JP3145529B2

JP3145529B2 - 光導波路基板の製造方法

Info

Publication number: JP3145529B2
Application number: JP03521993A
Authority: JP
Inventors: 竜生川口; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH06250033A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ニオブ酸リチウム等の
電気光学結晶からなる基板に、いわゆるプロトン交換法
によって光導波路を形成するための方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ニオブ酸リチウム（LiNbO₃) 単結晶が、
オプトエレクトロニクス材料として期待されている。ニ
オブ酸リチウム単結晶からなる基板材料に光導波路を形
成する方法としては、現在、チタン拡散法とプロトン交
換法とが実用的である。

【０００３】こうしたプロトン交換法の代表例では、安
息香酸（C₆H₅COOH) の溶融液に上記基板材料を入れるこ
とで、Ｈ⁺とＬi ⁺とのイオン交換を起こさせ、この基
板表面にＨx Ｌi_1-xＮb Ｏ₃からなる高屈折率層を形成
する。次いで、この基板を高温でアニールし、プロトン
の結晶内への拡散を促進する。こうして得た光導波路基
板は、各種の光部品への応用が期待されている。

【０００４】ここで安息香酸の融点は 121℃であり、沸
点は大気圧で 250℃である。そして、具体的には、安息
香酸をガラス容器中で溶融させ、ニオブ酸リチウムから
なる基板材料を溶融液中に浸漬し、例えば 195℃程度で
プロトン交換する。この段階では、ステップ状の屈折率
分布を有する光導波路が形成される。次いで、基板をア
ニールし、プロトンの結晶内拡散を促進する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のプロト
ン交換法の欠点として、プロトン交換源である安息香酸
の蒸発量が多く、光導波路を形成する際に工程の制御が
非常に難しい。特に重大な問題として、プロトン交換後
に、光導波路においてＨ⁺の拡散状態に不均一があった
り、局所的に不純物の拡散が見られていた。このため、
光の挿入損失のバラツキが大きく、一定した品質の光導
波路を安定して製造することができなかった。

【０００６】本発明の課題は、上記のプロトン交換工程
において、Ｈ⁺の拡散状態の不均一や、局所的な不純物
の付着、拡散を防止し、光導波路における挿入損失のバ
ラツキを小さくし、一定した品質の光導波路を安定して
製造できるようにすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、電気光学結
晶からなる基板材料を含む被処理材を、加熱された液状
の安息香酸に接触させた状態で、この被処理材を安息香
酸に対して相対的に１０−２００ｒｐｍの速度で回転ま
たは振とうさせ、プロトン交換プロセスによって基板材
料に光導波路を形成する。

【０００８】

【作用】本発明者は、上記したように、光導波路におい
て挿入損失が増大したり、バラついたりする原因につい
て、製造工程の全般に亘って詳しく検討した。この結
果、被処理材を安息香酸の溶融液中に浸漬してプロトン
交換を行う段階で被処理材を回転又は振とうさせると、
アニール処理後の光導波路において挿入損失が減少し、
かつ挿入損失のバラツキが非常に小さくなることを見出
した。

【０００９】この理由は必ずしも明らかではないが、被
処理材の回転または振とうによって、被処理材の表面に
付着した液中の不純物が離脱するため、これによる特性
の劣化が生じないためと考えられる。また、被処理材の
表面の温度にムラが生じないことから、Ｈ⁺の拡散量に
局所的な不均一が生じないことや、被処理材の表面付近
の液中にＨ⁺の濃度ムラが生じないためと考えられる。

【００１０】また、本発明者は、被処理材の方を液状の
酸中で定位置に固定し、液状の酸を被処理材の表面と平
行方向に攪拌し、液状の酸を被処理材に対して回転また
は振とうさせてみた。この結果、上記とほぼ同様の作用
効果が得られることが解った。

