JP2003270417A - 屈折率周期構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所望の波長の電磁波を制御することができる
有用且つ新規な屈折率周期構造体およびその製造方法を
提供する。 【解決手段】 ドナー基板４００上の離型層４０１に所
定のパターンを有する複数の薄膜パーツ４ａ〜４ｄを形
成し、各薄膜パーツ４ａ〜４ｄ上に接着性有機材料６０
０を供給する。次に、アクセプター基板５００を用いて
接着性有機材料６００が供給された各薄膜パーツ４ａ〜
４ｄを順次ドナー基板４００上の離型層４０１から剥離
してアクセプター基板５００上に積層転写して、屈折率
周期構造体を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトニクス分
野、電磁波分野、マイクロマシン分野、マイクロリアク
ター分野、等に有用な屈折率周期構造体およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】屈折率の周期的な分布を有する屈折率周
期構造体は、電磁波に対する回折／干渉作用を示し、特
定周波数領域の電磁波の伝播を禁止する。この現象は、
半導体結晶中の電子に対するバンド構造に相応するもの
であり、一般的に、このような屈折率周期構造体をフォ
トニック結晶、伝播を禁止される周波数帯域をフォトニ
ックバンドギャップと称する。２０世紀末に開花したＩ
Ｔ産業は、電子を制御する半導体材料に基づくエレクト
ロニクス技術によって支えられてきたが、本質的な技術
的限界に近づきつつあり、２１世紀のさらなる発展のた
めには、エレクトロニクス技術の限界を打破し得るフォ
トニクス技術への移行が不可欠であるものと考えられて
いる。フォトニック結晶は、電磁波を制御することがで
きることから、エレクトロニクス技術における半導体材
料と同様に、フォトニクス技術のＫｅｙ材料と位置付け
られ、超高効率レーザー、超小型光集積回路等の次世代
光デバイスを具現化するための重要な要素として期待さ
れている。

【０００３】フォトニック結晶が有効に機能するために
は、制御したい電磁波の波長と同程度の空間スケールの
周期構造を有し、且つ高屈折率相と低屈折率相との屈折
率の比が所定の値以上である必要がある。要求される最
低の屈折率比は、周期構造の形態に応じ異なるが、一般
的に大きい程、好ましい。フォトニクス分野において
は、対象とする波長域は一般的に可視光域から近赤外域
であることから、サブミクロンからミクロンオーダーの
周期を有するフォトニック結晶を作製しなければならな
い。これを具現化し得る方法としては、例えばＬｉｎら
によって、半導体微細加工技術を駆使し、Ｓｉ製の角材
を数ミクロン周期で積み重ねたＷｏｏｄｐｉｌｅ（積み
木）状のフォトニック結晶を作製した例が開示されてい
る｛Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３９４，ｐｐ．２５１−２
５３（１９９８）｝。また、Ｎｏｄａらによって、Ｇａ
ＡｓやＩｎＰ製の角材を数ミクロン周期で積み重ねたＷ
ｏｏｄｐｉｌｅ状のフォトニック結晶を作製する方法と
して、ウエハ融着法が開示されている｛Ａｐｐ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７５，ｐｐ．９０５−９０７
（１９９９）｝。また、Ｋａｗａｋａｍｉらは、独自の
バイアススパッタ堆積／エッチング法にて、ＳｉとＳｉ
Ｏ_２からなるサブミクロンオーダーの特殊な３次元周期
構造を有するフォトニック結晶の作製に成功しており
｛Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３３，ｐ
ｐ．１２６０−１２６１（１９９７）｝、この方法を自
己クローニング法と称している。また、Ｖｏｓらは、ポ
リスチレン製単分散微粒子の自己組織化によるオパール
構造の空隙にチタニアをゾル−ゲル法にて堆積させ、チ
タニアの焼成と同時に、鋳型のポリスチレン微粒子を焼
失除去させることによって、サブミクロンオーダーのイ
ンバースオパール型フォトニック結晶を作製した｛Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２８１，ｐｐ．８０２−８０４
（１９９８）｝。また、Ｍｉｓａｗａらは、２光子重合
法にて、光硬化製樹脂からなるサブミクロンオーダーの
Ｗｏｏｄｐｉｌｅ状フォトニック結晶を作製した｛Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７４，ｐｐ．７
８６−７８８（１９９９）｝。

