JP5136250B2 - Manufacturing method of optical filter - Google Patents
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Description
本発明は、光を透過、又は光の反射を防止する光学部品、例えば撮影カメラにおいて使用される帯域制限フィルター、入射光線を透過する窓(光学窓)、レンズ等の光学部品の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical component that transmits light or prevents reflection of light, for example, a band limiting filter used in a photographing camera, a window (optical window) that transmits incident light, and a method for manufacturing an optical component such as a lens.
発光装置、受光装置、又は撮影装置などにおいて、光学部品(例えば、光学フィルター)は、該光学部品を透過する光に対して高い透過率を示すことが要求される。そのために、光学部品を構成する材料として、一般に、対象とする波長域の光に対して低い吸収率を有するものが選択される。また、光学部品を構成する材料の屈折率と該光学部品に接する媒質(通常は空気)の屈折率との差に基づいて光学部品の表面(入射面と透過面)で発生する透過率の損失を減少するために、光学部品の表面に反射防止膜を設けることもある。 In a light emitting device, a light receiving device, a photographing device, or the like, an optical component (for example, an optical filter) is required to exhibit a high transmittance with respect to light transmitted through the optical component. Therefore, a material having a low absorptance with respect to light in a target wavelength region is generally selected as a material constituting the optical component. Further, the loss of transmittance generated on the surface (incident surface and transmission surface) of the optical component based on the difference between the refractive index of the material constituting the optical component and the refractive index of the medium (usually air) in contact with the optical component. In order to reduce this, an antireflection film may be provided on the surface of the optical component.
例えば、従来の赤外線用の光学フィルターは、光学フィルターの窓材としてGe、ZnS、ZnSe及びSiなどが良く利用され、また、反射防止膜として、金属フッ化物などが採用されていた(例えば、特許文献3参照)。 For example, in the conventional infrared optical filter, Ge, ZnS, ZnSe, Si, or the like is often used as a window material of the optical filter, and a metal fluoride or the like is employed as an antireflection film (for example, patents). Reference 3).
また、光学部品の表面に反射防止膜を形成する代わりに、その表面に光の波長よりも小さな間隔をあけて規則的な三次元構造を微細加工することにより、この光学部品の表面に反射防止機能を与える試みがあった(例えば、特許文献1〜2、非特許文献1参照)。
Also, instead of forming an antireflection film on the surface of the optical component, the surface of the optical component is antireflective by microfabricating a regular three-dimensional structure with a space smaller than the wavelength of light on the surface. There have been attempts to provide functions (see, for example,
近年、撮影装置の高機能化や高効率化の要求が増してきており、これに答えるべく撮影装置が取扱う光学波長帯をマルチバンド化する必要が出てきた。ところが、上記のような多層の反射防止膜を光学部品に適用する場合には、光学部品が使用される環境(例えば、高温、ヒートサイクル)を考慮して、膜の屈折率や膜の線膨張係数などの材料特性を考慮して膜の材質を選択する必要があった。つまり、設計仕様を越えた環境下で使用されると、反射防止膜の剥離や残留歪み、反射防止膜からの残留ガスの放出といった現象が長期信頼性を阻害するおそれがあった。また、バンドパスフィルターとして急峻な波長選択性を持たせる場合には層数がさらに増加するので、かかる材質選択の問題のために使用環境が制約される課題もあった。 In recent years, there has been an increasing demand for higher functionality and higher efficiency of imaging devices, and in order to answer this, it has become necessary to make the optical wavelength band handled by imaging devices multiband. However, when the multilayer antireflection film as described above is applied to an optical component, the refractive index of the film or the linear expansion of the film is taken into consideration in the environment (for example, high temperature, heat cycle) in which the optical component is used. It was necessary to select the material of the film in consideration of material characteristics such as coefficient. That is, when used in an environment that exceeds the design specifications, phenomena such as peeling of the antireflection film, residual distortion, and release of residual gas from the antireflection film may hinder long-term reliability. In addition, when the band pass filter has a steep wavelength selectivity, the number of layers further increases, and there is a problem that the use environment is restricted due to the problem of the material selection.
他方、特許文献1に示されたような、光学部品の表面に微細な凹凸を形成して反射防止効果を狙う構造では、所望の波長帯を急峻な波長選択性をもって選択することが要求されるマルチバンドの光学フィルターを得ることは特に難しかった。
On the other hand, in a structure in which fine irregularities are formed on the surface of an optical component as shown in
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical filter having excellent wavelength selectivity and excellent reliability.
