(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の配列ピッチで複数の柱状体がベース部に立設された微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法であって、
前記複数の柱状体を成型するための複数の貫通孔が前記所定の配列ピッチで形成された型本体と、当該型本体における前記複数の貫通孔を閉塞する底板とを微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、前記型本体における前記複数の貫通孔に前記溶液を含浸させた後に当該溶液中において当該型本体の一面に前記底板を密着させることにより当該底板によって当該複数の貫通孔を閉塞し、その状態の当該型本体および当該底板を前記溶液の外に取り出して前記貫通孔内の溶液を硬化させ、前記型本体から前記底板を剥離すると共に当該型本体を除去することにより前記微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法。
【請求項２】
前記溶液の外に取り出した前記型本体の上面に平板状の基板を密着させ、その状態の前記型本体、前記底板および前記基板を反転させた後に前記貫通孔内の溶液を硬化させる請求項１記載の微細周期構造体の製造方法。
【請求項３】
所定の配列ピッチで複数の貫通孔が形成された微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法であって、
前記複数の貫通孔を成型するための複数の柱状体が底面開口の容器体における天板の下面に前記所定の配列ピッチで立設されると共に複数の連通孔が当該天板に形成された型本体と、当該型本体における前記柱状体の下端部に当接可能に形成されると共に当該型本体における底面開口部位を閉塞する底板とを微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、前記型本体における前記複数の柱状体の間隙に前記溶液を含浸させた後に当該溶液中において当該型本体の一面に前記底板を密着させることにより当該底板によって前記底面開口部位を閉塞し、その状態の当該型本体および当該底板を前記溶液の外に取り出して前記容器体内の溶液を硬化させ、前記型本体から前記底板を剥離すると共に当該型本体を除去することにより前記微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の配列ピッチで複数の柱状体がベース部に立設された微細周期構造体、および所定の配列ピッチで複数の貫通孔が形成された微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の微細周期構造体の製造方法として、特開２００１−９１７７７号公報に開示されているフォトニック結晶の製造方法が知られている。この場合、フォトニック結晶は、微細周期構造体の一例であって、互いに屈折率が異なる２種類の光学材料（一方が空気である場合を含む）を光の波長オーダーで周期的に配列されて構成されている。この製造方法では、まず、口径が数十μｍ程度の有底円筒形の孔（１）を所定の配列ピッチで金属板に複数形成することにより、キャスティング用の鋳型（２）を製作する。次に、この鋳型（２）を容器（３）内に収容した後に、鋳型（２）に形成されている複数の孔（１）に液状高分子（４、フォトニック結晶成型用の溶剤）を流し込む。次いで、液状高分子（４）が硬化した後に、その硬化物から鋳型（２）および容器（３）を取り去る。これにより、フォトニック結晶（５）が完成する。また、同公報には、上記した孔（１）に代えて、無底円筒形の孔（６）を複数形成した鋳型（７）を用いた製造方法も開示されている。この製造方法では、鋳型（７）を容器（８）内に収容することにより、容器（８）の底板によって鋳型（７）の孔（６）を閉塞し、この状態で、孔（６）に液状高分子（４）を流し込む。次に、液状高分子（４）が硬化した後に、その硬化物から鋳型（７）および容器（８）を取り去る。これにより、フォトニック結晶（５）が完成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のフォトニック結晶の製造方法には、以下の問題点がある。すなわち、従来のフォトニック結晶の製造方法では、有底円筒状の孔（１）が形成された鋳型（２）、または容器（３）の底板によって閉塞される無底円筒状の孔（６）が形成された鋳型（７）に液状高分子（４）を流し込むことにより、フォトニック結晶（５）を製造している。この場合、両鋳型（２，７）に形成されている孔（１，６）は、例えば、その口径が４８μｍでその深さが５００μｍ程度と非常に小さく形成されている。したがって、この孔（１，６）内に液状高分子（４）を流し込んだ際に、孔（１，６）から空気が抜けずに、気泡となって孔（１，６）内に残留する。かかる状態で液状高分子（４）を硬化させた場合には、その光学的特性を著しく低下させる要因となる意図しない欠陥（一例として柱状体の欠落）がフォトニック結晶（５）の結晶構造内に生じるという問題点がある。この場合、同公報には、孔（１，６）内への気泡の残留を防止するために、容器と鋳型とを真空装置内に配設して真空引きした状態で液状高分子を流し込む方法も開示されている。しかし、この製造方法には、高価な真空装置を使用することに起因してフォトニック結晶の製造コストが高騰するという問題点がある。また、液状高分子を流し込む都度、真空装置内を真空状態にしなくてはならないため、フォトニック結晶の製造に長時間を要するという問題点もある。
