JP2013178303A - テラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物理的に安定し、製造が容易で低コストで、高精度なテラヘルツ領域のワイヤーグリッド偏光子を提供する。
【解決手段】ワイヤーグリッドが形成されたポーラスシリコン膜を偏光子として用いる。Ｐ型シリコン基板表面に対して陽極化成法によってポーラスシリコン膜を作製する。ポーラスシリコン膜に対してインプリント加工を行い、ミクロンオーダーのラインアンドスペース構造を形成する。ラインアンドスペース構造のエッジ部分に対して斜め蒸着により、銀などの金属もしくは金属化合物を堆積させてワイヤーグリッドを形成する。上記の手順によって、ポーラスシリコン膜にワイヤーグリッドが形成されたテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子を作製する。
【選択図】図３

Description

本発明は、テラヘルツ領域で動作する偏光子及びその作製方法に関するものである。

近年、テラヘルツ技術の発展に伴って、テラヘルツ波を制御するデバイスの開発が求められている。
従来から、テラヘルツ領域で動作する偏光子としてはワイヤーグリッド偏光子が知られている。ワイヤーグリッド偏光子は、金属ワイヤーの長手方向に垂直な偏光の光を透過し、金属ワイヤーの長手方向に平行な偏光の光を反射する素子であり、ビームスプリッター等に用いられている。従来のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子は、金属ワイヤーを周期的に巻きつけた構造であり、物理的に脆く、高価であり、また精度が低いといった問題がある。

また、通常、テラヘルツ帯で動作するためには、金属ワイヤーの直径は１０〜３００μｍ程度、ピッチは３０μｍ〜１ｍｍ程度が必要であるため、張力によって金属ワイヤーが切れたり、金属ワイヤーの間隔が不揃いとなりやすく、製造が困難で製造コストが高いといった問題がある。

国際公開パンフレットＷＯ２００７／１３８８１３

上記状況に鑑みて、本発明は、物理的に安定し、製造が容易で低コストで、高精度なテラヘルツ領域のワイヤーグリッド偏光子を提供することを目的とする。

本発明のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子は、ポーラスシリコン膜にワイヤーグリッドが形成されたことを特徴とする。これにより、物理的に安定し、製造が容易で低コストで、高精度なテラヘルツ領域のワイヤーグリッド偏光子を提供できる。
上記のポーラスシリコン膜は、サブマイクロメートルオーダーあるいはマイクロメートルオーダーのラインアンドスペース構造を有する。ラインアンドスペース構造は、凸部あるいは凹部の形状が、直方体型もしくは三角柱型など様々な形状がある。

上記のラインアンドスペース構造は、インプリント加工により形成されたことが好ましい。ポーラスシリコン膜のインプリント加工は、大気中、室温で行うことが可能である。このため、作製コスト面において非常に優れている。また、インプリント加工を用いることにより、所望のサイズのラインアンドスペース構造を容易かつ精度よく形成することができ、目的とする偏光子を容易に作製することができる。

ここで、上記のポーラスシリコン膜の厚さは２〜５０μｍである。ポーラスシリコン膜の厚さが２μｍ未満の場合、インプリントの深さの制御が難しい。また、ポーラスシリコン膜の厚さが５０μｍより厚くなれば、均一なポーラスシリコン膜を作製するのが困難になる。膜剥離が生じ易くなる。ポーラスシリコン膜の厚さは、より好ましくは、５〜３５μｍであり、さらに好ましくは１０〜２０μｍである。

また、ポーラスシリコン膜のポロシティは４０〜８５％である。ポーラスシリコン膜のポロシティが４０％未満の場合、強度が高くシリコン基板と同様にインプリント加工が難しい。また、ポーラスシリコン膜のポロシティが８５％より大きくなれば、膜が所々でボロボロになり均一な膜を作製するのが困難になる。すなわち、均一な膜を作製でき、かつ、インプリント加工が可能な強度を有するポーラスシリコン膜は、所定範囲のポロシティであることが必要なのである。このポーラスシリコン膜のポロシティは、ポーラスシリコン膜を陽極化成法により作製する際のエッチング電流密度により制御できる。エッチング電流密度が大きいとポロシティも大きくなり、エッチング電流密度が小さいとポロシティも小さくなる。ここで、ポロシティは、より好ましくは５０〜８０％であり、さらに好ましくは、６０〜７５％である。

また、ポーラスシリコン膜のポアサイズ（直径）が、１μｍ未満である。ポーラスシリコン膜のポアサイズ（直径）は数ナノ〜数１００ナノであり、１μｍ以上になると、テラヘルツ波の散乱が生じ易くなり、テラヘルツ帯の透過率が低下する。

