JP2019197098A - メタサーフェス構造体及びメタサーフェス構造体の製造方法 - Google Patents

メタサーフェス構造体及びメタサーフェス構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】所望の光学特性を実現することができるメタサーフェス構造体及びメタサーフェス構造体の製造方法を提供する。【解決手段】メタサーフェス構造体６０は、配列した複数の微細構造を備えることで光学素子として機能する。メタサーフェス構造体６０は、基部６２及び基部６２に隣接する外縁部６６を有する基材６８と、第１屈折率をそれぞれ有し、基部６２の一方側における基部６２上に配列するとともに、基部６２とは反対側にアンテナ端面７１をそれぞれ有する複数の微細構造としての複数のアンテナ７０と、を備える。外縁部６６は、第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、基部６２上において複数のアンテナ７０の間に位置するとともに、基部６２とは反対側に外縁部端面６７を有する。複数のアンテナ端面７１及び外縁部端面６７は、平坦面６１を構成する。【選択図】図２

Description

本開示は、メタサーフェス構造体及びメタサーフェス構造体の製造方法に関する。
配列した複数の微細構造を備えることで光学素子として機能するメタサーフェス構造体が知られている。例えば、非特許文献１には、ガラス等の基板上にシリコンの微細構造を配列させた後に、基板と同種の材料を更に積層させた構造体が開示されている。この構造体では、基板と同種の材料が、微細構造の間を埋めるように設けられるとともに微細構造上にも設けられる。
Katie Eve Chong, "Optically-Induced Magnetic Response inAll-Dielectric Nanodisk Composite Structures", Australian National University,2017
非特許文献１に開示される構造体では、基板と同種の材料が微細構造の配列に倣った形状となり、当該構造体の表面が凹凸面を構成するため、透過光が散乱して不規則な方向に進行してしまい所望の光学特性を実現することが難しい。また、この構造体では、基板と同種の材料が微細構造上にも設けられるため、表面の材料選択が制限され、所望の光学特性を実現することが一層難しくなる。
そこで、本開示は、所望の光学特性を実現することができるメタサーフェス構造体及びメタサーフェス構造体の製造方法を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体は、配列した複数の微細構造を備えることで光学素子として機能するメタサーフェス構造体であって、基部及び基部に隣接する外縁部を有する基材と、第１屈折率をそれぞれ有し、基部の一方側における基部上に配列するとともに、基部とは反対側にアンテナ端面をそれぞれ有する複数の微細構造としての複数のアンテナと、を備え、外縁部は、第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、基部上において複数のアンテナの間に位置するとともに、基部とは反対側に外縁部端面を有し、複数のアンテナ端面及び外縁部端面は、平坦面を構成する。
このメタサーフェス構造体によれば、複数のアンテナ端面及び外縁部端面は、平坦面を構成しているため、透過光が散乱して不規則な方向に進行することが抑制される。また、このメタサーフェス構造体では、複数のアンテナ端面上に基材と同種の材料を設けなくてよいため、表面の材料選択の自由度が高い。よって、このメタサーフェス構造体は、所望の光学特性を実現することができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体は、第１屈折率及び第２屈折率とは異なる第３屈折率を有し、平坦面を被覆する被覆層を備えていてもよい。これによれば、例えば、アンテナ端面及び外縁部端面と比較して強度の高い材料により被覆層を形成することで、当該被覆層に平坦面の保護層としての機能を持たせることができる。また、用途に応じた好適な屈折率を有する材料により被覆層を形成することで、平坦面における界面反射を抑制し、透過光の透過率を向上させることができる。よって、このメタサーフェス構造体は、被覆層を構成する材料を適宜選択することにより、メタサーフェス構造体の機能性を向上させることができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体では、複数のアンテナのそれぞれは、平坦面に直交する方向から見て、周期的に配列していてもよい。これによれば、このメタサーフェス構造体は、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体では、平坦面には、波長が３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の光が入力され、複数のアンテナのそれぞれは、平坦面に直交する方向から見て、波長よりも短い周期で配列していてもよい。これによれば、このメタサーフェス構造体は、複数のアンテナのそれぞれが入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、メタサーフェス構造体が連続媒質であるかのように振る舞う。よって、このメタサーフェス構造体は、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体では、平坦面に直交する方向から見て、複数のアンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが平坦面内で変化しており、複数のアンテナ及び外縁部により構成されるアンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能してもよい。このメタサーフェス構造体は、アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、アンテナ部分の実効屈折率を制御することができる。これにより、このメタサーフェス構造体は、アンテナ部分の実効屈折率を調整することにより、従来の半球形状のレンズと比較して、レンズを薄型化することができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体の製造方法は、配列した複数の微細構造を備えることで光学素子として機能するメタサーフェス構造体の製造方法であって、第２屈折率を有する基板上にマスク層を形成する層形成工程と、基板上に形成されたマスク層に複数の開口部を形成する開口工程と、複数の開口部を介してエッチングを行い基板に複数の凹部を形成するエッチング工程と、複数の開口部のそれぞれを介して、第２屈折率とは異なる第１屈折率を有するアンテナ材料を少なくとも基板上に堆積させる堆積工程と、マスク層を除去する除去工程と、を備え、堆積工程において、基板の上面及びアンテナ材料の上面が平坦面を構成するようにアンテナ材料を堆積させる。
ここで、例えば非特許文献１に開示されるように、基板と同種の材料を基板上及びアンテナ材料上に堆積させてアンテナ材料を埋め込んだ構造体においては、化学機械研磨（ＣＭＰ：chemical mechanical polishing）等の手法により、アンテナ材料の端面が露出するまで基板と同種の材料を研磨することで平坦面を形成することも考えられる。しかし、この方法では、基板の端面に対してアンテナ材料の端面が凹面状に深く研磨されてしまうため（すなわち、ディッシングが生じてしまうため）、当該構造体の表面が凹凸面を構成することとなる。したがって、この方法では、所望の光学特性を実現することが難しい。
