JP2008299031A - フォトニック結晶構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイス特性の向上を図ることができるフォトニック結晶構造の提供が可能となり、精度よく、簡易に、低コストで、複雑な３次元構造、特にナノフォトニック結晶の製造が可能となるフォトニック結晶構造の製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの方向に光学特性が周期的に変化するフォトニック結晶構造であって、
前記フォトニック結晶構造の母材が誘電体で構成され、該母材に該母材の構成元素と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンを含む領域を備え、
前記領域は、前記分子または原子またはイオンの密度が、前記１つの方向に周期的に変化するように前記母材に配置されている構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトニック結晶構造およびその製造方法に関する。

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。
また、フォトニック結晶において、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徴を有している。
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。

このような３次元フォトニック結晶において、その代表的な構造の一つとして、特許文献１に開示されているウッドパイル構造（あるいはロッドパイル構造）が知られている。
この３次元フォトニック結晶におけるウッドパイル構造は、図５に示すような構造を有している。
図５において、５００は３次元周期構造であり、複数のロッド５０１を平行に、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複数備え、これらを順次積層した構造を有している。
具体的には、複数のロッドを平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した第１のストライプ層と、
上記第１のストライプ層上に、該第１のストライプ層に属する各ロッドと直交するようにして積層された第２のストライプ層と、
上記第２のストライプ層上に、上記第１のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第３のストライプ層と、
上記第３のストライプ層上に、上記第２のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第４のストライプ層と、
上記第１から第４のストライプ層を一組として、複数組を順次積層して、３次元周期構造が構成されている。
ここでの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。

また、より広い波長領域で完全フォトニックバンドギャップを呈するため、特許文献２では、ジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造が提案されている。
このジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造は、図６に示すような構造を有している。
図６において、６００は３次元周期構造であり、ウッドパイル構造ロッドに相当するロッド部６０１の交点に、該交差領域の面積より大きいジョイント部６２０が配置された構造を有している。

このような微細３次元構造を有する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、一般的に、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。
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。

従来において、ウッドパイル構造の３次元フォトニック結晶の製造方法として、特許文献３では、つぎのような積層技術による異種部材の熱接着方法が提案されている。
ここでの熱接着方法では、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わ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。
以上のような積層技術によって、比較的複雑な構造を有する３次元フォトニック結晶の製造が可能とされている。

一方、従来の薄膜加工法において、特許文献４ではつぎのようなパターン形成方法および半導体素子の製造方法が開示されている。
ここでは、薄膜加工に際して、以下のようなイオンビーム注入工程と、被エッチング材にドライエッチングを施す工程と、によって薄膜加工を可能にしている。すなわち、イオンビーム注入工程では、被エッチング材に集束させるイオンビームの注入位置を変えるとともに加速電圧、イオンの原子種、イオンの価数の少なくとも一つを変えてイオン注入し、前記被エッチング材の深さ方向にイオン濃度ピーク領域を形成する。
また、ドライエッチングを施す工程では、被エッチング材のイオン濃度ピーク領域でイオンとエッチング抑制領域を形成するエッチングガスにより前記被エッチング材をドライエッチングする。これらの工程により、薄膜加工が実施される。
米国特許第５，３３５，２４０号明細書 特開２００６−０６５２７３号公報 特開２００４−２１９６８８号公報 特許第３２４０１５９号公報

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求められる。
例えば、ウッドパイル構造を有する３次元フォトニック結晶の場合には、各ロッドの加工誤差はロッド周期の約１０％以下であることが望ましく、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、３次元フォトニック結晶の製造に際して、特許文献３のような従来の積層法では、現有の半導体技術を流用することはできるが、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。
したがって、このような方法では生産性の向上を図ることがきわめて困難となる。
また、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。
その上、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。
このようなことから、上記した従来の積層法では、精度よく３次元フォトニック結晶を製造することが困難である。

一方、特許文献４に見られる従来の薄膜加工法では、被エッチング材に対して深さ方向の加工が可能とされている。
しかし、これらの技術を用いてウッドパイルのような複雑な構造を有する３次元フォトニック結晶の作製を可能とすることについては、解決されていない。

