JP5399732B2

JP5399732B2 - 赤外線光学フィルタおよびその製造方法

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Publication number: JP5399732B2
Application number: JP2009031637A
Authority: JP
Inventors: 孝彦平井; 啓明北村; 雄一稲葉; 祥文渡部; 尚之西川; 孝浩園
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
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Description

本発明は、赤外線光学フィルタおよびその製造方法に関するものである。

従来から、互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の誘電体薄膜を交互に積層した誘電体多層膜からなる光学フィルタが知られている。ここに、誘電体膜の材料としては、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２などが挙げられる。

また、図１０に示すように、入射光を選択的に透過させる複数種のフィルタ部２_１，２_２，２_３を有する光学フィルタ２００を備えた固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、図１０に示した構成の固体撮像装置は、ｎ形半導体基板１０１の一表面側のｐ形半導体層１０２において、各フィルタ部２_１，２_２，２_３それぞれに対応する部位に、受光素子１０３_１，１０３_２，１０３_３が形成されており、光学フィルタ２００の各フィルタ部２_１，２_２，２_３は、互いに選択波長が異なっている。なお、各フィルタ部２_１，２_２，２_３は、各受光素子１０３_１，１０３_２，１０３_３それぞれの受光面側（図１０における上面側）に、光透過性の絶縁層１０４を介して形成されている。

上述の光学フィルタ２００の各フィルタ部２_１，２_２，２_３は、互いに屈折率が異なる誘電体材料により形成され且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜２１ａ，２１ｂが交互に積層された第１のλ／４多層膜２１と、第１のλ／４多層膜２１におけるｎ形半導体基板１０１側とは反対側に形成され上記２種類の薄膜２１ａ，２１ｂが交互に積層された第２のλ／４多層膜２２と、第１のλ／４多層膜２１と第２のλ／４多層膜２２との間に介在し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た波長選択層２３_１，２３_２，２３_３とで構成されている。なお、２種類の薄膜２１ａ，２１ｂの材料としては、相対的に屈折率の高い高屈折率材料として、ＴｉＯ_２が採用され、相対的に屈折率の低い低屈折率材料として、ＳｉＯ_２が採用されており、図１０に示した例では、ｎ形半導体基板１０１に最も近い薄膜２１ａが高屈折率材料により形成され、当該薄膜２１ａ上の薄膜２１ｂが低屈折率材料により形成されている。つまり、図１０に示した例では、各フィルタ部２_１，２_２，２_３それぞれの最上層が、高屈折率材料により形成された薄膜２１ａとなっている。

ここで、フィルタ部２_１，２_２，２_３の透過スペクトルについて図１１（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。

図１１（ａ）の左側に示すように、屈折率の異なる２種類の薄膜２１ａ，２１ｂを周期的に積層した積層膜（厚み方向のみに屈折率周期構造を有する１次元フォトニック結晶）は、図１１（ａ）の右側に示す透過スペクトルに示したように特定の波長帯の光のみを選択的に反射することが可能となるので、金属膜を利用した反射ミラーに比べて高反射率が要求される高反射ミラー（例えば、レーザ用の高反射ミラー）などに広く使用されている。この図１１（ａ）の左側の構成では、各薄膜２１ａ，２１ｂの膜厚および積層数を適宜設定することにより、反射率と反射帯域幅とを調整することができ、反射帯域幅を広くするのは比較的容易であるが、特定の選択波長の光のみを透過させることは設計上難しい。

これに対して、上述のフィルタ部２_１，２_２，２_３は、図１１（ｂ）の左側に示すように、屈折率周期構造の中に光学膜厚の異なる波長選択層２３（２３_１，２３_２，２３_３）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、図１１（ｂ）の右側に示す透過スペクトルのように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２３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。なお、図１１（ｂ）の左側では、波長選択層２３を当該波長選択層２３に接する薄膜２１ａの波長選択層２３側とは反対側の薄膜２１ｂと同じ材料により形成した例を示してあり、当該波長選択層２３の膜厚（物理膜厚）ｔを変化させることにより、図１１（ｂ）の右側の透過スペクトル中に矢印で示したように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２３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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２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２１ａ、２１ｂ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、反射帯域幅Δλは、下記の式（１）を用いて近似的に求められることが知られている（参考文献：小檜山光信著，「光学薄膜フィルター」，株式会社オプトロニクス社，ｐ．１０２−１０６）。

