(57)【要約】      （修正有）【課題】基板に所定の周期で形成した垂直貫通孔に対して、前記基板とは異なる屈折率を有する複数の充填材料を所定の厚さで階層的に充填することにより、３次元フォトニック結晶等の微細構造体を容易に製作することができるようにして、従来技術の問題点を解決すること。【解決手段】第１の屈折率を有する材料からなる基板に所定の周期で垂直貫通孔を形成し、この垂直貫通孔に対して第１の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の充填材料を所定の厚さで階層的に充填するフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法である。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有する材料からなる基板に所定の周期で垂直貫通孔を形成し、この垂直貫通孔に対して第１の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の充填材料を所定の厚さで階層的に充填することを特徴とするフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項２】
上記垂直貫通孔への充填は、前記垂直貫通孔に対して気圧を加圧又は減圧することにより行うことを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項３】
上記垂直貫通孔への充填は、前記垂直貫通孔に対する充填材料の付着力を、前記充填材料の凝集力よりも大きくすることにより行うことを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項４】
上記充填材料はお互いに混じり合わない性質を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項５】
上記充填材料の一つが気体であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項６】
上記充填材料のうち気体以外の材料を上記垂直貫通孔に滴下することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項７】
上記垂直貫通孔の充填材料滴下側の入り口に、所定の角度のテーパーが形成されていることを特徴とする請求項５又は請求項６記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項８】
上記充填材料が垂直貫通孔に充填されたとき、加熱によりその充填領域を縮小されることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項９】
上記加熱が、上記垂直貫通孔の充填材料滴下側から行われることを特徴とする請求項８記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項１０】
上記充填材料のうち気体以外の材料は、ナノ粒子が分散された液体であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項１１】
上記充填材料がエネルギー線硬化樹脂からなり、上記垂直貫通孔に充填された後に、上記充填材料をエネルギー線により固化させることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項１２】
上記複数の充填材料を上記垂直貫通孔に階層的に充填した後に、上記垂直貫通孔の両端を密封することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のフォトニック結晶等の微細構造体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の製造方法によって作製されたフォトニック結晶等の微細構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小構造体、微小構造デバイス及びその製造方法に関する。ｘ,ｙ,ｚ方向に周期構造を有する微細構造体及びその製造方法であって、特に、光機能素子などに用いられるフォトニック結晶等の微細構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光エレクトロニクスの分野において、新たな素子として、フォトニック結晶の利用が検討されている。フォトニック結晶光学素子は、屈折率の異なる物質の配列（周期構造）を基本構造とし、機能を持たせるために、前記屈折率の差を大きくしたり、周期性の乱れ（欠陥と呼ばれる）を導入したりする。
【０００３】
先ず、２次元フォトニック結晶について、図１〜図３を参照しながら説明する。
最も一般的な２次元フォトニック結晶の従来例（特開２００１−２７２５５７号公報）について、図１を用いて説明する。基板１に電子ビーム露光などによりパターニングを行い、該基板上に金属マスクを形成する。次いで、エッチングにより垂直孔２を形成し、この垂直孔２の中に屈折率の大きい材料３をスパッタリング等により充填することによって、フォトニック結晶が製作される。この例では、屈折率１.５の基板１に周期３９０ｎｍで垂直孔２を形成し、屈折率２.５の材料３を充填することにより、波長７８０ｎｍ付近で透過率がゼロとなるフォトニックバンドギャップを作製することができる。
【０００４】
また、同様の２次元フォトニック結晶の別の従来例（特開２００２−２７７６５９号公報）について、図２を用いて説明する。なお、図２(ａ)は平面図、図２(ｂ)は断面図である。上記図１に示す従来例と同様な半導体プロセスにより、ＳｉＯ２基板４に正方配列した多数の垂直孔を形成し、その１列のみを両端開口の孔５にし、それ以外を片側のみ開口する孔６にする。そして、これにＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を塗布すると、毛細管現象により垂直貫通孔５のみに選択的にＰＭＭＡが充填される。これにより、ＰＭＭＡとＳｉＯ２は屈折率がほぼ等しいので、ＰＭＭＡが充填された１列のみ周期の２倍の波長を有する光が通過可能となる導波路が作製される。
【０００５】
そして、上記の従来例のような周期的な垂直孔は、陽極酸化又は陽極化成により、前記半導体プロセスよりも容易に形成できることが知られている。アルミニウム、チタン等の金属や、シリコン、ガリウム砒素、インジウム砒素等の半導体から成る基体は、適切な電解液中（アルミニウム基板或いは所定の基板上に形成されたアルミニウム薄膜から成る基板の場合は、シュウ酸等の酸性電解液中）に浸漬し、陽極に配置して電圧を印加すると酸化又は化成される。図３は、Ａｌを陽極酸化した例であり、直径(２ｒ)が数ｎｍ〜数１００ｎｍの細孔部が、数ｎｍ〜数１００ｎｍの周期(２Ｒ)で三角格子状に規則正しく並んだ多孔質アルミナ層が形成され、非常に垂直性が良くアスペクト比の極めて高い細孔部を容易に得ることができる。これにより、アルミナと細孔部内の空気とによって、屈折率の異なる媒質が２次元の周期で配置された２次元フォトニック結晶が得られる。孔の配置は、予め基点を設けることにより制御可能であり、また、細孔部の間隔は陽極酸化の際の印加電圧に略比例するため、印加電圧を制御することにより細孔部の間隔を制御して、所望の光学特性を得ることができる。さらに、このような陽極酸化を利用した従来例（特開２００１−１６２６００号公報）は、この細孔部に電析により選択的に屈折率の異なる物質を充填することによって、２次元フォトニックデバイスを作製するものである。
