(57)【要約】【課題】精度よく、簡易に、低コストで、複雑な３次元構造、特にナノフォトニック結晶における３次元周期構造を製造することができ、デバイス特性の向上を図ることが可能な３次元フォトニック結晶の製造方法、３次元フォトニック結晶を提供する。【解決手段】３次元フォトニック結晶の製造方法であって、  第１の面と、第２の面とが第１の角度で交差する面を有する母材を用意する工程と、  前記第１の面に第１のマスクを形成する工程と、  前記第１のマスクを用いて、前記第１の面に対して第２の角度からドライエッチングし、前記母材に細孔を形成する工程と、  前記第２の面に第２のマスクを形成する工程と、  前記第２のマスクを用いて、前記第２の面に対して第３の角度からドライエッチングし、前記母材に細孔を形成する工程と、を含み、  前記第１のマスク及び第２のマスクは、前記母材のマスク形成面の表層内に、集束イオンビームよるイオン注入によって形成される。【選択図】            図１
2008286833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元フォトニック結晶の製造方法であって、
第１の面と、第２の面とが第１の角度で交差する面を有する母材を用意する工程と、
前記第１の面に第１のマスクを形成する工程と、
前記第１のマスクを用いて、前記第１の面に対して第２の角度からドライエッチングし、前記母材に細孔を形成する工程と、
前記第２の面に第２のマスクを形成する工程と、
前記第２のマスクを用いて、前記第２の面に対して第３の角度からドライエッチングし、前記母材に細孔を形成する工程と、
を含み、
前記第１のマスク及び第２のマスクは、前記母材のマスク形成面の表層内に、集束イオンビームよるイオン注入によって形成され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。
【請求項２】
前記３次元フォトニック結晶の母材が、単結晶またはアモルファス状態のＳｉまたはＳｉの化合物で形成されることを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項３】
前記イオンは、ＧａイオンまたはＩｎイオンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の形成方法。
【請求項４】
前記第１のマスク及び第２のマスクを形成する工程の前に、前記母材表面の少なくとも一部に被膜を形成する工程を有し、
前記第１のマスク及び第２のマスクを形成する工程の後に、前記被膜の少なくとも一部をエッチング処理によって選択的に除去するプロセスを、
更に含むことを特徴とする請求項１乃至３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。
【請求項５】
前記被膜を形成する工程において、
前記母材を雰囲気中で熱処理することによって、該母材の表面成分を雰囲気ガスと反応させ、該母材表面の少なくとも一部に酸化膜または窒化膜を形成させることを特徴とする請求項４に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項６】
前記母材の第１の面及び第２の面に細孔を形成する工程において、
前記ドライエッチングが、フッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項１乃至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。
【請求項７】
前記母材を用意する工程において、前記第１の角度が、１０°以上１７０°以下であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項８】
前記母材の第１の面及び第２の面に細孔を形成する工程において、前記第２の角度及び第３の角度が、それぞれ１０°以上９０°以下であることを特徴とする請求項１乃至７に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項９】
前記第２のマスクを形成する工程は、前記第２のマスクを形成するに際し、該第２のマスクが前記第１のマスクに対して、前記第１及び第２の面が交差する交差部の稜線方向において、
互いに重ならない位置に形成され、または一部が重なる位置に形成するプロセスを含むことを特徴とする請求項１乃至８に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項１０】
前記第２のマスクを形成するに際し、前記第１の面に形成された位置合わせマークが用いられることを特徴とする請求項９に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項１１】
複数の柱状部を平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層を複数備え、これらストライプ層を該ストライプ層の厚さ方向に配列して構成された３次元周期構造を有する３次元フォトニック結晶であって、
前記３次元周期構造は、複数の柱状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置された第１のストライプ層と、
前記第１のストライプ層に属する各柱状部上に、該各柱状部と異なる方向に延びる柱状部を有する第２のストライプ層と、
上記第２のストライプ層上に、上記第１のストライプ層に属する各柱状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置する第３のストライプ層と、
上記第３のストライプ層上に、上記第２のストライプ層に属する各柱状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置する第４のストライプ層と、
を備え、
上記第１から第４のストライプ層に属する各柱状部が一体的に形成され、上記第１から第４のストライプ層を一組として、複数組を順次、該ストライプ層の厚さ方向に配列した構造を有することを特徴とする３次元フォトニック結晶。
【請求項１２】
前記ストライプ層に属する各柱状部は、異なった断面形状を有していることを特徴とする請求項１１に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項１３】
前記ストライプ層に属する各柱状部は、該柱状部の長さ方向において断面形状および断面積が均等に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項１４】
前記ストライプ層に属する各柱状部が、中空部を有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項１５】
前記各柱状部と異なる方向に延びる柱状部の交差領域に、該交差領域の面積より大きく、
且つ前記各柱状部の長さ方向と一致するジョイント部が配置されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元フォトニック結晶の製造方法、および３次元フォトニック結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、構成物質の屈折率が周期的に分布している構造体であり、構造設計だけで斬新な機能を実現可能な人工材料である。
フォトニック結晶の最も大きな特徴として、構成材料の屈折率差と構造の周期性によって、特定の電磁波が伝搬できない領域、いわゆるフォトニックバンドギャップを形成する。
フォトニック結晶中の屈折率分布に適切な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）が形成される。
