(57)【要約】光学フィルタの製造方法を開示する。方法は、基板上に第１のミラー層を堆積させることと、第１のミラー上に絶縁層を堆積させることと、絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかをエネルギードーズ量に曝すことと、絶縁層の複数の部分のうちの少なくともいくつかから体積を除去するために絶縁層を現像することとを含み、各部分から除去される絶縁層の体積は各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係し、絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係する。方法は、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さが光学フィルタのプロファイルを画定するように、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さ上に第２のミラー層を堆積させることをさらに含む。
2021527238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学フィルタの製造方法であって、
基板上に第１のミラー層を堆積させることと、
前記第１のミラー層上に絶縁層を堆積させることと、
前記絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかをエネルギードーズ量に曝すことと、
前記絶縁層の複数の部分の前記少なくともいくつかから体積を除去するために前記絶縁層を現像することと、
前記絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さが光学フィルタのプロファイルを定めるように、前記絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さの上に第２のミラー層を堆積させることと
を含み、
各部分から除去される前記絶縁層の体積は各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係し、前記絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係する、方法。
【請求項２】
前記絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは、シングルステップのリソグラフィプロセスを使用して得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは、グレースケールリソグラフィプロセスを使用することによって得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギードーズ量は、化学的に活性化させる可変のエネルギードーズ量である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記絶縁層の各部分の残存する厚さは、光波長の二次元プロファイルを画定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記光波長の２次元プロファイルは、前記光学フィルタを透過する面内で空間的に変化するカラープロファイルである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記絶縁層は、光学的に透過性であり、均一な厚さで堆積される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記絶縁層の各部分の残存する厚さは、スペクトル位置を画定し、前記絶縁層の各部分を透過する光のスペクトルは、前記スペクトル位置に対応する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１つのミラー層の厚さが、前記絶縁層の各部分を通る光の透過スペクトルの幅を画定する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のミラー層は、部分的に光学的に反射性であり、第１の均一な厚さを有し、前記第２のミラー層は、部分的に光学的に反射性であり、第２の均一な厚さを有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記絶縁層は、前記エネルギードーズ量に曝されると化学的に強化される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記絶縁層は、前記エネルギードーズ量に曝されると化学的に弱化される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記エネルギードーズ量は、前記絶縁層の前記複数の部分の前記少なくともいくつかに、前記複数の部分の前記少なくともいくつかに対して変化するエネルギーのビームとして曝される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記絶縁層の上にマスクを提供することと、前記マスクを化学的に活性化させる均一なエネルギードーズ量に曝すこととをさらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記マスクは、複数の可変的に減衰されるエネルギードーズ量が前記絶縁層に曝されるように、前記化学的に活性化させる均一なエネルギードーズ量を様々な程度に減衰させる可変の不透明度を有する複数の部分を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記マスクの複数の部分の可変の不透明度は、前記絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さを定める、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記絶縁層上に減衰マスクを提供することをさらに含み、前記減衰マスクは、減衰プロファイルを定める複数の部分を含み、前記絶縁層の表面に曝すエネルギードーズ量は、前記マスクを透過し、前記減衰プロファイルに従って減衰される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記減衰マスクの複数の部分は、少なくとも２つの異なるレベルの不透明度を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記不透明度のレベルの１つが不透明又は実質的に不透明である、請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁層上で前記マスクを横方向に平行移動させ、前記絶縁層の表面を第２のエネルギードーズ量に曝すことをさらに含み、前記第２のエネルギードーズ量は、前記マスクを透過し、前記減衰プロファイルに従って減衰される、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記絶縁層を化学的に現像することをさらに含み、前記絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかからの可変の体積が化学的に溶解され、前記絶縁層の複数の部分のそれぞれから除去される、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のミラー層上に更なるタイプの絶縁層を堆積させることと、
前記更なるタイプの絶縁層上に前記絶縁層を堆積させることと、
前記絶縁層の複数の部分の前記少なくともいくつかを前記エネルギードーズ量にさらすことと、
前記絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さをエッチングすることと、
前記第２のミラー層を前記更なるタイプの絶縁層上に堆積させることと
をさらに含み、
前記残存する厚さをエッチングするステップは、前記更なるタイプの絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
スタンピングブロックを提供することと、
前記スタンピングブロック上に更なる絶縁層を堆積させることと、
前記更なる絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかを前記エネルギードーズ量に曝すことと、
前記更なる絶縁層の複数の部分のうちの少なくともいくつかから体積を除去するために前記更なる絶縁層を現像することと、
前記更なる絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さをエッチングすることと
を含み、
各部分から除去される前記更なる絶縁層の体積は各部分に曝される前記エネルギードーズ量に関係し、前記更なる絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係し、
前記残存する厚さをエッチングするステップは、前記スタンピングブロックの複数の部分のうちの少なくともいくつかから体積を除去する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記絶縁層上に現像された前記スタンピングブロックを当てて、前記絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さをインプリントすることをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
現像された前記スタンピングブロックは、付加的な圧力及び／又は熱を使用することによって当てられる、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ミラー層は、
金属、及び／又は
誘電体材料
を含む、請求項１から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２のミラー層上にキャッピング層を堆積させることをさらに含む、請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記ミラー層の少なくとも１つをパターニングすることをさらに含み、前記パターニングは、前記絶縁層の各部分を通る光の透過スペクトルに更なる特性を与える、請求項１から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記基板は透明であるか又はイメージセンサーである、請求項１から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
光学フィルタの製造方法であって、
スタンピングブロックを提供することと、
前記スタンピングブロック上に第１の絶縁層を堆積させることと、
前記第１の絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかをエネルギードーズ量に曝すことと、
前記第１の絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去するために前記第１の絶縁層を現像することと、
前記第１の絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さをエッチングすることと
を含み、
各部分から除去される前記第１の絶縁層の体積は各部分に曝される前記エネルギードーズ量に関係し、前記第１の絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは各部分に曝される前記エネルギードーズ量に関係し、
前記残存する厚さをエッチングするステップは、前記スタンピングブロックの複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去する、方法。
【請求項３１】
基板上に第１のミラー層を堆積させることと、
前記第１のミラー層上に第２の絶縁層を堆積させることと、
可変の厚さを有する部分が前記第２の絶縁層に形成されるように、前記第２の絶縁層に前記スタンピングブロックを当てて前記第２の絶縁層に前記スタンピングブロックのパターンをインプリントすることと
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第２の絶縁層が前記光学フィルタのプロファイルを定めるように、前記第２の絶縁層に形成された可変の厚さを有する部分のそれぞれに第２のミラー層を堆積させることをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
光学フィルタデバイスであって、
基板と、
前記基板上に配置された第１のミラー層と、
複数の部分を有する絶縁層であって、前記部分の少なくともいくつかが可変の厚さを有する絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された第２のミラー層と
を含み、
前記絶縁層の複数の部分は請求項１から３２のいずれか一項に記載の方法を用いて製造されている、光学フィルタデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、一般に、光学カラーフィルタ、限定されないが特に、３次元の物理的構造を有するマルチスペクトルカラーフィルタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学情報（光）を電子情報（電子）に変換することは、あらゆるデジタルイメージセンサーの中心にある。安価でコンパクトで効率的な相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーは、今やどこにでもあると考えられる。ＣＭＯＳセンサーは、デジタル写真から医用画像まで様々な用途で実装されている。通常、イメージセンサーは、個別にアドレス指定された数百万個のシリコン光検出器で構成される。色（特定の光波長）を検出するためには、空間的に変化しスペクトル的に異なる光学フィルタをＣＭＯＳセンサーと組み合わせて使用する必要がある。これらのカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）は、個々のＣＭＯＳセンサーの寸法に匹敵するピクセルサイズを有し、イメージセンサーの上にぴったり合うモザイク状パターンを有する。
