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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-08
(45)【発行日】2022-06-16
(54)【発明の名称】電気光学素子用複合基板
(51)【国際特許分類】
G02F 1/03 20060101AFI20220609BHJP
【ＦＩ】
G02F1/03 501
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020145642
(22)【出願日】2020-08-31
(62)【分割の表示】P 2020088349の分割
【原出願日】2020-05-20
(65)【公開番号】P2021184075
(43)【公開日】2021-12-02
【審査請求日】2020-08-31
【審判番号】
【審判請求日】2021-03-02
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100122471
【弁理士】
【氏名又は名称】籾井 孝文
(72)【発明者】
【氏名】服部 良祐
(72)【発明者】
【氏名】多井 知義
(72)【発明者】
【氏名】浅井 圭一郎
(72)【発明者】
【氏名】近藤 順悟
【合議体】
【審判長】瀬川 勝久
【審判官】吉野 三寛
【審判官】杉田 翠
(56)【参考文献】
【文献】特許第６６５０５５１（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特許第６６４６１８７（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特許第４１７４３７７（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／００１３７６５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
G02F 1/00-1/125, G02F 1/21-7/00, G02B 6/12-6/14
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、該電気光学結晶基板に直接形成された第１の高誘電率層と、支持基板と、該支持基板に直接形成された低誘電率層と、該低誘電率層に直接形成された第２の高誘電率層と、を有し、該第１の高誘電率層と該第２の高誘電率層とが直接接合されており、該第１の高誘電率層と該第２の高誘電率層との接合界面にアモルファス層が形成されており、
該低誘電率層が、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウムおよびフッ化カルシウムからなる群から選択される１つで構成されている、
電気光学素子用複合基板。
【請求項2】
前記電気光学結晶基板の厚みが０．１μｍ～１０μｍである、請求項１に記載の電気光学素子用複合基板。
【請求項3】
前記電気光学結晶基板が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸・ニオブ酸カリウム、および、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体からなる群から選択される１つで構成されている、請求項１または２に記載の電気光学素子用複合基板。
【請求項4】
前記第１の高誘電率層および前記第２の高誘電率層の厚みが、それぞれ０．００１μｍ～１μｍである、請求項１から３のいずれかに記載の電気光学素子用複合基板。
【請求項5】
前記第１の高誘電率層および前記第２の高誘電率層が、それぞれ、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムおよびシリコンからなる群から選択される１つで構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の電気光学素子用複合基板。
【請求項6】
前記支持基板が、シリコン、ガラス、サイアロン、ムライト、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化マグネシウム、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム、炭化シリコンおよび酸化ガリウムからなる群から選択される１つで構成されている、請求項１から５のいずれかに記載の電気光学素子用複合基板。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気光学素子用複合基板に関する。
【背景技術】
【0002】
種々の電気光学素子が知られている。電気光学素子は、電気光学効果を利用して、電気信号を光信号に変換することができる。電気光学素子は、例えば光電波融合通信に採用されており、高速かつ大容量な通信、低消費電力化（低駆動電圧化）、低フットプリントを実現するために、その開発が進められている。このため、電気光学素子は、例えば、複合基板を用いた構成の採用が始まっている。電気光学素子用複合基板としては、電気光学効果を有する電気光学結晶基板と支持基板とが薄膜層（例えば、高誘電率酸化膜）を介した直接接合により一体化されている複合基板が知られている。しかし、このような複合基板は、以下のような問題がある。電気光学結晶基板と薄膜層とを直接接合した場合、光の伝搬損失が発生する場合がある。薄膜層と支持基板を直接接合した場合、高速駆動が困難となる場合があり、状況によっては接合自体がうまくいかず複合基板が得られない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第４１７４３７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の主たる目的は、はがれが顕著に抑制され、ならびに、電気光学素子とした場合に光の伝搬損失が小さく、かつ、高速および低電圧駆動が可能な複合基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の実施形態による電気光学素子用複合基板は、電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、第１の高誘電率層と、第２の高誘電率層と、支持基板と、をこの順に有し、該第１の高誘電率層と該第２の高誘電率層との接合界面にアモルファス層が形成されている。
