JP4166712B2 - ファブリペローフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、可動鏡と固定鏡との間のギャップに応じて、所定波長の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタに関するものである。

従来、所定波長の赤外線のみを透過させる波長選択フィルタとしてファブリペローフィルタが知られており、その一例が特許文献１に開示されている。

図５（ａ），（ｂ）は、特許文献１に示されるファブリペローフィルタ１００を説明するための図であり、（ａ）は概略構成を示す断面図、（ｂ）はファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の波長域を説明するための図である。

図５（ａ）に示すように、特許文献１に示されるファブリペローフィルタ１００は、基板１０上に酸化膜１２（絶縁膜）を介して設けられた第一ミラー（固定鏡）１３に対し、酸化シリコン膜１４を介して所定ギャップの空洞部１６を形成するように第二ミラー（可動鏡）１５が対向配置されている。そして、夫々のミラー１３，１５に設けられた電極（図示せず）間に電位差を与えることにより、静電引力によって第二ミラー１５を第一ミラー１３に対して変位（変形）させ、上記ギャップを変化させる構成としている。これにより、ギャップに応じた所定波長の赤外線のみを透過させることができる。
特開２００１−２２８３２６号公報

しかしながら、特許文献１に示されるファブリペローフィルタ１００の場合、第二ミラー１５が、例えば多結晶シリコンからなる均一な膜構成であるので、第一ミラー１３方向に変位する際に、図５（ａ）にて破線で示すような撓んだ形状（所謂バルーン形状）となる。すなわち、第一ミラー１３と第二ミラー１５との間のギャップが不均一となる。従って、ファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長が、図５（ｂ）に示すように、広帯域化されるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑み、透過波長を狭帯域化できるファブリペローフィルタを提供することを目的としている。

上記目的を達成する為に請求項１に記載のファブリペローフィルタは、基板と、基板上に設けられた固定鏡と、当該固定鏡に対し、所定のギャップを有して対向配置された可動鏡とを備え、固定鏡に設けられた電極と可動鏡に設けられた電極との間に所定の電圧を印加し、可動鏡を変位させることによりギャップを変化させ、ギャップに対応する所望波長の赤外線を選択的に透過させるものである。そして、可動鏡には、周辺部に囲まれる中央部の上面に、可動鏡の構成材料よりも高い弾性を有する高弾性材料からなる補強膜が設けられ、該補強膜を含む中央部が、周辺部よりも肉厚とされていることを特徴とする。

このように、本発明のファブリペローフィルタによれば、補強膜を含む可動鏡の中央部が周辺部よりも肉厚であることによる効果と、補強膜が高弾性材料からなる効果とにより、電圧印加により可動鏡が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。従って、可動鏡は、中央部が略平坦なまま固定鏡に対して変形したなべ底形状となるので、変形時における可動鏡と固定鏡との間のギャップを、従来よりも均一とすることができる。すなわち、ファブリペローフィルタを透過する赤外線の透過波長を狭帯域化することができる。

特に本発明では、補強膜が高弾性材料からなるので、固定鏡と対向する可動鏡の平坦度を、同一材料によって中央部が周辺部よりも厚くされた構成よりも、大きくすることができる。

尚、高弾性材料としては、例えば請求項２に記載のように、電気絶縁性を有し、赤外線透過性に優れるダイヤモンドライクカーボンが好適である。

請求項３に記載のように、基板は半導体基板であり、固定鏡は、絶縁層を介して、半導体基板上に設けられていることが好ましい。この場合、一般的な半導体プロセスによりファブリペローフィルタを形成することができるので、製造コストを低減することができる。

尚、請求項１〜３いずれか１項に記載のファブリペローフィルタは、赤外線を放射する赤外線光源と赤外線を検出する赤外線センサとを備える赤外線検知式ガスセンサにおいて、波長選択フィルタとして好適である。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態におけるファブリペローフィルタの概略構成を示す断面図であり、（ａ）は電圧が印加されない状態（可動鏡変位前）を示す図、（ｂ）は電圧が印加された状態（可動鏡変位後）を示す図である。

図1（ａ）に示すように、ファブリペローフィルタ１００は、基板１０と、当該基板１０上に形成された固定鏡１３と、固定鏡１３との間に所定のギャップを有するように対向配置された可動鏡１５とにより構成される。

