(57)【要約】      （修正有）【課題】高い透過波長選択性を有し、かつ効率的に製造することが可能な光学素子を提供する。【解決手段】薄膜フィルタは、金属薄膜１３を備え、金属薄膜１３は、一方の面上においてその面に沿った一方向に沿って交互に周期Ｐａで周期的に形成された凹面１９ａ及び凸面２１ａを含む表面構造１３ａと、他方の面１５上において一方向に沿って交互に周期Ｐａで周期的に形成された凹面２７ａ及び凸面２５ａを含む裏面構造２３ａと、一方の面から他方の面１５に貫通する貫通孔１７ａと、を有し、表面構造１３ａの凹面１９ａと裏面構造２３ａの凸面２５ａとは、金属薄膜１３の一方の面に沿った位置が揃うように形成されており、表面構造１３ａの凸面２１ａと裏面構造２３ａの凹面２７ａとは、金属薄膜１３の一方の面に沿った位置が揃うように形成されている。【選択図】図３
2018004694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の膜状部材を備え、
前記膜状部材は、一方の面上において前記一方の面に沿った一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１の表面構造と、他方の面上において前記一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１の裏面構造と、前記一方の面から前記他方の面に貫通する貫通部と、を有し、
前記第１の表面構造の凹面と前記第１の裏面構造の凸面とは、前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃うように形成されており、前記第１の表面構造の凸面と前記第１の裏面構造の凹面とは、前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃うように形成されている、
光学素子。
【請求項２】
前記第１の表面構造の凹面及び凸面は、前記一方の面上で環状に形成されており、
前記第１の裏面構造の凹面及び凸面は、前記他方の面上で環状に形成されている、
請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の表面構造の凹面及び凸面は、前記一方の面上で円環状に形成されており、
前記第１の裏面構造の凹面及び凸面は、前記他方の面上で円環状に形成されている、
請求項２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の表面構造の凹面及び凸面は、前記一方の面上で前記一方の面に沿った一方向に交差する他方向に沿って交互に周期的に形成されており、
前記第１の裏面構造の凹面及び凸面は、前記他方の面上で前記一方の面に沿った一方向に交差する他方向に沿って交互に周期的に形成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記膜状部材は、前記一方の面上のＮ個（Ｎは２以上の整数）に分割されたそれぞれの分割領域において前記一方の面に沿った方向に沿って交互に第１〜第Ｎの周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１〜第Ｎの表面構造と、前記他方の面上のＮ個に分割されたそれぞれの分割領域において前記一方の面に沿った方向に沿って交互に第１〜第Ｎの周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１〜第Ｎの裏面構造と、前記一方の面上のそれぞれの前記分割領域において前記一方の面から前記他方の面に貫通する第１〜第Ｎの貫通部と、を有し、
前記第１〜第Ｎの表面構造の凹面のそれぞれと前記第１〜第Ｎの裏面構造の凸面のそれぞれとは、前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃うように形成されており、前記第１〜第Ｎの表面構造の凸面のそれぞれと前記第１〜第Ｎの裏面構造の凹面のそれぞれとは、前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃うように形成されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１〜第Ｎの表面構造のうちの隣接する表面構造は、前記一方の面上で互いに重なり合うように形成されており、
前記第１〜第Ｎの裏面構造のうちの隣接する裏面構造は、前記他方の面上で互いに重なり合うように形成されている、
請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
受光素子が二次元的に配列された半導体基板と、
前記半導体基板上で前記受光素子に対向するように配置された請求項５に記載の光学素子と、
を備える撮像素子。
【請求項８】
受光素子が二次元的に配列された半導体基板と、
