JP3628964B2 - 三次元のミクロ機械加工された電磁装置およびそれに関連する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
政府の権利
米国政府は、契約＃Ｆ33615-97-C-1101の下、本出願における権利を有している。
【０００２】
発明の分野
本発明は、真の三次元（３Ｄ）電磁装置、例えばマイクロアンテナ、およびそれにより作られた装置に関する。本発明は、真の３Ｄ電磁装置を作る方法に関し、それは広帯域インピーダンス特性、円偏波を示し、単純な給電ネットワークを許容し、左右の偏波が容易に実現される。本発明は、さらに、ヘリカルマイクロアンテナを作ることに関し、それは特にＴＨｚの周波数領域および、それにより作られたアンテナにおける使用に対して好都合である。
【０００３】
発明の背景
アンテナは長年にわたって存在してきた。平面およびウイスカーアンテナは、しばらくの間、低ＴＨｚの周波数領域の研究に使われてきた。ＴＨｚ領域は、例えばＭＲＩへの応用において興味がある。今日の技術は、平面マイクロストリップアンテナを使っている。今日のアンテナは、ある条件、例えばＴＨｚの周波数領域での円偏波の下での性能のために必要な真の３Ｄ構造を備えていない。
【０００４】
この周波数領域用の真の３Ｄヘリカルアンテナの配列を成功裏に組立てる低コストの方法は、増大したアンテナゲインおよび円偏波した放射パターンを作り出す能力のため、ＴＨｚの周波数領域の有用性を大いに増大させるであろう。さらに、３Ｄ電磁装置を必要とする他の応用がそのような低コストの方法から利益を得るであろう。
【０００５】
発明の概要
それ故に、本発明の目的は三次元のマイクロ電磁装置を提供することにある。さらに、三次元のマイクロ電磁装置を作る方法を提供することが本発明の目的である。熱伝導性基板への蒸着を開始するために必要なエネルギーを減少させるための形態を提供することが本発明のもう一つの目的である。
【０００６】
これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、三次元の電磁装置を形成する方法により実現され、それは導電性の表面とこの導電性の表面への三次元構造のレーザ化学蒸着（レーザ化学蒸着法）を含み、それにより電磁装置を形成する。円柱は半導体の基板に形成され、蒸着はこの円柱上で開始される。この電磁装置は、アンテナのための基礎面として利用できる導電性の表面を備え、アンテナであってもよい。
【０００７】
上記提供は、ボロメータの形成を含み、上記蒸着はこのボロメータに三次元構造を形成する。上記方法は、さらにボロメータの中心の下方にくぼみを形成し、このくぼみの上方におけるボロメータの部分に蒸着を行うことを含んでいる。このボロメータの形成は、さらに導電性基板上にボロメータを吊下げることを含んでいる。アンテナに対する補償ボロメータが形成されてもよい。
【０００８】
形成された上記電磁装置は、複数の電磁装置のアレイであってもよい。この配列の各装置の蒸着は、同時に行われてもよい。
【０００９】
これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、熱伝導性基板上に三次元構造を成長させることにより実現され、熱伝導性基板および三次元構造のレーザ化学蒸着上に円柱を形成することを含み、この円柱にレーザビームを集束させることを含んでいる。この形成は、レーザの焦点の直径よりも小さい直径を有する円柱に先端（ tip ）を設けることを含んでもよい。この形成は、少なくとも直径の４倍の高さを有する円柱を設けることを含んでもよい。
【００１０】
これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、導電性の表面、およびレーザ化学蒸着により成長させられ、上記導電性の表面上に形成された三次元構造を有するファイバを含む電磁装置により実現される。この三次元構造は、螺旋形のものでもよい。この螺旋形のものは方形螺旋形のものでもよい。上記三次元構造はダイポールのアレイでもよい。上記導電性の表面はボロメータでもよい。上記三次元構造は強磁性でもよい。これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、レーザ化学蒸着により成長させられた構造が形成されることになっており、熱伝導性の表面とこの熱伝導性の表面に形成された熱伝導性の円柱を備えた基板により実現され、上記構造は上記熱伝導性の円柱上にて成長を始める。上記円柱の先端はレーザ化学蒸着に使われるレーザの焦点の直径よりも小さい直径を有してもよい。この円柱は少なくとも直径の４倍の高さを有してもよい。
【００１１】
さらに、本発明の適用範囲は、以下の詳細な記述から明らかになるであろう。しかしながら、この詳細な記述および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示す一方、この詳細な記述から本発明の精神および範囲内において種々の変更および修正が当業者にとって明らかになるであろう故、例示としてのみ与えられていると理解されるべきである。
【００１２】
本発明は、以下の詳細な記述および例示としてのみ与えられ、従って本発明を限定するものではない添付の図からより十分に理解される。
【００１３】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明による真の３次元（true three−dimensional）マイクロ電磁装置を形成する問題に対する一般的解決は、レーザ化学蒸着法（Laser Chemical Vapor Deposition：ＬＣＶＤ）を利用することである。したがって、ＬＣＶＤプロセスをまず一般的に説明し、次にＬＣＶＤプロセスを使用して本発明による３Ｄマイクロ電磁装置を形成する方法を説明する。
【００１４】
ＬＣＶＤプロセスは、基板の面に複雑な３−Ｄ構造を形成するのに使用することができる。金電子プレーティングや基板異方性エッチングのような確立されたマイクロ加工処理と組み合わせると、ダイポールや螺旋アンテナのようなマイクロ電磁装置をチップ上に形成して、１００ＧＨｚから２ＴＨｚまでの範囲の周波数で動作することができる。
【００１５】
本発明は、熱伝導性の面にＬＣＶＤでマイクロ構造を形成することに関連した問題を扱っている。本発明はさらに、ＴＨｚ領域で放射を検出することに関連した問題を扱っている。
【００１６】
レーザ化学蒸着法（ＬＣＶＤ）
レーザ化学蒸着法（ＬＣＶＤ）は、特に極小径の構造の形成におけるファイバ合成のための確立された方法である。このプロセスでは、反応ガスおよび蒸着材料を含有するガスは、反応槽または反応器を通って流れる。反応槽は構造が形成される面を収容している。レーザビームの焦点は面上の回折限界スポット（diffraction limited spot）に合わせられる。レーザエネルギを集中させると、反応槽内の飽和ガスが凝固する。これにより、面上に小領域の焦点で化学蒸着（deposition）が引き起こされる。高圧の使用は必須である。対流熱伝達率が大きくなり、回折限界レーザビーム焦点に対してＣＶＤが生じる高温領域を制限するからである。
【００１７】
反応分子が１０μｍの径の構造のレーザ加熱端を包囲する熱境界層を通って拡散するのに必要な時間は、大気ガス圧が１ｂａｒのとき約１０-6秒である。均一ガス相反応は、エチレン、アセチレン、シラン、ゲルマンその他大いに不安定なガスに対してさえも、これらの条件では生じない。したがって、高反応圧力と高蒸着温度が使用され、非常に速い蒸着率が可能である。
【００１８】
ＬＣＶＤによる真直ファイバの形成は、図１Ａ−１Ｃに示されている。連続波レーザビーム１２は、レンズ１４によって基板１６に焦点を合わされる。基板１６に焦点を合わされたスポットのサイズは、生成されるファイバの所望の径に依存する。このプロセスにおいて、反応ガスは基板１６を収容する反応槽を通って流れる。この反応ガスは、ファイバ典型的にはカーボンを形成するためのガス状蒸着材料と混合された前述の不安定ガスのいずれかを含む。レーザビーム１２は蒸着プロセスの開始のために高温を達成するのに十分な強度を有する。要求される特定の強度は、使用される蒸着材料、使用される不安定ガス、基板材料、圧力等に依存する。開始に要求される温度は典型的には１０００℃のオーダーである。この開始は図１Ａに示されている。図１Ａでは、蒸着材料は基板１６のレーザ加熱領域１８すなわちレーザビーム１２の焦点が合わされた領域に蒸着される。
【００１９】
成長が開始されると、ファイバ２０はレーザビーム１２の焦点から基板１６を引き離すことによって成長する。引張速度が成長速度と異なると、真直ファイバは点に成長する。７．５バールの圧力のエチレン内でカーボンファイバを成長させるために、所望の成長速度に必要なレーザパワーのプロットは図２に示されている。
【００２０】
