ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人静岡大学
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-25
(45)【発行日】2024-10-03
(54)【発明の名称】フィルタ素子及びそれを含む撮像素子
(51)【国際特許分類】
G02B 5/20 20060101AFI20240926BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20240926BHJP
【ＦＩ】
G02B5/20
H01L27/146 D
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2021556051
(86)(22)【出願日】2020-11-05
(86)【国際出願番号】 JP2020041324
(87)【国際公開番号】W WO2021095625
(87)【国際公開日】2021-05-20
【審査請求日】2023-10-24
(31)【優先権主張番号】P 2019205302
(32)【優先日】2019-11-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】304023318
【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100124800
【弁理士】
【氏名又は名称】諏澤 勇司
(72)【発明者】
【氏名】小野 篤史
(72)【発明者】
【氏名】宮道 篤孝
【審査官】越河 勉
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２３９２１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－００４６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０４０９０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／０２６２１１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／００７１５３２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０２７９８９１８（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３４８９９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ５／２０－５／２８
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光透過性を有する基板と、前記基板の主面に沿って形成される金属製の膜状部材とを備え、前記膜状部材は、
一方の面及び一方の面の反対側の他方の面と外部との間で光を透過可能なように前記基板によって支持され、前記基板の前記主面に沿った一方向に沿って等間隔で、前記一方向に略垂直な方向に折れ曲がるように形成されており、
前記一方向に沿って交互に特定の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む前記一方の面上の第１の面構造と、
前記一方向に沿って交互に前記特定の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む前記他方の面上の第２の面構造と、
を有し、
前記膜状部材の膜厚は、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲である、
フィルタ素子。
【請求項2】
前記基板は、誘電体材料を含む、請求項１記載のフィルタ素子。
【請求項3】
前記膜状部材は、前記第１の面構造の凹面及び凸面の少なくとも一方の面上において、前記第２の面構造まで貫通するように前記特定の周期で周期的に形成された直線状のスリットをさらに有する、
請求項１又は２に記載のフィルタ素子。
【請求項4】
前記スリットは、前記第１の面構造の凹面及び凸面の両方の面上において前記特定の周期で周期的に形成されている、請求項３記載のフィルタ素子。
【請求項5】
前記第１の面構造の前記凹面及び前記凸面は直線状に延びるように形成されており、前記スリットは、前記凹面あるいは凸面の延在方向に沿って形成されている、
請求項３又は４に記載のフィルタ素子。
【請求項6】
前記膜状部材は、膜厚が均一に形成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のフィルタ素子。
【請求項7】
前記特定の周期は、２２０ｎｍ～６８０ｎｍの範囲である、請求項１～６のいずれか１項に記載のフィルタ素子。
【請求項8】
前記スリットの幅は、０ｎｍ～３０ｎｍの範囲である、請求項３～５のいずれか１項に記載のフィルタ素子。
【請求項9】
前記第１の面構造における凹面と凸面との間の段差は、２０ｎｍ～７０ｎｍの範囲である、請求項１～８のいずれか１項に記載のフィルタ素子。
【請求項10】
受光素子が二次元的に配列された半導体基板と、前記半導体基板上で前記受光素子に対向するように配置された請求項１～９のいずれか１項に記載のフィルタ素子と、
を備える撮像素子。
【請求項11】
光透過性を有する基板と、前記基板の主面に沿って形成される金属製の膜状部材とを備え、前記膜状部材は、
一方の面及び一方の面の反対側の他方の面と外部との間で光を透過可能なように前記基板によって支持され、
前記基板の前記主面に沿った互いに直交する二つの方向の各々の方向に沿って等間隔で、前記互いに直交する二つの方向の各々の方向に略垂直な方向に折れ曲がるように面が形成されており、