前記半導体基板上で前記受光素子に対向するように配置された請求項６に記載の光学素子と、
を備える撮像素子。
【請求項９】
基板部材の表面に前記表面に沿った一方向に沿って周期的に凹面を形成するステップと、
前記基板部材の前記表面に金属材料を成膜することによって、一方の面上において前記一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の表面構造と、他方の面上において前記一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の裏面構造と、を有する膜状部材を、前記第１の表面構造の凹面と前記第１の裏面構造の凸面との前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃い、かつ、前記第１の表面構造の凸面と前記第１の裏面構造の凹面との前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃うように形成するステップと、
前記膜状部材において、前記一方の面から前記他方の面に貫通する貫通部を形成するステップと、
を備える光学素子の製造方法。
【請求項１０】
受光素子が内部に形成された半導体基板を用意するステップと、
前記半導体基板の表面に前記表面に沿った一方向に沿って周期的に凹面を形成するステップと、
前記半導体基板の前記表面に金属材料を成膜することによって、一方の面上において前記一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の表面構造と、他方の面上において前記一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の裏面構造と、を有する膜状部材を、前記第１の表面構造の凹面と前記第１の裏面構造の凸面との前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃い、かつ、前記第１の表面構造の凸面と前記第１の裏面構造の凹面との前記膜状部材の前記一方の面に沿った位置が揃うように形成するステップと、
前記膜状部材において、前記一方の面から前記他方の面に貫通する貫通部を形成するステップと、
を備える撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一形態は、光学素子及びそれを含む撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から表面プラズモン共鳴を利用したフィルタ等の光学素子が開発されている。例えば、金属薄膜にナノスケールの微細な貫通孔を配列して形成した構造を有するフィルタ（下記非特許文献１参照）、及びこのような構造のフィルタを実装したイメージセンサ（下記非特許文献２参照）が知られている。上記構造のフィルタでは、貫通孔の直径及び配列周期を制御することにより特定の波長域の光に対する透過波長の選択性を示す。
【０００３】
その他の構造のフィルタとして、金属膜の片面に周期的に形成された同心円状の凹凸構造と、その凹凸構造の中心に設けられた微小孔とを有するものが考案されている（下記特許文献１）。さらに、光の透過効率を上げるための構成として、金属膜の両面に同一周期で周期的に形成された同心円状の凹凸構造を有するフィルタも知られている（下記非特許文献３）。このような構造のフィルタも、凹凸構造の周期が制御されることで透過波長の選択性を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１７１７６３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Yokogawaet al.，  “Plasmonic Color Filters for CMOS Image Sensor Applications”，  Nano Lett., 2012, 12 (8), pp 4349-4354，  2012年7月
【非特許文献２】Burgoset al.，  “Color Imaging via Nearest Neighbor Hole Coupling in Plasmonic Color Filters Integrated onto a Complementary Metal-OxideSemiconductor Image Sensor”，  ACS Nano, 2013, 7 (11), pp10038-10047，  2013年10月
