JP2007101695A - フォトニック結晶及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｓｉの可視光に対する吸収を抑え、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とが交互に積層された構造により、可視光に対し高い反射率を有するフォトニック結晶を提供する。
【解決手段】 Ｓｉ膜３とＳｉＯ_２膜２とのペアを複数周期積層した積層構造を有するフォトニック結晶１において、Ｓｉ膜３は、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における消衰係数が、バルクＳｉ単結晶の消衰係数よりも小さくされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトニック結晶及びその製造方法に関し、特に可視光反射用に適したフォトニック結晶及びその製造方法に関する。

John D. Joannopoulos, et al. "Photonic Crystals", Princeton University Press 1995 Shun Lien Chuang "Physics of Optoelectronic Devices", JohnWiley & Sons, Inc. 1995 Q.-Y. Tong and U. Goesele, "Semiconductor Wafer Bonding" Wiley-Interscience,1998 特開平１１−３１６１５４号公報

近年、フォトニック結晶（Photonic Bandgap Crystal：ＰＢＧ）と呼ばれる構造が注目を集めている。ＰＢＧ効果の基本は、互いに屈折率の異なる二つの物質を互いに重ね合わせることにより、光を効果的に反射できるというものである。この時の各膜厚が、λｃ／（４ｎ）の値を取るとき（λｃは入射光の中心波長、ｎは物質の屈折率）に最も高い反射を示すが、各膜がこの値と厳密に同一でなくても同様に高い反射を示すことが知られている（非特許文献１）。

特にＳｉ膜とＳｉＯ_２膜の場合は、屈折率差（Δｎ）が大きい（Δｎ＝２以上）ため、広い波長域で高い反射を示す。さらに、その屈折率差が、従来のＴｉＯ_２などの中間屈折率材料を用いた場合と比べ大きいため、高い反射率を得るために必要となる高屈折率材料／低屈折率材料のペア数が少なくて済むことも特徴となっている。

表１は入射光の波長が６００ｎｍ近傍で９８％以上の反射率を示すために必要な高屈折率材料／低屈折率材料のペア数を理論計算により算出したものものである。用いた方法は行列計算法（非特許文献２）である。この計算結果から、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜の組み合わせはその高い屈折率差（Δｎ＝２以上）により、従来のＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２（Δｎ＝０．９）やＳｉＯ_２／ＭｇＦ_２（Δｎ＝０．１）と比較し、より望ましいものといえる。

その一方で、Ｓｉは可視光短波長領域において高い吸収を示すことが知られている。図２は単結晶Ｓｉの吸収係数を示したものであり、単結晶Ｓｉの吸収係数は可視光である８００ｎｍ以下の領域で急激に大きくなっていることがわかる。そのため、高屈折率材料／低屈折率材料としてのＳｉ／ＳｉＯ_２ ペアは、その高い屈折率差にもかかわらず、可視光領域における低い反射特性により、それにより作製されたフォトニック結晶は、主として赤外光の反射用に用いられ（例えば、特許文献１）、可視光反射板としては不適当であると考えられていた。

本発明の課題は、Ｓｉの可視光に対する吸収を抑え、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とが交互に積層された構造により、可視光に対し高い反射率を有するフォトニック結晶と、その製造方法とを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明のフォトニック結晶は、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とのペアを複数周期積層した積層構造を有するフォトニック結晶であって、Ｓｉ膜は、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における消衰係数がバルクＳｉ単結晶の消衰係数よりも小さくなっていることを特徴とする。また、本発明のフォトニック結晶の製造方法は、上記本発明のフォトニック結晶の製造方法であって、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とを交互に積層した積層構造を形成する積層構造形成工程と、該積層構造を７００℃以上１４００℃以下で熱処理後、室温まで冷却する熱処理工程と、を有してなることを特徴とする。

