JPH04260689A - 基板上に単結晶薄膜を形成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に主として薄膜
導波路型第２高調波発生素子として用いられるニオブ酸
リチウム単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長方法によ
って製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の光応用技術の進展に伴って、レ−
ザ光源の短波長化が要求されている。これは、短波長化
により、記録密度、感光感度を向上させることができる
ためであり、光ディスク、レ−ザプリンタ等の光機器分
野への応用が考えられる。

【０００３】このため、入射するレ−ザ光の波長を１／
２に変換できる第２高調波発生（ＳＨＧ）素子の研究が
行われてきた。かかる第２高調波発生素子としては、従
来高出力のガスレ−ザを光源として、非線形光学結晶の
バルク単結晶が用いられてきた。しかし、光ディスク装
置、レ−ザプリンタ等の装置を小型化する要求が強いこ
と、ガスレ−ザは光変調のため、外部に変調器が必要で
あるのに対し半導体レ−ザは直接変調が可能であること
、安価であることなどの理由によりガスレ−ザに代えて
半導体レ−ザが主として用いられるようになってきた。

【０００４】このため、数ｍＷ〜数十ｍＷの低い光源出
力で高い変換効率を得る必要から薄膜導波型のＳＨＧ素
子が必要となって来た。このような薄膜導波路型ＳＨＧ
素子用の非線形光学材料としては、従来ニオブ酸リチウ
ムバルク単結晶にＴｉ等を拡散させることにより、屈折
率を変化させた層を導波路としたものや、タンタル酸リ
チウム基板上に高周波スパッタ法により形成させたニオ
ブ酸リチウムを導波路としたものが知られているが何れ
も高い変換効率を得ることができなかった。

【０００５】ところで、本発明者は先に基板にニオブ酸
リチウム単結晶薄膜よりなる導波路を形成するに際し、
基板に異種元素を添加し基板とニオブ酸リチウムとを格
子整合させることによって高い変換効率を有する第２高
調波発生素子を得ることを見出した。

【０００６】そして、このような第２高調波発生素子の
製造方法として、基板表面の一部に異種元素を添加、熱
拡散した後、この面上に格子整合されたニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長させるのである
が、通常、液相エピタキシャル成長に際しては、単結晶
バルクより所望の結晶面を切り出して基板とし、この結
晶面を光学研磨して液相エピタキシャル成長面とし、こ
れをホルダ−で保持してニオブ酸リチウムよりなる溶融
液中に浸漬し、徐々に基板を引き上げ、基板面上にニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜を形成させている。

【０００７】しかし、この従来法においては、しばしば
、基板の軸方向と平行な面のエッジ基板とホルダ−との
接触点である基板の結晶成長面の法線方向と平行な面の
エッジに微細なキズが発生し、熱衝撃によってクラック
となり、甚だしい場合には基板が割れてしまうというこ
とが生じた。

【０００８】この状態を図面で示すと第１図のとおりで
ある。すなわち、基板１をホルダ−２で保持し、溶融液
中に浸漬すると、基板とホルダ−との接触点３の部位に
微細なキズが発生しやすいのである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者は、
この点を改良すべく種々検討した結果、基板に見られる
エッジを面取りすることによってキズの発生を防止でき
ることを見出し、本発明を完成したもので、本発明の目
的は基板に何らの損傷を生ずることなく基板に格子整合
されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を製造する方法を提
供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、基板上
に、単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長させる方法に
おいて、少なくとも基板のエッジと基板ホルダ−と接触
する部分を面取りすることを特徴とする基板上に単結晶
薄膜を形成する方法である。面取りを行うことにより、
ホルダ−と基板のエッジとの接触により生ずるカケや、
ハンドリングにより生じるエッジ部分のカケを防止でき
る。

【００１１】すなわち、本発明は、基板のエッジを面取
りすることによって、エッジに微細なキズが発生すると
、加熱の際、このキズから大きなクラックが発生し、基
板が割れてしまう。該エッジに生じやすい微細なキズの
発生を防止しするのである。この状態を第２図に示す。 図面において、基板１とホルダ−２との接触点である基
板の軸方向と平行な面のエッジ３を面取りしてホルダ−
に装着するのである。

【００１２】以下、本発明について詳細にのべる。基板
としては、ＺｎＯ、Ｇｄ３Ｇａ５０１２、ＭｇＯ、アル
ミナなどがあるが、タンタル酸リチウムが最良である。 タンタル酸リチウムを用いる理由は、前記タンタル酸リ
チウム基板の結晶系は、ニオブ酸リチウム単結晶に類似
しておりエピタキシャル成長させやすく、更に前記タン
タル酸リチウム基板は市販されているため、品質のよい
ものが安定して入手できるからである。

【００１３】本発明は、特にタンタル酸リチウム基板と
格子整合されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得る場合
には有利である。この基板の製造方法としては、基板が
タンタル酸リチウムの場合、ＣＺ（チョクラルスキ−）
法で製造することが望ましい。原料としては、例えば五
酸化タンタル、炭酸リチウム、酸化チタン、五酸化バナ
ジウム等を使用する。これらの原料をイリジウム坩堝、
或いは、白金−ロジウム坩堝中で加熱溶融させ、タンタ
ル酸リチウム単結晶を引き上げることが有利である。

【００１４】得られたタンタル酸リチウムバルク単結晶
よりｃ軸に対して垂直な面（０００１）を切り出して基
板とする。タンタル酸リチウム単結晶は六方晶であり、
（０００１）面を第３図に示す。基板として（０００１
）面を用いる理由は、（０００１）面はａ軸のみで構成
され、後述するように、ニオブ酸リチウム単結晶と格子
整合の調整が行いやすいのである。

