光学フィルタ、該フィルタを有する固体撮像素子及び撮像装置
【課題】 偏光依存性を抑えると共に、可視域の青の波長を透過するＧＲ（Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）モードのシリコンを用いた光学フィルタを提供すること。
【解決手段】 基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタ。
【解決手段】 基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波モード共鳴を用いた光学フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、色素を用いた一般的なカラーフィルタとは別に、導波モード共鳴（ＧＲモード：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｍｏｄｅ）を用いたカラーフィルタが提案されている。導波モード共鳴を用いたカラーフィルタは、導波路で生ずる導波モードと回折光の共鳴を利用するもので、光の利用効率が高く、シャープな共鳴スペクトルが得られるという特徴がある。
【０００３】
非特許文献１は、シリコンを用いて一次元回折格子を構成し、シリコンの周期構造内に発生する導波モード共鳴を用いるカラーフィルタを開示する。
【０００４】
非特許文献１に開示されたフィルタは、特定の偏光成分を持つ入射光に対してＲＧＢ（Ｒｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅ）光を透過させるものであり、赤用フィルタと緑用フィルタは、ＴＥ偏光を、青用フィルタには、ＴＭ偏光をそれぞれ入射させている。
【０００５】
一方、特許文献１は、同じくシリコンを用いて、二次元回折格子を構成することでＲ、Ｇ光を透過するフィルタを開示し、更に、完全な二次元回折格子とすることで偏光依存性を低減させることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−４１５５５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ１８，Ｎｏ．２０，Ｏｃｔ １５，２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１に開示されたカラーフィルタは、一次元回折格子を用いるため、回折格子の格子構造と、これに入射する偏光との角度が入射偏光の角度により様々な値をとり得るため、その透過特性に強い偏光依存性がある。このような強い偏光依存性は、例えば、デジタルカメラ等のイメージセンサに用いるには不都合を生ずる。
【０００９】
一方、特許文献１では、二次元回折格子を用いることで赤、緑用のカラーフィルタの偏光依存性を低減させることを開示するものの、３原色を構成する青用のカラーフィルタを実現できていない。
【００１０】
カラー画像の撮像を必須とするイメージセンサへの適用を考慮すると、青色を含めた３原色を高い透過率で透過させるカラーフィルタの実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明により提供される光学フィルタは、基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、入射光の偏光依存性を極力抑制すると共に、青（Ｂｌｕｅ）の波長域で透過率が高い、光学フィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の原理を示す模式図
【図２】本発明の一例を示す模式図
【図３】本発明の特性を示すグラフ
【図４】本発明の一例を示す模式図
【図５】本発明の一例を示す模式図
【図６】本発明の実施例１の説明図
【図７】本発明の特性を示すグラフ
【図８】本発明の実施例２の説明図
【図９】従来の光学フィルタに基づいて算出した波長と透過率の関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者は、先に述べた背景技術に記載の光学フィルタの特性を詳細に検討して本発明に至った。ここでは、従来の光学フィルタについての検討事項を踏まえて説明する。
【００１５】
非特許文献１では、シリコンを用いて一次元回折格子を構成し、シリコンの周期構造内に発生する導波モード共鳴を用いてカラーフィルタを構成している。
【００１６】
そして、特定の偏光成分を持つ入射光に対してＲＧＢ光を透過させるものであり、赤用フィルタと緑用フィルタは、ＴＥ偏光を、青用フィルタには、ＴＭ偏光を入射させている。
【００１７】
つまり、シリコンで構成した一次元回折格子がもつ偏光依存性を積極的に用いて色特性を発現させている。
【００１８】
これは一次元回折格子に対してＴＥ偏光の入射を想定した青用のフィルタを設計すると、青色の波長域での損失が大きく、透過率を高くすることが困難なことと、青色の波長域に透過率の極大値を持たせる素子構造の設計が困難なためであると発明者は推察した。
【００１９】
そこで、非特許文献１に記載のカラーフィルタの課題である偏光依存性を無くすために、非特許文献１に記載の一次元回折格子を単純に二次元化してカラーフィルタを構成した場合の波長に対する透過率を数値計算により算出した。
【００２０】
図９は、その計算結果に基づくグラフである。ここでの計算は、転送行列法（ＴＭＭ法：Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｔｒｉ Ｍｅｔｈｏｄ）によった。
【００２１】
図９より、Ｂ（青）のスペクトル９０１は、透過率が極大となる波長が５８０ｎｍ付近となり、青の波長域から大きくずれていることが理解される。
【００２２】
この理由は、構造が２次元構造になることで、一次元回折格子のＴＭ偏光（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）入射の場合の光学特性だけを選択的に発現させることができず、ＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）の特性が強く現れるためである。つまり、二次元構造（ドットアレイ構造）では一次元の導波構造の場合に生じる単純なＴＥモードもしくはＴＭモードではなく、これらが複雑に混成したモードが発生する。
【００２３】
そして、Ｇ（緑）の二次元化スペクトル９０２やＲ（赤）の二次元化スペクトル９０３に関しても、同様にＴＥモードとＴＭモードが複雑に混ざり合ったモードが発現しているものと考えられる。
【００２４】
従って、Ｒ（赤）用のフィルタやＧ（緑）用のフィルタに対応する回折格子を単純に二次元化した光学素子が発現する上記のスペクトル９０２、および９０３が一次元構造の場合のスペクトルと透過率極大波長が大きくずれていないのは偶然と考えるべきものである。
【００２５】
一方、ＧＲの波長やスペクトル形状は導波路構造が持つ周期性と有効屈折率が求まれば粗い予測は可能である。
【００２６】
ところが、導波路の有効屈折率（及びこれに伴う実効的な周期性）が、精度良く導出可能なのは、導波路の屈折率分布がスラブ導波路に近い場合、つまりＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが極端に高い場合や低い場合であり、中間的なＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒを有する場合等では、ＧＲ波長やそのスペクトル形状を制御し、所望の光学スペクトルを得ることは容易ではない。
【００２７】
このため、解析的に所望の光学特性をもつ光学素子の構造を予測することは実際には困難となる。
【００２８】
現に上述の通り、特許文献１では、シリコンによる二次元回折格子を用いてＲ、Ｇ光を透過するフィルタを構成することを開示するものの、Ｂ（青）は２次元で構成できていないことが、その証左であろう。
【００２９】
さらにイメージング素子等に用いる光学フィルタの特性としては、注目する波長域において、透過率の極大値が、８０％以上、且つ良好な色特性を得るためには極小透過率は４０％以下であることが望ましいが、上述の非特許文献１、及び特許文献１では、２次元構造のＢ（青）については、当然ながら実現できていない。
【００３０】
本願発明は、透明な基板上（誘電体）に半導体を用いた微細構造が２次元的に周期的に配列している構造を含む光学フィルタを鋭意検討してなされた。
【００３１】
本願発明により提供される光学フィルタは、基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させたことを特徴とするものである。
