JP6190816B2 - テラヘルツ波検出素子とその作製方法および観察装置 - Google Patents

テラヘルツ波検出素子とその作製方法および観察装置 Download PDF

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Description

本発明は、電気光学効果を利用したテラヘルツ波の検出に用いる素子であって、特に、テラヘルツ波を利用した観察装置に用いるテラヘルツ波検出素子に関する。
テラヘルツ波とは、一般に、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚまでの周波数の電磁波である。テラヘルツ波は、物性、電子分光、生命科学、化学、薬品科学などの基礎科学分野から、大気環境計測、セキュリティ、材料検査、食品検査、通信などの応用分野への展開が期待されている。
例えば、テラヘルツ波は、光子エネルギーが小さくかつマイクロ波やミリ波に比して周波数が高いという特徴を活かすべく、対象物を非破壊で診断（検査）する画像診断装置への応用が期待されている。特に、波長範囲が生体細胞の構成物質に固有の吸収波長を含むことから、テラヘルツ波は、生体細胞の検査や観察をリアルタイムで行える装置への応用が期待されている。従来、生体細胞の検査や観察は、顔料などで染色しないと行い得なかったため、時間や手間を要していた。例えば、テラヘルツ波を利用することにより、可視光による観察が困難な細胞試料を高空間分解能で観察することができる装置がすでに公知である（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に開示された装置においては、テラヘルツ波の検出素子として、電気光学単結晶が利用されている。具体的には、入射するテラヘルツ波の強度に応じて屈折率が変化する、という電気光学単結晶の性質が利用されている。係る屈折率の変化は、テラヘルツ波が照射されている電気光学単結晶に対し赤外光などの光（検出光、プローブ光などと称する）を重畳的に照射すれば、当該光の位相や偏光、強度（光量）の変化として検出することが可能である。特許文献１に開示された装置においては、被検試料を透過することで強度に空間分布の生じた（強度が空間変調された）テラヘルツ波を電気光学結晶に入射させ、該強度分布に応じて電気光学単結晶に生じた屈折率変化の空間分布を、近赤外光の光量分布として読み出すことで、被検試料の観察が行えるようになっている。
このような原理で観察を行う観察装置において、高い空間分解能を得るには、被検試料を透過したテラヘルツ波が回折の影響で広がらないように、電気光学結晶を出来るだけ薄くすることが求められる。特許文献１には、電気光学結晶を補強部材によって支持し、電気光学結晶自体は極めて薄く形成したテラヘルツ波検出素子も開示されている。
一方、多重反射による影響を低減して測定可能なテラヘルツ帯域を拡げるべく、電気光学結晶として５μｍ以上１００μｍ以下の厚みのＺｎＴｅ結晶を用いるようにしたテラヘルツ電磁波検出器も既に公知である（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された技術においては、電気光学結晶を支持する支持基板にもＺｎＴｅ結晶が用いられ、両者は熱圧着により接合されている。
さらには、電気光学結晶であるニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶を０．１μｍ以上、１０μｍ以下とし、支持基板をフルオレン骨格を有する樹脂で接着した接着体もすでに公知である（例えば、特許文献３参照）。
上述のように、テラヘルツ波を用いた観察装置において高い空間分解能を得るには、検出に用いる電気光学結晶を薄くすることが要求される。これを実現するべく、テラヘルツ波検出素子は通常、特許文献２に開示の熱圧着や特許文献３に開示の樹脂接着といった手法によって電気光学結晶と支持基板とを接合したうえで電気光学結晶を薄層化することにより作製される。
なお、より詳細にいえば、テラヘルツ波検出素子は一般に平面視で数ｍｍから数ｃｍ角程度という比較的小さなサイズに形成される。それゆえ、上述のように薄層の電気光学結晶を有するテラヘルツ波検出素子は、通常、製造効率の向上や薄層化の精度確保のため、電気光学結晶と支持基板とをそれぞれサイズの大きな母基板として用意し、両母基板を接合して接合体を得た後、電気光学結晶を機械研磨等によって薄層化したうえで、最終的に接合体を所望のサイズの素子（チップ）にカットする、いわゆる多数個取りを行うことによって得られる。また、検出効率を向上させるために検出素子の表裏面に全反射膜や反射防止膜を設ける場合の成膜処理（コーティング処理）も通常、母基板を対象に行われる。
また、高空間分解能を実現するには、テラヘルツ波検出素子が優れた平面度や平行度を有していることも必要である。すなわち、テラヘルツ波検出素子が、反りが小さくかつ表面凹凸が小さいものであることが必要である。観察装置に用いたテラヘルツ波検出素子の平面度や平行度が悪い場合、観察像が変質したり、ぼやけたりする現象が生じ、良好な観察を行うことが出来ない。
また、検出素子の表裏面に全反射膜や反射防止膜を設ける場合、接合体そのものを直接に加熱することはないものの、成膜時の雰囲気が１００℃以上となるために、接合体は雰囲気によって加熱される。それゆえ、電気光学結晶の母基板と支持基板や接着層（樹脂層）との熱膨張係数差に起因する応力（熱応力）によって、加熱後の接合体に反りが生じることがある。そのため、成膜前に上述の平面度をみたしていたとしても、成膜後はこれをみたさなくなることや、中心部と外周部とで全反射膜や反射防止膜の厚みが異なってしまうことがある。
