JP3488919B2

JP3488919B2 - フォトニック結晶の作製方法

Info

Publication number: JP3488919B2
Application number: JP13942399A
Authority: JP
Inventors: 雅也納富; 哲好石井; 敏昭玉村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2004-01-19
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: JP2000329953A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理や光伝
送などに用いられるレーザ、光導波路、光集積回路など
の様々な光デバイスを構成する基本構造であるフォトニ
ック結晶の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元的な誘電体周期構造中では、光は
周期的摂動を受け、その周波数の分散関係は結晶中の電
子のバンド構造と同じ様なバンド構造をとり、このよう
な誘電体周期構造はフォトニック結晶（Photonic Cryst
al）と呼ばれている。フォトニック結晶中の光の伝搬は
バンド構造によって決定されるため、結晶構造や周期的
摂動の大きさを制御することにより、その光学的性質を
自由に設計することが可能である。例えば、フォトニッ
ク結晶は、フォトニック結晶を構成する材料間の屈折率
比を大きくし、周期構造を適切に選定すれば、強力な光
閉じ込め能などを発揮する。このフォトニック結晶は、
超高密度光集積回路や超高効率発光素子への適用が期待
されている。

【０００３】フォトニック結晶の有用性は、１９８７年
にYablonovitchにより、３次元的にバンドギャップが開
いたフォトニック結晶（フォトニックバンドギャップ材
料）を用いて光を完全に閉じ込めることができるという
指摘（E.Yablonovitch,Phys.Rev.Lett.58,2059(1987)）
により注目されるようになったが、当時のフォトニック
結晶はミリメートル周期の大きな構造であり、波長の長
い電磁波（マイクロ波など）を使って動作され、評価さ
れた。しかし、例えば光通信などで利用される光の波長
領域は１〜１．５μｍであり、この波長領域でフォトニ
ック結晶を動作させるには、フォトニック結晶の周期を
光の波長オーダよりも小さくする必要がある。そして、
光の波長領域で動作するフォトニック結晶を実現するた
めには、光の波長以下の加工精度が要求される。したが
って、作製可能な結晶構造は限定される。また、３次元
的に完全にバンドギャップが開くと予想されている結晶
構造は、現在まで知られている限りでは、ダイヤモンド
構造及びその関連する構造に限られている。光の波長以
下の加工精度を持つ加工技術は、電子ビームリソグラフ
ィやドライエッチングに代表される半導体リソグラフィ
技術があるが、このような技術で作製可能でかつバンド
ギャップが開くフォトニック結晶の周期構造として、図
５に示すようなものが提案されている。

【０００４】図５（ａ）に示すフォトニック結晶５０
は、先ずバルクの結晶５１上にドライエッチング用のマ
スク５２を設け、このマスク５２に２次元配列の穴５３
を形成し、これに斜め角度から３回垂直性の良いドライ
エッチング用のビーム５４によりエッチングを行うこと
で作製される。図５（ａ）に示される３本のエッチング
用のビーム５４，５４，５４は、それぞれが１２０度の
角度を保ち、また、中心軸Ｃからの角度はそれぞれ３５
度になっている。この構造はダイヤモンド構造の（１１
０）軸ボンド方向に穴が貫通している構造となってお
り、実際にバンドギャップが開くことが計算により実証
されており、マイクロ波領域では実験的に検証が行われ
ている。

【０００５】また、図５（ｂ）は、一定間隔で並んだロ
ッド５９，５９，，を、位相を半周期ずつずらしながら
９０度回転して重ねていくことにより形成されるフォト
ニック結晶６０であり、マイクロマシン技術を応用する
ことにより波長１２μｍ程度のものまで作製されている
（S-Y.Lin et al.,Nature 394,251(1998)）。この場合
もロッド５９の方向がダイヤモンド構造の（１１０）軸
方向に相当しており、フルフォトニックバンドギャップ
が開くことが計算により示されている。なお、フルフォ
トニックバンドギャップとは「全ての方向に進行する光
に対してフォトニックバンドギャップの開いた状態」を
いう。

【０００６】しかし、図５に示したものは、ある程度以
上の層数を持つ結晶構造を作ることは極めて困難であ
る。またいずれの方法でも、現在までに実際に作製され
ているフォトニック結晶は、ギャップが赤外又はマイク
ロ波領域に位置するものであり、近赤外、可視光の領域
で完全にバンドギャップの開いた３次元フォトニック結
晶は実現していない。

