JP2015031856A - 光学フィルター - Google Patents
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Abstract
【課題】実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することである。
【解決手段】光学フィルター１０は、所定波長の光を透過する光学フィルター１０であって、基板１１と、基板１１上に形成された第１導電材料薄膜１２と、第１導電材料薄膜１２を貫通し、所定波長未満の周期で配置された開口部１６と、少なくとも一部が開口部１６に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜１４と、を備えた構成とする。
【選択図】図２
【解決手段】光学フィルター１０は、所定波長の光を透過する光学フィルター１０であって、基板１１と、基板１１上に形成された第１導電材料薄膜１２と、第１導電材料薄膜１２を貫通し、所定波長未満の周期で配置された開口部１６と、少なくとも一部が開口部１６に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜１４と、を備えた構成とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、所定波長の光を透過する光学フィルターに関する。
近年、金属材料薄膜に周期的に開口部を配列することで特定の波長を主に透過する光学フィルターが知られている（特許文献１参照）。従来、波長よりも小さい開口部を設けた導電材料薄膜に光を照射した際の現象は、Ｂｅｔｈｅの回折理論によって説明されてきた。しかしながら、このような導電材料薄膜は、開口径よりも大きな特定の波長の光を透過することが可能であり、導電材料薄膜に設けられた開口部の面積の総和から期待される以上の透過性を有する。このとき、開口部の周期にしたがって特定波長の光が透過されるが、最大透過ピークよりも短波長側に複数の透過サブピークが生じる。最大透過ピーク（メインピーク）の光は表面プラズモンによる異常透過現象による伝播光であり、一方、透過サブピークの光は開口部（円形導波管）を伝播する光である。このように、特定波長とは異なる波長の光も透過してしまうため、波長選択性が悪い光学フィルターであるといえる。
ところで、入射光を照射することで生じる表面プラズモンは導電材料薄膜表面に存在する。表面プラズモンの周波数は開口部の周期で決まり、入射面と出射面は表面プラズモンを伝播させるために連続な表面（貫通口）とする必要がある。また、出射面側での表面プラズモンは開口部端で生じる近接場光のエネルギー的な回折によって出射される。このことから、電界強度分布は開口部端の電界が強い分布を示す。
一方、開口部を導波管とみなした場合の伝播光（導波管モードと記すことがある）は、開口部の内壁で反射して開口部の中心を通るため、開口部の円筒の中心で最も電界強度が強くなる。そこで、このような性質を利用して、開口部の内側に第２の導電材料薄膜を設けることで導波管モードの光を透過させないようにし、波長選択性を向上させる技術が提案されている（特許文献２参照）。
また、同パターニングされた第１及び第２の導電材料薄膜層が、近接場光相互作用を及ぼし合わない層間距離からなる積層フィルターであって、単層の場合より狭い帯域で光を透過させる技術が提案されている（特許文献３参照）。
Ａｌｅｘａｎｄｒａ Ｂ．ｅｔｃ，ＳＩＥＮＣＥ, Ｖｏｌ．３３１，Ｎｏ．６０１５，ｐｐ．２９０−２９１（２０１１）
Ｐｈｉｌｉ Ｔ．ｅｔｃ，Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．６，ｐｐ．２５９−２６４（２０１２）
Ｋｏｈｅｉ Ｉ．ｅｔｃ，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒ, Ｖｏｌ．１１，ｐｐ．９６０−９６５（２０１１）
しかしながら、特許文献２及び３の技術では、波長選択性に関して半値幅が実用可能な程度にまでは狭くなっておらず、選択性が高いとは言い難い。また、撮像素子などに利用するために可視光領域の光を透過させようとした場合、開口径を特許文献２の実施例の半分程度に小さくする必要があり、開口部の内側に第２の導電材料薄膜を形成することが困難になる。
本発明は、実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、所定波長の光を透過する光学フィルターであって、基板と、前記基板上に形成された第１導電材料薄膜と、第１導電材料薄膜を貫通し、前記所定波長未満の周期で配置された開口部と、少なくとも一部が前記開口部に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜と、を備えたことを特徴とする光学フィルターとする。
