JP4212532B2 - スタンパの生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板生成方法、フォトニック結晶素子の生成方法、フォトニック結晶構造の生成方法、スタンパ、基板素子およびスタンパの生成方法に関する。

フォトニック結晶構造を生成する方法として自己クローニング法が知られている。図５に、この手法にてフォトニック結晶構造を生成する際の生成例を示す。

フォトニック結晶構造の作成には、基板２０１として、ガラス基板や石英基板等が用いられる。この基板２０１の上に、たとえば、電子線描画装置（ＥＢ描画装置）を用いて、所定の溝ピッチおよび溝深さにて、周期的に矩形状の凹凸面２０１ａが形成される（同図（ａ）参照）。この凹凸面２０１ａの上に、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタや、ＥＣＲ（電子線サイクロトロン共鳴）スパッタなどの成膜手法を用いて、誘電体膜（第１の層２０２／第２の層２０３）が順次形成される（同図（ｂ）参照）。

ここで、誘電体層の成膜時には、エッチング処理によって、各層の断面形状が調整される。すなわち、一回の成膜工程によって、誘電体膜（第１の層２０２／第２の層２０３）が形成されると、これにエッチング処理が施され、当該膜の断面形状が調整される。このとき、当該膜の断面形状が設計時の寸法に整合するよう、適宜、エッチング処理の条件が調整される。

以上の成膜工程とエッチング処理工程を繰り返すことにより、誘電体膜（第１の層２０２／第２の層２０３）が順次積層される。この成膜工程は、積層数が設計時に設定した層数に到達するまで行われる。このようにして作成されたフォトニック結晶構造は、膜厚方向に屈折率の周期性が形成され、また、面内方向においても三角形状の断面に起因する屈折率の周期性が誘起される。これにより、フォトニック結晶構造としての特異な光学特性が発現される。

ところで、同図に示す生成方法では、基板上に矩形状凹凸面２０１ａを形成した後、その上に、誘電体層２０２、２０３を順次積層するようにしている。これは、基板上に矩形状凹凸面２０１ａを生成するのが容易であることによるものである。しかし、この場合、矩形状凹凸面２０１ａ上の最初から所定層数までの誘電体層は、エッチング処理を施しても、その面形状の断面が三角形とはならず、台形から次第に三角形状に近づくよう移行する。このため、これら不安定な面形状によって、フォトニック結晶構造の光学特性が劣化するとの問題が生じる。

そこで、以下に示す特許文献１では、基板上に予め断面三角形状の凹凸面を形成し、これに、誘電体層を順次積層してフォトニック結晶構造を生成するようにしている。すなわち、シリコン等の異方性材料にて基板を形成し、これに異方性エッチング処理を施すことにより、基板上に断面三角形状の凹凸面を形成し、その上に、誘電体層の多層膜を生成するようにしている。こうすると、凹凸面上に直ちに断面三角形状の誘電体層を成膜することができるため、上記のように、フォトニック結晶構造の光学特性が劣化することはない。
特開２００３−２１５３６６号公報

しかし、上記特許文献１の方法では、異方性エッチングを用いて基板を生成するものであるから、基板生成時の生産性をそれほど高めることができないとの問題が生じる。また、基板材料として異方性材料を用いる必要があることから、基板材料の選択性に一定の制限が加えられるとの問題も想定される。さらに、凹凸面の形状（溝深さや溝の傾斜角度、等）は、異方性材料自身のエッチング特性に依拠するため、先に指摘した材料選択性の制限と相俟って、凹凸面形状の設計の自由度が制限されるとの問題も想定される。加えて、シリコン等の異方性材料は高価である上に、光透過性の点で対応波長が狭小であり、よって、フォトニック結晶構造体の波長選択性が狭小になるとの問題も生じる。

そこで、本発明は、これらの問題を解消し、生産性、材料選択性、凹凸面の設計の自由度、コストおよび波長選択性に優れた基板生成方法、フォトニック結晶素子の生成方法、フォトニック結晶構造の生成方法を提供することを課題とし、さらには、フォトニック結晶構造の光学特性の向上および形状の小型化を図ることを課題とする。