【００１１】このように、被処理材を酸に対して相対的
に回転または振とうさせれば、上記の作用効果が得られ
るのだが、上記の場合は、被処理材を酸中に浸漬してい
た。しかし、被処理材の上に酸を注ぐ方法によっても、
上記の作用効果が得られた。即ち、酸に対して被処理材
が動的に接触すれば良いのである。

【００１２】本発明に従って被処理材を酸に対して相対
的に回転させる際には、この回転速度を１０〜２００rp
m とすると好ましく、２０〜１００rpm とすると更に好
ましい。この回転速度が１０rpm 未満であると、上記の
作用効果がさほど顕著ではない。この回転速度が２００
rpm を超えると、かえって光導波路の挿入損失が増大す
る傾向がある。

【００１３】本発明では、安息香酸の溶融液をプロトン
交換源として用いる。

【００１４】

【実施例】まず、本発明の態様について更に述べる。

【００１５】本発明においては、プロトン交換処理を行
う被処理材は、電気光学結晶からなる基板材料を含む。
この際、スラブ光導波路を形成する場合には、被処理材
として基板材料を酸中に浸漬する。三次元光導波路を形
成する場合には、基板材料の表面に、光導波路パターン
に沿った開口を有するマスキング層を設け、これを被処
理材とする。

【００１６】酸の加熱蒸気中に被処理材を固定する時間
は、被処理材の熱容量や酸の加熱温度によって異なる。
また、好ましくは、密閉容器内で酸の加熱蒸気を還流
（リフラックス）させ、密閉容器内で加熱蒸気が常に循
環するようにしておく。

【００１７】被処理材の形態は種々変更できる。一つの
方法としては、平面的にみて略長方形状のチップ状の基
板材料を、本発明に従って処理できる。また、ウエハー
形状の基板材料を、本発明に従って処理することができ
る。いずれも、スラブ光導波路を形成する場合には、各
基板材料を酸中に浸漬することが好ましい。

【００１８】上記したウエハー形状の基板材料に三次元
光導波路を形成する場合には、次のようにする。まず、
基板材料の表面にマスキング層を設け、マスキング層の
表面にフォトレジスト層を設け、光導波路に対応する平
面的パターンの開口をフォトレジスト層に設ける。この
際には、例えばマッハツエンダー型や直線状のパターン
を多数形成する。

【００１９】次いで、マスキング層をエッチングし、フ
ォトレジスト層を除去して、被処理材を得る。次いで、
基板材料の露出部分を酸に接触させることで、基板材料
に三次元光導波路を形成する。こうして得たウエハーか
ら、多数のチップ状の光導波路基板を切り出す。

【００２０】上記したチップ状の基板材料に三次元光導
波路を形成する場合も、まず基板材料の表面にマスキン
グ層を設け、マスキング層の表面にフォトレジスト層を
設け、例えば略Ｙ字状、略Ｉ字状などのパターンの開口
をフォトレジスト層に設ける。この後は、ほぼ上記のよ
うに処理する。

【００２１】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。Ｘ面カットした厚さ１mmの、ニオブ酸リチウム単結
晶からなるウエハー状の基板材料に、抵抗加熱及び真空
蒸着によってアルミニウム膜を形成した。アルミニウム
膜の表面にフォトレジスト層を設け、露光によってフォ
トレジスト層に開口を設け、アルミニウム膜をエッチン
グし、フォトレジスト層を除去した。この状態で、基板
材料の表面には、多数の直線状導波路のパターンがアル
ミニウム膜によって形成されている。

【００２２】こうして得た被処理材を用い、図１に模式
的に示す装置を用いてプロトン交換を行った。丸底のガ
ラス製容器１０を反応容器として用いた。本例では、ガ
ラス製容器１０の寸法を、直径１５０mm、高さ１３０mm
の有底円筒形状とした。ガラス製容器１０の上にガラス
製の蓋８をかぶせ、容器１０の内側を密閉した。蓋８に
は、筒状の突起８ａ、８ｂ、８ｃが設けられる。突起８
ｂにはコンデンサー９が取り付けられ、突起８ｃの開口
は、シリコン栓で密封されている。