本発明によると、第２導電材料薄膜を備えることにより、透過メインピークの半値幅が狭くなるとともに透過サブピークがほとんど見られないような、実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。各実施形態で共通する部材には同符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態の構成は可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図２は、図１の正面透過図である。図２において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター１０は、基板１１上に、第１導電材料薄膜１２、第１誘電体１３、第２導電材料薄膜１４、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。
図１は、第１実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図２は、図１の正面透過図である。図２において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター１０は、基板１１上に、第１導電材料薄膜１２、第１誘電体１３、第２導電材料薄膜１４、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。
基板１１は、入射光を透過する材料であれば特に限定はなく、無機材料、有機材料、それらの混合材料の何れであってもよい。基板１１としては、例えば、ガラス、石英、Ｓｉ、化合物半導体などを用いることができる。また、基板１１の大きさ、厚みにも特に限定はない。また、基板１１の表面形状にも特に限定はなく、平坦でも曲面形状であってもよい。
なお、基板１１上に形成される層との密着性を考慮し、基板１１に適当な表面処理を施してから積層してもよい。また、基板１１にエッチングに対する耐性の高い透明材料をストッパー層として積層させてから積層してもよい。
第１導電材料薄膜１２を構成する導電材料は任意に選択できる。ここでいう導電材料とは、単体で導体であり、任意の波長帯域で７０％以上の反射率を有し、常温では固体である金属元素からなるもの、及びそれらの合金を指す。第１導電材料薄膜１２を構成する材料のプラズマ周波数は利用する光の周波数より高いことが好ましい。また、利用する光の波長領域において光の吸収が少ないことが望ましい。このような材料として、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ニッケル、コバルト又はこれらの合金からなる群から選択される材料、または、ＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ2Ｏ3）を含むＩｎ2Ｏ3系、ＡＺＯ(Ａｌ：ＺｎＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ：ＺｎＯ)、ＢＺＯ(Ｂ：ＺｎＯ)、ＩＺＯ(Ｉｎ：ＺｎＯ)を含むＺｎＯ系、ＩＧＺＯ系の金属酸化物透明導電材料から選択される材料を含むことが好ましい（非特許文献１および２参照）。
しかしながら、利用する光の周波数より高いプラズマ周波数を有する導電材料であれば、これらの限りではない。また、熱処理により第１導電材料薄膜１２をシンタリングしてもよく、保護膜等を形成してもよい。また、第１導電材料薄膜１２の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
第１導電材料薄膜１２には、Ｚ方向（基板１１側から第１誘電体１３側）に貫通し、所定波長未満の周期で配置された穴からなる開口部１６が形成されている。所定波長は入射光の波長未満である。例えば、開口部１６が配置される周期は、１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。図１において開口部１６は円筒形状であるが、その形状は特に限定されるものではなく、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状などであってもよい。また、開口部１６には第１誘電体１３が充填されている。
このように、所定波長の入射光が第１導電材料薄膜１２の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共振的に相互作用することで、透過光の波長選択及び増強が図られるように、開口部１６が配置される。
第１誘電体１３は、一種類の誘電体材料であることが好ましい。このような材料として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムなどが挙げられる。また、第１誘電体１３の膜厚（開口部１６に充填される部分を除く）は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
第２導電材料薄膜１４は、開口部１６に対向して配置される。図１では、平面視で開口部１６と合同な形状である円形の第２導電材料薄膜１４が、開口部１６と同じ形成パターンで各開口部１６に対向して配置されている。つまり、円筒形状の第２導電材料薄膜１４が開口部１６と同じ周期で配置されている。第２導電材料薄膜１４のパターン間には第２誘電体１５が充填されている。
本実施形態では、開口部１６及び第２導電材料薄膜１４に、円開口及び円盤が三角格子状に配列している例を用いて説明したが、配列の仕方には特に限定はなく、例えば、正方格子配列にしてもよい。三角格子配列は、入射偏光依存性を抑え、斜入射特性を改善することができる。また、開口部１６の形状及び第２導電材料薄膜１４のパターン形状も円形に限らず、正方形、正多角形などでもよい。
