JP2007225688A - ３次元フォトニック結晶の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高加工精度な三次元ナノフォトニック結晶を容易に形成できる製造方法を提供する。
【解決手段】 第１の面と、第２の面とが第１の角度で交差する面を有する母材を用意する工程と、前記母材の第１の面に第１のマスクを形成する工程と、該第１のマスク上から前記第１の面に対して第２の角度でドライエッチング処理によって、前記第１のマスクにより保護されていない前記母材の一部を除去する工程と、
前記第２の面に第２のマスクを形成する工程と、該第２のマスク上から前記第２の面に対して第３の角度でドライエッチング処理によって、前記第２のマスクより保護されていない前記母体の一部を除去する工程と、
を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微細３次元構造を有する３次元フォトニック結晶の形成方法に関する。

図７に示しているように、３次元フォトニック結晶としてのウッドパイル構造は、複数のロッドを平行且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層を積層している構造である。各ストライプ層に属する各ロッドが最隣接のストライプ層に属する各ロッドと直交し、また、各ストライプ層に属する各ロッドが２層離れたストライプ層に属する各ロッドと平行且つ面内周期の１／２だけずれるように構成されている。前記フォトニック結晶の構造の周期は、制御したい電磁波の波長の半分程度である。たとえば、可視光用フォトニック結晶デバイスでは、ロッドの面内周期は２５０ｎｍ程度である。

このような３次元フォトニック結晶は、理想的なデバイス特性が期待される反面、構造が複雑で、製造するのに煩雑で数多くの工程を要することが殆どである。また、制御したい電磁波の波長が短いほど、構造周期が小さくなり、必要となる構造のｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ（ＣＤ）も小さくなるので、層間位置合せ精度や構造加工精度に対する要求も厳しくなる。

３次元フォトニック結晶の製造方法として、特許文献１に下記の積層技術を開示している。この技術では、まず、基板上に設けたストライプ層に平行且つ所定の面内周期で配置したロッドアレイを形成する。そして、熱接着法で上記ストライプ層同士を層間位置合せしながら接合した後、一方のストライプ層の基板を除去する。このような工程を繰り返すことによって、接合の回数だけの層数をもつウッドパイル構造が得られる。このような積層技術によって、比較的に複雑な構造をもつ３次元フォトニック結晶の製造が可能である。

さらに、他の３次元フォトニック結晶の製造方法が非特許文献１に開示されている。当該文献には、シリコンからなる結晶の第１の面から光電化学エッチングを行い、次いで第２の面からＦＩＢ加工を行うことで当該シリコンの一部を除去することで３次元フォトニック結晶を形成する技術が開示されている。
特開２００４−２１９６８８号公報 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８６，０１１１０１（２００５）

ところで、３次元フォトニック結晶において、所望なデバイス特性を得るために、面内方向だけではなく、厚み方向も所定の周期数が必要である。一般的に、厚み方向の周期数が３以上であることが望ましい。前記のウッドパイル構造でいうと、１２層以上のストライプ層の積層が必要となる。また、所望なデバイス特性を得るために、各構造の加工エラー及び層間の位置合せエラーを小さくすることが必須である。

例えば、ウッドパイル構造３次元フォトニック結晶を例にすると、各ロッドの加工誤差はロッド周期の約１０％以下、また、層間の位置合せ誤差はロッド周期の約２５％以下であることが望ましい。可視光用フォトニック結晶デバイスの場合、ロッドの面内周期は２５０ｎｍ程度であるので、各ロッドの加工誤差は約±２５ｎｍ以下で、各層間の位置合せ誤差は約±６０ｎｍ以下であることになる。

しかしながら、３次元フォトニック結晶の製造に際して、従来の積層法では、現有の半導体技術を流用できるものの、作製方法が複雑で、フォトニック結晶の層数に比例して工程数が増加し、技術難度が増大するので、生産性が悪い。その上、積層する度に位置合せが必要で、位置合せ誤差の累積が避けられない。また、各層間の界面において、材料（即ち、屈折率）の不連続性が生じると同時に、製造工程で不可避なゴミ付着およびコンタミが発生するので、不要な電磁波散乱が起きる。更に、層数の増加に従って構造内の応力が増えるので、構造の変形も生じる。これらの構造乱れは、フォトニック結晶デバイスの特性に悪影響を及ぼす。

また、非特許文献２に開示されているように光電化学エッチングとＦＩＢ加工とによってシリコン結晶から３次元フォトニック結晶を形成する場合には以下のような課題が存在する。

第１に、加工できる母材の材料の制約が大きいことが挙げられる。電気化学エッチングを採用する場合には、当該エッチングによってエッチングされ得る材料を選択する必要がある。さらにシリコン結晶を電気化学エッチング法によりエッチングする際には、エッチングに適した結晶面が限定される上、得られる細孔の形状も限定される。従って設計、または加工の自由度が小さくなる。

第２にＦＩＢ加工で３次元フォトニック結晶を形成しようとすると、イオンによりスパッタされた母材の破片が細孔の側壁等に再堆積することが避けられない。また、一部のイオンが散乱され細孔の側壁からフォトニック結晶の母材中に入り込み、該部分の母材を改質してしまう。その結果、フォトニック結晶の光学特性及び電気特性が劣化される。さらに、ＦＩＢ加工は一般的に細孔を１つずつ加工するので、大面積の加工に不向きである。従ってＦＩＢ加工のみで大きな３次元フォトニック結晶を低コストで生産することは困難である。

