CN113009608A - 太赫兹波用透镜和太赫兹波用透镜的制造方法 - Google Patents

太赫兹波用透镜和太赫兹波用透镜的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供太赫兹波用透镜和太赫兹波用透镜的制造方法，太赫兹波用透镜对太赫兹波进行聚光或准直，太赫兹波用透镜包括具有形成有使太赫兹波的相位变化的凹凸结构的表面的基片，凹凸结构具有周期性地配置的多个支柱，凹凸结构具有分别有多个支柱的多个区域，支柱的基片的厚度方向的高度和直径按每个区域不同，彼此相邻的支柱的中心间的距离(周期)一定，厚度方向上的凹凸结构的外侧端部位于同一平面上。

Description

太赫兹波用透镜和太赫兹波用透镜的制造方法
技术领域
本发明涉及太赫兹波用透镜和太赫兹波用透镜的制造方法。
背景技术
近年来，利用能够进行安全且高精度的分析的太赫兹频段的电磁波(太赫兹波)的技术受到瞩目。为了利用太赫兹波，需要有用于对太赫兹波进行准直或聚光的聚光光学系统(透镜等)。为了避免聚光光学系统的大型化，优选尽量使用小型的透镜。在现有技术中，作为与普遍使用的球面镜相比小型同时为能够实现比较高的NA的透镜，已知有在基片表面形成有细微的凹凸结构(电介质凹凸结构排列)的平板状的平面透镜(超透镜)。
例如，在专利文献1(日本专利第6356557号公报)中公开有如下技术方式：准备在Si基片上依次形成有由SiO2构成的阻蚀层和由Si构成的硅层的SOI基片，在SOI基片的硅层的表面形成与凹凸结构图案对应的掩模，通过蚀刻将未被掩模的硅层的部分除去，由此形成上述那样的凹凸结构。此外，在专利文献2(日本特开2007-57622号公报)中，公开有利用使用将激光干涉和激光加工组合的方法，在基片上形成调制空间结构的高度而得到的凹凸结构的技术方式。
发明内容
根据上述专利文献1中记载的技术方式，蚀刻在阻蚀层露出的阶段停止，因此能够使凹凸结构的高度(即，蚀刻深度)均匀。但是，用作阻蚀层SiO2具有吸收太赫兹区域的光的特性，因此对太赫兹波用的光学元件不适合。此外，在上述专利文献2中记载的技术方式中，需要有高亮度的加工用激光和干涉用的掩模等，并且存在用于形成凹凸结构的工序复杂的问题。此外，由于凹凸结构的高度(最外面的位置)变得不整齐，还存在容易产生像差的问题。
本发明的一个方面的目的在于，提供能够实现小型化且抑制像差的产生的太赫兹波用透镜及其制造方法。
本发明的一个方面的太赫兹波用透镜是对太赫兹波进行聚光或准直的太赫兹波用透镜，包括具有形成有使太赫兹波的相位变化的凹凸结构的表面的基片，凹凸结构具有由周期性地配置的凸部或凹部构成的多个凹凸结构部，凹凸结构具有分别配置有多个凹凸结构部的多个区域，凹凸结构部的基片的厚度方向的高度和与厚度方向正交的方向的宽度按每个区域不同，彼此相邻的凹凸结构部的中心间的距离为一定，厚度方向上的凹凸结构的外侧端部位于同一平面上。
在上述太赫兹波用透镜，构成凹凸结构的凹凸结构部的高度和宽度按每个区域不同。由此，能够对透射的太赫兹波赋予按每个区域不同的相位差。此外，通过使用在表面形成有凹凸结构的基片，与球面镜等相比较能够降低透镜的厚度，因此能够实现透镜的小型化。进一步，通过使得厚度方向上的凹凸结构的外侧端部的高度位置整齐，能够抑制像差的产生。此外，在上述太赫兹波用透镜，通过使得彼此相邻的凹凸结构部的中心间的距离(即，各凹凸结构部的配置间隔(周期))一定，凹凸结构部的配置设计变得容易。
凹凸结构部既可以为凸部，也可以凹凸结构部的宽度越大，凹凸结构部的高度就越低。根据上述结构，能够通过利用蚀刻中的微负载效应，容易地形成凹凸结构部的高度和宽度按每个区域不同的凹凸结构。
凹凸结构部既可以为凹部，也可以凹凸结构部的宽度越大，凹凸结构部的高度就越高。根据上述结构，能够通过利用蚀刻中的微负载效应，容易地形成按每个区域凹凸结构部的高度和宽度不同的凹凸结构。
多个区域也可以由沿规定方向排列的第1区域～第N区域的N个(N为2以上的整数)区域构成，多个区域各自的有效折射率也可以随着从第1区域向第N区域去而逐步变小。根据上述结构，能够通过以随着从第1区域向第N区域去而有效折射率逐步变小的方式排列多个区域，使太赫兹波用透镜作为折射率分布型透镜发挥作用。
也可以随着从第1区域向第N区域去，属于各区域的凹凸结构部的高度变高。根据上述结构，与仅使凹凸结构部的宽度按每个区域不同的情况相比较，能够在区域间高效率地产生相位差。
凹凸结构部既可以为凸部，也可以在第n区域(n为1至N-1的任意的整数)与第n+1区域的边界附近，形成具有和第n区域对应的凹凸结构部的高度与和第n+1区域对应的凹凸结构部的高度之间的高度的凹凸结构部。根据上述结构，能够通过在彼此相邻的第n区域与第n+1区域的边界，形成具有中间的高度的凹凸结构部(凸部)，减缓凹凸结构部的高度的变化。由此，能够在区域切换的边界，减缓相位差的变化。其结果是，能够得到精度优良的透镜。
多个区域也可以具有以使得彼此相邻的区域间的相位差成为第1相位差的方式设定的第1相位差区域和以使得彼此相邻的区域间的相位差成为比第1相位差小的第2相位差的方式设定的第2相位差区域。根据上述结构，与使区域间的相位差均等的情况相比较，能够灵活地进行相位分布设计。
也可以凹凸结构部为凸部，凹凸结构中凹凸结构部的宽度为预先确定的阈值以上的至少一个区域，为第2相位差区域。此外，也可以凹凸结构部为凹部，凹凸结构中凹凸结构部的宽度为预先确定的阈值以下的至少一个区域，为第2相位差区域。此外，也可以至少第1区域构成第2相位差区域。根据上述结构，例如在通过蚀刻形成凹凸结构的情况下，对于微负载效应比较显著，难以高精度地制作具有与预先设计的相位分布相应的宽度和高度的凹凸结构部的部分，能够通过将区域间的相位差的节宽收窄，补偿自相位分布的设计值的偏离(制作误差)。
凹凸结构部也可以具有分别包含1组多个区域的多个重复单元，多个重复单元也可以沿规定方向排列，也可以多个重复单元中至少一个以具有大于2π的宽度的相位分布的方式构成。为了适当地得到透镜效果，优选具有重复单元具有2π以上的宽度的相位分布。另一方面，由于上述的微负载效应引起的制作误差，存在重复单元的相位分布的宽度可能小于2π的问题。根据上述结构，能够在以成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式构成的重复单元，降低实际的相位分布的宽度小于2π的可能性。
与多个区域分别对应的凹凸结构部的高度和宽度也可以为能够抑制凹凸结构与空气的界面的太赫兹波的反射的尺寸。根据上述结构，由于不需要在凹凸结构部之外另设反射防止层，所以能够防止太赫兹波用透镜的大型化，并且抑制凹凸结构与空气的界面的太赫兹波的反射。
本发明的一个方面的太赫兹波用透镜的制造方法是对太赫兹波进行聚光或准直的太赫兹波用透镜的制造方法，其包括：决定使太赫兹波的相位变化的凹凸结构的图案的第1工序；在平坦的基片的表面形成与上述图案相应的蚀刻掩模的第2工序；通过以在基片的表面形成蚀刻掩模的状态进行对基片的各向异性蚀刻，在基片的表面形成具有由周期性地配置的凸部或凹部构成的多个凹凸结构部的凹凸结构的第3工序；和从基片的表面除去蚀刻掩模的第4工序，凹凸结构具有分别有多个凹凸结构部配置的多个区域，凹凸结构部的基片的厚度方向的高度和与厚度方向正交的方向的宽度按每个区域不同，彼此相邻的凹凸结构部的中心间的距离为一定。
根据上述制造方法，能够制造具有上述的效果的太赫兹波用透镜。此外，通过使用蚀刻掩模蚀刻基片的表面，能够使由蚀刻掩模覆盖的部分(即，未被蚀刻削除的部分)的高度位置一定而整齐。此外，通过利用蚀刻中的微负载效应，能够容易地制造使凹凸结构部的高度和宽度双方按每个区域不同的结构。
