JP5399731B2

JP5399731B2 - 赤外線光学フィルタ

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Publication number: JP5399731B2
Application number: JP2009031634A
Authority: JP
Inventors: 孝彦平井; 啓明北村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: JP2010186145A

Description

本発明は、赤外線光学フィルタに関するものである。

従来から、赤外線検出素子および赤外線光学フィルタを利用して各種ガスや炎のセンシングを行う技術が知られている（例えば、特許文献１〜５）。

ここにおいて、上記特許文献１〜３には、半導体基板（例えば、Ｓｉ基板やＧｅ基板など）と、当該半導体基板の一表面側に形成され、屈折率が互いに異なり且つ光学膜厚が同じ２種類の薄膜の積層構造の途中に所望の選択波長の赤外線を透過させるための波長選択層（スペーサ層）を有する狭帯域透過フィルタ部とを備えた赤外線光学フィルタが記載されている。なお、上記特許文献１〜３には、複数の選択波長の赤外線を透過可能とするために半導体基板の上記一表面側に複数の狭帯域透過フィルタ部を形成してなる赤外線光学フィルタも記載されている。

上述の狭帯域透過フィルタ部は、２種類の薄膜の積層構造による屈折率周期構造の中に光学膜厚の異なる波長選択層を設けて屈折率周期構造に局所的な乱れを導入することにより、屈折率周期構造を構成する２種類の薄膜の屈折率差に応じて決まる反射帯域の中に反射帯域幅に比べてスペクトル幅の狭い透過帯域を局在させることができ、波長選択層の光学膜厚を適宜変化させることによって、当該透過帯域の透過ピーク波長を変化させることができる。

ここで、波長選択層の光学膜厚を変調することによって透過ピーク波長の移動可能な範囲は、屈折率周期構造の反射帯域幅に依存し、この反射帯域幅が広いほど透過ピーク波長の移動可能な範囲も広くなる。ここにおいて、上述の高屈折率材料の屈折率をｎ_Ｈ、低屈折率材料の屈折率をｎ_Ｌ、各薄膜に共通する光学膜厚の４倍に相当する設定波長をλ_０、反射帯域幅をΔλとすれば、当該反射帯域幅Δλを広くするには、屈折率比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌの値を大きくすること、つまり、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることが重要である。なお、反射帯域は、図７に示すように入射光の波長の逆数である波数を横軸、透過率を縦軸とした透過スペクトル図において、１／λ_０を中心として対称となる。

ところで、上記特許文献１では、２種類の薄膜に関して、高屈折率材料としてＰｂＴｅを採用し、低屈折率材料としてＺｎＳを採用しており、上記特許文献２，３では、高屈折率材料としてＳｉを採用しているが、屈折率差を大きくするために高屈折率材料としてＧｅ、低屈折率材料としてＺｎＳを採用することも考えられる。

また、特許文献４，５には、Ｓｉ基板などを用いて形成され所望の選択波長の赤外線を透過させる狭帯域のバンドパスフィルタと、サファイア基板を用いて形成され遠赤外線を遮光する遮光フィルタとを組み合わせて用いることが記載されており、当該遮光フィルタを設けることで、太陽光や照明光などの外乱光の遠赤外線を遮断することができる。

なお、上述の赤外線光学フィルタの狭帯域透過フィルタ部における各薄膜および波長選択層の成膜方法としては、蒸着法やスパッタ法などの一般的な薄膜形成方法が考えられる。

特開昭５８−５８４４１号公報特開２００１−２２８０８６号公報特開平５−３４６９９４号公報特開２００６−３９７３６号公報特開２００３−２２７７５１号公報

ところで、上記特許文献１〜３に記載の赤外線光学フィルタを８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線の制御に用いることが考えられるが、遠赤外線を遮断するには、上記特許文献４，５と同様に、遠赤外線を遮断するためのサファイア基板からなる遮光フィルタを別途に設ける必要がある。しかしながら、サファイア基板は半導体基板に比べて高価であり、コストが高くなってしまうので、結果的に、赤外線光学フィルタを用いるガスセンサや炎検知センサなどの低コスト化が制限されてしまう。これに対して、狭帯域透過フィルタ部の高屈折率材料としてＧｅ、低屈折率材料としてＺｎＳを採用した赤外線光学フィルタにおいて、サファイア基板からなる遮光フィルタを別途に設けることなく遠赤外線遮断機能を発現させるためには、２種類の薄膜の積層数を７０層以上とする必要があり、製造コストが高くなってしまうとともに、狭帯域透過フィルタ部にクラックが発生してしまう恐れがある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを提供することにある。