これによって、フォトニック結晶は電磁波を自由自在に制御できる。その上、フォトニック結晶を用いたデバイスのサイズは、従来のデバイスよりはるかに小型化することができる。
また、３次元フォトニック結晶は、構成物質の屈折率分布が、３次元的な周期を持ち、欠陥位置に存在する電磁波が外部に漏れにくいという特徴を有する。
つまり、電磁波伝搬の制御は、３次元フォトニック結晶が最も適している。
【０００３】
このような３次元フォトニック結晶において、その代表的な構造の一つとして、特許文献１に開示されているウッドパイル構造（あるいはロッドパイル構造）が知られている。
この３次元フォトニック結晶におけるウッドパイル構造は、図６に示すような構造を有している。
図６において、３００は３次元周期構造であり、複数のロッド３０１を平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層を複数備え、これらを順次積層した構造を有している。また３０５はロッドの断面である。
具体的には、複数のロッドを平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した第１のストライプ層と、
上記第１のストライプ層上に、該第１のストライプ層に属する各ロッドと直交するようにして積層された第２のストライプ層と、
上記第２のストライプ層上に、上記第１のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第３のストライプ層と、
上記第３のストライプ層上に、上記第２のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第４のストライプ層と、
上記第１から第４のストライプ層を一組として、複数組を順次積層して、３次元周期構造が構成されている。
ここでのフォトニック結晶の構造の周期は、制御したい電磁波の波長の半分程度である。たとえば、可視光用フォトニック結晶デバイスでは、ロッドの面内周期は２５０ｎｍ程度である。
【０００４】
また、より広い波長領域で完全フォトニックバンドギャップを呈するため、特許文献２では、ジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造が提案されている。
このジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造は、図７に示すような構造を有している。
図７において、３００は３次元周期構造であり、ウッドパイル構造ロッドに相当するロッド部３１０の交点に、該交差領域の面積より大きいジョイント部３２０が配置された構造を有している。
【０００５】
このような微細３次元構造を有する３次元フォトニック結晶は、理想的なデバイス特性が期待される反面、一般的に、構造が複雑で、製造するのに煩雑で数多くの工程を要する。
また、制御したい電磁波の波長が短いほど、構造周期が小さくなり、必要となる構造のｃｒｉｔｉｃａｌ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ（ＣＤ）も小さくなるので、層間位置合せ精度や構造加工精度に対する要求も厳しくなる。
【０００６】
従来において、ウッドパイル構造の３次元フォトニック結晶の製造方法として、特許文献３では、つぎのような積層技術による異種部材の熱接着方法が提案されている。
ここでの熱接着方法では、まず、基板上に設けたストライプ層に平行且つ所定の面内周期で配置したロッドアレイを形成する。
そして、熱接着法で上記ストライプ層同士を層間位置合わせしながら接合した後、一方のストライプ層の基板を除去する。
このような工程を繰り返すことによって、接合の回数だけの層数をもつウッドパイル構造が得られる。
以上のような積層技術によって、比較的複雑な構造を有する３次元フォトニック結晶の製造が可能とされている。
さらに、非特許文献１では、３次元フォトニック結晶を製造する他の方法が開示されている。
ここでは、シリコンからなる結晶の第１の面から光電化学エッチングを行い、次いで第２の面からＦＩＢ加工を行うことで当該シリコンの一部を除去し、３次元フォトニック結晶を形成する方法が採られている。
【０００７】
一方、従来の薄膜加工法において、特許文献４ではつぎのようなパターン形成方法および半導体素子の製造方法が開示されている。
ここでは、薄膜加工に際して、以下のようなイオンビーム注入工程と、被エッチング材にドライエッチングを施す工程と、によって薄膜加工を可能にしている。すなわち、イオンビーム注入工程では、被エッチング材に集束させるイオンビームの注入位置を変えるとともに加速電圧、イオンの原子種、イオンの価数の少なくとも一つを変えてイオン注入し、前記被エッチング材の深さ方向にイオン濃度ピーク領域を形成する。
また、ドライエッチングを施す工程では、被エッチング材のイオン濃度ピーク領域でイオンとエッチング抑制領域を形成するエッチングガスにより前記被エッチング材をドライエッチングする。これらの工程により、薄膜加工が実施される。
【特許文献１】米国特許第５，３３５，２４０号明細書
【特許文献２】特開２００６−０６５２７３号公報
【特許文献３】特開２００４−２１９６８８号公報
【特許文献４】特許第３２４０１５９号公報
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ８６，０１１１０１（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、３次元フォトニック結晶において、所望なデバイス特性を得るために、面内方向だけではなく、厚み方向も所定の周期数が必要である。
一般的に、厚み方向の周期数が３以上であることが望ましい。
前記のウッドパイル構造でいうと、１２層以上のストライプ層の積層が必要となる。
また、所望なデバイス特性を得るために、各構造の加工エラー及び層間の位置合せエラーを小さくすることが求められる。
例えば、ウッドパイル構造を有する３次元フォトニック結晶の場合には、各ロッドの加工誤差はロッド周期の約１０％以下であることが望ましく、また、層間の位置合せ誤差はロッド周期の約２５％以下であることが望ましい。
可視光用フォトニック結晶デバイスの場合、ロッドの面内周期は２５０ｎｍ程度であるので、各ロッドの加工誤差は約±２５ｎｍ以下で、各層間の位置合せ誤差は約±６０ｎｍ以下であることになる。
【０００９】
しかし、３次元フォトニック結晶の製造に際して、特許文献３のような従来の積層法では、現有の半導体技術を流用することはできるが、作製方法が複雑で、フォトニック結晶の層数に比例して工程数が増加し、技術難度が増大する。
したがって、このような方法では生産性の向上を図ることがきわめて困難となる。
また、積層する度に位置合せが必要で、位置合せ誤差の累積が避けられない。
その上、各層間の界面において、材料（即ち、屈折率）の不連続性が生じると同時に、製造工程で不可避なゴミ付着およびコンタミが発生するので、不要な電磁波散乱が起きる。
更に、層数の増加に従って構造内の応力が増えるので、構造の変形も生じる。これらの構造乱れは、フォトニック結晶デバイスの特性に悪影響を及ぼす。
このようなことから、上記した従来の積層法では、精度よく３次元フォトニック結晶を製造することが困難である。
【００１０】
また、非特許文献１に開示されているように、光電化学エッチングとＦＩＢ加工とによってシリコン結晶から３次元フォトニック結晶を形成する方法においても、つぎのような課題を有している。
この方法による場合には、まず、加工できる母材の材料の制約が大きいという問題が生じる。
すなわち、電気化学エッチングを採用する場合には、当該エッチングによってエッチングされ得る材料を選択する必要がある。
さらに、シリコン結晶を電気化学エッチング法によりエッチングする際には、エッチングに適した結晶面が限定される上、得られる細孔の形状も限定される。従って設計、または加工の自由度が小さくなる。
