JP5272311B2 - 電磁波応答媒体、電磁波検出装置、光学装置及び電磁波応答媒体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばテラヘルツ以上の周波数を有する電磁波に共鳴する電磁波応答媒体及びその製造方法に関する。

ナノ加工技術の進展により、テラヘルツの周波数を有するテラヘルツ帯の電磁波（以下、「テラヘルツ波」という。）に関心が高まっている（例えば、非特許文献１参照。）。このテラヘルツ波においては、情報通信・医療・安全・産業・環境など幅広い展開が期待できるが、主な応用分野は分光分析と情報通信分野である。特に分析分野ではｘ線やレーザー光に比較して扱い易く、物質の回転の励起に伴う固有の透過・吸収・反射特性がこのテラヘルツ帯域にある。一方、テラヘルツ波は電波としての性質もあり、高い物質透過性を示す。
これらの特長のため、テラヘルツ波を利用することにより、風袋中の非金属物質や郵便物の化学物質の化学構造を、非接触非開封で特定できる可能性がある。
更に、テラヘルツ波を利用すれば、従来の化学分析では同定がほとんど困難であった多形分析も可能である。これらはセキュリティ上各段に有用である。テラヘルツ波は、水素結合や様々な分子間相互作用及び生体細胞の水分量にも敏感であることから、ｘ線透視に替わる無害の生体イメージング技術としても有望視されている。

テラヘルツ波を上記の分析やイメージングに利用するためには、その発生装置、伝播/照射部材、受光デバイスなどが必要である。テラヘルツ波のエネルギーは、赤外線より周波数の高い電磁波のエネルギーに較べて低いことから、電荷分離型のＣＣＤやエネルギーギャップ間の遷移を使うＣＭＯＳのような電子デバイスでは、温度を極低温にして電磁波のフィルタリングを適切に行う必要がある。一般的には、テラヘルツ波照射による金属皮膜の抵抗変化を検知するボロメータが使われるが、ボロメータを使用すると、測定時に、液体ヘリウムによる冷却が必要となるため、作業負担が増大してしまう。
従って、簡便にテラヘルツ波の検出やイメージングが出来る技術が待望されている。

電磁波を検出するため、すなわち物質と電磁波の相互作用を調べるために、共鳴吸収効果を利用することが知られている。一般の物質の振動電場に対する応答は、誘電率ε（ω）（ωは振動数）で決まり、この値は赤外より高周波側では１より相当に大きい。
一方、磁場に対する応答は、透磁率μ（ω）で決まるが、これは１に近い値であり、磁性体を除くと磁場に対してはほとんど応答しないと言ってよい。なぜなら、磁場に対する応答は、電子の軌道各運動量、又は、不対電子の電子スピンによって決まるが、このときの共鳴周波数は、非常に低くメガヘルツ以下の低周波であるからである。
従って、テラヘルツ帯で電磁場の共鳴吸収を生じることは非常に困難である。

ここで、電磁場に共鳴的に応答する人工的な材料（メタマテリアル）の構成が提示されている（例えば、非特許文献２参照。）。これはスプリットリングレゾネータと呼ばれるものであり、ギャップ部を有する金属リングの内側に、同一形状で径の小さな金属リングを、互いのギャップが１８０度反対側を向くように誘電体基板の平面上に並べたものである。このような構成のもと、振動する磁場が金属リングの中を貫通すると、外部磁場を打ち消すように金属リングに電流が流れることで磁場に応答する人工的な材料となる。

金属リング自身はインダクタンスと抵抗成分とを有し、金属リングのギャップ及び金属リング間の隙間がコンデンサとして作用するので、金属リングはインダクタ、コンデンサ、抵抗の直列共振回路を構成する。従って、磁気的共鳴周波数ω_ｃ ^ｍが存在し、この共鳴周波数近傍で磁場成分の大きな吸収が生じ、磁場成分の透過率や反射率が低下することになる。抵抗成分は共鳴周波数の幅に影響を与える。

金属の振動電場に対する応答は誘電率ε（ω）で決まるが、金、銀、銅、アルミなどの通常の金属では、可視光から紫外線までの周波数に共鳴周波数（プラズマ振動数）ω_ｃ ^ｅがある。プラズマ振動数は、電子密度に依存するが、上記の通常の金属では、可視光から紫外線までの周波数にある。金属リング構造における共鳴周波数は、電子密度が金属の体積分率で近似できるとしてよい。一般にはテラヘルツ域あるいは磁場に対するそれよりも高周波側にあるものとしてよい。
ここで、共鳴の強さは、基本的に金属リングの密度で決まる。
斗内政吉，「テラヘルツ波技術の現状と展望」，応用物理，２００６年，第７５巻，第２号，ｐ．１６０−１７０ Ｔ．Ｊ．Ｙｅｎ他，「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｒｏｍ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」，ＳＣＩＥＮＣＥ，２００４年５月，ＶＯＬ３０３，ｐ．１４９４−１４９６

しかしながら、上記の非特許文献２に記載の構成では、誘電体基板の平面上の面積に対して個々の金属リングの設置面積（金属リングの周方向に延在する面の全体の面積）が大きいため、金属リングの密度を高くすることができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、誘電体における単位面積当たりのリング部の設置数を増大させることができ、これにより、軽量・小型化を容易に図ることができるだけでなく、共鳴周波数の電磁波に対する感度を向上させることができる電磁波応答媒体、電磁波検出装置、光学装置及び電磁波応答媒体の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明における電磁波応答媒体は、金属からなり、周方向の一部に、複数のギャップ部が設けられているリング状に形成されたリング部と、前記リング部の少なくとも一部が埋設される誘電体とを備え、前記リング部が、前記リング部の延在する面に交差する方向に配列されて、前記誘電体に複数設けられていることを特徴とする。