也可以在第1工序中，以如下那样决定凹凸结构的图案：多个区域由沿规定方向排列的第1区域～第N区域的N个(N为2以上的整数)区域构成，多个区域各自的每单位区域的蚀刻量随着从第1区域向第N区域去而逐步变大。根据上述结构，能够形成随着从第1区域向第N区域去而逐步有效折射率变小的多个区域，能够得到作为折射率分布型透镜发挥作用的太赫兹波用透镜。
第1工序还可以包括：取得表示凹凸结构部的宽度与蚀刻深度的关系的信息的工序；和基于表示关系的信息与预先确定的相位分布的设计值，决定在各区域配置的凹凸结构部的宽度的工序。根据上述结构，能够通过考虑凹凸结构部的宽度与蚀刻深度的关系(即，微负载效应的影响的大小)决定各区域的凹凸结构部的宽度，抑制微负载效应引起的制作误差(自设计值的偏离)的产生。
也可以在第1工序中，以多个区域具有第1相位差区域和第2相位差区域的方式，决定在各区域配置的凹凸结构部的宽度。第1相位差区域是以使得彼此相邻的区域间的相位差成为第1相位差的方式设定的区域，第2相位差区域是以使得彼此相邻的区域间的相位差成为比第1相位差小的第2相位差的方式设定的区域。根据上述结构，与使区域间的相位差均等的情况相比较，能够灵活地进行相位分布设计。
也可以凹凸结构部为凸部，在第1工序中，以使得凹凸结构中凹凸结构部的宽度预先确定的阈值以上的至少一个区域成为第2相位差区域的方式，决定在各区域配置的凹凸结构部的宽度。此外，也可以凹凸结构部为凹部，在第1工序中，以使得凹凸结构中凹凸结构部的宽度为预先确定的阈值以下的至少一个区域成为第2相位差区域的方式，决定在各区域配置的凹凸结构部的宽度。此外，也可以在第1工序中，以至少第1区域构成第2相位差区域的方式，决定在各区域配置的凹凸结构部的宽度。根据上述结构，对于微负载效应比较显著，难以高精度地制作具有与预先设计的相位分布相应的宽度和高度的凹凸结构部的部分，能够通过将区域间的相位差的节宽收窄，补偿自相位分布的设计值的偏离(制作误差)。
也可以在第1工序中，凹凸结构部具有分别包含1组多个区域的多个重复单元，多个重复单元沿规定方向排列，以使得多个重复单元中至少一个重复单元成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式，决定在各区域配置的凹凸结构部的宽度。根据上述结构，能够在以成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式构成的重复单元，得到降低了实际的相位分布的宽度小于2π的可能性的太赫兹波用透镜。
也可以在第1工序中，以使得与多个区域分别对应的凹凸结构部的高度和宽度成为能够抑制凹凸结构与空气的界面的太赫兹波的反射的尺寸的方式，决定在各区域配置的凹凸结构部的宽度。根据上述结构，由于不需要在凹凸结构部之外另设反射防止层，所以能够得到能够防止太赫兹波用透镜的大型化，并且能够抑制凹凸结构与空气的界面的太赫兹波的反射的太赫兹波用透镜。
根据本发明的一个方面，能够提供能够实现小型化并且抑制像差的产生的太赫兹波用透镜及其制造方法。
附图说明
图1是一个实施方式的太赫兹波用透镜的侧面图。
图2是图1的太赫兹波用透镜的俯视图。
图3A是表示太赫兹波用透镜的凹凸结构的一部分的俯视图。
图3B是该凹凸结构的一部分的侧截面图。
图4是表示凹凸结构的各区域中包含的支柱的高度和直径的图。
图5是表示太赫兹波用透镜的制造工序的图。
图6是表示基于微负载效应的支柱半径(支柱间的间隙)与支柱高度的关系的一个例子的图。
图7是表示由支柱高度的不均匀性产生的相位偏离(自设计值的偏离)的图。
图8是表示本实施方式的相位分布设计、常规的相位分布设计和理想的相位分布的图。
图9是示意地表示与相位分布设计对应的凹凸结构的一部分的图。
图10是表示彼此相邻的区域的边界附近的凹凸结构的一部分的俯视图。
图11是彼此相邻的区域的边界附近的凹凸结构的一部分的SEM图像。
图12A是表示变形例的凹凸结构的一部分的俯视图。
图12B是该变形例的凹凸结构的一部分的侧截面图。
图13表示变形例的凹凸结构的各区域中包含的孔部的高度和宽度的图。
图14是表示彼此相邻的区域的边界附近的变形例的凹凸结构的一部分的俯视图。
图15是示意地表示变形例的凹凸结构的一部分的图。
图16是表示支柱的变形例的图。
图17是表示孔部的变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。在附图的说明中，地相同或同等要素使用相同的附图标记，省略重复的说明。
[太赫兹波用透镜]
如图1、图2、图3A和图3B所示，一个实施方式的太赫兹波用透镜1是能够针对太赫兹频段的电磁波(以下“太赫兹波(TeraHertz wave)”)进行利用的太赫兹波用光学元件。具体而言，太赫兹波用透镜1是不依赖于偏振光方向地使规定频率的太赫兹波透射而进行聚光或准直的透镜。太赫兹波用透镜1作为利用细微的电介质凹凸结构排列的、平坦的光学元件(所谓的超透镜(metalens))构成。在本实施方式中，作为一个例子上述规定频率为2.4THz(波长125μm)，太赫兹波用透镜1的焦点距离为40mm。
太赫兹波用透镜1包括圆板状的基片(基板)2。基片2在太赫兹区域由透明的材料(例如硅等)形成。在本实施方式中，基片2由高电阻硅形成。在本实施方式中，作为一个例子基片2的直径为45mm。基片2的厚度例如为0.5mm～1mm程度。在与基片2的厚度方向D交叉的基片2的一个主面(表面)，形成有细微的凹凸结构3。凹凸结构3作为使从凹凸结构3透射的太赫兹波的相位变化的相位调制层发挥作用。
凹凸结构3具有周期性地配置的多个支柱(柱状物)31(凹凸结构部)。如图3A和图3B所示，在本实施方式中作为一个例子，支柱31作为在基片2的表面(后述的底部3b)立设的圆柱状的凸部构成。如图3A所示，多个支柱31周期性地配置。具体而言，多个支柱31以遍及整个凹凸结构3、彼此相邻的支柱31的中心间的距离(周期p)成为一定的方式配置。在本实施方式中，多个支柱31呈栅格状排列。周期p以成为比动作对象的太赫兹波的波长(在本实施方式中为125μm)小的周期(亚波长周期)的方式设定。在本实施方式中，作为一个例子周期p为30μm。如上所述，凹凸结构3由面积相等的周期结构(在本实施方式中为在中央部含有1个支柱31的正方形的区域(图3A的以虚线围成的区域))构成。
由多个支柱31的上表面构成厚度方向D上的凹凸结构3的外侧端部3a。凹凸结构3的外侧端部3a(即，多个支柱31的上表面)位于同一平面上。凹凸结构3在多个支柱31间(即，未形成支柱31的部分)，具有相比外侧端部3a位于内侧的底部3b。将支柱31的上表面(外侧端部3a)与从厚度方向D看围着该支柱31的底部3b之间的厚度方向D的长度定义为支柱31的高度h(参照图3B)。
如图2所示，凹凸结构3具有在面内重复配置有能够赋予2π(单位为弧度(rad)。在以下的说明中，适当地省略相位差的单位(rad)的记载。)以上的相位差的重复单元RU的结构。在本实施方式中，凹凸结构3具有自从厚度方向D看的基片2的中心P向基片2的外侧边缘去沿径向(规定方向)排列的多个重复单元RU1～RUK。此处，K为重复次数(即，凹凸结构3中包含的重复单元RU的个数)，为2以上的整数。包含中心P在内的第1个重复单元RU1是以中心P为中心的圆形状的区域。第2个以后的重复单元RU2～RUK是以中心P为中心的圆环状的区域。多个重复单元RU的宽度(径向的长度)随着离中心P远去而逐渐变小。根据这样的重复结构，与菲涅尔透镜一样，能够从基片2的中心P沿径向赋予“2π×K”的量的相位差。即，利用包括具有细微的凹凸结构3的平坦的表面的基片2，能够相比球面镜和菲涅尔透镜减小透镜的厚度而实现小型化。此外，高NA的透镜实现。
各重复单元RU具有从基片2的中心P侧向外侧边缘侧去沿径向排列的多个区域(第1区域～第N区域)。此处，N是1个重复单元RU中包含的区域的个数，为2以上的整数。在本实施方式中，作为一个例子N为9。即，各重复单元RU具有9个区域A1～A9。如图3A所示那样，在A1～A9各区域，周期性地配置有多个支柱31。