【０００７】また、前記したフルフォトニックバンドギ
ャップ以外のフォトニック結晶の代表的な応用例とし
て、直線偏光子がある。フォトニック結晶中において
は、許される伝搬モードが異方的になるため人工的な複
屈折性を持ち、これを利用してフォトニック結晶を直線
偏光子として用いることができる。通常の直線偏光子は
物質が持つ複屈折性を利用するか、または異方的な吸収
（２色性）を用いて作製されているが、フォトニック結
晶を用いると吸収を伴わず大きな異方性を持つので、高
い性能の直線偏光子を実現することができる。直線偏光
子は図６（ａ）（ｂ）のように二つの独立な２方向の間
で対称性を崩した周期構造を作れば実現されるので、比
較的容易に作製できる（最も単純には交互多層膜もその
ような異方性を持つ１次元フォトニック結晶である）。
なお、図６（ａ）は板状体７１を直列に並べた直線偏光
子７０を、図６（ｂ）は柱状体８１を二次元配列した直
線偏光子８０を示す。フォトニック結晶が持ちうる光学
異方性は、直線偏光に限らず原理的には崩れた対称性に
応じた異方性を持ちうるが、今までのところ直線偏光子
以外にこのようなフォトニック結晶の異方性を利用した
ものは存在しない。例えば、回転対称性が崩れた構造で
あれば、旋光性（又は光学活性）を生じる。物質の旋光
性（又は光学活性）は、テレピン油のような光学異性体
を持つ分子構造で構成される等方性媒質や、水晶のよう
な特定の対称性を持った結晶構造において発現する現象
であり、物質固有の性質である。旋光性は直線偏光制
御、円偏光制御において極めて重要で、この性質を利用
して1／２波長板、１／４波長板などの光学部品が作ら
れている。しかし、旋光性そのものは非常に小さく（水
晶で１０度／mm程度）、またその大きさを人工的に制御
することも困難であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、従来研究
され、また作製されてきたフォトニック結晶において、
その結晶構造が図５などに代表される構造に限定されて
いたため、実現される機能に制限があったという問題点
を解決することを目的とする。つまり本発明は、従来と
は異なる結晶構造を持ち、フルフォトニックバンドギャ
ップ及び旋光性を有する新規なフォトニック結晶の作製
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に屈折
率の異なる少なくとも２種類の材料部分を螺旋状に形成
してなる同一材料部分が連続的に螺旋状に繋がった柱状
体を２次元配列したフォトニック結晶の作製方法を提案
する。

【００１０】本発明は、基板上に屈折率の異なる少な
くとも２種類の材料部分を螺旋状に形成してなる同一材
料部分が連続的に螺旋状に繋がった柱状体を２次元配列
したフォトニック結晶の作製方法であって、基板上に螺
旋一段分の形状を形成して２次元配列させる工程（Ａ）
の後、前記螺旋一段分の形状の上に、屈折率の異なる少
なくとも２種類の材料部分を互い違いに順次一段分ずつ
積層させる工程（Ｂ）を繰り返し行なうフォトニック結
晶の作製方法を提案する（請求項１）。この作製方法に
おいては、積層する材料が２種類であれば柱状体は二重
螺旋構造になる。この作製方法により作製された３次元
的な螺旋構造を有するフォトニック結晶は、ダイヤモン
ド構造に似た対称性を持ち、フルフォトニックバンドギ
ャップを持ちうることが理論計算により証明されている
（ A.Chutinan and S.Noda,Physical Review B 57,R2006
(1998) ）。また、このフォトニック結晶の構造を上面か
ら見た場合、右回りと左回りの対称性が崩れているた
め、右水晶と左水晶の場合と同じように旋光性を持ちう
る。なお、フルフォトニックバンドギャップとは、全て
の方向に進行する光に対してフォトニックバンドギャッ
プの開いた状態をいう。ここで、特許請求の範囲の記載
における２次元配列とは、一定の規則性に基づいて柱状
体を基板上に並べることを意味するが、２次元配列に
は、この一定の規則性を別の規則性に基づいて乱すこと
により構成される２次元配列も含む。これによれば、格
子状に面内に二次元配列した螺旋一段分の形状を作製
し、この螺旋一段分の形状を足がかりにして屈折率の異
なる材料部分を螺旋一段分ずつ積み上げたフォトニック
結晶を作製する。

