JP2002148463A

JP2002148463A - 光子バンド・ギャップ材料を含む物品の製造方法

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Publication number: JP2002148463A
Application number: JP2001262588A
Authority: JP
Inventors: Sanjay Patel; パテルサンジェイ; Raymond A Cirelli; エー．シレリレイモンド; Omkaram Nalamasu; ナラマスオムカラム; Stanley Pau; パウスタンレイ; George P Watson; ピー．ワトソンジョージ; Christopher A White; エー．ホワイトクリストファー; Robert Waverly Zehner; ウェーバーリイゼーナーロバート
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2002-05-22
Also published as: EP1184689A3; US6392787B1; EP1184689A2

Abstract

(57)【要約】【課題】ミクロン単位の周期性を持つ光子バンド・ギ
ャップ材料を含む物品を製造するための改良形リソグラ
フィ方法を提供すること。【解決手段】上記方法は、現在のリソグラフィ方法お
よび装置により容易に実行することができる。上記方法
は、複数の積層からなる三次元構造体を提供するステッ
プを含む。各層は種々のパターンの間に隙間を持つ、通
常はシリコンである種々のパターンの第１の材料からな
るほぼ平らな格子を含む。それぞれのパターンは、隣接
する層の少なくとも一つのパターンと接触していて、複
数の層全体の隙間は、相互に接続していて、隙間は、例
えば、二酸化シリコンのような第２の材料を含む。通
常、第２の材料は、第１の材料および空気の構造体を提
供するために、相互に接続している隙間からエッチング
される。この構造体は、特定の光子バンド・ギャップを
形成するように設計される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光子バンド・ギャ
ップ材料に関し、特にそのような上記材料を形成するた
めの技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、多数の光通信学上の用途に対する
光子結晶（ＰＣ）とも呼ばれる周期的誘電構造体に対す
る関心が高まってきている。特に興味があるのが、光子
（photonic）バンド・ギャップ（ＰＢＧ）材料と呼ばれ
る光子バンド構造体内にギャップを含む光子結晶であ
る。例えば、ＰｈｙｓｉｃｓＷｏｒｌｄ３７、１９
９２年８月掲載の、Ｐ．Ｓ．Ｊ．ラッセルの「光子バン
ド・ギャップ」；Ｓｃｉｅｎｃｅ、２５５巻、１５１２
（１９９３年）掲載の、Ｉ．アマトの「光子に無関係な
結晶の設計」；および米国特許第５，６００，４８３号
および５，１７２，２６７号を参照されたい。ＰＢＧ材
料は、光のある周波数の伝播を抑制し、それにより、例
えば、光子の局部限定または自発的放射の禁止を行う半
導体の電子バンド・ギャップに類似の光子バンド・ギャ
ップを含む。

【０００３】ＰＢＧ材料は、通常、低い屈折率を持つ空
洞または空所の三次元格子を含む高い屈折率の誘電材料
を供給することにより形成される。電磁放射は、全体の
エネルギーをもっと低くするために、高い誘電材料内に
局部的に制限される傾向がある。上記材料の特徴サイズ
が放射の波長に近づくにつれて、上記局部限定は、磁界
が占有しなければならない空間の有限の領域により抑制
され、そのため、磁界は高い誘電領域および低い誘電領
域の両方に拡散しなければならなくなる。放射エネルギ
ーは、すなわち、周波数は、高い誘電領域および低い誘
電領域内の磁界の分布状況により変化する。それ故、空
間的に変動する誘電プロファイルを持つシステムの場合
には、磁界のエネルギーは、放射の波長および伝播の方
向に強く依存する傾向がある。周期的システムの場合に
は、エネルギーの変動は、バンド構造図で示すことがで
きる。そして、問題の構造体は、通常、上記バンド構造
体内にエネルギーのギャップを持っているので、上記構
造体は、光子バンド・ギャップ材料と見なされてきた。

【０００４】ＰＢＧ材料のコンセプトおよび理論は、現
在まで広い範囲にわたって研究されてきたが、このよう
な理論を実験的に実証するのは困難であることが分かっ
ている。より詳細に説明すると、ミクロン単位の周期
性、すなわち、光学的および近赤外線の周波数で三次元
格子を形成するのは難しかった。（本明細書で使用する
ミクロン単位の周期性とは、ある構造体が反復単位を含
んでいて、その反復が０．１μｍ〜１００μｍの範囲内
の距離のところで発生することを意味する。）マイクロ
波用途に適しているもっと長い周期性、例えば、センチ
メートルおよびミリメートル単位の周期性を持つ材料
は、以前からもっと容易に作成されてきた。

【０００５】上記米国特許が記述しているＰＣ形成の初
期のある方法の場合には、ドリル加工のような機械的技
術により、多数の孔を持つ固体の材料が提供される。こ
の方法は、有益な結果をもたらしたが、必要な構造体を
形成するための現在の処理技術の能力には限界がある。
例えば、ドリル加工はミクロン単位の周期性を達成する
ことはできない。

