CN101730857A - 滤光器 - Google Patents

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Abstract

提供一种透射可见光区域的光的滤光器，该滤光器包括：电介质基板；在电介质基板的表面上形成的电介质层；和设置在电介质基板和电介质层之间的沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维配置多个第一金属结构的第一金属结构组，包括：第一金属结构具有沿相互正交的第一方向和第二方向的第一长度和第二长度，这些长度小于或等于可见光区域中的第一波长；并且，通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第一金属结构之间的共振在第一金属结构的表面上引起的表面等离子体激元，减小第一波长的透射率或增加反射率。

Description

滤光器
技术领域
本发明涉及利用局部化表面等离子体激元(plasmon)的滤光器。
背景技术
最近，在专利文献1和非专利文献1中提出了其中在金属薄膜上以阵列周期性配置孔径并且执行利用表面等离子体激元的波长选择的孔型滤光器。
常规上，虽然也依赖于膜厚，但包含小于或等于光波长的尺寸的孔径直径的金属薄膜的透射率被视为小于约1％。
但是，如在专利文献1中描述的那样，当以与等离子体激元的波长一致的周期在金属薄膜上排列预定尺寸的孔径时，引起表面等离子体激元的波长的光的透射率大大提高。
并且，非专利文献1教导可通过使用这种类型的利用表面等离子体激元的孔型滤光器获得RGB的透射光谱。更具体而言，非专利文献1公开通过使用具有子波长孔径阵列的金属薄膜获得436nm(蓝)、538nm(绿)和627nm(红)的波长的透射光谱。
专利文献2公开了利用表面等离子体激元的波长滤波器。
(专利文献1)美国专利No.5973316
(专利文献2)WO2002/008810
(非专利文献1)Nature Vol.424，14 August，2003(图4)
发明内容
在以上的专利文献1和非专利文献1中，通过使用其中周期性配置孔的具有相对较大的表面积的金属薄膜，实现具有依赖于在金属表面上引起的表面等离子体激元的波长的透射光谱的滤波器。
但是，在这种类型的孔型金属薄膜滤波器中，由于较大的比例的空间被金属占据，因此存在大量的光吸收。因此，在上述的专利文献1公开的金属薄膜滤波器中，即使在透射率最大的峰值上，透射率也仅为约5～6％。
当希望利用这种类型的不提供非常高的透射率的滤波器的透射光谱时，为了确保透射光谱的强度，必须增加入射光的强度。因此，存在使用孔型滤波器的器件的能量效率将较低的可能性。
特别地，虽然金属对光的吸收在微波区域中不是非常高的，但金属的光吸收在可见光区域是较高的。并且，当使用孔型金属薄膜滤波器作为可见光区域的滤波器时，对于实际器件的应用范围变窄。
因此，希望提供光吸收在包含可见光区域的波带区域中比孔型金属薄膜滤波器小的高透射率滤光器。
在以上的专利文献1和2中描述的滤波器使用具有以与表面等离子体激元的波长对应的间距在具有相对较大的表面积的金属膜中形成的孔径或突起的周边结构以控制光学性能。即，沿周边结构传播的表面等离子体激元之间的干涉用它们各自的与间距对应的波长选择表面等离子体激元波，并且，选择的波然后相互聚集强度以增加透射光的强度和反射光的强度。
因此，在以上的文献描述的滤波器中，周边结构的间距变为限定滤波器的光学特性的主导因素。并且，当选择波长以获得一定的光学特性时，周边结构的间距依赖于波长。即，当选择一定的波长时，金属膜中的孔径或突起的密度会受到限制。
因此，难以增加滤波器的透射率或反射率。
并且，由于在以上的文献中描述的滤波器需要孔径或突起的周边对准，因此滤波器的尺寸和表面积应被设定为间距的倍数。专利文献1和2的滤波器由此关于尺寸的选择具有较低的自由度。
并且，希望提供与利用与具有相对较大的表面积的金属膜中的周边结构对应的表面等离子体激元的滤波器相比关于尺寸的选择具有更大的自由度的滤光器。
本发明针对一种透射第一波长的光的滤光器，该滤光器包括：
电介质基板；
设置在电介质基板的表面上的沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维配置多个第一金属结构的第一金属结构组；和
覆盖第一金属结构组的电介质层，包括：
第一金属结构具有沿第一方向的第一长度和沿与第一方向正交的第二方向的第二长度；第一长度和第二长度小于或等于第一波长；并且
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第一金属结构之间的共振在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第一波长的透射率最小或使得第一波长的反射率最大。
在滤光器中，配置第一金属结构组中的第一金属结构的周期可小于或等于第一波长。
第一长度和第二长度可相同。
第一金属结构可为正方形形状。
在滤光器中，第一金属结构的厚度可小于或等于第一波长。
第一金属结构可由铝构成，或由包含铝的合金或混合物构成。
在滤光器中，电介质基板的介电常数和电介质层的介电常数可相同。
电介质基板和电介质层可包含选自由二氧化硅、二氧化钛和氮化硅构成的组的任一种。
滤光器可包含：从电介质层的表面到第一金属结构的表面的距离小于或等于由下式表达的值d：
d = λ res 2 2 n Δλ FW
其中，λres表示第一金属结构的等离子体激元共振波长，n表示电介质层的折射率，ΔλFW表示第一金属结构的共振光谱的半最大值全宽度。
在滤光器中，从电介质层的表面到第一金属结构的表面的距离可小于或等于由下式表达的值d：
d = λ res - λ HW 2 n
其中，λres表示第一金属结构的等离子体激元共振波长，n表示电介质层的折射率，ΔλHW表示第一金属结构的共振光谱的半最大值半宽度。
滤光器可包括：第一长度和第二长度在大于或等于110nm且小于或等于160nm的范围内，第一金属结构的厚度在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围内，配置第一金属结构的周期在大于或等于340nm且小于或等于450nm的范围内，并且第一波长在大于或等于550nm且小于650nm的范围内。
滤光器可包括：第一长度和第二长度在大于或等于90nm且小于130nm的范围内，第一金属结构的厚度在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围内，配置第一金属结构的周期在大于或等于260nm且小于或等于340nm的范围内，并且第一波长在大于或等于450nm且小于550nm的范围内。
滤光器可包括：第一长度和第二长度在大于或等于60nm且小于100nm的范围内，第一金属结构的厚度在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围内，配置第一金属结构的周期在大于或等于180nm且小于或等于280nm的范围内，并且第一波长在大于或等于350nm且小于450nm的范围内。
滤光器可沿电介质基板的面内方向包含两个或更多个第一金属结构组；并且，
配置包含所述两个或更多个第一金属结构组的第一金属结构的周期相互不同，并且，在电介质基板表面的不同区域中配置所述两个或更多个第一金属结构组。
除了第一金属结构组以外，滤光器可包含沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维配置多个第二金属结构的第二金属结构组，其中，
第二金属结构具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，并且，第三长度和第四长度小于或等于与第一波长不同的第二波长；
第三长度与第一长度不同或者第四长度与第二长度不同；
在电介质基板表面的不同区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组；并且，
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第二金属结构之间的共振在第二金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第二波长的透射率最小或使得第二波长的反射率最大。
滤光器可沿电介质基板的面内方向包含两个或更多个第一金属结构组，
