JP2004287248A - Method for layering refractive index film and patterned layered body - Google Patents

Method for layering refractive index film and patterned layered body Download PDF

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JP2004287248A
JP2004287248A JP2003081181A JP2003081181A JP2004287248A JP 2004287248 A JP2004287248 A JP 2004287248A JP 2003081181 A JP2003081181 A JP 2003081181A JP 2003081181 A JP2003081181 A JP 2003081181A JP 2004287248 A JP2004287248 A JP 2004287248A
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refractive index
film
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laminate
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Yasuri Nakajima
安理 中島
Arata Yokoyama
新 横山
Kimimaro Yoshikawa
公磨 吉川
Masaru Wake
勝 和気
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Hiroshima University NUC
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Hiroshima University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for layering a refractive index film that can easily and readily be implemented and a patterned layered body manufactured by the same. <P>SOLUTION: A different refractive index film is layered by (a) depositing an energy-sensitive insulating film on a substrate, (b) depositing a film having a 1st refractive index which is patterned by irradiation with patterning energy, and (c) depositing a film having a 2nd refractive index on the film having the 1st refractive index. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折率の異なる膜を積層する方法、およびこれにより形成可能な積層体に関する。より具体的には、本発明は、パターン化エネルギーの照射によるエネルギー感受性の絶縁膜のパターンニングと、該パターンニングされた膜とは異なる屈折率を有する他の膜の積層を組み合わせた屈折率膜(異なる屈折率を有する「他の膜」がパターンを有していてもよい)の積層方法、およびこれにより形成可能な積層体に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明は、異なる屈折率膜を積層した積層体一般に適用可能であるが、説明の便宜上、異なる屈折率膜の交互構造を有する典型的な積層体(フォトニック結晶)に関する先行技術について先ず説明する。
【0003】
社会・経済活動の発展に伴い、情報通信・情報処理の分野における大容量の通信を可能とする光エレクトロニクスの重要性は、益々増大している。他方、近年の伝達すべき情報の更なる大容量化、高速化の進行により、既存の光技術のみを用いた情報通信・情報処理では限界が近くなって来ている。このような限界を打破する可能性を有する技術の一つとして、光の進路を自在に制御することが可能なフォトニック結晶が近年、脚光を浴びている。このフォトニック結晶は、屈折率が異なる物質を、光の波長と同様のレベルの間隔で周期的に組み合わせたものである。
【0004】
このようなフォトニック結晶に入射する光は、反射・屈折・干渉などが絡み合い、独特の光学現象(例えば、「分散」「異方性」「フォトニック・バンドキャップ」という特徴的な光の伝搬特性に基づく)を生じるのみならず、フォトニック結晶を用いた場合には、従来の光学材料に比べて10倍以上の光の伝搬特性の改善が期待されている。このため、フォトニック結晶は、光フィルタ、光導波路、バンドフイルター、ディスプレイ用デバイス等としての種々の光応用分野に適用が期待される。更には、フォトニック結晶は、面積比10分の1以下の超小型光回路や、スーパープリズム、零閾値レーザ;および輻射場、伝播特性を制御し得る光機能素子(例えば、急角度曲げの光導波路、極小サイズの光共振器、光変調器、波長分波器、極低しきい値レーザーアレイ等)など革新的光デバイスの実現に途を開く可能性を秘めている。
【0005】
上述したように、フォトニック結晶は周期的に変化する屈折率を有する新しい光学材料であり、将来の超小型大規模フォトニック集積回路(PICs)(非特許文献1および2)のベース媒体として機能すると考えられている。高性能のPICsを実現するためには、完全なフォトニック・バンドギャップを有する三次元フォトニック結晶が必要となる(非特許文献3および4)。シャープベンドを有するナノ−アンペア・レーザアレイおよび光導波管等の機能デバイスは、例えば、PICsにおいて三次元フォトニック結晶を使って集積化することができる(非特許文献5)。
【0006】
しかしながら、他方、光の波長に近いサイズで二次元的ないし三次元的に周期構造を作製することは、当然のことながら極めて困難であり、したがって、容易に三次元フォトニック結晶を作製可能な技術(特に、構造の制御が容易な三次元フォトニック結晶の製造技術)が強く求められている。
このような三次元フォトニック結晶の製造技術に関しては、2、3の報告がある。しかしながら、三次元フォトニック結晶を製造する報告された方法は、かなり複雑であるか(非特許文献6、7および8)、あるいは、構造設計の自由度が殆ど無いものであった(非特許文献9および10)。
【0007】
また、該三次元フォトニック結晶の製造のためにSiベースの材料を用いなければ、低コストのオプトエレクトロニクス集積回路(OEIC)の実現は、事実上は難しいと考えられる(非特許文献8〜10)。
【0008】
【非特許文献1】
E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58(1987)2059.
【非特許文献2】
S. John, Phys. Rev. Lett. 58(1987)2486.
【非特許文献3】
E. Yablonovitch, T. Gmitter, and K. Leung, Phys. Rev. Lett. 67(1991)2295.
【非特許文献4】
J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneuve, and S. Fan, Nature 386(1997)143.
