DE112016000941T5

DE112016000941T5 - Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE112016000941T5
Application number: DE112016000941.0T
Authority: DE
Inventors: Katsumi Shibayama; Yoshihiro Maruyama; Nao Inoue; Masashi Ito; Kazuto Ofuji; Hiroki Oyama
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2017-12-14
Also published as: CN107250772B; JP6564203B2; GB2553220A; WO2016136472A1; JP2016156787A; US20180136134A1; GB2553220B; US10393663B2; CN107250772A; GB201714662D0

Abstract

Ein SERS-Element 3 beinhaltet ein Substrat 4, einen auf einer Oberfläche 4a des Substrats 4 gebildeten Feinstrukturbereich 7, der eine Mehrzahl von Säulen 11 aufweist, und eine auf dem Feinstrukturbereich 7 gebildete Leiterschicht 6, die einen Optikfunktionsbereich 10 bildet, der oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung verursacht. Eine Rille 12 ist in einer äußeren Oberfläche jeder Säule 11 vorgesehen. Eine Mehrzahl von Spalten G ist in der Leiterschicht 6 gebildet, durch Bilden der Leiterschicht 6 auf der äußeren Oberfläche jeder Säule 11 in einem Zustand, in dem zumindest ein Bereich einer inneren Oberfläche der Rille 12 exponiert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Hintergrund
Als ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement des Stands der Technik ist ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement, das eine feine Metallstruktur beinhaltet, die ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuen (SERS, surface-enhanced Raman scattering) verursacht, bekannt (siehe beispielsweise Patenliteratur 1 und Nicht-Patentliteratur 1. In solch einem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement, falls eine Probe, die ein Ziel einer Raman-Spektroskopie-Analyse ist, in Kontakt mit der feinen Metallstruktur gebracht wird und mit Anregungslicht in diesem Zustand bestrahlt wird, tritt eine oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung auf und es wird Raman-zerstreutes Licht, das beispielsweise 10⁸ Mal verstärkt ist, emittiert.
Übrigens beschreibt beispielsweise Patentliteratur 2 eine feine Metallstruktur, in der eine Metallschicht ausgebildet ist, in einem Nichtkontaktzustand zu sein (so dass ein Intervall ab einem kürzesten Bereich etwa 5 nm bis 10 µm ist) auf jeder von einer Oberfläche eines Substrats und einer oberen Oberfläche einer Mehrzahl von Mikroprovorsprüngen, die auf einer Oberfläche des Substrats (oder einer Bodenoberfläche einer Mehrzahl von Mikroporen, die auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet sind, gebildet ist).
Zitateliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2011-33518
Patentliteratur 2: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2009-222507

Nicht-Patentliteratur:

Nicht-Patentliteratur 1: "Q-SERS^TM Substrat" (online), Opto Science Inc., (gesucht am 19. Juli 2012) Internet <URL: http://www.optoscience.com/maker/nanova/pdf/Q-SERS_g1:PDF>

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wie oben beschrieben, falls ein sogenannter Nanospalt in einer feinen Metallstruktur ausgebildet ist, tritt eine lokale elektrische Feldverstärkung auf, wenn Anregungslicht bestrahlt wird, und die Intensität oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuens wird vergrößert.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement bereitzustellen, das zum Vergrößern der Intensität von oberflächenverstärktem Raman-Zerstreuen unter Verwendung vorzugsweise von Nanospalten in der Lage ist, und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Problemlösung
Ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement eines Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Substrat, einen feinen Strukturbereich, der auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Vorsprüngen aufweist; und eine Leiterschicht, die auf dem feinen Strukturbereich gebildet ist und einen optischen Funktionsbereich bildet, der ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuen verursacht, wobei eine vertiefte Region in einer äußeren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vorsprüngen vorgesehen ist, und eine Mehrzahl von Spalten in der Leitungsschicht gebildet ist, durch Ausbilden der Leiterschicht auf der äußeren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vorsprüngen in einem Zustand, in welchem zumindest ein Teil einer inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
In diesem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement ist die Leiterschicht auf der äußeren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Projektionen in einem Zustand ausgebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist und entsprechend sind eine Mehrzahl von Spalten in der die optische funktionale Funktion bildenden Leiterschicht gebildet. Der in dieser Leiterschicht gebildete Spalt fungiert vorzugsweise als ein Nanospalt, in welchem lokale elektrische Feldverstärkung auftritt. Daher ist es gemäß dem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement möglich, die Intensität der oberflächenverstärkten Rama-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten zu vergrößern.
In einem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement eines Aspektes der vorliegenden Erfindung kann die Mehrzahl von Projektionen periodisch längs der Oberfläche angeordnet sein. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Intensität von oberflächenverstärkter Raman-Zerstreuung zu vergrößern.
In einem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement eines Aspekts der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von vertieften Regionen für eine der Projektionen vorgesehen sein. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Anzahl von Spalten, welche vorzugsweise als Nanospalten funktionieren, zu vergrößern.
In einem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement eines Aspektes der vorliegenden Erfindung kann die vertiefte Region eine Rille sein, die sich längs einer Zentrallinie des Vorsprungs erstreckt, oder kann die vertiefte Region eine Rille sein, die sich erstreckt, eine zentrale Linie des Vorsprungs zu umgeben. In jeglicher der Konfigurationen ist es möglich, die in Positionen entsprechend den vertieften Regionen gebildeten Spalten zu veranlassen, vorzugsweise als Nanospalten zu fungieren.
Ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement eines Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Substrat; einen feinen Strukturbereich, der auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist und eine Mehrzahl von Vertiefungen aufweist; und eine Leiterschicht, die auf dem feinen Strukturbereich gebildet ist und einen optischen funktionalen Bereich bildet, der oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuen verursacht, wobei eine vertiefte Region in einer inneren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vertiefungen bereitgestellt wird und eine Mehrzahl von Spalten in der Leiterschicht gebildet sind, durch Ausbilden der Leiterschicht auf der inneren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vertiefungen in einem Zustand, in welchem zumindest ein Bereich einer inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
In diesem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement wird die Leiterschicht auf der inneren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vertiefungen in einem Zustand ausgebildet, in dem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist und entsprechend werden eine Mehrzahl von Spalten in der Leiterschicht gebildet, welche den optischen funktionalen Bereich bilden. Der in dieser Leiterschicht gebildete Spalt fungiert vorzugsweise als ein Nanospalt, in welchem lokale elektrische Feldverstärkung auftritt. Daher ist es gemäß dem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement möglich, die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten zu vergrößern.
In einem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement eines Aspekts der vorliegenden Erfindung sind die Mehrzahl von Vertiefungen periodisch längs der Oberfläche angeordnet. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Intensität oberflächenverstärkter Raman-Zerstreuung zu vergrößern.
Im oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement eines Aspektes der vorliegenden Erfindung sind eine Mehrzahl von vertieften Regionen für eine der Vertiefungen vorgesehen. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Anzahl von Spalten, die vorzugsweise als Nanospalten funktionieren, zu vergrößern.
Im oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement eines Aspekts der vorliegenden Erfindung kann die vertiefte Region eine Rille sein, die sich längs einer Zentrumslinie der Vertiefung erstreckt, oder kann die vertiefte Region eine Rille sein, die sich erstreckt, eine Zentrumslinie der Vertiefung zu umgeben. In einer der Konfigurationen ist es möglich, die in Positionen entsprechend den vertieften Regionen gebildeten Spalten zu veranlassen, vorzugsweise als Nanospalten zu fungieren.
Ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements eines Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten Schritt des Ausbildens eines feinen Strukturbereichs mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen auf einer Oberfläche eines Substrats, eine vertiefte Region, die an einer äußeren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vorsprüngen vorgesehen ist und einen zweiten Schritt des Ausbildens einer Leiterschicht zum Bilden eines optischen funktionalen Bereichs, der ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuen auf dem feinen Strukturbereich unter Verwendung von Dampfphasenwachstum verursacht, wobei der zweite Schritt das Stoppen des Dampfphasenwachstums in einem Zustand beinhaltet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
In diesem Verfahren der Herstellung eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselementes wird das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht auf dem feinen Strukturbereich in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist. Entsprechend ist es einfach, dass die Spalten vorzugsweise als Nanospalten fungieren, in welchen lokal-elektrische Feldverstärkung auftritt, die in Bereichen, die den vertieften Regionen entsprechen und Basisendbereiche der Vorsprünge in der Leiterschicht zu bilden sind. Daher, gemäß dem Verfahren zur Herstellung des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselementes ist es möglich, ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement zu erhalten, das zum Vergrößern der Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten in der Lage ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements eines Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst: einen ersten Schritt des Ausbildens eines feinen Strukturbereichs mit einer Mehrzahl von Vertiefungen auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei eine vertiefte Region in einer inneren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vertiefungen vorgesehen ist; und einen zweiten Schritt des Ausbildens einer Leiterschicht zum Bilden eines optischen funktionalen Bereichs, der eine oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung auf dem feinen Strukturbereich verursacht, unter Verwendung von Dampfphasenwachstum, wobei der zweite Schritt das Stoppen des Dampfphasenwachstum in einem Zustand beinhaltet, in welchem zumindest ein Bereich einer inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
Bei diesem Verfahren zur Herstellung eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements wird das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht auf dem feinen Strukturbereich in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist. Entsprechend ist es leicht, dass die Spalten vorzugsweise als Nanospalten fungieren, in welchen lokal elektrische Feldverstärkung auftritt, die in Bereichen zu bilden ist, die den vertieften Regionen entsprechen, und Bodenbereichen der Vertiefungen in der Leiterschicht. Daher, gemäß dem Verfahren zur Herstellung des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements, ist es möglich, ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement zu erhalten, das zum Verstärken der Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten in der Lage ist.
In einem Verfahren zur Herstellung des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements eines Aspekts der vorliegenden Erfindung kann das Dampfphasenwachstum Dampfabscheidung sein. Da die Dampfabscheidung Dampfphasenwachstum mit exzellenter Anisotropie ist, ist es möglich, zu verhindern, dass die Leiterschicht die vertiefte Region betritt, und die Spalten bildet, die vorzugsweise als Nanospalten fungieren, in welchen lokale elektrische Feldverstärkung auftritt, in einem Bereich, der der vertieften Region in der Leiterschicht entspricht.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement bereitzustellen, das zum Vergrößern der Intensität einer oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung in der Lage ist, unter Verwendung bevorzugter Nanospalten, und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1 ist eine Aufsicht einer oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungseinheit, die ein oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
2 ist eine Querschnittansicht einer oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungseinheit längs Linie II-II von 1.
3 ist eine Querschnittansicht des oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselements von 2.
4 ist eine Querschnittansicht einer Säule und einer Leiterschicht von 3.
5 ist eine Querschnittansicht der Säule und der Leiterschicht längs Linie V-V in 4.
6 ist eine Querschnittansicht, die einen Prozess der Herstellung des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements von 3 illustriert.
7 ist eine Querschnittansicht, die einen Prozess des Herstellens des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements von 3 illustriert.
8 ist eine Querschnittansicht einer Säule und einer Leiterschicht eines oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselements eines Vergleichsbeispiels.
9 ist eine SEM-Photographie eines optisch funktionalen Bereichs eines oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselements.
10 ist eine Querschnittansicht eines Bereichs der Säule und der Leiterschicht von 5.
11 ist eine Querschnittansicht eines oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Querschnittansicht der Säule und der Leiterschicht von 11.
13 ist eine Querschnittansicht, die einen Prozess der Herstellung des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements von 11 illustriert.
