JPH1172607A - 高光透過開口アレイ - Google Patents
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Abstract
るアレイにおける光の透過効率を向上させる。 【解決手段】 薄い金属プレート10は、複数の開口1
2が矩形状に配列されたアレイを有する。開口同士は、
所定の波長の入射光が表面プラズモンエネルギー帯で金
属プレート10を撹乱して個々の開口12を通過する光
の量を向上させるように、アレイへの入射光の波長に応
じて周期Pで配列されている。
Description
レイを通過する光透過に関し、特に、そのような開口を
通る光透過の改良に関する。
製造するために固体に使用されたり、遠距離間の通信を
行うのと同様に、光すなわち光子を制御および使用する
ことには、かなりの関心が持たれている。光ファイバー
および半導体レーザの発達は、電気通信業界に革命をも
たらした。光学系は、集積回路、データ記憶、コンパク
トディスクなどの製作における中心部分である。しかし
ながら、光の利用はすでに多くの利点を示してきたが、
その潜在能力を十分に利用するには、将来的にかなりの
問題がある。例えば、一定の周波数について光の伝播が
一定の方向のみに起こるように材料を設計することが望
ましい(すなわち、光子バンドギャップ材料)。これら
の方面での努力により、一定の周波数で不透過性で光バ
ンドギャップ材料もしくは構造として知られる半透明誘
電体材料が得られる。周波数がそのバンドギャップによ
って決定される範囲内である場合、光モードは材料を通
過して伝播することができない。そのような材料の限界
は、近い周波数の光をその材料が通過させることであ
る。すなわちその材料は、広いスペクトルの中の狭い範
囲の周波数を遮断するのみである。光検出器は通常、広
いスペクトルの光を検出できることから、遮断される周
波数とわずかに異なる周波数の光は検出器を通過して、
検出される可能性がある。従って、全く逆の形で動作す
る材料または装置を持つことが極めて有用であると考え
られる。すなわちそれは、広いスペクトル中の狭い範囲
の周波数の光のみを選択的に透過させるものである。
発散が問題である分野、あるいは開口アレイによる光透
過の増加が望ましい分野などの多くの分野で、あるいは
フォトリソグラフィーまたは光フィルタの分野に適用さ
れる。
速度向上のための光学的チップ間通信に関係するもので
ある。通常、いずれのチップも同一の基板上に配置さ
れ、一つのチップから他のチップ上の検出器に放射する
光学レーザを集積するための努力がなされている。ここ
で遭遇する問題の一つは、放射光が発散するのではな
く、十分に長い距離で平行を維持することで、その光が
所望の検出器に到達するようにするか、あるいはその光
を、各ファイバーが所定のチップもしくは到達点につな
がっている光ファイバー束に確実に入射させることがで
きるようにすることである。構造およびビームサイズが
光の波長に近くなるにつれて、光の発散および透過がさ
らに大きい問題となっていく。
る光学撮像記憶装置は、使用する光の約1/2の波長よ
り実質的に小さい形を解像することができない。この解
像問題を解決するために、探測光の波長よりかなり小さ
い開口を試料付近に配置し、その表面の上で走査する近
視野走査光学顕微鏡(NSOM:near-field scanning
optical microscope)が開発された。試料を通過したわ
ずかな光を開口を通して集光し、光検出器に中継する。
あるいは、光が開口を通り、試料を通り、次に光検出器
によって捕捉される。次に、光検出器での信号と試料上
方の顕微鏡の位置とを組み合わせることで、試料の像が
再構築される。しかしながら、光の波長より小さい開口
を用いた場合の問題は、その透過率が急速に低下し、開
口の半径を波長で割った値の4乗、すなわち(d/λ)
4に比例する。結果的に、ファイバー先端のように良好
な開口を作製することに、多くの努力が払われてきた。
しかしながら、それら開口の透過効率は、いまだに最適
効率より数桁低いものである。
なフォトリソグラフィーの分解能も、入射光の約1/2
の波長までの分解能に制限されている。近視野走査顕微
鏡などの技術を用いて、より小さいパターンをフォトレ
