JP2009127080A - Method for manufacturing fine structure - Google Patents
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Description
本発明は、複数の微細孔を有する誘電体基材と、前記各微細孔内に充填された部分と前記各微細孔から突出した頭部とを有する、局在プラズモンを発生しうる大きさの金属体とを備えた微細構造体の製造方法に関するものである。 The present invention has a dielectric substrate having a plurality of micropores, a portion filled in each of the micropores, and a head protruding from each of the micropores, and having a size capable of generating localized plasmons. The present invention relates to a method for manufacturing a microstructure including a metal body.
ナノオーダの凹凸を有する金属体が分布配置された微細構造体に試料を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による電場増強が生じ、微細構造体に接触された試料から発する光が増強されることが知られている。 When light is irradiated while the sample is in contact with a microstructure in which metal bodies having nano-order irregularities are distributed, the electric field is enhanced by localized plasmon resonance, and light emitted from the sample in contact with the microstructure is generated. It is known to be enhanced.
この局在プラズモン共鳴現象を利用したセンサデバイスやラマン分光用デバイスも知られている。ラマン分光法とは、試料に単波長光を照射して生じる散乱光を分光して得られるラマン散乱光のスペクトル(ラマンスペクトル)を得る方法である。 Sensor devices and Raman spectroscopic devices using this localized plasmon resonance phenomenon are also known. Raman spectroscopy is a method for obtaining a spectrum (Raman spectrum) of Raman scattered light obtained by dispersing scattered light generated by irradiating a sample with single wavelength light.
局在プラズモン共鳴とは、光がナノオーダの凹凸を有する金属体が分布配置された微細構造体に入射したときに、その凸部において自由電子が光の電場に共鳴して振動することにより凸部周辺に強い電場を生じる現象であり、金属体の凸部同士が近接して存在する場合により高い電場増強効果を呈することが知られている。 Localized plasmon resonance means that when light is incident on a microstructure in which metal bodies with nano-order irregularities are distributed, the free electrons resonate with the electric field of the light and vibrate. It is a phenomenon that generates a strong electric field in the periphery, and it is known that a higher electric field enhancing effect is exhibited when the convex portions of the metal body are close to each other.
特許文献1には、誘電体基材と金属体とを備えた微細構造体として、被陽極酸化基材を陽極酸化させることにより表面に微細孔内を有する誘電体基材を形成し、微細孔内へのメッキ処理により金属を充填させることで、微細孔内に金属体の充填された部分と各微細孔から突出した頭部を有する構造(マッシュルーム構造)が開示されている。本構造では互いに隣り合う金属体の頭部を近接させることにより、局在プラズモンによる電場増強効果を得ている。
近年、金属体の頭部を近接させることにより局在プラズモンによる電場増強効果を有する微細構造体にあっては、金属体の分布配置面での均一な電場増強効果が望まれており、このため、各金属体の頭部径は均一であることが要求される。 In recent years, a fine structure having an electric field enhancement effect due to localized plasmons by bringing the head of the metal body close to each other has been desired to have a uniform electric field enhancement effect on the distribution and arrangement surface of the metal body. The head diameter of each metal body is required to be uniform.
ここで、各金属体の頭部径を均一にするためには、メッキ処理における微細孔内の金属の充填状態のばらつきを低減し、メッキ処理において各金属体の頭部が略同時に形成される必要がある。 Here, in order to make the head diameter of each metal body uniform, variation in the filling state of the metal in the fine holes in the plating process is reduced, and the heads of the respective metal bodies are formed substantially simultaneously in the plating process. There is a need.