本発明に係る光学フィルターの製造方法は、光学フィルターの基板に、光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口径で基板の主面から所定の深さの複数の穴からなる群を深さ毎に複数群掘り込む第1の工程と、光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口径で、主面を平面視したときに穴を複数含み、主面を平面視したときに含まれる穴の深さよりも浅い大口径の穴を基板に掘り込む第2の工程とを備え、所定の深さにおける穴または大口径の穴が占有する面積と穴または大口径の穴以外の基板の残地の面積との比率が深さ毎にそれぞれ所定の比率となることを特徴とする。
The method of manufacturing an optical filter according to the present invention includes a group of a plurality of holes having a predetermined depth from the main surface of the substrate with an aperture diameter smaller than the wavelength λ of light targeted by the optical filter. The first step of digging a plurality of groups for each depth and the aperture diameter smaller than the wavelength λ of the light targeted by the optical filter include a plurality of holes when the main surface is viewed in plan, and the main surface is viewed in plan A second step of digging a hole having a large diameter shallower than the depth of the hole included in the substrate into the substrate, and an area occupied by the hole or the large diameter hole at a predetermined depth and a hole other than the hole or the large diameter hole The ratio with the remaining area of the substrate is a predetermined ratio for each depth.
この発明によれば、基板表面に多層構造となる3次元構造体であって、各層における構造体の充填率と、各層の厚みを所定の値にすることにより所望の透過率特性を得ることができる。また、多層積層膜に起因する剥離等の問題も無く、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを得ることができる。 According to the present invention, a three-dimensional structure having a multilayer structure on the surface of the substrate can obtain desired transmittance characteristics by setting the filling rate of the structure in each layer and the thickness of each layer to predetermined values. it can. Moreover, there is no problem such as peeling due to the multilayer laminated film, and an optical filter having excellent reliability and excellent wavelength selectivity can be obtained.
実施の形態1.
図1は、本実施の形態1に係る光学フィルター10の概略構成を示す斜視図である。図2は、斜視図で示した図1を平面視した模式図である。図3は、図2中に示すIII-III線に沿った光学フィルターの断面の模式図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an
以下に、図面を参照しながら、赤外線検出器用の光学フィルターを例にとり、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、3〜5μm帯及び8〜14μm帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを例に本願発明を説明するが、他の形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。また赤外線の波長帯にとどまることなくそれ以外の波長帯の光に対しても有効である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, taking an optical filter for an infrared detector as an example. In the following description, the present invention will be described by taking a multiband optical filter corresponding to the 3-5 μm band and the 8-14 μm band as an example, but other forms are naturally included in the technical scope of the present invention. . It is also effective for light in other wavelength bands without being limited to the infrared wavelength band.
まず、光学フィルター1の全体構成について説明する。
図1において、光学フィルター1は、基板2の上に配置された下層小円柱31と大円柱4、さらに大円柱4の上に配置された上層小円柱11から構成されている。また、これらの大小の円柱の組合わせを便宜的に表面3次元構造体3と呼ぶことにする。また、基板2、大円柱4等の材質は赤外線を透過するSiである。なお、Siの替わりにGe,ZnSeあるいはこれらの複合材料も基板として使用できる。
First, the overall configuration of the
In FIG. 1, the
図3を参照して、上述した表面3次元構造体3は、基板2に近いほうから順に、下層構造体30、中層構造体20、上層構造体10の3層構造となっている。また、表面3次元構造体3は、光学特性上は等価的に3層の光学多層膜と考えることができる。以下、この理由を説明する。
With reference to FIG. 3, the surface three-
まず、表面3次元構造体3が単層の場合、すなわち基板2の上に単に下層小円柱31のみが配置されている状態(大円柱4は無い状態)を考え、光学フィルターの特性を決める屈折率が表面3次元構造体の形状で決まることを説明する。
光学部品(ここでは光学フィルター)が、ある媒質(通常は空気)に接して配置されるとき、光透過面で入射光線の散乱が発生しないためには、全ての3次元構造体(ここでは下層小円柱31)の間隔Lは入射光線の波長以下になるように設計する。このような3次元構造体において凹部と凸部との面積比率(ここでは、下層小円柱31の上底面の面積を凸部の面積、基板2の上の下層小円柱31が占有していない部分を凹部の面積、として考える)によりその層の実効的な屈折率(nx)を制御することができる。基板2の空気によって満たされている凹部分の面積比率をf(全て凹部の場合をf=1とする)とする場合には、この単層の実効的な屈折率(nx)を式(1)から求めることができる。
First, considering the case where the surface three-
When an optical component (here, an optical filter) is disposed in contact with a certain medium (usually air), all three-dimensional structures (here, lower layers) are used in order to prevent scattering of incident light on the light transmission surface. The distance L between the small cylinders 31) is designed to be equal to or smaller than the wavelength of the incident light. In such a three-dimensional structure, the area ratio between the concave portion and the convex portion (here, the area of the upper bottom surface of the lower
上述のように、(1)式に従い単層の屈折率を計算できるので、三層からなる表面3次元構造体3の場合は、上層〜下層構造体の各層毎にそれぞれ屈折率を計算することができる。図3のような3次元構造に当てはめて考えると、面積比率fが上層からf1、f2、f3とする3層構造とすることができる。この場合の実効的な屈折率(nx)は、各層によって異なりそれぞれn1、n2、n3となる。このように、面積比率fを変えることによって、ステップ状に屈折率が変化する多層膜を積層した場合と同等の効果を得ることができる。また面積比率fで実効的な屈折率(nx)が確定することから、例えば下層小円柱31をランダムに配置してもよく、特に凹凸部分を周期構造とする必要は無い。
As described above, since the refractive index of a single layer can be calculated according to the equation (1), in the case of a three-layer surface three-
つぎに、上述した単層の波長ピークは、実効的屈折率部分の凸部の高さ(すなわち、凹部の深さ:d)によって式(2)から決定される。
Next, the wavelength peak of the single layer described above is determined from the formula (2) by the height of the convex portion of the effective refractive index portion (that is, the depth of the concave portion: d).