本発明者は、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とを交互に積層した積層構造を形成後、これを上記の温度域で熱処理し、冷却することによって、積層構造に含まれるＳｉ膜の消衰係数を、バルクＳｉ単結晶の消衰係数よりも縮小でき、その結果、バルクでは可視光領域での吸収が大きいＳｉ膜を用いているにも拘わらず、上記積層構造の可視光域での反射率が大幅に向上することを見出して本発明を完成するに至った。

図２に示すように、バルク単結晶Ｓｉの吸収係数は、可視光である８００ｎｍ以下の短波長領域で急激に大きくなっている。しかし、フォトニック結晶として用いるために薄膜化されたＳｉ膜とＳｉＯ_２膜が積層された多層膜（積層構造）の場合、本発明者が実験により確認した結果、積層構造を形成後、７００℃以上の高温域で熱処理し冷却を行なうと、短波長領域での吸収係数が顕著に抑制される。本発明者は、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜との線膨張係数の違いにより、熱処理時の加熱時ないし冷却時にＳｉ膜に働く応力に起因して、Ｓｉ膜の光学定数とバルク単結晶Ｓｉの光学定数との間にずれが発生し、結果的に消衰係数の減少（つまり、吸収係数の減少）がもたらされるのではないかと考えている。

反射すべき可視光の波長域を上記４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下として、フォトニックバンドギャップ形成による可視光反射効果を高めるためには、Ｓｉ膜の層厚は２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下、ＳｉＯ_２膜の層厚は５０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下に設定する必要がある。単に可視光反射用のフォトニックバンドギャップ形成のために、Ｓｉ膜及びＳｉＯ_２膜の厚さを上記のごとく小さく設定することは、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜との熱膨張／収縮の変形を拘束し、応力を保持する観点においても極めて重要な意味を持つ。すなわち、Ｓｉ膜及びＳｉＯ_２膜の厚さが小さいために、両者の線膨張係数差に由来した熱応力が、転位導入等による永久変形により緩和されにくくなり、Ｓｉ膜に蓄積される弾性的な歪エネルギーも大きくなる。その結果、Ｓｉ膜の消衰係数低減効果が顕著に発揮される。なお、特許文献１にＳｉ膜／ＳｉＯ_２膜積層構造の実例として掲げられているのは、赤外線反射用のものであり、Ｓｉ膜の厚さは２２０ｎｍ〜４００ｎｍと大きく、転位導入等による熱応力緩和も進みやすいと考えられ、消衰係数低減効果はほとんど期待できない（もとより、特許文献１には、積層構造の熱処理によりＳｉ膜の消衰係数を低減できる点につき、何一つ示唆されていない）。

熱処理温度が７００℃未満ではＳｉ膜の消衰係数の減少効果が顕著でなくなる。他方、熱処理温度が１４００℃を超えると、Ｓｉ膜あるいはＳｉＯ_２膜が軟化し、応力緩和が顕著となって、同様に消衰係数の減少効果が顕著でなくなる。熱処理温度は、より望ましくは８００℃以上１３００℃未満であるのがよい。

熱処理条件の適正化により、Ｓｉ膜は、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における消衰係数をバルクＳｉ単結晶の５０％以下に低減することができる。その結果、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における積層構造の反射率を９０％以上１００％以下（望ましくは、波長５４０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の可視光領域における積層構造の反射率が９９％以上）を達成できる。消衰係数の低減効果は、熱応力の緩和が生じにくくなるよう、熱処理工程において、昇温速度ないし冷却速度が大きい急速加熱処理にて行なう場合に顕著であり、具体的には、積層構造を、赤外線ランプ加熱を用いた枚葉式の急速熱処理装置を用いて行なうことが有効である。

また、積層構造においてはＳｉ膜とＳｉＯ_２膜とのペアを３周期以上に形成することが、昇温時あるいは冷却時のＳｉ膜あるいはＳｉＯ_２膜の膨張／収縮変形に対する拘束効果が高まり、Ｓｉ膜に効果的に応力付加することができる。Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜との高屈折率差を利用して、少ない積層周期数で高反射率を達成する観点からは、上記ペアは１０周期以下（望ましくは５周期以下）に積層することが望ましい。

