JP3854620B2 - コロイド自己組立光結晶のパターニング方法及びこれを利用した逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法 - Google Patents

コロイド自己組立光結晶のパターニング方法及びこれを利用した逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法 Download PDF

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Description

本発明は、電界を利用してコロイド自己組立光結晶を基板上の選択した面積に形成するか、それぞれ異なる大きさの直径を有するコロイド自己組立光結晶を同一基板上に形成する方法及び、このような方法によりパターン化されたコロイド自己組立光結晶を利用して製作される逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法に関する。
最近、３次元周期性を有する誘電物質からなる光結晶における光バンドギャップ構造に対する関心が高まっている。光バンドギャップ光結晶は、特にマイクロレーザ、フィルタ、高効率ＬＥＤ、光スイッチ、低損失導波路など様々な光素子として応用可能性が極めて高いためである。初期にはシリコンウェーハに互いに平行な方向に小さな穴をあけたり、棒状の誘電物質を互いに重なるように積むことにより、誘電体−空気構造物の誘電率に周期性を持たせて、マイクロ波長領域での３次元光バンドギャップを実現した。しかし、赤外線、可視光線波長領域の場合、上述した方法ではエッチング間隔の微細化の要求により、３次元光バンドギャップ形成が極めて困難であるため、単に２次元で具現化が可能であった。３次元の場合は、レーザ光のホログラフィックリソグラフィを利用するか、数百ｎｍ直径の小さな球の自己結合方法に対する研究が最近なされている。
特に、コロイド自己組立光結晶を製作する方法が多様に研究されているが、そのうち、最も多く使用する方法は、コロイド溶液と基板そしてコロイド粒子間の毛細管力を利用して光結晶を製作するディップコート法であり、工程が容易であり広い面積に結晶度の高い光結晶を形成できる。しかし、コロイド粒子の選択的制御は難しく、光結晶パターニングをするためには、リソグラフィのような多くの半導体工程ステップを必要とする。また、異なる大きさまたは種類のコロイド粒子の光結晶形成の際、テンプレートを必要とし、３つ以上の異なる大きさまたは種類のコロイド光結晶形成の際、設計上の制約及び複雑な工程を避けることが困難である。
上述した光結晶を利用した光導波路の製作に最も多く用いられている方法は、シリコン基板に微細なホールを周期的にエッチングして作った２次元光結晶内に伝送路を形成する方法である。しかし、２次元光結晶は、２次元上の光の進行方向に対しては光バンドギャップがあって損失がほぼないが、その他の方向に対しては、光バンドギャップがなくて損失が発生する問題が残っている。
一方、逆転されたオパール構造の３次元光結晶は、３次元の全ての光の進行方向に対して光バンドギャップを有することができるので、これを利用した光導波路は、２次元に比べて光損失を大幅に減らすことができる。３次元光バンドギャップを有する導波路の製作は、まだイ-ビームリソグラフィのようにより高級化したエッチング技術が要求され、費用が高く広い面積に具現化するのは困難であり、多くの時間を必要とするという問題がある。したがって、広い面積に容易に光結晶を製作できるコロイド粒子の自己組立方式による逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法に対する要求及び関心が高まっている。
従来の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法に次のような方法がある。第１の方法は、コロイド光結晶の隙間に充填されたポリマーのレーザ重合を利用して光導波路を製作する方法である（非特許文献１）。この方法は、物質及び面積の制限による問題点を持っている。
第２の方法は、コロイド光結晶をシリコンモールドを利用して作った後、いくつかの光結晶を積んで作る光導波路の製作方法("Ｍｉｃｒｏｍｏｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ"、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎａｌｏｇｙ，ｖｏｌ.１４、２００３，ｐｐ ３２３〜３２６ ｂｙ Ｐ，Ｆｅｒｒａｎｄ ｅｔ.ａｌ.)である。この方法もまた過程が複雑で、光結晶を人為的に積層する過程で破損し、隙間が発生する等の問題を有している。
"Ｍｉｃｒｏｍｏｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ"、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎａｌｏｇｙ，ｖｏｌ.１４、２００３，ｐ.３２３〜３２６ ｂｙ Ｐ，Ｆｅｒｒａｎｄ ｅｔ.ａｌ.