前記互いに直交する二つの方向の各々の方向に沿って交互に特定の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む前記一方の面上の第１の面構造と、
前記互いに直交する二つの方向の各々の方向に沿って交互に前記特定の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む前記他方の面上の第２の面構造と、を有し、
前記膜状部材の膜厚は、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲である、
フィルタ素子。
【請求項13】
光透過性を有する基板と、前記基板の主面に沿って形成される金属製の膜状部材とを備え、前記膜状部材は、
一方の面及び一方の面の反対側の他方の面と外部との間で光を透過可能なように前記基板によって支持され、
前記基板の前記主面に沿った互いに６０度の角度をなす三つの方向の各々の方向に略垂直な方向に折れ曲がるように面が形成されており、
前期略垂直な方向に折れ曲がるように形成される面によって囲まれる正三角形の凹面あるいは凸面を形成する前記一方の面上の第１の面構造と、
前期略垂直な方向に折れ曲がるように形成される面によって囲まれる正三角形の凸面あるいは凹面を形成する前記一方の面上の第２の面構造と、
を有し、
前記膜状部材の膜厚は、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲である、
フィルタ素子。
【請求項14】
光透過性を有する基板と、前記基板の主面に沿って形成される金属製の膜状部材とを備え、前記膜状部材は、
一方の面及び一方の面の反対側の他方の面と外部との間で光を透過可能なように前記基板によって支持され、
前記基板の前記主面に沿った互いに１２０度の角度をなす六つの方向の各々の方向に略垂直な方向に折れ曲がるように面が形成されており、
前期略垂直な方向に折れ曲がるように形成される面によって囲まれる正六角形の凹面あるいは凸面を形成する前記一方の面上の第１の面構造と、
前期略垂直な方向に折れ曲がるように形成される面によって囲まれる正六角形の凸面あるいは凹面を形成する前記一方の面上の第２の面構造と、
を有し、
前記膜状部材の膜厚は、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲である、
フィルタ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一形態は、フィルタ素子及びそれを含む撮像素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から表面プラズモン共鳴を利用したフィルタ素子が開発されている。例えば、金属薄膜にナノスケールの微細な貫通孔を配列して形成した構造を有するフィルタが知られている（下記非特許文献１参照）。上記構造のフィルタでは、貫通孔の直径及び配列周期を制御することにより特定の波長域の光に対する透過波長の選択性を示す。
【0003】
その他の構造のフィルタとして、金属膜の片面に周期的に形成された同心円状の凹凸構造と、その凹凸構造の中心に設けられた微小孔とを有するものが考案されている（下記特許文献１）。さらに、光の透過効率を上げるための構成として、金属膜の両面に同一周期で周期的に形成された同心円状の凹凸構造とその凹凸構造の中心に設けられた微小孔とを有する光学素子も知られている（下記特許文献２）。このような構造のフィルタも、凹凸構造の周期が制御されることで透過波長の選択性を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０００－１７１７６３号公報
【文献】特開２０１８－４６９４号公報
【非特許文献】
【0005】
【文献】Yokogawa et al.， “Plasmonic Color Filters for CMOS Image Sensor Applications”， Nano Lett., 2012, 12 (8), pp 4349-4354， 2012年7月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述した従来のフィルタにおいては、透過波長のさらなる狭帯域化と光透過率のさらなる向上が望まれている。
【0007】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、透過波長の狭帯域化、及び光透過率の向上を実現可能なフィルタ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかるフィルタ素子は、光透過性を有する基板と、基板の主面に沿って形成される金属製の膜状部材とを備え、膜状部材は、一方の面及び一方の面の反対側の他方の面と外部との間で光を透過可能なように基板によって支持され、基板の主面に沿った一方向に沿って等間隔で、一方向に略垂直な方向に折れ曲がるように形成されており、一方向に沿って交互に特定の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む一方の面上の第１の面構造と、一方向に沿って交互に特定の周期で周期的に形成された凹面及び凸面を含む他方の面上の第２の面構造と、を有し、膜状部材の膜厚は、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲である。
【0009】
或いは、本発明の他の形態にかかる撮像素子は、受光素子が二次元的に配列された半導体基板と、半導体基板上で受光素子に対向するように配置された上述のフィルタ素子と、を備える。
【0010】
