JP2005215323A - ファブリペローフィルタ - Google Patents

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    • G02B26/001Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity

Abstract

【課題】 透過波長を狭帯域化できるファブリペローフィルタを提供すること。
【解決手段】 基板10と、基板10上に設けられた固定鏡13と、当該固定鏡13に対し、所定のギャップを有して対向配置された可動鏡15とを備え、固定鏡13に設けられた電極と可動鏡15に設けられた電極との間に所定電圧を印加し、可動鏡15を変位させることによりギャップを変化させ、ギャップに対応する所望波長の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタ100において、可動鏡15の周辺部を当該周辺部に囲まれる中央部よりも変形しやすく形成した。これにより、可動鏡15変位時に中央部の変形が抑えられ、変位時における可動鏡15と固定鏡13との間のギャップが従来よりも均一となる。すなわち、ファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長を、従来よりも狭帯域化することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、可動鏡と固定鏡との間のギャップに応じて、所定波長の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタに関するものである。
従来、所定波長の赤外線のみを透過させる波長選択フィルタとしてファブリペローフィルタが知られており、その一例が特許文献1に開示されている。
図5(a),(b)は、特許文献1に示されるファブリペローフィルタ100を説明するための図であり、(a)は概略構成を示す断面図、(b)はファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の波長域を説明するための図である。
図5(a)に示すように、特許文献1に示されるファブリペローフィルタ100は、基板10上に酸化膜12(絶縁膜)を介して設けられた第一ミラー(固定鏡)13に対し、酸化シリコン膜14を介して所定ギャップの空洞部16を形成するように第二ミラー(可動鏡)15が対向配置されている。そして、夫々のミラー13,15に設けられた電極(図示せず)間に電位差を与えることにより、静電引力によって第二ミラー15を第一ミラー13に対して変位(変形)させ、上記ギャップを変化させる構成としている。これにより、ギャップに応じた所定波長の赤外線のみを透過させることができる。
特開2001−228326号公報
しかしながら、特許文献1に示されるファブリペローフィルタ100の場合、第二ミラー15が、例えば多結晶シリコンからなる均一な膜構成であるので、第一ミラー13方向に変位する際に、図5(a)にて破線で示すような撓んだ形状(所謂バルーン形状)となる。すなわち、第一ミラー13と第二ミラー15との間のギャップが不均一となる。従って、ファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長が、図5(b)に示すように、広帯域化されるという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑み、透過波長を狭帯域化できるファブリペローフィルタを提供することを目的としている。
上記目的を達成する為に請求項1に記載のファブリペローフィルタは、基板と、基板上に設けられた固定鏡と、当該固定鏡に対し、所定のギャップを有して対向配置された可動鏡とを備え、固定鏡に設けられた電極と可動鏡に設けられた電極との間に所定の電圧を印加し、可動鏡を変位させることによりギャップを変化させ、ギャップに対応する所望波長の赤外線を選択的に透過させるものである。そして、可動鏡の周辺部が、当該周辺部に囲まれる中央部よりも変形しやすく形成されていることを特徴とする。
このように、本発明のファブリペローフィルタによると、電圧印加により可動鏡が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。従って、可動鏡は、中央部が略平坦なまま固定鏡に対して変形したなべ底形状となるので、変形時における可動鏡と固定鏡との間のギャップを、従来よりも均一とすることができる。すなわち、ファブリペローフィルタを透過する赤外線の透過波長を狭帯域化することができる。
