(57)【要約】【課題】誘電体単結晶からなるスラブと、貫通孔によって形成されている格子列とを備えているスラブ型２次元フォトニック結晶構造を製造するのに際して、多数の貫通孔を精度良く高効率で形成できる方法を提供することである。【解決手段】誘電体単結晶からなる誘電体単結晶基板１の一方の主面１ａをエッチングすることによって、誘電体単結晶基板１に凹部４を形成する凹部形成工程、および  誘電体単結晶基板１の他方の主面１ｂを機械加工することによって、スラブ１０を形成し、かつ凹部４を貫通させて貫通孔１１を形成する貫通孔形成工程を有する。【選択図】                図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体単結晶からなるスラブと、貫通孔からなる格子列とを備えているスラブ型２次元フォトニック結晶構造を製造する方法であって、
誘電体単結晶基板の一方の主面をエッチングすることによって、前記誘電体単結晶基板に凹部を形成する凹部形成工程、および
前記誘電体単結晶基板の他方の主面を機械加工することによってスラブを形成し、前記凹部を前記スラブに貫通させて前記貫通孔を形成するスラブ形成工程を有する
ことを特徴とする、スラブ型２次元フォトニック結晶構造の製造方法。
【請求項２】
前記誘電体単結晶基板の前記一方の主面に前記凹部を形成した後に、前記誘電体単結晶基板の前記一方の主面をベース基板上に固定する固定工程を有しており、前記誘電体単結晶基板を前記ベース基板に固定した後に前記機械加工を行うことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記貫通孔に誘電体材料を充填することによって誘電体柱を形成することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラブ型２次元フォトニック結晶構造の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘電率の異なる２種類の誘電体の繰返し構造を有する、フォトニック結晶を用いた光デバイスは、その内部多重反射現象を用いることによって、種々の高機能・超小形デバイスを実現できる。本デバイスの動作原理が多重反射現象に基づくために、フォトニック結晶基板の材質（屈折率N）と、フォトニック結晶構造の繰返し周期長ｄでほぼ決まる周波数付近で、デバイス特性は強い周波数（波長）依存性を持つ。この周波数依存性が本デバイスの特長になる。しかし、広い波長域で使用する場合には、この特長が逆に欠点にもなっていた。
【０００３】
スラブ型２次元フォトニック結晶を利用した光導波路は、例えば以下の文献に記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１７２９３２
【特許文献２】特開２００３−１５６６４２
【特許文献３】特開２００５−７０１６３
【特許文献４】特開２００２−３５０６５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、２次元3角格子フォトニック結晶光導波路構造は、作製が比較的容易である事から、実用化が盛んに進められている。しかし、誘電体単結晶に、きわめて小さい空隙ないし貫通孔を多数規則的に形成することは困難であり、生産性が低かった。また、多数のきわめて微細な貫通孔ないし空隙を、硬度の高い誘電体単結晶に対して精度良く形成することは一層困難である。この精度が低いと、スラブ型２次元フォトニック結晶構造が所期の電気光学的効果を示さない。
【０００５】
本発明の課題は、誘電体単結晶からなるスラブと、貫通孔からなる格子列とを備えているスラブ型２次元フォトニック結晶構造を製造するのに際して、多数の貫通孔を精度良く高効率で形成できる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、誘電体単結晶からなるスラブと、貫通孔からなる格子列とを備えているスラブ型２次元フォトニック結晶構造を製造する方法であって、
誘電体単結晶基板の一方の主面をエッチングすることによって、誘電体単結晶基板に凹部を形成する凹部形成工程、および
