JP3721815B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信，光インターコネクション，オプトエレクトロニクス，光計測等の分野において、光導波路，光共振器，近接場光学プローブ，複屈折素子，フィルター，分岐素子，波面変換素子，偏向素子等として使用され、屈折率周期構造を有する誘電体多層膜，フォトニッククリスタル等の光学素子の製造方法に関し、特に、結晶構造および材料の選択の自由度が高く、３次元屈折率周期構造の形成が可能な光学素子の製造方法する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率の分布が光の波長と同程度のピッチからなる屈折率周期構造の媒質は、独特の光の伝播特性を有することが知られており、周期構造が１次元のものとしては、誘電体多層膜が古くから知られており、その設計理論や作製技術は既に成熟した分野である。
【０００３】
一方、光の波長と同程度のピッチからなる３次元的な屈折率周期構造を有する媒質を利用して、半導体素子中の自然放出の制御を行う方法が、１９８７年にYablonovitchによって提唱されて以来（E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett., vol. 58, (1987), P2059-P2062 ）、２次元あるいは３次元的な周期構造の媒質中での光の振る舞いが注目を集めている。そのような媒質中では、ある特定の範囲の波数ベクトルを有する光は伝播が禁じられ、半導体中の電子のエネルギーバンドと同様のフォトニックバンドが形成される。フォトニックバンドを形成する屈折率周期構造を「フォトニッククリスタル」という。
【０００４】
フォトニックバンドを利用すると、以前はこれまでにないフォトンの制御が可能になるため、様々な応用が期待されている。既に、自然放出光の制御による低閾値あるいは閾値のないレーザ（馬場ら、応用物理, vol.67,(1998), P1041-P1045）、フォトニッククリスタル中の格子欠陥の周りに光が局在する性質を利用した光導波路（J.D.Joannopoulos et. al.: "Photonic Crystal", Princeton University Prss, (1995 Princeton, New Jersey), P100-P104）、同じく光の局在を利用した高効率でμｍオーダーの超小型な光共振器（馬場ら、応用物理, vol.67, (1998), P1041-1045）、および波長や入射角の微小な変化によって大きく偏向角を変える新しいプリズム機能を有する素子（小坂ら、第５９回応用物理学会学術講演会予稿集III,17p-T-13, (1998), P920）等の応用が提唱されている。
【０００５】
このような微細な屈折率周期構造を有する光学素子の従来の製造方法としては、例えば、特開平１０−５９７４６号公報、特開平９−３０４６１１号公報、文献１「J.Vac.Sci.Technol.B 14(6),(1996),P.4110-4114」、文献２「Jpn.J.Appl.Phys.,vol.35,(1996),P.L909-L912」、文献３「Jpn.J.Appl.Phys.,vol.36,(1996),P.L286-L288」に示されたものがある。
【０００６】
特開平１０−５９７４６号公報に示された製造方法は、誘電率の異なる２種以上材料によって誘電体多層膜を形成した後、この誘電体多層膜に対して強度分布を有するレーザ光を照射し、誘電体多層膜にレーザ光のエネルギーを吸収させることで溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こさせて、誘電体多層膜の一部をレーザ光の強度に応じて除去し、他の部分を光の波長程度の格子定数をもつ周期的に配列される誘電体凸部として残す方法である。２種の誘電体の屈折率の違いにより層の積層方向の周期構造を実現し、レーザ光によって除去された空気部分と誘電体部分との折率の違いにより層の面内方向の周期構造を実現している。
【０００７】
特開平９−３０４６１１号公報に示された製造方法は、周期的な凹凸構造を表面に有した下地を用意し、この下地の表面上に、屈折率が異なる２種類の薄膜を、交互にかつそれぞれの膜厚が凹凸における段差と等しいか実質的に等しい膜厚となるように積層する。２種類の誘電体の屈折率の違いにより、層に垂直な方向および層の面内方向の両方に周期的な構造を実現する。
【０００８】
文献１に示された製造方法は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）をフォトニッククリスタルの材料とし、びっしりと並んだ六角形の頂点に穴があるＮｉマスクを用いて、化学アシストイオンビームエッチングによりＧａＡｓ表面法線に対して３５度の角度の斜めの穴を穿つ方法である。ＧａＡｓ表面法線に対して１２０度ずつ回転させて３回穴をエッチングすることによって、Ｆｃｃ（面芯立方）構造のＧａＡｓと空気からなるフォトニッククリスタルを作製することができる。
【０００９】
文献２に示された製造方法は、基板上のＧａＡｓ層に溝を形成したもの同士をウェハーボンディングによって貼り合せた後に片側の基板を選択エッチングで除去する、という過程を繰返すことによって、３次元フォトニック結晶を作製するものである。
【００１０】
文献３に示された製造方法は、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）膜によってＧａＡｓ基板上をマスクし、ＧａＡｓを選択成長させることによって２次元フォトニック結晶を作製するものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−５９７４６号公報に示された従来の製造方法によると、レーザ光の強度に応じて複数の層を同時に除去するため、層間で異なる面内結晶構造を有するような結晶は作製できず、また、エアを構成要素とする結晶しか作れないという結晶構造に大きな制約がある。さらに、レーザアブレーションで除去する場合には、材料に制約がある。レーザー照射による熱で除去する場合にも、熱による周囲材料のダメージが問題になる場合がある。
【００１２】
特開平９−３０４６１１号公報に示された従来の製造方法によると、下地の凹凸構造を各層に反映しているので、層間で異なる面内結晶構造を有するような結晶は作製できない。また、凹凸構造の凹部の幅が段差より小さいと、幅の狭い凹部に他の領域とまったく同じ膜厚を積層することが難しため、そのような構造の作製は困難になるという問題がある。
【００１３】
文献１に示された従来の製造方法によると、イオンビームエッチングにより斜めの穴を形成するため、各層毎に異なった面内結晶構造を有するような結晶の作製は、かなり困難となる。また、材料によっては、エッチング精度／速度を両立させるエッチング条件とマスクの選択が困難になること、密集パターンでローディングが生じたり、エッチング時にオーバーハングが生じたりしてシャープな鉛直面作製し難いこと、エッチング深さの高精度制御が困難なこと等の制約がある。
【００１４】
文献２に示された従来の製造方法によると、エッチングやウェハーボンディングを繰返すため、それが可能な材料しか選べないという材料上の制約がある。また、融着熱や圧力が高くなるため、それに耐えられる材料しか使用できず、また、周囲に熱や圧力に弱い素子等が存在する場合には、使用できないという制約もある。さらに、一回の接合毎に基板裏面の研磨やエッチングなどの時間がかかる工程を要する欠点がある。
【００１５】
文献３に示された従来の製造方法によると、マスクを用いてＧａＡｓを選択成長させているため、２次元的な結晶しか作製できず、３次元結晶は不可能であり、また、選択成長が可能な材料しか使えないという問題がある。
【００１６】