【０００６】
これらの２次元フォトニック結晶は、平面に平行な面内で異なる方向から入射する波長や偏光方向の異なる入射光に対して、屈折率分散の異方性が生じる。しかし、入射光が平面に対して平行でなく傾斜して入射すると光が漏れてしまうという問題が生じる。そこで、厚み方向にも屈折率が周期的に異なるように形成された３次元フォトニック結晶が必要となる。以下に、３次元フォトニック結晶の作製方法の例について説明する。
【０００７】
次に、３次元フォトニック結晶の作製方法に関する従来例について、図４〜図７を参照しながら説明する。
特開２００３−１３１００３号公報に記載された従来例は、図４に示すように、屈折率の異なる材料７,８を交互にインクジェット等の方法により配置し、これを積層して３次元フォトニック結晶としている。（従来例１）
特開２０００−２８４１３６号公報に記載された従来例は、半導体プロセスにより基板上に微細孔を形成し、この上に屈折率の異なる材料によって薄膜を形成し、この材料を前記微細孔に押し込むことにより２次元フォトニック結晶を作製する。さらに、この上に屈折率の異なる材料による薄膜の形成と押し込みを繰り返すことにより、３次元フォトニック結晶としている。（従来例２）
【０００８】
また、特開２００１−７４９５５号公報に記載された従来例は、図６に示すように、一層ごとに薄膜形成、リソグラフィ、ドライエッチングを行って２次元周期構造を作製し、それを複数接合することによって３次元的に積層してフォトニック結晶を形成する。（従来例３）
特許第３２８８９７６号公報に記載された従来例は、図７に示すように、多層膜バイアススパッタ法を利用した方法であり、基板１２上に予め微細構造を形成し、シリコン１４と二酸化珪素１３をその基板１２上に交互に積層していくものであって、バイアススパッタ法を適用することにより基板上の微細構造を反映した３次元フォトニック結晶が形成される。（従来例４）
他に、インクジェットを使用した従来例としては、特開２００１−９１９１１号公報のものがある（図５参照）。これは、インクジェット等でドットパターン１０を形成し、前記ドットパターン１０と屈折率の異なるドットパターン１１を形成することにより、２次元の周期性と欠陥を中央の平面パターンとして形成し、さらにその両側において、異なる屈折率の材料を交互に積層することにより３次元化しているものである。（従来例５）
【０００９】
上記従来の３次元フォトニック結晶の作製方法においては、以下のような解決すべき問題点がある。
先ず、上記従来例１は、理論上は３次元フォトニック結晶の作製は可能であるが、インクジェット法では液滴を重ねて垂直方向に厚みを持たすことは実際上困難であり、実用的なデバイスの作製には適していないものである。
上記従来例２は、３次元周期構造中に不均一部分（欠陥）を導入することが可能であるが、一層ごとに薄膜形成や押し込みのプロセスが必要となり、精度と作製時間の点において問題がある。
【００１０】
また、上記従来例３は、２次元周期構造作製時に周期の不均一部分の導入が可能であり、デバイス作製上の点から有望な方法とみられるが、２次元周期構造を積層する際に一層ごとにリソグラフィ、ドライエッチング、ウェハ融着のプロセスが必要であって、作製プロセスが煩雑で且つ時間がかかるため、多量の基板を処理する上で実用上の問題がある。
そして、上記従来例４は、作製プロセスが単純であり、材料もシリコンと二酸化シリコンとの組み合わせという理由から、現在最も有望視されているものであるが、周期構造中へ欠陥を導入する場合に、積層方向（基板に垂直な方向）には容易であるが、水平方向（基板に水平な方向）には、それほど容易ではないという問題がある。
さらに、上記従来例５についても、両側は単純な積層であるため、中央以外には欠陥を導入することが困難である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１３１００３号公報
【特許文献２】特開２０００−２８４１３６号公報
【特許文献３】特開２００１−７４９５５号公報
【特許文献４】特許第３２８８９７６号公報
【特許文献５】特開２００１−９１９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、基板に所定の周期で形成した垂直貫通孔に対して、前記基板とは異なる屈折率を有する複数の充填材料を所定の厚さで階層的に充填することにより、３次元フォトニック結晶等の微細構造体を容易に製作することができるようにして、上記従来技術の問題点を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題に対する解決手段は、基板に所定の周期で垂直貫通孔（微細空孔）を形成すること、及び前記基板と異なる屈折率を有する複数の充填材料を前記垂直貫通孔に対して所定の厚さで階層的に充填することが基本となる。
〔解決手段１〕（請求項１に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段１は、第１の屈折率を有する材料からなる基板に所定の周期で垂直貫通孔を形成し、この垂直貫通孔に対して第１の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の充填材料を所定の厚さで階層的に充填することである。
〔作 用〕
平面方向に屈折率の周期性を有する基板の垂直貫通孔に、複数の材料を所定の厚さで階層的に充填することにより、垂直方向にも屈折率の周期性を持たせることができる。
【００１４】
〔実施態様１〕（請求項２に対応）
実施態様１は、上記解決手段１の製造方法において、垂直貫通孔への充填は、前記垂直貫通孔に対して気圧を加圧又は減圧することにより行うことである。
〔作 用〕
充填材料は圧力差により垂直貫通孔を移動し、空隙を挟んで複数の屈折率を有する材料を充填することができ、水平方向だけでなく垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。
【００１５】
〔実施態様２〕（請求項３に対応）
実施態様２は、上記解決手段１の製造方法において、垂直貫通孔への充填は、前記垂直貫通孔に対する充填材料の付着力を、前記充填材料の凝集力よりも大きくすることにより行うことである。
〔作 用〕
