(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ及び／又はサブミリ放射に利用される撮影装置であって、少なくとも１対の基板を備え、
少なくとも１つの前記基板が、少なくとも１面において、少なくとも１つの放射検出器を画定するパターンにパターン化され、
前記放射検出器が、
ミリ及び／又はサブミリ電磁放射を受信するように適合されたアンテナと、
前記アンテナに結合されたアンテナ導波管と、
前記アンテナ導波管に結合され、出力信号に接続するために基板を通って延伸するビアと連通するミキサチャンネルと、
前記ミキサチャンネルに取り付けられたフィルターを備え、前記アンテナによって受信した前記放射に応じた中間周波信号を抽出するミキサと、
前記ミキサに結合され、ローカル発振器に接続する入力信号を有するローカル発振導波管構造と、を備え、
前記ミキサチャンネルが、前記ローカル発振導波管構造と鋭角に交差し、且つ、前記アンテナ導波管と９０°の角度で交差する撮影装置。
【請求項２】
１対の前記基板のそれぞれが、少なくとも１面において、合わせて前記放射検出器を画定する協働可能なパターンにパターン化されることを特徴とする請求項１に記載の撮影装置。
【請求項３】
前記パターンが、複数の前記放射検出器を画定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮影装置。
【請求項４】
少なくとも第３の基板を備え、
３つの前記基板が、２行の前記放射検出器を画定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の撮影装置。
【請求項５】
前記アンテナが、ホーンアンテナ（１４）であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の撮影装置。
【請求項６】
前記アンテナ導波管が、前記ホーンアンテナの軸から鋭角の角度だけオフセットされていることを特徴とする請求項５に記載の撮影装置。
【請求項７】
前記ローカル発振導波管構造が、前記ホーンアンテナの軸と平行であることを特徴とする請求項６に記載の撮影装置。
【請求項８】
上記請求項１〜７の何れか一項に記載の撮影装置用の基板を製造するプロセスであって、
第１マスク（３１）が、最大のエッチング深さの、各放射検出器の第１領域に対応する第１パターンを有し、第２マスク（３２）が、中間エッチング深さの、各放射検出器の前記第１領域及び第２領域に対応する第２パターンを有し、第３マスク（３３）が、最も浅いエッチング深さの、各放射検出器の前記第１及び第２領域、並びに第３の領域に対応する第３パターンを有しており、
前記基板の１面上に、前記第１（３１）、第２（３２）及び第３パターンマスク（３３）を形成するステップと、
前記第１マスク（３１）の第１パターンを通じて、前記最大のエッチング深さと前記中間エッチング深さの差と実質的に等しい第１の深さに、第１エッチングを行うステップと、
前記第１マスク（３１）を除去するステップと、
前記第２マスク（３２）の第２パターンを通じて、前記中間エッチング深さと前記最も浅いエッチング深さの差と実質的に等しい第２の深さに、第２エッチングを行うステップと、
前記第２マスク（３２）を除去するステップと、
前記第３マスク（３３）の第３パターンを通じて、前記最も浅いエッチング深さと実質的に等しい深さに、第３エッチングを行うステップと、を含むことを特徴とするプロセス。
【請求項９】
前記第１（３１）、第２（３２）及び第３マスク（３３）が、１つのマスクが次のマスク上に置かれるように隣接するマスクと直接に接触することを特徴とする請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記マスク（３１，３２，３３）のうちの１つが、ポジ・レジスト或いは金属のマスク、もう１つがネガ・レジスト或いはアミドのマスク、残りの１つが二酸化シリコン或いは窒化アルミニウムのマスクであることを特徴とする請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記第１領域が、前記アンテナに対応することを