專(zhuān)利名稱：紅外濾光器及紅外濾光器的制造方法
紅外濾光器及紅外濾光器的制造方法本發(fā)明涉及紅外濾光器及其制造方法。
背景技術(shù)：
已知濾光器由多層介電膜組成，其中具有相互不同的折射率但相同的光學(xué)膜厚度 (膜的光學(xué)厚度)的兩種介電薄膜交替堆疊。介電膜材料的實(shí)例例如包括Ti02、Si02、Ta205、 Nb2O5, A1203、Si3N4、ZrO2^MgF2, CaF2 等。如圖9所示，已經(jīng)提出一種固態(tài)成像器件，其配有具有多種過(guò)濾部件4、22、4的濾光器200，其中各過(guò)濾部件配置為選擇性透射入射光(例如WO 2005/069376 被稱作專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。在具有

圖16所示的配置的固態(tài)成像器件中，在η型半導(dǎo)體襯底101的一側(cè)表面處形成的P型半導(dǎo)體層102中，光接收元件103” 1032、10 在分別對(duì)應(yīng)于過(guò)濾部件&、22、&的部分處形成。濾光器200的過(guò)濾部件4、22、4具有相互不同的選擇波長(zhǎng)。經(jīng)由光學(xué)透明的絕緣層104，過(guò)濾部件&、22、4在光接收元件103^103^10 的各光接收面的一側(cè)(圖16中的端面?zhèn)?上形成。上述濾光器200的過(guò)濾部件4、22、4各自包含第一 λ/4多層膜21 ；第二 λ/4多層膜22;以及波長(zhǎng)選擇層23^23^23^在第一 λ/4多層膜21中，兩種具有相同的光學(xué)膜厚度但由具有相互不同的折射率的介電材料形成的薄膜21a、21b交替堆疊。第二 λ/4多層膜22在第一 λ /4多層膜21與η型半導(dǎo)體襯底101側(cè)的相反側(cè)上形成。在第二 λ /4多層膜22中，兩種薄膜21a、21b交替堆疊。各波長(zhǎng)選擇層23^23^2 介于第一 λ/4多層膜 21和第二 λ /4多層膜22之間，且根據(jù)所需的選擇波長(zhǎng)具有與薄膜21a、21b的光學(xué)膜厚度不同的光學(xué)膜厚度。關(guān)于兩種薄膜21a、21b的材料，將T^2用作具有較高折射率的高折射率材料，將S^2用作具有較低折射率的低折射率材料。在圖16所示實(shí)例中，在距離η型半導(dǎo)體襯底101最近所形成的薄膜21a由高折射率材料形成，且在所述薄膜21a上的薄膜21b 由低折射率材料形成。因此，在圖16所示實(shí)例中，過(guò)濾部件&、22、4的最頂層各自為由高折射率材料形成的薄膜21a。過(guò)濾部件4、22、4的透射光譜接下來(lái)基于圖17解釋。如圖17B的透射光譜所示，其中如圖17A所示(僅在厚度方向上具有周期性折射率結(jié)構(gòu)的一維光子晶體)，兩種具有不同折射率的薄膜21a、21b周期性地堆疊的堆疊膜(層合膜)允許僅選擇性反射特定波長(zhǎng)帶的光。為此，這類(lèi)堆疊膜例如廣泛用于需要比使用金屬膜的反射鏡更高反射性的高反射鏡(例如用于激光器的高反射鏡)。在圖17A的配置中， 反射性和反射帶寬(反射帶的帶寬)均可通過(guò)合適地調(diào)節(jié)膜厚度和薄膜21a、21b的堆疊層數(shù)而調(diào)節(jié)。就設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)而言，擴(kuò)大反射帶寬比較容易，但實(shí)現(xiàn)僅使特定選擇波長(zhǎng)的光透射 (透過(guò))是困難的。相對(duì)而言，如圖17C所示，根據(jù)上述過(guò)濾部件4、22、4，將具有不同的光學(xué)膜厚度的波長(zhǎng)選擇層23 03^2:3^23^設(shè)置在周期性折射率結(jié)構(gòu)中，以由此將一些局部無(wú)序引入周期折射率結(jié)構(gòu)中。如圖17D的透射光譜所示，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，具有比反射帶寬窄的光譜寬度的透射帶可定位在反射帶窄。另外，透射帶的透射峰波長(zhǎng)可通過(guò)合適地改變波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度而變化。圖17C說(shuō)明了如下實(shí)例其中波長(zhǎng)選擇層23由與薄膜21b相同的材料形成，薄膜21b在薄膜21a的與波長(zhǎng)選擇層23在其上相接觸的側(cè)面的相反側(cè)上形成。如圖 17D的透射光譜窄箭頭所示，透射峰波長(zhǎng)可通過(guò)改變波長(zhǎng)選擇層23的膜厚度(物理膜厚度； 膜的物理厚度)“t”而變化。透射峰波長(zhǎng)可通過(guò)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度而改變的范圍取決于由第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22設(shè)定的反射帶寬。反射帶寬越寬，則透射峰波長(zhǎng)可改變的范圍就越寬。眾所周知(參考文獻(xiàn)Mitsunobu Kobiyama, "Optical Thin-Film Filters”，The Optronics Co.，Ltd.，第102-106頁(yè))，反射帶寬Δ λ可基于下文的方程 (1)近似算出，其中ηΗ表示上述高折射率材料的折射率，rk表示低折射率材料的折射率，Xci 表示等于光學(xué)膜厚度4倍的設(shè)定波長(zhǎng)，其對(duì)于薄膜21a、21b而言是共同的。[方程1]方程(1)表示反射帶寬△ λ取決于低折射率材料的折射率 和高折射率材料的折射率ηΗ，這樣，為了擴(kuò)大反射帶寬Δ λ，重要的是增加折射率比nH/V的值，即重要的是增加高折射率材料和低折射率材料的折射率差。在圖16中所示的固態(tài)成像器件中濾光器200為用于可見(jiàn)光的過(guò)濾器的實(shí)例，在具有非常高透明度且在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)沒(méi)有吸收性的氧化物的組合中，提供最大的折射率差的 TiO2和SiA的組合作為高折射率材料和低折射率材料的組合的例子。已知通過(guò)使用紅外線檢測(cè)元件和紅外濾光器感測(cè)的氣體和/或火焰的各種技術(shù)(例如日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)S58-58441 被稱作專(zhuān)利文獻(xiàn)2 ；日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào) 2001-228086 被稱作專(zhuān)利文獻(xiàn)3 ；日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)H5-346994 被稱作專(zhuān)利文獻(xiàn)4)。如圖18所示，專(zhuān)利文獻(xiàn)3提出了呈多波長(zhǎng)選擇過(guò)濾器形式的紅外濾光器，其根據(jù)平面內(nèi)位置(in-plane position)透射(透過(guò))具有不同選擇波長(zhǎng)的紅外線。該多波長(zhǎng)選擇過(guò)濾器具有堆疊結(jié)構(gòu)，其中由在紅外區(qū)域中透明的低折射率材料形成的薄膜21b和由在紅外區(qū)域中透明的高折射率材料形成的薄膜21a交替堆疊。隨后，在堆疊結(jié)構(gòu)的中間設(shè)置了由高折射率材料形成的波長(zhǎng)選擇層(分隔層)23’，以使波長(zhǎng)選擇層23’的膜厚度在平面內(nèi)方向(在圖18中左右方向)上連續(xù)變化。在具有圖18所示配置的紅外濾光器中，將Si 襯底用作支撐上述堆疊結(jié)構(gòu)的襯底1’。配置波長(zhǎng)選擇層23’的膜厚度，以如下方式在平面內(nèi)方向連續(xù)變化可使具有作為目標(biāo)氣體CO2的吸收波長(zhǎng)的4. 25 μ m紅外線，以及設(shè)定為不被各種氣體吸收的參比光的波長(zhǎng)的3. 8 μ m紅外線在相互不同的位置透射。在具有圖18所示結(jié)構(gòu)的紅外濾光器中，配置波長(zhǎng)選擇層23’，以使其膜厚度在平面內(nèi)方向上連續(xù)變化。然而，在制造過(guò)程中難以獲得具有良好重現(xiàn)性和良好穩(wěn)定性的膜厚度的變化。此外，由于波長(zhǎng)選擇層23’的膜厚度連續(xù)變化，難以使得具有選擇波長(zhǎng)的紅外線的透射帶變窄。因此，它們導(dǎo)致過(guò)濾器性能的降低。為此，對(duì)于這種使用了紅外線檢測(cè)元件的氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?