(57)【要約】【課題】テラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることを可能とするメタマテリアル光学素子、及び、メタマテリアル光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】メタマテリアル光学素子１は、第１面２ｓ及び第１面２ｓの反対側の第２面２ｒを有し、シリコンを含む薄膜部２と、第１面２ｓ上に形成され、周期構造を有する第１金属パターン３と、第１面２ｓに交差する方向からみて第１金属パターン３と重複するように第２面２ｒ上に形成され、周期構造を有する第２金属パターン４と、第１面２ｓ又は第２面２ｒの縁部に設けられ、薄膜部２を支持する枠部５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面及び前記第１面の反対側の第２面を有し、シリコンを含む薄膜部と、
前記第１面上に形成され、周期構造を有する第１金属パターンと、
前記第１面に交差する方向からみて前記第１金属パターンと重複するように前記第２面上に形成され、前記周期構造を有する第２金属パターンと、
前記第１面又は前記第２面の縁部に設けられ、前記薄膜部を支持する枠部と、
を備えるメタマテリアル光学素子。
【請求項２】
前記枠部は、前記薄膜部と別体に構成されており、前記第１面又は前記第２面に接合されている、
請求項１に記載のメタマテリアル光学素子。
【請求項３】
前記枠部は、前記薄膜部と一体に構成されている、
請求項１に記載のメタマテリアル光学素子。
【請求項４】
前記枠部は、シリコンを含む、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のメタマテリアル光学素子。
【請求項５】
前記第１面及び前記第２面は、同心円状に配列された複数の領域に分割されており、
前記第１金属パターン及び前記第２金属パターンが、中心側の前記領域から外側の前記領域に向かうにつれて屈折率が増大または減少するような前記周期構造を有することにより、対象波長の光に対する球面レンズとして構成されている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のメタマテリアル光学素子。
【請求項６】
前記第１面及び前記第２面は、第１方向に配列された複数の領域に分割されており、
前記第１金属パターン及び前記第２金属パターンが、前記第１方向の一方側の領域から他方側の領域に向かうにつれて屈折率が増大または減少するような前記周期構造を有することにより、対象波長の光に対するシリンドリカルレンズとして構成されている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のメタマテリアル光学素子。
【請求項７】
第１面を有すると共にシリコンを含む薄膜部と、前記第１面の反対側において前記薄膜部に積層された支持層と、前記第１面上に形成され、周期構造を有する第１金属パターンと、を含む基体を用意する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記第１面側から前記基体を支持部材に接合する第２工程と、
前記第２工程の後に、前記支持層を除去することにより、前記薄膜部における前記第１面と反対側の第２面を露出させる第３工程と、
前記第３工程の後に、前記第１面に交差する方向からみて前記第１金属パターンと重複するように、前記周期構造を有する第２金属パターンを前記第２面上に形成する第４工程と、
前記第４工程の後に、前記第２面の縁部に前記薄膜部を支持する枠部を接合する第５工程と、を備える、
メタマテリアル光学素子の製造方法。
【請求項８】
第１面を有すると共にシリコンを含む薄膜部と、前記第１面の反対側において前記薄膜部に積層された支持層と、前記第１面上に形成され、周期構造を有する第１金属パターンと、を含む基体を用意する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記第１面側から前記基体を支持部材に接合する第２工程と、
前記第２工程の後に、前記支持層を除去することにより、前記薄膜部における前記第１面と反対側の第２面を露出させる第３工程と、
前記第３工程の後に、前記第１面に交差する方向からみて前記第１金属パターンと重複するように、前記周期構造を有する第２金属パターンを前記第２面上に形成する第４工程と、を備え、
前記支持部材は、枠部を含み、
前記第２工程においては、前記第１面の縁部に前記枠部を接合することによって、前記第１面の縁部に前記薄膜部を支持する前記枠部を設ける、
メタマテリアル光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタマテリアル光学素子、及び、メタマテリアル光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、テラヘルツ帯の電磁波を用いることにより、ミリ波よりも高分解能でＸ線よりも低侵襲な、いわゆる非破壊で非接触なイメージング技術の実現が期待されている。しかしながら、一般的に、テラヘルツ帯で使用できる光学素子(例えばレンズや偏光子など)の種類は、可視光や赤外光のための光学素子の種類と比較して少ない。これは、テラヘルツ帯で利用できる光学材料が限られていることに起因している。
【０００３】