14 ist eine Querschnittansicht, die einen Prozess der Herstellung des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements von 11 illustriert.
15 ist eine Querschnittansicht einer Säule und einer Leiterschicht eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements eines Vergleichsbeispiels.
16 ist eine Querschnittansicht eines Bereichs der Säule und der Leiterschicht von 12.
17 ist eine Querschnittansicht einer Säule und einer Leiterschicht eines ersten Modifikationsbeispiels des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 ist eine Querschnittansicht einer Säule und einer Leiterschicht eines zweite Modifikationsbeispiels des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine Querschnittansicht einer Säule und einer Leiterschicht eines dritten Modifikationsbeispiels des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
20 ist eine Querschnittansicht eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
21 ist eine Querschnittansicht eines Lochs und einer Leiterschicht von 20.
22 ist eine Querschnittansicht des Loches und der Leiterschicht längs der Linie XXII-XXII in 21.
23 ist eine Querschnittansicht eines Loches und einer Leiterschicht eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselementes eines Vergleichsbeispiels.
24 ist eine Querschnittansicht eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
25 ist eine Querschnittansicht des Lochs und der Leiterschicht von 24.
26 ist eine Querschnittansicht eines Loches und einer Leiterschicht eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselementes eines Vergleichsbeispiels.
27 ist eine Querschnittansicht einer Säule eines ersten Modifikationsbeispiels des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
28 ist eine Querschnittansicht einer Säule eines zweiten Modifikationsbeispiels des oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
29 ist eine partiell vergrößerte Querschnittansicht einer Säule und eines Lochs eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder Figur werden dieselben oder entsprechende Bereiche mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und die wiederholte Beschreibung wird weggelassen.
Erste Ausführungsform
Wie in 1 und 2 illustriert, beinhaltet eine SERS-Einheit (oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuungseinheit) 1 einer ersten Ausführungsform ein Handhabungssubstrat 2 und ein SERS-Element (oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement) 3, das am Handhabungssubstrat 2 angebracht ist. Das Handhabungssubstrat 2 ist beispielsweise ein rechteckiges, plattenförmiges Trägerglas, Polymersubstrat oder Keramiksubstrat. Das SERS-Element 3 ist auf einer Oberfläche 2a des Handhabungssubstrats 2 in einem Zustand angeordnet, in dem es zu einem Endbereich in Längsrichtung des Handhabungssubstrats 2 versetzt ist.
Das SERS-Element 3 beinhaltet ein Substrat 4, das auf dem Handhabungssubstrat 2 montiert ist, eine Gussschicht 5, die auf dem Substrat 4 ausgebildet ist, und eine Leiterschicht 6, die auf der Gussschicht 5 ausgebildet ist. Das Substrat 4 ist aus Silizium, Glas oder dergleichen in rechteckiger Plattenform gebildet und weist eine Anmutung mit einer Größe von Hunderten von µm × Hunderten von µm bis einige 10 mm × einige 10 mm und eine Dicke von etwa 100 µm bis 2 mm auf. Eine Rückoberfläche 4b des Substrats 4 ist an die Oberfläche 2a des Handhabungssubstrats 2 durch direktes Bondieren, Bondieren unter Verwendung eines Metalls wie etwa Lot, eutektischem Bondieren, Fusionsbondieren unter Verwendung von Laserlichtbestrahlung oder dergleichen, anodischer Bondierung oder Bondierung unter Verwendung eines Polymers gebunden.
Wie in 3 illustriert, beinhaltet die Gussschicht 5 einen Feinstrukturbereich 7, einen Haltebereich 8 und einen Rahmenbereich 9. Der Feinstrukturbereich 7 ist eine Region, die ein periodisches Muster aufweist und ist auf einer Oberflächenschicht entgegengesetzt dem Substrat 4 an einem Zentralbereich der Gussschicht 5 gebildet. In dem Feinstrukturbereich 7 sind eine Mehrzahl von säulenförmigen Säulen (Vorsprüngen) 11 mit einem Durchmesser und einer Höhe von mehreren nm bis Hunderten von nm periodisch in einer Beabstandung von einigen 10 nm bis Hunderten von nm angeordnet (vorzugsweise 250 nm bis 800 nm) längs der Oberfläche 4a des Substrats 4. Bei Sicht aus einer Dickenrichtung des Substrats 4 weist der Feinstrukturbereich 7 eine rechteckige Erscheinung auf mit einer Größe von mehreren hundert µm × Hunderten von µm bis einigen 10 mm bis einigen 10 mm. Der Haltebereich 8 ist eine rechteckige Region, welche den Feinstrukturbereich 7 unterstützt und auf der Oberfläche 4a des Substrats 4 gebildet ist. Der Rahmenbereich 9 ist eine rechteckige ringförmige Region, die den Haltebereich 8 umgibt und auf der Oberfläche 4a des Substrats 4 ausgebildet ist. Der Haltebereich 8 und der Rahmenbereich 9 weisen eine Dicke von einigen 10 nm bis einigen 10 µm auf. Eine solche Gussschicht 5 ist integral gebildet, beispielsweise durch Gießen eines Polymers (Acryltyp, Fluortyp, Epoxidtyp, Silikontyp, Urethantyp, PET, Polycarbonat, anorganisches/organisches Hybridmaterial oder dergleichen) und ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt angeordnet auf dem Substrat 4 unter Verwendung eines Nanobedruckungs-Verfahrens.
Die Leiterschicht 6 ist aus dem Feinstrukturbereich 7 am Rahmenbereich 9 gebildet. In dem Feinstrukturbereich 7 erreicht die Leiterschicht 6 eine Oberfläche 8a des Haltebereichs 8, die auf der Seite entgegengesetzt zum Substrat 4 exponiert ist. Die Leiterschicht 6 weist eine Dicke von mehreren nm bis mehreren µm auf. Eine solche Leiterschicht 6 wird beispielsweise durch Dampfabscheidung eines Leiters wie etwa Metall (Au, Ag, Al, Cu, Pt oder dergleichen) auf der Gussschicht 5 unter Verwendung des Nanobedruckungsverfahrens gebildet. Im SERS-Element 3 bildet die auf dem Feinstrukturbereich 7 und der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 gebildete Leiterschicht 6 einen Optikfunktionsbereich 10, der oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung verursacht.
Wie in 4 und 5 illustriert, sind Rillen (vertiefte Regionen) 12 mit rechteckigem Querschnitt auf einer Seitenoberfläche (äußere Oberfläche) 11a jeder Säule 11 vorgesehen. Die Rillen 12 erstrecken sich längs einer Zentrumslinie CL der Säule 11 und eine Mehrzahl von Rillen 12 (vier Rillen jeweils 90° in Bezug auf die Zentrumslinie CL im SERS-Element 3 der ersten Ausführungsform) sind für eine Säule 11 vorgesehen. Die Rille 12 weist eine Breite und eine Tiefe von mehreren nm bis einigen zehn nm auf. Die Leiterschicht 6 ist auf der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 und einer äußeren Oberfläche jeder Säule 11 ausgebildet. Die Leiterschicht 6 deckt eine gesamte innere Oberfläche 12a der Rille 12 nicht ab und deckt eine Öffnung der Rille 12 nicht komplett ab. Das heißt, dass zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a der Rille 12 nach außerhalb der Rille 12 exponiert ist. In der Leiterschicht 6 ist die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 11a jeder Säule 11 in einem Zustand ausgebildet, in dem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist und entsprechend wird eine Mehrzahl von Spalten G gebildet. Das heißt, dass in der den Optikfunktionsbereich 10 bildenden Leiterschicht 6 die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 durch die Rille 12 getrennt ist und der Spalt G längs jeder Rille 12 gebildet ist. Der Spalt G weist ein Intervall von Null bis einigen 10 nm auf. Die Zentrumslinie CL der Säule 11 ist eine Linie, die ein Zentroid jeder Querschnittsform der Säule 11 rechtwinklig zur Zentrumlinie CL passiert.
Die SERS-Einheit 1, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, wird wie folgt verwendet. Zuerst wird ein ringförmiger Beabstander, der beispielsweise aus Silikon oder dergleichen hergestellt ist, auf der Oberfläche 2a des Handhabungssubstrats 2 angeordnet, um das SERS-Element 3 zu umgeben. Nachfolgend wird eine Probe einer Lösung (oder eine Probe, in der eine Pulverprobe in einer Lösung, wie etwa Wasser oder Ethanol, dispergiert ist) in den Beabstander unter Verwendung einer Pipette oder dergleichen eingetropft und wird die Probe auf dem Optikfunktionsbereich 10 platziert. Nachfolgend, um einen Linsen-Effekt zu vermindern, wird ein Deckglas auf dem Beabstander platziert und in engen Kontakt mit der Lösungsprobe gebracht.
Nachfolgend wird die SERS-Einheit 1 in eine Raman-Spektroskopie-Analysevorrichtung eingesetzt und wird die in dem Optikfunktionsbereich 10 angeordnete Probe mit Anregungslicht durch das Abdeckglas bestrahlt. Somit tritt oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung an einer Schnittstelle zwischen dem Optikfunktionsbereich 10 und der Probe auf und wird das aus der Probe abgeleitete, zerstreute Licht verstärkt, beispielsweise 10⁸ Mal, und wird emittiert. Daher kann in der Raman-Spektroskopie-Analysevorrichtung eine hochgenaue Raman-Spektroskopie-Analyse erzielt werden.
Ein Verfahren des Anordnens der Probe auf dem Optikfunktionsbereich 10 beinhaltet das nachfolgende Verfahren zusätzlich zum oben beschriebenen Verfahren. Beispielsweise kann das Handhabungssubstrat 2 einen Griff aufweisen und kann das SERS-Element 3 in eine Probe eingetaucht werden, als eine Lösung (oder eine Probe, in der eine Pulverprobe in einer Lösung wie etwa Wasser oder Ethanol dispergiert ist), herausgezogen und beblasen werden, um die Probe zu trocknen. Weiter kann eine kleine Probenmenge als eine Lösung (oder die Probe, in der eine Pulverprobe in einer Lösung wie etwa Wasser oder Ethanol dispergiert ist) auf den Optikfunktionsbereich 10 getropft werden und kann die Probe natürlich getrocknet werden. Weiter kann eine Probe als ein Pulver direkt auf dem Optikfunktionsbereich 10 verteilt werden.
Wie oben beschrieben, wird im SERS-Element 3 der ersten Ausführungsform die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 11a jeder Säule 11 in einem Zustand gebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a der Rille 12 exponiert ist und entsprechend wird die Mehrzahl von Spalten G in der Leiterschicht 6 gebildet, die den Optikfunktionsbereich 10 bildet. Der in der Leiterschicht 6 gebildete Spalt G fungiert vorzugsweise als ein Nanospalt, in welchem eine lokale Verstärkung eines elektrischen Felds auftritt (nachfolgend einfach als "Nanospalt" bezeichnet). Daher ist es gemäß dem SERS-Element 3 der ersten Ausführungsform möglich, die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten zu vergrößern.
Weiter, da die Mehrzahl von Säulen periodisch längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 angeordnet sind, ist es möglich, die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung stabil zu vergrößern.