【０００３】
カラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）は、イメージセンサーに広く使用される重要な薄膜光学部品である。このようなＣＦＡ又はＭＳＦＡフィルタの更なる代替用途が存在し、例えば、撮像されるターゲットの直接照明である。既知の技術水準では、ＣＦＡは通常、カラーフィルタリングのために実装された顔料系のフィルタ又は多層スタックのいずれかで構成される。どちらも、フィルタ内で波長識別を行うために様々な組み合わせの様々な材料を必要とする。これらの既知のフィルタのどちらも、波長識別において望ましい効果を達成するために比較的厚いフィルタを必要とする。また、カラーフィルタに必要とされる波長帯域の数によって決まる、複数の連続するリソグラフィステップが、通常、製造において必要とされ得る。
【０００４】
これらのカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）は、ピクセルサイズに一致したピッチでイメージセンサーの上にモザイク状のパターンで配置される。最も広く普及しているＣＦＡは、赤、緑及び青（ＲＧＢ）フィルタを含むベイヤーフィルタである。しかしながら、マルチスペクトルイメージングシステムでは、追加のスペクトルフィルタを組み込んだより複雑なモザイクが一般的である（例えば、Ｌａｐｒａｙら、センサー（スイス）２０１４，１４，２１６２６−２１６５９）。マルチスペクトルフィルターアレイ（ＭＳＦＡ）と呼ばれるこれらの光学素子は一般に、例えば、農業から医療診断まで幅広いイメージング用途の複数の分野で一般的である。
【０００５】
従来のＣＭＯＳイメージセンサーの場合、ＣＦＡ／ＭＳＦＡは通常、各色に対して１つの染料又は顔料を有する吸収性の染料又は顔料のいずれかで構成される。代替的に、フィルタは、交互の誘電体材料の異なる組み合わせが各色に対応する、多層の１次元ブラッグスタックで構成されてもよい。しかしながら、組成及び方法の両方が、製造の観点から厄介である。例えば、Ｎ個の波長を有するフィルタの場合、波長ごとに１つ、Ｎ個の別個のリソグラフィ（又はＮ個のハードマスク）ステップが必要である。また、Ｎ個の材料組成物を有するＮ波長フィルタの場合、ブラッグスタック内の染料又は交互誘電体の様々な組み合わせのいずれかが必要とされる。ＣＦＡの製造に必要とされる注意深く整列されたリソグラフィステップ、より高い解像度のためのピクセル寸法の連続的な縮小、及び追加された波長帯域を活用するためのより複雑なモザイクパターンにより、一般に使用される方法は非常に問題がある。また、確立されたＣＦＡ製造技術により、調整された光学特性を有するカスタムＭＳＦＡの製造に関連するかなりの財政的コストが存在する。
【０００６】
また、金属絶縁体金属（ＭＩＭ）形状がＣＦＡの基礎を提供し得ることが、当技術分野で知られている。ＭＩＭ光学フィルタの材料組成物は、同じ処理ステップで堆積することができる。しかしながら、通常、既知の技術では、各層のそれぞれの厚さは一定である。結果として、ＭＩＭフィルタは通常、反復する「ステップアンドリピート」プロセスによって製造され、空間的に変化するＭＳＦＡ用途でのそれらの使用を制限する。
【０００７】
スマートフォンなどにおける従来のカメラは、広帯域の赤、緑及び青（ＲＧＢ）のスペクトル成分を捕捉し、人間の視覚を再現する。マルチスペクトルイメージング（ＭＳＩ）は、我々の視覚を超えた空間及びスペクトル情報を捕捉するが、一般にかさばる光学部品を必要とし、高価である。スナップショットマルチスペクトルイメージセンサーは、診断医療イメージングからリモートセンシングまで、多くのＭＳＩ用途のための重要な実現要素として提案されている。低コストでコンパクトな設計を実現するために、薄膜光学部品に基づくＭＳＦＡをイメージセンサーの上に配置することができる。従来のＭＳＦＡは、多層スタック又は顔料のいずれかによってスペクトルフィルタリングを実現し、材料の複雑な混合物、追加の波長ごとの追加のリソグラフィステップ、高い透過効率を達成するための大きな厚みを必要とする。
【０００８】
色生成のための代替的な非常によく使われる方法が存在し、それは、極薄プラズモン及び高屈折率の誘電体ナノ構造アレイを必要とし、それらによって、それぞれ、波長及び偏光選択性である電気及び磁気共振を（形状及び材料の選択によって）励起することができる。しかしながら、これらの技術は依然として、低い透過効率及び／又は広い半値全幅（ＦＷＨＭ）のいずれか、すなわち、悪い波長選択性に悩まされている。これらの特徴はまた、これらの方法をマルチスペクトルイメージング技術に不適当なものにする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、当技術分野には、単一のリソグラフィステップのみを必要とし、改善された光波長選択性及び改善された透過効率を有するデバイスを製造する、ＭＳＦＡ／ＣＦＡのコスト効率の良い効率的な製造方法を提供する必要性が依然として存在する。以下の要約及び詳細な例は、空間的に変化する金属絶縁体金属（ＭＩＭ）キャビティのファブリペロー型共振に基づく特注ＭＳＦＡのウエハレベルの製造を可能にし、露光ドーズ量が絶縁体（キャビティ）の厚さを制御する、シングルステップのグレースケールリソグラフィプロセスについて説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様によれば、光学フィルタを製造する方法であって、基板上に第１のミラー層を堆積させることと、第１のミラー層に絶縁層を堆積させることと、絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかをエネルギードーズ量に曝すことと、絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去するために絶縁層を現像することと、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さが光学フィルタのプロファイルを定めるように、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さの上に第２のミラー層を堆積させることとを含み、各部分から除去される絶縁層の体積は各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係し、絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係する方法が提供される。
【００１１】
有利なことに、この方法は、ウエハレベルでの製造に使用することができ、従来のナノフォトニック法を上回る光学性能及びカスタマイズ性を提供する。特に、上記方法では、ナノフォトニックの対応物とは異なり、超高解像度の面内パターニングが不要となる。
【００１２】
各ミラーは、部分的に光学的に反射性であることができ、また均一な厚さで堆積され得ることが理解されるであろう。方法はまた、絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかをエネルギードーズ量に曝すことを含み、その場合は、絶縁体の表面のすべての部分が曝されてもよく、また絶縁体の表面の選択された少数の部分のみが曝されてもよいことが理解されるであろう。絶縁体の表面のこれらの部分は、本開示ではピクセルと呼ぶこともある。また、エネルギードーズ量は、絶縁体又はレジスト材料に化学変化を引き起こし得るという点で、化学的に活性化させるエネルギードーズ量であり得ることが理解されるであろう。基板は透明層であり得る。他の実施例では、基板は、その上にフィルタが直接配置及び／又は製造され得るイメージセンサー自体であり得る。
【００１３】
方法は、絶縁層の複数の部分の前記少なくともいくつかから体積を除去するために絶縁層を現像することを含むことができる。換言すれば、絶縁体の特定の部分のみを現像することができる。各部分から除去される絶縁層の体積は、各部分（又はピクセル）に曝される活性化エネルギードーズ量に関係し得る。使用される絶縁体材料の種類に応じて、除去される体積は、各部分に曝される活性化エネルギードーズ量にほぼ比例して又はほぼ反比例して関係し得る。また、除去された体積に対応して、（絶縁層の各部分から体積を除去した後の）絶縁層の残存する厚さも、各部分に曝される活性化エネルギードーズ量（又は総エネルギー）に関係し得ることが理解されるであろう。活性化エネルギードーズ量は、エネルギーの可変ドーズ量であってもよく、ドーズ量は、絶縁層の曝される部分（すなわち、ピクセル）のそれぞれに対して変化させてもよい。
【００１４】
また、絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去するための絶縁層の現像は、絶縁層を化学的に現像することを含んでもよく、絶縁層の複数の部分の前記少なくともいくつかから除去された体積は、化学的に溶解する。したがって、化学的に溶解した層は、化学現像の一部として洗い流され得る。
【００１５】
方法は、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さが光学フィルタのプロファイルを定めることができるように、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さ上に第２のミラー層を堆積させることをさらに含み得る。残存する厚さは、換言すれば、現像された後、及び絶縁層の曝された部分（ポジ型又はネガ型レジストのトーンに適用可能）のそれぞれから体積が除去された後の絶縁体の残存する表面であることが理解されるであろう。
【００１６】
一実施例では、絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは、シングルステップのリソグラフィプロセスを使用することによって得ることができる。したがって、効率的なシングルステップのリソグラフィステップを行う能力は、多くの利点、例えば、低コスト、より効率的な製造、及び非常に高いレベルのデバイスの汎用性及びカスタマイズ性のいずれか１つ又はすべてを有することが理解されるであろう。一般に、エネルギードーズ量、例えば電子ビームのドーズ量は、任意のパターニングのグレースケールプロファイルを生成するように変調されてもよく、したがって、光学フィルタを製造するための有利に効率的なシングルステップのプロセスを可能にする。このようなシングルステップのドーズ量変調／グレースケールリソグラフィ法から生じる光学フィルタは、単純なフィルタ（例えば、従来のベイヤーフィルタ）と同等の製造時間で任意の複雑さのＭＳＦＡフィルタを進めることができる。
【００１７】
別の態様では、絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さを製造する方法は、グレースケールリソグラフィプロセスを使用することによって実現することができる。グレースケールリソグラフィプロセスを用いて得られる汎用性及び精度のために、デバイス内でますます小さく正確なピクセルを製造することが事実上可能になり、結果として有利に高い解像度が得られることがさらに理解されるであろう。
【００１８】
光学フィルタを製造する結果として、絶縁層の各部分の残存する厚さは、光波長の２次元プロファイルを定めることができ、２次元プロファイルは、光学フィルタを透過する面内で空間的に変化するカラープロファイルであり得ることが理解されるであろう。すなわち、絶縁層の複数の部分の残存する厚さのプロファイルは、入射光が光学フィルタに当たると、２Ｄ領域にわたって対応する色のプロファイルを生成し得る。したがって、絶縁層は、光学的に透過性、光学的に透明、又は少なくとも光学的に半透明であり得ることがさらに理解されるであろう。絶縁体はさらに、均一な厚さで堆積され得る。明確にするために、レジスト層、絶縁体層、及びレジスト／絶縁体キャビティはすべて、光学フィルタの同じ特徴を指すことが理解されるであろう。キャビティという用語は、空の空間を指すのではなく、むしろ、第１のミラー層と第２のミラー層との間に配置され得る絶縁体／レジストを指すことも理解されるであろう。有利なことに、この汎用的なアプローチは、単一のリソグラフィ処理ステップのみを必要とすることができ、光学フィルタの各波長帯域に対して同じ材料を使用することができ、製造プロセス及び得られる光学フィルタを高度にカスタマイズ可能にする。
【００１９】
一実施例では、絶縁層の各部分（言い換えれば、各ピクセル）の残存する厚さは、透過ピークのスペクトル（すなわち、波長）位置を定め得る。また、絶縁層の各部分を透過する（すなわち、各ピクセルを透過する）光のスペクトルは、スペクトル位置に対応し得る。換言すれば、各ピクセルを最終的に透過する光は、特徴的な光波長プロファイル、又は波長／色の範囲を示すことができ、これは、そのピクセル内の絶縁体キャビティの厚さに対応し得る。当然のことながら、フィルタを最終的に透過する光のスペクトルは、可視スペクトル内にあることに限定されず、光の近赤外（ＮＩＲ）、赤外（ＩＲ）、及び紫外（ＵＶ）スペクトルに及ぶことができる。同様に、フィルタを説明するために使用される光学という用語は、波長の可視電磁スペクトルに加えて、少なくともＮＩＲ、ＩＲ、及びＵＶスペクトルを含むことを意図している。
【００２０】
一般に、第１のミラー層は、部分的に光学的に反射性であることができ、第１の均一な厚さを有し、また、第２のミラー層は、部分的に光学的に反射性であることができ、また均一な厚さで配置され得ることが理解されるであろう。
【００２１】
別の実施例では、第１のミラー層の厚さを変えることができる。すなわち、より厚い又はより狭い第１のミラー層を基板上に配置することができる。第１のミラーが絶縁体及び第２のミラーを支持するデバイスの残りの部分が製造される場合、第１のミラー層の厚さが、絶縁層の各部分を通る光の透過スペクトルの幅を定め得ることが理解されるであろう。換言すれば、より厚い下部の（第１の）ミラー層は、そのピクセルを透過する光のより狭い又はより特定のスペクトルをもたらすことができる。より狭いスペクトルは、より小さい半値全幅（ＦＷＨＭ）とも定義され得ることがさらに理解されるであろう。したがって、上記に対応して、より狭い第１のミラー層が各ピクセルでの透過光のより広いスペクトルをもたらし得ることも明らかであろう。