したがって、目的とする赤外線を透過したい波長帯を計算するには、上記(1)式を用いて各層構造体毎に屈折率(nx)を算出し、透過したい波長帯に合わせて(2)式を用いて上層〜下層構造体の各層構造体の厚み(dx)を求めることができる。 Therefore, in order to calculate the target wavelength band in which infrared rays are desired to be transmitted, the refractive index (n x ) is calculated for each layer structure using the above equation (1), and the wavelength band desired to be transmitted is adjusted to (2). The thickness (d x ) of each layer structure of the upper layer to the lower layer structure can be obtained using the formula.
3〜5μm帯及び8〜14μm帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを設計する場合は、(1)式、(2)式を基に適宜、屈折率(nx)、厚み(dx)を算出し、これらを組み合わせ、通常の光学多層膜の計算手法によって目的とする透過率特性が得られるか検証する。例えば、図3に示すような三層構造体の場合に、凹部と凸部との面積比率を適宜選定し、実効屈折率n1=1.5、n2=2.0、n3=2.5及び凹部の深さをd1=0.5μm、d2=0.9μm、d3=0.25μmの場合に、図4に示したような設計目標とする二つの波長帯で良好な透過特性を得ることが可能である。 When designing an optical filter of a multi-band corresponding to the 3~5μm band and 8~14μm band, (1), (2) appropriate equation based on the refractive index (n x), the thickness (d x) Calculate and combine them, and verify whether the desired transmittance characteristics can be obtained by a normal optical multilayer film calculation method. For example, in the case of a three-layer structure as shown in FIG. 3, the area ratio between the concave portion and the convex portion is appropriately selected, and the effective refractive index n 1 = 1.5, n 2 = 2.0, n 3 = 2. .5 and when the depth of the recess is d 1 = 0.5 μm, d 2 = 0.9 μm, and d 3 = 0.25 μm, it is good in the two wavelength bands targeted for design as shown in FIG. It is possible to obtain transmission characteristics.
また本実施の形態では凸部の形状を円柱状としたが、特に円柱である必要はなく、角柱等の形状であっても問題はない。また、実効的な屈折率をステップ状とすることにより波長選択性が向上することがわかっており、各ステップの面積比率のばらつきは少ない方が望ましい。 Further, in the present embodiment, the shape of the convex portion is a columnar shape, but it is not particularly necessary to be a columnar shape, and there is no problem even if it is a shape such as a prism. Further, it has been found that the wavelength selectivity is improved by making the effective refractive index stepwise, and it is desirable that the variation in the area ratio of each step is small.
次に、本願発明の光学フィルターの製造方法例について図を基に説明する。なお、ここで述べる製造方法はあくまでも一例であり、他の製造方法によっても上述の構造を実現することは可能である。 Next, an example of a method for manufacturing the optical filter of the present invention will be described with reference to the drawings. The manufacturing method described here is merely an example, and the above-described structure can be realized by other manufacturing methods.
基板2に上述の実効屈折率を制御した3次元構造を作製する方法を説明する。図5〜図9は、本実施の形態における製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、断面位置は図3中に示すIII-III線に沿った位置に相当する。以下、工程順に説明する。
A method for manufacturing the above-described three-dimensional structure in which the effective refractive index is controlled on the
図5に示す第1工程では、基板2上にフォトレジスト41のパターンを形成しマスクとする。
In the first step shown in FIG. 5, a pattern of a
図6に示す第2工程では、ドライエッチング等により所定の深さまで掘り込む。 In the second step shown in FIG. 6, a predetermined depth is dug by dry etching or the like.
図7に示す第3工程では、一旦フォトレジスト41を取り除き、最深部を保護し最上部を掘り込めるようにフォトレジスト42によりマスクする。つぎにドライエッチング等により表面層部分を所定の深さまで掘り進める。
In the third step shown in FIG. 7, the
図8に示す第4工程では、再度フォトレジスト42を除去し、最表面を保護するようにフォトレジスト43によりマスクする。その状態で最深部分の凸部をドライエッチング等によりエッチングして所定の深さまで削る。
In the fourth step shown in FIG. 8, the
最後に、図9に示す第5工程で、フォトレジスト43を除去する。エッチング及び露光工程が繰り返し、期待する表面3次元構造体を基板表面に実現する。
Finally, the
実施の形態2.