また、この方法による場合には、ＦＩＢ加工で３次元フォトニック結晶を形成しようとすると、イオンによりスパッタされた母材の破片が細孔の側壁等に再堆積することが避けられない。
また、一部のイオンが散乱され細孔の側壁からフォトニック結晶の母材中に入り込み、該部分の母材を改質してしまう。
その結果、フォトニック結晶の光学特性及び電気特性が劣化される。
さらに、この方法による場合には、ＦＩＢ加工は一般的に細孔を１つずつ加工するので、大面積の加工に不向きである。
従ってＦＩＢ加工のみで大きな３次元フォトニック結晶を低コストで生産することは困難である。
【００１１】
一方、特許文献４に見られる従来の薄膜加工法では、被エッチング材に対して深さ方向の加工が可能とされている。
しかし、これらの技術を用いてウッドパイルのような複雑な構造を有する３次元フォトニック結晶の作製を可能とすることについては、解決されていない。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑み、精度よく、簡易に、低コストで、複雑な３次元構造、特にナノフォトニック結晶における３次元周期構造を製造することが可能となる３次元フォトニック結晶の製造方法の提供を目的とする。
また、本発明は、デバイス特性の向上を図ることが可能な３次元フォトニック結晶の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した３次元フォトニック結晶の製造方法、および３次元フォトニック結晶を提供するものである。
本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、
第１の面と、第２の面とが第１の角度で交差する面を有する母材を用意する工程と、
前記第１の面に第１のマスクを形成する工程と、
前記第１のマスクを用いて、前記第１の面に対して第２の角度からドライエッチングし、前記母材に細孔を形成する工程と、
前記第２の面に第２のマスクを形成する工程と、
前記第２のマスクを用いて、前記第２の面に対して第３の角度からドライエッチングし、前記母材に細孔を形成する工程と、
を含み、
前記第１のマスク及び第２のマスクは、前記母材のマスク形成面の表層内に、集束イオンビームよるイオン注入によって形成されることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記３次元フォトニック結晶の母材が、単結晶またはアモルファス状態のＳｉまたはＳｉの化合物で形成されることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記イオンは、ＧａイオンまたはＩｎイオンであることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記第１のマスク及び第２のマスクを形成する工程の前に、前記母材表面の少なくとも一部に被膜を形成する工程を有し、
前記第１のマスク及び第２のマスクを形成する工程の後に、前記被膜の少なくとも一部をエッチング処理によって選択的に除去するプロセスを、更に含むことを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記被膜を形成する工程において、
前記母材を雰囲気中で熱処理することによって、該母材の表面成分を雰囲気ガスと反応させ、該母材表面の少なくとも一部に酸化膜または窒化膜を形成させることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記母材の第１の面及び第２の面に細孔を形成する工程において、
前記ドライエッチングが、フッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングであることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記母材を用意する工程において、前記第１の角度が、１０°以上１７０°以下であることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記母材の第１の面及び第２の面に細孔を形成する工程において、前記第２の角度及び第３の角度が、それぞれ１０°以上９０°以下であることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記第２のマスクを形成する工程は、
前記第２のマスクを形成するに際し、該第２のマスクが前記第１のマスクに対して、前記第１及び第２の面が交差する交差部の稜線方向において、
互いに重ならない位置に形成され、または一部が重なる位置に形成するプロセスを含むことを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記第２のマスクを形成するに際し、前記第１の面に形成された位置合わせマークが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶は、
複数の柱状部を平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層を複数備え、これらストライプ層を該ストライプ層の厚さ方向に配列して構成された３次元周期構造を有する３次元フォトニック結晶であって、
前記３次元周期構造は、複数の柱状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置された第１のストライプ層と、
前記第１のストライプ層に属する各柱状部上に、該各柱状部と異なる方向に延びる柱状部を有する第２のストライプ層と、
上記第２のストライプ層上に、上記第１のストライプ層に属する各柱状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置する第３のストライプ層と、
上記第３のストライプ層上に、上記第２のストライプ層に属する各柱状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置する第４のストライプ層と、
を備え、上記第１から第４のストライプ層に属する各柱状部が一体的に形成され、上記第１から第４のストライプ層を一組として、複数組を順次、該ストライプ層の厚さ方向に配列した構造を有することを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶は、前記ストライプ層に属する各柱状部が、異なった断面形状を有していることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶は、前記ストライプ層に属する各柱状部が、該柱状部の長さ方向において断面形状および断面積が均等に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶は、前記ストライプ層に属する各柱状部が、中空部を有することを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶は、記各柱状部と異なる方向に延びる柱状部の交差領域に、該交差領域の面積より大きく、且つ前記各柱状部の長さ方向と一致するジョイント部が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、精度よく、簡易に、低コストで、複雑な３次元構造、特にナノフォトニック結晶における３次元周期構造を製造することが可能となる。
また、本発明によれば、デバイス特性の向上を図ることが可能な３次元フォトニック結晶を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１に、本実施の形態における３次元ナノフォトニック結晶を製造する工程を示す。なお、図中の同一要素に関しては、同一の符号を用いている。