【００２２】
説明したように、方法は、絶縁体を化学的に活性化させるエネルギードーズ量に曝すことを含み得る。一実施例では、絶縁層は、エネルギードーズ量に曝されると化学的に強化され得る。例えば、レジストは、活性化させるエネルギードーズ量に曝されると架橋され得るエネルギー感受性ポリマーであり得る。ポリマーにおける強化又は架橋の程度は、得られる絶縁体の溶解度（又はキャビティ）を変化させ得る。したがって、絶縁体が化学現像液に曝されたとき、各部分から除去される絶縁層の体積は、絶縁体の溶解度の変化に関係し得る。換言すれば、各部分からの絶縁層の残存する厚さは、各部分で曝されるエネルギードーズ量に比例し得る。この領域がネガティブトーンレジストポリマーを含むことは明らかであろう。
【００２３】
一実施例では、絶縁層は、エネルギードーズ量に曝されると化学的に弱化され得る。例えば、レジストは、活性化させるエネルギードーズ量に曝されると化学的に分解され得るエネルギー感受性ポリマーであり得る。換言すれば、各部分からの絶縁層の残存する厚さは、各部分で曝されるエネルギードーズ量に反比例し得る。この領域がポジティブトーンレジストポリマーを含み得ることは理解されるであろう。
【００２４】
当然のことながら、グレースケールリソグラフィプロセスを使用する方法は、エネルギーのビームを使用することを含み得る。また、エネルギービームは、複数の部分の少なくともいくつかについて変化させることができる。実施例では、エネルギーのビームは、電子のビームを含むことができ、又はビームは、光子、例えばレーザーを含むことができる。それでもなお、あらゆる他の適切な化学的に活性化させるエネルギーのビームを使用できることが理解されるであろう。例えば、直接書き込み紫外線（ＵＶ）レーザリソグラフィ（例えば、レーザー書き込み）、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）ベースのリソグラフィを含むマスクレス技術などの他のリソグラフィ技術を使用することができる。他の実施例では、マスクベースのリソグラフィ、例えばフォトリソグラフィを使用することができる。
【００２５】
代替的な実施例では、方法は、絶縁層上にマスクを提供することをさらに含み得る。方法はまた、マスクを化学的に活性化させるエネルギードーズ量に曝すことを含み得る。例えば、マスクに入射するエネルギードーズ量は、マスクの表面にわたって均一なエネルギードーズ量であり得る。また、方法は、絶縁層上にマスクを提供することをさらに含み、絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかを曝すエネルギードーズ量は、マスクを透過する。
【００２６】
この場合も、エネルギードーズ量は、化学的に活性化させるエネルギードーズ量であり得る。マスクは複数の部分を含むことができ、各部分は可変の不透明度を有し得ることが理解されるであろう。この可変の不透明度は、可変に減衰された複数のエネルギードーズ量が絶縁層に曝されるように、活性化エネルギーの均一なドーズ量を様々な程度に減衰させることができる。換言すれば、マスクは、各々がある程度の不透明度を有する複数の部分を含むことができ、マスクの各部分は、その部分の不透明度に従って化学的活性化エネルギーの均一なドーズ量を減衰させ、複数の減衰されたエネルギードーズ量が絶縁層に曝されるようにする。
【００２７】
方法は、絶縁層上に減衰マスクを提供することをさらに含み、減衰マスクは、減衰プロファイルを定める複数の部分を含み、絶縁層の表面にさらすエネルギードーズ量は、マスクを透過し、減衰プロファイルに従って減衰される。
【００２８】
減衰マスクの複数の部分は、少なくとも２つの異なるレベルの不透明度を有することができ、不透明度のレベルの１つは不透明又は実質的に不透明であり得る。すなわち、減衰マスクは、エネルギードーズ量を実質的に透過させない不透明な領域と、透明な部分とを含むバイナリマスクであり得る。透明な部分は、マスク全体に周期的に配置されてもよく、すなわち、各々が均一な繰り返しの寸法によって分離されてもよい。
【００２９】
方法は、マスクを絶縁層上で横方向に平行移動させ、絶縁層の表面を第２のエネルギードーズ量に曝すことをさらに含むことができ、第２のエネルギードーズ量は、マスクを透過し、減衰プロファイルに従って減衰される。当然のことながら、更なる横方向の平行移動及び更なるエネルギードーズ量への曝露が利用され得る。
【００３０】
有利なことに、上記のマスク方法によれば、バイナリマスクのみでグレースケールプロファイルを得ることができる。例えば、平行移動させられ、第２のエネルギードーズ量に曝される不透明又は透明な領域のみを含むマスクは、３つの異なるレベルの露光を、したがって、現像後に得られる３つの異なる透過波長を絶縁層に提供することができる。
【００３１】
さらに有利なことに、光学フィルタを製造するマスクベースの方法は、より大規模に行うことができ、イメージセンサー内のウエハレベルで、及び／又は市販のＣＭＯＳセンサーと直接組み合わせて製造することができる。
【００３２】
以下の詳細な実施例を参照して説明するマスクベースの方法は、本プロセスが単一の（グレースケール）リソグラフィステップを使用するという、既知の技術に勝る利点を有する。既知の（すなわち、古典的な）リソグラフィプロセスは通常、リソグラフィステップを何回も繰り返し、フィルタ設計におけるモジュール性／柔軟性をほとんど又は全く持たない。対照的に、本明細書に記載されるドーズ量／エネルギー変調方法の実施例は、フィルタ設計が容易に変調できるために、任意の範囲のフィルタ設計を提供する。
【００３３】
マスクの不透明度は、それぞれが様々な程度で不透明又は透明であり得るマスクの複数の部分（又はピクセル）を指すことが容易に理解されるであろう。すなわち、不透明度は、マスクを透過し得る入射光の割合を指す。したがって、マスクの複数の部分の可変不透明度が、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さ（すなわち、ピクセルの残存する厚さ）を定め得ることは明らかである。
【００３４】
マスクを使用する特徴は、フォトリソグラフィプロセスと呼ばれることがある。このマスクベースのプロセスは、一般に光子を含むエネルギービームを必要とするが、代替的に電子ビームを含み得る。マスクを必要とする方法は、絶縁層を化学的に現像することをさらに含むことができ、絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかからの可変容積が化学的に溶解され、絶縁層の複数の部分のそれぞれから除去され得る。絶縁体の残存する厚さは、化学現像溶液及び／又は脱イオン水への暴露を伴い得るこの現像ステップの結果であり得ることがこの場合も理解されるであろう。したがって、一般的に、製造可能な３次元光学フィルタデバイスは、グレースケールリソグラフィプロセスを使用して又はフォトリソグラフィ及びマスクプロセスを使用して製造される場合に、同一であり得ることが理解されるであろう。両方の方法が基本的に単一のリソグラフィステップを含むことが理解されるであろう。
【００３５】
方法の代替的な実施例で、我々は、第１のミラー層の上に更なるタイプの絶縁層を堆積させることをさらに含む方法を開示する。この更なるタイプの絶縁層は、よりロバストな又は弾力性のある材料、例えば石英などのあらゆる種類のガラスであり得る。
【００３６】
方法は、更なるタイプの絶縁層に絶縁／レジスト層を堆積させることをさらに含むことができる。方法は、絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかをエネルギードーズ量に曝すことを含むことができ、さらに、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さをエッチングすることを含むことができる。これに続いて、方法は、更なるタイプの絶縁層を現像すること（記載のように化学的に現像すること又は他の適切な現像手順）を含むことができる。よりロバストな更なるタイプの絶縁層をエッチングすることにより、更なるタイプの絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去することができる。エッチングは、ドライエッチングであってもよく、重イオン衝撃（反応性イオンエッチング）を含んでもよく、又は他の実施例では、フッ化水素酸などの湿式（化学）エッチングを含み得る。
【００３７】
しかしながら、反応性イオンエッチングステップ（イオン化した粒子の衝撃）は、露光と現像とを組み合わせたステップとして機能することができ、この場合、衝撃は、ロバストな絶縁体表面を物理的にエッチングすることを含み得る。他の実施例のように、方法は、更なるタイプの絶縁層に第２のミラー層を堆積させることを含むことができる。
【００３８】
スタンピングブロックを提供することを含む、光学フィルタを製造する方法の別の実施例が開示される。方法は、スタンピングブロックを提供することと、スタンピングブロック上に第１の絶縁層を堆積させることと、第１の絶縁層の表面の複数の部分の少なくともいくつかをエネルギードーズ量にさらすことと、前記第１の絶縁層の複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去するために第１の絶縁層を現像することとを含み、各部分から除去される第１の絶縁層の体積は、各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係し、第１の絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは、各部分に曝されるエネルギードーズ量に関係する。方法はまた、第１の絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さをエッチングすることを含み、残存する厚さをエッチングするステップは、スタンピングブロックの複数の部分の少なくともいくつかから体積を除去する。
【００３９】
方法は、基板上に第１のミラー層を堆積させることと、第１のミラー層に第２の絶縁層を堆積させることと、可変の厚さを有する部分が第２の絶縁層に形成されるように、第２の絶縁層にスタンピングブロックを当てて第２の絶縁層にスタンピングブロックのパターンをインプリントすることとをさらに含むことができる。最後に、方法は、第２の絶縁層が光学フィルタのプロファイルを定めるように、第２の絶縁層に形成された可変の厚さを有する部分のそれぞれに第２のミラー層を堆積させることを含むことができる。
【００４０】
このスタンピングブロックもロバストな又は弾力性のある材料から構成され得ることが理解されるであろう。ロバストな材料は、化学的に活性化させるエネルギードーズ量の影響に耐えることができるが、例えばイオン化した粒子による衝撃を伴う、より強力な方法によってエッチングされ得ることが理解されるであろう。例えば、活性化させるエネルギードーズ量は、レジスト／絶縁体層を活性化するのに十分なエネルギーのみを有し、スタンピングブロック層を活性化しない電子ビームであり得る。代わりにフォトリソグラフィ技術を使用することができ、すなわち、光子のビームを使用し、光子のビームを減衰させるマスクを含むことができる。
【００４１】
各部分から除去される更なる絶縁層の体積は、各部分に曝される活性化エネルギードーズ量に関係し得るため、更なる絶縁層の各部分から体積を除去した後の残存する厚さは、各部分に曝される活性化エネルギードーズ量に関係し得ることが理解されるであろう。エッチングのために、更なる絶縁層の部分を正に帯電したアルゴン（Ａｒ）原子に衝突させることができるドライエッチング手順を使用することができ、又は他の実施例では、湿式（化学）エッチングを使用することができる。イオンの衝撃は、均一なドーズ量の曝露として与えられ得ることがさらに理解されるであろう。方法は、最終的に、スタンピングブロックを現像することを含むことができ、その場合、スタンピングブロックの複数の部分の少なくともいくつかから体積が除去され得る。
【００４２】
その表面にエッチングされた様々な厚さのプロファイルを有するスタンピングブロックの製造後、得られるスタンピングブロックがマスタースタンピング染料を形成し得ることが理解されるであろう。したがって、方法の一実施例は、（エッチングされた）スタンピングブロック（マスタースタンピング染料としても知られる）を絶縁層に当てることをさらに含み得る。そうすることにより、エッチング／イオン衝撃後にスタンピングブロックの表面に存在し得る厚さのパターン／プロファイルに対応する、絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さをインプリントすることができる。絶縁層の複数の部分のそれぞれの残存する厚さのプロファイルを効果的にインプリントするために、スタンピングブロックは、付加的な圧力及び／又は熱を使用することにより当てられ得ることがさらに明らかであろう。
【００４３】
デバイス及び方法の別の実施例では、ミラー層は、任意選択で不活性／非反応性金属である金属及び／又は誘電体材料から構成され得る。例えば、金属は、アルミニウム又は銀（Ａｇ）であることができ、非常に薄い層（例えば、約３０ｎｍ未満）に配置され得る。方法及びデバイスのさらに別の実施例では、ミラーの１つ以上をパターニングするか又は事前パターニングすることができる。パターニングは、ミラー層の異なるナノ構造を与えることを含むことができ、これは、絶縁層の各部分を通る光の透過スペクトルに、更なる特性、例えば偏光依存性を付与し得る。
【００４４】
当然のことながら、方法の記載された態様のいずれも、第２のミラー層にキャッピング又は封止層を堆積させることをさらに含み得る。キャッピング又は封止層は、デバイスに更なる機械的及び／又は化学的安定性を与えるために追加され得る。また、デバイスの光学特性を改善するために、方法のいずれの態様も、（絶縁体がポリマーである場合）閾値温度を超えて製造されたフィルタを加熱することをさらに含み得る。この温度は、ポリマーのガラス転移温度であり得る。加熱を行うことにより、ポリマーの表面の平滑性を改善することができ、フィルタの光学特性（例えば、透過効率）を有利に高めることができる。
