JP3599042B2

JP3599042B2 - ３次元周期構造体およびその製造方法

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Publication number: JP3599042B2
Application number: JP2002154254A
Authority: JP
Inventors: 聡秀桐原; 欽生宮本; 卓二中川; 克彦田中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: CN1643414A; AU2003244887A8; AU2003244887A1; JP2003344629A; CN1327255C; WO2003100484A2; WO2003100484A3; US20050221100A1; DE10392155T5

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、３次元周期構造体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体結晶中において、原子核により構成される周期的なポテンシャル分布は、格子定数に見合う波長の電子波に対して干渉作用を示す。すなわち、電子波の波長が結晶のポテンシャル周期に非常に近い場合には、３次元的な回折作用（ブラッグ回折）により反射が起こる。この現象により特定のエネルギ領域に含まれる電子はその通過を禁止される。これが半導体デバイスなどに利用される電子バンドギャップの形成である。
【０００３】
同様に、屈折率もしくは誘電率が周期的に変化する３次元構造は、電磁波に対する干渉作用を示し、特定周波数領域の電磁波を遮断する。この場合、禁止帯はフォトニックバンドギャップと呼ばれ、上記３次元構造体はフォトニック結晶と呼ばれる。
【０００４】
フォトニック結晶のこのような作用を利用して、例えば所定周波数帯域の電磁波の透過を遮断するカットオフフィルタとして用いたり、上記周期的な構造中に周期を乱す不均一部分を導入して、その部分に光や電磁波が閉じ込める導波路や共振器として用いたりすることが考えられている。また、光の超低閾値レーザーや電磁波の高指向性アンテナ等への応用も考えられている。
【０００５】
一般にフォトニック結晶中において、電磁波のブラッグ回折が起こるときには、二種類の定在波が形成される。図５はその二種類の定在波を示している。定在波Ａは、波の振動が低誘電率領域で高いエネルギを有し、定在波Ｂは、波の振動が高誘電率領域で高いエネルギを有する。この二つの異なるモードにスプリットした定在波間のエネルギを有する波は結晶中に存在できないので、バンドギャップが生じる。バンドギャップを広げたいのであれば、二つの定在波のエネルギ差を広げてやればよい。そのためには、二つの媒質で誘電率のコントラストを強くするか、高誘電率媒質の体積比を大きくすることが効果的である。
【０００６】
このフォトニック結晶には１次元、２次元、３次元の構造体があるが、完全なフォトニックバンドギャプを得るためには３次元構造が必要である。
【０００７】
３次元構造を作るためには、例えば角材積層型（特表２００１−５１８７０７、特開２００１−７４９５５）や自己クローニングによる形状保存多層膜を用いた方法（特開２００１−７４９５４）、光造形を用いる方法（特開２０００−３４１０３１、特表２００１−５０２２５６），粒子を並べる方法（特開２００１−４２１４４）等がある。これらの公報には、有機材料、セラミック、Ｓｉ等の絶縁体、誘電体、半導体材料を加工しフォトニック結晶を作る技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの実用的な材料は、例えば１０〜３０［ＧＨｚ］帯域での比誘電率は１５、屈折率は３．０が限界であり、これ以上の誘電率や屈折率のコントラストをつけることは困難であった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、誘電率の異なる２つの物質を３次元空間内で周期性をもって分布させ、且つ誘電率や屈折率のコントラストを高めた３次元周期構造体およびその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、誘電率の異なる２つの物質が３次元空間内で周期性をもって分布した３次元周期構造体であって、前記２つの物質の界面に、各々独立した導電性粒子または複数の導電性粒子同士によるクラスタがまばらに広がる導電体膜が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構造によって、誘電率の異なる２つの物質を３次元空間内で周期性をもって分布させるとともに、金属膜の広がる方向への電流の導通を阻止して、金属体を実質的に絶縁膜被覆しているものと等価な効果を得る。