【０００６】他の方法の場合、コロイド状結晶と呼ばれ
る二酸化シリコンまたはポリスチレンのような比較的低
い屈折率の粒子の規則正しいコロイド状懸濁液または沈
殿物が、必要な構造体において、高い屈折率の材料の濾
過または沈殿用のテンプレートとして使用される。そし
て、その後で、空所を形成するために粒子がエッチング
によって除去されるか、焼かれる。例えば、Ｓｃｉｅｎ
ｃｅ、２８１巻、５３８（１９９８年７月）掲載の、
Ｂ．Ｔ．ホーランド他の「球状空所の高次三次元アレー
を含むマクロな多孔性ミネラルの合成」；Ｓｃｉｅｎｃ
ｅ、２８１巻、８０２（１９９８年７月）掲載の、Ｅ．
Ｇ．ジュディス他の「チタニア内の球形空洞からなる光
子結晶の製造」；Ｓｃｉｅｎｃｅ、２８２巻、８９７
（１９９８年１０月）掲載の、Ａ．Ａ．ザクヒドフ他の
「光学的波長において、三次元周期性を持つ炭素構造
体」を参照されたい。浸透／沈殿は、例えば、アルコキ
シド・ゾル−ゲル技術により、および化学蒸着法により
実行されてきた。今迄に達成された結果は興味深いもの
であるが、商業的に実行可能な方法とはなっていない。

【０００７】ミクロン単位での周期性を提供するための
技術を求めて、シリコン・リソグラフィが最有力の候補
となっている。より詳細に説明すると、シリコンは、高
い誘電定数（１．５５μｍで１２．１）を持ち、赤外線
領域において透明である。また、ミクロン単位でのシリ
コンをパターン形成についての広範な研究も、マイクロ
エレクトロニクス用途に対してすでに行われている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】都合の悪いことに、上
記マイクロエレクトロニクス用途からの二次元的知識
を、ＰＢＧ材料に対して必要な三次元周期性構造体にま
で拡大適用するのは困難であることが分かっている。あ
るグループは、シリコンにおける、ｌｏｇｐｉｌｅ構造
体の形成の初期段階に対する方法を発表した。Ｊｏｕｒ
ｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ、１７巻、１１号、１９４４（１９９９年）掲載
の、Ｓ−ＹリンおよびＪ．Ｇ．フレミングの「光学的三
次元光子結晶」を参照されたい。）この方法によれば、
必要な波長１．５５μｍで、バンドギャップを達成する
には、幅１８０ｎｍのシリコン棒を形成しなければなら
ない。しかし、このグループは、完全なバンドギャップ
を形成するには薄すぎると思われる、５層のスタックに
ついての結果を報告しているに過ぎない。そして、シリ
コン棒のこの狭い幅は、十分な三次元構造体の形成を、
かなり困難にし、複雑にしている。

【０００９】他のグループは、理論的には、一連のリソ
グラフィ・ステップにより、シリコン中に、形成するこ
とができる構造体を提案した。（ファン他の米国特許第
５，４４０，４２１号および５，６００，４８３号参
照。）しかし、この構造体は非常に複雑で、この構造体
を実際に形成するのは、使用できる最上のリソグラフィ
技術を使用したとしても極度に困難である。より詳細に
説明すると、この方法は、製造方法から考えて、異質の
材料を通して非常に高いアスペクト比を持つ狭い孔をエ
ッチングしなければならない。

【００１０】それ故、現在提案されている技術よりも容
易に実行できるミクロン単位の周期性を持つＰＢＧ材料
の製造方法を開発することが望ましい。

【００１１】本発明は、ミクロン単位の周期性を持つ光
子バンド・ギャップ材料からなる物体を製造するための
改良形リソグラフィ方法を提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】重要なことであって、提
案された他の技術とは対照的なのは、本発明の方法は、
現在のリソグラフィ方法および装置により容易に実行す
ることができることである。

【００１３】分かりやすく言えば、本発明の方法は、複
数の積層からなる三次元構造体を提供するステップを含
む。この場合、各層は種々のパターンの間に隙間を持
つ、通常はシリコンである、種々のパターンの第１の材
料からなるほぼ平らな格子を含む。それぞれのパターン
は、隣接する層の少なくとも一つのパターンと接触して
いて、また、複数の層全体の隙間は、相互に接続してい
て、隙間は、例えば、二酸化シリコンのような第２の材
料を含む。通常、第２の材料は、第１の材料および空気
の構造体を提供するために、相互に接続している隙間か
らエッチングされる。種々のパターンは、通常、リソグ
ラフィ方法を容易にする、例えば、円筒形または正方形
のような押出しパターンである。（格子は、さらに、点
欠陥、線欠陥、面欠陥、および必要な特性を提供する他
の欠陥を含む一つまたはそれ以上の工学的欠陥またはそ
の一部を含む。）