これに対して、このメタサーフェス構造体の製造方法によれば、化学機械研磨等の手法を用いることなく平坦面を形成することができる。そして、複数のアンテナ端面及び外縁部端面は、平坦面を構成しているため、透過光が散乱して不規則な方向に進行することが抑制される。また、このメタサーフェス構造体の製造方法では、複数のアンテナ端面上に基板と同種の材料を設けなくてよいため、表面の材料選択の自由度が高い。よって、このメタサーフェス構造体の製造方法では、所望の光学特性を実現することができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体の製造方法は、除去工程の後に、第１屈折率とは異なり且つ第２屈折率とは異なる第３屈折率を有する被覆材料で平坦面を被覆する被覆工程を備えてもよい。これによれば、例えば、アンテナ端面及び外縁部端面と比較して強度の高い材料により被覆層を形成することで、当該被覆層に平坦面の保護層としての機能を持たせることができる。また、用途に応じた好適な屈折率を有する材料により被覆層を形成することで、平坦面における界面反射を抑制し、透過光の透過率を向上させることができる。よって、このメタサーフェス構造体の製造方法では、被覆層を構成する材料を適宜選択することにより、メタサーフェス構造体の機能性を向上させることができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体の製造方法では、エッチング工程において、複数の凹部のそれぞれは、基板の上面に直交する方向から見て、周期的に配列するように形成されてもよい。これによれば、このメタサーフェス構造体の製造方法では、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体の製造方法では、平坦面には、波長が３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の光が入力され、エッチング工程において、複数の凹部のそれぞれは、基板の上面に直交する方向から見て、波長よりも短い周期で配列するように形成されてもよい。これによれば、このメタサーフェス構造体の製造方法では、複数のアンテナのそれぞれが入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、メタサーフェス構造体が連続媒質であるかのように振る舞う。よって、このメタサーフェス構造体の製造方法では、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
本開示の一態様に係るメタサーフェス構造体の製造方法では、エッチング工程において、複数の凹部のそれぞれは、基板の上面に直交する方向から見て、複数の凹部の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板の上面内で変化するように形成されてもよい。これによれば、このメタサーフェス構造体では、アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、アンテナ部分の実効屈折率を制御することができる。これにより、このメタサーフェス構造体の製造方法では、アンテナ部分の実効屈折率を調整することにより、従来の半球形状のレンズと比較して、レンズを薄型化することができる。
本開示の種々の態様によれば、所望の光学特性を実現することができるメタサーフェス構造体及びメタサーフェス構造体の製造方法を提供することが可能となる。
図１は、本実施形態に係るメタサーフェス構造体を示す平面図である。 図２は、図１のメタサーフェス構造体の一部を模式的に示す正面図である。 図３は、メタサーフェス構造体において実効屈折率が分布を有することを説明するための図である。 図４は、メタサーフェス構造体を透過する光の経路を説明するための図である。 図５は、メタサーフェス構造体の第１製造方法を説明するための図である。 図６は、メタサーフェス構造体の第１製造方法を説明するための図である。 図７は、メタサーフェス構造体の第２製造方法を説明するための図である。 図８は、メタサーフェス構造体の第２製造方法を説明するための図である。 図９は、メタサーフェス構造体の第２製造方法を説明するための図である。 図１０は、メタサーフェス構造体の第２製造方法を説明するための図である。 図１１は、メタサーフェス構造体を用いた照射光学系を示す図である。 図１２は、メタサーフェス構造体を用いた観察光学系を示す図である。 図１３は、メタサーフェス構造体を用いた受光及び観察光学系を示す図である。 図１４は、変形例に係るメタサーフェス構造体を示す正面図である。 図１５は、図１４のメタサーフェス構造体の各アンテナ部分を示す平面図である。
以下、図面を参照して、例示的な実施形態について説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［メタサーフェス構造体の構成］
図１は、本実施形態に係るメタサーフェス構造体６０を示す平面図である。図２は、図１のメタサーフェス構造体６０の一部を模式的に示す正面図である。図１及び図２に示されるメタサーフェス構造体６０は、メタサーフェス構造を備える構造体である。「メタサーフェス構造」とは、配列した複数の微細構造を備えることで光学素子として機能する構造である。例えば、メタサーフェス構造としては、代表的な下記の６種類の方式（以下、「第１方式〜第６方式」という）が例示される。
メタサーフェス構造の第１方式は、いわゆるMulti-Resonance方式であり、「Nanfang Yu et al., “LightPropagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection andRefraction”, Science, 2011, 334, 333」に詳述されている。第１方式は、例えば、プラズモニックアンテナを備え、当該プラズモニックアンテナに流れる電流により特徴付けられる対称モード及び非対称モードの２種類の共鳴モードを有する。
メタサーフェス構造の第２方式は、いわゆるGAP-Plasmon方式であり、「S. Sun et al., “High-efficiencybroadband anomalous reflection by gradient meta-surfaces”, Nano Letters, 2012,12, 6223」に詳述されている。第２方式は、例えば、ＭＩＭ構造を基本構成とする反射型のメタサーフェス構造であり、ギャップサーフェスプラズモンモードにより光の位相を変調する。ギャップサーフェスプラズモンモードとは、上部のアンテナと下部のアンテナとの誘導電流が逆方向を向くことに依存して誘電体内に強い磁気共鳴が生じるモードである。これによれば、アンテナの長さを変えることで効率良く反射位相を変調可能である。
メタサーフェス構造の第３方式は、いわゆるPancharatnam-Berry phase（PB phase）方式であり、「Francesco Monticone et al., “Full Control of Nanoscale OpticalTransmission with a Composite Metascreen”, Physical Review Letters, 2013, 110,203903」に詳述されている。第３方式は、例えば、同一形状のアンテナの角度を変調させることにより位相を変調する。
メタサーフェス構造の第４方式は、いわゆるHuygens-metasurface方式であり、「Lingling Huang etal., “Dispersionless Phase Discontinuities for ControllingLight Propagation”, Nano Letters, 2012, 12, 5750」、及び、「Manuel Decker et al., “High-efficiencylight-wave control with all-dielectric optical Huygens' metasurfaces”, Advanced Optical Materials, 2015, 3, 813」に詳述されている。第４方式は、例えば、独立した電磁場特性を持つ媒質の界面での電気双極子、磁気双極子を同時に調整することにより反射率を小さくする。
