(57)【要約】【課題】【解決手段】誘電体基板１２、誘電体基板上に形成された金属膜１１及び金属膜の中に周期的に配列された孔１３の配列を含み、金属回折格子に光が照射される時、金属−空気界面上から光が放出される表面プラスモン光学装置を開示する。表面プラスモン光学装置は、表面プラスモン発生装置１０、表面プラスモン検出器、表面プラスモン調節装置(surfaceplasmonoptics)、蝕刻装置などを含む。金属回折格子をよく定義された境界面を有する金属膜上に配置すると、表面プラスモンの伝播を効率的に反射、分離及び制御することができる。また、空気−金属１，０モードから作られる格子常数の半周期を有する光放出表面プラスモン(radiatingsurfaceplasmon)は、その形態が少なくとも数ミクロンまで維持されるようにすることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面と第２の表面とを有する誘電体基板；
第１の表面と第２の表面とを有する金属膜であって、前記金属膜の第１の表面が前記誘電体の第２の表面に実質的に接する光学的に厚い金属膜；及び
前記金属膜の第１の表面と前記金属膜の第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な配列を含み、
光が前記誘電体基板の第１の表面側から前記周期的な孔配列に入射されて、前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され縞模様の光が放出されることを特徴とする、表面プラスモン発生器。
【請求項２】
前記誘電体基板は、サファイア基板であることを特徴とする、請求項１に記載の表面プラスモン発生器。
【請求項３】
第１の表面と第２の表面とを有する誘電体基板；
第１の表面と第２の表面とを有する光学的に厚い金属膜であって、前記金属膜の第１の表面が前記誘電体の第２の表面に実質的に接して、また、一側部、中間部及び他側部からなって、前記他側部は前記中間部から延長され、少なくとも２以上の部分に分割される金属膜；
前記金属膜の一側部に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第１の配列；
前記金属膜の中間部に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第２の配列；及び
前記他側部の少なくとも２以上の分割部分に各々形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第３の配列を含み、
前記第１の孔配列から前記第２の孔配列に向う方向と同一な方向に偏光された光が前記誘電体基板の第１の表面側から前記金属膜の第１の孔配列に入射されて、前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され前記金属膜に沿って前記第２の孔配列に伝播されて、前記第２の孔配列に伝播された表面プラスモンが前記第２の孔配列で分割され、前記第３の配列体に各々伝播されて、前記第３の配列体の各々から光が放出される表面プラスモンスプリター。
【請求項４】
前記誘電体基板は、サファイア基板であることを特徴とする、請求項３に記載の表面プラスモンスプリター。
【請求項５】
第１の表面と第２の表面とを有する誘電体基板；
第１の表面と第２の表面とを有する光学的に厚い金属膜であって、前記金属膜の第１の表面が前記誘電体の第２の表面に実質的に接して、また一側と他側とに分割された水平部と垂直部とからなり、前記水平部の一側から前記垂直部に延長されているＴ字状の金属膜；
前記金属膜の水平部の一側部に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第１の孔配列；
前記金属膜の水平部の他側に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第２の孔配列；
前記金属膜の垂直部に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第３の孔配列；及び
前記第１の孔配列を含む前記金属膜の一側の水平部と前記第２の孔配列を含む前記金属膜の他側の水平部との間に形成された所定間隔の対角線状のギャップを含み、
前記第１の孔配列から前記第２の孔配列に向う方向と同一な方向に偏光された光が前記誘電体基板の第１の表面側から前記金属膜の第１の孔配列に入射されて、前記第１の孔配列の前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され前記金属膜に沿って伝播されて、前記伝播された表面プラスモンの一部は、前記ギャップを成す金属膜により反射され前記第３の孔配列から光が放出されて、前記伝播された表面プラスモンの他の一部は、前記ギャップをトンネルして前記第２の孔配列から光が放出される表面プラスモンスプリター。
【請求項６】
前記誘電体基板は、サファイア基板であることを特徴とする、請求項５に記載の表面プラスモンスプリター。
【請求項７】
第１の表面と第２の表面とを有する誘電体基板；
第１の表面と第２の表面とを有する光学的に厚い金属膜であって、前記金属膜の第１の表面が前記誘電体の第２の表面に実質的に接して、また、両端を有する水平部と、前記水平部の前記両端の一端から延長される垂直部とを含み、前記金属膜の水平部と垂直部との連結部分は対角線状を成す金属膜；
前記金属膜の水平部に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第１の孔配列；
前記第１の孔配列と直角を成し、前記金属膜の垂直部に形成される前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第２の孔配列；及び
前記金属膜の水平部の水平方向と同一な方向に偏光された光が前記誘電体基板の第１の表面側から前記第１の孔配列に入射されて、前記第１の孔配列の前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され前記金属膜の水平方向に沿って伝播されて、前記伝播された表面プラスモンが前記対角線状部分から反射され、前記第２の孔配列から光が放出されることを特徴とする、表面プラスモンミラー。
