CN104459862A - 栅偏振元件及栅偏振元件制造方法 - Google Patents

栅偏振元件及栅偏振元件制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种消光比在周边部不下降的优异的栅偏振元件。构成设置在透明基板(1)上的条纹状的栅格(2)的各线状部(3)由起到偏振作用的第一层(31)和位于第一层(31)的入射侧的第二层(32)构成。第二层(32)由透光性的材料形成，高度比第一层(31)低，由对形成第一层(31)时的蚀刻剂的耐性比第一层(31)高的材料形成。

Description

栅偏振元件及栅偏振元件制造方法
技术领域
本发明涉及得到偏振状态的光(偏振光)的偏振元件，尤其涉及在透明基板上形成了栅格的结构的栅偏振元件。
背景技术
作为获得偏振光的偏振元件，以偏振太阳镜那样的随身产品为首，已知有偏振滤光片、偏振膜等各种光学元件，在液晶显示器等显示器器件中也使用偏振元件。偏振元件根据偏振光的取出方式分类为几种，其中一种是线栅偏振元件。
线栅偏振元件是在透明基板上设置了由铝等金属构成的微细的条纹状栅格的结构。将构成栅格的各线状部的分离间隔(栅格间隔)设为所要偏振的光的波长以下，从而作为偏振元件发挥作用。对于直线偏振光之中的、在栅格的长度方向上具有电场分量的偏振光来说，偏振元件等同于平板的金属，所以进行反射，另一方面，对于在与长度方向垂直的方向上具有电场分量的偏振光来说，偏振元件等同于只有透明基板，所以透过透明基板射出。因此，从偏振元件只射出与栅格的长度方向垂直的方向的直线偏振光。通过控制偏振元件的姿势，使栅格的长度方向朝向期望方向，从而得到偏振光的轴(电场分量的朝向)朝向期望方向的偏振光。
以下为了便于说明，将在栅格的长度方向具有电场分量的直线偏振光称为s偏振光，将在与栅格的长度方向垂直的方向具有电场分量的直线偏振光称为p偏振光。通常，将电场与入射面(与反射面垂直且包含入射光线和反射光线的面)垂直的偏振光称为s波，将平行的偏振光称为p波，但这是以栅格的长度方向与入射面平行为前提而区分的。
表示这种偏振元件的性能的基本指标是消光比ER和透过率TR。消光比ER是透过了偏振元件的偏振光的强度之中的、p偏振光的强度(Ip)相对于s偏振光的强度(Is)之比(Ip/Is)。另外，透过率TR通常是指射出的p偏振光的能量相对于入射的s偏振光和p偏振光的总能量之比(TR＝Ip/(Is+Ip))。理想的偏振元件是消光比ER＝∞、透过率TR＝50％。
由于栅格为金属制，所以称为线(金属线)栅偏振元件，通过本发明的方法制造的偏振元件，栅格不限于金属，所以下面简称为栅偏振元件。
图5是现有的栅偏振元件的制造方法的示意图。栅偏振元件通过利用光蚀刻在透明基板1上形成栅格2而制造。具体地讲，如图5(1)所示，首先，在透明基板1上形成栅格用薄膜40。然后，如图5(2)所示，在栅格用薄膜40上涂覆光抗蚀剂50(参照图5(2))。接着，通过具有所要形成的图案的掩模，将光抗蚀剂50曝光并显影，得到光抗蚀剂的图案5(参照图5(3))。
接着，从抗蚀图案5侧供给蚀刻剂，对没有被抗蚀图案5覆盖的部位的栅格用薄膜40进行蚀刻。蚀刻是在栅格用薄膜40的厚度方向施加电场的同时进行的各向异性蚀刻，栅格用薄膜40被图案化成条纹状(参照图5(4))。然后，如图5(5)所示，将抗蚀图案5去除而得到栅格2，完成栅偏振元件。栅格2是隔着间隔地平行地配置了沿着一定的方向延伸的线状部3的结构，所以也称为线与间隙(line and space)。
专利文献1：日本特开2011-8172号公报
在偏振元件的某些用途中，需要使可见区域的短波长侧的光或紫外区域的光这类短波段的光偏振，对一定程度上较宽的照射区域照射光。例如，在液晶显示器的制造工艺中，近年来采用被称为光取向的技术。该技术是通过光照射而在液晶显示器上得到所需的取向膜的技术。当对聚酰亚胺这类树脂制膜照射紫外区域的偏振光时，膜中的分子按照偏振光的朝向排列，得到取向膜。与被称为研磨的机械取向处理相比，能够得到高性能的取向膜，所以在高画质的液晶显示器的制造工艺中被广泛采用。
在栅偏振元件中，如上所述，需要将栅格间隔设为所要偏振的波长程度或者比其短的间隔。因此，波长越短则栅格间隔越短，栅格的结构微细化。因此，以往难以将偏振元件用于对可见短波段至紫外区域的光进行偏振，但是随着近年来的微细加工技术(光刻技术)的进步，实用化已经完全成为可能。
但是，通过发明人的研究发现如下课题：当制造某种程度大小的栅偏振元件并对某种程度大小的区域照射偏振光时，消光比ER在照射区域的周边部下降。为了调查该问题的原因而进行了深入研究，结果发现，该问题是制造时的蚀刻工序中的面内不均匀性而引起的。下面说明这一点。