この発明においては、リング部が、このリング部の延在する面に交差する方向に配列されて、誘電体に複数設けられる。
これにより、誘電体における単位面積当たりのリング部の設置数を増大させることができる。
また、ギャップ部をコンデンサとして機能させることができ、リング部を容易かつ確実に共鳴させることができる。

また、本発明における電磁波応答媒体は、前記リング部が、互いに交差する少なくとも２方向に配列されていることを特徴とする。

この発明によれば、リング部の設置密度を高くしつつ、異なる方向の電磁波に効率よく反応させることができる。

また、本発明における電磁波応答媒体は、前記誘電体が、その厚さ方向に複数積層されており、複数積層された前記誘電体ごとの前記リング部の配列方向が、交差していることを特徴とする。

この発明によれば、リング部の設置密度をさらに高くすることができる。
また、リング部の設置密度を高くしつつ、異なる方向の電磁波に効率よく反応させることができる。

また、本発明における電磁波応答媒体は、金属からなり、コ字状のリング状に形成されたリング部と、前記リング部の少なくとも一部が埋設される誘電体とを備え、前記リング部が、前記リング部の延在する面に交差する方向に配列されて、前記誘電体に複数設けられており、複数の前記リング部のうち、前記リング部の延在する面に交差する方向において互いに隣接するリング部の一方の端部と、前記互いに隣接するリング部の他方において前記リング部の一方の他端側に隣接する端部とが、前記リング部の延在する面に交差する方向に金属で連結され、ソレノイドが形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、リング部が連結されることにより、ソレノイドとして機能させることができ、インダクタンスを増大させて感度を向上させることができる。

また、本発明における電磁波応答媒体は、前記リング部において誘起される起電力を取り出すための端子が、前記リング部に設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、共鳴時の起電力を容易に取り出すことができる。

また、本発明における電磁波応答媒体は、複数の前記リング部ごとに、異なる共鳴周波数が設定されていること特徴とする。

この発明によれば、複数の共鳴周波数に共鳴させることができる。そのため、例えばアンテナとして機能させた場合、ワイドバンド化を容易に図ることができる。

また、本発明における電磁波応答媒体は、前記リング部の延在する面に交差する方向から見た前記リング部の外形寸法が、共鳴周波数の波長に対して１／１０以下であることを特徴とする。

この発明によれば、対象とする電磁波の波長に対して、リング部の外径寸法を十分に短くすることができる。そのため、テラヘルツ波から見ると一定の有効透磁率μ（ω）を持つ均一な媒質とみなせ、散乱や回折は殆ど無視することができる。

また、本発明における電磁波検出装置は、上記電磁波応答媒体を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記電磁波応答媒体と同様の効果を奏することができる。

また、本発明における光学装置は、上記電磁波応答媒体を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記電磁波応答媒体と同様の効果を奏することができる。

また、本発明における電磁波応答媒体の製造方法は、基板上に、直線状に延在し延在方向の中間部にギャップ部が形成された第一金属部が前記延在方向に交差する方向に複数並列して配置された第一の金属パタンを形成する第一の金属パタン形成工程と、前記第一の金属パタン形成工程によって第一の金属パタンが形成された基板上に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、前記誘電体層形成工程によって形成された誘電体層に、前記第一の金属パタンの前記第一金属部において前記延在方向の両端部を露出させるスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、前記スルーホール形成工程によって形成されたスルーホール内に金属を充填して金属部材を形成するスルーホール充填工程と、前記誘電体層上に、前記スルーホールに形成された前記金属部材の上端部が延在方向の両端部となる直線状の第二金属部が複数配置された第二の金属パタンを形成する第二の金属パタン形成工程と、を備えることを特徴とする。

この発明においては、第一の金属パタン形成工程により、基板上に第一の金属パタンが形成される。そして、誘電体層形成工程によって、基板上に誘電体層が形成される。さらに、スルーホール形成工程によって、誘電体層にスルーホールが形成され、スルーホール充填工程によって、スルーホール内が充填される。さらに、第二の金属パタン形成工程によって、第二の金属パタンが形成される。
これにより、リング部の設置密度を高めることができる電磁波応答媒体を得ることができる。
また、上記電磁波応答媒体の製造方法は、前記第二の金属パタン形成工程では、前記第二金属部の延在方向の端部は、前記第一金属部の両端部に形成された前記金属部材の上端部にそれぞれ形成され、前記第二金属部の延在方向の中間部にはギャップ部が形成され、これにより、前記第一金属部および前記第二金属部のそれぞれにギャップ部を有する金属の環状のリング部が、それぞれが延在する面に交差する方向に複数配列された電磁波応答媒体が製造されることを特徴とする。
また、上記電磁波応答媒体の製造方法は、前記第二の金属パタン形成工程では、前記第二金属部の延在方向の一端部は、前記第一金属部および前記金属部材によってコ字状に形成されるとともに、それぞれの延在方向と交差する方向に配列された複数のリング部のうち、互いに隣接するリング部の一方の一端をなす金属部材の上端部に形成され、前記第二金属部の延在方向の他端部は、前記互いに隣接するリング部の他方において前記リング部の一方の他端側に隣接する金属部材の上端部に形成され、これにより、前記複数のリング部および前記第二金属部によってソレノイドが形成された電磁波応答媒体が製造される
ことを特徴とする。

本発明によれば、誘電体の平面上の面積に対して、リング部の設置面積を小さくすることができることから、誘電体における単位面積当たりのリング部の設置数を増大させることができる。そのため、軽量・小型化を容易に図ることができるだけでなく、共鳴周波数の電磁波に対する感度を向上させることができる。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施形態における電磁波応答媒体について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態としての電磁波応答媒体１を示したものである。
電磁波応答媒体１は、誘電体からなる基板部２と、この基板部２内に行列方向に格子状に配列された複数のリング部３とを備えている。

