JP2016032230A - 電磁波検出・発生装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波検出・発生装置の各受信・放射要素の周波数応答特性を調整ないし補正する技術を提供する。
【解決手段】電磁波検出・発生装置は、半導体基板などの基板１００と、基板に設けられた複数の受信・放射要素１１０〜１４０と、を有する。複数の受信・放射要素はそれぞれ、アンテナ１１１〜１４１と電子素子１１２とを含む。少なくとも２つの受信・放射要素はそれぞれ、少なくとも一部において、アンテナの周波数応答特性を調整する機能を有する誘電体層１２４、１３４で被覆されている。複数の誘電体層は、厚さと材料物質と形状と被覆比率のうちの少なくとも１つで互いに異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、共鳴周波数などの周波数応答特性が調整ないし補正された電磁波受信・放射素子を複数含む電磁波検出・発生装置、その製造方法などに関する。特に、ミリ波からテラヘルツ領域（３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚ）のうちの任意の周波数帯域を有する電磁波（以下、テラヘルツ波などとも呼ぶ）で動作する電磁波センサ、電磁波発生装置などの電磁波検出・発生装置に関する。以下、電磁波検出・発生装置または電磁波受信・放射素子はセンサで代表することもある。本明細書において、「検出・発生」とは、電磁波検出と電磁波発生のうちの少なくとも一方を行うことを言う。また、「受信・放射」とは、電磁波受信と電磁波放射のうちの少なくとも一方を行うことを言う。

テラヘルツ領域の複数のセンサをアレイ状に配列し、適当なフォーカスレンズを配置することで、テラヘルツ領域のイメージング装置を構成することができる。こうしたテラヘルツ領域のイメージング装置は種々の技術分野で有用である。テラヘルツ波は、金属は透過しにくいが繊維組織などの組織を透過するので、このようなイメージング装置は、例えば、隠した武器の探知などといった警備関係の目的に使用可能である。他の例として、健康な生体組織と癌組織はテラヘルツ領域の電磁波に対して屈折率が異なるので、画像形成により癌細胞の存在を検知でき、こうしたイメージング装置は医療分野でも使用可能である。

テラヘルツ波を用いる画像形成の有用性は種々の技術分野で潜在的に存在するが、実際に適用するためには、イメージを取得するのに用いる電磁波の周波数を適切に規定する等、幾つかの要件を満たす必要である。例えば、健康な組織と癌組織との屈折率の相違は、或る周波数において、他の周波数における相違より重要である。他の例として、テラヘルツ領域で所定の回転スペクトルを有する特定の分子のイメージングがある。この場合、センサが特定の周波数領域で感度があれば、こうした分子のみの画像を形成することができる。物理的理由により、狭帯域で感度がある共鳴検出器は、一般に、広帯域で感度がある非共鳴検出器より感度が高い。これらの点から、特定の用途のためにセンサを設計する場合、センサの動作周波数帯を細かく調整する必要がある。

近年の進歩により、テラヘルツ領域のボロメータや整流素子をセンサの半導体基板に集積することができるが、各素子のサイズは波長に応じて変化する。例えば、１ＴＨｚの波長はほぼ３００μｍであるので、３ｃｍ^２のセンサでは、１０,０００（１００´１００）の素子を単位構造として集積することができる。一方、テラヘルツ領域のセンサにおいて、前述した様に、狭帯域の共鳴検出器の共鳴周波数を調整する必要性が生じることがある。勿論、共鳴周波数の調整は設計で行われるが、単位構造の全体に亘っては、従来の半導体製造技術では作製寸法などの誤差が避けられない。これらの誤差は、物理的処理において生じる通常のズレのほかに、半導体製造技術に伴う本来的なズレにも起因することがある。

特許文献１は、アンテナの共鳴周波数を調整するための方法、及びそうして調整されたアンテナを開示する。ここでは、アンテナの共鳴周波数を目標の共鳴周波数に調整するために、アンテナの放射素子を誘電体層で被覆し、その厚さや面積を調整してアンテナの共鳴周波数を目標共鳴周波数に等しくする。この調整方法は、アンテナの実際の共鳴周波数を測定する工程、放射素子を誘電体層で覆う工程、誘電体層の厚さと面積を調整する工程を含み、測定された共鳴周波数が目標共鳴周波数に達するまで上記工程が繰り返される。この技術は、目標共鳴周波数をもつアンテナを実現するのに有効であるが、素子が１つの場合でも、相当な時間を費やす。アンテナの数が多数（例えば数千、百万以上など）になると複数の誘電体層は互いに異なる厚さを持たねばならず、実用的観点から、調整は容易ではなくなる。誘電体層の成膜技術やパターニング技術（通常、フォトリソグラフィとエッチング工程を含む）を用いて、複数の異なる厚さの誘電体層を形成するのは極めて煩瑣な工程となる。

