(57)【要約】【課題】  赤外線領域における特定の波長の光に対して高い選択性を保ちつつ、高い透過率で透過させる赤外線用バンドパスフィルタを提供すること。【解決手段】  赤外線用バンドパスフィルタは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、膜厚方向に貫通した開口部が一定の繰り返し単位で設けられた格子配列を有し、該開口部の繰り返し単位の全面積に対する該開口部の面積比率が１０％以上２６％未満である金属層と、前記金属層上に形成された誘電体層とを備える。【選択図】図１
2015087526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と
前記半導体基板上に形成され、膜厚方向に貫通した開口部が一定の繰り返し単位で設けられた格子配列を有し、該開口部の繰り返し単位の全面積に対する該開口部の面積比率が１０％以上２６％未満である金属層と、
前記金属層上に形成された誘電体層と
を備える
ことを特徴とする赤外線用バンドパスフィルタ。
【請求項２】
前記誘電体層は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮのうちの少なくとも一種で構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線用バンドパスフィルタ。
【請求項３】
前記誘電体層の膜厚は、５００ｎｍ以上７００ｎｍ未満である
ことを特徴とする請求項２に記載の赤外線用バンドパスフィルタ。
【請求項４】
前記半導体基板は、ＧａＡｓまたはＳｉのいずれかで構成される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の赤外線用バンドパスフィルタ。
【請求項５】
前記金属層を構成する材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１種の金属を含有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線用バンドパスフィルタ。
【請求項６】
前記開口部を有する前記金属層が、複数層積層された多層構造である
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の赤外線用バンドパスフィルタ。
【請求項７】
前記開口部の配列が、三角格子配列である
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の赤外線用バンドパスフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線用バンドパスフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の波長帯域の光のみを透過させる光学フィルタ、いわゆるバンドパスフィルタは、一般に誘電体の多層膜を備える構成が多い。このようなバンドパスフィルタは光学薄膜の干渉の原理を利用している。誘電体の多層膜は、透過させたい波長や透過率などの光学特性によって、膜数、膜厚、誘電体の誘電率が細かく制御されており、直進光に対して非常に選択性の高いバンドパスフィルタが可能である。また、その透過率が理論的にほぼ１００％に近くなるように設計することも可能である。
【０００３】
一方、近年、金属薄膜に開口を周期的に配列し、表面プラズモン共鳴を利用して波長選択を行なう金属薄膜のバンドパスフィルタが、例えば、特許文献１、２に提案されている。
特許文献１には、直径が透過光の波長よりも小さな開口を有するアレイにおける光の透過効率を向上させるための高光透過開口アレイを有するバンドパスフィルタについて記載されている。特許文献１に記載のバンドパスフィルタでは、薄い金属プレートが、複数の開口が矩形状に配列されたアレイを有している。そして、開口同士が、所定の波長の入射光が表面プラズモンエネルギ帯で金属プレートを撹乱して個々の開口を通過する光の量を向上させるように、アレイへの入射光の波長に応じて周期Ｐで配列されている。
【０００４】
特許文献２には、金属薄膜を用いた光学フィルタの光学特性の自由度を増すと共に透過率の向上を図るようにした光学フィルタについて記載されている。特許文献２に記載の光学フィルタは、基板の表面上に複数の開口部を備えた遮光性の導電体層を配して構成され、さらに誘電体層を有し、第１の波長の光を選択的に透過せしめる光学フィルタである。導電体層の開口の大きさが、第１の波長以下の大きさであり、基板表面の面積に対する導電体層の面積の割合が、３６％以上７４％以下の範囲にある。当該光学フィルタは、導電体層に入射する光によって開口部に誘起される表面プラズモン共鳴により、第１の波長の透過率を極大値とさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−７２６０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−９０２５号公報