【０００４】しかしながら、Ｌｉｎらの方法は、複雑な
半導体微細加工技術を組み合わせた多くの工程から成る
ことから、大掛かりな装置が必要、生産性が低い、コス
トが高い、等の問題があり、また、適用できる材料種も
少なく、汎用的な方法とは言えない。Ｎｏｄａらの方法
は、適用材料種が豊富であり、構造の自由度も高く非常
に優れた方法であるが、ウエハ融着を行うに、水素雰囲
気下にて７００℃の加熱と云う非常に過酷な条件を用い
ており、操作上の安全性等に問題がある。Ｋａｗａｋａ
ｍｉらの方法は、適用材料種が豊富であり、生産性も高
く、非常に優れた方法であるが、特殊な構造しか作り得
ず、汎用性に欠けると云う重大な問題がある。オパール
型およびインバースオパール型のフォトニック結晶は、
作製が非常に簡単であるため、実験室レベルの研究活動
においては広く使用されているが、構造の自由度が小さ
く、デバイス化するに当たっては作製方法上の何らかの
ブレークスルーが不可欠である。また、理論計算から、
オパール型およびインバースオパール型のフォトニック
結晶では、完全なフォトニックバンドギャップを形成す
るに必要とされる屈折率条件が、Ｗｏｏｄｐｉｌｅ状フ
ォトニック結晶において必要とされるものよりも格段に
厳しいと予想されており、材料選択性の点でも不利であ
る。また、インバースオパール型フォトニック結晶にお
いては、オパール鋳型の空隙に高屈折率材料を充填する
必要があるが、微細な３次元空隙に均一に充填すること
は困難、充填に伴い鋳型が変形する、等の問題がある。
光硬化性樹脂を用いフォトニック結晶を作製する方法と
しては、上記の２光子重合法を用いる方法に加え、通常
の光造形法による方法も提案されている。光硬化性樹脂
を用いる方法では、樹脂の屈折率が高々１．７程度まで
と低いため、大きな屈折率比が取れないと云う問題があ
る。また、２光子重合法を用いる方法では、非常に高価
なフェムト秒レーザーを使用しなければならず、量産化
に不適と云う問題もある。一方、光造形法は、ラピッド
プロトタイピング法として家電製品等の製造工程におい
て実用化されている方法であるが、現状の装置では解像
度が低く、光波域のフォトニック結晶の作製は不可能で
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、所望の
屈折率および周期構造を有するフォトニック結晶の汎用
的、且つ簡便な製造方法は未だ確立されておらず、よっ
てフォトニック結晶を活用したフォトニックデバイスも
未だ実用化には至っていない。本発明は、上述の実情に
鑑みなされたものであって、所望の波長の電磁波を制御
することができる有用且つ新規な屈折率周期構造体を提
供することを目的とする。さらに、本発明の他の目的
は、このような屈折率周期構造体の容易且つ安価な製造
方法を提供することにある。

【０００６】尚、本発明の屈折率周期構造体は、フォト
ニック結晶として以外にも、多層薄膜フィルタ、グレー
ティング素子等の光部品や、マイクロマシン、マイクロ
リアクター、等にも好適に活用され得るものであり、本
発明の製造方法によって、それらを容易且つ安価に製造
することができる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、先に、所
定の２次元パターンを施された複数の無機薄膜パーツの
面同士が直接接触して接合した状態で積層されてなる微
小構造体、ならびにその製造方法を提案し（特許第３１
６１３６２号）、この製造方法をＦＯＲＭＵＬＡ法と命
名した｛山田ら，精密工学会誌，Ｖｏｌ．６６，ｐｐ．
１２６５−１２６９（２０００）｝。ここにおける接合
方法は、原理的には任意の方法を用い得るが、具体的に
開示されているものは常温接合のみであった。常温接合
は、一般に、無機材料に見られる現象で、接合させる両
表面を原子レベルで清浄化し、化学的に活性化すること
によって、常温で接触させるのみで化学的に接合される
と云う現象である。理想的に清浄な単結晶面の場合、殆
ど荷重を掛けず接触させるだけで接合されるが、清浄度
合いが不十分、表面に凹凸がある、あるいは表面に格子
不整合がある、等の場合においては、接合に当たって、
接合界面の変形が必要となり、それに要する荷重および
／または温度を印加する必要がある。この方法によっ
て、高品質の３次元微小構造体を、精度良く、且つ高い
生産性にて製造することが可能となるが、上記の通り、
常温接合に過酷な圧力および／または温度条件を要する
ことから製造設備ならびに製造コストが非常に高くなっ
てしまうと云う問題があった。また、常温接合に当たっ
ては、接合する表面の清浄化操作が不可欠で、そのため
の高額な装置が必要、さらに再汚染を防止するため真空
下での作業が必要、等の制約もあった。さらにまた、常
温接合可能な材料は限られており、材料選択の自由度が
低いと云う制約もあった。本発明者等は、ＦＯＲＭＵＬ
Ａ法の諸問題を解決すべく、鋭意検討を行った結果、接
合を有機材料に担わせることにより、ＦＯＲＭＵＬＡ法
の諸問題が解決され、フォトニック結晶等の屈折率周期
構造体の作製に好適に利用でき、且つ従来のフォトニッ
ク結晶作製方法の諸問題を克服し得ることを見出し、本
発明を完成するに至ったものである。

【０００８】すなわち、本発明に係る屈折率周期構造体
は、所定のパターンを有する複数の薄膜パーツの積層体
と、各薄膜パーツのパターン空隙部に充填された接着性
有機材料とを備えるものである。この場合、接着性有機
材料が充填されるので、パターン空隙部の屈折率が一様
となり乱れのない周期構造が得られるとともに、空隙部
が有機材料で埋められるため構造的に堅固となる。

