JP2001318247A

JP2001318247A - ３次元フォトニック結晶体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001318247A
Application number: JP2000134086A
Authority: JP
Inventors: Naoshi Sakamoto; 直志坂本; Haruto Noro; 治人野呂; Masaki Sakakibara; 正毅榊原
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2000-05-08
Publication date: 2001-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波路を伝播する光に対しＴＭモード、ＴＥ
モードに共通のフォトニックバンドを有する３次元フォ
トニック結晶体を得る。また、その製造方法を容易にす
る。【解決手段】３次元フォトニック結晶体は誘電率の異な
る２種の誘電体で構成され、少なくとも一方の誘電体を
有機高分子化合物で形成する。３次元フォトニック結晶
体を作成するには、基板１上に有機高分子化合物膜２、
３を積層し、有機高分子化合物膜上に金属膜４を積層す
る。金属膜上に有機レジストを塗布しフォトリソグラフ
ィーにより有機レジストを所望のパターンに形成し、有
機レジストをマスクとして金属膜を所望のパターンに形
成する。その後金属膜をマスクとして有機高分子化合物
膜を所望のパターンに形成する。上記工程を反復する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特定の波長領域の
光波の伝播を抑制する３次元フォトニック結晶体及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、特定の周波数領域において電
磁波が固有のモードを持てないフォトニック・バンドギ
ャップを有するフォトニック結晶体が知られている。フ
ォトニック結晶体は、誘電率を波長単位で周期的に大き
く変化させた構造を有するもので、フォトニック・バン
ドギャップに相当する光子エネルギーを持つ光の伝播を
抑制することができるものである。このようなフォトニ
ック結晶体に、人為的に誘電率を変化させた欠陥を導入
すると、フォトニック・バンドギャップ中に許容準位が
形成され、その準位に相当する光子エネルギーをもつ光
のみの伝播が可能となる。フォトニック結晶体は光導波
路の形成に極めて重要な機能を備えたものであり、電磁
波を制御することができる材料として最も有望視されて
いる。即ち、波長フィルターや波長分割、多重のための
光デバイスとして使用され、また、近接した導波路間の
漏洩波の防止材として適用され、導波光の低損失を図る
と共に、高密度光集積回路等の小型化を図ることができ
ることから、その製品化が期待されている。

【０００３】このようなフォトニック結晶体として、図
６に示すように、誘電率εａをもつ円形誘電体３１を、
誘電率εａと大きく異なる誘電率εbをもつ周囲誘電体
３２に正方格子状に周期的に配置し、格子定数Ｋ１を伝
播する光の波長に近似させた２次元構造を有するもの、
あるいは、図７に示すように、誘電率εａをもつ格子形
誘電体３３を、誘電率εａと大きく異なる誘電率εbを
もつ周囲誘電体３４に配置し、格子定数Ｋ２を伝播する
光の波長に近似させた２次元構造を有するもの等であ
り、誘電率の高い円形誘電体３１、格子形誘電体３３を
ＳｉＯ₂等で形成し、周囲誘電体３２、３４をエアで形
成したものがあった。

【０００４】しかしながら、円形誘電体３１を正方格子
状に周期的に配置した場合、Ｚ軸方向に磁場成分を持た
ない偏光、所謂ＴＭモードでは、広いフォトニック・バ
ンドギャップが存在するが、Ｚ軸方向に電場成分を持た
ない偏光、所謂ＴＥモードでは、円形誘電体３１と周囲
誘電体３２との誘電率比や充填率（誘電率の高い誘電体
の面積が全体に占める割合。）等の条件により、フォト
ニック・バンドギャップは僅かに存在するに過ぎないも
のであった。一方、格子形誘電体３３を有する場合は、
円形誘電体３１の場合とは逆に、ＴＥモードでは、広い
フォトニック・バンドギャップが存在するが、ＴＭモー
ドでは、誘電率比や充填率等の条件により、フォトニッ
ク・バンドギャップは狭いものであった。上記の構造の
各フォトニック結晶体においては、ＴＥモードとＴＭモ
ードでは光の状態密度が周波数領域において拮抗してお
り、フォトニック・バンドギャップが一致する周波数領
域は殆ど認められなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、２次元
フォトニック結晶体においては、ＴＭモード、ＴＥモー
ドの何れであっても、全範囲のフォトニック・バンドギ
ャップを有するものを得るのは困難であるため、３次元
構造のフォトニック結晶体の作成が試みられていた。