積層構造においてＳｉ膜は多結晶Ｓｉ膜とすることができる。多結晶Ｓｉ膜はＣＶＤ法により容易に形成できる。本発明者が検討したところ、多結晶Ｓｉ膜にて消衰係数低減効果を顕著なものとするには、熱処理工程において積層構造を昇温する際の温度上昇率あるいは冷却するときの温度下降率は、これを一定以上に大きくすることが、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜との線膨張係数差に基づいた応力発生を促進し、多結晶Ｓｉ膜の消衰係数低減効果を高める上で望ましいことがわかった。具体的には、多結晶Ｓｉ膜を採用する場合、積層構造を昇温する際の平均的な温度上昇率を２０℃／秒以上１００℃／秒以下とするのがよく、また、１００℃まで冷却する際の平均的な温度下降率を４０℃／秒以上１５０℃／秒以下に設定して行なうことが望ましい。いずれも下限値未満では消衰係数低減効果が不十分となる場合があり、上限値を超えると、過剰な応力により積層構造にクラックや層剥離が発生する惧れがある。

一方、Ｓｉ膜は単結晶Ｓｉ膜とすることもできる。単結晶Ｓｉ膜の採用により、積層構造の可視光域での反射率をさらに向上することができる。Ｓｉ膜は単結晶Ｓｉ膜として形成するには、以下のような方法が採用可能である。すなわち、ベースＳｉ単結晶層の第一主表面と、貼り合わせるべきＳｉ単結晶基板の第二主表面との少なくともいずれかにＳｉＯ_２膜を形成し、該ＳｉＯ_２膜を介してベースＳｉ単結晶層にＳｉ単結晶基板とを貼り合わせる貼り合わせ工程と、該貼り合わせ後にＳｉ単結晶基板の厚みを減ずることにより、これをＳＯＩ層となす工程とを、ＳＯＩ層を次のＳｉ単結晶基板を貼り合わせるべき新たなベースＳｉ単結晶層とする形で繰り返すことにより、単結晶Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とのペアを複数周期積層して積層構造を得る。この場合、前述の熱処理工程は、単結晶Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜との結合熱処理に兼用することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明のフォトニック結晶の一例を示す模式図である。該フォトニック結晶１は、基材２３上に、Ｓｉ膜３とＳｉＯ_２膜２とのペアを複数周期積層した積層構造を有する。Ｓｉ膜３は、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における消衰係数がバルクＳｉ単結晶の消衰係数よりも小さくなっている。Ｓｉ膜３の層厚は２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下、ＳｉＯ_２膜２の層厚は５０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下に設定される。また、基材２３は、ガラス基板あるいはＳｉ単結晶基板等で構成される。そして、ＳｉＯ_２膜２の厚さｔ１とＳｉ膜３の厚さｔ２とは、可視光域でのＳｉＯ_２の屈折率をｎ１＝１．５、同じくＳｉの屈折率ｎ２を３．５とし、ＳｉＯ_２膜２とＳｉ膜３との、反射すべき可視光域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下の範囲内に設定される。

図２に示すように、バルク単結晶Ｓｉの吸収係数は、可視光である８００ｎｍ以下の短波長領域で急激に大きくなっているが、フォトニック結晶として用いるために薄膜化されたＳｉ膜とＳｉＯ_２膜が積層された多層膜の場合、本発明者は、これらの線膨張係数の違いによりＳｉ膜に働く応力に起因して、Ｓｉ膜の光学定数とバルク単結晶Ｓｉの光学定数との間にずれが発生するのではないかと考えた。そして、以下の実験を行い、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜が積層された構造により応力が付加された薄膜Ｓｉ膜の場合、波長４８０〜８００ｎｍの可視光領域の光に対する消衰係数（ｋ）は、バルク単結晶Ｓｉの半分以下に低下することを発見し、本発明を完成させた。