従って、本発明の目的は、結晶構造および材料の選択の自由度が高く、３次元屈折率周期構造の形成が可能な光学素子の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記目的を達成するため、複数の層からなり、光波長と同一あるいはそれ以下の周期で屈折率が変化する屈折率周期構造を有する光学素子の製造方法において、基板上に前記複数の層に対応した２次元パターンを有する複数の薄膜を形成する第１の工程と、前記基板上から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を順次接合して積層する第２の工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
上記構成によれば、第１工程では、例えば、材料の制限の少ないスパッタリング法等の着膜法によって基板上に薄膜を形成し、その基板上の薄膜をフォトリソグラフィー法等のパターニング法によって任意の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成する。第２工程では、２次元パターンを有する複数の薄膜を接合し積層することにより、２次元パターン（結晶構造）の変化、および材料の変化によって３次元方向に屈折率が変化する３次元屈折率周期構造が形成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造装置を示す。この製造装置１は、後述する積層工程が行われる真空チャンバー２を有し、この真空チャンバー２の内部に、基板が載置される基板ホルダ３と、基板上に形成された薄膜が転写されるステージ１３と、基板ホルダ３にアルゴンの高速原子ビーム（ＦＡＢ：Fast Atom Beam）１５を照射して表面を清浄化する第１のＦＡＢ源４Ａと、ステージ１３にＦＡＢ１５を照射して表面を清浄化する第２のＦＡＢ源４Ｂと、ステージ１３をＸ軸方向（図１において左右方向）に移動させるＸ軸テーブル５Ａと、ステージ１３をＹ軸方向（図１において紙面に垂直な方向）に移動させるＹ軸テーブル５Ｂとを設けている。また、この製造装置１は、真空チャンバー２の外部に基板ホルダ３をＺ軸方向（図１において上下方向）に移動させるＺ軸テーブル５Ｃと、アライメント調整の際に基板ホルダ３をＺ軸回りに回転させるθテーブル５Ｄとを備えている。なお、第１および第２のＦＡＢ源４Ａ，４Ｂは、基板ホルダ３をステージ１３側に圧接するときは、邪魔にならないように図示しないモータによって退避できるようになっている。以下、このように構成された製造装置１を用いて光学素子としてのフォトニッククリスタルを製造する場合について説明する。
【００２０】
図２（ａ），（ｂ）、図３（ａ），（ｂ）、および図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第１の実施の形態は、１種類の薄膜材料と空気若しくは真空からなるパターンの層をＸ軸方向に位置をずらしながら複数層積層してなるフォトニッククリスタルである。
【００２１】
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、Ｓｉウェハからなる基板１０を準備し、この基板１０の表面にポリイミドをスピンコーティング法により５μｍ塗布し、これを硬化させ、表面にフッ化処理を施して離型層１１を形成する。この離型層１１の表面は、スピンコーティング法を用いたことにより、表面粗さはＲａ＜２ｎｍとすることが容易に可能である。更に離型層１１の上にスパッタリング法によりＳｉ薄膜１２Ａを０．５μｍ着膜する。Ｓｉ薄膜１２Ａの膜厚は、水晶振動子でモニターすることにより正確に設定できる。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィー法を用いてＳｉ薄膜１２Ａをパターニングしてフォトニッククリスタルを構成する各層の薄膜１２０ａ，１２０ｂを一括して形成する。Ｓｉ薄膜１２Ａのエッチングは、湿式エッチングよりもドライエッチング、望ましくは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）の方が、薄膜１２０ａ，１２０ｂの角が丸まらず、基板１０の表面に対して端面が垂直となるので好ましい。
【００２３】
図３（ａ）は、パターニングされた薄膜１２０ａ，１２０ｂの一例を示す。基板１０上には、パターンＡを有する複数（例えば８つ）の薄膜１２０ａと、パターンＢを有する複数（例えば８つ）の薄膜１２０ｂが形成される。薄膜１２０ａおよび薄膜１２０ｂは、５ｍｍ角の外形を有し、縦横のピッチｐが用いる光の波長の略半分程度で二次元状に配列された複数の六角形穴１２１を有し、これらの六角形穴１２１は、図３（ｂ）に示すように、薄膜１２ａと薄膜１２ｂとを重ねたとき、ピッチｐ／２だけ縦および横方向にずれている（位相のずれ) 。この位相のずれは、例えば、０．１μｍから数μｍ程度となる。
【００２４】
次に、図４（ａ）に示すように、複数の薄膜１２０ａ，１２０ｂを形成した基板１０を図１に示す製造装置１の真空チャンバー２に導入し、基板ホルダ３上に載置してステージ１３と対向させ、高真空、望ましくは超高真空に排気する。ステージ１３の表面に、５ｍｍ角程度のＳｉチップ１４を固定しておくか、あるいは厚さ０．１μｍ程度のＳｉ層をコーティングする。これにより、これから積層する薄膜１２０ａ，１２０ｂとの同種材料の常温接合が可能になる。本実施の形態では、５ｍｍ角にダイシングしたＳｉチップ１４をステージ１３上に取り付けて対向基板とした。Ｓｉチップ１４は、最初のパターンＡを有する薄膜１２０ａの直上に位置するようにＸ軸ステージ５Ａ，Ｙ軸ステージ５Ｂ，θステージ５θを用いて位置決めする。そしてＳｉの薄膜１２０ａ，１２０ｂ、およびステージ１３上のＳｉチップ１４の両方の面にＦＡＢ１５を照射し、表面を清浄化する。ＦＡＢ１５はアルゴンガスを源とし、加速電圧０．５乃至１．５ｋＶ、５乃至１５ｍＡの電流値で５分間照射した。ＦＡＢ１５により表面の酸化膜や汚染層が除去されるが、その膜厚は高々５ｎｍ程度なので膜厚精度に対する影響は軽微である。また、この除去量を予め考慮して図２（ａ）に示す工程で着膜するＳｉ薄膜１２の膜厚に上乗せしておくことも可能である。
【００２５】
引き続き、図４（ｂ）に示すように、基板ホルダ３をＺ軸ステージ５Ｃにより上昇させて基板１０をステージ１３側に圧接する。パターンＡの薄膜１２０ａとステージ１３の表面のＳｉチップ１４が常温接合により強固に接合される。
【００２６】
更に、図４（ｃ）に示すように、基板１０をステージ１３から引き離すと、基板１０上のパターンＡの薄膜１２０ａはステージ１３側に転写される。これは、離型層１１とＳｉの薄膜１２０ａの密着力がＳｉ同士の接合力よりも小さいためである。この工程によりフォトニッククリスタルのパターンＡからなる層がステージ１３上に形成されたことになる。転写された薄膜１２０ａの表面は、それまで離型層１１と接触していた面であり、この表面粗さはポリイミドの離型層１１の表面粗さと同程度（Ｒａ＜２ｎｍ）で非常に良好である。表面粗さが良好だと、表面での散乱による損失が少ないので、フォトニッククリスタルとしての集光効率を高くできる。
【００２７】
次に、パターンＡの薄膜１２０ａが転写されたＳｉチップ１４をＸ軸テーブル５Ａ，Ｙ軸テーブル５Ｂによって５ｍｍだけ移動させ、今度はパターンＢの薄膜１２０ｂの直上に来るようにする。そして上記ＦＡＢ１５照射、接合、転写の工程を繰り返すと、Ｓｉチップ１４上のパターンＡの薄膜１２０ａと基板１０上のパターンＢの薄膜１２０ｂが常温接合・転写され、パターンＢの薄膜１２０ｂはパターンＡの薄膜１２０ａ上に積層される。この状態でＳｉチップ１４表面の六角形穴１２１を透視的に見ると、上記図３（ｂ）のようになっている。この構造は単結晶で言う面心立方格子の最稠密面に対応する構造である。
【００２８】
同様に引き続き、上記ＦＡＢ１５照射、接合、転写の各工程を後１４回繰り返すことにより、図４（ｅ）に示すように、１６層の薄膜１２０ａ，１２０ｂを積層したフォトニッククリスタル１６が作製できる。
【００２９】
