(57)【要約】【課題】エッチングが容易で光部品を低コストで効率的に生産できるガラス薄膜、低コストで効率的に生産できるフォトニック結晶および該ガラス薄膜の製造方法の提供。【解決手段】モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３含有量が３５〜７０％、Ｂ２Ｏ３含有量とＳｉＯ２含有量の和が５〜６５％、Ａｌ２Ｏ３含有量とＧａ２Ｏ３含有量の和が０〜４０％、ＣｅＯ２含有量が０〜１０％、であるガラス薄膜であって、該薄膜の膜厚が０．４〜５０μｍであり、１．５５μｍの波長の光に対する該薄膜の屈折率が２以上であることを特徴とするガラス薄膜および該ガラス薄膜を用いたフォトニック結晶。【選択図】図１
2004210611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３含有量が３５〜７０％、Ｂ２Ｏ３含有量とＳｉＯ２含有量の和が５〜６５％、Ａｌ２Ｏ３含有量とＧａ２Ｏ３含有量の和が０〜４０％、ＣｅＯ２含有量が０〜１０％、であるガラス薄膜であって、該薄膜の膜厚が０．４〜５０μｍであり、１．５５μｍの波長の光に対する該薄膜の屈折率が２以上であることを特徴とするガラス薄膜。
【請求項２】
モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３含有量が４０〜７０％、Ｂ２Ｏ３含有量とＳｉＯ２含有量の和が１０〜５９％、Ａｌ２Ｏ３含有量とＧａ２Ｏ３含有量の和が１〜３５％、である請求項１に記載のガラス薄膜。
【請求項３】
モル％表示で、ＣｅＯ２含有量が０．０１〜１％、である請求項１または２に記載のガラス薄膜。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載のガラス薄膜を用いてなるフォトニック結晶。
【請求項５】
請求項１、２または３に記載のガラス薄膜を基体上に蒸着法により形成することを特徴とするガラス薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理に用いられる光部品の材料として使用できるガラス薄膜、該ガラス薄膜を用いたフォトニック結晶および該ガラス薄膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光情報処理技術の発達により、光導波路などの光部品などが普及してきた。一方、光導波路、光フィルタ、偏向素子などの光部品に利用可能なフォトニック結晶の研究も盛んに行なわれている。
【０００３】
フォトニック結晶は、透明媒質の内部に周期的な屈折率分布を持つ構造物をいい、光のエネルギーに対して、バンド構造（光の絶縁体として機能）を有する。すなわち、フォトニック結晶は、ある波長領域の光に対し、反射率１００％のミラーとして働くため、フォトニック結晶内には光は存在しえない。フォトニック結晶内に欠陥を形成すると、欠陥は光を通す回路として働き、極微小域で光を直角に曲げるなどの光の制御が可能となるため、フォトニック結晶は、内部に欠陥を形成することにより、光導波路として利用できる。
【０００４】
従来、フォトニック結晶の材料として、シリコン等の半導体材料が用いられているが、成膜の工程が煩雑であり、成膜できる大きさに制約があり、また、異方性を持つ材料で任意の形状にエッチングすることが困難であり、フォトニック結晶を低コストで効率的に製造することは困難であった。
【０００５】
また、これまで、ガラス薄膜の製造方法について開示されているが（例えば、特許文献１または２参照。）、エッチングが容易で光部品を低コストで効率的に生産できるガラス薄膜、低コストで効率的に生産できるフォトニック結晶および該ガラス薄膜の製造方法については記載されてない。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５１−１２１０１９号公報
【特許文献２】
特開平１１−１２５７２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の課題を解決しようとするものであり、エッチングが容易で光部品を低コストで効率的に生産できるガラス薄膜、低コストで効率的に生産できるフォトニック結晶および該ガラス薄膜の製造方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３含有量が３５〜７０％、Ｂ２Ｏ３含有量とＳｉＯ２含有量の和が５〜６４％、Ａｌ２Ｏ３含有量とＧａ２Ｏ３含有量の和が０〜４０％、ＣｅＯ２含有量が０〜１０％、であるガラス薄膜であって、該薄膜の膜厚が０．４〜５０μｍであり、１．５５μｍの波長の光に対する該薄膜の屈折率が２以上であることを特徴とするガラス薄膜を提供する。また、本発明は、該ガラス薄膜を用いてなるフォトニック結晶、および、該ガラス薄膜を基体上に蒸着法により形成することを特徴とするガラス薄膜の製造方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