垂直貫通孔に対する充填材料の付着力を、前記充填材料の凝集力よりも大きくすることにより、該充填材料を前記垂直貫通孔に充填し移動することができ、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。
【００１６】
〔実施態様３〕（請求項４に対応）
実施態様３は、上記解決手段１、実施態様１、又は実施態様２の製造方法において、充填材料はお互いに混じり合わない性質を有することである。
〔作 用〕
充填材料が混じり合うことがないので、屈折率の周期性が確実なものとなる。
【００１７】
〔実施態様４〕（請求項５に対応）
実施態様４は、上記解決手段１、実施態様１〜実施態様３のいずれかの製造方法において、充填材料の一つが気体であることである。
〔作 用〕
平面方向に屈折率の周期性を有する基板に空隙を挟んで材料を充填することができ、屈折率の小さい気体と屈折率の大きい材料とによって、屈折率の周期性を持たせることができる。
【００１８】
〔実施態様５〕（請求項６に対応）
実施態様５は、上記解決手段１、実施態様１〜実施態様４のいずれかの製造方法において、充填材料のうち気体以外の材料を垂直貫通孔に滴下することである。
〔作 用〕
平面方向に屈折率の周期性を有する基板に、インクジェット法により屈折率の異なる複数の材料を交互に充填（空隙を挟んで材料を充填）することができ、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持たせることができる。
【００１９】
〔実施態様６〕（請求項７に対応）
実施態様６は、上記実施態様４又は実施態様５の製造方法において、垂直貫通孔の充填材料滴下側の入り口に、所定の角度のテーパーが形成されていることである。
〔作 用〕
垂直貫通孔にテーパーを設けることにより、空隙をはさんで複数の屈折率を有する材料を充填可能であり、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持たせることができる。また、垂直貫通孔にテーパーを設けることにより、液滴の滴下位置にずれが生じても垂直貫通孔に確実に充填することができる。
【００２０】
〔実施態様７〕（請求項８に対応）
実施態様７は、上記実施態様４〜実施態様６のいずれかの製造方法において、充填材料が垂直貫通孔に充填されたとき、加熱によりその充填領域を縮小されることである。
〔作 用〕
充填した材料を縮小した後に次の液滴を滴下することにより、空隙を挟んで複数の屈折率を有する材料を充填することができるので、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持たせることができる。また、充填した後に縮小することにより、液滴が大きくても、微細な充填をすることができる。
【００２１】
〔実施態様８〕（請求項９に対応）
実施態様８は、上記実施態様７の製造方法において、加熱が、垂直貫通孔の充填材料滴下側から行われることである。
〔作 用〕
充填材料滴下側から加熱が行われることにより、滴下側に一番近い液滴のみを縮小することができるばかりでなく、特定の領域のみを加熱して縮小することができる。
【００２２】
〔実施態様９〕（請求項１０に対応）
実施態様９は、上記解決手段１、実施態様１〜実施態様８のいずれかの製造方法において、充填材料のうち気体以外の材料は、ナノ粒子が分散された液体であることである。
〔作 用〕
液体の充填材料に対して、インクジェット法に必要な適度の流動性と、十分な屈折率を与えることができる。
【００２３】
〔実施態様１０〕（請求項１１に対応）
実施態様１０は、上記解決手段１、実施態様１〜実施態様９のいずれかの製造方法において、充填材料がエネルギー線硬化樹脂からなり、垂直貫通孔に充填された後に、前記充填材料をエネルギー線により固化させることである。
〔作 用〕
充填後の材料を固化させることにより、熱又は振動等の周囲の環境に対して安定させることができる。
【００２４】
〔実施態様１１〕（請求項１２に対応）
実施態様１１は、上記解決手段１、実施態様１〜実施態様９のいずれかの製造方法において、複数の充填材料を垂直貫通孔に階層的に充填した後に、前記垂直貫通孔の両端を密封することである。
〔作 用〕
充填材料の充填後に垂直貫通孔の両端を密封することにより、熱又は振動等の周囲の環境に対して安定させることができる。
【００２５】
〔解決手段２〕（請求項１３に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段２は、上記解決手段１、実施態様１〜実施態様１１のいずれかの製造方法によって作製されるフォトニック結晶等の微細構造体である。
〔作 用〕
平面方向に屈折率の周期性を有する基板の垂直貫通孔に、複数の材料が所定の厚さで階層的に充填され、水平方向だけでなく、垂直方向にもバンドギャップを有しているので、入射光の入射角にずれがある場合でも、損失が小さく良好な特性を有している。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の効果を主な請求項毎に整理すると、次ぎのとおりである。
(１) 請求項１に係る発明
平面方向に屈折率の周期性を有する基板の垂直貫通孔（微細空孔）に、複数の材料を所定の厚さで階層的に充填することにより、垂直方向にも周期性を持たせることができるので、ｘ,ｙ方向だけでなく、ｚ方向にも周期性を有する３次元フォトニック結晶等の微細構造体を作製することができる。これにより、入射角にずれがあっても損失の小さい導波路等のフォトニック結晶を作製することが可能である。
(２) 請求項２に係る発明
充填材料は圧力差によって垂直貫通孔を移動されることにより、空隙を挟んで複数の屈折率を有する充填材料を充填することができるので、水平方向だけでなく垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。これによって、水平方向だけでなく、垂直方向にもバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶を作製することが可能である。
【００２７】
(３) 請求項３に係る発明
垂直貫通孔に対する充填材料の付着力を、前記充填材料の凝集力よりも大きくすることにより、前記充填材料を前記垂直貫通孔に充填し移動することができるので、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。これによって、水平方向だけでなく、垂直方向にもバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶を作製することが可能である。
(４) 請求項４に係る発明
複数の充填材料を垂直貫通孔に充填するとき、各充填材料が混じり合うことがないので、屈折率の周期性の精度を向上させることができる。
【００２８】
(５) 請求項５に係る発明