図１において、１０は基板、２０はフォトニック結晶母材（前駆体ともいう）である。
フォトニック結晶母材の第１の面を１００、該第１の面と交差しているフォトニック結晶の母材の前記第１の面とは異なる第２の面を２００で示す。
そして、該第１の面１００と該第２の面２００との交差角度である第１の角度を３１で表している。
【００１６】
ここで、本実施の形態における上記第１の面と第２の面について、更に説明する。
上記第１の面１００及び第２の面２００とは、フォトニック結晶を形成する多面体からなる母材の加工面を意味する。
そして、母材を構成する面の内、互いに交差する関係にある任意の２つの面が第１の面１００及び第２の面２００である。
加工面の選定に際しては、フォトニック結晶の設計、加工難易度（ハンドリング）、加工規模、加工コスト、等を考慮して適宜選択すれば良い。
【００１７】
本実施の形態においては、図１に示すように、上記フォトニック結晶の母材を構成する面の内、互いに交差する１の側面（端面）と他の側面とから加工する方法と、
図２に示すように、基板の互いに交差する１の主面（上面又は表面）と１の側面とから加工する方法とがある。
また、上記第１の面１００と第２の面２００とが交差する角度は垂直に限られず、求めるフォトニック結晶の設計に応じて１０°乃至９０°の範囲で選択することができる。
このように第１の面１００と第２の面２００との交差する角度を調整することにより、フォトニック結晶の設計の自由度が大幅に拡大される。
【００１８】
つぎに、図１を用いて、本実施の形態のフォトニック結晶の具体的な製造方法について説明する。
まず、第１の面と、第２の面とが第１の角度で交差する面を有する母材を用意する工程において、図１（ａ）に示したように、フォトニック結晶母材２０を用意する。
母材は、従来の半導体微細加工技術で加工する。また、当該母材２０は基板１０から作り出しても良く、別の材料で作製した後、接合法で基板１０に貼り付けてもよい。
母材２０の材料は、単結晶又はアモルファス状態のＳｉ、またはＳｉの化合物（例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ）が本発明には適している。
母材２０のサイズは、長さ、幅及び高さがそれぞれ１μｍ乃至１０００μｍ程度で望ましい。
また、母材２０の第１の面１００と第２の面２００との交差角度３１は、１０°以上１７０°以下の範囲が望ましい。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示すように、つぎの工程である第１のマスクを形成する工程の前に、前記母材表面の少なくとも一部に被膜を形成する工程を設けるようにしてもよい。
この工程において、必要に応じて母材２０及び基板１０の表面に被膜４０を形成する。
被膜４０は、後工程における母材のエッチング処理で２次マスク、または補強マスクの役割をする。
しかし、求めるフォトニック結晶の加工精度、使用する材料、エッチング条件、タクトタイム、形成コスト等を考慮して当該被膜形成が不要な場合、上記した被膜形成工程は省略しても良い。
被膜４０を形成する方法としては、母材２０を雰囲気中で熱処理することによって、その表面成分を雰囲気ガスと反応させ、該表面に酸化膜もしくは窒化膜を形成させることが本発明には適している。
例えば、母材２０の材料がＳｉである場合、酸素雰囲気中で１０００℃の温度で１０分乃至数時間の熱処理をすると、母材２０の表面に１０ｎｍ乃至数μｍのＳｉＯ2被膜が形成される。
前記被膜の形成方法として、化学気相堆積法（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、もしくは原子層堆積法（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）も適用できる。
【００２０】
次に、前記第１のマスクを用いて、前記母材に細孔を形成する工程において、図１（ｃ）に示したように、被膜４０を形成した母材の第１の面１００に第１のマスク１１０を形成する。
このとき、第２の面２００に形成された被膜を保護するために、幅が被膜４０の厚み程度の保護マスク１１１を、第２の面２００に隣接する第１の面１００の縁に形成するとよい。
このマスク形成工程は、母材２０の側面で行う必要があるので、通常の電子ビーム露光や光学露光法ではできない。
第１のマスク１１０および保護マスク１１１を形成するために、前記マスク形成面１００の表層内にイオン注入して、所定のパターンを形成する。
注入深さはイオンビームの加速電圧で制御するが、３０ｎｍ〜５００ｎｍであることが望ましい。
最表面付近で注入イオンの密度が最高になることが理想的である。被膜４０がない場合、イオンが直接母材２０の表層に注入される。
被膜４０がある場合、注入イオンが被膜の表層に止まっても良く、被膜を貫通してその真下にある母材の表層まで侵入しても問題がない。
該イオンは、ＧａイオンまたはＩｎイオンなどの選択肢がある。前記被膜または母材の表層における該イオンの最高密度は、１０19ｃｍ-3〜１０23ｃｍ-3で、１０20ｃｍ-3〜１０22ｃｍ-3が最適である。
このようにして、集束イオンビームによるイオン注入によって、上記母材のマスク形成面の表層内に、約５ｎｍの寸法精度でマスクパターンを形成することができる。
【００２１】
次に、図１（ｄ）に示したように、前記第１のマスク１１０のパターンを被膜４０に転写する。
ここで、第１の面上に前記イオン注入を行っていない部分、つまり第１のマスク１１０のない部分の被膜を取り除いて、該被膜の下にある母材の第１の面１００の一部を除去して第１の面の露出部分１２０を形成する。
被膜の材質がＳｉＯ2の場合、被膜を取り除くためのドライエッチングは、フッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング、またはフッ酸の蒸気を用いた気相エッチングが好ましい。
ここで、イオン注入を行った部分がマスクとなる理由を、Ｇａイオンを例にして説明する。
フッ素系ガスや蒸気の中で、イオン注入部においてＧａがフッ素と化学反応して、揮発性の極めて低いＧａフッ化物を形成する。
このＧａフッ化物は、該部分の表面で保護膜を形成し、該部分における被膜または母材のエッチングを防ぐマスクとなる。
また本発明者らの知見によれば、本発明のＧａの注入によるマスクの効果は、Ｇａの注入量が比較的少なく、かつ打ち込み深さが浅くても十分なマスク効果を有する。
従って被加工物（母材）に対してイオン注入によるダメージを与えることがない、または非常に小さい。
一方、イオン注入を行っていない部分、つまり第１のマスク１１０のない部分においては、エッチングが進行し、被膜または母材が除去される。
このＧａフッ化物の生成によるマスク効果は、被膜４０がなく、Ｇａが直接フォトニック結晶母材２０に注入される場合においても同様である。
【００２２】
次に、前記第１の面に形成された第１のマスクをマスクとして、前記母材に細孔を形成する工程において、
図１（ｅ）に示したように、前記マスク１１０と１１１、および被膜４０をマスクとして、前記第１の面の露出部分１２０に対して第２の角度３２から母材２０をドライエッチングする。
該ドライエッチング処理によって、該第２の角度３２からみて前記マスク１１０と１１１、および被膜４０により保護されていない前記母材の部分が除去され、母材２０に細孔１２５が形成される。
ここで、前記の第２の角度３２は、１０°以上９０°以下の範囲で選択可能であり、８０°乃至９０°が最も好適である。
上記ドライエッチングの中でも、フッ素系ガスを用いたＲＩＥが好ましい。
その理由として、ＲＩＥによる加工は、物質の結晶方位に殆ど依存しないことと、高い異方性が得られる。即ち、加工がエッチング粒子の入射方向（第１の面に対して第２の角度３２をなす方向）に優先的に進行する。