メタサーフェス構造の第５方式は、いわゆるHigh-Contrast方式であり、「Seyedeh M. Kamali etal., “Decoupling optical function and geometrical form using conformal flexibledielectric metasurfaces”, Nature Communications, 2016, 7, 11618」に詳述されている。第５方式は、例えば、アンテナと周囲の媒質との屈折率の差が大きいことを利用し、低Ｑ値のファブリペロ共鳴の複数モードを実現する。これらの複数モードには、電気双極子及び磁気双極子が含まれる。
メタサーフェス構造の第６方式は、いわゆるGradient-Index方式であり、「Philippe Lalanne et al., “Designand fabrication of blazed binary diffractive elements with sampling periodssmaller than the structural cutoff”, Journal of the Optical Society of AmericaA, 1999, 16(5), 1143」に詳述されている。第６方式は、例えば、屈折率の互いに異なる媒質の、単位セルにおける充填率の変化により、位相（実効屈折率）を変調する。
メタサーフェス構造体６０は、薄膜状又は平板状を呈している。メタサーフェス構造体６０は、基材６８、複数のアンテナ７０、及び被覆層８０を備えている。メタサーフェス構造体６０において、基材６８及び複数のアンテナ７０により構成される部分は、その一方の面として平坦面６１を有している（詳しくは後述）。被覆層８０は、平坦面６１を被覆しており、平坦面６１とは反対側の面として被覆面８１を有している。なお、以下の説明では、メタサーフェス構造体６０の平坦面６１に平行な方向を「ＸＹ方向」、メタサーフェス構造体６０の平坦面６１に直交する方向を「Ｚ方向」とする。
基材６８は、メタサーフェス構造体６０の基体となる部材であり、複数のアンテナ７０を保持している。基材６８は、例えば薄膜状又は平板状を呈する。Ｚ方向から見た基部６２の大きさは特に限定されない。また、Ｚ方向から見た基材６８の形状は、特に限定されず、ここでは矩形状とされている。基材６８は、石英により形成されていてもよい。この場合、基材６８が有する屈折率は１．４５程度である。
基材６８は、基部６２、及び、基部６２に隣接する外縁部６６を有している。基部６２と外縁部６６とは、一体に形成されている。「一体に形成されている」とは、単一部材として形成されていることを意味する。
基部６２は、薄膜状又は平板状を呈する。基部６２の厚さは、例えば１００ｎｍ以上３ｍｍ以下であってもよい。Ｚ方向から見て、基部６２の大きさ及び形状は、基材６８の大きさ及び形状と一致している。Ｚ方向から見た基部６２の大きさは特に限定されない。また、Ｚ方向から見た基部６２の形状は、特に限定されず、ここでは基材６８と同じく矩形状とされている。基部６２を含む基材６８が石英により形成されている場合には、基部６２の屈折率は１．４５程度である。基部６２の一方側における基部６２上には、複数のアンテナ７０がそれぞれ位置している（詳しくは後述）。
外縁部６６は、基部６２上において複数のアンテナ７０の間に位置する部分であり、基部６２と一体に形成されている。「複数のアンテナ７０の間に位置する」とは、例えば、複数のアンテナ７０の間を隙間なく埋めるように位置することを意味する。つまり、複数のアンテナ７０は、外縁部６６に埋設されている。なお、外縁部６６は基部６２と一体に形成されていなくてもよく、換言すると、外縁部６６と基部６２とは別部材を組み合わせて構成されていてもよい。
外縁部６６は、アンテナ７０が有する第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する。外縁部６６を含む基材６８が石英により形成されている場合には、第２屈折率は１．４５程度である。なお、メタサーフェス構造体６０が光学素子として光学系の一部を構成する際に、メタサーフェス構造体６０の平坦面６１が他部材（例えば、観察対象物又は受光器等）に当接する場合には、第２屈折率は、当該第２屈折率と当該他部材が有する屈折率との差が、空気が有する屈折率と当該他部材が有する屈折率との差よりも、小さくなるような値であってもよい。これにより、メタサーフェス構造体６０と他部材との間での屈折率の差が小さくなることで、他部材上での界面反射（フレネル反射）が抑制される。
外縁部６６は、その下方側（基部６２とは反対側）の端面である外縁部端面６７を含んでいる。外縁部端面６７は、Ｚ方向から見て、アンテナ７０の下方側（基部６２とは反対側）の端面であるアンテナ端面７１が位置する部分が除かれた面により構成されている。外縁部端面６７は、平坦面６１の一部を構成している。
各アンテナ７０は、メタサーフェス構造における微細構造である。各アンテナ７０は、基部６２の下方側に配置され、メタサーフェス構造体６０の平坦面６１近傍における実効屈折率を調整するための部材である。各アンテナ７０は、上述したように、基部６２の一方側における基部６２上に配列するとともに、基部６２とは反対側にアンテナ端面７１をそれぞれ有している。各アンテナ７０は、本実施形態では、軸線がＺ方向に沿うように延在する柱状を呈し、より具体的には円柱状を呈している。なお、各アンテナ７０の形状は、メタサーフェス構造体６０の実効屈折率を制御可能であれば、必ずしも円柱状に限定されず、また、柱状にも限定されない。実効屈折率については後述する。
各アンテナ７０は、第２屈折率とは異なる第１屈折率を有している。各アンテナ７０は、例えばシリコンにより形成されており、この場合、第１屈折率は３．５程度である。
各アンテナ７０は、アンテナ端面７１が平坦面６１に露出するように配置されている。つまり、外縁部端面６７が平坦面６１の一部を構成しているのに対して、各アンテナ端面７１は、平坦面６１の残部を構成している。複数のアンテナ端面７１及び外縁部端面６７は、面一となっており、略連続した平面である平坦面６１を構成している。なお、「平坦」とは、例えば、その面に垂直な方向において、高低差が２０ｎｍ以内である（すなわち、仮想的な基準面に対して−１０ｎｍ以上＋１０ｎｍ以下の範囲内に平坦面６１の各部が含まれている）ことを意味してもよい。なお、この場合、平坦面６１が平坦であるか否かについては、メタサーフェス構造体６０の光学特性に大きな影響を及ぼさない程度の、製造上生じる極微小な不整及びバリ等を除いた部分で判断されてもよい。
各アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、２次元的に配列している。特に、ここでは、各アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、周期的に配列しており、より具体的にはマトリクス状に配列している。各アンテナ７０が配列する周期は、以下のように決定されていてもよい。すなわち、メタサーフェス構造体６０には所定波長の入射光が入射される場合、各アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、メタサーフェス構造体６０に入射される入射光の波長よりも短い所定周期で配列していてもよい。なお、「所定波長」とは、例えば１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の波長であってもよく、３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長であってもよい。「所定周期」は、複数のアンテナ７０が配置される領域の全体において同一の周期であってもよく、複数のアンテナ７０が配置される領域の部分ごとに異なる周期であってもよく、複数のアンテナ７０が配置される領域に沿って徐々に変化した周期であってもよい。また、「所定周期」とは、例えば所定波長の２０％以上１００％以下であってもよい。「所定周期」とは、例えば１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下であってもよい。この場合、複数のアンテナ７０により好適に光を屈折させることができる。
