(57)【要約】【課題】大面積に亘って大きなエッチング角で斜方向プラズマエッチングを行う方法を提供する。【解決手段】基材２１の表面に、それに対して傾斜した形状の縁２３を持つ電界制御板２２を前記表面に対して平行に載置し、プラズマ中のイオンにバイアス電圧を印加することによりイオンを基材２１の表面に入射させる。電界制御板２２の縁２３がオーバーハングしているため、一見すると縁２３の直下の領域２６にはイオンが到達しないようにも思われるが、実際には縁２３に沿って電界制御板２２の下面側に等電位面が引き込まれるように変形することにより、領域２６にイオンが回り込んで入射する。これにより、大面積に亘って、基材２１の表面の法線に対して40°〜50°という大きなエッチング角で斜方向エッチングを行うことができ、それにより３次元フォトニック結晶を好適に作製することができる。【選択図】図３
2008004711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている電界制御板を該表面に対して略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該基材表面に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
前記縁の近傍の基材表面に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置することを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項３】
誘電体から成る基材の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し、前記孔形成領域の近傍に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている電界制御板を該基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成する工程を有することを特徴とするフォトニック結晶製造方法。
【請求項４】
前記異方性エッチングを複数回、各回毎に前記電界制御板の縁の方向を変えて行うことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶製造方法。
【請求項５】
a) 誘電体から成る基材の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを該基材表面に形成する工程であって、該孔形成領域を複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目（nは整数）の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+2)番目の帯状領域に多数の孔が4n番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第１マスクを形成する第１マスク形成工程と、
b) 前記孔形成領域の近傍に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第１の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行な第１の方向に指向する異方性エッチングを行う第１エッチング工程と、
c) 前記第１マスクを除去する第１マスク除去工程と、
d) 前記孔形成領域内の(4n+1)番目の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+3)番目の帯状領域に(4n+1)番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第２マスクを形成する第２マスク形成工程と、
e) 前記第１マスク形成工程において第１電界制御板を配置した位置から前記孔形成領域を挟んで対向する、該孔形成領域の近傍の位置に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第２の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行であって前記第１の方向とは異なる第２の方向に指向する異方性エッチングを行う第２エッチング工程と、
f) 前記第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、
をこの順で行うことを特徴とする３次元フォトニック結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス等の微細加工に適したプラズマエッチング方法及びその方法を用いたフォトニック結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
(1) フォトニック結晶について
近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光機能材料であり、この周期屈折率分布の構造が光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域（フォトニックバンドギャップ、略称：PBG）が形成されることが特徴である。また、この屈折率分布の中に乱れ（欠陥）を導入することにより、PBG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、欠陥準位に対応する波長の光のみが、この欠陥位置において存在可能になる。これにより、点状の欠陥から成る光共振器や線状の欠陥から成る光導波路等をフォトニック結晶内に設けることができる。また、光導波路の近傍に、その光導波路を伝播する光の波長帯に含まれる大きさの共振波長を持つ光共振器を配置することにより、そのフォトニック結晶は光導波路を伝播する光のうちこの共振波長と同じ波長の光を光共振器に取り出すこと（分波）ができると共に、その波長の光を光共振器から光導波路に合流させること（合波）ができる光合分波器となる。
