(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に周期的な両端開口の孔を有してなる二次元フォトニック結晶において、上記孔の片端が前記基板の材料により封鎖され、そのうちの一部が開口していて、両端が開口した孔に対して選択的に充填材料が導入されていることを特徴とするフォトニック結晶光学素子。
【請求項２】
第１の材料からなる基板に対し、第２の材料を用いて部分的に厚みの異なるエッチングマスクを作製する工程と、基板裏面に第２の材料又は第３の材料によって薄膜を形成する工程と、
エッチングによって、基板に孔を形成し、さらに、裏面薄膜の一部を貫通させる工程と、
基板裏面より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とするフォトニック結晶光学素子作製方法。
【請求項３】
バリア層により片端が封鎖された周期的封鎖孔を有し、当該バリア層がアルミナナノホールアレイと同一材料からなるアルミナナノホールアレイを用い、
前記バリア層の一部をイオンビーム等により除去し貫通孔を形成する工程と、
前記バリア層側より充填材料を前記貫通孔に充填する工程と
を有することを特徴とするフォトニック結晶光学素子作製方法。
【請求項４】
周期的貫通孔を有する基板の表面に対し、孔径よりわずかに大きい直径を有する球体を散布し、その後洗浄して余分な前記球体を取り除くことにより、全ての貫通孔の一端が前記球体により封鎖された封鎖面を作製する工程と、
エッチングにより前記球体のうちの一部の球体を除去し、前記封鎖面の一部を再び貫通させる工程と、
前記封鎖面側より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とするフォトニック結晶光学素子作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光エレクトロニクスの分野において、フォトニック結晶中に異種材料を導入することを可能としてなるフォトニック結晶光学素子及びフォトニック結晶光学素子作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光エレクトロニクスの分野において、光学素子の小型化及び集積化のために、フォトニック結晶の利用が検討されている。特に、微小光能動素子を実現するためには、フォトニック結晶中に異種材料を任意に導入できることが必要となる。現在検討されているフォトニック結晶として、二次元フォトニック結晶と三次元フォトニック結晶がある。
【０００３】
上記二次元フォトニック結晶は平面光回路への応用が期待されている。二次元フォトニック結晶は、細孔の周期的配列を基本構造とするが、フォトニック結晶光学素子を作製しようとすると、細孔の一部を選択的に充填して屈折率を変化させたり、機能性を持たせたりすることが必要となる。
【０００４】
従来の二次元フォトニック結晶光学素子の作製法を図１０を参照して説明する。
図１０は二次元フォトニック結晶光学素子の作製法の概略図である。
図１０に示すように、基板０１に電子ビーム露光などによりパタンニングを行い、該基板０１上に金属マスク０２を形成する。次いで、エッチングにより垂直貫通孔０３を形成することにより、フォトニック結晶が作製される。
【０００５】
ここで、上記パタンニングの際、基板０１の一部に細孔を形成しない場所を残すことにより光導波部０４を形成し、フォトニック結晶光デバイスの特徴である急峻な曲がり導波路０４を作製することができる。また、基板０１に半導体材料や非線形材料、発光材料などを用いることにより、光導波部に機能性を持たせたり、フォトニック結晶中に発光中心を作製することができる。
【０００６】
これらの組み合わせにより、二次元フォトニック結晶光学素子を用いた集積光回路の実現が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、二次元フォトニック結晶光学素子を用いた集積光回路を実現するためには、フォトニック結晶中に様々な機能を持たせることが必要となる。そのために、フォトニック結晶中に異なった性質をもつ材料を任意に導入できることが要求される。
【０００８】
しかしながら、図１０で示した従来技術にかかる作製法によっては、フォトニック結晶を構成する材料以外の材料を任意に導入することができない。これは、フォトニック結晶に形成された垂直孔０３に結晶構成材料以外の材料を導入するなどの微細加工を施すことは、サイズ的に困難であるという問題による。
そこで、簡易な方法によりフォトニック結晶中に異種材料を導入することが切望されている。
【０００９】
