【手続補正書】
【提出日】平成17年8月17日(2005.8.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック加工がなされた白熱発光体であって、
前記白熱発光体は、特定の格子定数を有するフォトニック結晶で構成されており、
第１の誘電率を有する耐熱発光材料としてのタングステンまたはタングステン合金と、少なくとも１つの異なる誘電率を有する少なくとも１つの別格子材料とを含んでおり、 前記特定の格子定数と、前記耐熱発光材料と、前記少なくとも１つの別格子材料が、前記フォトニック結晶が加熱されると、カットオフ波長以上の熱放射を制御するフォトニックバンドギャップを発生させるように選択されることを特徴とするフォトニック加工白熱発光体。
【請求項２】
少なくとも１つの別格子材料は、空気で構成されていることを特徴とする請求項１記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項３】
特定の格子定数は、５マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項４】
特定の格子定数は、１マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項５】
フォトニック結晶は、完全バンドギャップを持つことを特徴とする請求項１記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項６】
フォトニック結晶は、２次元構造を有することを特徴とする請求項１記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項７】
フォトニック結晶は、３次元構造を有することを特徴とする請求項１記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項８】
フォトニック結晶は、リンカン−ログ型の構造を備えていることを特徴とする請求項７記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項９】
特定の格子定数は、１０マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１０】
フォトニック加工がなされた白熱発光体であって、
前記白熱発光体は、１０マイクロメートル以下の特定の格子定数を有するフォトニック結晶で構成されており、第１の誘電率を有する耐熱発光材料と、少なくとも１つの異なる誘電率を有する少なくとも１つの別格子材料とを含んでおり、前記耐熱発光材料及び前記少なくとも１つの別格子材料は、前記フォトニック結晶が加熱されると、カットオフ波長以上の熱放射を制御するフォトニックバンドギャップを発生させるように選択されることを特徴とするフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１１】
少なくとも１つの別格子材料は、空気で構成されていることを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１２】
耐熱発光体材料は、金属を含むことを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１３】
金属は、タングステンまたはタングステン合金を含むことを特徴とする請求項１２記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１４】
耐熱発光体材料は、非金属を含むことを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１５】
非金属は、シリコンカーバイド、カーボンまたはチタニアを含むことを特徴とする請求項１４記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１６】
特定の格子定数は、５マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１７】
特定の格子定数は、１マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１８】
フォトニック結晶は、完全バンドギャップを持つことを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項１９】