【００１５】本発明においては、（０００１）面のエッ
ジを面取りすることが好ましい。面取りのＲ面の好適な
範囲はＪＩＳ　Ｂ０７０１　Ｒ０．１〜Ｒ２．０であり
、また、Ｃ面の好適な範囲はＪＩＳ　Ｂ０７０１　Ｃ０
．１〜Ｃ２．０である。これらＲ面及びＣ面はＪＩＳ　
Ｂ　０７０１によって規定されるもので、Ｒ面の好適範
囲は、Ｒを円に見立て、その半径ｍｍで示した値であり
、Ｃ面の好適範囲は、４５゜の角度で切り取り、切り込
みの長さｍｍで示した値である。

【００１６】本発明は、この基板上にニオブ酸リチウム
単結晶薄膜を形成するが、その際基板とニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜とを格子整合させなければならない。以下
、格子整合について説明する。格子整合とは、薄膜の格
子定数を基板のそれの９９．８１〜１００．０７％、望
ましくは９９．９３〜１００．０３％とすることである
。

【００１７】ニオブ酸リチウム単結晶薄膜とタンタル酸
リチウム基板を格子整合させる手段は特に限定されるも
のではないが、タンタル酸リチウムのａ軸の格子定数が
通常のニオブ酸リチウムのａ軸の格子定数（５．１４８
Å）より大きい場合にはタンタル酸リチウム上に形成さ
れるニオブ酸リチウムの格子定数を大きくする。その手
段としてはニオブ酸リチウムに異種元素を混入させるこ
とが、好ましく、ＮａとＭｇをニオブ酸リチウム単結晶
薄膜中に含有させることが有利である。この理由は、Ｎ
ａとＭｇのイオン又は原子はニオブ酸リチウムの結晶格
子に対する置換、或いはドープにより、ニオブ酸リチウ
ムの格子定数（ａ軸）を大きくする効果を有する。Ｎａ
とＭｇの組成を調整することにより、容易に前記タンタ
ル酸リチウム基板とニオブ酸リチウム単結晶との格子整
合を得ることができる。特にＮａはニオブ酸リチウムの
格子定数を非常に大きくすることができる。Ｍｇも格子
定数を大きくすることができるが、Ｎａ程効果がない。 しかし、光損傷を防止するという重要な効果を有する。 又、前記Ｎａ、Ｍｇを含有させる場合、その含有量は、
それぞれニオブ酸リチウム単結晶に対して、Ｎａの量は
０．１〜１４．３モル％、好ましくは０．３〜４．８モ
ル％、Ｍｇの量は０．８〜１０．８モル％好ましくは、
３．５〜８．６モル％であることが望ましい。その理由
は、Ｎａの含有量が、０．１モル％より少ない場合は、
Ｍｇの添加量の如何に関わらず、タンタル酸リチウム基
板と格子定数できる程、格子定数が大きくならず、又、
１４．３モル％を越える場合は、逆に格子定数が大きく
なりすぎ、いずれの場合もタンタル酸リチウム基板とニ
オブ酸リチウム単結晶との格子整合が得られないからで
ある。

【００１８】ニオブ酸リチウムの単結晶中のＮａ、Ｍｇ
の含有量と、ニオブ酸リチウム単結晶のａ軸の格子定数
の関係を図６に示す。ニオブ酸リチウムの格子定数を大
きくする他の手段としてはニオブ酸リチウムのＬｉ／Ｎ
ｂの比率を変える方法がある。その変化の状態を図４に
示す。この図よりＬｉ／Ｎｂのモル比率は４１／５９〜
５６／４４が好ましい。

【００１９】他の手段として、ニオブ酸リチウムをａ軸
の格子定数が、５．１４８Åより小さな単結晶基板と格
子整合させる場合、ニオブ酸リチウムに異種元素を混ぜ
てニオブ酸リチウムの格子定数を小さくして格子整合さ
せる。異種元素として、Ｔｉを添加した場合、ニオブ酸
リチウムのａ軸の格子定数は、図５のように変化する。 Ｔｉの添加量としては、０．２ないし３０モルが適当で
ある。

【００２０】また、格子整合の手段としては、タンタル
酸リチウム基板に異種元素を添加して、ニオブ酸リチウ
ムのａ軸の格子定数に合せることが出来る。この場合、
添加手段としては拡散手段或は原料に加えＣＺ法にて引
き上げ、これを基板に成型する方法などがある。

【００２１】本発明において、基板として使用するタン
タル酸リチウムは、結晶構造が六方晶であり、ａ軸の格
子定数が５．１２８〜５．１７３Åであれば使用でき、
基板の形状は平板状に限定されず、繊維、バルク状でも
何れでもよい。本発明においては、ニオブ酸リチウム単
結晶薄膜の成長面として、タンタル酸リチウム基板の（
０００１）面を使用することが望ましい。

【００２２】前記タンタル酸リチウム基板の（０００１
）面は、タンタル酸リチウムのｃ軸に垂直な面を指す。 ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成長面として、タンタル
酸リチウム基板の（０００１）面を使用することが望ま
しい理由は、前記タンタル酸リチウムは、結晶構造が六
方晶（第３図参照）であり、前記（０００１）面はａ軸
のみで構成されるため、ａ軸の格子定数を変えるだけで
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜と、格子整合させることが
できるからである。

【００２３】タンタル酸リチウム基板の薄膜形成面の面
粗度は、ニオブ酸リチウム単結晶の結晶性に大きく影響
する。タンタル酸リチウム基板のニオブ酸リチウム単結
晶薄膜形成面の面粗度は、ＪＩＳ　Ｂ０６０１，　　Ｒ
ｍａｘ＝１０〜１０００Åであることが望ましい。この
理由は、Ｒｍａｘの値を１０Åより小さくすることは極
めて困難であり、またＲｍａｘの値が１０００Åより大
きくなると、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の結晶性が低
下するからである。

