JP2008187099A - 電磁波応答媒体、電磁波検出装置、光学装置及び電磁波応答媒体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属からなり、リング状に形成されたリング部3と、前記リング部3の少なくとも一部が埋設される誘電体6とを備え、前記リング部3が、前記リング部3の延在する面に交差する方向に配列されて、前記誘電体6に複数設けられていることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
これらの特長のため、テラヘルツ波を利用することにより、風袋中の非金属物質や郵便物の化学物質の化学構造を、非接触非開封で特定できる可能性がある。
更に、テラヘルツ波を利用すれば、従来の化学分析では同定がほとんど困難であった多形分析も可能である。これらはセキュリティ上各段に有用である。テラヘルツ波は、水素結合や様々な分子間相互作用及び生体細胞の水分量にも敏感であることから、x線透視に替わる無害の生体イメージング技術としても有望視されている。
従って、簡便にテラヘルツ波の検出やイメージングが出来る技術が待望されている。
一方、磁場に対する応答は、透磁率μ(ω)で決まるが、これは1に近い値であり、磁性体を除くと磁場に対してはほとんど応答しないと言ってよい。なぜなら、磁場に対する応答は、電子の軌道各運動量、又は、不対電子の電子スピンによって決まるが、このときの共鳴周波数は、非常に低くメガヘルツ以下の低周波であるからである。
従って、テラヘルツ帯で電磁場の共鳴吸収を生じることは非常に困難である。
ここで、共鳴の強さは、基本的に金属リングの密度で決まる。
斗内政吉,「テラヘルツ波技術の現状と展望」,応用物理,2006年,第75巻,第2号,p.160−170 T.J.Yen他,「Terahertz Magnetic Response from Artificial Materials」,SCIENCE,2004年5月,VOL303,p.1494−1496
本発明は、金属からなり、リング状に形成されたリング部と、前記リング部の少なくとも一部が埋設される誘電体とを備え、前記リング部が、前記リング部の延在する面に交差する方向に配列されて、前記誘電体に複数設けられていることを特徴とする。
これにより、誘電体における単位面積当たりのリング部の設置数を増大させることができる。
これにより、リング部の設置密度を高めることができる電磁波応答媒体を得ることができる。
以下、本発明の第1の実施形態における電磁波応答媒体について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態としての電磁波応答媒体1を示したものである。
電磁波応答媒体1は、誘電体からなる基板部2と、この基板部2内に行列方向に格子状に配列された複数のリング部3とを備えている。
誘電体膜6は、一体部品として形成されるものである。誘電体膜6の内部には、金属部材からなる複数のリング部3が行列方向に配列されて埋設されている。
また、半体部10は、互いに所定間隔を空けて対向配置されている。すなわち、互いに対向配置された突起部10aの先端面同士の間には、所定の間隔が空けられており、この所定の間隔がギャップ部Gとなる。これらギャップ部Gには、誘電体膜6で充足されている。さらに、半体部10の上部は、誘電体膜6の上面から露出している。すなわち、リング部3の略全体が誘電体膜6に埋設しており、半体部10の上部のみが誘電体膜6から突出している。
さらに、これら複数のリング部3は、複数列設けられており、他の列のリング部3も軸線A2を中心として、所定のピッチ間隔で複数揃えられて配列されている。なお、軸線A2も面Eに直交する線である。軸線A1と軸線A2とは、平行に延ばされている。そのため、複数のリング部3は、一定の間隔を空けて行列方向に配列されている。
図3は、リング部3を軸線A1,A2方向から見た様子を示す平面図である。
なお、図3において、一対の半体部10の互いの配列方向を横方向Wとし、半体部10の長手方向を高さ方向Hとする。
ギャップ部Gの横方向Wの距離寸法(対向する突起部10a同士の間隔)gは、0.5μmである。リング部3の横方向Wの外形の幅寸法Fは、26μmであり、リング部3の高さ方向Hの外形の高さ寸法hは、26μmである。また、半体部10自体の幅寸法dは、4μmであり、半体部10の厚さ寸法T(図2に示す)は、2μmである。さらに、リング部3の横方向Wのピッチ間隔PW(図2に示す)は、36μmである。