請求項１の発明は、フォトニック結晶構造の積層形成に用いる基板素子を生成する際に用いられるスタンパの生成方法であって、基板に矩形形状の溝を形成する工程と、前記矩形形状の溝を有する基板に誘電体膜の成膜とエッチング処理を繰り返し、断面が三角形状の層を形成する工程と、前記断面が三角形状の層上に金属層を生成する工程と、前記金属層を前記断面が三角形状の層から剥離する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、スタンパを用いて樹脂材料やポリマーを射出成形し、あるいは、スタンパに紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂を圧着させた後、紫外線の照射や熱の印加を行うことによって、断面形状が三角形の凹凸面を有する基板を生成するものであるから、上記特許文献１に記載の発明に比べ、基板生成時における生産性を向上させることができ、また、基板材料の選択性、凹凸面の設計の自由度を向上させることができる。

また、樹脂材料やポリマー、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂は、シリコン等の異方性材料に比べ安価であるため、基板素子ないしフォトニック結晶素子のコストを削減することができる。加えて、樹脂材料やポリマー、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂は、光透過性の点で対応波長が広いため、基板の波長選択性を拡張することができる。たとえば樹脂材料からなる基板は、可視光領域全般にわたって透光性を有するため、透光性を必要とする光学素子への応用が、広い波長範囲において可能となるとのメリットを有する。

この他、本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。

図１に、フォトニック結晶素子の構造を示す。

なお、同図（ａ）は、フォトニック結晶構造の積層形成に用いられる基板の構造を示す図であり、同図（ｂ）は、基板上にフォトニック結晶構造が積層形成された状態を示す図である。また、同図には、便宜上、フォトニック結晶素子の一部の構造のみを部分的に図示してある。フォトニック結晶素子は、同図に示す構造が面内方向および積層方向に単調に繰り返されたものとなっている。

図示の如く、フォトニック結晶素子は、断面三角形状の凹凸面１０１ａが形成された基板１０１上に、第１の層１０２と第２の層１０３を積層形成して生成される。ここで、三角形状凹凸面１０１ａには、平行な溝が周期的に形成されている。これら溝の溝ピッチと溝深さは、フォトニック結晶素子の光学特性に応じた値（設計値）に設定されている。また、三角形状凹凸面１０１ａは、図１の正面から見たときの断面形状が、その凹部と凸部において、それぞれ二等辺三角形の頂部となるように設定されている。

また、第１の層１０２と第２の層１０３は、互いに屈折率が異なる誘電体層とされている。各誘電体層の屈折率と膜厚は、フォトニック結晶素子の光学特性に応じた値（設計値）に設定されている。したがって、第１の層１０２と第２の層１０３の面形状は、基板１０１上の三角形状凹凸面１０１ａの面形状がそのまま反映されている。すなわち、第１の層１０２と第２の層１０３を図１の正面から見たときの断面形状は、三角形状凹凸面１０１ａの断面形状と同様、その凹部と凸部において、それぞれ二等辺三角形の頂部となるよう設定されている。

基板１０１に対するフォトニック結晶構造の積層形成は、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタや、ＥＣＲ（電子線サイクロトロン共鳴）スパッタなどの成膜手法を用いて行うことができる。すなわち、所定の屈折率を有する層材料（ＳｉＯ₂やＴａ₂Ｏ₅等）をターゲット材料として、基板１０１の三角形状凹凸面１０１ａ上に、誘電体膜（第１の層１０２／第２の層１０３）を順次形成する。ここで、それぞれの層の厚みは、上記のように、フォトニック結晶素子の光学特性に応じた値（設計値）に調整する。また、各層の形成工程は、各層の層数が設計時に設定した層数に達するまで行う。

このようにして作成したフォトニック結晶素子は、膜厚方向に屈折率の周期性が形成され、また、面内方向においても三角形状の断面に起因する屈折率の周期性が誘起される。これにより、フォトニック結晶構造としての特異な光学特性が発現するようになる。