上述した第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
(イ) 結晶構造を自由に選ぶことができ、材料選択の自由度が高く、３次元的な結晶が可能という条件を全て満たすので、望ましいフォトニックバンドが実現でき、所望の特性を得ることができる。
(ロ) ３次元構造の積層工程で高温を必要としないため、熱によるダメージや歪みが発生せず、熱に弱い材料や素子を自由に組合わせることができる。
(ハ) 各層の界面の表面粗さが小さい、各層の膜厚精度が高い、１層内の形状の精度もリソグラフィープロセスの高精度がそのまま活用できる、という条件を全て満たすため、高性能高品質なフォトニッククリスタルを得ることができる。
(ニ) 各層の形状を１枚のウェハに１度に作製でき、かつ多数個のフォトニッククリスタルを同時に作製できるため、作製コストを著しく下げることが可能になる。
(ホ) 基板裏面の研磨やエッチングなどの時間が長くかかる工程を省略することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、薄膜としてスパッタリングにより形成したＳｉを用いたが、シランガスやジシランガスを原料とする減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法やプラズマＣＶＤ法により形成したＳｉ薄膜を用いてもよい。これらの場合、基板温度を高くする必要があるが、離型層としてはポリイミドの替わりに、より耐熱性の高い二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）膜や酸化フッ化珪素（ＳｉＯＦ）膜を用いてもよい。また、薄膜材料はＳｉ以外でも、所望の波長に対して適当な屈折率を有する誘電体材料、半導体材料であればよい。
【００３１】
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第２の実施の形態は、１種類の薄膜材料と空気若しくは真空からなるパターンを複数層積層してなるフォトニッククリスタルであるが、第１の実施の形態との違いは、各パターンが層の間で異なることである。
【００３２】
第２の実施の形態のパターニング工程では、図５（ａ）に示すように、第１層から第６層用の６つの薄膜１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ，１２２ｅ，１２２ｆを形成する。薄膜１２２ａは、横方向にストライプ状のパターンを有する。薄膜１２２ｂは、縦方向にストライプ状のパターンを有し、１つのストライプの下半分に欠損領域１２３ｂを設けている。薄膜１２２ｃは、横方向にストライプ状のパターンを有し、一部に欠損領域１２３ｃを設けている。薄膜１２２ｄは、縦方向にストライプ状のパターンを有し、中央に欠損領域１２３ｄを設けている。薄膜１２２ｅは、横方向にストライプ状のパターンを有し、中央に欠損領域１２３ｅを設けている。薄膜１２２ｆは、縦方向にストライプ状のパターンを有し、中央に欠損領域１２３ｆを設けている。各薄膜１２２ａ〜１２２ｆは、５ｍｍ角の外形を有する。各ストライプのピッチｐは、用いる光の波長の半分程度である。
【００３３】
積層工程は、第１の実施の形態と同様に、第１層から順次５ｍｍ角単位に接合と転写を繰り返す。これにより、図５（ｂ）に示すように、対向基板上には所望の３次元構造を有するフォトニッククリスタル１６が作製できる。
【００３４】
上述した第２の実施の形態によれば、欠損領域１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄ，１２３ｅ，１２３ｆの設計により所望の３次元光導波路を形成することが可能となる。また、フォトニッククリスタルを構成する各層を一度のパターニング工程で１枚の基板上に作製することができるため、容易にフォトニッククリスタルを製造することができる。
【００３５】
図６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。なお、同図は、一層分のパターンについて示す。この第３の実施の形態は、一層内に屈折率の異なる領域が混在する層を順次積層したフォトニッククリスタルである。
【００３６】
まず、同図（ａ）に示すように、例えば、Ｓｉウェハからなる基板１０を準備し、この基板１０の表面に化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition ）法により酸化フッ化珪素（ＳｉＯＦ）からなる離型層１１を形成する。更に、この上に減圧ＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ薄膜１２４を０．５μｍ着膜する（同図ａ）。
【００３７】
次に、同図（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィー法を用いてを多結晶Ｓｉ薄膜１２４上にイオン注入のマスク材としてレジスト１２５を形成する。このときにフォトニッククリスタルの各層に対応する５ｍｍ角の大きさのパターンを６層分一括して形成する。
【００３８】
次に、この基板１０をイオン注入装置に導入し、同図（ｃ）に示すように、リン１２６を注入する。そして、同図（ｄ）に示すように、レジスト１２５を剥離し、引き続き基板１０をアニールすると、リン１２６を注入した領域（レジスト１２５で覆われていなかった領域）１２４ａは、ｎ型の多結晶Ｓｉとなり、屈折率が変化する。従って、同図（ｅ）に示すように、本実施の形態では、ピッチが波長の半分程度の縦横に走る図５と同様なストライプの例を示した。屈折率の異なるストライプ状のパターンを有する薄膜１２０が完成する。この後の各層の積層工程は、第１の実施の形態と同様である。
【００３９】
上述した第３の実施の形態によれば、先に示した１種類の材料と空気若しくは真空との組み合わせによる周期構造に比べ、屈折率差を任意に選択できるため、より自由度の高いフォトニッククリスタルを得ることが可能となる。
また、構造的にはエアギャップが無く、第２の実施の形態のように橋渡し構造になる部分が無いため、高い接合強度が得られる。
なお、本実施の形態では、イオン注入元素としてリンを用いたが、同様にボロンや砒素を用いてもよい。また、イオン注入法を用いずに、固相拡散や気相拡散を用いて元素を拡散させてもよい。イオン注入や拡散のマスクとしては、レジスト以外に、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜を用いることもできる。
また、本実施の形態では、Ｓｉに対して不純物原子を拡散させて屈折率に変化をつける方法を示したが、多結晶Ｓｉに対し、Ｓｉ原子をイオン注入して多結晶構造を断ち切って非晶質化させるような、構造変化をもたらすことで屈折率を変化させてもよい。この場合は上記拡散による方法よりも屈折率差を大きくできるという効果がある。さらにＳｉ注入後に水素雰囲気にさらすことにより非晶質領域を水素化すると、非晶質領域の屈折率を微調整することができる。
更に、屈折率を変化させる方法として、イオン交換法などを用いてよい。
【００４０】
図７（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。なお、同図は、一層分のパターンについて示す。この第４の実施の形態は、一層内に２種類の材料が混在する層を順次積層したフォトニッククリスタルであるが、第３の実施の形態との違いは、イオン注入や拡散と言った主たる材料の変質による屈折率の変化を利用するものではなく、材料そのものが異なる点にある。
【００４１】
まず、同図（ａ）に示すように、例えば、Ｓｉウェハからなる基板１０を準備し、この基板１０の表面にＣＶＤ法によりＳｉＯＦ（酸化フッ化珪素）からなる離型層１１を形成する。更に、この離型層１１の上に減圧ＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ薄膜１２４を０．５μｍ着膜する。
【００４２】