【００１１】また、本発明は、前記工程（Ｂ）が、バイ
アススパッタにより、前記工程（Ａ）において基板上に
２次元配列した形状を保持しつつ、前記屈折率の異なる
少なくとも２種類の材料部分を互い違いに順次螺旋一段
分ずつ積層させるものであることを特徴とするフォトニ
ック結晶の作製方法である。これによれば、最初の形状
に忠実な形状を維持しつつ、かつ緻密な柱状体を構成す
ることができる。

【００１２】また、本発明は、前記工程（Ａ）が、フ
ォトニック結晶を作製する基板とは異なる他の基板上に
前記螺旋一段分の形状に相当する形状を２次元配列さ
せ、この他の基板を押し型として、前記基板上に形成さ
れた薄膜に前記押し型を押し付けることにより該基板上
に前記螺旋一段分の形状を転写して２次元配列させるも
のであり、前記工程（Ｂ）が、前記螺旋一段分の形状の
上に、屈折率の異なる少なくとも２種類の材料を順次一
段分ずつ塗布して薄膜を形成し、この螺旋一段分の薄膜
を形成するごとに前記押し型により前記螺旋一段分の形
状を転写して順次一段分ずつ積層させる工程であること
を特徴とするフォトニック結晶の作製方法である（請求
項３）。これによれば、塗膜を形成するごとに、押し型
により螺旋一段分ずつを転写して行く。押し型は、再利
用される。

【００１３】そして、本発明は、前記基板又は前記他
の基板上にレジストを塗布した後、電子ビームリソグラ
フィ露光を行ない、この露光中に露光ドーズ量をレジス
ト上の場所により変化させることで、前記螺旋一段分の
形状を２次元配列したレジストパターンを形成し、この
レジストパターンに基づいて前記基板又は前記他の基板
上に前記螺旋一段分の形状を２次元配列させること、を
特徴とするフォトニック結晶の作製方法である（請求項
４）。露光ドーズ量をレジスト上の場所によって変える
ことにより、異なる厚さのレジストパターンを形成する
ことができる。このレジストパターンに基づいてエッチ
ングを行ない、螺旋一段分の形状を基板１又は他の基板
２上に形成することができる。この基板１は最初の螺旋
一段分が形成された基板としてこの上に順次螺旋構造が
形成されて、フォトニック結晶となる。また、この他の
基板２は押し型として螺旋形状の転写（刻印）に使用さ
れる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のフォトニック結晶の作製
方法の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるフォトニック結晶の周期
構造を示す斜視図である。図２は、本実施の形態におけ
るフォトニック結晶の螺旋構造を示す正面図である。図
３は、本実施の形態におけるフォトニック結晶の第１の
作製方法を示す斜視図である。図４は、本実施の形態に
おけるフォトニック結晶の第２の作製方法を示す斜視図
である。

【００１５】《フォトニック結晶の構成》本実施の形態
におけるフォトニック結晶１０は、図１（ａ）に示すよ
うに基板１１の上に屈折率の異なる２種類の異なる屈折
率を有する材料部分（低屈折率材料部１２ａ、高屈折率
材料部１２ｂ）を螺旋状に形成してなる柱状体１２を、
２次元配列することで構成される。各柱状体１２は二重
螺旋構造を含む多重螺旋構造となる。本実施の形態にお
いて、基板１１はシリコン（Ｓｉ）よりなる。また、低
屈折率材料部１２ａは二酸化珪素（ＳｉＯ₂、屈折率
１．４）よりなり、高屈折率材料部１２ｂはシリコン
（Ｓｉ、屈折率３．５）よりなる。低屈折率材料部１２
ａと高屈折率材料部１２ｂは、それぞれ連続した二重螺
旋構造の柱状体１２を構成している。二重螺旋構造を形
成する一つの材料部分の厚みｄ（特にコアとなる材料部
分の厚みｄ）は、目的とする光の波長の約１／２程度で
ある。なお、図２は高屈折率材料部１２ｂ（つまりシリ
コン）による螺旋構造（コアとなる部分）を基板１１と
ともに示しているが、基板１１上に形成される低屈折率
材料部１２ａによる螺旋構造（クラッドとなる部分）も
図２に示すものと同様のものになる。ここで、図１など
において符号１２ｓで示される部分は、基板１１上に形
成された最初の螺旋一段分である。本実施の形態におい
て、この最初の螺旋一段分１２ｓは基板１１及び高屈折
率材料部１２ｂと同じ材質（シリコン〔Ｓｉ〕）よりな
る。なお、図１など（図２〜図４）において、柱状体１
２の上面部分や最初の螺旋一段分１２ｓの上面部分など
が階段状になっているが、これは螺旋状であることを図
面において強調するための記載であり、実際上はこのよ
うな階段状にはなっていない。ただし、階段状にするこ
とも可能である。

