专利名称：三维周期性结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种三维周期性结构及其制造方法。
背景技术：
由于固态晶体内的原子核，周期性电位分布表现出其波长与晶格常数相对应的电子波干涉。例如，当所述电子波的波长非常接近晶体电位周期时，通过三维衍射(布拉格衍射)出现反射。这个现象防止特定能量范围内的电子通过。因此，形成在半导体设备内使用的电子带隙。
类似地，周期性改变折射率或介电常数的三维结构表现出电磁波干涉，因此阻止特定频率范围内的电磁波。在这种情况下，被禁止的频带称为光子能带隙，三维结构称为光子晶体。
认为可以利用上述光子晶体的效果来提供切断滤波器，其防止预定频带内的电磁波穿过，或者通过将非均匀部分引入周期性结构来提供波导管或共鸣器，非均匀部分干扰频率以阻挡光或电磁波。也可以考虑这些应用，例如超低阈值激光器或电磁高度定向天线。
通常，当电磁波产生布拉格衍射时，在光子晶体内形成两种驻波。图1A和1B表示所述两种驻波。驻波A(图1A)在波振动的低介电常数区域上具有高能量，驻波B(图1B)在波振动的高介电常数区域上具有高能量。在分成两种不同模式的驻波之间，具有能量的波不能存在于晶体内，由此产生带隙。为了加宽带隙，增加这两种驻波之间的能量差。通过将两种介质介电常数之间的对比增强到很高的程度，或者通过增加具有高介电常数的介质体积比，可以实现这个。
光子晶体具有一维、二维或三维结构。对于全部光子带隙而言需要三维结构。
为了提供三维结构，存在例如使正方形材料成层的方法(公开号为2001-518707的PCT日本专利公开文本，公开号为2001-74955的日本未审专利申请公开文本)，使用通过自身繁殖的形状保留多层薄膜的方法(公开号为2001-74954的日本未审专利申请公开文本)，使用立体平版印刷的方法(公开号为2000-341031的日本未审专利申请公开文本，公开号为2001-502256的PCT日本专利公开文本)，分布颗粒的方法(公开号为2001-42144的日本未审专利申请公开文本)，等等。这些公开文本公开了分别通过处理绝缘、介电和半导体材料例如有机材料、陶瓷和硅来制造光子晶体的技术。
然而，例如在10-30GHz的能带和最大折射率为3.0内，这些应用材料的最大相对介电常数为15。难以进一步增加介电常数和折射率的对比。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维周期性结构及其制造方法，所述结构包含具有不同介电常数的两种物质，具有高对度的比介电常数或折射率，它们周期性地分布在三维空间内。
本发明提供一种三维周期性结构，包含具有不同介电常数的两种物质，这两种物质周期性地分布在三维空间内；位于所述两种物质之间界面上的导电薄膜，其表面电阻率约为0.3Ω/平方或更多。
如果形成表面电阻率约为0.3Ω/平方或更多的导电薄膜，具有不同介电常数的两种物质周期性地分布在三维空间内，并且防止电流在金属膜延伸方向上流动。因此获得相当于用绝缘膜涂覆金属的情形时的优点。
在本发明中，形成一种导电薄膜，其中独立的导电颗粒或多个导电颗粒簇粗糙地分布在所述两种物质之间的界面上。由于这个结构，具有不同介电常数的两种物质周期性地分布在三维空间内，并且防止电流在金属膜延伸方向上流动。因此获得相当于用绝缘膜涂覆金属的情形时的优点。
所述导电薄膜包含导电率约为103S/cm或更大的导电材料。
通过无电电镀法在两种物质之一表面上形成所述导电薄膜。
根据本发明的制造三维周期性结构的方法是立体平版印刷法，该方法重复以下步骤将光照射在要形成的剖面图案每层内的光硬化树脂层上，以形成三维周期性结构的两种物质之一。
图1A和1B表示当周期性地分布具有不同介电常数的物质时的两种驻波。
图2A和2B是各自表示根据一个实施例的单位晶胞结构的透视图。
图3表示在单位晶胞菱形结构内具有气孔的一个单位。
图4A表示立体平版印刷装置的结构。
图4B是表示激光束照射的光硬化树脂18的剖视图。
图5A-5C各自表示由立体平版印刷装置形成的物体。
