JP2015087526A

JP2015087526A - Infrared bandpass filter

Info

Publication number: JP2015087526A
Application number: JP2013225483A
Authority: JP
Inventors: 岸　寛之; Hiroyuki Kishi; 寛之岸; 林　由紀子; Yukiko Hayashi; 由紀子林; 圭吾竹口; Keigo Takeguchi
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-05-07

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared bandpass filter having high selectivity to light of a specific wavelength in an infrared region, and causing the light to transmit therethrough with high permeability.SOLUTION: The infrared bandpass filter comprises: a semiconductor substrate; a metal layer which is formed on the semiconductor substrate, has a lattice arrangement obtained by providing openings penetrating through in a film thickness direction with a certain repeating unit, and in which the opening has an area ratio of 10% or more and less than 26% with respect to an entire area of the repeating unit of the openings; and a dielectric layer formed on the metal layer.

Description

本発明は、赤外線用バンドパスフィルタに関する。 The present invention relates to an infrared bandpass filter.

特定の波長帯域の光のみを透過させる光学フィルタ、いわゆるバンドパスフィルタは、一般に誘電体の多層膜を備える構成が多い。このようなバンドパスフィルタは光学薄膜の干渉の原理を利用している。誘電体の多層膜は、透過させたい波長や透過率などの光学特性によって、膜数、膜厚、誘電体の誘電率が細かく制御されており、直進光に対して非常に選択性の高いバンドパスフィルタが可能である。また、その透過率が理論的にほぼ１００％に近くなるように設計することも可能である。 An optical filter that transmits only light in a specific wavelength band, that is, a so-called bandpass filter, generally has a configuration including a dielectric multilayer film. Such a band-pass filter utilizes the principle of interference of an optical thin film. A dielectric multilayer film is a highly selective band for straight-line light because the number of films, film thickness, and dielectric constant of the dielectric are finely controlled by the optical characteristics such as the wavelength and transmittance to be transmitted. A path filter is possible. It is also possible to design the transmittance so that it theoretically approaches almost 100%.

一方、近年、金属薄膜に開口を周期的に配列し、表面プラズモン共鳴を利用して波長選択を行なう金属薄膜のバンドパスフィルタが、例えば、特許文献１、２に提案されている。
特許文献１には、直径が透過光の波長よりも小さな開口を有するアレイにおける光の透過効率を向上させるための高光透過開口アレイを有するバンドパスフィルタについて記載されている。特許文献１に記載のバンドパスフィルタでは、薄い金属プレートが、複数の開口が矩形状に配列されたアレイを有している。そして、開口同士が、所定の波長の入射光が表面プラズモンエネルギ帯で金属プレートを撹乱して個々の開口を通過する光の量を向上させるように、アレイへの入射光の波長に応じて周期Ｐで配列されている。 On the other hand, in recent years, Patent Documents 1 and 2 propose metal thin film bandpass filters in which openings are periodically arranged in a metal thin film and wavelength selection is performed using surface plasmon resonance.
Patent Document 1 describes a bandpass filter having a high light transmission aperture array for improving light transmission efficiency in an array having an aperture whose diameter is smaller than the wavelength of transmitted light. In the bandpass filter described in Patent Document 1, a thin metal plate has an array in which a plurality of openings are arranged in a rectangular shape. The apertures then cycle according to the wavelength of the incident light on the array so that incident light of a given wavelength perturbs the metal plate in the surface plasmon energy band and improves the amount of light that passes through each aperture. Arranged at P.

特許文献２には、金属薄膜を用いた光学フィルタの光学特性の自由度を増すと共に透過率の向上を図るようにした光学フィルタについて記載されている。特許文献２に記載の光学フィルタは、基板の表面上に複数の開口部を備えた遮光性の導電体層を配して構成され、さらに誘電体層を有し、第１の波長の光を選択的に透過せしめる光学フィルタである。導電体層の開口の大きさが、第１の波長以下の大きさであり、基板表面の面積に対する導電体層の面積の割合が、３６％以上７４％以下の範囲にある。当該光学フィルタは、導電体層に入射する光によって開口部に誘起される表面プラズモン共鳴により、第１の波長の透過率を極大値とさせる。 Patent Document 2 describes an optical filter that increases the degree of freedom of optical characteristics of an optical filter using a metal thin film and improves the transmittance. The optical filter described in Patent Document 2 is configured by disposing a light-shielding conductor layer having a plurality of openings on the surface of a substrate, and further includes a dielectric layer, which emits light of a first wavelength. This is an optical filter that selectively transmits light. The size of the opening of the conductor layer is not more than the first wavelength, and the ratio of the area of the conductor layer to the area of the substrate surface is in the range of 36% to 74%. The optical filter maximizes the transmittance of the first wavelength by surface plasmon resonance induced in the opening by light incident on the conductor layer.

特開平１１−７２６０７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-72607 特開２０１０−９０２５号公報JP 2010-9025 A

しかしながら、上述した誘電体多層膜のバンドパスフィルタは、特定の波長の光のみを透過させるために、光学薄膜を複数層積層させる必要があり、製造工程が煩雑になり、積層することによる成膜バラつきを抑制することが困難であるという問題がある。
また、デバイスに光学薄膜を直接積層する場合、光学薄膜の層間に生じる歪によって、光学薄膜に膜剥れやヒビ割れなどを生じさせてしまうこともある。これを回避するために、数百μｍ厚の基板の表裏面両面に同じ構成で光学薄膜を複数層成膜することも可能である。しかしながら、この場合、デバイス上に直接光学薄膜を積層することができず、別の基板を使用するためにバンドパスフィルタの厚みが大きくなってしまうという問題がある。 However, the above-described dielectric multilayer film bandpass filter needs to be laminated with a plurality of optical thin films in order to transmit only light of a specific wavelength, so that the manufacturing process becomes complicated and the film is formed by lamination. There is a problem that it is difficult to suppress variation.
Further, when the optical thin film is directly laminated on the device, the optical thin film may be peeled off or cracked due to the strain generated between the layers of the optical thin film. In order to avoid this, it is possible to form a plurality of optical thin films with the same structure on both the front and back surfaces of a substrate having a thickness of several hundred μm. However, in this case, there is a problem that the optical thin film cannot be laminated directly on the device, and the thickness of the bandpass filter becomes large because another substrate is used.

一方、上述した特許文献１では、金属薄膜に開口部を周期的に形成することによって、金属表面に誘起される表面プラズモン共鳴の波長に依存した透過スペクトルを持つバンドパスフィルタを実現している。この場合、透過させたい所望の波長（周波数）制御は、周期的に設けられた開口を回折格子と見立てて、以下の式（１）に基づいて行うことができる。以下の式（１）のように、金属および金属と隣接する材質が固定されてそれぞれの誘電率が決まれば、開口部の間隔を調整するのみで波長（周波数）の制御が可能である。 On the other hand, in Patent Document 1 described above, a band-pass filter having a transmission spectrum depending on the wavelength of surface plasmon resonance induced on the metal surface is realized by periodically forming openings in the metal thin film. In this case, the desired wavelength (frequency) to be transmitted can be controlled based on the following formula (1), assuming that the periodically provided aperture is a diffraction grating. If the metal and the material adjacent to the metal are fixed and the respective dielectric constants are determined as in the following formula (1), the wavelength (frequency) can be controlled only by adjusting the distance between the openings.