在同一区域内配置的多个支柱31的厚度方向D的高度h和与厚度方向D正交的方向的宽度(在本实施方式中，为直径d(参照图3A))在设计上一致。即，在同一区域内，周期性地配置有高度h和直径d均匀化了的多个支柱31。另一方面，在同一重复单元RU不同的区域间，支柱31的高度h和直径d彼此不同。即，支柱31的高度h和直径d按每个区域不同。
如图4所示那样，以随着从区域A1区向域A9去，A1～A9各区域的基片2的材料(在本实施方式中为高电阻硅)的填充率(即，每单位面积的支柱31所占的面积)变小的方式，调整属于A1～A9各区域的支柱31的直径d。即，随着从区域A1区向域A9去，属于A1～A9各区域的支柱31的直径d变小。在形成有这样的支柱31的区域，太赫兹波感应到支柱31部分(由作为基片2的材料的高电阻硅形成的部分)与支柱31的周围的空气层(与基片2的材料相比低折射率的层)的平均化了的折射率(有效折射率)。通过如上述那样调整属于A1～A9各区域的支柱31的直径d(即，A1～A9各区域的硅的填充率)，随着从区域A1区向域A9去，A1～A9各区域的有效折射率逐步变小。通过按每个区域使有效折射率不同，能够在区域间赋予相位差。
此外，随着从区域A1区向域A9去，属于A1～A9各区域的支柱31的高度h变高。如上所述，多个支柱31的上表面(外侧端部3a)的高度位置(厚度方向D的位置)整齐。因此，随着从区域A1区向域A9去，A1～A9各区域的底部3b的高度位置向基片2的内侧移动。通过如上述那样通过使支柱31的直径d按每个区域不同而使A1～A9各区域的有效折射率不同，并且进一步使凹凸结构3的厚度(即，支柱31的高度h)按每个区域不同，能够使区域间的相位差更大。
支柱31的高度h例如以成为动作对象的太赫兹波的1个波长(125μm)左右的方式设定。不过，由于在后述的蚀刻加工時产生的微负载效应，支柱31的高度h按区域A1～A9的每个区域不同。在本实施方式中，作为一个例子，在各重复单元RU，支柱31的高度h的最大值(即，属于区域A9的支柱31的高度h)约为120μm，支柱31的高度h的最小值(即，属于区域A1的支柱31的高度h)约为95μm。此外，支柱31的直径d的最大值(即，属于区域A1的支柱31的直径d)约为25μm，支柱31的直径d的最小值(即，属于区域A9的支柱31的直径d)约为13μm。
如图5所示，上述的凹凸结构3例如能够使用光刻技术制作。首先，准备具有形成凹凸结构3之前的平整的表面的基片2(S1)。接着，在基片2的表面涂覆光致抗蚀剂R(S2)。接着，形成有使用与具有预先设计的直径d和分布的多个圆形图案(即，与多个支柱31所占的区域对应的图案)相应的图案的光掩模M，对基片2上的光致抗蚀剂R进行曝光(S3)。由此，在光致抗蚀剂R为负型的情况下，光致抗蚀剂R的被曝光的部分留下，在光致抗蚀剂R为正型的情况下，光致抗蚀剂R的被曝光的部分被除去。在光致抗蚀剂R为负型的情况下，使用形成有仅在与上述多个圆形图案对应的位置使光通过图案的光掩模M即可。另一方面，在光致抗蚀剂R为正型的情况下，使用形成有仅在与上述多个圆形图案对应的位置遮光的图案的光掩模M即可。通过以上的处理，利用在基片2上留下的光致抗蚀剂R，形成蚀刻掩模。
接着，使用基片2上留下的光致抗蚀剂R作为蚀刻掩模，进行各向异性蚀刻(各向异性干蚀刻)(S5)。由此，削除未被光致抗蚀剂R覆盖的基片2的部分(硅区域)。另外，图5是模式地表示凹凸结构3的制作顺序的图，不依赖于支柱31的直径、使蚀刻深度为一定地进行图示。但是，实际上，彼此相邻的支柱31间的间隙越窄的部分，蚀刻深度越浅。该现象一般被称作微负载效应(microloading、微观负载效应)。在本实施方式中，如上所述，凹凸结构3按区域A1～A9的每个区域具有以不仅直径d而且深度(高度h)也不同的方式构成的支柱31组。这样构成的支柱31组通过利用微负载效应形成。即，属于A1～A9各区域的支柱31的直径d在预先考虑微负载效应的影响的基础上决定。由此，能够按区域A1～A9的每个区域设定所期望的相位差(即，通过支柱31的直径d和高度h的组合确定的相位差)。即，在A1～A9各区域，以得到为了得到所期望的相位差所需的支柱31的直径d和高度h的组合的方式，决定属于A1～A9各区域的支柱31的直径d。
接着，将基片2上留下的光致抗蚀剂R除去(S6)。通过以上的处理，在基片2的表面形成上述的凹凸结构3，得到太赫兹波用透镜1。
参照图6和图7，对考虑了上述的微负载效应的设计(属于A1～A9各区域的支柱31的直径d的设计)，更详细地进行说明。图6表示本发明的发明人通过使用规定的蚀刻条件的试验得到的支柱31的半径与蚀刻深度(高度)的关系。更具体而言，图6表示使用支柱31的半径为5μm的情况下(即，相邻的支柱31间的间隙为20μm的情况下)蚀刻深度成为125μm那样的蚀刻条件，针对5μm～12.5μm的范围中包含的支柱半径的多个变更进行蚀刻的结果(蚀刻深度)。了解到在本试验中使用的蚀刻条件下，在支柱31的半径为9μm以上(支柱31间的间隙为12μm以下)的范围内，微负载效应(即，支柱高度的变化量相对于支柱半径的变化量的比例)变得显著。
通过预先使用与上述制造工序(S5)中实施的预定的蚀刻相同的蚀刻条件对同一加工对象(基片2)进行蚀刻(试验)，能够预先把握图6所示那样的支柱31的直径d(即，支柱31间的间隙)与微负载效应的关系。另外，这样的关系通过如本实施方式那样使凹凸结构3的支柱31的周期p一定而唯一地把握。具体而言，如上所述，微负载效应的程度依赖于彼此相邻的支柱31间的间隙。另一方面，在本实施方式中，由于凹凸结构3的支柱31的周期p为一定，所以“相邻的支柱31间的间隙＝周期p-直径d”的关系成立。由此，能够将微负载效应的程度与支柱31的直径d一对一地对应。
图7的虚线表示假定高度h(即蚀刻深度)不依赖于支柱31的半径地为一定(125μm)计算出的相位差。即，图7的虚线表示不考虑微负载效应的影响地计算出的相位差。另外，图7中的相位差是以周期性地配置有具有半径5mm和高度125μm的支柱31的区域的相位为基准(0rad)的情况下的相位差。
另一方面，图7的实线表示考虑微负载效应的影响计算出的相位差。即，表示使用图6所示的关系和从支柱31的半径得到的支柱31的高度h计算出的相位差。
例如，在凹凸结构的材料(即，通过蚀刻削除的区域)与作为基底的基片的材料不同的情况下，在基片的表面停止蚀刻，由此构成凹凸结构的各支柱的高度成为一定。在这样的情况下，不需要考虑微负载效应。但是，在如本实施方式那样，在基片自体的表面形成凹凸结构的情况下，交错存在微负载效应显著的区域(在图6的例子中，间隙12μm以下的区域)与微负载效应不显著的区域(在图6的例子中，间隙成为12μm以上的区域)时，在区域A1～A9间产生支柱31的高度h(蚀刻深度)的差。即，如图7所示，当无视微负载效应(即，基于图7的虚线)地以使得A1～A9各区域的相位差成为所期望的值的方式设定属于A1～A9各区域的支柱31的直径d时，实际得到的A1～A9各区域的相位差(即，图7的实线所示的相位差)会偏离所期望的值。
由此，在本实施方式中，预先取得图6所示那样的表示支柱31的半径(或者直径d)与通过蚀刻得到的支柱31的高度h的关系的信息。而且，基于表示上述关系的信息和预先确定的相位分布的设计值(即，分配给A1～A9各区域的相位差)，决定属于A1～A9各区域的支柱31的直径d。即，以使得通过属于A1～A9各区域的支柱31的高度h和直径d的组合确定的A1～A9各区域的相位差成为所期望的值(设计值)的方式，决定属于A1～A9各区域的支柱31的直径d。而且，在上述的制造工序中，使用反映这样决定的属于A1～A9各区域的支柱31的直径d的光掩模M形成蚀刻掩模(在基片2的表面留下的光致抗蚀剂R)(图5的S3和S4)，执行各向异性干蚀刻(图5的S5)，最后除去蚀刻掩模(图5的S6)。由此，能够得到具有与设计一致的相位分布的太赫兹波用透镜1。即，在各重复单元RU，能够形成具有与设计一致的相位分布的区域A1～A9。