【００３２】
本発明によれば、青の波長域を含む３原色の各波長域において透過率が高く、透過スペクトル幅の狭い、光学フィルタを提供できる。
【００３３】
本願発明は、前記表面に平行な方向の大きさを２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したものを包含する。
【００３４】
また、本願発明は、前記表面に平行な方向の大きさを１６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したものを包含する。
【００３５】
本願発明では、シリコンで構成された部材の厚みを５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲とすることも可能である。
【００３６】
本願発明は、本発明の光学フィルタを備えた固体撮像素子を包含する。更に、本願発明は、本発明の固体撮像素子を備えた撮像装置を包含する。
【００３７】
ＧＲモードは、誘電体や半導体などで構成される導波路構造がその面内方向に周期構造を有する場合に、この周期構造による回折光が面内導波モードとカップリングして生じるモードのことである。
【００３８】
ＧＲモードが生じる波長においては、導波層に損失が無い場合には、理論上反射率１００％も可能である。これはつまり透過スペクトルで考えると、ＧＲモードの波長では透過率が低下し、理論上は０％になることを示している。
【００３９】
つまり、この導波路層構造を透過型の光学フィルタとして用いる場合には、導波路層構造を適切に制御し、上述のＧＲモードの波長を所望の波長に設定することで、その透過スペクトルの形状を所望の形状に制御できることを示している。
【００４０】
また、ＧＲモードが生じ得る波長より長波長側の波長帯では透過率が急激に高まってしまうので、このような波長域がなるべく注目する波長域に入らないようにするために、最長のＧＲモードがなるべく長くなるような素子構造が好適である。
【００４１】
また実際の物質では光学的な伝搬損失を伴うため、光学素子を設計する際には光学的な周期性を考慮してＧＲ波長を決めるだけでなく、伝搬損失による透過率低下の影響も考慮する必要がある。
【００４２】
本発明の光学素子は、ＧＲモードにより発生する透過率が極小となる領域に挟まれた透過率極大となる領域を用いる。つまり本発明で使用する波長は、あるＧＲモードと他のＧＲモードの間にある透過率の山になる部分である。
【００４３】
本発明の光学素子は２次元構造をもつ導波路層と見ることも出来る。
【００４４】
２次元構造をもつ導波路層内の伝搬モードは上述した通り一次元回折格子における単純なＴＥモードやＴＭモードではなく、またこれらが複雑に混成しあったモードの伝搬定数と、周期構造による回折光の周期構造面内での波数と、が一致することが基本的なＧＲの発生条件となる。
【００４５】
本発明の光学素子ではＧＲ波長が短波長（青の波長域よりも短い）と長波長（緑から赤の波長域）に発現することで青色の波長域に透過率の極大値が来る様に設計してある。
【００４６】
つまり周期構造を短くすることで導波路層内に取り込まれる回折光の波数を増大し、これにあわせて発現するＧＲ波長を短波長化すると同時に、導波路厚さを薄くしてモード間隔を広げることで長波長側のＧＲの波長を緑から赤に発現させることが好適である。
【００４７】
一方、構造体の周期が短いと一般にＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが増大してしまい、その結果、特に青の波長域では導波層における伝搬ロスが増大してしまう。
【００４８】
この点に着目すると透過率極大の低下をもたらしてしまうため、この方針のみで青の波長域で好適な光学特性をもつ光学フィルタを設計することは困難である。また、ＴＥモードはＴＭモードと比較して回折効率が高く導波路層に取り込まれやすいことから、導波路層を伝搬中の伝搬ロスが大きくなりやすいため、ＴＥモードとＴＭモードが混成しているモードが発現する導波路層のＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒはむしろ低い方が好ましい。
【００４９】
ところが、シリコンという屈折率が高い部材を用いて、Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが小さく、かつ周期性が短い構造を想定すると、その実寸法が非常に小さくなってしまう。
【００５０】
そして、光学素子としての機能を発現させるための素子構造はそもそも作製自体が困難もしくは不可能になってしまうため、この設計指針も実際の素子設計に適用することは好適ではない。
【００５１】
発明者等はこれらの状況を踏まえ鋭意検討した結果、低損失であり且つ高コントラスト、加えて、実際に素子の作製が可能な現実的寸法を有する素子を提案する。具体的には、青の波長域において透過率極大値が８０％以上、極小値が４０％以下となりイメージングデバイスに用いる光学素子として好適な光学特性となる好適な素子構成を提案する。
【００５２】
このような光学素子の設計方針は以下のとおりである。
ＧＲの波長は基本的に構造の光学的な周期で決まる。構造が周期構造であるため、この周期性により入射光が回折し、その一部が導波路層内に取り込まれる。したがってその依存性は周期構造が持つ周期性が増大するに連れてＧＲモードの発現波長も増大する。
【００５３】
例えば短波長側にＧＲモードやこれらの間にある透過率極大を発現させるには周期構造が持つピッチを短くするか、もしくは周期構造の中に占めるＳｉドットの割合を小さくすることが望ましい、つまりＦｉｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒを小さくし導波路がもつ実効的な屈折率を下げて、ＧＲモードが所望の短波長域に発現するように設定すればよい。
【００５４】
一方ＧＲモードの波長域の間にある透過率極大値での透過率はＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒに影響される。つまり透過率極大値におけるロスはＳｉ中を光が伝搬する際の吸収に伴うものであるため、透過率と導波路構造のＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒは負の相関になる。
【００５５】
この相関を踏まえて導波路構造設計の際には透過率極大値が所望の値になるように導波路構造のＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒを設計すればよい。
【００５６】
これらの条件を考慮した設計を行い本発明ではＢ（青）において好適な光学特性を有する光学フィルタの構造を与える。
【００５７】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の光学素子の原理を示す模式図である。図１において、１１０は基板で、１２０は基板１１０よりも屈折率の大きなシリコンで構成された部材である。基板１１０上には、シリコンで構成された部材１２０の複数がスペース１３０を空けて周期的に配されている。１２５は、部材１２０で構成された周期構造である。ここで、Ｄは、部材１２０の基板表面に平行な方向の大きさを示し、Ｐは、部材１２０が配された周期（ピッチ）を示す。Ｔは、部材１２０の厚みである。１７０は、周期構造１２５に入射する光を示し、この光は、少なくとも第一の波長の光１７２と、第二の波長の光１７１とを含んでいる。
【００５８】
図１では、入射光１７０のうち、第二の波長の光１７１が、周期構造１２５内に生ずる導波モードとカップリングして伝播する波長の光（ＧＲモード）を示しており、カップリングしない第一の波長の光１７２が選択的に基板１１０を透過している。つまり、図１は、ＧＲを用いた波長選択フィルタ（光学フィルタ）の原理を示している。
【００５９】
次に図２を参照して本発明の光学フィルタを説明する。
【００６０】
図２は、石英基板（誘電体材料）１１０上に配置されたシリコン（Ｓｉ）からなるドット１２０を周期的に配したアレイを示しており、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ’断面を示している。
【００６１】
図２に示した構造では、Ｓｉのドットアレイ層が周期構造を有しているため、この層が回折格子として機能する。また、石英基板１１０と比較して、Ｓｉは可視光の波長域では屈折率が高いため、Ｓｉのドットアレイ層を導波路層として機能させることが可能である。
