JP4800710B2

JP4800710B2 - 光学フィルタ及び光学フィルタの製造方法

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Publication number: JP4800710B2
Application number: JP2005248485A
Authority: JP
Inventors: 稔浩石井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-08-29
Also published as: JP2007065096A

Description

本発明は、光学フィルタ及び光学フィルタの製造方法に関する。

透過光の波長を分離する光学フィルタを構成する誘電体多層膜は真空装置を利用した蒸着プロセスによって作製される。そして、真空装置を利用するため、同時にできるだけ多くのウェハーを処理することで、製造コストを低減するように努めている。同時に多くのウェハーを処理する場合には面内の分布が問題となる。誘電体多層膜の膜厚は光学特性を決める非常に重要な要素であり、歩留まりを決める要素となる。このため、できるだけ、大量にかつできるだけ均一に成膜を行うことが要求されている。
しかし、現在のプロセスでは単に誘電体多層膜を成膜するだけで、その均一性制御には限界がある。そのため、その均一性を向上させるために様々な研究がなされている。例えば、ＥＣＲスパッタ装置を利用して高い面内均一性を実現している研究成果として、非特許文献１〜３が知られている。これらの技術では、ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅の誘電体多層膜において、膜厚の精度として±０．６５％（８インチウェハー）、屈折率分布として±０．１６％（８インチウェハー）である。
応用物理学会2003年秋1p-YK-2 K. Saito, Y. Jin, and M. Shimada, Appl. Phys. Lett. 81, 3582 (2002) 斎藤國夫、神好人、小野俊郎、天澤敬生、Semiconductor FPD World、2001年10月号、pp.57-61.

しかし、非特許文献１〜３で用いているスパッタ装置では同時に行えるプロセスは１枚のウェハーのみである。通常利用できる蒸着では一度に何枚ものウェハーが処理でき、製造コストがはるかに低い。このため、蒸着装置を利用して一度に何枚ものウェハーが処理できるようにして、かつ、高精度の膜厚制御が可能な技術が求められる。
そこで、本発明の目的は、蒸着装置を利用して一度に何枚ものウェハー処理を行って製造でき、しかも、透過スペクトルが光学フィルタの透過位置により異なることを防止できるようにすることである。

請求項１に記載の発明は、屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜を備えた光学フィルタにおいて、透過スペクトルが透過位置により異なることを補正するスペクトル補正層を備え、前記スペクトル補正層は、膜厚が面内で分布を有していることにより透過スペクトルが透過位置により異なることを補正することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学フィルタにおいて、前記誘電体多層膜を複数備え、複数の前記誘電体多層膜間にスペーサー層を備え、前記スペクトル補正層は、前記スペーサー層を構成する材料又は前記誘電体多層膜を構成する複数の材料のうちの一つと同じ材料で構成されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学フィルタにおいて、前記スペクトル補正層は、樹脂によって構成されていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学フィルタにおいて、前記スペクトル補正層は、その膜厚Ｄｍが、Ｄｍ＝λ／４ｎ×Ｎ（ただし、Ｎ：偶数、ｎ：屈折率、λ：入射光波長）の条件を満たすことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光学フィルタにおいて、前記スペクトル補正層は、前記スペーサー層に隣接して形成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の光学フィルタにおいて、前記スペーサー層は、電気光学材料、又はフォトリフラクティブ材料で形成されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの光学フィルタを製造する光学フィルタの製造方法において、前記スペクトル補正層の膜厚をドライエッチングによって制御することを特徴とする光学フィルタの製造方法である。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかの光学フィルタを製造する光学フィルタの製造方法において、前記スペクトル補正層の膜厚をフォトリソグラフィーによって制御することを特徴とする光学フィルタの製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、誘電体多層膜を利用することで、任意の波長を透過する光学フィルタを作製することができる。その際に膜の厚さが設計値よりずれることで、透過する波長も設計値からずれるのを、透過スペクトルが光学フィルタの透過位置により異なることを補正するスペクトル補正層により補正することができる。
本発明の光学フィルタは蒸着装置を利用して製造でき一度に何枚ものウェハーが処理できるので製造コストを低減できる。蒸着装置での面内分布によって膜厚が設計値からずれ、不良品として歩留まりを下げ、製造コストを上げる原因となる点も、スペクトル補正層により補正することができる。
また、透過スペクトルが本光学フィルタの透過位置により異なることをスペクトル補正層の膜厚で補正することができる。
請求項２に記載の発明によれば、同じ材質で製造することで、その製造コストを大幅に低減できる。
また、キャビティー型の光学フィルタとすることで狭帯域のバンドパスフィルタが実現することができる。
請求項３に記載の発明によれば、樹脂は蒸着などの気相成長と異なり簡便に成膜が可能であるので、製造コストを低減できる。
請求項４に記載の発明によれば、スペクトル補正層の透過率を向上させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、スペーサー層の隣接は光学特性に大きく影響するので、隣接層をスペクトル補正層とすれば、小さな膜厚制御もしくは屈折率制御で効率的にスペクトルを補正することができ、効率的に前述の補正を行うことで製造コストを低減できる。
請求項６に記載の発明によれば、スペーサー層を電気光学材料又はフォトリフラクティブ材料にすることで、外部の電圧もしくは光によって、屈折率を制御することができる。スペーサー層の屈折率を変えることは光学長を制御することと等価であり、これにより光学フィルタとしての光学特性が変わる。スペーサー層は最も光学特性に影響する部分であり、スペーサー層の屈折率を変えることで効率的に光学特性を制御できる。また、この屈折率変化は高精度の制御することが可能で、フォトリソやエッチングによって制御するより高精度な制御が可能である。
請求項７に記載の発明によれば、蒸着では面内を一様に単に厚くなる方向にしか制御できないのに対して、エッチングを用いているので、成膜した膜の膜厚を少なくなる方向に加工することができる。また、エッチングはエッチングガスを任意の位置でプラズマ化することが可能であり、任意の位置に制御されたプラズマはその位置での膜を削り取る。膜は面内において制御された膜厚にすることができる。
請求項８に記載の発明によれば、フォトリソグラフィーを用いるので、任意の位置にマスクをかけ、任意の形に感光性のレジストを形成できる。これにより面内において制御された位置にマスクを残し、その上からエッチングを行うことで、任意の面内分布を持った膜を形成することができる。この任意の厚みをもった膜はスペクトル補正層として働く。

