JPWO2014033784A1

JPWO2014033784A1 - 光学フィルターの製造方法

Info

Publication number: JPWO2014033784A1
Application number: JP2014532571A
Authority: JP
Inventors: 甲二埴原
Original assignee: Pioneer Corp; Pioneer Micro Technology Corp
Current assignee: Pioneer Corp; Pioneer Micro Technology Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2016-08-08
Also published as: US20150240348A1; WO2014033784A1

Abstract

本発明は、各位置で膜厚が異なるフィルター層を、簡単な構成で容易に形成することを課題としている。本発明は、複数のフィルター部２８を構成する透過波長可変干渉フィルター１６の製造方法であって、スパッタターゲット７３と受光素子アレイ１５との間に介設され、各フィルター部２８に対応する位置の開口率が相違するマスク部材７５を用い、誘電体多層膜１６ａを、マスク部材７５を介して、受光素子アレイ１５上に気相成長させることを特徴とする。

Description

本発明は、各位置で膜厚が異なるフィルター層を有し、透過特性が異なる複数のフィルター部を一体に構成する光学フィルターの製造方法に関するものである。

従来、この種の光学フィルターとして、フィルター層（多層膜）を、受光素子の並び方向に徐々に厚く堆積させて成る透過波長可変干渉フィルターが知られている（特許文献１参照）。また、この種の光学フィルターとして、円形基板上に、フィルター層（誘電体膜）を、周方向に徐々に厚く堆積させて成る波長可変干渉フィルターが知られている（特許文献２参照）。そして、特許文献２には、その製造方法として、周方向の一部を開口した円形のマスクを用い、当該マスクを円形基板に対して回転させながら、当該マスクを介して真空蒸着を行う方法が記載されている。この製造方法では、マスクの回転速度を可変させることで、周方向各位置における開口の通過時間を調整して、周方向各位置におけるフィルター層の膜厚を変化させている。

特開平１１−１４２７５２号公報特開２０００−１３７１１４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の製造方法を用いて、各位置で膜厚が異なるフィルター層を形成する構成では、マスクを回転もしくは移動させる駆動部と、マスクの速度を調整する制御部とが必要であるため、製造装置の構成が複雑になってしまうという問題があった。また、構造上、製造できる光学フィルターの大きさに限界があるという問題もある。さらに、この種の光学フィルターでは、図２に示すように、フィルター層が構成する各フィルター部において、それぞれ膜厚が均一となっている（すなわち階段状）ことが好ましいが、当該フィルター層を上記の構成により形成する場合、制御が極めて複雑になってしまうという問題があった。

本発明は、各位置で膜厚が異なるフィルター層を、簡単な構成で容易に形成することができる光学フィルターの製造方法を提供することを課題としている。

本発明の光学フィルターの製造方法は、複数のフィルター部を構成する光学フィルターの製造方法であって、気相成長材料の放射源とワークとの間に介設され、各フィルター部に対応する位置の開口率が相違するマスク部材を用い、フィルター層を、マスク部材を介して、ワーク上に気相成長させることを特徴とする。

この構成によれば、マスク部材における各位置の開口率が相違するため、各位置において、放射された気相成長材料の遮蔽率が相違する。その結果、各位置で気相成長材料の堆積量に違いが生じるので、各位置で膜厚が異なるフィルター層を形成することができる。このように、駆動部や制御部を必要とせずに、簡単な構成でフィルター層を形成することができる。また、マスク部材を配設した状態で、気相成長を行うだけで、容易にフィルター層を形成することができる。特に、各フィルター部において膜厚がそれぞれ均一なフィルター層を、容易に形成することができるので、各フィルター部の透過特性を安定させることができる。

この場合、マスク部材は、マスク本体と、マスク本体およびワークを離間させるスペーサーと、を有し、ワーク上にマスク部材を配置した状態で、フィルター層を気相成長させることが好ましい。

