(57)【要約】【課題】積み重ねた２次元パターニングプレートの位置をナノマニピュレーションにより調整しながら３次元フォトニック結晶を製造する３次元フォトニック結晶の製造方法を提供する。【解決手段】形成された２次元パターニングプレート１０を積層し、シリンダを利用して２次元方向に位置を粗調整する工程、各２次元パターニングプレート１０をマイクロアクチュエータに連結し、２次元方向に位置を微調整して回折光強度を調整する工程、積層された２次元パターニングプレート１０相互間を接着固定する工程より成る３次元フォトニック結晶の製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
形成された２次元パターニングプレートを積層し、シリンダを利用して２次元方向に位置を粗調整する工程、
各２次元パターニングプレートをマイクロアクチュエータに連結し、２次元方向に位置を微調整して入射光の回折強度を最大化する工程、
積層された２次元パターニングプレート相互間を接着固定する工程、
より成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】
請求項１に記載される３次元フォトニック結晶の製造方法において、
各２次元パターニングプレートを２次元方向に位置を微調整するに際して、積層された２次元パターニングプレートに相異なる複数の入射角の光を照射し、
透過光を検出しながらマイクロアクチュエータを制御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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、３次元フォトニック結晶の製造方法に関し、特に、フォトニック結晶の製造工程において、積み重ねた２次元プレートのバンドギャップをナノマニピュレーションにより調整しながら３次元フォトニック結晶を製造する３次元フォトニック結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットアクセスおよびデータ伝送技術が急速に発展しており、これに対応した光回路素子として、フォトニック結晶より成る光回路素子の研究開発が進められている。フォトニック結晶とは、屈折率が大きく異なる２種類の透明な媒質を光波長程度の周期で規則正しく交互に配置した人工結晶をいう。周期構造、屈折率比が特定の条件を満足するフォトニック結晶においては、或る周波数範囲の光が一切伝播することがないという現象が生起する。この伝播することができない光、即ち、禁止光のスペクトラムバンドをフォトニックバンドギャップという。このフォトニック結晶は、光を屈曲し、方向付けし、そしてサブミリメートルのスケールで取り扱われ、多数の光制御機能が高密度に集積化された複合装置を構成する能力を有している。フォトニック結晶を図５を参照して簡単に説明する。
【０００３】
図５（ａ）は屈折率ｎ１  の媒質および屈折率ｎ２  の媒質を交互に１次元周期配列して構成した１次元フォトニック結晶である。図５（ｂ）は屈折率ｎ１  の媒質および屈折率ｎ２  の媒質を交互に２次元周期配列して構成したフォトニック結晶である。図５（ｃ）は屈折率ｎ１  の媒質および屈折率ｎ２  の媒質を交互に３次元周期で配列構成した３次元フォトニック結晶である。フォトニック結晶はλ／２のオーダーの屈折率周期を有している。ここで、λは光波長である。
３次元フォトニックバンドギャップ構造が最初に開発されて以来、特に、２０世紀最後の１０年間はフォトニック結晶について熱心に研究開発が行われた。フォトニック結晶は、増幅、トラップ、非閾値レーザおよび光集積回路その他の回路素子を実現することに利用することができると期待されている。１次元および２次元のフォトニック結晶の実用化研究は、３次元のフォトニック結晶の実用化研究と比較してより急速に進められている。これは、１次元および２次元のフォトニック結晶は、製造が比較的に容易であることによる。これに対して、３次元のフォトニック結晶の製造はそれ程容易ではない。
【０００４】
図６を参照して３次元のフォトニック結晶の製造法の従来例を説明するに、これにはコロイド結晶のセルフオーガニゼーション方法、３軸方向のドライエッチング方法、２次元周期構造を１層毎に積層多重化する方法の如き方法が組み合わせて採用されている。２次元周期構造を１層毎に積層多重化することにより、図６（ａ）に示されるウッドパイル構造が形成され、３次元フォトニック結晶が構成される。図６（ｂ）は、図６（ａ）のウッドパイル構造を上から視たところを示す図である（非特許文献１  参照）。