なお、同図では、基板１０１の表面形状が、あらかじめ断面三角形状にて形成されているため、成膜の際にエッチング処理により面形状を調整する必要がない。したがって、フォトニック結晶構造の生成プロセスを簡略化することができ、また、フォトニック結晶素子を低コストで提供することが可能となる。

図２に、基板１０１の生成工程の一例を示す。

まず、同図（ａ）の工程において、ガラス、石英、Ｓｉ基板等の基板を用意する。この基板に対し、電子線描画装置（ＥＢ描画装置）を用いて、所定の溝ピッチおよび溝深さにて、矩形形状の溝を形成する。

その後、同図（ｂ）の工程において、矩形の溝形状を持つガラス基板上に、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタや、ＥＣＲ（電子線サイクロトロン共鳴）スパッタなどの成膜手法を用いて誘電体膜を順次形成する。この成膜の際、エッチング処理によって、各層の断面形状を調整する。すなわち、一回の成膜工程によって、誘電体膜を形成すると、これにエッチング処理を施して、当該膜の断面形状を調整する。

この成膜工程は、誘電体膜の面形状が、生成しようとするフォトニック結晶素子（図１参照）の各誘電体層の面形状に整合するまで繰り返し行う。すなわち、矩形状凹凸面上に最初に成膜された層から所定層数までの誘電体層は、通常、エッチング処理を施しても、その面形状の断面が三角形とはならず、成膜とエッチング工程を繰り返すことにより、次第に台形から三角形状に移行する。したがって、同図（ｂ）の工程は、誘電体層の断面形状が、設計値に応じた三角形状に安定するまで行う。何層目まで工程を繰り返すは、誘電体膜の面形状の分析結果に応じて適宜決定すれば良い。なお、１層のみの生成によっても設計値に応じた三角形状が得られる場合には、１層のみの生成工程を行うようにしても良い。

しかる後、同図（ｃ）の工程において、最上層の誘電体膜の表面に、Ｎｉスパッタおよび電解めっきにて、Ｎｉ膜を生成する。ここで、Ｎｉ膜の膜厚は、たとえば、３００μｍ程度に設定すれば良い。そして、同図（ｄ）の工程において、Ｎｉ膜を誘電体膜から剥離し、Ｎｉ膜からなるスタンパを取得する。

次に、このようにして生成したスタンパを用いながら、同図（ｅ）の工程において、基板を射出成形する。すなわち、上述のＮｉ膜をスタンパとして金型内にセットした後、樹脂材料やポリマー等の溶融材料を金型内に注入し、Ｎｉ膜に溶融材料を圧着させて、Ｎｉ膜の面形状を溶融材料に転写させる。しかる後、溶融材料を冷却固化し、樹脂材料やポリマー等からなる基板を成形する。なお、基板材料としては、たとえばポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリオレフィン、アクリル等を用いることができる。これ以外の材料を用いるようにしても良い。

しかる後、同図（ｆ）の工程において、スタンパから基板を剥離して、側面にスタンパの凹凸面が転写された基板１０１を取得する。この基板１０１には、その側面に、図１（ａ）に示すような三角形状凹凸面１０１ａが形成されている。

同図（ｄ）にて、一度、スタンパが生成された後は、このスタンパを用いながら、同図（ｅ）と同図（ｆ）の工程を実行し、射出成形によって基板１０１を生成する。したがって、断面三角形の表面形状を持つ基板１０１を、短時間にて生成できるになる。すなわち、この生成プロセスによれば、基板生成時における生産性を高めることができる。

また、樹脂材料やポリマー等は、コストが安いため、基板コストを低く抑えることができる。加えて、光透過性の点で対応波長が広いため、透光性を必要とするフォトニック結晶素子への応用が、広い波長範囲で可能となる。