【０００９】また、本発明に係る屈折率周期構造体は、
枠部の内側に所定のパターンを有する複数の薄膜パーツ
の積層体と、各薄膜パーツの枠部間を接着する接着性有
機材料とを備えるものである。この場合、パターン空隙
部は屈折率１の空気で満たされるので、薄膜パーツの材
料とパターン空隙部との屈折率差を大きくすることがで
き、良好な特性の周期構造体を得ることが出来る。ここ
で、接着性有機材料は、各薄膜パーツの枠部外側の切り
欠き部に配置されることが好ましい。このように構成す
ることにより、各薄膜パーツの枠部間を接着する接着性
有機材料が枠部外側に逃がされパターン空隙部側には影
響を与えないので、特性の安定した周期構造が得られ
る。

【００１０】また、薄膜パーツの材料は、金属、セラミ
ックス、または無機半導体とすることができ、接着性有
機材料は、有機高分子化合物とすることができる。な
お、薄膜パーツの材料と接着性有機材料との屈折率の比
は、好ましくは１．５以上、さらに好ましくは１．８以
上、さらに好ましくは２．１以上である。

【００１１】本発明に係る屈折率周期構造体の製造方法
は、ドナー基板上に所定のパターンを有する複数の薄膜
パーツを形成する第１の工程と、各薄膜パーツ上に接着
性有機材料を供給する第２の工程と、アクセプター基板
を用いて接着性有機材料が供給された各薄膜パーツを順
次ドナー基板上から剥離してアクセプター基板上に積層
転写する第３の工程とを含むものである。さらに、外部
エネルギーにより、接着性有機材料を除去し、且つ薄膜
パーツ同士をボンディングさせる第４の工程を含むこと
ができる。

【００１２】また、第２の工程において、接着性有機材
料を供給する方法を塗布法とすることができ、さらに第
３の工程において、複数の薄膜パーツを積層転写する際
に、光照射、加熱および加圧の少なくとも１つを行うこ
とができる。ドナー基板の表面には、例えば、予め、フ
ッ素原子を含有する材料よりなる離型層が形成されてい
ることが好ましい。このような製造方法により、上述の
ような屈折率周期構造体を好適に作製することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の屈折率周期構造
体の製造方法を具現化するための製造システムの一例を
示すブロック図である。この製造システムは、ドナー基
板上に薄膜を成膜する成膜装置１と、成膜された薄膜を
所望のパターンにパターニングするパターニング装置２
と、パターニングされた複数の薄膜パーツ上に有機材料
を供給する有機材料供給装置５と、有機材料を供給され
た複数の薄膜パーツをアクセプター基板上に積層接合す
る転写装置３とを有して構成されている。

【００１４】成膜装置１は、Ｓｉウエハ、ガラス基板、
セラミックス基板等からなるドナー基板の上に薄膜を形
成するサブシステムであって、膜厚制御性が良好で、且
つ基板全体に亘って膜厚均一性に優れた成膜方法を用い
ることが好ましく、薄膜作製応用ハンドブック｛権田俊
一監修，エヌ・ティー・エス，１９９５｝等に記載の公
知の方法が適用できる。例えば、加熱蒸着法、電子ビー
ム蒸着法、イオン化蒸着法、スパッタリング法、超微粒
子ジェットプリンティング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、レーザーアブレ
ーション法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ラミネート法、エンボス成
形法、等の乾式成膜法、またはスピンコート法、インク
ジェットプリンティング法、メッキ法、無電解メッキ
法、電解析出法、電気泳動堆積法、ＣＢＤ（Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ Ｂａｔｈ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ゾル−
ゲル法、ＬＢ法、液相エピタキシー法、射出成形法、等
の湿式成膜法が挙げられる。

【００１５】薄膜を構成する材料は、任意のものが利用
できるが、接着を担う有機材料よりも機械的強度ならび
に耐熱性が高いものが好ましい。例えば、Ｗ、Ｐｔ、Ａ
ｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、等の金属あ
るいはそれらの合金；アルミナ、シリカ、チタニア、ジ
ルコニア、マグネシア、チタン酸バリウム、ニオブ酸リ
チウム、フェライト、酸化亜鉛、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆｌｏｒｉｎｅ−ｄ
ｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ゼオライト等のセラ
ミックス；Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳ、ＣｄＴ
ｅ、ＧａＮ、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＺｎＳ、
ＦｅＳ、ＦｅＳｉ_２等の無機半導体；エンジニアリング
プラスチック、導電性高分子等の有機材料；無機材料ま
たは有機材料を樹脂中に分散させた複合材料；あるい
は、カーボン；ダイアモンド；ＳｉＣ等が挙げられる。
これらの中でも、金属、セラミックス、無機半導体は、
高品質の薄膜を形成するための作製方法が確立されてお
り、且つ機械的強度、耐熱性に優れるため特に好まし
い。

