(57)【要約】【課題】選択波長の設計の自由度が高く、且つ、フィルタ性能の向上を図れる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】赤外線透過材料（Ｓｉ）からなる基板１と、基板１の一表面側で並設された複数のフィルタ部２１，２２とを備え、各フィルタ部２１，２２は、互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜２１ｂ，２１ａ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における基板１側とは反対側に形成され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とを備える。薄膜２１ｂの低屈折率材料としてＡｌ２Ｏ３を採用し、薄膜２１ａの高屈折率材料としてＧｅを採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線透過材料からなる基板と、基板の一表面側で並設された複数のフィルタ部とを備え、各フィルタ部は、互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜を交互に積層された第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種類の薄膜を交互に積層された第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所望の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多層膜の低屈折率材料が酸化物であるとともに、高屈折率材料がＧｅからなる半導体材料であり、波長選択層の材料を第１のλ／４多層膜の上から２番目の薄膜の材料と同じ材料としてあることを特徴とする赤外線光学フィルタ。
【請求項２】
前記第２のλ／４多層膜のうち前記基板から最も遠い前記薄膜が低屈折率材料により形成されてな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】
前記低屈折率材料は、Ａｌ２Ｏ３もしくはＳｉＯ２からなるとを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線光学フィルタ。
【請求項４】
前記赤外線透過材料がＳｉであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線光学フィルタ。
【請求項５】
基板の一表面側に互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜を交互に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波長選択層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波長選択層を前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不要部分を前記積層膜の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少なくとも１回行う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９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９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９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９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９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１０（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。
【０００６】
図１０（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１０（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１０（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１０（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１０（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１０（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１０（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】
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【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。
【００１１】
ここで、図９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。
【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２，３，４）。
【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１１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１１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１１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、図１１に示した構成の赤外線光学フィルタは、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。
【００１６】
そこで、図９に示した構成の光学フィルタ２００を用いることも考えられるが、高屈折率材料と低屈折率材料との両方とも酸化物であり、高屈折率材料としてＴｉＯ２、低屈折率材料としてＳｉＯ２を用いているので、赤外線領域において反射帯域幅Δλを広くとるのが難しい（つまり、透過ピーク波長の設定範囲を広くとるのが難しい）。
【００１７】
ここで、フィルタ材料である高屈折率材料の屈折率ｎＨと低屈折率材料の屈折率ｎＬとの屈折率比ｎＨ／ｎＬに対する反射帯域幅Δλの関係について、上記式（１）を用いて計算した結果を図１２および図１３に示す。図１２および図１３の横軸は、屈折率比ｎＨ／ｎＬであり、図１２の縦軸は、反射帯域幅Δλを設定波長λ０で規格化した値、図１３の縦軸は、反射帯域幅Δλである。なお、図１２および図１３から、屈折率比ｎＨ／ｎＬの増大に伴い、反射帯域幅Δλが増加しているが、これは入射した様々な波長の光の反射が増大するためである。
【００１８】
高屈折率材料としてＴｉＯ２、低屈折率材料としてＳｉＯ２を用いた場合、ＴｉＯ２の屈折率が２．５、ＳｉＯ２の屈折率が１．５なので、屈折率比ｎＨ／ｎＬが１．６７であり、図１２の「イ」に示した点から分かるように、反射帯域幅Δλは設定波長λ０の０．３倍となる。
【００１９】
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。
【００２０】