【請求項８】
前記誘電体基板は、サファイア基板であることを特徴とする、請求項７に記載の表面プラスモンミラー。
【請求項９】
第１の表面と第２の表面とを有する誘電体基板；
第１の表面と第２の表面とを有する光学的に厚い金属膜であって、前記金属膜の第１の表面が前記誘電体の第２の表面に実質的に接して、棒状に形成された金属膜；
前記金属膜の一側部に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第１の孔配列；
前記第１の孔配列に対向する前記金属膜の他側部に形成される前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第２の孔配列を含み、
前記第１の孔配列から前記第２の孔配列に向う方向と同一な方向に偏光された光が前記誘電体基板の第１の表面側から前記第１の孔配列に入射される場合に、前記第１の孔配列の前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され前記金属膜に沿って前記第２の孔配列に伝播されて、前記第２の孔配列から縞模様の光が放出されて、前記偏光に対し９０゜回転した方向に偏光された光が入射される場合、前記第２の孔配列から光が放出されないことを特徴とする、表面プラスモン制御器。
【請求項１０】
前記誘電体基板は、サファイア基板であることを特徴とする、請求項９に記載の表面プラスモン制御器。
【請求項１１】
第１の表面と第２の表面とを有する誘電体基板；
第１の表面と第２の表面とを有する光学的に厚い金属膜であって、前記金属膜の第１の表面が前記誘電体の第２の表面に実質的に接して、棒状に形成された金属膜；
前記金属膜の一側部に形成された、前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第１の孔配列；
前記第１の孔配列に対向する前記金属膜の他側部に形成される前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な第２の孔配列；
前記第１の孔配列を含む前記金属膜の端部に形成された第１の電極；及び
前記第２の孔配列を含む前記金属膜の端部に形成された第２の電極を含み、
前記第１の孔配列から前記第２の孔配列に向う方向と同一な方向に偏光された光が前記誘電体基板の第１の表面側から前記第１の孔配列に入射される場合に、前記第１の孔配列の前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され前記金属膜に沿って伝播されて、前記第１の電極に陽の電圧が印加されて、第２の電極に陰の電圧が印加される場合、前記第２の孔配列から光が放出されて、前記第１の電極に陰の電圧が印加されて、第２の電極に陽の電圧が陰加される場合、前記第２の孔配列から光が放出されないことを特徴とする、表面プラスモン制御器。
【請求項１２】
前記誘電体基板は、サファイア基板であることを特徴とする、請求項１１に記載の表面プラスモン制御器。
【請求項１３】
フォトレジスト−積層基板に所定のパターンを形成するためのフォトリソグラフィーマスクであって、
第１の表面と第２の表面とを有する誘電体基板；
第１の表面と第２の表面とを有する光学的に厚い金属膜であって、前記金属膜の第１の表面が前記誘電体の第２の表面に実質的に接する金属膜；及び
前記金属膜の第１の表面と第２の表面とを貫通するナノメートル大きさの孔の周期的な孔配列を含み、
光が前記誘電体基板の第１の表面側から前記孔配列に入射される場合、前記孔配列の前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され、入射光の波長と偏光により調節できるパターンの光が放出されて、前記放出された光が、前記フォトレジスト−積層基板に、これに対応されるようなパターンが形成されるように照射されることを特徴とする、フォトリソグラフィーマスク。
【請求項１４】
前記誘電体基板は、サファイア基板であることを特徴とする、請求項１３に記載のフォトリソグラフィーマスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属膜に設けられた周期的な配列の金属孔を利用した表面プラスモンの発生と調節装置及びこれを用いた光蝕刻(photo-lithograpy)装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、厚い金属膜は、入射光に対して不透過の性質があって、また、金属膜に孔を形成した場合でも、金属膜に形成された孔の大きさが入射光の波長より非常に小さければ、透過される光は著しく少なくなる。しかし波長より小さい孔であっても、金属膜にその小さい孔が周期的に配列されていて、且つその周期が入射光の波長程度のサイズを有すると、光はもっと効率的に透過されるということが知られている。また、最近の研究結果によると、このような透過共振(transmission resonance)現象のスペクトル位置及び強度は、既存の表面プラスモン理論により立派に説明できる。しかし、この現象のマイクロ領域における理解は足りない現実であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者らは、このような配列のナノ領域の放出特性に対し研究している中、偏光-制御干渉パターンの光が非照射面で主に孔の外側の金属表面から明確に放出される現象を発見した。このような発見は、光が主に孔のみから放出されるというマクロ領域の予想及び以前の理論的及び実験的研究とは完全に対照されるものである。
【０００４】
また、入射光の波長、偏光及び金属膜に形成された孔の幾何学的構造の大きさなどを偏光しながら行われたナノ領域実験により、このような金属回折格子で作られた表面プラスモンが数十マイクロメートル以上の距離を可干渉性(coherence)を維持しながら伝播できるということを発見した。