フォトニック結晶は、透明媒質の内部に２次元または３次元方向に周期的な屈折率分布を持つ構造物である。本発明においては、透明媒質はガラス薄膜である。光通信帯である１．５５μｍの波長の光に対して、屈折率分布の屈折率差は、一般的に１以上であることを要する。
【００１０】
図１は本発明のフォトニック結晶４の概念図であり、１は基体、２はガラス薄膜、３は空孔を示す。フォトニック結晶として機能するためには、ガラス薄膜２と空孔３との周期的反復で形成される屈折率分布の屈折率差は１以上であることを要する。ここで、空孔３の屈折率は１であることから、ガラス薄膜２の屈折率は２以上であることを要する。フォトニック結晶４内に、光導波路としたい線状部分に欠陥５を設けることにより、光６はフォトニック結晶４内を伝搬し、フォトニック結晶４は光導波路として利用できる。
【００１１】
本発明のガラス薄膜の組成について説明する。Ｂｉ２Ｏ３の含有量が３５モル％未満では、屈折率が小さくなり、屈折率を２以上とすることが難しい。好ましくは４０モル％以上である。７０モル％超ではガラス化が困難になる。
【００１２】
Ｂ２Ｏ３およびＳｉＯ２はいずれもネットワークフォーマであり、少なくともいずれか一方を含有する必要があるが、いずれか一方を含有すれば他方は含有しなくてもよい。Ｂ２Ｏ３の含有量とＳｉＯ２の含有量の和が５モル％未満ではガラス化が困難になる。好ましくは１０モル％以上、より好ましくは１５モル％以上である。Ｂ２Ｏ３の含有量とＳｉＯ２の含有量の和が６４モル％超では、屈折率が小さくなる。好ましくは５８モル％以下である。
【００１３】
Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３はいずれもガラス薄膜形成時の結晶化を抑制する成分であり、少なくともいずれか一方を含有させうる。Ａｌ２Ｏ３の含有量とＧａ２Ｏ３の含有量の和が４０モル％超では、ガラス薄膜形成の際に結晶化しやすくなる。ここで、「ある成分を０％含有する」とは該成分が必須ではないことをいう。Ａｌ２Ｏ３の含有量とＧａ２Ｏ３の含有量の和は、１〜３５モル％であることが好ましい。
【００１４】
ＣｅＯ２は必須ではないが、Ｂｉ２Ｏ３がガラス作製中に金属ビスマスとして析出することを抑制し、ガラスの透明性の低下を抑制する効果を有する。ＣｅＯ２の含有量は０．０１モル％以上であることが好ましい。０．０１モル％未満では金属ビスマス析出によるガラスの透明性低下を抑制する効果が小さい。より好ましくは０．１モル％以上である。ＣｅＯ２の含有量が１０モル％超ではガラス形成が困難になり、また屈折率が低下する。好ましくは２モル％以下、より好ましくは１モル％以下、特に好ましくは０．５モル％以下である。ＣｅＯ２はガラスを黄色またはオレンジ色に着色する傾向を有する成分であるが、この着色による透過率の低下を抑制したい場合はＣｅＯ２を含有しないことが好ましい。
【００１５】
本発明のガラス薄膜は実質的に上記成分からなるが、この他に本発明の目的を損なわない範囲で、ガラス薄膜形成を容易にしたり、膨張係数を調整したりするために、他の成分を合計で１０モル％まで含有させてもよい。たとえば、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｅＯ２などを含有させうる。なお、Ｅｒは含有させないことが好ましい。Ｅｒは、０．９８μｍ帯、１．５５μｍ帯の波長の光を吸収し、損失となるからである。また、Ａｓ、Ｓ、Ｓｅも含有させないことが好ましい。ガラス薄膜形成時の雰囲気管理が煩雑となるからである。
【００１６】
本発明のガラス薄膜を用いたフォトニック結晶では、ガラス薄膜の膜厚は０．４〜５０μｍとされる。０．４μｍ未満では、ガラス薄膜内に光を閉じ込めておくことが困難となり、５０μｍ超では、光の伝搬がシングルモードにならない。
【００１７】
本発明のガラス薄膜の形成方法については、特には限定されないが、蒸着法によれば大面積への対応が可能である。蒸着法としては、たとえば、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法などの物理的蒸着法や、ＭＯＣＶＤなどの化学的蒸着法が適用できる。本発明のフォトニック結晶の作製方法については、特には限定されないが、たとえば、ガラス薄膜にドライエッチングまたはウェットエッチングにより、所定の周期的な空孔を形成し、フォトニック結晶を作製できる。
【００１８】
本発明のガラス薄膜および該ガラス薄膜を用いたフォトニック結晶の作製方法について、さらに詳しく説明する。ただし、この説明は、本発明の理解を容易にするため、例示を目的とするものであり、本発明はこの方法に限定されない。
【００１９】
（１）１０ｍｍ×１０ｍｍ〜２００ｍｍ×２００ｍｍの矩形の、または、直径７６．２〜２０３．２ｍｍの円形の、シリコン、石英ガラス、ソーダライムシリケートガラス、または無アルカリガラスなどの基板上に、所定のターゲットを用いてスパッタリングを行ない、膜厚が０．４〜５０μｍ、１．５５μｍの波長の光に対する屈折率が２以上のガラス薄膜を形成する。
（２）得られたガラス薄膜上に、スパッタリングにより、Ｓｉ、ＷＳｉ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属性のマスク膜を形成する。