【００２４】本発明においては、格子定数の測定は、通
常の粉末Ｘ線回析により行なわれる。格子定数は、Ｃｕ
−２θ＝４５〜９０°に検出されるニオブ酸リチウムの
１５本のピ−クの２θの値とその面指数を用い最小二乗
法により算出する。なお測定においてはＳｉを内部標準
として使用する。格子整合の具体的な方法としては、液
相エピタキシャル成長法を用い、Ｌｉ２Ｏ、Ｎｂ２Ｏ５
、Ｖ２Ｏ５、Ｎａ２Ｏ、ＭｇＯなどからなる溶融体にタ
ンタル酸リチウム基板を接触させ、ニオブ酸リチウム単
結晶薄膜のａ軸の格子定数をタンタル酸リチウム基板の
ａ軸の格子定数に整合させる。

【００２５】本発明におけるＮａ２Ｏ、ＭｇＯ　を除い
た、Ｌｉ２Ｏ、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５の組成範囲として
はＬｉ２Ｏ−Ｖ２Ｏ５−Ｎｂ２Ｏ５の３成分系の三角図
において、Ａ（８８．９０，２．２２，８．８８）、Ｂ
（５５．００，４３．００，２．００）、Ｃ（４６．５
０，５１．５０，２．００）、Ｄ（１１．１１，８０．
００，８．８９）、Ｅ（３７．５０，５．００，５７．
５０）の５組成点で囲まれる領域で示される組成範囲内
にあることが有利である。なお、前記組成点は、　（Ｌ
ｉ２Ｏのモル％，　Ｖ２Ｏ５のモル％，Ｎｂ２Ｏ５のモ
ル％）を指す。

【００２６】また、前記Ｎａ２Ｏ、ＭｇＯを除いたＬｉ
２Ｏ、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５の組成範囲としては、Ｌｉ
２Ｏ−Ｖ２Ｏ５−Ｎｂ２Ｏ５の３成分系の三角図におい
て、Ｆ（４９．４９，　４５．４６，　５．０５）、Ｇ
（１１．１１，　８０．００，　８．８９），Ｈ（４２
．８１，　２２．９４，　３４．２５）の３組成点で囲
まれた組成割合であることが好ましく、また、前記Ｌｉ
２Ｏ−Ｖ２Ｏ５−Ｎｂ２Ｏ５の組成範囲は、３成分系の
三角図において、Ｉ（４７．６４，　４６．１２，６．
２４），Ｊ（２７．０１，　６４．６９，　８．３０）
，Ｋ（３６．７１，３７．９７　，２５．３２），Ｌ（
４４．０５，　３２．９７，　２２．９８）の４組成点
で囲まれる範囲が好適であり、さらにＭ（４５．３６，
４６．４５，８．１９），Ｎ（３２．８９，５７．０５
，１０．０６），Ｏ（３６．７１，４４．３０，１８．
９９），Ｐ（４４．９５，４０．５４，１４．５１）の
４組成点で囲まれる範囲が最適である（第７図参照）。

【００２７】このような組成範囲にすることが有利な理
由は、ＮａとＭｇによるニオブ酸リチウム単結晶薄膜と
タンタル酸リチウム基板との格子整合が容易になり、得
られるニオブ酸リチウム単結晶薄膜の光学的特性が優れ
ており、特に光伝搬損失が低く、良質なニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜を得ることができるからである。また、本
発明におけるＮａ２Ｏの組成割合として、モル比でＮａ
２Ｏ／Ｌｉ２Ｏが、２．０／９８．０〜９３．５／６．
５を満たす範囲であることが望ましい。

【００２８】この理由は、前記モル比の範囲からＮａ２
Ｏの割合が外れる場合、タンタル酸リチウム基板とニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜を格子整合させることが困難な
ためである。本発明におけるエピタキシャル成長法によ
って溶融体にフラックスとして少なくともＫ２Ｏ、Ｖ２
Ｏ５、を添加することが有利である。

【００２９】その理由を以下に説明する。溶融剤として
Ｋ２Ｏ、Ｖ２Ｏ５を使用することにより溶融剤からのＬ
ｉの供給を防止できるため、原料物中のＬｉ２Ｏ、Ｎｂ
２Ｏ５の組成比を変えることにより、析出してくるニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜中のＬｉ／Ｎｂの比率を変える
ことができる。前記Ｌｉ／Ｎｂの値が変わると、ａ軸の
格子定数も変わるため、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の
ａ軸の格子定数を原料物中のＬｉ２Ｏ，Ｎｂ２Ｏ５の組
成比を制御することにより制御でき、ニオブ酸リチウム
単結晶薄膜とタンタル酸リチウム基板を格子整合させる
ことができる。

【００３０】また、前記Ｋ２Ｏ、Ｖ２Ｏ５、Ｌｉ２Ｏ、
Ｎｂ２Ｏ５からなる溶融体に、Ｎａ２ＯやＭｇＯを添加
してもよい。この理由は、Ｎａ２ＯやＭｇＯを添加する
ことにより、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜のａ軸の格子
定数を大きくすることができるからである。またＭｇＯ
は光損傷を防止できる。前記溶融体組成は、モル比でＬ
ｉ２Ｏ／Ｎｂ２Ｏが４３／５７〜５６／４４であること
が望ましく、４３／５７〜５０／５０が好適である。こ
の理由は、上記範囲を外れる場合、析出するニオブ酸リ
チウム単結晶の結晶構造が変化し、光学特性が低下する
からである。さらに、前記ＭｇＯは、ＭｇＯ／原料組成
から析出可能なニオブ酸リチウム単結晶の理論量の値が
、モル比で３０／１００を満たす範囲を超えないことが
望ましい。この理由は、上記比率を超える場合、ニオブ
酸Ｍｇ系の結晶が析出するからである。