图6是示意性地示出栅偏振元件的制造中的蚀刻工序的正面截面示意图。
在蚀刻工序中，形成反应性气体的等离子，在透明基板1的厚度方向设定电场。等离子中的离子(蚀刻剂)被电场从等离子吸出，入射到栅格用薄膜，与栅格用薄膜反应而对栅格用薄膜进行蚀刻。
此时，如图6所示，透明基板1被载置到工作台7上，为了不在工作台7上移动，透明基板1的周缘被按压环71按压在工作台7上。按压环71是沿着透明基板1的轮廓的形状的周状，由耐蚀刻性的材料(即不会被蚀刻剂蚀刻的材料)形成。
在蚀刻时，蚀刻剂与栅格用薄膜进行反应而被消耗。在这种情况下，由于在透明基板1上的周边部存在按压环71，所以蚀刻剂的消耗量比中央部少。因此，蚀刻剂的空间分布为周边部比中央部多。
当蚀刻剂在透明基板1的周边部上过剩地存在时，在周边部被过度地蚀刻。即，在中央部正常地进行蚀刻直至蚀刻结束时，在周边部蚀刻过度，光抗蚀剂也被蚀刻。由此，所形成的线状部也被蚀刻。其结果，如图5(5)所示，在透明基板1的周边部1p，各线状部3的高度比中央部1c低。
根据发明人的研究，在栅偏振元件上，消光比取决于线状部的高度，当线状部的高度变低时，消光比下降。在研究中确认到的照射区域的周边部处的消光比的下降起因于这种栅偏振元件的制造工序中的问题。
发明内容
本发明是根据发明人的上述新发现而做出的，其课题在于，提供一种消光比在周边部不会下降的优异的栅偏振元件。
为了解决上述课题，本申请的第一方面的发明涉及一种栅偏振元件，具备透明基板和设置在透明基板上的由多个线状部构成的条纹状的栅格，条纹状的栅格由起到偏振作用的透明基板侧的第一层和位于第一层的上侧的第二层构成，第二层由透光性的材料形成，高度比第一层低。
另外，为了解决上述课题，第二方面所述的发明，在所述第一方面的构成中，所述第二层由对于通过蚀刻形成所述第一层时的蚀刻剂的耐性比第一层高的材料形成。
另外，为了解决上述课题，第三方面所述的发明，在所述第一或二方面的构成中，所述第二层的材料在使用波长上的吸光系数实质上为零。
另外，为了解决上述课题，第四方面所述的发明，在所述第一或二方面的构成中，所述第二层的高度为10nm以上且100nm以下。
另外，为了解决上述课题，第五方面所述的发明，在所述第一至四的任意一项的构成中，所述使用波长为200nm以上且400nm以下。
另外，为了解决上述课题，第六方面所述的发明，在所述第一至五的任意一项的构成中，所述第一层由硅形成。
另外，为了解决上述课题，第七方面所述的发明，在所述第一或二方面的构成中，所述第二层由氧化钛、氧化硅、氧化钽、氧化铌、氧化铝、氧化铪、氧化钇、氧化锆、铟酸锡、氧化铈、氧化钨、氧化锌、氟化镁的任意一种以上的材料构成。
另外，为了解决上述课题，第八方面的发明涉及一种栅偏振元件制造方法，该栅偏振元件具备透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格，其特征在于，所述制造方法包括：第一成膜工序，在透明基板上制作第一薄膜；第二成膜工序，在第一薄膜上制作第二薄膜；第一蚀刻工序，对第二薄膜进行蚀刻而将第二薄膜形成为条纹状的第二层；以及第二蚀刻工序，将形成为条纹状的第二层作为掩模，对第一薄膜进行蚀刻而形成第一层，第一成膜工序是由具有偏振作用的材料制作第一薄膜的工序，第二成膜工序是由透光性的材料制作第二薄膜的工序，在制造出的栅偏振元件中，形成为第二层的高度比第一层低的结构。
另外，为了解决上述课题，第九方面所述的发明，在所述第八方面的构成中，在所述第二蚀刻工序中，使用所述第二薄膜的耐性比第一薄膜的耐性高的蚀刻剂。
另外，为了解决上述课题，第十方面所述的发明，在所述第八或九方面的构成中，所述第二层的材料在使用波长上的吸光系数实质上为零。
另外，为了解决上述课题，第十一方面所述的发明，在所述第八或九方面的构成中，所述第二层的高度为10nm以上且100nm以下。
另外，为了解决上述课题，第十二方面所述的发明，在所述第八至十一的任意一项的构成中，所述使用波长为200nm以上且400nm以下。
另外，为了解决上述课题，第十三方面所述的发明，在所述第八至十二的任意一项的构成中，所述第一层由硅形成。
另外，为了解决上述课题，第十四方面所述的发明，在所述第八或九方面的构成中，所述第二层由氧化钛、氧化硅、氧化钽、氧化铌、氧化铝、氧化铪、氧化钇、氧化锆、铟酸锡、氧化铈、氧化钨、氧化锌、氟化镁的任意一种以上的材料构成。
