在非線性鐵電基板上制作疇反轉結構的方法和裝置的制作方法

專利名稱：在非線性鐵電基板上制作疇反轉結構的方法和裝置的制作方法
技術領域：
0001本發明涉及在鐵電基板上制作晶疇反轉結構，要求其在非
線性光學設備和其他光子器件下進行，該非線性光學設備以準相位
匹配(QPM)技術為基準。
背景技術：
0002鐵電材料反轉晶疇是開發光學非線性設備例如波長轉換器 的關鍵:沖支術。波長轉換器的一個實例7^開于文獻"J.A. Armstrong et al., Physical Review, vol. 127， No.6, Sep. 15， 1962，pp.l918-1939;C.Q.Xu， et al" Appl. Phys丄ett,，Vo1.63, 1993, pp.3559-3561; 以及 K. Gallo, et al" Appl. Phys, Lett., vol.71,1997,pp.l020-1022"。該文獻中，波長轉換裝置采用了帶有波 導的波長轉換元件，其中在波導方向上形成周期性晶疇反轉光柵， 用以滿足準相位匹配(QPM)的條件。通過向波長轉換元件輸入角 頻率COp的泵浦光和角頻率03s的信號光，實現波長轉換，以獲耳又角 頻率ODe的轉換光。如果使用更高角頻率的泵浦光，那么轉換角頻率 o)c可以通過coc = cop - cos得到(即產生差頻(DFG)),另外轉換角頻
率(0c可以通過C0e二2 0)p-C0s得到(即級聯二階非線性相互作用)。
波長轉換器的另 一個實例在文獻"J.A. Armstrong et al.， Physical Review, vol.l27， No.6， Sep.15， 1962，pp.l918-1939;MYamada, et al.， Applied Physics Letters, vol.62， no.5, 1993，pp.435-436，，中公開。該文
獻中，波長轉換裝置僅僅采用了周期性晶疇反轉光柵來滿足準相位匹配的條件。通過向波長轉換元件l命入角頻率COf的泵浦光來實現波長轉換，以獲耳又角頻率2cOf的轉換光，即產生二次諧波(SHG)。0003為了實現高效率的波長轉換，必需高度均勻周期性晶疇反 轉結構。在文獻"AKinori Harada, U.S. Patent No,5,594,746; AKinori Harada, U.S. Patent No.5,568，308;A.Harada， et al.， Applied Physics Letters, vol.69,no.l8，1996，pp.2629-2631"中公開了周期性晶疇反轉結 構的一種制作方法，如圖1所示。在該文獻中，將電暈線3與4妻地 屏蔽4安置在摻雜氧化鎂的鈮酸鋰單晶基板1的-c面上方，同時將 周期性電極圖案2安置在基板的+c面上。電極是接地的。只要高壓 電源5向電暈線^T入了高電壓，電暈》i電就j皮啟動，則基4反-c面上 產生了負電荷。由于-c面上存在電荷，造成了電壓電勢差，,人而產 生穿過基板的強電場。若產生的電場大于晶體的內部電場(即矯頑 電場)，在電極之下的晶疇就可被反轉，這是因為所產生電場的方 向與晶體內部電場是相反的。由于矯頑電場會隨著溫度的上升而減 小，在該文獻中采用了溫度控制器6來減小疇反轉所需的電場。利 用真空泵7來增強周期,l"生電才及圖案(electrode pattern )之間的電歧 視。0004由于^f吏用電暈線(corona wire),以上所7>開的疇反4爭方法 只能沿著電暈線的方向在 一個狹小的面積內進行晶體極化。期待能 在整個晶片(例如3"圓形晶片)的全部面積上實現均勻疇反轉。0005在文獻"Fang， U.S. Patent No.5,045，364, Soane, et al., U.S. Patent No.5，026,147"中公開了另 一種用來制作周期性晶疇反轉結構 的方法，如圖2所示。