(57)【要約】【課題】顕著なフィルタリング特性を有するプラズモン光学フィルタを提供する。【解決手段】プラズモン光学フィルタは、金属面の上側に周期的に繰り返して形成されている金属スラブと、各金属スラブと金属面との間に空間が存在するように、金属スラブと金属面との間に配置されている誘電体スペーサと、空間の各々と外側との間に設けられている開口部とを有している。【選択図】図２Ｄ
2017090910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズモン光学フィルタであって、
金属面の上側に周期的に繰り返して形成されている金属スラブと、
各金属スラブと前記金属面との間に空間が存在するように、前記金属スラブと前記金属面との間に配置されている誘電体スペーサと、
前記空間の各々と外側との間に設けられている開口部と
を備えていることを特徴とするフィルタ。
【請求項２】
前記金属スラブはアレイ状に配置されており、辺の長さが0.3 μｍ〜３μｍの範囲内である正方形の形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
前記金属スラブの厚さは30nm〜100 nmの範囲内であり、前記誘電体スペーサの厚さは30nm〜300 nmの範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィルタ。
【請求項４】
前記誘電体スペーサは、前記空間を画定する格子を形成しており、各金属スラブの外周全体が前記格子上に配置されており、前記開口部は各金属スラブに形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフィルタ。
【請求項５】
前記開口部の直径は10nm〜40nmの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフィルタ。
【請求項６】
前記格子は正方形の空間を画定していることを特徴とする請求項４又は５に記載のフィルタ。
【請求項７】
前記格子は円形の空間を画定していることを特徴とする請求項４又は５に記載のフィルタ。
【請求項８】
前記誘電体スペーサは、アレイ状に配置されたパッドであり、各金属スラブは、４つの隣り合うパッド上に配置された４つの角を有しており、前記開口部は前記金属スラブ間の空間であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフィルタ。
【請求項９】
前記誘電体スペーサは棒状であり、各金属スラブは２本の隣り合う棒に配置された２つの縁部を有しており、前記開口部は前記金属スラブ間の空間であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフィルタ。
【請求項１０】
プラズモン光学フィルタを金属面に形成する方法であって、
ａ）  前記金属面に誘電体層を成膜する工程、
ｂ）  前記誘電体層に、開口部を夫々有する別個の金属スラブを周期的に繰り返して形成する工程、及び
ｃ）  前記誘電体層の一部を前記開口部から選択的な等方性エッチングによって除去して、各金属スラブの大部分の下に空間を形成する工程
を有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記工程ｂ）と前記工程ｃ）との間に、前記金属スラブ間の接触可能な前記誘電体層の部分をマスクする工程を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記誘電体層を酸化シリコンから形成することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
プラズモン光学フィルタを金属面に形成する方法であって、
ａ）  前記金属面に誘電体スペーサを周期的に繰り返して形成する工程、
ｂ）  前記誘電体スペーサ間の空所全体に犠牲材料を充填する工程、
ｃ）  別個の金属スラブを周期的に繰り返して形成して、各金属スラブの大部分を前記犠牲材料に置く工程、及び
ｄ）  別個の前記金属スラブ間の開口部から前記犠牲材料を選択的にエッチングする工程
を有することを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記誘電体スペーサを酸化シリコンから形成して、前記犠牲材料は窒化シリコンであり、
SF6 及び酸素媒体内における反応性イオンエッチングによって選択的にエッチングすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記誘電体スペーサをシリコンから形成して、前記犠牲材料は酸化シリコンであり、
CF4 及び酸素プラズマ下の反応性イオンエッチングによって選択的にエッチングすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記誘電体スペーサを酸化シリコンから形成して、前記犠牲材料はシリコンであり、
BCl3、Cl2 及び窒素プラズマ下の反応性イオンエッチング、又は二フッ化キセノン下のドライエッチングによって、選択的にエッチングすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記誘電体スペーサを酸化アルミニウムから形成して、前記犠牲材料は酸化シリコンであり、