入射光が第２導電材料薄膜１４の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第２導電材料薄膜１４の周辺部と第１導電材料薄膜１２の開口部１６の周辺部とが近接場相互作用を及ぼし合い（非特許文献３参照）、第１導電材料薄膜１２の表面に表面プラズモンが誘起され、第１導電材料薄膜１２の開口部１６の周期パターンによる共鳴で所定の波長が出射される。したがって、第２導電材料薄膜１４と第１導電材料薄膜１２は、近接場光相互作用を及ぼし合う層間距離を設けることが好ましい。
なお、第２導電材料薄膜１４は、少なくとも一部が開口部１６に間隔を有して対向していればよい。ここでいう少なくとも一部が対向するとは、平面視で一部が接している場合も含むものとする。例えば、第２導電材料薄膜１４が開口部１６とややずれて対向していてもよく、開口部１６と平面視で接していてもよい。このとき、第２導電材料薄膜１４は必ずしも開口部１６と合同な形状である必要はなく、開口部１６と異なる形状であってもよいし、開口部１６と異なる大きさであってもよい。これにより、光リソグラフィーのアライメントなどによるプロセスバラつきによって開口部１６のパターンと第２導電材料薄膜１４のパターンとが多少ずれても問題ないように設計できる。
第２導電材料薄膜１４を構成する導電材料は第１導電材料薄膜１２と同様に任意に選択できる。なお、第１及び第２導電材料薄膜１２、１４は必ずしも同じ材料を用いる必要はない。また、熱処理により第２導電材料薄膜１４をシンタリングしてもよく、保護膜等を形成してもよい。また、第２導電材料薄膜１４の膜厚は３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
第２誘電体１５および開口部１６は、第１誘電体１３と同様の材料を用いることができ、第１誘電体１３と同じ材料を用いることが好ましい。同じ材料を用いることで界面での反射を抑えることができ、透過波長の選択性を向上させることができる。
上記の光学フィルター１０の製造には、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、ナノインプリント法などの微細加工技術を用いることができる。開口プロセス（開口部１６の形成又は第２導電材料薄膜１４のパターニング）は、位置合わせをしながら一層ずつ所望の開口を形成する。
光学フィルター１０の製造方法としては、例えば、まず基板１１上に第１導電材料薄膜１２を形成する。続いて、光リソグラフィーとエッチングによって開口部１６を形成する。このとき開口部１６の内壁のサイドエッチングなどの問題を防ぐため、異方性の高いドライエッチング条件により加工することが好ましい。次に、第１誘電体１３を開口部１６に充填するとともに、第１導電材料薄膜１２上に積層し、化学的又は物理的平坦化手法によって平坦化する。続いて、第１誘電体１３上に第２導電材料薄膜１４を形成し、光リソグラフィーとエッチングによってパターニングする。そして、第２誘電体１５を第２導電材料薄膜１４のパターン間に充填するとともに、第２導電材料薄膜１４上に積層して光学フィルター１０を得る。
次に、第１実施形態の光学フィルター１０のサンプルと、比較例として第２導電材料薄膜を有さない光学フィルターのサンプルとを作製し、物性を評価した。第１実施形態の光学フィルター１０は、ＳｉＯ2からなる基板１１と、Ａｌからなる厚さ１５０ｎｍの第１導電材料薄膜１２と、ＳｉＯ2からなる厚さ４０ｎｍの第１誘電体１３と、Ａｌからなる厚さ６０ｎｍの第２導電材料薄膜１４と、ＳｉＯ2からなる第２誘電体１５とで構成した。開口部１６及び第２導電材料薄膜１４は図１、２に示すような平面視円形で合同なパターンとし、その周期は３６０ｎｍ、その径は２１０ｎｍとした。比較例の光学フィルターは、上記の構成から第２導電材料薄膜１４だけをなくした構成とした。
図３は第１実施形態及び比較例の光学フィルターの透過率を測定した結果を示す図であり、図４Ａは波長４００ｎｍにおける第１実施形態の光学フィルターの断面の電界強度分布のイメージを示す図、図４Ｂは波長４００ｎｍにおける比較例の光学フィルターの断面の電界強度分布のイメージを示す図、図５Ａは波長５４５ｎｍにおける第１実施形態の光学フィルターの断面の電界強度分布のイメージを示す図、図５Ｂは波長５４５ｎｍにおける比較例の光学フィルターの断面の電界強度分布のイメージを示す図である。
図４Ｂに示すように、比較例の光学フィルターでは、開口部１６の円筒の中心で最も電界強度が強くなる導波管モードが見られるが、図４Ａに示すように、第１実施形態の光学フィルターでは導波管モードがほとんど見られないことがわかる。
図３に示すように、第１実施形態の光学フィルターの透過光は、５４５ｎｍ付近に半値幅の狭いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークはほとんど見られない。一方、比較例の光学フィルターの透過光は、５４５ｎｍ付近に半値幅の広いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークも多く見られる。このような第１実施形態の光学フィルターの波長選択性は、図４Ａ〜図５Ｂに示すように、第２導電材料薄膜１４が存在するによって生じているものと言える。
