JPH06221921A - 光放射に対するスイッチ可能共振フィルタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スイッチ可能光フィルタの構造およびその製
造方法を提供する。 【構成】 スイッチ可能光フィルタの構造は、問題とな
る放射に対して透明な基板１０を含み、基板１０は電極
１２を含むか、または支持する。スペーサ層１６は、電
極１２と膜２２との間にはスペーサ１６が存在しない
が、他の場所にはいくらかのスペーサ１６が残存して膜
２２を支持するようにして、膜２２を電極１２上に懸架
する。膜２２は、特定波長の放射に共振するための特定
の長さをもったスロット２４を有する。電極１２が起動
されると、膜２２は偏向し、その基板１０までの近さの
変動が、透過する波長を変化せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光センサに関し、特に
光センサに用いるフィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】可視領域または赤外領域などの不可視領
域のいずれにおける光感知装置も、妨害効果の犠牲にな
りうる。可視装置においては、これは通常ベーリング
（ｖｅｉｌｉｎｇ）と呼ばれる。ベーリング照度は、視
野の大部分にわたって広がり、情景のコントラストを低
下せしめることによって装置の有効性を低減させる光と
して定義される。ベーリングの通常の発生源は、日光お
よび高強度の光源である。妨害はまた、防衛上の応用に
おいて敵の電気光学源が対象装置に照準を合わせた時な
どには、故意に発生せしめられうる。

【０００３】現在使用されているいくつかのセンサは、
これらの問題からの保護のための、スライダまたはホイ
ール内の固定阻止帯域妨害フィルタを含む。この方法に
おいては、選択可能な阻止帯域フィルタの数は制限さ
れ、かつそれらは、機械的なものであるか、電気機械的
なものであるかに拘らず、制御回路を備えた操作機構を
必要とする。これらのフィルタの起動には、操作者の応
答時間を含め何分の１秒かを要する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この固定フィルタ法
は、単一波長の不変妨害に対しては十分に役立つ。しか
し、固定フィルタ技術は、現代の戦場において予想され
る可変妨害に対しては限界を有する。

【０００５】固定フィルタ装置のもう１つの弱点は、帯
域幅を考慮する時明らかになる。８ないし１２ミクロン
（１０^-6ｍ、すなわちμｍ）の波長領域においては、１
ミクロンより小さい帯域幅を有するフィルタを用いるの
は実際的ではない。フォワード・ルッキング・インフラ
レッド（Ｆｏｒｗａｒｄ−Ｌｏｏｋｉｎｇ Ｉｎｆｒａ
Ｒｅｄ）（ＦＬＩＲ）などの赤外装置においては、１ミ
クロンの単一阻止帯域を有するフィルタの積分透過率は
５０％以下である。狭帯域フィルタは高価格となる傾向
があり、かつ不十分な積分透過率を有する。

【０００６】現在の技術に関するもう１つの問題は、自
動化の困難性である。フィルタが必要になった時は、装
置の検出器を用いて検出されうる。しかし、センサは、
フィルタがもはや必要でなくなった時を検出することは
できない。そのわけは、センサが妨害を検出するのをフ
ィルタが阻止するからである。もしフィルタが取外され
て、なお妨害が存在すれば、センサが損傷を受けること
がありうる。もし妨害がなお存在すれば、機械的フィル
タアセンブリのサイクル時間が長い場合は、損傷の可能
性が増大する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ここに開示される本発明
の装置は、光放射に対するスイッチ可能な共振フィルタ
から構成される。本発明の１実施例は、反射防止膜をコ
ーティングされ、電極を含有する基板上に、モノリシッ
クに製造された膜を含む。この膜は、前記基板および電
極上に配置されたスペーサ層上に形成され、該電極上の
該スペーサ層の部分は、該膜にエッチングされた穴を経
て除去される。該膜内の穴は、それらの穴の電気的長さ
と同じ波長を有する放射に対し、アンテナとして作用す
る。前記電極は、アドレスされることによって前記膜を
前記基板に向かって引下げ、アンテナの周囲の実効屈折
率を変化せしめ、それによりアンテナの共振波長を変化
せしめる。本発明の実施例は、前記膜および基板を通し
ての特定波長の放射の透過に対するスイッチとして作用
する。