基板部２は、図２に示すように、矩形板状の誘電体基板７と誘電体膜（誘電体）６とを備えており、これら誘電体膜６と誘電体基板７とが、厚さ方向に積層されて構成されている。すなわち、誘電体基板７の上面に誘電体膜６が積層されている。
誘電体膜６は、一体部品として形成されるものである。誘電体膜６の内部には、金属部材からなる複数のリング部３が行列方向に配列されて埋設されている。

リング部３は、コ字状に形成された一対の半体部１０を備えている。半体部１０は、コ字状の一対の突起部１０ａを互いに対向させた状態で配置されている。これにより、リング部３は、全体として略矩形フレーム状に配置されている。
また、半体部１０は、互いに所定間隔を空けて対向配置されている。すなわち、互いに対向配置された突起部１０ａの先端面同士の間には、所定の間隔が空けられており、この所定の間隔がギャップ部Ｇとなる。これらギャップ部Ｇには、誘電体膜６で充足されている。さらに、半体部１０の上部は、誘電体膜６の上面から露出している。すなわち、リング部３の略全体が誘電体膜６に埋設しており、半体部１０の上部のみが誘電体膜６から突出している。

これらリング部３は、誘電体基板７に対して立てられて同軸上に一定のピッチ間隔で複数配列されている。すなわち、これらリング部３は、リング部３の腕部が周方向に延在する仮想的な面（半体部１０の前端面を含む仮想的な面）Ｅに直交する方向に延びる軸線Ａ１を中心として、複数揃えられて配列されている。軸線Ａ１は、基板部２の上面と平行に向けられている。
さらに、これら複数のリング部３は、複数列設けられており、他の列のリング部３も軸線Ａ２を中心として、所定のピッチ間隔で複数揃えられて配列されている。なお、軸線Ａ２も面Ｅに直交する線である。軸線Ａ１と軸線Ａ２とは、平行に延ばされている。そのため、複数のリング部３は、一定の間隔を空けて行列方向に配列されている。

ここで、これらリング部３の寸法について、図３を参照して説明する。
図３は、リング部３を軸線Ａ１，Ａ２方向から見た様子を示す平面図である。
なお、図３において、一対の半体部１０の互いの配列方向を横方向Ｗとし、半体部１０の長手方向を高さ方向Ｈとする。
ギャップ部Ｇの横方向Ｗの距離寸法（対向する突起部１０ａ同士の間隔）ｇは、０．５μｍである。リング部３の横方向Ｗの外形の幅寸法Ｆは、２６μｍであり、リング部３の高さ方向Ｈの外形の高さ寸法ｈは、２６μｍである。また、半体部１０自体の幅寸法ｄは、４μｍであり、半体部１０の厚さ寸法Ｔ（図２に示す）は、２μｍである。さらに、リング部３の横方向Ｗのピッチ間隔Ｐ_Ｗ（図２に示す）は、３６μｍである。

リング部３の外形寸法は、対象とする電磁波の波長に対して十分小さくすることが本質的に重要である。テラヘルツ波の波長は１ＴＨｚで３００μｍであるので、リング部３の幅寸法Ｆ（外形寸法）は、波長に対して１／１０程度となっている。このサイズは、対象とする電磁波の波長に対して十分に短く、テラヘルツ波から見ると一定の有効透磁率μ（ω）を持つ均一な媒質とみなせ、散乱や回折は殆ど無視することができる。なお、幅寸法Ｆは、適宜変更可能であるが、特に、応答波長に対して１／１００以上１／１０以下の範囲とすることが好ましい。

次に、このように構成された本実施形態における電磁波応答媒体１の作用について説明する。
リング部３は、金属からなるものであり、それ自体で、抵抗及びインダクタを構成する。さらに、ギャップ部Ｇが設けられていることから、コンデンサとしても機能する。すなわち、リング部３は、抵抗、インダクタ及びコンデンサの直列共振回路を構成する。
そのため、磁気的共鳴周波数ω_ｃ ^ｍが存在し、この共鳴周波数近傍で磁場成分の大きな吸収が生じ、所定の電磁波に対して応答する電磁波応答媒体１として機能する。

以下、図３及び図４を参照して、リング部３の電磁場に対する応答を等価回路モデルによって説明する。
矩形枠状のリング部３を、その内側に配される半径ｒの円Ｂで近似する。
また、リング部３が、ｎ列からなるものとして、同じ列に属するリング部３の軸線Ａ方向のピッチ間隔をＰ_Ａとする。
ある列Ｋの単位長さ当たりのインダクタンスＬは
Ｌ=μ_０πｒ^２/Ｐ_Ａ （μ_０：空気の透磁率、真空の透磁率と同じ）
となる。

列Ｋを除くリング部３全体のインダクタンスをＬ’として、ＬとＬ’の単位体積当たりの相互インダクタンスＭは、
Ｍ=Φ_Ｌ／I＝lim（μ_０πｒ^２／ｎＰ_Ｗ ^２）Φ_ｄ／Ｉ
となる。
ここで、Ｉはリング部３を流れる電流、Φ_Lは列Ｋの単位体積当たりの磁束、Φ_ｄは列Ｋを除いた残りの（ｎ−１）列の全磁束である。
Φ_ｄ＝（ｎ−１）ＬＩを用いるとｎ→∞で、
Ｍ＝（πｒ^２/Ｐ_Ｗ ^２）Ｌ＝ＦＬ
となる。
Ｆ（＝πｒ^２/Ｐ_Ｗ ^２）は、リング部３の形状で決まる定数である。

この系に、磁場の振幅がＨ_０である外部電磁場Ｈ_０ｅ^ｉωｔがリング面に垂直に加わると次のエネルギーバランスが成り立つ。
ｉωμ_０πｒ^２Ｈ_０＝ＲＩ＋Ｉ/（−ｉωＣ）＋（−ｉωＬ）Ｉ−（−ｉωＭ）Ｉ
ここでｉは虚数単位、ωは角速度、Ｃはリング部３のギャップ部Ｇの容量である。
上式より電流Ｉは次式で与えられる。
Ｉ＝−Ｐ_ＡＨ_０／［（１−Ｆ）−（１／ω^２ＬＣ）＋ｉ（Ｒ／ωＬ）］・・・（１）
この電流でリングに誘起される単位体積当たりの自発磁化Ｍ_１は次式で与えられる。
Ｍ_１＝πｒ^２Ｉ/（Ｐ_ＡＰ_Ｗ ^２）