該文獻中，在聚合物薄膜21 —面的上方安 置一個針形電極3,同時在聚合物膜另一個面的上方安置一個電極 圖案22。此薄膜形成于基板24上。電極需接地。只要高壓電源5 向針形電極輸入了高電壓，電暈就向聚合物頂面釋》i:電荷。由于頂 面存在電荷，造成了電壓電勢差，從而產生了穿過聚合物薄膜的強電場。 一旦產生了足夠的電場，電極下的聚合物分子將沿著電場進 行排列。除非受熱，聚合物偶極耳又向將保持相對不變。因此才及化過 程包4舌加熱樣本、應用才及化電場，還包括了冷卻樣本，該步駛M吏排列的聚合物偶極子固化。該文獻中，聚合物極化需要溫度控制器6。0006以上所才艮道的疇反轉方法只能直4妾在針形電才及下的小區域 內進行晶體極化。期待能在整個晶片(例如3"圓晶片)的全部面積 上實現均勻極化。所報道方法的一個缺陷是存在轉化為火花放電 或形成離子束的高風險，可能會損壞基板或者導致不均勻極化。發明內容0007本發明的目標在于提供一種改進的疇反轉方法，該方法簡 化了構造并能進行大面積極化。0008本發明提供了一種鐵電疇反轉方法，其中將電暈炬(cornoa touch)安置在基板的一個表面上，把電極安置在基板另一個相反面 上，利用它們產生所需的電場進4亍4失電晶體(ferroelectric crystal) 的反專爭才及"f匕(reverse polarization )。0009本發明同時提供了極化晶體的裝置，包括電暈炬，被安置在鐵電基板的其中一個面的上方；一個高壓(DC,AC或RF)電源，與電暈炬連4妻以形成電暈方欠電；一個鐵電晶體基板，基板的一個面上具有周期性電極圖案；一個樣本架，基板安放在其上，并且基板上的電極圖案面向著樣本架；用于i曾強電才及圖案的電磁j見(electrical discrimination of the electrode pattern )的裝置；用于控制基板溫度的裝置；和一個氣體源，用于々是供電暈放電時所需的必要的環境。


0010將以舉例的方式描述本發明的具體實施方式
，并參照附圖， 其中圖1是基于電暈線放電方法的晶體極化裝置的現有技術的示意圖，圖2是基于尖端》文電方法(needle discharge method )的聚合物才及^匕 裝置的現有技術的示意圖，圖3是用于說明根據本發明的晶體極化裝置的示意圖，圖4是用于說明根據本發明的電暈炬的結構的第 一種優選實施方式 的示意圖，圖5是用于說明根據本發明的電暈炬布置的各種構型的第二種優選 實施方式的示意圖，圖6是用于說明根據本發明的改進的電暈炬布置的第三種優選實施 方式的示意圖，圖7用于說明根據本發明的電暈炬和電暈線的組合的第四種優選實 施方式的示意圖，圖8是用于說明根據本發明的電暈線布置的第五種優選實施方式的 示意圖，圖9是用于說明根據本發明的改進的氣體流動單元的第六種優選實
施方式的示意圖，
圖10是用于說明根據本發明的改進的電極的第七種優選實施方式 的示意圖。
具體實施例方式
0011在第一種優選的實施方式中，如圖3所示，優選的晶體極化 裝置包括電暈炬3，安置在帶有電源5的鐵電單晶的-c面上方。基 板l接地，且基板的+c面上具有周期性電極圖案2。將鐵電基板設 置在樣本架11上，樣本架與真空泵6及溫度控制器8連接。真空 度設置在10"托 1大氣壓之間，溫度在室溫 200、的范圍之間。 整個系統可置于腔室12中，該腔室帶有一個頂蓋9和一個底蓋10， 且將該系統與第二個真空泵7連接。第二個真空泵的真空度可以設 置在10—3托 1大氣壓的范圍之間。電暈炬3與高壓電源5連接，并 通過氣體源4供給N2氣體。電源5供給的電壓值可以設置在1 kV 100kV之間(例如10kV)，以達到晶體極化所需要的電場強度。N2 氣體流速為0 100 L/min之間的值(例如5 L/min)。
