CN110839345A - 偏光板及其制造方法 - Google Patents

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CN110839345A CN201980003230.4A CN201980003230A CN110839345A CN 110839345 A CN110839345 A CN 110839345A CN 201980003230 A CN201980003230 A CN 201980003230A CN 110839345 A CN110839345 A CN 110839345A
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菅原利明
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Abstract

提供一种利用廉价的原料和廉价的制造装置而具有充分的反射率特性的偏光板。一种具有线栅结构的偏光板，具备透明基板和格栅状凸部，所述格栅状凸部以比使用区域的光的波长短的间距在透明基板上排列、在预定方向上延伸，其中，构成格栅状凸部的吸收层包含在本征半导体中加入了微量的特定元素的杂质半导体。

Description

偏光板及其制造方法
技术领域
本发明涉及偏光板及其制造方法。
背景技术
以往，作为偏光元件，提出了下述吸收型线栅型偏光元件：在基板上形成间距比使用区域的光的波长小的金属格栅，在该金属格栅上形成介电层和无机微粒层，从而利用干涉效应抵消从金属格栅反射的光，同时使其他的偏光成分透射。
随着近年来液晶投影仪的高辉度化、高精细化，对于这样的偏光元件，降低反射率的要求越来越高。反射率高时会成为液晶面板故障的原因，此外，还会因杂散光而引起画质的劣化。
这里，线栅型偏光元件的反射率特性是由构成格栅结构的层间的干涉、层内的吸收决定的。而且，还提出了通过将适应需求的材料用在格栅结构的吸收层等中来控制反射率的方法(参照专利文献1)。
如专利文献1中记载的那样，格栅状凸部可以由各种材料构成。而且，如果能够以廉价的材料、廉价的制造成本获得低反射率的偏光元件，则能够进一步满足近年来的行业要求。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2010－530994号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述背景技术做出的，其目的在于，利用廉价的原料和廉价的制造装置，提供具有充分的反射率特性的偏光板。
用于解决课题的方法
本发明人等发现，在具备透明基板和以比使用区域的光的波长短的间距在透明基板上排列、在预定方向上延伸的格栅状凸部的具有线栅结构的偏光板中，如果构成格栅状凸部的吸收层含有在本征半导体中加入了微量的特定元素的杂质半导体，则能够利用廉价的原料和廉价的制造装置，获得具有充分的反射率特性的偏光板，从而完成了本发明。
即，本发明为一种具有线栅结构的偏光板，具备透明基板和格栅状凸部，该格栅状凸部以比使用区域的光的波长短的间距在前述透明基板上排列、在预定方向上延伸，前述格栅状凸部至少包含反射层和吸收层，前述吸收层包含杂质半导体。
前述杂质半导体可以为p型半导体。
前述杂质半导体可以含有5价元素。
前述杂质半导体可以为n型半导体。
前述杂质半导体可以含有3价元素。
前述透明基板和前述格栅状凸部的端面可以为露出前述透明基板和前述格栅状凸部的构成材料的露出面。
前述露出面上可以具备电极。
此外，本发明还是一种具备上述任一偏光板的光学设备。
此外，本发明还是一种具有线栅结构的偏光板的制造方法，具有：在透明基板的一面形成反射层的反射层形成工序、以及在前述反射层的与前述透明基板相反的面上形成吸收层的吸收层形成工序，前述吸收层形成工序是将包含杂质半导体的靶材进行溅射而形成吸收层。