ファイバ２０が成長し始めるにつれて、レーザパワーを減少させる必要がある。レーザ加熱領域１８からの熱損失はファイバ２０が基板１６から離れて成長するにつれて減少するからである。ファイバ先端近傍の温度勾配は非常に大きい。これにより、ファイバ長さがその径より数倍大きくなると、一定のファイバ先端温度および成長速度が達成される。基板１６が引っ張られるにつれ、蒸着点はレーザ加熱領域１８に残る。
【００２１】
ＬＣＶＤの圧力の上限は、加熱される対象の径に逆比例する。圧力と構造の径の積が約１００μｍバール以下であれば、ガス相反応は最小であるか生じなくなる。１０００μｍ／ｓまでの率でのＬＣＶＤファイバ合成が達成される。
【００２２】
一定速度での線形ＬＣＶＤは、一定のレーザパワー、反応器圧力およびファイバ引張速度と、レーザビームが焦点に収束する領域における蒸着点の設置とを要求する。もし引張速度が緩やか過ぎるなら、ファイバ先端は、レーザビーム径が大きく強度が小さい領域に成長する。この結果、ファイバ先端温度と成長速度が減少し、成長速度はファイバ引張速度と一致する。同様に、ファイバ先端が焦点の近くまで引かれると、速く成長して、速すぎる引張速度と一致する。この固有の制御機構（正のフィードバック）により、非常に複写可能（reproducible）で一定のファイバ成長状態になり、均一な特性で材料を合成することができる。
【００２３】
ＬＣＶＤを使用する３次元構造の生成
上記のような線形ファイバ成長の正のフィードバックは、図３Ａ−３Ｂに示すように、螺旋構造が形成されるときには、存在しない。このような構造を形成する際に、基板は所望の構造軸の周りに回転され、必要とされる螺旋寸法を生じる率で３直交軸に沿って平行移動される。
【００２４】
螺旋構造を形成するには、Ｚ−軸に沿って基板を変位させるだけで十分な線形ファイバの成長よりも、より広範囲の制御システムが必要とされる。焦点および構造は回転させなければならないだけでなく、Ｘ−軸、Ｙ−軸、Ｚ−軸に沿って互いに平行移動させて、螺旋を形成しなければならない。
【００２５】
このような制御システムの例は、図３Ａに示されている。マイクロ−ステッピングモータ２６は、ファイバ２２が成長する基板１６を収容する反応器２８のベースに固定されている。反応器２８それ自身は、従来のものであり、ガス状蒸着材料と不安定ガスを受け入れるための図示しないポートを備えた閉じ込み構造からなる。反応器２８の４つの壁と上壁は、窓を有し、これによりレーザビーム１２はその中に進入することができる。典型的には、ステッピングモータ２６の軸に垂直である平坦な面の上で、構造はＬＣＶＤプロセスによって成長する。
【００２６】
反応器２８およびそれに取り付けたられたステッピングモータ２６は、図示しない大きな制振光学テーブルの表面にボルト締めされている３軸系３０によって空間内に位置決めされる。前記ＬＣＶＤレーザおよび全てのレンズは同じテーブルにしっかりと固定されている。このため、前記システムは、形成されるべき構造の形に従ってコンピュータ３２によって制御される４軸、すなわち、３軸系３０の直交するＸ，ＹおよびＺ軸と、ステッピングモータ２６によって提供される回転θ軸とからなる。軸がθ軸に垂直であるステッピングモータ２６の旋回角度は第５軸を形成し、該第５軸は構造物が形成されるべき基板１５の表面に対してレーザビーム１２の入射の固定角度を設定するために調整できる。ステッピングモータ２６の制御に加え、コンピュータ３２は成長過程の自動化を更に提供するために、レーザ出力，ガス流量比，ガス圧を、これらの要素に適切に接続することで、制御できる。
【００２７】
レーザの焦点と基板１６との間の相対動作だけが重要であるので、自由度４の動作は多数の方法により焦点と基板１６との間で分けることができる。他の例は図３Ｂに示され、レーザ光は、関連レンズ１４とともにハウジング３６内に取り付けられているファイバ３４に伝えられる。Ｘ，ＹおよびＺ軸内での要求される３次元動作はハウジング３６の動作によって行われる。基板１６は、θ方向に動かすため、未だこの図面に図示されていないステッピングモータ２６に取り付けられている。上述のように、これらの全ての動作はコンピュータ３２によって制御される。
【００２８】
同じサブシステムで全てのＸ，ＹおよびＺ動作は必要ではない。例えば、円運動は、基板１６が軸方向に引き下げられる間にレーザビーム焦点に提供できる。レーザ焦点の円運動は、レーザビーム軸に対して傾斜している薄いガラス板に集束ビームを通過させることによって達成できる。ガラス板は、レーザビームの屈折変位によって円運動を達成するように回転される。
【００２９】
円形螺旋に対しては、図４Ａに平面で示すように、成長点１８と回転軸との間の線がビーム方向に対して垂直である場合にのみ、回転に起因する螺旋構造のファイバ２２の矢印２４で示す引っ張り方向がレーザビーム１２の軸に一致する。成長点１８は、ファイバの適切な成長を保障するために、基板が回転する際に、レーザビーム１２の焦点に維持されることが必要である。成長条件の正確な制御は、この条件を達成するために要求され、成長点を検出する間のレーザ出力あるいは回転比のいずれかをフィードバック制御することによって達成できる。例えば、成長点１８が基板１６から更に移動するにつれて、自然対流比が増加し、この結果化学搬送比が増加し、他の条件が一定のままであれば、図４Ｂで示すようにレーザ１２の焦点から更なる位置に成長点１８が進む。これにより、回転軸からの放射距離が増加し、レーザビーム軸から離れるように加熱あるいは成長領域１８が動く。回転によって誘導される動作は、より大きなレーザ強度の領域からより小さなレーザ強度の領域にあるので、フィードバックは負であり、成長過程は、レーザ強度および／または回転比の正確な制御なしに終わらせることができる。
【００３０】
レーザ強度および／または回転比を正確に制御することの代案は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように方形螺旋を構成することである。方形螺旋３７はセグメントが成長する間に４つの真っ直ぐなセグメントを９０度螺旋状に回転して創られる。各セグメントが成長する間、基板は、線状ファイバを形成するのに、回転でなく、平行移動を必要とするだけである。図５Ａ，図５Ｂに示すように、平行移動だけの使用とは、引っ張り方向が適切に配置されたレーザビームの軸と簡単に一致し続けることを意味する。各方形螺旋３７は、該方形螺旋３７の形成前に基板１６の島３９に形成されている線状ファイバ３８の周囲に形成される。また、このアプローチは、図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、螺旋アンテナのアレイが直ちに成長することを許容する。図５Ａおよび５Ｂのアレイは連続して形成されるように示されているが、マイクロレンズのアレイを提供し、各マイクロレンズを各ファイバに対応させることで、その成長を同時に行なわせることができる。
【００３１】
図５Ｃに示す線状ファイバから形成された単極アレイまたはダイポールアレイのような他の形状を形成できる。明らかに、ここに開示されたいくつかの構造のアレイは、特に、マイクロレンズを使用して同時にアレイのエレメントを形成することにより、同一の基板に形成できる。さらに、回析レンズを使用して点（spot）よりも集束部 (focus)にパターンを形成すると、ファイバ成長は中実でなくなる。例えば、回析レンズを使用し、集束部にリングを形成して中空ファイバを形成するようにしてもよい。
【００３２】
螺旋ＴＨｚアンテナ設計
螺旋アンテナは、図６に示すように、仮想の円筒形の周囲に巻回された導線として描くことができる。前記導線は時計回りあるいは反時計回りに巻回でき、これにより、その方向に従って所望の円偏波を提供する。
【００３３】
図６において、 sは螺旋の巻回の隙間であり、Ｄは螺旋の直径であり、Ｃは螺旋の外周あるいはπＤであり、αは螺旋のピッチ角であって tan α = s/C = s/ πＤであり、あり、Ｌは螺旋Ｌ=（Ｓ2＋Ｃ2）1/2の巻回の長さであり、Ｎは巻回数であり、ＬTは螺旋の全長であり、ｄは螺旋ワイヤの直径である。ピッチ角αはどの程度きつく螺旋が巻かれているかの基準を提供する。与えられた外周により、αのより小さい値は巻回の隙間に近づくことを意味する。
【００３４】
螺旋アンテナの操作はトランスミッションおよび放射モードの用語で記述できる。トランスミッションモードは電磁波が螺旋に沿ってどの様に伝播するのかを記述する。低周波で、波長が螺旋外周よりも十分に長い場合、電流の配電において正と負の電荷の領域は多くの巻回によって分けられる。この分配により、電場は螺旋軸に沿って主に方向付けされるようになる。波長が螺旋の外周の長さに近づく場合の周波数で、より高いオーダーのトランスミッションが生じる。
【００３５】
