製作プロセス

SBSナ ノ シ ー ト を 使 用 し た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト は ，シ ー ト 作 製 後 の 工 程 で 別 基 板 に 作 製 し た MEMS ア ク チ ュ エ ー タ 等 の マ イ ク ロ シ ス テ ム へ 転 写 し ， 数 百 nm オ ー ダ ー の 高 精 度 な 伸 縮 駆 動 で 動 的 に EOT に よ る 透 過 光 を 制 御 す る 必 要 が あ る ．そ の た め ，プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト を 転 写・伸

EOT波長( = ) Al

SBS

Air Air

バンドストップ波長( = ) 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

400 450 500 550 600 650

Transmittance [nm]

Wavelength [nm]

=

RCWA FDTD

=

Al SBS

Air Air

格子周期450 nmの透過スペクトル (a)

(b) (c)

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縮 駆 動 可 能 な リ リ ー ス さ れ た 状 態 で 製 作 す る 必 要 が あ る ．エ ラ ス ト マ ー ナ ノ シ ー ト 上 の サ ブ 波 長 格 子 の 形 成 は ， 平 坦 な 状 態 か つ 集 束 イ オ ン ビ ー ム(FIB) や 電 子 ビ ー ム(EB)の ド リ フ ト を 引 き 起 こ す チ ャ ー ジ ア ッ プ を 引 き 起 こ さ な い よ う ，バ ル ク 導 電 性 基 板 上 の 微 細 加 工 プ ロ セ ス が 要 求 さ れ る た め ，一 度 シ ー ト を バ ル ク 基 板 へ 貼 り 付 け る 等 の 工 夫 が 必 要 と な る ．し か し な が ら ，SBS ナ ノ シ ー ト は 薄 膜 特 有 の 高 い 凝 着 力 を 持 つ ．こ れ は ，数 百 nm の 膜 厚 に 由 来 す る 変 形 し や す さ に よ り 表 面 凹 凸 に 対 す る 接 着 面 積 が 広 く な り ，剥 が れ る 方 向 に 働 く 復 元 力 よ り 貼 り 付 く 力 が 相 対 的 に 増 加 す る こ と に 起 因 す る ．こ れ ま で は ，FIBを 用 い て 微 細 加 工 す る 間 ，ロ ー ル ト ゥ ロ ー ル 方 式 で 形 成 さ れ たSBS ナ ノ シ ー ト/PVA/poly(ethylene terephthalate) (PET)支 持 フ ィ ル ム か ら 成 る 積 層 シ ー ト を ，Si 基 板 に カ プ ト ン テ ー プ で 仮 留 め し て い た ．最 後 に ，PET フ ィ ル ム を 剥 離 す る こ と で カ ラ ー ナ ノ シ ー ト を 伸 縮 可 能 な 自 立 膜 と し て 形 成 し て い る[発 表 文 献 ， 国 内 学 会 4]． し か し な が ら ， 誘 電 体 の 積 層 シ ー ト が 仮 留 め 状 態 で あ っ た た め ，帯 電 に よ る イ オ ン ビ ー ム の ド リ フ ト お よ び 加 工 中 の シ ー ト 変 動 が 発 生 し ，加 工 パ タ ー ン が 著 し く 制 限 さ れ た ．本 章 で は 課 題 解 決 に 向 け て ， PET フ ィ ル ム か ら 剥 離 し た SBS ナ ノ シ ー ト を ，一 度 犠 牲 層 を 介 し て バ ル ク 基 板 に 貼 り 付 け て 微 細 加 工 を 施 し ，犠 牲 層 エ ッ チ ン グ に よ り 再 度 剥 離 す る 手 法 を 検 討 し た ．

図 5.3.1 に マ ル チ ピ ク セ ル の 製 作 プ ロ セ ス の 断 面 図 を 示 す ． 以 下 に 製 作 プ ロ セ ス の 詳 細 を 列 挙 す る ．

(a) SBSナ ノ シ ー ト は 半 導 体 プ ロ セ ス で 使 わ れ る 有 機 溶 剤 や フ ォ ト レ ジ ス ト に 対 す る 化 学 薬 品 耐 性 が 低 い た め ，水 溶 性 の PVAを 犠 牲 層 に 用 い た ．犠 牲 層 は ，PVA 粉 末(Polyvinyl Alcohol 2000, KANTO CHEMICAL CO., INC ) を 2wt%に 調 製 し た 溶 液 を ，Si ウ ェ ハ 上 に 1000 rpm/20 s で ス ピ ン コ ー ト し て 半 日 以 上 自 然 乾 燥 さ せ た ．

(b) 予 め PET フ ィ ル ム か ら 剥 離 し た 膜 厚 200 nm の SBS ナ ノ シ ー ト を 常 温 で PVA に 貼 り 付 け た ．ナ ノ シ ー ト は 高 い 凝 着 力 を 持 つ た め ，転 写 に 表 面 処 理 や 高 温 を 要 さ ず に 密 着 す る ．転 写 後 の 処 理 と し て ，Al 蒸 着 の 際 に 設 計 通 り の 膜 厚 を 堆 積 す る た め ，PVAの ガ ラ ス 転 移 温 度 85℃以 下 で 5 分 程 度