另外，为了解决上述课题，第十五方面所述的发明涉及一种栅偏振元件制造方法，该栅偏振元件具备透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格，其特征在于，所述制造方法包括：第一成膜工序，在透明基板上制作第一薄膜；第三成膜工序，在第一薄膜上制作牺牲层用的第三薄膜；牺牲层形成工序，通过光刻将第三薄膜形成为条纹状的牺牲层；第二成膜工序，在包括牺牲层的侧面的区域形成第二薄膜；第一蚀刻工序，在形成于牺牲层的侧面的部分残留的状态下对第二薄膜进行蚀刻；牺牲层去除工序，将牺牲层去除而形成条纹状的第二层；以及第二蚀刻工序，将形成为条纹状的第二层作为掩模，对第一薄膜进行蚀刻而形成第一层，第一成膜工序是由具有偏振作用的材料制作第一薄膜的工序，第二成膜工序是由透光性的材料制作第二薄膜的工序，在制造出的栅偏振元件中，形成为第二层的高度比第一层低的结构。
发明的效果：
如下所述，根据本申请的第一、八、十五方面的发明，栅格由具有偏振作用的作为主层的第一层和具有透光性且高度比第一层低的作为罩层的第二层构成，所以第一层的高度不会变得不均匀，偏振作用的均匀性提高。
另外，根据第二或九方面所述的发明，除了上述效果之外，第二层具有耐蚀刻性，所以无需将用于第二层的薄膜形成得较厚，在这一点有利。
另外，根据第三或十方面所述的发明，除了上述效果之外，第二层的吸光系数实质上为零，所以即使第二层的高度不均匀，也不会因该不均匀而导致偏振作用的均匀性。
另外，根据第五或十二方面所述的发明，除了上述效果之外，使用波长为200～400nm，所以适合用于在像光取向处理这样需要照射该波段的偏振光的情况。
另外，根据第六或十三方面所述的发明，除了上述效果之外，由于第一层由硅形成，所以能够得到容易进行微细加工这样的效果。
附图说明
图1是本发明的实施方式的栅偏振元件的截面示意图。
图2是示出第一实施方式的栅偏振元件制造方法的正面截面示意图。
图3是第二实施方式的栅偏振元件制造方法的示意图。
图4是将通过实施方式的方法制造的栅偏振元件的偏振作用分布与参考例的栅偏振元件进行比较的示意图。
图5是现有的栅偏振元件的制造方法的示意图。
图6是示意性地示出栅偏振元件的制造中的蚀刻工序的正面截面示意图。
附图标记说明
1 透明基板；2 栅格；3 线状部；31 第一层；32 第二层；41 第一薄膜；42 第二薄膜；5 抗蚀图案；6 牺牲层
具体实施方式
接下来，说明用于实施本发明的方式(以下称为实施方式)。
图1是本发明的实施方式的栅偏振元件的截面示意图。图1所示的栅偏振元件由透明基板1和设置在透明基板1上的条纹状的栅格2构成。栅格2具有沿着一定的方向延伸的多个线状部21隔着间隔形成的结构。在图1中，各线状部3的宽度(栅格宽度)用w表示，栅格间隔用t表示。另外，各线状部3的高度用h表示。
构成栅格2的各线状部3由上下两层形成，栅格2整体由位于下侧的第一层31和位于第一层31上的第二层32构成。这些层31、32整体为栅格状。作为整体构成栅格状的第一层31是起到偏振作用的层。第二层32作为制造时保护第一层31的罩层设置。
在该实施方式中，第一层31由硅形成。作为具有偏振作用的第一层31的材料采用硅是基于与现有的线栅偏振元件不同的思想。下面说明这一点。
现有的线栅偏振元件又称为反射型栅偏振元件，栅格2使用反射率高的金属，通过使在栅格2的长度方向上具有电场分量的直线偏振光反射，使直线偏振光不透过透明基板1。
另一方面，实施方式的栅偏振元件又称为吸收型栅偏振元件，具有将各线状部3以与所要偏振的光的波长同等程度以下的栅格间隔t排列而成的条纹状的栅格2，上述各线状部3含有将所要偏振的光的波长吸收的材料而构成。虽然是吸收型，但并不是利用在可见光用偏振膜等中常见的由高分子进行的光吸收，而是利用由电磁感应引起的光的衰减。
作为第一层31的材料，优选吸光系数一定程度上较大。第一层31的材料优选衰减系数为0.8左右或者0.8以上。下面说明其理由。
吸收型线栅偏振元件的原理为，具有与透明基板上的各线状部3平行的电场分量的光在金属线中传播，被构成各线状部3的材料吸收。在此，在具有吸收性能的介质中沿x方向(线状部的高度方向)传播的电场由以下的式1定义。
【数学式1】
E = E 0 exp ( - 2 πk λ x ) exp [ i ( ωt - 2 πn λ x ) ]   (式1)
式1的右边第一个exp项表示衰减，吸光系数k越大，电场以越短的传播距离x衰减。因此，在由吸光系数小的材料形成第一层31的情况下，为了提高消光比，需要增高第一层31而延长传播距离。另一方面，栅格宽度w和栅格间隔t一起都是波长来决定最佳的宽度。也就是说，当由吸光系数小的材料形成第一层31时，必须增大栅格2的高宽比(线状部3的高度h与栅格宽度w之比)。高宽比(h/w：图1)大的栅格2通常难以制造，且机械强度变弱。因此，优选由具有一定程度上较高的吸光系数的材料形成第一层31。省略详细说明，根据发明人的研究，由具有0.8左右的吸光系数的材料形成第一层31时，能够得到消光比超过20的高性能的栅偏振元件。因此，第一层31的材料优选衰减系数为0.8左右或者0.8以上。
