CN114514448A - 光学滤波器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可减小光的入射角依赖性的光学滤波器。该光学滤波器(1)具有氢化硅膜(4)，在通过拉曼光谱法测定的氢化硅膜(4)的拉曼光谱中，根据由SiH引起的峰的面积与由SiH2引起的峰的面积之比求出的比(SiH/SiH2)在0.7以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够有选择地使特定波段的光透射的光学滤波器及该光学滤波器的制造方法。
背景技术
目前，能够有选择地使特定波段的光透射的光学滤波器被广泛用于红外传感器等的用途中。作为这种光学滤波器，例如有使用多层膜的带通滤波器。作为多层膜，使用通过交替地反复层叠折射率相对高的高折射率膜与折射率相对低的低折射率膜而成的膜(例如专利文献1)。在专利文献1中作为高折射率膜记载了氢化硅。另外，作为低折射率膜记载了氮化硅。氢化硅膜使用硅烷气体，通过用等离子体CVD(PECVD)进行蒸镀而形成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5398133号公报。
发明内容
发明要解决的问题
近年来，随着自动驾驶的发展，正在研究在汽车上搭载安装诸如激光雷达、特别是利用激光来检测物体的被称作LiDAR(激光雷达，Light Detection and Ranging：激光探测与测量)的传感器等大量传感器。在这种传感器中，特别要求有选择地使近红外区域的特定波段透射，并且要求进一步提高性能。
特别是在使用多层膜的光学滤波器中，如果光的入射角(相对于与光学滤波器的主面正交的直线的角度)增大，则存在通过频带(透射频带)向短波长一侧位移的问题。因此，存在无法使入射角大的光充分透射的问题。即使通过专利文献1的光学滤波器，也不能够充分减小该入射角依赖性。
本发明的目的在于提供一种可减小光的入射角依赖性的光学滤波器以及该光学滤波器的制造方法。
用于解决问题的技术手段
本申请第1发明的具有含氢化硅膜的光学滤波器，其特征在于，在通过拉曼光谱法测定的所述含氢化硅膜的拉曼光谱中，根据由SiH引起的峰的面积与由SiH2引起的峰的面积之比求出的比(SiH/SiH2)为0.7以上。
本申请第2发明的具有含氢化硅膜的光学滤波器，其特征在于，通过氢前向散射光谱法测定的所述含氢化硅膜中的氢原子含量与通过卢瑟福背散射光谱法测定的所述含氢化硅膜中的硅原子含量之比(H/Si)为0.4以下。
在以下的说明中，有时将本申请的第1发明以及第2发明统称为本发明。
在本发明中，包括：透明基板；和滤波部，其设置在所述透明基板的一侧主面上，且由具有折射率相对高的高折射率膜和折射率相对低的低折射率膜的多层膜构成，所述高折射率膜是所述含氢化硅膜。
在本发明中，所述低折射率膜优选是含氧化硅膜。
在本发明中，优选还包括设置在所述透明基板的另一侧主面上且含有氢化硅的防反射膜。
本申请发明的光学滤波器的制造方法，其制造根据本发明构成的光学滤波器，其特征在于，包括：通过溅射法形成硅膜的工序；和在形成所述硅膜的工序之后，对所述硅膜进行氢化的工序。
发明效果
根据本发明，能够提供一种可减小光的入射角依赖性的光学滤波器以及该光学滤波器的制造方法。
附图说明
图1是表示本发明第1实施方式的光学滤波器的截面示意图。
图2是用来说明拉曼光谱中的由SiH引起的峰的面积以及由SiH2引起的峰的面积的计算方法的图。
图3是表示本发明第2实施方式的光学滤波器的截面示意图。
图4是表示实施例1中得到的第1光学滤波器的带通滤波器特性的图。
图5是表示实施例1中得到的第2光学滤波器的带通滤波器特性的图。
图6是表示比(SiH/SiH2)与透射频带的中心波长的位移量的关系的图。
图7是表示氢化硅膜中的氢原子含量和硅原子含量之比(H/Si)与透射频带的中心波长的位移量之间的关系的图。
具体实施方式
下面，对优选的实施方式进行说明。但是，以下的实施方式只是例子，本发明并不限定于以下的实施方式。另外，在附图中，具有实际相同功能的部件有时标注相同的符号进行参照。
(第1实施方式)
(光学滤波器)
图1是表示本发明第1实施方式的光学滤波器的截面示意图。如图1所示，光学滤波器1包括透明基板2和滤波部3。
透明基板2的形状并没有特别的限定，但在本实施方式中是矩形板状。透明基板2的厚度例如可以是30μm以上2mm以下。