また、メタサーフェス構造体６０では、Ｚ方向から見て、複数のアンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが平坦面６１内で変化していてもよい。ここで、「平坦面６１内で変化している」とは、平坦面６１における位置によって異なり得ることを意味している。これにより、アンテナ７０は、メタサーフェス構造体６０の平坦面６１近傍における実効屈折率を調整することが可能となる（詳しくは後述）。
メタサーフェス構造体６０において、複数のアンテナ７０が配置されている部分であるアンテナ部分７２は、メタサーフェス構造を形成している。「アンテナ部分７２」とは、具体的には、メタサーフェス構造体６０において、複数のアンテナ７０及び外縁部６６により構成される部分である。より具体的には、アンテナ部分７２とは、メタサーフェス構造体６０において、Ｚ方向に関しては、アンテナ７０のアンテナ端面７１の位置から、アンテナ７０のアンテナ端面７１とは反対側の端面７３の位置までの範囲により特定される部分であり、且つ、ＸＹ方向に関しては、複数のアンテナ７０を含む範囲により特定される部分である（図中の破線部分）。
ここで、メタサーフェス構造体６０がレンズとして機能することについて、図３及び図４を参照して説明する。図３は、メタサーフェス構造体６０において実効屈折率が分布を有することを説明するための図である。図４は、メタサーフェス構造体６０を透過する光の経路を説明するための図である。「分布を有する」とは、その位置によって異なる状態又は値を有し得ることを意味する。なお、図３及び図４では、被覆層８０は省略されている。また、図３及び図４では、観察対象物として集積回路１１ｃが表面に形成された半導体デバイス１１が例示されており、メタサーフェス構造体６０の平坦面６１が半導体デバイス１１の裏面に当接している。メタサーフェス構造体６０は、アンテナ部分７２において、以下の実効屈折率ｎｅｆｆを有する。すなわち、アンテナ部分７２の単位体積におけるアンテナ７０の充填率ａ、第１屈折率ｎｍｓ、第２屈折率ｎｂとした場合に、実効屈折率ｎｅｆｆは、下記の式（１）で表される。
Figure 2019197098
上述したように、Ｚ方向から見て、アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかは、平坦面６１内で変化している。例えば、図３には、アンテナ７０の大きさが平坦面６１内で変化している場合が示されている。図３では、メタサーフェス構造体６０が単位体積の部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に分割されている。そして、図３では、各部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に同位相の入射光がメタサーフェス構造体６０の上方側から入射された場合に、メタサーフェス構造体６０の下方側に透過した透過光において同位相となる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３がそれぞれ図示されている。
各部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３では、アンテナ７０の大きさ（Ｚ方向に見た断面積）が互いに異なる。ここでは、部分Ｖ１においては、アンテナ７０ａ、外縁部６６ａとされている。また、部分Ｖ２においては、アンテナ７０ｂ、外縁部６６ｂとされている。また、部分Ｖ３においては、アンテナ７０ｃ、外縁部６６ｃとされている。アンテナ７０ａ、アンテナ７０ｂ、アンテナ７０ｃは、この順に大きくなっている。つまり、部分Ｖ１、部分Ｖ２、部分Ｖ３では、この順にアンテナ７０の充填率ａが高くなっている。
これにより、上記の式（１）により算出される各部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効屈折率ｎｅｆｆは部分Ｖ１、部分Ｖ２、部分Ｖ３の順に大きくなり、アンテナ部分７２の実効屈折率ｎｅｆｆは分布を有することとなる。メタサーフェス構造体６０の下方側に透過した透過光において同位相となる位置Ｐ１、位置Ｐ２、位置Ｐ３は、この順に平坦面６１からの距離が短くなる。このように透過光において位相差が生じた結果、図４に示されるように光Ｒがメタサーフェス構造体６０により屈折することとなり、アンテナ部分７２の実効屈折率ｎｅｆｆを調整することでメタサーフェス構造体６０はレンズとして機能する。特に、例えばアンテナ部分７２の実効屈折率ｎｅｆｆを同心円状に変化させることで、メタサーフェス構造体６０はレンズとして一層好適に機能する。なお、複数のアンテナ７０が入射光の波長よりも短い周期で配列することで、入射光は、アンテナ部分７２が実効屈折率ｎｅｆｆを有する連続媒質であるかのように振る舞う。
図１及び図２に戻り、被覆層８０は、第１屈折率及び第２屈折率とは異なる第３屈折率を有し、平坦面６１を被覆している。被覆層８０は、平坦面６１とは反対側の面として、平坦な被覆面８１を有している。被覆層８０は、平坦面６１の種々の機能性を向上させる。例えば、被覆層８０は、アンテナ端面７１及び外縁部端面６７と比較して強度の高い材料により形成されることで、平坦面６１の保護層として機能することができる。或いは、被覆層８０は、用途に応じた好適な屈折率を有する材料により形成されることで、平坦面６１における界面反射を抑制し、透過光の透過率を向上させることができる。被覆層８０は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等を材料として形成されてもよい。また、被覆層８０の厚さは、例えば３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。この範囲の厚さとすることで、被覆層８０は、平坦面６１の保護層として機能するために十分な強度を有するとともに、光の透過率の低下を抑制することができる。
［メタサーフェス構造体の製造方法］
［第１製造方法］
図５及び図６を参照して、メタサーフェス構造体６０の第１製造方法について説明する。図５及び図６は、メタサーフェス構造体６０の第１製造方法を説明するための図である。
まず、図５（ａ）に示されるように、第２屈折率を有する第２材料により形成された基板９０を準備する。第２材料としては、例えば石英が挙げられる。基板９０の形状は、薄膜状又は平板状であってよい。この基板９０が、メタサーフェス構造体６０の基部６２及び外縁部６６となる。
続いて、基板９０上に、レジストとしてのマスク層９１を形成する（層形成工程）。マスク層９１は、基板９０の上面９０ａ上に、例えば電子線レジスト塗布により形成される。マスク層９１の材料としては、例えばＺＥＰ５２０Ａ等の電子線レジストが挙げられる。マスク層９１の厚さは、例えば３００ｎｍ程度とすることができる。
続いて、図５（ｂ）に示されるように、基板９０上に形成されたマスク層９１に複数の開口部９２を形成する（開口工程）。開口部９２は、マスク層９１に対して電子線描画及び現像を行うことで形成されてもよい。
各開口部９２は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成されてもよい。より具体的には、製造されるメタサーフェス構造体６０には所定波長の入射光が入射される場合において、各開口部９２は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成されてもよい。ここで形成される開口部９２の大きさ、形状、及び配列が、アンテナ７０の大きさ、形状、及び配列となる。開口部９２は、例えば直径５０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の円形状であってもよい。また、開口部９２は、例えば３００ｎｍの周期で配列するように形成されていてもよい。さらに、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の開口部９２の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかは、基板９０の上面９０ａ内で変化していてもよい。ここで、「基板９０の上面９２ａ内で変化している」とは、基板９０の上面９２ａにおける位置によって異なり得ることを意味している。
