コロイド リソグラフィーを用いた定期的な金 Nanocup アレイの試作

この手順の全体的な目的は、コロイダルリソグラフィーと呼ばれる低コストで簡便な手法を用いて、金ナノカップの周期的なアレイを作製し、その特性を評価することです。金ナノカップまたはナノシェルは、非線形光学、メタマテリアル、化学センシングなどの分野で応用されている独自の光学特性を有しています。このビデオでは、高度に単分散したポリスチレンナノ球の自己組織化に基づく低コストな手法を用いて、柔軟で透明なナノプラズモニックアレイフィルムを作製する方法を学びます。

この手法は、EUVリソグラフィーのようなシリアルプロセスと比較して、スケーラビリティに優れているという利点があります。金ナノカップまたはナノシェルの周期的な配列で構成されるこれらの薄膜は、化学センシング、タンパーインジケーション、光起電力など、幅広い用途に活用されます。さらに、目的の用途に応じて、これらの薄膜のプラズモン共鳴を可視光域から近赤外域まで容易に調整することが可能です。

このビデオでは、犠牲シリコン基板上への金ナノカップアレイの作製、得られた構造の光学特性評価、および透明粘着フィルムへのフィルム転写について説明します。まず、数枚のシリコンウェハーをクオーツキャリアに入れ、プラズマ洗浄を行います。これにより、ポリマーナノ球の自己組織化に不可欠な、清潔で親水性の表面が確保されます。

次に、クオーツキャリアをプラズマ装置にセットし、真空排気を開始します。本システムは、酸素流量 30 SCCM、出力 250 W で 15 分間の酸素プラズマ洗浄を行うよう設定しました。シリコンウェハのプラズマ洗浄中に、ポリスチレンナノ粒子溶液を冷蔵庫から取り出し、室温に戻しておきます。

溶液を均一にするため、1分間短時間でボルテックスミックスします。その後、溶液を1分間超音波処理します。スピンコーティング中に単分子層を得るには、通常、10重量%のナノ粒子ストック溶液を希釈する必要があります。

この操作を行うため、高純度の精製水を用いてナノスフェア溶液を固体重量パーセントで5%に希釈します。プラズマシステムから洗浄済みのシリコンウェハーを取り出し、ほこりや有機残留物などの汚染物質がないか検査します。ウェハーに問題がなければ、スピンコーターの中心に取り付け、真空状態にします。

次に、スピンコーターを適切な回転数、加速度、およびスピン時間に設定します。これらの条件は、使用するポリスチレンナノ球のサイズと濃度によって異なります。本例では、単層被覆を形成するために、スピンコーターを3,000 rpm、加速度2,000 rpm/s、時間は1分に設定します。

希釈したナノ粒子溶液を用意し、プラスチック製シリンジを用いて、ナノ粒子溶液を約1 mL採取します。次に、シリンジの先端に5 µmのフィルターを取り付けます。これにより、自己組織化膜の品質に悪影響を及ぼす凝集体の除去に役立ちます。

シリンジをスピンコーターの上に保持し、ナノ粒子溶液が1滴滴下するまでプランジャーを押し下げます。次に、滑らかな動作で、ウェハの約2/3が覆われるまで溶液をウェハの中央に滴下します。蓋を閉め、スピンサイクルを開始します。

スピンサイクルが完了するまで待ち、真空を解除して蓋を開け、ウェハーを取り出します。スピンコーター内部を拭き取り、余分なナノ粒子溶液を完全に取り除いてください。次の工程に進む前に、スピンキャスト膜の品質を評価することが不可欠です。

まず、気泡、塵、または凝集物による欠陥がないかを目視で検査します。次に、光学顕微鏡を用いて膜の品質をさらに評価します。光源を点灯させ、対物レンズの下にサンプルを配置することで、多層形成、欠陥、またはピンホールの有無を含む膜の品質を明確に評価することができます。

これらの画像では、高品質な薄膜、多層構造を含む薄膜、およびピンホールを含む薄膜が確認できます。膜質を評価するための最終的な手法は、走査電子顕微鏡を用いることです。これにより、ナノスケールで薄膜を可視化することが可能になります。

フィルムの品質を評価した後、ナノ球を基板にアニールさせる必要があります。基板を107 °Cのオーブンに約2分間入れます。基板をオーブンから取り出し、短時間室温まで冷却させます。

次に、アニール処理した基板をエッチングのためにプラズマ装置に移します。プラズマ装置を75 watts、酸素 20 SCCM、エッチング時間 175 secondsに設定します。酸素のフローを開始してください。

圧力が安定するまで待ち、RFプラズマを発生させます。示されているように、酸素プラズマがポリスチレンナノ粒子を等方的にエッチングし、その結果、均一な間隔で配置された球体の周期的なアレイが形成されます。エッチング後、スパッタコーティングを用いて29 nmの中間金層を堆積させます。

堆積角度を変えることで、異方性構造を作製することができます。これらのサンプルでは、金が基板に対して垂直に堆積されました。左側に示されているのは、スピンキャストされたポリスチレンナノ粒子の2インチウェハです。

右側は金蒸着後のウェハです。マイクロ分光光度計を使用して、シリコン基板上の金ナノカップアレイの光学特性を測定します。プラズモン共鳴ピークは約650ナノメートルで発生します。

本プロトコルの最終ステップは、金ナノカップアレイを柔軟で適合性のあるフィルムに転写することです。この迅速かつ簡単なリフトオフ法を行うために、透明な感圧粘着テープを使用します。テープを切り取り、金コーティングされた基板に慎重に接触させます。

ウェハ表面とテープの間に気泡が生じている場合は、注意深く取り除く必要があります。テープが基板に十分に密着したら、ゆっくりとテープを剥がします。テープを完全に除去すると、周期的に配列したナノカップからなる、柔軟でコンフォーマルなフィルムが得られます。

この手法を用いて、コロイドリソグラフィー、プラズマエッチング、および金属化によりナノプラズモニック薄膜を作製しました。ここでは、ポリスチレンナノ粒子を金属ナノカップ堆積のための自己組織化テンプレートマスクとして機能させています。作製プロセスの結果は、走査電子顕微鏡を用いて検証しました。ここでは、自己組織化したポリスチレンナノ粒子の単分子層、エッチング後のナノ粒子、および金属堆積後のナノカップの顕微鏡写真を示します。

これらの薄膜の光学特性として、明確に識別可能なプラズモン共鳴を維持しつつ、可視スペクトルにおいて最大約70%という良好な光透過率を有することが挙げられます。コロイダルリソグラフィーは、ナノプラズモニック薄膜を製造するための、迅速かつ潜在的に低コストな手法です。この手法は、一般的に入手可能な装置のみで完結し、わずか数時間でナノプラズモニック薄膜を作製することが可能です。

ここでは、この手法を用いて、可視光スペクトルでプラズモン応答を示す金ナノカップの周期配列で構成される薄膜を作製する方法を示しました。この技術を習得すれば、可視光および近赤外光の両方で光学応答を持つ、多種多様なナノプラズモニック薄膜を作製することが可能になります。