【０００４】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、周期構造に意図しない欠陥を生じさせることなく、製造コストの低減および作業時間の短縮を図り得る微細周期構造体の製造方法を提供することを主目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の微細周期構造体の製造方法は、所定の配列ピッチで複数の柱状体がベース部に立設された微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法であって、前記複数の柱状体を成型するための複数の貫通孔が前記所定の配列ピッチで形成された型本体と、当該型本体における前記複数の貫通孔を閉塞する底板とを微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、前記型本体における前記複数の貫通孔に前記溶液を含浸させた後に当該溶液中において当該型本体の一面に前記底板を密着させることにより当該底板によって当該複数の貫通孔を閉塞し、その状態の当該型本体および当該底板を前記溶液の外に取り出して前記貫通孔内の溶液を硬化させ、前記型本体から前記底板を剥離すると共に当該型本体を除去することにより前記微細周期構造体を製造する。
【０００６】
請求項２記載の微細周期構造体の製造方法は、請求項１記載の微細周期構造体の製造方法において、前記溶液の外に取り出した前記型本体の上面に平板状の基板を密着させ、その状態の前記型本体、前記底板および前記基板を反転させた後に前記貫通孔内の溶液を硬化させる。
【０００７】
請求項３記載の微細周期構造体の製造方法は、所定の配列ピッチで複数の貫通孔が形成された微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法であって、前記複数の貫通孔を成型するための複数の柱状体が底面開口の容器体における天板の下面に前記所定の配列ピッチで立設されると共に複数の連通孔が当該天板に形成された型本体と、当該型本体における前記柱状体の下端部に当接可能に形成されると共に当該型本体における底面開口部位を閉塞する底板とを微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、前記型本体における前記複数の柱状体の間隙に前記溶液を含浸させた後に当該溶液中において当該型本体の一面に前記底板を密着させることにより当該底板によって前記底面開口部位を閉塞し、その状態の当該型本体および当該底板を前記溶液の外に取り出して前記容器体内の溶液を硬化させ、前記型本体から前記底板を剥離すると共に当該型本体を除去することにより前記微細周期構造体を製造する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る微細周期構造体の製造方法の好適な実施の形態について説明する。
【０００９】
最初に、本発明に係る微細周期構造体の製造方法に従って製造されたフォトニック結晶１について、図面を参照して説明する。
【００１０】
フォトニック結晶１は、本発明における微細周期構造体の一例であって、光合分波器、波長多重合分波器および分光器（回折格子）などの光回路部品に用いられる超小型光回路としての使用を初めとして、フォトルミネッセンスやレーザービーム用の発光素子または受光素子、各種センサ（ガス、歪み、温度、電圧および電流などの検出素子）、並びにミリ波およびマイクロ波用のシールド材やアンテナとして使用される。このフォトニック結晶１は、図１に示すように、基板１３の上に形成された平板状のベース部２と、ベース部２の上に所定の配列ピッチで立設された複数の柱状部３，３・・とが一体成型して構成されている。この場合、基板１３は、フォトニック結晶１の製作時には、フォトニック結晶１（ベース部２および柱状部３，３・・）を成型する際の支持体として機能すると共に、フォトニック結晶１が完成した状態では、ベース部２と相俟ってフォトニック結晶１の基部としても機能する。
【００１１】