この構成によれば、マスク部材を配設する特段の配設構造（例えば支持部材）を必要としないため、より簡単な構成でフォルター層を形成することができる。

この場合、スペーサーとマスク本体とは、ＳＯＩウェハーで構成されていることが好ましい。

この構成によれば、ＳＯＩウェハーを用いることで、マスク部材を容易に製造することができる。

一方、スパッタリングにより、フィルター層を気相成長させることが好ましい。

この構成によれば、スパッタリングによりフィルター層を形成することで、高精度の光学フィルターを提供することができる。

本実施形態に係る分光器を模式的に示した構成図である。透過波長可変干渉フィルターを示した模式図である。強度分布の算出に係る行列式である。補正行列の算出に係る行列式である。フィルター製造装置を模式的に示した構成図である。マスク部材を示した平面図である。スパッタターゲットから放射される気相成長材料の放射範囲を示した説明図である。（ａ）は、マスク部材を模式的に示した断面図である。（ｂ）〜（ｅ）は、マスク部材の変形例を模式的に示した断面図である。透過波長可変干渉フィルターの変形例を示した模式図である。受光素子アレイの変形例を示した平面図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る光学フィルターの製造方法について説明する。本実施形態では、本発明を適用した透過波長可変干渉フィルターのフィルター製造装置および製造方法を例示する。この製造装置は、分光器に内蔵される透過波長可変干渉フィルターを製造するものである。そこで、製造装置について説明する前に、透過波長可変干渉フィルターおよびこれを備えた分光器について説明する。この分光器は、半導体製造技術で作成された小型の半導体パッケージである。また、本分光器は、非可動型で、可視光線領域を１８分割した１８個の波長域の強度分布（光の電磁波スペクトル）を測定する分析装置である。すなわち、入射光（検査光）における１８色各色の波長の強度分布を測定する。

図１に示すように、分光器１は、入射口１１ａを形成する遮光構造を有した入射部１１と、入射口１１ａからの入射光を拡散する拡散板１２と、拡散した入射光を偏向する導光板１３と、偏向した入射光を平行光にするコリメーターレンズアレイ１４と、当該平行光を受光する１８個の受光素子２５を成す受光素子アレイ１５と、１８個の受光素子２５上に成形された透過波長可変干渉フィルター（光学フィルター）１６と、１８個の受光素子２５の各出力値（光電流値）に基づいて、各波長の強度分布を測定する制御部１７と、を備えている。入射口１１ａからの入射光は、拡散板１２により拡散された後、導光板１３により偏向され、コリメーターレンズアレイ１４および透過波長可変干渉フィルター１６を介して、１８個の受光素子２５に導かれる。

受光素子アレイ１５は、フォトダイオードアレイで構成されており、Ｐ＋基板２１と、Ｐ＋基板２１上に配設されたＰ−ＥＰＩ層２２と、Ｐ−ＥＰＩ層２２上に形成されたＮ−ＥＰＩ層２３と、Ｎ−ＥＰＩ層２３上に横並びに形成された複数のＮ＋層２４と、を有している。これらによって、受光素子アレイ１５は、並列したＮ＋層２４毎の１８個の受光素子（受光部）２５を構成している。各受光素子２５は、受光した入射光を変換して光電流値（出力値）を得る。そして、この光電流値を制御部１７に出力する。

図２に示すように、透過波長可変干渉フィルター１６は、高屈折材料（例えばＴｉＯ_２）と低屈折材料（例えばＳｉＯ_２）とを交互に積層した誘電体多層膜（フィルター層）１６ａで構成されている。透過波長可変干渉フィルター１６は、当該誘電体多層膜１６ａが、受光素子２５の並び方向に向かって段階的に厚く形成されており、当該誘電体多層膜１６ａにより、透過ピークが異なる１８個のフィルター部２８を一体に構成している。すなわち、各フィルター部２８の膜厚がそれぞれ均一となるように形成されている。１８個のフィルター部２８は、１８個の受光素子２５にそれぞれ対応しており、各受光素子２５の受光面と、対応する各フィルター部２８の表面とが平行になっている。そして、１８個の受光素子２５は、１８個のフィルター部２８を通過した入射光をそれぞれ受光する。また、１８個のフィルター部２８は、上記１８色各色をそれぞれ透過ピークとしている。