これに対して、テラヘルツ帯で使用できる光学素子として、メタマテリアルを利用したものが考えられる。メタマテリアルは波長よりも小さな構造体を作製し、その誘電率と透磁率を制御する技術である。メタマテリアルによれば、物質固有の材料特性に縛られることなく、屈折率を制御することが可能である。したがって、メタマテリアルを用いることによって、光学材料の制約を受けることなく、テラヘルツ帯で使用できる光学素子を提供できる。このようなメタマテリアルを利用した光学素子としては、誘電体基板の両面に金属パターンを配置した構造を有するものが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−３４５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１においては、誘電体基板として、厚さが２３μｍ〜５０μｍ程度であるフレキシブルなシクロオレフィンポリマーフィルムが挙げられている。しかしながら、メタマテリアルのパラメータとして、誘電体基板の厚さが２３μｍ〜５０μｍ程度である場合には、例えば１．５ＴＨｚ〜３ＴＨｚ程度の高周波領域において良好な光学特性が得られないおそれがある。これに対して、誘電体基板の厚さを数μｍ程度まで薄くすれば、高周波領域においても良好な光学特性が得られるとも考えられるが、シクロオレフィンポリマーフィルムが押出成型により作製されることを考慮すると、誘電体基板を数μｍ程度まで薄く構成することが困難である。
【０００６】
本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることを可能とするメタマテリアル光学素子、及び、メタマテリアル光学素子の製造方法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】
【０００７】
本発明に係るメタマテリアル光学素子は、第１面及び第１面の反対側の第２面を有し、シリコンを含む薄膜部と、第１面上に形成され、周期構造を有する第１金属パターンと、第１面に交差する方向からみて第１金属パターンと重複するように第２面上に形成され、周期構造を有する第２金属パターンと、第１面又は第２面の縁部に設けられ、薄膜部を支持する枠部と、を備える。
【０００８】
このメタマテリアル光学素子においては、薄膜部の第１面と第２面とのそれぞれに対して、周期構造を有する第１金属パターン及び第２金属パターンが形成されている。特に、このメタマテリアル光学素子においては、薄膜部がシリコンを含む。このため、例えば半導体プロセスを利用した研磨及び研削等により、薄膜部の厚さを数μｍ程度で制御可能となる。さらに、薄膜部の第１面又は第２面には、薄膜部を支持する枠部が設けられている。このため、枠部によって強度を保持しつつ、薄膜部の薄化を確実に実現できる。よって、このメタマテリアル光学素子によれば、高周波領域を含むテラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることを可能となる。
【０００９】
本発明に係るメタマテリアル光学素子においては、枠部は、薄膜部と別体に構成されており、第１面又は第２面に接合されていてもよい。この場合、薄膜部に枠部が接合されていない状態において、容易に第１及び第２金属パターンの形成を行える。
【００１０】
本発明に係るメタマテリアル光学素子においては、枠部は、薄膜部と一体に構成されていてもよい。この場合、薄膜部の形成と枠部の形成とを同時に行うことが可能となる。
【００１１】
本発明に係るメタマテリアル光学素子においては、枠部は、シリコンを含んでもよい。この場合、例えば半導体プロセスを利用して、高精度且つ容易に枠部を形成できる。
【００１２】
本発明に係るメタマテリアル光学素子においては、第１面及び第２面は、同心円状に配列された複数の領域に分割されており、第１金属パターン及び第２金属パターンが、中心側の領域から外側の領域に向かうにつれて屈折率が増大または減少するような周期構造を有することにより、対象波長の光に対する球面レンズとして構成されていてもよい。
【００１３】
或いは、本発明に係るメタマテリアル光学素子においては、第１面及び第２面は、第１方向に配列された複数の領域に分割されており、第１金属パターン及び第２金属パターンが、第１方向の一方側の領域から他方側の領域に向かうにつれて屈折率が増大または減少するような周期構造を有することにより、対象波長の光に対するシリンドリカルレンズとして構成されていてもよい。
【００１４】
このように、メタマテリアル光学素子を、薄膜部の第１面及び第２面の複数の領域にわたって屈折率分布を形成した分布屈折率（Ｇｒａｄｅｄ  Ｉｎｄｅｘ：ＧＲＩＮ）レンズとして構成する場合がある。この場合には、領域の分割数が少ないと、レンズ設計の自由度が低く、良好な特性が発揮されないおそれがある。領域の分割数の上限は、薄膜部の厚さを一定とすると、対象波長が高周波になるにつれて低くなる。対象波長を一定として領域の分割数の上限を高くするためには、薄膜部を薄化することが一案である。
【００１５】
しかしながら、上述したように、薄膜部をシクロオレフィンポリマーフィルムとした場合には、数μｍ程度までの薄化が困難である。この結果、薄膜部の厚さの下限によって領域の分割数が制限され、レンズ設計の自由度を確保することが困難である。これに対して、このメタマテリアル光学素子によれば、上述したとおり薄膜部を確実に薄化可能であるので、領域の分割数の上限を十分に確保可能である。よって、このメタマテリアル光学素子をレンズとして構成する場合には、レンズ設計の自由度及び良好な光学特性が十分に確保され、特に有効である。
【００１６】
ここで、本発明に係るメタマテリアル光学素子の製造方法は、第１面を有すると共にシリコンを含む薄膜部と、第１面の反対側において薄膜部に積層された支持層と、第１面上に形成され、周期構造を有する第１金属パターンと、を含む基体を用意する第１工程と、第１工程の後に、第１面側から基体を支持部材に接合する第２工程と、第２工程の後に、支持層を除去することにより、薄膜部における第１面と反対側の第２面を露出させる第３工程と、第３工程の後に、第１面に交差する方向からみて第１金属パターンと重複するように、周期構造を有する第２金属パターンを第２面上に形成する第４工程と、第４工程の後に、第２面の縁部に薄膜部を支持する枠部を接合する第５工程と、を備える。
【００１７】
