JP2007292952A

JP2007292952A - 光学素子およびその製造方法

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Publication number: JP2007292952A
Application number: JP2006119665A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Yamazaki; 知洋山崎
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】生産性の向上を図ることができる、フォトニック結晶を用いた光学素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】自己クローニング法により成長基板７上に形成されたフォトニック結晶積層体９に対して、その成長基板７側と反対側の面に、成長基板７とは別の支持基板２が接合される。そして、フォトニック結晶積層体９は、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割される。これにより、支持基板２とこれに支持されたフォトニック結晶３とを備える光学素子１が得られる。
【選択図】図２

Description

この発明は、偏光子や波長フィルタなどの光学素子およびその製造方法に関する。

最近、偏光子や波長フィルタなどの光学素子として、フォトニック結晶を用いたものが注目されている。フォトニック結晶は、屈折率や誘電率の異なる層を多層に積層した多層構造体であり、その構造が、２次元的または３次元的に、光波長程度または光波長よりも小さい単位での周期性を有している。フォトニック結晶の光学特性は、各層の材質や構造の周期およびその配列方向などを制御することにより変更することができる。そのため、フォトニック結晶を用いた光学素子は、任意の光学特性を実現することができ、様々な用途に対応することができる。

フォトニック結晶を作成する手法として、いわゆる自己クローニング法が提案されている。自己クローニング法は、バイアス・スパッタリングによる堆積作用とスパッタエッチングによるエッチング作用とにより、微細な凹凸パターンを有する基板上に、その凹凸パターンを保持した層を堆積（積層）させる手法である。この自己クローニング法は、フォトニック結晶を用いた光学素子の生産に最も優れた手法の１つであると言われている。
特開２００４−４５７７９号公報

しかし、基板に凹凸パターンを形成するためには、非常に生産性の悪いエレクトロンビーム描画装置を用いて、基板に光波長以下のオーダでの微細加工を施さなければならないため、フォトニック結晶を用いた光学素子の量産化は実現されていない。
そこで、この発明の目的は、生産性の向上を図ることができる、フォトニック結晶を用いた光学素子およびその製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１に記載の発明は、凹凸パターンが形成された成長基板上に、自己クローニング法により、複数種の誘電体層が周期的に積層されたフォトニック結晶積層体を形成する積層体形成工程と、前記フォトニック結晶積層体の前記成長基板側と反対側の面に支持基板を接合させる支持基板接合工程と、前記フォトニック結晶積層体を、前記成長基板に支持される積層体残存部分と、前記支持基板に支持されるフォトニック結晶分離部分とに分割する結晶分割工程とを含むことを特徴とする、光学素子の製造方法である。

この方法では、自己クローニング法により成長基板上に形成されたフォトニック結晶積層体に対して、その成長基板側と反対側の面に、成長基板とは別の支持基板が接合される。そして、フォトニック結晶積層体は、成長基板に支持される積層体残存部分と、支持基板に支持されるフォトニック結晶分離部分とに分割される。これにより、フォトニック結晶分離部分のみで所望の光学特性が発揮されるように、積層体残存部分とフォトニック結晶分離部分との境界を設定すれば、支持基板およびこれに支持されるフォトニック結晶分離部分を、所望の光学特性を有する光学素子とすることができる。

また、成長基板に支持される積層体残存部分に新たな支持基板を接合し、その積層体残存部分を適当な境界で分割して、積層体残存部分から新たなフォトニック結晶分離部分を分離させれば、支持基板およびこれに支持されるフォトニック結晶分離部分を含む光学素子を新たに得ることができる。そのため、成長基板上に複数（たとえば、１０個）のフォトニック結晶分離部分を得ることができる層数（たとえば、１０００層）のフォトニック結晶積層体を予め成長させておけば、個々の光学素子の製造工程から成長基板を作成する工程を省略することができる。したがって、フォトニック結晶を用いた光学素子の量産化に向けて、その光学素子の生産性の向上を図ることができる。

