JP2017526945A - 金属誘電体光学フィルター、センサーデバイス、および製造方法 - Google Patents

Abstract

光学フィルター、光学フィルターを含むセンサーデバイス、および光学フィルターの製造方法を提供する。光学フィルターは、交互に積層される１つ以上の誘電体層と１つ以上の金属層とを含む。金属層は、誘電体層によって本質的に保護される。特に、金属層は、誘電体層の１つ以上によって保護的に覆われるテーパ状エッジを有する。

Description

本発明は、金属誘電体光学フィルター、当該光学フィルターを含むセンサーデバイス、および当該光学フィルターの製造方法に関する。

光学センサーは、画像センサー、環境光センサー、近接センサー、色相センサー、およびＵＶセンサー等の光学センサーデバイスに用いられ、光信号を電気信号に変換して、光信号の検出や撮像を可能にする。光学センサーは、一般に、１つ以上のセンサー素子と、該１つ以上のセンサー素子の上に配置される１つ以上の光学フィルターとを含む。

例えば、カラー画像センサーは、アレイ状に配置されるの複数のカラーフィルター、即ち、カラーフィルターアレイ（ＣＦＡ）を含む。ＣＦＡは、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）フィルター等、異なる色通過帯域を有する異なる種類のカラーフィルターを含む。

従来、染料を用いて形成される吸収フィルターが、カラーフィルターとして利用されている。しかし、このような染料ベースのカラーフィルターは、相対的に色通過帯域が広く、その結果、色の鮮やかさに劣る。あるいは、積層誘電体層から成るダイクロイックフィルター、即ち、干渉フィルターも、カラーフィルターとして利用可能である。このような全誘電体カラーフィルターは、より高い透過レベルおよびより狭い色通過帯域を有するため、より明るく鮮やかな色を実現する。しかし、全誘電体カラーフィルターの色通過帯域は、入射角の変化に伴う中心波長シフトが相対的に大きいため、望ましくない色ずれが起こる。

さらに、全誘電体カラーフィルターは、典型的に、多数の積層誘電体層を含み、相対的に厚い。そのため、全誘電体カラーフィルターは、高価であり、製造するのが難しい。特に、全誘電体カラーフィルターは、化学的にエッチングすることが難しい。したがって、パターン化には、リフトオフプロセスが好まれる。ＣＦＡにおける全誘電体カラーフィルターをパターン化するためのリフトオフプロセスの例は、１９９２年６月９日発行のＨａｎｒａｈａｎの米国特許第５，１２０，６２２号、１９９８年１月２７日発行のＢｕｃｈｓｂａｕｍの米国特許第５，７１１，８８９号、２００１年５月２９日発行のＥｄｌｉｎｇｅｒ他の米国特許第６，２３８，５８３号、２００３年１０月２８日発行のＢｕｃｈｓｂａｕｍ他の米国特許第６，６３８，６６８号、および２０１０年１月１９日発行のＢｕｃｈｓｂａｕｍ他の米国特許第７，６４８，８０８号に開示されている。しかし、リフトオフプロセスは、一般に、フィルター高さの約２倍のフィルター間隔に限定されており、より小型のカラー画像センサーに好適な全誘電体ＣＦＡを実現するのは困難である。

色通過帯域において可視光を透過するのに加えて、染料ベースおよび全誘電体カラーフィルターの双方ともが、赤外（ＩＲ）光も透過し、これがノイズの一因となる。よって、カラー画像センサーは、典型的に、ＣＦＡの上に配置されるＩＲブロッキングフィルターも含む。ＩＲブロッキングフィルターは、可視スペクトル領域で動作する他の光学センサーデバイスにも用いられる。従来、色ガラスから成る吸収フィルターや積層誘電体層から成るダイクロイックフィルターは、ＩＲブロッキングフィルターとして利用されている。あるいは、積層金属誘電体層から成る誘導透過フィルターも、ＩＲブロッキングフィルターとして利用可能である。金属誘電体ＩＲブロッキングフィルターの例は、１９９７年７月１５日発行のＳａｋａｍｏｔｏ他の米国特許第５，６４８，６５３号および２００６年１１月７日発行のＯｃｋｅｎｆｕｓｓ他の米国特許第７，１３３，１９７号に開示されている。

ＩＲブロッキングフィルターの使用を避けるために、積層金属誘電体層から成る誘導透過フィルターをカラーフィルターとして用いることができる。金属誘電体カラーフィルター等の金属誘電体光学フィルターは、本質的に、ＩＲブロッキングである。典型的に、金属誘電体カラーフィルターは、入射角の変化に伴って波長が大きくシフトしない相対的に狭い色通過帯域を有する。さらに、金属誘電体カラーフィルターは、一般に、全誘電体カラーフィルターよりもずっと薄い。金属誘電体カラーフィルターの例は、１９９０年１２月２５日発行のＭｃＧｕｃｋｉｎ他の米国特許第４，９７９，８０３号、２０００年２月２９日発行のＷａｎｇの米国特許第６，０３１，６５３号、２００９年１２月１０日公開のＧｉｄｏｎ他の米国特許出願第２００９／０３０２４０７号、２０１１年８月２５日公開のＧｒａｎｄの米国特許出願第２０１１／０２０４４６３号、および、２０１２年４月１２日公開のＧｉｄｏｎ他の米国特許出願第２０１２／００８５９４４号に開示されている。

典型的に、金属誘電体カラーフィルター等の金属誘電体光学フィルターにおける金属層は、銀またはアルミニウム層であり、これらの層は、環境的に不安定で、少量の水または硫黄に露出されただけで劣化する。銀層の化学エッチングでは、銀層のエッジが環境に露出され、劣化を引き起こす。したがって、大抵の場合、ＣＦＡにおける金属誘電体カラーフィルターは、金属誘電体カラーフィルターにとって異なる色通過帯域を選択するために誘電体層のみの厚みを調整することによって、パターン化される。言い換えれば、異なる色通過帯域を有する異なる種類の金属誘電体カラーフィルターは、互いに同じ数の銀層を有し、互いに同じ厚みの銀層を有する必要がある。しかし、これらの要件は、金属誘電体カラーフィルターの可能な光学設計を厳しく制限するものである。

本発明は、これらの要件に制限されない金属誘電体光学フィルターであって、画像センサーや、環境光センサー、近接センサー、色相センサー、ＵＶセンサー等の他のセンサーデバイスでの使用に特に好適な金属誘電体光学フィルターを提供する。

本発明は、基板上に配置される光学フィルターであって、１つ以上の誘電体層と、前記基板上の前記１つ以上の誘電体層と交互に積層される１つ以上の金属層と、を含み、前記１つ以上の金属層の各々は、テーパ状エッジを有し、前記テーパ状エッジは、前記光学フィルターの周縁部で金属層の全周縁部に沿って伸び、前記１つ以上の誘電体層の少なくとも１つによって金属層の全周縁部に沿って保護的に覆われている、光学フィルターに関する。

また、本発明は、センサーデバイスであって、１つ以上のセンサー素子と、前記１つ以上のセンサー素子の上に配置される１つ以上の光学フィルターと、を含み、前記１つ以上の光学フィルターの各々は、１つ以上の誘電体層と、前記１つ以上の誘電体層と交互に積層される１つ以上の金属層と、を含み、前記１つ以上の金属層の各々は、テーパ状エッジを有し、前記テーパ状エッジは、前記光学フィルターの周縁部で金属層の全周縁部に沿って伸び、前記１つ以上の誘電体層の少なくとも１つによって金属層の全周縁部に沿って保護的に覆われる、センサーデバイスに関する。

さらに、本発明は、光学フィルターの製造方法であって、基板を設けるステップと、前記基板上にフォトレジスト層を塗布するステップと、前記フォトレジスト層をパターン化して、前記基板のフィルター領域を露出するステップであって、前記フィルター領域を囲むパターン化フォトレジスト層においてオーバーハングが形成されるステップと、１つ以上の誘電体層と交互に積層される１つ以上の金属層を含む多層積層体を、前記パターン化フォトレジスト層および前記基板のフィルター領域の上に堆積するステップと、前記パターン化フォトレジスト層および前記パターン化フォトレジスト層の上の前記多層積層体の部分を除去して、前記基板のフィルター領域の上に残存する多層積層体の部分で光学フィルターを形成するステップと、を含み、前記光学フィルターにおける前記１つ以上の金属層の各々は、テーパ状エッジを有し、前記テーパ状エッジは、前記光学フィルターの周縁部で金属層の全周縁部に沿って伸び、前記１つ以上の誘電体層の少なくとも１つによって金属層の全周縁部に沿って保護的に覆われる、方法に関する。