この製造方法によれば、上述したような、テラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることが可能となるメタマテリアル光学素子を好適に製造できる。特に、この製造方法にあっては、第３工程において露出された薄膜部の第２面に対して、第４工程において第２金属パターンを形成する。そして、第５工程において第２面の縁部に枠部を接合する。このように、この製造方法においては、第２面に対して枠部が接合されていない状態において、且つ、第１面側において薄膜部が支持部材によって支持されている状態において、第２金属パターンの形成を行う。このため、薄膜部の破損を抑制しつつ、容易に第２金属パターンを形成できる。
【００１８】
また、本発明に係るメタマテリアル光学素子の製造方法は、第１面を有すると共にシリコンを含む薄膜部と、第１面の反対側において薄膜部に積層された支持層と、第１面上に形成され、周期構造を有する第１金属パターンと、を含む基体を用意する第１工程と、第１工程の後に、第１面側から基体を支持部材に接合する第２工程と、第２工程の後に、支持層を除去することにより、薄膜部における第１面と反対側の第２面を露出させる第３工程と、第３工程の後に、第１面に交差する方向からみて第１金属パターンと重複するように、周期構造を有する第２金属パターンを第２面上に形成する第４工程と、を備え、支持部材は、枠部を含み、第２工程においては、第１面の縁部に部を接合することによって、第１面の縁部に薄膜部を支持する枠部を設ける。
【００１９】
この製造方法によれば、上述したような、テラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることが可能となるメタマテリアル光学素子を好適に製造できる。特に、この製造方法にあっては、第３工程において露出された薄膜部の第２面に対して、第４工程において第２金属パターンを形成する。その一方で、第２工程において、支持部材としての枠部を第１面に接合する。このように、この製造方法においては、第２面に対して枠部が接合されていない状態において第２金属パターンの形成を行う。このため、容易に第２金属パターンを形成できる。また、支持部材と別途に枠部を用意して接合する必要がないので、短時間且つ低コストでメタマテリアル光学素子を製造できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、テラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることを可能とするメタマテリアル光学素子、及び、メタマテリアル光学素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係るメタマテリアル光学素子を示す図である。
【図２】図１に示されたメタマテリアル光学素子の動作原理を説明するための図である。
【図３】図１に示されたメタマテリアル光学素子の動作原理を説明するための図である。
【図４】図１に示されたメタマテリアル光学素子における金属パターンの一例を示す平面図である。
【図５】金属パターンを例示するための平面図である。
【図６】図１に示されたメタマテリアル光学素子の製造方法の第１例を示す断面図である。
【図７】図１に示されたメタマテリアル光学素子の製造方法の第１例を示す断面図である。
【図８】図１に示されたメタマテリアル光学素子の製造方法の第１例を示す断面図である。
【図９】図１に示されたメタマテリアル光学素子の製造方法の第２例を示す断面図である。
【図１０】メタマテリアル光学素子の製造方法の第１変形例を示す断面図である。
【図１１】メタマテリアル光学素子の製造方法の第２変形例を示す断面図である。
【図１２】メタマテリアル光学素子の製造方法の第３変形例を示す図である。
【図１３】メタマテリアル光学素子の製造方法の第３変形例を示す図である。
【図１４】メタマテリアル光学素子の製造方法の第３変形例を示す図である。
【図１５】図１に示されたメタマテリアル光学素子をバンドパスフィルタとして構成した例の断面図である。
【図１６】図１に示されたメタマテリアル光学素子を用いた光学装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一の要素同士、或いは、相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【００２３】
図１は、本実施形態に係るメタマテリアル光学素子を示す図である。図１の（ａ）は斜視図であり、図１の（ｂ）は図１の（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿っての模式的な断面図である。図１に示されるように、メタマテリアル光学素子１は、薄膜部２と、第１金属パターン３と、第２金属パターン４と、枠部５と、を備えている。薄膜部２は、第１面２ｓと、第１面２ｓの反対側の第２面２ｒと、を含む。薄膜部２、第１面２ｓ、及び、第２面２ｒは、矩形状である。
【００２４】
薄膜部２の厚さ（第１面２ｓと第２面２ｒとの間の距離）は、例えば数μｍ程度（例えば、１μｍ〜１０μｍ）である。薄膜部２は、テラヘルツ帯に対して吸収がない誘電体からなる。薄膜部２は、シリコンを含む。薄膜部２は、例えば、ＳＯＩ基板におけるシリコン層（高抵抗Ｓｉ層）である。
【００２５】
第１金属パターン３は、第１面２ｓ上に形成されている。第１金属パターン３は、複数の第１金属部３ｐを有する。第１金属部３ｐは、それぞれ、短手方向及び長手方向を有する直方体状に形成されている。第１金属部３ｐは、短手方向及び長手方向に沿って２次元的に配列されている。第１金属部３ｐは、導電率が高く光損失の少ない任意の金属から構成され得るが、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、又は、Ａｌから構成されている。第１金属パターン３は、第１金属部３ｐのサイズ及び配列に応じた周期構造を有している。