【０００５】
そして入射光の偏光と波長を調節すると空気−金属界面から放出される光のパターンを調節することができるということを発見したが、特に空気−金属(１，０)モードでサイン関数の自乗形にすることができるということを発見した。この際放出される光の分布は、表面から離れるほどそのパターンが簡単になり、且つなおさらサイン関数の自乗形の形になる。このサイン関数自乗の周期は、格子常数と同じで、自乗する前の元サイン関数の周期は、格子常数の二倍である。このようなモードは、格子常数＝波長/２の形態を有しているため、半波長モード(half wavelength mode)と呼ばれる。半波長表面プラスモンモードは、既存考慮されていた表面に束縛された表面プラスモンとは違って、遠視野への光放出が可能である。従って、この半波長表面プラスモンを、発明者らは、光放出表面プラスモン(radiating surface plasmon)と命名する。光放出表面プラスモンは、そのパターンが遠くまで維持されるため、新概念のリソグラフィー(lithography)に利用できる。
【０００６】
誘電体基板上に設けられた一定な周期の孔配列を有する金属回折格子に光が照射された時、金属−空気の界面から起こる光の放出形態に関する近接場(near-field)研究を通じて、次のような発明アイデアを得た。第一、このような金属回折格子は、よく定義された進行方向を有する表面プラスモン発生装置であるだけではなく、表面プラスモン検出器としても利用できる。第二、このような金属回折格子をよく定義された境界面を有する金属膜上に配置すると、表面プラスモンの伝播を効率的に反射、分離及び制御できる表面プラスモン調節装置(surface plasmon optics)を製作することができる。第三、金属回折格子に照射される光の波長と偏光を調節すると、空気−金属の界面から出る光の放出形態を調節することができる。特に、空気−金属(１，０)モードで作られる格子常数の半周期を有する光放出表面プラスモン(radiating surface plasmon)は、その形態が少なくとも数ミクロンまで維持できるようにすることができるが、これは新概念の蝕刻装置に利用することができる。このような発明は、光素子の効率を高める表面プラスモンの役割が注目を浴びている現実を考えると、多様な応用可能性があると期待される。
【０００７】
具体的に、本発明の目的は、上述した現象を利用し下記のような装置を提供することにある。
【０００８】
第一、周期的な孔配列を有する金属回折格子を用いて進行方向を光学的に容易に調節できる表面プラスモン発生器を提供する。
【０００９】
第二、周期的な高さの変化を有する金属回折格子を用いて、進行する表面プラスモンを効率的に検出できる検出器を提供する。
【００１０】
第三、このように作られた表面プラスモンの進行方向にまた他の金属回折格子を位置させて、表面プラスモンの進行方向を二つに分離させる表面プラスモンスプリター(surface plasmon splitter)を提供する。これは表面プラスモンの可干渉性(coherence)を持ってマクロの領域を移動することができるという性質を利用したものである。
【００１１】
第四、また他の形態の表面プラスモンスプリターとして、お互い分離された金属膜の間に形成されたギャップに対するトンネル効果を利用した表面プラスモンスプリターを提供する。
【００１２】
第五、表面プラスモンの進行方向と特定な角を成す金属表面を利用した表面プラスモンミラー(surface plasmon mirror)を提供する。これは、表面プラスモンが金属表面上のみを進行できるという性質を利用したものである。
【００１３】
第六、電場を用いて表面プラスモンの伝播方向と速度を制御することができる表面プラスモン制御装置を提供する。
【００１４】
第七、半波長の光放出表面プラスモンモードを用いた光蝕刻装置を提供する。これは、半波長光放出表面プラスモンモードが表面から数マイクロメートル離れた距離でもそのパターンを維持するという性質を利用したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、前記のような目的を達成するための本発明による装置の構成を説明する。
【００１６】
第一、本発明による表面プラスモン発生器は、上部表面と下部表面とを有する誘電体基板；前記誘電体基板の上部表面と接する第１の表面と、前記第１の表面と向い合う第２の表面とを有する金属膜；及び前記金属膜に形成された格子構造の周期的な貫通孔配列を含む。光が前記誘電体基板の下部表面側から前記孔配列に入射する場合、前記孔配列の前記金属膜の第２の表面上で空気/金属モード表面プラスモンが励起され縞模様の光が放出される。このような金属回折格子に表面プラスモン共振条件に適合した波長の光と偏光を有する光を入射させて、進行方向がよく定義される表面プラスモンを簡単且つ効率的に発生させることができる。
【００１７】
第二、本発明による表面プラスモン検出器は、表面プラスモンの進行方向に位置した周期的に高さが変化される金属表面を有する金属回折格子と局所的な光測定器とを結合して製造される。
【００１８】
第三、本発明による表面プラスモンの可干渉性を用いた表面プラスモンスプリターは、表面プラスモンの進行方向に位置した周期的な孔配列や円筒配列の金属回折格子からなる。金属回折格子の各孔または円筒から散乱した表面プラスモンは、補強干渉条件を満足させる特定方向にのみ分離され進行できるようになる。このような表面プラスモンの干渉性を用いて、本発明による表面プラスモンスプリターは、効率的に表面プラスモンを分離することができる。
【００１９】
第四、表面プラスモンのトンネル効果を利用したまた他の表面プラスモンスプリターは、表面プラスモンの進行方向と特定な角を成して位置したお互い分離された二つの金属境界面とその間に満たされた誘電体を含む。この際、二つの金属膜間の距離と、その間に満たされた誘電体の誘電常数により分離される表面プラスモンの比率を調節することができ、また表面プラスモンの進行方向と成す金属境界面の角度により反射される表面プラスモンの進行方向を調節することができる。このような構成により、本発明による他の表面プラスモンスプリターは、表面プラスモンの分離比率と進行方向を容易に調節することができる。