本発明は、上記課題に鑑み、デバイス特性の向上を図ることができるフォトニック結晶構造の提供が可能となり、精度よく、簡易に、低コストで、複雑な３次元構造、特にナノフォトニック結晶の製造が可能となるフォトニック結晶構造の製造方法を目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成したフォトニック結晶構造およびその製造方法を提供するものである。
本発明のフォトニック結晶構造は、少なくとも１つの方向に光学特性が周期的に変化するフォトニック結晶構造であって、
前記フォトニック結晶構造の母材が誘電体で構成され、該母材に該母材の構成元素と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンを含む領域を備え、
前記領域は、前記分子または原子またはイオンの密度が、前記１つの方向に周期的に変化するように前記母材に配置されていることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記フォトニック結晶構造の母材が、連続体または多層膜であることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記誘電体が、Ｓｉ、またはＳｉを含む化合物であることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記母材を構成する誘電体が、２種類の誘電体で構成され、その少なくとも１種類の誘電体による母材に、前記領域が構成されていることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記誘電体の１種類が真空、または空気を含むガスであり、前記誘電体の他の１種類がＳｉ、またはＳｉを含む化合物であることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記フォトニック結晶構造の母材が、多層膜であることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記分子または原子またはイオンの少なくとも１種類が、Ｇａ、Ｉｎによる金属、またはＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｒ、酸素、窒素による非金属であることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記光学特性が周期的に変化する周期が、数十ｎｍ〜数十μｍであることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造は、前記分子または原子またはイオンの密度における周期的に変化する周期が、
数十ｎｍ〜数十μｍであることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造の製造方法は、少なくとも１つの方向に光学特性が周期的に変化するフォトニック結晶構造の製造方法であって、
フォトニック結晶構造の母材を用意する工程と、
前記母材に対して、集束イオンビームの加速電圧を変えながら該集束イオンビームを走査して前記母材にイオンを注入した領域を形成し、
前記領域の形成によって、前記イオンの密度が前記１つの方向に周期的に変化するように、イオン注入を行う工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造の製造方法は、前記フォトニック結晶構造の母材を用意する工程において、前記母材として、薄膜を形成することを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造の製造方法は、前記薄膜の形成が、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長、のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造の製造方法は、前記イオン注入を行う工程の後に、前記イオンを注入した領域、または前記イオンを注入した領域以外の前記イオン不含有部分を選択的に除去する工程を、更に含むことを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造の製造方法は、前記イオン注入を行う工程の後に、熱処理によって前記母材にイオンを注入した領域を改質する工程を、更に含むことを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶構造の製造方法は、前記イオンを注入した領域、または前記イオンを注入した領域以外の前記イオン不含有部分を選択的に除去する工程が、
プラズマエッチング、または気体エッチング、または液体によるエッチングによる工程であることを特徴とする。

本発明によれば、デバイス特性の向上を図ることができるフォトニック結晶構造の提供が実現でき、精度よく、簡易に、低コストで、複雑な３次元構造、特にナノフォトニック結晶の製造が可能となるフォトニック結晶構造の製造方法を実現することができる。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１に、本実施の形態におけるフォトニック結晶の製造方法を説明するための製造工程を示す。
なお、図中の同一要素に関しては、同一の符号を用いている。
ここで、まず、本実施の形態のフォトニック結晶の製造方法を説明する前に、まず、図１（ｅ）に示された本実施の形態における３次元ナノフォトニック結晶構造の構成例について説明する。
図１（ｅ）において、１０は基板、３０は図１（ａ）に示される誘電体からなるフォトニック結晶母材２０の部分（以下、これを母材部分３０と記す）である。母材部分３０は、フォトニック結晶構造の母材２０の構成と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンが配置されて構成されている。
これに対して、４０はフォトニック結晶構造の母材２０と同じ構成材によるフォトニック結晶母材の部分（以下、これを母材部分４０と記す）であり、この母材部分４０には前記分子または原子またはイオンが配置されていない。

前記分子または原子またはイオンの存在によって、上記母材部分３０の屈折率が上記母材部分４０の部分と異なるようになる。
一般的に、この屈折率の差は、前記分子または原子またはイオンの密度が高いほど大きい。
つまり、前記フォトニック結晶構造を、誘電体による母材を用い、該母材に該母材の構成元素と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンを含む領域を構成するに際し、
前記領域を、前記分子または原子またはイオンの密度が、前記１つの方向に周期的に変化するように前記母材に配置した構造とすることによって、フォトニック結晶を構成することができる。
すなわち、前記分子または原子またはイオンの密度分布を周期的に変化させることによって、前記屈折率の差を変化させ、これにより少なくとも１つの方向に光学特性が周期的に変化するフォトニック結晶構造を得ることができる。
その際、前記光学特性が周期的に変化する周期が、あるいは前記分子または原子またはイオンの密度における周期的に変化する周期が、数十ｎｍ〜数十μｍとした構成を採ることができる。