ジストに形成することができるが、このような技術では
一般的に、フォトレジストパターンを各チップに書かな
ければならないことから極めて遅いものになる。従来の
フォトリソグラフィーの場合とは異なり、パターンは、
業界の標準的方法であるマスクを用いて投影することは
できない。さらに、上述したように、テーパ状光ファイ
バーなどのような波長より小さい開口を通っての光透過
効率は非常に小さい。フォトレジストには最少量の光を
衝突させてその特性を変えなければならないことから、
工程はさらに遅くなる。
(例えば、波長が10〜800μm)の光のフィルタリ
ングに、ワイヤーメッシュまたは金属格子から作られた
フィルターが広く用いられてきた。そのフィルターは、
光学的に清浄な支持体の上に堆積された薄い(透過する
波長よりかなり薄い)金属ワイヤ−を有する。フィルタ
ーは、メッシュの周期の約1.2倍にピークを有する透
過スペクトルを特徴とする。そのピークは非常に広く、
メッシュの周期の1/2より大きいのが普通である。メ
ッシュフィルターについては広範囲に研究が行われてお
り、その性質は、送電線回路と同様に説明される。その
フィルターは、透過スペクトルを狭くすることでより選
択的なものとすることができれば、はるかに有用なもの
となると考えられる。
の波長の1/2よりかなり小さい開口アレイを通して光
を非常に効率良く透過させ、開口アレイの構造および配
置によって制御可能な一定波長の光のみで光透過させる
ことで、上記の問題および限界を克服することにある。
dで開口間の周期Pを持つ、金属薄膜または薄い金属プ
レートに設けられた波長以下の開口アレイを提供する。
そのような装置の光透過性質は、光の波長に大きく依存
する。周期Pに関連して光の波長の透過が向上する。そ
の向上した透過は、単一開口のユニット透過よりも大き
く、開口アレイが形成されている金属薄膜が能動的に関
与しているためであると考えられる。
して見ると、透過効率(透過強度を開口に直接衝突する
光の強度で割ったものと定義される)は1%未満となる
であろう。しかしながら本発明においては、以下に説明
するように、透過効率は大幅に向上し、得られる装置
は、間隔すなわち周期Pを調節することで所望の波長の
光の透過性質を適合させる能力が加わった近視野プロー
ブと見ることができる。この結果の実際の効果として、
本発明は、波長選択的光学フィルタリング(特に可視光
および近赤外光で)、光ビーム集光、近視野走査光学顕
微鏡およびフォトリソグラフィーなどの分野に利用され
る。
の透過を高める開口アレイを備える新規な装置を提供す
ることにある。
高める開口アレイを有する金属薄膜を提供することにあ
る。
併用しながら以下の説明によって、より明瞭になる。
12の矩形アレイを有する金属薄膜または薄い金属プレ
ート10が示される(スケールは示していない)。その
金属はいかなる金属であっても良く、好ましくはAl、
Ag、AuまたはCrである。開口12の直径はdであ
り、開口間の周期すなわちピッチはPである。金属薄膜
または金属プレート10の厚さは好ましくは、開口直径
の約0.05〜10倍の範囲である。入射光の強度はI
incidentであり、開口12を通過した後の光の強度はI
outputである。図1では、支持されていない薄い金属プ
レートが示してあるが、ガラスまたは石英などの基板上
に堆積した金属薄膜も、本発明によって想到されるもの
である。開口12は円形として示してあるが、例えば楕
円形または矩形などの他の形状を取ることもできる。ア
レイは矩形アレイとして示してあるが、本発明の内容か
ら逸脱しない限りにおいて、三角形などの他の開口アレ
イ形状も可能である。
明らかなゼロ次透過スペクトルを示している。最大値
は、個々の開口12の直径dの約10倍の波長で生じ
る。透過率は、従来の理論から予想されるものよりはる
かに高い。我々の実験では、その特異な光学的性質は恐
らく、金属における周期的な矩形開口アレイの表面プラ
ズモンと入射光との結合によるものであることが示され
ている。その結合は、周期Pより大きい入射光波長では
極めて強くなる。入射角の関数としての透過スペクトル
のピーク位置から、表面プラズモン分散の構造を反映し
た分散曲線が得られる。開口アレイが、ギャップを有す
る明瞭な表面プラズモンエネルギー帯構造を生じる程度
に金属の性質を攪乱するものと考えられる。個々の開口