この式（１）から、反射帯域幅Δλは、低屈折率材料および高屈折率材料それぞれの屈折率ｎ_Ｈ，ｎ_Ｌに依存していることが分かり、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１２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。

ここで、図１０に示した固体撮像装置における光学フィルタ２００は、可視光用のフィルタであり、高屈折率材料と低屈折率材料との組み合わせとして、可視光域において吸収がなく透明性の極めて高い酸化物の組み合わせのうち、最も屈折率差を大きくすることができるＴｉＯ_２とＳｉＯ_２との組み合わせが代表例として例示されている。なお、図１０に示した構成の光学フィルタ２００の製造方法においては、各薄膜２１ａ，２１ｂおよび波長選択層２３_１，２３_２，２３_３の成膜方法としてＲＦスパッタ装置を用いたスパッタ法を採用しており、波長選択層２３_１，２３_２のパターン形成方法としてエッチングやリフトオフを利用した形成方法が記載されている。

また、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２〜６）。

ここにおいて、上記特許文献３には、面内の位置により異なる選択波長の赤外線を透過する赤外線光学フィルタとして、図１３に示すように、赤外領域で透明な低屈折材料により形成された薄膜２１ｂと赤外領域で透明な高屈折率材料により形成された薄膜２１ａとが交互に積層された積層構造の途中に、高屈折率材料により形成された波長選択層（スペーサ層）２３’を有し、当該波長選択層２３’の膜厚を面内方向（図１３における左右方向）において連続的に変化させてある多波長選択フィルタが提案されている。なお、図１３に示した構成の赤外線光学フィルタは、上記積層構造の下地となる基板１’としてＳｉ基板を用い、対象ガスであるＣＯ_２の吸収波長である４．２５μｍの赤外線と、各種ガスによる吸収のない参照光の波長として設定した３．８μｍの赤外線とを互いに異なる位置で透過できるように、波長選択層２３’の膜厚を面内方向において連続的に変化させてある。

また、特許文献５，６には、Ｓｉ基板などを用いて形成され所望の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。

国際公開第２００５／０６９３７６号特開昭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、図１３に示した構成の赤外線光学フィルタにおいて、遠赤外線を遮断するには、上記特許文献５，６と同様に、当該光学フィルタ２００とは別途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設ける必要があり、コストが高くなってしまう。また、図１３に示した構成の赤外線光学フィルタでは、波長選択層２３’の膜厚を面内方向で連続的に変化させているが、製造時に再現性良く且つ安定性良く膜厚を変化させることが難しく、しかも、波長選択層２３’の膜厚が連続的に変化していることにより、選択波長の赤外線に対する透過帯域の狭帯域化が難しく、フィルタ性能の低下の原因となってしまうので、赤外線検出素子を利用するガスセンサ、炎検知センサなどの高性能化および低コスト化が難しい。

また、図１０に示した構成の光学フィルタ２００を赤外線光学フィルタとして用いるために、高屈折率材料としてＧｅ、低屈折率材料としてＺｎＳを採用することが考えられる。しかしながら、この場合においても、遠赤外線を遮断するには、上記特許文献５，６と同様に、当該光学フィルタ２００とは別途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設ける必要があり、コストが高くなってしまう。

また、図１０に示した構成の光学フィルタ２００を赤外線光学フィルタとして用いるために、高屈折率材料としてＧｅ、低屈折率材料としてＺｎＳを採用した場合、サファイア基板からなる遮光フィルタを用いずに遠赤外線遮断機能を発現させるためには、第１のλ／４多層膜２１と第２のλ／４多層膜２２とを合わせた薄膜２１ａ，２１ｂの積層数が７０層以上となり、製造コストが高くなってしまうとともに、フィルタ部２_１，２_２，２_３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およびその製造方法を提供することにある。