上記形態のフィルタ素子によれば、外部から膜状部材の一方の面に向けて光が入射すると、一方の面上において周期的な凹凸構造により分極が生じて表面プラズモン共鳴が励起される（カップリング）と同時に、これにより他方の面上においては一方の面上とは逆極性の分極が生じて表面プラズモン共鳴が誘起され、誘起された表面プラズモン共鳴が伝搬光に変換されて（デカップリング）他方の面側から外部に出射される。このように、膜状部材の両面に表面プラズモン共鳴を励起可能な構成を有することで、入射光の光透過率を向上させることができる。加えて、一方の面と他方の面との両面に凹面及び凸面とが同一周期で交互に並んだ構造を有しているので、特定の波長帯域の入射光に対して膜状部材の両面で発生する表面プラズモンの共鳴性を高めることができる結果、入射光の透過波長の狭帯域化も実現することができる。あるいは、上記他の形態の撮像素子によれば、受光素子において高い光透過率で狭帯域の光を受光することができるので、波長選択性が高く、かつ、高感度の撮像素子を実現することができる。
【0011】
ここで、上記形態のフィルタ素子においては、基板は誘電体材料を含むことが好適である。この場合、表面プラズモンが効率的に励起され、入射光の光透過率をより向上させることができる。
【0012】
また、膜状部材は、第１の面構造の凹面及び凸面の少なくとも一方の面上において、第２の面構造まで貫通するように特定の周期で周期的に形成された直線状のスリットをさらに有する、ことが好適である。この場合、スリットにおいて入射光の振動電界が集中することになり効率的に分極を生じさせることができるとともに、スリットによって膜状部材に区切りを設けることになる結果、入射光によって生じる分極のモードも安定させることができる。これにより、光透過率の一層の向上と一層の狭帯域化を実現できる。
【0013】
また、スリットは、第１の面構造の凹面及び凸面の両方の面上において特定の周期で周期的に形成されている、ことも好適である。この場合、さらなる光透過率の向上とさらなる狭帯域化が実現できる。
【0014】
また、第１の面構造の凹面及び凸面は直線状に延びるように形成されており、スリットは、凹面あるいは凸面の延在方向に沿って形成されている、ことも好適である。この場合、特定の偏光方向を有する入射光に関して、光透過率の向上と狭帯域化を実現できる。
【0015】
さらに、膜状部材は、膜厚が均一に形成されている、ことも好適である。かかる構成によれば、膜状部材の両面に表面プラズモン共鳴を安定して励起することができ、入射光の光透過率をより向上させることができる。
【0016】
ここで、特定の周期は、２２０ｎｍ～６８０ｎｍの範囲である、ことが好適であり、膜状部材の膜厚は、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲である、ことが好適であり、スリットの幅は、０ｎｍ～３０ｎｍの範囲である、ことが好適であり、第１の面構造における凹面と凸面との間の段差は、２０ｎｍ～７０ｎｍの範囲である、ことが好適である。このような構造により、可視から近赤外までの波長範囲の入射光に関して光透過率の向上と狭帯域化を実現できる。好適な周期範囲よりも周期をさらに大きくすれば赤外領域に対してフィルタ素子として機能し、周期をさらに小さくすれば紫外領域に対してフィルタ素子として機能する。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、透過波長の狭帯域化、及び光透過率の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】実施形態に係るフィルタ素子１の構造を示す斜視図である。
【図3】フィルタ素子１の各製造工程における加工状態を示す側面図である。
【図4】フィルタ素子１の透過スペクトルの偏光依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図5】フィルタ素子１の透過スペクトルの周期依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図6】フィルタ素子１の透過スペクトルの金属膜厚依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図7】フィルタ素子１の透過スペクトルの金属膜厚依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図8】フィルタ素子１の透過スペクトルのスリット幅依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図9】フィルタ素子１のスリット幅５０ｎｍのときの透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図10】フィルタ素子１の透過スペクトルの凹面と凸面の段差依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図11】フィルタ素子１の透過スペクトルの凹面と凸面の段差依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図12】実施形態に係る撮像素子１００の一部を示す斜視図である。
【図13】変形例にかかるフィルタ素子１Ａを誘電体基板３の側面側から見た側面図である。
【図14】フィルタ素子１Ａの透過スペクトルの周期依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図15】変形例にかかるフィルタ素子１Ｂを誘電体基板３の側面側から見た側面図である。
【図16】変形例にかかるフィルタ素子１Ｃを誘電体基板３の側面側から見た側面図である。