【００１４】（図１（ａ）−図１（ｈ）に示すように）
ある観点から見た場合、本発明の方法は、基板１０（ｘ
−ｙ面内に形成された層）上に、シリコン層１４を形成
するステップと、シリコン層に、例えば、円筒形のよう
な押出しパターン１６の格子をエッチングするステップ
と、格子上に二酸化シリコン層１８を形成するステップ
と、押出しパターンの頂面まで二酸化シリコン層を平ら
に削り取るステップとを含む（図１Ｄ参照）。その後
で、これらのステップは、例えば、第２、第３、第４お
よび第５のシリコン層に対して反復して行われる。しか
し、図１（ｆ）−図１（ｈ）に示すように、各格子の
（ｘ，ｙ）位置は、すぐ前の格子の（ｘ，ｙ）位置か
ら、反復シーケンスｘ、ｙ、−ｘ−ｙに従って、ｘまた
はｙ軸に沿って距離ｄだけずれている。

【００１５】例えば、第２の格子は、第１の格子の
（ｘ，ｙ）位置に対して、ｘ方向に距離ｄだけずれてい
て、第３の格子は、第２の格子の（ｘ，ｙ）位置に対し
て、ｙ方向に同じ距離ｄだけずれていて、第４の格子
は、第３の格子の（ｘ，ｙ）位置に対して、−ｘ方向に
距離ｄだけずれていて、第５の格子は、第４の格子の
（ｘ，ｙ）位置に対して、−ｙ方向に距離ｄだけずれて
いる。このようになっているので、第５の格子は、第１
の格子の真上、すなわち、同じｘ−ｙ座標にくる（図１
Ｈ参照）。必要な数の格子が形成されると、二酸化シリ
コンは、図２に示すように、シリコン／空気構造体を提
供するためにエッチングされる。（上記技術の他に、最
初に、二酸化シリコンのような第２の材料の層を蒸着
し、第２の材料から種々のパターンの格子をエッチング
により除去し、その後で、例えば、シリコンのような第
１の材料の層をエッチングにより除去した形に蒸着する
こともできる。）

【００１６】ある特殊な設計の場合には、押出しパター
ンは、直径約３９０ｎｍ、高さ約２１０ｎｍのシリコン
円筒形であり、各格子内の円柱のピッチは６００ｎｍで
あり、ｄは３００ｎｍである。この構成の場合には、構
造体は、約１．５５μｍのところに中心を持ち、約１．
４５〜約１．６５μｍ広がっていて、１．５〜１．６μ
ｍの通常使用する光学的通信バンドを完全にカバーする
三次元光子バンド・ギャップを持つように計算される。

【００１７】

【発明の実施の形態】ある周期的アレーの光子バンド・
ギャップの特性は、二つの要因、すなわち、単位セルの
対称性、およびこの単位セルが、空間内、すなわち、全
構造体内でコピーされる結晶の対称性により決まる。任
意の角度で入射する光が、ほぼ同じ周期を必ず経験する
ようにするためには、全結晶の対称性をできるだけ球形
に近づけなければならないことは一般に知られている。
しかし、ある点においてバンドが重ならないようにする
ためには、単位セルが、球形の対称性を持たないように
することも、同様に重要である。（例えば、１９９１年
のＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、１９９１年、６７
号、２２９５〜２２９８ページ掲載の、ヤブロノビッ
チ，Ｅ．；Ｇｍｉｔｔｅｒ，Ｔ．Ｊ．参照。）例えば、
簡単なＦＣＣ単位セルは、球形の対称性を持っているの
で、低次のバンドの間にギャップを持たない。ダイヤモ
ンド格子およびヤブロノビッチ構造およびｌｏｇｐｉｌ
ｅ構造のようなＦＣＣ格子を持つ他の結晶は、ギャップ
を持たない。これらの要件に従って、本発明は、ほぼ球
形の対称性を持っているが、重なりを防止するのに必要
な単位セルを含む構造体を提供する。

【００１８】通常の方法として、本発明の方法は、主と
して、例えば、シリコンおよび空気のような、第１の材
料を含む構造体を提供するように設計される。構造体
は、第１の材料および第２の材料の合成材料を形成し、
その後で、空気を解放するために、第２の材料をエッチ
ングにより除去することにより作られる。便宜上、下記
の説明においては、第１の材料としてシリコンを使用
し、第２の材料として二酸化シリコンを使用することに
する。しかし、他の材料の組合わせも、本明細書に記載
するガイドラインに従って使用することができる。例え
ば、種々の化合物半導体を第１の材料として、ある種の
ポリマ材料を第２の材料として使用することができる。
通常の当業者であれば、特定の特性を得るために適当な
材料を選択することができる。

【００１９】本発明は、下記の原理を含む。 −実質的な屈折率コントラストを達成するためには、最
終構造体をシリコンと空気とすると有利である。上記構
造体を作るためには、二酸化シリコンがエッチングで除
去され、正しい位置に空気が残るように、シリコンと空
気の合成材料が形成される。それ故、方法の一つの望ま
しい特性は、二酸化シリコン層を完全にエッチングする
ことができるように、シリコン部分の間の隙間を相互に
接続することである。（相互接続は、二酸化シリコン部
分から構造体の外部に少なくとも一つの経路が存在して
いることを意味する。）