放射場パターンは励起された放射モードに依存する。主として、ノーマルモードと軸モードとの２つのモードがある。軸モードアンテナは最も広く使用されるモードである。実際、軸モード螺旋アンテナは、空中あるいは地上のいずれかで、最も広く使用された円形偏光アンテナである。軸モードが生じるために、操作周波数は、螺旋の外周が０．７５λおよび１．３３λの範囲内でなければならない。軸モードは螺旋軸に沿って方向付けられた対称メインローブ（ lobe ）によって特徴づけられる。他方、ノーマルモードのため、最大電界強度は軸に垂直方向（ノーマル）に生じる。この場合の放射抵抗は非常に低く、それゆえ、ノーマルモード螺旋は非常に有効なアンテナではない。１ＴＨｚモードアンテナのため、螺旋の次元は、例えば、
Ｃ=３４１．３０７μｍ
ｓ=８１．３μｍ
ｄ=１５μｍ
Ｎ=５巻き
α=１３度
本発明に従ってＬＣＶＤを使用してアンテナを形成できる。
【００３６】
ｘ基板
前述のように、レーザ出力の調整は、基板から成長が開始され維持されるように要求されてもよい。熱伝導性基板への伝導による熱損失は、成長するファイバの先端から一方向の熱伝導を維持するためよりも、その成長を開始するために、より大きな入射レーザ出力を必要とする。
【００３７】
実際に、開始は、図７Ａに示すように、表面が薄いグラファイト層４２、例えば、入射レーザ出力の吸収を促進するためのペンシルリード線（the pencil lead）を備えた紙基板４０によって簡単になされる。そして、紙基板４０は、集束レーザビームが焦点に収束する領域を通って引っ張られる。紙基板４０は加熱されて炭素材料に分解し、該炭素材料はＬＣＶＤを開始するために低伝導基板として提供される。焦点に接近するにつれて、炭化した紙表面はＬＣＶＤを開始するのに十分な温度に到達する。すなわち、ファイバは引っ張られるのと同じ速度で形成されると共に定常状態に素早く成長する。
【００３８】
しかしながら、アンテナ等、多くの適用例のために、導電性基板にファイバを成長させ、同時に一般的な熱伝導性をも備えることが必要とされている。上述のように、そのような基板はレーザビームから必要とされる熱を吸収するため、同じ開始温度に到達するのにより多くのエネルギーが要求されるという付随する問題がある。図７Ｂ及び７Ｃに示す構成は、伝導基板を設ける一方、開始及び定常状態のＬＣＶＤを行なうために図７Ａに示す紙基板と同じレーザビーム出力を使用する。それで、このような構成により、従来、熱伝導性基板に必要とされていた出力から、必要な開始出力が削減される。
【００３９】
図７Ｂ中、ファイバ２２はスチール基板４４上に成長する。必要な開始出力は、非常に薄い、例えば、２５μｍオーダーのスチールストリップ基板を使用することにより削減される。スチール基板４４の上に開始時に形成される、より大きな外径の蒸着部（deposit）２３のように、幾つかの制御不能な蒸着部が開始時に発生した。蒸着部が形成され始めるとすぐにレーザビームを遮断すると共にレーザ強度を弱めることにより、削減されたレーザ出力、すなわち、定常状態（steady state）のＬＣＶＤにとって必要とされる出力で、よく制御された成長が得られる。
【００４０】
図７Ｃでは、例えば、シリコン又はＧａＡｓ等の半導体基板４６が使用され、開始に必要とされるレーザ出力は、半導体基板４６の周囲をエッチングして円柱４８を形成することにより削減される。高熱伝導性を有するシリコンを基板として使用すると、反応ガスとしてエチレンとシランの混合物を使用できるという利点がある。円柱４８は十分に細く、一般的には１０μｍオーダーであるので、熱伝導が一次元で行われ、熱が十分に速く逃げることはないので、開始に十分な温度に上昇する。そして、ファイバ２２はこの円柱４８に形成される。ところが、幾つかの制御不能な蒸着が開始時に発生し得る。制御不能な蒸着は、円柱４８をその直径の約４倍の長さを有するように形成することによって回避することができる。これに代えて、あるいは加えて、円柱４８の先端の直径がレーザの焦点よりも小さく形成されていれば、円柱４８はより少ないエネルギーを吸収するので、これを温度を上昇させるために使用することが可能となる。再び、蒸着部が形成され始めるとすぐにレーザビームを遮断すると共にレーザ強度を弱めることにより、よく制御された成長が、削減されたレーザ出力、すなわち、定常状態（steady state）のＬＣＶＤにとって必要とされる出力で得られる。
【００４１】
本発明に係る円柱４８を形成する場合、ＬＩＧＡ処理（ＬＩＧＡは公知である電気鋳造／プレーティング処理のドイツ語の頭字語である。）のような同様な電着の手法を利用できるが、アンテナの厚みが余り大きくないため、フォトレジスト、例えば、ＰＭＭＡを露光するためのＸ線を必要としない。エッチングの前にＰＭＭＡを露光するために紫外線放射を使用する場合、処理は約２５μｍ厚の層が限界となる。
【００４２】
処理の工程は、後述するように図８Ａ−８Ｆに示され、それらは円柱４８及び形成された円形の基礎面の断面図である。２つの円柱４８及び基礎面のペアがこれらの図に示され、そのようなペアのアレイは同一基板に形成される。図８Ａでは、アンテナが形成された基板６０が提供されている。基板６０は、集積回路に電着材料が使用されていれば、シリコン又はＧａＡｓであるのが好ましい。そうでなければ、基板６０には、石英、サファイア、あるいは、プリント回路基板を形成するのに使用されるのと同様なファイバグラス材料でさえ使用可能である。そして、クロム層は、基板６０上に金属層６２を形成するための金又は銅のようなプレーティングシード層（a plating seed layer）によって続けて表面に蒸着される。
【００４３】
そして、フォトレジストは金属層６２の表面でスピンし、焼かれる。フォトレジストは、図８Ｂに示すように、フォトレジストパターン６４を形成するためにマスクパターンと共に露光される。金属層６２は、図８Ｃに示すように、金属パターン６６を形成するためにフォトレジストパターン６４に従ってエッチングされる。
【００４４】
図８Ｄに示すように、例えば、ＰＭＭＡのフォトレジスト層６８は、次に置かれるプレーティング金属層の所望の厚さまで蒸着される。これは、一般的は約２５μｍである。そして、フォトレジスト層は、パターン化されたメタル６６の上に開口７０を設けるためにエッチングされる。金属層７２は、図８Ｅに示すように、フォトレジスト層６８に開口７０を電気メッキするために使用される。
【００４５】
最後に、全てのフォトレジストは、基板６０の金属構造を残して溶剤により洗浄される。残る金属構造は、図８Ｆに示すように、回路基礎基板キャビティ７４及びアンテナ円柱７６を形成する。アンテナ円柱７６はＬＣＶＤ処理のための開始ポイントとして使用される。
【００４６】
このように、薄い構造を使用したり、円柱を設けることにより、熱伝導表面は、ＬＣＶＤを使用して成長したマイクロ構造を形成することができる表面として使用することができる。また、本発明により、開始温度に到達し、良好な定常状態に制御可能となる。これに代えて、非熱伝導表面を使用して、マイクロ構造を形成し、表面をめっきしてもよい。
【００４７】
ＴＨｚアンテナでの検出
ソリッドステート技術の現状では、ＴＨｚ周波数領域のための駆動素子は殆どない。このため、ＴＨｚ領域で使用するために、図９に示すように、本発明に従ってボロメータ８２上にアンテナ２２を形成し、１ＴＨｚ電源８０からの熱の形態の放射を、ボロメータ８２の抵抗の変化に転換するのが都合がよい。
【００４８】
好ましくは、２つのボロメータ８２，８４が並設され、一方が実装された螺旋状のアンテナを備え、測定ボロメータ８２として提供され、他方がアンテナを備えず、補償ボロメータ８４として提供される。補償ボロメータ８４は、それ自身のボロメータの構造上に入射する放射線によるボロメータ熱の影響を打ち消すために使用されている。熱伝達は３つの手段、すなわち伝導、対流、及び輻射によって引き起こされる。最良の結果を得るために、ボロメータ自体を介して伝導する熱移動を制限する必要がある。それゆえ、対流によるボロメータからの熱損失を最小限にするため、評価システムが、ベルの魔法びんのような低圧環境内に配置されている。放射による熱損失が大きい結果、ボロメータの感度が減少する。ボロメータからの放射性熱損失の総量は、ボロメータ材料の放射率に部分的に依存する。従来の低周波電子機器８８が、受けとった放射線からの熱による抵抗の増加量を測定するために使用されている。抵抗変化は、表示装置９０に表示してもよい。
【００４９】
測定ボロメータ８２は、３つの機能を提供する。アンテナ２２により受けとられ、接続されているＴＨｚの放射線の総計を温度変化に基づく抵抗を変化させることによって測定することに使用されている。測定ボロメータ８２は、アンテナが取り付けられている構造的基部である。また、測定ボロメータ８２は、螺旋形状アンテナに対する基礎面として機能する。
【００５０】