【図17】フィルタ素子１Ｂの透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図18】変形例にかかるフィルタ素子１Ｄを誘電体基板３の側面側から見た側面図である。
【図19】フィルタ素子１Ｄの透過スペクトルの周期依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図20】変形例にかかるフィルタ素子１Ｅを誘電体基板３の側面側から見た側面図である。
【図21】フィルタ素子１Ｅの透過スペクトルの周期依存性をシミュレーションにより算出した結果を示すグラフである。
【図22】変形例に係る金属薄膜５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄの平面図である。
【図23】凹凸面およびスリットが直線状に延びて形成されている平面図と、その偏光強度分布を示すグラフである。
【図24】凹凸面およびスリットが互いに直交する二つの方向に直線状に延びて形成されている平面図と、その偏光強度分布を示すグラフである。
【図25】凹凸面がそれぞれ６０度の角度を持つ正三角形で形成されている平面図、及びスリットが６０度の角度を持って形成されている平面図と、その偏光強度分布を示すグラフである。
【図26】凹凸面が１２０度の角度を持つ正六画形で形成されている平面図、及びスリットが６０度の角度を持って形成されている平面図と、その偏光強度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るフィルタ素子及びそれを含む撮像素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
【0020】
【0021】
フィルタ素子１は、外部からの入射光を受けてその入射光のうちの規定の波長帯域の成分を透過させる光学素子であり、誘電体基板３と金属薄膜（膜状部材）５とを含んで構成されている。
【0022】
なお、以下の説明においては、フィルタ素子１を構成する誘電体基板３の主面３ａに沿った一方向にＸ軸を規定し、主面３ａに沿ったＸ軸に垂直な方向にＹ軸を規定し、Ｘ軸及びＹ軸に垂直な方向に右手系座標軸を構成するようにＺ軸を規定する。
【0023】
誘電体基板３は、少なくとも紫外から赤外までの波長帯域の光に対して光透過性を有する誘電体材料によって構成される矩形平板状の部材である。誘電体基板３を構成する誘電体材料としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、低誘電率（ｌｏｗ－ｋ）材料等が例示される。
【0024】
金属薄膜５は、アルミニウム、銀、金、銅、白金、インジウム、マグネシウム、ガリウム等の金属材料、窒化チタン等の遷移金属窒化物材料からなる金属製の均一の膜厚を有する薄膜であり、誘電体基板３の中に主面３ａに沿って埋設されている。具体的には、金属薄膜５は、誘電体基板３の主面３ａ側の一方の面５ａが誘電体基板３を構成する誘電体材料によって完全に覆われており、誘電体基板３の主面３ａの反対側の主面３ｂ側の他方の面５ｂも誘電体基板３を構成する誘電体材料によって完全に覆われている。言い換えれば、金属薄膜５は、一方の面５ａと外部との間、及び他方の面５ｂと外部との間を光が透過可能なように誘電体基板３によって支持されている。
【0025】
金属薄膜５の形状について詳述すると、金属薄膜５は、Ｘ軸方向に沿って等間隔でＺ軸に略平行な方向に折れ曲がるように形成されることにより、一方の面５ａにおける第１の面構造と、他方の面５ｂにおける第１の面構造と表裏一体の第２の面構造とを有する。この第１の面構造は、Ｘ軸方向に沿って交互に特定の周期Ｔ１で周期的に形成され、Ｙ軸方向に直線状に延びる凹面７ａ及び凸面７ｂを含む。また、第２の面構造は、Ｘ軸方向に沿って交互に特定の周期Ｔ１で周期的に形成され、Ｙ軸方向に直線状に延びる凸面９ｂ及び凹面９ａを含む。これらの凹面７ａ及び凸面９ｂは、表裏一体の構造によりＸ軸方向に沿った幅Ｗ１が等しく形成されており、凸面７ｂ及び凹面９ａも、表裏一体の構造によりＸ軸方向に沿った幅Ｗ２が等しく形成されている。また、第１の面構造は、凹面７ａと凸面７ｂとの間のＺ軸方向の段差の距離がＤ１となるように形成され、第２の面構造は、凸面９ｂと凹面９ａとの間のＺ軸方向の段差の距離が第１の面構造と等しい値Ｄ１になるように形成される。幅Ｗ１と幅Ｗ２とは等しく設定されていても異なって設定されていてもよいが、本実施形態では等しく設定されている。
【0026】
上記でいう「周期」とは、凹面及び凸面のそれぞれの中心位置のＸ軸に沿って隣接する凹面及び凸面の中心位置とのＸ軸方向の距離のことであり、「幅」とは、凹凸面の両側の金属薄膜５の屈曲部分の中心の間のＸ軸方向の距離のことである。
【0027】
加えて、金属薄膜５には、第１の面構造の凹面７ａ及び凸面７ｂの中央の両方に、凹面７ａ及び凸面７ｂの延在方向（Ｙ軸方向）に沿って直線状に延びる所定のスリット幅Ｗ３のスリット１１が形成されている。このスリット１１は、凹面７ａ及び凸面７ｂのそれぞれのＸ軸方向の中央から第２の面構造の凸面９ｂ及び凹面９ａの中央までＺ軸方向に貫通している。このような構成により、凹面７ａに形成されたスリット１１はＸ軸方向に沿って周期Ｔ１で並ぶように配置され、凸面７ｂに形成されたスリット１１もＸ軸方向に沿って周期Ｔ１で並ぶように配置されることとなる。
【0028】
【0029】
なお、同図においてはフィルタ素子１の第１の面構造及び第２の面構造の加工状態を部分的に示している。
【0030】
まず、誘電体基板３の一部を形成することになる誘電体基板１３を用意し、その誘電体基板１３を洗浄する（図３の（ａ）部）。次に、その誘電体基板１３の表面に電子線用レジスト１５をスピンコートにより形成する（図３の（ｂ）部）。
【0031】
