JP2008004711A - Plasma etching method, and manufacturing method for photonic crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイス等の微細加工に適したプラズマエッチング方法及びその方法を用いたフォトニック結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a plasma etching method suitable for microfabrication of a semiconductor device and the like, and a photonic crystal manufacturing method using the method.
(1) フォトニック結晶について
近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光機能材料であり、この周期屈折率分布の構造が光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域（フォトニックバンドギャップ、略称：PBG）が形成されることが特徴である。また、この屈折率分布の中に乱れ（欠陥）を導入することにより、PBG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、欠陥準位に対応する波長の光のみが、この欠陥位置において存在可能になる。これにより、点状の欠陥から成る光共振器や線状の欠陥から成る光導波路等をフォトニック結晶内に設けることができる。また、光導波路の近傍に、その光導波路を伝播する光の波長帯に含まれる大きさの共振波長を持つ光共振器を配置することにより、そのフォトニック結晶は光導波路を伝播する光のうちこの共振波長と同じ波長の光を光共振器に取り出すこと（分波）ができると共に、その波長の光を光共振器から光導波路に合流させること（合波）ができる光合分波器となる。
(1) Photonic crystals In recent years, photonic crystals have attracted attention as new optical devices. A photonic crystal is an optical functional material having a periodic refractive index distribution, and the structure of this periodic refractive index distribution forms a band structure with respect to energy of light or electromagnetic waves. In particular, an energy region (photonic band gap, abbreviated as PBG) where light and electromagnetic waves cannot be propagated is formed. Also, by introducing disturbances (defects) in this refractive index distribution, energy levels (defect levels) due to these defects are formed in the PBG, and only light of a wavelength corresponding to the defect levels is It can exist at the defect location. Thereby, an optical resonator composed of point-like defects, an optical waveguide composed of linear defects, and the like can be provided in the photonic crystal. In addition, by arranging an optical resonator having a resonance wavelength in the wavelength band of light propagating through the optical waveguide in the vicinity of the optical waveguide, the photonic crystal can be used in the light propagating through the optical waveguide. An optical multiplexer / demultiplexer that can extract (demultiplex) light having the same wavelength as the resonance wavelength into the optical resonator and can combine (multiplex) the light having the wavelength from the optical resonator to the optical waveguide. .
フォトニック結晶には主に２次元フォトニック結晶（例えば特許文献１参照）と３次元フォトニック結晶（特許文献２）がある。特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶は、板状の誘電体から成る本体に空孔を周期的に形成したものである。特許文献２に記載の３次元フォトニック結晶は、誘電体から成るロッドが平行に周期的に配列されたストライプ層を、最隣接のストライプ層のロッド同士が直交し次隣接のストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれるように積層したものである。３次元フォトニック結晶は欠陥位置に存在する光が外部に漏出し難く、光共振器や光導波路の損失を極めて低く抑えることができるという利点を有する。 Photonic crystals mainly include two-dimensional photonic crystals (see, for example, Patent Document 1) and three-dimensional photonic crystals (Patent Document 2). The two-dimensional photonic crystal described in Patent Document 1 is one in which holes are periodically formed in a main body made of a plate-like dielectric. The three-dimensional photonic crystal described in Patent Document 2 has a stripe layer in which rods made of a dielectric are periodically arranged in parallel, and the rods of the adjacent stripe layers are orthogonal to each other and the rods of the next adjacent stripe layer are orthogonal to each other. Are stacked so as to be shifted in parallel and half a cycle. The three-dimensional photonic crystal has an advantage that the light existing at the defect position is difficult to leak to the outside, and the loss of the optical resonator and the optical waveguide can be suppressed extremely low.
従来、３次元フォトニック結晶は、ストライプ層同士の位置を正確に合わせなければならないという点で製造が難しいとされていた。それに対して、最近、非特許文献１において、誘電体から成る基材の表面に対して傾斜した第１の方向を指向する第１の異方性エッチングを行ってこの第１方向に延びる孔を形成した後に、第１方向と所定の角度で交差する第２の方向を指向する第２の異方性エッチングを行ってこの第２方向に延びる孔を形成することにより３次元フォトニック結晶を製造することが提案された。この方法では、4n番目（nは整数）のストライプ層及びそれに次隣接の(4n+2)番目のストライプ層は第１の異方性エッチングにより、(4n+1)番目及び(4n+3)のストライプ層は第２の異方性エッチングにより、それぞれ製造される。この方法によれば、ストライプ層同士の位置合わせを行う必要がないため、製造が容易である。 Conventionally, it has been considered difficult to manufacture a three-dimensional photonic crystal in that the positions of stripe layers must be accurately aligned. On the other hand, recently, in Non-Patent Document 1, a hole extending in the first direction is formed by performing a first anisotropic etching directed in a first direction inclined with respect to the surface of the substrate made of a dielectric. After the formation, a three-dimensional photonic crystal is manufactured by performing a second anisotropic etching directed to a second direction intersecting the first direction at a predetermined angle to form a hole extending in the second direction. Proposed to do. In this method, the 4n-th (n is an integer) stripe layer and the (4n + 2) -th stripe layer adjacent to the 4n-th stripe layer are subjected to (4n + 1) th and (4n + 3) by the first anisotropic etching. The stripe layers are respectively manufactured by the second anisotropic etching. According to this method, since it is not necessary to align the stripe layers, manufacturing is easy.
ここで、第１方向と第２方向の成す角度は80°〜100°であることが望ましい。
図１(a)に、基材の材料にSiを用いた場合を例に、異方性エッチングのエッチング角と、そのエッチングにより得られる３次元フォトニック結晶のPBGの大きさ（PBG幅）の関係を計算で求めた結果をグラフで示す。この計算において、第１方向と第２方向は、基材１１の表面に対する垂線を含む同一面内にあり、その垂線との成す角度（エッチング角）は共に同じ大きさαである。従って、第１方向と第２方向の成す角度は2αである。図１(a)より、PBG幅はエッチング角αが40°〜50°の範囲内ではほぼ同じ大きさになり、その範囲から離れるに従って小さくなることがわかる。PBGの幅が大きいほど、所望の波長帯の光が伝播する光導波路や所望の共振波長の光に共振する光共振器が得易く、光合分波器として使用することができる波長帯域を大きくすることができる、等の利点がある。そのため、エッチング角αは40°〜50°、即ち第１方向と第２方向の成す角度は80°〜100°とすることが望ましい。
Here, the angle formed by the first direction and the second direction is desirably 80 ° to 100 °.
Fig. 1 (a) shows an example of the etching angle of anisotropic etching and the PBG size (PBG width) of the three-dimensional photonic crystal obtained by etching using Si as the base material. The graph shows the results of calculating the relationship. In this calculation, the first direction and the second direction are in the same plane including a perpendicular to the surface of the substrate 11, and the angle (etching angle) formed with the perpendicular is the same magnitude α. Therefore, the angle formed by the first direction and the second direction is 2α. From FIG. 1 (a), it can be seen that the PBG width is substantially the same when the etching angle α is in the range of 40 ° to 50 °, and decreases as the distance from the range is increased. The larger the PBG width, the easier it is to obtain an optical waveguide that propagates light in the desired wavelength band and an optical resonator that resonates with light of the desired resonance wavelength, and the wavelength band that can be used as an optical multiplexer / demultiplexer is increased. There are advantages such as being able to. Therefore, the etching angle α is preferably 40 ° to 50 °, that is, the angle formed between the first direction and the second direction is preferably 80 ° to 100 °.