ｍ：整数（回折次数）、ｆ：周波数、Ａ：開口部の間隔、ε１：金属の誘電率、
ε２：金属と隣接する材質の誘電率、ｃ：光速度
開口を有する金属薄膜によるバンドパスフィルタの場合、光学薄膜干渉によるバンドパスフィルタと異なり、複数層の構造は必要なく、少なくとも厚さ数百ｎｍレベルの金属薄膜とパッシベーション膜を含めた数層のみでバンドパスフィルタを構成することが可能である。このため、上述した厚み問題は解消され、基板上へ直接光学薄膜を積層することも可能である。 m: integer (diffraction order), f: frequency, A: spacing between openings, ε1: dielectric constant of metal,
ε2: dielectric constant of a material adjacent to metal, c: speed of light In the case of a bandpass filter made of a metal thin film having an aperture, unlike a bandpass filter based on optical thin film interference, a multi-layer structure is not required, and at least several hundreds of thicknesses are required. It is possible to configure a band pass filter with only a few layers including a metal thin film of nm level and a passivation film. For this reason, the thickness problem mentioned above is eliminated, and it is also possible to laminate an optical thin film directly on a substrate.

しかしながら、上述した特許文献１に記載されている開口部を有するバンドパスフィルタでは、透過率は、開口部面積比率から類推される以上の値ではあるが、実用上の観点からすると低い値である。また、透過スペクトル全体におけるピークが複数あることや透過スペクトル全体がブロードであるため、所望の波長帯での急峻な波長選択性をもつことが要求されるバンドパスフィルタなどには適応することができない。 However, in the bandpass filter having an opening described in Patent Document 1 described above, the transmittance is a value that is more than an analogy from the opening area ratio, but is a low value from a practical viewpoint. . In addition, since there are a plurality of peaks in the entire transmission spectrum and the entire transmission spectrum is broad, it cannot be applied to a band-pass filter or the like that is required to have a steep wavelength selectivity in a desired wavelength band. .

それに対し、上述した特許文献２では、誘電体基板上の開口を有する金属膜を、基板と対向する面側に対して、誘電体基板と同じ誘電率の物質で積層することによって、金属膜両面を挟みこみ、金属膜両面で生じる表面プラズモン共鳴を同調させている。
これにより、透過する波長が複数に分かれることなく、透過スペクトル全体におけるピークを１つとし、上述する問題を解決している。しかし、透過率を確保するために導電体層の面積割合をある程度抑える必要があることから、透過する波長帯域の幅が広くなってしまい、高い透過率を保ちつつ、所望の波長帯での急峻な波長選択性をもつことが要求されるバンドパスフィルタなどには適応することはできない。 On the other hand, in Patent Document 2 described above, a metal film having an opening on a dielectric substrate is laminated with a material having the same dielectric constant as that of the dielectric substrate on a surface side facing the substrate, whereby both surfaces of the metal film are formed. The surface plasmon resonance generated on both sides of the metal film is synchronized.
As a result, the transmission wavelength is not divided into a plurality of peaks, and the peak in the entire transmission spectrum is set to one to solve the above-described problem. However, since it is necessary to suppress the area ratio of the conductor layer to some extent in order to ensure the transmittance, the width of the wavelength band to be transmitted becomes wide, and the sharp wavelength band in the desired wavelength band is maintained while maintaining high transmittance. It cannot be applied to a band-pass filter or the like that is required to have high wavelength selectivity.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、赤外線領域における特定の波長の光に対して高い選択性を保ちつつ、高い透過率で透過させる赤外線用バンドパスフィルタを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an infrared band that transmits at a high transmittance while maintaining high selectivity for light of a specific wavelength in the infrared region. To provide a path filter.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、本発明の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、膜厚方向に貫通した開口部が一定の繰り返し単位で設けられた格子配列を有し、該開口部の繰り返し単位の全面積に対する該開口部の面積比率が１０％以上２６％未満である金属層と、前記金属層上に形成された誘電体層とを備えることを特徴とする赤外線用バンドパスフィルタである。 The present invention has been made in order to achieve such an object. One embodiment of the present invention is a semiconductor substrate and a repeating unit in which openings formed on the semiconductor substrate and penetrating in the film thickness direction are constant. And a dielectric layer formed on the metal layer, wherein the area ratio of the opening to the entire area of the repeating unit of the opening is 10% or more and less than 26% And an infrared bandpass filter.

上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記誘電体層は、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮのうちの少なくとも一種で構成されることが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記誘電体層の膜厚は、５００ｎｍ以上７００ｎｍ未満であることが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記半導体基板は、ＧａＡｓまたはＳｉのいずれかで構成されることが好ましい。 In the infrared band-pass filter, the dielectric layer is preferably made of at least one of SiO ₂ , TiO ₂ , and SiN.
In the infrared band-pass filter, the dielectric layer preferably has a thickness of 500 nm or more and less than 700 nm.
In the infrared bandpass filter, the semiconductor substrate is preferably made of either GaAs or Si.

上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記金属層を構成する材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１種の金属を含有することが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記開口部を有する前記金属層が、複数層積層された多層構造であることが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記開口部の配列が、三角格子配列であることが好ましい。 In the infrared bandpass filter, the material constituting the metal layer preferably contains at least one metal selected from Au, Ag, Al, Pt, Ti, Cr, Ni, Pd, Cu, and Zn.
In the infrared bandpass filter, it is preferable that the metal layer having the opening has a multilayer structure in which a plurality of layers are stacked.
In the infrared band-pass filter, the arrangement of the openings is preferably a triangular lattice arrangement.

本発明による赤外線用バンドパスフィルタは、上述の手段を用いることにより、赤外線領域における特定の波長の光に対して高い選択性を保ちつつ、高い透過率で透過させる赤外線用バンドパスフィルタを実現することが可能である。 The infrared band-pass filter according to the present invention realizes an infrared band-pass filter that transmits at a high transmittance while maintaining high selectivity for light of a specific wavelength in the infrared region by using the above-described means. It is possible.

本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの一実施形態を説明するための平面構成図である。It is a plane lineblock diagram for explaining one embodiment of an infrared band pass filter concerning the present invention. 本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの一実施形態を説明するための平面構成図である。It is a plane lineblock diagram for explaining one embodiment of an infrared band pass filter concerning the present invention. 本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの一実施形態および実施例１を説明するための断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram for demonstrating one Embodiment and Example 1 of the infrared band pass filter which concern on this invention. 本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例２を説明するための断面構成図である。It is a section lineblock diagram for explaining Example 2 of the bandpass filter for infrared rays concerning the present invention. 本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例３を説明するための断面構成図である。It is a section lineblock diagram for explaining Example 3 of the bandpass filter for infrared rays concerning the present invention. 本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例４を説明するための断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram for demonstrating Example 4 of the infrared band pass filter which concerns on this invention. 本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例５を説明するための断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram for demonstrating Example 5 of the infrared band pass filter which concerns on this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、本発明の一態様における所望の赤外線用バンドパスフィルタの特性として、透過率のピーク波長をλ_Ｐ（透過させたい赤外線領域における所望の波長）とするときに、選択性については、透過スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）をλ_Ｐの４０％以下、かつ、透過率については、λ_Ｐにおける透過量が全透過量の６０％以上を満たすことを特性指標とする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Note that as a characteristic of a desired infrared bandpass filter in one embodiment of the present invention, when the peak wavelength of transmittance is λ _P (desired wavelength in an infrared region to be transmitted), the selectivity is a transmission spectrum. The full width at half maximum (FWHM) of λ _P is 40% or less of λ _P , and the transmittance is a characteristic index that the transmission amount at λ _P satisfies 60% or more of the total transmission amount.