さらに、この工程においても、Ｇａフッ化物の生成によるマスク効果が発揮される。
そして、第２の面２００から見て、第１の面１００に形成された細孔１２５の位置関係がわかるような位置合せ用構造体１１２を、前記第１の面に形成する。
形成する手法としては、電子ビーム誘起化学気相堆積（ＥＢ−ＣＶＤとも呼ぶ）、または集束イオンビーム誘起化学気相堆積（ＦＩＢ−ＣＶＤとも呼ぶ）などがある。
堆積される構造体１１２の材質は、Ｃ、Ｓｉのような無機物、またはＷ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔのような金属、またはＳｉＯ2のような酸化物、またはＧａＮのような化合物などの選択肢がある。
それぞれの堆積物中に不純物が含まれていても支障がない。
前記第１の面に形成された該構造体１１２は、前記第２のマスクを形成するに際し、位置合せマークとして使用する。
【００２３】
次に、前記第２のマスクを用いて、前記母材に細孔を形成する工程において、図１（ｆ）に示したように、フォトニック結晶母材２０の第２の面２００に第２のマスク２１０を形成する。
形成方法は、前述の第１の面１００に第１のマスク１１０を形成する方法と同様である。
このとき、第２のマスクの位置は、前記の位置合せ用構造体１１２を利用して、第１のマスクに対して位置合わせをする。
本手法で３次元フォトニック結晶を形成する際、必要となるマスク位置合せは、この一回のみなので、位置合せによる加工精度が高い。
【００２４】
次に、図１（ｇ）に示したように、前記第２のマスク２１０のパターンを被膜４０に転写する。
ここで、第２の面上に第２のマスク２１０のない部分の被膜を取り除いて、該被膜の下にある第２の面の一部を除去して第２の面の露出部分２２０を形成する。このパターン転写工程は、図１（ｄ）に示した工程と同様である。
【００２５】
次に、前記第２の面に形成された第２のマスクをマスクとして、前記母材に細孔を形成する工程において、
図１（ｈ）に示したように、前記第２のマスク２１０と被膜４０をマスクとして、前記第２の面の露出部分２２０に対して第３の角度３３から母材２０をエッチングする。
このエッチング工程は、図１（ｅ）に示した工程と同様である。
該エッチング処理によって、該第３の角度３３からみて前記第２のマスク２１０と被膜４０により保護されていない前記母材の部分が除去され、母材２０に細孔２２５が形成される。
ここで、前記の第３の角度３３は１０°以上９０°以下の範囲で選択可能であり、目的とするフォトニック結晶構造と前記第１の角度３１及び第２の角度３２によって決まる。
【００２６】
次に、図１（ｉ）に示したように、前記第１のマスク１１０、第２のマスク２１０と第２の面を保護するためのマスク１１１、及び位置合せ用構造体１１２を除去する。
このとき、フォトニック結晶母材２０と基板１０に腐食性なく、前記マスクを選択的に除去できる液体、気体、またはプラズマを使用するとよい。
【００２７】
次に、図１（ｊ）に示したように、前記被膜４０を除去し、フォトニック結晶を露出させて、フォトニック結晶の主要部（基本骨格）の作製を完了する。
被膜４０の除去において、フォトニック結晶母材２０と基板１０に腐食性なく、被膜４０だけを選択的に除去できる液体、気体、またはプラズマを使用するとよい。
場合によって、前記第１のマスク１１０、第２のマスク２１０と第２の面を保護するためのマスク１１１、および位置合せ用構造体１１２の除去は、前記被膜４０の除去と同時に行っても良い。なぜなら、前記マスクは前記被膜の表面に付着しているので、被膜４０を除去すれば、前記マスクも自然に除去できる。
【００２８】
上記の３次元周期構造を製造する工程は、２つの面からそれぞれドライエッチング処理することで成型できるあらゆる３次元構造に適することは明らかである。
中には、周期性のない３次元構造も含まれる。最も簡単な例として、前記マスクのある部分を変形させて、３次元周期構造に欠陥を作り込むことが可能である。また、上記本実施の形態では、説明を容易とするため、第１の面と第２の面からのフォトニック結晶母材への加工は、それぞれ１回のみの構成例で説明したが、前記工程を数回繰り返してもよい。
更に、他の加工法と組み合わせることも可能である。
【００２９】
上記本実施の形態では、フォトニック結晶の母材の互いに交差する任意の２つの面からマスキング処理及びエッチング処理を行うことにより加工するものである。
例えばフォトニック結晶母材の１つの側面（端面とも言う）と他の側面とから加工を行う方法や、フォトニック結晶母材の１つの主面（上面又は表面とも言う）と１つの側面とから加工を行うことができる。
このように加工面を適宜選択することによって、母材の結晶面や結晶方位と、加工後のフォトニック結晶の結晶面や結晶方位との調整を行うことができる。
また、形成するフォトニック結晶の大きさに応じて適宜加工の容易な面を選択することができる。
加工面の選択は目的とするフォトニック結晶の構造（設計）と、加工する規模等に応じて決定することが好ましい。
【００３０】
以上に説明したように、本実施の形態による３次元フォトニック結晶の製造方法によれば、複雑な３次元構造、特に３次元ナノフォトニック結晶を簡易に高精度かつ低コストで形成することができる。
また、構造連続性があり、形成工程で構造の接合部にゴミ等が混入することがないため、不要な散乱がなく、デバイス特性を向上させることができる。
更に、従来技術で製造不可能の形状をもつ構造体の製造が可能となり、デバイス設計の自由度が大きくなり、新しい機能をもつデバイスを実現することが可能となる。
【００３１】
以上により、図１（ｊ）に示す３次元フォトニック結晶を得ることができるが、３次元周期構造体の構成部材が一体的に成形されているので、従来のウッドパイル構造にみるような構造単元である独立なロッドが存在しない。
したがって、本発明では、従来のウッドパイル構造のロッドに対応する３次元フォトニック結晶を構成する単元を、柱状部と定義することとする。
図１（ｊ）において、１３００は本発明の３次元フォトニック結晶、１３０１は従来のウッドパイル構造のロッドに対応する本発明による一体的に成形された柱状部である。
また、１３０５は本発明の一体的に成形された柱状部の断面である。
【実施例】
【００３２】
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
実施例１では、フォトニック結晶母材の互いに交差する１の側面と他の側面である２つの側面から該母材を加工することによって、３次元フォトニック結晶を製造する方法について説明する。
本実施例においては、上記本発明の実施の形態で説明した３次元フォトニック結晶の製造方法と、基本的に同じ工程によるものであるから、ここでも図１を用いて説明する。
図１において、１０はシリコン（Ｓｉ）基板、２０はＳｉ基板から加工したフォトニック結晶母材である。
また、フォトニック結晶母材２０の第１の側面を第１の面１００、該第１の面１００と交差しているフォトニック結晶母材の第２の側面を第２の面２００とする。そして、該第１の面１００と該第２の面２００との交差角度である第１の角度を３１とする。
【００３３】
まず、図１（ａ）に示したように、半導体微細加工工程で厚みが約５００μｍのＳｉ基板１０からフォトニック結晶母材２０を切出す。
前記微細加工工程はフォトレジストを用いたフォトリソグラフィ工程と、ＲＩＥによるＳｉの異方性エッチングを含む。加工した母材２０のサイズは、高さが約１００μｍ、第１の面１００と第２の面の幅がそれぞれ約２０μｍ程度である。また、前記第１の面１００と第２の面２００との交差角度３１は約９０°であり、該２つの面は基板の主面に対して共にほぼ垂直である。
【００３４】
次に、図１（ｂ）に示したように、母材２０及び基板１０の表面にＳｉの熱酸化膜を形成し、被膜４０とする。