その後、電子線用レジスト１５に対して電子線描画装置により描画する（図３の（ｃ）部）。詳細には、電子線用レジスト１５としてポジ型レジストを用いる場合、第１の面構造の凹面７ａ及び第２の面構造の凸面９ｂに該当する箇所を描画する。この際、誘電体基板１３の表面に沿って周期Ｔ１で１次元的に周期的に直線状のパターンを描画する。この工程により、誘電体基板１３上に、一次元的に周期Ｔ１で周期的に繰り返される凹面７ａに対応する露出面が形成されるとともに、一次元的に周期Ｔ１で周期的に繰り返される凸面７ｂに対応するパターンで電子線用レジスト１５が残される。なお、パターンを描画する際にはナノインプリントによって行われてもよい。この周期Ｔ１は、凹凸面の周期を決定し、透過波長に対応するプラズモン共鳴波長を決める上で重要である。この工程で描画するパターンによって、第１の面構造及び第２の面構造における周期Ｔ１及び幅Ｗ１，Ｗ２が種々の値になるように制御される。
【0032】
さらに、パターンが描画された誘電体基板１３をドライエッチングすることにより、第１の面構造の凹面７ａに対応する部分を所定の深さで除去する（図３の（ｄ）部）。このドライエッチングによって除去される深さにより、第１の面構造及び第２の面構造における段差の距離Ｄ１の値が制御される。
【0033】
そして、ドライエッチングで加工された誘電体基板１３上から電子線用レジスト１５を溶剤を用いて除去してから、誘電体基板１３の表面上に、アルミニウム等の金属材料を真空蒸着あるいはスパッタにより成膜することにより、金属薄膜５が形成される（図３の（ｅ）部）。この工程によって成膜する金属材料の膜厚により、金属薄膜５の膜厚が制御される。これによって、金属薄膜５において、一方の面上の凹面７ａ及び凸面７ｂを有する第１の面構造と、他方の面上の凸面９ｂ及び凹面９ａを有する第２の面構造とが、表裏一体の構造として形成される。
【0034】
その後、誘電体基板１３上の金属薄膜５に対して第１の面構造から第２の面構造に貫通するスリット１１が、集束イオンビーム加工装置を用いて金属薄膜５をエッチングすることにより形成される（図３の（ｆ）部）。集束イオンビーム加工装置によってエッチングの幅を制御することにより、スリット１１の幅Ｗ３の値が設定される。最後に、誘電体基板１３上の金属薄膜５を覆うようにキャッピングにより誘電体材料を成膜することにより、金属薄膜５が埋設された誘電体基板３が形成される（図３の（ｇ）部）。
【0035】
なお、上記の図３の（ｆ）部及び（ｇ）部に示した工程は、次のような工程に変更されてもよい。すなわち、金属薄膜５が形成された誘電体基板１３上に電子線用レジスト１７をスピンコートにより形成する（図３の（ｈ）部）。その後、電子線用レジスト１７に対して電子線描画装置により描画する（図３の（ｉ）部）。詳細には、電子線用レジスト１７としてポジ型レジストを用いる場合、第１の面構造上のスリット１１に該当する箇所を描画する。この際、誘電体基板１３の表面に沿って周期的に直線状のパターンを描画する。この工程により、誘電体基板１３上に、一次元的に周期Ｔ１で周期的に繰り返される凹面７ａの中央のスリット１１に対応する露出面が形成されるとともに、一次元的に周期Ｔ１で周期的に繰り返される凸面７ｂの中央のスリット１１に対応するパターンで露出面が形成される。この工程で描画するパターンによって、スリット１１の幅Ｗ３が種々の値になるように制御される。さらに、パターンが描画された誘電体基板１３をドライエッチングすることにより、金属薄膜５のスリット１１に対応する部分を除去してスリット１１を形成する（図３の（ｊ）部）。そして、ドライエッチングで加工された誘電体基板１３上から電子線用レジスト１７を溶剤を用いてを除去してから、誘電体基板１３上の金属薄膜５を覆うようにキャッピングにより誘電体材料を成膜することにより、金属薄膜５が埋設された誘電体基板３が形成される（図３の（ｋ）部）。
【0036】
次に、図４～図１１を参照して、上述した製造方法によって製造されたフィルタ素子１の透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示すとともに、フィルタ素子１の構造パラメータの設定範囲について述べる。ここでは、フィルタ素子１に対して、主面３ａに垂直に入射光を入射させた場合の主面３ｂから外部に透過する光の光透過率を計算した。
【0037】
図４には、凹面７ａ及び凸面７ｂの形成方向であるＹ軸方向に偏光方向を有するＴＥ偏光の入射光とＹ軸方向に垂直な偏光方向（Ｘ軸方向）を有するＴＭ偏光の入射光とを波長範囲４００～１０００ｎｍで入射させた場合の光透過スペクトルを示している。ここでは、フィルタ素子１の構造パラメータとして、周期Ｔ１＝４００ｎｍ、金属薄膜５の膜厚２０ｎｍ、スリット幅Ｗ３＝２０ｎｍ、段差Ｄ１＝３０ｎｍ、幅Ｗ１＝幅Ｗ２＝Ｔ１／２＝２００ｎｍを想定した。この計算結果により、ＴＭ偏光の光を入射させた際には、フィルタ素子１は、６００ｎｍ付近の特定の波長を中心とした狭帯域の透過特性を有し、透過率のピークが０．６まで上昇し、ＴＥ偏光の光を入射させた場合には、広い波長帯域において入射光を遮断する特性を有することが分かる。
【0038】
図５には、上記の構造パラメータのうちの周期Ｔ１のみを２２０ｎｍ～６８０ｎｍの範囲で２０ｎｍ間隔で変化させた場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、周期Ｔ１を変化させることにより、４００ｎｍ～１０００ｎｍまでの紫外から近赤外までの範囲で透過波長帯域が周期Ｔ１に対応して変化し、透過率のピークは０．５～０．６の範囲に維持されることが分かる。このような性質を踏まえ、本実施形態のフィルタ素子１においては、周期Ｔ１が２２０ｎｍ～６８０ｎｍの範囲で設計されている。
【0039】
