(57)【要約】【課題】応答速度が速く、波長選択性に優れた電磁波センサを提供する。【解決手段】電磁波センサ装置は、１つまたは複数個の電磁波センサ１００を備える。電磁波センサ１００は、温度検知部４と、温度検知部に熱的に接続された電磁波吸収部１０とを備える。電磁波吸収部は、周期的に隔てられて配置された、金属を含む複数の孤立板１１と、孤立板に対向配置され、少なくとも表面が金属である反射板１３と、孤立板の面内方向での表面プラズモン共鳴が生じるように孤立板と反射板との間を接続する接続柱１２とを有する。孤立板の面内方向寸法Ｌは、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数個の電磁波センサを備えた電磁波センサ装置であって、
前記電磁波センサは、
温度検知部と、
前記温度検知部に熱的に接続された電磁波吸収部とを備え、
前記電磁波吸収部は、
周期的に隔てられて配置された、金属を含む複数の孤立板と、
前記孤立板に対向配置され、少なくとも表面が前記金属である反射板と、
前記孤立板の面内方向での表面プラズモン共鳴が生じるように前記孤立板と反射板との間を接続する接続柱とを有し、
前記孤立板の面内方向寸法は、前記電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択されたことを特徴とする電磁波センサ装置。
【請求項２】
前記孤立板は、１方向に、又は互いに交差する２方向にそれぞれ一定の周期で配置され、
前記一定の周期は、前記特定波長より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の電磁波センサ装置。
【請求項３】
複数個の電磁波センサを備えた電磁波センサ装置であって、
前記複数個の電磁波センサはそれぞれ、
温度検知部と、
前記温度検知部に熱的に接続された電磁波吸収部とを備え、
前記電磁波吸収部は、
金属を含む孤立板と、
前記孤立板に対向配置され、少なくとも表面が前記金属である反射板と、
前記孤立板の面内方向での表面プラズモン共鳴が生じるように前記孤立板と反射板との間を接続する接続柱とを有し、
前記孤立板の面内方向寸法は、前記電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択され、
前記複数個の電磁波センサにわたって、前記孤立板が、１方向または互いに交差する２方向にそれぞれ一定の周期で配置されたことを特徴とする電磁波センサ装置。
【請求項４】
前記電磁波吸収部は、前記孤立板を１つまたは２つ有することを特徴とする、請求項３に記載の電磁波センサ装置。
【請求項５】
前記一定の周期は、前記特定波長より小さいことを特徴とする、請求項３または４に記載の電磁波センサ装置。
【請求項６】
１方向に前記電磁波センサを２つ備えたことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項７】
前記金属は、表面プラズモンを発生させる金属であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項８】
前記孤立板および前記接続柱は、
絶縁体、半導体および誘電体からなる群から選択された材料からなり、または
少なくとも表面が金属であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項９】
前記接続柱の高さ及び太さは、前記孤立板の面内方向寸法より小さいことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１０】
前記孤立板の厚さ、前記接続柱の高さ、前記接続柱の太さの少なくとも１つは、前記孤立板の面内方向寸法の１／４より小さいことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１１】
前記孤立板、前記接続柱及び前記反射板は、少なくとも表面が金属であり、
該金属の透磁率をμ、電気伝導率をσ、前記特定波長の電磁波の角振動数をωとして、前記孤立板の厚さ、前記接続柱の高さ、前記接続柱の太さ、及び前記反射板の厚さはそれぞれ、
２×（２／μσω）１／２
以上の大きさであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１２】
前記孤立板の上面、側面および下面のうち少なくとも１つの面に、空気よりも屈折率が大きい材料からなる被覆層が設けられたことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１３】
前記反射板は、該反射板の面内方向で前記孤立板と重複しない範囲に形成された貫通孔を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１４】
前記貫通孔は、１方向に、又は互いに交差する２方向にそれぞれ、前記孤立板が配置される周期または該孤立板が配置される周期とは異なる周期で隔てられて形成されたことを特徴とする、請求項１３に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１５】
前記孤立板、前記反射板及び前記接続柱は、
金属からなる表面層と、
絶縁体、半導体及び誘電体からなる群から選択された材料からなる内部層とを含むことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１６】
前記孤立板は、互いに交差する２方向に対称な形状を有することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１７】
前記孤立板は、互いに交差する２方向に非対称な形状を有することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１８】
前記反射板は、該反射板の面内方向で前記孤立板と重複しない範囲に形成された貫通孔を有し、
前記接続柱は、絶縁体、半導体及び誘電体からなる群から選択された材料からなり、
前記接続柱の高さは、前記孤立板の面内方向寸法の１／４より小さく、
前記接続柱の太さは、前記孤立板の面内方向寸法以下であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項１９】
複数の前記孤立板と前記反射板との間が前記接続柱により接続され、
前記反射板は、該反射板の面内方向で前記孤立板と重複しない範囲に形成された貫通孔を有し、
前記接続柱は、絶縁体、半導体及び誘電体からなる群から選択された材料からなり、
前記接続柱の高さは、前記孤立板の面内方向寸法の１／４より小さいことを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項２０】
中空部を有する基板と、
前記温度検知部に接続され、中空部の上側に前記温度検知部を保持する支持脚とをさらに備え、
前記温度検知部は、温度によりその電気抵抗の値が変わる検知膜を有し、
前記電磁波吸収部は、前記温度検知部の上側に設けられたことを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項２１】
前記電磁波吸収部は、前記温度検知部の上に直接に設けられたことを特徴とする、請求項２０に記載の電磁波センサ装置。
【請求項２２】
アレイ状に配置された複数個の電磁波センサを含むことを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の電磁波センサ装置。
【請求項２３】
前記アレイ状に配置された複数個の電磁波センサは、第１電磁波センサと第２電磁波センサとを含み、
前記第１電磁波センサと第２電磁波センサとは、互いに、前記孤立板が配置される周期、前記孤立板の面内方向寸法、前記孤立板の厚さ、前記接続柱の高さのうちの少なくとも１つが異なることを特徴とする、請求項２２に記載の電磁波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つまたは複数個の電磁波センサを備えた電磁波センサ装置に関し、特に熱型の赤外線センサを備えた赤外線センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱型（非冷却型）の赤外線センサ装置では、検出する赤外線の波長を選択するために、赤外線センサの前方に光学フィルタが装着されていた。しかし、構造が複雑になる、検出効率が低下するなどの理由により、光学フィルタを用いず赤外線センサのみで検出波長を選択する熱型赤外線センサ装置が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、赤外線吸収体に曲面からなる波型構造を設け、この波型構造の周期と等しい波長の赤外線のみを選択的に吸収する赤外線センサ装置が開示されている。赤外線吸収体を構成する材料としては、金属でなくカーボンが用いられている。
【０００４】
また、非特許文献１，２では、平坦な金属上に形成した絶縁膜上に周期的に隔てられて配置された金属板（金属板／絶縁膜／金属構造を順に積層した多層構造）によって検出波長を選択する光吸収体が開示されている。具体的には、金属板の大きさによって検出波長が選択されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１４２４１８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. Hao, J. Wang, X. Liu, W. J. Padilla, L. Zhou, and M. Qiu, Appl. Phys. Lett. vol. 96, p. 251104 (2010).
【非特許文献２】T. Maier and H. Brueckl, Opt. Lett. vol. 35 p. 3766 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の赤外線センサ装置の場合、第１に、赤外線吸収体が有する周期構造の周期の大きさを検出波長より小さくすることができないため、吸収体を小型化することが難しいという問題があった。第２に、吸収体を構成する材料としてカーボンが用いられる結果、当該材料自体が検出波長以外の波長の赤外線も吸収してしまい、波長選択性が悪化するという問題があった。
【０００８】
一方、非特許文献１，２に記載の、絶縁膜を含んだ多層構造の吸収体の場合、第１に、絶縁膜自体が検出波長以外の波長の赤外線を吸収してしまい、波長選択性が悪化するという問題があった。第２に、多層構造であるため、全体の体積が大きくなり、したがって熱容量も大きくなって、応答速度が小さくなるという問題があった。
【０００９】
これらの問題は、赤外線以外の波長域の電磁波でも同様に当てはまる。