本発明の目的は、上記課題を解決し、高加工精度な３次元周期構造、とりわけナノフォトニック結晶構造およびそれを低コストで形成できる形成方法を提供する。

上記課題に鑑み、本発明の３次元フォトニック結晶製造法は、第１の面と、第２の面とが第１の角度で交差する面を有する母材を用意する工程と、前記母材の第１の面に第１のマスクを形成する工程と、前記第１の面に対して第２の角度をなす方向にドライエッチングを進行させて、前記第１のマスクにより保護されていない前記母材の一部を除去する工程と、
前記第２の面に第２のマスクを形成する工程と、前記第２の面に対して第３の角度をなす方向にドライエッチングを進行させて、前記第２のマスクにより保護されていない前記母体の一部を除去する工程と、
を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、複雑な３次元構造、特に３次元ナノフォトニック結晶を簡易に高精度かつ低コストで形成することができる。また、構造連続性があり、形成工程で構造の接合部にゴミ等が混入することがないため、不要な散乱がなく、デバイス特性が向上する。

更に、従来技術で製造不可能の形状をもつ構造体の製造が可能となり、デバイス設計の自由度が大きくなり、新しい機能をもつデバイスが期待できる。

フォトニック結晶は、構成物質の屈折率が周期的に分布している構造体であり、構造設計だけで斬新な機能を実現可能な人工材料である。フォトニック結晶の最も大きな特徴として、構成材料の屈折率差と構造の周期性によって、特定の電磁波が伝搬できない領域、いわゆるフォトニックバンドギャップを形成する。フォトニック結晶中の屈折率分布に適切な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）が形成される。これによって、フォトニック結晶は電磁波を自由自在に制御できる。その上、フォトニック結晶を用いたデバイスのサイズは、従来のデバイスよりはるかに小型化することができる。

３次元フォトニック結晶は、構成物質の屈折率分布が３次元的な周期を持ち、欠陥位置に存在する電磁波が外部に漏れにくいという特長を有する。つまり、電磁波伝搬の制御は、３次元フォトニック結晶が最も適している。３次元フォトニック結晶の代表的な例は米国特許第５，３３５，２４０号公報に記載されているようなウッドパイル構造（あるいはロッドパイル構造）である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。尚、図中の同一要素に関しては、同符号を用いる。

図１に、本発明における３次元周期構造、とりわけ、３次元ナノフォトニック結晶を形成する工程を示している。図１において、１０は基板、２０はフォトニック結晶母材（前駆体ともいう）である。フォトニック結晶母材の第１の面を１００、該第１の面と交差しているフォトニック結晶の母材の前記第１の面とは異なる第２の面を２００で示す。そして、該第１の面１００と該第２の面２００との交差角度である第１の角度を３１で表している。

ここで本発明のフォトニック結晶において、上記第１の面と第２の面について説明する。

本発明における第１の面及び第２の面とは、フォトニック結晶を形成する多面体からなる母材の加工面を意味する。そして母材を構成する面の内、互いに交差する関係にある任意の２つの面が第１の面及び第２の面である。加工面の選定に際してはフォトニック結晶の設計、加工難易度（ハンドリング）、加工規模、加工コスト、等を考慮して適宜選択すれば良い。

本発明においては、上記フォトニック結晶の母材を構成する面の内、互いに交差する１の側面（端面とも言う）と他の側面とから加工する方法、同様に互いに交差する１の主面（上面又は表面とも言う）と１の側面とから加工する方法がある。

また上記第１の面と第２の面とが交差する角度は垂直に限られず、求めるフォトニック結晶の設計に応じて１０°乃至９０°の範囲で選択することができる。このように第１の面と第２の面との交差する角度を調整することにより、フォトニック結晶の設計の自由度が大幅に拡大される。

次に本発明のフォトニック結晶の具体的な形成方法について説明する。

まず、図１ａに示したように、フォトニック結晶母材２０を用意する。母材は、従来の半導体微細加工技術で加工する。また当該母材２０は基板１０から作り出しても良く、別の材料で作製した後、接合法で基板１０に貼り付けてもよい。母材２０の材料は単結晶、又はアモルファス状態の誘電体が本発明には適している。具体的には、Ｓｉ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｎＯなどが挙げられる。母材２０のサイズは、長さ、幅及び高さがそれぞれ１μｍ乃至１０００μｍ程度で望ましい。また、母材２０の第１の面１００と第２の面２００との交差角度３１は１０乃至１７０°範囲が望ましい。

次に、図１ｂに示したように、本発明のフォトニック結晶の形成工程においては、必要に応じて母材２０及び基板１０の表面に被膜４０を形成することができる。被膜４０は、後工程における母材のエッチング処理で２次マスク、または補強マスクの役割をする。しかし、求めるフォトニック結晶の加工精度、使用する材料、エッチング条件、タクトタイム、形成コスト等を考慮して当該被膜形成が不要な場合、当該被膜形成工程を省略しても良い。