【００２０】−一連の蒸着およびエッチング方法によ
り、もっと容易に形成される構造体を提供するために、
シリコン部分は、通常、押出しパターン、すなわち、円
筒形、立方体または他の多角形プリズムのような、まっ
すぐな側壁のプロファイルを持つパターンである。しか
し、他のパターンも使用することができる。

【００２１】−リソグラフィ・ステップのための妥当な
解像度要件を維持するために、ｘ−ｙ面（すなわち、下
に位置する基板に平行な面）の形状構造の大きさを少な
くとも２５０ｎｍにすると有利である。しかし、通常、
ｚ方向の形状構造の厚さは、１０ｎｍとすることができ
る。さらに、リソグラフィ方法が改善されると、もっと
小さい形状構造を形成することができる。

【００２２】−最終のエッチングで、構造体から二酸化
シリコン層を除去する場合には、下に位置するパターン
により、シリコン押出しパターンをサポートするように
設計しなければならない。すなわち、二酸化シリコンだ
けでサポートされているシリコン・パターンができない
ように設計しなければならない。何故なら、この二酸化
シリコンは、最終的には除去されるからである。

【００２３】−また、本質的な形状構造ではないけれど
も、ｘ−ｙ面で鋭角のコーナーを必要としない設計を使
用すると有利である。何故なら、このようなコーナー
は、リソグラフィ中に、回折効果により丸くなる傾向が
あるからである。それ故、一般的には、円筒形のような
パターンを使用することが望ましい。しかし、ｘ−ｙ面
内の形状構造の大きさが増大すると、通常、鋭角のコー
ナーを形成することができるようになり、上記のように
コーナーが丸くなる恐れは少なくなる。例えば、光学的
近接修正のような上記鋭角のコーナーを修正するため
に、フォトマスク形状構造の修正を使用することができ
る。

【００２４】これらの原理に従って、本発明の方法は、
通常、複数の積層からなる三次元構造体を提供するステ
ップを含む。この場合、各層は、通常、種々のパターン
の間に隙間を持つシリコン層であり、種々のパターンの
第１の材料からなるほぼ平らな格子を含み、また工学的
欠陥またはその一部を含む（一部という用語は、欠陥
が、構造体の一つまたはそれ以上の層を貫通して、発生
する場合があることを意味する）。（格子という用語
は、ほぼ平らな構成の上記パターンのグループを意味す
るが、格子内で上記種々のパターンが相互に接触するこ
とは意味しない。実際、格子内のパターンは、通常、相
互に接触しない。すでに説明したように、格子は、最終
構造体において必要な特性を達成するために、工学的欠
陥またはその一部を含むことができる。）各パターン
は、隣接層の少なくとも一つのパターンと接触し、複数
の層全体の隙間は、相互に接続していて、隙間は、例え
ば、二酸化シリコンのような第２の材料を含む。通常、
第２の材料は、第１の材料および空気の構造体を提供す
るために、相互に接続している隙間からエッチングされ
る。

【００２５】本発明のある実施形態の場合には、ＰＢＧ
構造体を形成する方法は、下記のように実行される。
（この実施形態のパターンは円筒形であるが、すでに説
明したように、種々の形状をとることができる。）図１
（ａ）に示すように、その上に形成された窒化層または
他の受動態層１２を含む、通常は、シリコン・ウェーハ
１０である基板が提供される。（本明細書で使用する場
合には、基板は、上記受動態層を含んでいる、または含
んでいない基板を含む。）基板１０／１２の表面は、ｘ
−ｙ面を形成する。その後で、シリコン層１４が、任意
の従来の技術により基板上に形成される。

【００２６】図１（ｂ）に示すように、シリコン層１４
は、シリコン円筒形１６の格子を形成するために、例え
ば、従来の深紫外線リソグラフィのような、従来のリソ
グラフィ技術によりエッチングされる。（円筒形および
他の押出しパターンの頂面は、必ずしもｘ−ｙ面に対し
てほぼ平面ではないので、以降の蒸着のために平面にす
るために、続いて平面化処理が行われる。）一般に、エ
ッチングは、シリコン層１４の厚さ全体を通して行われ
る。すなわち、円筒形１６は、蒸着されたシリコン層１
４と同じ厚さを持つ。通常、複数のパターンは、整合す
ることができる。すなわち、その垂直軸を同じ方向に整
合することができる。しかし、ずれが最終構造体の特性
に実質的に干渉しない限り、多少変動してもかまわな
い。

【００２７】図１（ｃ）に示すように、その後で、二酸
化シリコンが、円筒形１６間の隙間を充填するように、
二酸化シリコン層１８が、円筒形１６の格子上に形成さ
れる。その後で、二酸化シリコン層１８が、通常、化学
的機械的平面化処理（ＣＭＰ）のような平面化技術によ
り円筒形１６の頂面まで除去され、図１（ｄ）に示す構
造体が形成される。