一方、２次元フォトニック結晶は３次元フォトニック結晶よりも製造が容易であるという利点を有する。最近、TE偏波及びTM偏波の双方に共通のPBG（完全PBG）を、従来よりも広いエネルギー領域に亘って形成することができる２次元フォトニック結晶が提案された。非特許文献２には、板状の基材の表面における三角格子の各格子点から、互いに異なる方向に延びる３個の空孔が形成された２次元フォトニック結晶が記載されている。それら３個の空孔は、本体に平行な方向には互いに120°ずつ異なり、本体に垂直な方向にはいずれも本体の法線に対して約36°傾斜した方向に形成されている。従来の２次元フォトニック結晶では完全PBGの幅は最大でも数%（完全PBGの中心値に対する幅の大きさで定義）であったのに対して、この２次元フォトニック結晶では約15%（基材にSiを用いた場合）の幅を持つ完全PBGを形成することができる。 On the other hand, the two-dimensional photonic crystal has an advantage that it is easier to manufacture than the three-dimensional photonic crystal. Recently, a two-dimensional photonic crystal has been proposed that can form a PBG (complete PBG) common to both TE-polarized light and TM-polarized light over a wider energy range than before. Non-Patent Document 2 describes a two-dimensional photonic crystal in which three holes extending in different directions from each lattice point of a triangular lattice on the surface of a plate-like substrate are formed. These three holes are different from each other by 120 ° in the direction parallel to the main body, and are formed in a direction inclined by about 36 ° with respect to the normal of the main body in the direction perpendicular to the main body. In conventional two-dimensional photonic crystals, the width of perfect PBG is at most several percent (defined by the width of the center value of perfect PBG), whereas in this two-dimensional photonic crystal, it is about 15% ( A complete PBG having a width of (when Si is used as the base material) can be formed.
(2) 斜方向エッチングについて
ここまでに述べたように、非特許文献１に記載の３次元フォトニック結晶、及び非特許文献２に記載の傾斜空孔を有する２次元フォトニック結晶はいずれも、基材に対して所定の角度だけ傾斜した方向に基材をエッチング（斜方向エッチング）することにより製造される。このような斜方向エッチングはフォトニック結晶の製造の場合に限られず、半導体デバイスの微細加工や微小電気機械システム（microelectromechanical system、略称：MEMS）の製造等にも用いることができる。
(2) Regarding oblique etching As described above, the three-dimensional photonic crystal described in Non-Patent Document 1 and the two-dimensional photonic crystal having inclined vacancies described in Non-Patent Document 2 are both The substrate is manufactured by etching (oblique etching) in a direction inclined by a predetermined angle with respect to the substrate. Such oblique etching is not limited to the production of photonic crystals, but can also be used for microfabrication of semiconductor devices, production of microelectromechanical systems (abbreviated as MEMS), and the like.
斜方向エッチングの方法の１つとして、プラズマエッチングの一種である反応性イオンエッチング法が挙げられる。図２に示すように、反応性イオンエッチング法はプラズマ１２中のイオンをバイアス電圧により加速して被加工物に入射させることにより、被加工物をエッチングするものである。この反応性イオンエッチング法を用いる場合、イオンを加速する方向に対して基材１１を傾斜して配置（図２(a)）すれば、斜方向エッチングを行うことができるようにも思われる。しかし、実際には、このように基材１１を配置すると、バイアス電圧により形成される等電位面１３は基材１１の表面に平行に形成され（図２(b)）、イオンはその軌道１４がこの等電位面１３に対して垂直な方向となるように曲げられ、基材１１の表面に対して垂直に入射する。そのため、この方法では基材に対して斜方向にエッチングをすることができない。 As one of the oblique etching methods, there is a reactive ion etching method which is a kind of plasma etching. As shown in FIG. 2, the reactive ion etching method is to etch a workpiece by accelerating ions in the plasma 12 by a bias voltage and causing the ions to enter the workpiece. When this reactive ion etching method is used, it seems that the oblique etching can be performed if the substrate 11 is inclined with respect to the direction of accelerating ions (FIG. 2A). However, actually, when the base material 11 is arranged in this way, the equipotential surface 13 formed by the bias voltage is formed in parallel to the surface of the base material 11 (FIG. 2 (b)), and ions orbit 14 thereof. Is bent in a direction perpendicular to the equipotential surface 13 and is incident perpendicular to the surface of the substrate 11. For this reason, this method cannot etch the substrate in an oblique direction.
非特許文献３には、図２(c)に示すように、プラズマ１２にバイアス電圧を印加するための電極１４１及び１４２の間に、上面にステンレス鋼製の格子から成る窓１５１を設けたシールド（ファラデー箱）１５を設け、シールド１５の中に、イオンの加速方向に対して基材１１を傾斜して配置した状態で基材１１をプラズマエッチングすることが記載されている。この方法によれば、プラズマ中のイオンはシールド１５の外側においてバイアス電圧により加速され、窓１５１からシールド１５内に進入する。この時、シールド１５内には電界が形成されていないため、イオンは軌道を曲げられることなく、基材１１の表面に対して斜め方向に入射する。これにより基材１１は斜方向にエッチングされる。 In Non-Patent Document 3, as shown in FIG. 2 (c), a shield in which a window 151 made of a stainless steel grid is provided on the upper surface between electrodes 141 and 142 for applying a bias voltage to the plasma 12 is provided. (Faraday box) 15 is provided, and it is described that the substrate 11 is plasma-etched in the shield 15 in a state where the substrate 11 is inclined with respect to the acceleration direction of ions. According to this method, ions in the plasma are accelerated by the bias voltage outside the shield 15 and enter the shield 15 through the window 151. At this time, since an electric field is not formed in the shield 15, ions are incident on the surface of the base material 11 in an oblique direction without bending the trajectory. Thereby, the base material 11 is etched in the oblique direction.
特許文献３には、図２(d)に示すように、基材１１をその表面がイオンの入射方向に対して垂直になるように配置し、基材１１の表面に対して傾斜した上面を持つテーパブロック１６をその表面に配置し、テーパブロック１６の上に電界制御板（特許文献３では「プラズマ制御板」と表記）１７を載置したうえで、基材１１を反応性イオンエッチング法によりエッチングすることが記載されている。この方法によれば、基材１１と電界制御板１７が接する点の付近においてイオンは軌道を曲げられ、基材１１の表面に対して斜め方向に入射する。これにより基材１１はその箇所において斜め方向にエッチングされる。 In Patent Document 3, as shown in FIG. 2 (d), the base material 11 is arranged so that the surface thereof is perpendicular to the incident direction of ions, and an upper surface inclined with respect to the surface of the base material 11 is provided. A taper block 16 is disposed on the surface, an electric field control plate (indicated as “plasma control plate” in Patent Document 3) 17 is placed on the taper block 16, and the substrate 11 is then subjected to reactive ion etching. Etching is described. According to this method, the ions are bent in the vicinity of the point where the base material 11 and the electric field control plate 17 are in contact, and are incident on the surface of the base material 11 in an oblique direction. Thereby, the base material 11 is etched in the diagonal direction at the location.
特許文献３の方法では、電界制御板１７の角度β（電界制御板１７と基材１１の表面との成す角度）を大きくするほどエッチング角αが大きくなる。しかし、電界制御板１７はテーパブロック１６に載置されていることから電界制御板角度βは90°以上にすることはできないため、この方法によればエッチング角αは電界制御板角度βが90°の時の値よりも大きくすることができない。そのため、この方法では、３次元フォトニック結晶の作製の際に求められる40°〜50°や、非特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶の作製に必要な36°といった大きさのエッチング角αでの斜方向エッチングを、フォトニック結晶を作製するのに十分な面積に亘って行うことはできない。 In the method of Patent Document 3, the etching angle α increases as the angle β of the electric field control plate 17 (the angle formed by the electric field control plate 17 and the surface of the substrate 11) increases. However, since the electric field control plate 17 is placed on the taper block 16, the electric field control plate angle β cannot be set to 90 ° or more. Therefore, according to this method, the etching angle α is set so that the electric field control plate angle β is 90. Cannot be larger than the value at °. For this reason, in this method, an etching angle as large as 40 ° to 50 ° required when producing a three-dimensional photonic crystal or 36 ° required for producing a two-dimensional photonic crystal described in Non-Patent Document 2 is used. Diagonal etching at α cannot be performed over an area sufficient to produce a photonic crystal.
また、非特許文献３に記載の方法では基材を傾斜して配置し、また、特許文献３に記載の方法においても同様に電界制御板を基材上で傾斜して配置しているが、この場合、基材の上部に大きな空間が必要である。 Further, in the method described in Non-Patent Document 3, the base material is inclined and arranged, and also in the method described in Patent Document 3, the electric field control plate is similarly inclined and arranged on the base material. In this case, a large space is required above the base material.
