JP2008310299A - Method of manufacturing 3-d photonic crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing 3-D photonic crystal capable of 3-D periodic structure precisely and inexpensively. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the 3-D photonic crystal comprises: a deposition process for forming a dielectric thin film; an ion injection process for forming a mask on the dielectric thin film by selectively injecting the ion into the dielectric thin film by the focused ion beam; a pattern formation process for forming a pattern by selectively removing the exposed dielectric thin film except the masked part formed on the dielectric thin film; a sacrificial layer forming process for forming the sacrificial layer on the dielectric thin film on which the pattern has formed; and a process for flatening the sacrificial layer formed on the dielectric film layer till the pattern is exposed. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、3次元フォトニック結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a three-dimensional photonic crystal.

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ことが挙げられる。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、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する。
つまり、電磁波伝搬の制御は、3次元フォトニック結晶が最も適している。
The photonic crystal is a structure in which the refractive index of the constituent material is periodically distributed, and is an artificial material that can realize a novel function only by the structure design.
The greatest feature of the photonic crystal is that a region where a specific electromagnetic wave cannot propagate, that is, a so-called photonic band gap is formed by the difference in refractive index of the constituent material and the periodicity of the structure. By introducing an appropriate defect into the refractive index distribution in the photonic crystal, an energy level (defect level) due to this defect is formed in the photonic band gap.
As a result, the photonic crystal can freely control the electromagnetic wave. Moreover, the size of devices using photonic crystals can be much smaller than conventional devices.
In addition, the three-dimensional photonic crystal has a feature that the refractive index distribution of the constituent material has a three-dimensional period, and the electromagnetic wave existing at the defect position is difficult to leak to the outside.
That is, the three-dimensional photonic crystal is most suitable for electromagnetic wave propagation control.

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2に示すような構造を有している。
図2において、70は3次元周期構造であり、複数のロッド40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、3次元周期構造70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、からなる4つのストライプ層を有する。
そして、これら4つ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70が構成されている。
前記フォトニック結晶の構造の周期は、制御したい電磁波の波長の半分程度である。
しかし、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。
In such a three-dimensional photonic crystal, a wood pile structure (or rod pile structure) disclosed in Patent Document 1 is known as one of typical structures. The woodpile structure in this three-dimensional photonic crystal has a structure as shown in FIG.
In FIG. 2, reference numeral 70 denotes a three-dimensional periodic structure, which includes a plurality of stripe layers in which a plurality of rods 40 are arranged in parallel and periodically with a predetermined in-plane period, and these are sequentially stacked. .
Specifically, the three-dimensional periodic structure 70 is
A first stripe layer in which a plurality of rods are arranged in parallel and periodically with a predetermined in-plane period;
A second stripe layer laminated on the first stripe layer so as to be orthogonal to each rod belonging to the first stripe layer;
A third stripe layer laminated on the second stripe layer so as to be parallel to each rod belonging to the first stripe layer and shifted by a half of the in-plane period;
Four stripes comprising: a fourth stripe layer laminated on the third stripe layer so as to be parallel to each rod belonging to the second stripe layer and shifted by a half of the in-plane period. Has a layer.
Then, a three-dimensional periodic structure 70 is configured by sequentially laminating a plurality of sets of these four stripe layers.
The period of the structure of the photonic crystal is about half of the wavelength of the electromagnetic wave to be controlled.
However, the three-dimensional photonic crystal is expected to have ideal device characteristics, but generally has a complicated structure, is complicated to manufacture, and requires many steps.

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2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。
Conventionally, as a method for manufacturing a three-dimensional photonic crystal having a woodpile structure, Patent Document 2 proposes a method for thermally bonding different members by the following lamination technique.
In this thermal bonding method, first, a rod array arranged in parallel with a stripe layer provided on a substrate and arranged at a predetermined in-plane cycle is formed.
Then, the stripe layers are bonded together by aligning the layers by thermal bonding, and then the substrate of one stripe layer is removed.
By repeating such a process, a woodpile structure having a number of layers equal to the number of times of joining can be obtained.
With the above stacking technique, it is possible to manufacture a three-dimensional photonic crystal having a relatively complicated structure.

また、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が開示されている。
ここでの積層技術では、薄膜形成及び薄膜加工の後、犠牲層を形成する。そして、化学機械研磨(CMP;Chemical Mechanical Polishing)技術で犠牲層を研磨して、加工した薄膜が露出するまで犠牲層を平坦化する。
上記プロセスを繰り返すことによって、犠牲層を用いない積層法より高い加工精度で3次元フォトニック結晶を製造可能にしている。
As a method for producing a three-dimensional photonic crystal, Patent Document 3 discloses the following lamination technique.
In this lamination technique, a sacrificial layer is formed after thin film formation and thin film processing. Then, the sacrificial layer is polished by a chemical mechanical polishing (CMP) technique, and the sacrificial layer is planarized until the processed thin film is exposed.
By repeating the above process, a three-dimensional photonic crystal can be manufactured with higher processing accuracy than a lamination method that does not use a sacrificial layer.

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5335240号明細書 特開2004−219688号公報 米国特許第5998298号明細書 米国特許第5236457号明細書
On the other hand, in the conventional thin film processing method, Patent Document 4 discloses the following pattern forming method and semiconductor device manufacturing method.
Here, in thin film processing, thin film processing is made possible by the following ion beam implantation step and a step of dry etching the material to be etched.
That is, in the ion beam implantation step, ion implantation is performed by changing the implantation position of the ion beam focused on the material to be etched and changing at least one of acceleration voltage, ion atomic species, and ion valence. An ion concentration peak region is formed in the depth direction.
In the dry etching step, the material to be etched is dry-etched with an etching gas that forms ions and an etching suppression region in the ion concentration peak region of the material to be etched. Through these steps, thin film processing is performed.
US Pat. No. 5,335,240 JP 2004-219688 A US Pat. No. 5,998,298 US Pat. No. 5,236,457

しかしながら、上記従来例における特許文献2のような熱接着方法を用いた積層法では、作製方法が複雑で、フォトニック結晶の層数に比例して工程数が増加し、技術難度が増大するので、生産性が悪く、コストが高い。
更に、積層する度に、加熱及び加圧工程が必要で、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。
このような構造乱れは、フォトニック結晶の加工精度を低下させることになる。
However, in the conventional lamination method using the thermal bonding method as described in Patent Document 2, the manufacturing method is complicated, the number of steps increases in proportion to the number of layers of the photonic crystal, and the technical difficulty increases. Productivity is poor and cost is high.
Further, every time the layers are stacked, heating and pressing processes are required, and the stress in the structure increases as the number of layers increases, resulting in deformation of the structure.
Such structural disturbance reduces the processing accuracy of the photonic crystal.