以下の添付図面を参照し、本発明をさらに詳細に説明する。

光学フィルターの第１実施形態の断面概略図である。 図１Ａの光学フィルターの製造方法におけるステップの概略図である。 図１Ａの光学フィルターの製造方法におけるステップの概略図である。 図１Ａの光学フィルターの製造方法におけるステップの概略図である。 図１Ａの光学フィルターの製造方法におけるステップの概略図である。 図１Ａの光学フィルターの製造方法におけるステップの概略図である。 図１Ａの光学フィルターの製造方法におけるステップの概略図である。 光学フィルターの第２実施形態の断面概略図である。 複数の光学フィルターの断面概略図である。 例示赤色フィルターの層数、材料、および厚みの表である。 例示緑色フィルターの層数、材料、および厚みの表である。 例示青色フィルターの層数、材料、および厚みの表である。 例示明所フィルターの層数、材料、および厚みの表である。 図４Ａ〜４Ｃの例示赤色、緑色、および青色フィルターの透過スペクトルのプロットである。 図４Ａ〜４Ｃの例示赤色、緑色、および青色フィルターの透過スペクトルのプロットである。 図４Ｄの例示明所フィルターの入射角０°〜６０°での透過スペクトルのプロットである。 図４Ａ〜４Ｃの例示赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）フィルターセットおよび従来の染料ベースＲＧＢフィルターセットの色域のプロットである。 図４Ａの例示赤色フィルターおよび従来の全誘電体赤色フィルターの入射角０°〜６０°での色軌道のプロットである。 図４Ｄの例示明所フィルターの入射角０°〜６０°での色軌道のプロットである。 センサーデバイスの第１実施形態の断面概略図である。 センサーデバイスの第２実施形態の断面概略図である。 パターン化フォトレジスト層および基板上に堆積される連続コーティングの断面の走査電子顕微鏡写真である。 パターン化フォトレジスト層および基板上に堆積される連続コーティングの断面の走査電子顕微鏡写真である。 高湿度および高温に露出された後の腐食を示す、図９Ａおよび９Ｂの連続コーティングから成る光学フィルターの上面の光学顕微鏡写真である。 パターン化フォトレジスト層および基板上に堆積される非連続コーティングの断面の走査電子顕微鏡写真である。 より厚い底部剥離層とより大きなオーバーハングとを有するパターン化フォトレジスト層および基板上に堆積される非連続コーティングの断面の走査電子顕微鏡写真である。 より厚い底部剥離層とより大きなオーバーハングとを有するパターン化フォトレジスト層および基板上に堆積される非連続コーティングの断面の走査電子顕微鏡写真である。 例示紫外線Ａ（ＵＶＡ）、紫外線Ｂ（ＵＶＢ）、および２２０ｎｍ中心フィルターの層数、材料、および厚みの表である。 図１２の例示ＵＶＡフィルターの入射角０°〜６０°での透過スペクトルのプロットである。 図１２の例示ＵＶＢフィルターの入射角０°〜６０°での透過スペクトルのプロットである。 図１２の例示２２０ｎｍ中心フィルターの入射角０°〜６０°での透過スペクトルのプロットである。 例示明所フィルターの入射角０°〜６０°での透過スペクトルのプロットである。 センサーデバイスの第３実施形態の断面概略図である。 図１５Ａのセンサーデバイスの上面概略図である。 図１５Ａのセンサーデバイスの代替レイアウトの上面概略図である。 センサーデバイスの第４実施形態の上面概略図である。

本発明は、画像センサー、環境光センサー、近接センサー、色相センサー、紫外線（ＵＶ）センサー等のセンサーデバイスに特に好適に用いられる、保護金属層を有する金属誘電体光学フィルターを提供する。光学フィルターは、交互に積層される１つ以上の誘電体層と１つ以上の金属層とを含む。金属層は、誘電体層によって本質的に保護される。特に、金属層は、誘電体層の１つ以上によって保護的に覆われるテーパ状エッジを有する。よって、金属層の環境劣化に対する金属層の耐性が高まり、より環境耐久性の高い光学フィルターが得られる。

いくつかの実施形態において、１つ以上の誘電体層および１つ以上の金属層は、介在層なしに積層される。図１Ａを参照して、光学フィルター１００の第１実施形態は、基板１１０上に設けられ、交互に積層される３つの誘電体層１２０と２つの金属層１３０とを含む。金属層１３０の各々は、２つの誘電体層１２０の間に隣接して設けられることにより、環境から保護される。誘電体層１２０および金属層１３０は、その中に微細構造を有さない連続層である。

金属層１３０は、光学フィルター１００の周縁部１０１にテーパ状エッジ１３１を有する。言い換えれば、金属層１３０は、光学フィルター１００の中心部１０２にわたって厚みが実質的に一定であるが、光学フィルター１００の周縁部１０１で厚みが次第に減少する。テーパ状エッジ１３１は、光学フィルター１００の周縁部１０１において、金属層１３０の全周縁に沿って伸びる。同様に、誘電体層１２０は、光学フィルター１００の中心部１０２にわたって厚みが実質的に一定であるが、光学フィルター１００の周縁部１０１で厚みが次第に減少する。よって、光学フィルター１００の中心部１０２は、高さが実質的に一定である一方、光学フィルター１００の周縁部１０１は、傾斜している。言い換えれば、光学フィルター１００は、実質的に平坦な上面および傾斜側面を有する。典型的に、光学フィルター１００の側面は、水平面から約４５°未満の角度で傾斜する。光学フィルター１００の側面は、好ましくは、水平面から約２０°未満の角度で傾斜し、より好ましくは、水平面から約１０°未満の角度で傾斜する。

有利には、金属層１３０のテーパ状エッジ１３１は、環境に露出されない。むしろ、金属層１３０のテーパ状エッジ１３１は、金属層１３０の全周縁に沿って、誘電体層１２０の１つ以上で保護的に覆われている。当該１つ以上の誘電体層１２０は、例えば金属層１３０内部への硫黄や水の拡散を抑えることによって、金属層１３０の腐食等の環境劣化を抑制する。好ましくは、金属層１３０は、誘電体層１２０によって実質的に封入される。より好ましくは、金属層１３０のテーパ状エッジ１３１は、隣接する誘電体層１２０によって保護的に覆われ、金属層１３０は、隣接する誘電体層１２０によって実質的に封入される。場合によっては、上部誘電体層１２０、即ち、光学フィルター１００上面の誘電体層１２０は、その下の全ての金属層１３０のテーパ状エッジ１３１を保護的に覆う。

図１Ｂ〜１Ｇを参照して、光学フィルター１００の第１実施形態は、リフトオフプロセスにより製造されてもよい。特に図１Ｂを参照して、第１ステップで、基板１１０が設けられる。特に図１Ｃを参照して、第２ステップで、フォトレジスト層１４０が、基板１１０上に塗布される。典型的に、フォトレジスト層１４０は、スピンコーティングまたはスプレーコーティングで塗布される。

特に図１Ｄを参照して、第３ステップで、フォトレジスト層１４０がパターン化されて、光学フィルター１００が配置されるべき基板１１０の領域、即ち、フィルター領域が露出される。基板１１０の他の領域は、パターン化フォトレジスト層１４０によって覆われたままである。典型的に、フォトレジスト層１４０は、まず基板１１０のフィルター領域を覆っているフォトレジスト層１４０の領域をマスクを通してＵＶ光に露出して、その後好適な現像液または溶媒を用いてフォトレジスト層１４０の露出領域を現像、即ち、エッチングすることによって、パターン化される。

フォトレジスト層１４０は、フィルター領域を囲むパターン化フォトレジスト層１４０においてオーバーハング１４１、即ち、アンダーカットが形成されるように、パターン化される。典型的に、オーバーハング１４１は、好適な溶媒を用いる等してフォトレジスト層１４０の上部を化学的に改質して、フォトレジスト層１４０の上部が底部よりも遅く現像されるように、形成される。あるいは、オーバーハング１４１は、より遅く現像される上部層とより早く現像される底部層とから構成される二重層フォトレジスト層１４０を基板１１０に塗布することによって、形成されてもよい。

図１Ｅに示すように、オーバーハング１４１は、その後パターン化フォトレジスト層１４０および基板１１０上に堆積させるコーティング、即ち、多層積層体１０３が、基板１１０からパターン化フォトレジスト層１４０まで連続しないように、十分な大きさである必要がある。オーバーハング１４１は、典型的に、２μｍよりも大きく、好ましくは、４μｍよりも大きい。一般に、コーティングは、パターン化フォトレジスト層１４０の側面を覆うべきではない。