基板１０は、シリコンからなる半導体基板であり、下面に反射防止膜１１（酸化シリコン膜）が形成されている。また、基板１０の上面には、反射防止膜としての効果を有しつつ、固定鏡１３を基板１０から絶縁する絶縁膜１２（酸化シリコン膜）が形成されている。

基板１０の上面には、絶縁膜１２を介して、多結晶シリコン膜からなる固定鏡１３が形成されている。尚、図示しないが、固定鏡１３は、その端部に高濃度の不純物が注入された電極としてのパッド部を有している。

また、固定鏡１３上には、一部がエッチングにより除去された酸化シリコン膜１４が形成されており、当該酸化シリコン膜１４及びその除去領域上に多結晶シリコン膜からなる可動鏡１５が形成されている。従って、可動鏡１５は、酸化シリコン膜１４の除去領域である空洞部１６を介して、固定鏡１３に対向配置されており、電圧印加時に空洞部１６上の可動鏡１５が固定鏡１３に対して変位（変形）可能な構成となっている。尚、図示しないが、可動鏡１５も、その端部に高濃度の不純物が注入された電極としてのパッド部を有している。

空洞部１６は、可動鏡１５上に形成された保護膜としての窒化シリコン膜１７をマスクとし、窒化シリコン膜１６及び可動鏡１５を貫通するエッチングホール１８より酸化シリコン膜１４の所定領域をエッチングして形成されたものである。尚、ファブリペローフィルタ１００は、固定鏡１３と可動鏡１５との間の距離（すなわち空洞部１６のギャップ）に応じて、干渉により透過される赤外線（波長）を選択する。具体的には空洞部１６のギャップの２倍の波長λを有する赤外線を選択的に透過する。従って、可動鏡１５の変位前の状態で所定波長λを有する赤外線を透過させるために、空洞部１６の初期状態のギャップｈ₀（酸化シリコン膜１４の除去領域の膜厚）は、所定波長λの略１／２に設定されている。

このように構成されるファブリペローフィルタ１００は、固定鏡１３と可動鏡１５に設けられた各パッド部間に所定の電圧を印加すると、固定鏡１３と可動鏡１５との間に静電引力が生じ、空洞部１６上の可動鏡１５が固定鏡１３に対して変位する。すなわち、空洞部１６のギャップが変化する。そして、当該ギャップの２倍の波長を有する赤外線を透過する。

従来であれば、図５（ａ）に示すように、可動鏡１５が、例えば多結晶シリコンからなる均一な膜構成であるので、固定鏡１３方向に変位する際に、破線で示すような撓んだ形状（所謂バルーン形状）となる。すなわち、可動鏡１５変位時の固定鏡１３と可動鏡１５との間のギャップが不均一となる。従って、ファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長が、図５（ｂ）に示すように、広帯域化されるという問題があった。このように、ファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長の広帯域化すると、赤外線を検出する赤外線センサにおいて、ノイズ成分が大きくなり、センサ感度が低下する。尚、図５（ａ），（ｂ）は、ファブリペローフィルタ１００の従来例を説明するための図であり、（ａ）は概略構成を示す断面図、（ｂ）は透過波長域を説明するための図である。図５（ａ）においては、反射防止膜１１及び保護膜１７のない構成を図示しているが、反射防止膜１１及び保護膜１７の少なくとも一方を備えた構成であっても良い。

しかしながら、本実施形態に示すファブリペローフィルタ１００の場合、図１（ｂ）に示すように、空洞部１６上における保護膜１７の上面に補強膜１９が形成されている。この補強膜１９は、電圧印加時に変位するように所定のギャップｈ₀を有する空洞部１６上に設けられた可動鏡１５の部位のうち、可動鏡１５の端部と離間し、周囲を周辺部に囲まれた中央部に対応して形成されている。尚、特許請求の範囲で示す可動鏡は、本実施形態における可動鏡１５、保護膜１７、及び補強膜１９を示しており、周辺部は空洞部１６上における可動鏡１５及び保護膜１７から構成され、中央部は空洞部１６上における可動鏡１５、保護膜１７、及び補強膜１９から構成される。尚、空洞部１６上における可動鏡１５の中央部及び周辺部は、可動鏡１５の変位量に応じて適宜設定される。