【００２６】
第２金属パターン４は、第２面２ｒ上に形成されている。第２金属パターン４は、第１面２ｓ及び第２面２ｒに交差（直交）する方向からみて、第１金属パターン３に重複している。より具体的には、第２金属パターン４は、第２面２ｒ上に２次元的に配列された複数の第２金属部４ｐを有する。第２金属部４ｐは、それぞれ、薄膜部２を介して第１金属部３ｐに対向している。第２金属部４ｐの形状及び位置は、対向する第１金属部３ｐと同一の形状及び位置である。これにより、第１金属パターン３と第２金属パターン４とが互いに重複する。第１金属パターン３及び第２金属パターン４は、第１面２ｓ及び第２面２ｒの（ここでは円形の）領域Ｒ内に形成されている。なお、第２金属部４ｐは、例えば、第１金属部３ｐと同一の材料から構成され得る。
【００２７】
枠部５は、薄膜部２の縁部に設けられている。より具体的には、枠部５は、矩形環状に形成されており、その開口部５ｈから第２金属パターン４が露出するように、第２面２ｒの縁部に設けられている。枠部５は、薄膜部２と別体に構成されていてもよし、薄膜部２と一体に構成されていてもよい。枠部５が薄膜部２と別体に構成される場合、枠部５は、接着材を用いた接着、又は、陽極接合や直接接合等によって、第２面２ｒに接合される。接着材としては、例えば、エポキシ系樹脂等の接着剤に加えて、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ−Ｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）等の有機系樹脂、水ガラス等の無機系の材料、及び、はんだ等の金属を用いることができる。この場合には、枠部５の材料は限定されないが、一例として枠部５はシリコンを含む。
【００２８】
枠部５の材料を、薄膜部２の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有する材料とすれば、枠部５と薄膜部２との接合部分の熱膨張係数差が小さくなる。このため、高温での接合が可能となり、接合強度が向上する。一方で、枠部５が薄膜部２と一体に構成される場合には、例えば、ＳＯＩ基板のエッチング等によって、薄膜部２の形成と共に形成され得る。この場合にも、枠部５はシリコンを含む（ＳＯＩ基板のＳｉ支持基板である）。
【００２９】
図２，３は、図１に示されたメタマテリアル光学素子の動作原理を説明するための図である。図２の（ａ）はメタマテリアル光学素子の単位セルの斜視図であり、図２の（ｂ）は単位セルの断面図である。図３の（ａ）は誘電率の変化を説明するための模式図であり、図３の（ｂ）は透磁率の変化を説明するための模式図である。図２，３に示されるように、単位セルＣは、互いに対向する一対の第１金属部３ｐ及び第２金属部４ｐと、薄膜部２における第１金属部３ｐと第２金属部４ｐとの間に位置する部分２ｐと、を含む。
【００３０】
メタマテリアル光学素子１に光が入射すると、入射光の電界Ｅとの相互作用によって、同一面上（例えば第１面２ｓ上）の第１金属部３ｐに電流Ｉが発生する。これにより、第１金属部３ｐ内において電荷の偏りが発生し、電束密度が変化する。この結果、物質固有の誘電率が変化する。また、メタマテリアル光学素子１に光が入射すると、入射光の磁界Ｈとの相互作用によって、単位セルＣの第１金属部３ｐ及び第２金属部４ｐに環状電流Ｉが発生する。これにより、磁束が発生し、物質固有の透磁率が変化する。これにより、物質固有の材料特性に制限されずに屈折率を制御可能となり、例えば高周波領域（１．５ＴＨｚ〜３ＴＨｚ）を含むテラヘルツ帯での使用が可能となる。
【００３１】
図４は、図１に示されたメタマテリアル光学素子における金属パターンの一例を示す平面図である。図４に示されるように、ここでは、メタマテリアル光学素子１は、分布屈折率（Ｇｒａｄｅｄ  Ｉｎｄｅｘ：ＧＲＩＮ）レンズとして構成されている。より具体的に説明する。薄膜部２の第１面２ｓ及び第２面２ｒにおける第１金属パターン３及び第２金属パターン４が形成された領域Ｒは、同心円状に配列された複数（ここでは９つ）の領域Ｒ１〜Ｒ９に分割されている。領域Ｒの分割数は、一例として５以上であり、より好ましく７以上である。領域Ｒ１は、領域Ｒの中心に配置された円形の領域であり、他の領域Ｒ２〜Ｒ９は、互いに同心の円環状の領域である。
【００３２】
ここでは、メタマテリアル光学素子１は、第１金属パターン３及び第２金属パターン４が、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ２に向かうにつれて屈折率が減少するような周期構造を有する。より具体的に説明する。第１金属部３ｐの幅をＷｎとし、第１金属部３ｐの長手方向に沿って互いに隣り合う第１金属部３ｐ同士のギャップをｇｘｋとし、第１金属部３ｐの短手方向に沿って互いに隣り合う第１金属部３ｐ同士のギャップをギャップｇｙｐとし、第１金属部３ｐの長さをｌｑとする（図示はｎ，ｋ，ｐ，ｑ＝１〜３、全体では１〜９）。
【００３３】
ここでは、領域Ｒ１〜領域Ｒ９において、幅Ｗｎ及びギャップｇｙｐを一定としつつ、長さｌｑ及びギャップｇｘｋを変化させることにより、屈折率と透過率を調整する。このとき、ギャップｇｘｋの変化によって大きく実効屈折率が変化する。長さｌｑの変化は、微調整のために用いる。定性的には、ギャップｇｘｋが小さくなれば屈折率が大きくなり、ｇｘｋが大きくなれば屈折率が低くなる傾向にある。したがって、メタマテリアル光学素子１を凸状の球面レンズ（凸レンズ）として構成する場合には、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ９に向かうにつれて、屈折率ｎｍ（ｍ＝１〜９）を小さくするように、ギャップｇｘｋが大きくなるように第１金属部３ｐを配置して周期構造を形成する。第２金属部４ｐについても同様である（以下の説明でも同様）。
