JP5142160B2 - ３次元フォトニック結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元フォトニック結晶の製造方法に関し、さらに詳細には、半導体レーザーや光導波路などを構成する際に用いて好適な、任意に光位相制御領域（欠陥領域）を挿入可能な３次元フォトニック結晶の製造方法に関する。

従来より、固体結晶との類似性を持つ人工的な周期構造を備えたフォトニック結晶が知られている。より詳細には、フォトニック結晶とは、光の波長程度の周期で２種類以上の誘電体、半導体、金属または空気が交互に繰り返すように形成された２次元的または３次元的な周期構造を有する結晶である。

なお、本明細書においては、２次元的な周期構造を備えたフォトニック結晶を「２次元フォトニック結晶」と称することとし、３次元的な周期構造を備えたフォトニック結晶を「３次元フォトニック結晶」と称することとする。

固体結晶では原子が周期的に配列されており、その中で電子の波は結晶の周期性を感じながらある特殊な振る舞いをする。これと同様に、フォトニック結晶の周期構造の中では、電子の波ではなく光の波が、フォトニックバンドと称される分散特性によって決定されるある特殊な振る舞いをする。さらに、フォトニック結晶においては、フォトニックバンドギャップと称される光の存在を許さない禁制帯を生じさせることができる。

以上のようなことから、半導体デバイスが電子を自由に制御することができるのと同様に、３次元フォトニック結晶で構成した光学デバイスは光を自由に制御することができる可能性が高いものと見なされている。

このため、３次元フォトニック結晶で構成した光学デバイスを製造するための前提として、３次元フォトニック結晶を製造するための手法の提案がこれまでになされてきており、例えば、立体エッチング法、基板融着積層法あるいはオートクローニング法などが知られている。

ここで、立体エッチング法とは、基板を様々な角度からエッチングし、立体的な構造を備えた３次元フォトニック結晶を作成する手法である。また、基板融着積層法とは、ストライプ状に形成された複数の半導体を、レーザー光回折パターンを用いて精密に位置あわせして積層し、立体的な構造を備えた３次元フォトニック結晶を作成する手法である。さらに、オートクローニング法とは、基板に予め凹凸を形成しておき、その凹凸の上に結晶を成長させて、立体的な構造を備えた３次元フォトニック結晶を作成する手法である。

しかしながら、上記した従来の手法は、いずれも光学デバイスを構成するための３次元フォトニック結晶の製造には十分なものではなく、実用上有効な新たな手法の提案が強く望まれていた。

本発明は、上記したような要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、実用上有効な３次元フォトニック結晶の製造方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による３次元フォトニック結晶の製造方法は、２次元フォトニック結晶を形成した複数のプレートを位置合わせして積層することにより、立体的な構造を備えた３次元フォトニック結晶を作成しようとするものである。

即ち、本発明は、第１の２次元フォトニック結晶と第２の２次元フォトニック結晶とをそれぞれ備えた複数の２次元フォトニック結晶プレートを、マイクロマニピュレーション装置によりプローブの先端に付着または把持させてそれぞれ移動し、上記プローブの先端に付着または把持させての移動により、上記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれを位置合わせして、光の波長に応じた周期構造になるように積層して３次元フォトニック結晶を構成する３次元フォトニック結晶の製造方法であって、
（１）基板上に結晶層を形成し、次に上記結晶層を選択的にエッチングすることにより、上記２次元フォトニック結晶プレートがブリッジにより上記基板の外郭領域と連結され、かつ、上記外郭領域に支えられるように形成され、
（２）上記プローブにより上記２次元フォトニック結晶プレートに負荷を加えることにより上記ブリッジを破断して、該破断に伴い上記プローブの先端に上記２次元フォトニック結晶プレートを付着または把持させて移動するようにしたものである。

また、本発明は、上記ブリッジの破断したい箇所に切り込みを設けるようにしたものである。

また、本発明は、上記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれの位置合わせは、上記プローブにより上記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれを移動し、上記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれを所定の形状の構造体に突き当てて位置合わせするようにしたものである。

また、本発明は、上記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれは、枠部位に貫通孔を形成するとともに、上記枠部位の内側の領域に第１の２次元フォトニック結晶と第２の２次元フォトニック結晶とをそれぞれ備えた平板状体であり、上記プローブにより、上記複数の２次元フォトニック結晶プレートのうちの互いに隣り合う２次元フォトニック結晶プレートの上記貫通孔に位置合わせ部材を配置して位置合わせして、上記複数の２次元フォトニック結晶プレートを光の波長に応じた周期構造になるように積層したものである。

また、本発明は、上記貫通孔は円孔であり、上記円孔の半径と上記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれの厚さとが略一致し、上記位置合わせ部材は直径が上記円孔の半径の略２倍とされた球体状であるようにしたものである。

また、本発明は、上記複数の２次元フォトニック結晶プレートを光の波長に応じた周期構造になるように積層する際に、上記プローブにより光位相制御領域を構成するための微小部品を挿入するようにしたものである。