前述杂质半导体可以为p型半导体。
前述杂质半导体可以含有3价元素。
前述杂质半导体可以为n型半导体。
前述杂质半导体可以含有5价元素。
发明效果
根据本发明，提供能够利用廉价的原料和廉价的制造装置而具有充分的反射率特性的偏光板。
附图说明
[图1]是显示偏光板的截面示意图。
[图2]是本发明一个实施方式涉及的偏光板的顶视图。
[图3]是显示实施例1的偏光板的偏光光学特性的图表。
[图4]是显示比较例1的偏光板的偏光光学特性的图表。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地对本发明实施方式进行说明。
[偏光板]
本发明的偏光板为具有线栅结构的偏光板，具备透明基板和以比使用区域的光的波长短的间距(周期)在透明基板上排列、在预定方向上延伸的格栅状凸部。此外，该格栅状凸部至少包含反射层和吸收层，吸收层包含杂质半导体。其中，本发明的偏光板只要表现本发明的效果即可，还可以存在透明基板、反射层、吸收层以外的层。
图1为显示本发明一个实施方式涉及的偏光板10的截面示意图。如图1所示，偏光板10具备透明基板1和在透明基板1的一个面上以比使用区域的光的波长短的间距排列的格栅状凸部5。格栅状凸部5从透明基板1侧开始依次具有反射层2、间隙层3和吸收层4。即，偏光板10具有格栅状凸部5在透明基板1上呈一维格栅状排列的线栅结构，所述格栅状凸部5是反射层2、间隙层3和吸收层4从透明基板1侧开始按上述顺序层叠而形成的。
这里，将如图1所示格栅状凸部5的延伸方向(预定方向)称为Y轴方向。此外，将与Y轴方向正交、格栅状凸部5沿透明基板1的主面排列的方向称为X轴方向。这种情况下，入射偏光板10的光在透明基板1的形成有格栅状凸部5的一侧优选从与X轴方向和Y轴方向正交的方向入射。
具有线栅结构的偏光板通过利用透射、反射、干涉和光学各向异性带来的偏光波的选择性光吸收这4个作用，使具有与Y轴方向平行的电场成分的偏光波(TE波(S波))衰减，使具有与X轴方向平行的电场成分的偏光波(TM波(P波))透射。因此，图1中，Y轴方向为偏光板的吸收轴的方向，X轴方向为偏光板的透射轴的方向。
从图1所示的偏光板10的形成有格栅状凸部5一侧入射的光在通过吸收层4和间隙层3时一部分被吸收而衰减。透过吸收层4和间隙层3的光中，偏光波(TM波(P波))以高透射率透过反射层2。而透过吸收层4和间隙层3的光中，偏光波(TE波(S波))在反射层2被反射。在反射层2被反射的TE波在通过吸收层4和间隙层3时一部分被吸收，一部分被反射而返回反射层2。此外，在反射层2被反射的TE波在通过吸收层4和间隙层3时发生干涉而衰减。通过如上述那样进行TE波的选择性衰减，偏光板10能够表现出期望的偏光特性。
如图1所示，本发明偏光板中的格栅状凸部在从各一维格栅的延伸方向(预定方向)观察时、即在与预定方向正交的截面观察时，具有反射层2、间隙层3和吸收层4。
这里，使用图1，对于本说明书中的尺寸进行说明。高度H意味着与图1中透明基板1的主面垂直的方向的尺寸。宽度W意味着从沿格栅状凸部5的延伸方向的Y轴方向观察时，与高度方向正交的X轴方向的尺寸。此外，将从沿格栅状凸部5的延伸方向的Y轴方向观察偏光板10时，格栅状凸部5在X轴方向的重复间隔称为间距P。
本发明的偏光板中，格栅状凸部的间距P只要比使用区域的光的波长短即可，没有特别限制。从制作的容易性和稳定性的观点出发，格栅状凸部的间距P例如优选为100nm～200nm。该格栅状凸部的间距P可以通过利用扫描型电子显微镜或透射型电子显微镜进行观察来测定。例如，可以使用扫描型电子显微镜或透射型电子显微镜对任选的4个位置测定间距P，将其算术平均值作为格栅状凸部的间距P。以下将该测定方法称为电子显微镜法。