【００３４】
図５は、金属パターンを例示するための平面図である。図５においては、容易化のために領域Ｒを４つの領域Ｒ１〜Ｒ４に分割している例を示す。図５の（ａ）は、上述したようにメタマテリアル光学素子１を凸状の球面レンズとして構成する場合の例である。凸レンズを構成する場合には、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ４に向かうにつれて、ギャップｇｘｋが大きくなるように第１金属部３ｐを配置する。これにより、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ４に向かうにつれて、それぞれの屈折率を、最大のｎ１から最小のｎ４となるように（小さくなるように）変化させる。
【００３５】
図５の（ｂ）の例は、メタマテリアル光学素子１を凹状の球面レンズ（凹レンズ）として構成する場合の例である。この場合には、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ４に向かうにつれて、ギャップｇｘｋが小さくなるように第１金属部３ｐを配置する。これにより、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ４に向かうにつれて、それぞれの屈折率を、最小のｎ４から最大のｎ１となるように（大きくなるように）変化させる。
【００３６】
図５の（ｃ）の例は、メタマテリアル光学素子１をシリンドリカルレンズとして構成する場合の例である。この場合には、領域Ｒが、矩形状に形成されており、第１金属部３ｐの長手方向（第１方向）に沿って配列された複数の矩形状の領域Ｒ１〜Ｒ４に分割されている。ここでは、領域Ｒの中心線の一方側のみを図示するが、他方側も同様である。そして、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ４に向かうにつれて、ギャップｇｘｋが大きくなるように第１金属部３ｐを配置する。これにより、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ４に向かうにつれて、それぞれの屈折率を、最大のｎ１から最小のｎ４となるように（小さくなるように）変化させる。
【００３７】
引き続いて、メタマテリアル光学素子１の製造方法の第１例について説明する。図６〜８は、図１に示されたメタマテリアル光学素子の製造方法の第１例を示す断面図である。図６の（ａ）に示されるように、この第１例では、まず、基体１０を用意する（第１工程）。基体１０は、薄膜部２と、薄膜部２の第２面２ｒ側（第１面の反対側）において薄膜部２に積層された支持層１１と、薄膜部２と支持層１１との間に介在された中間層１２と、を含む。基体１０は、一例としてＳＯＩ基板である。この場合、支持層１１は、Ｓｉ支持基板であり、中間層１２はＳｉＯ２等の絶縁層（エッチングストップ層）であり、薄膜部２は高抵抗Ｓｉ層である。薄膜部２（高抵抗Ｓｉ層）の厚さは、数μｍである。
【００３８】
続いて、図６の（ｂ）に示されるように、薄膜部２の第１面２ｓに第１金属パターン３を形成する（第１工程）。これにより、薄膜部２と、薄膜部２の第１面２ｓの反対側において薄膜部２に積層された支持層１１と、第１面２ｓ上に形成され、周期構造を有する第１金属パターン３と、を含む基体２０が用意される（第１工程）。
【００３９】
続いて、図７の（ａ）に示されるように、支持部材Ｍを用意する（第２工程）。支持部材Ｍは、ここでは、第１面２ｓよりも広い接合面Ｍｓを有する仮接合のための透明基板である。続いて、第１面２ｓ側から基体２０を支持部材Ｍに接合する（第２工程）。ここでは、第１面２ｓ上の第１金属パターン３の頂部が接合面Ｍｓに接合される。また、ここでは、一例として、第１金属パターン３と接合面Ｍｓとをワックスにより貼り付ける（仮接合する）。
【００４０】
続いて、図７の（ｂ）に示されるように、エッチングにより基体２０から支持層１１及び中間層１２を除去する（第３工程）。支持層１１がＳｉ支持基板であり、中間層１２がＳｉＯ２等のエッチングストップ層（絶縁層）である場合には、エッチングに用いるガスや溶液を適当に選択することにより、支持層１１及び中間層１２においてエッチングの選択比を制御できる。このため、数μｍの薄膜部２（高抵抗Ｓｉ層）を容易且つ確実に残存させて形成できる。この工程により、薄膜部２における第２面２ｒを露出させる（第３工程）。
【００４１】
続いて、図８の（ａ）に示されるように、薄膜部２における露出された第２面２ｒに第２金属パターン４を形成する（第４工程）。このとき、第１面２ｓ及び第２面２ｒに交差（直交）する方向からみて、第１金属パターン３に重複するように第２金属パターン４を形成する（第４工程）。そして、図８の（ｂ）に示されるように、第２金属パターン４が形成された第２面２ｒの縁部に、開口部５ｈから第２金属パターン４が露出するように、薄膜部２を支持する枠部５を接合する（第５工程）。枠部５の接合は、接着材を用いた接合でもよいし、陽極接合等であってもよい。以上により、メタマテリアル光学素子１が製造される。その後、メタマテリアル光学素子１を支持部材Ｍから取り外す。
【００４２】
引き続いて、メタマテリアル光学素子１の製造方法の第２例について説明する。図９は、図１に示されたメタマテリアル光学素子の製造方法の別の一例を示す断面図である。この第２例においても、第１工程は上述した第１例と同様である。すなわち、まず、図６の（ａ）に示されるように基体１０を用意した後に、図６の（ｂ）に示されるように薄膜部２の第１面２ｓに第１金属パターン３を形成して基体２０を用意する（第１工程）。
【００４３】
