JP2022092825A

JP2022092825A - 光学フィルタ

Info

Publication number: JP2022092825A
Application number: JP2020205756A
Authority: JP
Inventors: 啓一佐原; Keiichi Sahara; 正明伊村; Masaaki Imura; 誉子東條; Takako Tojo
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2022-06-23
Also published as: WO2022124030A1

Abstract

【課題】透過率を効果的に高めることができる、光学フィルタを提供する。【解決手段】本発明の光学フィルタ１は、水素化シリコン含有膜を有する、光学フィルタであって、水素化シリコンのスピン密度が１．０×１０１８個／ｃｍ２以下であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、特定の波長域の光を選択的に透過させることのできる光学フィルタに関する。

従来、特定の波長域の光を選択的に透過させることのできる光学フィルタが、赤外線センサなどの用途で広く用いられている。このような光学フィルタとしては、例えば、多層膜を用いたバンドパスフィルタが知られている。多層膜としては、相対的に屈折率が高い高屈折率膜と、相対的に屈折率が低い低屈折率膜とを交互に繰り返し積層されたものが用いられている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、高屈折率膜の材料として、水素化シリコンが記載されている。また、低屈折率膜の材料として、窒化シリコンが記載されている。水素化シリコン膜が、シランガスを用いて、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）で蒸着することにより形成されていることが記載されている。

米国特許第５３９８１３３号公報

近年、自動車等の自動運転化を進めることに伴い、自動車等には、レーザーレーダー、特にレーザー光により物体を検知するＬｉＤＡＲ（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ）と呼ばれるセンサ等の数多くのセンサの搭載が検討されている。このようなセンサには、例えば、特許文献１に記載のような、近赤外線用の光学フィルタが用いられている。

しかしながら、高屈折率膜として特許文献１に記載の水素化シリコンを用いた場合には、光学フィルタの透過率を十分に高めることが困難である。

本発明の目的は、透過率を効果的に高めることができる、光学フィルタを提供することにある。

本発明に係る光学フィルタは、水素化シリコン含有膜を有する、光学フィルタであって、水素化シリコンのスピン密度が１．０×１０^１８個／ｃｍ^２以下であることを特徴としている。

透明基板と、透明基板の一方側主面上に設けられており、かつ相対的に屈折率が高い高屈折率膜及び相対的に屈折率が低い低屈折率膜を有する多層膜からなるフィルタ部とを備え、高屈折率膜が、水素化シリコン含有膜であることが好ましい。この場合、低屈折率膜が、酸化ケイ素含有膜であることがより好ましい。

透明基板の他方側主面上に設けられており、かつ水素化シリコンを含む反射防止膜をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、透過率を効果的に高めることができる、光学フィルタを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光学フィルタを示す模式的断面図である。（ａ）～（ｃ）は、Ｓｉ原子とＨ原子との結合状態の例を示す模式図であり、（ｄ）は、Ｓｉダングリングボンドを示す模式図である。水素化シリコンのスピン密度と、吸光度ｋとの関係を示す図である。水素化シリコンのスピン密度と、透過率との関係を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る光学フィルタを示す模式的断面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

［光学フィルタ］
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学フィルタを示す模式的断面図である。図１に示すように、光学フィルタ１は、透明基板２と、フィルタ部３とを備える。光学フィルタ１は、特に限定されないが、例えば、ＬｉＤＡＲなどのセンサに用いられる。

透明基板２の形状は、特に限定されないが、本実施形態では矩形板状である。透明基板２の厚みは、例えば、３０μｍ以上、２ｍｍ以下とすることができる。

透明基板２は、光学フィルタ１の使用波長域で透明な基板であることが好ましい。透明基板２の材料としては、特に限定されず、例えば、ガラス、樹脂等が挙げられる。また、使用波長域が赤外域であれば、ＳｉやＧｅ等であってもよい。ガラスとしては、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、無アルカリガラス、結晶化ガラス、石英ガラス等が挙げられる。また、透明基板２に用いられるガラスは、強化ガラスとして用いられるアルミノシリケートガラスであってもよい。