包含：在重叠的区域中配置所述两个或更多个第一金属结构组。
滤光器可沿电介质基板的面内方向包含两个或更多个第一金属结构组，包含：
配置包含所述两个或更多个第一金属结构组的第一金属结构的周期相互不同；并且，
在重叠的区域中配置所述两个或更多个第一金属结构组。
除了第一金属结构组以外，滤光器可包含沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维配置多个第二金属结构的第二金属结构组，包括：
第二金属结构具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，并且，第三长度和第四长度小于或等于与第一波长不同的第二波长；
第三长度与第一长度不同或者第四长度与第二长度不同；
在重叠区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组；并且，
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第二金属结构之间的共振在第二金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第二波长的透射率最小或使得第二波长的反射率最大。
本发明针对一种透射或反射光的滤光器，该滤光器包括：
电介质基板；
设置在电介质基板的表面上的包含沿电介质基板的面内方向以隔离的状态配置的多个金属结构的第一金属结构组和第二金属结构组；和
覆盖第一金属结构组和第二金属结构组的电介质层，其中，
在电介质基板表面的不同区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组；
包含第一金属结构组的第一金属结构沿第一方向排列，并且具有沿第一方向的第一长度和沿与第一方向正交的第二方向的第二长度，并且，第一长度和第二长度是小于或等于第一波长的长度；
包含第二金属结构组的第二金属结构沿第一方向排列，并且具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，第三长度和第四长度是小于或等于与第一波长不同的第二波长的长度，并且，第一长度和第三长度不同或者第二长度和第四长度不同；
通过在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第一波长的透射率最小或使得第一波长的反射率最大；并且，
通过在第二金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第二波长的透射率最小或使得第二波长的反射率最大。
在滤光器中，配置第一金属结构的周期和配置第二金属结构的周期可相同。
本发明针对一种层叠的滤光器，其中，在包含根据权利要求1的滤光器的所述电介质层的表面上形成另一电介质层，包括：
设置在所述电介质层表面和另一电介质层之间的沿所述电介质层表面的面内方向以隔离的状态二维配置多个第三金属结构的第三金属结构组，其中，
包含第三金属结构组的第三金属结构具有沿第一方向的第五长度和沿第二方向的第六长度，并且第五长度和第六长度是小于或等于与第一波长不同的第三波长的长度；
第一长度和第五长度是不同的或者第二长度和第六长度是不同的，或者，配置第三金属结构的周期与配置第一金属结构的周期不同；
通过在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第一波长的透射率最小或使得第一波长的反射率最大；并且，
通过在第三金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第三波长的透射率最小或使得第三波长的反射率最大。
本发明针对一种包括滤光器的光检测器件。
本发明针对一种包括光检测器件的图像捕获器件。
本发明针对一种包括图像捕获器件的照相机。
本发明针对一种透射或反射可见光区域的光的滤光器，该滤光器包括：
电介质基板；
在电介质基板的表面上形成的电介质层；和
设置在电介质基板和电介质层之间的沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维周期性配置多个第一金属结构的第一金属结构组，包括：
第一金属结构具有沿第一方向的第一长度和沿与第一方向正交的第二方向的第二长度；第一长度和第二长度小于或等于可见光区域的光；并且
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第一金属结构之间的共振在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得可见光区域中的第一波长的透射率最小或使得可见光区域中的第一波长的反射率最大。
根据本发明，能够提供光吸收在包含可见光区域的波带区域中比孔型金属薄膜滤波器小的高透射率滤光器。
并且，根据本发明，能够提供与利用与具有相对较大的表面积的金属膜中的周边结构对应的表面等离子体激元的滤波器相比关于尺寸的选择具有更大的自由度的滤光器。
通过参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得十分明显。
附图说明
图1A和图1B是示出本发明的第一实施例的示意图。
图2是示出通过第一实施例获得的透射光谱的示图。
图3是示出第二实施例的示意图。
图4A和图4B是示出第四实施例的示意图。
图5是示出第五实施例的示意图。
图6是示出第五实施例的示意图。
图7是示出第六实施例的示意图。
图8A、图8B和图8C是根据例子1的滤光器的示意图。
图9A和图9B是示出通过根据例子1的滤光器获得的透射光谱的示图。
图10A、图10B和图10C是根据例子2的滤光器的示意图。
图11是示出通过根据例子2的滤光器获得的透射光谱的示图。
图12A、图12B和图12C是根据例子3的滤光器的示意图。
图13是示出通过根据例子3的滤光器获得的透射光谱的示图。
图14是当描述本发明的实施例时使用的示意图。
图15A和图15B是示出根据例子4的滤光器和透射光谱的示意图。
图16是示出第三实施例的示意图。
图17是示出金属结构的长度和共振波长之间的关系的示图。
图18A、图18B和图18C是限定金属结构的长度的示意图。
图19是示出金属结构的长度和共振波长之间的关系的示图。
图20是示出金属结构的厚度和共振波长之间的关系的示图。
图21是示出金属结构的周期和共振波长之间的关系的示图。
图22是表示波长和透射率之间的关系的示图。
图23是本发明的光检测器件的示意图。
图24是本发明的图像拾取器件的示意图。
图25是本发明的数字照相机的示意图。
具体实施方式
本发明的发明人着眼于光的透射率在孔型金属薄膜中较低的事实，并且研究了在电介质基板上配置多个金属结构的点型滤光器。
金属粒子特别是大致具有光波长的尺寸或比它小的尺寸的粒子可产生局部化表面等离子体激元共振(LSPR)。
在这种情况下，术语“等离子体激元”指的是由诸如光的外部电场激发的金属表面上的自由电子的集体振荡。由于电子带电，因此由于由电子的振荡导致的自由电子的浓度分布而出现偏振。偏振和电磁场被组合的现象被称为“等离子体激元共振”。
特别地，光和在金属微结构或金属粒子表面上产生的自由电子的等离子振荡之间的共振现象被称为局部化表面等离子体激元共振(LSPR)。
更具体而言，通过诸如光的外部电场激发金属粒子表面上的自由电子的集体振荡，通过振荡产生电子的浓度分布和伴随该浓度分布的偏振，并且，出现在粒子的附近局部化的电磁场。
比较相同的表面积的滤波器，可以发现，与孔型滤光器相比，在电介质基板上配置(例如周期性配置)多个金属结构的点型滤光器的金属部分可减少。因此，由于点型滤光器提供有利于较大的孔径部分并且其中可抑制金属对光的吸收的配置，因此，与孔型滤光器相比，总体透射率可增加。
图14是在电介质基板1401上设置(例如，以一定的周期)多个金属1402的点型滤光器的示意图。通过采用这种配置，能够获得在特定的波长上具有透射率的最小值的透射光谱。
由于特定的波长的光被出现的LSPR吸收和分散，因此在透射光谱中出现透射率最小值。
只要金属结构具有几nm或更大的材料厚度，就可甚至通过使用微小的金属结构导致LSPR的出现。
本发明的发明人研究了利用局部化表面等离子体激元共振的滤光器。
但是，当本发明的发明人开展研究时，在仅在电介质基板1401的顶部配置金属1402的情况下，他们发现一些对于滤光器来说不希望有的现象。