，難以增加其性能和降低其成本。可以想象使用具有圖16所示結(jié)構(gòu)的濾光器200，但此處高折射率材料和低折射率材料均為氧化物，即將TiO2用作高折射率材料并將SW2用作低折射率材料。為此，難以擴(kuò)大紅外區(qū)域中的反射帶寬δ λ (即難以擴(kuò)大可設(shè)定透射峰波長(zhǎng)的范圍)。圖19和圖20闡述了使用上述方程(1)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，其涉及反射帶寬Δ λ與折射率比1 / 的關(guān)系，其中nH為過(guò)濾器材料中高折射率材料的折射率，&為過(guò)濾器材料中低折射率材料的折射率。在圖19和圖20中，橫軸代表折射率比nH/rv圖19的縱軸代表用設(shè)定波長(zhǎng)λ ^歸一化的反射帶寬Δ λ的值。圖20中縱軸代表反射帶寬Δ λ。如圖19和圖20所示，反射帶寬Δ λ隨折射率比1 / 的增加而增加，這是由于各波長(zhǎng)的入射光的反射增加。在其中將TiO2用作高折射率材料且將SiO2用作低折射率材料的情況下，TiO2的折射率為2.5，SiO2的折射率為1.5。為此，如圖19中點(diǎn)Ql所示，折射率比1 / 為1.67，且反射帶寬Δ λ為設(shè)定波長(zhǎng)λ ^的0. 3倍。用于檢測(cè)(感測(cè))例如在家中可能產(chǎn)生的各種氣體和火焰的特定波長(zhǎng)包括 3. 3 μ m(CH4), 4.0 μ m(S03,三氧化硫)，4. 3 μ m(C02，二氧化碳)，4. 7 μ m(C0，一氧化碳)， 5. 3 ym(N0, 一氧化氮)，4. 3 μ m (火焰)。為此，需要在約3. 1-5. 5 μ m的紅外區(qū)域中的反射帶，以選擇檢測(cè)所有上述特定波長(zhǎng)，且因此反射帶寬Δ λ必須為2.4μπι或更大。如圖21所示，在透射光譜圖中反射帶關(guān)于IZ^ci對(duì)稱，圖中橫軸代表入射光的波數(shù)(即波長(zhǎng)的倒數(shù))，縱軸代表透射率(透過(guò)率)。為此，如圖19中點(diǎn)Ql所示，在使用TW2 和SW2的組合作為高折射率材料和低折射率材料組合的紅外濾光器中，假定設(shè)定波長(zhǎng)K 為4. 0 μ m(其為作為各波數(shù)的1/3. 1 ( μ πΓ1)和1/5. 5 ( μ πΓ1)的平均值的倒數(shù))，則反射帶寬Δ λ保持在約1. 1 μ m，以至于不可能設(shè)定所有上述選擇波長(zhǎng)。在紅外濾光器的領(lǐng)域，在紅外區(qū)域均透明的Ge和ZnS的組合通常被用作高折射率材料和低折射率材料的組合。然而，Ge的折射率為4.0，ZnS的折射率為2.3。因此，折射率比1 / 為1.74，反射帶寬Δ λ為約1.5 μ m。在該情況下，也不可能設(shè)定所有上述選擇波長(zhǎng)。專(zhuān)利文獻(xiàn)3公開(kāi)了使用Si作為高折射率材料的特征，但其需要進(jìn)一步縮小反射帶寬 Δ λ。為使用具有圖16所示結(jié)構(gòu)的濾光器200作為紅外濾光器，Ge和ZnS可以想象分別用作高折射率材料和低折射率材料。作為制造具有圖16所示結(jié)構(gòu)的濾光器200的方法， 已經(jīng)例證了使用蝕刻或剝離法(lift-off)作為圖案化波長(zhǎng)選擇層23^2 的方法的形成方法。然而，在其中將Ge用作高折射率材料和將ZnS用作低折射率材料并使用這種濾光器作為紅外濾光器的情況下，Ge和ZnS均為半導(dǎo)體材料，且難以在高選擇性下蝕刻。為此，將減少薄膜21a或薄膜21b的膜厚度(物理膜厚度)和因此的光學(xué)膜厚度，所述薄膜在蝕刻波長(zhǎng)選擇層23^2 的過(guò)程中是暴露的(從所形成的兩種薄膜21a、21b中)。因此，過(guò)濾器性能偏離設(shè)計(jì)性能。在依賴于剝離技術(shù)作為波長(zhǎng)選擇層23^2 的圖案形成方法的形成方法中，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)選擇層23^2 必須在抗蝕劑圖案形成之后形成，所以必須對(duì)波長(zhǎng)選擇層23p 232的膜形成方法和膜形成條件加以限制。因此難以獲得高質(zhì)量的波長(zhǎng)選擇層23p232，且損害過(guò)濾器性能。在如上所述使用Ge和SiS的組合作為紅外濾光器中高折射率材料和低折射率材料的組合的情況下，由半導(dǎo)體材料Ge或SiS形成的薄膜在紅外濾光器的表面處暴露。因此， 在最頂層處薄膜的性能可因此改變，這例如由于雜質(zhì)的粘附或吸收和/或與空氣中水分、氧氣等的反應(yīng)，所有這些被認(rèn)為損害了過(guò)濾器性能。因此，在其中紅外濾光器例如設(shè)置在紅外線檢測(cè)元件的光接收面上的情況下，在紅外線檢測(cè)元件處紅外線檢測(cè)的敏感性和穩(wěn)定性可能受到損害。另外，如果在最頂層處的薄膜由作為高折射率材料的Ge形成，則在表面處的折射分量變得更大，且難以增強(qiáng)過(guò)濾器性能。

發(fā)明內(nèi)容
待通過(guò)本發(fā)明解決的問(wèn)題鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種在選擇波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)中賦予高自由且度顯示較好過(guò)濾性能的紅外濾光器，以及提供一種制造該紅外濾光器的方法。解決問(wèn)題的手段本發(fā)明紅外濾光器包括由紅外透射材料形成的襯底；在襯底的一個(gè)表面?zhèn)炔⑴旁O(shè)置的多個(gè)過(guò)濾部件。每個(gè)過(guò)濾部件包括第一 λ/4多層膜，其中兩種具有相互不同的折射率但相同的光學(xué)膜厚度的薄膜交替堆疊；第二 λ/4多層膜，其中兩種薄膜交替堆疊，其中所述第二 λ /4多層膜在第一 λ /4多層膜的與襯底側(cè)的相反側(cè)上形成；和介于第一 λ /4 多層膜和第二 λ /4多層膜之間的波長(zhǎng)選擇層，其中所述波長(zhǎng)選擇層根據(jù)所需選擇波長(zhǎng)而具有與每個(gè)薄膜的光學(xué)膜厚度不同的光學(xué)膜厚度。第一 λ/4多層膜和第二 λ/4多層膜的低折射率材料為氧化物，且其高折射率材料為半導(dǎo)體材料Ge。波長(zhǎng)選擇層的材料與第一 λ/4多層膜的次頂層薄膜(second top thin film)的材料相同。在該情況下，與其中高折射率材料和低折射率材料均為半導(dǎo)體材料的情況相比， 在第一 λ/4多層膜和第二 λ/4多層膜中使用氧化物作為低折射率材料和半導(dǎo)體材料Ge 作為高折射率材料使得高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差增加。因此，可擴(kuò)大反射帶寬和選擇波長(zhǎng)范圍，其中波長(zhǎng)范圍選擇可通過(guò)設(shè)定波長(zhǎng)選擇層的膜厚度而進(jìn)行。因此增加了選擇波長(zhǎng)設(shè)計(jì)中的自由度。波長(zhǎng)選擇層的材料與第一 λ/4多層膜的次頂層薄膜的材料相同。因此，在其中波長(zhǎng)選擇層通過(guò)蝕刻圖案化的情況下蝕刻選擇性可增加，從而可防止在上述圖案化過(guò)程中第一 λ /4多層膜的最頂層薄膜的光學(xué)膜厚度減小，從而可增強(qiáng)過(guò)濾器性能。在第二 λ /4多層膜中，離襯底最遠(yuǎn)的薄膜由低折射率材料形成。這防止了過(guò)濾部件中離襯底最遠(yuǎn)的薄膜例如由與空氣中水分、氧氣等的反應(yīng)或雜質(zhì)的粘附和/或吸收所引起的性能變化。因此改進(jìn)了過(guò)濾器性能的穩(wěn)定性。另外，可減少在過(guò)濾部件的表面處的反射。因此可增強(qiáng)過(guò)濾器性能。低折射率材料優(yōu)選為Al2O3或SiO2。在該情況下，可通過(guò)將第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)設(shè)定為4 μ m而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器性能，使得過(guò)濾器在約3. 1 μ m至5. 5 μ m的紅外區(qū)域處具有反射帶。紅外透射材料優(yōu)選為Si。在該情況下，與其中紅外透射材料為Ge或ZnS的情況相比，成本降低了。本發(fā)明的紅外濾光器制造方法包括如下基本步驟將兩種具有相互不同折射率但相同光學(xué)膜厚度的薄膜在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬辖惶娑询B。在該基本步驟中間，進(jìn)行至少一次波長(zhǎng)選擇層形成步驟。