具体的に、基板１０上に形成した母材２０を石英炉に設置し、酸素雰囲気中にて約９００℃の温度で数１０分間熱処理をして、母材２０の表面に約０．５μｍのＳｉＯ2被膜を形成する。
【００３５】
次に、図１（ｃ）に示したように、被膜４０を形成した母材の第１の面１００に第１のマスク１１０を形成する。
このとき、第２の面２００に形成された被膜を保護するために、幅が被膜４０の厚み程度（約０．５μｍ）の保護マスク１１１を、第２の面２００に隣接する第１の面１００の縁に形成しておく。
前記マスク１１０と１１１の形成において、前記マスク形成面１００の表層内にＧａのＦＩＢによってＧａイオンを所定のパターンで注入する。
ＦＩＢの加速電圧を約３０ｋＶにして、被膜４０の最表面を５〜２０ｎｍ程度削りながらイオン注入を行う。
結果的に、イオン注入部において、被膜４０の最表面から約３０ｎｍの深さまでＧａイオンの密度がほぼ均等になる。
ＦＩＢのビーム径を１０ｎｍ程度に絞って、ビーム電流と走査速度を調整して、前記Ｇａイオンの最高密度を約３×１０21ｃｍ-3にする。
マスクパターンの周期を約１μｍにする。よって、形成すべき３次元フォトニック結晶の周期数は横方向において約２０であり、高さ方向にいて約３０である。
【００３６】
次に、図１（ｄ）に示したように、前記第１のマスク１１０のパターンをＳｉＯ2被膜４０に転写する。
具体的に、Ｃ4Ｆ8とＯ2の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、第１の面上にマスク１１０と１１１のない部分におけるＳｉＯ2被膜を取り除いて、該被膜の下にある第１の面１２０のＳｉ部分を露出させる。
このエッチング工程において、Ｇａイオン注入を行っていない部分のＳｉＯ2被膜がエッチングされるが、Ｇａイオン注入を行った部分、つまりマスク１１０と１１１の部分のＳｉＯ2被膜がエッチングされない。
なぜなら、これらのマスク部分において、Ｇａがフッ素と化学反応して、揮発性の極めて低いＧａフッ化物を形成する。
このＧａフッ化物は、該部分の表面で保護膜を形成し、被膜ＳｉＯ2のエッチングを防ぐマスクとなる。
【００３７】
次に、図１（ｅ）に示したように、前記マスク１１０と１１１、およびＳｉＯ2被膜４０をマスクとして、第１の面１００に対してほぼ垂直にＳｉ母材２０をＲＩＥ法、いわゆるボッシュプロセスで加工する。
この際、反応ガスとして、エッチング時にはＳＦ6ガスを用い、被膜（保護膜）形成時にはＣ4Ｆ8ガスを用いる。この工程においても、Ｇａフッ化物の生成によるマスク効果が発揮される。
該異方性エッチング処理によって、第１の面１００に対してほぼ垂直の方向において、前記マスク１１０と１１１、およびＳｉＯ2被膜４０により保護されていない前記母材２０の部分が除去され、母材２０に細孔１２５が形成される。
そして、ＥＢ−ＣＶＤ法で、第２の面２００からみて、第１の面１００に形成された細孔１２５の位置関係がわかるような位置合せ用構造体１１２を形成する。前記構造体１１２の材質は、例えば、Ｐｔとする。このように形成したＰｔ構造体にＣ等の不純物が含まれているが、位置合せマークとするためには支障がない。
【００３８】
次に、図１（ｆ）に示したように、フォトニック結晶母材２０の第２の面２００に第２のマスク２１０を形成する。
形成方法は、前述の第１の面１００に第１のマスク１１０を形成する方法と同様である。
このとき、第２のマスクの位置は、前記の位置合せ用構造体１１２を利用して、第１のマスクの位置に合わせる。
本手法で３次元フォトニック結晶を形成する際、必要となるマスク位置合せはこの一回のみなので、位置合せによる加工精度が高い。
【００３９】
次に、図１（ｇ）に示したように、前記第２のマスク２１０のパターンをＳｉＯ2被膜４０に転写して、第２の面上に第２のマスク２１０のない部分のＳｉＯ2被膜を取り除いて、該被膜の下にある第２の面２２０の部分を露出させる。
パターン転写工程は、図１（ｄ）で示した工程と同様である。
【００４０】
次に、図１（ｈ）に示したように、前記第２のマスク２１０、およびＳｉＯ2被膜４０をマスクとして、第２の面２００に対してほぼ垂直にＳｉ母材２０をＲＩＥ法、いわゆるボッシュプロセスで加工する。
このＲＩＥ工程は、図１（ｅ）で示した工程と同様である。
該異方性エッチング処理によって、第２の面２００に対してほぼ垂直の方向において、前記第２のマスク２１０およびＳｉＯ2被膜４０により保護されていない前記母材２０の部分が除去され、母材２０に細孔２２５が形成される。
【００４１】
次に、図１（ｉ）に示したように、前記マスク（第１のマスク１１０、第２のマスク２１０と第２の面を保護するためのマスク１１１を含む）を除去する。このとき、例えば、ＨＣｌと純水の混合液を使う。
【００４２】
次に、図１（ｊ）に示したように、前記ＳｉＯ2被膜４０を除去し、フォトニック結晶を露出させて、フォトニック結晶の主要部の作製を完了する。ＳｉＯ2被膜４０の除去において、フッ酸に緩衝液とするＮＨ4Ｆを混合したバッファードフッ酸を用いる。
実際に、図１（ｉ）に示した前記マスクを除去する工程を入れなくても、図１（ｊ）に示した前記ＳｉＯ2被膜の除去工程だけでも、ＳｉＯ2被膜の表面に形成されている前記マスクが完全に除去できる。
本実施例によれば、上記の方法によって、Ｓｉを材料とした、周期１μｍ、各方向の周期数が約２０以上のウッドパイル型３次元フォトニック結晶を得ることができる。
【００４３】
［実施例２］
実施例２では、基板の主面（上面又は表面）と該主面と交差している１つの側面を加工することによって、３次元フォトニック結晶を製造する方法について説明する。
実施例１との違いは、マスキング及びエッチングを行う加工面が異なる。
実施例１ではフォトニック結晶の母材の互いに交差する１の側面と他の側面とから加工する方法であるのに対して、実施例２では、互いに交差する１の主面と、１の側面とから加工する方法である。
なお、実施例１とは上記した点が異なるだけであるから、重複する部分は省略する。
【００４４】
本実施例の製造工程は、つぎのとおりである。
まず、図２（ａ）に示したように、基板の主面４００に対して、半導体微細加工を施す。この微細加工は、実施例１における第１の側面を加工することに相当する。
但し、前記基板の主面４００に対する加工は、平面上で行うので、前記ＦＩＢによるマスク形成のほかに、フォトリソグラフィや、電子ビーム露光などによるパターン形成が可能である。
そのため、基板サイズの広い領域にわたって、複数の部分に微細パターンを同時に形成可能である。
この場合、各領域において、用途によって全く異なる構造、異なる面積のパターンを形成できる。
その結果、必要に応じて、異なる性能の３次元フォトニック結晶を集積することが可能となる。
具体的に、まず、厚みが約５００μｍのＳｉ基板１０の主面４００上に、Ｃｒ（厚みは約５ｎｍ）、そしてＡｕ（厚みは約５０ｎｍ）の薄膜を電子ビーム蒸着法で堆積する。
次に、前記の金属薄膜の上に電子ビームレジストを塗布し、電子ビーム露光を行い、形状と面積がそれぞれ異なる複数の領域にそれぞれ異なる２次元微細パターンを形成する。
そして、イオンミリングによって、上記電子ビームレジストのパターンを前記Ｃｒ／Ａｕ薄膜に転写し、前記電子ビームレジストがないところにおけるＳｉ基板の主面４００の部分を露出させる。
続いて、Ｓｉ基板の主面４００に対してほぼ垂直の角度から、Ｓｉの反応性イオンエッチングを用いた、いわゆるボッシュプロセスを行う。
この際、反応ガスとして、エッチング時にはＳＦ6ガスを用い、被膜（保護膜）形成時にはＣ4Ｆ8ガスを用いる。
該異方性エッチング処理によって、Ｓｉ基板の主面４００に対してほぼ垂直の方向において、前記電子ビームレジストと金属薄膜により保護されていないＳｉ基板の部分に深い細孔が形成される。
最も細かいパターンにおいて、細孔の深さが約３０μｍである。
