【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.12】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23TU0046
利用課題名 / Title
メタマテリアルデバイスの作製
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku 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）-
【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
テラヘルツデバイス,位相シフト,フレネルゾーンプレート,BCB,メタマテリアル/ Metamaterial,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
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)
佐々木 玲子
所属名 / Affiliation
理化学研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
鈴木 哲
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
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
テラヘルツ波は、光波と電波の境界領域の電磁波であるが、種々の物質に対する指紋スペクトルが存在すること、生体その他の物質への適度な侵入深さがあること、空間分解能が高い事などから、研究開発・利用が進められている。
本研究では300 GHz帯のテラヘルツ波を想定して、微細なリング共振器を同心円２次元アレイとしたフレネルゾーンプレート（FZP）の開発を行う。THz帯で低損失誘電体を用いてレンズを形成する場合、肉厚レンズとなり、レンズ厚さ、レンズ曲率、収差等の点で、光学素子として好ましいものではなかった。FZPを使用すれば誘電体レンズの欠点を改善できる。 昨年度から引き継き開発するFZPを図１に示す。本年度に作製するものは、周波数が300 GHzであることにより、誘電体膜（BCB）の厚さが完成時で約150 µmとなる。そのため、加工プロセスの過程でいくつかの修正点があった。
実験 / Experimental
【実験方法】
１．Si基板のそりに対する改良
誘電体として使用するBenzocyclobutene（BCB）膜が厚くなったため、熱処理の際にBCB層とSi基板の熱膨張係数の差異により、室温に冷却した際、基板全体が反る現象が現れた。そのため次に続くフォトリソグラフィなどの工程に支障が生じた。そこで熱膨張係数を考慮し石英基板を用いることにした。熱膨張係数にはまだ差があるものの、石英の硬度のため基板の反りは概ね抑えられている。
２．ダブルレイヤーFZPパターンのマスク合わせ
２つのFZPレイヤー間隔が広いため、マスク合わせの際にずれが生じやすい。図２は第１レイヤーのFZP素子パターンの写真である。図３は第２レイヤーと第１レイヤーを透過的に観察した写真である。わずかにパターンの位置ずれが生じているのが分かる。今後マスク合わせの技術の向上により、より精密な2重レイヤーFZPを作製できる見込みである。図４は既成BCBフィルム上に形成したFZPパターンである。Alスパッタ膜を形成する際のBCBフィルムの冷却（カプトンテープによる電極板への密着）が十分ではないためスパッタ中にそれの温度が上昇し、結果としてそれが反りかえる結果となった。そのため第2層目のAlスパッタ膜形成の際にBCBフィルムを電極板に固定することが難しくなっている。現状では、フィルムの固定方法の改善が必要である。図5は第1層目のFZPパターンであり、概ね良好なパターンが形成されていることが分かる。
結果と考察 / Results and Discussion
何回かのフォトリソグラフィ工程でのベーキングで、ホットプレートの使用によりBCBに細かいひび割れが発生した。ホットプレートの場合、温度上昇が急激であるため、ひび割れが発生したと考えられる。そこで、オーブンによるベーキングに切り替えることにより、BCBのひび割れを防止できた。またBCBコーティングの際に微小な泡とバンプが発生することがあったが、BCB溶剤の滴下方法を改良して、概ね防止できた。エッジビード除去剤の使用により基板周辺のBCBの盛り上がりを除去し、第２層のフォトリソグラフィが安定するようになった。
いくつかのプロセスの改良により、300 GHz帯FZPの作製の見通しが良くなった。次年度は本FZPの完成まで着実に前進したい。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図１. 300GHz帯メタマテリアルFZPパターン
図２. 300GHz帯メタマテリアルFZP素子パターン
図３. 第１層と第２層のFZP素子パターンのずれ
図４. 既成BCBフィルムに形成したFZP。Alスパッタ時にBCBフィルムが反りかえった。
図５. 既成BCBフィルム上のFZPパターン
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.
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