そして、実効的な単位体積当たりの透磁率μ（ω）を、式（１）を使って計算すると、
μ（ω）＝１−Ｆ/［１−（１/ω^２ＬＣ）＋ｉ（Ｒ/ωＬ）］
となる。
従って、磁気的な共鳴振動数ω_ｃ ^ｍは、以下の式で近似的に与えられる。

ギャップ部Ｇを平板コンデンサと見なすと、容量Ｃは、
Ｃ＝Ｓε_０/（２ｄ）
となる。
なお、ε_０は真空の誘電率、Ｓは電極の面積である。
インダクタンスは、Ｌ＝μ_０πｒ^２／Ｐ_Ａなので、共鳴振動数ω_ｃ ^ｍは、以下の式で与えられる。

なお、ｃ_０は光速である。
この式からｄ、Ｐ_Ａ、ｒ、Ｓとして数ミクロンオーダーの値を採用すれば、テラヘルツ域に磁気的な共鳴吸収を生じることが確認出来る。より微細化すれば赤外域で共鳴吸収を生じる。

次いで、本実施形態における電磁波応答媒体１の製造方法について説明する。
まず、図５に示すように、対角６インチの基板（６０２５基板）５０の上に、銅層５１をスパッタリング法で製膜する。銅層５１の厚さ寸法は、２μｍとする。
そして、スピンコートにより基板５０上にレジスト（ＦＥＰ−１７１、富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ社製）を設ける。この状態において、１２０℃で１０分間プリベークを行う。それから、１０μＣ／ｃｍ^２でＥＢ露光を行い、さらに、１１０℃で１０分間ポストベークを行う。そして、テトラメチルハイドロオキサイド２．４ｗｔ％水溶液により、スプレー現像を行う。さらに、塩化第２鉄溶液により、エッチングと洗浄を行い、銅層５１から、対をなす銅パタン（第一の金属パタン）５２を形成する（第一の金属パタン形成工程）。対をなす銅パタン５２の間には、所定の間隔を空ける。この間隔が、上述したギャップ部Ｇとなる。ギャップ部Ｇの距離寸法ｇは、０．５μｍとする。また、銅パタン５２の厚さ寸法Ｔは、２μｍとし、銅パタン５２の幅寸法ｄは、４μｍとする。

さらに、図７に示すように、銅パタン５２を含む基板５０上に、スパッタリング法により、ＳｉＯ_２からなる誘電体層５５を形成する（誘電体層形成工程）。この誘電体層５５の厚さ寸法は、３μｍとする。そして、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチャを利用して、図８に示すように、誘電体層５５に、ドライエッチングにより、所定の位置に断面矩形状のスルーホール５６を形成する（スルーホール形成工程）。なお、エッチング条件としては、例えば、ＣＦ_４流量：５ｓｃｃｍ、圧力：１ｍＴｏｒｒ、バイアスパワー：１３０Ｗ、ＩＣＰパワー：４００Ｗとする。また、エッチング時間に関しては、レーザの反射強度を用いて終点を検出して終了とする。スルーホール５６の開口寸法は、２μｍとする。これらスルーホール５６によって、対をなす銅パタン５２の両端の表面が露出する。

それから、図９に示すように、無電解銅めっき法により、スルーホール５６内に銅部材５９を設ける。これによりスルーホール５６内は銅部材５９で充填される。このとき、銅パタン５２の表面が露出していることから、銅部材５９と銅パタン５２とは、接触した状態になる。
さらに、レジスト層の剥離、洗浄を行った後、全面スパッタリングにより、誘電体層５５の全面に、銅膜５７を形成する。銅膜５７の厚さ寸法は、２μｍとする。これにより、銅膜５７、銅部材５９及び銅パタン５２は、接触した状態になる。
さらに、図１０に示すように、フォトリソ法により、銅膜５７上にレジストパターンを形成し、塩化第２鉄溶液により第一の銅パタンの形成と同様にエッチングを行って、上層の銅パタン（第二の金属パタン）５８を形成する（第二の金属パタン形成工程）。
このようにして得られた銅パタン５２，５８及び銅部材５９が、図２に示すリング部３となり、誘電体層５５が誘電体膜６となり、基板５０が誘電体基板７となり、全体として電磁波応答媒体１となる。

以上より、本実施形態における電磁波応答媒体１によれば、軸線Ａ１，Ａ２を中心として、リング部３を複数配列していることから、基板部２における単位面積当たりのリング部３の設置数を増大させることができ、基板部２におけるリング部３の密度を高くすることができる。そのため、全体の軽量・小型化を容易に図ることができるだけでなく、共鳴周波数の電磁波に対する感度を向上させることができる。

また、誘電体膜６が一体的に形成されており、その一体的な誘電体膜６に複数のリング部３が埋設していることから、例えばリング部３をそれぞれ別個に配置する場合に比べて、それら複数のリング部３を一定の位置に固定することができる。そのため、強度を増大させることができるだけでなく、取り扱いを容易にすることができる。また、複数のリング部３が誘電体膜６に埋設していることから、リング部３を保護することができ、リング部３の耐環境性を向上させることができる。また、ギャップ部Ｇが誘電体膜６で充足されることから、誘電体膜６の材質を選択することにより、誘電率を調整することができ、ギャップ部Ｇによるコンデンサの容量を容易に調整することができる。