ボロメータを作るために使用される材料は、ＬＣＶＤプロセスの開始時に、融解することがない高い融点を有することが必要であり、シリコン基板上にスパッタ蒸着して薄膜を形成することが可能であり、また、十分な感度を有するように、例えば０．００４／℃の抵抗の高温度係数を有することが必要である。適する材料は、クロム、鉄、ニッケル、プラチナおよびタングステンを含む。
【００５１】
ボロメータは、図９において示すように、共融問題（eutectic problem）を防止し、ボロメータ構造を介する熱移動を最小限にし、さらにシリコン基板への熱移動をボロメータ構造の両端に制限するように、吊橋構造（suspended bridge structure）に設計されている。前述したボロメータ材料は、それ自身の重量およびその上に形成されたアンテナの重量を支持するのに十分な機械的強度を有することが好ましい。
【００５２】
吊り下げられたボロメータ構造の長さを最大化するとともに断面積を最小化するために、図１０に示すように、ボロメータ材料のストランド（strand）９８から形成された２重螺旋構造を使用することが好ましい。螺旋の中央部にＬＣＶＤ螺旋形状アンテナを成長させる。ボロメータを１ｍｍ四方の正方形に形成する場合、例えば、ボロメータストランド９８は、吊り下げられた長さは３９．２７ｍｍであり、幅は１０μｍである。このボロメータストランド９８の高さは、アンテナに適する所望のインピーダンスを得るように変更される。これにより、螺旋形状アンテナとボロメータとの間の効果的なエネルギー移動を提供することができる。
【００５３】
ボロメータ／アンテナユニットの形成は、まず半導体基板より始める。ＳｉまたはＧａＳを含む異なる基板材料を使用することができる。１つのダイスのみが図示されているが、多数のダイスを基板ウエハ上に形成することが可能であり、もしくは形成してもよい。基板は、洗浄されフォトレジスト層を用いてパターン形成され、ボロメータが上に形成される領域を規定する。２つのボロメータ、すなわち、各アンテナのための一対のボロメータが、図１１Ａに示すように並んで形成される。螺旋形状アンテナ２２は、ＬＣＶＤプロセスを用いてボロメータ８２の中央部に形成されるとともに、他方のボロメータ８４は、ボロメータ上に直接入射する放射線に起因するボロメータの加熱の影響を打ち消すために使用される。ボロメータ構造は、所望の材料厚さを形成するのに費やされる時間だけ、スパッタリング法により蒸着される。図１１Ａは、２つのボロメータ材料が所定の場所の上に形成された基板を示す。
【００５４】
図１１Ｂにおいて示すように、次に、基板８１は、フォトレジスト１００により覆われパターン形成され、凹所（pit）１０２が、その上にアンテナを形成することができるようにボロメータの中央の下側にエッチングされる。この凹所１０２により、アンテナ構造をボロメータ中央部の上に形成することが可能となり、凹所１０２はボロメータの熱伝導性を減少するのに役立つ。これにより、ＬＣＶＤの初期温度に達するのに必要とされる強度を低下することができる。硬化したフォトレジスト１００は、後の電子プレーティング工程においてパターン形成するために、基板上の残りの部分に残される。
【００５５】
螺旋形状アンテナ２２は、図１１Ｃに示すように、ボロメータ８２の中央部上の凹所１０２の場所にＬＣＶＤプロセスを用いて形成される。次に、電子プレーティング法を使用することにより、金の薄膜がアンテナ構造および露出されたボロメータストランド上に蒸着される。これにより、アンテナの伝導性および機械的強度が増大される。次に、図１１Ｄに示すように、残っているフォトレジスト１００が取り除かれる。
【００５６】
そして、基板は再びフォトレジストを用いてパターン形成され、ボロメータの下側において吊り下げられたボロメータを形成するためにエッチングされる全体の領域を定める。次に、基板の前記領域はエッチングされる。次に、残っている硬化したフォトレジスト１００が取り除かれ、図１１Ｅに示すように、ボロメータ８２、８４は、ギャップ１０４，１０５を介して基板８１上に吊り下げられるとともに、その両端において基板８１と接触しているボロメータ／アンテナユニットとなる。
【００５７】
本発明によると、ＬＣＶＤによって形成されたアンテナは、直接ボロメータ上に形成することが可能であり、ＴＨｚの放射線を検出することに使用される。このボロメータは、またアンテナの基礎面としても役立つ。
【００５８】
ＬＣＶＤプロセスの追加の実施形態
螺旋マイクロ構造は、４０μｍから約１．１ｍｍの範囲の直径を有するように形成され、これは１００ＧＨｚから２．７ＴＨｚの周波数領域で機能する螺旋形状アンテナをＬＣＶＤにより形成可能であることを示している。一実施形態は、高周波数スペクトル分析器である。アンテナのアレイ、ダイポールもしくは螺旋形状は、同一の基板上に形成することにより、１００ＧＨｚから２ＴＨｚを越える領域の周波数を監視することができる。各アンテナは、そのインピーダンスに適するように較正されたボロメータを有する。ボロメータ抵抗値は、従来の電子機器を用いて電圧値に変換される。出力電圧値は不連続な周波数帯の信号レベルを表している。
【００５９】
さらに異なる実施形態は、遠赤外線（ＦＩＲ）の周波数帯において使用される高解像度スキャナーに使用される。マイクロ螺旋形状アンテナのアレイは、ＦＩＲ光学レンズとともに使用され画像形成装置を提供する。
【００６０】
さらに、鉄繊維を、揮発性の鉄ペンタカルボニルを用いて本発明のＬＣＶＤプロセスにより作ることができる。強磁性体である鉄繊維は、マイクロスイッチ、マイクロリレー、マイクロ電磁石などのマイクロ変圧器や電磁誘導アクチュエータを形成したり、または磁性で材料をイメージングするために使用することができる。
【００６１】
前述したように本発明は、多くの方法において変形可能であることが明らかである。そのような変形は、本発明の精神および範囲から逸脱するものではなく、また当業者に明らかである修正の全ては、本発明の請求項の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ−１Ｃ】成長する直線ファイバの側面図。
【図２】レーザ出力に対する成長速度のプロット。
【図３Ａ】基板の多次元動作とレーザの焦点との関係の概略を示す側方から見た斜視図。
【図３Ｂ】基板の多次元動作とレーザ焦点との互いの関係のもう一つの形態の概略を示す側面図。
【図４Ａ】引張り方向がレーザビーム軸と一致する球面螺旋の平面図。
【図４Ｂ】引張り方向がレーザビーム軸と一致しない球面螺旋の平面図。
【図５Ａ】方形螺旋のアレイの平面図。
【図５Ｂ】図５Ａに方形螺旋のアレイの斜視図。
【図５Ｃ】ダイポールアンテナのアレイの側方から見た斜視図。
【図６】螺旋アンテナ形状を示す。
【図７Ａ】紙基板に形成された螺旋の側面図。
【図７Ｂ】鋼製基板上に形成された螺旋の側面図。
【図７Ｃ】半導体基板上に形成された螺旋の側面図。
【図８Ａ−８Ｆ】３次元構造が形成される半導体基板上に円柱および基礎面を形成するステップを示す断面図。
【図９】１ＴＨｚの放射を測定するシステムの概略図。
【図１０】図９のシステムに使用するボロメータの平面図。
【図１１Ａ−１１Ｅ】図９のボロメータ構造を形成するステップを示す側面図。
【符号の説明】
１２ レーザビーム
１４ レンズ
１６ 基板
１８ レーザ加熱領域
２０ ファイバ
２２ アンテナ
４８ 円柱
８２ ボロメータ
政府の権利
米国政府は、契約＃Ｆ33615-97-C-1101の下、本出願における権利を有している。
【０００２】
発明の分野
本発明は、真の三次元（３Ｄ）電磁装置、例えばマイクロアンテナ、およびそれにより作られた装置に関する。本発明は、真の３Ｄ電磁装置を作る方法に関し、それは広帯域インピーダンス特性、円偏波を示し、単純な給電ネットワークを許容し、左右の偏波が容易に実現される。本発明は、さらに、ヘリカルマイクロアンテナを作ることに関し、それは特にＴＨｚの周波数領域および、それにより作られたアンテナにおける使用に対して好都合である。
【０００３】
発明の背景
アンテナは長年にわたって存在してきた。平面およびウイスカーアンテナは、しばらくの間、低ＴＨｚの周波数領域の研究に使われてきた。ＴＨｚ領域は、例えばＭＲＩへの応用において興味がある。今日の技術は、平面マイクロストリップアンテナを使っている。今日のアンテナは、ある条件、例えばＴＨｚの周波数領域での円偏波の下での性能のために必要な真の３Ｄ構造を備えていない。
【０００４】
この周波数領域用の真の３Ｄヘリカルアンテナの配列を成功裏に組立てる低コストの方法は、増大したアンテナゲインおよび円偏波した放射パターンを作り出す能力のため、ＴＨｚの周波数領域の有用性を大いに増大させるであろう。さらに、３Ｄ電磁装置を必要とする他の応用がそのような低コストの方法から利益を得るであろう。
【０００５】
発明の概要
それ故に、本発明の目的は三次元のマイクロ電磁装置を提供することにある。さらに、三次元のマイクロ電磁装置を作る方法を提供することが本発明の目的である。熱伝導性基板への蒸着を開始するために必要なエネルギーを減少させるための形態を提供することが本発明のもう一つの目的である。
