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PLASMA ETCHING METHOD, AND MANUFACTURING METHOD FOR PHOTONIC CRYSTAL

Patent code P100001252
File No. 1309
Posted date Nov 25, 2010
Application number P2006-171977
Publication number P2008-004711A
Patent number P5135574
Date of filing Jun 21, 2006
Date of publication of application Jan 10, 2008
Date of registration Nov 22, 2012
Inventor
  • (In Japanese)野田 進
  • (In Japanese)今田 昌宏
  • (In Japanese)高橋 重樹
  • (In Japanese)岡野 誠
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人京都大学
Title PLASMA ETCHING METHOD, AND MANUFACTURING METHOD FOR PHOTONIC CRYSTAL
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for a plasma etching in the oblique direction at a large etching angle extensively over a large area.
SOLUTION: An electric-field control plate 22 with an edge 23 in a form inclined to the surface of a base material 21 is placed in parallel with the surface of the base material 21, and ions are implanted to the surface of the base material 21 by applying a bias voltage to ions in a plasma. It is considered that ions do not reach a region 26 just under the edge 23 at a glance because the edge 23 of the electric-field control plate 22 is overhung, but ions creeps and are implanted in the region 26 by a deformation so that an equipotential surface is pulled actually to the underside of the electric-field control plate 22 along the edge 23. Accordingly, an etching in the oblique direction can be conducted at the large etching angle as 40° to 50° to the normal of the surface of the base material 21 extensively over the large area, thus preferably manufacturing a three-dimensional photonic crystal.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


(1) フォトニック結晶について
近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光機能材料であり、この周期屈折率分布の構造が光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギャップ、略称:PBG)が形成されることが特徴である。また、この屈折率分布の中に乱れ(欠陥)を導入することにより、PBG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、欠陥準位に対応する波長の光のみが、この欠陥位置において存在可能になる。これにより、点状の欠陥から成る光共振器や線状の欠陥から成る光導波路等をフォトニック結晶内に設けることができる。また、光導波路の近傍に、その光導波路を伝播する光の波長帯に含まれる大きさの共振波長を持つ光共振器を配置することにより、そのフォトニック結晶は光導波路を伝播する光のうちこの共振波長と同じ波長の光を光共振器に取り出すこと(分波)ができると共に、その波長の光を光共振器から光導波路に合流させること(合波)ができる光合分波器となる。



フォトニック結晶には主に2次元フォトニック結晶(例えば特許文献1参照)と3次元フォトニック結晶(特許文献2)がある。特許文献1に記載の2次元フォトニック結晶は、板状の誘電体から成る本体に空孔を周期的に形成したものである。特許文献2に記載の3次元フォトニック結晶は、誘電体から成るロッドが平行に周期的に配列されたストライプ層を、最隣接のストライプ層のロッド同士が直交し次隣接のストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれるように積層したものである。3次元フォトニック結晶は欠陥位置に存在する光が外部に漏出し難く、光共振器や光導波路の損失を極めて低く抑えることができるという利点を有する。



従来、3次元フォトニック結晶は、ストライプ層同士の位置を正確に合わせなければならないという点で製造が難しいとされていた。それに対して、最近、非特許文献1において、誘電体から成る基材の表面に対して傾斜した第1の方向を指向する第1の異方性エッチングを行ってこの第1方向に延びる孔を形成した後に、第1方向と所定の角度で交差する第2の方向を指向する第2の異方性エッチングを行ってこの第2方向に延びる孔を形成することにより3次元フォトニック結晶を製造することが提案された。この方法では、4n番目(nは整数)のストライプ層及びそれに次隣接の(4n+2)番目のストライプ層は第1の異方性エッチングにより、(4n+1)番目及び(4n+3)のストライプ層は第2の異方性エッチングにより、それぞれ製造される。この方法によれば、ストライプ層同士の位置合わせを行う必要がないため、製造が容易である。