また、ギャップ部Ｇを設けていることから、コンデンサとして機能させることができ、容易かつ確実に共鳴させることができる。
さらに、リング部３の上部を基板部２の上面から露出させていることから、リング部３において生じた電流や電圧を容易に取り出すことができる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第２の実施形態を示したものである。
図１１において、図１から図１０に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態においては、互いに直交する軸線Ａ１と軸線Ａ３とのそれぞれを中心軸にしてリング部３が配列されている。すなわち、複数のリング部３が、２方向に配列されている。
従来では、基板に垂直方向に電磁波が入射すると、磁場がリングに平行となり、誘導電流がわずかしか発生しなかった。そのため、基板を入射方向に平行になるように傾けるか、好ましくは二枚の基板を直交するように配置する必要がある。そのため吸収体の体積が大きくなってしまう。
本実施形態における電磁波応答媒体１によれば、リング部３の設置密度を高くしつつ、異なる方向の電磁波に効率よく反応させることができる。
なお、リング部３の配列方向は、３方向以上であってもよい。

（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態を示したものである。
図１２において、図１から図１１に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態における電磁波応答媒体１は、基板部２が複数積層されてなるものである。また、下層の基板部２におけるリング部３の軸線Ａ１，Ａ２と、上層の基板部２におけるリング部３の軸線Ａ４とは直交している。すなわち、リング部３の配列方向が、基板部２ごとに異なっている。
これにより、リング部３の設置密度を高くすることができるだけでなく、異なる方向の電磁波に効率よく反応させることができる。
なお、基板部２を、３層以上積層してもよいし、リング部３が同一方向に配列されるように積層してもよい。また、上記実施形態２の基板部２を積層してもよい。

（実施形態４）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第４の実施形態を示したものである。
図１３において、図１から図１２に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態においては、複数のリング部３をそれぞれ軸線Ａ１，Ａ２方向に連結する金属部材からなる連結部２０が設けられている。連結部２０は、軸線Ａ１，Ａ２に対して傾斜されて設けられており、リング部３の一端から軸線Ａ１，Ａ２方向に隣接する他のリング部３の他端とを連結するものである。すなわち、リング部３は、それらリング部３が軸線Ａ１，Ａ２方向に複数連結されたソレノイドユニットとして構成されるものである。なお、図示していないが、連結されたソレノイドユニットの所定の位置に所定数のギャップを設けることによって、コンデンサとして機能させることができる。
なお、実線で示す符号２５は、図１３の裏面から表面に向かう方向の上部の金属配線を示すものであり、破線で示す符号２６は、下部の金属配線、符号２７は上下を連結するスルーホール配線部を示すものである。

ここで、これらソレノイドユニットの製造方法について説明する。
上記第１の実施形態と同様にして、基板上に銅パタン（図６に示す符号５２に相当）を形成する。それから、スパッタリング法により、ＳｉＯ_２からなる誘電体層を２μｍの厚みになるように製膜する。
そして、第一の実施形態と同様に、ドライエッチング法により、リング部の腕部に当たる誘電体層の所定位置に開口寸法２μｍのスルーホールを形成する。これにより、先に形成した銅パタンの両端の表面が露出する。
それから、第一の実施形態と同様に、無電解銅めっき法により、スルーホール内に銅部材を充填する。この工程により、銅部材と銅パタンは接触した状態になる。
さらに、スパッタリング法により、銅層を２μｍ膜付けする。実際には、スルーホールの部分で銅層の若干の凹みが見られたが、問題はなかった。そして、銅層をフォトリソ法により銅パタンとする。具体的には、レジスト（ＦＥＰ−１７１、富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ社製）をコーティングしてプリベークし、銅パタンが図１３で示すソレノイドになるようなマスクを用いて露光現像し、次いで銅層のエッチングを行う。さらに、レジストの剥膜処理と洗浄を行い、これにより、図１３に示すソレノイドを有する基板が得られる。コンデンサ部分については上下の電極部分の重なりが１０μｍになるようにする。

このような構成のもと、互いのソレノイドの一端部が対向するギャップ部（符号３０で囲まれた部分）が、コンデンサとして機能し、それら端部がコンデンサの電極となる。軸線Ａ１を中心とするソレノイドの上部電極３２を一方の電極とし、軸線Ａ２を中心とするソレノイドの同じ番目の下部電極３３を他方の電極とすればよい。誘電体層があるのでコンデンサになり、重なり合う面積を調整して容量の制御が可能である。誘電体材料を選択することによっても可能である。大部分の有機材料では誘電率は２程度以下であるが、アルミナのような無機材料を誘電体層とすれば８程度の高誘電率を得ることが出来る。

隣り合う列同士を連結する場合には、コンデンサとなる一対の電極に逆極性の電荷が貯まるように連結する必要がある。なお、図１３において、矢印３６は、磁場の時間変化μ_０∂Ｈ_０／∂ｔで誘起される電場に起動される電流の向きを示すものである。
また、互いのソレノイドの他端部同士は、外部電磁場で誘起される起電力を読み出すための一対の端子３７としても使える。
こうした構成によって、読み出し用の端子の数を減らし且つ場所的に近くに持ってくることが可能となる。

ソレノイドの場合も、インダクタンスＬ、容量Ｃ、配線抵抗Ｒの直列回路と近似して磁気的共鳴周波数を計算できる。基本的にはＣとＲの値がリング部３の場合と異なる。ソレノイドの巻き数、ソレノイドの連結数、コンデンサの数及び電極面積は、必要とする共鳴振動数と必要な起電力から決めればよい。起電力は、ソレノイドの巻き数にほぼ比例する。入力する電磁波が微弱な場合には、巻き数を数百以上に設定する必要がある。この場合には、面内でソレノイドを連結するだけでなく、上記実施形態１の基板部２をスルーホールで複数ビルドアップすることで可能となる。

共鳴周波数は、上述したように容量Ｃ、インダクタンスＬで決まるので、ソレノイドの幾何学的形状、巻き数、金属の種類、コンデンサ部の電極面積と数、誘電体などを適切に選択して調整する。これによって一つの面内に複数の共鳴周波数を持つようにしてもよいし、場合によっては異なる共鳴周波数のレイヤーを複数ビルドアップしてもよい。