【００６２】
Ｓｉドットは第一の方向１４０に、第一の長さ１４１と第一の周期１４２を有し、第二の方向に、第二の長さ１５１と第二の周期１５２を有し、そして厚さ１６０を有する構造である。
【００６３】
本発明の光学フィルタの入射偏光依存性の軽減を考慮すると、第一の長さ１４１と第二の長さ１５１は等しくするのが好適であり、同様の理由から第一の周期１４２と第二の周期１５２は等しくするのが好適である。図２において、Ｓｉドットは、正方形として描かれているが、長方形、多角形をも採用でき、また、円形とすることもできる。円形の場合、ドットの大きさという場合、円の直径を意味するものとする。
【００６４】
このシリコンのドットアレイ構造に対して、例えば、入射光が垂直入射した場合、周期構造が、回折格子として機能するため、その入射光が所定の波長を持つ場合には回折光が生じ、そしてその一部がドットアレイ層である導波路層に取り込まれる。
【００６５】
そして導波路層内をある程度の距離伝搬した後、導波光は導波路層の外へ放射される。このとき、導波光は空気側と基板側の両方に放出される可能性があるが、放出される光と、入射光との位相が反転している場合には、両者の干渉の結果導波路層から出射側の光の強度が減少する。
【００６６】
この状況において透過スペクトルの測定を行うと、図３に示すようにＧＲモードが生じている波長では透過率が減少し、透過スペクトルに谷が生じる。図３の透過スペクトルＲ２０１は半導体層を構成する半導体がＳｉでありそのドット径が２２０ｎｍ、周期４４０ｎｍ、厚さ１００ｎｍの場合の透過スペクトルである。
【００６７】
透過スペクトルＧ２０２は同様にドット径１７０ｎｍ、周期４６０ｎｍ、厚さ１００ｎｍ、透過スペクトルＢ２０３はドット径１４０ｎｍ、周期４５０ｎｍ、厚さ１００ｎｍの場合の透過スペクトルを示している。
【００６８】
従って、図３に示すように、例えば可視域の赤と青の波長にＧＲで透過率スペクトルに谷を生じさせることで、相対的にその中間波長帯の緑に透過率の山（極大値）を生成することが可能となる。このようにスペクトル整形を行うことで、本発明では透過型のＲＧＢＢカラーフィルタを半導体部材と誘電体部材を用いて構成することが可能となる。
【００６９】
また、スペクトル上に透過率の谷を形成する方法は上記のＧＲモードの発現に限るものではなく、その他の機構（例えばウッズのアノマリーなど）でもよい。
【００７０】
本発明の周期構造体を構成するシリコン部材の配列は正方格子状であっても良いし、また三角格子状や六方格子状であっても良い。三角格子や六方格子に配列することで、本発明の光学フィルタの光学特性の偏光依存性が緩和され、あるいは斜入射による光学特性の変化が緩和される効果が期待される。一方、正方格子状の場合には、光学特性の設計が容易となる点が挙げられる。
【００７１】
本発明の光学フィルタを、例えば、同一の支持基板上の表面上（面内）に配列させる場合、ＲＧＢ各色に対応する光学フィルタをベイヤー配列とすることも、イメージングセンサ応用を想定した際には好適である。
【００７２】
図４はベイヤー配列の配置例である。図４において領域Ｒ３０１は赤色カラーフィルタであり、領域Ｇ３０２は緑色カラーフィルタ、領域Ｂ３０３は青色カラーフィルタの機能を有するシリコン周期構造体（微細構造体）である。それぞれの領域にドット径と周期の少なくとも１つは異なる構造体をアレイ状に配置することで、ＲＧＢ原色カラーフィルタがベイヤー配列になっているカラーフィルタとしての機能を発現する。
【００７３】
各色の配列はベイヤー配列に限るものではなく、各種応用に適宜対応させることが好ましい。
【００７４】
周期構造体の配列周期や構造体の大きさは前述の様に単一でも複数であっても良い。またこれら配列周期や構造体の大きさが異なる各々の周期構造体群は、誘電体支持基板上の相違なる領域に配置されていることが好ましい。
【００７５】
また本発明では半導体層は単結晶シリコンに限るものではなく、アモルファスシリコンやポリシリコン等であっても良い。アモルファスシリコンやポリシリコンは薄膜状に作製するプロセスが単結晶の場合と比較して容易であるため、作製プロセス難易度の観点から好適である。
【００７６】
シリコン部材を支持する基板としては、誘電体材料からなる基板を挙げ、石英（二酸化シリコン）を用いて説明したが本発明の基板は石英に限るものではなく、特に可視光波長域で透明度が高い絶縁体であれば好適である。例えば二酸化チタンや窒化シリコンなどでもよい。
【００７７】
そして、本発明の光学フィルタは単層構造に限るものではなく、図５のように積層構造であっても良い。積層構造は例えば支持基板５０１上に第１の半導体微細構造体層５０２を形成し、この上から透明誘電体５０３を成膜し、更に第２の半導体微細構造体層５０４を形成することで作製可能である。
【００７８】
本発明の光学フィルタを、各々の導波モードがカップリングしないような積層間隔にして積層構造を形成する場合、積層された光学フィルタの光学特性は基本的に積層前の光学フィルタが有する光学特性の積になる。したがって、例えば同じ光学フィルタを２層積層させることでより透過スペクトルのピーク幅を狭帯域にする等のスペクトル整形が可能である。
【００７９】
これに対し、各層の導波モードが結合してしまうほど積層間隔が小さい場合にはその構造や積層間隔に依存して光学特性が複雑に変化するため、光学特性の設計容易性という観点からは各光学フィルタの導波モードが互いに結合しないように積層間隔を取ることが好適である。
【００８０】
また、本発明の光学フィルタを構成する周期構造体はその表面が全て可視光域でほぼ透明な誘電体で覆われていることも好適である。
【００８１】
本発明の光学フィルタは、必ずしもその表面を誘電体保護層で覆われていなくともその機能を発現することは可能である。ただし誘電体層で覆うことで、周期構造体の外気による酸化やその他の化学変化を抑制し耐久性を向上することが可能である。さらには周期構造体にゴミ等の異物が付着することを抑制することが可能であり、前述の化学変化抑制を含め本発明の光学フィルタの光学特性の安定化に貢献する効果もある。
【００８２】
また、周期構造体を覆う誘電体が、支持基板と同じ誘電率を有する結果、導波路層の両面にあるクラッド層が同じ誘電率の部材で構成されている場合、この導波路層は対称型の導波路層となる。対称型の導波路層では非対称型の構成と比較して、光学特性の設計が容易であることやＧＲモードのピークを狭帯域化可能であることなどの利点もある。
【００８３】
ところで、一般的な光学フィルタである誘電体多層膜フィルタや色素フィルタなどをデバイスに用いようとすると、光の波長以上の膜厚が必要となり、具体的には、１μｍ程度かそれ以上の膜厚になってしまう。
【００８４】
一方、本発明に係る光学フィルタでは、導波路層の厚さが２００ｎｍ程度かそれ以下の膜厚のフィルタを構成することが可能である。導波路層の上に保護層を１００ｎｍ程度積層したとしても全層の膜厚が３００ｎｍ程度に抑制できるため、色素等を用いた従来のフィルタと比較して膜厚が薄いフィルタを提供することができる。
【００８５】
これにより、本発明に係る光学フィルタをＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の受光素子に用いれば、受光素子の小型化が可能となる。また、本発明に係る光学フィルタを受光素子に用いれば、受光素子の高画素数化に伴う各画素の見込み角の減少による受光光量不足を緩和することも可能となる。
【００８６】
本発明の効果として、従来型の色素フィルタと比較して膜厚が薄いカラーフィルタを構成できること、耐久性が有機材料のカラーフィルタと比較して向上すること、半導体と誘電体で構成されるため半導体プロセス親和性が高いこと、バッチ処理で塗り分け不要であること、構造を変化させることで光学特性を所望の特性にできること等が挙げられる。
【００８７】
さらに２次元アレイ状構造であるため光学特性の入射光偏光依存性が従来技術の１次元グレーティング形状の光学素子と比較して小さいことが挙げられる。
【００８８】
また、所望の波長域で最大透過率８０％以上、且つ最小透過率が４０％以下となりコントラストで２以上の優れた光学特性をもつことも挙げられる。
【００８９】
以下、具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
【実施例１】
【００９０】
単層構造
実施例１では、ＲＧＢの透過フィルタの構造、作製方法と光学特性について説明する。
【００９１】
