JP2000258645A - Three-dimensional periodic structure and two- dimensional periodic structure as well as their manufacture - Google Patents

Three-dimensional periodic structure and two- dimensional periodic structure as well as their manufacture

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JP2000258645A JP11060838A JP6083899A JP2000258645A JP 2000258645 A JP2000258645 A JP 2000258645A JP 11060838 A JP11060838 A JP 11060838A JP 6083899 A JP6083899 A JP 6083899A JP 2000258645 A JP2000258645 A JP 2000258645A
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敏昭 玉村
Masaya Notomi
雅也 納富
Shojiro Kawakami
彰二郎 川上
Takashi Sato
尚 佐藤
Yasuo Odera
康夫 大寺
Takayuki Kawashima
貴之 川嶋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional periodic structure formed in such a manner that a photonic band gap effect can be enhanced and a method for manufacturing the same. SOLUTION: The respective materials of the three-dimensional periodic structure periodically laminated with plural kinds of the materials 301 and 302 varying in refractive indices in a thickness direction have a film-like shape having two-dimensional periodic ruggedness or two-dimensional periodic net-like shape within one period of the thickness direction and the intra-surface thickness of the regions consisting of the respective materials are modulated within the surface. The front surfaces and rear surfaces of the respective materials 301 and 302 have the two-dimensional periodic ruggedness structure. The raw material of the certain material is made incident from plural directions within the one period of the thickness direction, by which the ruggedness on the front surface of the material is more stressed than the ruggedness on the rear surface. The other certain material is made weaker in the ruggedness on the upper surface than the ruggedness on the rear surface by deposition having readhesion effect or etching. The thickness of the regions consisting of the respective materials are given modulation within the surface by these stages, by which the photonic band gap effect is increased.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光回路を構成する
波長フイルターや偏光子等の種々の光学素子に利用でき
る屈折率の異なる2種以上の物質が、3次元周期構造ま
たは2次元周期構造を形成し、フォトニックバンドギャ
ップ効果を有する3次元周期構造体及び2次元周期構造
体並びにそれらの作製方法に関する。
[0001] The present invention relates to a two-dimensional periodic structure or a two-dimensional periodic structure comprising two or more substances having different refractive indexes which can be used for various optical elements such as a wavelength filter and a polarizer constituting an optical circuit. The present invention relates to a three-dimensional periodic structure and a two-dimensional periodic structure having a photonic band gap effect and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】フォトニックバンドギャップ結晶(以
下、フォトニック結晶と略す)は、屈折率の異なる2種
以上の物質が、使用する光の波長よりやや短い周期で格
子を形成しているもので、屈折率が十分大きく異なる
と、電磁波が全く伝搬できない波長帯域(バンドギャッ
プと称されている)が形成される。このバンドギャップ
の波長帯と帯域幅は主に格子の形状と周期及び物質の屈
折率差とにより決まり、広いバンドギャップを得るには
屈折率差が大きい組み合わせが望ましい。特に、光回路
部品の小型化や3次元化を実現する上で、3次元周期構
造のフォトニック結晶が有利であるが、光通信の波長帯
で使用するには、1μm以下の周期をもつ3次元周期構
造を作製する必要があり、技術的に困難であった。
2. Description of the Related Art A photonic bandgap crystal (hereinafter abbreviated as a photonic crystal) is a material in which two or more substances having different refractive indexes form a lattice with a period slightly shorter than the wavelength of light used. If the refractive indices are sufficiently different, a wavelength band (called a band gap) in which electromagnetic waves cannot propagate at all is formed. The wavelength band and bandwidth of this band gap are mainly determined by the shape and period of the grating and the difference in the refractive index of the material. To obtain a wide band gap, a combination having a large difference in the refractive index is desirable. In particular, a photonic crystal having a three-dimensional periodic structure is advantageous for realizing miniaturization and three-dimensionalization of optical circuit components. However, for use in a wavelength band of optical communication, a photonic crystal having a period of 1 μm or less is used. It is technically difficult to manufacture a two-dimensional periodic structure.

【0003】しかしながら、近年、2次元的にほぼ周期
的な凹凸をもつ基板の上に2種類以上の物質をほぼ周期
的に順次積層し、その積層の中の少なくとも一部分にス
パッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いる
ことにより、3次元的にほぼ周期的な構造体を形成する
作製する技術を開発された。この開発された構造体の典
型的な構造例を図1に示す。図1において、基板上に微
細加工技術により形成した2次元周期の凹凸上に、バイ
アススパッタリング法により、符号101で示す屈折率
l.46のSiO2 と、符号102で示す屈折率3.2
4のアモルファスSi(以下、a−Si)を交互に積層
し、適切な条件を選択してやると、基板上の凹凸を保存
して膜が堆積され、結果的に図1に示すような3次元周
期構造が形成される。この3次元周期構造体は、厚さ方
向(z方向)の1周期内で見ると、SiO2 とaSiが
交互に入れ子になった網状の構造体である。
However, in recent years, two or more types of substances are sequentially and substantially sequentially laminated on a substrate having two-dimensionally and substantially periodic irregularities, and at least a part of the laminate is subjected to sputter etching alone. Alternatively, a technique for forming a three-dimensionally substantially periodic structure by using it simultaneously with film formation has been developed. FIG. 1 shows a typical example of the structure of the developed structure. In FIG. 1, on a two-dimensional periodic unevenness formed on a substrate by a fine processing technique, a refractive index l. 46 SiO 2 and a refractive index of 3.2
When the amorphous silicon (hereinafter a-Si) of No. 4 is alternately laminated and an appropriate condition is selected, a film is deposited while preserving the irregularities on the substrate, and as a result, the three-dimensional period as shown in FIG. A structure is formed. This three-dimensional periodic structure is a net-like structure in which SiO 2 and aSi are alternately nested within one period in the thickness direction (z direction).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
1の従来の3次元周期構造体では、光学特性を測定する
と、z方向では、明瞭なバンドギャップが形成される
が、面内方向(xy方向)では、明瞭なバンドギャップ
を観測できなかった。これは、xy方向ではA−A’面
で切られる断面で、高屈折率のa−Siと低屈折率のS
iO2 の相対割合がz方向に変化する強い変調構造を有
し、平均屈折率が1周期内で増減しているのに対し、z
方向ではB−B’面で切られる断面で、高屈折率のa−
Siと低屈折率のSiO2 の相対割合がほぼ同じになっ
て、変調が弱い構造になっているためと、推測される。
However, in the conventional three-dimensional periodic structure shown in FIG. 1, when the optical characteristics are measured, a clear band gap is formed in the z direction, but in the in-plane direction (xy direction). ), No clear band gap could be observed. This is a cross section cut along the AA 'plane in the xy direction, which has a high refractive index a-Si and a low refractive index S-Si.
It has a strong modulation structure in which the relative ratio of iO 2 changes in the z direction, and the mean refractive index increases and decreases within one cycle, while z
In the direction, a section cut along the BB 'plane,
This is presumed to be due to the fact that the relative proportions of Si and SiO 2 having a low refractive index are almost the same, resulting in a structure with weak modulation.

【0005】図2は従来技術による3次元周期構造体の
別の構造例(断面部分のみを示す)であり、この場合
は、基板上に形成された深い凹凸が、初期の積層の過程
で、ジグザグ状の凹凸構造に自己形成され、この形状が
その後も保存されて3次元周期構造体となる例である。
この場合、厚さ方向(z方向)の1周期内で見ると膜状
の2次元構造体となるが、それぞれの物質からなる各領
域の面内の厚さは一定であるため、面内の全ての方向に
開いたバンドギャップを得ることができなかった。
FIG. 2 shows another example of the structure of the three-dimensional periodic structure according to the prior art (only the cross section is shown). In this case, the deep irregularities formed on the substrate cause In this example, a zigzag uneven structure is self-formed, and the shape is preserved thereafter to form a three-dimensional periodic structure.
In this case, when viewed within one period in the thickness direction (z direction), the structure becomes a film-shaped two-dimensional structure. However, since the in-plane thickness of each region made of each material is constant, the in-plane A band gap open in all directions could not be obtained.

【0006】本発明の目的は、上述の点に鑑みて、フォ
トニックバンドギャップ効果を増大できるように図った
3次元周期構造体およびその作製方法を提供することに
ある。
An object of the present invention is to provide a three-dimensional periodic structure capable of increasing the photonic band gap effect and a method of manufacturing the same in view of the above points.

【0007】本発明のさらなる目的は、フォトニックバ
ンドギャップ効果を増大できるように図った2次元周期
構造体およびその作製方法を提供することにある。
A further object of the present invention is to provide a two-dimensional periodic structure capable of increasing the photonic bandgap effect and a method of manufacturing the same.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明は、屈折率の異なる複数種類の物質
が厚さ方向に周期的に積層された3次元周期構造体にお
いて、厚さ方向の1周期内でそれぞれの物質は2次元の
周期的凹凸を持つ膜状または2次元周期的な網状の形を
なし、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面
内で変調されていることを特徴とする。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention is directed to a three-dimensional periodic structure in which a plurality of types of substances having different refractive indexes are periodically laminated in a thickness direction. Within one period in the vertical direction, each substance forms a film shape having two-dimensional periodic irregularities or a two-dimensional periodic mesh shape, and the in-plane thickness of the region composed of each substance is in-plane. It is characterized by being modulated.

【0009】ここで、好ましくは、低屈折率の物質と高
屈折率の物質が厚さ方向に周期的に積層された構造体で
あって、その厚さ方向の1周期内でそれぞれの物質は2
次元周期的凹凸を持つ膜状の形をなし、それぞれの物質
からなる領域の面内の厚さが、面内でほぼ0〜100%
直線的に変調されている。
Here, preferably, the structure is a structure in which a low-refractive-index substance and a high-refractive-index substance are periodically laminated in the thickness direction. 2
It has a film-like shape with three-dimensional periodic irregularities, and the in-plane thickness of the region made of each material is approximately 0 to 100% in the plane.
Linearly modulated.

【0010】また、好ましくは、低屈折率の物質と高屈
折率の物質が厚さ方向に周期的に積層された構造体であ
って、その厚さ方向の1周期内でそれぞれの物質は2次
元周期的凹凸を持つ膜状の形をなし、z方向のある面近
傍で屈折率が最小になり、z方向の他の面近傍で屈折率
が最大になり、x,y方向のある面近傍で屈折率が最大
になり、x,y方向の他の面近傍で屈折率が最小にな
る。
Preferably, the structure is a structure in which a low-refractive-index material and a high-refractive-index material are periodically laminated in the thickness direction. It has a film-like shape with three-dimensional periodic irregularities. The refractive index is minimized near a certain surface in the z direction, the refractive index is maximized near another surface in the z direction, and near a certain surface in the x, y directions. , The refractive index becomes maximum, and the refractive index becomes minimum near other planes in the x and y directions.