係る場合、接合体を分割して得られる個々のテラヘルツ波検出素子における反射防止膜の厚みにばらつきが生じることになるので、素子間で、検出光の強度にばらつきが生じ、さらには、空間分解能にもばらつきが生じてしまう。すなわち、テラヘルツ波検出素子の品質にばらつきが生じるという問題が起こる。
さらに、熱圧着の場合は、電気光学結晶の母基板と支持基板の母基板とを両母基板を数百℃以上に加熱するので、熱膨張差に起因する応力（熱応力）の影響がより顕著となる。それゆえ、得られた接合体においては、反りに留まらず、電気光学結晶にクラックが発生したり、接合体自体に割れが発生することもある。また、係る熱応力が内部応力として電気光学結晶基板に内在化すると、電気光学結晶における電気光学定数が本来の値から変化し、結果としてテラヘルツ波の屈折率変化が小さくなって検出感度および空間分解能が劣化するという問題も起こり得る。
特開２０１０−１５６６７４号公報 特開２００３−２７０５９８号公報 特開２００２−３３７２７４号公報
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、素子全体の反りや電気光学結晶におけるクラックの発生が好適に抑制されてなり、かつ、電気光学結晶と支持基板との接合強度が好適に確保されたテラヘルツ波検出素子を安定的な品質で提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、入射したテラヘルツ波が有する空間的強度分布を検出可能なテラヘルツ波検出素子が、前記テラヘルツ波の入射位置における屈折率が前記入射位置における前記テラヘルツ波の入射強度に応じて変化する電気光学結晶からなる電気光学結晶層と、前記電気光学結晶層を支持する支持基板と、前記電気光学結晶層と前記支持基板とを接合する樹脂層と、前記電気光学結晶の表面に設けられた、第１の誘電体多層膜からなる全反射層と、前記支持基板の表面に設けられた、第２の誘電体多層膜からなる反射防止層と、を備え、前記電気光学結晶層に前記テラヘルツ波と重畳的に照射されたプローブ光に生じる、前記テラヘルツ波の入射によって前記電気光学結晶層に生じている屈折率の空間的分布に応じた空間的特性分布を検出することで、前記入射したテラヘルツ波の前記空間的強度分布を検出するようになっており、前記電気光学結晶層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記樹脂層の厚みが０．１μｍ以上１μｍであり、前記全反射層の厚みが１μｍ以上であり、前記全反射層の厚みに対する前記樹脂層の厚みの比が１／３以下である、ようにした。
本発明の第２の態様では、第１の態様に係るテラヘルツ波検出素子において、前記全反射層の熱膨張係数が、前記電気光学結晶層の熱膨張係数よりも小さい、ようにした。
本発明の第３の態様では、第１または第２の態様に係るテラヘルツ波検出素子において、４インチ径換算での前記支持基板の平面度が２５μｍ以下であり、平行度が３μｍ以下である、ようにした。
本発明の第４の態様では、第１ないし第３のいずれかの態様に係るテラヘルツ波検出素子において、前記プローブ光に生じる前記空間的特性分布が、前記プローブ光の強度分布である、ようにした。
本発明の第５の態様では、入射したテラヘルツ波が有する空間的強度分布を検出可能なテラヘルツ波検出素子を作製する方法が、テラヘルツ波の入射位置における屈折率が前記入射位置における前記テラヘルツ波の入射強度に応じて変化する電気光学結晶からなる第１の基板と、前記電気光学結晶を支持する第２の基板とを、熱硬化性樹脂からなる接着剤によって接合する接合工程と、前記接合工程によって得られた接合体の前記第１の基板を研磨して１μｍ以上１０μｍ以下の厚みに薄層化する研磨工程と、前記研磨工程を経た前記接合体の前記第１の基板の表面に第１の誘電体多層膜からなる全反射層を形成する全反射層形成工程と、前記接合体の前記第２の基板の表面に第２の誘電体多層膜からなる反射防止層を形成する反射防止層形成工程と、前記全反射層と前記反射防止層とが形成された前記接合体を所定の素子サイズの個片にカットすることで多数個のテラヘルツ波検出素子を得る個片化工程と、を備え、前記接合工程においては、前記接着剤が熱硬化することで形成される樹脂層の厚みが０．１μｍ以上１μｍ以下となるように前記第１の基板と前記第２の基板とを接合し、前記全反射層形成工程においては、前記全反射層を１μｍ以上の厚みに形成し、かつ、前記全反射層の厚みに対する前記樹脂層の厚みの比を１／３以下とする、ようにした。
本発明の第６の態様では、観察装置が、第１ないし第４のいずれかの態様に係るテラヘルツ波検出素子を、前記電気光学結晶層側の表面が被検試料の被載置面となるように備えるとともに、前記被検試料が載置された前記被載置面に向けて前記テラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射光学系と、前記支持基板の側から前記電気光学結晶層に対し前記プローブ光を照射するプローブ光照射光学系と、前記テラヘルツ波の入射によって前記屈折率の空間的分布が生じている前記電気光学結晶層から出射された、前記空間的特性分布を有する前記プローブ光の像を観察する観察光学系と、を備えるようにした。
本発明の第１ないし第５の態様によれば、クラックフリーでかつ高空間分解能のテラヘルツ波検出素子が実現できる。
本発明の第６の態様によれば、生体試料を高空間分解能でかつリアルタイムに観察可能な観察装置が実現される。
テラヘルツ波検出素子１０の構成を示す模式断面図である。 テラヘルツ波検出素子１０が組み込まれた観察装置１０００の構成を模式的に示す図である。 テラヘルツ波検出素子１０の作製の流れを概略的かつ模式的に示す図である。
＜テラヘルツ波検出素子の構成＞
図１は、本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０の構成を示す模式断面図である。図２は、テラヘルツ波検出素子１０が組み込まれた観察装置１０００の構成を模式的に示す図である。なお、図１における各層の厚みの大小関係は、実際のものを反映したものではない。