图8是表示本实施方式的相位分布设计、常规的相位分布设计和理想的相位分布的图。图8中以一点划线表示的理想的相位分布基于动作对象的太赫兹波的波长λ(在本实施方式中为125μm)、透镜的焦点距离f(在本实施方式中为40mm)、距透镜的中心(中心P)的距离r和下述式(1)决定。由下述式(1)决定的理想的相位分布是按每2π(≈6.28rad)缠绕相位。另外，图8所示的相位差是以与每2π的重复单元彼此的边界对应的相位差为基准(＝0)的情况下的值。
Figure BDA0002836129190000121
在图8中以虚线表示的常规的相位分布设计中，以近似于理想的相位分布的方式，分割2π为8个左右，并分别分配适合的亚波长结构。即，在每2π的重复单元，按π/4节距形成8个具有不同的相位差的区域。
在图8中以实线表示的本实施方式的相位分布设计中，如上述那样，形成有9个具有不同的相位差的区域A1～A9。具体而言，重复单元RU(多个区域A1～A9的1个组)具有以使得彼此相邻的区域间的相位差成为π/4(第1相位差)的方式设定的第1相位差区域和以使得彼此相邻的区域间的相位差成为小于π/4的相位差(第2相位差)的方式设定的第2相位差区域。在本实施方式中，作为一个例子，微负载效应不显著的区域(在本实施方式中，作为一个例子为区域A3～A9)作为第1相位差区域构成，微负载效应显著的区域(在本实施方式中，作为一个例子为区域A1、A2)作为第2相位差区域构成。
微负载效应显著的区域例如是指，支柱31的直径d成为预先确定的阈值Δd以上的区域(即，支柱31间的间隙未一定以下的区域)。例如，在图6的例子中，如上述那样，在支柱31的半径成为9μm以上(即，直径d为18μm以上)的区域，微负载效应显著。在这样的情况下，阈值Δd例如能够设定为18μm。
如上所述，相对于在常规的相位分布设计中等分地进行相位分割，在本实施方式的相位分布设计中，在微负载效应显著的区域，与微负载效应不显著的区域相比增加相位分割数。对于微负载效应比较显著，难以高精度地制作具有与预先设计的相位分布相应的直径d和高度h的支柱31的部分，能够通过将区域间的相位差的节宽收窄来补偿自相位分布的设计值的偏离(制作误差)。
另外，如上所述，多个重复单元RU的宽度(径向的长度)随着远离中心P而逐渐变小。即，重复单元RU中包含的多个区域的各自的宽度随着远离中心P而逐渐变小。因此，例如在存在于基片2的外侧边缘附近、宽度非常小的重复单元RU，即使是支柱31的直径d为阈值Δd以上的区域，也存在难以增加相位分割数的情况。在这样的重复单元RU，并不一定在支柱31的直径d为规定值以上的区域增加相位分割数。例如基片2的外侧边缘附近的重复单元RU也可以由与常规的相位分布设计一致地设计的具有每π/4的相位差的8个区域构成。
此外，在本实施方式的相位分布设计中，重复单元RU以成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式构成。具体而言，在常规的相位分布设计中，具有最大的相位差的区域(与本实施方式的相位分布设计中的区域A1、A2对应的区域)的相位差与2π一致，以近似于每2π缠绕的理想的相位分布(即，具有2π的宽度的相位分布)。与此相对，在本实施方式的相位分布设计中，以使得具有最大的相位差的区域A1的相位差大于2π的方式调整属于区域A1的支柱31的高度h和直径d。为了得到适当的透镜效果，优选重复单元RU有具有2π以上的宽度的相位分布。另一方面，由于上述的微负载效应引起的制作误差，可能存在重复单元RU的相位分布的宽度小于2π的情况。因此，在本实施方式中，以成为重复单元RU具有大于2π的宽度的相位分布的方式构成。由此，能够降低重复单元RU的实际的相位分布的宽度小于2π的可能性。
在本实施方式中，作为一个例子，区域A2相对于区域A3设定π/8的相位差，区域A1相对于区域A2设定π/8与π/4之间的大小的相位差。由此，重复单元RU作为整个区域A1～A9有了具有大于2π的宽度的相位分布。
图9是示意地表示基于上述那样的相位分布设计形成的凹凸结构3与相位差(相位分布)的对应关系的图。在图9中，将支柱31的直径d大于实际地图示。因此，图9所示的属于A1～A9各区域的支柱31的数量(基片2的沿径向的个数)与实际的数量不同。实际上，在A1～A9各区域，包含比图9所示的数量多的支柱31。如图9所示，1个重复单元RU以与距中心P的距离相应地近似于理想的相位分布的方式，具有由各自具有不同的直径和高度的多个支柱31构成的多个区域A1～A9。
图10是表示1个重复单元RU中，彼此相邻的区域An(第n区域)与区域An+1(第n+1区域)的边界附近的凹凸结构3的一部分的俯视图。此处，n是1到N-1的任意的整数。此处，令与区域An对应的支柱31的直径为dn，令与区域An+1对应的支柱31的直径dn+1，令区域An内彼此相邻的支柱31间的间隙为Gn，令区域An+1内彼此相邻的支柱31间的间隙为Gn+1，令区域An内的支柱31与区域An+1内的支柱31之间的间隙为Gm时，以下的式(2)～(4)成立。
Gn＝p-dn (2)
Gn+1＝p-dn+1 (3)
Gm＝p-(dn/2+dn+1/2) (4)
此处，直径dn大于直径dn+1。由此，间隙Gn、Gn+1、Gm的大小关系为“Gn＜Gm＜Gn+1”。即，多个支柱31的周期p在整个凹凸结构3为一定，因此在区域An与区域An+1之间，形成区域An的间隙Gn与区域An+1的间隙Gn+1之间的中间的大小的间隙Gm。由此，在区域An与区域An+1的边界附近产生的微负载效应的大小成为在区域An内部产生的微负载效应与在区域An+1的内部产生的微负载效应之间的大小。其结果是，在彼此相邻的区域An与区域An+1的边界附近，形成具有和区域An对应的支柱31的高度与和区域An+1对应的支柱31的高度之间的高度的支柱31。换言之，在区域An与区域An+1的边界附近，形成具有区域An的内部的底部3b的高度位置与区域An+1的内部的底部3b的高度位置之间的高度位置的底部3b。图11是彼此相邻的区域的边界附近的凹凸结构的一部分的SEM图像。由该SEM图像可把握，在支柱的直径变化的部分(即，彼此相邻的区域的边界)附近，底部的高度位置不是呈阶梯状急剧变化，而是和缓地变化。根据上述结构，在彼此相邻的区域An与区域An+1的边界，能够使支柱31的高度的变化和缓。由此，在区域切换的边界，能够使相位差的变化和缓(连续地)。其结果是，能够得到高精度的透镜。
[凹凸结构的变形例]
接着，参照图12A～图16，说明凹凸结构的变形例(凹凸结构3A)。凹凸结构3A取代多个支柱31具有多个孔部32(凹凸结构部)，这点与凹凸结构3不同。凹凸结构3A的上述以外的结构与凹凸结构3相同。即，凹凸结构3A与凹凸结构3一样，具有多个重复单元RU和各重复单元RU中包含的多个区域A1～A9。此外，凹凸结构3A的A1～A9各区域的相位分布设计与上述的凹凸结构3的相位分布设计相同。即，凹凸结构3A通过在基片2的表面取代支柱(凸部)设置孔部(凹部)，实现与上述的凹凸结构3同样的相位分布。
在本实施方式中，作为一个例子，孔部32作为在基片2的表面设置的圆柱状的凹部(有底孔)构成。如图12A所示，多个孔部32周期性地配置。具体而言，多个孔部32在整个凹凸结构3A、以彼此相邻的孔部32的中心间的距离(周期p)成为一定的方式配置。周期p以成为比动作对象的太赫兹波的波长(在本实施方式中为125μm)小的周期(亚波长周期)的方式设定。凹凸结构3A由面积相等的周期结构(在本实施方式中为在中央部包含1个孔部32的正方形的区域(图12A的由虚线围成的区域))构成。