【００１６】本実施の形態のフォトニック結晶１０
は、１）柱状体１２を構成する低屈折率材料部１２ａと
高屈折率材料部１２ｂの屈折率の比が２以上と大きく開
いていること、２）柱状体１２が周期的な螺旋構造を有
していること、３）基板１１上に柱状体１２が周期的に
配列していること、そして、４）螺旋を構成する材料部
分（殊に高屈折率材料部１２ｂ）の厚みｄが目的とする
光の波長の約１／２であることから、フルフォトニック
バンドギャップを形成することができる。また、この構
造は右回りと左回りの対称性が崩れているため右水晶と
左水晶の場合のように、旋光性を持ち得る。このような
フォトニック結晶は、フルフォトニックバンドギャップ
を利用して発光素子（レーザやＬＥＤ）などに使用され
る。また、旋光性を利用して人工旋光性物質として使用
される。。

【００１７】前記したフォトニック結晶１０を構成する
材料は、基板１１がシリコン、柱状体１２を構成する低
屈折率材料部１２ａが二酸化珪素、同様に柱状体１２を
構成する高屈折率材料部１２ｂがシリコンであるが、材
料はこれらに限定されることはない。また、基板１１、
低屈折率材料部１２ａ、高屈折率材料部１２ｂが結晶質
であるか非晶質であるかも問わない。さらに、柱状体１
２は２種類の異なる屈折率を有する材料で構成したが、
２種類に限定されるものではない。

【００１８】《フォトニック結晶の作製方法》以下、本
発明の実施の形態におけるフォトニック結晶１０の作製
方法（第１の作製方法、第２の作製方法）を説明する。

【００１９】〔第１の作製方法、図３参照〕第１の作製
方法は、基板１１の上に最初の螺旋一段分１２ｓを作製
し（工程Ａ）、この最初の螺旋一段分１２ｓそのものの
上に交互に低屈折率材料部１２ａと高屈折率材料部１２
ｂを螺旋一段分ずつ積み重ねて行く（工程Ｂ）フォトニ
ック結晶１０の作製方法である。つまり、工程Ａにより
最初の螺旋一段分１２ｓを作製するプロセスと、工程Ｂ
によりこの最初の螺旋一段分１２ｓのパターン上にこの
パターンを忠実に転写しながら異なる屈折率を有する材
料を積層して柱状体１２を作製するプロセスに分けられ
る。なお、柱状体１２の作製はバイアススパッタにより
行なう。

【００２０】(1) 先ず、シリコンよりなる基板１１上に
レジスト３１を塗布する。一般に電子ビーム露光におい
ては、現像後に残るレジストの厚さは露光量（露光ドー
ズ量）に依存するため、露光量を場所によって変化させ
ながら露光を行うと、現像後のレジストパターンの膜厚
を場所によって変えることができる。この原理を用い
て、基板１１上に塗布したレジスト３１上（図３(a)参
照）に、露光量を場所により変えながら露光する。これ
により図３（ｂ）に示すように、最初の螺旋一段分１２
ｓを作製するためのレジストパターン３２を、基板１１
上に形成することができる。

【００２１】(2) この後に、レジストパターン３２と基
板１１とを等速で削ることができる垂直性の良いドライ
エッチング（反応性イオンエッチングなど）により、こ
の螺旋形状のレジストパターン３２を基板１１に転写す
る。そして、残りのレジストパターン３２を剥離する。
すると図３（ｃ）に示すような、螺旋形状（すなわち最
初の螺旋一段分１２ｓ）が形成された基板１１が作製さ
れる。つまり、レジストパターン３２の厚みが場所によ
り異なるため、エッチングされる量もレジストパターン
３２の厚みに応じて変化し（すなわち基板１１に加えて
レジストパターン３２もエッチングされるため）、結果
としてレジストパターン３２の形状（厚み）に応じた形
状が基板１１上に形成される。ここまでが前半の作製工
程Ａである。なお、最初の螺旋一段分１２ｓの高さ（厚
さ）は、ここでは２ｄである。最初の螺旋一段分１２ｓ
の厚さは、レジストパターン３２と基板１１とのエッチ
ングにおける選択比などにより支配される。ちなみに、
最初の螺旋一段分１２ｓは、図１（ｂ）に示すように２
次元格子点に配列させるが、図３では便宜上、一つの格
子点の最初の螺旋一段分１２ｓ（柱状体１２）のみを図
示する。