【００１０】
本発明は、本発明は、応答速度が大きく、波長選択性に優れた電磁波センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、１つまたは複数個の電磁波センサを備えた電磁波センサ装置に関する。電磁波センサは、温度検知部と、温度検知部に熱的に接続された電磁波吸収部とを備える。電磁波吸収部は、周期的に隔てられて配置された、金属を含む複数の孤立板と、孤立板に対向配置され、少なくとも表面が金属である反射板と、孤立板の面内方向での表面プラズモン共鳴が生じるように孤立板と反射板との間を接続する接続柱とを有する。孤立板の面内方向寸法は、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択される。
【００１２】
ところで、先行技術による電磁波吸収体では、一画素内に周期構造を設ける必要があり、一画素のサイズを充分に低下させることができず、したがって電磁波センサ装置の画素分解能を向上させることができなかった。
【００１３】
そこで、本発明の第２の態様は、複数個の電磁波センサを備えた電磁波センサ装置に関する。複数個の電磁波センサはそれぞれ、温度検知部と、温度検知部に熱的に接続された電磁波吸収部とを備える。電磁波吸収部は、金属を含む孤立板と、孤立板に対向配置され、少なくとも表面が金属である反射板と、孤立板の面内方向での表面プラズモン共鳴が生じるように孤立板と反射板との間を接続する接続柱とを有する。孤立板の面内方向寸法は、電磁波吸収部に入射した電磁波に含まれる特定波長の電磁波と結合する表面プラズモンを誘起するように選択される。また、複数個の電磁波センサにわたって、孤立板が、１方向または互いに交差する２方向にそれぞれ一定の周期で配置されている。
【００１４】
本発明の第２の態様による電磁波センサ装置において、電磁波吸収部は、孤立板を例えば１つまたは２つ有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第１の態様によれば、孤立板の面内方向寸法によって決定される波長に応じた表面プラズモン共鳴が主に孤立板の面内方向で生じ、電磁波吸収部により特定波長の電磁波を選択的にかつ効率的に吸収可能である。また、表面プラズモン共鳴を利用することにより、孤立板の周期を当該特定波長より小さくすることができ、センサを小型化できる。
【００１６】
また、第１の態様によれば、電磁波吸収部の少なくとも一部が金属で構成されることになる。特に、孤立板および接続柱の少なくとも表面が金属である場合には、電磁波吸収部の少なくとも表面が金属で構成されることになる。これにより、電磁波吸収部を構成する材料自体による電磁波の吸収を防止できる。また、孤立板と反射板との間が接続柱によって接続されることにより、全体の体積を小さくすることができる。このようにして、応答速度が大きく、波長選択性に優れた電磁波センサが実現する。
【００１７】
本発明の第２の態様によれば、孤立板が、複数個の電磁波センサにわたって周期的に配置されることになる。これにより、第１の態様と同様の効果が得られる。
【００１８】
また、第２の態様によれば、複数個の電磁波センサにわたって周期構造が設けられることになり、一画素（１つの電磁波センサ）内に周期構造を設ける必要がなく、したがって一画素のサイズを低下させることができる。特に、電磁波吸収部に孤立板を１つだけ設けた場合には、一画素のサイズを孤立板の周期よりも小さくすることができる。このようにして、電磁波センサ装置の画素分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線センサ装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１による赤外線センサの、吸収体がない状態での上面図である。
【図３】吸収体がある状態での図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【図４ａ】本発明の実施の形態１による吸収体の斜視図である。
【図４ｂ】本発明の実施の形態１による吸収体の上面図である。
【図５】図４ｂのＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図６】図５の一部を示し、表面プラズモン共鳴を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図１２ａ】本発明の実施の形態１の第１変形例による吸収体の上面図である。
【図１２ｂ】本発明の実施の形態１の第１変形例による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態１の第２変形例による吸収体の断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１の第２変形例による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図１５】図１３の吸収体の製造方法の各製造工程（ａ）〜（ｄ）を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による吸収体の斜視図である。
【図１７】本発明の実施の形態２による吸収体の図５に相当する断面図である。
【図１８】貫通孔を形成可能な領域を示す説明図である。
【図１９】本発明の実施の形態２による吸収体の上面図である。
【図２０】本発明の実施の形態２による別の吸収体の上面図である。
【図２１】本発明の実施の形態２による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図２２】本発明の実施の形態２の変形例による吸収体の上面図である。
【図２３】図２２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図２４】本発明の実施の形態３による吸収体の上面図である。
【図２５】図２４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図２６】本発明の実施の形態５による吸収体の断面図であり、孤立板の表面全体に被覆層が設けられている。
【図２７】本発明の実施の形態５による吸収体の断面図であり、孤立板の上面（ａ）、側面（ｂ）、下面（ｃ）に被覆層が設けられている。
【図２８】本発明の実施の形態５による吸収体の吸収特性を示すグラフである。
【図２９】図２３の構造に被覆層を設けた図である。
【図３０】図２５の構造に被覆層を設けた図である。
【図３１】本発明の実施の形態６による赤外線センサアレイの上面図である。
【図３２】本発明の実施の形態７による赤外線センサアレイの上面図である。
【図３３】図３２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図３４】本発明の実施の形態８による赤外線センサの、図３の一部に相当する要部断面図である。
【図３５】本発明の実施の形態９による、各赤外線センサが孤立板を２つ有する赤外線センサアレイの上面図である。
【図３６】図３５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図３７】本発明の実施の形態９による、各赤外線センサが孤立板を１つ有する赤外線センサアレイの上面図である。
【図３８】図３７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図３９】図３７，３８の赤外線センサアレイによる吸収特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態による熱型の赤外線センサ装置について、図を参照して説明する。各実施の形態において、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００２１】
まず、表面プラズモン共鳴について簡単に説明する。
一般に、電磁波が境界面で全反射する際に発生するエバネセント波の波長が表面プラズモン波と結合する場合に、表面プラズモンが励起される。表面プラズモンは、その分散関係から導かれるように、可視〜近赤外域の領域における現象が一般的である。一方、表面に周期構造を導入することによって、可視〜近赤外波長域以外の波長域、例えば可視、中波長赤外、長波長赤外、遠赤外、テラヘルツ（ＴＨｚ）、マイクロ波領域においても近似的に同様の現象が生じる。これは、近似的に表面プラズモンとして扱うことが可能であるため、擬似表面プラズモンとも呼ばれる。それゆえ、本発明は、以下で説明する赤外線センサに限定されることなく、赤外線以外の波長域用のセンサにも適用可能である。
【００２２】
上記の現象は、金属表面における強い共鳴という意味も含めて、波長域によらず表面プラズモン共鳴、プラズモニクスに分類される場合が多い。あるいは上記のように、メタマテリアル、疑似表面プラズモンなどと呼ばれることもあるが、吸収における本質的な現象は同じである。本明細書では、これらを区別せず、表面プラズモン、プラズモン共鳴または単に共鳴と表記する。
【００２３】
実施の形態１．
赤外線センサ装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による赤外線センサ装置を示す斜視図である。赤外線センサ装置１０００では、基板１の上に複数個の赤外線センサ１００が互いに直交する２方向（ｘ方向、ｙ方向）にマトリックス状（アレイ状）に配置されており、ｚ軸に平行な方向から光を入射させる。赤外線センサ１００の周囲には、赤外線センサ１００により検出した信号を処理して画像を検出する検出回路１０１０が設けられている。
【００２４】
赤外線センサ装置１０００には、赤外線センサ１００が２次元的に配置されているが、１次元的に配置された構成でもよい。
【００２５】
次に、赤外線センサの構成について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１による赤外線センサの、吸収体がない状態での上面図である。図２では、明確化のために、配線上の保護膜、反射膜は省略して図示している。図３は、吸収体がある状態での図２のＩ−Ｉ線断面図である。なお、吸収体１０は、特許請求の範囲では電磁波吸収部に相当する。
【００２６】
図３に示すように、赤外線センサ１００は、例えばシリコンからなる基板１を含む。基板１には中空部２が設けられている。また、中空部２の上側には、温度検知機能を有する温度検知部４が設けられている。温度検知部４は、２本の支持脚３により支持されている。支持脚３は、図２に示すように、上方から見るとＬ字型に折れ曲がったブリッジ形状を有する。支持脚３は、薄膜金属配線６と、配線６を支える絶縁層１４とを含む。絶縁層１４は、例えば酸化シリコンからなる。