在凹凸结构3A，由基片2的表面中未设置孔部32的部分构成厚度方向D上的凹凸结构3A的外侧端部3a。凹凸结构3A的外侧端部3a位于同一平面上。具体而言，凹凸结构3A的外侧端部3a沿同一平面连续地形成。在凹凸结构3A，由各孔部32的底部构成凹凸结构3A的底部3b。将外侧端部3a与孔部32的底部(底部3b)之间的厚度方向D的长度定义为孔部32的高度h(参照图12B)。
在同一区域内配置的多个孔部32的厚度方向D的高度h和与厚度方向D正交的方向的宽度(在本实施方式中为直径d(参照图12A))在设计上一致。即，在同一区域内，周期性地配置有高度h和直径d均匀化了的多个孔部32。另一方面，在同一的重复单元RU的不同的区域间，孔部32的高度h和直径d彼此不同。即，孔部32的高度h和直径d按每个区域不同。
如图13所示，在凹凸结构3A，以随着从区域A1区向域A9去，A1～A9各区域的基片2的材料(在本实施方式中为高电阻硅)的填充率(即，每单位面积的孔部32以外的部分所占的面积)变小的方式，调整属于A1～A9各区域的孔部32的直径d。即，随着从区域A1区向域A9去，属于A1～A9各区域的孔部32的直径d变大。在形成有这样的孔部32的区域，太赫兹波感应到未形成孔部32的部分(由作为基片2的材料的高电阻硅形成的部分)与孔部32内的空气层(与基片2的材料相比低折射率的层)的平均化了的折射率(有效折射率)。通过如上述那样调整属于A1～A9各区域的孔部32的直径d(即，A1～A9各区域的硅的填充率)，随着从区域A1区向域A9去，A1～A9各区域的有效折射率逐步变小。通过按每个区域使有效折射率不同，能够在区域间赋予相位差。
此外，随着从区域A1区向域A9去，属于A1～A9各区域的孔部32的高度h变高。即，随着从区域A1区向域A9去，A1～A9各区域的底部3b的高度位置向基片2的内侧移动。通过如上述那样通过使孔部32的直径d按每个区域不同而使A1～A9各区域的有效折射率不同，并且进一步使凹凸结构3A的厚度(即，孔部32的高度h)按每个区域不同，能够使区域间的相位差更大。
孔部32的高度h例如设定为动作对象的太赫兹波的1个波长(125μm)左右。不过，由于在后述的蚀刻加工時产生的微负载效应，孔部32的高度h按区域A1～A9的每个区域不同。在本实施方式中，作为一个例子，在各重复单元RU，孔部32的高度h的最大值(即，属于区域A9的孔部32的高度h)约为125μm，孔部32的高度h的最小值(即，属于区域A1的孔部32的高度h)约为95μm。此外，孔部32的直径d的最大值(即，属于区域A9的孔部32的直径d)约为25μm，孔部32的直径d的最小值(即，属于区域A1的孔部32的直径d)约为11μm。
凹凸结构3A与凹凸结构3一样，能够使用上述的光刻技术制作。即，凹凸结构3A与凹凸结构3一样，能够按照图5所示的顺序制作。在凹凸结构3中，通过蚀刻削除与支柱31对应的部分以外的部分，与此相对，在凹凸结构3A中，通过蚀刻削除与孔部32对应的部分。
在使用凹凸结构3A的情况下，与使用凹凸结构3的情况下一样，也能够进行考虑了微负载效应的设计(属于A1～A9各区域的孔部32的直径d的设计)。具体而言，取代表示图6所示的支柱31的半径与蚀刻深度(通过蚀刻得到的支柱31的高度)的关系的信息，通过试验等预先取得孔部32的半径(或者直径d)与蚀刻深度(通过蚀刻得到的孔部32的高度)的关系的信息即可。于是，基于表示上述关系的信息和预先确定的相位分布的设计值(即，分配给A1～A9各区域的相位差)，决定属于A1～A9各区域的孔部32的直径d。即，以使得通过属于A1～A9各区域的孔部32的高度h和直径d的组合确定的A1～A9各区域的相位差成为所期望的值(设计值)的方式，决定属于A1～A9各区域的孔部32的直径d。于是，在上述的制造工序中，使用反映这样决定的属于A1～A9各区域的孔部32的直径d的光掩模M形成蚀刻掩模(在基片2的表面留下的光致抗蚀剂R)(图5的S3和S4)，执行各向异性干蚀刻(图5的S5)，最后除去蚀刻掩模(图5的S6)。由此，能够得到具有与设计一致的相位分布的太赫兹波用透镜1。即，在各重复单元RU，能够形成具有与设计一致的相位分布的区域A1～A9。
图14是表示在1个重复单元RU，彼此相邻的区域An(第n区域)与区域An+1(第n+1区域)的边界附近的凹凸结构3A的一部分的俯视图。此处，n是1到N-1的任意的整数。在凹凸结构3A，通过蚀刻削除的区域(即，各孔部32的内部)空间上分离。即，在支柱结构的凹凸结构3，通过蚀刻削除的区域连续，与此相对，在孔部结构的凹凸结构3A，通过蚀刻削除的区域相互分离。因此，与上述的凹凸结构3(参照图10)不同，在彼此相邻的区域An与区域An+1的边界附近，不形成具有中间的高度的孔部32。因此，凹凸结构3A不能获得如上述的凹凸结构3那样和缓在1个重复单元RU内彼此相邻的区域间的相位差的变化的效果。
另一方面，在彼此相邻的重复单元RU彼此的边界(即，重复单元RU切换的边界)，优选如图8所示的理想的相位分布的重复单元RU间的边界部分那样，使相位差呈阶梯状急剧地变化。因此，根据凹凸结构3A，能够在彼此相邻的重复单元RU彼此的边界，实现更优选的相位差的变化(即，阶梯状的变化)。
图15是示意地表示基于上述那样的相位分布设计形成的凹凸结构3A的图。在图15中，将孔部32的直径d大于实际地图示。因此，图15所示的属于A1～A9各区域的孔部32的数量(沿基片2的径向形成的个数)与实际的数量不同。实际上，在A1～A9各区域，包含比图15所示的数量多的孔部32。
接着，对用于实现抑制凹凸结构3、3A与空气的界面(即，沿着外侧端部3a的面)的太赫兹波的反射的功能(以下称为“无反射功能”。)的结构进行说明。这样的结构通过利用能够在凹凸结构3、3A不仅按区域A1～A9的每个区域使凹凸结构部(支柱31或孔部32)的直径d变化而且使高度h也变化这点来实现。在以下的说明中，说明使用图15所示的凹凸结构3A的情况。
在以下的说明中，各参数的意义如下所述。
·λ：动作对象的太赫兹波的波长
·p：孔部32的周期(相邻的孔部32的中心间的距离)
·r1：区域A1的孔部半径(孔部32的半径)
·ri：区域Ai(i≥2)的孔部半径
·h1：区域A1的高度(区域A1中包含的孔部32的高度)
·hi：区域Ai的高度(区域Ai中包含的孔部32的高度)
·nAir：空气层的折射率
·nsub：由基片2的材料(高电阻硅)填充的部分(即，在基片2未形成凹凸结构3A(孔部32)的部分)的折射率
·neff1：区域A1的有效折射率
·neffi：区域Ai的有效折射率
在确定为具有孔部半径r1的任意的值的情况下，通过基于下述式(5)设定高度h1，能够在区域A1实现无反射功能。
Figure BDA0002836129190000191
此处，区域A1的有效折射率neff1根据区域A1的孔部半径r1，基于下述式(6)确定。
Figure BDA0002836129190000192
即，区域A1用于实现无反射功能的高度h1根据孔部半径r1决定。能够以上述内容为前提，如以下那样求取在任意的区域Ai相对于区域A1具有所期望的相位差
Figure BDA0002836129190000195
且能够实现无反射功能的孔部半径ri。
首先，在区域A1产生的相位调制量以下述式(7)表示。此外，在区域Ai产生的相位调制量以下述式(8)表示。
(neff1·h1)+nsub(hi-h1) (7)
(neffi·hi) (8)
根据上述式(7)和(8)，所期望的相位差
Figure BDA0002836129190000196
以下述式(9)表示。
Figure BDA0002836129190000193
通过将上述式(9)变形，得到下述式(10)。
Figure BDA0002836129190000194