【0011】また、好ましくは、低屈折率の物質と高屈
折率の物質が厚さ方向に周期的に積層された構造体であ
って、その厚さ方向の1周期内で前記低屈折率物質が2
次元周期的な網状の形をなし、その穴部分に前記高屈折
率物質が充填され、それぞれの物質からなる領域の面内
の厚さが面内で変調されている。
Also, preferably, the structure is a structure in which a material having a low refractive index and a material having a high refractive index are periodically laminated in a thickness direction, and the low refractive index material is formed within one period in the thickness direction. Is 2
A high-refractive-index material is filled in a hole portion of the mesh, and the in-plane thickness of a region made of each material is modulated in the surface.

【0012】また、好ましくは、低屈折率の物質と高屈
折率の物質が厚さ方向に周期的に積層された構造体であ
って、その厚さ方向の1周期内で前記低屈折率物質が膜
状の形をなし、その膜中に2次元周期的な窪みがあり、
この窪み部分に前記高屈折率物質が充填され、それぞれ
の物質からなる領域の面内の厚さが面内で変調されてい
る。
Preferably, the structure has a structure in which a low-refractive-index substance and a high-refractive-index substance are periodically laminated in the thickness direction, and the low-refractive-index substance is formed within one period in the thickness direction. Has a film-like shape, and there is a two-dimensional periodic depression in the film,
The concave portion is filled with the high refractive index substance, and the in-plane thickness of the region made of each substance is modulated in the plane.

【0013】上記目的を達成するため、請求項6の発明
は、屈折率の異なる複数種類の物質が厚さ方向に周期的
に積層された2次元周期構造体において、厚さ方向の1
周期内でそれぞれの物質は1次元の周期的凹凸を持つ膜
状の形をなし、それぞれの物質からなる領域の面内の厚
さが、面内で変調されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention of claim 6 is directed to a two-dimensional periodic structure in which a plurality of types of substances having different refractive indexes are periodically laminated in the thickness direction.
Each material has a film shape having one-dimensional periodic irregularities within the period, and the in-plane thickness of the region made of each material is modulated in the plane.

【0014】上記目的を達成するため、請求項7の発明
は、屈折率の異なる複数種類の物質を周期的に積層する
3次元構造体の作製方法において、それぞれの物質は上
面、下面が2次元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の1
周期内で、ある物質は複数の方向から原料物質を入射さ
せることによりその物質の上面の凹凸は下面の凹凸より
も強調され、別のある物質は再付着効果を持つデポジシ
ョンまたはエッチングにより上面の凹凸は下面の凹凸よ
り弱められることにより、それぞれの物質からなる領域
の厚さが面内で変調が与えられ、フォトニックバンドギ
ャップ効果が大きくなることを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a three-dimensional structure in which a plurality of types of materials having different refractive indices are periodically laminated. With a periodic structure with irregularities
Within a period, a certain substance is irradiated with a raw material from a plurality of directions, so that irregularities on the upper surface of the substance are emphasized more than irregularities on the lower surface, and another substance is formed on the upper surface by deposition or etching having a redeposition effect. The unevenness is weaker than the unevenness on the lower surface, whereby the thickness of the region made of each material is modulated in the plane, and the photonic band gap effect is increased.

【0015】ここで、好ましくは、基板表面に微細な周
期の凹凸パターンを形成する第1の工程と、前記基板
を、基板バイアス印加可能で低屈折率物質と高屈折率物
質の2個のターゲットを有するスパッタリング装置に入
れ、前記パターンの凹部が整形されて比較的浅い楔状の
形状になるように、基板バイアスとガス圧を調整して高
屈折率物質をスパッタする第2の工程と、該高屈折率物
質上に低屈折率物質をエッチング効果や再付着効果の少
ない条件でスパッタすることにより比較的深い楔状の形
状にする第3の工程と、該低屈折率物質上に高屈折率物
質をエッチング効果や再付着効果が大きい条件でスパッ
タする第4の工程とを有し、その後、前記第2の工程か
ら前記第4の工程を順次繰り返す。
Here, preferably, a first step of forming a fine periodic uneven pattern on the surface of the substrate, and two targets of a low refractive index material and a high refractive index material capable of applying a substrate bias to the substrate. A second step of sputtering a high refractive index material by adjusting a substrate bias and a gas pressure so that the concave portion of the pattern is shaped into a relatively shallow wedge shape, and A third step of forming a relatively deep wedge shape by sputtering a low refractive index material on the refractive index material under a condition with a small etching effect or a reattachment effect, and forming a high refractive index material on the low refractive index material. And a fourth step of performing sputtering under a condition where the etching effect and the reattachment effect are large, and thereafter, the second step to the fourth step are sequentially repeated.

【0016】また、好ましくは、基板表面に微細な周期
の凹凸パターンを形成する第1の工程と、前記基板を、
基板バイアス印加可能で低屈折率物質と高屈折率物質の
2個のターゲットを有するスパッタリング装置に入れ、
前記パターンの凹部が整形されて小さな楔または突起を
残して平坦化されるように、エッチング効果や再付着効
果が非常に大きい基板バイアスとガス圧の条件で、高屈
折率物質をスパッタする第2の工程と、該高屈折率物質
上に低屈折率物質を所定の角度のジグザグ形状になるよ
うに基板バイアスとガス圧を調整してスパッタする第3
の工程と、等方的なエッチングにより低屈折率層の断面
がほぼ3角形になるまで全体的にエッチングする第4の
工程と、該3角形の低屈折率層の上に高屈折率物質が小
さな楔または突起を有するほぼ平坦な表面になるように
基板バイアスとガス圧を調整して高屈折率物質をスパッ
タする第5の工程と、等方的なエッチングにより該高屈
折率層の断面が逆3角形になるまで全体的にエッチング
する第6の工程とを有し、その後、前記第3の工程から
前記第6の工程を順次繰り返す。
[0016] Preferably, a first step of forming a fine periodic concavo-convex pattern on the substrate surface;
A substrate bias can be applied, and the substrate is placed in a sputtering apparatus having two targets of a low refractive index material and a high refractive index material,
A second step of sputtering a high-refractive-index material under the conditions of a substrate bias and a gas pressure having a very large etching effect and re-attachment effect so that the concave portion of the pattern is shaped and flattened leaving a small wedge or projection. And sputtering the low-refractive-index material on the high-refractive-index material by adjusting the substrate bias and gas pressure so as to form a zigzag shape at a predetermined angle.
And a fourth step of entirely etching the cross section of the low-refractive-index layer until the cross-section of the low-refractive-index layer becomes substantially triangular by isotropic etching; and forming a high-refractive-index substance on the triangular low-refractive-index layer. A fifth step of adjusting the substrate bias and gas pressure so as to have a substantially flat surface having small wedges or projections to sputter a high-refractive-index material, and forming a cross-section of the high-refractive-index layer by isotropic etching. And a sixth step of etching the whole until it becomes an inverted triangle, and thereafter, the third to sixth steps are sequentially repeated.

【0017】また、好ましくは、基板表面に微細な周期
の凹凸パターンを形成する第1の工程と、前記基板を、
基板バイアス印加可能で、低屈折率物質と高屈折率物質
の2個のターゲットを有するスパッタリング装置に入
れ、前記パターンの凹部が整形されて45°程度の角度
を持つ楔状の形状になるように、基板バイアスとガス圧
を調整して低屈折率物質をスパッタする第2の工程と、
該低屈折率物質の上にバイアスを印加せずに高屈折率物
質を積層する第3の工程と、異方性が高く高屈折率物質
をより選択的にエッチングできるドライエッチングを行
う第4の工程と、該高屈折率物質の上に低屈折率物質を
45°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板
バイアスとガス圧を調整してスパッタする第5の工程と
を有し、その後、前記第3の工程から前記第5の工程を
順次繰り返す。
[0017] Preferably, a first step of forming a fine periodic uneven pattern on the surface of the substrate;
A substrate bias can be applied, put into a sputtering apparatus having two targets of a low-refractive index substance and a high-refractive index substance, so that the concave portion of the pattern is shaped into a wedge shape having an angle of about 45 °, A second step of adjusting the substrate bias and the gas pressure to sputter a low refractive index material;
A third step of laminating a high-refractive-index substance on the low-refractive-index substance without applying a bias, and a fourth step of performing dry etching capable of selectively etching the high-refractive-index substance with high anisotropy. And a fifth step of sputtering a low-refractive-index substance on the high-refractive-index substance by adjusting a substrate bias and a gas pressure so that the substance has a wedge shape having an angle of about 45 °. Then, the third to fifth steps are sequentially repeated.

【0018】また、好ましくは、基板表面に微細な周期
の凹凸パターンを形成する第1の工程と、前記基板を、
基板バイアス印加可能で、低屈折率物質と高屈折率物質
の2個のターゲットを有するスパッタリング装置に入
れ、前記パターンの凹部が整形されて45°程度の角度
を持つ楔状の形状になるように、基板バイアスとガス圧
を調整して低屈折率物質をスパッタする第2の工程と、
該低屈折率物質の上にバイアスを印加せずに高屈折率物
質を積層する第3の工程と、異方性が高く高屈折率物質
をより選択的にエッチングできるドライエッチングを行
う第4の工程と、該高屈折率物質の上に低屈折率物質を
所定の角度を持つ楔状の形状になるように、基板バイア
スとガス圧を調整してスパッタする第5の工程と、等方
的で低屈折率物質をより選択的にエッチングできるドラ
イエッチングを行い、低屈折率層に台形状の穴を明ける
第6の工程と、高屈折率物質を下面の楔形状を鈍らせる
ように凹部には厚く、凸部には薄く積層する第7の工程
と、異方性が高く高屈折率物質をより選択的にエッチン
グできるドライエッチングを行い、高屈折率層の断面が
分離した逆台形を網状の穴の部分に形成する第8の工程
とを有し、その後、前記第5の工程から前記第8の工程
を順次繰り返すことを特徴とする。
[0018] Preferably, a first step of forming a fine periodic concavo-convex pattern on the substrate surface;
A substrate bias can be applied, put into a sputtering apparatus having two targets of a low-refractive index substance and a high-refractive index substance, so that the concave portion of the pattern is shaped into a wedge shape having an angle of about 45 °, A second step of adjusting the substrate bias and the gas pressure to sputter a low refractive index material;
A third step of laminating a high-refractive-index substance on the low-refractive-index substance without applying a bias, and a fourth step of performing dry etching capable of selectively etching the high-refractive-index substance with high anisotropy. A fifth step of adjusting the substrate bias and gas pressure so that the low-refractive-index substance is formed in a wedge shape having a predetermined angle on the high-refractive-index substance, and isotropic. A sixth step of making a trapezoidal hole in the low-refractive-index layer by performing dry etching capable of etching the low-refractive-index substance more selectively, A seventh step of thinly laminating the thick and convex portions, and a dry etching for selectively etching the high-refractive-index material with high anisotropy are performed. And an eighth step of forming the hole portion. Wherein the sequentially repeating the eighth step from the fifth step.

