WO2014087927A1 - 光学フィルター - Google Patents

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WO2014087927A1
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metal thin
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thin film
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貴司 中野
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シャープ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical filter that selects the wavelength of incident light.
  • a hole-type optical filter has been proposed in which openings are periodically arranged in a metal thin film and wavelength selection is performed using surface plasmons.
  • the transmittance of a metal thin film having an opening diameter of a size equal to or smaller than the wavelength of light is generally less than 1%, although it depends on the film thickness.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 disclose that a RGB transmission spectrum is obtained by using a slit-type optical filter using such surface plasmons. Specifically, it is disclosed that transmission spectra having blue, green, and red wavelengths are obtained by using a metal thin film periodically having a sub-wavelength slit structure.
  • Non-Patent Document 1 a periodic slit structure is formed with an MIM structure in which a dielectric film is sandwiched between metal thin films, and an optical filter depending on the slit period is realized. And the white light which consists of light of multiple wavelengths is irradiated from the substrate side, and surface plasmon is induced on each metal thin film surface.
  • this optical filter has a transmittance of about 60% even at the wavelength with the highest transmittance.
  • Non-Patent Document 2 in the same structure as Patent Document 1, the influence of the film thickness of the metal thin film and the dielectric film on the transmitted light is examined. And, it is difficult to control the wavelength and intensity of the transmission wavelength largely depending on the film thickness of the metal thin film and the dielectric film (a change of about several hundreds nm for the wavelength and an enhancement of several tens of% for the intensity) It is shown.
  • An object of the present invention is to improve the wavelength selectivity of an optical filter that selects the wavelength of incident light.
  • the present invention provides an optical filter for selecting the wavelength of incident light, in which metal thin films and dielectric films are alternately laminated, and a multilayer film having three or more metal thin films,
  • An optical filter comprising: an opening that penetrates the multilayer film and is disposed with a period shorter than the wavelength of the incident light.
  • the incident light and the surface plasmon of the metal thin film are combined, thereby improving the wavelength selectivity. be able to.
  • FIG. 1 is a plan view of an optical filter according to an embodiment of the present invention.
  • This optical filter comprises a multilayer film in which metal thin films and dielectric films are alternately stacked on a smooth substrate. Then, light having a wavelength in the visible region or near-infrared region is transmitted through the fine opening that penetrates the multilayer film.
  • the surface plasmon of the metal thin film and the incident light are combined when the multilayer film is irradiated with light, There is a function to enhance the transmission of a specific wavelength.
  • the “wavelength of light” refers to the wavelength of light incident on the multilayer film when the optical filter is used. Therefore, this wavelength can vary over a wide range, but is generally selected from the visible range (380 to 750 nm) or the infrared range (750 nm to 1.4 ⁇ m).
  • the transmittance of the light-transmitting substrate is preferably 80% or more and 90% or more in order to achieve such electrode transmittance. Is more preferable.
  • the efficiency ⁇ of the transmitted light out of the light irradiated to the opening is obtained. Since the wave number k is proportional to the reciprocal of the wavelength ⁇ , as a result, this equation means that the light transmission efficiency ⁇ is proportional to the fourth power of (a / ⁇ ). Therefore, it has been considered that the light transmission decreases rapidly as the opening radius a decreases.
  • Equation 3 The relationship between the wave number vector of the surface plasmon and the metal thin film having a square lattice periodic structure on the surface is expressed by Equation 3 from the law of conservation of momentum.
  • Equation 3 the element shown in Equation 4 is a surface plasmon wave vector
  • the element shown in Equation 5 is a component of the wave vector of incident light on the surface of the metal thin film
  • the element shown in Equation 6 is a square lattice.
  • P is the period of the hole array
  • ⁇ is the angle between the incident wave vector and the surface normal of the metal film
  • i and j are integers.
  • the absolute value of the surface plasmon wave number vector can be obtained by Equation 7 from the dispersion relation of the surface plasmon.
  • > ⁇ d incident light having a bulk plasma frequency or less is irradiated to the metal and the doped semiconductor.
  • the following equation 8 is obtained.
  • Equation 9 is obtained.
  • the wavelength showing the maximum of transmission is a function depending on the period P between the openings in addition to the dielectric constant of the metal, the dielectric constant of the substrate or air on the irradiation side, and the like.
  • the incident light and the surface plasmon of the metal thin film are combined, and as a result, light having a wavelength below the diffraction limit is transmitted.
  • the aperture structure having a period causes the transmission of light having a specific wavelength corresponding to the period.
  • 2A to 2C are cross-sectional views in each manufacturing process of the optical filter.
  • a fine processing technique such as an optical lithography method, an electron beam lithography method, or a nanoimprint method can be used.
