(57)【要約】【課題】  フォトニッククリスタル本体を構成する板状連続体の機械強度を補強して、製造時の作業性および使用時の構造維持性を高めたフォトニッククリスタルを提供する。【解決手段】  基板１０上に空洞１６を介して周縁部が支持されている第１の屈折率を有する板状連続体１４内に、多数の貫通孔１８が規則格子を構成しているフォトニッククリスタル１００において、空洞１６および貫通孔１８が、上記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する低屈折率材料２２で充填されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に空洞を介して周縁部が支持されている第１の屈折率を有する板状連続体内に、多数の貫通孔が規則格子を構成しているフォトニッククリスタルにおいて、
上記空洞および上記貫通孔が、上記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する低屈折率材料で充填されていることを特徴とするフォトニッククリスタル。
【請求項２】
請求項１において、上記板状連続体の、上記空洞とは反対側の表面も、上記低屈折率材料で被覆されていることを特徴とするフォトニッククリスタル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニッククリスタルに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニッククリスタルは、第１の屈折率を有する連続体内に、第２の屈折率を有する多数のドットで規則格子を構成した人口物質であり、その内部に光が存在できない領域（フォトニックバンドギャップ：ＰＢＧ）が構成できるため、光の進行方向や強度を制御するデバイスとしての利用が期待されている。ここで、屈折率は誘電率に対して〔誘電率＝屈折率の２乗〕という直接の関係があるので、「屈折率」は「誘電率」に置き換えてもよい。
【０００３】
フォトニッククリスタルの形態の一つは板状の２次元フォトニッククリスタルであり、例えばＳＯＩシリコンウェハに２５０ｎｍピッチでダイヤモンド結晶格子の格子位置に直径１００ｎｍ程度の貫通孔（ドット）をあけて作製できる。これに入射した赤外光をバンドギャップにより制御できる。
【０００４】
図２に、ＳＯＩシリコンウェハに作製した２次元フォトニッククリスタルの立体構造を示す。基板Ｓｉ１０とフォトニッククリスタル本体の単結晶Ｓｉ１４との間のＳｉ酸化膜１２を一部除去して空洞１６を空け、単結晶Ｓｉ１４の両面を自由表面にしてＳｉ酸化膜１２との界面での屈折率差による反射等の不必要な現象が生じないようにしてある。そのため、板状の単結晶Ｓｉ１４は基板１０上に空洞１６を介して周縁部が支持された状態になっている。この単結晶Ｓｉ層１４に多数の貫通孔１８を開けて規則格子２０を構成してある。
【０００５】
しかし、フォトニッククリスタルの本体を構成する単結晶Ｓｉ１４は、厚さ２０ｎｍ〜数μｍと非常に薄いため元々機械的な強度が低い上、多数の貫通孔１８が開いていることに加えて、下が空洞になっているため、製造工程での作業性や使用時の構造維持に問題があった。
【０００６】
フォトニッククリスタルを構成するために、高屈折率の連続体としての単結晶Ｓｉ１４中に低屈折率の格子点（ドット）としての貫通孔１８を配列している。貫通孔１８はすなわち空気であり、屈折率３．９の単結晶Ｓｉと屈折率１の空気とでフォトニッククリスタルを構成している。したがって、フォトニッククリスタルを構成するのに十分な屈折率の差があれば、貫通孔１８は空気のままではなくて、低屈折率の材料で充填してもよい。
【０００７】
この点については、例えば特許文献１や特許文献２には、貫通孔内は空気に代えてポリチオフェン誘導体やＳｉＯ２などの低屈折率材料を充填してもよいことが記載されている。
【０００８】
しかし上記文献には、単に屈折率の観点から空気を低屈折率材料で置き換えられることは教示しているが、２次元フォトニッククリスタル本体を構成する板状連続体としての単結晶Ｓｉの機械強度を補足する必要性については何ら示唆がなく、単結晶Ｓｉと基板Ｓｉとの間の空洞の存在に起因する強度上の問題に対しても何ら配慮がなされていない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２７９８００号公報
【特許文献２】特開平１１−２７１５４１号公報
