JP2007003810A - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる光学特性を有する光学素子を高精度かつ簡便に製造することが可能な光学素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 この光学素子１は、透明媒質（誘電体）からなるｙ方向に延びた複数のｙ方向ストライプ２０を有するｙ方向ストライプパターン２と、透明媒質（誘電体）からなるｘ方向に延びた複数のｘ方向ストライプ３０を有するｘ方向ストライプパターン３とを交互にフォトニックバンドが形成されないように所定の誤差でｚ方向に積層したものであり、ｘ方向に異なるフィルタ特性を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光学ミラー、光学フィルター、光学共振器、分波器、合波器等の光学素子およびその製造方法に関する。

近年、屈折率の周期性を有するフォトニック結晶と呼ばれる光学素子が注目を浴びている。「フォトニック結晶」とは、屈折率が異なる２種類の透明媒質を波長の１／２程度の間隔で１乃至３次元で周期構造としたものであり、光が伝搬しないフォトニックバンドを有する。

フォトニック結晶を製造する方法として、従来、ウェファ融着法およびマイクロマニピュレーション法が提案され（例えば、非特許文献１参照）、また、自己クローニング法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ウェファ融着法は、２つの基板上にそれぞれ半導体からなるストライプパターンを形成し、両者のストライプパターンの表面を親水処理し、それらを重ね合わせた後、加熱処理を行ってストライプパターン同士を融着し、上側の基板を除去する。その後、同様の工程をストタイプパターンの積層数に応じて繰り返すことにより、３次元周期構造を得る方法である。

マイクロマニピュレーション法は、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓスペーサ層およびＩｎＰ層をＭＯＣＶＤ法により形成し、ＩｎＧａＡｓスペーサ層およびＩｎＰ層の一部を垂直にエッチングし、硫酸系エッチャントによりＩｎＧａＡｓスペーサ層を除去して位相の異なる４種類のＩｎＰプレートの空中保持構造を形成する。その後、静電プローブによりＩｎＰプレートを静電吸着して移動し、表面間力により基板上に順次積層する方法である。

自己クローニング法は、基板表面に所定の周期の凹凸パターンをエッチングにより形成し、その上に屈折率が異なる２種類の透明媒質を交互に基板上の凹凸パターンが反映するようにスパッタ法により形成する方法である。

また、自己クローニング法により、基板表面に周期の異なる凹凸パターンを形成することにより、複数のフィルタ特性を有する光学素子を製造することができる。
川上彰二郎監修「一般的なウッドパイルフォトニック結晶とその応用」、シーエムシー出版、９章ｐ１２８〜ｐ１４０、１１章ｐ１５７〜ｐ１６７、２００２年３月１日発行 特開２００３−２４８１７８号公報（[００４２]）

しかし、従来の光学素子では、フォトニックバンドを形成するために１００ｎｍ以下の誤差で積層する必要があり、そのためには高精度な積層装置を必要とする。また、自己クローニング法により異なるフィルタ特性を有する光学素子を製造すると、上層側の透明媒質の凹凸精度が悪くなり、精度の高いフィルタ特性を得るのが難しくなる。

従って、本発明の目的は、所定の光学特性を有する光学素子を簡便に製造することが可能な光学素子およびその製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、異なる光学特性を有する光学素子を高精度に製造することが可能な光学素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、上記目的を達成するため、ｘｙ面内において所定の屈折率周期性を有する複数の層をフォトニックバンドが形成されないように所定の精度でｚ方向に積層してなることを特徴とする光学素子を提供する。

図１は、本発明の第１の態様の作用を説明するためにフィルタに適用した場合を示す図である。

ｘｙ面内において所定の屈折率周期性を有する複数の層をｚ方向に積層することにより、図１（ａ）に示すように、光が伝搬（透過）しないフォトニックギャップが得られる。また、上記複数の層をフォトニックバンドが形成されないように所定の精度で積層することにより、積層装置において高精度な位置決めが不要となる。フォトニックバンドが形成されないように複数の層を積層するには、例えば、１００ｎｍを越える誤差（あるいは屈折率の周期の１／５〜１／２の誤差）を含むように複数の層をランダムに積層することにより得られる。

複数の層間に２次元スラブ層を配置してもよい。これにより、図１（ｂ）に示すように、フォトニックギャップ中に光が伝搬（透過）する波長λａが現れる。

上記複数の層間に２次元スラブ層を配置した構成において、複数の層は、屈折率周期性が異なる領域を有する構成としてもよい。この構成によれば、図１（ｃ）に示すように、フォトニックギャップ中に光が伝搬（透過）する複数の波長λａ，λｂ，λｃが現れる。