平面方向に屈折率の周期性を有する基板に空隙を挟んで材料を充填することができ、屈折率の小さい気体と屈折率の大きい材料により屈折率の周期性を持たせることができるので、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。これによって、水平方向だけでなく、垂直方向にもバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶を作製することが可能である。
(６) 請求項６に係る発明
平面方向に屈折率の周期性を有する基板に、インクジェット法により屈折率の異なる複数の材料を交互に充填（空隙を挟んで充填）できるので、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。これによって、水平方向だけでなく、垂直方向にもバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶を作製することが可能である。
【００２９】
(７) 請求項７に係る発明
垂直貫通孔にテーパーを形成することにより、空隙を挟んで複数の屈折率を有する材料を充填することができるので、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。また、垂直貫通孔にテーパーを設けることにより、液滴の滴下位置のずれに対する余裕を大きくできるので、液滴の滴下に位置ずれが起きても確実に充填することができる。
(８) 請求項８及び請求項９に係る発明
垂直貫通孔に充填した材料を加熱して縮小することにより、空隙を挟んで複数の屈折率を有する材料を充填することができるので、水平方向だけでなく、垂直方向にも周期性を持った微細構造体を作製することができる。また、充填後に縮小させることにより、液滴が大きくても、微細な充填とすることが可能になる。さらに、充填材料を材料の滴下側から加熱することにより、滴下側に一番近い液滴のみを縮小することができるばかりでなく、特定の領域のみを加熱して縮小することができるので、充填剤の長さを容易に制御することができ、周期性の良好な微細構造体を作製することができる。
【００３０】
(９) 請求項１０に係る発明
液体の充填材料に対して、インクジェット法に必要な適度の流動性と、十分大きな屈折率を与えることができるので、良好な特性を有する微細構造体を作製することができる。
(１０) 請求項１１に係る発明
エネルギー線を照射することにより、充填後の材料を固化させることができるので、熱や振動等の周囲の環境に対して安定した微細構造体を作製することができる。
【００３１】
(１１) 請求項１２に係る発明
充填材料を充填した後に、垂直貫通孔の両端を密封することにより、熱や振動等の周囲の環境に対して安定した微細構造体を作製することができる。
(１２) 請求項１３に係る発明
請求項１〜請求項１２に記載された製造方法によって作製されたフォトニック結晶等の微細構造体であって、平面方向に屈折率の周期性を有する基板の垂直貫通孔に、複数の材料を所定の厚さで階層的に充填されることにより、垂直方向にも屈折率の周期性を有しており、水平方向だけでなく、垂直方向にもバンドギャップを有しているので、入射光の入射角にずれがある場合でも、損失が小さく良好な特性を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
３次元フォトニック結晶等の微細構造体を容易に作製できるようにするという目的を、基板に所定の周期で垂直貫通孔を形成して、この垂直貫通孔に対して前記基板と異なる屈折率を有する複数の充填材料を所定の厚さで階層的に充填するという比較的簡単な製造方法により実現した。
【実施例１】
【００３３】
本発明の各実施例を説明する前に、３次元フォトニック結晶等の微細構造体について、図１６及び図８を参照しながら説明する。
正方配列もしくは三角配列した垂直貫通孔（微細空孔）２１を有する屈折率ｎの基板（微細空孔アレイ）２０を用意し、この垂直貫通孔２１に屈折率の異なる２種類以上の材料を交互に充填することにより、水平方向と垂直方向の両方に屈折率の周期性を持たせることができる。そして、前記垂直貫通孔２１の両端を密閉するか、もしくは充填した材料を固化させることにより、３次元微細構造体を作製することができる。
充填する２種類以上の材料を、図１６（(ａ)は斜視図、(ｂ)は(ａ)のｍ−ｍ’断面図）に示すような、混じり合わない性質を有する２種類以上の液体２２，３８（第１の充填剤２２、第２の充填剤３８）とする第１の構成と、図８（図(ａ)は斜視図、図(ｂ)は図(ａ)のｍ−ｍ’断面図）に示すような、２種類以上の材料の１つを気体（充填剤と充填剤の間に空隙２５を形成）とする第２の構成がある。前記第１の構成では、交互に充填した複数の充填材料の１部を異なる充填材料に変えることにより、従来の作製方法に比べて容易に欠陥の導入が可能であり、また前記第２の構成では、空隙の長さ等を変えることにより従来の作製方法に比べ容易に欠陥の導入が可能である。
【００３４】
上記のような３次元微細構造体を作製するためには、水平方向及び垂直方向ともに、選択的に充填する技術が必要であり、近年の技術の進歩によってサブフェムトリットルの液滴が実現されたインクジェット法は、水平方向に選択的に液滴を供給することができるので最適な液滴供給手段である。そして、混じり合わない２種類の液滴を滴下したり、又は液滴を空隙を隔てて滴下することによって、垂直方向にも選択的に複数の充填材料を充填することが可能になる。
【００３５】
次に、本発明の各実施例に共通する微細空孔アレイの作製方法、及びインクジェット法を用いて微細空孔アレイに液滴を滴下し充填する工程について説明する。
先ず、基板に垂直貫通孔が周期的に形成された微細空孔アレイの作製方法について、図１２〜図１４を参照しながら説明する。
本発明の実施例において用いる直径数１０ｎｍ〜数μｍの垂直な孔が周期的に並んだ微細空孔アレイは、以下に説明する２つの方法で作製される。図１２ａに示すように、Ｓｉ基板３０上にＳｉＯ２３１が積層されたＳＯＩ基板を用意し、これにフォトレジスト等の感光性材料３９を塗布し、電子ビーム等で円形等のパターンを前記フォトレジスト上に正方配列、又は三角配列に形成する（図１２(ｂ)）。このフォトレジストをマスクにして、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）等のドライエッチングで前記ＳｉＯ２ をエッチングして垂直孔３３を形成する（図１２(ｃ)）。この作製方法により、孔のアスペクト比（孔径と孔深さの比）が１：５以上の垂直孔３３が形成可能である。さらに、Ｓｉ基板３０を裏面からドライエッチングすることにより、図１２(ｄ)に示すように垂直貫通孔２１を有する微細空孔アレイ２０が作製される。上記の例ではＳＯＩ基板を用いたが、石英基板にパターンを形成してドライエッチングにより垂直貫通孔を形成することも可能である。但し、現状では、ＳｉＯ２ において１：１０以上のアスペクト比を有する垂直孔を形成することは困難であり、その結果、微細空孔アレイ２０の厚みは数μｍが限界値である。図１２(ｄ)ではＳｉ基板３０を全面エッチングしているが、機械的な強度を確保するために、該Ｓｉ基板３０の外周はエッチングすることなく、中央部だけに垂直貫通孔２１を形成してもよい。