【００２７】
温度検知部４は、温度によってその電気抵抗の値が変化する検知膜５と上記の薄膜金属配線６とを含む。検知膜５は、例えば、結晶シリコンを用いたシリコンダイオードからなる。上記の通り、薄膜金属配線６は支持脚３にも設けられ、絶縁層１７で覆われたアルミニウム配線７と検知膜５とを電気的に接続している。薄膜金属配線６は、例えば、厚さが約１００ｎｍのチタン合金からなる。検知膜５が出力した電気信号は、支持脚３に形成された薄膜金属配線６を経由してアルミニウム配線７に伝わり、検出回路（図１の１０１０）により取り出される。薄膜金属配線６と検知膜５との間、および薄膜金属配線６とアルミニウム配線７との間の電気的接続は、必要に応じて上下方向に延在する導電体（図示せず）を介して行ってもよい。
【００２８】
反射膜８は、入射した光を反射する機能を有し、中空部２を覆うように配置されている。ただし、反射膜８は、温度検知部４と熱的に接続されない状態で、支持脚３の少なくとも一部を覆うように配置されている。
【００２９】
図３に示すように、温度検知部４の上側には支持柱９が設けられ、支持柱９の上に吸収体１０が支持されている。つまり、吸収体１０は、温度検知部４の上側で支持柱９によって接続されている。また、吸収体１０は、温度検知部４と熱的に接続されており、吸収体１０で生じた温度変化が温度検知部４に伝わる構成を有する。
【００３０】
一方、吸収体１０は、反射膜８と熱的に接続されない状態で、反射膜８より上方に保持され、反射膜８の少なくとも一部を覆うように側方に広がっている。そのため、赤外線センサ１００は、上方から見ると、後述する図４ｂに示すように吸収体１０のみが見える。本発明の実施形態の構成では、吸収体１０により特定波長の入射光を充分に吸収できるため、反射膜８は必須ではない。特に裏面における吸収を防止するためには反射膜８が無い方がよい場合がある。中空構造の製造における歩留まりなどを考慮して、反射膜８を設けるか否かは、必要に応じて選択できる。
【００３１】
赤外線センサ１００では、入射した赤外線（電磁波）は主に吸収体１０で吸収される。吸収体１０に吸収された赤外線は熱に変換され、支持柱９を経由して温度検知部４に伝わる。温度検知部４では、検知膜５の電気抵抗が温度により変化するため、外部に設けた検出回路１０１０で電気抵抗の値の変化を検出することにより、吸収体１０に吸収された赤外線の量を検出できる。
【００３２】
次に、吸収体１０の構造について詳しく説明する。
図４ａ，４ｂは、本発明の実施の形態１による吸収体１０の斜視図、上面図である。図５は、図４ｂのＩＩ−ＩＩ線断面図である。なお、図４ａと図１６の斜視図では、図を見やすくするために、他の図より周期ｐを大きくして描いている。
【００３３】
図４ａ，４ｂ，５に示すように、吸収体１０は、互いに直交する(或いは交差する)２方向（ｘ方向、ｙ方向）にそれぞれ一定の周期ｐで隔てられて配置された複数個の孤立板１１と、孤立板１１に対向配置された平坦な反射板１３と、孤立板１１と反射板１３との間をそれぞれ接続するとともに孤立板１１を支持する接続柱１２とを有する。
【００３４】
孤立板１１は、図４ａに示すように正方格子状に配置される。ただし、後述するような偏光依存性を有しないようにするためには、二次元周期的に配置されればよく、例えば三角格子状または六方格子状に配置されてもよい。また、偏光依存性をなくす観点では、周期数（１方向の孤立板１１の数）が直交する２方向で等しいことが好ましい。ただし、例えば周期数が両方向ともに充分に大きければ、偏光依存性をほぼ無視できる場合がある。また、周期数が異なっても吸収は生じるため、周期数が両方向で等しいことは必須ではない。直交する２方向の各周期数は、必要となる吸収体１０の形状、大きさ、偏光依存性などに応じて適宜選択すればよい。
【００３５】
周期ｐより小さい波長の入射赤外線は、回折されるため吸収体１０により反射され、ほとんど吸収が生じない。それゆえ周期ｐは、検出波長の赤外線吸収量を大きくするために、当該波長以下に設定されることが好ましい。このように、表面プラズモン共鳴を利用する吸収体１０の構成によれば、周期ｐ以上の波長を吸収可能である。また、入射光のうち、共鳴波長以外の波長の光は、吸収体１０によって反射される。
【００３６】
孤立板１１は、円形の板である。ただし、直交する２方向に対称な形状であれば偏光依存性をなくすことができ、例えば正方形板、十字板でもよい。さらに、ある点から複数の羽根が放射状に延びる形状でもよい。接続柱１２は、例えば円柱、四角柱である。図５などに示すように、孤立板１１の面内方向寸法をＬ、厚さをｔ、接続柱１２の高さをｈ、太さをｗとする。「孤立板１１の面内方向寸法」とは、孤立板１１の面内方向の代表的な寸法を表し、孤立板１１が円板であれば円の直径であり、正方形板であれば一辺の長さであるとする。また、「接続柱１２の太さ」とは、円柱の場合には柱の底面（断面）の円の直径、四角柱の場合は底面の一辺の長さであるとする。
【００３７】
以下で詳しく説明するように、接続柱１２は、孤立板１１の面内方向での表面プラズモン共鳴が支配的に生じるように孤立板１１と反射板１３とを接続している。そして、孤立板１１の面内方向寸法Ｌを好適に選択することにより、吸収体１０に入射した光に含まれる特定波長の赤外線と結合する表面プラズモンが誘起されるようになっている。
【００３８】
孤立板１１は、通常用途の熱型赤外線センサに用いる場合には、円板、正方形板または十字板など、直交する２方向に対称な形状として偏光依存性をなくすことが好ましい。ただし、設計時に正方形であっても、以下で説明する吸収体１０の製造工程において、孤立板１１の角を丸まらせる工程を含むことがある。その場合、孤立板１１を予め円形で設計することにより、設計通りの形状とすることができる。ただし、吸収体１０の構成によれば、孤立板１１が円板であっても正方形板であっても、面内方向寸法Ｌによって吸収波長（検出波長）が決定されることに変わりはない。
【００３９】
本実施形態１では、孤立板１１、接続柱１２、反射板１３は、すべて同じ金属からなるが、本発明はこれに限定されることはない。そして、この金属は、表面プラズモンを発生させる金属であることが好ましい。当該金属は、例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｉなどの負の誘電率をもつ金属である。ただし、これらの材料の中には、共鳴の半値幅が大きく、吸収波長が広帯域化しうるもの、あるいは、表面が酸化しやすく、赤外波長域においてブロードな吸収を生じうるものが含まれる。これらが問題とならないように、吸収体１０の製造工程、および検出波長を考慮して、表面プラズモンによる波長選択に適する金属が適宜選択される。本明細書において「表面プラズモンを発生する金属」は、このように吸収体１０の製造工程、および検出波長を考慮して選択された金属を指す。
【００４０】
以上で説明した構成では、直交する２方向で孤立板１１の周期数を等しくｐとすることにより、吸収における入射光の偏光依存性が低下する。また、孤立板１１を正方格子状に（２次元周期的に）配置し、孤立板１１の面内方向寸法を直交する２方向で同一としたことにより、特に主要な光入射方向である、吸収体１０に対する垂直入射方向（ｚ方向）において、偏光依存性が低下する。
【００４１】
このように偏光依存性を低下させることにより、入射光に対する全体的な吸収量を増加させ、結果的に出力を増加させることができる。また、赤外線センサ１００でイメージセンサを構成した場合には、偏光が反映されないため有利である。
【００４２】
一方、直交する２方向（ｘ方向、ｙ方向）の孤立板１１の周期数を異ならせ、あるいは孤立板１１を楕円板、長方形板、三角形板など、直交する２方向に非対称な形状とすることにより、共鳴方向にも非対称性が生じるため偏光依存性が生じ、特定の偏光のみの吸収が大きくなる。このようにして、特定の偏光を検出するセンサを構成することも可能である。なお、孤立板１１を楕円板、長方形板、三角形板としたとき、孤立板１１の面内方向寸法は、それぞれ楕円の長径、長方形の長辺、三角形の一辺とすることができる。特定の偏光の検出（偏光イメージング）により、例えば反射光の偏光特性が自然物と人工物とで異なることを利用して、両者を識別することもできる。
【００４３】
続いて、孤立板１１の寸法（面内方向寸法Ｌと厚さｔ）と接続柱１２の寸法（高さｈと太さｗ）について詳しく説明する。これらは、吸収体１０におけるプラズモン共鳴の成立と吸収波長の決定に重要である。前提として、まず、一般的な表面プラズモン共鳴について説明する。
【００４４】
一般に、吸収体の表面（赤外線吸収面）に微細かつ周期的な凹凸を設けた場合、通常の入射光において表面プラズモンが励起され、表面に結合することが知られている。この結合により、共鳴波長の赤外線が表面に強く局在し、結果的に吸収されることになる。これにより、共鳴波長において吸収が増加する。凹凸の周期をｐ、その場合の逆格子ベクトルをＧ、誘起される表面プラズモンの波数ベクトルをＫｓｐ、入射光の吸収体表面方向への波数ベクトルをＫｘ、ｍを整数とすると、下記の式（１）が成立する。なお、式（１）において、ベクトルには上矢印を付している。
【００４５】
【数１】
2014224810.tif 000003
【００４６】
また、凹凸が１次元（スリット構造）の場合は、ベクトル表示を省略して下記の式（２）のように表すことができる。
【００４７】
【数２】
2014224810.tif 000004
【００４８】
なお、入射光の波数ベクトルをＫ０、入射角をθ（吸収体平面に対して垂直な方向を０°とする）としてＫｘ＝Ｋ０ｓｉｎθと表すことができる。
【００４９】
このように、凹凸の周期ｐによって決定される波長が表面に強く局在し、結果的に吸収されることがわかる。２次元周期構造の場合は、上記式（１）における逆格子ベクトルＧが２次元ベクトルとなる。孤立した凹凸が２次元周期的に配置された場合、表面プラズモン共鳴は、面内方向と高さ方向に生じるが、面内方向の表面プラズモン共鳴が支配的であり、主要な吸収波長は周期ｐによって決定される。
【００５０】
これに対し、吸収体１０のように表面プラズモンを生じる金属からなる孤立板１１が周期的に配置され、孤立板１１に対向して反射板１３が配置される構造の場合、表面プラズモン共鳴は、孤立板１１の面内（ｘｙ面内）方向と接続柱１２の高さｈ方向とで３次元的に共鳴が生じる。この３次元的共鳴により孤立板１１近傍に局在する電磁界の様子を図６に示している。しかし、後述するように、接続柱１２の高さ方向の共鳴は支配的とならない。一方、この高さ方向の共鳴は、孤立板１１における面内に強く局在する共鳴光を閉じ込める役割を果たす。それゆえ、吸収体１０において赤外線の波長選択的な吸収につながるのは、主として、孤立板１１の面内方向で生じる表面プラズモン共鳴である。
【００５１】
