(57)【要約】【課題】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。【解決手段】Ｓｉ基板からなる基板１の一表面側に形成された各フィルタ部２１，２２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２１ａ，２１ｂが積層された第１のλ／４多層膜２１と、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との間に介在し上記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２３１，２３２とを備え、薄膜２１ｂが第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２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いる。【選択図】図１
2010186146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ることを特徴とする赤外線光学フィルタ。
【請求項２】
前記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請求項１記載の赤外線光学フィルタ。
【請求項３】
前記遠赤外線吸収材料は、Ａｌ２Ｏ３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。
【請求項４】
前記遠赤外線吸収材料は、Ｔａ２Ｏ５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。
【請求項５】
前記遠赤外線吸収材料は、ＳｉＮｘ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。
【請求項６】
前記遠赤外線吸収材料は、ＳｉＯｘ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。
【請求項７】
前記第１のλ／４多層膜および前記第２のλ／４多層膜は、前記遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された前記薄膜と前記遠赤外線吸収材料により形成された前記薄膜とが交互に積層されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の赤外線光学フィルタ。
【請求項８】
前記第１のλ／４多層膜および前記第２のλ／４多層膜は、前記遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された前記薄膜と前記遠赤外線吸収材料により形成された前記薄膜とが交互に積層されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の赤外線光学フィルタ。
【請求項９】
前記基板は、Ｓｉ基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の赤外線光学フィルタ。
【請求項１０】
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することを特徴とする赤外線光学フィルタ。
【請求項１１】
前記フィルタ部を複数備え、前記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ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の赤外線光学フィルタ。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の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赤外線光学フィルタの製造方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の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赤外線光学フィルタの製造方法。
【請求項１４】
請求項１１記載の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赤外線光学フィルタの製造方法。
【請求項１５】
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ＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘ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、ＳｉＯｘ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、ＳｉＮｘ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。
【請求項１６】
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ＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘ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、ＳｉＯｘからなる薄膜を成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮｘ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赤外線光学フィルタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２などが挙げられる。
【０００３】
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２１，２２，２３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２１，２２，２３それぞれに対応する部位に、受光素子１０３１，１０３２，１０３３が形成されており、光学フィルタ２００の各フィルタ部２１，２２，２３は、互いに選択波長が異なっている。なお、各フィルタ部２１，２２，２３は、各受光素子１０３１，１０３２，１０３３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。
【０００４】
上述の光学フィルタ２００の各フィルタ部２１，２２，２３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２３１，２３２，２３３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、ＴｉＯ２が採用され、相対的に屈折率の低い低屈折率材料として、ＳｉＯ２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２１，２２，２３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。
【０００５】
ここで、フィルタ部２１，２２，２３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。
【０００６】
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。
【０００７】
これに対して、上述のフィルタ部２１，２２，２３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（２３１，２３２，２３３）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。
【０００８】
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ｎＨ、低屈折率材料の屈折率をｎＬ、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λ０、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）。
【０００９】
【数１】
2010186146.tif 000003
【００１０】
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ｎＨ，ｎＬ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ｎＨ／ｎＬ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／λ０を中心として対称となる。
【００１１】
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ＴｉＯ２とＳｉＯ２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２３１，２３２，２３３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２３１，２３２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。
【００１２】
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）。
【００１３】
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ＣＯ２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。
【００１４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第２００５／０６９３７６号
【特許文献２】特開昭５８−５８４４１号公報
【特許文献３】特開２００１−２２８０８６号公報
【特許文献４】特開平５−３４６９９４号公報
【特許文献５】特開２００６−３９７３６号公報
【特許文献６】特開２００３−２２７７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
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多では、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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２１，２２，２３にクラックが発生してしまう恐れがある。
【００１９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
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ることを特徴とする。
【００２１】
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。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記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。
【００２３】
この発明によれば、前記複数種類の薄膜のうち前記遠赤外線吸収材料からなる前記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、前記遠赤外線吸収材料からなる前記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。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記遠赤外線吸収材料は、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、前記遠赤外線吸収材料がＳｉＯｘやＳｉＮｘ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。