【００１６】薄膜の膜厚は、応用目的に応じ異なるため
一概に規定することはできないが、各成膜方法によっ
て、高品質の膜を成膜できる膜厚領域が異なるため、所
望の膜厚を得るに最も適した方法を選択することが望ま
しい。また、薄膜の面内膜厚ムラの許容範囲は、これも
応用目的に応じ異なるため一概に規定することはできな
いが、フォトニック結晶においては、所定膜厚の２０％
以下であることが好ましく、１０％以下であることがよ
り好ましい。尚、面内膜厚ムラを所望の値に抑える方法
としては、成膜時に、成膜方法、成膜条件を制御し、所
望の面内膜厚ムラ内にて成膜させる方法に加え、成膜後
に所望の面内膜厚ムラ内まで、表面を、ＣＭＰ（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎ
ｇ）法等の任意の方法によって平滑化する方法でもよ
い。また、成膜装置１にて薄膜を作製する前に予めドナ
ー基板の表面に離型性の高い離型層を形成することが望
ましい。離型層は、ドナー基板表面にフッ素系樹脂等を
蒸着あるいは塗布して形成してもよく、また、基板を加
熱処理して表面に熱酸化膜を形成させる、あるいは、基
板表面をフッ素原子含有ガスに晒し化学的にフッ素化す
る、等の方法によって形成してもよい。フッ素原子を含
む薄膜の形成や表面のフッ素化により、非常に高い離型
性が得られ、特に好ましい結果が得られる。

【００１７】パターニング装置２は、例えば、フォトリ
ソグラフ法、リフトオフ法、集束イオンビーム（ＦＩ
Ｂ）法、電子ビーム直接描画法、機械的切削法、等によ
って、薄膜を複数の薄膜パーツのセットに分割すると共
に、複数の薄膜パーツに所望のパターンを施すものであ
る。フォトリソグラフ法によれば、サブミクロンオーダ
ーの形状精度が得られ、且つ高い量産性が実現される。
但し、フォトマスクの作製が不可欠であり、多品種少量
生産には不向きである。一方、ＦＩＢ法および電子ビー
ム直接描画法は、装置が非常に高額と云う問題があるも
のの、ビーム走査により任意の形状が高精度で直接描画
でき、フォトマスクを用いる必要もない。尚、図１にお
いては、成膜工程とパターニング工程を別々に行う例を
示したが、成膜とパターニングを同時に行う方法、例え
ば、蒸着法やＣＶＤ法等においてメタルマスクを用いパ
ターン状に薄膜を堆積させる方法を用いてもよい。ま
た、成膜後および／またはパターニング後の薄膜に、加
熱処理、紫外線照射処理、オゾン処理、研磨処理、等の
各種処理を施してもよい。

【００１８】パターニングを施した後、その表面に接着
を担う接着性有機材料を供給する方法としては、任意の
方法を用いることができ、例えば、スピンコート法、イ
ンクジェット法、浸漬塗布法、キャスト法等の湿式塗布
法、あるいはラミネート法、ソリッドインクジェット
法、射出成形法、蒸着法、等が挙げられる。この有機材
料の供給は、複数の薄膜パーツの全体に一度に行っても
よいが、転写工程毎に、転写部分のみに選択的に行って
もよい。また、転写工程毎にこの有機材料の供給を行う
場合には、薄膜パーツ側ではなく、アクセプター基板側
に供給してもよい。この有機材料の供給量は、各薄膜パ
ーツおよび各レーヤー間を接着するに十分な量以上であ
れば構わないが、薄膜のパターニングに応じ形成される
空隙部を満たすに足る量を供給することが好ましい。有
機材料としては、接着性を有するものであれば、如何な
るものでも構わないが、金属、セラミックス、半導体等
の薄膜が変形あるいは破壊されない温度ならびに圧力条
件にて、成形可能な有機高分子化合物を用いることが、
特に好ましい。該有機高分子化合物の具体例としては、
ＪＳＲ製Ａｒｔｏｎ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル
樹脂、ブチラール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネ
ート樹脂等の熱可塑性樹脂；ベンゾシクロブテン樹脂、
フェノール樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂；エポ
キシ樹脂等の紫外線硬化樹脂；等が挙げられる。また、
接着性有機材料を供給した後、この有機材料に対して、
加熱処理、加圧処理、紫外線照射処理、研磨処理等の任
意の処理を施してもよい。

【００１９】図２は、転写装置３の一例を示す模式構成
図である。転写装置３は、ドナー基板４００が載置され
る基板ホルダ３０１と、ドナー基板４００上に形成され
た薄膜が転写されるアクセプター基板５００が載置され
るステージ３０２と、ステージ３０２に取り付けられ、
基板４００上のアライメントマーク４０３（図４）を検
出する顕微鏡の如きマーク検出部３０６と、ステージ３
０２をｘ軸モータ（図示省略）によってｘ軸方向（図２
において左右方向）に移動させると共に、ｘ軸位置検出
部（図示省略）によってステージ３０２のｘ軸上の位置
を検出するｘ軸テーブル３１０と、ステージ３０２をｙ
軸モータ（図示省略）によってｙ軸方向（図２において
紙面に垂直な方向）に移動させると共に、ｙ軸位置検出
部（図示省略）によってステージ３０２のｙ軸上の位置
を検出するｙ軸テーブル３２０とが配設されている。ア
クセプター基板５００は、例えば、Ｓｉウエハ、ガラス
基板、セラミックス基板、プラスチック基板、等からな
る。また、転写装置３は、基板ホルダ３０１をｚ軸モー
タ（図示省略）によってｚ軸方向（図２において上下方
向）に移動させると共に、ｚ軸位置検出部（図示省略）
によって基板ホルダ３０１のｚ軸上の位置を検出するｚ
軸テーブル３３０と、アライメント調整の際にθモータ
（図示省略）によって基板ホルダ３０１をｚ軸回りに回
転させると共に、θ位置検出部（図示省略）によって基
板ホルダ３０１のθ方向の角度位置を検出するθテーブ
ル３４０、とを具備している。ｘ軸位置検出部、ｙ軸位
置検出部、ｚ軸位置検出部およびθ位置検出部は、例え
ば、レーザー干渉計やガラススケール等を用いることに
よって実現することができる。

