JP2009042497A - 表面プラズモン素子 - Google Patents

Abstract

【課題】鋭い表面プラズモン共鳴ピークを有し、波長選択性に優れた表面プラズモン素子を提供する。
【解決手段】基板１０上に導電膜２０が形成され、その導電膜２０に開口２１が周期配列されて設けられ、その周期配列により開口２１を透過する光の強度を増強する表面プラズモン素子において、光が透過する開口２１内に光透過方向に屈折率分布の周期構造を設ける。屈折率分布の周期構造は開口２１内に充填した誘電体３０の屈折率の周期的変化によって構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は表面プラズモン効果を有する素子に関し、特に鋭い表面プラズモン共鳴ピークを得られるようにした表面プラズモン素子に関する。

光の波長以下の径を有する開口列（開口アレイ）を設けた金属薄膜を使用することにより、開口列を透過する光の透過率を大幅に向上させる技術が特許文献１に記載されている。特許文献１によれば、開口を周期的な配列で配置することにより、金属薄膜に入射された光の、その金属薄膜に設けられた波長以下の直径を有する１つ以上の開口を透過する光の強度が、周期的な開口がない場合に比べて大幅に増強され、このような増強は金属薄膜に入射する光が金属薄膜に励起される表面プラズモンモードと共鳴的に相互作用するときに起こると記載されている。

特許文献１には金属薄膜に円形の開口を周期的に配列させた構造以外に、スリットを平行に配列した平行スリット（スリットアレイ）構造等も提案されており、また、特許文献２には単一の波長以下の円形開口の周囲に周期的なリング状の溝を設けることにより、開口を透過する透過光を増幅させる方法が記載されている。さらに、特許文献３には得られる透過光の入射光に対する利用効率を高めるために、開口における光が入射する第１の表面側の開口径を第２の表面側の開口径より大きくすることが記載されている。

一方、このような表面プラズモン増強効果の利用に関して、いくつかの提案がなされている。特許文献１には波長選択フィルタやフォトリソグラフィ用のマスク等への応用が記載されており、特許文献２には光記憶媒体用の読み出し／書き込みヘッドへの応用が記載されている。また、特許文献４には小型な表面プラズモン共鳴センサへの応用が記載されている。
特許第３００８９３１号公報 特開２００１−２９１２６５号公報 特開２００４−２８８２４０号公報 特開２００５−３０８６５８号公報

ところで、表面プラズモン増強効果を例えば波長選択フィルタに応用する場合には選択波長の鋭さ（半値幅の狭さ）が求められる。また、センサ応用の場合にも高感度化に対して表面プラズモン増強が起こる表面プラズモン共鳴ピークを鋭くすることが効果的である。これは極少量の物質がセンサに付着したときに、表面プラズモン共鳴ピーク波長のシフトがわずかでも、ピークが鋭ければその強度変化は非常に大きなものになり、極少量の物質のセンシングが可能となるからである。さらには、光記憶媒体用の読み出し／書き込みヘッドへの応用に関しても、複数の波長を用いる記録方式に対応させるためにも表面プラズモン増強が起こる表面プラズモン共鳴ピークは鋭いほど多重記録が容易となり、記録密度を高めるのに非常に重要な特性となる。

しかしながら、従来の金属膜に波長以下の開口を周期的に設けた構造や波長以下の単一の開口の周囲に例えばリング状の溝を周期的に設けた構造においては、表面プラズモン共鳴ピークを顕著に鋭くするための最適な構造についての検討はほとんどなされていない状況にある。

この発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、大掛りな光学系を必要とせず、従来と比べて鋭い表面プラズモン共鳴ピークを得ることができる高性能な表面プラズモン素子を提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、基板上に導電膜が形成され、その導電膜に開口が周期配列されて設けられ、その周期配列により開口を透過する光の強度を増強する表面プラズモン素子において、光が透過する開口内に光透過方向に屈折率分布の周期構造を設ける。

請求項２の発明によれば、基板上に導電膜が形成され、その導電膜に少なくとも１つの開口と、凹部もしくは貫通孔の周期配列とが設けられ、その周期配列により開口を透過する光の強度を増強する表面プラズモン素子において、光が透過する開口内に光透過方向に屈折率分布の周期構造を設ける。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、屈折率分布の周期構造が開口内に充填された誘電体の屈折率の周期的変化によって構成される。