このように、第１実施形態の光学フィルター１０によれば、少なくとも一部が開口部１６に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜１４を備えることにより、透過メインピークの半値幅が狭くなるとともに透過サブピークがほとんど見られないような、実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図７は、図６の正面透過図である。図７において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター２０は、基板１１上に、第２導電材料薄膜１４、第１誘電体１３、第１導電材料薄膜１２、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。つまり、第２導電材料薄膜１４、第１誘電体１３、第１導電材料薄膜１２が第１実施形態とは逆順に積層された構成である。開口部１６及び第２導電材料薄膜１４のパターンは第１実施形態と同様である。基板１１上に順に各層を積層した場合、第２導電材料薄膜１４のパターン間には第１誘電体１３が充填され、開口部１６には第２誘電体１５が充填される。
図６は、第２実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図７は、図６の正面透過図である。図７において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター２０は、基板１１上に、第２導電材料薄膜１４、第１誘電体１３、第１導電材料薄膜１２、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。つまり、第２導電材料薄膜１４、第１誘電体１３、第１導電材料薄膜１２が第１実施形態とは逆順に積層された構成である。開口部１６及び第２導電材料薄膜１４のパターンは第１実施形態と同様である。基板１１上に順に各層を積層した場合、第２導電材料薄膜１４のパターン間には第１誘電体１３が充填され、開口部１６には第２誘電体１５が充填される。
入射光が第１導電材料薄膜１２の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第１導電材料薄膜１２の開口部１６の周辺部と第２導電材料薄膜１４の周辺部とが近接場光相互作用を及ぼし合い（非特許文献３参照）、第２導電材料薄膜１４の表面に表面プラズモンが誘起され、第２導電材料薄膜１４の周期パターンによる共鳴で所定の波長が出射される。したがって、第１導電材料薄膜１２と第２導電材料薄膜１４は、近接場光相互作用を及ぼしあう層間距離を設けることが好ましい。
そして、第２実施形態の光学フィルター２０のサンプルと、比較例として第２導電材料薄膜を有さない光学フィルターのサンプルとを作製し、物性を評価した。第２実施形態の光学フィルター２０は、ＳｉＯ2からなる基板１１と、Ａｌからなる厚さ４０ｎｍの第２導電材料薄膜１４と、ＳｉＯ2からなる厚さ３０ｎｍの第１誘電体１３と、Ａｌからなる厚さ１５０ｎｍの第１導電材料薄膜１２と、ＳｉＯ2からなる第２誘電体１５とで構成した。開口部１６及び第２導電材料薄膜１４は図６、７に示すような平面視円形で合同なパターンとし、その周期は３６０ｎｍ、その径は２１０ｎｍとした。比較例の光学フィルターは、第１実施形態で例示した比較例と同じサンプルを用いた。
本実施形態では、開口部１６及び第２導電材料薄膜１４に、円開口及び円盤が三角格子状に配列している例を用いて説明したが、配列の仕方には特に限定はなく、例えば、正方格子配列にしてもよい。三角格子配列は、入射偏光依存性を抑え、斜入射特性を改善することができる。また、開口部１６の形状及び第２導電材料薄膜１４のパターン形状も円形に限らず、正方形、正多角形などでもよい。
図８は第２実施形態及び比較例の光学フィルターの透過率を測定した結果を示す図であり、図９は波長４００ｎｍにおける第２実施形態の光学フィルターの断面の電界強度分布のイメージを示す図、図１０は波長５４５ｎｍにおける第２実施形態の光学フィルターの断面の電界強度分布のイメージを示す図である。４００ｎｍ及び５４５ｎｍにおける比較例の光学フィルター断面の電界強度分布のイメージは図４Ｂ及び図５Ｂと同じであるため省略する。
比較例の光学フィルターでは、開口部１６の円筒の中心で最も電界強度が強くなる導波管モードによる伝搬光が見られるが、図９に示すように、第２実施形態の光学フィルターでは、第２導電材料薄膜１４が存在するによって導波管モードによる伝搬光がほとんど見られないことがわかる。
図８に示すように、第２実施形態の光学フィルターの透過光は、５４５ｎｍ付近に半値幅の狭いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークはほとんど見られない。一方、比較例の光学フィルターの透過光は、５４５ｎｍ付近に半値幅の広いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークも多く見られる。このような第２実施形態の光学フィルターの波長選択性は、図９、図１０に示すように、第２導電材料薄膜１４が存在するによって生じているものと言える。