【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、上述した誘電体多層膜のバンドパスフィルタは、特定の波長の光のみを透過させるために、光学薄膜を複数層積層させる必要があり、製造工程が煩雑になり、積層することによる成膜バラつきを抑制することが困難であるという問題がある。
また、デバイスに光学薄膜を直接積層する場合、光学薄膜の層間に生じる歪によって、光学薄膜に膜剥れやヒビ割れなどを生じさせてしまうこともある。これを回避するために、数百μｍ厚の基板の表裏面両面に同じ構成で光学薄膜を複数層成膜することも可能である。しかしながら、この場合、デバイス上に直接光学薄膜を積層することができず、別の基板を使用するためにバンドパスフィルタの厚みが大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
一方、上述した特許文献１では、金属薄膜に開口部を周期的に形成することによって、金属表面に誘起される表面プラズモン共鳴の波長に依存した透過スペクトルを持つバンドパスフィルタを実現している。この場合、透過させたい所望の波長（周波数）制御は、周期的に設けられた開口を回折格子と見立てて、以下の式（１）に基づいて行うことができる。以下の式（１）のように、金属および金属と隣接する材質が固定されてそれぞれの誘電率が決まれば、開口部の間隔を調整するのみで波長（周波数）の制御が可能である。
【０００８】
【数１】
2015087526.tif 000003
【０００９】
ｍ：整数（回折次数）、ｆ：周波数、Ａ：開口部の間隔、ε１：金属の誘電率、
ε２：金属と隣接する材質の誘電率、ｃ：光速度
開口を有する金属薄膜によるバンドパスフィルタの場合、光学薄膜干渉によるバンドパスフィルタと異なり、複数層の構造は必要なく、少なくとも厚さ数百ｎｍレベルの金属薄膜とパッシベーション膜を含めた数層のみでバンドパスフィルタを構成することが可能である。このため、上述した厚み問題は解消され、基板上へ直接光学薄膜を積層することも可能である。
【００１０】
しかしながら、上述した特許文献１に記載されている開口部を有するバンドパスフィルタでは、透過率は、開口部面積比率から類推される以上の値ではあるが、実用上の観点からすると低い値である。また、透過スペクトル全体におけるピークが複数あることや透過スペクトル全体がブロードであるため、所望の波長帯での急峻な波長選択性をもつことが要求されるバンドパスフィルタなどには適応することができない。
【００１１】
それに対し、上述した特許文献２では、誘電体基板上の開口を有する金属膜を、基板と対向する面側に対して、誘電体基板と同じ誘電率の物質で積層することによって、金属膜両面を挟みこみ、金属膜両面で生じる表面プラズモン共鳴を同調させている。
これにより、透過する波長が複数に分かれることなく、透過スペクトル全体におけるピークを１つとし、上述する問題を解決している。しかし、透過率を確保するために導電体層の面積割合をある程度抑える必要があることから、透過する波長帯域の幅が広くなってしまい、高い透過率を保ちつつ、所望の波長帯での急峻な波長選択性をもつことが要求されるバンドパスフィルタなどには適応することはできない。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、赤外線領域における特定の波長の光に対して高い選択性を保ちつつ、高い透過率で透過させる赤外線用バンドパスフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、本発明の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、膜厚方向に貫通した開口部が一定の繰り返し単位で設けられた格子配列を有し、該開口部の繰り返し単位の全面積に対する該開口部の面積比率が１０％以上２６％未満である金属層と、前記金属層上に形成された誘電体層とを備えることを特徴とする赤外線用バンドパスフィルタである。
【００１４】
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記誘電体層は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮのうちの少なくとも一種で構成されることが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記誘電体層の膜厚は、５００ｎｍ以上７００ｎｍ未満であることが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記半導体基板は、ＧａＡｓまたはＳｉのいずれかで構成されることが好ましい。
【００１５】
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記金属層を構成する材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１種の金属を含有することが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記開口部を有する前記金属層が、複数層積層された多層構造であることが好ましい。