【０００６】
これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、三次元の電磁装置を形成する方法により実現され、それは導電性の表面とこの導電性の表面への三次元構造のレーザ化学蒸着（レーザ化学蒸着法）を含み、それにより電磁装置を形成する。円柱は半導体の基板に形成され、蒸着はこの円柱上で開始される。この電磁装置は、アンテナのための基礎面として利用できる導電性の表面を備え、アンテナであってもよい。
【０００７】
上記提供は、ボロメータの形成を含み、上記蒸着はこのボロメータに三次元構造を形成する。上記方法は、さらにボロメータの中心の下方にくぼみを形成し、このくぼみの上方におけるボロメータの部分に蒸着を行うことを含んでいる。このボロメータの形成は、さらに導電性基板上にボロメータを吊下げることを含んでいる。アンテナに対する補償ボロメータが形成されてもよい。
【０００８】
形成された上記電磁装置は、複数の電磁装置のアレイであってもよい。この配列の各装置の蒸着は、同時に行われてもよい。
【０００９】
これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、熱伝導性基板上に三次元構造を成長させることにより実現され、熱伝導性基板および三次元構造のレーザ化学蒸着上に円柱を形成することを含み、この円柱にレーザビームを集束させることを含んでいる。この形成は、レーザの焦点の直径よりも小さい直径を有する円柱に先端（ tip ）を設けることを含んでもよい。この形成は、少なくとも直径の４倍の高さを有する円柱を設けることを含んでもよい。
【００１０】
これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、導電性の表面、およびレーザ化学蒸着により成長させられ、上記導電性の表面上に形成された三次元構造を有するファイバを含む電磁装置により実現される。この三次元構造は、螺旋形のものでもよい。この螺旋形のものは方形螺旋形のものでもよい。上記三次元構造はダイポールのアレイでもよい。上記導電性の表面はボロメータでもよい。上記三次元構造は強磁性でもよい。これらの目的の一つ或いはそれよりも多くは、他の目的と同様、レーザ化学蒸着により成長させられた構造が形成されることになっており、熱伝導性の表面とこの熱伝導性の表面に形成された熱伝導性の円柱を備えた基板により実現され、上記構造は上記熱伝導性の円柱上にて成長を始める。上記円柱の先端はレーザ化学蒸着に使われるレーザの焦点の直径よりも小さい直径を有してもよい。この円柱は少なくとも直径の４倍の高さを有してもよい。
【００１１】
さらに、本発明の適用範囲は、以下の詳細な記述から明らかになるであろう。しかしながら、この詳細な記述および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示す一方、この詳細な記述から本発明の精神および範囲内において種々の変更および修正が当業者にとって明らかになるであろう故、例示としてのみ与えられていると理解されるべきである。
【００１２】
本発明は、以下の詳細な記述および例示としてのみ与えられ、従って本発明を限定するものではない添付の図からより十分に理解される。
【００１３】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明による真の３次元（true three−dimensional）マイクロ電磁装置を形成する問題に対する一般的解決は、レーザ化学蒸着法（Laser Chemical Vapor Deposition：ＬＣＶＤ）を利用することである。したがって、ＬＣＶＤプロセスをまず一般的に説明し、次にＬＣＶＤプロセスを使用して本発明による３Ｄマイクロ電磁装置を形成する方法を説明する。
【００１４】
ＬＣＶＤプロセスは、基板の面に複雑な３−Ｄ構造を形成するのに使用することができる。金電子プレーティングや基板異方性エッチングのような確立されたマイクロ加工処理と組み合わせると、ダイポールや螺旋アンテナのようなマイクロ電磁装置をチップ上に形成して、１００ＧＨｚから２ＴＨｚまでの範囲の周波数で動作することができる。
【００１５】
本発明は、熱伝導性の面にＬＣＶＤでマイクロ構造を形成することに関連した問題を扱っている。本発明はさらに、ＴＨｚ領域で放射を検出することに関連した問題を扱っている。
【００１６】
レーザ化学蒸着法（ＬＣＶＤ）
レーザ化学蒸着法（ＬＣＶＤ）は、特に極小径の構造の形成におけるファイバ合成のための確立された方法である。このプロセスでは、反応ガスおよび蒸着材料を含有するガスは、反応槽または反応器を通って流れる。反応槽は構造が形成される面を収容している。レーザビームの焦点は面上の回折限界スポット（diffraction limited spot）に合わせられる。レーザエネルギを集中させると、反応槽内の飽和ガスが凝固する。これにより、面上に小領域の焦点で化学蒸着（deposition）が引き起こされる。高圧の使用は必須である。対流熱伝達率が大きくなり、回折限界レーザビーム焦点に対してＣＶＤが生じる高温領域を制限するからである。
【００１７】
反応分子が１０μｍの径の構造のレーザ加熱端を包囲する熱境界層を通って拡散するのに必要な時間は、大気ガス圧が１ｂａｒのとき約１０-6秒である。均一ガス相反応は、エチレン、アセチレン、シラン、ゲルマンその他大いに不安定なガスに対してさえも、これらの条件では生じない。したがって、高反応圧力と高蒸着温度が使用され、非常に速い蒸着率が可能である。
【００１８】
ＬＣＶＤによる真直ファイバの形成は、図１Ａ−１Ｃに示されている。連続波レーザビーム１２は、レンズ１４によって基板１６に焦点を合わされる。基板１６に焦点を合わされたスポットのサイズは、生成されるファイバの所望の径に依存する。このプロセスにおいて、反応ガスは基板１６を収容する反応槽を通って流れる。この反応ガスは、ファイバ典型的にはカーボンを形成するためのガス状蒸着材料と混合された前述の不安定ガスのいずれかを含む。レーザビーム１２は蒸着プロセスの開始のために高温を達成するのに十分な強度を有する。要求される特定の強度は、使用される蒸着材料、使用される不安定ガス、基板材料、圧力等に依存する。開始に要求される温度は典型的には１０００℃のオーダーである。この開始は図１Ａに示されている。図１Ａでは、蒸着材料は基板１６のレーザ加熱領域１８すなわちレーザビーム１２の焦点が合わされた領域に蒸着される。
【００１９】
成長が開始されると、ファイバ２０はレーザビーム１２の焦点から基板１６を引き離すことによって成長する。引張速度が成長速度と異なると、真直ファイバは点に成長する。７．５バールの圧力のエチレン内でカーボンファイバを成長させるために、所望の成長速度に必要なレーザパワーのプロットは図２に示されている。
【００２０】
ファイバ２０が成長し始めるにつれて、レーザパワーを減少させる必要がある。レーザ加熱領域１８からの熱損失はファイバ２０が基板１６から離れて成長するにつれて減少するからである。ファイバ先端近傍の温度勾配は非常に大きい。これにより、ファイバ長さがその径より数倍大きくなると、一定のファイバ先端温度および成長速度が達成される。基板１６が引っ張られるにつれ、蒸着点はレーザ加熱領域１８に残る。
【００２１】
ＬＣＶＤの圧力の上限は、加熱される対象の径に逆比例する。圧力と構造の径の積が約１００μｍバール以下であれば、ガス相反応は最小であるか生じなくなる。１０００μｍ／ｓまでの率でのＬＣＶＤファイバ合成が達成される。
【００２２】
一定速度での線形ＬＣＶＤは、一定のレーザパワー、反応器圧力およびファイバ引張速度と、レーザビームが焦点に収束する領域における蒸着点の設置とを要求する。もし引張速度が緩やか過ぎるなら、ファイバ先端は、レーザビーム径が大きく強度が小さい領域に成長する。この結果、ファイバ先端温度と成長速度が減少し、成長速度はファイバ引張速度と一致する。同様に、ファイバ先端が焦点の近くまで引かれると、速く成長して、速すぎる引張速度と一致する。この固有の制御機構（正のフィードバック）により、非常に複写可能（reproducible）で一定のファイバ成長状態になり、均一な特性で材料を合成することができる。
【００２３】
ＬＣＶＤを使用する３次元構造の生成
上記のような線形ファイバ成長の正のフィードバックは、図３Ａ−３Ｂに示すように、螺旋構造が形成されるときには、存在しない。このような構造を形成する際に、基板は所望の構造軸の周りに回転され、必要とされる螺旋寸法を生じる率で３直交軸に沿って平行移動される。
【００２４】
螺旋構造を形成するには、Ｚ−軸に沿って基板を変位させるだけで十分な線形ファイバの成長よりも、より広範囲の制御システムが必要とされる。焦点および構造は回転させなければならないだけでなく、Ｘ−軸、Ｙ−軸、Ｚ−軸に沿って互いに平行移動させて、螺旋を形成しなければならない。