続いて、この例においては、図９の（ａ）に示されるように、支持部材Ｎを用意する（第２工程）。支持部材Ｎは、ここでは枠部５である。枠部５には開口部５ｈが形成されている。すなわち、支持部材Ｎは、開口部５ｈと、開口部５ｈを規定する枠部５と、を含む。続いて、第１面２ｓ側から基体２０を支持部材Ｎに接合する（第２工程）。より具体的には、開口部５ｈから第１金属パターン３が露出するように、第１面２ｓの縁部に枠部５（支持部材Ｎ）を接合することにより、第１面２ｓの縁部に薄膜部２を支持する枠部５を設ける（第２工程）。
【００４４】
続いて、図９の（ｂ）に示されるように、エッチングにより基体２０から支持層１１及び中間層１２を除去する（第３工程）。これにより、薄膜部２における第１面２ｓと反対側の第２面２ｒを露出させる（第３工程）。そして、薄膜部２における露出された第２面２ｒに第２金属パターン４を形成する（第４工程）。このとき、第１面２ｓ及び第２面２ｒに交差（直交）する方向からみて、第１金属パターン３に重複するように第２金属パターン４を形成する（第４工程）。以上により、メタマテリアル光学素子１が製造される。
【００４５】
以上説明したように、メタマテリアル光学素子１においては、薄膜部２の第１面２ｓと第２面２ｒとのそれぞれに対して、周期構造を有する第１金属パターン３及び第２金属パターン４が形成されている。特に、メタマテリアル光学素子１においては、薄膜部２がシリコンを含む。このため、例えば半導体プロセスを利用した研磨及び研削等により、薄膜部２の厚さを数μｍ程度で制御可能となる。さらに、薄膜部２の第１面２ｓ又は第２面２ｒには、薄膜部２を支持する枠部５が設けられている。このため、枠部５によって強度を保持しつつ、薄膜部２の薄化を確実に実現できる。よって、メタマテリアル光学素子１によれば、高周波領域を含むテラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることを可能となる。
【００４６】
また、メタマテリアル光学素子１においては、枠部５は、薄膜部２と別体に構成されており、第１面２ｓ又は第２面２ｒに接合されていてもよい。この場合、薄膜部２に枠部５が接合されていない状態において、容易に第１金属パターン３及び第２金属パターン４の形成を行える。
【００４７】
或いは、メタマテリアル光学素子１においては、枠部５は、薄膜部２と一体に構成されていてもよい。この場合、薄膜部２の形成と枠部５の形成とを同時に行うことが可能となる。
【００４８】
また、メタマテリアル光学素子１においては、枠部５は、シリコンを含んでもよい。この場合、例えば半導体プロセスを利用して、高精度且つ容易に枠部５を形成できる。
【００４９】
また、メタマテリアル光学素子１においては、第１面２ｓ及び第２面２ｒは、同心円状に配列された複数の領域Ｒ１〜Ｒ９に分割されており、第１金属パターン３及び第２金属パターン４が、中心側の領域Ｒ１から外側の領域Ｒ９に向かうにつれて屈折率ｎｍが増大または減少するような周期構造を有することにより、対象波長の光に対する球面レンズとして構成されていてもよい。
【００５０】
或いは、メタマテリアル光学素子１においては、第１面２ｓ及び第２面２ｒは、第１方向に配列された複数の領域Ｒ１〜Ｒ４に分割されており、第１金属パターン３及び第２金属パターン４が、第１方向の一方側の領域Ｒ１から他方側の領域Ｒ４に向かうにつれて屈折率ｎｍが増大または減少するような周期構造を有することにより、対象波長の光に対するシリンドリカルレンズとして構成されていてもよい。
【００５１】
このように、メタマテリアル光学素子１を、ＧＲＩＮレンズとして構成する場合がある。この場合には、領域Ｒの分割数が少ないと、レンズ設計の自由度が低く、良好な特性が発揮されないおそれがある。メタマテリアルを用いてＧＲＩＮレンズを設計する場合には、その最大のレンズ半径ｒは、レンズの焦点距離ｆ０、メタマテリアルを用いて得られる最大屈折率ｎｍａｘと最小屈折率ｎｍｉｎとの差Δｎ、及び、メタマテリアルの厚さｄを用いて、下記式（１）のように決定される。
ｒ２＝（Δｎ・ｄ）２＋２ｆ０・Δｎ・ｄ・・・（１）
【００５２】
例えば、特許文献１（特開２０１７−３４５８４号公報）では、０．３ＴＨｚ帯における誘電体基板の厚さｄが５０μｍである設計において、最大屈折率ｎｍａｘが約９、最小屈折率ｎｍｉｎが約２となっている。レンズの焦点距離ｆ０を動作波長の１０倍に設定すると、上記式（１）によりレンズ半径ｒは波長の２．７倍となる。このときの領域分割数は４〜５である。また、同周波数帯において誘電体基板の厚さｄを２３μｍである設計においては、最大屈折率ｎｍａｘが約１６、最小屈折率ｎｍｉｎが約４となっている。そして、レンズの焦点距離ｆ０を同様に設定すると、レンズ半径ｒは波長の２．４倍となり、領域分割数は７程度となる。さらに、３ＴＨｚ帯において誘電体基板の厚さｄを２３μｍとした設計においては、同様の焦点距離を設定するとレンズ半径ｒは波長の３．８倍となり、領域分割数は４程度となる。
【００５３】
これらのことから、周波数を一定として誘電体基板の厚さｄを薄くすると、領域分割数が大きくなり、誘電体基板の厚さｄを一定として周波数を大きくすると、領域分割数が小さくなることが理解される。また、領域分割数を大きくすると、所望するレンズの性能に応じた屈折率分布を形成できる。すなわち、レンズの設計の自由度及び良好な光学特性を確保できる。したがって、領域分割数を大きくするために、誘電体基板を薄化することが一案である。
【００５４】
しかしながら、誘電体基板をシクロオレフィンポリマーフィルムとした場合には、数μｍ程度までの薄化が困難である。この結果、誘電体基板の厚さの下限によって領域分割数が制限され、レンズ設計の自由度を確保することが困難である。これに対して、メタマテリアル光学素子１によれば、上述したとおり、薄膜部２を確実に薄化可能であるので、領域Ｒの分割数の上限を十分に確保可能である。よって、メタマテリアル光学素子１をレンズとして構成する場合には、レンズ設計の自由度及び良好な光学特性が十分に確保され、特に有効である。
【００５５】