Weiter, da eine Mehrzahl von Rillen 12 für eine Säule 11 vorgesehen ist, ist es möglich, die Anzahl von Spalten G, die vorzugsweise als Nanospalten fungieren, zu vergrößern.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des SERS-Elements 3 der ersten Ausführungsform beschrieben. Zuerst, wie in 6(a) illustriert, werden eine Hauptform MM und ein Filmbasismaterial vorbereitet. Die Hauptform MM beinhaltet die Feinstrukturbereiche M7 entsprechend dem Feinstrukturbereich 7 und einen Unterstützungsbereich M8, der die Feinstrukturbereiche M7 hält. Eine Mehrzahl von Feinstrukturbereichen M7 sind in einer Matrixform auf dem Unterstützungsbereich M8 angeordnet. Nachfolgend, wie in 6(b) illustriert, wird das Filmbasismaterial F gegen die Hauptform MM gedrückt und wird in diesem Zustand unter Druck gesetzt und erhitzt, so dass ein Muster der Mehrzahl feiner Strukturen M7 auf das Basismaterial F übertragen wird.
Nachfolgend, wie in 6(c) illustriert, durch Freigeben des Filmbasismaterials F aus der Hauptform MM wird eine Replilkaform (Replikafilm) RM, auf welche das Muster der Mehrzahl feiner Strukturen N transferiert worden ist, erhalten. Die Replikaform RM kann durch Beschichten des Filmbasismaterials F mit einem Polymer (beispielsweise einem Epoxidpolymer, einem Acrylpolymer, einen Fluorpolymer, einem Siliziumpolymer, einem Urethanpolymer oder einem organischen/anorganischen Hybridpolymer) gebildet werden. In einem Fall, in welchem das auf das Filmbasismaterial F aufzubringende Polymer UV-Härtbarkeit aufweist, kann die Replikaform R (UV-Nanobedruckung) durch Aushärten des auf dem Filmbasismaterial F beschichteten Polymers durch UV-Bestrahlung statt Wärme-Nanobedruckung erhalten werden.
Nachfolgend, wie in 7(a) illustriert, wird ein Siliziumwafer 40 als das Substrat 4 vorbereitet und wird eine Oberfläche 40a desselben mit einem UV-härtbaren Polymer beschichtet, um dadurch eine Nanobedruckungsschicht 50 als die Gussschicht 5 auf dem Siliziumwafer 40 auszubilden. Nachfolgend, wie in 7(b) illustriert, wird die Replikaform RM gegen die Nanobedruckungsschicht 50 gepresst, welche in diesem Zustand mit UV bestrahlt wird, um die Nanobedruckungsschicht 50 auszuhärten. Entsprechend wird das Muster der Replikaform RM auf die Nanobedruckungsschicht 50 transferiert. Nachfolgend, wie in 7(c) illustriert, durch Abheben der Replikaform RM von der Nanobedruckungsschicht 50, wird der Siliziumwafer 40, auf welchem eine Mehrzahl von Feinstrukturbereichen 7 gebildet sind, erhalten. Eine Wärmeaushärtung kann vorgenommen werden, um das Aushärten des Polymers sicherzustellen.
Dieser Schritt ist ein erster Schritt des Ausbildens, auf der Oberfläche 4a des Substrats 4, der Feinstrukturbereichen 7 mit der Mehrzahl von Säulen 11, in welchen die Mehrzahl von Rillen 12 in den entsprechenden Seitenoberflächen 11a vorgesehen sind.
Nachfolgend wird ein Metall wie etwa Au oder Ag auf der Gussschicht 5 abgelagert, um die Leiterschicht 6 unter Verwendung eines Dampfabscheidungsverfahrens zu bilden, wie etwa resistive Hitzeverdampfung oder Elektronenstrahlverdampfung. In diesem Fall werden eine Mehrzahl von Spalten G in der Feinstrukturbereich 7 gebildet, welche den Optikfunktionsbereich 10 bilden. Dieser Schritt ist ein zweiter Schritt des Bildens der Leiterschicht 6, die den Optikfunktionsbereich 10 bildet, welcher oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuen verursacht, auf dem Feinstrukturbereich 7 unter Verwendung von Dampfphasenwachstum. Im zweiten Schritt wird das Dampfphasenwachstum in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist, bevor die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 mit der Leiterschicht 6 abgedeckt wird.
Nachfolgend wird der Siliziumwafer 40 für jeden Feinstrukturbereich 7 geschnitten (Mit anderen Worten für jeden Optikfunktionsbereich 10), um eine Mehrzahl von SERS-Elementen 3 zu erhalten. Um die SERS-Einheit 1 zu erhalten, können die wie oben beschrieben hergestellten SERS-Elemente 3 an dem Handhabungssubstrat 2 angebracht werden.
Wie oben beschrieben, wird beim Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der ersten Ausführungsform das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist, bevor die Leiterschicht 6 die gesamte inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 bedeckt. Entsprechend ist es für das Öffnen der Rille 12 schwierig, durch die Leiterschicht 6 blockiert zu werden und ist es für den Spalt G, der vorzugsweise als Nanospalt fungiert, leicht, in dem Bereich gebildet zu werden, welcher der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 4 illustriert. In diesem Fall, da eine Dicke der Leiterschicht 6 klein ist, ist es für einen gewünschten Spalt G gemäß einer Form der Rille 12, die auszubilden ist, einfach. Weiter ist es leicht, dass der vorzugsweise als ein Nanospalt fungierende Spalt G in einem Bereich gebildet wird, der einem Basisendbereich 11b der Säule 11 entspricht (einem Eckenbereich zwischen der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8) in der Leiterschicht 6. Das heißt, dass in dem Bereich, welcher dem Basisendbereich 11b der Säule 11 entspricht, der Spalt G, der sich zur entgegengesetzten Seite des Substrats 4 öffnet, gebildet ist, jede Säule 11 zu umgeben, bei Sicht aus einer Richtung, in welcher die Säule 11 vorragt (d.h. eine Dickenrichtung des Substrats 4) durch die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und der Leiterschicht 6 längs der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8. Im tiefsten Bereich des Spalts G können die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und die Leiterschicht 6 längs der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 verbunden sein oder können getrennt sein (die Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 kann im tiefsten Bereich des Spalts G exponiert sein). Beispielsweise wird in dem, dem Basisendbereich 11b der Säule 11 korrespondierenden Bereich der Spalt G in einer Rillenform ausgebildet, die sich ringförmig erstreckt, um jede Säule 11 zu umgeben, bei Sicht aus einer Rille, in welcher die Säule 11 vorragt. Wie oben beschrieben, gemäß dem Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der ersten Ausführungsform, ist es möglich, das SERS-Element 3 zu erhalten, in welchem die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung vorzugsweise von Nanospalten vergrößert werden kann.
Falls Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 fortgesetzt wird, bis die Leiterschicht 6 die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 abdeckt, wird ein angehobener Bereich E (ein Bereich, der durch Ablagern einer großen Menge von Leiter in einem Bereich, in welchem die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und die Leiterschicht 6 längs der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 treffen, angehoben wird) in einem Bereich gebildet, welcher dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in der 8 illustriert, und es ist schwierig, dass der Spalt G vorzugsweise als der auszubildende Nanospalt fungiert. 9(a) illustriert eine SEM-Photographie des Optikfunktionsbereichs 10 in einem Fall, in welchem der Spalt G, welcher vorzugsweise als ein Nanospalt fungiert, in dem Bereich ausgebildet wird, welcher sowohl der Rille 12 als dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 entspricht (Beispiel). 9(b) illustriert eine SEM-Photographie des Optikfunktionsbereichs 10 in einem Fall, in welchem der angehobene Bereich E in dem Bereich entsprechend dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 gebildet ist (Vergleichsbeispiel).
Weiter, da Dampfabscheidung, die Dampfphasenwachstum mit exzellenter Anisotropie (hoher Anisotropie) ist, als das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 durchgeführt wird, ist es möglich, die Leiterschicht 6 daran zu hindern, jede Rille 12 zu betreten und den vorzugsweise als einen Nanospalt fungierenden Spalt G in dem der Rille 12 entsprechenden Bereich in der Leiterschicht 6 zu bilden. Weiter ist es in einem Dampfabscheidungsverfahren, welches ein Dampfphasenwachstumsverfahren mit exzellenter Anisotropie ist, falls Leiterpartikel (konduktive Partikel) aus der Rille abgelagert werden, in welcher die Säule 11 vorragt, für die leitenden Partikel einfach, an der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 anzuheften und in der Umgebung eines distalen Endes (nahe dem oberen Teil) der Säule 11, während es für die leitfähigen Partikel schwierig ist, eine Basis der Säule 11 zu erreichen (einen Bereich entsprechend dem Basisendbereich 11b der Säule 11) aufgrund eines Abschattungseffektes durch die leitfähigen Partikel, die in der Nähe des distalen Endes der Säule 11 anhaften. Daher ist es möglich, den angehobenen Bereich E daran zu hindern, in dem Bereich entsprechend dem Basisendbereich 11b der Säule 11 zu bilden, und den Spalt G, der vorzugsweise als ein Nanospalt fungiert, zu bilden.
Weiter, indem nur das Muster transferiert wird, das eine zweidiemnsionale Form der Replikaform RM aufweist, ist es möglich, die Rille 12 zu bilden, die sich längs der Zentrumslinie CL der Säule 11 auf der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 erstreckt. Da es leicht ist, ein Design des Musters mit einer zweidimensionalen Form in der Replikaform RM zu ändern, kann das SERS-Element 3, in welchem vorzugsweise Nanospalte gebildet worden sind, mit guter Ausbeute hergestellt werden.
Als das Nanobedruckungsverfahrens kann auch thermisches Nanobedrucken verwendet werden, zusätzlich zu dem oben beschriebenen UV-Nanobedrucken. Im Falle thermischen Nanobedruckens können Nickel, Silizium oder dergleichen als ein Gussmaterial verwendet werden.
Weiter kann anstelle des oben beschriebenen Nanobedruckungsverfahrens eine Maske mit dem Muster mit einer zweidimensionalen Form unter Verwendung von Photo-Ätzen, Elektronenstrahl-Darstellung oder dergleichen gebildet werden und kann der Feinstrukturbereich 7 auf dem Substrat 4 durch Ätzen unter Verwendung der Maske gebildet werden. In diesem Fall, da es leicht ist, ein Design des Musters mit einer zweidimensionalen Form in der Maske zu ändern, kann das SERS-Element 3, in welchem vorzugsweise Nanospalten gebildet worden sind, mit guter Ausbeute hergestellt werden.
Als Nächstes werden Beispiele von Abmessungen beschrieben. Wie oben beschrieben, wenn die Mehrzahl von Säulen 11 mit säulenförmiger Form, die einen Durchmesser und eine Höhe von mehreren nm bis hunderten von nm aufweisen, periodisch bei einer Beabstandung von einigen zehn nm bis hunderten von nm (vorzugsweise 250 nm bis 800 nm) längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 in dem Feinstrukturbereich 7 angeordnet sind, weist die Rille 12 eine Breite und Tiefe von mehreren nm bis einigen zehn nm auf und weist die Leiterschicht 6 eine Dicke von mehreren nm bis mehreren µm auf. In diesem Fall weist der Spalt G ein Intervall von Null bis einigen zehn nm auf. Es wird jedoch bevorzugt, dass eine Breite W der Rille 12 eingestellt wird als eine Breite, die etwa 1/200 bis etwa 1 der Dicke der Leiterschicht 6 entspricht und eine Tiefe D der Rille 12 wird auf etwa 1 nm bis hunderte von nm eingestellt (eine Tiefe, die weniger als eine Hälfte des Durchmessers der Säule 11 entspricht), wie in 10 illustriert, unter Berücksichtigung des Spalts G, der vorzugsweise als ein Nanospalt funktioniert, der in dem Bereich gebildet ist, der jeder der Rillen 12 und Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 4 illustriert. Es wird für die Dicke T der Leiterschicht 6 bevorzugt, mehrere nm bis hunderte nm aufzuweisen. Entsprechend werden die Spalten G mit Intervallen von mehreren Å bis einigen zehn nm in dem jeder der Rillen 12 entsprechenden Bereich und dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 gebildet.