【0019】上記目的を達成するため、請求項12の発
明は、屈折率の異なる複数種類の物質を周期的に積層す
る2次元構造体の作製方法において、それぞれの物質は
上面、下面が1次元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の
1周期内で、ある物質は複数の方向から原料物質を入射
させることによりその物質の上面の凹凸は下面の凹凸よ
りも強調され、別のある物質は再付着効果を持つデポジ
ションまたはエッチングにより上面の凹凸は下面の凹凸
より弱められることにより、それぞれの物質からなる領
域の厚さが面内で変調が与えられ、フォトニックバンド
ギャップ効果が大きくなることを特徴とする。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a two-dimensional structure in which a plurality of types of materials having different refractive indexes are periodically laminated, wherein each material has a one-dimensional upper surface and a lower surface. In one period in the thickness direction, a certain material is irradiated with a raw material from a plurality of directions, so that the unevenness on the upper surface of the material is emphasized more than the unevenness on the lower surface. The upper surface irregularities are made weaker than the lower surface irregularities by deposition or etching that has a redeposition effect, so that the thickness of the region made of each material is modulated in the plane, and the photonic band gap effect increases. It is characterized by the following.

【0020】[0020]

【作用】本発明では、複数種類の物質が3次元的または
2 次元的に周期構造を有する構造体において、各物質の
面内の厚さを面内で変調することにより、フォトニック
バンドギャップ効果を増大する。また、本発明は、この
ような膜厚変調構造を基板上に微細加工技術により形成
した2次元あるいは1次元周期の凹凸上で、2種類以上
の物質をほぼ周期的に順次積層し、その積層の中の少な
くとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成
膜と同時に用いることにより、凹凸を所望の形状に整形
する技術を用いて、3次元周期構造体または2次元周期
構造体を実現し、これによりフォトニックバンドギャッ
プ効果の増大を得る。
According to the present invention, a plurality of kinds of substances are three-dimensional or
In a structure having a two-dimensional periodic structure, the photonic band gap effect is increased by modulating the in-plane thickness of each substance in the plane. Further, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: laminating two or more types of substances substantially periodically on two-dimensional or one-dimensional periodic irregularities formed on a substrate by a fine processing technique. By using sputter etching alone or at the same time as film formation on at least a portion of the three-dimensional periodic structure or the two-dimensional periodic structure using a technique for shaping irregularities into a desired shape, As a result, an increase in the photonic band gap effect is obtained.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0022】なお、以下の説明で、無変調構造とは、積
層方向の1周期中に占める高屈折率物質と低屈折率部物
質と膜厚比が、基板の平行な面内のどこであっても、ほ
ぼ一定な構造を意味し、変調構造とは、同膜厚比が面内
の場所により変化する構造を意味することとする。
In the following description, the non-modulation structure means that the ratio of the film thickness of the high-refractive-index material to the low-refractive-index portion occupying one cycle in the laminating direction is anywhere in a plane parallel to the substrate. This means a substantially constant structure, and the modulation structure means a structure in which the film thickness ratio changes depending on the location in the plane.

【0023】(第1実施形態)図3の(a)は本発明の
一実施形態における3次元周期構造体の断面構造を示
し、図3の(b)はその3次元周期構造体の立体構造を
示す。図3に示す構造体は、低屈折率の物質301と高
屈折率の物質302が厚さ方向(z方向)に周期的に積
層された構造体であって、その厚さ方向の1周期内でそ
れぞれの物質は2次元周期的凹凸を持つ膜状の形をな
し、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面内
で0〜100%直線的に変調されている3次元周期構造
である。
(First Embodiment) FIG. 3A shows a sectional structure of a three-dimensional periodic structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B shows a three-dimensional structure of the three-dimensional periodic structure. Is shown. The structure shown in FIG. 3 is a structure in which a low-refractive-index substance 301 and a high-refractive-index substance 302 are periodically laminated in the thickness direction (z direction), and within one period in the thickness direction. Each material has a film-like shape having two-dimensional periodic irregularities, and the in-plane thickness of the region made of each material is linearly modulated in the plane by 0 to 100%. Structure.

【0024】この図3の構造でのバンドギャップを3次
元電磁界解析により評価した結果を図4に示す。また、
図5は図4の本発明の評価結果と比較するために、図2
の従来の構造のでのバンドギャップを3次元電磁界解析
により評価した結果を示す。図4の(b)は図4の
(a)の要部を拡大して示したものであるが、これらグ
ラフにおいて、太い破線は使用波長帯のTM偏波のバンド
ギャップを示し、その他の多数の細線はそれよりもエネ
ルギーの高いTM偏波のバンドギャップを示している。同
様に、図5の(b)は図5の(a)の要部を拡大して示
したものであるが、これらグラフにおいて、直線はTM偏
波のバンドギャップを示し、細い破線はTE偏波のバンド
ギャップを示している。図4の(c)は図3(a)に対
応する断面構造を示し、図5の(c)は図2に対応する
断面構造を示しており、また図4の各領域の面内の最大
厚さを使用波長の1周期と同じa、図5の各領域の面内
の厚さを0.8aに形成して、本3次元電磁界解析を実
行したことを表わしている。
FIG. 4 shows the results of evaluating the band gap in the structure of FIG. 3 by three-dimensional electromagnetic field analysis. Also,
FIG. 5 is for comparison with the evaluation result of the present invention of FIG.
3 shows the results of evaluating the band gap of the conventional structure of FIG. FIG. 4 (b) is an enlarged view of the main part of FIG. 4 (a). In these graphs, the thick broken line indicates the band gap of the TM polarization in the used wavelength band, and a number of others. The thin line indicates the band gap of TM polarization having higher energy. Similarly, FIG. 5B is an enlarged view of the main part of FIG. 5A. In these graphs, a straight line indicates the band gap of the TM polarization, and a thin broken line indicates the TE polarization. The band gap of the wave is shown. FIG. 4C shows a cross-sectional structure corresponding to FIG. 3A, FIG. 5C shows a cross-sectional structure corresponding to FIG. 2, and the maximum in-plane of each region in FIG. This indicates that the three-dimensional electromagnetic field analysis was performed by forming the thickness a to be the same as one period of the used wavelength and the in-plane thickness of each region in FIG. 5 to 0.8a.

【0025】更に、図4、図5の3次元電磁界解析で
は、単位格子(単位セル)を図6の(a)のに示すよう
にとり、斜線部が高屈折率物質のアモルファスSi(屈
折率3.24)、白抜き部分が低屈折率物質のSiO2
(屈折率1.46)とし、x,y,z方向をNx,N
y,Nzに分割して解析した。この場合の第1ブリュア
ンゾーン(第1BZ)を図6の(b)に示した。
Further, in the three-dimensional electromagnetic field analysis shown in FIGS. 4 and 5, the unit cell (unit cell) is set as shown in FIG. 6A, and the hatched portion is amorphous Si of a high refractive index material (refractive index). 3.24), the white part is SiO 2 of low refractive index substance
(Refractive index: 1.46) and Nx, N in the x, y, and z directions.
The analysis was divided into y and Nz. The first Brillouin zone (first BZ) in this case is shown in FIG.

【0026】図5に示すように、図2での従来の膜厚変
調のない構造(無変調構造)では、面内方向であるM点
ではTE偏波でわずかにバンドギャップが開き、TM偏
波ではバンドギャップが開かない。更に、面内のK点で
は、TE偏波,TM偏波共にバンドギャップが開かない
ため、TE,TMの両方の偏波で、3次元フォトニック
結晶とはならない。
As shown in FIG. 5, in the conventional structure without film thickness modulation (unmodulated structure) shown in FIG. 2, a band gap is slightly opened by TE polarization at point M which is an in-plane direction, and TM polarization is increased. Wave gaps do not open. Further, at the point K in the plane, the band gap does not open for both the TE polarization and the TM polarization, so that the three-dimensional photonic crystal is not formed with both the TE and TM polarizations.

【0027】一方、図4に示すように、図3の本発明の
膜厚変調構造では、TM偏波が面内方向であるM点で大
きなバンドギャップが開き、また、面内のK点において
も、TM偏波にバンドギャップが見られ、面内全方向に
共通のバンドギャップが開いているため、完全な3次元
フォトニック結晶となる。
On the other hand, as shown in FIG. 4, in the film thickness modulation structure of the present invention shown in FIG. 3, a large band gap opens at the point M where the TM polarization is in the in-plane direction, and at the point K in the plane. Also, since a band gap is observed in the TM polarization and a common band gap is opened in all directions in the plane, a complete three-dimensional photonic crystal is obtained.

【0028】(第2実施形態)図7は本発明の別の実施
形態における断面構造を示す。ここで、符号702で示
す斜線部が高屈折率物質のアモルファスSi(屈折率
3.24)、符号701で示す白抜き部分が低屈折率物
質のSiO2 (屈折率1.46)である。この構造は、
上述の図3のような0〜100%まで膜厚が変化してい
ないが、その膜厚が周期内で大きく変化している。即
ち、z方向ではA1−A1’面の近傍で屈折率が最小に
なり、A2−A2’面近傍で屈折率が最大になる。一
方、x,y方向では、B1−B1’面近傍で屈折率が最
大になり、B2−B2’面近傍で屈折率が最小になる。
この構造を3次元電磁界解析すると、図3の構造の場合
とほぼ同じフォトニックバンドギャップの増大効果が得
られる。
(Second Embodiment) FIG. 7 shows a sectional structure of another embodiment of the present invention. Here, a hatched portion indicated by reference numeral 702 is amorphous Si of a high refractive index material (refractive index 3.24), and a white portion indicated by reference numeral 701 is SiO 2 (refractive index 1.46) of a low refractive index material. This structure
Although the film thickness does not change from 0 to 100% as in FIG. 3 described above, the film thickness changes greatly within the cycle. That is, in the z direction, the refractive index becomes minimum near the A1-A1 'plane, and becomes maximum near the A2-A2' plane. On the other hand, in the x and y directions, the refractive index becomes maximum near the B1-B1 'plane and becomes minimum near the B2-B2' plane.
When this structure is subjected to three-dimensional electromagnetic field analysis, the same effect of increasing the photonic band gap as in the case of the structure in FIG. 3 can be obtained.

【0029】(第1、第2実施形態の変形例)図3およ
び図7の構造において、面内の周期構造が2次元でなく
1次元の場合は、厚さ方向に周期的に積層すると2次元
の周期構造になり、偏光素子のような偏波を制御する部
品に有用な構造であるが、このような2次元周期構造に
おいても、膜厚変調構造はフォトニックバンドギャップ
効果を増大するのに有効である。本発明では3次元周期
構造を主としているが、面内の周期構造が1次元で積層
された構造が2次元の周期構造も勿論含まれる。
(Modifications of First and Second Embodiments) In the structure shown in FIGS. 3 and 7, when the in-plane periodic structure is not two-dimensional but one-dimensional, if the periodic structure is periodically laminated in the thickness direction, Although it has a two-dimensional periodic structure and is useful for a component that controls polarization such as a polarizing element, the film thickness modulation structure also increases the photonic band gap effect in such a two-dimensional periodic structure. It is effective for Although the present invention mainly has a three-dimensional periodic structure, a two-dimensional periodic structure including a one-dimensionally stacked in-plane periodic structure is, of course, included.