本発明は以上述べた問題に鑑み、フォトニック結晶を構成する材料以外の材料を任意に導入することを可能とするフォトニック結晶光学素子とその作製方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶素子の作成方法は、以下に示す手段により上記課題を達成する。発明者らは、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、孔の片端が封鎖され、そのうちの一部が開口している場合において、封鎖面より充填材料を塗布、又は、蒸着することにより、両端が開口した孔に対して選択的に充填材料が導入されることを見出した。
【００１１】
かかる知見に基づく、第１のフォトニック結晶光学素子の発明は、基板に周期的な両端開口の孔を有してなる二次元フォトニック結晶において、上記孔の片端が前記基板の材料により封鎖され、そのうちの一部が開口していて、両端が開口した孔に対して選択的に充填材料が導入されていることを特徴とする。従って、本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【００１２】
また、発明者らは、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、基板裏面に薄膜を形成しておくことにより、エッチングマスクの厚みの違いに対応して、貫通孔と封鎖孔を作製できることを見出した。さらに、封鎖面に充填材料を塗布又は蒸着することにより、貫通孔に対して選択的に充填材料を導入可能であることを見出した。
かかる知見に基づく、第１のフォトニック結晶光学素子作製方法は、第１の材料からなる基板に対し、第２の材料を用いて部分的に厚みの異なるエッチングマスクを作製する工程と、基板裏面に第２の材料又は第３の材料によって薄膜を形成する工程と、エッチングによって、基板に孔を形成し、さらに、裏面薄膜の一部を貫通させる工程と、基板裏面より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とする。
本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【００１３】
また、発明者らは、アルミナナノホールを用いた二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、アルミナナノホールアレイの孔の片端を封鎖しているバリア層を、イオンビーム照射により除去し、封鎖孔の一部を選択的に貫通孔とすることができることを見出した。さらに、封鎖面に充填材料を塗布又は蒸着することにより、貫通孔に対して選択的に充填材料を導入可能であることを見出した。
【００１４】
かかる知見に基づく、第２のフォトニック結晶光学素子作製方法は、バリア層により片端が封鎖された周期的封鎖孔を有し、当該バリア層がアルミナナノホールアレイと同一材料からなるアルミナナノホールアレイを用い、前記バリア層の一部をイオンビーム等により除去し貫通孔を形成する工程と、前記バリア層側より充填材料を前記貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とする。本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【００１５】
さらに、発明者らは、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、貫通孔を有する基板表面に孔径と略一致する球体を散布した後、余分な球体を洗い流すことにより、全ての貫通孔の片端を封鎖し、封鎖孔とすることができることを見出した。また、イオンビーム照射やエッチングにより球体の一部を除去することにより、封鎖孔の一部を貫通孔とすることができることを見出した。また、封鎖面に充填材料を塗布又は蒸着することにより、貫通孔に対して選択的に充填材料を導入可能であることを見出した。
【００１６】
かかる知見に基づく、第３のフォトニック結晶光学素子作製方法は、周期的貫通孔を有する基板の表面に対し、孔径よりわずかに大きい直径を有する球体を散布し、その後洗浄して余分な前記球体を取り除くことにより、全ての貫通孔の一端が前記球体により封鎖された封鎖面を作製する工程と、エッチングにより前記球体のうちの一部の球体を除去し、前記封鎖面の一部を再び貫通させる工程と、前記封鎖面側より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とする。本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【００１７】