  • the opening process of the optical filter according to the embodiment of the invention including a plurality of layers may be opened at a time or may be opened one by one while performing alignment.
  • metal thin films 4 and dielectric films 5 are alternately stacked on a substrate 1, and an etching mask layer 6 serving as a mask when the opening 3 is formed by etching is stacked on the uppermost layer.
  • an etching mask layer 6 serving as a mask when the opening 3 is formed by etching is stacked on the uppermost layer.
  • three metal thin films 4 and two dielectric films 5 are sandwiched between the metal thin films 4. Note that the number of layers of the metal thin film 4 and the dielectric film 5 is not particularly limited as long as the metal thin film 4 includes three or more layers. There may be.
  • a pattern is transferred to the etching mask layer 6 by a dry etching method.
  • a dry etching method in order to prevent problems such as side etching, it is preferable to perform transfer under highly anisotropic etching conditions. At this time, it is necessary to prevent the etching mask layer 6 from being entirely etched. This is because the remaining etching mask layer 6 is used as a mask for forming the opening 3.
  • the multilayer film of the metal thin film 4 and the dielectric film 5 is patterned by etching.
  • the etching rate of the etching mask layer 6 is not 0, the etching mask layer 6 is also removed along with the etching of the multilayer film of the metal thin film 4 and the dielectric film 5, and the optical filter 10 having the opening 3 is obtained. It is done.
  • the substrate 1 is not particularly limited as long as it is a material that transmits incident light, and may be any of an inorganic material, an organic material, and a mixed material thereof.
  • the substrate 1 for example, glass, quartz, Si, a compound semiconductor, or the like can be used. Further, the size and thickness of the substrate 1 are not particularly limited.
  • the surface shape of the substrate 1 is not particularly limited, and may be flat or curved.
  • the metal thin film 4 or the dielectric film 5 may be laminated after performing an appropriate surface treatment on the substrate 1. .
  • the transparent material having high resistance to etching is laminated on the substrate 1 as a stopper layer, the metal thin film 4 or the dielectric film 5 may be laminated.
  • the metal constituting the metal thin film 4 can be arbitrarily selected.
  • the term “metal” as used herein refers to a metal element that is a single conductor, has a metallic luster, and is solid at room temperature, and alloys thereof.
  • the plasma frequency of the material constituting the metal thin film 4 is preferably higher than the frequency of incident light. In addition, it is desirable that light absorption is small in the wavelength region of light to be used. Examples of such a material include aluminum, nickel, cobalt, gold, silver, platinum, copper, indium, rhodium, palladium, and chromium. Among these, aluminum, silver, gold, copper, indium, nickel, and cobalt And alloys thereof are preferred. However, these are not limited as long as the metal has a plasma frequency higher than the frequency of incident light. Further, the metal thin film 4 may be sintered by heat treatment, or a protective film or the like may be formed.
  • the thickness of the metal thin film 4 is preferably 5 nm to 100 nm.
  • the dielectric film 5 is preferably a high dielectric material, that is, a high refractive material, from the resonance relationship between incident light and surface plasmon described later.
  • a high dielectric material that is, a high refractive material, from the resonance relationship between incident light and surface plasmon described later.
  • examples of such materials include titanium oxide, copper oxide, silicon nitride, iron oxide, tungsten oxide, ZeSe, and the like.
  • the etching mask layer 6 can be made of a material that transmits incident light and has high resistance to etching.
  • the material of the etching mask layer 6 is not particularly limited, and may be any of inorganic materials, organic materials, and mixed materials thereof.
  • the etching selectivity between the material of the etching mask layer 6 and the material of the metal thin film 4 and the dielectric film 5 (metal
  • the ratio of the etching rate of the etching mask layer 6 to the etching rate of the thin film 4 and the dielectric film 5, that is, the value obtained by dividing the etching rate of the etching mask layer 6 by the etching rate of the metal thin film 4 and the dielectric film 5 is E 01 .
  • SiN, Al 2 O 3 or the like can be used.
  • the uppermost dielectric film 5 may be formed thickly instead of the etching mask layer 6 and may serve as a mask during etching.
  • the formation method of the metal thin film 4, the dielectric film 5, and the etching mask layer 6 is not particularly limited, and for example, a sputtering method, a vapor deposition method, a plasma CVD method, or the like can be used.
  • the openings 3 are arranged with a period shorter than the wavelength of the incident light.
  • the period in which the opening 3 is disposed is preferably 100 nm or more and 1000 nm or less.
  • the shape of the opening 3 is not particularly limited.
  • the opening 3 may be filled with a substance such as a dielectric. At this time, it is preferable that the substance filled in the opening 3 is one that transmits incident light.