図１に示すように、本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０は、電気光学結晶層１と、支持基板２と、両者の接合層である樹脂層３とを主に備える。
係るテラヘルツ波検出素子１０は、主として、図２に示すような、生体細胞の検査や観察を行う観察装置１０００において用いられる。当該観察装置１０００においては、生体細胞等の被検試料Ｓ（図２）をテラヘルツ波検出素子１０の被載置面１０ｓに載置させた状態で、テラヘルツ波検出素子１０に対しテラヘルツ波ＴＨおよびプローブ光ＰＢが重畳的に照射される。すなわち、観察装置１０００において、テラヘルツ波検出素子１０は、被検試料Ｓのステージとしての役割も有している。係るテラヘルツ波検出素子１０は、被検試料Ｓを保持するに十分な平面サイズを有していればよいが、典型的には、平面視で数ｍｍ角程度の大きさを有する。なお、観察装置１０００の構成およびこれを用いた被検試料Ｓの観察についての詳細は後述する。
電気光学結晶層１をなす電気光学結晶としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶、タンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶、ＺｎＴｅ結晶、ＧａＡｓ結晶、ＧａＰ結晶、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶、ＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）結晶などが例示できる。このうち、ＬＮやＬＴについては、ストイキオメトリー組成であってもよいし、光損傷を低減する目的でＭｇＯなどがドーピングされていてもよい。また、ＬＮやＬＴを使用する場合、電気光学定数として電気光学効果が大きいｒ３３が利用できるように、ｚ軸が面内方向に存在するｘ板、ｙ板であることが好ましい。
電気光学結晶層１の厚みは、３０μｍ以下とする必要がある。電気光学結晶層１の厚みを３０μｍよりも大きくすると、テラヘルツ波検出素子１０の作製過程において電気光学結晶層１にクラックが発生し得るため、好ましくない。また、電気光学結晶層１の厚みは、１０μｍ以下であるのが好ましい。電気光学結晶層１の厚みが１０μｍ以下であれば、テラヘルツ波検出素子１０を観察装置１０００に使用した場合の空間分解能を２０μｍ以下とすることが可能となる。空間分解能が２０μｍ以下であれば、生体試料について良好に観察を行うことができる。
なお、電気光学結晶層１の厚みが小さいほど空間分解能は高くなるが、加工精度の観点や、プローブ光ＰＢの検出精度の観点などから、電気光学結晶層１は、１μｍ以上の厚みであるのが好ましい。
支持基板２は、上述のように厚みが小さい電気光学結晶層１を支持する基板である。支持基板２は、アモルファス、単結晶、多結晶のいずれかで構成されればよいが、電気光学結晶ではないことが好ましい。また、基板水平方向の電界に対する感受率が小さい方位のものが好ましい。以上の点を鑑みると、支持基板２としては、ガラス基板、水晶基板、アルミナ基板、酸化マグネシウム基板などを用いるのが好適である。支持基板２の厚みについては、ある程度の強度とハンドリング性とが確保される限り、特段の制限はないが、例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚みのものを用いるのが好適である。なお、プローブ光ＰＢの散乱を防止するという観点では、支持基板２の表面粗さはプローブ光ＰＢの波長の１／５以下であるのが好ましい。
樹脂層３は、電気光学結晶層１と支持基板２との接合層である。樹脂層３は、エポキシ系の熱硬化性樹脂からなる層である。また、樹脂層３は、電気光学結晶層１の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する。電気光学結晶層１と支持基板２との接合の仕方については後述する。
樹脂層３は、電気光学結晶層１と支持基板２との接合状態を保持するという点からは、０．１μｍ以上の厚みを有していれば十分である。ただし、樹脂層３は、テラヘルツ波検出素子１０における反りを抑制し、電気光学結晶層１におけるクラックの発生を防ぐという観点からは１μｍ以下の厚みに形成するのが好ましい。この点については後述する。
以上に示す、電気光学結晶層１と、支持基板２と、これらを接合する樹脂層３とが、テラヘルツ波検出素子１０の基本的な構成要素である。
ただし、本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０には、さらに、観察装置１０００において使用した場合の観察性能の向上を図る目的で、反射防止層４と、全反射層５とが備わっている。
反射防止層４は、支持基板２の、樹脂層３とは反対側の面に設けられてなる。反射防止層４は、テラヘルツ波検出素子１０に対し支持基板２の側から入射されるプローブ光ＰＢが支持基板２の表面で反射されるのを防止するべく設けられる。
具体的には、反射防止層４は、支持基板２の主面上に、相異なる組成の誘電体からなる第１単位反射防止層４ａと第２単位反射防止層４ｂとが繰り返し交互に積層された誘電体多層膜として設けられる。反射防止層４の形成に用いることができる誘電体としては、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化チタン、フッ化マグネシウム、ジルコニア、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、硫化亜鉛等が例示できる。あるいは、反射防止層４は、上記の誘電体の単層膜としてもよい。