本発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、如何なるテンプレートも使用せずに微細コロイド粒子の制御を行うことにより、コロイド自己組立光結晶をパターニングする方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このようなパターニング方法を利用して、光の全ての進行方向に対して光バンドギャップを有する逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路を製作する方法を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するため、本発明に係るコロイド自己組立光結晶のパターニング方法は、基板上に形成されるコロイド自己組立光結晶のパターンに対応する領域とその以外の領域とに各々相互分離された第１及び第２導電膜を蒸着するステップと、前記第１及び第２導電膜に各々特定の直流電圧を印加し、前記第１及び第２導電膜が蒸着された前記基板上にディップコート(Ｄｉｐ-ｃｏａｔｉｎｇ)法により前記光結晶を成長させるステップとを含む。
ここで、前記コロイド自己組立光結晶が形成される前記第１導電膜には、コロイド粒子が有する電荷に電気的引力が作用する電圧が印加され、第２導電膜には、コロイド粒子が有する電荷に電気的斥力が作用する電圧が印加されることが好ましい。
一方、本発明による逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法は、(ａ)基板上に形成される光伝送路のパターンに対応する第１導電膜と前記第１導電膜と分離されて前記第１導電膜の両端に配置される第２導電膜とを形成するステップと、(ｂ)前記第１及び第２導電膜に印加される電圧の極性を制御して、前記基板上に前記第１導電膜の上部が陥没した形状を有し、ディップコート法により第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子から構成されるオパール構造の第１光結晶を形成するステップと、(ｃ)前記陥没領域に前記第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子とは異なる、特定の除去方法を有する第２コロイド粒子と第２ナノ粒子とから構成されるオパール構造の第２光結晶を形成するステップと、(ｄ)前記第１及び第２光結晶上に前記第１コロイド粒子と第１ナノ粒子とから構成される前記第１光結晶を形成するステップと、(ｅ)前記第２コロイド粒子と第２ナノ粒子とから構成される前記第２光結晶を除去することにより、前記光伝送路となる部分に空間を形成するステップと、(ｆ)前記第１光結晶を構成する前記第１コロイド粒子を除去することにより、逆転されたオパール構造の光結晶を形成するステップとを含む。
前記(ｂ)ステップが、前記第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子及び第２ナノ粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記第２導電膜上に所定の厚さに構成される前記第１光結晶を形成するステップと、前記形成された第１光結晶間に前記形成された第１光結晶より前記光伝送路の厚さだけ薄い厚さに前記第１光結晶を形成するステップとを含むことができる。
一方、前記(ｂ)ステップが、前記基板全体に所定の厚さに前記第１光結晶を形成するステップと、前記第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子及び第２ナノ粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記光伝送路の厚さに対応する厚さの前記第１光結晶を、前記第２導電膜上に形成するステップとを含むことができる。
前記(ｅ)ステップ及び前記(ｆ)ステップが、熱的除去方法及び化学的除去方法のうち、いずれかを利用して該当粒子を除去することができる。
本発明によるまた他の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法は、(ｇ)基板上に形成される光伝送路のパターンに対応する第１導電膜と前記第１導電膜と分離されて前記第１導電膜の両端に配置される第２導電膜とを形成するステップと、(ｈ)前記第１導電膜の上部に陥没部が形成されるように、前記基板上に第１コロイド粒子から構成されるオパール構造の第１光結晶を形成するステップと、(ｉ)前記陥没部に第２コロイド粒子から構成されるオパール構造の第２光結晶を形成するステップと、(ｊ)前記第１及び第２光結晶上に前記第１コロイド粒子から構成される前記第１光結晶を形成するステップと、(ｋ)前記第２光結晶を除去して前記光伝送路となる部分に空間を形成するステップと、(ｌ)前記第１光結晶の隙間及び前記光伝送路となる部分の空間を、所定の物質で充填するステップと、(ｍ)前記第１コロイド粒子を除去して、逆転されたオパール構造の光結晶を形成するステップとを含む。