本发明的偏光板的特征在于，将格栅状凸部所含的吸收层设为包含杂质半导体。由此，能够利用廉价的原料和廉价的制造装置实现具有充分的反射率特性的偏光板。
(透明基板)
作为透明基板(图1中的透明基板1)，只要是对使用区域的光显示透光性的基板即可，没有特别限制，可以根据目的适当选择。“对使用区域的光显示透光性”并不意味着使用区域的光的透射率为100％，而只要显示能够保持作为偏光板的功能的透光性即可。作为使用区域的光，例如可列举波长380nm～810nm左右的可见光。
透明基板的主面形状没有特别限制，根据目的适当选择形状(例如矩形形状)。透明基板的平均厚度例如优选为0.3mm～1mm。
作为透明基板的构成材料，优选折射率为1.1～2.2的材料，可列举玻璃、水晶、蓝宝石等。从成本和透光率的观点出发，优选使用玻璃、特别是石英玻璃(折射率1.46)、钠钙玻璃(折射率1.51)。玻璃材料的成分组成没有特别限制，例如可以使用作为光学玻璃广泛流通的硅酸盐玻璃等廉价的玻璃材料。
此外，从导热性的观点出发，优选使用导热性高的水晶、蓝宝石。由此获得对强光的高耐光性，优选用作发热量大的投影仪的光学引擎用的偏光板。
其中，使用由水晶等光学活性晶体构成的透明基板的情况下，优选在相对于晶体的光学轴为平行方向或垂直方向上配置格栅状凸部。由此，获得优异的光学特性。这里，光学轴是指，在该方向上传播的光的O(普通光线)与E(异常光线)的折射率之差成为最小的方向轴。
(反射层)
反射层(图1中的反射层2)形成于透明基板的一个侧面，是呈带状延伸的金属膜在作为吸收轴的Y轴方向上排列的层。其中，本发明中，透明基板与反射层之间也可以存在其他层。
图1所示的本发明一个实施方式涉及的偏光板10的反射层2相对于透明基板1面方向垂直延伸，从格栅状凸部的延伸方向(预定方向：Y轴方向)观察时，即在与预定方向正交的截面观察中，具有矩形形状。反射层具有作为线栅型偏光元件的功能，使与反射层的长度方向平行的方向上具有电场成分的偏光波(TE波(S波))衰减，使与反射层的长度方向正交的方向上具有电场成分的偏光波(TM波(P波))透射。
作为反射层的构成材料，只要是对使用区域的光具有反射性的材料即可，没有特别限制，例如可列举Al、Ag、Cu、Mo、Cr、Ti、Ni、W、Fe、Si、Ge、Te等元素单质、或含有它们中的1种以上元素的合金。其中，反射层优选由铝或铝合金构成。其中，除了这些金属材料以外，例如可以由通过着色等形成高的表面反射率的金属以外的无机膜、树脂膜构成。
反射层的膜厚没有特别限制，例如优选为100nm～300nm。其中，反射层的膜厚例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
反射层的宽度也取决于与格栅状凸部的间距P的关系，例如优选在30nm～40nm的范围。其中，它们的宽度例如可以通过上述电子显微镜法来测定。此外，优选反射层的宽度与后述吸收层等大体相同。其中，使反射层的宽度与形成格栅状凸部的其他层不同的情况下，例如可列举组合使用各向同性蚀刻和各向异性蚀刻、改变其平衡的方法。
(间隙层)
间隙层(图1中的间隙层3)是本发明中任选的层，是形成于反射层上、由在作为吸收轴的Y轴方向上呈带状延伸的电介质构成的膜排列而成的层。另外，本发明中，反射层与间隙层之间也可以存在其他层。
图1所示的本发明一个实施方式涉及的偏光板10的间隙层3在反射层2上相对于透明基板1的面方向垂直层叠，从格栅状凸部5的延伸方向(预定方向：Y轴方向)观察时、即在与预定方向正交的截面观察时，具有矩形形状。
间隙层的膜厚在相对于在吸收层被反射的偏光，透过吸收层在反射层被反射的偏光的相位偏移半个波长的范围内形成。具体地，间隙层的膜厚适当设定在能够调整偏光的相位而提高干涉效应的1～500nm的范围内。该间隙层的膜厚例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