上述の実施の形態1では、赤外線用の光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが例を説明したが、表面3次元構造体は必ずしも円柱状の突起物である必要はなく、実効屈折率の制御のために多数の穴を基板に設けることにより面積比率fの制御を行ってもよい。図10はかかる形態を示したもので、図1と同様に光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。本実施の形態では、円柱状の突起物と基板とに円筒状の穴を開けたものを組合わせた。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
In the above-described first embodiment, the control example using the cylindrical projection is shown to realize the optical filter for infrared rays. However, the example has been described, but the surface three-dimensional structure is not necessarily a cylindrical projection. The area ratio f may be controlled by providing a large number of holes in the substrate for controlling the effective refractive index. FIG. 10 shows such a configuration, and is a perspective view showing a schematic configuration of the optical filter as in FIG. In the present embodiment, a cylindrical projection and a substrate are combined with a cylindrical hole. The same effect can be obtained by this configuration.
実施の形態3.
上述の実施の形態2では、光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが、本実施の形態では図11に示すように、穴の深さが3段階に異なるように基盤に穴を開ける加工をして面積比率fの制御を行ったものである。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
In the second embodiment described above, the control example using the cylindrical protrusion is shown for realizing the optical filter. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 11, the depth of the hole is different in three stages. The area ratio f is controlled by machining a hole in the substrate. The same effect can be obtained by this configuration.
実施の形態4.
上述の実施の形態1では、光学フィルターの実現のために実効屈折率(nx)が最表面からn1<n2<n3となっていく制御例を示したが、実効的な屈折率の配分がn1<n3<n2となるように3次元構造を作製することでも光学フィルター実現することが可能である。以下、本形態の構造を説明する。図13は、構造をわかりやすくするために、本形態の光学フィルターを分解した斜視図であり、第3層構造体と中層構造体の境界で分離して示している。また、光学フィルターの断面の模式図を図12に示す。
In the first embodiment described above, an example in which the effective refractive index (n x ) is n 1 <n 2 <n 3 from the outermost surface in order to realize the optical filter has been described. An optical filter can also be realized by producing a three-dimensional structure so that the distribution of n 1 <n 3 <n 2 is satisfied. Hereinafter, the structure of this embodiment will be described. FIG. 13 is an exploded perspective view of the optical filter of the present embodiment for easy understanding of the structure, and is shown separated at the boundary between the third layer structure and the middle layer structure. Moreover, the schematic diagram of the cross section of an optical filter is shown in FIG.
本形態の構造について説明する。下層構造体30は、基板2の表面を加工して中円柱を設けたものである。また、薄いSi基板を中層構造体20とし、さらにそのSi基板の表面を加工して上層小円柱11を形成して上層構造体10としている。中円柱の上面にSi基板(中層構造体20)の底面を接合して3層構造にしたものが本形態の構造である。
The structure of this embodiment will be described. The
この構造により上述の実効屈折率の配分を実現することができる。例えば、図14に示すように、実効屈折率n1=1.5、n2=2.5、n3=2.0(=面積率から制御)及び凹部の深さ(d1=2.0μm,d2=0.6μm,d3=0.7μm)の場合にターゲットとする二つの波長帯で良好な透過特性が得られる。 With this structure, the effective refractive index distribution described above can be realized. For example, as shown in FIG. 14, the effective refractive index n 1 = 1.5, n 2 = 2.5, n 3 = 2.0 (= controlled from the area ratio) and the depth of the recess (d 1 = 2. In the case of 0 μm, d 2 = 0.6 μm, d 3 = 0.7 μm), good transmission characteristics can be obtained in the two target wavelength bands.
上述の形態4において、下層構造体を円柱により形成したが、特に他の形状によって面積率を制御しても問題は無く、角柱、六角形穴、溝でも同様な効果を示す。
In the above-described
実施の形態5.
上述の実施の形態1では、半導体工業で一般に使用されるリソグラフィー技術を利用したフォトレジストのパターン形成法によって微細パターンを作る例を説明した。所謂、トップダウン(Top−Down)法のアプローチで微細構造を作成する例を示した。
本実施の形態5では、ナノスケールの構造が一定の条件下で自発的に形成される自己組織化を利用した方法、所謂、ボトムアップ(Bottom−Up)法のアプローチで微細構造を作成する例を説明する。
本実施の形態は、例えば、”Fabrication of nanohole array on Si using self−organized porous alumina mask (J. Vac. Sci. Technol. B 19(5),Sep/Oct 2001,pp1901〜1904)”に掲載されているような、ナノメートル周期の規則的な孔の配列が蜂の巣状に自然に形成されるアルミナの自己組織化特性を、光学フィルターの製造に利用したものである。
In the first embodiment described above, an example in which a fine pattern is formed by a photoresist pattern forming method using a lithography technique generally used in the semiconductor industry has been described. An example in which a microstructure is created by a so-called top-down approach has been shown.
In the fifth embodiment, an example in which a microstructure is created by a method using self-organization in which a nanoscale structure is spontaneously formed under a certain condition, that is, a so-called bottom-up approach. Will be explained.
