(57)【要約】プラズモン導波路（８）を備えるフォトニック結晶デバイス（１）を作製する方法は、膜（２）を準備する工程と、所定の格子に従って配置され共振空洞（７）を含むスルーホール（６）の規則正しい平面配置により構成されたフォトニック結晶（５）が得られるように、プログラム方式で、上記膜（２）上に、集束イオンビームを供給する工程と、集束電子ビームにより誘導された化学気相成長法により、上記共振空洞に円錐状のプラズモン導波路（８）を提供する工程と、を備える。析出を誘導する集束電子ビームは、突出構造体のベースから当該突出構造体の先端まで電子ビームの横断面が徐々に減少するように制御され、電子ビームの位置を一定に保つ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズモン導波路（８）を備えるフォトニック結晶デバイス（１）を作製する方法であって、
-誘電体材料の膜（２）を準備する工程と、
-所定の格子に従って配置されたスルーホール（６）の規則正しい平面配置により構成されたフォトニック結晶（５）が得られるように、プログラム方式で、上記膜（２）上に、集束イオンビームを供給する工程と、を備え、上記フォトニック結晶は、上記スルーホールが存在しない領域であって格子の空間的に制限された領域を構成する共振空洞（７）をさらに備え、該共振空洞は、少なくとも１つの電磁波波長と共鳴状態にあるような寸法で形成され、
当該方法は、さらに、
-上記共振空洞においてプラズモン導波路（８）を提供する工程を備え、上記のプラズモン導波路を提供する工程には、
ａ）集束電子ビームにより誘導された化学気相成長法を介して、上記共振空洞（７）上に、金属−有機前駆ガスから、突出した構造体を成長させる工程と、
ｂ）貴金属層を析出させる工程と、
ｃ）上記突出した構造体から外側へ析出した貴金属を集束イオンビームにより選択的に除去する工程と、が含まれ、
プラズモン導波路の作製方法の工程ａ）において、析出を誘導する集束電子ビームが、上記膜上に析出された突出構造体の第１ベース層から当該突出構造体の最終先端層まで電子ビームの横断面が徐々に減少するように制御され、電子ビームの位置を一定に保つことを特徴とする方法。
【請求項２】
集束イオンビームを照射して上記フォトニック結晶（５）を得る前に、上記膜（２）が、スパッタリングにより金属フィルムで被覆されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記のプラズモン導波路の作製方法の工程ｂ）において、最初、銀の下層が析出され、その後金の上層が析出されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
上記膜が、原子間力顕微鏡のカンチレバー（Ｃ）を局所的に減少させることにより作製される請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズモン導波路を備えるフォトニック結晶デバイスの作製方法であって、
-誘電体材料の膜を準備する工程と、
-所定の格子に従って配置されたスルーホールの規則正しい平面配置により構成されたフォトニック結晶が得られるように、プログラム方式で、上記膜上に、集束イオンビームを供給する工程と、を備え、上記フォトニック結晶は、上記スルーホールが存在しない領域であって格子の空間的に制限された領域を構成する共振空洞をさらに備え、上記共振空洞は、少なくとも１つの電磁波波長と共鳴状態にあるような寸法で形成され、
当該方法は、さらに、
-上記共振空洞においてプラズモン導波路を提供する工程を備え、上記のプラズモン導波路を提供する工程には、
ａ）集束電子ビームにより誘導された化学気相成長法を介して、上記共振空洞上において、金属−有機前駆ガスから、突出した構造体を成長させる工程と、
ｂ）貴金属層を析出させる工程と、
ｃ）上記突出した構造体から外側へ析出した貴金属を集束イオンビームにより選択的に除去する工程と、が含まれる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、同様のタイプのハイブリッドプラズモン−フォトニックナノデバイスであって、科学出版物（Ｆ．デ アンジェリス、Ｍ．パトリーニ、Ｇ．ダス, Ｉ．マクシモフ, Ｍ．ギャリ, Ｌ．ブシナロ, Ｌ．Ｃ．アンドレアニ, 及びＥ．ジ ファブリジオ, "数分子のラベルフリー検出のためのハイブリッドプラズモン−フォトニックナノデバイス", ナノレター, ２００８年７月１７日, オンライン版）に記載されたナノデバイスを最近完成させた。当該記載されたデバイスを着想し、ラマン分光法により、非近接場配置において、数分子を検出した。当該デバイスのオペレーション原理は、誘電体フォトニック結晶空洞の集光特性と、金属ナノ導波路の制限特性と、を組み合わせたことにある。当該デバイスのオペレーション原理は、可視領域のレーザービームを用いて当該空洞に照射することにより、上記空洞からナノ導波路の先端に向かって伝播する表面プラズモン電磁波が発生するという事実に基づいている。当該デバイスは、上記先端の曲率半径に等しい空間領域において（１０ｎｍ未満）、プラズモン導波路の端部付近のみ、入射レーザーの電界集中が達成されるように設計されている。このように配置された電場は、直ぐ近傍において、任意の材料の分子を電気的に励起することができるため、極めて有用である。当該材料の分子／原子の再放射シグナルを受信することにより、プラズモン導波路の曲率半径に匹敵する空間分解能で分光法を実行することができる。実行されうる分光法は、特に、蛍光分光法及びラマン分光法である。