フッ化水素酸を用いた化学気相エッチングによって選択的にエッチングすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のプラズモン光学フィルタを備えていることを特徴とするボロメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学フィルタに関し、より具体的には光放射を選択的に伝送するか又は吸収するためにMIM （金属−酸化物−金属）タイプのプラズモン共振器を用いた光学フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズモン共振器を用いた光学フィルタ、つまりプラズモンフィルタを使用して、選択された波長を有する光放射を選択的に伝送するか又は吸収する。例えば、プラズモンフィルタをボロメータに使用して、赤外線を選択的に吸収してもよい。図１は、ボロメータ膜1 の表面に配置されたプラズモン共振器の斜視図であり、T. Maier等著，「Multispectral microbolometers for the midinfrared」，Optics Letters，Vol. 35 ，No. 22，2010年11月15日の図１に相当する。共振器は、窒化シリコンの誘電体層5 を有する金属層3 を備えており、誘電体層5 は、誘電体層5 上を延びる正方形の金属スラブで覆われている。金属スラブの辺の長さｄはλ/2n と等しく、λは波長を表し、ｎは、誘電体層5 の屈折率に近い、プラズモンモードの実効屈折率を表す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第2010／0053755 号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サブミクロンサイズの場合がある金属スラブの形が正確に形成される程、フィルタリング特性がますます顕著になる。現在、実際に利用可能な製造技術によって得られる小型の金属スラブは、角が丸く、所望の大きさを正確には有していない。そのため、得られるフィルタリング特性が変わる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、実施形態は、プラズモン光学フィルタであって、金属面の上側に周期的に繰り返して形成されている金属スラブと、各金属スラブと前記金属面との間に空間が存在するように、前記金属スラブと前記金属面との間に配置されている誘電体スペーサと、前記空間の各々と外側との間に設けられている開口部とを備えていることを特徴とするフィルタを提供する。
【０００６】
実施形態によれば、前記金属スラブはアレイ状に配置されており、辺の長さが0.3 μｍ〜３μｍの範囲内である正方形の形状を有している。
【０００７】
実施形態によれば、前記金属スラブの厚さは30nm〜100 nmの範囲内であり、前記誘電体スペーサの厚さは30nm〜300 nmの範囲内である。
【０００８】
実施形態によれば、前記誘電体スペーサは、前記空間を画定する格子を形成しており、各金属スラブの外周全体が前記格子上に配置されており、前記開口部は各金属スラブに形成されている。
【０００９】
実施形態によれば、前記開口部の直径は10nm〜40nmの範囲内である。
【００１０】
実施形態によれば、前記格子は正方形の空間を画定している。
【００１１】
実施形態によれば、前記格子は円形の空間を画定している。
【００１２】
実施形態によれば、前記誘電体スペーサは、アレイ状に配置されたパッドであり、各金属スラブは、４つの隣り合うパッド上に配置された４つの角を有しており、前記開口部は前記金属スラブ間の空間である。
【００１３】
実施形態によれば、前記誘電体スペーサは棒状であり、各金属スラブは２本の隣り合う棒に配置された２つの縁部を有しており、前記開口部は前記金属スラブ間の空間である。
【００１４】
実施形態は、プラズモン光学フィルタを金属面に形成する方法であって、
ａ）  前記金属面に誘電体層を成膜する工程、
ｂ）  前記誘電体層に、開口部を夫々有する別個の金属スラブを周期的に繰り返して形成する工程、及び
ｃ）  前記誘電体層の一部を前記開口部から選択的な等方性エッチングによって除去して、各金属スラブの下に空間を形成する工程
を有することを特徴とする方法を提供する。
【００１５】
実施形態によれば、前記方法は、前記工程ｂ）と前記工程ｃ）との間に、前記金属スラブ間の接触可能な前記誘電体層の部分をマスクする工程を更に有する。
【００１６】
実施形態によれば、前記誘電体層を酸化シリコンから形成する。
【００１７】
実施形態は、プラズモン光学フィルタを金属面に形成する方法であって、
ａ）  前記金属面に誘電体スペーサを周期的に繰り返して形成する工程、
ｂ）  前記誘電体スペーサ間の空所全体に犠牲材料を充填する工程、
ｃ）  別個の金属スラブを周期的に繰り返して形成して、各金属スラブの大部分を前記犠牲材料に置く工程、及び