This embodiment is described in, for example, “Fabrication of nanohole array on Si using self-organized porous alumina mask (J. Vac. Sci. Technol. B 19 (5), Sep / Oct 190,” 190/2001). The self-organizing properties of alumina, in which a regular array of pores with a nanometer period is naturally formed in a honeycomb shape, is used for manufacturing an optical filter.
図15は、本実施の形態に係る光学フィルターの製造プロセスフローを示した概略図である。図16は、本実施の形態に係る製造プロセスで製造した光学フィルターの斜視図である。なお、図16中で示した点線の図形は、シリコン基板76中に掘り込まれた種々の穴を透視して模式的に示したものである。図17は、斜視図で示した図16を平面視した模式図である。図18は光学フィルターの断面図である。断面位置は図17中に示すXVIII−XVIII線に沿った位置に相当する。図19から図30は、実施の形態における製造方法を工程順に示す概略断面図である。
FIG. 15 is a schematic view showing a manufacturing process flow of the optical filter according to the present embodiment. FIG. 16 is a perspective view of an optical filter manufactured by the manufacturing process according to the present embodiment. Note that the dotted line figures shown in FIG. 16 are schematically shown through various holes excavated in the
まず、本実施の形態のプロセスフローについて概説説明する。
プロセスフローを示した図15と光学フィルターの構造を示した図16を参照して、はじめの第一工程で上層構造体10を作製し、続く第二工程で下層構造体30を作製する。最後に第三工程で中層構造体20を作製し、光学フィルターの製造を完了する。
First, the process flow of this embodiment will be outlined.
Referring to FIG. 15 showing the process flow and FIG. 16 showing the structure of the optical filter, the
以下、工程順にプロセスフローを詳細に説明する。
第一工程の最初に、アルミを蒸着等の方法で成膜する。係る状態が図19で示したアルミ70である。アルミ70は、その後の工程でシリコンの基板76に小円筒穴78を形成するためのマスクとして機能する。
Hereinafter, the process flow will be described in detail in the order of steps.
At the beginning of the first step, aluminum is deposited by a method such as vapor deposition. This state is the
次に、上述した文献に照会されているアルミナの自己組織化特性を利用したアルミナのマスクについて説明する。図19で示したアルミ70が成膜されたシリコン基板76を、リン酸またはシュウ酸あるいは硫酸等の電解液中で陽極酸化すると、ナノサイズの細孔77を持ったアルミナ71がシリコン基板76のアルミ成膜面側に形成され始める。係る状態が図20で示した状態である。さらに通電し続け陽極酸化を行うと、図21に示したような、成膜したアルミ70がほとんど消費されてアルミナ71になった状態の反応終了点に到達する。陽極酸化の反応終了点は通電される電流をモニタすれば判別できる。すなわち、アルミ70が消費されてアルミナ71が形成されている間は定常的な電流が流れるが、アルミ70がほとんど消費されてアルミナ71が形成できなくなると急激に電流が流れなくなる。そこで、定常的な電流が流れた後のある閾値以下に電流が下がった時点で通電を止めると、アルミナ71とシリコン基板2との界面に薄くアルミナで形成されたバリア層80が残った状態のナノサイズの細孔77を多数有するアルミナ71の層が形成できる。係る状態が図21で示した状態である。
Next, a description will be given of an alumina mask using the self-organization characteristics of alumina inquired in the above-mentioned literature. When the
次に、リン酸液に浸漬等によりバリア層80を除去すると図22で示した状態になる。さらに、形成したアルミナ71をマスクとして、シリコン基板76をCF4ガス等によるRIE(Reactive Ion Etching)等でエッチングして、シリコン基板76にナノサイズの小円筒穴78を開口する。係る状態が図23で示した状態である。
ここでは、CF4によるRIEを例に挙げたが、Arガス等によるIBE(ion beam etching)やC4F8ガス等のICP(Inductively Coupled Plasma)エッチングで小円筒穴78を形成しても良い。ここまでが、上層構造体10を作製するための第一工程である。
Next, when the
Here, RIE using CF4 is taken as an example, but the small
次に下層構造体30を形成するための第二工程について説明する。まず、下層構造体30を形成する部分以外の領域をマスクするために、リソグラフィー技術を利用したフォトレジストのパターン72を形成する。係る状態が図24で示した状態である。次にRIE等で、シリコン基板76のエッチングを行い、部分的にナノサイズの小円筒穴78を深堀りする。係る状態が図25で示した状態である。
Next, the second step for forming the
次に、アセトン等でレジストを除去した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等で研磨して、シリコン基板76からアルミナ71を除去して表面にシリコン面を露出させる。係る状態が図26で示した状態である。ここまでが、下層構造体30を作製するための第二工程である。
Next, after removing the resist with acetone or the like, polishing is performed by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like to remove the alumina 71 from the
次に、中層構造体20を形成するための第三工程について説明する。
まず、シリコン基板76を熱酸化炉にて熱酸化する。係る状態が図27で示した状態である。図27で示した熱酸化膜75は、中層構造体20を形成するときに、下層構造体30を形成する小円筒穴78がエッチングされないようにするためのマスクとして作用する。
Next, the third step for forming the
First, the
次に、シリコン基板76の表面をCMP等で研磨して、最表面の熱酸化膜75を除去する。係る状態が図28で示した状態である。
Next, the surface of the
さらに、中層構造体20を形成するため、中層構造体20を形成する領域以外の部分をレジストパターン73でマスクする。係る状態が図29で示した状態である。
Further, in order to form the