具体的には、例えば中央部のみを硬化処理することにより、周辺部を中央部よりも変形しやすい構成としても良いし、請求項2に記載のように、可動鏡の周辺部を中央部よりも薄肉とすることにより、周辺部を中央部よりも変形しやすい構成としても良い。
また、請求項2に記載の可動鏡の構成としては、同一材料によって中央部が周辺部よりも厚く(周辺部が中央部よりも薄く)設けられたものでも良いし、請求項3に記載のように、可動鏡の中央部の上面に、可動鏡を構成する材料とは異なる材料からなる補強膜を有するものでも良い。この場合、可動鏡の中央部は周辺部よりも肉厚であり強度的に強いので、電圧印加時には周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。
特に補強膜を有する構成の場合、請求項4に記載のように、補強膜を構成する材料として、可動鏡の構成材料よりも高い弾性を有する高弾性材料を適用すると、高弾性材料自体の特性によっても中央部の変形を抑制できるので、固定鏡と対向する可動鏡の平坦度を同一材料による構成の場合よりも大きくすることができる。すなわち、ファブリペローフィルタを透過する赤外線の透過波長をより狭帯域化することができる。尚、高弾性材料としては、例えば請求項5に記載のように、電気絶縁性を有し、赤外線透過性に優れるダイヤモンドライクカーボンが好適である。
また、請求項6に記載のように、可動鏡が、周辺部に薄肉部としての溝部を有する構成としても良い。この場合も、可動鏡の周辺部は中央部よりも強度的に弱いので、電圧印加時には周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。
請求項7に記載のように、基板は半導体基板であり、固定鏡は、絶縁層を介して、半導体基板上に設けられていることが好ましい。この場合、一般的な半導体プロセスによりファブリペローフィルタを形成することができるので、製造コストを低減することができる。
尚、請求項1〜7いずれか1項に記載のファブリペローフィルタは、赤外線を放射する赤外線光源と赤外線を検出する赤外線センサとを備える赤外線検知式ガスセンサにおいて、波長選択フィルタとして好適である。
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態におけるファブリペローフィルタの概略構成を示す断面図であり、(a)は電圧が印加されない状態(可動鏡変位前)を示す図、(b)は電圧が印加された状態(可動鏡変位後)を示す図である。
図1(a)に示すように、ファブリペローフィルタ100は、基板10と、当該基板10上に形成された固定鏡13と、固定鏡13との間に所定のギャップを有するように対向配置された可動鏡15とにより構成される。
基板10は、シリコンからなる半導体基板であり、下面に反射防止膜11(酸化シリコン膜)が形成されている。また、基板10の上面には、反射防止膜としての効果を有しつつ、固定鏡13を基板10から絶縁する絶縁膜12(酸化シリコン膜)が形成されている。
基板10の上面には、絶縁膜12を介して、多結晶シリコン膜からなる固定鏡13が形成されている。尚、図示しないが、固定鏡13は、その端部に高濃度の不純物が注入された電極としてのパッド部を有している。
また、固定鏡13上には、一部がエッチングにより除去された酸化シリコン膜14が形成されており、当該酸化シリコン膜14及びその除去領域上に多結晶シリコン膜からなる可動鏡15が形成されている。従って、可動鏡15は、酸化シリコン膜14の除去領域である空洞部16を介して、固定鏡13に対向配置されており、電圧印加時に空洞部16上の可動鏡15が固定鏡13に対して変位(変形)可能な構成となっている。尚、図示しないが、可動鏡15も、その端部に高濃度の不純物が注入された電極としてのパッド部を有している。
空洞部16は、可動鏡15上に形成された保護膜としての窒化シリコン膜17をマスクとし、窒化シリコン膜16及び可動鏡15を貫通するエッチングホール18より酸化シリコン膜14の所定領域をエッチングして形成されたものである。尚、ファブリペローフィルタ100は、固定鏡13と可動鏡15との間の距離(すなわち空洞部16のギャップ)に応じて、干渉により透過される赤外線(波長)を選択する。具体的には空洞部16のギャップの2倍の波長λを有する赤外線を選択的に透過する。従って、可動鏡15の変位前の状態で所定波長λを有する赤外線を透過させるために、空洞部16の初期状態のギャップh0(酸化シリコン膜14の除去領域の膜厚)は、所定波長λの略1/2に設定されている。
