JP2018506076A - 改良された透過率を有する近赤外線光学干渉フィルタ - Google Patents

Abstract

干渉フィルタが、少なくとも、窒素が添加された水素化非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ）の層、および、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ等の１つ以上の誘電材料の層であって、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内のより高い屈折率を伴う誘電材料、または、その他の複数の層を備えている層スタックを含む。干渉フィルタは、７５０〜１０００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内の通過帯域中心波長を有するように設計される。ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層内に添加される窒素は、同等の透過率を伴うａ−Ｓｉ：Ｈにおいて観察される屈折率における大きな低下を伴わずに、通過帯域内に改良された透過率を提供する。１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内のより高い屈折率を伴う誘電材料の層は、ＳｉＯ２を低屈折率層として使用する類似干渉フィルタと比較して、より小さい角度シフトを提供する。

Description

本願は、米国仮出願第６２／１１７，５９８号（２０１５年２月１８日出願、名称「ＮＥＡＲ ＩＮＦＲＡＲＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＩＮＴＥＲＦＥＲＥＮＣＥ ＦＩＬＴＥＲＳ ＷＩＴＨ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ」）の利益を主張する。米国仮出願第６２／１１７，５９８号（２０１５年２月１８日出願）は、その全体が参照により本明細書に援用される。

以下は、光学技術分野、光学フィルタ技術分野、および関連技術分野に関する。

公知の透過率干渉フィルタは、交互するケイ素層と二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層とのスタックを採用する。そのような素子は、短波および中波赤外線から約１１００ｎｍまでにおける使用のために公知であり、ケイ素およびＳｉＯ_２は両方とも、この範囲内では透明である。より低い波長閾値（上限光子エネルギー閾値に対応する）は、その結晶性形態では、約１．１２ｅＶのバンドギャップを有する、ケイ素による吸収の発現によって制御される。これらの素子内におけるケイ素の重要な利点は、その高屈折率である。光学干渉フィルタのスペクトルプロファイルは、とりわけ、照明の角度に依存する。角度が増加するにつれて、フィルタは、より短い波長にシフトする。この角度シフトは、使用される材料およびそれらの材料の分布に依存する。より高い屈折率は、より小さい角度シフトをもたらす。狭帯域フィルタに対して、角度シフトの量は、光学システム内で使用される場合のフィルタの有用帯域幅を限定する。大角度受光角を伴うシステムでは、低角度シフトをもたらすように構築されたフィルタは、より狭通過帯域を有し、故に、より低い屈折率を伴う材料から構築されるものより優れた雑音除去を有することができる。

素子動作を近赤外線まで拡張するために、ケイ素を水素化し、水素化非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ：Ｈ）とＳｉＯ_２との交互層を採用することがさらに公知である。ケイ素を水素化することによって、材料損失および屈折率が、低減させられる。このアプローチによって、８００〜１０００ｎｍ範囲内で動作する非常に高性能干渉フィルタが、達成可能である。

いくつかの改良点が、本明細書に開示される。

本明細書に開示される一例証的側面では、少なくとも、窒素が添加された水素化非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ）の層と、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎの屈折率より低い屈折率を有する１つ以上の誘電材料の層との複数の層を備えている層スタックを含む干渉フィルタが、開示される。１つ以上の誘電材料は、非限定的実施例として、ＳｉＯ_２、亜酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、および／または酸窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の誘電材料は、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層を含む。いくつかの実施形態では、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎは、１％〜４％の水素および２％〜６％の窒素の原子濃度を有する。層スタックは、ガラス基板等の透明基板によって支持され得る。

本明細書に開示される別の例証的側面では、干渉フィルタは、交互するａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層とケイ素系誘電層とを備えている層スタックを含み、干渉フィルタは、７５０〜１１００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内、またはより好ましくは、８００〜１１００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内の中心波長を伴う少なくとも１つの通過帯域を有する。ケイ素系誘電層は、非限定的実施例として、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）層および／または酸窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）層を備え得る。いくつかの実施形態では、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎは、４％〜８％の水素および２％〜１２％の窒素の原子濃度を有する。層スタックは、ガラス基板等の透明基板によって支持され得る。