例えば、蒸着法により、Ｔａ２Ｏ５からなる第１単位反射防止層４ａとＳｉＯ２からなる第２単位反射防止層４ｂとをそれぞれ数十ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みに形成し、反射防止層４を全体として０．２μｍ〜０．５μｍ程度の厚みに設けるのが好適である。これにより、反射率が０．１％以下の反射防止層４を設けることができる。
全反射層５は、電気光学結晶層１の、樹脂層３とは反対側の面に設けられてなる。全反射層５は、テラヘルツ波検出素子１０に対し支持基板２の側から入射したプローブ光ＰＢを全反射させるべく設けられる。
具体的には、全反射層５は、電気光学結晶層１の主面上に、相異なる組成の誘電体からなる第１単位全反射層５ａと第２単位全反射層５ｂとが繰り返し交互に積層された誘電体多層膜として設けられる。また、全反射層５は、電気光学結晶層１の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有する。なお、本実施の形態において、相異なる組成の第１単位全反射層５ａと第２単位全反射層５ｂとの多層膜である全反射層５の熱膨張係数とは、層全体としての実効的な（平均的な）値であるとする。
全反射層５の形成に用いることができる誘電体としては、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化チタン、フッ化マグネシウム、ジルコニア、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、硫化亜鉛等が例示できる。
全反射層５は、テラヘルツ波検出素子１０における反りを抑制し、電気光学結晶層１におけるクラックの発生を防ぐという観点からは、１μｍ以上の厚みに形成するのが好ましい。この点については後述する。
例えば、蒸着法により、ＳｉＯ２からなる第１単位全反射層５ａとＴａ２Ｏ５からなる第２単位全反射層５ｂとをそれぞれサブミクロンオーダーの厚みに形成し、全反射層５を全体として数μｍ程度の厚みに設けるのが好適である。これにより、反射率が９９％以上で熱膨張係数がＬＮ結晶のｚ軸方向の熱膨張係数よりも小さい全反射層５を設けることができる。
テラヘルツ波検出素子１０にこれらの反射防止層４と全反射層５とが備わることで、入射したプローブ光ＰＢの損失が低減されるので、テラヘルツ波検出素子１０を観察装置１０００に用いた場合における観察像の品質が向上する。
＜観察装置による観察＞
次に、観察装置１０００の構成と、該観察装置１０００を用いた被検試料Ｓの観察態様について説明する。図２に示すように、被検試料Ｓを載置するステージとしてのテラヘルツ波検出素子１０に加えて、観察装置１０００は、テラヘルツ波照射光学系ＯＳ１と、プローブ光照射光学系ＯＳ２と、観察光学系ＯＳ３とを備える。
テラヘルツ波照射光学系ＯＳ１は、テラヘルツ波発生源１０１と、パラボリックミラー１０２とを主として備える。テラヘルツ波発生源１０１は、波長が８００ｎｍのフェムト秒チタンレーザをテラヘルツ波変換素子に照射することによってテラヘルツ波ＴＨを発生させるようになっている。
プローブ光照射光学系ＯＳ２は、プローブ光光源１０３と、第１中間レンズ１０４と、無偏光ビームスプリッタ１０５と、対物レンズ１０６とを主として備える。プローブ光ＰＢには、テラヘルツ波発生源１０１で使用するものと同じフェムト秒チタンレーザを用いる。したがって、プローブ光光源１０３から出射されるフェムト秒チタンレーザを途中で２方向に分岐させ、一方をプローブ光ＰＢとして用い、他方をテラヘルツ波発生源１０１におけるテラヘルツ波ＴＨの発生に利用するようにしてもよい。係る場合、プローブ光光源１０３を、光遅延部によりテラヘルツ光をサンプリングして検出する、いわゆるテラヘルツ時間領域分光（THz−TDS：Terahertz Time Domain Spectroscopy）法で測定可能なシステムとして構成する態様であってもよい。
観察光学系ＯＳ３は、第２中間レンズ１０７と、１／４波長板１０８と、偏光子１０９と、例えばＣＣＤからなる撮像素子１１０とを主として備える。
以上のような構成要素を有する観察装置１０００においては、テラヘルツ波検出素子１０の被載置面１０ｓに被検試料Ｓが載置された状態で、矢印ＡＲ１にて示すようにテラヘルツ波発生源１０１から出射され、パラボリックミラー１０２で反射および収束されたテラヘルツ波ＴＨが、被検試料Ｓに対して照射される。上述のように、テラヘルツ波検出素子１０には全反射層５が備わっているので、実際には全反射層５の表面が被載置面１０ｓとなる。
被検試料Ｓに照射されたテラヘルツ波ＴＨは、被検試料Ｓにおいて細胞組成や厚みなどの空間分布（２次元分布）に応じた吸収を受け、その強度が空間的に（２次元的に）変調される。そして、この変調を受けたテラヘルツ波ＴＨが、テラヘルツ波検出素子１０の電気光学結晶層１に入射する。すると、電気光学結晶層１においては、ポッケルス効果により、入射したテラヘルツ波ＴＨに生じている強度分布に応じて、複屈折による屈折率変化の程度に分布が生じる。換言すれば、テラヘルツ波ＴＨの入射位置における屈折率が当該入射位置におけるテラヘルツ波ＴＨの入射強度に応じて変化する。結果として、係る屈折率変化の分布（ひいては屈折率の分布）は、被検試料Ｓの空間的な情報を反映したものとなっている。
一方で、観察装置１０００においては、プローブ光光源１０３から平行光として出射されたプローブ光ＰＢが、第１中間レンズ１０４にて非平行光とされたうえで、矢印ＡＲ２および矢印ＡＲ３にて示すように、無偏光ビームスプリッタ１０５、および対物レンズ１０６を経て、支持基板２の側から（反射防止層４の側から）テラヘルツ波検出素子１０に平行光として入射する。ここで、プローブ光ＰＢとしては、波長帯域が８００ｎｍ帯のものを用いる。本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０は、支持基板２の表面に反射防止層４を備えているので、プローブ光ＰＢは、損失をほとんど受けることなく電気光学結晶層１に入射する。