以下で説明するように、孤立板１１と接続柱１２の寸法を調整することにより、孤立板１１と、反射板１３のうち孤立板１１の直下の領域との間でキャビティが形成される。そして、表面プラズモン共鳴が孤立板１１の面内方向（ｘｙ面内）で支配的に生じるとともに、主として孤立板１１の面内方向寸法Ｌにより吸収体１０の吸収波長を選択できるようになる。
【００５２】
以下では、上記孤立板１１の寸法（厚さｔ）と接続柱１２の寸法（高さｈと太さｗ）について、孤立板１１の面内方向寸法Ｌとの関係で説明する。
【００５３】
まず、孤立板１１の厚さｔについて説明する。
孤立板１１の厚さｔが大きくなると、吸収体１０の熱容量が増加してセンサ１００の応答速度が小さくなる。それゆえ、応答速度の観点では、可能な限り厚さｔを小さくすることが好ましい。
【００５４】
また、孤立板１１の厚さｔが大きくなると、厚さ方向にも共鳴が生じるため、波長選択効果が弱くなり吸収自体が弱まるか、広い波長範囲でブロードな吸収が生じてしまう。つまり、接続柱１２の高さ方向の共鳴に加え、孤立板１１の厚さ方向の共鳴が生じることになり、垂直方向（ｚ方向）の共鳴が面内方向の共鳴より支配的になる可能性がある。この場合、吸収の入射角度依存性が大きくなるため、検出波長がシフトする可能性がある。また、所望の検出波長における光の吸収量が低下し、出力が低下する。厚さ方向、高さ方向の共鳴を抑制するために、ｔ＜Ｌを満たすことが好ましい。
【００５５】
さらに、孤立板１１の面内方向での共鳴を支配的にし、吸収の入射角度依存性を充分に小さくするために、ｔ＜Ｌ／４を満たすことが好ましい。
【００５６】
次に、接続柱１２の高さｈについて説明する。
吸収体１０は、孤立板１１の面内方向において生じる共鳴によって赤外線を吸収する。この孤立板１１の面内方向で生じる共鳴は、反射板１３によって高さ方向に閉じ込められ、保持される。それゆえ、接続柱１２の高さ方向（ｈ方向）の共鳴が支配的であってはいけない。高さｈが大きすぎる場合、高さ方向の共鳴が孤立板１１の面内方向の共鳴と競合する。これにより、面内方向で強い共鳴が生じず、吸収率が大きく低下し、あるいは広い波長域にわたるブロードな吸収が生じ、波長選択的な吸収が難しくなる。波長選択的な吸収を生じさせるために、ｈ＜Ｌを満たすことが好ましい。
【００５７】
さらに、一般に波長の１／４より小さい寸法であることが、共鳴あるいは共振を生じさせない条件であることから、高さ方向（ｈ方向）の共鳴が生じないようにするために、ｈ＜Ｌ／４を満たすことが好ましい。
【００５８】
次に、接続柱１２の太さｗについて説明する。
太さｗが孤立板１１の面内方向寸法Ｌに近づくと、特に接続柱１２が金属の場合には、金属中には光が存在できないことから、孤立板１１とその下部の反射板１３との間の表面プラズモン共鳴が生じにくくなり、検出波長の赤外線吸収量が大きく低下する。共鳴による吸収を充分に成立させるために、少なくともｗ＜Ｌを満たすことが好ましい。
【００５９】
さらに、接続柱１２が孤立板１１の面内方向の共鳴に与える影響を無視するために、ｗ＜Ｌ／４を満たすことが好ましい。
【００６０】
以上で説明したように、孤立板１１と接続柱１２の寸法を調整することにより、面内方向寸法Ｌによって決定された波長の赤外線と結合する表面プラズモンによる共鳴が孤立板１１の面内方向で支配的に生じるようになる。
【００６１】
また、電磁界解析の結果、孤立板１１の面内方向寸法Ｌの他、周期ｐ、孤立板１１の厚さｔ、接続柱１２の高さｈを変更することにより、表面プラズモン共鳴が生じる波長を若干変更できることがわかっている。
【００６２】
以上、孤立板１１の厚さｔ、接続柱１２の高さｈと太さｗの好ましい値の上限について説明した。次に、これらの好ましい値の下限について説明する。
吸収体１０による検出波長の赤外線の吸収率を向上させるには、検出波長の赤外線がほぼ吸収体１０を透過しないことが好ましい。孤立板１１の厚さｔ、接続柱１２の高さｈと太さｗが検出波長に対して、下記の式（３）で表される表皮効果の厚さδ(skin depth)の２倍以上の程度の厚さを有すれば、一般に光の漏れ出しが充分に小さく、吸収率を向上させることができると言える。逆に、この値以下であれば、光が漏れ出して充分な反射効果が得られず、したがって共鳴効果が低下するため、充分な吸収を得ることができないことがある。
δ＝（２／μσω）１／２  …（３）
【００６３】
また、接続柱１２の高さｈについては、表皮効果の厚さδの２倍以上の程度の厚さとすることが、孤立板１１と、反射板１３のうち孤立板１１の直下の領域との間にキャビティを形成するための好ましい条件であることがわかっている。
【００６４】
ここで、μ，σは、それぞれ孤立板１１、接続柱１２、反射板１３を構成する金属の透磁率、電気伝導率であり、ωは検出波長の赤外線の角振動数である。
【００６５】
上記式（３）からわかるように、δの大きさは波長によって変化するが、ｔについては、赤外波長域では数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度が好ましい。また、以下の電磁界解析に示すように、赤外波長域においては５０〜１００ｎｍ程度以上であれば充分な吸収が生じ、２００ｎｍ程度であればさらに充分である。
【００６６】
また、電磁界解析により、接続柱１２の高さｈは数１００ｎｍ程度以下が好ましいことがわかっている。また、赤外波長域においては、数１０ｎｍ程度から数１００ｎｍ程度、中波長、長波長赤外域においては５０ｎｍ〜２５０ｎｍ程度であれば、充分に強い吸収が生じることがわかっている。
【００６７】
次に、反射板１３の厚さについて説明する。
反射板１３の厚さは、検出波長の赤外線が透過しない程度の大きさであればよい。これにより、充分な反射を得ることができる。この大きさは、上記表皮効果の厚さδの２倍程度の大きさであり、赤外波長域では数１０ｎｍ程度〜数１００ｎｍ程度であり、中波長赤外〜長波長赤外の波長域では２００ｎｍ程度が望ましいが、これは強度を考慮した値であり、本質的には表皮効果の厚さδによって最小限の厚さが求まる。
【００６８】
また、孤立板１１の厚さｔの説明と同様に、反射板１３の厚さについても、応答速度の観点からは可能な限り小さいことが好ましい。最終的には、当該厚さは中空部２の機械的強度も考慮して決定される。
【００６９】
また、互いに面内方向寸法Ｌの異なる複数個の孤立板１１を周期的に配置した場合、各面内方向寸法に対応した複数の波長で共鳴が生じ、これにより複数の波長で吸収が生じるため、ブロードな波長域での吸収が生じてしまう。この場合、独立した画素（センサ）に含まれる各孤立板１１の面内方向寸法Ｌを一定にすることが、単色性に優れた波長選択機能を実現するために重要である。
【００７０】
次に、吸収体１０の例示的な製造方法について説明する。この製造方法は、以下の工程Ｓ１〜Ｓ１０を含む。
まず、反射板１３をスパッタ装置などの成膜装置で成膜する（Ｓ１）。その上にレジスト、酸化膜などの犠牲層を塗布または成膜する（Ｓ２）。犠牲層において接続柱１２を設ける位置に、接続柱１２に相当する孔を形成する。孔の形成には、通常の写真製版、電子線露光などを用いる（Ｓ３）。その孔にスパッタなどで金属を充填し、かつ犠牲層の表面全体に金属膜を形成する（Ｓ４）。その金属膜にフォトレジストを塗布する（Ｓ５）。そのフォトレジストに光照射して孤立板１１のマスクパターンを金属膜に転写する（Ｓ６）。フォトレジストを現像する（Ｓ７）。ハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより露出した金属部分を加工する（Ｓ８）。レジストを有機溶剤で除去する（Ｓ９）。最後に、犠牲層を有機溶剤またはドライエッチングによって除去する（Ｓ１０）。
【００７１】
上記工程Ｓ１０は、エッチング液を用いたウェットエッチングで行ってもよい。あるいは、Ｓ３，Ｓ４の接続柱１２と孤立板１１に対して、金属エッチングでなく、予めレジストによって金属部分を除去した構造をフォトリソグラフィで形成し、次に金属層をスパッタ形成（またはメッキ）し、最後にレジストを除去するリフトオフ法を用いてもよい。あるいは、スパッタまたはメッキで充填することにより接続柱１２を形成した後、研磨工程を実施して接続柱１２の上面部分を平坦にしてもよい。
その後、孤立板１１については、上記と同様に形成できる。最適な製造方法は、吸収体１０の寸法、吸収体１０を構成する材料などによって適宜選択できる。
【００７２】
次に、本実施形態１による赤外線センサ１００により得られる効果について説明する。
【００７３】
まず、吸収体１０における、吸収特性の電磁界解析の結果について、図７〜１１を用いて説明する。図７〜１１は、本発明の実施の形態１による吸収体の吸収特性を示すグラフ（吸収スペクトル）である。グラフの横軸は入射光の波長を、縦軸は吸収率をそれぞれ表す。これらの解析において、周期ｐを４μｍ、孤立板１１の厚さｔを１００ｎｍ、反射板１３の厚さを２００ｎｍとし、吸収体１０を構成する金属をＡｕとし、接続柱１２を円柱とした。
【００７４】
まず、孤立板１１の面内方向寸法Ｌを変化させた図７について説明する。
図７では、ｈ＝０．１５μｍ、ｗ＝２００ｎｍとした。Ｌ＝２．０μｍ（実線）、３．５μｍ（破線）の場合の結果をそれぞれ示す。以降、特に断わらない限り、本明細書においては、孤立板１１、接続柱１２および反射板１３が金属である場合には、材料はＡｕとして解析している。
【００７５】
ピークでの吸収波長をλａｂとすると、それぞれのＬに対して、λａｂ＝４．８μｍ、８．６μｍであった。つまり、図７の条件では、粗い近似でλａｂ＝２．５×Ｌと表すことができる。ここで示した値２．５は、図７で解析した構造における値であり、全構造に適用すべき値ではない。ただし、他の条件でも、Ｌを連続的に変化させた場合に、ｎを正の実数とすると、λａｂ＝ｎ×Ｌと表せることがわかっている。このように、吸収波長λａｂとＬとは、ほぼ比例関係にあることがわかる。これにより、吸収体１０による吸収波長λａｂは、周期ｐでなく孤立板１１の面内方向寸法Ｌによって決定されると言える。
【００７６】
つまり、吸収体１０では、下記の式（４）（５）で表される条件が満たされる。
λａｂ＝ｎ×Ｌ  …（４）
λａｂ＞ｐ  …（５）
【００７７】
次に、接続柱の高さｈを変化させた図８，９について説明する。
図８，９では、Ｌ＝２．０μｍとした。ｈ＝１５０ｎｍ（図８）、２００ｎｍ（図９）とした。図８，９から、ｈが大きい方が吸収率を若干低下させることができるが、吸収波長λａｂはほとんど変化していないことがわかる。
【００７８】
次に、接続柱の太さｗを変化させた図１０，１１について説明する。
図１０，１１では、ｈ＝０．１５μｍ、Ｌ＝２．０μｍとした。ｗ＝２００ｎｍ（図１０）、５００ｎｍ（図１１）とした。図１０と図１１とでは、吸収率、吸収波長について顕著な差は認められなかった。