Zweite Ausführungsform
Wie in 11 illustriert, unterscheidet sich ein SERS-Element 3 einer zweiten Ausführungsform primär vom SERS-Element 3 der ersten oben beschriebenen Ausführungsform darin, dass ein Feinstrukturbereich 7 auf einer Oberfläche 4a eines Substrats 4 ausgebildet ist und sich eine Rille 12 erstreckt, eine Zentrumslinie CL einer Säule 11 zu umgeben (siehe 12). Im SERS-Element 3 der zweiten Ausführungsform wird die Feinstrukturbereich 7 in einem Zentralbereich der Oberfläche 4a des Substrats 4 ausgebildet und weist eine Anmutung auf mit einer rechteckigen Form von hunderten von µm × hunderten von µm bis einigen zehn nm × einigen zehn nm bei Sicht aus einer Dickenrichtung des Substrats 4. Säulen 11 des Feinstrukturbereichs 7 sind periodisch bei einer Beabstandung von einigen zehn nm bis hunderten von nm (vorzugsweise 250 nm bis 800 nm) längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 angeordnet.
Eine Leiterschicht 6 ist aus dem Feinstrukturbereich 7 an der Rückoberfläche 4a des Substrats 4 gebildet. Die Leiterschicht 6 erreicht die Oberfläche 4a des Substrats 4, das gegenüber der Feinstrukturbereich 7 exponiert ist. Im SERS-Element 3 ist ein Optikfunktionsbereich 10, der oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung verursacht, durch die auf dem Feinstrukturbereich 7 gebildete Leiterschicht 6 gebildet und die Oberfläche 4a des Substrats 4, exponiert an dem Feinstrukturbereich 7.
Wie in 12 illustriert, erstreckt sich die Rille 12 ringförmig, um die Zentrumslinie CL der Säule 11 zu umgeben und wird eine Rille für eine Säule 11 bereitgestellt. Die Leiterschicht 6 wird auf der Oberfläche 4a des Substrats 4 und der äußeren Oberfläche jeder Säule 11 gebildet. Die Leiterschicht 6 deckt nicht die gesamte innere Oberfläche 12a der Rille 12 ab und deckt nicht eine Öffnung der Rille 12 komplett ab. Das heißt, zumindest ein Teil der inneren Oberfläche 12a der Rille 12 wird nach außerhalb der Rille 12 exponiert. In der Leiterschicht 6 wird die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 11a jeder Säule 11 in einem Zustand gebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist und entsprechend wird eine Mehrzahl von Spalten G gebildet. Das heißt, in der Leiterschicht 6, welche den Optikfunktionsbereich 10 bildet, wird die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 durch die Rille 12 getrennt und wird der Spalt G längs jeder Rille 12 gebildet.
Wie oben beschrieben, wird im SERS-Element 3 der zweiten Ausführungsform die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 11a jeder Säule 11 in einem Zustand gebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a der Rille 12 exponiert ist und entsprechend wird die Mehrzahl von Spalten G in der Leiterschicht 6, welche den Optikfunktionsbereich 10 bildet, gebildet. Der in der Leiterschicht 6 gebildete Spalt G fungiert vorzugsweise als ein Nanospalt. Daher, gemäß dem SERS-Element 3 der zweiten Ausführungsform, ist es möglich, die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten zu vergrößern.
Weiter, da die Mehrzahl von Säulen 11 periodisch längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 angeordnet ist, ist es möglich, stabil die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung zu vergrößern.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des SERS-Elements 3 der zweiten Ausführungsform beschrieben. Zuerst, wie in 13(a) illustriert, wird ein als ein Substrat 4 dienender Siliziumwafer 40 vorbereitet. Nachfolgend, wie in 13(b) illustriert, wird eine Opferschicht 13, die aus SiO₂ hergestellt ist, auf einer Oberfläche 40a des Siliziumwafers 40 gebildet. Nachfolgend, wie in 13(c) illustriert, wird eine aus Polysilizium hergestellte Oberflächenschicht 14 auf einer Oberfläche 13a der Opferschicht 13 ausgebildet.
Nachfolgend, wie in 14(a) illustriert, wird eine Resistschicht RL auf einer Oberfläche 14a der Oberflächenschicht 14 gebildet. Die Resistschicht RL weist ein Muster auf, welches durch Photo-Ätzen, elektronische Lithographie, Nanobedruckungs-Lithographie oder dergleichen gebildet ist. Das Muster der Resistschicht RL entspricht einer Mehrzahl von Feinstrukturbereichen 7 und ein der Säule 11 entsprechender Bereich ist für jeden Feinstrukturbereich 7 maskiert. Nachfolgend, wie in 14(b) illustriert, werden die Oberflächenschicht 14 einer nicht mit der Resistschicht RL maskierten Region, die Opferschicht 13 und eine Oberflächenschicht des Siliziumwafers 40 durch Trocken-Ätzen unter Verwendung der Resistschicht RL als einer Maske entfernt und dann wird die verbleibende Resistschicht RL entfernt. Nachfolgend, wie in 14(c) illustriert, wird eine Oberflächenschicht der Opferschicht 13, die zur Seite exponiert ist, selektiv durch Trockenätzung oder Nassätzung unter Verwendung eines anderen Ätzmittels entfernt und wird die Rille 12 in der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 gebildet. Entsprechend wird der Siliziumwafer 40, auf welchem eine Mehrzahl von Feinstrukturbereichen 7 gebildet worden sind, erhalten.
Derselbe kann unter Verwendung eines SOI-Wafers hergestellt werden. Weiter ist ein Material der Säule 11 nicht auf Silizium beschränkt und ein Material der Opferschicht 13 ist nicht auf SiO₂ beschränkt. Als Material für die Säule 11 und Material für die Opferschicht 13 wird die Opferschicht 13 selektiv in Bezug auf die Säule 11 geätzt. Weiter ist es unnötig, dass das Material des Substrats 4 dasselbe ist wie das Material des Distalendbereichs der Säule 11. Beispielsweise kann das Substrat 4 ein Siliziumwafer sein, kann die Opferschicht SiO₂ sein, und kann der distale Endbereich der Säule 11 ein Polymer sein. Wenn der distale Endbereich der Säule 11 das Polymer ist, kann ein Nanobedruckungsverfahren zur Ausbildung verwendet werden.
Dieser Prozess ist ein erster Schritt des Ausbildens, auf einer Oberfläche 4a des Substrats 4 des Feinstrukturbereichs 7 mit der Mehrzahl von Säulen 11, in welchen die Mehrzahl von Rillen 12 in den entsprechenden Seitenoberflächen 11a vorgesehen sind.
Nachfolgend wird ein Metall wie etwa Au oder Ag auf den Siliziumwafer 40 abgeschieden, um die Leiterschicht 6 unter Verwendung eines Dampfabscheidungsverfahrens wie etwa Widerstandsheiz-Verdampfung oder Elektronenstrahl-Verdampfung zu bilden. In diesem Fall wird eine Mehrzahl von Spalten G in der den Optikfunktionsbereich 10 bildenden Leiterschicht 6 gebildet. Dieser Schritt ist ein zweiter Schritt des Ausbildens der, den Optikfunktionsbereich 10 bildenden Leiterschicht 6, welcher oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung verursacht, auf der Feinstrukturbereich 7 unter Verwendung von Dampfphasenwachstum. Im zweiten Schritt wird das Dampfphasenwachstum in einem Zustand gestoppt, in dem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist, bevor die gesamte inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 mit der Leiterschicht 6 bedeckt ist.
Nachfolgend wird der Siliziumwafer 40 für jeden Feinstrukturbereich 7 (mit anderen Worten, für jeden Optikfunktionsbereich 10) geschnitten, um eine Mehrzahl von SERS-Elementen 3 zu erhalten. Um die SERS-Einheit 1 zu erhalten, können die wie oben beschrieben hergestellten SERS-Elemente 3 am Handhabungssubstrat 2 angebracht werden.
Wie oben beschrieben, wird beim Verfahren zum Herstellen des SERS-Elements 3 der zweiten Ausführungsform das Dampfphasenwachstum zum Bilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist, bevor die Leiterschicht 6 die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 abdeckt. Entsprechend ist es für die Öffnung der Rille 12 schwierig, durch die Leiterschicht 6 blockiert zu werden, und es ist einfach, dass der Spalt G als ein Nanospalt funktioniert, der in dem der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entsprechenden Bereich ausgebildet ist, wie in 12 illustriert. In diesem Fall, da eine Dicke der Leiterschicht 6 klein ist, ist es leicht, dass ein gewünschter Spalt G gemäß einer Form der Rille 12 ausgebildet wird. Weiter ist es einfach, dass der Spalt G vorzugsweise als ein Nanospalt funktioniert, der in einem Bereich entsprechend dem Basisendbereich 11b der Säule 11 zu bilden ist (ein Eckbereich zwischen der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und der Oberfläche 4a des Substrats 4) in der Leiterschicht 6. Das heißt, dass in dem Bereich, welcher dem Basisendbereich 11b der Säule 11 entspricht, der Spalt G, der sich zur gegenüberliegenden Seite des Substrats 4 öffnet, ausgebildet ist, jede Säule 11 zu umgeben, bei Sicht aus einer Rille, in welcher die Säule 11 vorragt (d.h. eine Dickenrichtung des Substrats 4) durch die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und der Leiterschicht 6 längs der Oberfläche 4a des Substrats 4. In einem tiefsten Bereich des Spalts G können die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und die Leiterschicht 6 längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 verbunden sein oder können getrennt sein (die Oberfläche 4a des Substrats 4 kann im tiefsten Bereich des Spalts G exponiert sein). Beispielsweise in dem Bereich, welcher dem Basisendbereich 11b der Säule 11 entspricht, wird der Spalt G in einer Rillenform gebildet, die sich ringförmig erstreckt, um jede Säule 11 zu umgeben, bei Sicht aus einer Richtung, in welcher die Säule 11 vorragt. Wie oben beschrieben, gemäß dem Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der zweiten Ausführungsform ist es möglich, das SERS-Element 3 zu erhalten, in welchem die Intensität von oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuen unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten vergrößert werden kann.
Falls ein Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 fortgesetzt wird, bis die Leiterschicht 6 die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 bedeckt, wird ein vorstehender Bereich E (ein Bereich, der durch Abscheiden einer großen Menge von Leiter in einem Bereich, in welchem die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und die Leiterschicht 6 längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 sich treffen, erhöht ist), in einem Bereich entsprechend dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 gebildet, wie in 15 illustriert, und es ist schwierig, dass der Spalt G vorzugsweise als der auszubildende Nanospalt fungiert.
Weiter, da Dampfabscheidung, die Dampfphasenwachstum mit exzellenter Anisotropie ist, als das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 durchgeführt wird, ist es möglich, die Leiterschicht 6 daran zu hemmen, jede Rille 12 zu betreten und den Spalt G vorzugsweise als Nanospalt funktionierend in dem Bereich, welcher der Rille 12 entspricht, in der Leiterschicht 6 auszubilden. Weiter ist es in einem Dampfabscheidungsverfahren, welches ein Dampfphasenwachstums-Verfahren mit exzellenter Anisotropie ist, falls Leiterpartikel (leitfähige Partikel) aus der Richtung, in welcher die Säule 11 vorragt, abgeschieden werden, für die leitfähigen Partikel leicht, an der Oberfläche 4a des Substrats 4 und in der Umgebung eines distalen Endes (nahe am oberen) der Säule 11 anzuhaften, während es für die leitfähigen Partikel schwierig ist, eine Basis der Säule 11 zu erreichen (ein Bereich entsprechend dem Basisendbereich 11b der Säule 11), aufgrund eines Abschattungseffekts durch die in der Nähe des distalen Endes der Säule 11 anhaftenden leitfähigen Partikel. Daher ist es möglich, den angehobenen Bereich E daran zu hemmen, in dem Bereich, welcher dem Basisendbereich 11b der Säule 11 entspricht, auszubilden, und den vorzugsweise als Nanospalt fungierenden Spalt G zu bilden.
