【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.01】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24NM5259
利用課題名 / Title
全誘電体メタサーフェスにおける光と物質の相互作用増大
利用した実施機関 / Support Institute
物質・材料研究機構 / NIMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
電子線リソグラフィ/ EB lithography,フォトニクス/ Photonics,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
渡邊 敬介
所属名 / Affiliation
物質・材料研究機構
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NM-638：水蒸気プラズマ洗浄装置 [AQ-500 #2]
NM-616：シリコンDRIE装置 [ASE-SRE]
NM-635：電子ビーム描画装置 [ELS-BODEN100]
NM-655：分光エリプソメーター [M2000]
NM-648：FE-SEM+EDX [SU8000]
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
メタサーフェスはアレイ化されたナノオーダの微細構造からなり、光の局在を増大させるナノ構造を適切に設計・製作することで周囲の物質との相互作用が増大する。本研究では、高感度な分子センシングと赤外分光の実現を目指し、光を強く閉じ込めるシリコン周期ナノ構造の製作およびそのプロセスの最適化を行った。
実験 / Experimental
厚さ400 nmのシリコン層をもつSilicon on Insulator（SOI）基板を有機洗浄後、O2プラズマ (AQ-500) 処理し表面をクリーニングした。続いて、ポジ型レジストZEP520Aを約100 nm、帯電防止剤ESPACER 300Zをスピンコートし、電子線描画装置 (ELS-BODEN100) を用いて加速電圧100 kVでナノ構造をパターニングした。その後、シリコン深堀エッチング装置 (MUC-21 ASE-SRE) でパターンをシリコン層に転写した。残留レジストは水蒸気プラズマ洗浄により除去した。ドライエッチングのレートの確認には分光エリプソメータ (M2000) を用い、製作したサンプルのナノ構造の観察には電子顕微鏡 (S-4800もしくはSU8000) を利用した。
結果と考察 / Results and Discussion
製作したシリコンメタサーフェスの電子顕微鏡像を図aに示す。設計に近いペアロッド形状のシリコンナノ構造が形成されていることが確認できた。この際BOSCHプロセスのサイクル数を微調整し、シリコン層を約83 nmだけエッチングした浅堀構造にすることで (図b)、10万を超える大きなQ値が実現できることを確認した。一方、このような強い光閉じ込めを実現するデバイスの歩留まりに課題があることも分かった。今後は電子線描画やBOSCHプロセスの条件を微調整することで歩留まりの改善を目指す。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
製作したシリコンメタサーフェスの電子顕微鏡像 (a) 上面図 (b) 断面図
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Keisuke Watanabe, Low-Contrast BIC Metasurfaces with Quality Factors Exceeding 100,000, Nano Letters, 25, 2777-2784(2025).
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05880
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 渡邊敬介, ヘマムラチナデヴィ, 岩長祐伸, 長尾忠昭, "シリコンメタ表面による赤外増強", 光学, 53(6), 247, 2024
- 渡邊敬介, ヘマムラチナデヴィ, エルナンデスピニヤダビーッド, 岩長祐伸, 長尾忠昭, "シリコンナノ構造における光増強場の形成と赤外増強分光" 電子情報通信学会 レーザ・量子エレクトロニクス研究会 (那覇), 令和6年5月30日
- Keisuke Watanabe, Hemam Rachna Devi, David Hernández-Pinilla, Masanobu Iwanaga, Tadaaki Nagao, "Silicon BIC metasurfaces for strong interactions with molecular vibrations", The 14th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (Toyama), 令和6年7月16日
- Tadaaki Nagao, Keisuke Watanabe, Hiroyuki Yamada, Thien Duc Ngo, Hemam Rachna Devi, "Materials and Nanostructrue Designs for Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy", The 11th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (Da Nang), 令和6年9月24日
- Keisuke Watanabe, Tadaaki Nagao, Masanobu Iwanaga, "Ultrahigh-Q silicon metasurfaces for sensing with improved limit of detection", Single-Molecule Sensors and NanoSystems International Conference (Paris), 令和6年10月28日
- Keisuke Watanabe, Tadaaki Nagao, "Silicon metasurfaces with strong light confinement and their sensing applications", 15th ISAJ Annual Symposium (Tokyo), 令和6年10月29日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件