【００３１】また、Ｋ２Ｏ、Ｖ２Ｏ５の組成は、Ｋ２Ｏ
２、Ｖ２Ｏ５からなる溶融剤（ＫＶＯ３換算）／原料組
成から析出可能なニオブ酸リチウム単結晶の理論量の値
が、モル比で２５／７５〜７５／２５を満たす範囲であ
ることが望ましい。この理由は、上記範囲を外れる場合
、析出するニオブ酸リチウム単結晶の結晶構造が変化し
てしまい、光学特性が低下するためである。また、Ｋ２
Ｏ、Ｖ２Ｏ５の組成割合は、モル比で１対１であること
が有利である。

【００３２】また、本発明においては、タンタル酸リチ
ウム基板のａ軸の格子定数を、異種元素を添加して調整
することにより、ニオブ酸リチウム結晶のａ軸の格子定
数に合わせることにより格子整合を行なうことができる
。次いで、上記の組成を有する溶融液を過冷却状態にし
た後、タンタル酸リチウム基板を接触させる。前記溶融
体を過冷却状態とするための冷却速度は、０．５〜３０
０℃／時であることが望ましい。

【００３３】又、エピタキシャル育成のための温度は６
００〜１２５０℃であることが望ましい。この理由はニ
オブ酸リチウムの融点が１２５０℃であり、これ以上の
温度では結晶が晶出せず、又、６００℃は、溶融剤の融
点であるため、これより低い温度では原料を溶融体とす
ることができないためである。前記エピタキシャル育成
の際には、タンタル酸リチウム基板を回転させることが
望ましい。 これは、タンタル酸リチウム基板を回転させることによ
り、特性及び膜厚が均一な結晶ができるからである。前
記基板の回転は、水平状態で行なわれることが望ましい
。前記回転速度は、５０〜１５０ｒｍｐであることが望
ましい。

【００３４】また、前記タンタル酸リチウム基板は、少
なくとも成長面は、光学研磨されその後、化学エッチン
グ処理されていることが望ましい。前記タンタル酸リチ
ウム基板の厚みは０．５〜２．０ｍｍであることが望ま
しい。この理由は、０．５ｍｍより薄い基板は、クラッ
クが発生しやすく、２．０ｍｍより厚い基板は、焦電効
果（加熱による放電効果）が問題となり、加熱や研磨に
より帯電するため、研磨屑などが付着してスクラッチが
発生し易いからである。タンタル酸リチウム基板上に晶
出する本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜の厚みは、
タンタル酸リチウム基板と溶融体との接触時間、溶融体
の温度を適当に選択することにより、制御することがで
きる。

【００３５】本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄膜の成
長速度は、０．０１〜１．０μｍ／分が望ましい。これ
以上速い場合、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜にうねりが
発生し、また、これより遅い場合、薄膜の育成に時間が
かかりすぎるからである。本発明においては液相エピタ
キシャル成長の後、タンタル酸リチウム基板、ニオブ酸
リチウム単結晶結晶薄膜の表面からフラックスを除去す
ることが望ましい。　　フラックスが残留すると、膜厚
が不均一になるからである。前記フラックスの除去は、
タンタル酸リチウム基板に形成されたニオブ酸リチウム
単結晶結晶薄膜を１００〜１００００ｒｐｍで回転させ
ることにより行なわれることが望ましい。

【００３６】前記回転に要する時間は、５〜６０分であ
ることが望ましい。前記溶融体の撹拌時間は、適当な撹
拌操作において６〜４８時間であることが望ましい。こ
の理由は、撹拌時間が短い場合、溶融体中に溶解しきら
ない結晶核が発生し、この結晶核を中心に結晶成長が起
こるのでニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面に凹凸が発
生するからである。ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の面粗
度はＪＩＳ　ＢＯ６０１　Ｒｍａｘ＝０．００１〜０．
１μｍが好適である。

【００３７】前記タンタル酸リチウム基板の製造方法と
しては、ＣＺ（チョクラルスキ−）法が望ましい。また
、原料としては、例えば炭酸リチウム、五酸化タンタル
、酸化チタン、五酸化バナジウムが挙げられる。また、
前記タンタル酸リチウム基板のａ軸の格子定数は、ナト
リウムなどの異種元素の添加により大きくすることがで
きる。ところでＳＨＧ素子を始めとする光学デバイスの
構成材料にニオブ酸リチウム単結晶を使用するには前記
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶結晶が電
気光学効果、非線形光学効果などの光学的に有用な諸性
質を有することが必要である。

【００３８】一般にニオブ酸リチウムやタンタル酸リチ
ウム単結晶が、電気光学効果、非線形光学効果など光学
的に有用な諸特性を持つためには、その製造工程にて、
キュリ−点以上の温度に加熱して電界をかけ、結晶をポ
−リング（分極）することが必要である。また、異種元
素を含有させたニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム
などの単結晶は容易にポ−リングできないことが知られ
ている。しかしながら、本発明のニオブ酸リチウム単結
晶薄膜は、基板であるタンタル酸リチウムが分極状態で
あっても、また分極反転により電気的に中和されていて
も、常に分極された状態にあり、極めて優れた電気光学
効果、非線形光学効果などの諸特性を示す。

【００３９】このため、本発明のニオブ酸リチウム単結
晶薄膜とタンタル酸リチウム基板は、ポ−リング工程を
必要としないため、製造工程が簡単で、従来は、使用が
困難であった異種元素を含有したタンタル酸リチウム基
板を使用できるという利点を持つ。異種元素としては、
　Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，ＣｒにＦｅ，Ｎｉ，Ｎｄなどから選
ばれる少なくとも１種が望ましい。薄膜導波層と基板の
屈折率の差を大きくする方法としては、タンタル酸リチ
ウム基板の屈折率を小さくするか、ニオブ酸リチウム薄
膜の屈折率を大きくするとよい。

