JP4088449B2

JP4088449B2 - Fine periodic structure manufacturing method and fine periodic structure manufacturing apparatus

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Publication number: JP4088449B2
Application number: JP2002024952A
Authority: JP
Inventors: 正幸原野; 彬雄谷口; 和也小山
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003227955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の周期構造を有する周期構造体をＮ層積層して微細周期構造体を製造する微細周期構造体の製造方法、およびその製造方法に従って微細周期構造体を製造可能に構成された微細周期構造体の製造装置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２０００−２８４１３６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挙げられる。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、屈折率が互いに異なる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して構成されている。この製造方法では、まず、基板（１）の上に第１の屈折率を有する材料Ｒ１によって薄膜（２）を積層する。この場合、薄膜（２）および後述する薄膜（３）は、液状の材料Ｒ１，Ｒ２を回転塗布した後に熱硬化させることで薄膜状に形成される。次に、その下面に複数の凸部を市松模様状に形成した型（４）を薄膜（２）の上面に強く押し付けることにより、薄膜（２）の厚み程度の深さで市松模様状の凹部を薄膜（２）に形成する。次いで、この状態の薄膜（２）の上に、材料Ｒ１とは屈折率が異なる第２の屈折率を有する材料Ｒ２によって薄膜（３）を積層する。続いて、薄膜（３）の上面に型（４）を強く押し付けることにより、薄膜（３）の厚み程度の深さで市松模様状の凹部を薄膜（３）に形成する。この後、薄膜（２）の積層および型（４）による凹部の形成と、薄膜（３）の積層および型（４）による凹部の形成とを所定の回数だけ交互に実行する。これにより、いずれの方向から見たとしても材料Ｒ１，Ｒ２が所定のピッチで交互に存在する３次元フォトニック結晶が製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の微細周期構造体として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、薄膜（２，３）を形成した後に型（４）を強く押し付けることにより、型（４）の下面に形成された凸部を薄膜（２，３）に転写（刻印）して薄膜（２，３）の厚み内の２次元周期構造を形成している。この場合、この２次元周期構造の形成ピッチ（すなわち、薄膜（２，３）に形成される凹部の形成ピッチ）は、一例として数十μｍ程度と非常に狭い。また、積層された薄膜（２，３）は、その凹部形成後もその周期構造を維持できるように、ある程度の硬さを有している必要がある。したがって、この薄膜（２，３）に型（４）を押し付けることで微細なピッチを転写（刻印）する製造方法では、型（４）の摩耗が激しく、結果として、規則正しい周期構造を繰り返して形成するのが困難となる。このため、その製作コストが比較的高い型（４）を定期的に交換しなくてはならず、フォトニック結晶の製造コストを高騰させる要因となるという問題点がある。
【０００４】
また、従来のフォトニック結晶の製造方法では、既に凹部を形成した薄膜（２，３）の上に薄膜（３，２）を形成し、その薄膜（３，２）に対して型（４）を強く押し付けることによって凹部を形成している。したがって、フォトニック結晶の初期段階で積層された薄膜（２，３）（すなわち、すなわち、基板（１）側の薄膜（２，３））には、その後に形成される薄膜（３，２）に凹部を形成する際に大きな力が何度も加えられることとなる。このため、この力が加えられることに起因して、初期段階で積層された薄膜（２，３）の２次元周期構造が破壊されるため、周期構造に意図しない欠陥が生じることに起因して、フォトニック結晶の光学的特性が著しく低下するという問題点がある。
【０００５】
この場合、同公報には、薄膜（２，３）を所定数だけ交互に積層しておき、この積層体に対して一度だけ型（４）を押し付けることにより、各薄膜に対して複数の凹部を同時に形成する方法が開示されている。この製造方法によれば、型（４）の摩耗を抑え、かつ、繰り返して力が加えられることに起因する周期構造の破壊を防止することが可能となる。しかし、この製造方法では、型（４）が押し当てられた薄膜（２，３）から遠い側の薄膜（すなわち、基板（１）側の薄膜（２，３））に、型（４）による力が伝達されないことがある。かかる場合には、所望の深さ（各薄膜（２，３）の厚み程度の深さ）の凹部を形成することができないため、フォトニック結晶の光学的特性が著しく低下するという問題点がある。
【０００６】
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を低減し得る微細周期構造体の製造方法、およびその製造方法に従って微細周期構造体を製造可能な微細周期構造体の製造装置を提供することを主目的とする。
【０００７】
【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、所定の周期構造を有する周期構造体をＮ層（Ｎは２以上の自然数）積層して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、前記所定の周期構造を反転させた凹部を構成する貫通孔が形成された型本体と、前記貫通孔を閉塞することにより前記凹部の底面を構成する底板とを備えて前記周期構造体を成型可能に構成された型を用いて、当該型本体および当該底板を互いに離間させた状態で微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、前記型本体の前記貫通孔に前記溶液を含浸させた後に前記底板によって前記貫通孔を閉塞し、その状態の当該型本体および当該底板を当該溶液から取り出し、基板の下面または当該基板に成型されている（Ｍ−１）層目（ＭはＮ以下の自然数）の前記周期構造体における下面に前記型の上面を接触させ、その状態で前記凹部内の前記溶液を硬化させてＭ層目の前記周期構造体を成型する。
【０００８】
請求項２記載の微細周期構造体の製造装置は、請求項１記載の微細周期構造体の製造方法に従って前記微細周期構造体を製造可能に構成された微細周期構造体の製造装置であって、前記周期構造体を成型可能な前記型と、前記基板を保持する基板保持手段と、前記型本体および前記底板のいずれか一方をいずれか他方に向けて接離動させる接離動機構と、前記型を前記溶液中から取り出して前記上面を前記基板の前記下面または前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における前記下面に接触させる上下動機構と、前記凹部内の前記溶液を硬化させる溶液硬化手段と、前記上下動機構および前記溶液硬化手段を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記接離動機構に対して前記型本体および前記底板を互いに離間させた状態で前記上下動機構に対して当該型本体および当該底板を前記溶液中に沈めさせて前記型本体の前記貫通孔に当該溶液を含浸させた後に、前記接離動機構に対して前記型本体に前記底板を接触させて当該貫通孔を閉塞させ、その状態の当該型本体および当該底板を前記上下動機構に対して当該溶液から取り出させて前記基板保持手段によって保持されている前記基板の前記下面または当該基板に成型されている前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における前記下面に当該型の前記上面を接触させ、その状態で前記溶液硬化手段に対して前記凹部内の前記溶液を硬化させて前記Ｍ層目の周期構造体を成型する。
【０００９】
請求項３記載の微細周期構造体の製造装置は、請求項２記載の微細周期構造体の製造装置において、前記Ｎ層の周期構造体のうち奇数層目の周期構造体を成型するための第１の型と、前記Ｎ層の周期構造体のうち偶数層目の周期構造体を成型するための第２の型とを前記型として備え、前記制御部は、前記上下動機構に対して前記第１の型と前記第２の型とを交互に上下動させて前記周期構造体を成型する。
【００１０】
請求項４記載の微細周期構造体の製造装置は、請求項２記載の微細周期構造体の製造装置において、前記基板保持機構および前記型のいずれかを水平方向に沿って９０°回転させる回転機構を備え、前記制御部は、前記回転機構に対して前記基板保持機構および前記型のいずれかを水平方向に沿って９０°回転させた後に、前記上下動機構に対して前記型を前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における下面に接触させて前記Ｍ層目の周期構造体を成型する。
【００１１】
請求項５記載の微細周期構造体の製造装置は、請求項２または３記載の微細周期構造体の製造装置において、前記基板保持機構および前記型のいずれかを前記周期構造体の（１／２）周期分だけ水平方向に移動させる移動機構を備え、前記制御部は、前記移動機構に対して前記基板保持機構および前記型のいずれかを前記貫通孔の形成ピッチの向きに沿って前記（１／２）周期分だけ移動させた後に、前記上下動機構に対して前記型を前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における前記下面に接触させて前記Ｍ層目の周期構造体を成型する。
【００１２】
【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、およびその製造方法に従って微細周期構造体を製造する製造装置の好適な実施の形態について説明する。
【００１３】
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。
【００１４】
フォトニック結晶１は、光合分波器、波長多重合分波器および分光器（回析格子）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、本発明における周期構造体に相当する周期構造層３および周期構造層４が基板２の上に交互に積層されて構成されている。基板２は、フォトニック結晶１の製作時に周期構造層３，４・・を成型する際の支持体として機能すると共に、完成後においては、フォトニック結晶１の基部としても機能する。周期構造層３は、本発明における奇数層目の周期構造体に相当し、一例として小口の一辺が５０μｍ程度の角柱状の柱状体３ａ，３ａ・・が５０μｍ程度の等間隔で並設されて構成されている。周期構造層４は、本発明における偶数層目の周期構造体に相当し、成型された角柱状の柱状体４ａ，４ａ・・が周期構造層３の柱状体３ａと同様にして等間隔で並設されて構成されている。この場合、周期構造層３の柱状体３ａ，３ａ・・と、周期構造層４の柱状体４ａ，４ａ・・とは、互いに直交する向きに配設されている。
【００１５】
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（本発明における微細周期構造体成型用の溶液に相当し、以下、「溶液」ともいう）Ｒ（図４参照）を硬化させることによって成型され、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、周期構造層３，４の高さ、柱状体３ａ，４ａの形状、太さ、並設ピッチおよび並設本数などが適宜調節される。なお、本発明の実施の形態では、溶液Ｒの一例として熱硬化性樹脂を使用する。また、本発明の実施の形態において説明する図面では、本発明についての理解を容易とするために、柱状体３ａ，３ａ・・４ａ，４ａ・・の数を少なくして図示しているが、実際には、さらに多数の柱状体３ａ，３ａ・・４ａ，４ａ・・によって周期構造層３，４が構成されている。また、後述する製造方法において使用するモールド１３，１４（図３参照）などについても、実際には、多数の柱状体３ａ，３ａ・・４ａ，４ａ・・を成型可能に構成されている。
【００１６】
次に、このフォトニック結晶１を製造可能に構成された微細周期構造体製造装置（以下、「製造装置」ともいう）１１について、図面を参照して説明する。
【００１７】
製造装置１１は、図２に示すように、基板保持部１２、モールド１３，１４、接離動機構１５，１５、上下動機構１６，１７、ヒータ１８、制御部１９および容器２０を備えている。基板保持部１２は、本発明における基板保持手段に相当し、前述したフォトニック結晶１の基板２を保持可能に構成されて上下動機構１２ａに取り付けられている。この場合、上下動機構１２ａは、一例としてエアシリンダで構成され、制御部１９の制御下で基板保持部１２を下動させることにより、後述するように、基板保持部１２によって保持されている基板２をモールド１３，１４の上面に押し付ける。モールド１３は、本発明における第１の型に相当し、本発明における型本体に相当するモールド本体１３ａと、モールド本体１３ａの下方に配設されて接離動機構１５によってモールド本体１３ａに対して接離動させられる底板１３ｂとを備えている。モールド１４は、本発明における第２の型に相当し、本発明における型本体に相当するモールド本体１４ａと、モールド本体１４ａの下方に配設されて接離動機構１５によってモールド本体１４ａに対して接離動させられる底板１４ｂとを備えている。