【非特許文献３】Lezec etal.，  “Beaming Light from a Subwavelength Aperture”，  Science Vol. 297, Issue 5582, pp. 820-822，  2002年8月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した非特許文献３に記載のフィルタにおいては、金属膜の両面の凹凸構造が金属膜を挟んで対称な構造を有している。そのため、従来のフィルタを製造する際には精密な加工工程が必要とされ、製造効率が低下する傾向にあった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、高い透過波長選択性を有し、かつ効率的に製造することが可能な光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる光学素子は、金属製の膜状部材を備え、膜状部材は、一方の面上において一方の面に沿った一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１の表面構造と、他方の面上において一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１の裏面構造と、一方の面から他方の面に貫通する貫通部と、を有し、第１の表面構造の凹面と第１の裏面構造の凸面とは、膜状部材の一方の面に沿った位置が揃うように形成されており、第１の表面構造の凸面と第１の裏面構造の凹面とは、膜状部材の一方の面に沿った位置が揃うように形成されている。
【０００９】
或いは、本発明の他の形態にかかる光学素子の製造方法は、基板部材の表面に表面に沿った一方向に沿って周期的に凹面を形成するステップと、基板部材の表面に金属材料を成膜することによって、一方の面上において一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の表面構造と、他方の面上において一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の裏面構造と、を有する膜状部材を、第１の表面構造の凹面と第１の裏面構造の凸面との膜状部材の一方の面に沿った位置が揃い、かつ、第１の表面構造の凸面と第１の裏面構造の凹面との膜状部材の一方の面に沿った位置が揃うように形成するステップと、膜状部材において、一方の面から他方の面に貫通する貫通部を形成するステップと、を備える。
【００１０】
上記形態の光学素子、あるいは光学素子の製造方法によれば、膜状部材の一方の面に入射する入射光を高い波長選択性で透過させることが可能な光学素子が実現される。すなわち、一方の面と他方の面との両面に凹面及び凸面とが同一周期で交互に並んだ構造を有することで、入射光に対して膜状部材の両面で発生する表面プラズモンの共鳴性を高めることができ、効率的に特定波長の入射光を透過させることができる。また、第１の表面構造の凹面及び凸面のそれぞれと第１の裏面構造の凸面及び凹面のそれぞれとが膜状部材を挟んで位置が揃った構成の光学素子は、金属材料を基板部材の表面に成膜することによって簡易な工程で製造することができる。その結果、高い透過波長選択性を有する光学素子を効率的に製造することが可能とされる。
【００１１】
ここで、上記形態の光学素子においては、第１の表面構造の凹面及び凸面は、一方の面上で環状に形成されており、第１の裏面構造の凹面及び凸面は、他方の面上で環状に形成されている、ことが好適である。この場合、膜状部材の一方の面に入射する入射光に対して表面プラズモンの共鳴性がより高まり、透過波長の選択性をより高めることが可能となる。
【００１２】
また、第１の表面構造の凹面及び凸面は、一方の面上で円環状に形成されており、第１の裏面構造の凹面及び凸面は、他方の面上で円環状に形成されていてもよい。この場合にも、膜状部材の一方の面に入射する入射光に対して表面プラズモンの共鳴性がより高くされ、透過波長の選択性をより高めることが可能となる。
【００１３】
また、第１の表面構造の凹面及び凸面は、一方の面上で一方の面に沿った一方向に交差する他方向に沿って交互に周期的に形成されており、第１の裏面構造の凹面及び凸面は、他方の面上で一方の面に沿った一方向に交差する他方向に沿って交互に周期的に形成されていてもよい。この場合、様々な偏光成分の入射光に対して表面プラズモンの共鳴性がより高くされ、透過波長の選択性をより高めることが可能となる。
【００１４】
さらに、膜状部材は、一方の面上のＮ個（Ｎは２以上の整数）に分割されたそれぞれの分割領域において一方の面に沿った方向に沿って交互に第１〜第Ｎの周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１〜第Ｎの表面構造と、他方の面上のＮ個に分割されたそれぞれの分割領域において一方の面に沿った方向に沿って交互に第１〜第Ｎの周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む第１〜第Ｎの裏面構造と、一方の面上のそれぞれの分割領域において一方の面から他方の面に貫通する第１〜第Ｎの貫通部と、を有し、第１〜第Ｎの表面構造の凹面のそれぞれと第１〜第Ｎの裏面構造の凸面のそれぞれとは、膜状部材の一方の面に沿った位置が揃うように形成されており、第１〜第Ｎの表面構造の凸面のそれぞれと第１〜第Ｎの裏面構造の凹面のそれぞれとは、膜状部材の一方の面に沿った位置が揃うように形成されている、ことも好適である。かかる構成の光学素子には、同一の膜状部材上の複数の分割領域に、異なる波長域の透過波長選択性を持たせることができる。さらに、このような複数の波長域に透過波長選択性を有する光学素子を、効率的に製造することができる。