被膜４０を形成する方法としては、母材２０を雰囲気中で熱処理することによって、その表面成分を雰囲気ガスと反応させ、該表面に酸化膜もしくは窒化膜を形成させることが本発明には適している。例えば、母材２０の材料がＳｉである場合、酸素雰囲気中で１０００℃の温度で１０分乃至数時間の熱処理をすると、母材２０の表面に１０ｎｍ乃至数μｍのＳｉＯ_２被膜が形成される。

本発明において、母材２０の被膜の形成方法として、化学気相堆積法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、もしくは原子層堆積法（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）も適用できる。この場合、母材２０の材料と関係なく、多種な被膜を形成可能である。被膜の材料として、Ｃｕ、Ｗのような金属、もしくはＴｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＮ、ＧａＮのような窒化膜、もしくはＳｉＯ_２のような酸化物が好適であり、後工程となる母材のエッチング処理において、エッチング耐性が該母材より優れている材料であることが望ましい。

次に、図１ｃに示したように、被膜４０を形成した母材の第１の面１００に第１のマスク１１０とを形成する。このとき、第２の面２００に形成された被膜を保護するために、幅が被膜４０の厚み程度の保護マスク１１１を、第２の面２００に隣接する第１の面１００の縁に形成するとよい。このマスク形成工程は、母材２０の側面で行う必要があるので、通常電子ビーム露光や光学露光法ではできない。

第１のマスク１１０を形成するために、電子ビーム誘起化学気相堆積（ＥＢ−ＣＶＤ）技術を用いて、所定のパターンを堆積物で形成する。この技術では、約５ｎｍの細かいマスクパターンを形成することができる。マスク形成は、マスクパターンの寸法精度によって、電子ビーム以外のエネルギービーム照射による誘起化学気相堆積法、例えば、収束イオンビームによる誘起化学気相堆積（ＦＩＢ−ＣＶＤ）、もしくはレーザー光を含む集束電磁波の照射よる誘起化学気相堆積（例えば、レーザー支援ＣＶＤ）を利用してよい。場合によって、上記各種のエネルギービーム誘起化学気相堆積法を組み合わせて使用してもよい。

該第１のマスク１１０のパターンを構成する該堆積物は、Ｃ、Ｓｉのような無機物、またはＷ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔのような金属、またはＳｉＯ_２のような酸化物、またはＧａＮのような化合物などの選択肢がある。それぞれの堆積物中に許容される不純物の量は、本発明者らの知見によれば５０％以下である。当該不純物の許容量は理想的には０％であるため、特に下限値は存在しない。

次に、図１ｄに示したように、前記第１のマスク１１０のパターンを被膜４０に転写して、第１の面上に第１のマスク１１０のない部分の被膜を取り除いて、該被膜の下にある第１の面１２０の部分を露出させる。

被膜の材質がＳｉＯ_２の場合、被膜を取り除くために、ドライエッチングが好ましい。中でも反応性イオンエッチング法が好適である。被膜の材質によって、指向性を持つ加速粒子ビーム（例えば、ファスト原子ビーム、或はイオンビーム）によるエッチング、反応性ガスによるエッチング、又は腐蝕性液体によるエッチングなどの方法も採用し得る。

次に、図１ｅに示したように、前記マスク１１０と１１１、および被膜４０をマスクとして、第１の面１００に対して第２の角度３２から母材２０をドライエッチングする。該ドライエッチング処理によって、該第２の角度３２からみて前記マスク１１０と１１１、および被膜４０より保護されていない前記母材の部分が除去され、母材２０に細孔１２５が形成される。ここで、前記の第２の角度３２は１０°乃至９０°の範囲で選択可能で、８０°乃至９０°が最も好適である。ここで、ドライエッチングが好ましい理由として、ドライエッチングによる加工は、物質の結晶方位に殆ど依存しないことと、高い異方性が得られることが挙げられる。即ち、加工がエッチング粒子の入射方向（第１の面に対して第２の角度３２をなす方向）に優先的に進行する。上記ドライエッチングは、反応性イオンエッチングや、集束イオンビームや、イオンミリングや、ファストアトムビーム（ＦＡＢ：ｆａｓｔ ａｔｏｍ ｂｅａｍ）によるエッチングを含む。

そして、第１の面１００に形成された細孔１２５の位置関係がわかるような位置合せ用構造体１１２をＥＢ−ＣＶＤ、またはＦＩＢ−ＣＶＤで形成する。該構造体１１２は第２の面にマスクパターンを形成するときの位置合せマークとして使用する。

次に、図１ｆに示したように、フォトニック結晶の母材２０の第２の面２００に第２のマスク２１０を形成する。形成方法は、前述の第１の面１００に第１のマスク１１０を形成する方法と同様である。このとき、第２のマスクの位置は、前記の位置合せ用構造体１１２を利用して、第１のマスクの位置に合わせる。本手法で３次元フォトニック結晶を形成する際、必要となるマスク位置合せはこの一回のみなので、位置合せによる加工精度が高い。

次に、図１ｈに示したように、前記第２のマスク２１０のパターンを被膜４０に転写して、第２の面上に第２のマスク２１０のない部分の被膜を取り除いて、該被膜の下にある第２の面２２０の部分を露出させる。加工工程は、図１ｄで示した工程と同様である。