また、このフォトニック結晶１は、後述するように、有機系材料溶液、無機系材料溶液および有機無機複合材料溶液などのフォトニック結晶材料溶液（以下、「溶液」ともいう）Ｒ（図３参照）を硬化させることによって形成され、フォトニック結晶１に求められる光学的特性に応じて、溶液Ｒとして使用する材料や、柱状部３の形状、直径、高さ、配列パターンおよび立設本数などが適宜規定されて製造される。なお、本発明の実施の形態では、一例として、柱状部３の直径を５０μｍ、高さを５００μｍ、形状を円柱状として規定すると共に、隣合う柱状部３，３の間隔を５０μｍとしてフォトニック結晶１を製造する。また、図１〜図６では、本発明についての理解を容易とするために、１６本の柱状部３，３・・をベース部２に立設した状態を図示しているが、実際には、無数の柱状部３，３・・がベース部２に立設されている。また、後述する製造方法において使用するモールド１０（図２参照）についても、実際には、無数の柱状部３，３・・を形成可能に構成されている。
【００１２】
次に、上記したフォトニック結晶１の製造方法を例に挙げて本発明に係る微細周期構造体の製造方法について、図面を参照して説明する。
【００１３】
まず、図２に示すように、フォトニック結晶１を成型するためのモールド１０を製作する。このモールド１０は、本発明における型本体に相当するモールド本体１１と、モールド本体１１の下面（一面）に面的接触可能に形成された平板状の底板１２とを備えている。この場合、モールド本体１１および底板１２は、ＳｉＯ２、Ｓｉ、ＳｉＣ、金属、金属酸化物などの無機系材料や、無機系材料と有機系材料とを複合化したナノコンポジット材料（ナノメートルサイズの複合材料）で形成されている。また、モールド本体１１には、フォトニック結晶１のベース部２を成型するための凹部１１ａが上面に形成されると共に、柱状部３，３・・を成型するための複数の貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・が凹部１１ａの底部からモールド本体１１の下面にかけて連通形成されている。この場合、貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・は、上記した材料に対してレーザービーム描画装置、電子線描画装置および反応性イオンエッチング装置などの微細構造加工装置を用いて複数の孔を所定の配列ピッチで形成した後に、ウェットエッチングやドライエッチングによって高精度に加工することにより、その直径が５０μｍ、長さが５００μｍの円筒状で、かつ隣合う貫通孔１１ｂ，１１ｂの間隔が５０μｍとなるように形成される。また、モールド本体１１は、その下面（図２において下側の面）が平坦に形成される。一方、底板１２は、モールド本体１１の下面（一面）に面的に接触して各貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・を閉塞可能に平坦面に形成される。
【００１４】
次に、図３に示すように、まず、溶液Ｒの中に底板１２、モールド本体１１の順にモールド１０を沈め、モールド本体１１の貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・に溶液Ｒを含浸させる。この際に、モールド本体１１の貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・が凹部１１ａの底部からモールド本体１１の下面にかけて連通形成されているため、貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・内の空気がスムーズに排出される。したがって、貫通孔１１ｂ，１１ｂ内に溶液Ｒが確実に含浸する。次いで、溶液Ｒ中においてモールド本体１１の下面に底板１２を密着させることにより、底板１２によって貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・の各一端部を閉塞する。次に、図４に示すように、底板１２を密着させた状態でモールド本体１１を溶液Ｒの外に取り出した後、モールド本体１１の上面に基板１３を密着させる。これにより、基板１３によってモールド本体１１における凹部１１ａの上方開口部位が閉塞される。
【００１５】
次いで、図５に示すように、その状態のモールド本体１１、底板１２および基板１３を反転させた後、溶液Ｒを硬化させる。この際には、溶液Ｒとして用いた材料の特性に応じて、モールド１０の外部から溶液Ｒに光や熱を加えたり、溶液Ｒを加水分解（いわゆる、ゾル−ゲル法）させたりすることで溶液Ｒを硬化（架橋）させる。この場合、モールド本体１１、底板１２および基板１３を反転させた状態で溶液Ｒを硬化させることにより、溶液Ｒが自重によって基板１３に密着した状態で硬化するため、完成状態におけるフォトニック結晶１のベース部２と基板１３とが確実に固着する。次に、溶液Ｒが硬化した後、図６に示すように、モールド本体１１から底板１２を剥離し、次いで、硬化した溶液Ｒからモールド本体１１を取り外す。これにより、硬化した溶液Ｒとモールド１０とが分離させられて基板１３上にベース部２が形成され、かつベース部２上に柱状部３，３・・が立設されてフォトニック結晶１が構成される。なお、底板１２を剥離した後に、硬化した溶液Ｒと一体のモールド本体１１、および基板１３を剥離液に浸すことにより、モールド本体１１のみを溶融して除去することもできる。
【００１６】