続いて、電子ビームレジスト、Ａｕ及びＣｒ薄膜をそれぞれ適宜なエッチャントを用いて除去する。以上の工程（図示せず）により、図２（ａ）に示したように、基板の主面４００上に、微細パターン領域４１０ができる。
【００４５】
次に、図２（ｂ）に示したように、前記のＳｉ異方性加工で前記微細パターン領域のそれぞれの側面を出す。
そのために、フォトリソグラフィとＳｉの深堀エッチング（ボッシュプロセス）を行う。
この場合、確実に該当の側面を出すために、前記のＳｉのエッチングは深さ方向において、基板の主面４００に対して、ほぼ垂直に行い、エッチング深さは１００μｍとする。
これによって、前記各微細パターン領域の下部に、基板１０の一部１１が見えてくる。また、主面４００の面内におけるエッチング領域は、前記微細パターン領域４１０と重なるように行う。
即ち、各微細パターン領域の周囲を切り落とすように行う。こうして、第１の面の加工が完成しているフォトニック結晶の母材２０が複数にできている。該母材の高さは約１００μｍであり、長さと幅は５μｍ乃至１ｍｍの範囲にある。
【００４６】
理解を容易にするために、図２（ｃ）に前記フォトニック結晶の母材２０の一部を拡大して表示している。
説明の便宜上、以下では、ウッドパイル構造を例にしており、構造周期を約１μｍとする。
図の中では、第１の面は４１０、第２の面は４２０とする。また、第２の面４２０において、溝部は４２１、平坦部は４２２と記している。ここでは、第１の面４１０と第２の面４２０とはほぼ垂直である。
第２の面の幅は約１００μｍであり、つまり、フォトニック結晶の厚み方向の周期数は約１００である。
また、第２の面から見たフォトニック結晶母材の厚みは約２０μｍであり、この方向におけるフォトニック結晶の周期数が約２０である。
【００４７】
次に、図２（ｄ）に示したように、母材２０及び基板１０の表面にＳｉの熱酸化膜（ＳｉＯ2）を形成し、被膜４０とする。前記被膜の形成方法は実施例１と同様である。
次に、図２（ｅ）に示したように、被膜４０を形成した前記母材の第２の面４２０に所定のマスクを形成する。この場合、第２の面に凹凸が存在するため、前記マスクを前記溝部４２１と前記平坦部４２２にそれぞれ形成する。
前記平坦部４２２に形成したマスク４５０の形状は図示のとおりである。
【００４８】
前記溝部４２１に形成したマスク４５５の形状を図２（ｉ）に表示している。図２（ｉ）は、図２（ｅ）において、ＡＡ’で示した線に沿って、第２の面４２０に対して平行に切り取ったフォトニック結晶母材の断面図である。
前記マスクの形成方法は実施例１と同様である。但し、本実施例におけるマスク形成時の位置合せは、前記第２の面にある溝部４２１を基準にすればよく、特別に位置合わせ用構造体を形成しなくても良い。
これで横方向に５ｎｍ以上の位置合せ精度を得ることが可能である。高さ方向の位置決めは、第２の面４２０の上端を基準にすればよい。
この場合、高さ方向に多少の位置ずれが生じても、上から第１層目の構造の厚みにしか影響がない。本手法で３次元フォトニック結晶を形成する際、必要となるマスク位置合せはこの一回のみなので、位置合せによる加工精度が高い。
【００４９】
次に、図２（ｆ）に示したように、前記第２のマスクである４５０と４５５のパターンをＳｉＯ2被膜４０に転写して、図示のように第２の面４２０のＳｉ部分２２０を露出させる。前記パターン転写方法は実施例１と同様である。
次に、図２（ｇ）に示したように、前記第２のマスク４５０と４５５、およびＳｉＯ2被膜４０をマスクとして、第２の面４２０に対してほぼ垂直に前記母材２０に図示の細孔２２５を形成する。
前記細孔２２５の形成方法は実施例１と同様である。
【００５０】
次に、図２（ｈ）に示したように、前記マスク４５０と４５５、および前記ＳｉＯ2被膜４０を除去して、フォトニック結晶を露出させ、フォトニック結晶の主要部の作製を完了する。
前記マスク及び被膜の除去方法は実施例１と同様である。
上記の方法によって、Ｓｉを材料とした、周期１μｍ、各方向の周期数が約２０以上のウッドパイル型３次元フォトニック結晶を得ることができる。
図２（ｈ）において、１３００は本実施例の３次元フォトニック結晶、１３０１は従来のウッドパイル構造のロッドに対応する本実施例による一体的に成形された本実施例の柱状部である。
また、１３０５は本実施例の一体的に成形されたの柱状部の断面である。
【００５１】
［実施例３］
実施例３では、柱状部の断面形状が異なる各種の３次元フォトニック結晶を製造する方法について説明する。
但し、ここでは、長さ方向において、柱状部の断面形状および断面積が均等のものについて説明する。
図３に、３次元周期構造体における柱状部の断面形状が異なる構成例を説明する図を示す。
上記した本実施例の３次元フォトニック結晶の製造方法によれば、既に述べたように、３次元周期構造体の構成する柱状部が一体的に成形されているので、従来のウッドパイル構造にみるような構造単元である独立なロッドが存在しない。
【００５２】
これまでの説明では、便宜上のために、柱状部の断面形状を長方形とした。
しかし、本実施例によれば、任意形状な断面をもつロッドによって構成する３次元フォトニック結晶の製造が可能である。
本実施例によって製造可能な柱状部の断面の形状を図３に示しているが、本発明は図３に挙げられたものに限定されるものではない。
図３の中に、本実施例よって製造可能であるが、従来の積層法等で製造困難な構造が多数含まれている。
例えば、図３の中のＶＩ乃至ＸＩ組に代表されたような、柱状部に中空部１３０６が形成されている構造等、従来の積層法等で製造困難な構造が多数含まれている。
【００５３】
図３に列挙した断面形状をもつ柱状部によって構成する３次元フォトニック結晶は、本発明の実施例１または実施例２で説明した工程によって製造可能である。
具体的には、つぎのような３次元フォトニック結晶が構成可能となる。
すなわち、複数の柱状部を平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層を複数備え、これらストライプ層を該ストライプ層の厚さ方向に配列して構成された３次元周期構造を有する３次元フォトニック結晶であって、
前記３次元周期構造として、複数の柱状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置された第１のストライプ層と、
前記第１のストライプ層に属する各柱状部上に、該各柱状部と異なる方向に延びる柱状部を有する第２のストライプ層と、
上記第２のストライプ層上に、上記第１のストライプ層に属する各柱状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置する第３のストライプ層と、
上記第３のストライプ層上に、上記第２のストライプ層に属する各柱状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置する第４のストライプ層と、
を備え、上記第１から第４のストライプ層に属する各柱状部が一体的に形成され、上記第１から第４のストライプ層を一組として、複数組を順次、該ストライプ層の厚さ方向に配列した構造を得ることができる。
本実施例によれば、上記それぞれのストライプ層に属する各柱状部が、図３に示すような異なった断面形状を有する構成とすることができる。
また、上記それぞれのストライプ層に属する各柱状部が、中空部を有する構成とすることができる。
【００５４】
［実施例４］
実施例４では、３次元フォトニック結晶を構成する柱状部が、長さ方向において断面形状および断面積を不均等とした構成例について説明する。
図４、図５、図７に、本実施例の構成例について説明する図を示す。
本実施例における製造方法は、本発明の実施例１、または実施例２で説明した工程によって製造可能なので、詳細を省略する。