しかしながら、被陽極酸化基材を陽極酸化することにより得られた誘電体基材の微細孔の底にはバリア層と呼ばれる陽極酸化部が存在するため、微細孔内へのメッキ処理において各微細孔における析出電位の差が生じ、各微細孔内の金属の充填状態にばらつきが発生する可能性がある。これにより、各微細孔から突出した頭部を略同時に形成することが困難となっている。したがって、微細構造体の表面は、各金属体の頭部が略同時に形成されないため不均一径の頭部が配置された状態、すなわち、メッキむらが発生している状態となっている。 However, since there is an anodized portion called a barrier layer at the bottom of the fine holes of the dielectric substrate obtained by anodizing the substrate to be anodized, each fine hole is plated in the fine holes. There is a possibility that a difference in the deposition potential occurs in the metal, and the filling state of the metal in each fine hole may vary. Thereby, it is difficult to form the heads protruding from the respective micro holes substantially simultaneously. Therefore, the surface of the fine structure is in a state in which the heads of the metal bodies are not formed at the same time, so that the heads with non-uniform diameters are arranged, that is, in the state where plating unevenness occurs.
特許文献1に開示されている技術では、バリア層の存在によるメッキ処理での、各微細孔内への金属充状態程のばらつきを低減させることはできない。 With the technique disclosed in Patent Document 1, it is not possible to reduce the variation in the metal charge state in each fine hole in the plating process due to the presence of the barrier layer.
本発明の目的は、上記事情に鑑み、各微細孔内へのメッキ処理による金属充填状態のばらつきの影響を回避し、均一な頭部径を有する金属体を備えた微細構造体の製造方法を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microstructure including a metal body having a uniform head diameter, avoiding the influence of variations in the metal filling state due to the plating process in each microhole. It is to provide.
以上の課題を解決するために、本発明の微細構造の製造方法は、複数の微細孔を有する誘電体基材と、各微細孔内に充填された部分と各微細孔から突出した頭部とを有する、局在プラズモンを発生しうる大きさの金属体とを備えた微細構造体の製造方法であって、表面に複数の有底の微細孔を有する誘電体基材を用意する工程(A)と、微細孔内に金属を充填する工程(B)と、誘電体基材の表面に、電極となりうる金属を堆積させる工程(C)と、誘電体基材の裏面側から、有底の微細孔内に充填された金属が露出するまで、誘電体基材を除去する工程(D)と、露出した部分に、メッキ処理により前記微細孔の孔径より大きな径を有する頭部を形成する工程(E)とを有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a manufacturing method of a microstructure of the present invention includes a dielectric base material having a plurality of micro holes, a portion filled in each micro hole, and a head protruding from each micro hole. And a method of manufacturing a microstructure having a metal body having a size capable of generating localized plasmons, the step of preparing a dielectric substrate having a plurality of bottomed micropores on the surface (A ), A step (B) of filling the metal in the micropores, a step (C) of depositing a metal that can serve as an electrode on the surface of the dielectric substrate, and a bottomed surface from the back side of the dielectric substrate. A step (D) of removing the dielectric substrate until the metal filled in the micropores is exposed, and a step of forming a head having a diameter larger than the pore diameter of the micropores by plating on the exposed portions. (E).
ここで、上記「表面に複数の有底の微細孔を有する誘電体基材」とは、複数の有底の微細孔を有する面が存在する誘電体基材を意味するものであり、全ての面に複数の有底の微細孔を有する誘電体基材を意味するものでない。上記「誘電体基材の表面に」とは、誘電体基材の表面のみを意味するものではなく、微細孔内も含むものである。上記「誘電体基材の裏面側から」とは、誘電体基材の裏面のみを意味するものだけでなく、誘電体基材の裏面に被陽極酸化金属体等が存在する場合には、その被陽極酸化金属体等の側からを意味するものである。上記「露出」とは、誘電体基材の裏面側から誘電体基材を除去することにより、微細孔の底が除去され、微細孔内に充填された金属が除去された面から露出することを意味するものである。また、微細孔内に充填された金属が全て露出した状態を意味するものではなく、微細孔内に充填された金属を有しつつ、一部が露出している状態を意味するものである。上記「露出した部分」とは、露出した金属部分を意味するものである。上記「微細孔の孔径」とは、微細孔表面の径を意味するものである。 Here, the above-mentioned “dielectric substrate having a plurality of bottomed micropores on the surface” means a dielectric substrate having a surface having a plurality of bottomed micropores, It does not mean a dielectric substrate having a plurality of bottomed micropores on the surface. The above “on the surface of the dielectric substrate” does not mean only the surface of the dielectric substrate, but also includes the inside of the micropores. The above “from the back side of the dielectric base material” means not only the back side of the dielectric base material but also the presence of an anodized metal body on the back side of the dielectric base material. This means from the side of the metal body to be anodized. The above "exposure" means that the bottom of the micropore is removed by removing the dielectric base from the back side of the dielectric base, and the metal filled in the microhole is exposed from the surface. Means. In addition, it does not mean that the metal filled in the micropores is completely exposed, but means that the metal filled in the micropores is partially exposed. The above “exposed part” means an exposed metal part. The “pore diameter of the micropore” means the diameter of the micropore surface.