米国特許第７５１８５６０号明細書

以上のように、従来技術によりアンテナの共鳴周波数を所望の値に調整することはできるが、数千などといった多数のアンテナを含むイメージセンサを作製する場合は、製造工程は非常に煩瑣で時間を費やすこととなる。従って、本発明の目的は、複数のアンテナの共鳴周波数などの周波数応答特性が目標の特性に調整ないし補正された電磁波検出・発生装置、それを比較的容易に製造することを可能にした製造方法などを提供することである。

本発明の、複数のアンテナを有する電磁波検出・発生装置は次の構成を有する。即ち、半導体基板などの基板と、前記基板に設けられた複数の受信・放射要素と、を有し、前記複数の受信・放射要素はそれぞれ、アンテナと電子素子とを含む。そして、少なくとも２つの前記受信・放射要素はそれぞれ、少なくとも一部において、当該受信・放射要素のアンテナの周波数応答特性を調整する機能を有する誘電体層で被覆され、前記少なくとも２つの誘電体層は、厚さと材料物質と形状と被覆比率のうちの少なくとも１つで互いに異なる。

また、本発明の、複数のアンテナを有する他の電磁波検出・発生装置は次の構成を有する。即ち、基板と、前記基板の一方の面側に設けられた複数の受信・放射要素と、を有し、前記複数の受信・放射要素はそれぞれ、アンテナと電子素子とを含む。そして、少なくとも１つの前記受信・放射要素は、当該受信・放射要素のアンテナの周波数応答特性を調整する機能を有し前記一方の面とは反対側の前記基板の他方の面に形成された誘電体層を有する。

本発明によれば、例えば単一半導体基板に集積された複数の受信・放射要素のアンテナの共鳴周波数などの周波数応答特性が調整ないし補正された電磁波検出・発生装置を比較的容易に実現することができる。

本発明の電磁波検出・発生装置の第１の実施形態の一例を示す図。 実施形態のアンテナの調整前と調整後の周波数応答特性を示すグラフ。 図２の特性を示すモデルを示す斜視図。 第２の実施形態の一例を示す平面図と断面図。 本発明の電磁波検出・発生装置の第３の実施形態の一例を示す図。 本発明の電磁波検出・発生装置の第４の実施形態の一例を示す図。 本発明の電磁波検出・発生装置の製造方法の一例の工程図。 本発明の電磁波検出・発生装置の製造方法の他の例の工程図。

本発明では、それぞれアンテナと電子素子を含む複数の受信・放射要素を有する電磁波検出・発生装置において、アンテナの周波数応答特性を調整するために誘電体層が設けられた受信・放射要素が存在する。誘電体層は、厚さと材料物質と形状と被覆比率のうちの少なくとも１つが適宜に決定されている。典型的には、誘電体層は、少なくとも２つの受信・放射要素のアンテナの上に、それぞれ異なって設けられる。或いは、誘電体層は、前記複数の受信・放射要素が設けられた基板の一方の面とは反対側の他方の面に形成される。

以下、図を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の電磁波検出・発生装置は、動作周波数がテラヘルツ波であり、複数の受信・放射要素は共鳴タイプのアンテナを有する。アンテナの共鳴周波数は主とし、アンテナの金属部における電流波の速度とアンテナの特性長さとの比率で規定される。アンテナの特性長さは、例えば、半波長ダイポールアンテナの場合、金属部の長さである。アンテナが真空で包囲される場合、電流波の速度は真空中の光速である。誘電体がアンテナの金属部に接する場合、電流波の速度が変化する。この変化の程度は、誘電体の誘電率（以下では真空の誘電率と比較するため比誘電率ともいう）、厚さ、形状パターンなどに関係する。結果として、誘電体がアンテナの金属部に接する構造では、アンテナの共鳴周波数が変化する。共鳴周波数のこの変化は、アンテナが或る誘電率の誘電体で一様に包囲されるときの共鳴周波数の変化と同様である。アンテナが誘電体に接触しているときの誘電率は、アンテナから見て実効誘電率と呼ぶことができる。比誘電率が１より小さい幾つかのメタマテリアルを除いて、一般に物質の比誘電率は１より大きい。メタマテリアルとは、電磁波に対して、自然界の物質には無い振る舞いをする人工物質のことである。電流波の速度は誘電率の平方根に反比例するので、アンテナの金属部が誘電体に接触している構造の共鳴周波数と速度は、真空で包囲されたアンテナのそれらと比較して常に小さい。従って、アンテナの共鳴周波数は、アンテナの金属部を誘電体に接触させることで小さくすることができる。