【０００５】
２次元周期構造を１層毎に積層して近赤外領域におけるフォトニックバンドギャップを完成する先の方法とは異なる方法も実施された。第１に報告された技術はシリコンマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）および集積回路技術を採用した技術である。この技術はフィレット処理技術を基本としており、原材料の薄膜をステップの表面に析出し、反応性イオンのエッチングを実施し、次いで原材料の薄い細長片をステップの側部に沿って残存せしめるものである（非特許文献２  参照）。
【０００６】
第２に報告された技術として、細長片ウェハを積層して相互融着することにより３次元フォトニック結晶を構成することも行われている（非特許文献３  参照）。
そして、積層した細長片に直角に入射したレーザビームの回折スポットの強度変化を観察することにより、ウェハの整列状態を正確に認識する（非特許文献４参照）。
また、第３に報告された技術としてマイクロマニピュレーション技術自体も開発されており、２次元のフォトニック結晶をポリスチレンマイクロスフェアをストッパとして使用して積層することができる（非特許文献４  参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
ＳＣＩＥＮＣＥ  ＶＯＬ  ２８９  ２８  ＪＵＬＹ２０００  Ｐ．６０５
【非特許文献２】
ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．１／Ｊａｎｕａｒｙ  １，１９９９／Ｐ．５０
【非特許文献３】
Ｓ．Ｎｏｄａ，Ｋ．Ｔｏｍａｄａ，Ｎ．Ｙａｍａｍｏｔｏ  ａｎｄ  Ａ．Ｃｈｕｔｉｎａｎ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８９（２０００）６０４
【非特許文献４】
Ｋ．Ａｏｋｉ，Ｈ．Ｈｉｒａｙａｍａ  ａｎｄ  Ｙ．Ａｏｙａｇｉ，ＲＩＫＥＮ  Ｒｅｖｉｅｗ，３３（２００１）２４〜２７
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
３次元フォトニック結晶を製造するに適合した再現性のある製造プロセスの開発の必要性が高まっている。光通信技術分野において研究の対象とされている波長の光、即ち、１３１０ｎｍないし１５５０ｎｍの波長の光について、フォトニックバンドギャップは、格子間隔が約４００ｎｍの場合に得られる。格子間隔が約４００ｎｍの周期性を空間的に保持した３次元フォトニック結晶を製造することは容易ではなく、厚さの大きい３次元フォトニック結晶を実際に製造することは更に困難である。８層の誘電体薄膜層より成る厚さは当該特許出願の発明者の知る限りにおいて３次元フォトニック結晶として最も厚いものであるが、従来の製造方法はこれ以上の厚さの３次元フォトニック結晶を容易に製造することが困難であることを示している。
【０００９】
この発明は、積み重ねた２次元パターニングプレートの位置をナノマニピュレーションにより微調整しながら３次元フォトニック結晶を製造する３次元フォトニック結晶の製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
形成された２次元パターニングプレートを積層し、シリンダを利用して２次元方向に位置を粗調整する工程、各２次元パターニングプレートをマイクロアクチュエータに連結し、２次元方向に位置を微調整する工程、積層された２次元パターニングプレート相互間を接着固定する工程、より成る３次元フォトニック結晶の製造方法を構成した。
ここで、各２次元パターニングプレートを２次元方向に位置を微調整するに際して、積層された２次元パターニングプレートに相異なる複数の入射角の光を照射し、透過光を検出しながらマイクロアクチュエータを制御する３次元フォトニック結晶の製造方法を構成した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の主とする長所は、誘電体薄膜を一層毎に積層する方法を含む積層方法を採用し、少なくとも８層以上の誘電体薄膜をパターニングしたプレート層を基にして３次元フォトニック結晶を高精度に製造することができる点にある。誘電体薄膜の２次元パターニングプレートの積層および位置の調整は各別の２工程により実施される。２次元パターニングプレートの積層工程は極めて容易な工程である。次いで、プレート間の位置の調整工程は従来例においては極めて困難な工程であったが、この発明によれば必要な位置の調整は容易にリアルタイムで実施することができる。異なる形式のホールに形成された２次元パターニングプレートも簡単に位置を調整することができるので、従来例の如くにウッドパイル構造を採用することができる。