また、上記従来例における特許文献3のような犠牲層を用いた積層法は、上記熱接着を用いた積層法の課題を低減できるが、つぎのような課題を残している。
すなわち、2層目以降の薄膜加工工程において、前の工程で形成した薄膜層の一部が露出してくる場合があるため、ダメージを受けてしまうことがある。
このようなダメージを低減するために、保護すべき薄膜部分にエッチストップ層を形成することが考えられる。
しかし、加工後、エッチストップ層を完全に除去する場合、構造体の間に隙間ができ、フォトニック結晶の特性に影響を与えることがある。
また、エッチストップ層を部分的に除去する場合、残留しているエッチストップ層の材料がフォトニック結晶を構成する誘電体と異なるため、構造の特性が影響されてしまうことがある。
このような原因で、従来においては、エッチストップ層を設ける手法を採ることにも、問題を有していた。
Moreover, the laminating method using the sacrificial layer as in Patent Document 3 in the conventional example can reduce the problems of the laminating method using the thermal bonding, but the following problems remain.
That is, in the second and subsequent thin film processing steps, a portion of the thin film layer formed in the previous step may be exposed and may be damaged.
In order to reduce such damage, it is conceivable to form an etch stop layer in the thin film portion to be protected.
However, when the etch stop layer is completely removed after processing, a gap is formed between the structures, which may affect the characteristics of the photonic crystal.
In addition, when the etch stop layer is partially removed, the characteristics of the structure may be affected because the material of the remaining etch stop layer is different from the dielectric constituting the photonic crystal.
For these reasons, conventionally, there has been a problem in adopting a method of providing an etch stop layer.

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が、犠牲層等の技術を用いていないため、上面から見える部分の加工しかできない。
これらの技術を用いてウッドパイルのような複雑な多層構造を有する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。
On the other hand, in the conventional thin film processing method found in Patent Document 4, processing in the depth direction is possible with respect to the material to be etched. However, since a technique such as a sacrificial layer is not used, Only processing is possible.
It has not been solved to enable the production of a three-dimensional photonic crystal having a complex multilayer structure such as a woodpile using these techniques.

本発明は、上記課題に鑑み、精度よく、低コストで、3次元周期構造を製造することが可能となる3次元フォトニック結晶の製造方法を提供することを目的とするものである。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a three-dimensional photonic crystal that can manufacture a three-dimensional periodic structure with high accuracy and low cost.

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3次元フォトニック結晶の製造方法を提供するものである。
本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記誘電体薄膜が、Si、またはSiの酸化物あるいは窒化物を含むSiの化合物で形成されることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記成膜工程において、前記誘電体薄膜の形成に、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が用いられることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記イオン注入工程において、前記集束イオンビームのイオンに、Gaイオンが用いられることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記パターン形成工程において、前記誘電体薄膜が露出した部分の選択的除去に、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチングが用いられることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記犠牲層形成工程における犠牲層が、前記平坦化工程において平坦化が容易な材料から選択されることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記犠牲層形成工程における犠牲層の形成に、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が用いられることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記平坦化工程における平坦化に、機械研磨、または化学機械研磨のいずれかが用いられることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造を製造する第1工程と、
前記犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造における、該犠牲層を液体エッチング剤で一括に除去して、3次元周期構造を製造する第2工程と、を有し、
前記第1工程は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程とをこの順に4回以上繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、前記液体エッチング剤が、塩化鉄を含む液体エッチング剤であることを特徴とする。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、上記の3次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された3次元フォトニック結晶を製造型として用い、
前記製造型に、3次元フォトニック結晶を形成する材料を埋め込んだ後、該製造型を除去し、
前記製造型の反転した形状の前記埋め込んだ材料による3次元周期構造を製造することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing a three-dimensional photonic crystal configured as follows.
The manufacturing method of the three-dimensional photonic crystal of the present invention is as follows:
A film forming process for forming a dielectric thin film;
An ion implantation step of selectively implanting ions by a focused ion beam into the dielectric thin film to form a mask on the dielectric thin film;
A pattern forming step of selectively removing a portion where the dielectric thin film other than the mask portion formed on the dielectric thin film is exposed, and forming a pattern;
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer on the dielectric thin film on which the pattern is formed;
And a planarization step of planarizing the sacrificial layer formed on the dielectric thin film until the pattern is exposed.
The method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention is characterized in that the dielectric thin film is formed of Si or a Si compound containing a Si oxide or nitride.
In the method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention, in the film formation step, any one of sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition, or epitaxial growth is used to form the dielectric thin film. It is characterized by.
The method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention is characterized in that Ga ions are used as ions of the focused ion beam in the ion implantation step.
The method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention is characterized in that reactive ion etching with a fluorine-based gas is used for selective removal of the exposed portion of the dielectric thin film in the pattern forming step. To do.
In the method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention, the sacrificial layer in the sacrificial layer forming step is selected from materials that can be easily flattened in the flattening step.
In the method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention, any one of sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition, or epitaxial growth is used for forming the sacrificial layer in the sacrificial layer forming step. And
The method for producing a three-dimensional photonic crystal of the present invention is characterized in that either mechanical polishing or chemical mechanical polishing is used for planarization in the planarization step.
In addition, the method for producing the three-dimensional photonic crystal of the present invention includes
A first step of manufacturing a structure in which a plurality of pattern forming layers including a sacrificial layer in which a plurality of rod-shaped portions are arranged in parallel and periodically with a predetermined in-plane period are stacked;
A second step of manufacturing a three-dimensional periodic structure by collectively removing the sacrificial layer with a liquid etchant in a structure in which a plurality of pattern forming layers containing the sacrificial layer are stacked,
The first step includes
A film forming process for forming a dielectric thin film;
An ion implantation step of selectively implanting ions by a focused ion beam into the dielectric thin film to form a mask on the dielectric thin film;
A pattern forming step of selectively removing a portion where the dielectric thin film other than the mask portion formed on the dielectric thin film is exposed, and forming a pattern;
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer on the dielectric thin film on which the pattern is formed;
A step of repeating the flattening step of flattening the sacrificial layer formed on the dielectric thin film until the pattern is exposed, four or more times in this order;
It is characterized by including.
The method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention is characterized in that the liquid etching agent is a liquid etching agent containing iron chloride.
Moreover, the manufacturing method of the three-dimensional photonic crystal of the present invention uses the three-dimensional photonic crystal manufactured by the above-described manufacturing method of the three-dimensional photonic crystal as a manufacturing mold,
After embedding a material for forming a three-dimensional photonic crystal in the production mold, the production mold is removed,
A three-dimensional periodic structure made of the embedded material having an inverted shape of the manufacturing mold is manufactured.

本発明によれば、精度よく、低コストで、3次元周期構造を製造することが可能となる3次元フォトニック結晶の製造方法を実現することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the three-dimensional photonic crystal which can manufacture a three-dimensional periodic structure with sufficient precision and low cost is realizable.

