JP6292766B2 - 光学フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を用いて特定波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタに関する。

特定の波長帯の光を透過させる光学フィルタには、大きく分けて次の３つのものがある。色素系の材料を用いるもの（たとえば特許文献１）、誘電体多層膜を用いるもの（たとえば特許文献２）、表面プラズモン共鳴を用いるもの（たとえば特許文献３〜８）である。

色素系の材料を用いた光学フィルタは、カラー液晶ディスプレイなどに広く用いられており、主にＲＧＢ用の可視光領域のものが多い。色素系材料を用いた可視光領域の光学フィルタは、透過率、透過波長のピークの半値幅ともに良好な特性を示す。

誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、屈折率の異なる誘電体膜を交互に所定の膜厚で積層させた構造であり、多くの光学部品に用いられている。誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、透過率、透過波長のピークの半値幅ともに良好な特性であり、耐環境性にも優れている。また、近赤外領域においても良好な特性が得られる。

表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタは、周期的構造を有する金属層を有した構造であり、金属と誘電体との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用するものである。周期的構造の周期長を調整したり、ホールやドットの形状を工夫することによって、所望の透過域を得たり、プラズモン増強による透過率の向上が試みられている。

特開２０１０−１３４３５３ 特開２００８−５３８３ 特開２００８−２７００６１ 特表２００６−５０９３５８ 特開２０００−１１１８５１ 特開２００７−２５８６５７ 特開２０１０−１６０２１２ 特開２０１１−１７１５１９

しかし、色素系の材料を用いた光学フィルタは、紫外線などによってフィルターの特性が劣化してしまうなど耐環境性に難がある点や、近赤外線領域において良好な透過特性を示す材料がない、といった問題点がある。

また、誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、良好な特性を得るためには薄膜を１０層以上積層させる必要があり、製造に手間がかかり低コスト化が難しい。また厚さ方向に波長依存性があるため、同一の工程で複数の波長フィルタを作製することができない。

また、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタは、構成が簡単であり、耐環境性も高いという利点があるが、上記２つの光学フィルタに比べて透過率や透過波長のピークの半値幅など特性が悪いという問題がある。

そこで本発明の目的は、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタにおいて、透過帯域の狭い特性を実現することである。

本発明は、表面プラズモン共鳴を用いて特定の波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタの製造方法において、誘電体からなる第１誘電体層上に、第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体からなる第２誘電体層を形成し、第２誘電体層上に、第２誘電体層よりも屈折率の低い誘電体からなる第３誘電体層を形成し、第３誘電体層上に、平面方向に周期的構造を有した金属からなり、第３誘電体層との界面で表面プラズモン共鳴を生じさせる金属層を形成し、第２誘電体層の厚さは、下記数式（１）を満たして透過を制限される波長帯が、表面プラズモン共鳴による透過波長ピークよりも短波長側となるようにし、かつ、下記数式（１）を満たさず透過する波長帯が、表面プラズモン共鳴による透過波長ピークと重なるように設定する、ことを特徴とする光学フィルタの製造方法である。
上記数式（１）において、ｋ０は波数、βは伝搬定数、ｄは第２誘電体層の厚さ、ε１、ε２、ε３はそれぞれ第１誘電体層、第２誘電体層、第３誘電体層の誘電率、ｍは整数を示している。

第２誘電体層は、第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体であれば任意の材料を用いることができ、無機材料であっても有機材料であってもよいが、作製の容易さ、低コスト化を考えると酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、などの酸化物や窒化物であることが好ましい。

第２誘電体層を設けることにより、特定の伝搬モードを透過させないようにでき、その第２誘電体層の厚さを適切に設計することで、透過させたくない波長帯域を抑制することができる。

第１、３誘電体層には、第２誘電体層よりも屈折率の小さい任意の材料を用いることができ、無機材料であっても有機材料であってもよい。また、第１誘電体層と第３誘電体層とで異なる材料としてもよいが、構造が簡易となり低コスト化を図ることができるので同じ材料とするのがよい。第１誘電体層、第３誘電体層にはＳｉＯ₂ 、ＭｇＦ₂ などを用いることができる。

金属層は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属単体やそれらの合金を用いることができる。ＩＴＯ（インジウム酸化スズ）、酸化亜鉛、などの導電性酸化物を用いることもできる。特に、表面プラズモン共鳴の効果が高いＡｌ、Ａｕまたはそれらの合金とすることが望ましい。