  • incident light of a predetermined wavelength induces surface plasmons on the surface of the metal thin film 4, and the surface plasmons and the incident light interact in a resonant manner, so that wavelength selection and enhancement of transmitted light can be achieved.
  • the opening 3 is arranged.
  • a nanoimprint stamper is used in order to form a pattern in the process of forming a pattern in the etching mask layer 6.
  • FIG. By using this nanoimprint stamper, a pattern of the opening 3 can be formed by forming a mask pattern on the etching mask layer 6 and performing dry etching through the mask.
  • FIG. 3A shows a longitudinal sectional view of the optical filter
  • FIG. 3B shows a plan view.
  • the produced optical filter 20 is formed by alternately laminating a metal thin film 4 made of Al having a thickness of 40 nm and a dielectric film 5 made of TiO 2 having a thickness of 100 nm on a substrate 1 made of glass. Formed. Two metal thin films 4 are formed and two dielectric films 5 are sandwiched between the metal thin films 4. This layer structure is called a MIMIM structure.
  • the average opening width of the slits 7 is 245 nm, and the period in which the slits 7 are arranged is 270 nm.
  • an optical filter 30 as shown in FIGS. 4A and 4B was produced.
  • This optical filter is different from the optical filter 20 of the first embodiment in that two metal thin films 4 and one dielectric film 5 are sandwiched between the metal thin films 4 and other configurations. Is the same as in the first embodiment.
  • This layer structure is referred to as an MIM structure.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the transmission wavelength and the transmittance of the optical filter 20 (MIMIM structure) of the first embodiment and the optical filter 30 (MIM structure) of the comparative example.
  • the optical filter of the first embodiment since there are a plurality of MI structures along the direction in which light is incident, the peak of transmission wavelength and the transmittance are almost the same as in the comparative example, and the selectivity of the transmission wavelength. It can be seen that is improved.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the period of the slit 7 and the peak wavelength of transmitted light in the optical filter 20 of the first embodiment. It can be seen that the peak wavelength of the transmitted light is proportional to the period of the slit 7. Therefore, by adjusting the period of the slit 7, it is possible to design an optical filter that can obtain transmitted light having a desired wavelength.
  • the MIMIM structure is an example in which three metal thin films 4 and two dielectric films 5 are alternately stacked.
  • the configuration of the present invention is not limited to this, and the metal thin film 4 has four layers. Three layers of the dielectric film 5 may be laminated alternately. That is, the same effect can be obtained as long as the metal thin films 4 and the dielectric films 5 are alternately stacked and the multilayer film has three or more metal thin films 4.
  • FIG. 7 is a perspective view of the spectral imaging device 40 and an enlarged view thereof.
  • FIG. 7 shows a spectral imaging device 40, a diagram in which a plurality of optical filters 50, which are partially enlarged views thereof, and a schematic diagram in which the surface of the optical filter 50 is enlarged.
  • the optical filter 50 has a MIMIM structure in which the metal thin films 4 and the dielectric films 5 are alternately stacked on the substrate 1 and has a cylindrical opening 8.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the spectral imaging device 40.
  • a light receiving element 42 On the silicon substrate 41, a light receiving element 42, an electrode 43, a light shielding film 44, an optical filter 50, a planarizing layer 45, and a microlens 46 are disposed.
  • the optical filter 50 instead of the conventionally provided color filter, it is possible to obtain the spectral imaging device 40 having a different light receiving wavelength for each pixel. In order to make the light reception wavelength different for each pixel, it can be realized by adjusting the period of the opening 8 as in the case of the slit 7 described above.
  • the shape of the opening is the slit 7 in the first embodiment, and the cylindrical shape in the second embodiment, but is not limited to these, and is not limited to a conical shape, a triangular pyramid shape, a quadrangular pyramid shape, or any other cylindrical shape. Or a weight shape, or these shapes may be mixed. Further, the effects of the present invention are not lost even when openings of various sizes are mixed. In this way, when the size of the opening is not constant, the diameter of the opening can be displayed as an average value.
  • the optical filter 10 is an optical filter 10 for selecting the wavelength of incident light, wherein the metal thin films 4 and the dielectric films 5 are alternately stacked, and a multilayer film having three or more metal thin films 4 is formed. And an opening 3 disposed therethrough with a period less than the wavelength of the incident light.
  • the opening 3 as described above in the optical filter 10 including a multilayer film having three or more metal thin films by arranging the opening 3 as described above in the optical filter 10 including a multilayer film having three or more metal thin films, the incident light and the surface plasmon of the metal thin film 4 are combined. Wavelength selectivity can be improved.
  • the metal thin film preferably has a thickness of 5 nm to 100 nm. This is because the incident light and the surface plasmon of the metal thin film 4 are combined.