（実施形態５）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図１４は、本発明の第５の実施形態を示したものである。
図１４において、図１から図１３に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。

本実施形態においては、リング部３が全て誘電体膜６に埋設しており、対向配置された半体部１０の突起部１０ａのそれぞれに、端子部２３が接続されている。端子部２３は、誘電体膜６の表面上に設けられている。
このような構成のもと、一対の端子部２３を介して、リング部３において誘起される起電力が取り出される。
これにより、共鳴時の電力を容易に取り出すことができる。

なお、上記第１から第５の実施形態では、リング部３が矩形フレーム状であるものとしたが、これに限ることはなく、その形状は適宜変更可能である。例えば、円形であってもよく、環状であればよい。また、リング部３のギャップ部Ｇが周方向に２箇所設けられているものとしたが、これに限ることはなく、ギャップ部Ｇを１箇所設けたり、３箇所以上設けたりしてもよい。
また、各寸法について記載したが、これは一例であって、それら寸法は適宜変更可能であることは言うまでもない。
また、本実施形態における電磁波応答媒体１は、様々な分野に利用することができる。例えば、ｘ線を使っている分野に対して、これをテラヘルツ波に置き換える場合に利用することができる。具体的には、空港などにおける所持品検査や皮膚がんや乳がんなどの診断にも利用することができる。また、テラヘルツ波を利用して、ＩＣなどの断線の検査、薬物の検出、例えば家庭用の袋の製造工程における漏れの検出などに利用することができる。
また、テラヘルツ領域から赤外線領域にわたる電磁波の応答媒体、特にフィルターとして利用することができる。さらに、ミクロンオーダーのソレノイドとコンデンサを埋め込んだものは、高感度なテラヘルツ受信用アンテナとして利用できる。
また、上記第１から第５の実施形態における電磁波応答媒体１を組み込むことにより、電磁波検出装置として利用することができる。

また、上記第１から第５の実施形態における電磁波応答媒体１を組み込むことにより、光学装置として利用することができる。光学装置としては、例えば、光学篩や顕微鏡などがある。
図１５は、電磁波応答媒体１Ａを組み込んだ光学篩の一部を示す図であって、リング部３に直交する方向に光を照射したときの基板部２上の電場（ポテンシャル）の様子を示す説明図である。
電磁波応答媒体１Ａにおけるリング部３は、所定の電場のパターンが基板部２上に現れるように、長さ、断面積、ピッチ間隔Ｐ_Ｗ，Ｐ_Ａ、ギャップ部Ｇの距離寸法ｇなどの各寸法があらかじめ設定されて配列されている。

このような構成のもと、リング部３に直交する方向にレーザ光を照射すると、そのレーザ光の電場成分よりも大きい電場Ｙ（図１５に示す）がギャップ部Ｇに現れる。すなわち、入射光の電場成分が増大させられてギャップ部Ｇに現れる。さらに、軸線Ａ１（Ａ２）方向のギャップ部Ｇ同士の間の領域Ｄ（図１５において二点鎖線で示した領域）に、大きい電場Ｙよりも小さい電場が現れる。すなわち、基板部２上に、あらかじめ設定された周期的な強弱の電場が現れる。
これにより、篩の対象物の大きさや質量などから、リング部３の各寸法をあらかじめ設定しておくことにより、対象物を選り分ける光学篩として機能させることができる。

以下、図３及び図４を参照して、ギャップ部Ｇの電場を等価回路モデルによって説明する。
電流Ｉで誘導される電荷ｑは式（１）を使うと、以下の式で表わされる。
ｑ＝∫Ｉｄｔ
＝∫ｅ^−ｉωｔ{−Ｐ_ＡＨ_０／［（１−Ｆ）−（１／ω^２ＬＣ）＋ｉ（Ｒ／ωＬ）］}
＝−ｉω^−１{Ｐ_ＡＨ_０／［（１−Ｆ）−（１／ω^２ＬＣ）＋ｉ（Ｒ／ωＬ）］}
従って、電場Ｅは以下の式で表わされる。
Ｅ＝ｑ／（Ｃｄ）
＝ｉ（ωＣｄ）^―１{Ｐ_ＡＨ_０／［（１−Ｆ）−（１／ω^２ＬＣ）＋ｉ（Ｒ／ωＬ）］}
１−Ｆ≒１と近似して先述の磁気共鳴周波数ω_ｃ ^ｍでの電場増強の程度をＱとすれば
Ｑ＝（１／２）ε_０｜Ｅ｜／{（１／２）μ_０｜Ｈ_０｜^２}
＝ε_０Ｐ_Ａ ^２Ｌ^２／（μ_０Ｃ^２ｄ^２Ｒ^２）
となる。
共鳴条件Ｃ^−１＝Ｌ（ω_ｃ ^ｍ）^２、Ｒ＝２πｒσ（σ：単位長さあたりの抵抗）、Ｌ＝πμ_０ｒ^２／Ｐ_Ａ，Ｃ=ε_０Ｓ／ｄを代入すると、増強度Ｑは、以下の式で表わされる。Ｓは平面コンデンサーの面積、ｄは距離である。
Ｑ＝｜πμ_０（ω_ｃ ^ｍ）^２ｒ^３／（２ｃ_０ｄｌσ）｜^２
＝｜μ_０ｃ_０ｒ／（２Ｓσ）｜^２
（ω_ｃ ^ｍ）^２＝ｃ_０ ^２ｄＰ_Ａ／（πｒ^２Ｓ）