【００１４】
また、この発明は、前記２つの物質の界面に、表面抵抗が０．３Ω／□以上の導電体膜が形成されていることを特徴とする。
この表面抵抗が０．３Ω以上の導電体膜を形成するという条件を満たすことによって、誘電率の異なる２つの物質を３次元空間内で周期性をもって分布させるとともに、金属膜の広がる方向への電流の導通を阻止して、金属体を実質的に絶縁膜被覆しているものと等価な作用効果を得る。
また、この発明は、前記導電体膜としては、導電率１０³Ｓ／ｃｍ以上の導電性材料から構成する。
【００１５】
また、前記導電体膜は、誘電率の異なる２つの物質のうち一方の表面に無電解メッキ法により形成する。
【００１６】
また、この発明の３次元周期構造体の製造方法は、前記構造の３次元周期構造体の２つの物質のうちの一方の物質を、形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法で造形することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の３次元周期構造体およびその製造方法を各図を参照して順次説明する。
図１はフォトニック結晶としての３次元構造体の斜視図である。（Ａ）において１は既に硬化したエポキシ系樹脂、ｈはこの樹脂１によるブロック内に形成した複数の孔である。１００′は、孔ｈを形成した樹脂１によるユニットセル素体を示している。図１の（Ｂ）は、（Ａ）に示した状態から樹脂１の表面に導電体膜２を形成した状態を示している。このように誘電率の異なる２つの物質である空気と樹脂１との界面に導電体膜２を形成することによってユニットセル１００を構成している。
【００１８】
孔ｈは、後述するように３次元空間内で周期性をもって分布している。この構造により、誘電率の異なる２つの物質である樹脂１と空気とが３次元空間内で周期性をもって分布した３次元周期構造体を成している。
【００１９】
フォトニック結晶が十分な電磁波の反射機能を発揮するためには、あらゆる結晶方向に対して幅の広いバンドギャップを形成する必要がある。理想的な結晶構造は３次元ダイヤモンド構造である。ダイヤモンド構造は、単位格子に８個の格子点を含み、そのうち４個ずつがそれぞれ独立の面心立方格子を作り、一方の格子が他方を立体対角線に沿ってその長さの１／４だけ平行に移動した位置を占めるものである。
【００２０】
ダイヤモンド構造のフォトニック結晶は、球状の誘電体をダイヤモンド構造の格子点に配置した結晶や、誘電体柱の組み合わせでダイヤモンド構造の原子結合を模した結晶である。図２は後者の単位構造を斜視図として示している。但しここでは、図示を容易にするため、空気孔のみの形状を示している。
【００２１】
図１に示したユニットセル素体１００′は、樹脂１中に図２に示したようなダイヤモンド型格子構造の空気孔を周期性をもって分布させたものである。このような構造を反転ダイヤモンド構造と称することができる。ここで格子の円柱部分の直径と長さの比率を２：３（アスペクト比１．５）、格子定数を１０ｍｍとしている。
【００２２】
図３は、図１の（Ａ）に示したユニットセル素体１００′を製造する装置を示している。ここで、１５は紫外線で硬化するエポキシ系の光硬化性樹脂１８を満たす容器である。１６は容器１５の内部で上下方向に移動するエレベータテーブル、１９はエレベータテーブル１６の上部に造形したオブジェクトである。１７はオブジェクト１９の上面に光硬化性樹脂１８を所定膜厚だけ塗布するためのスキージである。
【００２３】
また、１０はレーザーダイオード、１１はレーザーダイオード１０からのレーザー光を波長変換して紫外光を発生させる調波発生素子（ＬＢＯ）、１２は波長選択素子としての音響光学素子（ＡＯＭ）、１３は走査ミラー、１４はｆθレンズである。これらによって光学系を構成している。
【００２４】
このような光造形装置を用いたフォトニック結晶の製造手順は次のとおりである。