【００４５】
別の実施例では、光学フィルタデバイスであって、基板と、基板上に配置された第１のミラー層と、複数の部分を有する絶縁層であって、複数の部分の少なくともいくつかが可変の厚さを有する絶縁層と、絶縁層上に配置された第２のミラー層とを含む光学フィルタデバイスが提供される。絶縁層の複数の部分は、上述の方法を用いて作られる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
以下の添付の図面を参照して、本発明のこれら及び他の態様を例としてのみさらに説明する。
【図１】製造されたマルチスペクトラムフィルタ及び対応する層の挿入図を示す。
【図２】連続した製造ステップにおける一連のフィルタを示す。
【図３】図３ａ及び図３ｂはそれぞれ、加えられたエネルギードーズ量、絶縁体の高さ、及び得られるカラースペクトルの間の対応関係を示す。
【図４】図４ａ及び図４ｂはそれぞれ、ある範囲のレジスト厚の波長透過プロファイルのグラフを示す。図４ｃ及び図４ｄはそれぞれ、透過カラーのプロファイルと相関があるレジスト厚のプロファイルを示す。
【図５】図５ａから図５ｆはそれぞれ、３次元光学フィルタによって生成されたピクセルのモザイクを示す。
【図６】図６ａ及び図６ｂはそれぞれ、フィルタピクセルのモザイク、それらの対応するレジスト高さプロファイル、及びそれらの正確に対応する波長プロファイルを示す。
【図７】図７ａは、レジスト層内にトラップされた固有モード及び対応する透過波長を示す。図７ｂ及び図７ｃはそれぞれ、波長透過プロファイルのグラフ、及び絶縁体キャビティ内で観察される対応する電界のグラフを示す。
【図８】図８ａ及び図８ｂはそれぞれ、ドーム及び直線傾斜を含むフィルタピクセルのモザイクの更なる実施例を示す。
【図９】図９ａ及び図９ｂは、フォトマスクフォトリソグラフィを含む代替的な製造方法における２つの変形例を示す。
【図１０】マスタースタンプを生成するための反応性イオンエッチング、及びマスタースタンプを使用するＭＳＦＡ製造技術を含む代替的な製造方法を示す。
【図１１】ロバストな絶縁体表面の単一のリソグラフィステップとそれに続く単一の反応性イオンエッチングステップとを含む代替的な製造方法を示す。
【図１２】図１２ａ及び図１２ｂはそれぞれ、得られる波長プロファイルに対するドーズ量変化及び現像時間の影響の説明図、及び露光ドーズ量が直線的に増加する５×５μｍの正方形（ピクセル）のアレイの光学顕微鏡写真（透過型）を示す。
【図１３】図１３ａ及び図１３ｂはそれぞれ、グレースケールフォトマスク及びバイナリフォトマスクを使用する製造プロセスフローの概略図を示す。
【図１４】拡大された挿入領域を含む約３２個の９バンドＭＳＦＡを有する３インチウエハの写真、及びウエハの異なる領域のタイル状のＳＥＭ顕微鏡写真光学顕微鏡写真（透過型）を示す。
【図１５】３つの異なるレシピによる一連のＭＳＦＡパターンによる光学特性のボックスプロットを示す。
【図１６】いくつかの解像度における様々なＭＩＭピクセルアレイの一連のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本明細書は、グレースケール及び他のシングルステップのリソグラフィ技術を含むマルチスペクトル光学フィルタデバイスを製造する方法、並びに対応するデバイスの構造及び特性を記載している。以下の説明において例として説明されるアプローチを使用すると、モノクロＣＭＯＳイメージセンサーに取り付けられた特注のＭＩＭ−ＭＳＦＡを使用して、いくつかのスペクトル的に異なるターゲットのマルチスペクトルイメージングを実現することが可能である。説明されている独自のフレームワークは、カスタマイズ性を高めながら、これらの複雑な光学デバイスの製造の複雑さとコストの両方を低減することにより、従来のＭＳＦＡ製造及びメタサーファスベースのスペクトルフィルタに代わる魅力的で有利な代替手段を提供する。
【００４８】
要約すると、以下の説明的な実施例では、単一のリソグラフィ処理ステップ（グレースケールからカラー）を使用して、可視光からＮＩＲまで動作する高効率で狭帯域の高度にカスタマイズ可能なＭＳＦＡを製造するための独特なアプローチが示されており、これにはウエハレベルの製造の可能性が含まれる。グレースケールのドーズ量マトリクスを利用して、ＭＩＭ形状でカスタマイズ可能な絶縁体厚プロファイルを生成し、ＵＶ‐可視‐ＮＩＲ電磁スペクトルにわたる光学フィルタを製造する。
【００４９】
全体として図１を参照すると、金属絶縁体金属（ＭＩＭ）構造１００は、高い透過効率（例えば、７５％）の光学フィルタに加えて、狭帯域カラーフィルタリング（すなわち、透過光スペクトルの狭い半値全幅、ＦＷＨＭ）を提供することができる。当然のことながら、ＭＩＭ構造体では、金属層はミラーとして機能することができ、したがってミラー層と呼ぶこともできる。このようなＭＩＭ構造体では、絶縁体（又はレジストキャビティ又はレジスト又はキャビティ）１１０の厚さ１０２（レジストキャビティ内の光路長）がフィルタのスペクトル位置を定め、一方又は両方のミラー（換言すれば、１つ以上のミラー）の厚さが透過光１０４の帯域幅を定める。換言すれば、レジスト／絶縁体１１０の厚さ１０２は透過光スペクトルが中心となる波長を定め、透過光スペクトルのＦＷＨＭはいずれかのミラー又は両方のミラーの厚さによって決まる。
【００５０】
好ましくは、ミラー層１０８、１１２は金属（不活性／非反応性金属又は貴金属であり得る）で作られることができ、さらに好ましくは極薄（例えば、約５０ｎｍ未満）層として配置される。好ましい実施例では、この金属は銀であり、物理的気相成長法（例えば、蒸着、スパッタリングなど）又は化学的気相成長法を用いて堆積させることができる。銀の各層は、好ましくは幅が約２０から３０ｎｍであり、理想的には幅が約２６又は２７ｎｍである。しかしながら、ミラー層は代わりに、誘電体材料の光学的に積み重ねられた層で作られ得る。いずれのシナリオにおいても、ミラー層１０８、１１２は、入射光がレジストキャビティ１１０を通って入ることを可能にするために十分に半透明であるが、特定の波長の光のみを透過させるために十分に光学的に反射性である。
【００５１】
好ましくは、ミラー絶縁体ミラー構造を使用して、レジストキャビティ１１０内で光学固有モード７１８（図７（ａ）参照）を励起し、狭帯域カラーフィルタリングをもたらすことができる。特定の実施形態では、ミラーは金属層を含むことができる。したがって、ミラー層１０８、１１２は好ましくは、キャビティ１１０内に光の結合又は励起を提供するために十分に光学的に反射性でなければならない。このように、各部分（ピクセル）におけるキャビティ又は絶縁体の厚さは、キャビティ内の特定の波長の光の励起によって定義されるスペクトル位置を定める。続いて、各絶縁体部分を通る透過光１０４のスペクトルは、絶縁体キャビティ内で励起される光の光波長に対応する。当然のことながら、キャビティ１１０の上及び／又は下にダイクロイックミラーを使用することが可能である。
【００５２】
図１は、個々の絶縁体又はキャビティ部分（すなわち、ピクセル）の個々の層を示すための挿入図を含む、製造された光学フィルタ１００の実施例を示す。各ピクセルの層は、下から上に、基板１４４、好ましくはガラス（例えば、ＳｉＯ2）又はイメージセンサー自体、極薄ミラー層（好ましくは銀）１１２、レジスト又は絶縁体層１１０、及び第２の極薄ミラー層１０８を含み得る。更なる層１０６が、第２のミラー層の上に配置されてもよく、その場合、更なる層は、フィルタデバイスに化学的及び／又は機械的強度を加えるように設計される。この更なる（キャッピング）層１０６は、好ましくは均一な厚さで配置された、透明で、化学的に不活性で、機械的に剛性の材料、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）の極薄層を含むことができる。基板層は、透明層であり得る。基板はイメージセンサー自体であってもよく、その上にフィルタを直接配置して製造することができる。代替的に、銀ミラーを数層の交互屈折率全誘電体ミラー（例えば、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2）9に置き換えることができ、それによって、よりロバストで、化学的に不活性で、費用効果の高いアプローチが可能になる。
【００５３】
さらに有利には、更なる層１０６は、フィルタ１００の光学特性に（改善されないとしても）最小限の影響を与えるキャッピング層として機能する。それにもかかわらず、完全かつ高効率で動作可能なＭＳＦＡ構造を実現するために、これらの層のすべてが必ずしも存在するわけではないことが当業者には理解されるであろう。また、追加の層が、ＭＳＦＡフィルタを作製する際の他の代替的な製造プロセス（例えば、それぞれ図１０及び図１１の方法１０００、１１００）に存在し得る。
【００５４】
説明したように、キャビティ１１０内のレジストの得られる厚さ１０２は、シングルステップのグレースケールリソグラフィによって現像された後、最終的にフィルタアレイの出力カラープロファイルを決定する。図１は、フィルタ１００の厚さの特定の３次元プロファイルから生じる光波長１０４のプロファイルをさらに示している。第１のミラー層１１２は任意選択で、例えば均一な厚さで基板１１４上に配置される。この均一な厚さは、製造プロセス中にスペクトル選択性（ＦＷＨＭ）を調整するために変えることができる。最終フィルタは、様々な異なる色のピクセルに対応する、様々な異なる厚さのレジスト又は絶縁体を含む可能性があるが、レジスト部分（ピクセル）のそれぞれに配置された第２のミラー層１０８は一般に、デバイス全体にわたって等しい／均一な厚さである。具体的には、この第２のミラー層１０８の均一な厚さは、最大約５０ｎｍであり得、好ましい実施例では、約２６又は２７ｎｍであり得る。一実施例では、この範囲は金属ミラーに適用可能である。
【００５５】
本開示は一般に、ＭＩＭ構造体及びＭＳＦＡデバイスの既知の製造技術に対する改良を教示する。この改良は部分的に、グレースケールリソグラフィプロセスを含む。グレースケールリソグラフィは、面内で空間的に変化する３次元情報を可変エネルギー露光によってフォトレジストに与えることができるシングルステップのリソグラフィプロセスである。露光はレジストの局所的な溶解度を制御するので、レジスト現像中、残存するレジスト厚は、レジストの体積に供給される全エネルギーによって決まる。レジスト感度（残存するレジスト厚対ドーズ量）を決定することにより、特定のグレースケールエネルギードーズ量パターンが、特定の３Ｄレジストプロファイルをもたらす。有利なことに、このシングルステップのリソグラフィプロセスは、非常に多用途で容易にカスタマイズ可能な特定の３Ｄレジストプロファイルの製造を可能にする。
【００５６】
図２は、グレースケールリソグラフィ手順を使用する（図１の）マルチスペクトラムフィルタ１００の製造段階２００を示す。第１ステップ２０５において、エネルギービームへの露光前の構造体２０６は、初めは均一な厚さのレジスト層２０７を含む。構造体２０６上に重ねられたグレースケールピクセル２０９は、絶縁体表面の各部分に露光されたドーズ量を表し、白は高いドーズ量に対応し、黒は低いドーズ量に対応する。したがって、ネガティブトーンを含むこの実施例では、高エネルギードーズ量は、得られる厚いレジストピクセル層の厚さ２０２（第２ステップ２１０参照）に対応する。次に、露光されたレジストの一部を除去するために、露光されたフィルタを現像する。一実施例では、この現像は、レジストを化学エッチング／現像液に曝すことを含む。化学現像液は、グレースケール電子ビームに曝された後のレジストの可変溶解度に応じて、レジストの表面を様々な程度に溶解する。現像プロセスはまた、脱イオン水による更なる洗浄を含むことができる。例えば、化学現像液は、好ましくはネガティブトーンＭａＮ−２４００レジストと共に使用され得る、十分な濃度のＡＺ−７２６−ＭＩＦ現像液を含み得る。しかしながら、使用される化学現像液のタイプは一般に、使用されるレジスト材料に応じて選択されることが理解されるであろう。後述するように、ポジティブトーンレジストを使用することも可能である。
【００５７】
（第２の製造ステップ２１０における）構造体２０６の露光及びその後の現像から生じるフィルタは、ピクセルを定める複数の残存するレジスト厚２０２を有し、ピクセルは互いに直接隣接している。第３のステップ２１２において、第２のミラー層（図１の１０８にあるような）及びキャッピング層（図１の１０６）を残存する絶縁体部分２０２の上に配置する。続いて、入射光源２１４が、各レジストピクセルの厚さ２０２に従って異なるようにフィルタリングされる。その結果、各ピクセルが異なるスペクトル位置の光波長を透過する、特定の光波長の透過カラープロファイル２０４が得られる。
【００５８】
この実施例では、エネルギードーズ量に曝されると強くなるネガティブトーンレジストが使用されていることが当業者には理解されるであろう。別の実施例では、エネルギードーズ量に曝されると弱くなるポジティブトーンレジストを使用することができる。この別の実施例では、高い（白色の）エネルギードーズ量は、薄いレジスト厚２０２をもたらす。ネガティブトーンレジストについて、図２は、レジスト感度プロファイル２０８を示す。エネルギードーズ量の増加が、（現像及び／又は洗浄後の）残存するレジストの厚さの増加に直接対応する特定の範囲が存在することが分かる。この範囲の下限（２０８に垂直の破線で示されている）より大きいエネルギーが化学的に活性化させるエネルギードーズ量を表すことが当業者には理解されるであろう。換言すれば、この範囲は、絶縁体材料を強化、弱化、又はエッチングすることができるエネルギードーズ量を表す。この範囲は使用される特定のレジスト材料の特性であることも容易に理解されるであろう。例えば、レジスト材料は、化学的に活性化させるエネルギードーズ量が約１５μＣ  ｃｍ-2と低くなるように、十分にエネルギーに感受性がある。しかしながら、エネルギードーズ量の値がレジストによって異なることは容易に理解されるであろう。また、エネルギービームが光子のビームを含む場合、エネルギー／パワーのそれぞれの単位は、ｍＷ  ｃｍ-2であり得る。