請求項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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ_２Ｏ_３であり、フィルタ部を複数備え、各フィルタ部ごとに前記波長選択層の光学膜厚が異なり、複数のフィルタ部で反射帯域が同じであり且つ反射帯域が３．１μｍ〜５．５μｍの赤外領域を含んでいることを特徴とする。

この発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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低コストで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、この発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなるので、高屈折率材料がＺｎＳである場合に比べて、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４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、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜の積層数を低減できる。また、この発明によれば、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ_２Ｏ_３であるので、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。また、この発明によれば、フィルタ部を複数備え、各フィルタ部ごとに前記波長選択層の光学膜厚が異なるので、複数の前記選択波長の赤外線を選択的に透過させることができる。

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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、遠赤外線吸収材料は、酸化物もしくは窒化物であることを特徴とする。

上記別の第１の発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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低コストで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、上記別の第１の発明によれば、遠赤外線吸収材料は、酸化物もしくは窒化物であるので、複数種類の薄膜のうち遠赤外線吸収材料からなる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、また、遠赤外線吸収材料からなる薄膜を蒸着法やスパッタ法などの一般的な薄膜形成方法により成膜することができ、低コスト化を図れる。

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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ｔａ_２Ｏ_５であることを特徴とする。

上記別の第２の発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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低コストで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、上記別の第２の発明によれば、遠赤外線吸収材料は、Ｔａ _２Ｏ _５であるので、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。

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であって、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、遠赤外線吸収材料は、ＳｉＮ_ｘであることを特徴とする。

上記別の第３の発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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低コストで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、上記別の第３の発明によれば、遠赤外線吸収材料は、ＳｉＮ _ｘであるので、遠赤外線吸収材料により形成される薄膜の耐湿性を高めることができる。

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であって、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、遠赤外線吸収材料は、ＳｉＯ_ｘであることを特徴とする。

上記別の第４の発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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低コストで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、上記別の第４の発明によれば、遠赤外線吸収材料は、ＳｉＯ _ｘであるので、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜において、屈折率差を大きくすることができ、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜の積層数の低減を図れる。

本願の別の第５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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、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と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなることを特徴とする。

上記別の第５の発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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低コストで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、上記別の第５の発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、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と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなるので、高屈折率材料がＺｎＳである場合に比べて、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４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、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜の積層数を低減できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記基板は、Ｓｉ基板であることを特徴とする。

この発明によれば、前記基板がＧｅ基板、ＺｎＳ基板、サファイア基板などである場合に比べて低コスト化を図れる。

請求項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であって、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜におけるＳｉ基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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し、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ_２Ｏ_３であり、フィルタ部を複数備え、各フィルタ部ごとに前記波長選択層の光学膜厚が異なり、複数のフィルタ部で反射帯域が同じであり且つ反射帯域が３．１μｍ〜５．５μｍの赤外領域を含んでいることを特徴とする。

本願の別の第６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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ _２Ｏ _３である、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。
本願の別の第７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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜におけるＳｉ基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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し、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ _２Ｏ _３である、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６、７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し、且つ、所望の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提供できる。

本願の別の第８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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜におけるＳｉ基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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し、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ _２Ｏ _３であり、フィルタ部を複数備え、各フィルタ部ごとに前記波長選択層の光学膜厚が異なる、赤外線光学フィルタの製造方法であって、基板の一表面側に前記複数種類の薄膜を積層する基本工程の途中で、当該途中における積層膜の上から２番目の層と同じ材料からなる薄膜であって各フィルタ部のうちの任意の１つのフィルタ部の選択波長に応じて光学膜厚を設定した薄膜を前記積層膜上に成膜し、前記積層膜上に成膜した薄膜のうち前記任意の１つのフィルタ部に対応する部分以外の部分をエッチングすることで少なくとも１つの波長選択層のパターンを形成することを特徴とする。

上記別の第８の発明によれば、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、複数の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提供できる。