従って、上記した本発明によれば、実用上有効な３次元フォトニック結晶およびその製造方法ならびにプローブを提供することができる。

より詳細には、２次元フォトニック結晶のパターンがどんなに複雑になっても、正確に積層することが可能である。

また、サブミクロン〜ミクロンオーダーの２次元フォトニック結晶プレートや位置合わせ部材などのパーツを自由に組み立てることができるため、光制御領域（欠陥領域）として発光体や屈折率の異なる物質を点状や任意の領域で導入することができる。このように３次元の構造を自由に作製することができる手法は、フォトニック結晶の光学デバイス化に不可欠な技術である。

本発明は、以上説明したように構成されているので、実用上有効な３次元フォトニック結晶の製造方法を提供することができるという優れた効果を奏する。

より詳細には、本発明により３次元フォトニック結晶を用いた光学デバイスの実現が可能になる。３次元フォトニック結晶を用いた光学デバイスとは、例えば、低閾値レーザー素子、発光素子、無損失回路、分波器などである。レーザー素子、発光素子などの能動素子を３次元フォトニック結晶で作製した場合には、低駆動電力化および第一波長発振などの効果が得られる。また、無損失回路分波器などの受動素子を３次元フォトニック結晶で作製した場合には、従来の光ファイバーなどに比べて非常に素子が小さいので、光学回路の高集積化が可能である。

即ち、上記した本発明による３次元フォトニック結晶の製造方法は、特に以下の点で優れている。

（１）２次元フォトニック結晶プレートを積層するという手法を用いるので、作製の際に構造や部品の変形などがないため、光波長に対応した高精密な３次元フォトニック結晶を製造することができる。

（２）２次元フォトニック結晶プレートを積層するという手法を用いるので、任意の構造体を積層によって作製することができ、ダイアモンドおよびダイアモンドライク周期結晶の作成も可能であり、フォトニックバンドギャップ結晶の作製が可能となる。

（３）２次元フォトニック結晶プレートを積層するという手法を用いるので、３次元フォトニック結晶中に光位相制御領域（欠陥領域）を簡単に挿入することができる。

従って、本発明による３次元フォトニック結晶の製造方法は、光学デバイスを作製するのに適している。

図１には、本発明の実施の形態の一例による３次元フォトニック結晶が示されており、（ａ）は正面斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。 エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレートの作製手法を示す説明図である。 ＩｎＰを材料としてウッドパイル構造を形成した場合における、フォトニックバンドギャップが開く角材の幅と周期との関係を示すグラフである。 ２次元フォトニック結晶プレートの電子顕微鏡写真である。 ２次元フォトニック結晶プレートを積層して３次元フォトニック結晶を構成する手法を示す説明図である。 ２次元フォトニック結晶プレートを積層して３次元フォトニック結晶を構成する手法を示す説明図である。 ２次元フォトニック結晶プレートを積層して３次元フォトニック結晶を構成する手法を示す説明図である。 （ａ）は２次元フォトニック結晶プレートを１層積層した状態の電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の白枠部分を拡大した電子顕微鏡写真である。 （ａ）は２次元フォトニック結晶プレートを２層積層した状態の電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の白枠部分を拡大した電子顕微鏡写真である。 （ａ）は２次元フォトニック結晶プレートを３層積層した状態の電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の白枠部分を拡大した電子顕微鏡写真である。 ブリッジをプローブで押して、基板の外郭領域から２次元フォトニック結晶プレートを切り離した状態の電子顕微鏡写真である。 貫通孔に位置合わせ用の微小体を挿入してある２次元フォトニック結晶プレートの上に、切り離してプローブに吸着させた２次元フォトニック結晶を持ってきたところを示す電子顕微鏡写真である。 ２枚の２次元フォトニック結晶プレートをほぼ完全に重ね合わせた状態の電子顕微鏡写真である。 １層（１／４周期）、３層（３／４周期）ならびに４ 層（１周期）の２次元フォトニック結晶プレートをそれぞれ積層した際に、１層増えるごとに反射波を測定したときのスペクトルを示す。 他の形態のプローブを示す説明図である。 他の形態のプローブを示す説明図である。 （ａ）は２次元フォトニック結晶のパターンの一部を用いて位置合わせを行う場合を示した斜視説明図であり、（ｂ）は２次元フォトニック結晶のパターンの中に形成された貫通孔を用いて位置合わせを行う場合を示した斜視説明図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）ならびに（ｄ）は、それぞれ２次元フォトニック結晶プレートの他の位置合わせ手法を示す説明図である。 （ａ）ならびに（ｂ）は、２次元フォトニック結晶プレートの他の位置合わせ手法を示す説明図である。

以下、添付の図面に基づいて、本発明による３次元フォトニック結晶の製造方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図１（ａ）（ｂ）には、本発明の実施の形態の一例による３次元フォトニック結晶が示されており、図１（ａ）は正面斜視図であり、図１（ｂ）は図（１）（ａ）の分解斜視図である。

即ち、３次元フォトニック結晶１０は、互いに種類の異なる２種類の２次元フォトニック結晶１２ａと２次元フォトニック結晶１２ｂとをそれぞれ備えた平板状の２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとを、光の波長程度の周期で交互に積層させて形成したものである（２次元フォトニック結晶プレート１４ａは２次元フォトニック結晶１２ａを備えており、２次元フォトニック結晶プレート１４ｂは２次元フォトニック結晶１２ｂを備えている。）。