【００５９】
ＭＩＭ構造体を構築した後に、更なる製造後ステップを使用してもよい。例えば、ＭＳＦＡ又はＣＦＡフィルタであり得る完成したデバイスは、レジスト／絶縁体のガラス転移温度を超えて加熱又はベークすることができる。このベークを行うと、レジストが柔らかくなり、より滑らかな表面が形成され得る。この滑らかな表面は、デバイスをベークした後に冷却すると持続する。滑らかな表面は、その後、例えば、層を通る全体的な透過効率を高めることによって、フィルタの光学性能特性を改善することができる。レジスト熱リフローと呼ばれるこの技術については、後の節でより詳細に説明する。
【００６０】
グレースケールリソグラフィを用いてＭＩＭ構造体を製造する利点は、本開示において強調されている。特に、ガラスを含むあらゆる好適な基板上に又は直接イメージセンサー上に配置され得る、高効率のＭＩＭＣＦＡを製造することが可能である。したがって、このようなＣＦＡ（又はＭＳＦＡ）フィルタは、従来のＣＭＯＳイメージセンサーと組み合わせて使用される場合、マルチスペクトル検査シーンを画像化するために使用され得る。絶縁体（キャビティ）材料として使用される、グレースケールリソグラフィの結果として生成されるレジスト厚は、露光エネルギーによって決定される。当然のことながら、これは、あらゆる電子イメージセンサー（ＣＣＤベース、ＣＭＯＳベース、ｓＣＭＯＳベース）の上に直接製造され又は接合されたフィルタに適用可能である。「マルチスペクトル検査シーン」は、一般にシーンの情報、すなわち、従来のＲＧＢベースのフィルタアレイ／センサーからあらゆる種類のマルチスペクトルアレイまでをスペクトル的に識別することを意図して画像化するためのものであることが理解されるであろう。例えば、最終的な用途は、多様であり、例えば、生物組織の画像化、化学混合物の画像化、及び適用できる場合は他の多くの用途であり得る。
【００６１】
図３ａ及び図３ｂはいずれも、可変エネルギードーズ量露光の概念を示している。極薄（例えば、約２６ｎｍの厚さ）の銀ミラーが、空間的に変化しかつ厚さが変化する（２００ｎｍ未満の）絶縁体（レジスト）を取り囲む。紫外可視近赤外（ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ）スペクトル範囲による高効率（約７５％）で狭い線幅（約５０ｎｍのＦＷＨＭ）のカラーフィルタリングを達成することができる。ＣＦＡ及びＭＳＦＡを生成するためにＭＩＭ構造体を製造する際のグレースケールリソグラフィの技術は、製造の汎用性、コスト、製造効率に関して、及びフィルタデバイスの特性自体に関して、技術水準を超える多数の利点を示す。有利なことに、電子ビームリソグラフィにより高電流を使用することができ、これにより、レジストの比較的低い臨界露光ドーズ量と組み合わせて、比較的大きなサンプル領域（例えば、数ｍｍ2）にわたって適度に短い時間で製造が可能になる。
【００６２】
グレースケール電子ビームリソグラフィ（Ｇ−ＥＢＬ）を使用して、絶縁体（又はレジスト）層を空間的に変化させることができ、この場合、絶縁体は基板２１１（図２参照）上に配置される。任意選択で、基板はガラスで作られ、好ましくはＳｉＯ2を含む。実施例では、基板は、イメージセンサー自体を含むことができる。その結果、電磁スペクトルの可視及び近赤外部分にわたって動作する空間的に変化する透過フィルタが得られる。Ｇ−ＥＢＬを用いたＭＳＦＡの製造に使用される、本開示に記載される材料層の組合せの更なる利点は、デバイスの材料及び形状の選択に応じて、約７５％の透過効率及び約５０ｎｍの線幅（ＦＷＨＭ）を達成できることである。換言すれば、透過光の狭いスペクトルが、高度に選択的なＭＦＳＡ又はＣＦＡに対応する各ＭＩＭフィルタ部分によって達成され得る。
【００６３】
Ｇ‐ＥＢＬはドーズ量変調された露光方式により３次元（３Ｄ）レジストプロファイルを生成できる技術である。例えば、図３において、レジスト（ポリマー）の分子量は、レジストに曝されるエネルギードーズ量３０８によって変更される３１０。したがって、現像液の選択性（現像の速度）はエネルギードーズ量の関数である。グレースケールプロファイルの場合、残存するレジスト厚３０２（現像後）は、ドーズ量３０８及び／又は現像時間によって決まる。ＭＩＭ光学フィルタシステムにおける絶縁体材料として３Ｄプロファイルレジストを利用することにより、光波長３０４のマルチスペクトルの透過を示す、空間依存する３ＤＭＩＭ構造体を製造することができる。したがって、高効率のＣＦＡ又はＭＳＦＡを製造することができる。
【００６４】
一実施例では、絶縁体の材料は、ｍａ−Ｎ２４００シリーズなどのネガティブトーン電子ビームレジスト材料であり得る。このレジスト材料はＧ‐ＥＢＬで用いる高い分解能を有し、これによりモザイク内のますます小さく正確なピクセルが効果的に可能になる。さらに有利なことに、レジストは比較的高い感度を有する。「ネガ型」レジストは、十分な強度の電子ビームなどの化学的に活性化させるエネルギードーズ量に曝されると化学的に強化される特性を有することが当業者には理解されるであろう。具体的には、ポリマー材料の内部鎖は、エネルギーに曝されると架橋され、除去に対してより強くなる。したがって、レジスト高さの複雑なプロファイルを生成するために、エネルギーの可変ドーズ量をレジスト材料の非常に限定された部分に曝すことができる。エネルギービームの可変ドーズ量によるレジスト表面の複数の部分への曝露に続いて、ビームによって十分に強化されていないレジスト材料の部分は、いくつかの現像プロセスによって除去／溶解され、例えば、化学溶媒（又はあらゆる好適な化学現像液）を用いて溶解され又は洗い流され、その後、任意選択で脱イオン水でさらに洗浄され得る。
【００６５】
その後に残るレジスト材料の量は、各部分で受け取られるエネルギードーズ量に（ネガティブトーンレジストの場合は比例的に）対応する。この対応関係は、レジスト感度と呼ばれることもあり、残存するレジスト厚対ドーズ量プロファイル３０８（又はコントラスト曲線）は、レジスト材料ごとに製造前に予め定められ得る（図３参照）。換言すれば、レジストの分子量（及びこれに対応して現像後の得られる厚さ）は、露光ドーズ量によって変更され、したがって、現像の速度はドーズ量の関数となる。
【００６６】
空間的に変化するＣＦＡ又はＭＳＦＡを、モノクロＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサーと組み合わせて、様々なスペクトル的に異なるターゲットのマルチスペクトルイメージングのために使用することができる。光学フィルタ用のＭＩＭ構造体は、高効率のフィルタ特性を有するという利点がある。換言すれば、これらは、入射光の所望の波長の大部分を透過させながら、光のマルチスペクトル及び選択的狭帯域フィルタリングを可能にする。ＭＩＭ構造体はまた角度依存性の低下を示す。記載された方法は、約２００ｎｍ未満のＭＩＭベースのＭＳＦＡを可能にし、典型的な多層交互示指の角度依存性を低減する。これらの特徴の両方により、ＭＩＭ構造体はＣＦＡとＭＦＳＡの優れた候補となる。このようなＭＳＦＡフィルタの更なる代替的な用途、例えば、画像化されるターゲットの直接照明が存在する。
【００６７】
説明したように、光の透過波長はレジストキャビティの厚さを示す。２つのミラー層の間で、光は、ミラー層の間で内部反射される自己相互作用する光の波長によって固有モードが励起されるように反射される。その後、この励起された光の波長又は非常に類似した波長の光のみがフィルタを通過することができる。すなわち、自己相互作用する波長によって定義される特定のスペクトル位置を中心とする光のみがフィルタを透過する。
【００６８】
より詳細には、極薄ミラー層（金属製であり得る）は、好ましくは、上部ミラーと下部ミラーとの間のエネルギーの結合を可能にする部分反射分散ミラーである。ミラーが絶縁体によって分離され、２つの間に有限の光路長を形成している場合、上部ミラー層をトンネルして絶縁体キャビティの中心領域に高度に集中する入射光の電界に対応する固有モード（高調波共振）が励起される。絶縁体の厚さにより、システム固有モード波長での透過フィルタリングが生じる。換言すれば、絶縁体の厚さは、透過ピークのスペクトル位置に対応する。
【００６９】
また、ミラー厚さはシステムへの結合効率を制御し、透過線幅（透過ＦＷＨＭ）に影響を与える。したがって、より厚いミラー（第１及び第２のミラーの一方又は両方）を堆積させると、透過光のスペクトルがより選択的で狭くなる（すなわち、ＦＷＨＭがより狭くなる）。しかしながら、より厚いミラーは逆に全体的な透過率に影響を与える可能性があり、その結果、より狭い透過スペクトルの全体的な透過率はより低くなる可能性がある。
【００７０】
図４は、光学フィルタの動作原理、グレースケールのドーズ量変調による色の生成４００を示す。図４ａは、銀ミラーを分離する非分散絶縁体（又は屈折率をｎ＝１．６５３としてシミュレートしたレジスト）を有する連続的な銀レジスト銀（Ａｇ−レジスト−Ａｇ）ＭＩＭキャビティの透過応答の電磁シミュレーションを示す。絶縁体の厚さ（ｚで表される）が増大すると、ミラー層間の光路長が増大する。その結果、固有モードのスペクトル位置はそれに応じて赤方偏移する。すなわち、透過光の波長が長くなる。また、より厚い絶縁体層に対して、システムの更なる高次４１０の高調波モード（ファブリペロー状モード）に対応する複数の透過ピークが励起される。図４ａを作成する際に使用した特定のシミュレーションについては、層の形状及び組成は、下部層から始まって以下の通りである。ＳｉＯ2基板−Ａｇ第１ミラー（２６ｎｍ）−レジスト（ｎ＝１．６５３）−Ａｇ第２ミラー（２６ｎｍ）−ＭｇＦ2キャッピング層（１０ｎｍ）。当然のことながら、本開示は、ファブリペロー状モードに限定されない。導波モード、プラズモン（例えば、表面プラズモン）共鳴及び磁気共鳴（例えば、誘電体共振）などの他のモードも同様に利用可能である。
【００７１】
図４ａ及び図４ｂはさらに、各正方形（すなわち、エネルギーの可変ドーズ量に曝される各絶縁体部分）に対して得られる透過モードは、露光ドーズ量が増加するにつれて、４００から７５０ｎｍの光波長からスペクトルシフトすることを示す。同様に、これらのより大きな光波長は、より厚い絶縁体層に対応する。図４ａに見られるように、より小さなエネルギードーズ量の下で現像されたより小さな絶縁体層には、１次共振４０６のみが存在する。より高いドーズ量の場合、２次共振４０８モードも励起される。一定のドーズ量範囲で現像時間をさらに増加させると、光透過が青方偏移し、３次共振４１０モードさえも予測される。最大約７５％の透過率と約５０ｎｍの狭いＦＨＷＭが（ｂ）（ｉｉ）で観察され、厚さの値は最大約１５０ｎｍである。
【００７２】
図４ｂは、ドーズ量変調された（使用された電子ビームエネルギードーズ量は１５〜５５μＣ  ｃｍ-2であった）１０μｍの矩形パターンのＭＩＭ構造体の実験的な光透過スペクトル４０２を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて得られた４０４の最終的な厚さと共に示す。これを達成するために、１０μｍの正方形の２Ｄアレイ（ｘ−ｙ次元）には、Ｇ−ＥＢＬ後に（一定の現像時間にわたって）各正方形がｚ次元に様々な３Ｄの最終的な厚さを有するように、ますます高いドーズ量の値が割り当てられる。具体的には、実験的なスペクトル４０２は、２つの２６ｎｍのＡｇ層及び１２ｎｍのＭｇＦ2封止層と共に、電子ビーム下で１０秒間にわたって現像されたｍａ−Ｎ−２４０５レジストを用いて生成された。それでもなお、レジスト、ミラー層、及びキャッピング層の異なる組み合わせが非常に類似した結果を達成できることを理解されたい。例えば、ＳｉＯ2をカプセル化／キャッピング層として使用することもできる。
【００７３】
図４ｃ及び図４ｄはそれぞれ、ＭＩＭ構造体の２つの実験的なドーズ量変調パターンを示す。上の画像は、光学顕微鏡から実験的に測定された２Ｄカラープロファイルを示し、下の画像は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）から測定された対応する構造を示す。図４ｃ及び図４ｄにおいて、直線的に変化するグレースケール露光ドーズ量から生成される、得られるキャビティ高さの違いは、透過において様々な色をもたらすことが明確に分かる。
【００７４】
図５ａから図５ｆはそれぞれ、このアプローチの汎用性を示しており、それぞれの個別のサブ図は、光学顕微鏡（透過型）の下で示される異なるモザイクピクセル設計を有する。さらに、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像５０２、５０４、５０６が与えられ、これらはそれぞれ図５ｄ、図５ｅ、及び図５ｆに対応する。従来の技術を用いてこの設計の多様性を達成することは、特に示された高い光学性能を達成するために、極めてプロセス集約的である。当技術分野で従来の技術を使用することは、多くのリソグラフィステップ、材料及びマスクを必要とし、したがって、ひどく費用がかかりかつ／又は時間がかかる。有利には、本明細書に記載されている方法は、図５に示される用途の広いモザイクパターンを、単一のリソグラフィステップのみを用いて製造することを可能にする。本明細書の製造プロセスでは、最小のコスト、時間、及び消耗材料が使用される。また、すべてのパターンを同じガラスチップ（例えば、ＳｉＯ2基板）上に製造することができる。
【００７５】
図６ａ及び図６ｂはそれぞれ、シングルステップのＧ−ＥＢＬ製造方法を用いて製造されたカラーフィルタアレイの２つの実施形態を示す。図６ａ及び図６ｂの両方の配置は、同じピクセル密度を使用する。図６ａは、そのピクセルパターンがよく知られているベイヤーフィルタ６０２の形態をとる典型的なＣＦＡフィルタを示している。ベイヤーフィルタは、それぞれが１つの対角線上に２つの緑の正方形と、残りの正方形に１つの赤及び青の正方形とを含む、２×２アレイユニットを含む。このＣＦＡに対応するＧ−ＥＢＬによって生成された厚さのプロファイル６０４も、ＡＦＭ画像から得られるトポグラフィプロファイルであるアンダーレイ画像として示されている。さらに、フィルタ全体によって生成される正確な光学スペクトル６１０が示されている。
【００７６】