図３に、基板１０１の生成工程の他の例を示す。なお、同図には、スタンパ生成後の生成工程を示してある。

まず、同図（ａ）の工程において、ガラス、石英、Ｓｉ基板等の基板を準備する。次に、同図（ｂ）の工程において、基板表面に、紫外線硬化樹脂を塗布する。なお、紫外線硬化樹脂の膜厚は、スタンパの表面形状（断面三角形状の凹凸面）の溝深さ等に応じて適宜設定する。

しかる後、同図（ｃ）の工程において、紫外線硬化樹脂表面をスタンパに圧着し、スタンパの表面形状を紫外線硬化樹脂層に転写させる。そして、同図（ｄ）の工程において、紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂を硬化させる。その後、同図（ｅ）の工程において、紫外線硬化樹脂層をスタンパから剥離する。これにより、側面にスタンパの凹凸面が転写された基板１０１が取得される。この基板１０１には、その側面に、図１（ａ）に示すような三角形状凹凸面１０１ａが形成されている。

この生成プロセスによれば、成形が困難な無機材料（ガラス、ルチル、等）の上にも、断面三角形状の表面形状を形成することができる。ここで、同図（ａ）の工程における基板をwalk-offポラライザー（複屈折素子）等の光学素子とすれば、この光学素子上に直接、断面三角形状の表面形状を形成することができる。すなわち、この生成プロセスによれば、さまざまな光学素子の上に直接、断面三角形状の表面形状を形成することができ、この表面形状部分以外の基板の厚み部分を省略して、フォトニック結晶構造を光学素子上に形成することが可能となる。

そして、こうすると、断面三角形状以外の基板の厚み部分が存在しないために、上記図１の基板と比較して、フォトニック結晶素子の光学特性を安定化させることができる。また、この厚み部分がない分、厚み方向におけるフォトニック結晶素子の形状を小さくすることができる。さらに、従来では成形困難な無機材料（高屈折ガラス、ルチル等）の上にフォトニック結晶構造を直接成形できることから、フォトニック結晶素子ないし光学素子の新しい特性を引き出すことも可能となる。

なお、前記紫外線硬化樹脂に代えて熱硬化樹脂を用いても良い。この場合、紫外線の照射ではなく加熱により樹脂を硬化させる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、この他にも、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施の形態では、スタンパの面形状を、平行な三角溝が一定ピッチにて周期的に形成された、断面三角形状の面形状としたが、これ以外の面形状とすることもでき、たとえば、図４（ａ）に示す如く、一定の深さを有する四角錐形状の凹部が面内方向に周期的に形成された面形状（角錐凹凸面：１０１ｂ）とすることもでき、あるいは、図４（ｂ）に示す如く、一定の深さを有する円錐形状の凹部が面内方向に周期的に形成された面形状（円錐凹凸面：１０１ｃ）とすることもできる。この場合、図４（ａ）または（ｂ）に示す面形状が、射出成形または紫外線硬化によって、基板または光学素子の表面に転写され、その上に、フォトニック結晶構造が積層形成される。

この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に記載された技術思想の範囲内において、種々の変更が可能である。

実施の形態に係るフォトニック結晶素子の構造を示す図 実施の形態に係る基板の生成プロセスの一例を示す図 実施の形態に係る基板の生成プロセスの他の例を示す図 実施の形態に係るスタンパの他の構成例を示す図 従来例に係るフォトニック結晶素子の構造を示す図

符号の説明

１０１ 基板
１０１ａ 三角形状凹凸面
１０１ｂ 角錐凹凸面
１０１ｃ 円錐凹凸面
１０２ 第１の層
１０３ 第２の層

Claims (1)

1. フォトニック結晶構造の積層形成に用いる基板素子を生成する際に用いられるスタンパの生成方法であって、
   基板に矩形形状の溝を形成する工程と、
   前記矩形形状の溝を有する基板に誘電体膜の成膜とエッチング処理を繰り返し、断面が三角形状の層を形成する工程と、
   前記断面が三角形状の層上に金属層を生成する工程と、
   前記金属層を前記断面が三角形状の層から剥離する工程とを有する、
   ことを特徴とするスタンパの生成方法。

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