本明細書に開示される別の例証的側面では、交互するａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層とＳｉＯｘ層とを備えている干渉フィルタを製造する方法が、開示される。方法は、スパッタリング中、ケイ素標的からフィルタ基板上にケイ素をスパッタリングすることと、（ｉ）Ｓｉ：Ｈ，Ｎを堆積するための水素および窒素を含むプロセスガスと、（ｉｉ）ＳｉＯ_ｘを堆積するための酸素を含むプロセスガスとの間で交互することとを含む。スパッタリングは、負のバイアスをケイ素標的に印加することと、不活性ガス成分を水素および窒素を含むプロセスガスおよび酸素を含むプロセスガスの両方の中に含むこととを含み得る。不活性ガスは、例えば、アルゴンであり得る。このプロセスによって製造される干渉フィルタも、開示される。

本明細書に開示される別の例証的側面では、干渉フィルタは、少なくとも、水素化非晶質ケイ素の層と、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層を含む水素化非晶質ケイ素の屈折率より低い屈折率を有する１つ以上の誘電材料の層との複数の層を備えている層スタックを含む。いくつかの実施形態では、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｙは、１．９以上の屈折率を提供するために十分に大きい）、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、またはＴｉＯ_２を備えている１つ以上の層を含む。いくつかの実施形態では、層スタックは、水素化非晶質ケイ素の介在層を伴わずに、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層に直接隣接する少なくとも１つのＳｉＯ_２層を含む。いくつかの実施形態では、水素化非晶質ケイ素は、窒素を含む。いくつかのそのような実施形態では、窒素を含む水素化非晶質ケイ素は、１％〜４％の水素および２％〜６％の窒素の原子濃度を有する。

図１は、本明細書に開示されるように、改良された透過率および／または低減させられた角度シフトを伴う、近赤外線光学干渉フィルタを製作するためのスパッタリング堆積システムを図式的に示す。

図２は、水素化非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の光学特性（透過率および屈折率）に及ぼす水素化の影響を図式的に示す。

図３は、固定水素化レベルのａ−Ｓｉ：Ｈの光学特性（透過率および屈折率）に及ぼす窒素添加剤の影響を図式的に示す。

図４は、図１のスパッタリング堆積システムを使用して好適に製造される干渉フィルタを図式的に示す。

前述のように、水素化ケイ素（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層を伴う層ユニットのスタックを備えている干渉フィルタが、ケイ素の水素化が通過帯域内に容認可能フィルタ透過率特性を提供するために、吸収損失（本質的ケイ素および乱れ誘起の両方に由来）を十分に低下させるので、近赤外線（８００〜１２５０ｎｍ）内の動作のために使用される。図２を簡単に参照すると、ここでは、近赤外線に対するこのアプローチは、実質的不利点を有することが認識される。概略の図２に見られるように、赤外線（例えば、範囲８００〜１１００ｎｍ）内の固定波長に対して、ａ−Ｓｉ：Ｈの水素化を増加させること（すなわち、ａ−Ｓｉ：Ｈの水素含有量を増加させること）は、損失を確かに低下させている。しかしながら、図２に図式的に描写されるように、ａ−Ｓｉ：Ｈの屈折率も低下させている。

高開口数光学システムのための狭帯域干渉フィルタの性能は、材料特性が急変している近赤外線領域において、高透過率を得ることと、小角度シフトを得ることとの間の妥協である。高透過率は、低吸光係数（大量の水素を用いて取得可能）に対応する一方、小角度シフトは、高屈折率（少量の水素を用いて取得可能）によって達成される。

図３を簡単に参照すると、開示される改良点は、近赤外線（８００〜１１００ｎｍ）における使用のために、Ｓｉ系干渉フィルタのａ−Ｓｉ：Ｈ層に制御された量の窒素を追加することに関する。換言すると、この改良点は、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎをａ−Ｓｉ：Ｈの代わりに使用することを伴う。図３に図式的に示されるように、赤外線（例えば、範囲８００〜１１００ｎｍ）内の固定波長に対して、かつ水素化の所与の（固定）レベルに対して、窒素を追加することは、低減させられた屈折率の同時低下を伴って透過率を増加させる。窒素を追加することの屈折率に及ぼす影響は、特に、１０％の窒素またはより低い範囲内の窒素の割合に対して、水素化の影響をはるかに下回る。故に、この修正は、角度シフト、ピーク透過率、およびフィルタ帯域幅の改良された制御を伴う、範囲８００〜１１００ｎｍ内で動作する近赤外線干渉フィルタの製作を可能にする。