図６（ａ）は、厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板６０１の表面に、半導体層６０２として厚さ１００ｎｍのシリコンが形成されていて、その上に電子線描画（ＥＢ）用レジスト層６０３を塗布したものを示す。なお、半導体層６０２の作製方法は単結晶の場合はＳＯＩ基板を用意しその薄膜シリコン層の膜厚を薄くすることで作製可能であるが、これに限られるものではない。
【００９２】
次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト６０３をパターニングする。レジストパターンの形状は、１辺が約１４０ｎｍの正方形であり、周期約４５０ｎｍで正方格子状に配列した形状を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで半導体周期構造体６０４を形成する。なお、ドライエッチングガスはフッ素系に限るものではなく、アルゴン、塩素、酸素、その他のガスでも良い。
【００９３】
また、エッチングマスクの作製方法はＥＢ描画に限るものではなく、フォトリソグラフィー等でも良い。さらに、半導体層６０２のパターニング方法は、誘電体基板６０１上にＥＢ描画やフォトリソグラフィ−等によりレジストパターンを形成し、半導体層６０２を成膜した後にリフトオフプロセスにより形成しても良い。
【００９４】
リフトオフプロセスの場合レジストパターンは前述の工程に対しネガポジ反転させておく必要がある。
【００９５】
また、収束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ加工装置）を用いて、半導体層６０２を直接加工しても良い。
【００９６】
図７（Ａ）には、このようにして作製した光学フィルタの透過スペクトルを示す。数値計算により透過スペクトルＢは符号７０３のように求まり、本フィルタは波長４８０ｎｍ付近に透過率の極大値を持つ。そして、透過ピークを示す波長は可視域の青色に対応するため、本フィルタは青を透過する原色フィルタとして機能することが理解される。
【００９７】
また、周期構造体６０４を一辺約１７０ｎｍ、厚さを約１００ｎｍ、周期を約４６０ｎｍの配列とすることで符号７０２で示される透過スペクトルＧが得られる。同様に、一辺を約２２０ｎｍ、厚さを１００ｎｍ、周期を約４４０ｎｍとすることで符号７０１で示される透過スペクトルＲが得られる。これらはそれぞれＲＧＢを透過する光フィルタであり、原色フィルタとして機能する。
【００９８】
また、本実施例のフィルタの反射スペクトルは、透過率が最大になる波長とほぼ同じ波長で反射率が最小になる。
【００９９】
そのため、図７（Ｂ）に示すように、本実施例の光学フィルタは、反射フィルタとして用いることで、透過スペクトルＢを有するフィルタからは符号７０４で示される反射スペクトルＢを得ることができる。同様に、透過スペクトルＧを有するフィルタは符号７０５で示される反射スペクトルＧ、透過スペクトルＲを有するフィルタは符号７０６で示される反射スペクトルＲを得ることができる。このように、これらの光学フィルタはそれぞれ可視域の赤、緑、青の補色を強く反射する光学フィルタとして機能させることが可能である。
【０１００】
本実施例の光学フィルタを用いた固体撮像素子を構成することも可能であり、また、その固体撮像素子を用いた撮像装置を構成することも可能である。
【実施例２】
【０１０１】
ベイヤー配列
実施例２ではベイヤー配列のＲＧＢフィルタの作製方法と光学特性について説明する。
図８（ａ）は、厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板８０１の表面に、半導体層８０２として厚さ１００ｎｍのシリコンが形成し、レジスト８０３を塗布したものを示している。
【０１０２】
次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト８０３をパターニングする。レジストパターンのうち、１辺が約２２０ｎｍの正方形を周期約４４０ｎｍで正方格子状に配列した形状を約１０μｍ角にパターニングした部分をパターン部Ａ８０４とする。また、１辺が約１７０ｎｍの正方形を周期約４６０ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｂ８０５とし、１辺が約１４０ｎｍの正方形を周期約４５０ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｃ８０６とする。これらの各パターン部を１０μｍの隙間を空けて図８（ｂ）のように配置した構造を作製する。
【０１０３】
このレジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで半導体微細構造体８０７を作製する。このとき半導体微細構造体の形状は正方形に限らない。正多角形や円形でも構わない。これは実施例１と同様の理由からである。
【０１０４】
なお、上述のパターン部の間の領域は、混色防止のために遮光層を形成しても良い。また、本実施例のように、各パターン部を構成する金属薄膜構造体の厚みを同一にすれば、各パターン部を同一プロセス内で作製することが可能となり、各パターン部間の境目をなくすことも可能である。
【０１０５】
このようにして作製したパターン部Ａ，Ｂ，Ｃ，は、符号７０１で示された透過スペクトルＲ、符号７０２で示された透過スペクトルＧ、符号７０３で示された透過スペクトルＢを有する。これらはそれぞれＲＧＢに対する原色フィルタとして機能することが出来る。
【０１０６】
さらに、本実施例のように、全てのパターン部について厚みを同一に作製しておけば、同一バッチにてＲＧＢ原色フィルタを作製することが出来るため、従来の色素を用いたカラーフィルタでベイヤー配列構造を作製するために必要なＲＧＢ三色の塗り分けのプロセスが必要なくなり、作製プロセス時間短縮、作製プロセス簡略化が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の光学フィルタは、光学機器分野、電気機器分野、医用機器、計測機器分野等の種々の分野の各種装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１１０ 基板
１２０ シリコンからなる部材
１２５ 周期構造
１４０ 第１の方向
１４１ 第１の長さ
１４５ 第１の周期
１５０ 第２の方向
１５１ 第２の長さ
１５５ 第２の周期
１６０ 厚さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波モード共鳴を用いた光学フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、色素を用いた一般的なカラーフィルタとは別に、導波モード共鳴（ＧＲモード：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｍｏｄｅ）を用いたカラーフィルタが提案されている。導波モード共鳴を用いたカラーフィルタは、導波路で生ずる導波モードと回折光の共鳴を利用するもので、光の利用効率が高く、シャープな共鳴スペクトルが得られるという特徴がある。
【０００３】
非特許文献１は、シリコンを用いて一次元回折格子を構成し、シリコンの周期構造内に発生する導波モード共鳴を用いるカラーフィルタを開示する。
【０００４】
非特許文献１に開示されたフィルタは、特定の偏光成分を持つ入射光に対してＲＧＢ（Ｒｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅ）光を透過させるものであり、赤用フィルタと緑用フィルタは、ＴＥ偏光を、青用フィルタには、ＴＭ偏光をそれぞれ入射させている。
【０００５】
一方、特許文献１は、同じくシリコンを用いて、二次元回折格子を構成することでＲ、Ｇ光を透過するフィルタを開示し、更に、完全な二次元回折格子とすることで偏光依存性を低減させることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−４１５５５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ１８，Ｎｏ．２０，Ｏｃｔ １５，２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１に開示されたカラーフィルタは、一次元回折格子を用いるため、回折格子の格子構造と、これに入射する偏光との角度が入射偏光の角度により様々な値をとり得るため、その透過特性に強い偏光依存性がある。このような強い偏光依存性は、例えば、デジタルカメラ等のイメージセンサに用いるには不都合を生ずる。
【０００９】