図６ｂは、３×３ユニットアレイによる９つの異なる光透過波長を有するより高性能のＭＳＦＡ６０６を示している。このＭＳＦＡに対応するＧ−ＥＢＬによって生成された厚さのプロファイル６０８も、９つの異なるレジスト厚が見られるアンダーレイ画像として示されている。この場合も、全体としてフィルタを透過した光によって生成される光学スペクトル６１２が示されている。Ｇ‐ＥＢＬ技術は、高い透過率を達成できるという標準的なベイヤーフィルタを超える利点を有する。Ｇ−ＥＢＬのベイヤーフィルタ及びＭＳＦＡフィルタにそれぞれ対応するスペクトル６１０、６１２は、すべての色／光波長に対してこれらの高い光透過率（ｙ軸）を示す。
【００７７】
図７ａは、絶縁体キャビティ７１０内の光結合７１８及び固有モードの生成を示す。２つのミラー７０８、７１２間の励起７１８の結果として、（可視スペクトル全体にわたる光波長の全スペクトルを含む）入射光７０４は、透過光７１６がレジスト厚に対応する波長の特定のスペクトルのみを含むようにフィルタリングされる。フィルタ構造はさらに、キャッピング層７０６及びガラス基板７１４を示す。
【００７８】
図７ｂは、銀（Ａｇ）ミラーを有するＭＩＭキャビティの更なる有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示す。絶縁体（レジスト）の厚さの関数としての透過率が示され、それにより、レジスト層が厚いと、赤方偏移した長波長の一次励起モードに加えて、複数の高次励起７２０（短波長、例えば７０２で）が生じることがこの場合も観察され得る。図４ａのように、波長（ｘ軸）は、ｎｍでのレジスト厚（ｙ軸）の関数としてプロットされる。
【００７９】
図７ｃは、絶縁体７１０キャビティ内で観察された対応する電界７００（又はＥ場）のグラフを示す。Ｅ場は、固有モードの高調波共振に正確に対応するレジストキャビティ内の高濃度領域を示す。より大きなキャビティ厚さのために、単一の絶縁体部分内に複数の透過ピークが生じる。より厚い絶縁体キャビティ内で励起されるようになる高次励起７０２（固有モード）は、対応する高次Ｅ場強度プロファイル７００を生成することが分かる。同様に、より薄いレジストキャビティに存在する一次励起７２２は、対応するＥ場観察において単一のＥ場強度７２４としてのみ観察することができる。シミュレーションＥ場観測に用いたフィルタの形状は、以下の通りである。ＳｉＯ2（バルク）７１４‐Ａｇ（２５ｎｍ）７１２‐レジスト（ｎ＝１．６５３）７１０‐Ａｇ（２５ｎｍ）７０８‐ＭｇＦ2（１０ｎｍ）７０６。
【００８０】
図８ａ及び図８ｂは、光学フィルタを製造する際のＧ−ＥＢＬ技術の高い汎用性をさらに示す。個々のピクセル間に不連続の階段状の高さ変化を有するピクセルのモザイクを示す前述の実施例とは対照的に、これらの図は連続的な表面形状を有するレジストを示す。すなわち、単一の透過色に対応する個々のピクセルを容易に画定することができない。
【００８１】
図８ａは、正方形又は三角形をモザイク状に構成する代わりに個々のカラーバンドが同心円を形成する、円形ピクセルのモザイク８００を示している。これらの同心円は複数のドームの絶縁体表面形状に対応することが分かる。ドームの最大高さでは、フィルタは長波長の赤色／ＮＩＲ光のみを透過する。ドームの傾斜の下方への滑らかな段階的変化に続いて、ますます青方偏移した波長が光学フィルタの部分を透過することが分かる。図８ｂは、明らかにモザイク状に構成された矩形ピクセルのモザイクを示す。しかしながら、対応するレジストプロファイル８０４は、直線傾斜を形成する絶縁体高さの滑らかな段階的変化にこの場合も対応することが分かる。
【００８２】
図９ａ及び図９ｂはそれぞれ、ＣＦＡ及びＭＳＦＡの３次元マルチスペクトル光学フィルタを製造するために使用され得る製造方法の代替的な実施形態の変形例を示す。しかしながら、この代替的な実施例は、均一に印加されるエネルギービームと露光されるフォトレジスト層（フィルターの前駆体）との間に配置された、グレースケール（図９ｂ参照）又はバイナリ（図９ａ又は図１３、マスク１３０２参照）フォトリソグラフィ（ＰＬ）マスクフィルタを使用する。マスク又は前駆体フィルタは、図９ａ及び図９ｂの両方に記載される方法で使用するのに適用可能であり、前と同様に、ガラス基板９２６、下部ミラー層９２４、及びレジスト９２２を含むフィルタを形成するのに使用され得る。図９において、レジストはネガティブトーンレジストである。一般に、このフォトリソグラフィ技術は、光子の形でエネルギードーズ量を加えることを含む。したがって、光子ビームのエネルギー密度は、例えば、マスクの様々な部分のクロム含有量に応じて、マスクの一部によって減衰される。代替的に、電子ビームをマスクと共に使用してもよい。
【００８３】
一般に、マスクは減衰プロファイルを定めることができる。マスクが、ＭＳＦＡフィルタを製造するために使用されるレジスト材料の前に配置され、光子ビーム又はランプなどのエネルギードーズ量に曝されると、マスクは、その減衰プロファイルに従ってエネルギードーズ量を減衰させる。したがって、マスクの減衰プロファイルをレジスト上に転写することができる。レジスト材料の一部／体積を除去する現像ステップの後、得られるレジストの厚さは、マスクの減衰プロファイルを表す。したがって、この方法は（例えば、９ｂにおける）シングルステップのリソグラフィプロセスであり得ることが理解されるであろう。
【００８４】
９ａによって説明される方法は、レジスト前駆体にグレースケールのフォトレジストパターンを与えるために、二値の不透明度を有するＰＬマスクを横方向に平行移動させることを含む。個々のピクセルが２Ｄアレイに配列された、二値の不透明度値９０２を有するＰＬマスクが平面図で示されている。ステップ９０４において、マスク９０２内の最も不透明な（黒色の）領域は、光を少なくとも部分的に遮断し、白色の（透明な）領域は、光がマスクを実質的に通過することを可能にする。レジスト前駆体のより広い領域を露出させるために、同じマスクを横方向にシフトすることができる。ＰＬマスクを通って前駆体の表面に到達する光の大きさは、ステップ９０６で見ることができる。ステップ９０８において、第２の露光を行うことができ、第２の露光は、ステップ９０４で行われたものとは異なる露光であり得る。このステップ９０８は、任意の設計に対して任意の回数だけ繰り返すことができ、それにより、各露光（再びステップ９１０で見られる）は異なる最終的なレジスト厚を生じ得る。したがって、図９ａの概略図には、異なる露光ドーズ量に対応する、得られるレジスト９１２の２つの交互の部分がある。９１２における最終的なフィルタの結果は、レジスト表面に堆積された上部ミラーを有することも分かる。本開示に記載されるように、キャビティ（金属絶縁体金属の形状又はその他）を形成する上部ミラー９２２が堆積され、その後、空間的に変化する光学フィルタが製造される。
【００８５】
図９ｂは、空間的に変化するグレースケール強度不透明度プロファイルを有するグレースケールＰＬマスク９１４を使用する方法を説明している。このため、マスク上には複数の部分が存在し、マスクは２つを超える異なる不透明度値を有する。このグレースケールＰＬマスクを用いて、フォトレジストにグレースケールの厚さプロファイルを与えることができる。図９ａと同様に、エネルギー／光の均一な露光（１回のフラッド露光）を用いると、マスクのグレースケール不透明度プロファイルにより、光は様々な程度に減衰される。マスク内の不透明度の可変のレベルを得るために、好ましい実施例では、クロムを含む層の交互の厚さを使用することができる。代替的に、光を様々な程度に適切に減衰させることができる他のあらゆる材料又は構造を使用することができる。９１４におけるグレーの異なる強度は、不透明度の異なるレベル（光の減衰）に対応する。ステップ９１６は、フォトレジスト前駆体を覆うマスクの露光を示す。９１４における各領域の不透明度は、光の減衰の程度を定めるので、与えられるドーズ量プロファイル及び結果として生じるレジスト厚も定める。換言すれば、９１４におけるより透過性の高い（白色の）領域は、マスクを通るより多くの光を許容し、その結果、赤方偏移（長波長）スペクトル応答を示すより厚い最終レジスト部分をもたらす。より詳細には、光が減衰された後、様々な程度の光強度が９１８で前駆体に到達し、それによりポリマーが露光に応じて様々な程度に強化されることが分かる。９２０における最終的なフィルタの結果は、レジスト表面に堆積された上部ミラーを有することも分かる。
【００８６】
図９ａ及び図９ｂに記載される方法は、ネガティブトーンフォトレジスト材料９２２を使用する。しかしながら、代わりにポジティブトーンフォトレジストを使用してもよいことが、当業者には容易に理解されるであろう。ポジティブトーンレジストを使用する方法との唯一の違いは、同じ露光条件下で使用すると厚さプロファイルが逆になることであろう。図９ａ及び図９ｂの製造方法もまた、他の実施例で説明した電子ビームのグレースケールリソグラフィプロセスのようなシングルステップのリソグラフィプロセスであることが理解されるであろう。唯一の違いは、グレースケールリソグラフィの光源による露光の強度を変える代わりに、図９ａ及び図９ｂのプロセスは、異なるレベルの不透明度の部分を有する別個のマスクを使用して、均一に加えられるビームの強度をマスクによって制御することである。
【００８７】
図１０は、ＣＦＡ及びＭＳＦＡの３次元マルチスペクトル光学フィルタを製造するために使用され得る方法の更なる代替的な実施例を説明している。この方法１０００は、最初にロバストな「マスター」スタンプ又は染料を製造し、次いでスタンプを使用してデバイス製造のスループットを増大させることができる。スタンプをシングルステップで使用して、この場合も３次元光学フィルタを画定する、レジスト厚の複雑なプロファイルを生成できるからである。有利なことに、この方法１００は、マスタースタンプによる光学フィルタの大量生産を容易にする。この方法は、記載されたＧ−ＥＢＬ技術２００及びグレースケールＰＬマスク法９００によって製造され得る光学フィルタにあらゆる点で類似する３次元光学フィルタを製造できることが当業者には理解されるであろう。
【００８８】
マスタースタンプを製造する方法は、マスタースタンプを形成するいくつかのロバストな／弾力性のある材料の上にグレースケールレジストを（前述のＧ−ＥＢＬ法２００の１つに従って）前もって作ること１００２を含む。ロバストな材料は、シリコンを含むことができ、石英であり得る。次に、エッチングステップ１００４を行って、ロバストなマスタースタンプ前駆体の一部を様々な深さまでエッチングすることができる。ドライエッチング技術である反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてスタンプ材料をエッチングし、マスタースタンプ材料にレジストのグレースケールプロファイルを与えることができる。いくつかの実施例では、Ａｒ+などの重イオンをＲＩＥに使用することができる。重イオンは、その上にあるグレースケールレジストを通ってマスタースタンプ材料に衝突する。代替的に、フッ化水素酸などの化学物質を含む化学浴を用いたウェットエッチング技術を使用することができる。より厚いレジスト領域は、ロバストなスタンプ材料に到達する反応性イオン種の強度をより実質的に減衰させる。このため、レジスト材料の厚さのプロファイルにより、対応するグレースケールレジストパターンがマスタースタンプ材料に与えられる。得られるマスタースタンプは、ステップ１００６で見られる。
【００８９】
ステップ１００８は、スタンプを反転させ、下部ミラー及びガラス基板の上に配置された別のポリマー（例えば、感熱性フォトレジスト又は他の好適なポリマー）と接触させることを示す。ステップ１０１０は、ポリマーへのスタンピングを含むインプリンティング又は成形ステップを示す。さらに、マスタースタンプをフォトレジストにインプリントする際に、可変時間にわたって追加の圧力及び／又は熱を組み込むことが可能である。得られるグレースケールパターンは、ステップ１０１２でレジストに与えられ、マスタースタンプの除去後、上部ミラー層は、ステップ１０１４でレジスト表面上に堆積される。
【００９０】
図１１は、概して記載されたフォトレジスト／絶縁体へのＧ−ＥＢＬとよりロバストな絶縁体材料へのＲＩＥとの組み合わせを使用することを含む、さらに別の代替的な実施例の方法１１００を説明している。図１１によって説明されるプロセスの結果は、この場合もＭＩＭ構造体を有するが、Ｇ−ＥＢＬ／ＰＬマスク技術（２００及び９００のように）のみで生成したフィルタよりも弾力性及びロバスト性がある、ＭＳＦＡ光学フィルタである。有利なことに、この方法によって製造されるフィルタは、延長した寿命（例えば、化学的安定性、機械的安定性、及び半結晶性により向上した光学性能）を有する可能性が高い。
【００９１】
ロバストなＭＳＦＡの製造方法１１００における前駆体１１０２は、よりロバストな絶縁体である１つの更なる層を含む。このよりロバストな絶縁体は、下部ミラー層（例えば、９２４）と前述のフォトレジスト層（例えば、９２２）との間に堆積される。
【００９２】
この構造体の上にグレースケールレジストプロファイルがある状態で、エッチングステップ（ＲＩＥ又はその他）を行って、この絶縁体にグレースケールプロファイルを与えることができる。好ましくは、よりロバストな絶縁体層は、実質的に透明な材料であり、シリコン（例えば、その結晶形体の石英（ＳｉＯ2））を含み得る。次いで、フォトリソグラフィ技術（Ｇ−ＥＢＬ２００又はマスクフォトリソグラフィ９００）を上部レジスト層上で行って、３Ｄレジスト厚プロファイルを有する構造体１１０４を生成する。方法ステップ１１０８は、ロバストな絶縁体材料が異方性エッチングされるＲＩＥ法を示す。換言すれば、ロバスト層の様々な部分へのエッチングの程度は、上を覆うフォトレジストの厚さによって決まる。反応性イオン衝撃１１０６の強度は、フィルタの全領域にわたって均一であり、イオン衝撃内のイオンは、Ａｒ+イオンを含み得る。このＲＩＥステップは、マスタースタンプを生成する際のＲＩＥステップ１００４に似ている。上を覆うフォトレジストは、イオン衝撃を減衰させる働きをし、その結果、レジスト厚が薄いほど、ロバストな材料へのＲＩＥエッチングが深くなる。
【００９３】
