JP5038218B2 - ３次元フォトニック結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、３次元フォトニック結晶の製造方法に関する。
フォトニック結晶は、構成物質の屈折率が周期的に分布している構造体であり、構造設計だけで斬新な機能を実現可能な人工材料である。
フォトニック結晶の最も大きな特徴として、構成材料の屈折率差と構造の周期性によって、特定の電磁波が伝搬できない領域、いわゆるフォトニックバンドギャップを形成することが挙げられる。フォトニック結晶中の屈折率分布に適切な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）が形成される。
これによって、フォトニック結晶は電磁波を自由自在に制御できる。その上、フォトニック結晶を用いたデバイスのサイズは、従来のデバイスよりはるかに小型化することができる。
また、３次元フォトニック結晶は、構成物質の屈折率分布が、３次元的な周期を持ち、欠陥位置に存在する電磁波が外部に漏れにくいという特徴を有する。
つまり、電磁波伝搬の制御は、３次元フォトニック結晶が最も適している。
フォトニック結晶の最も大きな特徴として、構成材料の屈折率差と構造の周期性によって、特定の電磁波が伝搬できない領域、いわゆるフォトニックバンドギャップを形成することが挙げられる。フォトニック結晶中の屈折率分布に適切な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）が形成される。
これによって、フォトニック結晶は電磁波を自由自在に制御できる。その上、フォトニック結晶を用いたデバイスのサイズは、従来のデバイスよりはるかに小型化することができる。
また、３次元フォトニック結晶は、構成物質の屈折率分布が、３次元的な周期を持ち、欠陥位置に存在する電磁波が外部に漏れにくいという特徴を有する。
つまり、電磁波伝搬の制御は、３次元フォトニック結晶が最も適している。
このような３次元フォトニック結晶において、その代表的な構造の一つとして、特許文献１に開示されているウッドパイル構造（あるいはロッドパイル構造）が知られている。この３次元フォトニック結晶におけるウッドパイル構造は、図２に示すような構造を有している。
図２において、７０は３次元周期構造であり、複数のロッド４０を平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層を複数備え、これらを順次積層した構造を有している。
具体的には、３次元周期構造７０は、
複数のロッドを平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した第１のストライプ層と、
上記第１のストライプ層上に、該第１のストライプ層に属する各ロッドと直交するようにして積層された第２のストライプ層と、
上記第２のストライプ層上に、上記第１のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第３のストライプ層と、
上記第３のストライプ層上に、上記第２のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第４のストライプ層と、からなる４つのストライプ層を有する。
そして、これら４つのストライプ層を一組として、複数組を順次積層して、３次元周期構造７０が構成されている。
前記フォトニック結晶の構造の周期は、制御したい電磁波の波長の半分程度である。
しかし、３次元フォトニック結晶は、理想的なデバイス特性が期待される反面、一般的に、構造が複雑で、製造するのに煩雑で、数多くの工程を要する。
図２において、７０は３次元周期構造であり、複数のロッド４０を平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層を複数備え、これらを順次積層した構造を有している。
具体的には、３次元周期構造７０は、
複数のロッドを平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した第１のストライプ層と、
上記第１のストライプ層上に、該第１のストライプ層に属する各ロッドと直交するようにして積層された第２のストライプ層と、
上記第２のストライプ層上に、上記第１のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第３のストライプ層と、
上記第３のストライプ層上に、上記第２のストライプ層に属する各ロッドと平行で且つ面内周期の１／２だけずれるようにして積層された第４のストライプ層と、からなる４つのストライプ層を有する。
そして、これら４つのストライプ層を一組として、複数組を順次積層して、３次元周期構造７０が構成されている。
前記フォトニック結晶の構造の周期は、制御したい電磁波の波長の半分程度である。
しかし、３次元フォトニック結晶は、理想的なデバイス特性が期待される反面、一般的に、構造が複雑で、製造するのに煩雑で、数多くの工程を要する。
従来において、ウッドパイル構造の３次元フォトニック結晶の製造方法として、特許文献２では、つぎのような積層技術による異種部材の熱接着方法が提案されている。
ここでの熱接着方法では、まず、基板上に設けたストライプ層に平行且つ所定の面内周期で配置したロッドアレイを形成する。
そして、熱接着法で上記ストライプ層同士を層間位置合せしながら接合した後、一方のストライプ層の基板を除去する。
このような工程を繰り返すことによって、接合の回数だけの層数をもつウッドパイル構造が得られる。
以上のような積層技術によって、比較的複雑な構造を有する３次元フォトニック結晶の製造が可能とされている。
ここでの熱接着方法では、まず、基板上に設けたストライプ層に平行且つ所定の面内周期で配置したロッドアレイを形成する。
そして、熱接着法で上記ストライプ層同士を層間位置合せしながら接合した後、一方のストライプ層の基板を除去する。
このような工程を繰り返すことによって、接合の回数だけの層数をもつウッドパイル構造が得られる。
以上のような積層技術によって、比較的複雑な構造を有する３次元フォトニック結晶の製造が可能とされている。
また、３次元フォトニック結晶の製造方法として、特許文献３ではつぎのような積層技術が開示されている。
ここでの積層技術では、薄膜形成及び薄膜加工の後、犠牲層を形成する。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術で犠牲層を研磨して、加工した薄膜が露出するまで犠牲層を平坦化する。
上記プロセスを繰り返すことによって、犠牲層を用いない積層法より高い加工精度で３次元フォトニック結晶を製造可能にしている。
ここでの積層技術では、薄膜形成及び薄膜加工の後、犠牲層を形成する。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術で犠牲層を研磨して、加工した薄膜が露出するまで犠牲層を平坦化する。
上記プロセスを繰り返すことによって、犠牲層を用いない積層法より高い加工精度で３次元フォトニック結晶を製造可能にしている。
一方、従来の薄膜加工法において、特許文献４ではつぎのようなパターン形成方法および半導体素子の製造方法が開示されている。
ここでは、薄膜加工に際して、以下のようなイオンビーム注入工程と、被エッチング材にドライエッチングを施す工程と、によって薄膜加工を可能にしている。
すなわち、イオンビーム注入工程では、被エッチング材に集束させるイオンビームの注入位置を変えるとともに加速電圧、イオンの原子種、イオンの価数の少なくとも一つを変えてイオン注入し、前記被エッチング材の深さ方向にイオン濃度ピーク領域を形成する。