第１の実施形態の電磁波検出・発生装置は、テラヘルツ領域の電磁波センサであるイメージセンサである。このイメージセンサは、少なくとも複数のセンサのアレイを備える半導体基板を有し、各センサはアンテナと電子素子を含む。アンテナは、空気などの媒体で包囲されたセンサに外部から伝播してきた電磁波を受けて電気信号に変換し、電気信号は半導体基板に集積された配線や導波路を伝播する。さらに電気信号は、電子素子で、より適切な信号に変換される。例えば、電気信号の周波数がミキサにより低周波数側へ周波数変換される。この場合、システムに局部発振器が必要である。他の例として、電気信号が、電子素子である整流素子により直流信号に変換される。テラヘルツ領域の整流素子としては、ショトキーバリアダイオードやプラズモンタイプの電界効果トランジスタがある。テラヘルツ領域のセンサアレイは、レンズで形成された像の空間分布情報を集めることができる。

アレイの複数のセンサがそれぞれ種々の周波数に感度があるとき、同じ像をこれらの種々の周波数で取得することができる。これは写真技術の方法と同じ方法であり、写真技術では、単一のイメージセンサの中に、種々の色（緑、赤、青など）に感度がある画素が配置される。像形成レンズから出る電磁波をアンテナが有効に集めるためには、アンテナの放射・受信パターンが主として像形成レンズの方に向いている必要がある。半導体の誘電率は空気のそれより遥かに大きいので、アンテナが半導体基板に直接に形成されている場合、アンテナの放射・受信パターンは多くの部分が半導体基板の中に向かう。この場合、半導体基板の電磁波モードが励起され、検出されるイメージに大きな歪みが生じることになる。

こうした事態を避けるために、アンテナの下の半導体基板の部分に金属反射器を集積するのが好ましい。この場合、放射・受信パターンは主に半導体基板の上方に向けられる。こうした場合、アンテナを機械的に保持する構造を簡易に作製するには、金属反射器とアンテナとの間の空間を誘電体物質で充填するのが好ましい。この場合に、アンテナの共鳴周波数は、金属反射器とアンテナとの間に充填された誘電体の誘電率にも依存することになる。

アンテナの実際の共鳴周波数の設計目標値からの誤差は、イメージセンサの作製誤差に起因する。こうした誤差は、主としてセンサの作製過程で生じる誤差に関係する。その結果、幾つかのアンテナの実際の共鳴周波数は設計上目標とする共鳴周波数とは異なることになる。こうした誤差を周波数オフセットと呼ぶこととする。また、複数のアンテナの目標とする共鳴周波数は互いに異なることがしばしばであり、この場合、周波数オフセットの程度はアンテナによって異なる。即ち、周波数オフセットには空間的な分布が生じることになる。各アンテナの周波数オフセットを低減するために、本実施形態では、各アンテナを適宜に誘電体層で被覆して、実効誘電率を調整し、周波数オフセットをほぼゼロにする。

本実施形態の第１例では、周波数オフセットを有する全てのアンテナを同じ誘電体物質で全面的に被覆する。アンテナの周波数オフセット量の違いに応じて、誘電体層の厚さの調整量は異なる。この第１例が図１に示されている。平板状の半導体基板１００に、センサ１１０、１２０、１３０、１４０のアレイが設けられている。各センサは少なくとも１つのアンテナと電子素子を含む。また、アンテナは反射器の上に配されている。センサ１１０において、１１１がループ状のアンテナ、１１２が電子素子、１１３が反射器である。ここでは、センサ１１０、１４０の共鳴周波数は補正される必要がなく、故にこれらのアンテナ１１１、１４１は誘電体層で覆われていない。これに対して、アンテナ１２１の共鳴周波数は補正の必要がある。故に、このアンテナは所定の厚さの誘電体層１２４で被覆されている。同様に、アンテナ１３１の共鳴周波数も補正の必要があるが、補正量が異なる。従って、アンテナ１３１は、アンテナ１２１の誘電体層１２４と同じ材料物質であるが異なる厚さの誘電体層１３４で被覆されている。

反射器１１３は、基板１００に形成された凹部の底面に金属を堆積して形成されているが、電子素子１１２を支持する柱状部の基には反射部１１３が形成されていない。この柱状部は、反射部１１３を欠いた凹部底面の窓部から半導体を成長させて形成され、そこに電子素子１１２が設けられている。ここでは、アンテナはループ形態のものであり、信号取り出し部として、カットが形成されている。カットの他に、抵抗、インダクタ、キャパシタなどを挿入してもよい。電流分布を乱さないように、アンテナの電磁界の最小位置にカットを設けるのが好ましい。この場合、この様にカットを設けないものと比べて、受信・放射インピーダンスの乱れが抑制される。円環状ループが第２反共振周波数の付近で励起されるとき、整流素子の角度位置を０°として、電磁界の最小位置は１２０°と２４０°の角度位置である。ただし、カットなどの最適位置は、一般に、ループ近辺の誘電体や金属要素などの他の要素の存在にも依る。