更具体而言，当仅在电介质基板1401的顶部配置金属1402时，在空气和金属之间的边界(金属上表面1403)上的等离子体激元共振的频率和金属1402和电介质基板1401之间的边界(金属下表面1404)上的等离子体激元共振的频率之间存在差异。发现作为结果出现光谱宽度的放大或峰值分裂并且出现对于滤光器来说不优选的特性。
并且，当使用该滤光器作为反射滤波器时，根据入射光是从电介质基板侧入射还是从金属侧入射，反射特性不同。因此，为了显现希望的光学特性，滤光器必须允许光仅从一个给定的方向入射，并且，存在降低使用这种类型的滤光器的光学系统的设计自由度的可能性。
如果污物附着于金属的表面上，还存在出现峰值波长的偏移的问题。
因此，本发明的发明人研究了在电介质材料中嵌入金属的结构。作为结果，本发明的发明人成功地抑制由空气和金属之间的边界上的等离子体激元共振频率的差异导致的光谱峰值的分裂和峰值宽度放大。
并且，本发明的发明人发现，还能够防止金属的氧化并抑制由附着于金属表面上的污物导致的光学特性的变化(峰值波长的偏移)。
就此而论，当尝试使用诸如作为普通的滤光器的着色滤波器或电介质多层滤波器的器件时，必需大于或等于光的波长的膜厚。更具体而言，需要约1μm或更大的膜厚。
相反，根据本发明的滤光器，能够构建膜厚包含约100nm或更小的金属厚度的滤波器。由于即使在金属结构的顶部层叠约100nm的保护层也可使总膜厚保持在约200nm，因此，与常规的滤波器相比，能够提供具有较薄的膜厚的滤波器。
因此，如果在诸如CCD传感器或CMOS传感器的受光元件中使用根据本发明的滤光器，那么可使得受光元件较小。并且，如果在受光元件中使用根据本发明的滤光器，那么还能够减轻伴随大量的像素在受光元件中的设置的由于各像素的观察角的减小导致的受光量的不足。
(第一实施例：单层滤光器和层叠的滤光器)
通过使用附图描述本发明的实施例。首先，列出由各图中的附图标记表示的条目：110：电介质基板，120：金属结构，121：第一金属结构，122：第一金属结构，130：电介质层，140：第一方向，141：第一长度，145：周期，150：第二方向，151：第二长度，155：周期，160：金属结构的厚度，170：从电介质层厚度减去金属结构厚度之后的厚度，201：透射光谱R，202：透射光谱G，203：透射光谱B，301：区域，302：区域，303：区域，401：第一金属结构，402：第一金属结构组，403：第一金属结构，404：第一金属结构组，405：周期，406：周期，407：第一金属结构，408：第二金属结构，501：第一金属结构组，502：第一方向，503：第二方向，504：第一长度，505：第二长度，506：第二金属结构组，507：第三长度，508：第四长度，701：电介质基板，702：第一金属结构组，703：第一电介质层，704：第三金属结构组，705：第二电介质层(另一电介质层)，801：电介质基板，802：金属薄膜层，803：抗蚀剂，804：金属薄膜结构，805：电介质层，901：透射光谱R，902：透射光谱G，903：透射光谱B，904：反射光谱R，905：反射光谱G，906：反射光谱B，1001：电介质基板，1002：金属薄膜层，1003：电子束平版印刷的抗蚀剂，1004：图案部分A，1005：图案部分B，1006：图案部分C，1007：金属薄膜结构，1008：电介质层，1101：透射光谱R，1102：透射光谱G，1103：透射光谱B，1201：电介质基板，1202：第一金属薄膜层，1203：抗蚀剂，1204：第一金属薄膜结构，1205：第一电介质层，1206：第二金属薄膜层，1207：第二金属薄膜层，1208：第二电介质层，1301：透射光谱，1302：透射光谱，1303：层叠的滤波器透射光谱，1401：电介质基板，1402：金属，1403：金属上表面，1404：金属下表面，1501：金属结构，1502：金属结构，1503：透射光谱，1504：透射光谱，1505：透射光谱，1506：周期，1601：第一金属结构，1602：第一金属结构组，1603：第二金属结构，1604：第二金属结构组，1801：第一长度，1802：第二长度，2201：透射光谱，2202：透射光谱。
图1B是作为本发明的第一实施例的滤光器的顶视图。图1A是沿图1B所示的线1A-1A的断面图。
在电介质基板110的表面上设置电介质层130。在电介质基板110和电介质层130之间配置多个金属结构120。
金属结构120沿电介质基板110的面内方向以隔离的状态以二维的方式周期性排列，以构成金属结构组。就此而论，出于描述的目的，构成第一金属结构组的两个第一金属结构由附图标记121和122表示。
本发明的滤光器利用在金属结构自身中引起的局部化表面等离子体激元共振。在本发明中，如下面描述的那样，多个金属结构120的周期性配置是优选的。
当在金属结构中引起局部化表面等离子体激元时，电场从金属结构贯穿。因此，当在电场的贯穿长度的范围上配置多个金属结构时，相互实现各金属结构的共振条件。为了降低该效果，在本发明中优选在金属结构和与其相邻的金属结构之间的电磁关系几乎彼此等同的位置上配置金属结构，这意味着金属结构的周期性配置。
金属结构的周期性配置抑制金属结构之间的等离子体激元共振条件的失配，并且，可在各结构中引起具有相同的波长和相同的相位的局部化表面等离子体激元。因此，透射光谱中的共振峰值的下降会更深并且峰值的宽度可更窄。并且，由于可抑制衍射光的给出，因此可以减少对于透射光谱的形状的影响。
在多个金属结构被配置得相互太近时，金属结构的共振条件强烈地相互影响，使得存在不能获得希望的共振波长或光谱宽度并且会降低透射率的担心。考虑到当获得局部化等离子体激元共振时来自金属结构的电场几乎贯穿到与金属结构自身的尺寸相同的长度，优选在约等于金属结构的尺寸的距离上配置多个金属结构。
并且，优选金属结构相互分开到上述的贯穿长度不重叠的程度，即，以为金属结构的尺寸的约两倍或更多倍的距离分开。
另一方面，各金属结构之间的距离变大到为金属结构的尺寸的几乎三倍的程度，透射光谱的下降(dip)变浅。
因此，关于周期性配置的各金属结构之间的距离，优选距离等于金属结构自身的尺寸或更大，直到金属结构的尺寸的三倍的范围，并进一步优选为其约两倍。
在图1B中，第一金属结构121包含沿第一方向140的第一长度141，并且包含沿与第一方向140正交的第二方向150的第二长度151。在这种情况下，第一长度141和第二长度151被设为例如小于或等于可见光区域中的光学波长的长度。即使当在金属结构中引起的等离子体激元的波长处于最低阶的模式(偶极模式)时，等离子体激元的半波长也基本上与金属结构的尺寸相同。因此，由于可用例如可见光激发等离子体激元的结构的尺寸比可见光的激发波长短，因此，使得这些长度小于或等于可见光区域中的光学波长。
并且，优选使得第一长度141和第二长度151小于或等于等离子体激元共振波长(第一波长)。
在这种情况下，作为一个例子，第一金属结构121被假定为第一长度和第二长度相同并且一个边为120nm的正方形形状。虽然正方形形状在关于光学特性的设计容易性方面是优选的，但是也可使用圆形形状、椭圆形状或其它的多边形形状的金属作为金属结构。例如，由于能够抑制偏振依赖性并且还很容易地维持制造精度，因此具有圆形形状的金属也是合适的。
当使用不是正方形形状的金属结构时，如图18A～18C所示，将第一长度和第二长度分别处理为由附图标记1801和1802表示的长度。
金属结构的形状不限于以上的形状，而是可以具有各种形状。另一方面，第一长度或第二长度可被视为金属结构的最大宽度。
根据本实施例，通过入射到电介质基板或电介质层上的光和金属结构之间的共振在金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得可见光区域中的预定波长(第一波长)的透射率为最小值的量。
对于图1A和图1B所示的第一金属结构组，也可以采用配置金属结构120的周期145和周期155可等于或小于可见光区域中的光学波长并且优选等于或小于等离子体激元共振波长(第一波长)的形式。这是由于，当配置金属结构的周期比关注的光学波长区域大时，存在出现高阶的衍射光并且零阶衍射光的强度降低的可能性。
并且，也可采用配置金属结构120的周期145和周期155小于第一金属结构组的等离子体激元共振波长(第一波长)的形式。这是由于，当配置金属结构的周期接近等离子体激元共振波长时，导致Wood异常的波长的光与等离子体激元共振组合，使得由等离子体激元共振导致的峰值形状尖锐化并且共振波长上的透射率最小值的深度变浅。在这种情况下，术语“Wood异常”指的是入射光被周期性结构衍射并且衍射光极其接近金属周期性结构表面地以与表面平行的方式传播的现象。