【００４０】そのためにはタンタル酸リチウム基板にＭ
ｇ又はＶを、ニオブ酸リチウム薄膜にＴｉ、Ｃｒ、Ｆｅ
、Ｎｉ、Ｎｄなどの異種元素をそれぞれ含有させるとよ
い。特に、ＳＨＧ発振を行う場合には、タンタル酸リチ
ウム基板と前記ニオブ酸リチウム薄膜との屈折率の差を
大きくする必要がある。タンタル酸リチウム基板に前記
異種元素を含有させる際、異種元素は、基板全体に均一
に存在していなくてもよい。本発明において、前記タン
タル酸リチウム基板の特定箇所に異種元素を添加して導
波路形成部分の屈折率が非形成部分に比べて相対的に低
いパタ−ンを形成することにより、該基板にニオブ酸リ
チウム単結晶薄膜をスラブ状に形成するだけで、前記パ
タ−ン部分に形成されたニオブ酸リチウム単結晶薄膜が
導波路となり、導波路形成のための加工工程を省くこと
ができる。

【００４１】前記導波路形成部分の基板屈折率を、非形
成部分に比べて相対的に低くする方法としては、導波路
形成部分の基板屈折率を下げるか、非形成部分の基板屈
折率を上げることが望ましい。異種元素が不均一に存在
している場合、導波路の条件にあった部分が導波路化す
る。

【００４２】また、タンタル酸リチウム基板表面部分で
の前記異種元素の含有量は、以下に示す組成範囲が望ま
しい。 Ｔｉ　；　０．２　〜３０モル％　　　　　Ｃｒ　；　
０．０２〜２０モル％Ｆｅ　；　０．０２〜２０モル％
　　　　　Ｎｉ　；　０．０２〜２０モル％Ｎｄ　；　
０．０２〜１０モル％　　　　　Ｍｇ　；　０．１　〜
２０モル％Ｖ　　；　０．０５〜３０モル％ 上記の含有量は、 異種元素／（ＬｉＴａＯ３＋異種元素）×１００で計算
されたものである。

【００４３】また、本発明のニオブ酸リチウム単結晶薄
膜には、屈折率などの光学特性を必要に応じて変化させ
るためにクロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ），ロジウム
（Ｒｈ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト
（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）から選ば
れる少なくとも１種を含有することが望ましい。これら
の各元素の含有量は、Ｒｈ　；　０．０５　〜２０モル
％　　　　　Ｚｎ　；　０．０２〜３０モル％Ｎｉ　；
　０．１　　〜２０モル％　　　　　Ｃｏ　；　０．０
５〜２０モル％Ｃｒ　；　０．０２　〜２０モル％　　
　　　Ｔｉ　；　０．２　〜３０モル％Ｎｄ　；　０．
０２　〜１０モル％　　　　　Ｖ　　；　０．０５〜３
０モル％であることが望ましい。

【００４４】次に実施例を以って更に本発明を具体的に
示す。

【実施例】実施例１ （１）Ｎａ２ＣＯ３　２０モル％、Ｌｉ２ＣＯ３　３０
モル％、Ｖ２Ｏ５　３９モル％、Ｎｂ２Ｏ５１１モル％
、ＭｇＯを溶融体組成から析出可能なＬｉＮｂＯ３の理
論量に対して２モル％添加した混合物を白金ルツボに入
れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で、
１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。さ
らに溶融体をプロペラを用い、１００ｒｐｍの回転速度
で１２時間撹拌させた。

【００４５】（２）厚さ２ｍｍｎのタンタル酸リチウム
単結晶の（０００１）面を光学研磨した後、化学エッチ
ングした。ついで、耐水研磨紙（♯２０００）を用いて
、面取り（Ｒ　０．５）を行った。この基板の面粗度は
、ＪＩＳ　Ｂ０６０１　Ｒｍａｘ＝１００Åであった。 溶融体を１時間当りに６０℃の冷却速度で９１５℃まで
徐冷した後、この基板を９１５℃で３０分予備加熱した
後、溶融体中に１００ｒｐｍで回転させながら８分間浸
漬した。ニオブ酸リチウムの成長速度は、１μｍ／分で
あった。

【００４６】（３）溶融体から基板材料を引き上げ、回
転数１０００ｒｐｍで３０秒間溶融体上で溶融体を振り
切った後、１℃／分の速度で室温まで徐冷し、基板材料
上に約８μｍ　の厚さのナトリウム、マグネシウム含有
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。（４）得られたニ
オブ酸リチウム単結晶薄膜中に含有されていたナトリウ
ム、マグネシウムの量は、それぞれ３モル％、２モル％
であった。又、薄膜の格子定数（ａ軸）は５．１５６Å
、入射光波長１．１５μｍで測定した屈折率は２．２３
５±０．００１であった。ニオブ酸リチウムの表面粗度
は、ＪＩＳ　ＢＯ６０１　Ｒｍａｘ＝１０００Åであっ
た。

【００４７】実施例２ （１）Ｌｉ２ＣＯ３　５１モル％、Ｖ２Ｏ５　３９モル
％、Ｎｂ２Ｏ５　１０モル％、Ｎａ２ＣＯ３を溶融体組
成から析出可能なＬｉＮｂＯ３の理論量に対して、４５
モル％添加、ＭｇＯを溶融体組成から析出可能なＬｉＮ
ｂＯ３の理論量に対して、６モル％添加した混合物を白
金ルツボにいれ、エピタキシャル成長育成装置中で空気
雰囲気下で１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶
解した。ついで、溶融体をプロペラを用い、１００ｒｐ
ｍの回転速度で６時間撹拌させた。