【非特許文献5】
S. John, Physics Today. 44(1991)32.
【非特許文献6】
S. Noda, N. Yamamoto, and A. Sasaki, Jpn J. Appl. Phys. 35(1996)L909.
【非特許文献7】
S. Noda, N. Yamamoto, H. Kobayashi, M. Okano, and K. Tomoda, A ppl. Phys. Lett. 75(1999)905.
【非特許文献8】
J. G. Fleming and S.−Y. Lin, Opt. Lett. 24(1999)49.
【非特許文献9】
M. Notomi, T. Tamamura, T. Kawashima, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 77(2000)4256.
【非特許文献10】
M. Notomi, A. Shinya, E. Kuramochi, I. Yokohama, C. Takahashi, K. Yamada, J. Takahashi, T. Kawashima, and S. Kawakami, IEICE Trans. Electron. E85−C(2002)1025.
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消することが可能な、屈折率膜の積層方法、およびパターン化積層体を提供することにある。
【0010】
本発明の他の目的は、簡便且つ容易に実行可能な屈折率膜の積層方法、およびこれにより製造されたパターン化積層体を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、従来の加工法におけるようにフォトレジストを用いて微細加工を行うのではなく、エネルギー感受性の絶縁膜に対してパターン化エネルギーによるパターンニングを行った後に、他の屈折率膜を積層することが、上記目的の達成のために極めて効果的なことを見出した。
【0012】
本発明の屈折率膜の積層方法は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、
(a)基板上にエネルギー感受性の絶縁膜を形成し、
(b)パターン化エネルギーの照射により、該エネルギー感受性の絶縁膜をパターンニングして、パターン化された第1の屈折率を有する膜を形成し、
(c)該第1の屈折率を有する膜上に、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する膜を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【0013】
本発明によれば、更に、基板と;該基板上に配置された、所定のパターンを有する第1の屈折率膜と;該第1の屈折率膜上に配置された、第1の屈折率膜とは異なる屈折率を有する第2の屈折率膜とを少なくとも含む積層体が提供される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「%」は、特に断らない限り(原則として)質量基準とする。
【0015】
(屈折率膜の積層体)
図1は、本発明の積層体の基本的な一態様を示す模式断面図である。図1を参照して、この態様の積層体は、Si等の基板2上に、MSZに基づくMSQ(屈折率が例えば1.45程度)からなるパターン化された第1の屈折率膜3が配置され、更に、該第1の屈折率膜3上に、SOG(スピン−オン−グラス;屈折率が例えば1.38程度)からなる第2の屈折率膜4が配置されている。図1においては、第1の屈折率膜3がパターン化されているが、必要に応じて、(第1屈折率膜に代えて)第2屈折率膜4がパターン化されていてもよく、また第1および第2の屈折率膜がともにパターン化されていてもよい。
【0016】
図2は、本発明の積層体の他の一態様を示す模式断面図である。図2を参照して、この態様の積層体1aは、図1に示した構成を有する積層体1上に、更に、パターン化された第1の屈折率膜3aが配置されている。図2に示すようなアラインメントとすることにより、例えば、本発明の積層体を、フォトニック結晶の形態にすることが容易である。
【0017】
(積層体の製造方法)
上記積層体は、例えば、以下のような製造方法により好適に製造することができる。
【0018】
図3は、本発明の積層方法の基本的な一態様を示す模式断面図である。図3を参照して、Siウェハ等の基板2上に、感光性MSZ(メチルシラザン)(屈折率1.55)をスピンコーティングして、該Siウェハ上に厚さ150nmのMSZ膜を形成する(図3(a))。90℃で1分間プレベーキングした後、該感光性MSZ膜を25℃湿度50%のクリーンルーム雰囲気中に10分間放置し、HOを吸収させる。次いで、基本的な二次元の構造を作製するために、EB(電子ビーム)ステッパー(例えば、日立HL−700EBステッパー)を用いてEBリソグラフィを行う(図1(b))。
【0019】
この膜を、テトラメチル アンモニウムヒドロキシド(TMAH)水溶液中で1分間現像し、脱イオン水で2分間リンスする。空気中で420℃で、30分間硬化させた後、エネルギー感受性のMSZ膜は、メチルシルセスキオキサン(MSQ)膜(1.45の屈折率)に変換される(このようなMSZからMSQへの変換の詳細に関しては、例えば、S. Mukaigawa, T. Aoki, Y. Shimizu, and T. Kikkawa, Jpn. J. Appl. Phys. 39(2000)2189を参照することができる)。
【0020】
これらのプロセスにおいて、EB−レジストおよびドライエッチングプロセスの両方がパターン形成において除去され、MSQ膜の所望のパターンが形成される。
【0021】
次いで、スピン−オン−グラス(SOG;1.38の屈折率)膜が2000rpmでスピンコーティングされ、平らな膜上に膜厚200nmの膜が形成される(図1(c))。ベーキングの後に、平らなトップ表面を有するSOG膜が形成される。
【0022】
上記プロセスを繰り返すことにより、周期的に変化する屈折率を有する三次元フォトニック結晶(図1(d))を容易に製造することができる。このような本発明のプロセスは、以下に述べる従来の製造プロセス(図3)と比較して、本発明の方法におけるプロセス・ステップの数は、約1/2によって減少し、従って、所望の特性を有するフォトニック結晶の形成が極めて容易となる。
