(57)【要約】【課題】  粒子の集合または単一粒子を検出する。【解決手段】  電磁放射線を入射させる誘電体導波路（１２５，３２５，４２５）と、格子定数及び欠陥領域（１２９）を有し、前記誘電体導波路（１２５，３２５，４２５）から前記電磁放射線を受け、ある動作波長で前記欠陥領域（１２９）に前記電磁放射線を閉じ込める、誘電体媒質によって包囲された導電性ロッド（１２０）の２次元周期格子（１９９）とを具備する導電性空洞センサ構造（１１０、１８０）を提供する。【選択図】図１ａ
2007093602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射線を入射させる誘電体導波路と、
格子定数及び欠陥領域を有し、前記誘電体導波路から前記電磁放射線を受け、ある動作波長で前記欠陥領域に前記電磁放射線を閉じ込める、誘電体媒質によって包囲された導電性ロッドの２次元周期格子と
を具備する導電性空洞センサ構造。
【請求項２】
前記２次元周期格子の２つの向かい合った面を被う１対の導電層をさらに具備する請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記２次元周期格子が正方形格子である請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記１対の導電層の一方が穴を含む請求項２に記載の構造。
【請求項５】
前記導電性ロッドが銀から構成される請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記誘電体導波路に結合された同調可能光源をさらに具備する請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記誘電体媒質が水である請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記誘電体媒質が空気である請求項１に記載の構造。
【請求項９】
前記誘電体導波路が、前記誘電体媒質によって包囲された導電性ロッドの前記２次元周期格子にエバネッセント結合されている請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記誘電体導波路がシリコンから構成される請求項１に記載の構造。
【請求項１１】
前記導電性ロッドの長さが前記格子定数の約半分である請求項１に記載の構造。
【請求項１２】
前記誘電体導波路がテーパ状である請求項１に記載の構造。
【請求項１３】
それぞれが、誘電体媒質によって包囲された導電性ロッドの複数の２次元周期格子の１つを含み、導電性ロッドの前記複数の２次元周期格子のそれぞれが欠陥領域を含む、誘電体導波路にエバネッセント結合された複数の導電性空洞センサ構造。
【請求項１４】
導電性ロッドの前記複数の２次元周期格子のそれぞれが異なる格子定数を備える請求項１３に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性空洞センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
分数波長寸法(sub-wavelength dimensions)に基づいて電磁放射線を局在化する構造がセンサとして用いられることができる。例えば、参考までに本明細書において引用されている先行技術文献（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）に開示されているように、誘電体フォトニック結晶は、光を局在化するために利用可能であり、センサとして機能することが可能である。
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第１０／７９９，０２０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第１１／０７８，７８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする問題点は、粒子の集合または単一粒子を検出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、導電性空洞センサを用いて、粒子の集合または単一粒子を検出することが可能である。