(57)【要約】【課題】  比較的多様化され技術が確立している方法を組み合わせて用いることにより、容易にフォトニック結晶を製造する方法を提供する。【解決手段】  リソグラフィ工程とエッチングにより凹凸を付けた基板１の上に第１の物質４からなる第１層目の薄膜を成膜する（ｄ）。続いて、第１の物質とは異なる屈折率を有する第２の物質５からなる第２層目の薄膜を成膜する（ｆ）。  さらに、その上に第１の物質４からなる第３層目の薄膜を成膜する。続いて、第２の物質５からなる第４層目の薄膜を成膜する（ｇ）。最後に、ＣＭＰ研磨により、表面に形成された凸部を研磨して除去し、フラットな表面を有するものとして、フォトニック結晶が完成する（ｈ）。【選択図】  図１
2005208179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出発部材として基板を用い、前記出発部材上にリソグラフィ工程により所望の凹凸形状を形成した後、その上に、第１の薄膜層を、前記出発部材の凹部を埋める厚さだけ形成し、さらにその上に前記第１の薄膜層と異なる物質からなる薄膜層を、前記第１薄膜層の凹部を埋める厚さだけ形成し、以下、順に、その直前に形成された薄膜層と異なる屈折率を有する物質からなる薄膜層を、前記直前に形成された薄膜層の凹部を埋める厚さだけ形成する工程を必要回数繰り返し、続いて、最上層の薄膜層の凹凸を研磨して表面を平面とする工程を有することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトニック結晶製造方法において、出発部材として、前記基板に代えて、その前の工程で請求項１に記載のフォトニック結晶製造方法によって得られたフォトニック結晶を用いることを特徴とするフォトニック結晶製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のフォトニック結晶製造方法において、出発部材として、前記基板に代えて、その前の工程で請求項１に記載のフォトニック結晶製造方法によって得られたフォトニック結晶を用いてフォトニック結晶の製造を行い、さらに得られたフォトニック結晶を、前記基板に代わる出発部材として請求項１に記載のフォトニック結晶を製造する工程を必要回数繰り返す工程を有することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法によって製造されたフォトニック結晶に、リソグラフィ工程により、所定の幅と深さを有する凹部を形成することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。
【請求項５】
屈折率が異なる３種類以上の固体物質を構成物質として形成されていることを特徴とするフォトニック結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶の製造方法、及びフォトニック結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光回路などにおいては、微小かつ高性能な光学素子が必要とされる場合が多い。近年、このような微小光学素子にフォトニック結晶を用いる技術が広く研究されている。フォトニック結晶はフォトニックバンドギャップによる、入射方向に関わらない光の完全反射、異常分散による光の速度や方向の変化など極端な性質を持ち、光を制御するために都合の良い性質を数多く持つことが知られている。このようなフォトニック結晶及びその応用については、「フォトニック結晶研究の現状と将来展望、財団法人光産業技術振興会、2000年３月」（非特許文献１）に記載されている。
【０００３】
多層膜は１次元のフォトニック結晶と呼ぶことができ、ＤＯＥ（Diffractive Optical Effect）素子などの回折光学素子も２次元（1.5次元）のフォトニック結晶と言うことができる。
【０００４】
現在、様々な構造のフォトニック結晶が提案されているが、２次元フォトニック結晶では円孔配列のフォトニック結晶が盛んに研究されている。３次元フォトニック結晶については、オパール法による３次元フォトニック結晶、ウエハー融着法による３次元フォトニック結晶が研究されている。
【０００５】
【非特許文献１】「フォトニック結晶研究の現状と将来展望、財団法人光産業技術振興会、2000年３月」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、オパール法による３次元フォトニック結晶の製造は容易であるものの、任意に欠陥が導入できない、十分なバンドギャップが形成されないという問題点がある。また、ウエハー融着法による３次元フォトニック結晶の製造を用いると、完全なバンドギャップ形成はできるものの、高精度な加工技術が必要であり、かつ作製時間がかかる。また大幅な設備投資が必要であり、大面積化が容易でない等の問題点がある。