图6是表示用于电镀单位晶胞底层的无电电镀时间和导电薄膜的表面电阻率之间关系的表格。
图7表示用于单位晶胞的电磁波性质测量设备。
图8A-8H是各自表示在单位晶胞底层上电镀导电膜的电镀时间和穿透性之间关系的曲线图。
图9是表示导电薄膜2的表面电阻率、能带间隙的中心频率、以及表面相对介电常数之间关系的曲线图。
图10是表示通过无电电镀形成的单位晶胞上导电薄膜表面的AFM图像的照片。
具体实施例方式
将参考附图依次描述三维周期性结构及其制造方法。
图2A和2B是各自表示光子晶体三维结构的透视图。图2A表示硬化的环氧基树脂1和形成在一块树脂1内的多个孔h。单位晶胞底层100’由包含孔h的树脂1构成。图2B表示导电薄膜2形成在图2A中所示的树脂1表面上的情况。通过在具有不同介电常数的两种物质即树脂1和空气之间的界面上形成导电膜2，构成单位晶胞100。
如下所述，这些孔h周期性地分布在三维空间内。由于这个结构，提供三维周期性结构，其中具有不同介电常数的两种物质即树脂1和空气周期性地分布在三维空间内。
对于光子晶体而言为了开发足够的电磁波反射效果，需要在所有晶体方向上形成宽的带隙。理想的晶体结构是三维菱形结构。在菱形结构中，单位晶格包括八个晶格结点；它们中的四个形成位于立方晶格中心的独立面，一个晶格位于某一位置上以便所述晶格沿着空间对角线移动另一晶格的1/4长度。
菱形结构内的光子晶体是球状电介质位于菱形结构晶格结点上的晶体，或是通过组合电介质柱来模拟菱形结构原子键的晶体。图3表示后者单位结构的透视图。为了简化只图示气孔形状。
在图2A所示的单位晶胞底层100’内，图3所示的菱形晶格结构内的气孔周期性的分布在树脂1内。上述结构可以称为反菱形结构。晶格内柱的直径和长度比约为23(纵横比约为1.5)。晶格常数为10mm。
图4A表示制造图2A中所示的单位晶胞底层100’的装置。图示了用于填充由紫外线硬化的基于环氧的光硬化树脂18的容器15、在容器15内上下移动的升降台16、在升降台16顶部上形成的目标19、以及在目标19上按照预定薄膜厚度涂覆光硬化树脂18的涂刷器17。
同样，图示了激光二极管10、用于改变来自激光二极管10的激光波长以产生紫外线的谐波发生器(LBO)11、作为波长选择元件的声光元件(AOM)12、扫描镜13、以及fθ透镜14。由此，配置成光学系统。
在下文中描述使用立体平版印刷装置制造光子晶体的工艺步骤。
首先，升降台16从光硬化树脂18的液体表面降低到预定深度。涂刷器17沿着液体表面移动以在升降台16表面上形成厚度约为100μm的光硬化树脂膜。然后由光学系统用波长为355nm并且光点直径为50μm和输出功率为110mW的紫外线照射液体表面。控制扫描镜13来调节激光二极管10，以便激光照射到光硬化树脂18要进行硬化的区域上，而不照射到其它区域上。参见例如图4B。
通过聚合作用在激光束照射的光硬化树脂18液体表面上形成直径为120μm的球形硬化状态。当激光束以90m/s的速度扫描时，形成厚度为150μm的硬化状态。通过光栅扫描激光束形成与第一层剖面图案对应的目标19。
然后，升降台16降低约200μm。移动涂刷器17以在目标19表面上形成厚度约为200μm的光硬化树脂膜。
此后，类似于第一层，通过扫描和调节激光束在第一层上形成第二层剖面图案。通过聚合硬化粘接第一层和第二层。按照相同的方式形成第三层和后续层。通过重复所述处理构成目标19。
图5A-5C是各自表示在形成多层的每个步骤中物体的透视图。为了简化，图示了没有激光束照射而未硬化的部分，即孔图案。图5A在图3所示菱形结构的<111>晶体轴向上实质上只图示一个单位。图5B图示四个单位。图5C图示多个单位。
CAD/CAM工艺用来在光硬化树脂18液体表面上按照预定剖面图案硬化光硬化树脂18。具体地，通过能处理三维数据的CAD系统，预先设计图5A-5C中所示的图案。三维数据转换成STL(立体平版印刷)数据。在预定位置上使用分段软件将STL数据转换成一组二维数据。最后，使用所述二维数据，在光栅扫描激光束时建立用于调节激光二极管的数据。根据这样准备的数据，扫描激光束和调节激光二极管。