誘電体単結晶基板の他方の主面を機械加工することによってスラブを形成し、凹部をスラブに貫通させて貫通孔を形成するスラブ形成工程を有する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明者は、誘電体単結晶基板の一方の主面側からエッチングによって凹部を設け、他方の主面側から機械加工を施すことで、凹部を他方の主面側へと貫通させて貫通孔を形成することを想到した。誘電体単結晶基板にエッチングによって多数の凹部を規則的に形成する技術は実施可能であり、精度、生産性ともに高くすることが可能である。これによって、多数の凹部を規則的に誘電体単結晶基板に形成した後に、他方の主面側から機械加工することで、各凹部をそれぞれ貫通させると、得られた貫通孔の精度は、それぞれ対応する凹部の精度によってほぼ定まることになる。したがって多数の貫通孔を、高い精度で生産性良く形成することが可能である。これによって、スラブ型２次元フォトニック結晶構造の精度と生産性とを向上させ、その実用化に向けて大きく前進するので、本発明は産業上きわめて有益である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
フォトニック結晶とは、屈折率の異なる複数種の媒質によって、光の波長と同程度の周期性を形成した多次元周期構造体であり、電子のバンド構造に似た光のバンド構造を有する。そのため、特定の構造には光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）が表れる。禁制帯を有するフォトニック結晶は、光の絶縁体として機能する。
【０００９】
フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶に、周期性を乱す線欠陥を導入すると、バンドギャップの周波数領域内に導波モードが形成され、光を閉じ込める光導波路を実現できる。
【００１０】
スラブ型２次元フォトニック結晶とは、誘電体スラブに誘電体スラブよりも低い屈折率の円柱状又は多角柱状の低屈折率柱を適当な２次元周期間隔で設け、さらに誘電体スラブの上下を誘電体スラブよりも低い屈折率を持つ上部クラッド層と下部クラッド層とで挟んだフォトニック結晶のことである。
【００１１】
この結晶中に光導波路を設ける方法も特に限定されない。例えば、低屈折率の誘電体（酸化物又はポリマー）の上に高屈折率の半導体（屈折率３から３．５程度）の薄膜を付けた構造に２次元フォトニック結晶を作り込んだ構造（酸化物クラッド２次元スラブ型フォトニック結晶）は、最も容易に大面積のものが作製可能であり、好ましい。
【００１２】
また例えばフォトニック結晶の上下のクラッドを空気にしたエアブリッジ型２次元スラブフォトニック結晶も採用できる。
【００１３】
誘電体単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶を例示できる。誘電体単結晶基板は、Ｚ板、Ｘ板（Ｙ板）のいずれであってもよく、またＺ板やＸ板（Ｙ板）のオフセット基板であってよい。
【００１４】
また、貫通孔は、規則的な格子を形成するように配列する必要がある。このような格子の形態は特に限定されないが、三角格子、正方形格子を例示できる。また、貫通孔も、誘電体である空気が充填されているので誘電体柱として機能する。貫通孔内に更に空気以外の気体状あるいは固形の誘電体を充填することによって、充填された誘電体柱を形成することができる。
【００１５】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について述べる。
まず、図１（ａ）に示すように、誘電体単結晶基板（例えばウエハ）１を準備する。誘電体単結晶基板１の一方の主面１ａの全面に金属膜２を成膜する。こうした金属膜の種類は誘電体単結晶基板のエッチャントまたはエッチングガスに耐性があれば特に限定されないが、下地をＣｒとし、その上にＡｕを積層した多層膜、下地をＴｉとしその上にＡｕを積層した多層膜、タングステン膜、モリブデン膜を例示できる。成膜方法は特に限定されず、スパッタリング、蒸着を例示できる。
【００１６】
金属膜２および誘電体単結晶基板１のエッチング方法は特に限定されず、ドライエッチング、ウエットエッチングでよいが、ウエットエッチングが好ましい。
【００１７】
金属膜のエッチング方法それ自体は公知である。例えば、金用エッチャントとしては、よう素とよう化カリウムの水溶液が好ましく、クロム用エッチャントとしては、硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸の水溶液が好ましい。また、金とクロムを同時にエッチングする場合には硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸と塩酸の水溶液が好ましい。ドライエッチングの場合、金用エッチングガスとしては、Ｃｌ２が好ましく、クロム用エッチングガスとしては、ＣＣｌ４とＯ２の混合ガスが好ましい。
【００１８】
誘電体単結晶のエッチング方法それ自体も公知である。例えばエッチャントとしては、フッ化水素溶液、フッ化水素アンモニウム溶液、バッファードフッ酸溶液（フッ化水素アンモニウムとフッ化アンモニウムの混合液）水酸化ナトリウム溶液などがある。エッチングガスとしては、ＣＦ４，ＳＦ６などがある。
