JP2013539059A - 特に多重チャンネルの周波数選択的測定のための光学的バンドパスフィルタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】小さな周波数帯域幅を有する異なるフィルタを非常に小さいスペースに横方向に隣接配置することができ、かつ、半導体プロセス、特にＣＭＯＳプロセスにその製造を容易に統合することが可能な光学的フィルタシステムを提案する。
【解決手段】この発明は、第１のナノ構造金属層（４）を含むバンドパスフィルタと第２のナノ構造金属層（７）を含むバンドストップフィルタとの組み合わせを少なくとも１つ有する光学的バンドパスフィルタシステムに関し、これらフィルタの一方が他方の裏側に配置され、互いの層厚が異なる。バンドストップフィルタは、バンドパスフィルタの透過帯域幅と部分的に重なる隣接する波長帯域を遮断するように、バンドパスフィルタに対して調整される。提案に係る光学的フィルタシステムによれば、小さなスペースに隣り合うように小さい透過帯域幅の様々なフィルタ特性を作成できる。
【選択図】図３

Description

この発明は、周波数選択的な透過特性を持つバンドパスフィルタを少なくとも１つ備えた光学的バンドパスフィルタシステムに関する。

光学的フィルタシステムは、たとえば分光測定や周波数選択的光学検出に用いられる光学的センサシステムの分野においてとりわけ必要とされる。光学的センサの小型化への増勢は、たとえば光学的イメージセンサやチップサイズの分光器のための、横方向の寸法が小さなフィルタシステムを要求する。同時に、３色以上のチャンネルを取得するために、或いは狭帯域の分光測定のために、使用されるフィルタシステムは、小さな周波数帯域幅を有することが必要である。さらに、ＣＭＯＳ部品と合わせてＣＭＯＳ処理において容易に統合することが可能なフィルタシステムも望ましい。

周波数帯域幅が小さい従来の光学的バンドパスフィルタは、干渉フィルタとしての誘電性薄膜フィルタを用いて作成される。これらは、典型的には、たとえば蒸着により順々に適用された５０層以上からなる。フィルタの波長は、層厚を変化させることによってのみ変化させることが可能であり、それが、非常に小さなスペースに異なるフィルタが並んだ配置を構築することを非常に難しくしている。

この発明の応用においてホールアレイ（ｈｏｌｅ ａｒｒａｙ）としても知られる、特にサブ波長アパーチャ（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｐｅｒｔｕｒｅ）のアレイから光学的ナノ構造体を用いて薄い金属層に作成された光学的バンドパスフィルタも知られている。これら「ＥＯＴフィルタ」（Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の原理は、非特許文献１により発表されている。単純に金属層におけるナノ構造体の横方向の構成によって、特に層厚一定でなければアパーチャ間の距離および径によってフィルタ波長が変化することから、様々なフィルタの隣接配置は、これに関連して非常に容易に作成可能である。そのような種類のフィルタ配置は、たとえば半導体プロセスやＣＭＯＳプロセスに関連して製造に有利であるが、これは、そのようなプロセスにおいて一定の厚みの層を用いることが非常に重要だからである。このようにして、たとえば、後処理、特に余分な層の後の適用および構築の必要を伴うことなく、フォトダイオードアレイのフォトダイオードに対して異なるフィルタを提供することが可能である。一定の層厚を有する金属層において横方向に異なる光学的ナノ構造体のフィルタアレイをフォトダイオードアレイに組み合わせることにより、個別の色センサおよびイメージセンサのピクセルの双方について、１つのチップ上で異なる周波数チャンネルを組み合わせることができる。

しかしながら、金属ナノ構造体の光学的バンドパスフィルタは、比較的大きな周波数帯域幅、典型的には１００ｎｍ、を有する。それに伴うフィルタ効果は、たとえば３色チャンネルによる単純な色解析のために用いることができるが、３チャンネルを超えるより精密なスペクトル測定もしくは準スペクトル測定、または分光測定のためには適当でない。したがって、著しく３チャンネルを超えるマルチスペクトルセンサおよびそのような種類のチップ分光器は、現在に至るまで作成されていない。少数（１〜３）のチャンネルで行われるセンサに関連する測定作業でも十分ではあるが、狭帯域で取得されなければならず、これらフィルタを用いることは以前には実用的でなかった。金属ナノ構造体から作成され、かつより狭いバンドパスを有するバンドパスフィルタは、現在までのところ知られていない。