続いて、図５（ｃ）に示されるように、複数の開口部９２を介してエッチングを行い、基板９０に複数の凹部９０ｃを形成する（エッチング工程）。エッチングは、例えばドライエッチングが行われてもよく、特に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）が行われてもよい。エッチングは、基板９０の上面９０ａから下面９０ｂに貫通せずに、上面９０ａから基板９０の内部まで行われる。これにより、基板９０の上面９０ａに所定の深さ（エッチング深さ）の凹部９０ｃが形成される。エッチング深さは、例えば５００ｎｍ程度とすることができる。
なお、上述した開口工程において、各開口部９２が周期的に配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成される。特に、製造されるメタサーフェス構造体６０には所定波長の入射光が入射される場合において、上述した開口工程において、各開口部９２が所定波長よりも短い周期で配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成される。さらに、上述した開口工程において、複数の開口部９２の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化しているときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の凹部９０ｃの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化するように形成される。
続いて、図６（ａ）に示されるように、各開口部９２を介して、第２材料とは異なる第１材料により形成されたアンテナ材料９３を基板９０上に堆積させる（堆積工程）。ここで基板９０の凹部９０ｃに堆積したアンテナ材料９３が、アンテナ７０となる。このとき、アンテナ材料９３は、マスク層９１上にも堆積することとなる。第１材料は、第２屈折率とは異なる第１屈折率を有している。アンテナ材料９３を基板９０上に堆積させる方法としては、例えばパルスレーザ蒸着及び抵抗加熱蒸着が挙げられる。パルスレーザ蒸着が行われる場合には、第１材料としては、例えばシリコン、ゲルマニウムが挙げられる。一方、抵抗加熱蒸着が行われる場合には、第１材料としては、例えば金、銀、クロムが挙げられる。
堆積工程において、基板９０の上面９０ａ及びアンテナ材料９３の上面９３ａが平坦面６１を構成するようにアンテナ材料９３を堆積させる。すなわち、基板９０上に堆積させるアンテナ材料９３の厚さは、エッチング工程において基板９０の上面９０ａに形成された凹部９０ｃの深さと同一である。これにより、基板９０の上面９０ａ、及び、基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａが面一となり、平坦面６１を構成する。基板９０上に堆積させるアンテナ材料９３の厚さは、例えば５００ｎｍ程度とすることができる。基板９０上に堆積させるアンテナ材料９３の厚さは、例えば、所定の条件下における堆積時間と堆積するアンテナ材料９３の厚さとの関係を予め取得し、堆積工程における堆積時間を調整することで制御されてもよい。
続いて、図６（ｂ）に示されるように、マスク層９１を除去する（除去工程）。すなわち、レジストをリフトオフする。これにより、マスク層９１とともに、マスク層９１上に堆積していたアンテナ材料９３も除去される。その結果、基板９０の上面９０ａ及び基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａにより形成された平坦面６１が露出する。
続いて、図６（ｃ）に示されるように、第１屈折率とは異なり且つ第２屈折率とは異なる第３屈折率を有する被覆材料９９で平坦面６１を被覆する（被覆工程）。この被覆材料９９が、メタサーフェス構造体６０の被覆層８０となる。以上により、メタサーフェス構造体６０が製造される。
［第２製造方法］
図７〜図１０を参照して、メタサーフェス構造体６０の第２製造方法について説明する。図７〜図１０は、メタサーフェス構造体６０の第２製造方法を説明するための図である。
まず、図７（ａ）に示されるように、第２屈折率を有する第２材料により形成された基板９０を準備する。第２製造方法において用いられる基板９０は、上述した第１製造方法において用いられる基板９０と同様のものであってよい。
続いて、図７（ｂ）に示されるように、基板９０上にマスク層９５を形成する（層形成工程）。マスク層９５は、ハードマスク９６及びレジスト９７が積層して形成されている。ハードマスク９６は、基板９０の上面９０ａ上に、例えば抵抗加熱蒸着により形成される。ハードマスク９６の材料としては、例えばクロム、ニッケル、アルミニウムが挙げられる。レジスト９７は、ハードマスク９６の上面９６ａ上に、例えば電子線レジスト塗布により形成される。レジスト９７の材料としては、例えばＺＥＰ５２０Ａ等の電子線レジストが挙げられる。レジスト９７の厚さは、例えば３００ｎｍ程度とすることができる。
続いて、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように、基板９０上に形成されたマスク層９５に複数の開口部９８を形成する（開口工程）。開口部９８は、ハードマスク９６に形成されたハードマスク開口部９８ａ、及び、レジスト９７に形成されたレジスト開口部９８ｂを備えている。ハードマスク開口部９８ａは、レジスト開口部９８ｂを介して形成される。このため、ハードマスク開口部９８ａ及びレジスト開口部９８ｂは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、互いに同一の位置に形成されている。レジスト開口部９８ｂは、レジスト９７に対して電子線描画及び現像を行うことで形成されてもよい。ハードマスク開口部９８ａは、ハードマスク９６に対して誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Induced Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）を行うことで形成されてもよい。
各開口部９８は、上述した第１製造方法における各開口部９２と同様に配列するように形成されてもよい。すなわち、各開口部９８は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成されてもよい。より具体的には、製造されるメタサーフェス構造体６０には所定波長の入射光が入射される場合において、各開口部９８は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成されてもよい。ここで形成される開口部９８の大きさ、形状、及び配列が、アンテナ７０の大きさ、形状、及び配列となる。開口部９８は、例えば直径８０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下の円形状であってもよい。また、開口部９８は、例えば３００ｎｍの周期で配列するように形成されていてもよい。さらに、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の開口部９８の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかは、基板９０の上面９０ａ内で変化していてもよい。
続いて、図９（ａ）に示されるように、複数の開口部９８を介してエッチングを行い、基板９０に複数の凹部９０ｃを形成する（エッチング工程）。エッチング工程は、上述した第１製造方法におけるエッチング工程と同様に行われてよい。