この工程(A)において、誘電体基材として、被陽極酸化金属体を陽極酸化することにより該被陽極酸化金属体上に形成された、複数の有底の微細孔を有する陽極酸化基材を用いることができる。 In this step (A), an anodized substrate having a plurality of bottomed micropores formed on the anodized metal body by anodizing the anodized metal body as a dielectric substrate. Can be used.
この工程(E)においては、露出した部分へのメッキ処理を、金属体の頭部同士の隙間が10nm以下になるまで継続することが望ましい。ここで、「頭部同士の隙間」とは、頭部の最大径が最も近接している部分の隙間をいう。 In this step (E), it is desirable to continue the plating process on the exposed portion until the gap between the heads of the metal body is 10 nm or less. Here, the “gap between the heads” refers to a gap between the parts where the maximum diameters of the heads are closest.
この工程(B)においては、充填された金属の上部に、絶縁体層を形成することができる。 In this step (B), an insulator layer can be formed on the filled metal.
この工程(B)において、材料の異なる2種類以上の金属を用意し、金属を順次充填することができる。 In this step (B), two or more kinds of metals having different materials can be prepared and sequentially filled with the metals.
本発明の製造方法によれば、微細孔内に金属が充填された誘電体基材の裏面側から除去することにより、各微細孔の底が取り除かれ、各微細孔内の充填された金属が誘電体基材の裏面側から略均一に露出する。この略均一に露出した金属部分へのメッキ処理により金属体の頭部を形成することで、各金属体の頭部は略同時に形成される。したがって、微細孔内の金属充填のばらつきの影響を受けずに、メッキ処理により均一な頭部径の金属体を有する微細構造体の製造が可能となる。 According to the manufacturing method of the present invention, the bottom of each fine hole is removed by removing from the back side of the dielectric base material filled with metal in the fine hole, and the filled metal in each fine hole is removed. It is exposed substantially uniformly from the back side of the dielectric substrate. By forming the metal heads by plating the substantially uniformly exposed metal parts, the heads of the metal bodies are formed substantially simultaneously. Therefore, it is possible to manufacture a fine structure having a metal body with a uniform head diameter by plating without being affected by variations in metal filling in the fine holes.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態を示す模式図である。図1(a)は、被陽極酸化金属体3、図1(b)は、被陽極酸化金属体3に陽極酸化することにより誘電体基材2を用意する工程、図1(c)は、誘電体基材2の各微細孔4へ金属5を充填する工程、図1(d)は、電極となりうる金属7を堆積させる工程、図1(e)は、誘電体基材2の裏面2b側から、各微細孔4内に充填された金属5が露出するまで、誘電体基材2を除去する工程、図1(f)は、メッキ処理により微細孔4の孔径4cより大きな径9bを有する頭部9aを形成する工程を示したものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a process for preparing a
被陽極酸化金属体3および誘電体基材2について説明する。本実施形態においては、被陽極酸化金属体3の一部を陽極酸化して得られる金属酸化物体を誘電体基材2として用意する