また、ドライエッチングを施す工程では、被エッチング材のイオン濃度ピーク領域でイオンとエッチング抑制領域を形成するエッチングガスにより前記被エッチング材をドライエッチングする。これらの工程により、薄膜加工が実施される。
米国特許第５３３５２４０号明細書
特開２００４−２１９６８８号公報
米国特許第５９９８２９８号明細書
米国特許第５２３６４５７号明細書
ここでは、薄膜加工に際して、以下のようなイオンビーム注入工程と、被エッチング材にドライエッチングを施す工程と、によって薄膜加工を可能にしている。
すなわち、イオンビーム注入工程では、被エッチング材に集束させるイオンビームの注入位置を変えるとともに加速電圧、イオンの原子種、イオンの価数の少なくとも一つを変えてイオン注入し、前記被エッチング材の深さ方向にイオン濃度ピーク領域を形成する。
また、ドライエッチングを施す工程では、被エッチング材のイオン濃度ピーク領域でイオンとエッチング抑制領域を形成するエッチングガスにより前記被エッチング材をドライエッチングする。これらの工程により、薄膜加工が実施される。
しかしながら、上記従来例における特許文献２のような熱接着方法を用いた積層法では、作製方法が複雑で、フォトニック結晶の層数に比例して工程数が増加し、技術難度が増大するので、生産性が悪く、コストが高い。
更に、積層する度に、加熱及び加圧工程が必要で、層数の増加に従って構造内の応力が増えるので、構造の変形も生じる。
このような構造乱れは、フォトニック結晶の加工精度を低下させることになる。
更に、積層する度に、加熱及び加圧工程が必要で、層数の増加に従って構造内の応力が増えるので、構造の変形も生じる。
このような構造乱れは、フォトニック結晶の加工精度を低下させることになる。
また、上記従来例における特許文献３のような犠牲層を用いた積層法は、上記熱接着を用いた積層法の課題を低減できるが、つぎのような課題を残している。
すなわち、２層目以降の薄膜加工工程において、前の工程で形成した薄膜層の一部が露出してくる場合があるため、ダメージを受けてしまうことがある。
このようなダメージを低減するために、保護すべき薄膜部分にエッチストップ層を形成することが考えられる。
しかし、加工後、エッチストップ層を完全に除去する場合、構造体の間に隙間ができ、フォトニック結晶の特性に影響を与えることがある。
また、エッチストップ層を部分的に除去する場合、残留しているエッチストップ層の材料がフォトニック結晶を構成する誘電体と異なるため、構造の特性が影響されてしまうことがある。
このような原因で、従来においては、エッチストップ層を設ける手法を採ることにも、問題を有していた。
すなわち、２層目以降の薄膜加工工程において、前の工程で形成した薄膜層の一部が露出してくる場合があるため、ダメージを受けてしまうことがある。
このようなダメージを低減するために、保護すべき薄膜部分にエッチストップ層を形成することが考えられる。
しかし、加工後、エッチストップ層を完全に除去する場合、構造体の間に隙間ができ、フォトニック結晶の特性に影響を与えることがある。
また、エッチストップ層を部分的に除去する場合、残留しているエッチストップ層の材料がフォトニック結晶を構成する誘電体と異なるため、構造の特性が影響されてしまうことがある。
このような原因で、従来においては、エッチストップ層を設ける手法を採ることにも、問題を有していた。
一方、特許文献４に見られる従来の薄膜加工法では、被エッチング材に対して深さ方向の加工が可能とされているが、犠牲層等の技術を用いていないため、上面から見える部分の加工しかできない。
これらの技術を用いてウッドパイルのような複雑な多層構造を有する３次元フォトニック結晶の作製を可能とすることについては、解決されていない。
これらの技術を用いてウッドパイルのような複雑な多層構造を有する３次元フォトニック結晶の作製を可能とすることについては、解決されていない。
本発明は、上記課題に鑑み、精度よく、低コストで、３次元周期構造を製造することが可能となる３次元フォトニック結晶の製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した３次元フォトニック結晶の製造方法を提供するものである。
本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記誘電体薄膜が、Ｓｉ、またはＳｉの酸化物あるいは窒化物を含むＳｉの化合物で形成されることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記成膜工程において、前記誘電体薄膜の形成に、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長のいずれかが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記イオン注入工程において、前記集束イオンビームのイオンに、Ｇａイオンが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記パターン形成工程において、前記誘電体薄膜が露出した部分の選択的除去に、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチングが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記犠牲層形成工程における犠牲層が、前記平坦化工程において平坦化が容易な材料から選択されることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記犠牲層形成工程における犠牲層の形成に、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長のいずれかが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記平坦化工程における平坦化に、機械研磨、または化学機械研磨のいずれかが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造を製造する第１工程と、
前記犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造における、該犠牲層を液体エッチング剤で一括に除去して、３次元周期構造を製造する第２工程と、を有し、
前記第１工程は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程とをこの順に４回以上繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記液体エッチング剤が、塩化鉄を含む液体エッチング剤であることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、上記の３次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された３次元フォトニック結晶を製造型として用い、
前記製造型に、３次元フォトニック結晶を形成する材料を埋め込んだ後、該製造型を除去し、
前記製造型の反転した形状の前記埋め込んだ材料による３次元周期構造を製造することを特徴とする。