透明基板２は、一方側主面としての第１の主面２ａ及び他方側主面としての第２の主面２ｂを有する。第１の主面２ａ及び第２の主面２ｂは対向し合っている。透明基板２の第１の主面２ａ上には、フィルタ部３が設けられている。

フィルタ部３は、相対的に屈折率が高い高屈折率膜４と相対的に屈折率が低い低屈折率膜５とを有する、多層膜である。本実施形態では、透明基板２の第１の主面２ａ上に、低屈折率膜５及び高屈折率膜４がこの順に交互に設けられることにより、多層膜が構成されている。

本実施形態において、高屈折率膜４は、水素化シリコン（ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄｓｉｌｉｃｏｎ）含有膜である。なお、高屈折率膜４は水素化シリコン膜であることが好ましい。もっとも、高屈折率膜４の材料は水素化シリコンを含有しておれば上記に限定されず、元素としてＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎ、Ｃ等を含有してもよい。他方、低屈折率膜５は、酸化ケイ素により構成されている。なお、低屈折率膜５の材料は上記に限定されず、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化スズ、窒化シリコン等であってもよい。もっとも、低屈折率膜５は酸化ケイ素含有膜であることが好ましい。

高屈折率膜４の１層当たりの厚みとしては、１０ｎｍ以上であることが好ましく、１５ｎｍ以上であることがより好ましい。一方で、高屈折率膜４の１層当たりの厚みとしては、１０００ｎｍ以下であることが好ましく、７５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

低屈折率膜５の１層当たりの厚みとしては、１０ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましい。一方で、低屈折率膜５の１層当たりの厚みとしては、５００ｎｍ以下であることが好ましく、３００ｎｍ以下であることがより好ましい。

フィルタ部３における多層膜を構成する膜の層数は、１６層以上であることが好ましく、２０層以上であることがより好ましい。一方で、フィルタ部３における多層膜を構成する膜の層数は、５０層以下であることが好ましく、４０層以下であることがより好ましい。

本実施形態の光学フィルタ１は、このような多層膜からなるフィルタ部３を備えることにより、光の干渉で特定の波長域の光を選択的に透過させるように設計されたバンドパスフィルタである。本実施形態では、通過帯域（透過帯域）の中心波長が８００ｎｍ～１０００ｎｍとなるように設計されている。もっとも、透過帯域の中心波長は、８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲外にあってもよい。

本実施形態の特徴は、水素化シリコン含有膜である高屈折率膜４において、水素化シリコンのスピン密度が１．０×１０^１８個／ｃｍ^２以下であるという点にある。すなわち、本願発明者らは、水素化シリコン含有膜中のＳｉダングリングボンドが少ないと、水素化シリコン含有膜における光の吸収を効果的に抑制でき、水素化シリコン含有膜を用いた場合においても、光学フィルタ１の透過率を効果的に高くすることができることを見出した。詳細を以下において説明する。

図２（ａ）～図２（ｃ）は、Ｓｉ原子とＨ原子との結合状態の例を示す模式図である。図２（ｄ）は、Ｓｉダングリングボンドを示す模式図である。なお、図２（ａ）～図２（ｄ）において省略している部分では、Ｓｉ原子は他のＳｉ原子と結合している。図２（ｄ）においては、電子を示す部分は、電子軌道として模式的に示す。

水素化シリコン含有膜においては、図２（ａ）～図２（ｄ）に示す結合の状態の部分が含まれる。図２（ａ）に示す場合には、Ｓｉ原子に１個のＨ原子が結合している。図２（ｂ）に示す場合には、Ｓｉ原子に２個のＨ原子が結合している。図２（ｃ）に示す場合には、Ｓｉ原子に３個のＨ原子が結合している。図２（ａ）～図２（ｃ）に示す場合には、Ｓｉ原子はＨ原子または他のＳｉ原子と結合しており、Ｓｉ原子の全ての価電子は結合に用いられている。なお、水素化シリコン含有膜には、Ｓｉ原子の価電子が全て他のＳｉ原子との結合に用いられている状態の部分も含まれる。