ここにおいて、反射帯域は、図１４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。したがって、それぞれ波数である１／３．１〔μｍ−１〕と１／５．５〔μｍ−１〕との平均値の逆数である４．０μｍを設定波長λ０と仮定すると、高屈折率材料と低屈折率材料との組み合わせとして、ＴｉＯ２とＳｉＯ２との組み合わせを採用した赤外線光学フィルタでは、図１２の「イ」に示した点から分かるように、反射帯域幅Δλが１．１μｍ程度にとどまってしまい、上述の全ての選択波長を設定することができない。
【００２１】
また、赤外線光学フィルタの分野では、高屈折率材料と低屈折率材料との組み合わせとして、それぞれ赤外領域で透明なＧｅとＺｎＳとの組み合わせが一般的であるが、Ｇｅの屈折率が４．０、ＺｎＳの屈折率が２．３なので、屈折率比ｎＨ／ｎＬが１．７４であり、反射帯域幅Δλは１．５μｍ程度であり、この場合も、上述の全ての選択波長を設定することができない。なお、上記特許文献３には、高屈折率材料としてＳｉを採用することが記載されているが、この場合には、反射帯域幅Δλがさらに狭くなる。
【００２２】
ところで、図９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。ここで、図９に示した構成の光学フィルタ２００の製造方法においては、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例示されているが、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、ＧｅとＺｎＳとはいずれも半導体材料であり選択性の高いエッチングが難しく、一度成膜した２種類の薄膜２１ａ，２１ｂのうち波長選択層２３１，２３２をエッチングする際に露出する薄膜２１ａもしくは薄膜２１ｂのいずれかの膜厚（物理膜厚）が薄くなり光学膜厚が薄くなってしまい、フィルタ性能が設計性能からずれてしまう。また、波長選択層２３１，２３２のパターン形成方法としてリフトオフを利用した形成方法では、レジストパターンを形成してから波長選択層２３１，２３２を成膜する必要があるので、波長選択層２３１，２３２の成膜方法や成膜条件が制限され、高品質の波長選択層２３１，２３２を得るのが難しく、フィルタ性能が低下してしまう。
【００２３】
なお、赤外線光学フィルタにおいて、上述のように高屈折率材料と低屈折率材料との組み合わせとしてＧｅとＺｎＳとの組み合わせが採用されている場合、表面にＧｅもしくはＺｎＳからなる半導体材料により形成された薄膜が露出することとなり、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最上層の薄膜の物性が変化し、フィルタ性能が低下してしまうことも考えられる。このため、当該赤外線光学フィルタを、例えば、赤外線検出素子の受光面側に配置して用いる場合には、赤外線検出素子での赤外線検出感度が低下したり不安定になってしまうことも考えられる。また、最上層の薄膜が高屈折率材料であるＧｅにより形成されている場合、表面での反射成分が多くなり、フィルタ特性の高性能化が難しい。
【００２４】
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、選択波長の設計の自由度が高く、且つ、フィルタ性能の向上を図れる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】
【００２５】
請求項１の発明は、赤外線透過材料からなる基板と、基板の一表面側で並設された複数のフィルタ部とを備え、各フィルタ部は、互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜を交互に積層された第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種類の薄膜を交互に積層された第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所望の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多層膜の低屈折率材料が酸化物であるとともに、高屈折率材料がＧｅからなる半導体材料であり、波長選択層の材料を第１のλ／４多層膜の上から２番目の薄膜の材料と同じ材料としてあることを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、第１のλ／４多層膜および第２のλ／４多層膜の低屈折率材料が酸化物であるとともに、高屈折率材料がＧｅからなる半導体材料であることにより、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、反射帯域幅を広くすることが可能となり、波長選択層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り、しかも、波長選択層の材料が第１のλ／４多層膜の上から２番目の薄膜の材料と同じ材料であるので、波長選択層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多層膜の最上層の薄膜の光学膜厚が薄くなるのを防止でき、フィルタ性能の向上を図れる。
【００２７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２のλ／４多層膜のうち前記基板から最も遠い前記薄膜が低屈折率材料により形成されてなることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、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前記各フィルタ部において前記基板から最も遠い前記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、前記各フィルタ部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。
【００２９】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記低屈折率材料は、Ａｌ２Ｏ３もしくはＳｉＯ２からなることを特徴とする。
【００３０】
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多層膜の設定波長を４μｍに設定することにより、３．１μｍ〜５．５μｍ程度の赤外領域に反射帯域を有するフィルタ性能を実現可能となる。
【００３１】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記赤外線透過材料がＳｉであることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、前記赤外線透過材料がＧｅやＺｎＳである場合に比べて低コスト化を図れる。
【００３３】
請求項５の発明は、基板の一表面側に互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜を交互に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波長選択層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波長選択層を前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不要部分を前記積層膜の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少なくとも１回行うことを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、選択波長の設計の自由度が高く、且つ、フィルタ性能の安定性が高い赤外線光学フィルタを提供できる。
【発明の効果】
【００３５】
請求項１の発明は、選択波長の設計の自由度が高く、且つ、フィルタ性能の向上を図れるという効果がある。
【００３６】
請求項５の発明は、選択波長の設計の自由度が高く、且つ、フィルタ性能の向上を図れる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】