また、本実施形態に係るメタマテリアル光学素子１の製造方法によれば、上述したような、テラヘルツ帯において良好な光学特性を得ることが可能となるメタマテリアル光学素子１を好適に製造できる。特に、製造方法の第１例にあっては、第３工程において露出された薄膜部２の第２面２ｒに対して、第４工程において第２金属パターン４を形成する。そして、第５工程において第２面２ｒの縁部に枠部５を接合する。このように、第２面２ｒに対して枠部５が接合されていない状態において、且つ、第１面２ｓ側において薄膜部２が支持部材Ｍによって支持されている状態において、第２金属パターン４の形成を行う。このため、薄膜部２の破損を抑制しつつ、容易に第２金属パターン４を形成できる。
【００５６】
一方、製造方法の第２例にあっては、第３工程において露出された薄膜部２の第２面２ｒに対して、第４工程において第２金属パターン４を形成する。その一方で、第２工程において、支持部材Ｎとしての枠部５を第１面２ｓに接合する。このように、第２面２ｒに対して枠部５が接合されていない状態において第２金属パターン４の形成を行う。このため、容易に第２金属パターン４を形成できる。また、支持部材Ｎと別途に枠部５を用意して接合する必要がないので、短時間且つ低コストでメタマテリアル光学素子１を製造できる。
【００５７】
以上の実施形態は、本発明に係るメタマテリアル光学素子及びメタマテリアル光学素子の製造方法の一例について説明したものである。したがって、本発明に係るメタマテリアル光学素子及びメタマテリアル光学素子の製造方法は、上述した例に限定されず、任意の変形例とすることができる。引き続いて、変形例について説明する。
【００５８】
図１０は、メタマテリアル光学素子の製造方法の第１変形例を示す断面図である。この第１変形例においても、第１工程は上記実施形態の第１例と同様である。すなわち、まず、図６の（ａ）に示されるように基体１０を用意した後に、図６の（ｂ）に示されるように薄膜部２の第１面２ｓに第１金属パターン３を形成して基体２０を用意する（第１工程）。
【００５９】
続いて、図１０の（ａ）に示されるように、基体２０の中央部分を、支持層１１側からエッチングすることにより、支持層１１及び中間層１２の中央部分を除去する。これにより、基体２０の中央部分には、薄膜部２のみが残存する。また、これにより、支持層１１及び中間層１２の環状の外側部分が枠部５として形成される。さらに、薄膜部２の第２面２ｒの中央部が、枠部の開口部５ｈから露出される。なお、ここでのエッチングをウェットエッチングとする場合には、薄膜部２の第１面２ｓ及び第１金属パターン３をレジスト等により保護する。
【００６０】
続いて、図１０の（ｂ）に示されるように、枠部５の開口部５ｈから露出された第２面２ｒに、第２金属パターン４を形成する。このとき、第１面２ｓ及び第２面２ｒに交差（直交）する方向からみて、第１金属パターン３に重複するように第２金属パターン４を形成する。以上により、メタマテリアル光学素子１が製造される。この第１変形例によれば、支持層１１及び中間層１２を用いて薄膜部２と一体の枠部５を形成できる。
【００６１】
図１１は、メタマテリアル光学素子の製造方法の第２変形例を示す断面図である。この第２変形例においては、第１工程、第２工程、及び、第３工程は、上記実施形態の第１例と同様である。すなわち、まず、図６の（ａ）に示されるように基体１０を用意した後に、図６の（ｂ）に示されるように薄膜部２の第１面２ｓに第１金属パターン３を形成して基体２０を用意する。
【００６２】
続いて、図７の（ａ）に示されるように、支持部材Ｍを用意すると共に、第１面２ｓ側から基体２０を支持部材Ｍに接合する。続いて、図７の（ｂ）に示されるように、エッチングにより基体２０から支持層１１及び中間層１２を除去する。これにより、薄膜部２における第２面２ｒを露出させる。また、これにより、薄膜部２、第１金属パターン３、及び、支持部材Ｍを含む中間体６０が形成される。
【００６３】
続いて、図１１の（ａ）に示されるように、一対の中間体６０を用意し、それぞれの薄膜部２の第２面２ｒ同士を互いに接合する。これにより、一対の薄膜部２からなる１つの薄膜部２Ａが形成される。薄膜部２Ａは、一対の第１面２ｓと、それぞれの第１面２ｓに形成された第１金属パターン３と、を備えることになる。そして、図１１の（ｂ）に示されるように、第１面２ｓの縁部に枠部５を接合することにより、メタマテリアル光学素子１が製造される。なお、一対の中間体６０を用意するに際しては、第１面２ｓに第１金属パターン３が形成された薄膜部２を、最終的なサイズよりも大きなサイズに形成すると共に、それを分割したものを用いてもよい。
【００６４】
図１２〜１４は、メタマテリアル光学素子の製造方法の第３変形例を示す図である。
図１２〜１４の（ａ），（ｂ）の上部が平面図であり、下部が断面図である。この第３変形例においては、ウェハ状態において複数のメタマテリアル光学素子１を形成し、ウェハの切断によってメタマテリアル光学素子１を個片化する。より具体的に説明する。まず、図１２の（ａ）に示されるように、ウェハ７０を用意する。ウェハ７０は、支持層１１のための支持層７１と、支持層７１上に積層された中間層１２のための中間層７２と、中間層７２上に積層された薄膜部２のための薄膜層７３と、を有している。続いて、ウェハ７０の主面７０ｓに、複数の第１金属パターン３を形成する。ウェハ７０の主面７０ｓは、薄膜層７３における支持層７１と反対側の面である。
【００６５】
続いて、図１２の（ｂ）に示されるように、支持部材Ｍを用意する。支持部材Ｍは、ここでは、主面７０ｓよりも広い接合面Ｍｓを有する仮接合のための透明基板である。続いて、主面７０ｓ側からウェハ７０を支持部材Ｍに接合する。ここでは、主面７０ｓ上の複数の第１金属パターン３の頂部が接合面Ｍｓに接合される。また、ここでは、一例として、第１金属パターン３と接合面Ｍｓとをワックスにより貼り付ける（仮接合する）。
【００６６】