构成间隙层的材料是对可见光为透明的材料，可列举例如SiO2等Si氧化物、Al2O3、氧化铍、氧化铋等金属氧化物、MgF2、冰晶石、锗、二氧化钛、硅、氟化镁、氮化硼、氧化硼、氧化钽、碳、或它们的组合等。其中，间隙层优选由Si氧化物构成。
间隙层的折射率优选为大于1.0，2.5以下。反射层的光学特性也会受到周围的折射率的影响，因此可以通过选择间隙层的材料来控制偏光特性。
此外，通过调整间隙层的膜厚、折射率，对于在反射层被反射的TE波，能够在透过吸收层时对一部分进行反射而返回反射层，能够通过干涉使通过吸收层的光衰减。通过如此地进行TE波的选择性衰减，能够获得期望的偏光特性。
间隙层的宽度也取决于与格栅状凸部的间距P的关系，例如优选在30nm～40nm的范围。其中，它们的宽度例如可以通过上述电子显微镜法来测定。此外，优选间隙层的宽度与前述反射层大体相同。
(吸收层)
吸收层(图1中的吸收层4)是本发明中必需的层，相对于反射层设于与透明基板相反的面上，构成格栅状凸部的一部分。即，吸收层在作为吸收轴的Y轴方向上呈带状延伸排列。本发明中，反射层与吸收层之间还可以存在上述的间隙层等其他的层。
图1所示的本发明一个实施方式涉及的偏光板10的吸收层4在反射层2上相对于透明基板1的面方向垂直层叠，从格栅状凸部5的延伸方向(预定方向：Y轴方向)观察时、即在与预定方向正交的截面观察时，具有矩形形状。
吸收层的宽度也取决于与格栅状凸部的间距P的关系，例如优选在30nm～40nm的范围。其中，它们的宽度例如可以通过上述电子显微镜法来测定。此外，优选吸收层的宽度与前述反射层大体相同。其中，使吸收层的宽度与形成格栅状凸部的其他层不同的情况下，例如可列举组合使用各向同性蚀刻和各向异性蚀刻、改变其平衡的方法。
本发明偏光板的特征在于，吸收层包含杂质半导体。由此，能够利用廉价的原料和廉价的制造装置，实现具有充分的反射率特性的偏光板。
作为吸收层所含的杂质半导体，可列举在Si、Ge等本征半导体中添加有杂质的杂质半导体。作为本征半导体，从入手容易性和价格的观点出发，优选为Si。
已知硅等本征半导体通过微量添加杂质而变为n型半导体或p型半导体。例如，已知硅中掺杂有硼的情况下则变为p型半导体，随着掺杂量的増加，电阻率急剧减小。
作为本征半导体的硅的电阻率为103Ωcm左右，因此在通过溅射使硅成膜的情况下，必须通过高频式进行实施。这里，高频式的溅射必须有高频电源、匹配等，一般装置构成复杂，其结果是，装置价格成为高价，此外成膜所需的费用也高。
但是如上所述，在本征半导体中微量添加有杂质的杂质半导体的电阻率急剧减小。因此，可以利用作为简单的构成装置的直流式来实施溅射。因此，本发明的偏光板通过吸收层包含杂质半导体，能够降低成膜装置简化带来的制造装置本身的成本、以及生产所需成本这两者。
本发明中使用半导体材料作为吸收层，因此，半导体的带隙能量干预吸收作用，必须使带隙能量在使用区域以下。例如，在可见光下使用的情况下，必须使用波长400nm以上的吸收、即作为带隙的3.1ev以下的材料。
作为吸收层所含的杂质半导体，只要带隙能量在使用区域以下即可，没有特别限定，可以为p型半导体和n型半导体中的任一种。作为添加在本征半导体中的杂质，p型半导体的情况下，优选含有B、Al等3价元素，例如可列举在Si中微量添加B、Al等3价元素作为杂质的例子。此外，n型半导体的情况下，优选含有P、As、Sb等5价元素，例如可列举在Si中微量添加P、As、Sb等5价元素作为杂质的例子。
吸收层的膜厚没有特别限制，例如优选为10nm～100nm。吸收层的膜厚例如可以通过上述电子显微镜法来测定。此外，吸收层也可以由构成材料不同的2个层以上构成。
(扩散屏障层)
本发明偏光板在间隙层与吸收层之间可以具有扩散屏障层。即，图1所示的偏光板中，格栅状凸部5从透明基板1侧开始依次具有反射层2、间隙层3、扩散屏障层和吸收层4。通过具有扩散屏障层来防止吸收层中光的扩散。该扩散屏障层可以由Ta、W、Nb、Ti等金属膜构成。
