JP3472180B2 - ３次元周期構造体及び２次元周期構造体並びにそれらの作製方法 - Google Patents
３次元周期構造体及び２次元周期構造体並びにそれらの作製方法Info
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- JP3472180B2 JP3472180B2 JP06083899A JP6083899A JP3472180B2 JP 3472180 B2 JP3472180 B2 JP 3472180B2 JP 06083899 A JP06083899 A JP 06083899A JP 6083899 A JP6083899 A JP 6083899A JP 3472180 B2 JP3472180 B2 JP 3472180B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光回路を構成する
波長フイルターや偏光子等の種々の光学素子に利用でき
る屈折率の異なる２種以上の物質が、３次元周期構造ま
たは２次元周期構造を形成し、フォトニックバンドギャ
ップ効果を有する３次元周期構造体及び２次元周期構造
体並びにそれらの作製方法に関する。
波長フイルターや偏光子等の種々の光学素子に利用でき
る屈折率の異なる２種以上の物質が、３次元周期構造ま
たは２次元周期構造を形成し、フォトニックバンドギャ
ップ効果を有する３次元周期構造体及び２次元周期構造
体並びにそれらの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】フォトニックバンドギャップ結晶（以
下、フォトニック結晶と略す）は、屈折率の異なる２種
以上の物質が、使用する光の波長よりやや短い周期で格
子を形成しているもので、屈折率が十分大きく異なる
と、電磁波が全く伝搬できない波長帯域（バンドギャッ
プと称されている）が形成される。このバンドギャップ
の波長帯と帯域幅は主に格子の形状と周期及び物質の屈
折率差とにより決まり、広いバンドギャップを得るには
屈折率差が大きい組み合わせが望ましい。特に、光回路
部品の小型化や３次元化を実現する上で、３次元周期構
造のフォトニック結晶が有利であるが、光通信の波長帯
で使用するには、１μｍ以下の周期をもつ３次元周期構
造を作製する必要があり、技術的に困難であった。
下、フォトニック結晶と略す）は、屈折率の異なる２種
以上の物質が、使用する光の波長よりやや短い周期で格
子を形成しているもので、屈折率が十分大きく異なる
と、電磁波が全く伝搬できない波長帯域（バンドギャッ
プと称されている）が形成される。このバンドギャップ
の波長帯と帯域幅は主に格子の形状と周期及び物質の屈
折率差とにより決まり、広いバンドギャップを得るには
屈折率差が大きい組み合わせが望ましい。特に、光回路
部品の小型化や３次元化を実現する上で、３次元周期構
造のフォトニック結晶が有利であるが、光通信の波長帯
で使用するには、１μｍ以下の周期をもつ３次元周期構
造を作製する必要があり、技術的に困難であった。
【０００３】しかしながら、近年、２次元的にほぼ周期
的な凹凸をもつ基板の上に２種類以上の物質をほぼ周期
的に順次積層し、その積層の中の少なくとも一部分にス
パッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いる
ことにより、３次元的にほぼ周期的な構造体を形成する
作製する技術を開発された。この開発された構造体の典
型的な構造例を図１に示す。図１において、基板上に微
細加工技術により形成した２次元周期の凹凸上に、バイ
アススパッタリング法により、符号１０１で示す屈折率
ｌ．４６のＳｉＯ2 と、符号１０２で示す屈折率３．２
４のアモルファスＳｉ（以下、ａ−Ｓｉ）を交互に積層
し、適切な条件を選択してやると、基板上の凹凸を保存
して膜が堆積され、結果的に図１に示すような３次元周
期構造が形成される。この３次元周期構造体は、厚さ方
向（ｚ方向）の１周期内で見ると、ＳｉＯ2 とａＳｉが
交互に入れ子になった網状の構造体である。
的な凹凸をもつ基板の上に２種類以上の物質をほぼ周期
的に順次積層し、その積層の中の少なくとも一部分にス
パッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いる
ことにより、３次元的にほぼ周期的な構造体を形成する
作製する技術を開発された。この開発された構造体の典
型的な構造例を図１に示す。図１において、基板上に微
細加工技術により形成した２次元周期の凹凸上に、バイ
アススパッタリング法により、符号１０１で示す屈折率
ｌ．４６のＳｉＯ2 と、符号１０２で示す屈折率３．２
４のアモルファスＳｉ（以下、ａ−Ｓｉ）を交互に積層
し、適切な条件を選択してやると、基板上の凹凸を保存
して膜が堆積され、結果的に図１に示すような３次元周
期構造が形成される。この３次元周期構造体は、厚さ方
向（ｚ方向）の１周期内で見ると、ＳｉＯ2 とａＳｉが
交互に入れ子になった網状の構造体である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
１の従来の３次元周期構造体では、光学特性を測定する
と、ｚ方向では、明瞭なバンドギャップが形成される
が、面内方向（ｘｙ方向）では、明瞭なバンドギャップ
を観測できなかった。これは、ｘｙ方向ではＡ−Ａ’面
で切られる断面で、高屈折率のａ−Ｓｉと低屈折率のＳ
ｉＯ2 の相対割合がｚ方向に変化する強い変調構造を有
し、平均屈折率が１周期内で増減しているのに対し、ｚ
方向ではＢ−Ｂ’面で切られる断面で、高屈折率のａ−
Ｓｉと低屈折率のＳｉＯ2 の相対割合がほぼ同じになっ
て、変調が弱い構造になっているためと、推測される。
１の従来の３次元周期構造体では、光学特性を測定する
と、ｚ方向では、明瞭なバンドギャップが形成される
が、面内方向（ｘｙ方向）では、明瞭なバンドギャップ
を観測できなかった。これは、ｘｙ方向ではＡ−Ａ’面
で切られる断面で、高屈折率のａ−Ｓｉと低屈折率のＳ
ｉＯ2 の相対割合がｚ方向に変化する強い変調構造を有
し、平均屈折率が１周期内で増減しているのに対し、ｚ
方向ではＢ−Ｂ’面で切られる断面で、高屈折率のａ−
Ｓｉと低屈折率のＳｉＯ2 の相対割合がほぼ同じになっ
て、変調が弱い構造になっているためと、推測される。
【０００５】図２は従来技術による３次元周期構造体の
別の構造例（断面部分のみを示す）であり、この場合
は、基板上に形成された深い凹凸が、初期の積層の過程
で、ジグザグ状の凹凸構造に自己形成され、この形状が
その後も保存されて３次元周期構造体となる例である。
この場合、厚さ方向（ｚ方向）の１周期内で見ると膜状
の２次元構造体となるが、それぞれの物質からなる各領
域の面内の厚さは一定であるため、面内の全ての方向に
開いたバンドギャップを得ることができなかった。
別の構造例（断面部分のみを示す）であり、この場合
は、基板上に形成された深い凹凸が、初期の積層の過程
で、ジグザグ状の凹凸構造に自己形成され、この形状が
その後も保存されて３次元周期構造体となる例である。
この場合、厚さ方向（ｚ方向）の１周期内で見ると膜状
の２次元構造体となるが、それぞれの物質からなる各領
域の面内の厚さは一定であるため、面内の全ての方向に
開いたバンドギャップを得ることができなかった。
【０００６】本発明の目的は、上述の点に鑑みて、フォ
トニックバンドギャップ効果を増大できるように図った
３次元周期構造体およびその作製方法を提供することに
ある。
トニックバンドギャップ効果を増大できるように図った
３次元周期構造体およびその作製方法を提供することに
ある。
【０００７】本発明のさらなる目的は、フォトニックバ
ンドギャップ効果を増大できるように図った２次元周期
構造体およびその作製方法を提供することにある。
ンドギャップ効果を増大できるように図った２次元周期
構造体およびその作製方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、低屈折率の物質と高屈折率の物
質が厚さ方向に周期的に積層された３次元周期構造体に
おいて、その厚さ方向の１周期内でそれぞれの物質は２
次元周期的凹凸を持つ膜状の形をなし、それぞれの物質
からなる領域の面内の厚さが、面内でほぼ０〜１００％
直線的に変調されていることを特徴とする。
め、請求項１の発明は、低屈折率の物質と高屈折率の物
質が厚さ方向に周期的に積層された３次元周期構造体に
おいて、その厚さ方向の１周期内でそれぞれの物質は２
次元周期的凹凸を持つ膜状の形をなし、それぞれの物質
からなる領域の面内の厚さが、面内でほぼ０〜１００％
直線的に変調されていることを特徴とする。
【０００９】上記目的を達成するため、請求項２の発明
は、低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ方向に周期
的に積層された３次元周期構造体において、その厚さ方
向の１周期内で前記低屈折率物質が２次元周期的な網状
の形をなし、その穴部分に前記高屈折率物質が充填さ
れ、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さが面内で