在这种情况下，作为一个例子，为了产生红色波长带中的等离子体激元共振，周期145和155被假定为400nm。
也可采用第一金属结构121和122之间的间隔152比第一长度141和第二长度151大的形式。通过设定该间隔，能够抑制由金属体结构之间的近场交互作用导致的光谱峰值宽度的放大或峰值波长的偏移。
并且，也可采用金属结构120的厚度160可小于或等于可见光区域中的光学波长并且优选等于或小于等离子体激元共振波长(第一波长)的形式。原因在于，如果在制造滤波器时金属结构的厚度在微制造过程中被设定得太厚，那么制造误差将较大。在这种情况下，作为一个例子，厚度160被假定为30nm。
可以使用铝、金、银或铂等作为金属结构120的材料。其中，铝的等离子频率比银高，并且，在使用铝时具有覆盖整个可见范围的光学特性的滤波器的设计在物理上是很容易的(Ag：～3.8eV(～325nm)，Al：～15eV(～83nm))。
并且，与银等相比，铝不大可能经受氧化并且在化学上是稳定的，并可由此长期稳定地表现预定的光学特性。
并且，由于铝的介电常数的虚部比银的情况大，因此铝与银相比即使膜厚较薄也可实现足够的遮光效果，并且微加工也是很容易的。
另外，由于铝在化学上是极不活泼的，因此，与铂类似，铝也没有诸如难以通过干蚀刻进行微加工的缺点。
就此而论，金属结构120也可以是包含铝、金、银和铂的合金或混合物。
电介质基板110的材料可适当地选自作为透射例如可见光区域的光的材料的诸如二氧化钛或石英(二氧化硅)的金属氧化物或诸如氮化硅的具有较高的透射率的材料。并且，也可使用诸如聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯的高聚合物材料作为电介质基板110的材料。
与电介质基板110类似，电介质层130的材料可适当地选自石英(二氧化硅)、二氧化钛和氮化硅等。并且，也可使用诸如聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯的高聚合物材料作为电介质层130的材料。
电介质基板110的介电常数和电介质层130的介电常数之间的差值可以为5％或更小。原因在于，当在电介质基板110的介电常数和电介质层130的介电常数之间存在较大的差值时，在在金属结构120和电介质基板110的边界上出现的等离子体激元的激发波长和在金属结构120和电介质层130的边界上出现的等离子体激元的激发波长之间存在较大的差值。结果，存在出现希望的峰值以外的共振波长的峰值或出现峰值宽度放大的风险。
因此，最优选电介质基板的介电常数与电介质层的介电常数相等。
通过从电介质层的厚度减去金属结构120的厚度160获得的厚度170不需要较厚。原因在于，如果电介质层的厚度太厚，那么，由于电介质层130形成一种类型的Fabry-Perot共振器，因此存在在透射光谱中出现大量的微小的下降的担心。
因此，例如，在金属结构120的等离子体激元共振的半最大值全宽度的波长范围内不存在Fabry-Perot共振器的共振器模式是合适的。
为了实现这一点，共振器模式的至少某个范围(FSR)必须比等离子体激元共振的半最大值全宽度宽。该条件被表达如下：
d = λ res 2 2 n Δλ FW
这里，λres表示金属结构的等离子体激元共振波长，n表示电介质层的折射率，ΔλFW表示金属结构的共振光谱的半最大值全宽度。
在这种情况下，式中的符号d与电介质层的厚度对应。因此，由于例如等离子体激元共振的半最大值全宽度一般为100nm，因此，如果等离子体激元共振波长被假定为650nm并且电介质层的折射率被假定为1.46，那么d被计算为1447nm。出于该原因，当关注的波长区域为650nm±50nm时，为了保证在该波长区域中FSR为100nm或更大，电介质层的厚度必须等于或小于该值d。
保证仅在比关注的波长区域短的波长区域中出现Fabry-Perot共振器的共振器模式的配置也是优选的实施例。
在等于共振器长度的两倍的波长上出现Fabry-Perot共振器的共振器模式。当关注的波长区域被假定为作为金属结构的共振宽度内的波长区域时，关注的波长区域的最短波长是通过从共振波长减去共振的半最大值半宽度获得的值。因此，为了使得Fabry-Perot共振器的共振器模式比该波长短，必须使得电介质层的厚度小于或等于由下式指示的值d：
d = λ res - λ HW 2 n
这里，λres表示金属结构的等离子体激元共振波长，n表示电介质层的折射率，ΔλHW表示金属结构的共振光谱的半最大值半宽度。
例如，当假定共振波长为450nm、共振的半最大值半宽度为50nm并且折射率为1.46时，d被计算为137nm。因此，为了保证在比作为可见光区域中的最短波长的400nm短的波长侧不出现Fabry-Perot共振器模式，可使得电介质层的厚度小于或等于该值d。
相反，电介质层厚度太薄是不合适的，并且电介质层具有一定的厚度程度是有利的。即，通过从电介质层的厚度减去金属结构120的厚度获得的厚度170大于或等于金属结构120的第一长度141或第二长度151是合适的。并且，厚度170可以为至少约100nm。
这是由于，通过金属结构120产生的近场的扩展一般约为金属结构120自身的尺寸或约100nm。如果从金属结构120表面算起的大致为由金属结构120产生的近场区域的范围的距离内的空间被电介质层占据，那么能够抑制外来物质混入由金属结构120产生的近场区域中并且金属结构120的光学特性改变的状态的出现。
(计算结果)
图2是示出通过用上述的结构执行数值计算获得的结果的示图。更具体而言，图2示出通过使用对于具有120nm的第一长度和第二长度、以400nm的周期排列并具有30nm的厚度的金属结构使用铝的滤光器获得的结果。该滤光器的透射光谱由透射光谱201表示，并且发现该滤波器起强烈吸收650nm波长附近的光的滤光器的作用。
由于650nm波长是红色的频带，因此使用词语“Red”的第一个字母并将该滤波器称为“滤光器R”。由于该滤光器反射和吸收红色的波长，因此，作为透射光谱可观察到作为红色的互补色的青色。
还能够通过改变金属结构的直径或周期改变波长、光谱带宽和透射光谱的强度。
例如，通过使得长度为100nm、周期为310nm、厚度为30nm，可以构建具有在可见范围中的绿色(波长550nm)附近具有吸收性的透射光谱202的滤光器。它被称为“滤光器G”。当观察滤光器G的透射光谱时，可观察到作为绿色的互补色的品红色。
类似地，通过使得长度为70nm、周期为250nm、厚度为30nm，可以构建具有在可见范围中的蓝色(波长450nm)附近具有吸收性的透射光谱203的滤光器。它被称为“滤光器B”。当观察滤光器B的透射光谱时，可观察到作为蓝色的互补色的黄色。
就此而论，关于根据本实施例的滤光器的反射光谱，反射率在透射率达到最小值的波长附近达到最大值。因此，根据本实施例的滤光器不仅可被用作透射滤波器，还可被用作反射滤波器。
(设计方针)
以下，描述光学特性和用于配置金属结构组的参数之间的关系。
在金属结构中引起的局部化表面等离子体激元共振是伴随金属结构内的自由电子的等离子振荡的电荷浓度分布。金属结构的电荷浓度分布或光学特性受结构的形状的影响。
例如，如果在保持沿与在金属结构上照射的光的偏振方向正交的方向的金属结构的长度的同时增加沿偏振方向的金属结构的长度并且配置金属结构的周期恒定，那么共振波长向长波长侧偏移。
因此，可以发现，为了在长波长侧产生金属结构的局部化表面等离子体激元共振的波长，增加金属结构的偏振方向的长度就够了。在图17中示出该趋势。下面的表1示出图17所示的关系和峰值宽度和透射率之间的对应关系。
表1
  沿偏振方向的长度   共振波长   峰值宽度   透射率
  150   760   100   40
  沿偏振方向的长度   共振波长   峰值宽度   透射率
  200   870   150   15
  250   980   250   10
  300   1100   410   5
沿偏振的正交方向的长度固定在100nm，厚度固定在50nm，并且周期固定在500nm。
根据表1，可以发现，随着沿金属粒子的偏振方向的长度增加，不仅共振波长向长波长偏移，而且峰值宽度变宽并且吸收峰值上的透射率减小。就此而论，入射到滤光器上的光的偏振未必总是严格沿着金属粒子的长度的方向或宽度的方向。
并且，如图19所示，随着沿偏振的正交方向的金属结构的长度增加，共振波长向短波长侧偏移。以下的表2示出图19所示的关系和峰值宽度和透射率之间的对应关系。