また、ポーラスシリコン膜において、アルミニウム（Ａｌ）またはボロン（Ｂ）の少なくとも１つが添加されており、ポーラスシリコン膜中のアルミニウム濃度とボロン濃度の和は、１０^１9／ｃｍ^３以下であることが好ましい。アルミニウムまたはボロンを添加することにより、均一なポーラスシリコン膜の作製が容易になる。但し、ポーラスシリコン膜中のアルミニウム濃度とボロン濃度の和は、１０^１9／ｃｍ^３以下に制御する。ポーラスシリコン膜中のアルミニウム濃度とボロン濃度の和が１０^１9／ｃｍ^３より大きい場合、テラヘルツ波の透過率が減少するからである。ポーラスシリコン膜中のアルミニウム濃度とボロン濃度の和はより好ましくは１０^１7／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１０^１5／ｃｍ^３以下である。

また、ポーラスシリコン膜がシリコン基板上に形成され、該シリコン基板は、基板抵抗値５Ωｃｍ以上、基板厚み８００μｍ以下であることが好ましい。シリコン基板は、抵抗値が５Ωｃｍ以上の場合、テラヘルツ波の透過性に優れる。ポーラスシリコン膜は、膜中のアルミニウム濃度とボロン濃度の和が１０^１9／ｃｍ^３以下である場合、テラヘルツ領域において透明であるが、ポーラスシリコン膜はシリコン基板上に作製されることから、テラヘルツ波の透過性に優れたシリコン基板を用いる必要がある。そのため、抵抗値が５Ωｃｍ以上のシリコン基板を用いることにし、透過性を向上すべくシリコン基板の厚みを８００μｍ以下にする。基板の厚みはより好ましくは４００μｍ以下、さらに好ましくは１５０μｍ以下である。

次に、本発明のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の作製方法について説明する。
本発明の偏光子の作製方法は、以下の１）〜３）のステップを少なくとも備える。
１）Ｐ型シリコン基板表面に対して陽極化成法によってポーラスシリコン膜を作製する。
２）ポーラスシリコン膜に対してインプリント加工を行い、サブマイクロメートルオーダーあるいはマイクロメートルオーダーのラインアンドスペース構造を形成する。
３）ラインアンドスペース構造のエッジ部分に対して斜め蒸着により金属もしくは金属化合物を堆積させてワイヤーグリッドを形成する。

ここで、上記２）のラインアンドスペース構造を形成するステップにおいて、インプリント加工のプレス圧、ポーラスシリコン膜のポロシティ、ポーラスシリコン膜の厚みのうち１以上を制御することにより、インプリント加工されたポーラスシリコン膜の表面形状を制御する。なお、ポーラスシリコン膜のポロシティは、ポーラスシリコン膜とシリコン基板の間の屈折率差による干渉スペクトルから算定できる。

また、上記３）のワイヤーグリッドを形成するステップにおいて、斜め蒸着の蒸着角度、蒸着時間、蒸着時の電流値のうち１以上を制御することにより、ワイヤーグリッドの形状を制御する。斜め蒸着角度、蒸着時間、蒸着時の電流値のいずれか若しくは全てを制御し、ワイヤーグリッド形状の最適化を行う。

また、本発明の偏光子の作製方法において、ポーラスシリコン膜に、アルミニウム濃度とボロン濃度の和が１０^１9／ｃｍ^３以下に制御されていることが好ましい。アルミニウムまたはボロンを添加することにより、均一なポーラスシリコン膜の製造が容易になる。但し、テラヘルツ波の透過率の減少を防ぐために、ポーラスシリコン膜中のアルミニウム濃度とボロン濃度の和は、１０^１9／ｃｍ^３以下に制御する。ポーラスシリコン膜中のアルミニウム濃度とボロン濃度の和はより好ましくは１０^１7／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１０^１5／ｃｍ^３以下である。

本発明のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子によれば、物理的に安定し、従来よりも製造が容易で安価であり、消光比が高いといった効果を有する。