１つの実施形態においては、上記電気光学結晶基板の厚みは０．１μｍ～１０μｍである。
１つの実施形態においては、上記電気光学結晶基板は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸・ニオブ酸カリウム、および、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体からなる群から選択される１つで構成されている。
１つの実施形態においては、上記第１の高誘電率層および上記第２の高誘電率層の厚みは、それぞれ０．００１μｍ～１μｍである。
１つの実施形態においては、上記第１の高誘電率層および上記第２の高誘電率層は、それぞれ、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムおよびシリコンからなる群から選択される１つで構成されている。
１つの実施形態においては、上記支持基板は、シリコン、ガラス、サイアロン、ムライト、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化マグネシウム、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム、炭化シリコンおよび酸化ガリウムからなる群から選択される１つで構成されている。
１つの実施形態においては、上記支持基板は、上記第２の高誘電率層側に形成された低誘電率層を含む。
１つの実施形態においては、上記電気光学結晶基板の厚みは０．１μｍ～１０μｍである。
１つの実施形態においては、上記電気光学結晶基板は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸・ニオブ酸カリウム、および、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体からなる群から選択される１つで構成されている。
１つの実施形態においては、上記第１の高誘電率層および上記第２の高誘電率層の厚みは、それぞれ０．００１μｍ～１μｍである。
１つの実施形態においては、上記第１の高誘電率層および上記第２の高誘電率層は、それぞれ、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムおよびシリコンからなる群から選択される１つで構成されている。
１つの実施形態においては、上記支持基板は、シリコン、ガラス、サイアロン、ムライト、窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化マグネシウム、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム、炭化シリコンおよび酸化ガリウムからなる群から選択される１つで構成されている。
１つの実施形態においては、上記支持基板は、上記第２の高誘電率層側に形成された低誘電率層を含む。
【発明の効果】
【0006】
本発明の実施形態によれば、電気光学素子用複合基板において２つの高誘電率層を設け、当該２つの高誘電率層を直接接合して電気光学結晶基板と支持基板とを一体化することにより、はがれが顕著に抑制され、ならびに、電気光学素子とした場合に光の伝搬損失が小さく、かつ、高速および低電圧駆動が可能な複合基板を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の１つの実施形態による電気光学素子用複合基板の概略斜視図である。
【図3】比較例１、３、５、７、９および１１の電気光学素子用複合基板の概略断面図である。
【図4】比較例２、４、６、８、１０および１２の電気光学素子用複合基板の概略断面図である。
【図5】実施例７の電気光学素子用複合基板における第１の高誘電率層と第２の高誘電率層との接合界面の状態を示す透過型電子顕微鏡画像である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
【0009】
Ａ．電気光学素子用複合基板の全体構成
図１は、本発明の１つの実施形態による電気光学素子用複合基板（以下、単に複合基板と称する場合がある）の概略斜視図であり；図２は、図１の複合基板の概略断面図である。本発明の実施形態による複合基板は、代表的には図１に示すように、いわゆるウェハの形態で製造され得る。複合基板のサイズは、目的に応じて適切に設定され得る。例えば、ウェハの直径は４インチ（約１０ｃｍ）であり得る。通常、一枚の複合基板から複数の電気光学素子が製造され得る。なお、複合基板は、ウェハの形態に限定されず、様々な形態で製造され提供されてもよい。
図１は、本発明の１つの実施形態による電気光学素子用複合基板（以下、単に複合基板と称する場合がある）の概略斜視図であり；図２は、図１の複合基板の概略断面図である。本発明の実施形態による複合基板は、代表的には図１に示すように、いわゆるウェハの形態で製造され得る。複合基板のサイズは、目的に応じて適切に設定され得る。例えば、ウェハの直径は４インチ（約１０ｃｍ）であり得る。通常、一枚の複合基板から複数の電気光学素子が製造され得る。なお、複合基板は、ウェハの形態に限定されず、様々な形態で製造され提供されてもよい。
【0010】