次に、同図（ｂ）に示すように、第１の実施の形態と同様に、通常のフォトリソグラフィー法により多結晶Ｓｉ薄膜１２４を複数の六角形穴１２４ａを有する形状にパターニングする。
【００４３】
引き続き、同図（ｃ）に示すように、この多結晶Ｓｉ薄膜１２４の上に第２の材料としてシリコン窒化膜１２７をプラズマＣＶＤ法により０．５μｍ着膜する。
【００４４】
次に、同図（ｄ）に示すように、この基板１０を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）により表面を研磨し、多結晶Ｓｉ薄膜１２４とシリコン窒化膜１２７が同一膜厚になるように平坦化処理する。これにより、多結晶Ｓｉ薄膜１２４の複数の六角形穴１２４ａの中にシリコン窒化膜１２７が埋め込まれたパターンを有する薄膜１２０が完成する。ＣＭＰによる研磨では、薄膜の表面粗さを改善する効果もあり、２ｎｍ以下にすることも比較的容易である。このことは、光学素子の散乱損失を低減できるため好都合である。この後の各層の積層工程は、第１の実施の形態と同様である。
【００４５】
上述した第４の実施の形態によれば、層内で２種類以上の材料が選択できるため、フォトニッククリスタルの設計自由度が大きい。例えば、シリコン窒化膜の代わりにシリコン酸化膜を用いてもよい。但し、常温接合により積層が可能となるためには、層の主となる材料はシリコンなど常温接合強度が十分に大きな材料を選ぶ必要がある。
また、第１の実施の形態では六角形穴１２１の直上に次の層の薄膜１２０ａ，１２０ｂがオーバーハングすることがあったが、この第４の実施の形態では六角形穴１２４ｂの中にシリコン窒化膜１２７が同一膜厚で存在するので、オーバーハングとなることはないため、高い接合強度が得られる。但し、シリコン同士の常温接合に比べ、シリコンとシリコン窒化膜の接合は強度が弱いため、層間の接合は主にシリコン同士の接触部分の接合強度による。
【００４６】
図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第５の実施の形態は、各層間で異なる材料の周期構造の層を積層したフォトニッククリスタルである。
【００４７】
作製方法としては、基板１０を２枚用いることが上記各実施の形態とは異なる。まず、２枚の基板１０Ａ，１０ＢにＳｉＯＦからなる離型層を着膜する。次に、基板１０Ａの離型層の上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコンの薄膜を０．５μｍ着膜する。一方、基板１０Ｂの離型層の上にプラズマＣＶＤ法により非晶質シリコンの薄膜を０．５μｍ着膜する。引き続き、第１の実施の形態と同様に、薄膜のパターニングを行う。基板１０Ａには、同図（ａ）に示すように、パターンＡを有する複数の薄膜１２０ａを形成し、基板１０Ｂには、同図（ｂ）に示すように、パターンＢを有する複数の薄膜１２０ｂを形成する。なお、各層のパターンは、第２の実施の形態で示したように、層間で異なるパターンとすることも可能である。引き続き、第１の実施の形態と同様に、各層を順番に積層して行く。第１の実施の形態と異なるのは、基板１０Ａ，１０Ｂが２枚あるため、２枚の基板１０Ａ，１０Ｂを同時に真空チャンバー２に導入し、対向基板と交互に対向・位置決めしながら積層することだけである。
【００４８】
上述した第５の実施の形態によれば、積層方向に関しては２種類の材料の屈折率差による周期構造が得られ、面内では各層のパターンに依存した周期構造が得られ、これらを独立して制御可能なフォトニッククリスタルが得られる。
【００４９】
図９（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第６の実施の形態は、積層する各層のパターンを矩形ではなく、三角形にしたものである。本実施の形態では、同図（ａ）に示すように、各層の外形を正三角形とし、その中にピッチｐが波長の半分程度の周期的格子の薄膜１２８ａ〜１２８ｆを基板上に作製する。各層のパターニングや積層工程は既に述べた実施の形態と同様である。完成したフォトニッククリスタル１６は、同図（ｂ）に示すように、三角柱形状となる。このように第６の実施の形態によれば、各層のパターンはフォトリソ工程で形成するため、そのマスクを変更すれば、光学素子の機能により結晶構造のみならずその外観形状も任意に製造可能となる。なお、形状としては三角柱以外にも、五角柱や六角柱でもよい。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々に変形実施が可能である。例えば、上記各実施の形態では、基板上への薄膜の着膜方法として、スパッタリング法について説明したが、電子ビーム加熱蒸着法，抵抗加熱蒸着法，化学蒸着法等の他の真空蒸着法やスピンコーティング法等を用いてもよい。
また、薄膜のパターニング工程は、フォトリソグラフィー法に限らず、電子ビーム直接描画法やレーザ直接描画法を用いてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の光学素子の製造方法によれば、フォトリソグラフィー法等のパターニング法によって任意の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成できるので、結晶構造の自由度が高くなる。また、材料の制限の少ないスパッタリング法等の着膜法によって基板上に薄膜を形成できるので、材料選択の自由度が高くなる。また、２次元パターンを有する複数の薄膜を積層しているので、３次元屈折率周期構造を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学素子の製造装置を示す図
【図２】（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図３】（ａ）は、第１の実施の形態の製造方法によってパターニングされた薄膜を示す図、（ｂ）は、薄膜を重ねたときの透視図
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態の照射，接合，転写工程を示す図
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図９】（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【符号の説明】
１ 製造装置
２ 真空チャンバー
３ 基板ホルダ
４Ａ 第１のＦＡＢ源
４Ｂ 第２のＦＡＢ源
５Ａ Ｘ軸テーブル
５Ｂ Ｙ軸テーブル
５Ｃ Ｚ軸テーブル
５Ｄ θテーブル
１０，１０Ａ，１０Ｂ 基板
１１ 離型層
１３ ステージ
１５ 高速原子ビーム（ＦＡＢ：Fast Atom Beam）
１２０，１２０ａ，１２０ｂ 薄膜
１２１ 六角形穴
１２２ａ〜１２２ｆ 薄膜
１２３ｂ〜１２３ｆ 欠損領域
１２４ 多結晶Ｓｉ薄膜
１２４ａ リン注入領域（ｎ型多結晶Ｓｉ）
１２４ｂ 六角形穴
１２５ レジスト
１２６ リン
１２７ シリコン窒化膜
ｐ ピッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信，光インターコネクション，オプトエレクトロニクス，光計測等の分野において、光導波路，光共振器，近接場光学プローブ，複屈折素子，フィルター，分岐素子，波面変換素子，偏向素子等として使用され、屈折率周期構造を有する誘電体多層膜，フォトニッククリスタル等の光学素子の製造方法に関し、特に、結晶構造および材料の選択の自由度が高く、３次元屈折率周期構造の形成が可能な光学素子の製造方法する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率の分布が光の波長と同程度のピッチからなる屈折率周期構造の媒質は、独特の光の伝播特性を有することが知られており、周期構造が１次元のものとしては、誘電体多層膜が古くから知られており、その設計理論や作製技術は既に成熟した分野である。
【０００３】