次に、図１ｉに示したように、前記第２のマスク２１０と被膜４０をマスクとして、第２の面２００に対して第３の角度３３から母材２０をエッチングする。該エッチング処理によって、該第３の角度３３からみて前記第２のマスク２１０と被膜４０より保護されていない前記母材の部分が除去され、母材２０に細孔２２５が形成される。ここで、前記の第３の角度３３は１０°乃至９０°の範囲で選択可能であり、目的とするフォトニック結晶構造と前記第１の角度３１及び第２の角度３２によって決まる。

次に、図１ｊに示したように、前記第１のマスク１１０、第２のマスク２１０と第２の面を保護するためのマスク１１１を除去する。このとき、フォトニック結晶母材２０と基板１０に腐食性なく、前記マスクを選択的に除去できる液体、気体、またはプラズマを使用するとよい。

次に、図１ｋに示したように、前記被膜４０を除去し、フォトニック結晶を露出させて、フォトニック結晶の主要部（基本骨格）の作製を完了する。被膜４０の除去において、フォトニック結晶母材２０と基板１０に腐食性なく、被膜４０だけを選択的に除去できる液体、気体、またはプラズマを使用するとよい。

場合によって、前記第１のマスク１１０、第２のマスク２１０と第２の面を保護するためのマスク１１１の除去は、前記被膜４０の除去と同時に行っても良い。なぜなら、前記マスクは前記被膜の表面に付着しているので、被膜４０を除去すれば、前記マスクも自然に除去できる。

上記の３次元周期構造を製造する工程は、２つの面からそれぞれドライエッチング処理することで成型できるあらゆる３次元構造に適することが明瞭である。中には、周期性のない３次元構造が含まれる。最も簡単な例として、前記マスクのある部分を変形させて、３次元周期構造に欠陥を作り込むことが可能である。

また、前述では、分かりやすいため、第１の面と第２の面からのフォトニック結晶母材への加工はそれぞれ１回のみであったが、前記工程を数回繰り返してもよい。更に、他の加工法と組み合わせることも可能である。

本発明は、フォトニック結晶の母材の互いに交差する任意の２つの面からマスキング処理及びエッチング処理を行うことにより加工するものである。

例えばフォトニック結晶の母材の１の側面（端面とも言う）と他の側面とから加工を行う方法や、フォトニック結晶の母材の１の主面（上面又は表面とも言う）と１の側面とから加工を行うことができる。このように加工面を適宜選択することによって、母材の結晶面や結晶方位と、加工後のフォトニック結晶の結晶面や結晶方位との調整を行うことができる。また形成するフォトニック結晶の大きさに応じて適宜加工の容易な面を選択することができる。加工面の選択は目的とするフォトニック結晶の構造（設計）と、加工する規模等に応じて決定することが好ましい。

以下に、より具体的な実施例について、図面を参照して説明するが本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図１を用いて実施例１を説明する。この実施例では、フォトニック結晶母材の交差している２つの側面から該母材を加工することによって、３次元フォトニック結晶を形成する。

図１において、１０はシリコン（Ｓｉ）基板、２０はＳｉ基板から加工したフォトニック結晶母材である。また、フォトニック結晶母材２０の第１の側面を第１の面１００、該第１の面１００と交差しているフォトニック結晶母材の第２の側面を第２の面２００とする。そして、該第１の面１００と該第２の面２００との交差角度である第１の角度を３１とする。

まず、図１ａに示したように、半導体微細加工工程で厚みが約５００μｍのＳｉ基板１０からフォトニック結晶母材２０を切り出す。前記微細加工工程はフォトレジストを用いたフォトリソグラフィ工程と、反応性イオンエッチングによるＳｉの異方性エッチングを含む。加工した母材２０のサイズは、高さが約１００μｍ、第１の面１００と第２の面の幅がそれぞれ約２０μｍ程度である。また、前記第１の面１００と第２の面２００との交差角度３１は約９０°であり、該２つの面は基板の主面に対して共にほぼ垂直である。

次に、図１ｂに示したように、母材２０及び基板１０の表面にＳｉの熱酸化膜を形成し、被膜４０とする。具体的に、基板１０上に形成した母材２０を石英炉に設置し、酸素雰囲気中にて約９００℃の温度で数１０分間熱処理をして、母材２０の表面に約０．５μｍのＳｉＯ_２被膜を形成する。

次に、図１ｃに示したように、被膜４０を形成した母材の第１の面１００に第１のマスク１１０とを形成する。このとき、第２の面２００に形成された被膜を保護するために、幅が被膜４０の厚み程度（約０．５μｍ）の保護マスク１１１を、第２の面２００に隣接する第１の面１００の縁に形成しておく。前記マスクの形成において、Ｗ（ＣＯ）_６ガスを用いたＥＢ−ＣＶＤにて、厚み約０．１μｍのタングステン（Ｗ）パターンを堆積する。パターンの周期は約１μｍである。よって、形成すべき３次元フォトニック結晶の周期数は横方向において約２０であり、高さ方向にいて約３０である。