波長(zhǎng)選擇層形成步驟包括在所述基本步驟中間，在堆疊膜上形成由與堆疊膜的次頂層相同的材料形成的波長(zhǎng)選擇層的波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟；以及通過(guò)使用堆疊膜的最頂層作為蝕刻阻擋層(stopper layer)，在波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟中形成的波長(zhǎng)選擇層中蝕刻不需要部分的波長(zhǎng)選擇層圖案化步驟，其中所述不需要部分為除了相對(duì)于任意一個(gè)過(guò)濾部件的部分之外的部分。根據(jù)在過(guò)濾部件中的所述任意一個(gè)過(guò)濾部件的選擇波長(zhǎng)設(shè)定波長(zhǎng)選擇層的光學(xué)膜厚度。在該情況下，可提供一種在選擇波長(zhǎng)層的設(shè)計(jì)中賦予高度自由且顯示較高過(guò)濾器性能的穩(wěn)定性的紅外濾光器。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的紅外濾光器的橫截面示意圖；圖2為周期性折射率結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖，其用于解釋紅外濾光器的反射帶寬；圖3為周期性折射率結(jié)構(gòu)的透射圖譜；圖4為在周期性折射率結(jié)構(gòu)中低折射率材料的折射率和反射帶寬之間關(guān)系的示例圖；圖5為闡述紅外濾光器中過(guò)濾部件的基本配置的橫截面示意圖；圖6為所述基本配置的特征的示例圖；圖7為所述基本配置的特征的示例圖；圖8為一組主要步驟的橫截面示意圖，用于解釋紅外濾光器的制造方法；圖9為在另一發(fā)明的紅外濾光器中由遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜的透射光譜圖；圖10為紅外濾光器的透射光譜11為在又一發(fā)明中紅外濾光器的橫截面示意圖；圖12為用于紅外濾光器制造中的離子束輔助沉積裝置的配置示意圖；圖13為闡述使用離子束輔助沉積裝置形成的薄膜的膜質(zhì)量的FT-IR分析(傅里葉變換紅外光譜)結(jié)果的示意圖；圖14A為其中膜厚1 μ m的Al2O3膜在Si襯底上形成的對(duì)比例的透射光譜圖，圖 14B為Al2O3膜的光學(xué)參數(shù)(折射率和吸收系數(shù))的示例圖，其基于圖14A的透射光譜圖計(jì)算；圖15為紅外濾光器的透射光譜圖；圖16為常規(guī)固態(tài)成像器件的橫截面示意圖；圖17A、圖17B、圖17C和圖17D為濾光器的示例圖；圖18為常規(guī)紅外濾光器的橫截面示意圖；圖19為過(guò)濾材料的折射率比和反射帶寬與設(shè)定波長(zhǎng)之比之間關(guān)系的示例圖；圖20為過(guò)濾材料的折射率比與反射帶寬之間關(guān)系的示例圖；和圖21為設(shè)定波長(zhǎng)和反射帶之間關(guān)系的示例圖。實(shí)施本發(fā)明的最佳模式如圖1所示，該實(shí)施方案的紅外濾光器包含由紅外透射材料制成的襯底1 ；在襯底1的一個(gè)表面?zhèn)壬喜⑴旁O(shè)置的多個(gè)(此處2個(gè))過(guò)濾部件4、22。過(guò)濾部件4、22包含 第一 λ/4多層膜21，其中兩種具有相互不同折射率和相同光學(xué)膜厚度(膜的光學(xué)厚度)的薄膜21b、21a交替堆疊；第二 λ/4多層膜22，其在與襯底1相對(duì)的第一 λ/4多層膜21的一側(cè)上形成，其中兩種薄膜21a、21b交替堆疊；以及介于第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4 多層膜22之間的波長(zhǎng)選擇層23ρ232，其根據(jù)所需的選擇波長(zhǎng)而具有不同于薄膜21a、21b的光學(xué)膜厚度的光學(xué)膜厚度。在兩種薄膜21a、21b中，光學(xué)膜厚度的變化公差為約士 1%。物理膜厚度的變化公差根據(jù)光學(xué)膜厚度的變化而決定。將Si用作襯底1的紅外透射材料(即將Si襯底用作襯底1)，但紅外透射材料不限于Si，可為Ge、ZnS等。在該實(shí)施方案中，過(guò)濾部件&、忑的平面圖形狀為數(shù)毫米的正方形，且襯底1的平面圖形狀為矩形。然而，平面圖形狀和尺寸不特別限于前文所述。在該實(shí)施方案的紅外濾光器中，將作為一種氧化物的Al2O3用作薄膜21b的材料 (低折射率材料)，其為在第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22中的低折射率層。隨后，將具有比Si高的折射率且為一種半導(dǎo)體材料的Ge用作薄膜21a的材料(高折射率材料)，其為高折射率層。波長(zhǎng)選擇層23^2 的材料分別與設(shè)置在緊接地位于波長(zhǎng)選擇層之下的第一 λ/4多層膜21的次頂部的薄膜21b、21a的材料相同。在第二 λ/4多層膜22中， 那些離襯底1最遠(yuǎn)的薄膜21a、21b由上述低折射率材料形成。低折射率材料不限于Al2O3， 可使用作為一種氧化物的Si02。此處，SiO2具有比Al2O3低的折射率，因此可獲得較高的高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差。在圖19和圖20中，點(diǎn)Q2代表在其中將Ge 用作高折射率材料且將S^2用作低折射率材料的情況下的模擬結(jié)果。在該實(shí)施方案中，將第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)λ ^設(shè)定為4μπι，以使上述各種氣體和火焰可通過(guò)合適地設(shè)定波長(zhǎng)選擇層23^2 的各自光學(xué)膜厚度而檢測(cè)。將薄膜21a、21b的各自物理膜厚度分別設(shè)定為λ ^4 和λ 其中％為高折射率材料的折射率且&為低折射率材料的折射率。在其中高折射率材料為Ge且低折射率材料為Al2O3，即nH = 4. 0和 =1. 7的具體情況下，將由高折射率材料形成的薄膜21a 的物理膜厚度設(shè)定為250nm，由低折射率材料形成的薄膜21b的物理膜厚度設(shè)定為588nm。此處，如圖2所示，假定在λ/4多層膜中存在21個(gè)層，其中多層膜由低折射率材料形成的薄膜21b和由高折射率材料形成的薄膜21a在由Si襯底形成的襯底1的一個(gè)表面?zhèn)壬辖惶娑询B而成。隨后，假定設(shè)定波長(zhǎng)λ。為4μπι，并假定在薄膜21a、21b中沒(méi)有吸收 (即假定每個(gè)薄膜21a、21b的衰減系數(shù)為0)。圖3闡述了這種情況下透射光譜的模擬結(jié)果。在圖3中，橫軸代表入射光的波長(zhǎng)(紅外線)，縱軸代表透射率(透過(guò)率)。在圖中，“A”代表在其中高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)且低折射率材料為Al2O3Ok = 1. 7)的情況下的透射光譜；“B”代表在其中高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)且低折射率材料為SiO2Ok =1. 5)的情況下的透射光譜；以及“C”代表在其中高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)且低折射率材料為SiSOk = 2. 3)的情況下的透射光譜。圖4闡述了在其中高折射率材料為Ge，且在低折射率材料的折射率變化的情況下反射帶寬Δ λ的模擬結(jié)果。圖3中線“Α”、“Β”和“C”分別對(duì)應(yīng)于圖4中的點(diǎn)“Α”、“Β”和 “C”。圖3和圖4顯示反射帶寬Δ λ隨著高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差變大而增加。數(shù)據(jù)顯示在其中高折射率材料為Ge的情況下，通過(guò)選擇Al2O3或SiO2作為低折射率材料，至少可確保紅外區(qū)域中反射帶為3. 1 μ m-5. 5 μ m,可獲得2. 4 μ m或更大的反射帶寬Δ λ。圖6和圖7闡述了在如下情況下，隨著波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度在0-1600nm 范圍內(nèi)變化，透射光譜的模擬結(jié)果如圖5所示，其中第一 λ /4多層膜21的堆疊層數(shù)目為 4，第二 λ /4多層膜22的堆疊層數(shù)目為6，薄膜21a的高折射率材料為Ge，薄膜21b的低折射率材料為Al2O3，且介于第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22之間的波長(zhǎng)選擇層23 的材料為作為低折射率材料的Al2O315在圖5中，箭頭“Al”代表入射光，箭頭“Α2”代表透射光，且箭頭“A3”代表反射光。