【０００３】
しかしながら、当該デバイスについての可能な応用範囲は、光学分光法に限定されることはない。例えば、得られる電界集中(field concentration)は、また、レーザーの波長λより極めて小さい空間分解能（約λ／１００）で光学的ナノリソグラフィーを実行するために用いることができるであろう。もしくは、そのような電界集中は、非線形光学システムにおいて第２及び第３高調波を励起するために、用いることができるであろう。他の応用例は、ナノ導波路の先端に近い量子ドットから一のフォトンを放出させることを活性化することである。
【０００４】
上記した出版物に記載されたデバイスの製造方法により、集束イオンビーム（ＦＩＢ）による浸食(erosion)を介してフォトニック結晶を作製することが予見される。フォトニック結晶は、三角格子状のホールを有するＳｉ３Ｎ４膜で構成される。空洞は、Ｌ３タイプであり、結晶の領域の中央における、Γ-Ｋ方向に沿った３つの消失ホール(missing hole)から構成されている。
【０００５】
第２の工程において、集束電子ビームにより誘導された化学気相成長法（ＣＶＤ）が用いられ、プラチナナノアンテナが前駆ガス（ＣＨ３）３Ｐｔ（ＣｐＣＨ３）から空洞の中央に析出される。サンプル上でナノアンテナを成長させた後、金の薄膜フィルムを析出させる。当該金の薄膜フィルムは、その後、集束イオンビームによる浸食によって（ナノアンテナからではなく）フォトニック結晶から取り除かれる。
【０００６】
当該論文に記載されたデバイスのナノアンテナは、棒状の形状を有し、尖頭曲面状を有する先端を含む。ナノアンテナの形状は、表面プラズモンポラリトンモード（以後ＳＰＰと記載）のプロファイルの詳細を規定するに際し重要な役割を果たす。本発明者らは、ＳＰＰモードが、先端の曲率半径に匹敵する領域において高度に局在化され、非近接場散乱事象のための効率的なカップリングが提供されることを証明した。
【０００７】
上述の論文において、断熱的挙動(adiabatic behaviour)が、ナノアンテナが完全な円錐状の形状である場合において、予見されうることも示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、円錐状の形状を有するプラズモン導波路を備えるフォトニック結晶デバイスを作製する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
当該目的や他の目的は、冒頭において規定されたタイプの方法であって、プラズモン導波路の作製方法の工程ａ）において、析出を誘導する集束電子ビームが、上記膜上に析出された突出構造体の第１ベース層から当該突出構造体の最終先端層まで電子ビームの横断面が徐々に減少するように制御され、電子ビームの位置を一定に保つ方法により達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る方法により、極めて規則的なプロファイルを有する円錐状導波路を設けることができ、これにより、実質的に断熱的挙動を得ることができ、そのため、アンテナの先端において電場の高い増幅率を得ることができる。
【００１１】
特定の実施の形態は従属請求項の対象を構成する。これら従属請求項の内容は本記載の結合部分として理解されよう。
【００１２】
本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら、非限定的な具体例としてのみ与えられた以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、フォトニック結晶の配置を示している。
【図２】図２は、円錐状のプラズモン導波路を備えるフォトニック結晶デバイスの斜視図である。
【図３】図３は、図２のデバイスが設けられた原子間力顕微鏡のカンチレバーの詳細斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、プラズモン導波路を備えるフォトニック結晶デバイスを作製する方法を記載する。本発明に係る方法により、図２及び図３に示されるような、円錐状の導波路を備えるフォトニックデバイスを得ることができる。
【００１５】
全体を通して参照番号１で示された当該デバイスは、誘電体材料例えば窒化シリコンの膜２から構成された基板を含む。膜２の厚さは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）により、フォトニック結晶のホールが正確に得られることを可能にするものでなければならない。そのような膜は、例えば、１００ｎｍのオーダーの膜厚を有していてもよい。
【００１６】
膜２上において、全体を通して参照番号５により示されるフォトニック結晶が得られる。従来、フォトニック結晶５は、所定の格子に基づいて配置されたスルーホール６の規則正しい平面配置から構成される。当該平面配置は、例示された具体例において、図１に明確に示されているように、三角格子であり、ホール６は、１００ｎｍのオーダーの直径を有し、一方、格子の間隔は、ホールの直径のおよそ２倍である。
【００１７】
フォトニック結晶５は、また、格子５の空間的に制限された領域により形成された共振空洞７を有し、共振空洞７内にはスルーホールが存在しない。共振空洞７は、少なくとも１つの電磁波波長と共鳴状態にあるような寸法で形成されている。例示された具体例において、空洞７は、Ｌ３タイプの空洞であり、格子５の中央における、Γ−Ｋ方向に沿った３つの消失ホールにより形成されている。