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記第２領域が、少なくとも前記ローカル発振導波管構造の一部に対応することを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記第３領域が、前記ミキサチャンネルに対応することを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか１項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サブミリ波撮影装置に関し、限定しないが、特に１つ又は複数のヘテロダイン検波器を用いた常温カメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波スペクトルは、無線電波と可視光波とが融合する周波数の範囲まで広がる。そのため、テラヘルツ放射の検出は、光学及び電波技術の混合を利用している。
【０００３】
テラヘルツ波で撮影するのに必要とされる個々の構成要素の規模の結果、テラヘルツ撮影システムのコストは一般的に手に届かないほど高い。
【０００４】
しかし、多くの、可視光の領域では不透明な物質がテラヘルツ波では透明になるため、テラヘルツ波は撮影目的のためには潜在的に非常に有用な波長として長く認識されてきた。特に、霧のような多くの気象条件がテラヘルツ波にとっては透明なので、テラヘルツ波の撮影素子が地球の表面を撮影するのに適している。これは同時にテラヘルツ撮影素子を、例えば、悪天候の時に飛行機を飛ばし陸上車両を運転する場合、潜在的に有用な撮影装置に仕立てる。多くの物質のテラヘルツ波に対する透明性は、安全確保のための有用なツールとしても確認されている。取り分け、衣類がこれら周波数の下で透明になることは、服装の下に着用されて隠された武器をはっきり見ること、また、四方にキャンバスをつけたトラックやトロッコに隠された人を見つけることを可能にする。さらに、人体がこれらの周波数で放射するという事実を考慮すれば、テラヘルツ放射が、潜在的に有力な、例えば、皮膚ガンの早期検査ための診察手段としても確認されている。また、テラヘルツ撮影の応用が化学、食品産業でも確認されている。例えば、これらの周波数でそれぞれ異なる透過／反射特性を有する１つ以上の成分を検出する。
【０００５】
従って、本発明は、サブミリ（即ちテラヘルツ）及び／又はミリ波を用いて、常温の下で、微弱パッシブテラヘルツ放射を検出することが可能な撮影装置を提供することを目的とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明により提供されるミリ及び／又はサブミリ放射に利用される撮影装置は、少なくとも１対の基板を備え、少なくとも１つの前記基板が、少なくともその１面において、少なくとも１つの放射検出器を画定するパターンにパターン化され、前記放射検出器が、ミリ及び／又はサブミリ電磁放射を受信するように適合されたアンテナと、前記アンテナに結合されたアンテナ導波管と、前記アンテナ導波管に結合され、出力信号に接続するために基板を通って延伸するビアと連通するミキサチャンネルと、前記ミキサチャンネルに取り付けられたフィルターを備え、前記アンテナによって受信した前記放射に応じた中間周波信号を抽出するミキサと、前記ミキサに結合され、ローカル発振器に接続する入力信号を有するローカル発振導波管構造と、を備え、前記ミキサチャンネルが、前記ローカル発振導波管構造と鋭角に交差し、且つ、前記アンテナ導波管と９０°の角度で交差することを特徴とする。
【０００７】
１つの好ましい実施の形態では、１対の前記基板が、ミキサチャンネル及びローカル発振導波管構造をそれぞれ有する複数のアンテナを共同して画定するパターンを有する。また、１対の基板のうちの１つが対向の両面にパターン化され、撮影システムがさらに、１面がパターン化された第３の基板を備えて、３つの基板がそれらのパターンで協働して２行のアンテナ及びそれぞれのミキサチャンネル、ローカル発振導波管構造を画定する。
【０００９】
１つの好ましい実施の形態では、撮影装置が、撮影解像度を向上するために複数の撮影ピクセルを有し、複数色の画像を生成することができる。