【０００８】本発明をさらに完全に理解し、また本発明
の他の諸利点を知るためには、添付図面と共に以下の詳
細な説明を参照されたい。

【０００９】

【実施例】電線が、ある波長の電磁放射に対してアンテ
ナとして作用しうることは公知である。電線の長さと、
周囲の媒質の屈折率、または誘電率、とは、それが吸収
する放射の波長を決定する。媒質の屈折率は、与えられ
た周波数を有する放射の波長を決定する。もしアンテナ
が、例えば屈折率の高い媒質内に埋込まれていれば、そ
のアンテナは、ある周波数の電磁波を吸収するのに短く
される必要がある。もし十分に小さくされれば、アンテ
ナは、赤外（ＩＲ）線のような極めて高周波の電磁波を
も吸収できる。

【００１０】さまざまな波長によって照明される固定さ
れた電線またはアンテナを考察しよう。もしアンテナの
実効長がｌ_eff であれば、アンテナは、ｌ_eff がλ／２
の整数倍に等しい波長λを吸収する。この吸収は、金属
の有限の導電率による損失によって生じる。

【００１１】電線の代わりに、アンテナと同じ長さのス
ロットを金属シート内に配置して、金属シートからある
同様のものを作ることができる。この構造は、金属シー
トにより、スロットの長さに共振する波長以外の全ての
波長を反射するように動作する。従って、選択された１
つの波長以外の全ての波長は阻止される。その選択され
た波長の放射は通過せしめられ、構造はそれを透過せし
める。その結果得られるのは、それらのスロットに同調
する波長を選択的に通過させるフィルタである。１つの
特定の応用は赤外領域におけるものであるが、それは任
意の波長の放射に対して使用でき、必要な寸法を有する
スロットを製作する実際性によってのみ制約される。

【００１２】もし周囲の媒質が変化せしめられれば、そ
れによってスロットと共振する波長も変化する。この変
化を生ぜしめるためには、スロットまたは諸スロットの
周囲の実効誘電率を変化させなくてはならない。これに
より、スロットを透過する波長が効果的にスイッチされ
る。

【００１３】図１Ａおよび図１Ｂには、本発明の１実施
例の側面図が示されている。基板１０は電極１２を含有
し、反射防止コーティング１４または他の絶縁コーティ
ングにより被覆されうる。スペーサ材料１６は、もしコ
ーティングが使われていればそれの、または電極の、頂
部上に配置される。スペーサ１６は、エッチングによる
などして、選択的に除去可能でなくてはならない。膜２
２は、それにパターン形成されたスロット２４を有し、
これらのスロットも、スペーサを除去するためのエッチ
ングアクセス孔として役立つ。この構造の、これらのさ
まざまな成分の材料は、製造工程の一部としてさらに後
述される。

【００１４】図１Ｂは、基板またはそのコーティングに
接触している膜２２を示す。これは、電極１２の起動に
よって起こる。図示されていないアドレス回路によっ
て、電極１２上に電荷が配置されると、電極と膜との間
に静電気力が生じ、膜を電極に引きつける。膜は、最終
的には基板上に静止する。もし反射防止コーティングが
使用されていなければ、電極と膜との間の短絡を防止す
るために、ある種の絶縁層が必要となる。

【００１５】膜の移動は、スロットの周囲の媒質の実効
屈折率を変化せしめる。もしスロットが最初に波長λを
透過させるように設計されていれば、最初に透過せしめ
られる放射の波長はλ／ｎ_eff となる。ただし、ｎ_eff
は、周囲のガスまたは真空の屈折率にほぼ等しい。膜が
基板に接触すると、透過せしめられる波長はλ／ｎ_{ef f}
に変化する。ただし、ｎ_eff は、１．０＜ｎ_eff ＜ｎ
_substrate の範囲内にある。もし膜が、一方の側におい
て他方の側と異なる媒質に接していれば、実効屈折率は
それら２つの周囲媒質の屈折率の特殊な種類の平均とな
り、次式で表わされる。