【００４８】（２）厚さ１．５ｍｍのタンタル酸リチウ
ム単結晶の（０００１）面を光学研磨した後、耐水研磨
紙（♯２０００）及びコロイダルシリカを塗布したポリ
ッシングクロスを用いて、面取り（Ｃ　１．０）を行っ
た。基板の表面粗度は、ＪＩＳ　ＢＯ６０１、Ｒｍａｘ
＝１７０Åであった。溶融体を１時間当たり６０℃の冷
却速度で９２２℃まで徐冷した後、この基板を９２２℃
で１０分間予備加熱を行い、溶融体中に１００ｒｐｍで
回転させながら２３分間浸漬した。　　ニオブ酸リチウ
ムの成長速度は、１．６５μｍ／分であった。

【００４９】（３）溶融体から基板材料を引き上げ、回
転数１０００ｒｐｍで３０秒間溶融体上で、溶融体を振
り切った後、１時間当たり、３００℃の冷却速度でタン
タル酸リチウム単結晶のキュリ−温度まで徐冷し、その
温度で１時間保った後、１時間当たり、６０℃の冷却速
度で、室温まで徐冷し、基板材料上に約３８μｍの厚さ
のナトリウム、マグネシウム含有ニオブ酸リチウム単結
晶薄膜を得た。

【００５０】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたナトリウム、マグネシウムの量は
、それぞれ１．５モル％、５．５モル％であった。又格
子定数（ａ軸）は５．１５５Å、入射光波長１．１５μ
ｍで測定した屈折率は、２．２３１±０．００１であっ
た。ニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面粗度は、ＪＩＳ
　ＢＯ６０１　Ｒｍａｘ＝１０００Åであった。

【００５１】実施例３ （１）Ｎａ２ＣＯ３　１２．０モル％、Ｖ２Ｏ５　３９
モル％、Ｎｂ２Ｏ５　１１モル％、Ｌｉ２ＣＯ３を３８
．０モル％、ＭｇＯを溶融体組成から析出可能なＬｉＮ
ｂＯ３の理論量に対して、５モル％添加した混合物を白
金ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気
雰囲気下で１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶
解した。 ついで、溶融体をプロペラを用い、１５０ｒｐｍの回転
速度で２０時間撹拌させた。

【００５２】（２）耐水研磨紙（♯２０００）を用いて
、厚さ１ｍｍのタンタル酸リチウム基板を面取り（Ｒ１
．０）した後、厚さ２５０ÅのＭｇＯ層をスパッタによ
り形成し、９４０℃で熱拡散させ、厚さ２５０Åの拡散
層を形成した。屈折率は、ＭｇＯを拡散させない場合よ
りも０．０１５低下していた。また、基板表面の面粗度
は、ＪＩＳ　ＢＯ６０１　Ｒｍａｘ＝１７０Åであった
。ＭｇＯの拡散量は１０ｍｏｌ％であった。

【００５３】（３）溶融体を１時間当り６０℃の冷却速
度で９３８℃まで徐冷した後、前記基板を９３８℃で５
０分間予備加熱し、溶融体中に１００ｒｐｍで回転させ
ながら２０分間浸漬した。ニオブ酸リチウムの成長速度
は、０．７μｍ／分であった。 （４）溶融体から基板材料を引き上げ、回転数１００ｒ
ｐｍで３０秒間溶融体上で、溶融体を振り切った後、１
℃／分で室温まで徐冷し、基板材料上に約１４μｍの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有ニオブ酸リチウム単
結晶薄膜を得た。

【００５４】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたナトリウム、マグネシウムの量は
、それぞれ１モル％、６モル％であった。又格子定数（
ａ軸）は５．１５３Å、入射光波長１．１５μｍで測定
した屈折率は、２．２３１±０．００１であった。ニオ
ブ酸リチウム単結晶薄膜の表面粗度は、ＪＩＳ　ＢＯ６
０１　Ｒｍａｘ＝１４００Åであった。　　この薄膜に
ついて、マッハツェンダ−干渉計でボッケルス定数を測
定した所、ｒ＝２２．０×１０−１２ｍ／Ｖ，ｒ１３＝
６．６×１０−１２ｍ／Ｖを得た。ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２４，　Ｎｏ．
９，１９７４によれば、ｒ３３＝１２×１０−１２ｍ／
Ｖ，ｒ１３＝２．３×１０−１２ｍ／Ｖであり、公知の
２−３倍の値である。

【００５５】実施例４ （１）Ｌｉ２ＣＯ３５０モル％、Ｖ２Ｏ５４０モル％、
Ｎｂ２Ｏ５　１０モル％、Ｎａ２ＣＯ３を溶融体組成か
ら析出可能なＬｉＮｂＯ３の理論量に対して、４３モル
％添加、ＭｇＯを溶融体組成から析出可能なＬｉＮｂＯ
３の理論量に対して、７モル％添加した混合物をイリジ
ウムルツボにいれ、エピタキシャル成長育成装置中で空
気雰囲気下で１１００℃まで加熱してルツボの内容物を
溶解した。ついで、溶融体をプロペラを用い、２００ｒ
ｐｍの回転速度で１２時間撹拌させた。