前記(ｈ)ステップが、前記第１コロイド粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記第２導電膜上に所定の厚さに前記第１光結晶を形成するステップと、前記形成された第１光結晶間に前記形成された第１光結晶より前記光伝送路の厚さだけ薄い厚さに前記第１光結晶を形成するステップとを含むことができる。
一方、前記(ｈ)ステップが、前記基板全体に所定の厚さに前記第１光結晶を形成するステップと、前記第１コロイド粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記光伝送路の厚さに対応する厚さの前記第１光結晶を前記第２導電膜上に形成するステップとを含むことができる。
前記(ｋ)ステップ及び前記(ｍ)ステップが、熱的除去方法及び化学的除去方法のうち、いずれかを利用して、該当粒子を除去することが好ましい。そして、前記(ｌ)ステップの所定の物質には、ポリマーが使用され得る。
本発明によれば、コロイド自己組立方式でパターニングされた電極によるコロイド粒子の制御により、パターニングされた自己組立光結晶を形成できるので、製作上多くの時間と費用を低減できる。一方、基板にパターニングされる電極の設計によって、多様な形態のコロイド光結晶の製作が可能であり、多様な大きさまたは種類のコロイド光結晶を同一基板上に形成できる。
以下に、添付された図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態により具現化された基板上にパターン化された特定領域に選択的に形成されたコロイド自己組立光結晶の断面図である。図１に示されているように、基板１０上に所定パターンの相互離隔された第１導電膜２１と第２導電膜２２とが形成され、第１導電膜２１上だけにコロイド自己組立光結晶３０が形成される。
本願による第１発明であるコロイド自己組立光結晶パターニング方法は、所定のパターンで形成された導電膜に電圧を印加して、極性のあるコロイド粒子と電極との間の引力または斥力を制御することによって、コロイド自己組立光結晶の形成位置を選択的に調節する方式である。このような方式によれば、図１に示しているように、基板１０上の特定部分２１だけにコロイド自己組立光結晶３０を形成することができる。
図２は、基板１０上のパターン化された電極２１、２２により発生した電界とディップコートとによる特定パターンのコロイド自己組立光結晶３０を形成する方法を説明するための図である。
基本的にコロイド自己組立光結晶３０を成長させるために、コロイド溶液４０、基板１０及びコロイド粒子間の毛細管力を利用するディップコート法が用いられる。まず、基板１０上に所定の厚さに図２に示すようなパターンの第１及び第２導電膜２１、２２を蒸着する。第１及び第２導電膜２１、２２が形成された基板１０をコロイド粒子４２が分散されているコロイド溶液４０に垂直に浸漬し徐々に垂直上昇させる。そうすると、第１及び第２導電膜２１、２２が形成された基板１０には、コロイド溶液と基板１０及びコロイド粒子との間の毛細管力によりコロイド自己組立光結晶が形成され始める。
この時、コロイド自己組立光結晶を形成しようとする領域である第１金属板２１に正の電極が、第２金属板２２には負の電極が形成されるように直流電圧を印加し、徐々に基板を垂直方向へ移動させれば、負の電荷のコロイド粒子４２と引力が作用する正の電極２１では、コロイド粒子４２が電極表面により多く流入しながらコロイド自己組立光結晶３０が形成される。これに対し、コロイド粒子と斥力が作用する負の電極２２では、コロイド粒子４２が電極表面に流入されなくなってコロイド自己組立光結晶が形成されない。
上述したコロイド溶液４０は、水またはアルコールなどの溶媒４１に直径数百ｎｍのシリカまたはポリスチレンなどのコロイド粒子４２が含有された数％濃度の溶液が使用され得る。本実施形態では、溶媒である水４１に負の電荷を有する直径約３００ｎｍのポリスチレンコロイド粒子４２が０.３ｗｔ％含有されたものを用い、幅３００μｍにパターニングされた正の電極２１上だけに形成されたコロイド自己組立光結晶３００を形成した。
また、電極のパターンを多様化しコロイド自己組立光結晶が形成される部分に符号するように電圧を印加しながら、上記のようにディップコートを繰り返すと、様々な種類とサイズのコロイド自己組立光結晶を同一基板に多様に形成できる。
以下では、上述した第１発明を利用した逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法について、第２及び第４実施形態を参照し説明する。
＜第２実施形態＞