前記複数の層は、透明媒質からなるｘ方向に延びた複数のｘ方向ストライプを有するｘ方向ストライプパターンと、透明媒質からなるｙ方向に延びた複数のｙ方向ストライプを有するｙ方向ストライプパターンとが交互に積層されてなる構成としてもよい。この構成によれば、透明媒質と空気との屈折率差が得られ、製造が容易となる。

前記複数のｘ方向ストライプまたは前記複数のｙ方向ストライプは、幅が長手方向に沿って連続的または階段状に変化しているものとしてもよく、幅がｙ方向またはｘ方向に階段状に変化しているものでもよく、周期が長手方向に沿って連続的または階段状に変化しているものでもよい。

本発明の第２の態様は、上記目的を達成するため、第１の基板上に、ｘｙ面内において所定の屈折率周期性を有する複数の層を形成する第１のステップと、前記第１の基板に第２の基板を対向させ、前記第１および第２の基板をフォトニックバンドが形成されないように所定の精度で位置決めし、圧接、離間を繰り返すことにより、前記第２の基板上に前記複数の層を積層する第２のステップとを含むことを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。

上記光学素子の製造方法によれば、第２のステップにおいて、ｘｙ面内において所定の屈折率周期性を有する複数の層をｚ方向に積層することにより、光が伝搬しないフォトニックギャップが得られる。フォトニックバンドが形成されないように複数の層を所定の制度で積層するには、例えば、１００ｎｍを越える誤差（あるいは屈折率の周期の１／５〜１／２の誤差）を含むように複数の層をランダムに積層することにより得られる。従って、第２のステップで使用する積層装置において高精度な位置決めが不要となる。

前記第２のステップの位置決めは、１００ｎｍを超える誤差を含むようにしてもよい。また、屈折率の周期の１／５〜１／２の誤差を含むものとしてもよい。これにより、屈折率の明確な周期性は失うため、フォトニックバンドの概念はなくなるが、フォトニックギャップは存在するので、これを利用した光学特性を得ることができる。

前記第２のステップの圧接は、常温接合によるのが好ましい。「常温接合」とは、室温で原子同士を直接接合することをいう。常温接合によれば、常温接合される層の形状や厚みの変化が少なく、高精度な光学素子が得られる。層を接合する前に、その表面に中性原子ビーム、イオンビーム等を照射して表面を清浄化するのが好ましい。清浄化により表面が活性化して強固な接合が得られる。

上記屈折率周期性を有する複数の層は、例えば、第１の基板上に必要に応じて離型層を形成し、その上に屈折率周期性を有する層の材料となる薄膜を形成し、エンチングすることにより形成される。

離型層は、例えば、ポリイミド、フッ化ポリイミド、酸化シリコン等の公知の材料を用いることができるが、第１の基板の熱酸化処理を行って形成される熱酸化膜を用いてもよい。離型層の第１の基板上への形成は、スパッタ法、分子線ビームエピタキシャル法、化学気相堆積法、真空蒸着法、スピン塗布法等の一般的な薄膜形成方法を用いることができる。離型層を用いることにより、第１の基板と第２の基板とを圧接して離間したとき、屈折率周期性を有する層が離型層から容易に剥離して第２の基板側に転写させることができる。

屈折率周期性を有する層の材料となる薄膜は、例えば、Ｓｉ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２等の高い誘電率を有する材料を用いることができる。

パターニングとしては、例えば、リソグラフィー法、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法、電子ビーム直接描画法等を用いることができるが、高い平面形状精度が得られ、量産性が高い点で、リソグラフィー法が好ましい。

本発明によれば、複数の層をラフな精度で積層することができるので、所定の光学特性を有する光学素子を簡便に製造することが可能となる。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は要部平面図である。この第１の実施の形態に係る光学素子１は、透明媒質（誘電体）からなるｙ方向に延びた複数のｙ方向ストライプ２０を有するｙ方向ストライプパターン２と、透明媒質（誘電体）からなるｘ方向に延びた複数のｘ方向ストライプ３０を有するｘ方向ストライプパターン３と、二次元スラブパターン４とを接合により積層した９層から構成され、ｘ方向に異なるフィルタ特性を有する。このような３次元構造体は、ＣＡＤ等を用いて設計することができる。