  • the period in which the opening 3 is disposed is preferably 100 nm or more and 1000 nm or less. If it is this range, the optical filter 10 which permeate
  • the opening 3 can be any one of a cylindrical shape, a conical shape, a triangular pyramid shape, and a quadrangular pyramid shape.
  • the opening 3 can be a slit 7.
  • the metal thin film 4 includes a material selected from the group including aluminum, silver, platinum, nickel, cobalt, gold, silver, platinum, copper, indium, rhodium, palladium, and chromium. .
  • the dielectric film 5 includes a material selected from a high refractive index material group including titanium oxide, copper oxide, silicon nitride, iron oxide, tungsten oxide, and ZeSe. .
  • the incident light having a predetermined wavelength induces surface plasmons on the surface of the metal thin film 4, and the surface plasmons and the incident light interact in a resonant manner, so that wavelength selection of transmitted light can be achieved.
  • the opening 3 may be arranged so as to be enhanced.
  • the wavelength selectivity can be improved.
  • the optical filter of the present invention can be used for liquid crystal panels and image sensors.

Abstract

　入射光の波長を選択する光学フィルターの波長選択性を向上させることを目的とする。そのため、入射光の波長を選択する光学フィルターであって、金属薄膜と誘電体膜とが交互に積層され、金属薄膜を３層以上有する多層膜と、前記多層膜を貫通し、前記入射光の波長未満の周期で配置された開口部と、を備えた構成とする。

Description

光学フィルター
　本発明は、入射光の波長を選択する光学フィルターに関する。
　近年、金属薄膜に周期的に開口部を配列し、表面プラズモンを利用して波長選択を行うホール型の光学フィルターが提案されている。従来、光の波長以下のサイズの開口径を有する金属薄膜の透過率は、膜厚にも依存するが、概ね１％未満になると考えられていた。
　しかし、特許文献１に記されているように、表面プラズモンの波長に合わせた周期で金属薄膜に所定の大きさの開口部を配列すると、表面プラズモンを誘起する波長の光の透過率が大幅に向上することが見いだされた。
　また、非特許文献１、２には、このような表面プラズモンを利用したスリット型の光学フィルターを用いて、ＲＧＢの透過スペクトルを得ることが開示されている。具体的には、サブ波長のスリット構造を周期的に有した金属薄膜を用いて、青色、緑色、赤色の波長を有する透過スペクトルを得ることが開示されている。
特許第３００８９３１号公報
Ting　Xu　et　al.,　"Plasmonic　nanoresonators　for　high-resolution　colour　filtering　and　spectral　imaging",　Nature　Communications,　24　Aug.　2010,　pp.1-5 Chih-Jui　Yu　et　al.,　"Color　Filtering　Using　Plasmonic　Multilayer　Structure",　Nanoelectronics　Conference　(INEC),　2011,　pp.1-2 H.　A.　Bethe,　"Theory　of　Diffraction　by　Small　Holes",　Physical　Review,　1944,　Vol.66,　pp.163-182 H.　F.　Ghaemi　et　al.,"　Surface　plasmons　enhance　optical　transmission　through　subwavelength　holes",　Physical　Review　B,　1998,　Vol.58,　No.11,　pp.6779-6782
　上記の非特許文献１では、誘電体膜を金属薄膜で挟んだＭＩＭ構造で周期的なスリット構造を形成し、スリットの周期に依存した光学フィルターを実現している。そして、多波長の光からなる白色光を基板側から照射し、各金属薄膜表面に表面プラズモンを誘起させている。これにより、表面プラズモンと入射光とが共振的に相互作用することによって透過光の波長選択及び増強が図られる。しかしながら、この光学フィルターでは、透過率が最も高い波長であっても、その透過率は６０％程度である。