本発明が解決しようとする課題は、大きなエッチング角で、且つフォトニック結晶を作製するのに十分な大面積に亘って、従来よりも小さい空間内で斜方向エッチングを行うことができるプラズマエッチング方法、及びそのプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶の製造方法を提供することである。 A problem to be solved by the present invention is a plasma etching method capable of performing oblique etching in a smaller space than in the past over a large area sufficient to produce a photonic crystal with a large etching angle. And a photonic crystal manufacturing method using the plasma etching method.
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマエッチング方法は、基材の表面に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている電界制御板を該表面に対して略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該基材表面に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することを特徴とする。 The plasma etching method according to the present invention made to solve the above-described problems is a method for the surface of a substrate so that the surface of the substrate has a predetermined thickness and the upper surface protrudes outside the lower surface. An electric field control plate formed with an edge inclined with respect to the line is disposed substantially parallel to the surface, generates a plasma above the substrate, and ions in the plasma are applied to the substrate surface. A potential difference is formed between the plasma and the substrate surface so as to be incident.
本発明に係るフォトニック結晶製造方法は、誘電体から成る基材の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し、前記孔形成領域の近傍に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている電界制御板を該基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成する工程を有することを特徴とする。 In the photonic crystal manufacturing method according to the present invention, a mask in which a large number of holes are provided in a predetermined pattern is arranged in a hole forming region that is a part of the surface of a base material made of a dielectric, and the vicinity of the hole forming region. In addition, an electric field control plate having a predetermined thickness and having an edge inclined with respect to a normal line of the surface of the substrate so that the upper surface protrudes outward from the lower surface is substantially formed on the surface of the substrate. Arranging in parallel, generating plasma above the substrate, and forming a potential difference between the plasma and the substrate surface so that ions in the plasma are incident on the hole forming region. Features.
また、
a) 誘電体から成る基材の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを該基材表面に形成する工程であって、該孔形成領域を複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目（nは整数）の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+2)番目の帯状領域に多数の孔が4n番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第１マスクを形成する第１マスク形成工程と、
b) 前記孔形成領域の近傍に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第１の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行な第１の方向に指向する異方性エッチングを行う第１エッチング工程と、
c) 前記第１マスクを除去する第１マスク除去工程と、
d) 前記孔形成領域内の(4n+1)番目の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+3)番目の帯状領域に(4n+1)番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第２マスクを形成する第２マスク形成工程と、
e) 前記第１マスク形成工程において第１電界制御板を配置した位置から前記孔形成領域を挟んで対向する、該孔形成領域の近傍の位置に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第２の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行であって前記第１の方向とは異なる第２の方向に指向する異方性エッチングを行う第２エッチング工程と、
f) 前記第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、
をこの順で行うことにより、３次元フォトニック結晶を製造することができる。
前記第１電界制御板と第２電界制御板には、第１エッチング工程と第２エッチング工程におけるエッチング角αを同じ大きさにする場合には、同一の電界制御板を用いることができる。
Also,
a) a step of forming a mask having a plurality of holes in a predetermined pattern on a hole forming region which is a part of the surface of a substrate made of a dielectric material, the hole forming region including a plurality of hole forming regions; A number of holes are arranged in the 4n-th (n is an integer) band-shaped region with a period a 1 and a number of holes are located in the (4n + 2) -th band region. the 4n-th strip-like region of the hole and the first mask formation step of forming a first mask disposed in the cycle a 1 displaced in the longitudinal direction of the strip by a 1/2,
b) In the vicinity of the hole forming region, a first layer having a predetermined thickness and having an edge inclined with respect to the normal of the surface of the substrate so that the upper surface protrudes outward from the lower surface The electric field control plate is disposed substantially parallel to the substrate surface, generates plasma above the substrate, and causes ions in the plasma to enter the hole forming region. A first etching step of performing anisotropic etching directed in a first direction parallel to the band-shaped region by forming a potential difference therebetween;
c) a first mask removing step of removing the first mask;
with d) a large number of holes (4n + 1) -th band-like region of the hole forming region is arranged in a cycle a 1, (4n + 3) th to strip-like regions (4n + 1) -th band A second mask forming step of forming a second mask that is displaced in the longitudinal direction of the band by a 1/2 from the hole in the region and is disposed at a period a 1 ;
e) In the first mask forming step, the upper surface is lower than the lower surface at a position in the vicinity of the hole forming region that is opposed to the position where the first electric field control plate is disposed across the hole forming region. A second electric field control plate having an edge inclined with respect to the normal line of the surface of the base material so as to protrude outward is disposed substantially parallel to the base material surface, And generating a potential difference between the plasma and the substrate surface so that ions in the plasma are incident on the hole-forming region, so that the first region is parallel to the band-shaped region and the first region is formed. A second etching step for performing anisotropic etching directed in a second direction different from the direction;
f) a second mask removing step of removing the second mask;
By performing in this order, a three-dimensional photonic crystal can be manufactured.
For the first electric field control plate and the second electric field control plate, the same electric field control plate can be used when the etching angle α in the first etching step and the second etching step is made the same.
本願では「基材の上方」、「（電界制御板の）上（下）面」等のように「上」及び「下」という語を用いるが、これらの語は基材、電界制御板及びプラズマの相対的な位置関係を表すために便宜的に用いたものであり、それら位置関係を鉛直方向に関する上下に限定するものではない。 In this application, the terms “upper” and “lower” are used, such as “upper side of base material”, “upper (lower) surface of (electric field control plate)”, and the like. It is used for convenience to express the relative positional relationship of the plasma, and the positional relationship is not limited to the vertical direction in the vertical direction.
本発明に係るプラズマエッチング方法によれば、電界制御板の縁が、電界制御板の上面が下面よりも外側に突出（オーバーハング）するように傾斜しており、一見すると、縁の直下では電界制御板自体がマスクとなりエッチングがなされないようにも思われる。しかし、プラズマと基材表面の間に電位差（バイアス電圧）を形成すると、縁付近の等電位面は縁の下側に引き込まれるように形状が歪む。そのため、イオンは縁の直下の領域に回り込み、基材表面に対して斜め方向に入射する。これにより、基材を、その表面の法線に対して傾斜した方向にエッチングすることができる。 According to the plasma etching method of the present invention, the edge of the electric field control plate is inclined such that the upper surface of the electric field control plate protrudes (overhangs) outside the lower surface. It seems that the control plate itself becomes a mask and etching is not performed. However, when a potential difference (bias voltage) is formed between the plasma and the substrate surface, the shape is distorted so that the equipotential surface near the edge is drawn below the edge. For this reason, the ions wrap around the region immediately below the edge and are incident on the substrate surface in an oblique direction. Thereby, a base material can be etched in the direction inclined with respect to the normal line of the surface.
前述の特許文献３に記載の方法においても、電界制御板を用いて等電位面を歪ませることにより斜方向にエッチングがなされると考えられる。しかし、特許文献３に記載の方法では電界制御板角度βは最大でも90°でありオーバーハングさせることができない。それに対して、本発明では電界制御板の縁をオーバーハングさせることにより、特許文献３に記載の方法よりも等電位面の形状を大きく歪ませることができ、その結果、エッチング角αをより大きくすることができると共に、より大きな領域に亘ってこのような斜め方向エッチングを行うことができる。 In the method described in Patent Document 3 described above, it is considered that etching is performed in an oblique direction by distorting the equipotential surface using an electric field control plate. However, in the method described in Patent Document 3, the electric field control plate angle β is 90 ° at the maximum and cannot be overhanged. On the other hand, in the present invention, by overhanging the edge of the electric field control plate, the shape of the equipotential surface can be greatly distorted as compared with the method described in Patent Document 3, and as a result, the etching angle α is increased. In addition, the oblique etching can be performed over a larger area.
また、本発明のプラズマエッチング方法では、斜方向エッチングは電界制御板の縁の直下の領域においてなされる。そのため、この領域に向かって基材表面に対して垂直方向に進行するイオンは電界制御板の上面において遮断され、この領域には到達せず、垂直方向のエッチングが生じることを防いで所望の斜方向エッチングのみを行うことができる。 In the plasma etching method of the present invention, the oblique etching is performed in a region immediately below the edge of the electric field control plate. For this reason, ions traveling in a direction perpendicular to the substrate surface toward this region are blocked at the upper surface of the electric field control plate, do not reach this region, and prevent vertical etching from occurring. Only directional etching can be performed.