を通過しての透過率向上の原因であると本発明者等が考
えているのは、その表面プラズモンエネルギー帯であ
る。アレイ形状による回折または干渉などの他の現象も
透過率向上に寄与している可能性がある。
膜に円柱形開口の二次元アレイを作製し、分析した。例
えば、厚さt=0.2μmの銀薄膜を、石英ガラス基板
またはガラス基板上に蒸着によって堆積させた。薄膜を
貫通する開口は、マイクリオン(Micrion)集束イオン
ビーム(FIB)システム9500(50keVのGa
イオン、公称スポット径5nm)を用いるスパッタリン
グによって形成した。個々の孔の直径dを150nm〜
1μmで変動させ、矩形アレイの孔間距離Pを0.6〜
1.8μmで変動させた。ゼロ次透過スペクトルを、非
干渉光源を有するケアリー(Cary)2UV−NIR分光
光度計を用いて記録した。透過、回折および反射の性質
についての別の試験は、可干渉光源を用いる光学台上で
行った。図2に、厚さ200nmのAg薄膜に0.9μ
mピッチで設けられた150nm開口の矩形アレイにつ
いての代表的なゼロ次透過スペクトルを示す。このスペ
クトルは多くの明瞭な特徴を示している。波長326n
mで、狭い銀バルクプラズモンピークが認められ、それ
は薄膜が厚くなるに連れて消失する。これは予想外の結
果であり、局所プラズモンモードの共鳴励起の結果であ
ると考えられる。そのピークは、波長が長くなるに連れ
て徐々に強くなり、ピッチPを超えてもなお次第に強く
なる。
イからも回折はない。波長がピッチPに向かって大きく
なるにつれて、一次回折スポットが表面を通過していく
のを認めることができる。最大透過強度は1370nm
にあり、アレイにおける個々の孔の直径のほぼ10倍で
ある。透過した光の部分を孔によって占有された表面積
部分で割ることで計算した絶対透過効率は、最大で2よ
り大きい。すなわち、開口に直接衝突した光の2倍より
多い光が開口アレイから透過している。さらに、開口ア
レイの透過率は孔の表面積に伴って直線的に高くなる。
(d/λ)4に比例すると予想されることから、直径1
50nmの孔の場合、予想透過効率は10-2のオーダー
にあるという予想結果とは対照的である(H.A.Bethe, T
heory of Diffraction by Small Holes, Physical Revi
ews 66, 163-82, 1944参照)。さらに、1個の格子から
のゼロ次透過の強度は、波長が長くなるにつれて単調減
少すると予想される(I〜1/λ)(M.Born & E.Wolf,
Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford 1980
参照)。従って本発明は、開口アレイ自体が能動的要素
であって、単に光の入射ビームの通路にある受動的な幾
何的物体ではないことを示す結果を与える。
関数としての透過強度の曲線を示す。実線は、開口径1
50nm、開口間ピッチ0.6μmの200nmAg薄
膜であり、破線は、開口径350nm、開口間ピッチ
1.0μmの300nmAu薄膜であり、一点鎖線は、
開口径500nm、開口間ピッチ1.0μmの100n
mCr薄膜である。ピークは開口間ピッチに関係して生
じており、金属(例:Al、Ag、Cr、Au)、開口
径および膜厚とは独立である。ピーク幅は、円柱孔のア
スペクト比(t/d、すなわち金属膜厚を開口径で割っ
たもの)に強く依存する。t/d=0.2の場合、ピー
クは非常に広く、アスペクト比が1に近くなると、鋭さ
は最大となる。スペクトルは、例えばアレイが正方形ま
たは三角形である場合のように、開口の幾何形状によっ
て大幅に変わる。スペクトルは、光照射が金属側からで
あるかアレイの基板側からであるかに拘わらず同一であ
る。その高透過率スペクトルは、開口アレイへの入射光
の角度によって決まる。図4に、0〜20度の角度の間
で入射角度を2度ずつ変えた場合に測定されたスペクト
ルを示す。ピークは強度が変化し、互いに反対の方向に
移動する新たなピークに分離する。
うな新規な波長選択フィルターが得られる。支持体50
の角度θを調節して開口アレイ52の角度を調節するこ
とにより、角度の関数として光がピークを持つ波長が図
4に示したようになる。この性質を利用することで、所