【００１２】
【実施例】
この発明の実施例を図１を参照して説明する。
３次元フォトニック結晶は、先ず、２次元パターニングプレート１０を積層することにより製造することができる。２次元パターニングプレート１０は、シリコン、インジウム燐、ガリウム砒素の如き誘電体の半導体材料を原材料として製造される。２次元パターニングプレート１０は、数ｍｍ２ないし数ｃｍ２  の程度のオーダ−の表面積と、数１００ｎｍの厚さを有している。２次元パターニングプレート１０は、主要な４部、即ち、格子部１１、中心丸孔１２、突起部１３、角孔１４より成る。格子部１１は、先の半導体材料を原材料とする薄板をエッチングして形成された、断面が角型のロッドとロッド間に形成されたスリットとが交互に配列した構造より成る。このエッチングに際して、周囲に枠部を残存せしめると共に中心部を残存して原材料薄板をエッチングする。格子部１１のロッドの幅およびロッド間のスリットの寸法は数１００ｎｍのオーダーであり、光通信波長において機能する寸法に形成される。中心丸孔１２は中心部に形成され、２次元パターニングプレート１０を積層マニピュレーションしてフォトニック結晶を構成するに際して、２次元パターニングプレート１０の微小変位を容易にする孔である。中心丸孔１２の直径は数１００μｍないし数ｍｍに形成される。突起部１３は、マニピュレーション中の２次元パターニングプレート１０の位置決めをナノスケールで実施する手掛かりとするところである。この突起部１３はおよそ数１００ｎｍの幅と数ｍｍないしｃｍのオーダーの長さを有し、先端は後で説明される３アームマイクロアクチュエータ４のＵ型アーム４１の内側間隔にほぼ等しい幅のアーム係合部１３１とされている。角孔１４は枠部の角にエッチングにより形成され、後で説明されるフォトニック結晶の組み立て後に、積層２次元パターニングプレート１０相互間を一体に結合固定するに利用される。角孔１４は数ｍｍ２  の大きさに形成される。
【００１３】
３次元フォトニック結晶の組み立て製造手順を図２をも参照して説明する。
（第１のステップ）
第１のステップとして、２次元パターニングプレート１０を順次に積み重ねて行く。２次元パターニングプレート１０は、中心丸孔１２に合成樹脂材料より成る長尺のシリンダ２を挿通しながら積み重ね、これにより、２次元パターニングプレート１０は安定に２次元フォトニック結晶１に近づけられることになる。シリンダ２の直径は、２次元パターニングプレート１０の中心丸孔１２の直径と比較して、格子部１１の格子の１周期分程度は小さい。以上の積み重ねに際して使用される２次元パターニングプレート１０は、格子の向きが図１に示される向きの２次元パターニングプレートＡと、格子の向きがプレートＡの向きと直角である以外は２次元パターニングプレートＡと同様の２次元パターニングプレートＢの２種類であり、これらを交互に積み重ねて行き、結局、２次元パターニングプレートＡ中の格子部１１と２次元パターニングプレートＢ中の格子部１１が交差した積み重ねが構成される。
【００１４】
（第２のステップ）
次いで、図３を参照して、第２のステップを説明の都合上２次元パターニングプレート１０を１６枚使用して説明する。ここで、２次元パターニングプレート１０の枚数は１６枚より多数とすることができる。図３はナノマニピュレーションを実行する３アームマイクロアクチュエータを示す図であり、図３（ａ）はその上から視たところを示す図、図３（ｂ）はその側方から視たところを示す図である。
【００１５】
図３の３アームマイクロアクチュエータ４はナノスケールの操作をすることができる。３アームマイクロアクチュエータ４のアームはＵ型アーム４１であり、２次元パターニングプレート１０の厚さより小さい直径を有している。３アームマイクロアクチュエータ４はナノスケールの操作位置決めを実行する精度で駆動される。ナノスケールの操作には圧電アクチュエータおよび電動機を使用することができる。高解像度のグラススケールエンコーダを具備することにより、ナノスケールの変位と繰り返される位置決めの制御性能を向上することができる。
【００１６】
３アームマイクロアクチュエータ４の３本のＵ型アーム４１を、２次元パターニングプレート１０の突起部１３の先端のアーム係合部１３１に挿入位置決めする。この場合、カメラを有するマシンビジョン装置、フレームグラバーその他のマシンビジョンハードウェアが使用される。２次元パターニングプレート１０のアーム係合部１３１と３アームマイクロアクチュエータ４のＵ型アーム４１との間の間隔は少なくとも±３ｎｍの精度になければならない。
