Thus, it is possible to provide a
また、フォトニック結晶による完全な光の制御には3次元方向にフォトニック結晶を形成して光を制御する必要があるが、3次元フォトニック結晶を大面積で安定的に製造するには極めて高度な技術が必要である。しかしながら、本発明により、光制御構造401を有するイオン注入分離層201の剥離を繰り返すことで、フォトニック結晶構造を有する多層構造を形成することにより、従来の半導体プロセスを用いながら、3次元フォトニック結晶構造を従来よりも容易に形成することもできるようになる。また、本発明により、2次元フォトニック結晶を多層構成したり、この多層構成したフォトニック結晶層同士で相互の光制御を行ったりすることも効果的である。
In addition, in order to completely control the light by the photonic crystal, it is necessary to control the light by forming the photonic crystal in the three-dimensional direction. However, in order to stably manufacture the three-dimensional photonic crystal in a large area, it is extremely difficult. Advanced technology is required. However, according to the present invention, a three-dimensional photonic structure is formed using a conventional semiconductor process by forming a multilayer structure having a photonic crystal structure by repeating peeling of the ion
101 光制御素子
201 イオン注入分離層
301 誘電体薄膜
401 光制御構造
501 接合層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
誘電体基板にイオンを注入してイオン注入分離層を形成する分離層形成工程と、
前記誘電体基板のイオンが注入された面を前記支持基板に接合する接合工程と、
残存する前記誘電体基板が前記誘電体薄膜となるように前記イオン注入分離層の部分で前記誘電体基板の一部を分離除去する分離工程と、
前記分離層形成工程と前記接合工程との間に、前記誘電体基板に光制御構造を形成する光制御構造形成工程と、
を備えることを特徴とする光制御素子の製造方法。 A method of manufacturing a light control element having a support substrate and a dielectric thin film made of an electro-optic material or a nonlinear optical material,
A separation layer forming step of implanting ions into a dielectric substrate to form an ion implantation separation layer;
A bonding step of bonding a surface into which the ions of the dielectric substrate are implanted to the support substrate;
A separation step of separating and removing a part of the dielectric substrate at a portion of the ion implantation separation layer so that the remaining dielectric substrate becomes the dielectric thin film;
A light control structure forming step of forming a light control structure on the dielectric substrate between the separation layer forming step and the bonding step ;
A method of manufacturing a light control element comprising:
誘電体基板にイオンを注入してイオン注入分離層を形成する分離層形成工程と、
前記誘電体基板のイオンが注入された面を前記支持基板に接合する接合工程と、
残存する前記誘電体基板が前記誘電体薄膜となるように前記イオン注入分離層の部分で前記誘電体基板の一部を分離除去する分離工程と、
前記分離層形成工程の前に、前記誘電体基板に光制御構造を形成する光制御構造形成工程と、
を備えることを特徴とする光制御素子の製造方法。 A method of manufacturing a light control element having a support substrate and a dielectric thin film made of an electro-optic material or a nonlinear optical material,
A separation layer forming step of implanting ions into a dielectric substrate to form an ion implantation separation layer;
A bonding step of bonding a surface into which the ions of the dielectric substrate are implanted to the support substrate;
A separation step of separating and removing a part of the dielectric substrate at a portion of the ion implantation separation layer so that the remaining dielectric substrate becomes the dielectric thin film;
A light control structure forming step of forming a light control structure on the dielectric substrate before the separation layer forming step ;
A method of manufacturing a light control element comprising:
別の誘電体基板にイオンを注入してイオン注入分離層を形成する第2の分離層形成工程と、
前記別の誘電体基板のイオンが注入された面を前記支持基板上に既に形成された前記誘電体薄膜に接合する第2の接合工程と、
残存する前記別の誘電体基板が前記誘電体薄膜となるように前記イオン注入分離層の部分で前記別の誘電体基板の一部を分離除去する第2の分離工程と、から構成される多層化工程を1回又は複数回実行することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一記載の光制御素子の製造方法。 After the separation step,
A second separation layer forming step of implanting ions into another dielectric substrate to form an ion implantation separation layer;
A second bonding step of bonding the surface of the other dielectric substrate into which ions are implanted to the dielectric thin film already formed on the support substrate;
A second separation step of separating and removing a part of the other dielectric substrate at the ion implantation separation layer so that the remaining dielectric substrate becomes the dielectric thin film. method for manufacturing an optical control element according to any one of claims 1 to 7, characterized in that to perform one or more times a step.
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