【００２８】次に、図１（ｅ）に示すように、第２のシ
リコン層１８が、シリコン／二酸化シリコン構造体上に
形成される。このシリコン層１８は、シリコン円筒形２
０の格子を形成するために、パターン形成され、エッチ
ングされる。上記格子は第１の格子と同じサイズと間隔
を持つ。しかし、図１（ｆ）に示すように、第２の格子
の（ｘ，ｙ）位置は、ｘ方向に距離ｄだけ、円筒形１６
の格子の（ｘ，ｙ）位置からずれている。（ずれは、例
えば、他の格子の円筒形の（ｘ，ｙ）位置に対する格子
内の円筒形の（ｘ，ｙ）位置の中心間の変化により測定
される。）それ故、第１の格子が（０，０）という座標
を持っている場合には、第２の格子は（ｄ，０）という
座標を持つ。このようなずれが起こる理由および距離ｄ
の選択については、以下に詳細に説明する。その後で、
図１（ｇ）に示すように、第２の二酸化シリコン層２２
が、シリコン円筒形の第２の格子上に形成され、すでに
説明したように、円筒形の頂面まで除去される。

【００２９】シリコン円筒形の格子を形成する方法は、
継続して行われ、その場合、以降の各格子は、通常、前
の格子と同じ円筒形間隔とサイズとを持つが、シーケン
ス、ｘ、ｙ、−ｘ、−ｙに従って前の格子位置からずれ
ている（ｘ，ｙ）位置を持つ。より詳細に説明すると、
すでに説明したように、第２の格子は、第１の格子位置
に対して、ｘ方向に距離ｄだけずれている。第３の格子
は、第２の格子位置に対して、ｙ方向に距離ｄだけずれ
ている。第４の格子は、第３の格子位置に対して、−ｘ
方向にずれている。第５の格子は、第４の格子位置に対
して、−ｙ方向にずれている。そのため、第５の格子方
向は、第１の格子の上に位置することになる。すなわ
ち、同じ（ｘ，ｙ）位置に来ることになる。図１（ｈ）
は、この５層構造体を示す。この構造体は、図に示す各
格子に対してｘ、ｙ座標を持つ。格子の積層方法は、通
常、最終構造体の特性を適当なものにするために、少な
くとも１５の格子層が形成されるまで行われる。この方
法は、通常、１５〜２０回行われる。その後で、通常、
二酸化シリコンは、水性ＨＦに触れることにより、構造
体からエッチングされる。

【００３０】この実施形態の場合には、ダイヤモンド格
子類似の構造体が得られる。図２は、例えば、４０、４
２、４４、４６のような円筒形の複数の格子を示す三次
元の構造体である。

【００３１】すでに説明したように、二酸化シリコン層
を形成し、その後で、必要なパターンをエッチングによ
り形成することにより構造体を形成することができる。
その後で、シリコンが、エッチングされた領域内に蒸着
される。このような実施形態は、下記のステップ： −基板上に、（例えば、約２０００Åの厚さの）二酸化
シリコンのほぼ平らな層を形成するステップと、 −種々のパターンの格子を形成する領域から酸化物を選
択的に除去するために、二酸化シリコンをエッチングす
るステップと、 −エッチングした領域をほぼ充填するために（実際に十
分充填するために）エッチングした二酸化シリコン上に
（例えば、エッチングした領域の底から約３０００Åの
厚さの）シリコン層を形成するステップと、 −シリコンを二酸化シリコン層の表面まで平面化するス
テップとを含む。

【００３２】次の層の製造方法は、下記のステップ： −前の層の頂面上に、（例えば、約２５０Åの厚さの）
窒化シリコン・エッチング停止層を形成するステップ
と、 −第２の二酸化シリコン層を形成するステップと、 −格子用の領域の最初の部分を形成するために、窒化層
まで第２の酸化シリコン層を選択的にエッチングするス
テップと、 −格子用の領域の形成を終了するために、前に形成した
層まで窒化層をエッチングするステップと、 −エッチングした領域を、シリコンで一杯に充填するス
テップと、 −第２の酸化シリコン層のレベルまで、シリコンを平面
処理するステップとを含む。

【００３３】以降の層も同様に形成される。

【００３４】上記構造体内に光学的通信用の必要な光子
バンド・ギャップを形成するために、シリコン円筒形
は、約３９０ｎｍの直径と、約２１０ｎｍの高さと、約
６００ｎｍのピッチ（ピッチという用語は、格子内の隣
接する円筒形の中心間の距離を意味する）を持ち、ｘ−
ｙ方向のずれの距離ｄは、約３００ｎｍである。この構
造体は、約１．５５μｍのところに中心を持ち、１．４
５〜１．６５ミクロンの長さを持つ、完全な三次元光子
バンド・ギャップを形成し、それにより、１．５５から
１．６ミクロンの間の通常使用する通信帯域をカバーす
るように計算される。ＰＢＧ用途の場合には、構造体の
長い距離の間の周期性が変化しない限り、個々の円筒形
のサイズは多少変動があってもよい。