上記赤外線用バンドパスフィルタにおいて、前記開口部の配列が、三角格子配列であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による赤外線用バンドパスフィルタは、上述の手段を用いることにより、赤外線領域における特定の波長の光に対して高い選択性を保ちつつ、高い透過率で透過させる赤外線用バンドパスフィルタを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの一実施形態を説明するための平面構成図である。
【図２】本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの一実施形態を説明するための平面構成図である。
【図３】本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの一実施形態および実施例１を説明するための断面構成図である。
【図４】本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例２を説明するための断面構成図である。
【図５】本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例３を説明するための断面構成図である。
【図６】本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例４を説明するための断面構成図である。
【図７】本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタの実施例５を説明するための断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、本発明の一態様における所望の赤外線用バンドパスフィルタの特性として、透過率のピーク波長をλＰ（透過させたい赤外線領域における所望の波長）とするときに、選択性については、透過スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）をλＰの４０％以下、かつ、透過率については、λＰにおける透過量が全透過量の６０％以上を満たすことを特性指標とする。
【００１９】
（赤外線用バンドパスフィルタの構成）
図１、図２および図３は、本発明の一態様に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施形態を説明するための構成図である。図１および図２は、赤外線用バンドパスフィルタ１００の平面構成図の一例であり、図３は、図１に記載された赤外線用バンドパスフィルタ１００におけるＢ−Ｂ線の断面構成図である。図中、符号１００は赤外線用バンドパスフィルタ、１０１は金属層、１０２は貫通孔の開口部、２０１は半導体基板、２０２は誘電体層を示している。
本実施形態の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成を有している。
【００２０】
（半導体基板）
半導体基板２０１は、透過させたい所望の波長の光において透明であることが望ましい。積層される金属層１０１の誘電率と半導体基板２０１の誘電率の組み合わせによっても、所望の波長が制御可能である。このため、半導体基板２０１としては、上述した開口部の間隔Ａを含め、式（１）を満たす条件の誘電率を有する基板を選ぶのが好ましく、後述する誘電体層２０２との誘電率の組み合わせから、特にＧａＡｓまたはＳｉのいずれかで構成される基板が好ましい。
【００２１】
（金属層）
金属層１０１は、平坦な金属薄膜であって、金属薄膜の膜厚方向に貫通した貫通孔の開口部１０２が周期的に複数設けられている。
隣り合って配置される開口部１０２間の間隔Ａを調整することにより、上述した式（１）に従い、所望の波長を制御することが可能である。間隔Ａは、隣り合って配置される開口部１０２の中心間の距離で示される。間隔Ａの長さは、サブミクロンメートルから数十ミクロンメートル程度が好ましい。具体的に、間隔Ａは、０．５μｍ以上９０μｍ以下、好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下、最も好ましくは１μｍ以上５μｍ以下である。
また、貫通孔の開口部１０２、金属層１０１面内に少なくとも５０以上、より好ましくは７０以上、最も好ましくは１００以上の繰り返し単位が施されて形成されることが好ましい。
【００２２】
ここで、「繰り返し単位」とは、少なくとも複数の開口部１０２の集合が繰り返す最少単位の領域のことをいい、例えば、図１において破線で示す範囲Ｃが「繰り返し単位」となる。本実施形態では、繰り返し単位中の繰り返し単位の全面積に対して開口部１０２が占める比率である開口部面積比率は１０％以上２６％未満が好ましい。より好ましくは、１７％以上２６％未満である。
【００２３】
本発明では、繰り返し単位が連なった開口部１０２は、必ずしも金属層の全面に配置される必要はなく、本発明の効果を奏する程度配置されていればよい。そのため、複数の開口部の集合が繰り返す領域である繰り返し単位は金属層の全面に対して９０％以上の領域を覆っていることが好ましいが、当然全面を覆っていることがより好ましい。