上記発明において、第１の材料としては、例えばアルミナ、シリコン、酸化シリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を用いるようにすることが好ましい。
上記発明において、充填材料としては、例えばＳｉＯ2 ゲル、ＴｉＯ2 ゲル、ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン、アルミナゲル、水酸化アルミニウムや、有機エレクトロルミネッセンス材料であるAlq3，ＤＣＭ色素等の機能性充填材料を用いるようにすることが望ましい。
上記発明において、第２及び第３の材料としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｃ6Ｏ，ＺＥＰ，ＰＭＭＡ，ＳｉＯ2 等をを用いるようにすることが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１９】
「第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態にかかる光学素子を示す模式工程図である。
本実施の形態にかかる光学素子は、図１（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、第１の材料からなる基板１１に周期的な両端開口の垂直貫通孔１２を有してなる二次元フォトニック結晶において、上記垂直貫通孔１２の一部に任意の機能性の充填材料１３が導入されているものである。
【００２０】
図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、本実施の形態では、基板１１に貫通垂直孔１２及び封鎖垂直孔１４が形成されており（図１（Ａ）参照）、次いで基板１１の裏面側に充填材料１５を塗布することにより（図１（Ｂ）参照）、貫通垂直孔１２にのみ充填材料１３を充填して（図１（Ｃ）及び（Ｄ）参照）、任意の機能性材料の光学素子を得るようにしたものである。
【００２１】
すなわち、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、複数の孔の内の所定孔のみを貫通垂直孔１２とすると共に残りを下端を封鎖して上端を開口してなる垂直封鎖貫通孔１４を形成し、基板１１の裏面側より充填材料１５を塗布、又は、蒸着するようにしたものである。この結果、両端が開口した貫通垂直孔１２に対して基板１１の裏面側から選択的に充填材料１３が導入されることになる。
従って、上記の方法で、選択的に充填材料１３を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を充填して導入することができ、該機能性材料の特性が発揮された機能性光学素子を得ることができる。
【００２２】
また、図２に示すように、基板１１の裏面側に残った充填材料１３をエッチング、酸処理等の方法により積極的に剥離し、上記充填材料１３を貫通垂直孔１２の内部のみに充填した光学素子とすることで、より機能性材料の充填効果を発揮させるようにしてもよい。
【００２３】
なお、本実施の形態では孔を垂直孔として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定角度の斜めの孔であってもよい。
【００２４】
［第２の実施の形態］
図３は本発明による第２の光学素子作製方法実施の形態を示す模式図である。
▲１▼  先ず、図３に示すように、例えば電子ビーム露光などにより、第１の材料である基板２１上に、第２の材料であり、厚みの異なる２種類の第１及び第２のエッチングマスク２２Ａ，２２Ｂを形成する（図３（Ａ）参照）。上記第１のエッチングマスク２２Ａは基板２１の厚み方向に薄いマスクであり、一方の第２のエッチングマスク２２Ｂは基板２１の厚み方向に厚いマスクである。
この厚さの違うマスクを用いるのは、後述するように、エッチング速度の相違により、任意の箇所のみに貫通孔を形成するためである。
さらに、基板２１の裏面に上記エッチングマスクの材料と同材料で裏面側の薄膜２３を形成する（図３（Ａ））。
なお、薄膜２３は第２の材料と異なる第３の材料から形成されるようにしてもよい。
▲２▼  ドライエッチングなどによって、基板２１に垂直孔２４を形成する（図３（Ｂ））。
▲３▼  さらにエッチングを進めると、厚みの薄いエッチングマスク２２Ａが除去されると同時に、垂直孔２４においては裏面側の薄膜２４がエッチングされ、貫通垂直孔２５が形成される（図３（Ｃ））。
▲４▼  さらに、エッチングを進め、厚みの薄いエッチングマスク２２Ａが形成されていた基板部分を裏面薄膜の直前までエッチングし、封鎖垂直孔２６を形成する（図３（Ｄ））。