ここで、図２に、本実施形態における上記図１（ｅ）の構成例とは異なる３次元周期構造、とりわけ、３次元ナノフォトニック結晶のもう１つの構成例を示す。
図２において、１０は基板、５０は雰囲気部、６０はフォトニック結晶のロッドである。雰囲気部５０は、真空、または空気を含むガス、等によることができる。
このフォトニック結晶は、図１（ｅ）に示しているフォトニック結晶から、母材部分４０の部分を抜いたものである。
つまり、ロッド６０は図１における母材部分３０に相当しており、フォトニック結晶母材の中に前記母材の構成元素と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンが配置されている。
このようなフォトニック結晶は、屈折率差がロッド６０の部分と雰囲気部５０との屈折率差になるので、図１（ｅ）のフォトニック結晶よりも、屈折率差が大きい。
また、単純に母材からなる従来のフォトニック結晶に比較しても、図２のフォトニック結晶は、より大きい屈折率差が得られる。よって、より優れたフォトニック結晶特性が得られる。
このように母材を、雰囲気部５０と、他の誘電体との２種類の誘電体で構成することで、上記のような優れた特性を得ることができる。
すなわち、前記誘電体の１種類を雰囲気部５０を構成する真空、または空気を含むガスとし、前記誘電体の他の１種類をＳｉ、またはＳｉを含む化合物とし、
この他の１種類による母材に、前記分子または原子またはイオンの密度が、前記１つの方向に周期的に変化するように前記母材に配置した前記領域を構成することで、上記のような優れた特性を得ることができる。

前記フォトニック結晶において、母材部分３０の誘電体を構成するに際し、誘電体として、Ｓｉ、またはＳｉを含む化合物、等を用いることができる。
あるいは、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｎＯなどの酸化物、等を用いることができる。
また、ガラスやアクリルなど透明部材も好適である。
その際、これらの誘電体による母材は、連続体、あるいは多層膜で構成することができる。
また、前記フォトニック結晶において、前記分子または原子またはイオンとして、Ｇａ、Ｉｎ等の金属、またはＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｒ、酸素、窒素等の非金属を用いることができる。
また、前記フォトニック結晶において、前記周期を数十ｎｍ〜数十μｍとし、数百ｎｍ〜数μｍとすることが望ましい。

次に、本実施の形態における少なくとも１つの方向に光学特性が周期的に変化するフォトニック結晶構造の製造方法について、図１を用いて説明する。
まず、フォトニック結晶母材を用意する工程において、図１（ａ）に示したように、基板１０の上にフォトニック結晶母材２０を形成する。
以下では、これを成膜工程とも呼ぶ。２０は、スパッタ、蒸着、接合などの方法で基板１０に作製する。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、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｎＯなどが挙げられる。
母材２０のサイズは、長さ、及び幅がそれぞれ１μｍ乃至１０００μｍ程度で、厚さを数十ｎｍ〜数十μｍとするのが望ましい。
前記基板１０は、成膜面が平坦性を持ち、形成すべく母材２０と密着性のあるものである。
例えば、石英、サファイア、ガラス、アクリル、Ｓｉ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＴｉＯ₂、ＺｎＯの単体、または、これらの薄膜を有する他の材料である。
必要に応じて、基板１０のフォトニック結晶母材２０と接する表面に、密着性をよくするための密着層を形成しても良い。
成膜工程後、母材２０の上に位置合せ用マークを形成しておく（図示無し）。この位置合せ用マークは、成膜前に、基板１０の上に形成しても良い。
前記位置合せ用マークの形成方法として、例えば、フォトリソグラフィとリフトオフ法を用いることができる。
位置合せ用マークの材料は、Ｃｒ／Ａｕなどを用いることができる。