【００２４】
ここで、繰り返し単位について図１に示す開口部の配列（三角格子配列）および図２に示す開口部の配列（正方格子配列）を例にあげて詳細に説明する。本実施形態においては、開口部１０２の配置は、対称性のある配置が好ましい。図１に示した三角格子配列であれば、最隣接する開口部１０２が全て等間隔であるので、対称性は高くより好ましい。また、開口部１０２の大きさは、例えば図１の赤外線用バンドパスフィルタ１００の平面構成図において半導体基板２０１が露出する部分の面積（図１に示した斜線部以外の領域の面積）のことであり、開口部１０２の面積で定義される。
【００２５】
ここで、繰り返し単位とは、三角格子配列の場合（図１）、開口部１０２を中心とした、縦の長さが開口部間隔Ａ×√３、横の長さが開口部間隔Ａで示される長方形の領域（図１のＣ参照）を示す。また、繰り返し単位とは、正方格子配列の場合（図２）、隣接する開口部１０２の中心を頂点とする、一辺が開口部間隔Ａの正方形の領域を示す。
上述したように、繰り返し単位中の繰り返し単位の全面積に対する開口部１０２の面積割合（開口部面積比率）は１０％以上２６％未満が好ましい。開口部面積比率が１０％以上の場合は開口部面積が大きいため、透過率が高くなり、開口部面積比率が２６％未満の場合は透過させたい光の波長の半値全幅を狭くすることができる。つまり、開口部面積比率が１０％以上２６未満の場合、高透過性かつ高選択性が可能であり、上述した所望のバンドパスフィルタ特性を得ることが可能である。
【００２６】
また、図１、図２に示すように、開口部１０２の形状は、円形状で例示されているが、上述の条件を満たす限りは、円形、三角形、四角形、六角形、星型など、いずれの形状でも良い。ただし、製造工程上の観点から、複雑な形状の開口部１０２は作製困難であり、開口部１０２を比較的単純な形状とすることが好ましい。特に、対称性の観点から開口部１０２を円形の形状とすることが好ましい。
【００２７】
金属層１０１を構成する材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１種の金属を含有することが好ましい。特性、加工性や耐久性の観点より、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌのうち少なくとも１種類を主成分とすることがより好ましい。例えば、上述の材料の中から選択された、ＡｇＰｄＣｕ、ＡｕＺｎあるいは上述の材料を主成分としたＡｕＧｅのような合金であっても構わない。
【００２８】
金属層１０１と、半導体基板２０１または隣接する部材間との密着性向上および耐久性の観点より、金属層１０１と半導体基板２０１または隣接する部材との界面に上述した選ばれた材料から形成された密着層が形成されても良い。
金属層１０１の膜厚は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。５０ｎｍ以上の金属膜厚があれば、半値全幅を狭くすることが可能であり、５００ｎｍ以下の金属膜厚であれば、高い透過率を保つことが可能である。つまり、前述の範囲内の金属膜厚であれば、高い選択性かつ高い透過率を同時に満たす所望の光学フィルタ特性を発現することが可能である。
【００２９】
以上のような金属層１０１は、蒸着法、スパッタリング法、めっき法、印刷法、塗布法のいずれかの方法で作製することができる。また、開口部１０２は、金属薄膜を作製した後に、金属薄膜上に所望のパターンを得るためのレジストパターンを作製し、ドライエッチング法、ウエットエッチング法を用いて作製することができる。さらに、金属層１０１は、予め所望のパターンを得るためのレジストパターンを作製し、その上に蒸着法、スパッタリング法を用いて金属薄膜を作製した後にリフトオフ法を用いて作製することもできる。
【００３０】
（誘電体層）
誘電体層２０２は、透過させたい所望の波長において透明であることが望ましい。所望の波長の制御は、積層される金属層１０１の誘電体と誘電体層２０２の誘電率の組み合わせによっても可能である。このため、前述した開口部間隔Ａを含め、式（１）を満たす条件の誘電率を有する材料を選ぶことが好ましい。このような材料としては、前述した半導体基板２０１の誘電率との組み合わせおよび耐久性の観点から、特にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮのうちの少なくとも一種が好ましい。また、誘電体層２０２をＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮのうちの少なくとも一種で形成した際の誘電体層２０２の膜厚は５００ｎｍ以上７００ｎｍ未満とすることが好ましい。
【００３１】
以下に、半導体基板２０１であるＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板との好適な組み合わせとして、誘電体層２０２にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮを選択した理由および誘電体層２０２の膜厚の制御について述べる。
