專利名稱：濾光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用局域等離子體振子(plasmon)的濾光器。
技術(shù)背景在USP No. 5973316和Nature, Vol. 424， 14， August, 2003中說明 了在薄金屬膜中周期性布置開口并且通過使用表面等離子體振子執(zhí)行 波長選擇的空穴型濾光器。開口直徑等于或小于光波長的尺寸的薄金屬膜的透射率已被認為 小于約1%,其特定值依賴于膜厚。USP No. 5973316的說明書建議可通過使用薄金屬膜表面的表面 等離子體振子在一定程度上增大透射率。并且，Nature, Vol. 424 ( P824層830 ) ， 14, August, 2003說明了作 為使用表面等離子體振子的空穴型濾光器獲得RGB透射光i瞽的可能 性。在使用薄金屬膜的常規(guī)濾光器中，光透射率一般約為百分之幾。 但是，在透射率不太高的濾光器中，足以獲得希望的透射光強度的入 射光強度可能高。結(jié)果，例如，薄金屬膜隨著入射光強度上升被加熱， 并且可能在薄金屬膜中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化。這可使得不能獲得所希望設(shè)計 的光學(xué)特性。USP No. 5973316公開了通過使用在薄金屬膜中設(shè)置周期性開口 的薄金屬膜結(jié)構(gòu)體并將開口的布置周期與在薄金屬膜表面中傳播的表 面等離子體振子的波長匹配來增大透射率的特征。然而，在USP No. 5973316中公開的發(fā)明中，開口布置周期通常 必須與等離子體振子波長匹配，并且由此，在設(shè)計光學(xué)特性時的自由 度小。例如，可能難以設(shè)計在諸如整個可見光范圍的寬區(qū)域波長范圍內(nèi)具有所希望光學(xué)特性的元件。Nature, Vol. 424， 14， August, 2003公開了作為空穴型濾光器獲得 RGB透射光鐠的可能性，但是，沒有進行對于這些濾光器增大透射率 并提供穩(wěn)定特性的研究。實際上，在應(yīng)用上述文件公開的濾光器時，除了諸如透射率和波 長區(qū)域的光學(xué)特性以外，還需要提高特性的穩(wěn)定性和耐久性。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個方面， 一種濾光器，包括在基板表面上設(shè)置 有多個開口的遮光導(dǎo)電層，其選擇性地透射第一波長的光；以及與導(dǎo) 電層接觸的電介質(zhì)層。開口的尺寸是等于或小于第一波長的尺寸，并 且導(dǎo)電層的表面積與基板表面的表面積的比率在等于或大于36%且 等于或小于74%的范圍內(nèi)。通過入射到導(dǎo)電層上的光而在所述開口中 引起的表面等離子體振子，第一波長的透射率增大。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面， 一種濾光器包括基板；具有在基板上周期性設(shè)置的多個開 口的導(dǎo)電層；以及導(dǎo)電層所嵌入到的電介質(zhì)層。開口的尺寸是等于或 小于等離子體振子共振的共振波長的尺寸，以傳得通過入射到其上的 可見光產(chǎn)生局域表面等離子體振子，并且在濾光器的共振波長處的透 射率的最大值等于或大于約50%。通過參照附圖閱讀示例性實施例的以下說明，本發(fā)明的其它特征 將變得顯而易見。


圖1A和圖1B是示出本發(fā)明的例子的示意圖；圖2是示出光透射強度對于波長的依賴性的曲線圖；圖3A和圖3B是示出本發(fā)明的例子的示意圖；圖4A和圖4B是示出本發(fā)明的例子的示意圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的界面的形狀的示意圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的另一方面的界面的形狀的示意圖；5圖7是示出本發(fā)明的例子的示意圖； 圖8是示出光透射強度對于波長的依賴性的曲線圖； 圖9是示出本發(fā)明的例子的示意圖； 圖IO是示出本發(fā)明的例子的示意圖； 圖IIA和圖IIB是示出本發(fā)明的例子的示意圖； 圖12A和圖12B是示出本發(fā)明的例子1的說明圖； 圖13A和圖13B是示出光透射強度對于波長的依賴性的曲線圖； 圖14A 14C是示出本發(fā)明的例子2的說明圖； 圖15A 15C是示出本發(fā)明的例子3的說明圖； 圖16A 16C是示出本發(fā)明的原理的示意圖； 圖17是示出本發(fā)明的例子的示意圖； 圖18是例子4的示意圖 圖19是例子4的示意圖 圖20是例子4的示意圖 圖21是例子5的示意圖；以及 圖22是例子5的示意圖具體實施方式
發(fā)明人已研究了具有至少兩個金屬/電介質(zhì)界面被相互對置的結(jié) 構(gòu)的濾光器。在平滑金屬表面與電介質(zhì)接觸的情況下，可以在其界面處產(chǎn)生表 面等離子體振子共振(surface plasmon resonance SPR)。并且，即 使在金屬表面不平滑的情況下，例如，在諸如金屬微?；蚪饘匍_口的 金屬納米結(jié)構(gòu)中，比如在尺寸等于或小于大約光波長的結(jié)構(gòu)中，可產(chǎn) 生局域表面等離子體振子共振(localized surface plasmon resonance LSPR)。等離子體振子是通過諸如光的外部電場引起的金屬內(nèi)或其表面上 的自由電子的集體振蕩。由于電子承載電荷，因此電子的振蕩產(chǎn)生由 自由電子的密度分布確定的極化。該極化與電磁場耦合的現(xiàn)象被稱為等離子體振子共振。光與在金屬納米結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的自由電子的等離子體振蕩的共振現(xiàn)象被稱為局域表面等離子體振子共振(LSPR)。因此，金屬納米結(jié)構(gòu)中的自由電子的集體振蕩由諸如光的外部電 場引起，這些振蕩產(chǎn)生電子密度分布和因其產(chǎn)生的極化，并且，產(chǎn)生 在金屬納米結(jié)構(gòu)的附近局域化的電磁場。產(chǎn)生的LSPR吸收并散射具有特別高的強度的特定頻率的光。因 此，由此產(chǎn)生的透射率和反射率依賴于波長?？赏ㄟ^厚度等于或大于幾納米的金屬結(jié)構(gòu)舉例說明LSPR。以下將使用簡單結(jié)構(gòu)來說明本發(fā)明多個方面的原理。如圖16A-16C所示，考慮導(dǎo)體/電介質(zhì)界面相互平行面對的薄金 屬膜結(jié)構(gòu)體1611。圖16A是從光入射側(cè)觀察的視圖，圖16B是側(cè)視 圖。以下將通過考慮金屬解釋導(dǎo)體。在圖中，由金屬構(gòu)件1601、電介 質(zhì)構(gòu)件1602和金屬構(gòu)件1603形成的界面1604和界面1605相互平行 面對。這兩個界面形成開口 1606。在以上的解釋中，主要考慮使用圖16所示的形狀的濾光器，但是， 根據(jù)本發(fā)明的濾光器不限于該形狀，并且，如圖16C所示，可基本上 通過界面相互對置的任意形狀，舉例說明根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾 光器的光學(xué)特性。這是由于，如以下更加詳細地解釋的那樣，產(chǎn)生在金屬構(gòu)件(導(dǎo) 電層)和電介質(zhì)構(gòu)件(電介質(zhì)層)的界面1604和界面1605上局域化 的等離子體振子。在不局限于任何具體理論的情況下，認為當具有圖示的偏振(電 場)分量的入射光1607入射到開口 1606上時，如圖中的箭頭所示， 自由電子在開口 1606及其周邊移動和分布，并且，在開口 1606的附 近出現(xiàn)電荷密度分布。電荷密度分布與電磁場的耦合是局域等離子體 振子。