請求項１の発明は、ガスもしくは炎のセンシングに利用するために８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線を制御する赤外線光学フィルタであって、半導体基板と、当該半導体基板の一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部とを備え、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなり、前記遠赤外線吸収材料は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２の群から選択される酸化物もしくはＳｉ_３Ｎ_４からなる窒化物であり、前記多層膜は、前記遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された前記薄膜と前記遠赤外線吸収材料により形成された前記薄膜とが交互に積層されてなり、前記広帯域遮断フィルタ部が、９０００ｎｍ〜２００００ｎｍの遠赤外線領域、８００ｎｍ〜３０００ｎｍの近赤外線領域の赤外線を遮断するように構成されており、前記半導体基板は、Ｓｉ基板であることを特徴とする。

この発明によれば、多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜の遠赤外線吸収効果とにより、サファイア基板を用いることなく、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を実現することができるので、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを実現できる。

また、この発明によれば、前記遠赤外線吸収材料は、Ａｌ _２Ｏ _３、Ｔａ _２Ｏ _５、ＳｉＯ _２の群から選択される酸化物もしくはＳｉ _３Ｎ _４からなる窒化物であるので、前記遠赤外線吸収材料からなる前記薄膜が酸化して光学特性が変化するのを防止することができる。

また、この発明によれば、前記多層膜は、前記遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された前記薄膜と前記遠赤外線吸収材料により形成された前記薄膜とが交互に積層されてなるので、前記高屈折率材料がＳｉ、ＰｂＴｅ、ＺｎＳである場合に比べて、前記多層膜における高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、前記多層膜の積層数を低減できる。

また、この発明によれば、前記半導体基板は、Ｓｉ基板であるので、前記半導体基板がＧｅ基板やＺｎＳ基板である場合に比べて低コスト化を図れる。

本願の別の第１の発明は、８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線を制御する赤外線光学フィルタであって、半導体基板と、当該半導体基板の一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部とを備え、広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、当該多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜の遠赤外線吸収材料の遠赤外線吸収効果とにより、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有することを特徴とする。

上記別の第１の発明によれば、多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜の遠赤外線吸収効果とにより、サファイア基板を用いることなく、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を実現することが可能となるので、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを実現できる。

本願の別の第２の発明は、８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線を制御する赤外線光学フィルタであって、半導体基板と、当該半導体基板の一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部とを備え、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなる赤外線光学フィルタの製造方法であって、前記遠赤外線吸収材料からなる前記薄膜の成膜にあたっては、イオンビームアシスト蒸着法により成膜することを特徴とする。

上記別の第２の発明によれば、前記遠赤外線吸収材料からなる前記薄膜の化学的組成を精密に制御できるとともに、前記薄膜の緻密性を高めることができ、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを提供できる。

本願の別の第３の発明は、８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線を制御する赤外線光学フィルタにおいて、半導体基板と、当該半導体基板の一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部とを備え、広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる２種類の薄膜が積層された多層膜からなり、前記２種類の薄膜のうちの一方の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるＳｉＯ_ｘもしくはＳｉＮ_ｘにより形成され、前記２種類の薄膜のうちの他方の薄膜がＳｉにより形成されてなる赤外線光学フィルタの製造方法であって、多層膜の形成にあたっては、Ｓｉを蒸発源とするイオンビームアシスト蒸着装置を用い、Ｓｉからなる薄膜を成膜するときは真空雰囲気とし、ＳｉＯ_ｘからなる薄膜を成膜するときは酸素イオンビームを照射し、ＳｉＮ_ｘからなる薄膜を成膜するときは窒素イオンビームを照射することを特徴とする。

上記別の第３の発明によれば、２種類の薄膜の蒸発源を共通化することができ、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを提供できる。

本願の別の第４の発明は、８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線を制御する赤外線光学フィルタにおいて、半導体基板と、当該半導体基板の一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部とを備え、広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる２種類の薄膜が積層された多層膜からなり、前記２種類の薄膜のうちの一方の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるＳｉＯ_ｘもしくはＳｉＮ_ｘにより形成され、前記２種類の薄膜のうちの他方の薄膜がＳｉにより形成されてなる赤外線光学フィルタの製造方法であって、多層膜の形成にあたっては、Ｓｉをターゲットとするスパッタ装置を用い、Ｓｉからなる薄膜を成膜するときは真空雰囲気とし、ＳｉＯ_ｘからなる薄膜を成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮ_ｘからなる薄膜を成膜するときは窒素雰囲気とすることを特徴とする。