電気光学結晶層１に入射したプローブ光ＰＢは、上述のようにテラヘルツ波ＴＨの強度分布に応じて電気光学結晶層１に生じている屈折率分布に応じて屈折されつつ、テラヘルツ波検出素子１０に備わる全反射層５によって全反射される。そして、矢印ＡＲ４にて示すように、対物レンズ１０６および無偏光ビームスプリッタ１０５に向けて出射される。係る態様にてテラヘルツ波検出素子１０から出射されたプローブ光ＰＢは、屈折率（屈折率変化）の空間分布を反映した強度（光量）の空間分布を有するものとなっている。
テラヘルツ波検出素子１０から出射されて無偏光ビームスプリッタ１０５に入射したプローブ光ＰＢは、無偏光ビームスプリッタ１０５に備わるハーフミラー１０５ｍで反射される。そして、係るプローブ光ＰＢは、矢印ＡＲ５にて示すように、第２中間レンズ１０７にて平行光とされたうえで１／４波長板１０８および偏光子１０９を順次に通過し、撮像素子１１０に入射する。
上述のように、撮像素子１１０に入射したプローブ光ＰＢは、テラヘルツ波検出素子１０において電気光学結晶層１に生じた屈折率分布を反映した強度分布を有するものとなっている。そして、係る屈折率分布は、被検試料Ｓを透過したテラヘルツ波ＴＨが電気光学結晶層１に入射することによって生じたものである。結果として、観察装置１０００においては、撮像素子１１０における結像画像が、被検試料Ｓの空間的な（２次元的な）状態の分布を表すものとなっている。よって、観察装置１０００においては、撮像素子１１０における結像画像を観察することで、被検試料Ｓをリアルタイムに観察することが可能となっている。
＜テラヘルツ波検出素子の作製方法＞
次に、上述のような構成を有する、本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０の作製方法について詳述する。図３は、本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０の作製の流れを概略的かつ模式的に示す図である。
上述のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０は、電気光学結晶層１と支持基板２とを樹脂層３によって接合した構成を基本としているが、その平面サイズはせいぜい数ｍｍ角程度であることから、係る接合を、係る平面サイズの電気光学結晶層１や支持基板２を用意して行うのは困難かつ非効率である。そこで、本実施の形態においては、いわゆる多数個取りの手法にてテラヘルツ波検出素子１０を作製する。
まず、図３に示すように、素子サイズに比して十分に大きなサイズ（直径）を有する第１母基板１Ｍと第２母基板２Ｍとを用意する（ステップＳ１）。例えば、数インチ径の第１母基板１Ｍと第２母基板２Ｍとを用意するのが好適である。
ここで、第１母基板１Ｍとは、上述した電気光学結晶層１と同じ組成および結晶状態を有し、かつ厚みの大きな基板である。ただし、第１母基板１Ｍとしては、平面度が１０μｍ以下で平行度が３μｍ以下のものを用いるのが好ましい。また、第１母基板１Ｍの厚みについては、ある程度の強度とハンドリング性とが確保される値であることが求められる一方で、最終的にテラヘルツ波検出素子１０を構成する電気光学結晶層１の厚みとの差異が大き過ぎると、後述する研磨工程に過剰な時間を要することになる。それゆえ、例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚みのものを用いるのが好適である。
第２母基板２Ｍとは、上述した支持基板２と同じ組成、結晶状態、および厚みを有する基板である。ただし、第２母基板２Ｍとしては、平面度が２５μｍ以下で平行度が3μｍ以下のものを用いるのが好ましく、平面度が１５μｍ以下で平行度が２μｍ以下のものを用いるのがより好ましい。
なお、特に断らない限り、本明細書において、平面度および平行度は、４インチ径の基板（もしくは接合体）に換算した値として表す。ちなみに、４インチ径換算で２５μｍの平面度、１５μｍの平面度は、それぞれ、１ｃｍ２あたりで５μｍ、３．８μｍである。また、４インチ径換算で３μｍの平行度、１μｍの平行度は、それぞれ、１ｃｍ２あたりで０．６μｍ、０．２μｍである。
第１母基板１Ｍと第２母基板２Ｍとが用意できると、次に、両者を樹脂接着により接合し、接合体１０Ｍを得る（ステップＳ２）。具体的には、第１母基板１Ｍの表面にエポキシ系の接着剤を塗布したうえで、第２母基板２Ｍを、双方のオリフラが一致するように貼り合わせてプレス圧着する。その後、２００℃の雰囲気で数時間程度放置して接着剤を硬化させて接着層３Ｍとすることで、接合体１０Ｍが得られる。
なお、以降に説明するプロセスを経た後、最終的に接合体１０Ｍが多数個のテラヘルツ波検出素子１０にカットされると、第１母基板１Ｍと第２母基板２Ｍと接着層３Ｍに由来する部分がそれぞれのテラヘルツ波検出素子１０の電気光学結晶層１と支持基板２と樹脂層３となるが、便宜上、接合体１０Ｍが得られた以降においては、第１母基板１Ｍを単に電気光学結晶層１と称し、第２母基板２Ｍを単に支持基板２と称し、接着層３Ｍを単に樹脂層３と称することとする。
次に、得られた接合体１０Ｍの電気光学結晶層１を、公知の薄板加工手法にて、上述した素子状態での電気光学結晶層１の好ましい厚みである１μｍ以上１０μｍ以下の厚みとなるまで研磨する（ステップＳ３）。
研磨が終了すると、研磨後の電気光学結晶層１の上に、全反射層５となる誘電体多層膜を蒸着法によって形成し（ステップＳ４）、続いて、支持基板２の上に、反射防止層４となる誘電体多層膜を蒸着法によって形成する（ステップＳ５）。これらの誘電体多層膜についてもそれぞれ、便宜上、全反射層５、反射防止層４と称することとする。