由于開口 1606周邊的自由電子的參與或界面端部處的散射，因此 局域等離子體振子在開口邊緣處產(chǎn)生電荷密度分布。例如，在具有開口形狀的濾光器的情況下，在開口中引起的局域等離子體振子被產(chǎn)生為從圖16A 16C所示的開口 1606的端部1608反 射的電荷密度波的駐波。結(jié)果，在該部分中引起的等離子體振子的半 波長的整數(shù)倍大致等于界面的寬度(長度)1609。當在這種界面處引起等離子體振子的情況下，即使當相對的界面 之間的間隔1610太小使得可見光不能透過時，該光的能量也在局域等 離子體振子的影響下傳播到薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1611的出射側(cè)。由此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可以通過使用在納米尺寸結(jié)構(gòu)體 (如，相對的平滑表面)中引起的局域等離子體振子，而不是通過沿 薄金屬膜表面?zhèn)鞑サ囊话惚砻娴入x子體振子，表現(xiàn)預(yù)定的光學(xué)特性。開口中局域化和引起的局域^離子體振子。" '' '、'局域等離子體振子沿面內(nèi)方向局域化，并且也沿薄金屬膜的厚度 方向局域化，并且，當在開口的入射側(cè)的端面處引起局域等離子體振 子的情況下，局域等離子體振子的能量傳播到開口的出射側(cè)端面并在 自由空間中被再射出。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，引起局域等離子體振子的濾光器的光學(xué) 特性可能源自引起局域等離子體振子的納米結(jié)構(gòu)的形狀和設(shè)置。因此， 可通過精確地設(shè)計納米結(jié)構(gòu)的形狀和設(shè)置，控制透射波長和透射率。并且，根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾光器即使利用一組相對界面也 可展現(xiàn)其功能。這是由于，如上文所述，在根據(jù)本發(fā)明的濾光器的光 學(xué)特性中，至少部分地通過相對的界面的形狀確定在界面上引起的局 域等離子體振子的頻率或與該頻率對應(yīng)的波長。圖3A和圖3B是濾光器304的示意圖，其中在電介質(zhì)基板301中 設(shè)置具有相同寬度和長度的金屬/電介質(zhì)界面303的薄金屬膜結(jié)構(gòu)體 302。在圖3A和圖3B中，通過金屬/電介質(zhì)界面303的周期性布置， 構(gòu)成濾光器。在圖3B中表示圖3A中的斷面A-A'。類似地，在圖4A和圖4B中表示配置與圖3A和圖3B所示的配置不同的濾光器的例子。圖4A和圖4B是濾光器404的示意圖，其中在電介質(zhì)基板401中 設(shè)置具有相同寬度和長度的金屬/電介質(zhì)界面403的薄金屬膜結(jié)構(gòu)體 402。在圖4A和圖4B中，金屬/電介質(zhì)界面形成用作作為遮光構(gòu)件的 金屬層(導(dǎo)電層)中打開的窗口的、開口的部分。在圖4A和圖4B中，濾光器包括周期性布置的開口。在圖4B中 表示圖4A中的斷面B-B'。由于金屬/電介質(zhì)界面的寬度(長度)至少部分地確定引起的等離 子體振子的波長，因此它可在確定濾光器的光學(xué)特性(比如透射波長) 方面具有重要作用。并且，雖然具有相對的金屬/電介質(zhì)界面的濾光器的透射率可能受 各種因素影響，但是， 一般地，隨著在兩個界面處引起的等離子體振 子被耦合以及電磁場分布從金屬側(cè)被擴展到電介質(zhì)側(cè)，傳播損失減少。因此，界面之間的距離的一定減小可能對于減少傳播損失是有益 的。但是，由于在開口被視為等離子體振子波導(dǎo)的情況下的傳播損失 增加，因此可能不希望界面之間的距離太小。因此，表面占有率(填充因數(shù)；以下被稱為FF)由Sa/S表示， 這里，Sa代表具有表面S的濾光器中的被遮光部分占據(jù)的表面。因此， 填充因數(shù)代表遮光部分(導(dǎo)電層)的表面積與基板表面的表面積的比 率。并且，即使當開口具有陣列狀布置時，F(xiàn)F也可影響透射率。 在上文提到的USP No. 5973316的說明中，可通過使薄金屬膜的 開口周期與沿薄金屬膜表面長距離傳播的表面等離子體振子的波長匹 配，積極激勵表面等離子體振子。相反，在根據(jù)本發(fā)明的多個方面的 濾光器中，通過在開口內(nèi)引起局域等離子體振子，可展現(xiàn)光學(xué)特性。 并且，在某些情況下，可能不希望例如在沒有在開口內(nèi)引起局域等離 子體振子的情況下，引起薄金屬膜表面上的表面等離子體振子。這是由于，當引起表面等離子體振子并且它們在薄金屬膜表面上傳播時，如在美國專利No. 5973316中說明的那樣，不可避免地出現(xiàn) 損失。并且，由于薄金屬膜表面上的表面等離子體振子的激勵條件與存 在于開口內(nèi)的局域等離子體振子的激勵條件不同，因此，當存在于薄 金屬膜表面上的表面等離子體振子與位于開口內(nèi)的局域等離子體振子 耦合時，也可能出現(xiàn)損失。這是透射率可隨表面等離子體振子的產(chǎn)生 而減小的另一原因。但是，在根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾光器中，在不將入射光轉(zhuǎn)變 成表面等離子體振子的情況下，基本上且甚至完全可直接引起局域等 離子體振子。并且，由于使局域等離子體振子重新與傳播光耦合有助 于透射率的增大，因此可以實現(xiàn)較高的透射率。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所有元件中的薄金屬膜的FF較小的配 置可被視為具有較高透射率的濾光器的配置。并且，由于主要在薄金屬膜中形成的開口的邊緣處引起局域等離 子體振子，因此局域等離子體振子的能量的一部分傳播到包圍開口的 薄金屬膜表面，并且在薄金屬膜內(nèi)作為熱能被損失。在FF大的情況 下，包圍開口(透光部分)的薄金屬膜部分(遮光部分)遠遠大于開 口面積，并且，薄金屬膜部分沿繞開口的任意方向存在于比開口直徑 大的距離處。結(jié)果，在開口中引起的局域等離子體振子的能量可能容易地在包 圍開口的薄金屬膜部分中引起電荷密度分布，并且可能容易導(dǎo)致上述 的能量損失。例如在如上述的美國專利No. 5973316中說明的濾光器那樣，開 口的布置周期與表面等離子體振子的波長匹配的情況下，這些效果可 能十分顯著。相反，在FF小的情況下，包圍開口的薄金屬膜部分的形狀可以 是細金屬線的形狀，不是平板的形狀。由于線狀金屬的結(jié)構(gòu)各向異性，因此在線狀金屬的表面上引起的 表面等離子體振子的模數(shù)可能比上述平板形狀的薄金屬膜結(jié)構(gòu)的模數(shù)結(jié)果，在包圍開口的線狀薄金屬膜結(jié)構(gòu)的表面等離子體振子中轉(zhuǎn) 變在開口中引起的局域等離子體振子偏振子的能量的比率可減小，并 且，可獲得在透射過程中具有較小的損失和高透射率的濾光器。相反，在FF太低的情況下，光i普對比度(spectral contrast)可 隨著透射率的增大而減小。因此，可能存在允許維持對比度同時也增 大透射率的最佳FF值。圖2示出透射率強度對于波長的依賴性的示例。圖2表示在使用Al作為遮光材料并且以350nm的周期以正方形 格子狀圖案形式設(shè)置一邊為180nm的正方形開口 (FF約為74。/。)的 情況下獲得的透射率201的曲線圖、在以類似的方式設(shè)置一邊為 220nm的正方形開口 ( FF = 60% )的情況下獲得的透射率202的曲線 圖和在以類似的方式i殳置一邊為280nm的正方形開口 (FF-36。/。)的 情況下獲得的透射率203的曲線圖。以一邊為300nm的正方形開口 (FF約為26%)獲得透射率204，并且，以一邊為156nm的正方形 開口 (FF = 80%)獲得透射率205。