このように、第２実施形態の光学フィルター２０によれば、少なくとも一部が開口部１６に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜１４を備えることにより、透過メインピークの半値幅が狭くなるとともに透過サブピークがほとんど見られないような、実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図１２は、図１１の正面透過図である。図１２において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター３０は、基板１１上に、第２導電材料薄膜１４、第１誘電体１３、第１導電材料薄膜１２、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。つまり、第２実施形態と同じ積層順序である。
図１１は、第３実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図１２は、図１１の正面透過図である。図１２において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター３０は、基板１１上に、第２導電材料薄膜１４、第１誘電体１３、第１導電材料薄膜１２、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。つまり、第２実施形態と同じ積層順序である。
開口部１６及び開口部１９のパターンの形状、大きさ、周期は第１実施形態と同様であるが、開口部１６と開口部１９との配置がＸ方向に半周期ずれている。例えば、図１１及び図１２では、開口部１６と開口部１９とが平面視で接している場合を示している。基板１１上に順に各層を積層した場合、開口部１９には第１誘電体１３が充填され、開口部１６には第２誘電体１５が充填される。また、第１導電材料薄膜１２及び第２導電材料薄膜１４の膜厚は３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
入射光が第１導電材料薄膜１２の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第１導電材料薄膜１２の開口部１６の周辺部と第２導電材料薄膜１４の開口部１７の周辺部とが近接場光相互作用を及ぼし合い（非特許文献３参照）、第２導電材料薄膜１４の表面に表面プラズモンが誘起され、第２導電材料薄膜１４の周期パターンによる共鳴で所定の波長が出射される。したがって、第１導電材料薄膜１２と第２導電材料薄膜１４は、近接場光相互作用を及ぼし合う層間距離を設けることが好ましい。
そして、第３実施形態の光学フィルター３０のサンプルと、比較例として第１実施形態で例示した比較例と同じサンプルを用いて評価した。第３実施形態の光学フィルター３０は、ＳｉＯ2からなる基板１１と、Ａｌからなる厚さ７５ｎｍの第２導電材料薄膜１４と、ＳｉＯ2からなる厚さ４０ｎｍの第１誘電体１３と、Ａｌからなる厚さ７５ｎｍの第１導電材料薄膜１２と、ＳｉＯ2からなる第２誘電体１５とで構成した。開口部１６及び開口部１９は平面視円形で合同なパターンであって、Ｘ方向に半周期ずれた配置とし、その周期は３６０ｎｍ、その径は２１０ｎｍとした。図１１において、開口部１６と開口部１９はＸ方向に半周期ずれた配置であるが、その方向およびズレ量は特に限定されるものではなく、Ｙ方向に半周期ずれた配置、Ｙ方向に１／４周期ずれた配置などであってもよい。
また、本実施形態では、開口部１６及び１９に、円開口が三角格子状に配列している例を用いて説明したが、配列の仕方には特に限定はなく、例えば、正方格子配列にしてもよい。三角格子配列にすることで入射偏光依存性を抑え、斜入射特性を改善することができる。また、開口形状も円形に限らず、正方形、正多角形などでもよい。
図１３は第３実施形態及び比較例の光学フィルターの透過率を測定した結果を示す図である。図１３に示すように、第３実施形態の光学フィルターの透過光は、５４５ｎｍ付近に半値幅の狭いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークはほとんど見られない。一方、比較例の光学フィルターの透過光は、５４５ｎｍ付近に半値幅の広いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークも多く見られる。このような第３実施形態の光学フィルターの波長選択性は、第２導電材料薄膜１４が存在するによって生じているものと言える。
このように、第３実施形態の光学フィルター３０によれば、少なくとも一部が開口部１６下に間隔を有し対向する第２導電材料薄膜１４を備えることにより、透過メインピークの半値幅が狭くなるとともに透過サブピークがほとんど見られないような、実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
＜第４実施形態＞
図１４は、第４実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図１５は、図１４の正面透過図である。図１５において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター４０は、基板１１上に、第１導電材料薄膜１２、第３誘電体１７、第１導電材料薄膜１２、第１誘電体１３、第２導電材料薄膜１４、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。第１導電材料薄膜１２の膜厚は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい点で第１実施形態とは異なる。