フォトニック結晶は、２次元構造を有することを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項２０】
フォトニック結晶は、３次元構造を有することを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項２１】
フォトニック結晶は、リンカン−ログ型の構造を備えていることを特徴とする請求項１０記載のフォトニック加工白熱発光体。
【請求項２２】
フォトニック結晶の製造方法であって、
ａ）  犠牲層となるモールド材料によって交互に複数形成される層の空間に、孔部充填材料が順次積層され、該孔部充填材料が格子構造となったモールド材料の層から除去されることにより、
基板上にモールド材料によって格子構造を有するモールドが成型されるステップと、
ｂ）  前記格子構造を有するモールド内に構造材料を成層するステップと、
を備えて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２３】
格子構造を有するモールド内に構造材料を成層するステップの後に、構造材料の表面を研磨するステップを更に含んでいることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項２４】
研磨ステップは、化学-機械式研磨ステップであることを特徴とする請求項２３記載の製造方法。
【請求項２５】
格子構造を有するモールド内に構造材料を成層するステップは、化学蒸着、電気メッキまたはナノ粒子浸透による処理ステップを含んでいることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項２６】
犠牲層となるモールド材料は、シリカを含むことを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項２７】
基板は、シリコンを含むことを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項２８】
孔部充填材料は、ポリシリコンを含むことを特徴とする請求項２２記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項２９】
構造材料は、ＩＩＩ-Ｖ化合物半導体、ＩＩ-ＶＩ半導体、１種または混合酸化物、窒化物、酸化窒化物、金属または合金で構成される化学蒸着材料群から選択されることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３０】
構造材料は、耐熱金属または耐熱非金属を含むことを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３１】
耐熱金属は、タングステンまたはタングステン合金を含むことを請求項３０記載の製造方法。
【請求項３２】
構造材料は、銅、ニッケル、金、鉄、銀、コバルト及びクロムで構成される電気メッキ金属群から選択されることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３３】
交差パターンを備える複数の層は、各々の層の厚みが１０マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３４】
交差パターンを備える複数の層は、各々の層の厚みが５マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３５】
交差パターンを備える複数の層は、各々の層の厚みが１マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３６】
フォトニック結晶は、リンカン−ログ型の構造を備えていることを特徴とする請求項２２記載のフォトニック加工白熱発光体の製造方法。
【請求項３７】
格子構造を有するモールド内に構造材料を成層するステップの後に、格子構造を有するモールドからモールド材料を除去するステップを更に含んでいることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３８】
基板上に犠牲層となるモールド材料で格子構造を有するモールドを成型するステップは、
ａ）基板上に犠牲層となるモールド材料層を成層するステップと、