Da es möglich ist, leicht die Breite der Rille 12 nur durch Justierung einer Dicke oder einer Position der Opferschicht 13 zu ändern, und es möglich ist, leicht die Tiefe der Rille 12 nur durch Justierung von Ätzbedingungen einer Oberflächenschicht der Opferschicht 13 zu ändern, kann das SERS-Element 3, in welchem bevorzugte Nanospalten, welche die Intensität von oberflächenverstärktem Raman-Zerstreuen verstärken kann, gebildet worden sind, mit guter Ausbeute hergestellt werden.
Als Nächstes werden Beispiele von Abmessungen beschrieben. Wie oben beschrieben, wenn die Mehrzahl von Säulen 11 mit säulenförmiger Form mit einem Durchmesser und einer Höhe von mehreren nm bis hunderten von nm periodisch bei einem Abstand von einigen zehn nm bis hunderten von nm (vorzugsweise 250 nm bis 800 nm) längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 im Feinstrukturbereich 7 periodisch angeordnet sind, weist die Rille 12 eine Breite und Tiefe von mehreren nm bis einigen zehn nm auf und weist die Leiterschicht 6 eine Dicke von mehreren nm bis mehreren µm auf. In diesem Fall weist der Spalt G ein Intervall von etwa 0 bis einige zehn nm auf. Es wird jedoch bevorzugt, dass eine Breite W der Rille 12 als eine Breite entsprechend etwa 1/200 bis 1 der Dicke der Leiterschicht 6 eingestellt wird und eine "Tiefe D der Rille 12 als eine "D/W ≥ 1 erfüllende Tiefe" eingestellt wird, wie in 16 illustriert, unter Berücksichtigung des vorzugsweise als ein Nanospalt fungierenden Spalts G, der in dem Bereich gebildet wird, welcher jeder der Rille 12 und dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 12 illustriert. Es wird für die Dicke T der Leiterschicht 6 bevorzugt, dass sie mehrere nm bis hunderte nm beträgt. Entsprechend werden die Spalten G mit Intervallen von mehreren Å bis einigen zehn nm in dem Bereich, welcher jeder der Rille 12 und dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 entspricht, gebildet werden. Eine Höhe H der Rille 12 ab der Oberfläche 4a des Substrats 4 ist gleich oder größer als eine Dicke T der Leiterschicht 6, so dass die Rillen 12 nicht in der auf der Oberfläche 4a des Substrats 4 gebildeten Leiterschicht 6 begraben werden.
Als Nächstes wird ein Modifikationsbeispiel des SERS-Elements 3 der zweiten Ausführungsform beschrieben. Wie in 17 illustriert, kann eine Mehrzahl von Rillen 12 für eine Säule 11 bereitgestellt werden, beispielsweise Seite-an-Seite längs der Zentrumslinie CL angeordnet. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Anzahl von vorzugsweise als Nanospalten fungierenden Spalten G zu vergrößern.
Weiter, wie in 18 illustriert, kann die Rille 12 in der Säule 11 so gebildet werden, dass die Tiefe der Rille 12 (eine Distanz zwischen einer Seitenoberfläche 11a der Säule 11 und der Bodenoberfläche 12b der Rille 12) kleiner ist als die Breite der Rille 12 (eine Distanz zwischen zueinander weisenden Straßenoberflächen 12c und 12d der Rille 12). Das heißt, dass die Rille 12 in der Säule 11 so gebildet werden kann, dass die Tiefe D der Rille 12 und die Breite W der Rille 12 D/W < 1 erfüllen. Als Beispiel von Abmessung wird es bevorzugt, dass die Tiefe D der Rille 12 auf mehrere Å bis hunderte von nm eingestellt wird und die Breite W der Rille 12 auf einige zehn Å bis mehrere µm eingestellt wird, bevorzugterer Weise etwa 1 nm bis 3 µm). Jedoch muss die Breite W der Rille 12 größer sein als die Dicke der Leiterschicht 6. Entsprechend werden die Spalten G, die Intervalle von mehreren Å bis einige zehn nm aufweisen, im Bereich gebildet, der jeder der Rille 12 und dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 entspricht.
Die Rille 12 wird in der Säule 11 so gebildet, dass die Tiefe der Rille 12 kleiner ist als die Breite der Rille 12, was es ermöglicht, den Durchmesser der Säule 11 zu senken, und eine Distanz (Abstand) zwischen angrenzenden Säulen 11 und als Ergebnis Verbessern eines Freiheitsgrades bei der Dimensionierung. In dem, der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entsprechenden Bereich werden eine Region der Bodenoberfläche 12b der Rille 12 an der distalen Endseite der Säule 11 und die Seitenoberfläche 12c der Rille 12 an der distalen Endseite der Säule 11 exponiert und wird in diesem Bereich der Spalt G gebildet.
Weiter, wie in 19 illustriert, kann die Rille 12 in dem Basisendbereich 11b der Säule 11 gebildet sein. Die Rille 12 kann in dem Basisendbereich 11b der Säule 11 so gebildet sein, dass die Dicke der Leiterschicht 6 kleiner als die Breite der Rille 12 ist (eine Distanz zwischen der Seitenoberfläche 12c der Rille 12 und der Oberfläche 4a des Substrats, die zueinander weisen). In diesem Fall ist es für den Spalt G einfach, in einem Bereich gebildet zu werden, der beiden Seiten entspricht in einer Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6. Das heißt, es ist möglich, die Anzahl von in einer Rille 12 gebildeten Spalten G zu vergrößern. Weiter, wenn die Leiterschicht 6 unter Verwendung von Dampfabscheidung gebildet wird, ist es möglich, einen Effekt der Leiterschicht 6 zu vergrößern, die an der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 auf der oberen Seite anhaftet, aus der Rille 12, die ein Regenschirm-(Abschattungs-)Effekt ist. Entsprechend ist es für den Spalt G einfach, in einem Bereich entsprechend dem Basisendbereich 11b der Säule 11 in der Leiterschicht 6 gebildet zu werden.
Weiter kann die Distanz zwischen den in den Bereichen entsprechend beider Seiten in der Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6 gebildeten Spalten G leicht durch Justieren der Breite der Rille 12 gesteuert werden. Als Ergebnis kann der Spalt G effizient und effektiv in der Leiterschicht 6 entsprechend einer Positionsverteilung von Messungsmolekülen angeordnet werden, die auf der Leiterschicht 6, welche auf der Säule 11 gebildet ist, adsorbiert werden. Falls beispielsweise die Distanz zwischen den in den Bereichen entsprechend beider Seiten in der Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6 gebildeten Spalten G vergrößert wird, indem die Breite der Rille 12 vergrößert wird, wird der Spalt G an der distalen Endseite der Säule 11 auf der relativ oberen Seite der Säule 11 gebildet. Entsprechend werden eine große Anzahl von leicht auf der oberen Seite der Säule 11 adsorbierten Molekülen in der Nähe des Spalts G auf der distalen Endseite der Säule 11 angehaftet, was es möglich macht, effektiv das oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuungslicht zu vergrößern. Falls andererseits die Distanz zwischen den in den Bereichen, die beiden Seiten in der Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entsprechen, gebildeten Spalten G durch Verkleinern der Breite der Rille 12 verkleinert wird, wird der Spalt G auf der distalen Endseite der Säule 11 auf der relativ niedrigeren Seite der Säule 11 gebildet. Entsprechend werden auf der unteren Seite der Säule 11 adsorbierte Moleküle leicht in der Nähe des Spalts G auf der distalen Endseite der Säule 11 und dem Spalt G auf der Basisendseite der Säule 11 angebracht, was es ermöglicht, effektiv das oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuungslicht zu vergrößern. Wenn beispielsweise das SERS-Element 3 umgekehrt wird, in die Lösungsprobe eingetaucht wird und dann so getrocknet wird, dass Messmoleküle adsorbiert werden, wird erwartet, dass die Messmoleküle auf der oberen Seite der Säule 11 angeordnet sind, falls es weniger Lösungsproben gibt. Entsprechend steigt die Breite der Rillen 12. Wenn andererseits eine kleine Menge an Lösungsprobe auf das SERS-Element 3 getropft wird, wird erwartet, dass die Messmoleküle auf der unteren Seite der Säule 11 angeordnet sind. Entsprechend sinkt die Breite der Rille 12.
Dritte Ausführungsform
Wie in 20 illustriert, unterscheidet sich das SERS-Element 3 einer dritten Ausführungsform vom SERS-Element 3 der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben ist, hauptsächlich darin, dass ein Loch (eine Vertiefung) 15 in einer Gussschicht 5 anstelle der Säule 11 gebildet ist. Im SERS-Element 3 der dritten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Löchern 15 mit säulenförmiger Form mit einem Durchmesser und einer Tiefe von mehreren nm bis hunderten von nm periodisch bei einer Beabstandung von einigen zehn nm bis hunderten nm (vorzugsweise 250 nm bis 800 nm) periodisch längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 in dem Feinstrukturbereich 7 angeordnet.
Die Leiterschicht 6 wird aus dem Feinstrukturbereich 7 zum Rahmenbereich 9 gebildet. In dem Feinstrukturbereich 7 erreicht die Leiterschicht 6 die Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 (d.h. die Bodenoberfläche jedes Lochs 15), das auf der entgegengesetzten Seite zum Substrat 4 exponiert ist. Im SERS-Element 3 bildet die auf dem Feinstrukturbereich 7 und der Oberfläche 8a des Haltebereichs 8 gebildete Leiterschicht 6 den Optikfunktionsbereich 10, der das oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuen verursacht.
Wie in 21 und 22 illustriert, ist eine rechteckige Schnittrille 12 auf der Seitenoberfläche (innere Oberfläche) 15a jedes Lochs 15 vorgesehen. Die Rille 12 erstreckt sich längs der Zentrumslinie CL des Lochs 15 und eine Mehrzahl von Rillen (im SERS-Element 3 der dritten Ausführungsform, eine Rille für je 90° in Bezug auf die Zentrumslinie CL für insgesamt vier) sind für ein Loch 15 vorgesehen. Die Leiterschicht 6 wird auf der Seitenoberfläche 15a und einer Bodenoberfläche (innere Oberfläche) 15b jedes Lochs 15 gebildet. Die Leiterschicht 6 deckt nicht die gesamte innere Oberfläche 12a der Rille 12 ab und deckt nicht eine Öffnung der Rille 12 komplett ab. Das heißt, zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a der Rille 12 wird nach außerhalb der Rille 12 exponiert. In der Leiterschicht 6 wird die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 15a jedes Lochs 15 in einem Zustand gebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist und entsprechend werden eine Mehrzahl von Spalten G gebildet. Das heißt, dass in der den Optikfunktionsbereich 10 bildenden Leiterschicht 6 die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 durch die Rille 12 getrennt ist und der Spalt G längs jeder Rille 12 gebildet wird. Die Zentrumslinie CL des Lochs 15 ist eine Linie, die durch ein Zentroid in Bezug auf jede Querschnittsform des Lochs 15 lotrecht zur Zentrumslinie CL passiert.