【００２２】(3) 続いて、この最初の螺旋一段分１２ｓ
が形成された基板１１上に、バイアススパッタにより低
屈折率材料部１２ａ（ここでは二酸化珪素、屈折率１．
４）と高屈折率材料部１２ｂ（ここではシリコン、屈折
率３．５）を交互に螺旋一段分ずつ積層する。バイアス
スパッタにおいては、エッチングとデポジションが同時
に起こり、両者の寄与の比をバイアスなどのスパッタ条
件によって制御することができる。さらに、エッチング
とデポジションの角度依存性が異なる性質を利用する
と、スパッタ条件を適当に選ぶことにより始めの基板の
初期形状を忠実に保ったまま多層膜を積層することがで
きる。この技術は、自己クローニング技術として知られ
ている（S.Kawakami,Electronics Letter,vol.33,p1260
(1997)）。この予め定めておいた積層条件を用いて、最
初の螺旋一段分１２ｓが形成された基板１１上に、低屈
折率材料部１２ａを最初の螺旋一段分１２ｓの厚さであ
る２ｄの半分の厚さｄで積層する（図３(d)参照）。積
層する際には、最初の螺旋一段分１２Ｓ以外の平面部に
も積層が起こるが、作製される形状がわかりやすいよう
に、各図では平面部の積層は無視して最初の螺旋一段分
１２ｓ上の積層のみを図示している。

【００２３】(4) 次に、低屈折率材料部１２ａよりなる
螺旋一段分の上に、高屈折率材料部１２ｂよりなる螺旋
一段分を同じく厚さdで積層する。これにより図３（e）
に示す形状が形成される。以降は、図３（d）における
螺旋一段分の積層と図３（e）における螺旋一段分の積
層を繰り返すことにより、図３（ｆ）のように低屈折率
材料部１２ａよりなる螺旋一段分と高屈折率材料部１２
ｂよりなる螺旋一段分がそれぞれ二重螺旋形状につなが
った構造が作製される。図３（ｆ）では立体構造が少々
わかりにくいが、高屈折率材料部１２ｂの部分（つまり
シリコン部分）のみを表示すると図２のようになり、高
屈折率材料部１２ｂが螺旋形状になっていることがわか
る。

【００２４】柱状体１２を配置する格子は、はじめのリ
ソグラフィによって正方格子、三角格子など自由に変え
ることができ、正方格子及び三角格子からスタートした
柱状体１２の配置構造に関してはフルフォトニックバン
ドギャップが開くことがわかっている。また、任意の格
子に対して作製されるフォトニック結晶の構造は、上面
から見ると右回りと左回りの対称性が崩れており、人工
旋光性を持ちうることは明らかである。また、この第１
の作製方法では、構成材料としてシリコンと二酸化珪素
を用いたが、バイアススパッタによる形状制御は他の物
質においても可能であり、この材料の組み合わせに制限
されないことは自明である。

【００２５】〔第２の作製方法、図４参照〕第２の作製
方法は、フォトニック結晶１０を作製する基板１１とは
異なる他の基板２１上に、最初の螺旋一段分１２ｓに相
当する螺旋一段形状２２ｓを２次元配列させ、この他の
基板２１を押し型２０として、基板１１上に形成された
薄膜ｔｓ’に押し型２０を押し付けることにより最初の
螺旋一段分１２ｓを転写する工程Ａ。そして、この工程
Ａに続いて、屈折率の異なる薄膜ｔａ’，ｔｂ’を順次
螺旋一段分ずつ積層し、薄膜を一段積層する毎に押し型
２０により螺旋一段形状２２ｓを順次転写して柱状体１
２を２次元配列させる工程Ｂにより、フォトニック結晶
１０を作製するものである。なお、このように微細形状
の型（モールド）を押し付けて他の材料を同一形状に加
工する技術は、一般にナノプリント技術と呼ばれてい
る。