ここで、第1方向と第2方向の成す角度は80°~100°であることが望ましい。
図1(a)に、基材の材料にSiを用いた場合を例に、異方性エッチングのエッチング角と、そのエッチングにより得られる3次元フォトニック結晶のPBGの大きさ(PBG幅)の関係を計算で求めた結果をグラフで示す。この計算において、第1方向と第2方向は、基材11の表面に対する垂線を含む同一面内にあり、その垂線との成す角度(エッチング角)は共に同じ大きさαである。従って、第1方向と第2方向の成す角度は2αである。図1(a)より、PBG幅はエッチング角αが40°~50°の範囲内ではほぼ同じ大きさになり、その範囲から離れるに従って小さくなることがわかる。PBGの幅が大きいほど、所望の波長帯の光が伝播する光導波路や所望の共振波長の光に共振する光共振器が得易く、光合分波器として使用することができる波長帯域を大きくすることができる、等の利点がある。そのため、エッチング角αは40°~50°、即ち第1方向と第2方向の成す角度は80°~100°とすることが望ましい。



一方、2次元フォトニック結晶は3次元フォトニック結晶よりも製造が容易であるという利点を有する。最近、TE偏波及びTM偏波の双方に共通のPBG(完全PBG)を、従来よりも広いエネルギー領域に亘って形成することができる2次元フォトニック結晶が提案された。非特許文献2には、板状の基材の表面における三角格子の各格子点から、互いに異なる方向に延びる3個の空孔が形成された2次元フォトニック結晶が記載されている。それら3個の空孔は、本体に平行な方向には互いに120°ずつ異なり、本体に垂直な方向にはいずれも本体の法線に対して約36°傾斜した方向に形成されている。従来の2次元フォトニック結晶では完全PBGの幅は最大でも数%(完全PBGの中心値に対する幅の大きさで定義)であったのに対して、この2次元フォトニック結晶では約15%(基材にSiを用いた場合)の幅を持つ完全PBGを形成することができる。



(2) 斜方向エッチングについて
ここまでに述べたように、非特許文献1に記載の3次元フォトニック結晶、及び非特許文献2に記載の傾斜空孔を有する2次元フォトニック結晶はいずれも、基材に対して所定の角度だけ傾斜した方向に基材をエッチング(斜方向エッチング)することにより製造される。このような斜方向エッチングはフォトニック結晶の製造の場合に限られず、半導体デバイスの微細加工や微小電気機械システム(microelectromechanical system、略称:MEMS)の製造等にも用いることができる。



斜方向エッチングの方法の1つとして、プラズマエッチングの一種である反応性イオンエッチング法が挙げられる。図2に示すように、反応性イオンエッチング法はプラズマ12中のイオンをバイアス電圧により加速して被加工物に入射させることにより、被加工物をエッチングするものである。この反応性イオンエッチング法を用いる場合、イオンを加速する方向に対して基材11を傾斜して配置(図2(a))すれば、斜方向エッチングを行うことができるようにも思われる。しかし、実際には、このように基材11を配置すると、バイアス電圧により形成される等電位面13は基材11の表面に平行に形成され(図2(b))、イオンはその軌道14がこの等電位面13に対して垂直な方向となるように曲げられ、基材11の表面に対して垂直に入射する。そのため、この方法では基材に対して斜方向にエッチングをすることができない。



非特許文献3には、図2(c)に示すように、プラズマ12にバイアス電圧を印加するための電極141及び142の間に、上面にステンレス鋼製の格子から成る窓151を設けたシールド(ファラデー箱)15を設け、シールド15の中に、イオンの加速方向に対して基材11を傾斜して配置した状態で基材11をプラズマエッチングすることが記載されている。この方法によれば、プラズマ中のイオンはシールド15の外側においてバイアス電圧により加速され、窓151からシールド15内に進入する。この時、シールド15内には電界が形成されていないため、イオンは軌道を曲げられることなく、基材11の表面に対して斜め方向に入射する。これにより基材11は斜方向にエッチングされる。



特許文献3には、図2(d)に示すように、基材11をその表面がイオンの入射方向に対して垂直になるように配置し、基材11の表面に対して傾斜した上面を持つテーパブロック16をその表面に配置し、テーパブロック16の上に電界制御板(特許文献3では「プラズマ制御板」と表記)17を載置したうえで、基材11を反応性イオンエッチング法によりエッチングすることが記載されている。この方法によれば、基材11と電界制御板17が接する点の付近においてイオンは軌道を曲げられ、基材11の表面に対して斜め方向に入射する。これにより基材11はその箇所において斜め方向にエッチングされる。



