JP5136250B2 - 光学フィルターの製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施の形態1に係る光学フィルター10の概略構成を示す斜視図である。図2は、斜視図で示した図1を平面視した模式図である。図3は、図2中に示すIII-III線に沿った光学フィルターの断面の模式図である。
図1において、光学フィルター1は、基板2の上に配置された下層小円柱31と大円柱4、さらに大円柱4の上に配置された上層小円柱11から構成されている。また、これらの大小の円柱の組合わせを便宜的に表面3次元構造体3と呼ぶことにする。また、基板2、大円柱4等の材質は赤外線を透過するSiである。なお、Siの替わりにGe,ZnSeあるいはこれらの複合材料も基板として使用できる。
光学部品(ここでは光学フィルター)が、ある媒質(通常は空気)に接して配置されるとき、光透過面で入射光線の散乱が発生しないためには、全ての3次元構造体(ここでは下層小円柱31)の間隔Lは入射光線の波長以下になるように設計する。このような3次元構造体において凹部と凸部との面積比率(ここでは、下層小円柱31の上底面の面積を凸部の面積、基板2の上の下層小円柱31が占有していない部分を凹部の面積、として考える)によりその層の実効的な屈折率(nx)を制御することができる。基板2の空気によって満たされている凹部分の面積比率をf(全て凹部の場合をf=1とする)とする場合には、この単層の実効的な屈折率(nx)を式(1)から求めることができる。
上述の実施の形態1では、赤外線用の光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが例を説明したが、表面3次元構造体は必ずしも円柱状の突起物である必要はなく、実効屈折率の制御のために多数の穴を基板に設けることにより面積比率fの制御を行ってもよい。図10はかかる形態を示したもので、図1と同様に光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。本実施の形態では、円柱状の突起物と基板とに円筒状の穴を開けたものを組合わせた。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
上述の実施の形態2では、光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが、本実施の形態では図11に示すように、穴の深さが3段階に異なるように基盤に穴を開ける加工をして面積比率fの制御を行ったものである。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
上述の実施の形態1では、光学フィルターの実現のために実効屈折率(nx)が最表面からn1<n2<n3となっていく制御例を示したが、実効的な屈折率の配分がn1<n3<n2となるように3次元構造を作製することでも光学フィルター実現することが可能である。以下、本形態の構造を説明する。図13は、構造をわかりやすくするために、本形態の光学フィルターを分解した斜視図であり、第3層構造体と中層構造体の境界で分離して示している。また、光学フィルターの断面の模式図を図12に示す。
上述の実施の形態1では、半導体工業で一般に使用されるリソグラフィー技術を利用したフォトレジストのパターン形成法によって微細パターンを作る例を説明した。所謂、トップダウン(Top−Down)法のアプローチで微細構造を作成する例を示した。
本実施の形態5では、ナノスケールの構造が一定の条件下で自発的に形成される自己組織化を利用した方法、所謂、ボトムアップ(Bottom−Up)法のアプローチで微細構造を作成する例を説明する。
本実施の形態は、例えば、”Fabrication of nanohole array on Si using self−organized porous alumina mask (J. Vac. Sci. Technol. B 19(5),Sep/Oct 2001,pp1901〜1904)”に掲載されているような、ナノメートル周期の規則的な孔の配列が蜂の巣状に自然に形成されるアルミナの自己組織化特性を、光学フィルターの製造に利用したものである。
プロセスフローを示した図15と光学フィルターの構造を示した図16を参照して、はじめの第一工程で上層構造体10を作製し、続く第二工程で下層構造体30を作製する。最後に第三工程で中層構造体20を作製し、光学フィルターの製造を完了する。
第一工程の最初に、アルミを蒸着等の方法で成膜する。係る状態が図19で示したアルミ70である。アルミ70は、その後の工程でシリコンの基板76に小円筒穴78を形成するためのマスクとして機能する。
ここでは、CF4によるRIEを例に挙げたが、Arガス等によるIBE(ion beam etching)やC4F8ガス等のICP(Inductively Coupled Plasma)エッチングで小円筒穴78を形成しても良い。ここまでが、上層構造体10を作製するための第一工程である。