具体地讲，在该实施方式中，第一层31由采用溅射等成膜技术制作的膜形成，为非晶态硅。
在实施方式的栅偏振元件中，作为使用波长设想200～400nm。非晶态硅在200～400nm的波段具有2.6～3.3的吸光系数，所以适合选为第一层31的材料。
选择硅的另一理由是容易进行微细加工。硅是代表性的半导体材料，作为各种半导体器件的制造技术，已确立有各种微细加工技术。能够沿用该技术也是硅作为第一层31的材料合适的理由。
接下来说明第二层32。第二层32作为用于维持第一层31的尺寸形状的均匀性的罩层设置。如上所述，在栅偏振元件的制造中，蚀刻时的蚀刻剂分布的不均匀性容易导致所形成的各线状部3的高度不均匀。考虑这一点，在该实施方式中，将栅格2设为由第一层31和第二层32层积的结构，将第一层31作为主要层(起到偏振作用的层)。
在形成第一层31时的各向异性蚀刻中，第二层32一边形成一边将第一层31的上表面罩住，第一层31的上表面不会暴露于蚀刻剂。因此，第二层32在各向异性蚀刻完成而完全形成了第一层31的时点残留在第一层31上。起到主要的偏振作用的层是第一层31，所以也可以考虑在形成第一层31后将第二层32去除，但难以只去除第二层32。因此，设为将第二层32残留的结构。
选择这种第二层32的材料时，需要考虑几点。一个是使用波长的光的透过性。实施方式的栅偏振元件是如上所述以吸收型模式工作的偏振元件。以吸收型工作时，需要使光到达第一层31并第一层31中传播。假如第二层32由完全遮光性的材料形成，光不能到达第一层31，第一层31不能起到偏振作用。第二层32由铝这样的金属形成，实质上为100％的反射率，这种情况属于该例。另外，即使是金属，也有铬系这样的薄化而产生透光性的材料。因此，不能作为第二层32使用的是，考虑厚度(高度)而将使用波长的光实质地100％遮光的情况。
将第二层32为透光性材料作为前提的情况下，接下来应该考虑的是，在第二层32中有何种程度的吸收。作为第二层32的特性的优选例，在使用波长中第二层32的吸光系数实质上为零。如果吸光系数实质上为零，则在第二层32中实质上没有吸收，光不衰减而到达第一层31。因此，第二层32在制造工艺中发挥将第一层31罩住的功能的同时，在制造后不会阻碍第一层31的偏振作用。“实质上为零”是指，例如吸光系数小于1的情况，更优选小于0.1的情况。
考虑第二层32的材料的吸光系数实质上不为零而具有一定程度的吸收的情况，在该情况下，需要考虑在第二层32中也可能产生吸收型偏振作用。在第二层32具有偏振作用的情况下，如背景技术中所述，存在第二层32高度不均匀的问题。第二层32具有偏振作用，其高度不均匀时，由第一层31及第二层32构成的栅格2发挥的偏振作用作为整体不均匀，可能发生上述的问题。
实施方式的栅偏振元件考虑这一点，将第二层32的高度设为比第一层31低。例如，在第二层32的材料的吸光系数实质上不为零的情况下，且第一层31的高度为50～300nm左右的范围的情况下，第二层32的高度在10～100nm左右的范围适当选择，优选10～40nm，更优选20～30nm。
即使第二层32具有偏振作用而第二层32的高度不均匀，由于原来的高度比第一层31低，所以作为偏振元件整体，不会不均匀到偏振作用的面内分布成为问题的程度。另外，“面内”是指透明基板1的板面的区域内，在偏振元件中，偏振作用的面内分布不均匀时，在照射面的照射区域内偏振光的照射不均匀。
另外，第二层32由良好地吸收使用波长的光的材料形成，虽然在整体为栅格状的第二层32中也可能会产生高偏振作用，但第一层31仍是具有主要偏振作用的层，根据与使用波长的关系选择充分吸收光的材料。第二层32由与第一层31不同的材料形成，所以通常不会具有比第一层31高的偏振作用。因此，如果将第二层32形成得比第一层31低，就能够防止偏振作用的面内分布不均匀化。
另外，第二层32作为形成第一层31时的蚀刻中的第一层31的罩使用，所以第二层32的材料优选对形成第一层31时的蚀刻剂具有耐性。通常，蚀刻以抗蚀图案为掩模进行，但是抗蚀图案也难以避免被蚀刻剂稍微蚀刻。如果抗蚀图案的消耗增多，则在第一层31的形成完成之前，抗蚀图案也有可能完全消失。在这种情况下，第一层31露出，如果作为罩层的第二层32对蚀刻剂的耐性低，则第一层31也有可能被蚀刻而消失。因此，第二层32的材料优选对形成第一层31时的蚀刻剂具有高耐性。“高耐性”指的是，因为是保护第一层31，所以与第一层31相比高，对蚀刻第一层31时使用的蚀刻剂，蚀刻速度比第一层31低。