図１に戻り、制御部１７は、補正行列を記憶する記憶部３１と、各受光素子２５の出力値と補正行列とに基づいて、強度分布を算出する算出部３２と、を有している。

記憶部３１は、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read
Only Memory）等で構成されており、強度分布の算出時に用いる補正行列を記憶する。補正行列は、フィルター部２８毎且つ色毎の透過係数の係数行列を、逆行列に変換したものである。当該補正行列は、予め校正装置（図示省略）において生成され、記憶部３１に記憶される。

算出部３２は、１８個の受光素子２５からの出力値（光電流値）と、記憶部３１に記憶された補正行列とに基づいて、各色の波長の強度分布を算出する。具体的には、図３に示すように、補正行列ａ_ｉｊ（１≦ｉ≦１８，１≦ｊ≦１８）に、１８個の受光素子２５から出力された各光電流値の列（Ｉ_１，Ｉ_２，…Ｉ_１８）を乗算して、各色の波長の強度分布（Ｐ_１，Ｐ_２，…Ｐ_１８）を算出する。

これらのように、分光器１は、予め補正行列を記憶部３１に記憶しておき、１８個の受光素子２５により、各フィルター部２８を介して入射光（検査光）をそれぞれ受光し、光電流値を制御部１７に出力する。そして、算出部３２により、１８個の受光素子２５から出力された各光電流値と、記憶部３１に記憶された補正行列とに基づいて、１８色各色の波長強度を算出する。すなわち、各波長の強度分布を測定する。

ここで分光器１の校正処理について説明する。当該校正処理は、分光器１の補正行列を生成し、その分光器１の記憶部３１に記憶することで行われる。具体的には、まず、異なる特定の強度分布を有する１８種の校正光（例えば、上記１８色各色の波長の単色光）を生成し、分光器１に個々に入射させて、各入射時の１８個の受光素子２５における各出力値（光電流値）を得る。そして、この各光電流値と、各校正光の強度分布とに基づいて、フィルター部２８毎且つ１８色各色の透過係数を算出し、係数行列ｂ_ｉｊ（１≦ｉ≦１８，１≦ｊ≦１８）とする（図４（ａ））。つまり、各校正光の入射によって、図４（ｂ）のような行列式がそれぞれ得られる。この各行列式に基づいて、この各光電流値Ｉ_１，Ｉ_２…Ｉ_１８と各校正光の波長強度Ｐ_ｉとから、係数行列の各列ｂ_ｉ１，ｂ_ｉ２，…ｂ_ｉ１８をそれぞれ算出することができる。そして、算出した係数行列ｂ_ｉｊを逆行列に変換して、補正行列ａ_ｉｊを算出する（図４（ｃ））。算出した補正行列を記憶部３１に記憶して、校正処理を終了する。

次に図５を参照して、透過波長可変干渉フィルター１６の製造装置および製造方法について説明する。透過波長可変干渉フィルター１６の製造装置（以下、フィルター製造装置７１と呼称）は、受光素子アレイ１５をワークとし、その上に、誘電体多層膜１６ａをスパッタリング成形するスパッタ装置である。また、本フィルター製造装置７１は、所定のマスク部材７５を用いることで、各位置で膜厚が異なる誘電体多層膜１６ａを、簡単な構成で容易に製造可能としたものである。

図５に示すように、フィルター製造装置７１は、受光素子アレイ１５をセットするセットテーブル７２と、セットテーブル７２に対向して配設されたスパッタターゲット（気相成長材料の放射源）７３と、スパッタターゲット７３の背面側に配設された磁石７４と、受光素子アレイ１５とスパッタターゲット７３との間に介設されたマスク部材７５と、これら各部を収容する真空チャンバー７６と、を備えている。マスク部材７５は、セットした受光素子アレイ１５上（表面上）に位置決め状態で固定配置されることで、受光素子アレイ１５とスパッタターゲット７３との間に介設される。例えば、マスク部材７５は、仮圧着により、取外し可能に、受光素子アレイ１５上に取り付けられる。