本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記誘電体薄膜が、Ｓｉ、またはＳｉの酸化物あるいは窒化物を含むＳｉの化合物で形成されることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記成膜工程において、前記誘電体薄膜の形成に、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長のいずれかが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記イオン注入工程において、前記集束イオンビームのイオンに、Ｇａイオンが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記パターン形成工程において、前記誘電体薄膜が露出した部分の選択的除去に、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチングが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記犠牲層形成工程における犠牲層が、前記平坦化工程において平坦化が容易な材料から選択されることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記犠牲層形成工程における犠牲層の形成に、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長のいずれかが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記平坦化工程における平坦化に、機械研磨、または化学機械研磨のいずれかが用いられることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造を製造する第１工程と、
前記犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造における、該犠牲層を液体エッチング剤で一括に除去して、３次元周期構造を製造する第２工程と、を有し、
前記第１工程は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程とをこの順に４回以上繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、前記液体エッチング剤が、塩化鉄を含む液体エッチング剤であることを特徴とする。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、上記の３次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された３次元フォトニック結晶を製造型として用い、
前記製造型に、３次元フォトニック結晶を形成する材料を埋め込んだ後、該製造型を除去し、
前記製造型の反転した形状の前記埋め込んだ材料による３次元周期構造を製造することを特徴とする。
本発明によれば、精度よく、低コストで、３次元周期構造を製造することが可能となる３次元フォトニック結晶の製造方法を実現することができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下の図中において、同一要素に関しては、同符号を用いる。但し、本発明における材料、構造、形状、数値などはここに挙げられたものに限定されるものではない。
図１に、本実施の形態における３次元フォトニック結晶の製造方法を説明する図を示す。
図１において、１０は基板、２０は誘電体薄膜、３０はイオン注入部、６０は犠牲層である。
本実施の形態においては、図１（ｊ）に示した３次元フォトニック結晶を形成するために、図１（ａ）乃至図１（ｊ）の工程を用いることができる。
ここでは説明を容易とするため、３次元フォトニック結晶の構造として、ウッドパイル構造を構成した例について説明する。
なお、以下の図中において、同一要素に関しては、同符号を用いる。但し、本発明における材料、構造、形状、数値などはここに挙げられたものに限定されるものではない。
図１に、本実施の形態における３次元フォトニック結晶の製造方法を説明する図を示す。
図１において、１０は基板、２０は誘電体薄膜、３０はイオン注入部、６０は犠牲層である。
本実施の形態においては、図１（ｊ）に示した３次元フォトニック結晶を形成するために、図１（ａ）乃至図１（ｊ）の工程を用いることができる。
ここでは説明を容易とするため、３次元フォトニック結晶の構造として、ウッドパイル構造を構成した例について説明する。
まず、誘電体薄膜を形成する成膜工程において、図１（ａ）に示したように、基板１０の上にフォトニック結晶を構成する主材料である誘電体薄膜２０を形成する。
２０の材料は単結晶、又はアモルファス状態のＳｉ、またはＳｉの酸化物や窒化物を含むＳｉの化合物などが挙げられる。
成膜方法はスパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長などが適切である。
誘電体薄膜２０の厚さは数十ｎｍ〜数十μｍであることが望ましい。前記基板１０は、成膜面が平坦性を持ち、形成すべく誘電体薄膜２０とは密着性のあるものである。
例えば、石英、サファイア、ガラス、アクリル、Ｓｉ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＴｉＯ２、ＺｎＯの単体、またはこれらの薄膜を有する他の材料である。
必要に応じて、基板１０と第１層目の誘電体薄膜２０と接する界面に、密着性をよくするための密着層を形成しても良い。
２０の材料は単結晶、又はアモルファス状態のＳｉ、またはＳｉの酸化物や窒化物を含むＳｉの化合物などが挙げられる。
成膜方法はスパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長などが適切である。
誘電体薄膜２０の厚さは数十ｎｍ〜数十μｍであることが望ましい。前記基板１０は、成膜面が平坦性を持ち、形成すべく誘電体薄膜２０とは密着性のあるものである。
例えば、石英、サファイア、ガラス、アクリル、Ｓｉ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＴｉＯ２、ＺｎＯの単体、またはこれらの薄膜を有する他の材料である。
必要に応じて、基板１０と第１層目の誘電体薄膜２０と接する界面に、密着性をよくするための密着層を形成しても良い。
次に、イオン注入工程において、前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にイオン注入によるマスクを形成する。
ここでは、図１（ｂ）に示したように、前記誘電体薄膜２０へイオン注入して、３０のようなマスクパターンを形成する。
そのため、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を走査しながら、加速されたＧａイオンを前記誘電体薄膜２０におけるマスクパターン３０の部分に選択的に打ち込む。
注入できるイオンの種類としては、Ｇａ以外にＩｎでも構わない。
マスクパターン３０のサイズは、必要時応じて決めればよいが、例えば、幅は数十ｎｍ乃至数μｍ、面内周期は数百ｎｍ乃至数μｍで、長さは５μｍ乃至１０００μｍ程度である。
Ｇａイオンの深さ方向の分布はＦＩＢの加速電圧、その面内分布（つまり、パターン形状）はＦＩＢの面内走査、その密度はＦＩＢの電流及び注入時間で、それぞれ制御する。
誘電体薄膜２０の材料、そしてイオンの種類（例えば、Ｇａ、Ｉｎ）が決まれば、簡易なシミュレーションで所定な深さや密度を得るために必要な加速電圧、電流や注入時間を求めることが可能なので、マスクパターン３０の部分の形成は簡易かつ高精度で行える。
前記集束イオンビームは、必要に応じて、単束ビーム、または多束ビームにすることが好ましい。
多束ビームの場合、各ビームの加速電圧、電流、ビーム径、そして走査は、それぞれ独立にすることによって、イオン配置工程の効率をさらに向上させることが可能である。
ここでは、イオン注入は誘電体薄膜２０の表面近傍だけに止まっても良い。そのため、ＦＩＢの加速電圧は０．５ｋＶ〜１２０ｋＶの間で好ましく、最適値は１ｋＶ〜３０ｋＶである。
イオンの密度は、１×１０１８〜１×１０２３ｃｍ−３の間が実用的で、５×１０２０ｃｍ−３オーダーが最も好適である。
