CN1621866A - 薄膜结构与制造该薄膜结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜结构，其包括板形金属或板形结构，其中，板形金属和板形介电体相接触。该板形金属或结构形成在具有线形波纹状结构的表面的透明基体上。该板形金属或结构垂直于该基体的表面或相对于该基体的表面倾斜。该薄膜结构具有适用于液晶放映机等的偏振片的特性。

Description

薄膜结构与制造该薄膜结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于液晶显示器、光学记录设备、光学传感器等的偏振器(polarizer)。具体而言，本发明涉及一种偏振器所需的具有偏光特性的薄膜结构以及用于制造该薄膜结构的方法。
背景技术
偏振器是一种光学元件，其从包含多种偏振光的光线中提取具有特定方向的偏振光。现在存在并使用的偏振器有各种类型。例如包括：偏振玻璃，其中，具有高纵横比的柱形银粒子分散在玻璃中；偏振器，其中岛状的金属层与介电层互相交替并随后被拉伸；偏振膜，其中聚合物被拉伸；以及叠层式偏振器，其中介电薄膜和金属膜以交替的方式堆叠并且光线从该膜的横截面方向进入。
在液晶技术领域中，在使光学系统更加简洁、轻质、高亮度等方面获得了一些技术进步。液晶显示器在如商业数据显示、家庭影院视频显示等应用中的普及增长很快。尤其是，在通过增加灯具亮度、通过偏振转化改进光的使用效率来提高亮度等方面有显著进步。
然而，这样就由于更加紧凑、更高亮度等情况，导致了该光学系统温度更高的问题。结果，对该光学组件的耐热性的要求更高。
液晶显示器通常使用由染色的有机膜形成的偏振板，如日本早期公开专利公开号2002-296417所述。然而，这些偏振板具有有机膜，因此由于应用了有机材料而使偏振板的耐热性低。同样，还有染色的偏振膜和具有高耐热性的偏振膜。然而，这些偏振膜的工作波段偏窄，由此增加了使用上的限制。
为了克服这些问题，建议使用线栅型偏振器。在线栅型偏振器中，线为金属，衬底为玻璃，这样仅使用了无机材料。因此，具有高耐热性，不像例如染色偏振片的有机材料那样。具有如美国专利号6108131和美国专利号6122103中结构的线栅偏振器就能够达到这些目的。
然而，线栅偏振器的生产需要对线的粗细、线的间距等进行高度精确的控制。尤其是，可见光线栅偏振器的生产需要非常细微的结构，其中线和缝之间的宽度需是160nm或不超过160nm。因此，必须使用干蚀刻，光刻法等制造工艺。这些工艺的设备成本高，而且需要繁多的步骤，因此，增加了产品成本。
上述偏振器的生产均需要复杂的步骤，同时，还试图仅使用沉积过程而在衬底上形成具有偏振分光(polarization splitting)性的膜。在日本早期公开专利号平4-218662中，金属(Al)和透明电介质(二氧化硅)从对角方向同时在平衬底上蒸发，以形成这样的结构，即其中板形的Al和二氧化硅粘结在一起，并从该衬底凸出。该粘结板的平均厚度约为5nm，宽度约为30nm，且高度约为1500nm。这种板形体大约垂直于蒸发的粒子逃逸的方向，这样为可见光提供了较高级的偏振性。
然而，由发明者所做的实验表明：贴近该衬底表面的该板形体的结构完全不同于该上端附近区域的结构。贴近该衬底处，该金属形成微粒并且该贴近该衬底处不会形成板形结构。而且，当板形结构形成在距该衬底表面约50nm处时，该板形金属的横截面的形状随距该衬底的距离的增加而改变，并且可以看到沿该厚度轴的方向在加宽。更具体而言，不可能获得所披露的膜结构。此外，该偏振膜的消光系数大约为5db。这样不能充分实现偏振器的功能并且妨碍了将该技术应用于光学通信、液晶投影机等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题并且提供一种仅使用沉积工艺的结构，在该结构上，板形体排列在一衬底表面上，以提供高性能、低成本的偏振器。