一方、所与の通過帯域幅に対して、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎをａ−Ｓｉ：Ｈの代わりに使用することは、通過帯域における改良された透過率を提供することができる。このアプローチでは、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎをａ−Ｓｉ：Ｈの代わりに使用することは、同じ屈折率ステップ（故に、同じスペクトル通過帯域幅）を有する等価なａ−Ｓｉ：Ｈ系素子と比較して、改良された透過率を伴う、通過帯域内の近赤外線干渉フィルタの製作を可能にする。実際、本発明者らは、この設計パラダイムにおいて、そのようなフィルタの実践的動作範囲が７５０ｎｍまで拡張されることができることを見出した。

当業者は、開示されるａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ系干渉フィルタによって包含されるスペクトル範囲が、８５０ｎｍ光学データ通信窓等の技術的重要な通過帯域を包含することを認識するであろう。

この範囲内で動作するいくつかの干渉フィルタ用途において、別の考慮点は、通過帯域の角度シフトである。概念上、角度シフトは、直角入射からの角度偏差の増加とともに増加する、層通した光線経路長から生じる。経路長におけるこの増加は、位相遅延の変化に対応し、それは、建設的／相殺的干渉に影響を及ぼし、角度シフトを導入する。層を通した直角入射経路長が、ｄ_Ｌである場合、材料内を角度θ_Ｌにおいて層を通る経路長（直角入射のための法線、すなわち、θ_Ｌ＝０からずれて測定される）は、ｄ’_Ｌ＝ｄ_Ｌ／ｃｏｓ（θ_Ｌ）である。θ_Ｌは、スネルの法則に従って、干渉フィルタに衝突する光の入射角θに関連するので、周囲が空気（ｎ＝１）であると仮定すると、これは、θ_Ｌ＝ａｒｃｓｉｎ（θ／ｎ_Ｌ）につながり、式中、ｎ_Ｌは、層の屈折率である。恒等式
の使用は、これを
として書かれることを可能にする。したがって、角度シフト効果は、層の小さな屈折率ｎ_Ｌによって悪化させられることが分かる。

従来の干渉フィルタ設計では、典型的には、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折率対比を最大化することが所望される。ケイ素系干渉フィルタでは、高屈折率層は、ａ−Ｓｉ：Ｈである（本明細書に開示されるように、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎによって置換され得る）一方、二酸化ケイ素（ｎ約１．４〜１．５を有するＳｉＯ_２）は、低屈折率層としての役割を果たす。しかしながら、本明細書ではより高い屈折率材料を干渉フィルタの一部または全部の低屈折率層におけるＳｉＯ_２の代わりに使用することによって、７５０〜１０００ｎｍ範囲内で動作する干渉フィルタにおいて低減させられた角度シフトを得ることが開示される。いくつかの検討される実施形態では、代用層は、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する、誘電層である。これらの値を提供するいくつかの好適なＳｉ−適合材料として、窒化ケイ素（ｎ約２．０〜２．２を有するＳｉ_３Ｎ_４）、酸窒化ケイ素（ｙが１．９以上の屈折率を提供するために十分に大きいＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、五酸化タンタル（ｎ約２．１〜２．２を有するＴａ_２Ｏ_５）、五酸化ニオブ（ｎ約２．３〜２．４を有するＮｂ_２Ｏ_５）、または二酸化チタン（ｎ約２．６を有するＴｉＯ_２）が挙げられる。本明細書に示される例証的実施形態では、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）が、使用される。高屈折率ａ−Ｓｉ：Ｈまたはａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層は、低屈折率層との所望の屈折率対比を提供するために十分な水素（および随意に、窒素）含有量を有するべきである。

さらに、設計仕様角度のための所望の低角度シフトを得るために、スタックのいくつかのＳｉＯ_２層のみをより高い屈折率誘電材料（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）で置換することが十分な場合もある。光学設計ソフトウェア（例えば、光線トレースシミュレータ）が、所望の中心帯域、帯域幅、および角度シフト設計基準特性を達成するために、既知の屈折率を伴う材料に対する層設置および厚さを最適化するために使用されることができる。