次に、レジストパターン73でマスクされていないシリコン基板76が露出した部分をRIEによりエッチングを行い、所望の中層構造体20を形成する。係る状態が図30で示した状態である。
Next, the exposed portion of the
最後に、アセトン等でレジストパターン73を除去し、HF等により熱酸化膜75を除去して光学フィルターが完成する。完成した状態が図18で示した状態である。
Finally, the resist
上述した実施の形態1で示したような、所謂トップダウン法のアプローチで微細構造を作成する場合には、EB描画等の高価なプロセスが必要となるため、量産に向かない。しかしながら、本実施の形態で説明したアルミナの自己組織化特性を利用する場合には、元々、ボトムアップ法であるためナノサイズの構造体を容易に作りやすく、また高価な設備を要しないので、3層構造の複雑な微細構造を安価に大量生産できる利点がある。 When a fine structure is created by the so-called top-down approach as described in the first embodiment, an expensive process such as EB drawing is required, which is not suitable for mass production. However, when utilizing the self-organization characteristics of alumina described in the present embodiment, since it is originally a bottom-up method, it is easy to make a nano-sized structure, and expensive equipment is not required. There is an advantage that a complicated fine structure having a three-layer structure can be mass-produced at low cost.
また、本実施の形態で説明した光学フィルターの製法では、上層、中層、下層における構造体の充填率をアルミの陽極酸化の条件でコントロールできるので、所望の透過率特性を容易に得ることができる。また、係る製法で作製した光学フィルターは単一の構造材で構成されているため、多層積層膜に起因する剥離等の問題も無く、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを得ることができる。さらに、EB描画では、狭いエリアを描画するにも非常に高価であり、その利用に制限があったが、アルミナの自己組織化特性を利用すれば、広範な領域にナノサイズの構造体が安価に形成できる。 Further, in the optical filter manufacturing method described in the present embodiment, the filling rate of the structures in the upper layer, the middle layer, and the lower layer can be controlled under the conditions of aluminum anodization, so that desired transmittance characteristics can be easily obtained. . In addition, since the optical filter produced by such a manufacturing method is composed of a single structural material, there is no problem of peeling due to the multilayer laminated film, and an optical filter with excellent wavelength selectivity with excellent reliability is obtained. Can do. Furthermore, EB drawing is very expensive to draw a narrow area, and its use has been limited. However, if the self-organization characteristics of alumina are used, nano-sized structures are inexpensive in a wide area. Can be formed.
なお、本実施の形態ではアルミナの自己組織化特性を利用したアルミナのマスクについて説明したが、上述の形態に限られず、実施の形態3で説明した図11に示すような穴の深さが3段階に分かれた構造にも利用可能である。すなわち、最初に図23に示したような小円筒穴78を多数開口し、次いで図23,24に示したようにレジストパターン73で部分的に小円筒穴78を塞いでそれ以上エッチングが進行しないようにし、所望の上層構造体10、中層構造体20、下層構造体30を作り分ければよい。
In this embodiment, an alumina mask using the self-organization characteristics of alumina has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the hole depth as shown in FIG. It can also be used in a staged structure. That is, first, a large number of small
実施の形態6.
実施の形態5ではアルミナの自己組織化特性を用いてナノサイズの構造体を形成したが、本実施の形態6では、ナノ粒子を用いたマスクを利用したことに特徴がある。有機溶媒または水に分散させた酸化シリコンでできたナノ粒子をシリコン基板に塗布し、有機溶媒または水を除去して酸化シリコンでできたナノ粒子のみをシリコン基板上に残し、それをエッチングマスクとして用いる方法である。例えば、特許公開公報2007−250583に照会されているような方法である。上述の実施の形態5とは別のボトムアップ法のアプローチで微細構造を作成する例を説明する。
In the fifth embodiment, a nano-sized structure is formed by using the self-organization characteristics of alumina. However, the sixth embodiment is characterized in that a mask using nanoparticles is used. Nanoparticles made of silicon oxide dispersed in an organic solvent or water are applied to the silicon substrate, and the organic solvent or water is removed to leave only the nanoparticles made of silicon oxide on the silicon substrate, which is used as an etching mask. This method is used. For example, it is a method as referred to in Japanese Patent Application Publication No. 2007-250583. An example in which a fine structure is created by a bottom-up approach different from the above-described fifth embodiment will be described.