【００２６】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記遠赤外線吸収材料は、Ｔａ２Ｏ５であることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、前記遠赤外線吸収材料がＳｉＯｘやＳｉＮｘ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。
【００２８】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記遠赤外線吸収材料は、ＳｉＮｘであることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、前記遠赤外線吸収材料により形成される前記薄膜の耐湿性を高めることができる。
【００３０】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記遠赤外線吸収材料は、ＳｉＯｘであることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、前記第１のλ／４多層膜および前記第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、前記第１のλ／４多層膜および前記第２のλ／４多層膜の積層数の低減を図れる。
【００３２】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記第１のλ／４多層膜および前記第２のλ／４多層膜は、前記遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された前記薄膜と前記遠赤外線吸収材料により形成された前記薄膜とが交互に積層されてなることを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、前記高屈折率材料がＺｎＳである場合に比べて、前記第１のλ／４多層膜および前記第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、前記第１のλ／４多層膜および前記第２のλ／４多層膜の積層数を低減できる。
【００３４】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記第１のλ／４多層膜および前記第２のλ／４多層膜は、前記遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＳｉにより形成された前記薄膜と前記遠赤外線吸収材料により形成された前記薄膜とが交互に積層されてなることを特徴とする。
【００３５】
この発明によれば、前記高屈折率材料がＺｎＳである場合に比べて、前記第１のλ／４多層膜および前記第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、前記第１のλ／４多層膜および前記第２のλ／４多層膜の積層数を低減できる。
【００３６】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８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。
【００３７】
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。
【００３８】
請求項１０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することを特徴とする。
【００３９】
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。
【００４０】
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項１０の発明において、前記フィルタ部を複数備え、前記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ことを特徴とする。
【００４１】
この発明によれば、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。
【００４２】
請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の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。
【００４３】
この発明によれば、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。
【００４４】
請求項１３の発明は、請求項１１記載の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。
【００４５】
この発明によれば、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。
【００４６】
請求項１４の発明は、請求項１１記載の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。
【００４７】
この発明によれば、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。
【００４８】
請求項１５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ＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘ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、ＳｉＯｘ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、ＳｉＮｘ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。
【００４９】
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。
【００５０】
請求項１６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ＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘ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、ＳｉＯｘからなる薄膜を成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮｘ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。
【００５１】
この発明によれば、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。
【発明の効果】
【００５２】
請求項１，１１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。
【００５３】
請求項１２〜１６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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施形態の赤外線光学フィルタの概略断面図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】同上の基本構成の特性説明図である。
【図６】同上の基本構成の特性説明図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】同上の赤外線光学フィルタの透過スペクトル図である。
【図１０】従来の固体撮像装置の概略断面図である。
【図１１】同上における光学フィルタの説明図である。
【図１２】設定波長と反射帯域との関係説明図である。
【図１３】従来の赤外線光学フィルタの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
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２１，２２とを備え、各フィルタ部２１，２２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２３１，２３２とを備えている。
【００５６】
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２１，２２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。
【００５７】
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Ａｌ２Ｏ３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２３１，２３２の材料を当該波長選択層２３１，２３２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、Ａｌ２Ｏ３に限らず、Ａｌ２Ｏ３以外の酸化物であるＳｉＯ２や、Ｔａ２Ｏ５を採用してもよく、ＳｉＯ２の方がＡｌ２Ｏ３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。
【００５８】
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、ＣＨ４（メタン）が３．３μｍ、ＳＯ３（三酸化硫黄）が４．０μｍ、ＣＯ２（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。
【００５９】
ここにおいて、本実施形態では、波長選択層２３１，２３２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λ０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ｎＨ、薄膜２１ｂの材料である低屈折率材料の屈折率ｎＬとすると、それぞれλ０／４ｎＨ、λ０／４ｎＬ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Ａｌ２Ｏ３の場合、ｎＨ＝４．０、ｎＬ＝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。
【００６０】
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λ０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。
【００６１】
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（ｎＨ＝４．０）、低屈折率材料をＡｌ２Ｏ３（ｎＬ＝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（ｎＨ＝４．０）、低屈折率材料をＳｉＯ２（ｎＬ＝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（ｎＨ＝４．０）、低屈折率材料をＺｎＳ（ｎＬ＝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。
【００６２】
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。
【００６３】
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Ａｌ２Ｏ３もしくはＳｉＯ２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。
【００６４】
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Ａｌ２Ｏ３、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Ａｌ２Ｏ３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λ０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。