【００３７】
【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概略断面図である。
【図３】同上の屈折率周期構造の透過スペクトル図である。
【図４】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５】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６】同上の基本構成の特性説明図である。
【図７】同上の基本構成の特性説明図である。
【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】従来の固体撮像装置の概略断面図である。
【図１０】同上における光学フィルタの説明図である。
【図１１】従来の赤外線光学フィルタの概略断面図である。
【図１２】フィルタ材料の屈折率比と設定波長に対する反射帯域幅の比との関係説明図である。
【図１３】フィルタ材料の屈折率比と反射帯域幅との関係説明図である。
【図１４】設定波長と反射帯域との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本実施形態の赤外線光学フィルタは、図１に示すように、赤外線透過材料からなる基板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、互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜２１ｂ，２１ａ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における基板１側とは反対側に形成され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とを備えている。なお、２種類の薄膜２１ａ，２１ｂについての光学膜厚のばらつきの許容範囲は±１％程度であり、当該光学膜厚のばらつきに応じて物理膜厚のばらつきの許容範囲も決まる。
【００３９】
基板１の赤外線透過材料としては、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。
【００４０】
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）として酸化物の一種である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）として半導体材料の一種であってＳｉに比べて屈折率の高い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、低屈折率材料としては、Ａｌ２Ｏ３に限らず、酸化物の一種であるＳｉＯ２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。なお、上述の図１２および図１３中の「ロ」の点は高屈折率材料としてＧｅ、低屈折率材料としてＳｉＯ２を採用した場合のシミュレーション結果を示している。
【００４１】
また、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４μｍとしている。また、各薄膜２１ａ，２１ｂの物理膜厚は、高屈折率材料の屈折率をｎＨ、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。
【００４２】
ここで、図２に示すように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３に示す。
【００４３】
図３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。
【００４４】
また、図４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４中の「イ」、「ロ」、「ハ」は、それぞれ図３中の「イ」、「ロ」、「ハ」の点に対応している。
【００４５】
図３および図４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。
【００４６】
次に、図５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６および図７に示す。ここで、図５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。
【００４７】
図６および図７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。
【００４８】
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。なお、波長選択層２３の光学膜厚のばらつきの許容範囲は、±１％程度である。
【００４９】
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。
【００５０】
まず、赤外線透過材料であるＳｉ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（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（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、ＳｉＯ２を採用してもよい。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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７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。なお、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２を採用してもよい。
【００５５】
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の上記一表面側に互いに屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜２１ｂ，２１ａを交互に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。
【００５６】
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の低屈折率材料が酸化物であるとともに、高屈折率材料がＧｅからなる半導体材料であることにより、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て、フィルタ性能の向上を図れ、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。
【００５７】
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、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設定波長を４μｍに設定することにより、３．１μｍ〜５．５μｍ程度の赤外領域に反射帯域を有するフィルタ性能を実現可能となる。
【００５８】
また、本実施形態の赤外線光学フィルタでは、基板１の赤外線透過材料がＳｉであるので、赤外線透過材料がＧｅやＺｎＳである場合に比べて低コスト化を図れる。
【符号の説明】
【００５９】
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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【図１４】
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