【0030】以上述べたように、厚さ方向に周期的に積
層された構造体において、厚さ方向の1周期内で屈折率
の異なるそれぞれの物質が2次元または1次元の周期的
凹凸を持つ膜状の形をもつ構造で、面内の厚さが、l周
期内で面内で変調されていると、フォトニックバンドギ
ャップが拡大する効果が得られる。
As described above, in the structure periodically laminated in the thickness direction, each substance having a different refractive index within one period in the thickness direction has two-dimensional or one-dimensional periodic unevenness. If the in-plane thickness is modulated in the plane within one period in the structure having a film-like shape, an effect of increasing the photonic band gap can be obtained.

【0031】(第3実施形態)図8は本発明のさらに別
の実施形態における断面構造を示す。ここで、符号80
2で示す斜線部が高屈折率物質、符号801で示す白抜
き部分が低屈折率物質である。この構造においては、厚
さ方向の1周期内である低屈折率物質801が2次元周
期的な網状の形をなし、その穴部分に別の高屈折率物質
802が充填され、それぞれの物質からなる領域の面内
の厚さが、面内で変調されている。この構造において
も、3次元電磁界解析すると、TM偏波でM点、K点に
明瞭なバンドギャップが開く。
(Third Embodiment) FIG. 8 shows a sectional structure of still another embodiment of the present invention. Here, reference numeral 80
The shaded portion indicated by 2 is a high refractive index material, and the white portion indicated by reference numeral 801 is a low refractive index material. In this structure, the low-refractive-index material 801 within one period in the thickness direction forms a two-dimensional periodic net-like shape, and the hole portion is filled with another high-refractive-index material 802. The in-plane thickness of the region is modulated in the plane. Also in this structure, when three-dimensional electromagnetic field analysis is performed, clear band gaps are opened at points M and K by TM polarization.

【0032】(第4実施形態)図9は本発明のまたさら
に別の実施形態における断面構造を示す。ここで、符号
902で示す斜線部が高屈折率物質、符号901で示す
白抜き部分が低屈折率物質である。この構造において
は、厚さ方向の1周期内である低屈折率物質901が膜
状の形をなし、その膜中に2次元周期的な窪みがあり、
この窪み部分に別の高屈折率物質902が充填され、そ
れぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面内で変調
されている。この構造においても、3次元電磁界解析す
ると、TM偏波でM点に明瞭なバンドギャップが開く
が、その変調度が弱いため、K点ではギャップは開かな
い。
(Fourth Embodiment) FIG. 9 shows a sectional structure of still another embodiment of the present invention. Here, a shaded portion denoted by reference numeral 902 is a high refractive index material, and a white portion denoted by reference numeral 901 is a low refractive index material. In this structure, the low-refractive index substance 901 within one period in the thickness direction has a film shape, and there is a two-dimensional periodic depression in the film,
This recessed portion is filled with another high refractive index substance 902, and the in-plane thickness of the region made of each substance is modulated in the plane. Also in this structure, when a three-dimensional electromagnetic field analysis is performed, a clear band gap is opened at the point M due to the TM polarization, but the gap is not opened at the point K because the degree of modulation is weak.

【0033】(作製工程)上述した図3、図6、図7及
び図9に示す本発明の構造体の作製には、通常は複雑な
加工技術を必要とするが、2次元的周期凹凸基板上に2
種類以上の物質をほぼ周期的に順次積層し、その積層の
中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、
または成膜と同時に用いることにより3次元周期構造体
を形成する作製技術を用いると、本発明の3次元周期構
造体は容易に形成可能である。
(Manufacturing Process) The fabrication of the structure of the present invention shown in FIG. 3, FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 2 on
More than one kind of substance is sequentially laminated almost periodically, and sputter etching alone is performed on at least a part of the laminate,
Alternatively, when a manufacturing technique of forming a three-dimensional periodic structure by using the film at the same time as film formation is used, the three-dimensional periodic structure of the present invention can be easily formed.

【0034】即ち、バイアススパッタリングによる膜形
成では、付着反応と、イオンによるエッチングの両方の
反応が共存し、ガス圧や基板へのバイアスを変化させる
と、方向性のあるイオン,方向性の無い中性分子,及び
エッチングされた物質の再付着の寄与が変化する。この
バイアススパッタリングを凹凸のある基板上で行うと、
複数の方向から原料物質が入射する効果で、その物質の
上面の凹凸は下面の凹凸よりも強調される。一方、再付
着効果を持つデポジションあるいはエッチングの効果が
大きいと、その物質の上面の凹凸は下面の凹凸より弱め
られる。
That is, in the film formation by the bias sputtering, both the adhesion reaction and the etching by the ions coexist, and when the gas pressure or the bias to the substrate is changed, the directional ions and the non-directional The contribution of reactive molecules and the re-adhesion of the etched material changes. When this bias sputtering is performed on an uneven substrate,
Due to the effect that the raw material is incident from a plurality of directions, the irregularities on the upper surface of the material are emphasized more than the irregularities on the lower surface. On the other hand, when the deposition or etching effect having the re-adhesion effect is large, the irregularities on the upper surface of the substance are weaker than the irregularities on the lower surface.

【0035】そこで、本願発明者らは、これらの反応を
定量的に制御することにより、任意の傾きの楔状に整形
したり、あるいは、表面をほぼ平坦化する技術を確立
し、本発明の複雑な3次元周期構造および2次元周期構
造を実現するに至った。
The inventors of the present invention have established a technique of quantitatively controlling these reactions to form a wedge having an arbitrary inclination or to make the surface almost flat, and to complicate the present invention. A three-dimensional periodic structure and a two-dimensional periodic structure have been realized.

【0036】(作製工程の第1例)図10は上述の図6
に示す本発明の第2実施形態の周期構造体を作製する工
程を示したものである。図10は対象の1側面(例え
ば、x−z面)の状態を表わしているが、3次元周期構
造体の作製の場合は、90°回転した他の側面(例え
ば、y−z面)のも図10と全く同様な状態となる。
(First Example of Manufacturing Process) FIG.
FIG. 9 shows a step of manufacturing the periodic structure according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. FIG. 10 shows the state of one side surface (for example, xz plane) of the object. In the case of manufacturing a three-dimensional periodic structure, the other side surface (for example, yz plane) rotated by 90 ° is shown. Is in the same state as FIG.

【0037】先ず、石英ガラス等の基板1001表面に
フォトエッチング等の微細加工技術により1μm以下の
微細な凹凸パターン1002を形成する(工程10−
1)。この凹凸パターン1002の凹部は水平面と垂直
面を有する単純な段差である。
First, a fine concavo-convex pattern 1002 of 1 μm or less is formed on the surface of a substrate 1001 such as quartz glass by a fine processing technique such as photoetching (step 10-).
1). The concave portion of the concave-convex pattern 1002 is a simple step having a horizontal surface and a vertical surface.

【0038】この基板1001を、基板バイアス印加可
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の2個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、高屈折率物質10
03をスパッタする(工程10−2)。この時、単純な
段差状の凹部が整形されて、比較的浅い楔状の形状にな
るように、基板バイアス(バイアス電圧)とガス圧を調
整する。
The substrate 1001 is placed in a sputtering apparatus capable of applying a substrate bias and having two targets of a low refractive index material and a high refractive index material.
03 is sputtered (step 10-2). At this time, the substrate bias (bias voltage) and gas pressure are adjusted so that the simple step-shaped concave portion is shaped to have a relatively shallow wedge shape.

【0039】この浅い楔状の形状の高屈折率物質100
3上に、低屈折率物質1004を、エッチング効果や再
付着効果の少ない条件でスパッタすることにより、比較
的深い楔状の形状にすることができる(工程10−
3)。
This shallow wedge-shaped high refractive index substance 100
3 can be formed into a relatively deep wedge shape by sputtering the low-refractive-index substance 1004 under the condition that the etching effect and the reattachment effect are small (Step 10-).
3).

【0040】この深い楔状の形状の低屈折率物質100
4の上に、高屈折率物質1005をエッチング効果や再
付着効果が大きい条件でスバッタすると、楔を浅くでき
る(工程10−4)。
This deep wedge-shaped low refractive index material 100
When the high refractive index material 1005 is sputtered on the surface 4 under the condition that the etching effect and the reattachment effect are large, the wedge can be made shallow (step 10-4).

【0041】以下、これら(工程10−3)と(工程1
0−4)を順次繰り返すことにより、図7の構造を作製
できる(工程10−5)。
Hereinafter, these (Step 10-3) and (Step 1)
By repeating steps 0-4) sequentially, the structure in FIG. 7 can be manufactured (step 10-5).

【0042】(作製工程の第2例)一方、図3に示す本
発明の第1実施形態の周期構造体の構造をバイアスパタ
リング法で実現するには、次に述べるような工夫が必要
である。この工程を図11に示す。
(Second Example of Manufacturing Process) On the other hand, in order to realize the structure of the periodic structure according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3 by the bias patterning method, the following contrivance is required. is there. This step is shown in FIG.

【0043】先ず、基板1101表面に微細加工技術に
より1μm以下の周期の凹凸パターン1102を形成す
る(工程11−1)。この凹凸パターン1102の凹部
は、図10と同様に、単純な段差である場合が通常であ
るが、ジグザク構造(連続する複数の各頭部が三角形の
構造)のような構造でも同様な結果が得られる。
First, an uneven pattern 1102 having a period of 1 μm or less is formed on the surface of the substrate 1101 by a fine processing technique (step 11-1). The concave portion of the concavo-convex pattern 1102 is usually a simple step as in FIG. 10, but a similar result is obtained even in a structure such as a zigzag structure (a structure in which a plurality of continuous heads are triangular). can get.

【0044】この基板1101を、基板バイアス印加可
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の2個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、高屈折率物質11
03をスパッタする(工程11−2)。この時、エッチ
ング効果や再付着効果が非常に大きい基板バイアスとガ
ス圧の条件で、スパッタすると、上記単純な段差状の凹
部が整形されて、平坦化される。しかし、完全に平坦化
すると、この上にスパッタされる低屈折率物質が元の基
板上の2次元周期構造を再現できないため、光学特性上
は問題にならない小さな楔1104を残す。
The substrate 1101 is placed in a sputtering apparatus capable of applying a substrate bias and having two targets of a low refractive index material and a high refractive index material.
03 is sputtered (step 11-2). At this time, when the sputtering is performed under the conditions of the substrate bias and the gas pressure where the etching effect and the reattachment effect are extremely large, the simple step-shaped concave portion is shaped and flattened. However, when the surface is completely flattened, a small wedge 1104 that does not matter in optical characteristics is left because the low refractive index material sputtered thereon cannot reproduce the two-dimensional periodic structure on the original substrate.