【００１８】
この場合、モールド本体１３ａ，１４ａおよび底板１３ｂ，１４ｂは、ＳｉＯ_２、Ｓｉ、ＳｉＣ、金属および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（ナノサイズの複合材料）で形成されている。また、図３に示すように、モールド本体１３ａには、本発明における貫通孔に相当し前述した柱状体３ａ，３ａ・・を成型するためのスリットＳａ，Ｓａ・・がその上面から下面にかけて連通形成されている。このスリットＳａ，Ｓａ・・は、モールド本体１３ａの下面に底板１３ｂが当接させられることで閉塞され、底板１３ｂの上面と相俟って本発明における凹部を構成する。また、モールド本体１４ａには、本発明における貫通孔に相当し前述した柱状体４ａ，４ａ・・を成型するためのスリットＳｂ，Ｓｂ・・がその上面から下面にかけて連通形成されている。このスリットＳｂ，Ｓｂ・・は、モールド本体１４ａの下面に底板１４ｂが当接させられることで閉塞され、底板１４ｂの上面と相俟って本発明における凹部を構成する。以下、モールド本体１３ａのスリットＳａとモールド本体１４ａのスリットＳｂとを区別しないときには、スリットＳともいう。
【００１９】
このスリットＳは、上記した材料で形成した平板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（スリット）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されている。なお、図４に示すように、このモールド１３，１４は、スリットＳａ，Ｓａ・・の延在方向と、スリットＳｂ，Ｓｂ・・の延在方向とが直交する向きで後述するアーム部１６ａ，１７ａに取り付けられる。一方、接離動機構１５は、制御部１９の制御下でモールド本体１３ａ，１４ａに対して底板１３ｂ，１４ｂを接離動させることにより、モールド本体１３ａ，１４ａにおけるスリットＳ，Ｓ・・の各下方開口部位を閉塞または開口する。
【００２０】
上下動機構１６，１７は、図４に示すように、容器２０に収容された溶液Ｒの中と、基板保持部１２によって保持された基板２の下方との間でアーム部１６ａ，１７ａを介してモールド１３，１４を矢印Ａ，Ｂの方向にそれぞれ上下動させる。この場合、アーム部１６ａ，１７ａは、いわゆるリンク機構を備えて構成され、モールド１３，１４を水平に保持した状態で上下動可能に構成されている。ヒータ１８は、本発明における溶液硬化手段に相当し、制御部１９の制御下でモールド１３，１４を加熱することにより、スリットＳ，Ｓ・・内の溶液Ｒを硬化させる。制御部１９は、基板保持部１２、上下動機構１２ａ、接離動機構１５，１５および上下動機構１６，１７の駆動を制御すると共に、ヒータ１８に対する通電を制御してモールド１３，１４を加熱させる。容器２０は、溶液Ｒを収容可能に形成されると共に、その溶液Ｒ内にモールド１３，１４の双方を沈めることが可能な深さに形成されている。
【００２１】
次に、この製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造方法について、図面を参照して説明する。
【００２２】
まず、図４に示すように、容器２０の中に溶液Ｒを注ぎ入れると共に、基板保持部１２に基板２を保持させる。この際に、基板２は、図１に示すフォトニック結晶１の状態に対して、上下方向が反転させられた状態で基板保持部１２によって保持される。次に、制御部１９は、上下動機構１６，１７を駆動制御してモールド１３，１４の双方を容器２０内の溶液Ｒ中に沈め、モールド本体１３ａ，１４ａのスリットＳ，Ｓ・・に溶液Ｒを含浸させる。この際に、接離動機構１５，１５は、制御部１９の制御下で、モールド本体１３ａ，１４ａを底板１３ｂ，１４ｂに対して離間させた状態に保持する。したがって、両モールド１３，１４のスリットＳ，Ｓ・・がモールド本体１３ａ，１４ａの上面および下面間で連通状態となる結果、スリットＳ，Ｓ・・内の空気がスムーズに排出されて溶液Ｒが確実に含浸する。次いで、制御部１９は、モールド１３側の接離動機構１５を駆動制御することにより、図５に示すように、溶液Ｒ中においてモールド本体１３ａと底板１３ｂとを密着させる。この際には、モールド本体１３ａの下面に底板１３ｂが密着することにより、スリットＳａ，Ｓａ・・の下方が閉塞されて複数の溝（本発明における凹部）が形成される。
【００２３】
次に、図６に示すように、制御部１９は、上下動機構１６に対してモールド１３を上動させて溶液Ｒの外に取り出させると共に、上下動機構１２ａに対して基板２を下動させることにより、基板２の下面にモールド１３の上面（モールド本体１３ａの上面）を密着させる。この際に、モールド１３は、アーム部１６ａのリンク機構によって水平に保持された状態で上動させられる。次いで、制御部１９は、この状態のモールド１３をヒータ１８（図示せず）に対して所定時間加熱させることにより、モールド１３を介してスリットＳａ，Ｓａ・・内の溶液Ｒを熱硬化させる。この際に、上下動機構１２ａおよび上下動機構１６によって基板２とモールド１３とが互いに押し付けられた状態で溶液Ｒが硬化させられるため、基板２と、スリットＳａ，Ｓａ・・内の溶液Ｒとが確実に固着する。この後、制御部１９は、ヒータ１８に対する通電を停止すると共に、上下動機構１６に対してモールド１３を下動させ、かつ上下動機構１２ａに対して基板２を上動させる。これにより、図７に示すように、周期構造層３（柱状体３ａ，３ａ・・）が基板２の下面（同図において下側の面）に成型される。
【００２４】
続いて、制御部１９は、モールド１４側の接離動機構１５を駆動制御することにより、図７に示すように、溶液Ｒ中においてモールド本体１４ａと底板１４ｂとを密着させる。この際に、前述したモールド１３と同様にして、モールド本体１４ａの下面に底板１４ｂが密着することにより、スリットＳｂ，Ｓｂ・・の下方が閉塞されて複数の溝（本発明における凹部）が形成される。次に、図８に示すように、制御部１９は、上下動機構１７に対してモールド１４を上動させて溶液Ｒの外に取り出させると共に、上下動機構１２ａに対して基板２を下動させることにより、基板２に既に成型されている周期構造層３（本発明における（Ｍ−１）層目の周期構造体）の下面にモールド１４の上面（モールド本体１４ａの上面）を密着させる。この際には、アーム部１７ａのリンク機構によってモールド１４が水平に保持された状態で上動させられる。次いで、制御部１９は、この状態のモールド１４をヒータ１８に対して所定時間加熱させることにより、モールド１４を介してスリットＳｂ，Ｓｂ・・内の溶液Ｒを熱硬化させる。この際に、上下動機構１２ａおよび上下動機構１７によって周期構造層３とモールド１４とが互いに押し付けられた状態で溶液Ｒが硬化させられるため、周期構造層３と、スリットＳｂ，Ｓｂ・・内の溶液Ｒ（後に周期構造層４となる溶液Ｒ）とが確実に固着する。この後、制御部１９は、ヒータ１８に対する通電を停止すると共に上下動機構１７に対してモールド１４を下動させ、かつ上下動機構１２ａに対して基板２を上動させる。これにより、周期構造層３の下面に本発明におけるＭ層目の周期構造体に相当する周期構造層４（柱状体４ａ，４ａ・・）が成型される。
【００２５】
この後、制御部１９は、接離動機構１５による溶液Ｒ内でのスリットＳａ，Ｓａ・・の閉塞、上下動機構１６によるモールド１３の上動、上下動機構１２ａによる基板２の下動およびヒータ１８によるモールド１３の加熱（周期構造層３の成型）と、接離動機構１５による溶液Ｒ内でのスリットＳｂ，Ｓｂ・・の閉塞、上下動機構１７によるモールド１４の上動、上下動機構１２ａによる基板２の下動およびヒータ１８によるモールド１４の加熱（周期構造層４の成型）とを交互に所定回数だけ繰り返して実行する。これにより、基板２の下面に周期構造層３，４が交互に所定数だけ積層され、図１に示すように、フォトニック結晶１が製造される。なお、製造されたフォトニック結晶１は、基板保持部１２によって保持された状態では、同図に示す状態を上下反転させた姿勢で成型されている。
【００２６】
このように、この製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造方法によれば、制御部１９が、上下動機構１６，１７に対してモールド１３，１４を溶液Ｒ中に沈めさせてスリットＳ，Ｓ・・に溶液Ｒを含浸させた後に、溶液Ｒからモールド１３，１４を取り出し、基板２の下面または基板２の下面に成型されている周期構造層４，３の下面にモールド１３，１４の上面を接触させ、その状態でスリットＳ，Ｓ・・内の溶液Ｒをヒータ１８によって熱硬化させて周期構造層３，４を成型することにより、薄膜に対して型を強く押し付けることで微細な凹部を形成する従来のフォトニック結晶の製造方法とは異なり、モールド１３，１４に対して強い力を加えることがないため、モールド１３，１４の摩耗を軽減することができる。したがって、フォトニック結晶１の製造コストを低減しつつ、規則正しい周期構造（周期構造層３，４）を繰り返して積層して成型することができる。また、モールド１３，１４に対して強い力を加えることがないため、モールド１３，１４を形成するための形成用材料の選択肢を増やすことができる。このため、例えば、無機系、有機系または無機有機複合系の透明材料でモールド１３，１４を形成することも可能となり、これにより、溶液Ｒとして光硬化性材料を採用することも可能となる。さらに、形成用材料の選択肢が増えることで、選択する形成用材料によっては、モールド１３，１４を容易に形成することが可能となり、加えて材料コストの低減を図ることも可能となる結果、モールド１３，１４の製作コスト低減、ひいては、フォトニック結晶１の製造コストを一層低減することができる。また、この製造方法によれば、製造工程の初期段階で成型した周期構造層３，４に対しても強い力を加えることがないため、従来の製造方法とは異なり、周期構造（周期構造層３，４）を破壊することなく、光学的特性に優れたフォトニック結晶１を製造することができる。
【００２７】
また、この製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造方法によれば、スリットＳ，Ｓ・・が形成されたモールド本体１３ａ，１４ａと、モールド本体１３ａ，１４ａに接触させられてスリットＳ，Ｓの下方開口部位を閉塞することにより柱状体３ａ，３ａ・・４ａ，４ａ成型用の溝（本発明における凹部）の底面を構成する底板１３ｂ，１４ｂとからなるモールド１３，１４を使用して、スリットＳ，Ｓ・・に溶液Ｒを含浸させた後に溶液Ｒ中においてモールド本体１３ａ，１４ａと底板１３ｂ，１４ｂとを接離動機構１５に対して密着させることにより、スリットＳ，Ｓ・・内の空気をスムーズに排出することができるため、スリットＳ，Ｓ・・に溶液Ｒを確実に含浸させることができる。したがって、例えば高価な真空装置を用いた真空引きを不要としつつ、スリットＳ，Ｓ・・から確実に空気を排出させることができる結果、結晶構造に意図しない欠陥（周期構造層３，４の部分的欠落など）を生じさせることなく、特定波長の反射や透過などの動作特性（光学的特性）に優れたフォトニック結晶１を低コストで製造することができる。
【００２８】
さらに、この製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造方法によれば、周期構造層３（奇数層目の周期構造体）を成型するためのモールド１３と、周期構造層４（偶数層目の周期構造体）を成型するためのモールド１４とを交互に使用してフォトニック結晶１を成型することにより、モールド１３を上動させている間にモールド１４のスリットＳｂ，Ｓｂ・・に溶液Ｒを含浸させ、モールド１４を上動させている間にモールド１３のスリットＳａ，Ｓａ・・に溶液Ｒを含浸させることができる。このため、例えば１つのモールドを使用して本発明におけるＮ層の周期構造体のすべてを成型するフォトニック結晶の製造方法と比較して、周期構造層３，４・・を効率よく短時間で積層することができる結果、フォトニック結晶１の製造に要する作業時間を短縮して、その製造コストを低減することができる。
【００２９】