ここでは、図１（ｂ）に示したように、前記誘電体薄膜２０へイオン注入して、３０のようなマスクパターンを形成する。
そのため、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を走査しながら、加速されたＧａイオンを前記誘電体薄膜２０におけるマスクパターン３０の部分に選択的に打ち込む。
注入できるイオンの種類としては、Ｇａ以外にＩｎでも構わない。
マスクパターン３０のサイズは、必要時応じて決めればよいが、例えば、幅は数十ｎｍ乃至数μｍ、面内周期は数百ｎｍ乃至数μｍで、長さは５μｍ乃至１０００μｍ程度である。
Ｇａイオンの深さ方向の分布はＦＩＢの加速電圧、その面内分布（つまり、パターン形状）はＦＩＢの面内走査、その密度はＦＩＢの電流及び注入時間で、それぞれ制御する。
誘電体薄膜２０の材料、そしてイオンの種類（例えば、Ｇａ、Ｉｎ）が決まれば、簡易なシミュレーションで所定な深さや密度を得るために必要な加速電圧、電流や注入時間を求めることが可能なので、マスクパターン３０の部分の形成は簡易かつ高精度で行える。
前記集束イオンビームは、必要に応じて、単束ビーム、または多束ビームにすることが好ましい。
多束ビームの場合、各ビームの加速電圧、電流、ビーム径、そして走査は、それぞれ独立にすることによって、イオン配置工程の効率をさらに向上させることが可能である。
ここでは、イオン注入は誘電体薄膜２０の表面近傍だけに止まっても良い。そのため、ＦＩＢの加速電圧は０．５ｋＶ〜１２０ｋＶの間で好ましく、最適値は１ｋＶ〜３０ｋＶである。
イオンの密度は、１×１０１８〜１×１０２３ｃｍ−３の間が実用的で、５×１０２０ｃｍ−３オーダーが最も好適である。
イオン注入層の厚さは、エッチングすべく誘電体薄膜の材料とエッチング深さ、及びイオン種によって最適化すればよい。
例えば、誘電体薄膜はＳｉ、エッチング深さが１０μｍで、イオンがＧａイオンの場合、イオン注入層の厚さを射影標準偏差で表現すると、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で、１００ｎｍ程度が最適である。
この厚さは、誘電体薄膜の材料とイオン種が決まっていれば、ほぼイオンの加速電圧で決まるので、公知の理論計算手法で大凡予測可能である。
また、イオンの深さ方向の分布におけるピーク位置は、エッチングの制御性を考慮すると、誘電体薄膜の表層付近にあることが望ましい。
前記ピーク位置は、理論上、誘電体薄膜の材料とイオン種が決まっていれば、ほぼイオンの加速電圧で決まり、公知の理論計算手法で大凡予測可能である。
例えば、マスク形成の過程で、一部のイオン注入を低加速電圧で行わればよい。
加速電圧が低いほど、イオン注入の深さが浅いので、前記ピーク位置を誘電体薄膜の表層付近（例えば、最表面から０ｎｍ〜５０ｎｍ以内）に持ってくることができる。
低加速電圧使用のほかに、下記の方法がある。
ＦＩＢでマスクを形成する際のマスク形成条件、即ち、加速電圧、電流密度、イオンビームの絞り方、ビームの走査法および照射時間等を調整することによって、イオン注入しながら誘電体薄膜の表層を削ることができる。
そうすることによって、前記ピーク位置を誘電体薄膜の最表面（例えば、最表面から０ｎｍ〜５０ｎｍ以内）まで持ってくることが可能である。
削る深さは、前記マスク形成条件によってほぼ０ｎｍから連続的に調整可能で、誘電体薄膜の膜厚の１０分の１以下が望ましい。
例えば、誘電体薄膜はＳｉ、エッチング深さが１０μｍで、イオンがＧａイオンの場合、イオン注入層の厚さを射影標準偏差で表現すると、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で、１００ｎｍ程度が最適である。
この厚さは、誘電体薄膜の材料とイオン種が決まっていれば、ほぼイオンの加速電圧で決まるので、公知の理論計算手法で大凡予測可能である。
また、イオンの深さ方向の分布におけるピーク位置は、エッチングの制御性を考慮すると、誘電体薄膜の表層付近にあることが望ましい。
前記ピーク位置は、理論上、誘電体薄膜の材料とイオン種が決まっていれば、ほぼイオンの加速電圧で決まり、公知の理論計算手法で大凡予測可能である。
例えば、マスク形成の過程で、一部のイオン注入を低加速電圧で行わればよい。
加速電圧が低いほど、イオン注入の深さが浅いので、前記ピーク位置を誘電体薄膜の表層付近（例えば、最表面から０ｎｍ〜５０ｎｍ以内）に持ってくることができる。
低加速電圧使用のほかに、下記の方法がある。
ＦＩＢでマスクを形成する際のマスク形成条件、即ち、加速電圧、電流密度、イオンビームの絞り方、ビームの走査法および照射時間等を調整することによって、イオン注入しながら誘電体薄膜の表層を削ることができる。
そうすることによって、前記ピーク位置を誘電体薄膜の最表面（例えば、最表面から０ｎｍ〜５０ｎｍ以内）まで持ってくることが可能である。
削る深さは、前記マスク形成条件によってほぼ０ｎｍから連続的に調整可能で、誘電体薄膜の膜厚の１０分の１以下が望ましい。
次に、パターン形成工程において、前記誘電体薄膜上に形成されたイオン注入によるマスクを用い、前記イオン注入部以外の誘電体薄膜部分を選択的に除去し、パターンを形成する。
つまり、誘電体薄膜上に形成されたマスク部分以外の、誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去する。
ここでは、図１（ｃ）に示したように、誘電体薄膜２０をエッチングして、５０で示している部分を部分的に除去する。
このような誘電体薄膜部分の選択的除去には、例えば、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いる。
特に、誘電体薄膜の厚みが１μｍ以上に厚いとき、エッチングとパターンの側壁保護を交互に行うＲＩＥ方式が望ましい。
例えば、誘電体薄膜がＳｉである場合、ＲＩＥのとき、ＳＦ６とＣ４Ｆ８ガスを交互に導入し、所望の時間でエッチングを行う。ＳＦ６ガスを導入するとき、主にエッチングが進行する。
Ｃ４Ｆ８ガスを導入するとき、主に側壁保護が進行する。こうして、マスクのエッチング耐性が更に向上して、ＧａマスクにおけるＧａの量およびマスク厚みの低減が可能である。
また、このエッチングで垂直性の良いパターンを得ることが可能になる。更に、上記Ｇａマスクを用いたＲＩＥにおいて、加工条件を調整することによって、側壁の傾斜角度、平坦度、または形状を制御することが可能である。
加工条件を調整することは、エッチングとパターンの側壁保護の２つの作用を交互に行う際、それぞれの時間、装置内圧力、加工パワー、及びＳＦ６とＣ４Ｆ８の流量等を目的に合わせて最適に調整することを意味する。
つまり、誘電体薄膜上に形成されたマスク部分以外の、誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去する。
ここでは、図１（ｃ）に示したように、誘電体薄膜２０をエッチングして、５０で示している部分を部分的に除去する。
このような誘電体薄膜部分の選択的除去には、例えば、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いる。
特に、誘電体薄膜の厚みが１μｍ以上に厚いとき、エッチングとパターンの側壁保護を交互に行うＲＩＥ方式が望ましい。
例えば、誘電体薄膜がＳｉである場合、ＲＩＥのとき、ＳＦ６とＣ４Ｆ８ガスを交互に導入し、所望の時間でエッチングを行う。ＳＦ６ガスを導入するとき、主にエッチングが進行する。
Ｃ４Ｆ８ガスを導入するとき、主に側壁保護が進行する。こうして、マスクのエッチング耐性が更に向上して、ＧａマスクにおけるＧａの量およびマスク厚みの低減が可能である。