ここで、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂは、枠１６ａ、１６ｂの内側の領域に、光の波長程度の周期で２種類以上の誘電体、半導体、金属、有機物または空気などが交互に繰り返すようにして２次元フォトニック結晶１２ａ、１２ｂを形成している。なお、この実施の形態においては、枠１６ａ（１６ｂ）の内側の領域に形成された２次元フォトニック結晶１２ａ（１２ｂ）は互いに同一のパターンを備えるものであるが、これら同一のパターンの２次元フォトニック結晶を互いに９０°回転させて積層することにより、２種類の２次元フォトニック結晶が積層されるようにしている。

２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、図１（ａ）に示すように、両者を重ね合わせたときに一致するように２次元フォトニック結晶１２ａ、１２ｂならびに枠１６ａ、１６ｂの領域が寸法設定されている。なお、２次元フォトニック結晶１２ａ、１２ｂは両者を重ね合わせたときに一致するように寸法設定する必要があるが（即ち、枠１６ａ、１６ｂの内側部位の寸法は両者を重ね合わせたときに一致するように設定する必要があるが）、枠１６ａ、１６ｂの外側部位に関しては、両者を重ね合わせたときに必ずしも一致する必要はない。

また、この実施の形態においては、２次元フォトニック結晶１２ａ、１２ｂの外側部位（即ち、枠１６ａ、１６ｂの内側部位）ならびに枠１６ａ、１６ｂの外側部位は正方形状に構成されているが、このような形状に限られるものではないことは勿論である。

ここで、２次元フォトニック結晶プレート１４ａならびに２次元フォトニック結晶プレート１４ｂの厚さｔは、例えば、３ｎｍ〜１ｍｍ程度の厚さである。また、正方形状の２次元フォトニック結晶プレート１４ａならびに２次元フォトニック結晶プレート１４ｂの一辺をＬとすると、一辺Ｌの長さは、例えば、１０ｎｍ〜１０ｍｍ程度の大きさである。さらに、「Ｌ×Ｌ」により得られる２次元フォトニック結晶プレート１４ａならびに２次元フォトニック結晶プレート１４ｂの面積は、例えば、「１０ｎｍ×１０ｎｍ＝１００ｎｍ^２」〜「１０ｍｍ×１０ｍｍ＝１００ｍｍ^２」程度の大きさである。

さらに、枠１６ａと枠１６ｂとの適宜の箇所には、複数の円形状の貫通孔１８がそれぞれ形成されている。これら枠１６ａと枠１６ｂとに形成された複数の貫通孔１８は、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂと重ね合わせたときに、少なくともそれらの一部が互いに一致して連通するように寸法ならびに配置が設定されている。また、貫通孔１８の半径ｒ（貫通孔１８の直径を２ｒとする。）と２次元フォトニック結晶プレート１４ａならびに２次元フォトニック結晶プレート１４ｂの厚さｔとは、互いに一致するように寸法設定されている。

そして、この３次元フォトニック結晶１０においては、位置合わせ部材として貫通孔１８の直径２ｒと一致する直径２ｒを備えた球体状の微小体２０を、積層した際に互いに隣り合う２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとの貫通孔１８に配置して位置合わせすることにより、積層した際に互いに隣り合う２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとの位置合わせが行われ、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとが適正な位置に積層されることになる。

以上の構成を備えた３次元フォトニック結晶１０は、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂと重ね合わせることにより製造するものであるが、その重ね合わせの処理は、マイクロマニュピュレーションによりプローブを利用して行われる。

即ち、まず、マイクロマニュピュレーションによりプローブを利用して、微小体２０を２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（または２次元フォトニック結晶プレート１４ｂ）の貫通孔１８内に嵌入して配置する。

ここで、プローブとは、先端の径がサブミクロン〜ミクロンオーダーに寸法設定された針や、内部に静電吸着のための電極構造を有するものや、先端に微細なピンセットなどの把持機構を有するものを含むものとする。

微小体２０が２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（または２次元フォトニック結晶プレート１４ｂ）の貫通孔１８内に嵌入された際には、微小体２０の半球分の部位が２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（または２次元フォトニック結晶プレート１４ｂ）の表面から突出することになる。

そして、貫通孔１８内に微小体２０を嵌入された２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（または２次元フォトニック結晶プレート１４ｂ）の２次元フォトニック結晶ａ（または２次元フォトニック結晶１２ｂ）のパターンとは９０度回転したパターンを備えるようにして、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（または２次元フォトニック結晶プレート１４ｂ）の表面から突出した微小体２０の半球分の部位に、２次元フォトニック結晶プレート１４ｂ（または２次元フォトニック結晶プレート１４ａ）の貫通孔１８を嵌入させて位置合わせを行い、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとを積層する。

上記した作業を繰り返すことにより、３次元的な周期構造を備えた３次元フォトニック結晶１０を製造することができる。

以下、３次元フォトニック結晶１０の製造方法について、実施例を示しながら詳細に説明する。

（１）結晶成長
まず、はじめに、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照しながら、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとを製造する際の手法について説明する。２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、所定の基板上に結晶層を成長させることにより製造されるものである。