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、モールド１３，１４の２つを使用して周期構造層３，４を交互に積層するフォトニック結晶１の製造方法について説明したが、例えば、図９に示す製造装置３１のように、上下動機構３２ａ〜３２ｄによって個別的に上下動させられるモールド３３ａ〜３３ｄの４つを順に使用して、図１０に示すように、周期構造層３０ａ〜３０ｄを順に積層したフォトニック結晶３０を製造することもできる。この製造装置３１では、モールド３３ａ，３３ｃによって本発明における奇数層目の周期構造体（図１０に示す周期構造層３０ａ，３０ｃ）が成型され、モールド３３ｂ，３３ｄによって本発明における偶数層目の周期構造体（周期構造層３０ｂ，３０ｄ）が成型される。この場合、図９に示すように、モールド３３ａ〜３３ｄには、前述した製造装置１１におけるモールド１３，１４と同様にして複数のスリットＳ，Ｓ・・が形成されている。また、モールド３３ｃ，３３ｄに形成されたスリットＳ，Ｓ・・の数は、モールド３３ａ，３３ｂに形成されたスリットＳ，Ｓ・・の数よりも１つずつ少なくなっている。このため、図１０に示すように、モールド３３ａによって形成される周期構造層３０ａと、モールド３３ｃによって形成される周期構造層３０ｃとは、それぞれの柱状体が上下方向で重ならない位置に成型され、モールド３３ｂによって成型される周期構造層３０ｂと、モールド３３ｄによって成型される周期構造層３０ｄとは、それぞれの柱状体が上下方向で重ならない位置に成型される。したがって、その上下方向に特定波長の光のみを透過可能な３次元のフォトニック結晶３０を製造することができる。
【００３０】
また、上記した製造装置１１，３１によるフォトニック結晶１，３０の製造方法では、複数（この場合、２つまたは４つ）のモールドを使用して形状の異なる周期構造層（柱状体の数および成型位置が異なる周期構造層）を積層しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、図１１に示す製造装置４１のように、上下動機構３２ａによって上下動させられるモールド３３ａのみを使用して、図１２に示すように、同一形状の周期構造層４０ａ，４０ａ・・を順に積層したフォトニック結晶４０を製造することもできる。この製造装置４１は、図１１に示すように、上下動機構１２ａ（すなわち、基板保持部１２）を平面方向に沿って回転させることで基板２を同図のＣ方向に９０°ずつ回転させる回転機構４４を備えている。この製造装置４１によるフォトニック結晶４０の製造方法では、例えばモールド３３ａによって１層目の周期構造層４０ａを成型した後に、回転機構４４に対して基板２をＣ方向に９０°回転させ、その状態の周期構造層４０ａに対して２層目の周期構造層４０ａを積層する。この製造方法によれば、モールド（この場合、モールド３３ａ）を１つ製作するだけでフォトニック結晶４０を製造することができるため、フォトニック結晶４０の製造コストをより低減することができる。この場合、この製造方法を実行する際に、製造装置４１のように基板２を回転させるタイプに限定されず、モールド３３ａを９０°ずつ回転させる構成を採用することもできる。
【００３１】
さらに、前述した製造装置３１によるフォトニック結晶３０の製造方法では、モールド３３ａ，３３ｂとはスリットＳの形成数が異なるモールド３３ｃ，３３ｄを使用することで、周期構造層３０ａ，３０ｃの双方における柱状体の上下方向での重なりをなくすと共に、周期構造層３０ｂ，３０ｄの双方における柱状体の上下方向での重なりをなくした例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、上下動機構３２ａ，３２ｂを移動させることでモールド３３ａ，３３ｂをスライドさせるスライド機構５５ａ，５５ｂを有する製造装置５１を使用して、図１４に示すように、柱状体の上下方向での重なりをなくしたフォトニック結晶５０を製造することもできる。
【００３２】
この製造装置５１によるフォトニック結晶５０の製造方法では、まず、例えばモールド３３ａ，３３ｂを図１３に実線で示す位置に配置した状態で１層目の周期構造層５０ａおよび２層目の周期構造層５０ｂを順次成型する。次に、スライド機構５５ａに対して上下動機構３２ａをスリットＳの形成ピッチの１／２（本発明における周期構造体の（１／２）周期分）だけスライドさせることでモールド３３ａを点線で示す位置に移動させ（本発明における貫通孔の形成ピッチの向きに沿った方向への移動）、その状態のモールド３３ａによって３層目の周期構造層５０ａを成型する。同様にしてスライド機構５５ｂに対して上下動機構３２ｂをスリットＳの形成ピッチの１／２（本発明における周期構造体の（１／２）周期分）だけスライドさせることでモールド３３ｂを点線で示す位置に移動させ（本発明における貫通孔の形成ピッチの向きに沿った方向への移動）、その状態のモールド３３ｂによって４層目の周期構造層５０ｂを成型する。このように、スライド機構５５ａ，５５ｂに対して上下動機構３２ａ，３２ｂをスライド（すなわち、モールド３３ａ，３３ｂのスライド）させつつ周期構造層５０ａ，５０ｂを交互に成型することにより、モールド３３ａ，３３ｂの２つのみで３次元のフォトニック結晶５０を製造することができる。したがって、モールド数を半減させることができるため、形状が異なる複数の型を備えた製造装置３１を使用したフォトニック結晶の製造方法と比較して、３次元フォトニック結晶の製造コストを一層低減することができる。この場合、この製造方法を実行する際には、製造装置５１のようにモールド３３ａ，３３ｂを移動させるタイプに限定されず、基板保持部１２を移動（すなわち、基板２の移動）可能な構成を採用することもできる。
【００３３】
また、本発明の実施の形態に例示した各柱状部の大きさ、形および成型位置は、特に限定されず、製造するフォトニック結晶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。この場合、各周期構造層内に欠陥部分を形成することで、特定の光のみの透過や特定の光の導波が可能なフォトニック結晶を製造することもできる。この際には、モールドの製作時に、本発明における凹部の形成位置を適宜調節することで、特定の光を導波させる部分の周期性を調整して導波路（欠陥部に相当する）を形成する。さらに、本発明の実施の形態では、本発明における微細周期構造体成型用の溶液Ｒとして熱硬化性樹脂を使用した例を説明したが、本発明はこれに限定されず、樹脂以外の熱硬化性素材や、光硬化性の各種素材などを使用することができる。また、本発明に係る微細周期構造体の製造方法および製造装置は、フォトニック結晶の製造のみならず、各種の微細周期構造体の製造に適用が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の微細周期構造体の製造方法によれば、所定の周期構造を反転させた凹部を構成する貫通孔が形成された型本体と、貫通孔を閉塞することにより凹部の底面を構成する底板とを備えて周期構造体を成型可能に構成された型を用いて、型本体および底板を互いに離間させた状態で微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、型本体の貫通孔に溶液を含浸させた後に底板によって貫通孔を閉塞し、その状態の型本体および底板を溶液から取り出し、基板の下面または基板に成型されている（Ｍ−１）層目の周期構造体における下面に型の上面を接触させ、その状態で凹部内の溶液を硬化させてＭ層目の周期構造体を成型することにより、型に対して強い力を加えることがないため、型の摩耗を軽減することができる。したがって、微細周期構造体の製造コストを低減しつつ、規則正しい周期構造体を繰り返して成型することができる。また、型に対して強い力を加えることがないため、型を形成するための形成用材料の選択肢を増やすことができる。このため、例えば、透明樹脂材料で型を形成することも可能となる結果、溶液として光硬化性材料を採用することが可能となる。さらに、形成用材料の選択肢を増やせることで、型の製作コストを低減することも可能となる。加えて、この製造方法によれば、製造工程の初期段階で成型した周期構造層体に対しても強い力を加えることがないため、従来の製造方法とは異なり、加えられた力に起因する周期構造体の破壊を防止することができ、これにより、意図しない欠陥が周期構造に生じるのを回避することができる結果、特定波長の反射や透過などの動作特性に優れた微細周期構造体を成型することができる。
【００３５】
また、この製造方法によれば、型本体および底板を互いに離間させた状態で溶液中に沈め、型本体の貫通孔に溶液を含浸させた後に底板によって貫通孔を閉塞し、その状態の型本体および底板を溶液から取り出してＭ層目の周期構造体を成型することにより、貫通孔内の空気をスムーズに排出することができるため、貫通孔内に溶液を確実に含浸させることができる。したがって、微細周期構造体の結晶構造に意図しない欠陥を生じさせることなく、特定波長の反射や透過などの動作特性に優れた微細周期構造体を製造することができる。
【００３６】
さらに、請求項２記載の微細周期構造体の製造装置によれば、制御部が、接離動機構に対して型本体および底板を互いに離間させた状態で上下動機構に対して型本体および底板を溶液中に沈めさせて型本体の貫通孔に溶液を含浸させた後に、接離動機構に対して型本体に前記を接触させて貫通孔を閉塞させ、その状態の型本体および底板を上下動機構に対して溶液から取り出させて基板保持手段によって保持されている基板の下面または基板に成型されている（Ｍ−１）層目の周期構造体における下面に型の上面を接触させ、その状態で溶液硬化手段に対して凹部内の溶液を硬化させてＭ層目の周期構造体を成型することにより、型に対して強い力を加えることがないため、型の摩耗を軽減することができる。したがって、微細周期構造体の製造コストを低減しつつ、規則正しい周期構造体を繰り返して成型することができる。さらに、この製造装置によれば、製造工程の初期段階で成型した周期構造層体に対しても強い力を加えることがないため、従来の製造装置による製造方法とは異なり、加えられた力に起因する周期構造体の破壊を防止することができるため、特定波長の反射や透過などの動作特性に優れた微細周期構造体を成型することができる。
【００３７】
また、この微細周期構造体の製造装置によれば、制御部が、接離動機構に対して型本体および底板を互いに離間させた状態で上下動機構に対して型本体および底板を溶液中に沈めさせて型本体の貫通孔に溶液を含浸させた後に、接離動機構に対して型本体に底板を接触させて貫通孔を閉塞させ、その状態の型本体および底板を上下動機構に対して溶液から取り出させて周期構造体を成型することにより、貫通孔内の空気をスムーズに排出することができるため、特定波長の反射や透過などの動作特性に優れた微細周期構造体を製造することができる。
【００３８】
さらに、請求項３記載の微細周期構造体の製造装置によれば、奇数層目の周期構造体を成型するための第１の型と、偶数層目の周期構造体を成型するための第２の型とを交互に上下動させて周期構造体を成型することにより、例えば、第１の型を上動させている間に第２の型の凹部に溶液を含浸させることができるため、奇数層目の周期構造体と偶数層目の周期構造体とを効率よく積層することができる結果、微細周期構造体の製造に要する時間を短縮することができる結果、その製造コストを十分に低減することができる。
【００３９】
また、請求項４記載の微細周期構造体の製造装置によれば、回転機構に対して基板保持機構および型のいずれかを水平方向に沿って９０°回転させた後に、上下動機構に対して型を（Ｍ−１）層目の周期構造体における下面に接触させてＭ層目の周期構造体を成型することにより、型を１つ使用するだけで微細周期構造体を製造することができるため、微細周期構造体の製造コストを十分に低減することができる。
【００４０】
さらに、請求項５記載の微細周期構造体の製造装置によれば、移動機構に対して基板保持機構および型のいずれかを貫通孔の形成ピッチの向きに沿って周期構造体の（１／２）周期分だけ移動させた後に、上下動機構に対して型を（Ｍ−１）層目の周期構造体における下面に接触させてＭ層目の周期構造体を成型することにより、形状が異なる複数の型を用いて微細周期構造体を製造する製造装置と比較して、微細周期構造体の製造コストを十分に低減することができる。
【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】本発明の実施の形態に係る製造装置１１の構成を示すブロック図である。
【図３】フォトニック結晶１における周期構造層３，４を成型するためのモールド１３，１４の外観斜視図である。
【図４】製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造工程においてモールド１３，１４を溶液Ｒ中に沈めた状態の側面断面図である。
【図５】製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造工程においてモールド１３のモールド本体１３ａおよび底板１３ｂを溶液Ｒ中で密着させた状態の側面断面図である。
【図６】製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造工程においてスリットＳａ，Ｓａ・・に溶液Ｒを含浸させたモールド１３を基板２の下面に密着させた状態の側面断面図である。
【図７】製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造工程においてモールド１４のモールド本体１４ａおよび底板１４ｂを溶液Ｒ中で密着させた状態の側面断面図である。
【図８】製造装置１１によるフォトニック結晶１の製造工程においてスリットＳｂ，Ｓｂ・・に溶液Ｒを含浸させたモールド１４を周期構造層３の下面に密着させた状態の側面断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る製造装置３１の平面図である。
【図１０】製造装置３１を用いて製造したフォトニック結晶３０の外観斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係る製造装置４１の平面図である。