このように、可動鏡１５は中央部上に補強膜１９を備えるので、中央部が周囲部よりも肉厚であり、電圧印加により可動鏡１５が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。従って、可動鏡１５は、図１（ｂ）に示すように、中央部が略平坦なまま固定鏡１３に対して変形したなべ底形状となるので、変位時における固定鏡１３と可動鏡１５との間のギャップｈを、従来よりも均一とすることができる。すなわち、可動鏡１５変位時のファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長を、図２に示すように狭帯域化することができる。尚、図２は、本実施形態に示すファブリペローフィルタ１００の効果を説明するための図である。このように、ファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長の狭帯域化されると、赤外線を検出する赤外線センサにおいて、ノイズ成分が小さくなり、センサ感度が向上される。

尚、可動鏡１５変位時の空洞部１６のギャップｈは、変位前のギャップｈ₀、可動鏡１５の構成（変形しやすさ）、及び固定鏡１３と可動鏡１５との間に印加される電圧によって調整することができる。本実施形態においては、可動鏡１５変位時の空洞部１６のギャップｈが、所望波長を有する赤外線を選択的に透過することができる所望波長の１／２程度となるように調整されている。

ここで、補強膜１９を構成する材料としては、特に限定されるものではない。例えば、保護膜１７がない場合、補強膜１９は、可動鏡１５と同一材料を用いて可動鏡１５に一体に形成されていても良い。また、保護膜１７と同一材料を用いて保護膜１７に一体に形成されていても良い。しかしながら、可動鏡１５の構成材料よりも高い弾性を有する高弾性材料を適用すると、高弾性材料自体の特性によって、可動鏡１５の中央部の変形をさらに抑制することができる。すなわち、固定鏡１３と対向する可動鏡１５（中央部）の平坦度が同一材料による構成の場合よりも大きくなり、ファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長がより狭帯域化される。

尚、高弾性材料としては、例えば高硬度、電気絶縁性を有し、赤外線透過性に優れるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が好適である。この場合、補強膜１９の膜厚をより薄くすることができるので、補強膜１９による光学ロスを低減できる。本実施形態における補強膜１９もダイヤモンドライクカーボンを構成材料としている。

次に、上述したファブリペローフィルタ１００の製造方法を、図１（ａ）に基づいて説明する。

シリコンからなる基板１０の上下両表面に、例えば熱酸化法により酸化シリコンからなる反射防止膜１１と絶縁膜１２を形成する。この反射防止膜１１及び絶縁膜１２は、基板１０における赤外線の反射を防止する。また、絶縁膜１２は、その直上に形成される多結晶シリコンからなる固定鏡１３との密着性を高め、固定鏡１３をエッチングにより形成する際のエッチングストッパとなる。

次に、絶縁膜１２上に、例えば多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により形成し、リン等の不純物を導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。そして、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして所定形状の固定鏡１３を形成する。このとき、固定鏡１３の端部に高濃度の不純物が導入され、電極としてのパッド部（図示せず）も形成される。尚、固定鏡１３の構成材料は、多結晶シリコンに限定されるものではない。それ以外にも、赤外線透過性に優れ、電圧印加時に可動鏡１５との間に静電引力を生じるものであれば適用できる。例えば不純物が導入された単結晶シリコンでも良い。

固定鏡１３の形成後、例えばＣＶＤ法により、固定鏡１３の表面に酸化シリコン膜１４を形成する。このとき、空洞部１６となる領域（エッチングにより除去される除去領域）が所定のギャップｈ₀となるように膜厚を調整する。

酸化シリコン膜１４形成後、酸化シリコン膜１４上に、例えば多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により形成し、リン等の不純物を導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。そして、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして所定形状の可動鏡１５を形成する。このとき、可動鏡１５の端部に高濃度の不純物が導入され、電極としてのパッド部（図示せず）も形成される。尚、可動鏡１５の構成材料は、固定鏡１３同様、多結晶シリコンに限定されるものではない。それ以外にも、赤外線透過性に優れ、電圧印加時に固定鏡１３との間に静電引力を生じるものであれば適用できる。例えば不純物が導入された単結晶シリコンでも良い。

次いで、可動鏡１５上に、窒化シリコンからなる保護膜１７を例えばＣＶＤ法により形成する。そして、空洞部１６となる酸化シリコン膜１４を除去するために、保護膜１７及び可動鏡１５にエッチングホール１８を形成し、保護膜１７及び可動鏡１５をマスクとしてエッチングホール１８より酸化シリコン膜１４の除去領域をエッチングする。これにより、固定鏡１３と可動鏡１５との間に、電圧が印加されない状態で所定のギャップｈ₀を有する空洞部１６が形成され、電圧印加時に可動鏡１５が変位可能な構成となる。