作製の容易さの観点からは、調整されるべきアンテナは共通の誘電体物質で被覆されるのが良い。これを製造する工程では、まず、例えば半導体基板の表面に一様に等しい厚さの誘電体層が堆積される。例えば、スピンコーティングや化学気相堆積（ＣＶＤ）が用いられる。テラヘルツ領域での誘電体物質としては、例えば、シリコン（比誘電率:１２）、シリコン窒化物（比誘電率:７）、二酸化シリコン（比誘電率:４）、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）（比誘電率:２.６）、パレリン（比誘電率:１.６）などがある。均一の厚さの層が形成された後、各アンテナを覆う誘電体層の厚さが調整される。例えば、フォトレジストで他のアンテナをフォトリソグラフィを用いて覆い、ウエットまたはドライエッチングで、対象とするアンテナの誘電体層を所望の厚さまでエッチングし、フォトレジスト層を最終的に除去する。必要があれば、こうした工程を繰り返す。

例えば、次のように誘電体層を形成することができる。誘電体層を必要としない第１のセンサ群（１つ以上のセンサを含むグループ）、誘電体層の調整量が小さい第２のセンサ群、誘電体層の調整量が大きい第３のセンサ群とに分ける製造方法で作製される。この場合、最大調整量のセンサ群に合った厚さの誘電体層をまず全体に積層し、調整が済んだセンサ群をマスクし、調整量が小さいセンサ群に必要な厚さを残すように時間を調整しながらエッチングする。その後、調整量が小さいセンサ群をマスクし、誘電体層を必要としないセンサ群の誘電体をエッチング除去する。こうすることで、種々の厚さの誘電体層が比較的容易に完成する。逆に、最小調整量のセンサ群から適宜に誘電体層を成膜していく製造方法で作製することもできる。

以上では、厚さだけ変化させて同じ誘電体物質を用いる例を説明したが、厚さ、誘電体物質、形状などを変化させて層を形成していくこともできる。また、グレイスケールリソグラフィを用いることもできる。この場合、或る厚さの誘電体層を積層した後、各アンテナに対して種々の厚さのフォトレジスト層を形成し、単一のエッチング過程で各アンテナの誘電体層の厚さを調整することができる。グレイスケールリソグラフィは、グレースケールマスクという特殊なマスクを用いて３次元レジスト形状を得る方法である。グレースケールマスクはマスク部分に濃淡があり、その濃淡により光の透過量を制御する。透過量の大きな部分はレジストが深くまで露光されるが、透過量が小さい部分はレジストは浅いところまでしか露光されない。このようにして露光したレジストを現像することで３次元レジスト形状を得る。或いは、グレースケールマスクを使用せずに光ビームを走査し、露光時間を一様にせず変化させることで、３次元レジスト形状を得ることもできる。そして、３次元レジスト形状をＲＩＥなどで下の誘電体材料に転写することで、各アンテナに対する誘電体層の厚さを種々に調整することができる。以上のように、種々の厚さのフォトレジスト層を各アンテナに対して形成した後、例えば、単一ドライエッチングで、エッチバックプロセスを実行する。そこでは、フォトレジストと誘電体層が同じエッチング速度でエッチングされ、結果として種々の厚さの誘電体層が形成される。これらの厚さは、アンテナの目標の補正共鳴周波数に対応している。

上記製造方法では、少なくとも２つの受信・放射要素に対して前記周波数オフセットを抑制する様に決定された誘電体層を設けるステップは、複数の受信・放射要素に対して共通の誘電体層を形成するステップを有する。少なくとも２つの受信・放射要素に対して前記決定された誘電体層を設けるステップは、前記共通の誘電体層を部分的にエッチングするステップを有することもある。また、前記共通の誘電体層を形成するステップでは、複数の受信・放射要素の一部をマスクして、共通の誘電体層を形成することもある。

他の方法としては、インクジェットプリンタやディスペンサを用いて、各アンテナに対して誘電体層を堆積する方法もある。誘電体層の材料物質としては、ＢＣＢやエポキシなどがある。アルミナのナノ粒子などを混入して誘電率を調整することができる。誘電体物質を複数のアンテナに堆積するに際し、堆積量はインクジェットプリンタやディスペンサのパラメータを変更することで調整できる。ただし、堆積厚さの精度はリソグラフィ技術より劣ることがあり得る。必ずしも誘電体物質を全てのアンテナに堆積させる必要はない。堆積する必要のないアンテナもあり、近傍に一部堆積するだけで良いアンテナもある。結局、実効誘電率が変更されるべきアンテナの近傍の電磁界が変更されればよい。

第１の実施形態の第２例を説明する。誘電体層の厚さの範囲が、実用的な観点などから制限されることもある。こうした場合、種々の厚さや種々の物質を組み合わせれば、広い範囲で実効誘電率を調整することができる。こうすれば、共鳴周波数などの調整範囲を広げることができる。また、周波数応答特性の調整は、共鳴周波数の調整には限らない。誘電体層による調整は、非共鳴検出器の周波数応答特性の調整にも適用できる。