変調されていることを特徴とする。
は、低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ方向に周期
的に積層された３次元周期構造体において、その厚さ方
向の１周期内で前記低屈折率物質が２次元周期的な網状
の形をなし、その穴部分に前記高屈折率物質が充填さ
れ、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さが面内で
変調されていることを特徴とする。
【００１０】上記目的を達成するため、請求項３の発明
は、低屈折率物質と高屈折率物質が周期的に積層された
３次元周期構造体のそれぞれの物質の上面、下面が２次
元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の１周期内で、ある
物質は複数の方向から原料物質を入射させることにより
その物質の上面の凹凸は下面の凹凸よりも強調され、別
のある物質は再付着効果を持つデポジションまたはエッ
チングにより上面の凹凸は下面の凹凸より弱められるこ
とにより、それぞれの物質からなる領域の厚さが面内で
変調が与えられて、フォトニックバンドギャップ効果を
増大させる３次元周期構造体の作製方法において、基板
表面に微細な周期の凹凸パターンを形成する第１の工程
と、前記基板を、基板バイアス印加可能で低屈折率物質
と高屈折率物質の２個のターゲットを有するスパッタリ
ング装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて小さ
な楔または突起を残して平坦化されるように、エッチン
グ効果や再付着効果が非常に大きい基板バイアスとガス
圧の条件で、高屈折率物質をスパッタする第２の工程
と、該高屈折率物質上に低屈折率物質を所定の角度のジ
グザグ形状になるように基板バイアスとガス圧を調整し
てスパッタする第３の工程と、等方的なエッチングによ
り低屈折率層の断面がほぼ３角形になるまで全体的にエ
ッチングする第４の工程と、該３角形の低屈折率層の上
に高屈折率物質が小さな楔または突起を有するほぼ平坦
な表面になるように基板バイアスとガス圧を調整して高
屈折率物質をスパッタする第５の工程と、等方的なエッ
チングにより該高屈折率層の断面が逆３角形になるまで
全体的にエッチングする第６の工程とを有し、その後、
前記第３の工程から前記第６の工程を順次繰り返すこと
を特徴とする。
は、低屈折率物質と高屈折率物質が周期的に積層された
３次元周期構造体のそれぞれの物質の上面、下面が２次
元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の１周期内で、ある
物質は複数の方向から原料物質を入射させることにより
その物質の上面の凹凸は下面の凹凸よりも強調され、別
のある物質は再付着効果を持つデポジションまたはエッ
チングにより上面の凹凸は下面の凹凸より弱められるこ
とにより、それぞれの物質からなる領域の厚さが面内で
変調が与えられて、フォトニックバンドギャップ効果を
増大させる３次元周期構造体の作製方法において、基板
表面に微細な周期の凹凸パターンを形成する第１の工程
と、前記基板を、基板バイアス印加可能で低屈折率物質
と高屈折率物質の２個のターゲットを有するスパッタリ
ング装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて小さ
な楔または突起を残して平坦化されるように、エッチン
グ効果や再付着効果が非常に大きい基板バイアスとガス
圧の条件で、高屈折率物質をスパッタする第２の工程
と、該高屈折率物質上に低屈折率物質を所定の角度のジ
グザグ形状になるように基板バイアスとガス圧を調整し
てスパッタする第３の工程と、等方的なエッチングによ
り低屈折率層の断面がほぼ３角形になるまで全体的にエ
ッチングする第４の工程と、該３角形の低屈折率層の上
に高屈折率物質が小さな楔または突起を有するほぼ平坦
な表面になるように基板バイアスとガス圧を調整して高
屈折率物質をスパッタする第５の工程と、等方的なエッ
チングにより該高屈折率層の断面が逆３角形になるまで
全体的にエッチングする第６の工程とを有し、その後、
前記第３の工程から前記第６の工程を順次繰り返すこと
を特徴とする。
【００１１】上記目的を達成するため、請求項４の発明
は、低屈折率物質と高屈折率物質が周期的に積層された
３次元周期構造体のそれぞれの物質の上面、下面が２次
元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の１周期内で、ある
物質は複数の方向から原料物質を入射させることにより
その物質の上面の凹凸は下面の凹凸よりも強調され、別
のある物質は再付着効果を持つデポジションまたはエッ
チングにより上面の凹凸は下面の凹凸より弱められるこ
とにより、それぞれの物質からなる領域の厚さが面内で
変調が与えられて、フォトニックバンドギャップ効果を
増大させる３次元周期構造体の作製方法において、基板
表面に微細な周期の凹凸パターンを形成する第１の工程
と、前記基板を、基板バイアス印加可能で、低屈折率物
質と高屈折率物質の２個のターゲットを有するスパッタ
リング装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて４
５°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板バ
イアスとガス圧を調整して低屈折率物質をスパッタする
第２の工程と、該低屈折率物質の上にバイアスを印加せ
ずに高屈折率物質を積層する第３の工程と、異方性が高
く高屈折率物質をより選択的にエッチングできるドライ
エッチングを行う第４の工程と、該高屈折率物質の上に
低屈折率物質を所定の角度を持つ楔状の形状になるよう
に、基板バイアスとガス圧を調整してスパッタする第５
の工程と、等方的で低屈折率物質をより選択的にエッチ
ングできるドライエッチングを行い、低屈折率層に台形
状の穴を明ける第６の工程と、高屈折率物質を下面の楔
形状を鈍らせるように凹部には厚く、凸部には薄く積層
する第７の工程と、異方性が高く高屈折率物質をより選
択的にエッチングできるドライエッチングを行い、高屈
折率層の断面が分離した逆台形を網状の穴の部分に形成
する第８の工程とを有し、その後、前記第５の工程から
前記第８の工程を順次繰り返すことを特徴とする。
は、低屈折率物質と高屈折率物質が周期的に積層された
３次元周期構造体のそれぞれの物質の上面、下面が２次
元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の１周期内で、ある
物質は複数の方向から原料物質を入射させることにより
その物質の上面の凹凸は下面の凹凸よりも強調され、別
のある物質は再付着効果を持つデポジションまたはエッ
チングにより上面の凹凸は下面の凹凸より弱められるこ
とにより、それぞれの物質からなる領域の厚さが面内で
変調が与えられて、フォトニックバンドギャップ効果を
増大させる３次元周期構造体の作製方法において、基板
表面に微細な周期の凹凸パターンを形成する第１の工程
と、前記基板を、基板バイアス印加可能で、低屈折率物
質と高屈折率物質の２個のターゲットを有するスパッタ
リング装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて４
５°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板バ
イアスとガス圧を調整して低屈折率物質をスパッタする
第２の工程と、該低屈折率物質の上にバイアスを印加せ
ずに高屈折率物質を積層する第３の工程と、異方性が高
く高屈折率物質をより選択的にエッチングできるドライ
エッチングを行う第４の工程と、該高屈折率物質の上に
低屈折率物質を所定の角度を持つ楔状の形状になるよう
に、基板バイアスとガス圧を調整してスパッタする第５
の工程と、等方的で低屈折率物質をより選択的にエッチ
ングできるドライエッチングを行い、低屈折率層に台形
状の穴を明ける第６の工程と、高屈折率物質を下面の楔
形状を鈍らせるように凹部には厚く、凸部には薄く積層
する第７の工程と、異方性が高く高屈折率物質をより選
択的にエッチングできるドライエッチングを行い、高屈
折率層の断面が分離した逆台形を網状の穴の部分に形成
する第８の工程とを有し、その後、前記第５の工程から
前記第８の工程を順次繰り返すことを特徴とする。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【作用】本発明では、複数種類の物質が３次元的または
2 次元的に周期構造を有する構造体において、各物質の
面内の厚さを面内で変調することにより、フォトニック
バンドギャップ効果を増大する。また、本発明は、この
ような膜厚変調構造を基板上に微細加工技術により形成
した２次元あるいは１次元周期の凹凸上で、２種類以上
の物質をほぼ周期的に順次積層し、その積層の中の少な
くとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成