【００３６】
上記のような半導体プロセスによる微細空孔アレイの作製では、その厚みは数μｍが限界値であるが、２番目の方法である陽極酸化法では、容易に数１００μｍ以上の厚みの微細空孔アレイを作製することができる。Ａｌ基板の表層を、０〜２０℃（±２℃）の５〜２０％硫酸溶液中で陽極酸化すると、図１４に示すように、Ａｌ基板３４の表面にＡｌ２Ｏ３ からなる表層部３５が形成される。この表層部３５はいわゆる陽極酸化膜であり、図１４に示すような複数の微小な垂直孔３３を有している。この孔３３の孔径は数ｎｍ〜数１００ｎｍ、孔ピッチは数１０ｎｍ〜数１００ｎｍである。孔径及び孔ピッチは、陽極酸化時の電流密度、印加電圧等で制御することができる。また、前記孔径は、陽極酸化後にウェットエッチングすることによっても、制御することができる。孔の配列は、三角配列となり、また整列度も十分でないため、一般的には、Ａｌ基板３４に陽極酸化の基点をＦＩＢ(Focused Ion Beam)や半導体プロセスにより作製したＳｉの型を押しつける等の方法で自由に制御できる。この陽極酸化した基板のＡｌ部分と、Ａｌ２Ｏ３ からなる表層部３５の垂直孔３３の底部３６とを裏面からドライエッチングして除去することにより、微細空孔アレイを作製することができる。上記アルミニウム以外にもチタン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素等でも、陽極酸化により微細空孔アレイを作製することができる。
【００３７】
上記のような方法で作製された微細空孔アレイ２０は、図１３に示すように孔の先端部を希釈したフッ酸等のエッチング液３２に浸してゆっくり基板を引き上げるか、又は酸の蒸発を利用することにより、垂直孔３３の開口に図９(ａ)に示すようなテーパーを付けることができる。これにより、その後のインクジェット法による充填工程において、液滴の滴下位置のずれに対する余裕を大きくすることができ、さらに、充填時の空隙の形成が容易になる。
【００３８】
次に、上記のような方法によって作製された微細空孔アレイに対して、インクジェット法を用いて選択的に液滴を充填する工程について、図１０を参照しながら説明する。
このインクジェット法は、一般的には直径数１０μｍの液滴（液量ではピコリットル）を任意の位置に滴下して、インク滴により画像を描画したり、接着剤により微細構造の接合に使用したりしている。しかし、直径１０μｍの液滴では、数μｍ以下の周期が必要なフォトニック結晶への適用は困難であったが、最近では技術の進歩により、直径サブμｍの液滴（液量では、サブフェムトリットル）が可能となり、フォトニック結晶への適用が現実のものとなった。
【００３９】
図９(ａ)に示すように、微細空孔アレイ２０に紫外線硬化樹脂等の充填材料の液滴２８を滴下すると、該液滴２８は毛細管現象により図９(ｂ)のように垂直貫通孔２１に充填される。毛細管現象により該液滴２８が垂直貫通孔２１に充填されるためには、液体分子と垂直貫通孔２１の付着力が、液体分子が球になろうとする力（凝集力）を上回る必要がある。この付着力は、垂直貫通孔２１の濡れ性を改善すると大きくなり、前記凝集力は、液体により決まる表面張力が小さいほど小さくなり、前記濡れ性が大きいほど小さくなる。即ち、濡れ性を大きくすることにより毛細管現象が起こり易くなるので、充填可能な液滴の選択肢が広がる。基本的に、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等の酸化物は、親水性が高く溶剤等に対する濡れ性は良いので、毛細管現象により液滴が充填されるが、微細空孔アレイ２０を酸素中でＵＶ照射することにより、さらに濡れ性が改善され、充填され易くなる。充填された液滴は、垂直貫通孔２１がテーパー２１’を有していない場合は、前記付着力により垂直貫通孔２１の入り口で止まる（図１０(ｂ)参照）。前記垂直貫通孔がテーパー２１’を有していると液滴の凝集力により小さくなろうとするので、前記テーパーが終わる位置２６まで移動して止まる（図９(ｂ)参照）。
【００４０】
また、充填された液滴には、下方への重力と、充填された液滴を移動させまいとする垂直貫通孔と充填された液滴の摩擦力とが働く。前記充填された液滴を移動させるには、本発明では２つの方法がある。まず、第１の方法は、前記垂直貫通孔に対する気圧を加圧又は減圧することであり、これにより液滴を移動させることができる。そして、第２の方法は、付着力と重力の合計を、凝集力と摩擦力の合計より上回らせることであり、次に滴下した液滴の重力と付着力によって、前の液滴を押し下げて移動させることができる。前記摩擦力は、液滴の粘度を下げることにより低下させることができる。また、前記付着力は、垂直貫通孔の濡れ性と滴下材料を選択することにより大きくすることができる。
【００４１】
フォトニック結晶において必要な周期（孔ピッチ２９（図８(ｂ)参照））は、使用する波長を１５００ｎｍとすると、７５０ｎｍとなる。微細空孔アレイの孔２１と基材の比率を４：６とすると、三角配列の場合、孔径は約０.４８４μｍとなる。これに０.１フェムトリットルの液滴（液滴直径０.５８μｍ）を滴下すると、充填長さ２３（図８(ｂ)参照）は０.５４μｍとなる。空隙長さ２４（図８(ｂ)参照）を０.２１μｍとすることにより、垂直方向にも７５０ｎｍの周期を有する屈折率変化を形成することができる。また、０.０７フェムトリットルの２種類の液滴（液滴直径０.５１μｍ）を交互に滴下すると、それぞれの充填長さ２３は、０.３７５μｍとなるので、２種類の屈折率を有する混じり合わない充填剤を交互に滴下することにより、垂直方向にも７５０ｎｍの周期を有する屈折率変化を形成することができる。さらに、前記充填長さは、充填後に液滴の滴下側から赤外光で加熱して縮小させることができるので、このようにして充填長さ２３を縮小すれば、０.１フェムトリットルを滴下した場合でも充填長さを０.３７５μｍに縮小することができる。
【００４２】
微細空孔アレイ２０の屈折率は、材質がＳｉＯ２ の場合は１.４、Ａｌ２Ｏ３の場合は約１.８、酸化チタンでは２.５である。フォトニック結晶は、屈折率変化が大きい方が望ましく、微細空孔アレイ２０は屈折率が大きい方になるため、微細空孔アレイの屈折率が大きい方が良好な特性となる。空隙の屈折率は１.０であり、紫外線硬化樹脂は屈折率が１.３〜１.７程度で種々のものがある。さらに、この紫外線硬化樹脂は、酸化チタン微粒子（屈折率２.５）を分散させれば、充填剤として屈折率は１.３〜２.３程度まで制御することが可能である。屈折率が小さく、第１の充填剤である紫外線硬化樹脂と混じり合わない材料としては、水等の水溶性の材料が望ましく、その屈折率は約１.３である。表面張力を下げて充填し易くするためには、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液とすることにより、純粋な水よりも充填や充填後の移動がし易くなる。