誘電体層による調整の様子を説明する。図２は、市販の有限要素法ソフトウエアＨＦＳＳ（ansoft社製）を用いて得られた第１の実施形態のアンテナの放射インピーダンスのシミュレーション結果を示す。シミュレーションのモデルは図３に示す。図２（a）の放射インピーダンスを有するモデルでは、４０μｍの半径のコイルアンテナ１１１が１０μｍの距離を隔てて金属反射器１１３上に載っている。アンテナと金属反射器の間の空間はＢＣＢで充填されている。アンテナは直接に、柱状部に形成された電子素子１１２に接続されている。すべての要素はシリコン基板１００に集積されている。図２（b）の放射インピーダンスを有する第２のモデルでは、シリコン基板１００が、１.５μｍの厚さの均一ＢＣＢ層で被覆されている。すなわち、図２（a）に示すアンテナの放射インピーダンスの場合、シリコン基板は誘電体層で被覆されていない。他方、図２（b）アンテナの放射インピーダンスの場合、シリコン基板が１.５μｍの厚さの均一ＢＣＢ層で被覆されている。ＢＣＢ層で被覆されていない場合、共鳴周波数は０.９９ＴＨｚであるのに対して、アンテナがＢＣＢ層で被覆された場合、共鳴周波数は０.９６ＴＨｚにシフトしている。ここで、インピーダンスの実部のピークの所が第２反共振周波数である共鳴周波数を示す。

周波数シフトの様子から分かるように、周波数応答特性の全体的な形状やスケールは変わっていない。上記方法では、アンテナの共鳴周波数は、周波数応答特性の全体的な形状や振幅を大きく変えないで変更できる。しかし、上述した様に、この方法は共鳴システムに限定されない。アンテナが非共鳴タイプのとき、アンテナの周波数応答特性は放射・受信パターンや放射インピーダンスの周波数依存性で特徴付けられる。上記方法は、全体的な形状や振幅を大きく変えないでアンテナの周波数応答特性を所定量シフトできる。

以上に述べた如く、本実施形態によれば、例えば単一半導体基板に集積された複数の受信・放射要素のアンテナの周波数応答特性が適宜に調整された電磁波検出・発生装置を実現できる。また、複数の受信・放射要素のアンテナの周波数応答特性の調整をそれぞれ全く別個に行う必要がなくなり、作製が比較的容易となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態を説明する。第２の実施形態では、種々の厚さの複数の誘電体物質の層が配置される。各層は、周波数補正に対応する実効誘電率を実現する層として用いられる。また、さらなる周波数補正に応じて、これらの層が組み合わせて用いられてもよい。図４は第１の例を示す。半導体基板１００にはテラヘルツ領域のセンサのアレイが設けられている。各センサはアンテナ、電子素子、反射器を有する。センサ１２０は厚さt１の誘電体層１２４で被覆され、結果として第１の実効誘電率を実現している。センサ１３０は、厚さt２の誘電体層１３４で被覆され、結果として第２の実効誘電率を実現している。センサ１４０は、厚さt１の誘電体層１４４と厚さt２の誘電体層１４５で被覆され、結果としてt３＝t１＋t２の厚さの誘電体層で被覆され、これにより第３の実効誘電率を実現している。センサ１１０は誘電体層で被覆されず、共鳴周波数は元のままである。

作製方法例を説明する。基板の全表面に亘って厚さt１の第１の誘電体層が堆積される。フォトリソグラフィとウエットまたはドライエッチングを用い、センサ１１０、１２０からは誘電体層を除去する。次に、厚さt２の第２の誘電体層が基板の全表面に亘って堆積される。第２の誘電体層は、フォトリソグラフィとウエットまたはドライエッチングを用いて、センサ１１０、１３０から除去される。その結果、図４の構造が実現される。第１例では、同一材料物質であるが厚さが異なる誘電体層が結合して用いられているので、２つの工程のみで３つの実効誘電率が実現される。より一般的には、この方法では、ｎ種類の厚さの層の組み合わせで最大２^ｎの異なる厚さを実現できる。各層の厚さがすべて異なるとき、厚さの種類が最大となる。