（赤外線用バンドパスフィルタの構成）
図１、図２および図３は、本発明の一態様に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施形態を説明するための構成図である。図１および図２は、赤外線用バンドパスフィルタ１００の平面構成図の一例であり、図３は、図１に記載された赤外線用バンドパスフィルタ１００におけるＢ−Ｂ線の断面構成図である。図中、符号１００は赤外線用バンドパスフィルタ、１０１は金属層、１０２は貫通孔の開口部、２０１は半導体基板、２０２は誘電体層を示している。
本実施形態の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成を有している。 (Configuration of bandpass filter for infrared)
1, 2, and 3 are configuration diagrams illustrating an embodiment of an infrared bandpass filter 100 according to an aspect of the present invention. FIGS. 1 and 2 are examples of a planar configuration diagram of the infrared band-pass filter 100, and FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram of the infrared band-pass filter 100 illustrated in FIG. In the figure, reference numeral 100 denotes an infrared bandpass filter, 101 denotes a metal layer, 102 denotes an opening of a through hole, 201 denotes a semiconductor substrate, and 202 denotes a dielectric layer.
The infrared band-pass filter 100 according to the present embodiment has a configuration in which a metal layer 101 having an opening 102 is laminated on the surface of a semiconductor substrate 201, and a dielectric layer 202 is laminated on the surface of the metal layer 101. have.

（半導体基板）
半導体基板２０１は、透過させたい所望の波長の光において透明であることが望ましい。積層される金属層１０１の誘電率と半導体基板２０１の誘電率の組み合わせによっても、所望の波長が制御可能である。このため、半導体基板２０１としては、上述した開口部の間隔Ａを含め、式（１）を満たす条件の誘電率を有する基板を選ぶのが好ましく、後述する誘電体層２０２との誘電率の組み合わせから、特にＧａＡｓまたはＳｉのいずれかで構成される基板が好ましい。 (Semiconductor substrate)
The semiconductor substrate 201 is desirably transparent for light having a desired wavelength to be transmitted. The desired wavelength can also be controlled by a combination of the dielectric constant of the metal layer 101 and the dielectric constant of the semiconductor substrate 201. For this reason, as the semiconductor substrate 201, it is preferable to select a substrate having a dielectric constant satisfying the formula (1) including the above-described opening interval A, and a combination of dielectric constants with a dielectric layer 202 described later. In particular, a substrate made of either GaAs or Si is preferable.

（金属層）
金属層１０１は、平坦な金属薄膜であって、金属薄膜の膜厚方向に貫通した貫通孔の開口部１０２が周期的に複数設けられている。
隣り合って配置される開口部１０２間の間隔Ａを調整することにより、上述した式（１）に従い、所望の波長を制御することが可能である。間隔Ａは、隣り合って配置される開口部１０２の中心間の距離で示される。間隔Ａの長さは、サブミクロンメートルから数十ミクロンメートル程度が好ましい。具体的に、間隔Ａは、０．５μｍ以上９０μｍ以下、好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下、最も好ましくは１μｍ以上５μｍ以下である。
また、貫通孔の開口部１０２、金属層１０１面内に少なくとも５０以上、より好ましくは７０以上、最も好ましくは１００以上の繰り返し単位が施されて形成されることが好ましい。 (Metal layer)
The metal layer 101 is a flat metal thin film, and a plurality of through-hole openings 102 penetrating in the film thickness direction of the metal thin film are periodically provided.
By adjusting the interval A between the openings 102 arranged adjacent to each other, it is possible to control a desired wavelength according to the above-described equation (1). The interval A is indicated by the distance between the centers of the openings 102 arranged adjacent to each other. The length of the interval A is preferably about submicrometer to several tens of micrometers. Specifically, the interval A is 0.5 μm or more and 90 μm or less, preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and most preferably 1 μm or more and 5 μm or less.
Further, it is preferably formed by applying at least 50 or more, more preferably 70 or more, and most preferably 100 or more repeating units in the surface of the opening 102 of the through hole and the metal layer 101.

ここで、「繰り返し単位」とは、少なくとも複数の開口部１０２の集合が繰り返す最少単位の領域のことをいい、例えば、図１において破線で示す範囲Ｃが「繰り返し単位」となる。本実施形態では、繰り返し単位中の繰り返し単位の全面積に対して開口部１０２が占める比率である開口部面積比率は１０％以上２６％未満が好ましい。より好ましくは、１７％以上２６％未満である。 Here, the “repeating unit” means a minimum unit region in which a set of at least a plurality of openings 102 repeats. For example, a range C indicated by a broken line in FIG. In the present embodiment, the opening area ratio, which is the ratio of the opening 102 to the total area of the repeating unit in the repeating unit, is preferably 10% or more and less than 26%. More preferably, it is 17% or more and less than 26%.

本発明では、繰り返し単位が連なった開口部１０２は、必ずしも金属層の全面に配置される必要はなく、本発明の効果を奏する程度配置されていればよい。そのため、複数の開口部の集合が繰り返す領域である繰り返し単位は金属層の全面に対して９０％以上の領域を覆っていることが好ましいが、当然全面を覆っていることがより好ましい。 In the present invention, the opening portion 102 having a series of repeating units is not necessarily disposed on the entire surface of the metal layer, and may be disposed to such an extent that the effect of the present invention is exhibited. Therefore, the repeating unit, which is a region where a set of a plurality of openings repeats, preferably covers 90% or more of the entire surface of the metal layer, but of course more preferably covers the entire surface.

ここで、繰り返し単位について図１に示す開口部の配列（三角格子配列）および図２に示す開口部の配列（正方格子配列）を例にあげて詳細に説明する。本実施形態においては、開口部１０２の配置は、対称性のある配置が好ましい。図１に示した三角格子配列であれば、最隣接する開口部１０２が全て等間隔であるので、対称性は高くより好ましい。また、開口部１０２の大きさは、例えば図１の赤外線用バンドパスフィルタ１００の平面構成図において半導体基板２０１が露出する部分の面積（図１に示した斜線部以外の領域の面積）のことであり、開口部１０２の面積で定義される。 Here, the repeating unit will be described in detail by taking the arrangement of openings (triangular lattice arrangement) shown in FIG. 1 and the arrangement of openings (square lattice arrangement) shown in FIG. 2 as examples. In the present embodiment, the arrangement of the openings 102 is preferably a symmetrical arrangement. If the triangular lattice arrangement shown in FIG. 1 is used, since the most adjacent openings 102 are all equally spaced, the symmetry is high and more preferable. The size of the opening 102 is, for example, the area of the portion where the semiconductor substrate 201 is exposed in the plane configuration diagram of the infrared bandpass filter 100 of FIG. 1 (area of the region other than the hatched portion shown in FIG. 1). And is defined by the area of the opening 102.