▲５▼  その後、充填材料２７を基板２１の裏面側に塗布する（図３（Ｅ））。
▲６▼  最後に、貫通垂直孔２７にのみ充填材料２７を充填する（図３（Ｆ））。この充填は毛管現象により充填材料２７が貫通垂直孔２７の端面から充填されることにより行なわれる。
【００２５】
なお、充填材料２７を蒸着によって貫通垂直孔２７に充填する場合には、図３（Ｅ）と図３（Ｆ）との工程が同時に行なわれることになる。
【００２６】
［第３の実施の形態］
図４は本発明による第３の光学素子作製方法実施の形態を示す模式図である。
▲１▼  先ず、図４において、片端が封鎖された封鎖垂直孔３１を有するアルミナナノホールアレイ３２のバリア層３３に対し、蒸着により金属膜３４を形成する（図４（Ａ），（Ｂ））。
▲２▼  イオンビーム照射により所定箇所のバリア層３３の一部をアレイ３２の裏面側から除去し、貫通垂直孔３５を作製する（図４（Ｃ））。
▲３▼  次いで、バリア層３３側より充填材料３６を塗布する（図４（Ｄ）。この充填材料３６の塗布することにより、貫通垂直孔３５にのみ充填材料３６が充填され、光学素子を得る（図４（Ｅ））。
【００２７】
上記金属膜３４を酸等により剥離することで、充填材料３６と金属膜３４とを同時に取り去ることができ、充填材料３６が付着した状態の光学素子の場合に比べて光学素子の機能性効率が向上する。
【００２８】
［第４の実施の形態］
図５は本発明による第２の光学素子作製方法実施の形態を示す模式図である。
▲１▼  先ず、図５において、周期的な貫通垂直孔４１を有する基板４２の表面に孔４１と孔径が略一致する球体４３を散布し、貫通垂直孔４１の一端を封鎖し、封鎖垂直孔４４を作製する（図５（Ａ），（Ｂ））。
▲２▼  次いで、蒸着により、エッチングマスク４５を形成した後、イオンビーム照射により金属膜の一部を除去する（図５（Ｃ），（Ｄ））。
▲３▼  次いで、ドライエッチングにより金属膜４５が除去された球体４６をエッチングし、貫通垂直孔４７を作製する（図５（Ｅ））。
▲４▼  次いで、封鎖面側より充填材料４８を塗布する（図５（Ｆ））。これにより貫通垂直孔４７にのみ充填材料を充填し、光学素子を得る（図５（Ｇ））。
【００２９】
ここで、本発明で基板の材質としては、例えばアルミナ、シリコン、酸化シリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を挙げることができるが、光学素子用の公知の基板材料であれば、これに限定されるものではない。
【００３０】
本発明で充填材料としては、例えばＳｉＯ2 ゲル、ＴｉＯ2 ゲル、ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン、アルミナゲル、水酸化アルミニウム等を挙げることができるが、光学素子等に用いる公知の機能性充填材料であれば、これに限定されるものではない。
【００３１】
本発明でエッチングマスクの材質としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｃ6Ｏ，ＺＥＰ，ＰＭＭＡ，ＳｉＯ2 等を挙げることができるが、公知のマスク材質であれば、これに限定されるものではない。
【００３２】
本発明によれば、二次元フォトニック結晶の任意の孔を充填することが可能となり、二次元フォトニック結晶を用いた光機能素子を作製する方法として特に有効である。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３４】
（実施例１）
実施例１は図１に示す実施形態にかかる方法の具体的な実施例である。
フォトニック結晶基板として、ＡｌＧａＡｓ基板１１に電子ビーム露光及びエッチングにより周期0.25μｍの周期的封鎖垂直孔１４を作製した。
位置合わせを行い再度電子ビーム露光とエッチングを繰り返すことで、封鎖垂直孔の一部を貫通垂直孔１２とした。該封鎖面よりポリチオフェン溶液をスピンコートにより塗布し、固化させて光学素子１００Ａを作製した。
なお、本実施例では孔径は、上記周期（0.25μｍ）の25〜85％の範囲とした。
【００３５】
図６に示されるようなパタンを有した光学素子１００Ａのポリチオフェン充填材料１３を充填した充填部に波長６００ｎｍの励起光を照射し、上面に出射される７５０ｎｍの蛍光を観察したところ、フォトニックバンドギャップによる閉じ込め効果により、バルクのポリチオフェン薄膜からの発光に比べ１００倍の蛍光収率を得た。
【００３６】
（実施例２）
次に本発明による別な実施例を示すが、実施例２は図３に示す実施形態にかかる方法の具体的な実施例である。