ｙ方向ストライプパターン２は、下から１層目、３層目、７層目および９層目に設けられ、ｘ方向ストライプパターン３は、２層目、４層目、６層目および８層目に設けられ、二次元スラブパターン４は、５層目に設けられている。また、相平行する１層目と３層目、２層目と４層目、６層目と８層目、７層目と９層目のストライプパター２，３は、半周期ずつその位置がシフトしている。

二次元スラブパターン４は、例えば、透明媒質（誘電体）からなる板からなる。

図３は、ｙ方向ストライプパターン２およびｘ方向ストライプパターン３の詳細を示す。ｙ方向ストライプパターン２の各ｙ方向ストライプ２０は、ｘ方向に所定の周期Ｐｘで配列され、ｘ方向に進むに従って幅（Ｗａ→Ｗｂ）が階段状に太くなっている。ｘ方向ストライプパターン３の各ｘ方向ストライプ３０は、ｙ方向に所定の周期Ｐｙで配列され、ｘ方向に進むに従って幅（Ｗｃ→Ｗｄ）が連続的に太くなっている。

図４は、ウッドパイルフォトニック結晶を示す。図２（ａ）の構造において、１層目から４層目までの構造は、微視的に図２（ｂ）に示すＣ領域だけを見ると、図３に示すようなウッドパイルフォトニック結晶のようになっている。つまり非対称な面心立法構造となっている（以下これを「ＷＰ構造」という。）。また、図２（ｂ）に示すＡ領域、Ｂ領域についてもストライプ２０，３０の柱の幅は異なるが、Ｃ領域と同様に微視的に見ると４層のＷＰ構造になっている。６層から９層目は、１層目から４層目までと同様に４層のＷＰ構造となっており、５層目の二次元スラブパターン４を基準として１層目から４層目のＷＰ構造と鏡映対象となっている。なお、６層目から９層目は１層目から４層目とまったく同様なＷＰ構造でも良い。

（第１の実施の形態の製造方法）
次に、第１の実施の形態の３次元構造体の製造方法をドナー基板の作製とパターンの積層とに分けて説明する。

（１）ドナー基板の作製
図５は、ドナー基板を示す。同図に示すドナー基板１０を作製するには、まず、Ｓｉウェハからなる基板１１を準備し、この基板１１の表面にポリイミドからなる離型層１２をスピンコーティング法により形成する。次に、離型層１２上にＳｉ薄膜をスパッタリング法により厚さ約０．１８μｍ着膜する。次に、Ｓｉ薄膜をパターニングして図５に示すようにパターン２，３，４を１ｍｍ角の正方形のセル１３内に形成する。パターニングは、ＥＢ（電子ビーム）露光等通常の半導体微細加工技術を用いることができる。

（２）パターンの積層
図６（ａ）〜（ｆ）は、パターン２〜４の積層工程を示す。まず、真空槽（図示せず）の上部ステージにターゲット基板をセットし、下部ステージ上に図５に示すドナー基板１０をセットする。次に、真空槽内を排気し、高真空状態あるいは超真空状態にする。下部ステージと上部ステージを相対的に移動させ、図６（ａ）に示すように、ターゲット基板５０をドナー基板１０の９層目のｙ方向ストライプパターン２上に位置させる。ここで、ドナー基板１０及びターゲット基板５０の表面にＦＡＢ(Fast Atom Beam)等を照射し、両者の表面を清浄化する。

次に、図６（ｂ）に示すように、上部ステージを降下させ、ターゲット基板５０とｙ方向ストライプパターン２とを所定の圧力で所定の時間圧接すると、ターゲット基板５０にｙ方向ストライプパターン２が常温接合される。

次に、上部ステージを上昇させると、図６（ｃ）に示すように、９層目のｙ方向ストライプパターン２が離型層１２から剥離し、ターゲット基板５０に転写する。これは、ｙ方向ストライプパターン２とターゲット基板５０との接合力がｙ方向ストライプパターン２と離型層１２との接合力よりも大きいからである。

次に、上部ステージを８層目のｘ方向ストライプパターン３の上方へ相対的に移動させ、図６（ｄ）に示すように、ターゲット基板５０上のｙ方向ストライプパターン２と８層目のｘ方向ストライプパターン３を対向させ、ターゲット基板５０上のｙ方向ストライプパターン２の表面と８層目のｘ方向ストライプパターン３の表面をＦＡＢ等を照射して清浄化する。