【特許文献３】ＷＯ２００３／０２８０９７公報（特に６頁８行〜２０行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、フォトニッククリスタル本体を構成する板状連続体の機械強度を補強して、製造時の作業性および使用時の構造維持性を高めたフォトニッククリスタルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明のフォトニッククリスタルは、基板上に空洞を介して周縁部が支持されている第１の屈折率を有する板状連続体内に、多数の貫通孔が規則格子を構成しているフォトニッククリスタルにおいて、
上記空洞および上記貫通孔が、上記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する低屈折率材料で充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフォトニッククリスタルは、基板と板状連続体との間の空洞および多数の貫通孔を、屈折率が板状連続体よりも小さい低屈折率材料で充填したので、フォトニッククリスタルとしての機能を確保しつつフォトニッククリスタル本体を構成する板状連続体の機械強度を補強することが可能になり、製造時の作業性や使用時の構造維持性を格段に向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に、本発明を適用したフォトニッククリスタルの立体構造を示す。図１（１）は斜視図、図１（２）は断面図である。図示したフォトニッククリスタル１００は全体としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハ上に作製されている。すなわち、ＳＯＩウェハはＳｉ基板１０上に形成したＳｉ酸化膜１２と、その上にＳＩＭＯＸ（Separation by Implantation of Oxygen）法により形成した単結晶Ｓｉ薄膜１４とから成る。板状連続体としての単結晶Ｓｉ層１４に多数の貫通孔１８を開けて規則格子２０とし、フォトニッククリスタル本体を構成している。
【００１４】
基板Ｓｉ１０と板状連続体としての単結晶Ｓｉ１４との間のＳｉ酸化膜１２を一部除去して空けた空洞１６内と、単結晶Ｓｉ１４に開口した多数の貫通孔１８内には、単結晶Ｓｉ１４よりも屈折率の小さい低屈折率材料２２が充填してある。これにより、フォトニッククリスタルとしての機能を確保した上で、フォトニッククリスタル本体を構成する単結晶Ｓｉ１４の機械強度を強化できる。図１（２）の断面図に示した単結晶Ｓｉ１４上面の低屈折率層２６（低屈折率材料２２の層）は任意に設けることができるものであり、図１（１）の斜視図では図示の便宜上省略してある。
【００１５】
フォトニッククリスタル１００を作り込むウェハとしては、例えば直径６インチ（１５０ｍｍ）のＳＯＩウェハを用いることができる。各部の典型的なサイズの一例は下記のとおりである。
【００１６】
＜フォトニッククリスタルの各部寸法例＞
Ｓｉ単結晶層１４：厚さ３００ｎｍ（屈折率：３．９）
Ｓｉ絶縁膜１２ ：厚さ２００ｎｍ（誘電率：３．９）
Ｓｉ基板１０   ：厚さ６７５μｍ
ドットの配列形態：千鳥状または格子状（図の例では格子状）
ドット径      ：５０ｎｍ
ドットピッチ   ：２５０ｎｍ
ドット形成領域 ：６インチウェハの１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲
【実施例】
【００１７】
図１に示した本発明のフォトニッククリスタルを作製する手順を説明する。
【００１８】
図２に示すように公知の方法で作製した従来のフォトニッククリスタルを用意する。
【００１９】
図示した従来のフォトニッククリスタル２００は、空洞１６および貫通孔１８が空隙のままである。
【００２０】
本発明においては、従来のフォトニッククリスタル２００の空洞１６および貫通孔１８に、単結晶Ｓｉ１４よりも屈折率の小さい低屈折率材料２２を充填する。低屈折率材料２２としては、フォトニッククリスタルの特性を確保するために、できるだけ低い屈折率の材料を選定することが望ましい。そのような低屈折率材料としては微細な空孔を有するポーラスシリカが最も適している。本発明に用いるポーラスシリカは下記特性を満たすように形成する。
【００２１】
比屈折率：  １．４（比誘電率＝（比屈折率）２＝２．０）