Ｔ．Ｗ． Ｅｂｂｅｓｅｎ ｅｔ ａｌ．、「Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｈｏｌｅ ａｒｒａｙｓ」、Ｎａｔｕｒｅ ３９１、６６７（１９９８）

この発明の目的は、小さな周波数帯域幅を有する異なるフィルタを非常に小さいスペースに横方向に隣接配置することが可能であり、かつ、半導体プロセス、特にＣＭＯＳプロセスにその製造を容易に統合することが可能な光学的フィルタシステムを提案することにある。

この目的は、請求項１に係る光学的フィルタシステムによって解決される。この光学的フィルタシステムの有利な変形は、従属項の目的であり、また以下の説明や実施形態から結論付けられるであろう。

提案に係る光学的フィルタシステムは、フィルタの組み合わせ効果を発揮させるために一方の上に他方が配置されたバンドパスフィルタとバンドストップフィルタとの組み合わせを少なくとも１つ含む。バンドパスフィルタは、第１の層厚を有する第１のナノ構造金属層から作成され、バンドストップフィルタは、第２の層厚を有する第２のナノ構造金属層から作成され、第１の層厚と第２の層厚とが異なるように選択される。これに関連して、バンドパスフィルタの透過帯域幅と部分的に重なる隣接する波長帯域を遮断するように、バンドストップフィルタがバンドパスフィルタに対して調整される。よって、バンドパスフィルタの透過帯域の側面（フランク（ｆｌａｎｋ））の１つがバンドストップフィルタにより遮断され、光学的フィルタシステムは、バンドパスフィルタよりも狭い透過帯域幅または周波数帯域幅を有する。層厚の異なる選択は、フィルタシステムの中心波長での高いフィルタ透過を伴うフィルタ特性の向上を可能とする。

第１の層厚は、好ましくは１３０ｎｍ〜２７０ｎｍの間、特に好ましくは１５０ｎｍ〜２５０ｎｍの間の範囲において選択され、第２の層厚は、好ましくは３０ｎｍ〜１７０ｎｍの間、特に好ましくは５０ｎｍ〜１５０ｎｍの間の範囲において選択される。これらの値により、特に、急峻なフランクを伴う狭帯域幅と、中心波長での高い透過性との組み合わせに関し、特に有利なフィルタ特性が得られる。

これに関連し、バンドパスフィルタは、好ましくは、ホールアレイの形態、すなわちＥＯＴフィルタの形態のナノ構造金属層として構成される。このフィルタの相対的に広い透過帯域幅は、システム全体においてバンドストップフィルタとの組み合わせとして使用されるときに、かなり低減される。そのようなバンドパスフィルタは、関連技術で知られている薄い金属層におけるナノアパーチャアレイ（ａｒｒａｙ ｏｆ ｎａｎｏａｐｐｅｒｔｕｒｅ）を有する。この場合におけるナノアパーチャは、円形または他の幾何学的形状でよい。以下においてフィルタ波長として参照される透過帯域の中心波長（透過帯域の半値全幅に関連する）は、主としてアパーチャ間の距離または周期（ｐｅｒｉｏｄ）により決定され、より低い程度ではあるがアパーチャの径により決定される。アパーチャ径は、主としてフィルタ帯域幅の決定に寄与し、これは、フィルタの波長および帯域幅の双方が、これら２つのパラメータの適当な選択により或る制限の範囲内で調整できることを意味する。ナノ構造金属層に基づくそのようなフィルタの顕著な優位性は、基板上の非常に小さいスペース内において隣り合うように異なるフィルタ特性（特に、異なるフィルタ波長）を持つフィルタを容易に製造できるようになることにある。これに関連して、一様な層厚の金属層（結果的にナノ構造を有する）の提供が必要なだけである。そのようなフィルタの相対的に大きい帯域幅という不都合は、バンドストップフィルタとの組み合わせにより、この光学的フィルタシステムにおいては回避される。