【００１５】
またさらに、第１〜第Ｎの表面構造のうちの隣接する表面構造は、一方の面上で互いに重なり合うように形成されており、第１〜第Ｎの裏面構造のうちの隣接する裏面構造は、他方の面上で互いに重なり合うように形成されていてもよい。この場合、１つの分割領域に入射した入射光を基に発生した表面プラズモンをその分割領域に隣接する分割領域に伝搬させことができるので、複数の波長域のそれぞれにおいて透過効率を向上させることができる。
【００１６】
本発明の他の形態にかかる撮像素子は、受光素子が二次元的に配列された半導体基板と、半導体基板上で受光素子に対向するように配置された光学素子と、を備える。
【００１７】
或いは、本発明の他の形態にかかる撮像素子の製造方法は、受光素子が内部に形成された半導体基板を用意するステップと、半導体基板の表面に表面に沿った一方向に沿って周期的に凹面を形成するステップと、半導体基板の表面に金属材料を成膜することによって、一方の面上において一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の表面構造と、他方の面上において一方向に沿って交互に第１の周期で周期的に並んだ凹面及び凸面を含む第１の裏面構造と、を有する膜状部材を、第１の表面構造の凹面と第１の裏面構造の凸面との膜状部材の一方の面に沿った位置が揃い、かつ、第１の表面構造の凸面と第１の裏面構造の凹面との膜状部材の一方の面に沿った位置が揃うように形成するステップと、膜状部材において、一方の面から他方の面に貫通する貫通部を形成するステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高い透過波長選択性を有し、かつ効率的に製造することが可能な光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態に係る撮像素子１の一部の画素の構造を示す斜視図である。
【図２】図１の薄膜フィルタ７を半導体基板３の反対側の主面１１側から見た平面図である。
【図３】（ａ）は、図１の撮像素子１の第１の表面構造１３ａの中心付近の平面図、（ｂ）は、（ａ）に示す撮像素子１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】薄膜フィルタ７を含む撮像素子１の製造方法の各工程における加工状態を示す断面図である。
【図５】図１の薄膜フィルタ７の第２の表面構造１３ｂの領域に入射する入射光の透過強度の波長依存性の計測結果を示すグラフである。
【図６】図１の薄膜フィルタ７の第４の表面構造１３ｄの領域に入射する入射光の透過強度の波長依存性の計測結果を示すグラフである。
【図７】図１の薄膜フィルタ７の第２の表面構造１３ｂの領域に入射する入射光の透過率の波長依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８】図１の薄膜フィルタ７の第４の表面構造１３ｄの領域に入射する入射光の透過率の波長依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】図１の薄膜フィルタ７の第１〜第４の表面構造１３ａ〜１３ｄのそれぞれに入射する入射光の透過率の波長依存性Ｇａ〜Ｇｄのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１０】薄膜フィルタ７の表面構造及び裏面構造のパターンの他の実施例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る光学素子、それを含む撮像素子、及び光学素子の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
【００２１】