図５および図６に示すように、マスク部材７５は、遮蔽部分となるマスク本体８１と、マスク本体８１に接合され、受光素子アレイ１５およびマスク本体８１を所定の離間距離Ｈだけ離間させるスペーサー８２とを備えている。マスク本体８１は、各フィルター部２８（各受光素子２５）に対応する位置に、相違する開口率の開口部８３を有している。当該各開口部８３の開口率が、スパッタターゲット７３から放射された気相成長材料の遮蔽率となる。これによって、受光素子アレイ１５の各位置における気相成長材料の堆積量を調整し、各フィルター部２８の膜厚を制御している。この膜厚制御によって、各受光素子２５上の各フィルター部２８の透過特性が決定する。よって、各開口部８３の開口率は、所望する各フィルター部２８の透過特性に合わせて設計されている。

また、図７に示すように、マスク本体８１の板厚Ｔ、スパッタターゲット７３とマスク本体８１との離間距離Ｌ、およびマスク本体８１と受光素子アレイ１５との離間距離Ｈは、スパッタターゲット７３から放射された気相成長材料の到達量や到達範囲に影響する。すなわち、受光素子アレイ１５全体に対する気相成長材料の堆積量に影響する。そのため、マスク本体８１の板厚Ｔおよびスペーサー８２の高さは、所望する堆積量、すなわち膜厚に基づいて設計されている。

なお、図５の例では、マスク本体８１は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハーのＳＯＩ層で構成され、スペーサー８２は、ＳＯＩウェハーのサブストレート層とＢＯＸ層とで構成されている。そのため、ＳＯＩ層の厚さを「Ｔ_ｓｏｉ」、サブストレート層の厚さを「Ｔ_ｓｕｂ」、ＢＯＸ層の厚さを「Ｔ_ｂｏｘ」としたとき、マスク本体８１の板厚Ｔ、およびマスク本体８１と受光素子アレイ１５との離間距離Ｈは、
Ｔ＝Ｔ_ｓｏｉ
Ｈ＝Ｔ_ｂｏｘ＋Ｔ_ｓｕｂ
となる（図８（ａ）参照）。このようにＳＯＩウェハーを用いてマスク本体８１およびスペーサー８２を形成することで、マスク部材７５を容易に製造することができる。

なお、図５および図８（ａ）の例に示した構成に限らず、例えば、図８（ｂ）に示すように、スペーサー８２を、ＢＯＸ層と、バックグラインド等で薄くしたサブストレート層とで構成するものであっても良い。かかる場合、薄くしたサブストレート層の厚さを「Ｔ_ｓｕｂ’」としたとき、マスク本体８１の板厚Ｔ、およびマスク本体８１と受光素子アレイ１５との離間距離Ｈは、
Ｔ＝Ｔ_ｓｏｉ
Ｈ＝Ｔ_ｂｏｘ＋Ｔ_ｓｕｂ’
となる。

また、例えば、図８（ｃ）に示すように、マスク本体８１を、サブストレート層で構成し、スペーサー８２を、ＳＯＩ層とＢＯＸ層とで構成するものであっても良い。かかる場合、マスク本体８１の板厚Ｔ、およびマスク本体８１と受光素子アレイ１５との離間距離Ｈは、
Ｔ＝Ｔ_ｓｕｂ
Ｈ＝Ｔ_ｂｏｘ＋Ｔ_ｓｏｉ
となる。

さらに、例えば、図８（ｄ）に示すように、マスク本体８１を、バックグラインド等で薄くしたサブストレート層で構成し、スペーサー８２を、ＳＯＩ層とＢＯＸ層とで構成するものであっても良い。かかる場合、マスク本体８１の板厚Ｔ、およびマスク本体８１と受光素子アレイ１５との離間距離Ｈは、
Ｔ＝Ｔ_ｓｕｂ’
Ｈ＝Ｔ_ｂｏｘ＋Ｔ_ｓｏｉ
となる。

またさらに、例えば、図８（ｅ）に示すように、マスク本体８１およびスペーサー８２を、ＳＯＩ層で構成するものであっても良い。具体的には、ＳＯＩ層の中央部が薄くなるようにＳＯＩ層に凹部を形成して、ＳＯＩ層の上半部をマスク本体８１とし、ＳＯＩ層の下半部をスペーサー８２とする。かかる場合、ＳＯＩ層の薄い部分の厚さを「Ｔ_ｓｏｉ’」としたとき、マスク本体８１の板厚Ｔ、およびマスク本体８１と受光素子アレイ１５との離間距離Ｈは、
Ｔ＝Ｔ_ｓｏｉ’
Ｈ＝Ｔ_ｓｏｉ−Ｔ_ｓｏｉ’
となる。