另外，即使在第二层32相对于蚀刻剂具有低耐性的情况下，只要在第一层31的形成完成时仍能残留，也能够达到保护第一层31的目的。因此，针对形成第一层31时的蚀刻剂，第二层32的材料的耐性低的情况下，视情况将用于第二层32的薄膜形成较厚即可。例如，针对形成第一层31时的蚀刻剂，第二层32只有第一层31的一半的耐性的情况下(蚀刻速度为第一层31的材料的2倍的情况下)，只要将用于第二层32的薄膜形成为比用于第一层31的薄膜的厚度的2倍超过一点的厚度，在第一层31的形成完成的时刻，就会有第二层32残留。
示出具体材料的例子，在第一层31如上所述由硅形成的情况下，第二层32能够由例如氧化硅形成。在氧化硅是通过溅射这样的成膜技术制作的膜的情况下，虽然省略图示，200～400nm中的吸光系数为零，与硅(非晶态)的吸光系数2.6～3.3相比足够小而实质上为零。
另外，硅能够用例如CF4这样的氟化碳类气体、氯类气体的等离子进行蚀刻，在这种情况下，众所周知，例如形成氯气等离子进行蚀刻时，相对于氧化硅，能够将硅选择性地蚀刻。即，针对蚀刻硅时的蚀刻剂，氧化硅相比于硅，蚀刻速度足够低。
作为第二层32的材料的其他例子，氧化钛、氧化钽、氧化铌、氧化铝、氧化铪、氧化钇、氧化锆、铟酸锡、氧化铈、氧化钨、氧化锌、氟化镁等可以作为第二层32的材料选择。包括氧化硅在内，这些各材料可以作为单体材料形成第二层32，也可以由二种以上的材料形成第二层32。作为用于第二层32的薄膜的形成方法，除了溅射之外，还能够采用ALD(Atomic LayerDeposition)这样的热CVD。
尤其是，如后述的图3的制造方法中说明，第一层31优选由硅形成，第二层32优选由氧化钛形成。
另外，制作出的薄膜，通常成膜温度越高则结晶化的程度越高。结晶化的程度变高时，表现出由带结构衍生的光吸收，所以通常吸光系数变高。因此，在由上述的各材料形成第二层32的情况下，大多数情况下优选非晶态状态。
对各层的高度进行说明，第一层31的高度在50～300nm左右的范围适当选择，例如100nm左右。另外，第二层32的高度在10～100nm左右的范围内适当选择，优选10～40nm，更优选20～30nm，例如30nm左右。
对于由第一及第二层31、32构成的栅格2的尺寸，需要从几个观点研究。通常，在栅偏振元件中，各线状部3的高度越高则消光比越高。在吸收型的情况下，利用在各线状部3中传播的过程中的s偏振光的衰减，所以该倾向显著。另一方面，各线状部3的高度增高时，透过率下降。另外，各线状部3的高度与宽度之比(高宽比)增高时，各线状部3的机械强度下降，容易折断。由此，各线状部3的高度需要考虑消光比、透过率以及机械强度来决定，例如，在栅格宽度w为10～50nm左右的情况下，由第一及第二层31、32构成的栅格2的高度h在60nm～400nm左右的范围内适当选择。其中，发挥偏振作用的第一层31，从获得充分的消光比的观点出发，优选50～300nm左右。另外，对于各线状部3的高宽比，能够适当选择2～20左右的范围，得到例如高宽比5。
接着，说明这种实施方式的栅偏振元件的制造方法。以下的说明也是栅偏振元件制造方法的发明的实施方式的说明。
图2是示出第一实施方式的栅偏振元件制造方法的正面截面示意图。在制造实施方式的栅偏振元件的情况下，首先，如图2(1)所示，进行在透明基板1上制作第一薄膜41的第一成膜工序。第一薄膜41成为第一层31，是由硅构成的膜。在该实施方式中，第一薄膜41是非晶态硅，通过例如溅射制作。膜厚相当于第一层31的高度，例如为50～200nm。
第一成膜工序之后，如图2(2)所示，进行在第一薄膜41上形成第二薄膜42的第二成膜工序。第二薄膜42成为第二层32，所以在该实施方式中，是由氧化硅形成的膜。氧化硅膜同样通过溅射制作。将氧化硅制的靶材溅射而制作氧化硅膜，但由于是电介质体靶材的溅射，所以通过施加高频电压而进行溅射。
接着，如图2(3)所示，进行抗蚀图案的形成。即，在第二薄膜42上涂覆光抗蚀剂，进行预烘、曝光、显影以及坚膜等，形成抗蚀图案5。该抗蚀图案5相当于栅格2的图案，所以为条纹状(线与间隙)。
接着，将形成的抗蚀图案5作为掩模，进行对第一及第二薄膜41、42蚀刻的第一及第二蚀刻工序。此时，在蚀刻工序之前，将抗蚀图案5暴露于氧等离子，进行部分地灰化而减小图案的处理(收缩处理)。这是为了以超过光刻的分辨率的细线宽度形成线条。
收缩处理后，使用能够将第二薄膜42蚀刻的蚀刻剂，首先进行第一蚀刻工序。例如在第二薄膜42为氧化硅的情况下，使用CF4这样的氟化碳类气体和氧气的混合气体，通过高频放电形成等离子，设定偏压电场。通过偏压电场释放离子，第二薄膜42被各向异性蚀刻。其结果，如图2(4)所示，形成第二层32。另外，在等离子中，根据放电方式的不同，分为电感耦合型和电容耦合型，电感耦合型等离子的等离子密度高，所以在生产性方面优选。