ここで図１を参照すると、好適な製造システムが、説明される。例証的システムは、スパッタリング堆積を採用するが、しかしながら、真空蒸発、電子ビーム蒸発、またはその他等の他の堆積方法も、想定される。一般に、ａ．ｃ．またはｄ．ｃ．スパッタリングのいずれかが、使用され得る。例証的スパッタリング堆積システムは、スパッタリング標的ホルダ１２と、基板回転ラック１４とを含むプロセスチャンバ１０を含む。例証的堆積に対して、ケイ素標的１６（例えば、ケイ素ウエハ１６）が、スパッタリング標的ホルダ１２に搭載される。１つ以上の基板２０が、基板回転ラック１４の中に装填される。基板２０は、好適には、着目波長範囲（例えば、８００〜１０００ｎｍまたは７５０〜１０００ｎｍ）内で透明である、ガラス、シリカ、またはアルミナ等の材料である。

スパッタリング堆積では、エネルギー性粒子が、標的１６（この場合、ケイ素標的１６）に向かって方向付けられ、その粒子は、材料を標的から除去（すなわち、「スパッタリング」）するために十分なエネルギーを有し、それは、次いで、（弾道学的におよび／または磁気もしくは電場の影響下）、基板２０をスパッタリングされた材料でコーティングするように、基板２０の表面に移動する。例証的スパッタリング堆積システムは、例証的Ａｒガスボトル２２または別のアルゴン源からのアルゴン（Ａｒ）ガスをエネルギー性粒子として採用する。イオン化電場が、アルゴン原子をイオン化するために、負のバイアス（−Ｖ）を標的１６に印加することによって発生され、そして、アルゴン原子は、−Ｖ電圧バイアスによって発生された電場の影響下、負にバイアスされた標的１６に衝突し、スパッタリングを生産する。一方、基板２０は、標的１６と比較して、より正にバイアスされ、例えば、基板２０は、図１の例証的スパッタリングシステム内で接地される。この例証的構成では、標的１６は、電気回路のカソードであり、チャンバ１０（および／または基板２０、例えば、いくつかの実施形態では、基板回転ラック１４が、接地され得る）は、アノードである。アルゴンが、例証的実施形態では、スパッタリングガスであるが、キセノン等のイオン化され得る他の不活性ガスも、代替として、使用され得る。

二酸化ケイ素を堆積するために、酸素（Ｏ_２）ボトル２４または他の酸素源が、提供される。窒素添加剤を伴う水素化非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ）を堆積するために、水素（Ｈ_２）ボトル２６または他の水素源（例えば、アンモニアＮＨ_４またはシランＳｉＨ_４）と窒素（Ｎ_２）ボトル３０または他の窒素源とが、提供される。（図式的に示される）ガス入口マニホールド３２が、スパッタリング堆積プロセス中、所望のガス混合物をプロセスチャンバ１０の中に入れるために提供される。流量調整弁３４が、それぞれ、Ａｒ、Ｏ_２、Ｈ_２、およびＮ_２の流量を設定するように調節可能である。プロセスチャンバ１０は、好適な排気口３６とも接続され（例えば、スクラバまたは同等物を用いて）、ガスをチャンバ１０から排出する。他のガス源を例証的Ｏ_２、Ｈ_２、およびＮ_２ボトルの代わりに使用することも想定される。他の好適な窒素ガス源として、アンモニア（ＮＨ_４）またはヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）が挙げられる。窒素および水素の両方を含む、アンモニアまたはヒドラジン等のガス源を使用するとき、較正が、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層の中への窒素および水素の相対的組み入れを考慮するために行われるべきである。基板温度、標的バイアス（−Ｖ）、プロセスチャンバ圧力、総流量等のプロセスパラメータは、窒素対水素の相対的組み入れに影響を及ぼし得る。２つの弁ＶＡ、ＶＢが、ＳｉＯ_２を堆積することとａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎを堆積することとの間で切り替えるために提供される。弁ＶＡは、酸素源２４からガス入口マニホールド３２の中への酸素の進入を制御する一方、弁ＶＢは、水素および窒素源２６、３０からの水素／窒素混合物の進入を制御する。ＳｉＯ_２堆積とａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ堆積との間の高速切り替えを可能にするために、弁ＶＡ、ＶＢは、自動化された弁であり、そのアクチュエータは、フィルタ手順４２に従って、電子スパッタリングコントローラ４０によって制御される。例えば、スパッタリングコントローラ４０は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータと、高電圧源と、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラとを備え得、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラは、フィルタ手順４２に従ってそれぞれの弁ＶＡ、ＶＢを開放または閉鎖するための電気作動信号を発生させるＤ／Ａコンバータを動作させることと、電圧源を動作させ、電圧−Ｖを標的／カソード１６に印加することとを行うようにプログラムされる。図１に示される右下の差込表５０は、ＳｉＯ_２およびａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎを堆積するための弁ＶＡ、ＶＢに関する設定を要約する。ＳｉＯ_２を堆積するために、弁ＶＡは、開放し、酸素がガス入口マニホールド３２に入ることを許す一方、弁ＶＢは、閉鎖され、水素および窒素源をオフにする。結果として生じるプロセスガスは、アルゴン／酸素混合物である。ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎを堆積するために、弁ＶＡは、閉鎖され、酸素を阻止し、弁ＶＢは、開放され、アルゴン／水素／窒素混合物を備えているプロセスガスがガス入口マニホールド３２に入ることを許す。アルゴン源２２は、弁ＶＡ、ＶＢから独立してガス入口マニホールド３２に接続されることに留意されたい。別個の手動で動作可能な遮断弁（図示せず）が、典型的には、各ガス源２２、２４、２６、３０のために提供され、自動弁ＶＡ、ＶＢから独立して各ガス源の手動遮断を可能にする。