また、本作製方法では、充填をインクジェット法で行うので選択的な充填が可能であり、一部を充填しないことによって、水平方向に欠陥（屈折率周期の乱れた領域）を容易に導入することができる。また、一部だけ空隙を長くしたり、低屈折率の紫外線硬化樹脂を充填したり、さらに交互に充填する２種類の充填剤の滴下順序を変えることにより、垂直方向にも欠陥を容易に導入することができる。
【００４３】
次に、本発明の実施例１（請求項１,２,４〜６,１０〜１３に対応）について、図１１及び図２０〜図２３を参照しながら説明する。
垂直貫通孔に充填する２種類以上の材料の１つを気体とする第２の構成（図８参照）を有する３次元微細構造体の製造方法であって、前記垂直貫通孔に充填された液滴を気圧を加えることにより移動し、前記液滴と液滴の間に空隙を形成することによって、充填材料と空隙により垂直方向に屈折率変動を形成する３次元微細構造体の製造方法について、図１１を用いて説明する。
【００４４】
屈折率ｎを有する材料から成る微細空孔アレイ２０を作製し、この微細空孔アレイ２０の垂直貫通孔２１に対して、選択的にインクジェット法により屈折率ｍを有し揮発性溶媒で希釈された紫外線硬化樹脂の液滴２８を滴下する（図１１(ａ)）。滴下された液滴２８は、毛細管現象により垂直貫通孔２１の一部に充填剤２２として充填される（図１１(ｂ)）。さらに、この充填された液滴は、垂直貫通孔２１の液滴滴下面の逆面を減圧（又は液滴滴下面を加圧）することにより、垂直貫通孔２１の液滴滴下面の逆面側へ移動する（図１１(ｃ)）。所定量移動したタイミングで次の液滴２８を滴下することにより（図１１(ｄ)）、空隙２５を挟んで２つの液滴が垂直貫通孔２１の一部に充填剤２２,２２として充填される（図１１(ｅ)）。これを繰り返すことにより、屈折率ｍを有する材料が、所定の長さの空隙２５を挟んで所定の長さで充填される。前記充填された液滴を移動させる量を制御することにより、欠陥の導入も容易に可能となる。充填完了後に減圧を解除して、これに紫外線を照射して樹脂を固化させることにより、フォトニック結晶を作製することができる。
【００４５】
上記実施例１について、図２０〜図２３を参照しながら更に詳細に説明する。
先ず、図２０を用いて説明すると、通信等で使用される波長１.５μｍでのフォトニックバンドギャップを持たせるために、Ａｌ基板の陽極酸化法により形成したピッチ７５０ｎｍ、孔径４８４ｎｍで正方配列の微細空孔アレイ２０を作製する。この微細空孔アレイ２０の液滴滴下側の反対側を減圧する。この微細空孔アレイ２０の垂直貫通孔２１に対して、屈折率２.２を有する揮発性溶剤で希釈した紫外線硬化樹脂の０.０７フェムトリットルの液滴２８を滴下すると、前記垂直貫通孔２１に充填されると共に、液滴滴下側の反対側に移動する。前記紫外線硬化樹脂の液滴２８を滴下する周期と、充填された液滴が移動する時間を同期させることにより、図２０(ｂ)〜(ｄ)に示すように面心立方配置で、ピッチ０.７５μｍ、充填長さ０.３７５μｍとして充填することができる。充填完了後、これに紫外線を照射して樹脂を固化させることにより、面心立方構造のフォトニック結晶を作製することができる（図２０(ｅ)）。
【００４６】
また、上記図２０に示されたフォトニック結晶において、紫外線硬化樹脂の液滴２８を滴下する周期と、充填された液滴が移動する時間を同期させることにより、図２０(ｂ)〜(ｄ)に示すように面心立方配置で、ピッチ０.７５μｍ、充填長さ０.３７５μｍとして充填するとき、その一部において、図２１に示すように滴下するタイミングをずらして、ｍｍ'−ｎｎ'平面のみ面心立方構造でなく、図２１(ｂ)に示すように充填して、ｍｍ'−ｎｎ'平面の両側を面心立方配置に充填する。充填後、これに紫外線を照射して樹脂を固化させることにより、図２１に示すようなフォトニック結晶の導波路を作製することができる。この導波路は、垂直方向にも屈折率の周期性を有するので、入射光４７の入射角が上下にずれた場合でも垂直方向に光が漏れることはない。
そして、図２１では、面心立方配置に充填したが、図２２及び図２３に示すように体心立方配置、又は六方配置に充填しても、ｘ,ｙ方向だけでなくｚ方向にもバンドギャップが得られる。
【実施例２】
【００４７】
本発明の実施例２（請求項１,３〜７,１０〜１３に対応）について、図９を参照しながら説明する。
この実施例２は、微細空孔アレイの垂直貫通孔に充填する２種類以上の材料の１つを気体とする第２の構成（図８参照）を有する３次元微細構造体の製造方法であって、前記垂直貫通孔の開口に形成したテーパーを利用すると共に、毛細管現象と重力を利用して液滴を前記垂直貫通孔に充填し移動させて、充填材料と空隙により垂直方向に屈折率変動を形成する製造方法であるので、このような点を中心に図９を用いて説明する。
なお、微細空孔アレイ２０の作製方法や、インクジェット法により液滴を充填すること等については、各実施例と共通する事項であるので、それらの説明は省略する。
【００４８】
微細空孔アレイ２０は屈折率ｎを有する材料から成り、その垂直貫通孔２１の材料滴下側の入り口は、上記微細空孔アレイの作製方法において説明したように、所定の角度のテーパー２１’を有するようにエッチング等により加工される（図１３参照）。前記垂直貫通孔２１に対して、選択的にインクジェット法により大きい屈折率ｍを有する紫外線硬化樹脂の液滴２８を滴下する（図９(ａ)）。滴下された液滴２８は、毛細管現象により垂直貫通孔２１の一部に充填剤２２として充填される（図９(ｂ)）。このとき、前記垂直貫通孔２１の材料滴下側の入り口は、所定の角度のテーパー２１’を有しているので、該液滴２８はテーパーがなくなる位置２６まで移動して充填される。さらに、この上にインクジェット法により次の液滴２８を滴下することにより、空隙２５を挟んで２つの液滴が垂直貫通孔２１の一部に充填剤２２として充填される（図９(ｃ),(ｄ)）。これを繰り返すことにより、屈折率ｍを有する紫外線硬化樹脂が、所定の長さの空隙２５を挟んで所定の長さで充填される。充填完了後、紫外線を照射して樹脂を固化することにより、３次元フォトニック結晶を作製することができる。また、インクジェットノズルを複数にして、滴下する材料を部分的に変えることにより欠陥を導入することも可能である。
【００４９】
上記実施例２ついて、さらに詳細に説明する。
通信等において使用される波長１.５μｍでのフォトニックバンドギャップを持たせるために、Ａｌの陽極酸化法により、ピッチ７５０ｎｍ、孔径４８４ｎｍで三角配列の微細空孔アレイ（屈折率は１.８）を作製し、さらに前述の方法で垂直貫通孔の入口に所定のテーパーを形成する。テーパーの長さは空隙の長さが０.２１μｍになるように調整した結果、０.４μｍとした。この微細空孔アレイに対して、屈折率１.８を有する酸化チタン微粒子入りの紫外線硬化樹脂の０.１フェムトリットルの液滴を複数回滴下することにより、テーパー領域によって０.２１μｍの空隙が形成されるので、０.７５μｍピッチで充填長さ０.５４μｍの紫外線硬化樹脂が空隙を隔てて充填される。その後、これに紫外線を照射して樹脂を固化させることにより、フォトニック結晶が作製される。これにより、空隙（屈折率１.０）を隔てて屈折率１.８の樹脂を充填しているため、垂直貫通孔の屈折率は、平均で１.４となるので、水平方向は、屈折率１.８と屈折率１.４の領域が周期７５０ｎｍで配列され、垂直方向は、４０％の領域で屈折率１.８と屈折率１.０の領域が７５０ｎｍ周期で配列される。