まず、エレベータテーブル１６を光硬化性樹脂１８の液面から所定深さまで降下させ、スキージ１７を液面に沿った方向に移動させることによって、エレベータテーブル１６の表面に厚さ約１００μｍの光硬化性樹脂膜を形成する。その状態で上記光学系によって波長３５５ｎｍの紫外線レーザーをスポット径５０μｍのビームとして出力１１０ｍＷでその液面に照射する。このとき走査ミラー１３を制御しつつレーザーダイオード１０を変調することによって、光硬化性樹脂１８を硬化させるべき位置にレーザー光を照射し、その他の領域に照射しないように制御する。
【００２５】
上記レーザービームの照射された光硬化性樹脂１８の液面は、その重合反応により直径１２０μｍの球状硬化相が形成される。この時、レーザービームを速度９０ｍ／ｓで走査すると、厚さ１５０μｍの硬化相が形成される。
このようにレーザービームをラスタースキャンすることによって一層目の断面パターンに相当するオブジェクト１９を形成する。
【００２６】
次に、エレベーターテーブル１６を約２００μｍ降下させ、スキージ１７の移動によって、オブジェクト１９の表面に厚さ約２００μｍの光硬化性樹脂膜を形成する。
【００２７】
その後、一層目と同様にしてレーザービームの走査および変調を行うことによって二層目の断面パターンを一層目の上に形成する。この時、上下の層は重合硬化により接合される。三層目以降は二層目と同様である。この処理を繰り返すことによってオブジェクト１９を造形する。
【００２８】
図４は、多数の層を形成した各段階でのオブジェクトの形状を透視斜視図として示している。但しここでは、図示を容易にするため、レーザービームが照射されずに硬化しなかった部分すなわち孔部分のパターンを示している。（Ａ）は、図２に示したダイヤモンド構造の結晶軸〈１１１〉方向に略１ユニット分だけ造形した状態を示している。また（Ｂ）は、これを約４ユニット分造形した状態を示している。（Ｃ）は、更にこれを所定ユニット分繰り返して造形した状態を示している。
【００２９】
図３に示した装置で、光硬化性樹脂１８の液面に対して所定の断面パターンで光硬化性樹脂１８を硬化させるために、ＣＡＤ／ＣＡＭプロセスを用いる。すなわち、図４に示したようなパターンは、３次元データを扱うＣＡＤで予め設計し、その３次元構造のデータを一旦ＳＴＬデータに変換し、これをスライスソフトウェアによって、所定位置における２次元断面データの集合へ変換する。最後に、この２次元断面データからレーザービームをラスタースキャンさせる際にレーザーダイオードを変調するためのデータを作成する。このようにして用意したデータを基に、レーザービームの走査とともにレーザーダイオードの変調を行う。
【００３０】
以上の手順で造形した光硬化性樹脂によるターゲット１９を容器１５から取り出し、未硬化の光硬化性樹脂を洗浄し、乾燥させ、さらに所定サイズに切断することによって、図１の（Ａ）に示したユニットセル素体１００′を構成する。なお、このユニットセル素体１００′の孔ｈは３次元空間内で周期性をもって分布するので、図３に示した装置でダイヤモンド構造のセルを結晶の各軸方向に繰り返し形成しておき、所定方向に所定寸法だけ切り出すことによってユニットセル素体１００′を得るようにしても良い。
【００３１】
さて、以上のようにして形成したユニットセル素体１００′に対して、次に図１の（Ｂ）に示したように導電体膜２を成する。この導電体膜の形成方法と、導電体膜を形成したことによる特性上の変化について以降に述べる。
【００３２】
導電体膜２は、ユニットセル素体１００′に対して無電解メッキ法によってＣｕやＮｉ等を被膜形成することにより設ける。図９は、ユニットセル素体１００′に対してＣｕの無電解メッキを行ったときのメッキ時間と導電体膜（Ｃｕ膜）の表面抵抗との関係を示している。
【００３３】
図６は、ユニットセル１００の特性を測定する測定装置を示している。ここで３０はＭバンド導波管、３１，３２は導波管３０内に挿入したプローブである。この導波管３０の内部に試料としてのユニットセル１００を挿入する。プローブ３１，３２にはネットワークアナライザ３３を接続している。そして、このネットワークアナライザ３３を用いて電磁波の透過特性を測定する。図６においてユニットセル１００は、それに設けている孔ｈによるダイヤモンド構造の結晶軸〈１０００〉が導波管３０の電磁波伝搬方向を向くように配置している。導波管３０の内側寸法は、横２０×縦１０ｍｍであり、ユニットセル１００の寸法は導波管３０の長手方向に２０ｍｍ、導波管３０の高さ方向に１０ｍｍである。
【００３４】
図７は、Ｃｕの無電解メッキのメッキ時間を変えて、Ｃｕ膜の状態を変えた時の上記透過特性を示している。ここで横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は減衰量（ｄＢ）であり、電磁波の入力に対する出力の強度比の対数である。０（ｄＢ）は入力と出力の信号強度が等しい状態である。