波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度以“nd”獲得，即折射率“η”和物理膜厚度“d”的乘積，其中“η”表示波長(zhǎng)選擇層23的材料的折射率，“d”表示波長(zhǎng)選擇層23的物理膜厚度。在模擬中，設(shè)定波長(zhǎng)λ。為4μπι，薄膜21a的物理膜厚度為250nm，薄膜21b的物理膜厚度為588nm，且假定在薄膜21a、21b中沒(méi)有吸收(即假定每個(gè)薄膜21a、 21b的衰減系數(shù)為0)。圖6和圖7表示第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22在3 μ m_6 μ m紅外區(qū)域形成反射帶，且示出通過(guò)合適地設(shè)定波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度“nd”，可將窄的透射帶定位于3-6 μ m反射帶中。具體地，透射峰波長(zhǎng)可通過(guò)波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度“nd” 在0-1600nm的范圍內(nèi)變化而連續(xù)在3. 1 μ m-5. 5 μ m的范圍內(nèi)變化。更具體地，將波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度“nd”設(shè)定為1390nm、0nm、95nm、2;35nm和495nm，分別產(chǎn)生了 3. 3 μ m、 4. 0 μ m、4. 3 μ m、4. 7 μ m 禾口 5. 3 μ m 的透射峰波長(zhǎng)。因此，合適的是僅改變波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度的設(shè)計(jì)而不更改第一 λ /4多層膜21或第二 λ /4多層膜22的設(shè)計(jì)，即允許感測(cè)各種氣體，如特定波長(zhǎng)為3. 3 μ m的CH4, 特定波長(zhǎng)為4. 0 μ m的SO3,特定波長(zhǎng)為4. 3 μ m的CO2,特定波長(zhǎng)為4. 7 μ m的CO,以及特定波長(zhǎng)為5. 3 μ m的N0，且允許感測(cè)特定波長(zhǎng)為4. 3 μ m的火焰。在0-1600nm范圍內(nèi)的光學(xué)膜厚度“nd”對(duì)應(yīng)于在0-941nm范圍內(nèi)的物理膜厚度“d”。在其中波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度“nd”為Onm的情況下，即在其中波長(zhǎng)選擇層23在圖5中不存在的情況下，透射峰波長(zhǎng)為4000nm的原因?yàn)榈谝?λ /4多層膜21和第二 λ /4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)λ ^被設(shè)定為 4μ m(4000nm)。在其中波長(zhǎng)選擇層23不存在的情況下，透射峰波長(zhǎng)可通過(guò)合適地改變第一 λ /4多層膜21和第二 λ /4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)λ 0而更改。波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度的變化公差為約士 1%。制造該實(shí)施方案的紅外濾光器的方法將在下文中參考圖8解釋。首先，如下進(jìn)行“第一 λ/4多層膜形成步驟”通過(guò)在由作為紅外透射材料的Si 形成的襯底1 一個(gè)表面?zhèn)鹊恼麄€(gè)表面上，將由作為低折射率材料的Al2O3形成的具有預(yù)定物理膜厚度(588nm)的薄膜21b和由作為高折射率材料的Ge形成的具有預(yù)定物理膜厚度 (250nm)的薄膜21a交替堆疊，形成第一 λ/4多層膜21。接著，如下進(jìn)行“波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟”在襯底1的所述一個(gè)表面?zhèn)鹊恼麄€(gè)表面上(此處，在第一 λ /4多層膜21的表面上)形成波長(zhǎng)選擇層23i，其中波長(zhǎng)選擇層23i的光學(xué)膜厚度根據(jù)一個(gè)過(guò)濾部件^的選擇波長(zhǎng)設(shè)定，且波長(zhǎng)選擇層23i由與位于第一 λ/4多層膜21次頂部的薄膜21b相同的材料 (此處，Al2O3為低折射率材料)形成。由此獲得圖8A所示的結(jié)構(gòu)。作為形成薄膜21b、21a 和波長(zhǎng)選擇層23i的方法，當(dāng)使用諸如氣相沉積或?yàn)R射的方法時(shí)，可連續(xù)形成兩種薄膜21b、 21a。然而，如果低折射率材料為上述Al2O3，優(yōu)選在薄膜21b的形成過(guò)程中使用輻射氧離子束的離子束輔助沉積，以增加薄膜21b的致密性。S^2可用作低折射率材料。在上述波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟之后，進(jìn)行形成抗蝕劑層31的“抗蝕劑層形成步驟”，該抗蝕劑層通過(guò)光刻法僅覆蓋對(duì)應(yīng)于過(guò)濾部件A的點(diǎn)，以產(chǎn)生圖8B所示的結(jié)構(gòu)。隨后，進(jìn)行在波長(zhǎng)選擇層23i中選擇性蝕刻不需要部分的“波長(zhǎng)選擇層圖案化步驟”，其中使用抗蝕劑層31作為掩模，使用第一 λ/4多層膜21的最頂層薄膜21a作為蝕刻阻擋層，以產(chǎn)生圖8C所示的結(jié)構(gòu)。在波長(zhǎng)選擇層圖案化步驟中，如上所述，如果低折射率材料為氧化物(Al2O3),高折射率材料為半導(dǎo)體材料(Ge)，則蝕刻可通過(guò)使用氫氟酸溶液作為蝕刻溶液而采用濕蝕刻進(jìn)行，其蝕刻選擇性高于干蝕刻。這是因?yàn)檠趸锶鏏l2O3和S^2在氫氟酸溶液中易溶，而Ge非常難以在氫氟酸溶液中溶解。作為實(shí)例，如果濕蝕刻使用由氫氟酸(HF)和純水(H2O)的混合液體組成的稀氫氟酸(例如，稀氫氟酸的氫氟酸濃度為2%) 形式的氫氟酸溶液進(jìn)行，則Al2O3的蝕刻速率為約300nm/分鐘，且蝕刻可在高蝕刻選擇性下進(jìn)行，這是因?yàn)锳l2O3和Ge的蝕刻速率比為約500 1。在上述波長(zhǎng)選擇層圖案化步驟之后，進(jìn)行移除抗蝕劑層31的“抗蝕劑層移除步驟”，以產(chǎn)生圖8D所示的結(jié)構(gòu)。在上述抗蝕劑層移除步驟之后，通過(guò)在襯底1的所述一個(gè)表面?zhèn)鹊恼麄€(gè)表面上， 將由作為高折射率材料的Ge形成的具有預(yù)定物理膜厚度O50nm)的薄膜21a和由作為低折射率材料的Al2O3形成的具有預(yù)定物理膜厚度(588nm)的薄膜21b交替堆疊，進(jìn)行形成第二 λ/4多層膜22的“第二 λ/4多層膜形成步驟”，以產(chǎn)生具有圖8Ε所示結(jié)構(gòu)的紅外濾光器。作為第二 λ/4多層膜形成步驟的結(jié)果，在對(duì)應(yīng)于過(guò)濾部件&的區(qū)域，將第二 λ/4多層膜22最底層的薄膜21a直接堆疊在第一 λ/4多層膜21最頂層的薄膜21a上。因此，過(guò)濾部件22的波長(zhǎng)選擇層2 由所述最頂層薄膜21a和所述最底層薄膜21a組成。在圖7的模擬結(jié)果中，過(guò)濾部件22的透射光譜對(duì)應(yīng)于其中光學(xué)膜厚度“nd”為Onm的情況。作為薄膜21a、21b的膜形成方法，當(dāng)例如使用氣相沉積、濺射等時(shí)，可連續(xù)形成兩種薄膜21a、21b。 然而，如果低折射率材料為上述Al2O3，則優(yōu)選在薄膜21b形成過(guò)程中使用輻射氧離子束的離子束輔助沉積，以增加薄膜21b的致密性。S^2可用作低折射率材料?？傊?，該實(shí)施方案的紅外濾光器的制造方法包括在基本步驟過(guò)程中間進(jìn)行一次波長(zhǎng)選擇層形成步驟，其中所述基本步驟包括在襯底1的一個(gè)表面?zhèn)壬蠈煞N具有相互不同的折射率但相同的光學(xué)膜厚度的薄膜21b、21a交替堆疊。此處，波長(zhǎng)選擇層形成步驟包括 在基本步驟中間，在堆疊膜(此處，第一 λ/4多層膜21)上形成由與上述堆疊膜的次頂層相同的材料形成的波長(zhǎng)選擇層23i (此處i = 1)的波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟，其中波長(zhǎng)選擇層 23,的光學(xué)膜厚度根據(jù)在多個(gè)過(guò)濾部件&，. . .