次に、前記フォトニック結晶母材に対して、集束イオンビームの加速電圧を変えながら該集束イオンビームを走査して前記母材にイオンを注入した領域を形成し、
前記領域の形成によって、前記イオンの密度が前記１つの方向に周期的に変化するように、イオン注入を行う工程において、母材部分（１層目）を形成する。すなわち、図１（ｂ）に示したように、前記母材２０の構成と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンが、前記母材２０に配置（注入）されている母材部分３０（１層目）を形成する。
以下では、これをイオン配置工程とも呼ぶ。そのため、集束イオンビーム（以下はＦＩＢとも呼ぶ）を用いることができる。
前記分子または原子またはイオンに関して、その深さ方向の分布はＦＩＢの加速電圧、その面内分布（つまり、パターン形状）はＦＩＢの面内走査、その密度はＦＩＢの電流及び注入時間で、それぞれ制御する。
母材２０の材料、そして前記分子または原子またはイオンの種類が決まれば、簡易なシミュレーションで所定な深さや密度を得るために必要な加速電圧や電流や注入時間を求めることが可能なので、母材部分３０の形成が簡易かつ高精度で行える。
前記分子または原子またはイオンとして、Ｇａ、Ｉｎ等の金属、またはＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｒ、酸素、窒素等の非金属が好適である。
前記集束イオンビームは、必要に応じて、単束ビーム、または多束ビームにすることが好ましい。
多束ビームの場合、各ビームの加速電圧、電流、ビーム径、そして走査は、それぞれ独立にすることによって、イオン配置工程の効率をさらに向上させることが可能である。
このイオン配置工程では、母材部分３０の面内位置決めは、母材２０の上に形成している前記位置合せ用マークを基準にする。

次に、図１（ｃ）に示したように、図１（ｂ）のイオン配置工程で得られた試料を基板として成膜工程を行ない、新たに母材２０を作製する。
このとき、母材２０の形成方法として、例えば、図１（ａ）で示した方法がある。この成膜工程では、前記位置合せ用マークを保護しておく。

次に、図１（ｄ）に示したように、図１（ｃ）で新たに形成した母材２０に対して、図１（ｂ）で示したイオン配置工程を行ない、前記母材２０の中に、前記分子または原子またはイオンを配置する（２層目）。
上記した例では、ウッドパイル構造を形成するので、２層目の３０部分のパターンが１層目のものと直交することになる。
このイオン配置工程においても、母材部分３０の面内位置（つまり、パターンの位置）決めは、前記位置合せ用マークを基準にする。

次に、図１（ｅ）に示したように、図１（ｃ）で示した成膜工程と図１（ｄ）で示したイオン配置工程を、所定の回数だけ繰り返して、所定の周期をもつウッドパイル構造を完成する（図１（ｅ））。
ここでは、４層、つまり１周期のフォトニック結晶構造のものが作製された構成が示されている。

以上の説明では、１層内の母材部分３０、つまり、フォトニック結晶のロッド６０を形成する際、成膜工程とイオン配置工程を１回ずつだけで行っている。
ロッド６０の厚みが厚いとき（例えば２００ｎｍ以上）、１層のロッドを形成するために、成膜工程とイオン配置工程を数回繰り返しても良い。
そうすることによって、比較的に低い加速電圧を用いても、ロッドの厚み方向で均質にイオン配置工程を行うことが可能となる。
また、逆に、ロッド６０の厚みが薄いとき（例えば５０ｎｍ以下）、１回の成膜工程とイオン配置工程で数層のロッドを形成しても良い。そうすることによって、作製工程数の低減ができる。
上記の工程で形成する３次元構造は、加工精度が数ｎｍ程度まで可能で、従来のものより１桁以上よい精度をもつことになる。

以上では、説明のために３次元ウッドパイル構造だけを示したが、それ以外の３次元構造にも適用することが可能である。
例えば、図６に示しているジョイントロッド型フォトニック結晶構造においても、本実施の形態におけるフォトニック結晶の製造方法によって、簡易に形成することが可能である。
更には、各種の２次元、または１次元フォトニック結晶、等については、本実施の形態におけるフォトニック結晶の製造方法によって、より一層、簡易にすることが可能である。

以下に、本発明の実施例について説明する。本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
実施例１では、成膜工程とイオン配置工程を所定の回数だけ繰り返して、所定の周期をもつウッドパイル構造を形成する３次元フォトニック結晶の製造方法について説明する。
本実施例においては、上記本発明の実施の形態で説明したフォトニック結晶の製造方法と、基本的に同じ工程によるものであるから、ここでも図１を用いて説明する。
図１において、１０は石英基板、２０はアモルファスＳｉ薄膜によるフォトニック結晶構造の母材（以下、これをＳｉ薄膜と記す）である。