【０００３】
フォトニック結晶には主に２次元フォトニック結晶（例えば特許文献１参照）と３次元フォトニック結晶（特許文献２）がある。特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶は、板状の誘電体から成る本体に空孔を周期的に形成したものである。特許文献２に記載の３次元フォトニック結晶は、誘電体から成るロッドが平行に周期的に配列されたストライプ層を、最隣接のストライプ層のロッド同士が直交し次隣接のストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれるように積層したものである。３次元フォトニック結晶は欠陥位置に存在する光が外部に漏出し難く、光共振器や光導波路の損失を極めて低く抑えることができるという利点を有する。
【０００４】
従来、３次元フォトニック結晶は、ストライプ層同士の位置を正確に合わせなければならないという点で製造が難しいとされていた。それに対して、最近、非特許文献１において、誘電体から成る基材の表面に対して傾斜した第１の方向を指向する第１の異方性エッチングを行ってこの第１方向に延びる孔を形成した後に、第１方向と所定の角度で交差する第２の方向を指向する第２の異方性エッチングを行ってこの第２方向に延びる孔を形成することにより３次元フォトニック結晶を製造することが提案された。この方法では、4n番目（nは整数）のストライプ層及びそれに次隣接の(4n+2)番目のストライプ層は第１の異方性エッチングにより、(4n+1)番目及び(4n+3)のストライプ層は第２の異方性エッチングにより、それぞれ製造される。この方法によれば、ストライプ層同士の位置合わせを行う必要がないため、製造が容易である。
【０００５】
ここで、第１方向と第２方向の成す角度は80°〜100°であることが望ましい。
図１(a)に、基材の材料にSiを用いた場合を例に、異方性エッチングのエッチング角と、そのエッチングにより得られる３次元フォトニック結晶のPBGの大きさ（PBG幅）の関係を計算で求めた結果をグラフで示す。この計算において、第１方向と第２方向は、基材１１の表面に対する垂線を含む同一面内にあり、その垂線との成す角度（エッチング角）は共に同じ大きさαである。従って、第１方向と第２方向の成す角度は2αである。図１(a)より、PBG幅はエッチング角αが40°〜50°の範囲内ではほぼ同じ大きさになり、その範囲から離れるに従って小さくなることがわかる。PBGの幅が大きいほど、所望の波長帯の光が伝播する光導波路や所望の共振波長の光に共振する光共振器が得易く、光合分波器として使用することができる波長帯域を大きくすることができる、等の利点がある。そのため、エッチング角αは40°〜50°、即ち第１方向と第２方向の成す角度は80°〜100°とすることが望ましい。
【０００６】
一方、２次元フォトニック結晶は３次元フォトニック結晶よりも製造が容易であるという利点を有する。最近、TE偏波及びTM偏波の双方に共通のPBG（完全PBG）を、従来よりも広いエネルギー領域に亘って形成することができる２次元フォトニック結晶が提案された。非特許文献２には、板状の基材の表面における三角格子の各格子点から、互いに異なる方向に延びる３個の空孔が形成された２次元フォトニック結晶が記載されている。それら３個の空孔は、本体に平行な方向には互いに120°ずつ異なり、本体に垂直な方向にはいずれも本体の法線に対して約36°傾斜した方向に形成されている。従来の２次元フォトニック結晶では完全PBGの幅は最大でも数%（完全PBGの中心値に対する幅の大きさで定義）であったのに対して、この２次元フォトニック結晶では約15%（基材にSiを用いた場合）の幅を持つ完全PBGを形成することができる。
【０００７】
(2) 斜方向エッチングについて
ここまでに述べたように、非特許文献１に記載の３次元フォトニック結晶、及び非特許文献２に記載の傾斜空孔を有する２次元フォトニック結晶はいずれも、基材に対して所定の角度だけ傾斜した方向に基材をエッチング（斜方向エッチング）することにより製造される。このような斜方向エッチングはフォトニック結晶の製造の場合に限られず、半導体デバイスの微細加工や微小電気機械システム（microelectromechanical system、略称：MEMS）の製造等にも用いることができる。
【０００８】
斜方向エッチングの方法の１つとして、プラズマエッチングの一種である反応性イオンエッチング法が挙げられる。図２に示すように、反応性イオンエッチング法はプラズマ１２中のイオンをバイアス電圧により加速して被加工物に入射させることにより、被加工物をエッチングするものである。この反応性イオンエッチング法を用いる場合、イオンを加速する方向に対して基材１１を傾斜して配置（図２(a)）すれば、斜方向エッチングを行うことができるようにも思われる。しかし、実際には、このように基材１１を配置すると、バイアス電圧により形成される等電位面１３は基材１１の表面に平行に形成され（図２(b)）、イオンはその軌道１４がこの等電位面１３に対して垂直な方向となるように曲げられ、基材１１の表面に対して垂直に入射する。そのため、この方法では基材に対して斜方向にエッチングをすることができない。