【００２６】(1) 先ず、フォトニック結晶１０を作製す
る基板１１とは異なる他の基板２１（ここではシリコン
よりなる）に、最初の螺旋一段分１２ｓに相当する螺旋
一段形状２２ｓを２次元配列させる。この２次元配列さ
せる方法は、第１の作製方法で説明したのと同様の手段
による。つまり、他の基板２１上にレジストを塗布し、
露光量をレジストの場所によって変化させて露光して、
レジストパターンを形成する。その後、このレジストパ
ターンに基づいてドライエッチングを行なうことによ
り、螺旋一段形状２２ｓが２次元配列される。なお、螺
旋一段形状２２ｓの高さ（厚さ）は、ここでは２ｄであ
る。以後、この螺旋一段形状２２ｓが２次元配列された
他の基板２１は、押し型２０（モールド）として使用さ
れる。

【００２７】(2) 次に、基板１１上にＰＺＴ溶液（チタ
ン酸ジルコン酸鉛）を回転塗布（スピンコート）し、こ
の塗膜を熱処理してＰＺＴからなる薄膜ｔｓ’（軟らか
い薄膜）を基板１１上に形成する。この薄膜ｔｓ’の厚
さは、加熱硬化後の厚さが２ｄになるようにする。この
後、この薄膜ｔｓ’に押し型２０を押し付けて最初の螺
旋一段分１２ｓの形状を転写（刻印）する（図４(a)参
照）。形状転写の後、薄膜ｔｓ’を加熱（アニール）し
て硬化させる。これにより薄膜ｔｓ’は、屈折率２．６
の透明材料よりなる硬い薄膜ｔｓ（屈折率２．６）にな
る。この硬化後の薄膜ｔｓが、特許請求の範囲の記載に
おける最初の螺旋一段分１２ｓになる。

【００２８】(3) 続いて、最初の螺旋一段分（図１など
において１２ｓで示される）が形成された基板１１上
に、酸化珪素複合材料塗布液を回転塗布して薄膜ｔａ’
（軟らかい薄膜）を形成する。薄膜ｔａ’は、加熱硬化
した後の薄膜ｔａ（硬い）の厚さがｄになるように形成
される。ちなみに、酸化珪素複合材料塗布液は、押し型
２０によりあけられた穴の部分（図示外）にも満たされ
る。薄膜ｔａ’を形成した後、最初の螺旋一段分と同じ
位置の上に、押し型２０を押し付ける。この際、押圧力
を調節して、加熱硬化した後の薄膜ｔａの厚さがｄにな
るようにする。これにより、螺旋一段形状２２ｓが転写
（刻印）される。そして、薄膜ｔａ’を加熱して硬化さ
せ、二酸化珪素よりなる薄膜ｔａ（屈折率１．４）とす
る（図４(b)参照）。この螺旋一段形状２２ｓを転写し
た薄膜ｔａが、特許請求の範囲の記載における低屈折率
材料部１２ａよりなる螺旋一段分になる。

【００２９】(4) 今度は、ＰＺＴ溶液を回転塗布し熱処
理してＰＺＴよりなる薄膜ｔｂ’（軟らかい薄膜）を形
成する。薄膜ｔｂ’は、加熱硬化した後の薄膜ｔｂの厚
さがｄになるように形成される。ＰＺＴ溶液は押し型２
０によりあけられた穴の部分（図示外）にも満たされ
る。そして、最初の螺旋一段分と同じ位置の上に（前記
(3)での操作によりあけられた穴と同じ位置でもあ
る）、押し型２０を押し付ける。この際、押圧力を調節
して、加熱硬化した後の塗膜ｔｂの厚さがｄになるよう
にする。これにより螺旋一段形状２２ｓが転写（刻印）
される。そして、薄膜ｔｂ’を加熱して硬化させ、ＰＺ
Ｔよりなる薄膜ｔｂ（屈折率２．６）とする（図４(c)
参照）。この螺旋一段形状２２ｓを転写した薄膜ｔｂ
が、特許請求の範囲の記載における高屈折率材料部１２
ｂよりなる螺旋一段分になる。