上記別の第４の発明によれば、２種類の薄膜のターゲットを共通化でき、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを提供できる。

請求項１の発明は、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを実現できるという効果がある。

上記別の第２〜４の発明は、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを提供できるという効果がある。

実施形態の赤外線光学フィルタの概略断面図である。同上の赤外線光学フィルタにおける遠赤外線吸収材料により形成した薄膜の透過スペクトル図である。同上の赤外線光学フィルタの製造に用いるイオンビームアシスト蒸着装置の概略構成図である。同上におけるイオンビームアシスト蒸着装置を用いて形成した薄膜の膜質をＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）により分析した結果を示す図である。（ａ）はＳｉ基板上に膜厚が１μｍのＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜した参考例の透過スペクトル図、（ｂ）は（ａ）の透過スペクトル図に基づいて算出したＡｌ_２Ｏ_３膜の光学パラメータ（屈折率、吸収係数）の説明図である。同上の赤外線光学フィルタの透過スペクトル図である。設定波長と反射帯域との関係説明図である。

本実施形態の赤外線光学フィルタは、８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線を制御する赤外線光学フィルタであって、図１に示すように、半導体基板１と、当該半導体基板１の一表面側（図１における下面側）に形成された広帯域遮断フィルタ部２と、当該半導体基板１の他表面側（図１における上面側）に形成された狭帯域透過フィルタ部３とを備えている。

ここにおいて、半導体基板１としては、Ｓｉ基板を用いているが、Ｓｉ基板に限らず、例えば、Ｇｅ基板やＺｎＳ基板などを採用してもよい。なお、本実施形態では、半導体基板１の平面形状を数ｍｍ□の正方形状としてあるが、半導体基板１の平面形状や寸法は特に限定するものではない。

また、広帯域遮断フィルタ部２は、屈折率が異なる複数種類（ここでは、２種類）の薄膜２ａ，２ｂが積層された多層膜により構成されている。ここにおいて、広帯域透過フィルタ部２は、相対的に屈折率の低い低屈折率層である薄膜２ａの材料として、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるＡｌ_２Ｏ_３を採用し、相対的に屈折率の高い高屈折率層である薄膜２ｂの材料としてＧｅを採用しており、薄膜２ａと薄膜２ｂとを交互に積層し積層数を１１としてあるが、この積層数は特に限定するものではない。ただし、広帯域遮断フィルタ部２は、半導体基板１から最も遠い最上層を低屈折率層である薄膜２ａにより構成することが光学特性の安定性の観点から望ましい。ここで、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３に限らず、Ａｌ_２Ｏ_３以外の酸化物であるＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５を採用してもよく、ＳｉＯ_２の方がＡｌ_２Ｏ_３よりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。また、遠赤外線吸収材料としては、窒化物であるＳｉＮ_ｘを採用してもよい。

上述のように、広帯域遮断フィルタ部２は、２種類の薄膜２ａ，２ｂのうちの１種類の薄膜２ａが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるＡｌ_２Ｏ_３により形成されているが、複数種類のうちの少なくとも１種類が遠赤外線吸収材料により形成されていればよく、例えば、３種類の薄膜としてＧｅ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とＳｉＯ_ｘ膜とが、Ｓｉ基板よりなる半導体基板１に近い側からＧｅ膜−Ａｌ_２Ｏ_３膜−Ｇｅ膜−ＳｉＯ_ｘ膜−Ｇｅ膜−Ａｌ_２Ｏ_３膜−Ｇｅ膜・・・の順に積層された多層膜としてもよく、この場合は、３種類の薄膜のうち２種類の薄膜が遠赤外線吸収材料により形成されることとなる。

また、狭帯域透過フィルタ部３は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類（ここでは、２種類）の薄膜３ａ，３ｂの積層構造を有する屈折率周期構造の途中に薄膜３ａ，３ｂとは光学膜厚の異なる波長選択層３ｃを設けてある。この狭帯域透過フィルタ部３は、波長選択層３ｃよりも半導体基板１に近い側の薄膜３ａ，３ｂの積層膜が第１のλ／４多層膜３１を構成し、波長選択層３ｃよりも半導体基板１から遠い側の薄膜３ａ，３ｂの積層膜が第２のλ／４多層膜３２を構成している（つまり、第１のλ／４多層膜３１と第２のλ／４多層膜３２との間に波長選択層３ｃを介在させてある）。