最後に、反射防止層４までが形成された接合体１０Ｍを、所望の平面サイズを有するようにダイシングなどの公知の手法で接合方向に沿った面で所定の素子サイズの個片にカットすることで、多数個のテラヘルツ波検出素子１０が得られる（ステップＳ６）。
＜素子品質の安定化＞
本実施の形態に係るテラヘルツ波検出素子１０において、高空間分解能を実現するには、上述のように電気光学結晶層１の厚みを１０μｍ以下とする必要がある。
ただし、テラヘルツ波検出素子１０を接合体１０Ｍから多数個取りすることによって作製する場合は、さらに、個々の素子間における品質のばらつきを抑制すべく、接合体１０Ｍの状態において、電気光学結晶層１と支持基板２や樹脂層３との熱膨張係数差に起因する、電気光学結晶層１におけるクラックの発生や、素子全体の反りなどを、抑制する必要がある。
係る要求に応えるべく、本実施の形態では、上述のように、接合体１０Ｍの作製にあたって、第１母基板１Ｍとして平面度が１０μｍ以下で平行度が３μｍ以下のものを用い、第２母基板２Ｍとして平面度が２５μｍ以下で平行度が３μｍ以下のものを用いるようにしている。
これに加えて、本実施の形態では、熱膨張係数が３０〜８０ｐｐｍ／℃と電気光学結晶層１の熱膨張係数（ＬＮやＬＴの場合でｚ軸方向熱膨張係数：５ｐｐｍ／℃、x軸およびｙ軸方向熱膨張係数：１６ｐｐｍ／℃）よりも大きい樹脂層３の厚みを０．１μｍ以上１μｍ以下とする一方、全反射層５の厚みを１μｍ以上とすることで熱膨張係数を電気光学結晶層１よりも小さいか電気光学結晶層１と同程度の２ｐｐｍ／℃〜５ｐｐｍ／℃とし、さらに、全反射層５の厚みに対する樹脂層３の厚みの比（樹脂層厚み／全反射層厚み）を１／３以下とする。これにより、電気光学結晶層１の両面に作用する熱応力が相殺されるので、電気光学結晶層１におけるクラックの発生や、接合体１０Ｍの反りが低減できる。結果として、高い空間分解能を有するテラヘルツ波検出素子１０を安定的に得ることが可能となる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、樹脂層と全反射層の厚みを好適に調整することで、クラックフリーでかつ高空間分解能のテラヘルツ波検出素子を安定的に得ることができる。
また、係るテラヘルツ波検出素子を観察装置に適用することで、生体試料を高空間分解能でかつリアルタイムに観察可能な観察装置が実現される。
（実施例１）
本実施例では、電気光学結晶層１の厚みを５水準に違え、かつ、全反射層５の厚みを５水準に違えた計２５通りの作製条件にて接合体１０Ｍを作製し、電気光学結晶層１におけるクラック発生などの不良の有無の評価を行った。それぞれの作製条件について、１０個のサンプルを作製した。
具体的には、いずれの作製条件の場合においても、まず、第１母基板１Ｍとして、４インチ径で厚みが５００μｍの、ＭｇＯ５ｍｏｌ％ドープのｘ板ＬＮ単結晶基板（ｚ軸方向熱膨張係数：５ｐｐｍ／℃、x軸およびｙ軸方向熱膨張係数：１６ｐｐｍ／℃）を用意し、第２母基板２Ｍとして、４インチ径で厚みが５００μｍのテンパックスガラス（熱膨張係数：３．３ｐｐｍ／℃）を用意した。
第２母基板２Ｍの平面度は、フジノン製干渉計により測定したところ３μｍ以内であった。また平行度は、マイクロメータで測定したところ１μｍ以内であった。
第１母基板１Ｍの表面にエポキシ系接着剤を塗布したうえで、第２母基板２Ｍを、双方のオリフラが一致するように貼り合わせてプレス圧着した。続いて、２００℃の雰囲気で１時間程度放置して接着剤を硬化させて接着層３Ｍ（熱膨張係数：４０ｐｐｍ／℃）とすることで、接合体１０Ｍを得た。係る場合においては、あらかじめ行っておいたエポキシ系接着剤の塗布量およびプレス圧と接着層３Ｍの厚みとの関係を特定するための予備実験の結果に基づき、接着層３Ｍの厚みが０．３μｍとなるように、エポキシ系接着剤の塗布量および圧着の際のプレス圧を調整した。
接合体１０Ｍが得られると、公知の薄板加工手法によって電気光学結晶層１を研削・研磨した。より具体的には、樹脂層３の厚みが同じ接合体１０Ｍについて、電気光学結晶層１の厚みを、１μｍ、３μｍ、１０μｍ、３０μｍ、３５μｍの５通りに違えた。研磨後の電気光学結晶層１の平面度と平行度を測定した結果、それぞれ、３μｍ以内、１μｍ以内となっていた。
その後、それぞれの接合体１０Ｍの電気光学結晶層１の主面上に、蒸着法によって、第１単位全反射層５ａとしてのＳｉＯ２層と第２単位全反射層５ｂとしてのＴａ２Ｏ５層とを交互に複数層形成することにより、誘電体多層膜としての全反射層５（熱膨張係数：４ｐｐｍ／℃）を得た。全反射層５の総厚は、０．５μｍ、０．９μｍ、１．１μｍ、３μｍ、３．５μｍの５通りに違えた。なお、その際のＳｉＯ２層とＴａ２Ｏ５層の厚みはそれぞれ１３７ｎｍと９７ｎｍであった。反射特性を評価したところ、８００ｎｍ帯にて２００ｎｍの帯域で反射率が９９％以上であった。
さらに、それぞれの接合体１０Ｍの支持基板２の主面上に、蒸着法によって、第１単位反射防止層４ａとしてのＴａ２Ｏ５層と第２単位反射防止層４ｂとしてのＳｉＯ２層とを交互に、計４層となるように形成することにより、誘電体多層膜としての反射防止層４を得た。より詳細には、支持基板２に近い側から、厚み３１ｎｍのＴａ２Ｏ５層、厚み４０ｎｍのＳｉＯ２層、厚み９３ｎｍのＴａ２Ｏ５層、厚み１２５ｎｍのＳｉＯ２層を順次に形成することにより、総厚が０．３μｍの反射防止層４を形成した。
反射防止層４を形成した後、それぞれの接合体１０Ｍについて電気光学結晶層１におけるクラックの発生状況を目視および光学顕微鏡にて観察した。
表１に、電気光学結晶層１と樹脂層３と全反射層５の厚み条件と接合体１０Ｍの評価結果とを一覧にして示す。
Figure 0006190816