まず、図１を参照しながら、実施形態に係る撮像素子１の構成を説明する。図１は、撮像素子１の一部を示す斜視図である。撮像素子１は、外部からの入射光を基にカラー画像を取得するための素子であり、複数の画素が二次元的に配列されて構成されている。図１には、撮像素子１の一部の画素の構造が示されている。同図に示すように、撮像素子１は、受光素子が２次元的に配列された半導体基板３と半導体基板３の主面５に対向するように設けられた薄膜フィルタ（光学素子）７とを備える。半導体基板３は、主面５に沿って矩形状に分割された複数の画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを有している。それぞれの画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、内部に受光素子が形成されており、主面５側から入射した光を検出して画素信号を生成する。薄膜フィルタ７は、ＳｉＯ２等の光透過性の材料からなる絶縁層９を挟んで半導体基板３の主面５を覆うように設けられている。撮像素子１は、図１に示す薄膜フィルタ７及び画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが主面５に沿って２次元的に複数連結されて構成されている。なお、撮像素子１においては、２次元的に連結された薄膜フィルタ７が、互いに一体的されたものであってもよいし、それぞれが分離された部材であってもよい。２次元的に連結された画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが、半導体基板３として互いに一体化されたものであってもよいし、それぞれが分離された半導体基板３であってもよい。ただし、画素が微細化された際の製造効率を高めるためには、２次元的に配列された薄膜フィルタ７、及び２次元的に配列された画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが、それぞれ、一体化されていることが好ましい。
【００２２】
次に、図２及び図３を参照して薄膜フィルタ７の詳細構成について説明する。図２は、薄膜フィルタ７を半導体基板３の反対側の主面１１側から見た平面図であり、図３において、（ａ）は、撮像素子１の後述する第１の表面構造１３ａの中心付近の平面図、（ｂ）は、（ａ）に示す撮像素子の主面１１の一辺に平行なＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００２３】
薄膜フィルタ７は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜（膜状部材）１３からなり、その金属薄膜１３の半導体基板３の反対側の主面１１上には、半導体基板３の画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄのそれぞれに対応した位置に、第１の表面構造１３ａ、第２の表面構造１３ｂ、第３の表面構造１３ｃ、及び第４の表面構造１３ｄが形成されている。さらに、金属薄膜１３の半導体基板３側の主面１５上には、半導体基板３の画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄのそれぞれに対応した位置に、第１の裏面構造２３ａ、第２の裏面構造２３ｂ、第３の裏面構造２３ｃ、及び第４の裏面構造２３ｄが形成されている。
【００２４】
第１の表面構造１３ａの中心には、金属薄膜１３の一方の主面１１から半導体基板３側の他方の主面１５に貫通する開口が略円形の貫通孔（貫通部）１７ａが設けられ、第１の表面構造１３ａは、主面１１上において貫通孔１７ａを中心として第１の間隔Ｐａで交互に周期的に形成された円環状の凹面１９ａ及び凸面２１ａを有している。このような第１の表面構造１３ａは、円環状の形状を有しているので、主面１１の一辺に沿った一方向（図２のＸ方向）に沿って第１の間隔Ｐａで交互に周期的に形成された凹面及び凸面を有するとともに、主面１１上の一方向に垂直な方向（図２のＹ方向）に沿って第１の間隔Ｐａで交互に周期的に形成された凹面及び凸面を有することになる。つまり、第１の表面構造１３ａは、２次元的な周期構造の凹面及び凸面を有する。
【００２５】
同様に、第２〜第４の表面構造１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの中心には、それぞれ、主面１１から主面１５に貫通する開口が略円形の貫通孔１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが設けられている。また、第２〜第４の表面構造１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、それぞれ、貫通孔１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを中心として第２〜第４の間隔Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄで交互に周期的に形成された円環状の凹面１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ及び凸面２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを有している。
【００２６】