このように構成されるファブリペローフィルタ100は、固定鏡13と可動鏡15に設けられた各パッド部間に所定の電圧を印加すると、固定鏡13と可動鏡15との間に静電引力が生じ、空洞部16上の可動鏡15が固定鏡13に対して変位する。すなわち、空洞部16のギャップが変化する。そして、当該ギャップの2倍の波長を有する赤外線を透過する。
従来であれば、図5(a)に示すように、可動鏡15が、例えば多結晶シリコンからなる均一な膜構成であるので、固定鏡13方向に変位する際に、破線で示すような撓んだ形状(所謂バルーン形状)となる。すなわち、可動鏡15変位時の固定鏡13と可動鏡15との間のギャップが不均一となる。従って、ファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長が、図5(b)に示すように、広帯域化されるという問題があった。このように、ファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長の広帯域化すると、赤外線を検出する赤外線センサにおいて、ノイズ成分が大きくなり、センサ感度が低下する。尚、図5(a),(b)は、ファブリペローフィルタ100の従来例を説明するための図であり、(a)は概略構成を示す断面図、(b)は透過波長域を説明するための図である。図5(a)においては、反射防止膜11及び保護膜17のない構成を図示しているが、反射防止膜11及び保護膜17の少なくとも一方を備えた構成であっても良い。
しかしながら、本実施形態に示すファブリペローフィルタ100の場合、図1(b)に示すように、空洞部16上における保護膜17の上面に補強膜19が形成されている。この補強膜19は、電圧印加時に変位するように所定のギャップh0を有する空洞部16上に設けられた可動鏡15の部位のうち、可動鏡15の端部と離間し、周囲を周辺部に囲まれた中央部に対応して形成されている。尚、特許請求の範囲で示す可動鏡は、本実施形態における可動鏡15、保護膜17、及び補強膜19を示しており、周辺部は空洞部16上における可動鏡15及び保護膜17から構成され、中央部は空洞部16上における可動鏡15、保護膜17、及び補強膜19から構成される。尚、空洞部16上における可動鏡15の中央部及び周辺部は、可動鏡15の変位量に応じて適宜設定される。
このように、可動鏡15は中央部上に補強膜19を備えるので、中央部が周囲部よりも肉厚であり、電圧印加により可動鏡15が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。従って、可動鏡15は、図1(b)に示すように、中央部が略平坦なまま固定鏡13に対して変形したなべ底形状となるので、変位時における固定鏡13と可動鏡15との間のギャップhを、従来よりも均一とすることができる。すなわち、可動鏡15変位時のファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長を、図2に示すように狭帯域化することができる。尚、図2は、本実施形態に示すファブリペローフィルタ100の効果を説明するための図である。このように、ファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長の狭帯域化されると、赤外線を検出する赤外線センサにおいて、ノイズ成分が小さくなり、センサ感度が向上される。
尚、可動鏡15変位時の空洞部16のギャップhは、変位前のギャップh0、可動鏡15の構成(変形しやすさ)、及び固定鏡13と可動鏡15との間に印加される電圧によって調整することができる。本実施形態においては、可動鏡15変位時の空洞部16のギャップhが、所望波長を有する赤外線を選択的に透過することができる所望波長の1/2程度となるように調整されている。