【００１０】
本発明は、基板内に３次元構造を製造する方法をも提供し、基板の１面上に相違するパターンを有する複数のマスクを、１つがもう１つの上に直接に重なり合うように形成すること、及び１つのマスクを通じてエッチングし、そしてそのマスクを除去し、残りのマスク毎に、このプロセスを繰り返すことを含む。その趣旨で、撮影装置用の基板を製造するプロセスに関する本発明は、第１マスクが、最大のエッチング深さの、各放射検出器の第１領域に対応する第１パターンを有し、第２マスクが、中間エッチング深さの、各放射検出器の前記第１領域及び第２領域に対応する第２パターンを有し、第３マスクが、最も浅いエッチング深さの、各放射検出器の前記第１及び第２領域、並びに第３の領域に対応する第３パターンを有しており、前記基板の１面上に、前記第１、第２及び第３パターンマスクを備えるステップと、前記第１マスクの第１パターンを通じて、前記最大のエッチング深さと前記中間エッチング深さの差と実質的に等しい第１の深さに、第１エッチングを行うステップと、前記第１マスクを除去するステップと、前記第２マスクの第２パターンを通じて、前記中間エッチング深さと前記最も浅いエッチング深さの差と実質的に等しい第２の深さに、第２エッチングを行うステップと、前記第２マスクを除去するステップと、前記第３マスクの第３パターンを通じて、前記最も浅いエッチング深さと実質的に等しい深さに、第３エッチングを行うステップとを含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１のテラヘルツカメラ１は、上にスキャン用光学素子３が取り付けられたＸ−Ｙ載物台２と、テラヘルツ検波器４と、処理器５とを備えている。スキャン用光学素子３の構成は従来と同じように、複数の、例えば平面の、又は放物線状の、又は双曲線状のミラー６，７を有する。各ミラー６，７がそれぞれの直交するトラック８，９に移動可能に取り付けられ、標本固定支持台（図示せず）上の標本からの入射光をテラヘルツ検波器４に導くように配置される。２つのミラー６，７のそれぞれのトラック上の相対移動は標本が直交する方向にスキャンされることを可能にする。別のやり方では、例えば、ミラーを回転、又は反転させることを利用してスキャンを行うこともできる。
【００１２】
当然のことながら、ミラー６，７が、ロスを最小にするために、特に、放射の強さが１０−１２Ｗのオーダーとなりうる標本の受動放射を撮影する場合、特定の放射に対して高い反射率を呈すべきである。
【００１３】
図１に示されたテラヘルツカメラの実施例では、２つのミラー６，７の移動が別々のリニアモータ１０，１１により制御され、モータ１０，１１がＸ−Ｙ平面におけるミラーの精確な位置調整を確実にするステップモーターでありうる。各モータ１０，１１は、処理器５に接続されるデータポート１２を備え、ミラーの瞬時位置情報に関するデータを入力、又はコンピュータからの制御信号を受信する。既に述べたように、ミラーの反転などもスキャンに利用されうる。
【００１４】
テラヘルツ検波器４は中間周波（ＩＦ）電子回路２８、及びコントローラ５に接続されている出力データポート１３を有するベースバンド電子回路２９と結合されている。コントローラ５は、好ましくは、従来のデスクトップ又は携帯型のコンピュータであって、検波器４からの映像データ及びモータ１０、１１のドライバからの位置データを受信し、同期化させ、これらのデータよりスキャンされた標本の映像を構築する。従来のデータ取得ソフトウェアがこの目的に使用されうる。この映像は、スクリーン上に表示され、及び／又はプリンターに出力され、並びに通常ファイルとして保存されうる。図２において、テラヘルツ検波器４が詳細に示されている。その構成要素は、例えばシリコン構造のような半導体中に製造され、又はその上に取り付けられる。図３及び図４には、テラヘルツ検波器４の一例を示している。また、金属構造も使用することができる。テラヘルツ検波器４の構成要素には、ホーンアンテナ１４と導波管１５を有するアンテナ、ミキサ１６、及びローカル発振供給部１７が含まれる。アンテナが、所定の周波数の電磁波（入力信号）を選択的に受信し、導波管１５が、ローカル発振供給部１７に接続しているミキサ１６と連通しており、ローカル発振供給部１７が、導波管構造を備えており、ローカル発振器に接続する入力信号を有する。