【００２０】
第五、本発明による表面プラスモンミラーは、表面プラスモン進行方向と特定な角を成すように作られた金属境界面と、その外側に位置した誘電体とからなる。これは、表面プラスモンが金属表面に沿ってしか進行できないという性質を利用したもので、誘電体の誘電常数により反射率が決定されて、表面プラスモンの進行方向と成す金属境界面の角により反射される表面プラスモンの進行方向が決定される。このような構成により、本発明による表面プラスモンミラーは、効率的に表面プラスモンの進行方向を調節することができる。
【００２１】
第六、電場を用いた表面プラスモン制御器は、表面プラスモンの進行方向両端に電極を設けて表面プラスモンの伝播速度と進行方向を調節するものである。例えば、表面プラスモン発生器と検出器とを含む表面プラスモン伝播路両端に電極を設けて、その間に掛かる電圧を調節して表面プラスモンの流れを作るか無くすことができる。これは、表面プラスモンの伝播を、電場を利用して制御することができるという仮説に基づくことである。このような構成により、本発明による表面プラスモン制御器は、電界により表面プラスモンを効率的に制御することができる。
【００２２】
第七、また、本発明による光蝕刻装置は、フォトレジスト−積層基板に所定のパターンを形成するためのもので、その構成は、光蝕刻用光源、誘電体基板上に設けられた金属膜中に周期的に配列された孔を有する光蝕刻マスク(金属回折格子)、そしてパターンが形成されるフォトレジスト−積層基板の順に配列される。この際、光蝕刻マスクから放出される光のパターンは、入射光の波長と偏光を変化させて調節することができるため、一つの光蝕刻マスクを用いて多様なパターンを形成することができる。また、そのパターンが光蝕刻マスクから少なくとも数マイクロ以上まで維持されるため、光蝕刻マスクとフォトレジスト−積層基板との距離を非常に離すことができるという技術的な利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付の図面を参照し本発明者らの発見した現象を説明した後、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００２４】
図１乃至図５（ｃ）を参照し、本発明者らが実験により発見した表面プラスモンの生成、伝播及び干渉特性を説明する。
【００２５】
図１は、本発明による格子構造の周期的な孔配列を有する表面プラスモン発生器１０の斜視図であって、この表面プラスモン発生器１０は、上部表面と下部表面とを有する誘電体基板１２；誘電体基半１２の上部表面上に形成された光学的に厚い金属膜１１；金属膜１１に形成された２次元ナノメートル大きさの孔１３の周期的な格子構造の配列を含む。金属膜１１は、金及び銀のような金属からなって、３００ｎｍの厚さでサファイアのような誘電体基板１２に蒸着される。円筒形孔１３の配列は、ｅ−ビームリソグラフィー(lithography)の後にドライエッチング方法を使用し形成される。
【００２６】
図２（ａ）は、孔配列構造を有する典型的な金属膜１１の電子顕微鏡イメージを示している。  図２（ｂ）は、直径が１５０ｎｍで、孔１３間の間隔の周期が８００ｎｍである孔１３が厚さ３００ｎｍの金からなる金属膜１１に形成された表面プラスモン発生器１０の遠視野(far-field)透過スペクトルを示している。
【００２７】
図２（ｂ）に示したように、両側の界面、即ち空気−金属及びサファイア−金属の界面から表面プラスモン共振がはっきり見られる。図２（ｂ）で、９３０ｎｍピークは、(ｍ，ｎ)＝(１，０)または(０，１)を有する空気−金属表面プラスモン共振に対応し、１２００ｎｍピークは、(ｍ，ｎ)＝（１，１）を有するサファイア−金属表面プラスモン共振である。
【００２８】
一般に、光は、その分散曲線が表面プラスモンの分散曲線と交差されないため、表面プラスモンにより直接結合されることはできない。しかし、周期がｐである孔１３配列の四角形格子(grating)構造で、光子(photon)は、運動量保存に対する次の式を満足させる格子運動量Ｇ＝２π/ｐを足すことにより表面プラスモンに励起される：
Ｋｓｐ＝Ｋｐｈ±ｍＧｘ±ｎＧｙ  (１)
ここで、ｍ及びｎは、整数であり、ｘ及びｙは、各方向に対する単位ベクトルであって、Ｋｓｐ及びＫｐは、各々表面プラスモン及び量子平面ウエーブベクトル(wavevector)である。
【００２９】
垂直入射(normal incidence)に対し、共振波長は、次の式により近似値が求められる：
【数１】
2005509900.tif 000002
【００３０】
ここで、εは、空気またはサファイアの誘電常数である。
【００３１】
持続波(continuous wave)チタニウム：サファイアレーザーがサファイア−金属側に入射されて、直径１００ｎｍの孔を有する金属−被覆された光繊維チップが空気−金属側で光を収集する透過モードの近視野走査光学顕微鏡(Near-field Scanning Optical Microscope：以下、ＮＳＯＭ)を使用した結果が図２（ｃ）と図２（ｄ）に示されている。図２（ｃ）は、ＮＳＯＭを利用して得られた原子力顕微鏡(ＡＦＭ；atomic force microscope)イメージであり、図２（ｄ）は、垂直偏光された光(矢印方向)と共に空気−金属(０，１)モード表面プラスモンの共振励起に対する近視野イメージを示す。光が主に孔からのみ放出されるという予想とは違って、大部分の放出光は、偏平な金属表面で入射光の偏光方向に垂直な縞模様で発見される。水平偏光された光が入射される場合、透過光の縞模様は、入射光の偏光方向に対し垂直となる。大抵の場合、孔の外側の顕著な放出が縞模様と類似なパターンの形態として発見される。
【００３２】