図１４は、第４実施形態の光学フィルターの一部の平面透過図であり、図１５は、図１４の正面透過図である。図１５において光の入射方向を矢印Ａで示している。光学フィルター４０は、基板１１上に、第１導電材料薄膜１２、第３誘電体１７、第１導電材料薄膜１２、第１誘電体１３、第２導電材料薄膜１４、第２誘電体１５が順に積層されて構成される。第１導電材料薄膜１２の膜厚は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい点で第１実施形態とは異なる。
第１導電材料薄膜１２と第３誘電体１７と第１導電材料薄膜１２とが積層されて構成される多層膜には、Ｚ方向（基板１１側から第１誘電体１３側）に貫通し、所定波長未満の周期で配置されたスリットからなる開口部１８が形成されている。所定波長は入射光の波長未満である。例えば、開口部１８が配置される周期に対する開口部１８の幅の比率が、０．２以上０．６以下であることが好ましい。また、開口部１８には第１誘電体１３が充填されている。
第１誘電体１３は、一種類の誘電体材料であることが好ましい。このような材料として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムなどが挙げられる。また、第１誘電体１３の膜厚（開口部１８に充填される部分を除く）は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
第２導電材料薄膜１４は、開口部１８に対向して配置される。図１４では、平面視で開口部１８と合同な形状であるスリット形状の第２導電材料薄膜１４が、開口部１８と同じ形成パターンで各開口部１８に対向して配置されている。つまり、直方体形状の第２導電材料薄膜１４が開口部１８と同じ周期で配置されている。第２導電材料薄膜１４のパターン間には第２誘電体１５が充填されている。
なお、第２導電材料薄膜１４は、少なくとも一部が開口部１８に間隔を有して対向していればよい。ここでいう少なくとも一部が対向するとは、平面視で一部が接している場合も含むものとする。例えば、第２導電材料薄膜１４が開口部１８とややずれて対向していてもよく、開口部１８と平面視で接していてもよい。このとき、第２導電材料薄膜１４は必ずしも開口部１８と合同な形状である必要はなく、開口部１８と異なる形状であってもよいし、開口部１８と異なる大きさであってもよい。これにより、光リソグラフィーのアライメントなどによるプロセスバラつきによって開口部１８のパターンと第２導電材料薄膜１４のパターンとが多少ずれても問題ないように設計できる。
第２導電材料薄膜１４を構成する導電材料は第１導電材料薄膜１２と同様に任意に選択できる。なお、第１及び第２導電材料薄膜１２、１４は必ずしも同じ材料を用いる必要はない。また、熱処理により第２導電材料薄膜１４をシンタリングしてもよく、保護膜等を形成してもよい。また、第２導電材料薄膜１４の膜厚は３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
第２誘電体１５は、第１誘電体１３と同様の材料を用いることができ、第１誘電体１３と同じ材料を用いることが好ましい。
第３誘電体１７は、第１誘電体１３及び第２誘電体１５よりも高屈折材料であることが好ましい。このような材料として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムなどが挙げられる。また、第３誘電体１７の膜厚は５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましい。
上記の光学フィルター４０の製造には、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、ナノインプリント法などの微細加工技術を用いることができる。開口プロセス（開口部１８の形成又は第２導電材料薄膜１４のパターニング）は、位置合わせをしながら一層ずつ所望の開口を形成する。
光学フィルター４０の製造方法としては、例えば、まず基板１１上に第１導電材料薄膜１２を、その上に第３誘電体１７を、その上に第１導電材料薄膜１２を形成する。続いて、光リソグラフィーとエッチングによって開口部１８を形成する。このとき開口部１８の内壁のサイドエッチングなどの問題を防ぐため、異方性の高いドライエッチング条件により加工することが好ましい。次に、第１誘電体１３を開口部１８に充填するとともに、第１導電材料薄膜１２上に積層し、化学的又は物理的平坦化手法によって平坦化する。続いて、第１誘電体１３上に第２導電材料薄膜１４を形成し、光リソグラフィーとエッチングによってパターニングする。そして、第２誘電体１５を第２導電材料薄膜１４のパターン間に充填するとともに、第２導電材料薄膜１４上に積層して光学フィルター４０を得る。