以下、本実施の形態6について説明する。
まず、本実施の形態のプロセスフローについて説明する。先に説明した実施の形態5と同様に、まず第一工程で上層構造体10を作製し、続く第二工程で下層構造体30を作製する。最後に第三工程で中層構造体20を作製し、光学フィルターの製造を完了する。また、図31から図40は、実施の形態における製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、本実施の形態における概略断面図は、本実施の形態5と同様のものである。
Hereinafter, the sixth embodiment will be described.
First, the process flow of the present embodiment will be described. Similar to the fifth embodiment described above, the
以下、工程順にプロセスフローを詳細に説明する。
第一工程の最初に、シリコン基板76に小穴81を形成するためのマスクとして、酸化シリコンでできたナノ粒子82を粉末スプレー塗布等の方法で形成する。係る状態が図31で示した状態である。
Hereinafter, the process flow will be described in detail in the order of steps.
At the beginning of the first step, as a mask for forming the
次に、本酸化シリコンのナノ粒子82をマスクとしてシリコン基板76にRIE等でエッチングして、シリコン基板76にナノサイズの小穴81を堀る。係る状態が図32で示した状態である。ここまでが、上層構造体10を作製するための第一工程である。
Next, the
次に下層構造体30を形成するための第二工程について説明する。まず、下層構造体30を形成する部分以外の領域をマスクするために、リソグラフィー技術を利用してフォトレジストパターン72を形成する。係る状態が図33で示した状態である。次にRIE等で、シリコン基板76のエッチングを行い、部分的にナノサイズの小穴81を深堀りする。係る状態が図34で示した状態である。
Next, the second step for forming the
次に、アセトン等でレジストを除去した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等で研磨して、シリコン基板76からアルミナ71を除去して表面にシリコン面を露出させる。係る状態が図35で示した状態である。ここまでが、下層構造体30を作製するための第二工程である。
Next, after removing the resist with acetone or the like, polishing is performed by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like to remove the alumina 71 from the
次に、中層構造体20を形成するための第三工程について説明する。
まず、シリコン基板76を熱酸化炉にて熱酸化する。係る状態が図36で示した状態である。図36で示した熱酸化膜75は、中層構造体20を形成するときに、下層構造体30を形成する小穴81がエッチングされないようにするためのマスクとして作用する。
次に、シリコン基板76の表面をCMP等で研磨して、最表面の熱酸化膜75を除去する。係る状態が図37で示した状態である。
さらに、再度レジストによる中層構造体20を形成するため、中層構造体20を形成する部分以外の領域をマスクするために、リソグラフィー技術を利用したフォトレジストパターン73を形成する。係る状態が図38で示した状態である。
次に、レジストパターン73でマスクされていないシリコン基板76が露出した部分をRIEによりエッチングを行い、所望の中層構造体20を形成する。係る状態が図39で示した状態である。
最後に、アセトン等でレジストパターン73を除去し、HF等により熱酸化膜75を除去して光学フィルターが完成する。完成した状態が図40で示した状態である。
Next, the third step for forming the
First, the
Next, the surface of the
Further, in order to form the
Next, the exposed portion of the
Finally, the resist
上述した実施の形態1で示したような、所謂トップダウン法のアプローチで微細構造を作成する場合には、EB描画等の高価なプロセスが必要となるため、量産に向かない。しかしながら、本実施の形態で説明したナノ粒子の自己組織化特性を利用する場合には、元々、ボトムアップ法であるためナノサイズの構造体を容易に作りやすく、また効果な設備を要しないので、3層構造の複雑な微細構造を安価に大量生産できる利点がある。 When a fine structure is created by the so-called top-down approach as described in the first embodiment, an expensive process such as EB drawing is required, which is not suitable for mass production. However, when utilizing the self-organization characteristics of the nanoparticles described in this embodiment, since it is originally a bottom-up method, it is easy to make a nano-sized structure, and effective equipment is not required. There is an advantage that a complicated fine structure having a three-layer structure can be mass-produced at low cost.
さらに、例えば穴ピッチを変更するためには、実施の形態5で説明した陽極酸化の場合は電解液の選択、液温や電流密度の制御など、種々の条件をコントロールする必要があるが、ナノ粒子を用いる場合は所望の大きさの粒子を分散させた所定濃度の液を選択するだけで所望の穴ピッチが得られる利点がある。 Further, for example, in order to change the hole pitch, in the case of the anodic oxidation described in the fifth embodiment, it is necessary to control various conditions such as the selection of the electrolyte, the control of the liquid temperature and the current density. In the case of using particles, there is an advantage that a desired hole pitch can be obtained simply by selecting a liquid having a predetermined concentration in which particles of a desired size are dispersed.