本发明涉及的薄膜结构具有如下结构：
一薄膜结构，其中多个平行的板形金属形成在一基体上，在该基体上设置有多个平行的线形波纹状结构，该板形金属被设置成与基体表面成一固定角度；且该板形金属的一端沿该线形波纹状结构的方向与该基体接触。
在这种类形的薄膜结构中，当工作波长为λ时，板形金属之间的平均间隙d，膜厚度H，以及平均宽度W，以及相对于基体的角度θ介于下列范围之中，θ定义为与该基体表面的法线的角度。
0.07λ＜d＜0.20λ
0.15λ＜H＜0.90λ
0.05λ＜W＜0.18λ
0度≤θ≤25度。
优选的膜厚度(H)的范围是：
0.15λ＜H＜0.50λ。
通过以这种方式在基体上排列多个平行的金属板能够产生偏振特性。具体而言，多个平行的线形波纹状结构分布在基体的表面上，并且使用该波纹状结构以使多个板形金属在该基体上彼此平行地排列。这些板形金属仅使用沉积工艺而形成。进一步，通过达到上述的条件，可以提供特别针对可见光范围的偏振效果。因此，这种类型的结构尤其适于应用在薄膜偏振器中。
此外，由于波纹状结构形成在基体表面上，所以，当从微观角度来看时，该基体表面不具有限定的角。然而，因为该波纹状结构非常细微，所以当从宏观角度来看时，该基体为一平板，并且能限定相对于该平板表面的角度。该基体的宏观表面被称作该基体的表面，在考虑到该波纹状结构时，该基体的微观表面将被称作该波纹状结构表面，以便区别。
优选的，该基体由一衬底形成，在该衬底上设置有多个平行的线形波纹状结构，并且一透明的介电薄膜以至少一层的方式形成在该衬底的表面；并且，设置在衬底上的该线形波纹状结构的表面形状不同于该透明的介电薄膜的表面形状。
为了在该衬底上生长上述的板形金属，则该衬底表面上的线形波纹状结构必须具有一定的深度并且均匀。然而用这种形成波纹状结构的方式可能不容易得到必要的深度或均匀度。在这种情况下，通过在成形的波纹状结构上形成一透明的介电膜，可以补充该波纹状结构的深度或者能够使该波纹状结构中的变化均匀。
尤其是，优选的，在衬底凸出部的最高处的该透明介电膜的厚度大于在衬底凹陷部的最低处的介电膜的厚度。通过以这种方式形成介电膜，该衬底波纹状结构的厚度能够得到更有效的补充。
优选地，在该线形波纹状结构中，垂直于该线的方向的横截面形成多个相类似的梯形的周期性排列，其底基部(bottom base)平行于该基体表面地排列在单一线上；并且该板形金属的端部接触于该波纹状结构的、与梯形的斜边相对应的表面。
进一步，优选地，该板形金属的端部接触于波纹状结构的、对应该梯形的顶部的任何一侧的两个斜边的两个表面。或者，优选地，该板形金属以如下的周期排列，即为梯形的排列周期的2倍。
上述的线形波纹状结构可通过将一刻有多个平行的线形波纹状结构的模子压抵于涂布在一平衬底表面的透明材料溶胶或凝胶，并且加热该衬底而形成。
通过对该模子进行精细的加工，可以容易地并可重复地生产用于许多基体的精细的波纹状结构。
并且，该线形波纹状结构可通过使用例如抛光粉等粒子打磨该衬底表面而形成。使用这种方法可进一步降低形成波纹状结构的成本。
该板形介电体可与该板形金属的一侧表面相接触。优选地，该板形介电体的材料以二氧化硅作为主要组分。当板形介电体和板形金属以这种方式相接触时，该金属由介电体所支撑，从而限制了聚合。