続いて、図１３の（ａ）に示されるように、エッチングによりウェハ７０から支持層７１及び中間層７２を除去する。これにより、薄膜層７３における主面７０ｓと反対側の裏面７０ｒを露出させる。続いて、図１３の（ｂ）に示されるように、薄膜層７３の裏面７０ｒに、複数の第２金属パターン４を形成する。
【００６７】
続いて、図１４の（ａ）に示されるように、複数の開口部５ｈと開口部５ｈを規定する複数の枠部５を含む支持層７５を、開口部５ｈのそれぞれにおいて第２金属パターン４のそれぞれが露出するように、裏面７０ｒに形成する（接合する）。これにより、互いに一体化された複数のメタマテリアル光学素子１が得られる。
【００６８】
続いて、図１４の（ｂ）に示されるように、互いに隣り合うメタマテリアル光学素子１の間を通るように枠部５に設定されたラインに沿って、薄膜層７３及び支持層７５（ウェハ）を切断する。これにより、複数のメタマテリアル光学素子１が個片化される。
【００６９】
なお、薄膜層７３及び支持層７５（ウェハ）の切断には、例えばブレードダイシング等の任意の方法を用いることができるが、例えば、レーザ光の照射によって薄膜層７３の内部に改質領域を形成すると共に、外部応力によって改質領域から延びる亀裂を進展させる切断方法を採用することができる。これによれば、チップ形状の自由度を向上させてウェハ７０のデッドスペースを削減し、より効率的な製造が可能となる。
【００７０】
以上の製造方法の各例においては、支持層や中間層等の複数の層からなる基体（例えばＳＯＩ基板）のエッチングによって薄膜部を形成する態様について説明した。しかしながら、単一の層（例えば高抵抗Ｓｉ層）を研削・研磨・エッチングすることにより、数μｍに薄化することにより薄膜部を形成してもよい。
【００７１】
ここで、上記実施形態おいては、メタマテリアル光学素子１をレンズとして構成する例について説明した。しかしながら、メタマテリアル光学素子１は、テラヘルツ帯で使用可能な他の光学素子として構成されてもよい。例えば、メタマテリアル光学素子１の性質として、光の偏向方向に対して屈折率が異なり、位相差を生じさせることができる。したがって、メタマテリアル光学素子１は、位相差をπとすることにより半波長板として構成され得るし、位相差を０．５πとすることにより１／４波長板として構成され得る。さらに、例えば、メタマテリアル光学素子１は、特定の波長を透過又は反射する特性を持つため、バンドパスフィルタとして構成することができる。
【００７２】
図１５は、図１に示されたメタマテリアル光学素子をバンドパスフィルタとして構成した例の断面図である。図１５に示されるように、バンドパスフィルタ１００は、１つのメタマテリアル光学素子１と、メタマテリアル光学素子１から枠部５を除いた光学部材１Ａと、を備えている。光学部材１Ａは、その第１面２ｓの縁部において、メタマテリアル光学素子１の枠部５に接合されている。メタマテリアル光学素子１の第１金属パターン３及び第２金属パターン４と、光学部材１Ａの第１金属パターン３及び第２金属パターン４は、互いに重複するように配置されている。このように、単一でもバンドパスフィルタとして機能するメタマテリアル光学素子１及び光学部材１Ａを重複して用いることにより、より狭帯域化できる。
【００７３】
図１６は、図１に示されたメタマテリアル光学素子を用いた光学装置を示す図である。図１６に示されるように、光学装置２００は、発光素子８０と、レンズとして構成されたメタマテリアル光学素子１と、を備えている。発光素子８０は、例えば、差周波発生（ＤＦＧ：ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）によって生成された出力光を出射する量子カスケードレーザ（ＤＦＧ−ＱＣＬ）や、ＴＨｚ量子カスケードレーザ（ＴＨｚ−ＱＣＬ）等のテラヘルツ帯の光を出力する発光素子である。
【００７４】
図１６の（ａ）の例では、発光素子８０の光出射面８０ｓに枠部５を接合することにより、発光素子８０に対してメタマテリアル光学素子１を設けている。図１６の（ｂ）の例では、光出射面８０ｓに第１金属パターン３を接合することにより、発光素子８０に対してメタマテリアル光学素子１を設けている。これらの場合には、第１金属パターン３及び第２金属パターン４の周期構造を、発光素子８０からの出射光のビームパターンに合わせた屈折率分を有するように設定することにより、当該出射光を効率的にコリメート又は集光させることができる。
【００７５】
図１６の（ａ）の例では、枠部５の厚さ（第２面２ｒからの長さ）を焦点距離に形成することにより、枠部５を光出射面８０ｓに接合するだけで焦点距離の調整が可能となる。一方で、図１６の（ｂ）の例では、光出射面８０ｓに直接的に第１金属パターン３を接合できるため、レンズのＮＡを向上できる。
【符号の説明】
【００７６】
１…メタマテリアル光学素子、２…薄膜部、２ｓ…第１面、２ｒ…第２面、３…第１金属パターン、４…第２金属パターン、５…枠部、５ｈ…開口部、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８，Ｒ９…領域、１１…支持層、２０…基体、Ｍ，Ｎ…支持部材。
【図１】
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【図２】
2019174552.tif 000004
【図３】
2019174552.tif 000005
【図４】
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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１２】
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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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