【０００７】
また従来のフォトニック結晶は、１種類もしくは２種類の構成元素（材料）からなることが一般的であり、屈折率を任意に制御して希望する特性を有するものを作製することが容易ではないという問題を有していた。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、リソグラフィ工程、薄膜形成工程、研磨工程という、比較的多様化され技術が確立している方法を組み合わせて用いることにより、容易にフォトニック結晶を製造する方法、及び新規なフォトニック結晶を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための第１の手段は、出発部材として基板を用い、前記出発部材上にリソグラフィ工程により所望の凹凸形状を形成した後、その上に、第１の薄膜層を、前記出発部材の凹部を埋める厚さだけ形成し、さらにその上に前記第１の薄膜層と異なる物質からなる薄膜層を、前記第１薄膜層の凹部を埋める厚さだけ形成し、以下、順に、その直前に形成された薄膜層と異なる屈折率を有する物質からなる薄膜層を、前記直前に形成された薄膜層の凹部を埋める厚さだけ形成する工程を必要回数繰り返し、続いて、最上層の薄膜層の凹凸を研磨して表面を平面とする工程を有することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法（請求項１）である。
【００１０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であるフォトニック結晶製造方法において、出発部材として、前記基板に代えて、その前の工程で前記第１の手段であるフォトニック結晶製造方法によって得られたフォトニック結晶を用いることを特徴とするフォトニック結晶の製造方法（請求項２）である。
【００１１】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であるフォトニック結晶製造方法において、出発部材として、前記基板に代えて、その前の工程で前記第１の手段であるフォトニック結晶製造方法によって得られたフォトニック結晶を用いてフォトニック結晶の製造を行い、さらに得られたフォトニック結晶を、前記基板に代わる出発部材として前記第１の手段であるフォトニック結晶を製造する工程を必要回数繰り返す工程を有することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法（請求項３）である。
【００１２】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のうちいずれかであるフォトニック結晶の製造方法によって製造されたフォトニック結晶に、リソグラフィ工程により、所定の幅と深さを有する凹部を形成することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法（請求項４）である。
【００１３】
前記課題を解決するための第５の手段は、屈折率が異なる３種類以上の固体物質を構成物質として形成されていることを特徴とするフォトニック結晶（請求項５）である。
【００１４】
なお、本手段は、その一部に液体や気体を構成物質としているものを含むものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、リソグラフィ工程、薄膜形成工程、研磨工程という、比較的多様化され技術が確立している方法を組み合わせて用いることにより、容易にフォトニック結晶を製造する方法、及び新規なフォトニック結晶を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例であるフォトニック結晶の製造方法を説明するための図である。図は、説明の都合上、２次元フォトニック結晶を製造する方法を示しているが、３次元フォトニック結晶も同様な方法で製造可能であることは、当業者には説明を要しないであろう。
【００１７】
まず、Si、ＳＯＩ(Si/SiＯ２/Si)、SiＯ２等からなる基板１の上にレジスト２を塗布し、所定のパターンが形成されたレチクル３のパターン像を、露光転写装置（ステッパ）を使用してレジスト２に転写する（ａ）。そして、レジスト２を現像して感光部分を除去し（ｂ）、残ったレジスト２をマスクとして基板１をエッチングし、その後残ったレジスト２を除去して凹凸がついた基板１を作成する（ｃ）。
【００１８】
そして、その上に第１の物質４からなる第１層目の薄膜を成膜する。この薄膜の厚さは、基板１のエッチングされた凹部が埋まるような厚さとする。すると、基板１の凹凸が転写されたような表面を有する第１層目の薄膜が形成される（ｄ）。