ＲＩＥステップ１１０８の結果は、下部ミラー層の上に配置された、グレースケールレジスト厚プロファイルを有するロバストな絶縁体１１１０である。最終ステップ１１１２において、ＭＳＦＡ光学フィルタが製造されるように、ＭＩＭ構造体を得るために上部ミラー層を堆積する。ロバストな絶縁体を含むこの最終フィルタ１１１２は、機械的及び熱的にはるかにロバストでありかつ標準的なレジスト／ポリマー層である。
【００９４】
更なる詳細及び実施例
ドーズ量変動パラメータ
図１２は、３つのＭＳＦＡプロファイル１２００が露光ドーズ量の影響を示すこと、さらに現像時間（及び現像液）の正しい選択がどのようにＭＩＭキャビティ内の残存するレジスト（絶縁体）の最終的な厚さを制御し、結果として透過スペクトルの中心位置を制御するかを示す。これを実証するために、図１２ａは、３つの異なる現像時間にわたって露光ドーズ量が変化する５μｍピクセルのセットの透過スペクトルを示す。（ａ）では定量的に、（ｂ）では視覚的に、一定のドーズ量範囲（ここでは０．１〜０．７Ｃｍ-2）の場合、ピークの位置が現像時間の増加と共に青方偏移することが観察できる。十分に架橋されていないレジストを現像液が選択的に除去するので（ＭａＮシリーズのフォトレジストはネガティブトーンであるため）、現像時間が長くなると、除去されるレジストが多くなり、結果としてキャビティが薄くなり、波長モードが短くなる。これは、可視スペクトル全体にわたる透過波長を有する矩形アレイ及び対応するＳＥＭ顕微鏡写真を示す、図１２ｂのプロファイル１２１０にさらに示されている。図のピクセルのアレイを生成するのに、増大する露光ドーズ量（左から右へ）を用いた。
【００９５】
近接効果
ＥＢＬ及びグレースケールＥＢＬでは、近接効果と呼ばれる現象が起こることがあり、後でＭＳＦＡの製造で説明される。近接効果は、レジスト内の電子散乱事象により露光されるパターンに隣接する領域の望ましくない露光である。換言すれば、近接効果により、最終的なピクセル厚さは、隣接するピクセルからの追加の露光が原因で、より密集したピクセルパターンでより大きくなる。近接効果は、グレースケールＭＳＦＡアプローチをより大きなバッチ処理、すなわち、フォトリソグラフィに変換することで低減することができる。各フィルタピクセルは、特定の露光ドーズ量によって定義されるその中心波長を有する。近接効果の結果として、特定の領域（ピクセル）に印加される総ドーズ量は、さらに周囲のピクセルに印加されるドーズ量に左右される。したがって、ピクセルの中心波長は、ピクセルが配置される密度によっても（ドーズ量よりも少ない程度に）定められる。
【００９６】
近接効果は、孤立したピクセル（すなわち、ピクセル間に非露光の間隔を有するアレイ）のパターニングを密集したアレイと比較することによって観察することができる。特定の波長（レジスト厚）を得るために必要とされるドーズ量は、孤立した領域よりも密集したアレイで低くなり得る。
【００９７】
例として、図４ｃ及び図４ｄは、それぞれ、孤立したピクセル及び密集したピクセルアレイを示す。ここで、ＥＢＬの近接効果は、同一のドーズ量範囲にもかかわらず、最終的な厚さ値の変化、ひいてはスペクトル応答の変化を引き起こす。４ｄのアレイは透過率が赤方偏移していることが観察され、残存するレジストの厚さが大きく、このため蓄積露光ドーズ量が大きいことを示している。これは、隣接するピクセルからの望ましくない累積的な隣接露光によるものである。最終的な厚さ／フィルタリングされる波長は、平均ドーズ量密度が角／端よりも矩形の中心で大きいため、矩形内の空間位置の関数である。
【００９８】
したがって、対象の領域（イメージセンサー領域）がＭＳＦＡパターンの端から＞１００μｍとなるように、各ＭＳＦＡを「オーバーパターン」するために、経験的な補正を採用することができる。このアプローチは、中央領域での累積的な露光量の増加を相殺するためにドーズ量プロファイルを低減することも必要とする。各パターンに対してモンテカルロ電子散乱シミュレーションを行って、ドーズ量パターンを最適化し、この経験的な補正を回避することも可能である。
【００９９】
レジスト熱リフロー
ＭＳＦＡを製造する方法は、熱リフローと呼ばれる技術を利用することをさらに含み得る。これは、レジストがレジスト材料のガラス転移温度とほぼ等しいか又はそれよりわずかに高い温度にされるようにフォトレジストの熱処理（現像後）を含む製造加工技術である。そうすることにより、レジストは温度及び時間に応じて完全に又は部分的に「リフロー」し、より滑らかなレジストが得られる。この技術は、例えば、階段状の３Ｄパターンを３Ｄの斜面に変えるため、又はマイクロレンズ（すなわち、滑らかな凸形）アレイを製造するために使用することができる。例えば、熱リフローを使用して、第２のミラー表面を平坦化／平滑化し、ＭＳＦＡのスペクトル応答のＦＷＨＭを狭め、透過効率を高めるために、現像後の（ただし、第２のミラー層を堆積させる前の）レジスト表面を滑らかにすることができる。
【０１００】
グレースケールリソグラフィ製造例プロセス
１．５ｎｍのＴｉ接着層が熱蒸着［Ｅｄｗａｒｄｓ  Ｅ３０６蒸発器］（ベース圧力  約２×１０-6ｍｂａｒ、０．１ｎｍ  ｓ-1で堆積）され、次に２６ｎｍのＡｇ層（光学性能を向上させるために比較的速い堆積、０．２〜０．３ｎｍ  ｓ-1で）、次に第２の１．５ｎｍのＴｉ層が続く。第１のＴｉ層はガラスとＡｇの間の接着を促進し、第２のＴｉ層はレジストのスピンコーティングのためのＡｇの濡れ性を高め、Ａｇの酸化を低減することにより化学的安定性を高める。Ａｇの最適な厚さは、ＦＷＨＭに対して透過率を交換するシミュレーションにより決定される。Ｔｉ層の厚さは、レジストの濡れ性が増加し、光透過率への影響を最小限に抑えて接着が促進されるようなものである。ＭａＮ−２４０５ｅＢのレジストを、サンプルの上に５，２００ｒｐｍで４５秒間スピンコーティングし、約３５０ｎｍの層を形成し、次いで９０°Ｃで３分間ベークする。パターニングには、高電圧（８０ｋＶ）、高電流（４．２ｎＡ）のＥＢＬ（Ｎａｎｏｂｅａｍ社のｎＢ１）を使用する。下部金属ミラー層はさらに、電子ビーム露光中の蓄積電荷を消散させるように作用する。ＭＳＦＡは、（上述の）近接効果を補正し、すべてのセンサーピクセルが使用されることを確実にするために、イメージセンサーの面積（対角４．８５ｍｍ）よりも約１．１倍大きい総面積寸法を有する。
【０１０１】
ステッチングエラーの影響は、メインフィールドとサブフィールドのフラクチャに対応するパターンの矩形形状（エッジ）により低減される。本研究で示されたサンプルには、サンプル登録マークは使用されていない。高電流は、レジストの（固有の高感度による）低い臨界ドーズ量と組み合わせて、短時間での比較的大きな面積（約数ミリメートル）にわたる加工を可能にする。グレースケールからカラーへの加工における重要なパラメータは、図１２を参照して上に示したように、様々なドーズ量テストによって経験的に決定された露光ドーズ量及び現像条件である。本実施例（及び図１２）では、ドーズ量範囲５〜７５μＣ  ｃｍ-2を使用し、十分な濃度のＡＺ−７２６−ＭＩＦ［ＡＺ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社］現像液を約１０秒間、続いて２回のＤＩ水（停止液）リンスを４分間、ＵＨＰ圧縮Ｎ2ブロードライを行う。続いて、レジストをそのガラス転移温度に近づける、現像後のベーク（９０°Ｃで３０秒間）が行われ、これにより第２ミラー堆積前に滑らかな表面が得られ、光学性能が向上する。Ａｇの２６ｎｍの層である上部の金属が熱蒸着（０．２〜０．３ｎｍｓ-1で堆積）され、次にＭｇＦ2の１２ｎｍ層が続く。ＭｇＦ2で作られたこの最終キャッピング／封止層は、ＣＦＡに化学的及び機械的安定性を付加し、光学特性に有害な影響を与えない。いくつかの実施例では、封止層は、光学特性を改善することさえであり得る。
【０１０２】
フォトリソグラフィ（ＰＬ）加工例
ＳＵ‐８２０００シリーズのネガ型フォトレジスト［Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ社］を、ウエハレベルのＭＳＦＡ加工に利用する。商業的に広く使用され、高い熱安定性（ガラス転移温度＞２００°Ｃ）を有し、恒久的であるように設計され、通常は最終処理されたデバイスに組み込まれる。３６５ｎｍ（ｉ線）露光及び５×アライメント対物レンズを有する、ＳＵＳＳ  Ｍｉｃｒｏｔｅｃ社のＭＡ／ＢＡ６半自動マスクアライナーをハードコンタクトモードで動作させた。３インチ両面研磨ホウケイ酸（Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ  ３３）ガラスウエハ［Ｐｉ−ｋｅｍ社］、厚さ５００±２５μｍを、アセトン及びＩＰＡの連続超音波浴で１０分間洗浄し、脱イオン（ＤＩ）水ですすぎ、ＵＨＰ圧縮Ｎ2でブロー乾燥し、２００°Ｃで１０分間脱水する。
【０１０３】
１組の十字アライメントマーカー（３０×３０μｍ）を、ＭａＮ−１４００シリーズのフォトレジスト（２，５００ｒｐｍ、５０秒、ソフトベーク：９５°Ｃで２分）を用いたＰＬ（５００ｍＪ  ｃｍ-2露光量）でパターニングし、ＡＺ７２６ＭＩＦで３分間現像する。Ｔｉ／Ａｇ／ＳｉＯ2（１．２／３８／１２ｎｍ）で構成される第１の金属ミラーを、ＬｅｓｋｅｒＰＶＤ‐７５電子ビーム蒸発器（ベース圧力  約９×１０-6ｍｂａｒ、堆積速度０．５Å／ｓ-1）を用いてマーカーパターニングしたガラスに堆積させる。堆積中、被覆の均一性を高めるために、ウエハチャックを約５ｒｐｍで回転させる。６０°Ｃで３分間のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）の超音波浴でリフトオフを行い、続いてウエハ洗浄（アセトン、ＩＰＡ、ＤＩリンス、Ｎ2乾燥、脱水ベーク）を行う。得られるウエハは、透明なアライメントマーカーの規則的な配列を有する連続的な下部金属ミラーを有する。
【０１０４】
ＳＵ−８２０００．５フォトレジストを５，５００ｒｐｍで５０秒間ウエハ上にスピンコーティングして約３５０ｎｍの層を形成し、次いで９５°Ｃで３分間ソフトベークする。
【０１０５】
図１３は、単位セル１３０６サイズによって分離された透明な正方形ピクセルの繰り返し配列を含む、バイナリ振幅Ｃｒフォトマスク１０３２［ＪＤ  Ｐｈｏｔｏｄａｔａ社］の別の実施例を（図９のバイナリマスク９０２に加えて）示す。バイナリマスクと比較するために、それぞれが異なる不透明度を有する９ピクセルを含むグレースケールフォトマスク９１４が示されている。ステップ９１６における露光の際、レジストの領域は、露光がマスクによって減衰される程度まで化学的に活性化させる。
【０１０６】
バイナリマスク１３０２は、単位正方形１３０６当たり１つの透過（すなわち、透明）ピクセルを含み、マスクの残りの８／９は不透明又は実質的に不透明である。バイナリマスク１３０２を用いてレジストを最初に露光すると、ステップ１３０８に示される構造が得られる。マスクは、レジストの異なる領域が露光されるように、ステップ１３１０及び１３１２で段階的に平行移動される。しかしながら、ステップ１３１０及び１３１２では、より高いエネルギー密度の露光が適用される。したがって、平行移動されるバイナリマスク１３０２を用いた（１３０８、１３１０、１３１２における露光の異なるドーズ量での）多重露光は、グレースケールマスク１３０６を用いた単一ドーズ量の露光によって生成されるレジストプロファイルと全く同じ得られるレジストプロファイルをもたらし得る。
【０１０７】
グレースケールマスクステップは、有利なことに、単一の露光ステップのみを必要とする。バイナリマスク法（１３０８、１３１０、１３１２）は、異なるエネルギードーズ量の３つの別々の露光を必要とする。しかしながら、図１３ｂの方法では露光の間に更なる洗浄又は現像ステップは必要とされないことを理解されたい。両方のアプローチによって達成される光学性能も同一であり得る。グレースケールマスクは、１回の露光しか必要としないという利点を有する。他方、バイナリマスクを使用することは、最初により複雑でないマスクを作ることができるという利点を有する。
【０１０８】
３０μｍのピクセルの実施例の場合、フォトマスクのピクセルは、最終的な３×３（９バンド）モザイク、結果として１２０×１２０μｍの分離を与えるために分離される。マスクアライナーは、一定ドーズ量及びハード接触モードで動作する。マスク（３×３配列のアライメント十字線を有する）を（例えば、ステップ１３０８、１３１０、１３１２の間に）基板の上方に平行移動させ（３×３アレイの各バンドと位置合わせされ、フラッド露光される。ドーズ量マトリクスは１０〜１２０ｍＪ  ｃｍ-2の範囲である）。６５°Ｃで２分間の露光後ベークに続いて、１−メトキシ−２−プロパノールアセテート（ＰＧＭＥＡ）で２分間の現像、ＩＰＡリンス及びＮ2ブロードライを行う。得られる構造は、ウエハ全体にわたって３Ｄの厚さプロファイル（キャビティ）を有する下部金属ミラーである。Ａｇ／ＳｉＯ2（３８／３８ｎｍ）で構成される第２の金属ミラーは、電子ビーム蒸発器を用いて堆積される。最終的なＭＳＦＡピクセルの位置合わせ精度を決定するために、カスタムの水平及び垂直方向のアライメントマーカーがパターニングされる。
【０１０９】
上記の実施例では、ＭＳＦＡをウエハレベルで製造した。結果として得られる各スペクトルバンドの対応する透過スペクトルは、４６０〜６３０ｎｍにわたり、最短波長から最長波長まで優れた光学特性、２７、２６、２４、２２、２１、２０、１９、１８、１７ｎｍ（±５ｎｍ）のＦＷＨＭ及び７６、７６、７５、７３、７２、７０、６８、６６、６５％（±６％）のピーク透過効率を示す。上記の例示的なウエハは、より狭い２次ＦＰ型の共振（より厚い最終的なレジスト厚）も示す。しかしながら、フラッド露光ドーズ量を調整することにより、例えば、モードタイプを混合する３×３ピクセルモザイクに対して異なるドーズ量マトリクスを利用することにより、１次及び２次モードを容易に組み込むことが可能である。
【０１１０】
特注のウエハレベル９バンドＭＩＭベースのＭＳＦＡは、プラズモン及び高屈折率の誘電体ナノ構造アレイ／メタサーフェスなどの、カラーフィルタ製造のための従来のアプローチより性能が優れている。例えば、本実施例におけるＭＳＦＡ透過帯域は、より狭く、より高い透過効率を有し、偏光依存性を示さない（高い入射角の主光線角度まで）。有利なことに、ＭＳＦＡは（広い領域にわたって）ウエハレベルで製造され、商業的処理への変換の容易さを示している。