【００３５】この実施形態の構造体は、１．５５μｍの
ところにバンド・ギャップが形成されるように特に設計
された。バンド・ギャップを安定で丈夫なものにするた
めには、格子の周期性を問題の波長に（係数２の範囲内
で）ほぼ等しくなるようにしなければならない。周期性
構造体の詳細な仕様を決定するために、バンド構造体の
計算を行わなければならない。（例えば、シリコンと空
気のように）比較的大きな誘電コントラストを持つシス
テムの場合には、（バンド・ギャップ内の）非伝播性溶
液内の磁界は、距離が長くなるにつれて急速に弱くな
る。この急速な磁界の低下のために、１５〜２０の層を
持つ構造体は、無限周期システムと類似の行動をとる。
このような場合、平面波展開法は、バンド構造体を計算
し、バンド・ギャップの位置を決定するのに有利な方法
である。

【００３６】大部分のバンド・ギャップ構造体を適当に
説明するには、マクスウェル方程式に対する全ベクトル
解が必要であるが、単一バンド構造体計算は、特定の構
造体を光の特定の波長に同調させるために十分な情報を
含む。マクスウェル方程式は次元を含まない形で書き表
すことができるので、バンド構造体の解は、物理的寸法
に対する波長の比率により完全に決定される。このこと
は、特定の波長に対して、構造体が設計された場合に
は、バンド・ギャップ内に異なる波長を導入するために
は、（構造体はそのまま変化させないで）物理的寸法を
拡大縮小するだけでよいことを意味する。例えば、１．
３μｍのところにバンド・ギャップを持つ材料を生成す
るためには、上記実施形態のところで記述したすべての
物理的寸法を（１．３／１．５）だけ単に直線的に拡大
縮小するだけでよい。拡大縮小技術は、例えば、１．５
ｃｍのマイクロ波に対する、任意のタイプの電磁放射に
適用することができ、上記実施形態の円筒形は、３９０
μｍ（１０００×３９０ｎｍ）の直径を持つ。

【００３７】すでに説明したように、ＰＢＧ構造体は、
都合のよいことに、ほぼ球形の長い距離にわたる対称性
を持つが、この場合、単位セルは、球形状に対称ではな
く、そのため、構造体内での重なりは起こらない。上記
実施形態は、その内部において、セルの各基準原子（す
なわち、原子単位セル内の原子である原子）が、例え
ば、二つの円筒形のような二つの押出しパターンに変形
する、ＦＣＣ単位セルを本質的に形成することによりこ
の構造体を形成する。この場合、二つのパターンの質量
の中心は基準原子の位置に留まる。質量の中心を基準原
子の位置に維持することにより、長い距離の間の秩序が
維持される。他の方法で対称形のＦＣＣ単位セルを変形
することにより必要な重なりを防止することができる。
より詳細に説明すると、上記実施形態は、簡単なＦＣＣ
単位セルの各基準原子の二つの円筒形（または、他の押
出しパターン）への変形を反映し、それにより必要な重
なりの防止を行う、ダイヤモンド格子を提供する。例え
ば、特定の設計または処理の不可避な面により、特定の
パターンの構成／サイズで、個々の形状構造の変動が起
こる可能性があることに留意されたい。光の波長が上記
変動の大きさより大きい場合には、上記変動は、材料を
通過する光に有意な影響を与えることはない。しかし、
上記形状構造の変動より遥かに大きい、基準原子の長い
距離の間の周期性は、材料を通過する光の特性に有意な
影響を与える傾向がある。それ故、個々のパターンの間
のある種の変動は許容できるが、長い距離の間の周期性
は、注意深く制限しなければならない。

【００３８】例えば、図２の構造体の場合には、ペアの
円筒形４０，４２および４４，４６は、単位セルの基準
原子位置に残っている、点４１および点４５により表さ
れる、質量の中心を持つ上記変形を表す。このような変
形を予想する以前の方法とは反対に、本発明の技術は、
上記実施形態が実行しているように、現在のリソグラフ
ィ技術により容易に行うことができる、比較的簡単な方
法で、変形した単位セルを形成することができる。

【００３９】すでに説明したように、必要な特性を達成
するために、ＰＢＧ材料内で欠陥をうまく処理すること
ができる。そうするためには、上記方法の一部として、
標準リソグラフィ技術を使用するとよい。発生する恐れ
のある欠陥としては、点欠陥（例えば、パターンの消
失、小さすぎるパターン、大きすぎるパターン）、多重
点欠陥（例えば、種々の点欠陥から形成される、大−小
−大−小正方形）、線欠陥、面欠陥、および他のもっと
複雑な欠陥構造体等がある。パターンのサイズおよび／
または位置の修正の他に、選択した位置へ別の材料を導
入することにより、欠陥を発生することができる。この
ようなうまく処理された欠陥は、例えば、マイクロレー
ザのようなデバイスを可能にする、材料の光子バンド・
ギャップ内にエネルギーを持つ光学的モードをガイド
し、形成することができる。例えば、Ｓｃｉｅｎｃｅ、
２８９巻（２０００年）掲載の、Ｓ．野田他の、「近赤
外線波長での、完全な三次元光子バンド・ギャップ結
晶」を参照されたい。