また、このエッチングで垂直性の良いパターンを得ることが可能になる。更に、上記Ｇａマスクを用いたＲＩＥにおいて、加工条件を調整することによって、側壁の傾斜角度、平坦度、または形状を制御することが可能である。
加工条件を調整することは、エッチングとパターンの側壁保護の２つの作用を交互に行う際、それぞれの時間、装置内圧力、加工パワー、及びＳＦ６とＣ４Ｆ８の流量等を目的に合わせて最適に調整することを意味する。
このとき、図１（ｂ）に示したイオン注入工程で形成したマスクパターン３０をエッチングマスクとして、誘電体薄膜２０の上面にほぼ垂直の方向から見える前記イオン注入部以外の誘電体薄膜部分５０を選択的に除去する。
このエッチングによって、フォトニック結晶第１層目のパターンが形成されている。
このパターン形成工程において、イオン注入部３０とイオン未注入部とは、エッチング耐性が大きく異なる。
これにより、イオン未注入部が完全に除去されても、イオン注入部３０がほとんどエッチングされない。
例えば、Ｓｉの表層から２０ｎｍの深さまでＧａイオンを５×１０２０ｃｍ−３程度注入した場合、ＳＦ６を用いたＲＩＥ工程において、Ｇａイオン注入部のエッチング耐性がイオン未注入部の５００倍以上である。
このエッチングによって、フォトニック結晶第１層目のパターンが形成されている。
このパターン形成工程において、イオン注入部３０とイオン未注入部とは、エッチング耐性が大きく異なる。
これにより、イオン未注入部が完全に除去されても、イオン注入部３０がほとんどエッチングされない。
例えば、Ｓｉの表層から２０ｎｍの深さまでＧａイオンを５×１０２０ｃｍ−３程度注入した場合、ＳＦ６を用いたＲＩＥ工程において、Ｇａイオン注入部のエッチング耐性がイオン未注入部の５００倍以上である。
次に、犠牲層形成工程において、前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する。
ここでは、図１（ｄ）に示したように、前記第１層目の構造を含む誘電体薄膜上に犠牲層薄膜６０を形成する。
前記犠牲層薄膜６０は、後継の平坦化工程において前記誘電体薄膜２０及びイオン注入部３０に対して平坦化が容易な材料から選択される。例えば、銅（Ｃｕ）の薄膜が好適である。
銅薄膜の厚みは、誘電体薄膜のパターンにもよるが、０．１〜５μｍは好ましい。銅薄膜の成膜は、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長などの方法がある。以下では、これを犠牲層形成工程と記す。
ここでは、図１（ｄ）に示したように、前記第１層目の構造を含む誘電体薄膜上に犠牲層薄膜６０を形成する。
前記犠牲層薄膜６０は、後継の平坦化工程において前記誘電体薄膜２０及びイオン注入部３０に対して平坦化が容易な材料から選択される。例えば、銅（Ｃｕ）の薄膜が好適である。
銅薄膜の厚みは、誘電体薄膜のパターンにもよるが、０．１〜５μｍは好ましい。銅薄膜の成膜は、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長などの方法がある。以下では、これを犠牲層形成工程と記す。
つぎに、平坦化工程において、前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する。
ここでは、図１（ｅ）に示したように、前記犠牲層薄膜を平坦化する。
この平坦化加工は、下地の誘電体薄膜パターン、つまりイオン注入部３０を露出させ、銅薄膜６０の高さが３０とほぼ同じになるように行う。
上記平坦化加工は、たとえば機械研磨、または化学機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用いる。
ここでは、図１（ｅ）に示したように、前記犠牲層薄膜を平坦化する。
この平坦化加工は、下地の誘電体薄膜パターン、つまりイオン注入部３０を露出させ、銅薄膜６０の高さが３０とほぼ同じになるように行う。
上記平坦化加工は、たとえば機械研磨、または化学機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用いる。
次に、図１（ｆ）乃至図１（ｉ）に示したように、前記成膜工程、イオン注入工程、パターン形成工程、犠牲層形成工程、及び平坦化工程を所定の回数を繰り返して、図１（ｉ）に示すような犠牲層を含有する構造を得る。
つまり、上記工程を４回繰り返すことで、１周期のウッドパイル構造を得るための、複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したパターン形成層が複数積層された構造を得ることができる。
つまり、上記工程を４回繰り返すことで、１周期のウッドパイル構造を得るための、複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したパターン形成層が複数積層された構造を得ることができる。
具体的には、上記した３次元フォトニック結晶の製造方法の各工程を用い、つぎのようなプロセスにより、図１（ｉ）に示すような犠牲層を含有するパターン形成層が積層された構造を製造する。
すなわち、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程、及び前記平坦化工程を、この順に４回以上繰り返し、
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したパターン形成層が積層された上記犠牲層を含有する構造を製造する。
その際、第１回目のプロセスにおいて、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程によって、複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置された第１層目のパターン形成層を形成する。
次に、第２回目のプロセスにおいて、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程によって、
前記第１層目のパターン形成層における各ロッド形状部上に、該各ロッド形状部と直交する方向に延びるロッド形状部を有する第２のパターン形成層を形成する。
次に、第３回目のプロセスにおいて、前記第２のパターン形成層上に、前記第１のパターン形成層におけるロッド形状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置するロッド形状部を有する第３のパターン形成層を形成する。
次に、第４回目のプロセスにおいて、前記第３のパターン形成層上に、前記第２のパターン形成層における各ロッド形状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置するロッド形状部を有する第４のストライプ層を形成する。
以上のプロセスにより、上記した１周期のウッドパイル構造を得るための構造を得ることができる。
すなわち、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程、及び前記平坦化工程を、この順に４回以上繰り返し、
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置したパターン形成層が積層された上記犠牲層を含有する構造を製造する。
その際、第１回目のプロセスにおいて、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程によって、複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置された第１層目のパターン形成層を形成する。
次に、第２回目のプロセスにおいて、前記成膜工程、前記イオン注入工程、前記パターン形成工程、前記犠牲層形成工程によって、