Wie oben beschrieben, wird im SERS-Element 3 der dritten Ausführungsform die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 15a jedes Lochs 15 in einem Zustand gebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist und entsprechend wird die Mehrzahl von Spalten G in der Leiterschicht 6, welche den Optikfunktionsbereich 10 bildet, ausgebildet. Der in der Leiterschicht 6 gebildete Spalt G fungiert vorzugsweise als ein Nanospalt. Daher ist es gemäß dem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement 3 der dritten Ausführungsform möglich, die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten zu vergrößern.
Weiter, da die Mehrzahl von Löchern 15 periodisch längs der Oberfläche 4a des Bezugsfahrzeug S angeordnet sind, ist es möglich, stabil die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung zu vergrößern.
Weiter, da eine Mehrzahl von Rillen 12 für ein Loch 15 vorgesehen sind, ist es möglich, die Anzahl von Spalten G, welche vorzugsweise als Nanospalten fungieren, zu vergrößern.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des SERS-Elements 3 der dritten Ausführungsform beschrieben. Zuerst wird ein Schritt des Erhaltens des Siliziumwafers 40, auf welchem eine Mehrzahl von Feinstrukturbereichen 7 gebildet sind, das heißt der erste Schritt des Ausbildens, auf der Oberfläche 4a des Substrats 4 der Feinstrukturbereiche 7 mit der Mehrzahl von Löchern 15, in welchen die Mehrzahl von Rillen 12 in den entsprechenden Seitenoberflächen 15a vorgesehen sind, durchgeführt, durch Ausbilden des Feinstrukturbereichs 7 auf der Gussschicht 5 unter Verwendung eines Nanobedruckungsverfahrens, ähnlich zum Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der ersten Ausführungsform, das oben beschrieben wurde. Der Feinstrukturbereich 7 kann auf dem Substrat 4 durch Ätzen unter Verwendung einer Maske mit einem Muster gebildet werden, welches eine zweidimensionale Form aufweist (eine Maske, die durch Invertieren eines Maskenbereichs erhalten wird und eines Öffnungsbereichs der Maske der oben beschriebenen ersten Ausführungsform).
Nachfolgend wird ein Metall wie etwa Au oder Ag auf der Gussschicht 5 abgeschieden, um die Leiterschicht 6 unter Verwendung eines Dampfabscheidungsverfahrens wie etwa einem Widerstandsheizverdampfen oder Elektronenstrahlverdampfen zu bilden. In diesem Fall wird eine Mehrzahl von Spalten G in der Leiterschicht 6, welche den Optikfunktionsbereich 10 bildet, ausgebildet. Dieser Schritt ist ein zweiter Schritt des Bildens der, den Optikfunktionsbereich 10 bildenden Leiterschicht 6, der oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuen verursacht, auf dem Feinstrukturbereich 7, unter Verwendung von Dampfphasenwachstum. Im zweiten Schritt wird das Dampfphasenwachstum in einem Zustand gestoppt, in dem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12 jeder Rille 12 exponiert wird, bevor die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 mit der Leiterschicht 6 abgedeckt wird.
Nachfolgend wird der Siliziumwafer 40 für jeden Feinstrukturbereich 7 (mit anderen Worten, den Optikfunktionsbereich 10) geschnitten, um eine Mehrzahl von SERS-Elementen 3 zu erhalten. Um die SERS-Einheit 1 zu erhalten, können die wie oben hergestellten SERS-Elementen 3 an einem Handhabungssubstrat 2 angebracht werden.
Wie oben beschrieben, beim Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der dritten Ausführungsform, wird das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist, bevor die Leiterschicht 6 die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 abdeckt. Entsprechend ist es schwierig, dass die Öffnung der Rille 12 durch die Leiterschicht 6 geblockt wird, und ist es leicht, dass der Spalt G, der vorzugsweise als ein Nanospalt fungiert, in dem Bereich gebildet wird, welcher der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 21 illustriert. In diesem Fall, da eine Dicke der Leiterschicht 6 klein ist, ist es einfach, dass ein gewünschter Spalt G entsprechend der Form der Rille 12 gebildet wird. Weiter ist es einfach, dass der vorzugsweise als ein Nanospalt fungierende Spalt G in einem Bereich gebildet wird, welcher dem Bodenbereich des Lochs 15 entspricht (ein Eckenbereich zwischen der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15) in der Leiterschicht 6. Das heißt, dass im Bereich entsprechend dem Bodenbereich des Lochs 15 der Spalt G, der sich auf der entgegengesetzten Seite des Substrats 4 öffnet, gebildet ist, jede Zentrumslinie CL zu umgeben, bei Sicht aus einer Rille, in welcher die Zentrumslinie CL des Lochs 15 sich erstreckt (d.h. eine Dickenrichtung des Substrats 4) durch die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und der Leiterschicht 6 längs der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15. Im tiefsten Bereich des Spalts G kann die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und die Leiterschicht 6 längs der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 verbunden sein oder kann getrennt sein (die Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 kann in dem tiefsten Bereich des Spalts G exponiert sein). Beispielsweise wird in dem, dem Bodenbereich des Lochs 15 entsprechenden Bereich der Spalt G in einer Rillenform ausgebildet, welche sich ringförmig erstreckt, um jede Zentrumslinie CL zu umgeben, bei Sicht aus einer Rille, in welcher die Zentrumslinie CL des Lochs 15 sich erstreckt. Wie oben beschrieben, gemäß dem Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der dritten Ausführungsform ist es möglich, das SERS-Element 3 zu erhalten, in welchem die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung bevorzugter Nanospalten vergrößert werden kann.
Falls das Dampfphasenwachstum zum Bilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 fortgesetzt wird, bis die Leiterschicht 6 die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 abdeckt, wird ein erhobener Bereich E (ein Bereich, der durch Ablagern einer großen Menge von Leiter in einem Bereich, in welchem die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und die Leiterschicht 6 längs der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 einander treffen, erhöht wird), in einem Bereich gebildet, der dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 23 illustriert, und es ist schwierig, dass der vorzugsweise als der Nanospalt funktionierende Spalt G gebildet wird.
Weiter, da die Dampfabscheidung, die Dampfphasenwachstum mit exzellenter Anisotropie ist, als das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 durchgeführt wird, ist es möglich, die Leiterschicht 6 daran zu hemmen, jede Rille 12 zu betreten, und den vorzugsweise als einen Nanospalt fungierenden Spalt G im der Rille 12 entsprechenden Bereich in der Leiterschicht 6 auszubilden. Weiter ist es im Dampfabscheidungsverfahren, das ein Dampfphasenwachstums-Verfahren mit exzellenter Anisotropie ist, falls Leiterpartikel (leitfähige Partikel) aus einer Öffnungsseite des Lochs 15 abgeschieden werden, leicht, dass die leitfähigen Partikel an der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 und in der Nähe der Öffnung des Lochs 15 anhaften, während es schwierig ist, dass die leitfähigen Partikel den Bereich entsprechend dem Bodenbereich des Lochs 15 erreichen (ein Eckenbereich zwischen der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15) aufgrund eines Abscahttungseffekts durch die in der Nähe der Öffnung des Lochs 15 anhaftenden leitfähigen Partikel. Daher ist es möglich, den erhöhten Bereich E daran zu hindern, in dem Bereich gebildet zu werden, welcher dem Bodenbereich des Lochs 15 entspricht, und den vorzugsweise als einen Nanospalt funktionierenden Spalt G zu bilden.
In Beispielen von Abmessungen wird es bevorzugt, dass eine Breite W der Rille 12 als eine Breite entsprechend etwa 1/200 bis etwa 1 der Dicke der Leiterschicht 6 eingestellt wird und eine Tiefe D der Rille 12 auf 1 nm bis hunderte nm {eine Tiefe entsprechend weniger als 1/2 einer Distanz (Abstand) zwischen den angrenzenden Löchern 15} eingestellt wird, ähnlich dem SERS-Element 3 der ersten Ausführungsform (siehe 10) unter Berücksichtigung des vorzugsweise als ein Nanospalt fungierenden Spalts G, der in dem Bereich gebildet wird, welcher jeder der Rille 12 und dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 21 illustriert. Es wird für die Dicke T der Leiterschicht 6 bevorzugt, dass sie mehrere nm bis hunderte nm ist. Entsprechend werden die Spalten G mit Intervallen von mehreren Å bis einigen zehn nm in dem Bereich ausgebildet, der jeder Rille 12 und dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 entspricht.
Vierte Ausführungsform
Wie in 24 illustriert, unterscheidet sich ein SERS-Element 3 einer vierten Ausführungsform primär vom SERS-Element 3 der dritten oben beschriebenen Ausführungsform darin, dass die Feinstrukturbereich 7 in einer Oberfläche 4a des Substrats 4 gebildet ist und eine Rille 12 sich um eine Zentrumslinie CL eines Loches 15 umgebend erstreckt (siehe 25). Im SERS-Element 3 der vierten Ausführungsform wird der feine Strukturbereich 7 in einem Zentralbereich der Oberfläche 4a des Substrats 4 gebildet und hat eine Anmutung mit einer rechteckigen Form von hunderten von µm × hunderten von µm bis einigen zehn mm × einigen zehn mm bei Sicht aus einer Dickenrichtung des Substrats 4. Löcher 15 der Feinstrukturbereich 7 sind periodisch bei einem Abstand von einigen zehn nm bis hunderten nm angeordnet (vorzugsweise 250 nm bis 800 nm) längs der Oberfläche 4a des Substrats 4.
Die Leiterschicht 6 ist aus dem Feinstrukturbereich 7 an der Oberfläche 14a der Oberflächenschicht 14 gebildet. Die Leiterschicht 6 erreicht die Oberfläche des Substrats 4 (das heißt die Bodenoberfläche jedes Lochs 15), das an dem Feinstrukturbereich 7 exponiert ist. Im SERS-Element 3 bildet die auf dem Feinstrukturbereich 7 und der Oberfläche des in der Feinstrukturbereich 7 exponierten Substrat 4 gebildete Leiterschicht 6 den Optikfunktionsbereich 10, der oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung verursacht.
Wie in 25 illustriert, erstreckt sich die Rille 12 ringförmig, um die Zentrumslinie CL des Lochs 15 zu umgeben und es wird eine Rille 12 für ein Loch 15 vorgesehen. Die Leiterschicht 6 wird auf der Seitenoberfläche 15a und einer Bodenoberfläche (innere Oberfläche) 1b des Lochs 15 ausgebildet. Die Leiterschicht 6 deckt nicht eine gesamte innere Oberfläche 12a der Rille 12 ab und deckt nicht komplett eine Öffnung der Rille 12 ab. Das heißt, dass zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a der Rille 12 zur Außenseite der Rille 12 exponiert ist. In der Leiterschicht 6 wird die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 15a jedes Lochs 15 in einem Zustand gebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist und entsprechend wird eine Mehrzahl von Spalten G gebildet. Das heißt, dass in der den Optikfunktionsbereich 10 bildenden Leiterschicht 6 die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 durch die Rille 12 getrennt ist und der Spalt G längs jeder Rille 12 gebildet wird.
Wie oben beschrieben, wird im SERS-Element 3 der vierten Ausführungsform die Leiterschicht 6 auf der Seitenoberfläche 15a jedes Lochs 15 in einem Zustand gebildet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist und entsprechend wird die Mehrzahl von Spalten G in der Leiterschicht 6 gebildet, welche den Optikfunktionsbereich 10 bildet. Der in der Leiterschicht 6 gebildete Spalt G fungiert vorzugsweise als ein Nanospalt. Daher, entsprechend dem oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselement 3 der vierten Ausführungsform ist es möglich, die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten zu vergrößern.