これらの第１〜第４の表面構造１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、それぞれ、主面１１上において、半導体基板３の画素部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに対応する矩形状の分割領域内に形成されるとともに、第１〜第４の表面構造１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのうちの隣接する２つの表面構造が主面１１上の分割領域の境界付近で重なり合うように形成されている。具体的には、第１の表面構造１３ａと第４の表面構造１３ｄとは、互いの外側に形成された凹面１９ａ，１９ｄが接続されて構成される。ここでは、第１の表面構造１３ａの凸面２１ａと第４の表面構造１３ｄの凸面２１ｄとが外側で接続されてもよい。他の隣接する２つの表面構造も、同様に凹面又は凸面が接続されて構成される。
【００２７】
図３（ｂ）に示すように、第１の裏面構造２３ａは、主面１５上において第１の表面構造１３ａの反対側に第１の表面構造１３ａと対応するパターンで形成されている。すなわち、第１の裏面構造２３ａは、円環状の凸面２５ａと円環状の凹面２７ａとが交互に間隔ＰａでＸ方向及びＹ方向に周期的に並んで構成されており、第１の裏面構造２３ａの凸面２５ａは、第１の表面構造１３ａの凹面１９ａと、主面１１に沿った位置が揃うように形成されており、第１の裏面構造２３ａの凹面２７ａは、第１の表面構造１３ａの凸面２１ａと、主面１１に沿った位置が揃うように形成されている。言い換えれば、第１の表面構造１３ａの凹面１９ａ及び凸面２１ａのそれぞれが、第１の裏面構造２３ａの凸面２５ａ及び凹面２７ａと同じ形状を有している。同様に、第２〜第４の裏面構造２３ｂ〜２３ｄは、それぞれ、主面１５上において第２〜第４の表面構造１３ｂ〜１３ｄの反対側に第２〜第４の表面構造１３ｂ〜１３ｄと対応するパターンで形成されている。すなわち、第２〜第４の裏面構造２３ｂ〜２３ｄは、円環状の凸面と円環状の凹面とが交互に間隔Ｐｂ〜ＰｄでＸ方向及びＹ方向に周期的に並んで構成されており、第２〜第４の裏面構造２３ｂ〜２３ｄの凸面は、第２〜第４の表面構造１３ｂ〜１３ｄの凹面１９ｂ〜１９ｄと、主面１１に沿った位置が揃うように形成されており、第２〜第４の裏面構造２３ｂ〜２３ｄの凹面は、第２〜第４の表面構造１３ｂ〜１３ｄの凸面２１ｂ〜２１ｄと、主面１１に沿った位置が揃うように形成されている。
【００２８】
薄膜フィルタ７の各構造のサイズは、様々な値に設定されうる。例えば、貫通孔１７ａ〜１７ｄの開口径は１００ｎｍ程度に設定されうる。また、第１〜第４の表面構造１３ａ〜１３ｄ及び第１〜第４の裏面構造２３ａ〜２３ｄの配列周期の間隔Ｐａ〜Ｐｄは様々な値に設定されうる。例えば、間隔Ｐａ＝３００ｎｍ程度に設定することにより、第１の表面構造１３ａ及び第１の裏面構造２３ａの領域を青色領域に光透過性を有するフィルタとして機能させることができる。また、間隔Ｐｂ＝４００ｎｍ程度に設定することにより、第２の表面構造１３ｂ及び第２の裏面構造２３ｂの領域を緑色領域に光透過性を有するフィルタとして機能させることができる。また、間隔Ｐｃ＝６００ｎｍ程度に設定することにより、第３の表面構造１３ｃ及び第３の裏面構造２３ｃの領域を近赤外領域に光透過性を有するフィルタとして機能させることができる。さらに、間隔Ｐｄ＝５００ｎｍ程度に設定することにより、第４の表面構造１３ｄ及び第４の裏面構造２３ｄの領域を赤色領域に光透過性を有するフィルタとして機能させることができる。このように、周期構造の間隔を制御することにより、薄膜フィルタ７に、可視光領域を含む紫外光領域から赤外光領域までの間から選択された波長域に光透過性を有する領域を複数備えさせることができる。
【００２９】
次に、上述した薄膜フィルタ７及び撮像素子１の製造方法の実施形態について説明する。図４は、薄膜フィルタ７を含む撮像素子１の製造方法の各工程における加工状態を示す断面図である。なお、同図においては撮像素子１における薄膜フィルタ７の第１の表面構造１３ａ及び第１の裏面構造２３ａの加工状態を部分的に示している。
【００３０】
まず、受光素子および必要な回路部が形成された半導体基板（基板部材）３を用意し、その半導体基板３の主面５上に絶縁層９を形成した後に、その絶縁層９の表面に電子線用レジスト２９をスピンコートにより形成する（図４（ａ））。この電子線用レジスト２９の厚さが第１の表面構造１３ａ及び第１の裏面構造２３ａの凹凸面の深さを決定する。電子線用レジスト２９の厚さは、レジストの粘性及びスピンコートの回転数によって２０〜４００ｎｍの範囲で制御される。この範囲は、プラズモン励起効率の観点から好ましい範囲である。
【００３１】