導電性空洞センサは、誘電体媒質によって包囲された導電性ロッドの２次元周期格子を含み、周期格子の欠陥が検知容積と働く。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明による実施形態の１つに従って、図１ａに欠陥領域１２９を備える導電性空洞センサ構造１１０の平面図が示され、図１ｂに導電性空洞センサ構造１１０の断面１００の図が示されている。導電性空洞センサ構造１１０は、格子定数がａの正方形の２次元周期格子１９９と、１対の導電層１５０とを形成する誘電体媒質によって包囲された導電性ロッド１２０を含む。図１ａに示す２次元周期格子１９９は、正方形対称をなすが、本発明に従って三角形対称または任意の他の対称を利用することが可能である。本発明による実施形態は、格子定数ａに対応することに留意されたい。導電層１５０は、典型的な厚さが約０．２５ａであり、図１ｂに示す上面と底面の両方において、正方形の２次元周期格子１９９を覆っている。本発明による実施形態の１つでは、導電性ロッド１２０の典型的な半径ｒは、約０．３４ａであり、一般的な長さは、約０．５ａである。一般に、適切に同調可能な光源（図示せず）からの電磁放射線は、誘電体導波路１２５を用いて導電性空洞センサ構造１１０に結合され、導電性空洞センサ構造１１０から分離される。誘電体導波路１２５は、導電性空洞センサ構造１１０への結合を改善するため、テーパ状にすることが可能である。誘電体導波路１２５の一般的な屈折率ｎwは約２に等しく、一般的な幅はほぼ格子定数ａに等しく、典型的な厚さは約０．５ａである。一般に光波長である波長λの電磁放射線が、導波路１２５によって１１方向に沿って正方形の２次元周期格子１９９に結合される。全ての計算において、導体については完全な導電性が想定される。これは、約１５５０ｎｍの赤外線波長の金、銀、及びアルミニウムのような導体についてはほぼ正しい。しかし、可視光波長の場合、アルミニウムと銀だけがほぼ完全な導体である。
【０００７】
図１ｃには、導電性空洞センサ構造１８０が示されており、本発明による導電性空洞センサの背景にある理論の理解に役立つ。図１ｃにおいて、導電性ロッド１２０の半径は、０．２８ａであり、長さは０．５ａである。電磁放射線は、誘電体導波路１２５を用いて、正方形の２次元周期格子１９８の１１方向に沿って、導電性空洞センサ構造１８０に結合され、導電性空洞センサ構造１８０から分離される。誘電体導波路１２５は、一般的な屈折率ｎwが約２に等しく、典型的な幅が約ａであり、典型的な厚さが約０．５ａである。導電性ロッド１２０は、屈折率ｎcが約１．４に等しい誘電体媒質によって包囲されているものとする。
【０００８】
導電性空洞センサ構造１８０内の導電性ロッド１２８は、本発明に従って、半径を変更することもできるし、又は完全に除去して欠陥領域１２９（図１ａ参照）を生じさせることも可能である。図２ａの曲線２７５は、導電性ロッド１２８の半径が導電性ロッド１２０と同じで、ａ／λにおけるカットオフが約０．４９とした場合の透過率対周波数に関する非摂動事例を示している。光学的バンドギャップ（非許容状態）は、ほぼゼロのａ／λから約０．４９のカットオフａ／λにわたる。透過率対周波数に対する導電性ロッド１２８の半径を約０．１ａに縮小する効果が曲線２８５によって示されている。欠陥状態は、０．４９ａ／λ未満の約０．４１ａ／λに生じる。透過率対周波数に対する導電性ロッド１２８を完全に除去し、欠陥領域１２９を生じさせる効果が、曲線２９５によって示されており、欠陥状態が約０．２８のａ／λへと低下する。
【０００９】
図２ｂには、図１ａにおけるロッド１２０の半径を拡大する効果が示されている。図２ｃの曲線２４０と、２５０と、２６０とは、長さが０．５ａで、半径が、それぞれ、０．２８ａ、０．３１ａ、及び０．３４ａの導電性ロッド１２０に対応する。電磁放射線は、典型的な屈折率ｎwが約２に等しく、典型的な幅が約ａで、典型的な厚さが約０．５ａの誘電体導波路１２５を用いて、正方形の２次元周期格子１９９の１１方向に沿って、導電性空洞センサ構造１１０に結合され、導電性空洞センサ構造１１０から分離される。導電性ロッド１２０は、屈折率ｎcが約１．４に等しい誘電体媒質によって包囲されている。曲線２４０と、２５０と、２６０とによって示されるように、導電性ロッド１２０の半径が増すにつれて、欠陥ピークは、曲線２４０に関する約０．２９のａ／λから曲線２６０に関する約０．３３のａ／λに移行する。同様に、カットオフ周波数は、曲線２４０に関する約０．５０のａ／λから約０．５５のａ／λに移行する。