【０００６】３次元構造のフォトニック結晶体を作成す
るに当たり、光通信波長帯（１．３μｍまたは１．５５
μｍ）でフォトニックバンドギャップを有するフォトニ
ック結晶を作成するためには、前述の２次元構造のフォ
トニック結晶体を立体構造を有するものとしたもの、即
ち、高い誘電率を有する円形誘電体３１、または格子形
誘電体３３と周囲誘電体の誘電率比を所定以上とし、格
子定数を伝播する光の波長に近似させた構造のものを作
成する方法があった。このような３次元構造のフォトニ
ック結晶体を作成するには、主に以下の３方法が知られ
ている。

【０００７】第１の方法は、半導体の異方性エッチング
技術を用いた方法であり、半導体層と空気によりフォト
ニック結晶を構成するものである。半導体層上に異なる
材質の３層のエッチングマスクを積層し、半導体を載置
したステージを電子ビームの入射方向に対して所定の傾
きをもって配置し電子ビームリソグラフィによりエッチ
ングを行い、このエッチングをステージを１２０°回転
して３方向から行うことにより、空気からなる部分を作
成する方法である。

【０００８】第２の方法は、空気回折格子を形成した半
導体層を、半周期ずつ位置をシフトして位置合わせを行
い融着により積層して作成する方法である。この位置合
わせは、回折格子が半周期ずれたとき入射したレーザ光
が最弱になることを利用して行うものである。

【０００９】第３の方法は、電子ビームリソグラフィと
ドライエッチングにより石英等の基板に円形の孔を形成
し、その上にバイヤススパッタ法でＳｉ／ＳｉＯ₂多層
膜を積層するものである。この多層膜の積層が進むにつ
れ自己クローニングと呼ばれる作用により、ターゲット
から飛来する中性粒子が積層膜に拡散入射されると共
に、中性粒子が拡散された層が垂直入射イオンによりス
パッタエッチングされ、このスパッタエッチングにより
生じた粒子が再付着して周期的に凹凸パターンが複製さ
れることにより、一水平断面において半導体と空気で構
成されるフォトニック結晶体が形成される。

【００１０】しかしながら、このような方法により光通
信波長帯でフォトニックバンドギャップを持つフォトニ
ック結晶体を作成するのは、フォトニック結晶体の格子
定数を１μｍ以下としなければならず、その作成は容易
ではなかった。また、上記作成方法は、半導体の微細加
工技術により１〜２層を積層することはできても、何層
にも亘って位置合わせをして積層することは困難であっ
た。このため、何れの方向に対しても光の伝播を抑制す
るような３次元構造のフォトニック結晶体を作成するこ
とは非常に困難であり、任意な構造を自由に選択して充
分なフォトニックバンドギャップを有する３次元構造の
フォトニック結晶体を作成することは全く不可能であっ
た。

【００１１】本発明は上記欠点を解消するためになされ
たものであって、本発明の目的は、任意な３次元構造を
容易に作成することができるフォトニック結晶体及びそ
の製造方法を提供するものである。

【００１２】

【発明を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の３次元フォトニック結晶は、誘電率の異な
る２種以上の誘電体で形成される３次元フォトニック結
晶体であって、少なくとも１種の誘電体が有機高分子化
合物からなるものである。

【００１３】本発明の３次元フォトニック結晶製造方法
は、誘電率の異なる２種以上の誘電体で形成される３次
元フォトニック結晶体を作成するに当たり、基板上にフ
ォトリソグラフィ技術を使用して有機高分子化合物から
なる誘電体を形成するものであり、好ましくは、基板上
に有機高分子化合物膜を積層する第１の工程と、有機高
分子化合物膜上に金属膜を形成し、金属膜上に有機レジ
ストを塗布する第２の工程と、フォトリソグラフィーに
より有機レジストを所望のパターンに形成する第３の工
程と、パターンの有機レジストをマスクとして金属膜を
所望のパターンに形成する第４の工程と、パターンの金
属膜をマスクとして有機高分子化合物膜を所望のパター
ンに形成する第５の工程と、第１の工程から第５の工程
を反復するものである。