【図１２】製造装置４１を用いて製造したフォトニック結晶４０の外観斜視図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態に係る製造装置５１の平面図である。
【図１４】製造装置５１を用いて製造したフォトニック結晶５０の外観斜視図である。
【符号の説明】
１，３０，４０，５０フォトニック結晶
２基板
３，４，３０ａ〜３０ｄ，４０ａ，５０ａ,５０ｂ周期構造層
３ａ，４ａ柱状体
１１，３１，４１，５１製造装置
１２基板保持部
１２ａ上下動機構
１３，１４，３３ａ〜３３ｄモールド
１３ａ，１４ａモールド本体
１３ｂ，１３ｂ底板
１５接離動機構
１６，１７，３２ａ〜３２ｄ上下動機構
１６ａ，１７ａアーム部
１８ヒータ
１９制御部
２０容器
４４回転機構
５５ａ，５５ｂスライド機構
Ｒ溶液
Ｓ，Ｓａ，Ｓｂスリット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is configured so that a fine periodic structure can be manufactured according to a manufacturing method of a fine periodic structure that manufactures a fine periodic structure by stacking N layers of periodic structures having a predetermined periodic structure. The present invention relates to an apparatus for manufacturing a fine periodic structure.
[0002]
[Prior art]
As a method for manufacturing this type of fine periodic structure, there is a method for manufacturing a photonic crystal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-284136. In this case, the photonic crystal is an example of a fine periodic structure in which two types of optical materials having different refractive indexes (including the case where one is air) are periodically arranged in the wavelength order of light. It is configured. In this manufacturing method, first, a thin film (2) is laminated on a substrate (1) with a material R1 having a first refractive index. In this case, the thin film (2) and the thin film (3) to be described later are formed into a thin film shape by spin-coating the liquid materials R1 and R2 and then thermosetting them. Next, the mold (4) having a plurality of convex portions formed on the lower surface thereof in a checkered pattern is strongly pressed against the upper surface of the thin film (2), thereby forming a checkered concave portion with a depth of about the thickness of the thin film (2). Is formed into a thin film (2). Next, the thin film (3) is laminated on the thin film (2) in this state by the material R2 having a second refractive index different from that of the material R1. Subsequently, by strongly pressing the mold (4) against the upper surface of the thin film (3), a checkered concave portion is formed in the thin film (3) with a depth of about the thickness of the thin film (3). Thereafter, the lamination of the thin film (2) and the formation of the recess by the mold (4) and the lamination of the thin film (3) and the formation of the depression by the mold (4) are alternately performed a predetermined number of times. As a result, a three-dimensional photonic crystal is produced in which the materials R1 and R2 are alternately present at a predetermined pitch no matter which direction is viewed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method for producing a photonic crystal as a fine periodic structure has the following problems. That is, in the conventional photonic crystal manufacturing method, the mold (4) is strongly pressed after the thin film (2, 3) is formed, so that the protrusions formed on the lower surface of the mold (4) are removed from the thin film (2, 3). ) Is transferred (engraved) to form a two-dimensional periodic structure within the thickness of the thin film (2, 3). In this case, the formation pitch of the two-dimensional periodic structure (that is, the formation pitch of the recesses formed in the thin films (2, 3)) is very narrow, for example, about several tens of micrometers. Further, the laminated thin films (2, 3) need to have a certain degree of hardness so that the periodic structure can be maintained even after the concave portions are formed. Therefore, in the manufacturing method in which the fine pitch is transferred (engraved) by pressing the die (4) against the thin film (2, 3), the die (4) is heavily worn, and as a result, a regular periodic structure is repeatedly formed. It becomes difficult to do. For this reason, the mold (4) whose production cost is relatively high must be periodically replaced, which causes a problem of increasing the production cost of the photonic crystal.
[0004]
In the conventional photonic crystal manufacturing method, the thin film (3, 2) is formed on the thin film (2, 3) that has already been formed with the recesses, and the mold (4) is formed on the thin film (3, 2). The concave portion is formed by strongly pressing. Therefore, the thin film (2, 3) (that is, the thin film (2, 3) on the substrate (1) side) laminated in the initial stage of the photonic crystal is formed in the thin film (3, 2) formed thereafter. A large force is applied many times when the recess is formed in the substrate. For this reason, due to this force being applied, the two-dimensional periodic structure of the thin film (2, 3) laminated in the initial stage is destroyed, resulting in an unintended defect in the periodic structure. There is a problem in that the optical characteristics of the photonic crystal are remarkably deteriorated.
[0005]
In this case, the publication discloses a plurality of recesses for each thin film by alternately laminating a predetermined number of thin films (2, 3) and pressing the mold (4) only once against the laminated body. Is disclosed. According to this manufacturing method, it is possible to suppress wear of the mold (4) and to prevent the periodic structure from being broken due to repeated application of force. However, in this manufacturing method, the thin film (2, 3) far from the thin film (2, 3) against which the mold (4) is pressed is applied to the thin film (2, 3) on the substrate (1) side by the mold (4). Force may not be transmitted. In such a case, a concave portion having a desired depth (a depth about the thickness of each thin film (2, 3)) cannot be formed, so that the optical characteristics of the photonic crystal are remarkably deteriorated. .