【００２５】
このような制御システムの例は、図３Ａに示されている。マイクロ−ステッピングモータ２６は、ファイバ２２が成長する基板１６を収容する反応器２８のベースに固定されている。反応器２８それ自身は、従来のものであり、ガス状蒸着材料と不安定ガスを受け入れるための図示しないポートを備えた閉じ込み構造からなる。反応器２８の４つの壁と上壁は、窓を有し、これによりレーザビーム１２はその中に進入することができる。典型的には、ステッピングモータ２６の軸に垂直である平坦な面の上で、構造はＬＣＶＤプロセスによって成長する。
【００２６】
反応器２８およびそれに取り付けたられたステッピングモータ２６は、図示しない大きな制振光学テーブルの表面にボルト締めされている３軸系３０によって空間内に位置決めされる。前記ＬＣＶＤレーザおよび全てのレンズは同じテーブルにしっかりと固定されている。このため、前記システムは、形成されるべき構造の形に従ってコンピュータ３２によって制御される４軸、すなわち、３軸系３０の直交するＸ，ＹおよびＺ軸と、ステッピングモータ２６によって提供される回転θ軸とからなる。軸がθ軸に垂直であるステッピングモータ２６の旋回角度は第５軸を形成し、該第５軸は構造物が形成されるべき基板１５の表面に対してレーザビーム１２の入射の固定角度を設定するために調整できる。ステッピングモータ２６の制御に加え、コンピュータ３２は成長過程の自動化を更に提供するために、レーザ出力，ガス流量比，ガス圧を、これらの要素に適切に接続することで、制御できる。
【００２７】
レーザの焦点と基板１６との間の相対動作だけが重要であるので、自由度４の動作は多数の方法により焦点と基板１６との間で分けることができる。他の例は図３Ｂに示され、レーザ光は、関連レンズ１４とともにハウジング３６内に取り付けられているファイバ３４に伝えられる。Ｘ，ＹおよびＺ軸内での要求される３次元動作はハウジング３６の動作によって行われる。基板１６は、θ方向に動かすため、未だこの図面に図示されていないステッピングモータ２６に取り付けられている。上述のように、これらの全ての動作はコンピュータ３２によって制御される。
【００２８】
同じサブシステムで全てのＸ，ＹおよびＺ動作は必要ではない。例えば、円運動は、基板１６が軸方向に引き下げられる間にレーザビーム焦点に提供できる。レーザ焦点の円運動は、レーザビーム軸に対して傾斜している薄いガラス板に集束ビームを通過させることによって達成できる。ガラス板は、レーザビームの屈折変位によって円運動を達成するように回転される。
【００２９】
円形螺旋に対しては、図４Ａに平面で示すように、成長点１８と回転軸との間の線がビーム方向に対して垂直である場合にのみ、回転に起因する螺旋構造のファイバ２２の矢印２４で示す引っ張り方向がレーザビーム１２の軸に一致する。成長点１８は、ファイバの適切な成長を保障するために、基板が回転する際に、レーザビーム１２の焦点に維持されることが必要である。成長条件の正確な制御は、この条件を達成するために要求され、成長点を検出する間のレーザ出力あるいは回転比のいずれかをフィードバック制御することによって達成できる。例えば、成長点１８が基板１６から更に移動するにつれて、自然対流比が増加し、この結果化学搬送比が増加し、他の条件が一定のままであれば、図４Ｂで示すようにレーザ１２の焦点から更なる位置に成長点１８が進む。これにより、回転軸からの放射距離が増加し、レーザビーム軸から離れるように加熱あるいは成長領域１８が動く。回転によって誘導される動作は、より大きなレーザ強度の領域からより小さなレーザ強度の領域にあるので、フィードバックは負であり、成長過程は、レーザ強度および／または回転比の正確な制御なしに終わらせることができる。
【００３０】
レーザ強度および／または回転比を正確に制御することの代案は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように方形螺旋を構成することである。方形螺旋３７はセグメントが成長する間に４つの真っ直ぐなセグメントを９０度螺旋状に回転して創られる。各セグメントが成長する間、基板は、線状ファイバを形成するのに、回転でなく、平行移動を必要とするだけである。図５Ａ，図５Ｂに示すように、平行移動だけの使用とは、引っ張り方向が適切に配置されたレーザビームの軸と簡単に一致し続けることを意味する。各方形螺旋３７は、該方形螺旋３７の形成前に基板１６の島３９に形成されている線状ファイバ３８の周囲に形成される。また、このアプローチは、図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、螺旋アンテナのアレイが直ちに成長することを許容する。図５Ａおよび５Ｂのアレイは連続して形成されるように示されているが、マイクロレンズのアレイを提供し、各マイクロレンズを各ファイバに対応させることで、その成長を同時に行なわせることができる。
【００３１】
図５Ｃに示す線状ファイバから形成された単極アレイまたはダイポールアレイのような他の形状を形成できる。明らかに、ここに開示されたいくつかの構造のアレイは、特に、マイクロレンズを使用して同時にアレイのエレメントを形成することにより、同一の基板に形成できる。さらに、回析レンズを使用して点（spot）よりも集束部 (focus)にパターンを形成すると、ファイバ成長は中実でなくなる。例えば、回析レンズを使用し、集束部にリングを形成して中空ファイバを形成するようにしてもよい。
【００３２】
螺旋ＴＨｚアンテナ設計
螺旋アンテナは、図６に示すように、仮想の円筒形の周囲に巻回された導線として描くことができる。前記導線は時計回りあるいは反時計回りに巻回でき、これにより、その方向に従って所望の円偏波を提供する。
【００３３】
図６において、 sは螺旋の巻回の隙間であり、Ｄは螺旋の直径であり、Ｃは螺旋の外周あるいはπＤであり、αは螺旋のピッチ角であって tan α = s/C = s/ πＤであり、あり、Ｌは螺旋Ｌ=（Ｓ2＋Ｃ2）1/2の巻回の長さであり、Ｎは巻回数であり、ＬTは螺旋の全長であり、ｄは螺旋ワイヤの直径である。ピッチ角αはどの程度きつく螺旋が巻かれているかの基準を提供する。与えられた外周により、αのより小さい値は巻回の隙間に近づくことを意味する。
【００３４】
螺旋アンテナの操作はトランスミッションおよび放射モードの用語で記述できる。トランスミッションモードは電磁波が螺旋に沿ってどの様に伝播するのかを記述する。低周波で、波長が螺旋外周よりも十分に長い場合、電流の配電において正と負の電荷の領域は多くの巻回によって分けられる。この分配により、電場は螺旋軸に沿って主に方向付けされるようになる。波長が螺旋の外周の長さに近づく場合の周波数で、より高いオーダーのトランスミッションが生じる。
【００３５】
放射場パターンは励起された放射モードに依存する。主として、ノーマルモードと軸モードとの２つのモードがある。軸モードアンテナは最も広く使用されるモードである。実際、軸モード螺旋アンテナは、空中あるいは地上のいずれかで、最も広く使用された円形偏光アンテナである。軸モードが生じるために、操作周波数は、螺旋の外周が０．７５λおよび１．３３λの範囲内でなければならない。軸モードは螺旋軸に沿って方向付けられた対称メインローブ（ lobe ）によって特徴づけられる。他方、ノーマルモードのため、最大電界強度は軸に垂直方向（ノーマル）に生じる。この場合の放射抵抗は非常に低く、それゆえ、ノーマルモード螺旋は非常に有効なアンテナではない。１ＴＨｚモードアンテナのため、螺旋の次元は、例えば、
Ｃ=３４１．３０７μｍ
ｓ=８１．３μｍ
ｄ=１５μｍ
Ｎ=５巻き
α=１３度
本発明に従ってＬＣＶＤを使用してアンテナを形成できる。
【００３６】
ｘ基板
前述のように、レーザ出力の調整は、基板から成長が開始され維持されるように要求されてもよい。熱伝導性基板への伝導による熱損失は、成長するファイバの先端から一方向の熱伝導を維持するためよりも、その成長を開始するために、より大きな入射レーザ出力を必要とする。
【００３７】
実際に、開始は、図７Ａに示すように、表面が薄いグラファイト層４２、例えば、入射レーザ出力の吸収を促進するためのペンシルリード線（the pencil lead）を備えた紙基板４０によって簡単になされる。そして、紙基板４０は、集束レーザビームが焦点に収束する領域を通って引っ張られる。紙基板４０は加熱されて炭素材料に分解し、該炭素材料はＬＣＶＤを開始するために低伝導基板として提供される。焦点に接近するにつれて、炭化した紙表面はＬＣＶＤを開始するのに十分な温度に到達する。すなわち、ファイバは引っ張られるのと同じ速度で形成されると共に定常状態に素早く成長する。
【００３８】