　また、上記の非特許文献２では、特許文献１と同構造において、金属薄膜及び誘電体膜の膜厚の透過光への影響について調べている。そして、金属薄膜及び誘電体膜の膜厚によって、透過波長の波長及び強度を大きく制御すること（波長の場合は数百ｎｍ程度の変化、強度の場合は数十％の増強）は難しいことが示されている。
　このように、透過率があまり高くない光学フィルターでは、透過スペクトルを利用する場合、透過スペクトルの強度を確保するために入射光の強度を大きくする必要がある。そのため、液晶パネルやイメージセンサーにこの光学フィルターを用いた場合、十分な光学強度が得られない可能性がある。そこで、可視光領域を含む波長帯域において透過率が高い光学フィルターの実現が求められている。
　本発明は、入射光の波長を選択する光学フィルターの波長選択性を向上させることを目的とする。
　上記目的を達成するために本発明は、入射光の波長を選択する光学フィルターであって、金属薄膜と誘電体膜とが交互に積層され、前記金属薄膜を３層以上有する多層膜と、前記多層膜を貫通し、前記入射光の波長未満の周期で配置された開口部と、を備えたことを特徴とする光学フィルターとする。
　本発明によると、金属薄膜を３層以上有する多層膜を備えた光学フィルターに所定の開口部を配置することにより、入射光と金属薄膜の表面プラズモンとが結合するので、波長選択性を向上させることができる。
本発明の一実施形態の光学フィルターの平面図である。 光学フィルターの製造工程における断面図である。 光学フィルターの製造工程における断面図である。 光学フィルターの製造工程における断面図である。 第１実施形態の光学フィルターの縦断面図である。 第１実施形態の光学フィルターの平面図である。 比較例の光学フィルターの縦断面図である。 比較例の光学フィルターの平面図である。 第１実施形態の光学フィルターと比較例の光学フィルターの透過波長と透過度の関係を示すグラフである。 第１実施形態の光学フィルターにおけるスリットの周期と透過光のピーク波長の関係を示すグラフである。 分光撮像素子の斜視図とその拡大図である。 図７の分光撮像素子の部分断面図である。
　図１は、本発明の一実施形態の光学フィルターの平面図である。この光学フィルターは、平滑な基板上に金属薄膜と誘電体膜とが交互に重なった多層膜を具備してなる。そして、この多層膜を貫通する微細な開口部によって、可視領域または近赤外領域にある波長の光を透過する。
　入射光の波長より十分小さい開口幅を有する開口部、すなわちスリットや孔を設けることによって、金属でありながら光学フィルターとして機能する原理は簡略に説明すると以下の通りである。
　多層膜に、入射する光の波長よりも小さな大きさのスリットまたは孔を周期的に形成することで、多層膜に光が照射された際に金属薄膜の表面プラズモンと入射光とが結合し、特定波長の透過を強めるはたらきがある。なお、ここで「光の波長」とは、当該光学フィルターが用いられるときに、その多層膜に入射する光の波長をいう。したがって、この波長は広い範囲で変化し得るが、一般に可視域（３８０～７５０ｎｍ）または赤外域（７５０ｎｍ～１．４μｍ）から選択される。
　なお、基板に光透過性基板を用いる場合、このような電極の透過度を達成するためには、その光透過性基板の透過度は８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。
　次に、本発明の基本原理について説明する。まず、光の波長よりも小さい開口半径を有する孔を設けた金属薄膜を、光が透過する現象について述べる。従来、波長よりも小さい開口半径を有する開口部を設けた金属薄膜に光を照射した際の現象は、Ｂｅｔｈｅの回折理論によって説明されてきた（非特許文献３参照）。金属薄膜が完全導体であり、厚みが無限薄を仮定すると、波長λより小さい半径ａを有する開口を透過する全偏光の強度Ａは、式１で示される。kは光の波数（k　=　2π/λ）、θは入射角を表す。
［式１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　さらに、この光の強度Ａを開口部の面積πa2で割ると、開口部に照射する光のうち透過する光の効率ηが得られ、式２のようになる。波数ｋは波長λの逆数に比例するため、結果としてこの式は、光の透過効率ηは（a／λ）の四乗に比例することを意味する。したがって、開口部半径aが小さくなるほど急激に光の透過が減少すると考えられてきた。
［式２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　しかしながら、金属薄膜に光の波長よりも小さい開口幅または半径を有するスリットまたは孔を無数に設けることで、上記の理論から算出される透過以上の光の透過率を得ることができることを見出した。このような光の異常透過現象は、金属に光が照射した際に、表面プラズモンと入射光とが共振的に相互作用することによって生じるという報告がある（非特許文献４参照）。
　この現象は以下のように説明される。表面プラズモンの波数ベクトルと、表面に正方格子の周期構造を有する金属薄膜との関係は、運動量保存の法則から式３のようになる。
［式３］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　式３中、式４で示される要素は表面プラズモン波数ベクトルであり、式５で示される要素は金属薄膜の面にある入射光の波数ベクトルの成分であり、式６で示される要素は正方格子についての逆格子ベクトルであり、Ｐは孔配列の周期であり、θは入射波動ベクトルと金属薄膜の表面法線との間の角度であり、ｉおよびｊは整数である。