ここで、繰り返し単位とは、三角格子配列の場合（図１）、開口部１０２を中心とした、縦の長さが開口部間隔Ａ×√３、横の長さが開口部間隔Ａで示される長方形の領域（図１のＣ参照）を示す。また、繰り返し単位とは、正方格子配列の場合（図２）、隣接する開口部１０２の中心を頂点とする、一辺が開口部間隔Ａの正方形の領域を示す。
上述したように、繰り返し単位中の繰り返し単位の全面積に対する開口部１０２の面積割合（開口部面積比率）は１０％以上２６％未満が好ましい。開口部面積比率が１０％以上の場合は開口部面積が大きいため、透過率が高くなり、開口部面積比率が２６％未満の場合は透過させたい光の波長の半値全幅を狭くすることができる。つまり、開口部面積比率が１０％以上２６未満の場合、高透過性かつ高選択性が可能であり、上述した所望のバンドパスフィルタ特性を得ることが可能である。 Here, in the case of a triangular lattice arrangement (FIG. 1), the repeating unit is indicated by the opening interval A × √3 and the horizontal length by the opening interval A with the opening 102 as the center. A rectangular region (see C in FIG. 1) is shown. In the case of a square lattice arrangement (FIG. 2), the repeating unit indicates a square area having an opening interval A on one side with the center of the adjacent opening 102 as a vertex.
As described above, the area ratio (opening area ratio) of the opening 102 to the total area of the repeating unit in the repeating unit is preferably 10% or more and less than 26%. When the opening area ratio is 10% or more, the opening area is large, and thus the transmittance is high. When the opening area ratio is less than 26%, the full width at half maximum of the wavelength of light to be transmitted can be narrowed. . That is, when the opening area ratio is 10% or more and less than 26, high transmittance and high selectivity are possible, and the desired bandpass filter characteristics described above can be obtained.

また、図１、図２に示すように、開口部１０２の形状は、円形状で例示されているが、上述の条件を満たす限りは、円形、三角形、四角形、六角形、星型など、いずれの形状でも良い。ただし、製造工程上の観点から、複雑な形状の開口部１０２は作製困難であり、開口部１０２を比較的単純な形状とすることが好ましい。特に、対称性の観点から開口部１０２を円形の形状とすることが好ましい。 In addition, as shown in FIGS. 1 and 2, the shape of the opening 102 is illustrated as a circular shape. The shape may be acceptable. However, from the viewpoint of the manufacturing process, it is difficult to manufacture the opening 102 having a complicated shape, and it is preferable that the opening 102 has a relatively simple shape. In particular, it is preferable that the opening 102 has a circular shape from the viewpoint of symmetry.

金属層１０１を構成する材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１種の金属を含有することが好ましい。特性、加工性や耐久性の観点より、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌのうち少なくとも１種類を主成分とすることがより好ましい。例えば、上述の材料の中から選択された、ＡｇＰｄＣｕ、ＡｕＺｎあるいは上述の材料を主成分としたＡｕＧｅのような合金であっても構わない。 The material constituting the metal layer 101 preferably contains at least one metal selected from Au, Ag, Al, Pt, Ti, Cr, Ni, Pd, Cu, and Zn. From the viewpoint of characteristics, workability, and durability, it is more preferable that at least one of Au, Ag, and Al is a main component. For example, AgPdCu, AuZn selected from the above materials, or an alloy such as AuGe mainly composed of the above materials may be used.

金属層１０１と、半導体基板２０１または隣接する部材間との密着性向上および耐久性の観点より、金属層１０１と半導体基板２０１または隣接する部材との界面に上述した選ばれた材料から形成された密着層が形成されても良い。
金属層１０１の膜厚は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。５０ｎｍ以上の金属膜厚があれば、半値全幅を狭くすることが可能であり、５００ｎｍ以下の金属膜厚であれば、高い透過率を保つことが可能である。つまり、前述の範囲内の金属膜厚であれば、高い選択性かつ高い透過率を同時に満たす所望の光学フィルタ特性を発現することが可能である。 From the viewpoint of improving adhesion and durability between the metal layer 101 and the semiconductor substrate 201 or between adjacent members, the interface between the metal layer 101 and the semiconductor substrate 201 or adjacent member is formed from the selected material described above. An adhesion layer may be formed.
The thickness of the metal layer 101 is preferably 50 nm or more and 500 nm or less. If there is a metal film thickness of 50 nm or more, the full width at half maximum can be narrowed, and if the metal film thickness is 500 nm or less, high transmittance can be maintained. That is, if the metal film thickness is in the above-described range, it is possible to exhibit desired optical filter characteristics that simultaneously satisfy high selectivity and high transmittance.

以上のような金属層１０１は、蒸着法、スパッタリング法、めっき法、印刷法、塗布法のいずれかの方法で作製することができる。また、開口部１０２は、金属薄膜を作製した後に、金属薄膜上に所望のパターンを得るためのレジストパターンを作製し、ドライエッチング法、ウエットエッチング法を用いて作製することができる。さらに、金属層１０１は、予め所望のパターンを得るためのレジストパターンを作製し、その上に蒸着法、スパッタリング法を用いて金属薄膜を作製した後にリフトオフ法を用いて作製することもできる。 The metal layer 101 as described above can be manufactured by any one of a vapor deposition method, a sputtering method, a plating method, a printing method, and a coating method. The opening 102 can be formed using a dry etching method or a wet etching method by forming a resist pattern for obtaining a desired pattern on the metal thin film after forming the metal thin film. Further, the metal layer 101 can be formed by using a lift-off method after preparing a resist pattern for obtaining a desired pattern in advance and forming a metal thin film thereon using a vapor deposition method or a sputtering method.

（誘電体層）
誘電体層２０２は、透過させたい所望の波長において透明であることが望ましい。所望の波長の制御は、積層される金属層１０１の誘電体と誘電体層２０２の誘電率の組み合わせによっても可能である。このため、前述した開口部間隔Ａを含め、式（１）を満たす条件の誘電率を有する材料を選ぶことが好ましい。このような材料としては、前述した半導体基板２０１の誘電率との組み合わせおよび耐久性の観点から、特にＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮのうちの少なくとも一種が好ましい。また、誘電体層２０２をＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮのうちの少なくとも一種で形成した際の誘電体層２０２の膜厚は５００ｎｍ以上７００ｎｍ未満とすることが好ましい。 (Dielectric layer)
The dielectric layer 202 is desirably transparent at a desired wavelength to be transmitted. The desired wavelength can also be controlled by a combination of the dielectric of the metal layer 101 and the dielectric constant of the dielectric layer 202 to be laminated. For this reason, it is preferable to select a material having a dielectric constant satisfying the formula (1) including the opening interval A described above. As such a material, at least one of SiO ₂ , TiO ₂ , and SiN is particularly preferable from the viewpoint of the combination with the dielectric constant of the semiconductor substrate 201 and the durability. The thickness of the dielectric layer 202 when the dielectric layer 202 is formed of at least one of SiO ₂ , TiO ₂ , and SiN is preferably 500 nm or more and less than 700 nm.