【００４０】当業者であれば、本明細書に記載する仕様
および実行を読めば、本発明の他の実施形態も容易に思
い付くことができるだろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法のある実施形態である。

【図２】本発明の実施形態による光子バンド・ギャップ
構造体である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者レイモンドエー．シレリアメリカ合衆国 08876 ニュージャーシィ，ヒルスボロー，スノーボーンプレイス 35 (72)発明者オムカラムナラマスアメリカ合衆国 08807 ニュージャーシィ，ブリッジウォーター，プライマウスロード 1400 (72)発明者スタンレイパウアメリカ合衆国 07030 ニュージャーシィ，ホボークン，ハリソンストリート 127−アパートメント４ (72)発明者ジョージピー．ワトソンアメリカ合衆国 07717 ニュージャーシィ，エイヴォン，シルヴァニアアヴェニュー 504 (72)発明者クリストファーエー．ホワイトアメリカ合衆国 07920 ニュージャーシィ，バスキングリッジ，ペンスウェイ 246 (72)発明者ロバートウェーバーリイゼーナーアメリカ合衆国 02139 マサチューセッツ，カンブリッジ，パインストリートナンバー１ 61 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 PA21 PA24 QA02 QA07 TA43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物品を製造するための方法であって、（ａ）表面がｘ、ｙ面を形成している基板を提供するス
テップと、（ｂ）前記基板上に、第１の材料から形成された種々の
パターンと、第２の材料により実質的に充填された前記
種々のパターンの間の隙間とからなり、前記ｘ−ｙ面に
対して実質的に平面である格子を含む層を形成するステ
ップと、（ｃ）第２、第３、第４および第５の層に対してステッ
プ（ｂ）を反復して実行するステップであって、第２の
層の前記格子が、前記第１の層の前記格子の前記（ｘ，
ｙ）位置に対してｘ方向に距離ｄだけずれていて、前記
第３の層の前記格子が、前記第２の層の格子の前記
（ｘ，ｙ）位置に対してｙ方向に距離ｄだけずれてい
て、前記第４の層の前記格子が、前記第３層の前記格子
の（ｘ，ｙ）位置に対して−ｘ方向に距離ｄだけずれて
いて、第５の層の前記格子が、前記第４の層の前記格子
の（ｘ，ｙ）位置に対して−ｙ方向に距離ｄだけずれて
いるステップと、（ｄ）前記構造体から前記第２の材料をエッチングする
ステップとを含む方法。
【請求項２】請求項１記載の方法において、さらに、
第６層、第７層、第８層および第９層の格子が、それぞ
れ、前記第２シリコン層、第３シリコン層、第４シリコ
ン層および第５シリコン層の前記格子と同じ（ｘ，ｙ）
位置を持つように、前記エッチング・ステップを行う前
に、前記第６層、第７層、第８層および第９層に対して
ステップ（ｂ）を反復して行うステップを含む方法。
【請求項３】請求項１記載の方法において、ステップ
（ｂ）が、前記基板上に前記第１の材料の実質的に平らな層を形成
するステップと、第１の材料の層を前記格子を形成するパターンにエッチ
ングするステップと、前記第２の材料が、前記種々のパターンの間の隙間をほ
ぼ充填するように前記格子上に前記第２の材料の層を形
成するステップと、前記第２の材料の前記層を前記格子の前記種々のパター
ンの頂面まで平坦処理するステップとを含む方法。
【請求項４】請求項１記載の方法において、ステップ
（ｂ）が、前記基板上に前記第２の材料の実質的に平らな層を形成
するステップと、前記格子を形成する領域から前記第２の材料を選択的に
除去するために、第２の材料の前記層をエッチングする
ステップと、前記第１の材料が、前記除去した領域を実質的に充填す
るように、第２の材料のエッチングした層上に前記第１
の材料の層を形成するステップと、前記第１の材料の前記層を前記第２の材料の前記層の表
面まで平面処理するステップとを含む方法。
【請求項５】請求項１記載の方法において、前記種々
のパターンが押出しパターンである方法。
【請求項６】請求項５記載の方法において、前記種々
のパターンが円筒形または正方形である方法。
【請求項７】請求項６記載の方法において、前記押出
しパターンが、直径約３９０ｎｍ、高さ約２１０ｎｍの
円筒形であり、各格子内の円筒形のピッチが６００ｎｍ
であり、ｄが３００ｎｍである方法。
【請求項８】請求項１記載の方法において、前記ｘ−
ｙ面内の前記パターンの最小寸法が約２５０ｎｍ程度で
ある方法。
【請求項９】請求項１記載の方法において、前記第１
の材料がシリコンであり、前記第２の材料が二酸化シリ
コンである方法。
【請求項１０】請求項９記載の方法において、前記結
果として得られる構造体が、約１．５５μｍのところに
中心を持ち、約１．４５〜約１．６５μｍの距離を延び
る三次元光子バンド・ギャップを含む方法。
【請求項１１】請求項１記載の方法において、さら
に、少なくとも１０の追加の層に対してステップ（ｂ）
を実行するステップを含み、各格子の前記（ｘ，ｙ）位
置が、直前の格子の（ｘ，ｙ）位置から、反復シーケン
スｘ、ｙ、−ｘ、−ｙに従って、ｘまたはｙ軸に沿って
ある方向に前記距離ｄだけずれている方法。
【請求項１２】請求項１１記載の方法において、前記