本願の別の第９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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜におけるＳｉ基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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し、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ _２Ｏ _３であり、フィルタ部を複数備え、各フィルタ部ごとに前記波長選択層の光学膜厚が異なる、赤外線光学フィルタの製造方法であって、基板の一表面側に第１のλ／４多層膜を形成する第１のλ／４多層膜形成工程と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に第２のλ／４多層膜を形成する第２のλ／４多層膜形成工程との間で、各フィルタ部に対応する各部位それぞれに互いに光学膜厚の異なる波長選択層をマスク蒸着により形成することを特徴とする。

上記別の第９の発明によれば、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、複数の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提供できる。

請求項４の発明は、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記２種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記２種類の薄膜のうちの一方の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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、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。

この発明によれば、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し、且つ、複数の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提供できる。

本願の別の第１０の発明は、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記２種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記２種類の薄膜のうちの一方の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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、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１０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し、且つ、複数の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提供できる。

請求項１，３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という効果がある。

請求項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し、且つ、所望の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の反射帯域幅を説明するための屈折率周期構造の透過スペクトル図である。同上の屈折率周期構造における低屈折率材料の屈折率と反射帯域幅との関係説明図である。同上の赤外線光学フィルタのフィルタ部の基本構成を示す概略断面図である。同上の基本構成の特性説明図である。同上の基本構成の特性説明図である。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方法を説明するための主要工程断面図である。同上の赤外線光学フィルタの透過スペクトル図である。従来の固体撮像装置の概略断面図である。同上における光学フィルタの説明図である。設定波長と反射帯域との関係説明図である。従来の赤外線光学フィルタの概略断面図である。

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、基板１と、基板１の一表面側で並設された複数（ここでは、２つ）のフィルタ部２_１，２_２とを備え、各フィルタ部２_１，２_２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２１ｂ，２１ａが積層された第１のλ／４多層膜２１と、第１のλ／４多層膜２１における基板１側とは反対側に形成され上記複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂが積層された第２のλ／４多層膜２２と、第１のλ／４多層膜２１と第２のλ／４多層膜２２との間に介在し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た波長選択層２３_１，２３_２とを備えている。

基板１の材料としては、赤外線透過材料であるＳｉを採用している（つまり、基板１としてＳｉ基板を用いている）が、赤外線透過材料は、Ｓｉに限らず、例えば、ＧｅやＺｎＳなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、フィルタ部２_１，２_２の平面形状を数ｍｍ□の正方形状とし、基板１の平面形状を長方形状の形状としてあるが、これらの平面形状や寸法は特に限定するものではない。

ところで、本実施形態の赤外線光学フィルタは、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２における低屈折率層である薄膜２１ｂの材料（低屈折率材料）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、高屈折率層である薄膜２１ａの材料（高屈折率材料）としてＧｅを採用しており、波長選択層２３_１，２３_２の材料を当該波長選択層２３_１，２３_２直下の第１のλ／４多層膜２１の上から２番目の薄膜２１ｂ，２１ａの材料と同じ材料とし、第２のλ／４多層膜２２のうち基板１から最も遠い薄膜２１ｂ，２１ｂが上述の低屈折率材料により形成されている。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や、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。

ところで、例えば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であり、ここに列挙した全ての特定波長を選択的に検知するためには、３．１μｍ〜５．５μｍ程度の赤外領域に反射帯域を有する必要があって、２．４μｍ以上の反射帯域幅Δλが必要不可欠である。

ここにおいて、本実施形態では、波長選択層２３_１，２３_２の各光学膜厚を適宜設定することによって上述の各種ガスおよび炎の検出が可能となるように、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設定波長λ_０を４．０μｍとしている。また、各薄膜２１ａ，２１ｂの物理膜厚は、薄膜２１ａの材料である高屈折率材料の屈折率をｎ_Ｈ、薄膜２１ｂの材料である低屈折率材料の屈折率ｎ_Ｌとすると、それぞれλ_０／４ｎ_Ｈ、λ_０／４ｎ_Ｌとなるように設定してある。具体的には、高屈折率材料がＧｅ、低屈折率材料がＡｌ_２Ｏ_３の場合、ｎ_Ｈ＝４．０、ｎ_Ｌ＝１．７として、高屈折率材料により形成する薄膜２１ａの物理膜厚を２５０ｎｍに設定し、低屈折率材料により形成する薄膜２１ｂの物理膜厚を５８８ｎｍに設定してある。