膜と同時に用いることにより、凹凸を所望の形状に整形
する技術を用いて、３次元周期構造体または２次元周期
構造体を実現し、これによりフォトニックバンドギャッ
プ効果の増大を得る。
2 次元的に周期構造を有する構造体において、各物質の
面内の厚さを面内で変調することにより、フォトニック
バンドギャップ効果を増大する。また、本発明は、この
ような膜厚変調構造を基板上に微細加工技術により形成
した２次元あるいは１次元周期の凹凸上で、２種類以上
の物質をほぼ周期的に順次積層し、その積層の中の少な
くとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成
膜と同時に用いることにより、凹凸を所望の形状に整形
する技術を用いて、３次元周期構造体または２次元周期
構造体を実現し、これによりフォトニックバンドギャッ
プ効果の増大を得る。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
施の形態を詳細に説明する。
【００２２】なお、以下の説明で、無変調構造とは、積
層方向の１周期中に占める高屈折率物質と低屈折率部物
質と膜厚比が、基板の平行な面内のどこであっても、ほ
ぼ一定な構造を意味し、変調構造とは、同膜厚比が面内
の場所により変化する構造を意味することとする。
層方向の１周期中に占める高屈折率物質と低屈折率部物
質と膜厚比が、基板の平行な面内のどこであっても、ほ
ぼ一定な構造を意味し、変調構造とは、同膜厚比が面内
の場所により変化する構造を意味することとする。
【００２３】（第１実施形態）図３の（ａ）は本発明の
一実施形態における３次元周期構造体の断面構造を示
し、図３の（ｂ）はその３次元周期構造体の立体構造を
示す。図３に示す構造体は、低屈折率の物質３０１と高
屈折率の物質３０２が厚さ方向（ｚ方向）に周期的に積
層された構造体であって、その厚さ方向の１周期内でそ
れぞれの物質は２次元周期的凹凸を持つ膜状の形をな
し、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面内
で０〜１００％直線的に変調されている３次元周期構造
である。
一実施形態における３次元周期構造体の断面構造を示
し、図３の（ｂ）はその３次元周期構造体の立体構造を
示す。図３に示す構造体は、低屈折率の物質３０１と高
屈折率の物質３０２が厚さ方向（ｚ方向）に周期的に積
層された構造体であって、その厚さ方向の１周期内でそ
れぞれの物質は２次元周期的凹凸を持つ膜状の形をな
し、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面内
で０〜１００％直線的に変調されている３次元周期構造
である。
【００２４】この図３の構造でのバンドギャップを３次
元電磁界解析により評価した結果を図４に示す。また、
図５は図４の本発明の評価結果と比較するために、図２
の従来の構造のでのバンドギャップを３次元電磁界解析
により評価した結果を示す。図４の（ｂ）は図４の
（ａ）の要部を拡大して示したものであるが、これらグ
ラフにおいて、太い破線は使用波長帯のTM偏波のバンド
ギャップを示し、その他の多数の細線はそれよりもエネ
ルギーの高いTM偏波のバンドギャップを示している。同
様に、図５の（ｂ）は図５の（ａ）の要部を拡大して示
したものであるが、これらグラフにおいて、直線はTM偏
波のバンドギャップを示し、細い破線はTE偏波のバンド
ギャップを示している。図４の（ｃ）は図３（ａ）に対
応する断面構造を示し、図５の（ｃ）は図２に対応する
断面構造を示しており、また図４の各領域の面内の最大
厚さを使用波長の１周期と同じａ、図５の各領域の面内
の厚さを０．８ａに形成して、本３次元電磁界解析を実
行したことを表わしている。
元電磁界解析により評価した結果を図４に示す。また、
図５は図４の本発明の評価結果と比較するために、図２
の従来の構造のでのバンドギャップを３次元電磁界解析
により評価した結果を示す。図４の（ｂ）は図４の
（ａ）の要部を拡大して示したものであるが、これらグ
ラフにおいて、太い破線は使用波長帯のTM偏波のバンド
ギャップを示し、その他の多数の細線はそれよりもエネ
ルギーの高いTM偏波のバンドギャップを示している。同
様に、図５の（ｂ）は図５の（ａ）の要部を拡大して示
したものであるが、これらグラフにおいて、直線はTM偏
波のバンドギャップを示し、細い破線はTE偏波のバンド
ギャップを示している。図４の（ｃ）は図３（ａ）に対
応する断面構造を示し、図５の（ｃ）は図２に対応する
断面構造を示しており、また図４の各領域の面内の最大
厚さを使用波長の１周期と同じａ、図５の各領域の面内
の厚さを０．８ａに形成して、本３次元電磁界解析を実
行したことを表わしている。
【００２５】更に、図４、図５の３次元電磁界解析で
は、単位格子（単位セル）を図６の（ａ）のに示すよう
にとり、斜線部が高屈折率物質のアモルファスＳｉ（屈
折率３．２４）、白抜き部分が低屈折率物質のＳｉＯ2
（屈折率１．４６）とし、ｘ，ｙ，ｚ方向をＮｘ，Ｎ
ｙ，Ｎｚに分割して解析した。この場合の第１ブリュア
ンゾーン（第１ＢＺ）を図６の（ｂ）に示した。
は、単位格子（単位セル）を図６の（ａ）のに示すよう
にとり、斜線部が高屈折率物質のアモルファスＳｉ（屈
折率３．２４）、白抜き部分が低屈折率物質のＳｉＯ2
（屈折率１．４６）とし、ｘ，ｙ，ｚ方向をＮｘ，Ｎ
ｙ，Ｎｚに分割して解析した。この場合の第１ブリュア
ンゾーン（第１ＢＺ）を図６の（ｂ）に示した。
【００２６】図５に示すように、図２での従来の膜厚変
調のない構造（無変調構造）では、面内方向であるＭ点
ではＴＥ偏波でわずかにバンドギャップが開き、ＴＭ偏
波ではバンドギャップが開かない。更に、面内のＫ点で
は、ＴＥ偏波，ＴＭ偏波共にバンドギャップが開かない
ため、ＴＥ，ＴＭの両方の偏波で、３次元フォトニック
結晶とはならない。
調のない構造（無変調構造）では、面内方向であるＭ点
ではＴＥ偏波でわずかにバンドギャップが開き、ＴＭ偏
波ではバンドギャップが開かない。更に、面内のＫ点で
は、ＴＥ偏波，ＴＭ偏波共にバンドギャップが開かない
ため、ＴＥ，ＴＭの両方の偏波で、３次元フォトニック
結晶とはならない。
【００２７】一方、図４に示すように、図３の本発明の
膜厚変調構造では、ＴＭ偏波が面内方向であるＭ点で大
きなバンドギャップが開き、また、面内のＫ点において
も、ＴＭ偏波にバンドギャップが見られ、面内全方向に
共通のバンドギャップが開いているため、完全な３次元
フォトニック結晶となる。
膜厚変調構造では、ＴＭ偏波が面内方向であるＭ点で大
きなバンドギャップが開き、また、面内のＫ点において
も、ＴＭ偏波にバンドギャップが見られ、面内全方向に
共通のバンドギャップが開いているため、完全な３次元
フォトニック結晶となる。
【００２８】（第２実施形態）図７は本発明の別の実施
形態における断面構造を示す。ここで、符号７０２で示
す斜線部が高屈折率物質のアモルファスＳｉ（屈折率
３．２４）、符号７０１で示す白抜き部分が低屈折率物
質のＳｉＯ2 （屈折率１．４６）である。この構造は、
上述の図３のような０〜１００％まで膜厚が変化してい
ないが、その膜厚が周期内で大きく変化している。即
ち、ｚ方向ではＡ１−Ａ１’面の近傍で屈折率が最小に
なり、Ａ２−Ａ２’面近傍で屈折率が最大になる。一
方、ｘ，ｙ方向では、Ｂ１−Ｂ１’面近傍で屈折率が最
大になり、Ｂ２−Ｂ２’面近傍で屈折率が最小になる。
この構造を３次元電磁界解析すると、図３の構造の場合
とほぼ同じフォトニックバンドギャップの増大効果が得
られる。
形態における断面構造を示す。ここで、符号７０２で示
す斜線部が高屈折率物質のアモルファスＳｉ（屈折率
３．２４）、符号７０１で示す白抜き部分が低屈折率物
質のＳｉＯ2 （屈折率１．４６）である。この構造は、
上述の図３のような０〜１００％まで膜厚が変化してい
ないが、その膜厚が周期内で大きく変化している。即
ち、ｚ方向ではＡ１−Ａ１’面の近傍で屈折率が最小に
なり、Ａ２−Ａ２’面近傍で屈折率が最大になる。一
方、ｘ，ｙ方向では、Ｂ１−Ｂ１’面近傍で屈折率が最
大になり、Ｂ２−Ｂ２’面近傍で屈折率が最小になる。
この構造を３次元電磁界解析すると、図３の構造の場合
とほぼ同じフォトニックバンドギャップの増大効果が得
られる。
【００２９】（第１、第２実施形態の変形例）図３およ
び図７の構造において、面内の周期構造が２次元でなく
１次元の場合は、厚さ方向に周期的に積層すると２次元
の周期構造になり、偏光素子のような偏波を制御する部
品に有用な構造であるが、このような２次元周期構造に
おいても、膜厚変調構造はフォトニックバンドギャップ
効果を増大するのに有効である。本発明では３次元周期
構造を主としているが、面内の周期構造が１次元で積層
された構造が２次元の周期構造も勿論含まれる。
び図７の構造において、面内の周期構造が２次元でなく
１次元の場合は、厚さ方向に周期的に積層すると２次元
の周期構造になり、偏光素子のような偏波を制御する部
品に有用な構造であるが、このような２次元周期構造に
おいても、膜厚変調構造はフォトニックバンドギャップ