【０００９】
非特許文献３には、図２(c)に示すように、プラズマ１２にバイアス電圧を印加するための電極１４１及び１４２の間に、上面にステンレス鋼製の格子から成る窓１５１を設けたシールド（ファラデー箱）１５を設け、シールド１５の中に、イオンの加速方向に対して基材１１を傾斜して配置した状態で基材１１をプラズマエッチングすることが記載されている。この方法によれば、プラズマ中のイオンはシールド１５の外側においてバイアス電圧により加速され、窓１５１からシールド１５内に進入する。この時、シールド１５内には電界が形成されていないため、イオンは軌道を曲げられることなく、基材１１の表面に対して斜め方向に入射する。これにより基材１１は斜方向にエッチングされる。
【００１０】
特許文献３には、図２(d)に示すように、基材１１をその表面がイオンの入射方向に対して垂直になるように配置し、基材１１の表面に対して傾斜した上面を持つテーパブロック１６をその表面に配置し、テーパブロック１６の上に電界制御板（特許文献３では「プラズマ制御板」と表記）１７を載置したうえで、基材１１を反応性イオンエッチング法によりエッチングすることが記載されている。この方法によれば、基材１１と電界制御板１７が接する点の付近においてイオンは軌道を曲げられ、基材１１の表面に対して斜め方向に入射する。これにより基材１１はその箇所において斜め方向にエッチングされる。
【００１１】
【特許文献１】特開2001-272555号公報
【特許文献２】特開2001-074955号公報
【特許文献３】特開2006-000945号公報
【非特許文献１】高橋 重樹 他、"New Fabrication Method of Woodpile 3D Photonic Crystals"（「ウッドパイル型３次元フォトニック結晶の新しい作製方法」）、PECS-VI: International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures（第６回フォトニック結晶に関する国際シンポジウム）講演要旨（ポスターセッションＤ）、[online]、2005年5月26日発行、[2006年5月22日検索]、インターネット<URL: http://www.cmpgroup.ameslab.gov/PECSVI/ProgramBook/14PosterSessionD.pdf>、第14頁
【非特許文献２】北川 均 他、2006年春季第53回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、第3分冊、講演番号22a-L-11
【非特許文献３】G. D. Boyd他、アプライド・フィジックス・レターズ、（米国）、アメリカ応用物理学会発行、1980年4月1日、第36巻、第7号、第583-586頁（G. D. Boyd et al. "Directional reactive ion etching at oblique angles", Applied Phisics Letters, American Institute of Physics, vol. 36, No. 7, pp. 583-586）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献３の方法では、電界制御板１７の角度β（電界制御板１７と基材１１の表面との成す角度）を大きくするほどエッチング角αが大きくなる。しかし、電界制御板１７はテーパブロック１６に載置されていることから電界制御板角度βは90°以上にすることはできないため、この方法によればエッチング角αは電界制御板角度βが90°の時の値よりも大きくすることができない。そのため、この方法では、３次元フォトニック結晶の作製の際に求められる40°〜50°や、非特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶の作製に必要な36°といった大きさのエッチング角αでの斜方向エッチングを、フォトニック結晶を作製するのに十分な面積に亘って行うことはできない。
【００１３】
また、非特許文献３に記載の方法では基材を傾斜して配置し、また、特許文献３に記載の方法においても同様に電界制御板を基材上で傾斜して配置しているが、この場合、基材の上部に大きな空間が必要である。
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、大きなエッチング角で、且つフォトニック結晶を作製するのに十分な大面積に亘って、従来よりも小さい空間内で斜方向エッチングを行うことができるプラズマエッチング方法、及びそのプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマエッチング方法は、基材の表面に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている電界制御板を該表面に対して略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該基材表面に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るフォトニック結晶製造方法は、誘電体から成る基材の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し、前記孔形成領域の近傍に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている電界制御板を該基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成する工程を有することを特徴とする。
