(57)【要約】【課題】母材の比較的大きな表面に対して型材の微細凹凸構造を低コストでかつ効率よく転写し得る方法を提供する。【解決手段】微細凹凸構造の転写方法において、型材（２）の微細凹凸構造を母材（１）の一表面に接触させ、ジュール熱を生じる熱源からの熱によって母材の少なくともその一表面を熱軟化させ、熱軟化した母材のその一表面に対して型材（２）の微細凹凸構造を押圧し、それによって、母材（１）のその一表面に型材（２）の微細凹凸構造が転写される。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
型材の微細構造を母材の一表面に接触させ、
ジュール熱を生じる熱源からの熱によって前記母材の少なくとも前記一表面を熱軟化させ、
その熱軟化した前記母材の前記一表面に対して前記型材の前記微細構造を押圧し、
それによって、前記母材の前記一表面に前記型材の前記微細構造が転写されることを特徴とする微細構造の転写方法。
【請求項２】
前記ジュール熱を生じる熱源からの熱は、前記型材と前記母材の少なくとも一方に直接通電することによって得られることを特徴とする請求項１に記載の微細構造の転写方法。
【請求項３】
前記ジュール熱を生じる熱源からの熱は、電気炉内で与えられる熱であることを特徴とする請求項１に記載の微細構造の転写方法。
【請求項４】
前記型材は主要成分として炭化珪素を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細構造の転写方法。
【請求項５】
前記母材は主要成分として珪素、炭素または酸化珪素を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の微細構造の転写方法。
【請求項６】
少なくとも前記母材の前記一表面は、１０００℃〜２０００℃の範囲内の温度に加熱されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の微細構造の転写方法。
【請求項７】
前記母材はその融点より低い範囲内の温度まで前記型材とは別途に予熱されることを特徴とする請求項１、２、および４から６のいずれかに記載の微細構造の転写方法。
【請求項８】
前記母材の前記一表面は１ｃｍ２以上の面積を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の微細構造の転写方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は型材が有する微細構造を母材の一表面に転写する方法に関し、特に、その転写方法の効率の改善とコストの低減に関する。なお、そのような微細構造が転写された母材は、たとえば光通信分野において導波路などに使用されるフォトニック結晶材料として利用し得る。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、シリコンの表面に微細凹凸構造を有するデバイスを形成する場合、従来では、個々のシリコン母材に対してフォトリソグラフィとエッチングを利用するのが一般的である。しかし、これらのフォトリソグラフィとエッチングのプロセスはコストがかかるとともに、生産効率が低いという問題がある。
【０００３】
このような問題を改善するために、図４から図８の模式的な断面図で図解されているように、石英型材が有する微細凹凸構造をシリコン母材の表面に転写する方法が提案されている（非特許文献１参照）。なお、本願の図面において、長さや厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。また、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わしている。
【０００４】
図４に示されているように、非特許文献１においては、シリコン母材１１の上面に対して微細凹凸構造を有する石英の型材１２が接触させられる。石英型材１２が微細凹凸構造を有する面は、１．５ｍｍ×１．５ｍｍの面積に限定されている。これは、図５において用いられるエキシマレーザビームの断面積２．５ｍｍ×２．５ｍｍの範囲内に適合させるためである。
【０００５】
図５において、ＸｅＣｌエキシマレーザ１３が、石英型材１２を透過してシリコン母材１１の表面に照射される。このレーザ照射によって、シリコン母材の大部分１１ａは固体のままであるが、その表面層１１ｂが溶融させられる。
【０００６】
図６において、シリコン母材の表面層が溶融させられた状態で、その融液が石英型材１２の微細凹凸構造の凹部に侵入する。その結果、シリコン母材の溶融表面層が微細凹凸構造の転写された溶融表面層１１ｃになる。
