JP2008040334A - ３次元フォトニック結晶の製造方法及びそれに使用する３次元フォトニック結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の光束を感光材中で干渉させて干渉縞を生じさせることで３次元フォトニック結晶を製造するいわゆるホログラフィックリソグラフィー法において、簡易な構成の光学系を用いて短時間で大型のフォトニック結晶を製造する手段及びそれに使用する製造装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る３次元フォトニック結晶の製造方法は、３次元周期で光の屈折率が変化する３次元フォトニック結晶の製造方法において、照射された光強度に応じて屈折率が変化する感光材３に対し、相異なる３方向から２光束干渉露光を行うことにより、所定厚みの壁状の潜像１６が複数並設されてなる潜像群１７，１８，１９を３方向に向かってそれぞれ形成し、３つの潜像群１７，１８，１９が重なり合う部分とそれ以外の部分とで屈折率に差を生じさせることにより、感光材３に３次元周期の屈折率変化を形成するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトニックバンドギャップを利用した各種光導波路デバイスや、バンド端での光学特性を利用した各種光デバイスを作製するための光学媒質である３次元フォトニック結晶の製造方法及びそれに使用する製造装置に関する。

近年、各種光デバイスを作製するための新たな光学媒質としてフォトニック結晶が提唱されている。このフォトニック結晶は、光の波長オーダーの周期的屈折率分布を有し、光子のエネルギーに対してバンド構造が形成されるという特徴を有している。特に、３次元周期の屈折率分布を持つ３次元フォトニック結晶の場合、全ての方向に対して光の存在が禁止される完全フォトニックバンドギャップが形成されるため、線欠陥を導入して光の存在を許容することによって極微小光導波路を形成することができ、また点欠陥を導入して微小点への光の捕獲を可能とすることによって微小光共振器を形成することができる。これにより、導波現象や発光現象の根元制御が可能となり、各種発光デバイスの性能向上を図ることができる。また、その他にも、光の群速度が零になるバンド端に着目して、定在波状態を共振器として用いることで大面積レーザ等を実現することや、光が伝搬可能な透過バンドに着目して、特異な分散関係に基づき様々な光制御を可能にすることも期待されている。

この３次元フォトニック結晶の製造方法は４つに大別される。第１の製造方法は、微粒子の凝集を用いる方法である。この方法では、例えば、数ミクロン径の一定の大きさのプラスチック球を水中に分散させ、静かに放置して水を蒸発させると、プラスチック球がエネルギー的に最も安定な面心立方格子を形成する。しかし、この第１の製造方法によれば、形成された結晶の一部に不整列の欠陥が入りやすい反面、人工的に欠陥を導入して導波路化する手法がないという問題がある。また、形成できる結晶が面心立方格子に限られるという問題もある。

また、第２の製造方法は、層毎形成方法である。この方法では、エッチングにより２次元格子を形成してこれを積層することで３次元化するか、或いはあらかじめ２次元格子が形成された基板上にスパッタリングにより屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層することで３次元化する。しかし、この第２の製造方法によれば、結晶の形成途中で人工的な欠陥を導入することは容易であるが、形成に時間を要するため、大型で原子層数の大きい結晶の形成が難しいという問題がある。

また、第３の製造方法は、ＳＯＲ（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ；シンクロトロン放射）リソグラフィー法である。この方法では、三角配列の２次元のＸ線マスクを用いて斜入射のＸ線で３方向から多重露光することで、面心立方格子が形成される。しかし、この第３の製造方法では、過去作製が報告されているのは面心立方格子だけである上に、ＳＯＲを用いるので製造装置が高価になるという問題がある。

第４の製造方法は、ホログラフィックリソグラフィー法と呼ばれるレーザ干渉法である（例えば特許文献１参照）。この方法では、１本のレーザを４つの光束に分割して、これら４光束を１度の露光によって光硬化性樹脂中で同時に干渉させる。すると、周期的な干渉縞が形成されてその部分の光硬化性樹脂が硬化するため、未硬化部分を除去すれば、３次元格子構造を有する硬化部分だけが残留する。この方法によれば、４光束干渉を用いることで１４種類のブラベー格子全てを形成できることが証明されており、また、人工的な欠陥の導入方法も提案されており、比較的大型の結晶も形成できるので有力な手法である。