【００１７】
また、
a) 誘電体から成る基材の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを該基材表面に形成する工程であって、該孔形成領域を複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目（nは整数）の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+2)番目の帯状領域に多数の孔が4n番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第１マスクを形成する第１マスク形成工程と、
b) 前記孔形成領域の近傍に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第１の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行な第１の方向に指向する異方性エッチングを行う第１エッチング工程と、
c) 前記第１マスクを除去する第１マスク除去工程と、
d) 前記孔形成領域内の(4n+1)番目の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+3)番目の帯状領域に(4n+1)番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第２マスクを形成する第２マスク形成工程と、
e) 前記第１マスク形成工程において第１電界制御板を配置した位置から前記孔形成領域を挟んで対向する、該孔形成領域の近傍の位置に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材の表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第２の電界制御板を前記基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを該孔形成領域に入射させるように該プラズマと該基材表面の間に電位差を形成することにより、前記帯状領域に平行であって前記第１の方向とは異なる第２の方向に指向する異方性エッチングを行う第２エッチング工程と、
f) 前記第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、
をこの順で行うことにより、３次元フォトニック結晶を製造することができる。
前記第１電界制御板と第２電界制御板には、第１エッチング工程と第２エッチング工程におけるエッチング角αを同じ大きさにする場合には、同一の電界制御板を用いることができる。
【００１８】
本願では「基材の上方」、「（電界制御板の）上（下）面」等のように「上」及び「下」という語を用いるが、これらの語は基材、電界制御板及びプラズマの相対的な位置関係を表すために便宜的に用いたものであり、それら位置関係を鉛直方向に関する上下に限定するものではない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るプラズマエッチング方法によれば、電界制御板の縁が、電界制御板の上面が下面よりも外側に突出（オーバーハング）するように傾斜しており、一見すると、縁の直下では電界制御板自体がマスクとなりエッチングがなされないようにも思われる。しかし、プラズマと基材表面の間に電位差（バイアス電圧）を形成すると、縁付近の等電位面は縁の下側に引き込まれるように形状が歪む。そのため、イオンは縁の直下の領域に回り込み、基材表面に対して斜め方向に入射する。これにより、基材を、その表面の法線に対して傾斜した方向にエッチングすることができる。
【００２０】
前述の特許文献３に記載の方法においても、電界制御板を用いて等電位面を歪ませることにより斜方向にエッチングがなされると考えられる。しかし、特許文献３に記載の方法では電界制御板角度βは最大でも90°でありオーバーハングさせることができない。それに対して、本発明では電界制御板の縁をオーバーハングさせることにより、特許文献３に記載の方法よりも等電位面の形状を大きく歪ませることができ、その結果、エッチング角αをより大きくすることができると共に、より大きな領域に亘ってこのような斜め方向エッチングを行うことができる。
【００２１】
また、本発明のプラズマエッチング方法では、斜方向エッチングは電界制御板の縁の直下の領域においてなされる。そのため、この領域に向かって基材表面に対して垂直方向に進行するイオンは電界制御板の上面において遮断され、この領域には到達せず、垂直方向のエッチングが生じることを防いで所望の斜方向エッチングのみを行うことができる。
【００２２】
本発明では、電界制御板の縁と基材表面の成す角度や電界制御板の厚さを調整することにより、電界制御板の縁付近における等電位面の形状及びそれにより定まるエッチング角を制御することができる。
また、エッチングガスの流量や圧力、あるいはエッチングガスをプラズマ化する際に投入される電力等を調整することによっても、プラズマシースの厚さやバイアス電圧の大きさを変化させることができ、その結果、電界制御板の縁付近における等電位面の形状及びそれにより定まるエッチング角を制御することができる。
これらの各条件は予備実験により定めることができる。
【００２３】