この実施例においては、
基板 ＩｎＰ（面方位（１００）±０．５度
インジウム源 トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）
ガリウム源 トリエチルガリウム（ＴＥＧ：Ｇａ（ＣＨ_２ＣＨ_３）_３）
燐源 ホスフィン（ＰＦ_３）
ヒ素源 アルシン（ＡｓＨ_３）
成長温度 ６４０度〜６８０度
という条件を用いた。

また、結晶成長の手法としては、有機金属気相反応成長法（ＭＯＶＣＤ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いた。ＴＭＩは常温で固体であり、また、ＴＥＧは常温で液体であるので、それぞれが密封された容器を２０度〜３０度の恒温漕に設置し、内部に水素を送り込んで、水素にＴＭＩとＴＥＧとを飽和させ、それを反応器に送るようにした。ＩｎＰ基板上にインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を１μｍ〜３μｍ成長させ、その上にインジウム・燐（ＩｎＰ）を０．５μｍ〜２μｍ成長させた（図２（ａ）参照）。

（２）マスク作製
後のドライエッチングの際のマスクとして使用するため、上記した「（１）結晶成長」で作製した基板上に、蒸着によりチタンを２０ｎｍ積層し、チタン上にニッケルを４００ｎｍ〜１μｍ積層する。

（３）描画
フォトリソグラフィのレジストとしては、ＺＥＰ５２０−２２（商標）を使用した。上記「（２）マスク作成」で作成したニッケル層の上にＺＥＰ５２０−２２（商標）を５００ｎｍの厚さ塗布し、１８０度で２０分間加熱した。

ここで、２次元フォトニック結晶１２ａ、１２ｂのパターン描画に用いた装置は、ＪＢＸ−５Ｄ ＩＩ（ＪＥＯＬ製）である。パターンは、図２（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）が細いブリッジ３２により基板の外郭領域３０と連結され、ブリッジ３２により支えられた構造である。枠１６ａ（１６ｂ）の部位には、微小体２０を嵌入するための貫通孔１８を形成するようになされている。この実施例においては、貫通孔１８としては直径１μｍの円孔を作製した。

なお、現在までのところ、フォトニックバンドギャップができるのはダイアモンドおよびダイアモンドライク構造だけである。この実施例に示すパターン、即ち、図１乃至図２に示す２次元フォトニック結晶１２ａ、１２ｂのパターンは、所謂、ウッドパイル構造というダイヤモンドライク構造を構成するためのものである。ウッドパイル構造とは、ストライプ状に並べた角材の上に、下のストライプに対して直角となるようにストライプ状の角材を並べていき、第１層と第３層および第２層と第４層は半周期ずつずれている構造である。

図１に示す２次元フォトニック結晶１２ａ、１２ｂのパターンは、位置合わせの孔たる貫通孔１８と位置合わせ部材たる微小体２０により、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂを正確な位置に固定しながら積層すると、自動的にウッドパイル構造になるように設計されている。ＩｎＰを材料として４μｍ帯にフォトニックバンドギャップが開くように設計した場合には、板の厚さを０．５μｍに固定すると、フォトニックバンドギャップが開く角材の幅と周期との関係は図３に示すようになる。２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの大きさは、一辺Ｌを６０μｍ程度まで大きくするようにしてもよい。

パターンの描画後に、以下の条件でパターンの現像を行った。即ち、現像液と洗浄液とは、
現像液：オルトキシレン（ｏ−Ｘｙｌｅｎｅ；ベンゼン環の隣り合った角にそれぞれメチル基（ＣＨ_３−）が結合した有機化合物）：イソプロピルアルコール（ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｌｃｏｈｏｌ；（ＣＨ_３）_２ＣＨＯＨ）＝８：１
洗浄液：イソプロピルアルコール
である。

そして、現像液中で２０秒間〜３分間保持し、その後、洗浄液中で２０秒間〜３分間保持する。その後に、エアーガンで洗浄液中を乾燥させる。

（４）ドライエッチング
（４−１）レジストから金属マスクへのパターンの転写
金属マスクのドライエッチングには、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｏｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）イオンシャワー装置を用いた。Ｎｉ層をエッチングするための条件は、
ガス：アルゴン
圧力：０．５×１０^−４Ｔｏｒｒ〜１．５×１０^−４Ｔｏｒｒ
加速電圧：０．５ｋＶ〜１．０ｋＶ
マイクロ波出力：５０Ｗ〜１００Ｗ
イオン電流密度：０．４ｍＡ／ｃｍ^２〜０．８ｍＡ／ｃｍ^２
エッチング時間：５分〜１０分
温度：室温
である。

続いて、チタンをエッチングするが、そのときの条件は、
ガス：四フッ化炭素（ＣＦ_４）
圧力：０．５×１０^−４Ｔｏｒｒ〜１．５×１０^−４Ｔｏｒｒ
加速電圧：０．５ｋＶ〜１．０ｋＶ
マイクロ波出力：５０Ｗ〜１００Ｗ
イオン電流密度：０．４ｍＡ／ｃｍ^２〜０．８ｍＡ／ｃｍ^２
エッチング時間：５分〜１０分
温度：室温
である。