なお、本発明においては第1と第2の屈折率膜の両方に対して屈折率の異なる感光性絶縁膜を使用してもよい。また、本発明においては、複数の積層構造でフォトニック結晶を作製した場合に、任意の層内の任意の位置に欠陥を導入して、光のウェーブガイドや光閉じ込めを実現するようにしてもよい。
【0023】
(従来のレジストプロセス)
他方、図4の模式断面図に示した従来の製造方法において、上記した本発明の態様(図3)と比べて、SOGと異なる屈折率を有するフォトニック結晶の材料の膜形成後の(図4(a))レジストコーティングの形成(図4(b))、レジストマスクの材料のドライエッチング(図4(d))、およびレジストマスク除去(図4(e))が加えられる。
【0024】
更に、窒化シリコン等のドライエッチングストップのための材料の付加的な他の膜が、SOGおよびフォトニック結晶の材料の間で必要と考えられる(J. G. Fleming and S.−Y. Lin, Opt. Lett. 24(1999)49を参照)。
【0025】
(各材料等)
上述した構成を有する本発明の屈折率膜(例えば、フォトニック結晶)の積層方法およびパターン化積層体において、使用可能な材料等を、以下に述べる。
【0026】
(基板)
その上にエネルギー感受性の絶縁膜を形成可能である限り特に制限されない。本発明において使用可能な基板の材料としては、例えば、Si基板、ガラス基板化合物半導体基板、金属基板等が挙げられる。
【0027】
中でも、加工の容易性および/又は他のデバイスとの組合せの容易性等の点からは、半導体材料、特にシリコンが好適に使用可能である。
【0028】
(エネルギー感受性の絶縁膜)
上記基板の上に、パターン化積層体の製造に使用可能なパターン化エネルギー(例えば、電子ビームおよび/又は紫外線)の照射に基づき、所定のパターンを形成可能なエネルギー感受性の絶縁材料である限り、特に制限されない。LSI作製技術との整合性の点からは、中でも、感光性MSZ(メチルシラザン)等の感光性絶縁膜材料を用いることが好ましい(その他の使用可能な材料に関しては、例えば、文献Journal of Photopolymer Science and Technology Vol.10 No.4 1997(ISSN 0914−9244)Published by The Technical Association of Photopolymersを参照することができる)。
【0029】
(パターン化エネルギー)
本発明においてエネルギー感受性の絶縁膜のパターニングに使用すべきパターン化エネルギーは特に制限されないが、LSI作製技術との整合性の点からは、エネルギー線または電磁波であることが好ましい。そのエネルギーのレベルの点からは、中でも、上記エネルギー線としては電子ビームが空間分解能が良く微細なパターン形成ができる点から好適に使用可能であり、上記電磁波としては紫外線が微細パターン形成に適しており好適に使用可能である。
【0030】
(第2の屈折率膜)
上記したエネルギー感受性の絶縁膜に基づく第1の屈折率膜上に配置すべき第2の屈折率膜(屈折率=bとする)を構成する材料は特に制限されない。上記第1の屈折率膜(屈折率=aとする)との好適な屈折率の差ないし比を与える点からは、これらの屈折率の差の絶対値|a−b|は0.05以上、更には0.07以上であることが好ましい。
【0031】
この第2の屈折率膜を構成する材料は、LSI作製技術との整合性の点からは、無機材料であることが好ましく、更にはSOG(スピン−オン−グラス)であることが好ましい。
【0032】
(パターン化積層体)
本発明において、少なくとも上記した基板と、パターン化された第1の屈折率膜と、第2の屈折率膜を有するパターン化積層体は、下記のような膜厚を有することが好ましい。
【0033】
第1の屈折率膜の膜厚:好ましくは50nm〜50μm(更には50nm〜2μm)
第2の屈折率膜の膜厚:好ましくは50nm〜50μm(更には50nm〜2μm)
【0034】
(フォトニック結晶)
本発明において、少なくとも上記した基板上に、パターン化された第1の屈折率膜と、第2の屈折率膜との繰り返し構造を有するフォトニック結晶(すなわち、パターン化積層体の一態様)は、下記のようなサイズないし特性を有することが好ましい。
【0035】
第1の屈折率膜と、第2の屈折率膜との繰り返しの数:2回以上、更には2〜40回(特に3〜10回)
フォトニック結晶の好適な光学的特性:
完全なフォトニックバンドの形成
【0036】
上記した態様では、SOG(屈折率が約1.4)とMSQ(屈折率が約1.5)とを使用したが、これらの材料の屈折率差は、例えば、他の化学材料をSOGまたはエネルギー感受性のMSZに取り込むことによって、これらの少なくとも一方の屈折率を変えることによって、変化させることができる。
【0037】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【0038】
【実施例】
実施例1
(パターン化積層体の形成)
図3を参照して、Siウェハ(直径2インチ、信越半導体社製)からなる基板2上に、感光性MSZ(メチルシラザン)(屈折率1.55;Clariant社製、商品名PS−Signiblow(商標))を、スピンコーター(タツモ社製、商品名スピンコーター)を用いて2000rpmでスピンコーティングして、該Siウェハ上に厚さ150nmのMSZ膜を形成した(図3(a))。
【0039】
このMSZ膜を90℃で1分間プレベーキングした後、該感光性MSZ膜を25℃湿度50%のクリーンルーム雰囲気中に10分間放置し、HOを吸収させた。次いで、基本的な二次元の構造を作製するために、EBステッパー(例えば、日立HL−700)を用いてEBリソグラフィを行い、パターン化されたMSZ膜を形成した(図3(b))。
【0040】
この際用いたEBリソグラフィ条件は、以下の通りであった。
<EBリソグラフィ条件>
形成されたMSZ膜パターン:幅300nm×長さ4mmのラインアンドスペースパターン
上記によりパターン化したMSZ膜を、2.38%濃度のテトラメチル アンモニウムヒドロキシド(TMAH)水溶液中で23℃、1分間で現像し、脱イオン水で2分間リンスした。
【0041】