ここで、補強膜19を構成する材料としては、特に限定されるものではない。例えば、保護膜17がない場合、補強膜19は、可動鏡15と同一材料を用いて可動鏡15に一体に形成されていても良い。また、保護膜17と同一材料を用いて保護膜17に一体に形成されていても良い。しかしながら、可動鏡15の構成材料よりも高い弾性を有する高弾性材料を適用すると、高弾性材料自体の特性によって、可動鏡15の中央部の変形をさらに抑制することができる。すなわち、固定鏡13と対向する可動鏡15(中央部)の平坦度が同一材料による構成の場合よりも大きくなり、ファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長がより狭帯域化される。
尚、高弾性材料としては、例えば高硬度、電気絶縁性を有し、赤外線透過性に優れるダイヤモンドライクカーボン(DLC)が好適である。この場合、補強膜19の膜厚をより薄くすることができるので、補強膜19による光学ロスを低減できる。本実施形態における補強膜19もダイヤモンドライクカーボンを構成材料としている。
次に、上述したファブリペローフィルタ100の製造方法を、図1(a)に基づいて説明する。
シリコンからなる基板10の上下両表面に、例えば熱酸化法により酸化シリコンからなる反射防止膜11と絶縁膜12を形成する。この反射防止膜11及び絶縁膜12は、基板10における赤外線の反射を防止する。また、絶縁膜12は、その直上に形成される多結晶シリコンからなる固定鏡13との密着性を高め、固定鏡13をエッチングにより形成する際のエッチングストッパとなる。
次に、絶縁膜12上に、例えば多結晶シリコン膜をCVD法により形成し、リン等の不純物を導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。そして、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして所定形状の固定鏡13を形成する。このとき、固定鏡13の端部に高濃度の不純物が導入され、電極としてのパッド部(図示せず)も形成される。尚、固定鏡13の構成材料は、多結晶シリコンに限定されるものではない。それ以外にも、赤外線透過性に優れ、電圧印加時に可動鏡15との間に静電引力を生じるものであれば適用できる。例えば不純物が導入された単結晶シリコンでも良い。
固定鏡13の形成後、例えばCVD法により、固定鏡13の表面に酸化シリコン膜14を形成する。このとき、空洞部16となる領域(エッチングにより除去される除去領域)が所定のギャップh0となるように膜厚を調整する。
酸化シリコン膜14形成後、酸化シリコン膜14上に、例えば多結晶シリコン膜をCVD法により形成し、リン等の不純物を導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。そして、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして所定形状の可動鏡15を形成する。このとき、可動鏡15の端部に高濃度の不純物が導入され、電極としてのパッド部(図示せず)も形成される。尚、可動鏡15の構成材料は、固定鏡13同様、多結晶シリコンに限定されるものではない。それ以外にも、赤外線透過性に優れ、電圧印加時に固定鏡13との間に静電引力を生じるものであれば適用できる。例えば不純物が導入された単結晶シリコンでも良い。
次いで、可動鏡15上に、窒化シリコンからなる保護膜17を例えばCVD法により形成する。そして、空洞部16となる酸化シリコン膜14を除去するために、保護膜17及び可動鏡15にエッチングホール18を形成し、保護膜17及び可動鏡15をマスクとしてエッチングホール18より酸化シリコン膜14の除去領域をエッチングする。これにより、固定鏡13と可動鏡15との間に、電圧が印加されない状態で所定のギャップh0を有する空洞部16が形成され、電圧印加時に可動鏡15が変位可能な構成となる。
空洞部16の形成後、空洞部16上における保護膜17の上面にDLCからなる補強膜19を例えばプラズマCVD法により形成する。このとき、補強膜19は、電圧印加時に変形するように所定のギャップh0を有する空洞部16上に設けられた可動鏡15の部位のうち、可動鏡15の端部と離間し、周囲を周辺部に囲まれた中央部に対応して形成される。尚、補強膜19の形成範囲は、電圧印加時の可動鏡15の変位量(変位後の空洞部のギャップh)に応じて適宜設定される。
以上の工程を経て、本実施形態に示すファブリペローフィルタ100が形成される。本実施形態に示したファブリペローフィルタ100は、一般的な半導体プロセスにより形成することができるので、製造コストを低減することができる。