从容器15移走由通过前述过程形成的光硬化树脂构成的目标19。清洗未硬化的光硬化树脂，干燥和切割到预定尺寸。因此，构成图2A中所示的单位晶胞底层100’。单位晶胞底层100’的孔h周期性地分布在三维空间内。因此，使用图4A所示的装置在晶体所有轴向方向上上可以重复形成菱形结构的晶胞。在预定方向上可以将晶胞切割为预定尺寸来提供单位晶胞底层100’。
如图2B中所示，在这样形成的单位晶胞底层100’上形成导电薄膜2。下面将描述形成导电薄膜的方法和由于导电薄膜构成而引起的性质变化。
使用无电电镀方法在单位晶胞底层100’上涂覆铜、镍或类似物形成导电薄膜2。图6是表示在单位晶胞底层100’上执行铜无电电镀的电镀时间和导电薄膜(铜膜)的表面电阻率之间关系的表格。
图7表示用于测量单位晶胞100性质的测量设备。图示了M-带波导管30和插入波导管30的探针31、32。单位晶胞100插入波导管30作为样品。网络分析器33连接到探针31、32。使用网络分析器33，测量电磁波的穿透性。在图7中，布置单位晶胞100以便带有孔h的菱形结构的<100>晶体轴向指向波导管30的电磁波传输方向。波导管30的内部尺寸为20mm(水平)×10mm(垂直)。单位晶胞100的尺寸在波导管30的纵向上为20mm和在波导管30的高度方向上为10mm。
图8A-8H是各自表示当铜无电电镀的电镀时间和铜膜状态变化时穿透特性的曲线图。每个横坐标代表频率(GHz)，每个纵坐标代表衰减量(dB)，它是电磁波输入和输出强度比的对数。表示输入和输出信号强度相等的情况为0(dB)。
图8A表示在单位晶胞100未插入波导管30的情况下的特性。图8B表示在还未形成铜膜的单位晶胞底层100’插入波导管30的情况下的特性。图8C-8H表示当铜无电电镀的电镀时间从1分钟变化到20分钟时的特性。
对应于图8A-8H，下面的表格表示获取的电镀时间、表面电阻率、铜膜厚度和带隙之间的关系。
“间隙中心频率”在这里的意思是最低点(最大衰减点)上的频率。“带隙宽度”在这里的意思是当衰减量具有“衰减量”列中所示值时的带宽。“最低点上的衰减量”在这里意思是具有最低衰减量的点。
如图8B中所示，在单位晶胞底层100’没有铜膜的情况下，由于带隙在18.0GHz时衰减量为-19.5dB。由于衰减量为-12.0dB，带宽为0.9GHz。如图8C中所示，在单位晶胞底层100’上进行一分钟铜无电电镀的情况下，在10.7GHz时衰减量约为-28.2dB。由于衰减量为-15.6dB，带宽为0.9GHz。当无电电镀时间延长到两分钟、三分钟、五分钟和十分钟时，分别如图8D-8G中所示，衰减量和带宽增加。换句话说，带隙增加。
因此，与单位晶胞底层100’相比，通过形成导电薄膜2获取更大的带隙。公认为导电薄膜2密度增加的越多，带隙越大。通过在单位晶胞底层100’上形成导电薄膜2，带隙出现时的频率降低。换句话说，单位晶胞的表面介电常数变高。这相当于给光子晶体提供高介电常数材料。
图9是表示导电薄膜2的表面电阻率、能带间隙的中心频率、以及表面相对介电常数之间关系的曲线图。
电镀时间越长和电薄膜2的表面电阻率越低，表面相对介电常数越高。在相同频率带下获取衰减的单位晶胞可以较小。
然而，如图8H中所示，当铜无电电镀的电镀时间为20分钟或更多时，带隙消失。认为这是因为电薄膜2的密度变得太高，达到相当于具有图2中所示结构的金属插入波导管内的情况。
图10是表示在铜无电电镀的电镀时间为2分钟时导电薄膜2的AFM图像(用原子力显微镜观察的图像)的照片。图像内单独的多个突出表示铜粒。它们中的每个都独立存在。作为选择，多个铜粒能以簇态存在。整个簇相互不连接并粗糙地分布。换句话说，导电颗粒处于间断金属膜的状态。这防止电流在铜膜延长方向上沿着相对长的路径进行传导。因此，获得相当于用绝缘膜涂覆金属的情形的优点。
当电镀时间为20分钟或更多时，铜粒顺序存在，在金属膜延长方向上形成自由传导电流的铜膜。因此，包含具有不同介电常数的两种物质的结构没有影响，所述两种物质周期性地分布在三维空间内，由此，带隙可能不出现。