図３Ａないし図３Ｇは、第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。そして、図４Ａないし図４Ｇは、第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。第２及び第３実施形態では、互いに異なる種類のコロイド粒子Ｃ1とＣ2、互いに異なる種類のナノ粒子Ｎ1とＮ2を使用して、光結晶内部に光伝送路となる空間部分を有する３次元光結晶光導波路の製作方法を提供する。
まず、図３Ａないし図３Ｇを参照し第２実施形態を説明する。
図３Ａの断面図において、基板１００上に光伝送路が存在するようになる部分に対応するパターンの第１導電膜１２０と第１導電膜１２０の両側に光結晶だけが存在するようになる部分に対応するパターンの第２導電膜１１０ａ、１１０ｂとを所定間隔離隔させて蒸着する。
同一電荷を有するものの、互いに異なる熱的または化学的特性を有するコロイド粒子Ｃ1１３２とナノ粒子Ｎ1１３４とが適正割合で溶媒に混合されているコロイド溶液Ａに基板１００を垂直に浸漬し基板１００を一定速度で移動(ｄｒａｗｉｎｇ)させてディップコートする時、第２導電膜１１０ａ、１１０ｂには、コロイド粒子Ｃ1１３２とナノ粒子Ｎ1１３４とが有する電荷に電気的引力が作用するように電圧を印加し、第１導電膜１２０には、コロイド粒子Ｃ1１３２とナノ粒子Ｎ1１３４とが有する電荷に電気的斥力が作用するように電圧を印加する。そうすると、第２導電膜１１０ａ、１１０ｂだけにコロイドの自己組立が発生しオパール構造の光結晶が形成されながらＣ1１３２コロイド粒子の間の隙間にナノ粒子Ｎ1１３４が侵入して、光伝送路となる部分に空間が形成されたオパール構造の光結晶１３０ａ、１３０ｂを図３Ｂのように形成できる。
図３Ｂのように形成された試料を前記と同じコロイド溶液Ａを利用して再度ディップコートすれば、既に第２導電膜１１０ａ、１１０ｂに形成された光結晶１３０ａ、１３０ｂがチャネルの役割をして、第２導電膜１１０ａ、１１０ｂに形成された光結晶１３０ａ、１３０ｂの間だけに図３Ｃに示すように光結晶１４０が形成される。この時、コロイド溶液Ａの濃度を図３Ｂの過程での濃度より薄くするか、基板の移動速度を図３Ｂ過程での速度より速くして形成される光結晶の厚さを図３Ｂの場合より小さく調節する。ここでの厚さの差は、形成する光伝送路の厚さに対応する。
次は、前記したコロイド粒子Ｃ1１３２及びナノ粒子Ｎ1１３４と各々互いに異なる熱的または化学的特性を有するコロイド粒子Ｃ2１５２とナノ粒子Ｎ2１５４が適正割合で溶媒に混合されているコロイド溶液Ｂを利用して、図３Ｃ過程のようにディップコートすれば、図３Ｄのように２種類のコロイド粒子１３２、１５２及び２種類のナノ粒子１３４、１５４が混合された構造の光結晶１３０ａ、１３０ｂ、１５０を形成するようになる。
図３Ｄの試料を図３Ｃの過程と同様にコロイド溶液Ａを利用し再度ディップコートすることにより、図３Ｄの試料の全領域に所定の厚さの光結晶１６０を形成する(図３Ｅ)。
次の過程は、コロイド粒子Ｃ2１５２とナノ粒子Ｎ2１５４とを除去できるが、コロイド粒子Ｃ1１３２及びナノ粒子Ｎ1１３４には影響を与えない熱的または化学的方法を利用して、コロイド粒子Ｃ2１５２とナノ粒子Ｎ2１５４を除去し、図３Ｆのように光結晶内に光伝送路１７０となる部分に空間を形成する。
最後に、図３Ｆの試料でコロイド粒子Ｃ1１３２は除去できるが、ナノ粒子Ｎ1１３４には影響を与えない熱的または化学的方法を利用して、コロイド粒子Ｃ1１３２を除去させれば、光伝送路１７０を含む逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路１８０が形成される。
＜第３実施形態＞
図４Ａないし図４Ｇを参照し、第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路２８０の製作工程を説明する。
基板２００上に光伝送路が存在するようになる部分に対応するパターンの第１導電膜２２０と光結晶だけが存在するようになる部分に対応するパターンの第２導電膜２１０ａ、２１０ｂとを所定間隔離隔させて蒸着する(図４Ａ)。
このような基板２００を同一電荷を有するが互いに異なる熱的または化学的特性を有するコロイド粒子Ｃ1２３２とナノ粒子Ｎ1２３４が適正割合で溶媒に混合されているコロイド溶液Ａに垂直に浸漬して、基板を一定速度で移動させてディップコートを行なうことによって、基板２００全体に所定の厚さの光結晶２３０を成長させる(図４Ｂ)。