0012圖4中示出了在圖3中所示的晶體極化裝置中使用的電暈 炬。該電暈炬由具有相同內徑的兩個金屬管形成。金屬管的內徑可 以在1 mm 10mm之間(例如1 mm)。兩個金屬管的外徑可以是1 mm至1000mm之間的^直(例如第一圓筒1為10mm，而第二圓筒 為14為2 mm )。兩個金屬管的長度可以是1 mm至1000 mm之間 的值(例如第一金屬管1為50 mm，且第二金屬管14為50 mm )。 該兩個金屬管被由電絕緣材料(例如特氟綸)制成的管15所保護， 并且與電源5以及氣體源4相連4妄。在絕纟彖管15的外露表面(outlet surface )上形成的第二電4及16是4妄地的。0013在本發明的第二種優選實施方式中，圖5中示出了在圖3 中所示的晶體極化裝置中使用的具有排列構型的可替換電暈炬。在 圖5 ( a )中，若多個炬(例如5個炬)均按一定的間隔(例如10 mm) 沿著一條線排列而成。每個炬可以與相同高壓電源連4妄或與不同的 高壓電源彼此獨立地連接。與圖3所示的單個炬構型相比，圖5(a) 所示的構型能有效進行更大矩形面積的晶體極化。在圖5 (b)中， 多個炬(例如8個炬)按一定的角度間隔(如45。)排列成圓形。 i亥圓的半才圣可以是1 mm至100 mm 之間的^f直(例3口 10 mm )。每個 炬可以與相同的高壓電源連沖妾或與不同的高電壓源;波此獨立:t也連 接。與圖3所示的單個炬構型相比，圖5 (b)所示的構型能有效進 行更大圓形面積的晶體極化，因為通過使用這種構型，在基板的整 個-c表面上可以實現均勻的電荷分布。在圖5(c)中，將多個炬(例 如4個炬)i殳置在一個圓周上且間隔一定角度(例如90°)，同時還 有炬i殳置在該圓周的中心。該圓周的半4圣可以是1 mm至100 mm 之間的值(例如10 mm)。每個炬可以與相同的高壓電源連接或與 不同的高電壓源;波此獨立i也連4妄。與圖3所示的單個炬構型相比， 圖5 (c)所示的構型能有效進行更大圓形面積的晶體極化，因為通 過使用這種構型，在基板的整個-c表面上可以實現均勻的電荷分布。 在圖5(d)中，將多個炬(例如12個炬)設置在兩個圓周上，并 間隔一定角度(例如第一圓周上為45°，而第二圓周上為90。)。該 圓周的半徑可以是l mm至100mm之間的值(例如第一圓周為10 mm，而第二圓周為20mm)。每個炬可以與相同的高壓電源連接或 與不同的高電壓源4皮此獨立地連4妾。與圖3所示的單個炬構型相比， 圖5 (d)所示的構型能有效進行更大圓形面積的晶體極化，因為通 過使用這種構型，在基板的整個-c表面上可以實現均勻的電荷分布。 在圖5 (e)中，多個炬(例如4個炬)排列在正方形的每個角上。 該正方形的邊可以是1 mm至100 mm之間(例如10 mm)。每個炬可 以與相同的高壓電源連4妄或與不同的高電壓源彼此獨立地連"^妄。與 圖3所示的單個炬構型相比，圖5 (e)所示的構型能有效進4亍更大正方形或者圓形面積的晶體極化，因為通過^f吏用這種構型，在基板
的整個-c表面上可以實現均勻的電荷分布。在圖5 (f)中，多個炬 (例如4個炬)4非列在正方形的每個角上，同時在正方形的中央i殳 置另一個炬。該正方形的邊可以是1 mm至100 mm之間的^f直(例 如10 mm)。每個炬可以與相同的高壓電源連接或與不同的高電壓 源;波此獨立地連4妄。與圖3所示的單個炬構型相比，圖5 (f)所示 的構型能有效進行更大正方形或者圓形面積的晶體才及化，因為通過 使用這種構型，在基4反的整個-c表面上可以實現均勻的電荷分布。 在圖5 (g)中，將多個炬(例如4個炬)排列在兩個正方形的每個 角上。正方形的邊可以是1 mm至100 mm之間的^直(例3o第一正 方形為10 mm,而第二個為20mm)。每個炬可以與相同的高壓電 源連接或與不同的高電壓源彼此獨立地連接。與圖3所示的單個炬 構型相比，圖5 (g)所示的構型能有效進4亍更大正方形或者圓形面 積的晶體極化，因為通過使用這種構型，在基板的整個-c表面上可 以實現均勻的電4肓分布。