以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下の図中において、同一要素に関しては、同符号を用いる。但し、本発明における材料、構造、形状、数値などはここに挙げられたものに限定されるものではない。
図1に、本実施の形態における3次元フォトニック結晶の製造方法を説明する図を示す。
図1において、10は基板、20は誘電体薄膜、30はイオン注入部、60は犠牲層である。
本実施の形態においては、図1(j)に示した3次元フォトニック結晶を形成するために、図1(a)乃至図1(j)の工程を用いることができる。
ここでは説明を容易とするため、3次元フォトニック結晶の構造として、ウッドパイル構造を構成した例について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the following drawings, the same symbols are used for the same elements. However, materials, structures, shapes, numerical values, and the like in the present invention are not limited to those listed here.
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for manufacturing a three-dimensional photonic crystal in the present embodiment.
In FIG. 1, 10 is a substrate, 20 is a dielectric thin film, 30 is an ion implantation part, and 60 is a sacrificial layer.
In the present embodiment, the steps shown in FIGS. 1A to 1J can be used to form the three-dimensional photonic crystal shown in FIG.
Here, for ease of explanation, an example in which a woodpile structure is configured as the structure of a three-dimensional photonic crystal will be described.

まず、誘電体薄膜を形成する成膜工程において、図1(a)に示したように、基板10の上にフォトニック結晶を構成する主材料である誘電体薄膜20を形成する。
20の材料は単結晶、又はアモルファス状態のSi、またはSiの酸化物や窒化物を含むSiの化合物などが挙げられる。
成膜方法はスパッタ、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などが適切である。
誘電体薄膜20の厚さは数十nm〜数十μmであることが望ましい。前記基板10は、成膜面が平坦性を持ち、形成すべく誘電体薄膜20とは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、TiO、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と第1層目の誘電体薄膜20と接する界面に、密着性をよくするための密着層を形成しても良い。
First, in a film forming process for forming a dielectric thin film, a dielectric thin film 20 as a main material constituting a photonic crystal is formed on a substrate 10 as shown in FIG.
Examples of the material 20 include single crystal or amorphous Si, or a Si compound containing Si oxide or nitride.
As the film forming method, sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition, or epitaxial growth is suitable.
The thickness of the dielectric thin film 20 is preferably several tens of nm to several tens of μm. The substrate 10 has a flat film formation surface, and has an adhesive property with the dielectric thin film 20 to be formed.
For example, quartz, sapphire, glass, acrylic, Si, GaN, GaAs, InP, InGaAs, TiO 2 , ZnO, or other materials having these thin films.
If necessary, an adhesion layer for improving adhesion may be formed at the interface contacting the substrate 10 and the first dielectric thin film 20.

次に、イオン注入工程において、前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にイオン注入によるマスクを形成する。
ここでは、図1(b)に示したように、前記誘電体薄膜20へイオン注入して、30のようなマスクパターンを形成する。
そのため、例えば、集束イオンビーム(FIB)を走査しながら、加速されたGaイオンを前記誘電体薄膜20におけるマスクパターン30の部分に選択的に打ち込む。
注入できるイオンの種類としては、Ga以外にInでも構わない。
マスクパターン30のサイズは、必要時応じて決めればよいが、例えば、幅は数十nm乃至数μm、面内周期は数百nm乃至数μmで、長さは5μm乃至1000μm程度である。
Gaイオン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。
誘電体薄膜20の材料、そしてイオンの種類(例えば、Ga、In)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、電流や注入時間を求めることが可能なので、マスクパターン30の部分の形成は簡易かつ高精度で行える。
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。
ここでは、イオン注入は誘電体薄膜20の表面近傍だけに止まっても良い。そのため、FIBの加速電圧は0.5kV〜120kVの間で好ましく、最適値は1kV〜30kVである。
イオンの密度は、1×1018〜1×1023cm−3の間が実用的で、5×1020cm−3オーダーが最も好適である。
Next, in an ion implantation step, ions by a focused ion beam are selectively implanted into the dielectric thin film, and a mask by ion implantation is formed on the dielectric thin film.
Here, as shown in FIG. 1B, ions are implanted into the dielectric thin film 20 to form a mask pattern 30.
Therefore, for example, accelerated Ga ions are selectively implanted into the mask pattern 30 portion of the dielectric thin film 20 while scanning with a focused ion beam (FIB).
In addition to Ga, In may be used as the kind of ions that can be implanted.
The size of the mask pattern 30 may be determined as necessary. For example, the width is several tens of nm to several μm, the in-plane period is several hundred nm to several μm, and the length is about 5 μm to 1000 μm.
The distribution of Ga ions in the depth direction is controlled by FIB acceleration voltage, its in-plane distribution (that is, pattern shape) is FIB in-plane scanning, and its density is controlled by FIB current and implantation time.
If the material of the dielectric thin film 20 and the type of ions (for example, Ga, In) are determined, the acceleration voltage, current, and implantation time necessary to obtain a predetermined depth and density can be obtained by simple simulation. The mask pattern 30 can be formed easily and with high accuracy.
The focused ion beam is preferably a single bundle beam or a multi-bundle beam as required.
In the case of a multi-bundle beam, it is possible to further improve the efficiency of the ion arrangement process by making the acceleration voltage, current, beam diameter, and scanning of each beam independent.
Here, the ion implantation may be stopped only near the surface of the dielectric thin film 20. Therefore, the acceleration voltage of FIB is preferably between 0.5 kV and 120 kV, and the optimum value is 1 kV to 30 kV.
The ion density is practically between 1 × 10 18 and 1 × 10 23 cm −3 , and the order of 5 × 10 20 cm −3 is most preferable.

イオン注入層の厚さは、エッチングすべく誘電体薄膜の材料とエッチング深さ、及びイオン種によって最適化すればよい。
例えば、誘電体薄膜はSi、エッチング深さが10μmで、イオンがGaイオンの場合、イオン注入層の厚さを射影標準偏差で表現すると、50nm〜500nmの範囲で、100nm程度が最適である。
この厚さは、誘電体薄膜の材料とイオン種が決まっていれば、ほぼイオンの加速電圧で決まるので、公知の理論計算手法で大凡予測可能である。
また、イオンの深さ方向の分布におけるピーク位置は、エッチングの制御性を考慮すると、誘電体薄膜の表層付近にあることが望ましい。
前記ピーク位置は、理論上、誘電体薄膜の材料とイオン種が決まっていれば、ほぼイオンの加速電圧で決まり、公知の理論計算手法で大凡予測可能である。
例えば、マスク形成の過程で、一部のイオン注入を低加速電圧で行わればよい。
加速電圧が低いほど、イオン注入の深さが浅いので、前記ピーク位置を誘電体薄膜の表層付近(例えば、最表面から0nm〜50nm以内)に持ってくることができる。
低加速電圧使用のほかに、下記の方法がある。
FIBでマスクを形成する際のマスク形成条件、即ち、加速電圧、電流密度、イオンビームの絞り方、ビームの走査法および照射時間等を調整することによって、イオン注入しながら誘電体薄膜の表層を削ることができる。
そうすることによって、前記ピーク位置を誘電体薄膜の最表面(例えば、最表面から0nm〜50nm以内)まで持ってくることが可能である。
削る深さは、前記マスク形成条件によってほぼ0nmから連続的に調整可能で、誘電体薄膜の膜厚の10分の1以下が望ましい。
The thickness of the ion implantation layer may be optimized depending on the material of the dielectric thin film, the etching depth, and the ion species to be etched.
For example, when the dielectric thin film is Si, the etching depth is 10 μm, and the ions are Ga ions, the thickness of the ion implantation layer is expressed in the projection standard deviation, and about 100 nm is optimal in the range of 50 nm to 500 nm.
If the material of the dielectric thin film and the ion type are determined, this thickness is almost determined by the accelerating voltage of ions, and can be roughly predicted by a known theoretical calculation method.
Further, it is desirable that the peak position in the ion depth distribution is in the vicinity of the surface layer of the dielectric thin film in consideration of the controllability of etching.
The peak position is theoretically determined by the ion acceleration voltage if the material of the dielectric thin film and the ion species are determined, and can be roughly predicted by a known theoretical calculation method.
For example, a part of ion implantation may be performed at a low acceleration voltage in the process of mask formation.
The lower the acceleration voltage, the shallower the ion implantation depth, so that the peak position can be brought near the surface layer of the dielectric thin film (for example, within 0 nm to 50 nm from the outermost surface).
In addition to using a low acceleration voltage, there are the following methods.
By adjusting the mask formation conditions when forming the mask by FIB, that is, acceleration voltage, current density, ion beam narrowing method, beam scanning method and irradiation time, etc., the surface layer of the dielectric thin film can be formed while implanting ions. Can be sharpened.
By doing so, it is possible to bring the peak position to the outermost surface of the dielectric thin film (for example, within 0 nm to 50 nm from the outermost surface).
The cutting depth can be continuously adjusted from approximately 0 nm depending on the mask forming conditions, and is preferably 1/10 or less of the thickness of the dielectric thin film.