図６及び図７には、上記の構造パラメータのうちの金属薄膜５の膜厚のみを５～１００ｎｍの範囲で変化させた場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、膜厚のパラメータが透過率及び透過波長帯域幅に影響を与えることが判明した。具体的には、膜厚を１０ｎｍ、２０ｎｍ、５０ｎｍと変化させた場合には、６００ｎｍ付近に狭帯域の透過波長帯域を有し、透過率は０．４～０．６程度の値が確保される。一方で、膜厚を５ｍと薄くすると、金属薄膜５が広い波長帯域の光を透過することになることから、透過波長帯域幅が広がってしまう。また、膜厚を１００ｎｍと厚くした場合も透過波長帯域幅が広がってしまう。この計算結果より、透過波長の狭帯域化の観点からは膜厚は１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲が好適であり、透過波長の狭帯域化及び光透過率の向上のためには膜厚２０ｎｍ付近が最適であると予想される。このような性質を踏まえ、本実施形態のフィルタ素子１においては、金属薄膜５の膜厚が１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲で設計されている。
【0040】
図８及び図９には、上記の構造パラメータのうちのスリット幅Ｗ３のみを０～５０ｎｍの範囲で変化させた場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、スリット幅Ｗ３のパラメータも透過率及び透過波長帯域幅に影響を与えることが判明した。具体的には、スリット幅Ｗ３を０ｎｍ（スリットなし）、２０ｎｍ、３０ｎｍと変化させた場合には、６００ｎｍ付近に狭帯域の透過波長帯域を有し、透過率は０．４～０．７程度の値が確保される。一方で、スリット幅Ｗ３を５０ｎｍと大きくすると、スリットを広い波長帯域の光が透過することになることから、透過波長帯域幅が広がってしまう。この計算結果より、透過波長の狭帯域化の観点からはスリット幅Ｗ３は０ｎｍ～３０ｎｍの範囲が好適であり、透過波長の狭帯域化及び光透過率の向上のためにはスリット幅Ｗ３＝２０ｎｍ付近が最適であると予想される。このような性質を踏まえ、本実施形態のフィルタ素子１においては、スリット幅Ｗ３が０ｎｍ～３０ｎｍの範囲で設計されている。
【0041】
図１０及び図１１には、上記の構造パラメータのうちの段差Ｄ１のみを１０～１００ｎｍの範囲で変化させた場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、段差Ｄ１のパラメータも透過率及び透過波長帯域幅に影響を与え、特に透過波長帯域幅に大きな影響を与えることが判明した。具体的には、段差Ｄ１を２０ｎｍ、４０ｎｍ、７０ｎｍと変化させた場合には、６００～７００ｎｍ付近に透過波長帯域を有し、透過率は０．４～０．６程度の値が確保される。一方で、段差Ｄ１を１００ｎｍと大きくすると、透過波長帯域のピークが消失し、長波長側に透過特性が生じてしまう。また、段差Ｄ１を１０ｎｍと小さくすると、透過波長のピークにおける光透過率が著しく低下してしまう。この計算結果より、光透過率の向上の観点からは段差Ｄ１は２０ｎｍ～７０ｎｍの範囲が好適であり、透過波長の狭帯域化及び光透過率の向上のためには段差Ｄ１＝２０～４０ｎｍ付近が最適であると予想される。このような性質を踏まえ、本実施形態のフィルタ素子１においては、段差Ｄ１が２０ｎｍ～７０ｎｍの範囲で設計されている。
【0042】
次に、図１２を参照しながら、実施形態に係る撮像素子１００の構成を説明する。図１２は撮像素子１００の一部を示す斜視図である。撮像素子１００は外部からの入射光を基にカラー画像を取得するための素子であり、複数の画素が二次元的に配列されて構成されている。図１２には、撮像素子１００の一部の画素の構造が示されている。同図に示すように、撮像素子１００は、受光素子が２次元的に配列された半導体基板１０３と半導体基板１０３の主面１０５に対向するようにそれぞれの受光素子に対応して設けられた複数のフィルタ素子１とを備える。半導体基板１０３は、主面１０５に沿って矩形状に分割された複数の画素部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄを有している。それぞれの画素部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄは、内部に受光素子が形成されており、主面１０５側から入射した光を検出して画素信号を生成する。複数のフィルタ素子１は、半導体基板１０３の主面１０５上の複数の画素部１０３ａ～１０３ｄを覆うように設けられている。これらの複数のフィルタ素子１は、透過波長帯域が互いに異なるように設計されている。撮像素子１００は、図１２に示すフィルタ素子１及び画素部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄが主面１０５に沿って２次元的に複数連結されて構成されている。なお、撮像素子１００においては、２次元的に連結されたフィルタ素子１が、互いに一体化されたものであってもよいし、それぞれが分離された部材であってもよい。２次元的に連結された画素部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄが、半導体基板１０３として互いに一体化されたものであってもよいし、それぞれが分離された半導体基板１０３であってもよい。ただし、画素が微細化された際の製造効率を高めるためには、２次元的に配列されたフィルタ素子１、及び２次元的に配列された画素部１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄが、それぞれ、一体化されていることが好ましい。
【0043】
以上説明した本実施形態の作用効果について説明する。
【0044】