また、本実施の形態で説明した光学フィルターの製法では、上層、中層、下層における構造体の充填率をナノ粒子の大きさでコントロールできるので、所望の透過率特性を容易に得ることができる。また、係る製法で作製した光学フィルターは単一の構造材で構成されているため、多層積層膜に起因する剥離等の問題も無く、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを得ることができる。さらに、EB描画では、狭いエリアを描画するにも非常に高価であり、その利用に制限があったが、ナノ粒子の自己組織化特性を利用すれば、広範な領域にナノサイズの構造体が安価に形成できる。 Further, in the optical filter manufacturing method described in the present embodiment, the filling rate of the structures in the upper layer, the middle layer, and the lower layer can be controlled by the size of the nanoparticles, so that desired transmittance characteristics can be easily obtained. In addition, since the optical filter produced by such a manufacturing method is composed of a single structural material, there is no problem of peeling due to the multilayer laminated film, and an optical filter with excellent wavelength selectivity with excellent reliability is obtained. Can do. Furthermore, EB drawing is very expensive for drawing a narrow area, and its use has been limited. However, if nanoparticle self-organization characteristics are used, nano-sized structures can be formed in a wide area. It can be formed at low cost.
なお、ナノ粒子として酸化シリコンでできたナノ粒子を例に説明したが、他のナノ粒子でもシリコン基板のエッチング時にマスクとなる材料が使用可能である。例えば、アルミナのナノ粒子が使用可能である。 In addition, although the nanoparticle made from the silicon oxide was demonstrated to the example as a nanoparticle, the material used as a mask at the time of the etching of a silicon substrate can be used also for another nanoparticle. For example, alumina nanoparticles can be used.
上述した実施の形態は例示であって、本発明は例示した実施形態の範囲に限定されない。例えば、上述下形態ではフィルター基板の一方の主面に凹凸形状を付加した例を説明したが、フィルター基板の他方の主面にも形成しても良い。本発明は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the scope of the illustrated embodiment. For example, in the above-described embodiment, the example in which the concavo-convex shape is added to one main surface of the filter substrate has been described, but the filter substrate may be formed on the other main surface of the filter substrate. The present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 光学フィルター、
2 基板、
3 表面3次元構造体、
4 大円柱
10 上層構造体、
11 上層小円柱、
12 エッチング穴
13 上層基板
20 中層構造体、
30 下層構造体、
31 下層小円柱、
32 エッチング穴
33 エッチング溝
40 フォトレジスト
41 フォトレジスト
42 フォトレジスト
43 フォトレジスト
70 アルミ
71 アルミナ
72 レジストパターン
73 レジストパターン
75 熱酸化膜
76 シリコン基板
77 細孔
78 小円筒穴
79 大円筒穴
80 バリア層
81 小穴
82 ナノ粒子
1 optical filter,
2 substrates,
3 surface three-dimensional structure,
4
11 Upper small cylinder,
12
30 Underlayer structure,
31 Lower cylinder,
32
Claims (2)
前記光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口径で、前記主面を平面視したときに前記穴を複数含み、前記主面を平面視したときに含まれる前記穴の深さよりも浅い大口径の穴を前記基板に掘り込む第2の工程とを備え、
前記所定の深さにおける前記穴または前記大口径の穴が占有する面積と前記穴または前記大口径の穴以外の前記基板の残地の面積との比率が前記深さ毎にそれぞれ所定の比率となることを特徴とする光学フィルターの製造方法。 A plurality of groups of holes each having a predetermined depth from the main surface of the substrate with a diameter smaller than the wavelength λ of light targeted by the optical filter is dug into the substrate of the optical filter. 1 process,
The optical filter has an aperture diameter smaller than the wavelength λ of the target light , includes a plurality of the holes when the main surface is viewed in plan, and is deeper than the depth of the hole included when the main surface is viewed in plan A second step of digging a shallow large-diameter hole into the substrate,
The ratio of the area occupied by the hole or the large-diameter hole at the predetermined depth to the area of the remaining area of the substrate other than the hole or the large-diameter hole is a predetermined ratio for each depth. An optical filter manufacturing method characterized by comprising:
前記第1の工程は、光学フィルターの基板の表面にアルミ層を成膜し、前記アルミ層を陽極酸化することによって部分的に前記基板が露出した複数の開口部を有するアルミナ層を形成し、前記アルミナ層をマスクとして前記基板をエッチングして前記基板の主面に前記穴を掘り込み、
前記第2の工程は、前記熱酸化膜を前記主面を平面視したときに含まれる前記穴がエッチングされないようにするためのマスクとして大口径の穴を掘り込むことを特徴とする請求項1に記載の光学フィルターの製造方法。 After the first step and before the second step, an intermediate step of forming a thermal oxide film on the inner wall of the hole by thermally oxidizing the substrate is provided,
In the first step, an aluminum layer is formed on the surface of the substrate of the optical filter, and an alumina layer having a plurality of openings in which the substrate is partially exposed is formed by anodizing the aluminum layer. Etching the substrate using the alumina layer as a mask to dig the hole in the main surface of the substrate,
2. The second step includes digging a large-diameter hole as a mask for preventing the hole included in the thermal oxide film from being etched when the main surface is viewed in plan. The manufacturing method of the optical filter as described in any one of.
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