次に、図１ｄに示したように、前記第１のマスク１１０のパターンをＳｉＯ_２被膜４０に転写する。具体的に、Ｃ_４Ｆ_８とＯ_２の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、第１の面上にマスク１１０と１１１のない部分におけるＳｉＯ_２被膜を取り除いて、該被膜の下にある第１の面１２０のＳｉ部分を露出させる。

次に、図１ｅに示したように、前記Ｗマスク１１０と１１１、およびＳｉＯ_２被膜４０をマスクとして、第１の面１００に対してほぼ垂直にＳｉ母材２０を反応性イオンエッチング法を用いた、いわゆるボッシュプロセスで加工する。この際、反応ガスとして、エッチング時にはＳＦ_６ガスを用い、被膜（保護膜）形成時にはＣ_４Ｆ_８ガスを用いる。

該異方性エッチング処理によって、第１の面１００に対してほぼ垂直の方向において、前記Ｗマスク１１０と１１１、およびＳｉＯ_２被膜４０より保護されていない前記母材２０の部分が除去され、母材２０に細孔１２５が形成される。

そして、ＥＢ−ＣＶＤ法で前記第１のマスク１１０の形成すると同じ要領で、第２の面に第２のマスク２１０を形成するときの位置合せマークとして、構造体１１２を形成する。

次に、図１ｆに示したように、フォトニック結晶母材２０の第２の面２００に第２のマスク２１０を形成する。形成方法は、前述の第１の面１００に第１のマスク１１０を形成する方法と同様である。このとき、第２のマスクの位置は、前記の位置合せ用構造体１１２を利用して、第１のマスクの位置に合わせる。本手法で３次元フォトニック結晶を形成する際、必要となるマスク位置合せはこの一回のみなので、位置合せによる加工精度が高い。

次に、図１ｈに示したように、前記第２のマスク２１０のパターンをＳｉＯ_２被膜４０に転写して、第２の面上に第２のマスク２１０のない部分のＳｉＯ_２被膜を取り除いて、該被膜の下にある第２の面２２０の部分を露出させる。加工工程は、図１ｄで示した工程と同様である。

次に、図１ｉに示したように、前記第２のＷマスク２１０、およびＳｉＯ_２被膜４０をマスクとして、第２の面２００に対してほぼ垂直にＳｉ母材２０を反応性イオンエッチング法を用いた、いわゆるボッシュプロセスで加工する。この際、反応ガスとして、エッチング時にはＳＦ_６ガスを用い、被膜（保護膜）形成時にはＣ_４Ｆ_８ガスを用いる。

該異方性エッチング処理によって、第２の面２００に対してほぼ垂直の方向において、前記Ｗマスク２１０およびＳｉＯ_２被膜４０より保護されていない前記母材２０の部分が除去され、母材２０に細孔２２５が形成される。

次に、図１ｊに示したように、前記Ｗマスク（第１のマスク１１０、第２のマスク２１０と第２の面を保護するためのマスク１１１を含む）を除去する。このとき、ＨＮＯ_３、ＨＣｌと純水の混合液を使う。

次に、図１ｋに示したように、前記ＳｉＯ_２被膜４０を除去し、フォトニック結晶を露出させて、フォトニック結晶の主要部の作製を完了する。ＳｉＯ_２被膜４０の除去において、フッ酸に緩衝液とするＮＨ_４Ｆを混合したバッファードフッ酸を用いる。

実際に、図１ｊに示した前記Ｗマスクを除去する工程を入れなくても、図１ｋに示した前記ＳｉＯ_２被膜の除去工程だけでも、ＳｉＯ_２被膜の表面に形成されている前記Ｗマスクが完全に除去できる。

上記の方法によって、Ｓｉを材料とした、周期１μｍ、各方向の周期数が約２０以上のウッドパイル型３次元フォトニック結晶を得ることができる。

（実施例２）
図２を用いて実施例２を説明する。本実施例では、基板の主面（上面ともいう）と該主面と交差している１つの側面を加工することによって、３次元フォトニック結晶を製造する。実施例１との違いは、マスキング及びエッチングを行う加工面が異なる。実施例１ではフォトニック結晶の母材の互いに交差する１の側面と他の側面とから加工する方法であるのに対して、実施例２では、互いに交差する１の主面と１の側面とから加工する方法である。

尚、実施例１と重複する部分は省略する。本実施例の製造プロセスは以下である。

まず、図２ａに示したように、基板の主面４００に対して、半導体微細加工を施す。この微細加工は、実施例１における第１の側面を加工することに相当する。但し、前記基板の主面４００に対する加工は、平面上で行うので、ＥＢ−ＣＶＤやＦＩＢ−ＣＶＤのほかに、フォトリソグラフィや、電子ビーム露光などによるパターン形成が可能である。そのため、基板サイズの広い領域にわたって、複数の部分に微細パターンを同時に形成可能である。この場合、各領域において、用途によって全く異なる構造、異なる面積のパターンを形成できる。その結果、必要に応じて、異なる性能の３次元フォトニック結晶を集積することが可能となる。