図９Ａおよび９Ｂを参照して、コーティング９０３が基板９１０およびパターン化フォトレジスト層９４０上で連続していると、その後に行われるフォトレジスト層９４０およびその上のコーティング９０３部分のリフトオフにおいて、コーティング９０３が、パターン化フォトレジスト層９４０の底縁で破断し、コーティング９０３から成る光学フィルターのエッジ、特に、光学フィルターの金属層のエッジが環境に露出する。露出エッジは、高湿度・高温露出等の環境攻撃の影響を受けやすく、図９Ｃの銀含有光学フィルター９００に示すように、腐食につながる。

図１０を参照して、非連続コーティング１００３を提供する実施形態において、フォトレジスト層は、二層構造を有し、上部層１０４２と底部層１０４３とを含む。上部層１０４２は、感光性であり、ＵＶ光への選択的露出によってパターン化可能である。底部層１０４３は、一般に、感光性でなく、剥離層として機能する。レジストの好適な例には、上部感光層１０４２用のＡＺ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＭａｔｅｒｉａｌｓのｎＬＯＦ２０２０および底部剥離層１０４３用のＭｉｃｒｏｃｈｅｍ Ｃｏｒｐ．のＬＯＲ１０Ｂがある。

フォトレジスト層が現像される際、オーバーハング１０４１の程度は、現像時間によって制御される。図１０において、約３μｍのオーバーハング１０４１になるように、現像時間が選択された。好ましくは、底部剥離層１０４３の厚みは、約５００ｎｍを超え、オーバーハング１０４１の厚みは、約２μｍを超える。きれいなリフトオフ、即ち、堆積コーティング１００３の破断のないリフトオフを保証するために、コーティング１００３の厚みは、一般に、底部剥離層１０４３の厚みの約７０％未満であるべきである。図１０において、底部剥離層１０４３の厚みは、約８００ｎｍであり、上部感光層１０４２の厚みは、約２μｍであり、コーティングの厚みは、約５００ｎｍである。オーバーハング１０４１の下の光学フィルター１０００の側面は、角度約１０°で傾斜している。

図１１を参照して、場合によっては、より厚い底部剥離層１１４３が使用され、例えばあるプロセスでは約８０秒〜約１００秒等のより長い現像時間でより大きなオーバーハング１１４１が生成される。これらの特徴により、光学フィルター１１００の側面の傾斜を低減して光学フィルター１１００の周縁部での上部誘電体層１１２１の厚みを大きくして、エッジ耐久性を高める。図１１において、約６μｍのオーバーハング１１４１になるように、現像時間が選択された。好ましくは、底部剥離層１１４３の厚みは、約２μｍを超え、オーバーハング１１４１の厚みは、約４μｍを超える。コーティング層１１０３の厚みは、一般に、底部剥離層１１４３の厚みの約３０％未満であるべきである。図１１において、底部剥離層１１４３の厚みは、約２．６μｍであり、上部感光層１１４２の厚みは、約２μｍであり、コーティング１１０３の厚みは、約５００ｎｍである。オーバーハング１１４１の下の光学フィルター１１００の側面は、角度約５°で傾斜している。

特に図１Ｅを参照して、第４ステップで、多層積層体１０３は、パターン化フォトレジスト層１４０および基板１１０のフィルター領域上に非連続コーティングとして堆積される。基板１１０のフィルター領域上に堆積された多層積層体１０３の部分が、光学フィルター１００を形成する。光学フィルター１００の層に対応する多層積層体１０３の層は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、プラズマ支援蒸着、反応性イオン蒸着等の蒸着や、マグネトロンスパッタリング、反応性スパッタリング、交流（ＡＣ）スパッタリング、直流（ＤＣ）スパッタリング、パルスＤＣスパッタリング、イオンビームスパッタリング等のスパッタリングや、プラズマ強化化学蒸着等の化学蒸着や、原子層堆積といった、さまざまな堆積技術を用いて堆積することができる。また、異なる層を、異なる堆積技術で堆積してもよい。例えば、金属層１３０を、金属ターゲットのスパッタリングによって堆積し、誘電体層１２０を、酸素の存在下における金属ターゲットの反応性スパッタリングによって堆積してもよい。

オーバーハング１４１は基板１１０のフィルター領域の周縁部を覆うため、堆積層の厚みは、光学フィルター１００の周縁部１０１に向かって次第に減少する。オーバーハング１４１は、光学フィルター１００の周縁部１０１に向かって、コーティングの緩やかなロールオフを生じる。誘電体層１２０が金属層１３０上に堆積されると、誘電体層１２０は、金属層１３０の上面だけでなく金属層１３０のテーパ状エッジ１３１も覆うことにより、金属層１３０を環境から保護する。また、上部誘電体層１２０は、一般に、下の金属層１３０の保護層の役割を果たす。例えば、図１１の実施形態において、厚み約１００ｎｍの上部誘電体層１１２１は、図１１Ａに示すように、下のより耐久性の低い金属層、特に、金属層のテーパ状エッジ上に伸びて保護的に覆う。

特に図１Ｆを参照して、第５ステップにおいて、パターン化フォトレジスト層１４０上の多層積層体１０３の部分が、フォトレジスト層１４０と共に、除去、即ち、リフトオフされる。典型的に、フォトレジスト層１４０は、好適なストリッパーまたは溶媒を用いて、剥がされる。基板１１０のフィルター領域上に残存する多層積層体１０３の部分が、光学フィルター１００を形成する。基板１１０は、例えば、従来のセンサー素子であってもよい。

尚、図１Ｂ〜１Ｆのリフトオフプロセスを用いて、基板１１０上に、同一種類、即ち、同一光学設計の複数の光学フィルター１００を同時に形成してもよい。また、リフトオフプロセスを繰り返して、引き続き、同一基板１１０に、異なる種類、即ち、異なる光学設計の１つ以上の光学フィルターを形成してもよい。場合によっては、以下により詳細に説明するように、リフトオフプロセスや場合によってはドライまたはウエットエッチングプロセスを用いて、より環境耐久性の高い１つ以上の光学フィルターを後で基板１１０上に形成して、より環境耐久性の低い１つ以上の光学フィルター１００と部分的に重なるようにしてもよい。このようにして、光学フィルターアレイを基板１１０上に形成することができる。基板１１０は、例えば、従来のセンサーアレイであってもよい。

特に図１Ｇを参照して、任意の第６ステップで、付加的な保護コーティング１５０が、光学フィルター１００上に堆積される。保護コーティング１５０は、前述の堆積技術のうちの１つを用いて堆積されてもよい。保護コーティング１５０は、光学フィルター１００の中心部１０２および周縁部１０１の双方、即ち、光学フィルター１００の全ての露出部分を覆うことによって、光学フィルター１００を環境から保護する。

他の実施形態において、光学フィルターは、誘電体層と金属層との間に配置される複数の腐食抑制層を含み、これらがさらに金属層を保護する。図２を参照して、基板２１０上に配置された光学フィルター２００の第２実施形態は、光学フィルター１００の第１実施形態と類似しているが、さらに３つの誘電体層２２０と２つの金属層２３０との間に４つの腐食抑制層２６０を含む。

金属層２３０の各々は、２つの腐食抑制層２６０の間に隣接して配置されることによって、さらに環境から保護される。腐食抑制層２６０は、主に堆積プロセスにおいて、金属層２３０の腐食を抑制する。特に、腐食抑制層２６０は、光路における金属層２３０の部分を保護して、金属層２３０の光学特性の劣化を抑える。好ましくは、金属層２３０のテーパ状エッジ２３１は、最も近い誘電体層２２０と共に、隣接する腐食抑制層２６０によって保護的に覆われる。このように、金属層２３０は、好ましくは、最も近い誘電体層２２０と共に、隣接する腐食抑制層２６０によって実質的に封入される。

光学フィルター２００の第２実施形態は、光学フィルター１００の第１実施形態の製造に用いられたものと同様のリフトオフプロセスで製造されてもよい。但し、第４ステップで堆積される多層積層体の層は、光学フィルター２００の層に対応する。特に、腐食抑制層２６０は、各金属層２３０の前後に堆積される。有利には、腐食抑制層２６０は、誘電体層２２０の堆積中、金属層２３０の腐食、即ち、酸化を抑制する。腐食抑制層２６０は、金属層２３０が銀またはアルミニウムを含有する場合に、特に有用である。そのような実施形態において、腐食抑制層２６０は、金属層２３０からの銀またはアルミニウムと誘電体層２２０からの酸素が反応して酸化銀または酸化アルミニウムを形成するのを抑制する。