【００１９】
好ましくは、金属膜２上にレジスト３を形成する（図１（ｂ））。このレジスト３の形成方法は限定されないが、ステッパを用いたフォトリソグラフィを例示できる。続いて、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより金属膜２、誘電体単結晶１をエッチングし、凹部４を形成する（図１（ｃ））。次いで、不要となったレジスト３を有機溶剤により除去する（図１（ｄ））。次いで、金属膜２Ａを、例えばモリブデンの場合、硝酸とリン酸の混液により除去し、図１（ｅ）に示す、凹部４の形成された誘電体単結晶基板１を得る。
【００２０】
レジストのパターニングは、通常の露光方法によって実施できる。露光時にはコンタクトアライナーを使用することができる。
【００２１】
レジストの材質は、金属膜エッチャントに対して耐久性がなければならない。このような材質としては、ノボラック樹脂系ポジ型レジスト、主鎖切断（崩壊）型ポジ型レジスト、環化ポリイソプレン−アジド化合物系ネガ型レジスト、フェノール樹脂−アジド化合物系ネガ型レジスト、溶解抑制型電子線ポジ型レジスト、架橋型電子線ネガレジストを例示できる。
【００２２】
次に、ベース基板の加工方法について記す。
図２（ａ）に示すように、ベース基板５の一方の主面５ａに、誘電体スラブを支持するための金属膜６を成膜する。ベース基板上の金属膜の種類は特に限定されないが、下地をＣｒとし、その上にＡｕを積層した多層膜、下地をＴｉとしその上にＡｕを積層した多層膜、タングステン膜、モリブデン膜を例示できる。成膜方法は特に限定されず、スパッタリング、蒸着を例示できる。
【００２３】
次いで、金属膜６上にレジスト７を形成し（図２（ｂ））、フォトリソグラフィとウェットエッチングによりガード膜のパターニングを行い、ガード膜６Ａを形成する（図２（ｃ））。次いで、不要となったレジスト７を有機溶剤で除去する。
【００２４】
次いで、後の工程にて除去することにより、誘電体単結晶薄膜を中空に浮かせるための仮支持膜８をベース基板５上およびガード膜６Ａ上に形成する。次いで、誘電体単結晶基板との貼り合せ面を形成するために、ベース基板の他方の主面５ｂを研磨治具に固定した後、ガード膜上の仮支持膜が完全になくなるまで、仮支持膜８を研磨加工する（図５（ｅ））。
【００２５】
こうした仮支持膜の材質は特に限定されないが、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｔｉを例示できる。また、ガード膜の材質は仮支持膜のエッチャントに耐性があれば特に限定されないが、モリブデン、タングステンを例示できる。
【００２６】
また、仮支持膜およびガード膜の研磨方法は特に限定されないが、遊離砥粒、不繊布系研磨パッドを例示できる。
【００２７】
次いで、誘電体単結晶基板１を主面１ｂ側から研磨加工し、凹部４を貫通させる処理を行う。すなわち、図３（ａ）に示すように、ベース基板５のガード膜６Ａおよび仮支持膜８と、誘電体単結晶基板１の主面１ａとを対向させる。そして両者の間に接着剤を介在させ、硬化させることによって接着層９を形成する。このような接着剤の種類は特に限定されず、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤を例示できる。
【００２８】
ベース基板５と誘電体基板１との接着固定が完了した後、ベース基板５の他方の主面５ｂを研磨治具に接着固定し、誘電体基板１の他方の主面１ｂを固定砥粒の研削機で研削加工し、誘電体基板１の厚みを小さくする。次いで、誘電体基板1の研削加工した主面を、引き続き研磨加工し、誘電体基板を薄肉化する。最後に、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して誘電体基板の仕上げ研磨を行い、誘電体スラブ１０を形成する。誘電体スラブ１０には貫通孔１１が多数規則的に形成されている（図３（ｂ））。
【００２９】
ここで、機械加工の種類は、前述した研削加工および研磨加工が好ましいが、これらに限定はされない。また、研磨加工の種類は、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨加工が好ましいが、これには限定されない。また、最終的な誘電体スラブの厚さは限定されず、目的とするスラブ型２次元フォトニック結晶構造の仕様によって決定される。しかし、一例としては、誘電体スラブの厚さは、０．１〜１．０μｍとすることが好ましい。
【００３０】