まず、フォトニック結晶母材を用意する工程において、前記フォトニック結晶構造の母材として、薄膜をつぎのように形成する。
すなわち、図１（ａ）に示したように、石英基板１０の上に、スパッタ法で厚みが１００ｎｍ程度のＳｉ薄膜２０を形成する。以下では、これを成膜工程とも呼ぶ。
なお、ここでの薄膜の形成にスパッタを用いたが、スパッタ以外に、真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長、のいずれかによることができる。
成膜工程後、Ｓｉ薄膜２０の上に、フォトリソグラフィとリフトオフ法でＣｒ／Ａｕからなる位置合せ用マークを形成しておく（図示無し）。この位置合せ用マークは、成膜前に、Ｓｉ基板１０の上に形成しても良い。

次に、図１（ｂ）に示したように、Ｓｉ薄膜２０の中に、集束イオンビーム（以下はＦＩＢとも呼ぶ）を用いて、Ｇａイオンを３０の部分に配置（注入）し、１層目のパターンを形成する。
パターン形状の形成は、ＦＩＢの面内走査で制御する。Ｓｉ薄膜の深さ方向におけるＧａイオンの分布は、ＦＩＢの加速電圧で制御する。
例えば、Ｓｉ薄膜の深さ方向でＧａイオンを均等に配置するために、ＦＩＢの加速電圧を０．５ｋＶ〜１２０ｋＶの間で数段階変えてイオン配置を行う。
Ｇａイオンの密度は、ＦＩＢの電流、ビーム径及び照射時間で制御する。前記密度の値は、１×１０¹⁸〜１×１０²³ｃｍ^-3の間で実用的な値として、例えば、１×１０²⁰ｃｍ^-3とする。
Ｓｉ薄膜２０の厚みが分かっているので、目標Ｇａイオン密度に対して、簡易なシミュレーションを行えば、加速電圧や電流や照射時間等を含むイオン注入条件の最適化が容易にできる。
このイオン配置工程では、３０の部分の面内位置（つまり、パターンの位置）決めは、Ｓｉ薄膜２０の上に形成している前記位置合せ用マークを基準にする。

次に、図１（ｃ）に示したように、図１（ｂ）のイオン配置工程で得られた試料を基板として、スパッタ法で厚みが１００ｎｍ程度のアモルファスＳｉ薄膜２０を新たに形成する。
この成膜工程では、前記位置合せ用マークをメタル板でカバーして保護しておく。

次に、図１（ｄ）に示したように、図１（ｃ）で新たに形成したＳｉ薄膜２０に対して、図１（ｂ）で示したＧａイオン配置工程を行ない、前記Ｓｉ薄膜２０の中に、２層目のＧａイオンパターンを形成する。
この場合、ウッドパイル構造を形成するので、２層目の３０部分のパターンが１層目のものと直交することになる。
このＧａイオン配置工程においても、３０の部分の面内位置（つまり、パターンの位置）決めは、前記位置合せ用マークを基準にする。

次に、図１（ｅ）に示したように、図１（ｃ）で示したＳｉ薄膜２０の成膜工程と図１（ｄ）で示したＧａイオンのイオン配置工程を、所定の回数だけ繰り返して、所定の周期をもつウッドパイル構造を完成する（図１（ｅ））。
ここでは、４層、つまり１周期のフォトニック結晶構造のものが作製された構成が示されている。
上記の工程で形成する３次元構造は、加工精度が数ｎｍ程度まで可能で、従来のものより１桁以上よい精度をもつことになる。

［実施例２］
実施例２では、実施例１で形成したフォトニック結晶を用いて、新たなに作製するフォトニック結晶構造の構成例について説明する。
本実施例においては、上記本発明の実施の形態の図２に示すフォトニック結晶構造と、基本的に同じ構造によるものであるから、ここでも図２を用いて説明する。
上記本発明の実施の形態の図２に示すフォトニック結晶構造で説明したように、このフォトニック結晶は、図１（ｅ）に示しているフォトニック結晶から、４０の部分を抜いたものである。
つまり、ロッド６０は図１における母材部分３０に相当しており、フォトニック結晶母材の中に前記母材の構成元素と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンが配置されている。
このようなフォトニック結晶は、屈折率差がロッド６０の部分と雰囲気部５０との屈折率差になるので、図１（ｅ）のフォトニック結晶よりも、屈折率差が大きい。
また、単純に母材からなる従来のフォトニック結晶に比較しても、図２のフォトニック結晶はより大きい屈折率差が得られる。よって、より優れたフォトニック結晶特性が得られる。