次に、図６（ｅ）に示すように、上部ステージを下降させ、ｙ方向ストライプパターン２とｘ方向ストライプパターン３とを圧接して常温接合させる。

次に、上部ステージを上昇させると、図６（ｆ）に示すように、８層目のｘ方向ストライプパターン３は離型層１２から剥離し、９層目のｙ方向ストライプパターン２の下面に転写される。以後、同様にして７層目、６層目のストライプパターン２，３、５層目の二次元スラブパターン４、４層〜１層目のストライプパターン３，２を８層目のｘ方向ストライプパターン３側に順次転写して積層することにより、ターゲット基板５０上に光学素子１が形成される。その後、ターゲット基板５０を上部ステージから外し、ダーゲット基板５０を除去することにより、光学素子１が得られる。

図７の（ａ）は、パターン２〜４の位置決め誤差の小さい場合の光学素子の断面を示し、（ｂ）は、位置決め誤差の大きい場合の断面を示す。パターン３〜４の位置決めを厳密に行い、位置決め誤差を、例えば、１ｎｍ以下と小さくした場合、図７（ａ）に示すように、１層目から４層目のパターン２，３は、６層目から９層目のパターン２，３と完全に鏡像関係となる。上記パターン２〜４の積層装置は、積層精度として各層間において約σ＝±１５０ｎｍの正規分布を有する位置決め誤差を有している場合、図７（ｂ）に示すように、各層間は上記数学的な統計分布（ここでは正規分布）に従ってランダムに積層される。

（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）ｘｙ面内（基板面内）において異なるフィルタ特性を有する光学フィルタを一度に簡便に作製することができる。
（ロ）装置のアライメント誤差を有効に利用することができ、３次元フォトニック結晶のように非常に難しい位置合わせを不要にすることができる。
（ハ）ｘ方向に連続的に幅が変化しているｘ方向ストライプ３０を用いているため、パターン２〜４の積層方向に光を入射（パターン２〜４に対し垂直方向および斜方向を含む。）した場合に、ｘ方向に連続的に変化したフィルター特性を発揮することができる。従って、ｘ方向に光学フィルタを動かすことによって波長チューニングも容易に行うことができる。

[第２の実施の形態]
図８は、本発明の第２の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンおよびｙ方向ストライプパターンを示す。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態とは、ｙ方向ストライプパターン２の各ｙ方向ストライプ２０の幅Ｗｅを等しくした点が異なる。この第２の実施の形態によれば、幅が連続的に変化しているｘ方向ストライプ３０によりｘ方向に異なるフィルタ特性を持たせることができる。

[第３の実施の形態]
図９は、本発明の第３の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンおよびｙ方向ストライプパターンを示す。この第３の実施の形態は、第１の実施の形態とはｘ方向ストライプパターン３のｘ方向ストライプ３０の幅Ｗｆを長手方向に渡って等しくした点が異なる。
この第３の実施の形態によれば、幅が階段状に変化しているｙ方向ストライプ２０によりｘ方向に異なるフィルタ特性を持たせることができる。

[第４乃至第６の実施の形態]
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンを示す。この第４の実施の形態は、第１の実施の形態において、ｘ方向ストライプパターン３を同図に示すように、階段状に幅Ｗ_１〜Ｗ_５の異なるｘ方向ストライプ３０を用いたものである。

図１１は、本発明の第５の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンを示す。この第５の実施の形態は、第１の実施の形態において、ｘ方向ストライプパターン３を同図に示すように、ｘ方向に進むに従って周期をＰ_１からＰ_２へと連続的に大きくしたものである。

図１２は、本発明の第６の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンを示す。この第６の実施の形態は、第５の実施の形態において、ｘ方向ストライプパターン３を同図に示すように、ｘ方向に進むに従って周期をＰ_１１〜Ｐ_１４へと階段状に大きくしたものである。

上記第４乃至第６の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

[第７の実施の形態]
図１３は、本発明の第７の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンおよびｙ方向ストライプパターンを示す。この第７の実施の形態は、第１の実施の形態において、ｙ方向ストライプパターン２も方向ストライプパターン３と同様に幅がＷｇからＷｈへと連続的に変化するｙ方向ストライプ２０を用いたものである。この第７の実施の形態によれば、ｘ方向だけでなくｙ方向にも異なるフィルタ特性を有するので、ｘ方向だけでなくｙ方向にもチューニング効果が得られる。