具体的に、まず、厚みが約５００μｍのＳｉ基板１０の主面４００上に、Ｃｒ（厚みは約５ｎｍ）、そしてＡｕ（厚みは約５０ｎｍ）の薄膜を電子ビーム蒸着法で堆積する。そして、前記の金属薄膜の上に電子ビームレジストを塗布し、電子ビーム露光を行い、形状と面積がそれぞれ異なる複数の領域にそれぞれ異なる２次元微細パターンを形成する。そして、イオンミリングによって、上記電子ビームレジストのパターンを前記Ｃｒ／Ａｕ薄膜に転写し、前記電子ビームレジストがないところにおけるＳｉ基板の主面４００の部分を露出させる。続いて、Ｓｉ基板の主面４００に対してほぼ垂直の角度から、Ｓｉの反応性イオンエッチングを用いた、いわゆるボッシュプロセスを行う。この際、反応ガスとして、エッチング時にはＳＦ_６ガスを用い、被膜（保護膜）形成時にはＣ_４Ｆ_８ガスを用いる。

該異方性エッチング処理によって、Ｓｉ基板の主面４００に対してほぼ垂直の方向において、前記電子ビームレジストと金属薄膜により保護されていないＳｉ基板の部分に深い細孔が形成される。最も細かいパターンにおいて、細孔の深さが約３０μｍである。続いて、電子ビームレジスト、Ａｕ及びＣｒ薄膜をそれぞれ適宜なエッチャントを用いて除去する。以上の工程（図示せず）により、図２ａに示したように、基板の主面４００上に、微細パターン領域４１０ができる。

次に、図１ｂに示したように、前記のＳｉ異方性加工で前記微細パターン領域のそれぞれの側面を出す。そのために、フォトリソグラフィとＳｉの深堀エッチング（ボッシュプロセス）を行う。この場合、確実に該当の側面を出すために、前記のＳｉのエッチングは深さ方向において、基板の主面４００に対して、ほぼ垂直に行い、エッチング深さは１００μｍとする。これによって、前記各微細パターン領域の下部に、基板１０の一部１１が見えてくる。また、主面４００の面内におけるエッチング領域は、前記微細パターン領域４１０と重なるように行う。即ち、各微細パターン領域の周囲を切り落とすように行う。こうして、第１の面の加工が完成しているフォトニック結晶の母材２０が複数にできている。該母材の高さは約１００μｍであり、長さと幅は５μｍ乃至１ｍｍの範囲にある。

理解を容易にするために、図２ｃに前記フォトニック結晶の母材２０の一部を拡大して表示している。説明の便宜上、以下では、ウッドパイル構造を例にしており、構造周期を約１μｍとする。図の中では、第１の面は４１０、第２の面は４２０とする。また、第２の面４２０において、溝部は４２１、平坦部は４２２と記している。ここでは、第１の面４１０と第２の面４２０とはほぼ垂直である。第２の面の幅は約１００μｍであり、つまり、フォトニック結晶の厚み方向の周期数は約１００である。また、第２の面から見たフォトニック結晶母材の厚みは約２０μｍであり、この方向におけるフォトニック結晶の周期数が約２０である。

次に、図２ｄに示したように、母材２０及び基板１０の表面にＳｉの熱酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成し、被膜４０とする。前記被膜の形成方法は実施例１と同様である。

次に、図２ｅに示したように、被膜４０を形成した前記母材の第２の面４２０に所定のマスクを形成する。この場合、第２の面に凹凸が存在するため、前記マスクを前記溝部４２１と前記平坦部４２２にそれぞれ形成する。前記平坦部４２２に形成したマスク４５０の形状は図示のとおりである。前記溝部４２１に形成したマスク４５５の形状を図２ｊに表示している。図２ｊは図２ｅにおいて、ＡＡ’で示した線に沿って、第２の面４２０に対して平行に切り取ったフォトニック結晶母材の断面図である。前記マスクの形成方法は実施例１と同様である。但し、本実施例におけるマスク形成時の位置合せは、前記第２の面にある溝部４２１を基準にすればよい。これで横方向に５ｎｍ以上の位置合せ精度を得ることが可能である。高さ方向の位置決めは、第２の面４２０の上端を基準にすればよい。この場合、高さ方向に多少の位置ずれが生じても、上から第１層目の構造の厚みにしか影響がない。本手法で３次元フォトニック結晶を形成する際、必要となるマスク位置合せはこの一回のみなので、位置合せによる加工精度が高い。

次に、図２ｆに示したように、前記第２のマスクである４５０と４５５のパターンをＳｉＯ_２被膜４０に転写して、図示のように第２の面４２０のＳｉ部分２２０を露出させる。前記パターン転写方法は実施例１と同様である。

次に、図２ｈに示したように、前記第２のマスク４５０と４５５、およびＳｉＯ_２被膜４０をマスクとして、第２の面４２０に対してほぼ垂直に前記母材２０に図示の細孔２２５を形成する。前記細孔２２５の形成方法は実施例１と同様である。

次に、図２ｉに示したように、前記Ｗマスク４５０と４５５、および前記ＳｉＯ_２被膜４０を除去して、フォトニック結晶を露出させ、フォトニック結晶の主要部の作製を完了する。前記マスク及び被膜の除去方法は実施例１と同様である。