図示例の複合基板１００は、電気光学効果を有する電気光学結晶基板１０と、第１の高誘電率層２１と、第２の高誘電率層２２と、支持基板３０と、をこの順に有する。本発明の実施形態においては、第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２とが直接接合されている。２つの高誘電率層の直接接合により、電気光学結晶基板１０と支持基板３０とが一体化されている。例えば、第１の高誘電率層２１は電気光学結晶基板１０表面にスパッタリングにより形成され；第２の高誘電率層２２は支持基板３０表面にスパッタリングにより形成され；それぞれの積層体の第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２とが直接接合されている。なお、代表的には図示例のように、直接接合の接合界面にはアモルファス層４０が形成されている。図示例においては、支持基板３０の第２の高誘電率層２２側には、低誘電率層５０が形成されている。低誘電率層５０は、目的に応じて設けられる任意の層であり、省略されていてもよい。複合基板１００は、図示しない任意の層をさらに有していてもよい。そのような層の種類・機能、数、組み合わせ、配置位置等は、目的に応じて適切に設定され得る。特に、支持基板３０または低誘電率層５０（存在する場合）よりも下方（電気光学結晶基板と反対側）の構成は、目的に応じて適切に設定され得る。例えば、支持基板３０または低誘電率層５０（存在する場合）の下方に金属膜を設けてもよい。このような金属膜を設けることにより、複合基板から電気光学素子を作製した場合に、電気光学素子の出力信号における意図しないリップル（ノイズ、変動）を抑制し、正常な動作を維持することができる。なお、本明細書において「高誘電率層」および「低誘電率層」は、第１の高誘電率層２１および第２の高誘電率層２２の誘電率が、相対的に、低誘電率層５０の誘電率より大きいことを意味する。低誘電率層５０が設けられていない場合には、第１の高誘電率層２１および第２の高誘電率層２２の誘電率が、相対的に、支持基板３０の誘電率より大きいことを意味する。すなわち、第１の高誘電率層２１、第２の高誘電率層２２および低誘電率層５０は、それぞれの層の誘電率の具体的な値により規定されるものではない。また、これらの層の誘電率と電気光学結晶基板の誘電率との大小関係は問われない。
【0011】
電気光学結晶基板１０と支持基板３０とを直接接合により一体化することにより、複合基板の剥離を良好に抑制することができ、結果として、このような剥離に起因する電気光学結晶基板の損傷（例えば、クラック）を良好に抑制することができる。さらに、接着剤を用いることなく直接接合することにより、接着剤の変質および変形に起因する悪影響を排除することができるので、高い信頼性を実現することができる。加えて、接着剤による誘電損失もない。
【0012】
本発明の実施形態によれば、第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２とを直接接合することにより、以下の利点が得られ得る。電気光学素子を薄型化（代表的には、電気光学結晶基板の厚みを１μｍ以下）する場合、支持基板との複合化により補強することが好ましい。さらに、このような複合基板（電気光学素子）において速度整合条件を満足させて高速および低電圧駆動を実現するために、高誘電率層を設けることが有効であることがわかった。これまでは電気光学結晶基板と支持基板（低誘電率基板）だけで開発が進められてきたが、上記のように電気光学結晶基板の厚みが１μｍ以下になってくると、マイクロ波実効誘電率（屈折率）が小さくなりすぎる場合があり、電気光学結晶基板と支持基板との間に高誘電率層を設けることにより、マイクロ波実効誘電率（屈折率）の過剰な低下を抑制することができ、速度整合条件を満足させることができる。ここで、高誘電率層が単一層である場合、直接接合により電気光学結晶基板と支持基板とを一体化するためには、電気光学結晶基板と高誘電率層との直接接合、あるいは、高誘電率層と支持基板との直接接合が必要となる。本発明者らは、単一の高誘電率層を介した直接接合において形成され得るアモルファス層の位置が電気光学素子（例えば、光変調器）の特性に大きな影響を与えることを新たに見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、電気光学結晶基板と高誘電率層とを直接接合すると、接合界面に形成されたアモルファス層が電気光学結晶基板に進展する。その結果、電気光学結晶基板において光の散乱および／または吸収が起こり、加えて、電気光学結晶基板の電気光学定数が不十分なものとなる。高誘電率層と支持基板とを直接接合すると、接合界面に形成されたアモルファス層を介して支持基板を構成する材料（実質的には、原子）が高誘電率層に拡散・移行し得る。その結果、高誘電率層の誘電率の低下および／または導電率の上昇が起こり、電気シールド効果が生じる場合がある。その結果、速度整合条件を満足させることができず、高速および低電圧駆動が困難となる場合がある。さらに、高誘電率層と支持基板とを直接接合しようと試みても接合自体がうまくいかず、複合基板が得られない場合がある。このような単一の高誘電率層を介した直接接合に対し、本発明の実施形態によれば、２つの高誘電率層を直接接合して電気光学結晶基板と支持基板とを一体化することにより、２つの高誘電率層の間にアモルファス層を形成することができ、アモルファス層を電気光学結晶基板および支持基板のいずれからも隔離することができる。その結果、複合基板の効果および高誘電率層の効果をいずれも良好に維持しつつ、アモルファス層の悪影響を防止することができる。結果として、はがれが顕著に抑制され、ならびに、電気光学素子とした場合に光の伝搬損失が小さく、かつ、高速および低電圧駆動が可能な複合基板を実現することができる。
【0013】
本明細書において「直接接合」とは、接着剤を介在させることなく複合基板の構成要素（図１および図２の例では第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２）が接合していることを意味する。直接接合の形態は、互いに接合される層または基板の構成に応じて適切に設定され得る。例えば、直接接合は、以下の手順で実現され得る。高真空チャンバー内（例えば、１×１０－６Ｐａ程度）において、接合される構成要素（層または基板）のそれぞれの接合面に中性化ビームを照射する。これより、各接合面が活性化される。次いで、真空雰囲気で、活性化された接合面同士を接触させ、常温で接合する。この接合時の荷重は、例えば１００Ｎ～２００００Ｎであり得る。１つの実施形態においては、中性化ビームによる表面活性化を行う際には、チャンバーに不活性ガスを導入し、チャンバー内に配置した電極へ直流電源から高電圧を印加する。このような構成であれば、電極（正極）とチャンバー（負極）との間に生じる電界により電子が運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、好ましくは不活性ガス元素（例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ））である。ビーム照射による活性化時の電圧は例えば０．５ｋＶ～２．０ｋＶであり、電流は例えば５０ｍＡ～２００ｍＡである。