一方、光の波長と同程度のピッチからなる３次元的な屈折率周期構造を有する媒質を利用して、半導体素子中の自然放出の制御を行う方法が、１９８７年にYablonovitchによって提唱されて以来（E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett., vol. 58, (1987), P2059-P2062 ）、２次元あるいは３次元的な周期構造の媒質中での光の振る舞いが注目を集めている。そのような媒質中では、ある特定の範囲の波数ベクトルを有する光は伝播が禁じられ、半導体中の電子のエネルギーバンドと同様のフォトニックバンドが形成される。フォトニックバンドを形成する屈折率周期構造を「フォトニッククリスタル」という。
【０００４】
フォトニックバンドを利用すると、以前はこれまでにないフォトンの制御が可能になるため、様々な応用が期待されている。既に、自然放出光の制御による低閾値あるいは閾値のないレーザ（馬場ら、応用物理, vol.67,(1998), P1041-P1045）、フォトニッククリスタル中の格子欠陥の周りに光が局在する性質を利用した光導波路（J.D.Joannopoulos et. al.: "Photonic Crystal", Princeton University Prss, (1995 Princeton, New Jersey), P100-P104）、同じく光の局在を利用した高効率でμｍオーダーの超小型な光共振器（馬場ら、応用物理, vol.67, (1998), P1041-1045）、および波長や入射角の微小な変化によって大きく偏向角を変える新しいプリズム機能を有する素子（小坂ら、第５９回応用物理学会学術講演会予稿集III,17p-T-13, (1998), P920）等の応用が提唱されている。
【０００５】
このような微細な屈折率周期構造を有する光学素子の従来の製造方法としては、例えば、特開平１０−５９７４６号公報、特開平９−３０４６１１号公報、文献１「J.Vac.Sci.Technol.B 14(6),(1996),P.4110-4114」、文献２「Jpn.J.Appl.Phys.,vol.35,(1996),P.L909-L912」、文献３「Jpn.J.Appl.Phys.,vol.36,(1996),P.L286-L288」に示されたものがある。
【０００６】
特開平１０−５９７４６号公報に示された製造方法は、誘電率の異なる２種以上材料によって誘電体多層膜を形成した後、この誘電体多層膜に対して強度分布を有するレーザ光を照射し、誘電体多層膜にレーザ光のエネルギーを吸収させることで溶融・蒸発若しくはアブレーションを起こさせて、誘電体多層膜の一部をレーザ光の強度に応じて除去し、他の部分を光の波長程度の格子定数をもつ周期的に配列される誘電体凸部として残す方法である。２種の誘電体の屈折率の違いにより層の積層方向の周期構造を実現し、レーザ光によって除去された空気部分と誘電体部分との折率の違いにより層の面内方向の周期構造を実現している。
【０００７】
特開平９−３０４６１１号公報に示された製造方法は、周期的な凹凸構造を表面に有した下地を用意し、この下地の表面上に、屈折率が異なる２種類の薄膜を、交互にかつそれぞれの膜厚が凹凸における段差と等しいか実質的に等しい膜厚となるように積層する。２種類の誘電体の屈折率の違いにより、層に垂直な方向および層の面内方向の両方に周期的な構造を実現する。
【０００８】
文献１に示された製造方法は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）をフォトニッククリスタルの材料とし、びっしりと並んだ六角形の頂点に穴があるＮｉマスクを用いて、化学アシストイオンビームエッチングによりＧａＡｓ表面法線に対して３５度の角度の斜めの穴を穿つ方法である。ＧａＡｓ表面法線に対して１２０度ずつ回転させて３回穴をエッチングすることによって、Ｆｃｃ（面芯立方）構造のＧａＡｓと空気からなるフォトニッククリスタルを作製することができる。
【０００９】
文献２に示された製造方法は、基板上のＧａＡｓ層に溝を形成したもの同士をウェハーボンディングによって貼り合せた後に片側の基板を選択エッチングで除去する、という過程を繰返すことによって、３次元フォトニック結晶を作製するものである。
【００１０】
文献３に示された製造方法は、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）膜によってＧａＡｓ基板上をマスクし、ＧａＡｓを選択成長させることによって２次元フォトニック結晶を作製するものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−５９７４６号公報に示された従来の製造方法によると、レーザ光の強度に応じて複数の層を同時に除去するため、層間で異なる面内結晶構造を有するような結晶は作製できず、また、エアを構成要素とする結晶しか作れないという結晶構造に大きな制約がある。さらに、レーザアブレーションで除去する場合には、材料に制約がある。レーザー照射による熱で除去する場合にも、熱による周囲材料のダメージが問題になる場合がある。
【００１２】
特開平９−３０４６１１号公報に示された従来の製造方法によると、下地の凹凸構造を各層に反映しているので、層間で異なる面内結晶構造を有するような結晶は作製できない。また、凹凸構造の凹部の幅が段差より小さいと、幅の狭い凹部に他の領域とまったく同じ膜厚を積層することが難しため、そのような構造の作製は困難になるという問題がある。
【００１３】
文献１に示された従来の製造方法によると、イオンビームエッチングにより斜めの穴を形成するため、各層毎に異なった面内結晶構造を有するような結晶の作製は、かなり困難となる。また、材料によっては、エッチング精度／速度を両立させるエッチング条件とマスクの選択が困難になること、密集パターンでローディングが生じたり、エッチング時にオーバーハングが生じたりしてシャープな鉛直面作製し難いこと、エッチング深さの高精度制御が困難なこと等の制約がある。
【００１４】
文献２に示された従来の製造方法によると、エッチングやウェハーボンディングを繰返すため、それが可能な材料しか選べないという材料上の制約がある。また、融着熱や圧力が高くなるため、それに耐えられる材料しか使用できず、また、周囲に熱や圧力に弱い素子等が存在する場合には、使用できないという制約もある。さらに、一回の接合毎に基板裏面の研磨やエッチングなどの時間がかかる工程を要する欠点がある。
【００１５】
文献３に示された従来の製造方法によると、マスクを用いてＧａＡｓを選択成長させているため、２次元的な結晶しか作製できず、３次元結晶は不可能であり、また、選択成長が可能な材料しか使えないという問題がある。
【００１６】
従って、本発明の目的は、結晶構造および材料の選択の自由度が高く、３次元屈折率周期構造の形成が可能な光学素子の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記目的を達成するため、複数の層からなり、光波長と同一あるいはそれ以下の周期で屈折率が変化する屈折率周期構造を有する光学素子の製造方法において、基板上に前記複数の層に対応した２次元パターンを有する複数の薄膜を形成する第１の工程と、前記基板上から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を順次接合して積層する第２の工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