特開２０００−３２９９２０号公報

しかし、３次元フォトニック結晶の従来の製造方法のうち、前記第４の製造方法では、４光束干渉の光学系が複雑で、形成する結晶系によっては光学系を構成するのが難しいという問題がある。また、干渉においては、４光束の偏光間の内積で干渉縞のコントラストが決まるが、４光束ゆえに、例えば偏光方向を全て一致させることができないことからもわかるように、偏光方向を任意に設定できないという問題もある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、複数の光束を感光材中で干渉させて干渉縞を生じさせることで３次元フォトニック結晶を製造するいわゆるホログラフィックリソグラフィー法において、簡易な構成の光学系を用いて短時間で大型のフォトニック結晶を製造する手段及びそれに使用する製造装置を提供する。

上記目的を達成するための請求項１記載の３次元フォトニック結晶の製造方法は、３次元周期で屈折率が変化する３次元フォトニック結晶の製造方法において、照射された光強度に応じて屈折率が変化する感光材に対し、相異なる３方向から２光束干渉露光を行うことにより、所定厚みの壁が複数並設されてなる壁群を前記３方向に向かってそれぞれ形成し、これら３つの壁群が重なり合う部分とそれ以外の部分とで屈折率に差を生じさせることにより、前記感光材に３次元周期の屈折率変化を形成するものである。

請求項２記載の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記感光材に対する相異なる３方向からの２光束干渉露光は、前記感光材に対して同じ入射角で所定時間差をおいて３回の２光束干渉露光を行い、各２光束干渉露光の合間に前記感光材を同一平面内で所定角度ずつ回転させることにより行うものである。

請求項３記載の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記感光材に対する相異なる３方向からの２光束干渉露光は、前記感光材に対して異なる入射角で所定時間差をおいて３回の２光束干渉露光を行い、各２光束干渉露光の合間に前記感光材を同一平面内で所定角度ずつ回転させることにより行うものである。

請求項４記載の３次元フォトニック結晶製造装置は、３次元周期で屈折率が変化する３次元フォトニック結晶を製造するための３次元フォトニック結晶製造装置において、光強度が周期的に変化する光の場を２光束干渉露光によって作り出す光学系と、該光学系によって作り出される光の場の中に、照射された光強度に応じて屈折率が変化する感光材を同一平面内で回転可能に保持する可動ステージと、を具備するものである。

請求項５記載の３次元フォトニック結晶製造装置は、前記光学系が、２光束干渉露光の前記感光材への入射角を変更可能に設けられたものである。

本発明に係る３次元フォトニック結晶の製造方法によれば、感光材に対し、相異なる３方向から２光束干渉露光を行うことで３つの壁群を形成するので、簡易な構成の光学系で、短時間に大型の３次元フォトニック結晶を形成することができる。また、光学系を動かすことなく、感光材を回転させることで相異なる３方向から２光束干渉露光を行うので、光学系の構成を更に簡略化することができる。

また、２光束干渉露光を用いることにより、偏光方向を同一とすることができるので、コントラストの大きい干渉縞を形成することができる。逆に、偏光方向や、強度比を変えることでコントラストを調整することもでき、原子のつながり具合や、形をコントロールすることができる。

また、各２光束干渉露光毎に感光材への入射角を変化させることにより、立方晶系以外の、すなわち正方晶系、斜方晶系、菱面体、六方晶系、単斜晶系、三斜晶系の格子を形成することも可能である。これにより、感光材への入射角を一定にして立方晶系の格子を形成する場合と合わせて、１４種類のブラベー格子全てを形成することができる。

また、本発明に係る３次元フォトニック結晶製造装置によれば、光強度が周期的に変化する光の場を２光束干渉露光によって作り出すので、簡易な構成の光学系で、短時間に大型の３次元フォトニック結晶を形成することができる。また、可動ステージを制御して感光材を同一平面内で回転させることにより、光学系を動かすことなく、感光材の異なる方向から２光束干渉露光を行うことができる。

また、本発明に係る３次元フォトニック結晶製造装置によれば、３回の２光束干渉露光毎に感光材への入射角を変化させることにより、立方晶系以外の、すなわち正方晶系、斜方晶系、菱面体、六方晶系、単斜晶系、三斜晶系の格子を形成することも可能である。これにより、感光材への入射角を一定にして立方晶系の格子を形成する場合と合わせて、１４種類のブラベー格子全てを形成することができる。