腐食抑制層２６０は、反応性スパッタリング等の前述の堆積技術の１つを用いて、金属窒化物または金属酸化物等の金属化合物の層として堆積されてもよい。あるいは、腐食抑制層２６０は、まず前述の堆積技術の１つを用いて好適な金属層を堆積し、その後金属層を酸化させることによって、形成されてもよい。好ましくは、金属層２３０の上部の腐食抑制層２６０の各々は、まず好適な金属層を堆積し、金属層を酸化させて、その後金属酸化物層を堆積することによって、形成される。例えば、これらの腐食抑制層２６０は、好適な金属ターゲットをスパッタリングした後、酸化させて、続いて酸素の存在下で好適な金属ターゲットを反応性スパッタリングすることによって、形成されてもよい。腐食抑制層の形成方法のさらなる詳細については、後述すると共に、米国特許第７，１３３，１９７号に開示されている。

本発明の光学フィルターは、さまざまな光学設計を有してもよい。例示光学フィルターの光学設計について、以下にさらに詳細に記載する。一般に、光学フィルターの光学設計は、好適な層数、材料、および／または厚みを選択することによって、特定の通過帯域に対して最適化される。

光学フィルターは、少なくとも１つの金属層と、少なくとも１つの誘電体層とを含む。多くの場合、光学フィルターは、複数の金属層と複数の誘電体層とを含む。典型的に、光学フィルターは、２〜６つの金属層と、３〜７つの誘電体層と、任意に４〜１２つの腐食抑制層とを含む。金属層の数が増えると、より急峻なエッジの通過帯域が提供されるが、帯域内透過率はより低くなる。

光学設計における最初または底部層、即ち、基板上に堆積される最初の層は、金属層または誘電体層であってもよい。光学設計における最後または上部層、即ち、基板上に堆積される最後の層は、通常、誘電体層である。底部層が金属層である場合、光学フィルターは、シーケンス（Ｍ／Ｄ）_ｎで積層されるｎ個の金属層（Ｍ）とｎ個の誘電体層（Ｄ）とから構成されてもよい（ｎ≧１）。あるいは、光学フィルターは、シーケンス（Ｃ／Ｍ／Ｃ／Ｄ）_ｎで積層されるｎ個の金属層（Ｍ）と、ｎ個の誘電体層（Ｄ）と、２ｎ個の腐食抑制層（Ｃ）とから構成されてもよい（ｎ≧１）。底部層が誘電体層である場合、光学フィルターは、シーケンスＤ（Ｍ／Ｄ）_ｎで積層されるｎ個の金属層（Ｍ）とｎ＋１個の誘電体層（Ｄ）とから構成されてもよい（ｎ≧１）。あるいは、光学フィルターは、シーケンスＤ（Ｃ／Ｍ／Ｃ／Ｄ）_ｎで積層されるｎ個の金属層（Ｍ）と、ｎ＋１個の誘電体層（Ｄ）と、２ｎ個の腐食抑制層（Ｃ）とから構成されてもよい（ｎ≧１）。

金属層の各々は、金属または合金から成る。いくつかの実施形態において、金属層の各々は、銀から成る。あるいは、金属層の各々は、銀合金から成ってもよい。例えば、基本的に金を約０．５ｗｔ％、スズを約０．５ｗｔ％、および残部を銀とする銀合金は、耐腐食性を向上させる。他の実施形態において、金属層の各々は、アルミニウムから成る。金属または合金の選択は、用途に依存する。銀は、通常、可視スペクトル領域に通過帯域を有する光学フィルターに好ましく、アルミニウムは、通常、ＵＶスペクトル領域に通過帯域を有する光学フィルターに好ましい。但し、銀は、通過帯域が約３５０ｎｍを超える波長を中心とする場合に用いられることもある。

必ずしもそうではないが、一般に、金属層は、同一の金属または合金から成り、異なる厚みを有する。典型的に、金属層の各々は、約５ｎｍ〜約５０ｎｍの物理厚みを有し、好ましくは、約１０ｎｍ〜約３５ｎｍの物理厚みを有する。

誘電体層の各々は、光学フィルターの通過帯域において透明である誘電材料から成る。

可視スペクトル領域に通過帯域を有する光学フィルターでは、誘電体層は、典型的に、各々、可視スペクトル領域で透明である５５０ｎｍで約１．６５を超える屈折率を持つ高指数誘電材料から成る。このようなフィルターの高指数誘電材料の好適な例には、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、およびこれらの混合物がある。好ましくは、このようなフィルターの高指数誘電材料は、また、ＵＶ吸収性、即ち、近ＵＶスペクトル領域において吸収性である。例えば、ＴｉＯ_２および／またはＮｂ_２Ｏ_５を含むかＴｉＯ_２および／またはＮｂ_２Ｏ_５から成る高指数誘電材料は、近ＵＶスペクトル領域において、より高いＵＶブロッキング、即ち、より低い帯域外透過率を提供する。好ましくは、高指数誘電材料の屈折率は、５５０ｎｍで約２．０を超え、より好ましくは、５５０ｎｍで約２．３５を超える。通常、より高い屈折率が望ましい。但し、現在利用可能な透明高指数誘電材料は、一般に、５５０ｎｍで約２．７の屈折率を有する。

ＵＶスペクトル領域に通過帯域を有するフィルターでは、誘電体層は、典型的に、各々、ＵＶスペクトル領域で透明である３００ｎｍで約１．４〜１．６５の屈折率を有する中間指数誘電材料、または、好ましくは、３００ｎｍで約１．６５を超える屈折率、より好ましくは、３００ｎｍで約２．２を超える屈折率を有する高指数誘電材料から成る。ＵＶスペクトル領域に通過帯域を有するこのようなフィルターの中間指数および高指数誘電材料の好適な例には、Ｔａ_２Ｏ_５、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、三酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、三酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）、三酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、ＺｒＯ_２、二酸化マグネシウム（ＭｇＯ_２）、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、その他のフッ化物、およびこれらの混合物がある。例えば、Ｔａ_２Ｏ_５を３４０ｎｍを超える波長を中心とする通過帯域用の高指数誘電材料として使用し、ＨｆＯ_２を約４００ｎｍ未満の波長を中心とする通過帯域用の高指数誘電材料として使用してもよい。

必ずしもそうではないが、一般に、誘電体層は、同一の誘電材料から成り、異なる厚みを有する。典型的に、誘電体層の各々は、約２０ｎｍ〜約３００ｎｍの物理厚みを有する。好ましくは、上部誘電体層は、約４０ｎｍを超える物理厚みを有し、より好ましくは、約１００ｎｍを超える物理厚みを有することで、下の金属層の保護層としての役割を果たすことができる。各誘電体層の物理厚みは、光学設計によって要求される１／４波長光学的厚み（ＱＷＯＴ（ｑｕａｒｔｅｒ ｗａｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ））に対応するように選択される。ＱＷＯＴは、４ｎｔとして定義される。ここで、ｎは、誘電材料の屈折率であり、ｔは、物理厚みである。典型的に、誘電体層の各々は、約２００ｎｍ〜約２４００ｎｍのＱＷＯＴを有する。

任意の腐食抑制層の各々は、腐食抑制材料から成る。典型的に、腐食抑制層は、腐食抑制誘電材料から成る。好適な腐食抑制誘電材料の例には、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、およびこれらの混合物がある。好ましくは、腐食抑制誘電材料は、金属層の金属または合金よりも高いガルバニー電位を有する金属の、窒化物または酸化物等の、化合物である。

場合によっては、金属層の下の腐食抑制層は、ＺｎＯから成り、金属層の上の腐食抑制層は、亜鉛から成る１ｎｍ未満の厚み等の極薄層およびＺｎＯから成る薄層を含む。亜鉛層は、金属層に堆積され、その後ポスト酸化されて、光学吸収を防ぐ。金属層の上下のＺｎＯ層は、典型的に、反応性スパッタリングにより堆積される。有利には、ＺｎＯ層を堆積する前に金属層の上に亜鉛層を堆積することによって、金属層が、反応性スパッタリング中に生じる活性化イオン化酸素種に露出されるのを防ぐ。亜鉛層は、優先的に酸素を吸収し、金属層の酸化を抑制する。

腐食抑制層は、一般に、特に当該層が可視スペクトル領域において吸収している際に、光学フィルターの光学設計に寄与することを実質的に避けるために、好適に薄い。典型的に、腐食抑制層の各々は、約０．１ｎｍ〜約１０ｎｍの物理厚みを有し、好ましくは、約１ｎｍ〜約５ｎｍの物理厚みを有する。好適な腐食抑制層のさらなる詳細は、米国特許第７，１３３，１９７号に開示されている。