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ベ ー ク し ， 真 空 チ ャ ン バ ー で 脱 気 し た ． こ の 処 理 に よ り ， 連 続 膜 の 形 成 を 阻 害 す る エ ラ ス ト マ ー の 含 有 ガ ス を 低 減 で き る ．

(c) Al層 は ，EB 蒸 着 装 置 で レ ー ト ＜0.5 Å/s， ビ ー ム 電 流 15-20 mA， 設 定 膜 厚 50 nm で 堆 積 し た ． こ の と き ， Al と 反 応 し に く く 使 い 捨 て 可 能 な W ボ ー ト を ハ ー ス ラ イ ナ に 乗 せ ，そ の 上 に Al 原 料 を 補 充 し て 蒸 着 し た ．こ れ に よ り ，不 純 物 の 少 な い Alを 成 膜 で き る ．そ の 後 ，FIB を 使 用 し て 加 速 電 圧 30 kV， エ ミ ッ シ ョ ン 電 流 95 pA， ド ー ズ 量 142.45×10^{1 5} ions/cm² と し て ， 幅 250 nm， 周 期 300 nm-600 nm の ナ ノ ス ト ラ イ プ 形 状 を 加 工 し た ．

(d) 後 の 犠 牲 層 エ ッ チ ン グ 工 程 に お い て ，SBS ナ ノ シ ー ト が 純 水 を 吸 収 し て 膨 潤 す る た め ，Al 薄 膜 の 残 留 応 力 に よ り ご く 表 面 の SBS と と も に 微 細 構 造 が 脱 離 し や す く な る ． 防 止 策 と し て ， 膜 厚 200 nm の SBS ナ ノ シ ー ト を 加 工 し た 構 造 を 覆 う よ う に 貼 り 付 け て 脱 気 し ，SBS ナ ノ シ ー ト 同 士 の 凝 着 力 を 向 上 さ せ る た め に 一 日 程 度 置 い た ． こ の 封 止 構 造 に よ り ， 伸 縮 時 の 構 造 安 定 性 も 向 上 す る ．

(e) PVA 犠 牲 層 を 溶 解 す る 際 ，SBS ナ ノ シ ー ト を ハ ン ド リ ン グ す る た め に 形 成 し た カ プ ト ン テ ー プ 枠 が 基 板 に 貼 り 付 き ，基 板-シ ー ト 間 へ の 純 水 の 浸 入 を 妨 げ る た め ，で き る だ け 外 力 を 与 え ず に 剥 離 で き る よ う 半 日 程 度 純 水 に 浸 漬 さ せ た ．

(f) 剥 離 後 ，純 水 で 残 留 PVA を 除 去 し て 自 然 乾 燥 さ せ る こ と で ，膜 厚 400 nm の 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト を 自 立 膜 と し て 製 作 す る こ と に 成 功 し た ．

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図 5.3.1. 埋 め 込 み 構 造 の マ ル チ ピ ク セ ル の 製 作 プ ロ セ ス ．

次 に ，ナ ノ シ ー ト の 伸 縮 に よ る 動 的 色 変 調 が 可 能 な 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト の 製 作 プ ロ セ ス を 図 5.3.2 に 示 す ． ほ と ん ど の 製 作 フ ロ ー は 図 5.3.1 の マ ル チ ピ ク セ ル と 共 有 す る が ， 図 5.3.1 (c)の FIB 加 工 工 程 に お い て 異 な る ．Al は ，4.1.1 節 で 製 作 し た シ ャ ド ウ マ ス ク を 使 用 し て パ タ ー ン 蒸 着 し た ． こ の 時 ，40 µm 四 方 の 画 素 サ イ ズ で Al 蒸 着 す る 場 合 は シ ャ ド ウ イ ン グ の 影 響 を 受 け る た め 膜 厚 に 不 均 一 な 分 布 が 生 じ る ．そ の た め ，シ ャ ド ウ イ ン グ が 十 分 に 無 視 で き る 100 µm 四 方 の マ ス ク パ タ ー ン を 使 用 し た ．そ の 後 ， FIB に よ り 40 µm 四 方 の Alサ ブ 波 長 格 子 を 加 工 し ，伸 縮 を 阻 害 す る Al 領 域 を FIB で 除 去 し た ．

PVA spin-coating on Si PVA

Si

SBS nanosheet pasting Al deposition, FIB milling

covering SBS nanosheet dissolving PVA layer peeling off DI water

(a) (b) (c) Al

(d) (e) (f)

SBS nanosheet 200 nm

50 nm

400~450 nm

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図 5.3.2. 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト の 画 素 加 工 ．