金属層の周期的構造は、表面プラズモン共鳴を生じうる任意の周期的構造でよく、正方格子状、三角格子状、ストライプ状などの構造とすることができる。また、溝や孔などの凹部によって周期的構造を構成してもよいし、ドットなどの凸部によって周期的構造を構成してもよい。ドットや孔の形状は、平面視で、円、楕円、正三角形、正方形、正六角形など任意の形状を用いることができ、その形状によって本発明の光学フィルタの特性を制御することも可能である。また、周期的構造の周期によって、本発明の光学フィルタの透過波長のピークを制御することができる。たとえば、ドットまたは孔を正方格子状あるいは三角格子状に配置して、周期を２μｍ以下とすれば、透過波長のピークを４００〜２０００ｎｍの間に制御することができる。

凹部によって周期的構造を構成する場合、その凹部は空洞としてもよいが、誘電体によって埋めるようにしたほうがよい。金属層の酸化などによる腐食を防止するためである。凸部によって周期的構造を構成する場合も同様である。

また、金属層の厚さは、本発明の光学フィルタの透過率、透過波長のピークの半値幅等に合わせて設計する。つまり、金属層の厚さによって本発明の光学フィルタの透過率や透過波長のピークの半値幅等の制御が可能である。

金属層上には、第４誘電体層をさらに設けてもよい。金属層の酸化等による腐食を防止し、入射光の反射を防止するとともに、第４誘電体層と金属層との界面に生じる表面プラズモン共鳴を利用して本発明の光学フィルタの透過率、透過波長のピークの半値幅を向上させることができる。第４誘電体層は、第３誘電体層と同一材料としてもよい。

また、金属層は、所定周期の周期的構造を有する第１領域と、第１領域とは異なる周期の周期的構造を有する第２領域とを有する構造とすることができる。この構造により、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光とで、透過領域を変えることができる。もちろん、第１、２領域とは周期の異なる第３領域、第１〜３領域とは周期の異なる第４領域、・・・をさらに有する構造としてもよい。

本発明によれば、金属層と第３誘電体層との界面に生じる表面プラズモン共鳴による大域的な波長フィルタリングだけでなく、第２誘電体層を設けたことによる伝搬モードの限定により狭帯域な波長フィルタリングを行うことができる。そのため、狭帯域な光学フィルタを実現することができる。特に、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタでは従来難しかった近赤外領域に透過波長ピークを有する特性を、本発明の光学フィルタであれば実現可能である。

実施例１の光学フィルタの構成を示した図。 金属ドット１５の配列パターンを示した図。 他の金属層１３の周期的構造を示した図。 他の金属層１３の周期的構造を示した図。 他の金属層１３の周期的構造を示した図。 実施例１の光学フィルタの透過率波長依存性を示したグラフ。 実施例２の光学フィルタの構成を示した図。 金属ドット２５の配列パターンを示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の光学フィルタの構成を示した図である。実施例１の光学フィルタは、図１のように、ＳｉＯ₂ からなる基板１０と、基板１０上に位置する高屈折率層１１と、高屈折率層１１上に位置するギャップ層１２と、ギャップ層１２上に位置する金属層１３と、金属層１３上に位置する保護層１４と、によって構成されている。この光学フィルタは、その面に垂直に保護層１４側から光を入射させ、基板側から出射される光を狭帯域とするものである。基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２、保護層１４は、それぞれ本発明の第１誘電体層、第２誘電体層、第３誘電体層、第４誘電体層に相当している。

基板１０は、ＳｉＯ₂ からなる。ＳｉＯ₂ 以外にも、高屈折率層１１よりも屈折率の低い誘電体であれば任意の材料を用いることができる。

高屈折率層１１は、厚さ１３０ｎｍで、基板１０よりも屈折率の高い誘電体であるＴｉＯ₂ からなる。基板１０よりも屈折率の高い誘電体材料であれば、他の材料を用いてもよく、たとえば、ＺｒＯ₂ などの酸化物や、ＳｉＮなどの窒化物である。この高屈折率層１１を導入することにより、光の伝搬モードを限定し、所望の帯域の透過率を抑制することができる。詳細については後述する。