本実施形態のフィルタ素子１によれば、外部から金属薄膜５の一方の面５ａに向けて光が入射すると、一方の面５ａ上において周期的な凹凸構造により分極が生じて表面プラズモン共鳴が励起される(カップリング)と同時に、これにより他方の面５ｂ上においては一方の面５ａとの間で干渉が生じることにより逆極性の分極が生じて表面プラズモン共鳴が誘起され、誘起された表面プラズモン共鳴が伝搬光に変換されて（デカップリング）他方の面５ｂ側から外部に出射される。このように、金属薄膜５の両面に表面プラズモン共鳴を励起可能な構成を有することで、入射光の光透過率を向上させることができる。加えて、一方の面５ａと他方の面５ｂとの両面に凹面及び凸面とが同一周期で交互に並んだ構造を有しているので、特定の波長帯域の入射光に対して金属薄膜５の両面で発生する表面プラズモンの共鳴性を高めることができる結果、入射光の透過波長の狭帯域化も実現することができる。あるいは、本実施形態の撮像素子１００によれば、受光素子において高い光透過率で狭帯域化された所定の波長帯域の光を受光することができるので、波長選択性が高く、かつ、高感度の撮像素子を実現することができる。
【0045】
ここで、上記形態のフィルタ素子１においては、金属薄膜５は、第１の面構造の凹面７ａ及び凸面７ｂの両方の面上において、第２の面構造まで貫通するように特定の周期で周期的に形成された直線状のスリット１１をさらに有している。このような構成により、スリット１１において入射光の振動電界が集中することになり効率的に分極を生じさせることができるとともに、スリット１１によって金属薄膜５に区切りを設けることになる結果、入射光によって生じる分極のモードも安定させることができる。これにより、フィルタ素子１によって光透過率の一層の向上と一層の透過波長の狭帯域化を実現できる。
【0046】
加えて、金属薄膜５の第１の面構造においては、凹面７ａ及び凸面７ｂは直線状に延びるように形成されており、スリット１１は、凹面７ａあるいは凸面７ｂの延在方向に沿って形成されている。このような構造により、特定の偏光方向を有する直線偏光の入射光を対象にして、光透過率の向上と透過波長の狭帯域化を実現できる。
【0047】
さらに、フィルタ素子１においては、金属薄膜５は膜厚が均一に形成されているので、金属薄膜５の両面に表面プラズモン共鳴を安定して励起することができ、入射光の光透過率をより向上させることができる。
【0048】
ここで、フィルタ素子１の構造パラメータのうち、周期Ｔ１は２２０ｎｍ～６８０ｎｍの範囲に設定されており、金属薄膜５の膜厚は１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲に設定されており、スリット幅Ｗ３は０ｎｍ～３０ｎｍの範囲に設定されており、段差Ｄ１は２０ｎｍ～７０ｎｍの範囲に設定されている。このような構造パラメータに設定されることにより、紫外から近赤外までの波長範囲の入射光に関して光透過率の向上と透過波長の狭帯域化を実現できる。特に、金属薄膜５の膜厚は１０ｎｍ～５０ｎｍと比較的薄くすることで、金属薄膜５の両界面がお互いに干渉できる厚さとなり、狭帯域及び高光透過率を実現できる。また、スリット幅Ｗ３を０ｎｍ～３０ｎｍの範囲の微小な幅に設定することで、所望の波長領域以外の波長領域の光透過を防ぎつつ、表面プラズモン共鳴を金属薄膜５の両面で励起でき、狭帯域及び高光透過率を実現できる。
【0049】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態においては下記の構成に変更されてもよい。
【0050】
例えば、金属薄膜５においてはスリット１１を設けなくてもよい。図１３は、変形例にかかるフィルタ素子１Ａの一部を示す側面図である。この変形例では、凹面７ａ及び凸面７ｂに設けられるスリット１１が省略されている。このような構造によっても、金属薄膜５の両面に表面プラズモン共鳴を励起可能とされ、入射光の光透過率を向上させることができ、入射光の透過波長の狭帯域化も実現することができる。
【0051】
図１４には、フィルタ素子１Ａにおいて、図４の特性の計算時に用いた構造パラメータのうちの周期Ｔ１を２２０ｎｍ～６８０ｎｍの範囲で２０ｎｍ間隔で変化させ、スリット幅Ｗ３＝０ｎｍ（スリットなし）に設定した場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、周期Ｔ１を変化させることにより、４００ｎｍ～１０００ｎｍまでの可視から近赤外までの範囲で透過波長帯域が周期Ｔ１に対応して変化し、透過率のピークは０．３～０．４の範囲に維持されることが分かる。特に、この変形例では短波長に透過波長領域を設定した際の長波長側の透過率が抑えられている。このような性質を踏まえ、本変形例のフィルタ素子１Ａにおいても、周期Ｔ１が２２０ｎｍ～６８０ｎｍの範囲で設計されている。
【0052】
また、金属薄膜５においては、第１の面構造の凹面７ａ及び凸面７ｂの面上の両方にスリット１１が設けられている必要はなく、どちらか片方に設けられていてもよい。図１５及び図１６は、変形例にかかるフィルタ素子１Ｂ，１Ｃの一部を示す側面図である。フィルタ素子１Ｂでは凹面７ａのみにスリット１１が設けられ、フィルタ素子１Ｃでは凸面７ｂのみにスリットが設けられている。このような構造によっても、入射光の光透過率を向上させることができ、入射光の透過波長の狭帯域化も実現することができる。
【0053】
図１７には、フィルタ素子１Ｂにおいて、図４の特性の計算時に用いた構造パラメータのうちの周期Ｔ１を１４０ｎｍに設定した場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、周期Ｔ１を設定することにより、４００ｎｍの紫外領域に透過波長帯域を設定でき、加えて長波長側の透過率を低く抑えられることが分かる。