また、補強膜19の形成は、空洞部16の形成後ではなく、空洞部16の形成前に実行されても良い。また、上記製造工程において、酸化シリコン膜14等、吸湿性を有する膜を形成する際には、吸湿による膜応力の変動を防ぐため、膜形成後に必要に応じて加熱処理しても良い。
形成されたファブリペローフィルタ100は、例えば図3に示すように、赤外線を放射する赤外線光源200、当該赤外線を検出する赤外線センサ300とを備える赤外線検知式ガスセンサ400(以下ガスセンサと示す)に適用が可能である。図3は、本実施形態に示すファブリペローフィルタ100を備えるガスセンサ400の概略構成図である。
図3に示すように、ガスセンサ400として、円筒状容器410内の一端の台座410a上に赤外線光源200が配置され、対向する他端の台座410b上に赤外線センサ300が配置されている。そして、例えば赤外線センサ300上に、支持部材420を介してファブリペローフィルタ100が位置決め固定されている。尚、図3において、符号430はガスの出入り口を示し、符号440は赤外線センサ300に入射される赤外線を制限するためのキャップである。尚、キャップ440の上部には、赤外線を透過する透過部440aが設けられている。
赤外線光源200から放射された赤外線は、キャップ440の透過部440aを介してファブリペローフィルタ100に到達し、ファブリペローフィルタ100は入射した赤外線のうち、空洞部16のギャップに応じた所望の波長を有する赤外線のみを選択的に透過させ、赤外線センサ300に到達する構成となっている。
従って、赤外線光源200によって赤外線センサ300に向かって照射された赤外線(図3中の矢印方向)は、出入り口430を通じて円筒状容器410内に満たされた被測定ガス中を通過する間に特定波長の赤外線の一部が吸収され、当該波長を有する赤外線を含む赤外線がファブリペローフィルタ100に到達する。そして、ファブリペローフィルタ100はガスにより一部が吸収された赤外線のみを選択的に透過し、当該赤外線を赤外線センサ300が受光する。このとき、被測定ガスの濃度に応じて、赤外線センサ300に到達する特定波長を有する赤外線の強度が変わるので、それに応じて赤外線センサ300の出力が変化し、被測定ガスの濃度が測定される。
このように、本実施形態に示すファブリペローフィルタ100を有するガスセンサ400の場合、可動鏡15変位時にファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長が狭帯域化されるので、ノイズ成分が低減され、ガスセンサ400のセンサ感度が向上される。
尚、図3においては、赤外線光源200と赤外線センサ300が対向配置される直線型を例示しているが、赤外線光源200と赤外線センサ300が並んで配置される反射型にも本実施形態のファブリペローフィルタ100を適用可能である。また、ガスセンサ400としてではなく、赤外線センサ300とともに赤外線検出装置を構成しても良い。
また、図3において、ファブリペローフィルタ100は、支持部材420を介して赤外線センサ200上に固定される構成を示した。しかしながら、ガスセンサ400において、ファブリペローフィルタ100がキャップ440又は円筒状容器410に固定される構成としても良い。
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。
本実施形態において、可動鏡15の周辺部が中央部よりも薄肉である例として、中央部上に保護膜17を介して補強膜19が設けられている例を示した。しかしながら、可動鏡15の周辺部が中央部よりも薄肉である構成は、上記例に限定されるものではない。
例えば、図4に示すように、空洞部16上の可動鏡15(保護膜17を含む)が、周辺部に非貫通孔である溝部20を有する構成としても良い。この場合、可動鏡15の周辺部は中央部よりも薄肉となり強度的に弱くなるので、電圧印加により可動鏡15が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。従って、図4に示すように、可動鏡15は中央部が略平坦なまま固定鏡13に対して変形したなべ底形状となり、可動鏡15変位時のファブリペローフィルタ100を透過する赤外線の透過波長が狭帯域化される。