第２の実施形態の適用範囲を広げるために、複数の材料物質を用いる第２例がある。第１例では、異なるアンテナを覆う誘電体層は単一材料物質であり、厚さのみが異なっていたが、第２例では物質も異なる。第２例では、実効誘電率をより多様に異ならせるために、異なるアンテナを覆う誘電体層に対して種々の材料物質を用いる。誘電体層として、種々の材料物質と種々の厚さが結合して利用されている。例えば、或るセンサのアンテナは所定の誘電体物質と所定の厚さの層で被覆され、所定の実効誘電率を実現している。他のセンサは別の誘電体物質と別の厚さの層で被覆され、第２の実効誘電率を実現している。最後に、第３のセンサのアンテナは両方の層で被覆され、第３の実効誘電率を実現している。２種類の異なる誘電体層を用いて被覆することで、第１例のように３つの異なる実効誘電率が達成される。こうした組み合わせを更に広げることもできる。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態は、テラヘルツ領域のアンテナの周波数応答特性（共鳴周波数）が目標の値に調整されたイメージセンサを提供するが、複数の厚さまたは／及び複数の材料物質の複数種の誘電体層を用いる。よって、作製工程が煩瑣となりやすい。第３の実施形態はこの点を克服する。

電磁波は、サイズや誘電率の変化分布が伝播波の波長より十分に小さい（典型的には１／１０以下）非均一な誘電体媒体を伝播するとき、或る実効誘電率の誘電体媒体中を伝播するような振る舞いをする。実効誘電率の値は、誘電体領域の誘電率やサイズや形状（ストライプ形状の誘電体物質の幅、ストライプ形状の誘電体物質間の間隔など）に依存する。

第３の実施形態では、種々の周波数オフセットがある場合や多くのアンテナを用いる場合に、比較的単純な半導体技術を用いる作製プロセスとすることができる。その原理は、上記の実効誘電率の実現方法を用いる。アンテナを覆う層の誘電率や厚さを調整して目標の実効誘電率を実現する代わり、或いはそれに加えてに、非均一な誘電体材料でアンテナを被覆して、その非均一性を実効誘電率の調整に利用し、アンテナの周波数応答特性の補正を行う。

第３の実施形態の第１例を図５に示す。半導体基板１００にテラヘルツ領域のアンテナのアレイが設けられている。各センサは、アンテナ、電子素子、反射器を含む。第２のセンサ１２０が誘電体のストライプ１２４、１２５・・・で被覆されている。そのカバレッジ比率（被覆比率）は３０%である。アンテナから見た実効誘電率はストライプの材料物質の誘電率、ストライプの厚さ、ストライプのカバレッジ比率に依存する。第３のセンサ１３０は、同じ材料物質と同じ厚さの誘電体材料のストライプ１３４、１３５・・・で被覆されている。そのカバレッジ比率は５０%である。その結果、第３のセンサ１３０のアンテナから見た実効誘電率は、第２のセンサ１２０のアンテナから見た実効誘電率とは異なる。第１のセンサ１１０と第４のセンサ１４０についてはそのままである。

本実施形態の第１例の作製プロセスを説明する。半導体基板を所定の厚さの誘電体層で均一に被覆する。周波数オフセットに対応する実効誘電率に達するまで各アンテナの誘電体層を別個に調整する必要がある。ここでは、各センサの周波数オフセットに対応するカバレッジ比率に調整する必要がある。フォトリソグラフィとウエットまたはドライエッチングを用いて誘電体層をパターン化してストライプを形成し、所望のカバレッジ比率の誘電体層を作製する。その結果、単一の誘電体物質と単一の厚さの誘電体層により、種々の実効誘電率を実現することができる。種々の実効誘電率は、種々のカバレッジ比率の誘電体層のパターニングで実現される。この製造方法は、種々の厚さや種々の材料物質を用いるリソグラフィ技術と比較して容易である。

第３の実施形態の第２の例も可能である。ここでは、種々の誘電率の層や種々の厚さの層を用いる。その結果、実効誘電率をさらに広い範囲で調整することができる。

（第４の実施形態）
上述の実施形態では、放射・受信パターンを主として半導体基板の外方向に向けるために、アンテナと距離を隔てて反射器が設けられていた。しかし、反射器を半導体基板に集積するのは、反射器を設けない場合と比較して、製造コストの増大を招く。反射器を設けないでアンテナを直接に半導体基板に設けると、放射・受信パターンは主として半導体基板の内方に向かうのは、上述した様に基板物質の誘電率が、基板を包囲する空気の誘電率より遥かに大きいからである。

第４の実施形態では、反射器が集積されていない半導体基板に設けられたセンサの共鳴周波数を調整する。本実施形態が図６に示されている。ここでは、複数センサ１１０、１２０、１３０、１４０がイメージセンサの半導体基板１００の表面に集積されている。一例では、センサは、半導体基板に直接に堆積されたダイポールアンテナ１１１と、アンテナに直接に接続される電子素子１１２を有する。図６において、センサ１１０についてのみ、ダイポールアンテナ１１１と電子素子１１２に数字を付しているが、他のセンサも同様である。センサ１２０では、半導体基板の裏面が誘電体層１２４で被覆され、センサ１３０では、半導体基板の裏面が誘電体層１３４で被覆されている。この例では、センサ１１０、１２０の周波数オフセットが互いに異なるので、層１２４、１３４の厚さは異なる。例えば、厚さは同じで誘電体材料を異ならせてもよいし、形状パターンを異ならせてもよい。