［式４］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
［式５］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
［式６］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　一方で、表面プラズモン波数ベクトルの絶対値は、表面プラズモンの分散関係から式７によって求めることができる。
［式７］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　式７中、ωは入射光の角周波数であり、εmおよびεdはそれぞれ、金属および誘電体媒質の比誘電率であり、大気中からの照射の場合εd＝１である。ここで、εm＜０および｜εｍ｜＞εdと仮定しており、それはバルクプラズマ周波数以下の入射光を金属およびドープ半導体に照射した場合である。垂直入射（θ＝０）の場合の透過が極大となる波長は、入射光の金属面に平行な波数ベクトルは０となり、開口された孔が正方格子の配列の場合、これらの式をつなぐことで式８のようになる。
［式８］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　同様に、開口された孔が六方対象な三角格子の場合は、式９のようになる。
［式９］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　また、スリットが開口された場合は、式１０のようになる。
［式１０］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
　透過の極大を示す波長は、金属の誘電率、基板、あるいは照射側の空気等の誘電率に加えて、開口間の周期Pに依存した関数となる。以上の条件を満足するとき、入射光と金属薄膜の表面プラズモンとが結合し、その結果、回折限界を波長の光が透過する。つまりは、周期を有する開口構造は、周期に応じた特定波長の光の透過を生じさせる。
　以上のような原理により、金属薄膜に、入射する光の波長以下の開口幅または半径を有するスリットまたは孔が配置されたときに光が透過するものと考えられる。上記の原理に従い、たとえば透過させようとする光の波長以下の開口幅または半径を有するスリットまたは孔を金属表面全面にわたって作製することで、金属全面が光を透過するようになる。
　上記の原理の示すところでは、単一の周期を有する開口構造により透過できるのは、白色光のうちの限られた波長域の光、すなわち単色光のみとなり、その透過光のスペクトルは非常にシャープな極大値を示す。そのため、それ以外の色の光に対しては透過率が非常に低い。また、金属薄膜の膜厚が厚い場合は、バルク金属の特性が顕著となり、プラズマ反射が起こり透過率の絶対値自身が減少する。
　次に、本発明の一実施形態の光学フィルターの製造方法について説明する。図２Ａ～図２Ｃは、光学フィルターの各製造工程における断面図である。光学フィルターの製造には、光リソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、ナノインプリント法などの微細加工技術を用いることができる。なお、複層からなる発明の一実施形態の光学フィルターの開口プロセスは、一度に開口してもよいし、位置合わせをしながら一層ずつ開口してもよい。
　図２Ａに示すように、基板１上に金属薄膜４と誘電体膜５とを交互に積層し、開口部３をエッチングで形成する際にマスクとなるエッチングマスク層６を最上層に積層する。図２Ａでは、金属薄膜４が３層、誘電体膜５が金属薄膜４に挟まれる形で２層形成されている。なお、金属薄膜４を３層以上含んでいれば金属薄膜４及び誘電体膜５の層数には特に限定はなく、また、順序も交互であれば最下層と最上層とはどちらの層であってもよい。
　次に、図２Ｂに示すように、ドライエッチング法によってエッチングマスク層６にパターンを転写する。ここでサイドエッチングなどの問題を防ぐため、異方性の高いエッチング条件により転写することが好ましい。このとき、エッチングマスク層６は、すべてエッチングされないようにする必要がある。残存したエッチングマスク層６は、開口部３を形成させるためのマスクとするからである。
　次に、図２Ｃに示すように、エッチング加工によって金属薄膜４及び誘電体膜５の多層膜をパターニングする。この時、エッチングマスク層６のエッチング速度は０ではないため、金属薄膜４及び誘電体膜５の多層膜のエッチングに伴ってエッチングマスク層６も無くなり、開口部３を有した光学フィルター１０が得られる。
　基板１は、入射光を透過する材料であれば特に限定はなく、無機材料、有機材料、それらの混合材料の何れであってもよい。基板１としては、例えば、ガラス、石英、Ｓｉ、化合物半導体などを用いることができる。また、基板１の大きさ、厚みも特に限定はない。また、基板１の表面形状にも特に限定はなく、平坦でも曲面形状であってもよい。
　なお、基板１上に形成される金属薄膜４又は誘電体膜５との密着性を考慮し、基板１に適当な表面処理を施してから金属薄膜４又は誘電体膜５を積層してもよい。また、基板１にエッチングに対する耐性の高い透明材料をストッパー層として積層させてから、金属薄膜４又は誘電体膜５を積層してもよい。