（実験）
表２に示す３種類の単結晶Ｓｉ膜（ＳＯＩ層）を有する直径２００ｍｍのＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハと、リファレンスとして直径２００ｍｍのＳｉ単結晶ウェーハを用意した。

これらのＳＯＩウェーハはウェーハ貼り合わせ法を用いて作製したものであり、ウェーハ貼り合わせ法の中でも、イオン注入剥離法と呼ばれ（スマートカット（登録商標）法とも呼ばれる。）、膜厚均一性の極めて高いＳＯＩ層を得ることができる方法により作製したものである。図６に示すように、ベースＳｉ単結晶層をなすベースＳｉ単結晶基板５１の第一主表面と、貼り合わせるべきＳｉ単結晶基板（以下、貼り合わせＳｉ単結晶基板という）５３の第一主表面との少なくともいずれか、ここでは、貼り合わせＳｉ単結晶基板５３の第一主表面にＳｉＯ_２膜５２を形成し、該ＳｉＯ_２膜５２を介してベースＳｉ単結晶基板（層）５１に貼り合わせＳｉ単結晶基板５３を貼り合わせる（工程２，３：貼り合わせ工程）。次いで、該貼り合わせ後に貼り合わせＳｉ単結晶基板５３の厚みを減ずることにより、これをＳＯＩ層（Ｓｉ層）３となす。

イオン注入剥離法では、貼り合わせＳｉ単結晶基板５３の厚みを次のようにして減ずる。すなわち、工程１に示すように、貼り合わせＳｉ単結晶基板５３の第一主表面（貼り合わせ面）に対し、一定深さ位置に水素高濃度層５４が形成されるように水素をイオン注入する。そして、工程３の貼り合わせ後に、該水素高濃度層５４にて貼り合わせＳｉ単結晶基板５３を剥離する（工程４）。この剥離は、４００〜６００℃の低温にて剥離熱処理することによって実施できる。その後、貼り合わせＳｉ単結晶基板５３とＳｉＯ_２膜５２とを強固に結合するための結合熱処理（望ましい熱処理温度：１０００℃以上１２５０℃以下）を行なうが、この熱処理は前記剥離熱処理と兼用することもできる。さらに、この結合熱処理は、Ｓｉ層３の消衰係数を減少させるための熱処理（７００℃以上１４００℃以下：望ましくは、１０００℃以上１３００℃以下）をも兼ねることができる。表２のＳＯＩウェーハは５００℃の剥離熱処理の後、１１００℃の結合熱処理を行なって作製したものである。

図１のようなＳｉ膜３とＳｉＯ_２膜２とのペアを複数周期積層したフォトニック結晶を得るためには、その後、工程５に示すように、上記剥離により形成されたＳＯＩ層（Ｓｉ層）３を次のベースＳｉ単結晶層として、工程２〜４、すなわち、ＳｉＯ_２膜５２を形成した新たな貼り合わせＳｉ単結晶基板５３を同様に貼り合わせ、剥離する工程を繰り返えせばよい。

表２に示すＳｉ膜３とＳｉＯ_２膜２とのペアが１周期の各フォトニック結晶（及びリファレンス）に対し、分光エリプソメトリー測定を行って、ＳＯＩ層（Ｓｉ層）３の消衰係数（ｋ）の波長依存性を測定した（消衰係数（ｋ）は吸収係数に比例することが知られている）。該測定結果を図３に示す。図３によれば、波長４８０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲において、単結晶Ｓｉ膜（ＳＯＩ層）の消衰係数は、いずれの膜厚においても、リファレンスであるＳｉ単結晶ウェーハ（バルク単結晶Ｓｉ）の消衰係数に比べて半分以下となっているあることがわかる。一方、４８０ｎｍ以下の波長領域になると、消衰係数は増大してＳｉ単結晶ウェーハに近づき、その増加傾向は、単結晶Ｓｉ膜の膜厚が厚いほど大きいことがわかる。