從圖2得出，在FF較高并且開口較小的狀態(tài)下，在共振波長的 下擺(foot )部分中，如透射率205或201那樣，透射率降到幾乎為 零。如果FF減小，那么，如透射率203或202那樣，透射率的最大 值逐漸增大。但是，共振波長的下擺處的透射率也上升，最終獲得平坦的光譜 特性，并且，具有高透射率的配置的光語對比度減小(204)。當考慮使用濾光器的各種裝置的光利用效率時，濾光器的共振波 長的透射率的最大值等于或大于約50%。在考慮作為波長選擇性的指標的對比度的情況下，可使光譜的下 擺部分中的透射光鐠的透射率等于或小于約50%。通過考慮這些問題， 一方面，例如為了獲得約等于或大于50%的 共振頻率處的透射率的最大值，F(xiàn)F可等于或小于約74%,并且，例 如為了保持透射光鐠的對比度(換句話說，為了在共振波峰的下擺部分中獲得等于或小于50%的透射率)，F(xiàn)F可等于或大于約36%。.因此，可使導(dǎo)電層的表面積與基板表面的表面積的比率處于等于 或大于36%且等于或小于74%的范圍內(nèi)。由于通過局域等離子體振子共振透射具有共振波長的光，因此透 射率光譜通常具有一定的最大值。通過濾光器(即，元件)透射的光還可包含被金屬遮光部分直接 透射的光或以非常少的量穿過開口的散射和傳播光分量。這些光分量 的波長依賴性通常由開口的截止(cut-off)確定。因此，波長依賴性既沒有最大值也沒有最小值。因此，很顯然， 根據(jù)本發(fā)明的濾光器的光學(xué)特性不依賴于微開口的截止。發(fā)明人進行的研究表明，其中薄金屬膜結(jié)構(gòu)體被嵌入電介質(zhì)基板 中的濾光器優(yōu)于其中薄金屬膜結(jié)構(gòu)體被簡單設(shè)置于電介質(zhì)基板表面上 并且薄金屬膜結(jié)構(gòu)體暴露于空氣的結(jié)構(gòu)。因此，在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體被簡單設(shè)置于電介質(zhì)基板上的情況下， 空氣和薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的邊界部分附近的界面處的等離子體振子共振 的頻率可與薄金屬膜結(jié)構(gòu)體和電介質(zhì)基板的邊界部分附近的界面處的 等離子體振子共振的頻率不同。結(jié)果，光譜寬度增大，或者可出現(xiàn)峰分裂，并且，可能展現(xiàn)對于 濾光器而言不希望的特性。在使用濾光器作為反射濾光器的情況下，反射特性根據(jù)入射光是 從電介質(zhì)基板側(cè)入射還是從空氣側(cè)入射而不同。因此，為了展現(xiàn)預(yù)定 的光學(xué)特性，可設(shè)置使得光僅從某一個方向入射的濾光器，由此使用 這種濾光器的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計自由度可減小。另一問題在于，在灰塵 等粘附于金屬表面的情況下，峰波長可改變。在由上述原因?qū)е碌墓鈱W(xué)特性的變化被應(yīng)用于諸如使用金屬納米 結(jié)構(gòu)的環(huán)境傳感器的裝置中的情況下，即使獲得有利的特性，對于濾 光器的特性也包含穩(wěn)定性和耐久性，并且與傳感器所需要的特性不同。在根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾光器中，能量經(jīng)由局域化于開口內(nèi) 部的局部等離子體振子從光入射側(cè)透射到光出射側(cè)，并且，當電磁場的能量在開口內(nèi)穿過時出現(xiàn)的能量損失可減小。出于這種目的，通過在開口內(nèi)嵌入具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)(電 介質(zhì)層)，局域化于開口內(nèi)部的局部等離子體振子的電磁場分布可從 開口內(nèi)的金屬側(cè)延伸到電介質(zhì)側(cè)。這種配置可使得能夠減小在金屬中 從存在于金屬內(nèi)的電磁場耗散的能量的份額。對于薄金屬膜結(jié)構(gòu)體被嵌入電介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)的研究表明，這種結(jié) 構(gòu)可抑制由空氣和金屬的界面處的等離子體振子共振頻率的差異導(dǎo)致 的光譜峰的分裂、峰寬擴大和透射率的減小。并且，這種結(jié)構(gòu)可防止金屬氧化，抑制由灰塵等對于金屬表面的 粘附導(dǎo)致的光學(xué)特性的變化(峰波長的偏移等)，并可提高穩(wěn)定性和 耐久性。但是，在作為典型濾光器的電介質(zhì)多層濾光器或著色劑濾光器要 被用于裝置中的情況下，可能需要等于或大于光波長的厚度，并且，典型的膜可具有等于或大于約Mm的厚度。相反，可通過使用厚度等于或小于約lOOnm的金屬膜(即，導(dǎo)電 薄膜)作為遮光構(gòu)件，配置根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾光器。即使保護層在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體上被層疊到約lOOiim的厚度，整個 層的總厚度也可被限制到約200nm。因此，可以提供比使用著色劑等 的常規(guī)濾光器薄的濾光器。因此，在根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾光器被用于諸如CCD傳感 器或CMOS傳感器的光接收元件中的情況下，可以使光接收元件小型 化。另外，可以減輕因光接收元件中的像素數(shù)量增大引起的像素的超 前瞄準角(point-ahead angle)減小而導(dǎo)致的受光量不足。以下將更加詳細地說明本發(fā)明的實施例。圖1B是與本發(fā)明的第一實施例對應(yīng)的濾光器的頂視圖。圖1A是 沿A-A'的斷面圖。透光電介質(zhì)層130被設(shè)置在透光電介質(zhì)基板110的表面(即，電 介質(zhì)基板表面)上，并且，遮光金屬薄膜結(jié)構(gòu)體(即，導(dǎo)電層)120 被選擇性地設(shè)置在電介質(zhì)基板110和電介質(zhì)層130之間。換句話說，說明書第ll/26頁電介質(zhì)層130以與導(dǎo)電層接觸的方式被設(shè)置在導(dǎo)電層上。薄金屬膜結(jié)構(gòu)體(即，導(dǎo)電層)120具有沿電介質(zhì)基板110的法 線方向構(gòu)成與電介質(zhì)層130相對的界面121和122的第一區(qū)域，這些 界面沿與電介質(zhì)基板110的表面平行的第一方向140延伸。在另一表現(xiàn)中，作為電介質(zhì)層和金屬層之間的界面的界面121和 122在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體120處形成界面對123，并且，在電介質(zhì)基板 110的面內(nèi)方向上以孤立的狀態(tài)二維和周期性地設(shè)置這些界面對123。在圖中，界面121和122還形成具有在能夠用作遮光部分的薄金 屬膜結(jié)構(gòu)體120中形成的光透射窗口的功能的開口 125的一部分。在 這種情況下，電介質(zhì)層130也被嵌入開口 125中。在這里的解釋中， 開口 125具有正方形格子狀布置，但是該布置不是限制性的。開口 125沿第一方向140具有第一長度141，并且還沿與第一方 向140垂直的第二方向150具有第二長度151。在這種情況下，第一長度141 (沿與電介質(zhì)基板表面平行的方向 的第一邊的長度)和第二長度151 (相對的第一區(qū)域之間的距離)被 設(shè)為等于或小于可見光范圍內(nèi)的光的波長的長度。在通過圖中所示的具有偏振分量(電場分量)的入射光在界面上 引起的局域等離子體振子的波長為最低階模的情況下，等離子體振子 的半波長可基本上等于界面121和122的長度141。