ここで、Ｓｉ基板からなる基板１の一表面側に低屈折率材料からなる薄膜２１ｂと高屈折率材料からなる薄膜２１ａとを交互に積層したλ／４多層膜の積層数を２１とし、各薄膜２１ａ，２１ｂでの吸収がない（つまり、各薄膜２１ａ，２１ｂの消衰係数を０）と仮定して、設定波長λ_０を４μｍとした場合の透過スペクトルのシミュレーション結果を図２に示す。

図２は、横軸が入射光（赤外線）の波長、縦軸が透過率であり、同図中の「イ」は高屈折率材料をＧｅ（ｎ_Ｈ＝４．０）、低屈折率材料をＡｌ_２Ｏ_３（ｎ_Ｌ＝１．７）とした場合の透過スペクトルを、同図中の「ロ」は高屈折率材料をＧｅ（ｎ_Ｈ＝４．０）、低屈折率材料をＳｉＯ_２（ｎ_Ｌ＝１．５）とした場合の透過スペクトルを、同図中の「ハ」は高屈折率材料をＧｅ（ｎ_Ｈ＝４．０）、低屈折率材料をＺｎＳ（ｎ_Ｌ＝２．３）とした場合の透過スペクトルを、それぞれ示している。

また、図３に、高屈折率材料をＧｅとして、低屈折率材料の屈折率を変化させた場合の反射帯域幅Δλをシミュレーションした結果を示す。なお、図３中の「イ」、「ロ」、「ハ」は、それぞれ図２中の「イ」、「ロ」、「ハ」の点に対応している。

図２および図３から、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差が大きくなるにつれて反射帯域幅Δλが増大することが分かり、高屈折率材料がＧｅの場合には、低屈折率材料としてＡｌ_２Ｏ_３もしくはＳｉＯ_２を採用することにより、少なくとも３．１μｍ〜５．５μｍの赤外領域の反射帯域を確保できるとともに、反射帯域幅Δλを２．４μｍ以上とできることが分かる。

次に、図４に示すように、第１のλ／４多層膜２１の積層数を４、第２のλ／多層膜２２の積層数を６として、薄膜２１ａの高屈折率材料をＧｅ、薄膜２１ｂの低屈折率材料をＡｌ_２Ｏ_３、第１のλ／４多層膜２１と第２のλ／４多層膜２２との間に介在させる波長選択層２３の材料を低屈折率材料であるＡｌ_２Ｏ_３とし、当該波長選択層２３の光学膜厚を０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲で種々変化させた場合の透過スペクトルについてシミュレーションした結果を図５および図６に示す。ここで、図４中の矢印Ａ１は入射光、矢印Ａ２は透過光、矢印Ａ３は反射光をそれぞれ示している。また、波長選択層２３の光学膜厚は、当該波長選択層２３の材料の屈折率をｎ、当該波長選択層２３の物理膜厚をｄとすると、屈折率ｎと物理膜厚ｄとの積、つまり、ｎｄで求められる。なお、このシミュレーションにおいても、各薄膜２１ａ，２１ｂでの吸収がない（つまり、各薄膜２１ａ，２１ｂの消衰係数を０）と仮定して、設定波長λ_０を４μｍ、薄膜２１ａの物理膜厚を２５０ｎｍ、薄膜２１ｂの物理膜厚を５８８ｎｍとした。

図５および図６から、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２により、３μｍ〜６μｍの赤外領域に反射帯域が形成されていることが分かるとともに、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを適宜設定することにより、３μｍ〜６μｍの反射帯域の中に狭帯域の透過帯域が局在していることが分かる。具体的には、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲で変化させることにより、透過ピーク波長を３．１μｍ〜５．５μｍの範囲で連続的に変化させることが可能であることが分かる。より具体的には、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを、１３９０ｎｍ、０ｎｍ、９５ｎｍ、２３５ｎｍ、４９５ｎｍと変化させれば、透過ピーク波長がそれぞれ、３．３μｍ、４．０μｍ、４．３μｍ、４．７μｍ、５．３μｍとなる。