【０００７】
図７において、微細凹凸構造の転写された溶融表面層が形成された後に、シリコン母材は急速に室温まで冷却され、微細凹凸構造の転写された凝固表面層を有するシリコンデバイス１１ｄが形成される。
【０００８】
図８において、微細凹凸構造の転写された凝固表面層を有するシリコンデバイス１１ｄは、室温において石英型材１２から分離され、光学部品または電子部品として利用され得る。このように、型材の微細凹凸構造を転写することによってデバイスを形成する方法では、その型材の微細凹凸構造をフォトリソグラフィとエッチングで形成するとしても、一旦その型材が形成されれば、その後はその型材の微細凹凸構造を転写するだけでデバイスを効率よく生産することができる。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｎａｔｕｒｅ，　Ｖｏｌ．４１７　（２００２）　ｐｐ．８３５−８３７
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献１による転写技術では、シリコン母材の加熱手段としてエキシマレーザビームが用いられるので、転写可能な領域が約２．５ｍｍ×２．５ｍｍ未満の小さな領域に過ぎない。また、エキシマレーザ装置は非常に高価な装置であり、転写コストが高くなる。
【００１１】
以上のような従来技術における課題に鑑み、本発明は、母材の比較的大きな表面に対して型材の微細構造を低コストでかつ効率よく転写し得る方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による微細構造の転写方法においては、型材の微細構造を母材の一表面に接触させ、ジュール熱を生じる熱源からの熱によって母材の少なくともその一表面を熱軟化させ、熱軟化した母材のその一表面に対して型材の微細構造を押圧し、それによって、母材のその一表面に型材の微細構造が転写されることを特徴としている。
【００１３】
なお、ジュール熱を生じる熱源からの熱は、型材と母材の少なくとも一方に直接通電することによって得ることができる。母材はその融点より低い範囲内の温度まで型材とは別途に予熱されてもよい。他方、ジュール熱を生じる熱源からの熱は、電気炉内で与えられる熱であってもよい。母材のうちで少なくとも微細構造が転写される一表面は、１０００℃〜２０００℃の範囲内の温度に加熱される。
【００１４】
型材は、その主要成分として炭化珪素を含み得る。母材は、その主要成分として珪素または酸化珪素を含み得る。微細構造が転写されるべき母材の一表面は、１ｃｍ２以上の面積を有し得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１から図３において、本発明の一実施例による微細構造の転写方法が模式的な断面図で図解されている。
【００１６】
図１において、微細構造の被転写材である母材として、４インチ（約１０ｃｍ）径で厚さ５００μｍのシリコンウエハ１が準備された。このシリコンウエハ１の上側主面上に、４インチ径で厚さ１ｍｍの炭化珪素単結晶からなる型材２が載置された。炭化珪素型材２の下面には、フォトリソグラフィとエッチングによって微細構造が形成されていた。その微細構造は、２００ｎｍの直径と３００ｎｍの高さを有する複数の微細円柱が中心間隔４００ｎｍで蜂の巣状に配置されていた。この炭化珪素型材２には、それへの直接通電を可能にするように、電源３がスイッチ４を介して接続されていた。
【００１７】
図２において、シリコンウエハ１に対して炭化珪素型材２を１０ｋｇの荷重で押圧しながら、スイッチ４が閉じられて、その炭化珪素型材２が電源３からの直接通電によって加熱された。そして、その炭化珪素型材からのジュール熱によって、シリコンウエハ１が加熱された。シリコンウエハ１が１４００℃（融点は１４１２℃）に加熱された状態で３０秒間保持され、その後に室温まで１分間で冷却された。このように、シリコンウエハ１が高温に保持されて軟化している間に、１０ｋｇの荷重で押圧された炭化珪素型材２の微細構造がそのシリコンウエハ１の上面に刻印されて転写された。その結果、微細構造が転写された上面を有するシリコンデバイス１ａが形成された。
【００１８】
図３において、スイッチ４が開放されて炭化珪素型材２が室温まで冷却された後に、微細構造が転写されたシリコンデバイス１ａは、その型材２から分離された。こうして得られたシリコンデバイス１ａの上面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したところ、４インチ径の全面にわたって、２００±５ｎｍの直径と３００±５ｎｍの高さを有する微細な孔が形成されていることが確認できた。
【００１９】