由于可由可見光 引起局域等離子體振子的結(jié)構(gòu)的尺寸小于可見光的激勵波長，因此， 可使得這些長度等于或小于可見光范圍內(nèi)的光的波長。這里，作為例子，開口 125具有第一長度141等于第二長度151 的正方形形狀， 一個邊為240nm。從有利于光學(xué)特性的設(shè)計的觀點看， 可設(shè)置正方形形狀，但是也可使用其它的多邊形形狀。并且，開口還 可具有圓形或橢圓形狀。例如，規(guī)則多邊形形狀或圓形形狀由于可抑 制偏振依賴性因而可能是有利的。圓形形狀由于相對易于制造并且易 于保持制造精度因而可能是有利的。例如，在正方形開口的情況下，圖5所示的附圖標記501表示第 一長度，附圖標記502表示第二長度。14在具有界面對(相對界面)123的開口具有規(guī)則多邊形形狀的情 況下，如例如圖6所示，笫一長度(沿與基板表面平行的方向的第一 區(qū)域的長度)被取為由附圖標記601表示的長度，第二長度(第一區(qū) 域之間的距離)被取為由附圖標記602表示的長度。并且，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在開口具有圓形形狀的情況下， 沿與基板表面平行的方向的第一區(qū)域的長度和相對的第一區(qū)域之間的 距離可表示圓直徑。在本說明書中提到開口尺寸的情況下，它可被視為表示開口的上 述的第一或第二長度、圓形開口的直徑和多邊形開口的對角長度。例如，在透射光的最大波長處于紅色區(qū)域(作為第一波長，等于 或大于600nm且等于或小于700nm )中時，開口尺寸可,皮取為等于或 小于第一波長的尺寸。在本實施例中，由于界面對123和入射到電介質(zhì)基板或電介質(zhì)層 上的光的共振，因此，通過在界面121和122的表面處引起的局域表 面等離子體振子，可見光區(qū)域中的預(yù)定波長的透射率可增大。換句話說，預(yù)定波長的透射光可優(yōu)先(如，選擇性地)產(chǎn)生。在例如圖1A和圖1B所示的開口組(一組開口 125)中，可以使 得設(shè)置界面對123的周期145和周期155等于或小于可見光區(qū)域中的 光的波長。這是由于，在開口布置周期比關(guān)注的光的波長區(qū)域大的情 況下，可產(chǎn)生高階衍射光并且零階衍射光的強度可降低。并且， 一方面，設(shè)置界面對123的周期145和周期155可小于在 開口中引起的等離子體振子的共振波長。在開口周期變得接近等離子 體振子共振波長的情況下，出現(xiàn)所謂的伍德異常(Wood anomaly )， 由等離子體振子共振產(chǎn)生的波峰的形狀可從洛倫茨類型(Lorentztype)的形狀大大改變，并且可展現(xiàn)與預(yù)期并且預(yù)選的光學(xué)特性不同 的特性。這里提到的伍德異常是這樣一種現(xiàn)象，即，入射光被周期性結(jié)構(gòu) 衍射，并且衍射光在與金屬周期性結(jié)構(gòu)的表面的極近區(qū)域中平行于表 面?zhèn)鞑ィ纱嗽黾訐p失并降低折射效率。假定作為例子在紅色波長區(qū)域中產(chǎn)生等離子體振子共振，那么取
350nm的周期145和155。
一方面，薄金屬膜結(jié)構(gòu)體(導(dǎo)電層)120的厚度(即，層厚)160 可等于或小于可見光區(qū)域中的光波長。
由于長度141和界面間隔151可等于或小于可見光區(qū)域中的光波 長，因此，在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的厚度在被用于制造根據(jù)本發(fā)明的濾光 器的微加工處理中被設(shè)為太大的情況下，該結(jié)構(gòu)可能難以制造并且制 造誤差可能變大。因此，作為例子，薄金屬膜(導(dǎo)電層)的厚度在這 里被假定為60腿。
可以使用鋁、金、銀和鉑等作為構(gòu)成薄金屬膜結(jié)構(gòu)體120的材料。 在它們中，鋁具有比銀高的等離子體頻率，并且可使得能夠相對容易 地設(shè)計具有在物理上包含整個可見光范圍的光學(xué)特性的濾光器(Ag: 約3.8eV (約325nm) ; Al:約15eV (約83nm ))。 一方面，金屬 膜結(jié)構(gòu)體120 (即，導(dǎo)電層)可包括A1或者含A1的合金或化合物。
并且，由于鋁在化學(xué)上比銀等更穩(wěn)定，因此可以長時間以良好的 穩(wěn)定性展現(xiàn)預(yù)定的光學(xué)特性。
并且，由于鋁具有比銀高的介電常數(shù)虛部，因此，即使當鋁的膜 厚小于銀時，也可展現(xiàn)足夠的遮光能力。另外，鋁的微細加工可能比 銀容易。
并且，由于類似于鉑，鋁具有極低的化學(xué)活性，因此，其使用通 常不導(dǎo)致諸如在干法蝕刻中難以微加工的不便。
薄金屬膜結(jié)構(gòu)體(電介質(zhì)層)120可由包含鋁、金、銀和鉑的混 合物、合金和化合物形成。
用于電介質(zhì)基板110的材料可適當?shù)剡x自作為透射可見光區(qū)域中 的光的材料的具有高的可見光透射率的材料，比如石英(二氧化硅)、 諸如二氧化鈦的金屬氧化物和氮化硅中的至少一個。并且，對于電介
質(zhì)基板110也可使用諸如聚碳酸酯和聚對苯二甲酸乙二酯的聚合物材 料。
電介質(zhì)在這里被指示為基板材料，但是，根據(jù)本發(fā)明的基板不限
16于電介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的基板是支撐具有開口的遮光導(dǎo)電層的構(gòu)件。
例如，在通過在硅晶片上形成具有光電轉(zhuǎn)換部分的傳感器部分
(CMOS傳感器等)，然后層疊布線層和絕緣層等，然后層疊導(dǎo)電層， 并入濾光器的情況下，硅晶片可被稱為基板。中間絕緣層等也可被視 為基板。因此，根據(jù)本發(fā)明的基板包含諸如電介質(zhì)基板和半導(dǎo)體基板 的比較大的厚度的支撐體，并且還包含諸如半導(dǎo)電層和絕緣層的比較 小的厚度的支撐體。
與電介質(zhì)基板110類似，電介質(zhì)層130的材料可包括石英(二氧 化硅)、二氧化鈦和氮化硅等中的一個或更多個。當在諸如CMOS傳 感器的半導(dǎo)體器件中進行并入的情況下，可以使用在半導(dǎo)體制造處理 中使用的典型絕緣膜。并且，也可使用諸如聚碳酸酯或聚對苯二甲酸 乙二酯的聚合物材料作為電介質(zhì)層130的材料。
一方面，基板110可由電介質(zhì)構(gòu)成，并且基板和電介質(zhì)層130之 間的介電常數(shù)的差等于或小于5%。
這是由于，在電介質(zhì)基板110的介電常數(shù)與電介質(zhì)層130的介電 常數(shù)大大不同的情況下，可能在電介質(zhì)基板110側(cè)的、界面121和122 的端部處的等離子體振子的激勵波長和電介質(zhì)層130側(cè)的、界面121 和122的端部處的等離子體振子的激勵波長之間存在大的差異。
因此，在這種情況下，可在意外的共振波長處出現(xiàn)峰，或峰寬增大。
因此， 一方面，電介質(zhì)基板的介電常數(shù)與電介質(zhì)層的介電常數(shù)相同。
根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾光器可具有在電介質(zhì)層中層疊多層薄 金屬膜結(jié)構(gòu)體的疊層配置。
以下將說明疊層元件的光學(xué)特性，具體而言，說明其透射光譜。 在疊層中的中間層距離等于或大于在各薄金屬膜結(jié)構(gòu)體中引起的 局域等離子體振子的近場分布所達到的距離(一般約為100nm)的情 況下，可能出現(xiàn)薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的層的透射光語的積的光譜。這是由于，因在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體之間不出現(xiàn)近場交互作用，因此各薄金屬膜 結(jié)構(gòu)體的光學(xué)特性被維持。在本實施例中，整個元件的光學(xué)特性可能 是比較容易設(shè)計的。