より高い屈折率材料を低屈折率層のうちのいくつかに代えて使用することがさらに所望される場合、追加のガス源が、好適な弁類とともに提供され得る。図１の例証的システムでは、追加の窒素（Ｎ_２）ボトル２５または他の窒素源が、提供され、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層を堆積するために、弁ＶＣによって制御される。表５０にさらに示されるように、Ｓｉ_３Ｎ_４の堆積は、弁ＶＣが開放し、弁ＶＡおよびＶＢの両方が閉鎖されるときに得られる。ＳｉＯ_２の堆積と同様に、窒化ケイ素のケイ素成分は、ケイ素系スパッタリング標的２０によって供給される。所望の化学量論は、好適な較正実行を使用して、窒素ボトル２５上の流量調整弁によって設定される。図１には図示されないが、類似設定が、弁ＶＢが閉鎖した状態で弁ＶＡ、ＶＣの両方を開放することによって、１．９以上の屈折率を伴うＳｉＯ_ｘＮ_ｙを堆積するために使用され得ることを理解されたい。ケイ素（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、またはＴｉＯ_２）を含まない誘電層の代わりに使用するために、標的ホルダ１２は、ケイ素標的で装填された複数の標的スロットと、非ケイ素含有誘電層を堆積することにおいてに使用するための、例えば、タンタル、ニオブ、またはチタンを含む好適な標的で装填された別のスロットとを有し得る。代替として、タンタル、ニオブ、チタン等は、ガス源または他の源によって提供され得る。

図１の製作システムを使用して好適に行われる例証的干渉フィルタ製作プロセスが、次に説明される。最初に、全ガス源２２、２４、２６、３０が、手動で閉鎖され、プロセスチャンバ１０が、大気圧にされ、開放され、標的１６が、標的ホルダ１２上に装填され、基板２０が、基板回転ラック１４上に装填される。プロセスチャンバ１０は、次いで、閉鎖され、標的真空レベルまで排気される。さらなる設定として、流量調整弁３４が、所望の流量に手動で設定される。（代替として、流量調整弁は、スパッタリングコントローラ４０の自動制御下にあることも想定され、その場合、調整弁は、フィルタ手順に提供される値に従って好適に設定される）。

スパッタリング堆積は、ガス入口マニホールド３２を介して適切なプロセスガスを流動させ、電場によって駆動され、ケイ素をケイ素標的１６からスパッタリングする、Ａｒ原子をイオン化するために、カソードバイアス−Ｖを標的１６に印加することによって開始される。特定の始動順序は、特定のスパッタリング堆積システムおよび他の設計考慮点に依存する。例えば、あるアプローチでは、プロセスガス流が、最初に開始され、次いで、カソードバイアス−Ｖが、印加され、スパッタリング堆積を開始する。代替として、バイアスは、不活性ガス流動下で印加され、スパッタリング堆積は、適切なプロセスガスを入れることによって開始されることができる。