【００１９】
続いて、前記第１の物質４とは異なる屈折率を有する第２の物質５からなる第２層目の薄膜を成膜する。この薄膜の厚さは、第１層目の薄膜の凹部が埋まるような厚さとする。すると、第１層目の薄膜の凹凸が転写されたような表面を有する第２層目の薄膜が形成される（ｆ）。
【００２０】
さらに、その上に第１の物質４からなる第３層目の薄膜を成膜する。この薄膜の厚さは、第２層目の薄膜の凹部が埋まるような厚さとする。すると、第２層目の薄膜の凹凸が転写されたような表面を有する第３層目の薄膜が形成される。続いて、第２の物質５からなる第４層目の薄膜を成膜する。この薄膜の厚さは、第３層目の薄膜の凹部が埋まるような厚さとする。すると、第３層目の薄膜の凹凸が転写されたような表面を有する第４層目の薄膜が形成される（ｇ）。
【００２１】
最後に、ＣＭＰ研磨により、表面に形成された凸部を研磨して除去し、フラットな表面を有するものとして、フォトニック結晶が完成する（ｈ）。以上の説明においては、４層目までの積層を行ったが、積層する物質として、第１の物質４と、第２の物質５を交互に使用して、図に示すように（ｄ）と（ｆ）の工程を繰り返すことにより、所望の層数を有するフォトニック結晶を製造することができる。
【００２２】
又、上記の説明においては、層を構成する物質を２つとして、これを交互に使用しているが、これらの物質としては例えば、SiＯ２と、Ta２Ｏ５を使用することができる。成膜は、通常使用されているイオンスパッタリング等の任意の方法を使用することができる。さらに、２つの物質のみでなく、３種類以上の屈折率が異なる物質を用いてもよい。
【００２３】
なお、上記のような積層を繰り返すと、次第に凹凸の程度が小さくなってきて、きれいな結晶構造が形成できなくなってくる。よって、ある程度の層数を形成した段階で、再び（ａ）〜（ｃ）の工程に戻り、今まで製造されたフォトニック結晶（半製品）を、基板１の代わりとしてエッチングして、凹凸構造をシャープにし、再び、その上に成膜する工程を、必要回数繰り返せばよい。
【００２４】
例えば、１回の（ａ）〜（ｈ）の工程で、（ｄ）と（ｆ）の工程を繰り返すことにより４層の積層構造を形成し、このような（ａ）〜（ｈ）の工程を１０回繰り返すことにより、４０層の積層構造を有するフォトニック結晶を製造することができる。各（ａ）〜（ｈ）の工程間において、積層する物質や、積層数を変える等により、複雑な構造を有するフォトニック結晶を製造することができる。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態の第２の例、第３の例であるフォトニック結晶の製造方法を説明するための図である。この図においても、説明の都合上、２次元フォトニック結晶を製造する方法を示しているが、３次元フォトニック結晶も同様な方法で製造可能であることは、当業者には説明を要しないであろう。
【００２６】
これらの実施の形態においては、図１の（ｈ）に示されたフォトニック結晶（半製品）を出発部材６としている。この出発部材６の上にレジスト２を塗布し、所定のパターンが形成されたレチクル３のパターンを、ステッパを用いてレジスト２上に露光転写する。その際、出発部材６の表面に現れた異なる物質の境界にまたがって露光が行われるようにしておく（ａ）。そして、レジスト２を現像して（ｂ）、残ったレジスト２をマスクとして出発部材６をエッチングする。
【００２７】
その際、エッチングを深く行い、基板の底面に達するようにすると（ｃ）に示すように、凹部９を有するビラー形状を有し、ピラーの中に２種類以上（図の場合は２種類）の物質を交互に有するフォトニック結晶が製造できる。このフォトニック結晶は、空気を一つの物質として利用しているものである。２次元構造の場合には凹部９は溝となり、３次元構造の場合は、凹部９は穴となるか、又は残った部分が柱状となるような凹部となる。以上が本発明の実施の形態の第２の例であるフォトニック結晶の製造方法である。
【００２８】
（ｂ）の状態からのエッチング量を出発部材の最表層部で止めた場合、（ｄ）に示すような形状が得られる。このような物の上に第３の物質７からなる薄膜層を形成する。薄膜の厚さは、出発部材６の表面の凹部が埋まるような厚さとする、すると出発部材の表面の凹凸が転写された表面形状を有する薄膜が形成される（ｅ）。第４の物質８からなる第２層目の薄膜を成膜する。この薄膜の厚さは、第１層目の薄膜の凹部が埋まるような厚さとする。すると、第１層目の薄膜の凹凸が転写されたような表面を有する第２層目の薄膜が形成される（ｆ）。
【００２９】