透明基板2优选在光学滤波器1的使用波段内是透明的。透明基板2的材料没有特别的限定，例如可以是玻璃、树脂等。此外，如果使用波段是红外区域，则也可以是Si或Ge等。作为玻璃可以列举苏打石灰玻璃、硼硅酸玻璃、无碱玻璃、结晶玻璃、石英玻璃等。另外，也可以是用作强化玻璃的铝硅酸盐玻璃。
透明基板2具有彼此相反的第1主面2a和第2主面2b。在透明基板2的第1主面2a上设置有滤波部3。
滤波部3是具有折射率相对高的高折射率膜4和折射率相对低的低折射率膜5的多层膜。在本实施方式中，在透明基板2的第1主面2a上依次交替设置高折射率膜4以及低折射率膜5，由此构成多层膜。
在本实施方式中，高折射率膜4由氢化硅(hydrogenated silicon)构成。高折射率膜4中的比(SiH/SiH2)为0.7以上。
此外，比(SiH/SiH2)能够根据作为通过拉曼光谱法测定的高折射率膜4的含氢化硅膜的拉曼光谱中的、由SiH引起的峰的面积与由SiH2引起的峰的面积之比来求出。
拉曼光谱法中的拉曼光谱例如能够使用显微拉曼光谱仪(Nanophoton公司生产，产品编号“RAMAN touch”)进行测定。另外，在拉曼光谱中，由SiH引起的峰出现在1980cm-1～2000cm-1附近。由SiH2引起的峰出现在2090cm-1～2100cm-1附近。因此，如图2所示，对于由SiH引起的峰与由SiH2引起的峰，使用高斯函数以及BWF(Breit-Wigner-Fano)函数进行峰拟合处理，由此能够求出各个峰的面积。此外，峰拟合处理例如可以使用光谱分析软件(Nanophoton公司制作，产品编号“RAMAN Viewer”)来进行。
另外，低折射率膜5由氧化硅构成。而且，低折射率膜5也可以是氧化铝、氧化钛、氧化铌、氧化钽、氧化锆、氧化锡、氮化硅等。
作为高折射率膜4的每层的厚度没有特别的限定，但是优选10nm以上，更优选20nm以上，优选1000nm以下，更优选750nm以下。
作为低折射率膜5的每层的厚度没有特别的限定，但是优选10nm以上，更优选20nm以上，优选500nm以下，更优选300nm以下。
另外，构成滤波部3中的多层膜的膜的层数优选16层以上，更优选20层以上，优选50层以下，更优选40层以下。
本实施方式的光学滤波器1是一种带通滤波器，其通过具有由上述那样的多层膜构成的滤波部3，能够设计成通过光干扰来有选择地使特定波段的光透过。在本实施方式中，进行设计，以使得光的入射角为0°时的通过频带(透射频带)的中心波长为800nm～1000nm。但是，光的入射角为0°时的透射频带的中心波长也可以在800nm～1000nm的范围之外。另外，此处所说的入射角是相对于与光学滤波器1的主面1a正交的直线(图1所示的直线X)的角度。
另外，本实施方式中的光学滤波器1的第1特征在于，在测量滤波部3中的作为高折射率膜4的含氢化硅膜的拉曼光谱时，比(SiH/SiH2)为0.7以上。由此，能够将高折射率膜4做成细密的膜，即使在光的入射角大于0°的情况下，也能够抑制透射频带的中心波长向短波长一侧位移，并且能够减小光的入射角依赖性。因此，即使对于入射角大的光也能够充分地使其透射。
从进一步减小光的入射角依赖性的观点来看，含氢化硅膜中的比(SiH/SiH2)优选1.0以上，更优选1.3以上。另外，含氢化硅膜中的比(SiH/SiH2)的上限值没有特别的限定，例如可以是1.6。
本实施方式中的光学滤波器1的第2特征在于，在滤波部3中的作为高折射率膜4的含氢化硅膜中，氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)为0.4以下。由此，能够将高折射率膜4做成细密的膜，即使在光的入射角大于0°的情况下，也能够抑制透射频带的中心波长向短波长一侧位移，并且能够减小光的入射角依赖性。因此，即使对于入射角大的光也能够充分地使其透射。
在作为高折射率膜4的含氢化硅膜中，氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)为0.4以下，优选0.35以下，更优选0.3以下。在该情况下，能够将高折射率膜4做成更加细密的膜，即使在光的入射角大于0°的情况下，也能够进一步抑制透射频带的中心波长向短波长一侧位移，能够进一步减小光的入射角依赖性。因此，即使对于入射角较大的光也能够更加充分地使其透射。另外，氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)的下限值没有特别的限定，例如可以是0.1。