【００２３】テフロン等の耐蝕性材料からなるシャフト
７が、突起８ａの開口を通して容器１０内に挿入され、
シャフト７の上端がモーター６の回転軸に連結されてい
る。シャフト７と突起８ａの開口との間は、テフロン等
からなるシール部材によってシールされている。

【００２４】なお、被処理材を振とうする場合には、突
起８ａの開口を、シャフト７が振とうできるようにし、
モーター６に代えて振とう機構を配置した。以下は、図
１に示す、被処理材を回転する場合について、詳細に説
明する。

【００２５】容器１３中に油１４が収容され、加熱装置
１５の投げ込みヒーター１５ａが油１４中に投入されて
いる。容器１０の下部が油１４中に浸漬されている。

【００２６】シャフト７の下端には枠２４が取り付けら
れ、枠２４の下端に受け皿２０が取り付けられている。
図２（ａ）はこの受け皿２０を示す平面図であり、図２
（ｂ）は受け皿２０の正面図である。

【００２７】受け皿２０の平面的輪郭は略円形であり、
円形の底面２０ａを囲むように、円弧状の側壁２０ｂが
設けられている。本例では、４箇所に切り欠き２２が形
成されており、切り欠き２２は底面２０ａよりも深くな
っている。底面２０ａに所定個数の円形貫通孔２３が設
けられている。本例では、底面２０ａの寸法を、例えば
直径１００mmとし、円形貫通孔２３の直径を４mmとし、
底面２０ａに被処理材２１を載せた。ただし、図２
（ａ）においては、被処理材２１を図示省略した。

【００２８】図３の断面図に示すように、シャフト７の
下端には、枠２４の平板状の基部２４ａが固定され、基
部２４ａの両端に、平板状の腕部２４ｂがそれぞれ設け
られている。相対向する一対の腕部２４ｂに、受け皿２
０が挟まれ、ボルト等によって固定されている。

【００２９】プロトン交換を行う際には、本実施例で
は、安息香酸７５０ｇを容器１０内に投入し、油１４の
温度を１９５℃まで上昇させ、安息香酸を完全に溶融さ
せる。この溶融液１８内で受け皿２０、枠２４を回転さ
せながら約２時間放置し、溶融液１８の温度を均一化す
る。この間、容器１０の全体を保温し、コンデンサー９
内で矢印Ｂのように冷却水を循環させ、安息香酸が定常
的に還流（リフラックス）するようにする。こうした装
置であれば、安息香酸の蒸発による液量の減少はほとん
どなく、常圧で長時間、プロトン交換工程を実施するこ
とができる。

【００３０】前記したようにフォトレジスト層を除去し
た後の被処理材２１を、アセトン、イソプロピルアルコ
ール、純水で超音波洗浄する。シャフト７を上昇させ、
受け皿２０が蓋８の内側に位置するようにする。容器１
０と蓋８との間にテフロン製の仕切り板を挟み、容器１
０と蓋８との内側空間を分離する。蓋８を持ち上げ、受
け皿２０の上に被処理材２１を乗せる。このとき、容器
１０には、テフロン製の仕切り板によって蓋がされてい
るので、安息香酸の蒸気は密閉されたままである。そし
て、蓋８を閉め、テフロン製の仕切り板を引き抜き、受
け皿２０を安息香酸の蒸気に触れさせる。

【００３１】そして、シャフト７をゆっくりと下降さ
せ、受け皿２０を溶融液１８中に浸漬する。次いで、１
９５℃で２０分間プロトン交換を行った。この際、シャ
フト７を矢印Ａ方向に回転させることにより、受け皿２
０内の被処理材２１を、本発明に従って回転させた。こ
の回転速度は、図４に示すように種々変更した。ただ
し、図４における横軸は対数目盛りによって表した。