【００３０】(5) 引続き、前記(3)での操作及び前記(4)
での操作を繰り返し、所定段数の薄膜（ｔａ，ｔｂ）を
積み重ねて柱状体１２を形成する。

【００３１】このように、薄膜ｔａ’，ｔｂ’（軟らか
い薄膜）を形成した後、押し型２０により型押しして形
状を転写（刻印）し、これを加熱硬化して順次積層する
ことでも、図１（ａ）に示す、低屈折率材料部１２ａと
高屈折率材料部１２ｂの同一材料部分が連続的に螺旋状
に繋がった柱状体１２を２次元配列したフォトニック結
晶１０を作製することができる。なお、各層の形状転写
においては位置合わせが必要であるが、位置合わせには
Ｘ線リソグラフィにおけるステッパの位置合わせ技術を
用いることができる。また、パターン深さ（厚さｄ，２
ｄ）の調整には、ピェゾ電気素子を用いることができ
る。

【００３２】この第２の作製方法では、形状が転写（刻
印）される物質としてＰＺＴ及び酸化珪素を用いたが、
ポリマーや酸化物など一般に刻印により加工可能な材料
であれば同じ方法が適用可能であることは自明である。
また、押し型２０の基板（他の基板２１）としてシリコ
ンを用いたが、これも炭化珪素（ＳｉＣ）など他の材料
に置き換えることも可能であり、シリコンには限定され
ない。さらに、柱状体１２を配置する格子は、押し型２
０によって正方格子、三角格子など自由に変えることが
できる。

【００３３】以上、本発明の実施の形態につき説明した
が、本発明は、必ずしも前記した手段及び手法に限定さ
れるものではなく、本発明にいう目的を達成し、本発明
にいう効果を有する範囲において適宜に変更実施するこ
とが可能である。例えば、本実施の形態においては２種
類の材料からフォトニック結晶を作製したが、３種類以
上の材料を適当に割り振り順番に積層しても同じような
螺旋形状が作製されることは自明である。材料が３種類
の場合は、３つの材料部分を足し合わせた厚さ（３つの
材料部分よりなる螺旋一段分の厚さ）が、最初の螺旋一
段分の厚さと同じになるようにする。逆に、厚みの基準
となるのは、光が閉じ込められるコアとなる部分（高屈
折率材料部）であるので、先ずコアとなる部分の厚さを
決定し、次に必要なクラッドの厚さを決定し、そして最
初の螺旋一段分（押し型の螺旋一段形状）の厚さを決定
する手順とすることができる。また、フォトニック結晶
の作製方法として、バイアススパッタ技術とナノプリン
ト技術を用いる方法について述べたが、半導体エピタキ
シャル成長などの他の方法によって、最初の螺旋形状を
保存しながら積層を行っても同じ効果が期待できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のフォトニ
ック結晶の作製方法によれば、同一材料部分が連続的に
螺旋状に連続的に繋がった柱状体を有するフォトニック
結晶を確実に作製することができる。殊に、バイアスス
パッタ技術あるいはナノプリント技術を適用すること
で、本発明のフォトニック結晶を確実に作製することが
できる。また、本発明によれば、最初の螺旋一段分及び
押し型を確実に精度よく作製することができる。この押
し型は、何度もフォトニック結晶の作製に繰り返して使
用することができる。本発明の方法により作製されたフ
ォトニック結晶によれば、フルフォトニックバンドギャ
ップを形成することができ、発光素子や光導波路などに
適用できる。また、本発明の方法により作製されたフォ
トニック結晶の構造は、右回りと左回りの対称性が崩れ
ているため、右水晶と左水晶の場合のように旋光性を持
ち、直線偏光子として適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態におけるフォトニック結晶の
周期構造などを示す斜視図である。（ａ）はフォトニッ
ク結晶を、（ｂ）は基板上に形成された螺旋一段分を示
す。この（ｂ）は押し型を示すものでもある。

【図２】本実施の形態におけるフォトニック結晶の
螺旋構造を示す正面図である。

【図３】本実施の形態におけるフォトニック結晶の
第１の作製方法を示す斜視図である。（ａ）は基板とレ
ジストを、（ｂ）は基板上の形成されたレジストパター
ンを、（ｃ）は最初の螺旋一段分を、（ｄ）は最初の螺
旋一段分の上に形成された低屈折率材料部よりなる螺旋
一段分を、（ｅ）は（ｄ）の上に形成された高屈折率材
料部よりなる螺旋一段分を、（ｆ）は１本の柱状体を示
す。