(保护膜)
此外，在不影响光学特性的变化的范围内，本发明偏光板中，光入射侧的表面可以被由电介质构成的保护膜覆盖。保护膜由电介质膜构成，例如可以在偏光板的表面(形成有线栅的面)上利用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)、ALD(Atomic LayerDeposition，原子层沉积)来形成。由此，能够抑制对金属膜的超过必要的氧化反应。
(有机系拒水膜)
进一步，本发明的偏光板中，光入射侧的表面可以被有机系拒水膜覆盖。有机系拒水膜例如由全氟癸基三乙氧基硅烷(FDTS)等氟系硅烷化合物等构成，例如可以通过利用上述CVD、ALD来形成。由此，能够提高偏光板的耐湿性等可靠性。
但本发明不限定于图1所示的上述实施方式，本发明也包括能够实现本发明目的范围内的变形和改良。
[偏光板的端面]
本发明的偏光板中，优选透明基板和格栅状凸部的端面是露出了透明基板和格栅状凸部的构成材料的露出面。即，如图2(a)所示，在将箭头方向设为格栅状凸部的延伸方向时，格栅状凸部和透明基板的端面11为露出了透明基板和格栅状凸部的构成材料的露出面。
通过偏光板的端面为露出了格栅状凸部的构成材料的露出面，即通过露出包含杂质半导体的吸收层，能够根据需要从端部进行导电接触。例如，如图2(b)所示，通过在作为露出格栅状凸部的构成材料的露出面的、格栅状凸部和透明基板的端面11直接设置接触电极，从而抑制了静电的产生，其结果是，例如即使在灰尘进入液晶投影仪等光学设备的情况下也能够抑制灰尘对偏光板的附着而导致的光透射性的劣化、来自灰尘部分的腐蚀的发生。
[偏光板的制造方法]
本发明偏光板的制造方法至少具有反射层形成工序和吸收层形成工序。
(反射层形成工序)
反射层形成工序中，在透明基板的一面形成反射层。作为反射层的形成方法，例如可以列举溅射法、蒸镀法。
(吸收层形成工序)
吸收层形成工序中，在反射层形成工序中形成的反射层上形成吸收层、或存在间隙层等任选的层的情况下在该层上形成吸收层。
本发明的特征在于，吸收层形成工序中，使用由上述的杂质半导体构成的靶材，将该靶材进行溅射而形成吸收层。
(蚀刻工序)
蚀刻工序中，通过选择性对经上述各层形成工序形成的层叠体进行蚀刻，形成以比使用区域的光的波长短的间距在透明基板上排列的格栅状凸部。具体地，例如通过光刻法、纳米压印法形成一维格栅状的掩膜图案。然后，通过选择性对上述层叠体进行蚀刻，形成以比使用区域的光的波长短的间距在透明基板上排列的格栅状凸部。作为蚀刻方法，例如可列举使用了针对蚀刻对象的蚀刻气体的干蚀刻法。
尤其在本发明中，通过组合各向同性蚀刻和各向异性蚀刻而改变平衡，能够任意调整构成格栅状凸部的层的宽度。
其中，本发明偏光板的制造方法可以具有将其表面用由电介质构成的保护膜被覆的工序。此外，本发明偏光板的制造方法还可以具有将其表面用有机系拒水膜被覆的工序。
[光学设备]
本发明的光学设备具备上述的本发明涉及的偏光板。本发明涉及的偏光板能够用于各种用途。作为能够应用的光学设备，可列举例如液晶投影仪、平视显示器、数码相机等。特别是，本发明涉及的偏光板是耐热性优异的无机偏光板，因此与由有机材料构成的有机偏光板相比，能够适宜地用于要求耐热性的液晶投影仪、平视显示器等用途。
本发明涉及的光学设备具备多个偏光板的情况下，多个偏光板中的至少1个为本发明涉及的偏光板即可。例如，本实施方式涉及的光学设备为液晶投影仪的情况下，配置在液晶面板入射侧和出射侧的偏光板中的至少一方为本发明涉及的偏光板即可。
实施例
接下来，对本发明的实施例进行说明，但本发明不限定于这些实施例。
＜实施例1＞
[偏光板的制成]
制作图1所示的构成的线栅偏光板。即，制作透明基板的一个面上具有一维格栅状排列的格栅状凸部、格栅状凸部从透明基板开始依次具有反射层、间隙层和吸收层的结构的偏光板。