　金属薄膜４を構成する金属は任意に選択できる。ここでいう金属とは、単体で導体であり、金属光沢を有し、常温では固体である金属元素からなるもの、及びそれらの合金を指す。金属薄膜４を構成する材料のプラズマ周波数は入射光の周波数より高いことが好ましい。また、利用する光の波長領域において光の吸収が少ないことが望ましい。このような材料として、例えば、アルミニウム、ニッケル、コバルト、金、銀、白金、銅、インジウム、ロジウム、パラジウム、またはクロムなどが挙げられ、このうちアルミニウム、銀、金、銅、インジウム、ニッケル又はコバルト及びこれらの合金が好ましい。しかしながら、入射光の周波数より高いプラズマ周波数を有する金属であれば、これらの限りではない。また、熱処理により金属薄膜４をシンタリングしてもよく、保護膜等を形成してもよい。
　例えば、金属薄膜４の膜厚は５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
　誘電体膜５は、後述する入射光と表面プラズモンとの共振関係から、高誘電材料、つまり高屈折材料であることが好ましい。このような材料として、例えば、チタン酸化物、銅酸化物、窒化シリコン、鉄酸化物、タングステン酸化物、ＺｅＳｅなどが挙げられる。
　エッチングマスク層６は、入射光を透過し、エッチングに対する耐性の高い材料を用いることができる。エッチングマスク層６の材料は特に限定されず、無機材料、有機材料、それらの混合材料の何れであってもよい。
　上記のようにエッチングマスク層６を残存させて金属薄膜４及び誘電体膜５をエッチングするために、エッチングマスク層６の材料と金属薄膜４及び誘電体膜５の材料とのエッチング選択比（金属薄膜４及び誘電体膜５のエッチング速度に対するエッチングマスク層６のエッチング速度の比、すなわちエッチングマスク層６のエッチング速度を金属薄膜４及び誘電体膜５のエッチング速度で割った値）をＥ０１とした場合、０＜Ｅ０１＜１の関係がある材料の組み合わせを用いることが好ましい。例えば、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３などを用いることができる。
　なお、エッチングマスク層６の代わりに最上層の誘電体膜５を厚く形成し、エッチング時のマスクの役割ももたせてもよい。
　金属薄膜４、誘電体膜５及びエッチングマスク層６の形成方法には特に限定はなく、例えば、スパッタ法、蒸着法、プラズマＣＶＤ法などを用いることができる。
　開口部３は、入射光の波長未満の周期で配置される。例えば、開口部３が配置される周期は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。開口部３の形状は特に限定されるものではない。
　また、開口部３は誘電体のような物質により充填されていてもよい。このとき、開口部３に充填される物質は入射光を透過するものであることが好ましい。
　このように、所定波長の入射光が金属薄膜４の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共振的に相互作用することで、透過光の波長選択及び増強が図られるように、開口部３が配置される。
　なお、上記の光学フィルターの製造にナノインプリント法を用いる場合、ナノインプリントスタンパーは、エッチングマスク層６にパターンを形成する工程で、パターンを形成するために用いられる。このナノインプリントスタンパーを用いて、エッチングマスク層６の上にマスクパターンを形成させ、そのマスクを介してドライエッチングすることで、開口部３のパターンを形成させることができる。
＜第１実施形態＞
　可視領域の波長を透過する多層光透過性金属薄膜を備えた光学フィルターを作製した。図３Ａにこの光学フィルターの縦断面図を、図３Ｂに平面図を示す。作製した光学フィルター２０は、ガラスからなる基板１上に、Ａｌからなる膜厚４０ｎｍの金属薄膜４と、ＴｉＯ２からなる膜厚１００ｎｍの誘電体膜５とを交互に積層し、開口部としてスリット７を形成した。金属薄膜４が３層、誘電体膜５が金属薄膜４に挟まれる形で２層形成されている。この層構成をＭＩＭＩＭ構造と称する。
　スリット７の平均開口幅は２４５ｎｍ、スリット７が配置される周期は２７０ｎｍとした。
　また、比較例として、図４Ａ、図４Ｂに示すような光学フィルター３０を作製した。この光学フィルターが上記第１実施形態の光学フィルター２０と異なる点は、金属薄膜４が２層、誘電体膜５が金属薄膜４に挟まれる形で１層形成された点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。この層構成をＭＩＭ構造と称する。
　図５は、第１実施形態の光学フィルター２０（ＭＩＭＩＭ構造）と比較例の光学フィルター３０（ＭＩＭ構造）の透過波長と透過度の関係を示すグラフである。第１実施形態の光学フィルターにおいては、ＭＩ構造が光が入射する方向に沿って複数存在することで、比較例と比べて透過波長のピークと透過率はほとんど変わらずに、透過波長の選択性が向上していることがわかる。
　図６は、第１実施形態の光学フィルター２０におけるスリット７の周期と透過光のピーク波長の関係を示すグラフである。透過光のピーク波長はスリット７の周期に比例していることがわかる。よって、スリット７の周期を調整することにより、所望の波長の透過光が得られる光学フィルターを設計することができる。
　なお、本実施例ではＭＩＭＩＭ構造として金属薄膜４が３層、誘電体膜５が２層交互に積層した例を示しているが、本発明の構成はこれに限定されず、金属薄膜４が４層、誘電体膜５が３層交互に積層していてもよい。つまり、金属薄膜４と誘電体膜５とが交互に積層され、金属薄膜４を３層以上有する多層膜であれば同様の効果を有する。