このシリコンデバイス１ａにおいて、それら複数の微細孔を含む上面層内でその上面に平行に、光通信に利用される波長１．５５μｍの光を矢印Ｌで示されているように入射させたところ、その上面層内で入射光が拡散することなく導波され得ることが確認できた。すなわち、シリコンデバイス１ａにおいて炭化珪素型材２から転写された複数の微細孔を含む上面層がフォトニック結晶層として作用し得ることが分かる。
【００２０】
他方、比較例として、上記非特許文献１の場合と同様にエキシマレーザビームを利用した転写方法も試みられた。すなわち、この比較例は、型材の材質が石英に変更されたこととシリコンウエハ表面の加熱手段が２．５ｍｍ×２．５ｍｍの断面を有するエキシマレーザビームに変更されたことのみにおいて上記実施例と異なっていた。
【００２１】
このような比較例において、エキシマレーザビームが石英型材を透過して照射されたシリコンウエハの中央部の約１ｍｍ径の範囲内で微細構造の転写が観察されたが、その他の領域では微細構造が形成されていないことが確認された。すなわち、非特許文献１におけるようにエキシマレーザビームを加熱手段として利用する転写方法では、大きな面積を有する母材表面全体に型材の微細構造を転写することが困難であることが分かる。
【００２２】
なお、上述の実施例では型材２に直接通電することによってその型材に接する母材１の少なくとも表面が加熱されたが、母材の加熱方法がこれに限られないことは言うまでもない。たとえば、母材と型材の少なくとも一方に直接通電してもよいし、母材と型材の両方が電気炉内で加熱されてもよい。また、母材がたとえばホットプレート上で予熱された上で、型材に直接通電して加熱してもよい。
【００２３】
また、実施例では母材がシリコンからなる場合について説明されたが、他の材料からなる母材であってもよいことは言うまでもない。たとえば、光通信分野においてよく用いられる石英ガラスの母材に微細構造を転写することもできる。母材が石英ガラスからなる場合、非特許文献１におけるようにエキシマレーザビームによってその母材を加熱できないので、本発明の転写方法が特に有効になる。さらに、母材として、合成されたダイヤモンド状カーボン（炭素）を用いることもできる。
【００２４】
さらに、実施例では型材が炭化珪素からなる場合について説明されたが、他の材料からなる型材であってもよいことは言うまでもない。たとえば、石英やダイヤモンド、または窒化珪素もしくはシリサイド（たとえばＷＳｉ）のような化合物、または金属もしくは合金などの型材をも用いることができる。ただし、型材は母材に比べて高い融点を有するとともに、転写温度において十分な硬度を有すべきことは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、母材の比較的大きな表面に対して型材の微細構造を低コストでかつ効率よく転写し得る方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による微細構造の転写方法の過程を図解する模式的な断面図である。
【図２】本発明の一実施例による微細構造の転写方法において、図１に続く過程を図解する模式的な断面図である。
【図３】本発明の一実施例による微細構造の転写方法において、図２に続く過程を図解する模式的な断面図である。
【図４】従来技術の一例による微細凹凸構造の転写方法の過程を図解する模式的な断面図である。
【図５】従来技術の一例による微細凹凸構造の転写方法において、図４に続く過程を図解する模式的な断面図である。
【図６】従来技術の一例による微細凹凸構造の転写方法において、図５に続く過程を図解する模式的な断面図である。
【図７】従来技術の一例による微細凹凸構造の転写方法において、図６に続く過程を図解する模式的な断面図である。
【図８】従来技術の一例による微細凹凸構造の転写方法において、図７に続く過程を図解する模式的な断面図である。
【符号の説明】
１　母材、１ａ　微細構造が転写された母材、２　微細構造を有する型材、３電源、４　スイッチ、１１　シリコン母材、１１ａ　シリコン母材中の固相部分、１１ｂ　シリコン母材中の液相表面層、１１ｃ　微細凹凸構造が転写されたシリコン液相表面層、１１ｄ　微細凹凸構造が転写されたシリコンデバイス、１２　石英型材、１３　エキシマレーザビーム。
【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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【図８】
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