任意の保護コーティングは、典型的に、誘電材料から成る。保護コーティングは、誘電体層と同じ誘電材料から成ってもよく、同じ範囲の厚みを有してもよい。多くの場合、保護コーティングは、上部誘電体層と同じ誘電材料から成り、上部誘電体層の設計厚みの部分、即ち、光学設計によって要求される厚みである厚みを有する。言い換えれば、光学設計の上部誘電体層は、誘電体層と誘電体保護コーティングとに分けられる。あるいは、保護コーティングは、エポキシ樹脂等の有機材料から成ってもよい。

図３を参照して、光学フィルター３００は、典型的に、１μｍ未満のフィルター高さｈ、即ち、光学フィルター３００の中心部の基板３１０からの高さを有し、好ましくは、０．６μｍ未満のフィルター高さｈを有する。尚、フィルター高さは、一般に、前述の堆積コーティングの厚みに対応する。画像センサーに用いられる場合、光学フィルター３００は、典型的に、２μｍ未満のフィルター幅ｗ、即ち、光学フィルター３００の中心部の幅を有し、好ましくは、１μｍ未満のフィルター幅ｗを有する。有利には、相対的に低いフィルター高さによって、複数の光学フィルター３００がリフトオフプロセスで形成される際により小さなフィルター間隔にすることができる。典型的に、画像センサーにおける光学フィルター３００は、２μｍ未満のフィルター間隔ｄ、即ち、最も近い光学フィルター３００の中心部の間の間隔を有し、好ましくは、１μｍ未満のフィルター間隔ｄを有する。より大きな画素サイズを有する他のセンサーデバイスに用いられる場合、フィルター幅は、約５０μｍ〜約１００μｍであってもよい。

光学フィルターは、高い帯域内透過率および低い帯域外透過率を有する金属誘電体バンドパスフィルター、即ち、誘導透過フィルターである。いくつかの実施形態において、光学フィルターは、可視スペクトル領域において相対的に狭い色通過帯域を有するカラーフィルターである。例えば、光学フィルターは、赤色、緑色、青色、シアン、黄色、またはマゼンタフィルターである。他の実施形態において、光学フィルターは、可視スペクトル領域において明所通過帯域、即ち、相対的に明るい光への人間の眼のスペクトル応答を模倣した明所光度効率関数に一致する通過帯域を有する明所フィルターである。また他の実施形態において、光学フィルターは、可視スペクトル領域において相対的に広い通過帯域を有するＩＲブロッキングフィルターである。

そのような実施形態において、光学フィルターは、典型的に、約５０％を超える最大帯域内透過率、約３００ｎｍ〜約４００ｎｍ、即ち、近ＵＶスペクトル領域において約２％未満の平均帯域外透過率、および、約７５０ｎｍ〜約１１００ｎｍ、即ち、赤外線（ＩＲ）スペクトル領域において約０．３％未満の平均帯域外透過率を有する。一方、従来の全誘電体カラーおよび明所フィルターは、典型的に、本質的にＩＲブロッキングではない。一般に、そのような実施形態において、光学フィルターはまた、低角シフト、即ち、０°からの入射角の変化に伴う中心波長シフトを有する。典型的に、光学フィルターは、６００ｎｍを中心とする光学フィルターに対して、大きさで約５％または約３０ｎｍ未満の入射角６０°での角度シフトを有する。一方、従来の全誘電体カラーおよび明所フィルターは、典型的に、極めて角度感度が高い。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、それぞれ例示赤色、緑色、および青色フィルター、即ち、例示ＲＧＢフィルターセットの光学設計、即ち、層数、材料、および厚みの表である。図４Ｄは、例示明所フィルターの光学設計の表である。各光学設計の層は、基板上に堆積される第１または底部層から番号付けされている。

金属層の各々は、銀から成り、約１３ｎｍ〜約３４ｎｍの物理厚みを有する。誘電体層の各々は、高指数誘電材料（Ｈ）から成り、約２４０ｎｍ〜約２０９０ｎｍのＱＷＯＴを有する。例えば、高指数誘電材料は、５５０ｎｍで約２．４３の屈折率を有するＮｂ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２との混合物であってもよい。腐食抑制層の各々は、ＺｎＯから成り、約２ｎｍの物理厚みを有する。

高指数誘電材料が５５０ｎｍで約２．４３の屈折率を有する場合、赤色フィルターのフィルター高さは６０６ｎｍ、緑色フィルターのフィルター高さは５３１ｎｍ、青色フィルターのフィルター高さは２５２ｎｍ、および明所フィルターのフィルター高さは５２２ｎｍである。これらのフィルター高さは、従来の全誘電体カラーおよび明所フィルターより大幅に低い。

図５Ａおよび５Ｂは、例示赤色、緑色、および青色フィルターの透過スペクトル５７０、５７１、および５７２のプロットである。例示赤色フィルターの透過スペクトル５７０は、約６２０ｎｍを中心とする赤色通過帯域を含み、例示緑色フィルターの透過スペクトル５７１は、約５３０ｎｍを中心とする緑色通過帯域を含み、例示青色フィルターの透過スペクトル５７２は、約４４５ｎｍを中心とする青色通過帯域を含む。

図５Ｃは、入射角０°〜６０°での例示明所フィルターの透過スペクトル５７３（０°）および５７４（６０°）のプロットである。入射角０°での例示明所フィルターの透過スペクトル５７３は、約５５５ｎｍを中心とする明所通過帯域を含む。入射角６０°での例示明所フィルターの透過スペクトル５７４では、明所通過帯域は、約５２０ｎｍを中心とする。言い換えれば、入射角６０°での例示明所フィルターの角度シフトは、約-２５ｎｍである。有利には、例示明所フィルターの角度シフトは、従来の全誘電体明所フィルターの角度シフトよりも大幅に小さい。

例示カラーおよび明所フィルターの各々は、約６０％を超える最大帯域内透過率を有する。有利には、例示カラーおよび明所フィルターは、従来の染料ベースおよび全誘電体カラーおよび明所フィルターと比べて向上したＩＲブロッキングを提供し、ＩＲ漏れに因るノイズを低減する。とりわけ、例示カラーおよび明所フィルターの各々は、約７５０ｎｍ〜約１１００ｎｍ、即ち、ＩＲスペクトル領域において、約０．３％未満の平均帯域外透過率を有する。例示カラーおよび明所フィルター、特に例示赤色フィルターはまた、いくつかの従来の金属誘電体カラーフィルターと比べて向上したＵＶブロッキングを提供し、ＵＶ漏れに因るノイズを低減する。とりわけ、例示カラーおよび明所フィルターの各々は、約３００ｎｍ〜約４００ｎｍ、即ち、近ＵＶスペクトル領域において、約２％未満の平均帯域外透過率を有する。

例示ＲＧＢフィルターセットの色域６８０を、比較用の従来の染料ベースＲＧＢフィルターセットの色域６８１と共に、図６ＡにおけるＣＩＥｘｙ色度図にプロットする。有利には、例示ＲＧＢフィルターセットの色域６８０は、従来の染料ベースＲＧＢフィルターセットの色域６８１よりも大幅に大きい。

入射角０°〜６０°での例示赤色フィルターの色軌道６８２を、入射角０°〜６０°での従来の全誘電体赤色フィルターの色軌道６８３と共に、図６ＢにおけるＣＩＥｘｙ色度図にプロットする。入射角０°〜６０°での例示明所フィルターの色軌道６８４を、図６ＣにおけるＣＩＥｘｙ色度図にプロットする。有利には、例示赤色および明所フィルターの角度シフトは、従来の全誘電体赤色および明所フィルターの角度シフトよりも大幅に小さい。

いくつかの実施形態において、光学フィルターは、約１８０ｎｍ〜約４２０ｎｍ等、ＵＶスペクトル領域において相対的に狭い通過帯域を有するＵＶフィルターである。例えば、光学フィルターは、紫外線Ａ（ＵＶＡ）または紫外線Ｂ（ＵＶＢ）フィルターであってもよい。そのような実施形態において、光学フィルターは、典型的に、約５％を超える、好ましくは約１５％を超える最大帯域内透過率を有し、約４２０ｎｍ〜約１１００ｎｍ、即ち、可視およびＩＲスペクトル領域において約０．３％未満の平均帯域外透過率を有する。一方、従来の全誘電体ＵＶフィルターは、典型的に、本質的にＩＲブロッキングではない。一般に、そのような実施形態において、光学フィルターはまた、低角度シフト、即ち、０°からの入射角の変化に伴う中心波長シフトを有する。典型的に、光学フィルターは、３００ｎｍを中心とする光学フィルターに対して、大きさで約５％または大きさで約１５ｎｍ未満の入射角６０°での角度シフトを有する。一方、従来の全誘電体ＵＶフィルターは、典型的に、極めて角度感度が高い。