次いで、図３（ｂ）の状態から、誘電体スラブ１０下の接着層９および仮支持膜８をエッチングによって除去する。すなわち、誘電体スラブ１０に形成された貫通孔１１からエッチャントを流し込んでエッチングを行う。このようなエッチャントは限定されないが、フッ化水素酸、フッ化水素アンモニウムを例示できる。
【００３１】
このエッチングによって、図３（ｃ）に示すように接着層９Ａを除去し、更に仮支持膜８を除去して空間１２を形成する（図３（ｄ））。この結果、誘電体スラブ１１の上下が空隙となり、スラブ型２次元フォトニック結晶構造を用いたデバイスとして機能する。
【００３２】
次に、誘電体スラブ１０の研磨面を有機溶剤で洗浄した後、図４（ａ）に示すように、研磨面の全面に金属膜１４を成膜する。金属膜１４は、貫通孔１１の直下にも形成される。金属膜１４の種類は特に限定されないが、下地をＣｒとし、その上にＡｕを積層した多層膜、下地をＴｉとしその上にＡｕを積層した多層膜、アルミニウム膜、タングステン膜を例示できる。金属膜１４の成膜方法は特に限定されず、スパッタリング、蒸着を例示できる。
【００３３】
そして、一般的なフォトリソグラフィによりパターニングを行い、ウェットエッチングを行うことにより、所望の電極パターン１４Ａを形成するとともに、基板５上の電極１４を除去する（図４（ｃ））。不要となったレジスト１５を有機溶剤で除去することによって、図５に示すスラブ型２次元フォトニック結晶構造１６Ａを得ることができる。
【００３４】
また、図５のデバイス１６Ａにおいて、貫通孔１１にそれぞれ誘電体材料を充填することによって、図６に示すように誘電体柱１８を形成することができる。このような誘電体材料としては、ノボラック樹脂，エポキシ樹脂を例示できる。
また、図７に示すデバイス１６Ｃのように、電極１４Ａと光導波路領域との間に存在する貫通孔１１の個数を増加させることができる。こうした設計は特に限定されるものではなく、適宜変更できる。
【００３５】
誘電体スラブは、対象とする電磁波が二次元的にスラブ伝搬可能な形状であれば問題ないが、好ましくは厚さが５μｍ以下であり，更に好ましくは３μｍ以下である。
【００３６】
本発明の構造は、種々の機能デバイスに対して適用可能である。
すなわち、この光導波路構造は、通常の光導波路の他、ポッケルス効果を利用したデバイス、電流注入によるプラズマ効果を利用したデバイス、量子井戸構造によるＥＯ効果を利用したデバイス、ヒータ温度変化によるTO効果を利用したデバイス、方向性結合器、マッハツェンダー光導波路および光変調器などに利用できる。
【００３７】
本発明の構造は、電磁波に対して効果があるために、基板材質・周期長ｄを適当に設定すれば、光波以外の電磁波に対しても同様の効果が得られる。このような電磁波としては、マイクロ波、テラヘルツ波を例示できる。
【実施例】
【００３８】
図１〜図５を参照しつつ説明した前記方法にしたがって、図５に示すスラブ型２次元フォトニック結晶構造１６Ａを作製した。
【００３９】
（誘電体単結晶基板１の凹部形成）
図１の手順にしたがって誘電体単結晶１に凹部４を形成した。
具体的には、厚み０．５ｍｍ、直径３インチのニオブ酸リチウム単結晶の円形ウェハ１を準備した。誘電体基板１の一方の主面１ａの全面に、マスクとなる厚み０．１μmのモリブデン膜２をスパッタリングにより成膜した。ステッパを用いたフォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、モリブデン膜２のエッチングマスクパターニングを行い、マスク２Ａを形成した。
【００４０】
続いて、６５℃に加温したバッファードフッ酸を用いたウエットエッチングにより、誘電体基板を１μｍエッチングした後、不要となったレジスト３を有機溶剤により除去し、モリブデンのエッチングマスク２Ａを硝酸とリン酸の混液により除去した（図１（ｅ））。
【００４１】
（ベース基板の加工）
ベース基板５の一方の主面５ａの全面に、誘電体スラブを支持するためのモリブデン膜６を２μmの厚みでスパッタにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィとウェットエッチングによりガード膜６Ａのパターニングを行った。ウェットエッチングには、４０℃に加温した硝酸とリン酸の混液を用いた。続いて、不要となったレジスト７を有機溶剤で除去し、後の工程にてバッファードフッ酸で除去することにより、誘電体スラブを中空に浮かせるためのSiO2膜を、スパッタリングにて２．５μmの厚みで成膜した。更に、誘電体基板１との貼り合せ面を出すために、ベース基板５の他方の主面５ｂを研磨治具に固定した後、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して、SiO2とモリブデンの積層膜を１．５μmの厚みになるまで研磨加工した（図２（ｅ））。
【００４２】