最後に残ったレジストを完全に除去するため、以下の条件でレジストを燃焼させた。

ガス：酸素
圧力：０．５×１０^−４Ｔｏｒｒ〜１．５×１０^−４Ｔｏｒｒ
加速電圧：０．５ｋＶ〜１．０ｋＶ
マイクロ波出力：５０Ｗ〜１００Ｗ
イオン電流密度：０．４ｍＡ／ｃｍ^２〜０．８ｍＡ／ｃｍ^２
エッチング時間：５分〜１０分
温度：室温

（４−２）金属マスクからＩｎＰ層へのパターン転写
ＩｎＰのエッチングにはＩＣＰを用いた。塩素（Ｃｌ_２）雰囲気下で、３０秒〜３分のエッチングを行った。

（５）ウエットエッチング
（５−１）金属マスクの剥離
上記（４）で説明したドライエッチング処理で残った金属マスクを剥離するため、バッファードフッ酸（２０．８％）中で１０分程度振り、最後に純水洗浄する。バッファードフッ酸にはニッケル層は溶解しないが、下のチタン層が溶解するため、金属マスクを完全に除去することができる。

（５−２）ＩｎＧａＡｓ層の部分溶解
ＩｎＰの２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の下にあるＩｎＧａＡｓ層を溶出・除去し、ＩｎＰの２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）がブリッジ３２で外郭領域３０に支えられているのみの状態（図２（ｃ）参照）にするために、エッチング溶液（硫酸：過酸化水素：水＝１：１：３）中で１０秒〜６０秒間振り、その後に純水洗浄する。

図４には、上記のようにして得られた２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の電子顕微鏡写真が示されている。

なお、本明細書においては、外郭領域３０に細いブリッジ３０のみで連結されて、ブリッジ３２により空中に浮いたように支持された状態の２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を「エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート」と称することとする。

（６）積層
上記のように形成されたエアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を、マイクロマニピュレーション装置に固定する。

ここで、マイクロマニピュレーション装置とは、サブミクロン〜ミクロンオーダーの物質を操作するための装置である。マイクロマニピュレーション装置には試料台やプローブが設けられており、プローブなどを自由に操作することにより、エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を外郭領域３０から切り離したり持ち上げることができる。

このマイクロマニピュレーション装置を走査型電子顕微鏡の試料室内に設置し、電子顕微鏡観察下で、マイクロマニピュレーション装置の可動軸に電気的に接続されたジョイスティックを操作しながら、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の積層をおこなった。マイクロマニピュレーション装置には、３本のプローブを一度に装着できるので、用途別に太さの異なるプローブを取り付けておき、種々の操作を一々真空を破ることなく連続して行うことができる。

以下、図５〜図７を参照しながら、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を積層して３次元フォトニック結晶３０を構成する手順について説明する。

（１）手順１
エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の周囲に、微小体２０をばらまいておく。この際に、エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の上に微小体２０が乗らないように注意する。

それから、プローブ４０の先端に微小体２０を付着させ、微小体２０を付着させたプローブ４０の移動により、枠１６ａ（１６ｂ）に形成された貫通孔１８に微小体２０を嵌入する（図５（ａ）参照）。

ここで、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）に形成された貫通孔１８の半径と２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の厚さとは同じである。つまり、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとを二枚重ねたときに、二枚の２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の同じ位置に開けられた貫通孔１８が形成する円柱の直径と高さは同じである。微小体２０の直径は、上記した円柱の直径および高さと一致する。微小体２０の材料は、例えば、ポリスチレンなどのプラスチック、シリカなどの無機化合物あるいは２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）と同じ材料の物質である。

この微小体２０を操作するためには、先端の径が０．５μｍ程度のプローブ４０を用いる。プローブ４０で微小体２０の頂部を触ると、静電力および/あるいはファンデルワールス力で微小体２０がプローブ４０の先端に吸着する。これを、第一層目となるエアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の貫通孔１８に嵌入するか（図５（ｂ）参照）、あるいはフォトニック結晶パターンがＩｎＰ基板に到達するまでエッチングした際は、エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を取り除き、ＩｎＰ基板に刻まれた２次元フォトニック結晶パターンの孔（貫通孔１８に対応する。）に嵌入した（図６（ａ）参照）。

（２）手順２
次に、第二層目のエアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）にプローブ４０を押しつけて、エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）をブリッジ３２から切り離し、プローブ４０により持ち上げ、微小体２０を挿入済みの第一層の上に載せる（図６（ａ）（ｂ）または図７（ａ）（ｂ）参照）。この操作には、先端の径が１０マイクロメートル程度のプローブ４０を用いる。

なお、エアーブリッジ型２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）をブリッジ３２から切り離す際に、予めブリッジ３２の破断したい箇所に鋭い切り込みを入れておくと、当該切り込みの箇所でブリッジ３２を破断することができるようになるので有効である。