【００７９】
また、同様の電磁界解析によって求めた結果、ｐ＝４μｍ、Ｌ＝２．０μｍの場合、接続柱の高さｈが１００〜２５０ｎｍ程度の範囲であれば、８０％以上の吸収率を保持し、吸収波長はほぼ変化がないことがわかっている。ただし、条件によっては、高さｈを変化させることで吸収波長λａｂが若干変化することもわかっている。また同様に、接続柱の太さｗが２０〜５００ｎｍ程度であれば、８０％以上の高い吸収率を保持し、吸収波長はほぼ変化がないことがわかっている。
【００８０】
以上、電磁界解析の結果を基に説明したように、赤外線センサ１００によれば、主として孤立板１１の面内方向寸法Ｌによって決定される波長に応じた表面プラズモン共鳴が生じ、赤外線の選択的な吸収が可能になる。つまり、赤外線センサ１００としては、この吸収波長λａｂにおいて検出波長が選択される。また、孤立板１１の面内方向での表面プラズモン共鳴を支配的とすることができ、検出波長の赤外線を効率的に吸収可能である。
【００８１】
次に、先行技術と本実施形態１とを対比し、本実施形態１により得られる効果について説明する。
特許文献１のような波型の周期構造を有する吸収体の場合、第１に、吸収体が有する周期構造の周期の大きさを検出波長より小さくすることができないため、吸収体を小型化することが難しいという問題があった。第２に、吸収体を構成する材料としてカーボンが用いられる結果、当該材料自体が検出対象の波長以外の波長も吸収してしまい、波長選択性が悪化するという問題があった。第３に、波型構造を製造するには、グレースケールマスクなど特殊なマスク形成、エッチング工程が必要となり製造が困難であるという問題があった。
【００８２】
一方、非特許文献１，２に記載の、絶縁膜を含んだ多層構造の吸収体の場合、第１に、絶縁膜自体が検出波長以外の波長の赤外線を吸収してしまい、波長選択性が悪化するという問題があった。第２に、特定波長における吸収率を最大化するためには、絶縁膜の厚さを制御する必要があり、つまり検出対象の波長によって絶縁膜の厚さを変えなければならず、したがって検出波長範囲が異なる画素を集積化する場合には、画素毎に厚さの制御が必要になるため、集積化が困難になるという問題があった。第３に、多層構造であるため、接続柱１２に相当する部分が平坦な膜となるため全体の体積が大きくなり、したがって熱容量も大きくなって、応答速度が小さくなるという問題があった。
【００８３】
また、例えばフォトニック結晶を用いた周期的な屈折率分布構造を赤外線吸収体に設け、これにより波長選択性を実現する場合にも、次の問題が生じる。つまり、吸収体材料である誘電体膜、例えば酸化シリコンの吸収波長は、８μｍ〜１４μｍ付近に存在する。それゆえ、例えば６μｍに吸収ピーク波長を設定した場合には、周期的屈折率分布、フォトニックバンドギャップの構造によって、材料である酸化シリコンの吸収波長（８μｍ〜１４μｍ）を同時に検出してしまう。このように、吸収波長が多波長化することで波長選択性が悪化する。
【００８４】
これらの問題に対して、本実施形態１では、表面プラズモン共鳴を利用しており、周期ｐ以上の波長を吸収可能である。換言すると、孤立板１１の周期ｐを検出波長より小さくすることができる。したがって、特許文献１のような周期と吸収波長が一致する構造に比べて、吸収体１０の面積を縮小できる。したがって、赤外線センサ１００のサイズ、更には複数個の赤外線センサにより熱画像イメージャを構成した場合には、その画素を縮小することが可能となる。
【００８５】
また、吸収体１０が表面プラズモンを発生させる金属からなることにより、絶縁膜などを用いた場合の絶縁体材料自体による吸収が防止され、波長選択性が向上する。これは、吸収体１０の少なくとも表面が当該金属で覆われた場合も同様の効果が得られる。
【００８６】
また、吸収体１０は、波型のような特殊な形状を有さないため、製造がより容易になる。
【００８７】
また、吸収体１０では、接続柱１２の高さｈによって吸収波長が大きくは変化しないため、検出波長の異なるセンサ（画素）を集積化する場合に、画素毎に高さｈを変える必要がなく、集積化が容易な構造である。
【００８８】
また、非特許文献１，２のように孤立板１１と反射板１３との間に層を設けるのでなく、接続柱１２によって接続し、さらに接続柱１２の高さｈ、太さｗを小さくすることで吸収体１０の体積を充分に減少させることができ、したがって、赤外線センサ１００の応答速度を大きくすることができる。
【００８９】
また、応答速度に関しては、特に次の効果がある。一般に、吸収体表面の凹凸構造によって波長を選択する場合、凹部の深さ（凸部の高さ）が少なくとも検出波長の１／４程度は必要である。吸収体１０の厚み（ｚ方向の寸法）は、孤立板１１の厚さｔ、接続柱１２の高さｈ、反射板１３の厚さを足し合わせても、１００ｎｍ＋１５０ｎｍ＋２００ｎｍ＝４５０ｎｍ程度（図７の例）と非常に薄くできる。このように、一般的な周期的凹凸構造の場合と比較して薄厚化が可能であるため、熱時定数を小さくすることができ、これにより応答速度を大きくすることができる。
【００９０】
さらに、非特許文献１，２に記載の金属／絶縁膜／金属構造（多層構造）と比較して以下の効果が得られる。
絶縁膜を用いた場合、絶縁膜の厚さが変化すると吸収率、吸収波長がシフトするため、製造上の誤差範囲が狭くなるが、吸収体１０のように接続柱１２を用いた構造の場合、高さｈが変化しても吸収率、吸収波長はほとんど変わらないため、製造誤差範囲が広くなる効果がある。
【００９１】
このように、本実施形態１のように接続柱１２を導入することで高さｈの吸収率、吸収波長に対する変化が小さくなるのは、接続柱１２により接続される孤立板１１と反射板１３との間を主として空気が占めるからであると考えられる。空気は絶縁体に比べて屈折率が小さいため、光学長も小さくなる。それゆえ、空気層の厚さ、つまり接続柱１２の高さｈの変化に対する共鳴波長の変化も小さくなるのである。
【００９２】
次に、吸収体１０の変形例について説明する。
【００９３】
図１２ａは、本発明の実施の形態１の第１変形例による吸収体の上面図である。この第１変形例では、孤立板１１が２次元周期的でなく１次元周期的（例えばｘ方向のみに周期的）に配置される。図１２ａに示すように、それぞれ長方形状を有する孤立板１１がストライプ状に配置された場合には、長方形の長辺に対して垂直な方向（ｘ方向に平行な方向）の電界成分を有する電磁界のみが吸収されることになるため、特定の偏光のみを吸収（検出）することが可能になる。なお、図１２ａは図４ｂに対応する上面図であり、図１２ａのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図は、図５と同様の図となる。
【００９４】
図１２ｂは、本発明の実施の形態１の第１変形例による吸収体の吸収特性を示すグラフである。グラフの横軸は、最大吸収率を与える波長で規格化された入射光の波長を示し、縦軸は吸収率を示す。吸収体１０を構成する金属はＡｕとしている。上記の通り、最大吸収率を与える波長は、主として面内方向寸法（長方形の場合には短辺の長さ）によって選択される。
【００９５】
図１２ｂから、長方形の長手方向に平行な電界成分（破線）はほぼ吸収されないことがわかる。このようにして、孤立板１１が１次元周期的（例えばｘ方向のみに周期的）に配置された場合には、偏光方向を検知できる。１次元的な配置の場合の特定の偏光検知と特性は、本明細書で説明する全実施の形態に当てはまる。孤立板１１の配列方向のみが異なるため、本明細書では代表例として２次元的な配置について説明する。
【００９６】
図１３は、本発明の実施の形態１の第２変形例による吸収体の断面図である。表面プラズモン共鳴が生じて孤立板１１近傍に局在する電磁界（図６を参照）では、孤立板１１のエッジ部分に電磁界が集中することがわかっている。それゆえ、接続柱１２近傍の電磁界がプラズモン共鳴に与える影響は小さいと言える。そこで、第２変形例では、図１３に示すように、接続柱１２の中心付近に中空領域２６が設けられる。この第２変形例による吸収体の吸収特性を図１４に示している。図１４では、ｐ＝３μｍ、ｈ＝０．１５μｍ、Ｌ＝２．０μｍ、ｗ＝５００ｎｍとした。また、中空領域２６は直径が２５０ｎｍの円柱とした。図１４から、接続柱１２の中心付近に中空領域２６が設けられた場合であっても、波長選択的な吸収が生じることがわかる。
【００９７】
接続柱１２の中心付近に中空領域２６が設けられた場合には、さらに以下の効果が得られる。第１に、中空領域２６の分だけ吸収体１０の中実部分の体積が減少するため、熱容量が低下して応答速度が大きくなる。第２に、容易に吸収体１０を製造できる。この第２の効果について、図１５を用いて具体的に説明する。
【００９８】
図１５（ａ）は上記製造方法の工程Ｓ１〜Ｓ３後の状態に対応し、犠牲層２４において接続柱１２に相当する孔が形成される。図１５（ｂ）では、犠牲層に形成された上記孔と犠牲層表面の上に金属層２５が設けられる。図１５（ｃ）では、フォトリソグラフィ技術により、孤立板１１の面内方向寸法Ｌに合わせて犠牲層表面の上の金属層２５がエッチング除去される。図１５（ｄ）では、酸素アッシング、ウェットエッチング等により犠牲層２４が除去され、図１３に相当する吸収体１０が製造される。
説明した製造方法によれば、接続柱１２を充填する必要がないため、金属材料を節約できる。また、接続柱１２部分を個別に製造する必要も研磨工程等を実施する必要もないため、工程数を減らして吸収体１０を容易に製造できる。
【００９９】
次に、実施形態１の第３変形例について説明する。
この第３変形例で、接続柱１２は、絶縁体、半導体または誘電体からなる。接続柱１２の体積は充分に小さくされ、これらの材料による吸収の影響をほぼ無視できるようになっている。この構造では、体積熱容量（単位体積当たりの熱容量）を低減させることができるため、非特許文献１，２の構造よりも高速な応答が可能になる。
【０１００】
例えば、接続柱１２が半導体たるシリコンからなる場合にも、波長選択的な吸収が生じることがわかっている。しかし、孤立板１１と反射板１３との間を非特許文献１，２のような平坦な層で接続した構造で解析を行った場合、シリコンは絶縁体でないことから、孤立板１１と反射板１３との間でプラズモン共鳴を生じさせかつ充分な吸収を得るためには、３００ｎｍ程度の厚さが必要であることがわかった。一方、接続柱１２を柱状とする場合、孤立板１１と反射板１３との間にはシリコンに加えて絶縁体たる空気が存在するため、絶縁性が高くなりプラズモン共鳴が大きくなる。このため接続柱１２の高さを１００ｎｍ程度まで小さくすることができる。つまり、接続柱１２が絶縁体、半導体または誘電体からなる場合、充分な吸収を得るために必要な高さを、平坦な層の場合と比較して低く（薄く）することができる。