効果を増大するのに有効である。本発明では３次元周期
構造を主としているが、面内の周期構造が１次元で積層
された構造が２次元の周期構造も勿論含まれる。
【００３０】以上述べたように、厚さ方向に周期的に積
層された構造体において、厚さ方向の１周期内で屈折率
の異なるそれぞれの物質が２次元または１次元の周期的
凹凸を持つ膜状の形をもつ構造で、面内の厚さが、ｌ周
期内で面内で変調されていると、フォトニックバンドギ
ャップが拡大する効果が得られる。
層された構造体において、厚さ方向の１周期内で屈折率
の異なるそれぞれの物質が２次元または１次元の周期的
凹凸を持つ膜状の形をもつ構造で、面内の厚さが、ｌ周
期内で面内で変調されていると、フォトニックバンドギ
ャップが拡大する効果が得られる。
【００３１】（第３実施形態）図８は本発明のさらに別
の実施形態における断面構造を示す。ここで、符号８０
２で示す斜線部が高屈折率物質、符号８０１で示す白抜
き部分が低屈折率物質である。この構造においては、厚
さ方向の１周期内である低屈折率物質８０１が２次元周
期的な網状の形をなし、その穴部分に別の高屈折率物質
８０２が充填され、それぞれの物質からなる領域の面内
の厚さが、面内で変調されている。この構造において
も、３次元電磁界解析すると、ＴＭ偏波でＭ点、Ｋ点に
明瞭なバンドギャップが開く。
の実施形態における断面構造を示す。ここで、符号８０
２で示す斜線部が高屈折率物質、符号８０１で示す白抜
き部分が低屈折率物質である。この構造においては、厚
さ方向の１周期内である低屈折率物質８０１が２次元周
期的な網状の形をなし、その穴部分に別の高屈折率物質
８０２が充填され、それぞれの物質からなる領域の面内
の厚さが、面内で変調されている。この構造において
も、３次元電磁界解析すると、ＴＭ偏波でＭ点、Ｋ点に
明瞭なバンドギャップが開く。
【００３２】（第４実施形態）図９は本発明のまたさら
に別の実施形態における断面構造を示す。ここで、符号
９０２で示す斜線部が高屈折率物質、符号９０１で示す
白抜き部分が低屈折率物質である。この構造において
は、厚さ方向の１周期内である低屈折率物質９０１が膜
状の形をなし、その膜中に２次元周期的な窪みがあり、
この窪み部分に別の高屈折率物質９０２が充填され、そ
れぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面内で変調
されている。この構造においても、３次元電磁界解析す
ると、ＴＭ偏波でＭ点に明瞭なバンドギャップが開く
が、その変調度が弱いため、Ｋ点ではギャップは開かな
い。
に別の実施形態における断面構造を示す。ここで、符号
９０２で示す斜線部が高屈折率物質、符号９０１で示す
白抜き部分が低屈折率物質である。この構造において
は、厚さ方向の１周期内である低屈折率物質９０１が膜
状の形をなし、その膜中に２次元周期的な窪みがあり、
この窪み部分に別の高屈折率物質９０２が充填され、そ
れぞれの物質からなる領域の面内の厚さが、面内で変調
されている。この構造においても、３次元電磁界解析す
ると、ＴＭ偏波でＭ点に明瞭なバンドギャップが開く
が、その変調度が弱いため、Ｋ点ではギャップは開かな
い。
【００３３】（作製工程）上述した図３、図６、図７及
び図９に示す本発明の構造体の作製には、通常は複雑な
加工技術を必要とするが、２次元的周期凹凸基板上に２
種類以上の物質をほぼ周期的に順次積層し、その積層の
中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、
または成膜と同時に用いることにより３次元周期構造体
を形成する作製技術を用いると、本発明の３次元周期構
造体は容易に形成可能である。
び図９に示す本発明の構造体の作製には、通常は複雑な
加工技術を必要とするが、２次元的周期凹凸基板上に２
種類以上の物質をほぼ周期的に順次積層し、その積層の
中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、
または成膜と同時に用いることにより３次元周期構造体
を形成する作製技術を用いると、本発明の３次元周期構
造体は容易に形成可能である。
【００３４】即ち、バイアススパッタリングによる膜形
成では、付着反応と、イオンによるエッチングの両方の
反応が共存し、ガス圧や基板へのバイアスを変化させる
と、方向性のあるイオン，方向性の無い中性分子，及び
エッチングされた物質の再付着の寄与が変化する。この
バイアススパッタリングを凹凸のある基板上で行うと、
複数の方向から原料物質が入射する効果で、その物質の
上面の凹凸は下面の凹凸よりも強調される。一方、再付
着効果を持つデポジションあるいはエッチングの効果が
大きいと、その物質の上面の凹凸は下面の凹凸より弱め
られる。
成では、付着反応と、イオンによるエッチングの両方の
反応が共存し、ガス圧や基板へのバイアスを変化させる
と、方向性のあるイオン，方向性の無い中性分子，及び
エッチングされた物質の再付着の寄与が変化する。この
バイアススパッタリングを凹凸のある基板上で行うと、
複数の方向から原料物質が入射する効果で、その物質の
上面の凹凸は下面の凹凸よりも強調される。一方、再付
着効果を持つデポジションあるいはエッチングの効果が
大きいと、その物質の上面の凹凸は下面の凹凸より弱め
られる。
【００３５】そこで、本願発明者らは、これらの反応を
定量的に制御することにより、任意の傾きの楔状に整形
したり、あるいは、表面をほぼ平坦化する技術を確立
し、本発明の複雑な３次元周期構造および２次元周期構
造を実現するに至った。
定量的に制御することにより、任意の傾きの楔状に整形
したり、あるいは、表面をほぼ平坦化する技術を確立
し、本発明の複雑な３次元周期構造および２次元周期構
造を実現するに至った。
【００３６】（作製工程の第１例）
図１０は上述の図７に示す本発明の第２実施形態の周期
構造体を作製する工程を示したものである。図１０は対
象の１側面（例えば、ｘ−ｚ面）の状態を表している
が、３次元周期構造体の作製の場合は、９０°回転した
他の側面（例えば、ｙ−ｚ面）のも図１０と全く同様な
状態となる。
構造体を作製する工程を示したものである。図１０は対
象の１側面（例えば、ｘ−ｚ面）の状態を表している
が、３次元周期構造体の作製の場合は、９０°回転した
他の側面（例えば、ｙ−ｚ面）のも図１０と全く同様な
状態となる。
【００３７】先ず、石英ガラス等の基板１００１表面に
フォトエッチング等の微細加工技術により１μｍ以下の
微細な凹凸パターン１００２を形成する（工程１０−
１）。この凹凸パターン１００２の凹部は水平面と垂直
面を有する単純な段差である。
フォトエッチング等の微細加工技術により１μｍ以下の
微細な凹凸パターン１００２を形成する（工程１０−
１）。この凹凸パターン１００２の凹部は水平面と垂直
面を有する単純な段差である。
【００３８】この基板１００１を、基板バイアス印加可
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の２個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、高屈折率物質１０
０３をスパッタする（工程１０−２）。この時、単純な
段差状の凹部が整形されて、比較的浅い楔状の形状にな
るように、基板バイアス（バイアス電圧）とガス圧を調
整する。
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の２個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、高屈折率物質１０
０３をスパッタする（工程１０−２）。この時、単純な
段差状の凹部が整形されて、比較的浅い楔状の形状にな
るように、基板バイアス（バイアス電圧）とガス圧を調
整する。
【００３９】この浅い楔状の形状の高屈折率物質１００
３上に、低屈折率物質１００４を、エッチング効果や再
付着効果の少ない条件でスパッタすることにより、比較
的深い楔状の形状にすることができる（工程１０−
３）。
３上に、低屈折率物質１００４を、エッチング効果や再
付着効果の少ない条件でスパッタすることにより、比較
的深い楔状の形状にすることができる（工程１０−
３）。
【００４０】この深い楔状の形状の低屈折率物質１００
４の上に、高屈折率物質１００５をエッチング効果や再
付着効果が大きい条件でスバッタすると、楔を浅くでき
る（工程１０−４）。
４の上に、高屈折率物質１００５をエッチング効果や再
付着効果が大きい条件でスバッタすると、楔を浅くでき
る（工程１０−４）。
【００４１】以下、これら（工程１０−３）と（工程１
０−４）を順次繰り返すことにより、図７の構造を作製
できる（工程１０−５）。
０−４）を順次繰り返すことにより、図７の構造を作製
できる（工程１０−５）。
【００４２】（作製工程の第２例）一方、図３に示す本
発明の第１実施形態の周期構造体の構造をバイアスパタ
リング法で実現するには、次に述べるような工夫が必要
である。この工程を図１１に示す。
発明の第１実施形態の周期構造体の構造をバイアスパタ
リング法で実現するには、次に述べるような工夫が必要
である。この工程を図１１に示す。