相反，在上述的薄金屬膜結(jié)構(gòu)體之間的距離等于或小于100nm的 情況下，在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體中引起的局域等離子體振子將交互作用。 結(jié)果，光學(xué)特性變得復(fù)雜。
與不存在上述交互作用的情況相比，可能出現(xiàn)諸如透射光譜峰的 分裂或加寬以及透射率的減小或增大的各種變化。雖然在這種情況下 可能難以設(shè)計整個元件的光學(xué)特性，但是能夠形成比單層配置的光譜 形狀更復(fù)雜的光譜形狀。
參照圖7，在電介質(zhì)基板701上形成第一薄金屬膜結(jié)構(gòu)體702，然 后涂敷第一電介質(zhì)層703。在第一電介質(zhì)層703上設(shè)置第二薄金屬膜 結(jié)構(gòu)體704，并且在第二薄金屬膜結(jié)構(gòu)體上形成第二電介質(zhì)層(另一 電介質(zhì)層)705。
結(jié)果，例如，通過層疊二層濾光器R，能夠獲得線寬比單層配置 的線寬更細的透射光譜。
第一薄金屬膜結(jié)構(gòu)體702和第二薄金屬膜結(jié)構(gòu)體704的配置不限 于布置周期與開口 706的布置周期相同的配置或形狀與開口的形狀相 同的配置。
在本實施例的層疊濾光器中，從易于設(shè)計的觀點看，可以利用使 得實際上不導(dǎo)致近場交互作用的疊層間隔，來執(zhí)行層疊。例如，可設(shè) 置等于或大于lOOnm的疊層間隔。 (計算結(jié)果)
圖8示出代表通過使用上述的結(jié)構(gòu)并進行數(shù)值計算獲得的結(jié)果的 曲線圖。該曲線圖表示透射強度對于波長的依賴性。
在這里使用的濾光器中，使用鋁作為薄金屬膜結(jié)構(gòu)體，開口直徑 被設(shè)為240nm，周期為350nm，并且厚度為60nm。濾光器的透射光 鐠與透射光譜801類似，并且該濾光器用于以高強度透射具有接近 650nm的波長的光。由于650nm的波長處于紅色區(qū)域內(nèi)，因此使用詞語"紅色，，表示 濾光器R。由于該濾光器R透射紅色波長，因此該濾光器可被用作紅 色原色濾光器。
可通過改變開口直徑或周期，來改變透射光譜的波長、光譜寬度 和透射率。
例如，可通過采用200nm的開口直徑、280nm的周期和60nm的 厚度構(gòu)成具有透射光譜802的濾光器，該透射光譜802具有接近可見 光范圍的綠色(波長550nm)的透射率的最大值。該濾光器將被稱為 濾光器G。濾光器G可被用作綠色原色濾光器。
類似地，可通過采用160nm的開口直徑、230nm的周期和60nm 的厚度構(gòu)成具有透射光譜803的濾光器，該透射光譜803具有接近可 見光范圍內(nèi)的藍色(波長450nm)的透射率的最大值。該濾光器將被 稱為濾光器B。濾光器B可被用作藍色原色濾光器。
在本實施例的濾光器的反射光鐠中，在透射率最大的波長附近反 射率最小。本實施例的濾光器由此不僅可被用作透射濾光器，還可被 用作反射濾光器。 (設(shè)計方針)
以下將解釋構(gòu)成薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的參數(shù)和光學(xué)特性之間的關(guān)系。 在開口中引起的局域等離子體振子共振是伴隨界面處的自由電子 的等離子體振蕩的電荷密度分布，并且該電荷密度分布或開口的光學(xué)
特性可受開口的形狀影響。
例如，在沿與偏振方向垂直的方向的開口的長度增大而沿照射開 口的光的偏振方向的開口的長度、金屬層的厚度和開口的布置周期保 持恒定的情況下，共振波長將向較長波長偏移。并且，不僅共振波長 將向較長波長偏移，而且峰寬以及透射峰處的透射率也將增大。
因此，顯然，為了在開口中產(chǎn)生較長波長的局域等離子體振子共 振，沿與偏振方向垂直的方向的開口的長度可增大。入射到濾光器上 的光的偏振可能不要求嚴格與開口的法線方向平行。
在沿與照射開口的光的偏振方向垂直的方向的開口的長度、金屬層的厚度和開口的布置周期恒定的狀態(tài)下，共振波長向較短波長偏移， 使得沿偏振方向的開口的長度增大。并且，峰寬增大并且共振波長處 的透射率也增大。
在沿照射開口的光的偏振方向的開口的長度、垂直于偏振方向的 方向的開口的長度和開口的布置周期恒定的狀態(tài)下，金屬層厚度的增 大實際上可能不改變共振波長，但是共振波長處的透射率和共振寬度 減小。
在沿照射開口的光的偏振方向的開口的長度、沿垂直于偏振方向 的方向的開口的長度和金屬層厚度恒定的狀態(tài)下，開口布置周期的增 大趨于將共振波長向較長波長偏移，減小共振波長處的透射率并減小 共振寬度。
基于這些發(fā)現(xiàn)，諸如開口形狀和開口布置周期的參數(shù)可被優(yōu)化， 并且具有預(yù)定的共振波長的濾光器可被設(shè)計。
發(fā)明人進行的研究的結(jié)果表明，為了在紅色區(qū)域內(nèi)即在等于或大
于600nm且等于或小于700nm的波長范圍內(nèi)獲得濾光器的共振波長 (即，波長范圍內(nèi)的透射光譜的最大值)，可將開口直徑設(shè)定在等于 或大于220nm且等于或小于270nm的范圍內(nèi)。并且，可將薄金屬膜 結(jié)構(gòu)體的厚度設(shè)定在等于或大于10nm且等于或小于200nm的范圍 內(nèi)，并且還可將開口布置周期設(shè)定在等于或大于310nm且等于或小于 450nm的范圍內(nèi)。
為了在綠色區(qū)域內(nèi)即在等于或大于500nm且等于或小于600nm 的波長范圍內(nèi)獲得濾光器的共振波長(即，波長范圍內(nèi)的透射光譜的 最大值)，可將開口直徑設(shè)定在等于或大于180nm且小于220nm的 范圍內(nèi)。
并且，可將薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的厚度設(shè)定在等于或大于10nm且等 于或小于200nm的范圍內(nèi)，并且還可將開口布置周期設(shè)定在等于或大 于250nm且等于或小于310nm的范圍內(nèi)。
為了在藍色區(qū)域內(nèi)即在等于或大于400nm且小于500nm的波長 范圍內(nèi)獲得濾光器的共振波長(即，波長范圍內(nèi)的透射光譜的最大值)，
20可將開口直徑設(shè)定在等于或大于100nm且小于180nm的范圍內(nèi)。
并且，可將薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的厚度設(shè)定在等于或大于lOrnn且等 于或小于200nm的范圍內(nèi)，并且還可將開口布置周期設(shè)定在等于或大 于170nm且等于或小于250nm的范圍內(nèi)。
在第二實施例中將解釋具有拜耳(Bayer)布置的RGB濾光器。 如圖9所示，例如，上述的濾光器R (如，透射光語801)被設(shè) 置在區(qū)域卯l中，濾光器G (如，透射光語802)被^沒置在區(qū)域902 中，濾光器B (如，透射光譜803 )被設(shè)置在區(qū)域903中。通過使用 具有這種設(shè)置的根據(jù)本發(fā)明的多個方面的濾光器，能夠配置具有拜耳 布置的濾色器。在本實施例中，開口形狀在各區(qū)域中不同，并且，開 口布置周期也不同，但是這種配置不是限制性的。例如，可以在區(qū)域 中設(shè)置僅在開口周期方面不同的開口組。作為替代方案，可以在區(qū)域 中設(shè)置僅在開口尺寸方面不同的開口組。
換句話說，可存在兩個或更多個第一開口組，第一開口可具有相 互不同的周期，并且，第一開口組可被設(shè)置在電介質(zhì)基板表面的相互 不同的區(qū)域中。