一方、特許文献１では、二次元回折格子を用いることで赤、緑用のカラーフィルタの偏光依存性を低減させることを開示するものの、３原色を構成する青用のカラーフィルタを実現できていない。
【００１０】
カラー画像の撮像を必須とするイメージセンサへの適用を考慮すると、青色を含めた３原色を高い透過率で透過させるカラーフィルタの実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明により提供される光学フィルタは、基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、入射光の偏光依存性を極力抑制すると共に、青（Ｂｌｕｅ）の波長域で透過率が高い、光学フィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の原理を示す模式図
【図２】本発明の一例を示す模式図
【図３】本発明の特性を示すグラフ
【図４】本発明の一例を示す模式図
【図５】本発明の一例を示す模式図
【図６】本発明の実施例１の説明図
【図７】本発明の特性を示すグラフ
【図８】本発明の実施例２の説明図
【図９】従来の光学フィルタに基づいて算出した波長と透過率の関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者は、先に述べた背景技術に記載の光学フィルタの特性を詳細に検討して本発明に至った。ここでは、従来の光学フィルタについての検討事項を踏まえて説明する。
【００１５】
非特許文献１では、シリコンを用いて一次元回折格子を構成し、シリコンの周期構造内に発生する導波モード共鳴を用いてカラーフィルタを構成している。
【００１６】
そして、特定の偏光成分を持つ入射光に対してＲＧＢ光を透過させるものであり、赤用フィルタと緑用フィルタは、ＴＥ偏光を、青用フィルタには、ＴＭ偏光を入射させている。
【００１７】
つまり、シリコンで構成した一次元回折格子がもつ偏光依存性を積極的に用いて色特性を発現させている。
【００１８】
これは一次元回折格子に対してＴＥ偏光の入射を想定した青用のフィルタを設計すると、青色の波長域での損失が大きく、透過率を高くすることが困難なことと、青色の波長域に透過率の極大値を持たせる素子構造の設計が困難なためであると発明者は推察した。
【００１９】
そこで、非特許文献１に記載のカラーフィルタの課題である偏光依存性を無くすために、非特許文献１に記載の一次元回折格子を単純に二次元化してカラーフィルタを構成した場合の波長に対する透過率を数値計算により算出した。
【００２０】
図９は、その計算結果に基づくグラフである。ここでの計算は、転送行列法（ＴＭＭ法：Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｔｒｉ Ｍｅｔｈｏｄ）によった。
【００２１】
図９より、Ｂ（青）のスペクトル９０１は、透過率が極大となる波長が５８０ｎｍ付近となり、青の波長域から大きくずれていることが理解される。
【００２２】
この理由は、構造が２次元構造になることで、一次元回折格子のＴＭ偏光（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）入射の場合の光学特性だけを選択的に発現させることができず、ＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）の特性が強く現れるためである。つまり、二次元構造（ドットアレイ構造）では一次元の導波構造の場合に生じる単純なＴＥモードもしくはＴＭモードではなく、これらが複雑に混成したモードが発生する。
【００２３】
そして、Ｇ（緑）の二次元化スペクトル９０２やＲ（赤）の二次元化スペクトル９０３に関しても、同様にＴＥモードとＴＭモードが複雑に混ざり合ったモードが発現しているものと考えられる。
【００２４】
従って、Ｒ（赤）用のフィルタやＧ（緑）用のフィルタに対応する回折格子を単純に二次元化した光学素子が発現する上記のスペクトル９０２、および９０３が一次元構造の場合のスペクトルと透過率極大波長が大きくずれていないのは偶然と考えるべきものである。
【００２５】
一方、ＧＲの波長やスペクトル形状は導波路構造が持つ周期性と有効屈折率が求まれば粗い予測は可能である。
【００２６】
ところが、導波路の有効屈折率（及びこれに伴う実効的な周期性）が、精度良く導出可能なのは、導波路の屈折率分布がスラブ導波路に近い場合、つまりＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが極端に高い場合や低い場合であり、中間的なＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒを有する場合等では、ＧＲ波長やそのスペクトル形状を制御し、所望の光学スペクトルを得ることは容易ではない。
【００２７】
このため、解析的に所望の光学特性をもつ光学素子の構造を予測することは実際には困難となる。
【００２８】
現に上述の通り、特許文献１では、シリコンによる二次元回折格子を用いてＲ、Ｇ光を透過するフィルタを構成することを開示するものの、Ｂ（青）は２次元で構成できていないことが、その証左であろう。
【００２９】
さらにイメージング素子等に用いる光学フィルタの特性としては、注目する波長域において、透過率の極大値が、８０％以上、且つ良好な色特性を得るためには極小透過率は４０％以下であることが望ましいが、上述の非特許文献１、及び特許文献１では、２次元構造のＢ（青）については、当然ながら実現できていない。
【００３０】
本願発明は、透明な基板上（誘電体）に半導体を用いた微細構造が２次元的に周期的に配列している構造を含む光学フィルタを鋭意検討してなされた。
【００３１】
本願発明により提供される光学フィルタは、基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させたことを特徴とするものである。
【００３２】
本発明によれば、青の波長域を含む３原色の各波長域において透過率が高く、透過スペクトル幅の狭い、光学フィルタを提供できる。
【００３３】
本願発明は、前記表面に平行な方向の大きさを２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したものを包含する。
【００３４】
また、本願発明は、前記表面に平行な方向の大きさを１６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したものを包含する。
【００３５】
本願発明では、シリコンで構成された部材の厚みを５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲とすることも可能である。
【００３６】
本願発明は、本発明の光学フィルタを備えた固体撮像素子を包含する。更に、本願発明は、本発明の固体撮像素子を備えた撮像装置を包含する。
【００３７】
ＧＲモードは、誘電体や半導体などで構成される導波路構造がその面内方向に周期構造を有する場合に、この周期構造による回折光が面内導波モードとカップリングして生じるモードのことである。
【００３８】
ＧＲモードが生じる波長においては、導波層に損失が無い場合には、理論上反射率１００％も可能である。これはつまり透過スペクトルで考えると、ＧＲモードの波長では透過率が低下し、理論上は０％になることを示している。
【００３９】
つまり、この導波路層構造を透過型の光学フィルタとして用いる場合には、導波路層構造を適切に制御し、上述のＧＲモードの波長を所望の波長に設定することで、その透過スペクトルの形状を所望の形状に制御できることを示している。
【００４０】
また、ＧＲモードが生じ得る波長より長波長側の波長帯では透過率が急激に高まってしまうので、このような波長域がなるべく注目する波長域に入らないようにするために、最長のＧＲモードがなるべく長くなるような素子構造が好適である。
【００４１】
また実際の物質では光学的な伝搬損失を伴うため、光学素子を設計する際には光学的な周期性を考慮してＧＲ波長を決めるだけでなく、伝搬損失による透過率低下の影響も考慮する必要がある。
【００４２】
本発明の光学素子は、ＧＲモードにより発生する透過率が極小となる領域に挟まれた透過率極大となる領域を用いる。つまり本発明で使用する波長は、あるＧＲモードと他のＧＲモードの間にある透過率の山になる部分である。
【００４３】
本発明の光学素子は２次元構造をもつ導波路層と見ることも出来る。
【００４４】