ミキサ１６が入力信号及びローカル発振入力にヘテロダインを発生させて、中間周波（ＩＦ）出力を生成する。 換言すれば、この実施例では、ＩＦ信号は、図１に示されているような外部よりも検波器内に生成される。ミキサ１６が、マイクロストリップを備え、該マイクロストリップの上には、ローカル発振入力を導波管１５から隔離するための第１のパスバンドフィルター１８と、バックストップとして動作し、予め選択されたＩＦ出力のみを通過させる第２のパスバンドフィルター１９とが備えられている。
【００１５】
図に示されているように、ミキサ１６が、導波管１５と実質的に直角となるように配置されている。しかし、ミキサ１６の軸とローカル発振供給部１７の軸とは直交しておらず、むしろ鋭角をなしている。ローカル発振供給部１７がミキサ１６に対して鋭角となるような配置は、より広い帯域幅においてバックショートの長さを縮小して、多くの従来の９０°の配置に比べてミキサ遷移の帯域幅を改善する。また、ローカル発振供給部１７とミキサ１６のこの配置は、特にこれらの周波数の撮影システムに追加の利益をもたらし、即ち各検波器の占める空間を縮小して、より多くの検波器をより近接に配置することを可能にし、カメラの解像度を改善する。
【００１６】
図示された検波器４が例えば、１６の別々のホーンアンテナを備えて２色、８ピクセルアレイを提供する。テラヘルツ波の映像を生成するのに必要な検波器４の開口のサイズは、個々のホーンアンテナ間の間隔が図示の例では約２．５ｍｍに制限されるほどである。この間隔は、ミキサがローカル発振供給部に対して９０°となる多くの従来の配置を行わせるには不十分であり、結果として検波器の開口がアンテナの数を制限してしまう。しかし、ローカル発振入力供給部１７の軸をホーンアンテナ１４の軸と実質的に整列するように配置し、且つミキサとローカル発振供給部１７の軸の交差を４５°に配置することにより、同じ面積における検波器の数を増やすことができる。これにより、検波器の解像度を改善する。
【００１７】
当然のことながら、ミキサ１６とローカル発振供給部１７の図示された配置が、特に解像度を増やすためにアンテナのアレイを有する検波器の場合に好ましいが、本明細書に説明されるテラヘルツ撮影システムは、多くの従来のミキサとローカル発振供給部の配置をも網羅することを目的とする。
【００１８】
上記のように、検波器４が半導体、例えば、図１に示されたトップ層２３，中間層２０及び下位層２４の３つの個別のエッチング層を有するシリコン構造により製造される。図３及び図４は、上面２１及び下面２２の両方がエッチングされている中間層２０を示している。上位層２３と下位層２４がそれぞれ１つの面だけエッチングされ、これらの面のエッチングパターンは中間層２０の上面２１及び下面２２のそれぞれのエッチングパターンの鏡像である。このように、シリコンの個々の層にとってはエッチングパターンが開放的であるが、３層が一緒にされるときは、これらの面のそれぞれのエッチングパターンが合致し、これらの面の界面に沿って延伸する導波管構造を定義する。協働位置孔及びピン２５が各層の表面に設けられて、各層の互いに精確な位置調整を確実にする。
【００１９】
図３及び図４に示された中間層２０を参照すれば、中間層２０の上面２１には８つの別々のホーンアンテナが示されている。図４において、中間層２０の反対側の下面２２上に２行目の８つのホーンアンテナのアウトラインをも見ることができる。各ホーンアンテナ１４がそれぞれ各々の導波管１５とミキサ１６に接続される。個々のローカル発振供給部１７が各々のミキサ１６と接続し、他方ではミキサの上流で互いに相互接続して、１つの共通ローカル発振入力２６に接続する。従って、２つの別々のローカル発振入力２６が存在し、それぞれが中間層２０の各面（８−アンテナのセット毎）に対応する。また、ローカル発振源（図示せず）との接続を容易にするために、好ましくは、これら２つの出力２６が、中間層２０のエッジの異なる位置に出現する。
【００２０】