このように、このフォトニック結晶の製造方法によれば、複数の貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・が形成されたモールド本体１１と、底板１２とを溶液Ｒの中に沈めて貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・に溶液Ｒを含浸させた後に、溶液Ｒの中でモールド本体１１の下面に底板１２を密着させて貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・を閉塞することにより、従来の製造方法とは異なり、貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・内の空気をスムーズに排出させつつ溶液Ｒを確実に含浸させることができる。このため、高価な真空装置を用いた真空引きを行うことなく貫通孔１１ｂ，１１・・から空気を確実に排出することができる結果、フォトニック結晶の結晶構造に意図しない欠陥（柱状体３の欠落等）を生じさせることなく、設計通りの理想的な光学的特性を有するフォトニック結晶１を安価かつ短時間で製造することができる。また、溶液Ｒが未硬化の状態において、モールド本体１１、底板１２および基板１３を反転させることにより、フォトニック結晶１のベース部２と基板１３とを確実に固着させることができる。
【００１７】
なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、同形状の柱状部３，３・・を５０μｍピッチで等間隔に多数立設したフォトニック結晶１を製造する製造方法を説明したが、図７に示すように、柱状部３，３・・のピッチ等が互いに異なるクラッド部３１ａとコア部（導波部）３１ｂとを有する光合分波器３１の製造方法にも適用が可能である。この光合分波器３１では、クラッド部３１ａが特定波長の光を反射し、コア部３１ｂがその特定波長の光を所定方向に導波するための導波部として機能する。このため、クラッド部３１ａにおける柱状部３，３・・の立設位置や形状等の周期的構造と、コア部３１ｂにおける柱状部３，３・・の立設位置や形状等の周期的構造とを互いに変えて製造する必要がある。したがって、本発明に係るフォトニック結晶１の製造方法を適用する際には、クラッド部３１ａに対応する部分と、コア部３１ｂに対応する部分とで、モールド本体１１における貫通孔１１ｂ，１１ｂ・・の形成ピッチ等を適宜変更することで、柱状部３，３・・の周期的構造を変更することができる。なお、同図では、柱状部３，３・・の個々の図示を省略している。さらに、本発明の実施の形態では、溶液Ｒからモールド本体１１および底板１２を取り出した後にモールド本体１１の上面に基板１３を密着させた例を説明したが、本発明はこれに限定されず、溶液Ｒの中で底板１２および基板１３の双方をモールド本体１１に密着させてもよい。さらに、本発明の実施の形態に例示した柱状部３の大きさ、形および立設ピッチ等については、特に限定されず、フォトニック結晶１に求められる光学的特性に応じて適宜変更することができる。
【００１８】
また、本発明に係る微細周期構造の製造方法では、例えば、図８に示すモールド６０を用いて図９に示すフォトニック結晶５１が製造される。この場合、フォトニック結晶５１は、上記したフォトニック結晶１における柱状部３，３・・に代えて複数の貫通孔５３，５３・・が所定の配列ピッチで形成された微細周期構造体であって、前述したフォトニック結晶１と同様にして、各種の超小型光回路、発光素子、受光素子、各種センサ、シールド材およびアンテナなどとして使用される。一方、フォトニック結晶５１を成型するためのモールドは、図８に示すように、本発明における型本体に相当するモールド本体６１と、底板１２とを備えている。この場合、モールド本体６１は、底面開口の容器体における天板６２に、フォトニック結晶の貫通孔５３，５３・・を形成するための複数の柱状部６３，６３・・が立設されると共に、柱状部６３，６３・・間の空気を天板６２の上方に排出するための複数の空気孔（本発明における連通孔）６２ａ，６２ａ・・が天板６２に形成されて構成されている。
【００１９】
このモールド６０を用いてフォトニック結晶を製造する際には、まず、溶液Ｒの中に底板１２、モールド本体６１の順にモールド６０を沈め、モールド本体６１における柱状部６３，６３・・の間隙に溶液Ｒを含浸させる。この際に、モールド本体６１の空気孔６２ａ，６２ａから柱状部６３，６３・・間の空気がスムーズに排出される。したがって、柱状部６３，６３・・の間隙に溶液Ｒが確実に含浸する。次に、溶液Ｒ中においてモールド本体６１の下面に底板１２を密着させることにより、この底板１２によってモールド本体６１の底面開口部位を閉塞する。この際には、柱状部６３，６３・・の下端部に底板１２が当接させられる。次いで、底板１２を密着させた状態でモールド本体６１を溶液Ｒの外に取り出した後、モールド６０内の溶液Ｒを硬化（架橋）させる。続いて、溶液Ｒが硬化した後にモールド本体６１から底板１２を剥離し、次いで、硬化した溶液Ｒからモールド本体６１を取り外す。