[0006]
The present invention has been made in view of such problems, and a method for manufacturing a fine periodic structure that can reduce manufacturing costs without causing unintended defects in the periodic structure, and a fine periodic structure according to the manufacturing method thereof It is a main object to provide a manufacturing apparatus of a fine periodic structure capable of manufacturing the structure.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for producing a fine periodic structure according to claim 1 is to produce a fine periodic structure by laminating N layers (N is a natural number of 2 or more) of periodic structures having a predetermined periodic structure. A method for manufacturing a fine periodic structure, wherein a mold body in which a through-hole forming a concave portion obtained by inverting the predetermined periodic structure is formed, and a bottom plate that forms a bottom surface of the concave portion by closing the through-hole The mold body and the bottom plate are submerged in a solution for molding a fine periodic structure in a state where the mold body and the bottom plate are separated from each other. The through hole is impregnated with the bottom plate after the through hole is impregnated with the bottom plate, and the mold body and the bottom plate in that state are taken out of the solution and molded on the lower surface of the substrate or the substrate (M-1 ) Layer (M is N or less) Wherein the upper surface of the mold is brought into contact with the lower surface of the periodic structure, the solution of the recess in this state is cured to mold the periodic structure of the M-th natural number) of.
[0008]
A fine periodic structure manufacturing apparatus according to claim 2 is a fine periodic structure manufacturing apparatus configured to be able to manufacture the fine periodic structure according to the method of manufacturing a fine periodic structure according to claim 1, The mold capable of molding the periodic structure, substrate holding means for holding the substrate, contact / separation mechanism for moving one of the mold body and the bottom plate toward or away from the other, and A vertical movement mechanism for removing the mold from the solution and bringing the upper surface into contact with the lower surface of the periodic structure of the (M-1) -th layer of the substrate, and a solution for curing the solution in the recess A curing unit; and a control unit that controls the vertical movement mechanism and the solution curing unit, wherein the control unit moves the vertical body in a state where the mold body and the bottom plate are separated from each other with respect to the contact / separation mechanism. Dynamic mechanism The mold body and the bottom plate are submerged in the solution so that the solution is impregnated in the through hole of the mold body, and then the bottom plate is brought into contact with the mold body with respect to the contact / separation mechanism. The through hole is closed, and the mold body and the bottom plate in that state are taken out of the solution with respect to the vertical movement mechanism and molded on the lower surface of the substrate or the substrate held by the substrate holding means. The upper surface of the mold is brought into contact with the lower surface of the periodic structure of the (M-1) th layer, and the solution in the recess is cured with respect to the solution curing means in that state, thereby the M layer. Mold the periodic structure of the eye.
[0009]
The fine periodic structure manufacturing apparatus according to claim 3 is the fine periodic structure manufacturing apparatus according to claim 2, wherein the odd-numbered periodic structure of the N-layer periodic structure is molded. 1 and a second mold for molding an even-numbered periodic structure of the N-layer periodic structures as the mold, and the control unit controls the vertical movement mechanism with respect to the vertical movement mechanism. The periodic structure is molded by alternately moving the first mold and the second mold up and down.
[0010]
The fine periodic structure manufacturing apparatus according to claim 4 is the fine periodic structure manufacturing apparatus according to claim 2, wherein the substrate holding mechanism or the mold is rotated by 90 ° along the horizontal direction. The control unit rotates the substrate holding mechanism and the mold by 90 ° along the horizontal direction with respect to the rotation mechanism, and then moves the mold to the vertical movement mechanism (M -1) The M-th periodic structure is molded by contacting the lower surface of the periodic structure of the layer.
[0011]
The fine periodic structure manufacturing apparatus according to claim 5 is the fine periodic structure manufacturing apparatus according to claim 2 or 3, wherein either the substrate holding mechanism or the mold is (1/2) of the periodic structure. ) Including a moving mechanism that moves in a horizontal direction by a period, and the control unit moves either the substrate holding mechanism or the mold with respect to the moving mechanism. Along the direction of the formation pitch of the through holes After the movement by the (1/2) period, the mold is brought into contact with the lower surface of the periodic structure of the (M-1) layer with respect to the vertical movement mechanism, and the M layer periodic structure. Mold the body.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS A preferred embodiment of a method for producing a fine periodic structure according to the invention and a production apparatus for producing a fine periodic structure according to the production method will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0013]
First, a photonic crystal 1 manufactured according to the method for manufacturing a fine periodic structure according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
The photonic crystal 1 is used for photoluminescence and laser beams, starting with use as an ultra-compact optical circuit used in optical circuit components such as an optical multiplexer / demultiplexer, wavelength multi-polymerization demultiplexer, and spectrometer (diffraction grating). Light emitting element or light receiving element, various sensors (detecting elements such as gas, strain, temperature, voltage and current), and shield materials and antennas for millimeter waves and microwaves. As shown in FIG. 1, the photonic crystal 1 is configured by alternately laminating a periodic structure layer 3 and a periodic structure layer 4 corresponding to a periodic structure in the present invention on a substrate 2. The substrate 2 functions as a support when the periodic structure layers 3, 4... Are formed when the photonic crystal 1 is manufactured, and also functions as a base of the photonic crystal 1 after completion. The periodic structure layer 3 corresponds to the odd-numbered periodic structure in the present invention. For example, the prismatic columnar bodies 3a, 3a,... Having a side edge of about 50 μm are arranged in parallel at equal intervals of about 50 μm. It is configured. The periodic structure layer 4 corresponds to the even-numbered periodic structure in the present invention, and the formed prismatic columnar bodies 4a, 4a,... Are arranged at equal intervals in the same manner as the columnar bodies 3a of the periodic structure layer 3. It is installed and configured. In this case, the columnar bodies 3a, 3a,... Of the periodic structure layer 3 and the columnar bodies 4a, 4a,.
[0015]
As will be described later, the photonic crystal 1 corresponds to a photonic crystal material solution such as an organic material solution, an inorganic material solution, and an organic-inorganic composite material solution (corresponding to a solution for molding a fine periodic structure in the present invention, (Hereinafter also referred to as “solution”) R (see FIG. 4) is cured, and depending on the optical characteristics required for the photonic crystal 1, the material used as the solution R and the periodic structure layers 3, 4 The height, the shape of the columnar bodies 3a, 4a, the thickness, the parallel pitch, the number of the parallel bars, and the like are appropriately adjusted. In the embodiment of the present invention, a thermosetting resin is used as an example of the solution R. Further, in the drawings described in the embodiments of the present invention, the number of columnar bodies 3a, 3a, 4a, 4a,... Is reduced to facilitate understanding of the present invention. Actually, the periodic structure layers 3 and 4 are constituted by a larger number of columnar bodies 3a, 3a... 4a, 4a. In addition, the molds 13 and 14 (see FIG. 3) used in the manufacturing method described later are actually configured so that a large number of columnar bodies 3a, 3a, 4a, 4a,.
[0016]
Next, a fine periodic structure manufacturing apparatus (hereinafter also referred to as “manufacturing apparatus”) 11 configured to be able to manufacture the photonic crystal 1 will be described with reference to the drawings.
[0017]
As shown in FIG. 2, the manufacturing apparatus 11 includes a substrate holder 12, molds 13 and 14, contact / separation mechanisms 15 and 15, vertical movement mechanisms 16 and 17, a heater 18, a controller 19, and a container 20. . The substrate holding portion 12 corresponds to the substrate holding means in the present invention, is configured to hold the substrate 2 of the photonic crystal 1 described above, and is attached to the vertical movement mechanism 12a. In this case, the vertical movement mechanism 12a is configured by an air cylinder as an example, and the substrate held by the substrate holding unit 12 as described later by moving the substrate holding unit 12 under the control of the control unit 19 as described below. 2 is pressed against the upper surfaces of the molds 13 and 14. The mold 13 corresponds to the first mold in the present invention, the mold main body 13a corresponding to the mold main body in the present invention, and the mold main body 13a disposed below the mold main body 13a, and the contact / separation mechanism 15 to the mold main body 13a. And a bottom plate 13b that can be moved toward and away. The mold 14 corresponds to the second mold in the present invention, the mold main body 14a corresponding to the mold main body in the present invention, and the mold main body 14a disposed below the mold main body 14a with respect to the mold main body 14a. And a bottom plate 14b that can be moved toward and away.
[0018]
In this case, the mold bodies 13a and 14a and the bottom plates 13b and 14b are made of SiO. ₂ , Si, SiC, metals and metal oxides, and nanocomposite materials (nano-sized composite materials) in which inorganic materials and organic materials are combined. Further, as shown in FIG. 3, the mold body 13a has slits Sa, Sa,... Which correspond to the through holes in the present invention and for molding the columnar bodies 3a, 3a,. Is formed. The slits Sa, Sa,... Are closed when the bottom plate 13b is brought into contact with the lower surface of the mold body 13a, and together with the upper surface of the bottom plate 13b constitutes a recess in the present invention. Further, the mold body 14a is formed with slits Sb, Sb,... Which correspond to the through holes in the present invention and for molding the above-described columnar bodies 4a, 4a,. The slits Sb, Sb,... Are closed when the bottom plate 14b is brought into contact with the lower surface of the mold body 14a, and together with the upper surface of the bottom plate 14b, constitutes a recess in the present invention. Hereinafter, when the slit Sa of the mold body 13a and the slit Sb of the mold body 14a are not distinguished, they are also referred to as slits S.
[0019]
The slit S has a plurality of holes (slits) arranged at a predetermined arrangement pitch on a flat plate formed of the above-described material using a fine structure processing apparatus such as a laser beam drawing apparatus, an electron beam drawing apparatus, and a reactive ion etching apparatus. After being formed by the above method, it is processed with high accuracy by wet etching or dry etching. As shown in FIG. 4, the molds 13 and 14 include arm portions 16a, which will be described later, in a direction in which the extending direction of the slits Sa, Sa,... And the extending direction of the slits Sb, Sb,. It is attached to 17a. On the other hand, the contact / separation mechanism 15 moves the bottom plates 13b, 14b relative to the mold bodies 13a, 14a under the control of the control unit 19 to move the slits S, S,. The lower opening is closed or opened.
[0020]
As shown in FIG. 4, the vertical movement mechanisms 16 and 17 are provided between the solution R stored in the container 20 and the lower part of the substrate 2 held by the substrate holding unit 12 via the arm parts 16 a and 17 a. The molds 13 and 14 are moved up and down in the directions of arrows A and B, respectively. In this case, the arm portions 16a and 17a are configured to include a so-called link mechanism, and are configured to be movable up and down while holding the molds 13 and 14 horizontally. The heater 18 corresponds to the solution curing means in the present invention, and cures the solution R in the slits S, S... By heating the molds 13 and 14 under the control of the control unit 19. The control unit 19 controls the drive of the substrate holding unit 12, the vertical movement mechanism 12 a, the contact / separation movement mechanisms 15 and 15, and the vertical movement mechanisms 16 and 17, and controls the energization of the heater 18 to heat the molds 13 and 14. Let The container 20 is formed so as to be able to contain the solution R, and is formed to a depth capable of sinking both the molds 13 and 14 in the solution R.