次に、電子線用レジスト２９に対して電子線描画装置により描画する（図４（ｂ））。詳細には、電子線用レジスト２９としてポジ型レジストを用いる場合、貫通孔１７ａの開口と凹面１９ａに該当する箇所を描画する。この際、半導体基板３の主面５に沿って間隔Ｐａで２次元的に周期的に繰り返される円環状のパターンを描画する。なお、円環状のパターンを描画する際にはナノインプリントによって行われてもよい。この間隔Ｐａは、凹凸面の周期を決定し、透過波長に対応するプラズモン共鳴波長を決める上で重要であり、１００ｎｍ〜数μｍの範囲に設定される。この工程により、絶縁層９上に、主面５に沿って間隔Ｐａで周期的に繰り返される凹面１９ａに対応する露出面が形成されるとともに、主面５に沿って間隔Ｐａで周期的に繰り返される凸面２１ａに対応するパターンで電子線用レジスト２９が残される。
【００３２】
そして、電子線用レジスト２９が残された半導体基板３の主面５上の絶縁層９に、銀、アルミニウム等の金属材料を真空蒸着あるいはスパッタにより成膜する（図４（ｃ））。成膜する金属材料の膜厚は１００ｎｍ程度が好ましいが、透過波長または用途に応じて数１０ｎｍ〜数μｍの範囲に設定されてもよい。これによって、金属薄膜１３において、一方の主面上に凹面１９ａ及び凸面２１ａを有する第１の表面構造１３ａと、他方の主面上に凸面２５ａ及び凹面２７ａを有する第１の裏面構造２３ａとが、互いのパターンの位置が金属薄膜１３の両面で揃うように形成される。
【００３３】
最後の工程として、金属薄膜１３の第１の表面構造１３ａの中心において、一方の面１１から他方の面１５に貫通する貫通孔１７ａが、集束イオンビーム加工装置を用いて金属薄膜１３をエッチングすることにより形成される（図４（ｄ））。貫通孔１７ａの開口径は、光の透過効率、透過光のスペクトル幅の観点から、１００ｎｍ程度が好ましいが、この値には限定されない。
【００３４】
以上説明した本実施形態の作用効果について説明する。
【００３５】
上記形態の薄膜フィルタ７、撮像素子１、あるいは薄膜フィルタ７の製造方法によれば、金属薄膜１３の一方の面１１に入射する入射光を高い波長選択性で透過させることが可能な光学素子が実現される。すなわち、一方の面１１と他方の面１５との両面に凹面及び凸面とが同一周期で交互に並んだ構造を有することで、入射光に対して金属薄膜１３の両面で発生する表面プラズモンの共鳴性を高めることができ、効率的に特定波長の入射光を透過させることができる。入射光は、一方の面１１の凹凸構造の周期に依存した波長域において表面プラズモンを励起する。このようにして一方の面１１で励起された表面プラズモン振動は、他方の面１５上で同一周期で配列された凹凸構造においても表面プラズモン振動を誘起する。そして、凹凸構造の中心部に形成された貫通孔が欠陥部として機能することにより、放射モードに遷移される結果、波長選択された入射光が貫通孔の他方の面１５上の開口からビーム状に放射される。ビーム状に透過された入射光は半導体基板３内部のそれぞれの受光素子によって検出されて電気信号として読み出される。
【００３６】
また、一方の面１１上の凹面及び凸面のそれぞれと他方の面１５上の凸面及び凹面のそれぞれとの間で位置が揃った構成の薄膜フィルタ７は、金属材料を半導体基板３の表面に成膜することによって簡易な工程で製造することができる。つまり、絶縁層９上の凹凸面が形成された面上に一定膜厚で金属膜を成膜するだけで薄膜フィルタ７を一定の精度で容易に作製できる。その結果、高い透過波長選択性を有する光学素子を効率的に製造することが可能とされる。
【００３７】
ここで、上記形態の薄膜フィルタ７においては、第１の表面構造１３ａ及び第１の裏面構造２３ａは円環状に形成されているので、金属薄膜１３の一方の面１１に入射する入射光に対して表面プラズモンの共鳴性がより高くされ、透過波長の選択性をより高めることが可能となる。また、第１の表面構造１３ａ及び第１の裏面構造２３ａが２次元的な周期構造を有することで、様々な偏光成分の入射光に対して表面プラズモンの共鳴性がより高くなり、透過波長の選択性をより高めることが可能となる。
【００３８】
さらに、薄膜フィルタ７は、同一の金属薄膜１３上の複数の分割領域に複数の表面構造及び複数の裏面構造を有しているので、１つの部材に異なる波長域の透過波長選択性を分割して持たせることができる。例えば、本実施形態によれば、４つの分割領域を有することで赤色（Ｒ）領域、緑色（Ｇ）領域、青色（Ｂ）領域、近赤外（ＮＩＲ）領域の４種類の透過波長選択性を有するフィルタを画素ごとに分割して実現することができる。このような構成の薄膜フィルタ７をＣＭＯＳセンサ等を構成する半導体基板３と組み合わせることで、クロストークの少ない高色再現性を有するカラーのイメージセンサを実現できる。すなわち、ピクセル間のクロストークを少なくすることができる。特に、従来のフィルタは、Ｒ，Ｇ，Ｂの可視光をフィルタリングする構成では材料的な性質に起因して近赤外光を透過するため、そのフィルタの上面に近赤外カットフィルタを積層することが一般的である。本実施形態によれば、１つの膜状部材のみで可視光及び近赤外光をフィルタリングする光学素子が可能とされる。従って、複数の波長域に透過波長選択性を有する光学素子を、効率的に製造することができる。