これを必要回数繰り返し、最後に表面をＣＭＰ研磨により平らにしてフォトニック素子が完成する。このような方法により、ピラー形状の中に２種類の物質を有し、全部で３種類の物資を有する層１０を含むフォトニック結晶を製造することができる。このような層を複数含むものを製造したいときは、その都度、（ａ）の工程に戻って製造を行えばよい。以上が本発明の実施の形態の第３の例であるフォトニック結晶の製造方法である。
【００３０】
このような製造方法を使用して製造されたフォトニック結晶の例を図３に示す。図３において、符号１は基板であり、各物質の中に示された数字は、形成された層の番号を示し（スペースの関係上１０だけは引き出し線で示してある）。
【００３１】
このフォトニック結晶は、以下のようにして製造される。まず、エッチングされた基板１上に、第１層から第４層までの物質を積層する。そして、第３層と第４層が交互に存在する部分の表面までをＣＭＰ研磨で研磨して半製品を製造し、リソグラフィ工程とエッチングにより、第３層と第４層が含まれる層までを部分的にエッチングする。その際、第３層と第４層を構成する物質が半分ずつ残るようにする。
【００３２】
そして、凹凸が形成された半製品に第５層から第７層までを積層し、ＣＭＰ研磨により、第６層と第７層が交互に存在する部分の表面までをＣＭＰ研磨で研磨して半製品を製造し、リソグラフィ工程とエッチングにより、第６層と第７層が含まれる層までを部分的にエッチングする。その際、第６層と第７層を構成する物質が半分ずつ残るようにする。
【００３３】
続いて、凹凸が形成された半製品に第８層から第１０層までを積層し、ＣＭＰ研磨により、第９層と第１０層が交互に存在する部分の表面までをＣＭＰ研磨で研磨して半製品を製造し、リソグラフィ工程とエッチングにより、第９層と第１０層が含まれる層までを部分的にエッチングする。その際、第９層と第１０層を構成する物質が半分ずつ残るようにする。
【００３４】
次に、凹凸が形成された半製品に第１１層を積層し、ＣＭＰ研磨により、第９層、第１０層、第１１層が順に存在する部分の表面までをＣＭＰ研磨で研磨してフォトニック結晶が完成する。
【００３５】
図４に、本発明の実施の形態であるフォトニック結晶の製造方法を使用して製造されたフォトニック結晶の他の例を示す。図４において、符号１は基板であり、各物質の中に示された数字は、形成された層の番号を示す（スペースの関係上１０だけは引き出し線で示してある）。このフォトニック結晶のうちＡで示される部分は、図３で示されるフォトニック結晶が元となっている。すなわち、図４に示されるフォトニック結晶は、図３に示されるフォトニック結晶を出発部材として製造される。Ｂで示される部分が新たに加工、製造される部分である。
【００３６】
まず、図３に示されるフォトニック結晶のうち、第９の層、第１０の層、第１１の層が含まれる層を、リソグラフィ工程とエッチングを用いて、その層の厚さの半分だけエッチングする。その際、第１０の層と第１１の層が残るようにエッチングのパターンを定める。そして、その上に、第１２の層から第１５の層までを積層する。Ａの部分のエッチングが層厚の半分となっているので、第１２の層から第１５の層の膜厚は、第１の層から第１１の層の膜厚の半分となっている。最後に、第１５の層の飛び出した部分をＣＭＰ研磨により研磨して、図４に示すフォトニック結晶が完成する。
【００３７】
以上、実施の形態を例として説明したように、本発明によれば、屈折率の異なる物質を、種々の３次元形状として結晶中に作り込むことができるので、非常に多種類の２次元、３次元のフォトニック結晶を製造することができる。よって、２次元、３次元での周期的な構造を制御することが容易であるので、種々の光学特性を有するフォトニック結晶を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例であるフォトニック結晶の製造方法を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態の第２の例、第３の例であるフォトニック結晶の製造方法を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態の方法により製造されたフォトニック結晶の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の方法により製造されたフォトニック結晶の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…基板、２…レジスト、３…レチクル、４…第１の物質、５…第２の物質、６…出発部材、７…第３の物質、８…第４の物質、９…凹部、１０…層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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