さらにまた、成長基板に支持される積層体残存部分上に、自己クローニング法により、誘電体層を新たに積層させて、新たなフォトニック結晶分離部分を形成することも考えられる。すなわち、支持基板およびこれに支持されるフォトニック結晶分離部分を含む光学素子を製造した後に、積層体残存部分を支持する成長基板を、新たな光学素子の製造（フォトニック結晶分離部分の形成）に繰り返し使用することができる。そのため、個々の光学素子の製造工程から成長基板を作成する工程を省略することができる。したがって、フォトニック結晶を用いた光学素子の量産化に向けて、その光学素子の生産性の向上を図ることができる。

なお、フォトニック結晶積層体を積層体残存部分とのフォトニック結晶分離部分とに分割する手法としては、種々の手法を採用することができる。
たとえば、請求項２に記載のように、前記フォトニック結晶積層体にレーザ光を照射し、そのレーザ光を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分との界面で集光させることにより、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割してもよい。

また、請求項３に記載のように、前記フォトニック結晶積層体の積層方向に沿った側面に劈開用傷を付け、前記劈開用傷からの劈開により、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割してもよい。
さらには、請求項４に記載のように、前記フォトニック結晶積層体の形成途中で、前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分との境界となる部分に除去層を積層させ、この除去層をエッチング液でエッチングして除去することにより、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割してもよい。

さらにまた、請求項５に記載のように、前記フォトニック結晶積層体の形成途中で、前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分との境界となる部分に切断層を積層させ、この切断層を前記成長基板に沿う方向に切断することにより、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割してもよい。
また、請求項６に記載の発明は、凹凸パターンが形成された成長基板を用いた自己クローニング法により、複数種の誘電体層を周期的に積層して形成されたフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶の積層方向の一方面に接合され、前記フォトニック結晶を支持する支持基板とを含み、前記支持基板は、前記成長基板とは別の基板であることを特徴とする、光学素子である。

この構成では、フォトニック結晶は、成長基板とは別の支持基板により支持される。そのため、成長基板上に予め複数のフォトニック結晶を得ることができる層数のフォトニック結晶積層体を成長させておき、そのフォトニック結晶積層体に対する支持基板の接合およびフォトニック結晶積層体からのフォトニック結晶の分離を繰り返すことにより、個々の光学素子の製造工程で成長基板を作成することなく、複数の光学素子を得ることができる。したがって、フォトニック結晶を用いた光学素子の量産化に向けて、その光学素子の生産性の向上を図ることができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る光学素子の図解的な斜視図である。
この光学素子１は、たとえば、石英（ＳｉＯ_２）からなる支持基板２と、この支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とを備えている。
支持基板２は、たとえば、矩形板状に形成されている。この支持基板２は、フォトニック結晶３の形成に用いられる成長基板７（後述する）とは別の基板であり、フォトニック結晶３との接合面には、成長基板７に形成されているような凹凸パターンはとくに形成されていない。

フォトニック結晶３は、たとえば、ＳｉＯ_２からなる低屈折率層４とＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率層５とを交互に積層して形成され、屈折率が、２次元的または３次元的に、光波長程度または光波長よりも小さい単位での周期性を有する構造となっている。なお、低屈折率層４および高屈折率層５以外に、Ｓｉからなる光吸収層などが周期的に積層されていてもよい。このフォトニック結晶３は、接着層６を介して、支持基板２に接合されている。

図２は、光学素子１の製造方法を説明するための工程図である。
まず、成長基板７が用意される。この成長基板７は、たとえば、石英（ＳｉＯ_２）からなり、その表面に、フォトニック結晶３における屈折率の周期性に対応した周期的な凹凸パターン８が形成されている。この凹凸パターン８は、エレクトロンビーム描画装置を用いて、エレクトロンビームリソグラフィ技術により形成される。