２次元構造をもつ導波路層内の伝搬モードは上述した通り一次元回折格子における単純なＴＥモードやＴＭモードではなく、またこれらが複雑に混成しあったモードの伝搬定数と、周期構造による回折光の周期構造面内での波数と、が一致することが基本的なＧＲの発生条件となる。
【００４５】
本発明の光学素子ではＧＲ波長が短波長（青の波長域よりも短い）と長波長（緑から赤の波長域）に発現することで青色の波長域に透過率の極大値が来る様に設計してある。
【００４６】
つまり周期構造を短くすることで導波路層内に取り込まれる回折光の波数を増大し、これにあわせて発現するＧＲ波長を短波長化すると同時に、導波路厚さを薄くしてモード間隔を広げることで長波長側のＧＲの波長を緑から赤に発現させることが好適である。
【００４７】
一方、構造体の周期が短いと一般にＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが増大してしまい、その結果、特に青の波長域では導波層における伝搬ロスが増大してしまう。
【００４８】
この点に着目すると透過率極大の低下をもたらしてしまうため、この方針のみで青の波長域で好適な光学特性をもつ光学フィルタを設計することは困難である。また、ＴＥモードはＴＭモードと比較して回折効率が高く導波路層に取り込まれやすいことから、導波路層を伝搬中の伝搬ロスが大きくなりやすいため、ＴＥモードとＴＭモードが混成しているモードが発現する導波路層のＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒはむしろ低い方が好ましい。
【００４９】
ところが、シリコンという屈折率が高い部材を用いて、Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが小さく、かつ周期性が短い構造を想定すると、その実寸法が非常に小さくなってしまう。
【００５０】
そして、光学素子としての機能を発現させるための素子構造はそもそも作製自体が困難もしくは不可能になってしまうため、この設計指針も実際の素子設計に適用することは好適ではない。
【００５１】
発明者等はこれらの状況を踏まえ鋭意検討した結果、低損失であり且つ高コントラスト、加えて、実際に素子の作製が可能な現実的寸法を有する素子を提案する。具体的には、青の波長域において透過率極大値が８０％以上、極小値が４０％以下となりイメージングデバイスに用いる光学素子として好適な光学特性となる好適な素子構成を提案する。
【００５２】
このような光学素子の設計方針は以下のとおりである。
ＧＲの波長は基本的に構造の光学的な周期で決まる。構造が周期構造であるため、この周期性により入射光が回折し、その一部が導波路層内に取り込まれる。したがってその依存性は周期構造が持つ周期性が増大するに連れてＧＲモードの発現波長も増大する。
【００５３】
例えば短波長側にＧＲモードやこれらの間にある透過率極大を発現させるには周期構造が持つピッチを短くするか、もしくは周期構造の中に占めるＳｉドットの割合を小さくすることが望ましい、つまりＦｉｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒを小さくし導波路がもつ実効的な屈折率を下げて、ＧＲモードが所望の短波長域に発現するように設定すればよい。
【００５４】
一方ＧＲモードの波長域の間にある透過率極大値での透過率はＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒに影響される。つまり透過率極大値におけるロスはＳｉ中を光が伝搬する際の吸収に伴うものであるため、透過率と導波路構造のＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒは負の相関になる。
【００５５】
この相関を踏まえて導波路構造設計の際には透過率極大値が所望の値になるように導波路構造のＦｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒを設計すればよい。
【００５６】
これらの条件を考慮した設計を行い本発明ではＢ（青）において好適な光学特性を有する光学フィルタの構造を与える。
【００５７】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の光学素子の原理を示す模式図である。図１において、１１０は基板で、１２０は基板１１０よりも屈折率の大きなシリコンで構成された部材である。基板１１０上には、シリコンで構成された部材１２０の複数がスペース１３０を空けて周期的に配されている。１２５は、部材１２０で構成された周期構造である。ここで、Ｄは、部材１２０の基板表面に平行な方向の大きさを示し、Ｐは、部材１２０が配された周期（ピッチ）を示す。Ｔは、部材１２０の厚みである。１７０は、周期構造１２５に入射する光を示し、この光は、少なくとも第一の波長の光１７２と、第二の波長の光１７１とを含んでいる。
【００５８】
図１では、入射光１７０のうち、第二の波長の光１７１が、周期構造１２５内に生ずる導波モードとカップリングして伝播する波長の光（ＧＲモード）を示しており、カップリングしない第一の波長の光１７２が選択的に基板１１０を透過している。つまり、図１は、ＧＲを用いた波長選択フィルタ（光学フィルタ）の原理を示している。
【００５９】
次に図２を参照して本発明の光学フィルタを説明する。
【００６０】
図２は、石英基板（誘電体材料）１１０上に配置されたシリコン（Ｓｉ）からなるドット１２０を周期的に配したアレイを示しており、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ’断面を示している。
【００６１】
図２に示した構造では、Ｓｉのドットアレイ層が周期構造を有しているため、この層が回折格子として機能する。また、石英基板１１０と比較して、Ｓｉは可視光の波長域では屈折率が高いため、Ｓｉのドットアレイ層を導波路層として機能させることが可能である。
【００６２】
Ｓｉドットは第一の方向１４０に、第一の長さ１４１と第一の周期１４２を有し、第二の方向に、第二の長さ１５１と第二の周期１５２を有し、そして厚さ１６０を有する構造である。
【００６３】
本発明の光学フィルタの入射偏光依存性の軽減を考慮すると、第一の長さ１４１と第二の長さ１５１は等しくするのが好適であり、同様の理由から第一の周期１４２と第二の周期１５２は等しくするのが好適である。図２において、Ｓｉドットは、正方形として描かれているが、長方形、多角形をも採用でき、また、円形とすることもできる。円形の場合、ドットの大きさという場合、円の直径を意味するものとする。
【００６４】
このシリコンのドットアレイ構造に対して、例えば、入射光が垂直入射した場合、周期構造が、回折格子として機能するため、その入射光が所定の波長を持つ場合には回折光が生じ、そしてその一部がドットアレイ層である導波路層に取り込まれる。
【００６５】
そして導波路層内をある程度の距離伝搬した後、導波光は導波路層の外へ放射される。このとき、導波光は空気側と基板側の両方に放出される可能性があるが、放出される光と、入射光との位相が反転している場合には、両者の干渉の結果導波路層から出射側の光の強度が減少する。
【００６６】
この状況において透過スペクトルの測定を行うと、図３に示すようにＧＲモードが生じている波長では透過率が減少し、透過スペクトルに谷が生じる。図３の透過スペクトルＲ２０１は半導体層を構成する半導体がＳｉでありそのドット径が２２０ｎｍ、周期４４０ｎｍ、厚さ１００ｎｍの場合の透過スペクトルである。
【００６７】
透過スペクトルＧ２０２は同様にドット径１７０ｎｍ、周期４６０ｎｍ、厚さ１００ｎｍ、透過スペクトルＢ２０３はドット径１４０ｎｍ、周期４５０ｎｍ、厚さ１００ｎｍの場合の透過スペクトルを示している。
【００６８】
従って、図３に示すように、例えば可視域の赤と青の波長にＧＲで透過率スペクトルに谷を生じさせることで、相対的にその中間波長帯の緑に透過率の山（極大値）を生成することが可能となる。このようにスペクトル整形を行うことで、本発明では透過型のＲＧＢＢカラーフィルタを半導体部材と誘電体部材を用いて構成することが可能となる。
【００６９】
また、スペクトル上に透過率の谷を形成する方法は上記のＧＲモードの発現に限るものではなく、その他の機構（例えばウッズのアノマリーなど）でもよい。
【００７０】
本発明の周期構造体を構成するシリコン部材の配列は正方格子状であっても良いし、また三角格子状や六方格子状であっても良い。三角格子や六方格子に配列することで、本発明の光学フィルタの光学特性の偏光依存性が緩和され、あるいは斜入射による光学特性の変化が緩和される効果が期待される。一方、正方格子状の場合には、光学特性の設計が容易となる点が挙げられる。