【００４３】先ず、基板１１０１表面に微細加工技術に
より１μｍ以下の周期の凹凸パターン１１０２を形成す
る（工程１１−１）。この凹凸パターン１１０２の凹部
は、図１０と同様に、単純な段差である場合が通常であ
るが、ジグザク構造（連続する複数の各頭部が三角形の
構造）のような構造でも同様な結果が得られる。
より１μｍ以下の周期の凹凸パターン１１０２を形成す
る（工程１１−１）。この凹凸パターン１１０２の凹部
は、図１０と同様に、単純な段差である場合が通常であ
るが、ジグザク構造（連続する複数の各頭部が三角形の
構造）のような構造でも同様な結果が得られる。
【００４４】この基板１１０１を、基板バイアス印加可
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の２個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、高屈折率物質１１
０３をスパッタする（工程１１−２）。この時、エッチ
ング効果や再付着効果が非常に大きい基板バイアスとガ
ス圧の条件で、スパッタすると、上記単純な段差状の凹
部が整形されて、平坦化される。しかし、完全に平坦化
すると、この上にスパッタされる低屈折率物質が元の基
板上の２次元周期構造を再現できないため、光学特性上
は問題にならない小さな楔１１０４を残す。
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の２個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、高屈折率物質１１
０３をスパッタする（工程１１−２）。この時、エッチ
ング効果や再付着効果が非常に大きい基板バイアスとガ
ス圧の条件で、スパッタすると、上記単純な段差状の凹
部が整形されて、平坦化される。しかし、完全に平坦化
すると、この上にスパッタされる低屈折率物質が元の基
板上の２次元周期構造を再現できないため、光学特性上
は問題にならない小さな楔１１０４を残す。
【００４５】この上に低屈折率物質１１０５を２０°乃
至７０°の角度のジグザグ形状になるように基板バイア
スとガス圧を調整してスパッタする（工程１１−３）。
次いで、等方的なエッチング（例えば、イオンエッチン
グ）により、低屈折率層の断面が３角形１１０６になる
まで全体的にエッチングする（工程１１−４）。
至７０°の角度のジグザグ形状になるように基板バイア
スとガス圧を調整してスパッタする（工程１１−３）。
次いで、等方的なエッチング（例えば、イオンエッチン
グ）により、低屈折率層の断面が３角形１１０６になる
まで全体的にエッチングする（工程１１−４）。
【００４６】次いで、この上に高屈折率物質１１０７が
小さな楔を有するほぼ平坦な表面になるように基板バイ
アスとガス圧を調整して高屈折率物質１１０７をスパッ
タする（工程１１−５）。
小さな楔を有するほぼ平坦な表面になるように基板バイ
アスとガス圧を調整して高屈折率物質１１０７をスパッ
タする（工程１１−５）。
【００４７】この後、等方的なエッチングにより、高屈
折率層の断面が逆３角形１１０８になるまで、全体的に
エッチングする（工程１１−６）。
折率層の断面が逆３角形１１０８になるまで、全体的に
エッチングする（工程１１−６）。
【００４８】以下、これら（工程１１−３）〜（工程１
１−６）の工程を順次繰り返して、図３の構造を得る
（工程１１−７）。
１−６）の工程を順次繰り返して、図３の構造を得る
（工程１１−７）。
【００４９】図１１の工程は図１０の工程よりも複雑に
はなるが、バイアススパッタリングとイオンエッチング
は同一装置で行えるため、通常の方法では作製が著しく
困難な図３の構造を比較的容易に作製できる。なお、本
工程では窪み１１０２、１１０６に高屈折率物質１１０
３、１１０７を積層して平坦化し、低屈折率物質１１０
５でジグザグ構造を形成しているが、これらはバイアス
スパッタ条件で制御できるため、逆になってもよい。ま
た、平坦化時に小さな楔を作る場合を説明したが、この
小さな楔の代わりに小さな突起でも同じように機能す
る。
はなるが、バイアススパッタリングとイオンエッチング
は同一装置で行えるため、通常の方法では作製が著しく
困難な図３の構造を比較的容易に作製できる。なお、本
工程では窪み１１０２、１１０６に高屈折率物質１１０
３、１１０７を積層して平坦化し、低屈折率物質１１０
５でジグザグ構造を形成しているが、これらはバイアス
スパッタ条件で制御できるため、逆になってもよい。ま
た、平坦化時に小さな楔を作る場合を説明したが、この
小さな楔の代わりに小さな突起でも同じように機能す
る。
【００５０】（作製工程の第３例）図１２は、上述の図
９に示す本発明の第４実施形態における網状の２次元周
期構造を持つ３次元周期構造体の作製工程を示す。
９に示す本発明の第４実施形態における網状の２次元周
期構造を持つ３次元周期構造体の作製工程を示す。
【００５１】先ず、基板１２０１表面に微細加工技術に
より１μｍ以下の周期の凹凸パターン１２０２を形成す
る（工程１２−１）。この凹凸パターン１２０２の凹部
は、図１０、図１１と同様に、単純な段差である。
より１μｍ以下の周期の凹凸パターン１２０２を形成す
る（工程１２−１）。この凹凸パターン１２０２の凹部
は、図１０、図１１と同様に、単純な段差である。
【００５２】この基板１２０１を、基板バイアス印加可
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の２個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、低屈折率物質１２
０３をスパッタする（工程１２−２）。この時、単純な
段差状の凹部が整形されて、４５°程度の角度を持つ楔
状の形状になるように基板バイアスとガス圧を調整す
る。
能で、低屈折率物質と高屈折率物質の２個のターゲット
を有するスパッタリング装置に入れ、低屈折率物質１２
０３をスパッタする（工程１２−２）。この時、単純な
段差状の凹部が整形されて、４５°程度の角度を持つ楔
状の形状になるように基板バイアスとガス圧を調整す
る。
【００５３】この上にバイアスを印加せずに高屈折率物
質１２０４を積層すると、下面の楔形状を鈍らせるよう
に、凹部には厚く、凸部には薄く高屈折率物質が積層さ
れる（工程１２−３）。
質１２０４を積層すると、下面の楔形状を鈍らせるよう
に、凹部には厚く、凸部には薄く高屈折率物質が積層さ
れる（工程１２−３）。
【００５４】次いで、異方性が高く、高屈折率物質をよ
り選択的にエッチングできるドライエッチングを行う
と、高屈折率物質の突起の部分が消失して、高屈折率層
の断面が分離した３角形１２０５が形成される（工程１
２−４）。
り選択的にエッチングできるドライエッチングを行う
と、高屈折率物質の突起の部分が消失して、高屈折率層
の断面が分離した３角形１２０５が形成される（工程１
２−４）。
【００５５】次いで、この上に低屈折率物質１２０６を
４５°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板
バイアスとガス圧を調整してスパッタする（工程１２−
５）。
４５°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板
バイアスとガス圧を調整してスパッタする（工程１２−
５）。
【００５６】以下、上記（工程１２−３）、（工程１２
−４）、（工程１２−５）の工程を繰り返して、図９の
構造を得る（工程１２−６）。
−４）、（工程１２−５）の工程を繰り返して、図９の
構造を得る（工程１２−６）。
【００５７】（作製工程の第４例）図１３は、網状の２
次元周期構造を持つ図８に示す本発明第３実施形態の３
次元周期構造体の作製工程を示し、この工程は図１２の
工程を一部変更したものある。
次元周期構造を持つ図８に示す本発明第３実施形態の３
次元周期構造体の作製工程を示し、この工程は図１２の
工程を一部変更したものある。
【００５８】先ず、基板１３０１の表面に微細加工技術
により形成した１μｍ以下の周期の凹凸パターン１３０
２上に、低屈折率物質１３０３をスパッタし、更に、基
板バイアスを印加せずに高屈折率物質を積層し、次い
で、異方性が高く、高屈折率物質をより選択的にエッチ
ングできるドライエッチングを行い、高屈折率層の断面
が分離した３角形１３０５を形成するまでの工程は図１
２の（工程１２−１）〜（工程１２−４）と同じであ
る。
により形成した１μｍ以下の周期の凹凸パターン１３０
２上に、低屈折率物質１３０３をスパッタし、更に、基
板バイアスを印加せずに高屈折率物質を積層し、次い
で、異方性が高く、高屈折率物質をより選択的にエッチ
ングできるドライエッチングを行い、高屈折率層の断面
が分離した３角形１３０５を形成するまでの工程は図１
２の（工程１２−１）〜（工程１２−４）と同じであ
る。
【００５９】この上に低屈折率物質１３０６を２０°乃
至７０°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基
板バイアスとガス圧を調整してスパッタした（工程１３