更に、本発明では電界制御板を基材表面に略平行に配置するため、電界制御板を支えるジグ（例えば特許文献３に記載のテーパブロック）を用いる必要がなく、また、基材の上部に大きな空間が必要になることもない。
【００２４】
本発明のプラズマエッチング方法を、非特許文献１に記載の３次元フォトニック結晶や非特許文献２に記載の傾斜空孔を有する２次元フォトニック結晶を製造する際に必要な斜方向エッチングに用いることにより、３次元フォトニック結晶の作製の際に求められる40°〜50°や、非特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶の作製に必要な36°といった大きなエッチング角を実現することができる。また、エッチング角を容易に調整することができるため、これらのフォトニック結晶の製造が容易になる。
【００２５】
本願発明者が行った後述の実験によれば、所定の条件において、電界制御板の縁からの距離が数百μmの範囲内において、ほぼ同じエッチング角で斜方向エッチングを行うことができる。そのため、数百μm角程度の大きさのフォトニック結晶を製造する場合には、１方向に対するエッチングは１回行うだけでよく、フォトニック結晶の製造工程を簡素化することができる。
【００２６】
また、本発明のプラズマエッチング方法は、フォトニック結晶の製造のみならず、半導体デバイスやMEMS等、斜方向エッチングによる微細加工が必要な物の製造にも好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
(1)プラズマエッチング方法
本発明のプラズマエッチング方法の一実施形態を、図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態における処理対象の基材２１及び電界制御板２２の配置を示したものである。電界制御板２２は基材２１の表面に略平行に配置され、その電界制御板２２の縁２３は、基材２１表面に対して斜め方向に切断された形状、具体的には、縁２３において電界制御板２２の上面が下面よりも外側（図３の左側）にオーバーハングした形状を有している。このように電界制御板２２を配置した状態で、従来の反応性イオンエッチング法と同様の方法によりプラズマを生成し、そのプラズマ中のイオンにバイアス電圧を印加することによりイオンを加速して基材２１及び電界制御板２２の表面に照射する。
【００２８】
このように電界制御板２２の縁２３がオーバーハングしていることにより、一見すると、縁２３の直下の領域２６にはイオンが到達せず、その領域では基材２１がエッチングされないようにも思われる。しかし、実際には以下の理由により、その領域２６にもイオンが到達し、まさにその領域２６において斜方向エッチングが実現する。
イオンが基材２１及び電界制御板２２の表面に照射される間、バイアス電圧による等電位面２４は、基材２１及び電界制御板２２の中央付近ではそれらに対してほぼ平行に形成される。それに対して、基材２１と電界制御板２２の境界付近では、縁２３に沿って電界制御板２２の下面側に等電位面が引き込まれるように変形する。即ち、等電位面２４は縁２３付近において基材２１及び電界制御板２２に平行な平面から歪んだ形状になる。この境界付近では、照射されるイオンの軌道は、このように歪んだ等電位面２４に対して垂直方向に、即ち基材２１の表面の法線に対して傾斜した方向に曲げられる。そして、領域２６にイオンが回り込んで入射する。これにより、領域２６では、縁２３の影になることなく、イオンは基材２１の表面に対してこの傾斜した方向に入射するため、基材２１はこの方向に指向したエッチングがなされる。
【００２９】
特許文献３に記載の電界制御板を傾斜させて用いた場合、あるいは縁が基材の表面に対して略垂直に形成された電界制御板を基材２１に平行に配置した場合と比較すると、本実施形態の方法は、上述のようにイオンが縁２３の直下に回り込むようにして基材２１に入射することにより、エッチング角をより大きくすることができる。これにより、３次元フォトニック結晶の作製に必要な40°〜50°、あるいは非特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶の作製に必要な36°という大きなエッチング角での斜方向エッチングを、それらフォトニック結晶を作製するのに十分な数百μm角以上の大きな領域に亘って実現することができる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、領域２６に、基材２１の表面に対して垂直方向に進行するイオンが進入しようとした場合には、そのイオンは電界制御板２２の上面において遮断され、領域２６には到達しない。そのため、領域２６において基材２１がその表面に対して垂直方向にエッチングされることがない。
【００３１】
エッチング角は縁２３の傾斜角の他に、電界制御板２２の厚さ、エッチングガスの流量、圧力、投入電力を調整することによって制御することもできる。従って、縁２３の傾斜角を含むこれらのパラメータとエッチング角の関係を予備実験により求めておくことにより、所望のエッチング角でエッチングを行うことができる。
【００３２】
本実施形態においては、電界制御板２２を基材２１に略平行に配置するため、電界制御板を支持するためのジグが不要であり、また、電界制御板２２の上部の空間を最小限に抑えることができる。
【００３３】
なお、図３には縁が直線状に形成される例を示したが、この縁の形状は曲線状であってもよい。また、図３には１つの断面のみにおける制御板の縁の形状のみを示したが、図の奥行き方向の縁の形状をこれらの図に表された断面に平行な各断面において全て同じ形状にすることにより、加工される基材の形状を奥行き方向に一様にすることができる。それに対して、各断面において縁の形状を異なる形状にすれば、奥行き方向に変化のある形状を基材に形成することができる。