次に、図２（ａ）に示すように、成長基板７の表面上に、自己クローニング法により、低屈折率層４および高屈折率層５が交互に積層される。より具体的には、バイアス・スパッタリングとスパッタエッチングとが併用されて、バイアス・スパッタリングによる堆積作用およびスパッタエッチングによるエッチング作用により、凹凸パターン８を有する基板上に、その凹凸パターンを保持した低屈折率層４および高屈折率層５が積層される。

低屈折率層４および高屈折率層５がそれぞれ所定層数ずつ（たとえば、５００層ずつ）形成されると、図２（ｂ）に示すように、その低屈折率層４および高屈折率層５からなるフォトニック結晶積層体９の成長基板７側と反対側の面に、エポキシ樹脂などの接着剤が塗布されることにより、接着層６が形成される。そして、その接着層６を介して、フォトニック結晶積層体９に支持基板２が接合される。

その後、図２（ｃ）に示すように、フォトニック結晶積層体９に対して、レーザ光が、所定の低屈折率層４と高屈折率層５との界面（たとえば、支持基板２側から１００層目と１０１層目との界面）に焦点を合わせて照射される。これにより、その低屈折率層４と高屈折率層５との界面にレーザ光が集光し、その集光点に改質領域が形成される。また、レーザ光と積層体９とが相対的に移動されて、レーザ光の集光点が低屈折率層４と高屈折率層５との界面に沿って移動する。その結果、低屈折率層４と高屈折率層５との界面に沿った改質領域が生じ、図２（ｄ）に示すように、積層体９は、その改質領域を境に、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割される。これにより、図２（ｅ）に示すように、支持基板２とこれに支持されたフォトニック結晶３とを備える光学素子１が得られる。

以上のように、自己クローニング法により成長基板７上に形成されたフォトニック結晶積層体９に対して、その成長基板７側と反対側の面に、成長基板７とは別の支持基板２が接合される。そして、積層体９は、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割される。これにより、フォトニック結晶３のみで所望の光学特性が発揮されるように、積層体残存部分１０とフォトニック結晶３との境界（フォトニック結晶積層体９の切断位置）を設定すれば、支持基板２およびこれに支持されるフォトニック結晶３を、所望の光学特性を有する光学素子１とすることができる。

また、成長基板７に支持される積層体残存部分１０に新たな支持基板２を接合し、その積層体残存部分１０を適当な境界で分割して、積層体残存部分１０から新たなフォトニック結晶３を分離させれば、支持基板２およびこれに支持されるフォトニック結晶３を含む光学素子を新たに得ることができる。そのため、成長基板７上に複数（この実施形態では、１０個）のフォトニック結晶３を得ることができる層数のフォトニック結晶積層体９を予め成長させておけば、個々の光学素子１の製造工程から成長基板７を作成する工程を省略することができる。したがって、フォトニック結晶３を備える光学素子１の量産化に向けて、その光学素子１の生産性の向上を図ることができる。

なお、図１および図２において、図面の簡略化のために、フォトニック結晶３、フォトニック結晶積層体９および積層体残存部分１０は、前記した層数の一例よりも少ない層数で示されている。
また、成長基板７に支持される積層体残存部分１０上に、自己クローニング法により、低屈折率層４および高屈折率層５を新たに積層させて、新たなフォトニック結晶３を形成することも考えられる。この場合、支持基板２とフォトニック結晶３とを備える光学素子１を製造した後に、積層体残存部分１０を支持する成長基板７を、新たな光学素子１の製造（フォトニック結晶３の形成）に繰り返し使用することができる。そのため、個々の光学素子１の製造工程から成長基板７を作成する工程を省略することができる。したがって、フォトニック結晶３を備える光学素子１の量産化に向けて、その光学素子１の生産性の向上を図ることができる。