−５）後、等方的で、低屈折率物質をより選択的にエッ
チングできるドライエッチングを行い、低屈折率層に台
形状の穴１３０７を明ける（工程１３−６）。このよう
にして、網状の低屈折率層が得られる。
至７０°程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基
板バイアスとガス圧を調整してスパッタした（工程１３
−５）後、等方的で、低屈折率物質をより選択的にエッ
チングできるドライエッチングを行い、低屈折率層に台
形状の穴１３０７を明ける（工程１３−６）。このよう
にして、網状の低屈折率層が得られる。
【００６０】次いで、高屈折率物質１３０８を下面の楔
形状を鈍らせるように、凹部には厚く、凸部には薄く、
積層する（工程１３−７）。
形状を鈍らせるように、凹部には厚く、凸部には薄く、
積層する（工程１３−７）。
【００６１】次いで、異方性が高く、高屈折率物質をよ
り選択的にエッチングできるドライエッチングを行い、
高屈折率層の断面が分離した逆台形１３０９を網状の穴
の部分に形成する（工程１３−８）。
り選択的にエッチングできるドライエッチングを行い、
高屈折率層の断面が分離した逆台形１３０９を網状の穴
の部分に形成する（工程１３−８）。
【００６２】以下、上記の（工程１３−５）、（工程１
３−６）、（工程１３−７）、（工程１３−８）の各工
程を順次繰り返して、図８の構造を得る（工程１３−
９）。
３−６）、（工程１３−７）、（工程１３−８）の各工
程を順次繰り返して、図８の構造を得る（工程１３−
９）。
【００６３】以上、いずれの工程も、スパッタリングと
エッチングを繰り返すことにより、所望の周期内膜厚変
調構造が得られる。
エッチングを繰り返すことにより、所望の周期内膜厚変
調構造が得られる。
【００６４】
【実施例】更に、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
に説明する。
【００６５】（第１実施例）まず最初に、前述した図
３、および図１１に対応する本発明の第１実施例を説明
する。合成石英ガラス基板に電子ビームレジストを０．
２μｍ塗布し、チャージアップを防ぐ導電性膜を塗布し
て、電子ビーム露光で周期０．４μｍの６方最密の格子
ドットパターンを露光した。導電性膜を剥離して、電子
ビームレジストを現像後、Ｃ2 Ｆ6 ガスを用いた反応性
イオンエッチングで深さ０．２μｍ石英ガラスをエッチ
ングする。レジストを除去後（図１１の工程１１−
１）、ＳｉＯ2 とアモルファスＳｉの２つのターゲット
を有する公知のバイアススパッタリング装置（図示しな
い）を用い、先ず、基板ＲＦ（高周波）バイアスをかけ
ずにアモルファスＳｉを、アルコンガス圧 １５ｍＴｏ
ｒｒ、ガス流量 １２０ＳＣＣＭの条件で０．７μｍの
厚さ（平均値）、スパッタリングにより堆積すると、凹
パターンが埋まって、中心に０．０５μｍ程度のわずか
窪みを残す程度にほぼ平坦化された（工程１１−２）。
３、および図１１に対応する本発明の第１実施例を説明
する。合成石英ガラス基板に電子ビームレジストを０．
２μｍ塗布し、チャージアップを防ぐ導電性膜を塗布し
て、電子ビーム露光で周期０．４μｍの６方最密の格子
ドットパターンを露光した。導電性膜を剥離して、電子
ビームレジストを現像後、Ｃ2 Ｆ6 ガスを用いた反応性
イオンエッチングで深さ０．２μｍ石英ガラスをエッチ
ングする。レジストを除去後（図１１の工程１１−
１）、ＳｉＯ2 とアモルファスＳｉの２つのターゲット
を有する公知のバイアススパッタリング装置（図示しな
い）を用い、先ず、基板ＲＦ（高周波）バイアスをかけ
ずにアモルファスＳｉを、アルコンガス圧 １５ｍＴｏ
ｒｒ、ガス流量 １２０ＳＣＣＭの条件で０．７μｍの
厚さ（平均値）、スパッタリングにより堆積すると、凹
パターンが埋まって、中心に０．０５μｍ程度のわずか
窪みを残す程度にほぼ平坦化された（工程１１−２）。
【００６６】このアモルファスＳｉ上にＳｉＯ2 を、基
板ＲＦバイアス ６０Ｗ，アルゴンガス圧 ２ｍＴｏｒ
ｒ，ガス流量 ９０ＳＣＣＭの条件で０．５μｍの厚さ
（平均値）、スパッタリングにより堆積すると、平均傾
斜角が６０度のジグザグの断面形状に整形された（工程
１１−３）。
板ＲＦバイアス ６０Ｗ，アルゴンガス圧 ２ｍＴｏｒ
ｒ，ガス流量 ９０ＳＣＣＭの条件で０．５μｍの厚さ
（平均値）、スパッタリングにより堆積すると、平均傾
斜角が６０度のジグザグの断面形状に整形された（工程
１１−３）。
【００６７】その後、ＳＦ6 ガスをエッチングガスとし
て、ＲＦパワー ５０Ｗ，アルゴンガス圧 １０ｍＴｏ
ｒｒ，ガス流量 １５０ＳＣＣＭの条件で、ＳｉＯ2 を
等方的に０．ｌ５μｍ、エッチングして、一辺が０．４
μｍの２等辺３角形の断面形状に整形した（工程１１−
４）。
て、ＲＦパワー ５０Ｗ，アルゴンガス圧 １０ｍＴｏ
ｒｒ，ガス流量 １５０ＳＣＣＭの条件で、ＳｉＯ2 を
等方的に０．ｌ５μｍ、エッチングして、一辺が０．４
μｍの２等辺３角形の断面形状に整形した（工程１１−
４）。
【００６８】この２等辺３角形の断面形状の上に基板Ｒ
ＦバイアスをかけずにアモルファスＳｉを、アルゴンガ
ス圧 １０ｍＴｏｒｒ，ガス流量 ８０ＳＣＣＭの条件
で０．５５μｍの厚さ（平均値）、スパッタリングによ
り堆積すると、凹パターンが埋まって、中心に０．１μ
ｍ程度の窪みを残してほぼ平坦化された（工程１１−
５）。その後、ＳＦ6 ガスをエッチングガスとして、Ｒ
Ｆパワー ３０Ｗ，アルゴンガス圧 ８ｍＴｏｒｒ，ガ
ス流量 １２０ＳＣＣＭの条件で、アモルファスＳｉを
等方的に０．２μｍ、エッチングして、一辺が０．４μ
ｍの逆２等辺３角形に近い断面形状に整形した（工程１
１−６）。
ＦバイアスをかけずにアモルファスＳｉを、アルゴンガ
ス圧 １０ｍＴｏｒｒ，ガス流量 ８０ＳＣＣＭの条件
で０．５５μｍの厚さ（平均値）、スパッタリングによ
り堆積すると、凹パターンが埋まって、中心に０．１μ
ｍ程度の窪みを残してほぼ平坦化された（工程１１−
５）。その後、ＳＦ6 ガスをエッチングガスとして、Ｒ
Ｆパワー ３０Ｗ，アルゴンガス圧 ８ｍＴｏｒｒ，ガ
ス流量 １２０ＳＣＣＭの条件で、アモルファスＳｉを
等方的に０．２μｍ、エッチングして、一辺が０．４μ
ｍの逆２等辺３角形に近い断面形状に整形した（工程１
１−６）。
【００６９】この後、上記のＳｉＯ2 の堆積、エッチン
グ、アモルファスＳｉの堆積、エッチングの各工程を１
０回繰返して、図３に相当する構造を作製した（工程１
１−７）。
グ、アモルファスＳｉの堆積、エッチングの各工程を１
０回繰返して、図３に相当する構造を作製した（工程１
１−７）。
【００７０】この作製した試料の面内の光透過率を測定
したところ、１．３８μｍ近辺で面内全方向にストップ
バンドが観測され、３次元フォトニックバンドギャップ
結晶構造となっていることが確認された。比較のため、
この試料と同じサイズ、材料、層数で従来技術による図
２に相当する３次元周期構造体を作製して光透過率を測
定したところ、Ｔ−Ｍ方向でＴＥ偏波のみでしかストッ
プバンドは観測されなかった。このことから、図３に示
す膜厚変調された膜状構造では、フォトニックバンドギ
ャップ効果が増強されることが確認された。
したところ、１．３８μｍ近辺で面内全方向にストップ
バンドが観測され、３次元フォトニックバンドギャップ
結晶構造となっていることが確認された。比較のため、
この試料と同じサイズ、材料、層数で従来技術による図
２に相当する３次元周期構造体を作製して光透過率を測
定したところ、Ｔ−Ｍ方向でＴＥ偏波のみでしかストッ
プバンドは観測されなかった。このことから、図３に示
す膜厚変調された膜状構造では、フォトニックバンドギ
ャップ効果が増強されることが確認された。
【００７１】（第２実施例）次に、前述の図９、および
図１２に対応する本発明の別の実施例を説明する。合成
石英ガラス基板に電子ビームレジストを０．２μｍ塗布
し、チャージアップを防ぐ導電性膜を塗布して、電子ビ
ーム露光で周期０．４μｍの６方最密の格子ドットパタ
ーンを露光した。導電性膜を剥離して、電子ビームレジ
ストを現像後、Ｃ2 Ｆ6 ガスを用いた反応性イオンエッ
チングで、深さ０．１６μｍ、石英ガラスをエッチング
する。レジストを除去後（図１２の工程１２−１）、Ｓ
ｉＯ2とアモルファスＳｉの２つのターゲットを有する
バイアススパッタリング装置を用い、先ず、ＳｉＯ2
を、基板ＲＦバイアス ７０Ｗ，アルゴンガス圧 ２．
５ｍＴｏｒｒ，ガス流量 １００ＳＣＣＭの条件で０．
６μｍの厚さ（平均値）、スパッタリングにより堆積す
ると、平均傾斜角が４５度、深さ０．２μｍのジグザグ
な断面形状に整形された（工程１２−２）。
図１２に対応する本発明の別の実施例を説明する。合成
石英ガラス基板に電子ビームレジストを０．２μｍ塗布
し、チャージアップを防ぐ導電性膜を塗布して、電子ビ
ーム露光で周期０．４μｍの６方最密の格子ドットパタ
ーンを露光した。導電性膜を剥離して、電子ビームレジ
ストを現像後、Ｃ2 Ｆ6 ガスを用いた反応性イオンエッ
チングで、深さ０．１６μｍ、石英ガラスをエッチング
する。レジストを除去後（図１２の工程１２−１）、Ｓ