空洞部１６の形成後、空洞部１６上における保護膜１７の上面にＤＬＣからなる補強膜１９を例えばプラズマＣＶＤ法により形成する。このとき、補強膜１９は、電圧印加時に変形するように所定のギャップｈ₀を有する空洞部１６上に設けられた可動鏡１５の部位のうち、可動鏡１５の端部と離間し、周囲を周辺部に囲まれた中央部に対応して形成される。尚、補強膜１９の形成範囲は、電圧印加時の可動鏡１５の変位量（変位後の空洞部のギャップｈ）に応じて適宜設定される。

以上の工程を経て、本実施形態に示すファブリペローフィルタ１００が形成される。本実施形態に示したファブリペローフィルタ１００は、一般的な半導体プロセスにより形成することができるので、製造コストを低減することができる。

また、補強膜１９の形成は、空洞部１６の形成後ではなく、空洞部１６の形成前に実行されても良い。また、上記製造工程において、酸化シリコン膜１４等、吸湿性を有する膜を形成する際には、吸湿による膜応力の変動を防ぐため、膜形成後に必要に応じて加熱処理しても良い。

形成されたファブリペローフィルタ１００は、例えば図３に示すように、赤外線を放射する赤外線光源２００、当該赤外線を検出する赤外線センサ３００とを備える赤外線検知式ガスセンサ４００（以下ガスセンサと示す）に適用が可能である。図３は、本実施形態に示すファブリペローフィルタ１００を備えるガスセンサ４００の概略構成図である。

図３に示すように、ガスセンサ４００として、円筒状容器４１０内の一端の台座４１０ａ上に赤外線光源２００が配置され、対向する他端の台座４１０ｂ上に赤外線センサ３００が配置されている。そして、例えば赤外線センサ３００上に、支持部材４２０を介してファブリペローフィルタ１００が位置決め固定されている。尚、図３において、符号４３０はガスの出入り口を示し、符号４４０は赤外線センサ３００に入射される赤外線を制限するためのキャップである。尚、キャップ４４０の上部には、赤外線を透過する透過部４４０ａが設けられている。

赤外線光源２００から放射された赤外線は、キャップ４４０の透過部４４０ａを介してファブリペローフィルタ１００に到達し、ファブリペローフィルタ１００は入射した赤外線のうち、空洞部１６のギャップに応じた所望の波長を有する赤外線のみを選択的に透過させ、赤外線センサ３００に到達する構成となっている。

従って、赤外線光源２００によって赤外線センサ３００に向かって照射された赤外線（図３中の矢印方向）は、出入り口４３０を通じて円筒状容器４１０内に満たされた被測定ガス中を通過する間に特定波長の赤外線の一部が吸収され、当該波長を有する赤外線を含む赤外線がファブリペローフィルタ１００に到達する。そして、ファブリペローフィルタ１００はガスにより一部が吸収された赤外線のみを選択的に透過し、当該赤外線を赤外線センサ３００が受光する。このとき、被測定ガスの濃度に応じて、赤外線センサ３００に到達する特定波長を有する赤外線の強度が変わるので、それに応じて赤外線センサ３００の出力が変化し、被測定ガスの濃度が測定される。

このように、本実施形態に示すファブリペローフィルタ１００を有するガスセンサ４００の場合、可動鏡１５変位時にファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長が狭帯域化されるので、ノイズ成分が低減され、ガスセンサ４００のセンサ感度が向上される。

尚、図３においては、赤外線光源２００と赤外線センサ３００が対向配置される直線型を例示しているが、赤外線光源２００と赤外線センサ３００が並んで配置される反射型にも本実施形態のファブリペローフィルタ１００を適用可能である。また、ガスセンサ４００としてではなく、赤外線センサ３００とともに赤外線検出装置を構成しても良い。

また、図３において、ファブリペローフィルタ１００は、支持部材４２０を介して赤外線センサ２００上に固定される構成を示した。しかしながら、ガスセンサ４００において、ファブリペローフィルタ１００がキャップ４４０又は円筒状容器４１０に固定される構成としても良い。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。