リンス後のMSZ膜を空気中で420℃で、30分間で硬化させ、エネルギー感受性のMSZ膜をMSQ(メチルシルセスキオキサン)膜(1.45の屈折率)に変換した。このようなMSQ膜の形成は、赤外吸収分析により確認した。また、これらのプロセスにおいて、EB−レジストおよびドライエッチングプロセスの両方がパターン形成において除去され、MSQ膜の所望のパターンが形成されたことがSEM分析により判明した。
【0042】
次いで、上記のパターン化されたMSQ膜上に、スピン−オン−グラス液(SOG液;1.38の屈折率;東京応化工業(株)社製、商品名OCD T−7)を、スピンコーター(タツモ社製)を用いて2000rpmでスピンコーティングして、平らな膜上に膜厚200nmのSOG膜を形成した(図3(c))。空気中、ベーキング(80℃、3分間後;150℃、3分間後;200℃、3分間)した後に、平らなトップ表面を有するSOG膜が形成された。
【0043】
実施例2
(SEM観察)
実施例1で得られたパターン化積層体をへき開することにより、走査型電子顕微鏡(SEM)観察用の試料を作製した。この試料を用いて、以下の条件でSEM観察を行った。
<SEM観察条件>
SEM装置:日立社製、商品名:S4700
図5に、上記SEMにより観察された画像を示す。図5(a)において見られるように、ストライプ・パターンによるMSZ膜の基本的な二次元構造が実際に形成され、平らなトップ表面を有するSOG膜によってカバーされていることが判明した。なお、MSZを膜を硬化させた際にはSEM観察のための鋭い横断面を得ることが比較的に困難となるため、このSEM観察においては、MSZを硬化させなかった(したがって、図5においてストライプ・パターンはMSZからなる)。ストライプ・パターンの線およびスペースは300nmであり、これは光学的な波長域(500〜1600nm)の領域にあるフォトニック結晶に適している。一番上のSOG表面の平坦さのために、MSZの周期的な二次元の構造を、繰り返して積層することができた(図5(b))。
【0044】
図6は、本発明のプロセスを使用して形成されたウッドパイル構造のSEM画像(鳥かん図)である。鮮明なSEM観察のために、この試料はHF溶液(濃度が約1体積%)中に短時間(4分間程度)浸漬して、SOGとMSZとのコントラストを増大させた。ブランケット部のSOGと、トレンチ部のSOGとでエッチング速度が異なることが観察された。本発明者の知見によれば、この差はストレスの差に起因すると考えられた。
【0045】
図6において、積層されたMSZのストライプ・パターンは、その下層のパターンとクロスオーバーで階層化されていることが理解できよう。
【0046】
実施例3
(フォトニック結晶の形成)
実施例1で形成したパターン化積層体(図3(c))上に、更に実施例1と同様の条件でパターン化されたMSQ膜を形成した(図3(d))。ただし、この第2回目のパターン化MSQ膜形成においては、第1回目で形成されたパターン化MSQ膜のパターンと、第2回目で形成されたパターン化MSQ膜のパターンとが、半周期分ずれるように、これらのパターン形成をアラインメントした。
【0047】
このようにパターン化された第2のMSQ膜上に、更に実施例1と同様の条件でSOG膜を形成した(図3(c))。
【0048】
図7は、上記により作製されたY−ブランチ導波管を有する二次元構造のSEM画像である。このように、本発明の方法を用いれば、基本的な二次元構造を、機能デバイスのための三次元フォトニック結晶に容易に取り込むことができた。
【0049】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、直接パターンニング技術を組み合わせることによって、簡便且つ容易に実行可能な屈折率膜の積層方法、およびこれにより製造されたパターン化積層体が提供される。
【0050】
更には、本発明を応用することによって、三次元フォトニック結晶を容易に形成することができる。積層されたストライプ・パターン、ウッドパイル構造、および二次元のY形導波管を有する基本的構造を、本発明により実現することができる。このプロセスを利用して、プロセス・ステップの数を、従来のレジストを用いるものより約1/2に減らすことができる。本発明により、低コストOEICを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明により形成可能なパターン化積層体の基本的な態様の一例を示す模式断面図である。
【図2】本発明により形成可能なパターン化積層体の基本的な態様の他の例を示す模式断面図である。
【図3】本発明の屈折率膜の積層方法の基本的な態様の一例を示す模式断面図である。
【図4】従来のレジストを用いるプロセスの態様を示す模式断面図である。
【図5】実施例において得られたパターン化積層体(ストライプ構造)を示すSEM写真である。
【図6】実施例において得られたパターン化積層体(ウッドパイル構造)を示すSEM写真である。
【図7】実施例において得られたパターン化積層体(Y−型導波管)を示すSEM写真である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for laminating films having different refractive indexes and a laminate that can be formed by the method. More specifically, the present invention provides a refractive index film that combines the patterning of an energy-sensitive insulating film by irradiation with patterning energy and the stack of another film having a different refractive index from the patterned film. The present invention relates to a method for laminating (another film having a different refractive index may have a pattern) and a laminate that can be formed by the method.