【０１１１】
図１４は、（２次共振を利用する）約３２個の９バンドＭＳＦＡを有する３インチウエハ１４００の写真を示し、マクロレンズで捉えた拡大された領域１４０２を有し、領域１４０２は、上記の製造の詳細に従ってウエハ上に製造されたＭＳＦＡのカラープロファイルを示す更なる拡大図、及びウエハ上の各マトリクス１４０６の正確な透過波長を示す対応する透過スペクトルを示す。ウエハ１４００の異なる領域の光学顕微鏡写真（透過型）が１４０４示されており、ここには、ドーズ量マトリクス１４０６を用いて作製された露光パターン（挿入図）も示されている。９つの透過波長の各スペクトル帯域について透過スペクトル１４０８が示されている。１４０８におけるそれぞれの異なる波長は、９つの異なるエネルギードーズ量を有するドーズ量マトリクス１４０６の結果として生成された、ウエハ上の各繰り返し３×３パターンにおける９つの部分のそれぞれに対応する。
【０１１２】
図１４のＭＳＦＡがオーバーレイされたウエハは、上述の一般的な製造プロセスを用いて、ネガティブトーンフォトレジスト（ＳＵ−８）を用いて製造された。このように、露光レベルは、各ピクセル内のより厚いキャビティ層をもたらす、フォトレジストポリマーのより大きな架橋度に対応する。したがって、ドーズ量マトリクス１４０６におけるより高いドーズ量は、アレイ１４０４における赤方偏移された色に対応し、透過スペクトル１４０８に見られるようなより長い波長に対応する。
【０１１３】
より詳細には、図４に示されるようなグレースケールのドーズ量マトリクス１４０６は、一般に３×３アレイ（又は一般に任意のｎ×ｍマトリクス次元）であり得、マトリクス内の各ピクセルは、それ自身のドーズ量を有する。ドーズ量マトリクスは、その結果、ＥＢＬを用いてＭＦＳＡレジスト／絶縁体テンプレート全体にわたって定期的に適用されて、２次元にわたるマトリクスの繰り返しパターンを生成することができる。このようなドーズ量マトリクスは、記載したＥＢＬ法を用いて、又は代替的に、マトリクスがマスクの減衰プロファイルに効果的に「ハードコーディング」され得るマスクベースの方法を用いて適用され得る。
【０１１４】
図１５は、３つの異なるレシピによる一連のＭＳＦＡパターンによる光学特性のボックスプロットを示す。図１５ａはピーク透過率を示し、図１５ｂは平均からのピーク波長シフトΔλ（すなわち、Δλ＝│λ−λav│）を示し、図１５ｃはＦＷＨＭを示す。レシピは以下のものを含む。
レシピ１＝現像前の熱処理（９０°Ｃ、６０秒）＋通常加工、
レシピ２＝通常加工＊、
レシピ３＝通常加工＊＋現像後の熱処理（１００°Ｃ、３０秒）。
＊前の実施例で説明した通常加工のレシピ。
【０１１５】
各ボックスプロットの中央にある実線の水平線は中央値に対応し、ボックスの下端と上端はそれぞれ２５パーセンタイルと７５パーセンタイルを示す。すべてのＣＦＡについて、各アレイの中央にあるいくつかの単位セルをランダムに選択し、各ピクセルのスペクトルを記録した。より少ないバンド（＜４）のＭＳＦＡＳについては、レシピごとに約１２のスペクトルを記録した。より大きなバンドのＭＳＦＡについては、レシピごとに１８〜２７のスペクトルを記録した。
【０１１６】
ボックスプロットは、３つの異なるチップにわたって製造された様々なＭＳＦＡ形状の光透過特性を示す。これらのチップは、２×３チャネル設計（ＲＧＢ１及びＲＧＢ２）、ＲＧＢ＋１、及び３×異なる３×３モザイク（それぞれ異なるドーズ量プロファイル範囲を有する）を含む。
【０１１７】
プロットから、光学性能特性のばらつきがそれぞれのアレイ内で極小であることが分かる。例えば、それぞれのチャネルピーク波長シフトは通常、アレイ及び様々なレシピ全体にわたって≦５ｎｍである（図１５ｂ）。また、これらの結果から、上記の例示的なプロトコルへのベーキングステップの追加は、ピーク透過率を高めると結論することができる。図１５ａに示すように、現像後のベークを追加すると（レシピ３）、ピーク透過率が最大約８０％まで増加する。ＦＷＨＭも更なる熱処理の追加により改善され（図１１ｃ）、上記の例示的なプロトコルと比較して約５０ｎｍに減少する。
【０１１８】
ピクセル解像度
図１６は、いくつかの解像度を含む、様々なＭＩＭピクセルアレイの一連のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。アレイ１６００は、ドーズ量（ひいては最終的な絶縁体の厚さ）が１Ｄで変化する１μｍピクセルアレイを含む。この１Ｄのドーズ量の変化は繰り返し、挿入図によって強調表示されており、線形の漸進的なドーズ量の増加を示す。ＳＥＭ顕微鏡写真の拡大倍率が、アレイ１６０２及び１６０４に示されている。下方のアレイ１６０６、１６０８は、図１６の上方の３つの実施例と同様に製造されるが、５００ｎｍの寸法のピクセルアレイを有する。
【０１１９】
アレイ１６１０は、１μｍピクセルのランダムなドーズ量のアレイを示す。アレイ１６１０は、記載されたグレースケールリソグラフィ法の有利に用途の広い製造可能性の良い例である。前述のように、任意の光学フィルタプロファイルは、ドーズ量プロファイルを調節するだけで作成することができ、追加のリソグラフィステップは必要ない。
【０１２０】
いくつかの実施例では、主に実験的なイメージセンサーのセットアップの制限により、１１μｍ×１１μｍのピクセル寸法が使用される。しかしながら、これらの長さスケールは、記載された方法を用いて容易に小さくすることができる。露光ドーズ量が直線的に変化する場合（配列１６００のように）、ピクセルサイズが５．５μｍから４６０ｎｍまでの範囲で（１６０６、１６０８のように）、アレイを製造することもできる。また、４６０ｎｍは分解能の限界ではなく、さらに小さくすることができる。有利なことに、図１６の単分散ピクセル寸法から分かるように、ピクセルアレイは、５００ｎｍ未満の非常に小さいサイズのスケールでも、依然として高い均等度に製造することができる。
【０１２１】
光学的及び形態学的特性評価
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）［Ａｓｙｌｕｍ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ社  ＭＦＰ−３Ｄ］を主にタッピングモードで動作するＡｌ反射コーティングされたＳｉプローブ［ＢｕｄｇｅｔＳｅｎｓｏｒｓ、ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ社］と共に用いて、表面形態の特性を明らかにする。走査速度、電圧設定値、駆動振幅は特徴形態に依存して変化する。ＡＦＭデータの可視化と解析にはＧｗｙｄｄｉｏｎソフトウェアが使用されている。生の表面データは平坦化され、傷（ストローク）及びノイズが最小化され、得られたデータは３Ｄトポグラフィの形で提示されている。各ピクセルの平均高さ（及び標準偏差）は、内蔵の統計分析ツールボックスを用いて得ている。非垂直入射イメージング用の傾斜ＳＥＭスタブに固定されたサンプルの表面のイメージング（レンズ内動作）には、１〜５ｋｅＶで作動するＬＥＯ  Ｇｅｍｉｎｉ  １５３０ＶＰ電界放射型走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が使用されている。ＳＥＭを制御し、種々の倍率で画像を得るために、Ｃａｒｌ  Ｚｅｉｓｓソフトウェア  ［ＳｍａｒｔＳＥＭ］  が使用されている。光学的な特性評価は、３００μｍコアマルチモード光ファイバ［Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ社  ＯＰ４００−２−ＳＲＭＭＦ］を介してＵＶ‐可視スペクトロメータ［Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ社  ＨＲ２０００＋］に取り付けられ、第２光学アームを介して表面イメージング用のデジタルカメラ［Ｌｕｍｅｎｅｒａ  Ｉｎｆｉｎｉｔｙ−２  ２ＭＰ  ＣＣＤ］に取り付けられた、改良型オリンパスＢＸ‐５１偏光光学顕微鏡（ＩＲフィルターを外したハロゲン光源）を用いて行われている。スペクトルは、Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ社のＯｃｅａｎＶｉｅｗソフトウェアを使用して、等価厚のホウケイ酸ガラスを通る透過（明状態）及び無入力光（暗状態）に対して正規化されている。
【０１２２】
イメージング実験のために、テストシーンは、ルービックキューブと共にマクベスカラーチェッカーチャート（Ａ５サイズ）で構成され、ＣＭＯＳイメージセンサー上にカスタムＭＳＦＡによって一連のレンズを通してイメージングされている（補足図１６）。総センサーサイズ４．２ｍｍ×２．４ｍｍ、解像度１９２０×１０８０、ピクセルサイズ２．２μｍ×２．２μｍの、ＵＳＢ３．０モノクロ２ＭＰ  Ｂａｓｌｅｒ  ｄａＡ１９２０−３０ｕｍエリアスキャンカメラ［Ａｐｔｉｎａ社  ＭＴ９Ｐ０３１  ＣＭＯＳイメージセンサー］が使用されている。各フィルタピクセルは、イメージセンサーピクセルの５×５アレイに対応する１１μｍ×１１μｍの寸法を有する。１９２０×１０８０のイメージセンサー解像度では、空間解像度の１：５のトレードオフは、イメージの有効解像度が３８４×２１６であることを意味する。
【０１２３】
イメージセンサーは、３Ｄプリント［Ｕｌｔｉｍａｋｅｒ  ２＋］されたマウントを用いてカスタム光学ケージシステムの端部に取り付けられる。社内で製造されたＸＹＺ平行移動マウントが、１０ｍｍ×１０ｍｍのホウケイ酸ガラスチップ上に製造されたＭＳＦＡを保持する。イメージング光学系は、３つの色消しＡＲコートレンズ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ  ＬＳＢＯ８−Ａシリーズ）で構成され、第１レンズ（凹レンズ）はシーンを拡大縮小し、第２レンズはこの虚像（第１レンズの焦点に置かれる）をコリメートし、第３レンズはその前に取り付けられたＭＳＦＡを通してイメージセンサー上に光の焦点を合わせる。開口絞りが第３レンズの後に配置され、ＭＳＦＡ、ひいてはイメージセンサーに衝突する光線角度の範囲を制限する。カスタム３Ｄプリントマウントに固定されたＭＳＦＣは、イメージセンサーのホウケイ酸カバーガラス（厚さ０．４ｍｍ）に近づけられる。イメージセンサーマニュアル（Ｍｉｃｒｏｎ  ＭＴ９Ｐ０３１マニュアル及びＢａｓｌｅｒ  ＡＷ００１３０５ドキュメント）を用いて物理的なセンサーの形状を特定すると、イメージセンサーダイ（平面）からのＭＳＦＡの最小距離は約０．５２５＋０．０５ｍｍと推定される。ＭＳＦＡは、フィルタアレイのピクセルをイメージセンサーのピクセルと位置合わせするためにＸＹＺに平行移動される。ＭＳＦＡイメージング結果については、一連の光学バンドパスフィルタ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ  ＦＫＢ−ＶＩＳ−１０シリーズ、１０ｎｍＦＷＨＭ）が、５０Ｗ白色光（４０００Ｋ）投光照明ＬＥＤアレイでバックライト付きのフィルタホイールマウントで使用される。物体テストシーンからの反射光は、ＭＳＦＡを通してモノクロイメージセンサー上に結像される。
【０１２４】
数値シミュレーション
計算を行うために有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法に基づく商用グレードのシミュレータ（Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ  ＦＤＴＤ  ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）を使用した。ＭＩＭスタックは、２つの金属層（ｚ次元）間の誘電体を使用してシミュレートされている。周期的境界条件（単位セルのｘ−ｙ境界）と伝搬方向に沿った完全整合層（ｚ境界）が使用されている。寸法が１ｎｍ以下の均一な２Ｄメッシュ（Ｙｅｅ格子）と、サンプルからかなりの距離（数ミクロン）にある広帯域パルス平面波（３５０から１０００ｎｍ）注入源が使用されている。電場と磁場の強度プロットには、更なる細かいメッシュが含まれ、最小立方メッシュサイズは＜０．０１ｎｍ（ｚ方向）である。Ａｇ（Ｊｏｈｎｓｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈｒｉｓｔｙモデル）とＳｉＯ2（材料データ）には複雑な分散材料モデルが使用され、一方、ＭａＮ‐２４００シリーズフォトレジスト（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ：材料データシート）には１．６５、透明なＭｇＦ2キャッピング／封止層には１．４の実数のみの屈折率が使用されている。透過率と反射率の値は、構造体と光源注入の範囲の上に配置された１Ｄパワーモニターから計算される。
【０１２５】
当業者は、先行する説明及び添付の特許請求の範囲において、「上」、「重複」、「下」、「横」、「垂直」などの位置的な用語は、標準的な断面図を示すもの及び添付の図面に示されるものなど、フィルタの概念図を参照して作成されていることを理解するであろう。これらの用語は、参照を容易にするために使用されているが、限定的な性質のものではない。したがって、これらの用語は、添付の図面に示されるような向きのときの光学フィルタ装置を指すものとして理解されるべきである。
【０１２６】
本発明を上記のような実施例に関して説明してきたが、当然のことながら、これらの実施例は単なる例示であり、特許請求の範囲はこれらの実施例に限定されない。当業者は、開示を考慮して、添付の特許請求の範囲の範囲内にあると考えられる修正案及び代替案を行うことができる。本明細書に開示又は図示される各特徴は、単独であるか又は本明細書に開示又は図示される任意の他の特徴との任意の適切な組み合わせであるかどうかにかかわらず、本発明に組み込むことができる。
【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（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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