具体的に、被陽極酸化金属体3は陽極酸化が可能であれば制限されないが、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、ケイ素(Si)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、またはこれらの2種以上の合金が挙げられ、望ましくはアルミニウム(Al)がよい。被陽極酸化金属体3としてアルミニウム(Al)を用いて、一部を陽極酸化した場合は、複数の有底4bの微細孔4を有するアルミナ層(Al2O3)が誘電体基材2として用意される。
The anodized
ここで、陽極酸化とは、被陽極酸化金属体3を陽極とし、カーボンやアルムニウム等を陰極(対向電極)として、これらを陽極酸化用電解液に浸漬させ、陽極と陰極の間に電圧を印加することにより被陽極酸化金属体3に金属酸化物体を形成することである。なお、電解液の制限は特にないが、望ましくは、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、アミドスルホン酸等の酸を、1種又は2種以上含む酸性電解液が良い。
Here, anodic oxidation means that the
図1(b)に示すように、被陽極酸化金属体3を陽極酸化すると、陽極酸化された面から略垂直方向に酸化反応が進行し誘電体基材2が生成される。誘電体基材2の表面2aには、微細孔4が規則的に開孔4aしており、各微細孔4は丸みを帯びた底4bを有している。なお、具体的な陽極酸化の条件としては、アルミニウムを使用し、アルミナ層を生成する場合、シュウ酸を電解液とし、電解液濃度0.5M、液温15℃、印加電圧40Vが一例として挙げられる。電解時間を制御することにより、所定層厚のアルミナ層が生成できる。生成されたアルミナ層は、多数の微細孔4が開孔4aしており、通常、隣接する微細孔4のピッチは、10〜500nmの範囲であり、また、各微細孔4の孔径4cは、5〜400nmの範囲である。微細孔4の孔径4cを制御する方法は、特開2001−9800号公報、特開2001−138300号公報に開示されおり、上述した範囲において、各微細孔4の孔径4cを任意に形成することが可能である。
As shown in FIG. 1B, when the
ここで、本発明の実施に使用する誘電体基材2は、上述の誘電体基材2に限定されるものではない。例えば、樹脂等の誘電体基材2を、ナノプリント技術により規則配列された複数の凹部を形成する微細加工技術、リソグラフィー、エッチングを施すことにより用意してもよい。
Here, the
次に、誘電体基材2の各微細孔4へ金属を充填する工程について説明する。本実施形態においては、メッキ処理により誘電体基材2の各微細孔4内に金属5を充填する。
Next, the process of filling the
具体的に、充填させる金属5の主成分は、局在プラズモン現象が効果的に発生する金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、または、その合金が挙げられ、望ましくは金(Au)、銀(Ag)が良い。さらに、これらのうち2種類以上の金属5を選択して、順次充填させることも可能である。
Specifically, the main component of the
ここで、各微細孔4内に金属5を充填する工程においては、さらに、充填された金属5の上部に絶縁体層6を形成することにより、局在プラズモン効果を高めることが可能である。具体的に、絶縁体層6はアルミナ層であってもよい。
Here, in the step of filling the
図1(c)に示すように、被陽極酸化金属体3が電極として機能するため、被陽極酸化金属体3の近傍にある各微細孔4の底4bより金属が析出される。しかしながら、誘電体基材2は電気が流れにくいため、各微細孔4内の金属5の充填状態にばらつきが発生する。
As shown in FIG. 1C, since the
ここで、各微細孔4内への金属5の充填については、メッキ処理によるものに限定されない。各微細孔4内に、金属5を、蒸着、蒸着およびその後のアニール、スパッタを施すことにより、または、各微細孔4内に金属5の含有溶液を流し込み、溶媒乾燥させることにより充填することも可能である。
Here, the filling of the
次に、電極となりうる金属7を堆積させる工程について説明する。本実施形態においては、各微細孔4に金属5を充填させた後に、誘電体基材2の表面2aに電極となりうる金属7を堆積させる。
Next, the process of depositing the
具体的に、電極となりうる金属7は特に制限されず、上述の充填の工程に用いた金属5と同一金属であっても良い。
Specifically, the
電極となりうる金属7を堆積させる方法としては、蒸着、スパッタ、電極となる金属含有溶液を流し込み溶液乾燥させる方法が挙げられる。この場合、電極としての効果を十分に発揮させるため、各微細孔4の開孔4aから50nm程度の膜厚が形成されるまで堆積させることが望ましい。
Examples of the method for depositing the