バンドパスフィルタの特性は、金属層１０１を挟持する、半導体基板２０１および誘電体層２０２の組み合わせによって影響を受ける。
【００３２】
本実施形態の赤外線用バンドパスフィルタには、式（１）より、金属層１０１の誘電率と半導体基板２０１の誘電率との組み合わせによる共鳴から求まるピーク波長λＰ１と、金属層１０１の誘電率と誘電体層２０２の誘電率との組み合わせによる共鳴から求まるピーク波長λＰ２が存在する。
ピーク波長を１つにする、つまり半導体基板２０１と誘電体層２０２の、各々金属層１０１との組み合わせによる共鳴が重なるようにするには、半導体基板２０１の材料と誘電体層２０２の材料とを同じ材料、あるいは誘電率が同じ材料としなければならない。
【００３３】
しかし、半導体基板２０１としてＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板を用いる場合、同じ材料（すなわちＧａＡｓまたはＳｉ）、あるいは同じ誘電率の材料を、前述の構成に従い金属層１０１の上に積層することは難しい。また耐久性の観点からも半導体基板２０１を構成する材料と同一の材料あるいは誘電率が同じ材料を誘電体層２０２の材料として用いることは困難である。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、上述の構成とは対照的に、誘電体層２０２を構成する材料として、誘電率が半導体基板２０１を構成する材料の誘電率とは大きな差を持つＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮを選択し、誘電体層２０２の膜厚を制御する。これにより、ピーク波長が２つ存在しながらも所望のピーク波長のみ高い透過率を維持しつつ高選択性を保ち、耐久性にも優れた赤外線用バンドパスフィルタを実現出来ることを見出した。
【００３５】
つまり、誘電体層２０２を構成する材料の誘電率と、半導体基板２０１を構成する材料の誘電率との差が小さい場合、２つ存在するピーク波長の差が小さく、透過光のスペクトルの一部が重複してしまう。このため、透過光のスペクトルは全体として半値全幅の大きい１つのスペクトルになってしまい、バンドパスフィルタにおける高選択性は失われる。しかし、誘電体層２０２を構成する材料の誘電率と、半導体基板２０１を構成する材料の誘電率との差を大きく取ることによって、２つのピーク波長を持つスペクトルは重複すること無く、各々独立したスペクトルとなる。
【００３６】
このような点を考慮すると、耐久性にも優れるＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮは、半導体基板２０１を構成する材料であるＧａＡｓ、Ｓｉと比較して誘電率の差が大きいので誘電体層２０２を構成する材料として好ましい。また、上記３つの材料を誘電体層２０２の材料として選択した際に、誘電体層２０２は所望のピーク波長のみの透過率を向上させ、所望以外のもう１つのピーク波長の透過率を抑える適切な膜厚が存在する。これは光学薄膜干渉による効果であり、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮにより構成される誘電体層２０２の好適な膜厚は５００ｎｍ以上７００ｎｍ未満である。本実施形態の赤外線用バンドパスフィルタ１００における赤外線透過効果は光学薄膜干渉による効果なので、誘電体層２０２の膜厚を、上述の好適な膜厚の整数倍とした場合においても同様の効果を示す。
【００３７】
これにより、所望のピーク波長での高選択性が実現可能となり、高透過性かつ高選択性を有し、耐久性の優れた赤外線用バンドパスフィルタを得ることが可能である。
以上のような誘電体層２０２は、蒸着法、スパッタリング法、塗布法のいずれかの方法で作製することができる。
【００３８】
＜実施例１＞
図１および図３は本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例１を説明するための平面構成図および断面構成図である。実施例１の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。
実施例１の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１の開口部１０２中に、金属層１０１の表面上に積層された誘電体層２０２と同じ材質が埋め込まれて構成されている。
【００３９】
＜実施例２＞
図４は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例２を説明するための断面構成図である。実施例２の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。
【００４０】
実施例２の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１と半導体基板２０１との密着性を向上させるため、金属層１０１と半導体基板２０１との界面に金属の密着層１０３が設けられている。
また、実施例２の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１の開口部１０２中に、金属層１０１の表面上に積層された誘電体層２０２と同じ材質が埋め込まれて構成されている。
