本記事は , 文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」秀でた利用成果について紹介するものです .

文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ 令和 4 年度秀でた利用成果

電子ビーム露光による SiNx メンブレンの表と裏両面への正方形
Au パッチの作製a

東京農工大学 工学研究院 先端電気電子部門，bJST 創発研究者，c 東京農工大学 工学府 電子情報工学専攻，d 日本学術振興会 特別研究員 鈴木 健仁 a,b，朝田 晴美 c,d
東京工業大学 工学院 電気電子系 宮本 恭幸，東京工業大学 科学技術創成研究院 梅本 髙明（左）東京農工大学

鈴木 健仁，朝田 晴美，東京工業大学

梅本 髙明，（右）東京工業大学

宮本 恭幸

めには，熱源に直接加工する方法には限界がある．
そこで我々は，熱源を直接加工せず，熱源から一旦放射

１．まえがきされた熱ふく射を後から指向性制御するために，メタサー

身の回りの熱源からは，熱ふく射と呼ばれる電磁波が放フェスと呼ばれる薄型で平面状の人工構造材料の基礎研究射されている．熱ふく射のスペクトルは熱源の温度に関係を進めている．メタサーフェスは，メタアトムと呼ばれるしている．例えば，電子機器に用いられる半導体などを例

波長よりも小さな周期構造からなる人工構造材料である．に，500K の温度の黒体からは約 50THz に強度のピーク

我々はこれまでに，独自の構造で，高屈折率，ゼロ屈折率，を持つ熱ふく射が放射される．製鉄所の溶鉄などを例に，負の屈折率まで，様々な屈折率を有する，無反射なテラ

2000K の温度の黒体からは約 200THz に強度のピークをヘルツ波帯メタサーフェスを実現してきている [2][3]．ま持つ熱ふく射が放射される．高温の物体から低温の大気（約た，独自のメタサーフェスをもとに，テラヘルツ波連続発300K）や宇宙空間（約 3K）へは熱ふく射による熱輸送が振光源に搭載して光源の指向性を制御できるメタレンズア起きているが，熱ふく射のエネルギーの多くは未利用のまンテナも提案し，実験により動作実証している [4][5][6][7]．

まである．熱ふく射の指向性やスペクトルを自由自在に制赤外域の 50THz 帯で様々な屈折率を有する低反射なメタ御できれば，熱ふく射のエネルギーを回収してエネルギーサーフェスを実現できれば，メタレンズアンテナなどへ展ハーベスティングにつなげたり，熱ふく射の熱輸送を制御開することで，熱源から一旦放射された熱ふく射の指向性してサーマルマネジメントにつなげたりなどの未来が考えを後から制御できる可能性がある．

られる．他研究グループによる先行研究として，熱源に微今回，熱ふく射の指向性制御に向け，50THz 帯で高屈細構造を作製することで，熱ふく射の指向性やスペクト折率・低反射な特性を持つメタサーフェスの実現を進めた

ルを制御できることが報告されている [1]．しかしながら，[8]．東京工業大学ナノテクノロジープラットフォーム（現既存の物体から放射され続けている熱ふく射を制御するたマテリアル先端リサーチインフラ）のご支援により，“ 両ARIM Japan Magazine 2023

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面同時電子ビーム露光法 ” という新たな作製法を構築し，て，高屈折率・低反射なメタサーフェスの動作原理を厚さわずか 100nm の極薄の誘電体膜の表と裏の両面へ微説明する．図 2（a）は，電磁波の電界により誘電体膜細な金属構造を作製した．作製したメタサーフェスを実験の表と裏の片面ごとの金属パッチに同方向の電流が流で測定し，50THz で屈折率 5.9，反射 16.7% の高屈折率・れ，メタアトムが直列 LC 共振回路として動作する．直低反射な光学特性を確認した．

列 LC 共振回路で電磁波の電界に対する応答を制御することで，誘電率を制御できる．図 2（b）は，電磁波の磁界により誘電体膜の表と裏の両面の金属パッチに反２．高屈折率・低反射なメタサーフェスの構造と動作原理