0014在本發明的第三種優選實施方式中，圖6中示出了在圖3 中所示的晶體極化裝置中使用的具有布置構型的可4#換電暈炬。圖 6 (a)和圖6 (b)分別是該構型的側視圖和俯視圖。在圖6中，多 個炬(例如4個炬)4非列在一個正方形的四個角上，同時在正方形 的中央i殳置一個炬。該正方形的邊可以是1 mm至100 mm之間的 值(例如10 mm)。正方形中心的炬與正方形角上的炬之間的高度 差d可以是1 mm至10 mm之間的值(例如5 mm )。每個炬可以與 相同的高壓電源連接或與不同的高電壓源彼此獨立地連接。與圖5
(f)所示的炬構型相比，采用圖6所示的構型能在基板的整個-c 面上實現更均勻的電荷分布，是由于下面的原因。第一，每個電暈 炬所釋放的暈電荷具有特定的分布。炬正下方的電荷密度會偏高。 因此，正方形中央附近位置的電荷密度往往偏高。第二，電荷密度 取決于炬的高度(即炬與基板-c面之間的距離)。電暈炬越高，表
ii面電荷密度就越低。因此，可以通過升高或者降低位于正方形炬排 列中央的炬的高度來控制電暈炬的電荷分布。
0015本發明的第四種優選實施方式中，圖7中示出了在圖3中 所示的晶體極化裝置中使用的電暈炬。在圖7中，采用了圓形的電 暈線71，同時還在圓的中央i殳置炬73。該圓周的半^圣可以是1 mm 至100 mm之間的^直(例如10 mm )。電暈線和炬可以與相同高壓電 源連4妻或不同的高壓電源74、 75 4皮此獨立i也連4妄。與圖3所示的 單個炬構型相比，圖7所示的構型能有效進行更大圓形面積的晶體 極化，因為通過4吏用這種構型，在基板的整個-c表面上可以實現均 勻的電4節分布。
0016在本發明的第五種優選實施方式中，在圖8中所示的排列 結構中使用了如圖3中所示的電暈炬。在圖8中，采用了電暈炬布 置82。放電裝置被安置在基板81的上方。排列的間隔可以是1 mm 至100 mm之間的值(例如10 mm)。電暈炬可以與相同高壓電源 85連4妄或4皮此獨立地與不同的高電壓源連4妄。電暈炬可以與相同氣 體源84連4妾或#1此獨立地與不同的氣體源連接。與圖3所示的單 個炬構型或與圖1所示的單線狀構型相比，圖8所示的構型能有效 進行更大面積的晶體極化，因為通過使用這種構型，在基板的整個 -c表面上可以實i見均匈的電荷分布。電暈炬的布置可以用類j以圖1 的電暈線的布置取代。
0017本發明的第六種優選實施方式中，在圖9中示出了在圖3 中所示的晶體才及化裝置中4吏用的氣流源。在圖9中，流入電暈炬的 氣體(來自氣體源94)的溫度由加熱器98控制。與圖3所示的氣 流裝置相比，圖9所示的構型能減少氣體與基板之間因存在溫差而 引起的壓力，這樣可以防止才及化過程中對基才反造成4壬何損壞。0018本發明的第七種優選實施方式中，圖10中示出了在圖3 中所示的晶體極化裝置中使用的樣品架。在圖10中，電極102形 成于基板101上，在電極102的頂部上4吏用Si02薄膜103以實現電 極圖案的電絕緣。因此，樣本架無需與高真空泵連接。與圖3所示 的樣本架相比，圖10所示的構型簡化了樣本架，因此降低了制造 成本。
0019上述實施方式已對摻雜氧化鎂的鈮酸鋰的晶體極化進行了 描述。當然，本發明中所敘述的方法可適用于其他鐵電材料，例如 LiTa03、 KTP等等。
0020以上實施方式包^"了適合多種不同電暈炬和電暈線的不同 構型。當然，所述構型的不同組合也可以進行大面積的晶體極化。
這些構型可以與本專利中明確存又述的那些以多種不同的方式ia合。
0021上述實施方式已經描述了與樣品架相連的加熱單元。當然， 其他的加熱單元，諸如IR加熱器也可以提供升高基板的溫度的相
似效果。
0022上述實施方式已經描述了電絕緣層(即Si02)。當然，其 他絕緣體如光刻膠也能為增強電極圖案的電歧視提供相似的效果。
0023上述實施方式已經描述了氣流(即N2)。當然，其他惰性 氣體如Ax也能為產生電暈放電提供類似的效果。