ここにおいて、狭帯域透過フィルタ部３は、相対的に屈折率の低い低屈折率層である薄膜３ａの材料として、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるＡｌ_２Ｏ_３を採用し、相対的に屈折率の高い高屈折率層である薄膜３ｂの材料としてＧｅを採用しており、薄膜３ａと薄膜３ｂと波長選択層３ｃとの合計の積層数を２９としてあるが、この積層数は特に限定するものではない。また、狭帯域透過フィルタ部３で用いる遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３に限らず、Ａｌ_２Ｏ_３以外の酸化物であるＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５を採用してもよく、ＳｉＯ_２の方がＡｌ_２Ｏ_３よりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。また、遠赤外線吸収材料としては、窒化物であるＳｉＮ_ｘを採用してもよい。また、狭帯域透過フィルタ部３の高屈折率材料としては、Ｇｅの代わりに、ＳｉやＰｂＴｅなどを採用してもよいし、低屈折率材料としては、遠赤外線吸収材料に限らず、ＺｎＳなどの赤外線透過材料を採用してもよい。ただし、狭帯域透過フィルタ部３は、半導体基板１から最も遠い最上層を低屈折率層である薄膜３ａにより構成することが望ましく、当該薄膜３ａを酸化物もしくは窒化物により構成することが光学特性の安定性の観点から、より望ましい。

また、狭帯域透過フィルタ部３の波長選択層３ｃは、所望の選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜２１ａ，２１ｂの光学膜厚とは異ならせてある。なお、住宅内などで発生する可能性のある各種ガスや炎を検知（センシング）するための特定波長は、ＣＨ_４（メタン）が３．３μｍ、ＳＯ_３（三酸化硫黄）が４．０μｍ、ＣＯ_２（二酸化炭素）が４．３μｍ、ＣＯ（一酸化炭素）が４．７μｍ、ＮＯ（一酸化窒素）が５．３μｍ、炎が４．３μｍである。そこで、これらのいずれか１つをセンシングするには、センシング対象の特定波長からなる選択波長を含む反射帯域が形成されるように第１のλ／４多層膜３１および第２のλ／４多層膜３２の設定波長λ_０を設定し、選択波長を含む狭帯域の透過帯域が局在するように波長選択層３ｃの光学膜厚を適宜設定すればよい。

ところで、上述の広帯域遮断フィルタ部２では、狭帯域透過フィルタ部３により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長域の遠赤外線を吸収する。ここにおいて、広帯域遮断フィルタ部２では、赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料としてＡｌ_２Ｏ_３を採用しているが、遠赤外線吸収材料としては、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘの５種類について検討した。

具体的には、ＭｇＦ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＳｉＯ_ｘ膜、Ｔａ_２Ｏ_５膜、ＳｉＮ_ｘ膜それぞれについて膜厚を１μｍに設定してＳｉ基板上に成膜する際の成膜条件を下記表１のように設定し、ＭｇＦ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＳｉＯ_ｘ膜、Ｔａ_２Ｏ_５膜、ＳｉＮ_ｘ膜それぞれの透過スペクトルを測定した結果を図２に示す。図２は、横軸が波長、縦軸が透過率であり、同図中の「イ」がＡｌ_２Ｏ_３膜、「ロ」がＴａ_２Ｏ_５膜、「ハ」がＳｉＯ_ｘ膜、「ニ」がＳｉＮ_ｘ膜、「ホ」がＭｇＦ_２膜、それぞれの透過スペクトルを示している。

ここで、ＭｇＦ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＳｉＯ_ｘ膜、Ｔａ_２Ｏ_５膜、ＳｉＮ_ｘ膜の成膜装置としては、イオンビームアシスト蒸着装置を用いた。このイオンビームアシスト蒸着装置は、図３に示すように、成膜用の真空チャンバ６１と、真空チャンバ６１内に配置され半導体基板１を保持するヒータ付き基板ホルダ６２と、真空チャンバ６１内の排気を行うための排気管６３と、るつぼ６４ａに蒸発源６４ｂを入れた電子銃６４と、イオンビームを出射するＲＦ型イオン源６５と、蒸発源６４ｂからの蒸気およびＲＦ型イオン源６５からのイオンビームのヒータ付き基板ホルダ６２側への通過を可能とする位置と阻止する位置との間でシャッタ軸６７の回動により回動可能なシャッタ６６と、半導体基板１に成膜する膜の膜厚を検出する光学式膜厚計からなる光学モニタ６８とを備えている。