[0002]
[Prior art]
The present invention can be applied to a general laminate in which different refractive index films are laminated, but for convenience of explanation, first, prior art relating to a typical laminate (photonic crystal) having an alternating structure of different refractive index films will be described first. .
[0003]
With the development of social and economic activities, the importance of optoelectronics that enables large-capacity communication in the field of information communication and information processing is increasing more and more. On the other hand, due to the recent increase in capacity and speed of information to be transmitted, the limit of information communication and information processing using only existing optical technologies is approaching its limit. In recent years, a photonic crystal capable of freely controlling a light path has been spotlighted as one of the technologies having a possibility of overcoming such limitations. This photonic crystal is a material in which substances having different refractive indices are periodically combined at an interval of the same level as the wavelength of light.
[0004]
Light incident on such a photonic crystal is entangled with reflection, refraction, interference, and the like, and has a unique optical phenomenon (for example, characteristic light propagation such as “dispersion”, “anisotropic”, and “photonic bandcap”). not only cause based on characteristics), when a photonic crystal is improved propagation characteristics of 10 3 times more light than the conventional optical materials are expected. For this reason, photonic crystals are expected to be applied to various optical application fields as optical filters, optical waveguides, band filters, display devices, and the like. Furthermore, photonic crystal, an area ratio of 10 one-third less and ultra-small optical circuit, superprism, zero threshold lasers; and radiation field, the optical functional device capable of controlling the propagation characteristics (e.g., sudden bending angle of Optical waveguides, ultra-small optical resonators, optical modulators, wavelength demultiplexers, ultra-low threshold laser arrays, etc.).
[0005]
As described above, a photonic crystal is a new optical material having a periodically changing refractive index and functions as a base medium for future ultra-small and large-scale photonic integrated circuits (PICs) (Non-Patent Documents 1 and 2). It is believed that. In order to realize high-performance PICs, a three-dimensional photonic crystal having a complete photonic band gap is required (Non-Patent Documents 3 and 4). Functional devices such as nano-amp laser arrays and optical waveguides with sharp bends can be integrated using, for example, three-dimensional photonic crystals in PICs (Non-Patent Document 5).
[0006]
However, on the other hand, it is naturally extremely difficult to form a two-dimensional or three-dimensional periodic structure with a size close to the wavelength of light, and therefore, a technology that can easily produce a three-dimensional photonic crystal. In particular, there is a strong demand for a technique for manufacturing a three-dimensional photonic crystal whose structure can be easily controlled.
There are a few reports on such three-dimensional photonic crystal manufacturing techniques. However, the reported methods for producing three-dimensional photonic crystals are either quite complex (Non-Patent Documents 6, 7 and 8) or have little freedom in structural design (Non-Patent Documents). 9 and 10).
[0007]
Further, it is considered that realization of a low-cost optoelectronic integrated circuit (OEIC) is practically difficult unless a Si-based material is used for manufacturing the three-dimensional photonic crystal (Non-Patent Documents 8 to 10). ).
[0008]
[Non-patent document 1]
E. FIG. Yablonovitch, Phys. Rev .. Lett. 58 (1987) 2059.
[Non-patent document 2]
S. John, Phys. Rev .. Lett. 58 (1987) 2486.
[Non-Patent Document 3]
E. FIG. Yablonovitch, T.W. Gmitter, and K .; Leung, Phys. Rev .. Lett. 67 (1991) 2295.
[Non-patent document 4]
J. D. Joannopoulos, P .; R. Villeneuve, and S.M. Fan, Nature 386 (1997) 143.
[Non-Patent Document 5]
S. John, Physics Today. 44 (1991) 32.
[Non-Patent Document 6]
S. Noda, N .; Yamamoto, and A. Sasaki, Jpn J .; Appl. Phys. 35 (1996) L909.
[Non-Patent Document 7]
S. Noda, N .; Yamamoto, H .; Kobayashi, M .; Okano, and K.K. Tomoda, Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 905.
[Non-Patent Document 8]
J. G. FIG. Fleming and S.M. -Y. Lin, Opt. Lett. 24 (1999) 49.
[Non-Patent Document 9]
M. Notomi, T .; Tamamura, T .; Kawashima, and S.M. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 4256.
[Non-Patent Document 10]
M. Notomi, A .; Shinya, E .; Kuramochi, I .; Yokohama, C .; Takahashi, K .; Yamada, J .; Takahashi, T .; Kawashima, and S.M. Kawakami, IEICE Trans. Electron. E85-C (2002) 1025.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method of laminating a refractive index film and a patterned laminate, which can solve the above-mentioned drawbacks of the prior art.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a method of laminating a refractive index film which is simple and easy to carry out, and a patterned laminate produced by the method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of earnest research, the present inventor has performed patterning with an energy-sensitive insulating film using patterning energy instead of performing fine processing using a photoresist as in the conventional processing method, and then performing other processing. It has been found that stacking a refractive index film is extremely effective for achieving the above object.
[0012]
The method of laminating a refractive index film of the present invention is based on the above findings, and more specifically,
(A) forming an energy-sensitive insulating film on a substrate,
(B) patterning the energy-sensitive insulating film by irradiation with patterning energy to form a patterned film having a first refractive index;
(C) forming a film having a second refractive index different from the first refractive index on the film having the first refractive index.
[0013]
According to the present invention, further, a substrate; a first refractive index film having a predetermined pattern disposed on the substrate; a first refractive index disposed on the first refractive index film A laminate is provided that includes at least a film and a second refractive index film having a different refractive index.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings as necessary. In the following description, “parts” and “%” representing the quantitative ratios are (as a rule) based on mass unless otherwise specified.