定の入射角度について調整された、金属薄膜形態の開口
アレイを有するフィルターを形成することができる。そ
のフィルターは、紫外光、可視光およびそれより長い波
長について使用することができる。その配置の利点は、
ゼロ次の光のみが透過し、角度θによって測定される入
射角度に相当する波長の光のみが透過するという点であ
る。
と比較して、フィルターとしての波長選択性が高い。さ
らに、ギャップ内のエネルギーの場合を除いて全ての波
長で材料が受動的かつ半透過性である光子バンド帯アレ
イとは異なり、本発明は、結合が生じる波長を除く全て
の波長で不透過性である材料を提供する。
ム集光器としてのものである。光60が、基板63上に
堆積した金属薄膜62に設けられた円柱状の開口61に
入射される。開口61のアレイを通過した後、集束光は
開口61に並行に配置されたファイバー束またはファイ
バーアレイの光ファイバー65に進む。開口アレイを通
過して光ファイバー65に進入する光の強度は、本発明
によって高くなる。開口61のアスペクト比は重要では
ないが、開口間のピッチPは、図6に示したような高集
光の波長を決定するには重要である。従来、光を波長以
下のファイバー内に導くことは困難であり、光を導くの
には複雑なレンズおよびアライメント装置が用いられて
いた。本発明においては、開口が開口表面積より多くの
光を透過するので、金属開口アレイが集光器のような働
きを行う。従って、波長以下ファイバーへの光の結合が
効率良く行われる。
顕微鏡におけるものである。図7(a)に、近視野走査
光学顕微鏡で使用される一般的な配置を示す。図中、光
源70が光を出し、その光が支持体によって支持された
試料71を透過して、集光器として作用する走査チップ
72中に入る。本発明によれば、走査チップ72の前面
73には、続いて行われる周知ののNSOM信号処理の
ためにプローブが受光する光の強度を高めるために、2
個以上の波長以下の開口74(図7(b))が、前面7
3上の金属薄膜コーティングに設けられている。この配
置は、コーティングがAgであり、He−Cdレーザが
光源70である場合に最も有効である。図8では、プロ
ーブが光源として働き、前面77にある開口76を通し
てプローブ先端75から発射された光は、試料71を透
過して、光検出器78に達して、周知の信号処理を受け
る。図8において、プローブ先端75の前面77に2個
以上の開口76を設けることで、プローブ先端75から
試料71を透過して、次に光検出器78で集光される光
が増加する。
アレイの高透過効率を利用して、金属マスクに非常に小
さい開口を配列することで、波長以下のフォトリソグラ
フィーを行うための新規なマスクを得ることができる。
開口の直径よりかなり大きい波長λを有する光80を基
板82上に堆積した金属プレートまたは金属薄膜に設け
られた開口81を通して投射することで、λ/2よりか
なり小さい形状を有するリソグラフィー構造を得ること
ができる。
ーティングした基板83上に、例としてHという文字の
形で示してある2方向の波長以下の線幅の像を得るに
は、光の波長によって決まる距離だけ開口81を離し
て、基板83上にコーティングした感光性材料にx方向
およびy方向の「像形成」を行う。x方向に線を描くに
は、x方向の偏光を開口アレイを通して透過させる。x
方向に偏光された光はy方向の線を通過しない。マスク
と基板は、アクチュエータ84を使用して、x方向に開
口間の周期すなわちピッチの1/2の相対的直動運動を
行うようにする。薄膜のみが開口を持っていることか
ら、開口81が基板83に対して直線行路方向に移動す
る場合にのみ線を描くことができる。次いでその手順
を、y方向の偏光とアクチュエータ85を用いてy方向
の線について繰り返す。図9(b)には、フォトレジス
トコーティングに書かれたHの文字を有する基板83を
示してある。
薄膜マスクに設けた開口81に代えて、平行スリットを
設けている。図10は、0.6μmピッチで配置された
幅0.15μm、長さ40μmの平行スリットを有する
アルミニウム薄膜についての、波長の関数としての透過
効率(Ioutput/Iincident)のグラフである。入射光
は、スリットの長軸を横切る平面で90度偏光されてい
る。スリットを有するマスクと光を、開口マスクの場合
と同様に用いる。当然のことながら、十分な長さのスリ
