Hybrid fabrication technology for nano-plasmonic devices

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K15423
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 大久保 喬平 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (20822951)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: プラズモニクス / ナノフォトニクス / ナノ・マイクロ微細加工 / 共振器 / 近赤外光

Outline of Annual Research Achievements

ナノプラズモニック・デバイス構築において、ナノ構造作製技術とプロセス設計は高性能・高精度なデバイス形成の鍵となる。金属ナノ粒子の化学合成に代表されるボトムアッププロセスや金属薄膜への微細加工などのトップダウンプロセスとそれらの組み合わせが多数報告されているが、大面積における20 nm以下の金属ナノギャップ作成は実現例に乏しい。本研究では、10 nm以下の間隙を持つ均一な金属ナノ粒子集合体を大面積で形成する作製技術の確立を目指す。特に、局在型プラズモン共鳴の基本ユニットとなる金属ナノ粒子とその間隔を制御した七量体構造は近赤外域の急峻な暗モードを持つ共振器になることから、金属ナノ粒子七量体の設計・作製に取り組んでいる。40 nm厚 SiN/Si基板上にの長方形（長辺 200 nm, 短辺 150 nm）を正六角形の中心および頂点配置した7量体テンプレートを前年度作製し、再現性のあるプロトコルを確立した。SiNテンプレート間隙にV字型溝を形成するために、水酸化カリウム溶液を用いたウェットプロセス条件の確立した。2023年度より所属変更に伴い実験装置・プロセス条件を見直す必要が出たため、超高速電子線描画装置（Advantest F-7000S）から直描型電子線描画装置（Elionix）に変更し、露光・現像条件の再検討を行った。また、反応性イオンエッチング装置によるSiN薄膜のエッチングに関しても装置の変更に伴いエッチングレートの計測などの検討を行った。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

電子線描画装置の描画条件検討およびエッチング装置の条件検討は順調に進んでいる。金属薄膜形成装置による10nm程度のAu薄膜をSiN/Si基板上に形成し、初期的ではあるが電気炉によるアニーリング処理による金属ナノ粒子の形成を確認した。

Strategy for Future Research Activity

当初計画した通りの光学測定系の構築は現時点では不十分であるが、学内共通機器としてラマン分光顕微鏡が利用可能であり、作製した共振器デバイスの特性評価に向けて検討を進めている状態である。ナノデバイス作製とその評価に必要な環境・データが揃いつつある。

Causes of Carryover

2024年度の学内・学外共通機器（電子線描画装置、エッチング装置、薄膜形成装置など）利用料金支払いに充てるため。