以下、本発明の実施例に係る３次元フォトニック結晶の製造方法及びその製造装置について図面に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る３次元フォトニック結晶製造装置１の構成を示す概略図である。３次元フォトニック結晶製造装置１は、空間内に光の波長オーダーの周期で光強度が変化する光の場を作り出す光学系２と、該光学系２によって作り出された光の場の中に感光材３を移動可能に保持する可動ステージ４と、を備えてなるものである。

光学系２は、いわゆる２光束干渉露光系であって、図１に示すように、レーザ光Ｌ１を放射するレーザ光源５と、該レーザ光源５から発せられたレーザ光Ｌ１を２つの光束Ｌ２，Ｌ３に分割するためのビームスプリッタ６と、各光束Ｌ２，Ｌ３を可動ステージ４上の感光材３へと導くための光路ミラー群７と、各光束Ｌ２，Ｌ３のビーム径を拡げるためのビームエクスパンダ８と、２つの光束Ｌ２，Ｌ３のうち一方の光束Ｌ２の光路長を補正するための光路長補正機構９とを具備している。

レーザ光源５は、シャッタ装置１０を備え、このシャッタ装置１０の制御によって所望のタイミングでレーザ光Ｌ１を射出可能となっている。また、ビームスプリッタ６は、いわゆるハーフミラー１１を備え、このハーフミラー１１でレーザ光Ｌ１を反射し又は透過することによって２分割するものである。また、ビームエクスパンダ８は、集光レンズ１２と空間フィルタ１３と平行化レンズ１４とを備え、集光レンズ１２で各光束Ｌ２，Ｌ３を集光して空間フィルタ１３に形成されたピンホール１５を通過させた後、平行化レンズ１４で平行光に変換することにより、そのビーム径を拡大するものである。また、光路長補正機構９は、ハーフミラー１１で反射された光束Ｌ２の光路上に配置され、その光路長をハーフミラー１１を透過した光束Ｌ３の光路長との関係で適宜補正するためのものである。

このように構成される光学系２によれば、レーザ光源５から射出された１本のレーザ光Ｌ１が、光路ミラー７Ａによってビームスプリッタ６へ案内され、２つの光束Ｌ２，Ｌ３に分割される。このうち、ハーフミラー１１を透過した光束Ｌ３は、光路ミラー７Ｂによってビームエクスパンダ８へ案内されてそのビーム径が拡大された後、光路ミラー７Ｃで反射されることにより可動ステージ４へ向けて照射される。一方、ハーフミラー１１で反射された光束Ｌ２は、ビームエクスパンダ８によってビーム径が拡大され、光路長補正機構９によってその光路長が補正された後、光路ミラー７Ｄで反射されることにより可動ステージ４へ向けて照射される。これにより、可動ステージ４近傍の空間では、光路ミラー７Ｃからの光束Ｌ３と光路ミラー７Ｄからの光束Ｌ２とが所定角度をなして交差し、その干渉によって周期的な干渉縞、すなわち光の波長オーダーの周期で光強度が変化する光の場が作り出される。

一方、可動ステージ４は、図に詳細は示さないが、光学系２によって作り出された光の場の中に感光材３を保持するための保持トレイと、感光材３をその法線を中心として回転可能に支持する回転ステージとからなるものである。

以下、３次元フォトニック結晶製造装置１を用いた３次元フォトニック結晶の製造方法について説明する。まず、可動ステージ４上に感光材３をセットする。本実施例では、感光材３として、ある閾値以上の光強度で露光されることで硬化する光硬化性樹脂を使用し、この感光材３を所定の基板の上に塗布することにより、感光材３の薄膜を形成する。そして、この感光材３の薄膜が形成された基板を可動ステージ４の上に移動不能に固定する。