ギャップ層１２は、基板１０と同様にＳｉＯ₂ からなり、高屈折率層１１よりも屈折率が低くなっている。ギャップ層１２の厚さは５０ｎｍである。ギャップ層１２は基板１０と同じ材料である必要はなく、高屈折率層１１よりも屈折率の低い材料であればよい。ただし、基板１０と同一の材料を用いることで、高屈折率層１１の厚さの設計が容易となり、実施例１の光学フィルタの構成が簡易となり、また低コスト化を図ることができるので、同一材料もしくは誘電率がおよそ等しい材料とすることが望ましい。

金属層１３は、図２に示すように、平面視において、Ａｌからなる金属ドット１５が正方格子状に配列されたパターンの周期的構造を有している。金属ドット１５の形状は直方体であり、平面視で正方形である。金属層１３の厚さは１００ｎｍである。また、この周期的構造は、周期長（金属ドット１５の中心の間隔）は５００ｎｍ、金属ドット１５の大きさ（正方形の一辺の長さ）は２５０ｎｍである。金属ドット１５間の隙間は、保護層１４によって埋められている。これにより、金属ドット１５が酸化等によって腐食することを防止している。

なお、金属層１３の周期的構造は、図２に示したものに限るものではなく、表面プラズモン共鳴を生じうる任意の周期的構造であってよい。たとえば、正方格子状以外にも、三角格子状などの任意の周期的パターンに金属ドット１５を形成してもよい。また、金属ドット１５ではなく、金属層１３を貫通する孔を周期的に開けた構造としてもよい。この場合も孔の配列は正方格子状、三角格子状など任意の周期的パターンとすることができる。また、ストライプ状の溝あるいは凸部を設けることで周期的パターンとしてもよい。ただし、ストライプ状とすると、偏光方向がストライプ方向の光成分については、透過できない点に留意する。ドットあるいは孔の平面視での形状は、円、楕円、正三角形、正方形、正六角形など任意の形状を用いることができ、この形状によっても実施例１の光学フィルタの透過率等を制御することができる。また、ドットあるいは孔の側面は、傾斜を有していてもよい。また、ドット間の隙間や孔は、空洞であってもよいが、実施例１の金属層１３のように誘電体（保護層１４）によって埋められていることが望ましい。金属層１３の酸化等の腐食を防止するとともに、光学フィルタの物理的な耐久性、安定性を高めることができるからである。

金属層１３の周期的構造の一例を図３〜５に示す。図３は、金属層１３を貫通する正方形の孔１７を正方格子状に配列したパターンである。図４は、正方形の金属ドット１５を三角格子状に配列したパターンである。図５は、ストライプ状の金属からなる凸部１８を設けたパターンである。

たとえば、透過波長のピークを４００〜２０００ｎｍの間にするには、孔またはドットが三角格子状あるいは正方格子状に配列したパターンとし、その周期（ドット間の距離または孔間の距離）を２００μｍ以下とすることで可能となる。また、透過率や半値幅は、金属層１３の厚さ、孔およびドットの大きさと形状によって制御可能であるが、透過率を６０％以上とするには、金属層１３の厚さを２００ｎｍ以下、孔およびドットを円または多角形とし、その直径を周期の２／３以下とすることで達成できる。

また、金属層１３の材料はＡｌに限るものではなく、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属単体やそれらの合金を用いることができる。ＩＴＯ（インジウム酸化スズ）、酸化亜鉛、などの導電性酸化物を用いることもできる。特に、表面プラズモン共鳴の効果が高いＡｌ、Ａｕまたはそれらの合金とすることが望ましい。

保護層１４は、ＳｉＯ₂ からなり、金属層１３を封止して酸化等の腐食を防止するための層である。また、光学フィルタの透過率を高めるための層である。ギャップ層１２と金属層１３との界面で生じる表面プラズモン共鳴だけでなく、金属層１３と保護層１４との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用することができるため、透過率を高めることができる。保護層１４は金属層１３上に位置するとともに、金属層１３の金属ドット１５の隙間を埋めている。保護層１４はギャップ層１２と異なる材料であってもよいが、透過波長の半値幅を狭くするためには、ギャップ層１２と保護層１４は同一材料とするか、もしくは誘電率がおよそ等しい材料とすることが望ましい。この保護層１４は必ずしも必要ではないが、上記利点のため設けることが好ましい。また、金属ドット１５の隙間を埋める部材を保護層１４と異なるものとしてもよい。

なお、金属層１３以外の各構成の材料、つまり基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２は、無機材料であってもよいし、有機材料であってもよい。フレキシブルな有機材料を用いることで、フィルム状の光学フィルタとすることも可能である。

