【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT1136
利用課題名 / Title
照射光多点集光のためのメタサーフェス光学素子の開発
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
メタサーフェス、メタレンズ、元素分析、ナノピラー,光デバイス/ Optical Device,電子線リソグラフィ/ EB lithography,ダイシング/ Dicing,センサ/ Sensor,電子顕微鏡/ Electronic microscope,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
岩瀬 英治
所属名 / Affiliation
早稲田大学基幹理工学部 機械科学・航空学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-906：ブレードダイサー
UT-503：超高速大面積電子線描画装置
UT-600：汎用ICPエッチング装置
UT-855：高精細電子顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究開発は複数の光学機能を複合化した機能性メタサーフェスを光学センシングシステムに実装することを目的として、単結晶シリコン(sc-Si)を使用したビーム分配機能と集光機能を融合したメタサーフェス光学素子を製作した。伝搬軸外に分配し複数の集光点を形成するメタサーフェス(多点集光メタレンズ)を製作した。多点集光メタレンズについては動作波長を近赤外域(λ=1064nm)に設定し、伝搬軸外の４点で集光するための３種のメタレンズを製作し、ビームプロファイラを用いた測定により開発素子のビーム分配性と集光性能を評価した。また製作した多点集光メタレンズを分光分析システム（レーザ誘起ブレークダウン分光装置）に実装し、広域面発光元素分析への応用が可能か評価を行った。
実験 / Experimental
多点集光メタレンズを、ARIM（東京大学武田クリーンルーム）に設置されている超高速大面積電子線描画装置(F7000S)、汎用ICPエッチング装置(CE-300I)、を使用して製作し、高精細電子顕微鏡(Regulus 8230)で製作評価を行った。また製作した光学素子は早稲田大学に設置されているビームプロファイラなどによる光学測定により、素子の光学特性の評価を実施した。さらに高強度パルスレーザ(Nd: YAG)を製作したメタレンズを介して被測定材料に多点照射してプラズマを生成し、分光分析を行った。図1に製作した多点集光メタレンズの写真を示す。
結果と考察 / Results and Discussion
製作した素子について測定の結果、光学機能に必要な透過性と回折効率を持つことが確認された。ナノピラー（幅138 nm～252 nm、高さ800nmの正八角柱状の構造体を柱間距離340 nmで正方格子状に配置）は20mm角の単結晶シリコン膜サファイア基板チップ内の2mm角の正方形領域に描画された。寸法補正値を反映することで、所望の光学特性を有する光学素子を得た。光学測定の結果、入射ビームが回折せず直進する０次光の発生が確認された。これはドライエッチング時のマスクまたは基板への帯電が起因しサイドエッチングが進行したことにより微細構造柱の垂直性が不十分であったことが推定される。0次光発生に影響を与える原因を調査した結果、本来垂直のナノピラー形状であるところがテーパー／逆テーパーに変形していることが主要因であることが判明した。そこで分光装置に実装する際に製作形状の向上検討と同時に、集光に0次光を含めて集光に利用できるレンズを追加実装することでこの問題を解決し、レーザプラズマの生成と、プラズマ励起緩和過程における原子線の観測に成功した。今後はナノピラー製作におけるテーパー制御技術としてエッチング条件の最適化を行い0次光最小化を図りたい。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 製作した多点集光メタレンズの基板
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Satoshi Ikezawa, Kentaro Iwami, Eiji Iwase, "Development of the Multipoint Focusing Metasurface for Laser-induced Breakdown Spectroscopy", The 38th International Conference on. Micro Electro Mechanical Systems (IEEE MEMS 2025, 19-23 Jan. 2025) pp. 1129-1132, (2025)
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件