しかしながら、アンテナ等、多くの適用例のために、導電性基板にファイバを成長させ、同時に一般的な熱伝導性をも備えることが必要とされている。上述のように、そのような基板はレーザビームから必要とされる熱を吸収するため、同じ開始温度に到達するのにより多くのエネルギーが要求されるという付随する問題がある。図７Ｂ及び７Ｃに示す構成は、伝導基板を設ける一方、開始及び定常状態のＬＣＶＤを行なうために図７Ａに示す紙基板と同じレーザビーム出力を使用する。それで、このような構成により、従来、熱伝導性基板に必要とされていた出力から、必要な開始出力が削減される。
【００３９】
図７Ｂ中、ファイバ２２はスチール基板４４上に成長する。必要な開始出力は、非常に薄い、例えば、２５μｍオーダーのスチールストリップ基板を使用することにより削減される。スチール基板４４の上に開始時に形成される、より大きな外径の蒸着部（deposit）２３のように、幾つかの制御不能な蒸着部が開始時に発生した。蒸着部が形成され始めるとすぐにレーザビームを遮断すると共にレーザ強度を弱めることにより、削減されたレーザ出力、すなわち、定常状態（steady state）のＬＣＶＤにとって必要とされる出力で、よく制御された成長が得られる。
【００４０】
図７Ｃでは、例えば、シリコン又はＧａＡｓ等の半導体基板４６が使用され、開始に必要とされるレーザ出力は、半導体基板４６の周囲をエッチングして円柱４８を形成することにより削減される。高熱伝導性を有するシリコンを基板として使用すると、反応ガスとしてエチレンとシランの混合物を使用できるという利点がある。円柱４８は十分に細く、一般的には１０μｍオーダーであるので、熱伝導が一次元で行われ、熱が十分に速く逃げることはないので、開始に十分な温度に上昇する。そして、ファイバ２２はこの円柱４８に形成される。ところが、幾つかの制御不能な蒸着が開始時に発生し得る。制御不能な蒸着は、円柱４８をその直径の約４倍の長さを有するように形成することによって回避することができる。これに代えて、あるいは加えて、円柱４８の先端の直径がレーザの焦点よりも小さく形成されていれば、円柱４８はより少ないエネルギーを吸収するので、これを温度を上昇させるために使用することが可能となる。再び、蒸着部が形成され始めるとすぐにレーザビームを遮断すると共にレーザ強度を弱めることにより、よく制御された成長が、削減されたレーザ出力、すなわち、定常状態（steady state）のＬＣＶＤにとって必要とされる出力で得られる。
【００４１】
本発明に係る円柱４８を形成する場合、ＬＩＧＡ処理（ＬＩＧＡは公知である電気鋳造／プレーティング処理のドイツ語の頭字語である。）のような同様な電着の手法を利用できるが、アンテナの厚みが余り大きくないため、フォトレジスト、例えば、ＰＭＭＡを露光するためのＸ線を必要としない。エッチングの前にＰＭＭＡを露光するために紫外線放射を使用する場合、処理は約２５μｍ厚の層が限界となる。
【００４２】
処理の工程は、後述するように図８Ａ−８Ｆに示され、それらは円柱４８及び形成された円形の基礎面の断面図である。２つの円柱４８及び基礎面のペアがこれらの図に示され、そのようなペアのアレイは同一基板に形成される。図８Ａでは、アンテナが形成された基板６０が提供されている。基板６０は、集積回路に電着材料が使用されていれば、シリコン又はＧａＡｓであるのが好ましい。そうでなければ、基板６０には、石英、サファイア、あるいは、プリント回路基板を形成するのに使用されるのと同様なファイバグラス材料でさえ使用可能である。そして、クロム層は、基板６０上に金属層６２を形成するための金又は銅のようなプレーティングシード層（a plating seed layer）によって続けて表面に蒸着される。
【００４３】
そして、フォトレジストは金属層６２の表面でスピンし、焼かれる。フォトレジストは、図８Ｂに示すように、フォトレジストパターン６４を形成するためにマスクパターンと共に露光される。金属層６２は、図８Ｃに示すように、金属パターン６６を形成するためにフォトレジストパターン６４に従ってエッチングされる。
【００４４】
図８Ｄに示すように、例えば、ＰＭＭＡのフォトレジスト層６８は、次に置かれるプレーティング金属層の所望の厚さまで蒸着される。これは、一般的は約２５μｍである。そして、フォトレジスト層は、パターン化されたメタル６６の上に開口７０を設けるためにエッチングされる。金属層７２は、図８Ｅに示すように、フォトレジスト層６８に開口７０を電気メッキするために使用される。
【００４５】
最後に、全てのフォトレジストは、基板６０の金属構造を残して溶剤により洗浄される。残る金属構造は、図８Ｆに示すように、回路基礎基板キャビティ７４及びアンテナ円柱７６を形成する。アンテナ円柱７６はＬＣＶＤ処理のための開始ポイントとして使用される。
【００４６】
このように、薄い構造を使用したり、円柱を設けることにより、熱伝導表面は、ＬＣＶＤを使用して成長したマイクロ構造を形成することができる表面として使用することができる。また、本発明により、開始温度に到達し、良好な定常状態に制御可能となる。これに代えて、非熱伝導表面を使用して、マイクロ構造を形成し、表面をめっきしてもよい。
【００４７】
ＴＨｚアンテナでの検出
ソリッドステート技術の現状では、ＴＨｚ周波数領域のための駆動素子は殆どない。このため、ＴＨｚ領域で使用するために、図９に示すように、本発明に従ってボロメータ８２上にアンテナ２２を形成し、１ＴＨｚ電源８０からの熱の形態の放射を、ボロメータ８２の抵抗の変化に転換するのが都合がよい。
【００４８】
好ましくは、２つのボロメータ８２，８４が並設され、一方が実装された螺旋状のアンテナを備え、測定ボロメータ８２として提供され、他方がアンテナを備えず、補償ボロメータ８４として提供される。補償ボロメータ８４は、それ自身のボロメータの構造上に入射する放射線によるボロメータ熱の影響を打ち消すために使用されている。熱伝達は３つの手段、すなわち伝導、対流、及び輻射によって引き起こされる。最良の結果を得るために、ボロメータ自体を介して伝導する熱移動を制限する必要がある。それゆえ、対流によるボロメータからの熱損失を最小限にするため、評価システムが、ベルの魔法びんのような低圧環境内に配置されている。放射による熱損失が大きい結果、ボロメータの感度が減少する。ボロメータからの放射性熱損失の総量は、ボロメータ材料の放射率に部分的に依存する。従来の低周波電子機器８８が、受けとった放射線からの熱による抵抗の増加量を測定するために使用されている。抵抗変化は、表示装置９０に表示してもよい。
【００４９】
測定ボロメータ８２は、３つの機能を提供する。アンテナ２２により受けとられ、接続されているＴＨｚの放射線の総計を温度変化に基づく抵抗を変化させることによって測定することに使用されている。測定ボロメータ８２は、アンテナが取り付けられている構造的基部である。また、測定ボロメータ８２は、螺旋形状アンテナに対する基礎面として機能する。
【００５０】
ボロメータを作るために使用される材料は、ＬＣＶＤプロセスの開始時に、融解することがない高い融点を有することが必要であり、シリコン基板上にスパッタ蒸着して薄膜を形成することが可能であり、また、十分な感度を有するように、例えば０．００４／℃の抵抗の高温度係数を有することが必要である。適する材料は、クロム、鉄、ニッケル、プラチナおよびタングステンを含む。
【００５１】
ボロメータは、図９において示すように、共融問題（eutectic problem）を防止し、ボロメータ構造を介する熱移動を最小限にし、さらにシリコン基板への熱移動をボロメータ構造の両端に制限するように、吊橋構造（suspended bridge structure）に設計されている。前述したボロメータ材料は、それ自身の重量およびその上に形成されたアンテナの重量を支持するのに十分な機械的強度を有することが好ましい。
【００５２】
吊り下げられたボロメータ構造の長さを最大化するとともに断面積を最小化するために、図１０に示すように、ボロメータ材料のストランド（strand）９８から形成された２重螺旋構造を使用することが好ましい。螺旋の中央部にＬＣＶＤ螺旋形状アンテナを成長させる。ボロメータを１ｍｍ四方の正方形に形成する場合、例えば、ボロメータストランド９８は、吊り下げられた長さは３９．２７ｍｍであり、幅は１０μｍである。このボロメータストランド９８の高さは、アンテナに適する所望のインピーダンスを得るように変更される。これにより、螺旋形状アンテナとボロメータとの間の効果的なエネルギー移動を提供することができる。
【００５３】
ボロメータ／アンテナユニットの形成は、まず半導体基板より始める。ＳｉまたはＧａＳを含む異なる基板材料を使用することができる。１つのダイスのみが図示されているが、多数のダイスを基板ウエハ上に形成することが可能であり、もしくは形成してもよい。基板は、洗浄されフォトレジスト層を用いてパターン形成され、ボロメータが上に形成される領域を規定する。２つのボロメータ、すなわち、各アンテナのための一対のボロメータが、図１１Ａに示すように並んで形成される。螺旋形状アンテナ２２は、ＬＣＶＤプロセスを用いてボロメータ８２の中央部に形成されるとともに、他方のボロメータ８４は、ボロメータ上に直接入射する放射線に起因するボロメータの加熱の影響を打ち消すために使用される。ボロメータ構造は、所望の材料厚さを形成するのに費やされる時間だけ、スパッタリング法により蒸着される。図１１Ａは、２つのボロメータ材料が所定の場所の上に形成された基板を示す。