次に、第４実施形態の光学フィルター４０のサンプルと、比較例として第２導電材料薄膜を有さない光学フィルターのサンプルとを作製し、物性を評価した。第４実施形態の光学フィルター４０は、ＳｉＯ2からなる基板１１と、Ａｌからなる厚さ４０ｎｍの第１導電材料薄膜１２と、窒化シリコンからなる厚さ１００ｎｍの第３誘電体１７と、Ａｌからなる厚さ４０ｎｍの第１導電材料薄膜１２と、ＳｉＯ2からなる厚さ４０ｎｍの第１誘電体１３と、Ａｌからなる厚さ３０ｎｍの第２導電材料薄膜１４と、ＳｉＯ2からなる第２誘電体１５とで構成した。開口部１８及び第２導電材料薄膜１４は図１４、１５に示すような平面視円形で合同なパターンとし、その周期は３００ｎｍ、その幅は９０ｎｍとした。比較例の光学フィルターは、上記の構成から第２導電材料薄膜１４だけをなくした構成とした。
図１６は第４実施形態及び比較例の光学フィルターの透過率を測定した結果を示す図である。第４実施形態の光学フィルターの透過光は、５８０ｎｍ付近に半値幅の狭いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークはほとんど見られない。一方、比較例の光学フィルターの透過光は、５８０ｎｍ付近に第４実施形態よりも半値幅の広いメインピークを有し、４００ｎｍ付近のサブピークも多く見られる。このような第４実施形態の光学フィルターの波長選択性は、第２導電材料薄膜１４が存在するによって生じているものと言える。なお、開口部１８が配置される周期に対する開口部１８の幅の比率が０．２以上０．６以下である場合に同様の結果が得られた。
このように、第４実施形態の光学フィルター４０によれば、少なくとも一部が開口部１８に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜１４を備えることにより、透過メインピークの半値幅が狭くなるとともに透過サブピークがほとんど見られないような、実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
なお、第１〜第３実施形態では開口部を穴とし、第４実施形態では開口部をスリットとしたが、これらに限定されることはなく、これらの形状が混在していてもよい。また、種々の大きさの開口部が混在していても本発明の効果は失われない。このように開口部の大きさが一定ではない場合、開口の大きさは平均値で表示することができる。
＜第５実施形態＞
第１〜第４実施形態の何れかを用いて可視領域の波長を透過する光学フィルターを作製し、この光学フィルターを撮像素子の画素上に配設することで、分光器一体型の分光撮像素子を得ることができる。図１７は、分光撮像素子６０の斜視図とその拡大図である。図１７では、分光撮像素子６０と、その部分拡大図である複数の光学フィルター５０が配設された図とを示している。
第１〜第４実施形態の何れかを用いて可視領域の波長を透過する光学フィルターを作製し、この光学フィルターを撮像素子の画素上に配設することで、分光器一体型の分光撮像素子を得ることができる。図１７は、分光撮像素子６０の斜視図とその拡大図である。図１７では、分光撮像素子６０と、その部分拡大図である複数の光学フィルター５０が配設された図とを示している。
図１８は、分光撮像素子６０の部分断面図である。シリコン基板６１上に、受光素子６２、電極６３、遮光膜６４、光学フィルター５０、平坦化層６５、マイクロレンズ６６が配設されている。従来備えられていたカラーフィルターに代えて光学フィルター５０を設けることで、画素毎に受光波長の異なる分光撮像素子６０を得ることができる。画素毎に受光波長が異なるようにするには、光学フィルター５０の開口部の周期を調整することにより実現できる。
＜第６実施形態＞
第１〜第４実施形態の何れかを用いて紫外領域の波長を透過する光学フィルターを作製し、この光学フィルターを発光素子の上に配設することで、所望の波長以外のスペクトルが選択的にカットされた発光素子を得ることができる。図１９は、発光素子７０の部分断面図である。ＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップ７２は、電極７３、ｎ型半導体７４、ｐ型半導体７５の順に積層され、その上にＬＥＤチップ７２の電極を兼ねた光学フィルター７６が配設されている。このＬＥＤチップ７２はマウント・リード７７上に搭載され、導電性ワイヤー７１でマウント・リード７７及びインナー・リード７８にそれぞれ接続され、モールド部材７９で封止されている。
第１〜第４実施形態の何れかを用いて紫外領域の波長を透過する光学フィルターを作製し、この光学フィルターを発光素子の上に配設することで、所望の波長以外のスペクトルが選択的にカットされた発光素子を得ることができる。図１９は、発光素子７０の部分断面図である。ＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップ７２は、電極７３、ｎ型半導体７４、ｐ型半導体７５の順に積層され、その上にＬＥＤチップ７２の電極を兼ねた光学フィルター７６が配設されている。このＬＥＤチップ７２はマウント・リード７７上に搭載され、導電性ワイヤー７１でマウント・リード７７及びインナー・リード７８にそれぞれ接続され、モールド部材７９で封止されている。
図２０に、第６実施形態の発光素子７０及び比較例の発光素子の発光スペクトルを示す。比較例の発光素子は光学フィルター７６の機能を有さない通常の電極を用いた発光素子である。両発光素子ともに約３６８ｎｍにピーク波長を有し、第６実施形態の発光素子７０の方が半値幅が狭くなっている。このように、第６実施形態の発光素子７０によれば、発光スペクトルにわずかに含まれる可視光成分を完全にカットすることができる。例えば、発光素子７０の出射光を紫外線により蛍光を発光する特定の対象物に照射すれば、対象物からの蛍光をより高精度に検出することが可能になる。