【実施例３】
【００５０】
次に、本発明の実施例３（請求項１,３〜６,８〜１３に対応）について、図１０及び図１９を参照しながら説明する。
この実施例３は、微細空孔アレイの垂直貫通孔に充填する２種類以上の材料の１つを気体とする第２の構成（図８参照）を有する３次元微細構造体の製造方法であって、加熱により紫外線硬化樹脂が縮小されることを利用すると共に、毛細管現象と重力を利用して液滴を前記垂直貫通孔に充填し移動させて、充填材料と空隙により垂直方向に屈折率変動を形成する製造方法であるので、このような点を中心に図１０を用いて説明する。
なお、微細空孔アレイ２０の作製方法や、インクジェット法により液滴を充填すること等については、各実施例と共通する事項であるので、それらの説明は省略する。
【００５１】
微細空孔アレイ２０は屈折率ｎを有する材料から成り、その垂直貫通孔２１に対して、選択的にインクジェット法により屈折率ｍを有し揮発性溶媒で希釈された紫外線硬化樹脂の液滴２８を滴下する（図１０(ａ)）。滴下された液滴２８は、毛細管現象により垂直貫通孔２１の一部に充填剤２２として充填される（図１０(ｂ)）。これを液滴滴下側から加熱光源２７の赤外光等で加熱して液滴の揮発性を制御することにより、充填された紫外線硬化樹脂を縮小させる（図１０(ｃ)）。さらに、この上にインクジェット法により前記紫外線硬化樹脂の液滴２８を滴下し（図１０(ｄ)）、同様に液滴滴下側から赤外光等で加熱することにより、空隙２５を挟んで２つの紫外線硬化樹脂が垂直貫通孔２１の一部に充填剤２２として充填される（図１０(ｅ),(ｆ)）。これを繰り返すことにより、屈折率ｍを有する紫外線硬化樹脂（充填剤２２）が、所定の長さの空隙２５を挟んで、所定の長さで充填される。その後、これに紫外線を照射して樹脂を固化させることにより、３次元フォトニック結晶が作製される。液滴を滴下した後に縮小させることにより、滴下する液滴がある程度大きくても垂直方向の長さを短くすることができるばかりでなく、滴下量と縮小量を制御することにより空隙の距離を可変にできるので、欠陥も容易に導入することが可能である。
【００５２】
上記実施例３について、図１９を用いてさらに詳細に説明する。
通信等で使用される波長１.５μｍでのフォトニックバンドギャップを持たせるために、Ａｌ基板の陽極酸化法により形成したピッチ７５０ｎｍ、孔径４８４ｎｍで三角配列の微細空孔アレイ２０を作製する。この微細空孔アレイ２０に対して、屈折率１.８を有し揮発性溶剤で希釈された紫外線硬化樹脂の０.１フェムトリットルの液滴２８を滴下し（図１９(ａ)）、垂直貫通孔２１に充填剤２２として充填する（図１９(ｂ)）。前記紫外線硬化樹脂は、酸化チタン微粒子により屈折率を１.９に調整されている。滴下側から加熱光源２７の赤外光で加熱することにより、前記溶剤を蒸発させて充填長さを０.３７５μｍに縮小させる（図１９(ｃ)）。このように、液滴の滴下、充填、及び充填長さの縮小を繰り返して、ピッチ０.７５μｍで充填長さ０.３７５μｍの紫外線硬化樹脂（充填剤２２）を空隙２５を挟んで充填する（図１９(ｄ)）。欠陥導入部では、液滴を２回連続して滴下して（図１９(ｅ)）、倍の紫外線硬化樹脂を充填後（図１９(ｆ)）、赤外光での加熱時間を増加して縮小量を増やし、空隙長さを大きくする（図１９(ｇ)）。この後、また液滴の滴下、充填、及び充填長さの縮小を繰り返して、ピッチ０.７５μｍで充填長さ０.３７５μｍの紫外線硬化樹脂（充填剤２２）を空隙２５を挟んで充填する（図１９(ｈ),(ｉ),(ｊ)）。そして、これに紫外線を照射して樹脂を硬化させることにより、フォトニック結晶が作製される。これにより、水平方向、垂直方向とも０.７５μｍピッチの屈折率の周期性を有し、一部に欠陥４３を導入したフォトニック結晶を作製することができる。
【実施例４】
【００５３】
次に、本発明の実施例４（請求項１,３,４,６,１０〜１３に対応）について、図１５、図１７、及び図１８を参照しながら説明する。
この実施例４は、微細空孔アレイの垂直貫通孔に充填する２種類以上の材料を、混じり合わない性質を有する液体とする第１の構成（図１６参照）を有する３次元微細構造体の製造方法であって、２種類の液体の充填材料を交互に滴下することにより、垂直方向に屈折率変動を形成する製造方法であるので、このような点を中心に図１５を用いて説明する。
なお、微細空孔アレイ２０の作製方法や、インクジェット法により液滴を充填すること等については、上記各実施例と共通する事項であるので、それらの説明は省略する。
【００５４】
微細空孔アレイ２０は屈折率ｎを有する材料から成り、その垂直貫通孔２１に対して、選択的にインクジェット法により大きい屈折率ｍを有する紫外線硬化樹脂の液滴２８を滴下する（図１５(ａ)）。滴下された液滴２８は、毛細管現象により垂直貫通孔２１の一部に第１の充填剤２２として充填される（図１５(ｂ)）。さらに、この垂直貫通孔２１に対して選択的にインクジェット法により、前記液滴２８と異なる屈折率ｋを有し前記液滴２８と混じり合わない水の液滴３７を滴下する（図１５(ｃ)）。滴下された液滴３７は、毛細管現象により垂直貫通孔２１の一部に第２の充填剤３８として充填される（図１５(ｄ)）。前記屈折率ｍを有する紫外線硬化樹脂の液滴２８と、屈折率ｋを有し前記液滴２８と混じり合わない水の液滴３７を交互に滴下することにより、屈折率の異なる液滴が交互に充填されて屈折率の周期を形成することができる（図１５(ｅ),(ｆ)）。そして、充填工程の途中で、紫外線硬化樹脂を滴下するタイミングで水を滴下することにより、欠陥４３を導入することも容易に可能である（図１５(ｇ)）。
【００５５】
上記実施例４について、図１７及び図１８を用いてさらに詳細に説明する。
先ず、図１７に示された３次元フォトニック結晶について説明する。なお、図１７(ａ)は斜視図であり、図１７(ｂ)は図１７(ａ)のｍ−ｍ'断面図である。
通信等において使用される波長１.５μｍでのフォトニックバンドギャップを持たせるために、Ａｌの陽極酸化法により、ピッチ７５０ｎｍ、孔径４８４ｎｍで正方配列の微細空孔アレイ２０（屈折率は１.８）を作製する。この微細空孔アレイ２０に対して、屈折率１.８を有する酸化チタン微粒子入りの紫外線硬化樹脂と水を、０.０７フェムトリットルずつ交互に滴下する。これにより、屈折率１.８の紫外線硬化樹脂４０と屈折率１.３の水４１が、０.７５μｍピッチで充填される。このようにして、図１７に示されているように、水平方向は５０％の領域で、屈折率１.８と屈折率１.３の領域が７５０ｎｍ周期で配列することができ、垂直方向は４０％の領域で、屈折率１.８と屈折率１.３の領域が７５０ｎｍ周期で配列することができる。そして、これに紫外線を照射して樹脂を固化させることにより、３次元フォトニック結晶を作製することができる。