以下に、半導体基板２０１であるＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板との好適な組み合わせとして、誘電体層２０２にＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮを選択した理由および誘電体層２０２の膜厚の制御について述べる。
バンドパスフィルタの特性は、金属層１０１を挟持する、半導体基板２０１および誘電体層２０２の組み合わせによって影響を受ける。 Hereinafter, the reason why SiO ₂ , TiO ₂ , and SiN are selected as the dielectric layer 202 and the control of the film thickness of the dielectric layer 202 as a suitable combination with the GaAs substrate and the Si substrate as the semiconductor substrate 201 will be described.
The characteristics of the bandpass filter are affected by the combination of the semiconductor substrate 201 and the dielectric layer 202 that sandwich the metal layer 101.

本実施形態の赤外線用バンドパスフィルタには、式（１）より、金属層１０１の誘電率と半導体基板２０１の誘電率との組み合わせによる共鳴から求まるピーク波長λ_Ｐ１と、金属層１０１の誘電率と誘電体層２０２の誘電率との組み合わせによる共鳴から求まるピーク波長λ_Ｐ２が存在する。
ピーク波長を１つにする、つまり半導体基板２０１と誘電体層２０２の、各々金属層１０１との組み合わせによる共鳴が重なるようにするには、半導体基板２０１の材料と誘電体層２０２の材料とを同じ材料、あるいは誘電率が同じ材料としなければならない。 In the infrared band-pass filter of the present embodiment, the peak wavelength λ _P 1 obtained from the resonance due to the combination of the dielectric constant of the metal layer 101 and the dielectric constant of the semiconductor substrate 201 and the dielectric of the metal layer 101 are obtained from the equation (1). There is a peak wavelength λ _P 2 obtained from resonance due to a combination of the refractive index and the dielectric constant of the dielectric layer 202.
In order to set the peak wavelength to one, that is, to make the resonance due to the combination of the metal layer 101 and the semiconductor substrate 201 and the dielectric layer 202 overlap, the material of the semiconductor substrate 201 and the material of the dielectric layer 202 are combined. The same material or the same dielectric constant must be used.

しかし、半導体基板２０１としてＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板を用いる場合、同じ材料（すなわちＧａＡｓまたはＳｉ）、あるいは同じ誘電率の材料を、前述の構成に従い金属層１０１の上に積層することは難しい。また耐久性の観点からも半導体基板２０１を構成する材料と同一の材料あるいは誘電率が同じ材料を誘電体層２０２の材料として用いることは困難である。 However, when a GaAs substrate or Si substrate is used as the semiconductor substrate 201, it is difficult to stack the same material (that is, GaAs or Si) or the same dielectric constant on the metal layer 101 according to the above-described configuration. Also from the viewpoint of durability, it is difficult to use the same material as the material constituting the semiconductor substrate 201 or the material having the same dielectric constant as the material of the dielectric layer 202.

そこで、本実施形態においては、上述の構成とは対照的に、誘電体層２０２を構成する材料として、誘電率が半導体基板２０１を構成する材料の誘電率とは大きな差を持つＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮを選択し、誘電体層２０２の膜厚を制御する。これにより、ピーク波長が２つ存在しながらも所望のピーク波長のみ高い透過率を維持しつつ高選択性を保ち、耐久性にも優れた赤外線用バンドパスフィルタを実現出来ることを見出した。 Therefore, in the present embodiment, in contrast to the above-described configuration, as a material forming the dielectric layer 202, SiO ₂ and TiO having a large difference in dielectric constant from that of the material forming the semiconductor substrate 201 are used. _2. SiN is selected and the film thickness of the dielectric layer 202 is controlled. As a result, it has been found that an infrared bandpass filter can be realized that maintains high transmittance while maintaining high transmittance only at a desired peak wavelength even though two peak wavelengths exist, and is excellent in durability.

つまり、誘電体層２０２を構成する材料の誘電率と、半導体基板２０１を構成する材料の誘電率との差が小さい場合、２つ存在するピーク波長の差が小さく、透過光のスペクトルの一部が重複してしまう。このため、透過光のスペクトルは全体として半値全幅の大きい１つのスペクトルになってしまい、バンドパスフィルタにおける高選択性は失われる。しかし、誘電体層２０２を構成する材料の誘電率と、半導体基板２０１を構成する材料の誘電率との差を大きく取ることによって、２つのピーク波長を持つスペクトルは重複すること無く、各々独立したスペクトルとなる。 That is, when the difference between the dielectric constant of the material constituting the dielectric layer 202 and the dielectric constant of the material constituting the semiconductor substrate 201 is small, the difference between the two existing peak wavelengths is small, and part of the spectrum of the transmitted light Will overlap. For this reason, the spectrum of transmitted light becomes one spectrum having a large full width at half maximum as a whole, and high selectivity in the bandpass filter is lost. However, by taking a large difference between the dielectric constant of the material constituting the dielectric layer 202 and the dielectric constant of the material constituting the semiconductor substrate 201, the spectra having the two peak wavelengths do not overlap and are independent of each other. It becomes a spectrum.

このような点を考慮すると、耐久性にも優れるＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮは、半導体基板２０１を構成する材料であるＧａＡｓ、Ｓｉと比較して誘電率の差が大きいので誘電体層２０２を構成する材料として好ましい。また、上記３つの材料を誘電体層２０２の材料として選択した際に、誘電体層２０２は所望のピーク波長のみの透過率を向上させ、所望以外のもう１つのピーク波長の透過率を抑える適切な膜厚が存在する。これは光学薄膜干渉による効果であり、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＮにより構成される誘電体層２０２の好適な膜厚は５００ｎｍ以上７００ｎｍ未満である。本実施形態の赤外線用バンドパスフィルタ１００における赤外線透過効果は光学薄膜干渉による効果なので、誘電体層２０２の膜厚を、上述の好適な膜厚の整数倍とした場合においても同様の効果を示す。 Considering such points, _SiO 2 is also excellent in _durability, TiO 2, SiN is a material constituting the semiconductor substrate 201 GaAs, the dielectric layer 202 because a large difference in the dielectric constant as compared to the Si It is preferable as a constituent material. In addition, when the above three materials are selected as the material of the dielectric layer 202, the dielectric layer 202 can improve the transmittance of only the desired peak wavelength and appropriately suppress the transmittance of another peak wavelength other than the desired one. Thickness is present. This is an effect due to optical thin film interference, and a preferable film thickness of the dielectric layer 202 made of SiO ₂ , TiO ₂ , and SiN is 500 nm or more and less than 700 nm. Since the infrared transmission effect in the infrared band-pass filter 100 of this embodiment is an effect due to optical thin film interference, the same effect is exhibited even when the film thickness of the dielectric layer 202 is an integer multiple of the above-described preferable film thickness. .