リング部３のサイズをｄ＝２μｍ、Ｐ_Ａ＝１０μｍ、ｒ＝２０μｍ、Ｓ=２μｍ×５μｍ、σ＝１０００とすると、ω_ｃ ^ｍ≒１０^１３Ｈｚ、Ｑ≒１０^８となり、赤外領域でＱは１０^８の増大度に達する。より微細化すれば可視域に達することも可能である。外形のサイズはｒでほぼ決まる。テラヘルツ以上の高周波では概ね３０ミクロン以下である。増大度Ｑについては材料の抵抗σが効いてくるので、出来るだけ抵抗の小さい材料が望ましい。

ここで、電場を増大させる方法として以下の二つの方法がある。
電場を増大させる一つ目の方法は、金属表面のプラズマ共鳴を利用する方法である。金属表面に入射した光と金属表面の電子とが強く結合する状況をプラズマ共鳴と言い、これら結合した集団励起を表面プラズモンと言う。表面プラズモンは、金属表面を伝播する場合、磁場成分が表面に平行で、電場成分が表面に垂直な方向を向いている。この表面から空気側に染み出た電場は、入射電磁波の電場に較べて強いことがわかっている。
したがって、試料分子を金属表面に近接させておいて、励起用レーザ光を照射すると、増大させられた電場が試料に印加される。これが表面増強型ラマン散乱である。蛍光発光でも金属表面に蛍光体を近接させて置くと、孤立した場合より強い電場が印加される。

なお、金属表面にプラズマ共鳴を起こすには二つの方法がある。一般には平坦な金属表面ではプラズマ共鳴は生じない。これは表面プラズモンと入射光との間で運動量保存則が成り立たないためで、光の運動量を増大させる必要がある。
プラズマ共鳴を起こす一つの方法は、金属表面に周期的な波長程度の周期のグレーティングを形成するものである。
プラズマ共鳴を起こす他の方法は、プリズムに光を入射させてプリズムの底面で全反射する際に、底面から染み出るエバネッセント光を金属に導くものである。このエバネッセント光も運動量が増しており、プラズモンを励起するすることができる。湾曲した金属表面にも表面プラズモンが生成され、サブミクロンサイズの球やディスクの表面が利用される。

しかしながら、このようなグレーティングを形成した場合やプリズム底面を利用する場合の電場増強の程度は１０００以下である。ラマン散乱をイメージングに利用する場合更なる増大が必要である。
また、波長程度のピッチを有するグレーティング形成には、２光束の干渉露光が必要であり、工程的にも煩雑である。
さらに、表面プラズモンを利用する場合には、径がサブミクロンの金属ロッドを並べると電場増強度が増大すると言われているが、ロッド形状の均一な製造は容易ではない。

そこで、電場を増大させる二つ目の方法として、上記のようなリング部を利用する方法が考えられる。これはリング部の開口部を交番磁場が貫通すると、リング部に電流が誘起され、これで誘導された正負の電荷が、ギャップ部の対向面に滞留してギャップ部に電場を形成することによるものである。しかし、従来においては、リング部が基板上に平面的に形成されているので、リング部の密度が上がらないという問題があった。
この光学篩によれば、入射波の電場成分よりも出力される電場を大きくすることができ、電場の出力効率を向上させることができるだけでなく、リング部の設置密度を上げることができ、高精度な篩として機能させることができる。
また、プリズムやこのプリズムに設ける貴金属なども不要とすることができる。
また、プリズムを利用する場合、レーザ光の照射条件が厳しくなるが、本光学篩によれば、レーザ光の照射条件の許容範囲を広くすることができ、出力される電場を容易に増大させることができる。
さらに、プリズムを利用する場合には、底面に現れる電場のパターンをコントロールすることができず、対象物に応じて光源を複数用意する必要があるが、本光学篩においては、リング部３の各寸法を調整することにより、電場のパターンを自由に設定することができ、これらパターンを複数種類用意しておくことにより、一つの光源で複数の対象物に容易に対応することができる。

なお、少なくともリング部３の上端のギャップを埋める方が好ましく、リング部３の上端を基板部２の上面と面一にすることもできる。これにより、対象物をギャップなどに留めさせることなく高精度に選別することができる。
なお、ギャップ部３の近傍の電場を光学格子として使う場合は、金属を露出させるよりも、酸化珪素、アルミナ等の無機酸化膜あるいは有機物の薄い膜でカバーして使うのが望ましい。ギャップ部Ｇの幅、密度、配置パターンも重要である。目的に応じて最適な値、パターンを選択することが望ましい。

図１６は、電磁波応答媒体１Ａを組み込んだ光学篩の変形例の一部を示す図であって、リング部３Ａに直交する方向に光を照射したときの基板部２上の電場（ポテンシャル）の様子を示す説明図である。
リング部３Ａ（図１７に示す）は、コ字状に形成されている。そして、リング部３Ａの両端面は、基板部２と面一になっており、基板部２の外方に露出している。そして、それら両端面の間隔と、隣り合うリング部３Ａの端面同士の間隔とが等しくなっている。すなわち、軸線Ａ１に直交する方向の各端面同士の間隔はすべて等しくなっている。

このような構成のもと、リング部３Ａにレーザ光を照射すると、正極と負極とが、軸線Ａ１に直交する方向に交互に各端面に現れる。そのため、各端面の間のすべてに大きい電場Ｙが現れ、その電場の軸線Ａ１方向の間の領域Ｄにも弱い電場が現れる。
以上より、本変形例の光学篩によれば、上記光学篩と同様の効果を奏することができるだけでなく、基板部２のスペースの利用効率を向上させることができる。

なお、図１８に示すように、リング部３Ｂのギャップ部Ｇに、入射する波長に応じたプラズマ振動数を有する金属粒子６２を設けて、レーザ光照射時に、金属粒子６２を共鳴させることにより、ギャップ部Ｇの電場をさらに増大させることができる。
このリング部３Ｂは、矩形環状に一体的に形成され、ギャップ部Ｇが一つ設けられたものである。