スパッタリング中、弁ＶＡおよびＶＢ（および随意にＶＣ）は、ＳｉＯ_２（および／または随意にＳｉ_３Ｎ_４）を堆積することとａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層を堆積することとの間で交互するために、フィルタ手順４２および表５０の弁設定に従って、開放および閉鎖される。層厚は、堆積時間および較正堆積から得られる堆積率の先験的知識に基づいて制御される。層組成物は、較正堆積に基づいて設定される流量調整弁３４の設定によって制御されるプロセスガス混合物に基づいて決定される（パラメータも、層組成物にも影響を及ぼし得るので、そのような較正堆積は、較正試験マトリクス内の基板温度、標的バイアス（−Ｖ）、チャンバ圧力、および総流量等のプロセスパラメータも含むべきである）。干渉フィルタ層のスタックの堆積が完了された後、プロセスガス流およびバイアス電圧−Ｖは、除去され（再び、特定の遮断順序は、特定の堆積システムおよびその他に依存する）、プロセスチャンバ１０は、大気圧にされ、開放され、コーティングされた基板２０は、装填解除される。

図４を参照すると、そのように製作された干渉フィルタ１００の概略表現が、示される。フィルタは、基板１０２（例えば、基板回転ラック１４上に最初に装填される、ガラス、シリカ、またはアルミナ基板）と、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ １０４およびＳｉＯ_２ １０６および／またはＳｉ_３Ｎ_４ １０８の交互する層とを含む。例証的干渉フィルタ１００では、基板１０２に直接隣接する層は、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層１０４であるが、他の実施形態では、誘電層は、基板に直接隣接し得る。例証的干渉フィルタ１００では、最上層は、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層１０４であるが、他の実施形態では、誘電層が、最上層であり得る。例証的スタックは、直接隣接するＳｉＯ_２／Ｓｉ_３Ｎ_４層の事例を含み、それは、設計に従う場合、含まれ得る。例証的干渉フィルタ１００は、層スタック１１０、１１２を基板１０２の両側に含む。そのような素子を製造するために、スパッタリングチャンバは、開放され、基板は、基板回転ラック１４上で「裏返し」にされる必要があり得る。（代替として、基板回転ラック１４は、チャンバを押し破ることなく、そのような操作がロボットで行われることを可能にするように構成され得る）。２つのフィルタ側１１０、１１２を伴うそのようなフィルタは、例えば、通過帯域フィルタであり得、片側のスタックは、高域通過フィルタであり、他側のスタックは、低域通過フィルタである。そして、通過帯域は、高域通過フィルタより上でカットオフされ、かつ低域通過フィルタより下でカットオフされた波長範囲によって画定される。

この種類のフィルタの公知の用途は、ケイ素検出器を使用する用途におけるものである。これらの波長は、特に、光源ならびに検出器が存在する、能動素子において有用である。このスペクトル領域において、ＬＥＤおよびレーザは、容易に利用可能であり、それらは、安価、豊富、かつ効率的である。いくつかの主要用途として、限定ではないが、ヒト−機械（例えば、コンピュータ）相互作用の赤外線ジェスチャ制御、自動車のための赤外線暗視、ＬＩＤＡＲ、セキュリティカメラのための赤外線暗視、および携帯電話およびその他で使用される近接ＣＭＯＳセンサが挙げられる。これらの用途では、有用波長は、７００〜１１００ｎｍである。この範囲では、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎは、光学用途のために好適な高屈折率材料である。この範囲内の典型的屈折率は、３．３〜３．５である一方、比較として、ＴｉＯ_２は、わずか約２．３〜２．４の屈折率を有する。いくつかの好適な実施形態では、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層は、２％〜８％の水素と、３％〜７％の窒素とを含み、残りは、Ｓｉである。一般に、より多くの水素および窒素含有量は、より短い波長動作を提供する。一般に、６％〜１２％の高窒素濃度が、想定される。

例証的実施形態では、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層１０４は、ＳｉＯ_２層１０６と交互する。ＳｉＯ_２はａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎとの良好な化学的適合性と、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎとの界面に大屈折率ステップを提供する低屈折率（ｎ約１．５）とを含む、この目的のための有利な特性を有する。しかしながら、別の誘電層をＳｉＯ_２層の代わりに使用することも想定される。例えば、誘電体は、正確なＳｉＯ_２化学量論を有していなくてもよく、例えば、ＳｉＯ_２は、ＳｉＯ_ｘによって置換され得、式中、ｘは、精密に２ではない（また、本明細書では、「亜酸化ケイ素」とも称される）。