上記実験で、サファイア−金属モードの近視野イメージを空気−金属モードの近視野イメージと比較すると、サファイア−金属(１，１)モードは、図３（ａ）に示したように、主に孔１３の周辺に極限されて、図３（ａ）で矢印方向(１，１)に沿った格子ブラッグ(Bragg)ベクトルによる対称性が現れるが、いかなる放出光の縞模様も見えない。これに反し、空気−金属(１，０)モードは、図３（ｂ）に示したように、図３（ｂ）の矢印方向に対し垂直な縞模様が現れる。
【００３３】
また、孔１３配列による格子パターンの縁で、イメージは、サファイア−金属(１，１)モードと空気−金属(１，０)モードで顕著に異なる。図３（ｃ）に示したように、サファイア−金属モードの強度は、格子の縁で急激に減少される反面、図３（ｄ）及び図３（ｅ）に示したように、空気−金属(１，０)モードに対する放出強度の干渉性の発振は、数μｍの距離よりさらに遠く持続される。
【００３４】
図２（ａ）乃至図３（ｅ）に示されたイメージを理解するために、表面プラスモンと光との間の結合に関する運動量保存を考慮することが重要である。小さい孔サイズの制限で、空気とサファイアの異なる誘電常数のため、一側界面で顕著に現れるモードが他の界面ではよく現れない。従って、空気−金属モードプラスモンは、照射されたサファイア−金属側での生成過程でただ弱く励起されるが、空気−金属側では顕著に発生し、一旦空気−金属モードプラスモンが周期的な孔１３配列により励起され、金属表面に沿って伝播されて干渉パターンを形成すると、効率的に光に変換できる。
【００３５】
従って、このようなモードの放出パターンは、図３（ｂ）及び図２（ｄ）に示されたように、Ｋｘ＝±２π ｍ/ｐまたはＫｙ＝±２π ｎ/ｐを有する表面プラスモンの定在波干渉により決定される。９５％以上の近視野イメージでコントラストは、光子バンドギャップ構造で観察された効果と類似な、非常に効率なウエーブベクトル選択を奏する。
【００３６】
一方、サファイア−金属モードは、それが空気−金属界面で一旦露出されると、運動量保存を満たすことができない。また、このような二つの界面間の速度(“インピーダンス”)の不一致が大きいため、サファイア−金属(１，１)モードの極限された放出パターンから明らかなように、サファイア−金属モードは、空気−金属界面でより短い空間的可干渉性長さを有する傾向がある。従って、一側界面で強く励起されたモードは、他の界面で効果的に光を結合することができない。
【００３７】
図３（ｅ）(青い線)により推論される‘減衰長さ’は１μｍ程度であるが、この距離は、表面プラスモンの伝播長さとして捕えない。これはただ、放射損失に大きく影響を受ける、このような表面プラスモンパターンの減衰長さを示す。非放射表面プラスモンは、遥かに長い距離まで伝播できる。
【００３８】
以上の結果のように、空気−金属界面で、サファイア−金属モード及び空気−金属モードの両方とも現れて、この両モードの差は、分散カーブの差によるものであって、表面プラスモンの伝播は、空気−金属界面でさらによく伝播される。従って、孔配列により励起される表面プラスモンの伝播特性を活用するためには、サファイア−金属モードより空気−金属モードの使用がもっと適合していることが分かる。
【００３９】
次の実験は、表面プラスモン伝播特性、特に、伝播長さに対する評価のための実験である。図４（ａ）に示したように、入射光が第１の格子構造(Ｇ２)に入射されてプラスモンを励起し、２５μｍ程度離れた第２の格子構造Ｇ１で近視野放出パターンを検出する。第１及び第２の格子構造は、周期的な孔配列により形成される。図４（ｂ）は、第２の格子構造Ｇ１の縁でのＡＦＭイメージを示す。
【００４０】
また、図４（ｃ）は、第２の格子構造Ｇ１の縁での近視野放出パターンを示し、図４（ｄ）は、図４（ｃ）に対し入射光の偏光が９０度回転された場合の近視野放出パターンを示す。入射光の偏光が第２の格子構造Ｇ１と第１の格子構造Ｇ２とを連結する線に平行する場合、図４（ｃ）に示されたように、第２の格子構造Ｇ１で強い信号が検出される。入射光の偏光方向を９０度回転した場合、図４（ｄ）に示されたように、いかなる信号も第２の格子構造Ｇ１から検出されない。
【００４１】
このような事実により、第１の格子構造Ｇ２から生成された表面プラスモン伝播方向は入射光の偏光に平行で、表面プラスモンの伝播長さは数十μｍ程度であるということが明らかに説明される。前記伝播長さの値は、銀からなる金属膜平面での伝播長さと類似している。また、図４（ｃ）に示された明確な干渉パターンは、第１の格子構造Ｇ２から形成された表面プラスモンが可干渉性を維持しながら第２の格子構造Ｇ１へまで伝播するということを表す。
【００４２】
図４（ｅ）は、図４（ｂ）及び図４（ｃ）での水平方向に対する断面図である。図４（ｅ）に示されたように、第２の格子構造Ｇ１パターンの孔は、本質的に暗く表れる。これは、図３（ａ）でのように、サファイア−金属モード表面プラスモンが空気−金属界面で表れるのと同様に、格子構造Ｇ１での空気−金属モード表面プラスモンが孔の表面に沿ってサファイア−金属界面に流れるということを暗示する。
【００４３】
次に、メソ(meso)領域距離にかけて伝播する表面プラスモンの効率的な生成は、空気−金属界面でのプラスモン界を操作する新しい方法を提示する。これは、図５（ａ）に示されたように、検出部と励起部の位置が１００μｍ離れた二つの隣接した孔配列からなる導波管構造で、表面プラスモンの放出特性を分析することにより説明される。励起される波長は、垂直方向に平行した入射偏光を有する空気−銀(０，１)モード共振により決定される。強い光放出は、導波路(waveguide)領域の内部で検出されて、四角形導波路の励起モードと類似した放出パターンを有する。孔配列の中央では放出が検出されない反面、弱い放出成分は(孔付近の中央)配列エッジから発見されて、これは配列の内部に行くほど急激に減衰される。勿論、励起地点付近で、両格子領域からの光放出は、両格子領域の間での偏平な金属表面から放出されたものより遥かに大きい。しかし、励起位置からの距離が遠くなるほど、格子配列の内部に伝播する波に対する放射損失が大きくて、このような波は大いに減衰される。逆に、連結された金属ストリップに沿って誘導された波に対する放射損失は、導波路構造の内部でかなり減少される。従って、孔配列によりプラスモンの伝播経路を形成することで、伝播長さがより大きくなれる。