次は、図４Ｂのように形成された試料をコロイド粒子Ｃ1２３２とナノ粒子Ｎ1２３４とが適正割合で溶媒に混合されているコロイド溶液を利用して、再度ディップコートする。この場合、第２導電膜２１０ａ、２１０ｂには、コロイド粒子Ｃ1２３２とナノ粒子Ｎ1２３４が有する電荷に電気的引力が作用するように電圧を印加し、第１導電膜２２０には、コロイド粒子Ｃ1２３２とナノ粒子Ｎ1２３４が有する電荷に電気的斥力が作用するように電圧を印加すれば、第２導電膜２１０ａ、２１０ｂだけにコロイドの自己組立が発生してオパール構造の光結晶が形成されながら、コロイド粒子Ｃ1２３２の間の隙間にナノ粒子Ｎ1２３４が侵入して、光伝送路となる部分に空間が形成されたオパール構造の光結晶２３０ａ、２３０ｂを、図４Ｃのように形成できる。
以下、図４Ｄないし図４Ｇに示す工程は、第２実施形態の図３Ｄないし図３Ｇに示す工程と同一であるので、ここではその説明を省略する。
＜第４実施形態＞
図５Ａないし図５Ｈは、第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。そして、図６Ａないし図６Ｈは、第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。
第４及び第５実施形態では、互いに異なる種類のコロイド粒子Ｃ1及びＣ2、そして侵透性物質で充填された光伝送路を含む逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路を製作する方法を提供する。
以下では、図５Ａないし図５Ｈを参照し第４実施形態を説明する。
図５Ａの断面図において、基板３００上に光伝送路が存在するようになる部分に対応するパターンの第１導電膜３２０と光結晶だけが存在するようになる部分に対応するパターンの第２導電膜３１０ａ、３１０ｂとを所定間隔離隔させて蒸着する。
電荷を帯びる所定の熱的または化学的特性を有するコロイド粒子Ｃ1１３２が適正比率で溶媒に混合されているコロイド溶液Ｃに基板３００を垂直に浸漬して基板を一定速度で移動させてディップコートする時、第２導電膜３１０ａ、３１０ｂには、コロイド粒子Ｃ1３３２が有する電荷に電気的引力が作用するように電圧を印加し、第１導電膜３２０には、コロイド粒子Ｃ1３３２が有する電荷に電気的斥力が作用するように電圧を印加すれば、第２導電膜３１０ａ、３１０ｂだけにコロイドの自己組立が発生してオパール構造の光結晶３３０ａ、３３０ｂが形成される。
図５Ｂのように形成された試料をコロイド粒子Ｃ1３３２が適正比率で溶媒に混合されているコロイド溶液Ｃを利用して再度ディップコートすれば、既に第２導電膜３１０ａ、３１０ｂに形成された光結晶３３０ａ、３３０ｂがチャネル役割を果たすことによって、第２導電膜３１０ａ、３１０ｂに形成された光結晶３３０ａ、３３０ｂの間だけに図５Ｂに示すように光結晶３４０が形成される。この時、コロイド溶液の濃度を図５Ｂの過程での濃度より薄くするか、基板の移動速度を図５Ｂの過程での速度より速くして形成される光結晶の厚さを図５Ｂの場合より小さく調節する。
次は、上述したコロイド粒子Ｃ1３３２と異なる熱的または化学的特性を有するコロイド粒子Ｃ2３５２とが適正比率で溶媒に混合されているコロイド溶液Ｄを利用して、図５Ｃの過程のようにディップコートすれば、図５Ｄのように２種類のコロイド粒子３３２、３５２が混合された構造の光結晶３３０ａ、３３０ｂ、３５０を形成するようになる。
図５Ｄの試料を図５Ｃの過程と同様に、コロイド粒子Ｃ1３３２が適正比率で溶媒に混合されているコロイド溶液Ｃを利用し、再度ディップコートすることにより、図５Ｄの試料の全領域に所定の厚さの光結晶３６０を形成する(図５Ｅ)。
次の過程は、コロイド粒子Ｃ2３５２は除去できるが、コロイド粒子Ｃ1３３２は影響を与えない熱的または化学的方法を利用して、コロイド粒子Ｃ2３５２を除去することにより、図５Ｆのように光結晶内に光伝送路３７０となる部分に空間を形成する(図５Ｆ)。
次は、ポリマーのような物質３８０を、光伝送路３７０となる部分の空間及び既に形成された光結晶のコロイド粒子３３２、３５２の間に侵入させる(図５Ｇ)。
最後に、図３Ｇの試料でコロイド粒子Ｃ1３３２は除去できるが、ナノ粒子Ｎ３３４には影響を与えない熱的または化学的方法を利用して、コロイド粒子Ｃ1１３２を除去すれば、ナノ粒子Ｎ３３４で構成された光伝送路３７０´を含む逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路３９０が形成される。
＜第５実施形態＞
図６Ａないし図６Ｇを参照し、第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路４９０の製作工程を説明する。
基板４００上に光伝送路が存在するようになる部分に対応するパターンの第１導電膜４２０と、光結晶だけが存在するようになる部分に対応するパターンの第２導電膜４１０ａ、４１０ｂとを所定間隔離隔して蒸着する(図６Ａ)。
このような基板４００を同一電荷を有するが互いに異なる熱的または化学的特性を有するコロイド粒子Ｃ1４３２が適正比率で溶媒に混合されているコロイド溶液にディップコートを行なうことにより、基板４００全体に所定の厚さの光結晶４３０を成長させる(図６Ｂ)。