図１２は、例示ＵＶＡ、ＵＶＢ、および２２０ｎｍ中心フィルターの光学設計、即ち、層数、材料、および厚みの一覧である。金属層の各々は、アルミニウムから成り、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの物理厚みを有する。誘電体層の各々は、高指数誘電材料、即ち、ＵＶＡフィルターではＴａ_２Ｏ_５、ＵＶＢおよび２２０ｎｍ中心フィルターではＨｆＯ_２から成り、約４０ｎｍ〜約６０ｎｍの物理厚みを有する。例示ＵＶフィルターは、腐食抑制層を含まない。なぜなら、腐食抑制層が提供する付加的な保護は、金属層がアルミニウムから成る場合、通常必要ないからである。

ＵＶＡフィルターのフィルター高さは３５０ｎｍ、ＵＶＢフィルターのフィルター高さは３９８ｎｍ、および２２０ｎｍ中心フィルターのフィルター高さは２７７ｎｍである。これらのフィルター高さは、従来の全誘電体ＵＶフィルターよりも大幅に低い。

図１３Ａは、入射角０°〜６０°での例示ＵＶＡフィルターの透過スペクトル１３７０（０°）および１３７１（６０°）のプロットである。図１３Ｂは、入射角０°〜６０°での例示ＵＶＢフィルターの透過スペクトル１３７２（０°）および１３７３（６０°）のプロットである。図１３Ｃは、入射角０°〜６０°での例示２２０ｎｍ中心フィルターの透過スペクトル１３７４（０°）および１３７５（６０°）のプロットである。入射角０°での例示ＵＶＡフィルターの透過スペクトル１３７０は、約３５５ｎｍを中心とするＵＶＡ通過帯域を含み、入射角０°での例示ＵＶＢフィルターの透過スペクトル１３７２は、約２９５ｎｍを中心とするＵＶＢ通過帯域を含み、入射角０°での２２０ｎｍ中心フィルターの透過スペクトル１３７４は、約２２０ｎｍを中心とする通過帯域を含む。入射角６０°での例示ＵＶフィルターの角度シフトは、大きさで約１５ｎｍ未満である。有利には、例示ＵＶフィルターの角度シフトは、従来の全誘電体ＵＶフィルターの角度シフトよりも大幅に小さい。

例示ＵＶフィルターの各々は、約１０％を超える最大帯域内透過率を有する。特に、ＵＶＡおよびＵＶＢフィルターの各々は、約２０％を超える最大帯域内透過率を有する。有利には、例示ＵＶフィルターは、従来の全誘電体ＵＶフィルターと比べて向上したＩＲブロッキングを提供し、ＩＲ漏れに因るノイズを低減する。とりわけ、例示ＵＶフィルターの各々は、約４２０ｎｍ〜約１１００ｎｍ、即ち、可視およびＩＲスペクトル領域において、約０．３％未満の平均帯域外透過率を有する。

本発明の光学フィルターは、センサーデバイスまたは他の能動デバイスの一部に含まれる場合に特に有用である。センサーデバイスは、本発明に係る１つ以上の光学フィルターに加えて、１つ以上のセンサー素子を含む任意の種類のセンサーデバイスであってもよい。場合によっては、センサーデバイスはまた、１つ以上の従来の光学フィルターを含んでもよい。例えば、センサーデバイスは、画像センサー、環境光センサー、近接センサー、色相センサー、ＵＶセンサー、またはそれらの組み合わせであってもよい。１つ以上のセンサー素子は、任意の種類の従来のセンサー素子であってもよい。典型的に、１つ以上のセンサー素子は、フォトダイオード、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサー素子、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサー素子、シリコン検出器、または特定ＵＶ高感度検出器等の光検出器である。１つ以上のセンサー素子は、前面または背面照射であってもよい。センサー素子は、シリコン、ヒ化ガリウムインジウム（Ｉｎ_１-ｘＧａ_ｘＡｓ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム、硫化鉛（ＰｂＳ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）等の任意の典型的なセンサー材料から成ってもよい。

１つ以上の光学フィルターは、１つ以上のセンサー素子の上に配置され、１つ以上の光学フィルターが、１つ以上のセンサー素子に提供される光をフィルタリングする。典型的に、各光学フィルターは、１つのセンサー素子の上に配置される。言い換えれば、センサーデバイスの各画素は、典型的に、１つの光学フィルターと１つのセンサー素子とを含む。好ましくは、１つ以上の光学フィルターは、１つ以上のセンサー素子のパッシベーション層の上等、１つ以上のセンサー素子の上に直接配置される。例えば、１つ以上の光学フィルターは、リフトオフプロセスによって１つ以上のセンサー素子の上に形成されてもよい。しかし、場合によっては、１つ以上の光学フィルターと１つ以上のセンサー素子との間には１つ以上のコーティングが配置され得る。場合によっては、１つ以上の光学フィルターは、１つ以上のセンサー素子と一体化されてもよい。

いくつかの実施形態において、センサーデバイスは、単一のセンサー素子と、センサー素子の上に配置される本発明に係る単一の光学フィルターとを含む。図７を参照して、センサーデバイス７９０の第１実施形態は、センサー素子７１１と、センサー素子７１１の上に配置される光学フィルター７００とを含む。例えば、センサーデバイス７９０は、環境光センサーであってもよく、センサー素子７１１は、フォトダイオードであってもよく、光学フィルター７００は、図４Ｄの例示明所フィルター等の明所フィルター、または、ＩＲブロッキングフィルターであってもよい。他の例では、センサーデバイス７９０は、ＵＶセンサーであってもよく、センサー素子７１１は、フォトダイオードであってもよく、光学フィルター７００は、図１２の例示ＵＶＡ、ＵＶＢ、または２２０ｎｍ中心フィルター等のＵＶフィルターであってもよい。

環境光センサーの例示実施形態において、本発明に係る明所フィルターは、フォトダイオードと一体化される。明所フィルターは、フォトダイオードの上、典型的に、フォトダイオードの例えばＳｉ_３Ｎ_４から成る平坦化パッシベーション層の上に配置される。例えばエポキシ樹脂から成る任意の保護コーティングまたは封入層は、明所フィルターおよびフォトダイオードの上に配置されてもよい。明所フィルターの光学設計は、パッシベーション層、および、存在する場合は封入層を考慮して最適化される。

入射角０°〜６０°でのフォトダイオードとの一体化のために最適化された例示明所フィルターの透過スペクトル１４７０（０°）および１４７１（６０°）を、正規化明所応答曲線１４７２と共に、図１４にプロットする。透過スペクトル１４７０および１４７１は、Ｓｉ_３Ｎ_４パッシベーション層およびエポキシ樹脂封入層と適合する。入射角０°での例示明所フィルターの透過スペクトル１４７０は、約５５５ｎｍを中心とする明所通過帯域を含む。例示明所フィルターの透過スペクトル１４７０は、入射角０°〜４０°で正規化明所応答曲線１４７２にある程度追従する。また、例示明所フィルターは、入射角０°〜６０°でＵＶおよびＩＲ光をどちらもブロックし、低角度シフトを有する。有利には、例示明所フィルターは、例えば温度１２５℃および相対湿度１００％で９６時間、環境的耐久性がある。

他の実施形態において、センサーデバイスは、複数のセンサー素子と、複数のセンサー素子の上に配置される本発明に係る複数の光学フィルターとを含む。典型的に、センサー素子は、アレイ状に配置される。言い換えれば、センサー素子は、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳアレイ、または任意の他の種類の従来のセンサーアレイ等のセンサーアレイを形成する。また、典型的に、光学フィルターは、アレイ状に配置される。言い換えれば、光学フィルターは、カラーフィルターアレイ（ＣＦＡ）等の光学フィルターアレイを形成する。好ましくは、センサーアレイおよび光学フィルターアレイは、対応する二次元アレイ、即ち、モザイクである。例えば、アレイは、行と列とを有する長方形アレイである。

多くの場合、そのような実施形態において、光学フィルターは、実質的に互いに離間している。言い換えれば、光学フィルターの周縁部は、通常、互いに接触していない。しかし、場合によっては、光学フィルターの誘電体層は、非意図的に接触するかもしれず、他方、金属層の特にテーパ状エッジは、互いに離間したままである。

典型的に、複数の光学フィルターは、互いに異なる通過帯域を有する異なる種類の光学フィルターを含む。例えば、複数の光学フィルターは、赤色、緑色、青色、シアン、黄色、および／またはマゼンタフィルター等のカラーフィルター、明所フィルター、ＩＲブロッキングフィルター、ＵＶフィルター、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態において、複数の光学フィルターは、異なる種類のカラーフィルターを含み、ＣＦＡを形成する。例えば、複数の光学フィルターは、図４Ａ〜４Ｃの例示赤色、緑色、および青色フィルター等の赤色、緑色、および青色フィルターを含み、ベイヤーフィルターアレイ等のＲＧＢフィルターアレイを形成してもよい。他の例では、複数の光学フィルターは、シアン、マゼンタ、および黄色フィルターを含み、ＣＭＹフィルターアレイを形成してもよい。

