JP5424730B2

JP5424730B2 - 光学フィルタの製造方法

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Publication number: JP5424730B2
Application number: JP2009141031A
Authority: JP
Inventors: 裕高田; 彰山下; 新平小川; 政広番
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: JP2010286706A

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、入射光線を透過する窓（光学窓）、レンズ等の光学フィルタの製造方法に関する。

発光装置、受光装置または撮影装置などにおいて、光学部品（例えば、光学フィルタ）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）の屈折率との差に起因して、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。

例えば、従来の赤外線用の光学フィルタは、窓材としてＧｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ及びＳｉなどが多く利用され、その反射防止膜として、金属フッ化物などが採用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、光学部品の表面に反射防止膜を積層する代わりに、その表面に光の波長よりも小さな間隔をあけた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提案されている（例えば、特許文献２〜３、非特許文献１参照）。

特開２００３−１７７２１０号公報特開２０００−２５８６０７号公報特表２００４−５２１３２９号公報

OPTICS LETTERS, Vol. 24, No.20, October 15, 1999, pp. 1422-1423 (Optical Society of America)

近年、撮影装置の高機能化や高効率化の要求が増えており、例えば、撮影装置が取扱う光学波長帯のマルチバンド化という要求がある。ところが、上記特許文献１のような多層の反射防止膜を光学部品に適用する場合、光学部品の使用環境（例えば、高温、ヒートサイクル）における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る。その理由は、設計仕様から外れた環境下で使用した場合、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生じ、その結果、光学部品の長期信頼性を阻害する可能性があるからである。また、バンドパスフィルタとして急峻な波長選択性を付与する場合は、多層膜の層数がさらに増加する。そのため、材料選択範囲がさらに制限され、使用環境条件はより制約されることになる。

これらの対策として、特許文献２〜３や非特許文献１のように、光学部品の表面に微細な凹凸を形成する構造が提案されている。この構造において凹凸形状が不均一（深さ、直径等のバラツキ）であっても、単なる反射防止膜としては有効に機能する。しかしながら、所望の波長帯での急峻な波長選択性をもつことが要求されるマルチバンドの光学フィルタなどの場合には、凹凸形状の不均一は波長選択性を劣化させてしまい、急峻な選択性を得ることは困難である。

このような表面三次元構造の不均一は、微細構造を表面に形成する加工時に微細構造の高さや形状が変動することに起因している。こうした形状バラツキが発生すると、光学的に急峻なフィルタ特性を得ることは難しい。

本発明の目的は、表面三次元構造を採用した光学フィルタにおいて急峻な波長選択性を実現でき、高い信頼性を有する光学フィルタの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学フィルタの製造方法は、２つ以上の電気絶縁層および３つ以上の半導体材料が交互に積層された積層体を用意する工程と、
積層体の第１主面側に位置する半導体材料にエッチングを施して、半導体材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する第１微細構造体を形成する工程と、
積層体の第２主面側に位置する半導体材料にエッチングを施して、半導体材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する第２微細構造体を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、微細構造体の材料および空間の面積比率を調整することによって、材料屈折率と空間屈折率の範囲内で任意の実効屈折率を実現できる。また、電気絶縁層の上に半導体材料が成膜された基板、例えば、ＳＯＩ基板を利用することにより、半導体材料にエッチングを施して微細構造体を形成する際、電気絶縁層がエッチング停止層として機能するようになるため、微細構造体の厚み及び形状が均一になり、その結果、急峻な波長選択性を実現できる。

本発明の実施の形態１による光学フィルタの構造を示す斜視図である。図１に示す光学フィルタの平面図である。図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの構造を示す斜視図である。図４に示す光学フィルタの平面図である。図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態２による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態３による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態３による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態３による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態３による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態３による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態３による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態４による光学フィルタの構造を示す斜視図である。図２０に示す光学フィルタの断面図である。本発明の実施の形態５による光学フィルタの製造方法の説明図である。本発明の実施の形態６による光学フィルタの製造方法の説明図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光学フィルタの構造を示す斜視図である。図２は、図１に示す光学フィルタの平面図である。図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

以下、赤外線検出器用の光学フィルタとして、３〜５μｍ帯及び８〜１４μｍ帯という２つの通過波長帯に対応するマルチバンドパス特性を有する光学フィルタを設計する場合について説明する。なお、本発明は、任意の波長帯でのバンドパス特性を有する光学フィルタに適用可能である。

まず、光学フィルタ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１は、基板２と、基板２の上面側に配置された三次元構造体３とを備える。