上記構成によれば、第１工程では、例えば、材料の制限の少ないスパッタリング法等の着膜法によって基板上に薄膜を形成し、その基板上の薄膜をフォトリソグラフィー法等のパターニング法によって任意の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成する。第２工程では、２次元パターンを有する複数の薄膜を接合し積層することにより、２次元パターン（結晶構造）の変化、および材料の変化によって３次元方向に屈折率が変化する３次元屈折率周期構造が形成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造装置を示す。この製造装置１は、後述する積層工程が行われる真空チャンバー２を有し、この真空チャンバー２の内部に、基板が載置される基板ホルダ３と、基板上に形成された薄膜が転写されるステージ１３と、基板ホルダ３にアルゴンの高速原子ビーム（ＦＡＢ：Fast Atom Beam）１５を照射して表面を清浄化する第１のＦＡＢ源４Ａと、ステージ１３にＦＡＢ１５を照射して表面を清浄化する第２のＦＡＢ源４Ｂと、ステージ１３をＸ軸方向（図１において左右方向）に移動させるＸ軸テーブル５Ａと、ステージ１３をＹ軸方向（図１において紙面に垂直な方向）に移動させるＹ軸テーブル５Ｂとを設けている。また、この製造装置１は、真空チャンバー２の外部に基板ホルダ３をＺ軸方向（図１において上下方向）に移動させるＺ軸テーブル５Ｃと、アライメント調整の際に基板ホルダ３をＺ軸回りに回転させるθテーブル５Ｄとを備えている。なお、第１および第２のＦＡＢ源４Ａ，４Ｂは、基板ホルダ３をステージ１３側に圧接するときは、邪魔にならないように図示しないモータによって退避できるようになっている。以下、このように構成された製造装置１を用いて光学素子としてのフォトニッククリスタルを製造する場合について説明する。
【００２０】
図２（ａ），（ｂ）、図３（ａ），（ｂ）、および図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第１の実施の形態は、１種類の薄膜材料と空気若しくは真空からなるパターンの層をＸ軸方向に位置をずらしながら複数層積層してなるフォトニッククリスタルである。
【００２１】
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、Ｓｉウェハからなる基板１０を準備し、この基板１０の表面にポリイミドをスピンコーティング法により５μｍ塗布し、これを硬化させ、表面にフッ化処理を施して離型層１１を形成する。この離型層１１の表面は、スピンコーティング法を用いたことにより、表面粗さはＲａ＜２ｎｍとすることが容易に可能である。更に離型層１１の上にスパッタリング法によりＳｉ薄膜１２Ａを０．５μｍ着膜する。Ｓｉ薄膜１２Ａの膜厚は、水晶振動子でモニターすることにより正確に設定できる。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィー法を用いてＳｉ薄膜１２Ａをパターニングしてフォトニッククリスタルを構成する各層の薄膜１２０ａ，１２０ｂを一括して形成する。Ｓｉ薄膜１２Ａのエッチングは、湿式エッチングよりもドライエッチング、望ましくは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）の方が、薄膜１２０ａ，１２０ｂの角が丸まらず、基板１０の表面に対して端面が垂直となるので好ましい。
【００２３】
図３（ａ）は、パターニングされた薄膜１２０ａ，１２０ｂの一例を示す。基板１０上には、パターンＡを有する複数（例えば８つ）の薄膜１２０ａと、パターンＢを有する複数（例えば８つ）の薄膜１２０ｂが形成される。薄膜１２０ａおよび薄膜１２０ｂは、５ｍｍ角の外形を有し、縦横のピッチｐが用いる光の波長の略半分程度で二次元状に配列された複数の六角形穴１２１を有し、これらの六角形穴１２１は、図３（ｂ）に示すように、薄膜１２ａと薄膜１２ｂとを重ねたとき、ピッチｐ／２だけ縦および横方向にずれている（位相のずれ) 。この位相のずれは、例えば、０．１μｍから数μｍ程度となる。
【００２４】
次に、図４（ａ）に示すように、複数の薄膜１２０ａ，１２０ｂを形成した基板１０を図１に示す製造装置１の真空チャンバー２に導入し、基板ホルダ３上に載置してステージ１３と対向させ、高真空、望ましくは超高真空に排気する。ステージ１３の表面に、５ｍｍ角程度のＳｉチップ１４を固定しておくか、あるいは厚さ０．１μｍ程度のＳｉ層をコーティングする。これにより、これから積層する薄膜１２０ａ，１２０ｂとの同種材料の常温接合が可能になる。本実施の形態では、５ｍｍ角にダイシングしたＳｉチップ１４をステージ１３上に取り付けて対向基板とした。Ｓｉチップ１４は、最初のパターンＡを有する薄膜１２０ａの直上に位置するようにＸ軸ステージ５Ａ，Ｙ軸ステージ５Ｂ，θステージ５θを用いて位置決めする。そしてＳｉの薄膜１２０ａ，１２０ｂ、およびステージ１３上のＳｉチップ１４の両方の面にＦＡＢ１５を照射し、表面を清浄化する。ＦＡＢ１５はアルゴンガスを源とし、加速電圧０．５乃至１．５ｋＶ、５乃至１５ｍＡの電流値で５分間照射した。ＦＡＢ１５により表面の酸化膜や汚染層が除去されるが、その膜厚は高々５ｎｍ程度なので膜厚精度に対する影響は軽微である。また、この除去量を予め考慮して図２（ａ）に示す工程で着膜するＳｉ薄膜１２の膜厚に上乗せしておくことも可能である。
【００２５】
引き続き、図４（ｂ）に示すように、基板ホルダ３をＺ軸ステージ５Ｃにより上昇させて基板１０をステージ１３側に圧接する。パターンＡの薄膜１２０ａとステージ１３の表面のＳｉチップ１４が常温接合により強固に接合される。
【００２６】
更に、図４（ｃ）に示すように、基板１０をステージ１３から引き離すと、基板１０上のパターンＡの薄膜１２０ａはステージ１３側に転写される。これは、離型層１１とＳｉの薄膜１２０ａの密着力がＳｉ同士の接合力よりも小さいためである。この工程によりフォトニッククリスタルのパターンＡからなる層がステージ１３上に形成されたことになる。転写された薄膜１２０ａの表面は、それまで離型層１１と接触していた面であり、この表面粗さはポリイミドの離型層１１の表面粗さと同程度（Ｒａ＜２ｎｍ）で非常に良好である。表面粗さが良好だと、表面での散乱による損失が少ないので、フォトニッククリスタルとしての集光効率を高くできる。
【００２７】
次に、パターンＡの薄膜１２０ａが転写されたＳｉチップ１４をＸ軸テーブル５Ａ，Ｙ軸テーブル５Ｂによって５ｍｍだけ移動させ、今度はパターンＢの薄膜１２０ｂの直上に来るようにする。そして上記ＦＡＢ１５照射、接合、転写の工程を繰り返すと、Ｓｉチップ１４上のパターンＡの薄膜１２０ａと基板１０上のパターンＢの薄膜１２０ｂが常温接合・転写され、パターンＢの薄膜１２０ｂはパターンＡの薄膜１２０ａ上に積層される。この状態でＳｉチップ１４表面の六角形穴１２１を透視的に見ると、上記図３（ｂ）のようになっている。この構造は単結晶で言う面心立方格子の最稠密面に対応する構造である。
【００２８】
同様に引き続き、上記ＦＡＢ１５照射、接合、転写の各工程を後１４回繰り返すことにより、図４（ｅ）に示すように、１６層の薄膜１２０ａ，１２０ｂを積層したフォトニッククリスタル１６が作製できる。
【００２９】
上述した第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
(イ) 結晶構造を自由に選ぶことができ、材料選択の自由度が高く、３次元的な結晶が可能という条件を全て満たすので、望ましいフォトニックバンドが実現でき、所望の特性を得ることができる。
(ロ) ３次元構造の積層工程で高温を必要としないため、熱によるダメージや歪みが発生せず、熱に弱い材料や素子を自由に組合わせることができる。
(ハ) 各層の界面の表面粗さが小さい、各層の膜厚精度が高い、１層内の形状の精度もリソグラフィープロセスの高精度がそのまま活用できる、という条件を全て満たすため、高性能高品質なフォトニッククリスタルを得ることができる。
(ニ) 各層の形状を１枚のウェハに１度に作製でき、かつ多数個のフォトニッククリスタルを同時に作製できるため、作製コストを著しく下げることが可能になる。