このような溝部20は、フォトリソグラフィー処理等により形成することができる。尚、図4において、溝部20は保護膜17の表面から可動鏡15の一部にわたって形成されているが、可動鏡15が露出するのを防ぐため、保護膜17のみに形成された構成としても良い。また、図4において、溝部20は、空洞部16上の可動鏡15の端部付近と、中央部と周辺部との境界付近に設けられている。しかしながら、溝部20の形成位置は上記例に限定されるものではない。可動鏡15が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる位置であれば良い。
また、本実施形態において、可動鏡15の周辺部が中央部よりも変形しやすく形成されている例として、周辺部が中央部よりも薄肉である例を示した。しかしながら、可動鏡15の周辺部が中央部よりも変形しやすく形成されている構成は上記例に限定されるものではない。例えば、中央部のみを硬化処理(光照射、加熱、薬品処理等)し、周辺部を中央部よりも変形しやすい構成としても良い。また、周辺部に貫通孔を設け、周辺部の機械的強度を中央部よりも弱くして、中央部よりも変形しやすい構成としても良い。
また、本実施形態においては、ファブリペローフィルタ100を構成する基板10として、シリコンからなる半導体基板を用いる例を示した。しかしながら、基板10は半導体基板に限定されるものではない。それ以外にも、基板10として例えばガラス基板等を適用することもできる。
本発明の第1の実施形態におけるファブリペローフィルタの概略構成を示す断面図であり、(a)は電圧が印加されない状態(可動鏡変位前)を示す図、(b)は電圧が印加された状態(可動鏡変位後)を示す図である。 ファブリペローフィルタの効果を説明するための図である。 ファブリペローフィルタを備えるガスセンサの概略構成を示す図である。 変形例を示す断面図である。 従来のファブリペローフィルタを説明するための図であり、(a)は概略構成を示す断面図、(b)はファブリペローフィルタを透過する赤外線の波長域を説明するための図である。
符号の説明
10・・・基板
12・・・絶縁膜
13・・・固定鏡
14・・・酸化シリコン膜
15・・・可動鏡
16・・・空洞部
17・・・保護膜
19・・・補強膜
20・・・溝部
100・・・ファブリペローフィルタ
200・・・赤外線光源
300・・・赤外線センサ
400・・・赤外線検知式ガスセンサ(ガスセンサ)

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた固定鏡と、
    当該固定鏡に対し、所定のギャップを有して対向配置された可動鏡とを備え、
    前記固定鏡に設けられた電極と前記可動鏡に設けられた電極との間に所定の電圧を印加し、前記可動鏡を変位させることにより前記ギャップを変化させ、前記ギャップに対応する所望波長の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタにおいて、
    前記可動鏡の周辺部が、当該周辺部に囲まれる中央部よりも変形しやすく形成されていることを特徴とするファブリペローフィルタ。
  2. 前記周辺部は、前記中央部よりも薄肉とされていることを特徴とする請求項1に記載のファブリペローフィルタ。
  3. 前記可動鏡は、前記中央部の上面に、前記可動鏡を構成する材料とは異なる材料からなる補強膜を有することを特徴とする請求項2に記載のファブリペローフィルタ。
  4. 前記補強膜は、前記可動鏡の構成材料よりも高い弾性を有する高弾性材料からなることを特徴とする請求項3に記載のファブリペローフィルタ。
  5. 前記高弾性材料として、ダイヤモンドライクカーボンが適用されることを特徴とする請求項4に記載のファブリペローフィルタ。
  6. 前記可動鏡は、前記周辺部に薄肉部としての溝部を有することを特徴とする請求項2〜5いずれか1項に記載のファブリペローフィルタ。
  7. 前記基板は半導体基板であり、
    前記固定鏡は、絶縁層を介して、前記半導体基板上に設けられていることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項に記載のファブリペローフィルタ。
  8. 前記ファブリペローフィルタは、赤外線を放射する赤外線光源と赤外線を検出する赤外線センサとを備える赤外線検知式ガスセンサにおいて、波長選択フィルタとして適用されることを特徴とする請求項1〜7いずれか1項に記載のファブリペローフィルタ。
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