本発明のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の構造説明図 ワイヤーグリッド偏光子の原理説明図 本発明のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の作製方法のフローチャート （１）インプリント加工を用いたラインアンドスペース構造の作製方法の説明図、（２）斜め蒸着を用いたワイヤーグリッドの作製方法の説明図 インプリント加工したポーラスシリコン膜のＳＥＭ画像、（ａ）はポーラスシリコン膜の上面から観察したＳＥＭ画像、（ｂ）は断面のＳＥＭ画像 ワイヤーグリッド偏光子の構造説明図 偏光子特性の測定方法の説明図 基板厚み６００（μｍ）のシリコン基板の場合のテラヘルツ波の透過率の測定グラフ インプリントのプレス圧に対するポーラスシリコン膜に形成された深さを示すグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、実施例１のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の構造説明図である。
本発明のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子１の構造は、シリコン基板２にポーラスシリコン膜３が形成されたものである。ポーラスシリコン膜３表面にラインアンドスペース構造があり、ラインの一方のエッジ部分に銀５のワイヤーが設けられている。ラインの一方のエッジ部分に設けられた複数本の銀５のワイヤーがワイヤーグリッドを形成している。

ここで、ワイヤーグリッド偏光子の原理について、図２を参照して説明する。図２に示すように、ワイヤーグリッド偏光子１は、特定波長の光に対して透明な透明基板１０上に形成されたワイヤーグリッド４で構成される。特定波長の光がワイヤーグリッド偏光子１を通過する際、ワイヤーグリッド４の長手方向に対して垂直方向から入射する特定波長の光は透過光１１となる。一方、ワイヤーグリッド４の長手方向に対して並行方向から入射する特定波長の光は反射光１２となる。

次に、本発明のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の作製方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
先ず、所定厚さのＰ型シリコン基板を準備する（ステップＳ０１）。Ｐ型シリコン基板表面を陽極化成することにより、Ｐ型シリコン基板表面にポーラスシリコン膜を作製する。具体的には、フッ酸（ＨＦ）とエタノールの混合溶液中で電流を流しながらＰ型シリコン基板をエッチング加工する（ステップＳ０２）。

所定の電流密度で所定時間だけエッチングし（ステップＳ０３）、シリコン基板表面にポーラスシリコン膜を作製する（ステップＳ０４）。エッチング時間やエッチング電流密度などエッチング条件を制御することにより、ポーラスシリコン膜の厚さを制御できる。本実施例では、エッチング電流密度は８０（ｍＡ／ｃｍ^２）とし、エッチング時間を変えて、１，１０，４０，５０，６０（μｍ）の５種類の厚さのポーラスシリコン膜を作製した。
エッチング電流密度が８０（ｍＡ／ｃｍ^２）の場合、ポーラスシリコン膜のポロシティは、７４．２１％であった。参考までに、エッチング電流密度が６０（ｍＡ／ｃｍ^２）の場合、７１．９２％であり、エッチング電流密度が１００（ｍＡ／ｃｍ^２）の場合、ポロシティの測定が困難な程、ポーラスシリコン膜がボロボロになった。
なお、Ｐ型シリコン基板を用いるのは陽極化成法に適しているためである。Ｎ型シリコン基板を用いて、他の方法によってポーラスシリコン膜を作製しても構わない。

次に、ポーラスシリコン膜に対してインプリント加工する（ステップＳ０５）。
上記５種類の厚さの各ポーラスシリコン膜に対して、インプリント加工を用いて、ラインアンドスペース構造を形成した。なお、ポーラスシリコン膜のインプリント加工は、ミクロな物理破壊によって型が形成されるため、ポーラスシリコン膜のインプリント加工は室温大気中で行うことが可能である。
インプリント加工は、ポーラスシリコン膜をインプリント加工の金型に入れて行った。具体的には、インプリントの金型には石英モールドを用いて、油圧ハンドプレスによってポーラスシリコン膜のインプリント加工を行った。図４（１）に示すように、シリコン基板２上に形成したポーラスシリコン膜３に対して、インプリント用スタンプ６を矢印Ａの方向にプレスし、ラインアンドスペース構造を形成した。油圧ハンドプレスの代替として、サーボプレス機を用いて、プレス圧、プレス時間等の精密な制御を行ってインプリント加工をしてもよい。

上記ステップＳ０５のインプリント加工により、ポーラスシリコン膜表面にラインアンドスペース構造を形成する（ステップＳ０６）。ライン深さとライン幅の比に特に限定はないが、好ましくは、ライン深さ／ライン幅比が０．５以上になるようにする。これはラインのエッジ部分に選択的に金属を蒸着させやすくするためである。

ここで、ポーラスシリコン膜を作製し、インプリント加工を行った一例の結果を図５に示す。図５（ａ）はポーラスシリコン膜を上面から観察したＳＥＭ画像、図５（ｂ）は断面のＳＥＭ画像である。ライン幅１０μｍ、スペース幅１０μｍのラインアンドスペース構造を比較的精度よくインプリント加工できていることが観察できる。