図１９は、電磁波応答媒体を組み込んだ蛍光顕微鏡の基板の一部を示す図であって、リング部３Ｂを軸線方向Ａ１から見た様子を示す正面図である。
ギャップ部Ｇには、蛍光体６４が設けられている。これにより、レーザ光照射時に、ギャップ部Ｇの電場を増大させることができ、その結果、蛍光体６４から発せられる光量を増大させることができる。
なお、蛍光体６４に代えて、ラマン散乱光を照射する部材を設置することにより、ラマン散乱顕微鏡に適用することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

本発明に係る電磁波応答媒体の第１の実施形態を示す平面図である。 図１の電磁波応答媒体の一部を拡大して示す斜視図である。 図２のリング部を拡大して示す平面図である。 リング部を２次元周期的に並べた状態を説明する模式図である。 図１の電磁波応答媒体を製造する様子を示す図であって、基板上に銅層を設けた様子を示す断面図である。 図５の銅層から銅パタンを形成した様子を示す断面図である。 図６の基板上に誘電体層を設けた様子を示す断面図である。 図７の誘電体層にスルーホールを形成した様子を示す断面図である。 図８の誘電体層に銅膜を設けた様子を示す断面図である。 図９の銅膜から銅パタンを形成した様子を示す断面図である。 本発明に係る電磁波応答媒体の第２の実施形態を示す平面図である。 本発明に係る電磁波応答媒体の第３の実施形態の一部を示す斜視図である。 本発明に係る電磁波応答媒体の第４の実施形態の一部を示す平面図である。 本発明に係る電磁波応答媒体の第５の実施形態の一部を示す説明図である。 本発明に係る光学装置の一部を示す図であって、リング部に直交する方向に光を照射したときの基板部上の電場の様子を示す説明図である。 図１５の変形例を示す説明図である。 図１６の基板部に設けられたリング部を拡大して示す正面図である。 リング部のギャップ部に金属粒子を設けた様子を示す正面図である。 本発明に係る他の光学装置の一部を示す図であって、基板部に設けられたリング部を拡大して示す正面図である。

符号の説明

１ 電磁波応答媒体
３ リング部
６ 誘電体膜（誘電体）
２３ 端子部
Ｇ ギャップ部

Claims (12)

1. 基板上に、直線状に延在し延在方向の中間部にギャップ部が形成された第一金属部が前記延在方向に交差する方向に複数並列して配置された第一の金属パタンを形成する第一の金属パタン形成工程と、
   前記第一の金属パタン形成工程によって第一の金属パタンが形成された基板上に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、
   前記誘電体層形成工程によって形成された誘電体層に、前記第一の金属パタンの前記第一金属部において前記延在方向の両端部を露出させるスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、
   前記スルーホール形成工程によって形成されたスルーホール内に金属を充填して金属部材を形成するスルーホール充填工程と、
   前記誘電体層上に、前記スルーホールに形成された前記金属部材の上端部が延在方向の両端部となる直線状の第二金属部が複数配置された第二の金属パタンを形成する第二の金属パタン形成工程と、
   を備えることを特徴とする電磁波応答媒体の製造方法。
2. 前記第二の金属パタン形成工程では、
   前記第二金属部の延在方向の端部は、前記第一金属部の両端部に形成された前記金属部材の上端部にそれぞれ形成され、
   前記第二金属部の延在方向の中間部にはギャップ部が形成され、
   これにより、前記第一金属部および前記第二金属部のそれぞれにギャップ部を有する金属の環状のリング部が、それぞれが延在する面に交差する方向に複数配列された電磁波応答媒体が製造される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波応答媒体の製造方法。
3. 前記第二の金属パタン形成工程では、
   前記第二金属部の延在方向の一端部は、
   前記第一金属部および前記金属部材によってコ字状に形成されるとともに、それぞれの延在方向と交差する方向に配列された複数のリング部のうち、互いに隣接するリング部の一方の一端をなす金属部材の上端部に形成され、
   前記第二金属部の延在方向の他端部は、
   前記互いに隣接するリング部の他方において前記リング部の一方の他端側に隣接する金属部材の上端部に形成され、
   これにより、前記複数のリング部および前記第二金属部によってソレノイドが形成された電磁波応答媒体が製造される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波応答媒体の製造方法。
4. 金属からなり、周方向の一部に、複数のギャップ部が設けられているリング状に形成されたリング部と、
   前記リング部の少なくとも一部が埋設される誘電体とを備え、
   前記リング部が、前記リング部の延在する面に交差する方向に配列されて、前記誘電体に複数設けられていることを特徴とする電磁波応答媒体。
5. 前記リング部が、互いに交差する少なくとも２方向に配列されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁波応答媒体。
6. 前記誘電体が、その厚さ方向に複数積層されており、
   複数積層された前記誘電体ごとの前記リング部の配列方向が、交差していることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電磁波応答媒体。
7. 複数の前記リング部ごとに、異なる共鳴周波数が設定されていること特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
8. 金属からなり、コ字状のリング状に形成されたリング部と、
   前記リング部の少なくとも一部が埋設される誘電体とを備え、
   前記リング部が、前記リング部の延在する面に交差する方向に配列されて、前記誘電体に複数設けられており、
   複数の前記リング部のうち、前記リング部の延在する面に交差する方向において互いに隣接するリング部の一方の端部と、前記互いに隣接するリング部の他方において前記リング部の一方の他端側に隣接する端部とが、前記リング部の延在する面に交差する方向に金属で連結され、ソレノイドが形成されていることを特徴とする電磁波応答媒体。
9. 前記リング部において誘起される起電力を取り出すための端子が、前記リング部に設けられていることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
10. 前記リング部の延在する面に交差する方向から見た前記リング部の外形寸法が、共鳴周波数の波長に対して１／１０以下であることを特徴とする請求項４から請求項９のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体。
11. 請求項４から請求項１０のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体を備えたことを特徴とする電磁波検出装置。
12. 請求項４から請求項１０のいずれか一項に記載の電磁波応答媒体を備えたことを特徴とする光学装置。

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