表2
  沿偏振的正交方向的长度   共振波长   峰值宽度   透射率
  100   1100   410   5
  150   1040   450   4
  200   980   515   3
  250   950   545   2
  300   910   550   2
沿偏振的方向的长度固定在300nm，厚度固定在50nm，并且周期固定在500nm。
根据表2，可以发现，随着沿偏振的正交方向的金属结构的长度增加，共振宽度变宽并且共振波长上的透射率趋于减小。
图20示出共振波长和厚度之间的关系。并且，以下的表3示出图20所示的关系和峰值宽度和透射率之间的对应关系。
表3
  厚度   共振波长   峰值宽度   透射率
  50   1100   410   5
  100   1010   370   4
  厚度   共振波长   峰值宽度   透射率
  300   777   285   1
沿偏振的方向的长度固定在300nm，沿偏振的正交方向的长度固定在100nm，并且周期固定在500nm。
如图20和表3所示，可以发现，当金属结构的厚度增加时，共振波长变短，共振波长上的透射率减小，并且，共振宽度趋于在一定程度上减小。
通过利用这些事实，如图22所示，能够将光谱形状从透射光谱2201改善为透射光谱2202。
在透射光谱2201中，在光谱中在波长530nm附近存在由于Wood异常导致的尖锐的下降。透射光谱2201是以等边三角形格子形状在400nm的周期配置包含90nm的膜厚的铝的边测量长度为150nm的正方形金属点的情况下的光谱。另一方面，透射光谱2202是膜厚增加到150nm的情况下的光谱。
更具体而言，通过作为增加膜厚的结果向短波长侧偏移点阵列的共振波长并且与Wood异常的尖锐的下降重叠，可使得光谱形状具有单个峰并且可使得共振宽度包含更窄的频带。
通过以这种方式使得金属膜厚为预定的值，还能够隐藏在光谱上不优选的下降。
图21示出共振波长和周期之间的关系。并且，以下的表4示出图21所示的关系和峰值宽度和透射率之间的对应关系。
表4
  配置周期   共振波长   峰值宽度   透射率
  400   1070   650   2
  500   1100   410   5
  700   1210   200   15
沿偏振的方向的长度固定在300nm，沿偏振的正交方向的长度固定在100nm，并且厚度固定在50nm。
如图21和表4所示，可以发现，当配置金属结构的周期增加时，共振波长变长，共振波长上的透射率增加，并且共振宽度趋于减小。
基于这些发现，能够尝试优化金属结构和金属结构组的参数，并且还能够设计在希望的波长上具有共振波长的滤光器。
根据本发明的发明人的研究，为了使得滤光器的共振波长为红色频带(大于或等于550nm且小于650nm)的共振波长，必须在大于或等于110nm且小于或等于160nm的范围中设定金属结构的第一长度和第二长度。并且，必须在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围中设定金属结构的厚度并在大于或等于340nm且小于或等于450nm的范围中设定周期。
并且，为了使得滤光器的共振波长为绿色频带(大于或等于450nm且小于550nm)的共振波长，必须在大于或等于90nm且小于130nm的范围中设定金属结构的第一长度和第二长度。并且，必须在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围中设定金属结构的厚度并在260nm～340nm的范围中并优选在270nm～330nm的范围中设定配置金属结构的周期。
并且，为了使得滤光器的共振波长为蓝色频带(大于或等于350nm且小于450nm)的共振波长，必须在大于或等于60nm且小于100nm的范围中设定金属结构的第一长度和第二长度。并且，必须在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围中设定金属结构的厚度并在大于或等于180nm且小于或等于280nm的范围中并优选在200nm～270nm的范围中设定配置金属结构的周期。
如上面解释的那样，本实施例的滤光器由此具有可见光区域中的波长的吸收率或反射率峰值。另一方面，从关于可见光区域的设计值减小金属结构和周边的尺寸可实现近紫外区域的滤光器。并且，增加金属结构和周边的尺寸可实现近红外区域的滤光器。
(第二实施例：Bayer阵列)
根据本实施例，描述在Bayer阵列中配置的RGB滤波器。
在图3中，例如，在区域301中配置上述的滤光器R(透射光谱201)，在区域302中配置上述的滤光器G(透射光谱202)，在区域303中配置上述的滤光器B(透射光谱203)。通过以这种方式配置滤光器，能够通过使用根据本发明的滤波器构建以Bayer阵列配置的滤色器。
以上的滤色器可被用作图像捕获器件的滤色器。滤色器的区域301等具有与一个像素对应的区域，该区域可比被光电转换器件(光电转换部分)覆盖的区域大。
根据本实施例，对于各区域，金属结构的尺寸和配置金属结构的周期不同。但是，本实施例不限于这种配置。例如，可以在各区域中配置只有配置金属结构的周期不同的金属结构组。并且，可以在各区域中配置只有金属结构的尺寸不同的金属结构组。
即，可以采用包含两个或更多个第一金属结构组、配置第一金属结构的周期不同并且在电介质基板表面的不同区域中配置第一金属结构组的配置。
并且，可在各区域中配置包含形状与构建第一金属结构组的第一金属结构不同的第二金属结构的第二金属结构组。更具体而言，第二金属结构具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，并且，第三长度与第一金属结构的第一长度不同或者第四长度与第一金属结构的第二长度不同。第三长度和第四长度优选等于或小于第二波长。
结果，第二金属结构组可减小与第一结构组的共振波长(第一波长)不同的波长(第二波长)上的光的透射率。
在本说明书中，术语“第一金属结构组”和“第二金属结构组”指的是构成各结构组的金属结构的形状不同的事实。更具体而言，即使配置金属结构的周期不同，只要金属结构的形状相同，就使用术语“第一金属结构组”。并且，如果金属结构的形状不同，不管周期是相同还是不同，都使用术语“第二金属结构组”。
(第三实施例：三角形格子)
图16是示出以三角形格子形状配置金属结构的实施例的示图。在三角形格子配置的情况下，由于格子的单位矢量分量不是正交的，因此与四边形格子形状配置相比可以减少滤波器的光学特性关于入射光偏振的依赖性。
这种类型的三角形格子配置还可表现为设置在重叠的区域中的以四边形格子形状配置的多个金属结构组。
更具体而言，能够关于在重叠的区域中配置的包含第一金属结构1601的第一金属结构组1602和包含第二金属结构1603的第二金属结构组1604表现该配置。
(第四实施例：两个或更多个结构组的重叠)
根据本实施例，与第三实施例类似，描述重叠配置多个金属结构组的例子。
图4A是示出重叠配置具有不同的周期的第一金属结构组的情况的示图。以周期405配置构成第一金属结构组402的第一金属结构401，而以周期406配置构成第一金属结构组404的第一金属结构403。因此，根据本实施例，由于金属结构的配置周期相互不同，因此能够同时显现两个金属结构组的各自的光学特性。
即，图4A所示的滤光器沿电介质基板的面内方向包含两个或更多个上述的第一金属结构组，并且，配置构成两个或更多个第一金属结构组的第一结构的周期相互不同。并且，在重叠的区域中配置所述两个或更多个第一金属结构组。
图4B是示出在重叠的区域中配置第一金属结构和第二金属结构的情况的示图。第一金属结构407构成第一金属结构组，并且，第二金属结构408构成第二金属结构组。因此，由于构成金属结构组的金属结构的形状不同，因此能够同时显现两个金属结构组的各自的光学特性。
更具体而言，除了第一金属结构组以外，图4B所示的滤光器沿电介质基板的面向方向包含以隔离的状态以二维的方式周期性配置多个第二金属结构的第二金属结构组。第二金属结构具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，并且，第三长度和第四长度小于或等于与第一波长不同的第二波长。第三长度与第一长度不同，或者，第四长度与第二长度不同，并且，在重叠的区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组。结果，第一金属结构的共振波长(第一波长)和第二金属结构的共振波长(第二波长)是不同的。