上記の方法によって、Ｓｉを材料とした、周期１μｍ、各方向の周期数が約２０以上のウッドパイル型３次元フォトニック結晶を得ることができる。

（実施例３）
図３を用いて実施例３を説明する。本実施例では、ロッド断面形状が異なる各種の３次元フォトニック結晶を製造する。但し、ここでは、長さ方向において、ロッドの断面形状および断面積が均等である。

本発明による３次元フォトニック結晶は、一体成型なので、従来のウッドパイル構造にみるような構造単元である独立なロッドが存在しない。比較のため、従来のウッドパイル構造のロッドに相当する、本発明の３次元フォトニック結晶を構成する単元をあえてロッドとして定義する。また、前記ロッドは長さ方向において断面形状および断面積が均等である場合、ロッドの長さ方向に垂直に切出した断面をロッド断面と定義する。

今までの説明では、便宜上のために、ロッドの断面形状を長方形とした。しかし、本発明によれば、任意形状な断面をもつロッドによって構成する３次元フォトニック結晶の製造が可能である。本発明によって製造可能なロッド断面の形状を図３に示しているが、図３に挙げられたものに限定されるものではない。

図３の中に、本発明によって製造可能で、従来の積層法等で製造困難な構造が多数含まれている。例えば、図３の中のＶＩ乃至ＸＩ組に代表されたような、ロッドが中空になっている構造。

図３に列挙した断面形状をもつロッドによって構成する３次元フォトニック結晶は、本発明の実施例１、または実施例２で説明した工程によって製造可能である。製造工程の詳細説明を省略する。

（実施例４）
図４乃至６を用いて実施例４を説明する。本実施例では、３次元フォトニック結晶のロッドは、長さ方向において断面形状および断面積が均等ではないことが特徴である。

製造方法は、本発明の実施例１、または実施例２で説明した工程によって製造可能なので、詳細を省略する。以下では、製造すべく３次元フォトニック結晶の構造及びそれを製造するためのマスクについて説明する。

３次元フォトニック結晶において、ロッドは長さ方向において断面形状および断面積が変化可能であると、デバイス設計の自由度が向上するだけではなく、より優れた特性をもつデバイスの実現ができる。例えば、上下に隣接しているロッドの交差部分に所定のジョイント部を設けると、フォトニック結晶のバンドギャップがより広くなる。以下では、前記ジョイント付き３次元フォトニック結晶構造をジョイントロッド構造と呼ぶ。ジョイントロッド構造の一例を図４に示す。

図４に示したジョイントロッド構造は、上下に隣接しているロッド３１０の交差部分に３２０で示したような板状のジョイントが２つ設けられている。ジョイントの長さ方向はそれぞれのロッドの長さ方向と一致するようになっている。前記ジョイントロッド構造の寸法は、例えば下記である。ロッドの長さは約１００μｍ、平面上におけるロッドの周期は約２５０ｎｍ、厚み方向におけるロッドの層数は１２層である。ロッドの幅は約８０ｎｍ、厚さは約５０ｎｍであり、ジョイントの幅は約１００ｎｍ、長さは約１５０ｎｍ、厚さは約２０ｎｍである。

図５は、前記ジョイントロッド構造を製造するためのマスクを説明するための図である。理解を容易にするため、第１の面と第２の面が互いに垂直であり、共にＺ方向に平行する場合を例にしている。Ｚ方向は方向を示す矢印５１で表示されている。図５に示したのは、第１の面上に形成すべく第１のマスク１１０（図５ａ）と第２の面上に形成すべく第２のマスク２１０（図５ｂ）のそれぞれの一部分である。前記マスク１１０と２１０は、Ｚ方向において高さが一致するように配置されている。図５では、等高線Ｌ１とＬ２で挟んでいる第１のマスクの部分１３０は、第１の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものであり、等高線Ｌ３とＬ４で挟んでいる第２のマスクの部分２３０は、第２の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものである。前記第１のマスクの部分１３０と第２のマスクの部分２３０によって、Ｚ方向において隣接しているフォトニック結晶の２層が形成される。

比較のため、実施例１で説明したウッドパイル構造を製造するときに用いた第１のマスク１１０と第２のマスク２１０を図５と同じ要領で部分的に図６に示す。図６において、等高線Ｌ５とＬ６で挟んでいる第１のマスクの部分１３０は、第１の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものであり、等高線Ｌ７とＬ５で挟んでいる第２のマスクの部分２３０は、第２の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものである。前記第１のマスクの部分１３０と第２のマスクの部分２３０によって、Ｚ方向において隣接しているフォトニック結晶の２層が形成される。等高線Ｌ５、Ｌ６とＬ７で分かるように、前記マスク１１０を用いて加工した層は、前記マスク２１０を用いて加工した層とは、Ｚ方向において共有部分がなく互いに重ならないようになっている。つまり、前記マスク１１０を用いて加工した層は、前記マスク２１０を用いて加工する際、前記マスク２１０によって完全に保護されている。この場合、長さ方向においてロッドの断面形状および断面積が均等であるウッドパイル構造が製造できる。