ットを用いることで、マスクを基板に対して移動させる
必要性を回避することができる。
パターンで金属薄膜に開口を配置することで、レンズの
焦点に光を集める。開口を有するマスクは、図9(a)
の開口マスクに関連して説明した動きに従う。薄膜にお
ける開口パターンは矩形アレイに類似しているが、開口
は、フレネル帯レンズパターンに相当する矩形アレイの
位置のみにある。
うな開口アレイを使用することで、深紫外光源およびX
線光源を使用せず、同時に従来のフォトレジストの使用
を可能としながら波長以下の線を描くことができる。
ずに、開口アレイの変更・改良を行うことが可能であ
る。例えば図11には、金属薄膜102に25個の開口
100からなる正方形アレイであって、1個の開口すな
わち中心の開口がないものを示してある。
1μmピッチで直径0.5μmの開口が配置されている
アレイであって、図11に示したような1個の開口すな
わち中心の開口がアレイにないものについての、波長の
関数としての透過強度のグラフである。
7個の開口112を持つ群110の繰り返しパターンが
距離Dの間隔で配置されている。図14は、図13に示
したような開口アレイについての波長の関数としての透
過強度のグラフであり、この場合、開口は1μmピッチ
で配置された直径0.5μmのものであり、群間の間隔
Dは5μmであって、それらが厚さ0.1μmのクロム
薄膜に設けられている。
レイまたは矩形アレイ以外の開口パターンのアレイが正
方形の開口アレイと同様の結果を与えることを示してい
る。これらの図では、片面に金属コーティングを有する
基板の金属薄膜面に光が入射しているように示してある
が、金属薄膜とは反対の基板面に光を入射させた場合
も、同様の結果が得られる。
薄膜または薄い金属プレートに設けた開口アレイについ
て説明・図示したが、本発明の精神および広義の内容を
逸脱しない限りにおいて変更および改良が可能であっ
て、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲によっ
てのみ限定されるべきものであることは、当業者には明
らかであろう。
口のアレイが設けられた金属薄膜を有する高光透過装置
において、開口同士の配列周期を、入射光の波長に応じ
て、所定の波長の入射光が表面プラズモンエネルギー帯
で金属薄膜を撹乱するように設定することで、光の透過
効率を大幅に向上させることができる。
た金属薄膜を用いることによって、波長選択性が高い光
学フィルター、光ファイバーへの光結合を効率よく行う
ことができる集光装置、プローブが受光する光の強度が
より向上し、または検出手段で集光される光が増加した
近視野走査顕微鏡、さらには、従来のフォトレジストを
使用可能としながらも深紫外光源やX線光源を使用せ
ず、波長以下の線を描くことができるフォトリソグラフ
ィ装置を達成することができる。
イの斜視図である。
ロ次透過スペクトルを示すグラフである。
期Pに対して正規化した、波長の関数としての透過強度
を示すグラフである。
依存性を示すグラフである。
示す図である。
り、(a)は試料および光源に対向する近視野光学走査
顕微鏡先端を示す図、(b)は、(a)の先端の前面の
拡大図である。
顕微鏡先端を示す図である。
ォトリソグラフィーで使用される金属薄膜上の開口アレ
イを示し、(b)は表面に線が描かれている基板を示
す。
波長の関数としての透過効率を示すグラフである。
面図図である。
の関数としての透過強度を示すグラフである。
例の平面図である。
の関数としての透過強度を示すグラフである。
口 50 支持体 52 開口アレイ 62,102,114 金属薄膜 63,82,83 基板 65 光ファイバー 70 光源 71 試料 72 走査チップ 73,77 前面 75 プローブ先端 78 光検出器 80 光 84,85 アクチュエータ 110 群
Claims (14)
- 【請求項1】 金属薄膜と、 前記金属薄膜に設けられた開口のアレイとを有し、 前記アレイにおける前記開口同士は、所定の波長の入射
光が表面プラズモンエネルギー帯で前記金属薄膜を撹乱
して前記アレイの個々の開口を通過する光の透過を高め
るように前記アレイへの入射光の波長に応じて選択され
た周期Pで配列されている高光透過装置。 - 【請求項2】 前記金属薄膜は前記開口の直径の約0.