【００５６】（２）溶融体を１時間当り６０℃の冷却速
度で９１５℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム単結晶
の（０００１）面を光学研磨し、厚さ１．８ｍｍとした
。ついで、耐水性研磨紙（♯２０００）及びラッピング
フイルム（砥粒１μｍ）を用いて、面取り（Ｃ０．５）
を行った。フォトリソグラフィ−及びＲＦスパッタ法に
より、膜厚１０００Å、幅５μｍのＭｇＯ膜を形成した
後、９２０℃にて熱拡散させ、１０００Åの幅５μｍの
ＭｇＯ拡散チャンネルをもつものを基板材料とした。拡
散層の厚さは、１０００Åであった。このチャンネル部
分は、　ＭｇＯを拡散させない部分に比べて常光屈折率
が　１５×１０−３減少していた。また、面粗度はＪＩ
Ｓ　ＢＯ６０１　Ｒｍａｘ＝３００Åであった。この基
板材料を９１５℃で３０分予備加熱した後、溶融体中に
１００ｒｐｍで回転させながら１７分間浸漬した。成長
速度は１．９４μｍ／分であった。

【００５７】（３）溶融体から基板材料を引き上げ、回
転数１０００ｒｐｍで３０秒間溶融体上で、溶融体を振
り切った後、１時間当り３００℃の冷却速度でタンタル
酸リチウム単結晶のキュリ−温度（６５０℃）まで徐冷
し、その温度で１時間保った後、１時間に６０℃の冷却
速度で、室温まで徐冷し、基板材料上に約３３μｍの厚
さのナトリウム、マグネシウム含有ニオブ酸リチウム単
結晶薄膜を得た。

【００５８】（４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜中に含有されていたナトリウム、マグネシウムの量は
、それぞれ２モル％、６モル％であった。又格子定数（
ａ軸）は５．１５５Å、入射光波長１．１５μｍで測定
した屈折率は、２．２３１±０．００１であった。 （５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜を、幅５μ
ｍのＭｇＯ拡散チャンネルに対して垂直に端面研磨を施
して、レ−ザ光を端面入射させ、出射光のニアフィ−ル
ドパタ−ンを観察したところ、レ−ザ光が幅５μｍのＭ
ｇＯの拡散チャンネル上で良好に閉じ込められているこ
とが確認できた。 得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜の表面の面粗度は
、ＪＩＳ　ＢＯ６０１　Ｒｍａｘ＝１０００Åであった
。

【００５９】実施例５ （１）Ｌｉ２ＣＯ３　２６．４モル％、Ｎｂ２Ｏ５　２
８．６モル％，Ｋ２ＣＯ３　２２．５モル％、Ｖ２Ｏ５
　２２．５モル％、ＭｇＯを前記溶融体組成から析出可
能なＬｉＮｂＯ３の理論量に対して５モル％添加した混
合物を白金ルツボに入れ、エピタキシャル成長育成装置
中で空気雰囲気下で１１００℃まで加熱してルツボの内
容物を溶解した。

【００６０】（２）溶融体を１時間当り６０℃の冷却速
度で８９３℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム単結晶
の（０００１）面を光学研磨し厚さ１．５ｍｍとした後
、フォトリソグラフィ−およびＲＦスパッタ法により、
膜厚８００Å、幅５μｍのＭｇＯ膜と、この幅５μｍの
ＭｇＯ膜以外の部分に膜厚４００ÅのＣｕ膜を形成した
後、１０００℃にて熱拡散させた。拡散層はＭｇＯ、Ｃ
ｕＯとも５００Åであった。ついで、幅５μｍのＭｇＯ
拡散チャンネルをもつものを化学エッチングし、基板材
料とした。１μｍダイヤモンドスラリ−を用いて、面取
りを行った。（Ｒ　０．５）

【００６１】ＭｇＯを拡散させたチャンネル部分および
チャンネル部分以外のＣｕを拡散させた部分は、何も拡
散させない基板材料に比べて、常光屈折率はそれぞれ１
０×１０−３減少および１×１０−３増大していた。面
粗度は、ＪＩＳ　ＢＯ６０１　Ｒｍａｘ＝４００Åであ
った。この基板材料を溶融体上１５ｍｍの位置にて８９
３℃にて予備加熱し、ついで溶融体中に１００ｒｐｍで
回転させながら１１分間浸漬した。ニオブ酸リチウム単
結晶薄膜の成長速度は、０．５４μｍ／分であった。

【００６２】（３）溶融体から基板材料を引き上げ、回
転数１０００ｒｐｍで３０秒間溶融体上で、溶融体を振
り切った後１℃／分の冷却速度で、室温まで徐冷し、基
板材料上に約６μｍの厚さのＭｇＯ含有ニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜を得た。格子定数（ａ軸）は５．１５３Å
、入射光波長１．１５μｍで測定した屈折率は、２．２
３０±０．００１であった。得られたニオブ酸リチウム
単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ　ＢＯ６０１　Ｒ
ｍａｘ＝１４００Åであった。この薄膜の厚みを位相整
合膜厚（２．５０±０．０５μｍ）にイオンビ−ムエッ
チングしてＳＨＧ素子を製造した。このＳＨＧ素子に波
長８３０ｎｍのレ−ザ−を入射し、第２高調波（４１５
ｎｍ）を確認した。

【００６３】実施例６ （１）Ｌｉ２ＣＯ３　４８モル％、Ｖ２Ｏ５　４２モル
％、Ｎｂ２Ｏ５　１０モル％、Ｎａ２ＣＯ３を溶融体組
成から析出可能なＬｉＮｂＯ３の理論量に対して、４３
モル％添加、ＭｇＯを溶融体組成から析出可能なＬｉＮ
ｂＯ３の理論量に対して、７モル％、添加した混合物を
イリジウムルツボにいれ、エピタキシャル成長育成装置
中で空気雰囲気下で１１００℃まで加熱してルツボの内
容物を溶解した。ついで、溶融体をプロペラを用い、２
００ｒｐｍの回転速度で１２時間撹拌させた。