【００１４】本願発明のフォトニック結晶体は、異なる
誘電率を有する２種以上の誘電体のうち少なくとも１種
の誘電体を有機高分子化合物とすることにより、全方向
に対して光の伝播を抑制できる構造を容易に作成するこ
とができる。

【００１５】また、本願発明のフォトニック結晶体の製
造方法によれば、微細構造であっても加工が容易な有機
高分子化合物をフォトリソグラフィにより容易に作成す
ることができる。このため、全方向に対して光の伝播を
抑制できる構造を自由に選択して作成することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の３次元フォトニック結晶
体及びその製造方法を適用した好ましい実施形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１７】本発明の３次元フォトニック結晶体は、高
い誘電率εａを有する誘電体と、低い誘電率εｂを有す
る周囲誘電体とから構成される。３次元フォトニック結
晶体の構造は、前述の２次元フォトニック結晶体を断面
としてこれを立体構造としたものであってもよい。即
ち、図１に示すような誘電率の高い誘電体を円柱誘電体
１１として周囲誘電体１２に配置したもの、あるいは、
図２に示すような誘電率の高い誘電体を立体格子形誘電
体２１として周囲誘電体２２に配置したものであっても
よく、あるいは、円柱誘電体１１を楕円柱形状としたも
の、立方格子形誘電体２１を長方形格子形状としたもの
等から適宜選択することもできる。更に、３次元構造と
して、結晶構造でいう面心立方構造、体心立方構造、ダ
イヤモンド構造等の格子点に周囲物質と異なる物質を配
置した構造（以下、それぞれ面心立方体、体心立方体、
ダイヤモンド構造体と称す。）、即ちこれらの結晶構造
の格子点に誘電率の低い誘電体を配置し、周囲誘電体を
誘電率の高いものとした構造等から選択することができ
る。尚、何れの構造であっても、誘電率の高い誘電体と
誘電率の低い周囲誘電体とは、通過する光の進行方向に
対して波長単位で交互に配置されるようにな構造を有す
るものである。

【００１８】このような構造を有する３次元フォトニッ
ク結晶体は、２種以上の誘電体のうち、少なくとも１種
の誘電体は有機高分子化合物で作成される。有機高分子
化合物としては、フィルム状或いはスピンコートで形成
可能な材料であればよく、エポキシ樹脂、ポリイミド、
ポリメチルメタアクリレート、紫外線防止樹脂等が挙げ
られる。

【００１９】他方の誘電体は空気、有機高分子化合物
等、適宜選択することができる。

【００２０】一方の誘電体を有機高分子化合物で構成さ
れるフォトニック結晶体の製造方法は、図３に示すよう
に、以下の第１工程から第５工程により各層を形成し、
第１工程から第５工程を反復するものであり、３次元構
造のフォトニック結晶体を製造するものである。

【００２１】第１工程：基板上に高分子化合物を積層
する。

【００２２】Ｓｉ、石英等の基板１上に上述の高分子化
合物の何れかで作成されたフィルム２を貼付するか、或
いは上述の高分子化合物で作成された塗布液を基板に塗
布し塗布膜を形成する。基板にフィルムを貼付するに
は、基板上にオリフラを合わせてフィルムを載置した
後、有機高分子化合物の架橋が生じ、且つ、変形が生じ
ない温度に加熱し、水素ガス雰囲気中で融着する。例え
ば、ポリイミドフィルムを用いた場合は、４００℃に加
熱して行う。フィルムの厚さとしては使用する光の波長
により適宜選択することができる。光通信波長帯（１．
３μｍまたは１．５５μｍ）で使用するフォトニック結
晶体を作成する場合は、０．３〜２μｍ程度でよい。ま
た、塗布膜を形成する場合は、高分子化合物の塗布液を
作成し、塗布膜３が所定の厚さに形成されるよう所定量
の塗布液を滴下してスピンコートを行うことができる。

【００２３】第２工程：高分子化合物層上に金属膜を
積層する。

【００２４】高分子化合物フィルム２または高分子化合
物塗布膜３上に積層する金属膜４の組成は、フッ素系ガ
スまたは塩素系ガスでエッチングを行えるものであれば
よく、例えば、ＷＳｉ膜を適用することができる。金属
膜を形成するには、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の方法に
よることができる。