【００４４】
以上の実験結果によると、金属膜が貫通深さより遥かに厚い場合でも、光が不透過金属表面から強く放出される。このような驚くべき現象は、光に強く転換される表面プラスモンの生成、伝播及び干渉に起因する。遠視野透過で空気−金属モードとサファイア−金属モード共振の強度がほとんど同一であることは、励起と放出過程の間の均衡により理解できる。表面プラスモン伝播方向は、光偏光により制御されて、伝播距離は、数十μｍより大きくすることができる。このような結果は、表面プラスモンソース及びナノ光学の表面プラスモン検出器のような金属格子の新しい応用を通じて光素子及び光装置の効率の改善を提示する。
【００４５】
図６は、空気−金(１，０)モードでの金属表面とチップとの距離による光放出パターンの変化を示している。図６（ａ）〜６（ｄ）から、光放出パターンは、２．２μｍ以上までよく維持されて、このような信号の大部分は、表面近所に限定された波(evanescent wave)ではなく、遠距離まで放出される光であるということが分かる。定量的な分析もまたこの事実を裏付ける。図６（ｅ）は、ｘｙ−平面に対し積分した総信号の量をチップとサンプルとの間の距離ｚの関数により示したものであって、近接場信号の半分以上が遠距離まで放出される光であることが分かる。また、エバネッセント(evanescent)波は、数百ナノメートルの距離以内で全て消えるため、図６（ｆ）から分かるように、距離が遠くなるほど光放出の形態は単純になり、小さい常数形態が加えられた以下の形態になる。
【数２】
2005509900.tif 000003
【００４６】
ここで、α０は、格子常数を示す。このような事実は、Ｅｘのｘ−方向周期が２α０である光放出表面プラスモン(radiating surface plasmon)モードの存在を意味する。また、このモードのパターンがよく維持されるという特性は、新しい光蝕刻装置に応用できる。
【００４７】
しかし、光放出表面プラスモンが全ての表面プラスモン共振条件で形成されるものではないということを図７から分かる。図７は、空気−銀(１，０)モードとサファイア−銀(１，１)モードのチップ−サンプル間の距離による光放出パターンの変化を比較したものである。図６でと同様に、空気−銀(１，０)モードは、そのパターンが遠い距離までよく維持されるが、サファイア−銀(１，１)モードは、そのパターンが数百ナノメートル以内で消えてしまうことが分かる。
【００４８】
以下、図１及び図６乃至図１２（ｂ）を参照し、本発明の実施の形態による表面プラスモン装置の応用例を説明する。
【００４９】
図１は、本発明の実施の形態による表面プラスモン発生器１０の斜視図である。図１に示されたように、金属膜１１は、サファイアのような誘電体基板１２上に形成されて、格子構造を成す周期的な孔１３配列が金属膜１１に形成される。
【００５０】
光が誘電体基半２側から孔１３配列に入射される場合、前述したように、格子構造の孔１３配列により表面プラスモンが励起されて表面プラスモン発生器１０は、効率的かつ容易に表面プラスモンを生成する。
【００５１】
図８は、本発明の実施の形態による可干渉性を用いた表面プラスモンスプリター２０の応用例を示した平面図である。図８に示されたように、金属膜２１は、サファイアのような誘電体基板２２上に枝状に形成されて、表面プラスモン発生器の役割をする周期的な孔２３ａ配列の第１の格子構造２４が金属膜２１の一端に形成される。金属膜２１の中央部は、例えば、図８に示されたような少なくとも二つ以上の枝状に分離された形状を有して、表面プラスモンスプリターの役割をする周期的な孔配列や円筒配列２３ｂを有する第２の格子構造２５が形成される。金属膜２１の中央部から枝状に分離された各々の端部には、表面プラスモン検出器の役割をする周期的な孔配列または円筒配列２３ｃ及び２３ｄを有する第３の格子構造２６及び第４の格子構造２７が各々形成される。
【００５２】
水平に偏光された光が誘電体基板２２側から金属膜２１の第１の格子構造２４に入射される場合、第１の格子構造２４により表面プラスモンが励起されるため、第１の格子構造２４は、表面プラスモンのソースとして作用する。第１の格子構造２４から生成された表面プラスモンは、金属膜２１の表面に沿って金属膜２１の中央部に形成された第２の格子構造２５まで伝播される。表面プラスモンの伝播特性は、直進性を有するため、第１の格子構造２４から生成された表面プラスモンは第２の格子構造２５まで伝播でき、第２の格子構造２５により再び第３の格子構造２６及び第４の格子構造２７方向に各々分離されて伝播される。ここで、表面プラスモンの各々分離される比率は、第２の格子構造２５の形状により変化できる。表面プラスモンは、第３の格子構造２６及び第４の格子構造２７まで伝播されて各々の格子構造２６、２７により光に変換されるため、第３の格子構造２６及び第４の格子構造２７は、各々第１の検出器及び第２の検出器として作用する。本実施の形態では、二つに分離された表面プラスモンスプリターを示しているが、本発明はそれに限定されるものではない。
【００５３】
図９は、本発明の他の実施の形態の表面プラスモンスプリター３０の平面図である。図９に示されたように、金属膜３１は、サファイアのような誘電体基板３２上にＴ字状に形成される。プラスモン発生器の役割をする周期的な孔３３ａ配列の第１の格子構造３４が金属膜３１の一端部に形成されて、第２の格子構造３５を成す周期的な孔３３ｂ配列や円筒配列が金属膜３１の一端部に対向する金属膜３１の他端部に形成されて、第３の格子構造３６を成す周期的な孔３３ｃ配列や円筒配列が第１の格子構造３４と第２の格子構造３５とを連結する金属膜３１の中間部から延長された中間端部に形成される。第１の格子構造２４と第２の格子構造２５との間を延長する金属膜３１の中間部に、例えば、２００ｎｍ以下のギャップ３７が対角線状に形成される。このギャップには所定の誘電率を有する誘電体が満たされるようになる。