まず、シリコン基板76を熱酸化炉にて熱酸化する。係る状態が図27で示した状態である。図27で示した熱酸化膜75は、中層構造体20を形成するときに、下層構造体30を形成する小円筒穴78がエッチングされないようにするためのマスクとして作用する。
実施の形態5ではアルミナの自己組織化特性を用いてナノサイズの構造体を形成したが、本実施の形態6では、ナノ粒子を用いたマスクを利用したことに特徴がある。有機溶媒または水に分散させた酸化シリコンでできたナノ粒子をシリコン基板に塗布し、有機溶媒または水を除去して酸化シリコンでできたナノ粒子のみをシリコン基板上に残し、それをエッチングマスクとして用いる方法である。例えば、特許公開公報2007−250583に照会されているような方法である。上述の実施の形態5とは別のボトムアップ法のアプローチで微細構造を作成する例を説明する。
まず、本実施の形態のプロセスフローについて説明する。先に説明した実施の形態5と同様に、まず第一工程で上層構造体10を作製し、続く第二工程で下層構造体30を作製する。最後に第三工程で中層構造体20を作製し、光学フィルターの製造を完了する。また、図31から図40は、実施の形態における製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、本実施の形態における概略断面図は、本実施の形態5と同様のものである。
第一工程の最初に、シリコン基板76に***81を形成するためのマスクとして、酸化シリコンでできたナノ粒子82を粉末スプレー塗布等の方法で形成する。係る状態が図31で示した状態である。
まず、シリコン基板76を熱酸化炉にて熱酸化する。係る状態が図36で示した状態である。図36で示した熱酸化膜75は、中層構造体20を形成するときに、下層構造体30を形成する***81がエッチングされないようにするためのマスクとして作用する。
次に、シリコン基板76の表面をCMP等で研磨して、最表面の熱酸化膜75を除去する。係る状態が図37で示した状態である。
さらに、再度レジストによる中層構造体20を形成するため、中層構造体20を形成する部分以外の領域をマスクするために、リソグラフィー技術を利用したフォトレジストパターン73を形成する。係る状態が図38で示した状態である。
次に、レジストパターン73でマスクされていないシリコン基板76が露出した部分をRIEによりエッチングを行い、所望の中層構造体20を形成する。係る状態が図39で示した状態である。
最後に、アセトン等でレジストパターン73を除去し、HF等により熱酸化膜75を除去して光学フィルターが完成する。完成した状態が図40で示した状態である。
2 基板、
3 表面3次元構造体、
4 大円柱
10 上層構造体、
11 上層小円柱、
12 エッチング穴
13 上層基板
20 中層構造体、
30 下層構造体、
31 下層小円柱、
32 エッチング穴
33 エッチング溝
40 フォトレジスト
41 フォトレジスト
42 フォトレジスト
43 フォトレジスト
70 アルミ
71 アルミナ
72 レジストパターン
73 レジストパターン
75 熱酸化膜
76 シリコン基板
77 細孔
78 小円筒穴
79 大円筒穴
80 バリア層
81 ***
82 ナノ粒子
Claims (2)
- 光学フィルターの基板に、前記光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口径で前記基板の主面から所定の深さの複数の穴からなる群を深さ毎に複数群掘り込む第1の工程と、
前記光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口径で、前記主面を平面視したときに前記穴を複数含み、前記主面を平面視したときに含まれる前記穴の深さよりも浅い大口径の穴を前記基板に掘り込む第2の工程とを備え、
前記所定の深さにおける前記穴または前記大口径の穴が占有する面積と前記穴または前記大口径の穴以外の前記基板の残地の面積との比率が前記深さ毎にそれぞれ所定の比率となることを特徴とする光学フィルターの製造方法。 - 第1の工程の後、かつ第2の工程の前に、基板を熱酸化することによって穴の内壁に熱酸化膜を形成する中間工程を備え、
前記第1の工程は、光学フィルターの基板の表面にアルミ層を成膜し、前記アルミ層を陽極酸化することによって部分的に前記基板が露出した複数の開口部を有するアルミナ層を形成し、前記アルミナ層をマスクとして前記基板をエッチングして前記基板の主面に前記穴を掘り込み、
前記第2の工程は、前記熱酸化膜を前記主面を平面視したときに含まれる前記穴がエッチングされないようにするためのマスクとして大口径の穴を掘り込むことを特徴とする請求項1に記載の光学フィルターの製造方法。
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