次に、パターン形成工程において、前記誘電体薄膜上に形成されたイオン注入によるマスクを用い、前記イオン注入部以外の誘電体薄膜部分を選択的に除去し、パターンを形成する。
つまり、誘電体薄膜上に形成されたマスク部分以外の、誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去する。
ここでは、図1(c)に示したように、誘電体薄膜20をエッチングして、50で示している部分を部分的に除去する。
このような誘電体薄膜部分の選択的除去には、例えば、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチング(RIE;reactive ion etching)を用いる。
特に、誘電体薄膜の厚みが1μm以上に厚いとき、エッチングとパターンの側壁保護を交互に行うRIE方式が望ましい。
例えば、誘電体薄膜がSiである場合、RIEのとき、SFとCガスを交互に導入し、所望の時間でエッチングを行う。SFガスを導入するとき、主にエッチングが進行する。
ガスを導入するとき、主に側壁保護が進行する。こうして、マスクのエッチング耐性が更に向上して、GaマスクにおけるGaの量およびマスク厚みの低減が可能である。
また、このエッチングで垂直性の良いパターンを得ることが可能になる。更に、上記Gaマスクを用いたRIEにおいて、加工条件を調整することによって、側壁の傾斜角度、平坦度、または形状を制御することが可能である。
加工条件を調整することは、エッチングとパターンの側壁保護の2つの作用を交互に行う際、それぞれの時間、装置内圧力、加工パワー、及びSFとCの流量等を目的に合わせて最適に調整することを意味する。
Next, in the pattern forming step, using a mask by ion implantation formed on the dielectric thin film, the dielectric thin film portion other than the ion implanted portion is selectively removed to form a pattern.
That is, a portion where the dielectric thin film is exposed other than the mask portion formed on the dielectric thin film is selectively removed.
Here, as shown in FIG. 1C, the dielectric thin film 20 is etched to partially remove the portion indicated by 50.
For such selective removal of the dielectric thin film portion, for example, reactive ion etching (RIE) using a fluorine-based gas is used.
In particular, when the thickness of the dielectric thin film is thicker than 1 μm, the RIE method that alternately performs etching and pattern side wall protection is desirable.
For example, when the dielectric thin film is Si, during RIE, SF 6 and C 4 F 8 gases are alternately introduced and etching is performed for a desired time. When SF 6 gas is introduced, etching proceeds mainly.
When C 4 F 8 gas is introduced, side wall protection mainly proceeds. Thus, the etching resistance of the mask is further improved, and the amount of Ga in the Ga mask and the mask thickness can be reduced.
Moreover, it becomes possible to obtain a pattern with good perpendicularity by this etching. Furthermore, in the RIE using the Ga mask, the inclination angle, flatness, or shape of the side wall can be controlled by adjusting the processing conditions.
Adjusting the processing conditions means that when performing the two actions of etching and pattern side wall protection alternately, the time, pressure in the apparatus, processing power, and the flow rate of SF 6 and C 4 F 8 are adjusted according to the purpose. Means optimal adjustment.

このとき、図1(b)に示したイオン注入工程で形成したマスクパターン30をエッチングマスクとして、誘電体薄膜20の上面にほぼ垂直の方向から見える前記イオン注入部以外の誘電体薄膜部分50を選択的に除去する。
このエッチングによって、フォトニック結晶第1層目のパターンが形成されている。
このパターン形成工程において、イオン注入部30とイオン未注入部とは、エッチング耐性が大きく異なる。
これにより、イオン未注入部が完全に除去されても、イオン注入部30がほとんどエッチングされない。
例えば、Siの表層から20nmの深さまでGaイオンを5×1020cm−3程度注入した場合、SFを用いたRIE工程において、Gaイオン注入部のエッチング耐性がイオン未注入部の500倍以上である。
At this time, using the mask pattern 30 formed in the ion implantation step shown in FIG. 1B as an etching mask, the dielectric thin film portion 50 other than the ion implanted portion that is visible from a direction substantially perpendicular to the upper surface of the dielectric thin film 20 is formed. Selectively remove.
By this etching, a pattern of the first layer of the photonic crystal is formed.
In this pattern forming process, the etching resistance differs greatly between the ion implanted portion 30 and the non-ion implanted portion.
Thereby, even if the ion non-implanted portion is completely removed, the ion implanted portion 30 is hardly etched.
For example, when about 5 × 10 20 cm −3 of Ga ions are implanted from the surface layer of Si to a depth of 20 nm, the etching resistance of the Ga ion implanted portion is 500 times or more that of the non-ion implanted portion in the RIE process using SF 6. It is.

次に、犠牲層形成工程において、前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する。
ここでは、図1(d)に示したように、前記第1層目の構造を含む誘電体薄膜上に犠牲層薄膜60を形成する。
前記犠牲層薄膜60は、後継の平坦化工程において前記誘電体薄膜20及びイオン注入部30に対して平坦化が容易な材料から選択される。例えば、銅(Cu)の薄膜が好適である。
銅薄膜の厚みは、誘電体薄膜のパターンにもよるが、0.1〜5μmは好ましい。銅薄膜の成膜は、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などの方法がある。以下では、これを犠牲層形成工程と記す。
Next, in a sacrificial layer forming step, a sacrificial layer is formed on the dielectric thin film on which the pattern is formed.
Here, as shown in FIG. 1D, the sacrificial layer thin film 60 is formed on the dielectric thin film including the structure of the first layer.
The sacrificial layer thin film 60 is selected from materials that can be easily planarized with respect to the dielectric thin film 20 and the ion implantation part 30 in a subsequent planarization step. For example, a thin film of copper (Cu) is suitable.
The thickness of the copper thin film depends on the pattern of the dielectric thin film, but is preferably 0.1 to 5 μm. The copper thin film can be formed by sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition, or epitaxial growth. Hereinafter, this is referred to as a sacrificial layer forming step.