【００３５】
図７の（Ａ）は、導波管３０内にユニットセル１００を挿入しない状態での特性である。（Ｂ）はＣｕ膜形成前のユニットセル素体１００′を導波管３０内に挿入した状態での特性である。（Ｃ）〜（Ｈ）は、Ｃｕ無電解メッキのメッキ時間を１分〜２０分まで変化させた時の特性である。
【００３６】
ここで、図７の（Ａ）〜（Ｈ）に対応させて、メッキ時間、表面抵抗、Ｃｕの膜厚と、それによって得られるバンドギャップとの関係を次の表に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
ここで、「ギャップ中心周波数」は、最下点（減衰量最大点）の周波数、「バンド幅」は減衰量が「減衰量」で示す値であるときの帯域幅、「最下点の減衰量」は最も減衰する点の減衰量である。
【００３９】
図７の（Ｂ）に示すように、導電体膜を形成しないユニットセル素体１００′であれば、そのバンドギャップにより、１８．０［ＧＨｚ］で−１９．５（ｄＢ）減衰する特性が現れる。このときの減衰量−１２．０（ｄＢ）で見たバンド幅は０．９［ＧＨｚ］である。メッキ時間１分でＣｕの無電解メッキを行ったユニット素体１００であれば、図７の（Ｃ）に示すように、１０．７［ＧＨｚ］で約−２８．２（ｄＢ）だけ減衰する。このときの減衰量−１５．６（ｄＢ）で見たバンド幅は０．９［ＧＨｚ］である。無電解メッキ時間を２分→３分→５分→１０分と長くしていくと、図７の（Ｄ）〜（Ｇ）に示すように、減衰量およびバンド幅が共に大きなる。すなわちバンドギャップが大きくなることが分かる。
【００４０】
このように、導電体膜２を形成することによって、ユニットセル素体１００′の場合に比べて大きなバンドギャップが得られ、導電体膜２の密度を増す程、大きなバンドギャップが得られることが分かる。また、ユニットセル素体１００′に導電体膜２を形成することにより、バンドギャップが現れる周波数が低くなる。すなわち、ユニットセルの見かけ上の誘電率が高くなることが分かる。このことは、高誘電率材料のフォトニック結晶を得たことと等価である。
【００４１】
ここで、導電体膜２の表面抵抗、バンドギャップの中心周波数、それによる見かけ上の比誘電率の関係を図８に示す。
このようにメッキ時間を長くして、導電体膜２の表面抵抗を小さくするほど見かけ上の比誘電率が高くなる。したがって、同一周波数帯で減衰を得るためのユニットセルがその分小型化できる。
【００４２】
しかし、図７の（Ｈ）に示したように、Ｃｕ無電解メッキのメッキ時間を２０分以上にすると、バンドギャップは消失する。これは、導電体膜２の密度が高くなりすぎて、丁度、図１に示した構造の金属体を導波管内に挿入したことと等価な状態になるためであると考えられる。
【００４３】
ここで、Ｃｕの無電解メッキのメッキ時間を２分とした時の導電体膜２のＡＦＭ像（原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観測した像）を図１０に示す。ここで複数の山型に突出している各々がＣｕ粒である。これらは各々独立している。または、複数のＣｕ粒がクラスタ状に連続しているが、クラスタ同士が全体につながることはなく、まばらに分布している。すなわち導電体粒が不連続な金属膜状態となっている。これにより、Ｃｕ膜の広がる方向への比較的長い経路にわたる電流の導通は阻止される。この構造により、多数の金属体を実質的に絶縁膜被覆しているものと等価な作用効果を得る。
【００４４】
上記メッキ時間を２０分以上にすると、Ｃｕ粒が連続して、フォトニック結晶の全表面に、膜の広がる方向に自由に電流が導通するＣｕ膜が形成される。そのため、誘電率の異なる２つの物質を周期性をもって３次元空間内に分布した構造による作用が無くなって、バンドギャップが消失するものと考えられる。
【００４５】
図９に示したように、メッキ時間の１０分は、表面抵抗の約０．３Ω／□に相当するので、上記３次元周期構造体の２つの物質の界面に、表面抵抗が０．３Ω／□以上の導電体膜を形成すればよい。これを導電体膜の状態で表せば、２つの物質の界面に、各々独立した導電性粒子または複数の導電性粒子同士によるクラスタがまばらに広がる導電体膜を形成すればよい。
【００４６】