基板２としては、半導体ウエハ／酸化絶縁層／半導体層が積層された複合基板を用いており、半導体層の加工によって三次元構造体３を形成している。こうした複合基板は、各材料層の機械的な貼り合わせまたは、半導体ウエハへのイオン注入による酸化膜形成後、Ｓｉ，Ｇｅ，ＺｎＳｅなどの各種半導体の成膜によって得られる（ＳＩＭＯＸ等）。複合基板での半導体ウエハおよび半導体層は同じ材料でも異なる材料でも構わない。

本実施形態では、複合基板として、シリコンウエハ／シリコン酸化層／シリコン層からなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いることが好ましく、以下、上層に位置する半導体層をＳＯＩ層と称する。

三次元構造体３は、所定の寸法を有する単位セルからなる周期構造を備える。単位セルが直方体の形状である場合、その構造パラメータとして、直方体のｘ寸法Ｌｘ、ｙ寸法Ｌｙ、ｚ寸法ｄおよび空間のｘ寸法ｓｘ、ｙ寸法ｓｙが定義できる。光学フィルタ１の通過波長帯の下限が３μｍである場合、一般に、Ｌｘ，Ｌｙ，ｓｘ，ｓｙは約５００ｎｍ以下に設定され、ｄは約１．４μｍに設定される。

図３を参照して、上述した表面三次元構造体３は、基板２に対して屈折率の異なる層として働く。光学部品（ここでは光学フィルタ）が、ある媒質（通常は空気）に接して配置されるとき、光透過面において入射光の散乱が生じないように、三次元構造体３の構造パラメータＬは入射光線の波長以下になるように設計する。このような三次元構造体３において凹部と凸部との面積比率により、その層の実効的な屈折率（ｎ_ｘ）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、この単層の実効的な屈折率（ｎ_ｘ）は下記式（１）から求めることができる。

従って、ＳＯＩ層とウエハとが同じ屈折率であっても、三次元構造体３の面積比率ｆを調整することによって、その層の実効屈折率（ｎ_ｘ）を材料屈折率と空間屈折率の範囲内で制御することができる。

次に、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）によって下記式（２）から決定される。

従って、目的とする赤外線を透過させる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（ｎ_ｘ）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（ｄ_ｘ）を決定できる。

こうしたサブ波長の三次元構造体において、図３の比較例に示すように、単位セルの断面形状が急峻な矩形ではなく、裾を引いたような形状である場合、面積比率が局所的に異なったり、凹部の深さが変動してしまう。すると、透過波長ピークがずれることなどと等価になるため、光学フィルタの波長選択性の急峻さが失われてしまう。

本発明では、三次元構造体のエッチング加工時に、ＳＯＩ層と酸化絶縁層４のエッチング比が大きなエッチング条件を利用することによって、酸化絶縁層４をエッチング停止層として機能させている。これにより三次元構造体の単位セルの高さｄ（＝凹部の深さ）はＳＯＩ層の厚さによって決定され、さらに図３に示すように、単位セルの断面形状を急峻な矩形に加工することが容易になる。その結果、単位セル形状の均一性が向上し、急峻な波長選択性を持つ光学フィルタを実現できる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による光学フィルタの構造を示す斜視図である。図５は、図４に示す光学フィルタの平面図である。図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。

本実施形態では、実施の形態１の光学フィルタにおいて、酸化絶縁層４の上面側に複数のサブ波長三次元構造体を積層するとともに、隣り合う微細構造体が互いに異なる実効屈折率を有することにより、従来の多層膜フィルタと同等な光学特性を実現している。

光学フィルタ１は、酸化絶縁層４の上に配置された多数の下層小角柱３１と、多数の大角柱２１と、各大角柱２１の上に配置された多数の上層小角柱１１とで構成される。基板２、下層小角柱３１、大角柱２１および上層小角柱１１は、赤外線を透過する材料、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，ＺｎＳｅ等で形成可能であり、特にＳＯＩ基板を用いた場合はＳｉで形成される。

図６を参照して、光学フィルタ１は、基板２、酸化絶縁層４、下層構造体３０、中層構造体２０、上層構造体１０からなる積層体である。これらの３層の三次元構造体からなるフィルタ構造は、上述したように単位セルの構造パラメータを調整することによって各層の実効屈折率ｎ_１，ｎ_２，ｎ_３を制御することができ、これにより従来の３層の光学多層膜と等価な光学特性を付与できる。例えば、各層の実効屈折率ｎ_１＝１．５、ｎ_２＝２．０、ｎ_３＝２．５及び凹部の深さをｄ_１＝０．５μm、ｄ_２＝０．９μm、ｄ_３＝０．２５μmに設定した場合、３〜５μｍ帯及び８〜１４μｍ帯の光を透過させるマルチバンド特性を有する光学フィルタが得られる。