ｄ）  別個の前記金属スラブ間の開口部から前記犠牲材料を選択的にエッチングする工程
を有することを特徴とする方法を提供する。
【００１８】
実施形態によれば、前記誘電体スペーサを酸化シリコンから形成して、前記犠牲材料は窒化シリコンであり、
SF6 及び酸素媒体内における反応性イオンエッチングによって選択的にエッチングする。
【００１９】
実施形態によれば、前記誘電体スペーサをシリコンから形成して、前記犠牲材料は酸化シリコンであり、
CF4 及び酸素プラズマ下の反応性イオンエッチングによって選択的にエッチングする。
【００２０】
実施形態によれば、前記誘電体スペーサを酸化シリコンから形成して、前記犠牲材料はシリコンであり、
BCl3、Cl2 及び窒素プラズマ下の反応性イオンエッチング、又は二フッ化キセノン下のドライエッチングによって、選択的にエッチングする。
【００２１】
実施形態によれば、前記誘電体スペーサを酸化アルミニウムから形成して、前記犠牲材料は酸化シリコンであり、
フッ化水素酸を用いた化学気相エッチングによって選択的にエッチングする。
【００２２】
実施形態は、上記のようなフィルタを備えていることを特徴とするボロメータを提供する。
【００２３】
前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】プラズモン共振器を示す斜視図である。
【図２Ａ】プラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図２Ｂ】プラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図２Ｃ】プラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図２Ｄ】プラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図３】図２Ｄのプラズモン光学フィルタによる波長に応じた吸収率を示す図である。
【図４】変形例のプラズモン光学フィルタを示す部分的な断面斜視図である。
【図５Ａ】別の変形例のプラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図５Ｂ】別の変形例のプラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図５Ｃ】別の変形例のプラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図５Ｄ】別の変形例のプラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す図である。
【図６】図５Ｄのプラズモン光学フィルタによる波長に応じた吸収率を示す図である。
【図７】別の変形例のプラズモン光学フィルタを示す部分的な断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
同一の要素は異なる図面において同一の参照番号で示されてあり、更に、様々な図面は正しい縮尺で示されていない。明瞭化のために、記載された実施形態の理解に有用な要素のみが示され詳述されている。
【００２６】
以下の記載では、「最上部(top) 」、「底部(bottom)」、「上(upper) 」、「上に(on)」、「の下(under) 」のような相対位置を述べる用語を述べるとき、図面内の関係している要素の向きを言及している。「程度」という表現は、特に指定されていない場合、10％の範囲内、好ましくは５％の範囲内を意味する。
【００２７】
図2A〜2Dは、プラズモン光学フィルタを形成する方法の工程を示す部分的な断面斜視図である。プラズモン光学フィルタは、金属の上面13を有する支持体10、例えば金属層12で覆われたボロメータ膜上に形成されている。
【００２８】
図2Aに示されている工程では、複数の誘電体パッド14を、支持体10の金属面13に形成する。パッド14は正方形状であり、アレイ状に配置される。パッド14を、例えばリソグラフィによって形成する。
【００２９】
図2Bに示されている工程では、パッド14間の空間を犠牲材料16で充填し、パッド14は、犠牲材料16の上面と面一である。この充填を行うために、犠牲材料の層を金属面13及びパッド14に成膜し、その後、組立体の上面を少なくともパッド14のレベルまで研磨して平面を得てもよい。
【００３０】
図2Cに示されている工程では、別個の正方形の金属スラブ17を、例えばリソグラフィによって組立体の上面に形成する。夫々の金属スラブの角は４つの隣り合うパッド14に配置されており、金属スラブの大部分は犠牲材料16に載っている。このように得られた金属スラブは規則的であり、金属スラブ同士は間隔18分離れている。
【００３１】
図2Dは、選択エッチングによって犠牲材料16を除去する工程の後に得られたプラズモン光学フィルタ19を示す。各金属スラブは金属スラブの角にあるパッドによって保持されており、各金属スラブの大部分は空間20の上側に架け渡されている。パッド14は、空間20を維持し得るスペーサの機能を有する。
【００３２】