【0014】
以下、複合基板の構成要素（基板または層）を具体的に説明する。なお、第１の高誘電率層および第２の高誘電率層についてはまとめて「高誘電率層」として説明し、第１の高誘電率層と第２の高誘電率層とを区別する必要がある場合のみ、「第１」および「第２」を明記する。
【0015】
Ｂ．電気光学結晶基板
電気光学結晶基板１０は、電気光学素子において電気光学効果を有する層（機能層）となり得る。例えば、電気光学結晶基板１０の一部または全部は、電気光学素子において光を伝える光導波路となり得る。電気光学結晶基板１０は、外部に露出する上面と、複合基板内に位置する下面と、を有する。電気光学結晶基板１０は、電気光学効果を有する材料の結晶で構成されている。具体的には、電気光学結晶基板１０は、電界が印加されると光学定数（例えば、屈折率）が変化し得る。１つの実施形態においては、電気光学結晶基板１０のｃ軸は、電気光学結晶基板１０に平行であり得る。すなわち、電気光学結晶基板１０は、Ｘカットの基板であってもよくＹカットの基板であってもよい。別の実施形態においては、電気光学結晶基板１０のｃ軸は、電気光学結晶基板１０に垂直であり得る。すなわち、電気光学結晶基板１０は、Ｚカットの基板であってもよい。電気光学結晶基板１０の厚みは、目的に応じて任意の適切な厚みに設定され得る。電気光学結晶基板１０の厚みは、例えば０．１μｍ～１０μｍであり得る。後述するように、複合基板は支持基板により補強されているので、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。電気光学結晶基板の厚みは、好ましくは０．２μｍ以上であり、より好ましくは０．３μｍ以上であり、さらに好ましくは０．４５μｍ以上である。電気光学結晶基板の厚みの下限がこのような範囲であれば、電気光学素子において光の伝搬損失を小さくすることができる。一方、電気光学結晶基板の厚みは、好ましくは５．０μｍ以下であり、より好ましくは２．８μｍ以下であり、さらに好ましくは１．０μｍ以下である。電気光学結晶基板の厚みの上限がこのような範囲であれば、電気光学素子の高速および低電圧駆動性能を向上させることができる。また、電気光学結晶基板の厚みがこのような範囲であれば、高誘電率層を用いる効果が顕著なものとなる。すなわち、光の伝搬損失の低下を抑制しつつ、より高速およびより低電圧での駆動を実現することが可能となる。
電気光学結晶基板１０は、電気光学素子において電気光学効果を有する層（機能層）となり得る。例えば、電気光学結晶基板１０の一部または全部は、電気光学素子において光を伝える光導波路となり得る。電気光学結晶基板１０は、外部に露出する上面と、複合基板内に位置する下面と、を有する。電気光学結晶基板１０は、電気光学効果を有する材料の結晶で構成されている。具体的には、電気光学結晶基板１０は、電界が印加されると光学定数（例えば、屈折率）が変化し得る。１つの実施形態においては、電気光学結晶基板１０のｃ軸は、電気光学結晶基板１０に平行であり得る。すなわち、電気光学結晶基板１０は、Ｘカットの基板であってもよくＹカットの基板であってもよい。別の実施形態においては、電気光学結晶基板１０のｃ軸は、電気光学結晶基板１０に垂直であり得る。すなわち、電気光学結晶基板１０は、Ｚカットの基板であってもよい。電気光学結晶基板１０の厚みは、目的に応じて任意の適切な厚みに設定され得る。電気光学結晶基板１０の厚みは、例えば０．１μｍ～１０μｍであり得る。後述するように、複合基板は支持基板により補強されているので、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。電気光学結晶基板の厚みは、好ましくは０．２μｍ以上であり、より好ましくは０．３μｍ以上であり、さらに好ましくは０．４５μｍ以上である。電気光学結晶基板の厚みの下限がこのような範囲であれば、電気光学素子において光の伝搬損失を小さくすることができる。一方、電気光学結晶基板の厚みは、好ましくは５．０μｍ以下であり、より好ましくは２．８μｍ以下であり、さらに好ましくは１．０μｍ以下である。電気光学結晶基板の厚みの上限がこのような範囲であれば、電気光学素子の高速および低電圧駆動性能を向上させることができる。また、電気光学結晶基板の厚みがこのような範囲であれば、高誘電率層を用いる効果が顕著なものとなる。すなわち、光の伝搬損失の低下を抑制しつつ、より高速およびより低電圧での駆動を実現することが可能となる。
【0016】
電気光学結晶基板１０を構成する材料としては、本発明の実施形態による効果が得られる限りにおいて任意の適切な材料が用いられ得る。そのような材料としては、代表的には、誘電体（例えば、セラミック）が挙げられる。具体例としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３：ＬＴ）、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）、ニオブ酸カリウム・リチウム（ＫｘＬｉ（１－ｘ）ＮｂＯ２：ＫＬＭ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３：ＫＮ）、タンタル酸・ニオブ酸カリウム（ＫＮｂｘＴａ（１－ｘ）Ｏ３：ＫＴＮ）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体が挙げられる。
【0017】
Ｃ．支持基板