接着，使用能够将第一薄膜41蚀刻的蚀刻剂，将第一薄膜41蚀刻。例如，在第一薄膜41为硅的情况下，使用氯气，同样地通过电感耦合等离子进行各向异性蚀刻。其结果，如图2(5)所示，形成第一层31。然后，将抗蚀图案5灰化去除时，如图2(6)所示，得到实施方式的栅偏振元件。
在上述说明中，对第一薄膜41进行蚀刻而形成第一层31时，抗蚀图案5即使有消耗仍会有残留，但也有可能抗蚀图案5全部被消耗。在这种情况下，第二层32也有可能被蚀刻，但即使被蚀刻，也不会被完全蚀刻，会有所残留。图2(6’)示出该状态。在实施方式的制造方法中，以图2(6)或图2(6’)的结构制作偏振元件。
如图2(6’)所示，在实施方式的制造方法中，有时构成栅格2的第二层32被部分地蚀刻。在这种情况下，该蚀刻容易在透明基板1的周边部变大，因此，第二层32的高度容易不均匀。在该情况下，第二层32的高度比第一层31低，所以不会作为整体使得偏振作用不均匀。另外，第一及第二各薄膜41、42的厚度选择为第二层32的高度最终比第一层31低。
接着，说明第二实施方式的栅偏振元件制造方法。图3是第二实施方式的栅偏振元件制造方法的示意图。
图3所示的实施方式的方法是为了制造更细微的结构的栅偏振元件，作为临时层形成牺牲层的方法。如上所述，在栅偏振元件中，栅格间隔t需要设为与所要偏振的光的波长同等程度以下，波长变短时，栅格间隔t也要变窄。另一方面，栅格间隔t变窄时，虽然微细加工技术已经进步，但如果仅仅形成条纹状的抗蚀图案5来进行蚀刻，难以以充分的尺寸形状精度形成栅格2。
图3所示的实施方式考虑了这一点。具体地说，该实施方式中也是在透明基板1上形成第一薄膜41。而且，在第一薄膜41上制作牺牲层用的第三薄膜43。而且，在该第三薄膜43上，如图3(2)所示，同样地通过光刻形成抗蚀图案5。抗蚀图案5是与形成的栅格2的形状适合的条纹状。
接着，将抗蚀图案5作为掩模，对第三薄膜43进行蚀刻，如图3(3)所示，形成各牺牲层6。各牺牲层6形成沿着抗蚀图案5的形状的条纹状。在形成各牺牲层6之后，将抗蚀图案5去除。
接着，如图3(4)所示，以将各牺牲层6覆盖的方式形成第二薄膜42。第二薄膜42形成在各牺牲层6的上表面、侧面以及各牺牲层6之间的第一薄膜41的露出面。
接着，使用能够将第二薄膜42的材料蚀刻的蚀刻剂，进行将第二薄膜42各向异性蚀刻的第一蚀刻工序。其结果，如图3(5)所示，第二薄膜42只堆积在各牺牲层6的侧面，形成第二层32。
接着，使用只将牺牲层6蚀刻的蚀刻剂，将牺牲层6蚀刻去除。其结果，如图3(6)所示，成为在第一薄膜41上只有各第二层32以条纹状突出形成的状态。牺牲层6的蚀刻大多是RIE这样的干蚀刻，但也有湿蚀刻的情况。
接着，进行第二蚀刻工序，将各第二层32作为掩模，对第一薄膜41进行蚀刻，形成第一层31。使用对各第二层32的材料有选择性的蚀刻剂，只将第一薄膜41选择性地蚀刻。其结果，如图3(7)所示，得到由在第一层31上残留有第二层32的结构的栅格2构成的栅偏振元件。
根据该实施方式的制造方法，在各牺牲层6的各侧面堆积第二薄膜42，形成各第二层32，所以能够使各第二层32的宽度、分离间隔变窄。因此，对于各第一层31，也能够使宽度、分离间隔变窄，能够容易地得到更短波长用的微细的栅格结构。
另外，在该实施方式的制造方法中，作为临时形成的牺牲层6的材料，只要不是在形成各第二层32后进行蚀刻而将牺牲层6去除时蚀刻到各第二层32、第一薄膜41的材料，能够使用任意的材料。
尤其在该实施方式的制造方法中，需要在牺牲层6上均匀地形成第二薄膜42，在将氧化钛作为第二薄膜42制作的情况下，容易通过ALD覆盖性良好地均匀地制作，所以优选。另外，第二薄膜42需要是在用于形成图3(6)所示的第二薄膜32的图案(条纹状图案)的蚀刻中被恰当地蚀刻的材料，而且需要是在第一薄膜41的蚀刻中具有耐蚀刻性的材料。作为第二薄膜42使用氧化钛时，能够良好地进行用于形成条纹状图案的蚀刻，并且对第一薄膜41进行蚀刻而形成第一层31时，作为对第一层31的保护层能够良好地发挥作用。
【实施例1】
接着，说明属于上述实施方式的实施例。
在实施例的栅偏振元件制造方法中，在由合成石英构成的透明基板上，作为第一薄膜，通过磁控溅射装置制作100nm厚度的硅膜。此时，载置了透明基板的工作台的温度为室温，作为工艺气体，以30sccm的流量向腔室导入氩气。在该状态下，对作为靶材的硅以300W施加13.56MHz的高频。
通过上述高频，氩气分解而成为等离子状态，生成氩离子。所生成的氩离子一边加速一边撞击作为负电位的硅靶材，从靶材击出硅。被击出的硅堆积到与靶材相对地配置的透明基板上而进行成膜。通过10分钟的高频施加，在透明基板1上堆积100nm的硅膜。