上述したように、金属スラブの辺の長さｄはλ/2n と等しく、λは波長を表し、ｎは、各金属スラブの下にある材料の屈折率を表す。ここで、ｎは、各金属スラブの大部分の下で１に等しい。そのため、所与のフィルタリング波長では、金属スラブ17は、金属スラブ17が誘電体材料に載っている場合より最大ｎ倍大きくなり得る。ｎは、例えば酸化シリコンでは1.45に近く、窒化シリコンでは２に近い。より大きな金属スラブでは、形がより正確に形成され、図2Dのプラズモン光学フィルタ19は、所望のフィルタリングピークに対して得られたフィルタリングピークの位置に関してより高い精度を示す。
【００３３】
図３は、光放射の波長λに応じた、図2A〜2Dの方法に従って形成されたフィルタの実施形態による光放射の吸収率Ａを表す曲線21〜27を示す。フィルタは、フィルタのパッド14の大きさのみ異なり、金属スラブ17は、同一の間隔18と共に同一である。曲線21に関連したフィルタは最大のパッド14を有しており、従って最小の空間20を有している。逆に、曲線27に関連したフィルタは最小のパッド14を有しており、空間20は最大である。大きさが同一の金属スラブでは、金属スラブの下の空間20が大きくなる程、波長がますます小さくなる放射線がフィルタされ得ることが観察され得る。
【００３４】
例として、金属層12及び金属スラブ17はアルミニウムから形成されている。パッド14は酸化シリコンから形成されてもよく、犠牲材料は窒化シリコンであってもよく、そのため、犠牲層の選択エッチングは、SF6 及び酸素媒体内における反応性イオンエッチング、つまりRIE によって行われ得る。変形例では、パッド14はポリシリコンから形成されており、犠牲材料は酸化シリコンであり、選択エッチングは、CF4 及び酸素プラズマ下のRIE によって行われ得る。別の変形例では、パッド14は酸化シリコンから形成されており、犠牲材料はポリシリコンであり、選択エッチングは、BCl3、Cl2 及び窒素プラズマ下のRIE 、又は二フッ化キセノン(XeF2)下のドライエッチングによって行われ得る。別の変形例では、パッド14は酸化アルミニウムから形成されており、犠牲材料は酸化シリコンであり、選択エッチングは、フッ化水素酸を用いた化学気相エッチングによって行われ得る。より一般的には、選択エッチング法が適合され得る２つの材料のあらゆる組合せが、パッド及び犠牲材料に関して選択されてもよい。
【００３５】
例として、金属スラブの辺の長さｄは、0.4 〜６μｍの範囲内の波長に夫々対応して0.2 μｍ〜３μｍの範囲内の長さを有する。金属スラブの厚さは20nm〜100 nmの範囲内であってもよい。パッドの厚さ、つまり高さは30nm〜300 nmの範囲内であってもよい。
【００３６】
図４は、変形例のプラズモン光学フィルタ30を示す部分的な断面斜視図である。プラズモン光学フィルタ30は、図2Dのプラズモン光学フィルタ19に相当し、パッド14が平行な棒32と取り替えられている。各金属スラブ17は、２本の棒間にある空間34の上側でブリッジを形成している。
【００３７】
プラズモン光学フィルタ30の各金属スラブ17は２つの側部によって保持されているため、角のみによって保持されている図2Dのプラズモン光学フィルタ19の金属スラブの機械抵抗より優れた機械抵抗を有する。デバイスが熱膨張、圧力又は振動を受けて金属スラブを損傷させる虞があるので、このような機械抵抗は有利である。しかしながら、この実施形態におけるこのような構造は90°の回転対称を有さなくなるので、偏光に感応する。
【００３８】
プラズモン光学フィルタ30の金属スラブ17の下にある空間、及び図2Dのプラズモン光学フィルタ19の金属スラブ17の下にある空間は、別個の金属スラブ間の間隔18によって外側に向かって開放していることに注目すべきである。従って、圧力又は温度が変化すると、金属スラブの下の空間にあるガスが自由に入ったり抜けたりすることができるため、不利な機械的応力が避けられる。
【００３９】
図5A〜5Dは、別の変形例のプラズモン光学フィルタを支持体10の金属面13に形成する方法の工程を示す部分的な断面斜視図である。
【００４０】
図5Aに示されている工程は図2Aの工程に相当し、図2Aのパッド14が、正方形の空間38を画定する格子状の構造36と取り替えられている。
【００４１】
図5Bに示されている工程は図2Bの工程に相当する。空間38は犠牲材料16で充填される。
【００４２】
図5Cに示されている工程は図2Cの工程に相当する。別個の正方形の金属スラブ42が組立体の上面に形成され、規則的な石畳状要素を形成する。各金属スラブ42は空間38内の犠牲材料を覆っており、各金属スラブの外周は格子36上に完全に載置されている。
【００４３】
各金属スラブ42は開口部44を有しており、開口部44は、例えば金属スラブの中心に設けられている。
【００４４】
図5Dは、犠牲材料16を開口部44から選択的にエッチングする工程の後に得られたプラズモン光学フィルタ46を示す。各金属スラブの大部分は空間38の上に置かれている。
【００４５】