【００１６】

【数１】 ただし、ｎ₁ およびｎ₂ は、膜のそれぞれの側にある媒
質の屈折率である。

【００１７】ピーク透過波長のこの変化は、妨害波長の
透過を減少させることによって、感知装置が妨害に抗し
て識別を行ないうるようにする。

【００１８】図２は、このようなフィルタの製造のフロ
ーチャートである。最初のステップ２６においては、電
極または諸電極が基板内に画定される。基板は、８−１
２ミクロンの波長帯域に適するシリコンまたはヒ化ガリ
ウムのように、好ましくは問題となる波長に対して透明
なものとする。電極は、さまざまな方法で形成されう
る。電極は、ブランケットドーピングまたはパターン形
成ドーピングによって形成されうる。ドーパントを活性
化して電極に対し十分に低い抵抗率を与えるためには、
インプラントの後、ドライブイン拡散が必要である。あ
るいは、酸化インジウムスズのような透明導電材料、ま
たはデバイスを通る光路の暗化を最小ならしめるように
横方向にパターン形成された金属、の付着により形成さ
れたフィルム電極も可能である。さらに、電極は基板で
もありえ、その場合は、基板は部分的に導電性のもので
ある。下部電極の導電率と透明度との間には、固有の妥
協点問題が存在する。

【００１９】工程を続けると、次のステップはステップ
２８であり、そこではスペーサ層の付着が行なわれる。
もし反射防止コーティングが使用されるものとすれば、
スペーサが付着せしめられる前に、電極とスペーサ層と
の間の層である「頂部」層が付着せしめられなくてはな
らない。例えば、それらは蒸着によって付着せしめられ
うる。その場合、スロットから見た実効屈折率は、基板
の屈折率よりもコーティングの屈折率によって、より強
く影響される。本発明の実施例においては、スペーサ
は、スピン塗布によって付着せしめられた重合体層から
構成される。

【００２０】この構造における主な必要条件は、それが
作動せしめられていない状態においては、膜が基板から
十分に離れていて、基板が、スロットの吸収または透過
する波長に影響を及ぼさないことである。この距離は、
波長よりも小でありうる。膜が基板に近くなるほど、そ
れらの間の距離は重要性を帯びてくる。

【００２１】スペーサの厚さは、それが除去された時
に、膜が基板から十分遠くに保持されて、膜から見た実
効屈折率が、膜が基板に近づくか、または接触した時に
現われる屈折率と顕著に異なるようになされなくてはな
らない。もし膜が、その両側において任意の他の媒質か
ら十分に離れていれば、周囲の媒質の実効屈折率は、ほ
ぼ１．０である空気のそれでありうる。

【００２２】ステップ３０においては、膜が、たいてい
はスパッタリングによって付着せしめられる。膜は、金
またはアルミニウム合金などの、反射性金属の薄い、引
伸ばしやすいフィルムである。膜は、付着せしめられた
後に、ステップ３２において、パターン化され、かつエ
ッチングされて、エッチングのための小さいアクセス孔
およびスロットを形成される。スロットは、エッチング
アクセス孔としても十分に利用されうる。