此外，氢原子含量能够通过氢前向散射光谱法(Hydrogen Forward Scattering，HFS)来测定。另外，硅原子含量能够通过卢瑟福背散射光谱法(RutherfordBackscattering Spectrometry，RBS)来测定。此外，也可以同时进行通过氢前向散射光谱法和卢瑟福背散射光谱法来进行的分析。
含氢化硅膜中的氢原子含量优选为5原子％(at％)以上，更优选为10原子％(at％)以上，优选为30原子％(at％)以下，更优选为25原子％(at％)以下。在这种情况下，能够进一步减小光的入射角依赖性。
含氢化硅膜中的硅原子含量优选为70原子％(at％)以上，更优选为75原子％(at％)以上，优选为95原子％(at％)以下，更优选为90原子％(at％)以下。在这种情况下，能够进一步减小光的入射角依赖性。
在本实施方式的光学滤波器1中，即使在光的入射角0°时的透射频带的中心波长为800nm～1000nm的情况下，也能够减小光的入射角依赖性，因此，特别适合用在透射频带的中心波长被设计成近红外区域的LiDAR(光学雷达)等传感器中。
此外，本实施方式的光学滤波器1同时满足以下两个特征，即：在测定作为高折射率膜4的含氢化硅膜的拉曼光谱时，比(SiH/SiH2)为0.7以上的第1特征；在作为高折射率膜4的含氢化硅膜中，氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)为0.4以下的第2特征。如上所述，在本发明中，既可以满足作为第1特征的第1发明和作为第2特征的第2发明，也可以仅满足第1发明和第2发明中的任一者。因此，在本发明中，在作为高折射率膜4的含氢化硅膜中，比(SiH/SiH2)为0.7以上，或者比(H/Si)为0.4以下即可。在任一种情况下，都能够获得本发明的减小光的入射角依赖性的效果。
下面，对光学滤波器1的制造方法的一例进行详细说明。
(光学滤波器的制造方法)
首先，准备透明基板2。接下来，在透明基板2的第1主面2a上形成作为多层膜的滤波部3。滤波部3可以通过在透明基板2的第1主面2a上依次交替层叠高折射率膜4和低折射率膜5来形成。高折射率膜4和低折射率膜5能够分别通过溅射法来形成。
特别是作为高折射率膜4的含氢化硅膜，优选通过在形成硅膜之后对所形成的硅膜进行氢化而形成。具体来讲，优选在通过溅射法形成硅膜之后，使用RF等离子体来对硅膜进行氢化而形成。由此，能够进一步增大所得到的含氢化硅膜中的比(SiH/SiH2)。另外，还能够进一步减小所得到的含氢化硅膜中的氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)。
形成高折射率膜4时的透明基板2(基板)的温度优选为70℃以上，更优选为100℃以上。在这种情况下，能够进一步增大所得到的含氢化硅膜中的比(SiH/SiH2)。另外，还能够进一步减小所得到的含氢化硅膜中的氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)。此外，形成高折射率膜4时的透明基板2(基板)的温度的上限值例如可以设为300℃。
关于上述硅膜的成膜，例如能够使用硅靶材，在作为载气的氩气等不活泼气体的流量为100sccm～500sccm，功率为2kW～10kW的条件下进行。另外，关于上述硅膜的氢化，能够在作为载气的氩气等不活泼气体的流量为100sccm～500sccm，氢气体的流量为5sccm～200sccm，RF功率为1kW～5kW的条件下进行。
氢(H2)气与氩(Ar)气的流量之比(H2/Ar)优选为0.5以下，更优选为0.3以下。在这种情况下，能够进一步增大所得到的含氢化硅膜中的比(SiH/SiH2)。另外，还能够进一步减小所得到的含氢化硅膜中的氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)。此外，流量比(H2/Ar)的下限值没有特别的限定，例如可以是0.02。