対方向の電流が流れ，メタアトムが並列 LC 共振回路と

図 1 に，高屈折率・低反射なメタサーフェスの全体図とサーフェスの比誘電率 ε r と比透磁率 μ r より，メタサーして動作する．並列 LC 共振回路で電磁波の磁界に対する応答を制御することで，透磁率を制御できる．メタ

拡大図を示す．高屈折率・低反射なメタサーフェスは，誘フェスの屈折率は電体膜の表と裏の両面に，波長よりも小さい微細な正方形金属パッチを周期的に多数配置した構造である．正方形金スの反射に関係する比インピーダンスはで表せる．比インピーダンス Z r が 1 に近づくと，インピー属パッチの大きさや間隔を設計することで，メタサーフェダンス整合によりメタサーフェスは無反射に近づく．比誘スの光学特性を設計できる．

電率と比透磁率を同じ周波数で高い値かつ同じ値に近づけ

図 2（a）と（b）にそれぞれ，メタサーフェスに電磁で表せる．メタサーフェることで，高屈折率かつ無反射な特性を実現できる．

波が入射した場合の等価回路を示す．等価回路を用い

図1

高屈折率・低反射なメタサーフェスの全体図と拡大図

図 2 高屈折率・低反射なメタサーフェスの等価回路（a）誘電性の等価回路（b）磁性の等価回路

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レンが極薄のため，メンブレンの表面側からの電子ビーム３．高屈折率・低反射なメタサーフェスの作製の照射のみで，メンブレンの表と裏の両面のレジストを表今回，50THz 帯の高屈折率・低反射なメタサーフェいと考えられるため，露光のドーズ量の補正は行っていなスの作製には，東京工業大学ナノテクノロジープラット

い．
（d）現像により，メンブレンの表と裏の両面に格子状フォーム（現マテリアル先端リサーチインフラ）の技術相のレジストパターンを作製した．現像液にはメチルイソブ

談と技術代行を利用した．

裏対称なパターンで同時に露光した．また，SiNx メンブ
レンが極薄のため，電子の散乱の影響（近接効果）が少なチルケトン（MIBK）とイソプロパノール（IPA）を使用した．

厚さ 100nm の誘電体メンブレンの表と裏の両面へ正方（e）電子ビーム蒸着により，SiNx メンブレンの表面と裏形金属パッチを周期的に多数配置した構造の作製のため，面に片面ずつ厚さ 50nm の Au を成膜した．SiNx と Au の“ 両面同時電子ビーム露光法 ” を新たに構築した．“ 両面同密着度を向上させるため，接着層として厚さ 5nm の Ti を時電子ビーム露光法 ” は（a）（– f）の 6 つの工程からなる．
（a）

使用した．
（f）リフトオフにより，メンブレンの表と裏のまず，厚さ 100nm の SiNx メンブレンを準備した．今回両面のレジストパターンを除去し，メンブレンの表と裏のの試作では，面積 10mm×10mm の Si フレームに支持され両面に正方形 Au パッチを周期的に作製した．

た，
面積 3mm×3mm の SiNx メンブレンの市販品（Norcada

図4（a）に作製したメタサーフェスの写真を示す．図 4（b）製）を使用した．作製中や実験中のメンブレンの破損を防と（c）にそれぞれ作製したメタサーフェスの表面と裏面

ぐため，メンブレンの取り扱い用の金属製の治具を特注でを電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM）で観察した画像作製し使用した．
（b）スピンコートによりメンブレンの表を示す．FE-SEM の観察にはユーザ機関の東京農工大学の面と裏面に片面ずつレジストを塗布した．レジストにはポ共用設備の日立製 FE-SEM S-4500 を使用した．図 4（b）

リメチルメタクリレート（PMMA）を使用した．表面と裏と（c）の灰色の箇所は金属の Au，黒色の箇所は誘電体の面それぞれで膜厚が約 100nm となるように塗布の条件をSiNx である．図 4（b）と（c）より，構築した “ 両面同時設定した．
（c）電子ビームによりレジストを露光した．図

