【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23UT1007
利用課題名 / Title
窒化シリコンを利用した高透過率マルチカラーメタサーフェスホログラム
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,ホログラム,電子顕微鏡/ Electronic microscope,メタマテリアル/ Metamaterial,光デバイス/ Optical Device,電子線リソグラフィ/ EB lithography,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)
岩見 健太郎
所属名 / Affiliation
東京農工大学工学部機械システム工学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
山口眞和,別府純平,小野澤たまき
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
藤原誠
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-503：超高速大面積電子線描画装置
UT-603：汎用高品位ICPエッチング装置
UT-800：クリーンドラフト潤沢超純水付
UT-855：高精細電子顕微鏡
UT-850：形状・膜厚・電気特性評価装置群
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究開発では，広視域角で観察可能なマルチカラーホログラフィックアニメーションの実現を目標として，窒化シリコン(SiN)を用いた高透過率なメタサーフェスホログラムの製作を行った．図1のようにメタサーフェスホログラムの構造は，任意のホログラムの位相分布を再現するように，入射光を位相変調する様々な幅をもつ正八角柱のSiNナノピラーが正方格子状に配列されている．像観察においてホログラムをのぞきこんで肉眼で投影像を観察するためには，ホログラムの大面積化が課題となる．超高速電子線描画装置を利用することで，ホログラムの位相分布を16384x16384 pxの膨大な数のナノピラーで再現するメタサーフェスホログラムの製作を可能とした．また，製作したメタサーフェスの構造評価を走査型電子顕微鏡によって評価した．
実験 / Experimental
表面に1625 nmの窒化シリコンをスパッタリング製膜した2 cm角の石英ガラス基板にポジ型の共用EBレジストZEP-520A-7を使用して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)でパターンを描画し，蒸着・リフトオフを行ったのち，汎用ICPエッチング装置(NE-550)を使用した製作を行った．構造観察は形状・膜厚・電気特性評価装置(Tohospec3100)，高精細電子顕微鏡(Regulus8230)で行った．
結果と考察 / Results and Discussion
図2のように，製作したホログラムに可視光(450 nm, 532 nm, 638 nm)を入射してホログラムをのぞきこむことで，肉眼観察可能な3D像の投影を実現した．図1に示す撮影したSEM像より，垂直性の高いSiNナノ柱の製作に成功したといえる．平均柱高さは1724 nm，ホログラムの平均透過率は83%，0次光を除いた平均回折効率は95%であった．波長450 nmの投影像が不明瞭であり，これはホログラムの位相分布の再現に用いるSiNナノピラーの柱幅の種類が少なく位相分布の再現性が低いことが原因と考えられる．しかし2Dメタサーフェスホログラムでは同程度の柱種類で十分に鮮明な像が投影可能であることから，これが3Dメタサーフェスホログラムに特有な現象かどうか等を明らかにする必要がある．
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 メタサーフェスホログラムの概要図
図2 メタサーフェスホログラムの各投影像
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本研究はJSPS科研費 22K04894の助成を受けたものです．超高速大面積電子線描画装置，ドライエッチング装置，走査電子顕微鏡の利用にあ たって細やかにサポートしてくださったARIMスタッフの方々に深く感謝申し上げ 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)
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Masakazu Yamaguchi, Highly-efficient full-color holographic movie based on silicon nitride metasurface, Nanophotonics, 13, 1425-1433(2024).
DOI: https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0756
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M. Yamaguchi, Naked-eye Observable Animation with 3D Metasurface Holograms, 2023 Seventeenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), , X-442-X-444(2023).
DOI: https://doi.org/10.1109/Metamaterials58257.2023.10288620
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Masakazu Yamaguchi, High Transmittance and High Diffraction Efficiency with SiN Metasurface Holograms, 2024 IEEE 37th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), , 1031-1034(2024).
DOI: https://doi.org/10.1109/MEMS58180.2024.10439303
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Tamaki Onozawa, Junpei Beppu, Masakazu Yamaguchi, Shunsuke Takahashi, Satoshi Ikezawa, and Kentaro Iwami, Animation of dielectric metasurface 3D hologram, 第84回応用物理学会秋季学術講演会 JSAP-Optica Joint Sysposia, 2023年9月19日-2023年9月23日, 熊本
- Tamaki Onozawa, Junpei Beppu, Masakazu Yamaguchi, and Kentaro Iwami, 3D metasurface holograms of SiN for multicolor projection, the 13th Advanced Lasers and Photon Sources, 2024年4月22日-2024年4月26日, 神奈川
- Masakazu Yamaguchi, Hiroki Saito, Satoshi Ikezawa, Kentaro Iwami, "Improvement of Transmittance and Diffraction Efficiency of Holograms Using Silicon Nitride Metasurface", The 7th A3 Metamaterials Forum 2023, 2023年6月27日, 京都
- Masakazu Yamaguchi, Shunsuke Takahashi, Satoshi Ikezawa, Kentaro Iwami, "Naked-eye Observable Animation with 3D Metasurface Hologram", Metamaterials'2023, 2023年9月12日, ギリシャ
- Masakazu Yamaguchi, Hiroki Saito, Satoshi Ikezawa, Kentaro Iwami, "HIGH TRANSMITTANCE AND HIGH DIFFRACTION EFFICIENCY WITH SiN METASURFACE HOLOGRAMS", IEEE MEMS 2024, 2024年1月23日, アメリカ
- 山口眞和, 齋藤洋輝, 池沢聡, 岩見健太郎, "窒化シリコンによるメタサーフェスホログラムの透過率と回折効率の向上", 第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 2023年11月06日, 熊本
- 別府純平, 山口眞和, 小野澤たまき, 池沢聡, 岩見健太郎, "時間分割手法による3Dカラーメタサーフェスホログラムの投影", 第14回マイクロ・ナノ工学シンポジウム, 2023年11月6日-8日, 熊本
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