【００２５】第３工程：金属膜上にレジストパターン
を作成する。

【００２６】形成された金属膜上に有機レジストを塗布
する。レジストはスピンコート等により塗布することが
できる。レジストは所定の厚さに均一に塗布する。レジ
スト膜５をフォトリソグラフィにより所定のパターン５
ａに作成する。

【００２７】レジストパターン５ａはフォトニック結晶
体の結晶構造に対応したネガまたポジの形状とする。フ
ォトニック結晶体が、面心立方体、体心立方体、ダイヤ
モンド構造体等であれば、各構造に対応した形状とす
る。光通信波長帯のフォトニックバンドを有するフォト
ニック結晶体の場合は、光通信波長に近似した格子定数
を有する構造を採用できる。

【００２８】露光方法としては、投影縮小露光、電子ビ
ーム直接描画等何れの方法であってもよく、レジストパ
ターンに形成されたマスクを介してレジスト膜５を露光
する。露光後、通常の方法により現像を行い、レジスト
パターン５ａを得る。

【００２９】第４工程：金属膜のエッチングを行う。

【００３０】レジストパターン５ａをマスクとして金属
膜４のエッチングを行う。エッチングはＲＩＥ装置、Ｅ
ＣＲ装置、ＩＣＰ装置等微細加工に適した装置を使用
し、フッ素系ガスまたは塩素系ガスにより金属膜４をエ
ッチングすることにより金属膜４にレジストパターン５
ａが転写された金属膜パターン４ａを得る。その後、レ
ジストパターン５ａを除去する。

【００３１】第５工程：有機高分子化合物膜のエッチ
ングを行う。

【００３２】金属膜パターン４ａをマスクとして有機高
分子化合物膜２、３のエッチングを行う。エッチングは
ＲＩＥ装置、ＥＣＲ装置、ＩＣＰ装置等を使用し、酸素
ガス等により有機高分子化合物膜のエッチングを行い、
有機高分子化合物膜２、３が所望のパターンに形成さ
れ、有機高分子化合物膜２、３に所定の形状の孔、即
ち、エアーからなる周囲誘電体２ｂが形成され、有機高
分子化合物からなる高い誘電率εａを有する誘電体２ａ
と、周囲誘電体２ｂとによって構成される１層目２ｃが
作成される。

【００３３】第６工程：有機化合物を所定の厚さに形
成する。

【００３４】形成された一層上にオリフラを合わせ有機
化合物のフィルムを貼り付け、あるいは、スピンコート
により塗布し、第２工程から第５工程を反復して２層目
２ｄ、３層目・・以下を作成する。このとき、積層する
層は円柱形状、立方格子形状、面心立方体、体心立方
体、ダイヤモンド構造体等、各フォトニック結晶体の構
造に応じた形状に形成し、有機高分子化合物と空気から
なる３次元フォトニック結晶を得る。

【００３５】

【実施例】Ｓｉ基板上にポリイミドフィルムをオリフラ
を合わせて載置し、Ｈ₂雰囲気中で４００℃の熱処理を
行い、厚さ０．５μｍのポリイミドフィルムを変形させ
ずに架橋した。基板に貼り合わせたポリイミドフィルム
上にスパッタによりＷＳｉ膜を形成し、レジストを塗布
した。投影縮小露光方法によりレジストを露光し、ＲＩ
Ｅ装置によりエッチングした。ＲＩＥ条件として、ＲＦ
パワー１５Ｗ、ＮＦ ₃ガスによりガス圧１００ｍＴｏｒ
ｒ、ガス流量２５ＳＣＣＭとした。更に、この金属膜パ
ターンをマスクとして、ＲＦパワー１５Ｗ、Ｏ₂ガスに
よりガス圧１０ｍＴｏｒｒ、ガス流量５０ＳＣＣＭとし
てポリイミドフィルムのエッチングを行い、１層を作成
した。更に、所定の形状に形成されたポリイミドの第１
層上に上記方法によりポリイミド第２層を作成し、第１
層、第２層は同一パターンに形成し、これを１周期とし
て１０周期を作製し、格子定数０．７μｍ、エアロッド
の半径０．３２μｍの面心立方構造の３次元フォトニッ
ク結晶体を得た。