Weiter, da die Mehrzahl von Löchern 15 periodisch längs der Oberfläche 4a des Substrats 4 angeordnet sind, ist es möglich, stabil die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung zu vergrößern.
Eine Mehrzahl von Rillen 12 kann für ein Loch 15 vorgesehen sein, beispielsweise Seite-an-Seite längs der Zentrumslinie CL angeordnet. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Anzahl von Spalten G, die vorzugsweise als Nanospalten fungieren, zu vergrößern.
Weiter kann die Rille 12 in dem Loch 15 so gebildet sein, dass die Tiefe der Rille 12 (eine Distanz zwischen der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und der Bodenoberfläche der Rille 12) kleiner ist als die Breite der Rille 12 (eine Distanz zwischen zueinander weisenden Seitenoberflächen der Rille 12). Das heißt, dass die Rille 12 im Loch 15 so gebildet werden kann, dass die Tiefe D der Rille 12 und die Breite W der Rille 12 D/W < 1 erfüllen. Als Beispiele von Abmessungen wird es bevorzugt, dass die Tiefe D der Rille 12 auf mehrere Å bis hunderte nm eingestellt wird und die Breite W der Rille 12 auf einige zehn Å bis mehrere µm (bevorzugter Weise 1 nm bis 3 µm) eingestellt wird. Jedoch muss die Breite W der Rille 12 größer sein als die Dicke der Leiterschicht 6. Entsprechend werden die Spalten G mit Intervallen von mehreren Å bis einigen zehn nm in dem Bereich, der jeder der Rillen 12 und dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 entspricht, gebildet.
Die Rille 12 wird im Loch 15 so gebildet, dass die Tiefe der Rille 12 kleiner ist als die Breite der Rille 12, was es ermöglicht, den Durchmesser des Lochs 15 zu verkleinern, und eine Distanz (Abstand) zwischen angrenzenden Löchern 15 und als ein Ergebnis einen Freiheitsgrad bei der Dimensionierung zu verbessern. In dem, der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entsprechenden Bereich werden eine Region der Bodenoberfläche der Rille 12 auf der Öffnungsseite des Lochs 15 und die Seitenoberfläche der Rille 12 auf der Öffnungsseite des Lochs 15 exponiert und wird der Spalt G in diesem Bereich gebildet.
Weiter können die Rillen 12 im Bodenbereich des Lochs 15 gebildet werden. Die Rillen 12 können in Bodenbereich des Lochs 15 so gebildet werden, dass die Dicke der Leiterschicht 6 kleiner ist als die Breite der Rille 12 (die Distanz zwischen der Seitenoberfläche der Rille 12 und der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15, die zueinander hinweisen). In diesem Fall ist es leicht, dass der Spalt G in einem Bereich gebildet wird, der beiden Seiten in einer Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entspricht. Das heißt, es ist möglich, die Anzahl von Spalten G, die in einer Rille 12 gebildet sind, zu vergrößern. Weiter, wenn die Leiterschicht 6 unter Verwendung von Dampfabscheidung gebildet wird, ist es möglich, einen Effekt der Leiterschicht 6, die an der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 anhaftet, auf der oberen Seite ab der Rille 12, die ein Schirm ist, zu vergrößern. Entsprechend ist es leicht, dass der Spalt G in einem Bereich entsprechend dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 gebildet wird.
Weiter kann die Distanz zwischen den in den Bereichen entsprechend den beiden Seiten in der Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6 gebildeten Spalten G leicht gesteuert werden, indem die Breite der Rille 12 justiert wird. Als Ergebnis kann der Spalt G effizient und effektiv in der Leiterschicht 6 gemäß einer Positions-Verteilung von Messmolekülen angeordnet werden, die auf der Leiterschicht 6 adsorbiert werden, die auf dem Loch 15 gebildet ist. Beispielsweise falls die Distanz zwischen den in den Bereichen entsprechend beider Seiten in der Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6 gebildeten Spalten G vergrößert wird, indem die Breite der Rille 12 vergrößert wird, wird der Spalt G auf der Design-Endseite des Lochs 15 in der relativ oberen Seite des Lochs 15 gebildet.
Entsprechend werden eine große Anzahl von Molekülen leicht auf der oberen Seite des Lochs 15 adsorbiert werden, in der Nähe des Spalts G auf der distalen Endseite des Lochs 15 angebracht, was es ermöglicht, das oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuungslicht effizient zu vergrößern. Falls andererseits die Distanz zwischen den in den Bereichen entsprechend beider Seiten in der Breitenrichtung der Rille 12 in der Leiterschicht 6 gebildeten Spalten G durch Verkleinern der Breite der Rille 12 verkleinert wird, wird der Spalt G auf der distalen Endseite des Lochs 15 auf der relativ niedrigeren Seite des Lochs 15 gebildet. Entsprechend werden Moleküle, die leicht auf der unteren Seite des Lochs 15 adsorbiert werden, in der Nähe des Spalts G an der distalen Endseite des Lochs 15 und dem Spalt G auf der Basisendseite des Lochs 15 angebracht, was es ermöglicht, oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungslicht effektiv u vergrößern. Wenn beispielsweise das SERS-Element 3 umgekehrt wird, eingetaucht in die Lösungsprobe und dann so getrocknet, dass Messmoleküle adsorbiert werden, wird erwartet, dass die Messmoleküle auf der oberen Seite des Lochs 15 angeordnet sind, falls es weniger Lösungsprobe gibt. Entsprechend steigt die Breite der Rillen 12. Wenn andererseits eine kleine Menge an Lösungsprobe auf das SERS-Element 3 getropft wird, wird erwartet, dass die Messmoleküle auf der unteren Seite des Lochs 15 angeordnet werden. Entsprechend sinkt die Breite der Rille 12.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des SERS-Elements 3 der vierten Ausführungsform beschrieben. Zuerst wird ein Schritt des Erhaltens eines Siliziumwafers 40, in welchem eine Mehrzahl von Feinstrukturbereichen 7 gebildet sind, das heißt, der erste Schritt des Ausbildens, in der Oberfläche 4a des Substrats 4 der Feinstrukturbereichen 7 mit der Mehrzahl von Löchern 15, in welchen die Mehrzahl von Rillen 12 in den entsprechenden Seitenoberflächen 15a vorgesehen sind, durchgeführt, durch Durchführen von Ätzung unter Verwendung einer Maske mit einem Muster, das eine zweidimensionale Form aufweist, ähnlich zum Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der zweiten Ausführungsform (eine Maske, die durch Invertieren eines Maskenbereichs und eines Öffnungsbereichs der Maske der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform erhalten wird).
Nachfolgend wird ein Metall wie etwa Au oder Ag auf der Gussschicht 5 abgelagert, um eine Leiterschicht 6 unter Verwendung eines Dampfabscheidungsverfahrens wie etwa Widerstandsheiz-Verdampfung oder Elektronenstrahl-Verdampfung auszubilden. In diesem Fall wird eine Mehrzahl von Spalten G in der Leiterschicht 6 gebildet, die den Optikfunktionsbereich 10 bilden. Dieser Schritt ist ein zweiter Schritt des Ausbildens der Leiterschicht 6, die den Optikfunktionsbereich 10 bildet, welcher das oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuen verursacht, auf dem Feinstrukturbereich 7 unter Verwendung von Dampfphasenwachstum. Im zweiten Schritt wird das Dampfphasenwachstum in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert ist, bevor die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 mit der Leiterschicht 6 abgedeckt ist.
Nachfolgend wird der Siliziumwafer 40 für jeden Feinstrukturbereich 7 geschnitten (mit anderen Worten für jeden Optikfunktionsbereich 10), um eine Mehrzahl von SERS-Elementen 3 zu erhalten. Um die SERS-Einheit 1 zu erhalten, können die wie oben beschrieben hergestellten SERS-Elemente 3 an dem Handhabungssubstrat 2 angebracht werden.
Wie oben beschrieben, wird beim Verfahren des Herstellens der SERS-Element 3 der vierten Ausführungsform das Dampfphasenwachstum zum Bilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 in einem Zustand gestoppt, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche 12a jeder Rille 12 exponiert wird, bevor die Leiterschicht 6 die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 Abdeckt. Entsprechend ist es für die Öffnung der Rille 12 schwierig, durch die Leiterschicht 6 geblockt zu werden, und es ist einfach, dass der vorzugsweise als ein Nanospalt fungierende Spalt G in dem Bereich gebildet wird, welcher der Rille 12 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 25 illustriert. In diesem Fall, da eine Dicke der Leiterschicht 6 klein ist, ist es leicht, dass ein gewünschter Spalt G gemäß einer Form der Rille 12 gebildet wird. Weiter ist es einfach, dass der Spalt G, der vorzugsweise als ein Nanospalt fungiert, in einem Bereich entsprechend dem Bodenbereich des Lochs 15 gebildet wird (ein Eckenbereich zwischen der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15) in der Leiterschicht 6. Das heißt, dass in dem Bereich entsprechend dem Bodenbereich des Lochs 15 der Spalt G, der sich zur entgegengesetzten Seite des Substrats 4 öffnet, gebildet ist, jede Zentrumslinie CL zu umgeben, bei Sicht aus einer Rille, in welcher die Zentrumslinie CL des Lochs 15 sich erstreckt, das heißt eine Dickenrichtung des Substrats 4), durch die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und der Leiterschicht 6 längs der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15. Im tiefsten Bereich des Spalts G kann die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und die Leiterschicht 6 längs der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 verbunden sein oder sie können getrennt sein (die Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 kann in dem tiefsten Bereich des Spalts G exponiert sein). Beispielsweise in dem Bereich entsprechend dem Bodenbereich des Lochs 15 wird der Spalt G in einer Rillenform ausgebildet, die sich ringförmig erstreckt, um jede Zentrumslinie CL zu umgeben, bei Sicht aus einer Richtung, in welcher die Zentrumslinie CL des Lochs 15 sich erstreckt. Wie oben beschrieben, gemäß dem Verfahren der Herstellung des SERS-Elements 3 der vierten Ausführungsform, ist es möglich, das SERS-Element 3 zu erhalten, in welchem die Intensität der oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung unter Verwendung der bevorzugten Nanospalten vergrößert werden kann.
Falls Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf den Feinstrukturbereich 7 fortgesetzt wird, bis die Leiterschicht 6 die gesamte innere Oberfläche 12a jeder Rille 12 bedeckt, wird ein erhöhter Bereich E (ein Bereich, der durch Abscheiden einer großen Menge von Leiter in einem Bereich, in welchem die Leiterschicht 6 längs der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und die Leiterschicht 6 längs der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 sich treffen, erhöht ist), in einem Bereich ausgebildet, der dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 25 illustriert, und es ist schwierig, dass der vorzugsweise als Nanospalt fungierende Spalt G geformt wird.