このように柱形状の接続柱１２とすることで、体積熱容量の低減が可能となり、材料自体の吸収を抑制するとともに、応答速度を大きくする効果がある。
【０１０１】
以下の実施の形態２〜６では、実施形態１と異なる構成についてのみ説明し、同様の構成については説明を省略する。
【０１０２】
実施の形態２．
前述のように、吸収体１０では、孤立板１１と、反射板１３のうち孤立板１１の直下の領域との間で主として表面プラズモン共鳴が生じる。それゆえ、反射板１３においては、孤立板１１直下の領域以外には金属が設けられていなくても、赤外線の吸収に与える影響を無視できる。
【０１０３】
図１６は、本発明の実施の形態２による吸収体の斜視図であり、図１７は、同吸収体の図５に相当する断面図である。また、図１８は、貫通孔を形成可能な領域を示す説明図である。本実施形態２では、上記特性を利用して、反射板１３において、当該孤立板１１直下の領域以外の位置、換言すると、反射板１３の面内方向で孤立板１１と重複しない範囲に貫通孔１９を形成する。
【０１０４】
上記の通り、原理的には、孤立板１１直下の領域以外の位置であれば、貫通孔１９が形成されても、孤立板１１の面内方向の表面プラズモン共鳴は影響を受けず、吸収特性は劣化しない。
【０１０５】
このように、貫通孔１９を形成することにより、反射板１３の面積（体積）を低下させて熱容量を低下させ、応答速度を大きくすることができる。反射板１３の面積を低下させる観点からは、貫通孔１９が形成される面積を可能な限り増加させることが好ましい。
【０１０６】
ただし、孤立板１１と接続柱１２を保持するには、周期的な孤立板１１を反射板１３の面内で互いに接続する骨組み領域を、ある程度の面積で反射板１３に設ける必要がある。
【０１０７】
図１９は、本発明の実施の形態２による吸収体の上面図である。図１９は、図１６の構成に対応する。貫通孔１９を形成する面積の増加と骨組み領域の必要性とを両立させるために、例えば二次元周期的に貫通孔１９を形成できる。例えば図１９に示したように、互いに直交する２方向に孤立板１１と同じ周期ｐで隔てて形成してもよい。また、図２０に示すように、孤立板１１とは異なる周期で隔てて形成してもよい。図１９，２０において、点線で囲まれた部分は単位周期ユニットを示す。ただし、非周期的な配置、ランダムな配置でも吸収特性に影響は与えない。このように、貫通孔１９は様々な周期的な配置が可能である。また、貫通孔１９の大きさは、それぞれ同一でなくても吸収特性に影響はなく、貫通孔１９の形状は、四角形、長方形などの多角形、楕円形など任意の形状でもよい。
【０１０８】
貫通孔１９の配置、大きさ、周期は、吸収体１０の材料、厚さ、大きさ、吸収体１０を中空に保持した場合の反りなどのパラメータを考慮して決定すればよい。
【０１０９】
図２１は、本発明の実施の形態２による吸収体の吸収特性を示すグラフである。図２１では、ｔ＝１００ｎｍ、Ｌ＝２．０μｍ、ｄ＝１．０μｍ、ｈ＝１５０ｎｍ、反射板１３の厚さを２００ｎｍとした。貫通孔１９は反射板１３の主面から見て円形とした。貫通孔１９の直径をｄとする。
【０１１０】
図２１に示すように、貫通孔１９を形成しない場合の吸収特性（図７）と比較して、貫通孔１９を形成した場合でも、ピークの吸収波長λａｂ（約５μｍ）はほとんど変化しないことがわかる。吸収波長λａｂでは吸収率＝１であり、１００％入射光を吸収することが示された。
【０１１１】
また、本実施形態２においても、前述の表面プラズモン共鳴の原理により、孤立板１１の大きさＬを変化させることで、検出波長を選択可能である。
【０１１２】
一般に、吸収率がＡの吸収体１０に貫通孔１９を形成し、吸収体１０の体積を８０％にした場合、吸収量はＡ×８０％となり減少し、感度が低下する。しかし、吸収体１０では、孤立板１１の面内方向で生じる表面プラズモン共鳴により吸収波長が決定されるので、孤立板１１直下以外の領域の反射板１３は表面プラズモン共鳴に関わらず、吸収に寄与しない。それゆえ、貫通孔１９を形成して体積が減少した場合でも、吸収率は変化しないことになる。
【０１１３】
つまり、本実施形態２の構成によれば、反射板１３に貫通孔１９を形成した場合でも、感度を低下させることなく熱容量を低下させ、応答速度を大きくすることができる。
【０１１４】
このような開口率に依存しない吸収現象は、プラズモン共鳴固有の特殊な効果である。従来、赤外線センサの吸収体には酸化膜、金属薄膜が用いられていたが、これらにエッチングホールなどを形成した場合、体積の低下分だけ必ず吸収量が減少し感度が低下していた。
【０１１５】
一方、吸収体１０のようにプラズモン共鳴を用いることで、感度の低下を招くことなく体積を減少させ、応答速度を大きくすることができる。
【０１１６】
また、吸収体１０では、貫通孔１９の大きさ、形状に関して光学特性に与える影響をほぼ無視できるため、中空構造の反りなどが発生しないように応力を考慮して貫通孔１９を適宜形成できる。これは、良好な中空構造を保持するのに有利である。
【０１１７】
ここで、例えば、図３に示した赤外線センサ１００において中空部２上に吸収体１０などが支持された構造を形成するには、バルクマイクロマシニングまたは表面マイクロマシニングと呼ばれる中空化方法を採用できる。前者では、異方性エッチングなどの技術で深掘りして中空領域を形成する。後者では、予めレジストなどの犠牲層で中空領域を埋めておき、その上に構造体を蒸着などで形成し、犠牲層のみをエッチング除去することで構造体が中空部上に支持された構造を製造する。
【０１１８】
このように犠牲層エッチングを用いる技術において、犠牲層は、ウェットエッチング、ドライエッチングによって除去できるが、エッチャントは吸収体側面から回り込んで犠牲層を除去する。このとき、犠牲層が残存していると、例えば光入射によって温度が上昇する部分と上昇しない部分とが残渣物によって熱的に接続されてしまい、センサの性能が著しく低下することが想定される。
【０１１９】
本実施形態２のように、吸収体１０の反射板１３に貫通孔１９を形成した場合、犠牲層エッチングの際に、エッチングガスまたはウェットエッチング液がセンサ上部から下部の犠牲層に到達しやすくなり、犠牲層の残渣などが発生せず、良好な特性のセンサを製造できる。
【０１２０】
次に、本実施形態２の変形例について説明する。
図２２は、本発明の実施の形態２の変形例による吸収体の上面図であり、図２３は、図２２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。非特許文献１，２では、平坦な金属層（本発明では反射板１３に相当）上の絶縁層の材料自体による、プラズモン共鳴波長以外の波長における赤外線吸収が問題となった。本実施形態２による吸収体１０の構造のように、反射板１３に貫通孔１９の領域が充分に広く形成され、絶縁層の体積ができるだけ少なくされた場合、その分だけ絶縁層の材料自体による吸収が少なくなるため、当該材料による影響はほぼ無視できる。
【０１２１】
そこで、この変形例では、接続柱１２を絶縁体などの材料で構成する。当該材料は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁体、シリコンなどの半導体、誘電体でもよい。吸収体１０としての構造パラメータ、例えば接続柱１２の高さなどは、それぞれの物性値に従って適宜調整可能である。
【０１２２】
この場合、絶縁体などからなる接続柱１２の内部でプラズモン共鳴が生じる。それゆえ、接続柱１２の太さｗは、孤立板１１の面内方向寸法Ｌと同程度の太さ、例えば等しい太さでもよい。
【０１２３】
次に、絶縁体からなる接続柱１２の高さｈについて説明する。
前述のように、吸収体１０では、孤立板１１の面内方向で表面プラズモン共鳴が生じる。このとき、高さ方向の共鳴が生じた場合には、共鳴波長が複数生じることになり、波長選択性が悪化する。あるいは、例えば接続柱１２が酸化シリコンからなる場合には、８〜１４μｍの広い波長域における吸収が生じてしまう。
【０１２４】
それゆえ、高さ方向での共鳴が生じないようにするために、接続柱１２の高さｈは、Ｌ／４より小さいことが好ましく、解析結果によれば、赤外波長域では２００ｎｍ程度以下が好ましいとわかっている。ただし、接続柱１２の高さｈは、波長選択的効果が得られれば、接続柱１２を構成する材料、検出波長の赤外線の絶縁層中での光学長によって変化させてもよい。なお、光学長とは、屈折率、誘電率によって決定される、物質中での光の波長を指す。
【０１２５】
また、接続柱１２の高さｈは、孤立板１１と、反射板１３のうち孤立板１１の直下の領域との間にキャビティを形成するために、金属のエバネッセント波長から決定される値（表皮効果の厚さδ）の２倍程度以上であることが好ましい。
【０１２６】
次に、この変形例による吸収体１０の製造方法を、孤立板１１の面内方向寸法Ｌと接続柱１２の太さｗとが等しい場合について説明する。
まず、金属からなる反射板１３と絶縁層（接続柱１２に該当する層）をスパッタなどで形成する。次に、リフトオフ、ドライエッチングによるパターン加工によって、孤立板１１のパターンを形成する。次に、フォトリソグラフィとウェットエッチングなどにより、孤立板１１直下以外の領域で絶縁板２２を除外する。最後に、例えばフォトリソグラフィとウェットエッチングにより貫通孔１９を形成する。
【０１２７】
このように、実施形態１で説明した吸収体１０の製造方法に比べて、金属の接続柱１２を製造する工程が省略されるので、製造方法が簡略化される。
【０１２８】
以上、本実施形態２では、反射板１３をｚ方向に貫通する貫通孔１９が形成された構成について説明したが、応答速度を大きくするという目的のみを達成するのであれば、反射板１３を貫通しない凹部が形成された構成でもよい。
【０１２９】
実施の形態３．
実施形態１，２では、各孤立板１１と反射板１３との間に接続柱１２を設けた。ところで、実施形態１，２で説明したように、孤立板１１と接続柱１２の寸法を調整することにより、孤立板１１と反射板１３との間で生じる表面プラズモン共鳴が反射板１３の開口率に依存しないようにすることができる。これは、孤立板１１と、反射板１３における孤立板１１の直下の領域（図１８を参照）との間のみで共鳴が生じるため、共鳴領域が確保されればよく、他の領域は基本的に不要であることに起因する。つまり、孤立板１１と、反射板１３のうち孤立板１１の直下の領域との間には、プラズモン共鳴を阻害しない物体、構造が存在してもこの効果を発揮可能である。
【０１３０】
そこで、本実施形態３では、孤立板１１と反射板１３との間に絶縁板２２を設ける。図２４は、本発明の実施の形態３による吸収体の上面図であり、図２５は、図２４のＶ−Ｖ線断面図である。この構成でも、絶縁板２２の寸法を調整することにより、これまで説明したような波長選択的な吸収を実現できる。
【０１３１】