，2m(此處，m =幻中任意一個(gè)過(guò)濾部件& (此處，i = 1)的選擇波長(zhǎng)而設(shè)定；以及通過(guò)將上述堆疊膜的最頂層用作蝕刻阻擋層，蝕刻在波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟中形成的波長(zhǎng)選擇層23中不需要部分的波長(zhǎng)選擇層圖案化步驟，其中不需要部分為除了對(duì)應(yīng)于上述任意一個(gè)過(guò)濾部件I之外的部分。由此形成多個(gè)過(guò)濾部件&、22。因此，具有更多選擇波長(zhǎng)的紅外過(guò)濾器可通過(guò)在上述基本步驟中進(jìn)行超過(guò)一次波長(zhǎng)選擇層形成步驟而產(chǎn)生。如此可在一個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)感測(cè)所有上述氣體的紅外濾光器。在該實(shí)施方案的上述紅外濾光器中，在第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22 中的低折射率材料為氧化物，而高折射率材料為半導(dǎo)體材料Ge。因此，與其中高折射率材料和低折射率材料均為半導(dǎo)體材料的情況相比，高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差可增加。反射帶寬△ λ可因此擴(kuò)大，且可擴(kuò)大其中選擇波長(zhǎng)可通過(guò)選擇波長(zhǎng)選擇層23ρ 2 的膜厚度而設(shè)定的范圍。在選擇波長(zhǎng)設(shè)計(jì)中的自由度可因此增加。在該實(shí)施方案的紅外濾光器中，波長(zhǎng)選擇層23^2 的材料與位于第一 λ /4多層膜21的次頂層的薄膜21b、 21a的材料相同。因此，這使得在其中波長(zhǎng)選擇層通過(guò)蝕刻圖案化的情況下，蝕刻選擇性增加，且防止了在上述圖案化過(guò)程中，第一 λ/4多層膜21最頂層(參見(jiàn)圖8C)的薄膜21a的光學(xué)膜厚度的減小。從而增加了過(guò)濾器性能。另外，在第二 λ/4多層膜22中，離襯底1最遠(yuǎn)的那些薄膜21b、21a由上述低折射率材料形成。這可防止過(guò)濾部件2^ 中離襯底1最遠(yuǎn)的薄膜性能例如由于與空氣中水分、氧氣等反應(yīng)，或雜質(zhì)的粘附和/或吸收而引起變化。 如此改進(jìn)了過(guò)濾器性能的穩(wěn)定性。此外，可減少在過(guò)濾部件^d2的表面處的反射，如此可增強(qiáng)過(guò)濾器性能。在該實(shí)施方案的紅外濾光器中，將Ge用作高折射率材料，且將Al2O3或SiO2用作低折射率材料。因此，可通過(guò)將第一 λ /4多層膜21和第二 λ /4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)設(shè)定為4 μ m而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器性能，使得過(guò)濾器在約3. 1 μ m至5. 5 μ m的紅外區(qū)域處具有反射帶。在該實(shí)施方案的紅外濾光器中，襯底1的紅外透射材料為Si。因此，與其中紅外透射材料為Ge或SiS的情況相比，成本可降低。接下來(lái)解釋另一發(fā)明。(發(fā)明背景)日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2006-39736(被稱作專(zhuān)利文獻(xiàn)5)和日本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào) 2003-227751 (被稱作專(zhuān)利文獻(xiàn)6)公開(kāi)了使用窄帶帶通過(guò)濾器(bandpass filter)和光阻擋過(guò)濾器(light blocking filter)的組合的特征，其中帶通過(guò)濾器使用Si襯底等形成且配置為透射所需波長(zhǎng)的紅外線，以及光阻擋過(guò)濾器使用藍(lán)寶石襯底形成且配置為阻擋遠(yuǎn)紅外線。在該結(jié)構(gòu)中，在環(huán)境光如太陽(yáng)光或照明光中的遠(yuǎn)紅外線可通過(guò)提供這種光阻擋過(guò)濾器而阻擋。如上述專(zhuān)利文獻(xiàn)5、6所述，為了在具有圖18所示配置的紅外濾光器中阻擋遠(yuǎn)紅外線，除了上述濾光器200，必須提供用于阻擋遠(yuǎn)紅外線的由藍(lán)寶石襯底形成的光阻擋過(guò)濾器。這拉升了成本。在具有圖18所示配置的紅外濾光器中，配置波長(zhǎng)選擇層23’，其膜厚度在平面內(nèi)方向上連續(xù)變化。然而，難以使制造過(guò)程中膜厚度的改變具有良好的重現(xiàn)性和良好的穩(wěn)定性。同樣也難以使得選擇波長(zhǎng)的紅外線的透射帶變窄，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)選擇層23’的膜厚度連續(xù)變化。這導(dǎo)致了過(guò)濾器性能的受損，并因此對(duì)于使用紅外線檢測(cè)元件的氣體感應(yīng)器、火焰感應(yīng)器等，難以增加其性能和降低其成本。為使用具有圖16所示配置的濾光器200作為紅外濾光器，可以想象將Ge用作高折射率材料，將ZnS用作低折射率材料。然而，如上述專(zhuān)利文獻(xiàn)5、6所述，為阻擋在該情況下的遠(yuǎn)紅外線，除了濾光器200，還必須提供由藍(lán)寶石襯底形成的用于阻擋遠(yuǎn)紅外線的光阻擋過(guò)濾器。這拉升了成本。隨后，在其中將Ge用作高折射率材料且將ZnS用作低折射率材料，以使用具有圖 16所示配置的濾光器200作為紅外濾光器的情況下，薄膜21a、21b所需的堆疊層數(shù)(其由第一 λ/4多層膜21和第二個(gè)λ/4多層膜22的數(shù)目相加獲得)為70或更多層，其用于在不使用藍(lán)寶石襯底的光阻擋過(guò)濾器下產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線阻擋性能。這拉升了成本，且可導(dǎo)致過(guò)濾部件2^2^ 的破裂。(本發(fā)明所解決的問(wèn)題)鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明的一個(gè)目的為提供在從近紅外到遠(yuǎn)紅外的寬帶上具有紅外線阻擋性能的低成本的紅外濾光器，且其使所需選擇波長(zhǎng)的紅外線選擇性透射，并提供制造這種紅外濾光器的方法。(解決問(wèn)題的手段)
本發(fā)明紅外濾光器為一種控制波長(zhǎng)范圍為800-20000nm的紅外線的紅外濾光器， 其包含襯底；在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬闲纬汕遗渲脼檫x擇性透射所需選擇波長(zhǎng)的紅外線的過(guò)濾部件。過(guò)濾部件包含第一 λ/4多層膜，其中將多種具有相互不同折射率但相同光學(xué)膜厚度的薄膜堆疊；第二 λ/4多層膜，其中將多種薄膜堆疊，所述第二 λ/4多層膜在第一 λ /4多層膜的與襯底側(cè)的相反側(cè)上形成；以及介于第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜之間的波長(zhǎng)選擇層，其中所述波長(zhǎng)選擇層根據(jù)所需選擇波長(zhǎng)而具有與每個(gè)薄膜的光學(xué)膜厚度不同的光學(xué)膜厚度。在多種薄膜中至少一種薄膜由吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外吸收材料形成， 其中所述遠(yuǎn)紅外線的波長(zhǎng)范圍比由第一 λ/4多層膜和第二 λ/4多層膜設(shè)定的紅外線反射帶更長(zhǎng)。在該情況下，可以低成本實(shí)現(xiàn)在從近紅外至遠(yuǎn)紅外的寬帶上的紅外線阻擋性能， 這是由于第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜的光干涉效果，以及借助包括在第一 λ /4多層膜和第二 λ/4多層膜中的薄膜的遠(yuǎn)紅外線吸收效果。因此，可實(shí)現(xiàn)在從近紅外至遠(yuǎn)紅外的寬帶上具有紅外線阻擋性能的低成本紅外濾光器，其中可選擇性透射具有所需選擇波長(zhǎng)的紅外線。遠(yuǎn)紅外吸收材料優(yōu)選為氧化物或氮化物。在該情況下，可防止在多種薄膜中由遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜由氧化引起的光學(xué)特征變化。另外，可根據(jù)普通的薄膜形成方法如氣相沉積或?yàn)R射而形成遠(yuǎn)紅外吸收材料的薄膜。如此降低了成本。