【００４１】
＜実施例３＞
図５は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例３を説明するための断面構成図である。実施例３の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。
【００４２】
実施例３の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１と半導体基板２０１との密着性を向上させるため、金属層１０１と半導体基板２０１との界面に金属の密着層１０３が設けられている。
また、実施例３の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１のうち金属層１０１の開口部１０２に対向する領域に、半導体基板２０１の厚さ方向にくぼむ凹部２０３が設けられ、金属層１０１の開口部１０２中および凹部２０３中に金属層１０１の表面上に積層された誘電体層２０２と同じ材質が埋め込まれて構成されている。凹部２０３は、半導体基板２０１における界面の反射を抑制するために設けられた構造である。
【００４３】
＜実施例４＞
図６は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例４を説明するための断面構成図である。実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２Ａを有する第１の金属層１０１Ａが積層されており、さらに金属層１０１Ａの表面上に積層された第１の誘電体層２０２Ａが積層された構成である。さらに、実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、誘電体層２０２Ａの表面上に、開口部１０２Ａを備える金属層１０１Ａおよび誘電体層２０２Ａと同じ構成の、開口部１０２Ｂを有する第２の金属層１０１Ｂおよび誘電体層２０２Ｂが積層された構成である。開口部１０２Ａと開口部１０２Ｂとは、半導体基板２０１の厚み方向に対して重なっている。すなわち、実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１の表面上に金属層１０１と誘電体層２０２との積層体が２層積層された構成である。
【００４４】
実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１Ａと半導体基板２０１との密着性を向上させるため、金属層１０１Ａと半導体基板２０１との界面に金属の密着層１０３が設けられている。
また、実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、金属層１０１Ａの開口部１０２Ａおよび金属層１０１Ｂの開口部１０２Ｂ中に、誘電体層２０２Ａおよび誘電体層２０２Ｂと同じ材質が埋め込まれて構成されている。
実施例４の赤外線用バンドパスフィルタ１００では、特に透過スペクトルの半値全幅が狭くなり、単層の赤外線用バンドパスフィルタ以上の高い選択性を得ることが可能である。
【００４５】
＜実施例５＞
図７は、本発明に係る赤外線用バンドパスフィルタ１００の実施例５を説明するための断面構成図である。実施例５の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、上述したように、半導体基板２０１の表面上に開口部１０２を有する金属層１０１が積層されており、さらに金属層１０１の表面上に誘電体層２０２が積層された構成である。
【００４６】
実施例５の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、半導体基板２０１上に開口部１０２が間隔Ａ１で設けられたエリア１と、開口部１０２が間隔Ａ２で設けられたエリア２とを備える。ここで、間隔Ａ１は、エリア１に形成された隣り合う開口部１０２の中心間の距離で示され、間隔Ａ２は、エリア２に形成された隣り合う開口部１０２の中心間の距離で示される。また、エリア１における開口部１０２の直径と、エリア２における開口部１０２の直径とは異なっている。
実施例５の赤外線用バンドパスフィルタ１００は、同一の半導体基板２０１の表面上に開口部１０２の間隔Ａが異なるパターンを複数エリア（図７中ではエリア１およびエリア２）に設けることにより、各エリアに応じた透過特性を持つ光学フィルタを得ることが可能である。
【００４７】
［赤外線用バンドパスフィルタの評価］
赤外線用バンドパスフィルタの作製方法について以下に説明する。
まず、半導体基板であるＧａＡｓ基板上に、マグネトロンスパッタ装置（芝浦メカトロニクス社製）を用いて金属層となるＡｕ膜を厚さ１５０ｎｍとなるように成膜した。Ａｕ膜は、Ａｕターゲットを用い、圧力０．５Ｐａ、Ａｒ流量４２ｓｃｃｍ、ＲＦ印加電圧１００Ｗの成膜条件で成膜した。
次に、成膜したＡｕ膜の表面上に、ポジ型レジストをスピンコート法により約５００ｎｍ厚で塗布した。続いて、円形状の開口部が周期的に三角格子配列されたパターン（図１参照）が形成されるように、フォトリソグラフィ法により専用マスクを用いてポジ型レジスト上にレジストパターンを作成した。