(第五实施例：单行滤波器)
本实施例描述单行滤波器。
在图5中，第一金属结构509具有沿第一方向502的第一长度504，并具有沿作为第一方向502的正交方向的第二方向503的第二长度505。第一金属结构509沿第一方向502周期性排列以由此构成第一金属结构组501。
并且，第二金属结构510具有沿第一方向502的第三长度507，并具有沿第二方向503的第四长度508。第二金属结构510沿第一方向502周期性排列以由此构成第二金属结构组506。
金属结构组501和506关于分别不同的波长的光产生等离子体激元共振。因此能够降低不同的波长的光的透射率。因此，关于具有图5所示的结构的滤光器，由于透射率降低的波长根据光的照射位置改变，因此可对于光分散等使用滤波器。
就此而论，虽然在图5所示的配置中沿第一方向的金属结构509的周期与沿第一方向的金属结构510的周期不同，但是，如图6所示，周期可以相同。
即，根据本实施例的滤光器包含具有沿电介质基板的面内方向以隔离的状态配置的多个金属结构的第一金属结构组和第二金属结构组。在电介质基板表面上的不同区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组。第一金属结构沿第一方向周期性排列。第一金属结构的第一长度和第二长度是小于或等于第一波长的长度。并且，构成第二金属结构组的第二金属结构沿第一方向周期性排列。第二金属结构具有沿第一方向的第三长度并具有沿第二方向的第四长度。第三长度和第四长度是小于或等于与第一波长不同的第二波长的长度。第一长度和第三长度是不同的，或者，第二长度和第四长度是不同的。结果，第一金属结构的共振波长(第一波长)与第二金属结构的共振波长(第二波长)不同。
(第六实施例：层叠的滤光器)
本实施例描述层叠的滤光器。
在图7中，在电介质基板701上形成第一金属结构组702，并用第一电介质层703覆盖它。并且，在第一电介质层703上配置第三金属结构组704，并且在其上面形成第二电介质层(另一电介质层)705。
由此，还能够制成具有由图2所示的透射光谱201和透射光谱203的积表达的透射光谱的滤光器。例如，通过层叠滤光器R和滤光器B的滤波器，可制成具有滤光器R和滤光器B的透射率的积的透射光谱的滤光器。在该滤波器中，在550nm波长的附近出现透射率的最大值。因此，通过层叠在单层中时用作互补色的滤波器的滤波器，还能够使得滤波器用作原色的滤波器。
第一金属结构组702和第三金属结构组704的配置关于面内配置的周期或金属结构的形状不同。
由于第一金属结构组702和第三金属结构组704的配置不同，因此这些层中的每一个在相互不同的波长上产生等离子体激元共振。结果，在本实施例的滤光器中，关于至少两个波长的透射率是最小的。
即，该事实意味着，本实施例的滤光器包含作为允许上述的两个最小波长之间的波长通过的带通滤波器的功能。
因此，虽然作为单层的第一金属结构组702和第三金属结构组704分别具有作为互补色滤波器的功能，但是，通过采用层叠这两个金属结构组的配置，能够显现组合两个金属结构组的特性的原色滤波器的功能。
更具体而言，根据本实施例的层叠的滤光器是在电介质层表面上形成另一电介质层的层叠的滤光器。并且，层叠的滤光器在所述电介质层表面和另一电介质层之间包含沿电介质层表面的面内方向以隔离的状态二维周期性配置多个第三金属结构的第三金属结构组。包含第三金属结构组的第三金属结构包含沿第一方向的第五长度和沿第二方向的第六长度，并且第五长度和第六长度是小于或等于与第一波长不同的第三波长的长度。第一长度和第五长度是不同的或者第二长度和第六长度是不同的，或者，配置第三金属结构的周期和配置第一金属结构的周期是不同的。因此，第三金属结构组可降低与第一结构组的共振波长(第一波长)不同的共振波长(第三波长)上的透射率。
就此而论，对于本实施例的层叠的滤光器，可以采用以几乎不出现近场交互作用的层叠间隔层叠电介质层的形式。更具体而言，层叠间隔可以为100nm或更大。
(例子1)
在例子1中，描述红色、绿色和蓝色(RGB)的吸收/反射滤波器的制造方法及其光学特性。
图8A是示出通过在包含525μm的厚度的石英基板的电介质基板801的表面上沉积30nm的厚度的铝作为金属薄膜层802并然后在其上面涂敷用于电子束(EB)平版印刷的抗蚀剂803形成的结构的示图。形成金属薄膜层802的方法不限于沉积，可以是溅射等。
然后，通过使用EB平版印刷装置对抗蚀剂803进行构图。以以约400nm的周期以四边形格子形状配置边长为约120nm的正方形的形状形成抗蚀剂图案。通过以该抗蚀剂图案作为蚀刻掩模用包含氯气和氧气的气体混合物的等离子执行干蚀刻，可以形成金属薄膜结构804。干蚀刻气体不限于氯气和氧气，可以是氩气或其它的气体。
制备蚀刻掩模的方法不限于EB平版印刷，可以是光刻等。并且，对金属薄膜层802构图的方法可以是在电介质基板801上通过EB平版印刷或光刻形成抗蚀剂图案并且在形成金属薄膜层802之后执行剥离过程的方法。另外，可通过使用聚焦离子束加工装置(FIB加工装置)的直接处理形成金属薄膜层802。
然后，通过溅射在金属薄膜结构804上形成300nm的厚度的石英薄膜作为电介质层805。在图8B中示出以这种方式形成的滤光器。就此而论，形成膜的方法不限于溅射，并且，可以通过CVD或通过施加SOG等执行膜形成。
图9A示出以这种方式制造的滤光器的透射光谱。通过数值计算，透射光谱R被确定为由附图标记901表示，并且发现该滤波器在650nm波长的附近具有透射率的最小值(吸收峰值)。由于表示吸收峰值的波长与可见范围中的红色对应，因此发现该滤波器起吸收红光的互补色滤波器的作用。
并且，通过使得金属薄膜结构804的直径为约100nm、使得厚度为约30nm并使得配置金属薄膜结构804的周期为约310nm，获得由附图标记902表示的透射光谱G。类似地，通过使得金属薄膜结构804的直径为约70nm、使得厚度为约30nm并使得配置金属薄膜结构804的周期为约250nm，获得由附图标记903表示的透射光谱B。它们是吸收RGB并且起互补色滤波器的作用的滤光器。
并且，关于本例子的滤波器的反射光谱，在基本上与透射率最小的波长相同的波长上，反射率最大。
因此，如图9B所示，通过使用本例子的滤光器作为反射滤波器，可以从具有透射光谱R的滤波器获得由附图标记904表示的反射光谱R。类似地，可以从具有透射光谱G的滤波器获得由附图标记905表示的反射光谱G，并且可以从具有透射光谱B的滤波器获得由附图标记906表示的反射光谱B。因此，可使得这些滤光器分别用作强烈反射可见范围中的红光、绿光和蓝光的滤光器。
虽然通过使用以四边形格子形状配置金属结构的例子描述了本例子，但可以以三角形格子配置配置金属结构。
并且，电介质层805的厚度不限于300nm，并且，电介质层805可以比300nm薄。为了使得由金属结构产生的近场区域的宽度被电介质层覆盖，厚度为约100nm或更大是合适的。
(例子2)
在例子2中，描述以Bayer阵列配置的RGB滤波器的制造方法及其光学特性。图10A是示出通过在包含525μm的厚度的石英基板的电介质基板1001的表面上沉积20nm的厚度的铝作为金属薄膜层1002并然后在其上面涂敷抗蚀剂1003形成的结构的示图。
然后，通过使用EB平版印刷装置对抗蚀剂1003进行构图。关于抗蚀剂图案的形状，以约10μm的角度对通过以约380nm的周期以四边形格子形状配置边长为约130nm的正方形形成的形状进行构图的部分被取为图案部分A 1004。并且，通过以约280nm的周期以四边形格子形状配置边长为约110nm的正方形形成的形状被取为图案部分B 1005。并且，通过以约200nm的周期以四边形格子形状配置边长为约80nm的正方形形成的形状被取为图案部分C 1006。制备如图10B所示的那样配置这些图案部分中的每一个、使得在各图案部分之间留有10μm的间隙的结构。通过以该抗蚀剂图案作为蚀刻掩模用包含氯气和氧气的气体混合物的等离子执行干蚀刻，制备金属薄膜结构1007。
然后，通过溅射在金属薄膜结构1007上形成500nm的厚度的石英薄膜作为电介质层1008。在图10C中示出以这种方式形成的滤光器。
就此而论，可以在上述的图案部分之间的区域中形成遮光层以防止混色。并且，当使得包含各图案部分的金属结构的厚度相同时，如在本例子中那样，能够在同一过程内制造各图案部分并且还能够消除图案部分之间的边界线。