【００２３】ステップ３４においては、プラズマエッチ
ングのような等方性選択的エッチングを用いて、電極の
上方、かつスロットの下方のスペーサが除去され、膜を
支持するための周辺部のスペーサが残される。選択され
るエッチング工程によっては、エッチング以前に、構造
を上部に構成されたウェハのダイシングを行なうと有利
である。１つより多くのこのようなデバイスが、１つの
ウェハ上に製造されうる。残留スペーサの量と位置と
は、膜内のアクセス孔の大きさと、エッチングの時間と
によって制御される。最後に得られるのは、スペーサが
除去されたエアスペース上に支持された、共振スロット
パターンを含む薄い金属膜である。別の実施例は、単一
の膜の下に多電極を含みうる。その場合は、スペーサを
格子状パターンをなさしめて残し、それぞれの電極が膜
の画定された区域を制御しうるようにする。膜は、膜と
下部電極との間に電圧を印加することによって静電的に
偏向せしめられうる。ステップ３６において、完成され
た構造が出来上がると、それはパッケージに封入され、
感知装置内に配置されなくてはならない。このデバイス
は、通常は、感知モジュール内のどこかに、端縁部によ
って保持される。電気的接続は、通常は、デバイスの基
板側から行なうのが最良である。装置の動作環境によっ
ては、保護的パッケージングが必要となる。

【００２４】直線スロットを使用する場合の１つの問題
は、それが、スロットの方向と同じ方向の電界ベクトル
を有する放射のみを透過させることである。１つの解決
法は、さまざまな方向に向いたスロットのパターンを用
いることである。しかし、一定の偏波に対する最大透過
効率は、適正方向を有するスロットの割合によって制限
される。この問題を軽減するためには、十字形状または
３極形状を用いて偏波感度をもたないデバイスを作るこ
とができる。３極形状の場合には、スロットは、３脚を
有し、それぞれの脚が２つの隣接脚と１２０°をなすよ
うに設計される。

【００２５】図３には、３極形状スロットの幾何学形態
が示されている。３極形状の場合には、寸法は３つの因
子、すなわち、問題にされる放射の自由空間における光
波長λ₀ と、周囲の媒質の実効屈折率ｎ_eff と、幾何学
的因子Ｋと、によって決定される。３極形状に対する幾
何学的因子は、≒０．２７に等しい。角４０は１２０°
である。脚の長さは、その端部４２Ａまたは４２Ｂから
接合部の中心４４までとして測定される。この距離Ｌ_T
は、線４６によって示されている。３極形状の最初の共
振が起こる長さＬ_T は、次式によって与えられる。

【００２６】

【数２】

【００２７】デバイスが動作していて、膜が基板に接触
した時は、透過帯域の中心波長は偏移せしめられる。透
過する波長帯域の幅は、なかんずく、製造パラメータに
よって決定されるスロットの寸法の一様さによって影響
される。透過波長は前よりも長くなり、２つの光帯域間
のスイッチ、またはある波長に対するオン／オフスイッ
チが可能となる。さらに、それは、多くの選択可能なも
ののうちの１つとして、放射チョッパとしても使用され
うる。

【００２８】本発明の別の実施例においては、いくつか
の導電部材を含む透明膜が使用されうる。これは図４に
示されている。図４において、膜２２は透明である。こ
の膜は、その内部、またはその１表面上に、導電部材４
８を有する。これらは３極形状のものとして示されてい
るが、所望の任意の幾何学的形態のものでありえ、単に
製造上の関係によってのみ制約を受ける。

【００２９】このようにして、これまで光放射に対する
スイッチ可能共振フィルタの特定の実施例を説明してき
たが、これらの特定の内容は、特許請求の範囲に記載さ
れている内容による以外に、本発明の範囲を限定するも
のと考えられるべきものではない。

【００３０】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) ａ．所定波長の光放射に対して実質的に透明な基板
と、 ｂ．該基板に隣接して形成された少なくとも１つの電極
と、 ｃ．該電極を含む層上に、該電極を被覆しないように形
成されたスペーサと、 ｄ．該スペーサによって支持され、前記電極上に懸架さ
れるように該スペーサ上に形成された膜と、 ｅ．該膜に形成されたスロットであって、該スロットが
前記所定波長の光放射に対して共振するように形成され
ている該スロットと、 から構成される光フィルタ。