【００４８】
次に、ウエットエッチング法により、Ａｕ膜をレジストパターン通りにエッチングして開口を形成した。Ａｕ膜のエッチングを行う際には、エッチング液としてＡＵＲＵＭ（関東化学株式会社）を用いた。残存するポジ型レジストは、アセトンを用いて除去した。この後、ポジ型レジストの除去により露出したＡｕ膜の表面に上に、マグネトロンスパッタ法により誘電体層であるＴｉＯ２膜を成膜した。ＴｉＯ２膜は、ＴｉＯ２ターゲットを用い、圧力０．６Ｐａ、Ａｒ流量４１．５ｓｃｃｍ、Ｏ２流量０．５ｓｃｃｍ、ＲＦ印加電圧４００Ｗの成膜条件で成膜した。
【００４９】
（開口部面積比率による比較）
上述の作製方法に従って、赤外線用バンドパスフィルタを作製した。このとき、金属層において周期的に三角格子配列された円形状の開口部の間隔Ａを１．４μｍとし、開口部の直径を変化させて、サンプル１からサンプル５の赤外線用バンドパスフィルタをそれぞれ作製した。サンプル１からサンプル５における開口部の開口部面積比率は、以下の表１のとおりである。誘電体層であるＴｉＯ２膜の厚みは６００ｎｍとした。
【００５０】
作製したサンプル１からサンプル５の赤外線用バンドパスフィルタの透過率を、赤外線透過率測定装置ＦＴ−ＩＲ（日立ハイテクノロジー社製）を用いて測定した。透過する光のピーク波長λＰは４．３μｍであった。これは前述の式（１）から求められるＧａＡｓとＡｕの誘電率および開口部の間隔の関係とほぼ一致する。なお、一般的に、波長４．３μｍは遠赤外線に分類される。
【００５１】
以下の表１に、ＦＴ−ＩＲによる測定によって得られたサンプル１からサンプル５の赤外線用バンドパスフィルタの透過スペクトルの半値全幅と透過率を示す。なお、各サンプルで使用したＧａＡｓ基板の透過率（ＧａＡｓ基板のみでの透過率）は５５％であった。
以下の表１に記載する透過率は、各々基板のみの透過率で規格化した値である。
【００５２】
【表１】
2015087526.tif 000004
【００５３】
表１の結果から、開口部面積比率が１０％以上２６％未満のとき、本発明における所望の赤外線用バンドパスフィルタの特性である、透過スペクトルの半値全幅４０％以下、かつ透過率についてλＰにおける透過量が全透過量の６０％以上を満たしていることがわかる。
【００５４】
（誘電体層の膜厚による比較）
上述の作製方法に従って、赤外線用バンドパスフィルタを作製した。このとき、誘電体層であるＴｉＯ２の膜厚を変化させて、サンプル６からサンプル１０の赤外線用バンドパスフィルタをそれぞれ作製した。ＴｉＯ２の膜厚は、以下の表２のとおりとした。三角格子配列パターンの開口部のピッチは１．４μｍとし、開口部の直径は０．７μｍとした。金属層であるＡｕ膜の厚みは１５０ｎｍとした。
【００５５】
作製したサンプル６からサンプル１０の赤外線用バンドパスフィルタの透過率を、前述の赤外線透過率測定装置ＦＴ−ＩＲを用いて測定した。透過率のピーク波長λＰは４．３μｍであった。これは前述の式（１）から求められるＧａＡｓとＡｕの誘電率および開口部の間隔の関係とほぼ一致する。また、３．０μｍ近辺に別のピーク波長が観察されたが、これは前述の式（１）から求められるＴｉＯ２とＡｕの誘電率および開口部の間隔の関係とほぼ一致する。なお、一般的に、波長４．３μｍは遠赤外線に分類され、波長３．０μｍは中赤外線に分類される。
【００５６】
以下の表２に、ＦＴ−ＩＲによる測定によって得られたサンプル６からサンプル１０の赤外線用バンドパスフィルタの透過スペクトルにおける透過率を示す。なお表２には、透過率としてＧａＡｓとＡｕの共鳴によるピーク波長である４．３μｍの透過率と、ＴｉＯ２とＡｕの共鳴によるピーク波長である３．０μｍの透過率とを示す。使用したＧａＡｓ基板の透過率（ＧａＡｓ基板のみでの透過率）は５５％であった。
【００５７】
以下の表２に記載する透過率は、各々基板のみの透過率で規格化した値である。
【００５８】
【表２】
2015087526.tif 000005
【００５９】
表２の結果から、誘電体層の膜厚が１５０ｎｍまたは８００ｎｍの場合、４．３μｍの透過率が全透過量の６０％以上を満たさず、膜厚が３００ｎｍの場合、所望の４．３μｍの透過率は全透過率の６０％以上は満たすものの、３．０μｍの透過率は４２％と高く選択性は悪い。膜厚が５００ｎｍ、６００ｎｍの場合、所望の４．３μｍの透過率は全透過率の９０％以上であり、３．０μｍの透過率は２６、２７％と低く抑えられており、選択性の良いバンドパスフィルタ特性を示す。
【符号の説明】
【００６０】
１００  赤外線用バンドパスフィルタ
１０１  金属層
１０２  開口部
２０１  半導体基板
２０２  誘電体層
２０３  凹部
【図１】
2015087526.tif 000006
【図２】
2015087526.tif 000007
【図３】
2015087526.tif 000008
【図４】
2015087526.tif 000009
【図５】
2015087526.tif 000010
【図６】
2015087526.tif 000011
【図７】
2015087526.tif 000012