此处，neffi因为以上述式(6)表示，所以能够作为孔部半径ri的函数“neff(ri)”表示。进一步，区域Ai的微负载效应(此处，因微负载效应而产生的区域Ai的高度与区域A1的高度的差)，也能够作为区域Ai的孔部半径ri的函数“M.l(ri)”表示。即，能够如下述式(11)那样表示。
hi＝h1+M.1(ri) (11)
由此，通过上述式(10)和(11)得到下述式(12)。
Figure BDA0002836129190000201
此处，h1和nsub为常数，因此上述式(12)的左边能够作为根据孔部半径ri确定值的函数“G(ri)”表示。即，上述式(12)如下述式(13)那样表示。
Figure BDA0002836129190000202
因此，能够通过以满足上述式(13)的方式设定区域Ai的孔部半径ri，在区域Ai，相对于区域A1具有所期望的相位差
Figure BDA0002836129190000203
且实现无反射功能。即，在上述例子中，首先，区域A1的孔部半径r1与高度h1的组合以满足上述式(5)的方式决定。用于得到上述的组合的孔部半径r1考虑微负载效应地决定。具体而言，能够基于预先取得的表示孔部半径与蚀刻深度的关系的信息(与图6所示的信息对应的信息)，决定孔部半径r1。接着，各区域A2～A9的孔部半径ri以满足上述式(13)的方式决定。然后，通过使用反映这样决定的孔部半径ri的光掩模M实施上述的处理(图5的S3～S6)，能够得到在A1～A9各区域具有无反射功能的太赫兹波用透镜1。
另外，此处说明了使用凹凸结构3A的情况，使用凹凸结构3的情况下也能够基于与上述一样的想法，在A1～A9各区域实现无反射功能。具体而言，在使用凹凸结构3的情况下，能够导出以区域Ai的支柱31的半径的函数为左边的、类似于上述式(13)的式子。然后，按每个区域计算满足该式那样的支柱31的半径，通过使用反映计算出的支柱31的半径的光掩模M实施上述的处理(图5的S3～S6)，能够得到在A1～A9各区域具有无反射功能的太赫兹波用透镜1。
[作用效果]
在以上说明的太赫兹波用透镜1，构成凹凸结构3、3A的凹凸结构部(在凹凸结构3的情况下为支柱31，在凹凸结构3A的情况下为孔部32)的高度h和直径d按区域A1～A9的每个区域不同。由此，能够对从基片2透射的太赫兹波赋予按区域A1～A9的每个区域不同的相位差。此外，通过使用在表面形成有凹凸结构3、3A的基片2，与球面镜等相比较能够降低透镜的厚度，因此能够实现透镜的小型化。进一步，通过使得厚度方向D上的凹凸结构3、3A的外侧端部3a的高度位置整齐，能够抑制像差的产生。
此外，在太赫兹波用透镜1，通过使得彼此相邻的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的中心间的距离(周期p)一定，凹凸结构部的配置设计变得容易。具体而言，在令凹凸结构部的周期p一定的情况下，上述那样的面积为一定的周期结构(在本实施方式中，为在中央部包含1个凹凸结构部的正方形的区域)原则上(在本实施方式中呈栅格状)配置在平面上即可，因此能够容易地设计凹凸结构部的布局。另一方面，在凹凸结构部的周期p并非一定的情况下(例如，在与凹凸结构部的直径d相应地使周期p不同的情况下)，上述的周期结构的大小在区域A1～A9的每个区域会有不同。在这种情况下，在区域切换的边界附近会产生间隙(不同大小的周期结构间的间隙)，存在在该间隙的部分有效折射率(相位差)从设计值偏离的问题。此外，在交错存在大小按区域A1～A9的每个区域不同的周期结构的状况下，难以找到不产生这样的间隙(或者间隙极少)的周期结构的最优配置。通过令周期p一定，能够避免这样的问题。
此外，在凹凸结构部为支柱31的場合(即，在太赫兹波用透镜1包括凹凸结构3的情况下)，支柱31的直径d越大，支柱31的高度h就越低(参照图4)。根据上述结构，能够通过利用蚀刻中的微负载效应，容易地形成支柱31的高度h和直径d在区域A1～A9的每个区域不同的凹凸结构3。
此外，在凹凸结构部为孔部32的情况下(即，在太赫兹波用透镜1包括凹凸结构3A的情况下)，孔部32的直径d越大，孔部32的高度h就越高(参照图13)。根据上述结构，能够通过利用蚀刻中的微负载效应，容易地形成孔部32的高度h和直径d在区域A1～A9的每个区域不同的凹凸结构3A。
此外，1个重复单元RU中包含的多个区域由沿规定方向(在本实施方式中为圆板状的基片2的径向)排列的区域A1至区域A9的9个区域构成。而且，多个区域A1～A9各自的有效折射率随着从区域A1区向域A9去逐步变小。根据上述结构，能够通过以随着从区域A1区向域A9去有效折射率逐步变小的方式排列多个区域，使太赫兹波用透镜1作为折射率分布型透镜发挥作用。
此外，随着从区域A1区向域A9去，属于A1～A9各区域的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的高度h变高。根据上述结构，与仅使凹凸结构部的直径d按区域A1～A9的每个区域不同的情况相比较，能够高效率地在区域A1～A9间产生相位差。
此外，多个区域A1～A9具有以使得彼此相邻的区域间的相位差成为第1相位差的方式设定的第1相位差区域(在本实施方式中为区域A3～A9)和以使得彼此相邻的区域间的相位差成为比第1相位差小的第2相位差的方式设定的第2相位差区域(在本实施方式中区域A1、A2)。根据上述结构，与使区域间的相位差均等的情况(图8所示的常规的相位分布设计)相比较，能够灵活地进行相位分布设计。
此外，在凹凸结构部为支柱31的情况下(即，在太赫兹波用透镜1包括凹凸结构3的情况下)，也可以使得凹凸结构3中支柱31的直径d为预先确定的阈值Δd以上的至少一个区域(在本实施方式中为区域A1、A2)为第2相位差区域。根据同样的想法，在凹凸结构部为孔部32的情况下(即，在太赫兹波用透镜1包括凹凸结构3A的情况下)，也可以使得凹凸结构3A中孔部32的直径d为预先确定的阈值以下的至少一个区域，为第2相位差区域。根据上述结构，在微负载效应比较显著，难以高精度地制作具有与预先设计的相位分布相应的直径d和高度h的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的部分，能够通过将区域间的相位差的节宽收窄来补偿相位分布的自设计值的偏离(制作误差)。
此外，与多个区域A1～A9分别对应的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的高度h和直径d成为能够抑制凹凸结构3、3A与空气的界面的太赫兹波的反射的尺寸。根据上述结构，由于不需要在凹凸结构部之外另设反射防止层，所以能够防止太赫兹波用透镜1的大型化，并且抑制凹凸结构3、3A与空气的界面的太赫兹波的反射。
此外，如上所述，本实施方式的太赫兹波用透镜1的制造方法包括：决定凹凸结构3、3A的图案的第1工序(考虑了使用图6和图7等说明的微负载效应的设计)；在平坦的基片2的表面，形成与上述图案相应的蚀刻掩模(光致抗蚀剂R)的第2工序(参照图5的S2～S4)；通过在基片2的表面形成有蚀刻掩模的状态下，进行对基片2的各向异性蚀刻，在基片2的表面形成凹凸结构3、3A的第3工序(参照图5的S5)；和从基片2的表面除去蚀刻掩模的第4工序(参照图5的S6)。根据上述制造方法，能够制造具有上述的效果奏的太赫兹波用透镜1。此外，通过使用蚀刻掩模对基片2的表面进行蚀刻，能够使被蚀刻掩模覆盖的部分(即，未通过蚀刻削除的部分)的高度位置(外侧端部3a)一定而整齐。此外，通过利用蚀刻中的微负载效应，能够容易地制造使凹凸结构部的高度h和直径d双方按每个区域不同的结构。