接着，将靶材材料作为氧化硅，以与上述相同的条件进行13分钟的高频施加，在第一薄膜(硅膜)上作为第二薄膜制作50nm厚度的氧化硅膜。
接着，通过旋涂机在氧化硅膜的表面上涂覆光抗蚀剂。所使用的光抗蚀剂是东京应化工业株式会社制的TDUR-P338EM，例如在转速4000rpm的条件下涂覆150nm。
接着，在100℃下对上述光抗蚀剂进行了软烘之后，通过KrF曝光机进行条纹状图案(线与间隙)的曝光。线条的宽度和间隙的宽度为例如1：1，各设为150nm。进行曝光后，在100℃下进行光抗蚀剂的坚膜(post-bake)，然后，通过东京应化工业株式会社制的显影液NMD-3进行显影处理。
上述曝光及显影后，通过ICP(电感耦合等离子)干蚀刻装置进行干蚀刻处理。首先，通过氧气等离子，抗蚀图案的宽度从75nm宽度收缩到30nm宽度左右。该收缩处理的条件设为环境气压1Pa、向电感耦合用天线的供给电力100W、载置了透明基板的工作台的温度20℃、氧气的流量100SCCM，在该条件下处理30秒。
然后，进行第一蚀刻工序，将抗蚀图案作为掩模，对作为第二薄膜的氧化硅膜进行蚀刻。处理条件设为环境气压1Pa、向天线的供给电力500W、偏压电力300W、工作台的温度20℃、氧气的流量5sccm、CF4气体的流量30sccm，在该条件下处理30秒。
接着，作为第二蚀刻工序，将通过上述第一蚀刻工序形成的各第二层作为掩模，作为第一薄膜的硅膜被蚀刻。处理条件如下：环境气压1Pa、向天线的供给电力600W、偏压电力50W、工作台的温度20℃，将作为工艺气体的氯气设为流量30sccm，进行60秒处理。然后，通过抗蚀剂去除用溶剂将抗蚀图案去除，从而得到实施例的栅偏振元件。
接着，说明对通过上述实施方式的方法制造的栅偏振元件中的偏振作用均匀性提高的效果进行了模拟的结果。
图4是将通过实施方式的方法制造的栅偏振元件的偏振作用分布与参考例的栅偏振元件进行比较的示意图。在图4所示的模拟中，将构成栅格2的各线状部3只由硅构成的情况作为参考例，将由作为第一层31的硅层和作为第二层32的氧化硅层构成的情况作为实施例进行比较。另外，形成各线状部3时的蚀刻处理，以在参考例和实施例中使用相同的蚀刻装置且处理条件相同为前提。因此，蚀刻剂的分布也以在参考例和实施例中相同为前提。
在图4(1)所示的参考例中，对由硅构成的薄膜进行蚀刻，形成各线状部3。因此，如上所述，由于蚀刻剂的不均匀的分布，各线状部3的高度不均匀。在图4(1-1)中，周边部的线状部的高度用hp表示，在图4(1-2)中，透明基板1的中央部的线状部3的高度用hc表示。如上所述，在周边部，蚀刻剂的量多，所以hp＜hc。
另一方面，在实施例中，在作为第一层31的硅层上，存在作为第二层32的氧化硅层，但是以起到相同的偏振作用为前提，将第一层31的高度设为与参考例中的设计值hc相同。在参考例中，能够假设中央部的线状部3没有膜减少，高度为设计值hc，所以在实施例的栅偏振元件中，能够假设各第一层31的高度hc1、hp1与hc相等。在这种情况下，对于实施例的栅偏振元件中的第二层32，将中央部的高度设为hc2、hp2时，同样地由于蚀刻剂的不均匀性，所以成为hp2＜hc2。
如上所述，同样地蚀刻剂不均匀地分布，蚀刻完成后的各线状部3的高度分布的不均匀性也相同。
另外，以使用波长为365nm为前提。硅的光学常数设为n＝4.03，k＝3.04，氧化硅的光学常数设为n＝1.56、k＝0。在参考例中，由硅构成的各线状部3的高度设为hc＝100nm、hp＝(70)nm。并且，对于实施例，设为hc1＝hp1＝100nm、hc2＝40nm、hp2＝10nm。栅格宽度w在哪个情况下都是25nm，栅格间隔t在哪个情况下都是150nm。
以上述为前提，对作为栅偏振元件的特性进行了模拟。模拟使用RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法进行，使用美国国立标准技术研究所(NIST)发布的软件(http：//physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/grating.htm)，在透明基板1的中央部和周边部计算出波长365nm的光的消光比ER和透过率TR。其结果在图4中记载。
如图4(1-2)所示，在参考例中，中央部的消光比ER为46，透过率TR为43.7％。另外，如图4(1-1)所示，周边部的消光比ER为16，透过率TR为47.4％。即，在参考例中，周边部的消光比ER下降到中央部的一半以下。另外，透过率TR在周边部稍高的理由推测为，由于线状部3的高度低，所以p偏振光的衰减相比于中央部少。