絶縁板２２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁体の他、シリコンなどの半導体、誘電体で構成されてもよい。
【０１３２】
図２４，２５では、絶縁板２２が、孤立板１１直下の領域以外の領域で反射板１３の全面にわたって設けられているが、上記の通り、この領域で絶縁板２２は本質的に不要であるので、反射板１３の一部のみに設けられてもよい。つまり、本実施形態３で設けられる絶縁板２２は、複数個の孤立板１１と反射板１３とを接続する接続柱であると考えることができる。
【０１３３】
次に、絶縁板２２の厚さについて説明する。
孤立板１１の直下の絶縁板２２の厚さは、実施形態２の変形例で説明した接続柱１２の高さｈと同様に考えることができる。つまり、孤立板１１の面内方向におけるプラズモン共鳴を可能な限り乱さないようにするために、高さ方向の共鳴をなるべく生じにくくすればよい。そこで、絶縁板２２の厚さは、Ｌ／４より小さいことが好ましく、解析結果によれば、赤外波長域では２００ｎｍ程度以下が好ましいとわかっている。ただし、絶縁板２２の厚さは、波長選択的効果が得られれば、絶縁板２２を構成する材料、検出波長の赤外線の絶縁層中での光学長によって変化させてもよい。
【０１３４】
また、絶縁板２２の厚さは、孤立板１１と、反射板１３のうち孤立板１１の直下の領域との間にキャビティを形成するために、金属のエバネッセント波長から決定される値（表皮効果の厚さδ）の２倍程度以上であることが好ましい。
【０１３５】
孤立板１１直下以外の領域における絶縁板２２については、本質的にプラズモン共鳴に必要ではないため、この領域における絶縁板２２の厚さは、孤立板１１直下の絶縁板２２の厚さより薄くすることが可能である。これにより、吸収体１０の体積が減少して熱容量が低減されるため、応答速度が大きいセンサ１００が実現する。
【０１３６】
また、吸収体１０に応力が加わると、吸収体１０を構成する材料など応じた大きさの反りが生じるところ、絶縁板２２を設ける領域は、応力による反りが生じないようにすることができる。これにより、設計範囲が広くなり、赤外線センサ１００の高性能化に寄与できる。実施形態２で説明したように、センサ１００の応答速度の観点からは、貫通孔１９を可能な限り広い領域に形成することが好ましいが、同時に反射板１３の強度を考慮する必要があった。本実施形態３のように反射板１３の上に絶縁板２２を設けることで、強度を補強できる。
【０１３７】
また、絶縁板２２を構成する絶縁体の一例である酸化シリコンは、主に、長波長赤外（８μｍ〜１４μｍ）域に強い吸収ピークをもつため、絶縁体の吸収は波長選択性を阻害する。それゆえ、可能な限り絶縁板２２の体積を減らすことが好ましい。
【０１３８】
次に、この変形例による吸収体１０の製造方法について説明する。
まず、金属からなる反射板１３と絶縁板２２をスパッタなどで形成する。次に、リフトオフ、ドライエッチングによるパターン加工によって、孤立板１１のパターンを形成する。最後に、例えばフォトリソグラフィとウェットエッチングにより貫通孔１９を形成する。このように、実施形態１，２で説明した吸収体１０の製造方法に比べて、さらに製造方法が簡略化される。
【０１３９】
以下で説明する実施の形態では、反射板１３に貫通孔１９が形成されていない吸収体１０について説明するが、貫通孔１９を形成した場合には、実施形態２，３で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
実施の形態４．
実施形態１では、吸収体１０の孤立板１１、接続柱１２および反射板１３が、すべて同一の表面プラズモン共鳴を生じる金属からなっていた。また、実施形態２の変形例と実施形態３では、接続柱１２が絶縁体などからなる場合などについて説明した。本実施形態４による吸収体１０の孤立板１１、接続柱１２および反射板１３は、実施形態１などと同様に金属からなる表面層と、誘電体、絶縁体、半導体からなる群から選択された材料からなる内部層とを含む。内部層の材料は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの赤外波長域において吸収のある絶縁体、シリコンなどの半導体、誘電体でもよい。これらは、実施形態２の変形例で例示した接続柱１２の材料である。当該内部層の材料には空気も含まれる。
【０１４１】
また、表面層は、表面プラズモン共鳴を生じる金属からなり、その厚さは、表皮効果から決定される、検出波長の赤外線が透過しない厚さ以上とされる。これにより、赤外線が表面層を透過せず、内部層を構成する材料による表面プラズモン共鳴への影響が排除される。
【０１４２】
誘電体、絶縁体、半導体などの材料は、一般に金属よりも体積熱容量が小さい。それゆえ、本実施形態４によれば、接続柱１２が内部層を含むことで、吸収体１０の熱容量を低下させ、さらに応答速度を大きくすることができる。
【０１４３】
実施の形態５．
図２６は、本発明の実施の形態５による吸収体の断面図である。
本実施形態５では、孤立板１１に、その表面を覆う被覆層２３が設けられている。図２６では、接続柱１２の部分を除いた表面全体に被覆層２３が設けられているが、当該部分を含めて表面全体に設けられてもよい。ただし、孤立板１１の表面全体に被覆層２３が設けられる必要はなく、図２７（ａ）〜（ｃ）に示すように、孤立板１１の上面、側面、下面のうち少なくとも１つの面、または少なくともこれらのエッジ部分に設けられればよい。
【０１４４】
被覆層２３は、電磁波を全反射させず内部を透過させることができ、かつ空気の屈折率（約１．０）よりも屈折率が大きい材料からなる。当該材料は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、その他の絶縁体（誘電体）、半導体である。
【０１４５】
図６を用いて説明したように、表面プラズモン共鳴が生じるときには、特に孤立板１１のエッジ部分に電磁界が集中する。このとき、屈折率ｎの材料からなる被覆層２３内に局在する電磁波の光学長は、近似的に真空（または空気）中の波長×ｎとなる。少なくとも上記エッジ部分が屈折率の大きい被覆層２３で覆われる結果、プラズモン共鳴により局在する電磁波が被覆層２３内に閉じ込められるため、上記のように共鳴波長も被覆層２３の屈折率倍に大きくなる。このようにして、共鳴波長が長波長側にシフトする。シフトの大きさは、表面プラズモン共鳴による電界増強の度合いにも依存する。
【０１４６】
被覆層２３の厚さについて説明する。
被覆層２３の厚さが大きいと、被覆層２３の材料自体による吸収が生じ、更には吸収体１０の体積が大きくなって応答速度が小さくなるといった短所が生じる。そこで、被覆層２３の厚さは可能な限り小さくすることが好ましい。図７〜１１を用いて説明した電磁界解析の結果、表面プラズモン共鳴が生じると、電磁界は孤立板１１の周囲１００ｎｍ３程度の範囲に局在することがわかっている。それゆえ、検出波長が赤外域にあれば、被覆層２３の厚さは５０〜３００ｎｍ程度が好ましい。この好ましい厚さは、被覆層２３を構成する材料に応じて異なる。
【０１４７】
図２８は、本発明の実施の形態５による吸収体の吸収特性を示すグラフである。グラフの横軸は入射光の波長を、縦軸は規格化された吸収率を示す。図２８では、孤立板１１（円板）の直径を１．５μｍ、周期ｐを４μｍとして電磁界解析を行った。また、被覆層２３の厚さは５０ｎｍとした。また、孤立板１１、反射板１３を構成する金属をＡｕとし、被覆層２３と接続柱２３を酸化シリコンとした。図２８には、被覆層２３が設けられない場合（短破線）、孤立板１１の下面のみに設けられた場合（長破線）、表面全体に設けられた場合（実線）についての結果を示しており、ピークの吸収波長λａｂはそれぞれ約３．５μｍ、約５．０μｍ、約５．５μｍであった。
【０１４８】
また、孤立板１１（円板）の直径を２．０μｍとして同じ電磁界解析を行った結果、被覆層２３が設けられない場合には、ピークの吸収波長λａｂは約４．５μｍであった。ｌ被覆層２３が孤立板１１の下面のみに設けられた場合（長破線）とこの結果とを比較すると、孤立板１１の下面に被覆層２３を設けることにより、同程度の吸収波長λａｂを得るための孤立板１１の直径を少なくとも０．５μｍ小さくすることができると言える。また、検出波長の長波長化の効果は、被覆層２３が孤立板１１の表面全体に設けられた場合に最も大きくなることがわかる。
【０１４９】
このように検出波長が長波長化することにより、同じ検出波長を得るための周期ｐを小さくすることができる。したがって、説明している赤外線センサ１００により熱画像イメージャを構成した場合には、その画素を縮小することが可能となる。
【０１５０】
なお、検出波長の長波長化の効果は、非特許文献１，２に記載の金属／絶縁膜／金属構造（多層構造）でも得られる可能性がある。ただし、本実施形態５では、上記絶縁膜より充分に小さい面積領域、つまり上面、側面および下面の少なくとも１つにのみ被覆層２３が設けられており、したがって体積熱容量を低下させつつ検出波長の長波長化の効果を得ることができる。
【０１５１】
また一般に、金などの金属は、酸化シリコンなどの絶縁体よりも体積熱容量が大きい。それゆえ、同じ体積であれば、被覆層２３を設けることにより、孤立板１１の熱容量を低下させることができる。
【０１５２】
図２９，３０では、図２３，２５の構造に加えて被覆層２３が設けられている。図２９，３０の構造においても、検出波長の長波長化が可能である。これらの図では、絶縁体からなる接続柱１２（または絶縁板２２）と被覆層２３とを別体として図示しているが、両者は同一の絶縁体であってもよい。
【０１５３】
実施の形態６．
図３１は、本発明の実施の形態６による赤外線センサアレイの上面図である。なお、本明細書中、「赤外線センサアレイ」は、図１で説明した赤外線センサ装置に搭載される、赤外線センサをアレイ状（マトリックス状）に配置した構造を指す。
【０１５４】
赤外線センサアレイ２００は、実施形態１による赤外線センサ１００をアレイ状に配置したものである。図３１では、説明を簡単にするために、２行×２列の合計４個の赤外線センサ１００からなる赤外線センサアレイ２００を示しているが、本発明はこれに限定されず、配置される赤外線センサ１００の個数に制限はない。また、必ずしも２次元的な配列でなくてもよく、１次元的な配列にしてもよい。さらに、必ずしも正方格子状の配列でなくてもよく、三角格子状、六方格子状、非周期的な配列など、他の任意の配列でもよい。
【０１５５】
赤外線センサアレイ２００は、外部の走査回路（図示せず）などにより各行および／または各列の赤外線センサを選択して、各センサ１００が検出した情報を時系列に取り出す。このとき、各センサ１００を一画素と考えることができる。また、各センサが検出した情報は、並列に読み出してもよい。
【０１５６】