【0054】
また、金属薄膜５は、両面が誘電体基板３の誘電体材料に覆われている必要はなく、どちらか片面は外部に露出されていてもよい。図１８は、変形例にかかるフィルタ素子１Ｄの一部を示す側面図である。フィルタ素子１Ｄは、フィルタ素子１との相違点として、金属薄膜５において、一方の面５ａが外部に露出され、他方の面５ｂが誘電体材料に覆われている構成を有する。このような構成によれば、一方の面５ａと外部との間で空気中を入射光が透過可能とされる。
【0055】
図１９には、フィルタ素子１Ｄにおいて、図４の特性の計算時に用いた構造パラメータのうちの周期Ｔ１を４００～６８０ｎｍの範囲で４０ｎｍ間隔で変更した場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、周期Ｔ１を設定することにより、４００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲に透過波長帯域を設定でき、透過率も０．２～０．３の範囲に維持されることが分かる。
【0056】
図２０は、変形例にかかるフィルタ素子１Ｅの一部を示す側面図である。フィルタ素子１Ｅは、フィルタ素子１Ａとの相違点として、金属薄膜５において、一方の面５ａが外部に露出され、他方の面５ｂが誘電体材料に覆われている構成を有する。このような構成によれば、一方の面５ａと外部との間で空気中を入射光が透過可能とされる。
【0057】
図２１には、フィルタ素子１Ｅにおいて、図４の特性の計算時に用いた構造パラメータのうちの周期Ｔ１を４００～６８０ｎｍの範囲で４０ｎｍ間隔で変更し、スリット幅Ｗ３＝０ｎｍ（スリットなし）に設定した場合のＴＭ偏光に関する光透過スペクトルを示している。この計算結果より、周期Ｔ１を設定することにより、４００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲に透過波長帯域を設定でき、透過率も０．２程度に維持されることが分かる。
【0058】
また、金属薄膜５の第１及び第２の面構造は、必ずしも凹凸面及びスリットが全体に亘り同一方向に直線状に延びて形成されている必要はなく、複数の方向（例えば、互いに直交する二つの方向）に沿って直線状に延びるように屈折あるいは交わって形成されていてもよい。図２２の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部、及び（ｄ）部には、変形例に係る金属薄膜５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄの平面図を示す。このような金属薄膜５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄの構成おいては、直交する２つの方向に沿って周期的に直線状の凹凸面及び直線状のスリットが並ぶように配置される。
【0059】
図２３の（a）部は金属薄膜の第１及び第２の面構造の凹凸面が、同一方向に直線状に延びて形成されている形態を表している。（b）部は前記（a）部の凹凸面のそれぞれにスリットが形成されている形態を表している。（c）部は前記（a）部または（b）部の金属薄膜を透過する透過光（プラズモン）の偏光の強度分布を表している。透過光の強度分布は、凹凸面と直行する方向に強い強度を持つ偏光特性を示し、この偏光特性により、入射光に対して透過光の透過率がかなり減少することがわかる。
【0060】
図２４の（a）部は金属薄膜の第１及び第２の面構造の凹凸面が、互いに直交する二つの方向に直線状に延びて形成されている形態を表している。（b）部は前記（a）部の凹凸面のそれぞれにスリットが形成されている形態を表している。（c）部は前記（a）部または（b）部の金属薄膜を透過する透過光（プラズモン）の偏光の強度分布を表している。透過光の強度分布は、直交する二つの方向に偏光強度を持ち、ランダム偏光の入射光に対して透過光の透過率は図２３よりも増加していることがわかる。
【0061】
図２５の（a）部は金属薄膜の第１及び第２の面構造の凹凸面が、それぞれ６０度の角度を持つ正三角形で形成されている形態を表している。（b）部は前記（a）部の凹凸面のそれぞれに６０度の角度を持って、スリットが形成されている形態を表している。（c）部は前記（a）部または（b）部の金属薄膜を透過する透過光（プラズモン）の偏光の強度分布を表している。透過光の強度分布は６０度の角度を持つ三つの方向に偏光強度を持ち、ランダム偏光の入射光に対して透過光の透過率が図２４よりもさらに増加していることがわかる。
【0062】
図２６の（a）部は金属薄膜の第１及び第２の面構造の凹面または凸面が、１２０度の角度を持つ正六画形で形成されている形態を表している。（b）部は前記（a）部の凹凸面のそれぞれに６０度の角度を持って、スリットが形成されている形態を表している。（c）部は前記（a）部または（b）部の金属薄膜を透過する透過光（プラズモン）の偏光の強度分布を表している。透過光の強度分布は６０度の角度を持つ三つの方向に偏光強度を持ち、ランダム偏光の入射光に対して透過光の透過率が図２４よりもさらに増加していることがわかる。
【符号の説明】
【0063】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…フィルタ素子、３…誘電体基板、３ａ，３ｂ…主面、５…金属薄膜（膜状部材）、５ａ，５ｂ…面、７ａ，９ａ…凹面、７ｂ，９ｂ…凸面、１１…スリット、１００…撮像素子、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ…画素部（受光素子）、Ｄ１…段差、Ｔ１…周期、Ｗ３…スリット幅。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】