つぎに、平坦化工程において、前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する。
ここでは、図1(e)に示したように、前記犠牲層薄膜を平坦化する。
この平坦化加工は、下地の誘電体薄膜パターン、つまりイオン注入部30を露出させ、銅薄膜60の高さが30とほぼ同じになるように行う。
上記平坦化加工は、たとえば機械研磨、または化学機械研磨(CMP:ChemicalMechanical Polishing)を用いる。
Next, in the planarization step, the sacrificial layer formed on the dielectric thin film is planarized until the pattern is exposed.
Here, as shown in FIG. 1E, the sacrificial layer thin film is planarized.
This flattening process is performed so that the underlying dielectric thin film pattern, that is, the ion implanted portion 30 is exposed, and the height of the copper thin film 60 is substantially the same as 30.
The planarization process uses, for example, mechanical polishing or chemical mechanical polishing (CMP).

次に、図1(f)乃至図1(i)に示したように、前記成膜工程、イオン注入工程、パターン形成工程、犠牲層形成工程、及び平坦化工程を所定の回数を繰り返して、図1(i)に示すような犠牲層を含有する構造を得る。
つまり、上記工程を4回繰り返すことで、1周期のウッドパイル構造を得るための、複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したパターン形成層が複数積層された構造を得ることができる。
Next, as shown in FIGS. 1F to 1I, the film formation process, the ion implantation process, the pattern formation process, the sacrificial layer formation process, and the planarization process are repeated a predetermined number of times. A structure containing a sacrificial layer as shown in FIG.
That is, by repeating the above process four times, a plurality of pattern forming layers in which a plurality of rod-shaped portions are arranged in parallel and periodically with a predetermined in-plane period to obtain a one-cycle woodpile structure are laminated. Structure can be obtained.

具体的には、上記した3次元フォトニック結晶の製造方法の各工程を用い、つぎのようなプロセスにより、図1(i)に示すような犠牲層を含有するパターン形成層が積層された構造を製造する。
すなわち、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程、及び前記平坦化工程を、この順に4回以上繰り返し、
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したパターン形成層が積層された上記犠牲層を含有する構造を製造する。
その際、第1回目のプロセスにおいて、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程によって、複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置された第1層目のパターン形成層を形成する。
次に、第2回目のプロセスにおいて、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程によって、
前記第1層目のパターン形成層における各ロッド形状部上に、該各ロッド形状部と直交する方向に延びるロッド形状部を有する第2のパターン形成層を形成する。
次に、第3回目のプロセスにおいて、前記第2のパターン形成層上に、前記第1のパターン形成層におけるロッド形状部と平行で且つ面内周期の1/2だけずれて位置するロッド形状部を有する第3のパターン形成層を形成する。
次に、第4回目のプロセスにおいて、前記第3のパターン形成層上に、前記第2のパターン形成層における各ロッド形状部と平行で且つ面内周期の1/2だけずれて位置するロッド形状部を有する第4のストライプ層を形成する。
以上のプロセスにより、上記した1周期のウッドパイル構造を得るための構造を得ることができる。
Specifically, a structure in which a pattern forming layer containing a sacrificial layer as shown in FIG. 1 (i) is laminated by the following process using each step of the above-described method for producing a three-dimensional photonic crystal. Manufacturing.
That is, the film formation step, the ion implantation step, the pattern formation step, the sacrificial layer formation step, and the planarization step are repeated four or more times in this order,
A structure containing the sacrificial layer in which a pattern forming layer in which a plurality of rod-shaped portions are arranged in parallel and periodically with a predetermined in-plane period is laminated is manufactured.
At that time, in the first process, a plurality of rod-shaped portions are arranged in parallel and periodically with a predetermined in-plane period by the film formation step, the ion implantation step, the pattern formation step, and the sacrificial layer formation step. A first pattern forming layer disposed on the substrate is formed.
Next, in the second process, the film formation step, the ion implantation step, the pattern formation step, the sacrificial layer formation step,
A second pattern forming layer having a rod-shaped portion extending in a direction orthogonal to each rod-shaped portion is formed on each rod-shaped portion in the first pattern-forming layer.
Next, in the third process, on the second pattern formation layer, the rod shape portion located parallel to the rod shape portion in the first pattern formation layer and shifted by ½ of the in-plane period Forming a third pattern forming layer having
Next, in the fourth process, on the third pattern formation layer, the rod shape positioned parallel to each rod shape portion in the second pattern formation layer and shifted by ½ of the in-plane period A fourth stripe layer having a portion is formed.
By the above process, a structure for obtaining the above-described one-cycle woodpile structure can be obtained.

但し、最上層の誘電体薄膜パターンを形成する場合、前記犠牲層形成工程と平坦化工程を省いても支障がない。
ここで、層間のパターン位置合せを高い精度で行うために、予め基板や誘電体薄膜上に形成した位置合せマーク(図示なし)を基準にして各層のパターン配置を決めればよい。
前記位置合せ用マークの形成方法は、例えば、フォトリソグラフィとリフトフ法がある。位置合せ用マークの材料は、Au/Crなどがある。
However, when the uppermost dielectric thin film pattern is formed, there is no problem even if the sacrifice layer forming step and the planarization step are omitted.
Here, in order to perform pattern alignment between layers with high accuracy, the pattern arrangement of each layer may be determined with reference to an alignment mark (not shown) formed in advance on a substrate or a dielectric thin film.
Examples of the method for forming the alignment mark include photolithography and the lift-off method. Examples of the material for the alignment mark include Au / Cr.

ここで、注目すべきことは、2層目以降のパターン形成工程における下地パターンの露出である(図1(h))。
例えば、図1(h)において、2層目のパターン加工が2層目の誘電体薄膜の下まで進むと、下地となる1層目のパターンの一部分(例えば、35で表示されている部分)が露出する。
通常、パターン加工は時間で終点制御を行うことが多く、パターン露出部35をまったくエッチング雰囲気に曝さずに加工を止めることが困難である。従来、エッチストップ層を設けることが難しく、どうしてもパターン露出部35にダメージを与えてしまう。
これは、フォトニック結晶構造の加工精度を低下させ、素子特性に影響を及ぼすことになる。
これに対して、本発明は、前記パターン露出部35へGaイオンを注入して、該部分に高いエッチング耐性をもたらしている。
つまり、エッチングマスクをイオン注入によって、誘電体薄膜の内部に埋め込んでいる。この内蔵マスクは、2層目以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。
このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。これによって、加工ダメージの低減ができ、より高い加工精度を得られる。
What should be noted here is the exposure of the underlying pattern in the pattern formation process for the second and subsequent layers (FIG. 1 (h)).
For example, in FIG. 1 (h), when the pattern processing of the second layer proceeds to below the second dielectric thin film, a part of the first layer pattern (for example, a portion indicated by 35) as a base Is exposed.
Usually, pattern processing often performs end point control over time, and it is difficult to stop the processing without exposing the pattern exposed portion 35 to the etching atmosphere at all. Conventionally, it is difficult to provide an etch stop layer, and the pattern exposed portion 35 is inevitably damaged.
This lowers the processing accuracy of the photonic crystal structure and affects the element characteristics.
On the other hand, in the present invention, Ga ions are implanted into the pattern exposed portion 35 to bring high etching resistance to the portion.
That is, the etching mask is embedded in the dielectric thin film by ion implantation. Since this built-in mask does not interfere with the structure formation of the second and subsequent layers, it is not necessary to remove it after thin film processing.
This mask can protect the structure of the thin film as an etch stop layer even in the processing of the next and subsequent layers. Thereby, processing damage can be reduced and higher processing accuracy can be obtained.