導波管構造を画定するエッチングパターンの寸法が検波器４の機能にとって重要であり、また、この寸法は従来のモデリング技術により決めることができる。図に示された検波器は２色の検波器であって、１セット目の８−アンテナは第１のテラヘルツ波を検出し、平行な２セット目の８−アンテナは相違する第２のテラヘルツ波を検出する。このことにより、今度は、各セットの８−アンテナのエッチングパターンの寸法が入力信号及びローカル発振信号の周波数に応じて少々異なることが要求される。さらに、構造強度を最大化するために、図４において見られるように各行のホーンアンテナが互いにオフセットされている。以下の図５に関する測定値が、ただ典型的な寸法を示すために提供されたものである。
【００２１】
【表１】
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ミキサ１６の下流、各アンテナためのＩＦ出力がそれぞれのビア２７を通って延伸する配線に沿ってシリコン積層構造の外表面へ伝わる。従って、１シリーズの８つのＩＦ出力ビアがトップシリコン層２３中を通って延伸し、対応するシリーズの８つのＩＦ出力ビアがボトムシリコン層２４中を通って延伸する。ＩＦ出力が、そこから従来のシリーズの２段増幅器２８を通って集積検出器２９に伝わり、そしてそこから処理器５のデータ入力ポートに伝わる。
【００２２】
２５０ＧＨｚのパッシブ放射を検出するために、例えば、２４５ＧＨｚのローカル発振信号を用いて５ＧＨｚのＩＦ信号を抽出することができる。当然のことながら、上記引用した周波数は１つの例示にすぎず、従来のヘテロダイン理論を用いてその他の適切なローカル発振周波数及びＩＦ周波数を特定することができる。
【００２３】
上記説明した検波器を用いることにより、テラヘルツ周波数でのパッシブ放射を室温で検出することができ、且つヘテロダイン受信器の使用は、スペクトル的に限定した、高感度の検波器を確実なものにする。上記では２色８−ピクセルのアレイを説明したが、言うまでもなく、２層のパターン化されたシリコンのみを有する１つアンテナのテラヘルツカメラは上記説明されたように具現化することができる。さらに、共通ローカル発振入力２６をシリコン層の周辺に沿って異なる位置に配置させれば、より多くのパターン化されたシリコン層を追加することができる。ただし、アンテナを２行以上備える場合、ＩＦ出力ビアが中間のシリコン層を通らなくてはならなく、それらの層の導波管構造を避けなければならないために、各異なる行のアンテナのパターンを互いにオフセットさせる必要がある。
【００２４】
もちろん、１行におけるアンテナの数が８でなくてもよく、１行に８を超えるアンテナを備えてもよい。
【００２５】
さらに、個々の導波管構造の製造に、金属化された真性シリコン又は金属のスラブを使用するよりも、アンテナは光のバンドギャップ材料で製造されることが予想される。これは、隣接するアンテナ間の信号漏れを防ぎ、また、ミキサ、及び信号入力、ローカル発振ＬＯ信号並び中間周波ＩＦ出力の伝導のために代替の構造を提供することができる。
【００２６】
上記説明した導波管構造が個々のシリコン層のエッチングを必要とし、これらの構造を製造する新しい方法が以下に説明される。図６ａを参照して、シリコン基板３０が示されており、その上面には、３つのマスク３１，３２，３３が、１つのマスクが次のマスクの上に置かれ、隣接するマスクと互いに直接接触するように備えられている。トップから順に、最上位の第１マスク３１がポジ・レジスト又は金属のマスクである。第１マスクのすぐ下には、ＳＵ８又はほかの適切なアミドマスク材料のような第２のネガ・レジストマスク３２がある。第２マスクの下は第３マスク３３であり、好ましくは、二酸化シリコン、又は窒化アルミニウムである。第１マスク３１は基板内の最も深い構造を画定し、その他の領域を早期エッチングから保護する。第２マスクは、基板の最も浅いエッチングを必要とする領域を保護しながら、最も深いエッチング領域に加えて、中間深度のエッチング領域を露光させる。最後の第３マスクは、既にエッチングされたすべてのエリア、及び最も浅いエッチングを必要とするエリアを露光させる。注目すべきは、マスクが必ずしもひとつが次の上に置かれる必要がなく、離れて備えられてもよいことである。
【００２７】