そのように設計されたバンドパスフィルタは、好ましくは、一様なまたは一定の層厚の金属層から構成されるバンドストップフィルタと組み合わされ、それもナノ構造であり、特にこの発明の応用においてアイランドアレイ（ｉｓｌａｎｄ ａｒｒａｙ）とも称される金属の立方体または円柱の周期的配置からなるホールアレイを補足する構造を形成している。そのような構造については、バンドストップフィルタの特性を有し、その遮断帯域（位置および幅）は、立方体または円柱の周期または距離およびサイズの適当な選択によって調整することができる。各フィルタは層厚が一様でかつ所望のフィルタ特性にしたがって構成された金属層を１つ要求するのみであるから、そのようなバンドパスフィルタとバンドストップフィルタとの組み合わせは、半導体技術に用いられるプロセス（特にＣＭＯＳプロセス）によって非常に有利に作成できる。このようにして、バンドストップフィルタのための異なる構成と同様に、異なるフィルタ特性が極めて小さいスペースにおいて隣り合うように生成される。２つのフィルタは、たとえばＳｉＯ_２のように所望の透過帯域幅のための透明な材料から作成されるＣＭＯＳ互換層によって有利に分離される。もちろん、金属層についても、たとえばアルミニウムのようにＣＭＯＳ互換にするために選択された材料から作成される。

提案に係るフィルタシステムの重要な特徴は、システム全体において、バンドストップフィルタがバンドパスフィルタの透過帯域幅を一方の波長側から（すなわち短波長側からまたは長波長側から）制限することである。このようにして、フィルタシステムの透過帯域幅の縮小が達成される。（構成前の条件において）一定の厚さを有する構造層のかたちで全てのフィルタを作成することができるので、光学的センサの製造のための半導体プロセスに提案に係るフィルタシステムを容易に統合することができる。２つのフィルタの組み合わせ効果により達成される狭い透過帯域幅と、製造プロセスの間に容易に変化するフィルタ波長の特性とにより、最小限のスペースに横方向に別段の狭さで配列される透過帯域特性を有するフィルタまたはフィルタの組み合わせが実現される。

したがって、提案に係るフィルタシステムの好適な変形において、バンドパスフィルタとバンドストップフィルタとの複数の組み合わせを、基板またはキャリア上に隣り合うように配列させることができ、その際、少なくとも幾つかの組み合わせが異なる波長透過帯域（特に互いの中心波長がオフセットしている）を有する。このようにして、多重狭帯域カラーチャンネルを有する光学的センサを非常に小さいスペースに作成することが可能である。

狭帯域光学的バンドパスフィルタは、センサ技術および分光測定法において非常に重要である。たとえば、ＣＭＯＳフォトダイオードアレイ上におけるそのようなフィルタシステムの１０またはそれ以上の配置により、チップサイズの分光器の製造が可能となる。提案に係るフィルタシステムがイメージセンサに用いられる場合、フィルタホイール等の機械的可動部を伴うことなく、マルチスペクトル（たとえば１６の波長）のカメラを作成することができる。たとえ少ないチャンネルしか使用されない場合であっても、その応用（たとえば分析学）において、たとえば提案に係るフィルタシステムに供給される狭帯域光学的バンドパスフィルタがしばしば要求される。光学的フィルタシステムは、たとえば、建物やＬＣＤバックライト等の多くの照明状況のためのＬＥＤのモニタリングや制御の分野、印刷プロセスにおけるインクのモニタリングや制御、気体・液体・構造物の解析のための小型化されたマルチスペクトルセンサや小型分光器、マルチスペクトルカメラなどのへの応用における局所的に分解されたスペクトル収集（ｌｏｃａｌｌｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）に用いることが可能である。

提案に係るフィルタシステムに用いられるナノ構造金属層から作成されるフィルタは、たとえば、Ｏｐｔｉｗａｖｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより製造されるＯｐｔｉＦＤＴＤ等の商業的に入手可能なソフトウェアを用いて、またはＡ．Ｆ．Ｏｓｋｏｏｉ ｅｔ．ａｌ．による「ＭＥＥＰ：Ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｆｒｅｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｂｙ ｔｈｅ ＦＤＴＤ ｍｅｔｈｏｄ」、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １８１，６８７−７０２（２０１０）に記載されたソフトウェア等の無料で入手可能なソフトウェアを用いて、おおよそ形成することが可能である。所望のフィルタ効果およびバンドストップ効果を得るために必要な径、並びに、アパーチャまたは立方体もしくは円柱等の盛り上がった領域の間の距離は、そのようなプログラムを用いて決定することが可能である。そして、金属層の構築は、フォトリソグラフィ（集積回路用表面加工技術）やそれに続くエッチング技術により公知の方法で実行される。