如图11所示，以这种方式制备的图案部分A、B和C具有由附图标记1101表示的透射光谱R、由附图标记1102表示的透射光谱G和由附图标记1103表示的透射光谱B。它们可分别用作关于红色、绿色和蓝色的互补色滤波器。并且，通过如在本例子中那样对于所有的图案部分使得厚度相同，可以在同一批次中制造用于红色、绿色和蓝色的互补色滤波器。
使用本例子的金属结构的滤光器具有这样的构成，即，即使它们的厚度相同，也使得能够通过仅改变配置的结构或周边的尺寸同时制造吸收波长或反射波长不同的多个滤光器。
一般而言，对于制造作为一般的滤光器的着色剂滤波器阵列，必须单独地通过它们各自的过程施加多种类型的着色剂。另一方面，本例子的滤光器的构成使得能够通过同一过程制造波长不同的滤光器，由此可以降低制造的成本。电介质层1008的厚度不限于500nm，例如，为了确保可以在蓝色波长区域(450nm波长)中固定100nm或更大的FSR，当电介质层折射率为1.46时，该电介质层的厚度为约690nm或更小是合适的。并且，为了使得由金属结构产生的近场区域的宽度能够被电介质层覆盖，厚度为约100nm或更大也是合适的。
(例子3)
在例子3中，描述层叠的滤波器的制造方法及其光学特性。
图12A是示出通过在包含1mm的厚度的石英基板的电介质基板1201的表面上沉积30nm的厚度的铝作为第一金属薄膜层1202并然后在其上面涂敷用于电子束(EB)平版印刷的抗蚀剂1203形成的结构的示图。
然后，通过使用EB平版印刷装置对抗蚀剂1203进行构图。以以约400nm的周期以四边形格子形状配置边长为约120nm的正方形的形状形成抗蚀剂图案。通过以该抗蚀剂图案作为蚀刻掩模用包含氯气和氧气的气体混合物的等离子执行干蚀刻，制造第一金属薄膜结构1204。
然后，通过溅射在第一金属薄膜结构1204上形成300nm的厚度的石英薄膜作为第一电介质层1205。虽然第一电介质层1205的厚度不限于300nm，但是，可以保证不与在下一过程中制造的第二金属薄膜结构层产生近场交互作用的层间距离。
然后，在第一电介质层1205的表面上沉积30nm的厚度的铝作为第二金属薄膜层1206。在第二金属薄膜层1206上涂敷用于电子束(EB)平版印刷的抗蚀剂作为抗蚀剂层。随后，用EB平版印刷装置执行抗蚀剂层的构图。以以约250nm的周期以四边形格子形状配置边长为约70nm的正方形的形状形成抗蚀剂图案。通过以该抗蚀剂图案作为蚀刻掩模用包含氯气和氧气的气体混合物的等离子执行干蚀刻，制造第二金属薄膜结构1207。
然后，通过溅射在第二金属结构1207上形成400nm的厚度的石英薄膜作为第二电介质层1208。
图13示出以这种方式制造的层叠的滤光器的透射光谱。该滤波器的第一金属薄膜结构的透射光谱1301在约650nm的波长的附近具有吸收峰值，并且，第二金属薄膜结构的透射光谱1302在约450nm的波长的附近具有吸收峰值。因此，根据本例子的滤波器的层叠滤波器透射光谱1303具有作为透射光谱1301和透射光谱1302的积的形状。因此，可以发现，根据本例子的层叠的滤波器起允许绿光通过的滤光器的作用。即，通过形成层叠作为各单层起互补色滤波器的作用的滤波器的结构，可使得滤波器起原色滤波器的作用。
(例子4)
在例子4中，描述通过交替配置不同尺寸的金属结构即通过重叠配置两个金属结构组可以用单层实现具有组合多个透射光谱的透射光谱的滤波器的例子。
图15A是示出配置包含以边长为90nm的正方形形成的铝的金属结构1501和包含以边长为150nm的正方形形成的铝的金属结构1502的例子的示图。这些金属结构的厚度为60nm。以周期1506以相互不同的四边形格子形状配置金属结构1501和1502。在这种情况下，周期1506是250nm。
图15B是示出以这种方式制造的滤光器的透射光谱1503的示图。同时，作为参照，还示出以250nm的周期以四边形格子形状配置边长为90nm、厚度为60nm的铝正方形的滤光器的透射光谱1504。并且，示出以400nm的周期以四边形格子形状配置边长为150nm、厚度为60nm的铝正方形的滤光器的透射光谱1505。
因此，由于根据本例子的滤光器具有透射光谱1503，因此能够在保持单层结构的同时获得同时显现二层滤波器的特性的光谱。
并且，还可考虑透射光谱1503具有在600nm波长的附近具有最大透射率值的滤波器的特性。因此，能够用单层显现互补色滤波器的两个层的功能。就此而论，与用金属结构的单层层叠滤波器的情况相比，能够更容易地制造根据本例子的滤光器。
虽然描述了根据本例子的在同一平面中混合两种类型的金属结构的形状的情况，但是，在同一平面中存在的金属粒子的形状可以为三种或更多种类型。并且，可通过以调制的周期配置结构组设计配置，以获得希望的光学特性。
(例子5)
本例子针对使用在例子1～4中解释的滤光器的光检测器件和包含光学检测器件的阵列的图像拾取装置，该拾取装置被加入照相机中。
图23是使用本发明的滤光器的光检测器件的示意图。光检测器件2507将通过微透镜2501从外侧入射的光引入到光电转换部分2505中。光电转换部分根据入射光产生电荷。除了光电转换部分以外，光检测器件包含在本申请中公开的滤光器2502、电介质层2503、电子电路2504和半导体基板2506。滤光器2502包含诸如图1A和图1B中的金属结构120的能够对光引起等离子体激元共振的结构。
图24是使用本发明的滤光器的图像拾取器件的示意图。像素区域2600具有上述光检测器件(；像素)2601a～2603c的3×3二维矩阵。作为替代方案，例如，也可使用7680×4320矩阵作为图24中的图像区域2600的矩阵。
图24中的垂直扫描电路2605和水平扫描电路2604是用于选择位于像素区域2600中的整个光检测器件中的要被读出的光检测器件(；像素)的电路。
图25示出其中加入具有图24中的构成的图像拾取器件的数字照相机的示意图。在图25中，附图标记2701表示照相机的主体；2709，目镜；2711，快门(shatter)；2706，反射镜。
本发明的图像拾取器件由附图标记2706表示，光通过位于透镜筒2705中的照相光学系统(透镜)2702入射到该图像拾取器件上。器件根据对象在图像拾取器件2706中的每一个中产生电荷，以根据产生的电荷实现对象的再现。可以在监视显示器2707上再现并在作为存储卡的记录介质2708中存储对象的图像。
本发明的滤光器比包含一般的着色剂的滤色器薄，使得这里公开的本发明的图像拾取器件可具有较薄的厚度。结果，从图像拾取器件的表面到图像拾取器件的光电转换部分的距离缩短，使得光的利用效率提高，并可因此提高灵敏度。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这些变更方式和等同的结构和功能。
本申请要求在2007年7月13日提交的日本专利申请No.2007-184599和在2008年5月26日提交的日本专利申请No.2008-136686的权益，在此引入它们的全部内容作为参考。

Claims (34)

1.一种透射第一波长的光的滤光器，包括：
电介质基板；
设置在电介质基板的表面上的第一金属结构组，在该第一金属结构组中，沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维配置多个第一金属结构；和
覆盖第一金属结构组的电介质层，包括：
第一金属结构具有沿第一方向的第一长度和沿与第一方向正交的第二方向的第二长度；第一长度和第二长度小于或等于第一波长；并且
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第一金属结构之间的共振在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第一波长的透射率最小或使得第一波长的反射率最大。
2.根据权利要求1的滤光器，其中，配置第一金属结构组中的第一金属结构的周期小于或等于第一波长。
3.根据权利要求1的滤光器，其中，第一长度和第二长度相同。
4.根据权利要求3的滤光器，其中，第一金属结构为正方形形状。
5.根据权利要求1的滤光器，其中，第一金属结构的厚度小于或等于第一波长。
6.根据权利要求1的滤光器，其中，第一金属结构由铝构成，或由包含铝的合金或混合物构成。
7.根据权利要求1的滤光器，其中，电介质基板的介电常数和电介质层的介电常数相同。
8.根据权利要求7的滤光器，其中，电介质基板和电介质层包含选自由二氧化硅、二氧化钛和氮化硅构成的组的任一种。
9.根据权利要求1的滤光器，包含：从电介质层的表面到第一金属结构的表面的距离小于或等于由下式表达的值d：