リング部3は、金属からなるものであり、それ自体で、抵抗及びインダクタを構成する。さらに、ギャップ部Gが設けられていることから、コンデンサとしても機能する。すなわち、リング部3は、抵抗、インダクタ及びコンデンサの直列共振回路を構成する。
そのため、磁気的共鳴周波数ωc mが存在し、この共鳴周波数近傍で磁場成分の大きな吸収が生じ、所定の電磁波に対して応答する電磁波応答媒体1として機能する。
矩形枠状のリング部3を、その内側に配される半径rの円Bで近似する。
また、リング部3が、n列からなるものとして、同じ列に属するリング部3の軸線A方向のピッチ間隔をPAとする。
ある列Kの単位長さ当たりのインダクタンスLは
L=μ0πr2/PA (μ0:空気の透磁率、真空の透磁率と同じ)
となる。
M=ΦL/I=lim(μ0πr2/nPW 2)Φd/I
となる。
ここで、Iはリング部3を流れる電流、ΦLは列Kの単位体積当たりの磁束、Φdは列Kを除いた残りの(n−1)列の全磁束である。
Φd=(n−1)LIを用いるとn→∞で、
M=(πr2/PW 2)L=FL
となる。
F(=πr2/PW 2)は、リング部3の形状で決まる定数である。
iωμ0πr2H0=RI+I/(−iωC)+(−iωL)I−(−iωM)I
ここでiは虚数単位、ωは角速度、Cはリング部3のギャップ部Gの容量である。
上式より電流Iは次式で与えられる。
I=−PAH0/[(1−F)−(1/ω2LC)+i(R/ωL)]・・・(1)
この電流でリングに誘起される単位体積当たりの自発磁化M1は次式で与えられる。
M1=πr2I/(PAPW 2)
μ(ω)=1−F/[1−(1/ω2LC)+i(R/ωL)]
となる。
従って、磁気的な共鳴振動数ωc mは、以下の式で近似的に与えられる。
C=Sε0/(2d)
となる。
なお、ε0は真空の誘電率、Sは電極の面積である。
インダクタンスは、L=μ0πr2/PAなので、共鳴振動数ωc mは、以下の式で与えられる。
この式からd、PA、r、Sとして数ミクロンオーダーの値を採用すれば、テラヘルツ域に磁気的な共鳴吸収を生じることが確認出来る。より微細化すれば赤外域で共鳴吸収を生じる。
まず、図5に示すように、対角6インチの基板(6025基板)50の上に、銅層51をスパッタリング法で製膜する。銅層51の厚さ寸法は、2μmとする。
そして、スピンコートにより基板50上にレジスト(FEP−171、富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ社製)を設ける。この状態において、120℃で10分間プリベークを行う。それから、10μC/cm2でEB露光を行い、さらに、110℃で10分間ポストベークを行う。そして、テトラメチルハイドロオキサイド2.4wt%水溶液により、スプレー現像を行う。さらに、塩化第2鉄溶液により、エッチングと洗浄を行い、銅層51から、対をなす銅パタン(第一の金属パタン)52を形成する(第一の金属パタン形成工程)。対をなす銅パタン52の間には、所定の間隔を空ける。この間隔が、上述したギャップ部Gとなる。ギャップ部Gの距離寸法gは、0.5μmとする。また、銅パタン52の厚さ寸法Tは、2μmとし、銅パタン52の幅寸法dは、4μmとする。
さらに、レジスト層の剥離、洗浄を行った後、全面スパッタリングにより、誘電体層55の全面に、銅膜57を形成する。銅膜57の厚さ寸法は、2μmとする。これにより、銅膜57、銅部材59及び銅パタン52は、接触した状態になる。
さらに、図10に示すように、フォトリソ法により、銅膜57上にレジストパターンを形成し、塩化第2鉄溶液により第一の銅パタンの形成と同様にエッチングを行って、上層の銅パタン(第二の金属パタン)58を形成する(第二の金属パタン形成工程)。
このようにして得られた銅パタン52,58及び銅部材59が、図2に示すリング部3となり、誘電体層55が誘電体膜6となり、基板50が誘電体基板7となり、全体として電磁波応答媒体1となる。
さらに、リング部3の上部を基板部2の上面から露出させていることから、リング部3において生じた電流や電圧を容易に取り出すことができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図11は、本発明の第2の実施形態を示したものである。
図11において、図1から図10に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第1の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。