これにより、所望のピーク波長での高選択性が実現可能となり、高透過性かつ高選択性を有し、耐久性の優れた赤外線用バンドパスフィルタを得ることが可能である。
以上のような誘電体層２０２は、蒸着法、スパッタリング法、塗布法のいずれかの方法で作製することができる。 As a result, high selectivity at a desired peak wavelength can be realized, and it is possible to obtain an infrared bandpass filter having high permeability, high selectivity, and excellent durability.
The dielectric layer 202 as described above can be manufactured by any one of a vapor deposition method, a sputtering method, and a coating method.

＜実施例１＞
図１および図３は本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例１を説明するための平面構成図および断面構成図である。実施例１の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。
実施例１の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１の開口部１０２中に、金属層１０１の表面上に積層された誘電体層２０２と同じ材質が埋め込まれて構成されている。 <Example 1>
FIG. 1 and FIG. 3 are a plane configuration diagram and a cross-sectional configuration diagram for explaining Example 1 of an infrared bandpass filter 100 according to the present invention. In the infrared band-pass filter 100 according to the first embodiment, as described above, the metal layer 101 having the opening 102 is stacked on the surface of the semiconductor substrate 201, and the dielectric layer 202 is further formed on the surface of the metal layer 101. Is a laminated structure.
The infrared bandpass filter 100 according to the first embodiment is configured by embedding the same material as that of the dielectric layer 202 laminated on the surface of the metal layer 101 in the opening 102 of the metal layer 101.

＜実施例２＞
図４は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例２を説明するための断面構成図である。実施例２の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。 <Example 2>
FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram for explaining Example 2 of the infrared bandpass filter 100 according to the present invention. As described above, in the infrared band-pass filter 100 according to the second embodiment, the metal layer 101 having the opening 102 is stacked on the surface of the semiconductor substrate 201, and the dielectric layer 202 is further formed on the surface of the metal layer 101. Is a laminated structure.

実施例２の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１と半導体基板２０１との密着性を向上させるため、金属層１０１と半導体基板２０１との界面に金属の密着層１０３が設けられている。
また、実施例２の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１の開口部１０２中に、金属層１０１の表面上に積層された誘電体層２０２と同じ材質が埋め込まれて構成されている。 In the infrared band-pass filter 100 of Example 2, a metal adhesion layer 103 is provided at the interface between the metal layer 101 and the semiconductor substrate 201 in order to improve the adhesion between the metal layer 101 and the semiconductor substrate 201.
The infrared band-pass filter 100 according to the second embodiment is configured by embedding the same material as that of the dielectric layer 202 laminated on the surface of the metal layer 101 in the opening 102 of the metal layer 101.

＜実施例３＞
図５は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例３を説明するための断面構成図である。実施例３の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。 <Example 3>
FIG. 5 is a cross-sectional configuration diagram for explaining Example 3 of the infrared bandpass filter 100 according to the present invention. In the infrared band-pass filter 100 according to the third embodiment, as described above, the metal layer 101 having the opening 102 is stacked on the surface of the semiconductor substrate 201, and the dielectric layer 202 is further formed on the surface of the metal layer 101. Is a laminated structure.

実施例３の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１と半導体基板２０１との密着性を向上させるため、金属層１０１と半導体基板２０１との界面に金属の密着層１０３が設けられている。
また、実施例３の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１のうち金属層１０１の開口部１０２に対向する領域に、半導体基板２０１の厚さ方向にくぼむ凹部２０３が設けられ、金属層１０１の開口部１０２中および凹部２０３中に金属層１０１の表面上に積層された誘電体層２０２と同じ材質が埋め込まれて構成されている。凹部２０３は、半導体基板２０１における界面の反射を抑制するために設けられた構造である。 In the infrared band-pass filter 100 of Example 3, a metal adhesion layer 103 is provided at the interface between the metal layer 101 and the semiconductor substrate 201 in order to improve the adhesion between the metal layer 101 and the semiconductor substrate 201.
In addition, the infrared band-pass filter 100 of Example 3 is provided with a recess 203 that is recessed in the thickness direction of the semiconductor substrate 201 in a region of the semiconductor substrate 201 that faces the opening 102 of the metal layer 101. The same material as that of the dielectric layer 202 laminated on the surface of the metal layer 101 is embedded in the opening 102 and the recess 203 of the layer 101. The recess 203 has a structure provided to suppress reflection at the interface in the semiconductor substrate 201.

＜実施例４＞
図６は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例４を説明するための断面構成図である。実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２Ａを有する第１の金属層１０１Ａが積層されており、さらに金属層１０１Ａの表面上に積層された第１の誘電体層２０２Ａが積層された構成である。さらに、実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、誘電体層２０２Ａの表面上に、開口部１０２Ａを備える金属層１０１Ａおよび誘電体層２０２Ａと同じ構成の、開口部１０２Ｂを有する第２の金属層１０１Ｂおよび誘電体層２０２Ｂが積層された構成である。開口部１０２Ａと開口部１０２Ｂとは、半導体基板２０１の厚み方向に対して重なっている。すなわち、実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１の表面上に金属層１０１と誘電体層２０２との積層体が２層積層された構成である。 <Example 4>
FIG. 6 is a cross-sectional configuration diagram for explaining Example 4 of the infrared bandpass filter 100 according to the present invention. As described above, in the infrared band-pass filter 100 of the fourth embodiment, the first metal layer 101A having the opening 102A is laminated on the surface of the semiconductor substrate 201, and further laminated on the surface of the metal layer 101A. The first dielectric layer 202A is laminated. Furthermore, the infrared band-pass filter 100 of the fourth embodiment includes a second metal having an opening 102B having the same configuration as the metal layer 101A having the opening 102A and the dielectric layer 202A on the surface of the dielectric layer 202A. The layer 101B and the dielectric layer 202B are stacked. The opening 102 </ b> A and the opening 102 </ b> B overlap with the thickness direction of the semiconductor substrate 201. That is, the infrared band-pass filter 100 of Example 4 has a configuration in which two layers of a metal layer 101 and a dielectric layer 202 are stacked on the surface of a semiconductor substrate 201.

実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１Ａと半導体基板２０１との密着性を向上させるため、金属層１０１Ａと半導体基板２０１との界面に金属の密着層１０３が設けられている。
また、実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１Ａの開口部１０２Ａおよび金属層１０１Ｂの開口部１０２Ｂ中に、誘電体層２０２Ａおよび誘電体層２０２Ｂと同じ材質が埋め込まれて構成されている。
実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００では、特に透過スペクトルの半値全幅が狭くなり、単層の赤外線用バンドパスフィルタ以上の高い選択性を得ることが可能である。 In the infrared band-pass filter 100 of the fourth embodiment, a metal adhesion layer 103 is provided at the interface between the metal layer 101A and the semiconductor substrate 201 in order to improve the adhesion between the metal layer 101A and the semiconductor substrate 201.
The infrared band-pass filter 100 according to the fourth embodiment is configured by embedding the same material as the dielectric layer 202A and the dielectric layer 202B in the opening 102A of the metal layer 101A and the opening 102B of the metal layer 101B. ing.
In the infrared band-pass filter 100 of Example 4, the full width at half maximum of the transmission spectrum is particularly narrow, and it is possible to obtain a higher selectivity than that of a single-layer infrared band-pass filter.