支持基板３０は、複合基板内に位置する上面と、外部に露出する下面と、を有する。支持基板３０は、複合基板の強度を高めるために設けられており、これにより、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。支持基板３０としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板３０を構成する材料の具体例としては、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、サイアロン（Ｓｉ３Ｎ４－Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２，２Ａｌ２Ｏ３・３ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）が挙げられる。なお、支持基板３０を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１０を構成する材料の線膨張係数に近いほど好ましい。このような構成であれば、複合基板の熱変形（代表的には、反り）を抑制することができる。好ましくは、支持基板３０を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１０を構成する材料の線膨張係数に対して５０％～１５０％の範囲内である。この観点から、支持基板３０の構成材料は電気光学結晶基板１０と同じであってもよく、特にＬＮまたはＬＴを使用する場合には、その焦電性を抑えた基板を使用することができる。
支持基板３０は、複合基板内に位置する上面と、外部に露出する下面と、を有する。支持基板３０は、複合基板の強度を高めるために設けられており、これにより、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。支持基板３０としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板３０を構成する材料の具体例としては、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、サイアロン（Ｓｉ３Ｎ４－Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２，２Ａｌ２Ｏ３・３ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）が挙げられる。なお、支持基板３０を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１０を構成する材料の線膨張係数に近いほど好ましい。このような構成であれば、複合基板の熱変形（代表的には、反り）を抑制することができる。好ましくは、支持基板３０を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１０を構成する材料の線膨張係数に対して５０％～１５０％の範囲内である。この観点から、支持基板３０の構成材料は電気光学結晶基板１０と同じであってもよく、特にＬＮまたはＬＴを使用する場合には、その焦電性を抑えた基板を使用することができる。
【0018】
支持基板の厚みとしては、複合基板の補強効果を有する限りにおいて任意の適切な厚みが採用され得る。支持基板の厚みは、例えば１００μｍ～１０００μｍである。支持基板の厚みが薄すぎると、補強効果および取り扱い性が不十分となる場合がある。支持基板の厚みが厚すぎると、以下のような問題が発生する場合がある：（１）基板厚みが大きくなり従来プロセスで流動が困難となる、（２）得られる電気光学素子が厚くなりパッケージサイズが従来よりも大きくなってしまう、（３）支持基板の放熱性が不十分となる、（４）低周波数域でリップルが発生しやすくなる。
【0019】
上記のとおり、支持基板３０には低誘電率層５０が形成されていてもよい。低誘電率層を設けることにより、支持基板に関わらず低誘電率のみで速度整合条件を満足させることができる。また、第２の高誘電率層２２と支持基板３０の双方への原子の移動がなく界面の誘電率の差（結果として、屈折率の差）を大きくすることができる。その結果、高誘電率層の厚みを厚くすることなく、設計通りで製造時のばらつきや環境による経時変化の小さい電気光学素子を提供することができる。さらに、低誘電率層を設けることにより、支持基板の材料の選択肢を拡げることができる。低誘電率層としては、このような効果を有する限りにおいて任意の適切な構成が採用され得る。低誘電率層５０を構成する材料の具体例としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）が挙げられる。
【0020】
低誘電率層の厚みとしては、任意の適切な厚みが採用され得る。低誘電率層の厚みは、好ましくは０．６μｍ～２０μｍであり、より好ましくは５μｍ～１５μｍである。低誘電率層の厚みがこのような範囲であれば、支持基板に関わらず、あるいは、低誘電率層を主にして速度整合条件を満足させることができるという利点がある。
【0021】
Ｄ．高誘電率層
第１の高誘電率層２１および第２の高誘電率層２２は、それぞれが同一の構成（実質的には、構成材料、厚み）であってもよく、互いが異なる構成であってもよい。好ましくは、第１の高誘電率層２１および第２の高誘電率層２２は、それぞれが同一材料で構成され得る。互いに異なる構成材料の第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２とを直接接合した場合、接合界面に形成されたアモルファス層を介して第１の高誘電率層および第２の高誘電率層を構成する材料（実質的には、原子）が互いに拡散・移行し得る。その結果、第１の高誘電率層および第２の高誘電率層のアモルファス層近傍部分は、それ以外の部分と異なる組成となり得る。その結果、予期せぬ導電率上昇および／または過度な応力の発生を引き起こす可能性がある。第１の高誘電率層および第２の高誘電率層を同一材料で構成することにより、このような不具合を防止することができる。
第１の高誘電率層２１および第２の高誘電率層２２は、それぞれが同一の構成（実質的には、構成材料、厚み）であってもよく、互いが異なる構成であってもよい。好ましくは、第１の高誘電率層２１および第２の高誘電率層２２は、それぞれが同一材料で構成され得る。互いに異なる構成材料の第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２とを直接接合した場合、接合界面に形成されたアモルファス層を介して第１の高誘電率層および第２の高誘電率層を構成する材料（実質的には、原子）が互いに拡散・移行し得る。その結果、第１の高誘電率層および第２の高誘電率層のアモルファス層近傍部分は、それ以外の部分と異なる組成となり得る。その結果、予期せぬ導電率上昇および／または過度な応力の発生を引き起こす可能性がある。第１の高誘電率層および第２の高誘電率層を同一材料で構成することにより、このような不具合を防止することができる。