従来では、基板に垂直方向に電磁波が入射すると、磁場がリングに平行となり、誘導電流がわずかしか発生しなかった。そのため、基板を入射方向に平行になるように傾けるか、好ましくは二枚の基板を直交するように配置する必要がある。そのため吸収体の体積が大きくなってしまう。
本実施形態における電磁波応答媒体1によれば、リング部3の設置密度を高くしつつ、異なる方向の電磁波に効率よく反応させることができる。
なお、リング部3の配列方向は、3方向以上であってもよい。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
図12は、本発明の第3の実施形態を示したものである。
図12において、図1から図11に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第1の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。
これにより、リング部3の設置密度を高くすることができるだけでなく、異なる方向の電磁波に効率よく反応させることができる。
なお、基板部2を、3層以上積層してもよいし、リング部3が同一方向に配列されるように積層してもよい。また、上記実施形態2の基板部2を積層してもよい。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
図13は、本発明の第4の実施形態を示したものである。
図13において、図1から図12に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第1の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。
なお、実線で示す符号25は、図13の裏面から表面に向かう方向の上部の金属配線を示すものであり、破線で示す符号26は、下部の金属配線、符号27は上下を連結するスルーホール配線部を示すものである。
上記第1の実施形態と同様にして、基板上に銅パタン(図6に示す符号52に相当)を形成する。それから、スパッタリング法により、SiO2からなる誘電体層を2μmの厚みになるように製膜する。
そして、第一の実施形態と同様に、ドライエッチング法により、リング部の腕部に当たる誘電体層の所定位置に開口寸法2μmのスルーホールを形成する。これにより、先に形成した銅パタンの両端の表面が露出する。
それから、第一の実施形態と同様に、無電解銅めっき法により、スルーホール内に銅部材を充填する。この工程により、銅部材と銅パタンは接触した状態になる。
さらに、スパッタリング法により、銅層を2μm膜付けする。実際には、スルーホールの部分で銅層の若干の凹みが見られたが、問題はなかった。そして、銅層をフォトリソ法により銅パタンとする。具体的には、レジスト(FEP−171、富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ社製)をコーティングしてプリベークし、銅パタンが図13で示すソレノイドになるようなマスクを用いて露光現像し、次いで銅層のエッチングを行う。さらに、レジストの剥膜処理と洗浄を行い、これにより、図13に示すソレノイドを有する基板が得られる。コンデンサ部分については上下の電極部分の重なりが10μmになるようにする。
また、互いのソレノイドの他端部同士は、外部電磁場で誘起される起電力を読み出すための一対の端子37としても使える。
こうした構成によって、読み出し用の端子の数を減らし且つ場所的に近くに持ってくることが可能となる。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
図14は、本発明の第5の実施形態を示したものである。
図14において、図1から図13に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第1の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。
このような構成のもと、一対の端子部23を介して、リング部3において誘起される起電力が取り出される。
これにより、共鳴時の電力を容易に取り出すことができる。
また、各寸法について記載したが、これは一例であって、それら寸法は適宜変更可能であることは言うまでもない。
また、本実施形態における電磁波応答媒体1は、様々な分野に利用することができる。例えば、x線を使っている分野に対して、これをテラヘルツ波に置き換える場合に利用することができる。具体的には、空港などにおける所持品検査や皮膚がんや乳がんなどの診断にも利用することができる。また、テラヘルツ波を利用して、ICなどの断線の検査、薬物の検出、例えば家庭用の袋の製造工程における漏れの検出などに利用することができる。