電子ビーム露光法 ” で，SiNx メンブレンの表と裏の両面に3 は露光に使用した東京工業大学ナノテクノロジープラッ

対称に正方形 Au パッチを周期的に作製できていることをトフォーム（現マテリアル先端リサーチインフラ）の電子確認した．作製した正方形 Au パッチの 1 辺の長さ l は約ビーム露光装置 JEOL 製 JBX-6300SJ である．SiNx メンブ

1200nm，配置間隔 s は約 200nm である．

図3

図4

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作製に使用した東京工業大学の電子ビーム露光装置作製した高屈折率・低反射なメタサーフェスの（a）表面の写真，（b）表面の FE-SEM 像，（c）裏面の FE-SEM 像

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 4 年度秀でた利用成果 -3比透磁率を同じ周波数で高値かつ同値に近づけることで，４．高屈折率・低反射なメタサーフェスの実験

50THz 帯で高屈折率・低反射な光学特性を実現した．
表 1[4][7] に，これまでに報告されてきた高屈折率メタサ ー フ ェ ス [9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19]

図 5（a）に作製したメタサーフェスの屈折率，反射率，[20] をまとめている．発表年，周波数，メタアトムの構造，透過率を示す．図 5（b）に比誘電率，比透磁率を示す．

作製の有り無し，屈折率の実部，屈折率の虚部，性能指数（屈作製したメタサーフェスの反射率と透過率は，フーリエ折率の実部／屈折率の虚部），比誘電率，比透磁率，反射変換赤外分光法（FT-IR）の顕微測定（日本分光製 FT/IR-率，透過率を比較している．[9][10][11][12][13][14][15][16]6600，顕微ユニット IRT-1000）で測定した．屈折率，比で報告された高屈折率メタサーフェスは，メタサーフェス

誘電率，比透磁率は，FT-IR で測定した反射率と透過率かの誘電性を制御して比誘電率を高い値に設計することで，ら導出した [8]．50THz で，屈折率 5.9，反射 16.7%，透高屈折率を設計していた．一方で磁性の制御はしておらず

過率 26.9%，比誘電率 11.7，比透磁率 3.0 を確認した．

比透磁率は低いままだったため，比誘電率と比透磁率の大厚さ 100nm の SiNx メンブレンの表と裏の両面に作製しきな差があり，インピーダンス整合が取れず高い反射が起た正方形 Au パッチにより，50THz 帯で磁性の共振を実現きていた．そのような中，2017 年に東京農工大学の研究し，1.0 よりも高い値の比透磁率を実現した．比誘電率とグループは 0.3THz 帯で誘電性だけでなく磁性も制御して，

図 5 作製した高屈折率・低反射なメタサーフェスの周波数特性（a）屈折率の実部，反射率，透過率 （b）比誘電率の実部，比透磁率の実部
表1

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高屈折率メタサーフェスの比較表 [4][7]

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 4 年度秀でた利用成果 -4比誘電率と比透磁率の両方を高値かつ同値に設計し，高屈先生に深く感謝申し上げます．4 章の表 1 の作成について，折率・低反射なメタサーフェスを実現した [2]．このメタ研究室の 2020 年度修士課程修了生の遠藤 孝太氏に心よサーフェスの誘電体膜の厚さは 50μm であり，作製にはエッチング技術を使用した．さらに 2021 年には，東京農り感謝いたします．

工大学の研究グループは周波数が 10 倍高く波長が 10 分の 1 となる 3.0THz 帯での高屈折率・低反射なメタサーフェスも実現した [20]．このメタサーフェスの誘電体膜の厚さは 5.0μm であり，作製にはスーパーインクジェットプリンターを使用した．
より高周波数で短波長な赤外域の 50THz 帯でも高屈折率・低反射なメタサーフェスを実現するには，厚さわずか100nm の誘電体膜の表と裏の両面に，数 100nm オーダー

参考文献
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2544 (2023).
[4] T. Suzuki, K. Endo, J. Kim, K. Tsuruda, and M. Sekiya,Opt. Express 29(12), 18988–19000 (2021).