(ホ) 基板裏面の研磨やエッチングなどの時間が長くかかる工程を省略することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、薄膜としてスパッタリングにより形成したＳｉを用いたが、シランガスやジシランガスを原料とする減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法やプラズマＣＶＤ法により形成したＳｉ薄膜を用いてもよい。これらの場合、基板温度を高くする必要があるが、離型層としてはポリイミドの替わりに、より耐熱性の高い二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）膜や酸化フッ化珪素（ＳｉＯＦ）膜を用いてもよい。また、薄膜材料はＳｉ以外でも、所望の波長に対して適当な屈折率を有する誘電体材料、半導体材料であればよい。
【００３１】
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第２の実施の形態は、１種類の薄膜材料と空気若しくは真空からなるパターンを複数層積層してなるフォトニッククリスタルであるが、第１の実施の形態との違いは、各パターンが層の間で異なることである。
【００３２】
第２の実施の形態のパターニング工程では、図５（ａ）に示すように、第１層から第６層用の６つの薄膜１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ，１２２ｅ，１２２ｆを形成する。薄膜１２２ａは、横方向にストライプ状のパターンを有する。薄膜１２２ｂは、縦方向にストライプ状のパターンを有し、１つのストライプの下半分に欠損領域１２３ｂを設けている。薄膜１２２ｃは、横方向にストライプ状のパターンを有し、一部に欠損領域１２３ｃを設けている。薄膜１２２ｄは、縦方向にストライプ状のパターンを有し、中央に欠損領域１２３ｄを設けている。薄膜１２２ｅは、横方向にストライプ状のパターンを有し、中央に欠損領域１２３ｅを設けている。薄膜１２２ｆは、縦方向にストライプ状のパターンを有し、中央に欠損領域１２３ｆを設けている。各薄膜１２２ａ〜１２２ｆは、５ｍｍ角の外形を有する。各ストライプのピッチｐは、用いる光の波長の半分程度である。
【００３３】
積層工程は、第１の実施の形態と同様に、第１層から順次５ｍｍ角単位に接合と転写を繰り返す。これにより、図５（ｂ）に示すように、対向基板上には所望の３次元構造を有するフォトニッククリスタル１６が作製できる。
【００３４】
上述した第２の実施の形態によれば、欠損領域１２３ｂ，１２３ｃ，１２３ｄ，１２３ｅ，１２３ｆの設計により所望の３次元光導波路を形成することが可能となる。また、フォトニッククリスタルを構成する各層を一度のパターニング工程で１枚の基板上に作製することができるため、容易にフォトニッククリスタルを製造することができる。
【００３５】
図６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。なお、同図は、一層分のパターンについて示す。この第３の実施の形態は、一層内に屈折率の異なる領域が混在する層を順次積層したフォトニッククリスタルである。
【００３６】
まず、同図（ａ）に示すように、例えば、Ｓｉウェハからなる基板１０を準備し、この基板１０の表面に化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition ）法により酸化フッ化珪素（ＳｉＯＦ）からなる離型層１１を形成する。更に、この上に減圧ＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ薄膜１２４を０．５μｍ着膜する（同図ａ）。
【００３７】
次に、同図（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィー法を用いてを多結晶Ｓｉ薄膜１２４上にイオン注入のマスク材としてレジスト１２５を形成する。このときにフォトニッククリスタルの各層に対応する５ｍｍ角の大きさのパターンを６層分一括して形成する。
【００３８】
次に、この基板１０をイオン注入装置に導入し、同図（ｃ）に示すように、リン１２６を注入する。そして、同図（ｄ）に示すように、レジスト１２５を剥離し、引き続き基板１０をアニールすると、リン１２６を注入した領域（レジスト１２５で覆われていなかった領域）１２４ａは、ｎ型の多結晶Ｓｉとなり、屈折率が変化する。従って、同図（ｅ）に示すように、本実施の形態では、ピッチが波長の半分程度の縦横に走る図５と同様なストライプの例を示した。屈折率の異なるストライプ状のパターンを有する薄膜１２０が完成する。この後の各層の積層工程は、第１の実施の形態と同様である。
【００３９】
上述した第３の実施の形態によれば、先に示した１種類の材料と空気若しくは真空との組み合わせによる周期構造に比べ、屈折率差を任意に選択できるため、より自由度の高いフォトニッククリスタルを得ることが可能となる。
また、構造的にはエアギャップが無く、第２の実施の形態のように橋渡し構造になる部分が無いため、高い接合強度が得られる。
なお、本実施の形態では、イオン注入元素としてリンを用いたが、同様にボロンや砒素を用いてもよい。また、イオン注入法を用いずに、固相拡散や気相拡散を用いて元素を拡散させてもよい。イオン注入や拡散のマスクとしては、レジスト以外に、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜を用いることもできる。
また、本実施の形態では、Ｓｉに対して不純物原子を拡散させて屈折率に変化をつける方法を示したが、多結晶Ｓｉに対し、Ｓｉ原子をイオン注入して多結晶構造を断ち切って非晶質化させるような、構造変化をもたらすことで屈折率を変化させてもよい。この場合は上記拡散による方法よりも屈折率差を大きくできるという効果がある。さらにＳｉ注入後に水素雰囲気にさらすことにより非晶質領域を水素化すると、非晶質領域の屈折率を微調整することができる。
更に、屈折率を変化させる方法として、イオン交換法などを用いてよい。
【００４０】
図７（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。なお、同図は、一層分のパターンについて示す。この第４の実施の形態は、一層内に２種類の材料が混在する層を順次積層したフォトニッククリスタルであるが、第３の実施の形態との違いは、イオン注入や拡散と言った主たる材料の変質による屈折率の変化を利用するものではなく、材料そのものが異なる点にある。
【００４１】
まず、同図（ａ）に示すように、例えば、Ｓｉウェハからなる基板１０を準備し、この基板１０の表面にＣＶＤ法によりＳｉＯＦ（酸化フッ化珪素）からなる離型層１１を形成する。更に、この離型層１１の上に減圧ＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ薄膜１２４を０．５μｍ着膜する。
【００４２】
次に、同図（ｂ）に示すように、第１の実施の形態と同様に、通常のフォトリソグラフィー法により多結晶Ｓｉ薄膜１２４を複数の六角形穴１２４ａを有する形状にパターニングする。
【００４３】
引き続き、同図（ｃ）に示すように、この多結晶Ｓｉ薄膜１２４の上に第２の材料としてシリコン窒化膜１２７をプラズマＣＶＤ法により０．５μｍ着膜する。
【００４４】
次に、同図（ｄ）に示すように、この基板１０を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）により表面を研磨し、多結晶Ｓｉ薄膜１２４とシリコン窒化膜１２７が同一膜厚になるように平坦化処理する。これにより、多結晶Ｓｉ薄膜１２４の複数の六角形穴１２４ａの中にシリコン窒化膜１２７が埋め込まれたパターンを有する薄膜１２０が完成する。ＣＭＰによる研磨では、薄膜の表面粗さを改善する効果もあり、２ｎｍ以下にすることも比較的容易である。このことは、光学素子の散乱損失を低減できるため好都合である。この後の各層の積層工程は、第１の実施の形態と同様である。
【００４５】
上述した第４の実施の形態によれば、層内で２種類以上の材料が選択できるため、フォトニッククリスタルの設計自由度が大きい。例えば、シリコン窒化膜の代わりにシリコン酸化膜を用いてもよい。但し、常温接合により積層が可能となるためには、層の主となる材料はシリコンなど常温接合強度が十分に大きな材料を選ぶ必要がある。