結果として得られる構造体が、約１．５５μｍの波長の
ところに中心を持つ光子バンド・ギャップを持つ方法。
【請求項１３】光子バンド・ギャップ構造体を含む物
品の製造方法であって、複数の積層からなる三次元構造体を提供するステップを
含み、各層は、第１の材料の種々のパターンと、前記パ
ターンの間の隙間を持つ実質的に平らな格子を含み、そ
れぞれのパターンは、隣接する層の少なくとも一つのパ
ターンと接触していて、また、複数の層全体の前記隙間
が相互に接続していて、前記隙間が第２の材料を含み、前記製造方法が、さらに、前記相互に接続している隙間から前記第２の材料をエッ
チングするステップを含む方法。
【請求項１４】請求項１３記載の方法において、前記
第１の材料がシリコンであり、前記第２の材料が二酸化
シリコンである方法。
【請求項１５】請求項１３記載の方法において、前記
種々のパターンが、押出しパターンである方法。
【請求項１６】請求項１３記載方法において、前記三
次元構造体の種々のパターンがダイヤモンド格子に似て
いる方法。
【請求項１７】請求項１３記載の方法において、前記
三次元格子が少なくとも１５の層を含む方法。
【請求項１８】光子バンド・ギャップ構造体を含む物
品であって、前記光子バンド・ギャップ構造体が、種々のパターンを含むｘ−ｙ面を形成する第１の格子
と、前記第１の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第１の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記ｘ方向に距離ｄだけずれている第２の格子と、前記第２の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第２の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記ｙ方向に距離ｄだけずれている第３の格子と、前記第３の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第３の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記−ｘ方向に距離ｄだけずれている第４の格子と、前記第４の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第４の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記−ｙ方向に距離ｄだけずれている第５の格子とを含む
物品。
【請求項１９】請求項１８記載の物品において、前記
種々のパターンが、第１の材料を含み、前記種々のパタ
ーンの間の隙間空間が第２の材料を含む物品。
【請求項２０】請求項１９記載の物品において、前記
種々のパターンがシリコンから形成され、前記種々のパ
ターンの間の隙間空間が空気で充填されている物品。
【請求項２１】請求項１８記載の物品において、前記
種々のパターンが押出しパターンである物品。
【請求項２２】請求項２１記載の物品において、前記
押出しパターンが円筒形または正方形である物品。
【請求項２３】請求項２０記載の物品において、前記
種々のパターンが、直径約３９０ｎｍ、高さ約２１０ｎ
ｍの円筒形であり、各格子内の円筒形のピッチが６００
ｎｍであり、ｄが３００ｎｍである物品。
【請求項２４】請求項２０記載の物品において、前記
光子バンド・ギャップ構造体が、約１．５５μｍのとこ
ろに中心を持ち、約１．４５〜約１．６５μｍの距離を
延びる三次元光子バンド・ギャップである物品。
【請求項２５】請求項１８記載の物品において、さら
に、前記第１の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第５の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記ｘ方向に距離ｄだけずれている第６の格子と、前記第１の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第６の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記ｙ方向に距離ｄだけずれている第７の格子と、前記第１の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第７の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記−ｘ方向に距離ｄだけずれている第８の格子と、前記第１の格子の一部上に形成された種々のパターンを
含み、前記第８の格子の前記（ｘ，ｙ）位置に対して前
記−ｙ方向に距離ｄだけずれている第９の格子とを含む
物品。
【請求項２６】請求項２５記載の物品において、前記
種々のパターンが押出しパターン材である物品。
【請求項２７】請求項１８記載の物品において、さら
に、種々のパターンを含む少なくとも１０の追加の格子
を含み、前記格子が、前記ｘ−ｙ面と同一平面上にあ
り、前記格子が、前記ｚ方向に順次積層され、各格子の
前記（ｘ，ｙ）位置が、前記隣接する格子の前記（ｘ，
ｙ）位置から−ｚ方向に距離ｄだけ、前記反復シーケン
スｘ、ｙ、−ｘ、−ｙにより、ｘまたはｙ軸に沿ってあ
る方向にずれている物品。
【請求項２８】請求項１８記載の物品において、前記
光子バンド・ギャップ構造体がダイヤモンド格子に似て
いる物品。