ｉＯ2とアモルファスＳｉの２つのターゲットを有する
バイアススパッタリング装置を用い、先ず、ＳｉＯ2
を、基板ＲＦバイアス ７０Ｗ，アルゴンガス圧 ２．
５ｍＴｏｒｒ，ガス流量 １００ＳＣＣＭの条件で０．
６μｍの厚さ（平均値）、スパッタリングにより堆積す
ると、平均傾斜角が４５度、深さ０．２μｍのジグザグ
な断面形状に整形された（工程１２−２）。
【００７２】次いで、基板ＲＦバイアスをかけずにアモ
ルファスＳｉを、アルゴンガス圧１５ｍＴｏｒｒ，ガス
流量 １２０ＳＣＣＭの条件で０．４μｍの厚さ（平均
値）、スパッタリングにより堆積すると、溝部分が突起
部分から、より多く堆積され、ジグザグな断面形状がな
まって、０．０５μｍの緩い凹凸構造となった（工程１
２−３）。
ルファスＳｉを、アルゴンガス圧１５ｍＴｏｒｒ，ガス
流量 １２０ＳＣＣＭの条件で０．４μｍの厚さ（平均
値）、スパッタリングにより堆積すると、溝部分が突起
部分から、より多く堆積され、ジグザグな断面形状がな
まって、０．０５μｍの緩い凹凸構造となった（工程１
２−３）。
【００７３】次に、Ａｒガスにより、ＲＦパワー １０
０Ｗ，ガス圧 １ｍＴｏｒｒ，ガス流量 ２０ＳＣＣＭ
の条件で、アモルファスＳｉをエッチングすると、凸部
分のほうが凹部分よりも早くエッチングされ、幅０．３
μｍ、高さ０．１８μｍの逆三角形の断面形状を持つア
モルファスＳｉが得られた（工程１２−４）。
０Ｗ，ガス圧 １ｍＴｏｒｒ，ガス流量 ２０ＳＣＣＭ
の条件で、アモルファスＳｉをエッチングすると、凸部
分のほうが凹部分よりも早くエッチングされ、幅０．３
μｍ、高さ０．１８μｍの逆三角形の断面形状を持つア
モルファスＳｉが得られた（工程１２−４）。
【００７４】この逆三角形の断面形状を持つアモルファ
スＳｉ上にＳｉＯ2 を、基板ＲＦバイアス ７０Ｗ，ア
ルゴンガス圧 ２．５ｍＴｏｒｒ，ガス流量 １００Ｓ
ＣＣＭの条件で０．５μｍの厚さ（平均値）、スパッタ
リングにより堆積すると、平均傾斜角が４５度、深さ
０．２μｍのジグザグな断面形状に再び整形された（工
程１２−５）。
スＳｉ上にＳｉＯ2 を、基板ＲＦバイアス ７０Ｗ，ア
ルゴンガス圧 ２．５ｍＴｏｒｒ，ガス流量 １００Ｓ
ＣＣＭの条件で０．５μｍの厚さ（平均値）、スパッタ
リングにより堆積すると、平均傾斜角が４５度、深さ
０．２μｍのジグザグな断面形状に再び整形された（工
程１２−５）。
【００７５】この後、アモルファスＳｉの堆積、エッチ
ング、ＳｉＯ2 の堆積の各工程を１０回繰返して、図９
に相当する構造を作製した（工程１２−６）。
ング、ＳｉＯ2 の堆積の各工程を１０回繰返して、図９
に相当する構造を作製した（工程１２−６）。
【００７６】この作製した試料の面内の光透過率を測定
したところ、１．４μｍ近辺でΓ−Ｍ方向でＴＥ，ＴＭ
共に面ストップバンドが観測されたが、Ｋ点ではストッ
プバンドは観測されなかった。
したところ、１．４μｍ近辺でΓ−Ｍ方向でＴＥ，ＴＭ
共に面ストップバンドが観測されたが、Ｋ点ではストッ
プバンドは観測されなかった。
【００７７】以上、物質系としてはＳｉＯ2 とアモルフ
ァスＳｉの組み合わせ、作製技術としてはバイアススパ
ッタリングを用いる実施例を示したが、３次元電磁波解
析から明らかなように、これは３次元フオトニック結晶
構造に一般的に成り立つもので、本物質系や本作製方法
に限られるものではないことは明らかである。例えば、
本発明においては、物質系としては、低屈折率物質とし
てＳｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2Ｏ3 等、また高屈折率物質として
Ｇｅ，ＧａＡｓ, 金属等を使用でき、また作製方法とし
て、ドライエッチング、ウェハボンデング等が利用でき
る。
ァスＳｉの組み合わせ、作製技術としてはバイアススパ
ッタリングを用いる実施例を示したが、３次元電磁波解
析から明らかなように、これは３次元フオトニック結晶
構造に一般的に成り立つもので、本物質系や本作製方法
に限られるものではないことは明らかである。例えば、
本発明においては、物質系としては、低屈折率物質とし
てＳｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2Ｏ3 等、また高屈折率物質として
Ｇｅ，ＧａＡｓ, 金属等を使用でき、また作製方法とし
て、ドライエッチング、ウェハボンデング等が利用でき
る。
【００７８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
屈折率の異なる複数種類の物質が厚さ方向に周期的に積
層された周期構造体において、厚さ方向の１周期内でそ
のそれぞれの物質が２次元まは１次元の周期的凹凸を持
つ膜状または２次元周期的な網状の形をなし、それぞれ
の物質からなる領域の面内の厚さが、面内で変調される
ように構成しているので、フォトニックバンドギャップ
効果が増強される。
屈折率の異なる複数種類の物質が厚さ方向に周期的に積
層された周期構造体において、厚さ方向の１周期内でそ
のそれぞれの物質が２次元まは１次元の周期的凹凸を持
つ膜状または２次元周期的な網状の形をなし、それぞれ
の物質からなる領域の面内の厚さが、面内で変調される
ように構成しているので、フォトニックバンドギャップ
効果が増強される。
【００７９】本発明のこのような構造は、凹凸のある基
板上で、屈折率の異なる複数種類の物質を周期的に積層
する方法において、そのそれぞれの物質が上面、下面で
２次元的ないし１次元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向
の１周期内で、ある物質が複数の方向から原料物質を入
射させることにより、その物質の上面の凹凸は下面の凹
凸よりも強調され、別のある物質は再付着効果を持つデ
ボジションまたはエッチングにより上面の凹凸は下面の
凹凸よりも弱められることにより、それぞれの物質から
なる領域の厚さに対し面内で変調が与えられるので、簡
潔容易に作製できる。
板上で、屈折率の異なる複数種類の物質を周期的に積層
する方法において、そのそれぞれの物質が上面、下面で
２次元的ないし１次元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向
の１周期内で、ある物質が複数の方向から原料物質を入
射させることにより、その物質の上面の凹凸は下面の凹
凸よりも強調され、別のある物質は再付着効果を持つデ
ボジションまたはエッチングにより上面の凹凸は下面の
凹凸よりも弱められることにより、それぞれの物質から
なる領域の厚さに対し面内で変調が与えられるので、簡
潔容易に作製できる。
【００８０】また、このような本発明による３次元周期
構造または2 次元周期構造は、その増強されたフォトニ
ックバンドギャップ効果を用いて、波長フイルター、光
スイッチ、アイソレータ、低閾値レーザ等、種々の光部
品の高性能化、小型化に利用できる。
構造または2 次元周期構造は、その増強されたフォトニ
ックバンドギャップ効果を用いて、波長フイルター、光
スイッチ、アイソレータ、低閾値レーザ等、種々の光部
品の高性能化、小型化に利用できる。
【図１】従来の３次元周期構造体を示す構造図である。
【図２】従来の３次元周期構造体の別例を示す構造断面
図である。
図である。
【図３】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する３
次元周期構造体の１例を示す構造断面図である。
次元周期構造体の１例を示す構造断面図である。
【図４】本発明による３次元周期構造体の３次元電磁界
解析結果を示し、（ａ）はグラフ、（ｂ）はその一部拡
大図、（ｃ）は断面図である。
解析結果を示し、（ａ）はグラフ、（ｂ）はその一部拡
大図、（ｃ）は断面図である。
【図５】従来の３次元周期構造体の３次元電磁界解析結
果を示し、（ａ）はグラフ、（ｂ）はその一部拡大図、
（ｃ）は断面図である。
果を示し、（ａ）はグラフ、（ｂ）はその一部拡大図、
（ｃ）は断面図である。
【図６】図４、図５の電磁界解析に用いた単位格子
（ａ）とブリュアンゾーン（ｂ）を示す模式図である。
（ａ）とブリュアンゾーン（ｂ）を示す模式図である。
【図７】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する３
次元周期構造体の別例を示す構造断面図である。
次元周期構造体の別例を示す構造断面図である。
【図８】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する網
状の３次元周期構造体の一例を示す構造断面図である。
状の３次元周期構造体の一例を示す構造断面図である。
【図９】本発明による面内で膜厚の変調構造を有する網
状の３次元周期構造体の別例を示す構造断面図である。
状の３次元周期構造体の別例を示す構造断面図である。
【図１０】本発明による図7 の３次元周期構造構造体の
作製工程を示す工程図である。
作製工程を示す工程図である。
【図１１】本発明による図３の３次元周期構造構造の作
製工程を示す工程図である。
製工程を示す工程図である。
【図１２】本発明による図９の３次元周期構造構造の作