[0015]
(Layer of refractive index film)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one basic embodiment of the laminate of the present invention. Referring to FIG. 1, in the laminate of this embodiment, a patterned first refractive index film 3 made of MSQ based on MSZ (for example, having a refractive index of about 1.45) is formed on a substrate 2 made of Si or the like. Further, a second refractive index film 4 made of SOG (spin-on-glass; having a refractive index of, for example, about 1.38) is disposed on the first refractive index film 3. In FIG. 1, the first refractive index film 3 is patterned, but if necessary, the second refractive index film 4 may be patterned (instead of the first refractive index film), Further, both the first and second refractive index films may be patterned.
[0016]
FIG. 2 is a schematic sectional view showing another embodiment of the laminate of the present invention. Referring to FIG. 2, in a laminated body 1 a of this embodiment, a patterned first refractive index film 3 a is further disposed on laminated body 1 having the configuration shown in FIG. 1. By making the alignment as shown in FIG. 2, for example, it is easy to make the laminate of the present invention into the form of a photonic crystal.
[0017]
(Production method of laminate)
The laminate can be suitably manufactured by, for example, the following manufacturing method.
[0018]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing one basic mode of the lamination method of the present invention. Referring to FIG. 3, photosensitive MSZ (methylsilazane) (refractive index: 1.55) is spin-coated on substrate 2 such as a Si wafer to form an MSZ film having a thickness of 150 nm on the Si wafer. (FIG. 3 (a)). After prebaking at 90 ° C. for 1 minute, the photosensitive MSZ film is left in a clean room atmosphere at 25 ° C. and 50% humidity for 10 minutes to absorb H 2 O. Next, in order to manufacture a basic two-dimensional structure, EB lithography is performed using an EB (electron beam) stepper (for example, Hitachi HL-700 EB stepper) (FIG. 1B).
[0019]
The film is developed in an aqueous solution of tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) for 1 minute and rinsed with deionized water for 2 minutes. After curing in air at 420 ° C. for 30 minutes, the energy sensitive MSZ film is converted to a methylsilsesquioxane (MSQ) film (refractive index of 1.45) (from such MSZ to MSQ) For details of the conversion, see, for example, S. Mukaigawa, T. Aoki, Y. Shimizu, and T. Kikkawa, Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) 2189).
[0020]
In these processes, both the EB-resist and the dry etching processes are removed in patterning, forming the desired pattern of the MSQ film.
[0021]
Next, a spin-on-glass (SOG; refractive index of 1.38) film is spin-coated at 2000 rpm to form a 200-nm-thick film on a flat film (FIG. 1C). After baking, an SOG film having a flat top surface is formed.
[0022]
By repeating the above process, a three-dimensional photonic crystal (FIG. 1D) having a periodically changing refractive index can be easily manufactured. Such a process of the present invention reduces the number of process steps in the method of the present invention by about one-half as compared to the conventional manufacturing process described below (FIG. 3), and thus the desired properties It is extremely easy to form a photonic crystal having
In the present invention, a photosensitive insulating film having a different refractive index may be used for both the first and second refractive index films. Further, in the present invention, when a photonic crystal is manufactured with a plurality of stacked structures, a defect may be introduced at an arbitrary position in an arbitrary layer to realize light waveguide or light confinement. Good.
[0023]
(Conventional resist process)
On the other hand, in the conventional manufacturing method shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 4, compared to the above-described embodiment of the present invention (FIG. 3), a film of a photonic crystal material having a refractive index different from that of SOG is formed (FIG. 4 (a)) Formation of a resist coating (FIG. 4B), dry etching of a resist mask material (FIG. 4D), and removal of the resist mask (FIG. 4E) are added.
[0024]
In addition, additional films of material for the dry etch stop, such as silicon nitride, may be required between the SOG and photonic crystal materials (JG Fleming and S.-Y. Lin, Opt. Lett. 24 (1999) 49).
[0025]
(Each material etc.)
Materials and the like that can be used in the method of laminating a refractive index film (for example, a photonic crystal) having the above-described configuration and a patterned laminate according to the present invention are described below.
[0026]
(substrate)
There is no particular limitation as long as an energy-sensitive insulating film can be formed thereon. Examples of the material of the substrate that can be used in the present invention include a Si substrate, a glass substrate compound semiconductor substrate, and a metal substrate.
[0027]
Among them, a semiconductor material, particularly silicon, can be suitably used from the viewpoint of easiness of processing and / or easiness of combination with another device.
[0028]
(Energy-sensitive insulating film)
On the substrate, based on the irradiation of patterning energy (for example, electron beam and / or ultraviolet light) that can be used for manufacturing a patterned laminate, as long as it is an energy-sensitive insulating material capable of forming a predetermined pattern, There is no particular limitation. From the viewpoint of compatibility with the LSI fabrication technology, it is particularly preferable to use a photosensitive insulating film material such as photosensitive MSZ (methylsilazane) (for other usable materials, see, for example, the Journal of Photopolymer Science). and Technology Vol.10 No.4 1997 (ISSN 0914-9244) Published by The Technical Association of Photopolymers).