次は、図６Ｂのように形成された試料をコロイド粒子Ｃ1４３２が適正比率で溶媒に混合されているコロイド溶液を利用して再度ディップコートする。この時、第２導電膜４１０ａ、４１０ｂには、コロイド粒子Ｃ1４３２が有する電荷に電気的引力が作用するように電圧を印加し、第１導電膜４２０には、コロイド粒子Ｃ1４３２が有する電荷に電気的斥力が作用するように電圧を印加すれば、第２導電膜４１０ａ、４１０ｂだけにコロイドの自己組立が発生してオパール構造の光結晶が形成される(図６Ｃ)。
以下、図６Ｄないし図６Ｈに示す工程は、第４実施形態の図５Ｄないし図５Ｈに示す工程と同一であるので、ここではその説明を省略する。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
本発明の第１実施形態により具現化した基板上にパターン化された特定領域に選択的に形成されたコロイド自己組立光結晶の断面図である。 図１に示すコロイド自己組立光結晶を形成する方法を説明するための図面である。 第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第２実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第３実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶導波の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第４実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。 第５実施形態に係る逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作工程を順次に示す工程図である。
符号の説明
１０、１００ 基板
２１、２２、１１０ａ、１１０ｂ、１２０ 金属板
３０、１３０、１５０ オパール構造の光結晶
４０ コロイド溶液
４２、１３２、１５２ コロイド粒子
１３４、１５４ ナノ粒子
１７０、３７０´ 光伝送路
３８０、４８０ ポリマー
１８０、２８０、３９０、４９０ 逆転されたオパール構造の光結晶

Claims (11)

  1. 基板上を、コロイド自己組立光結晶のパターンが形成されるべき領域とそれ以外の領域とに分離し、前者の領域には第１導電膜を蒸着し、後者の領域には第２導電膜を蒸着するステップ、及び、
    前記第１導電膜と前記第２導電膜とが蒸着された前記基板の領域に対してディップコート法を用いて前記光結晶を成長させ、それと同時に前記第１導電膜と前記第２導電膜とのそれぞれに対して異なる極性の特定の直流電圧を印加してコロイド粒子を制御するステップ、
    を含むことを特徴とするコロイド自己組立光結晶のパターニング方法。
  2. 前記第１導電膜に対しては、コロイド粒子が有する電荷に電気的引力を作用させる極性の電圧を印加してコロイド粒子の結晶化を促進すること、及び、
    前記第２導電膜に対しては、コロイド粒子が有する電荷に電気的斥力を作用させる極性の電圧を印加してコロイド粒子の結晶化を阻止すること、
    を特徴とする請求項１に記載のコロイド自己組立光結晶のパターニング方法。
  3. (ａ)基板上に形成される光伝送路のパターンに対応する第１導電膜と前記第１導電膜と分離されて前記第１導電膜の両端に配置される第２導電膜とを形成するステップと、
    (ｂ)前記第１及び第２導電膜に印加される電圧の極性を制御して、前記基板上に前記第１導電膜の上部が陥没した形状を有し、ディップコート法により第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子から構成されるオパール構造の第１光結晶を形成するステップと、
    (ｃ)前記陥没領域に前記第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子とは異なる、特定の除去方法を有する第２コロイド粒子と第２ナノ粒子とから構成されるオパール構造の第２光結晶を形成するステップと、
    (ｄ)前記第１及び第２光結晶上に前記第１コロイド粒子と第１ナノ粒子とから構成される前記第１光結晶を形成するステップと、
    (ｅ)前記第２コロイド粒子と第２ナノ粒子とから構成される前記第２光結晶を除去することにより、前記光伝送路となる部分に空間を形成するステップと、
    (ｆ)前記第１光結晶を構成する前記第１コロイド粒子を除去することにより、逆転されたオパール構造の光結晶を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  4. 前記(ｂ)ステップが、
