JP2008129352A - 光学フィルタ素子、光学フィルタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透光性基板上に金属膜を含む複数の薄膜を積層した積層膜の、少なくとも積層膜の一部に、透過光波長より短い周期で平行な凹状の欠損部を周期的に設けた平行構造体を有する光学フィルタ素子、及び異なった平行構造体を持つ複数の光学フィルタ素子を備えた光学フィルタ。
【選択図】図1
Description
本発明の第1の実施形態を、図1、2、3を参照しながら説明する。図1は本発明の光学フィルタ素子の構造を模式的に表したものである。光学フィルタ素子(1)は、透光性基板1-101上に金属膜1-103及び非金属積層膜1-104から成る積層膜1-102が積層されている。非金属積層膜1-104には空隙部によって、周期的な凹状の欠損部を持つ平行構造が形成されている。このような凹状の欠損部を持つ平行構造を、以下単に微細周期構造と呼ぶ。図1では等しい底部および幅を有した微細周期構造の光学フィルタ素子の一部が示されているが、本発明の光学フィルタには、同じ透光性基板上に、周期及び幅の少なくとも一方が異なるだけの、図1に示したような光学フィルタ素子が複数存在している。ここで図1中に示されるように、底部とはすなわち微細周期構造のピッチ(周期)pをあらわしており、幅とは、残った積層膜の部分の幅で、a×pであらわされる値であり、aは積層膜の部分の幅とピッチpとの比を表すデューティ比のことである。以下の説明では、便宜上ピッチpとデューティ比aの値を用いて説明する。デューティ比aは0から1の値を取ることが可能であり、0のときは積層膜構造が全く無いことを、1のときは周期的な凹状の欠損部からなる周期構造が形成されていない通常の積層膜構造の光学フィルタ素子を表す。説明においては、このように、デューティ比aが変化しているとは、積層膜構造が全く無いものや、周期構造部が形成されていない状態も含んでいる。
図3では、デューティ比aを変えたときの分光透過特性を示したが、ピッチpを変えても分光透過特性を変化させることが可能である。図1および図2で示した構造において、デューティ比aを0.5で一定とし、ピッチpを変えたときの光透過特性を図4に示した。図4中の実線(e)はpが0.4μmのとき、点線(f)はpが0.3μmのとき、一点鎖線(g)はpが0.2μmのときの分光透過率を表す。このように微細構造のピッチpを小さくすることによっても、透過光の波長帯域が短波長側へシフトする。しかし、ピッチpを変えたときの変化はデューティ比aを変えたときの変化よりも小さいため、広い範囲で透過帯域を変化させたときには、デューティ比aを変えた構造のほうがより好ましい。また、領域によってピッチpとデューティ比aの両方が異なっている構造とすれば、より幅広く透過光の波長帯域を変化させることが可能であり、透過光の波長帯域の最適化が容易となる。また、すべての積層膜で同じピッチpおよびデューティ比aである必要は無く、層ごとに異なるピッチpまたはデューティ比aとしていても良い。
図5、図6に示す光学フィルタ素子(3)は、積層膜のうち上部反射層および下部反射層の両方に金属膜1-103を用いたものである。図5は、光学フィルタ素子の断面図構造を模式的に示したものであり、図6は積層膜の構成を示したものである。積層膜のうち、第1層目、第3層目はそれぞれ、下部反射層1-201および上部反射層1-203に対応しており、第2層目がスペーサー層1-202である。また、微細周期構造はこのうちスペーサー層である第2層目のTa2O5層のみに、図1で示したと同様の空隙部として形成されている。
透光性基板3-101上に金属膜を含む積層膜3-102を形成する。薄膜の形成は、蒸着やスパッタリングといった物理的気相成長(PVD)法や、気相に熱や光を当てて化学反応を起こすことによって基板上に膜を形成させる化学的気相成長(CVD)法などによって形成することが出来る。あるいは、液体の原料を用いて、スピンコートやディッピングなどによって塗布し、その後ベーク処理などの後処理をすることによって、成膜することも可能である。このような成膜過程を複数回繰り返すことで積層膜が形成される。また、これらの成膜手法を複数用いて積層膜を形成しても良い。図16の1では、全領域に赤色の光学フィルタ素子が形成されることになる。
積層膜構造上にレジストを塗布し、レジスト上に露光法によって微細構造をパターニングし、レジストパターン膜3-103を作製する。露光法としては、いわゆるステッパーとして知られるような、マスクを通して紫外光を基板上に照射する投影露光機や、電子線を走査することによって露光するEB露光機、あるいは紫外レーザーからの光を干渉させて露光する干渉露光機などを用いることが出来る。または、予めこのような露光装置を用いて作製した微細転写型を用い、転写型をレジストに密着させることでパターニングを行う、いわゆるナノインプリント法を用いることも可能である。ナノインプリント法では、複雑で微細なパターンを容易に転写することが可能であるため、より好ましい。この工程で平行構造の空隙部分の周期pとデューティ比aが決定される。図16の2では、右からおよそ1/3ずつの領域に赤、緑、青の光学フィルタ素子が形成される予定である。
レジストパターン膜3-103に対して、リフトオフを行うことによって金属パターン膜3-104を形成させる。リフトオフ工程とは、レジスト上に金属膜を成膜し、その後レジストを溶解して除去することで、レジストパターンの反転パターンを持つ金属膜を形成する手法である。図16の3では、積層膜のエッチングされたくない部分に金属膜が被覆されている。