なお、各凹部９０ｃは、上述した第１製造方法における各凹部９０ｃと同様に配列するように形成されてもよい。すなわち、上述した開口工程において、各開口部９８が周期的に配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成される。特に、製造されるメタサーフェス構造体６０には所定波長の入射光が入射される場合において、上述した開口工程において、各開口部９８が所定波長よりも短い周期で配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成される。さらに、上述した開口工程において、複数の開口部９８の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化しているときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の凹部９０ｃの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化するように形成される。
続いて、図９（ｂ）に示されるように、各開口部９８を介して、第２材料とは異なる第１材料により形成されたアンテナ材料９３を基板９０上に堆積させる（堆積工程）。堆積工程は、上述した第１製造方法における堆積工程と同様に行われてよい。基板９０の上面９０ａ、及び、基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａが面一となり、平坦面６１を構成する。
続いて、図１０（ａ）に示されるように、マスク層９５を除去する（除去工程）。すなわち、ハードマスク９６をリフトオフする。これにより、ハードマスク９６とともに、ハードマスク９６上に形成されたレジスト９７及び当該レジスト９７上に堆積していたアンテナ材料９３も除去される。その結果、基板９０の上面９０ａ及び基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａにより形成された平坦面６１が露出する。
続いて、図１０（ｂ）に示されるように、被覆材料９９で平坦面６１を被覆する（被覆工程）。被覆工程は、上述した第１製造方法における堆積工程と同様に行われてよい。この被覆材料９９が、メタサーフェス構造体６０の被覆層８０となる。以上により、メタサーフェス構造体６０が製造される。
［メタサーフェス構造体の応用例］
［第１応用例］
図１１を参照して、メタサーフェス構造体６０の照射光学系Ｓ１への第１応用例について説明する。図１１は、メタサーフェス構造体６０を用いた照射光学系Ｓ１を示す図である。
図１１に示されるように、照射光学系Ｓ１は、メタサーフェス構造体６０を用いて集光した光をサンプルＴに照射する光学系である。照射光学系Ｓ１は、メタサーフェス構造体６０、光源１００、及びレンズ１０１を備えている。ここでは、メタサーフェス構造体６０は、複数のアンテナ７０及び外縁部６６により構成されるアンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。図１１に例示されるサンプルＴは、その表面Ｔａに照射対象となる部分（不図示）が形成されるとともに、その裏面Ｔｂが平面状を呈している。メタサーフェス構造体６０は、例えば被覆面８１がサンプルＴの裏面Ｔｂに当接（密着）するように配置されている。
光源１００は、例えば赤外レーザ光等の光を出力するレーザ光源であってもよい。レンズ１０１は、例えばコリメートレンズであり、光源１００により出力された光を平行ビームとなるように調整してメタサーフェス構造体６０の被覆面８１とは反対側の背面６３に入射させる。メタサーフェス構造体６０の背面６３に入射した平行ビームは、メタサーフェス構造体６０により集光され、サンプルＴの表面Ｔａに位置する照射対象となる部分に照射される。なお、照射光学系Ｓ１は、必ずしも上述した光学系に限定されず、例えばレンズ、ミラー等を必要に応じて更に配置してもよい。
［第２応用例］
図１２を参照して、メタサーフェス構造体６０の観察光学系Ｓ２への第２応用例について説明する。図１２は、メタサーフェス構造体６０を用いた観察光学系Ｓ２を示す図である。
図１２に示されるように、観察光学系Ｓ２は、サンプルＴを透過した光を、メタサーフェス構造体６０を用いて集光し、受光器１０２で受光（観察）する光学系である。観察光学系Ｓ２は、メタサーフェス構造体６０、光源１００、レンズ１０１、及び受光器１０２を備えている。ここでは、メタサーフェス構造体６０は、複数のアンテナ７０及び外縁部６６により構成されるアンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。図１２に示されるように、サンプルＴは、キュベットＣ等に収容されていてもよい。メタサーフェス構造体６０は、例えば被覆面８１が受光器１０２上に載置されている。
光源１００は、例えば赤外レーザ光等の光を出力するレーザ光源であってもよい。レンズ１０１は、例えばコリメートレンズであり、光源１００により出力された光を平行ビームとなるように調整してメタサーフェス構造体６０の背面６３に入射させる。メタサーフェス構造体６０の背面６３に入射した平行ビームは、メタサーフェス構造体６０により集光され、受光器１０２の受光部１０２ａに照射される。これにより、受光器１０２は、サンプルＴの像を取得する。なお、観察光学系Ｓ２は、必ずしも上述した光学系に限定されず、例えばレンズ、ミラー等を必要に応じて更に配置してもよい。
［第３応用例］
図１３を参照して、メタサーフェス構造体６０の受光及び観察光学系Ｓ３への第３応用例について説明する。図１３は、メタサーフェス構造体６０を用いた受光及び観察光学系Ｓ３を示す図である。
図１３に示されるように、受光及び観察光学系Ｓ３は、メタサーフェス構造体６０を用いて集光した光をサンプルＴに照射し、その反射光を、ビームスプリッタ１０３を介して受光器１０２で受光（観察）する光学系である。受光及び観察光学系Ｓ３は、メタサーフェス構造体６０、光源１００、レンズ１０１、受光器１０２、及びビームスプリッタ１０３を備えている。ここでは、メタサーフェス構造体６０は、複数のアンテナ７０及び外縁部６６により構成されるアンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。図１３に例示されるサンプルＴは、その表面Ｔａに観察対象となる部分（不図示）が形成されるとともに、その裏面Ｔｂが平面状を呈している。メタサーフェス構造体６０は、例えば被覆面８１がサンプルＴの裏面Ｔｂに当接（密着）するように配置されている。
光源１００は、例えば赤外レーザ光等の光を出力するレーザ光源であってもよい。レンズ１０１は、例えばコリメートレンズであり、光源１００により出力された光を平行ビームとなるように調整して、ビームスプリッタ１０３を透過させてメタサーフェス構造体６０の背面６３に入射させる。メタサーフェス構造体６０の背面６３に入射した平行ビームは、メタサーフェス構造体６０により集光され、サンプルＴの表面Ｔａに位置する観察対象となる部分に照射される。平行ビームは観察対象となる部分において反射し、反射光は、メタサーフェス構造体６０により再度平行ビームに戻され、ビームスプリッタ１０３により受光器１０２に向かって反射する。これにより、受光器１０２は、サンプルＴの像を取得する。なお、受光及び観察光学系Ｓ３は、必ずしも上述した光学系に限定されず、例えばレンズ、ミラー等を必要に応じて更に配置してもよい。
［作用及び効果］
以上説明したように、メタサーフェス構造体６０によれば、複数のアンテナ端面７１及び外縁部端面６７は、平坦面６１を構成しているため、透過光が散乱して不規則な方向に進行することが抑制される。また、このメタサーフェス構造体６０では、複数のアンテナ端面７１上に基材６８と同種の材料を設けなくてよいため、表面の材料選択の自由度が高い。よって、このメタサーフェス構造体６０は、所望の光学特性を実現することができる。
また、メタサーフェス構造体６０では、外縁部６６は、基部６２上において複数のアンテナ７０の間に位置している。つまり、複数のアンテナ７０は、外縁部６６に埋設されている。これにより、各アンテナ７０において外部に露出している面が少なくなる。このように各アンテナ７０の露出面が限定されることで、各アンテナ７０表面の酸化が抑制される。また、当該アンテナ７０が金属からなる場合には、このように各アンテナ７０の露出面が限定されることで、各アンテナ７０表面の硫化が抑制される。換言すると、各アンテナ７０が化学的に鈍感になる。さらに、外縁部６６により各アンテナ７０が側方から物理的に支持されるため、例えばメタサーフェス構造体６０の平坦面６１が観察対象物に当接するような場合に、各アンテナ７０に入力される力を緩衝し、各アンテナ７０を保護することが可能となる。