上記の実験結果から、特に波長４８０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲においては、単結晶Ｓｉ膜による光の吸収を抑制することができるため、このような単結晶Ｓｉ膜を利用してフォトニック結晶を作製すれば、可視光領域であっても極めて反射率の高いフォトニック結晶を得ることができると考えられる。

このように、ウェーハ貼り合わせ法により作製されたＳＯＩウェーハの薄膜Ｓｉ層（ＳＯＩ層）が可視光にする消衰係数が抑制される理由については、詳細は不明であるが、次のようなメカニズムが考えられる。すなわち、常温で貼り合わせた二枚のウェーハ（一方にＳｉＯ_２膜が形成されている）はそのままでは結合エネルギーが低いので、通常、高温アニール（熱処理）を施すことにより結合力を増すことが良く知られている（非特許文献３）。高温アニールを施すことにより結合力を増すことは、８００℃〜１０００℃付近もしくはそれ以上の温度領域ではＳｉが粘性を有し、ウェーハ間の隙間を埋めるのが原因の一つである。よって、この温度領域でアニールを施すことにより、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜との熱膨張率の差による膜応力が緩和される（Ｓｉの線膨張係数：３．６×１０^−６／℃、ＳｉＯ_２膜の線膨張係数：０．５９×１０^−６／℃）。アニール後、温度をこの温度領域より下げることにより、Ｓｉが粘性を失い、熱膨張率の差から、Ｓｉの膜中に応力が導入される。この導入された応力の影響によりＳｉ中の吸収が減少するものと考えられる。

以上説明したごとく、可視光領域で吸収係数の小さい単結晶Ｓｉ膜を有する本発明のフォトニック結晶を製造するためには、単結晶Ｓｉ膜中に何らかの方法で応力を導入することが必要である。その応力を導入するための一法として、前述のウェーハ貼り合わせ法によりＳｉ膜とＳｉＯ_２膜が交互に積層された構造を有するフォトニック結晶を製造する方法を例示できる。この場合、Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜との結合熱処理における、昇温あるいは冷却（特に冷却）時の、両者の線膨張係数差に由来した熱応力が、Ｓｉ膜の消衰係数を減ずるための応力として導入される。なお、ウェーハ貼り合わせ法では、作製される薄膜の膜厚均一性を考慮するとイオン注入剥離法が好ましいが、これに限定されるものではない。

なお、図７に示すように、Ｓｉ膜３とＳｉＯ_２膜２とは、気相成膜法を用いて形成することもできる。この場合、Ｓｉ膜３は多結晶膜として形成される。応力導入のための熱処理は、赤外線ランプ６０を用いた急速加熱（Rapid Thermal Annealing（ＲＴＡ）により実施できる。この場合、気相成膜法としては、広く工業的に実施されているスパッタ−法や、成熟したＣＭＯＳ技術（プラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）あるいは低圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ））を使用することができる。これらは量生産・低コスト生産に適しており、工業的に優位に利用することができる。

（実施例１）
中心波長６４０ｎｍの可視光に対して高反射率を有するフォトニック結晶を作製するため、直径２００ｍｍのＳｉ単結晶ウェーハ上に、１０７ｎｍのＳｉＯ_２膜と４２ｎｍのＳｉ膜のペアを３ペア形成した。これらの膜厚は、図２より、中心波長６４０ｎｍに対する屈折率をそれぞれ１．５（ＳｉＯ_２膜）、３．８（Ｓｉ膜）とし、膜厚＝中心波長／４ｎ（ｎは屈折率）の式により算出して設定した。そして、この膜厚を有する多層膜はイオン注入剥離法を用いて以下のプロセスにより作製した。