【００３１】(2) 前記基板がさらにヒ化ガリウムから
構成される、第１項記載のフィルタ。 (3) 前記基板がさらにシリコンから構成される、第１
項記載のフィルタ。 (4) 前記電極がさらに部分的導電性を有する基板から
構成される、第１項記載のフィルタ。

【００３２】(5) 前記電極がさらに前記基板内のドー
ピングされた領域から構成される、第１項記載のフィル
タ。 (6) 前記電極がさらに透明導電材料のフィルム電極か
ら構成される、第１項記載のフィルタ。 (7) 前記透明導電材料が酸化インジウムスズである、
第６項記載のフィルタ。

【００３３】(8) 前記電極がさらに光の径路の暗化が
最小であるように横方向にパターン形成された金属から
構成される、第１項記載のフィルタ。 (9) 前記膜がアルミニウム合金から成る、第１項記載
のフィルタ。 (10) 前記膜が金から成る、第１項記載のフィルタ。

【００３４】(11)ａ．２つの平行面を有する、所定波長
の光放射に対して実質的に透明な基板と、 ｂ．前記２つの平行面の一方に隣接して形成された少な
くとも１つの電極と、 ｃ．前記基板の前記２つの平行面の少なくとも一方の上
に形成された反射防止コーティングと、 ｄ．前記電極を含む層上に、該電極を被覆しないように
形成されたスペーサと、 ｅ．該スペーサによって支持され、前記電極上に懸架さ
れるように該スペーサ上に形成された膜と、 ｆ．該膜に形成されたスロットであって、該スロットが
前記所定波長の光放射に対して共振するように形成され
ている該スロットと、 から構成される光フィルタ。

【００３５】(12) 前記基板がさらにヒ化ガリウムから
構成される、第１１項記載のフィルタ。 (13) 前記基板がさらにシリコンから構成される、第１
１項記載のフィルタ。 (14) 前記電極がさらに部分的導電性を有する基板から
構成される、第１１項記載のフィルタ。

【００３６】(15) 前記電極がさらに前記基板内のドー
ピングされた領域から構成される、第１１項記載のフィ
ルタ。 (16) 前記電極がさらに透明導電材料のフィルム電極か
ら構成される、第１１項記載のフィルタ。 (17) 前記透明導電材料が酸化インジウムスズである、
第１６項記載のフィルタ。

【００３７】(18) 前記電極がさらに光の径路の暗化が
最小であるように横方向にパターン形成された金属から
構成される、第１１項記載のフィルタ。 (19) 前記膜がアルミニウム合金から成る、第１１項記
載のフィルタ。 (20) 前記膜が金から成る、第１１項記載のフィルタ。

【００３８】(21)ａ．基板に隣接して電極を画定するス
テップと、 ｂ．該電極上にスペーサ材料の層を付着せしめるステッ
プと、 ｃ．該スペーサ上に膜を形成するステップと、 ｄ．該膜にプラズマアクセス孔をエッチングするステッ
プであって、該アクセス孔がある波長の光放射に共振す
るスロットから構成される該エッチングステップと、 ｅ．前記電極が起動された時に前記膜が前記基板に向か
って偏向しうるように、前記スペーサ材料が前記電極上
には存在しないが、前記膜を支持するために他の場所に
は残存するよう前記スペーサ材料を除去するステップ
と、 を含む、光フィルタの製造方法。

【００３９】(22) 前記画定ステップがさらに前記基板
をドーピングして前記電極を形成するステップを含む、
第２１項記載の方法。 (23) 前記画定ステップがさらにフィルム電極を付着せ
しめるステップを含む、第２１項記載の方法。 (24) 前記フィルム電極が透明導電材料である、第２３
項記載の方法。

【００４０】(25) 前記透明導電材料が酸化インジウム
スズである、第２４項記載の方法。 (26) 前記フィルム電極が光の径路の暗化が最小である
ように横方向にパターン形成された金属である、第２３
項記載の方法。