與其中使用SiOx或SiNx作為遠(yuǎn)紅外吸收材料的情況相比，使用Al2O3作為遠(yuǎn)紅外吸收材料允許增加遠(yuǎn)紅外吸收能力。與其中使用SiOx或SiNx作為遠(yuǎn)紅外吸收材料的情況相比，使用Tii2O5作為遠(yuǎn)紅外吸收材料允許增加遠(yuǎn)紅外吸收能力。使用SiNx作為遠(yuǎn)紅外吸收材料允許增加由遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜的耐濕性。使用SiOx作為遠(yuǎn)紅外吸收材料允許增加第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜中的折射率差并減少第一 λ/4多層膜和第二 λ/4多層膜中的堆疊膜數(shù)目。第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜優(yōu)選通過(guò)交替堆疊Ge形成的薄膜和由遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜而形成，其中Ge為具有比遠(yuǎn)紅外吸收材料高的折射率的材料。在這種情況下，與其中將ZnS用作高折射率材料的情況相比，可提高第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜中的高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差，并可減少第一 λ/4多層膜和第二 λ/4多層膜中的堆疊層的數(shù)目。第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜優(yōu)選通過(guò)交替堆疊由Si形成的薄膜和由遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜而形成，其中Si為具有比遠(yuǎn)紅外吸收材料高的折射率的材料。在這種情況下，與其中將ZnS用作高折射率材料的情況相比，可提高第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜中的高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差，并可減少第一 λ/4多層膜和第二 λ/4多層膜中的堆疊層的數(shù)目。優(yōu)選襯底為Si襯底。在這種情況下，與其中使用Ge襯底、ZnS襯底、藍(lán)寶石襯底等作為襯底的情況相比，可降低成本。紅外濾光器優(yōu)選包含多個(gè)過(guò)濾部件，且多個(gè)過(guò)濾部件的波長(zhǎng)選擇層的光學(xué)膜厚度相互不同。在這種情況下，可選擇性透射多個(gè)選擇波長(zhǎng)的紅外線。本發(fā)明的紅外傳感器制造方法為用于制造配有多個(gè)過(guò)濾部件(其中波長(zhǎng)選擇層的光學(xué)膜厚度不同于各過(guò)濾部件)的紅外濾光器的方法，其中所述方法包括在將多種薄膜堆疊在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬系幕静襟E中間，形成至少一個(gè)波長(zhǎng)選擇層圖案的步驟。所述波長(zhǎng)選擇層的圖案如下形成在堆疊膜上，在所述基本步驟中間形成薄膜，該薄膜為由與堆疊膜的次頂層相同的材料形成的薄膜，且具有根據(jù)過(guò)濾部件中任意一個(gè)過(guò)濾部件的選擇波長(zhǎng)設(shè)定的光學(xué)膜厚度；和蝕刻在堆疊膜上形成的薄膜中除了對(duì)應(yīng)于所述任意一個(gè)過(guò)濾部件的部分之外的部分。在該情況下，可提供在從近紅外至遠(yuǎn)紅外的寬帶上具有紅外線阻擋性能的低成本紅外濾光器，其中可選擇性透射多個(gè)所需選擇波長(zhǎng)的紅外線。本發(fā)明的紅外傳感器制造方法為用于制造配有多個(gè)過(guò)濾部件(其中波長(zhǎng)選擇層的光學(xué)膜厚度不同于各過(guò)濾部件)的紅外濾光器的方法，其中在對(duì)應(yīng)于各過(guò)濾部件的各點(diǎn)上具有相互不同的光學(xué)膜厚度的波長(zhǎng)選擇層通過(guò)掩模氣相沉積而形成，其處于下述步驟之間在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬闲纬傻谝?λ/4多層膜的第一 λ/4多層膜形成步驟以及在第一 λ/4多層膜的與襯底側(cè)的相反側(cè)上形成第二 λ/4多層膜的第二 λ/4多層膜形成步驟。在該情況下，可提供在從近紅外至遠(yuǎn)紅外的寬帶上具有紅外線阻擋性能的低成本的紅外濾光器，其中可選擇性透射多個(gè)所需選擇波長(zhǎng)的紅外線。(本發(fā)明方案)該方案的紅外濾光器為用于控制波長(zhǎng)范圍為800-20000nm的紅外線的紅外濾光器。如圖1所示，該方案的紅外濾光器配有襯底1，多個(gè)(此處2個(gè))并排設(shè)置在襯底1的一個(gè)表面?zhèn)壬系倪^(guò)濾部件4、22。過(guò)濾部件Ad2各包含第一 λ/4多層膜21，其中將多個(gè) (此處2個(gè))具有不同折射率但相同光學(xué)膜厚度的薄膜21b、21a堆疊；在襯底1側(cè)的相反側(cè)上，在第一 λ/4多層膜21上形成的第二入/4多層膜22，其中將上述多種薄膜21&、2讓堆疊；以及波長(zhǎng)選擇層23ρ232，其介于第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22之間，且根據(jù)所需選擇波長(zhǎng)而具有與薄膜21a、21b的光學(xué)膜厚度不同的光學(xué)膜厚度。將作為紅外透射材料的Si用作襯底1的材料(即將Si襯底用作襯底1)，但紅外透射材料不限于Si，且例如可為Ge、ZnS等。在該方案中，過(guò)濾部件的平面圖形狀為數(shù)毫米的正方形，襯底1的平面圖形狀為矩形。然而，平面圖形狀和尺寸不特別限于前文內(nèi)容。在該方案的紅外濾光器中，將作為一種吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外吸收材料的Al2O3 用作薄膜2lb的材料(低折射率材料)，所述薄膜為第一 λ /4多層膜21和第二 λ /4多層膜22中的低折射率層，同時(shí)將Ge用作作為高折射率層的薄膜21a的材料(高折射率材料)。 波長(zhǎng)選擇層23^2 的材料分別與設(shè)置在緊接地位于波長(zhǎng)選擇層23^2 之下的第一 λ /4 多層膜21的次頂層薄膜21b、21a的材料相同。在第二 λ/4多層膜22中，離襯底1最遠(yuǎn)的那些薄膜21b、21b由上述低折射率材料形成。遠(yuǎn)紅外吸收材料不限于Al2O3，且例如可為除了 Al2O3之外的氧化物SW2或化205。此處，SW2具有比Al2O3低的折射率，且因此可獲得較大的高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差。用于檢測(cè)(感測(cè))例如在家中可能產(chǎn)生的各種氣體和火焰的特定波長(zhǎng)包括3. 3 μ m(甲烷)，4. 0 μ m(三氧化硫)，4· 3 μ m( 二氧化碳)，4· 7 μ m( 一氧化碳)，5· 3 μ m( — 氧化氮)和4. 3 μ m(火焰)。需要在約3. 1-5. 5 μ m的紅外區(qū)域中的反射帶，且因此反射帶寬Δ λ必須為2. 4μπι或更大，以選擇性的檢測(cè)所有上述特定波長(zhǎng)。在該方案中，以使得能夠檢測(cè)上述各種氣體和火焰的方式，通過(guò)合適地設(shè)定波長(zhǎng)選擇層23^2 的各光學(xué)膜厚度，而將第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)AciSSSiOymt5將各薄膜21a、21b的物理膜厚度分別設(shè)定為λ/4 和λ ^4 ，其中nH為高折射率材料，即薄膜21a的材料的折射率，Ik為低折射率材料，即薄膜21b的材料的折射率。在其中高折射率材料為Ge，低折射率材料為Al2O3，即nH = 4. 0和 =1. 7的具體情況下，將由高折射率材料形成的薄膜21a的物理膜厚度設(shè)定為250nm，將由低折射率材料形成的薄膜21b的物理膜厚度設(shè)定為588nm。此處，圖3闡述了如下情況下透射光譜的模擬結(jié)果在λ /4多層膜中存在21個(gè)層，以及設(shè)定波長(zhǎng)λ ^為4 μ m，并假定在薄膜21a、21b中沒(méi)有吸收(即假定每個(gè)薄膜21a、 21b的衰減系數(shù)為0)，其中多層膜由低折射率材料形成的薄膜21b和由高折射率材料形成的薄膜21a在由Si襯底形成的襯底1的一個(gè)表面?zhèn)壬辖惶娑询B而成。在圖3中，橫軸代表入射光的波長(zhǎng)(紅外線)，縱軸代表透射率。