このように、本実施形態の電磁波検出・発生装置では、基板の一方の面側に複数の受信・放射要素が設けられている。そして、少なくとも１つの受信・放射要素は、該受信・放射要素のアンテナの周波数応答特性を調整する機能を有し前記一方の面とは反対側の基板の他方の面に形成された誘電体層を有する。

（第５の実施形態）
第５の実施形態では、上記実施形態のイメージセンサの周波数応答特性を調整ないし補正する方法を説明する。第１の作製方法例はフィードバックタイプである。先ず、各センサの目標周波数を決める。その後、平板状の半導体基板にセンサアレイを作製する。製造工程におけるパラメータの違いは、各センサの目標周波数の違いに依る。各センサの周波数応答特性は、各センサに逐次に電磁波を照射することで測定される。既知の周波数特性を有する放射デバイスの発振周波数を所定の間隔で変化させて各センサの周波数応答特性を測定する。各センサの周波数オフセットは、測定された周波数と目標周波数との差として計算される。

次に、上記差に対応する、誘電体層による各センサの実効誘電率を決定する。例えば、次の方法で行われる。データベースとして蓄積された実験結果を用いる。データベースはテスト試料を用いて構築される。種々の材料物質、厚さ、形状の複数の誘電体層を堆積し、センサの周波数応答特性に対するそれらの層の実効誘電率の効果を実験的に評価する。堆積誘電体層の必要特性を決める他の方法は、シミュレーションを用いる方法である。例えば、ＨＦＳＳによるものや上記実施形態で示されたものは、センサを覆う種々の特徴の誘電体層がセンサの周波数応答特性に及ぼす影響を取得するのに用いることができる。

各センサにおいて誘電体層の材料物質、厚さ、形状が分かれば、半導体基板が上述の如く処理される。もし必要なら、各センサの周波数応答特性（共鳴周波数）が再度測定され、周波数オフセットが再度計算され、誘電体層の新しい目標特徴が決定されて、各センサについて誘電体層が再調整される。誘電体層の特徴を何回か調整することで、１回の調整だけで達成される精度と比較して、より高い精度で目標の周波数応答特性（共鳴周波数）に達することができる。第１例のステップは、図７に示されている。

第２の作製方法はフィードフォワードタイプのものである。半導体製造における変動は基本的に２つの原因に依るので、この方法が可能である。１つの原因に依る変動は、温度、処理ガス圧などのプロセスパラメータの設定値の誤差による。これらの変動はランダムで、統計的手法のみでモデル化され推定できる。他の原因に依る変動は、再現性のあるものである。変動は、ウエハ全体に亘るプロセスパラメータの空間的な変動である。例えば、真空チャンバ内でのドライエッチング中、これらの変動は、プロセスガス入口の位置、エッチングチャンバのサイズや形状、エッチングチャンバ内の電磁分布に依り、これらは基板全体に亘るエッチング分布に影響を与える。この変動は、処理対象の基板とは関係なく、一定である。その結果、この変動が既知であれば、各イメージセンサに対してその都度、周波数応答特性を測定する必要がない。１つのウエハで測定すれば、この変動は繰り返されることとなる。その結果、補正すべき周波数オフセットを各基板において得るために、各センサの周波数応答特性（共鳴周波数）を測定する必要はない。

第２例を説明する。まず、各センサについて目標周波数を決定する。次に、センサアレイを備えるウエハを複数製造する。或る１つのウエハの各センサの周波数応答特性（共鳴周波数）を、上記第１例で述べた方法と同様な方法で測定する。目標周波数と測定周波数との差であるオフセット周波数を各センサについて算出する。次に、上記第１例で述べた方法で行ったように、実験データまたはシミュレーションの結果を用いて、目標とする誘電体層の形態の特徴を決定する。最後に、各ウエハについて周波数応答特性（共鳴周波数）を測定することなく、すべてのウエハに、決定された形態の誘電体層を同様に形成する。この方法では、すべてのウエハの処理を迅速に行うことができ、より経済的な方法と言うことができる。第２例のステップは、図８に示されている。

アンテナを用いる発振器と受信器は等価であるので、上記実施形態は電磁波発生装置にも適用できる。つまり、アンテナを用いる電磁波発生装置と電磁波検出装置との等価性により、上述のセンサの各例も、電磁波発生装置に適用ないし応用することができる。

１００・・・基板（半導体基板）、１１０、１２０、１３０、１４０・・・受信・放射要素（センサ）、１１１、１２１、１３１、１４１・・・アンテナ、１１２・・・電子素子、１１３・・・反射器

Claims (20)