Weiter, da Dampfabscheidung, die Dampfphasenwachstum mit exzellenter Anisotropie ist, als das Dampfphasenwachstum zum Ausbilden der Leiterschicht 6 auf dem Feinstrukturbereich 7 durchgeführt wird, ist es möglich, die Leiterschicht 6 zu hemmen, jede Rille 12 zu betreten und den vorzugsweise als einen Nanospalt in dem Bereich entsprechend der Rille 12 in der Leiterschicht 6 fungierenden Spalt G zu bilden. Weiter, im Dampfabscheidungsverfahren, das ein Dampfphasenwachstums-Verfahren mit exzellenter Anisotropie ist, falls Leiterpartikel (leitfähige Partikel) aus der Öffnungsseite des Lochs 11 abgeschieden werden, ist es leicht, dass die leitfähigen Partikel an der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 und in der Umgebung der Öffnung des Lochs 15 anhaften, während es für die leitfähigen Partikel schwierig ist, den Bereich zu erreichen, der dem Bodenbereich des Lochs 15 entspricht (einem Eckenbereich zwischen der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 und der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15), aufgrund eines Abschattungs-Effekts durch die leitfähigen Partikel, die in der Nähe der Öffnung des Lochs 15 anhaften. Daher ist es möglich, zu verhindern, dass der angehobene Bereich E in dem Bereich gebildet wird, welcher dem Bodenbereich des Lochs 15 entspricht, und den vorzugsweise als Nanospalt fungierenden Spalt G zu bilden.
In Beispielen von Abmessungen wird es bevorzugt, dass eine Breite W der Rille 12 als ein Breite entsprechend etwa 1/200 bis etwa 1 der Dicke der Leiterschicht 6 eingestellt wird und eine Tiefe D der Rille 12 eingestellt wird als eine "D/W ≥ 1 erfüllende Tiefe", ähnlich dem SERS-Element 3 der zweiten Ausführungsform (siehe 16) unter Berücksichtigung des vorzugsweise als Nanospalt fungierenden Spalts G, der in dem Bereich gebildet ist, der jeder der Rille 12 und dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 entspricht, wie in 25 illustriert. Es ist für die Dicke T der Leiterschicht 6 zu bevorzugen, mehrere nm bis hunderte nm zu sein. Entsprechend werden die Spalten G mit Intervallen von mehreren Å bis einigen zehn nm in dem Bereich entsprechend jeder der Rille 12 und dem Bodenbereich des Lochs 15 in der Leiterschicht 6 ausgebildet. Eine Höhe H der Rille 12 ab der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 ist gleich oder größer als eine Dicke T der Leiterschicht 6, so dass die Rillen 12 nicht in der Leiterschicht 6, die auf der Bodenoberfläche 15b des Lochs 15 gebildet ist, eingebettet werden.
Die ersten bis vierten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind oben beschrieben worden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf jede der obigen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise ist eine Anordnungsstruktur der Säulen 11 und Löcher 15 nicht auf die zweidimensionale Anordnung beschränkt und kann eine eindimensionale Anordnung sein und ist die Anordnungstruktur nicht auf eine quadratische Rasteranordnung beschränkt und kann eine dreieckige Rasteranordnung sein. Die Querschnittsform der Säule 11 und des Lochs 15 sind nicht auf einen Kreis beschränkt und können eine Ellipse oder ein Polygon (ein Dreieck, ein Rechteck oder dergleichen) sein. Somit sind Material und Form jeder Konfiguration des SERS-Elements 3 und der SERS-Einheit 1 nicht auf die oben beschriebenen Materialien und Formen beschränkt und verschiedene Materialien und Formen können angewendet werden.
Weiter kann die Feinstrukturbereich 7 indirekt auf der Oberfläche 4a des Substrats 4 gebildet sein, beispielsweise durch den Haltebereich 8, wie in der ersten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform und kann direkt auf die Oberfläche 4a des Substrats 4 in der zweiten Ausführungsform und der vierten Ausführungsform gebildet werden. Weiter ist die Leiterschicht 6 nicht auf die direkt auf dem Feinstrukturbereich 7 gebildete Leiterschicht beschränkt und kann eine Leiterschicht sein, die indirekt auf dem Feinstrukturbereich 7 gebildet ist, durch jegliche Schicht wie etwa eine Puffermetall(Ti, Cr oder dergleichen)-Schicht zum Verbessern der Adhäsion eines Metalls an der Feinstrukturbereich 7.
Weiter ist die Querschnittsform der Rille 12 nicht auf eine rechteckige Form beschränkt und kann eine U-Form-, V-Form oder dergleichen sein. Weiter, falls der Spalt G in dem Bereich entsprechend der Rille 12 in der Leiterschicht 6 ausgebildet ist, mag die Leiterschicht 6 nicht auf den Oberflächen der Haltebereich 8 und dem Substrat 4 gebildet sein (beispielsweise wird die Leiterschicht 6 nur auf der Säule 11 ausgebildet, welche die Rille 12 aufweist, und kann die Leiterschicht 6 auf den Oberflächen des Haltebereichs 8 und des Substrats 4 diskontinuierlich sein. Weiter kann eine andere zurückgesetzte Region als die Rille 12 auf der äußeren Oberfläche des Vorsprungs wie etwa der Säule 11 oder der inneren Oberfläche der Vertiefung wie etwa dem Loch 15 vorgesehen sein. Das heißt, dass eine Form der zurückgesetzten Region, wie etwa eine zurückgesetzte Region, eine konkave Region, eine Zahnregion oder eine vertiefte Region) eines Ausschnittsbereichs, einem vertieften Bereich oder dergleichen, die auf der äußeren Oberfläche der Vorsprungs oder der inneren Oberfläche der Vertiefung gebildet sind, nicht beschränkt ist. Wenn beispielsweise Spitzen und Täler in der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 wiederholt werden, wie in 27 illustriert, sind Bereiche von Tälern eingesenkte Regionen. Ähnlich, wenn Spitzen und Täler in der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 wiederholt werden, sind Talbereiche eingesenkte Regionen. Weiter, wenn eine große Anzahl von Vorsprüngen auf der Seitenoberfläche 11a der Säule 11 vorgesehen sind, wie in 28 illustriert, ist ein Bereich zwischen angrenzenden Vorsprüngen die vertiefte Region. Ähnlich, wenn eine große Anzahl von Vorsprüngen auf der Seitenoberfläche 15a des Lochs 15 vorgesehen sind, ist ein Bereich zwischen angrenzenden Projektionen die zurückgesetzte Region.
Hier, wenn einem Paar von angrenzenden Vorsprüngen (entsprechend den Säulen 11) Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist eine Breite des in dem Bereich entsprechend der vertieften Region gebildeten Spalts, bereitgestellt auf der äußeren Oberfläche des Vorsprungs, kleiner als eine Distanz zwischen der Leiterschicht, die auf einer äußeren Oberfläche von einem der Vorsprünge und der Leiterschicht gebildet ist, die auf der äußeren Oberfläche des anderen Vorsprungs gebildet ist. Entsprechend ist es möglich, leicht und stabil enge Spalten (Spalten, die vorzugsweise als Nanospalten fungieren) zu bilden, die nicht nur durch eine Struktur des feinen Strukturbereichs erhalten werden können.
Weiter, wie in 29(a), 29(b), 29(c), und 29(d) illustriert, ist die durch die Rille 12 getrennte Leiterschicht 6 angehoben (ragt vor) auf der Öffnung der Rille 12 und entsprechend kann ein Intervall des Spalts G, das in der Öffnung der Rille 12 gebildet ist, kleiner sein als die Breite der Rille 12. 29(a) ist eine partiell vergrößerte Querschnittansicht der Säule 11 der ersten Ausführungsform, 29(b) ist eine partiell vergrößerte Querschnittansicht der Säule 11 der zweiten Ausführungsform, 29(c) ist eine partiell vergrößerte Querschnittansicht des Lochs 15 der dritten Ausführungsform und 29(d) ist eine partiell vergrößerte Querschnittansicht des Lochs 15 der vierten Ausführungsform.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement bereitzustellen, das zum Vergrößern der Intensität einer oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuung in der Lage ist, unter Verwendung vorzugsweise von Nanospalten, und das Verfahren zur Herstellung desselben.
Bezugszeichenliste

3: SERS-Element (oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement)
4: Substrat
4a: Oberfläche
6: Leiterschicht
7: Feinstrukturbereich
10: Optikfunktionsbereich
11: Säule (Vorsprung)
11a: Seitenoberfläche (äußere Oberfläche)
12: Rille (vertiefte Region)
12a: Innere Oberfläche
14: Loch (Vertiefung)
14a: Seitenoberfläche (innere Oberfläche)
G: Spalt
CL: Zentrumslinie

Claims

Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement, umfassend: ein Substrat; einen Feinstrukturbereich, der auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Vorsprüngen aufweist; und eine Leiterschicht, die auf dem Feinstrukturbereich gebildet ist und einen optischen Funktionsbereich bildet, der eine oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuung verursacht, wobei eine vertiefte Region in einer äußeren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vorsprüngen vorgesehen ist, und eine Mehrzahl von Spalten in der Leitungsschicht gebildet ist, durch Ausbilden der Leiterschicht auf der äußeren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vorsprüngen in einem Zustand, in welchem zumindest ein Teil einer inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Projektionen periodisch längs der Oberfläche angeordnet ist.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Mehrzahl von vertieften Regionen für einen der Vorsprünge vorgesehen ist.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die vertiefte Region eine Rille ist, die sich längs einer Zentrumslinie des Vorsprungs erstreckt.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die vertiefte Region eine Rille ist, die sich erstreckt, eine zentrale Linie des Vorsprungs zu umgeben.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselement, umfassend: ein Substrat; einen Feinstrukturbereich, der auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist und eine Mehrzahl von Vertiefungen aufweist; und eine Leiterschicht, die auf dem feinen Strukturbereich gebildet ist und einen optischen funktionalen Bereich bildet, der oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuen verursacht, wobei eine vertiefte Region in einer inneren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vertiefungen bereitgestellt wird und eine Mehrzahl von Spalten in der Leiterschicht gebildet sind, durch Ausbilden der Leiterschicht auf der inneren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vertiefungen in einem Zustand, in welchem zumindest ein Bereich einer inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß Anspruch 6, wobei die Mehrzahl von Projektionen periodisch längs der Oberfläche angeordnet ist.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß Anspruch 6 oder 7, wobei eine Mehrzahl von vertieften Regionen für eine der Vertiefungen vorgesehen ist.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die vertiefte Region eine Rille ist, die sich längs einer Zentrumslinie der Vertiefung erstreckt.
Oberflächenverstärktes Raman-Zerstreuungselementgemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die vertiefte Region eine Rille ist, die sich erstreckt, eine zentrale Linie der Vertiefung zu umgeben.
Verfahren zur Herstellung eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Ausbildens eines Feinstrukturbereich mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei eine vertiefte Region an einer äußeren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vorsprüngen vorgesehen ist; und einen zweiten Schritt des Ausbildens einer Leiterschicht zum Bilden eines optischen funktionalen Bereichs, der eine oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung auf dem feinen Strukturbereich unter Verwendung von Dampfphasenwachstum verursacht, wobei der zweite Schritt das Stoppen des Dampfphasenwachstums in einem Zustand beinhaltet, in welchem zumindest ein Bereich der inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Ausbildens eines Feinstrukturbereich mit einer Mehrzahl von Vertiefungen auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei eine vertiefte Region in einer inneren Oberfläche jeder der Mehrzahl von Vertiefungen vorgesehen ist; und einen zweiten Schritt des Ausbildens einer Leiterschicht zum Bilden eines optischen funktionalen Bereichs, der eine oberflächenverstärkte Raman-Zerstreuung auf dem feinen Strukturbereich verursacht, unter Verwendung von Dampfphasenwachstum, wobei der zweite Schritt das Stoppen des Dampfphasenwachstum in einem Zustand beinhaltet, in welchem zumindest ein Bereich einer inneren Oberfläche der vertieften Region exponiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines oberflächenverstärkten Raman-Zerstreuungselements, wobei das Dampfphasenwachstum Dampfabscheidung ist.