【００２０】次に、本製造システムの動作を図３および
図４を参照して説明する。図３は、下記実施例にて作製
した屈折率周期構造体の部分的斜視図である。この屈折
率周期構造体４は、ストライプ状に２次元配列した角材
群からなる薄膜パーツ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄをＷｏｏ
ｄｐｉｌｅ状に積み重ねたものである。図３において、
各角材群の間の空隙部には接着性有機材料（図示省略）
が充填され、または各薄膜パーツの枠部（図６）間が接
着性有機材料により接着され、または外部エネルギーに
より接着性有機材料が除去されている（後述の実施例
３）場合がある。

【００２１】図４は、成膜工程およびパターニング工程
の一例を示す模式図で、（ａ）および（ｂ）は断面図、
（ｃ）は平面図である。以下、実施例にて詳細を説明す
る。 （実施例１） Ｓｉと有機高分子化合物から構成されるＷｏｏｄｐｉｌ
ｅ状屈折率周期構造体の作製 ［１］ドナー基板表面への離型層の形成：図４（ａ）に
示すように、ドナー基板４００としてＳｉウエハを準備
し、ドナー基板４００をドライエッチング装置に導入
し、ＣＦ_４ガスを用いたプラズマ処理（ガス流量１００
ｓｃｃｍ、放電パワー５００Ｗ、圧力１０Ｐａ、時間１
０分）を行うことにより、ドナー基板の表面をフッ素化
し、離型層４０１とした。

【００２２】［２］ドナー基板上への薄膜の形成とその
パターニング： 表面に離型層４０１を形成したドナー
基板の上に、成膜装置１を用いて、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ
−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により多結晶Ｓｉ薄膜４０２
を形成した。堆積中は水晶振動子式膜厚計にて常時膜厚
をモニターし、膜厚が１．６μｍに達したところで成膜
を終了した。尚、原子間力顕微鏡による表面観察の結
果、得られたＳｉ薄膜の面内膜厚ムラは±０．０２μｍ
以内であった。次に、パターニング装置２を用いて、通
常のフォトリソグラフ法により、図４（ｂ）および
（ｃ）に示すように、屈折率周期構造体４の各レーヤー
形状に対応した４セットの薄膜パーツ４ａ、４ｂ、４
ｃ、４ｄを形成した。すなわち、ドナー基板４００上に
離型層４０１を介して形成したＳｉ薄膜４０２の表面に
ポジ型のフォトレジストをスピンコート法にて塗布し、
フォトマスクを介してフォトレジストを露光し、露光し
た部分のフォトレジストを溶剤によって取り去った後、
薄膜４０２が露出した部分を反応性イオンエッチング法
にてエッチングし、さらにその後、未露光のフォトレジ
ストを剥離液にて除去して、それぞれパターンが施され
た４セットの薄膜パーツを得た。尚、図４（ｃ）に示す
ように、このパターニング工程で、次工程においてドナ
ー基板４００の位置決めのために使用する複数のアライ
メントマーク４０３も形成しておいた。

【００２３】［３］薄膜上への有機高分子化合物の供
給：パターニングを施した薄膜上に、有機高分子化合物
であるＪＳＲ製Ａｒｔｏｎ樹脂のキシレン溶液をスピン
コート法により塗布し、減圧下１６５℃にて１時間、乾
燥した。

【００２４】［４］積層転写工程：図５（ａ）〜（ｆ）
は、積層転写工程を模式的に示したものである。図５
（ａ）に示すように、パターニングされ且つＡｒｔｏｎ
樹脂６００で被覆された薄膜を有するドナー基板４００
を転写装置３の基板ホルダ３０１上に、アクセプター基
板５００としてのＳｉウエハを転写装置３のステージ３
０２上に、それぞれ載置した。

【００２５】アクセプター基板５００とドナー基板４０
０とのアライメント調整をアライメントマーク４０３
（図４）に従って行った。すなわち、ｘ軸モータおよび
ｙ軸モータを制御してステージ３０２をｘ方向およびｙ
方向に移動してマーク検出部３０６からマーク検出信号
を取り込み、このマーク検出信号に基づいてアライメン
トマーク４０３とアクセプター基板５００との相対的位
置関係を測定し、この相対的位置関係の測定結果に基づ
いてアライメントマーク４０３およびアクセプター基板
５００が原点位置に達するようにｘ軸モータ、ｙ軸モー
タおよびθモータを制御した。これにより、薄膜が形成
されたドナー基板４００を載置する位置にずれがあって
も、アクセプター基板５００とアライメントマーク４０
３の相対的な位置出しが正確に行われる。