したがって、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設計を変えることなく波長選択層２３の光学膜厚の設計のみを適宜変えることにより、特定波長が３．３μｍのＣＨ_４、特定波長が４．０μｍのＳＯ_３、特定波長が４．３μｍのＣＯ_２、特定波長が４．７μｍのＣＯ、特定波長が５．３μｍのＮＯなどの種々のガスや、特定波長が４．３μｍの炎のセンシングが可能となる。なお、光学膜厚ｎｄの０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲は、物理膜厚ｄの０ｎｍ〜９４１ｎｍの範囲に相当する。また、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄが０ｎｍの場合、つまり、図５において波長選択層２３がない場合の透過ピーク波長が４０００ｎｍとなるのは、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設定波長λ_０を４μｍ（４０００ｎｍ）に設定しているからであり、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設定波長λ_０を適宜変化させることにより、波長選択層２３がない場合の透過ピーク波長を変化させることができる。

ところで、薄膜２１ｂの低屈折率材料として、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長域の赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料である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７に示す。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。

ここにおいて、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。また、図７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。

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７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として、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２１ｂ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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の積層数の低減を図れる。

以下、本実施形態の赤外線光学フィルタの製造方法について図８を参照しながら説明する。

まず、Ｓｉ基板からなる基板１の一表面側の全面に、低屈折率材料であるＡｌ_２Ｏ_３からなる所定の物理膜厚（ここでは、５８８ｎｍ）の薄膜２１ｂと高屈折率材料であるＧｅからなる所定の物理膜厚（ここでは、２５０ｎｍ）の薄膜２１ａとを交互に積層することで第１のλ／４多層膜２１を形成する第１のλ／４多層膜形成工程を行い、続いて、基板１の上記一表面側（ここでは、第１のλ／４多層膜２１の表面）側の全面に、第１のλ／４多層膜２１の上から２番目に位置する薄膜２１ｂと同じ材料（ここでは、低屈折率材料であるＡｌ_２Ｏ_３）からなり１つのフィルタ部２_１の選択波長に応じて光学膜厚を設定した波長選択層２３_１を成膜する波長選択層成膜工程を行うことによって、図８（ａ）に示す構造を得る。なお、各薄膜２１ｂ，２１ａおよび波長選択層２３_１の成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用すれば２種類の薄膜２１ｂ，２１ａ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２１ｂ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２１ｂの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２１ｂ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２１ｂの化学的組成を精密に制御できるとともに、薄膜２１ｂの緻密性を高めることができる。

上述の波長選択層成膜工程の後、フィルタ部２_１に対応する部位のみを覆うレジスト層３１をフォトリソグラフィ技術を利用して形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図８（ｂ）に示す構造を得る。

その後、レジスト層３１をマスクとし、第１のλ／４多層膜２１の一番上の薄膜２１ａをエッチングストッパ層として波長選択層２３_１の不要部分を選択的にエッチングする波長選択層パターニング工程を行うことによって、図８（ｃ）に示す構造を得る。ここで、波長選択層パターニング工程では、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。

上述の波長選択層パターニング工程の後、レジスト層３１を除去するレジスト層除去工程を行うことによって、図８（ｄ）に示す構造を得る。

上述のレジスト層除去工程の後、基板１の一表面側の全面に、高屈折率材料であるＧｅからなる所定の物理膜厚（２５０ｎｍ）の薄膜２１ａと低屈折率材料であるＡｌ_２Ｏ_３からなる所定の物理膜厚（５８８ｎｍ）の薄膜２１ｂとを交互に積層することで第２のλ／４多層膜２２を形成する第２のλ／４多層膜形成工程を行うことによって、図８（ｅ）に示す構造の赤外線光学フィルタを得る。ここにおいて、第２のλ／４多層膜形成工程を行うことによって、フィルタ部２_２に対応する領域では、第１のλ／４多層膜２１の最上層の薄膜２１ａ上に直接、第２のλ／４多層膜２２の最下層の薄膜２１ａが積層されることとなり、当該最上層の薄膜２１ａと当該最下層の薄膜２１ａとでフィルタ部２_２の波長選択層２３_２を構成している。ただし、このフィルタ部２_２の透過スペクトルは、図６のシミュレーション結果では、光学膜厚ｎｄが０ｎｍの場合に相当する。なお、各薄膜２１ａ，２１ｂの成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用すれば２種類の薄膜２１ａ，２１ｂ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２１ｂ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２１ｂの緻密性を高めることが好ましい。