【００５４】
水平に偏光された光が、図８の表面プラスモンスプリター２０と同様に、誘電体基板３２側から金属膜３１の第１の格子構造３４に入射される場合、第１の格子構造３４により表面プラスモンが励起されるため、第１の格子構造３４は、表面プラスモンの発生器として作用する。第１の格子構造３４から生成された表面プラスモンは、金属膜３１の表面に沿って金属膜３１の中間付近に形成されたギャップ３７まで伝播される。第１の格子構造３４から伝播された表面プラスモンの一部は、ギャップを形成するために対角線状に形成された面により反射され、第３の格子構造３６へと伝播方向が変わるようになるが、他の一部は、トンネル効果により前記ギャップ３７を通過し第２の格子構造３５に伝播される。従って、表面プラスモンは、第２の格子構造３５及び第３の格子構造３６まで伝播され、各々の格子構造３５、３６により表面プラスモンが光に変換されるため、第２の格子構造３５及び第３の格子構造３６は、各々第１の検出器及び第２の検出器として作用する。この際、両金属膜間のギャップの大きさとその中に満たされる誘電体の誘電率とを調節して分割比率を調節することができて、またギャップを成す金属境界面の角度を調節して反射される表面プラスモンの進行方向を変えることができる。
【００５５】
図１０は、本発明の実施の形態による表面プラスモンミラー４０の平面図である。図１０に示されたように、金属膜４１は、サファイアのような誘電体基板４２上に“¬”字状に形成される。第１の格子構造４４を成す周期的な孔４３ａ配列が金属膜４１の一端部に形成されて、第２の格子構造４５を成す周期的な孔４３ｂ配列が第１の格子構造４４と直角を成す金属膜４１の他端部に形成されて、第１の格子構造４４と第２の格子構造４５とが交差される部分は、対角線に切断された形状を有する。
【００５６】
図１０の表面プラスモンミラー４０は、図９の表面プラスモンスプリター３０から第２の格子構造３５が形成された金属膜を除外すると、図９の表面プラスモンスプリター３０と同一な形を有する。水平に偏光された光が誘電体基板４２側から第１の格子構造４４に入射される場合、第１の格子構造４４により表面プラスモンが励起されるため、第１の格子構造４４は、表面プラスモンの発生器として作用する。第１の格子構造４４から生成された表面プラスモンは、金属膜４１の表面に沿って、金属膜４１の中間部に形成された対角線に切断された形状に至ると、金属膜４１の対角線形状により反射されて、伝播方向が第２の格子構造４５に変わる。第２の格子構造４５まで伝播された表面プラスモンは、格子構造４５により光に変換されて、よって、第２の格子構造４５は、検出器として作用する。
【００５７】
図１１は、本発明の実施の形態による表面プラスモン制御器５０の平面図である。図１１に示されたように、表面プラスモン制御器５０は、サファイアのような誘電体基板５２；誘電体基板５２上に形成された棒状の金属膜５１；及び金属膜５１の両端部に形成された一対の電極５６及び５７を含む。第１の格子構造５４を成す周期的な孔５３ａ配列が金属膜５１の一端に形成されて、第２の格子構造５５を成す周期的な孔５３ｂ配列が第１の格子構造５４に対向する金属膜５１の他端部に形成される。
【００５８】
水平に偏光された光が誘電体５２側から第１の格子構造５４に入射される場合、第１の格子構造５４により表面プラスモンが励起されるため、第１の格子構造５４は、表面プラスモンのソースとして作用する。第１の格子構造５４から生成された表面プラスモンは、金属膜５１の表面に沿って第２の格子構造５５に伝播される。第２の格子構造５５まで伝播された表面プラスモンは、第２の格子構造５５により入射光の偏光方向に垂直な縞模様の光に変換されて、よって、第２の格子構造５５は、検出器として作用される。
【００５９】
この際、一対の電極５６、５７に電界を印加することにより、第１の格子構造５４から金属膜５１の表面に沿って第２の格子構造５５に伝播される表面プラスモンを制御することができる。例えば、電極５６に陽の電圧を印加して、電極５７に陰の電圧を印加する場合、一対の電極５６、５７に印加された電圧による電界の方向が表面プラスモンの伝播方向と同一であるため、第２の格子構造５５にさらに多い表面プラスモンが伝播されて、入射光の偏光方向に垂直した縞模様の光が放出される。これとは逆に、電極５６に陰の電圧を印加して、電極５７に陽の電圧を印加する場合、一対の電極５６及び５７に印加された電圧による電界の方向が表面プラスモンの伝播方向と反対となりプラスモンの伝播を邪魔するため、第２の格子構造５５では光が放出されない。
【００６０】
本実施の形態では、電界を使用した制御について説明したが、電極を使用する代わりに、前述したように、表面プラスモンの伝播方向は入射光の偏光方向に平行するため、入射光の偏光方向を変更することにより、表面プラスモンを制御することもできる。
【００６１】
図１２（ａ）は、本発明の実施の形態による光蝕刻マスクの斜視図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の光蝕刻マスクを使用しパターンが形成されたフォトレジスト−積層基板の斜視図である。図１２（ａ）に示されたように、金属膜６２は、サファイアのような誘電体基板６１上に形成されて、その金属膜６２には周期的な配列を有する孔が形成されている。この際、フォトレジスト−積層基板６４に形成しようとするパターンは、入射光の波長と偏光により決定される。特に、光が誘電体基板６１側から入射されて、波長が空気−金属表面プラスモン共振条件に合わせている場合、光の偏光を調節すると縞模様の光が放出される。前記放出された光は、金属格子近所では複雑なパターンを示すが、数百ｎｍ程度離れると簡単なサイン波の形態を示し、このようなサイン波は、数十μｍまで維持される。従って、金属膜６２から数μｍ離れた位置にフォトレジスト−積層基板６４が配置される場合、前記サイン波状の放出光がフォトレジスト−積層基板６４に照射されて、きれいな形の線が形成される。
【００６２】