【特許文献1】
特開2001-272555号公報
【特許文献2】
特開2001-074955号公報
【特許文献3】
特開2006-000945号公報
【非特許文献1】
高橋 重樹 他、"New Fabrication Method of Woodpile 3D Photonic Crystals"(「ウッドパイル型3次元フォトニック結晶の新しい作製方法」)、PECS-VI: International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures(第6回フォトニック結晶に関する国際シンポジウム)講演要旨(ポスターセッションD)、[online]、2005年5月26日発行、[2006年5月22日検索]、インターネット<URL: http://www.cmpgroup.ameslab.gov/PECSVI/ProgramBook/14PosterSessionD.pdf>、第14頁
【非特許文献2】
北川 均 他、2006年春季第53回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、第3分冊、講演番号22a-L-11
【非特許文献3】
G. D. Boyd他、アプライド・フィジックス・レターズ、(米国)、アメリカ応用物理学会発行、1980年4月1日、第36巻、第7号、第583-586頁(G. D. Boyd et al. "Directional reactive ion etching at oblique angles", Applied Phisics Letters, American Institute of Physics, vol. 36, No. 7, pp. 583-586)

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、半導体デバイス等の微細加工に適したプラズマエッチング方法及びその方法を用いたフォトニック結晶の製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
基材の表面のエッチング対象領域を、該基材表面に対して斜め方向にエッチングするプラズマエッチング方法であって、
所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように傾斜した縁を有する電界制御板を、該縁の、該基材表面の法線方向の該基材表面への投影面が前記エッチング対象領域を覆うように、該基材表面に略平行に配置し、
該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオン該基材に入射するような電位差を該プラズマと該基材表面の間に形成することを特徴とするプラズマエッチング方法。

【請求項2】
 
前記エッチング対象領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置することを特徴とする請求項1に記載のプラズマエッチング方法。

【請求項3】
 
誘電体から成る基材の表面の孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し
定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように傾斜した縁を有する電界制御板を、該縁の、該基材表面の法線方向の該基材表面への投影面が前記孔形成領域を覆うように、該基材表面に略平行に配置し、
該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンが該基材に入射するような電位差を該プラズマと該基材表面の間に形成する
工程を有することを特徴とするフォトニック結晶製造方法。

【請求項4】
 
前記異方性エッチングを複数回、各回毎に前記電界制御板の縁の方向を変えて行うことを特徴とする請求項3に記載のフォトニック結晶製造方法。

【請求項5】
 
a) 誘電体から成る基材の表面の孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを該基材表面に形成する工程であって、該孔形成領域を複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目(nは整数)の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+2)番目の帯状領域に多数の孔が4n番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第1マスクを形成する第1マスク形成工程と、
b) 定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように傾斜した縁を有する電界制御板を、該縁の、該基材表面の法線方向の該基材表面への投影面が前記孔形成領域を覆うように、該基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンが該基材に入射するような電位差を該プラズマと該基材表面の間に形成することにより、前記帯状領域に平行な第1の方向に指向する異方性エッチングを行う第1エッチング工程と、
c) 前記第1マスクを除去する第1マスク除去工程と、
d) 前記孔形成領域内の(4n+1)番目の帯状領域に多数の孔が周期a1で配置されていると共に、(4n+3)番目の帯状領域に(4n+1)番目の帯状領域の孔とはa1/2だけ帯の長手方向にずれて周期a1で配置されている第2マスクを形成する第2マスク形成工程と、
e) 前記第1マスク形成工程において第1電界制御板を配置した位置から前記孔形成領域を挟んで対向する位置に、所定の厚さを有し上面が下面よりも外側に突出するように該基材表面の法線に対して縁が傾斜して形成されている第2の電界制御板を、該縁の、該基材表面の法線方向の該基材表面への投影面が前記孔形成領域を覆うように、該基材表面に略平行に配置し、該基材の上方にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンが該基材に入射するような電位差を該プラズマと該基材表面の間に形成することにより、前記帯状領域に平行であって前記第1の方向とは異なる第2の方向に指向する異方性エッチングを行う第2エッチング工程と、
f) 前記第2マスクを除去する第2マスク除去工程と、
をこの順で行うことを特徴とする3次元フォトニック結晶製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2006171977thum.jpg
State of application right Registered
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