２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）とブリッジ３２との接合部位に切り込みを形成しておくと、この切り込み部分をプローブ４０で押すことにより、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）とブリッジ３２とは簡単に切り離される。切り離した２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）は、微小体２０をプローブ４０で持ち上げる際と同様に、プローブ４０の先端で触れればプローブ４０の先端に吸着される。

（３）手順３
２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を、貫通孔１８に微小体２０を挿入済みの２次元フォトニック結晶プレート１４ｂ（１４ａ）へ積層する際に、微小体２０の半球分の突出部位が位置合わせのガイドとなり、正しい積層位置付近に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を近づけると、微小体２０と２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の貫通孔１８とが係合し、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）は自動的に正しい位置へ固定される。さらに、積層された２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を下のプレートへ押しつけると、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）同士が密着する。

（４）手順４
上記した手順１乃至手順３の操作を繰り返す。

なお、図８（ａ）には２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を１層積層した状態の電子顕微鏡写真が示されており、図８（ｂ）には図８（ａ）の白枠部分を拡大した電子顕微鏡写真が示されている。

同様に、図９（ａ）には２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を２層積層した状態の電子顕微鏡写真が示されており、図９（ｂ）には図９（ａ）の白枠部分を拡大した電子顕微鏡写真が示されている。

また同様に、図１０（ａ）には２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を３層積層した状態の電子顕微鏡写真が示されており、図１０（ｂ）には図１０（ａ）の白枠部分を拡大した電子顕微鏡写真が示されている。

また、図１１には、ブリッジ３２をプローブ４０で押して、基板の外郭領域３０から２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を切り離して破断した状態の電子顕微鏡写真が示されている。

図１２には、貫通孔１８に位置合わせ用の微小体２０を挿入してある２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の上に、破断してプローブ４０に吸着させた２次元フォトニック結晶１４ｂ（１４ａ）を持ってきたところを示す電子顕微鏡写真が示されている。

図１３には、２枚の２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）をほぼ完全に重ね合わせた状態の電子顕微鏡写真が示されている。

次に、上記した実施例の光学特性について説明する。なお、光学特性の測定条件は、
測定装置：反射波のスペクトル測定装置
分解能：１６ｃｍ^−１
入射角：２０度（広がり角度±１０度）
２０度を中心にコーン状の光が試料に入射している状態。

偏光：なし
検出器：ＭＣＴ，７７Ｋ冷却
スキャン回数：１０２４回
走査波長域：１．４３μｍ〜１４．３μｍ
検出した光：反射光
である。

実施例に示す３次元フォトニック結晶は、４μｍ域にフォトニックバンドギャップが開くよう設計してあるので、反射波を測定した場合には、４μｍ域の光は３次元フォトニック結晶から完全に反射されるはずである。

図１４は、１層（１／４周期）、３層（３／４周期）ならびに４ 層（１周期）の２次元フォトニック結晶プレートをそれぞれ積層した際に、１層増えるごとに上記の条件で反射波を測定したときのスペクトルである。層が増やされるにつれ、４μｍ帯の波長のピークが大きくなった。これは、徐々にフォトニックバンドギャップが形成されていることを示す。また、ピークの中央に現れている鋭いギャップは空気中の二酸化炭素のＣ＝０伸縮よる吸収によるものである。２μｍ帯に現れているピークは、より高次のモードによる反射である。

なお、フォトニックバンドギャップの波長閾は、例えば、１００ｎｍ〜１ｍｍに設定することができる。

以上において説明した通り、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）において、プレートの面に対して垂直方向の位相を任意に変化させ、それ設計通りに積層することができる。これは、フォトニックバンド結晶の作製に適した方法である。

また、上記した実施の形態においては、リソグラフィの技術を用いているため、任意の光位相制御領域（欠陥領域）の導入が可能となる。

即ち、上記のようにして２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を積層して３次元フォトニック結晶１０を作製する際に、単にプローブ４０を用いて２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）を積層するのみではなく、光位相制御領域（欠陥領域）を構成するための発光体や欠陥部品などの微小部品を、プローブ４０を用いて３次元フォトニック結晶を作製する際の２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の積層中に挿入（埋め込み）をすることができる。

これら微小部品の材質は、積層中の２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）と同じ材質である必要はなく、上記した発光体や屈折率の異なる材質を用いることができる。

さらに、上記した実施の形態においては、リソグラフィの技術を用いているため、サブミクロン程度の３次元微細構造を構築することができる。その結果、波長０．２μｍ〜１０μｍの光の波長域に用いる光学素子に応用可能である。

なお、上記した実施の形態ならびに実施例は、以下の（１）乃至（８）に示すように変形してもよい。

（１）上記した実施の形態においては、プローブ４０として、ガラスファイバーの周囲を金属コーティングしたプローブを用いており、このプローブの先端（ガラスファイバーの部分）の径が０．５μｍ程度であるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、プローブの材質としては、ガラスや金属などを適宜に用いることができる。また、プローブの先端に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）や微小体２０を吸着する際の吸着力を、電界のオン／オフにより制御することができるようなものでもよい。さらに、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）との接触面積を大きくして吸着能力を向上するために、プローブの先端の径をミクロンオーダーよりも大きくしてもよく、例えば、１０ｎｍ〜１ｍｍとすることができる。