１．６以下が望ましい（比誘電率２．５以下）
空孔径  ：  ３〜４ｎｍ（３０〜４０Å）
０．５〜１０ｎｍが望ましい（５〜１００Å）
空孔率  ：５０％
上記比屈折率を達成するために空孔率は３０％以上が望ましい。
空孔率は高いほど望ましい。
しかし、機械強度を確保するためには５０〜６０％程度が適している。
【００２２】
ポーラスシリカの形成は公知の方法を用いることができる。例えば特許文献３に具体例が示されている。すなわち、シリカ誘導体と界面活性剤を含む前駆体を塗布し、焼成することによりポーラスシリカが得られる。
【００２３】
特許文献３に従えば、ポーラスシリカ前駆体２２は次のように準備する。界面活性剤として陽イオン型のセチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ：Ｃ１６Ｈ３３Ｎ＋（ＣＨ３）３Ｂｒ−）と、シリカ誘導体としてテトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ：Tetoramethoxy Silane）と、酸触媒として塩酸（ＨＣｌ）とを、Ｈ２Ｏ／アルコール混合溶液に溶解し、混合容器内で前駆体溶液を調整する。この前駆体溶液の仕込みのモル比は、溶媒を１００として、界面活性剤０．５、シリカ誘導体３．０、酸触媒０．５〜２．５として混合し、必要に応じて粘度調整を行なう。
【００２４】
図３に示すように、ＳＯＩ基板上に形成したフォトニッククリスタル２００の上面全体に、上記のポーラスシリカ前駆体２４をスピンコートによって塗布する。塗布されたポーラスシリカ前駆体２４は、多数の貫通孔１８を通って空洞１６内に流入する。空洞１６内が充填され、貫通孔１８の上端からポーラスシリカ前駆体２４が溢れるまで塗布する。
【００２５】
次に、これを１２０〜１８０℃の飽和ＴＥＯＳ雰囲気中で３〜６時間乾燥した後、４００℃の大気雰囲気中で３時間程度加熱・焼成することにより、ポーラスシリカが形成される。
【００２６】
以上の処理により、図１に示したように、基板１０と単結晶Ｓｉ１４との間の空洞１６と、単結晶Ｓｉ１４の貫通孔１８が全てポーラスシリカ２２によって充填された状態になる。また、図３のスピンコートの際に、単結晶Ｓｉ１４の上面は貫通孔１８から溢れた前駆体２４で覆われており、これも乾燥・焼成によってポーラスシリカ２２の低屈折率層２６（図１（２））となっている。
【００２７】
以上のようにして作製した本発明のフォトニッククリスタル１００は、空洞１６内および貫通孔１８内がメゾポーラスシリカ２２で充填されており、かつ単結晶Ｓｉ１４の上面もメゾポーラスシリカ２２で覆われている。これにより、フォトニッククリスタルとしての機能を十分に発揮できると同時に、機械的な強度を大幅に高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、フォトニッククリスタル本体を構成する板状連続体の機械強度を補強して、製造時の作業性および使用時の構造維持性を高めたフォトニッククリスタルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明による２次元フォトニッククリスタルの基本構造を示す（１）斜視図および（２）断面図である。
【図２】図２は、本発明のフォトニッククリスタルを作製する出発材料として用いる従来のフォトニッククリスタルを示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明のフォトニッククリスタルを作製するために、図２の従来のフォトニッククリスタルの上面にスピンコートによりポーラスシリカ前駆体溶液を塗布する工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１００    本発明のフォトニッククリスタル
２００    従来のフォトニッククリスタル
１０    Ｓｉ基板
１２    Ｓｉ酸化膜
１４    単結晶Ｓｉ薄膜
１６    空洞
１８    貫通孔（ドット）
２０    規則格子
２２    低屈折率材料（ポーラスシリカ）
２４    ポーラスシリカ前駆体
【図１】
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【図２】
2007017569.tif 000004
【図３】
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