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光磁場による研磨 ~光磁場による光化学反応の観測に成功~

 東京大学は2016年3月31日,東京大学大学院工学系研究科の八井 崇 准教授と分子科学研究所の信定 克准 教授らの研究グループが,光の振動方向を制御した光による表面研磨法を用いることで,高い振動数(約1PHz=1015Hz)を持つ光の振動磁場によって物質を加工することが可能であることを世界で初めて明らかにしたと発表した.本研究は,日本学術振興会「研究拠点形成事業(A.先端拠点形成型)」,科研費,文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム,高度情報科学技術研究機構HPCI(High Performance Computing Infrastructure)戦略プログラム,光科学技術研究振興財団の助成を得て行われ,東京大学,分子科学研究所,中央大学,仏ミュールーズ物質科学研究所(IS2M),仏パリ13大学との共同研究により行われた.本成果は光学関連のオンライン誌Light: Science & Applicationsに掲載された(注).

 半導体集積回路や光デバイスの製造工程において,基板であるウェーハ表面をナノメートルサイズで平たんにする技術は欠かせない.近年では,化学機械研磨(CMP: Chemical Mechanical Polishing)が,高速かつ平滑な研磨面を得る技術として多用されている.しかし,平滑化に限度があり,基板が損なわれたり,異物が基板に残ってしまうという深刻な問題を生じている.

 この問題を解決するため,本研究グループは,光を利用して基板に接することなく平たん化できる“近接場光エッチング”という手法を提案し,開発してきた.近接場光は基板表面の微小突起に対して選択的に発生するため,最終的に得られる基板表面は原子寸法での平坦性を有する.また,非接触手法であるため,CMP法では不可能である立体構造の表面に適用可能である.さらに,光化学反応であるため,あらゆる材料の表面平坦化に適用可能という特徴がある.本手法では,基板表面の電子は光の振動電場と強く相互作用し,振動磁場との相互作用は弱いので,光の振動磁場ではなく,光の振動電場が研磨に寄与していると考えられていた.

 今回研究グループは,ダイヤモンドのような透明で高い屈折率を有するジルコニア(ZrO2)の表面の凸凹が近接場光エッチング法により研磨される表面形状を観測したところ,この凸凹の研磨には,光の振動磁場が大きく関与していることを発見した.実験では,波長325nmのHe-Cdレーザ光を大気中のジルコニウム基板に照射し,基板表面の微小突起に近接場光が発生(ドレスト・フォトン),酸素ラジカルが光化学反応で微小突起だけ選択エッチングする様子を観測した.光エネルギーは3.81eVで,酸素の光分解エネルギー5.12eVより低いため大気中の酸素は直接分解されず,ジルコニア上の近接場光上方変換でラジカルになる.ジルコニアの凸凹ストライプ構造(周期598nm,突起幅438nm)に対して入射光の振動電場が垂直な偏波と,平行な偏波とで,光エッチングの速度やエッチング形状の違いを測定した.測定結果を,スーパーコンピュータを用いた電磁場分布偏光依存性のFDTD(Finite Difference Time Domain)数値計算結果と比較したところ,光エッチングは光の振動磁場分布に支配されていることが判明した.これは,基板表面のナノスケールの構造が,局所的な磁場を誘導しているからと考えられる.

 本研究では,これまでの常識と異なり,光の振動磁場が加工に利用できることを発見した.今回の発見は純粋な基礎研究への寄与だけではなく,より複雑な微細加工の制御に大きく役立つと期待される.

(注)T. Yatsui, T. Tsuboi, M. Yamaguchi, K. Nobusada, S. Tojo, F. Stehlin, O. Soppera, D. Bloch, "Optically controlled magnetic-field etching on the nano-scale", Light: Science & Applications Vol. 5, Page number: e16054, doi:10.1038/lsa.2016.54; Published online 25