製工程を示す工程図である。
製工程を示す工程図である。
【図１３】本発明による図８の３次元周期構造構造の作
製工程を示す工程図である。
製工程を示す工程図である。
１０１、３０１、７０１、８０１、９０１ 低屈折率の
物質 １０２、３０２、７０２、８０２、９０２ 高屈折率の
物質 １００１、１１０１、１２０１、１３０１ 基板 １００２、１１０２、１２０２、１３０２ 凹凸パター
ン １００３、１００５、１１０３、１１０７、１２０４
高屈折率物質 １００４、１１０５、１２０３、１３０３、１３０６
低屈折率物質 １１０６、１１０８、１３０５ ３角形 １３０７ 台形状の穴 １３０８ 高屈折率物質 １３０９ 逆台形
物質 １０２、３０２、７０２、８０２、９０２ 高屈折率の
物質 １００１、１１０１、１２０１、１３０１ 基板 １００２、１１０２、１２０２、１３０２ 凹凸パター
ン １００３、１００５、１１０３、１１０７、１２０４
高屈折率物質 １００４、１１０５、１２０３、１３０３、１３０６
低屈折率物質 １１０６、１１０８、１３０５ ３角形 １３０７ 台形状の穴 １３０８ 高屈折率物質 １３０９ 逆台形
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 川上 彰二郎
宮城県仙台市若林区土樋236
(72)発明者 佐藤 尚
宮城県仙台市青葉区荒巻神明町25−６−
202
(72)発明者 大寺 康夫
宮城県仙台市青葉区土樋１丁目６番15号
コーポ金子201号
(72)発明者 川嶋 貴之
宮城県仙台市青葉区川内三十人町45番５
号 ル・ヴィラージュ203号
(56)参考文献 特開 平10−335758（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−326506（ＪＰ，Ａ)
特開2000−56133（ＪＰ，Ａ)
特開2000−131522（ＪＰ，Ａ)
特開2000−171632（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 6/12 - 6/138
Claims (4)
- 【請求項１】 低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ
方向に周期的に積層された３次元周期構造体において、
その厚さ方向の１周期内でそれぞれの物質は２次元周期
的凹凸を持つ膜状の形をなし、それぞれの物質からなる
領域の面内の厚さが、面内でほぼ０〜１００％直線的に
変調されていることを特徴とする３次元周期構造体。 - 【請求項２】 低屈折率の物質と高屈折率の物質が厚さ
方向に周期的に積層された３次元周期構造体において、
その厚さ方向の１周期内で前記低屈折率物質が２次元周
期的な網状の形をなし、その穴部分に前記高屈折率物質
が充填され、それぞれの物質からなる領域の面内の厚さ
が面内で変調されていることを特徴とする３次元周期構
造体。 - 【請求項３】 低屈折率物質と高屈折率物質が周期的に
積層された３次元周期構造体のそれぞれの物質の上面、
下面が２次元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の１周期
内で、ある物質は複数の方向から原料物質を入射させる
ことによりその物質の上面の凹凸は下面の凹凸よりも強
調され、別のある物質は再付着効果を持つデポジション
またはエッチングにより上面の凹凸は下面の凹凸より弱
められることにより、それぞれの物質からなる領域の厚
さが面内で変調が与えられて、フォトニックバンドギャ
ップ効果を増大させる３次元周期構造体の作製方法にお
いて、 基板表面に微細な周期の凹凸パターンを形成する第１の
工程と、 前記基板を、基板バイアス印加可能で低屈折率物質と高
屈折率物質の２個のターゲットを有するスパッタリング
装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて小さな楔
または突起を残して平坦化されるように、エッチング効
果や再付着効果が非常に大きい基板バイアスとガス圧の
条件で、高屈折率物質をスパッタする第２の工程と、 該高屈折率物質上に低屈折率物質を所定の角度のジグザ
グ形状になるように基板バイアスとガス圧を調整してス
パッタする第３の工程と、 等方的なエッチングにより低屈折率層の断面がほぼ３角
形になるまで全体的にエッチングする第４の工程と、 該３角形の低屈折率層の上に高屈折率物質が小さな楔ま
たは突起を有するほぼ平坦な表面になるように基板バイ
アスとガス圧を調整して高屈折率物質をスパッタする第
５の工程と、 等方的なエッチングにより該高屈折率層の断面が逆３角
形になるまで全体的にエッチングする第６の工程とを有
し、 その後、前記第３の工程から前記第６の工程を順次繰り
返すことを特徴とする３次元周期構造体の作製方法。 - 【請求項４】 低屈折率物質と高屈折率物質が周期的に
積層された３次元周期構造体のそれぞれの物質の上面、
下面が２次元的凹凸周期構造を有し、厚さ方向の１周期
内で、ある物質は複数の方向から原料物質を入射させる
ことによりその物質の上面の凹凸は下面の凹凸よりも強
調され、別のある物質は再付着効果を持つデポジション
またはエッチングにより上面の凹凸は下面の凹凸より弱
められることにより、それぞれの物質からなる領域の厚
さが面内で変調が与えられて、フォトニックバンドギャ
ップ効果を増大させる３次元周期構造体の作製方法にお
いて、 基板表面に微細な周期の凹凸パターンを形成する第１の
工程と、 前記基板を、基板バイアス印加可能で、低屈折率物質と
高屈折率物質の２個のターゲットを有するスパッタリン
グ装置に入れ、前記パターンの凹部が整形されて４５°
程度の角度を持つ楔状の形状になるように、基板バイア
スとガス圧を調整して低屈折率物質をスパッタする第２
の工程と、 該低屈折率物質の上にバイアスを印加せずに高屈折率物
質を積層する第３の工程と、 異方性が高く高屈折率物質をより選択的にエッチングで
きるドライエッチングを行う第４の工程と、 該高屈折率物質の上に低屈折率物質を所定の角度を持つ
楔状の形状になるように、基板バイアスとガス圧を調整
してスパッタする第５の工程と、 等方的で低屈折率物質をより選択的にエッチングできる
ドライエッチングを行い、低屈折率層に台形状の穴を明
ける第６の工程と、 高屈折率物質を下面の楔形状を鈍らせるように凹部には
厚く、凸部には薄く積層する第７の工程と、 異方性が高く高屈折率物質をより選択的にエッチングで
きるドライエッチングを行い、高屈折率層の断面が分離
した逆台形を網状の穴の部分に形成する第８の工程とを
有し、 その後、前記第５の工程から前記第８の工程を順次繰り
返すことを特徴とする３次元周期構造体の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06083899A JP3472180B2 (ja) | 1999-03-08 | 1999-03-08 | ３次元周期構造体及び２次元周期構造体並びにそれらの作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06083899A JP3472180B2 (ja) | 1999-03-08 | 1999-03-08 | ３次元周期構造体及び２次元周期構造体並びにそれらの作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000258645A JP2000258645A (ja) | 2000-09-22 |
| JP3472180B2 true JP3472180B2 (ja) | 2003-12-02 |
Family
ID=13153915
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06083899A Expired - Fee Related JP3472180B2 (ja) | 1999-03-08 | 1999-03-08 | ３次元周期構造体及び２次元周期構造体並びにそれらの作製方法 |
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Family Cites Families (5)
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| JP3288976B2 (ja) * | 1998-08-07 | 2002-06-04 | 彰二郎 川上 | 偏光子とその作製方法 |
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| JP3486355B2 (ja) * | 1998-12-07 | 2004-01-13 | 日本電信電話株式会社 | 偏光子の製造方法 |
-
1999
- 1999-03-08 JP JP06083899A patent/JP3472180B2/ja not_active Expired - Fee Related
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