JP2003342097A - フォトニック結晶の作製方法 - Google Patents

フォトニック結晶の作製方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 実用的なフォトニック結晶の作製を可能とす
る。 【解決手段】 屈折率がシリコンと異なる物質層（二酸
化シリコン層）２２上の（１１１）面単結晶シリコン層
２３の表面に金属薄膜パターン（金パターン）２５を形
成し、高温の四塩化珪素ガス雰囲気中で金属薄膜パター
ン形成部にシリコン単結晶柱２６を成長させることによ
り柱状体を形成し、柱状体配列構造を有するフォトニッ
ク結晶を作製する。例えば中心線平均粗さＲａで１０ｎ
ｍ以下といった極めて平滑な表面を有する柱状体を得る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はフォトニック結晶
の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】フォトニック結晶は屈折率が大きく異な
る２種類の媒質を光波長程度の周期で規則正しく配置し
てなる人工結晶であって、周期構造をもつ次元数に応じ
て、１次元フォトニック結晶、２次元フォトニック結
晶、３次元フォトニック結晶と呼称されている。図２は
２次元フォトニック結晶の周期構造の一例を模式的に示
したものであり、この例では柱状体が光の波長程度の周
期で配列された構造となっている。図２中、矢印はフォ
トニック・バンドギャップが開く方向（光が進行しない
方向）を示す。図３はこの図２に示したような柱状体配
列構造を有するフォトニック結晶の作製方法として、従
来提案されている方法を工程順に示したものであり、以
下、図３を参照して従来の作製方法を説明する。
【０００３】（１）単結晶シリコン層１１、二酸化シリ
コン層１２、単結晶シリコン層１３の三層構造よりなる
ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１４を準備する。 （２）一方の単結晶シリコン層１３の表面に金（Ａｕ）
薄膜を蒸着等によって形成し、その金薄膜をフォトリソ
グラフィ及びエッチングによりパターニングして、所定
のピッチで配列された円形状をなす金パターン１５を形
成する。 （３）金パターン１５をマスクとして、単結晶シリコン
層１３をドライ異方性エッチングし、シリコン単結晶柱
１６を形成する。 これにより、二酸化シリコン層１２上に、シリコン単結
晶柱１６／空気の２媒質からなるフォトニック結晶１７
が作製される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にシリコンのドライ異方性エッチングによってシリコン
単結晶柱を形成し、柱状体配列構造のフォトニック結晶
を作製する方法では、以下に示すような問題があった。
即ち、このようなシリコンドライ異方性エッチングにお
いては、そのエッチング面の表面粗さを平滑に制御する
ことは技術的に困難であり、よって実用的なフォトニッ
ク結晶の作製は極めて困難なものとなっていた。この発
明の目的はこのような状況に鑑み、柱状体配列構造のフ
ォトニック結晶において、柱状体の表面粗さを極めて平
滑にすることができ、実用的なフォトニック結晶の作製
を可能とする作製方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、柱状体配列構造を有する２次元フォトニック結晶
は、屈折率がシリコンと異なる物質層上の（１１１）面
単結晶シリコンの表面に金属薄膜パターンを形成し、高
温の四塩化珪素ガス雰囲気中で金属薄膜パターン形成部
にシリコン単結晶柱を成長させて柱状体を形成すること
により作製される。請求項２の発明では請求項１の発明
において、金属薄膜パターンを形成した後、金属薄膜パ
ターン形成部以外の（１１１）面単結晶シリコンをエッ
チング除去し、その後、シリコン単結晶柱を成長させ
る。請求項３の発明では請求項１又は２のいずれかの発
明において、上記物質層を二酸化シリコン層とし、金属
薄膜パターンに使用する金属を金とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図面を参
照して実施例により説明する。図１はこの発明によるフ
ォトニック結晶の作製方法の一実施例を示したものであ
り、以下、図１Ｂに示した作製工程を具体的数値例と共
に説明する。 （１）厚さ４００μｍの単結晶シリコン層２１、厚さ５
μｍの二酸化シリコン層２２、厚さ５０μｍの（１１
１）面単結晶シリコン層２３の三層構造よりなるＳＯＩ
基板２４を準備する。 （２）（１１１）面単結晶シリコン層２３の表面に金
（Ａｕ）を０．２μｍ蒸着して金薄膜を形成し、フォト