続いて、犠牲層除去工程において、図1(j)に示した3次元周期構造を得るため、図1(i)の犠牲層含有フォトニック結晶構造における前記犠牲層を液体エッチング剤で一括に除去する。これにより、所望のフォトニック結晶を得る。
前記液体エッチング剤としては、例えば、前記犠牲層がCuである場合、塩化鉄を含むエッチング溶液を用いることができる。
以上の積層工程によって、誘電体薄膜、とりわけ、Si、またはSiの酸化物や窒化物を含むSiの化合物からなる3次元フォトニック結晶構造が作製される。
Subsequently, in the sacrificial layer removal step, the sacrificial layer in the sacrificial layer-containing photonic crystal structure of FIG. 1 (i) is collectively removed with a liquid etchant in order to obtain the three-dimensional periodic structure shown in FIG. 1 (j). To do. Thereby, a desired photonic crystal is obtained.
As the liquid etching agent, for example, when the sacrificial layer is Cu, an etching solution containing iron chloride can be used.
Through the above lamination process, a three-dimensional photonic crystal structure made of a dielectric thin film, in particular, Si or a Si compound containing a Si oxide or nitride is produced.

以上のとおり、本実施の形態における誘電体薄膜加工用マスクは、イオン注入で薄膜に埋め込んだものであり、次層以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。
このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。
これによって、加工ダメージの低減ができ、より高い加工精度を得られる。
また、本発明の3次元フォトニック結晶の製造方法は、従来技術より工程が簡便なため、製造コストの低減も可能である。
As described above, the dielectric thin film processing mask according to the present embodiment is embedded in the thin film by ion implantation and does not obstruct the formation of the structure after the next layer, and therefore does not need to be removed after the thin film processing.
This mask can protect the structure of the thin film as an etch stop layer even in the processing of the next and subsequent layers.
Thereby, processing damage can be reduced and higher processing accuracy can be obtained.
In addition, since the method for producing a three-dimensional photonic crystal according to the present invention is simpler than the prior art, the production cost can be reduced.

なお、以上の説明では、3次元フォトニック結晶として、3次元ウッドパイル構造だけについて説明したが、本発明はこれに限られるものではない。これ以外の3次元構造でも、本発明の方法で簡易に形成可能である。   In the above description, only the three-dimensional woodpile structure has been described as the three-dimensional photonic crystal, but the present invention is not limited to this. Other three-dimensional structures can be easily formed by the method of the present invention.

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。
[実施例1]
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3次元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。
上記本発明の実施の形態で説明と重複する部分の図の説明は省略する。
本実施例では図1(j)に示すウッドパイル型3次元フォトニック結晶構造を作製した。
まず、図1(a)に示した成膜工程を行う。この工程で、基板10の上にフォトニック結晶を構成する主材料である誘電体薄膜20を形成する。
前記基板10として、石英を用いた。誘電体薄膜20としては、厚さが約100nmのSi薄膜をスパッタリング法で形成した。
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
[Example 1]
Since this embodiment is based on basically the same process as the manufacturing method of the three-dimensional photonic crystal described in the embodiment of the present invention, it will be described here with reference to FIG.
The description of the drawings overlapping with the description in the embodiment of the present invention is omitted.
In this example, a woodpile type three-dimensional photonic crystal structure shown in FIG.
First, the film forming process shown in FIG. In this step, the dielectric thin film 20 which is a main material constituting the photonic crystal is formed on the substrate 10.
Quartz was used as the substrate 10. As the dielectric thin film 20, a Si thin film having a thickness of about 100 nm was formed by a sputtering method.

次に、図1(b)に示したイオン注入工程を行う。この工程で、集束イオンビーム(Focus ion beam;以下FIB)を走査しながら、Gaイオンを30の部分に選択的に打ち込む。
パターン30のサイズは、幅が約100nm、長さが100μm、面内周期が約300nmである。パターン全体のエリアは、約100μm角である。
FIBの加速電圧を約5kV〜30kVにして、Si薄膜の最表面から約30nmの深さまでGaイオンをほぼ均等に注入する。
FIBのビーム径を10nm程度に絞って、ビーム電流と走査速度を調整して、Gaイオンの最高密度を約5×1020cm−3にする。
Next, the ion implantation process shown in FIG. In this step, Ga ions are selectively implanted into the portion 30 while scanning with a focused ion beam (hereinafter referred to as FIB).
The pattern 30 has a width of about 100 nm, a length of 100 μm, and an in-plane period of about 300 nm. The area of the entire pattern is about 100 μm square.
The acceleration voltage of FIB is set to about 5 kV to 30 kV, and Ga ions are implanted almost uniformly from the outermost surface of the Si thin film to a depth of about 30 nm.
The beam diameter of the FIB is reduced to about 10 nm, the beam current and the scanning speed are adjusted, and the maximum density of Ga ions is set to about 5 × 10 20 cm −3 .

次に、図1(c)に示したパターン形成工程を行う。この工程で、Si薄膜20をフッ素系ガスRIEでエッチングして、50で示している部分を部分的に除去する。
このとき、図1(b)に示したイオン注入工程で形成したパターン30をエッチングマスクとして、Si薄膜20の上面にほぼ垂直の方向から見えるGaイオン未注入部50を選択的に除去する。
このエッチングによって、フォトニック結晶第1層目のパターンが形成されている。
ここでのRIEは、例えば、SFとCガスを交互に導入したRIE法が用いられる。
SFガスを導入するとき、主にエッチングが進行する。Cガスを導入するとき、主に側壁保護が進行する。こうして、マスクのエッチング耐性が更に向上して、GaマスクにおけるGaの量およびマスク厚みの低減が可能である。
このパターン形成工程において、Gaイオン注入部30のエッチング耐性がGaイオン未注入部50の500倍以上のものを得ることができる。
Next, the pattern forming process shown in FIG. In this step, the Si thin film 20 is etched with a fluorine-based gas RIE, and a portion indicated by 50 is partially removed.
At this time, using the pattern 30 formed in the ion implantation step shown in FIG. 1B as an etching mask, the Ga ion non-implanted portion 50 that is visible from a direction substantially perpendicular to the upper surface of the Si thin film 20 is selectively removed.
By this etching, a pattern of the first layer of the photonic crystal is formed.
For example, the RIE method in which SF 6 and C 4 F 8 gases are alternately introduced is used for the RIE here.
When SF 6 gas is introduced, etching proceeds mainly. When C 4 F 8 gas is introduced, side wall protection mainly proceeds. Thus, the etching resistance of the mask is further improved, and the amount of Ga in the Ga mask and the mask thickness can be reduced.
In this pattern formation step, the etching resistance of the Ga ion implanted portion 30 can be obtained that is 500 times that of the Ga ion non-implanted portion 50 or more.