在本实施方式的制造方法中，例如，如上所述，通过调整高折射率膜4中的溅射的成膜条件，能够调整含氢化硅膜中的比(SiH/SiH2)。另外，在本实施方式的制造方法中，例如，如上所述，通过调整高折射率膜4中的溅射的成膜条件，能够调整氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)。
(第2实施方式)
图3是表示本发明第2实施方式的光学滤波器的截面示意图。在光学滤波器21中，在透明基板2的第2主面2b上设置有防反射膜6。其他方面与第1实施方式相同。
防反射膜6是具有折射率相对高的高折射率膜7与折射率相对低的低折射率膜8的多层膜。在本实施方式中，在透明基板2的第2主面2b上依次交替设置高折射率膜7和低折射率膜8，从而构成多层膜。在本实施方式中，高折射率膜7由氢化硅构成。另外，低折射率膜8由氧化硅构成。此外，作为高折射率膜7和低折射率膜8的材料，也可以使用氧化铝、氧化钽、氧化铌、氧化钛、氧化铪、氮化硅、氧化锆、氧化锡。构成多层膜的膜的层数优选为10层以上，优选为40层以下。
在第2实施方式的光学滤波器21中，在测定滤波部3中的作为高折射率膜4的含氢化硅膜的拉曼光谱时，比(SiH/SiH2)也在0.7以上。另外，在滤波部3中的作为高折射率膜4的含氢化硅膜中，氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)为0.4以下。因此，能够抑制透射频带的中心波长向短波长一侧位移，并且能够减小光的入射角依赖性。另外，在光学滤波器21中，由于设置有防反射膜6，因此，能够进一步提高透射频带中的透射率。
在本发明中，也可以使用防反射膜6以外的其他防反射膜，如本实施方式那样，优选包含氢化硅膜。在这种情况下，能够减小光的入射角依赖性，同时能够进一步提高透射频带中的透射率。
下面，根据具体的实施例，对本发明进行更详细的说明。本发明并非限定于以下的实施例，能够在不改变其主旨的范围内适当地进行更改来实施。
(实施例1)
首先，准备玻璃基板作为透明基板。接着，使用氩(Ar)气作为载气，对硅靶材进行溅射，在玻璃基板的一个主面上形成硅膜。此外，此时氩气的流量为150sccm。靶材施加功率(成膜功率)为10kW。接着，作为载气使用氢(H2)气和氩(Ar)气，使用RF等离子体来对硅膜进行氢化，形成氢化硅膜。另外，此时，氢(H2)气的流量为50sccm，氩(Ar)气的流量为200sccm。RF等离子体施加功率为2.5kW。
接下来，使用氩气及氧气作为载气，对硅靶材进行溅射，在氢化硅膜上形成氧化硅膜(SiO2膜)。另外，此时的氩气的流量为150sccm，氧气的流量为15sccm。靶材施加功率为10kW。另外，在成膜的过程中，基板温度为270℃。通过反复该操作，在玻璃基板上形成具有氢化硅膜与SiO2膜逐层交替层叠的、共计28层的膜的滤波部。这样就得到了具有作为带通滤波器的功能，且透射频带的中心波长设计为940nm的第1光学滤波器。
另外，单独制作第1光学滤波器，在玻璃基板的滤波部的另一侧主面上形成氢化硅膜。具体来讲，使用氩气作为载气，对硅靶材进行溅射，形成了硅膜。另外，此时的氩气流量为150sccm。靶材施加功率为10kW。接着，使用氢气(H2)以及氩(Ar)气作为载气，使用RF等离子体对硅膜进行氢化，形成氢化硅膜。另外，此时的氢气流量为50sccm，氩气的流量为200sccm。RF等离子体施加功率为2.5kW。
接下来，使用氩气以及氧气作为载气，对硅靶材进行溅射，在氢化硅膜上形成SiO2膜。另外，此时的氩气流量为150sccm，氧气的流量为15sccm。靶材施加功率为10kW。在成膜过程中，基板温度为270℃。通过反复该操作，在玻璃基板上形成具有氢化硅膜与SiO2膜逐层交替层叠的、共计22层的膜的防反射膜。这样就得到了具有作为带通滤波器的功能，且透射频带的中心波长被设计为940nm的第2光学滤波器。第2光学滤波器中的各层的厚度如下表1所示。
[表1]
比(SiH/SiH2)
另外，通过与上述相同的方法，在玻璃基板上形成氢化硅膜，通过拉曼光谱法来测定拉曼光谱。根据所得到的由SiH引起的峰的面积与由SiH2引起的峰的面积之比来求出比(SiH/SiH2)，结果为1.02。
拉曼光谱法中的拉曼光谱是使用显微拉曼光谱仪(Nanophoton公司生产，产品编号“RAMAN touch”)测定的。另外，对于由SiH引起的峰与由SiH2引起的峰，使用高斯函数和BWF(Breit-Wigner-Fano)函数进行峰拟合处理，由此求出各个峰的面积。此外，峰拟合处理使用光谱解析软件(Nanophoton公司制作，产品编号“RAMAN Viewer”)来进行。