また、メタサーフェス構造体６０は、第１屈折率及び第２屈折率とは異なる第３屈折率を有し、平坦面６１を被覆する被覆層８０を備えている。これにより、例えば、アンテナ端面７１及び外縁部端面６７と比較して強度の高い材料により被覆層８０を形成することで、当該被覆層８０に平坦面６１の保護層としての機能を持たせることができる。また、用途に応じた好適な屈折率を有する材料により被覆層８０を形成することで、平坦面６１における界面反射を抑制し、透過光の透過率を向上させることができる。よって、このメタサーフェス構造体６０は、被覆層８０を構成する材料を適宜選択することにより、メタサーフェス構造体６０の機能性を向上させることができる。
また、メタサーフェス構造体６０では、複数のアンテナ７０のそれぞれは、平坦面６１に直交する方向から見て、周期的に配列している。これにより、このメタサーフェス構造体６０は、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
また、メタサーフェス構造体６０では、平坦面６１には、波長が例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の光が入力され、複数のアンテナ７０のそれぞれは、平坦面６１に直交する方向から見て、当該波長よりも短い周期で配列している。これにより、このメタサーフェス構造体６０は、複数のアンテナ７０のそれぞれが入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、メタサーフェス構造体６０が連続媒質であるかのように振る舞う。よって、このメタサーフェス構造体６０は、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
また、メタサーフェス構造体６０では、平坦面６１に直交する方向から見て、複数のアンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが平坦面６１内で変化しており、複数のアンテナ７０及び外縁部６６により構成されるアンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。このメタサーフェス構造体６０は、アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、アンテナ部分７２の実効屈折率を制御することができる。これにより、このメタサーフェス構造体６０は、アンテナ部分７２の実効屈折率を調整することにより、従来の半球形状のレンズと比較して、レンズを薄型化することができる。
ここで、例えば非特許文献１に開示されるように、基板と同種の材料を基板上及びアンテナ材料上に堆積させてアンテナ材料を埋め込んだ構造体においては、化学機械研磨（ＣＭＰ：chemical mechanical polishing）等の手法により、アンテナ材料の端面が露出するまで基板と同種の材料を研磨することで平坦面を形成することも考えられる。しかし、この方法では、基板の端面に対してアンテナ材料の端面が凹面状に深く研磨されてしまうため（すなわち、ディッシングが生じてしまうため）、当該構造体の表面が凹凸面を構成することとなる。したがって、この方法では、所望の光学特性を実現することが難しい。
これに対して、このメタサーフェス構造体６０の製造方法によれば、化学機械研磨等の手法を用いることなく平坦面６１を形成することができる。そして、複数のアンテナ端面７１及び外縁部端面６７は、平坦面６１を構成しているため、透過光が散乱して不規則な方向に進行することが抑制される。また、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、複数のアンテナ端面７１上に基板９０と同種の材料を設けなくてよいため、表面の材料選択の自由度が高い。よって、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、所望の光学特性を実現することができる。
また、メタサーフェス構造体６０の製造方法は、除去工程の後に、第１屈折率とは異なり且つ第２屈折率とは異なる第３屈折率を有する被覆材料９９で平坦面６１を被覆する被覆工程を備えている。これにより、例えば、アンテナ端面７１及び外縁部端面６７と比較して強度の高い材料により被覆層８０を形成することで、当該被覆層８０に平坦面６１の保護層としての機能を持たせることができる。また、用途に応じた好適な屈折率を有する材料により被覆層８０を形成することで、平坦面６１における界面反射を抑制し、透過光の透過率を向上させることができる。よって、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、被覆層８０を構成する材料を適宜選択することにより、メタサーフェス構造体６０の機能性を向上させることができる。
また、メタサーフェス構造体６０の製造方法では、エッチング工程において、複数の凹部９０ｃのそれぞれは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成される。これにより、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
また、メタサーフェス構造体６０の製造方法では、平坦面６１には、波長が例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の光が入力され、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、当該波長よりも短い周期で配列するように形成される。これにより、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、各アンテナ７０が入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、メタサーフェス構造体６０が連続媒質であるかのように振る舞う。よって、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、例えば光学素子の一例を実現することができるため、所望の光学特性を実現することができる。
また、メタサーフェス構造体６０の製造方法では、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の凹部９０ｃの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化するように形成される。これにより、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、アンテナ部分７２の実効屈折率を制御することができる。これにより、このメタサーフェス構造体６０の製造方法では、アンテナ部分７２の実効屈折率を調整することにより、従来の半球形状のレンズと比較して、レンズを薄型化することができる。
［変形例］
上述した実施形態は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。