表１からわかるように、全反射層５の厚みが１μｍ未満の接合体１０Ｍについては、電気光学結晶層１の厚みによらず電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．１−１〜１−５、２−１〜２−５）。また、全反射層５の厚みが１μｍより大きく電気光学結晶層１の厚みが３０μｍ以上の接合体１０Ｍについても、電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．３−４、３−５、４−４、４−５、５−４、５−５）。
一方、全反射層５の厚みが１μｍより大きく、かつ、電気光学結晶層１の厚みが１０μｍ以下の接合体１０Ｍ（Ｎｏ．３−１〜３−３、４−１〜４−３、５−１〜５−３）については、全てのサンプルにおいて電気光学結晶層１にクラックは確認されなかった。
全体としては、全反射層５の厚みによらず、電気光学結晶層１の厚みが小さいほど、クラックが発生しにくい傾向にあった。
また、電気光学結晶層１にクラックが発生しなかったサンプルについて、触針の厚みゲージ（ハイデンハイン製）により平面度を測定したところ、いずれも２μｍ以内となっていた。
（実施例２）
本実施例では、全反射層５の厚みを３μｍに固定する一方、樹脂層３の厚みを０．３μｍ、０．６μｍ、１μｍ、１．１μｍ、１．５μｍの５水準に違えた他は、実施例１と同様の条件および手順で計２５通りの作製条件にて接合体１０Ｍを作製し、評価した。係る場合においては、あらかじめ行っておいたエポキシ系接着剤の塗布量およびプレス圧と接着層３Ｍの厚みとの関係を特定するための予備実験の結果に基づき、接着層３Ｍの厚みが所望の値となるように、エポキシ系接着剤の塗布量および圧着の際のプレス圧を調整した。
表２に、電気光学結晶層１と樹脂層３と全反射層５の厚み条件と接合体１０Ｍの評価結果とを一覧にして示す。
Figure 0006190816
表２からわかるように、樹脂層３の厚みを１μｍより大きくした接合体１０Ｍについては、電気光学結晶層１の厚みによらず電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．９−１〜９−５、１０−１〜１０−５）。また、樹脂層３の厚みが１μｍ以下であっても、電気光学結晶層１の厚みが３０μｍ以上の接合体１０Ｍについては、電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．６−５、７−５、８−４、８−５）。
一方、樹脂層３の厚みが１μｍ以下で、かつ、電気光学結晶層１の厚みが１０μｍ以下のもの（Ｎｏ．６−１〜６−３、７−１〜７−３、８−１〜８−３）については、全てのサンプルにおいて電気光学結晶層１にクラックは確認されなかった。
全体としては、樹脂層３の厚みによらず、電気光学結晶層１の厚みが小さいほど、クラックが発生しにくい傾向にあった。
また、電気光学結晶層１にクラックが発生しなかったサンプルについて、触針の厚みゲージ（ハイデンハイン製）により平面度を測定したところ、いずれも２μｍ以内となっていた。
（実施例３）
第２母基板２Ｍとして、４インチ径で厚みが５００μｍのｚ板水晶を用いるようにした他は、実施例１と同様の条件および手順で計２５通りの作製条件にて接合体１０Ｍを作製し、評価した。
なお、第２母基板２Ｍの平面度は３μｍ以内、また平行度は１μｍ以内であった。また、研磨後の電気光学結晶層１の平面度と平行度を測定した結果、それぞれ、３μｍ以内、１μｍ以内となっていた。
表３に、電気光学結晶層１と樹脂層３と全反射層５の厚み条件と接合体１０Ｍの評価結果とを一覧にして示す。
Figure 0006190816
表３からわかるように、本実施例においても、実施例１と同様、全反射層５の厚みが１μｍ未満の接合体１０Ｍについては、電気光学結晶層１の厚みによらず電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．１１−１〜１１−５、１２−１〜１２−５）。また、全反射層５の厚みが１μｍより大きく電気光学結晶層１の厚みが３０μｍ以上の接合体１０Ｍについても、電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．１３−４、１３−５、１４−４、１４−５、１５−４、１５−５）。
一方、全反射層５の厚みが１μｍより大きく、かつ、電気光学結晶層１の厚みが１０μｍ以下の接合体１０Ｍ（Ｎｏ．１３−１〜１３−３、１４−１〜１４−３、１５−１〜１５−３）については、全てのサンプルにおいて電気光学結晶層１にクラックは確認されなかった。
全体としては、全反射層５の厚みによらず、電気光学結晶層１の厚みが小さいほど、クラックが発生しにくい傾向にあった。
また、電気光学結晶層１にクラックが発生しなかったサンプルについて、触針の厚みゲージ（ハイデンハイン製）により平面度を測定したところ、いずれも２μｍ以内となっていた。
（実施例４）
第２母基板２Ｍとして、４インチ径で厚みが５００μｍのｚ板水晶を用いるようにした他は、実施例２と同様の条件および手順で計２５通りの作製条件にて接合体１０Ｍを作製し、評価した。
なお、第２母基板２Ｍの平面度は３μｍ以内、また平行度は１μｍ以内であった。また、研磨後の電気光学結晶層１の平面度と平行度を測定した結果、それぞれ、３μｍ以内、１μｍ以内となっていた。
表４に、電気光学結晶層１と樹脂層３と全反射層５の厚み条件と接合体１０Ｍの評価結果とを一覧にして示す。
Figure 0006190816
表４からわかるように、本実施例においても、実施例２と同様、樹脂層３の厚みを１μｍより大きくした接合体１０Ｍについては、電気光学結晶層１の厚みによらず電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．１９−１〜１９−５、２０−１〜２０−５）。また、樹脂層３の厚みが１μｍ以下であっても、電気光学結晶層１の厚みが３０μｍ以上の接合体１０Ｍについては、電気光学結晶層１にクラックが発生したサンプルがあった（Ｎｏ．１６−４、１６−５、１７−４，１７−５、１８−４、１８−５）。