[0021]
Next, the manufacturing method of the photonic crystal 1 by this manufacturing apparatus 11 is demonstrated with reference to drawings.
[0022]
First, as shown in FIG. 4, the solution R is poured into the container 20 and the substrate 2 is held by the substrate holder 12. At this time, the substrate 2 is held by the substrate holding unit 12 in a state where the vertical direction is inverted with respect to the state of the photonic crystal 1 shown in FIG. Next, the control unit 19 drives and controls the vertical movement mechanisms 16 and 17 to sink both of the molds 13 and 14 in the solution R in the container 20, and the solution is placed in the slits S and S of the mold main bodies 13 a and 14 a. Impregnated with R. At this time, the contact / separation moving mechanisms 15 and 15 hold the mold main bodies 13a and 14a apart from the bottom plates 13b and 14b under the control of the control unit 19. Therefore, as a result of the slits S, S,... Of both molds 13, 14 being in communication between the upper and lower surfaces of the mold bodies 13a, 14a, the air in the slits S, S,. Ensure impregnation. Next, the control unit 19 drives and controls the contact / separation mechanism 15 on the mold 13 side to bring the mold body 13a and the bottom plate 13b into close contact with each other in the solution R as shown in FIG. At this time, the bottom plate 13b is brought into close contact with the lower surface of the mold body 13a, whereby the lower portions of the slits Sa, Sa,... Are closed to form a plurality of grooves (recesses in the present invention).
[0023]
Next, as shown in FIG. 6, the control unit 19 moves the mold 13 upward with respect to the vertical movement mechanism 16 to take it out of the solution R, and lowers the substrate 2 with respect to the vertical movement mechanism 12a. By doing so, the upper surface of the mold 13 (the upper surface of the mold body 13a) is brought into close contact with the lower surface of the substrate 2. At this time, the mold 13 is moved upward while being held horizontally by the link mechanism of the arm portion 16a. Next, the control unit 19 heats the solution R in the slits Sa, Sa,... Via the mold 13 by heating the mold 13 in this state to a heater 18 (not shown) for a predetermined time. At this time, since the solution R is cured while the substrate 2 and the mold 13 are pressed against each other by the vertical movement mechanism 12a and the vertical movement mechanism 16, the substrate 2 and the solution R in the slits Sa, Sa,. Is firmly fixed. Thereafter, the control unit 19 stops energization of the heater 18, lowers the mold 13 with respect to the vertical movement mechanism 16, and moves the substrate 2 upward with respect to the vertical movement mechanism 12a. Thereby, as shown in FIG. 7, the periodic structure layer 3 (columnar bodies 3a, 3a,...) Is formed on the lower surface of the substrate 2 (the lower surface in FIG. 7).
[0024]
Subsequently, the controller 19 controls the contact / separation mechanism 15 on the mold 14 side to bring the mold body 14a and the bottom plate 14b into close contact with each other in the solution R as shown in FIG. At this time, in the same manner as the mold 13 described above, the bottom plate 14b is brought into close contact with the lower surface of the mold main body 14a, whereby the lower portions of the slits Sb, Sb,. Is done. Next, as shown in FIG. 8, the control unit 19 moves the mold 14 upward with respect to the vertical movement mechanism 17 to take it out of the solution R, and lowers the substrate 2 with respect to the vertical movement mechanism 12a. By doing so, the upper surface of the mold 14 (the upper surface of the mold body 14a) is brought into close contact with the lower surface of the periodic structure layer 3 (the (M-1) -th layer periodic structure in the present invention) already molded on the substrate 2. At this time, the mold 14 is moved up in a state of being held horizontally by the link mechanism of the arm portion 17a. Next, the control unit 19 heats the solution 14 in the slits Sb, Sb,... Via the mold 14 by heating the mold 14 in this state to the heater 18 for a predetermined time. At this time, since the solution R is cured while the periodic structure layer 3 and the mold 14 are pressed against each other by the vertical movement mechanism 12a and the vertical movement mechanism 17, the periodic structure layer 3 and the slits Sb, Sb,. The solution R (solution R which will become the periodic structure layer 4 later) adheres securely. Thereafter, the control unit 19 stops energization of the heater 18, lowers the mold 14 with respect to the vertical movement mechanism 17, and moves the substrate 2 upward with respect to the vertical movement mechanism 12 a. Thereby, the periodic structure layer 4 (columnar bodies 4a, 4a,...) Corresponding to the Mth periodic structure in the present invention is formed on the lower surface of the periodic structure layer 3.
[0025]
Thereafter, the control unit 19 closes the slits Sa, Sa,... In the solution R by the contact / separation moving mechanism 15, the upward movement of the mold 13 by the vertical movement mechanism 16, the downward movement of the substrate 2 by the vertical movement mechanism 12a, and Heating of the mold 13 by the heater 18 (molding of the periodic structure layer 3), closing of the slits Sb, Sb... In the solution R by the contact / separation moving mechanism 15, and the upward and downward movement of the mold 14 by the vertical movement mechanism 17 The downward movement of the substrate 2 by the mechanism 12a and the heating of the mold 14 by the heater 18 (molding of the periodic structure layer 4) are alternately repeated a predetermined number of times. As a result, a predetermined number of the periodic structure layers 3 and 4 are alternately stacked on the lower surface of the substrate 2, and the photonic crystal 1 is manufactured as shown in FIG. In addition, the manufactured photonic crystal 1 is molded in a posture in which the state shown in FIG.
[0026]
As described above, according to the manufacturing method of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11, the control unit 19 causes the vertical movement mechanisms 16 and 17 to sink the molds 13 and 14 in the solution R and slits S and S. After the solution R is impregnated in the mold R, the molds 13 and 14 are taken out from the solution R, and the upper surfaces of the molds 13 and 14 are formed on the lower surface of the substrate 2 or the lower surfaces of the periodic structure layers 4 and 3 formed on the lower surface of the substrate 2. In this state, the solution R in the slits S, S... Is thermally cured by the heater 18 to form the periodic structure layers 3 and 4, thereby pressing the mold strongly against the thin film to form fine concave portions. Unlike the conventional photonic crystal manufacturing method for forming, since no strong force is applied to the molds 13 and 14, wear of the molds 13 and 14 can be reduced. Therefore, the regular periodic structure (periodic structure layers 3 and 4) can be repeatedly laminated and molded while reducing the manufacturing cost of the photonic crystal 1. Moreover, since strong force is not applied with respect to the molds 13 and 14, the choice of the forming material for forming the molds 13 and 14 can be increased. For this reason, for example, it is possible to form the molds 13 and 14 with an inorganic, organic, or inorganic-organic composite transparent material, whereby a photo-curable material can be used as the solution R. Furthermore, by increasing the choice of the forming material, it becomes possible to easily form the molds 13 and 14 depending on the forming material to be selected. In addition, the material cost can be reduced. The manufacturing cost of 13, 14 can be reduced, and the manufacturing cost of the photonic crystal 1 can be further reduced. Further, according to this manufacturing method, since a strong force is not applied to the periodic structure layers 3 and 4 molded in the initial stage of the manufacturing process, the periodic structure (periodic structure layer is different from the conventional manufacturing method). The photonic crystal 1 having excellent optical characteristics can be produced without destroying 3, 4).
[0027]
Moreover, according to the manufacturing method of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11, the mold bodies 13a and 14a in which the slits S, S... Are formed, and the slits S and S are brought into contact with the mold bodies 13a and 14a. By using the molds 13 and 14 comprising the bottom plates 13b and 14b constituting the bottom surfaces of the grooves (recesses in the present invention) for forming the columnar bodies 3a, 3a,. After impregnating the solution R into S, S,..., The mold bodies 13 a, 14 a and the bottom plates 13 b, 14 b are brought into close contact with the contact / separation mechanism 15 in the solution R, so that the slits S, S,. Since the air can be smoothly discharged, the solution R can be surely impregnated in the slits S, S. Therefore, for example, it is possible to reliably exhaust air from the slits S, S... While eliminating the need for evacuation using an expensive vacuum apparatus, and as a result, unintended defects in the crystal structure (parts of the periodic structure layers 3 and 4 The photonic crystal 1 excellent in operating characteristics (optical characteristics) such as reflection and transmission of a specific wavelength can be manufactured at low cost without causing any omission).
[0028]
Furthermore, according to the manufacturing method of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11, the mold 13 for molding the periodic structure layer 3 (odd-numbered periodic structure) and the periodic structure layer 4 (period of the even-numbered layer). By alternately using the molds 14 for molding the structure), the photonic crystal 1 is molded, so that the solution R is applied to the slits Sb, Sb,. It is possible to impregnate the slit R of the mold 13 with the solution R while the mold 14 is moved up. For this reason, for example, the periodic structure layers 3, 4,... Can be formed efficiently and in a short time as compared with the photonic crystal manufacturing method in which all the N-layer periodic structures in the present invention are formed using one mold. As a result of being able to be laminated, the work time required for manufacturing the photonic crystal 1 can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
[0029]
The present invention is not limited to the configuration shown in the above-described embodiment of the present invention. For example, in the embodiment of the present invention, the method for manufacturing the photonic crystal 1 in which the periodic structure layers 3 and 4 are alternately stacked using the two molds 13 and 14 has been described. For example, FIG. As shown in FIG. 10, the periodic structure layers 30 a to 30 d are sequentially stacked using four molds 33 a to 33 d that are individually moved up and down by the vertical movement mechanisms 32 a to 32 d like the manufacturing apparatus 31. The photonic crystal 30 can also be manufactured. In this manufacturing apparatus 31, the odd-numbered periodic structure bodies (periodic structure layers 30a and 30c shown in FIG. 10) in the present invention are molded by the molds 33a and 33c, and the even-numbered periodic periods in the present invention are formed by the molds 33b and 33d. Structures (periodic structure layers 30b and 30d) are molded. In this case, as shown in FIG. 9, a plurality of slits S, S... Are formed in the molds 33a to 33d in the same manner as the molds 13 and 14 in the manufacturing apparatus 11 described above. Further, the number of slits S, S... Formed in the molds 33c, 33d is smaller by one than the number of slits S, S .. formed in the molds 33a, 33b. For this reason, as shown in FIG. 10, the periodic structure layer 30a formed by the mold 33a and the periodic structure layer 30c formed by the mold 33c are molded at positions where the respective columnar bodies do not overlap in the vertical direction, The periodic structure layer 30b formed by the mold 33b and the periodic structure layer 30d formed by the mold 33d are formed at positions where the respective columnar bodies do not overlap in the vertical direction. Therefore, a three-dimensional photonic crystal 30 that can transmit only light of a specific wavelength in the vertical direction can be manufactured.