それに対して、本実施例において、図５で示したように、前記マスク１１０を用いて加工した層は、前記マスク２１０を用いて加工した層とは、Ｚ方向において共有部分があり互いに重なるようになっている。重なる部分は等高線Ｌ１とＬ４で挟んでいる部分である。前記重なる部分は、前記第１のマスク１１０を用いて加工した後、前記第２のマスク２１０を用いて加工する際、再び加工されることになる。前記２つの加工によって、前記重なる部分において、図４に示したようなジョイント部３２０が形成される。つまり、前記第１のマスク１１０と第２のマスク２１０を用いた２つの加工だけで、ジョイントロッド構造のロッド部３１０のみならず、ロッドのジョイント部３２０も同時に形成される。

つまり、本実施例の手法によれば、ジョイントロッドのような、ロッドは長さ方向において断面形状および断面積が均等ではない３次元フォトニック結晶が形成される。

本発明における３次元周期構造体を製造するための一形態を説明する図 本発明における３次元周期構造体を製造するための一形態を説明する図 本発明によって製造可能な３次元周期構造体のロッド断面形状の例を説明する図 本発明における３次元周期構造体を製造するための一形態を説明する図 本発明における３次元周期構造体を製造するためのマスク形状を説明する図 本発明における３次元周期構造体を製造するためのマスク形状を説明する図 ウッドパイル構造を有する３次元フォトニック結晶の模式図

符号の説明

１０、１１ 基板
２０ フォトニック結晶母材
３１ 第１の角度
３２ 第２の角度
３３ 第３の角度
４０ 被膜
５０ 座標
５１ 方向を示す矢印
５５ 断面の指示ライン
１００ 第１の面
１１０ 第１のマスク
１１１ 第２の面を保護するためのマスク
１１２ 位置合せ用構造体
１２０ 第１の面の露出部分
１２５ 第１の面をエッチング処理して形成された細孔
１３０ フォトニック結晶構造体の一層を加工する第１のマスクの部分
２００ 第２の面
２１０ 第２のマスク
２２０ 第２の面の露出部分
２２５ 第２の面をエッチング処理して形成された細孔
２３０ フォトニック結晶構造体の一層を加工する第２のマスクの部分
３００ ３次元周期構造
３０１ ウッドパイルのロッド
３０５ ロッド断面
３０６ ロッドの中空部分
３１０ ロッド部
３２０ ロッドのジョイント部
４００ 基板の主面
４１０ 微細パターン領域（第１の面）
４２０ 微細パターン領域の側面部分（第２の面）
４２１ 第２の面における溝部
４２２ 第２の面における平坦部
４５０ 第２の面における平坦部上に形成されたマスク
４５５ 第２の面における溝部内に形成されたマスク
Ｌ１乃至Ｌ７ 等高線

Claims (12)

1. ３次元フォトニック結晶の形成方法であって、第１の面と、第２の面とが第１の角度で交差する面を有する母材を用意する工程と、前記母材の第１の面に第１のマスクを形成する工程と、前記第１の面に対して第２の角度をなす方向にドライエッチングを進行させて、前記第１のマスクにより保護されていない前記母材の一部を除去する工程と、
   前記第２の面に第２のマスクを形成する工程と、前記第２の面に対して第３の角度をなす方向にドライエッチングを進行させて、前記第２のマスクにより保護されていない前記母体の一部を除去する工程と、
   を含むことを特徴とする３次元フォトニック結晶の形成方法。
2. 前記３次元フォトニック結晶の母材は単結晶、またはアモルファス状態の誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
3. 前記マスクは、電子ビーム、収束イオンビーム、又はレーザー光を含む集束電磁波から選択される少なくとも１つのエネルギービームによる誘起化学気相堆積によって、前記母材のマスク形成面に形成される堆積物パターンであることを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
4. 前記マスクは、Ｃ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、ＧａＮ、Ｓｉ、又はＳｉＯ_２から選択される少なくとも１つであり、該マスク中の不純物は５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
5. 前記マスクの形成工程の前に、前記母材表面の少なくとも一部に被膜を形成する工程と、前記マスク形成工程後、前記被膜の少なくとも一部をエッチング処理によって選択的に除去する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
6. 前記被膜を形成する工程は、前記母材を雰囲気中で熱処理することによって、該母材の表面成分を雰囲気ガスと反応させ、該母材表面の少なくとも一部に酸化膜、又は窒化膜を形成させる工程であることを特徴とする請求項５に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
7. 前記被膜を形成する工程は、化学気相堆積法、又は原子層堆積法によって、前記母材表面の少なくとも一部に被膜を形成する工程であることを特徴とする請求項５に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
8. 前記被膜がＣｕ、Ｗ、ＴｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＮ、又はＳｉＯ_２から選択される少なくとも１つの材料であることを特徴とする請求項７に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
9. 前記ドライエッチング処理は、反応性イオンエッチング、又は指向性を持つ加速粒子ビームによるエッチングであることを特徴とする請求項１乃至８に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
10. 前記エッチング処理は、反応性イオンエッチング、もしくは指向性を持つ加速粒子ビームによるエッチング、もしくは反応性ガスによるエッチング、もしくは腐蝕性液体によるエッチングであることを特徴とする請求項５に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
11. 前記第１の角度は１０°以上１７０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
12. 前記第２の角度及び第３の角度はそれぞれ１０°以上９０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
    

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