基板２１としてＳｉ基板を用いた。また、エッチングマスク材料及び裏面薄  膜材料として、ＳｉＯ2 を用いた。電子ビームリソグラフィを繰り返し、厚みの異なるＳｉＯ2 エッチングマスクパタンを作製した。Ｃ2Ｆ6を用いたドライエッチングにより、周期0.２５μｍの周期的貫通垂直孔２５及び封鎖垂直孔２６を作製した。基板を裏返し、ＰＭＭＡ溶液をスピンコートにより塗布し固化させた。フッ酸中で裏面のＳｉＯ2 膜とともに余分なＰＭＭＡを除去した。
図７に示されるような充填材料２７で充填してなるＰＭＭＡ充填部を有する光学素子１００Ｂを作製した。上記ＰＭＭＡ充填部１１４に光入射を行ったところ、良好な導波路となることを確認した。
【００３７】
（実施例３）
次に本発明による別な実施例を示すが、実施例３は図４に示す実施形態にかかる方法の具体的な実施例である。
バリア層を有した３００ｎｍ周期のアルミナナノホールアレイ３２のバリア層側にＮｉ２５０ｎｍを蒸着した。イオンビーム照射により、バリア層を観察しながら1.５μｍ周期でバリア層を除去した。バリア層側から充填材３６であるポリチオフェン溶液をスピンコートにより塗布し固化させた。塩酸中で裏面のＮｉ膜とともに余分なポリチオフェンを除去した。
図８に示されるような充填材料３６で充填してなるポリチオフェン充填部を有する光学素子１００Ｃを作製した。上記ポリチオフェン充填部に波長６００ｎｍの励起光を照射し、上面に出射される７５０ｎｍの蛍光を観察したところ、フォトニックバンドギャップによる閉じ込め効果により、バルクのポリチオフェン薄膜からの発光に比べおよそ１００倍の蛍光収率を得た。
【００３８】
（実施例４）
次に本発明による別な実施例を示すが、実施例４は図５に示す方法の具体的な実施例である。
孔径８０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍの垂直孔を有するＳｉ基板４２を用いた。基板上に直径３１０ｎｍのポリスチレン球４３を散布し、洗浄して余分なポリスチレン球を取り除いた後、封鎖面からＮｉ膜を蒸着した。イオンビームにより一部のＮｉ膜を除去した後、Ｏ2 ＲＩＥによるエッチングで当該個所のポリスチレン球をエッチングし、貫通垂直孔４８を作製した。封鎖面側からポリチオフェン溶液をスピンコートにより塗布し固化させた。
図９に示されるようなパタンの充填材料４８で充填してなるポリチオフェン充填部を有する光学素子１００Ｄを作製した。上記ポリチオフェン充填部に波長６００ｎｍの励起光を照射し、上面に出射される８００ｎｍの蛍光を観察したところ、フォトニックバンドギャップによる閉じ込め効果により、バルクのポリチオフェン薄膜からの発光に比べ１００倍の蛍光収率を得た。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二次元フォトニック結晶中の孔を選択的に充填することにより、二次元フォトニック結晶中に機能性材料を任意に導入してなる光学素子を得ることが可能となり、フォトニック結晶を用いた機能性光学素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフォトニック結晶光学素子の実施の形態を示す模式図である。
【図２】本発明によるフォトニック結晶光学素子の実施の形態を示す模式図である。
【図３】本発明によるフォトニック結晶光学素子作製方法の実施の形態を示す模式的工程図である。
【図４】本発明によるフォトニック結晶光学素子作製方法の別の実施の形態を示す模式的工程図である。
【図５】本発明によるフォトニック結晶光学素子作製方法の別の実施の形態を示す模式的工程図である。。
【図６】本発明の第１の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図１０】従来方法によるフォトニック結晶光学素子作製方法を示す模式的工程図である
【符号の説明】
１１  基板
１２  垂直貫通孔
１３  充填材料
１４  封鎖垂直孔
２１  基板
２２Ａ  第１のエッチングマスク
２２Ｂ  第２のエッチングマスク
２３  薄膜
２４  垂直孔
２５  貫通垂直孔
２６  封鎖垂直孔
２７  充填材料
３１  封鎖垂直孔
３２  アルミナナノホールアレイ
３３  バリア層
３４  金属膜
３５  貫通垂直孔
３６  充填材料
４１  貫通垂直孔
４２  基板
４３  球体
４４  封鎖垂直孔
４５  エッチングマスク
４６  金属膜が除去された球体
４７  貫通垂直孔
４８  充填材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003781407.tif 000009
【図９】
0003781407.tif 000010
【図１０】
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