[0030]
Moreover, in the manufacturing method of the photonic crystals 1 and 30 by the manufacturing apparatuses 11 and 31 described above, a plurality of (in this case, two or four) molds are used to form periodic structure layers having different shapes (the number of columnar bodies and However, the present invention is not limited to this. For example, as in the manufacturing apparatus 41 shown in FIG. 11, only the mold 33a that is moved up and down by the vertical movement mechanism 32a is used. As shown in FIG. 12, it is also possible to produce a photonic crystal 40 in which periodic structure layers 40a, 40a,. As shown in FIG. 11, the manufacturing apparatus 41 rotates the substrate 2 by 90 ° in the C direction in FIG. 11 by rotating the vertical movement mechanism 12 a (that is, the substrate holding unit 12) along the plane direction. A mechanism 44 is provided. In the manufacturing method of the photonic crystal 40 by the manufacturing apparatus 41, for example, after the first periodic structure layer 40a is formed by the mold 33a, the substrate 2 is rotated by 90 ° in the C direction with respect to the rotation mechanism 44, and the state The second periodic structure layer 40a is stacked on the periodic structure layer 40a. According to this manufacturing method, since the photonic crystal 40 can be manufactured by manufacturing only one mold (in this case, the mold 33a), the manufacturing cost of the photonic crystal 40 can be further reduced. In this case, when performing this manufacturing method, it is not limited to the type which rotates the board | substrate 2 like the manufacturing apparatus 41, The structure which rotates the mold 33a 90 degrees can also be employ | adopted.
[0031]
Furthermore, in the manufacturing method of the photonic crystal 30 by the manufacturing apparatus 31 mentioned above, the columnar shape in both the periodic structure layers 30a and 30c is used by using the molds 33c and 33d in which the number of slits S is different from the molds 33a and 33b. Although the example in which the vertical overlap of the body is eliminated and the vertical overlap of the columnar bodies in both the periodic structure layers 30b and 30d has been described, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 13, a manufacturing apparatus 51 having slide mechanisms 55a and 55b for sliding the molds 33a and 33b by moving the vertical movement mechanisms 32a and 32b as shown in FIG. It is also possible to manufacture the photonic crystal 50 that eliminates the vertical overlap of the body.
[0032]
In the manufacturing method of the photonic crystal 50 by the manufacturing apparatus 51, first, for example, the first periodic structure layer 50a and the second periodic structure layer in a state where the molds 33a and 33b are arranged at the positions indicated by the solid lines in FIG. 50b is molded sequentially. Next, the mold 33a is indicated by a dotted line by sliding the vertical movement mechanism 32a with respect to the slide mechanism 55a by ½ of the formation pitch of the slit S ((1/2) period of the periodic structure in the present invention). Move to position (Movement in the direction along the direction of the formation pitch of the through holes in the present invention) The third periodic structure layer 50a is molded by the mold 33a in this state. Similarly, the mold 33b is indicated by a dotted line by sliding the vertical movement mechanism 32b with respect to the slide mechanism 55b by 1/2 of the formation pitch of the slit S ((1/2) period of the periodic structure in the present invention). Move to position (Movement in the direction along the direction of the formation pitch of the through holes in the present invention) Then, the fourth periodic structure layer 50b is molded by the mold 33b in that state. In this manner, the molds 33a and 33b are formed by alternately forming the periodic structure layers 50a and 50b while sliding the vertical movement mechanisms 32a and 32b with respect to the slide mechanisms 55a and 55b (that is, sliding the molds 33a and 33b). The three-dimensional photonic crystal 50 can be manufactured with only two of these. Therefore, since the number of molds can be halved, the manufacturing cost of the three-dimensional photonic crystal can be further reduced as compared with the photonic crystal manufacturing method using the manufacturing apparatus 31 having a plurality of molds having different shapes. be able to. In this case, when performing this manufacturing method, it is not limited to the type which moves mold 33a, 33b like the manufacturing apparatus 51, The structure which can move the board | substrate holding | maintenance part 12 (namely, movement of the board | substrate 2). It can also be adopted.
[0033]
Further, the size, shape, and molding position of each columnar portion exemplified in the embodiment of the present invention are not particularly limited, and can be appropriately changed according to the optical characteristics required for the photonic crystal to be manufactured. In this case, a photonic crystal capable of transmitting only specific light or guiding specific light can be manufactured by forming a defective portion in each periodic structure layer. In this case, the waveguide (corresponding to a defective portion) is formed by adjusting the periodicity of the portion that guides specific light by appropriately adjusting the formation position of the concave portion in the present invention at the time of manufacturing the mold. To do. Furthermore, in the embodiment of the present invention, an example in which a thermosetting resin is used as the solution R for forming a fine periodic structure in the present invention has been described. However, the present invention is not limited to this, and thermosetting other than the resin is performed. And various photo-curable materials can be used. The method and apparatus for producing a fine periodic structure according to the present invention can be applied not only to the production of photonic crystals but also to the production of various fine periodic structures.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a fine periodic structure according to claim 1, by closing the through hole and the mold body in which the through hole constituting the concave portion obtained by inverting the predetermined periodic structure is formed. A mold having a bottom plate that constitutes the bottom surface of the recess and configured to mold the periodic structure is immersed in a solution for molding a fine periodic structure in a state where the mold body and the bottom plate are separated from each other. After the through hole of the main body is impregnated with the solution, the through hole is closed by the bottom plate, the mold main body and the bottom plate in that state are taken out from the solution, and the period of the (M-1) layer formed on the lower surface of the substrate or the substrate Since the upper surface of the mold is brought into contact with the lower surface of the structure and the solution in the recess is cured in this state to mold the M-th periodic structure, a strong force is not applied to the mold. Wear can be reduced. Therefore, it is possible to repeatedly form a regular periodic structure while reducing the manufacturing cost of the fine periodic structure. In addition, since a strong force is not applied to the mold, choices of forming materials for forming the mold can be increased. For this reason, for example, it becomes possible to form a mold with a transparent resin material. As a result, it is possible to employ a photocurable material as the solution. Furthermore, it is possible to reduce the manufacturing cost of the mold by increasing the choices of the forming material. In addition, according to this manufacturing method, a strong force is not applied even to the periodic structure layer formed in the initial stage of the manufacturing process, which is different from the conventional manufacturing method due to the applied force. As a result of preventing the destruction of the periodic structure and thereby preventing the occurrence of unintended defects in the periodic structure, a fine periodic structure having excellent operating characteristics such as reflection and transmission of a specific wavelength can be obtained. Can be molded.
[0035]
Further, according to this manufacturing method, the mold body and the bottom plate are submerged in a solution in a state of being separated from each other, and the through hole of the mold body is impregnated with the solution, and then the through hole is closed by the bottom plate. By removing the bottom plate from the solution and molding the periodic structure of the Mth layer, the air in the through hole can be discharged smoothly, so that the solution can be reliably impregnated in the through hole. Therefore, a fine periodic structure excellent in operating characteristics such as reflection and transmission at a specific wavelength can be produced without causing unintended defects in the crystal structure of the fine periodic structure.
[0036]
Furthermore, according to the apparatus for manufacturing a fine periodic structure according to claim 2, the control unit is configured such that the mold body and the bottom plate with respect to the vertical movement mechanism in a state where the mold body and the bottom plate are separated from each other with respect to the contact / separation movement mechanism. After the mold body is immersed in the solution and the through hole of the mold body is impregnated with the solution, the mold body is brought into contact with the contact / separation mechanism to close the through hole, and the mold body and bottom plate in this state are moved up and down. The upper surface of the mold is brought into contact with the lower surface of the substrate held by the substrate holding means with respect to the moving mechanism or the lower surface of the (M-1) -th layer periodic structure formed on the substrate, In the state, the solution in the recess is cured with respect to the solution curing means to mold the M-th layer periodic structure, so that a strong force is not applied to the mold, so that the mold wear can be reduced. it can. Therefore, it is possible to repeatedly form a regular periodic structure while reducing the manufacturing cost of the fine periodic structure. Furthermore, according to this manufacturing apparatus, since a strong force is not applied even to the periodic structure layer formed in the initial stage of the manufacturing process, the applied force is different from the manufacturing method using the conventional manufacturing apparatus. Since the resulting periodic structure can be prevented from being broken, a fine periodic structure excellent in operating characteristics such as reflection and transmission of a specific wavelength can be molded.
[0037]
Further, according to the apparatus for manufacturing the fine periodic structure, the control unit places the mold body and the bottom plate in the solution with respect to the vertical movement mechanism in a state where the mold body and the bottom plate are separated from each other with respect to the contact / separation movement mechanism. After submerging and impregnating the through hole of the mold body with the solution, the bottom plate is brought into contact with the mold body against the contact / separation mechanism to close the through hole, and the mold body and bottom plate in this state are moved against the vertical movement mechanism. Since the air in the through-hole can be smoothly discharged by removing the solution from the solution and molding the periodic structure, a fine periodic structure excellent in operating characteristics such as reflection and transmission of a specific wavelength is manufactured. be able to.
[0038]
Furthermore, according to the apparatus for manufacturing a fine periodic structure according to claim 3, the first mold for molding the odd-numbered periodic structure and the second mold for molding the even-numbered periodic structure. By alternately moving the mold up and down to mold the periodic structure, for example, the concave portion of the second mold can be impregnated with the solution while the first mold is moved upward, so that the odd number As a result of being able to efficiently stack the periodic structure of the layer and the periodic structure of the even-numbered layer, it is possible to shorten the time required for manufacturing the fine periodic structure, thereby sufficiently reducing the manufacturing cost. be able to.