別の実施例として、酸窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）層が、ＳｉＯ_２の代わりに、誘電層として想定される。一般に、ＳｉＯ_ｘからＳｉＯ_ｘＮ_ｙとなるように窒素を追加すると、屈折率は、窒素含有量に伴って増加する。例えば、化学量論的窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、屈折率約２．０を有する。しかしながら、少量の窒素（すなわち、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、式中、ｘ約２およびｘ＞＞ｙ）が、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層１０４と隣接する誘電層との間の界面品質を改良することも想定される。これらの化合物は、新規材料組み合わせの構築および継続的に変動する屈折率プロファイルを可能にする、屈折率調整をもたらす。

成分層の屈折率を与えられた場合、成分層厚を設計するためのいくつかの好適な設計方法は、以下に基づく。一般に、層内の波長λは、λ＝λ_０／ｎによって与えられ、式中、λ_０は、自由空間波長であり、ｎは、屈折率である。より高い屈折率の表面からの反射は、１８０^ｏ位相シフトを導入する一方、位相シフトは、より低い屈折率の表面からの反射によっては導入されない。これらの原理を使用して、成分層の屈折率を与えられた場合、成分層の厚さは、設計基準通過帯域中心波長に対して、各層を通り、次の層とのその界面で反射された光学経路長が、建設的に組み合わせられるように、すなわち、波長の整数倍算であるように選定される。成分層厚（およびこれらがまた、最適化されたパラメータである場合、屈折率）を選定するためのより精巧な干渉フィルタ設計技法は、Ｈ．Ａｎｇｕｓ Ｍａｃｌｅｏｄ、ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ ＯＰＴＩＣＡＬ ＦＩＬＴＥＲＳ、ＦＯＵＲＴＨ ＥＤＩＴＩＯＮＥ（Ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ ２０１０）において与えられる。

例証的干渉フィルタは、２つの層の反復ユニットを含むが、ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層および２つの異なる誘電層等の３つ以上の層を反復ユニットの中に組み込み、所望の通過帯域特性（例えば、中心波長、ＦＷＨＭ、通過帯域の「平坦性」等）を達成することも想定される。

種々の前述で開示される特徴および機能および他のものまたはその代替は、望ましくは、多くの他の異なるシステムまたは用途に組み合わせられてもよいことを理解されたい。さらに、本明細書において種々の現在予想または予期されない代替、修正、変形例、もしくは改良も、その後、当業者によって成され得、それらもまた、以下の請求項によって包含されるものと意図されることを理解されたい。

Claims (34)