【0045】この上に低屈折率物質1105を20°乃
至70°の角度のジグザグ形状になるように基板バイア
スとガス圧を調整してスパッタする(工程11−3)。
次いで、等方的なエッチング(例えば、イオンエッチン
グ)により、低屈折率層の断面が3角形1106になる
まで全体的にエッチングする(工程11−4)。
A low-refractive index material 1105 is sputtered thereon by adjusting the substrate bias and gas pressure so as to form a zigzag shape at an angle of 20 ° to 70 ° (step 11-3).
Next, etching is performed entirely by isotropic etching (for example, ion etching) until the cross section of the low refractive index layer becomes a triangle 1106 (step 11-4).

【0046】次いで、この上に高屈折率物質1107が
小さな楔を有するほぼ平坦な表面になるように基板バイ
アスとガス圧を調整して高屈折率物質1107をスパッ
タする(工程11−5)。
Then, the high refractive index material 1107 is sputtered by adjusting the substrate bias and gas pressure so that the high refractive index material 1107 has a substantially flat surface having a small wedge (step 11-5).

【0047】この後、等方的なエッチングにより、高屈
折率層の断面が逆3角形1108になるまで、全体的に
エッチングする(工程11−6)。
Thereafter, the whole is etched by isotropic etching until the cross section of the high refractive index layer becomes an inverted triangle 1108 (step 11-6).

【0048】以下、これら(工程11−3)〜(工程1
1−6)の工程を順次繰り返して、図3の構造を得る
(工程11−7)。
The following (Step 11-3) to (Step 1)
Steps 1-6) are sequentially repeated to obtain the structure in FIG. 3 (step 11-7).

【0049】図11の工程は図10の工程よりも複雑に
はなるが、バイアススパッタリングとイオンエッチング
は同一装置で行えるため、通常の方法では作製が著しく
困難な図3の構造を比較的容易に作製できる。なお、本
工程では窪み1102、1106に高屈折率物質110
3、1107を積層して平坦化し、低屈折率物質110
5でジグザグ構造を形成しているが、これらはバイアス
スパッタ条件で制御できるため、逆になってもよい。ま
た、平坦化時に小さな楔を作る場合を説明したが、この
小さな楔の代わりに小さな突起でも同じように機能す
る。
Although the process of FIG. 11 is more complicated than that of FIG. 10, since the bias sputtering and the ion etching can be performed by the same apparatus, the structure of FIG. Can be made. In this step, the high refractive index material 110 is provided in the depressions 1102 and 1106.
3 and 1107 are laminated and flattened, and the low refractive index material 110
5, a zigzag structure is formed, but these can be reversed because they can be controlled under the bias sputtering conditions. Also, the case where a small wedge is formed during flattening has been described, but a small projection instead of the small wedge functions in the same manner.

【0050】(作製工程の第3例)図12は、上述の図
9に示す本発明の第4実施形態における網状の2次元周
期構造を持つ3次元周期構造体の作製工程を示す。
(Third Example of Fabrication Step) FIG. 12 shows a fabrication step of the three-dimensional periodic structure having a net-like two-dimensional periodic structure according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIG.

【0051】先ず、基板1201表面に微細加工技術に
より1μm以下の周期の凹凸パターン1202を形成す
る(工程12−1)。この凹凸パターン1202の凹部
は、図10、図11と同様に、単純な段差である。
First, a concavo-convex pattern 1202 having a period of 1 μm or less is formed on the surface of the substrate 1201 by a fine processing technique (step 12-1). The concave portion of the concave / convex pattern 1202 is a simple step, as in FIGS.

【0052】この基板1201を、基板バイアス印加可
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の2個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、低屈折率物質12
03をスパッタする(工程12−2)。この時、単純な
段差状の凹部が整形されて、45°程度の角度を持つ楔
状の形状になるように基板バイアスとガス圧を調整す
る。
The substrate 1201 is placed in a sputtering apparatus capable of applying a substrate bias and having two targets of a low refractive index material and a high refractive index material.
03 is sputtered (step 12-2). At this time, the substrate bias and the gas pressure are adjusted so that a simple step-shaped concave portion is shaped to have a wedge shape having an angle of about 45 °.

【0053】この上にバイアスを印加せずに高屈折率物
質1204を積層すると、下面の楔形状を鈍らせるよう
に、凹部には厚く、凸部には薄く高屈折率物質が積層さ
れる(工程12−3)。
When the high refractive index material 1204 is laminated thereon without applying a bias, the high refractive index material is laminated thickly on the concave portion and thinly on the convex portion so as to obscure the wedge shape on the lower surface ( Step 12-3).

【0054】次いで、異方性が高く、高屈折率物質をよ
り選択的にエッチングできるドライエッチングを行う
と、高屈折率物質の突起の部分が消失して、高屈折率層
の断面が分離した3角形1205が形成される(工程1
2−4)。
Then, when dry etching with high anisotropy and capable of more selectively etching the high refractive index material was performed, the projections of the high refractive index material disappeared and the cross section of the high refractive index layer was separated. A triangle 1205 is formed.
2-4).

【0055】次いで、この上に低屈折率物質1206を
45°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板
バイアスとガス圧を調整してスパッタする(工程12−
5)。
Next, a low-refractive index material 1206 is sputtered thereon by adjusting the substrate bias and the gas pressure so as to form a wedge shape having an angle of about 45 ° (step 12-).
5).

【0056】以下、上記(工程12−3)、(工程12
−4)、(工程12−5)の工程を繰り返して、図9の
構造を得る(工程12−6)。
The following (Step 12-3) and (Step 12)
-4) and (Step 12-5) are repeated to obtain the structure in FIG. 9 (Step 12-6).

【0057】(作製工程の第4例)図13は、網状の2
次元周期構造を持つ図8に示す本発明第3実施形態の3
次元周期構造体の作製工程を示し、この工程は図12の
工程を一部変更したものある。
(Fourth Example of Manufacturing Process) FIG.
3 of the third embodiment of the present invention shown in FIG.
A manufacturing process of a two-dimensional periodic structure is shown, and this process is a partially modified process of FIG.

【0058】先ず、基板1301の表面に微細加工技術
により形成した1μm以下の周期の凹凸パターン130
2上に、低屈折率物質1303をスパッタし、更に、基
板バイアスを印加せずに高屈折率物質を積層し、次い
で、異方性が高く、高屈折率物質をより選択的にエッチ
ングできるドライエッチングを行い、高屈折率層の断面
が分離した3角形1305を形成するまでの工程は図1
2の(工程12−1)〜(工程12−4)と同じであ
る。
First, the concave and convex pattern 130 having a period of 1 μm or less formed on the surface of the substrate 1301 by a fine processing technique.
2, a low refractive index material 1303 is sputtered, and a high refractive index material is further laminated without applying a substrate bias. Then, a dry material having a high anisotropy and capable of more selectively etching the high refractive index material is used. FIG. 1 shows a process from etching to forming a triangle 1305 in which the cross section of the high refractive index layer is separated.
2 (Steps 12-1) to (Step 12-4).

【0059】この上に低屈折率物質1306を20°乃
至70°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基
板バイアスとガス圧を調整してスパッタした(工程13
−5)後、等方的で、低屈折率物質をより選択的にエッ
チングできるドライエッチングを行い、低屈折率層に台
形状の穴1307を明ける(工程13−6)。このよう
にして、網状の低屈折率層が得られる。
A low-refractive index material 1306 was sputtered thereon by adjusting the substrate bias and the gas pressure so as to form a wedge shape having an angle of about 20 ° to 70 ° (step 13).
-5) After that, dry etching is performed to more selectively etch the isotropic low-refractive-index substance, and a trapezoidal hole 1307 is formed in the low-refractive-index layer (step 13-6). In this way, a reticulated low refractive index layer is obtained.

【0060】次いで、高屈折率物質1308を下面の楔
形状を鈍らせるように、凹部には厚く、凸部には薄く、
積層する(工程13−7)。
Next, the high refractive index substance 1308 is thick in the concave portion and thin in the convex portion so as to obscure the wedge shape on the lower surface.
Laminate (Step 13-7).

【0061】次いで、異方性が高く、高屈折率物質をよ
り選択的にエッチングできるドライエッチングを行い、
高屈折率層の断面が分離した逆台形1309を網状の穴
の部分に形成する(工程13−8)。
Next, dry etching with high anisotropy and capable of more selectively etching a high refractive index material is performed.
An inverted trapezoid 1309 in which the cross section of the high refractive index layer is separated is formed at the portion of the net-like hole (step 13-8).

【0062】以下、上記の(工程13−5)、(工程1
3−6)、(工程13−7)、(工程13−8)の各工
程を順次繰り返して、図8の構造を得る(工程13−
9)。
The following (Step 13-5) and (Step 1)
3-6), (Step 13-7), and (Step 13-8) are sequentially repeated to obtain the structure in FIG. 8 (Step 13-).
9).

【0063】以上、いずれの工程も、スパッタリングと
エッチングを繰り返すことにより、所望の周期内膜厚変
調構造が得られる。
As described above, in any of the steps, a desired in-period film thickness modulation structure can be obtained by repeating sputtering and etching.

【0064】[0064]

【実施例】更に、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0065】(第1実施例)まず最初に、前述した図
3、および図11に対応する本発明の第1実施例を説明
する。合成石英ガラス基板に電子ビームレジストを0.
2μm塗布し、チャージアップを防ぐ導電性膜を塗布し
て、電子ビーム露光で周期0.4μmの6方最密の格子
ドットパターンを露光した。導電性膜を剥離して、電子
ビームレジストを現像後、C26 ガスを用いた反応性
イオンエッチングで深さ0.2μm石英ガラスをエッチ
ングする。レジストを除去後(図11の工程11−
1)、SiO2 とアモルファスSiの2つのターゲット
を有する公知のバイアススパッタリング装置(図示しな
い)を用い、先ず、基板RF(高周波)バイアスをかけ
ずにアモルファスSiを、アルコンガス圧 15mTo
rr、ガス流量 120SCCMの条件で0.7μmの
厚さ(平均値)、スパッタリングにより堆積すると、凹
パターンが埋まって、中心に0.05μm程度のわずか
窪みを残す程度にほぼ平坦化された(工程11−2)。
(First Embodiment) First, a first embodiment of the present invention corresponding to FIGS. 3 and 11 will be described. Electron beam resist is applied to a synthetic quartz glass substrate.
A 2 μm coating was applied, a conductive film for preventing charge-up was applied, and a 6 μm closest lattice dot pattern with a period of 0.4 μm was exposed by electron beam exposure. After the conductive film is peeled off and the electron beam resist is developed, quartz glass having a depth of 0.2 μm is etched by reactive ion etching using C 2 F 6 gas. After removing the resist (Step 11-
1) First, using a known bias sputtering apparatus (not shown) having two targets of SiO 2 and amorphous Si, first, amorphous Si was applied without applying a substrate RF (high frequency) bias to an Alcon gas pressure of 15 mTo.
When deposited by sputtering at a thickness of 0.7 μm (average value) under conditions of rr and a gas flow rate of 120 SCCM, the concave pattern was buried and almost flattened to the extent that a slight depression of about 0.05 μm was left at the center (step). 11-2).

