マイクロマシニングによる超微細構造光学素子の開発

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10305020
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 羽根 一博 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50164893)
• 研究分担者: 佐々木 実 東北大学, 大学院・工学研究科, 講師 (70282100) ; 江刺 正喜 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (20108468)
• キーワード: マイクロマシニング / サブ波長格子 / グレーティング / 無反射 / 反射防止 / モスアイ構造

研究概要

電子線描画と高速原子線加工によるサブ波長格子の製作方法を提案し、製作と評価を行った。これまでにない高いアスペクト比と滑らかなテーパー形状を実現し、可視波長帯域で優れた反射防止特性(シリコンで50%の反射を0.5%に低減した)が得られた。製作した微細格子は、2次元ではこれまでに報告されたもの中で世界最小であり、無反射性能としても最高の性能となった。さらに導電性のない光学ガラスの表面に150nm周期の表面格子を製作した。描画後のエッチングにおいては、導電性のない材料であっても微細なエッチングが可能な高速原子線エッチング技術をもちいた。従来のイオンエッチングにおいては、電荷の蓄積で、精密なエッチングが困難であったが、方向を揃えた高速の中性原子を用いて、高いアスペクト比の加工を実現した。これにより、光学ガラス部品の表面反射を大幅に抑えることができた。厳密解法の電磁界解析プログラムを作成し、サブ波長格子を理論的に解析した。格子周期とアスペクト比が反射特性に大きく影響することを明らかにした。さらに陽極酸化ポーラスアルミナをマスクとして高速原子線加工を行い、周期100nmでアスペクト比6以上のサブ波長格子をシリコン基板に製作した。370nmから800nmの波長帯域において、優れた反射防止特性が得られた。また,ガリウム砒素発光ダイオード表面にサブ波長格子を製作した。ガリウム砒素のエッチング特性を利用し、テーパー形状でアスペクト比の高い格子を製作し、高放射率発光ダイオードを実現した。アクチュエータとの組み合わせにおいては,表面マイクロマシニング技術を導入し,静電型のマイクロアクチュエータを実現した.さらに,熱型アクチュエータも製作した動作を確認した.これらを組み合わせて可動構造のある超微細構造格子の製作を試みた.これらの結果により,本研究課題の主要部分を実現した.

研究成果

• [文献書誌] Y.Kanamori,K.Hane,H.Sai,H.Yugami: "100nm period silicon antireflection structures fabricated using a porous alumina membrane mask"Applied Physics Letters. 78・2. 142-143 (2001)
• [文献書誌] Y.Kanamori,H.Kikuta,K.Hane: "Broadband Antireflection Gratings for Glass Substrates Fabricated by Fast Atom Beam Etching"Japan Journal of Applied Physics. 39. L735-L737 (2000)
• [文献書誌] Y.Li,M.Sasaki,K.Hane: "A Simple Si Pitch-variable Grating With Shape Memory Alloy Actuator"電気学会論文誌E. 120・11. 503-508 (2000)
• [文献書誌] S.Kumagai,M.Sasaki,M.Koyanagi,K.Hane: "Dominance of Cl_2^- or Cl^+ Ions in Time-Modulated Inductively Coupled Cl_2 Plasma Investigated with Laser-Induced Fluorescence and Probe Measurement "Japan Journal of Applied Phusics. 39. 6980-6984 (2000)
• [文献書誌] Y.Li,M.Sasaki,K.Hane: "Fabrication of grating couplers using 100 nanometer-scale silicon mold"電気学会論文誌E. (in press).
• [文献書誌] H.Sai,H.Yagami.Y.Akiyama,Y.Kanamori,K.Hane: "Spectorl control of thermal emission by periodic microstructured surfaces"Journal Optics A : pure Applied Optics. (in press).