【００２６】そして、図５（ｂ）に示すように、ｚ軸位
置検出部の検出信号に基づいてｚ軸モータを制御して基
板ホルダ３０１を上昇させ、アクセプター基板５００の
表面に、薄膜パーツ４ａの表面を接触させ、ステージ３
０２に取り付けた抵抗加熱器（図示省略）によってアク
セプター基板を加熱しながら、所定の荷重（本実施例で
は１ｋｇｆ／ｃｍ^２）にて所定の時間（本実施例では５
分間）、押し付けた後、加熱を止め、常温まで冷却する
のを待った。この過程によりＡｒｔｏｎ樹脂６００が可
塑変形してＳｉ製ストライプで規定されるＷｏｏｄｐｉ
ｌｅ構造のパターン空隙部に充填されると共に、樹脂の
接着力によって、Ｓｉストライプが一体的に接合された
状態にて、アクセプター基板表面に接着される。

【００２７】次に、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すよう
に、ステージ３０２の４辺に取り付けたカッター５０１
を押し下げながら、ｚ軸位置検出部の検出信号に基づい
てｚ軸モータを駆動して、基板ホルダ３０１を図５
（ａ）に示す元の位置まで下降させた。基板ホルダ３０
１を下降させると、薄膜パーツ４ａとアクセプター基板
との接着力の方が、薄膜パーツ４ａと離型層との接着力
よりも遥かに大きく、且つカッターにより薄膜パーツ４
ａの輪郭部の樹脂が切断されているため、薄膜パーツ４
ａはドナー基板４００側から剥離し、アクセプター基板
５００側に転写される。

【００２８】続いて、図５（ｄ）に示すように、上記と
同様にｘ軸モータおよびｙ軸モータを制御してステージ
３０２をｘ方向およびｙ方向に移動してステージ３０２
を薄膜パーツ４ｂ上に位置決めする。そして、図５
（ｅ）に示すように、ｚ軸位置検出部の検出信号に基づ
いてｚ軸モータを制御して基板ホルダ３０１を上昇さ
せ、アクセプター基板５００の表面に、薄膜パーツ４ａ
の表面を接触させ、前述と同様な処理を行う。次に、上
記と同様にステージ３０２の４辺に取り付けたカッター
５０１を押し下げながら、ｚ軸位置検出部の検出信号に
基づいてｚ軸モータを駆動して、図５（ｆ）に示すよう
に、基板ホルダ３０１を図５（ａ）に示す元の位置まで
下降させた。

【００２９】以降、同様にして各薄膜パーツを順次、積
層転写することにより、目的とするＳｉと有機高分子化
合物から構成されるＷｏｏｄｐｉｌｅ状屈折率周期構造
体４を得た。尚、各ストライプの幅は１．２μｍ、スト
ライプの周期は４．２μｍとした。また、微小構造を構
成するＳｉと有機高分子化合物の屈折率は、それぞれ約
３．６と１．５であり、その比は約２．４である。

【００３０】このように本実施例では、接着性有機材料
が充填されるので、パターン空隙部の屈折率が一様とな
り乱れのない周期構造が得られるとともに、空隙部が有
機材料で埋められるため構造的に堅固となる。尚、本実
施例では、基板ホルダ３０１がｚ方向に移動し、ステー
ジ３０２がｘ方向およびｙ方向に移動する場合を示した
が、基板ホルダ３０１とステージ３０２の両方が共にｚ
方向に移動する機構でもよく、基板ホルダ３０１がｘ方
向およびｙ方向に移動し、ステージ３０２がｚ方向に移
動する機構でもよく、さらにまた、基板ホルダ３０１と
ステージ３０２の両方がｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に
移動する機構でもよい。また、本実施例では、一括して
薄膜の成膜、パターニングを行ったが、薄膜パーツ毎に
成膜、パターニングを順次、行ってもよい。また、本実
施例では、抵抗加熱法によって加熱を行ったが、高周波
誘導加熱法、赤外線照射加熱法、サーマルヘッド加熱法
等の方法によって加熱を行ってもよい。尚、接着を担う
有機材料として紫外線硬化樹脂を用いる場合には、加熱
装置に代わって、紫外線照射装置を付備する必要があ
る。

【００３１】（実施例２）実施例１の工程［１］におい
て離型層をフッ素化ポリイミドに変更し、さらに、実施
例１の工程［２］において、薄膜としてスパッタリング
法にて成膜したアルミナを用い、且つパターニング法を
リフトオフ法に変更した以外は、実施例１と同様にし
て、目的とするアルミナと有機高分子化合物から構成さ
れるＷｏｏｄｐｉｌｅ状屈折率周期構造体を作製した。