また、テラヘルツ領域から赤外線領域にわたる電磁波の応答媒体、特にフィルターとして利用することができる。さらに、ミクロンオーダーのソレノイドとコンデンサを埋め込んだものは、高感度なテラヘルツ受信用アンテナとして利用できる。
また、上記第1から第5の実施形態における電磁波応答媒体1を組み込むことにより、電磁波検出装置として利用することができる。
図15は、電磁波応答媒体1Aを組み込んだ光学篩の一部を示す図であって、リング部3に直交する方向に光を照射したときの基板部2上の電場(ポテンシャル)の様子を示す説明図である。
電磁波応答媒体1Aにおけるリング部3は、所定の電場のパターンが基板部2上に現れるように、長さ、断面積、ピッチ間隔PW,PA、ギャップ部Gの距離寸法gなどの各寸法があらかじめ設定されて配列されている。
これにより、篩の対象物の大きさや質量などから、リング部3の各寸法をあらかじめ設定しておくことにより、対象物を選り分ける光学篩として機能させることができる。
電流Iで誘導される電荷qは式(1)を使うと、以下の式で表わされる。
q=∫Idt
=∫e−iωt{−PAH0/[(1−F)−(1/ω2LC)+i(R/ωL)]}
=−iω−1{PAH0/[(1−F)−(1/ω2LC)+i(R/ωL)]}
従って、電場Eは以下の式で表わされる。
E=q/(Cd)
=i(ωCd)―1{PAH0/[(1−F)−(1/ω2LC)+i(R/ωL)]}
1−F≒1と近似して先述の磁気共鳴周波数ωc mでの電場増強の程度をQとすれば
Q=(1/2)ε0|E|/{(1/2)μ0|H0|2}
=ε0PA 2L2/(μ0C2d2R2)
となる。
共鳴条件C−1=L(ωc m)2、R=2πrσ(σ:単位長さあたりの抵抗)、L=πμ0r2/PA,C=ε0S/dを代入すると、増強度Qは、以下の式で表わされる。Sは平面コンデンサーの面積、dは距離である。
Q=|πμ0(ωc m)2r3/(2c0dlσ)|2
=|μ0c0r/(2Sσ)|2
(ωc m)2=c0 2dPA/(πr2S)
電場を増大させる一つ目の方法は、金属表面のプラズマ共鳴を利用する方法である。金属表面に入射した光と金属表面の電子とが強く結合する状況をプラズマ共鳴と言い、これら結合した集団励起を表面プラズモンと言う。表面プラズモンは、金属表面を伝播する場合、磁場成分が表面に平行で、電場成分が表面に垂直な方向を向いている。この表面から空気側に染み出た電場は、入射電磁波の電場に較べて強いことがわかっている。
したがって、試料分子を金属表面に近接させておいて、励起用レーザ光を照射すると、増大させられた電場が試料に印加される。これが表面増強型ラマン散乱である。蛍光発光でも金属表面に蛍光体を近接させて置くと、孤立した場合より強い電場が印加される。
プラズマ共鳴を起こす一つの方法は、金属表面に周期的な波長程度の周期のグレーティングを形成するものである。
プラズマ共鳴を起こす他の方法は、プリズムに光を入射させてプリズムの底面で全反射する際に、底面から染み出るエバネッセント光を金属に導くものである。このエバネッセント光も運動量が増しており、プラズモンを励起するすることができる。湾曲した金属表面にも表面プラズモンが生成され、サブミクロンサイズの球やディスクの表面が利用される。
また、波長程度のピッチを有するグレーティング形成には、2光束の干渉露光が必要であり、工程的にも煩雑である。
さらに、表面プラズモンを利用する場合には、径がサブミクロンの金属ロッドを並べると電場増強度が増大すると言われているが、ロッド形状の均一な製造は容易ではない。
この光学篩によれば、入射波の電場成分よりも出力される電場を大きくすることができ、電場の出力効率を向上させることができるだけでなく、リング部の設置密度を上げることができ、高精度な篩として機能させることができる。
また、プリズムやこのプリズムに設ける貴金属なども不要とすることができる。
また、プリズムを利用する場合、レーザ光の照射条件が厳しくなるが、本光学篩によれば、レーザ光の照射条件の許容範囲を広くすることができ、出力される電場を容易に増大させることができる。
さらに、プリズムを利用する場合には、底面に現れる電場のパターンをコントロールすることができず、対象物に応じて光源を複数用意する必要があるが、本光学篩においては、リング部3の各寸法を調整することにより、電場のパターンを自由に設定することができ、これらパターンを複数種類用意しておくことにより、一つの光源で複数の対象物に容易に対応することができる。