その作製方法は単純である。
すなわち、前記イオン注入を行う工程の後に、前記イオンを注入した領域以外の前記イオン不含有部分を選択的に除去する工程を、更に含む工程を用いる。
例えば、実施例１で形成したフォトニック結晶構造をＸｅＦ₂ガス雰囲気に置く。
このとき、図１（ｅ）における４０の部分、つまり、Ｇａイオンを含まないＳｉの部分において、ＳｉがＸｅＦ₂と化学反応し、揮発性の高いＳｉフッ化物を形成して、蒸発する。
一方、Ｇａイオンを含む３０の部分の表面において、ＧａがＸｅＦ₂と化学反応して、揮発性の極めて低いＧａフッ化物を形成する。
このＧａフッ化物は、３０の部分の表面で保護膜を形成し、３０の部分のＳｉがＸｅＦ₂と化学反応しないように働く。
その結果、４０の部分が完全に除去され、ロッド６０と雰囲気部５０からなるウッドパイル構造フォトニック結晶が形成される。

上記の過程をガス導入と排気ができる容器の中で行うことが理想的である。
その場合、まず、容器中を排気して、減圧状態にする。
そして、ＸｅＦ₂ガスをある圧力まで導入して、Ｓｉの選択除去を行う。
そして、容器中を排気して、反応性生物等ガスを適宜に除去する。このＸｅＦ₂ガス導入と排気工程を繰り返すことによって、効率よく前記フォトニック結晶を作製することができる。

［実施例３］
実施例３では、実施例１で形成したフォトニック結晶を用いて、新たなに作製する実施例２とは異なるフォトニック結晶構造の構成例について説明する。
図３に、本実施例のフォトニック結晶構造を説明する図を示す。
本実施例においては、前記イオン注入を行う工程の後に、前記イオンを注入した領域を選択的に除去する工程を、更に含む工程を用いる。
例えば、溶液を用いて、図１（ｅ）における３０の部分、つまり、Ｇａイオンを含んでいるＳｉの部分を選択的に除去する。
使用可能な溶液は、Ｇａを溶かすが、Ｓｉを溶かさないものであればよい。例えば、塩酸の水溶液がある。
まず、図１（ｅ）に示すフォトニック結晶構造を前記溶液に入れ、３０の部分が完全に溶けるまで待つ。
そして、エッチング後の構造体を十分に水洗する。最後に、乾燥して、図３のフォトニック結晶を完成する。
このようなフォトニック結晶は、Ｓｉのみから構成して、Ｇａが含まれないものになる。

［実施例４］
この実施例では、実施例２或は実施例３で形成したフォトニック結晶２００或は３００を型として、新たに作製するフォトニック結晶構造の構成例について説明する。
本実施例においては、前記イオン注入を行う工程の後に、熱処理によって前記母材にイオンを注入した領域を改質する工程を、更に含む工程を用いる。
例えば、まず、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ）法でフォトニック結晶２００或は３００のロッド６０間の雰囲気部５０を別の材料で埋め込む。
該材料は、例えば、ＴｉＯ₂である。埋め込む条件の最適化によって、前記雰囲気部５０を隙間なく緻密に埋め込むことができる。そして、研磨やドライエッチングによって、前記ロッド６０の中で最外部に位置するものを部分的に露出させる。
そして、ドライエッチング、または溶液エッチングによって、ロッド６０を完全に除去する。
ドライエッチング法として、実施例２で示したＸｅＦ₂ガスによるものがある。溶液エッチングに使用できる溶液は、Ｓｉを溶かすが、ＴｉＯ₂をエッチングしないものであればよい。
例えば、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液が好適である。前記プロセスによって、ＴｉＯ₂からなる３次元フォトニック結晶が形成される。また、ＴｉＯ₂の代わりに、ＧａＮ、ＳｉＯ₂、ＺｎＯなどの材料もある。それぞれの材料では、埋め込む等の工程が若干異なるが、可能であることが明らかである。
また、基板１０は石英としたが、必要に応じて変えても支障がない。