本発明では、電界制御板の縁と基材表面の成す角度や電界制御板の厚さを調整することにより、電界制御板の縁付近における等電位面の形状及びそれにより定まるエッチング角を制御することができる。
また、エッチングガスの流量や圧力、あるいはエッチングガスをプラズマ化する際に投入される電力等を調整することによっても、プラズマシースの厚さやバイアス電圧の大きさを変化させることができ、その結果、電界制御板の縁付近における等電位面の形状及びそれにより定まるエッチング角を制御することができる。
これらの各条件は予備実験により定めることができる。
In the present invention, the shape of the equipotential surface in the vicinity of the edge of the electric field control plate and the etching angle determined thereby are controlled by adjusting the angle formed by the edge of the electric field control plate and the surface of the substrate and the thickness of the electric field control plate. be able to.
Also, the thickness of the plasma sheath and the magnitude of the bias voltage can be changed by adjusting the flow rate and pressure of the etching gas, or the electric power input when the etching gas is turned into plasma, and as a result, The shape of the equipotential surface in the vicinity of the edge of the electric field control plate and the etching angle determined thereby can be controlled.
Each of these conditions can be determined by preliminary experiments.
更に、本発明では電界制御板を基材表面に略平行に配置するため、電界制御板を支えるジグ（例えば特許文献３に記載のテーパブロック）を用いる必要がなく、また、基材の上部に大きな空間が必要になることもない。 Furthermore, in the present invention, since the electric field control plate is disposed substantially parallel to the surface of the substrate, it is not necessary to use a jig (for example, a taper block described in Patent Document 3) that supports the electric field control plate. There is no need for a large space.
本発明のプラズマエッチング方法を、非特許文献１に記載の３次元フォトニック結晶や非特許文献２に記載の傾斜空孔を有する２次元フォトニック結晶を製造する際に必要な斜方向エッチングに用いることにより、３次元フォトニック結晶の作製の際に求められる40°〜50°や、非特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶の作製に必要な36°といった大きなエッチング角を実現することができる。また、エッチング角を容易に調整することができるため、これらのフォトニック結晶の製造が容易になる。 The plasma etching method of the present invention is used for oblique etching required when manufacturing a three-dimensional photonic crystal described in Non-Patent Document 1 or a two-dimensional photonic crystal having inclined vacancies described in Non-Patent Document 2. As a result, it is possible to realize a large etching angle such as 40 ° to 50 ° required in the production of the three-dimensional photonic crystal and 36 ° necessary for the production of the two-dimensional photonic crystal described in Non-Patent Document 2. it can. In addition, since the etching angle can be easily adjusted, it is easy to manufacture these photonic crystals.
本願発明者が行った後述の実験によれば、所定の条件において、電界制御板の縁からの距離が数百μmの範囲内において、ほぼ同じエッチング角で斜方向エッチングを行うことができる。そのため、数百μm角程度の大きさのフォトニック結晶を製造する場合には、１方向に対するエッチングは１回行うだけでよく、フォトニック結晶の製造工程を簡素化することができる。 According to the later-described experiment conducted by the present inventor, oblique etching can be performed at substantially the same etching angle within a range of several hundred μm from the edge of the electric field control plate under predetermined conditions. Therefore, when a photonic crystal having a size of about several hundred μm square is manufactured, etching in one direction only needs to be performed once, and the manufacturing process of the photonic crystal can be simplified.
また、本発明のプラズマエッチング方法は、フォトニック結晶の製造のみならず、半導体デバイスやMEMS等、斜方向エッチングによる微細加工が必要な物の製造にも好適に用いることができる。 The plasma etching method of the present invention can be suitably used not only for the production of photonic crystals, but also for the production of semiconductor devices, MEMS, and the like that require fine processing by oblique etching.
(1)プラズマエッチング方法
本発明のプラズマエッチング方法の一実施形態を、図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態における処理対象の基材２１及び電界制御板２２の配置を示したものである。電界制御板２２は基材２１の表面に略平行に配置され、その電界制御板２２の縁２３は、基材２１表面に対して斜め方向に切断された形状、具体的には、縁２３において電界制御板２２の上面が下面よりも外側（図３の左側）にオーバーハングした形状を有している。このように電界制御板２２を配置した状態で、従来の反応性イオンエッチング法と同様の方法によりプラズマを生成し、そのプラズマ中のイオンにバイアス電圧を印加することによりイオンを加速して基材２１及び電界制御板２２の表面に照射する。
(1) Plasma Etching Method One embodiment of the plasma etching method of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows the arrangement of the substrate 21 and the electric field control plate 22 to be processed in the present embodiment. The electric field control plate 22 is disposed substantially parallel to the surface of the base material 21, and the edge 23 of the electric field control plate 22 is cut in an oblique direction with respect to the surface of the base material 21, specifically, at the edge 23. The upper surface of the electric field control plate 22 has a shape that overhangs outside the lower surface (left side in FIG. 3). With the electric field control plate 22 arranged as described above, plasma is generated by a method similar to the conventional reactive ion etching method, and a bias voltage is applied to the ions in the plasma to accelerate the ions, thereby 21 and the surface of the electric field control plate 22 are irradiated.
このように電界制御板２２の縁２３がオーバーハングしていることにより、一見すると、縁２３の直下の領域２６にはイオンが到達せず、その領域では基材２１がエッチングされないようにも思われる。しかし、実際には以下の理由により、その領域２６にもイオンが到達し、まさにその領域２６において斜方向エッチングが実現する。
イオンが基材２１及び電界制御板２２の表面に照射される間、バイアス電圧による等電位面２４は、基材２１及び電界制御板２２の中央付近ではそれらに対してほぼ平行に形成される。それに対して、基材２１と電界制御板２２の境界付近では、縁２３に沿って電界制御板２２の下面側に等電位面が引き込まれるように変形する。即ち、等電位面２４は縁２３付近において基材２１及び電界制御板２２に平行な平面から歪んだ形状になる。この境界付近では、照射されるイオンの軌道は、このように歪んだ等電位面２４に対して垂直方向に、即ち基材２１の表面の法線に対して傾斜した方向に曲げられる。そして、領域２６にイオンが回り込んで入射する。これにより、領域２６では、縁２３の影になることなく、イオンは基材２１の表面に対してこの傾斜した方向に入射するため、基材２１はこの方向に指向したエッチングがなされる。
Thus, since the edge 23 of the electric field control plate 22 is overhanging, it seems that ions do not reach the region 26 immediately below the edge 23 and the base material 21 is not etched in that region. It is. However, actually, ions reach the region 26 for the following reason, and the oblique etching is realized in the region 26.
While ions are applied to the surface of the base material 21 and the electric field control plate 22, the equipotential surface 24 by the bias voltage is formed substantially parallel to the base 21 and the electric field control plate 22 near the center. On the other hand, in the vicinity of the boundary between the base material 21 and the electric field control plate 22, the equipotential surface is deformed so as to be drawn to the lower surface side of the electric field control plate 22 along the edge 23. That is, the equipotential surface 24 has a shape distorted from a plane parallel to the base material 21 and the electric field control plate 22 in the vicinity of the edge 23. In the vicinity of this boundary, the trajectory of the irradiated ions is bent in a direction perpendicular to the distorted equipotential surface 24, that is, in a direction inclined with respect to the normal line of the surface of the substrate 21. Then, ions enter the region 26 and enter. As a result, in the region 26, the ions enter the inclined direction with respect to the surface of the base material 21 without becoming a shadow of the edge 23, so that the base material 21 is etched in this direction.