本発明の実施例１を説明する。この実施例１は、第１の実施の形態に対応するものであり、ｘ方向ストライプ３０の幅Ｗを、Ａ領域で約１８０ｎｍ、Ｂ領域で約２１０ｎｍ、Ｃ領域で約２７０ｎｍとした。ストライプ３０の積層方向の高さは、Ａ，Ｂ，Ｃ各領域ともに１８０ｎｍとした。ｘ方向ストライプ３０のｙ方向の周期は、Ａ，Ｂ，Ｃ各領域ともに６００ｎｍとした。

図１４は、ランダムに積層された光学素子１の図２（ｂ）に示すＡ領域，Ｂ領域，Ｃ領域それぞれにおける積層方向の透過スペクトルを示す。同図より、Ａ領域，Ｂ領域，Ｃ領域において、それぞれストップバンド帯（フォトニックギャップ）（１．３５〜１．９０μｍ）を有し、Ａ領域ではλ_１＝１．５４μｍ、Ｂ領域ではλ_２＝１．６２μｍ、Ｃ領域ではλ_３＝１．７３μｍの透過波長を有し、Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれの領域に対してフィルタ特性がまったく異なっていることが分かる。つまりこれは、ｘｙ面内で連続的に異なるフィルタ特性を有する３次元構造体が得られていることを意味する。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々な変形が可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。

上記実施の形態では、２次元スラブを１層入れたが、複数層入れてもよい。例えば、４層のＷＰ構造／２次元スラブ／４層のＷＰ構造／２次元スラブ／４層のＷＰ構造としてもよい。

また、エッジフィルタのように用いる場合は、２次元スラブを構成に入れずに、単にストライプパターンを積層すればよい。

上記実施の形態では、光学フィルターについて説明したが、本発明は、光学ミラー、光学共振器、分波器、合波器等の他の光学素子にも適用することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の態様の作用を説明するためにフィルタに適用した場合を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は要部平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るｙ方向ストライプパターンおよびｘ方向ストライプパターンの詳細を示す平面図である。 ウッドパイルフォトニック結晶を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係るドナー基板を示す平面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、パターンの積層工程を示す図である。 （ａ）は、位置決め誤差の小さい場合の断面図、（ｂ）は、位置決め誤差の大きい場合の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンおよびｙ方向ストライプパターンを示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンおよびｙ方向ストライプパターンを示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンを示す平面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンを示す平面図である。 本発明の第６の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンを示す平面図である。 本発明の第７の実施の形態に係るｘ方向ストライプパターンおよびｙ方向ストライプパターンを示す平面図である。 本発明の実施例の積層方向の透過スペクトルを示す図である。

符号の説明

１ 光学素子
２ ｙ方向ストライプパターン
３ ｘ方向ストライプパターン
４ 二次元スラブパターン
１０ ドナー基板
１１ 基板
１２ 離型層
１３ セル
２０ ｙ方向ストライプ
３０ ｘ方向方向ストライプ
５０ ターゲット基板

Claims (10)

1. ｘｙ面内において所定の屈折率周期性を有する複数の層をフォトニックバンドが形成されないように所定の精度でｚ方向に積層してなることを特徴とする光学素子。
2. 前記複数の層間に２次元スラブ層を配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記複数の層は、屈折率周期性が異なる領域を有することを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記複数の層は、透明媒質からなるｘ方向に延びた複数のｘ方向ストライプを有するｘ方向ストライプパターンと、透明媒質からなるｙ方向に延びた複数のｙ方向ストライプを有するｙ方向ストライプパターンとが交互に積層されてなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
5. 前記複数のｘ方向ストライプまたは前記複数のｙ方向ストライプは、幅が長手方向に沿って連続的または階段状に変化していることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
6. 前記複数のｘ方向ストライプまたは前記複数のｙ方向ストライプは、幅がｙ方向またはｘ方向に階段状に変化していることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
7. 前記複数のｘ方向ストライプまたは前記複数のｙ方向ストライプは、周期が長手方向に沿って連続的または階段状に変化していることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
8. 第１の基板上に、ｘｙ面内において所定の屈折率周期性を有する複数の層を形成する第１のステップと、
   前記第１の基板に第２の基板を対向させ、前記第１および第２の基板をフォトニックバンドが形成されないように所定の精度で位置決めし、圧接、離間を繰り返すことにより、前記第２の基板上に前記複数の層を積層する第２のステップとを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
9. 前記第２のステップの位置決めは、１００ｎｍを超える誤差を含むことを特徴とする請求項８に記載の光学素子の製造方法。
10. 前記第２のステップの圧接は、常温接合によることを特徴とする請求項８に記載の光学素子の製造方法。