【００１８】
空洞７の中央において、プラズモン導波路８が形成されている。当該プラズモン導波路８は、円錐状の形状を有し、フォトニック結晶５の平面に対して実質的に垂直方向に突出している。円錐体のベース８ａは、２００ｎｍのオーダーの直径を有し、一方、先端８ｂは、１ｎｍのオーダーの直径を有する。しかしながら、導波路８の長さは、１μｍのオーダーである。導波路８の全表面上に、貴金属例えば金若しくは銀の薄膜フィルム（１０ｎｍのオーダーの厚さを有する）が存在する。
【００１９】
当該デバイス作製方法では、最初基板及び膜２を準備することが予定されている(foresee)。膜２は、集束イオンビームが照射されフォトニック結晶５が得られる前、スパッタリングにより金属フィルム（１０ｎｍのオーダーの厚さを有する）で被覆される。膜の材料は絶縁性材料であるため、当該析出は、後続のイオン照射及び電子照射により引き起こされうる、膜２の電気的帯電を防止するために用いられる。
【００２０】
膜２の準備後、プログラム方式で、集束イオンビームが照射され、共振空洞７を含むフォトニック結晶５が得られる。
【００２１】
その後、プラズモン導波路８が共振空洞７に形成される。プラズモン導波路８の作製方法には、
ａ）集束電子ビームにより誘導された化学気相成長法（ＣＶＤ）を介して、共振空洞７上に、金属−有機前駆ガス、好ましくはプラチナ系前駆ガスから、突出した構造体を成長させる工程と、
ｂ）貴金属の層を析出させる工程と、
ｃ）上記突出した構造体の外側に析出した貴金属を集束イオンビームにより選択的に除去する工程と、が含まれる。
【００２２】
工程ａ）において、プラズモン導波路を作製するために使用される前駆ガスは、例えば、（ＣＨ３）３Ｐｔ（ＣｐＣＨ３）である。当該工程において、析出を誘導する集束電子ビームは、膜２上に析出された突出構造体の第１ベース層８ａから当該突出構造体の最終先端層８ｂまで電子ビームの横断面が徐々に減少するように制御され、電子ビームの位置を一定に保つ。このようにして、導波路の円錐形状が規定される。電子ビーム誘導ＣＶＤによる導波路の作製により、当該導波路について極めて高い精度のプロファイルを得ることができる。これは、電子ビームの断面を単に変更することにより、実質的に、導波路の断面を層毎に制御することができるからである。特に、本発明者らは、減少した直径を有する複数の同心円、例えば、直径１０ｎｍの減少ステップにより、２５０ｎｍから１ｎｍまで減少した直径を有する例えば３０個の円を（さらにビームにより）連続的エッチングすることにより、円錐状の導波路を作製することができる。電子ビームは、所定の軌道、特に、同心円の軌道により規定されたエッチングストラテジー(etching strategy)を実行する。
【００２３】
工程ｂ）において使用される、プラズモン導波路を提供するための貴金属は、金若しくは銀であっても良く、スパッタリング若しくは蒸着により析出される。このようにして得られた薄膜フィルムは、１０ｎｍのオーダーの厚さを有する。好ましくは、貴金属層は、銀の下層と金の上層とを含むバイメタルである。これを提供することにより、導波路の先端において電界集中の効率が増加する。これは、金のコーティングにより、下地の銀の酸化が防止されるからである。
【００２４】
貴金属を除去する工程ｃ）は、導波路に中央配置され、そして、導波路のベースの直径より大きい内径を有する、円状の王冠部分を有するイオンビームを用いて実行される。これにより、触れなくとも導波路上に存在する膜上に析出された貴金属を除去することが可能である。
【００２５】
イオンビームを照射した後、当該デバイスの材料に埋込まれたイオンは、従来、（１０ｎｍ未満の深さにおいて）液体の浸食を介して除去されていた。
【００２６】
本発明に係るデバイスは、図３に示されるような原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーに組み込むことができる。当該図面において、カンチレバーのＣで示された部分は視認可能であり、当該部分において、集束イオンビームにより、凹み部Ｒが形成される。本発明に係るデバイス１は、凹み部Ｒの内部に形成される。デバイス１を作製するため、カンチレバーＣを局所的に減少させることが必要であり（当該カンチレバーＣは通常１μｍのオーダーの厚さを有する）、デバイス１の膜として使用されるに充分薄い厚さを得る。カンチレバーにデバイス１を取付けることにより、原子間力測定と、当該デバイスにより実行されうる分光法によりなされる化学的測定とを組み合わせることが可能となる。そのため、１０ｎｍ未満の空間分解能を有し、ＡＦＭにより得られる力分光法と同時に組み合わせた、生体材料及び／又は固体材料の化学的トポグラフィーマッピングを一般的なものとすることが可能となる。
【００２７】
もちろん、本発明の原理に影響を与えない限り、本発明の実施の形態及び詳細を、限定するためではなく具体例としてのみ記載され例示されたものから、添付の請求の範囲に規定された本発明の保護範囲から逸脱しない範囲で広く変更することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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