特許文献３に記載の電界制御板を傾斜させて用いた場合、あるいは縁が基材の表面に対して略垂直に形成された電界制御板を基材２１に平行に配置した場合と比較すると、本実施形態の方法は、上述のようにイオンが縁２３の直下に回り込むようにして基材２１に入射することにより、エッチング角をより大きくすることができる。これにより、３次元フォトニック結晶の作製に必要な40°〜50°、あるいは非特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶の作製に必要な36°という大きなエッチング角での斜方向エッチングを、それらフォトニック結晶を作製するのに十分な数百μm角以上の大きな領域に亘って実現することができる。 Compared with the case where the electric field control plate described in Patent Document 3 is used while being inclined, or when the electric field control plate whose edge is formed substantially perpendicular to the surface of the substrate is arranged parallel to the substrate 21, In the method of the present embodiment, the etching angle can be further increased by making the ions enter the base material 21 so as to wrap around just below the edge 23 as described above. Thus, oblique etching with a large etching angle of 40 ° to 50 ° necessary for the production of the three-dimensional photonic crystal or 36 ° necessary for the production of the two-dimensional photonic crystal described in Non-Patent Document 2 is performed. It can be realized over a large region of several hundred μm square or more sufficient to produce these photonic crystals.
また、本実施形態によれば、領域２６に、基材２１の表面に対して垂直方向に進行するイオンが進入しようとした場合には、そのイオンは電界制御板２２の上面において遮断され、領域２６には到達しない。そのため、領域２６において基材２１がその表面に対して垂直方向にエッチングされることがない。 Further, according to the present embodiment, when ions traveling in the direction perpendicular to the surface of the base material 21 enter the region 26, the ions are blocked on the upper surface of the electric field control plate 22, and the region 26 is not reached. Therefore, the base material 21 is not etched in the direction perpendicular to the surface in the region 26.
エッチング角は縁２３の傾斜角の他に、電界制御板２２の厚さ、エッチングガスの流量、圧力、投入電力を調整することによって制御することもできる。従って、縁２３の傾斜角を含むこれらのパラメータとエッチング角の関係を予備実験により求めておくことにより、所望のエッチング角でエッチングを行うことができる。 In addition to the inclination angle of the edge 23, the etching angle can be controlled by adjusting the thickness of the electric field control plate 22, the flow rate of the etching gas, the pressure, and the input power. Therefore, by obtaining the relationship between these parameters including the inclination angle of the edge 23 and the etching angle by preliminary experiments, the etching can be performed at a desired etching angle.
本実施形態においては、電界制御板２２を基材２１に略平行に配置するため、電界制御板を支持するためのジグが不要であり、また、電界制御板２２の上部の空間を最小限に抑えることができる。 In the present embodiment, since the electric field control plate 22 is disposed substantially parallel to the base material 21, a jig for supporting the electric field control plate is not required, and the space above the electric field control plate 22 is minimized. Can be suppressed.
なお、図３には縁が直線状に形成される例を示したが、この縁の形状は曲線状であってもよい。また、図３には１つの断面のみにおける制御板の縁の形状のみを示したが、図の奥行き方向の縁の形状をこれらの図に表された断面に平行な各断面において全て同じ形状にすることにより、加工される基材の形状を奥行き方向に一様にすることができる。それに対して、各断面において縁の形状を異なる形状にすれば、奥行き方向に変化のある形状を基材に形成することができる。 Although FIG. 3 shows an example in which the edge is formed in a straight line, the shape of the edge may be a curved line. Further, FIG. 3 shows only the shape of the edge of the control plate in only one cross section, but the shape of the edge in the depth direction in the figure is the same in all the cross sections parallel to the cross sections shown in these figures. By doing, the shape of the base material processed can be made uniform in the depth direction. On the other hand, if the shape of the edge is different in each cross section, a shape having a change in the depth direction can be formed on the substrate.
(2)フォトニック結晶の製造方法
ここでは、前述の実施形態に係るプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶の製造方法の一実施形態について説明する。
(2) Photonic Crystal Manufacturing Method Here, an embodiment of a photonic crystal manufacturing method using the plasma etching method according to the above-described embodiment will be described.
(2-1)３次元フォトニック結晶の製造方法
図４(a)に、本実施形態の方法により製造される３次元フォトニック結晶を示す。この３次元フォトニック結晶３０はSiやGaAs等の誘電体から成るロッド３１が周期aで略平行に並んだストライプ層３２が積層した構造を有する。ストライプ層３２は４層周期で同じ構造になるように積層しており、互いに次隣接である4n番目（nは整数、以下同様）のストライプ層３２１のロッド３１と(4n+2)番目のストライプ層３２３のロッド３１は略平行且つ1/2周期ずつずれるように並んでいる。(4n+1)番目のストライプ層３２２のロッド３１と(4n+3)番目のストライプ層３２４のロッド３１の関係も同様である。そして、最隣接のストライプ層３２同士では、ロッド３１は略直交するように配置されている。なお、その交差角が90°から多少ずれたとしても、その積層体は、フォトニックバンドギャップが形成されフォトニック結晶として機能する。
図４(b)に、(a)とは異なる方向から見た斜視図を示す。この図では、ストライプ層３２に垂直であってロッド３１に角度45°で交差する断面３３を上面として表した。ストライプ層３２１及びストライプ層３２３においては、ロッド３１は図の左上から右下に延びるように形成されていると共に、ロッド３１の間にある空隙３４も図の左上から右下に延びるように形成されている。一方、ストライプ層３２２及びストライプ層３２４においては、ロッド３１及び空隙３４は図の右上から左下に延びるように形成されている。
(2-1) Method for Producing Three-dimensional Photonic Crystal FIG. 4 (a) shows a three-dimensional photonic crystal produced by the method of this embodiment. This three-dimensional photonic crystal 30 has a structure in which rod layers 31 made of a dielectric material such as Si or GaAs are stacked with a stripe layer 32 in which the rods 31 are arranged substantially in parallel with a period a. The stripe layers 32 are laminated so as to have the same structure in a four-layer cycle. The rods 31 and the (4n + 2) -th stripe of the 4n-th stripe layer 321 (n is an integer, the same applies hereinafter) that are next to each other. The rods 31 of the layer 323 are arranged so as to be substantially parallel and shifted by 1/2 period. The relationship between the rod 31 of the (4n + 1) th stripe layer 322 and the rod 31 of the (4n + 3) th stripe layer 324 is the same. In the adjacent stripe layers 32, the rods 31 are arranged so as to be substantially orthogonal. Even if the crossing angle slightly deviates from 90 °, the stacked body functions as a photonic crystal with a photonic band gap formed.
FIG. 4 (b) shows a perspective view seen from a direction different from (a). In this figure, a cross section 33 perpendicular to the stripe layer 32 and intersecting the rod 31 at an angle of 45 ° is shown as the upper surface. In the stripe layer 321 and the stripe layer 323, the rod 31 is formed so as to extend from the upper left in the drawing to the lower right, and the gap 34 between the rods 31 is also formed so as to extend from the upper left in the drawing to the lower right. ing. On the other hand, in the stripe layer 322 and the stripe layer 324, the rod 31 and the gap 34 are formed to extend from the upper right to the lower left in the drawing.
本実施形態のフォトニック結晶製造方法では、本発明のプラズマエッチング法を用いて断面３３から斜方向に延びる空隙３４を形成することにより、３次元フォトニック結晶３０を製造する。その方法を、図５及び図６を用いて説明する。図５に示した断面は、この方法により製造される３次元フォトニック結晶３０のストライプ層３２に平行な面であり、図５(a), (b)はストライプ層３２１又は３２３を通る断面を、(c)〜(e)はストライプ層３２２又は３２４を通る断面を、それぞれ表している。 In the photonic crystal manufacturing method of the present embodiment, the three-dimensional photonic crystal 30 is manufactured by forming the void 34 extending obliquely from the cross section 33 using the plasma etching method of the present invention. This method will be described with reference to FIGS. The cross section shown in FIG. 5 is a plane parallel to the stripe layer 32 of the three-dimensional photonic crystal 30 manufactured by this method, and FIGS. 5A and 5B are cross sections passing through the stripe layer 321 or 323. , (C) to (e) represent cross sections passing through the stripe layer 322 or 324, respectively.