另一方面，在实施例中，如图4(2-2)所示，中央部的消光比ER为45，透过率TR为42.9％，如图4(2-1)所示，周边部的消光比ER为45，透过率TR为43.2％。即，消光比ER在中央部和周边部相同，比较均匀。这是因为，第一层31的高度在中央部和周边部相同，第二层32中没有实质性吸收，所以在该部分不产生偏振作用。或者推测为，由于第二层32处的吸收少且高度低，所以没有出现消光比ER的差。另外，推测透过率TR在周边部稍高也是同样的理由，第二层的高度低，所以吸收少。
像这样，通过模拟确认到，根据实施例的栅偏振元件，作为具有偏振作用的主要层的第一层31的高度恒定，所以偏振作用的面内均匀性提高。
另外，在上述各实施方式及实施例的说明中，栅偏振元件以透明基板1处于水平姿势配置为前提，对于第一层31、第二层32，表示为“高度”，但是栅偏振元件有时也以水平以外的姿势配置(例如垂直直立配置)。第一层31、第二层32的“高度”作为上位概念是指光的传播方向的长度。

Claims (15)

1.一种栅偏振元件，具备透明基板和设置在透明基板上的由多个线状部构成的条纹状的栅格，其特征在于，
条纹状的栅格由起到偏振作用的透明基板侧的第一层和位于第一层的上侧的第二层构成，
第二层由透光性的材料形成，高度比第一层低。
2.根据权利要求1所述的栅偏振元件，其特征在于，
所述第二层由对于通过蚀刻形成所述第一层时的蚀刻剂的耐性比第一层高的材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的栅偏振元件，其特征在于，
所述第二层的材料在使用波长上的吸光系数实质上为零。
4.根据权利要求1或2所述的栅偏振元件，其特征在于，
所述第二层的高度为10nm以上且100nm以下。
5.根据权利要求1或2所述的栅偏振元件，其特征在于，
所述使用波长为200nm以上且400nm以下。
6.根据权利要求1或2所述的栅偏振元件，其特征在于，
所述第一层由硅形成。
7.根据权利要求1或2所述的栅偏振元件，其特征在于，
所述第二层由氧化钛、氧化硅、氧化钽、氧化铌、氧化铝、氧化铪、氧化钇、氧化锆、铟酸锡、氧化铈、氧化钨、氧化锌、氟化镁的任意一种以上的材料构成。
8.一种栅偏振元件制造方法，该栅偏振元件具备透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格，其特征在于，所述制造方法包括：
第一成膜工序，在透明基板上制作第一薄膜；
第二成膜工序，在第一薄膜上制作第二薄膜；
第一蚀刻工序，对第二薄膜进行蚀刻而将第二薄膜形成为条纹状的第二层；以及
第二蚀刻工序，将形成为条纹状的第二层作为掩模，对第一薄膜进行蚀刻而形成第一层，
第一成膜工序是由具有偏振作用的材料制作第一薄膜的工序，
第二成膜工序是由透光性的材料制作第二薄膜的工序，
在制造出的栅偏振元件中，形成为第二层的高度比第一层低的结构。
9.根据权利要求8所述的栅偏振元件制造方法，其特征在于，
在所述第二蚀刻工序中，使用所述第二薄膜的耐性比第一薄膜的耐性高的蚀刻剂。
10.根据权利要求8或9所述的栅偏振元件制造方法，其特征在于，
所述第二薄膜的材料在使用波长下的吸光系数实质上为零。
11.根据权利要求8或9所述的栅偏振元件制造方法，其特征在于，
所述第二层的高度为10nm以上且100nm以下。
12.根据权利要求8或9所述的栅偏振元件制造方法，其特征在于，
所述使用波长为200nm以上且400nm以下。
13.根据权利要求8或9所述的栅偏振元件制造方法，其特征在于，
所述第一薄膜由硅制成。
14.根据权利要求8或9所述的栅偏振元件制造方法，其特征在于，
所述第二层由氧化钛、氧化硅、氧化钽、氧化铌、氧化铝、氧化铪、氧化钇、氧化锆、铟酸锡、氧化铈、氧化钨、氧化锌、氟化镁的任意一种以上的材料制成。
15.一种栅偏振元件制造方法，该栅偏振元件具备透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格，其特征在于，所述制造方法包括：
第一成膜工序，在透明基板上制作第一薄膜；
第三成膜工序，在第一薄膜上制作牺牲层用的第三薄膜；
牺牲层形成工序，通过光刻将第三薄膜形成为条纹状的牺牲层；
第二成膜工序，在包括牺牲层的侧面的区域形成第二薄膜；
第一蚀刻工序，在形成于牺牲层的侧面的部分残留的状态下对第二薄膜进行蚀刻；
牺牲层去除工序，将牺牲层去除而形成条纹状的第二层；以及
第二蚀刻工序，将形成为条纹状的第二层作为掩模，对第一薄膜进行蚀刻而形成第一层，
第一成膜工序是由具有偏振作用的材料制作第一薄膜的工序，
第二成膜工序是由透光性的材料制作第二薄膜的工序，
在制造出的栅偏振元件中，行为第二层的高度比第一层低的结构。
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