請求項４の発明では請求項１又は２の発明において、屈折率分布の周期構造が開口の側壁の形状の周期的変化によって構成される。

この発明によれば、鋭い表面プラズモン共鳴ピークを有し、波長選択性に優れた表面プラズモン素子を得ることができる。よって、表面プラズモン素子の高性能化を図ることができ、表面プラズモン素子を利用する各種センサや光通信用デバイス等の高性能化に寄与することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による表面プラズモン素子の第１の実施例の構成概要を示したものであり、この例では表面プラズモン素子は基板１０と、基板１０上に形成された導電膜２０と、その導電膜２０に周期配列されて設けられた開口２１内に充填された誘電体３０とによって構成されている。

開口２１はこの例では所定のピッチで平行に配列されたスリットとされ、導電膜２０をその厚さ方向に貫通して設けられている。この開口２１の周期配列により、開口２１を透過する光の強度が表面プラズモン効果によって増強される。

開口２１に充填されている誘電体３０は図１では詳細図示を省略しているが、高屈折率層と低屈折率層とが交互積層されてなる誘電体多層膜とされ、それら高屈折率層と低屈折率層とによる屈折率の周期的変化により、この例では開口２１内に光透過方向に屈折率分布の周期構造が設けられた構成となっている。図１中、矢印Ａは光の透過方向を示す。

図２はこの図１に示した表面プラズモン素子の作製工程を模式的に示したものであり、以下、図２を参照して各工程（１）〜（５）を説明すると共に、各部の具体的構成例について説明する。

（１）基板１０として石英基板を用意し、この基板１０上に高屈折率層としてＳｉを、低屈折率層としてＳｉＯ_２をスパッタ法により形成して交互積層した。高屈折率層Ｈの厚さは６６．８ｎｍ、低屈折率層Ｌの厚さは１５０ｎｍとし、高屈折率層Ｈ及び低屈折率層Ｌを各３回／２回積層した後、キャビティとして低屈折率層を３００ｎｍ形成し、その後、高屈折率層Ｈ及び低屈折率層Ｌを各３回／２回積層した。図中、２Ｌはキャビティを示す。

（２）最上層の高屈折率層Ｈ上にレジストを塗布し、露光現像してレジストパターン４１を形成した。レジストパターン４１はラインアンドスペースパターンとし、ピッチを１μｍ、ライン幅を０．５μｍとした。

（３）レジストパターン４１をマスクとして、イオンビームエッチングにより、高屈折率層Ｈ及び低屈折率層Ｌをエッチングした。

（４）レジストパターン４１を除去し、導電膜２０をスパッタ法により成膜した。導電膜２０は金属膜とし、この例では金属膜にＡｇを用いた。

（５）表面を平坦化研磨することによって余分な導電膜２０を除去し、表面プラズモン素子を作製した。

図３Ａは上記のようにして作製した表面プラズモン素子の光学特性として、透過光スペクトルの測定を行った結果を示したものであり、図３Ｂはそのピーク部分を拡大して示したものである。

図３Ａ，Ｂより非常に鋭い透過光ピークが得られていることがわかる。この表面プラズモン素子の透過光ピークの鋭さを測定した結果、導電膜２０の開口２１内に光透過方向に屈折率の周期的変化がない従来の表面プラズモン素子に比較して２桁程度の性能向上が達成された。

この例では導電膜２０に周期配列した開口２１内における光透過方向の屈折率分布の周期構造を、開口２１の側壁の形状を周期的に変化させることによって実現した。以下、図４を参照して作製工程及び具体的構成を説明する。

（１）基板１０として石英基板を用意し、この基板１０上に光学的透明層３１としてＳｉをスパッタ法により形成した。光学的透明層３１の厚さは１．５μｍとした。そして、光学的透明層３１上にレジストを塗布し、露光現像してレジストパターン４２を形成した。

（２）マスク材料としてＳｉＯ_２をスパッタ法により形成し、リフトオフによってＳｉＯ_２のマスク（マスクパターン）４３を形成した。マスク４３はラインアンドスペースパターンとし、ピッチを１μｍ、ライン幅を０．５μｍとした。そして、いわゆるボッシュ法（例えば、特表平７−５０３８１５号公報に記載）と呼ばれるエッチングと堆積とを交互に行う加工法で光学的透明層３１に対し、エッチングを行い、エッチングされた穴の側壁に凹凸の周期構造を形成した。凹凸の周期（ピッチ）Ｐ及び段差Ｄはおおよそ下記値となった。
Ｐ：２５０ｎｍ
Ｄ： ５０ｎｍ