次に、シャッタ装置１０を操作してレーザ光源５から第１回目の露光を行う。レーザ光源５から射出されたレーザ光Ｌ１は、前述のように、ビームスプリッタ６によって２つの光束Ｌ２，Ｌ３に分割され、ハーフミラー１１を透過した光束Ｌ３はビームエクスパンダ８を経て反射ミラー７Ｃで反射されることにより、またハーフミラー１１で反射された光束Ｌ２はビームエクスパンダ８と光路長補正機構９を経て反射ミラー７Ｄで反射されることにより、それぞれ所定の入射角で可動ステージ４上の感光材３に露光される。この２つの光束Ｌ２，Ｌ３は、感光材３中で交差して干渉することで周期的な干渉縞を形成し、感光材３はこの干渉縞に対応する部分が露光されていわゆる潜像を形成している。これにより、図２（ａ）に示すように、感光材３中には、所定厚みの壁状の潜像１６が一定間隔で並設されてなる潜像群１７が所定方向に向かって形成される。

そして、第１回目の露光が終了した後、可動ステージ４を動作制御することで感光材３を所定角度だけ回転させる。より詳細には、感光材３の位置を原点として空間内に（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の直交座標系を考えた場合、ＸＹ平面内でＺ軸廻りに１２０°だけ感光材３を回転させる。そして、この状態から、シャッタ装置１０を操作してレーザ光源５から第２回目の露光を行い、第１回目の露光時と同じ入射角で２つの光束Ｌ２，Ｌ３を感光材３に露光する。これにより、感光材３中には、周期的な干渉縞が形成され、図２（ｂ）に示すように、第１回目の露光時とは異なる方向に向かって延びる潜像群１８が形成される。

更に、第２回目の露光が終了した後、再び可動ステージ４を動作制御して感光材３を回転させる。より詳細には、ＸＹ平面内でＺ軸廻りに、且つ、第１回目と第２回目の露光の間に回転させた方向と同じ廻り方向に、１２０°だけ感光材３を回転させる。そして、この状態から、シャッタ装置１０を操作してレーザ光源５から第３回目の露光を行い、第１回目及び第２回目と同じ入射角で２つの光束Ｌ２，Ｌ３を感光材３に露光する。これにより、感光材３中には、周期的な干渉縞が形成され、図２（ｃ）に示すように、第１回目及び第２回目の露光時とは異なる方向に向かって延びる潜像群１９が形成される。

最後に、溶剤等を用いて感光材３を現像する。すなわち、第３回目の露光が終了した時点において、感光材３中には異なる３方向に延びる３つの潜像群１７，１８，１９が形成されるが、この３つの潜像群１７，１８，１９が重なり合う部分では、３回の露光を受けてその露光量が感光材３の閾値を超えるようになっている。これにより、感光材３は、３つの潜像群１７が重なり合う部分のみが硬化し、その他の部分は未硬化のままとなっている。従って、溶剤等を用いて未硬化部分を除去すれば、感光材３は、硬化部分だけを残してその他の部分が空洞状態となる。これにより、感光材３の残留部分と空洞部内の空気とで３次元周期の屈折率変化を形成する３次元フォトニック結晶が得られる。本実施例では、２つの光束Ｌ２，Ｌ３の感光材３への入射角を適宜設定することにより、図３に模式的に示すように、感光材３の硬化部分２０すなわち３つの潜像群１７が重なり合う部分が、面心立方格子の格子点に相当する位置となるようにして、面心立方格子の３次元フォトニック結晶を形成している。尚、図３では、各硬化部分２０が棒状の連結部材２１を介して互いに結合された状態を示したが、この連結部材２１は説明の便宜上図示したものに過ぎない。実際には、連結部材２１は形成されず、且つ、硬化部分２０は互いに接触するほど大径であって、この接触部分を介して各硬化部分２０同士が互いに結合された状態となっている。

尚、本実施例では、各光束Ｌ２，Ｌ３の感光材３への入射角を変えることなく２光束干渉露光を３回行い、各露光の合間に感光材３をＸＹ平面内でＺ軸廻りに１２０°ずつ回転させることで面心立方格子の３次元フォトニック結晶を形成したが、各光束Ｌ２，Ｌ３の感光材３への入射角や感光材３の回転角を適宜変更すれば、単純立方格子や体心立方格子といった立方晶系の格子を形成することも可能である。また、各露光の合間に感光材３を回転させることに加えて、各露光時毎に感光材３への光束Ｌ２，Ｌ３の入射角を適宜変更すれば、立方晶系以外の、すなわち正方晶系、斜方晶系、菱面体、六方晶系、単斜晶系、三斜晶系の格子を形成することも可能である。このようにして、本発明によれば１４種類全てのブラベー格子を形成することができる。