使用玻璃作为基板，使用铝作为反射层的材料，反射层的厚度设为200nm。此外，间隙层的材料设为二氧化硅，厚度设为20nm。
通过溅射法在间隙层上形成吸收层。作为靶材材料，使用含有100ppm硼的硅。靶材的体积电阻率为0.01Ω·cm，吸收层的厚度设为20nm。
随后，通过实施蚀刻，得到格栅状凸部的间距为140nm的图1所示的构成的线栅偏光板。
[偏光特性的测定]
对于得到的偏光板的光学特性，使用分光光度计(日本分光(株)制，V-570)在以下的条件下实施测定。
(测定条件)
P偏光与S偏光的透射率：入射角设为0°，在波长400～700nm的范围内测定
P偏光与S偏光的反射率：入射角设为5°，在波长400～700nm的范围内测定
将偏光特性的验证结果示于图3。其中，图3的图表中，X轴为波长(nm)，Y1轴表示透射率或反射率(％)，Y2轴表示对比度。此外，基于以下项目绘制模拟结果。
Tp：P偏光透射率
Ts：S偏光透射率
Rp：P偏光反射率
Rs：S偏光反射率
CR：对比度(Tp/Ts)
这里，P偏光透射率(Tp)意味着入射偏光板的、透射轴方向(X轴方向)的偏光(TM波)的透射率。S偏光透射率(Ts)意味着入射偏光板的、吸收轴方向(Y轴方向)的偏光(TE波)的透射率。此外，P偏光反射率(Rp)意味着入射偏光板的、透射轴方向(X轴方向)的偏光(TM波)的反射率。S偏光反射率(Rs)意味着入射偏光板的、吸收轴方向(Y轴方向)的偏光(TE波)的反射率。
＜比较例1＞
制作除了具备Ta(体积电阻率：131nΩ·cm)作为吸收层以外与实施例1同样的偏光板，与实施例1同样地进行模拟。将偏光特性的验证结果示于图4。
判断出实施例1中的偏光板中，作为可见偏光板使用时重要的波长即绿色区域(550nm附近)的S偏光反射率(Rs)比比较例1的偏光板低。
符号说明
10：偏光板
1：透明基板
2：反射层
3：间隙层
4：吸收层
5：格栅状凸部
11：透明基板和格栅状凸部的端面
12：接触电极
H：格栅状凸部的高度
W：格栅状凸部的宽度
P：格栅状凸部的间距。

Claims (13)

1.一种具有线栅结构的偏光板，
具备透明基板和格栅状凸部，所述格栅状凸部以比使用区域的光的波长短的间距在所述透明基板上排列、在预定方向上延伸，
所述格栅状凸部至少包含反射层和吸收层，
所述吸收层含有杂质半导体。
2.根据权利要求1所述的偏光板，所述杂质半导体为p型半导体。
3.根据权利要求2所述的偏光板，所述杂质半导体含有3价元素。
4.根据权利要求1所述的偏光板，所述杂质半导体为n型半导体。
5.根据权利要求4所述的偏光板，所述杂质半导体含有5价元素。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的偏光板，所述透明基板和所述格栅状凸部的端面是露出所述透明基板和所述格栅状凸部的构成材料的露出面。
7.根据权利要求6所述的偏光板，所述露出面上具备电极。
8.一种光学设备，具备权利要求1～7中任一项所述的偏光板。
9.一种偏光板的制造方法，其为具有线栅结构的偏光板的制造方法，
具有：在透明基板的一面形成反射层的反射层形成工序和在所述反射层的与所述透明基板相反的面上形成吸收层的吸收层形成工序，
所述吸收层形成工序是将包含杂质半导体的靶材溅射而形成吸收层。
10.根据权利要求9所述的偏光板的制造方法，所述杂质半导体为p型半导体。
11.根据权利要求10所述的偏光板的制造方法，所述杂质半导体含有3价元素。
12.根据权利要求9所述的偏光板的制造方法，所述杂质半导体为n型半导体。
13.根据权利要求12所述的偏光板的制造方法，所述杂质半导体含有5价元素。
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