インプリント加工によって、ポーラスシリコン膜表面にラインアンドスペース構造を形成した後、ラインアンドスペース構造のエッジ部分に対して銀を斜め蒸着する（ステップＳ０７）。具体的には、図４（２）に示すように、ラインアンドスペース構造が形成されたポーラスシリコン膜３を、蒸着源である銀に対して斜めになるように、サンプルホルダーにセットして斜め方向（図４（２）中の矢印Ｂ方向）から銀を蒸着することにより、ラインアンドスペース構造のエッジ部分にのみ銀５を堆積させた。
図６に示すように、ポーラスシリコン膜３表面にラインアンドスペース構造が形成され、そのエッジ部分に銀５が蒸着してワイヤーグリッドを形成する。図６中のａがワイヤーの幅となり、ｂがワイヤー間隔となる。ｃはラインアンドスペース構造のライン間隔である。
所定時間、銀を斜め蒸着すると（ステップＳ０８）、銀５が堆積した部分がワイヤーグリッドになり、ポーラスシリコン膜表面にワイヤーグリッドが形成される（ステップＳ０９）。

上述のステップを経て、テラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子が完成する（ステップＳ１０）。
ポーラスシリコン膜の膜表面に作製したワイヤーグリッドを用いて、テラヘルツ波の偏光子特性を評価した。具体的には、図７に示すように、ワイヤーに対して偏光方向が垂直な場合（θ＝０°）の透過率（Ｔｍａｘ）と、平行な場合（θ＝９０°）の透過率（Ｔｍｉｎ）の比（消光比）の測定を行って評価を行った。消光比の測定は、フーリエ変換型赤外分光を用いて行った。

図８は、基板厚み６００（μｍ）のシリコン基板の場合の２．５〜１２．５ＴＨｚのテラヘルツ波の透過率の測定グラフである。図８には、シリコン基板の基板抵抗値が１０．７〜１５（Ωｃｍ）の測定グラフと、基板抵抗値が０．０２（Ωｃｍ）の測定グラフがあり、基板抵抗値１０．７〜１５（Ωｃｍ）の場合、２．５〜１２．５ＴＨｚのテラヘルツ領域全てに対して、透過率が５０（％）程度であることが判る。一方で、基板抵抗値０．０２（Ωｃｍ）の場合、２．５〜１２．５ＴＨｚのテラヘルツ領域全てに対して、透過率が０（％）程度であることが判る。図８から、シリコン基板の基板抵抗値が１０．７〜１５（Ωｃｍ）の場合が、基板抵抗値が０．０２（Ωｃｍ）の場合よりも、テラヘルツ波の透過率が格段に優れていることが判る。

また、インプリント加工した際のプレス圧とポーラスシリコン膜の膜厚との関係について、下表１に示す。インプリント加工のプレス圧は１，２，３（ＫＮ／ｃｍ^２）の３種類、ポーラスシリコン膜の膜厚は１，１０，４０，５０，６０（μｍ）の５種類に対して、それぞれ１μｍの深さのインプリント加工を施した後、ポーラスシリコン膜に実際に形成された深さ（μｍ）を測定した。
表１から、ポーラスシリコン膜の膜厚が１μｍではインプリントの深さの制御が難しいことが判る。また、ポーラスシリコン膜の厚さが６０μｍでは、シリコン基板から膜剥離が生じることが判る。また、ポーラスシリコン膜の厚さが４０μｍや５０μｍでは、プレス圧に関わらず、均一なポーラスシリコン膜を作製できている。

図９は、表１の内容をプロットしたもので、インプリントのプレス圧に対するポーラスシリコン膜に形成された深さを示すグラフである。横軸はインプリント加工した際のプレス圧（Ｎ）、縦軸はポーラスシリコン膜に形成された深さ（μｍ）を表している。インプリント加工のプレス圧１Ｋ，２Ｋ，３Ｋに対して、ポーラスシリコン膜の膜厚１，１０，４０，５０，６０（μｍ）それぞれに形成された深さ（μｍ）が示されている。