また、本実施例によれば、感光材３をＸＹ平面内でＺ軸廻りに回転させたため、形成される格子は特定方位のものに限定されるが、感光材３を例えばＹ軸及びＺ軸の２軸廻りに回転させれば、任意の方位の格子を形成することが可能である。

また、感光材３の内部に３つの潜像群１７を形成する手段としては、各露光の合間に感光材３を回転させる方法以外に、例えば、光学系２を移動可能に設けて、感光材３を位置固定したまま各露光の合間に光学系２を移動させる方法や、複数の光学系２を設けて、感光材３を位置固定したまま各露光の合間に光学系２を切り替える方法も採用可能である。しかし、本実施例のように感光材３を回転させた方が、光学系２の構成を簡略化することができるという利点がある。

また、本実施例では、露光された部分が硬化するいわゆるネガ型の感光材３を使用したが、これに替えて露光された部分が分解するいわゆるポジ型の感光材３を使用することも可能である。この場合、３つの壁群が重なり合う部分においてのみ感光材３が分解するようにして、この分解部分を溶剤等で除去すれば、感光材３は、３次元格子の格子点に相当する位置が空洞状態となる。これにより、感光材３の残留部分と空洞部内の空気とで３次元周期の屈折率変化を形成する３次元フォトニック結晶が得られる。

また、感光材３に対して２光束干渉露光を行うことに替えて、アクリル樹脂に代表されるＸ線レジスト材料に対してＸ線照射を３回行い、各照射の合間にアクリル樹脂を適宜回転させることも可能である。この場合、各Ｘ線が重なった部分においてのみアクリル樹脂に穴が開くようにスリットアレイ状のＸ線マスクを通して露光すれば、アクリル樹脂の残留部分と穴の開いた部分とで３次元周期の屈折率変化を形成する３次元フォトニック結晶が得られる。

本発明は、フォトニックバンドギャップを利用した各種光導波路デバイスや、バンド端での光学特性を利用した各種光デバイスの作製に適用可能である。

本実施例に係る３次元フォトニック結晶製造装置１の構成を示す概略図。 感光材３中に形成される３つの潜像群１７，１８，１９を説明するための説明図。 面心立方格子の３次元フォトニック結晶を説明するための説明図。

符号の説明

１ ３次元フォトニック結晶製造装置
２ 光学系
３ 感光材
４ 可動ステージ
１６ 潜像
１７，１８，１９ 潜像群
２０ 感光材の硬化部分
Ｌ２，Ｌ３ 光束

Claims (5)

1. ３次元周期で屈折率が変化する３次元フォトニック結晶の製造方法において、
   照射された光強度に応じて屈折率が変化する感光材に対し、相異なる３方向から２光束干渉露光を行うことにより、所定厚みの壁状の潜像が複数並設されてなる潜像群を前記３方向に向かってそれぞれ形成し、これら３つの潜像群が重なり合う部分とそれ以外の部分とで屈折率に差を生じさせることにより、前記感光材に３次元周期の屈折率変化を形成することを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
2. 前記感光材に対する相異なる３方向からの２光束干渉露光は、前記感光材に対して同じ入射角で所定時間差をおいて３回の２光束干渉露光を行い、各２光束干渉露光の合間に前記感光材を同一平面内で所定角度ずつ回転させることにより行う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製造方法。
3. 前記感光材に対する相異なる３方向からの２光束干渉露光は、前記感光材に対して異なる入射角で所定時間差をおいて３回の２光束干渉露光を行い、各２光束干渉露光の合間に前記感光材を同一平面内で所定角度ずつ回転させることにより行う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製造方法。
4. ３次元周期で屈折率が変化する３次元フォトニック結晶を製造するための３次元フォトニック結晶製造装置において、
   光強度が周期的に変化する光の場を２光束干渉露光によって作り出す光学系と、該光学系によって作り出される光の場の中に、照射された光強度に応じて屈折率が変化する感光材を同一平面内で回転可能に保持する可動ステージと、を具備することを特徴とする３次元フォトニック結晶製造装置。
5. 前記光学系が、２光束干渉露光の前記感光材への入射角を変更可能に設けられたことを特徴とする請求項４記載の３次元フォトニック結晶製造装置。

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