【００３９】
またさらに、薄膜フィルタ７の第１〜第４の表面構造１３ａ〜１３ｄのうちの隣接する表面構造は、一方の面１１上で互いに重なり合うように形成されており、第１〜第４の裏面構造２３ａ〜２３ｄのうちの隣接する裏面構造は、他方の面１５上で互いに重なり合うように形成されている。この場合、１つの分割領域に入射した入射光を基に発生した表面プラズモンをその分割領域に隣接する分割領域に伝搬させことができるので、複数の波長域のそれぞれにおいて透過効率を向上させることができる。
【００４０】
次に、本実施形態の薄膜フィルタ７の特性の例を示す。図５は、薄膜フィルタ７の第２の表面構造１３ｂの領域に入射する入射光の透過強度の波長依存性の計測結果を示すグラフ、図６は、薄膜フィルタ７の第４の表面構造１３ｄの領域に入射する入射光の透過強度の波長依存性の計測結果を示すグラフ、図７は、薄膜フィルタ７の第２の表面構造１３ｂの領域に入射する入射光の透過率の波長依存性のシミュレーション結果を示すグラフ、図８は、薄膜フィルタ７の第４の表面構造１３ｄの領域に入射する入射光の透過率の波長依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。図９は、薄膜フィルタ７の第１〜第４の表面構造１３ａ〜１３ｄのそれぞれに入射する入射光の透過率の波長依存性Ｇａ〜Ｇｄのシミュレーション結果を示すグラフである。
【００４１】
図５及び図７に示すように、薄膜フィルタ７によってピーク波長が５３０ｎｍの緑色光が選択的に透過されることが示され、測定結果がシミュレーション結果とよく一致している。また、図６及び図８に示すように、薄膜フィルタ７によってピーク波長が６２３ｎｍの赤色光が選択的に透過されることが示され、測定結果がシミュレーション結果とよく一致している。さらに、図９の波長依存性のシミュレーション結果を示すグラフＧａ〜Ｇｄから、１つの薄膜フィルタ７によって、青色領域、緑色領域、赤色領域、及び近赤外領域を選択的に透過するフィルタを実現できることが示された。
【００４２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態においては下記の構成に変更されてもよい。
【００４３】
例えば、薄膜フィルタ７の表面構造及び裏面構造のパターンは円環状に限定されるものではない。図１０には、薄膜フィルタ７の表面構造及び裏面構造のパターンの他の実施例を示す平面図である。表面構造及び裏面構造は、図１０（ａ）に示すように矩形環状に形成されてもよいし、楕円環状に形成されてもよいし、任意の多角形で環状に形成されてもよい。本明細書でいう「環状」とは円形の環の形状には限定されず、一つの位置から循環して戻る形状を意味している。この場合、表面構造の中心部には表面構造の形状に対応する形状（例えば、矩形状）の開口部を有する貫通孔１７ｅが形成される。このような構造によっても、様々な偏光成分の入射光に対して表面プラズモンの共鳴性がより高くされ、透過波長の選択性をより高めることが可能となる。また、図１０（ｂ）に示すように、表面構造及び裏面構造は、１次元で周期的に並ぶ帯状のパターンで形成されてもよい。この場合、表面構造の中心部には表面構造の形状に対応する帯状（スリット状）の開口部を有する貫通溝（貫通部）１７ｆが形成される。このような構造によれば、所定の偏光方向の表面プラズモンの共鳴性が高くされ、所定の偏光方向の光の透過波長の選択性を高めることが可能となる。
【００４４】
また、上記形態の薄膜フィルタ７には主面１１上において矩形状の分割領域内に４つの表面構造が形成されているが、この分割領域の形状は矩形状には限定されず、分割領域の分割数も２以上であれば特定の個数に限定されない。
【００４５】
上記形態の撮像素子１では、薄膜フィルタ７が半導体基板３の受光素子および回路部側の主面５上に配置されていたが、半導体基板３が裏面照射型のセンサを採用している場合には、薄膜フィルタ７が半導体基板３の主面５の反対側の主面（裏面）上に配置されてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…撮像素子、３…半導体基板、７…薄膜フィルタ、１１，１５…主面、１３…金属薄膜（膜状部材）、１３ａ〜１３ｄ…第１〜第４の表面構造、１７ａ〜１７ｄ…貫通孔（貫通部）、１９ｂ〜１９ｄ…凹面、２１ｂ〜２１ｄ…凸面、２３ａ〜２３ｄ…第１〜第４の裏面構造、２５ａ…凸面、２７ａ…凹面。
【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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