また、保護層１４上に、入射光の反射を防ぐ膜、たとえばＡＲコート膜を形成してもよい。

実施例１の光学フィルタは、以下の製造方法によって作製する。まず、基板１０上に、スパッタや真空蒸着、ＣＶＤなどの方法によって誘電体層１１、ギャップ層１２を順に形成する。次に、ギャップ層１２上に、スパッタや真空蒸着などの方法によって金属層を形成し、その上にＥＢ描画、ナノインプリントなどを用いてレジストをパターニングする。そして、ＩＣＰエッチングなどを用いて金属層をエッチングすることで、周期的構造を有する金属層１３を形成する。その後、金属層１３上にスパッタ、真空蒸着、ＣＶＤなどの方法によって保護層１４を形成する。以上によって実施例１の光学フィルタが作製される。

次に、実施例１の光学フィルタの動作について説明する。

実施例１の光学フィルタは、その光学フィルタの主面に垂直に保護層１４表面側から光を入射させ、基板１０裏面側から光を透過させて取り出すものである。光を光学フィルタの主面に垂直に、保護層１４側から入射させると、保護層１４と金属層１３の金属ドット１５との界面、および金属ドット１５とギャップ層１２との界面において生じる表面プラズモン共鳴によって、所定の波長帯のみが透過される。つまり、所望の波長に透過率のピークを有した透過特性を有する。

この表面プラズモン共鳴を利用した波長フィルタリングでは、ピークよりも短波長側において十分に透過率を低減することができない。

この短波長側の光は、高屈折率層１１を設けたことで抑制される。高屈折率層１１は、高屈折率層１１よりも屈折率の低い基板１０とギャップ層１２との間に設けた層であり、この高屈折率層１１を設けたことで、下記数式１を満たす伝搬モードのみが高屈折率層１１内を平面方向に伝搬することができる。なお、光学フィルタの主面に垂直に光を入射しているにもかかわらず、高屈折率層１１を平面方向に伝搬する光が存在するのは、金属層１３の周期的構造による回折のためである。

上記数式１において、ｋ０は波数、βは伝搬定数、ｄは高屈折率層１１の厚さ、ε１、ε２、ε３はそれぞれ基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２の誘電率、ｍは整数を示している。

実施例１の光学フィルタでは、基板１０とギャップ層１２とで同一材料を用いているため、ε１＝ε３であり、数式１は次の数式２のようになる。

ギャップ層１２を透過して高屈折率層１１に入射した光のうち、この数式２を満たす伝搬モードの光は高屈折率層１１中にトラップされ、高屈折率層１１を透過して基板１０へと入射することはない。したがって、基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２の３層の積層構造は、数式２を満たす波長帯を透過させない波長フィルタとして動作する。

この数式２を満たす伝搬モードにおいて許容される波長帯と、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングでの透過波長ピークより左側の帯域とが重なるようにし、かつ、数式２の伝搬モードにおいて禁止される波長帯域（つまり高屈折率層１１を透過する波長帯域）と、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングでの透過波長ピークとが重なるように、高屈折率層１１の厚さｄを設計する。実施例１の光学フィルタでは、高屈折率層１１の厚さを１３０ｎｍとすることで、７５０〜８５０ｎｍの帯域を透過させないように設計している。これにより、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングで十分に抑制されなかった透過波長ピークの短波長側を、高屈折率層１１の導入による波長フィルタリングによって抑制することができる。また、透過波長ピークの半値幅も、これにより一層狭くすることができる。

図６は、実施例１の光学フィルタについて、透過率の波長依存性を示したグラフである。比較のため、実施例１の光学フィルタから高屈折率層１１を省いた光学フィルタ（以下、比較例の光学フィルタ）についても透過率の波長依存性を示す。なお、図６はシミュレーションにより求めたものである。

図６のように、実施例１の光学フィルタの透過率の波長依存性は、８６０ｎｍ付近にピークを有した特性であり、そのピークでの透過率は７０％、半値幅はおよそ４０ｎｍである。一方、比較例の光学フィルタの透過率の波長依存性は、８７５ｎｍ付近にピークを有した特性であり、そのピークでの透過率は７０％である。また、半値幅はおよそ６０ｎｍであり、実施例１の光学フィルタに比べて半値幅が大きい特性となっている。実施例１と比較例の光学フィルタでは、その透過特性が次の点で大きく異なっている。７５０〜８５０ｎｍの波長帯域では、実施例１の光学フィルタは１０％程度の透過率であるのに対し、比較例の光学フィルタは３０〜４０％の透過率である。この波長帯域において実施例１の光学フィルタが比較例の光学フィルタよりも透過を抑制できているのは、高屈折率層１１を導入したことによる波長フィルタリングの効果であることが理解できる。また、半値幅も高屈折率層１１の導入により６０ｎｍから４０ｎｍに狭くなっている。