（基板１と５との接着および機械加工）
ベース基板５の主面５ａ側に、接着層となる有機系接着剤を塗布し、この主面５ａと誘電体基板１の凹部が形成された側の主面1ａとを貼り合せた。そして、接着層9の厚みが０．４μmになるよう、ベース基板5及び誘電体基板1にプレス機で圧力を加えて圧着し、その後２００℃の雰囲気中で１時間放置し、接着剤を硬化させてベース基板と誘電体基板とを接着した。
【００４３】
ベース基板5と誘電体基板1との接着固定が完了した後、ベース基板の他方の主面5ｂを研磨治具に接着固定し、誘電体基板1の他方の主面１ｂを固定砥粒の研削機で研削加工し、誘電体基板１の厚みを５０μｍまで薄肉化した。さらに、誘電体基板１の研削加工した主面１ｂを、引き続きダイヤモンド砥粒で研磨加工し、誘電体基板１の厚みを２μｍまで薄肉化した。最後に、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して誘電体基板１の仕上げ研磨を行い、厚さを０．５μｍとし、凹部４を貫通させて貫通孔１１を形成した（図３（ｂ））。
【００４４】
この一体型基板を、４０℃に加温したバッファードフッ酸に浸漬し、研磨によって得られた貫通孔１１からバッファードフッ酸を流入させることにより、ベース基板５上のSiO2層８を除去した（図３（ｄ））。
【００４５】
次に、誘電体スラブの研磨面を有機溶剤で洗浄した後、研磨面の全面に厚み０．０２μmのアルミを、スパッタにより成膜した（図４（ａ）。そして、一般的なフォトリソグラフィによりパターニングを行い、４０℃に加温したリン酸系エッチャントにてウェットエッチングを行うことにより、所望の電極パターンを得た（図４（ｂ））。不要となったレジスト１５を有機溶剤で除去した後、ダイシングソーにて個々に分割することにより、フォトニック結晶デバイスを得ることができた（図５）。
【００４６】
こうして得られたスラブ型２次元フォトニック結晶構造は、スラブ型２次元フォトニック結晶素子として利用可能なものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、誘電体単結晶１に凹部４を形成する手順を示す各断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、ベース基板５上にガード膜６Ａおよび仮支持膜８を形成する手順を示す各断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、誘電体単結晶基板に貫通孔１１を形成し、誘電体単結晶１の背面側に空隙１２を形成する手順を示す断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図３（ｄ）の誘電体単結晶基板に電極１４Ａを形成する手順を示す各断面図である。
【図５】本発明例で得られるスラブ型２次元フォトニック結晶構造１６Ａを示す断面図である。
【図６】本発明例で得られるスラブ型２次元フォトニック結晶構造１６Ｂを示す断面図である。
【図７】本発明例で得られるスラブ型２次元フォトニック結晶構造１６Ｃを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  誘電体単結晶基板            １ａ  誘電体単結晶基板１の一方の主面            １ｂ  誘電体単結晶１の他方の主面            ２  金属膜          ２Ａ  金属マスク            ３、  レジスト            ４  凹部              ５  ベース基板              ５ａ  ベース基板５の一方の主面              ５ｂ  ベース基板５の他方の主面            ６、６Ａ  ガード膜              ７  レジスト        ８  仮支持膜              ９  接着層              １０  誘電体スラブ            １１  貫通孔            １２  空隙            １４金属膜  １４Ａ  電極            １５  レジスト            １６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ  スラブ型２次元フォトニック結晶構造
【図１】
2008052108.tif 000003
【図２】
2008052108.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008052108.tif 000008
【図７】
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