ここにおいて、上述の表１中の「ＩＢ条件」は、イオンビームアシスト蒸着装置で成膜する際のイオンビームアシストの条件であり、「ＩＢなし」は、イオンビームの照射なし、「酸素ＩＢ」は、酸素イオンビームの照射あり、「ＡｒＩＢ」は、アルゴンイオンビームの照射あり、を意味している。

ところで、本願発明者らは、イオンビームアシストの効果を確認するために、Ｓｉ基板上にＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜する時のイオンビームの照射量を種々変化させたサンプルを用意し、各サンプルのＡｌ_２Ｏ_３膜の膜質の違いをＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光）により分析した。図４は、ＦＴ−ＩＲによる分析結果を示し、横軸が波数、縦軸が吸収率であり、同図中の「イ」はイオンビームアシストなしの場合のサンプル、「ロ」、「ハ」、「ニ」、「ホ」、「ヘ」はイオンビームの照射量を少ない方から多い方へ変化させた場合の各サンプルそれぞれの分析結果を示しており、イオンビームを照射することにより、水分に起因した３４００ｃｍ^−１付近の吸収率を低減でき、イオンビームの照射量を多くするほど水分に起因した３４００ｃｍ^−１付近の吸収率が低下していることが分かる。要するに、イオンビームアシストによりＡｌ_２Ｏ_３膜の膜質を向上でき、緻密性を高めることができるものと推測される。

また、上述のＭｇＦ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＳｉＯ_ｘ膜、Ｔａ_２Ｏ_５膜、ＳｉＮ_ｘ膜について、「光学特性：吸収」、「屈折率」、「成膜容易性」を評価項目として、検討した結果を下記表２に示す。

ここにおいて、「光学特性：吸収」の評価項目については、図２の透過スペクトルから算出した６μｍ以上の遠赤外線の吸収率により評価した。表２では、各評価項目それぞれについて、評価の高いランクから低いランクの順に「◎」、「○」、「△」、「×」を記載してある。ここで、「光学特性：吸収」の評価項目については、遠赤外線の吸収率が高い方が評価のランクを高く、遠赤外線の吸収率が低い方を評価のランクを低くしてある。また、「屈折率」の評価項目については、高屈折率材料との屈折率差を大きくする観点から、屈折率が低い方が評価のランクを高く、屈折率が高い方が評価のランクを低くしてある。また、「成膜容易性」の評価項目については、蒸着法もしくはスパッタ法により緻密な膜の得やすい方が評価のランクを高く、緻密な膜の得にくい方が評価のランクを低くしてある。ただし、各評価項目について、ＳｉＯ_ｘはＳｉＯ_２して、ＳｉＮ_ｘはＳｉ_３Ｎ_４として評価した結果である。

表２より、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘの５種類に関して、「成膜容易性」の評価項目については大差がなく、「光学特性：吸収」および「屈折率」の評価項目に着目した結果、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘのいずれかを採用することが好ましいとの結論に至った。ここにおいて、遠赤外線吸収材料としてＡｌ_２Ｏ_３もしくはＴ_２Ｏ_５を採用する場合には、遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_ｘやＳｉＮ_ｘである場合に比べて、遠赤外線の吸収性を向上させることができる。ただし、高屈折率材料との屈折率差を大きくするという観点からは、Ｔ_２Ｏ_５よりもＡｌ_２Ｏ_３の方が好ましい。また、遠赤外線吸収材料としてＳｉＮ_ｘを採用する場合には、遠赤外線吸収材料により形成される薄膜２ａの耐湿性を高めることができる。また、遠赤外線吸収材料としてＳｉＯ_ｘを採用すれば、高屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、薄膜２ａと薄膜２ｂとの積層数の低減を図れる。

また、本願発明者らは、Ｓｉ基板上に１μｍのＡｌ _２Ｏ _３膜を成膜した参考例の透過スペクトルを測定したところ図５（ａ）の「イ」に示すような実測値が得られ、実測値「イ」が同図（ａ）中の「ロ」に示す計算値からずれているという知見を得て、Ａｌ_２Ｏ_３により形成される薄膜２ａの光学パラメータ（屈折率、吸収係数）を図５（ａ）の実測値「イ」からＣａｕｃｈｙの式により算出した。この算出した光学パラメータを図５（ｂ）に示してある。図５（ｂ）に示した新規の光学パラメータでは、屈折率および吸収係数のいずれも８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域で一定という訳ではなく、波長が長くなるにつれて屈折率が徐々に低下し、また、波長が７５００ｎｍ〜１５０００ｎｍの波長域では波長が長くなるにつれて吸収係数が徐々に大きくなる。