前記第１層目のパターン形成層における各ロッド形状部上に、該各ロッド形状部と直交する方向に延びるロッド形状部を有する第２のパターン形成層を形成する。
次に、第３回目のプロセスにおいて、前記第２のパターン形成層上に、前記第１のパターン形成層におけるロッド形状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置するロッド形状部を有する第３のパターン形成層を形成する。
次に、第４回目のプロセスにおいて、前記第３のパターン形成層上に、前記第２のパターン形成層における各ロッド形状部と平行で且つ面内周期の１／２だけずれて位置するロッド形状部を有する第４のストライプ層を形成する。
以上のプロセスにより、上記した１周期のウッドパイル構造を得るための構造を得ることができる。
但し、最上層の誘電体薄膜パターンを形成する場合、前記犠牲層形成工程と平坦化工程を省いても支障がない。
ここで、層間のパターン位置合せを高い精度で行うために、予め基板や誘電体薄膜上に形成した位置合せマーク（図示なし）を基準にして各層のパターン配置を決めればよい。
前記位置合せ用マークの形成方法は、例えば、フォトリソグラフィとリフトフ法がある。位置合せ用マークの材料は、Ａｕ／Ｃｒなどがある。
ここで、層間のパターン位置合せを高い精度で行うために、予め基板や誘電体薄膜上に形成した位置合せマーク（図示なし）を基準にして各層のパターン配置を決めればよい。
前記位置合せ用マークの形成方法は、例えば、フォトリソグラフィとリフトフ法がある。位置合せ用マークの材料は、Ａｕ／Ｃｒなどがある。
ここで、注目すべきことは、２層目以降のパターン形成工程における下地パターンの露出である（図１（ｈ））。
例えば、図１（ｈ）において、２層目のパターン加工が２層目の誘電体薄膜の下まで進むと、下地となる１層目のパターンの一部分（例えば、３５で表示されている部分）が露出する。
通常、パターン加工は時間で終点制御を行うことが多く、パターン露出部３５をまったくエッチング雰囲気に曝さずに加工を止めることが困難である。従来、エッチストップ層を設けることが難しく、どうしてもパターン露出部３５にダメージを与えてしまう。
これは、フォトニック結晶構造の加工精度を低下させ、素子特性に影響を及ぼすことになる。
これに対して、本発明は、前記パターン露出部３５へＧａイオンを注入して、該部分に高いエッチング耐性をもたらしている。
つまり、エッチングマスクをイオン注入によって、誘電体薄膜の内部に埋め込んでいる。この内蔵マスクは、２層目以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。
このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。これによって、加工ダメージの低減ができ、より高い加工精度を得られる。
例えば、図１（ｈ）において、２層目のパターン加工が２層目の誘電体薄膜の下まで進むと、下地となる１層目のパターンの一部分（例えば、３５で表示されている部分）が露出する。
通常、パターン加工は時間で終点制御を行うことが多く、パターン露出部３５をまったくエッチング雰囲気に曝さずに加工を止めることが困難である。従来、エッチストップ層を設けることが難しく、どうしてもパターン露出部３５にダメージを与えてしまう。
これは、フォトニック結晶構造の加工精度を低下させ、素子特性に影響を及ぼすことになる。
これに対して、本発明は、前記パターン露出部３５へＧａイオンを注入して、該部分に高いエッチング耐性をもたらしている。
つまり、エッチングマスクをイオン注入によって、誘電体薄膜の内部に埋め込んでいる。この内蔵マスクは、２層目以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。
このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。これによって、加工ダメージの低減ができ、より高い加工精度を得られる。
続いて、犠牲層除去工程において、図１（ｊ）に示した３次元周期構造を得るため、図１（ｉ）の犠牲層含有フォトニック結晶構造における前記犠牲層を液体エッチング剤で一括に除去する。これにより、所望のフォトニック結晶を得る。
前記液体エッチング剤としては、例えば、前記犠牲層がＣｕである場合、塩化鉄を含むエッチング溶液を用いることができる。
以上の積層工程によって、誘電体薄膜、とりわけ、Ｓｉ、またはＳｉの酸化物や窒化物を含むＳｉの化合物からなる３次元フォトニック結晶構造が作製される。
前記液体エッチング剤としては、例えば、前記犠牲層がＣｕである場合、塩化鉄を含むエッチング溶液を用いることができる。
以上の積層工程によって、誘電体薄膜、とりわけ、Ｓｉ、またはＳｉの酸化物や窒化物を含むＳｉの化合物からなる３次元フォトニック結晶構造が作製される。
以上のとおり、本実施の形態における誘電体薄膜加工用マスクは、イオン注入で薄膜に埋め込んだものであり、次層以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。
このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。
これによって、加工ダメージの低減ができ、より高い加工精度を得られる。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、従来技術より工程が簡便なため、製造コストの低減も可能である。
このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。
これによって、加工ダメージの低減ができ、より高い加工精度を得られる。
また、本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、従来技術より工程が簡便なため、製造コストの低減も可能である。
なお、以上の説明では、３次元フォトニック結晶として、３次元ウッドパイル構造だけについて説明したが、本発明はこれに限られるものではない。これ以外の３次元構造でも、本発明の方法で簡易に形成可能である。
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
本実施例においては、上記本発明の実施の形態で説明した３次元フォトニック結晶の製造方法と、基本的に同じ工程によるものであるから、ここでも図１を用いて説明する。
上記本発明の実施の形態で説明と重複する部分の図の説明は省略する。
本実施例では図１（ｊ）に示すウッドパイル型３次元フォトニック結晶構造を作製した。
まず、図１（ａ）に示した成膜工程を行う。この工程で、基板１０の上にフォトニック結晶を構成する主材料である誘電体薄膜２０を形成する。
前記基板１０として、石英を用いた。誘電体薄膜２０としては、厚さが約１００ｎｍのＳｉ薄膜をスパッタリング法で形成した。
［実施例１］
本実施例においては、上記本発明の実施の形態で説明した３次元フォトニック結晶の製造方法と、基本的に同じ工程によるものであるから、ここでも図１を用いて説明する。
上記本発明の実施の形態で説明と重複する部分の図の説明は省略する。
本実施例では図１（ｊ）に示すウッドパイル型３次元フォトニック結晶構造を作製した。
まず、図１（ａ）に示した成膜工程を行う。この工程で、基板１０の上にフォトニック結晶を構成する主材料である誘電体薄膜２０を形成する。
前記基板１０として、石英を用いた。誘電体薄膜２０としては、厚さが約１００ｎｍのＳｉ薄膜をスパッタリング法で形成した。
次に、図１（ｂ）に示したイオン注入工程を行う。この工程で、集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓ ｉｏｎ ｂｅａｍ；以下ＦＩＢ）を走査しながら、Ｇａイオンを３０の部分に選択的に打ち込む。