次に、誘電体基材の裏面2b側から、各微細孔4内に充填された金属5が露出するまで、誘電体基材2を除去する工程について説明する。本実施形態においては、被陽極酸化金属体3および誘電体基材2を誘電体基材2の裏面2b側から除去する。
Next, the process of removing the
具体的な被陽極酸化金属体3および誘電体基材2を除去する方法は、アルミニウムおよびアルミナ層の場合は、20℃程度の燐酸に数分間程度浸漬することにより除去する方法が挙げられる。
As a specific method for removing the
被陽極酸化金属体3および誘電体基材2を、誘電体基材2の裏面2b側から除去することにより、誘電体基材2の露出面2cが形成され、さらに各微細孔4の底4bが取り除かれたことで、第2の開孔4dから金属5が略均一に露出する。
The exposed
ここで、被陽極酸化金属体3および誘電体基材2を除去する工程は、各微細孔4内に金属5を充填した工程の後であればよく、電極となりうる金属7を堆積させる工程の前であってもよい。
Here, the step of removing the
次に、メッキ処理により各微細孔4の孔径4cより大きな径9bを有する頭部9aを形成する工程について説明する。本実施形態においては、メッキ処理により金属体9の頭部9aを形成する部分は、上述の除去の工程により露出した金属部分5aである。
Next, the process of forming the
具体的に、メッキ処理する金属は特に制限されず、上述の充填の工程に用いた金属5と同一金属であっても良い。
Specifically, the metal to be plated is not particularly limited, and may be the same metal as the
露出した金属部分5aには、誘電体基材2の表面2aに堆積された電極となりうる金属7を電極としてメッキ処理される。メッキ処理は、頭部9aの径9bが、各微細孔4の孔径4cよりも大きくなる状態まで行われる。
The exposed
具体的には、露出した金属部分5aに金(Au)をメッキ処理する。この場合、メッキ処理は頭部9a同士の隙間9cが10nm以下になるまで継続することが望ましい。例えば、予め、電子顕微鏡により金属体9の頭部9a間の距離を計測しつつ、メッキ処理をし、ほとんどの金属体9の頭部9a同士間の隙間9cが10nm以下となるようなメッキ処理時間を計測しておくことにより、計測結果をもとに、メッキ処理時間を管理することで行う。
Specifically, gold (Au) is plated on the exposed
ここで、図1(g)乃至(i)は、上述した通り各微細孔4内に金属5を充填させる工程において、充填された金属5の上部に絶縁体層6を形成した場合の各工程を示すものである。
Here, FIGS. 1G to 1I show the respective steps in the case where the
図2は、本発明の第2の実施形態を示すものである。第1の実施形態とは、誘電体基材2の裏面2b側から、各微細孔4内に充填された金属5が露出するまで、誘電体基材2を除去する工程が、電極となりうる金属7の堆積させる工程の前に行われている点が相違する。なお、図2(g)乃至(i)は、上述した通り各微細孔4内に金属5を充填させる工程において、充填された金属5の上部に絶縁体層6を形成した場合の各工程を示すものである。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. The first embodiment is a metal in which the step of removing the
図3は、本発明の第3の実施形態を示すものである。第1の実施形態とは、誘電体基材2の各微細孔4へ金属5を充填する工程において、上述したように2種類以上の金属5を充填させている点が相違する。例えば、図3(c)に示すように、銀を充填した後に、図3(d)および(g)の示すように、金(図中上部)を充填することで、銀の酸化を防止しつつ、プラズモン増強効果が効果的に発生する銀を利用できる。または、図3(c)に示すように、金を充填した後に、図3(d)および(g)の示すように、安価な材料(図中上部)を充填することで、頭部9aが形成される部分のみを金にすることによりコスト低減が可能となる。なお、図3(g)乃至(i)は、上述したように各微細孔4内に金属5を充填させる工程において、充填された金属5の上部に絶縁体層6を形成した場合の各工程を示すものである。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. The first embodiment is different from the first embodiment in that, in the step of filling the
図4は、支持体を作成する工程を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating a process of creating a support.