より詳細には、例えば、図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなプローブを用いることができる。この図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すプローブ４００は、内部芯４０２と、内部芯４０２の周囲に形成された絶縁層４０４と、絶縁層４０４のの先端部Ｔを除く外周上に形成された外部金属膜４０６とを有して構成されている。

ここで、内部芯４０２はタングステンなどのかたい金属を用い、絶縁層４０４はＣＶＤなどを用いてＳｉＯ_２やＳｉＮｘなどを成膜して形成する。また、外部金属膜４０６は、ＮｉやＡｕを蒸着などの方法で成膜して形成する。

絶縁層４０４により形成されている先端部Ｔは、平坦面の形状を備えるように構成されており、その大きさは、例えば、先端部Ｔが正方形であるならば、「１μｍ×１μｍ＝１μｍ^２」〜「１０ｍｍ×１０ｍｍ＝１００ｍｍ^２」である。

このプローブ４００においては、内部芯４０２と外部金属膜４０６との間に電圧をかけることによって、先端部Ｔの縁部付近に電界がかかり、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）や微小体２０を静電吸着することができる。

ここで、外部金属膜４０６は、外部へ電界を漏らさないシールドの機能も達成している。なお、シールドがないと、電子顕微鏡で観察する場合に画像を乱すことになる。このため、シールドを設けるようにすることが好ましい。

また、外部金属膜４０６は、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の電位を安定させる役割も果たしている。一般に、電子顕微鏡観察下の微小物体は、そのときの観察条件やそれまでの履歴により、様々な電位に帯電している。従って、必ずしも電圧を加えたプローブに対して吸着されるとは限らない。

しかしながら、外部金属膜４０６が２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）に接触するようにしておけば、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）の電位が外部金属膜４０６と等電位に固定されるので、常に目的通りに再現性よく吸着あるいは離脱できる。

また、図１６（ａ）（ｂ）には、他のプローブの構成が示されている。このプローブ４１０は、図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなプローブの先端電極を櫛形にして、吸着能力を高めたものである。

即ち、このプローブ４１０は、先端部が平坦面とされた絶縁体針４１２に第１電極４１４と第２電極４１６とを形成する。この際に、第１電極４１４と第２電極４１６とは、絶縁体針４１２の先端部の平坦面において櫛形電極（第１電極４１４と第２電極４１６との凸部と凹部とが、互いに噛み合うように配置されている電極である。）を構成するように配設する。

上記したように第１電極４１４と第２電極４１６とを形成した後に、その上にＳｉＯ_４などの絶縁膜４１８を成膜して被覆し、絶縁体針４１２の平坦面とされた先端部側を除く絶縁膜４１８の外周上に金属シールド４２０を形成するようにしたものである。

上記したプローブ４１０においては、第１電極４１４と第２電極４１６とに、金属シールド４２０（アース）に対して異なる電圧をかけることによって、絶縁体針４１２の先端部の平坦面に電界がかかり、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ（１４ｂ）や微小体２０を静電吸着することができる。

（２）上記した実施の形態においては、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂに形成された貫通孔１８に微小体２０を嵌入させることにより、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂを重ね合わせるときの位置合わせを行ったが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、壁面などの所定の形状を備えた構造体に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂを突き当てて位置合わせを行うようにしてもよい。なお、この場合には、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、各部位が同一の寸法に設定されていることが好ましい。

具体的には、図１８（ａ）に示すように、少なくとも一つの角部を備えるとともに凹凸を形成された壁面５００を構築し、この壁面５００に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂの外側面を突き当てて位置合わせを行うようにしてもよい。なお、この場合にも、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、各部位が同一の寸法に設定されていることが好ましい。

同様に、図１８（ｂ）に示すように、少なくとも一つの角部を備えた平坦な壁面５０２を構築し、この壁面５０２に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂの外側面を突き当てて位置合わせを行うようにしてもよい。なお、この場合にも、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、各部位が同一の寸法に設定されていることが好ましい。

また、図１８（ｃ）に示すように、円柱体５０４を複数立設し、これら円柱体５０４に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂの外側面を突き当てて位置合わせを行うようにしてもよい。なお、この場合にも、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、各部位が同一の寸法に設定されていることが好ましい。

また、図１８（ｄ）に示すように、凹所を形成し、凹所５０６によって形成される壁面５０６ａに２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂの外側面を突き当てて位置合わせを行うようにしてもよい。なお、この場合にも、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、各部位が同一の寸法に設定されていることが好ましい。

また、図１９（ａ）に示すように、直方体５０８を複数立設し、これら直方体５０８に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂの外側面を突き当てて位置合わせを行うようにしてもよい。なお、この場合にも、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、各部位が同一の寸法に設定されていることが好ましい。

また、図１９（ｂ）に示すように、Ｌ字形状部材５１０を複数立設し、これらＬ字形状部材５１０に２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂの外側面を突き当てて位置合わせを行うようにしてもよい。なお、この場合にも、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとは、各部位が同一の寸法に設定されていることが好ましい。

