【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AT0087
利用課題名 / Title
相変化材料を利用したプラズモニックデバイスの作成
利用した実施機関 / Support Institute
産業技術総合研究所 / AIST
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
シリコン基材料・デバイス/ Silicon-based materials and devices,光学材料・素子/ Optical materials,電子線描画（EB）/ Electron beam lithography,蒸着（抵抗加熱、電子線）/ Evaporation (resistance heating and electron beam),フォトニクス・プラズモニクス/ Photonics and Plasmonic,光デバイス/ Optical Device,電子線リソグラフィ/ EB lithography,電子顕微鏡/ Electronic microscope,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,エレクトロデバイス/ Electronic device,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,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)
加藤 颯
所属名 / Affiliation
筑波大学大学院 理工情報生命学術院 数理物質科学研究群 物理学学位プログラム
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
有本 宏,郭 哲維,木塚 優子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
AT-093：高速電子ビーム描画装置（エリオニクス）
AT-082：化合物半導体エッチング装置（ICP-RIE）
AT-023：電子ビーム真空蒸着装置
AT-107：3次元電界放出形走査電子顕微鏡（エリオニクス）
AT-094：解析用PC（CAD及び近接効果補正用）
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
相変化材料および相変化デバイスは不揮発性の光学、電子記憶
装置のプラットホームとして注目されている。特に近年では、フォトニック集積回路との組み合わせが盛んに研究され、中でも全光学相変化メモリは実用的な光コンピューティ
ングへの道を開くものとして期待されている。相変化デバイスは高速スイッチングと低エネルギー化のため小型化が望まれるが、従来の集積型フォトニックシステムではナノメートルサイズの相変化材料による光読み出しに問題があり、また回折限界によりデバイスの小型化が大きく制限されている。この問題を解決する方法として、相変化デバイスと表面プラズモンの組み合わせが注目されている。表面プラズモンは強い電場閉じ込め効果により局所的な電磁場の増強効果を持つ。また伝搬光よりも短い波長をもつため、光の回折限界を下回る微細な光学デバイスの作成が可能になる。
本研究ではプラズモニックデバイスに相変化材料を組み合わせた光学変調素子の作成を目的としており、今回の装置利用では電子ビーム描画とプラズマエッチングを利用して、光学素子へ光を伝送するためのシリコン導波路の作成を行った。
実験 / Experimental
使用した主な装置：
・【NPF021】プラズマアッシャー
・【NPF022】UVオゾンクリーナー
・【AT-023】電子ビーム真空蒸着装置
・【AT-082】化合物半導体エッチング装置(ICP-RIE)
・【AT-093】高速電子ビーム描画装置（エリオニクス）
・【AT-094】解析用PC（CSD及び近接効果補正用）
実験内容：
SOI基板上にグレーティングカプラーとシリコン導波路の作成を行う。カプラーの深さと導波路の厚みが異なるため、EB描画とエッチングを複数回繰り返し行うことで作成していく。
実験手順：
［1］重ね合わせ描画のためのグローバルマークの作成
1)SOI基板上にポジ型レジストAR-P 6200.13をスピンコート
2)ベーク
3)130 kV高速電子ビーム描画装置を用いて露光
4)ZED-N50で現像、ZMD-Bでリンス
5)ポストベーク
6)化合物半導体エッチング装置を用いて、プロセスガス：HBrでSi層をエッチング
7)化合物半導体エッチング装置を用いて、プロセスガス：CF4 + O2でSiO2層をエッチング
8) MICROPOSIT Remover1165に基板を浸し、IPAでリンスを繰り返すことでレジストを除去
9)プラズマアッシャーによりO2アッシングを行い基板表面を洗浄
［2］シリコン導波路の作成
1)グローバルマークがエッチングされた基板上にプライマー：SurPass4000をスピンコート
2)リンス：IPAをスピンコート
3)ネガ型レジストman-N 2403をスピンコート
4)プリベーク
5) 130 kV高速電子ビーム描画装置を用いて露光
6)ポストベーク
7)TMAHで現像、純水でリンス
8)ドライベーク
9)化合物半導体エッチング装置を用いて、プロセスガス：HBrでSi層をエッチング
10) MICROPOSIT Remover1165に基板を浸し、IPAでリンスを繰り返すことでレジストを除去
11)プラズマアッシャーによりO2アッシングを行い基板表面を洗浄
［3］グレーティングカプラーの作成
1)Si導波路が作成された基板上にポジ型レジストAR-P 6200.13をスピンコート
2)ベーク
3)130 kV高速電子ビーム描画装置を用いて露光
4)ZED-N50で現像、ZMD-Bでリンス
5)ポストベーク
6)化合物半導体エッチング装置を用いて、プロセスガス：HBrでSi層をエッチング
7) MICROPOSIT Remover1165に基板を浸し、IPAでリンスを繰り返すことでレジストを除去
8)プラズマアッシャーによりO2アッシングを行い基板表面を洗浄
[4]Au板の蒸着
1)Si導波路が作成された基板上にポジ型レジストAR-P 6200.13をスピンコート
2)ベーク
3)130 kV高速電子ビーム描画装置を用いて露光
4)ZED-N50で現像、ZMD-Bでリンス
5)ポストベーク
6)UVクリーンを行い、基板表面を洗浄
7)電子ビーム真空蒸着装置を用いて、Ti、Auを蒸着
8) MICROPOSIT Remover1165に基板を浸し、IPAでリンスを繰り返すことでレジストを除去
9)プラズマアッシャーによりO2アッシングを行い基板表面を洗浄
結果と考察 / Results and Discussion
図1に作成したデバイス全体のSEM像を示す。逆U字型のSi導波路の途中に2枚のAu板からなるMIM構造が設置されている形状である。
図2に作成したグレーティングカプラーのSEM観察像を示す。グレーティング周期600 nmデューティー比50 %であり、設計値通りに作成されている。
図3にSi導波路とMIM導波路の結合部のSEM像を示す。描画時のドーズ量不足の影響でテーパー構造先端部のレジストが剥がれてしまい丸まってしまっている。またMIM導波路が歪んでしまっており、こちらもレジストの歪みが原因と考えられる。描画条件の変更、もしくはレジストの種類、スピンコートの条件を調整することで解決する方針である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1：SEMによるデバイス全体像
図2：グレーティングカプラーのSEM観察像
図3：MIM導波路周辺のSEM観察像
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
競争的資金：JSPS科研費 (JP22H05131,JP23H04575)、 文部科学省Q-LEAP ATTO (JPMXS0118068681)産業技術総合研究所ナノプロセシング施設の有本宏様、郭哲維様、木塚優子様にご支援・ご協力いただきましたことを感謝いたします
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.
- 加藤颯,久保敦,牧野孝太郎,"相変化材料Ge2Sb2Te5を用いた金属-絶縁体-金属型プラズモニック変調素子"第20回プラズモニクスシンポジウム (東京農工大学), 2024年6月
- 加藤颯,牧野孝太郎,久保敦,"プラズモニックナノギャップを用いた相変化光変調素子"2025年第72回応用物理学会春季学術講演会 (東京理科大学野田キャンパス), 2025年3月
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