ｂ）前記犠牲層となるモールド材料層にパターン処理を施して、前記モールド材料層に複数の孔部を形成するステップと、
ｃ）前記複数の孔部に孔部充填材料を積層するステップと、
ｄ）前記複数の孔部に前記充填材料が積層された前記モールド材料層の上に、別の犠牲層となるモールド材料層を成層するステップと、
ｅ）上記ステップｂ）から上記ステップｄ）までを少なくとも１回繰り返すステップと、
ｆ）上記ステップｄ）によって最後に積層された前記モールド材料をパターン処理するステップと、
ｇ）前記孔部充填材料を除去して格子構造を有するモールドを成型するステップと、
を備えていることを特徴とする請求項２２記載の製造方法。
【請求項３９】
犠牲層となるモールド材料層にパターン処理を施して、前記モールド材料層に複数の孔部を形成するステップは、エッチングマスクを用いて犠牲層となるモールド材料層に施されるフォトリソグラフィ露光のステップと、前記モールド材料層の露光領域の異方性エッチングのステップと、前記エッチングマスクの剥離処理を備えていることを特徴とする請求項３８記載の製造方法。
【請求項４０】
複数の孔部に孔部充填材料を積層するステップの後に、更に充填材料が積層されている材料層の表面の研磨ステップを更に含んでいることを特徴とする請求項３８記載の製造方法。
【請求項４１】
研磨ステップは、化学-機械式研磨ステップであることを特徴とする請求項４０記載の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】フォトニック加工白熱発光体
【技術分野】
【０００１】
本発明は白熱灯に関する。さらに特定するなら、本発明は、フォトニック加工がなされた発熱体(photonically engineered thermal emitter)によって製造された白熱灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
白熱灯は高品質な照明を提供し、安価であり、住宅用としては最も普及した照明器具である。しかし残念ながら、白熱灯は、今日商業的に利用されている最も効率が低い照明器具でもある。白熱灯技術の優れた解説は、バーグマン他による「フィラメント電球」（ＧＥ研究所；レポート９８ＣＲＤ０２７、１９９８年２月）で提供されている。
【０００３】
照明産業は、電灯の効率を表示する目的で“発光効率(luminous efficiency)”なる共通用語を使用する。一般的には、発光効率は、ルーメン/ワットの単位で表され、光束を全放射電力で割った値で定義される。光束は、ルーメンの単位を有しており、人間の眼が反応する放射光束である。電灯の発光効率のさらに優れた説明は、光源に対する全入力電力値で放射光束を割ることである。そのようにすれば、電気的効率は、照明技術の比較において利用可能になる。本明細書は、後者の定義を利用する。なぜなら、照明技術の種類によっては、入力電力値の放射力への変換では、本質的に効率が低く現れるからである。
【０００４】
タングステンフィラメントを使用した６０Ｗの白熱灯の発光効率は、約１５ルーメン/ワット程度である。白熱灯の発光効率は低い。なぜなら光のほとんど（９０％程度）は、スペクトルの非可視赤外線部分（７６０nm以上の波長）で発生するからである。蛍光灯は、白熱灯よりもずっと発光効率が高く、７５から１００ルーメン/ワットの発光効率を有している。比較すると、広幅スペクトル源を使用した高品質白色光の理論的最大発光効率は、約２００ルーメン/ワットである。
【０００５】
白熱灯は、タングステンフィラメントを高温（典型的には約２８００Ｋ°）に加熱して、電磁波スペクトルの可視領域（約３８０から７６０nm）で発光させて使用する。このような高温体は、一般的に“発光体”または“放射体”と呼称される。高温発光体からの発光は、黒体理論で説明される。理想的黒体は、理論的には最大発光する。実際の発光体は、黒体ほどには放射しない。放射率は、実際の発光体の黒体発光に対する放射比であり、０から１の間で無単位にて表される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
白熱灯の発光効率は、発光体の放射率を改良することで改善させることができる。照明目的での最良発光体は、可視スペクトル領域で１の放射率を有し、非可視スペクトル領域では、０の放射率を有するものである。そのような理想的な発光体は、有効な可視領域のみで発光する。そのような理想発光する２８００Ｋ°発光体は、２００ルーメン/ワット程度の効率を有するであろう。これは従来の白熱灯の１０倍以上の発光効率であり、従来の蛍光灯の２倍の発光効率である。