【００１０】
図２ｃには、導電性空洞センサ構造１１０に沿った電磁放射線が示されている。図２ｃの共振２１０と、２２０と、２３０とは、誘電体媒質の屈折率ｎcが、それぞれ、約１．２、約１．３、及び約１．４に等しい場合、約０．３８８、約０．３５９、及び約０．３３０に等しいａ／λで生じる。この結果、約０．７７の感度測定値（Δλ／λ0）Δｎcが得られる。導電性空洞センサ構造１１０のＱ値は、それぞれ、約１．２、約１．３、及び約１．４に等しいｎcに関して、約３３、約１９、及び約１０であり、ここで、ｎcは導電性空洞センサ構造１１０の空洞の屈折率である。導電性空洞センサ構造１１０の空洞の屈折率が増すと、誘電体導波路１２５の漏洩が増大し、Ｑを低下させる働きをする。結合が不十分であれば、漏洩は減少してＱが高くなるので、誘電体導波路１２５の材料としてＳｉを用いることが可能になる。上記で引用されている米国特許出願公開第１０／７９９，０２０号明細書及び米国特許出願公開第１１／０７８，７８５号明細書に記載の誘電体フォトニック結晶に比較すると、本発明による導電性空洞センサ構造１１０は、誘電体フォトニック結晶よりも感度測定値は高くなるが、導体の損失によって、一般に、Ｑ値が誘電体フォトニック結晶で得られるよりも低くなる。
【００１１】
図３には、一列に配置され、導波路３２５にエバネッセント結合(evanescently coupled)された複数導電性空洞センサ構造３０１と、３０２と、３０３とが示されている。エバネッセント結合によって、電磁放射線は、妨げられることなく、導電性空洞センサ構造３０１と、３０２と、３０３とに分配されることになる。導電性空洞センサ構造３０１と、３０２と、３０３とは、それぞれ、一般に、異なる共振周波数で動作し、異なる粒子または分子の検出に利用可能である。
【００１２】
図４には、本発明による導電性空洞センサ構造４１０の断面図が示されている。導波路４２５によって、電磁放射線は、導電性空洞センサ構造４１０に結合され、導電性空洞センサ構造４１０から分離されるが、一方、導電性プレート４５０の穴４１５及び４２０によって、探測される材料が導電性空洞センサ構造４１０を通過可能になる。例えば、探測される材料が、穴４１５を介して欠陥領域４２９に注入され、共振が修正される。粒子の屈折率が分っていれば、ある特定溶液内における粒子濃度を求めることが可能である。同様に、小粒子の屈折率が分っていれば、共振、一般には、基本共振のシフトによって、欠陥領域４２９内における蛋白質分子のような、注入された小粒子の存在を確認することが可能である。
【００１３】
ａ／λ＝０．３８の共振に関する共振波長のシフトがΔλ＝１ｎｍであり、感度（Δλ／λ0）／Δｎc＝０．７７４であり、導電性空洞センサ構造１１０が誘電体媒質として、屈折率ｎw＝１．３２の水を利用するものと仮定する。電磁放射線が、それぞれ、１５５０ｎｍまたは４４０ｎｍの動作波長で送り込まれる場合、蛋白質分子の公称直径が、１２０ｎｍまたは５０ｎｍであれば、屈折率ｎp＝１．４９の蛋白質分子を検出することが可能である。明らかに、他が全て等しければ、波長が短くなると、より小さい粒子の検出が可能になる。
【００１４】
図５ａ〜図５ｃには、本発明に従って導電性空洞センサ構造５００を作製する一連のステップが示されている。図５ａには、Ｓｉ層５１５（図５ｂ参照）の厚さが約０．２５μｍで、ＳｉＯ3層５０８（図５ｂ参照）の厚さが約０．１μｍ〜約３μｍの範囲にわたる、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）・ウェーハ５０５が示されている。Ｓｉ導波路パターン５１０は、一般に、電子ビーム露光ステップと、それに続く、下に位置するシリコンへのパターン転写ステップを利用して、ＳＯＩウェーハ５０５上に形成される。必要に応じて、導電性空洞センサ５００への光の入射及び導電性空洞センサ５００からの光の出射を効率よく行えるようにするため、Ｓｉ導波路パターン５１０に適切なテーパをつけることが可能である。