次に、図1(d)に示した犠牲層形成工程を行う。
この工程で、前記第1層目の構造を含むSi薄膜上に犠牲層薄膜として銅薄膜60を形成する。銅薄膜は、スパッタ法で堆積するが、厚みが約0.3μmである。
Next, a sacrificial layer forming step shown in FIG.
In this step, a copper thin film 60 is formed as a sacrificial layer thin film on the Si thin film including the structure of the first layer. The copper thin film is deposited by sputtering, but has a thickness of about 0.3 μm.

次に、図1(e)に示した平坦化工程を行う。この工程で、周知のCMP法で銅薄膜60を研磨するが、下地のSi薄膜パターン30を露出させ、銅薄膜60の高さが30とほぼ同じになるように研磨を進める。   Next, the planarization process shown in FIG. In this step, the copper thin film 60 is polished by a well-known CMP method, but the underlying Si thin film pattern 30 is exposed, and the polishing is advanced so that the height of the copper thin film 60 is substantially the same as 30.

次に、図1(f)乃至図1(i)に示したように、前記成膜工程、イオン注入工程、パターン形成工程、犠牲層形成工程、及び平坦化工程を繰り返して、図1(i)に示すような犠牲層含有フォトニック結晶構造を作製する。
層間のパターン位置合せを高い精度で行うために、予め基板10に位置合せマーク(図示なし)を形成する。該位置合せマークを基準にして各層のパターン配置を決める。
前記位置合せ用マークの形成には、電子ビームリソグラフィとリフトフ法を用いる。位置合せ用マークの材料は、Au(厚み100nm)/Cr(厚み10nm)である。
Next, as shown in FIGS. 1F to 1I, the film formation process, the ion implantation process, the pattern formation process, the sacrificial layer formation process, and the planarization process are repeated, and FIG. A sacrificial layer-containing photonic crystal structure as shown in FIG.
In order to perform pattern alignment between layers with high accuracy, alignment marks (not shown) are formed on the substrate 10 in advance. The pattern arrangement of each layer is determined based on the alignment mark.
Electron beam lithography and the lift-off method are used to form the alignment mark. The material of the alignment mark is Au (thickness 100 nm) / Cr (thickness 10 nm).

図1(h)のパターン形成工程において、2層目のパターン加工を2層目のSi薄膜の下まで進むと、下地となる1層目のパターンの一部分(例えば、35で表示されている部分)が露出する。
通常、パターン加工は時間で終点制御を行うことが多く、パターン露出部35をまったくエッチング雰囲気に曝さずに加工を止めることは困難である。
従来、エッチストップ層を設けることが難しく、どうしてもパターン露出部35にダメージを与えてしまう。これは、フォトニック結晶構造の加工精度を低下させ、素子特性に影響を及ぼすことになる。
それに対して、本実施例では、Gaイオンをパターン形成したい部分へ注入して、該部分(30と35の部分)に高いエッチング耐性をもたらしている。
つまり、エッチングマスクをイオン注入によって、Si薄膜の内部に埋め込んでいる。
この内蔵マスクは、2層目以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。
図1(h)では、35の部分が露出しているが、該部分は高いエッチング耐性を持つため、受ける加工ダメージが低い。
そのため、従来のエッチストップ層がない加工法より高い加工精度を得られる。
In the pattern formation step of FIG. 1 (h), when the pattern processing of the second layer proceeds below the Si thin film of the second layer, a part of the pattern of the first layer (for example, a part indicated by 35) as a base ) Is exposed.
Normally, the end point of the pattern processing is often controlled by time, and it is difficult to stop the processing without exposing the pattern exposed portion 35 to the etching atmosphere at all.
Conventionally, it is difficult to provide an etch stop layer, and the pattern exposed portion 35 is inevitably damaged. This lowers the processing accuracy of the photonic crystal structure and affects the element characteristics.
On the other hand, in this embodiment, Ga ions are implanted into a portion where pattern formation is desired, and this portion (the portions 30 and 35) has high etching resistance.
That is, the etching mask is embedded in the Si thin film by ion implantation.
Since this built-in mask does not interfere with the structure formation of the second and subsequent layers, it is not necessary to remove it after thin film processing. This mask can protect the structure of the thin film as an etch stop layer even in the processing of the next and subsequent layers.
In FIG. 1 (h), the portion 35 is exposed, but since this portion has high etching resistance, the processing damage received is low.
Therefore, higher processing accuracy can be obtained than a conventional processing method without an etch stop layer.

続いて、図1(j)に示した3次元構造を得るため、犠牲層除去工程を行う。この工程で、図1(i)の構造における前記犠牲層を塩化鉄含有エッチング溶液で一括に除去して、所望のウッドパイル型3次元フォトニック結晶を得る。
図1(j)には、1周期(4層)のウッドパイル型フォトニック結晶を示している。
以上の積層工程によって、3次元フォトニック結晶を代表とする3次元構造を、より高加工精度かつより低コストで製造可能になる。
Subsequently, in order to obtain the three-dimensional structure shown in FIG. In this step, the sacrificial layer in the structure of FIG. 1 (i) is collectively removed with an iron chloride-containing etching solution to obtain a desired woodpile type three-dimensional photonic crystal.
FIG. 1 (j) shows a one-cycle (four-layer) woodpile photonic crystal.
By the above stacking process, a three-dimensional structure typified by a three-dimensional photonic crystal can be manufactured with higher processing accuracy and lower cost.

[実施例2]
実施例2においては、上記した3次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された3次元フォトニック結晶を製造型として用いて3次元周期構造を製造する方法について説明する。
本実施例では、実施例1で形成したフォトニック結晶70を製造型として用い、新たなフォトニック結晶構造を作製する。
作製方法として、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70のロッド40間の雰囲気部50を別の材料で埋め込む。
前記材料は、例えば、酸化チタン(TiO)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。
[Example 2]
In Example 2, a method of manufacturing a three-dimensional periodic structure using the three-dimensional photonic crystal manufactured by the above-described three-dimensional photonic crystal manufacturing method as a manufacturing mold will be described.
In this example, a new photonic crystal structure is produced using the photonic crystal 70 formed in Example 1 as a manufacturing mold.
As a manufacturing method, first, the atmosphere part 50 between the rods 40 of the photonic crystal 70 is embedded with another material by a chemical vapor deposition (CVD) method or an atomic layer deposition (ALD) method.
The material is, for example, titanium oxide (TiO 2 ). By optimizing the embedding conditions, the atmosphere part 50 can be densely embedded without a gap.