此外，在上述第1工序中，凹凸结构3、3A的图案以使得多个区域A1～A9各自的每单位区域的蚀刻量随着从区域A1区向域A9去逐步变大的方式决定。即，在使用凹凸结构3的情况下，凹凸结构3的图案以随着从区域A1区向域A9去而支柱31的直径d变小的方式决定(参照图4)。此外，在使用凹凸结构3A的情况下，凹凸结构3A的图案以随着从区域A1区向域A9去而孔部32的直径d变大的方式决定。根据上述结构，能够形成随着从区域A1区向域A9去而有效折射率逐步变小的多个区域A1～A9，能够得到作为折射率分布型透镜发挥作用的太赫兹波用透镜1。
此外，上述第1工序包括：取得表示凹凸结构部(支柱31或孔部32)的直径d与蚀刻深度的关系的信息(参照图6)的工序；和基于表示上述关系的信息和预先确定的相位分布的设计值(图8中的实施方式的相位分布设计)，决定在A1～A9各区域配置的凹凸结构部的直径d的工序。根据上述结构，能够通过考虑凹凸结构部的直径d与蚀刻深度的关系(即，微负载效应的影响的大小)地决定A1～A9各区域的凹凸结构部的直径d，抑制微负载效应引起的制作误差(自设计值的偏离)的产生。
此外，在上述第1工序中，以使得多个区域A1～A9具有第1相位差区域(在本实施方式中为按π/4节距设定相位差的区域)和第2相位差区域(被设定比π/4窄的相位差的区域)的方式，决定在A1～A9各区域配置的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的直径d。根据上述结构，与令区域A1～A9间的相位差均等的情况相比较，能够灵活地进行相位分布设计。
此外，在使用凹凸结构3的情况下，也可以在上述第1工序中，以使得凹凸结构3中支柱31的直径d为预先确定的阈值Δd以上的至少一个区域(在本实施方式中为区域A1、A2)成为第2相位差区域的方式，决定在A1～A9各区域配置的支柱31的直径d。此外，在使用凹凸结构3A的情况下，也可以在上述第1工序中，以使得凹凸结构3A中孔部32的直径d为预先确定的阈值以下的至少一个区域成为第2相位差区域的方式，决定在A1～A9各区域配置的孔部32的直径d。此外，也可以在上述第1工序中，以至少区域A1构成第2相位差区域的方式，决定在A1～A9各区域配置的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的直径d。根据上述结构，对于微负载效应比较显著，难以高精度地制作具有与预先设计的相位分布相应的直径d和高度h的凹凸结构部的部分，能够通过将区域A1～A9间的相位差的节宽收窄来补偿相位分布的自设计值的偏离(制作误差)。
此外，在上述第1工序中，以使得多个重复单元RU中的至少一个重复单元成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式，决定在A1～A9各区域配置的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的直径d。根据上述结构，能够在以成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式构成的重复单元RU，得到降低了实际的相位分布的宽度小于2π的可能性的太赫兹波用透镜1。
此外，在上述第1工序中，以使得与多个区域A1～A9分别对应的凹凸结构部(支柱31或孔部32)的高度h和直径d成为能够抑制凹凸结构3、3A与空气的界面的太赫兹波的反射的尺寸的方式，决定在A1～A9各区域配置的凹凸结构部的直径d。根据上述结构，能够得到在A1～A9各区域获得上述的无反射功能奏的太赫兹波用透镜1。
[变形例]
以上，详细地说明了本发明的优选实施方式，不过本发明并不限定于上述实施方式。例如，各结构的材料和形状并不限定于上述的例子。
此外，在凹凸结构3，支柱31也可以不是圆柱状。例如，凹凸结构3也可以包括棱柱状(例如四棱柱状)的支柱。在这种情况下，取得直径d使用支柱的宽度作为支柱的一个边的长度即可。同样，在凹凸结构3A，孔部32也可以不是圆柱状。例如，凹凸结构3A也可以包括棱柱状(例如四棱柱状)的孔部。在这种情况下，也可以取代直径d使用孔部的宽度作为孔部的一个边的长度即可。
此外，由多个凹凸结构部(支柱31或孔部32)构成的面积相等的周期结构并不一定为正方形的区域。例如，多个凹凸结构部也可以呈三角栅格状配置。在这种情况下，面积相等的周期结构成为正六角形的区域。
此外，彼此相邻的凹凸结构部的中心间的距离(周期p)也并不必然一定。不过，通过使凹凸结构部的中心间的距离为一定，如上述那样，具有凹凸结构部的配置设计变得容易的优点。
此外，凹凸结构3也可以取代支柱31包括图16所示的支柱31A。支柱31A具有与支柱31一样的圆柱状的部分31b，并且具有在基片2中除凹凸结构3以外的部分(以下，简称为“基片2”。)与部分31b之间配置的部分31a和在部分31b的外侧(与部分31a侧相反侧)配置的部分31c。部分31b与支柱31一样，是作为相位调制层R2发挥作用的部分。另一方面，部分31a和部分31c是通过具有蛾眼结构，作为反射防止层R1、R3发挥作用的部分。具体而言，部分31a呈从基片2侧向部分31b侧去而变尖的圆台状形成。部分31c呈从部分31b侧向外侧(空气层侧)去而变尖的圆锥状形成。利用部分31a，能够抑制基片2与相位调制层R2的边界的太赫兹波的反射。利用部分31c，能够抑制相位调制层R2与空气层的边界的太赫兹波的反射。另外，部分31b也可以呈棱柱状(例如四棱柱状)形成。在这种情况下，也可以部分31a呈棱台状形成，部分31c呈棱锥状形成。
此外，凹凸结构3A也可以取代孔部32包括图17所示的孔部32A。孔部32A具有与孔部32一样的圆柱状的部分32b，并且具有在基片2中除凹凸结构3A以外的部分(以下，简称为“基片2”。)与部分32b之间配置的部分32a和在部分32b的外侧(与部分32a侧相反侧)配置的部分32c。部分32b与孔部32一样，是作为相位调制层R2发挥作用的部分。另一方面，部分32a和部分32c是通过具有蛾眼结构，作为反射防止层R1、R3发挥作用的部分。具体而言，部分32a呈从部分32b侧向基片2侧去而变尖的圆锥状形成。部分32c呈从外侧(空气层侧)向部分32b侧去而变尖的圆台状形成。利用部分32a，能够抑制基片2与相位调制层R2的边界的太赫兹波的反射。利用部分32c，能够抑制相位调制层R2与空气层的边界的太赫兹波的反射。另外，部分32b也可以呈棱柱状(例如四棱柱状)形成。在这种情况下，也可以部分32a呈棱台状形成，部分32c呈棱锥状形成。
此外，在上述实施方式中，例示了相对于透镜中心(中心P)呈同心圆状排列多个重复单元RU的太赫兹波用透镜1，本发明的太赫兹波用透镜的方式并不限定于上述方式。例如，本发明的太赫兹波用透镜也可以为如柱面透镜那样仅在单轴方向上发挥透镜功能的结构。例如，重复单元RU和重复单元RU中包含的多个区域A1～A9也可以分别呈矩形形成，沿单轴方向排列。
此外，在上述实施方式中，作为太赫兹波用光学元件的一个例子例示了作为凸透镜发挥作用的太赫兹波用透镜，具备上述的基片和凹凸结构的太赫兹波用透镜也可以通过调整该凹凸结构的有效折射率的分布(即，多个凹凸结构部的形状和配置)，作为凹透镜发挥作用。此外，具备上述的基片和凹凸结构的太赫兹波用光学元件并不限定于太赫兹波用透镜。例如，本发明的太赫兹波用光学元件也可以是偏振光板、波长板、衍射光栅等透镜以外的光学元件。
附图标记的说明
1 太赫兹波用透镜(太赫兹波用光学元件)
2 基片
3、3A 凹凸结构
3a 外侧端部
31、31A 支柱(凹凸结构部，凸部)
32、32A 孔部(凹凸结构部，凹部)
A1～A9 区域
D 厚度方向
RU 重复单元。

Claims (21)

1.一种对太赫兹波进行聚光或准直的太赫兹波用透镜，其特征在于：
包括具有形成有使太赫兹波的相位变化的凹凸结构的表面的基片，
所述凹凸结构具有由周期性地配置的凸部或凹部构成的多个凹凸结构部，