（３）マスク４３を除去した後、導電膜２０をスパッタ法により成膜した。導電膜２０は金属膜とし、Ａｇを用いた。

（４）表面を平坦化研磨することによって余分な導電膜２０を除去し、表面プラズモン素子を作製した。導電膜２０に周期的に配列された開口２１はその側壁に形状の周期的変化を有するものとなる。

図５は上記のようにして作製した表面プラズモン素子の光学特性として、透過光スペクトルの測定を行った結果を示したものであり、鋭い透過光ピークが得られていることがわかる。この表面プラズモン素子の透過光ピークの鋭さを測定した結果、導電膜２０の開口２１の側壁に光透過方向に形状の周期的変化がない従来の表面プラズモン素子に比較して約３倍程度の性能向上が達成された。

［比較例］
高屈折率層と低屈折率層とが交互積層されてなる周期構造が形成されていない点を除いて、実施例１と同様の方法を用いて表面プラズモン素子を作製した。つまり、導電膜２０に周期配列された開口２１内部は低屈折率層だけで構成される構造とした。

この表面プラズモン素子の光学特性として、透過光スペクトルの測定を行った。結果を図６に示す。図６より、この例では透過光ピークは非常にブロードになっていることがわかる。

以上説明したように、この発明によれば表面プラズモン共鳴ピークを非常に鋭くすることができ、その点で高性能な表面プラズモン素子を得ることができる。

このような効果は表面プラズモン素子において光の透過方向にも周期性を導入する３次元的な構造制御を行ったことによるもので、光が透過する開口内に光透過方向に屈折率分布の周期構造を導入すると波長選択性が非常に効果的に生じることをこの発明で初めて見出した。このメカニズムの詳細は明らかでないが、開口を透過する光の強度を増強する２次元的な周期配列構造と、光の透過方向に設けた屈折率分布の周期構造とのカップリングが生じているものと推察される。

上述した実施例では導電膜２０の材料としてＡｇを用いているが、Ａｇに限らず、例えばＡｕ，Ａｌ，Ｃｒなど従来から表面プラズモン共鳴が起こることが分かっている材料を用いることができる。

また、透過光の増強効果を生じさせる周期配列構造はスリットを平行配列した構造（ラインアンドスペース構造）だけでなく、例えば光が透過する円形の開口が２次元的に周期配列された構造や光が透過する開口の周囲に同心円状に溝を周期配列した構造など、従来から知られているいろいろな構造を採用することができる。

図７及び８はこのような周期配列構造の例を示したものであり、図７は導電膜２０に光の波長以下の径の円形の開口２１’が正方格子状に周期配列されて設けられた例を示し、図８は単一の円形の開口２１’の周囲に、円形の凹部２２が正方格子状に周期配列されて設けられた例を示す。なお、図７及び８における開口２１’内には実施例１と同様、屈折率の周期的変化を有する誘電体３０が充填されている。

この発明による表面プラズモン素子の第１の実施例の構成概要を示す斜視図。 図１に示した表面プラズモン素子の作製工程を説明するための模式図。 Ａは図１に示した表面プラズモン素子の透過光スペクトルを示すグラフ、Ｂはそのピーク部分を拡大したグラフ。 この発明による表面プラズモン素子の第２の実施例の構成及び作製工程を説明するための模式図。 図４で説明した表面プラズモン素子の透過光スペクトルを示すグラフ。 比較例（従来構成）の表面プラズモン素子の透過光スペクトルを示すグラフ。 この発明による表面プラズモン素子の第３の実施例を示す平面図。 この発明による表面プラズモン素子の第４の実施例を示す平面図。

Claims (4)

1. 基板上に導電膜が形成され、その導電膜に開口が周期配列されて設けられ、その周期配列により開口を透過する光の強度を増強する表面プラズモン素子において、
   光が透過する前記開口内に光透過方向に屈折率分布の周期構造を設けたことを特徴とする表面プラズモン素子。
2. 基板上に導電膜が形成され、その導電膜に少なくとも１つの開口と、凹部もしくは貫通孔の周期配列とが設けられ、その周期配列により開口を透過する光の強度を増強する表面プラズモン素子において、
   光が透過する前記開口内に光透過方向に屈折率分布の周期構造を設けたことを特徴とする表面プラズモン素子。
3. 請求項１又は２記載の表面プラズモン素子において、
   前記屈折率分布の周期構造が前記開口内に充填された誘電体の屈折率の周期的変化によって構成されていることを特徴とする表面プラズモン素子。
4. 請求項１又は２記載の表面プラズモン素子において、
   前記屈折率分布の周期構造が前記開口の側壁の形状の周期的変化によって構成されていることを特徴とする表面プラズモン素子。