これにより、硬化した溶液Ｒとモールド６０とが分離させられ、複数の貫通孔５３，５３・・が形成されたフォトニック結晶５１が成型される。このように、このモールド６０を用いたフォトニック結晶５１の製造方法によれば、上記したフォトニック結晶１の製造方法と同様にして、柱状部６３，６３・・間の空気をスムーズに排出させつつ溶液Ｒを確実に含浸させることができるため、フォトニック結晶５１の結晶構造に意図しない欠陥を生じさせることなく、設計通りの理想的な光学的特性を有するフォトニック結晶５１を安価かつ短時間で製造することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の微細周期構造の製造方法によれば、複数の柱状体を成型するための複数の貫通孔が所定の配列ピッチで形成された型本体と、複数の貫通孔を閉塞する底板とを微細周期構造成型用の溶液中に沈め、複数の貫通孔に溶液を含浸させた後に溶液中において型本体の一面に底板を密着させて底板で複数の貫通孔を閉塞し、その状態の型本体および底板を溶液の外に取り出して貫通孔内の溶液を硬化させることによって微細周期構造を製造することにより、高価な真空装置などを使用することなく貫通孔内の空気をスムーズに排出させつつ溶液を確実に含浸させることができるため、設計通りの理想的な周期構造を有する微細周期構造体を安価かつ短時間で製造することができる。この場合、この微細周期構造体の製造方法に従ってフォトニック結晶を製造することにより、理想的な光学的特性を有するフォトニック結晶を安価かつ短時間で製造することができる。
【００２１】
また、請求項２記載の微細周期構造体の製造方法によれば、溶液の外に取り出した型本体の上面に平板状の基板を密着させ、その状態の型本体、底板および基板を反転させた後に貫通孔内の溶液を硬化させることにより、微細周期構造体（硬化した溶液）と基板とを確実に固着させることができる。
【００２２】
さらに、請求項３記載の微細周期構造の製造方法によれば、複数の貫通孔を成型するための複数の柱状体が底面開口の容器体における天板の下面に所定の配列ピッチで立設されると共に複数の連通孔が天板に形成された型本体と、型本体における柱状体の下端部に当接可能に形成されると共に型本体における底面開口部位を閉塞する底板とを微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、複数の柱状体の間隙に溶液を含浸させた後に溶液中において型本体の一面に底板を密着させて底板で底面開口部位を閉塞し、その状態の型本体および底板を溶液の外に取り出して容器体内の溶液を硬化させることによって微細周期構造体を製造することにより、請求項１記載の微細周期構造体の製造方法と同様にして、高価な真空装置などを使用することなく柱状体の間の空気をスムーズに排出させつつ溶液を確実に含浸させることができるため、設計通りの理想的な周期構造を有する微細周期構造体を安価かつ短時間で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るフォトニック結晶（微細周期構造体）の製造方法に従って製造されたフォトニック結晶１の外観斜視図である。
【図２】フォトニック結晶１を製造するためのモールド１０の外観斜視図である。
【図３】フォトニック結晶１の製造工程において、溶液Ｒの中にモールド１０を沈めた状態の側面断面図である。
【図４】フォトニック結晶１の製造工程において、溶液Ｒからモールド１０を取り出した状態の側面断面図である。
【図５】溶液Ｒから取り出した基板１３を密着させたモールド１０を基板１３と共に反転させた状態の側面断面図である。
【図６】硬化した溶液Ｒ（フォトニック結晶１）からモールド１０を取り外した状態の側面断面図である。
【図７】本発明の他の実施の形態に係るフォトニック結晶（微細周期構造体）の製造方法に従って製造されたフォトニック結晶３１の外観斜視図である。
【図８】フォトニック結晶５１を製造するためのモールド６０の外観斜視図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係るフォトニック結晶（微細周期構造体）の製造方法に従って製造されたフォトニック結晶５１の外観斜視図である。
【符号の説明】
１，３１，５１  フォトニック結晶
２  ベース部
３  柱状部
１０，６０  モールド
１１，６１  モールド本体
１１ａ  凹部
１１ｂ  貫通孔
１２  底板
１３  基板
３１ａ  導波部
５３  貫通孔
６２  天板
６２ａ  空気孔
６３  柱状部
Ｒ  溶液
【図１】
0003996391.tif 000002
【図２】
0003996391.tif 000003
【図３】
0003996391.tif 000004
【図４】
0003996391.tif 000005
【図５】
0003996391.tif 000006
【図６】
0003996391.tif 000007
【図７】
0003996391.tif 000008
【図８】
0003996391.tif 000009
【図９】
0003996391.tif 000010