パターン３０のサイズは、幅が約１００ｎｍ、長さが１００μｍ、面内周期が約３００ｎｍである。パターン全体のエリアは、約１００μｍ角である。
ＦＩＢの加速電圧を約５ｋＶ〜３０ｋＶにして、Ｓｉ薄膜の最表面から約３０ｎｍの深さまでＧａイオンをほぼ均等に注入する。
ＦＩＢのビーム径を１０ｎｍ程度に絞って、ビーム電流と走査速度を調整して、Ｇａイオンの最高密度を約５×１０２０ｃｍ−３にする。
パターン３０のサイズは、幅が約１００ｎｍ、長さが１００μｍ、面内周期が約３００ｎｍである。パターン全体のエリアは、約１００μｍ角である。
ＦＩＢの加速電圧を約５ｋＶ〜３０ｋＶにして、Ｓｉ薄膜の最表面から約３０ｎｍの深さまでＧａイオンをほぼ均等に注入する。
ＦＩＢのビーム径を１０ｎｍ程度に絞って、ビーム電流と走査速度を調整して、Ｇａイオンの最高密度を約５×１０２０ｃｍ−３にする。
次に、図１（ｃ）に示したパターン形成工程を行う。この工程で、Ｓｉ薄膜２０をフッ素系ガスＲＩＥでエッチングして、５０で示している部分を部分的に除去する。
このとき、図１（ｂ）に示したイオン注入工程で形成したパターン３０をエッチングマスクとして、Ｓｉ薄膜２０の上面にほぼ垂直の方向から見えるＧａイオン未注入部５０を選択的に除去する。
このエッチングによって、フォトニック結晶第１層目のパターンが形成されている。
ここでのＲＩＥは、例えば、ＳＦ６とＣ４Ｆ８ガスを交互に導入したＲＩＥ法が用いられる。
ＳＦ６ガスを導入するとき、主にエッチングが進行する。Ｃ４Ｆ８ガスを導入するとき、主に側壁保護が進行する。こうして、マスクのエッチング耐性が更に向上して、ＧａマスクにおけるＧａの量およびマスク厚みの低減が可能である。
このパターン形成工程において、Ｇａイオン注入部３０のエッチング耐性がＧａイオン未注入部５０の５００倍以上のものを得ることができる。
このとき、図１（ｂ）に示したイオン注入工程で形成したパターン３０をエッチングマスクとして、Ｓｉ薄膜２０の上面にほぼ垂直の方向から見えるＧａイオン未注入部５０を選択的に除去する。
このエッチングによって、フォトニック結晶第１層目のパターンが形成されている。
ここでのＲＩＥは、例えば、ＳＦ６とＣ４Ｆ８ガスを交互に導入したＲＩＥ法が用いられる。
ＳＦ６ガスを導入するとき、主にエッチングが進行する。Ｃ４Ｆ８ガスを導入するとき、主に側壁保護が進行する。こうして、マスクのエッチング耐性が更に向上して、ＧａマスクにおけるＧａの量およびマスク厚みの低減が可能である。
このパターン形成工程において、Ｇａイオン注入部３０のエッチング耐性がＧａイオン未注入部５０の５００倍以上のものを得ることができる。
次に、図１（ｄ）に示した犠牲層形成工程を行う。
この工程で、前記第１層目の構造を含むＳｉ薄膜上に犠牲層薄膜として銅薄膜６０を形成する。銅薄膜は、スパッタ法で堆積するが、厚みが約０．３μｍである。
この工程で、前記第１層目の構造を含むＳｉ薄膜上に犠牲層薄膜として銅薄膜６０を形成する。銅薄膜は、スパッタ法で堆積するが、厚みが約０．３μｍである。
次に、図１（ｅ）に示した平坦化工程を行う。この工程で、周知のＣＭＰ法で銅薄膜６０を研磨するが、下地のＳｉ薄膜パターン３０を露出させ、銅薄膜６０の高さが３０とほぼ同じになるように研磨を進める。
次に、図１（ｆ）乃至図１（ｉ）に示したように、前記成膜工程、イオン注入工程、パターン形成工程、犠牲層形成工程、及び平坦化工程を繰り返して、図１（ｉ）に示すような犠牲層含有フォトニック結晶構造を作製する。
層間のパターン位置合せを高い精度で行うために、予め基板１０に位置合せマーク（図示なし）を形成する。該位置合せマークを基準にして各層のパターン配置を決める。
前記位置合せ用マークの形成には、電子ビームリソグラフィとリフトフ法を用いる。位置合せ用マークの材料は、Ａｕ（厚み１００ｎｍ）／Ｃｒ（厚み１０ｎｍ）である。
層間のパターン位置合せを高い精度で行うために、予め基板１０に位置合せマーク（図示なし）を形成する。該位置合せマークを基準にして各層のパターン配置を決める。
前記位置合せ用マークの形成には、電子ビームリソグラフィとリフトフ法を用いる。位置合せ用マークの材料は、Ａｕ（厚み１００ｎｍ）／Ｃｒ（厚み１０ｎｍ）である。
図１（ｈ）のパターン形成工程において、２層目のパターン加工を２層目のＳｉ薄膜の下まで進むと、下地となる１層目のパターンの一部分（例えば、３５で表示されている部分）が露出する。
通常、パターン加工は時間で終点制御を行うことが多く、パターン露出部３５をまったくエッチング雰囲気に曝さずに加工を止めることは困難である。
従来、エッチストップ層を設けることが難しく、どうしてもパターン露出部３５にダメージを与えてしまう。これは、フォトニック結晶構造の加工精度を低下させ、素子特性に影響を及ぼすことになる。
それに対して、本実施例では、Ｇａイオンをパターン形成したい部分へ注入して、該部分（３０と３５の部分）に高いエッチング耐性をもたらしている。
つまり、エッチングマスクをイオン注入によって、Ｓｉ薄膜の内部に埋め込んでいる。
この内蔵マスクは、２層目以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。
図１（ｈ）では、３５の部分が露出しているが、該部分は高いエッチング耐性を持つため、受ける加工ダメージが低い。
そのため、従来のエッチストップ層がない加工法より高い加工精度を得られる。
通常、パターン加工は時間で終点制御を行うことが多く、パターン露出部３５をまったくエッチング雰囲気に曝さずに加工を止めることは困難である。
従来、エッチストップ層を設けることが難しく、どうしてもパターン露出部３５にダメージを与えてしまう。これは、フォトニック結晶構造の加工精度を低下させ、素子特性に影響を及ぼすことになる。
それに対して、本実施例では、Ｇａイオンをパターン形成したい部分へ注入して、該部分（３０と３５の部分）に高いエッチング耐性をもたらしている。
つまり、エッチングマスクをイオン注入によって、Ｓｉ薄膜の内部に埋め込んでいる。
この内蔵マスクは、２層目以降の構造形成の邪魔にならないため、薄膜加工後にも除去する必要がない。このマスクは次層目以降の加工においても、エッチストップ層として該薄膜の構造を保護することができる。
図１（ｈ）では、３５の部分が露出しているが、該部分は高いエッチング耐性を持つため、受ける加工ダメージが低い。
そのため、従来のエッチストップ層がない加工法より高い加工精度を得られる。
続いて、図１（ｊ）に示した３次元構造を得るため、犠牲層除去工程を行う。この工程で、図１（ｉ）の構造における前記犠牲層を塩化鉄含有エッチング溶液で一括に除去して、所望のウッドパイル型３次元フォトニック結晶を得る。
図１（ｊ）には、１周期（４層）のウッドパイル型フォトニック結晶を示している。
以上の積層工程によって、３次元フォトニック結晶を代表とする３次元構造を、より高加工精度かつより低コストで製造可能になる。
図１（ｊ）には、１周期（４層）のウッドパイル型フォトニック結晶を示している。
以上の積層工程によって、３次元フォトニック結晶を代表とする３次元構造を、より高加工精度かつより低コストで製造可能になる。
［実施例２］
実施例２においては、上記した３次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された３次元フォトニック結晶を製造型として用いて３次元周期構造を製造する方法について説明する。
本実施例では、実施例１で形成したフォトニック結晶７０を製造型として用い、新たなフォトニック結晶構造を作製する。
作製方法として、まず、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ）法でフォトニック結晶７０のロッド４０間の雰囲気部５０を別の材料で埋め込む。