在圖中，“A”代表在其中高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)且低折射率材料為Al2O3Ok = 1. 7)的情況下的透射光譜；“B”代表在其中高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)且低折射率材料為SiO2Ok = 1. 5)的情況下的透射光譜；以及“C”代表在其中高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)且低折射率材料為 ZnS(nL = 2. 3)的情況下的透射光譜。圖4闡述了在其中高折射率材料為Ge，且在低折射率材料的折射率變化的情況下反射帶寬Δ λ的模擬結(jié)果。圖3中線“Α”、“Β”和“C”分別對(duì)應(yīng)于圖4中的點(diǎn)“Α”、“Β”和 “C”。圖3和圖4顯示反射帶寬Δ λ隨著高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差變大而增加。附圖顯示在其中高折射率材料為Ge的情況下，通過(guò)選擇Al2O3或SiO2作為低折射率材料，至少可確保紅外區(qū)域中反射帶為至少3. 1 μ m至5. 5 μ m，同時(shí)可獲得2. 4 μ m 或更大的反射帶寬Δ λ。圖6和圖7闡述了在如下情況下，隨著波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度在0-1600nm 范圍內(nèi)變化，透射光譜的模擬結(jié)果如圖5所示，其中第一 λ /4多層膜21的堆疊層數(shù)目為 4，第二 λ /4多層膜21的堆疊層數(shù)目為6，薄膜21a的高折射率材料為Ge，薄膜21b的低折射率材料為Al2O3，且介于第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22之間的波長(zhǎng)選擇層23 的材料為作為低折射率材料的Al2O315在圖5中，箭頭“Al”代表入射光，箭頭“Α2”代表透射光，且箭頭“A3”代表反射光。波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度以“nd”獲得，即折射率“η”和物理膜厚度“d”的乘積，其中“η”表示波長(zhǎng)選擇層23的材料的折射率，“d”表示波長(zhǎng)選擇層23的物理膜厚度。在模擬中，設(shè)定波長(zhǎng)λ。為4μπι，薄膜21a的物理膜厚度為250nm，薄膜21b的物理膜厚度為588nm，且假定在薄膜21a、21b中沒(méi)有吸收(即假定每個(gè)薄膜21a、 21b的衰減系數(shù)為0)。圖6和圖7表示第一 λ/4多層膜21和第二 λ/4多層膜22在3 μ m_6 μ m紅外區(qū)域形成反射帶，且示出通過(guò)合適地設(shè)定波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度“nd”，將窄的透射帶定位于3-6 μ m反射帶中。具體地，透射峰波長(zhǎng)可通過(guò)波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度“nd”在0-1600nm的范圍內(nèi)變化而連續(xù)在3. 1 μ m-5. 5 μ m的范圍內(nèi)變化。更具體地，將波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度“nd”設(shè)定為1390nm、0nm、95nm、2;35nm和495nm，分別產(chǎn)生了 3. 3 μ m、 4. 0 μ m、4. 3 μ m、4. 7 μ m 禾口 5. 3 μ m 的透射峰波長(zhǎng)。因此，僅適當(dāng)?shù)馗淖儾ㄩL(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度的設(shè)計(jì)而不更改第一 λ /4多層膜21或第二 λ /4多層膜22的設(shè)計(jì)，即允許感測(cè)各種氣體，如特定波長(zhǎng)為3. 3 μ m的CH4,特定波長(zhǎng)為4. 0 μ m的SO3,特定波長(zhǎng)為4. 3 μ m的CO2,特定波長(zhǎng)為4. 7 μ m的CO,以及特定波長(zhǎng)為5. 3 μ m的N0，且允許構(gòu)成特定波長(zhǎng)為4. 3 μ m的火焰。在0-1600nm范圍內(nèi)的光學(xué)膜厚度“nd”對(duì)應(yīng)于在0-941nm范圍內(nèi)的物理膜厚度“d”。在其中波長(zhǎng)選擇層23的光學(xué)膜厚度 “nd”為Onm的情況下，即在圖6中不存在波長(zhǎng)選擇層23的情況下，透射峰波長(zhǎng)為4000nm的原因?yàn)榈谝?λ/4多層膜21和第二入/4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)入(1被設(shè)定為4 4!11(400011111)。 在其中波長(zhǎng)選擇層23不存在的情況下，透射峰波長(zhǎng)可通過(guò)合適地改變第一 λ /4多層膜21 和第二 λ /4多層膜22的設(shè)定波長(zhǎng)λ ^而更改。使用Al2O3作為薄膜21b的低折射率材料，其為在比由第一 λ /4多層膜和第二 λ /4多層膜設(shè)定的紅外線反射帶更長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍下吸收紅外線的遠(yuǎn)紅外吸收材料。此處， 還研究了 5種遠(yuǎn)紅外吸收材料，即MgF2、A1203、SiOx, Ta2O5和SiNx。具體而言，將MgF2膜、 Al2O3膜、SiOx膜、Tii2O5膜和SiNx膜的膜厚度設(shè)定為1 μ m,如下表1所示設(shè)定在Si襯底上的膜形成條件。MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜和SiNx膜的透射光譜測(cè)量結(jié)果描述于圖 9中。將離子束輔助沉積裝置用作形成MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜和SiNx膜的膜形成裝置。表權(quán)利要求
1.一種紅外濾光器，包括 由紅外透射材料形成的襯底；和在所述襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬喜⑴旁O(shè)置的多個(gè)過(guò)濾部件，其中各過(guò)濾部件包括其中兩種具有相互不同折射率但相同光學(xué)膜厚度的薄膜交替堆疊的第一 λ/4多層膜；其中所述兩種薄膜交替堆疊的第二 λ/4多層膜，所述第二 λ/4多層膜在所述第一 λ/4多層膜的與襯底側(cè)的相反側(cè)上形成；以及介于所述第一 λ/4多層膜和所述第二 λ /4多層膜之間的波長(zhǎng)選擇層，所述波長(zhǎng)選擇層根據(jù)所需的選擇波長(zhǎng)而具有不同于各薄膜的光學(xué)膜厚度的光學(xué)膜厚度，其中所述第一 λ/4多層膜和所述第二 λ/4多層膜的低折射率材料為氧化物且其高折射率材料為半導(dǎo)體材料Ge，和其中所述波長(zhǎng)選擇層的材料與所述第一 λ /4多層膜的次頂層薄膜的材料相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的紅外濾光器，其中在所述第二λ/4多層膜中，離所述襯底最遠(yuǎn)的薄膜由所述低折射率材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的紅外濾光器，其中所述低折射率材料為Al2O3或Si02。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述紅外透射材料為Si。
5.一種制造紅外濾光器的方法，其中所述方法包括在將兩種具有相互不同折射率但相同光學(xué)膜厚度的薄膜在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬辖惶娑询B的基本步驟中間，進(jìn)行至少一次波長(zhǎng)選擇層形成步驟，其中所述波長(zhǎng)選擇層形成步驟包括在堆疊膜上形成波長(zhǎng)選擇層的波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟，在所述基本步驟中間，所述波長(zhǎng)選擇層由與所述堆疊膜的次頂層相同的材料形成且具有根據(jù)過(guò)濾部件中任意一個(gè)過(guò)濾部件的選擇波長(zhǎng)而設(shè)定的光學(xué)膜厚度；以及通過(guò)使用所述堆疊膜的最頂層作為蝕刻阻擋層，蝕刻在波長(zhǎng)選擇層膜形成步驟所形成的波長(zhǎng)選擇層中的不需要部分的波長(zhǎng)選擇層圖案化步驟，其中所述不需要部分為除了對(duì)應(yīng)于所述任意一個(gè)過(guò)濾部件的部分之外的部分。