そして、研磨やドライエッチングによって、前記ロッド40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40(Si)を完全に除去する。
ドライエッチング法として、XeF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、TiO及び石英基板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、TiOからなる3次元フォトニック結晶が形成される。また、TiOの代わりに、GaN、SiO、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。
Then, the outermost rod 40 is partially exposed by polishing or dry etching. Then, the rod 40 (Si) is completely removed by dry etching or solution etching.
As a dry etching method, there is a method using XeF 2 gas. The solution that can be used for the solution etching may be any solution that dissolves Si but does not etch TiO 2 and the quartz substrate.
For example, a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) aqueous solution is suitable. By the above process, a three-dimensional photonic crystal made of TiO 2 is formed. There are also materials such as GaN, SiO 2 and ZnO instead of TiO 2 . It is clear that each material is possible, although the process of embedding is slightly different.
Further, although the substrate 10 is made of quartz, there is no problem even if it is changed as necessary.

上記方法によって、前記製造型に、3次元フォトニック結晶を形成する材料を埋め込んだ後、該製造型の側を除去し、該製造型の反転した形状の埋め込んだ材料による3次元周期構造を製造することができる。
これにより、実施例1で示した積層工程で形成したSi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が可能になる。
By the above method, after the material for forming the three-dimensional photonic crystal is embedded in the manufacturing mold, the manufacturing mold side is removed, and a three-dimensional periodic structure is manufactured by using the embedded material with the inverted shape of the manufacturing mold. can do.
As a result, it is possible to form a photonic crystal made of a material completely different from the Si photonic crystal formed in the stacking process shown in the first embodiment.

本発明の実施の形態及び実施例1における3次元周期構造体の製造方法を説明する図。The figure explaining the manufacturing method of the three-dimensional periodic structure in embodiment and Example 1 of this invention. 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。The schematic diagram explaining the three-dimensional photonic crystal which has the woodpile structure in a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

10:基板
20:誘電体薄膜
30:イオン注入によるマスクパターン
35:パターン露出部
40:フォトニック結晶ロッド
50:雰囲気部
60:犠牲層
70:フォトニック結晶
10: Substrate 20: Dielectric thin film 30: Mask pattern 35 by ion implantation: Pattern exposed portion 40: Photonic crystal rod 50: Atmosphere portion 60: Sacrificial layer 70: Photonic crystal

Claims (11)

3次元フォトニック結晶の製造方法であって、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程と、
を有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。
A method for producing a three-dimensional photonic crystal,
A film forming process for forming a dielectric thin film;
An ion implantation step of selectively implanting ions by a focused ion beam into the dielectric thin film to form a mask on the dielectric thin film;
A pattern forming step of selectively removing a portion where the dielectric thin film other than the mask portion formed on the dielectric thin film is exposed, and forming a pattern;
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer on the dielectric thin film on which the pattern is formed, and a flattening step of flattening the sacrificial layer formed on the dielectric thin film until the pattern is exposed;
A method for producing a three-dimensional photonic crystal, comprising:
前記誘電体薄膜は、Si、またはSiの酸化物あるいは窒化物を含むSiの化合物で形成されることを特徴とする請求項1に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。   2. The method of manufacturing a three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein the dielectric thin film is formed of Si or a Si compound containing an oxide or nitride of Si. 3. 前記成膜工程において、前記誘電体薄膜の形成に、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が用いられることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。   3. The method according to claim 1, wherein in the film formation step, any one of sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition, or epitaxial growth is used to form the dielectric thin film. A method for producing a two-dimensional photonic crystal. 前記イオン注入工程において、前記集束イオンビームのイオンに、Gaイオンが用いられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。   The method of manufacturing a three-dimensional photonic crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein Ga ions are used as ions of the focused ion beam in the ion implantation step. 前記パターン形成工程において、前記誘電体薄膜が露出した部分の選択的除去に、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチングが用いられることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。   5. The reactive ion etching using a fluorine-based gas is used for selective removal of the exposed portion of the dielectric thin film in the pattern forming step. A method for producing a two-dimensional photonic crystal. 前記犠牲層形成工程における犠牲層が、前記平坦化工程において平坦化が容易な材料から選択されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。   6. The three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein the sacrificial layer in the sacrificial layer forming step is selected from materials that can be easily flattened in the flattening step. Method. 前記犠牲層形成工程における犠牲層の形成に、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が用いられ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3次元フォトニック結晶の製造方法。   7. The method according to claim 1, wherein sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition, or epitaxial growth is used for forming the sacrificial layer in the sacrificial layer forming step. A method for producing a three-dimensional photonic crystal. 前記平坦化工程における平坦化に、機械研磨、または化学機械研磨のいずれかが用いられ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3次元フォトニック結晶の製造方法。   8. The method of manufacturing a three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein either mechanical polishing or chemical mechanical polishing is used for the flattening in the flattening step. 3次元フォトニック結晶の製造方法であって
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造を製造する第1工程と、
前記犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造における、該犠牲層を液体エッチング剤で一括に除去して、3次元周期構造を製造する第2工程と、を有し、
前記第1工程は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程とをこの順に4回以上繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする3次元フォトニック結晶の製造方法。
A method of manufacturing a three-dimensional photonic crystal, wherein a plurality of pattern forming layers including a sacrificial layer in which a plurality of rod-shaped portions are arranged in parallel and periodically with a predetermined in-plane period are stacked. 1 process,
A second step of manufacturing a three-dimensional periodic structure by collectively removing the sacrificial layer with a liquid etchant in a structure in which a plurality of pattern forming layers containing the sacrificial layer are stacked,
The first step includes
A film forming process for forming a dielectric thin film;
An ion implantation step of selectively implanting ions by a focused ion beam into the dielectric thin film to form a mask on the dielectric thin film;
A pattern forming step of selectively removing a portion where the dielectric thin film other than the mask portion formed on the dielectric thin film is exposed, and forming a pattern;
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer on the dielectric thin film on which the pattern is formed;
A step of repeating the flattening step of flattening the sacrificial layer formed on the dielectric thin film until the pattern is exposed, four or more times in this order;
A method for producing a three-dimensional photonic crystal, comprising:
前記液体エッチング剤が、塩化鉄を含む液体エッチング剤であることを特徴とする請求項9に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法。   The method for producing a three-dimensional photonic crystal according to claim 9, wherein the liquid etching agent is a liquid etching agent containing iron chloride. 請求項9に記載の3次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された3次元フォトニック結晶を製造型として用い、
前記製造型に、3次元フォトニック結晶を形成する材料を埋め込んだ後、該製造型を除去し、
前記製造型の反転した形状の前記埋め込んだ材料による3次元周期構造を製造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。
A three-dimensional photonic crystal produced by the method for producing a three-dimensional photonic crystal according to claim 9 is used as a production mold.
After embedding a material for forming a three-dimensional photonic crystal in the production mold, the production mold is removed,
A method for producing a three-dimensional photonic crystal, comprising producing a three-dimensional periodic structure with the embedded material having an inverted shape of the production mold.
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