前記材料は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）である。埋め込む条件の最適化によって、前記雰囲気部５０を隙間なく緻密に埋め込むことができる。
実施例２においては、上記した３次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された３次元フォトニック結晶を製造型として用いて３次元周期構造を製造する方法について説明する。
本実施例では、実施例１で形成したフォトニック結晶７０を製造型として用い、新たなフォトニック結晶構造を作製する。
作製方法として、まず、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ）法でフォトニック結晶７０のロッド４０間の雰囲気部５０を別の材料で埋め込む。
前記材料は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）である。埋め込む条件の最適化によって、前記雰囲気部５０を隙間なく緻密に埋め込むことができる。
そして、研磨やドライエッチングによって、前記ロッド４０の中で最外部に位置するものを部分的に露出させる。そして、ドライエッチング、または溶液エッチングによって、ロッド４０（Ｓｉ）を完全に除去する。
ドライエッチング法として、ＸｅＦ２ガスによるものがある。溶液エッチングに使用できる溶液は、Ｓｉを溶かすが、ＴｉＯ２及び石英基板をエッチングしないものであればよい。
例えば、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液が好適である。前記プロセスによって、ＴｉＯ２からなる３次元フォトニック結晶が形成される。また、ＴｉＯ２の代わりに、ＧａＮ、ＳｉＯ２、ＺｎＯなどの材料もある。それぞれの材料では、埋め込む等の工程が若干異なるが、可能であることが明らかである。
また、基板１０は石英としたが、必要に応じて変えても支障がない。
ドライエッチング法として、ＸｅＦ２ガスによるものがある。溶液エッチングに使用できる溶液は、Ｓｉを溶かすが、ＴｉＯ２及び石英基板をエッチングしないものであればよい。
例えば、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液が好適である。前記プロセスによって、ＴｉＯ２からなる３次元フォトニック結晶が形成される。また、ＴｉＯ２の代わりに、ＧａＮ、ＳｉＯ２、ＺｎＯなどの材料もある。それぞれの材料では、埋め込む等の工程が若干異なるが、可能であることが明らかである。
また、基板１０は石英としたが、必要に応じて変えても支障がない。
上記方法によって、前記製造型に、３次元フォトニック結晶を形成する材料を埋め込んだ後、該製造型の側を除去し、該製造型の反転した形状の埋め込んだ材料による３次元周期構造を製造することができる。
これにより、実施例１で示した積層工程で形成したＳｉフォトニック結晶と全く異なる材料からなるフォトニック結晶を形成することが可能になる。
これにより、実施例１で示した積層工程で形成したＳｉフォトニック結晶と全く異なる材料からなるフォトニック結晶を形成することが可能になる。
１０：基板
２０：誘電体薄膜
３０：イオン注入によるマスクパターン
３５：パターン露出部
４０：フォトニック結晶ロッド
５０：雰囲気部
６０：犠牲層
７０：フォトニック結晶
２０：誘電体薄膜
３０：イオン注入によるマスクパターン
３５：パターン露出部
４０：フォトニック結晶ロッド
５０：雰囲気部
６０：犠牲層
７０：フォトニック結晶
Claims (11)
- ３次元フォトニック結晶の製造方法であって、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程と、
を有することを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。 - 前記誘電体薄膜は、Ｓｉ、またはＳｉの酸化物あるいは窒化物を含むＳｉの化合物で形成されることを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記成膜工程において、前記誘電体薄膜の形成に、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長のいずれかが用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記イオン注入工程において、前記集束イオンビームのイオンに、Ｇａイオンが用いられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記パターン形成工程において、前記誘電体薄膜が露出した部分の選択的除去に、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチングが用いられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記犠牲層形成工程における犠牲層が、前記平坦化工程において平坦化が容易な材料から選択されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記犠牲層形成工程における犠牲層の形成に、スパッタ、または真空蒸着、または化学気相堆積、またはエピタキシャル成長のいずれかが用いられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- 前記平坦化工程における平坦化に、機械研磨、または化学機械研磨のいずれかが用いられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- ３次元フォトニック結晶の製造方法であって
複数のロッド形状部が平行に、且つ所定の面内周期で周期的に配置した犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造を製造する第１工程と、
前記犠牲層を含有するパターン形成層が複数積層された構造における、該犠牲層を液体エッチング剤で一括に除去して、３次元周期構造を製造する第２工程と、を有し、
前記第１工程は、
誘電体薄膜を形成する成膜工程と、
前記誘電体薄膜へ集束イオンビームによるイオンを選択的に注入し、前記誘電体薄膜上にマスクを形成するイオン注入工程と、
前記誘電体薄膜上に形成された前記マスク部分以外の誘電体薄膜が露出した部分を選択的に除去し、パターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンを形成した誘電体薄膜上へ、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記誘電体薄膜上へ形成された犠牲層を、前記パターンが露出するまで平坦化する平坦化工程とをこの順に４回以上繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。 - 前記液体エッチング剤が、塩化鉄を含む液体エッチング剤であることを特徴とする請求項９に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
- 請求項９に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法によって製造された３次元フォトニック結晶を製造型として用い、
前記製造型に、３次元フォトニック結晶を形成する材料を埋め込んだ後、該製造型を除去し、
前記製造型の反転した形状の前記埋め込んだ材料による３次元周期構造を製造することを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
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