【００６４】（２）溶融体を１時間当り６０℃の冷却速
度で、９１５℃まで徐冷した。タンタル酸リチウム単結
晶の（０００１）面を光学研磨し、厚さ１．８ｍｍとし
た。ついで、耐水性研磨紙（♯２０００）及び１μｍダ
イヤモンドスラリ−を用いて、面取り（Ｃ　０．２）を
行った。フォトリソグラフィ−およびＲＦスパッタ法に
より、膜厚１０００Å、幅５μｍのＭｇＯ膜を形成した
。ついで、この基板を２．６７ｃｍ／分でエピタキシャ
ル成長育成装置中の溶融体に近づけ、予備加熱と熱拡散
を同時に行った。拡散層の厚さは１０００Åであった。

【００６５】この基板材料を溶融体中に１００ｒｐｍで
回転させながら１７分間浸漬した。成長速度は１．９４
μｍ／分であった。 （３）溶融体から基板材料を引き上げ、回転数１０００
ｒｐｍで３０秒間溶融体上で、溶融体を振り切った後、
１時間当り３００℃の冷却速度でタンタル酸リチウム単
結晶のキュリ−温度まで徐冷し、その温度で１時間保っ
た後、１時間に６０℃の冷却速度で、室温まで徐冷し、
基板材料上に約３７μｍの厚さのナトリウム、マグネシ
ウム含有ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得た。 （４）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄膜中に含有さ
れていたナトリウム、マグネシウムの量は、それぞれ２
モル％、６モル％であった。又格子定数（ａ軸）は５．
１５５Å、入射光波長１．１５μｍで測定した屈折率は
、２．２３１±０．００１であった。

【００６６】（５）得られたニオブ酸リチウム単結晶薄
膜を、幅５μｍのＭｇＯ拡散チャンネルに対して垂直に
端面研磨を施して、レ−ザ光を端面入射させ、出射光の
ニアフィ−ルドパタ−ンを観察したところ、レ−ザ光が
幅５μｍのＭｇＯの拡散チャンネル上で良好に閉じ込め
られていることが確認できた。得られたニオブ酸リチウ
ム単結晶薄膜の表面の面粗度は、ＪＩＳ　ＢＯ６０１　
Ｒｍａｘ＝９００Åであった。

【００６７】比較例１ （１）Ｎａ２ＣＯ３　２０モル％、Ｌｉ２ＣＯ３　３０
モル％、Ｖ２Ｏ５　３９モル％、Ｎｂ２Ｏ５１１モル％
、ＭｇＯを溶融体組成から析出可能なＬｉＮｂＯ３の理
論量に対して２モル％添加した混合物を白金ルツボに入
れ、エピタキシャル成長育成装置中で空気雰囲気下で、
１１００℃まで加熱してルツボの内容物を溶解した。さ
らに溶融体をプロペラを用い、１００ｒｐｍの回転速度
で１２時間撹拌させた。

【００６８】（２）厚さ２ｍｍのタンタル酸リチウム単
結晶の（０００１）面を光学研磨した後、化学エッチン
グした。この基板の面粗度は、ＪＩＳ　ＢＯ６０１　Ｒ
ｍａｘ＝１００Åであった。溶融体を１時間当りに６０
℃の冷却速度で９１５℃まで徐冷した後、この基板を９
１５℃で３０分予備加熱した後、溶融体中に１００ｒｐ
ｍで３０秒間溶融体上で溶融体を振り切った後、１℃／
分の速度で室温まで徐冷したが、基板に大きなクラック
が生じていた。

【００６９】以上実施例１〜６、比較例１の結果を基板
の状態と薄膜の伝搬損失について表１に記載した。

【００７０】

【表１】

【００７１】実施例７ 本実施例は、基本的には実施例１と同じであるが、薄膜
、基板にＴｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｎｄ，Ｖ，Ｆｅ，Ｒｈ，Ｃ
ｏ，Ｚｎを異種元素として拡散（５００Åの厚み）させ
、伝搬損失を測定した。その結果を表２に示した。いず
れも良好な伝搬損失を示した。

【００７２】

【表２】

【００７３】表中の数字は伝搬損失（ｄＢ／ｃｍ）、異
種元素の含有量は、表面付近での平均値である。

【００７４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
基板上の少なくとも一部に異種元素を添加、熱拡散して
得た面上に、該基板と格子整合されたニオブ酸リチウム
単結晶薄膜を液相エピタキシャル成長させる方法におい
て、基板のａ軸方向と平行な面（０００１）のエッジを
面取りすることによって、基板とホルダ−のと接触点に
発生しやすいキズの発生を防止することができた。

【００７５】

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の基板をホルダ−で保持した状態の説明図

【図２】本発明にかかる面取りした基板をホルダ−で保
持した状態の説明図

【図３】ニオブリチウム単結晶薄膜の成長面であるタン
タル酸リチウム基板の（０００１）面を示す模式図

【図
４】ニオブ酸リチウムのｌｉ／Ｎｂのモル比とニオブ酸
リチウム単結晶のａ軸の格子定数との関係図

【図５】Ｔ
ｉの含有量とニオブ酸リチウム単結晶のａ軸の格子定数
との関係図

【図６】Ｎａ、Ｍｇの含有量とニオブ酸リチウム単結晶
のａ軸の格子定数との関係図

【図７】ＬｉＯ−ＶＯ−Ｎｂ三成分の三角組成図

【符号の説明】

１　　基板 ２　　ホルダ− ３　　面取りした面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上に、単結晶薄膜を液相エピタキ
   シャル成長させる方法において、少なくとも基板のエッ
   ジと基板ホルダ−との接触部分を面取りすることを特徴
   とする基板上に単結晶薄膜を形成する方法。
2. 【請求項２】基板上にニオブ酸リチウム単結晶薄膜を形
   成する請求項１に記載の基板上にニオブ酸単結晶薄膜を
   形成する方法。