【００６５】
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。
【００６６】
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ＣＨ４、特定波長が４．０μｍのＳＯ３、特定波長が４．３μｍのＣＯ２、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λ０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λ０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。
【００６７】
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Ａｌ２Ｏ３を採用しているが、遠赤外線吸収材料としては、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘの５種類について検討した。具体的には、ＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ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、ＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ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、ＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ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。
【００６８】
【表１】
2010186146.tif 000004
【００６９】
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Ａｌ２Ｏ３膜、「ロ」がＴａ２Ｏ５膜、「ハ」がＳｉＯｘ膜、「ニ」がＳｉＮｘ膜、「ホ」がＭｇＦ２膜、それぞれの透過スペクトルを示している。
【００７０】
また、上述のＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ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。
【００７１】
【表２】
2010186146.tif 000005
【００７２】
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、ＳｉＯｘはＳｉＯ２として、ＳｉＮｘはＳｉ３Ｎ４として評価した結果である。
【００７３】
表２より、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ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Ａｌ２Ｏ３もしくはＴ２Ｏ５を採用する場合には、遠赤外線吸収材料がＳｉＯｘやＳｉＮｘ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、Ｔ２Ｏ５よりもＡｌ２Ｏ３の方が好ましい。また、遠赤外線吸収材料としてＳｉＮｘ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ＳｉＯｘ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。
【００７４】
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。
【００７５】
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Ａｌ２Ｏ３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Ａｌ２Ｏ３）からなり１つのフィルタ部２１の選択波長に応じて光学膜厚を設定した波長選択層２３１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２３１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Ａｌ２Ｏ３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、Ａｌ２Ｏ３以外の遠赤外線吸収材料であるＳｉＯｘ、Ｔ２Ｏ５、ＳｉＮｘ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。
【００７６】
上述の波長選択層成膜工程の後、フィルタ部２１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。
【００７７】
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２３１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（Ａｌ２Ｏ３）、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、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２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（Ｈ２Ｏ）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、Ａｌ２Ｏ３のエッチングレートが３００ｎｍ／ｍｉｎ程度で、Ａｌ２Ｏ３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。
【００７８】
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。
【００７９】
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Ａｌ２Ｏ３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２２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２２の波長選択層２３２を構成している。ただし、このフィルタ部２２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Ａｌ２Ｏ３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。
【００８０】
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２３ｉ（ここでは、ｉ＝１）であって複数のフィルタ部２１，・・・，２ｍ（ここでは、ｍ＝２）うちの任意の１つのフィルタ部２ｉ（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２３ｉ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２ｉ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２１，２２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。
【００８１】
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２１，・・・，２ｍ（ここでは、ｍ＝２）のうちの任意の１つのフィルタ部２ｉ（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２ｉ（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２３１のパターンを形成すればよく、例えば、波長選択層２３２が、波長選択層２３１と同じ材料であり且つ波長選択層２３１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２３１，２３２のパターンを形成するようにしてもよい。
【００８２】
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２１，・・・，２ｍ（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２３１，・・・，２３ｍ（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。
【００８３】
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ＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘ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ＳｉＯｘ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ＳｉＮｘ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ＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘ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、ＳｉＯｘからなる薄膜２１ｂを成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮｘ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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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２１，２２を備え、各フィルタ部２１，２２ごとに波長選択層２３１，２３２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。
【００８７】
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Ａｌ２Ｏ３もしくはＳｉＯｘ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２３１，２３２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２３１，２３２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２３１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２１，２２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。
【００８８】
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Ａｌ２Ｏ３もしくはＳｉＯ２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２３１，２３２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。
【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
１  基板
２１，２２  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
２３１，２３２  波長選択層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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