1. 干渉フィルタであって、前記干渉フィルタは、層スタックを備え、前記層スタックは、
   少なくとも、
   窒素が添加された水素化非晶質ケイ素（ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ）の層と、
   前記ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎの屈折率より低い屈折率を有する１つ以上の誘電材料の層と
   の複数の層を備えている、干渉フィルタ。
2. 前記１つ以上の誘電材料は、ＳｉＯ_２を含む、請求項１に記載の干渉フィルタ。
3. 前記１つ以上の誘電材料は、亜酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）を含む、請求項１に記載の干渉フィルタ。
4. 前記１つ以上の誘電層は、酸窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）を含む、請求項１に記載の干渉フィルタ。
5. 前記１つ以上の誘電材料の層は、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層を含む、請求項１に記載の干渉フィルタ。
6. 前記１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｙは、１．９以上の屈折率を提供するために十分に大きい）、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、またはＴｉＯ_２を備えている１つ以上の層を含む、請求項５に記載の干渉フィルタ。
7. 前記１つ以上の誘電材料の層は、ＳｉＯ_２層をさらに含む、請求項６に記載の干渉フィルタ。
8. 前記層スタックは、８００〜１１００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内の通過帯域中心波長を有するように構成されている、請求項１−７のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
9. 前記層スタックは、７５０〜１１００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内の通過帯域中心波長を有するように構成されている、請求項１−７のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
10. 前記ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎは、１％〜４％の水素および２％〜６％の窒素の原子濃度を有する、請求項１−９のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
11. 前記層スタックを支持する透明基板をさらに備えている、請求項１−１０のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
12. 前記透明基板は、ガラス基板を備えている、請求項１１に記載の干渉フィルタ。
13. 前記層スタックは、透明基板の片側の第１の層スタックと、前記透明基板の反対側の第２の層スタックとを含む、請求項１１−１２のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
14. 前記第１の層は、低域通過カットオフ波長を伴う低域通過フィルタを画定し、前記第２の層スタックは、高域通過カットオフ波長を伴う高域通過フィルタを画定し、前記干渉フィルタは、前記高域通過カットオフ波長と前記低域通過カットオフ波長との間に画定された通過帯域を有する、請求項１３に記載の干渉フィルタ。
15. 干渉フィルタであって、
    前記干渉フィルタは、交互するａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層とケイ素系誘電層とを備えている層スタックを備え、
    前記干渉フィルタは、７５０〜１１００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内の中心波長を伴う少なくとも１つの通過帯域を有する、干渉フィルタ。
16. ８００〜１１００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内の中心波長を伴う少なくとも１つの通過帯域を有する、請求項１５に記載の干渉フィルタ。
17. 前記通過帯域中心波長は、８５０ｎｍである、請求項１５に記載の干渉フィルタ。
18. 前記ケイ素系誘電層は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）層を備えている、請求項１５−１７のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
19. 前記酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）層は、化学量論的ＳｉＯ_２層を備えている、請求項１８に記載の干渉フィルタ。
20. 前記ケイ素系誘電層は、酸化ケイ素窒化物（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）層を備えている、請求項１５−１７のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
21. 前記ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎは、４％〜８％の水素および２％〜１２％の窒素の原子濃度を有する、請求項１５−２０のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
22. 前記層スタックを支持する透明基板をさらに備えている、請求項１５−２１のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
23. 前記透明基板は、ガラス基板を備えている、請求項２２に記載の干渉フィルタ。
24. 交互するａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎ層とＳｉＯｘ層とを備えている干渉フィルタを製造する方法であって、前記方法は、
    ケイ素標的からフィルタ基板上にケイ素をスパッタリングすることと、
    前記スパッタリング中、（ｉ）ａ−Ｓｉ：Ｈ，Ｎを堆積するための水素および窒素を含むプロセスガスと、（ｉｉ）ＳｉＯ_ｘを堆積するための酸素を含むプロセスガスとの間で交互することと
    を含む、方法。
25. 前記スパッタリングすることは、
    負のバイアスを前記ケイ素標的に印加することと、
    （ｉ）前記水素および窒素を含むプロセスガスと、（ｉｉ）前記前記酸素を含むプロセスガスとの両方の中に不活性ガス成分を含むことと
    を含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記不活性ガスは、アルゴンである、請求項２５に記載の方法。
27. 前記スパッタリングすることおよび前記交互することは、範囲８００〜１０００ｎｍ（それらの値を含む）内の通過帯域中心波長を有する干渉フィルタを製造するように構成されている、請求項２４−２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記スパッタリングすることおよび前記交互することは、７５０〜１０００ｎｍ（それらの値を含む）の範囲内の通過帯域中心波長を有する干渉フィルタを製造するように構成されている、請求項２４−２６のいずれかに記載の方法。
29. 干渉フィルタであって、前記干渉フィルタは、層スタックを備え、前記層スタックは、
    少なくとも、
    水素化非晶質ケイ素の層と、
    前記水素化非晶質ケイ素の屈折率より低い屈折率を有する１つ以上の誘電材料の層と
    の複数の層を備え、
    前記１つ以上の誘電材料の層は、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層を含む、干渉フィルタ。
30. 前記１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｙは、１．９以上の屈折率を提供するために十分に大きい）、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、またはＴｉＯ_２を備えている１つ以上の層を含む、請求項２９に記載の干渉フィルタ。
31. 前記１つ以上の誘電材料の層は、ＳｉＯ_２層をさらに含む、請求項２９−３０のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
32. 前記層スタックは、水素化非晶質ケイ素の介在層を伴わずに、１．９〜２．７（それらの値を含む）の範囲内の屈折率を有する誘電材料の層に直接隣接する少なくとも１つのＳｉＯ_２層を含む、請求項３１に記載の干渉フィルタ。
33. 前記水素化非晶質ケイ素は、窒素を含む、請求項２９−３２のいずれか１項に記載の干渉フィルタ。
34. 前記窒素を含む水素化非晶質ケイ素は、１％〜４％の水素および２％〜６％の窒素の原子濃度を有する、請求項３３に記載の干渉フィルタ。