    (ｂ-１)前記第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子及び第２ナノ粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記第２導電膜上に所定の厚さに構成される前記第１光結晶を形成するステップと、
    (ｂ-２)前記(ｂ-１)ステップで形成された第１光結晶間に、前記(ｂ-１)ステップで形成された第１光結晶より前記光伝送路の厚さだけ薄い厚さに、前記第１光結晶を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項３に記載の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  5. 前記(ｂ)ステップが、
    (ｂ-１′)前記基板全体に所定の厚さに前記第１光結晶を形成するステップと、
    (ｂ-２′)前記第１コロイド粒子及び第１ナノ粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子及び第２ナノ粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記光伝送路の厚さに対応する厚さの前記第１光結晶を、前記第２導電膜上に形成するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項３に記載の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  6. 前記(ｅ)ステップ及び前記(ｆ)ステップが、
    熱的除去方法及び化学的除去方法のうち、いずれかを利用して該当粒子を除去することを特徴とする請求項３に記載の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  7. (ｇ)基板上に形成される光伝送路のパターンに対応する第１導電膜と前記第１導電膜と分離されて前記第１導電膜の両端に配置される第２導電膜とを形成するステップと、
    (ｈ)前記第１導電膜の上部に陥没部が形成されるように、前記基板上に第１コロイド粒子から構成されるオパール構造の第１光結晶を形成するステップと、
    (ｉ)前記陥没部に第２コロイド粒子から構成されるオパール構造の第２光結晶を形成するステップと、
    (ｊ)前記第１及び第２光結晶上に前記第１コロイド粒子から構成される前記第１光結晶を形成するステップと、
    (ｋ)前記第２光結晶を除去して前記光伝送路となる部分に空間を形成するステップと、
    (ｌ)前記第１光結晶の隙間及び前記光伝送路となる部分の空間を、所定の物質で充填するステップと、
    (ｍ)前記第１コロイド粒子を除去して、逆転されたオパール構造の光結晶を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  8. 前記(ｈ)ステップが、
    (ｈ-１)前記第１コロイド粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記第２導電膜上に所定の厚さに前記第１光結晶を形成するステップと、
    (ｈ-２)前記(ｈ-１)ステップで形成された第１光結晶間に、前記(ｈ-１)ステップで形成された第１光結晶より前記光伝送路の厚さだけ薄い厚さに、前記第１光結晶を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする、請求項７に記載の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  9. 前記(ｈ)ステップが、
    (ｈ-１′)前記基板全体に所定の厚さに前記第１光結晶を形成するステップと、
    (ｈ-２′)前記第１コロイド粒子に電気的斥力が作用する電圧を前記第１導電膜に印加し、前記第２コロイド粒子に電気的引力が作用する電圧を前記第２導電膜に印加することにより、前記光伝送路の厚さに対応する厚さの前記第１光結晶を前記第２導電膜上に形成するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項７に記載の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  10. 前記(ｋ)ステップ及び前記(ｍ)ステップが、
    熱的除去方法及び化学的除去方法のうち、いずれかを利用して、該当粒子を除去することを特徴とする請求項７に記載の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。
  11. 前記(ｌ)ステップの所定の物質は、ポリマーであることを特徴とする請求項７に記載の逆転されたオパール構造の３次元光結晶光導波路の製作方法。

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