ここでは、凸部の形状を角柱状とした例を示したが、円柱等のその他の形状でも構わない。また、実効屈折率の分布をステップ状とすることが好ましく、これにより波長選択性が向上する。また、各層での面積比率のばらつきは少ない方が望ましい。

次に、本実施形態に係る光学フィルタの製造方法について説明する。図７〜図１３は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図に対応する。まず、図７に示すように、基板２の上に、酸化絶縁層４２、ＳＯＩ層５２、酸化絶縁層４１、ＳＯＩ層５１がこの順に積層された多層ＳＯＩ基板を用意し、続いてＳＯＩ層５１の表面にレジストＲＡの微細パターンを形成して、これを上層小角柱１１用のマスクとする。レジストＲＡのパターニングは、ｉ線ステッパや電子線描画などが用いられる。

次に、図８に示すように、ドライエッチングを用いて、ＳＯＩ層５１にエッチングを施し、エッチング停止層として機能する酸化絶縁層４１の上面に到達するまで掘り込んで、凹部を形成する。その後、レジストＲＡを除去することによって、上層構造体１０が得られる。

次に、図９に示すように、上層構造体１０の表面にレジストＲＢの微細パターンを形成して、これを大角柱２１用のマスクとする。レジストＲＢのパターニングは、ｉ線ステッパや電子線描画などが用いられる。

次に、図１０に示すように、ドライエッチングを用いて、レジストＲＢで覆われていない部分の酸化絶縁層４１を除去する。

次に、図１１に示すように、垂直異方性によるドライエッチングを用いて、ＳＯＩ層５２の露出した部分にエッチングを施し、エッチング停止層として機能する酸化絶縁層４２の上面に到達するまで掘り込んで、凹部を形成する。このとき酸化絶縁層４１の残留部分が下層小角柱３１用のマスクとして機能する。

次に、図１２に示すように、ドライエッチングを用いて、酸化絶縁層４１の残留部分を除去するとともに、レジストＲＢで覆われていない部分のＳＯＩ層５２が所定の高さになるようにエッチングを施す。これにより大角柱２１および下層小角柱３１が得られる。

次に、図１３に示すように、レジストＲＢを除去することによって、基板２、酸化絶縁層４、下層構造体３０、中層構造体２０、上層構造体１０からなる積層体が得られる。なお、必要に応じて、基板２に多数の微細貫通孔を形成して、三次元構造体と同様に面積比率を調整することによって、基板２の実効屈折率を制御してもよい。

実施の形態３．
図１４〜図１９は、本発明の実施の形態３による光学フィルタの製造方法を示す説明図である。本実施形態では、実施の形態１の光学フィルタにおいて基板の両面に三次元構造体を形成している。

まず、図１４に示すように、基板２の上に、酸化絶縁層４２、ＳＯＩ層５２、酸化絶縁層４１、ＳＯＩ層５１がこの順に積層された多層ＳＯＩ基板を用意し、続いてＳＯＩ層５１の表面にレジストＲＣの微細パターンを形成して、これを第１主面構造体用のマスクとする。レジストＲＣのパターニングは、ｉ線ステッパや電子線描画などが用いられる。

次に、図１５に示すように、ドライエッチングを用いて、ＳＯＩ層５１にエッチングを施し、エッチング停止層として機能する酸化絶縁層４１の上面に到達するまで掘り込んで、凹部を形成する。

次に、図１６に示すように、レジストＲＣを除去することによって、基板２の第１主面側に三次元構造体が得られる。続いて、基板２の裏面に研磨を施して、基板２を所定の厚さに加工する。

次に、図１７に示すように、基板２の裏面にレジストＲＤの微細パターンを形成して、これを第２主面構造体用のマスクとする。レジストＲＤのパターニングは、ｉ線ステッパや電子線描画などが用いられる。

次に、図１８に示すように、ドライエッチングを用いて、基板２にエッチングを施し、エッチング停止層として機能する酸化絶縁層４２の下面に到達するまで掘り込んで、凹部を形成する。

次に、図１９に示すように、レジストＲＤを除去することによって、基板２の第２主面側に三次元構造体が得られる。こうして第２主面構造体、ＳＯＩ層５２、第１主面構造体からなる積層体が得られる。