【００３２】前記フッ素化ポリイミド製離型層は、ドナ
ー基板とフッ素化ポリイミド層との結着性を高めるた
め、まずドナー基板表面にシラン系カップリング剤をス
ピンコート法にて形成した後、フッ素化ポリイミド（日
立化成社製ＯＰＩ−Ｎ１００５）をスピンコート法にて
約１μｍ塗布し、３５０℃で１時間、加熱処理すること
により作製した。ポリイミドは非常に高いガラス転移温
度を有しており、該ガラス転移温度は、本実施例におい
て屈折率周期構造体を構成するＡｒｔｏｎ樹脂を熱圧着
させるに要する温度よりも遥かに高く、積層転写工程に
てフッ素化ポリイミド製離型層が変形あるいは剥離する
ような問題は発生しなかった。

【００３３】また、アルミナ薄膜の成膜およびパターニ
ングは、以下の通り行った。フッ素化ポリイミド製離型
層を備えたドナー基板の上にフォトレジストを全面塗布
し、屈折率周期構造体４の各レーヤー形状に対応する露
光と現像を行い、各レーヤー形状に対応するフォトレジ
ストのパターンを形成した。次に、成膜装置１を用いて
全面にアルミナ薄膜をスパッタリング法にて２．５ｍｍ
成膜した。次に、残存するフォトレジストをその上に着
膜しているアルミナ薄膜と共に剥離すること（リフトオ
フ法）により、屈折率周期構造体４の各レーヤー形状に
対応したパターンを有するアルミナ薄膜を得た。尚、各
アルミナ製ストライプの幅は２．５ｍｍ、ストライプの
周期は７．０ｍｍとした。

【００３４】（実施例３）実施例１にて作製した、表面
にＷｏｏｄｐｉｌｅ状屈折率周期構造体を形成したＳｉ
ウエハに、Ｗｏｏｄｐｉｌｅ状屈折率周期構造体側から
別のＳｉウエハを押し当て、Ｓｉウエハ同士を加圧保持
した状態にて、１０００℃で１０分間処理することによ
り、有機高分子化合物を完全に消失させると同時にＳｉ
製ストライプ同士ならびにそれとＳｉウエハをボンディ
ングさせ、２枚のＳｉウエハの間にＳｉ製ストライプと
空隙から構成されるＷｏｏｄｐｉｌｅ状屈折率周期構造
体を有する構造物を得た。

【００３５】実施例３で得られた２枚のＳｉウエハの間
にＳｉ製ストライプと空隙から構成されるＷｏｏｄｐｉ
ｌｅ状屈折率周期構造体を有する構造物に対して、Ｆｏ
ｕｒｉｅｒ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ赤外分光装置を用い、赤
外光の透過特性を評価した。比較のために、Ｓｉ基板上
に、実施例１と同様の成膜方法にて、パターン化せずに
６．４μｍのＳｉ薄膜を形成したものを用い、実施例３
と同様にして作製した２枚のＳｉ基板の間にＳｉ製薄膜
を有する構造物に対しても、同様に赤外光の透過特性を
評価した。

【００３６】２枚のＳｉウエハの間にＳｉ製薄膜を有す
る構造物は、測定した９〜１２μｍの波長域においては
ほぼ透明であったのに対して、２枚のＳｉウエハの間に
Ｓｉ製ストライプと空隙から構成されるＷｏｏｄｐｉｌ
ｅ状屈折率周期構造体を有する構造物は、該波長域にお
いて約１５ｄＢに及ぶ大きな光減衰を示した。この大き
な光減衰はフォトニックバンドギャップの形成を支持す
るものであり、本Ｗｏｏｄｐｉｌｅ状屈折率周期構造体
がフォトニック結晶として有効に機能することが確認さ
れた。

【００３７】（実施例４）図６は、本発明のパターニン
グ工程の他の例を示す模式図で、（ａ）は断面図、
（ｂ）は平面図である。図示のように、各薄膜パーツ６
ａ〜６ｄには接合用の枠部６１０が設けられている。本
実施例では、各薄膜パーツ６ａ〜６ｄのパターン空隙部
には接着性有機材料は充填されず、各薄膜パーツの枠部
６１０間を接着性有機材料で接着する。接着性有機材料
は、好ましくは図示のように、各薄膜パーツの枠部外側
に設けられた切り欠き部６２０に配置される。切り欠き
部６２０には、例えば、インクジェット方式で接着性有
機材料を配置することができる。このように構成するこ
とにより、パターン空隙部は屈折率１の空気で満たされ
るので、薄膜パーツの材料とパターン空隙部との屈折率
差を大きくすることができ、良好な特性の周期構造体を
得ることができる。また、接着性有機材料は切り欠き部
６２０に設けられるので、各薄膜パーツの積層時にその
枠部間を接着する接着性有機材料が枠部外側に逃がされ
て、パターン空隙部側には影響を与えないので、特性の
安定した周期構造が得られる。