以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。
［実施形態１］
図１は、従来の光学フィルタの拡大縦断面図（ａ）、本実施形態の光学フィルタの拡大縦断面図（ｂ）、この両者の光学フィルタの測定位置と中心波長との関係を説明するグラフ（ｃ）である。
図１（ａ）に示す従来の光学フィルタ１０１は、下から順に基板２、誘電体多層膜３、スペーサー層４、誘電体多層膜５が積層されてなる。誘電体多層膜３、５は、屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなるものである。
図１（ｂ）に示す本実施形態の光学フィルタ１が従来の光学フィルタ１０１と相違する点は、誘電体多層膜５とスペーサー層４との間にスペクトル補正層６が介装されている点である。
すなわち、図１（ｃ）に示すように、従来の光学フィルタ１０１は、光を利用する範囲においては、光学スペクトルが位置によって異なる（図１（ｃ）ａ）。この要因はそれぞれの膜厚が位置によって異なるために生じている。
そこで、本実施形態では、この膜厚変動を補正するために、スペクトル補正層６を導入し、スペクトルを補正している。よって、本実施形態では、光学スペクトルが位置によって異なることが抑制されている（図１（ｃ）ｂ）。すなわち、スペクトル補正層の膜厚又は屈折率が面内で分布を有している。
誘電体多層膜３、５は屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる。本例では、基板２に近い層から順にＳｉＯ₂層１１とＴｉＯ₂層１２が交互に積層されて構成されている。誘電体多層膜３、５はＳｉＯ₂層１１、ＴｉＯ₂層１２の膜厚をそれぞれ、基準波長を６３２．８ｎｍの光学波長の１／４として、７０ｎｍ、４５ｎｍとした。誘電体多層膜３、５はそれぞれＳｉＯ₂層１１、ＴｉＯ₂層１２を６ペアとした。

次に、スペーサー層４の材料としてＳｉＯ₂を採用し、膜厚は基準波長の１／４の偶数倍２Ｎになるようにする。これにより、基準波長に透過率スペクトルのピーク位置がくる狭帯域のバンドパスフィルタとなる。今回は整数をＮ＝６とした。
このように設計されたバンドパスフィルタである光学フィルタを作製すると、前述のように、図１(ｃ)に示すような光を透過させる領域に膜厚の分布が生じてしまう。この膜厚分布は成膜装置によるもので、この精度を上げることは難しい。図１ではスペーサー層４のみが分布をしているように描かれているが、実際には誘電体多層膜３、５にも分布が生じている。ただし、誘電体多層膜３、５の膜厚分布は光学特性上、それほど影響を与えるものではなく、スペーサー４層が与える影響の１／１０程度である。
スペクトル補正層６の材料は、有機材料の樹脂や無機材料など様々な選択ができる。今回は引き続き成膜設備を利用することができることから、スペーサー層４と同じＳｉＯ₂とした。このようにスペーサー層４と同じ材質でも問題ない。このスペクトル補正層６の厚さは５００ｎｍ程度とする。このスペクトル補正層６は面内において、その膜厚を調整されており、透過スペクトルが面内においてほぼ同一になることを実現している。
スペクトル補正層６の膜厚Ｄｍは、
Ｄｍ＝λ／４ｎ×Ｎ
（ただし、Ｎ：偶数、ｎ：屈折率、λ：入射光波長）
の条件を満たすようにする。
スペクトル補正層６の上には誘電体多層膜５が構成されており、光学フィルタ１は、誘電体多層膜３、５で挟まれたキャビティー型の光学フィルタとなっている。この光学フィルタ１は狭帯域のバンドパスフィルタとして機能し、その面内分布は非常に小さいものとなっている。
なお、スペクトル補正層６は、その屈折率が面内で分布を有していることにより透過スペクトルが本実施形態の光学フィルタ１の透過位置により異なることを補正するようにしてもよい。この場合にスペクトル補正層６の屈折率は任意の不純物をドーピングすることで制御でき、面内分布を制御することが可能である。屈折率は光学フィルタの構成において、光学長としてフィルタの光学特性を制御できる。