以下に本発明の実施形態についてまとめる。本発明の一実施形態の光学フィルター１０は、所定波長の光を透過する光学フィルター１０であって、基板１１と、前記基板１１上に形成された第１導電材料薄膜１２と、第１導電材料薄膜１２を貫通し、前記所定波長未満の周期で配置された開口部１６と、少なくとも一部が前記開口部１６に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜１４と、を備えた構成とする。
この構成によれば、第２導電材料薄膜１４を備えることにより、透過メインピークの半値幅が狭くなるとともに透過サブピークがほとんど見られないような、実用可能な程度にまで波長選択性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
上記の光学フィルターにおいて、例えば、前記開口部を穴又はスリットとすることができる。
また上記の光学フィルターにおいて、前記開口部及び第２導電材料薄膜の形成パターンが同周期であることとしてもよい。これにより、透過サブピークをより小さくすることができる。
また上記の光学フィルターにおいて、例えば、第１電材料薄膜及び／又は第２電材料薄膜は、アルミニウム、銅、銀、金、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ニッケル、コバルト又はこれらの合金からなる群から選択される材料、または、ＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ2Ｏ3）を含むＩｎ2Ｏ3系、ＡＺＯ(Ａｌ：ＺｎＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ：ＺｎＯ)、ＢＺＯ(Ｂ：ＺｎＯ)、ＩＺＯ(Ｉｎ：ＺｎＯ)を含むＺｎＯ系、ＩＧＺＯ系の金属酸化物透明導電材料から選択される材料を含む（非特許文献１および２参照）。
また上記の光学フィルターにおいて、第１導電材料薄膜と第２導電材料薄膜との間に設けられる膜の材料と、前記開口部に充填される材料と、第２導電材料薄膜のパターン間に充填される材料とが同一材料であり、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムからなる群から選択される材料を含むことが好ましい。同一材料を用いることで界面での反射を抑えることができ、透過波長の選択性を向上させることができる。
本発明は、イメージセンサーや太陽電池パネルなどの受光素子、ＬＥＤなどの発光素子、液晶パネルなどの表示素子の光学フィルターとして用い、光学特性の波長選択性を向上させることができる。
１０、２０、３０、４０、５０ 光学フィルター
１２ 第１導電材料薄膜
１４ 第２導電材料薄膜
１６、１８、１９ 開口部
１２ 第１導電材料薄膜
１４ 第２導電材料薄膜
１６、１８、１９ 開口部
Claims (5)
- 所定波長の光を透過する光学フィルターであって、
基板と、
前記基板上に形成された第１導電材料薄膜と、
第１導電材料薄膜を貫通し、前記所定波長未満の周期で配置された開口部と、
少なくとも一部が前記開口部に間隔を有して対向する第２導電材料薄膜と、を備えたことを特徴とする光学フィルター。 - 前記開口部が穴又はスリットであることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルター。
- 前記開口部及び第２導電材料薄膜の形成パターンが同周期であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学フィルター。
- 第１導電材料薄膜及び／又は第２導電材料薄膜が、
アルミニウム、銅、銀、金、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ニッケル、コバルト又はこれらの合金からなる群から選択される材料、または、ＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ2Ｏ3）を含むＩｎ2Ｏ3系、ＡＺＯ(Ａｌ：ＺｎＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ：ＺｎＯ)、ＢＺＯ(Ｂ：ＺｎＯ)、ＩＺＯ(Ｉｎ：ＺｎＯ)を含むＺｎＯ系、ＩＧＺＯ系の金属酸化物透明導電材料から選択される材料を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光学フィルター。 - 第１導電材料薄膜と第２導電材料薄膜との間に設けられる膜の材料と、前記開口部に充填される材料と、第２導電材料薄膜のパターン間に充填される材料とが同一材料であり、
酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムからなる群から選択される材料を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光学フィルター。
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