【００３８】上記の通り、本発明は、フォトニック結晶
等に活用される新規な屈折率周期構造体、ならびにその
簡便且つ高生産性を誇る新規な製造方法を提供するもの
であり、前述の従来技術の諸問題を解決し得るものであ
る。本発明の製造方法によって齎される効果を以下に列
挙する。 ［イ］成膜とパターニングにより、屈折率周期構造体を
構成する全てのレーヤーを含んだ薄膜パーツを一括して
形成するため、その後は積層転写の工程を繰り返すだけ
で屈折率周期構造体を作製できることから、全行程に要
する時間が非常に短くて済む。 ［ロ］薄膜に、複数の同一または異なる屈折率周期構造
体に対応するレーヤーセットを形成しておけば、一回の
工程で、複数の同一または異なる屈折率周期構造体を一
気に作製することができ、非常に高い生産性が実現され
る。 ［ハ］薄膜材料として無機材料を用いても、有機材料に
よって接着接合することから、一般的に無機材料同士を
接合するに要する過酷な温度、圧力条件に比して、非常
に温和な条件にて屈折率周期構造体を作製することがで
き、製造設備が簡便なもので済み、ひいては製造コスト
が低減できる。 ［ニ］一連の工程で得られる、Ｓｉ等の無機材料と、有
機高分子化合物等の有機材料とから構成される屈折率周
期構造体を、高温にて処理することによって、有機材料
を消失させると共に無機材料同士をボンディングさせ、
無機材料と空隙のみからなる屈折率周期構造体を得るこ
とができる。さらに、これを鋳型として、プラスチック
等を、射出成形法、エンボス成形法等によって、成形す
ることにより、マイクロレンズアレイ、グレーティング
等の微小光学部品等を大量に生産することもできる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、所望の波長の電磁波を
制御することができる有用且つ新規な屈折率周期構造体
を得ることができる。さらに、このような屈折率周期構
造体を容易且つ安価に製造可能な屈折率周期構造体の製
造方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法に係る製造システムの一例を
示すブロック図である。

【図２】本発明の製造方法に係る転写装置の一例を示す
模式図である。

【図３】本発明の屈折率周期構造体の一例を示す部分的
斜視図である。

【図４】本発明における成膜工程およびパターニング工
程の一例を示す模式図で、（ａ）および（ｂ）は断面
図、（ｃ）は平面図である。

【図５】（ａ）〜（ｆ）は本発明の製造方法に係る転写
工程の一例を示す模式図である。

【図６】本発明のパターニング工程の他の例を示す模式
図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

【符号の説明】

１ 成膜装置 ２ パターニング装置 ３ 転写装置 ４ａ〜４ｄ 薄膜パーツ ５ 有機材料供給装置 ３０１ 基板ホルダ ３０２ ステージ ４００ ドナー基板 ４０１ 離型層 ４０３ アライメントマーク ５００ アクセプター基板 ５０１ カッター ６００ 接着性有機材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H047 KA00 PA02 PA03 PA04 PA05 PA06 PA21 PA22 PA24 QA01 QA02 QA05 TA41 2H049 AA03 AA33 AA44 AA59 AA65

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定のパターンを有する複数の薄膜パー
   ツの積層体と、各薄膜パーツのパターン空隙部に充填さ
   れた接着性有機材料とを備えたことを特徴とする屈折率
   周期構造体。
2. 【請求項２】 枠部の内側に所定のパターンを有する複
   数の薄膜パーツの積層体と、各薄膜パーツの枠部間を接
   着する接着性有機材料とを備えたことを特徴とする屈折
   率周期構造体。
3. 【請求項３】 接着性有機材料が、各薄膜パーツの枠部
   外側の切り欠き部に配置されることを特徴とする請求項
   ２記載の屈折率周期構造体。
4. 【請求項４】 薄膜パーツの材料が金属、セラミック
   ス、または無機半導体であることを特徴とする請求項１
   〜３のいずれかに記載の屈折率周期構造体。
5. 【請求項５】 接着性有機材料が有機高分子化合物であ
   ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の屈
   折率周期構造体。
6. 【請求項６】 ドナー基板上に所定のパターンを有する
   複数の薄膜パーツを形成する第１の工程と、各薄膜パー
   ツ上に接着性有機材料を供給する第２の工程と、アクセ
   プター基板を用いて接着性有機材料が供給された各薄膜
   パーツを順次ドナー基板上から剥離してアクセプター基
   板上に積層転写する第３の工程とを含むことを特徴とす
   る屈折率周期構造体の製造方法。
7. 【請求項７】 外部エネルギーにより、接着性有機材料
   を除去し、且つ薄膜パーツ同士をボンディングさせる第
   ４の工程を含むことを特徴とする請求項６記載の製造方
   法。
8. 【請求項８】 第２の工程において、接着性有機材料を
   供給する方法が、塗布法であることを特徴とする請求項
   ６または７記載の製造方法。
9. 【請求項９】 第３の工程において、複数の薄膜パーツ
   を積層転写する際に、光照射、加熱および加圧の少なく
   とも１つを行うことを特徴とする請求項６〜８のいずれ
   かに記載の製造方法。
10. 【請求項１０】 ドナー基板の表面に離型層が形成され
    ていることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載
    の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項６〜１０のいずれかに記載の製
    造方法により製造されたことを特徴とする屈折率周期構
    造体。