【0022】
高誘電率層としては、マイクロ波実効誘電率（屈折率）の過剰な低下を抑制して高速および低電圧駆動を実現するという効果を有する限りにおいて、任意の適切な構成が採用され得る。高誘電率層を構成する材料の具体例としては、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、シリコン（例えば、アモルファスシリコン）が挙げられる。
【0023】
高誘電率層の厚みとしては、任意の適切な厚みが採用され得る。高誘電率層の厚みは、好ましくは０．００１μｍ～１．０μｍであり、より好ましくは０．０１μｍ～０．１μｍである。高誘電率層の厚みがこのような範囲であれば、低誘電率層や支持基板によるマイクロ波実効誘電率（屈折率）の過剰な低下を抑制でき、同時に、マイクロ波実効誘電率の増加を小さくすることができるという利点がある。
【0024】
Ｅ．アモルファス層
アモルファス層４０は、第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２との直接接合により接合界面に形成された層である。アモルファス層４０は名称のとおりアモルファス構造を有しており、第１の高誘電率層２１を構成する元素と第２の高誘電率層２２を構成する元素とで構成されている。アモルファス層は、代表的には、直接接合に用いられる中性原子ビームを構成する原子種（代表的には、アルゴン、窒素）をさらに含み得る。アモルファス層におけるこのような原子種の含有量は、例えば１．５原子％～２．５原子％であり得る。
アモルファス層４０は、第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２との直接接合により接合界面に形成された層である。アモルファス層４０は名称のとおりアモルファス構造を有しており、第１の高誘電率層２１を構成する元素と第２の高誘電率層２２を構成する元素とで構成されている。アモルファス層は、代表的には、直接接合に用いられる中性原子ビームを構成する原子種（代表的には、アルゴン、窒素）をさらに含み得る。アモルファス層におけるこのような原子種の含有量は、例えば１．５原子％～２．５原子％であり得る。
【0025】
アモルファス層の厚みは、例えば０．１ｎｍ～１００ｎｍ、また例えば２ｎｍ～１５ｎｍであり得る。
【0026】
アモルファス層４０は、第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２との直接接合においてこれらの層の構成材料の原子が拡散することにより形成される。したがって、アモルファス層の上面（第１の高誘電率層２１との界面）および下面（第２の高誘電率層２２との界面）は、必ずしも平坦ではない。アモルファス層の上面および下面の算術平均粗さは、例えば０．１ｎｍ～１０ｎｍであり得る。さらに、このような形成過程に起因して、アモルファス層の上部および下部は、それぞれが異なる組成を有する場合がある。このようなアモルファス層が電気光学基板または支持基板と高誘電率層との界面に形成される場合には、上記のとおり、アモルファス層自体が電気光学結晶基板に悪影響を与え、あるいは、アモルファス層を介して支持基板の構成材料が拡散することにより高誘電率層に悪影響を与える場合がある。本発明の実施形態によれば、第１の高誘電率層２１と第２の高誘電率層２２とを直接接合することにより、アモルファス層を電気光学結晶基板および支持基板のいずれからも隔離して形成することができるので、このような不具合を防止することができる。
【実施例】
【0027】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。
【0028】
＜実施例１＞
電気光学結晶基板として直径４インチのＸカットニオブ酸リチウム基板、支持基板として直径４インチのシリコン基板（厚み５００μｍ）を用意した。まず、電気光学結晶基板上に酸化タンタルをスパッタリングして、厚み０．０３μｍの第１の高誘電率層を形成した。次いで、支持基板上に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み１０．０μｍの低誘電率層を形成した。得られた低誘電率層をわずかにＣＭＰ研磨して、低誘電率層表面の算術平均粗さＲａを小さくした。次いで、低誘電率層表面を洗浄し、当該洗浄表面に酸化タンタルをスパッタリングして、厚み０．０３μｍの第２の高誘電率層を形成した。ここで、原子間力顕微鏡を用いて、第２の高誘電率層と低誘電率層との界面の□１０μｍ算術平均粗さ、および、低誘電率層と支持基板との界面の算術平均粗さを測定したところ、いずれも□１０μｍで０．２ｎｍであった。次に、第１の高誘電率層および第２の高誘電率層の表面を洗浄した後、第１の高誘電率層と第２の高誘電率層とを直接接合することにより電気光学結晶基板と支持基板とを一体化した。直接接合は、以下のようにして行った。電気光学結晶基板および支持基板を真空チャンバーに投入し、１０－６Ｐａ台の真空中で、電気光学結晶基板および支持基板の接合面（第１の高誘電率層および第２の高誘電率層の表面）に高速Ａｒ中性原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量６０ｓｃｃｍ）を７０ｓｅｃ間照射した。照射後、１０分間放置して電気光学結晶基板および支持基板を放冷したのち、電気光学結晶基板および支持基板の接合面（第１の高誘電率層および第２の高誘電率層のビーム照射面）を接触させ、４．９０ｋＮで２分間加圧して電気光学結晶基板と支持基板とを接合した。接合後、電気光学結晶基板の厚みが０．５μｍになるまで研磨加工し、図２の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