他方、図２（ｄ）に示す場合には、Ｓｉ原子にＨ原子が結合しておらず、不対電子ｅが存在している。このような、結合に用いられていない部分がＳｉダングリングボンドである。水素化シリコンのスピン密度は、Ｓｉダングリングボンドを定量的に示す値である。水素化シリコンのスピン密度が小さいほど、Ｓｉダングリングボンドが少ない。

水素化シリコンのスピン密度は、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ）により測定することができる。ここで、Ｓｉダングリングボンドのｇ値は２．００４９である。よって、水素化シリコンのスピン密度の定量に際し、ｇ値＝２．００４９におけるピークの信号強度を用いればよい。

水素化シリコンのスピン密度は、例えば、水素化シリコン含有膜１層毎に測定すればよい。あるいは、光学フィルタにおける水素化シリコン含有膜以外の膜等が、水素化シリコンのスピン密度の測定に影響を与えない場合には、フィルタ部等において、まとめてＥＳＲによる測定を行ってもよい。この場合には、光学フィルタにおける全ての水素化シリコン含有膜における水素化シリコンのスピン密度を一度に求めることができる。

［製造方法］
以下、光学フィルタ１の製造方法の一例について詳細に説明する。

まず、透明基板２を用意する。次に、透明基板２の第１の主面２ａ上に多層膜としてのフィルタ部３を形成する。フィルタ部３は、透明基板２の第１の主面２ａ上に、低屈折率膜５及び高屈折率膜４をこの順に交互に積層することにより形成することができる。高屈折率膜４及び低屈折率膜５は、それぞれ、スパッタリング法により形成することができる。

例えば、高屈折率膜４である水素化シリコン含有膜は、アルゴンガスと水素ガスによる反応性スパッタリングや、シリコン膜を成膜した後に、成膜したシリコン膜を水素化することにより形成してもよい。具体的には、スパッタリング法によりシリコン膜を成膜した後に、ＲＦプラズマを用いてシリコン膜を水素化することにより、水素化シリコン含有膜を形成してもよい。

上記シリコン膜の成膜は、例えば、シリコンターゲットを用い、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスなどの不活性ガスの流量を１００ｓｃｃｍ～５００ｓｃｃｍとし、ターゲット印加電力を２ｋＷ～１０ｋＷとして行うことができる。また、上記シリコン膜の水素化は、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスなどの不活性ガスの流量を１００ｓｃｃｍ～５００ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量を５ｓｃｃｍ～２００ｓｃｃｍとし、ＲＦ電力を１ｋＷ～５ｋＷとして行うことができる。

アルゴン（Ａｒ）ガスの水素（Ｈ_２）ガスに対する流量比（Ａｒ／Ｈ_２）は、０．８３以上であることが好ましく、０．９６以上であることがより好ましく、１．４以上であることがさらに好ましく、２．４以上であることがさらにより好ましい。それによって、得られる水素化シリコン含有膜における、水素化シリコンのスピン密度をより一層低くすることができる。なお、流量比（Ａｒ／Ｈ_２）の上限値は、特に限定されないが、例えば、１０とすることができる。

高屈折率膜４を成膜するときの透明基板２の温度は、例えば、１５℃以上、３００℃以下とすることができる。

上記のように、水素化シリコンのスピン密度を１．０×１０^１８個／ｃｍ^２以下とすることにより、光学フィルタの透過率を高めることができる。これを、実施例及び比較例を比較することにより示す。

［実施例］
（実施例１）
まず、透明基板としてガラス基板を用意した。次に、透明基板の第１の主面上にフィルタ部を形成した。フィルタ部は、透明基板の第１の主面上に、低屈折率膜及び高屈折率膜をこの順に交互に積層することにより形成した。高屈折率膜及び低屈折率膜は、それぞれ、スパッタリング法により形成した。