まず、ロッド３１と同じ材料から成る基材４１を用意し、基材４１の表面にマスク４２１を形成する（図５(a)）。このマスク４２１は、図６(a)に示すように、断面３３においてストライプ層３２１及び３２３内の空隙３４に対応する位置に孔４３１を設けたものである。孔４３１は、ストライプ層に平行な方向に周期a1（例えばエッチング角が基材４１の表面に対して45°である場合にはa1=20.5a）で並んでおり、ストライプ層３２１に対応する帯状の領域とストライプ層３２３に対応する帯状領域の間ではa1/2だけずれて配置されている。 First, a base material 41 made of the same material as the rod 31 is prepared, and a mask 421 is formed on the surface of the base material 41 (FIG. 5A). As shown in FIG. 6A, the mask 421 has a hole 431 at a position corresponding to the gap 34 in the stripe layers 321 and 323 in the cross section 33. The holes 431 are arranged in a direction parallel to the stripe layer at a period a 1 (for example, a 1 = 20.5 a when the etching angle is 45 ° with respect to the surface of the substrate 41). The corresponding band-shaped region and the band-shaped region corresponding to the stripe layer 323 are arranged so as to be shifted by a 1/2 .
次に、基材４１の上のマスク４２１の近傍に電界制御板２２を載置し、本発明のプラズマエッチング法により基材４１をエッチングする（図５(b)）。ここで、電界制御板２２はこの図におけるマスク４２１の右側に載置する。また、縁２３はストライプ層３２に平行な断面において図の左上から右下に向かって切断された形状を有する。縁２３の表面と基材４１の表面の成す角度、電界制御板２２の厚さ、プラズマエッチングの条件等は、空隙３４の延びる方向に基材がエッチングされるように、予備実験により求めておく。このように電界制御板２２を配置することにより、基材４１には、マスクの孔４３１を通して左上から右下に指向したイオンが入射し、このイオンの入射方向と同じ方向に延びる空隙３４を有するストライプ層３２１及び３２３が形成される。 Next, the electric field control plate 22 is placed in the vicinity of the mask 421 on the base material 41, and the base material 41 is etched by the plasma etching method of the present invention (FIG. 5B). Here, the electric field control plate 22 is placed on the right side of the mask 421 in this figure. The edge 23 has a shape cut from the upper left to the lower right in the cross section parallel to the stripe layer 32. The angle formed by the surface of the edge 23 and the surface of the substrate 41, the thickness of the electric field control plate 22, the conditions for plasma etching, and the like are obtained by preliminary experiments so that the substrate is etched in the direction in which the gap 34 extends. . By arranging the electric field control plate 22 in this way, ions directed from the upper left to the lower right are incident on the base material 41 through the mask hole 431, and the gap 34 extends in the same direction as the incident direction of the ions. Stripe layers 321 and 323 are formed.
次に、マスク４２１を除去し、基材４１の表面にマスク４２２を形成する（図５(c)）。マスク４２２は、ストライプ層３２２及び３２４内の空隙３４に対応する位置に孔４３２を設けたものである（図６(b)）。次に、基材４１の上のマスク４２２の近傍に電界制御板２２を載置し、本発明のプラズマエッチング法により基材４１をエッチングする（図５(d)）。ここで、電界制御板２２はマスク４２２の左側に載置され、縁２３はストライプ層３２に平行な断面において図５(d)の右上から左下に向かって切断された形状を有する。なお、電界制御板２２は図５(b)に示したものを、向きを変えるだけでそのまま用いることができる。これにより、基材４１には、マスクの孔４３２を通して右上から左下に指向したイオンが入射し、このイオンの入射方向と同じ方向に延びる空隙３４を有するストライプ層３２２及び３２４が形成される。その後、マスク４２２を除去することにより、３次元フォトニック結晶３０が完成する（図５(e)）。 Next, the mask 421 is removed, and a mask 422 is formed on the surface of the base material 41 (FIG. 5C). The mask 422 is provided with a hole 432 at a position corresponding to the gap 34 in the stripe layers 322 and 324 (FIG. 6B). Next, the electric field control plate 22 is placed in the vicinity of the mask 422 on the base material 41, and the base material 41 is etched by the plasma etching method of the present invention (FIG. 5 (d)). Here, the electric field control plate 22 is placed on the left side of the mask 422, and the edge 23 has a shape cut from the upper right to the lower left in FIG. 5D in a cross section parallel to the stripe layer 32. Note that the electric field control plate 22 shown in FIG. 5B can be used as it is simply by changing the direction. As a result, ions directed from the upper right to the lower left are incident on the substrate 41 through the mask holes 432, and stripe layers 322 and 324 having voids 34 extending in the same direction as the incident direction of the ions are formed. Thereafter, the mask 422 is removed to complete the three-dimensional photonic crystal 30 (FIG. 5E).
(2-2)傾斜空孔２次元フォトニック結晶の製造方法
図７に、本実施形態のフォトニック結晶製造方法により作製される、非特許文献２に記載の傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０の一例を示す。傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０は、誘電体から成る板状の基材５１に、この基材５１に平行な断面において円形である空孔５２が周期的に形成されたものである(a)。空孔５２は、基材５１の表面５３１においては三角格子５４１の格子点５２１上に配置されており、基材５１の裏面５３２においては、三角格子５４１の格子点により形成される三角形の重心の直下にある、三角格子５４２の格子点５２２上に配置されている(b)。全ての格子点５２１から同様に、それに最隣接の３個の格子点５２２に向かってそれぞれ１個ずつ、基材５１に対して傾斜して延びる斜円柱状の空孔柱５２Ａ、５２Ｂ及び５２Ｃが形成されている。図７(b)及び(c)に、それら３個の空孔柱５２Ａ〜５２Ｃが延びる方向を矢印で示した。これら矢印の表面５３１への射影は、３個の空孔柱５２Ａ〜５２Ｃの間で120°ずつ異なる方向を向いている。
(2-2) Manufacturing Method of Tilted Hole Two-Dimensional Photonic Crystal FIG. 7 shows a tilted hole two-dimensional photonic crystal 50 described in Non-Patent Document 2 manufactured by the photonic crystal manufacturing method of this embodiment. An example is shown. In the inclined hole two-dimensional photonic crystal 50, holes 52 that are circular in a cross section parallel to the base material 51 are periodically formed in a plate-like base material 51 made of a dielectric (a). ). The holes 52 are arranged on the lattice points 521 of the triangular lattice 541 on the surface 531 of the base material 51, and the center of gravity of the triangle formed by the lattice points of the triangular lattice 541 on the back surface 532 of the base material 51. It is arranged on the lattice point 522 of the triangular lattice 542 located immediately below (b). Similarly, all of the lattice points 521 are inclined cylindrical columnar holes 52A, 52B, and 52C each extending toward the three adjacent lattice points 522 in an inclined manner with respect to the base material 51. Is formed. 7B and 7C, the direction in which the three hole columns 52A to 52C extend is indicated by arrows. The projection of these arrows onto the surface 531 is directed in different directions by 120 ° between the three hole columns 52A to 52C.
この傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０の製造方法を、図８を用いて説明する。まず、板状の基材５１の表面に、三角格子状に配置された孔５６を有するマスク５５を形成する(a)。次に、基材５１の上のマスク５５の近傍に電界制御板２２を載置する（断面図：(b-1)、上面図：(b-2)）。電界制御板２２の縁２３は基材５１に垂直な断面において下面が上面よりもマスク５５側に突出した構造を有する。縁２３の表面と基材５１の成す角度は、プラズマエッチングにより基材５１が空孔柱５２Ａの延びる方向にエッチングされるように、予備実験により求めておく。ここで、縁２３は(b-1)では奥行き方向に延び、(b-2)では左右方向に延びている。電界制御板２２の向きは、この縁２３の方向が三角格子５４１のうちの１本の格子に平行になるようにする(b-2)。なお、(b-1)中の点及び(b-2)中の破線２３１は、縁２３が基材５１の表面に接する部分を示している。このように電界制御板２２を配置して本発明のプラズマエッチング法を実行することにより、マスク５５の各孔５６から同じ方向に延びる空孔柱５２Ａ（図８には図示せず）が形成される。 A method for manufacturing the inclined hole two-dimensional photonic crystal 50 will be described with reference to FIG. First, a mask 55 having holes 56 arranged in a triangular lattice pattern is formed on the surface of the plate-like substrate 51 (a). Next, the electric field control plate 22 is placed in the vicinity of the mask 55 on the substrate 51 (cross-sectional view: (b-1), top view: (b-2)). The edge 23 of the electric field control plate 22 has a structure in which the lower surface protrudes toward the mask 55 from the upper surface in a cross section perpendicular to the substrate 51. The angle formed between the surface of the edge 23 and the base material 51 is determined by preliminary experiments so that the base material 51 is etched in the direction in which the hole columns 52A extend by plasma etching. Here, the edge 23 extends in the depth direction in (b-1), and extends in the left-right direction in (b-2). The direction of the electric field control plate 22 is set so that the direction of the edge 23 is parallel to one of the triangular lattices 541 (b-2). Note that a point in (b-1) and a broken line 231 in (b-2) indicate a portion where the edge 23 is in contact with the surface of the substrate 51. By arranging the electric field control plate 22 in this way and executing the plasma etching method of the present invention, hole columns 52A (not shown in FIG. 8) extending in the same direction from the respective holes 56 of the mask 55 are formed. The
次に、マスク５５はそのままで、縁２３の向きを基材５１の法線を軸として120°回転させた方向に変えて、電界制御板２２をマスク５５の近傍に配置する(c)。この状態で(b-2)の場合と同様にエッチングを行うことにより、空孔柱５２Ｂが形成される。更に縁２３の向きを同様に120°回転させて電界制御板２２をマスク５５の近傍に配置し(d)、同様にエッチングを行うことにより、空孔柱５２Ｃが形成される。その後、マスク５５を除去することにより、傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０が得られる。 Next, with the mask 55 as it is, the direction of the edge 23 is changed to a direction rotated by 120 ° about the normal line of the substrate 51, and the electric field control plate 22 is disposed in the vicinity of the mask 55 (c). In this state, hole columns 52B are formed by performing etching in the same manner as in (b-2). Further, the direction of the edge 23 is similarly rotated by 120 ° to place the electric field control plate 22 in the vicinity of the mask 55 (d), and etching is performed in the same manner to form the hole column 52C. Thereafter, by removing the mask 55, the inclined hole two-dimensional photonic crystal 50 is obtained.
(1) 第１実施例（プラズマエッチング方法の実施例）
本発明のプラズマエッチング方法の一実施例を、図９〜図１１を用いて説明する。Siから成る基材６１の上に、周期的に孔が形成されたマスク６２を載置し、基材６１上にマスク６２に接するように電界制御板２２を載置した状態で、第１実施形態のプラズマエッチング方法を実施した（図９）。電界制御板２２には、厚さが600μmであって、上面が下面よりもマスク６２側に突出するように縁２３が基材６１の表面に対して約55°の方向に切断された形状を有するものを用いた。なお、本実施例では電界制御板２２の材料には基材６１と同じSiを用いたが、SiO2やAl等の他の材料から成る電界制御板を用いることはもちろん可能である。
(1) First Example (Example of Plasma Etching Method)
An embodiment of the plasma etching method of the present invention will be described with reference to FIGS. The first embodiment is carried out with a mask 62 having periodic holes formed thereon placed on a substrate 61 made of Si and the electric field control plate 22 placed on the substrate 61 so as to be in contact with the mask 62. The form of plasma etching method was carried out (FIG. 9). The electric field control plate 22 has a thickness of 600 μm, and a shape in which the edge 23 is cut in a direction of about 55 ° with respect to the surface of the substrate 61 so that the upper surface protrudes more toward the mask 62 than the lower surface. What I have was used. In this embodiment, the same Si as that of the substrate 61 is used as the material of the electric field control plate 22, but it is of course possible to use an electric field control plate made of another material such as SiO 2 or Al.
本実施例により、基材６１の表面に対して斜め方向に伸びる斜空孔６３が形成された。その斜空孔６３が形成された基材６１の上面(a)及び基材６１を縦方向に切断した縦断面(b)の電子顕微鏡写真を図１０に示す。これらの写真は、原点O（電界制御板２２の下面における縁２３の位置）から約200μm離れた位置を中心に、図９の横方向に約2μmの幅を持つ領域を撮影したものである。この写真より、基材６１の上面の法線に対する角度θが約40°であって約1.3μmの深さまで延びる斜空孔６３が形成されていることがわかる。 According to the present embodiment, the oblique holes 63 extending in the oblique direction with respect to the surface of the substrate 61 were formed. FIG. 10 shows an electron micrograph of the upper surface (a) of the base material 61 in which the oblique holes 63 are formed and a longitudinal section (b) obtained by cutting the base material 61 in the longitudinal direction. These photographs are taken of an area having a width of about 2 μm in the horizontal direction in FIG. 9 with a center of about 200 μm away from the origin O (the position of the edge 23 on the lower surface of the electric field control plate 22). From this photograph, it can be seen that an oblique hole 63 is formed which has an angle θ of about 40 ° with respect to the normal line of the upper surface of the substrate 61 and extends to a depth of about 1.3 μm.
本実施例において、原点Oからの距離xだけ離れた位置から延びる斜空孔の角度θを測定した結果を図１１に示す。距離xが10〜200μmの範囲内において、３次元フォトニック結晶を作製するにあたって十分大きなPGB幅を得るために求められる40°〜50°のエッチング角が得られた。 FIG. 11 shows the result of measuring the angle θ of the oblique hole extending from the position separated by the distance x from the origin O in this example. When the distance x is in the range of 10 to 200 μm, an etching angle of 40 ° to 50 ° required to obtain a sufficiently large PGB width in producing a three-dimensional photonic crystal was obtained.
比較のために、基材の表面に対して垂直に形成された縁２３ａを持つ電界制御板２２ａ（図１２）を用いて、同様の実験を行った。その結果を図１３及び図１４に示す。図１３に示した写真は前述の図１０と同様に原点Oから200μm離れた位置を中心に約2μmの幅を持つ領域を撮影したものである。この例においても、基材６１にはその表面に対して斜め方向に伸びる斜空孔６３ａが形成されている。これは、縁２３ａ付近において、電界制御板２２ａと基材６１の表面の段差が存在することにより、等電位面２４ａ（図１２）の形状が歪むためであると考えられる。しかし、そのエッチング角は26°であり、図１０（第１実施例）の場合よりも小さい。そして、原点Oのごく近傍（原点から約1μmまで）を除いて、３次元フォトニック結晶の作製に求められる40°〜50°のエッチング角を得ることはできなかった。
以上の実験結果から、３次元フォトニック結晶を作製するためには、比較例に記載の方法ではなく、第１実施例のようにオーバーハングを持つ縁を有する電界制御板を用いることが望ましいことが明らかになった。
For comparison, a similar experiment was performed using an electric field control plate 22a (FIG. 12) having an edge 23a formed perpendicular to the surface of the substrate. The results are shown in FIGS. The photograph shown in FIG. 13 is a photograph of an area having a width of about 2 μm centered on a position 200 μm away from the origin O, as in FIG. Also in this example, the base material 61 is formed with oblique holes 63a extending obliquely with respect to the surface thereof. This is considered to be because the shape of the equipotential surface 24a (FIG. 12) is distorted due to the presence of a step between the surface of the electric field control plate 22a and the base material 61 in the vicinity of the edge 23a. However, the etching angle is 26 °, which is smaller than that in the case of FIG. 10 (first embodiment). Then, except for the very vicinity of the origin O (up to about 1 μm from the origin), an etching angle of 40 ° to 50 ° required for the production of a three-dimensional photonic crystal could not be obtained.
From the above experimental results, in order to produce a three-dimensional photonic crystal, it is desirable to use an electric field control plate having an edge with an overhang as in the first embodiment, instead of the method described in the comparative example. Became clear.