有利には、異なる種類の光学フィルターは、互いに異なる数の金属層および／または異なる厚みの金属層を有してもよい。いくつかの実施形態において、少なくとも２つの異なる種類の光学フィルターは、互いに異なる数の金属層を含む。同じまたは他の実施形態において、少なくとも２つの異なる種類の光学フィルターは、互いに異なる金属層厚みを有する。例えば、図４Ｃの例示青色フィルターは、図４Ａおよび４Ｂの例示赤色および緑色フィルターと異なる数の金属層を有する。また、図４Ａ〜４Ｃの例示赤色、緑色、および青色フィルターは全て、互いに異なる金属層厚みを有する。

図８を参照して、センサーデバイス８９０の第２実施形態は、複数のセンサー素子８１１と、複数のセンサー素子８１１の上に配置される複数の光学フィルター８００および８０４とを含む。複数の光学フィルター８００および８０４は、第１通過帯域を有する第１種類の光学フィルター８００と、第１通過帯域と異なる第２通過帯域を有する第２種類の光学フィルター８０４とを含む。例えば、センサーデバイス８９０は、画像センサーであり、複数のセンサー素子８１１は、ＣＣＤアレイであり、複数の光学フィルター８００および８０４は、ベイヤーフィルターアレイであってもよい（そのうちの１行の一部のみが図示されている）。第１種類の光学フィルター８００は、図４Ｂの例示緑色フィルター等の緑色フィルターであってもよく、第２種類の光学フィルター８０４は、図４Ａの例示赤色フィルター等の赤色フィルターまたは図４Ｃの例示青色フィルター等の青色フィルターであってもよい。

前述のセンサーデバイスの実施形態のいずれも、より環境耐久性のある１つ以上の付加的な光学フィルターおよび１つ以上の付加的なセンサー素子と組み合わせてもよい。

よって、いくつかの実施形態において、センサーデバイスは、１つ以上の第１センサー素子の上に配置される本発明に係る１つ以上の第１光学フィルターに加えて、１つ以上の第２センサー素子の上に配置される１つ以上の第２光学フィルターを含む。１つ以上の第２光学フィルターは、１つ以上の第１光学フィルターよりも環境耐久性が高い。例えば、１つ以上の第１光学フィルターは、金属層が銀または銀合金から成る本発明に係る銀誘電体光学フィルターであってもよい。１つ以上の第２光学フィルターは、金属層がアルミニウムから成る本発明に係るアルミニウム誘電体光学フィルターであってもよい。あるいは、１つ以上の第２光学フィルターは、全誘電体、シリコン誘電体、または水素化シリコン誘電体光学フィルター等の従来の光学フィルターであってもよい。

そのような実施形態において、１つ以上の第２光学フィルターは、１つ以上の第１光学フィルターと部分的に重なり、より環境耐久性の高い１つ以上の第２光学フィルターがより環境耐久性の低い１つ以上の第１光学フィルターの周縁部を保護的に覆う。有利には、この重複レイアウトによって、１つ以上の第１光学フィルターの特に金属層のテーパ状エッジに、腐食等の環境劣化からの付加的な保護を与える。１つ以上の第１光学フィルターのフィルター側面の小傾斜および低フィルター高さのため、１つ以上の第１光学フィルターの周縁部の傾斜側面および基板上に配置されると、１つ以上の第２光学フィルターは、合致して、１つ以上の第２光学フィルターに連続層を提供する。

１つ以上の第２光学フィルターは、金属層のテーパ状エッジを含む１つ以上の第１光学フィルターの周縁部の傾斜側面へ、好ましくは１つ以上の第１光学フィルターの全周縁部に沿って伸びる。好ましくは、１つ以上の第２光学フィルターは、１つ以上の第１光学フィルターの周縁部の傾斜側面を完全に覆う。しかし、１つ以上の第２光学フィルターは、１つ以上の第１センサー素子を覆って妨げることはない。

典型的に、１つ以上の第１光学フィルターおよび１つ以上の第２光学フィルターは、互いに異なる通過帯域を有する。例えば、１つ以上の第１光学フィルターは、赤色、緑色、青色、シアン、黄色、またはマゼンタフィルター等のカラーフィルター、明所フィルター、ＩＲブロッキングフィルター、またはそれらの組み合わせであってもよい。特に、１つ以上の第１光学フィルターは、図４Ａ〜４Ｃの例示赤色、緑色、および／または青色フィルター等の銀誘電体カラーフィルター、図４Ｄの例示明所フィルター等の銀誘電体明所フィルター、または銀誘電体ＩＲブロッキングフィルターであってもよい。

１つ以上の第２光学フィルターは、例えば、ＵＶフィルター、近ＩＲフィルター、またはそれらの組み合わせであってもよい。特に、１つ以上の第２光学フィルターは、図１２の例示ＵＶＡ、ＵＶＢ、および／または２２０ｎｍ中心フィルター等のアルミニウム誘電体ＵＶフィルター、または、全誘電体ＵＶフィルターであってもよい。あるいは、１つ以上の第２光学フィルターは、２０１４年１月１６日公開のＨｅｎｄｒｉｘ他の米国特許出願公報第２０１４／００１４８３８号に記載の光学フィルター等の、シリコン誘電体または水素化シリコン誘電体近ＩＲフィルターであってもよい。

典型的に、センサーデバイスは、そのような実施形態において、多機能であり、１つ以上の第１光学フィルターおよび１つ以上の第２光学フィルターの通過帯域によって主に決定される異なる機能を有する異なる種類の光学センサーを組み合わせる。１つ以上の第１光学フィルターおよび１つ以上の第１センサー素子は、第１種類の光学センサーを形成し、１つ以上の第２光学フィルターおよび１つ以上の第２センサー素子は、第２種類の光学センサーを形成する。例えば、第１種類の光学センサーは、明所フィルターまたはＩＲブロッキングフィルターを含む環境光センサー、１つ以上の異なる種類のカラーフィルターを含む色相センサー、または複数の異なる種類のカラーフィルターを含む画像センサーであってもよい。第２種類の光学センサーは、例えば、ＵＶフィルターを含むＵＶセンサー、または、近ＩＲフィルターを含む近接センサーであってもよい。

図１５を参照して、センサーデバイス１５９０の第３実施形態は、第１センサー素子１５１１と、第１センサー素子１の上に配置される本発明に係る第１光学フィルター１５００とを含み、第１種類の光学センサーを形成する。センサーデバイス１５９０はさらに、第２センサー素子１５１２と、第２センサー素子１５１２の上に配置されるより環境耐久性の高い第２光学フィルター１５０５とを含み、第２種類の光学センサーを形成する。

例えば、第１種類の光学センサーは、環境光センサーであってもよく、第１光学フィルター１５００は、図４Ｄの例示明所フィルター等の銀誘電体明所フィルター、または、銀誘電体ＩＲブロッキングフィルターであってもよい。第２種類の光学センサーは、例えば、ＵＶセンサーであってもよく、第２光学フィルター１５０５は、図１２の例示ＵＶＡ、ＵＶＢ、または２２０ｎｍ中心フィルター等のアルミニウム誘電体ＵＶフィルター、または、全誘電体ＵＶフィルターであってもよい。あるいは、第２種類の光学センサーは、近接センサーであってもよく、第２光学フィルター１５０５は、全誘電体、シリコン誘電体、または水素化シリコン誘電体等の近ＩＲフィルターであってもよい。第１センサー素子１５１１および第２センサー素子１５１２は、フォトダイオードであってもよい。

特に図１５Ａを参照して、第２光学フィルター１５０５は、第１光学フィルター１５００の全周縁部に沿って、第１光学フィルター１５００の傾斜側面の上に伸びる。こうして、第２光学フィルター１５０５は、金属層のテーパ状エッジを含む第１光学フィルター１５００の周縁部を保護的に覆う。

特に図１５Ｂおよび１５Ｃを参照して、第１光学フィルター１５００は、第１センサー素子１５１１を覆い第１センサー素子１５１１に与えられる光をフィルタリングする。第２光学フィルター１５０５は、第２センサー素子１５１２を覆い第２センサー素子１５１２に与えられる光をフィルタリングし、第１センサー素子１５１１を取り囲むが覆いはしない。図１５Ｂに示すレイアウトにおいて、第１センサー素子１５１１および第２センサー素子１５１２は、接着パッド１５１３の行の間の行に配置される。図１５Ｃに示す代替レイアウトにおいて、第２センサー素子１５１２は、環状であり、第１センサー素子１５１１を取り囲む。