実施の形態４．
図２０は、本発明の実施の形態４による光学フィルタの構造を示す斜視図であり、図２１は、その断面図である。本実施形態では、基板２の上に、酸化絶縁層４３、ＳＯＩ層５３、酸化絶縁層４２、ＳＯＩ層５２、酸化絶縁層４１、ＳＯＩ層５１がこの順に積層された多層ＳＯＩ基板を用いて、深さが３段階で異なる多数の微細孔、即ち、ＳＯＩ層５１の表面から酸化絶縁層４１に到達する第１微細孔１２、ＳＯＩ層５１の表面から酸化絶縁層４２に到達する第２微細孔２２、ＳＯＩ層５１の表面から酸化絶縁層４３に到達する第３微細孔３２を形成することによって、複数のサブ波長構造体からなる積層構造を実現している。隣り合う微細構造体は、面積比率ｆの制御によって互いに異なる実効屈折率を有することにより、従来の多層膜フィルタと同等な光学特性を実現できる。

各微細孔は、上述したようにレジストのパターニングおよびドライエッチングを繰り返し適用することによって形成できる。その際、酸化絶縁層４１〜４３をエッチング停止層として利用することによって、各微細孔の深さを正確に制御できる。

ここでは、３層の微細構造体からなる積層構造を例示したが、酸化絶縁層およびＳＯＩ層が４層以上で交互に積層された多層ＳＯＩ基板を用いることによって、４層以上の微細構造体からなる積層構造を実現できる。

実施の形態５．
図２２は、本発明の実施の形態５による光学フィルタの製造方法を示す説明図である。

本実施形態では、図７のレジストＲＡ、図９のレジストＲＢ、図１４のレジストＲＣまたは図１７のレジストＲＤのパターニングの代わりに、アルミ陽極酸化法を用いてエッチングマスクＭＡを形成している。この方法は、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利用して、自己整合的な微細パターンを形成するものであり、孔の密度を調節することによって所望の実効屈折率を有する微細構造体が容易に得られる。

エッチングマスクＭＡの形成工程以外の工程については、実施の形態１〜４で説明した手法が同様に適用できる。例えば、図２２に示すように、アルミナからなるマスクＭＡを用いてＳＯＩ層５１にエッチングを施すことによって、所定深さの凹部を形成することができる。その際、酸化絶縁層４をエッチング停止層として利用してもよく、これにより微細構造体の単位セルの断面形状を急峻な矩形に加工でき、その結果、急峻な波長選択性を持つ光学フィルタを実現できる。

実施の形態６．
図２３は、本発明の実施の形態６による光学フィルタの製造方法を示す説明図である。

本実施形態では、図７のレジストＲＡ、図９のレジストＲＢ、図１４のレジストＲＣまたは図１７のレジストＲＤのパターニングの代わりに、金属ナノ粒子を表面に分散させたものをエッチングマスクＭＢとして使用している。金属ナノ粒子の分散密度をを調節することによって所望の実効屈折率を有する微細構造体が容易に得られる。

エッチングマスクＭＢの形成工程以外の工程については、実施の形態１〜４で説明した手法が同様に適用できる。例えば、図２３に示すように、金属ナノ粒子からなるマスクＭＢを用いてＳＯＩ層５１にエッチングを施すことによって、所定深さの凹部を形成することができる。その際、酸化絶縁層４をエッチング停止層として利用してもよく、これにより微細構造体の単位セルの断面形状を急峻な矩形に加工でき、その結果、急峻な波長選択性を持つ光学フィルタを実現できる。

１光学フィルタ、２基板、３三次元構造体、４酸化絶縁層、
１０上層構造体、１１上層小角柱、１２第１微細孔、
２０中層構造体、２１大角柱、２２第２微細孔、
３０下層構造体、３１下層小角柱、３２第３微細孔、
４１，４２，４３酸化絶縁層、５１，５２，５３ＳＯＩ層、
ＭＡ，ＭＢエッチングマスク、ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤレジスト。

Claims

２つ以上の電気絶縁層および３つ以上の半導体材料が交互に積層された積層体を用意する工程と、
積層体の第１主面側に位置する半導体材料にエッチングを施して、半導体材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する第１微細構造体を形成する工程と、
積層体の第２主面側に位置する半導体材料にエッチングを施して、半導体材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する第２微細構造体を形成する工程とを含むことを特徴とする光学フィルタの製造方法。
個々の半導体材料にエッチングを施す際、個々の電気絶縁層をエッチング停止層として利用することによってエッチング深さを制御することを特徴とする請求項１記載の光学フィルタの製造方法。
半導体材料にエッチングを施す際、アルミ陽極酸化による自己整合的な微細パターンをマスクとして使用することを特徴とする請求項１または２記載の光学フィルタの製造方法。
半導体材料にエッチングを施す際、金属ナノ粒子を表面に分散させたものをマスクとして使用することを特徴とする請求項１または２記載の光学フィルタの製造方法。
積層体は、ＳＯＩ基板である請求項１記載の光学フィルタの製造方法。