このようにして、赤外線センサアレイ２００を搭載した赤外線センサ装置は、画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。このとき、図４ａに示す吸収体１０を赤外線吸収体として用いることにより、波長情報と入射光強度の情報を有する画像を検出できる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。
【０１５７】
実施の形態７．
図３２は、本発明の実施の形態７による赤外線センサアレイの上面図であり、図３３は、図３２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【０１５８】
赤外線センサアレイ３００は、孤立板１１の面内方向寸法Ｌのみが異なる４種類の赤外線センサ１１０，１２０，１３０，１４０をアレイ状に配置したものである。孤立板の面内方向寸法Ｌをセンサ毎に変更した点で実施形態５と異なるが、その他の構成については実施形態５と同様であり、説明を省略する。
【０１５９】
赤外線センサの吸収体に形成した孤立板１１，２１，３１，４１の面内方向寸法Ｌを変えることにより、画素を構成する各センサの検出波長を変えることができる。
【０１６０】
また、孤立板１１の面内方向寸法Ｌに対して周期ｐ、孤立板１１の厚さｔ、接続柱の高さｈをそれぞれ変化させることにより、各センサの検出波長を変えることも可能である。ただし、実施形態１で説明したように、面内方向寸法Ｌの変化に比べて、周期ｐ、厚さｔ、高さｈの変化が吸収波長の決定に与える影響は小さいため、これらの変化は、例えば吸収波長の微調整に利用できる。
【０１６１】
つまり、ｐ／Ｌ、ｔ／Ｌ、ｈ／Ｌの最適化によって所望の波長における吸収率を最大化できる。このように、Ｌ，ｐ，ｔ，ｈのうち少なくとも一つが互いに異なるセンサ構造を有する画素をアレイ化することによって、画素によって異なる波長の入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。
【０１６２】
そして、このように検出波長の異なる画素をアレイ化することによって、可視光域におけるイメージセンサと同様に、赤外波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数で位置検知用のアレイ化センサとして用いることができる。
【０１６３】
実施の形態８．
図３４は、本発明の実施の形態８による赤外線センサの、図３の一部に相当する要部断面図である。温度検知部５４周辺の構造以外は、図３に示される他の実施形態と同様であり、説明を省略する。
【０１６４】
図３４に示す温度検知部５４は、絶縁層１４で覆われた検知膜５と薄膜金属配線６とを含む。図示していないが、図３と同様に、温度検知部５４は支持脚３により中空部２の上部に支持される。
【０１６５】
図３では、温度検知部４の上側に支持柱９が設けられ、支持柱９の上に吸収体１０が支持された構成を示した。一方、本実施形態８では、吸収体１０が温度検知部５４と一体形成され、あるいは温度検知部５４の上に直接に設けられる。そして、吸収体１０により吸収された赤外線は、熱に変換されて温度検知部５４に直接に伝わり、入射赤外線が検出される。吸収体１０の構造は実施形態１で説明した構造と同じであり、孤立板１１の面内方向寸法Ｌを制御することによって、特定波長の赤外線が吸収される。
【０１６６】
本実施形態８のように、吸収体１０と一体形成された温度検知部５４を有する赤外線センサでも、検出波長の赤外線が共鳴し選択的に吸収量が増加するため、検出波長の赤外線を選択的に検出することが可能となる。
【０１６７】
さらに、吸収体１０を支持柱９上に取り付ける工程が不要となるため、実施形態１〜５による赤外線センサを製造する場合より製造工程を簡略化でき、より安価に製品を製造できる。
【０１６８】
以上で説明した温度検知部５４を含む赤外線センサ６００をアレイ状に配置して、実施形態６，７による赤外線センサアレイを形成してもよい。
【０１６９】
また、実施形態６で説明したように、吸収体１０について同じ構造の赤外線センサをアレイ化することによって、イメージセンサを構成することが可能である。また、実施形態７で説明したように、孤立板１１の面内方向寸法Ｌ、周期ｐまたは接続柱の高さｈが異なる赤外線センサをアレイ化する（異なる吸収波長域を有する画素をアレイ化する）ことによって、可視光域におけるイメージセンサと同様に、赤外波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。
【０１７０】
実施の形態９．
まず、本実施形態９と前述の実施形態１〜８との関係について説明する。
特許文献１、非特許文献１，２で開示された赤外線吸収体（光吸収体）では、一画素（本明細書での１つの赤外線センサ）内に周期構造を設ける必要があった。実施形態１〜８でも、１つの赤外線センサ内に複数個の孤立板１１を周期的に設けた。この場合、赤外線センサのサイズを充分に低下させることができず、したがって赤外線センサ装置１０００の画素分解能を充分に向上させることができないという問題がある。
【０１７１】
一方、これまで説明してきたように、吸収体１０による吸収波長は、周期ｐよりも面内方向寸法Ｌに応じて変化する。また、反射板１３における孤立板１１の直下以外の領域は、プラズモン共鳴に大きな影響を与えないことがわかっている。
【０１７２】
これに基づき、上記問題を解決するための鋭意検討を行った結果、本発明者らは、１つの赤外線センサ内に孤立板の周期構造を設けなくても、複数個の電磁波センサにわたって孤立板の周期構造を設けた場合には、実施形態１〜８で説明した効果と同様の効果が得られることを見いだした。本実施形態９は、この新規な知見に基づくものである。
【０１７３】
図３５は、本発明の実施の形態９による赤外線センサアレイの上面図である。図３６は、図３５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。赤外線センサアレイ７００では、赤外線センサ６１０が２次元アレイ状に配置されている。各赤外線センサ６１０は、互いに一定の距離（空間距離、クリアランス）ｄを隔てて配置されている。孤立板１１は、１つの各赤外線センサ６１０につき２つ設けられている。
【０１７４】
１つの赤外線センサ６１０内での孤立板１１の間隔をｐ１とし、隣接する２つの赤外線センサ６１０にわたって隣接する２つの孤立板１１の間隔をｐ２とすると、ｐ１＝ｐ２（＝ｐ）が成立する。図３５では、ｘ方向でこの関係が成立することを示しているが、ｙ方向でも同様に成立する。このように、１つの赤外線センサ６１０内には孤立板１１が２つしかないため孤立板１１の周期構造は形成されないが、複数個の赤外線センサ６１０で見れば、孤立板１１の周期構造が形成されることになる。
【０１７５】
図３５には２行×２列の合計４つの赤外線センサ６１０からなる赤外線センサアレイ７００を示しているが、５つ以上の赤外線センサ６１０が設けられてもよい。なお、赤外線センサ６１０では、実施形態８で説明した赤外線センサ６００と同様に、吸収体１０と温度検知部５４とが一体形成されているが、これは必須ではない。
【０１７６】
図３７，３８に示す例では、１つの赤外線センサ６２０につき孤立板１１が１つ設けられている。この場合にも、１つの赤外線センサ６２０内には孤立板１１が１つしかないため孤立板１１の周期構造は形成されないが、隣接する３つ以上の赤外線センサ６２０で見れば、孤立板１１の周期構造が形成される。
【０１７７】
さらに、隣接する２つの赤外線センサを用いた場合にも、３つ以上の赤外線センサによる周期構造と同程度の波長選択性が得られることがわかっている。それゆえ、本実施形態９では、２つの赤外線センサにより周期数１の周期ｐが構成されるとする。
【０１７８】
図３９は、図３７，３８の赤外線センサアレイによる吸収特性を示すグラフである。図３９では、ｐ＝３μｍ、ｈ＝０．１５μｍ、Ｌ＝２．０μｍ、ｗ＝５００ｎｍ、ｄ＝５００ｎｍとして電磁界解析を行った。この結果から、本実施形態９による赤外線センサアレイでも、これまで説明したように波長選択的な吸収が生じることがわかる。
【０１７９】
以上のように、１つの赤外線センサ内で周期構造が設けられない場合でも、隣接する複数個の赤外線センサにわたって周期構造が設けられることにより、複数個の赤外線センサからなる赤外線センサアレイによって波長選択的な吸収が可能となる。このように、一画素を構成する赤外線センサ内に周期構造を設ける必要がないため、一画素のサイズを低下させることができる。特に、図３７，３８のように、赤外線センサ内に孤立板１１を１つだけ設けた場合には、一画素のサイズ（面積）を孤立板１１の周期ｐよりも小さくすることができ、吸収体１０の体積が充分に減少して熱容量も小さくなる。このようにして、赤外線センサ装置１０００の画素分解能を向上させることができる。
【０１８０】
なお、本実施形態９で、長方形状を有する孤立板１１をストライプ状に配置した場合には、図１２ａ，１２ｂなどを用いて説明したように、特定の偏光のみを検出することが可能になる。
【０１８１】
以上の説明では、一画素を可能な限り小型化する観点で、１つの赤外線センサ（画素）内に１つまたは２つの孤立板１１が設けられる構成について説明したが、隣接する複数個の赤外線センサにわたって周期構造が設けられることが重要であって、１つの赤外線センサ内に３つ以上の孤立板１１が設けられてもよい。
【０１８２】
以上、本発明の実施の形態では、温度検知部がシリコンダイオードである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、吸収体構造として、サーモパイル、ボロメータ、サーミスタなどに用いる場合にも有効である。つまり、本発明は、熱型赤外線センサの方式自体には依存しない。また、以上で説明した各実施形態および各変形例の構成は、自由に組み合わせ、あるいは変形、省略されてもよい。
【符号の説明】
【０１８３】
１  基板、  ２  中空部、  ３  支持脚、  ４，５４  温度検知部、  ５  検知膜、  ６  薄膜金属配線、  ７  アルミニウム配線、  ８  反射膜、  ９  支持柱、  １０  吸収体、  １１，２１，３１，４１  孤立板、  １２  接続柱、  １３  反射板、  １４，１７  絶縁層、  １８  絶縁膜、  １９  貫通孔、  ２０  吸収体、  ２２  絶縁板、  ２３  被覆層、  ２６  中空領域、  １００，１１０，１２０，１３０，１４０，６００，６１０，６２０  赤外線センサ、  ２００，３００，７００，８００  赤外線センサアレイ、  １０００  赤外線センサ装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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