以下では、製造すべく３次元フォトニック結晶の構造及びそれを製造するためのマスクについて、ジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造に対応するものを製造する例にして説明する。
３次元フォトニック結晶において、ロッドは長さ方向において断面形状および断面積が変化可能であると、デバイス設計の自由度が向上するだけではなく、より優れた特性をもつデバイスの実現ができる。
例えば、特許文献２に見られるジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造は、ウッドパイル構造より広いフォトニック結晶バンドギャップを得ることができる。
【００５５】
ジョイントロッド構造の一例を図７を用いて、さらに詳しく説明する。
図７に示したジョイントロッド構造は、上下に隣接しているロッド３１０の交差部分に３２０で示したような板状のジョイントが２つ設けられている。
ジョイントの長さ方向はそれぞれのロッドの長さ方向と一致するようになっている。
前記ジョイントロッド構造の寸法は、例えば下記のとおりである。
ロッドの長さは約１００μｍ、平面上におけるロッドの周期は約２５０ｎｍ、厚み方向におけるロッドの層数は１２層である。
ロッドの幅は約８０ｎｍ、厚さは約５０ｎｍであり、ジョイントの幅は約１００ｎｍ、長さは約１５０ｎｍ、厚さは約２０ｎｍである。
【００５６】
図４は、前記ジョイントロッド構造に対応する本実施例の構造を製造するためのマスクを説明するための図である。
理解を容易にするため、第１の面と第２の面が互いに垂直であり、共にＺ方向に平行する場合を例にしている。Ｚ方向は方向を示す矢印５１で表示されている。図４に示したのは、第１の面上に形成すべく第１のマスク１１０（図４（ａ））と第２の面上に形成すべく第２のマスク２１０（図４（ｂ））のそれぞれの一部分である。
前記マスク１１０と２１０は、Ｚ方向において高さが一致するように配置されている。
図４では、等高線Ｌ１とＬ２で挟んでいる第１のマスクの部分１３０は、第１の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものである。
等高線Ｌ３とＬ４で挟んでいる第２のマスクの部分２３０は、第２の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものである。
前記第１のマスクの部分１３０と第２のマスクの部分２３０によって、Ｚ方向において隣接しているフォトニック結晶の２層が形成される。
【００５７】
比較のため、実施例１におけるウッドパイル構造に対応する構造を製造するときに用いた第１のマスク１１０と第２のマスク２１０を、図４と同じ要領で部分的に図５に示す。
図５において、等高線Ｌ５とＬ６で挟んでいる第１のマスクの部分１３０は、第１の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものである。
等高線Ｌ７とＬ５で挟んでいる第２のマスクの部分２３０は、第２の面からフォトニック結晶構造体の一層を加工するためのものである。
前記第１のマスクの部分１３０と第２のマスクの部分２３０によって、Ｚ方向において隣接しているフォトニック結晶の２層が形成される。
等高線Ｌ５、Ｌ６とＬ７で分かるように、前記マスク１１０を用いて加工した層は、前記マスク２１０を用いて加工した層とは、Ｚ方向において共有部分がなく互いに重ならないようになっている。
すなわち、前記第２のマスクを形成する工程で前記第２のマスクを形成するに際し、該第２のマスクが前記第１のマスクに対して、前記第１及び第２の面が交差する交差部の稜線方向において、互いに重ならない位置に形成される。
これにより、前記マスク１１０を用いて加工した層は、前記マスク２１０を用いて加工する際、前記マスク２１０によって完全に保護されている。
この場合、長さ方向において柱状部の断面形状および断面積が、均等であるウッドパイル構造に対応する構造が製造できる。
【００５８】
これに対して、本実施例において、図４で示したように、前記マスク１１０を用いて加工した層は、前記マスク２１０を用いて加工した層とは、Ｚ方向において共有部分があり互いに重なるようになっている。
すなわち、前記第２のマスクを形成する工程で前記第２のマスクを形成するに際し、該第２のマスクが前記第１のマスクに対して、前記第１及び第２の面が交差する交差部の稜線方向において、一部が重なる位置に形成される。
重なる部分は等高線Ｌ１とＬ４で挟んでいる部分である。前記重なる部分は、前記第１のマスク１１０を用いて加工した後、前記第２のマスク２１０を用いて加工する際、再び加工されることになる。
前記２つの加工によって、前記重なる部分において、図６に示したようなジョイント部３２０に対応する構造が形成される。
すなわち、上記したストライプ層に属する各柱状部と異なる方向に延びる柱状部の交差領域に、該交差領域の面積より大きく、且つ前記各柱状部の長さ方向と一致するジョイント部が配置された構造を得ることができる。
これにより、前記第１のマスク１１０と第２のマスク２１０を用いた２つの加工だけで、ジョイントロッド構造のロッド部３１０に対応する構造だけでなく、ロッドのジョイント部３２０に対応する構造も同時に形成することができる。
本実施例の手法によれば、ジョイントロッドのような、ロッドは長さ方向において断面形状および断面積が均等ではない構造に対応する構造を一体的に形成した３次元フォトニック結晶の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態及び実施例１における３次元周期構造体の製造方法を説明する図。
【図２】本発明の実施例２における３次元周期構造体の製造方法を説明する図。
【図３】本発明の実施例３における３次元周期構造体における柱状部の断面形状が異なる構成例を説明する図。
【図４】本発明の実施例４における３次元周期構造体を製造するためのマスク形状を説明する図。
【図５】本発明の実施例４における３次元周期構造体を製造するためのマスク形状を説明する図。
【図６】従来例におけるウッドパイル構造を有する３次元フォトニック結晶を説明する模式図。
【図７】従来例におけるジョイントロッド型３次元フォトニック結晶構造を説明する模式図。
【符号の説明】
【００６０】
１０、１１：基板
２０：フォトニック結晶母材
３１：第１の角度
３２：第２の角度
３３：第３の角度
４０：被膜
５０：座標
５１：方向を示す矢印
５５：断面の指示ライン
１００：第１の面
１１０：第１のマスク
１１１：第２の面を保護するためのマスク
１１２：位置合せ用構造体
１２０：第１の面の露出部分
１２５：第１の面をエッチング処理して形成された細孔
１３０：フォトニック結晶構造体の一層を加工する第１のマスクの部分
２００：第２の面
２１０：第２のマスク
２２０：第２の面の露出部分
２２５：第２の面をエッチング処理して形成された細孔
２３０：フォトニック結晶構造体の一層を加工する第２のマスクの部分
３００：３次元周期構造
３０１：ウッドパイルのロッド
３０５：ロッドの断面
３１０：ロッド部
３２０：ロッドのジョイント部
４００：基板の主面
４１０：微細パターン領域（第１の面）
４２０：微細パターン領域の側面部分（第２の面）
４２１：第２の面における溝部
４２２：第２の面における平坦部
４５０：第２の面における平坦部上に形成されたマスク
４５５：第２の面における溝部内に形成されたマスク
Ｌ１乃至Ｌ７：等高線
１３００：３次元周期構造
１３０１：一体的に形成された柱状部
１３０５：一体的に形成された柱状部の断面
１３０６：一体的に形成された柱状部の中空部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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