05〜10倍の範囲の厚さを有する請求項1に記載の高
光透過装置。 - 【請求項3】 前記アレイは前記開口が欠落している部
分を有する請求項1に記載の高光透過装置。 - 【請求項4】 前記開口同士の周期は、フレネル帯レン
ズパターンが形成される周期である請求項1に記載の高
光透過装置。 - 【請求項5】 前記開口は円柱形である請求項1に記載
の高光透過装置。 - 【請求項6】 前記開口はスリットである請求項1に記
載の高光透過装置。 - 【請求項7】 金属薄膜と、 前記金属薄膜に設けられた開口のアレイであって、該ア
レイにおける前記開口同士が、所定の波長の入射光が表
面プラズモンエネルギー帯で前記金属薄膜を撹乱して前
記アレイの個々の開口を通過する光の透過を高めるよう
に前記アレイへの入射光の波長に応じて選択された周期
Pで配列されているアレイと、 前記アレイの角度を調節することで、所定の角度で前記
アレイに光が入射したときに特定波長の光のみ前記アレ
イの開口を通過させる手段とを有する光学フィルター。 - 【請求項8】 金属薄膜と、 前記金属薄膜に設けられた開口のアレイであって、該ア
レイにおける前記開口同士が、所定の波長の入射光が表
面プラズモンエネルギー帯で前記金属薄膜を撹乱して前
記アレイの個々の開口を通過する光の透過を高めるよう
に前記アレイへの入射光の波長に応じて選択された周期
Pで配列されているアレイと、 前記開口アレイに並行に配置されて、前記開口を通る光
が中に進入する光ファイバーとを有する集光装置。 - 【請求項9】 光源と、 前記光源からの光を受光するために前記光源に対向して
配置された前面を有し、該前面上には、開口のアレイを
有する金属薄膜が設けられたプローブと、 前記金属薄膜を通過した光を受光するための光検出器と
を有する近視野走査光学顕微鏡。 - 【請求項10】 光源と、 開口のアレイを有する金属薄膜が設けられ、前記開口か
ら光を照射するために前記光源と結合している前面を有
するプローブと、 前記開口から照射された光を受光するために前記前面に
対向して配置された検出手段とを有する近視野走査光学
顕微鏡。 - 【請求項11】 金属薄膜と、 前記金属薄膜に設けられた開口のアレイであって、該ア
レイにおける前記開口同士が、所定の波長の入射光が表
面プラズモンエネルギー帯で前記金属薄膜を撹乱して前
記アレイの個々の開口を通過する光の透過を高めるよう
に前記アレイへの入射光の波長に応じて選択された周期
Pで配列されているアレイと、 前記アレイを、前記アレイの近傍に配置されフォトレジ
ストがコーティングされた基板に対して運動させるアク
チュエータ手段とを有するフォトリソグラフィー用装
置。 - 【請求項12】 前記アレイの近傍に配置された前記フ
ォトレジストがコーティングされた基板に線を描くため
に、光が前記開口のアレイを透過するように配置された
偏光光源をさらに有する請求項11に記載のフォトリソ
グラフィー用装置。 - 【請求項13】 前記開口がスリットである請求項11
に記載のフォトリソグラフィー用装置。 - 【請求項14】 前記開口同士の周期が、フレネル帯レ
ンズパターンが形成される周期である請求項11に記載
のフォトリソグラフィー用装置。
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