各空間38は、金属スラブの開口部44を通って外側と連通している。上記に示したように、連通する開口部によって、フィルタが圧力の変化に機械的に耐えることができる。更に、各金属スラブは外周全体に沿って保持されている。この特徴によって、機械的なプラズモン光学フィルタ46が著しく増した機械抵抗を有することが有利である。更に、（ｘ周期及びｙ周期が等しい場合、）このような構造は90°の回転対称を維持するので、この実施形態では偏光に対する非感応性が維持される。
【００４６】
開口部はあらゆる形状を有してもよい。例として、開口部44は、直径が10nm〜40nmの範囲内である円形の形状を有する。本発明者らは、このような開口部44の存在がフィルタの光学特性にほとんど影響を及ぼさないことを観察した。
【００４７】
このことが、シミュレーション結果を例示する図６に示されている。プラズモン光学フィルタ46による光放射の吸収率47が、金属スラブが開口部を有さない同一のプラズモン光学フィルタによる吸収率48と比較されている。300 nmの辺を有する金属スラブ内の、直径が40nmに達する円形の開口部44がプラズモン光学フィルタ46に設けられていることにより、吸収される波長の隔たりは２％未満しか増大しない。このためなおさら、より大きな金属スラブにより小さな開口部を設けることにより、影響が更に少なくなる。
【００４８】
プラズモン光学フィルタ46は、図2Dのプラズモン光学フィルタ19及び図４のプラズモン光学フィルタ30の光学品質と同一の光学品質を有しており、同様に圧力変化に耐える一方、著しく増した機械抵抗を有する。更に、偏光に対する非感応性が維持される。
【００４９】
図７は、別の変形例のプラズモン光学フィルタ50を示す部分的な断面斜視図である。
【００５０】
プラズモン光学フィルタ50は、支持体10の金属面13を覆う誘電体材料の均一な誘電体層52上に、別個の正方形の金属スラブ42の規則的な石畳状要素を形成することによって形成されている。各金属スラブは中央の開口部44を有している。そのため、誘電体層52が、開口部44から選択的且つ等方的にエッチングされて、金属スラブ42の各々の大部分の下に空間54が形成される。金属スラブ間の接触可能な誘電体層52の部分を保護するためにマスクした後、エッチングを行ってもよい。得られたプラズモン光学フィルタ50は、図5Dのプラズモン光学フィルタ46に相当し、正方形の空間38が円形の空間54と取り替えられている。残りの誘電体層52は、円形の空間を画定する格子状の構造を形成している。例として、誘電体層52の誘電体材料は酸化シリコンであってもよい。
【００５１】
プラズモン光学フィルタ50は、非常に簡単な方法で形成され得る点で有利である。
【００５２】
具体的な実施形態が述べられている。様々な変更、調整及び改良が当業者に想起される。特に、記載された実施形態の金属面13は連続的な表面であり、連続的な表面に形成されたプラズモンフィルタは反射フィルタ、すなわち、選択された波長を有する光放射を吸収して、他の波長の光放射を反射するフィルタである。選択された波長の放射線を伝送するプラズモンフィルタの変形例が可能であり、この変形例では、金属の支持体が、透明な支持体上に形成された別個の金属スラブを備えている。
【００５３】
更に、上記の実施形態の金属スラブは正方形状であるが、金属スラブは、プラズモン共振器を形成し得る他の形状を有してもよい。例として、金属スラブは十字形又は円形を有してもよい。変形例として、金属スラブは、選択された偏光放射線のフィルタリングに有利に機能すべく矩形状であってもよい。
【００５４】
更に、記載された実施形態では、金属スラブはアレイ状に配置されているが、金属スラブは他の構成に応じて周期的に繰り返されてもよい。例えば、金属スラブは三角形の網目状に配置されてもよい。
【００５５】
このような変更、調整及び改良は、本開示の一部であることが意図されており、本発明の趣旨及び範囲内であることが意図されている。従って、先の記載は単なる一例であり、限定することを意図されていない。本発明は、以下の特許請求の範囲及びこの均等物に定義されているように限定されるだけである。
【００５６】
本出願は、仏国特許出願第15／60912 号明細書の優先権を主張しており、その内容全体が、特許法で許容可能な最大限に至るまで参照により本明細書に組み込まれる。
【符号の説明】
【００５７】
１３  金属面
１４，３２，３６，５２  誘電体スペーサ，誘電体層
１６  犠牲材料
１７，４２  金属スラブ
１８，４４  開口部
２０，３４，３８，５４  空間
１９，３０，４６，５０  プラズモン光学フィルタ
【図１】
2017090910.tif 000003
【図２Ａ】
2017090910.tif 000004
【図２Ｂ】
2017090910.tif 000005
【図２Ｃ】
2017090910.tif 000006
【図２Ｄ】
2017090910.tif 000007
【図３】
2017090910.tif 000008
【図４】
2017090910.tif 000009
【図５Ａ】
2017090910.tif 000010
【図５Ｂ】
2017090910.tif 000011
【図５Ｃ】
2017090910.tif 000012
【図５Ｄ】
2017090910.tif 000013
【図６】
2017090910.tif 000014
【図７】
2017090910.tif 000015