【０００７】
従って、可視スペクトル領域で選択的に発光することで発光効率を改善させた高温発光体が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、特徴的な格子定数(lattice constant)を有したフォトニック結晶(photonic crystal)を含み、第１の誘電率(dielectric constant)を有した発光体材料と、少なくと
も１つの異なる誘電率を有した少なくとも１つの異なる格子材料を含むフォトニック加工がなされた白熱発光体を提供する。それら特徴的な格子定数、発光体材料及び少なくとも１つの異なる格子材料は、好ましいカットオフ波長以上の熱放射を抑制または改質させるフォトニックバンドギャップ(photonic bandgap)を発生するように選択される。発光体材料は、タングステンのごとき耐熱性非金属または耐熱性金属で提供できる。このフォトニック加工がなされた白熱発光体は、スペクトルの可視領域及び近赤外線領域で選択的に熱放射し、さらに効率的な白熱灯を提供するように改善できる。
【０００９】
さらに本発明は、白熱発光体に適したフォトニック加工構造体の製造方法をも提供する。この方法は、基板上に犠牲材料による格子構造の型（モールド）を形成し、このモールド内に構造材料を入れ、犠牲材料を除去するものである。可視光線波長程度の格子定数で、耐熱材料のフォトニック結晶を提供するための格子構造モールドの成型には、シリコン集積回路技術が特に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、従来の白熱灯よりも効率的なフォトニック加工白熱発光体と、その製造方法とを提供する。本発明のさらに効率的な白熱発光体は、フォトニック加工構造を利用して高温発光体の発光選択性を改善させることで可能となった。フォトニック加工構造体は、光波長が周期変動する物質で成る。この周期変動は、その媒体の許容光モードを変動させ、多くの多様で有用な特性を導く。一部のフォトニック構造は、特定バンドの波長に対して全方向で光モードを完全に排除する。これらの構造は、３次元のフォトニックバンドギャップを表すと考えられている。フォトニック結晶とその特性の説明は、ジョアノパウロス他の「フォトニック結晶」（１９９５年）において提供されている。
【００１１】
熱放射スペクトル、すなわち放射率は、フォトニック構造特性を適当に調整することで変動させることが可能である。物体からの熱放射の制御による放射性の制御のためのフォトニック構造の利用は、リン及びフレミングの米国特許願０９/４４１２２１で開示されている。そのスペクトルの赤外線領域でのフォトニック構造体からの熱放射の調整は、リン他の「立体フォトニック結晶による熱放射の増強及び抑制」（２０００年）で解説されている。リン他は、空気を補助誘電体として利用し、立体的な“リンカン-ログタイプのシリコンフォトニクス結晶”を製造した。このシリコンフォトニック結晶は、格子定数４.２μmであってλ＝９〜１５μmの赤外線波長領域をカバーする、大型フォトニックバンドギャップを有していた。４１０℃に加熱された時には、そのシリコンフォトニック結晶は、光の放射率が１０から１６μmで顕著に減少した。これは、３次元のフォトニックバンドギャップを示している。
【００１２】
図１は、カットオフ波長以下では放射率が０となり、カットオフ波長以上では放射率が１となるように最適化された、白熱発光体の発光効率を示す。発光効率は、カットオフ波長を可視光線の長波側の境界（すなわち７６０nm）に可能な限り接近させることで最大化される。発光効率は、そのような最適化された発光体で２００ルーメン/ワットに近い値をとる。このように、スペクトルの可視部を白熱照明に利用するフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、リン他の特許が開示しているシリコンフォトニック結晶で得られるバンドギャップよりも、可視光線の長波エッジにさらに接近しなければならない。
【００１３】