以上、表面プラスモン装置について好ましい実施の形態を図示し説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、表面プラスモン装置を利用して光素子及び光装置の効率を高めることができるということは、当業者にとって明らかなことであろう。
【産業上の利用分野】
【００６３】
本発明によると、誘電体基板上に金属膜を形成し、金属膜に格子構造を成す周期的な孔配列を形成して、光が誘電体基板側から孔配列に入射される場合、孔配列の金属膜側で表面プラスモンが励起されることにより、容易且つ効率的に特定な方向に進行する表面プラスモンを生成することができる。また、金属膜に設けられる周期的な孔配列または円筒配列は、局所的な光検出器と結合されて表面プラスモン検出器として働くようになる。そして本発明によると、表面プラスモンスプリターと表面プラスモンミラーを提供して効果的に表面プラスモンの伝播を調節することができる。このような発明は、光素子の効率の高めるために表面プラスモンが使用される素子において重要な役割をする。また、本発明では、表面プラスモン発生器から作られる光が特定な条件下ではそのパターンを数マイクロメートルまで維持できるという特性と、またそのパターンを入射光の波長と偏光を調節して変化させることができるという特性を利用して、新しい概念の光蝕刻装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】表面プラスモン発生の原理を説明するための本発明の実施の形態による表面プラスモン発生器の斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１の金属膜に形成される孔の周期的な配列の電子顕微鏡イメージを示した図、（ｂ）は、図１の表面プラスモン発生器に光を入射した場合の遠視野(far-field)透過スペクトルを示した図、（ｃ）は、図１の表面プラスモン発生器に光を入射した場合の原子力顕微鏡(AFM ; atomic force microscope)イメージを示した図、そして、（ｄ）は、図１の表面プラスモン発生器に光を入射した場合の空気−金(０，１)共振での近視野透過イメージを示した図である。
【図３】（ａ）は、サファイア−銀(１，１)モード共振での近視野透過イメージを示した図、（ｂ）は、空気−銀(１，０)モード共振での近視野透過イメージを示した図、（ｃ）は、図３（ａ）の金属膜の周期的な孔配列のエッジでのイメージを示した図、（ｄ）は、図３（ｂ）の金属膜の周期的な孔配列のエッジでのイメージを示した図、そして、（ｅ）は、図３（ｃ）及び図３（ｄ）での水平方向に対する放出光の強度を示したグラフである。
【図４】（ａ）は、空気−銀(１，０)モード表面プラスモンの伝播特性実験の概略図、（ｂ）は、図４（ａ）のＧ１のエッジでの原子力顕微鏡イメージを示した図、（ｃ）は、図４（ｂ）に対する近視野放出パターンを示した図、（ｄ）は、図４（ｃ）に対し入射光の偏光が９０゜回転された場合の近視野放出パターンを示した図、そして、（ｅ）は、図４（ｂ）及び図４（ｃ）での水平方向に対する放出光の強度を示したグラフである。
【図５】（ａ）は、空気−サファイア(０，１)モード表面プラスモンの導波(waveguiding)実験の概略図、（ｂ）は、図５（ａ）の原子力顕微鏡イメージを示した図、そして、（ｃ）は、図５（ｂ）の原子力顕微鏡イメージと同時に記録された近視野放出パターンを示した図である。
【図６】（ａ）は、近接場での空気−金(１，０)モードの放出パターン図、（ｂ）は、表面から０．１４μｍ離れた地点での空気−金(１，０)モードの放出パターン図、（ｃ）は、表面から１．２μｍ離れた地点での空気−金(１，０)モードの放出パターン図、（ｄ）は、表面から２．２μｍ離れた地点での空気−金(１，０)モードの放出パターン図、（ｅ）は、表面からの距離の関数による、光放出の全体強度を示したグラフ、そして、（ｆ）は、図４（ｃ）を水平方向に切断して、光放出の強度を水平方向の距離の関数により示したグラフである。
【図７】（ａ）は、近接場での空気−銀(１，０)モードの放出パターン図、（ｂ）は、表面から２．４５μｍ離れた地点での空気−銀(１，０)モードの放出パターン図、（ｃ）は、近接場でのサファイア−銀(１，１)モードの放出パターン図、そして、（ｄ）は、表面から０．６８μｍ離れた地点でのサファイア−銀(１，１)モードの放出パターン図である。
【図８】本発明の実施の形態による表面プラスモンスプリターの平面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態による表面プラスモンスプリターの平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態による表面プラスモンミラーの平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態による電界を用いた表面プラスモン制御器の平面図である。
【図１２】（ａ）は、本発明の実施の形態によるフォトリソグラフィーマスクの斜視図、そして、（ｂ）は、図１２（ａ）のフォトリソグラフィーマスクを使用してパターンが形成されたフォトレジスト−積層基板の斜視図である。
【図１】
2005509900.tif 000004
【図２】
2005509900.tif 000005
【図３】
2005509900.tif 000006
【図４】
2005509900.tif 000007
【図５】
2005509900.tif 000008
【図６】
2005509900.tif 000009
【図７】
2005509900.tif 000010
【図８】
2005509900.tif 000011
【図９】
2005509900.tif 000012
【図１０】
2005509900.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2005509900.tif 000015
【国際調査報告】
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