所述凹凸结构具有分别配置有多个所述凹凸结构部的多个区域，
所述凹凸结构部的所述基片的厚度方向的高度和与所述厚度方向正交的方向的宽度按每个所述区域不同，
彼此相邻的所述凹凸结构部的中心间的距离一定，
所述厚度方向上的所述凹凸结构的外侧端部位于同一平面上。
2.如权利要求1所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述凹凸结构部为所述凸部，
所述凹凸结构部的所述宽度越大，所述凹凸结构部的所述高度就越低。
3.如权利要求1所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述凹凸结构部为所述凹部，
所述凹凸结构部的所述宽度越大，所述凹凸结构部的所述高度越高。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述多个区域由沿规定方向排列的第1区域～第N区域的N个区域构成，
所述多个区域各自的有效折射率随着从所述第1区域向所述第N区域去而逐步变小，
其中，N为2以上的整数。
5.如权利要求4所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
随着从所述第1区域向所述第N区域去，属于各所述区域的所述凹凸结构部的高度变高。
6.如权利要求5所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述凹凸结构部为所述凸部，
在第n区域与第n+1区域的边界附近，形成有具有与所述第n区域对应的所述凹凸结构部的高度和与所述第n+1区域对应的所述凹凸结构部的高度之间的高度的所述凹凸结构部，
其中，n为1到N-1的任意的整数。
7.如权利要求4～6中的任一项所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述多个区域具有以使得彼此相邻的所述区域间的相位差成为第1相位差的方式设定的第1相位差区域和使得彼此相邻的所述区域间的相位差成为比所述第1相位差小的第2相位差的方式设定的第2相位差区域。
8.如权利要求7所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述凹凸结构部为所述凸部，
所述凹凸结构中所述凹凸结构部的所述宽度为预先确定的阈值以上的至少一个所述区域，为所述第2相位差区域。
9.如权利要求7所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述凹凸结构部为所述凹部，
所述凹凸结构中所述凹凸结构部的所述宽度为预先确定的阈值以下的至少一个所述区域，为所述第2相位差区域。
10.如权利要求7～9中的任一项所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
至少所述第1区域构成所述第2相位差区域。
11.如权利要求4～10中的任一项所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
所述凹凸结构部具有分别包含1组所述多个区域的多个重复单元，
所述多个重复单元沿所述规定方向排列，
所述多个重复单元中至少一个重复单元以成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式构成。
12.如权利要求4～11中的任一项所述的太赫兹波用透镜，其特征在于：
与所述多个区域分别对应的所述凹凸结构部的所述高度和所述宽度为能够抑制所述凹凸结构与空气的界面的太赫兹波的反射的尺寸。
13.一种对太赫兹波进行聚光或准直的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于，包括：
决定使太赫兹波的相位变化的凹凸结构的图案的第1工序；
在平坦的基片的表面形成与所述图案相应的蚀刻掩模的第2工序；
通过在所述基片的表面形成有所述蚀刻掩模的状态下，进行对所述基片的各向异性蚀刻，在所述基片的所述表面形成具有由周期性地配置的凸部或凹部构成的多个凹凸结构部的所述凹凸结构的第3工序；和
从所述基片的表面除去所述蚀刻掩模的第4工序，
所述凹凸结构具有分别配置有多个所述凹凸结构部的多个区域，
所述凹凸结构部的所述基片的厚度方向的高度和与所述厚度方向正交的方向的宽度按每个所述区域不同，
彼此相邻的所述凹凸结构部的中心间的距离一定。
14.如权利要求13所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于：
在所述第1工序中，以如下方式决定所述凹凸结构的图案：
所述多个区域由沿规定方向排列的第1区域～第N区域的N个区域构成，
所述多个区域各自的每单位区域的蚀刻量随着从所述第1区域向所述第N区域去而逐步变大，
其中，N为2以上的整数。
15.如权利要求14所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于，所述第1工序包括：
取得表示所述凹凸结构部的所述宽度与蚀刻深度的关系的信息的工序；和
基于表示所述关系的信息和预先确定的相位分布的设计值，决定在各所述区域配置的所述凹凸结构部的所述宽度的工序。
16.如权利要求15所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于：
在所述第1工序中，以使得所述多个区域具有第1相位差区域和第2相位差区域的方式，决定在各所述区域配置的所述凹凸结构部的所述宽度，
所述第1相位差区域是以使得彼此相邻的所述区域间的相位差成为第1相位差的方式设定的区域，
所述第2相位差区域是以使得彼此相邻的所述区域间的相位差成为比所述第1相位差小的第2相位差的方式设定的区域。
17.如权利要求16所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于：
所述凹凸结构部为所述凸部，
在所述第1工序中，以使得所述凹凸结构中所述凹凸结构部的所述宽度为预先确定的阈值以上的至少一个所述区域成为所述第2相位差区域的方式，决定在各所述区域配置的所述凹凸结构部的所述宽度。
18.如权利要求16所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于：
所述凹凸结构部为所述凹部，
在所述第1工序中，以使得所述凹凸结构中所述凹凸结构部的所述宽度为预先确定的阈值以下的至少一个所述区域成为所述第2相位差区域的方式，决定在各所述区域配置的所述凹凸结构部的所述宽度。
19.如权利要求16～18中的任一项所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于：
在所述第1工序中，以使得至少所述第1区域构成所述第2相位差区域的方式，决定在各所述区域配置的所述凹凸结构部的所述宽度。
20.如权利要求14～19中的任一项所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于：
在所述第1工序中，
所述凹凸结构部具有分别包含1组所述多个区域的多个重复单元，
所述多个重复单元沿所述规定方向排列，
以使得所述多个重复单元中至少一个重复单元成为具有大于2π的宽度的相位分布的方式决定在各所述区域配置的所述凹凸结构部的所述宽度。
21.如权利要求14～20中的任一项所述的太赫兹波用透镜的制造方法，其特征在于：
在所述第1工序中，以使得与所述多个区域分别对应的所述凹凸结构部的所述高度和所述宽度成为能够抑制所述凹凸结构与空气的界面的太赫兹波的反射的尺寸的方式，决定在各所述区域配置的所述凹凸结构部的所述宽度。
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