可視光線の長波側の境界に、フォトニックバンドギャップを接近させるために、フォトニック結晶をより小さな寸法にすることができる。更に、フォトニック結晶に、大きな誘電率を有し、高温（例えば２８００Ｋ°）に耐えられる材料を使用できる。バーグマン他が解説するように、白熱灯フィラメントに使用される最も一般的な材料は、タングステン系材料である。金属としてタングステンは、フォトニック結晶で使用されると、大きな屈折率を提供する。屈折率の大きな差異はフォトニック結晶の光モードに対して、屈折率の周期的な変化の効果を増強し、放射率を減少させる大きなフォトニックバンドギャップを有したフォトニック結晶を製造する。
【００１４】
（フォトニック加工発光体構造）
本発明は、可視及び近赤外線波長で選択的に発光する、２次元または３次元構造のフォトニック結晶を提供する。従来技術で知られた２次元または３次元構造のフォトニックバンドギャップを示す、様々なタイプのフォトニック結晶構造が本発明に適している。フォトニック結晶構造と製造法の例は、フレミング及びリンの米国特許願０９/２９６７０２で開示されている。
【００１５】
本発明の実施例で使用される３次元構造のフォトニックバンドギャップを示すフォトニック結晶の通常タイプは、図２で示すリンカン-ログタイプフォトニック結晶構造２００である。この３次元のリンカン-ログタイプ構造は、交差層２１０を含んでいる。それぞれの層２１０は、第１の誘電率を有した材料で提供される等間隔に配置された平行ログすなわちロッド２２０の列を含んでいる。ロッド２２０間は、第２の誘電率を有した材料２３０で充填される。単純性と高誘電相違性を得るために、材料２３０は、空気であることが多い。４層式フォトニック結晶２００においては、ロッド２２０は反復距離ｃで４層ごとに反復する積み重ね様式である。各層２１０内では、ロッド２２０の軸は、間隔ｄでそれぞれ平行に提供されている。交差層２１０は、前層に対して９０°回転した状態で提供されている。各層２１０間では、ロッド２２０は、互いに０.５ｄだけずらされている。得られた構造は斜方形構造を含んだ面心格子正方晶形格子対称体である。特殊な場合（ｃ/ｄ＝１.４１４）には、結晶２００は２本のロッドを基本とした面心格子立方体単位セル(unit cell)から得られる。
【００１６】
（フォトニック結晶の製造）
本発明に適した２次元または３次元構造のフォトニックバンドギャップを示す、フォトニック結晶構造は様々な従来方法で構築できる。３次元構造のフォトニック結晶構造の垂直位相構造は、各層ごとの複数の誘電フィルムの反復積層、及びエッチングによって構築できる。フォトニック結晶を製造する１つの方法は、前述のリン他のシリコンフォトニック結晶構築でのように、構造材料で直接的に構造を構築することである。あるいは製造方法は、犠牲材料で構造材料用の格子構造モールドを成型し、その格子構造モールドに構造材料を選択的に成層し、最後にその埋め戻しモールドから犠牲材料を除去して構造材料のフォトニック結晶を得ることである。後者の方法は、それ以外の方法では、直接的な各層ごとの構築プロセス中に、大きな残留応力を蓄積することができる構造材料に対しては利点を有している。この製造方法は、金属、金属合金及び半導体等の整合プロセスで成膜できる多様な構造材料のフォトニック結晶の成型に使用できる。
【００１７】
本発明の説明の目的で図３aから図３iに関して説明するように、本発明の白熱発光体に適した３次元構造のリンカン-ログタングステンフォトニック結晶の各層ごとの製造手順が示される。本明細書のタングステンフォトニック結晶は、ロッド間隔ｄ＝４.２μm、ロッド幅ｗ＝１.２μm、層厚１.６μmである。タングステン合金、シリコンカーバイド、カーボン、チタニア等の他の耐熱金属及び耐熱非金属も、本発明のフォトニック加工白熱発光体に適している。
【００１８】
格子構造を有するモールドは、ポリシリコン等の孔部充填材料が、シリカ（ＳｉＯ2）のごとき犠牲材料によって形成される犠牲層の空間に順次積層され、複数の格子状の層が形成されることにより成型できる。シリカ製造手順の基本的な多層ポリシリコン法は、リン他の“ネーチャ誌３９４”（２５１、１９９８年）、及びフレミングとリンの米国特許願０９/２９６７０２で記述されている。フレミングとリンの積層製造法は、正確な厚み、平坦性、及び整合性の制御が可能な積層材料組成を可能にする。
【００１９】
図３aのシリカ等の犠牲モールド材料で成る第１層３１０は、シリコン基板３００に成膜される。シリカ層３１０の厚みは、フォトニック結晶の第１構造層３４０に望む厚みよりも厚く、典型的には、所定のカットオフ波長に依存するが、０.０２から１０μmの範囲である。本明細書中の３次元構造のタングステンフォトニック結晶に対しては、構造層３４０の厚みは１.６μmでもよく、シリカ層３１０の当初厚みは約２.０μmでよい。