【００３６】得られた３次元フォトニック結晶体は、図
４に示すように、格子定数ａに近似した波長の光のＴＥ
波に対して、全ての方向に光の伝播を抑制するバンドギ
ャップＧ１が存在する。尚、図４に示すグラフは、格子
の交点をΓ、Γの横軸方向の隣接する交点をＭ、Γの横
軸方向から４５度方向の隣接する交点をＫとしたとき
（図６）、Γからの方向を横軸、伝播する光の波長λに
対する格子定数ａの倍率、ａ／λを縦軸として、フォト
ニック結晶体中を伝播するＴＥ波の存在を表したもので
ある。

【００３７】また、図５に示すように、格子定数ａに近
似した波長の光のＴＭ波に対して、全ての方向に光の伝
播を抑制するバンドギャップＧ２が存在する。図５に示
すグラフは、図４に示すグラフと同様の横軸、縦軸とし
て、フォトニック結晶体中を伝播するＴＭ波の存在を表
したものである。

【００３８】以上の結果より、バンドギャップＧ１はバ
ンドギャップＧ２を包含する範囲であり、ＴＥ波とＴＭ
波の伝播が抑制される共通の範囲が広く存在することが
明らかである。

【００３９】以上の説明は本願発明の一実施例について
であり、有機高分子化合物はこれに限定されず、フォト
リソグラフィにより所定のパターンに形成できる材質の
ものを好適に適用することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の３次元フォトニック結晶体及びその製造方法によれ
ば、誘電率の異なる２種以上の誘電体で形成される３次
元フォトニック結晶体を作製するに当たり、少なくとも
１種の誘電体をフォトリソグラフィにより所定のパター
ンに形成できる有機高分子化合物により作製したため、
ＴＥ波、ＴＭ波に共通したフォトニックバンドギャップ
を有する所定の形状のフォトニック結晶体を容易に作製
することができる。このため、光通信波長帯でフォトニ
ックバンドギャップを有する小型のフォトニック結晶を
容易に得ることができ、半導体レーザ、フィルター等に
好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元フォトニック結晶体を示す図。

【図２】本発明の他の３次元フォトニック結晶体を示す
図。

【図３】本発明の３次元フォトニック結晶体の製造方法
を示す工程図。

【図４】本発明の３次元フォトニック結晶体の特性を示
す説明図。

【図５】本発明の３次元フォトニック結晶体の特性を示
す説明図。

【図６】従来例の２次元フォトニック結晶体を示す図。

【図７】従来例の２次元フォトニック結晶体を示す図。

【符号の説明】

１・・・・・基板２・・・・・フィルム（有機高分子化合物膜）２ａ・・・・・誘電体３・・・・・塗布膜（有機高分子化合物膜）４・・・・・金属膜４ａ・・・・・金属膜パターン５・・・・・レジスト膜５ａ・・・・・レジストパターン１１・・・・・円柱誘電体２１・・・・・立体格子形誘電体２ｂ、１２、２２・・・・・周囲誘電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者榊原正毅川崎市川崎区小田栄２丁目１番１号昭和電線電纜株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA18 PA03 PA04 PA24 QA05 RA08 TA05 TA44

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電率の異なる２種以上の誘電体で形成さ
れる３次元フォトニック結晶体であって、少なくとも１
種の誘電体が有機高分子化合物からなることを特徴とす
る３次元フォトニック結晶体。
【請求項２】誘電率の異なる２種以上の誘電体で形成さ
れる３次元フォトニック結晶体を作成するに当たり、基
板上にフォトリソグラフィ技術を使用して有機高分子化
合物からなる前記誘電体を形成することを特徴とする３
次元フォトニック結晶体の製造方法。
【請求項３】基板上に有機高分子化合物膜を積層する第
１の工程と、前記有機高分子化合物膜上に金属膜を形成
し、前記金属膜上に有機レジストを塗布する第２の工程
と、フォトリソグラフィーにより前記有機レジストを所
望のパターンに形成する第３の工程と、前記パターンの
有機レジストをマスクとして前記金属膜を所望のパター
ンに形成する第４の工程と、前記パターンの金属膜をマ
スクとして前記有機高分子化合物膜を所望のパターンに
形成する第５の工程と、前記第１の工程から前記第５の
工程を反復することを特徴とする請求項２記載の３次元
フォトニック結晶体の製造方法。