＜第２実施形態＞
　可視領域の波長を透過する多層光透過性金属薄膜を備えた光学フィルターを作製し、この光学フィルターを撮像素子の画素上に配設することで、分光器一体型の分光撮像素子を得た。図７は、分光撮像素子４０の斜視図とその拡大図である。図７では、分光撮像素子４０と、その部分拡大図である複数の光学フィルター５０が配設された図と、光学フィルター５０の表面を拡大した模式図とを示している。
　光学フィルター５０は、基板１上に金属薄膜４と誘電体膜５とを交互に積層したＭＩＭＩＭ構造を有し、円筒形状の開口部８を有している。
　図８は、分光撮像素子４０の部分断面図である。シリコン基板４１上に、受光素子４２、電極４３、遮光膜４４、光学フィルター５０、平坦化層４５、マイクロレンズ４６が配設されている。従来備えられていたカラーフィルターに代えて光学フィルター５０を設けることで、画素毎に受光波長の異なる分光撮像素子４０を得ることができる。画素毎に受光波長が異なるようにするには、上述したスリット７と同様に、開口部８の周期を調整することにより実現できる。
＜第３実施形態＞
　開口部の形状は、第１実施形態ではスリット７、第２実施形態では円筒形状としたが、これらに限定されることはなく、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状、その他任意の筒形状や錘形状、又はこれらの形状が混在していてもよい。また、種々の大きさの開口部が混在していても本発明の効果は失われない。このように開口部の大きさが一定ではない場合、開口部径は平均値で表示することができる。
　以下に本発明の実施形態についてまとめる。光学フィルター１０は、入射光の波長を選択する光学フィルター１０であって、金属薄膜４と誘電体膜５とが交互に積層され、金属薄膜４を３層以上有する多層膜と、前記多層膜を貫通し、前記入射光の波長未満の周期で配置された開口部３と、を備えたことを特徴とする。
　この構成によれば、金属薄膜を３層以上有する多層膜を備えた光学フィルター１０に上記のような開口部３を配置することにより、入射光と金属薄膜４の表面プラズモンとが結合するので、波長選択性を向上させることができる。
　上記の光学フィルター１０において、前記金属薄膜の膜厚が、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。入射光と金属薄膜４の表面プラズモンとを結合させるためである。
　また上記の光学フィルター１０において、開口部３が配置される周期は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。この範囲であれば可視領域の波長を透過する光学フィルター１０を設計することができる。
　また上記の光学フィルター１０において、例えば、開口部３を、円筒形状、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状の何れかの形状とすることもできる。
　また上記の光学フィルター１０において、例えば、開口部３をスリット７とすることができる。
　また上記の光学フィルター１０において、例えば、金属薄膜４は、アルミニウム、銀、白金、ニッケル、コバルト、金、銀、白金、銅、インジウム、ロジウム、パラジウム、クロムを含む群から選択される材料を含む。
　また上記の光学フィルター１０において、例えば、誘電体膜５は、チタン酸化物、銅酸化物、窒化シリコン、鉄酸化物、タングステン酸化物、ＺｅＳｅを含む高屈折率材料群から選択される材料を含む。
　また上記の光学フィルター１０において、所定波長の前記入射光が金属薄膜４の表面に表面プラズモンを誘起させ、前記表面プラズモンと前記入射光とが共振的に相互作用することで、透過光の波長選択及び増強が図られるように、開口部３が配置されるようにしてもよい。
　この構成によれば、入射光と金属薄膜４の表面プラズモンとが結合するので、波長選択性を向上させることができる。
　本発明の光学フィルターは、液晶パネルやイメージセンサーなどに用いることができる。
　　　１０、２０、５０　光学フィルター
　　　３、８　開口部
　　　４　金属薄膜
　　　５　誘電体膜
　　　７　スリット

Claims (5)

  1. 　入射光の波長を選択する光学フィルターであって、
    　金属薄膜と誘電体膜とが交互に積層され、前記金属薄膜を３層以上有する多層膜と、
    　前記多層膜を貫通し、前記入射光の波長未満の周期で配置された開口部と、を備えたことを特徴とする光学フィルター。
  2. 　前記金属薄膜の膜厚が、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光学フィルター。
  3. 　前記開口部が配置される周期は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学フィルター。
  4. 　前記開口部がスリットであることを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の光学フィルター。
  5. 　前記開口部が、円筒形状、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状の何れかの形状であることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の光学フィルター。
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