【００２０】
図３ｂは、略方形断面を有した複数の均等に間隔が開けられた平行スペーサバー３１１を形成するようにパターン化された、第１シリカ層３１０を示す。このようなパターン化は、スペーサバー３１１間の層３１０の材料が除去される箇所に、提供された複数の開口部でシリカ層３１０に対してフォトリソグラフィのエッチングマスク（図示せず）を使用して達成できる。続いて異方性エッチングプロセスを使用し、（例えば、表面に垂直な反応イオンエッチング処理）、略方形断面を有したバー３１１を得る。このエッチングステップは、好適には基板３００にまで層３１０を完全に通過してエッチングするように実行される。次にエッチングマスクは剥ぎ取られ、図３bの構造が得られる。本実施例では、隣接スペーサバー３１１間の間隔は４.２μmで、スペーサバーの幅は３.０μmでよい。
【００２１】
図３ｃのポリシリコン３２０は、化学蒸着によってシリカスペーサバー３１１間の領域に充填させることができる。繰り返すが、このポリシリコンの厚みは、第１構造層３４０の望む最終厚よりも厚くすることができる。ポリシリコンの蒸着は、一般的に凹凸を形成し非平面３２１とする。そのような粗い非平面は、成長面での光拡散や制御不能な反射によって、劣等な品質のフォトニック結晶を提供する。よって成長面の化学機械研磨（ＣＭＰ）が実行され、続く構造層の成層処理に先立って、成長面の平坦化処理が実行される。本発明で使用される一般的なＣＭＰは、フレミング他の米国特許５９９８２９８で開示されている。
【００２２】
図３ｄで示すように、シリカスペーサバー３１１とポリシリコンロッド３４１の平坦パターンを含んだ、第１構造層３４０が成型される。このポリシリコンロッド３４１は長形で、略方形断面であり、１.２μm幅と１.６μm厚でよい。
【００２３】
図３eで示すように、同一の基本的成長と処理ステップを反復することで、複数の構造層３４０を基板３００の上面に成長させることができ、ポリシリコンで、望ましいフォトニック結晶のための格子構造３５０を成型できる。リンカン-ログタイプ構造を成型するにはポリシリコンロッド３４１の方向性はそれぞれの構造層３４０間で９０°回転され、２層ごとにロッド３４１は間隔ｄの半分ずつ交互にずらされる。よって、構造３５０は面心格子四辺形対称格子構造を有する。
【００２４】
図３ｆで示すように、ポリシリコンロッド３４１は取り除かれ、格子構造モールド３６０を形成する。ポリシリコンロッド３４１は、６Ｍ、８５℃  ＫＯＨエッチング処理で取り除くことができる。これは１００：１（Ｓｉ：ＳｉＯ2）までの選択性を有する。ＫＯＨプロセス中のオーバーエッチング処理は、全ポリシリコン３４１の除去を確実にするために望ましく、シリコン基板３００と接触する層底部３４０に、“Ｖ”形状部３６１を提供する。これは下側のシリコン基板３００のエッチングによるものであり、基板の結晶方向性に依存する。ＫＯＨエッチングは、エッチング前方部がシリコン基板３００の緩やかなエッチング（１１１）平面と遭遇すると停止し、“Ｖ”溝３６１を提供する。
【００２５】
図３gで示すように、格子構造モールド３６０は構造材料で埋め戻しできる。犠牲材料（シリカ等）が、埋め戻しされた構造材料から後に選択的に除去できる限り、化学蒸着（ＣＶＤ）、メッキ処理、スピンオングラス、あるいはナノ粒子での浸透処理のごとき多様な成層技術をモールド３６０の埋め戻しに使用できる。例えば、ＩＩＩ-Ｖ化合物半導体、ＩＩ-ＶＩ材料、単独及び混合酸化物、窒化物、酸化窒化物、金属及び金属合金がＣＶＤ処理で成層あるいは成膜できる。前処理導電コーティング処理を、格子構造モールド３６０に適用でき、多彩な金属を溶液から電気メッキによって、モールド３６０の埋め戻しに利用できる。典型的な電気メッキ金属は、銅、ニッケル、金、鉄、銀、コバルト、クロム等である。
【００２６】
格子構造モールド３６０は、ＣＶＤを介してタングステンで埋め戻しでき、シリカモールド材料３１１に埋め込まれたタングステンロッド３７０を成型する。プリカーサ（下地）である５０nm厚のＴiＮ接着層（図示せず）を、反応性イオンスパッタリングでモールド３６０に成層できる。なぜならＣＶＤタングステンフィルムの被覆は、二酸化ケイ素に接着しないからである。タングステンは、ＷＦ6とＨ2により、高圧（例えば９０トール）で成層できる。タングステンの化学蒸着で、非常に高純度の膜が提供される。タングステン膜は、１０μオーム−ｃｍの抵抗を有することができる。ＣＶＤタングステン３７０によるモールド３６０の埋め戻しで、モールド３６０の上面に、粗くて非均質なタングステン成長面３７１が得られる。