【００３２】プロトン交換が終了した後、シャフト７を
上昇させ、受け皿２０を溶融液１８から取り出し、空間
１９に位置させる。このとき、受け皿２０に残った溶融
液は、円形貫通孔２３から流れ落ちる。

【００３３】そして、シャフト７を矢印Ａのように回転
させ、被処理材２１の表面に付着した溶融液を、遠心力
によって側壁２０ｂの方へと飛散させ、除去した。

【００３４】そして、前記したのと全く逆の手順に従
い、テフロン製の仕切り板を用いて、容器１０内からウ
エハーを取り出す。このウエハーを、エタノール、アセ
トン、イソプロピルアルコール、純水で超音波洗浄す
る。次いで通常のエッチング技術によりアルミニウム膜
を除去する。

【００３５】次いで、Ｈ⁺の単結晶内での拡散を促進
し、低損失の安定な光導波路を得るため、このウエハー
をアニールした。具体的には、ガラス製シャーレの中央
部に白金ワイヤー製の治具を設置し、この治具の上にウ
エハーを載せ、基板がガラスに触れないようにし、ガラ
ス製の蓋をする。このシャーレを電気炉内に入れ、室温
から３４０℃まで１０℃／分で昇温し、３４０℃で７時
間保持した。次いで自然放冷して１００℃以下とし、ウ
エハーを取り出した。

【００３６】３４０℃で温度を保持した間は、電気炉内
の温度分布は、シャーレを収容した空間の範囲内では均
一であることを、電気炉内の各所に取り付けた熱電対で
確認した。また、３４０℃で温度を保持した間の温度変
動は±0.5 ℃となるように制御した。

【００３７】アニール後の３インチウエハーを切断し、
チップ状の光導波路基板を切り出した。この表面には、
直線状の光導波路が形成されている。次いで光導波路の
端面を高速ラップ、メカノケミカルポリッシングによっ
て、光学研磨する。次いで、端面を光学研磨した光導波
路基板を通常の光学系にセットし、挿入損失を評価し
た。この結果を図４に示す。

【００３８】図４から解るように、本発明に従って被処
理材２１を回転させながらプロトン交換することで、光
導波路の挿入損失のバラツキが小さくなり、かつ挿入損
失が小さくなった。特に、被処理材２１の回転速度を１
０〜２００rpm 、更には２０〜１００rpm とすると、最
も効果が大きくなった。

【００３９】また、図５に、本発明に従って被処理材２
１を振とうさせながらプロトン交換を行った場合の、振
とう速度と光導波路の挿入損失との関係を示す。ただ
し、図５において、「○」印は、振とう幅２０mmで往復
振とうさせた場合を示す。「×」印は、８の字形に振と
うさせた場合であり、振とう幅は２０mm×２５mmであ
る。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に従ってプロ
トン交換法で光導波路基板を製造すれば、光導波路の挿
入損失のバラツキが小さくなり、挿入損失が小さくな
り、品質の一定した光導波路基板を安定して製造でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】プロトン交換用の装置を示す模式図である。

【図２】(a) は受け皿20を示す平面図であり、(b) は受
け皿20を示す正面図である。

【図３】受け皿20内の被処理材21を安息香酸の蒸気に曝
している状態を概略的に示す断面図である。

【図４】ウエハー状の被処理材２１の回転速度と、光導
波路の挿入損失との関係を示すグラフである。

【図５】被処理材２１を振とうさせながらプロトン交換
を行った場合の、振とう速度と光導波路の挿入損失との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

18 安息香酸の溶融液 20 受け皿 21 被処理材Ａシャフト７の回転方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学結晶からなる基板材料を含む被
処理材を、加熱された液状の安息香酸に接触させた状態
で、この被処理材を安息香酸に対して相対的に１０−２
００ｒｐｍの速度で回転または振とうさせ、プロトン交
換プロセスによって前記基板材料に光導波路を形成す
る、光導波路基板の製造方法。