（３）マスク膜上に、スピンコート法によりレジスト膜を形成する。
【００２０】
（４）レジスト膜上に、所定のパターンのフォトマスクをかぶせて紫外線を照射し、現像して、レジスト膜に所定のパターンを形成する。
（５）マスク膜に、ドライエッチングを行ない、前記所定のパターンを形成する。ドライエッチングには、Ｃｌ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０、ＮＦ３、ＳＦ６などの塩素系またはフッ素系のガスを用いる。また、ドライエッチングは、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）、反応性イオンビームエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  ＩｏｎＢｅａｍ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）、誘導結合型プラズマエッチング（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）、磁気中性線放電プラズマエッチング（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｌｏｏｐ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）などの方法により行なう。
（６）レジスト膜を除去する。
（７）ガラス薄膜に、ドライエッチングを行ない、前記所定のパターンを形成する。ドライエッチングには、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０などのフッ素系のガスを用いることが、ガラス薄膜のエッチングが容易になるため好ましい。また、ドライエッチングは、（５）に記載した方法により行なうことが、ガラスのエッチング速度が上がるため好ましい。
（８）マスク膜を除去し、フォトニック結晶を得る。
（９）得られたフォトニック結晶を所定の寸法に切断する。
【００２１】
上記の方法により得られたフォトニック結晶は、上面が空気と接し、下面が基体と接しているが、基体としてエッチングされやすい材料（たとえば石英ガラスなど）を用いれば、フォトニック結晶の上下面が空気と接する、いわゆるエアブリッジ型のフォトニック結晶を作製できる。
【００２２】
従来、成膜の工程が煩雑であり、成膜できる大きさに制約があり、また異方性を持つ材料のため任意の形状にエッチングすることが困難であるなどの問題があったが、本発明により、エッチングが容易で光部品を低コストで効率的に生産できるガラス薄膜、低コストで効率的に生産できるフォトニック結晶および該ガラス薄膜の製造方法が提供される。
【００２３】
【実施例】
高純度化学研究所製の粉末状試薬Ｂｉ２Ｏ３（純度９９．９９９％）、Ｂ２Ｏ３（純度９９．９％）、ＳｉＯ２（純度９９．９％）、Ａｌ２Ｏ３（純度９９．９％）、Ｇａ２Ｏ３（純度９９．９％）、ＣｅＯ２（純度９９．９％）、Ｉｎ２Ｏ３（純度９９．９％）、Ｔａ２Ｏ５（純度９９．９％）を用いて表１のＢｉ２Ｏ３からＴａ２Ｏ５までの各行にモル％で示す割合で調合した後、らいかい機により乾式混合し、ターゲット用の組成物を得た。得られた組成物をホットプレスして（ホットプレス条件は、温度：６５０℃、圧力：２０ＭＰａ、加圧時間：２時間）、直径１０１．６ｍｍのスパッタリング用ターゲットを作製した。
【００２４】
得られたターゲットを用いて、ソーダライムシリカガラスの円形基板（厚さ１ｍｍ、直径７６．２ｍｍ）上にスパッタリングして（スパッタリング条件は、基板温度：２０℃、スパッタリング雰囲気の組成：アルゴン９１体積％、酸素９体積％、圧力：０．３Ｐａ、投入電力：２００Ｗ）、ガラス薄膜を形成した。ガラス薄膜の膜厚は、スパッタリング時間を調整（６０〜２４０分）することにより、制御した。
【００２５】
得られたガラス薄膜の組成、膜厚、および屈折率（１．５５μｍの波長の光に対する屈折率をプリズムカップリング法により測定）を表１に示す。いずれも屈折率２以上である。なお、ガラス薄膜のＸ線回折パターンを測定したところ、回折ピークは認められなかったため、ガラス薄膜内に結晶化が生じていないことが確認できた。
【００２６】
得られたガラス薄膜に、前記ドライエッチングにより、径１μｍ、ピッチ１．５μｍの周期的な空孔を設けて、フォトニック結晶を作製する。
【００２７】
【表１】
2004210611.tif 000003
【００２８】
【発明の効果】
本発明により、従来と比較し、エッチングが容易で光部品を低コストで効率的に生産できるガラス薄膜、低コストで効率的に生産できるフォトニック結晶および該ガラス薄膜の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラス薄膜および該ガラス薄膜を用いたフォトニック結晶の概念図である。
【符号の説明】
１：基体
２：ガラス薄膜
３：空孔
４：フォトニック結晶
５：欠陥
６：伝搬する光
【図１】
2004210611.tif 000004