【００２７】
図３ｈで示すように埋め戻しモールド３６０の上面は、余分なタングステンを除去するＣＭＰ処理で平坦化できる。タングステンの、埋め戻し平坦化モールド３６０のスキャン電子顕微鏡図は、図４ａで図示されている。図４ａで示すように、キーホール３８２はタングステンロッド３７０のさらに深く埋め込まれた線の中央に形成できる。なぜならＣＶＤタングステン成層プロセスのカバー範囲は１００％ではないからである。しかし膜厚は可視及び赤外線の電磁放射においてタングステンの厚みよりもずっと厚い。
【００２８】
図３ｉで示すように、シリカスペーサバー３１１は、１：１のＨＦベース溶液でタングステンの、埋め戻し平坦化格子構造モールド３６０から、選択式エッチング処理で除去することができる。その結果、タングステンロッド３７０を、シリコン基板３００上に並べた、３次元構造のタングステンフォトニック結晶３８０が得られる。図４ｂは、シリコン基板３００上に並べられた、タングステンロッド３７０を含んだ４層のタングステンフォトニック結晶３８０の、スキャン電子顕微鏡図である。タングステンフォトニック結晶３８０は、４層ごとに反復する並べ立て順序を有し、面心格子四辺形対称格子を有する。タングステンロッド３７０の幅は１.２μmであり、ロッド間隔は４.２μmであり、高インデックスタングステンの充填率は２８％である。タングステンフォトニック結晶３８０は、容易に処理できる程度の充分な構造堅牢性を維持する。
【００２９】
この製造プロセスは、可視または赤外線波長で選択的放射性を有する、ほとんど全ての相互連結型フォトニック結晶の製造にも適用できる。例えば、最新のシリコン集積回路処理工具は、フォトニック結晶の最小サイズを、近赤外線のフォトニックバンドギャップを有し、可視範囲で選択的放射性を有した構造に必要とされるサイズにすることができる。「国際半導体技術ロードマップ」（１９９９年版）参照。
【００３０】
（タングステンフォトニック結晶の光学特性）
前述の方法に従って製造された３次元構造のタングステンフォトニック結晶３８０の光学特性は、１.５から２５μｍの波長範囲に対するフーリエ変換赤外線測定システムを使用して、特徴付けられる。反射率（Ｒ）を得るためのサンプルスペクトルが、３次元構造のタングステンフォトニック結晶３８０から採取され、均質銀鏡の基準スペクトルに合わせて、標準化された。絶対透過率（Ｔ）を決定するため、タングステンフォトニック結晶３８０から得られた透過率スペクトルが、裸のシリコンウェハーのものに合わせて標準化された。この標準化手順は、空気とシリコンとのインターフェースでの光反射や、シリコン基板３００の光吸収等の非本質的な影響を排除するためであった。
【００３１】
図５は、４層タングステンフォトニック結晶３８０の、絶対反射率スペクトル５１０と透過率スペクトル５２０を示す。破線５３０は基準となる６０００オングストローム（６００ｎｍ）の均質タングステン膜の透過率を示す。光はタングステンフォトニック結晶３８０の＜００１＞方向に沿って拡散し、非極性化される。反射率５１０は、λ＜５.５μｍで振動し、λ６μm（バンドエッジ）程度で急上昇し、最終的にλ＞８μmで高反射率９０％に達する。一方、透過率５２０は特異ピークをλ＜５.５μmで示し、λ６μm（バンドエッジ）程度で急下降し、λ＞８μmで１％以下に減少する。８μm以上の波長の同時的な高反射率（Ｒ）と低絶対透過率（Ｔ）は、タングステンフォトニック結晶内でのフォトニックバンドギャップの存在を示す。減衰は、４層タングステンフォトニック結晶３８０に対して、λ＝１０μｍでの３０ｄＢ程度、あるいは層ごとの７.５ｄＢの減衰である。λ＜５.５μmでの複数の振動はフォトニック結晶の許容バンド内のフォトニックのデンシティオブステート(density-of-states)振動による。
【００３２】