また、型とする場合、フォトニック結晶２００のロッドは図４に示したものであってもよい。
つまり、ロッドの断面７０を見ると、ロッドの表面３５にはＧａイオンが配置されているが、ロッドの内部４５にはＧａイオンが配置されていない。これによって、Ｇａイオンを注入する時間を短縮できる。
上記手法によって、最初に成膜工程とイオン配置工程で形成したフォトニック結晶と全く異なる材料からなるフォトニック結晶を形成することも可能になる。
なお、上記実施例２から実施例４における前記イオンを注入した領域、または前記イオンを注入した領域以外の前記イオン不含有部分を選択的に除去する工程等において、
プラズマエッチング、または気体エッチング、または液体によるエッチング、等を用いることができる。

本発明の実施の形態及び実施例１におけるフォトニック結晶の製造方法を説明するための製造工程を示す図。 本発明の実施の形態及び実施例２におけるフォトニック結晶構造の構成例を説明する図。 本発明の実施例３におけるフォトニック結晶構造の構成例を説明する図。 本発明の実施例４におけるフォトニック結晶構造の作製を説明するための図。 従来例におけるウッドパイル構造を有する３次元フォトニック結晶を説明する模式図。 従来例におけるジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造を説明する模式図。

符号の説明

１０：基板
２０：フォトニック結晶母材
３０：誘電体によるフォトニック結晶母材の部分
３５：ロッドの表面
４０：フォトニック結晶母材と同じ構成材によるフォトニック結晶母材の部分
４５：ロッドの内部
５０：雰囲気部
６０：ロッド
１００乃至３００：３次元フォトニック結晶構造

Claims (15)

1. 少なくとも１つの方向に光学特性が周期的に変化するフォトニック結晶構造であって、
   前記フォトニック結晶構造の母材が誘電体で構成され、該母材に該母材の構成元素と異なる少なくとも１種類の分子または原子またはイオンを含む領域を備え、
   前記領域は、前記分子または原子またはイオンの密度が、前記１つの方向に周期的に変化するように前記母材に配置されていることを特徴とするフォトニック結晶構造。
2. 前記フォトニック結晶構造の母材が、連続体または多層膜であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶構造。
3. 前記誘電体が、Ｓｉ、またはＳｉを含む化合物であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶構造。
4. 前記母材を構成する誘電体が、２種類の誘電体で構成され、その少なくとも１種類の誘電体による母材に、前記領域が構成されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶構造。
5. 前記誘電体の１種類が真空、または空気を含むガスであり、前記誘電体の他の１種類がＳｉ、またはＳｉを含む化合物であることを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶構造。
6. 前記フォトニック結晶構造の母材が、多層膜であることを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶構造。
7. 前記分子または原子またはイオンの少なくとも１種類が、Ｇａ、Ｉｎによる金属、またはＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｒ、酸素、窒素による非金属であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造。
8. 前記光学特性が周期的に変化する周期が、数十ｎｍ〜数十μｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造。
9. 前記分子または原子またはイオンの密度における周期的に変化する周期が、
   数十ｎｍ〜数十μｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造。
10. 少なくとも１つの方向に光学特性が周期的に変化するフォトニック結晶構造の製造方法であって、
    フォトニック結晶構造の母材を用意する工程と、
    前記母材に対して、集束イオンビームの加速電圧を変えながら該集束イオンビームを走査して前記母材にイオンを注入した領域を形成し、
    前記領域の形成によって、前記イオンの密度が前記１つの方向に周期的に変化するように、イオン注入を行う工程と、
    を含むことを特徴とするフォトニック結晶構造の製造方法。
11. 前記フォトニック結晶構造の母材を用意する工程において、前記母材として、薄膜を形成することを特徴とする請求項１０に記載のフォトニック結晶構造の製造方法。
12. 前記薄膜の形成が、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長、のいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載のフォトニック結晶構造の製造方法。
13. 前記イオン注入を行う工程の後に、前記イオンを注入した領域、または前記イオンを注入した領域以外の前記イオン不含有部分を選択的に除去する工程を、更に含むことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造の製造方法。
14. 前記イオン注入を行う工程の後に、熱処理によって前記母材にイオンを注入した領域を改質する工程を、更に含むことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造の製造方法。
15. 前記イオンを注入した領域、または前記イオンを注入した領域以外の前記イオン不含有部分を選択的に除去する工程が、
    プラズマエッチング、または気体エッチング、または液体によるエッチングによる工程であることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のフォトニック結晶構造の製造方法。

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