【００７１】
本発明の光学フィルタを、例えば、同一の支持基板上の表面上（面内）に配列させる場合、ＲＧＢ各色に対応する光学フィルタをベイヤー配列とすることも、イメージングセンサ応用を想定した際には好適である。
【００７２】
図４はベイヤー配列の配置例である。図４において領域Ｒ３０１は赤色カラーフィルタであり、領域Ｇ３０２は緑色カラーフィルタ、領域Ｂ３０３は青色カラーフィルタの機能を有するシリコン周期構造体（微細構造体）である。それぞれの領域にドット径と周期の少なくとも１つは異なる構造体をアレイ状に配置することで、ＲＧＢ原色カラーフィルタがベイヤー配列になっているカラーフィルタとしての機能を発現する。
【００７３】
各色の配列はベイヤー配列に限るものではなく、各種応用に適宜対応させることが好ましい。
【００７４】
周期構造体の配列周期や構造体の大きさは前述の様に単一でも複数であっても良い。またこれら配列周期や構造体の大きさが異なる各々の周期構造体群は、誘電体支持基板上の相違なる領域に配置されていることが好ましい。
【００７５】
また本発明では半導体層は単結晶シリコンに限るものではなく、アモルファスシリコンやポリシリコン等であっても良い。アモルファスシリコンやポリシリコンは薄膜状に作製するプロセスが単結晶の場合と比較して容易であるため、作製プロセス難易度の観点から好適である。
【００７６】
シリコン部材を支持する基板としては、誘電体材料からなる基板を挙げ、石英（二酸化シリコン）を用いて説明したが本発明の基板は石英に限るものではなく、特に可視光波長域で透明度が高い絶縁体であれば好適である。例えば二酸化チタンや窒化シリコンなどでもよい。
【００７７】
そして、本発明の光学フィルタは単層構造に限るものではなく、図５のように積層構造であっても良い。積層構造は例えば支持基板５０１上に第１の半導体微細構造体層５０２を形成し、この上から透明誘電体５０３を成膜し、更に第２の半導体微細構造体層５０４を形成することで作製可能である。
【００７８】
本発明の光学フィルタを、各々の導波モードがカップリングしないような積層間隔にして積層構造を形成する場合、積層された光学フィルタの光学特性は基本的に積層前の光学フィルタが有する光学特性の積になる。したがって、例えば同じ光学フィルタを２層積層させることでより透過スペクトルのピーク幅を狭帯域にする等のスペクトル整形が可能である。
【００７９】
これに対し、各層の導波モードが結合してしまうほど積層間隔が小さい場合にはその構造や積層間隔に依存して光学特性が複雑に変化するため、光学特性の設計容易性という観点からは各光学フィルタの導波モードが互いに結合しないように積層間隔を取ることが好適である。
【００８０】
また、本発明の光学フィルタを構成する周期構造体はその表面が全て可視光域でほぼ透明な誘電体で覆われていることも好適である。
【００８１】
本発明の光学フィルタは、必ずしもその表面を誘電体保護層で覆われていなくともその機能を発現することは可能である。ただし誘電体層で覆うことで、周期構造体の外気による酸化やその他の化学変化を抑制し耐久性を向上することが可能である。さらには周期構造体にゴミ等の異物が付着することを抑制することが可能であり、前述の化学変化抑制を含め本発明の光学フィルタの光学特性の安定化に貢献する効果もある。
【００８２】
また、周期構造体を覆う誘電体が、支持基板と同じ誘電率を有する結果、導波路層の両面にあるクラッド層が同じ誘電率の部材で構成されている場合、この導波路層は対称型の導波路層となる。対称型の導波路層では非対称型の構成と比較して、光学特性の設計が容易であることやＧＲモードのピークを狭帯域化可能であることなどの利点もある。
【００８３】
ところで、一般的な光学フィルタである誘電体多層膜フィルタや色素フィルタなどをデバイスに用いようとすると、光の波長以上の膜厚が必要となり、具体的には、１μｍ程度かそれ以上の膜厚になってしまう。
【００８４】
一方、本発明に係る光学フィルタでは、導波路層の厚さが２００ｎｍ程度かそれ以下の膜厚のフィルタを構成することが可能である。導波路層の上に保護層を１００ｎｍ程度積層したとしても全層の膜厚が３００ｎｍ程度に抑制できるため、色素等を用いた従来のフィルタと比較して膜厚が薄いフィルタを提供することができる。
【００８５】
これにより、本発明に係る光学フィルタをＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の受光素子に用いれば、受光素子の小型化が可能となる。また、本発明に係る光学フィルタを受光素子に用いれば、受光素子の高画素数化に伴う各画素の見込み角の減少による受光光量不足を緩和することも可能となる。
【００８６】
本発明の効果として、従来型の色素フィルタと比較して膜厚が薄いカラーフィルタを構成できること、耐久性が有機材料のカラーフィルタと比較して向上すること、半導体と誘電体で構成されるため半導体プロセス親和性が高いこと、バッチ処理で塗り分け不要であること、構造を変化させることで光学特性を所望の特性にできること等が挙げられる。
【００８７】
さらに２次元アレイ状構造であるため光学特性の入射光偏光依存性が従来技術の１次元グレーティング形状の光学素子と比較して小さいことが挙げられる。
【００８８】
また、所望の波長域で最大透過率８０％以上、且つ最小透過率が４０％以下となりコントラストで２以上の優れた光学特性をもつことも挙げられる。
【００８９】
以下、具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
【実施例１】
【００９０】
単層構造
実施例１では、ＲＧＢの透過フィルタの構造、作製方法と光学特性について説明する。
【００９１】
図６（ａ）は、厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板６０１の表面に、半導体層６０２として厚さ１００ｎｍのシリコンが形成されていて、その上に電子線描画（ＥＢ）用レジスト層６０３を塗布したものを示す。なお、半導体層６０２の作製方法は単結晶の場合はＳＯＩ基板を用意しその薄膜シリコン層の膜厚を薄くすることで作製可能であるが、これに限られるものではない。
【００９２】
次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト６０３をパターニングする。レジストパターンの形状は、１辺が約１４０ｎｍの正方形であり、周期約４５０ｎｍで正方格子状に配列した形状を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで半導体周期構造体６０４を形成する。なお、ドライエッチングガスはフッ素系に限るものではなく、アルゴン、塩素、酸素、その他のガスでも良い。
【００９３】
また、エッチングマスクの作製方法はＥＢ描画に限るものではなく、フォトリソグラフィー等でも良い。さらに、半導体層６０２のパターニング方法は、誘電体基板６０１上にＥＢ描画やフォトリソグラフィ−等によりレジストパターンを形成し、半導体層６０２を成膜した後にリフトオフプロセスにより形成しても良い。
【００９４】
リフトオフプロセスの場合レジストパターンは前述の工程に対しネガポジ反転させておく必要がある。
【００９５】
また、収束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ加工装置）を用いて、半導体層６０２を直接加工しても良い。
【００９６】
図７（Ａ）には、このようにして作製した光学フィルタの透過スペクトルを示す。数値計算により透過スペクトルＢは符号７０３のように求まり、本フィルタは波長４８０ｎｍ付近に透過率の極大値を持つ。そして、透過ピークを示す波長は可視域の青色に対応するため、本フィルタは青を透過する原色フィルタとして機能することが理解される。
【００９７】
また、周期構造体６０４を一辺約１７０ｎｍ、厚さを約１００ｎｍ、周期を約４６０ｎｍの配列とすることで符号７０２で示される透過スペクトルＧが得られる。同様に、一辺を約２２０ｎｍ、厚さを１００ｎｍ、周期を約４４０ｎｍとすることで符号７０１で示される透過スペクトルＲが得られる。これらはそれぞれＲＧＢを透過する光フィルタであり、原色フィルタとして機能する。
【００９８】
また、本実施例のフィルタの反射スペクトルは、透過率が最大になる波長とほぼ同じ波長で反射率が最小になる。
【００９９】