次に、光学フィルタ１の製造方法について説明する。
光学フィルタ１は、以下の各工程を順次実施することにより製造することができる。
（１）工程１（図２（ａ）を参照）
まず、ＳｉＯ₂製の基板２に誘電体多層膜３及びスペーサー層４を順次形成する。この場合の成膜方法は真空チャンバー内での電子ビーム蒸着法を採用する。
（２）工程２（図２（ｂ）を参照）
続いてスペクトル補正層６を成膜する。この状態ではスペクトル補正層５は及びスペーサー層４は面内分布を引きずっており、面内において光学特性が異なる。
（３）工程３
次に、スペーサー層４及びスペクトル補正層６の膜厚の面内分布を測定する。測定方法は光の干渉現象を利用した手段などを用いれば、測定精度が高く、今回の測定に適している。
（４）工程４
このデーターを集計し、そのデーターを元にグレースケールマスクを設計する。グレースケールマスクは写真乾板と同様に作製され、液晶などの空間変調素子を用いて、任意のグレースケールパターンを転写することができる。このグレースケールパターンは先に測定した膜厚分布を反映し、スペクトル補正層６として機能するように、設計する。この際には、後続の工程であるフォトリソ、エッチングによって、変形することを見こんで設計している。
（５）工程５
次に、フォトレジスト２１を塗布し（図２（ｃ）を参照）、その上からグレースケールマスク２２に通して露光を行う（図３（ａ）を参照）。
（６）工程６（図３（ｂ）を参照）
そして、露光されたフォトレジスト２１を現像することで、任意形状に加工されたフォトレジストとなる。
（７）工程７（図３（ｃ）を参照）
そして、この上からドライエッチングすることで、フォトレジスト２１の形状をスペクトル補正層６に転写することができる。
（８）工程８（図３（ｄ）を参照）
最後に、この任意の形状に加工されたスペクトル補正層６の上に誘電体多層膜５を形成する。

［実施形態２］
図４は、本実施形態の光学フィルタ１の部分拡大縦断面図である。なお、実施形態１と共通の部材については同一符号を用い、詳細な説明は省略する。
図４に示すように、本実施形態の光学フィルタ１は、スペーサー層４に電気光学材料を用い、スペーサー層４と誘電体多層膜３との間、さらにはスペクトル補正層６と誘電体多層膜５との間に介装された透明電極３１、３２による電圧印加によって、スペクトル補正層６の屈折率を任意に制御できるようにしている。屈折率を変えることで、光学特性を制御できる。
本実施形態では誘電体多層膜３、５で形成されたミラーによってスペーサー層４を挟みこむキャビティー型狭帯域バンドパスフィルタであり、光学特性として、透過スペクトルの中心波長が重要な項目となる。この中心波長が面内において、分布を持たないように実施形態１と同様にスペクトル補正層６が導入されている。しかし、スペクトル補正層６では補正しきれない部分は電気光学材料（スペーサー層４）によって、微調整を行う。
電気光学材料で面内分布が微調整できるように透明電極３１、３２はマトリクス状になっている。つまり上下に配置される透明電極３１、３２とも短冊状になっており、上下の短冊が垂直に交わるようにできている。これにより、電気光学材料であるスペーサー層４の屈折率をマトリクス状に制御できる。
電圧を印加する面内分布は上下の電極３１、３２の構成に制約を受けるが、中心が大きな電圧をうけ、端の方が小さい電圧をかけるなど、単純な連続分布を作ることは容易である。また、電気光学材料（スペーサー層４）に印加する電圧は時間的に変化することもでき、外部要因などによって変動する光学フィルタ１の特性を安定させることも可能である。特に熱などによるスペーサーの膨張などが最も起こりやすい外部要因の一つである。