なお、高屈折率膜である水素化シリコン膜は、スパッタリング法によりシリコン膜を成膜した後に、ＲＦプラズマを用いてシリコン膜を水素化することにより形成した。水素化シリコン膜の形成に際し、シリコン膜の成膜においては、シリコンターゲットを用い、スパッタリングガスしてのアルゴンガスの流量を３００ｓｃｃｍとし、ターゲット印加電力を１０ｋＷとした。上記シリコン膜の水素化においては、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスの流量を１７０ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量を３０ｓｃｃｍとし、ＲＦプラズマ電力を２．５ｋＷとした。

他方、低屈折率膜として、酸化ケイ素膜（ＳｉＯ_２膜）を形成した。スパッタリングガスとしてアルゴンガス及び酸素ガスを用い、シリコンターゲットをスパッタリングし、ＳｉＯ_２膜を成膜した。なお、この際、アルゴンガスの流量を３００ｓｃｃｍとし、酸素ガスの流量を１２０ｓｃｃｍとした。ターゲット印加電力を１０ｋＷとした。ＳｉＯ_２膜及び水素化シリコン膜の成膜に際し、透明基板の温度は２５℃とした。

これらの操作を繰り返すことにより、透明基板上に、ＳｉＯ_２膜と水素化シリコン膜とを交互に積層した。これにより、合計２９層の膜を有するフィルタ部を形成した。以上により、実施例１の光学フィルタを得た。

（実施例２）
水素化シリコン膜の形成におけるスパッタリングガスの流量以外においては、実施例１と同様にして光学フィルタを作製した。具体的には、水素化シリコン膜の形成に際し、シリコン膜の成膜においては、スパッタリングガスしてのアルゴンガスの流量を２９０ｓｃｃｍとした。上記シリコン膜の水素化においては、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスの流量を１２０ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量を１０ｓｃｃｍとした。

（実施例３）
水素化シリコン膜の形成におけるスパッタリングガスの流量以外においては、実施例１と同様にして光学フィルタを作製した。具体的には、水素化シリコン膜の形成に際し、シリコン膜の成膜においては、スパッタリングガスしてのアルゴンガスの流量を３３０ｓｃｃｍとした。上記シリコン膜の水素化においては、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスの流量を８４ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量を６ｓｃｃｍとした。

（実施例４）
水素化シリコン膜の形成におけるスパッタリングガスの流量以外においては、実施例１と同様にして光学フィルタを作製した。具体的には、水素化シリコン膜の形成に際し、シリコン膜の成膜においては、スパッタリングガスしてのアルゴンガスの流量を３６０ｓｃｃｍとした。上記シリコン膜の水素化においては、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスの流量を５６ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量を４ｓｃｃｍとした。

（比較例１）
水素化シリコン膜の形成におけるスパッタリングガスの流量以外においては、実施例１と同様にして光学フィルタを作製した。具体的には、水素化シリコン膜の形成に際し、シリコン膜の成膜においては、スパッタリングガスしてのアルゴンガスの流量を３７０ｓｃｃｍとした。上記シリコン膜の水素化においては、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスの流量を４７ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量を３ｓｃｃｍとした。

（比較例２）
水素化シリコン膜の形成におけるスパッタリングガスの流量以外においては、実施例１と同様にして光学フィルタを作製した。具体的には、水素化シリコン膜の形成に際し、シリコン膜の成膜においては、スパッタリングガスしてのアルゴンガスの流量を３８０ｓｃｃｍとした。上記シリコン膜の水素化においては、スパッタリングガスとしてのアルゴンガスの流量を３８ｓｃｃｍとし、水素ガスの流量を２ｓｃｃｍとした。

各実施例及び各比較例におけるフィルタ部の層構成を、表１に示す。なお、表１において、ＳｉＯ_２はＳｉＯ_２膜からなる低屈折率膜を示し、Ｓｉ：Ｈは水素化シリコン膜からなる高屈折率膜を示し、ｇｌａｓｓは透明基板を示す。

（評価）
各実施例及び各比較例の光学フィルタにおける水素化シリコンのスピン密度をＥＳＲにより測定した。さらに、各光学フィルタの、波長９４０ｎｍにおける屈折率ｎ、吸光度ｋ及び透過率を測定した。これらの結果を表２に示す。さらに、水素化シリコンのスピン密度と、吸光度ｋ及び透過率との関係を、図３及び図４に示す。図３及び図４の各プロットは、各実施例及び各比較例の結果を示す。