以上のように、実施例１の光学フィルタは、表面プラズモン共鳴を利用した大域的な波長フィルタリングと、高屈折率層１１を設けて伝搬モードを限定することを利用した波長フィルタリングとを行うものであり、この２つの波長フィルタリング動作によって透過率が高く、透過波長のピークの半値幅の狭い特性を得ることができる。また、実施例１の光学フィルタは、透過波長ピークが近赤外領域（７００〜２５００ｎｍ）にある。従来、近赤外領域に透過波長ピークを有する狭帯域な光学フィルタは、表面プラズモン共鳴を利用したものでは実現が難しかったが、本発明ではこれを実現することができている。

図７は、実施例２の光学フィルタの構成を示した図である。実施例２の光学フィルタは、実施例１の光学フィルタの金属層１３を金属層２３に替えたものであり、他の構成は実施例１の光学フィルタと同様である。

金属層２３は、図８に示すように、２つの領域２３Ａ、Ｂがあり、領域２３Ａでは、所定の周期で金属ドット２５が正方格子状に配列されたパターンとなっており、領域２３Ｂでは、領域２３Ａの周期よりも広い周期で、金属ドット２５が正方格子状に配列されたパターンとなっている。このようなパターンは、実施例１の光学フィルタの製造工程において、金属層をエッチングする際のフォトレジストのパターンを替えるだけで作製することができる。

金属層２３の周期的構造の領域２３Ａ、Ｂでの周期の違いから、光が領域２３Ａに入射する場合の透過波長ピークと、領域２３Ｂに入射する場合の透過波長ピークとは異なる。したがって、実施例２の光学フィルタは、１つの光学フィルタにおいて、その光の入射位置の違いによって透過波長ピークを異ならせることができる。

なお、実施例２では金属層２３の周期的構造を、その周期が異なる２つの領域としたが、周期が互いに異なる３つ以上の領域とすることも当然に可能である。

本発明の光学フィルタは、フォトダイオードを用いたセンサ装置におけるＳＮ比向上などに利用することができる。

１０：基板
１１：高屈折率層
１２：ギャップ層
１３、２３：金属層
１４：保護層
１５、２５：金属ドット
１７：孔
１８：凸部

Claims (7)

1. 表面プラズモン共鳴を用いて特定の波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタの製造方法において、
   誘電体からなる第１誘電体層上に、前記第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体からなる第２誘電体層を形成し、
   前記第２誘電体層上に、前記第２誘電体層よりも屈折率の低い誘電体からなる第３誘電体層を形成し、
   前記第３誘電体層上に、平面方向に周期的構造を有した金属からなり、前記第３誘電体層との界面で表面プラズモン共鳴を生じさせる金属層を形成し、
   前記第２誘電体層の厚さは、下記数式（１）を満たして透過を制限される波長帯が、前記表面プラズモン共鳴による透過波長ピークよりも短波長側となるようにし、かつ、下記数式（１）を満たさず透過する波長帯が、前記表面プラズモン共鳴による透過波長ピークと重なるように設定する、
   ことを特徴とする光学フィルタの製造方法。
   上記数式（１）において、ｋ０は波数、βは伝搬定数、ｄは第２誘電体層の厚さ、ε１、ε２、ε３はそれぞれ第１誘電体層、第２誘電体層、第３誘電体層の誘電率、ｍは整数を示している。
2. 前記金属層は、所定周期の周期的構造を有する第１領域と、前記第１領域とは異なる周期の周期的構造を有する第２領域と、を有するパターンに形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタの製造方法。
3. 前記第２誘電体層は、酸化物または窒化物であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学フィルタの製造方法。
4. 前記第２誘電体層は、酸化チタン、または窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。
5. 前記金属層は、Ａｕ、Ａｌ、またはそれらの合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。
6. 前記金属層上に、第４誘電体層をさらに形成することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。
7. 透過帯域が近赤外領域であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学フィルタの製造方法。