可以在多個區(qū)域中設(shè)置包含形狀與構(gòu)成第一開口組的第一開口的 形狀不同的第二開口的第二開口組。因此，第二開口沿第一方向具有 第一長度，并沿第二方向具有第二長度，并且，第二開口的第一長度 與第一開口的第一長度不同，或者，第二開口的第二長度與第一開口 的第二長度不同。結(jié)果，第二開口組能夠在與第一開口組的共振波長
(第一波長)不同的波長(第二波長)處增大光的透射率。
圖10示出以三角形格子形式布置正方形開口的第三實施例。在使 用三角形格子布置的情況下，格子的單位矢量分量可能不是正交的。 因此，與正方形格子布置相比，可以在更大程度上抑制濾光器的光學(xué) 特性對于入射光偏振的依賴性或由斜輻射導(dǎo)致的光譜變化。
這種三角形格子布置也可表現(xiàn)為其中在交迭的區(qū)域中設(shè)置以正交 的格子形式布置的多個開口的布置。
因此，由第一開口 1001構(gòu)成的第一開口組1002 (圖中的虛線)和第二開口組1003(圖中的點劃線)可表現(xiàn)為被設(shè)置在交迭的區(qū)域中。 在第四實施例中，將解釋與第三實施例類似地通過交迭設(shè)置多個 開口組的例子。
圖11A表示在交迭區(qū)域中設(shè)置具有不同周期的第一開口組的例 子。構(gòu)成第一開口組1102 (圖中的實線)的第一開口 1101具有周期 1103，并且構(gòu)成第二開口組1105的第一開口 1104具有周期1106。在 本實施例中，由于開口的布置周期相互不同，因此可以配置具有兩個 開口組固有的光學(xué)特性的濾光器。
因此，圖IIA所示的濾光器在電介質(zhì)基板的面內(nèi)方向上具有兩個 或更多個第一開口組，并且，構(gòu)成所述兩個或更多個第一開口組的第 一開口的布置周期相互不同。并且，這兩個或更多個第一開口組-陂設(shè) 置在交迭區(qū)域中。
圖11B表示在交迭區(qū)域中設(shè)置第一開口組和第二開口組的例子。 第一開口 1107構(gòu)成第一開口組1108，并且第二開口 1109構(gòu)成第二開 口組lllO。由于構(gòu)成開口組的開口不同，因此，可同時展現(xiàn)兩個開口 組固有的光學(xué)特性。
因此，圖IIB所示的濾光器具有與第一開口組分開地、在電介質(zhì) 基板的面內(nèi)方向上以孤立狀態(tài)周期性二維設(shè)置多個第二開口的第二開 口組。第二開口在第一方向上具有第一長度，并在第二方向上具有第 二長度，并且，第一長度和第二長度等于或小于可見光區(qū)域中的光波 長。第二開口的第一長度與第一開口的第一長度不同，或者，第二開 口的第二長度與第一開口的第二長度不同，并且第一開口組和第二開 口組被設(shè)置在交迭區(qū)域中。結(jié)果，第一開口的共振波長(第一波長) 與第二開口的共振波長(第二波長)不同。
這種實施例還包含例如在面內(nèi)以多個周期(周期A1701和周期 B1702 )布置開口 1703的濾光器(如圖17)。圖17表示正方形格子 具有多個周期的布置的例子，但是，本實施例的周期的數(shù)量等不是限 制性的。
以下將基于本發(fā)明的具體例子更加詳細地說明本發(fā)明，但應(yīng)當理解本發(fā)明不限于這些例子。 例子1 單層結(jié)構(gòu)
以下將說明用于制造RGB透射濾光器的方法和濾光器的光學(xué)特性。
圖12A是示出鋁作為薄金屬膜層1202在由厚度為525pm的石英 基板構(gòu)成的電介質(zhì)基板1201的表面上^皮汽相淀積到60nm的厚度并且 用于電子束(EB)平版印刷的抗蝕劑1203被涂敷于薄金屬膜層上的 狀態(tài)的示意圖。用于形成薄金屬膜層1202的方法不限于汽相淀積，并 且可以是濺射等。
然后，通過使用EB平版印刷裝置對抗蝕劑1203進行構(gòu)圖。將抗 蝕劑圖案制成為使得以約350nm的周期以正方形格子形式布置一邊 約為240nm的正方形開口的形狀?？赏ㄟ^以抗蝕劑圖案為蝕刻掩模用 氯和氧的氣體混合物的等離子體進行干法蝕刻形成薄金屬膜結(jié)構(gòu)體 1204。干法蝕刻氣體不限于氯和氧，也可使用氬或其它的氣體。
用于制造蝕刻掩模的方法不限于EB平版印刷，并且，也可使用 光刻法等。并且，也可通過在電介質(zhì)基板1201上通過EB平版印刷或 光刻形成抗蝕劑圖案、形成薄金屬膜層1202、然后使用剝離處理，執(zhí) 行薄金屬膜層1202的構(gòu)圖。當使用剝離處理時，必須關(guān)于上述處理執(zhí) 行負-正顛倒。
也可通過使用聚焦離子束處理裝置(FIB處理裝置)直接處理薄 金屬膜層1202。
然后，在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1204上，石英薄膜通過濺射形成為 300nm的厚度作為電介質(zhì)層1205。在圖12B中示出由此形成的濾光器。 成膜方法不限于濺射，并且，可通過CVD形成膜，或者可通過SOG (玻璃旋涂)方法涂敷膜。HSG (氬化立方珪氧烷(silsesquioxane )) 是無機SOG的例子，MSQ (甲基立方硅氧烷)是有機SOG的例子。
圖13A表示以上述方式制造的濾光器的透射光譜。通過數(shù)值計算 求得由附圖標記1301表示的透射光謙R。顯然，該濾光器在650nm的波長附近具有透射率的最大值。由于表示透射率峰的波長與可見光 范圍的紅色對應(yīng)，因此該濾光器用作透射紅光的原色濾光器。
通過以約200nm的開口直徑、約60nm的厚度和約280nm的開 口布置周期設(shè)置薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1204，獲得由附圖標記1302表示的 透射光谞G。類似地，以約160nm的開口直徑、約60nm的厚度和約 230nm的開口布置周期獲得由附圖標記1303表示的透射光譜B。這些 濾光器分別透射RGB,并且用作原色濾光器。
本例子的濾光器的反射光譜在大致等于透射率具有最大值的波長 的波長處具有最小反射率。
因此，通過使用本例子的濾光器作為反射濾光器，如圖13B所示， 能夠從具有透射光i瞽R的濾光器獲得由附圖標記1304表示的反射光 譜R。類似地，具有透射光鐠G的濾光器可產(chǎn)生由附圖標記1305表 示的反射光鐠G，并且，具有透射光譜B的濾光器使得能夠獲得由附 圖標記1306表示的反射光i普B。因此，這些濾光器可用作強烈反射可 見光范圍的紅色、綠色和藍色的輔色(青色、品紅色、黃色)的濾光 器。
通過使用在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體中以正方形格子形式布置正方形開口 的配置解釋本例子，但是，也可使用三角形格子布置。通過三角形格 子布置，可以抑制入射光偏振的依賴性并可提高斜入射特性。并且， 開口形狀不限于正方形，并且也可以為例如規(guī)則的矩形或圓形。
例子2
拜耳配置
以下將說明用于制造拜耳配置的RGB透射濾光器的方法和濾光 器的光學(xué)特性。
圖14A是示出鋁作為薄金屬膜層1402在由厚度為525fim的石英 基板構(gòu)成的電介質(zhì)基板1401的表面上被汽相淀積到60nm的厚度并且 抗蝕劑1403被涂敷于薄金屬膜層上的狀態(tài)的示意圖。
然后，通過使用EB平版印刷裝置對抗蝕劑1403進行構(gòu)圖?？刮g 劑圖案形狀使得以約350nm的周期以正方形格子形式布置一邊約為240nm的正方形開口的構(gòu)圖正方形形狀具有約lOprn的邊，并且，這 種構(gòu)圖正方形形狀被^L為圖案部分A 1404。
以約280nm的周期以正方形格子形式布置一邊約為200nm的正 方形開口的正方形形狀祐j見為圖案部分B 1405，并且，以約230nm的 周期以正方形格子形式布置一邊約為160nm的正方形開口的正方形 形狀被視為圖案部分C 1406。
制造圖14B所示的以其間間隔l(Him設(shè)置這些圖案部分的結(jié)構(gòu)。 通過用氯和氧的混合氣體的等離子體進行干法蝕刻，制造薄金屬膜結(jié) 構(gòu)體1407。
開口的形狀不限于正方形形狀，并且，可以為多邊形或圓形。 通過在薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1407上濺射，形成厚度為500nm的石英