電気光学結晶基板として直径４インチのＸカットニオブ酸リチウム基板、支持基板として直径４インチのシリコン基板（厚み５００μｍ）を用意した。まず、電気光学結晶基板上に酸化タンタルをスパッタリングして、厚み０．０３μｍの第１の高誘電率層を形成した。次いで、支持基板上に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み１０．０μｍの低誘電率層を形成した。得られた低誘電率層をわずかにＣＭＰ研磨して、低誘電率層表面の算術平均粗さＲａを小さくした。次いで、低誘電率層表面を洗浄し、当該洗浄表面に酸化タンタルをスパッタリングして、厚み０．０３μｍの第２の高誘電率層を形成した。ここで、原子間力顕微鏡を用いて、第２の高誘電率層と低誘電率層との界面の□１０μｍ算術平均粗さ、および、低誘電率層と支持基板との界面の算術平均粗さを測定したところ、いずれも□１０μｍで０．２ｎｍであった。次に、第１の高誘電率層および第２の高誘電率層の表面を洗浄した後、第１の高誘電率層と第２の高誘電率層とを直接接合することにより電気光学結晶基板と支持基板とを一体化した。直接接合は、以下のようにして行った。電気光学結晶基板および支持基板を真空チャンバーに投入し、１０－６Ｐａ台の真空中で、電気光学結晶基板および支持基板の接合面（第１の高誘電率層および第２の高誘電率層の表面）に高速Ａｒ中性原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量６０ｓｃｃｍ）を７０ｓｅｃ間照射した。照射後、１０分間放置して電気光学結晶基板および支持基板を放冷したのち、電気光学結晶基板および支持基板の接合面（第１の高誘電率層および第２の高誘電率層のビーム照射面）を接触させ、４．９０ｋＮで２分間加圧して電気光学結晶基板と支持基板とを接合した。接合後、電気光学結晶基板の厚みが０．５μｍになるまで研磨加工し、図２の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
【0029】
上記で得られた複合基板を用いて、光導波路（リッジ型導波路）および電極を形成して光変調器を作製した。電極間のギャップを３μｍ、電極長Ｌを１ｃｍとした場合、半波長電圧Ｖπと電極長Ｌの積Ｖπ・Ｌは１．０Ｖｃｍであった。光導波路の伝搬損失は０．５ｄＢであった。さらに、光コンポーネントアナライザにて光変調器の変調帯域を測定した結果、変調帯域は５０ＧＨｚであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
【0030】
＜実施例２＞
支持基板として石英ガラス基板（厚み５００μｍ）を用いたこと、および、支持基板に低誘電率層を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、図２に類似した電気光学素子用複合基板（ただし、第２の高誘電率層と支持基板との間に低誘電率層なし）を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
さらに、得られた複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Ｖπと電極長Ｌの積Ｖπ・Ｌは１．０Ｖｃｍであった。光導波路の伝搬損失は０．５ｄＢであった。さらに、変調帯域は５０ＧＨｚであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
支持基板として石英ガラス基板（厚み５００μｍ）を用いたこと、および、支持基板に低誘電率層を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、図２に類似した電気光学素子用複合基板（ただし、第２の高誘電率層と支持基板との間に低誘電率層なし）を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
さらに、得られた複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Ｖπと電極長Ｌの積Ｖπ・Ｌは１．０Ｖｃｍであった。光導波路の伝搬損失は０．５ｄＢであった。さらに、変調帯域は５０ＧＨｚであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
【0031】
＜比較例１＞
電気光学結晶基板に第１の高誘電率層を形成しなかったこと（すなわち、電気光学結晶基板１０と第２の高誘電率層２２とを直接接合したこと）以外は実施例１と同様にして、図３の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
さらに、得られた複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Ｖπと電極長Ｌの積Ｖπ・Ｌは１．２Ｖｃｍであった。光導波路の伝搬損失は１．０ｄＢであった。さらに、変調帯域は５０ＧＨｚであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
半波長電圧が増加してしまった理由としては、接合界面に形成されたアモルファス層４０が電気光学結晶基板１０内に進展しまったため、この領域においてニオブ酸リチウム結晶の電気光学効果が低下したことが原因と考えられる。この領域に分布する光電界は電圧印加による屈折率変化が小さくなり、光導波路を伝搬する光の位相シフト量が低下し、その結果、光変調器の半波長電圧が増加したものと推察され得る。
また、光伝搬損失が増加した理由としては、接合界面に形成されたアモルファス層４０による吸収および／または散乱が原因と考えられる。アモルファス層は、ニオブ酸リチウムと酸化タンタルの混成層となっており、このアモルファス層内の組成のバラツキおよび／またはアモルファス層形成時の内部応力により光が吸収され、アモルファス層と電気光学結晶基板との界面において光が散乱したと推察され得る。
電気光学結晶基板に第１の高誘電率層を形成しなかったこと（すなわち、電気光学結晶基板１０と第２の高誘電率層２２とを直接接合したこと）以外は実施例１と同様にして、図３の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
さらに、得られた複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Ｖπと電極長Ｌの積Ｖπ・Ｌは１．２Ｖｃｍであった。光導波路の伝搬損失は１．０ｄＢであった。さらに、変調帯域は５０ＧＨｚであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
