2020 Fiscal Year Research-status Report
磁気光学結晶-on-insulator基板の実現とナノフォトニクスへの応用
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19K05300
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
太田 泰友 東京大学, ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構, 特任准教授 (90624528)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁気光学 / 薄膜光学材料 / 磁性ガーネット / ナノフォトニクス / フォトニック結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁気光学材料である単結晶イットリウム鉄ガーネットを用いて薄膜を作製し、ナノフォトニクスへの研究に応用することを目指している。昨年度までに、スピンオングラスを用いたシリコン基板上へのガーネット基板のウェハ融着を実現し、融着ガーネット層を研磨により薄膜化することに成功した。
今年度は、これらの技術の一層の高度化をはかるとともにドライエッチングによるガーネット厚みの精密制御に取り組んだ。また数値計算を用いて磁気ナノフォトニクス構造の光学応答を解析することにも取り組んだ。
ウェハ融着では、昨年度までの課題であった残存パーティクル除去プロセスの構築を進めた。光学顕微鏡下でアルコールおよびクリーンペーパーを用いてふき取ることで、最もパーティクルを低減できることが分かった。これにより、高い確率でウェハ融着を成功させることが可能となった。これにより、より大きなガーネット基板を融着することも可能となった。研磨においては、研磨の各段階においてスラリーおよび研磨パッドを最適化することにより、クラックフリーでの研磨が可能となった。また、研磨ホルダーやパッドを精密に平坦化することで、薄膜厚みの均一性を高めることに成功した。
ドライエッチングでは、基板の精密な薄膜化に取り組んだ。Arガスのみによるプラズマエッチングにより、表面粗さを増加させることなく薄膜化することに成功した。また、エッチングレート約20nm/minで安定的しており、非常に高い精度で膜厚を制御可能であることが見いだされた。
数値計算では、有限要素法をベースとした計算を行った。特に、解析が容易な磁気光学マイクロディスクで発生するFaraday回転について調べたが、現状では明瞭な回転増強効果は見られていない。これはガーネットの屈折率が低いため十分な共振効果をディスク内で保つことができなかったためだと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ナノフォトニクスに適用可能なシリコン上薄膜ガーネットの作製に成功した。また膜厚を精密に制御する手法を見出した。今後、これらの基本技術を土台とすることで、磁気ナノフォトニクスの探求が可能となる。これらの状況を鑑み、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ウェハ融着に関しては、より強い接合強度を得るため、スピンオングラスのアニール条件や融着条件の最適化を図る。また、スピンオンガラス厚みを調整し、融着への影響を調べる。また試料のプラズマ処理工程に関しても必要に応じて条件の再検討を行う。
研磨に関しては、最終工程である化学機械研磨のさらなる改善を目指す。研磨パッドをより硬質なものに変更し、ガーネット基板端におけるエッジ鈍りの低減をはかる。
ドライエッチングに関しては、微細加工のためのドライエッチング技術の構築をはかる。これまで塩素系では微細加工は難しかった。そこで加工ガスを変更することで同技術の実現を目指す。エッチング選択比を大きくとるために、エッチングマスクについても見直しを進める。
数値計算では、ガーネット材料による磁気光学マイクロディスクの計算を発展させ、同構造を周期的に配置したフォトニック結晶の解析を進める。垂直入射時におけるファラデー回転量を大きくするための光学構造を検討し、有限要素法や有限差分時間領域法などにより解析を行う。加工プロセス技術の進展を合わせ、実際に作製でき光学評価が可能となる構造について集中的に解析を行う。
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| Causes of Carryover |
融着や研磨実験に想定以上の時間がかかり、ガーネット基板の消費が想定以下だったため、未使用額が生じた。また、コロナ禍において出張が大きく減ったことも影響した。今後は、向上した融着・研磨技術を用い、ガーネット基板の作製を加速する。また同基板を用いて微細加工技術の構築を進める。そのため、より多量のガーネット基板の使用が必要になると想定しており、これらの研究加速のために予算を集中的に使用する予定である。
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