なお、フォトニック結晶積層体９を積層体残存部分１０とフォトニック結晶３とに分割する手法としては、前述のレーザを用いた手法に限らず、それ以外の種々の手法も採用することができる。
図３は、光学素子１の他の製造方法を説明するための工程図である。この図３において、図２に示す各部に相当する部分には、それら各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号を付した部分についての詳細な説明は省略する。

まず、図３（ａ）に示すように、成長基板７の表面上にフォトニック結晶積層体９が形成される。次に、図３（ｂ）に示すように、フォトニック結晶積層体９の成長基板７側と反対側の面に、接着層６が形成され、この接着層６を介して支持基板２が接合される。
その後、図３（ｃ）に示すように、フォトニック結晶積層体９の積層方向に沿った側面に、たとえば、その側面から所定の低屈折率層４と高屈折率層５との界面に向けて先細りとなる断面楔形状の劈開用傷１１が付けられる。

そして、図３（ｄ）に示すように、フォトニック結晶積層体９は、劈開用傷１１から劈開されることにより、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割される。これにより、図３（ｅ）に示すように、支持基板２とこれに支持されたフォトニック結晶３とを備える光学素子１が得られる。
このように、フォトニック結晶積層体９の積層方向に沿った側面に劈開用傷１１を付け、その劈開用傷１１からの劈開により、フォトニック結晶積層体９を、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割してもよい。

図４は、光学素子１のさらに他の製造方法を説明するための工程図である。この図４において、図２に示す各部に相当する部分には、それら各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号を付した部分についての詳細な説明は省略する。
まず、成長基板７の表面上に、自己クローニング法により、低屈折率層４および高屈折率層５が交互に積層されていく。この積層の途中で、成長基板７上に、後に積層体残存部分１０を構成する層数の低屈折率層４および高屈折率層５が積層されると、所定のエッチング液（たとえば、ＨＣｌ）によりエッチング可能な材料（たとえば、ＺｎＯ）からなる除去層１２が積層される。その後は、図４（ａ）に示すように、除去層１２上に、低屈折率層４および高屈折率層５が交互に再び積層されていく。

こうして、成長基板７の表面上にフォトニック結晶積層体９が形成されると、図４（ｂ）に示すように、フォトニック結晶積層体９の成長基板７側と反対側の面に、接着層６が形成され、この接着層６を介して支持基板２が接合される。
その後、図４（ｃ）に示すように、除去層１２に、所定のエッチング液が供給される。エッチング液が供給されると、除去層１２がエッチングにより除去されて、図４（ｄ）に示すように、フォトニック結晶積層体９は、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割される。これにより、図４（ｅ）に示すように、支持基板２とこれに支持されたフォトニック結晶３とを備える光学素子１が得られる。

このように、フォトニック結晶積層体９の形成途中で、積層体残存部分１０とフォトニック結晶３との境界となる部分に除去層１２を積層させ、この除去層１２をエッチング液でエッチングして除去することにより、フォトニック結晶積層体９を、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割してもよい。

図５は、光学素子１のさらに他の製造方法を説明するための工程図である。この図５において、図２に示す各部に相当する部分には、それら各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号を付した部分についての詳細な説明は省略する。
まず、成長基板７の表面上に、自己クローニング法により、低屈折率層４および高屈折率層５が交互に積層されていく。この積層の途中で、成長基板７上に、後に積層体残存部分１０を構成する層数の低屈折率層４および高屈折率層５が積層されると、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３からなる切断層１３が積層される。その後は、図５（ａ）に示すように、切断層１３上に、低屈折率層４および高屈折率層５が交互に再び積層されていく。

こうして、成長基板７の表面上にフォトニック結晶積層体９が形成されると、図５（ｂ）に示すように、積層体９の成長基板７側と反対側の面に、接着層６が形成され、この接着層６を介して支持基板２が接合される。
その後、図５（ｃ）に示すように、ブレード１４により、切断層１３内に設定された切断線（図５（ｃ）に破線で示す。）に沿って、切断層１３が成長基板７に沿う方向に切断される。これにより、図５（ｄ）に示すように、フォトニック結晶積層体９は、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割される。