要するに、本実施形態の赤外線光学フィルタの製造方法にあたっては、基板１の上記一表面側に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２１ｂ，２１ａを積層する基本工程の途中で、当該途中における積層膜（ここでは、第１のλ／４多層膜２１）の上から２番目の層と同じ材料からなる波長選択層２３_ｉ（ここでは、ｉ＝１）であって複数のフィルタ部２_１，・・・，２_ｍ（ここでは、ｍ＝２）のうちの任意の１つのフィルタ部２_ｉ（ここでは、ｉ＝１）の選択波長に応じて光学膜厚を設定した波長選択層２３_ｉを上記積層膜上に成膜する波長選択層成膜工程と、波長選択層成膜工程にて成膜した波長選択層２３のうち上記任意の１つのフィルタ部２_ｉに対応する部分以外の不要部分を上記積層膜の１番上の層をエッチングストッパ層としてエッチングする波長選択層パターニング工程とからなる波長選択層形成工程を１回行っており、複数のフィルタ部２_１，２_２が形成される。ここで、上述の基本工程の途中で、波長選択層形成工程を複数回行うようにすれば、より多くの選択波長を有する赤外線光学フィルタを製造することができ、上述の全てのガスをセンシングする赤外線光学フィルタを１チップで実現することもできる。

また、上述の製造方法においては、基板１の上記一表面側に複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂを積層する基本工程の途中で、当該途中における積層膜（ここでは、第１のλ／４多層膜２１）の上から２番目の層と同じ材料からなる薄膜であって各フィルタ部２_１，・・・，２_ｍ（ここでは、ｍ＝２）のうちの任意の１つのフィルタ部２_ｉ（ここでは、ｉ＝１）の選択波長に応じて光学膜厚を設定した薄膜を上記積層膜上に成膜し、上記積層膜上に成膜した薄膜のうち上記任意の１つのフィルタ部２_ｉ（ここでは、ｉ＝１）に対応する部分以外の部分をエッチングすることで少なくとも１つの波長選択層２３１のパターンを形成しているが、少なくとも１つの波長選択層２３_１のパターンを形成すればよく、例えば、波長選択層２３_２が、波長選択層２３_１と同じ材料であり且つ波長選択層２３_１よりも光学膜厚が小さく設定されている場合には、上記積層膜上の薄膜を途中までエッチングすることで２つの波長選択層２３_１，２３_２のパターンを形成するようにしてもよい。

また、上述の製造方法に限らず、基板１の上記一表面側に第１のλ／４多層膜２１を形成する第１のλ／４多層膜形成工程と、第１のλ／４多層膜における基板１側とは反対側に第２のλ／４多層膜２２を形成する第２のλ／４多層膜形成工程との間で、各フィルタ部２_１，・・・，２_ｍ（ここでは、ｍ＝２）に対応する各部位それぞれに互いに光学膜厚の異なる波長選択層２３_１，・・・，２３_ｍ（ここでは、ｍ＝２）をマスク蒸着により形成するようにしてもよい。

また、上述の製造方法において、上述の２種類の薄膜２１ａ，２１ｂのうち一方の薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_ｘもしくはＳｉＮ_ｘであり、他方の薄膜２１ａがＳｉである場合には、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２１ａを成膜するときは真空雰囲気とし、酸化物であるＳｉＯ_ｘからなる薄膜２１ｂを成膜するときは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２１ｂ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２１ａ，２１ｂの蒸発源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２１ａ，２１ｂのうち一方の薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_ｘもしくはＳｉＮ_ｘであり、他方の薄膜２１ａ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２１ａを成膜するときは真空雰囲気とし、ＳｉＯ_ｘからなる薄膜２１ｂを成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮ_ｘからなる薄膜２１ｂ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２１ａ，２１ｂ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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２を構成する薄膜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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２を構成する薄膜２１ｂ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低コストで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、薄膜２１ｂの材料である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、複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂのうち遠赤外線吸収材料からなる薄膜２１ｂ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、また、遠赤外線吸収材料からなる薄膜２１ｂを蒸着法やスパッタ法などの一般的な薄膜形成方法により成膜することができ、低コスト化を図れる。