上述のＡｌ_２Ｏ_３膜の新規の光学パラメータを用いて赤外線光学フィルタとして波長４．４μｍの狭帯域バンドパスフィルタを設計した実施例の狭帯域透過フィルタ部３および広帯域遮断フィルタ部２それぞれの多層膜の膜厚（物理膜厚）の設計例を下記表３，４に示し、この実施例の透過スペクトルのシミュレーション結果を図６の「イ」に示す。また、上述のＡｌ_２Ｏ_３膜の新規の光学パラメータを用いずに、Ａｌ_２Ｏ_３膜の屈折率を一定、吸収係数を０で一定とした比較例のシミュレーション結果を図６の「ロ」に示す。なお、実施例、比較例のいずれもＧｅの屈折率を４．０で一定、吸収係数を０．０で一定としてシミュレーションした。

上述の図６は、横軸が入射光（赤外線）の波長、縦軸が透過率であり、Ａｌ_２Ｏ_３膜の新規の光学パラメータを用いていない比較例の透過スペクトル「ロ」では、９０００ｎｍ〜２００００ｎｍの遠赤外線が遮断されていないのに対して、Ａｌ_２Ｏ_３膜の新規の光学パラメータを用いた実施例の透過スペクトル「イ」では９０００ｎｍ〜２００００ｎｍの遠赤外線も遮断されており、積層数が２９層の広帯域遮断フィルタ部２と積層数が１１層の狭帯域透過フィルタ部３とで波長が８００ｎｍ〜２００００ｎｍの広帯域の赤外線を遮断でき、４．４μｍ付近のみに狭帯域の透過帯域を局在させ得ることが分かる。なお、本実施形態の赤外線光学フィルタは、Ｓｉ基板からなる半導体基板１と、当該半導体基板１の上記一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部２と、当該半導体基板１の上記他表面側に形成された狭帯域透過フィルタ部３とを備えているが、少なくとも、広帯域遮断フィルタ部２を備えていれば、９０００ｎｍ〜２００００ｎｍの遠赤外線領域、８００ｎｍ〜３０００ｎｍの近赤外線領域の赤外線を遮断することができる。なお、実施例の赤外線光学フィルタでは、狭帯域透過フィルタ部３により、３０００ｎｍ〜６０００ｎｍの波長域に反射帯域を設定し、当該反射帯域に局在させる透過帯域の中心波長（上述の選択波長）として４．４μｍを設定している。

本実施形態の赤外線光学フィルタの製造にあたっては、まず、Ｓｉ基板からなる半導体基板１の上記一表面側に例えばＡｌ_２Ｏ_３膜からなる薄膜２ａと例えばＧｅ膜からなる薄膜２ｂとを交互に積層することで広帯域遮断フィルタ部２を形成する広域遮断フィルタ部形成工程を行い、その後、半導体基板１の上記他表面側に例えばＡｌ_２Ｏ_３膜からなる薄膜３ａと例えばＧｅ膜からなる薄膜３ｂとを交互に積層することで第１のλ／４多層膜３１を形成する第１のλ／４多層膜形成工程を行い、続いて、半導体基板１の上記他表面側（ここでは、第１のλ／４多層膜３１上）に波長選択層３ｃを形成する波長選択層形成工程を行い、その後、第２のλ／４多層膜３２を形成する第２のλ／４多層膜形成工程を行えばよい。

ここにおいて、各薄膜２ａ，２ｂ、各薄膜３ａ，３ｂおよび波長選択層３ｃの成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法を採用すれば、広帯域遮断フィルタ部２の各薄膜２ａ，２ｂを連続的に成膜することができるとともに、狭帯域透過フィルタ部３の第１のλ／４多層膜３１と波長選択層３ｃと第２のλ／４多層膜３２とを連続的に成膜することができるが、低屈折率材料が上述のようにＡｌ_２Ｏ_３の場合には、イオンビームアシスト蒸着法を採用し、薄膜２ａ，３ａの成膜時に酸素イオンビームを照射するようにして薄膜２ａ，３ａの水分量を低減し緻密性を高めることが好ましい。なお、低屈折率材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３以外の遠赤外線吸収材料であるＳｉＯ_ｘ、Ｔ_２Ｏ_５、ＳｉＮ_ｘを採用してもよい。いずれにしても、遠赤外線吸収材料からなる薄膜２ａ，３ａの成膜にあたっては、イオンビームアシスト蒸着法により成膜することが望ましく、低屈折率材料からなる薄膜２ａ，３ａの化学的組成を精密に制御できるとともに、薄膜２ａ，３ａの緻密性を高めることができ、光学パラメータが変動するのを防止することができる。