なお、ギャップ部3の近傍の電場を光学格子として使う場合は、金属を露出させるよりも、酸化珪素、アルミナ等の無機酸化膜あるいは有機物の薄い膜でカバーして使うのが望ましい。ギャップ部Gの幅、密度、配置パターンも重要である。目的に応じて最適な値、パターンを選択することが望ましい。
リング部3A(図17に示す)は、コ字状に形成されている。そして、リング部3Aの両端面は、基板部2と面一になっており、基板部2の外方に露出している。そして、それら両端面の間隔と、隣り合うリング部3Aの端面同士の間隔とが等しくなっている。すなわち、軸線A1に直交する方向の各端面同士の間隔はすべて等しくなっている。
以上より、本変形例の光学篩によれば、上記光学篩と同様の効果を奏することができるだけでなく、基板部2のスペースの利用効率を向上させることができる。
このリング部3Bは、矩形環状に一体的に形成され、ギャップ部Gが一つ設けられたものである。
ギャップ部Gには、蛍光体64が設けられている。これにより、レーザ光照射時に、ギャップ部Gの電場を増大させることができ、その結果、蛍光体64から発せられる光量を増大させることができる。
なお、蛍光体64に代えて、ラマン散乱光を照射する部材を設置することにより、ラマン散乱顕微鏡に適用することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
3 リング部
6 誘電体膜(誘電体)
23 端子部
G ギャップ部
Claims (12)
- 金属からなり、リング状に形成されたリング部と、
前記リング部の少なくとも一部が埋設される誘電体とを備え、
前記リング部が、前記リング部の延在する面に交差する方向に配列されて、前記誘電体に複数設けられていることを特徴とする電磁波応答媒体。 - 前記リング部の周方向の少なくとも一部に、ギャップ部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電磁波応答媒体。
- 前記リング部が、互いに交差する少なくとも2方向に配列されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電磁波応答媒体。
- 前記誘電体が、その厚さ方向に複数積層されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
- 複数積層された前記誘電体ごとの前記リング部の配列方向が、交差していることを特徴とする請求項4に記載の電磁波応答媒体。
- 複数の前記リング部が、前記リング部の延在する面に交差する方向に連結されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
- 前記リング部において誘起される起電力を取り出すための端子が、前記リング部に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
- 複数の前記リング部ごとに、異なる共鳴周波数が設定されていること特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
- 前記リング部の延在する面に交差する方向から見た前記リング部の外形寸法が、共鳴周波数の波長に対して1/10以下であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体を備えたことを特徴とする電磁波検出装置。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体を備えたことを特徴とする光学装置。
- 基板上に第一の金属パタンを形成する第一の金属パタン形成工程と、
前記第一の金属パタン形成工程によって第一の金属パタンが形成された基板上に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、
前記誘電体層形成工程によって形成された誘電体層に、前記第一の金属パタンを露出させるスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、
前記スルーホール形成工程によって形成されたスルーホール内を充填するスルーホール充填工程と、
前記誘電体層及び充填されたスルーホール上に第二の金属パタンを形成する第二の金属パタン形成工程と、
を備えることを特徴とする電磁波応答媒体の製造方法。
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