リソグラフィ及びエッチングによりパターニングして、
所定の形状・配列を有する金パターン２５を形成する。
金パターン２５はこの例では図１Ａに示したように一辺
の長さＬ＝０．６μｍの正三角形の各頂点位置に中心を
もつ直径Ｄ＝０．３μｍの大きさの円形とする。
【０００７】（３）金パターン２５をマスクとして、
（１１１）面単結晶シリコン層２３をエッチングし、金
パターン２５形成部以外の（１１１）面単結晶シリコン
層２３を除去する。エッチングは例えばＩＣＰ（Induct
ive Coupled Plasma）エッチング装置を使用して行う。 （４）（３）の基板２４′を９５０℃の四塩化珪素ガス
雰囲気中に入れ、金パターン２５形成部にシリコン単結
晶柱２６を成長させる。シリコン単結晶柱２６は例えば
高さ２００μｍ程度まで成長させる。以上の工程によ
り、シリコン単結晶柱２６よりなる柱状体配列構造が作
製され、即ちシリコン単結晶柱２６／空気の２媒質より
なる２次元のフォトニック結晶２７が二酸化シリコン層
２２上に構成される。
【０００８】上記のような作製方法によれば、柱状体を
構成するシリコン単結晶柱２６は、従来のドライ異方性
エッチングによる形成と異なり、気相成長によって形成
されるものとなっており、その表面粗さを極めて平滑に
することができる。具体的には、中心線平均粗さＲａで
１０ｎｍ以下の表面（側面）を有する柱状体を得ること
ができ、よって上述した作製方法によれば、実用的なフ
ォトニック結晶の作製が可能となる。なお、この例では
ＳＯＩ基板２４を使用し、その二酸化シリコン層２２上
にシリコン単結晶柱２６の配列構造を形成するものとな
っているが、例えば二酸化シリコン層２２に替えて他の
物質層上に（１１１）面単結晶シリコンを配し、シリコ
ン単結晶柱２６を形成するようにしてもよい。この場
合、その物質層はシリコンと異なる屈折率を有するもの
とする。また、金パターン２５に替えて、高温下でシリ
コンと合金融液を形成する他の金属薄膜パターンを設け
てもよい。
【０００９】上述した作製工程では、金パターン２５形
成部以外の（１１１）面単結晶シリコン層２３をエッチ
ング除去した後に、シリコン単結晶柱２６を成長させる
ものとしているが、例えば金パターン２５形成部にシリ
コン単結晶柱２６を成長させた後に、シリコン単結晶柱
２６以外の（１１１）面単結晶シリコンをエッチング除
去するようにしてもよい。但し、シリコン単結晶柱２６
の形状・位置精度の点で、図１Ｂに示した工程のように
金パターン２５形成部以外の（１１１）面単結晶シリコ
ン層２３を先に除去する方が好ましい。
【００１０】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
柱状体配列構造のフォトニック結晶において、その柱状
体を極めて平滑な表面を有するシリコン単結晶柱によっ
て形成することができ、よって実用的なフォトニック結
晶を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるフォトニック結晶の作製方法の
一実施例を説明するための図、Ａは金属薄膜パターン
（金パターン）の配置例を示す平面図、Ｂは作製工程
図。
【図２】２次元フォトニック結晶の周期構造例を示す模
式図。
【図３】図２に示したフォトニック結晶の従来の作製方
法を説明するための工程図。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 柱状体配列構造を有する２次元フォトニ
    ック結晶の作製方法であって、 屈折率がシリコンと異なる物質層上の（１１１）面単結
    晶シリコンの表面に金属薄膜パターンを形成し、 高温の四塩化珪素ガス雰囲気中で金属薄膜パターン形成
    部にシリコン単結晶柱を成長させることにより、上記柱
    状体を形成することを特徴とするフォトニック結晶の作
    製方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のフォトニック結晶の作製
    方法において、 上記金属薄膜パターンを形成した後、金属薄膜パターン
    形成部以外の（１１１）面単結晶シリコンをエッチング
    除去し、その後、シリコン単結晶柱を成長させることを
    特徴とするフォトニック結晶の作製方法。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のいずれかのフォト
    ニック結晶の作製方法において、 上記物質層を二酸化シリコン層とし、上記金属薄膜パタ
    ーンに使用する金属を金とすることを特徴とするフォト
    ニック結晶の作製方法。
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