薄膜作為電介質(zhì)層1408。在圖14C中示出由此形成的濾光器。圖14C
是圖14B中的A-A'斷面。
可以形成遮光層以防止上述圖案部分之間的混色。并且，在構(gòu)成
圖案部分的薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的厚度相同的情況下，如在本例子中那樣，
可以在同一處理中制造這些圖案部分，并且，可以消除圖案部分之間
的邊界。
如例如圖13A所示，以上述方式制造的圖案部分A、 B和C具有 由附圖標記1301表示的透射光鐠R、由附圖標記1302表示的透射光 i普G和由附圖標記1303表示的透射光鐠B。這些圖案部分可用作相 應(yīng)的RGB原色濾光器。
并且，在所有的圖案部分被制造為具有相同的厚度的情況下，如 在本例子中那樣，可以在同 一 批次中制造RG B原色濾光器。
因此，通過使用著色劑的常規(guī)濾色器制造拜耳配置結(jié)構(gòu)所需要的 三種顏色RGB的單獨涂敷處理可變得不必要，制造處理時間可被縮 短，并且，制造處理可被簡化。三種顏色RGB的單獨涂敷不限于拜 耳布置，并且可在通過使用不同的著色劑配置任何濾色器時執(zhí)行。
例子3
孔穴層疊以下將說明層疊濾光器的制造方法和濾光器的光學(xué)特性。
圖15是示出鋁作為薄金屬膜層1502在由厚度為lmm的石英基
于電子束(EB)平版印刷的抗蝕劑1503被涂敷于薄金屬膜層上的狀 態(tài)的示意圖。
然后，通過使用EB平版印刷裝置對抗蝕劑1503進行構(gòu)圖。通過 以約350nm的周期以正方形格子形式布置一邊約為240nm的正方形 開口，獲得抗蝕劑圖案形狀。通過用氯和氧的氣體混合物的等離子體 進行干法蝕刻，制成第一薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1504。
在第一薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1504上，形成厚度為300nm的石英薄膜 作為第一電介質(zhì)層1505。第一電介質(zhì)層1505的厚度不限于300nm， 但是可設(shè)置基本上不影響與將在下一處理中制成的第二薄金屬膜結(jié)構(gòu) 體的近場交互作用的層間距離。
然后，如圖15B所示，鋁作為第二薄金屬膜層1506在第一電介 質(zhì)層1505的表面上被汽相淀積到60nm的厚度。由此，在電介質(zhì)基板 上設(shè)置多個導(dǎo)電層。然后，用于電子束(EB)平版印刷的抗蝕劑作為 抗蝕劑層被涂敷于第二薄金屬膜層1506上。然后，通過使用EB平版 印刷裝置對抗蝕劑層進行構(gòu)圖。通過以約350nm的周期以正方形格子 形式布置一邊約為240nm的正方形開口，獲得抗蝕劑圖案形狀。通過 使用抗蝕劑圖案作為蝕刻掩模，通過用氯和氧的氣體混合物的等離子 體進行干法蝕刻，制成第二薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1507。
然后，如圖15C所示，通過在第二薄金屬膜結(jié)構(gòu)體1507上濺射 形成厚度為400nm的石英薄膜作為第二電介質(zhì)層1508。
濾光器的第一薄金屬膜結(jié)構(gòu)體和第二薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的透射光譜 具有接近約650nm的峰波長，并且，第二薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的透射光譜 也具有接近約650nm的峰波長。結(jié)果，本例子的層疊濾光器的光學(xué)特 性接近代表第一薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的透射光鐠和第二薄金屬膜結(jié)構(gòu)體的 透射光語的積的光學(xué)特性。因此，本例子的層疊濾光器用作在比單層 濾光器的頻帶窄的頻帶中透過紅色的濾光器。例子4
本例子涉及使用在例子1~3中解釋的濾光器中的任一個的光檢測 元件、在陣列中配置光檢測元件的圖像拾取元件和包含圖像拾取元件 的數(shù)字照相機。
圖18是使用本發(fā)明的濾光器的光檢測元件的示意圖。
在光檢測元件1807中，通過微透鏡1801從外面入射的光被引入 光電轉(zhuǎn)換單元1805。在光電轉(zhuǎn)換單元中，產(chǎn)生與入射光對應(yīng)的電荷。 除了光電轉(zhuǎn)換單元1805以外，光檢測元件包含在本發(fā)明中公開的濾光 器1802、電介質(zhì)層1803、電路單元1804和半導(dǎo)體基板1806。濾光器 1802包含如在圖1A和圖1B所示的金屬結(jié)構(gòu)體120中那樣可響應(yīng)入 射光引起等離子體振子共振的結(jié)構(gòu)。
以下將說明用于制造這種光檢測元件的方法。
首先，在半導(dǎo)體基板1806上形成光電轉(zhuǎn)換單元1805,并且通過 使用光刻法等從上面對電路單元1804進行構(gòu)圖。然后重復(fù)形成電介質(zhì) 層1803的處理，由此形成預(yù)定數(shù)量的電路層和電介質(zhì)層。然后，從上 面形成金屬層，并且通過使用諸如電子束平版印刷裝置的微加工裝置 對開口進行構(gòu)圖，由此形成濾光器1802。然后，可通過使用樹脂等從 上面形成微透鏡1801 ，制成使用本發(fā)明的濾光器的光檢測元件。
在該配置中，濾光器被設(shè)置在微透鏡正下方，但是，濾光器的設(shè) 置區(qū)域不限于這種配置。例如，濾光器可被層疊于光電轉(zhuǎn)換層正上方 或接近它，或位于電路層之間。為了即使在濾光器位于光電轉(zhuǎn)換層正 上方的情況下也能夠用濾光器有效地產(chǎn)生等離子體振子共振，可以設(shè) 置在濾光器和光電轉(zhuǎn)換層之間設(shè)置電絕緣薄層以提供電絕緣的結(jié)構(gòu)。 結(jié)果，可以基本上防止等離子體振子共振的能量向半導(dǎo)體基板或光電 轉(zhuǎn)換層散失。通過由此使濾光器接近光電轉(zhuǎn)換部分，還能夠以高的效 率利用光電轉(zhuǎn)換部分檢測以由濾光器產(chǎn)生的散射光量。
圖19是使用本發(fā)明的濾光器的圖像拾取元件的示意圖。
在圖19中，多個上述的光檢測元件(像素)l卯l作為3行x3列 的二維矩陣;波布置在像素區(qū)域1900中。在圖19中，像素區(qū)域1900例如7680行x4320列 的矩陣。在圖19中，標號1902和l卯3也表示像素。
參照圖19，垂直掃描電路1904和水平掃描電路1905用于選擇和 讀取在像素區(qū)域1900中設(shè)置的光檢測元件(像素)。
圖20是包含如圖19所示的那樣配置的圖像拾取元件的數(shù)字照相 的示意圖。
在圖20中，附圖標記2001表示照相機體，2007-目鏡，2008-快門，2009-反射鏡。
根據(jù)本發(fā)明的圖像拾取元件由附圖標記2004表示，并且，光經(jīng)由 設(shè)置在鏡筒2003內(nèi)的拾取光學(xué)系統(tǒng)(透鏡)2002入射到圖像拾取元 件2004上。
結(jié)果，與拾取對象對應(yīng)地在圖像拾取元件2004的各像素中產(chǎn)生電 荷，并且，可以與產(chǎn)生的電荷對應(yīng)地再現(xiàn)拾取對象。拾取對象可在監(jiān) 視顯示器2005處被再現(xiàn)，或者，被記錄到諸如存儲卡的記錄介質(zhì)2006 上。
由于根據(jù)本發(fā)明的濾光器的厚度比通過著色劑配置的典型濾色器 的厚度小，因此，根據(jù)這里表示的本發(fā)明的圖像拾取元件可被配置為 具有小的厚度。結(jié)果，從圖像拾取元件的表面到圖像拾取元件的光電 轉(zhuǎn)換部分的距離減小，并且，光利用效率因此增加。因此，根據(jù)本發(fā) 明的圖像拾取元件的靈敏度可增加。