そのため、図７（Ｂ）に示すように、本実施例の光学フィルタは、反射フィルタとして用いることで、透過スペクトルＢを有するフィルタからは符号７０４で示される反射スペクトルＢを得ることができる。同様に、透過スペクトルＧを有するフィルタは符号７０５で示される反射スペクトルＧ、透過スペクトルＲを有するフィルタは符号７０６で示される反射スペクトルＲを得ることができる。このように、これらの光学フィルタはそれぞれ可視域の赤、緑、青の補色を強く反射する光学フィルタとして機能させることが可能である。
【０１００】
本実施例の光学フィルタを用いた固体撮像素子を構成することも可能であり、また、その固体撮像素子を用いた撮像装置を構成することも可能である。
【実施例２】
【０１０１】
ベイヤー配列
実施例２ではベイヤー配列のＲＧＢフィルタの作製方法と光学特性について説明する。
図８（ａ）は、厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板８０１の表面に、半導体層８０２として厚さ１００ｎｍのシリコンが形成し、レジスト８０３を塗布したものを示している。
【０１０２】
次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト８０３をパターニングする。レジストパターンのうち、１辺が約２２０ｎｍの正方形を周期約４４０ｎｍで正方格子状に配列した形状を約１０μｍ角にパターニングした部分をパターン部Ａ８０４とする。また、１辺が約１７０ｎｍの正方形を周期約４６０ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｂ８０５とし、１辺が約１４０ｎｍの正方形を周期約４５０ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｃ８０６とする。これらの各パターン部を１０μｍの隙間を空けて図８（ｂ）のように配置した構造を作製する。
【０１０３】
このレジストパターンをエッチングマスクとして、フッ素系の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで半導体微細構造体８０７を作製する。このとき半導体微細構造体の形状は正方形に限らない。正多角形や円形でも構わない。これは実施例１と同様の理由からである。
【０１０４】
なお、上述のパターン部の間の領域は、混色防止のために遮光層を形成しても良い。また、本実施例のように、各パターン部を構成する金属薄膜構造体の厚みを同一にすれば、各パターン部を同一プロセス内で作製することが可能となり、各パターン部間の境目をなくすことも可能である。
【０１０５】
このようにして作製したパターン部Ａ，Ｂ，Ｃ，は、符号７０１で示された透過スペクトルＲ、符号７０２で示された透過スペクトルＧ、符号７０３で示された透過スペクトルＢを有する。これらはそれぞれＲＧＢに対する原色フィルタとして機能することが出来る。
【０１０６】
さらに、本実施例のように、全てのパターン部について厚みを同一に作製しておけば、同一バッチにてＲＧＢ原色フィルタを作製することが出来るため、従来の色素を用いたカラーフィルタでベイヤー配列構造を作製するために必要なＲＧＢ三色の塗り分けのプロセスが必要なくなり、作製プロセス時間短縮、作製プロセス簡略化が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の光学フィルタは、光学機器分野、電気機器分野、医用機器、計測機器分野等の種々の分野の各種装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１１０ 基板
１２０ シリコンからなる部材
１２５ 周期構造
１４０ 第１の方向
１４１ 第１の長さ
１４５ 第１の周期
１５０ 第２の方向
１５１ 第２の長さ
１５５ 第２の周期
１６０ 厚さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、
前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させたことを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記表面に平行な方向の大きさを２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項３】
前記表面に平行な方向の大きさを１６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項４】
前記部材の厚みが５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲にある請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項５】
前記基板は、誘電体材料からなる請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項６】
前記周期構造が、誘電体材料で覆われていることを特徴とする請求項５に記載の光学フィルタ。
【請求項７】
前記基板を構成する誘電体材料の誘電率と、前記周期構造を覆う誘電体材料の誘電率と、が等しいことを特徴とする請求項６に記載の光学フィルタ。
【請求項８】
前記誘電体材料は、二酸化シリコンからなることを特徴とする請求項５に記載の光学フィルタ。
【請求項９】
請求項１に記載の光学フィルタを有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
基板と、シリコンで構成された部材の複数を前記基板の表面上に周期的に配してなる周期構造と、を備え、前記周期構造に入射する光の内、第１の波長の光を前記基板方向に選択的に透過させる光学フィルタであって、
前記部材は、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配されていると共に、前記部材の前記表面に平行な方向の大きさを１２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内として、第１の波長の透過スペクトルの極大値を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内に発現させたことを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記表面に平行な方向の大きさを２００ｎｍ以上２４０ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項３】
前記表面に平行な方向の大きさを１６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とし、周期を４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内として二次元的に配した複数の部材を更に備え、透過スペクトルの極大値を６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内に発現させた光学フィルタを前記基板の異なる表面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項４】
前記部材の厚みが５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲にある請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項５】
前記基板は、誘電体材料からなる請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項６】
前記周期構造が、誘電体材料で覆われていることを特徴とする請求項５に記載の光学フィルタ。
【請求項７】
前記基板を構成する誘電体材料の誘電率と、前記周期構造を覆う誘電体材料の誘電率と、が等しいことを特徴とする請求項６に記載の光学フィルタ。
【請求項８】
前記誘電体材料は、二酸化シリコンからなることを特徴とする請求項５に記載の光学フィルタ。
【請求項９】
請求項１に記載の光学フィルタを有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の固体撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１３３３０（Ｐ２０１１−１３３３０Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５５６６６（Ｐ２００９−１５５６６６）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]