半波長電圧が増加してしまった理由としては、接合界面に形成されたアモルファス層４０が電気光学結晶基板１０内に進展しまったため、この領域においてニオブ酸リチウム結晶の電気光学効果が低下したことが原因と考えられる。この領域に分布する光電界は電圧印加による屈折率変化が小さくなり、光導波路を伝搬する光の位相シフト量が低下し、その結果、光変調器の半波長電圧が増加したものと推察され得る。
また、光伝搬損失が増加した理由としては、接合界面に形成されたアモルファス層４０による吸収および／または散乱が原因と考えられる。アモルファス層は、ニオブ酸リチウムと酸化タンタルの混成層となっており、このアモルファス層内の組成のバラツキおよび／またはアモルファス層形成時の内部応力により光が吸収され、アモルファス層と電気光学結晶基板との界面において光が散乱したと推察され得る。
【0032】
＜比較例２＞
支持基板に第２の高誘電率層を形成しなかったこと（すなわち、第１の高誘電率層２１と低誘電率層５０とを直接接合したこと）以外は実施例１と同様にして、図４の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれの不良が発生した。はがれは、複合基板の全面積に対して約３０％の割合で発生していた。なお、上記と同様にして別の複合基板（ウェハ）の作製を試みたところ、全く接合できない場合もあった。
さらに、上記のはがれが約３０％の複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Ｖπと電極長Ｌの積Ｖπ・Ｌは１．０Ｖｃｍであった。光導波路の伝搬損失は０．５ｄＢであった。さらに、変調帯域は４０ＧＨｚであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
変調帯域が低下した理由としては、第１の高誘電率層２１の誘電率が低下したことが原因と考えられる。直接接合時に第１の高誘電率層２１と低誘電率層５０との界面にアモルファス層４０が形成されることにより、第１の高誘電率層のある部分は酸化シリコンの拡散によって誘電率が低下してしまい、電気信号の実効誘電率および実効屈折率の低下を抑制できず、速度整合条件からのずれによって変調帯域が低下したと推察され得る。
支持基板に第２の高誘電率層を形成しなかったこと（すなわち、第１の高誘電率層２１と低誘電率層５０とを直接接合したこと）以外は実施例１と同様にして、図４の電気光学素子用複合基板を得た。得られた電気光学素子用複合基板においては、接合界面にはがれの不良が発生した。はがれは、複合基板の全面積に対して約３０％の割合で発生していた。なお、上記と同様にして別の複合基板（ウェハ）の作製を試みたところ、全く接合できない場合もあった。
さらに、上記のはがれが約３０％の複合基板から光変調器を作製した。半波長電圧Ｖπと電極長Ｌの積Ｖπ・Ｌは１．０Ｖｃｍであった。光導波路の伝搬損失は０．５ｄＢであった。さらに、変調帯域は４０ＧＨｚであり、この周波数以下において変調特性にリップルは検出されなかった。
変調帯域が低下した理由としては、第１の高誘電率層２１の誘電率が低下したことが原因と考えられる。直接接合時に第１の高誘電率層２１と低誘電率層５０との界面にアモルファス層４０が形成されることにより、第１の高誘電率層のある部分は酸化シリコンの拡散によって誘電率が低下してしまい、電気信号の実効誘電率および実効屈折率の低下を抑制できず、速度整合条件からのずれによって変調帯域が低下したと推察され得る。
【0033】
＜実施例３～１６および比較例３～１２＞
表１に示す構成で電気光学素子用複合基板を作製し、接合界面のはがれ等の不良の有無を観察した。さらに、得られた複合基板から光変調器を作製し、実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。
表１に示す構成で電気光学素子用複合基板を作製し、接合界面のはがれ等の不良の有無を観察した。さらに、得られた複合基板から光変調器を作製し、実施例１と同様の評価に供した。結果を表１に示す。
【0034】
【表1】
【0035】
表１から明らかなように、本発明の実施例によれば、２つの高誘電率層（第１の高誘電率層および第２の高誘電率層）を直接接合して電気光学結晶基板と支持基板とを一体化することにより、はがれが抑制された電気光学素子用複合基板を得ることができる。さらに、本発明の実施例の電気光学素子用複合基板は、光の伝搬損失が小さく、かつ、高速および低電圧駆動が可能な電気光学素子（例えば、光変調器）を実現できることがわかる。
【0036】
さらに、実施例７の電気光学素子用複合基板について、第１の高誘電率層と第２の高誘電率層との接合界面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した。ＴＥＭ画像（倍率：２００万倍）を図５に示す。図５から明らかなように、第１の高誘電率層と第２の高誘電率層との接合界面にはアモルファス層が形成されていることを確認した。併せて、第１の高誘電率層とアモルファス層との界面近傍、アモルファス層、および、アモルファス層と第２の高誘電率層との界面近傍の組成をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により調べた。結果を表２に示す。表２から明らかなように、アモルファス層およびその近傍には、直接接合に用いられる中性原子ビームを構成するアルゴンが含まれていた。アモルファス層近傍の酸素は、成膜装置の治具の吸着水分からでたものや成膜後の酸化によって検出される。必要に応じて、光学特性、電気特性や接合強度の観点から意図的に酸素をドープしてもよい。
【0037】
【表2】
【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明の実施形態による複合基板は、電気光学素子（例えば、光変調器）に好適に用いられ得る。
【符号の説明】
【0039】
１０ 電気光学結晶基板
２１ 第１の高誘電率層
２２ 第２の高誘電率層
３０ 支持基板
４０ アモルファス層
５０ 低誘電率層
１００ 電気光学素子用複合基板
２１ 第１の高誘電率層
２２ 第２の高誘電率層
３０ 支持基板
４０ アモルファス層
５０ 低誘電率層
１００ 電気光学素子用複合基板
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