1. 電磁波検出・発生装置であって、
   基板と、前記基板に設けられた複数の受信・放射要素と、を有し、
   前記複数の受信・放射要素はそれぞれ、アンテナと電子素子とを含み、
   少なくとも２つの前記受信・放射要素はそれぞれ、少なくとも一部において、当該受信・放射要素のアンテナの周波数応答特性を調整する機能を有する誘電体層で被覆され、
   前記少なくとも２つの誘電体層は、厚さと材料物質と形状と被覆比率のうちの少なくとも１つで互いに異なることを特徴とする装置。
2. 前記少なくとも２つの誘電体層は、厚さと材料物質のうちの少なくとも１つで互いに異なる第１の誘電体層と第２の誘電体層、及び前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層とが重ねられた第３の誘電体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも２つの誘電体層は、厚さが互いに異なるように調整された複数の誘電体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも２つの誘電体層は、材料物質が同じで、厚さと形状と被覆比率のうちの少なくとも１つで互いに異なる誘電体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも２つの誘電体層は、ストライプ形状の複数の誘電体物質からなり、互いに被覆比率が異なる誘電体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記ストライプ形状の誘電体物質の幅と前記ストライプ形状の誘電体物質間の間隔は動作電磁波の波長の１／１０以下であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記受信・放射要素は、前記アンテナの下の前記基板に設けられた金属反射器を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の装置。
8. 前記誘電体層は、全面的に前記アンテナを覆うことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
9. 電磁波検出・発生装置であって、
   基板と、前記基板の一方の面側に設けられた複数の受信・放射要素と、を有し、
   前記複数の受信・放射要素はそれぞれ、アンテナと電子素子とを含み、
   少なくとも１つの前記受信・放射要素は、当該受信・放射要素のアンテナの周波数応答特性を調整する機能を有し前記一方の面とは反対側の前記基板の他方の面に形成された誘電体層を有することを特徴とする装置。
10. 前記周波数応答特性は、共鳴周波数であることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の装置。
11. 前記電磁波は、テラヘルツ波であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の装置。
12. それぞれ、アンテナを含み、基板に設けられた複数の受信・放射要素を有する電磁波検出・発生装置の製造方法であって、
    各受信・放射要素の目標の周波数応答特性を決めるステップと、
    複数の受信・放射要素を基板に作製するステップと、
    各受信・放射要素の周波数応答特性を測定するステップと、
    前記目標の周波数応答特性と、前記測定された周波数応答特性と、の間の周波数オフセットを取得するステップと、
    前記周波数オフセットを低減するために必要とされる、少なくとも２つの受信・放射要素の少なくとも一部に対して設けられる誘電体層の厚さと材料物質と形状と被覆比率のうちの少なくとも１つを決定するステップと、
    前記少なくとも２つの受信・放射要素に対して、前記決定された誘電体層を設けるステップと、
    を含むことを特徴とする製造方法。
13. それぞれ、アンテナを含み、基板に設けられた複数の受信・放射要素を有する電磁波検出・発生装置の製造方法であって、
    各受信・放射要素の目標の周波数応答特性を決めるステップと、
    それぞれ複数の受信・放射要素を備える複数のウエハを製造するステップと、
    前記複数のウエハのうちの１つのウエハの各受信・放射要素の周波数応答特性を測定するステップと、
    前記目標の周波数応答特性と、前記測定された周波数応答特性と、の間の周波数オフセットを取得するステップと、
    前記１つのウエハの前記周波数オフセットを低減するために必要とされる、少なくとも２つの受信・放射要素の少なくとも一部に対して設けられる誘電体層の厚さと材料物質と形状と被覆比率のうちの少なくとも１つを決定するステップと、
    前記複数のウエハ全ての少なくとも２つの受信・放射要素に対して、前記決定された誘電体層を設けるステップと、
    を含むことを特徴とする製造方法。
14. 前記決定された誘電体層は、前記受信・放射要素の少なくと一部に被覆されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の製造方法。
15. 前記決定された誘電体層は、前記複数の受信・放射要素が設けられた基板の一方の面とは反対側の前記基板の他方の面に形成されことを特徴とする請求項１２または１３に記載の製造方法。
16. 前記決定された誘電体層を設けるステップは、複数の受信・放射要素に対して共通の誘電体層を形成するステップを有することを特徴とする請求項１２から１５の何れか１項に記載の製造方法。
17. 前記決定された誘電体層を設けるステップは、前記共通の誘電体層を部分的にエッチングするステップを有することを特徴とする請求項１６に記載の製造方法。
18. 前記共通の誘電体層を形成するステップでは、複数の受信・放射要素の一部をマスクして前記共通の誘電体層を形成することを特徴とする請求項１６または１７に記載の製造方法。
19. 前記決定された誘電体層は、グレイスケールリソグラフィを用いて形成されることを特徴とする請求項１２から１５の何れか１項に記載の製造方法。
20. 前記誘電体層は、ディスペンサまたはインクジェットプリンタで形成されることを特徴とする請求項１２から１５の何れか１項に記載の製造方法。