５．まとめ[5] K. Endo, M. Sekiya, J. Kim, K. Sato, and T. Suzuki, Appl.

今回，東京工業大学ナノテクノロジープラットフォー

Phys. Express 14(8), 082001 (2021).

ム（現マテリアル先端リサーチインフラ）の微細加工の[6] 鈴木健仁 , 応用物理 86(10), 897–902 (2017).

技術相談と技術代行による多大なご支援により，50THz[7] 鈴木健仁 , 応用物理学会フォトニクス分科会フォトニ

帯で高屈折率・低反射なメタサーフェスを実現した．新クスニュース 7(2), 55–59 (2021).

たに構築した “ 両面同時電子ビーム露光法 ” により，厚[8] H. Asada and T. Suzuki, The Third International

さ 100nm の SiNx メンブレンの表と裏の両面に，大きさ

Symposium on Frontiers in THz Technology , Fr1-4,
Nov. 2022.
[9] M. Choi, S. H. Lee, Y. Kim, S. B. Kang, J. Shin, M. H.
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1200nm×1200nm の正方形 Au パッチを配置間隔 200nmで周期的に配置した構造を作製した．実験で，作製したメタサーフェスが，50THz で屈折率 5.9，反射率 16.7%，透過率 26.9%，比誘電率 11.7，比透磁率 3.0 を有することを確認した．
今回実現したメタサーフェスをメタレンズアンテナなどへ展開することで，熱ふく射の指向性を制御して，エネル
ギーハーベスティングやサーマルマネジメントなどへ応用できる可能性がある．熱ふく射の指向性制御によりパワー密度を高めることができれば，既存の赤外域のレクテナ発電の発電効率 [21][22][23] の向上などが期待できる．また，今回のメタサーフェスの実現を通して構築した “ 両面同時電子ビーム露光法 ” は，100nm オーダーの極薄の誘電体膜の表裏両面の微細加工を可能にし，これまでにない応用の開拓が期待できる．

6．謝辞
本研究の一部は，JST さきがけ（JPMIPR18I5），JSPS 科
研費基盤研究（B）（21H01839），JSPS 科研費挑戦的研究（萌芽）（21K18712），JSPS 特別研究員奨励費（21J22822）の助成を受けたものである．本研究の素子は，文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業（現マテリアル先端リサーチインフラ）（F-21-IT-006，F-21-IT-031）の支援を受けて，東京工業大学微細加工プラットフォームで作製したものです．東京工業大学 宮本 恭幸先生，梅本 高明

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B 124(4), 68 (2018).

[23] P. S. Davids, J. Kirsch, A. Starbuck, R. Jarecki, J. Shank,[20] H. Asada, K. Endo, and T. Suzuki, Opt. Express 29(10),D. Peters, Science 367(6484), 1341–1345 (2020).

14513–14524 (2021).
（c 東京農工大学 工学研究院 先端電気電子部門，[21] A. Sharma, V. Singh, T. L. Bougher, and B. A. Cola, Nat.
dNanotech. 10(12), 1027–1032 (2015).

東京農工大学 工学府 電子情報工学専攻 朝田 晴美 c,d，[22] P. S. Davids, R. L. Jarecki, A. Starbuck, D. B. Burckel, E. A.

a

東京農工大学 工学研究院 先端電気電子部門

Kadlec, T. Ribaudo, E. A. Shaner, and D. W. Peters, Nat.

b

JST 創発研究者 鈴木 健仁 a,b）

Nanotech. 10(12), 1033–1038 (2015).

【お問い合わせ】
マテリアル先端リサーチインフラ
東工大ナノ構造造形支援事業☎ 03-5734-2572
E-mail miya@ee.e.titech.ac.jp

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