次に、透過波長可変干渉フィルター１６の製造動作について説明する。透過波長可変干渉フィルター１６の製造動作は、受光素子アレイ１５上にマスク部材７５を固定配置した状態で、スパッタリング処理により、誘電体多層膜１６ａを、マスク部材７５を介して、受光素子アレイ１５上に気相成長させることで行われる。

具体的には、まず、真空チャンバー７６内を真空状態とし、真空チャンバー７６内に、不活性ガスであるＡｒガス（アルゴンガス）を導入する。その後、Ａｒガスをプラズマ化し、磁石７４により、電離したＡｒイオンをスパッタターゲット７３に衝突させる。このＡｒイオンの衝突により、スパッタターゲット７３の原子（気相成長材料）が放射される。そして、放射された気相成長材料が、マスク部材７５を介して、受光素子アレイ１５上に到達することで、気相成長材料が受光素子アレイ１５上に成膜される（気相成長）。

このとき、マスク部材７５によって、放射された気相成長材料が一部遮蔽されて成膜されるが、各開口部８３の開口率が相違するため、各受光素子２５に対して異なる遮蔽率で気相成長材料が遮蔽されて成膜される。すなわち、開口率が大きい開口部８３では、受光素子２５に対し成形膜が厚く形成され、開口率が小さい開口部８３では、受光素子２５に対し成形膜が薄く形成される。その結果、各受光素子２５上に、異なる膜厚で気相成長材料が成膜される。これが各フィルター部２８における膜厚の差になる。

このスパッタリング処理を、高屈折材料および低屈折材料で交互に繰り返し行うことで、図２に示したような階段状の誘電体多層膜１６ａを成膜し、各フィルター部２８を形成する。これにより、透過波長可変干渉フィルター１６の製造動作が終了する。

以上のような構成によれば、各フィルター部２８に対応する位置の開口率が相違するマスク部材７５を用い、マスク部材７５を介して、誘電体多層膜１６ａを気相成長させることで、各位置で膜厚が異なる誘電体多層膜１６ａを形成することができる。このように、駆動部や制御部を必要とせずに、簡単な構成で誘電体多層膜１６ａを形成することができる。また、マスク部材７５を配設した状態で、気相成長を行うだけで、容易に誘電体多層膜１６ａを形成することができる。さらに、マスク部材７５は、洗浄することで再利用するも可能である。

また、マスク部材７５が、マスク本体８１とスペーサー８２とを有し、受光素子アレイ１５上にマスク部材７５を固定配置する構成であるため、マスク部材７５を配設する特段の配設構造（例えば支持部材）を必要とせず、より簡単な構成で、誘電体多層膜１６ａを形成することができる。

なお、本実施形態においては、マスク部材７５を受光素子アレイ１５上（ワーク上）に、固定配置する構成であったが、マスク部材７５をスパッタターゲット７３側に取り付ける構成であっても良い。また、マスク部材７５を別途の支持部材により支持させて、スパッタターゲット７３と受光素子アレイ１５との間に介設させる構成であっても良い。

また、本実施形態においては、誘電体多層膜１６ａを、受光素子２５の並び方向に向かって段階的に厚く形成した。すなわち、各フィルター部２８の膜厚を、その並び順で厚くしていく構成であったが、各フィルター部２８の膜厚が、それぞれで均一であれば、これに限るものではない。例えば、図９（ａ）に示すように、並び順を無視して、任意のフィルター部２８の膜厚を、任意の厚さにする構成であっても良い。すなわち、所望する各透過特性のフィルター部２８を、順不同で形成する構成であっても良い。また、図９（ｂ）に示すように、上記製造動作により、誘電体多層膜１６ａを、受光素子２５の並び方向で傾斜状に徐々に厚く形成する構成であっても良い。