6.一種控制波長(zhǎng)范圍為800-20000nm的紅外線的紅外濾光器，包括 襯底；和在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬闲纬汕遗渲脼檫x擇性透射所需選擇波長(zhǎng)的紅外線的過(guò)濾部件， 其中所述過(guò)濾部件包括其中多種具有相互不同折射率但相同光學(xué)膜厚度的薄膜堆疊的第一 λ/4多層膜；其中所述多種薄膜堆疊的第二 λ/4多層膜，所述第二 λ/4多層膜在所述第一 λ/4多層膜的與襯底側(cè)的相反側(cè)上形成；以及介于所述第一 λ/4多層膜和所述第二 λ /4多層膜之間的波長(zhǎng)選擇層，所述波長(zhǎng)選擇層根據(jù)選擇波長(zhǎng)而具有與各薄膜的光學(xué)膜厚度不同的光學(xué)膜厚度，和其中所述多種薄膜中至少一種薄膜由吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外吸收材料形成，所述遠(yuǎn)紅外線的波長(zhǎng)范圍比由所述第一 λ/4多層膜和所述第二 λ/4多層膜設(shè)定的紅外線反射帶更長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為氧化物或氮化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為Al2O315
9.根據(jù)權(quán)利要求6的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為Τ 05。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為SiNx。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為SiOx。
12.根據(jù)權(quán)利要求6-11中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述第一λ/4多層膜和所述第二 λ /4多層膜通過(guò)將由Ge形成的薄膜和由所述遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜交替堆疊而形成，其中Ge為具有比所述遠(yuǎn)紅外吸收材料更高的折射率的材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求6-11中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述第一λ/4多層膜和所述第二 λ /4多層膜通過(guò)將由Si形成的薄膜和由所述遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜交替堆疊而形成，其中Si為具有比所述遠(yuǎn)紅外吸收材料更高的折射率的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求6-13中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述襯底為Si襯底。
15.根據(jù)權(quán)利要求6-14中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述紅外濾光器包含多個(gè)過(guò)濾部件，和其中所述多個(gè)過(guò)濾部件的波長(zhǎng)選擇層的光學(xué)膜厚度相互不同。
16.一種制造根據(jù)權(quán)利要求15的紅外濾光器的方法，其中所述方法包括在將多種薄膜堆疊在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬系幕静襟E中間，形成至少一個(gè)波長(zhǎng)選擇層圖案的步驟，其中所述波長(zhǎng)選擇層圖案通過(guò)如下步驟形成在所述堆疊膜上形成薄膜，該薄膜為在所述基本步驟中間由與所述堆疊膜的次頂層相同的材料形成的薄膜，且具有根據(jù)過(guò)濾部件中任意一個(gè)過(guò)濾部件的選擇波長(zhǎng)而設(shè)定的光學(xué)膜厚度；和蝕刻在所述堆疊膜上形成的薄膜中除了對(duì)應(yīng)于所述任意一個(gè)過(guò)濾部件的部分之外的部分。
17.—種制造根據(jù)權(quán)利要求15的紅外濾光器的方法，其中所述方法包括如下步驟在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬闲纬傻谝?λ/4多層膜的第一 λ/4多層膜形成步驟和在第一 λ/4多層膜的與襯底側(cè)的相反側(cè)上形成第二 λ/4多層膜的第二 λ/4多層膜形成步驟之間，通過(guò)掩模氣相沉積在對(duì)應(yīng)于各過(guò)濾部件的各位點(diǎn)上形成具有相互不同的光學(xué)膜厚度的波長(zhǎng)選擇層。
18.一種控制波長(zhǎng)范圍在800-20000nm的紅外線的紅外濾光器，包括半導(dǎo)體襯底；和在所述半導(dǎo)體襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬闲纬傻膶拵ё钃踹^(guò)濾部件，其中所述寬帶阻擋過(guò)濾部件由其中堆疊有多種具有不同折射率的薄膜的多層膜形成，和其中所述多種薄膜中的至少一種薄膜由吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外吸收材料形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為氧化物或氮化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為Al2O315
21.根據(jù)權(quán)利要求18的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為T(mén)a205。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為SiNx。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的紅外濾光器，其中所述遠(yuǎn)紅外吸收材料為SiOx。
24.根據(jù)權(quán)利要求18-23中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述多層膜通過(guò)將由Ge形成的薄膜和由所述遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜交替堆疊而形成，其中Ge為具有比所述遠(yuǎn)紅外吸收材料高的折射率的材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求18-23中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述多層膜通過(guò)將由Si形成的薄膜和由所述遠(yuǎn)紅外吸收材料形成的薄膜交替堆疊而形成，其中Si為具有比所述遠(yuǎn)紅外吸收材料高的折射率的材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求18-25中任一項(xiàng)的紅外濾光器，其中所述半導(dǎo)體襯底為Si襯底。
全文摘要
本發(fā)明的紅外濾光器包括由紅外透射材料形成的襯底和在襯底的一個(gè)表面?zhèn)壬喜⑴排帕械亩鄠€(gè)過(guò)濾部件。各過(guò)濾部件包括第一λ/4多層膜，其中將兩種具有相互不同的折射率但相同的光學(xué)膜厚度的薄膜交替堆疊；第二λ/4多層膜，其中將兩種薄膜交替堆疊，所述第二λ/4多層膜在第一λ/4多層膜的與襯底側(cè)的相反側(cè)上形成；和置于第一λ/4多層膜和第二λ/4多層膜之間的波長(zhǎng)選擇層，其中根據(jù)所需選擇波長(zhǎng)，所述波長(zhǎng)選擇層具有與其他薄膜的光學(xué)膜厚度不同的光學(xué)膜厚度。第一λ/4多層膜和第二λ/4多層膜的低折射率材料由氧化物構(gòu)成，且其高折射率材料由Ge所形成的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。波長(zhǎng)選擇層的材料與第一λ/4多層膜的次頂層薄膜的材料相同。
文檔編號(hào)G02B5/22GK102326104SQ20108000866
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者北村啟明, 園孝浩, 平井孝彥, 渡部祥文, 稻葉雄一, 西川尚之 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社