図１６を参照して、センサーデバイス１６９０の第４実施形態は、複数の第１センサー素子１６１１と、複数の第１センサー素子１６１１の上に配置される本発明に係る複数の第１光学フィルター１６００、１６０４、および１６０６とを含み、第１種類の光学センサーを形成する。センサーデバイス１６９０はさらに、第２センサー素子１６１２と、第２センサー素子１６１２の上に配置される第２光学フィルター１６０５とを含み、第２種類の光学センサーを形成する。

例えば、第１種類の光学センサーは、画像センサーまたは色相センサーであってもよく、複数の第１光学フィルター１６００、１６０４、および１６０６は、図４Ａ〜４Ｃの例示銀誘電体赤色、緑色、および青色フィルター等の異なる種類のカラーフィルターであってもよい。第２種類の光学センサーは、例えば、ＵＶセンサーであってもよく、第２光学フィルター１６０５は、図１２の例示アルミニウム誘電体ＵＶＡ、ＵＶＢ、または２２０ｎｍ中心フィルター等のＵＶフィルターであってもよい。あるいは、第２種類の光学センサーは、近接センサーであってもよく、第２光学フィルター１６０５は、全誘電体、シリコン誘電体、または水素化シリコン誘電体近ＩＲフィルター等の近ＩＲフィルターであってもよい。複数の第１センサー素子１６１１および第２センサー素子１６１２は、フォトダイオードアレイを形成してもよい。

Claims (30)

1. 基板上に配置される光学フィルターであって、
   １つ以上の誘電体層と、
   前記基板上の前記１つ以上の誘電体層と交互に積層される１つ以上の金属層と、を含み、
   前記１つ以上の金属層の各々は、テーパ状エッジを有し、前記テーパ状エッジは、前記光学フィルターの周縁部で金属層の全周縁部に沿って伸び、前記１つ以上の誘電体層の少なくとも１つによって金属層の全周縁部に沿って保護的に覆われる、光学フィルター。
2. 前記１つ以上の誘電体層は、複数の誘電体層から構成され、
   前記１つ以上の金属層は、複数の金属層から構成される、請求項１に記載の光学フィルター。
3. 前記光学フィルターは、実質的に平坦な上面および傾斜側面を有し、
   前記光学フィルターの側面は、水平面から約４５°未満の角度で傾斜している、請求項２に記載の光学フィルター。
4. 前記光学フィルターの側面は、水平面から約２０°未満の角度で傾斜している、請求項３に記載の光学フィルター。
5. 前記光学フィルターは、約１μｍ未満のフィルター高さを有する、請求項２に記載の光学フィルター。
6. 前記複数の金属層の各々は、前記光学フィルターの中心部にわたって実質的に一定の厚みを有する、請求項２に記載の光学フィルター。
7. 前記複数の金属層の各々は、銀、銀合金、またはアルミニウムから成る、請求項２に記載の光学フィルター。
8. 前記光学フィルターは、カラーフィルター、明所フィルター、赤外線ブロッキングフィルター、または紫外線フィルターである、請求項７に記載の光学フィルター。
9. 前記複数の誘電体層は、前記複数の金属層のテーパ状エッジを保護的に覆う上部誘電体層を含む、請求項２に記載の光学フィルター。
10. 前記上部誘電体層は、約４０ｎｍを超える物理厚みを有する、請求項９に記載のセンサーデバイス。
11. センサーデバイスであって、
    １つ以上の第１センサー素子と、
    前記１つ以上の第１センサー素子の上に配置される１つ以上の第１光学フィルターと、を含み、
    前記１つ以上の第１光学フィルターの各々は、
    １つ以上の誘電体層と、
    前記１つ以上の誘電体層と交互に積層される１つ以上の金属層と、を含み、
    前記１つ以上の金属層の各々は、テーパ状エッジを有し、前記テーパ状エッジは、前記光学フィルターの周縁部で金属層の全周縁部に沿って伸び、前記１つ以上の誘電体層の少なくとも１つによって金属層の全周縁部に沿って保護的に覆われる、センサーデバイス。
12. 前記１つ以上の誘電体層は、複数の誘電体層から構成され、
    前記１つ以上の金属層は、複数の金属層から構成される、請求項１１に記載のセンサーデバイス。
13. 前記１つ以上の第１光学フィルターは、前記１つ以上の第１センサー素子のパッシベーション層の上に配置される、請求項１２に記載のセンサーデバイス。
14. 前記１つ以上の第１光学フィルターおよび前記１つ以上の第１センサー素子の上に配置される封入層をさらに含む、請求項１３に記載のセンサーデバイス。
15. 前記センサーデバイスは、画像センサー、環境光センサー、近接センサー、色相センサー、紫外線センサー、またはそれらの組み合わせである、請求項１２に記載のセンサーデバイス。
16. １つ以上の第２センサー素子と、
    前記１つ以上の第２センサー素子の上に配置される１つ以上の第２光学フィルターと、を含み、
    前記１つ以上の第２光学フィルターは、前記１つ以上の第１光学フィルターよりも環境耐久性が高く、
    前記１つ以上の第２光学フィルターは、前記１つ以上の第１光学フィルターと部分的に重なり、前記１つ以上の第１光学フィルターの周縁部を保護的に覆う、請求項１２に記載のセンサーデバイス。
17. 前記１つ以上の第１光学フィルターは、実質的に平坦な上面および傾斜側面を有し、
    前記１つ以上の第２光学フィルターは、前記１つ以上の第１光学フィルターの傾斜側面の上に伸びる、請求項１６に記載のセンサーデバイス。
18. 前記複数の金属層の各々は、銀または銀合金から成る、請求項１６に記載のセンサーデバイス。
19. 前記１つ以上の第１光学フィルターは、１つ以上のカラーフィルター、明所フィルター、赤外線ブロッキングフィルター、またはそれらの組み合わせである、請求項１８に記載のセンサーデバイス。
20. 前記１つ以上の第２光学フィルターは、１つ以上の全誘電体光学フィルター、アルミニウム誘電体光学フィルター、シリコン誘電体光学フィルター、水素化シリコン誘電体光学フィルター、またはそれらの組み合わせである、請求項１８に記載のセンサーデバイス。
21. 前記１つ以上の第２光学フィルターは、１つ以上の紫外線フィルター、近赤外線フィルター、またはそれらの組み合わせである、請求項２０に記載のセンサーデバイス。
22. 光学フィルターの製造方法であって、
    基板を設けるステップと、
    前記基板上にフォトレジスト層を塗布するステップと、
    前記フォトレジスト層をパターン化して、前記基板のフィルター領域を露出するステップであって、前記フィルター領域を囲むパターン化フォトレジスト層においてオーバーハングが形成されるステップと、
    １つ以上の誘電体層と交互に積層される１つ以上の金属層を含む多層積層体を、前記パターン化フォトレジスト層および前記基板のフィルター領域の上に堆積するステップと、
    前記パターン化フォトレジスト層および前記パターン化フォトレジスト層の上の前記多層積層体の部分を除去して、前記基板のフィルター領域の上に残存する多層積層体の部分で光学フィルターを形成するステップと、を含み、
    前記光学フィルターにおける前記１つ以上の金属層の各々は、テーパ状エッジを有し、前記テーパ状エッジは、前記光学フィルターの周縁部で金属層の全周縁部に沿って伸び、前記１つ以上の誘電体層の少なくとも１つによって金属層の全周縁部に沿って保護的に覆われる、方法。
23. 前記１つ以上の金属層は、複数の金属層から構成され、
    前記１つ以上の誘電体層は、複数の誘電体層から構成される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記基板は、センサー素子である、請求項２３に記載の方法。
25. 前記オーバーハングは、少なくとも２μｍである、請求項２３に記載の方法。
26. 前記オーバーハングは、少なくとも４μｍである、請求項２５に記載の方法。
27. 前記フォトレジスト層は、底部剥離層と上部感光層とを含む、請求項２３に記載の方法。
28. 前記多層積層体は、前記底部剥離層の厚みの約７０％未満の厚みで堆積される、請求項２７に記載の方法。
29. 前記多層積層体は、前記底部剥離層の厚みの約３０％未満の厚みで堆積される、請求項２８に記載の方法。
30. 前記基板上に前記第１光学フィルターよりも環境耐久性が高い第２光学フィルターを形成して、前記第２光学フィルターが前記第１光学フィルターと部分的に重なり、前記第１光学フィルターの周縁部を保護的に覆うようにするステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。

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