【0066】このアモルファスSi上にSiO2 を、基
板RFバイアス 60W,アルゴンガス圧 2mTor
r,ガス流量 90SCCMの条件で0.5μmの厚さ
(平均値)、スパッタリングにより堆積すると、平均傾
斜角が60度のジグザグの断面形状に整形された(工程
11−3)。
On this amorphous Si, SiO 2 was applied with a substrate RF bias of 60 W and an argon gas pressure of 2 mTorr.
r, Gas flow rate When deposited by sputtering at a thickness of 0.5 μm (average value) under the condition of 90 SCCM, a zigzag cross-sectional shape with an average inclination angle of 60 ° was formed (step 11-3).

【0067】その後、SF6 ガスをエッチングガスとし
て、RFパワー 50W,アルゴンガス圧 10mTo
rr,ガス流量 150SCCMの条件で、SiO2
等方的に0.l5μm、エッチングして、一辺が0.4
μmの2等辺3角形の断面形状に整形した(工程11−
4)。
After that, using SF 6 gas as an etching gas, RF power 50 W, argon gas pressure 10 mTo
rr, under the conditions of a gas flow rate 150SCCM, the SiO 2 isotropically 0. 15 μm, etched, 0.4 mm on one side
The cross section was shaped into an isosceles triangle of μm (Step 11-
4).

【0068】この2等辺3角形の断面形状の上に基板R
FバイアスをかけずにアモルファスSiを、アルゴンガ
ス圧 10mTorr,ガス流量 80SCCMの条件
で0.55μmの厚さ(平均値)、スパッタリングによ
り堆積すると、凹パターンが埋まって、中心に0.1μ
m程度の窪みを残してほぼ平坦化された(工程11−
5)。その後、SF6 ガスをエッチングガスとして、R
Fパワー 30W,アルゴンガス圧 8mTorr,ガ
ス流量 120SCCMの条件で、アモルファスSiを
等方的に0.2μm、エッチングして、一辺が0.4μ
mの逆2等辺3角形に近い断面形状に整形した(工程1
1−6)。
On this isosceles triangle cross section, the substrate R
When amorphous Si was deposited by sputtering under an argon gas pressure of 10 mTorr and a gas flow rate of 80 SCCM with a thickness (average value) of 0.55 μm without applying an F bias, the concave pattern was buried and 0.1 μm was formed at the center.
The surface was almost flattened leaving a depression of about m (Step 11-
5). Then, using SF 6 gas as an etching gas, R
Under the conditions of F power of 30 W, argon gas pressure of 8 mTorr, and gas flow rate of 120 SCCM, amorphous Si isotropically etched at 0.2 μm and a side is 0.4 μm.
m was formed into a cross-sectional shape close to an inverse isosceles triangle (step 1
1-6).

【0069】この後、上記のSiO2 の堆積、エッチン
グ、アモルファスSiの堆積、エッチングの各工程を1
0回繰返して、図3に相当する構造を作製した(工程1
1−7)。
Thereafter, each of the above-described steps of depositing and etching SiO 2 , depositing and etching amorphous Si, is performed in one step.
This was repeated 0 times to produce a structure corresponding to FIG.
1-7).

【0070】この作製した試料の面内の光透過率を測定
したところ、1.38μm近辺で面内全方向にストップ
バンドが観測され、3次元フォトニックバンドギャップ
結晶構造となっていることが確認された。比較のため、
この試料と同じサイズ、材料、層数で従来技術による図
2に相当する3次元周期構造体を作製して光透過率を測
定したところ、T−M方向でTE偏波のみでしかストッ
プバンドは観測されなかった。このことから、図3に示
す膜厚変調された膜状構造では、フォトニックバンドギ
ャップ効果が増強されることが確認された。
When the in-plane light transmittance of the manufactured sample was measured, a stop band was observed in all directions in the plane near 1.38 μm, confirming that the sample had a three-dimensional photonic band gap crystal structure. Was done. For comparison,
When a three-dimensional periodic structure corresponding to FIG. 2 according to the prior art was manufactured with the same size, material, and number of layers as the sample, and the light transmittance was measured, the stop band was found to be only TE polarization in the TM direction. Not observed. From this, it was confirmed that the photonic band gap effect was enhanced in the film-like structure having the modulated film thickness shown in FIG.

【0071】(第2実施例)次に、前述の図9、および
図12に対応する本発明の別の実施例を説明する。合成
石英ガラス基板に電子ビームレジストを0.2μm塗布
し、チャージアップを防ぐ導電性膜を塗布して、電子ビ
ーム露光で周期0.4μmの6方最密の格子ドットパタ
ーンを露光した。導電性膜を剥離して、電子ビームレジ
ストを現像後、C26 ガスを用いた反応性イオンエッ
チングで、深さ0.16μm、石英ガラスをエッチング
する。レジストを除去後(図12の工程12−1)、S
iO2とアモルファスSiの2つのターゲットを有する
バイアススパッタリング装置を用い、先ず、SiO2
を、基板RFバイアス 70W,アルゴンガス圧 2.
5mTorr,ガス流量 100SCCMの条件で0.
6μmの厚さ(平均値)、スパッタリングにより堆積す
ると、平均傾斜角が45度、深さ0.2μmのジグザグ
な断面形状に整形された(工程12−2)。
(Second Embodiment) Next, another embodiment of the present invention corresponding to FIGS. 9 and 12 will be described. An electron beam resist was applied to a synthetic quartz glass substrate at a thickness of 0.2 μm, a conductive film for preventing charge-up was applied, and a 6 μm closest lattice dot pattern having a period of 0.4 μm was exposed by electron beam exposure. After the conductive film is peeled off and the electron beam resist is developed, the quartz glass is etched to a depth of 0.16 μm by reactive ion etching using C 2 F 6 gas. After removing the resist (step 12-1 in FIG. 12), S
a bias sputtering apparatus used with two targets iO 2 and amorphous Si, firstly, SiO 2
1. Substrate RF bias 70 W, argon gas pressure
Under the conditions of 5 mTorr, gas flow rate of 100 SCCM
When deposited by sputtering with a thickness of 6 μm (average value), it was shaped into a zigzag cross section having an average inclination angle of 45 degrees and a depth of 0.2 μm (step 12-2).

【0072】次いで、基板RFバイアスをかけずにアモ
ルファスSiを、アルゴンガス圧15mTorr,ガス
流量 120SCCMの条件で0.4μmの厚さ(平均
値)、スパッタリングにより堆積すると、溝部分が突起
部分から、より多く堆積され、ジグザグな断面形状がな
まって、0.05μmの緩い凹凸構造となった(工程1
2−3)。
Next, the amorphous Si was deposited by sputtering at a thickness of 0.4 μm (average value) under the conditions of an argon gas pressure of 15 mTorr and a gas flow rate of 120 SCCM without applying an RF bias to the substrate. More deposits were formed, and the zigzag cross-sectional shape was rounded to form a loose uneven structure of 0.05 μm (Step 1).
2-3).

【0073】次に、Arガスにより、RFパワー 10
0W,ガス圧 1mTorr,ガス流量 20SCCM
の条件で、アモルファスSiをエッチングすると、凸部
分のほうが凹部分よりも早くエッチングされ、幅0.3
μm、高さ0.18μmの逆三角形の断面形状を持つア
モルファスSiが得られた(工程12−4)。
Next, an RF power of 10
0W, gas pressure 1mTorr, gas flow rate 20SCCM
When the amorphous Si is etched under the condition of (1), the convex portion is etched earlier than the concave portion, and the width is 0.3.
Amorphous Si having an inverted triangular cross section having a height of 0.18 μm and a height of 0.18 μm was obtained (Step 12-4).

【0074】この逆三角形の断面形状を持つアモルファ
スSi上にSiO2 を、基板RFバイアス 70W,ア
ルゴンガス圧 2.5mTorr,ガス流量 100S
CCMの条件で0.5μmの厚さ(平均値)、スパッタ
リングにより堆積すると、平均傾斜角が45度、深さ
0.2μmのジグザグな断面形状に再び整形された(工
程12−5)。
SiO 2 was deposited on amorphous Si having an inverted triangular cross-sectional shape by applying a substrate RF bias of 70 W, an argon gas pressure of 2.5 mTorr, and a gas flow rate of 100 S.
When deposited by sputtering with a thickness of 0.5 μm (average value) under the conditions of CCM, it was reshaped into a zigzag cross-sectional shape having an average inclination angle of 45 degrees and a depth of 0.2 μm (step 12-5).

【0075】この後、アモルファスSiの堆積、エッチ
ング、SiO2 の堆積の各工程を10回繰返して、図9
に相当する構造を作製した(工程12−6)。
Thereafter, the steps of depositing amorphous silicon, etching and depositing SiO 2 are repeated 10 times to obtain FIG.
(Step 12-6).

【0076】この作製した試料の面内の光透過率を測定
したところ、1.4μm近辺でΓ−M方向でTE,TM
共に面ストップバンドが観測されたが、K点ではストッ
プバンドは観測されなかった。
When the in-plane light transmittance of the manufactured sample was measured, TE and TM were measured in the Δ-M direction around 1.4 μm.
In both cases, a surface stop band was observed, but no stop band was observed at point K.

【0077】以上、物質系としてはSiO2 とアモルフ
ァスSiの組み合わせ、作製技術としてはバイアススパ
ッタリングを用いる実施例を示したが、3次元電磁波解
析から明らかなように、これは3次元フオトニック結晶
構造に一般的に成り立つもので、本物質系や本作製方法
に限られるものではないことは明らかである。例えば、
本発明においては、物質系としては、低屈折率物質とし
てSi34 ,Al23 等、また高屈折率物質として
Ge,GaAs, 金属等を使用でき、また作製方法とし
て、ドライエッチング、ウェハボンデング等が利用でき
る。
As described above, the embodiment using the combination of SiO 2 and amorphous Si as the material system and the bias sputtering as the manufacturing technique has been described. However, as is clear from the three-dimensional electromagnetic wave analysis, this embodiment has a three-dimensional photonic crystal structure. It is clear that the above is generally applicable and is not limited to the present substance system and the present production method. For example,
In the present invention, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 or the like can be used as a material having a low refractive index, and Ge, GaAs, or a metal can be used as a material having a high refractive index. Wafer bonding and the like can be used.

【0078】[0078]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
屈折率の異なる複数種類の物質が厚さ方向に周期的に積
層された周期構造体において、厚さ方向の1周期内でそ
のそれぞれの物質が2次元まは1次元の周期的凹凸を持
つ膜状または2次元周期的な網状の形をなし、それぞれ
の物質からなる領域の面内の厚さが、面内で変調される
ように構成しているので、フォトニックバンドギャップ
効果が増強される。
As described above, according to the present invention,
In a periodic structure in which a plurality of types of materials having different refractive indices are periodically stacked in the thickness direction, each of the materials has two-dimensional or one-dimensional periodic unevenness within one period in the thickness direction. In this case, the photonic band gap effect is enhanced because the in-plane thickness of the region made of each material is modulated in-plane. .