下表２に、ワイヤーに対して偏光方向が垂直な場合の透過率（Ｔｍａｘ）、平行な場合の透過率（Ｔｍｉｎ）、消光比の評価結果を示す。ここで、消光比（ｄＢ）は、下記数式１により定義される。
シリコン基板には抵抗値１０．７〜１５（Ωｃｍ）、厚み６００μｍのシリコンを用いた。プレス圧は２ｋＮ／ｃｍ^２、ポーラスシリコン膜の厚みは３０μｍである。抵抗値の高いシリコン基板を使用しているため、５ＴＨｚから１０ＴＨｚの周波数域において、Ｔｍａｘの値が５０％程度もあり非常に高いことがわかる。基板の抵抗値を高くする、あるいは基板の厚みを薄くすることにより、Ｔｍａｘの値は更に向上させることができる。現状の消光比は１０〜２０ｄｂ程度であり、市販品と同程度である。プレス等の条件を改善すれば、消光比はさらに向上することが期待される。

（数１）
１０×ｌｏｇ_１０（Ｔｍａｘ／Ｔｍｉｎ） ・・・ （数式１）

（その他の実施例）
（１）上記実施例１では、銀（Ａｇ）を蒸着させてワイヤーグリッドを形成したが、銀の化合物を用いても、また銀以外の金属を用いて、ワイヤーグリッドを形成しても構わない。
（２）上記実施例１では、直方体型のラインアンドスペース構造を用いたが、三角柱型のラインアンドスペース構造を用いても構わない。
（３）上記実施例１では、ボロンが添加されたＰ型シリコン基板を用いたが、ボロンの替わりに、アルミニウムなど他の３価の元素が添加されたＰ型シリコン基板を用いても構わない。また、リンやヒ素などの５価の元素が添加されたＮ型シリコン基板を用いても構わない。
（４）上記実施例１では、陽極酸化法により、ポーラスシリコンを作製したが、ポーラスシリコンを作製する方法は、陽極酸化法には限定されず、公知の他の作製方法を用いてもよい。

本発明は、テラヘルツ領域で動作する偏光子として有用であり、テラヘルツ領域で動作する導波路、検出器、位相制御器に利用できる可能性がある。

１ ワイヤーグリッド偏光子
２ シリコン基板
３ ポーラスシリコン膜
４ ワイヤーグリッド
５ 銀（Ａｇ）
６ インプリント用スタンプ
１０ 透明基板
１１ 透過光
１２ 反射光

Claims (12)

1. ポーラスシリコン膜にワイヤーグリッドが形成されたことを特徴とするテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
2. 前記ポーラスシリコン膜が、サブマイクロメートルオーダーあるいはマイクロメートルオーダーのラインアンドスペース構造を有することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
3. 前記ラインアンドスペース構造が、インプリント加工により形成されたことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
4. 前記ポーラスシリコン膜の厚さが、２〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
5. 前記ポーラスシリコン膜のポロシティが、４０〜８５％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
6. 前記ポーラスシリコン膜のポアサイズ（直径）が、１μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
7. 前記ポーラスシリコン膜において、アルミニウム（Ａｌ）またはボロン（Ｂ）の少なくとも１つが添加されており、前記ポーラスシリコン膜中のアルミニウム（Ａｌ）濃度とボロン（Ｂ）濃度の和が、１０^１9／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
8. 前記ポーラスシリコン膜がシリコン基板上に形成され、該シリコン基板は、基板抵抗値５Ωｃｍ以上、基板厚み８００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子。
9. ポーラスシリコン膜にワイヤーグリッドが形成された偏光子の作製方法であって、
   Ｐ型シリコン基板表面に対して陽極化成法によってポーラスシリコン膜を作製するステップと、
   ポーラスシリコン膜に対してインプリント加工を行い、サブマイクロメートルオーダーあるいはマイクロメートルオーダーのラインアンドスペース構造を形成するステップと、
   ラインアンドスペース構造のエッジ部分に対して斜め蒸着により金属もしくは金属化合物を堆積させてワイヤーグリッドを形成するステップと、
   を少なくとも備えたことを特徴とするテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の作製方法。
10. 上記のラインアンドスペース構造を形成するステップにおいて、
    インプリント加工のプレス圧、ポーラスシリコン膜のポロシティ、ポーラスシリコン膜の厚み、
    の１以上を制御することにより、インプリント加工されたポーラスシリコン膜の表面形状を制御することを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の作製方法。
11. 上記のワイヤーグリッドを形成するステップにおいて、
    斜め蒸着の蒸着角度、蒸着時間、蒸着時の電流値、
    の１以上を制御することにより、ワイヤーグリッドの形状を制御することを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の作製方法。
12. 前記ポーラスシリコン膜において、アルミニウム（Ａｌ）濃度とボロン（Ｂ）濃度の和が１０^１9／ｃｍ^３以下に制御されていることを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波用ワイヤーグリッド偏光子の作製方法。