上記説明した導波管構造に関して、最も深いエッチングは、ホーンアンテナ１４及び導波管１５のためにパターン化され、中間深度のエッチングは、ローカル発振導波管構造の大部分にとって必要であり、また最も浅いエッチングは、ミキサチャンネルにとって不可欠である。一旦各層が全部形成されると、第１のエッチングはポジ・レジストマスク３１を用いて行われる。エッチングは、その深さが最も深い構造の所望の最終的深さと中間構造の最終的深さの差と等しくなるまで続く。次に、ポジ・レジストマスク３１は、下のネガ・レジストマスク３２に影響しないアミン系ストリッパーのような、通常のストリッパーを用いて除去される（図６ｂ）。次の段階のエッチングはＳＵ８マスク３２を通じて、中間構造と最も浅い構造の所望の最終的深さの差と等しい深さまで行われる。第１エッチング段階でエッチングされたパターンが露出されたままのため、このパターンが再度エッチングされ、基板のより深くまでエッチングされる。一旦、第２エッチングが完了すると、第２マスク３２が除去され（図６ｃ）、これは下の第３マスクに影響しない。そして、第３、且つ最後段階のエッチングが行われ、この段階では、パターンの最も浅い特徴がエッチングされ、既存のパターンがさらに基板３０の中により深く、最終的深さまでエッチングされる。次に、第３マスク３３を除去する（図６ｄ）。この手順が従来の手順と異なり、それぞれのマスクが隣接するマスク上に直接重畳する複数の相違するマスク、及びエッチングステップ間にウェハの表面に新しいマスクを形成しないエッチング手順を用いている。
【００２８】
その後、シリコンが所望の領域（導波管とビア）で金属化される。
【００２９】
本明細書では固定のテラヘルツカメラ及び移動可能なスキャン用光学素子を用いた、従来の標本をスキャンするためのＸ−Ｙ載物台の利用について説明したが、言うまでもなく、このような構成の代替案を予想できることは明白である。例えば、標本をＸ−Ｙ載物台に乗せ、そして移動させて標本の異なるエリアをスキャンすることが可能である。
【００３０】
また、スキャンが、ローカル発振入力の位相の調整によって完全に電子的に行われることが可能である。これに関しては、移相器を個々のローカル発振供給部１７に取り込むことができる。周知のように、移相器は導波管により構成されるが、導波管はその１つの壁の内部に取り付けられた高抵抗真性シリコンのスラブを有する。シリコンのスラブは入射光に露出され、該入射光によってシリコンは抵抗素子及び／又は金属の性質を呈する。入射光の強さはシリコン内部の変化が到達する深さを決め、導波管の寸法を変化させてその分散特性を変化させる。
【００３１】
本明細書で説明した撮影装置は、パッシブなミリ及びサブミリ電磁放射の検出に適しており、これについては、コンパクトなサイズ、潜在的な携帯性、及び室温での計測能力から見れば、特に利便性がある。従って、飛行機及び陸上車両の両方において、また安全システム、化学及び食品産業、並びに医療診断にこの撮影装置をすぐに応用することが予想される。もちろん、応用の範囲は上記特定した項目には限定されなく、また、撮影システムの電力要求が低いため、例えば宇宙からの撮影に特に適している。
【００３２】
言うまでもなく、添付の請求項により定義される本発明の範囲から逸脱することなく、代替の構成要素及び代替の製造技術を使用しうることは、明白である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る２色テラヘルツカメラの概略図である。
【図２】図１のテラヘルツカメラの検波器の拡大図である。
【図３】図１のテラヘルツカメラに採用された導波管構造の平面写真である。
【図４】導波管構造の両面エッチングを示す図２の導波管構造の斜視写真である。
【図５】図２の導波管構造の線画である。
【図６ａ】図２と図３の導波管構造の製造ステップを示す図である。
【図６ｂ】図２と図３の導波管構造の製造ステップを示す図である。
【図６ｃ】図２と図３の導波管構造の製造ステップを示す図である。
【図６ｄ】図２と図３の導波管構造の製造ステップを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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