【００５４】
図１１Ｂにおいて示すように、次に、基板８１は、フォトレジスト１００により覆われパターン形成され、凹所（pit）１０２が、その上にアンテナを形成することができるようにボロメータの中央の下側にエッチングされる。この凹所１０２により、アンテナ構造をボロメータ中央部の上に形成することが可能となり、凹所１０２はボロメータの熱伝導性を減少するのに役立つ。これにより、ＬＣＶＤの初期温度に達するのに必要とされる強度を低下することができる。硬化したフォトレジスト１００は、後の電子プレーティング工程においてパターン形成するために、基板上の残りの部分に残される。
【００５５】
螺旋形状アンテナ２２は、図１１Ｃに示すように、ボロメータ８２の中央部上の凹所１０２の場所にＬＣＶＤプロセスを用いて形成される。次に、電子プレーティング法を使用することにより、金の薄膜がアンテナ構造および露出されたボロメータストランド上に蒸着される。これにより、アンテナの伝導性および機械的強度が増大される。次に、図１１Ｄに示すように、残っているフォトレジスト１００が取り除かれる。
【００５６】
そして、基板は再びフォトレジストを用いてパターン形成され、ボロメータの下側において吊り下げられたボロメータを形成するためにエッチングされる全体の領域を定める。次に、基板の前記領域はエッチングされる。次に、残っている硬化したフォトレジスト１００が取り除かれ、図１１Ｅに示すように、ボロメータ８２、８４は、ギャップ１０４，１０５を介して基板８１上に吊り下げられるとともに、その両端において基板８１と接触しているボロメータ／アンテナユニットとなる。
【００５７】
本発明によると、ＬＣＶＤによって形成されたアンテナは、直接ボロメータ上に形成することが可能であり、ＴＨｚの放射線を検出することに使用される。このボロメータは、またアンテナの基礎面としても役立つ。
【００５８】
ＬＣＶＤプロセスの追加の実施形態
螺旋マイクロ構造は、４０μｍから約１．１ｍｍの範囲の直径を有するように形成され、これは１００ＧＨｚから２．７ＴＨｚの周波数領域で機能する螺旋形状アンテナをＬＣＶＤにより形成可能であることを示している。一実施形態は、高周波数スペクトル分析器である。アンテナのアレイ、ダイポールもしくは螺旋形状は、同一の基板上に形成することにより、１００ＧＨｚから２ＴＨｚを越える領域の周波数を監視することができる。各アンテナは、そのインピーダンスに適するように較正されたボロメータを有する。ボロメータ抵抗値は、従来の電子機器を用いて電圧値に変換される。出力電圧値は不連続な周波数帯の信号レベルを表している。
【００５９】
さらに異なる実施形態は、遠赤外線（ＦＩＲ）の周波数帯において使用される高解像度スキャナーに使用される。マイクロ螺旋形状アンテナのアレイは、ＦＩＲ光学レンズとともに使用され画像形成装置を提供する。
【００６０】
さらに、鉄繊維を、揮発性の鉄ペンタカルボニルを用いて本発明のＬＣＶＤプロセスにより作ることができる。強磁性体である鉄繊維は、マイクロスイッチ、マイクロリレー、マイクロ電磁石などのマイクロ変圧器や電磁誘導アクチュエータを形成したり、または磁性で材料をイメージングするために使用することができる。
【００６１】
前述したように本発明は、多くの方法において変形可能であることが明らかである。そのような変形は、本発明の精神および範囲から逸脱するものではなく、また当業者に明らかである修正の全ては、本発明の請求項の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ−１Ｃ】成長する直線ファイバの側面図。
【図２】レーザ出力に対する成長速度のプロット。
【図３Ａ】基板の多次元動作とレーザの焦点との関係の概略を示す側方から見た斜視図。
【図３Ｂ】基板の多次元動作とレーザ焦点との互いの関係のもう一つの形態の概略を示す側面図。
【図４Ａ】引張り方向がレーザビーム軸と一致する球面螺旋の平面図。
【図４Ｂ】引張り方向がレーザビーム軸と一致しない球面螺旋の平面図。
【図５Ａ】方形螺旋のアレイの平面図。
【図５Ｂ】図５Ａに方形螺旋のアレイの斜視図。
【図５Ｃ】ダイポールアンテナのアレイの側方から見た斜視図。
【図６】螺旋アンテナ形状を示す。
【図７Ａ】紙基板に形成された螺旋の側面図。
【図７Ｂ】鋼製基板上に形成された螺旋の側面図。
【図７Ｃ】半導体基板上に形成された螺旋の側面図。
【図８Ａ−８Ｆ】３次元構造が形成される半導体基板上に円柱および基礎面を形成するステップを示す断面図。
【図９】１ＴＨｚの放射を測定するシステムの概略図。
【図１０】図９のシステムに使用するボロメータの平面図。
【図１１Ａ−１１Ｅ】図９のボロメータ構造を形成するステップを示す側面図。
【符号の説明】
１２ レーザビーム
１４ レンズ
１６ 基板
１８ レーザ加熱領域
２０ ファイバ
２２ アンテナ
４８ 円柱
８２ ボロメータ
Claims (19)
- 基板から離れるように延びる三次元構造を形成する方法であって、
ａ）レーザ光線を所望の焦点に集束させ、それによって規定される所定位置に上記三次元構造の一部を成長させる段階と、
ｂ）上記三次元構造を生成するために使用される材料を上記レーザ光線の焦点又はその付近に蒸着させる段階と、
ｃ）上記焦点と上記基板の間の距離を増大させて蒸着プロセスを継続し、上記焦点に対する上記基板の相対的な距離を制御して上記三次元構造を蒸着させる段階とを備え、
上記基板にボロメータを形成する段階をさらに備え、このボロメータ上に上記三次元構造を形成する、基板から離れるように延びる三次元構造を形成する方法。 - 上記焦点に対する基板の相対的な姿勢を変更し、上記三次元構造の相対的な方向を制御する段階をさらに備える、請求項１に記載の方法。
- 上記集束を行う段階ａ）は、最初に上記基板又はその付近でレーザ光線を集束して上記三次元構造の成長を開始させるものである、請求項１に記載の方法。
- 上記三次元構造はアンテナである、請求項１に記載の方法。
- 上記基板は導電性を有し、上記アンテナの基礎面として機能する、請求項１に記載の方法。
- 上記三次元構造は上記基板から離れるように延びる円柱であり、この円柱の高さは少なくともその直径の４倍である、請求項１に記載の方法。
- 上記ボロメータの中央の下側にくぼみを形成する段階と、上記ボロメータの上記くぼみの上方の部分で蒸着を実行する、請求項１に記載の方法。
- 上記三次元構造は三次元構造のアレイの一つである、請求項１に記載の方法。
- 上記複数の三次元構造は同時に形成される、請求項８に記載の方法。
- 上記三次元構造の最大寸法が上記基板から離れて延びている請求項１に記載の方法。
- 熱伝導性基板上に三次元構造を成長させる方法であって、
上記熱伝導性基板上に円柱を形成する段階と、
上記円柱へのレーザ光線の集束を含む上記三次元構造のレーザ化学蒸着を行う段階とを備え、
上記円柱の先端の直径は上記レーザ光線の焦点の直径より小さい、熱伝導性基板上に三次元構造を成長させる方法。 - 熱伝導性基板上に三次元構造を成長させる方法であって、
上記熱伝導性基板上に円柱を形成する段階と、
上記円柱へのレーザ光線の集束を含む上記三次元構造のレーザ化学蒸着を行う段階とを備え、
上記円柱を形成する段階は、高さが少なくともその直径の４倍である円柱を形成する、熱伝導性基板上に三次元構造を成長させる方法。 - 電磁装置であって、
導電性表面と、
レーザ化学蒸着により成長され、上記導電表面上に形成された三次元構造を有するファイバとを備え、
上記導伝性表面はボロメータである、電磁装置。 - 上記三次元構造は螺旋である、請求項１３に記載の電磁装置。
- 上記螺旋は方形螺旋である、請求項１４に記載の電磁装置。
- 上記三次元構造は双極子のアレイである、請求項１３に記載の電磁装置。
- 上記三次元構造は強磁性構造である、請求項１３に記載の電磁装置。
- その上にレーザ化学蒸着により成長される構造が形成される基板であって、熱伝導性表面と、この熱伝導性表面上に形成された熱伝導性の円柱とを備え、上記構造の成長は上記熱伝導性の円柱から開始され、上記円柱の先端の直径は上記レーザ化学蒸着に使用されるレーザ光線の焦点の直径より小さい、基板。
- その上にレーザ化学蒸着により成長される構造が形成される基板であって、熱伝導性表面と、この熱伝導性表面上に形成された熱伝導性の円柱とを備え、上記構造の成長は上記熱伝導性の円柱から開始され、上記円柱の高さは少なくともその直径の４倍である、基板。
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