[0029]
(Patterned energy)
In the present invention, the patterning energy to be used for patterning the energy-sensitive insulating film is not particularly limited, but is preferably an energy ray or an electromagnetic wave from the viewpoint of compatibility with LSI fabrication technology. From the viewpoint of the energy level, among the above-mentioned energy rays, an electron beam can be suitably used because it has a good spatial resolution and a fine pattern can be formed, and as the electromagnetic wave, ultraviolet rays are suitable for forming a fine pattern. It is suitable for use.
[0030]
(Second refractive index film)
The material constituting the second refractive index film (assuming that the refractive index is b) to be disposed on the first refractive index film based on the above-mentioned energy-sensitive insulating film is not particularly limited. From the viewpoint of providing a suitable refractive index difference or ratio with the first refractive index film (the refractive index = a), the absolute value | ab− of these refractive index differences is 0.05 or more. And more preferably 0.07 or more.
[0031]
The material constituting the second refractive index film is preferably an inorganic material, and more preferably SOG (spin-on-glass), from the viewpoint of compatibility with LSI fabrication technology.
[0032]
(Patterned laminate)
In the present invention, the patterned laminate having at least the substrate, the patterned first refractive index film, and the second refractive index film preferably has the following film thickness.
[0033]
Thickness of first refractive index film: preferably 50 nm to 50 μm (more preferably 50 nm to 2 μm)
Thickness of second refractive index film: preferably 50 nm to 50 μm (more preferably 50 nm to 2 μm)
[0034]
(Photonic crystal)
In the present invention, at least on the above-mentioned substrate, a photonic crystal having a repeating structure of a patterned first refractive index film and a second refractive index film (that is, one embodiment of a patterned laminate) It is preferable to have the following size or characteristics.
[0035]
Number of repetitions of the first refractive index film and the second refractive index film: 2 or more, further 2 to 40 times (particularly 3 to 10 times)
Suitable optical properties of the photonic crystal:
Formation of a complete photonic band
In the above embodiment, SOG (refractive index is about 1.4) and MSQ (refractive index is about 1.5) are used, but the difference in refractive index between these materials is, for example, that other chemical materials are SOG or It can be varied by changing the refractive index of at least one of these by incorporating it into the energy sensitive MSZ.
[0037]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0038]
【Example】
Example 1
(Formation of patterned laminate)
Referring to FIG. 3, a photosensitive MSZ (methylsilazane) (refractive index: 1.55; Clariant, trade name: PS-Signblow (trade name)) is formed on a substrate 2 made of a Si wafer (diameter 2 inches, manufactured by Shin-Etsu Semiconductor). (Trademark)) was spin-coated at 2,000 rpm using a spin coater (trade name, manufactured by Tatsumo Corporation) to form an MSZ film having a thickness of 150 nm on the Si wafer (FIG. 3A).
[0039]
After pre-baking the MSZ film at 90 ° C. for 1 minute, the photosensitive MSZ film was left in a clean room atmosphere at 25 ° C. and 50% humidity for 10 minutes to absorb H 2 O. Next, in order to produce a basic two-dimensional structure, EB lithography was performed using an EB stepper (for example, Hitachi HL-700) to form a patterned MSZ film (FIG. 3B).
[0040]
The EB lithography conditions used at this time were as follows.
<EB lithography conditions>
Formed MSZ film pattern: line and space pattern having a width of 300 nm and a length of 4 mm The MSZ film patterned as described above was placed in a 2.38% aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH) at 23 ° C. for 1 minute. Develop and rinse with deionized water for 2 minutes.
[0041]
The rinsed MSZ film was cured in air at 420 ° C. for 30 minutes to convert the energy-sensitive MSZ film to an MSQ (methylsilsesquioxane) film (refractive index of 1.45). The formation of such an MSQ film was confirmed by infrared absorption analysis. In these processes, both the EB-resist and the dry etching process were removed in the pattern formation, and it was found by SEM analysis that the desired pattern of the MSQ film was formed.
[0042]
Next, a spin-on-glass liquid (SOG liquid; refractive index of 1.38; OCD T-7, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was spin-coated on the patterned MSQ film. A 200 nm-thick SOG film was formed on a flat film by spin coating at 2000 rpm (manufactured by Tatsumo) (FIG. 3C). After baking in air (80 ° C. for 3 minutes; 150 ° C. for 3 minutes; 200 ° C. for 3 minutes), an SOG film having a flat top surface was formed.
[0043]
Example 2
(SEM observation)
A sample for scanning electron microscope (SEM) observation was produced by cleaving the patterned laminate obtained in Example 1. Using this sample, SEM observation was performed under the following conditions.
<SEM observation conditions>
SEM device: manufactured by Hitachi, trade name: S4700
FIG. 5 shows an image observed by the SEM. As can be seen in FIG. 5 (a), it was found that the basic two-dimensional structure of the MSZ film with the stripe pattern was actually formed and covered by the SOG film having a flat top surface. Note that when the film was cured with MSZ, it was relatively difficult to obtain a sharp cross section for SEM observation. Therefore, in this SEM observation, MSZ was not cured (therefore, in FIG. 5, The stripe pattern is composed of MSZ). The lines and spaces in the stripe pattern are 300 nm, which is suitable for photonic crystals in the optical wavelength range (500-1600 nm). Due to the flatness of the top SOG surface, a periodic two-dimensional structure of MSZ could be repeatedly laminated (FIG. 5 (b)).