ＥＯＴバンドパスフィルタの透過帯域の例を示す。 ナノ構造金属層に基づく光学的バンドストップフィルタの波長依存透過の例を示す。 提案に係る光学的フィルタシステムの透過帯域の例を示す。 提案に係る光学的フィルタシステムの透過帯域、図１に係るＥＯＴバンドパスフィルタの透過帯域、および２つの同じＥＯＴバンドパスフィルタの組み合わせの透過帯域の比較を示す。 それぞれナノ構造金属層から作成されるＥＯＴバンドパスフィルタおよびバンドストップフィルタからなる提案に係るフィルタシステムの代表的な構成を示す。

図１は、ナノアパーチャアレイ（ホールアレイ）を有する金属層により形成される光学的バンドパスフィルタの波長依存透過のシミュレーションを示す。このバンドパスフィルタは、６７０ｎｍで約５０％の透過、および約１１３ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。事前に行われた最適化にもかかわらず、そのようなフィルタのフィルタ帯域幅はさらに減じられる。この実施形態において関連する波長帯域は、３５０〜１１００ｎｍであり、提案に係るフィルタシステムにおけるそのようなフィルタの金属層の厚みは１３０〜２７０ｎｍの間の範囲である。典型的なホール径は１００〜３００ｎｍであり、ホールパターンの周期は２００〜６００ｎｍである。このフィルタの構成の概略上面図は、同図の右上部分に示されている。

図２は、金属層における金属的円柱の周期的配置（アイランドアレイ）により形成された金属層により形成された光学的バンドストップフィルタのシミュレーションを示す。約６３０ｎｍの波長より上では、スペクトルカーブはバンドストップフィルタ特性を示す。この場合においても、このフィルタの構成の上面図が、同図の右上部分に示されている。この種のフィルタにおいて、典型的な円柱の径は１００〜３００ｎｍであり、提案に係るフィルタシステムにおいて高さは３０〜１７０ｎｍである。

ここに提案に係る光学的フィルタシステムの基本アイディアは、図１に示すように比較的広い周波数帯域幅を有するバンドパスフィルタの周波数帯域幅を、図２に示すように中心波長に関してわずかにオフセットしたバンドストップフィルタを組み合わせることによって減少させることにあり、２つのフィルタ層の層厚を様々に選択することによりフィルタシステムの結果的な中心波長の高い透過を達成可能とする。これら２つのフィルタタイプの組み合わせを図３に示す。Ｔ_１（λ）は、図１の広帯域バンドパスフィルタの透過曲線を示す。Ｔ_２（λ）は、図２のバンドストップフィルタの透過曲線を示す。結果として得られる関数Ｔ_１（λ）×Ｔ_２（λ）は、提案に係るフィルタシステムの透過曲線または波長透過帯域に相当する。

バンドパスフィルタとバンドストップフィルタとの間の距離が各々のエバネッセント場の程度よりも大きい（たとえば２００ｎｍより大きい）場合、２つのフィルタ構造の場の分布は連結されず、結果として得られるフィルタ特性は、上記生成された関数Ｔ_１（λ）×Ｔ_２（λ）に接近する。２つのフィルタ層の間の小さな距離は、ともあれ技術的な理由により必要である。しかし、２つのナノ構造体の場の結合（ｆｉｅｌｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に伴う小さな距離でさえ同様の場の特性を招き、その正確な振る舞いを２層配置のシミュレーションによって最適化することも可能である。したがって、前述の距離は、提案に係る光学的フィルタシステムの関数を確保するために絶対的に必要なものではない。