如图6中所示，10分钟的电镀时间相当于约0.3Ω/平方的表面电阻率。表面电阻率约为0.3Ω/平方或更多的导电薄膜可以形成在三维周期性结构的两种物质界面上。关于导电薄膜的情形，在两种物质之间的界面上可以形成导电薄膜，独立的导电颗粒或多个导电颗粒簇粗糙地分布在所述导电薄膜内。
当Ni或InSb取代Cu用作导电薄膜2的导电材料时，获得相同的结果。Cu的导电率为5.8×105S/cm，Ni的导电率为1.5×105S/cm，InSb的导电率为1.0×103S/cm。认为在无电电镀包括其它金属的导电材料时，只要导电材料的导电率约为103S/cm或更大，就能获得相同的优点。
不但可以采用无电电镀法，而且可以采用喷涂法、CVD法、真空蒸镀法以及涂覆法在单位晶胞底层100’上形成导电薄膜2，涂覆法用于涂覆、干燥和凝固树脂，金属粉作为导电颗粒分散在所述树脂内。
根据本发明，三维周期性结构包含具有不同介电常数的两种物质，它们周期性地分布在三维空间内。表面电阻率约为0.3Ω/平方或更多的导电薄膜可以形成在两种物质的界面上。作为选择，三维周期性结构包含形成在两种物质之间界面上的导电薄膜，其中独立的导电颗粒或多个导电颗粒簇粗糙地分布在所述薄膜内。因此，具有不同介电常数的两种物质周期性地分布在三维空间内，并且防止电流在金属膜延长方向上进行传导。因此，获得相当于用绝缘膜涂覆金属的情形时的优点。换句话说，提供具有高对比介电常数或折射率的三维周期性结构。
同样，根据本发明，导电薄膜包含导电率约为103S/cm或更大的导电材料，由此可以获得大带隙。另外，增加表面介电常数，产生较小的结构。
通过无电电镀在两种物质任一表面上形成导电薄膜。因此，在两种物质之间界面上形成导电薄膜，独立的导电颗粒或多个导电颗粒簇粗糙地分布所述导电薄膜内，这提高了生产率。
根据本发明，使用立体平版印刷法，该方法重复把光照射在剖面图案每层内的光硬化树脂上的步骤，由此可以容易制造分布两种物质之一的三维周期性结构，其中导电薄膜形成在两种物质的界面上。
权利要求
1.一种三维周期性结构，包含具有不同介电常数的两种物质，所述两种物质周期性地分布在三维空间内，位于所述两种物质之间界面上的导电薄膜，其表面电阻率约为0.3Ω/平方或更多。
2.根据权利要求1所述的三维周期性结构，其中独立的导电颗粒或多个导电颗粒簇粗糙地分布在所述导电薄膜内。
3.根据权利要求1或2所述的三维周期性结构，其中所述导电薄膜包含导电率约为103S/cm或更大的导电材料。
4.根据权利要求3所述的三维周期性结构，其中所述导电薄膜是至少两种物质之一的表面上的无电电镀膜。
5.根据权利要求1或2所述的三维周期性结构，其中所述导电薄膜是至少两种物质之一的表面上的无电电镀膜。
6.根据权利要求1或2所述的三维周期性结构，其中所述导电薄膜包含Cu、Ni或InSb。
7.根据权利要求1或2所述的三维周期性结构，其中所述两种物质之一是空气，并且布置成具有菱形形状。
8.一种制造三维周期性结构的方法，包含将光照射在剖面图案内的光硬化树脂层上，形成一层根据权利要求1所述的三维周期性结构，然后，至少一次地，使光硬化树脂层接触合成照射结构，并且重复所述照射过程。
全文摘要
提供一种三维周期性结构，包含具有不同介电常数的两种物质，具有高对比介电常数或折射率，它们周期性地分布在三维空间内。通过立体平版印刷法形成具有气孔的单位晶胞底层，其重复把光照射在要形成的剖面图案每层内的光硬化树脂，例如光敏环氧树酯的液体表面上的步骤。然后，通过无电电镀法在单位晶胞底层表面上形成由例如铜构成的导电薄膜。因此，获得一种三维周期性结构，其包含具有不同介电常数的两种物质，即树脂和空气，它们周期性地分布在三维空间内，并且包含形成在两种物质之间的界面上的导电薄膜。
文档编号G02B1/02GK1643414SQ03806645
公开日2005年7月20日 申请日期2003年5月27日 优先权日2002年5月28日
发明者桐原聪秀, 宫本钦生, 中川卓二, 田中克彦 申请人:株式会社村田制作所