まず、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞、ｐ型、１０ΩｃｍのＳｉ単結晶ウェーハを４枚用意し、そのうち３枚のウェーハを熱酸化することにより、それそれの表面に１０７ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。その後、そのＳｉＯ_２膜を通して水素イオンを注入（ドーズ量：５．５×１０^１６／ｃｍ^２）することにより、Ｓｉ単結晶ウェーハの表面から約１００ｎｍの深さにイオン注入層が形成されたＳｉＯ_２膜付きＳｉ単結晶ウェーハ（貼り合わせＳｉ単結晶基板（以下、貼り合わせウェーハという））を３枚作製した。そして、貼り合わせウェーハの１枚と、ＳｉＯ_２膜を形成しなかった残りの１枚のＳｉ単結晶ウェーハ（ベースＳｉ単結晶基板（以下、ベースウェーハという））とを、酸化膜を介して室温で密着させて貼り合わせた後、窒素ガス雰囲気下、５００℃で３０分の剥離熱処理を行なうことによってイオン注入層で剥離して、約１００ｎｍのＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを作製した。得られたＳＯＩウェーハの結合強度を高めるため、アルゴン雰囲気下、１１００℃、２時間の結合熱処理を行った後、ＳＯＩ表面を研磨することにより、４２ｎｍの厚さを有するＳＯＩ層を形成した。

このようにして作製されたＳＯＩウェーハの表面に、他の貼り合わせウェーハの１枚を、酸化膜を介して室温で密着させて貼り合わせた後、同様に、剥離熱処理、結合熱処理、表面研磨を行なうことにより、ベースウェーハ上に２ペアのＳｉＯ_２膜とＳｉ膜の積層膜が形成されたウェーハを作製した。さらに、もう１枚の貼り合わせウェーハを用いてこの工程を繰り返すことにより、最終的に、ベースウェーハ上に１０７ｎｍのＳｉＯ_２膜と４２ｎｍのＳｉ膜のペアが３ペア形成されたウェーハが得られた。

以上のようにして作製された３ペアの多層膜を有する貼り合わせウェーハを用い、８００ｎｍ以下の波長領域の反射率を測定し、理論値（計算値）と比較した。図４は、実測値と計算値を比較した結果を示すのであり、左図は波長３００〜８００ｎｍ領域の反射率を示し、右図は左図の波長４８０〜８００ｎｍ領域を９０％以上の反射率に拡大して表示したものである。

図４の右図によれば、実測値に比べて計算値の反射率が低いことがわかる。これは、計算値を算出する際におけるＳｉ膜の吸収係数をバルク単結晶Ｓｉの吸収係数を用いていることに起因すると考えられる。そこで、Ｓｉ膜の吸収係数がバルク単結晶Ｓｉの吸収係数の０．４倍であると仮定して反射率の計算値を求め、実測値と比較した（図５）。図５によれば、計算値は実測値とよく一致していることがわかる。すなわち、作製した３ペアの多層膜を有する貼り合わせウェーハのＳｉ膜の吸収係数は、バルク単結晶Ｓｉに比べて約６０％程度減少しており、この結果、図４及び図５に示すように、波長４８０〜８００ｎｍの可視光領域に対して９０％以上、波長５４０〜６８０ｎｍの可視光領域で９９％以上の高い反射率が得られるようになることがわかる。

（実施例２）
直径２００ｍｍのＳｉ単結晶ウェーハ上に、ＣＶＤ法を用いて形成した多結晶Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜を形成した。そして、多結晶Ｓｉ膜に応力を加えるため、このウェーハにＲＴＡ処理（温度上昇率：５０℃／秒、１１００℃にて１分保持、温度下降率：８０℃／秒にて冷却）を施し、その処理の前後で波長３００〜８００ｎｍ領域の反射率を測定し、断面ＴＥＭ写真により、各層の厚さを正確に得た後、吸収係数の変化を算出した。その結果、ＲＴＡ処理後の多結晶Ｓｉ膜の吸収係数は、ＲＴＡ処理前の吸収係数に比べて約３５％減少していることがわかった。これは、ＲＴＡ処理により、多結晶Ｓｉ膜中に応力を加えたことによる吸収係数の減少と説明できる。従って、ＲＴＡ処理をすることによってもＳｉ膜の吸収係数を減少させることができ、結果として、多層膜の反射率を向上させることができることがわかった。