図３は、２つのフィルタを組み合わせて得られる光学的フィルタシステムが図１のバンドパスフィルタよりも顕著に小さな半値全幅を有することを示す。この目的のために、図４は、図１の波長依存透過Ｔ_１（λ）、２つの同じバンドパスフィルタの直列配置の波長依存透過Ｔ_１（λ）×Ｔ_１（λ）、および図３の提案に係るフィルタシステムの波長依存透過の間の比較を示す。値４７ｎｍについて、半値全幅（ＦＷＨＭ）は、１１３ｎｍの図１のバンドパスフィルタと比較してかなり減少し、９３ｎｍのＦＷＨＭを持つ２段階のバンドパスフィルタ配置の上記直列配置との比較では２倍減少する。最大透過（３０％）についても上記直列配置（２５％）よりわずかに高くなる。

図５は、フォトダイオード上の提案に係るフィルタシステムの構成の概略例を示す。この図は、対応するフィルタシステムが搭載された基板において隣り合うように構築された複数のフォトダイオードにおける１つの配置の断面のみを示す。そのような場合において、光学的フィルタシステムは、隣り合うように配列された複数のフィルタまたはフィルタの組み合わせを有し、各場合においてフィルタの１つの組み合わせはフォトダイオードの上に配置される。異なるフィルタ特性は、好ましくは、フィルタの異なる構成を実現することにより、フィルタの複数の組み合わせによって与えられる。本例の各フォトダイオードは、ｐドープ半導体基板１内のｎドープウェル（ｎ−ｄｏｐｅｄ ｗｅｌｌ）２により形成される。その上には、誘電性中間層３および金属層４が設けられ、この金属層には所望のフィルタ特性に応じてナノアパーチャ５が作成されている。さらに、このバンドパスフィルタ上には付加的な誘電性中間層６が設けられ、それは第１のナノ構造金属層４により形成され、そしてこの上には第２の金属層７が設けられる。第２の金属層７は、第１の金属層４よりも小さな層厚を有し、それはバンドパスフィルタを形成し、望ましいバンドストップフィルタを形成するように構成され、円柱状または立方体状の構造８が、意図するフィルタ特性に応じた望ましい横方向のサイズおよび距離にて作成される。電気的中間層３、６は、たとえば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層であってよい。フォトダイオードのｐ領域およびｎ領域の電気的な接触は図示されていない。それらは通常、各層を通過する適当な貫通接続により形成される。もちろん、（たとえばその構成部分のそれぞれの機能に要求される）付加的なＣＭＯＳ処理層を、第１の金属層４の下や、第２の金属層７の上や、これら２つの金属層の間に、配置することも可能である。

１ ｐドープ半導体基板
２ ｎドープウェル
３ 誘電性中間層
４ バンドパスフィルタのための第１の金属層
５ ナノアパーチャ
６ 誘電性中間層
７ バンドストップフィルタのための第２の金属層
８ 円柱状または立方体状のナノ構造

Claims (9)

1. 第１の層厚を有する第１のナノ構造金属層（４）を含むバンドパスフィルタと、第２の層厚を有する第２のナノ構造金属層（７）を含むバンドストップフィルタとの組み合わせを少なくとも１つ有し、それらの一方が他方の上に配置され、前記バンドストップフィルタは、前記バンドパスフィルタの透過帯域幅と部分的に重なる隣接する波長帯域を遮断するように、前記バンドパスフィルタに対して調整されており、前記第１および第２の層厚が互いに異なることを特徴とする光学的フィルタシステム。
2. 前記第１の層厚は１３０ｎｍと２７０ｎｍとの間にて選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学的フィルタシステム。
3. 前記第２の層厚は３０ｎｍと１７０ｎｍとの間にて選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的フィルタシステム。
4. 前記第１の層厚は１５０ｎｍと２５０ｎｍとの間にて選択され、前記第２の層厚は５０ｎｍと１５０ｎｍとの間にて選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学的フィルタシステム。
5. 前記第１のナノ構造金属層（４）はホールアレイ（５）を形成し、前記第２のナノ構造金属層（７）はアイランドアレイ（８）を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学的フィルタシステム。
6. 前記バンドパスフィルタと前記バンドストップフィルタとの複数の組み合わせが、互いに隣り合うように配列されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学的フィルタシステム。
7. 少なくとも幾つかの前記組み合わせが、異なる波長透過帯域を有することを特徴とする請求項６に記載の光学的フィルタシステム。
8. 前記フィルタのそれぞれの横方向の寸法が５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学的フィルタシステム。
9. 波長選択的な検出のために上記請求項のいずれかに記載のフィルタシステムを有する光学的センサまたは分光器。

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