【0079】本発明のこのような構造は、凹凸のある基
板上で、屈折率の異なる複数種類の物質を周期的に積層
する方法において、そのそれぞれの物質が上面、下面で
2次元的ないし1次元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向
の1周期内で、ある物質が複数の方向から原料物質を入
射させることにより、その物質の上面の凹凸は下面の凹
凸よりも強調され、別のある物質は再付着効果を持つデ
ボジションまたはエッチングにより上面の凹凸は下面の
凹凸よりも弱められることにより、それぞれの物質から
なる領域の厚さに対し面内で変調が与えられるので、簡
潔容易に作製できる。
Such a structure of the present invention provides a method of periodically laminating a plurality of types of substances having different refractive indexes on a substrate having irregularities, wherein each of the substances is two-dimensionally formed on the upper surface and the lower surface. It has a three-dimensional irregularity periodic structure, and within one cycle in the thickness direction, a certain substance makes a raw material incident from a plurality of directions, so that the irregularities on the upper surface of the substance are emphasized more than the irregularities on the lower surface. Certain materials can be easily and simply manufactured because the top surface irregularities are made weaker than the bottom surface irregularities by devotion or etching with a redeposition effect, so that the thickness of the region consisting of each material is given in-plane modulation. it can.

【0080】また、このような本発明による3次元周期
構造または2 次元周期構造は、その増強されたフォトニ
ックバンドギャップ効果を用いて、波長フイルター、光
スイッチ、アイソレータ、低閾値レーザ等、種々の光部
品の高性能化、小型化に利用できる。
Further, the three-dimensional periodic structure or the two-dimensional periodic structure according to the present invention can be used for various filters such as a wavelength filter, an optical switch, an isolator, and a low threshold laser by using the enhanced photonic band gap effect. It can be used for high performance and miniaturization of optical components.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来の3次元周期構造体を示す構造図である。FIG. 1 is a structural diagram showing a conventional three-dimensional periodic structure.

【図2】従来の3次元周期構造体の別例を示す構造断面
図である。
FIG. 2 is a structural sectional view showing another example of a conventional three-dimensional periodic structure.

【図3】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する3
次元周期構造体の1例を示す構造断面図である。
FIG. 3 shows an in-plane film thickness modulation structure 3 according to the present invention.
It is a structural sectional view showing an example of a three-dimensional periodic structure.

【図4】本発明による3次元周期構造体の3次元電磁界
解析結果を示し、(a)はグラフ、(b)はその一部拡
大図、(c)は断面図である。
4A and 4B show the results of a three-dimensional electromagnetic field analysis of a three-dimensional periodic structure according to the present invention, wherein FIG. 4A is a graph, FIG. 4B is a partially enlarged view, and FIG.

【図5】従来の3次元周期構造体の3次元電磁界解析結
果を示し、(a)はグラフ、(b)はその一部拡大図、
(c)は断面図である。
5A and 5B show the results of a three-dimensional electromagnetic field analysis of a conventional three-dimensional periodic structure, wherein FIG. 5A is a graph, FIG.
(C) is a sectional view.

【図6】図4、図5の電磁界解析に用いた単位格子
(a)とブリュアンゾーン(b)を示す模式図である。
6 is a schematic diagram showing a unit lattice (a) and a Brillouin zone (b) used in the electromagnetic field analysis in FIGS. 4 and 5. FIG.

【図7】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する3
次元周期構造体の別例を示す構造断面図である。
FIG. 7 shows an in-plane film thickness modulation structure 3 according to the present invention.
FIG. 9 is a structural cross-sectional view illustrating another example of the two-dimensional periodic structure.

【図8】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する網
状の3次元周期構造体の一例を示す構造断面図である。
FIG. 8 is a structural sectional view showing an example of a reticulated three-dimensional periodic structure having an in-plane film thickness modulation structure according to the present invention.

【図9】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する網
状の3次元周期構造体の別例を示す構造断面図である。
FIG. 9 is a structural sectional view showing another example of a reticulated three-dimensional periodic structure having an in-plane film thickness modulation structure according to the present invention.

【図10】本発明による図7 の3次元周期構造構造体の
作製工程を示す工程図である。
FIG. 10 is a process chart showing a manufacturing process of the three-dimensional periodic structure structure of FIG. 7 according to the present invention.

【図11】本発明による図3の3次元周期構造構造の作
製工程を示す工程図である。
FIG. 11 is a process chart showing a manufacturing process of the three-dimensional periodic structure structure of FIG. 3 according to the present invention.

【図12】本発明による図9の3次元周期構造構造の作
製工程を示す工程図である。
FIG. 12 is a process chart showing a manufacturing process of the three-dimensional periodic structure structure of FIG. 9 according to the present invention.

【図13】本発明による図8の3次元周期構造構造の作
製工程を示す工程図である。
FIG. 13 is a process chart showing a manufacturing process of the three-dimensional periodic structure of FIG. 8 according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、301、701、801、901 低屈折率の
物質 102、302、702、802、902 高屈折率の
物質 1001、1101、1201、1301 基板 1002、1102、1202、1302 凹凸パター
ン 1003、1005、1103、1107、1204
高屈折率物質 1004、1105、1203、1303、1306
低屈折率物質 1106、1108、1305 3角形 1307 台形状の穴 1308 高屈折率物質 1309 逆台形
101, 301, 701, 801, 901 Low refractive index material 102, 302, 702, 802, 902 High refractive index material 1001, 1101, 1201, 1301 Substrate 1002, 1102, 1202, 1302 Uneven pattern 1003, 1005, 1103 , 1107, 1204
High refractive index material 1004, 1105, 1203, 1303, 1306
Low refractive index substance 1106, 1108, 1305 Triangle 1307 Trapezoidal hole 1308 High refractive index substance 1309 Inverted trapezoid

フロントページの続き (72)発明者 納富 雅也 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 川上 彰二郎 宮城県仙台市若林区土樋236 (72)発明者 佐藤 尚 宮城県仙台市青葉区荒巻神明町25−6− 202 (72)発明者 大寺 康夫 宮城県仙台市青葉区土樋1丁目6番15号 コーポ金子201号 (72)発明者 川嶋 貴之 宮城県仙台市青葉区川内三十人町45番5号 ル・ヴィラージュ203号 Fターム(参考) 2H047 KA03 KB08 PA04 PA05 PA24 QA02 QA04 RA08 TA05 TA11 2H049 BA01 BA45 BC01 BC25 2H079 CA05 DA16 Continued on the front page (72) Inventor Masaya Notomi 3-19-2 Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Shojiro Kawakami 236 Doi, Wakabayashi-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture (72) Inventor Takashi Sato 25-6-202 Aramaki Shinmeicho, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture (72) Inventor Yasuo Odera 1-6-1-15 Doi, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture Corp. Kaneko 201 (72) Inventor Takayuki Kawashima Sendai, Miyagi Prefecture No.45-5, Sannai-cho, Kawauchi, Aoba-ku, Yokohama Le Village 203 F-term (reference) 2H047 KA03 KB08 PA04 PA05 PA24 QA02 QA04 RA08 TA05 TA11 2H049 BA01 BA45 BC01 BC25 2H079 CA05 DA16