本実施形態の光学フィルタ１の基本構成は図４に示すように、基板２、誘電体多層膜３、５、電気光学材料で構成されたスペーサー層４、スペクトル補正層６、パターニングされた透明電極３１、３２からなる。
誘電体多層膜３、５は基板２に近い層から順にＳｉＯ₂層１１、ＴｉＯ₂層１２によって構成されている。誘電体多層膜３、５はＳｉＯ₂層１１、ＴｉＯ₂層１２とそれぞれ、基準波長を６３２．８ｎｍの光学波長の１／４として、７０ｎｍ、４５ｎｍとした。誘電体多層膜３、５はいずれもＳｉＯ₂層１１、ＴｉＯ₂層１２を６ペアとしている。
本例ではスペーサー層４にＰＬＺＴを用い、膜厚は入射波長の１／４の偶数倍２Ｎになるようにしている。整数Ｎは４０程度として、膜厚は１０ｎｍ程度とした。ＰＬＺＴはその２次電気光学係数を“９Ｅ−１６［ｍ２Ｖ−２］”とし、１０Ｖの電圧印加で、その屈折率変化は約０．０００１程度となる。この屈折率変化で、透過率のピーク位置の移動量λｍは約１．５ｎｍ。この移動量λｍは印加電圧や欠陥層の膜厚整数Ｎによっても制御することができる。
スペーサー層４の上部にはスペクトル補正層６を成膜する。本例では樹脂を材料としている。樹脂はどのようなものでも問題なく、その製造の簡便性から、エポキシ系のＵＶ硬化樹脂を利用するのが望ましい。このスペクトル補正層６の厚さを５００ｎｍ程度とする。このスペクトル補正層６は面内において、その膜厚を調整されており、透過スペクトルが面内においてほぼ同一になることを実現している。
スペーサー層４及びスペクトル補正層６の両端には電極３１、３２として透明電極を利用している。透明電極はＩＴＯとして、スパッタによって形成できる。ＩＴＯは通常のフォトリソ工程でパターニングされている。ＩＴＯのパターニングは１０ｎｍピッチの短冊とする。
スペクトル補正層６の上には誘電体多層膜５が構成されており、誘電体多層膜３と５で挟まれたキャビティー型の光学フィルタとなっている。この光学フィルタ１は狭帯域のバンドパスフィルタとして機能し、その面内分布は非常に小さい。

（ａ）は従来の光学フィルタの拡大縦断面図、（ｂ）は実施形態１の光学フィルタの拡大縦断面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）の光学フィルタの測定位置と中心波長との関係を説明するグラフ図である。（ａ）〜（ｃ）は実施形態１に係る光学フィルタの製造方法の説明図である。（ａ）〜（ｄ）は実施形態１に係る光学フィルタの製造方法の説明図である。実施形態２の光学フィルタの部分拡大縦断面図である。

符号の説明

１光学フィルタ
３、５誘電体多層膜
４スペーサー層（電気光学材料）
６スペクトル補正層

Claims

屈折率の異なる複数の誘電体を周期的に積層してなる誘電体多層膜を備えた光学フィルタにおいて、
透過スペクトルが透過位置により異なることを補正するスペクトル補正層を備え、
前記スペクトル補正層は、膜厚が面内で分布を有していることにより透過スペクトルが透過位置により異なることを補正することを特徴とする光学フィルタ。
前記誘電体多層膜を複数備え、
複数の前記誘電体多層膜間にスペーサー層を備え、
前記スペクトル補正層は、前記スペーサー層を構成する材料又は前記誘電体多層膜を構成する複数の材料のうちの一つと同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
前記スペクトル補正層は、樹脂によって構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学フィルタ。
前記スペクトル補正層は、その膜厚Ｄｍが、
Ｄｍ＝λ／４ｎ×Ｎ
（ただし、Ｎ：偶数、ｎ：屈折率、λ：入射光波長）
の条件を満たす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光学フィルタ。
前記スペクトル補正層は、前記スペーサー層に隣接して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学フィルタ。
前記スペーサー層は、電気光学材料、又はフォトリフラクティブ材料で形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の光学フィルタ。
請求項１乃至６のいずれか一項の光学フィルタを製造する光学フィルタの製造方法において、
前記スペクトル補正層の膜厚をドライエッチングによって制御することを特徴とする光学フィルタの製造方法。
請求項１乃至６のいずれか一項の光学フィルタを製造する光学フィルタの製造方法において、
前記スペクトル補正層の膜厚をフォトリソグラフィーによって制御することを特徴とする光学フィルタの製造方法。