＜実施例５＞
図７は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例５を説明するための断面構成図である。実施例５の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。 <Example 5>
FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram for explaining Example 5 of the infrared bandpass filter 100 according to the present invention. As described above, in the infrared band-pass filter 100 of the fifth embodiment, the metal layer 101 having the opening 102 is stacked on the surface of the semiconductor substrate 201, and the dielectric layer 202 is further formed on the surface of the metal layer 101. Is a laminated structure.

実施例５の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１上に開口部１０２が間隔Ａ１で設けられたエリア１と、開口部１０２が間隔Ａ２で設けられたエリア２とを備える。ここで、間隔Ａ１は、エリア１に形成された隣り合う開口部１０２の中心間の距離で示され、間隔Ａ２は、エリア２に形成された隣り合う開口部１０２の中心間の距離で示される。また、エリア１における開口部１０２の直径と、エリア２における開口部１０２の直径とは異なっている。
実施例５の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、同一の半導体基板２０１の表面上に開口部１０２の間隔Ａが異なるパターンを複数エリア（図７中ではエリア１およびエリア２）に設けることにより、各エリアに応じた透過特性を持つ光学フィルタを得ることが可能である。 The infrared band-pass filter 100 according to the fifth embodiment includes an area 1 in which openings 102 are provided at intervals A1 on a semiconductor substrate 201 and an area 2 in which openings 102 are provided at intervals A2. Here, the interval A1 is indicated by the distance between the centers of the adjacent openings 102 formed in the area 1, and the interval A2 is indicated by the distance between the centers of the adjacent openings 102 formed in the area 2. . Further, the diameter of the opening 102 in the area 1 is different from the diameter of the opening 102 in the area 2.
The infrared band-pass filter 100 according to the fifth embodiment is provided with a plurality of areas (area 1 and area 2 in FIG. 7) having patterns with different intervals A on the surface of the same semiconductor substrate 201. It is possible to obtain an optical filter having transmission characteristics corresponding to the area.

［赤外線用バンドパスフィルタの評価］
赤外線用バンドパスフィルタの作製方法について以下に説明する。
まず、半導体基板であるＧａＡｓ基板上に、マグネトロンスパッタ装置（芝浦メカトロニクス社製）を用いて金属層となるＡｕ膜を厚さ１５０ｎｍとなるように成膜した。Ａｕ膜は、Ａｕターゲットを用い、圧力０．５Ｐａ、Ａｒ流量４２ｓｃｃｍ、ＲＦ印加電圧１００Ｗの成膜条件で成膜した。
次に、成膜したＡｕ膜の表面上に、ポジ型レジストをスピンコート法により約５００ｎｍ厚で塗布した。続いて、円形状の開口部が周期的に三角格子配列されたパターン（図１参照）が形成されるように、フォトリソグラフィ法により専用マスクを用いてポジ型レジスト上にレジストパターンを作成した。 [Evaluation of bandpass filter for infrared rays]
A method for manufacturing an infrared bandpass filter will be described below.
First, an Au film serving as a metal layer was formed to a thickness of 150 nm on a GaAs substrate, which is a semiconductor substrate, using a magnetron sputtering apparatus (manufactured by Shibaura Mechatronics). The Au film was formed using an Au target under conditions of a pressure of 0.5 Pa, an Ar flow rate of 42 sccm, and an RF applied voltage of 100 W.
Next, a positive resist was applied with a thickness of about 500 nm on the surface of the formed Au film by spin coating. Subsequently, a resist pattern was formed on the positive resist by a photolithography method using a dedicated mask so that a pattern (see FIG. 1) in which circular openings were periodically arranged in a triangular lattice was formed.

次に、ウエットエッチング法により、Ａｕ膜をレジストパターン通りにエッチングして開口を形成した。Ａｕ膜のエッチングを行う際には、エッチング液としてＡＵＲＵＭ（関東化学株式会社）を用いた。残存するポジ型レジストは、アセトンを用いて除去した。この後、ポジ型レジストの除去により露出したＡｕ膜の表面に上に、マグネトロンスパッタ法により誘電体層であるＴｉＯ_２膜を成膜した。ＴｉＯ_２膜は、ＴｉＯ_２ターゲットを用い、圧力０．６Ｐａ、Ａｒ流量４１．５ｓｃｃｍ、Ｏ_２流量０．５ｓｃｃｍ、ＲＦ印加電圧４００Ｗの成膜条件で成膜した。 Next, the Au film was etched according to the resist pattern by wet etching to form openings. When the Au film was etched, AURUM (Kanto Chemical Co., Inc.) was used as an etchant. The remaining positive resist was removed using acetone. Thereafter, a TiO ₂ film as a dielectric layer was formed on the surface of the Au film exposed by removing the positive resist by magnetron sputtering. The TiO ₂ film was formed using a TiO ₂ target under the conditions of a pressure of 0.6 Pa, an Ar flow rate of 41.5 sccm, an O ₂ flow rate of 0.5 sccm, and an RF applied voltage of 400 W.

（開口部面積比率による比較）
上述の作製方法に従って、赤外線用バンドパスフィルタを作製した。このとき、金属層において周期的に三角格子配列された円形状の開口部の間隔Ａを１．４μｍとし、開口部の直径を変化させて、サンプル１からサンプル５の赤外線用バンドパスフィルタをそれぞれ作製した。サンプル１からサンプル５における開口部の開口部面積比率は、以下の表１のとおりである。誘電体層であるＴｉＯ_２膜の厚みは６００ｎｍとした。 (Comparison by opening area ratio)
Infrared band-pass filters were produced according to the production method described above. At this time, the interval A between the circular openings periodically arranged in a triangular lattice in the metal layer is set to 1.4 μm, and the diameters of the openings are changed, so that the infrared bandpass filters of Sample 1 to Sample 5 are respectively Produced. The opening area ratio of the openings in Sample 1 to Sample 5 is as shown in Table 1 below. The thickness of the TiO ₂ film as the dielectric layer was 600 nm.

作製したサンプル１からサンプル５の赤外線用バンドパスフィルタの透過率を、赤外線透過率測定装置ＦＴ−ＩＲ（日立ハイテクノロジー社製）を用いて測定した。透過する光のピーク波長λ_Ｐは４．３μｍであった。これは前述の式（１）から求められるＧａＡｓとＡｕの誘電率および開口部の間隔の関係とほぼ一致する。なお、一般的に、波長４．３μｍは遠赤外線に分類される。 The transmittance of the manufactured band pass filters for samples 1 to 5 was measured using an infrared transmittance measuring device FT-IR (manufactured by Hitachi High-Technology Corporation). The peak wavelength λ _P of the transmitted light was 4.3 μm. This substantially coincides with the relationship between the dielectric constant of GaAs and Au and the distance between the openings obtained from the above-described equation (1). In general, the wavelength of 4.3 μm is classified as far infrared rays.