次に、ブランケットＴｉ／Ａｕ蒸着を実施して、ＳＯＩ５０５ウェーハが被覆される。Ｔｉが、約５０Åの厚さまで付着させられ、引き続いて、金が約１０００Å〜約３０００Åの範囲の厚さまで付着させられる。次に、導波路５１０間において周期格子領域５０７を保護するポジ型フォトレジストを用いて、マスキング・ステップが実施される。次に、標準的エッチングを利用して、Ｔｉ／Ａｕ層の露光部分が除去される。例えば、Ａｕは、ＡＵＲＯＳＴＲＩＰ（登録商標）のような適合する金エッチング液で除去することが可能であり、Ｔｉは、それぞれ、１００：１の比率のＨＦ：Ｈ2Ｏ混合液で除去することが可能である。その後、約１５００Å〜約４０００Åの厚さまで電子レジスト層５３０が付着させられ、引き続いて、約３μｍの厚さの像反転フォトレジスト層５４０が付着させられる（図５ｂ参照）。
【００１５】
第１のＴｉ／Ａｕ層の形成に用いられたのと同じマスクを用いて、像反転フォトレジスト層を露光させ、像反転焼き出しが実施される。次に、現像ステップが実施されると、２次元周期格子領域５０７に像反転フォトレジスト材料（図５ｂ参照）がなくなり、下に位置する電子レジスト層が露出することになる。次に、ＳＯＩウェーハ５０５が電子ビーム・マシンに取り付けられ、適切な周期金属パターンを露光及び現像を施して、周期格子領域５７０に周期格子パターンが形成される。次に、厚さ約５０ÅのＴｉ接着促進層（不図示）が、一般に、付着させられ、続いて、図５ｂに示すように、Ａｕ層５７５が厚さ約０．５μｍまで付着させられる。像反転層５４０が溶解されて、周期格子領域５７０を除く全ての場所で、Ａｕ層５７５及びＴｉ接着促進層（不図示）が剥離される。次に、残りの電子レジスト層５３０が溶解されて、空隙５８８が残され、その結果、導電性ロッド５２０及び導電性プレート５５０を備えた図５ｃに示す導電性空洞センサ構造５００が生じることになる。
【００１６】
具体的実施形態に関連した本発明の説明を行ってきたが、当該技術者には、以上の説明に鑑みて、多くの代替、修正、及び変更実施形態が明らかになるであろう。従って、本発明は、付属の請求項の精神及び範囲内にある、こうした代替、修正、及び変更実施形態の全てを包含することを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１ａ】本発明による実施形態の１つを示す図である。
【図１ｂ】図１ａの実施形態の断面図である。
【図１ｃ】本発明による実施形態の１つを示す図である。
【図２ａ】本発明による実施形態に関する透過率対周波数曲線を示す図である。
【図２ｂ】本発明による実施形態に関する透過率対周波数曲線を示す図である。
【図２ｃ】本発明による実施形態に関する透過率対周波数曲線を示す図である。
【図３】本発明による複数導電性空洞センサ構造を示す図である。
【図４】本発明による実施形態の１つを示す図である。
【図５ａ】本発明による実施形態の１つを作製するためのステップを示す図である。
【図５ｂ】本発明による実施形態の１つを作製するためのステップを示す図である。
【図５ｃ】本発明による実施形態の１つを作製するためのステップを示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１１０  導電性空洞センサ構造
１２０  導電性ロッド
１２５  誘電体導波路
１２９  欠陥領域
１５０  導電層
１８０  導電性空洞センサ構造
１９９  ２次元周期格子
３０１  導電性空洞センサ構造
３０２  導電性空洞センサ構造
３０３  導電性空洞センサ構造
３２５  誘電体導波路
４１５  導電層の穴
４２５  誘電体導波路
４５０  導電層
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
2007093602.tif 000007
【図２ｃ】
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【図３】
2007093602.tif 000009
【図４】
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【図５ａ】
2007093602.tif 000011
【図５ｂ】
2007093602.tif 000012
【図５ｃ】
2007093602.tif 000013