【００３４】
(2)フォトニック結晶の製造方法
ここでは、前述の実施形態に係るプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶の製造方法の一実施形態について説明する。
【００３５】
(2-1)３次元フォトニック結晶の製造方法
図４(a)に、本実施形態の方法により製造される３次元フォトニック結晶を示す。この３次元フォトニック結晶３０はSiやGaAs等の誘電体から成るロッド３１が周期aで略平行に並んだストライプ層３２が積層した構造を有する。ストライプ層３２は４層周期で同じ構造になるように積層しており、互いに次隣接である4n番目（nは整数、以下同様）のストライプ層３２１のロッド３１と(4n+2)番目のストライプ層３２３のロッド３１は略平行且つ1/2周期ずつずれるように並んでいる。(4n+1)番目のストライプ層３２２のロッド３１と(4n+3)番目のストライプ層３２４のロッド３１の関係も同様である。そして、最隣接のストライプ層３２同士では、ロッド３１は略直交するように配置されている。なお、その交差角が90°から多少ずれたとしても、その積層体は、フォトニックバンドギャップが形成されフォトニック結晶として機能する。
図４(b)に、(a)とは異なる方向から見た斜視図を示す。この図では、ストライプ層３２に垂直であってロッド３１に角度45°で交差する断面３３を上面として表した。ストライプ層３２１及びストライプ層３２３においては、ロッド３１は図の左上から右下に延びるように形成されていると共に、ロッド３１の間にある空隙３４も図の左上から右下に延びるように形成されている。一方、ストライプ層３２２及びストライプ層３２４においては、ロッド３１及び空隙３４は図の右上から左下に延びるように形成されている。
【００３６】
本実施形態のフォトニック結晶製造方法では、本発明のプラズマエッチング法を用いて断面３３から斜方向に延びる空隙３４を形成することにより、３次元フォトニック結晶３０を製造する。その方法を、図５及び図６を用いて説明する。図５に示した断面は、この方法により製造される３次元フォトニック結晶３０のストライプ層３２に平行な面であり、図５(a), (b)はストライプ層３２１又は３２３を通る断面を、(c)〜(e)はストライプ層３２２又は３２４を通る断面を、それぞれ表している。
【００３７】
まず、ロッド３１と同じ材料から成る基材４１を用意し、基材４１の表面にマスク４２１を形成する（図５(a)）。このマスク４２１は、図６(a)に示すように、断面３３においてストライプ層３２１及び３２３内の空隙３４に対応する位置に孔４３１を設けたものである。孔４３１は、ストライプ層に平行な方向に周期a1（例えばエッチング角が基材４１の表面に対して45°である場合にはa1=20.5a）で並んでおり、ストライプ層３２１に対応する帯状の領域とストライプ層３２３に対応する帯状領域の間ではa1/2だけずれて配置されている。
【００３８】
次に、基材４１の上のマスク４２１の近傍に電界制御板２２を載置し、本発明のプラズマエッチング法により基材４１をエッチングする（図５(b)）。ここで、電界制御板２２はこの図におけるマスク４２１の右側に載置する。また、縁２３はストライプ層３２に平行な断面において図の左上から右下に向かって切断された形状を有する。縁２３の表面と基材４１の表面の成す角度、電界制御板２２の厚さ、プラズマエッチングの条件等は、空隙３４の延びる方向に基材がエッチングされるように、予備実験により求めておく。このように電界制御板２２を配置することにより、基材４１には、マスクの孔４３１を通して左上から右下に指向したイオンが入射し、このイオンの入射方向と同じ方向に延びる空隙３４を有するストライプ層３２１及び３２３が形成される。
【００３９】
次に、マスク４２１を除去し、基材４１の表面にマスク４２２を形成する（図５(c)）。マスク４２２は、ストライプ層３２２及び３２４内の空隙３４に対応する位置に孔４３２を設けたものである（図６(b)）。次に、基材４１の上のマスク４２２の近傍に電界制御板２２を載置し、本発明のプラズマエッチング法により基材４１をエッチングする（図５(d)）。ここで、電界制御板２２はマスク４２２の左側に載置され、縁２３はストライプ層３２に平行な断面において図５(d)の右上から左下に向かって切断された形状を有する。なお、電界制御板２２は図５(b)に示したものを、向きを変えるだけでそのまま用いることができる。これにより、基材４１には、マスクの孔４３２を通して右上から左下に指向したイオンが入射し、このイオンの入射方向と同じ方向に延びる空隙３４を有するストライプ層３２２及び３２４が形成される。その後、マスク４２２を除去することにより、３次元フォトニック結晶３０が完成する（図５(e)）。
【００４０】
(2-2)傾斜空孔２次元フォトニック結晶の製造方法
図７に、本実施形態のフォトニック結晶製造方法により作製される、非特許文献２に記載の傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０の一例を示す。傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０は、誘電体から成る板状の基材５１に、この基材５１に平行な断面において円形である空孔５２が周期的に形成されたものである(a)。空孔５２は、基材５１の表面５３１においては三角格子５４１の格子点５２１上に配置されており、基材５１の裏面５３２においては、三角格子５４１の格子点により形成される三角形の重心の直下にある、三角格子５４２の格子点５２２上に配置されている(b)。全ての格子点５２１から同様に、それに最隣接の３個の格子点５２２に向かってそれぞれ１個ずつ、基材５１に対して傾斜して延びる斜円柱状の空孔柱５２Ａ、５２Ｂ及び５２Ｃが形成されている。図７(b)及び(c)に、それら３個の空孔柱５２Ａ〜５２Ｃが延びる方向を矢印で示した。これら矢印の表面５３１への射影は、３個の空孔柱５２Ａ〜５２Ｃの間で120°ずつ異なる方向を向いている。