上記したような手法によれば、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂに貫通孔１８などを形成する必要がなく、また微小体２０を用いる必要もないので、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの位置合わせを簡便に行うことができる。

（３）２次元フォトニック結晶プレートの材質としては、例えば、
・ＩＩＩ−Ｖ族、Ｖ１族、ＩＩ−ＶＩ族半導体
例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体
Ｓｉ，Ｇｅ、ＳｉＧｅ系半導体
ＡｌＩｎＧａＮ系半導体
ＺｎＭｇＣｄＴｅＳｅ系半導体など
・ＳｉＮｘ，ＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２などの絶縁体
・ＰＭＭＡ、ポリイミドなどの有機質
などを用いることができる。

（４）上記した実施の形態においては、２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂに形成された貫通孔１８の形状を円形とし、微小体２０を球体状に構成したが、これに限られるものではないことは勿論である。２次元フォトニック結晶プレート１４ａ、１４ｂの枠１６ａ、１６ｂに形成された貫通孔１８の形状は、正方形や長方形などの任意の形状としてよく、また、微小体２０の形状も、貫通孔１８の形状に適合するように立方体や直方体などの任意の形状としてよい。

（５）上記した実施の形態においては、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとの２種類の２次元フォトニック結晶プレートを用い、これらを光の波長に応じた周期構造になるように交互に積層して３次元フォトニック結晶１０を形成する場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、３種類以上の２次元フォトニック結晶プレートを用い、これら３種類以上の２次元フォトニック結晶プレートを光の波長に応じた周期構造になるように積層して３次元フォトニック結晶を構成するようにしてもよい。

（６）上記した実施の形態においては、説明は省略したが、上記した実施の形態における２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとのように、三次元フォトニック結晶を構成するために必要な複数種類の２次元フォトニック結晶プレートを１枚の基板上に一括して作成してもよいし、それぞれ異なる基板上に作成するようにしてもよい。

（７）上記した実施の形態においては、貫通孔１８は枠１６ａ、１６ｂに形成したが、これに限られるものではないことは勿論である。

例えば、図１７（ａ）に示すように、複数の２次元フォトニック結晶プレートのうちの互いに隣り合う２次元フォトニック結晶プレートを正確に張り合わせた場合に、当該張り合わせた２次元フォトニック結晶プレートの２次元フォトニック結晶のパターンの中で、当該張り合わせた２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれを貫通するパターンが一致する箇所を貫通孔として用いてもよい。

また、図１７（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶プレートの２次元フォトニック結晶のパターンに囲まれた領域に貫通孔を形成し、この貫通孔に位置合わせ部材を配置するようにしてもよい。

（８）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（７）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

１０ ３次元フォトニック結晶
１２ａ、１２ｂ ２次元フォトニック結晶
１４ａ、１４ｂ ２次元フォトニック結晶プレート
１６ａ、１６ｂ 枠
１８ 貫通孔
２０ 微小体

Claims (6)

1. 第１の２次元フォトニック結晶と第２の２次元フォトニック結晶とをそれぞれ備えた複数の２次元フォトニック結晶プレートを、マイクロマニピュレーション装置によりプローブの先端に付着または把持させてそれぞれ移動し、前記プローブの先端に付着または把持させての移動により、前記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれを位置合わせして、光の波長に応じた周期構造になるように積層して３次元フォトニック結晶を構成する３次元フォトニック結晶の製造方法であって、
   （１）基板上に結晶層を形成し、次に前記結晶層を選択的にエッチングすることにより、前記２次元フォトニック結晶プレートがブリッジにより前記基板の外郭領域と連結され、かつ、前記外郭領域に支えられるように形成され、
   （２）前記プローブにより前記２次元フォトニック結晶プレートに負荷を加えることにより前記ブリッジを破断して、該破断に伴い前記プローブの先端に前記２次元フォトニック結晶プレートを付着または把持させて移動する
   ことを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法において、
   前記ブリッジの破断したい箇所に切り込みが設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
3. 請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法において、
   前記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれの位置合わせは、
   前記プローブにより前記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれを移動し、前記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれを所定の形状の構造体に突き当てて位置合わせする
   ことを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
4. 請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法において、
   前記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれは、枠部位に貫通孔を形成するとともに、前記枠部位の内側の領域に第１の２次元フォトニック結晶と第２の２次元フォトニック結晶とをそれぞれ備えた平板状体であり、
   前記プローブにより、前記複数の２次元フォトニック結晶プレートのうちの互いに隣り合う２次元フォトニック結晶プレートの前記貫通孔に位置合わせ部材を配置して位置合わせして、前記複数の２次元フォトニック結晶プレートを光の波長に応じた周期構造になるように積層した
   ことを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
5. 請求項４に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法において、
   前記貫通孔は円孔であり、
   前記円孔の半径と前記複数の２次元フォトニック結晶プレートのそれぞれの厚さとが略一致し、
   前記位置合わせ部材は直径が前記円孔の半径の略２倍とされた球体状である
   ことを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
6. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法において、
   前記複数の２次元フォトニック結晶プレートを光の波長に応じた周期構造になるように積層する際に、前記プローブにより光位相制御領域を構成するための微小部品を挿入する
   ことを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。