0024上述實施方式已經描述了與腔室連沖妄的為了排除腔室內不 必要氣體的第二真空泵。當然，其他清除腔室內氣體的方法也能為 排除腔室內不必要的氣體提供類似的效果。
10026現在對于本領i或的4支術人員來i兌，本發明的其他實施方式 是顯而易見的，本發明的范圍在所附的權利要求書作出了限定。
權利要求
1.一種用于鐵電疇反轉的方法，其中，使用位于基板的一個表面上的電暈炬和在所述基板的相對表面上的電極以產生反向極化所述鐵電晶體必要的電場。
2. —種晶體極化裝置，包括電暈炬，位于4失電基才反的一個表面上；高壓(DC、 AC或RF)電源，連4妾所述電暈炬以產生電 暈方文電；鐵電晶體基板，在所述基板的一個表面上具有周期性的 電極圖案；樣品架，其上i殳置有所述基板，且所述基4反的所述電才及 圖案朝向所述樣品架；增強所述電極圖案的電歧視的裝置；控制所述基板溫度的裝置；以及氣體源，提供電暈放電所需的必要環境。
3. 根據權利要求2所述的電極圖案，是接地的；并且形成于所述鐵電基板的+c表面上。
4. 根據權利要求2所述的增強所述電極圖案的電歧視的裝置，包 括真空泵；以及連接基板與所述真空泵的連接器。
5. 根據權利要求2所述的增強所述電極圖案的絕緣的裝置，包括在所述電極圖案的頂部的電絕緣膜。
6. 根據權利要求2所述的晶體極化裝置，組件如所述的電暈炬、 樣品架、和基板包含在一個腔室中。
7. 根據權利要求2所述的控制所述基板溫度的裝置，包括與所述樣品架連接的加熱器； 位于所述基一反附近的溫度傳感器；以及 穩定所述基板溫度的反饋回路。
8. 才艮據權利要求2所述的控制所述基板溫度的裝置，包括設置于所述樣品架旁邊的輻射加熱器； 位于所述基板附近的溫度傳感器；以及 穩定所述基纟反溫度的反々貴回^各。
9. 根據權利要求2所述的電暈炬，包括以一定距離排列的具有一 定構型的多個炬。
10. 根據權利要求9所述的多個電暈炬，其中，所述多個炬與一個 電源相連。
11. 根據權利要求9所述的多個電暈炬，其中，每個炬分別與獨立 的電源相連。
12. 根據權利要求9所述的多個電暈炬，其中，所述多個炬沿一條 直線排列。
13. 才艮據權利要求9所述的多個電暈炬，其中，所述多個炬沿一個 單獨的圓周或多個圓周進行_沒置。
14. 才艮據^^又利要求9所述的多個電暈炬，其中，所述多個炬i殳置在 正方形或矩形的角上。
15. 4艮據;K利要求13、 14所述的多個電暈炬，其中，另一個炬i殳 置在所述圓或正方形或矩形的中心。
16. 根據權利要求13-15所述的多個電暈炬，其中，所述多個炬設 置在不同的高度。
17. 根據權利要求16所述的多個電暈炬，其中，所述接近所述圓 或正方形或矩形中心的炬被設置在與其他的炬不同的高度。
18. 根據權利要求2所述的氣體供應器，包括儲氣罐；氣體流控制器；和 氣體溫度控制器。
19. 根據權利要求18所述的儲氣罐，包含氮氣N2或其他惰性氣體。
20. 根據權利要求13-17所述的電暈炬，所述設置在圓形或正方形 或矩形中的炬^皮所述彎曲的電暈線代替。
全文摘要
一種晶體極化裝置具有一個單疇鐵電基板(例如摻雜氧化鎂的鈮酸鋰基板)、樣本架、高壓電源、電暈炬、氣體源、腔室及至少一個真空泵。在基板的第一個面上形成具有一定結構(例如周期性光柵)的電極，在樣品架的頂部設置有帶有面朝下的電極的基板。電極接地以使該電極區域形成高電場，該高電場是由于基板的第二個面上的電暈炬產生的電荷形成所導致的。而基板的第二個面上的電荷分布受高壓電源和氣體源的控制。為了使晶體極化達到最優化，利用溫度控制器來設置基板的溫度，并且使用真空泵使基板第一個面上的電極絕緣。
文檔編號G02F1/365GK101517475SQ200780035798
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月20日 優先權日2006年9月26日
發明者喬納森·馬克爾, 張仁世, 徐長青 申請人:C2C彩達公司