【００４１】
この傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０の製造方法を、図８を用いて説明する。まず、板状の基材５１の表面に、三角格子状に配置された孔５６を有するマスク５５を形成する(a)。次に、基材５１の上のマスク５５の近傍に電界制御板２２を載置する（断面図：(b-1)、上面図：(b-2)）。電界制御板２２の縁２３は基材５１に垂直な断面において下面が上面よりもマスク５５側に突出した構造を有する。縁２３の表面と基材５１の成す角度は、プラズマエッチングにより基材５１が空孔柱５２Ａの延びる方向にエッチングされるように、予備実験により求めておく。ここで、縁２３は(b-1)では奥行き方向に延び、(b-2)では左右方向に延びている。電界制御板２２の向きは、この縁２３の方向が三角格子５４１のうちの１本の格子に平行になるようにする(b-2)。なお、(b-1)中の点及び(b-2)中の破線２３１は、縁２３が基材５１の表面に接する部分を示している。このように電界制御板２２を配置して本発明のプラズマエッチング法を実行することにより、マスク５５の各孔５６から同じ方向に延びる空孔柱５２Ａ（図８には図示せず）が形成される。
【００４２】
次に、マスク５５はそのままで、縁２３の向きを基材５１の法線を軸として120°回転させた方向に変えて、電界制御板２２をマスク５５の近傍に配置する(c)。この状態で(b-2)の場合と同様にエッチングを行うことにより、空孔柱５２Ｂが形成される。更に縁２３の向きを同様に120°回転させて電界制御板２２をマスク５５の近傍に配置し(d)、同様にエッチングを行うことにより、空孔柱５２Ｃが形成される。その後、マスク５５を除去することにより、傾斜空孔２次元フォトニック結晶５０が得られる。
【実施例】
【００４３】
(1) 第１実施例（プラズマエッチング方法の実施例）
本発明のプラズマエッチング方法の一実施例を、図９〜図１１を用いて説明する。Siから成る基材６１の上に、周期的に孔が形成されたマスク６２を載置し、基材６１上にマスク６２に接するように電界制御板２２を載置した状態で、第１実施形態のプラズマエッチング方法を実施した（図９）。電界制御板２２には、厚さが600μmであって、上面が下面よりもマスク６２側に突出するように縁２３が基材６１の表面に対して約55°の方向に切断された形状を有するものを用いた。なお、本実施例では電界制御板２２の材料には基材６１と同じSiを用いたが、SiO2やAl等の他の材料から成る電界制御板を用いることはもちろん可能である。
【００４４】
本実施例により、基材６１の表面に対して斜め方向に伸びる斜空孔６３が形成された。その斜空孔６３が形成された基材６１の上面(a)及び基材６１を縦方向に切断した縦断面(b)の電子顕微鏡写真を図１０に示す。これらの写真は、原点O（電界制御板２２の下面における縁２３の位置）から約200μm離れた位置を中心に、図９の横方向に約2μmの幅を持つ領域を撮影したものである。この写真より、基材６１の上面の法線に対する角度θが約40°であって約1.3μmの深さまで延びる斜空孔６３が形成されていることがわかる。
【００４５】
本実施例において、原点Oからの距離xだけ離れた位置から延びる斜空孔の角度θを測定した結果を図１１に示す。距離xが10〜200μmの範囲内において、３次元フォトニック結晶を作製するにあたって十分大きなPGB幅を得るために求められる40°〜50°のエッチング角が得られた。
【００４６】
比較のために、基材の表面に対して垂直に形成された縁２３ａを持つ電界制御板２２ａ（図１２）を用いて、同様の実験を行った。その結果を図１３及び図１４に示す。図１３に示した写真は前述の図１０と同様に原点Oから200μm離れた位置を中心に約2μmの幅を持つ領域を撮影したものである。この例においても、基材６１にはその表面に対して斜め方向に伸びる斜空孔６３ａが形成されている。これは、縁２３ａ付近において、電界制御板２２ａと基材６１の表面の段差が存在することにより、等電位面２４ａ（図１２）の形状が歪むためであると考えられる。しかし、そのエッチング角は26°であり、図１０（第１実施例）の場合よりも小さい。そして、原点Oのごく近傍（原点から約1μmまで）を除いて、３次元フォトニック結晶の作製に求められる40°〜50°のエッチング角を得ることはできなかった。
以上の実験結果から、３次元フォトニック結晶を作製するためには、比較例に記載の方法ではなく、第１実施例のようにオーバーハングを持つ縁を有する電界制御板を用いることが望ましいことが明らかになった。
【００４７】
(2) 第２実施例（３次元フォトニック結晶の製造方法の実施例）
図５に示した本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法により作製された３次元フォトニック結晶の上面の顕微鏡写真を図１５に示す。