図６で示すように、傾斜角反射率スペクトルは、フォトニックバンドギャップの角依存率を決定するように採取される。傾斜角伝達測定のため、タングステンフォトニック結晶３８０は、回転ステージ上に搭載され、回転角は０°から６０°の入射角でスパンされ、表面垂直方向（＜００１＞方向）から測定された。結晶配向性は＜００１＞から＜１１０＞軸に傾斜されている。光入射角は第１のブリュアンゾーン(Brillouin zone)のＧ-Ｌ側にＧ-Ｘ’から対称的に傾斜する。４つの傾斜角スペクトルはそれぞれ１０、３０、４０、５０°の光入射角に対して、図６で図示されている。光入射角が増加すると、バンドギャップの境界位置は、ｑ＝１０°のλ６μm近辺からｑ＝５０°のλ８μm近辺に移動する。λ＜６μmでの振動特性と、さらに長い波長での高反射率の両方は、前高光入射角に対してその状態に残る。よって、大きな完全３次元構造のフォトニックバンドギャップはタングステンフォトニック結晶３８０に対してλ８μm近辺からλ＞２０μm領域で存在する。
【００３３】
図７は、ログごとのスケールでプロットされた異なる数層、Ｎ＝２、４、６である、タングステンフォトニック結晶の理論的透過率スペクトルを示す。破線は、均質な６０００オングストローム（６００ｎｍ）のタングステン膜の基準スペクトルである。理論的透過率スペクトルは、シガラス他の物理レビュー誌（Ｂ５２、１１７４４、１９９５年）の方法に従って、計算された。透過率は、バンドギャップ（Ｎ＝６層のＴ＜１０-8）で非常に低い。これは、小金属膜深度（１μm＜λ＜２５μmの３００から５００オングストローム）に対応し、波長とはほぼ無関係である。一方、結晶スペクトルは許容バンド内でずっと高い透過率（Ｔが１０-1程度）を示し、金属許容バンドのフォトニック伝達は金属減衰では支配されない。さらに、透過率の層数に対する強力な依存性が、バンドギャップ（λ＞８μm）で観察される。この層数依存は、金属膜深度ではなく、成型構造の層厚でλ＞８μmスケールにてその透過率減衰を示す。よって、観察された低透過率は、主としてフォトニックバンドギャップ現象によるものである。バンドギャップの減衰定数は非常に大きく、λ＝１０、２０、４０μmで、それぞれ約８、１４、１６ｄＢ／層である。これは、４から６結晶層程度が、強力な電磁波減衰の達成に充分であることを暗示する。
【００３４】
このような非常に大きなバンドギャップは、赤外線及び再サイクル放射エネルギーのブロードバンド黒体放射を、可視スペクトルに押入れるのに理想的である。図８はタングステンフォトニック結晶３８０のスペクトル放射率を示す。結晶３８０は、スペクトルの遠赤外線（８μm＜λ＜２５μm）部分で、大きな範囲のフォトニックバンドギャップ（ほぼ０放射率領域）を有する。遠赤外線領域における放射率の非常に大きなフォトニックバンドギャップと、大きな減少は、フォトニック結晶での金属の使用による。光子再サイクルプロセスにおいては、フォトニックバンドギャップは、赤外線熱放射を妨害し、放射を近赤外線と可視放射内に選択的に強制する。よってエネルギーは熱の発生で無駄にされず、有用な放射バンド内に再供給される。フォトニック結晶の格子定数と耐熱材料は、製造プロセスで決定できる。よってフォトニック結晶が１５００℃以上に加熱されると放射バンドは可視領域内に絞られ、高発光効率白熱灯が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】最適化された白熱源の予想発光効率を示すグラフであり、放射率はカットオフ波長以上では１であり、以下では０である。
【図２】立体リンカン-ログタイプ(Lincoln-Log type)のフォトニック結晶構造（３次元構造の）の概略図である。
【図３】４層リンカン-ログタイプのタングステンフォトニック結晶の製造方法を図示する。
【図４】（001）方向シリコン基板上に構築された４層タングステンフォトニック結晶の断面スキャン電子顕微鏡図である。図４aはシリカ犠牲モールドの除去前タングステンフォトニック結晶を示す。図４ｂはシリカ犠牲モールドの除去後タングステンフォトニック結晶を示す。この結晶の形成に使用された１Ｄタングステンロッドは１.２μmの幅と４.２μmのロッド間隔を有している。
【図５】４層タングステンフォトニック結晶の＜001＞軸に沿って拡散する光線の測定反射(reflectance)スペクトルと透過(transmittance)スペクトルを示す。
【図６】４層タングステンフォトニック結晶からの傾斜角反射スペクトルを示す。
【図７】タングステンフォトニック結晶（Ｎ＝２層、４層、６層）の計算透過スペクトルを示す。
【図８】格子定数４.２μmである４層タングステンフォトニック結晶のスペクトル発光率を示す。