さらに、本実施形態においては、複数の受光素子２５を横並びに（並列に）配設する構成であったが、これに限るものではない。例えば、図１０（ａ）に示すように、複数の受光素子２５をマトリクス状に配設する構成であっても良い。また、例えば、図１０（ｂ）に示すように、複数の受光素子２５を、環状に並べて配設する構成であっても良い。かかる場合、複数の受光素子２５の配置に合わせて誘電体多層膜１６ａを形成する構成とする。すなわち、複数の受光素子２５の配置に合わせて、複数のフィルター部２８をマトリクス状や環状に並べて形成する構成とする。

またさらに、本実施形態においては、スパッタリングにより、誘電体多層膜１６ａを気相成長させる構成であったが、蒸着により、誘電体多層膜１６ａを気相成長させる構成であっても良い。

１５：受光素子アレイ、１６：透過波長可変干渉フィルター、１６ａ：誘電体多層膜、２８：フィルター部、７３：スパッタターゲット、７５：マスク部材、８１：マスク本体、８２：スペーサー

本発明の光学フィルターの製造方法は、複数のフィルター部を構成する光学フィルターの製造方法であって、気相成長材料の放射源とワークとの間に介設され、各フィルター部に対応する位置の開口率が相違すると共に、マスク本体と、マスク本体およびワークを離間させるスペーサーとを有するマスク部材を用い、ワークの表面上にマスク部材を配置した状態で、フィルター層を、マスク部材を介して、ワークの表面上に気相成長させることを特徴とする。

この構成によれば、マスク部材における各位置の開口率が相違するため、各位置において、放射された気相成長材料の遮蔽率が相違する。その結果、各位置で気相成長材料の堆積量に違いが生じるので、各位置で膜厚が異なるフィルター層を形成することができる。このように、駆動部や制御部を必要とせずに、簡単な構成でフィルター層を形成することができる。また、マスク部材を配設した状態で、気相成長を行うだけで、容易にフィルター層を形成することができる。特に、各フィルター部において膜厚がそれぞれ均一なフィルター層を、容易に形成することができるので、各フィルター部の透過特性を安定させることができる。
また、マスク部材を配設する特段の配設構造（例えば支持部材）を必要としないため、より簡単な構成でフォルター層を形成することができる。

この構成によれば、スパッタリングによりフィルター層を形成することで、高精度の光学フィルターを提供することができる。
本発明の他の光学フィルターの製造方法は、複数のフィルター部を構成する光学フィルターを、複数のフィルター部を通過した入射光をそれぞれ受光する複数の受光部を有するワーク上に形成する光学フィルターの製造方法であって、気相成長材料の放射源とワークとの間に介設され、各受光部に対応する位置の開口率が相違するマスク部材を用い、フィルター層を、マスク部材を介して、ワーク上に気相成長させることを特徴とする。

本発明の光学フィルターの製造方法は、複数のフィルター部を通過した入射光をそれぞれ受光する複数の受光部を有したワーク上に、複数のフィルター部を構成する光学フィルターを形成する光学フィルターの製造方法であって、気相成長材料の放射源とワークとの間に介設され、各受光部に対応する位置の開口率が相違するマスク部材を用い、フィルター層を、マスク部材を介して、ワーク上に気相成長させることを特徴とする。

この場合、マスク部材は、ＳＯＩウェハーで構成されていることが好ましい。

Claims

複数のフィルター部を構成する光学フィルターの製造方法であって、
気相成長材料の放射源とワークとの間に介設され、前記各フィルター部に対応する位置の開口率が相違するマスク部材を用い、
フィルター層を、前記マスク部材を介して、前記ワーク上に気相成長させることを特徴とする光学フィルターの製造方法。
前記マスク部材は、
マスク本体と、
前記マスク本体および前記ワークを離間させるスペーサーと、を有し、
前記ワーク上に前記マスク部材を配置した状態で、前記フィルター層を気相成長させる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。
前記スペーサーと前記マスク本体とは、ＳＯＩウェハーで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学フィルターの製造方法。
スパッタリングにより、前記フィルター層を気相成長させることを特徴とする請求項１に記載の光フィルターの製造方法。