また、上述の製造方法において、上述の２種類の薄膜２ａ（３ａ），２ｂ（３ｂ）のうち一方の薄膜２ａ（３ａ）の遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_ｘ（ＳｉＯ_２）もしくはＳｉＮ_ｘ（Ｓｉ_３Ｎ_４）であり、他方の薄膜２ｂ（３ｂ）の材料がＳｉである場合には、例えば図３のイオンビームアシスト蒸着装置において蒸発源６４ｂとしてＳｉを用い、Ｓｉからなる薄膜２ｂ（３ｂ）を成膜するときは真空チャンバ６１内を真空雰囲気とし、酸化物であるＳｉＯ_ｘからなる薄膜２ａ（３ａ）を成膜するときはＲＦ型イオン源６５から酸素イオンビームを照射し、窒化物であるＳｉＮ_ｘからなる薄膜２ａ（３ａ）を成膜するときは窒素イオンビームを照射するようにすれば、２種類の薄膜２ａ（３ａ），２ｂ（３ｂ）の成膜に利用する蒸発源６４を共通化することができるので、複数の蒸発源を備えたイオンビームアシスト蒸着装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。同様に、上述の製造方法において、上述の２種類の薄膜２ａ（３ａ），２ｂ（３ｂ）のうち一方の薄膜２ａ（３ａ）の遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_ｘ（ＳｉＯ_２）もしくはＳｉＮ_ｘ（Ｓｉ_３Ｎ_４）であり、他方の薄膜２ｂ（３ｂ）の材料がＳｉである場合、Ｓｉをターゲットとするスパッタ装置を用い、Ｓｉからなる薄膜２ｂ（３ｂ）を成膜するときは当該スパッタ装置の真空チャンバ内を真空雰囲気とし、ＳｉＯ_ｘからなる薄膜２ａ（３ａ）を成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮ_ｘからなる薄膜２ａ（３ａ）を成膜するときは窒素雰囲気とするようにすれば、２種類の薄膜２ａ（３ａ），２ｂ（３ｂ）のターゲットを共通化することができるので、複数のターゲットを備えたスパッタ装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。

以上説明した本実施形態の赤外線光学フィルタによれば、半導体基板１と、当該半導体基板１の上記一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部３とを備え、広帯域遮断フィルタ部３は、屈折率が異なる複数種類の薄膜２ａ，２ｂが積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜２ａ，２ｂのうち１種類の薄膜２ａが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されているので、多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜２ａの遠赤外線吸収効果とにより、サファイア基板を用いることなく、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を実現することができ、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する低コストの赤外線光学フィルタを実現できる。要するに、広帯域遮断フィルタ部２は、屈折率が異なる複数種類の薄膜２ａ，２ｂが積層された多層膜からなり、当該多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜２ａの遠赤外線吸収材料の遠赤外線吸収効果とにより、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有している。

また、本実施形態の赤外線光学フィルタでは、半導体基板１の上記他表面側に狭帯域透過フィルタ部３が形成されており、第１のλ／４多層膜３１および第２のλ／４多層膜３２による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜２１と波長選択層３ｃと第２のλ／４多層膜２２とで構成される多層膜における薄膜３ａの遠赤外線吸収材料での遠赤外線吸収効果とにより、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有するから、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有し、且つ、所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させることが可能な低コストの赤外線光学フィルタを実現できる。

また、本実施形態の赤外線光学フィルタでは、遠赤外線吸収材料として、酸化物もしくは窒化物を採用しているので、遠赤外線吸収材料からなる薄膜２ａ，３ａが酸化して光学特性が変化するのを防止することができる。また、本実施形態の赤外線光学フィルタでは、広帯域遮断フィルタ部２および狭帯域透過フィルタ部３のいずれも半導体基板１から最も遠い最上層が上述の酸化物もしくは窒化物により形成されているので、空気中の水分や酸素などとの反応や不純物の吸着や付着などに起因して最上層の薄膜２ａ，３ａの物性が変化するのを防止できてフィルタ性能の安定性が高くなるとともに、広帯域遮断フィルタ部２および狭帯域透過フィルタ部３の表面での反射を低減でき、フィルタ性能の向上を図れる。