例子5
以下將參照圖21說明使用在例子1 3中解釋的濾光器中的任一個 的光鐠元件。
濾光器層2102被設(shè)置在具有以一維的方式在其上面布置的光電 轉(zhuǎn)換層2101的線傳感器2103上。濾光器層2102與位于線傳感器中的 像素對應(yīng)地具有尺寸或形狀不同的開口 2104。在開口 2104的尺寸或 形狀不同的情況下，開口的透射率光鐠形狀也將不同。結(jié)果，例如， 在開口尺寸不同的情況下，在像素之間，本例子的元件的各像素中的 光接收效率最高的波長將不同。因此，通過在線傳感器上設(shè)置具有上述結(jié)構(gòu)的濾光器層，本例子的元件可配置組合了光譜功能和光檢測功
能的光i普檢測器。
通過直接在光傳感器上設(shè)置濾光器層的結(jié)構(gòu)，如在本例子中那樣， 能夠使光鐠元件小型化。
在本例子中，通過在線傳感器上布置濾光器，配置一維結(jié)構(gòu)的傳 感器，但是，也可如例如圖22所示，在二維區(qū)域傳感器(area sensor) 上設(shè)置濾光器層。
濾光器層2202被設(shè)置在以二維方式布置光電轉(zhuǎn)換層2201的區(qū)域 傳感器2203上。濾光器層2202與位于區(qū)域傳感器中的像素對應(yīng)地具 有尺寸或形狀不同的開口 2204。在開口 2204的尺寸或形狀不同的情 況下，開口的透射率光i普及其對于偏振的依賴性也將不同。結(jié)果，通 過使用諸如圖22所示的矩形開口，能夠賦予透射光譜對偏振的依賴 性。在這種情況下，如圖22所示，可以在面內(nèi)設(shè)置具有不同的角度取 向的矩形開口，使得開口將在由矩形開口的縱向和入射光偏振形成的 角度方面不同。并且，在開口尺寸不同的情況下，除了入射光偏振以 外，在本例子的元件的像素之間，光接收效率最高的偏振和波長將不 同。因此，當在區(qū)域傳感器上設(shè)置具有上述結(jié)構(gòu)的濾光器層的情況下， 本例子的元件可配置組合了光鐠功能和偏振檢測功能的光譜偏振檢測 器。通過本例子的元件，能夠制造可同時獲取光語信息和偏振信息的 小尺寸元件。 本發(fā)明不僅可被應(yīng)用于濾光器，而且可被應(yīng)用于使用濾光器的各 種裝置。
因此，根據(jù)本發(fā)明的例子表明可提供高耐久性濾光器，其在可見 光區(qū)域中具有較高透射率，并且其在較長時間段上可顯示出基本穩(wěn)定 的特性。并且，這些例子表明能夠提供其中透射光譜具有原色特性的、 具有小的膜厚度的濾光器。
雖然已參照示例性實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限 于公開的示例性實施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋 以包含所有的這些變型以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種濾光器，包括在基板表面上設(shè)置有多個開口的遮光導(dǎo)電層，其選擇性地透射第一波長的光，以及與導(dǎo)電層接觸的電介質(zhì)層，其中開口的尺寸是等于或小于第一波長的尺寸，并且導(dǎo)電層的表面積與基板表面的表面積的比率在等于或大于36％且等于或小于74％的范圍內(nèi)，并且，其中通過入射到導(dǎo)電層上的光而在開口中引起的表面等離子體振子，第一波長的透射率增大。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，第一波長處于可見光范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，開口為圓形或規(guī)則多邊形形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，導(dǎo)電層的厚度等于或小于可 見光范圍內(nèi)的光的波長。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的濾光器，其中，導(dǎo)電層包括Al或者含Al 的合金或化合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，基板包括電介質(zhì)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的濾光器，其中，電介質(zhì)包括二氧化硅、二氧 化鈦和氮化硅中的任一個或更多個。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，開口的直徑處于等于或大于 220nm且等于或小于270nm的范圍內(nèi)，厚度處于等于或大于10nm且 等于或小于200nm的范圍內(nèi)，布置周期處于等于或大于310nm且等 于或小于450nm的范圍內(nèi)，并且透射光鐠的最大值被展現(xiàn)在等于或大 于600nm且等于或小于700nm的波長范圍內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，開口的直徑處于等于或大于 180nm且等于或小于220nm的范圍內(nèi)，厚度處于等于或大于10nm且 等于或小于200nm的范圍內(nèi)，布置周期處于等于或大于250nm且等于或小于310nm的范圍內(nèi)，并且透射光譜的最大值被展現(xiàn)在等于或大 于500nm且等于或小于600nm的波長范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，開口的直徑處于等于或大 于100nm且等于或小于180nm的范圍內(nèi)，厚度處于等于或大于lOnm 且等于或小于200nm的范圍內(nèi)，布置周期處于等于或大于170nm且 等于或小于250nm的范圍內(nèi)，并且透射光譜的最大值被展現(xiàn)在等于或 大于400nm且等于或小于500nm的波長范圍內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，開口在基板的面內(nèi)方向上 以多個周期被布置。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的濾光器，其中，所述多個導(dǎo)電層被設(shè)置在 基板上。
13. —種具有根據(jù)權(quán)利要求1的濾光器的光檢測元件。
14. 一種具有根據(jù)權(quán)利要求13的光檢測元件的圖像拾取元件。
15. —種具有根據(jù)權(quán)利要求14的圖像拾取元件的照相機。
16. —種具有根據(jù)權(quán)利要求1的濾光器的光鐠元件。
17. —種利用等離子體振子共振的濾光器，所述濾光器包括 基板，具有在基板上周期性設(shè)置的多個開口的導(dǎo)電層，以及 導(dǎo)電層所嵌入到的電介質(zhì)層，其中開口的尺寸是等于或小于等離子體振子共振的共振波長的尺 寸，以使得通過入射到其上的可見光產(chǎn)生局域表面等離子體振子，并 且在濾光器的共振波長處的透射率的最大值等于或大于約50%。
18. —種包括圖像拾取裝置的照相機，該圖像拾取裝置具有根據(jù) 權(quán)利要求17的濾光器。
全文摘要
本申請?zhí)峁┮环N濾光器。該濾光器包括在基板表面上設(shè)置有多個開口的遮光導(dǎo)電層，其選擇性地透射第一波長的光；以及與導(dǎo)電層接觸的電介質(zhì)層。開口的尺寸等于或小于第一波長，導(dǎo)電層的表面積與基板表面的表面積的比率在等于或大于36％且等于或小于74％的范圍內(nèi)。通過入射到導(dǎo)電層上的光而在開口中引起的表面等離子體振子，第一波長的透射率增大。
文檔編號G01J1/04GK101592751SQ200910145659
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者山田朋宏, 黑田亮 申請人:佳能株式會社