以下の表１に、ＦＴ−ＩＲによる測定によって得られたサンプル１からサンプル５の赤外線用バンドパスフィルタの透過スペクトルの半値全幅と透過率を示す。なお、各サンプルで使用したＧａＡｓ基板の透過率（ＧａＡｓ基板のみでの透過率）は５５％であった。
以下の表１に記載する透過率は、各々基板のみの透過率で規格化した値である。 Table 1 below shows the full width at half maximum of the transmission spectrum of the infrared bandpass filters of Sample 1 to Sample 5 and the transmittance obtained by measurement by FT-IR. The transmittance of the GaAs substrate used in each sample (transmittance only with the GaAs substrate) was 55%.
The transmittance described in Table 1 below is a value normalized by the transmittance of each substrate alone.

表１の結果から、開口部面積比率が１０％以上２６％未満のとき、本発明における所望の赤外線用バンドパスフィルタの特性である、透過スペクトルの半値全幅４０％以下、かつ透過率についてλ_Ｐにおける透過量が全透過量の６０％以上を満たしていることがわかる。 From the results of Table 1, when the aperture area ratio is 10% or more and less than 26%, the full width at half maximum of the transmission spectrum, which is the characteristic of the desired infrared bandpass filter in the present invention, is 40% or less, and the transmittance is λ _P It can be seen that the permeation amount at 60% or more of the total permeation amount.

（誘電体層の膜厚による比較）
上述の作製方法に従って、赤外線用バンドパスフィルタを作製した。このとき、誘電体層であるＴｉＯ_２の膜厚を変化させて、サンプル６からサンプル１０の赤外線用バンドパスフィルタをそれぞれ作製した。ＴｉＯ_２の膜厚は、以下の表２のとおりとした。三角格子配列パターンの開口部のピッチは１．４μｍとし、開口部の直径は０．７μｍとした。金属層であるＡｕ膜の厚みは１５０ｎｍとした。 (Comparison by dielectric layer thickness)
Infrared band-pass filters were produced according to the production method described above. At this time, the film thickness of TiO ₂ which is a dielectric layer was changed, and the infrared band pass filters of Sample 6 to Sample 10 were respectively produced. The film thickness of TiO ₂ was as shown in Table 2 below. The pitch of the openings in the triangular lattice arrangement pattern was 1.4 μm, and the diameter of the openings was 0.7 μm. The thickness of the Au film as the metal layer was 150 nm.

作製したサンプル６からサンプル１０の赤外線用バンドパスフィルタの透過率を、前述の赤外線透過率測定装置ＦＴ−ＩＲを用いて測定した。透過率のピーク波長λ_Ｐは４．３μｍであった。これは前述の式（１）から求められるＧａＡｓとＡｕの誘電率および開口部の間隔の関係とほぼ一致する。また、３．０μｍ近辺に別のピーク波長が観察されたが、これは前述の式（１）から求められるＴｉＯ_２とＡｕの誘電率および開口部の間隔の関係とほぼ一致する。なお、一般的に、波長４．３μｍは遠赤外線に分類され、波長３．０μｍは中赤外線に分類される。 The transmittance of the manufactured band pass filters for samples 6 to 10 was measured using the aforementioned infrared transmittance measuring device FT-IR. The peak wavelength λ _P of transmittance was 4.3 μm. This substantially coincides with the relationship between the dielectric constant of GaAs and Au and the distance between the openings obtained from the above-described equation (1). Further, another peak wavelength was observed in the vicinity of 3.0 μm, which almost coincides with the relationship between the dielectric constants of TiO ₂ and Au and the distance between the openings obtained from the above-described equation (1). In general, a wavelength of 4.3 μm is classified as a far infrared ray, and a wavelength of 3.0 μm is classified as a mid infrared ray.

以下の表２に、ＦＴ−ＩＲによる測定によって得られたサンプル６からサンプル１０の赤外線用バンドパスフィルタの透過スペクトルにおける透過率を示す。なお表２には、透過率としてＧａＡｓとＡｕの共鳴によるピーク波長である４．３μｍの透過率と、ＴｉＯ_２とＡｕの共鳴によるピーク波長である３．０μｍの透過率とを示す。使用したＧａＡｓ基板の透過率（ＧａＡｓ基板のみでの透過率）は５５％であった。 The transmittance | permeability in the transmission spectrum of the infrared band pass filter of the sample 6 to the sample 10 obtained by the measurement by FT-IR in the following Table 2 is shown. Table 2 shows the transmittance of 4.3 μm, which is the peak wavelength due to resonance between GaAs and Au, and the transmittance, which is 3.0 μm, which is the peak wavelength due to resonance between TiO ₂ and Au. The transmittance of the used GaAs substrate (transmittance only with the GaAs substrate) was 55%.

以下の表２に記載する透過率は、各々基板のみの透過率で規格化した値である。 The transmittance described in Table 2 below is a value normalized by the transmittance of each substrate alone.

表２の結果から、誘電体層の膜厚が１５０ｎｍまたは８００ｎｍの場合、４．３μｍの透過率が全透過量の６０％以上を満たさず、膜厚が３００ｎｍの場合、所望の４．３μｍの透過率は全透過率の６０％以上は満たすものの、３．０μｍの透過率は４２％と高く選択性は悪い。膜厚が５００ｎｍ、６００ｎｍの場合、所望の４．３μｍの透過率は全透過率の９０％以上であり、３．０μｍの透過率は２６、２７％と低く抑えられており、選択性の良いバンドパスフィルタ特性を示す。 From the result of Table 2, when the film thickness of the dielectric layer is 150 nm or 800 nm, the transmittance of 4.3 μm does not satisfy 60% or more of the total transmission amount, and when the film thickness is 300 nm, the desired 4.3 μm Although the transmittance satisfies 60% or more of the total transmittance, the transmittance of 3.0 μm is as high as 42% and the selectivity is poor. When the film thickness is 500 nm or 600 nm, the desired transmittance of 4.3 μm is 90% or more of the total transmittance, and the transmittance of 3.0 μm is suppressed to 26 and 27%, which is excellent in selectivity. The bandpass filter characteristic is shown.

１００赤外線用バンドパスフィルタ
１０１金属層
１０２開口部
２０１半導体基板
２０２誘電体層
２０３凹部 100 Infrared Band Pass Filter 101 Metal Layer 102 Opening 201 Semiconductor Substrate 202 Dielectric Layer 203 Recess

Claims

An area ratio of the opening to the total area of the repeating unit of the opening having a lattice arrangement in which openings formed in the semiconductor substrate and the semiconductor substrate and penetrating in the film thickness direction are provided in a certain repeating unit. A metal layer of 10% or more and less than 26%,
An infrared band-pass filter comprising a dielectric layer formed on the metal layer.

_2. The infrared bandpass filter according to claim 1, wherein the dielectric layer is made of at least one of SiO ₂ , TiO ₂ , and SiN.

The infrared band-pass filter according to claim 2, wherein the dielectric layer has a thickness of 500 nm or more and less than 700 nm.

4. The infrared band-pass filter according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is made of either GaAs or Si. 5.

The material constituting the metal layer contains at least one metal selected from Au, Ag, Al, Pt, Ti, Cr, Ni, Pd, Cu, and Zn. An infrared bandpass filter according to any one of the above.

6. The infrared bandpass filter according to claim 1, wherein the metal layer having the opening has a multilayer structure in which a plurality of layers are stacked.

The infrared band-pass filter according to claim 1, wherein the arrangement of the openings is a triangular lattice arrangement.