[0044]
FIG. 6 is an SEM image (bird's-eye view) of a woodpile structure formed using the process of the present invention. For clear SEM observation, this sample was immersed in an HF solution (concentration: about 1% by volume) for a short time (about 4 minutes) to increase the contrast between SOG and MSZ. It was observed that the etching rate was different between the SOG in the blanket portion and the SOG in the trench portion. According to the findings of the present inventors, this difference was considered to be caused by a difference in stress.
[0045]
In FIG. 6, it can be seen that the stacked MSZ stripe pattern is layered by crossover with the underlying pattern.
[0046]
Example 3
(Formation of photonic crystal)
An MSQ film patterned under the same conditions as in Example 1 was further formed on the patterned laminate (FIG. 3C) formed in Example 1 (FIG. 3D). However, in the second formation of the patterned MSQ film, the pattern of the patterned MSQ film formed in the first time and the pattern of the patterned MSQ film formed in the second time are shifted by a half cycle. As such, these pattern formations were aligned.
[0047]
An SOG film was further formed on the patterned second MSQ film under the same conditions as in Example 1 (FIG. 3C).
[0048]
FIG. 7 is an SEM image of a two-dimensional structure having a Y-branch waveguide manufactured as described above. Thus, using the method of the present invention, a basic two-dimensional structure could be easily incorporated into a three-dimensional photonic crystal for a functional device.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a method of laminating a refractive index film that can be simply and easily performed by directly combining a patterning technique, and a patterned laminate manufactured by the method are provided.
[0050]
Furthermore, a three-dimensional photonic crystal can be easily formed by applying the present invention. A basic structure having a stacked stripe pattern, a woodpile structure, and a two-dimensional Y-shaped waveguide can be realized by the present invention. Using this process, the number of process steps can be reduced to about one-half that using conventional resist. According to the present invention, a low-cost OEIC can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic embodiment of a patterned laminate that can be formed according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of the basic aspect of the patterned laminate that can be formed according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic mode of a method for laminating a refractive index film of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a process using a conventional resist.
FIG. 5 is an SEM photograph showing a patterned laminate (stripe structure) obtained in an example.
FIG. 6 is an SEM photograph showing a patterned laminate (wood pile structure) obtained in an example.
FIG. 7 is an SEM photograph showing a patterned laminate (Y-type waveguide) obtained in an example.

Claims (9)

(a)基板上にエネルギー感受性の絶縁膜を形成し、
(b)パターン化エネルギーの照射により、該エネルギー感受性の絶縁膜をパターンニングして、パターン化された第1の屈折率を有する膜を形成し、
(c)該第1の屈折率を有する膜上に、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する膜を形成する工程を含むことを特徴とする異なる屈折率膜の積層方法。
(A) forming an energy-sensitive insulating film on a substrate,
(B) patterning the energy-sensitive insulating film by irradiation with patterning energy to form a patterned film having a first refractive index;
(C) a method of laminating different refractive index films, comprising a step of forming a film having a second refractive index different from the first refractive index on the film having the first refractive index.
前記パターン化エネルギーが、電子ビームまたは紫外線である請求項1に記載の屈折率膜の積層方法。2. The method according to claim 1, wherein the patterning energy is an electron beam or an ultraviolet ray. 前記エネルギー感受性の絶縁膜が、感光性MSZ(メチルシラザン)膜である請求項1または2に記載の屈折率膜の積層方法。3. The method according to claim 1, wherein the energy-sensitive insulating film is a photosensitive MSZ (methylsilazane) film. (a1)前記第2の屈折率を有する膜上にエネルギー感受性の絶縁膜を形成し、
(b1)パターン化エネルギーの照射により、該エネルギー感受性の絶縁膜をパターンニングして、パターン化された第1の屈折率を有する膜を形成し、
(c1)該第1の屈折率を有する膜上に、前記第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する膜を形成する請求項3に記載の屈折率膜の積層方法。
(A1) forming an energy-sensitive insulating film on the film having the second refractive index;
(B1) patterning the energy-sensitive insulating film by irradiation with patterning energy to form a patterned film having a first refractive index;
(C1) The method according to claim 3, wherein a film having a second refractive index different from the first refractive index is formed on the film having the first refractive index.
前記(a1)〜(c1)工程を複数回繰り返して、フォトニック結晶を形成する請求項4に記載の屈折率膜の積層方法。5. The method according to claim 4, wherein the steps (a1) to (c1) are repeated a plurality of times to form a photonic crystal. 前記基板が、シリコン基板である請求項1〜5のいずれかに記載の屈折率膜の積層方法。The method according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate. 基板と、
該基板上に配置された、所定のパターンを有する第1の屈折率膜と、
該第1の屈折率膜上に配置された、第1の屈折率膜とは異なる屈折率を有する第2の屈折率膜とを少なくとも含む積層体。
Board and
A first refractive index film having a predetermined pattern, disposed on the substrate,
A laminate comprising at least a second refractive index film having a different refractive index from the first refractive index film, the second refractive index film being disposed on the first refractive index film.
前記第1の屈折率膜と、第2の屈折率膜とが交互に配置された請求項7に記載の積層体。The laminate according to claim 7, wherein the first refractive index films and the second refractive index films are alternately arranged. 前記第1の屈折率膜と、第2の屈折率膜とが交互に複数配置されて、フォトニック結晶を構成している請求項8に記載の積層体。9. The laminate according to claim 8, wherein a plurality of the first refractive index films and a plurality of the second refractive index films are alternately arranged to form a photonic crystal.
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