本実施例では、結晶中のロッドが占める割合を示す充填率が異なる２種類の３次元フォトニック結晶を作製した。図１５(a)には充填率が0.36である３次元フォトニック結晶３０Ａを、(b)には充填率が0.27である３次元フォトニック結晶３０Ｂを、それぞれ示した。また、本実施例では、最隣接のストライプ層のロッドが交差する位置を通る断面３３Ｂ（図４(b)）が上面になるように、その断面３３Ｂにおける空隙６４の位置に合わせて孔を設けたマスクを用いた。空隙６４は結晶上面から下に向かうに従い、ストライプ層３２１及び３２３では図１５の左側から右側に延びるように、ストライプ層３２２及び３２４では図１５の右側から左側に延びるように、それぞれ形成されている。結晶上面の法線と各空隙６４の延びる方向の成す角度θは40°である。また、結晶上面における、ストライプ層に平行な方向の空隙６４の周期は0.75μmであり、空隙６４の深さは1.3μmである。基材には第１及び第２実施例と同様にSiから成るものを用いた。
【００４８】
図１６に、本実施例により得られた３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂに赤外線を入射した時の透過率及び反射率の測定結果を示す。ここで透過率は、３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂにおいて得られた値を、エッチングを行っていないSi基材の透過率で除すことにより規格化した値で示した。また、図１７に、３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂのエッチング角、ロッド誘電率、周期、充填率及び空隙の深さを用いて、時間領域差分法により透過率を計算した結果を示す。３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂのいずれも、計算によりPBGが形成されることが示された波長帯域６５Ａ及び６５Ｂ及びその近傍において透過率の実験値と計算値がよく一致している。この結果から、本実施例において作製された３次元フォトニック結晶３０Ａ及び３０Ｂにおいて確かにPBGが形成されていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】非特許文献１に記載の方法により作製される３次元フォトニック結晶における、異方性エッチングのエッチング角とPBG幅の関係を計算で求めた結果を示すグラフ。
【図２】従来の斜方向エッチングの方法の例及びその問題点を示す図。
【図３】本発明に係るプラズマエッチング方法の一実施形態を示す断面図。
【図４】本発明に係るフォトニック結晶の製造方法により作製される３次元フォトニック結晶の一例を示す斜視図。
【図５】本発明に係る３次元フォトニック結晶の製造方法の一実施形態を示す断面図。
【図６】本発明に係る３次元フォトニック結晶の製造方法の一実施形態に用いるマスクの上面図。
【図７】本発明に係るフォトニック結晶の製造方法により作製される傾斜空孔２次元フォトニック結晶の一例を示す斜視図(a)及び平面図(b)、並びに傾斜空孔の斜視図(c)。
【図８】本発明に係る傾斜空孔２次元フォトニック結晶の製造方法の一実施形態を示す断面図及び上面図。
【図９】第１実施例における基材６１と電界制御板２２の配置を示す断面図。
【図１０】第１実施例により斜空孔６３が形成された基材６１の顕微鏡写真。
【図１１】第１実施例により作製された斜空孔６３の、位置xと基材６１の上面の法線に対する角度θの関係を示すグラフ。
【図１２】比較例における基材６１と電界制御板２２ａの配置を示す断面図。
【図１３】比較例により斜空孔６３ａが形成された基材６１の顕微鏡写真。
【図１４】比較例により作製された斜空孔６３ａの、位置xと基材６１の上面の法線に対する角度θの関係を示すグラフ。
【図１５】第２実施例により製造された３次元フォトニック結晶の例を示す上面の顕微鏡写真。
【図１６】第２実施例により得られた３次元フォトニック結晶における赤外線の透過率及び反射率の測定結果を示すグラフ。
【図１７】第２実施例により得られた３次元フォトニック結晶のエッチング角、ロッドの誘電率、周期、充填率及び空隙の深さを用いて、時間領域差分法により透過率を計算した結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５０】
１１、２１、４１、５１、６１…基材
１２…プラズマ
１３、２４…等電位面
１４…イオンの軌道
１４１、１４２…電極
１５…シールド
１５１…シールドの窓
１６…テーパブロック
１７、２２、２２ａ…電界制御板
２３、２３ａ…電界制御板の縁
２３１…基材と電界制御板が接する部分
２６…縁２３の直下の領域
３０、３０Ａ、３０Ｂ…３次元フォトニック結晶
３１…ロッド
３２、３２１〜３２４…ストライプ層
３３、３３Ｂ…３次元フォトニック結晶の断面
３４…空隙
４２１、４２２、５５、６２…マスク
４３１、４３２、５６…マスクの孔
５２…空孔
５２１、５２２…三角格子の格子点
５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…空孔柱
５３１…２次元フォトニック結晶の表面
５３２…２次元フォトニック結晶の裏面
５４１、５４２…三角格子
６３、６３ａ…斜空孔
６４…空隙
６５Ａ、６５Ｂ…PBGが形成される波長帯域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図４】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１５】
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