また、本実施形態の赤外線光学フィルタでは、遠赤外線吸収材料により形成された薄膜２ａと、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された薄膜２ｂとが交互に積層されて広帯域遮断フィルタ部２の多層膜が構成されているので、高屈折率材料がＳｉやＰｂＴｅやＺｎＳである場合に比べて、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、当該多層膜の積層数を低減できる。また、高屈折率材料としてＳｉを採用した場合には、高屈折率材料がＺｎＳである場合に比べて、多層膜における高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、多層膜の積層数を低減できる。また、狭帯域透過フィルタ部３に関しても、同様の理由により積層数を低減できる。また、本実施形態では、半導体基板１としてＳｉ基板を用いているので、半導体基板１がＧｅ基板やＺｎＳ基板である場合に比べて低コスト化を図れる。

また、上述の赤外線光学フィルタでは、半導体基板１の上記他表面側に１つの狭帯域透過フィルタ部３を設けてあるが、半導体基板１の上記他表面側に、互いに選択波長の異なる複数の狭帯域透過フィルタ部３を並設するようにして、１チップで複数の選択波長の赤外線を選択的に透過させる赤外線光学フィルタとしてもよい。この場合には、選択波長の異なる狭帯域透過フィルタ部３ごとに波長選択層２３の光学膜厚を適宜設定すればよい。この場合、第１のλ／４多層膜３１および第２のλ／４多層膜３２の低屈折率材料としてＡｌ_２Ｏ_３もしくはＳｉＯ_ｘを採用し、高屈折率材料としてＧｅを採用すれば、低屈折率材料と高屈折率材料との両方が半導体材料である場合に比べて、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることが可能となって、反射帯域幅Δλを広くすることが可能となり、各波長選択層２３の膜厚の設定により選択できる選択波長の範囲が広くなるから、選択波長の設計の自由度が高くなる。

ここにおいて、波長選択層２３のパターン形成方法は、特に限定するものではなく、薄膜形成技術とフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを組み合わせた方法でもよいし、リフトオフ法を採用してもよいし、マスク蒸着法を採用してもよい。

なお、薄膜形成技術とフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを組み合わせた方法においては、上述のように低屈折率材料が酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）、高屈折率材料が半導体材料（Ｇｅ）であれば、エッチング液としてフッ酸系溶液を用いたウェットエッチングを採用することにより、ドライエッチングを採用する場合に比べて、エッチング選択比の高いエッチングが可能となる。これは、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２のような酸化物はフッ酸系溶液に溶解しやすいのに対して、Ｇｅはフッ酸系溶液に非常に溶けにくいためである。一例を挙げれば、フッ酸系溶液としてフッ酸（ＨＦ）と純水（Ｈ_２Ｏ）との混合液からなる希フッ酸（例えば、フッ酸の濃度が２％の希フッ酸）を用いてウェットエッチングを行えば、Ａｌ_２Ｏ_３のエッチングレートが３００ｎｍ／ｍｉｎ程度で、Ａｌ_２Ｏ_３とＧｅとのエッチングレート比が５００：１程度であり、エッチング選択比の高いエッチングを行うことができる。

なお、第１のλ／４多層膜３１および第２のλ／４多層膜３２は、屈折率周期構造を有していればよく、３種類以上の薄膜を積層したものでもよい。

１半導体基板
２広帯域遮断フィルタ部
２ａ，２ｂ薄膜
３狭帯域透過フィルタ部
３ａ，３ｂ薄膜
３ｃ波長選択層

Claims

ガスもしくは炎のセンシングに利用するために８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域の赤外線を制御する赤外線光学フィルタであって、半導体基板と、当該半導体基板の一表面側に形成された広帯域遮断フィルタ部とを備え、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなり、前記遠赤外線吸収材料は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２の群から選択される酸化物もしくはＳｉ_３Ｎ_４からなる窒化物であり、前記多層膜は、前記遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された前記薄膜と前記遠赤外線吸収材料により形成された前記薄膜とが交互に積層されてなり、前記広帯域遮断フィルタ部が、９０００ｎｍ〜２００００ｎｍの遠赤外線領域、８００ｎｍ〜３０００ｎｍの近赤外線領域の赤外線を遮断するように構成されており、前記半導体基板は、Ｓｉ基板であることを特徴とする赤外線光学フィルタ。