また、本実施形態の赤外線光学フィルタでは、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２が、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２１ａと遠赤外線吸収材料により形成された薄膜２１ｂとが交互に積層されているので、高屈折率材料がＳｉやＺｎＳである場合に比べて、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の積層数を低減できる。また、本実施形態では、基板１としてＳｉ基板を用いているので、基板１がＧｅ基板、ＺｎＳ基板、サファイア基板などである場合に比べて低コスト化を図れる。

また、本実施形態の赤外線光学フィルタは、上述のように、複数のフィルタ部２_１，２_２を備え、各フィルタ部２_１，２_２ごとに波長選択層２３_１，２３_２の光学膜厚が異なるので、複数の選択波長の赤外線を選択的に透過させることができる。

また、本実施形態の赤外線光学フィルタによれば、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２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を採用していることにより、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、波長選択層２３_１，２３_２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。また、本実施形態の赤外線光学フィルタでは、波長選択層２３_１，２３_２の材料を第１のλ／４多層膜２１の上から２番目の２番目の薄膜２１ｂ，２１ａの材料と同じ材料としてあるので、波長選択層２３_１をエッチングによりパターン形成する場合のエッチング選択比を大きくすることができ、当該パターン形成時に第１のλ／４多層膜２１の最上層の薄膜２１ａ（図８（ｃ）参照）の光学膜厚が薄くなるのを防止でき、そのうえ、第２のλ／４多層膜２２のうち基板１から最も遠い薄膜２１ｂ，２１ｂが上述の低屈折率材料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各フィルタ部において基板から最も遠い薄膜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、各フィルタ部２_１，２_２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、高屈折率材料としてＧｅを採用し、低屈折率材料としてＡｌ_２Ｏ_３もしくはＳｉＯ_２を採用しているので、基板１としてＳｉ基板を用いながらも広帯域の赤外線を遮断することができ、上述の波長選択層２３_１，２３_２それぞれの光学膜厚ｎｄを適宜設定することにより、図９に示すように、上述の３．８μｍと４．３μｍとに透過ピーク波長を有する赤外線光学フィルタを１チップで実現することができる。

なお、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２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基板
２_１，２_２フィルタ部
２１第１のλ／４多層膜
２１ａ薄膜
２１ｂ薄膜
２２第２のλ／４多層膜
２３_１，２３_２波長選択層

Claims

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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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遠赤外線吸収材料により形成されてなり、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ_２Ｏ_３であり、フィルタ部を複数備え、各フィルタ部ごとに前記波長選択層の光学膜厚が異なり、複数のフィルタ部で反射帯域が同じであり且つ反射帯域が３．１μｍ〜５．５μｍの赤外領域を含んでいることを特徴とする赤外線光学フィルタ。
前記基板は、Ｓｉ基板であることを特徴とする請求項１記載の赤外線光学フィルタ。
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、基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜におけるＳｉ基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜を構成する薄膜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し、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜は、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された薄膜と遠赤外線吸収材料により形成された薄膜とが交互に積層されてなり、遠赤外線吸収材料は、Ａｌ_２Ｏ_３であり、フィルタ部を複数備え、各フィルタ部ごとに前記波長選択層の光学膜厚が異なり、複数のフィルタ部で反射帯域が同じであり且つ反射帯域が３．１μｍ〜５．５μｍの赤外領域を含んでいることを特徴とする赤外線光学フィルタ。
基板と、当該基板の一表面側に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させるフィルタ部とを備え、フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における基板側とは反対側に形成され前記２種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを備え、前記２種類の薄膜のうちの一方の薄膜が第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜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、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赤外線光学フィルタの製造方法。