【図４】本実施の形態におけるフォトニック結晶の
第２の作製方法を示す斜視図である。（ａ）は最初の一
段分の作製を、（ｂ）は最初の螺旋一段分の上に形成さ
れた低屈折率材料部よりなる螺旋一段分を、（ｃ）は
（ｂ）の上に形成された高屈折率材料部よりなる螺旋一
段分を、（ｄ）は順次螺旋一段分を積層して行く過程を
示す。

【図５】従来の方法における３次元フォトニック結
晶の構造などを示す模式図である。（ａ）はドライエッ
チングによるものを、（ｂ）はマイクロマシン技術によ
るものを示す。

【図６】従来の作製方法によって作製されるフォト
ニック結晶型偏光子の構造を示す模式図である。（ａ）
は板状体を並べたものを、（ｂ）は柱状体を２次元配列
したものを示す。

【符号の説明】

１０フォトニック結晶１１基板１２柱状体１２ａ屈折率の異なる材料（低屈折率材料部）１２ｂ屈折率の異なる材料（高屈折率材料部）１２ｓ最初の螺旋一段分２０押し型２１他の基板２２ｓ螺旋一段形状３１レジスト３２レジストパターンｔａ’ 薄膜（低屈折率材料部１２ａを形成するため
の薄膜）ｔｂ’ 薄膜（高屈折率材料部１２ｂを形成するため
の薄膜）ｔｓ’ 薄膜（最初の螺旋一段分１２ｓを形成するた
めの薄膜）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献ＡｌｏｎｇｋａｒｎＣｈｕｔｉｎａｎａｎｄＳｕｓｕｍｕＮｏｄａ，”Ｓｐｉｒａｌｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｎｉｃ −ｂａｎｄ−ｇａｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，米国，ＴｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＰｈｙｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，1998年１月15日，Ｖｏｌ． 57，Ｎｏ．４，ｐｐ．Ｒ2006−2008 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 G02B 6/13

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に屈折率の異なる少なくとも２種
類の材料部分を螺旋状に形成してなる同一材料部分が連
続的に螺旋状に繋がった柱状体を２次元配列したフォト
ニック結晶の作製方法であって、基板上に最初の螺旋一
段分を形成して２次元配列させる工程（Ａ）の後、前記
最初の螺旋一段分の上に、屈折率の異なる少なくとも２
種類の材料部分を互い違いに順次螺旋一段分ずつ積層さ
せる工程（Ｂ）を繰り返して行なうこと、を特徴とする
フォトニック結晶の作製方法。
【請求項２】前記工程（Ｂ）が、バイアススパッタに
より、前記工程（Ａ）において基板上に２次元配列した
形状を保持しつつ、前記屈折率の異なる少なくとも２種
類の材料部分を互い違いに順次螺旋一段分ずつ積層させ
るものであること、を特徴とする請求項１に記載のフォ
トニック結晶の作製方法。
【請求項３】前記工程（Ａ）が、フォトニック結晶を
作製する基板とは異なる他の基板上に前記最初の螺旋一
段分に相当する螺旋一段形状を２次元配列させ、この他
の基板を押し型として、前記基板上に形成された薄膜に
前記押し型を押し付けることにより前記基板上に前記最
初の螺旋一段分を転写して２次元配列させるものであ
り、前記工程（Ｂ）が、前記最初の螺旋一段分の上に、
屈折率の異なる少なくとも２種類の材料を順次螺旋一段
分ずつ塗布して薄膜を形成し、この螺旋一段分の薄膜を
形成するごとに前記押し型により前記螺旋一段形状を転
写して順次螺旋一段分ずつ積層させる工程であること、
を特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶の作製
方法。
【請求項４】前記基板又は前記他の基板上にレジスト
を塗布した後、電子ビームリソグラフィ露光を行ない、
この露光中に露光ドーズ量を前記レジスト上の場所によ
り変化させることで、前記最初の螺旋一段分又は前記螺
旋一段形状を作製するためのレジストパターンを形成
し、このレジストパターンに基づいて前記基板上に前記
最初の螺旋一段分を２次元配列させ、又は前記他の基板
上に前記螺旋一段形状を２次元配列させること、を特徴
とする請求項１乃至請求項３のいずれかの一項に記載の
フォトニック結晶の作製方法。