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 屈折率の異なる複数種類の物質が厚さ方
向に周期的に積層された3次元周期構造体において、厚
さ方向の1周期内でそれぞれの物質は2次元の周期的凹
凸を持つ膜状または2次元周期的な網状の形をなし、そ
れぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面内で変調
されていることを特徴とする3次元周期構造体。
In a three-dimensional periodic structure in which a plurality of types of substances having different refractive indexes are periodically laminated in a thickness direction, each substance has two-dimensional periodic irregularities within one period in the thickness direction. A three-dimensional periodic structure, wherein the three-dimensional periodic structure has a film shape or a two-dimensional periodic network shape, and a thickness of a region made of each material in a plane is modulated in the plane.
【請求項2】 低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ
方向に周期的に積層された構造体であって、その厚さ方
向の1周期内でそれぞれの物質は2次元周期的凹凸を持
つ膜状の形をなし、それぞれの物質からなる領域の面内
の厚さが、面内でほぼ0〜100%直線的に変調されて
いることを特徴とする請求項1に記載の3次元周期構造
体。
2. A structure in which a low-refractive-index substance and a high-refractive-index substance are periodically laminated in the thickness direction, and each substance is two-dimensionally periodic within one period in the thickness direction. 2. The film according to claim 1, which has a film-like shape having irregularities, and wherein the in-plane thickness of the region made of each substance is linearly modulated by approximately 0 to 100% in the plane. Three-dimensional periodic structure.
【請求項3】 低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ
方向に周期的に積層された構造体であって、その厚さ方
向の1周期内でそれぞれの物質は2次元周期的凹凸を持
つ膜状の形をなし、z方向のある面近傍で屈折率が最小
になり、z方向の他の面近傍で屈折率が最大になり、
x,y方向のある面近傍で屈折率が最大になり、x,y
方向の他の面近傍で屈折率が最小になることを特徴とす
る請求項1に記載の3次元周期構造体。
3. A structure in which a low-refractive-index substance and a high-refractive-index substance are periodically laminated in the thickness direction, and each substance is two-dimensionally periodic within one period in the thickness direction. In the form of a film having irregularities, the refractive index is minimized near a certain surface in the z direction, the refractive index is maximized near another surface in the z direction,
The refractive index becomes maximum near a certain surface in the x, y directions, and the x, y
The three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the refractive index is minimized in the vicinity of another surface in the direction.
【請求項4】 低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ
方向に周期的に積層された構造体であって、その厚さ方
向の1周期内で前記低屈折率物質が2次元周期的な網状
の形をなし、その穴部分に前記高屈折率物質が充填さ
れ、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さが面内で
変調されていることを特徴とする請求項1に記載の3次
元周期構造体。
4. A structure in which a low-refractive-index substance and a high-refractive-index substance are periodically laminated in a thickness direction, wherein the low-refractive-index substance is two-dimensionally formed within one period in the thickness direction. 2. A periodic net-like shape, wherein the holes are filled with the high-refractive-index material, and the in-plane thickness of a region made of each material is modulated in the plane. 3. The three-dimensional periodic structure according to 1.
【請求項5】 低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ
方向に周期的に積層された構造体であって、その厚さ方
向の1周期内で前記低屈折率物質が膜状の形をなし、そ
の膜中に2次元周期的な窪みがあり、この窪み部分に前
記高屈折率物質が充填され、それぞれの物質からなる領
域の面内の厚さが面内で変調されていることを特徴とす
る請求項1に記載の3次元周期構造体。
5. A structure in which a low-refractive-index substance and a high-refractive-index substance are periodically laminated in a thickness direction, wherein the low-refractive-index substance is formed into a film in one cycle in the thickness direction. The film has a two-dimensional periodic dent in the film, and the dent portion is filled with the high refractive index material, and the in-plane thickness of the region made of each material is modulated in the surface. The three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein:
【請求項6】 屈折率の異なる複数種類の物質が厚さ方
向に周期的に積層された2次元周期構造体において、厚
さ方向の1周期内でそれぞれの物質は1次元の周期的凹
凸を持つ膜状の形をなし、それぞれの物質からなる領域
の面内の厚さが、面内で変調されていることを特徴とす
る2次元周期構造体。
6. In a two-dimensional periodic structure in which a plurality of types of substances having different refractive indices are periodically laminated in the thickness direction, each substance has one-dimensional periodic irregularities within one period in the thickness direction. A two-dimensional periodic structure having a film-like shape, wherein the in-plane thickness of a region made of each material is modulated in the plane.
【請求項7】 屈折率の異なる複数種類の物質を周期的
に積層する3次元構造体の作製方法において、それぞれ
の物質は上面、下面が2次元的凹凸周期構造を有し、厚
さ方向の1周期内で、ある物質は複数の方向から原料物
質を入射させることによりその物質の上面の凹凸は下面
の凹凸よりも強調され、別のある物質は再付着効果を持
つデポジションまたはエッチングにより上面の凹凸は下
面の凹凸より弱められることにより、それぞれの物質か
らなる領域の厚さが面内で変調が与えられ、フォトニッ
クバンドギャップ効果が大きくなることを特徴とする3
次元周期構造体の作製方法。
7. A method for manufacturing a three-dimensional structure in which a plurality of types of substances having different refractive indices are periodically laminated, wherein each substance has a two-dimensional periodic structure of upper and lower surfaces and a thickness direction. In one cycle, a certain substance is irradiated with a source substance from a plurality of directions, so that the irregularities on the upper surface of the substance are emphasized more than the irregularities on the lower surface, and another substance is formed on the upper surface by deposition or etching having a redeposition effect. Is characterized in that the thickness of the region made of each material is modulated in the plane by reducing the unevenness of the lower surface than the unevenness of the lower surface, and the photonic band gap effect is increased.
Method for manufacturing a two-dimensional periodic structure.
【請求項8】 基板表面に微細な周期の凹凸パターンを
形成する第1の工程と、 前記基板を、基板バイアス印加可能で低屈折率物質と高
屈折率物質の2個のターゲットを有するスパッタリング
装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて比較的浅
い楔状の形状になるように、基板バイアスとガス圧を調
整して高屈折率物質をスパッタする第2の工程と、 該高屈折率物質上に低屈折率物質をエッチング効果や再
付着効果の少ない条件でスパッタすることにより比較的
深い楔状の形状にする第3の工程と、 該低屈折率物質上に高屈折率物質をエッチング効果や再
付着効果が大きい条件でスパッタする第4の工程とを有
し、 その後、前記第2の工程から前記第4の工程を順次繰り
返すことを特徴とする請求項7に記載の3次元周期構造
体の作製方法。
8. A first step of forming a fine periodic concavo-convex pattern on a substrate surface, and a sputtering apparatus having a substrate bias application target and two targets of a low refractive index material and a high refractive index material. A second step of adjusting the substrate bias and gas pressure to sputter a high refractive index material so that the concave portion of the pattern is shaped into a relatively shallow wedge shape; A third step of forming a relatively deep wedge shape by sputtering a low refractive index substance under conditions with little etching effect or reattachment effect, and etching a high refractive index substance on the low refractive index substance by etching. A fourth step of performing sputtering under a condition where the adhesion effect is large, and thereafter, repeating the second step to the fourth step sequentially. Production Law.
【請求項9】 基板表面に微細な周期の凹凸パターンを
形成する第1の工程と、 前記基板を、基板バイアス印加可能で低屈折率物質と高
屈折率物質の2個のターゲットを有するスパッタリング
装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて小さな楔
または突起を残して平坦化されるように、エッチング効
果や再付着効果が非常に大きい基板バイアスとガス圧の
条件で、高屈折率物質をスパッタする第2の工程と、 該高屈折率物質上に低屈折率物質を所定の角度のジグザ
グ形状になるように基板バイアスとガス圧を調整してス
パッタする第3の工程と、 等方的なエッチングにより低屈折率層の断面がほぼ3角
形になるまで全体的にエッチングする第4の工程と、 該3角形の低屈折率層の上に高屈折率物質が小さな楔ま
たは突起を有するほぼ平坦な表面になるように基板バイ
アスとガス圧を調整して高屈折率物質をスパッタする第
5の工程と、 等方的なエッチングにより該高屈折率層の断面が逆3角
形になるまで全体的にエッチングする第6の工程とを有
し、 その後、前記第3の工程から前記第6の工程を順次繰り
返すことを特徴とする請求項7に記載の3次元周期構造
体の作製方法。
9. A first step of forming a fine periodic concavo-convex pattern on the surface of a substrate, and a sputtering apparatus having two targets, a low refractive index material and a high refractive index material, to which the substrate can be applied with a substrate bias. And a high refractive index material is sputtered under the conditions of a substrate bias and a gas pressure, which have a very large etching effect and re-adhesion effect, so that the concave portion of the pattern is shaped and flattened leaving a small wedge or projection. A second step of sputtering a low-refractive-index substance on the high-refractive-index substance by adjusting a substrate bias and a gas pressure so as to form a zigzag shape at a predetermined angle; A fourth step of etching the whole of the low refractive index layer by etching until the cross section of the low refractive index layer becomes substantially triangular; A fifth step of sputtering a high-refractive-index substance by adjusting a substrate bias and a gas pressure so that a high-refractive-index layer is formed, and until the cross section of the high-refractive-index layer becomes an inverted triangle by isotropic etching. The method of manufacturing a three-dimensional periodic structure according to claim 7, further comprising: a sixth step of performing etching on the substrate; and thereafter, sequentially repeating the third to sixth steps.
【請求項10】 基板表面に微細な周期の凹凸パターン
を形成する第1の工程と、 前記基板を、基板バイアス印加可能で、低屈折率物質と
高屈折率物質の2個のターゲットを有するスパッタリン
グ装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて45°
程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板バイア
スとガス圧を調整して低屈折率物質をスパッタする第2
の工程と、 該低屈折率物質の上にバイアスを印加せずに高屈折率物
質を積層する第3の工程と、 異方性が高く高屈折率物質をより選択的にエッチングで
きるドライエッチングを行う第4の工程と、 該高屈折率物質の上に低屈折率物質を45°程度の角度
を持つ楔状の形状になるように、基板バイアスとガス圧
を調整してスパッタする第5の工程とを有し、 その後、前記第3の工程から前記第5の工程を順次繰り
返すことを特徴とする請求項7に記載の3次元周期構造
体の作製方法。
10. A first step of forming a fine periodic pattern on the surface of a substrate, and sputtering the substrate to which a substrate bias can be applied and having two targets of a low refractive index material and a high refractive index material. Put into the device, the concave part of the pattern is shaped and 45 °
The second step is to adjust the substrate bias and gas pressure so as to form a wedge-like shape having an angle of about
A third step of laminating a high-refractive-index substance on the low-refractive-index substance without applying a bias, and a dry-etching method capable of selectively etching the high-refractive-index substance with high anisotropy. A fourth step of performing, and a fifth step of adjusting the substrate bias and the gas pressure to sputter the low refractive index material on the high refractive index material so as to form a wedge shape having an angle of about 45 °. The method of manufacturing a three-dimensional periodic structure according to claim 7, further comprising: sequentially repeating the third to fifth steps.
【請求項11】 基板表面に微細な周期の凹凸パターン
を形成する第1の工程と、 前記基板を、基板バイアス印加可能で、低屈折率物質と
高屈折率物質の2個のターゲットを有するスパッタリン
グ装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて45°
程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板バイア
スとガス圧を調整して低屈折率物質をスパッタする第2
の工程と、 該低屈折率物質の上にバイアスを印加せずに高屈折率物
質を積層する第3の工程と、 異方性が高く高屈折率物質をより選択的にエッチングで
きるドライエッチングを行う第4の工程と、 該高屈折率物質の上に低屈折率物質を所定の角度を持つ
楔状の形状になるように、基板バイアスとガス圧を調整
してスパッタする第5の工程と、 等方的で低屈折率物質をより選択的にエッチングできる
ドライエッチングを行い、低屈折率層に台形状の穴を明
ける第6の工程と、 高屈折率物質を下面の楔形状を鈍らせるように凹部には
厚く、凸部には薄く積層する第7の工程と、 異方性が高く高屈折率物質をより選択的にエッチングで
きるドライエッチングを行い、高屈折率層の断面が分離
した逆台形を網状の穴の部分に形成する第8の工程とを
有し、 その後、前記第5の工程から前記第8の工程を順次繰り
返すことを特徴とする請求項7に記載の3次元周期構造
体の作製方法。
11. A first step of forming a fine periodic concavo-convex pattern on a substrate surface, and sputtering the substrate to which a substrate bias can be applied and which has two targets of a low refractive index material and a high refractive index material. Put into the device, the concave part of the pattern is shaped and 45 °
The second step is to adjust the substrate bias and gas pressure so as to form a wedge-like shape having an angle of about
A third step of laminating a high-refractive-index substance on the low-refractive-index substance without applying a bias, and a dry-etching method capable of selectively etching the high-refractive-index substance with high anisotropy. A fourth step of performing; and a fifth step of adjusting the substrate bias and gas pressure to sputter the low-refractive-index material on the high-refractive-index material so as to form a wedge-shaped shape having a predetermined angle. A sixth step of making a trapezoidal hole in the low-refractive index layer by performing dry etching capable of more selectively etching the low-refractive index substance, and making the high-refractive index substance blunt the wedge shape on the lower surface. A seventh step of laminating a thick layer on the concave portion and a thin layer on the convex portion, and performing dry etching capable of selectively etching the high-refractive-index material with high anisotropy and separating the cross-section of the high-refractive-index layer, An eighth step of forming a trapezoid in the portion of the net-like hole; Has, then, a method for manufacturing a three-dimensional periodic structure according to claim 7, characterized in that from said fifth step sequentially repeating the eighth step.
【請求項12】 屈折率の異なる複数種類の物質を周期
的に積層する2次元構造体の作製方法において、それぞ
れの物質は上面、下面が1次元的凹凸周期構造を有し、
厚さ方向の1周期内で、ある物質は複数の方向から原料
物質を入射させることによりその物質の上面の凹凸は下
面の凹凸よりも強調され、別のある物質は再付着効果を
持つデポジションまたはエッチングにより上面の凹凸は
下面の凹凸より弱められることにより、それぞれの物質
からなる領域の厚さが面内で変調が与えられ、フォトニ
ックバンドギャップ効果が大きくなることを特徴とする
2次元周期構造体の作製方法。
12. A method for manufacturing a two-dimensional structure in which a plurality of types of substances having different refractive indexes are periodically stacked, wherein each of the substances has a one-dimensional periodic periodic structure on an upper surface and a lower surface.
Within one cycle in the thickness direction, a certain substance is irradiated with a raw material from a plurality of directions, so that the irregularities on the upper surface of the substance are emphasized more than the irregularities on the lower surface, and another substance has a deposition effect having a redeposition effect. Alternatively, the unevenness of the upper surface is weakened by the etching compared to the unevenness of the lower surface, so that the thickness of the region made of each material is modulated in the plane, and the photonic band gap effect is increased. Method for manufacturing a structure.
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