本実施形態において、可動鏡１５の周辺部が中央部よりも薄肉である例として、中央部上に保護膜１７を介して補強膜１９が設けられている例を示した。しかしながら、可動鏡１５の周辺部が中央部よりも薄肉である構成は、上記例に限定されるものではない。

例えば、図４に示すように、空洞部１６上の可動鏡１５（保護膜１７を含む）が、周辺部に非貫通孔である溝部２０を有する構成としても良い。この場合、可動鏡１５の周辺部は中央部よりも薄肉となり強度的に弱くなるので、電圧印加により可動鏡１５が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる。従って、図４に示すように、可動鏡１５は中央部が略平坦なまま固定鏡１３に対して変形したなべ底形状となり、可動鏡１５変位時のファブリペローフィルタ１００を透過する赤外線の透過波長が狭帯域化される。

このような溝部２０は、フォトリソグラフィー処理等により形成することができる。尚、図４において、溝部２０は保護膜１７の表面から可動鏡１５の一部にわたって形成されているが、可動鏡１５が露出するのを防ぐため、保護膜１７のみに形成された構成としても良い。また、図４において、溝部２０は、空洞部１６上の可動鏡１５の端部付近と、中央部と周辺部との境界付近に設けられている。しかしながら、溝部２０の形成位置は上記例に限定されるものではない。可動鏡１５が変位する際に、周辺部が変形し中央部の変形が抑えられる位置であれば良い。

また、本実施形態において、可動鏡１５の周辺部が中央部よりも変形しやすく形成されている例として、周辺部が中央部よりも薄肉である例を示した。しかしながら、可動鏡１５の周辺部が中央部よりも変形しやすく形成されている構成は上記例に限定されるものではない。例えば、中央部のみを硬化処理（光照射、加熱、薬品処理等）し、周辺部を中央部よりも変形しやすい構成としても良い。また、周辺部に貫通孔を設け、周辺部の機械的強度を中央部よりも弱くして、中央部よりも変形しやすい構成としても良い。

また、本実施形態においては、ファブリペローフィルタ１００を構成する基板１０として、シリコンからなる半導体基板を用いる例を示した。しかしながら、基板１０は半導体基板に限定されるものではない。それ以外にも、基板１０として例えばガラス基板等を適用することもできる。

本発明の第１の実施形態におけるファブリペローフィルタの概略構成を示す断面図であり、（ａ）は電圧が印加されない状態（可動鏡変位前）を示す図、（ｂ）は電圧が印加された状態（可動鏡変位後）を示す図である。 ファブリペローフィルタの効果を説明するための図である。 ファブリペローフィルタを備えるガスセンサの概略構成を示す図である。 変形例を示す断面図である。 従来のファブリペローフィルタを説明するための図であり、（ａ）は概略構成を示す断面図、（ｂ）はファブリペローフィルタを透過する赤外線の波長域を説明するための図である。

符号の説明

１０・・・基板
１２・・・絶縁膜
１３・・・固定鏡
１４・・・酸化シリコン膜
１５・・・可動鏡
１６・・・空洞部
１７・・・保護膜
１９・・・補強膜
２０・・・溝部
１００・・・ファブリペローフィルタ
２００・・・赤外線光源
３００・・・赤外線センサ
４００・・・赤外線検知式ガスセンサ（ガスセンサ）

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた固定鏡と、
   当該固定鏡に対し、所定のギャップを有して対向配置された可動鏡とを備え、
   前記固定鏡に設けられた電極と前記可動鏡に設けられた電極との間に所定の電圧を印加し、前記可動鏡を変位させることにより前記ギャップを変化させ、前記ギャップに対応する所望波長の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタにおいて、
   前記可動鏡には、周辺部に囲まれる中央部の上面に、前記可動鏡の構成材料よりも高い弾性を有する高弾性材料からなる補強膜が設けられ、該補強膜を含む前記中央部が、前記周辺部よりも肉厚とされていることを特徴とするファブリペローフィルタ。
2. 前記高弾性材料として、ダイヤモンドライクカーボンが適用されることを特徴とする請求項１に記載のファブリペローフィルタ。
3. 前記基板は半導体基板であり、
   前記固定鏡は、絶縁層を介して、前記半導体基板上に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のファブリペローフィルタ。
4. 前記ファブリペローフィルタは、赤外線を放射する赤外線光源と赤外線を検出する赤外線センサとを備える赤外線検知式ガスセンサにおいて、波長選択フィルタとして適用されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のファブリペローフィルタ。

Images