【００５６】
次に、図１８に示された３次元フォトニック結晶について説明する。なお、図１８(ａ)は斜視図であり、図１８(ｂ)は図１８(ａ)のｍｍ'−ｎｎ'断面図である。
上記図１７に示されたものと同様に、通信等で使用される波長１.５μｍでのフォトニックバンドギャップを持たせるために、Ａｌの陽極酸化法により、ピッチ７５０ｎｍ、孔径４８４ｎｍで正方配列の微細空孔アレイ２０（屈折率は１.８）を作製する。この微細空孔アレイ２０に対して、屈折率２.２を有する酸化チタン微粒子入りの紫外線硬化樹脂と水を、０.０７フェムトリットルずつ交互に滴下する。また、一部において、水の滴下と紫外線硬化樹脂の滴下を置き換えることにより、図１８に示されているような紫外線硬化樹脂４０と水４１の配列が形成される。そして、これに紫外線を照射して樹脂を固化させることにより、フォトニック結晶を作製することができる。このようにして、屈折率２.２の紫外線硬化樹脂４０と屈折率１.３の水４１が０.７５μｍピッチで充填され、図１８（ａ）のｍｍ'−ｎｎ'断面では、図１８(ｂ)に示されているように、周辺は屈折率２.２の紫外線硬化樹脂４０が充填され、一部の孔には屈折率１.３の水４１が充填された導波路を作製することができる。この導波路は、垂直方向にも屈折率の周期性と欠陥が導入されているので、入射光４７の入射角がずれた場合でも垂直方向に光が漏れることがない。なお、符号４８は出射光を示す。
【００５７】
上記実施例４においては、屈折率が高い充填剤として酸化チタン微粒子を分散させた紫外線硬化樹脂を用いており、屈折率が低く前記屈折率が高い充填剤と混じり合わない充填剤として水を用いているが、これに限るわけではなく、また紫外線硬化樹脂でなくともインクジェット法で滴下できれば全ての樹脂を適用することができ、酸化チタン以外の微粒子を混入させることにより、高い屈折率を実現することもできる。さらに、充填後に固化させなくとも、微細空孔アレイ２０の垂直貫通孔２１の両端を封止することにより、安定したフォトニック結晶を実現することができる。さらに、屈折率が低い充填剤を水としたが、低屈折率の紫外線硬化樹脂を使用し、屈折率の高い充填剤として酸化チタン等を分散させたＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】は、最も一般的な２次元フォトニック結晶の従来例を説明する模式図である。
【図２】は、２次元フォトニック結晶の別の従来例を説明する模式図である。
【図３】は、アルミニウムを陽極酸化して微細孔を周期的に形成した２次元フォトニック結晶の従来例を説明する模式図である。
【図４】は、３次元フォトニック結晶の従来例を説明する模式図である。
【図５】は、３次元フォトニック結晶の別の従来例を説明する模式図である。
【図６】は、３次元フォトニック結晶のさらに別の従来例を説明する模式図である。
【図７】は、多層膜バイアススパッタ法を利用して作製した３次元フォトニック結晶の従来例を説明する模式図である。
【図８】は、充填材料の１つを気体とした本発明の３次元フォトニック結晶の模式図であり、(ａ)は斜視図、(ｂ)は(ａ)のｍ−ｍ’断面図である。
【図９】は、テーパーを利用して、充填材料と空隙により垂直方向に屈折率変動を形成する実施例２の製造方法を説明する模式図である。
【図１０】は、加熱による充填材料の縮小を利用して、充填材料と空隙により垂直方向に屈折率変動を形成する実施例３の製造方法を説明する模式図である。
【図１１】は、減圧を利用して、充填材料と空隙により垂直方向に屈折率変動を形成する実施例１の製造方法を説明する模式図である。
【図１２】は、ＳＯＩ基板を用いて微細空孔アレイを作製する方法を説明する模式図である。
【図１３】は、微細空孔アレイの開口にテーパーを形成する方法を説明する模式図である。
【図１４】は、Ａｌ基板を用いて微細空孔アレイを作製する方法を説明する模式図である。
【図１５】は、２種類の液体を充填材料として、垂直方向に屈折率変動を形成する実施例４の製造方法を説明する模式図である。
【図１６】は、充填材料を２種類の液体とした本発明の３次元フォトニック結晶の模式図であり、(ａ)はその斜視図、(ｂ)は(ａ)のｍ−ｍ’断面図である。
【図１７】は、２種類の液体を充填材料として、垂直方向に屈折率変動を形成する実施例４の製造方法を説明する模式図であり、(ａ)は斜視図、(ｂ)は(ａ)のｍ−ｍ’断面図である。
【図１８】は、２種類の液体を充填材料として、垂直方向に屈折率変動を形成する実施例４において、フォトニック結晶の導波路の製造方法を説明する模式図であり、(ａ)は斜視図、(ｂ)は(ａ)のｍｍ'−ｎｎ'断面図である。
【図１９】は、加熱による充填材料の縮小を利用して、充填材料と空隙により垂直方向に屈折率変動を形成する実施例３の製造方法を説明する模式図である。
【図２０】は、減圧を利用して、充填材料と空隙により面心立方構造を形成する実施例１の製造方法を説明する模式図である。
【図２１】は、減圧を利用して、充填材料と空隙により面心立方構造を形成する実施例１において、フォトニック結晶の導波路の製造方法を説明する模式図であり、(ａ)は斜視図、(ｂ)は(ａ)のｍｍ'−ｎｎ'断面図である。
【図２２】は、充填材料と空隙により体心立方構造を形成する実施例１の製造方法により製作したフォトニック結晶を説明する模式図であり、(ａ)は斜視図、(ｂ)は(ａ)のｍｍ'−ｎｎ'断面図である。
【図２３】は、充填材料と空隙により六方構造を形成する実施例１の製造方法により製作したフォトニック結晶を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
２０‥‥微細空孔アレイ
２１‥‥垂直貫通孔
２１’‥‥テーパー
２２‥‥(第１の)充填剤
２３‥‥充填長さ
２４‥‥空隙長さ
２５‥‥空隙
２６‥‥テーパー終了位置
２７‥‥加熱光源
２８‥‥液滴（第１の材料）
２９‥‥孔ピッチ
３０‥‥Ｓｉ基板
３１‥‥ＳｉＯ２
３２‥‥エッチング液
３３‥‥垂直孔
３４‥‥Ａｌ基板
３５‥‥Ａｌ２Ｏ３（表層部）
３６‥‥孔底
３７‥‥液滴（第２の材料）
３８‥‥第２の充填剤
３９‥‥感光性材料
４０‥‥紫外線硬化樹脂
４１‥‥水
４３‥‥欠陥
４４‥‥第２の充填長さ
４５‥‥樹脂の充填長さ
４６‥‥水の充填長さ
４７‥‥入射光
４８‥‥出射光
【図１】
2005148626.tif 000003
【図２】
2005148626.tif 000004
【図３】
2005148626.tif 000005
【図４】
2005148626.tif 000006
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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