積層膜3-102上に形成された金属パターン膜3-104をマスクとしてエッチングを行い、積層膜3-102をパターニングし、微細構造が形成された積層膜3-105とする。このときエッチングとしてはプラズマによるドライエッチングを用いることが好ましい。ドライエッチングではプラズマ条件によって高い垂直性(異方性)でエッチングを行うことが可能であるため、金属パターン膜3-104のパターンをより良い精度、高い均質性で積層膜構造に転写することが出来る。また、ドライエッチングでは、AgとTa2O5及びSiO2ではエッチングレートが大きくことなるため、Ta2O5及びSiO2で形成された薄膜のみに微細構造が形成される。この製造例では、AgとTa2O5及びSiO2を用いて説明を行っているが、一般的にドライエッチングをする際にはTa2O5及びSiO2のような非金属材料とAgのような金属材料では、エッチングレートが大きく異なることが多い。よって、スペーサー層に非金属材料を用いる際には、ドライエッチングのストッパ層として下部反射層として金属を用いることが好ましい。このようなストッパ層があることによって、微細構造の形成が容易となり、またエッチング時間の過多や過少による製造誤差の影響を大幅に低減することが出来る。
金属パターン膜3-104を除去する最終工程である。金属パターン膜3-104を除去する際に、積層膜3-105は影響を受けないことが望まれるため、金属パターン膜3-104は、積層膜3-102中に用いられる金属膜の材料とは異なる材料が用いられていることが好ましい。図16の5に示した3-106、3-107、3-108はそれぞれ赤色透過領域2-101、緑色透過領域2-102、青色透過領域2-103を示しており、これを光学フィルタの表面から見ると、図13に示すように、3色の光学フィルタ素子が順に形成されている。図13においては、これらの単位がさらに周期的に並んだ構造となっている。
0−102,1−102,2−102,3−102,3−105:積層膜
1−103,2−103:金属膜
1−104:非金属積層膜
1−201,5−101:下部反射層
1−202,5−102:スペーサー層
1−203,5−103:上部反射層
2−101,3−106:赤色透過領域
2−102,3−107:緑色透過領域
2−103,3−108:青色透過領域
3−103:レジストパターン膜
3−104:金属パターン膜
(a):赤色透過光
(b),(e),(f),(g):緑色透過光
(c):青色透過光
(d):不透過光
Claims (15)
- 透光性基板上に金属膜を含む複数の薄膜を積層した積層膜の少なくとも一部に、透過光波長より短い周期で平行な凹状の欠損部を周期的に設けた平行構造体を有することを特徴とする光学フィルタ素子。
- 前記積層膜が上部反射層、スペーサー層及び下部反射層の順に積層された共振構造を有しており、少なくとも、スペーサー層は、透過光波長より短い周期で平行な凹状の欠損部を周期的に設けた平行構造体を有することを特徴とする請求項1に記載の光学フィルタ素子。
- 前記上部反射層及び下部反射層の少なくとも一方が、屈折率が異なる2種類以上の非金属膜が交互に等しい周期で積層された積層構造を有していることを特徴とする請求項2に記載の光学フィルタ素子。
- 前記上部反射層及び下部反射層が金属膜であることを特徴とする請求項2に記載の光学フィルタ素子。
- 前記スペーサー層が非金属膜で、下部反射層が金属膜であり、上部反射層及びスペーサー層に透過光波長より短い周期で平行な凹状の欠損部を周期的に設けた平行構造体を有することを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の光学フィルタ素子。
- 前記平行構造体の欠損部には、積層膜よりも低い誘電率を持つ材料が充填されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光学フィルタ素子。
- 前記平行構造体における平行な凹状の欠損部は、一方向にのみ配列されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光学フィルタ素子。
- 前記平行構造における平行な凹状の欠損部は、二方向以上に配列されており、偏光透過特性が等方性であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光学フィルタ素子。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光学フィルタ素子(a)と、
光学フィルタ素子(a)と同一の透光性基板上に同一の積層膜を備え、平行構造の欠損部の周期及び幅の少なくとも一方が光学フィルタ素子(a)とは異なる光学フィルタ素子(b)とを備えたことを特徴とする光学フィルタ。 - 透光性基板上に金属膜を含む複数の薄膜を積層した積層膜を備えた光学フィルタの一部に前記平行構造体を設けた請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光学フィルタ素子を備えたことを特徴とする光学フィルタ。
- 透光性基板上に、金属薄膜を形成した光学フィルタ素子を備えたことを特徴とする請求項9又は10に記載の光学フィルタ。
- 請求項9乃至11のいずれか一項に記載の光学フィルタが周期的に配列されていることを特徴とする光学フィルタ。
- 光学フィルタ素子は、三種でありそれぞれの主透過波長領域が赤、緑、及び青であることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 透光性基板上に金属薄膜を含む複数の薄膜を積層した積層膜を形成し、積層膜の少なくとも一部の領域に光波長より短い周期で平行な凹状の欠損部を周期的に設けた平行構造体を形成し、平行構造体の主な光透過波長領域を平行構造体を形成しなかった領域における主な光透過波長領域と変化させることを特徴とする光学フィルタの製造方法。
- それぞれ欠損部の周期及び幅の少なくとも一方が異なる複数の平行構造領域を形成することを特徴とする請求項16に記載の光学フィルタの製造方法。
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