【００４１】(27) 前記付着ステップがさらに前記基板
上に反射防止コーティングを付着せしめるステップを含
む、第２３項記載の方法。 (28) 前記形成ステップがさらに前記スペーサ上に前記
膜をスパッタリングするステップを含む、第２１項記載
の方法。 (29) 前記除去ステップがさらにプラズマエッチングス
テップを含む、第２１項記載の方法。

【００４２】(30)ａ．光放射の選択された所定波長に対
して共振する少なくとも１つのスロットを含む膜に向か
って該光放射を送るステップと、 ｂ．選択された屈折率を有する基板に隣接する電極であ
って、前記膜を引きつけるための該電極を起動せしめる
ステップと、 ｃ．前記スロットを含む前記膜を前記基板に向かって移
動せしめることにより該スロットが共振する前記光放射
の前記波長を変化せしめるステップと、 を含む、光フィルタリングの方法。

【００４３】(31)ａ．所定波長の光放射に対して実質的
に透明な基板と、 ｂ．該基板に隣接して形成された少なくとも１つの電極
と、 ｃ．該電極を含む層上に、該電極を被覆しないように形
成されたスペーサと、 ｄ．該スペーサによって支持され、前記電極上に懸架さ
れるように該スペーサ上に形成された、前記所定波長に
対して実質的に透明な膜であって、導電部材を含む該膜
と、 から構成される光フィルタ。

【００４４】(32) スイッチ可能光フィルタの構造およ
びその製造方法。該構造は、問題となる放射に対して透
明な基板１０を含み、基板１０は電極１２を含むか、ま
たは支持する。スペーサ層１６は、電極１２と膜２２と
の間にはスペーサが存在しないが、他の場所にはいくら
かのスペーサ１６が残存して膜２２を支持するようにし
て、該膜を電極１２上に懸架する。該膜は、特定波長の
放射に共振するための特定の長さをもったスロット２４
を有する。電極１２が起動されると、膜２２は偏向し、
その前記基板までの近さの変動が、透過する波長を変化
せしめる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スイッチ可能フィルタ膜デバイスの側面図であ
って、Ａは膜が偏向せしめられていない状態を示し、Ｂ
は膜が偏向せしめられている状態を示す図。

【図２】光放射に対するスイッチ可能共振フィルタの製
造工程の流れを示すフローチャートを示す図。

【図３】膜に形成されるべき共振スロットの可能な幾何
学的形態の寸法を示す図。

【図４】膜が透明であり、かつ導電部材を含む別の実施
例を示す図。

【符号の説明】

１０ 基板 １２ 電極 １４ 反射防止コーティング １６ スペーサ ２２ 膜 ２４ スロット ４８ 導電部材

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年１月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ．所定波長の光放射に対して実質的に
   透明な基板と、 ｂ．該基板に隣接して形成された少なくとも１つの電極
   と、 ｃ．該電極を含む層上に、該電極を被覆しないように形
   成されたスペーサと、 ｄ．該スペーサによって支持され、前記電極上に懸架さ
   れるように該スペーサ上に形成された膜と、 ｅ．該膜に形成されたスロットであって、該スロットが
   前記所定波長の光放射に対して共振するように形成され
   ている該スロットと、から構成される光フィルタ。
2. 【請求項２】 ａ．基板に隣接して電極を画定するステ
   ップと、 ｂ．該電極上にスペーサ材料の層を付着せしめるステッ
   プと、 ｃ．該スペーサ上に膜を形成するステップと、 ｄ．該膜にプラズマアクセス孔をエッチングするステッ
   プであって、該アクセス孔がある波長の光放射に共振す
   るスロットから構成される該エッチングステップと、 ｅ．前記電極が起動された時に前記膜が前記基板に向か
   って偏向しうるように、前記スペーサ材料が前記電極上
   には存在しないが、前記膜を支持するために他の場所に
   は残存するよう前記スペーサ材料を除去するステップ
   と、を含む、光フィルタの製造方法。