本発明のフォトニック結晶の一例を示す断面模式図。 Ｓｉ単結晶の吸収係数の波長依存性を示すグラフ。 Ｓｉ単結晶の消衰係数（ｋ）の波長依存性を示すグラフ。 ３周期フォトニック結晶の実測反射率と理論反射率を示すグラフ。 ３周期フォトニック結晶の実測反射率と理論吸収係数（ｘ＝０．４）を用いたときの理論反射率を示すグラフ。 イオン注入剥離法による本発明のフォトニック結晶の製造工程説明図。 気相成膜法による本発明のフォトニック結晶の製造工程説明図。

符号の説明

１ フォトニック結晶
２ ＳｉＯ_２膜
３ Ｓｉ膜

Claims (13)

1. Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とのペアを複数周期積層した積層構造を有するフォトニック結晶であって、前記Ｓｉ膜は、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における消衰係数がバルクＳｉ単結晶の消衰係数よりも小さくなっていることを特徴とするフォトニック結晶。
2. 前記Ｓｉ膜は、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における消衰係数がバルクＳｉ単結晶の５０％以下であり、波長４８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光領域における前記積層構造の反射率が９０％以上１００％以下である請求項１記載のフォトニック結晶。
3. 波長５４０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の可視光領域における前記積層構造の反射率が９９％以上である請求項２に記載されたフォトニック結晶。
4. Ｓｉ膜とＳｉＯ_２膜とのペアを３周期以上１０周期以下に積層してなる請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
5. 前記Ｓｉ膜が多結晶Ｓｉ膜である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
6. 前記Ｓｉ膜が単結晶Ｓｉ膜である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法であって、前記Ｓｉ膜と前記ＳｉＯ_２膜とを交互に積層した前記積層構造を形成する積層構造形成工程と、該積層構造を７００℃以上１４００℃以下で熱処理後、室温まで冷却する熱処理工程と、を有してなることを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。
8. 前記Ｓｉ膜をＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ膜として形成する請求項７記載のフォトニック結晶の製造方法。
9. 前記熱処理工程において、前記積層構造を昇温する際の平均的な温度上昇率を２０℃／秒以上１００℃／秒以下、１００℃まで冷却する際の平均的な温度下降率を４０℃／秒以上１５０℃／秒以下に設定して行なう請求項８記載のフォトニック結晶の製造方法。
10. 前記熱処理工程において、前記積層構造を、赤外線ランプ加熱を用いた枚葉式の急速熱処理装置を用いて行なう請求項８又は請求項９に記載のフォトニック結晶の製造方法。
11. 前記Ｓｉ膜を単結晶Ｓｉ膜として形成する請求項７記載のフォトニック結晶の製造方法。
12. ベースＳｉ単結晶層の第一主表面と、貼り合わせるべきＳｉ単結晶基板の第一主表面との少なくともいずれかにＳｉＯ_２膜を形成し、該ＳｉＯ_２膜を介して前記ベースＳｉ単結晶層に前記Ｓｉ単結晶基板とを貼り合わせる貼り合わせ工程と、該貼り合わせ後に前記Ｓｉ単結晶基板の厚みを減ずることにより、これをＳＯＩ層となす工程とを、前記ＳＯＩ層を次のＳｉ単結晶基板を貼り合わせるべき新たなベースＳｉ単結晶層とする形で繰り返すことにより、前記単結晶Ｓｉ膜と前記ＳｉＯ_２膜とのペアを複数周期積層して前記積層構造を得る請求項１１記載のフォトニック結晶の製造方法。
13. 前記熱処理工程が、前記単結晶Ｓｉ膜と前記ＳｉＯ_２膜との結合熱処理に兼用されてなる請求項１２記載のフォトニック結晶の製造方法。

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