(2) 第２実施例（３次元フォトニック結晶の製造方法の実施例）
図５に示した本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法により作製された３次元フォトニック結晶の上面の顕微鏡写真を図１５に示す。
本実施例では、結晶中のロッドが占める割合を示す充填率が異なる２種類の３次元フォトニック結晶を作製した。図１５(a)には充填率が0.36である３次元フォトニック結晶３０Ａを、(b)には充填率が0.27である３次元フォトニック結晶３０Ｂを、それぞれ示した。また、本実施例では、最隣接のストライプ層のロッドが交差する位置を通る断面３３Ｂ（図４(b)）が上面になるように、その断面３３Ｂにおける空隙６４の位置に合わせて孔を設けたマスクを用いた。空隙６４は結晶上面から下に向かうに従い、ストライプ層３２１及び３２３では図１５の左側から右側に延びるように、ストライプ層３２２及び３２４では図１５の右側から左側に延びるように、それぞれ形成されている。結晶上面の法線と各空隙６４の延びる方向の成す角度θは40°である。また、結晶上面における、ストライプ層に平行な方向の空隙６４の周期は0.75μmであり、空隙６４の深さは1.3μmである。基材には第１及び第２実施例と同様にSiから成るものを用いた。
(2) 2nd Example (Example of the manufacturing method of a three-dimensional photonic crystal)
FIG. 15 shows a micrograph of the upper surface of the three-dimensional photonic crystal produced by the method for producing the three-dimensional photonic crystal of the present invention shown in FIG.
In this example, two types of three-dimensional photonic crystals having different filling rates indicating the proportion of the rod in the crystal were produced. FIG. 15A shows a three-dimensional photonic crystal 30A having a filling factor of 0.36, and FIG. 15B shows a three-dimensional photonic crystal 30B having a filling factor of 0.27. Further, in this embodiment, a hole is provided in accordance with the position of the gap 64 in the cross section 33B so that the cross section 33B (FIG. 4B) passing through the position where the rods of the adjacent stripe layers intersect is the upper surface. A mask was used. The voids 64 are formed so as to extend from the left side of FIG. 15 to the right side in the stripe layers 321 and 323 and from the right side to the left side in FIG. . An angle θ formed by the normal line of the crystal upper surface and the extending direction of each gap 64 is 40 °. The period of the gap 64 in the direction parallel to the stripe layer on the upper surface of the crystal is 0.75 μm, and the depth of the gap 64 is 1.3 μm. A substrate made of Si was used as in the first and second embodiments.
図１６に、本実施例により得られた３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂに赤外線を入射した時の透過率及び反射率の測定結果を示す。ここで透過率は、３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂにおいて得られた値を、エッチングを行っていないSi基材の透過率で除すことにより規格化した値で示した。また、図１７に、３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂのエッチング角、ロッド誘電率、周期、充填率及び空隙の深さを用いて、時間領域差分法により透過率を計算した結果を示す。３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂのいずれも、計算によりPBGが形成されることが示された波長帯域６５Ａ及び６５Ｂ及びその近傍において透過率の実験値と計算値がよく一致している。この結果から、本実施例において作製された３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂにおいて確かにPBGが形成されていることが確認された。 FIG. 16 shows the measurement results of transmittance and reflectance when infrared light is incident on the three-dimensional photonic crystals 30A and 30B obtained in this example. Here, the transmittance is a value normalized by dividing the value obtained in the three-dimensional photonic crystals 30A and 30B by the transmittance of the Si base material that has not been etched. FIG. 17 shows the result of calculating the transmittance by the time-domain difference method using the etching angle, rod dielectric constant, period, filling rate, and void depth of the three-dimensional photonic crystals 30A and 30B. In both of the three-dimensional photonic crystals 30A and 30B, the experimental values and the calculated values of the transmittance are in good agreement in the wavelength bands 65A and 65B where the PBG is formed by calculation and in the vicinity thereof. From this result, it was confirmed that PBG was surely formed in the three-dimensional photonic crystals 30A and 30B produced in this example.
１１、２１、４１、５１、６１…基材
１２…プラズマ
１３、２４…等電位面
１４…イオンの軌道
１４１、１４２…電極
１５…シールド
１５１…シールドの窓
１６…テーパブロック
１７、２２、２２ａ…電界制御板
２３、２３ａ…電界制御板の縁
２３１…基材と電界制御板が接する部分
２６…縁２３の直下の領域
３０、３０Ａ、３０Ｂ…３次元フォトニック結晶
３１…ロッド
３２、３２１〜３２４…ストライプ層
３３、３３Ｂ…３次元フォトニック結晶の断面
３４…空隙
４２１、４２２、５５、６２…マスク
４３１、４３２、５６…マスクの孔
５２…空孔
５２１、５２２…三角格子の格子点
５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…空孔柱
５３１…２次元フォトニック結晶の表面
５３２…２次元フォトニック結晶の裏面
５４１、５４２…三角格子
６３、６３ａ…斜空孔
６４…空隙
６５Ａ、６５Ｂ…PBGが形成される波長帯域
11, 21, 41, 51, 61 ... substrate 12 ... plasma 13, 24 ... equipotential surface 14 ... ion trajectory 141, 142 ... electrode 15 ... shield 151 ... shield window 16 ... taper block 17, 22, 22a ... Electric field control plates 23, 23 a .. Edge 231 of electric field control plate... Portion 26 where base material and electric field control plate are in contact with each other... Region 30, 30 A, 30 B just below edge 23. ... stripe layer 33, 33B ... cross section 34 of three-dimensional photonic crystal ... gap 421, 422, 55, 62 ... mask 431, 432, 56 ... mask hole 52 ... hole 521, 522 ... triangular lattice point 52A, 52B, 52C ... Hole pillar 531 ... Two-dimensional photonic crystal surface 532 ... Two-dimensional photonic crystal back surface 541, 542 ... Triangular lattice 63, 63a Wavelength band Hasusoraana 64 ... gap 65A, 65B ... PBG is formed
Claims (5)
b) 前記孔形成領域の近傍に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第１の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行な第１の方向に指向する異方性エッチングを行う第１エッチング工程と、
c) 前記第１マスクを除去する第１マスク除去工程と、
d) 前記孔形成領域内の(4n+1)番目の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+3)番目の帯状領域に(4n+1)番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第２マスクを形成する第２マスク形成工程と、
e) 前記第１マスク形成工程において第１電界制御板を配置した位置から前記孔形成領域を挟んで対向する、該孔形成領域の近傍の位置に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第２の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行であって前記第１の方向とは異なる第２の方向に指向する異方性エッチングを行う第２エッチング工程と、
f) 前記第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、
をこの順で行うことを特徴とする３次元フォトニック結晶製造方法。 a) a step of forming a mask having a plurality of holes in a predetermined pattern on a hole forming region which is a part of the surface of a substrate made of a dielectric material, the hole forming region including a plurality of hole forming regions; A number of holes are arranged in the 4n-th (n is an integer) band-shaped region with a period a 1 and a number of holes are located in the (4n + 2) -th band region. the 4n-th strip-like region of the hole and the first mask formation step of forming a first mask disposed in the cycle a 1 displaced in the longitudinal direction of the strip by a 1/2,
b) In the vicinity of the hole forming region, a first layer having a predetermined thickness and having an edge inclined with respect to the normal of the surface of the substrate so that the upper surface protrudes outward from the lower surface The electric field control plate is disposed substantially parallel to the substrate surface, generates plasma above the substrate, and causes ions in the plasma to enter the hole forming region. A first etching step of performing anisotropic etching directed in a first direction parallel to the band-shaped region by forming a potential difference therebetween;
c) a first mask removing step of removing the first mask;
with d) a large number of holes (4n + 1) -th band-like region of the hole forming region is arranged in a cycle a 1, (4n + 3) th to strip-like regions (4n + 1) -th band A second mask forming step of forming a second mask that is displaced in the longitudinal direction of the band by a 1/2 from the hole in the region and is disposed at a period a 1 ;
e) In the first mask forming step, the upper surface is lower than the lower surface at a position in the vicinity of the hole forming region that is opposed to the position where the first electric field control plate is disposed across the hole forming region. A second electric field control plate having an edge inclined with respect to the normal line of the surface of the base material so as to protrude outward is disposed substantially parallel to the base material surface, And generating a potential difference between the plasma and the substrate surface so that ions in the plasma are incident on the hole-forming region, so that the first region is parallel to the band-shaped region and the first region is formed. A second etching step for performing anisotropic etching directed in a second direction different from the direction;
f) a second mask removing step of removing the second mask;
Are performed in this order. A method for producing a three-dimensional photonic crystal.
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