また、第１の実施の形態では六角形穴１２１の直上に次の層の薄膜１２０ａ，１２０ｂがオーバーハングすることがあったが、この第４の実施の形態では六角形穴１２４ｂの中にシリコン窒化膜１２７が同一膜厚で存在するので、オーバーハングとなることはないため、高い接合強度が得られる。但し、シリコン同士の常温接合に比べ、シリコンとシリコン窒化膜の接合は強度が弱いため、層間の接合は主にシリコン同士の接触部分の接合強度による。
【００４６】
図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第５の実施の形態は、各層間で異なる材料の周期構造の層を積層したフォトニッククリスタルである。
【００４７】
作製方法としては、基板１０を２枚用いることが上記各実施の形態とは異なる。まず、２枚の基板１０Ａ，１０ＢにＳｉＯＦからなる離型層を着膜する。次に、基板１０Ａの離型層の上に減圧ＣＶＤ法により多結晶シリコンの薄膜を０．５μｍ着膜する。一方、基板１０Ｂの離型層の上にプラズマＣＶＤ法により非晶質シリコンの薄膜を０．５μｍ着膜する。引き続き、第１の実施の形態と同様に、薄膜のパターニングを行う。基板１０Ａには、同図（ａ）に示すように、パターンＡを有する複数の薄膜１２０ａを形成し、基板１０Ｂには、同図（ｂ）に示すように、パターンＢを有する複数の薄膜１２０ｂを形成する。なお、各層のパターンは、第２の実施の形態で示したように、層間で異なるパターンとすることも可能である。引き続き、第１の実施の形態と同様に、各層を順番に積層して行く。第１の実施の形態と異なるのは、基板１０Ａ，１０Ｂが２枚あるため、２枚の基板１０Ａ，１０Ｂを同時に真空チャンバー２に導入し、対向基板と交互に対向・位置決めしながら積層することだけである。
【００４８】
上述した第５の実施の形態によれば、積層方向に関しては２種類の材料の屈折率差による周期構造が得られ、面内では各層のパターンに依存した周期構造が得られ、これらを独立して制御可能なフォトニッククリスタルが得られる。
【００４９】
図９（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す。この第６の実施の形態は、積層する各層のパターンを矩形ではなく、三角形にしたものである。本実施の形態では、同図（ａ）に示すように、各層の外形を正三角形とし、その中にピッチｐが波長の半分程度の周期的格子の薄膜１２８ａ〜１２８ｆを基板上に作製する。各層のパターニングや積層工程は既に述べた実施の形態と同様である。完成したフォトニッククリスタル１６は、同図（ｂ）に示すように、三角柱形状となる。このように第６の実施の形態によれば、各層のパターンはフォトリソ工程で形成するため、そのマスクを変更すれば、光学素子の機能により結晶構造のみならずその外観形状も任意に製造可能となる。なお、形状としては三角柱以外にも、五角柱や六角柱でもよい。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々に変形実施が可能である。例えば、上記各実施の形態では、基板上への薄膜の着膜方法として、スパッタリング法について説明したが、電子ビーム加熱蒸着法，抵抗加熱蒸着法，化学蒸着法等の他の真空蒸着法やスピンコーティング法等を用いてもよい。
また、薄膜のパターニング工程は、フォトリソグラフィー法に限らず、電子ビーム直接描画法やレーザ直接描画法を用いてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の光学素子の製造方法によれば、フォトリソグラフィー法等のパターニング法によって任意の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成できるので、結晶構造の自由度が高くなる。また、材料の制限の少ないスパッタリング法等の着膜法によって基板上に薄膜を形成できるので、材料選択の自由度が高くなる。また、２次元パターンを有する複数の薄膜を積層しているので、３次元屈折率周期構造を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学素子の製造装置を示す図
【図２】（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図３】（ａ）は、第１の実施の形態の製造方法によってパターニングされた薄膜を示す図、（ｂ）は、薄膜を重ねたときの透視図
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態の照射，接合，転写工程を示す図
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【図９】（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係る光学素子の製造方法を示す図
【符号の説明】
１ 製造装置
２ 真空チャンバー
３ 基板ホルダ
４Ａ 第１のＦＡＢ源
４Ｂ 第２のＦＡＢ源
５Ａ Ｘ軸テーブル
５Ｂ Ｙ軸テーブル
５Ｃ Ｚ軸テーブル
５Ｄ θテーブル
１０，１０Ａ，１０Ｂ 基板
１１ 離型層
１３ ステージ
１５ 高速原子ビーム（ＦＡＢ：Fast Atom Beam）
１２０，１２０ａ，１２０ｂ 薄膜
１２１ 六角形穴
１２２ａ〜１２２ｆ 薄膜
１２３ｂ〜１２３ｆ 欠損領域
１２４ 多結晶Ｓｉ薄膜
１２４ａ リン注入領域（ｎ型多結晶Ｓｉ）
１２４ｂ 六角形穴
１２５ レジスト
１２６ リン
１２７ シリコン窒化膜
ｐ ピッチ
Claims (11)
- 複数の層からなり、光波長と同一あるいはそれ以下の周期で屈折率が変化する屈折率周期構造を有する光学素子の製造方法において、基板上に前記複数の層に対応した２次元パターンを有する複数の薄膜を形成する第１の工程と、前記基板上から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を順次接合して積層する第２の工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
- 前記第２の工程は、常温接合法により前記複数の薄膜を接合する構成の請求項１記載の光学素子の製造方法。
- 前記第１の工程は、各々同一の材料からなり、互いに異なる前記２次元パターンを有する前記複数の薄膜を形成する構成の請求項１記載の光学素子の製造方法。
- 前記第１の工程は、各々２種類以上の材料、あるいは１種類以上の材料と空隙からなり、互いに同一の前記２次元パターンを有する前記複数の薄膜を形成する構成の請求項１記載の光学素子の製造方法。
- 前記第１の工程は、各々２種類以上の材料、あるいは１種類以上の材料と空隙からなり、互いに異なる前記２次元パターンを有する前記複数の薄膜を形成する構成の請求項１記載の光学素子の製造方法。
- 前記第１の工程は、主たる構成材料に部分的に変質処理を施して前記複数の薄膜を形成する構成の請求項１記載の光学素子の製造方法。
- 前記変質処理は、前記主たる構成材料に対し不純物あるいはイオンの拡散あるいは注入を行う構成の請求項６記載の光学素子の製造方法。
- 前記変質処理は、前記主たる構成材料の原子あるいは分子の結合状態を変化させる処理を行う構成の請求項６記載の光学素子の製造方法。
- 前記第１の工程は、前記基板上に離型層を形成する工程と、前記離型層の上に薄膜を着膜する工程と、前記薄膜をパターニングして前記複数の薄膜を形成するパターニング工程とを含む構成の請求項１記載の光学素子の製造方法。
- 前記パターニング工程は、フォトリソグラフィー法を用いる構成の請求項９５記載の光学素子の製造方法。
- 前記パターニング工程は、電子ビーム直接描画法を用いる構成の請求項９記載の光学素子の製造方法。
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