このように、フォトニック結晶積層体９の形成途中で、積層体残存部分１０とフォトニック結晶３との境界となる部分に切断層１３を積層させ、この切断層１３を成長基板７に沿う方向に切断することにより、フォトニック結晶積層体９を、成長基板７に支持される積層体残存部分１０と、支持基板２に支持されるフォトニック結晶３とに分割してもよい。

なお、この場合、図５（ｅ）に示すように、フォトニック結晶３上に切断層１３の一部が残るが、この切断層１３が光学素子１（フォトニック結晶３）の光学特性に影響を与えないものであれば、切断層１３の一部を残したままでもよい。切断層１３が光学素子１の光学特性に影響を与えるおそれがある場合には、フォトニック結晶積層体９の分割後に、エッチングなどにより、フォトニック結晶３上から切断層１３を除去すればよい。

以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、フォトニック結晶積層体９の成長基板７側と反対側の面に、エポキシ樹脂などの接着剤が塗布されることにより接着層６が形成されるとしたが、支持基板２にシリコン（Ｓｉ）からなる基板を用いる場合には、フォトニック結晶積層体９の成長基板７側と反対側の面に、シリコンからなる接着層６を形成してもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る光学素子の図解的な斜視図である。光学素子の製造方法を説明するための工程図である。光学素子の他の製造方法（裂開により積層体を分割する方法）を説明するための工程図である。光学素子のさらに他の製造方法（除去層のエッチングにより積層体を分割する方法）を説明するための工程図である。光学素子のさらに他の製造方法（切断層の切断により積層体を分割する方法）を説明するための工程図である。

符号の説明

１光学素子
２支持基板
３フォトニック結晶（フォトニック結晶分離部分）
４低屈折率層（誘電体層）
５高屈折率層（誘電体層）
６接着層
７成長基板
８凹凸パターン
９フォトニック結晶積層体
１０積層体分離部分
１１劈開用傷
１２除去層
１３切断層

Claims

凹凸パターンが形成された成長基板上に、自己クローニング法により、複数種の誘電体層が周期的に積層されたフォトニック結晶積層体を形成する積層体形成工程と、
前記フォトニック結晶積層体の前記成長基板側と反対側の面に支持基板を接合させる支持基板接合工程と、
前記フォトニック結晶積層体を、前記成長基板に支持される積層体残存部分と、前記支持基板に支持されるフォトニック結晶分離部分とに分割する結晶分割工程とを含むことを特徴とする、光学素子の製造方法。
前記結晶分割工程は、前記フォトニック結晶積層体にレーザ光を照射し、そのレーザ光を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分との界面で集光させることにより、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割する工程であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子の製造方法。
前記結晶分割工程は、前記フォトニック結晶積層体の積層方向に沿った側面に劈開用傷を付け、前記劈開用傷からの劈開により、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割する工程であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子の製造方法。
前記積層体形成工程は、前記フォトニック結晶積層体の形成途中で、前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分との境界となる部分に除去層を積層する工程を含み、
前記結晶分割工程は、前記除去層をエッチング液でエッチングして除去することにより、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割する工程であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子の製造方法。
前記積層体形成工程は、前記フォトニック結晶積層体の形成途中で、前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分との境界となる部分に切断層を積層する工程を含み、
前記結晶分割工程は、前記切断層を前記成長基板に沿う方向に切断することにより、前記フォトニック結晶積層体を前記積層体残存部分と前記フォトニック結晶分離部分とに分割する工程であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子の製造方法。
凹凸パターンが形成された成長基板を用いた自己クローニング法により、複数種の誘電体層を周期的に積層して形成されたフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶の積層方向の一方面に接合され、前記フォトニック結晶を支持する支持基板とを含み、
前記支持基板は、前記成長基板とは別の基板であることを特徴とする、光学素子。