d = λ res 2 2 nΔ λ FW
其中，λres表示第一金属结构的等离子体激元共振波长，n表示电介质层的折射率，ΔλFW表示第一金属结构的共振光谱的半最大值全宽度。
10.根据权利要求1的滤光器，其中，从电介质层的表面到第一金属结构的表面的距离小于或等于由下式表达的值d：
d = λ res - λ HW 2 n
其中，λres表示第一金属结构的等离子体激元共振波长，n表示电介质层的折射率，ΔλHW表示第一金属结构的共振光谱的半最大值半宽度。
11.根据权利要求1的滤光器，包含：第一长度和第二长度在大于或等于110nm且小于或等于160nm的范围内，第一金属结构的厚度在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围内，配置第一金属结构的周期在大于或等于340nm且小于或等于450nm的范围内，并且第一波长在大于或等于550nm且小于650nm的范围内。
12.根据权利要求1的滤光器，包含：第一长度和第二长度在大于或等于90nm且小于130nm的范围内，第一金属结构的厚度在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围内，配置第一金属结构的周期在大于或等于260nm且小于或等于340nm的范围内，并且第一波长在大于或等于450nm且小于550nm的范围内。
13.根据权利要求1的滤光器，包含：第一长度和第二长度在大于或等于60nm且小于100nm的范围内，第一金属结构的厚度在大于或等于10nm且小于或等于200nm的范围内，配置第一金属结构的周期在大于或等于180nm且小于或等于280nm的范围内，并且第一波长在大于或等于350nm且小于450nm的范围内。
14.根据权利要求1的滤光器，其中，
滤光器沿电介质基板的面内方向包含两个或更多个第一金属结构组；并且，
配置包含所述两个或更多个第一金属结构组的第一金属结构的周期相互不同，并且，在电介质基板表面的不同区域中配置所述两个或更多个第一金属结构组。
15.根据权利要求1的滤光器，除了第一金属结构组以外，包含沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维配置多个第二金属结构的第二金属结构组，其中，
第二金属结构具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，并且，第三长度和第四长度小于或等于与第一波长不同的第二波长；
第三长度与第一长度不同或者第四长度与第二长度不同；
在电介质基板表面的不同区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组；并且，
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第二金属结构之间的共振在第二金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第二波长的透射率最小或使得第二波长的反射率最大。
16.根据权利要求1的滤光器，其中，沿电介质基板的面内方向包含两个或更多个第一金属结构组，
包含：在重叠的区域中配置所述两个或更多个第一金属结构组。
17.根据权利要求1的滤光器，沿电介质基板的面内方向包含两个或更多个第一金属结构组，包含：
配置包含所述两个或更多个第一金属结构组的第一金属结构的周期相互不同；并且，
在重叠的区域中配置所述两个或更多个第一金属结构组。
18.一种光检测器件，包括根据权利要求1～17中的任一项的滤光器。
19.一种图像捕获器件，包括根据权利要求18的光检测器件。
20.一种照相机，包括根据权利要求19的图像捕获器件。
21.根据权利要求1的滤光器，除了第一金属结构组以外，还包含沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维配置多个第二金属结构的第二金属结构组，包括：
第二金属结构具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，并且，第三长度和第四长度小于或等于与第一波长不同的第二波长；
第三长度与第一长度不同或者第四长度与第二长度不同；
在重叠区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组；并且，
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第二金属结构之间的共振在第二金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第二波长的透射率最小或使得第二波长的反射率最大。
22.一种光检测器件，包括根据权利要求21的滤光器。
23.一种图像捕获器件，包括根据权利要求22的光检测器件。
24.一种照相机，包括根据权利要求23的图像捕获器件。
25.一种透射或反射光的滤光器，包括：
电介质基板；
设置在电介质基板的表面上的包含沿电介质基板的面内方向以隔离的状态配置的多个金属结构的第一金属结构组和第二金属结构组；和
覆盖第一金属结构组和第二金属结构组的电介质层，其中，
在电介质基板表面的不同区域中配置第一金属结构组和第二金属结构组；
包含第一金属结构组的第一金属结构沿第一方向排列，并且具有沿第一方向的第一长度和沿与第一方向正交的第二方向的第二长度，并且，第一长度和第二长度是小于或等于第一波长的长度；
包含第二金属结构组的第二金属结构沿第一方向排列，并且具有沿第一方向的第三长度和沿第二方向的第四长度，第三长度和第四长度是小于或等于与第一波长不同的第二波长的长度，并且，第一长度和第三长度不同或者第二长度和第四长度不同；
通过在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第一波长的透射率最小或使得第一波长的反射率最大；并且，
通过在第二金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第二波长的透射率最小或使得第二波长的反射率最大。
26.根据权利要求19的滤光器，其中，配置第一金属结构的周期和配置第二金属结构的周期相同。
27.一种光检测器件，包括根据权利要求25或26的滤光器。
28.一种图像捕获器件，包括根据权利要求27的光检测器件。
29.一种照相机，包括根据权利要求28的图像捕获器件。
30.一种层叠的滤光器，其中，在包含根据权利要求1的滤光器的所述电介质层的表面上形成另一电介质层，所述层叠的滤光器包括：
设置在所述电介质层表面和另一电介质层之间的第三金属结构组，在该第三金属结构组中，沿所述电介质层表面的面内方向以隔离的状态二维配置多个第三金属结构，其中，
包含第三金属结构组的第三金属结构具有沿第一方向的第五长度和沿第二方向的第六长度，并且第五长度和第六长度是小于或等于与第一波长不同的第三波长的长度；
第一长度和第五长度是不同的或者第二长度和第六长度是不同的，或者，配置第三金属结构的周期与配置第一金属结构的周期不同；
通过在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第一波长的透射率最小或使得第一波长的反射率最大；并且，
通过在第三金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得第三波长的透射率最小或使得第三波长的反射率最大。
31.一种光检测器件，包括根据权利要求30的滤光器。
32.一种图像捕获器件，包括根据权利要求31的光检测器件。
33.一种照相机，包括根据权利要求32的图像捕获器件。
34.一种透射或反射可见光区域的光的滤光器，包括：
电介质基板；
在电介质基板的表面上形成的电介质层；和
设置在电介质基板和电介质层之间的第一金属结构组，在该第一金属结构组中，沿电介质基板的面内方向以隔离的状态二维周期性配置多个第一金属结构，包括：
第一金属结构具有沿第一方向的第一长度和沿与第一方向正交的第二方向的第二长度；第一长度和第二长度小于或等于可见光区域的光；并且
通过入射到电介质基板或电介质层上的光和第一金属结构之间的共振在第一金属结构的表面上引起的局部化表面等离子体激元，使得可见光区域中的第一波长的透射率最小或使得可见光区域中的第一波长的反射率最大。
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