【００１７】
ここで、以下の操作を実行する。第１および第３の２次元パターニングプレート１０Ａを、３アームマイクロアクチュエータ４のＵ型アーム４１に突起部１３のアーム係合部１３１が挿入した状態として位置決め固定し、第２の２次元パターニングプレート１０ＢをＵ型アーム４１に突起部１３のアーム係合部１３１が挿入した状態としてＵ型アーム４１によりアーム係合部１３１を介して変位する。即ち、第２の２次元パターニングプレート１０ＢをＵ型アーム４１により数１００ｎｍだけｙ方向に関して変位してウッドパイル構造を形成する。そして、第２の２次元パターニングプレート１０ＢをＵ型アーム４１によりｘ方向に変位してシリンダ２に押しつけ、次いで、Ｕ型アーム４１をｙ方向に微小変位して第２の２次元パターニングプレート１０Ｂを僅かに回動して格子を相互に９０°に近い直交条件を満足せしめるバンドギャップを数ｎｍの感度の精密さで最大化する操作をし、ここで、第２の２次元パターニングプレート１０Ｂを位置決めする。
【００１８】
図４を参照して更に具体的に説明するに、製造工程は、ソフトウェアを格納したコンピュータを有する調整制御部により制御される。第１ないし第３の２次元パターニングプレート１０Ａ、１０Ｂ、１０Ａに光を照射しておき、プレート間位置の最適化が達成されたとき、透過光は光検知素子５１に検知されて回折光強度はリアルタイムでスペクトル検出装置５に読みとられ、２次元パターニングプレート１０のナノ変位調整は終了する。ナノ変位調整は、所定の回折光強度が確認された時に終了する。
【００１９】
引き続いて、第４の２次元パターニングプレート１０Ｂを積み重ねて、第２、第３、第４の２次元パターニングプレート１０について、同様に第３の２次元パターニングプレート１０Ａを調整して回折光強度の調整操作をするが、これは先の調整操作と比較して容易である。原材料である半導体材料基板を薄くする加工工程において完全な平面化が達成されていれば、ｚ方向の変位調整は必要としない。
更に、第５の２次元パターニングプレート１０Ａを積み重ねて、第３、第４、第５の２次元パターニングプレート１０について、同様に第４の２次元パターニングプレート１０Ｂを調整して回折光強度の調整操作をする。以下同様の操作を続行する。最終的に、３次元フォトニック結晶の結晶配置の最適化を達成する。
【００２０】
（第３のステップ）
すべての２次元パターニングプレート１０の位置調整をして入射光の回折強度の最大化を達成したところで、大きな角孔１４に光硬化性合成樹脂を注入する第３のステップを実施する。この場合、積層体の最下面の２次元パターニングプレート１０の角孔１４は厚さの半分程度エッチングして貫通していない。角孔１４に注入された光硬化性合成樹脂を硬化することにより、３次元パターニングプレート１０の積層体は４本の合成樹脂棒状体により固定され、３次元フォトニック結晶の製造が終了する。
【００２１】
【発明の効果】
上述した通りであって、この発明によれば、従来製造が容易ではなかった３次元フォトニック結晶を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２次元パターニングプレートを説明する図。
【図２】２次元パターニングプレートの組み立て方を説明する斜視図。
【図３】３アームマイクロアクチュエータを説明する図。
【図４】２次元パターニングプレートの組み立てに使用する調整制御部を説明する図。
【図５】フォトニック結晶を説明する図。
【図６】３次元フォトニック結晶の従来例を説明する図。
【符号の説明】
１  ２次元フォトニック結晶          １０  ２次元パターニングプレート
１１  格子部                          １２  中心丸孔
１３  突起部                        １３１  アーム係合部
１４  角孔                              ２  シリンダ
４  ３アームマイクロアクチュエータ  ４１  Ｕ型アーム
５  スペクトル検出装置              ５１  光検知素子
６  調整制御部
【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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