図３は、水素化シリコンのスピン密度と、吸光度ｋとの関係を示す図である。図４は、水素化シリコンのスピン密度と、透過率との関係を示す図である。

図３に示すように、水素化シリコンのスピン密度が低いほど、吸光度ｋが低くなっていることがわかる。さらに、図４に示すように、水素化シリコンのスピン密度が低いほど、透過率が高くなっていることがわかる。特に、水素化シリコンのスピン密度が１．０×１０^１８個／ｃｍ^２以下である場合には、透過率が９０％を超えて高くなっていることがわかる。

図３及び図４に示す結果から、水素化シリコンのスピン密度が低いほど、水素化シリコン膜に光が吸収され難くなり、光が透過し易くなることがわかる。これは、Ｓｉダングリングボンドが光の吸収に寄与していたためと考えられる。水素の導入によりＳｉダングリングボンドが減少することによって、吸光度ｋが低下し、透過率が高くなったものと考えられる。

なお、実施例１～４の結果から、シリコン膜の水素化における流量比（Ａｒ／Ｈ_２）が、０．９６以上、１．４４以上、２．４３以上である場合に、水素化シリコンのスピン密度がより一層低くなり、透過率がより一層高くなっていることがわかる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光学フィルタを示す模式的断面図である。光学フィルタ２１では、透明基板２の第２の主面２ｂ上に反射防止膜６が設けられている。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

反射防止膜６は、相対的に屈折率が高い高屈折率膜７と相対的に屈折率が低い低屈折率膜８とを有する、多層膜である。本実施形態では、透明基板２の第２の主面２ｂ上に、低屈折率膜８及び高屈折率膜７がこの順に交互に設けられることにより、多層膜が構成されている。本実施形態において、高屈折率膜７は、水素化シリコンにより構成されている。もっとも、高屈折率膜７の材料はこれに限定されるものではない。また、低屈折率膜８は、酸化ケイ素により構成されている。なお、低屈折率膜８の材料としては、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ハフニウム、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化スズを用いてもよい。

反射防止膜６の多層膜を構成する膜の層数は、１０層以上であることが好ましい。一方で、反射防止膜６の多層膜を構成する膜の層数は、４０層以下であることが好ましい。

第２の実施形態の光学フィルタ２１においても、フィルタ部３の高屈折率膜４においては、水素化シリコンのスピン密度が１．０×１０^１８個／ｃｍ^２以下である。よって、第１の実施形態と同様に、光学フィルタ２１における透過率を高くすることができる。

反射防止膜６の高屈折率膜７としての水素化シリコン含有膜においても、水素化シリコンのスピン密度が１．０×１０^１８個／ｃｍ^２以下であることが好ましい。この場合には、光学フィルタ２１における透過率をより確実に、効果的に高くすることができる。

１…光学フィルタ
１ａ…主面
２…透明基板
２ａ…第１の主面
２ｂ…第２の主面
３…フィルタ部
４…高屈折率膜
５…低屈折率膜
６…反射防止膜
７…高屈折率膜
８…低屈折率膜
２１…光学フィルタ

Claims

水素化シリコン含有膜を有する、光学フィルタであって、
水素化シリコンのスピン密度が１．０×１０^１８個／ｃｍ^２以下である、光学フィルタ。
透明基板と、
前記透明基板の一方側主面上に設けられており、かつ相対的に屈折率が高い高屈折率膜及び相対的に屈折率が低い低屈折率膜を有する多層膜からなるフィルタ部と、
を備え、
前記高屈折率膜が、前記水素化シリコン含有膜である、請求項１に記載の光学フィルタ。
前記低屈折率膜が、酸化ケイ素含有膜である、請求項２に記載の光学フィルタ。
前記透明基板の他方側主面上に設けられており、かつ水素化シリコンを含む反射防止膜をさらに備える、請求項２または３に記載の光学フィルタ。