[0039]
According to the apparatus for manufacturing a fine periodic structure according to claim 4, after rotating either the substrate holding mechanism or the mold 90 degrees along the horizontal direction with respect to the rotation mechanism, By molding the M-th periodic structure by bringing the mold into contact with the lower surface of the (M-1) -th periodic structure, a fine periodic structure can be manufactured by using only one mold. Therefore, the manufacturing cost of the fine periodic structure can be sufficiently reduced.
[0040]
Furthermore, according to the apparatus for manufacturing a fine periodic structure according to claim 5, any one of the substrate holding mechanism and the mold is arranged with respect to the moving mechanism. Along the direction of through-hole formation pitch After moving the periodical structure by (1/2) period, the mold is brought into contact with the lower surface of the periodical structure of the (M-1) th layer with respect to the vertical movement mechanism, and the periodical structure of the Mth layer is moved. By molding, the manufacturing cost of the fine periodic structure can be sufficiently reduced as compared with a manufacturing apparatus that manufactures the fine periodic structure using a plurality of molds having different shapes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view of a photonic crystal 1 manufactured according to a method for manufacturing a fine periodic structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a manufacturing apparatus 11 according to an embodiment of the present invention.
3 is an external perspective view of molds 13 and 14 for molding periodic structure layers 3 and 4 in the photonic crystal 1. FIG.
4 is a side cross-sectional view of a state in which molds 13 and 14 are submerged in a solution R in the manufacturing process of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11. FIG.
5 is a side cross-sectional view showing a state in which a mold body 13a and a bottom plate 13b of a mold 13 are brought into close contact with each other in a solution R in the manufacturing process of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11. FIG.
6 is a side cross-sectional view of a state in which a mold 13 in which a solution R is impregnated in slits Sa, Sa... Is in close contact with the lower surface of a substrate 2 in the manufacturing process of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11. FIG.
7 is a side cross-sectional view of a state in which a mold main body 14a and a bottom plate 14b of a mold 14 are brought into close contact with each other in a solution R in the manufacturing process of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11. FIG.
8 is a side cross-sectional view of a state in which a mold 14 in which a slit R is impregnated with a solution R is in close contact with the lower surface of the periodic structure layer 3 in the manufacturing process of the photonic crystal 1 by the manufacturing apparatus 11. FIG.
FIG. 9 is a plan view of a manufacturing apparatus 31 according to another embodiment of the present invention.
10 is an external perspective view of a photonic crystal 30 manufactured using a manufacturing apparatus 31. FIG.
FIG. 11 is a plan view of a manufacturing apparatus 41 according to another embodiment of the present invention.
12 is an external perspective view of a photonic crystal 40 manufactured using a manufacturing apparatus 41. FIG.
FIG. 13 is a plan view of a manufacturing apparatus 51 according to another embodiment of the present invention.
14 is an external perspective view of a photonic crystal 50 manufactured using a manufacturing apparatus 51. FIG.
[Explanation of symbols]
1,30,40,50 Photonic crystal
2 Substrate
3, 4, 30a-30d, 40a, 50a, 50b Periodic structure layer
3a, 4a Columnar body
11, 31, 41, 51 Manufacturing equipment
12 Substrate holder
12a Vertical movement mechanism
13, 14, 33a-33d mold
13a, 14a Mold body
13b, 13b Bottom plate
15 Contact / separation mechanism
16, 17, 32a-32d Vertical movement mechanism
16a, 17a Arm part
18 Heater
19 Control unit
20 containers
44 Rotating mechanism
55a, 55b Slide mechanism
R solution
S, Sa, Sb Slit

Claims

所定の周期構造を有する周期構造体をＮ層（Ｎは２以上の自然数）積層して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、
前記所定の周期構造を反転させた凹部を構成する貫通孔が形成された型本体と、前記貫通孔を閉塞することにより前記凹部の底面を構成する底板とを備えて前記周期構造体を成型可能に構成された型を用いて、当該型本体および当該底板を互いに離間させた状態で微細周期構造体成型用の溶液中に沈め、前記型本体の前記貫通孔に前記溶液を含浸させた後に前記底板によって前記貫通孔を閉塞し、その状態の当該型本体および当該底板を当該溶液から取り出し、基板の下面または当該基板に成型されている（Ｍ−１）層目（ＭはＮ以下の自然数）の前記周期構造体における下面に前記型の上面を接触させ、その状態で前記凹部内の前記溶液を硬化させてＭ層目の前記周期構造体を成型する微細周期構造体の製造方法。A method for manufacturing a fine periodic structure, in which a periodic structure having a predetermined periodic structure is stacked by N layers (N is a natural number of 2 or more) to produce a fine periodic structure,
The periodic structure can be formed by including a mold body in which a through-hole forming a concave portion obtained by inverting the predetermined periodic structure and a bottom plate forming a bottom surface of the concave portion by closing the through-hole. After the mold body and the bottom plate are separated from each other in a solution for molding a fine periodic structure, the through hole of the mold body is impregnated with the solution. The through hole is closed by a bottom plate, the mold body and the bottom plate in that state are taken out from the solution, and the (M-1) layer (M is a natural number of N or less) formed on the lower surface of the substrate or the substrate. A method for producing a fine periodic structure in which the upper surface of the mold is brought into contact with the lower surface of the periodic structure, and the solution in the recess is cured in that state to mold the M-th periodic structure.

請求項１記載の微細周期構造体の製造方法に従って前記微細周期構造体を製造可能に構成された微細周期構造体の製造装置であって、
前記周期構造体を成型可能な前記型と、前記基板を保持する基板保持手段と、前記型本体および前記底板のいずれか一方をいずれか他方に向けて接離動させる接離動機構と、前記型を前記溶液中から取り出して前記上面を前記基板の前記下面または前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における前記下面に接触させる上下動機構と、前記凹部内の前記溶液を硬化させる溶液硬化手段と、前記上下動機構および前記溶液硬化手段を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記接離動機構に対して前記型本体および前記底板を互いに離間させた状態で前記上下動機構に対して当該型本体および当該底板を前記溶液中に沈めさせて前記型本体の前記貫通孔に当該溶液を含浸させた後に、前記接離動機構に対して前記型本体に前記底板を接触させて当該貫通孔を閉塞させ、その状態の当該型本体および当該底板を前記上下動機構に対して当該溶液から取り出させて前記基板保持手段によって保持されている前記基板の前記下面または当該基板に成型されている前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における前記下面に当該型の前記上面を接触させ、その状態で前記溶液硬化手段に対して前記凹部内の前記溶液を硬化させて前記Ｍ層目の周期構造体を成型する微細周期構造体の製造装置。A fine periodic structure manufacturing apparatus configured to be capable of manufacturing the fine periodic structure according to the method of manufacturing a fine periodic structure according to claim 1,
The mold capable of molding the periodic structure, substrate holding means for holding the substrate, contact / separation mechanism for moving one of the mold body and the bottom plate toward or away from the other, and A vertical movement mechanism for removing the mold from the solution and bringing the upper surface into contact with the lower surface of the periodic structure of the (M-1) -th layer of the substrate, and a solution for curing the solution in the recess A curing unit, and a controller that controls the vertical movement mechanism and the solution curing unit,
The control unit sinks the mold body and the bottom plate in the solution with respect to the vertical movement mechanism in a state where the mold body and the bottom plate are separated from each other with respect to the contact and separation mechanism. The through hole is impregnated with the solution, the bottom plate is brought into contact with the mold main body with respect to the contact / separation mechanism to close the through hole, and the mold main body and the bottom plate in this state are moved up and down. The moving mechanism is removed from the solution and held on the lower surface of the substrate held by the substrate holding means or on the lower surface of the periodic structure of the (M-1) layer formed on the substrate. An apparatus for manufacturing a fine periodic structure in which the upper surface of a mold is brought into contact, and the solution in the recess is cured with respect to the solution curing means in that state to mold the M-th periodic structure.

前記Ｎ層の周期構造体のうち奇数層目の周期構造体を成型するための第１の型と、前記Ｎ層の周期構造体のうち偶数層目の周期構造体を成型するための第２の型とを前記型として備え、前記制御部は、前記上下動機構に対して前記第１の型と前記第２の型とを交互に上下動させて前記周期構造体を成型する請求項２記載の微細周期構造体の製造装置。 A first mold for molding an odd-numbered periodic structure among the N-layer periodic structures, and a second mold for molding an even-numbered periodic structure among the N-layer periodic structures. The mold includes the mold as the mold, and the control unit molds the periodic structure by alternately moving the first mold and the second mold up and down relative to the vertical movement mechanism. The manufacturing apparatus of the described fine periodic structure.

前記基板保持機構および前記型のいずれかを水平方向に沿って９０°回転させる回転機構を備え、前記制御部は、前記回転機構に対して前記基板保持機構および前記型のいずれかを水平方向に沿って９０°回転させた後に、前記上下動機構に対して前記型を前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における下面に接触させて前記Ｍ層目の周期構造体を成型する請求項２記載の微細周期構造体の製造装置。 A rotation mechanism that rotates either the substrate holding mechanism or the mold by 90 ° along a horizontal direction, and the control unit moves either the substrate holding mechanism or the mold in the horizontal direction with respect to the rotation mechanism. The mold is brought into contact with the lower surface of the periodic structure of the (M-1) layer with respect to the vertical movement mechanism, and then the M layer periodic structure is molded. 2. The apparatus for producing a fine periodic structure according to 2.

前記基板保持機構および前記型のいずれかを前記貫通孔の形成ピッチの向きに沿って前記周期構造体の（１／２）周期分だけ水平方向に移動させる移動機構を備え、前記制御部は、前記移動機構に対して前記基板保持機構および前記型のいずれかを前記（１／２）周期分だけ移動させた後に、前記上下動機構に対して前記型を前記（Ｍ−１）層目の周期構造体における前記下面に接触させて前記Ｍ層目の周期構造体を成型する請求項２または３記載の微細周期構造体の製造装置。A moving mechanism for moving one of the substrate holding mechanism and the mold in the horizontal direction by the (1/2) period of the periodic structure along the direction of the formation pitch of the through holes ; After moving one of the substrate holding mechanism and the mold by the (1/2) period with respect to the moving mechanism, the mold is moved to the (M-1) th layer with respect to the vertical movement mechanism. The apparatus for manufacturing a fine periodic structure according to claim 2 or 3, wherein the periodic structure of the Mth layer is molded by contacting the lower surface of the periodic structure.