図１４は、変形例に係るメタサーフェス構造体６０Ａを示す正面図である。図１５は、図１４のメタサーフェス構造体６０Ａの各アンテナ部分を示す平面図である。メタサーフェス構造体６０Ａは、図１４において破線で示されるように、平坦面６１とは反対側に、アンテナ部分７２と同様の構成を有する別のアンテナ部分８２を備えていてもよい。別のアンテナ部分８２は、アンテナ部分７２と同様に基材６８に埋設されている。或いは、メタサーフェス構造体６０Ａは、別のアンテナ部分８２に代えて、図１４において二点鎖線で示されるように、平坦面６１とは反対側に、基材６８上に形成された更に別のアンテナ部分８２Ａを備えていてもよい。更に別のアンテナ部分８２Ａは、例えば基材６８に立設された複数のアンテナにより構成されていてもよく、これらの複数のアンテナの間には空気層が形成されていてもよい。図１４及び図１５では、メタサーフェス構造体６０Ａは、レンズとして機能し、集積回路１１ｃが表面に形成された半導体デバイス１１の裏面に当接されている。このように、メタサーフェス構造体６０Ａがレンズとして機能するときには、アンテナ部分７２のみを備えるメタサーフェス構造体６０よりもレンズの数が増えるため、光Ｒは各アンテナで集光されて倍率が更に拡大される。なお、図１５に示されるように、Ｚ方向から見て、上記の別のアンテナ部分８２，８２Ａの面積は、アンテナ部分７２の面積よりも大きくてもよい。これによれば、光Ｒが入力されない領域にアンテナ部分７２を形成する必要がないため、製造が容易になる。
また、上記実施形態において、メタサーフェス構造体６０は、Ｚ方向から見た形状について特に限定されず、例えば、Ｚ方向から見て円形状であってもよい。
また、上記実施形態において、アンテナ７０は、形状について特に限定されない。例えば、アンテナ７０は、アンテナ部分７２のメタサーフェス構造の方式に応じた形状であってもよい。
また、上記実施形態において、アンテナ７０は、シリコンにより形成されていなくてもよい。例えば、アンテナ７０は、ゲルマニウム、金、銀、クロム、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ケイ素等により形成されていてもよい。これらの場合であっても、アンテナ部分７２の実効屈折率を好適な値とすることができる。なお、アンテナ７０の材料としては、平坦面６１に入力される光が近赤外帯域の光である場合にはシリコン、ゲルマニウム等が用いられてもよく、平坦面６１に入力される光が可視域の光である場合には酸化チタン、窒化ケイ素等が用いられてもよい。
また、上記実施形態において、アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、マトリクス状に限らず、例えばハニカム状、放射状等となるように周期的に配列していてもよい。或いは、アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、非周期的に配列していてもよい。
また、上記実施形態において、基部６２と外縁部６６とは、一体に形成されていなくてもよい。つまり、基部６２と外縁部６６とは、別部材として形成されていてもよい。この場合、少なくとも外縁部６６のみが第２屈折率を有していればよく、基部６２は第２屈折率を有していなくてもよい。
また、上記実施形態において、メタサーフェス構造体６０は、被覆層８０を備えていなくてもよい。また、メタサーフェス構造体６０は、薄膜状又は平板状を呈していなくてもよい。
また、上記実施形態において、メタサーフェス構造体６０は、配列した複数のアンテナ７０を備えることで光学素子として機能すればよく、必ずしも上記実施形態におけるメタサーフェス構造体６０と同様に機能しなくてもよい。つまり、メタサーフェス構造体６０では、レンズ以外の光学素子として機能するように、アンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有していてもよい。例えば、メタサーフェス構造体６０は、回折格子、ホログラム等の光学素子として機能してもよい。
また、上記実施形態において、堆積工程よりも後に（例えば、堆積工程の後であって除去工程の前、除去工程の後であって被覆工程の前、又は、被覆工程の後に）、少なくともアンテナ材料９３を加熱する加熱工程を備えてもよい。これによれば、平坦面の平坦性を向上させることができる。
６０…メタサーフェス構造体、６１…平坦面、６２…基部、６６…外縁部、６７…外縁部端面、６８…基材、７０…アンテナ、７１…アンテナ端面、８０…被覆層、９０…基板、９０ａ…上面、９０ｃ…凹部、９１，９５…マスク層、９２，９８…開口部、９３…アンテナ材料、９３ａ…上面、９９…被覆材料。

Claims (10)

  1. 配列した複数の微細構造を備えることで光学素子として機能するメタサーフェス構造体であって、
    基部及び前記基部に隣接する外縁部を有する基材と、
    第１屈折率をそれぞれ有し、前記基部の一方側における前記基部上に配列するとともに、前記基部とは反対側にアンテナ端面をそれぞれ有する複数の前記微細構造としての複数のアンテナと、を備え、
    前記外縁部は、前記第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、前記基部上において複数の前記アンテナの間に位置するとともに、前記基部とは反対側に外縁部端面を有し、
    複数の前記アンテナ端面及び前記外縁部端面は、平坦面を構成する、メタサーフェス構造体。
  2. 前記第１屈折率及び前記第２屈折率とは異なる第３屈折率を有し、前記平坦面を被覆する被覆層を備える、請求項１に記載のメタサーフェス構造体。
  3. 複数の前記アンテナのそれぞれは、前記平坦面に直交する方向から見て、周期的に配列している、請求項１又は２に記載のメタサーフェス構造体。
  4. 前記平坦面には、波長が３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の光が入力され、
    複数の前記アンテナのそれぞれは、前記平坦面に直交する方向から見て、前記波長よりも短い周期で配列している、請求項３に記載のメタサーフェス構造体。
  5. 前記平坦面に直交する方向から見て、複数の前記アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが前記平坦面内で変化しており、複数の前記アンテナ及び前記外縁部により構成されるアンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のメタサーフェス構造体。
  6. 配列した複数の微細構造を備えることで光学素子として機能するメタサーフェス構造体の製造方法であって、
    第２屈折率を有する基板上にマスク層を形成する層形成工程と、
    前記基板上に形成された前記マスク層に複数の開口部を形成する開口工程と、
    複数の前記開口部を介してエッチングを行い前記基板に複数の凹部を形成するエッチング工程と、
    複数の前記開口部のそれぞれを介して、前記第２屈折率とは異なる第１屈折率を有するアンテナ材料を少なくとも前記基板上に堆積させる堆積工程と、
    前記マスク層を除去する除去工程と、を備え、
    前記堆積工程において、前記基板の上面及び前記アンテナ材料の上面が平坦面を構成するように前記アンテナ材料を堆積させる、メタサーフェス構造体の製造方法。
  7. 前記除去工程の後に、前記第１屈折率とは異なり且つ前記第２屈折率とは異なる第３屈折率を有する被覆材料で前記平坦面を被覆する被覆工程を備える、請求項６に記載のメタサーフェス構造体の製造方法。
  8. 前記エッチング工程において、複数の前記凹部のそれぞれは、前記基板の上面に直交する方向から見て、周期的に配列するように形成される、請求項６又は７に記載のメタサーフェス構造体の製造方法。
  9. 前記平坦面には、波長が３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の光が入力され、
    前記エッチング工程において、複数の前記凹部のそれぞれは、前記基板の上面に直交する方向から見て、前記波長よりも短い周期で配列するように形成される、請求項８に記載のメタサーフェス構造体の製造方法。
  10. 前記エッチング工程において、複数の前記凹部のそれぞれは、前記基板の上面に直交する方向から見て、複数の前記凹部の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが前記基板の上面内で変化するように形成される、請求項６〜９のいずれか一項に記載のメタサーフェス構造体の製造方法。
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