図4(a)は、電極となりうる金属7を堆積させる工程、図4(b)は、持ち運び等の取扱を容易にするため、電極となりうる金属7の堆積面7aに支持体8を形成する工程、図4(c)は、支持体8を形成した後の、誘電体基材2の裏面2b側から、被陽極酸化金属体3および誘電体基材2を除去する工程を示している。なお、図4においては、頭部9aを形成する工程は省略する。
4A shows a step of depositing a
ここで、支持体8を作成する工程は本発明の各実施形態において共通に含むことが可能である。
Here, the step of creating the
具体的に、支持体8は、導電性金属、もしくは非導電性金属であっても良いが、望ましくは導電性の金属がよい。
Specifically, the
本発明の製造方法によれば、各微細孔4内に金属5が充填された誘電体基材2の裏側から除去することにより、各微細孔4の底4bを取り除かれ、各微細孔4内の充填された金属5が誘電体基材2の露出面2cから略均一に露出する。この略均一に露出した金属部分5aへのメッキ処理により金属体9の頭部9aを形成することで、金属体9の頭部9aは略同時に形成される。したがって、各微細孔4内の金属5の充填状態のばらつきの影響を受けずに、メッキ処理により均一な径9bの頭部9aを有する金属体9を備えた微細構造体1の製造が可能となる。
According to the manufacturing method of the present invention, the bottom 4b of each
さらに、各金属体9の微細孔4内に充填された部分はばらつきが存在し、電場増強効果における波長領域が拡大する。
Furthermore, the portions filled in the
1 微細構造体
2 誘電体基材
2a 表面
2b 裏面
2c 露出面
4 微細孔
4a 開孔
4b 底
5 金属
5a 露出した金属部分
6 絶縁体層
7 電極となりうる金属
9 金属体
9a 頭部
9b 頭部径
9c 隙間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
表面に複数の有底の微細孔を有する誘電体基材を用意する工程(A)と、
前記微細孔内に金属を充填する工程(B)と、
前記誘電体基材の前記表面に、電極となりうる金属を堆積させる工程(C)と、
前記誘電体基材の裏面側から、前記有底の微細孔内に充填された金属が露出するまで、前記誘電体基材を除去する工程(D)と、
前記露出した部分に、メッキ処理により前記微細孔の孔径より大きな径を有する前記頭部を形成する工程(E)とを有することを特徴とする微細構造体の製造方法。 A dielectric substrate having a plurality of micropores, a metal body having a size capable of generating localized plasmons, having a portion filled in each micropore and a head protruding from each micropore. A method of manufacturing a microstructure provided with,
Preparing a dielectric substrate having a plurality of bottomed micropores on the surface (A);
A step (B) of filling the fine holes with metal;
Depositing a metal that can serve as an electrode on the surface of the dielectric substrate (C);
Removing the dielectric substrate from the back side of the dielectric substrate until the metal filled in the bottomed micropores is exposed (D);
And (E) forming the head having a diameter larger than the hole diameter of the fine hole by plating on the exposed portion.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019050140A (en) * | 2017-09-11 | 2019-03-28 | シャープ株式会社 | Electron emission element, manufacturing method therefor, and manufacturing method for electronic element |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110201 |