一方、樹脂層３の厚みが１μｍ以下で、かつ、電気光学結晶層１の厚みが１０μｍ以下のもの（Ｎｏ．１６−１〜１６−３、１７−１〜１７−３、１８−１〜１８−３）については、全てのサンプルにおいて電気光学結晶層１にクラックは確認されなかった。
全体としては、樹脂層３の厚みによらず、電気光学結晶層１の厚みが小さいほど、クラックが発生しにくい傾向にあった。
また、電気光学結晶層１にクラックが発生しなかったサンプルについて、触針の厚みゲージ（ハイデンハイン製）により平面度を測定したところ、いずれも２μｍ以内となっていた。

（実施例１〜実施例４のまとめ）
上述の各実施例の結果は、クラックフリーでかつ反りの小さい接合体１０Ｍを得るには、樹脂層３の厚みを１μｍ以下とする一方、全反射層５の厚みを１μｍ以上とする必要があり、係る場合において、全反射層５の厚みに対する樹脂層３の厚みの比（樹脂層厚み／全反射層厚み）が１／３以下であれば、実際に、クラックフリーでかつ反りの小さい接合体１０Ｍが得られることを指し示している。

Claims (6)

  1. 入射したテラヘルツ波が有する空間的強度分布を検出可能なテラヘルツ波検出素子であって、
    前記テラヘルツ波の入射位置における屈折率が前記入射位置における前記テラヘルツ波の入射強度に応じて変化する電気光学結晶からなる電気光学結晶層と、
    前記電気光学結晶層を支持する支持基板と、
    前記電気光学結晶層と前記支持基板とを接合する樹脂層と、
    前記電気光学結晶の表面に設けられた、第１の誘電体多層膜からなる全反射層と、
    前記支持基板の表面に設けられた、第２の誘電体多層膜からなる反射防止層と、
    を備え、
    前記電気光学結晶層に前記テラヘルツ波と重畳的に照射されたプローブ光に生じる、前記テラヘルツ波の入射によって前記電気光学結晶層に生じている屈折率の空間的分布に応じた空間的特性分布を検出することで、前記入射したテラヘルツ波の前記空間的強度分布を検出するようになっており、
    前記電気光学結晶層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下であり、
    前記樹脂層の厚みが０．１μｍ以上１μｍ以下であり、
    前記全反射層の厚みが１μｍ以上であり、
    前記全反射層の厚みに対する前記樹脂層の厚みの比が１／３以下である、
    ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
  2. 請求項１に記載のテラヘルツ波検出素子であって、
    前記全反射層の熱膨張係数が、前記電気光学結晶層の熱膨張係数よりも小さい、
    ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
  3. 請求項１または請求項２に記載のテラヘルツ波検出素子であって、
    ４インチ径換算での前記支持基板の平面度が２５μｍ以下であり、平行度が３μｍ以下である、
    ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のテラヘルツ波検出素子であって、
    前記プローブ光に生じる前記空間的特性分布が、前記プローブ光の強度分布である、
    ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子。
  5. 入射したテラヘルツ波が有する空間的強度分布を検出可能なテラヘルツ波検出素子を作製する方法であって、
    テラヘルツ波の入射位置における屈折率が前記入射位置における前記テラヘルツ波の入射強度に応じて変化する電気光学結晶からなる第１の基板と、前記電気光学結晶を支持する第２の基板とを、熱硬化性樹脂からなる接着剤によって接合する接合工程と、
    前記接合工程によって得られた接合体の前記第１の基板を研磨して１μｍ以上１０μｍ以下の厚みに薄層化する研磨工程と、
    前記研磨工程を経た前記接合体の前記第１の基板の表面に第１の誘電体多層膜からなる全反射層を形成する全反射層形成工程と、
    前記接合体の前記第２の基板の表面に第２の誘電体多層膜からなる反射防止層を形成する反射防止層形成工程と、
    前記全反射層と前記反射防止層とが形成された前記接合体を所定の素子サイズの個片にカットすることで多数個のテラヘルツ波検出素子を得る個片化工程と、
    を備え、
    前記接合工程においては、前記接着剤が熱硬化することで形成される樹脂層の厚みが０．１μｍ以上１μｍ以下となるように前記第１の基板と前記第２の基板とを接合し、
    前記全反射層形成工程においては、前記全反射層を１μｍ以上の厚みに形成し、
    かつ、
    前記全反射層の厚みに対する前記樹脂層の厚みの比を１／３以下とする、
    ことを特徴とするテラヘルツ波検出素子の作製方法。
  6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のテラヘルツ波検出素子を、前記電気光学結晶層側の表面が被検試料の被載置面となるように備えるとともに、
    前記被検試料が載置された前記被載置面に向けて前記テラヘルツ波を照射するテラヘルツ波照射光学系と、
    前記支持基板の側から前記電気光学結晶層に対し前記プローブ光を照射するプローブ光照射光学系と、
    前記テラヘルツ波の入射によって前記屈折率の空間的分布が生じている前記電気光学結晶層から出射された、前記空間的特性分布を有する前記プローブ光の像を観察する観察光学系と、
    を備えることを特徴とする観察装置。
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