比(H/Si)
另外，通过与上述相同的方法，在玻璃基板上形成氢化硅膜，求出氢原子含量与硅原子含量之比(H/Si)，结果为0.25。
通过氢前向散射光谱法求出氢原子含量。通过卢瑟福背散射光谱法求出硅原子含量。氢前向散射光谱法以及卢瑟福背散射光谱法中的测定，是根据量子束活体分子动态解析实验***，使用型号为6SHD-2的范德格拉夫加速器(微束)来进行的。作为离子束源使用O4+，用能为9MeV。另外，关于样品的倾斜度，设为样品法线与光束入射轴的角度为75度。
氢前向散射光谱法的分析条件如下所述。
检测器：Si半导体检测器
反冲角度：30度
限位器箔：铝箔6μm厚
检测器立体角：1.4mSr
照射量：20μC
卢瑟福背散射光谱法中的分析条件如下所述。
检测器：Si半导体检测器
散射角度：165度
检测器立体角：0.64mSr
照射量：20μC
另外，图4是表示在实施例1中所获得的第1光学滤波器的带通滤波器特性的图。图5是表示在实施例1中所获得的第2光学滤波器的带通滤波器特性的图。在图4及图5中，用实线表示入射角0°的结果，用虚线表示入射角30的结果。
由图4及图5可知，在使用第1光学滤波器以及第2光学滤波器中的任一者的情况下，也能够将从入射角0°变为入射角30°时的透射频带中的中心波长的位移量减少14nm。另外还可知，在设置有防反射膜的第2光学滤波器中，透射频带中的中心波长的位移量与第1光学滤波器相同。而且还可知，通过设置防反射膜，透射频带中的光的透射量增大。
(实施例2～14以及比较例1～2)
除了如下表2那样改变基板温度、硅膜成膜时的成膜功率、RF等离子体进行氢化时的氢(H2)气的流量以及RF等离子体施加功率以外，均按照与实施例1相同的方式得到第2光学滤波器。此外，在其中任一种情况下都能得到具有作为带通滤波器的功能，并且将入射角为0°时的透射频带的中心波长设计成940nm的第2光学滤波器。
结果如下表2、图6及图7所示。在表2中，同时表示通过与实施例1相同的方法所测定的滤波部的氢化硅膜中的比(SiH/SiH2)以及比(H/Si)。另外，在表2、图6及图7中，求出了第2光学滤波器中的透射频带的中心波长的位移量，但在第1光学滤波器中，也确认了与第2光学滤波器同样的位移量。
[表2]
如表2及图6所示，在比(SiH/SiH2)为0.7以上的实施例1～14的光学滤波器中，确认了带通的位移量为15nm以下，能够减小光的入射角依赖性，即使对于入射角较大的光也能够充分地使其透射。
如表2及图7所示，在比(H/Si)为0.4以下的实施例1～14的光学滤波器中，带通的位移量为15nm以下，能够减小光的入射角依赖性，即使对于入射角较大的光也能够充分地使其透射。
符号说明
1、21…光学滤波器
1a…主面
2…透明基板
2a…第1主面
2b…第2主面
3…滤波部
4、7…高折射率膜
5、8…低折射率膜
6…防反射膜
Claims (6)
1.一种具有含氢化硅膜的光学滤波器，其特征在于，
在通过拉曼光谱法测定的所述含氢化硅膜的拉曼光谱中，根据由SiH引起的峰的面积与由SiH2引起的峰的面积之比求出的比(SiH/SiH2)为0.7以上。
2.一种具有含氢化硅膜的光学滤波器，其特征在于，
通过氢前向散射光谱法测定的所述含氢化硅膜中的氢原子含量与通过卢瑟福背散射光谱法测定的所述含氢化硅膜中的硅原子含量之比(H/Si)为0.4以下。
3.如权利要求1或2所述的光学滤波器，其特征在于，包括：
透明基板；和
滤波部，其设置在所述透明基板的一侧主面上，且由具有折射率相对高的高折射率膜和折射率相对低的低折射率膜的多层膜构成，
所述高折射率膜是所述含氢化硅膜。
4.如权利要求3所述的光学滤波器，其特征在于，
所述低折射率膜是含氧化硅膜。
5.如权利要求3或4所述的光学滤波器，其特征在于，
还包括设置在所述透明基板的另一侧主面上且含有氢化硅的防反射膜。
6.一种光学滤波器的制造方法，其制造权利要求1～5中任一项所述的光学滤波器，其特征在于，包括：
通过溅射法形成硅膜的工序；和
在形成所述硅膜的工序之后，对所述硅膜进行氢化的工序。
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