なお、上記導電体膜２の導電体材料としてＣｕ以外にＮｉやＩｎＳｂでも同様の結果が得られた。Ｃｕの導電率は５．８×１０^５［Ｓ／ｃｍ］、Ｎｉの導電率は１．５×１０^５［Ｓ／ｃｍ］、ＩｎＳｂの導電率は１．０×１０^３［Ｓ／ｃｍ］であるから、導電率が１０^３Ｓ／ｃｍ以上の導電性材料であれば、他の金属などの導電性材料を無電解メッキしても同様の作用効果が得られるものと考えられる。
【００４７】
また、ユニットセル素体１００′に導電体膜２を形成する方法としては、無電解メッキ法以外に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、導電体粒としての金属粉を分散させた樹脂を塗布し乾燥固化させる塗布法によって導電体膜２を形成しても良い。
【００４８】
【発明の効果】
この発明によれば、誘電率の異なる２つの物質が３次元空間内で周期性をもって分布した３次元周期構造体であって、前記２つの物質の界面に、各々独立した導電性粒子または複数の導電性粒子同士によるクラスタがまばらに広がる導電体膜を形成したことにより、また前記２つの物質の界面に、表面抵抗が０．３Ω／□以上の導電体膜を形成したことにより、
誘電率の異なる２つの物質が３次元空間内で周期性をもって分布するとともに、金属膜の広がる方向への電流の導通が阻止されて、金属体を実質的に絶縁膜被覆したものと同様の効果が得られる。すなわち、誘電率や屈折率のコントラストの高い３次元周期構造体が得られる。
【００４９】
また、この発明によれば、前記導電体膜として、導電率が１０^３Ｓ／ｃｍ以上の導電性材料から構成したことにより、大きなバンドギャップが得られる。また、見かけ上の誘電率が高まり、全体に小型化できる。
【００５０】
また、前記導電体膜を、誘電率の異なる２つの物質のうち一方の表面に無電解メッキ法により形成したことにより、誘電率の異なる２つの物質の界面に、各々独立した導電性粒子または複数の導電性粒子同士によるクラスタがまばらに広がる導電体膜を容易に形成でき、その生産性が高まる。
【００５１】
また、この発明によれば、断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法を用いたことにより、３次元周期構造体の２つの物質のうちの一方の物質による構造を容易に形成でき、且つ、その２つの物質の界面に導電体膜を形成した３次元構造体が容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るユニットセルの構造を示す斜視図
【図２】同ユニットセル内の空気孔によるダイヤモンド構造の１ユニットを示す図
【図３】光造形装置の構成を示す図
【図４】同光造形装置によるオブジェクトの造形途中の状態を示す図
【図５】誘電率の異なる物質が周期性をもって分布している時の２つの定在波を示す図
【図６】ユニットセルの電磁波特性測定装置の構成を示す図
【図７】ユニットセル素体への導電体膜のメッキ時間と透過特性との関係を示す図
【図８】導電体膜２の表面抵抗、バンドギャップの中心周波数、それによる見かけ上の比誘電率の関係を示す図
【図９】ユニットセル素体に対する無電解メッキのメッキ時間と導電体膜の表面抵抗との関係を示す図
【図１０】ユニットセルに対する無電解メッキによる導電体膜表面のＡＦＭ像を示す図
【符号の説明】
１−樹脂
２−導電体膜
ｈ−孔
１０−レーザダイオード
１１−調波発生素子（ＬＢＯ）
１２−音響光学素子（ＡＯＭ）
１３−走査ミラー
１４−ｆθレンズ
１５−容器
１６−エレベータテーブル
１７−スキージ
１８−光硬化性樹脂
１９−オブジェクト
３０−導波管
３１，３２−プローブ
３３−ネットワークアナライザ
１００−ユニットセル
１００′−ユニットセル素体

Claims

誘電率の異なる２つの物質が３次元空間内で周期性をもって分布した３次元周期構造体であって、前記２つの物質の界面に、各々独立した導電性粒子または複数の導電性粒子同士によるクラスタがまばらに広がる導電体膜が形成されていることを特徴とする３次元周期構造体。
前記導電体膜の表面抵抗が０．３Ω／□以上である請求項１に記載の３次元周期構造体。
前記導電体膜が、導電率１０³Ｓ／ｃｍ以上の導電性材料からなる請求項１または２に記載の３次元周期構造体。
前記導電体膜が、前記２つの物質のうち一方の表面に無電解メッキ法により形成された請求項１、２または３に記載の３次元周期構造体。
形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、請求項１〜４のいずれかに記載の３次元周期構造体の２つの物質のうち一方の物質の分布による構造体を形成する、３次元周期構造体の製造方法。