此外，优选地，该板形金属之间的间隙、以及该板形金属与该板形介电体之间的间隙由折射率不超过1.6的透明介电体所填充并覆盖；并且优选地，该透明介电体的主要组分为二氧化硅。并且，优选地，该透明介电膜覆盖该薄膜结构。
通过以这种方式采用透明介电体填充并覆盖，该薄膜结构的机械强度得到改善，并且整个偏振化生产过程的操作变得更加容易。并且，可以增进耐久性，并可以防止由于加热产生的氧化和积聚。因此，能够提供一种高度可靠的偏振器。并且，如果使用无机膜来覆盖该板形体的表面，则可以防止金属材料的氧化，由此增强了耐热性。
并且，优选地，该板形金属由银、铝、铜、铂或以这些金属作为其主要成分的合金而形成。
在用于制造薄膜结构的方法中，将金属粒子、金属原子或金属原子簇(metal cluster)涂布在表面形成有多线形波纹状结构的衬底上，这种涂布是从相对于所述衬底的法线倾斜的方向、并以相对于线形波纹状结构的方向成一固定角度地进行。同时或随后，以相同的角度，但是从相对于该线形波纹状结构的上述固定角度的相对侧的方向、并沿相对于该衬底的宏观表面的法线倾斜的方向涂布金属离子、金属原子或金属簇。在此的衬底为一平板部件，例如一玻璃板，并且该基体是指表面上形成有波纹状结构的衬底。
当制造具有板形介电体的结构时，在形成上述的板形金属的膜同时或之后，以相同的角度，但是从相对于该线形波纹状结构的上述固定角度的相对侧的方向、并沿相对于该衬底的宏观表面的法线倾斜的方向涂布用于形成介电体的离子、原子或簇。
这些方法是基于真空沉积的，因此该生产过程简单并且可以在一个大的区域上进行沉积，从而减少了每一单位区域的生产成本。
当通过使用如研磨剂的粒子等打磨该衬底表面以形成波纹状结构时，波纹状结构的形成可以非常便宜，但无法获得具有对形成板形金属足够深的深度的波纹状结构。
在这种情况下，从相对于线形波纹状结构的方向成一固定角度、并以相对于该基体表面的法线倾斜地涂布用于形成介电体的元素的离子、原子或簇。同时，从包含该波纹状结构线的法向面的另一侧涂布用于形成介电体的元素的离子、原子或簇。
使用这种方式，该波纹状结构可制造的更深，并且具有均匀形状的板形金属可更易于形成。并且，通过调整介电膜的厚度，该波纹状结构形状的变化可以更加均一。
根据本发明，可使用成膜工艺在该基体上形成膜，这样该膜具有卓越的偏振分光特性以及卓越的耐热性。此外，因为没有光刻写步骤，所以可以非常便宜地制造大面积的偏振片。并且，偏振片可直接形成在光学部件上。
本发明的上述和其它目的、特点和优点将通过以下描述并结合附图变得更加清晰，其中相同元件用相似的标号表示。
附图说明
图1(a)至图1(d)分别为依照本发明的用于制造波纹状结构的模子以及基体上的波纹状结构的简化横截面图。
图2为依照本发明的薄膜结构的简化图。
图3为一基体的横截面结构，在该基体上进行补充波纹状结构的操作。
图4为依照本发明的薄膜结构的一实例的简化图。
图5为依照本发明的薄膜结构的又一实例的简化图。
图6为依照本发明的薄膜结构的又一实例的简化图。
图7为依照本发明的薄膜结构的又一实例的简化图。
图8为依照本发明的薄膜结构的又一实例的简化图。
图9为依照本发明的薄膜结构的又一实例的简化图。
图10为依照本发明用于形成一薄膜结构的装置的结构图。
图11为依照本发明用于形成一薄膜结构的装置的另一结构图。
图12为第二比较实施例的基体结构的立体图。
图13为依照第四比较实施例的薄膜结构的简化图。
图14为传统的成膜装置的结构图。
图15为改进的传统的成膜形装置的结构图。
具体实施方式
本发明的薄膜偏振器是通过在一具有精细的表面粗糙度的基体上进行斜入射(oblique-incidence)沉积而产生的，从而利用了当从蒸发的粒子的入射方向看时不会在阴影形成区域发生沉积的优势。本发明人选用了不会组合形成固溶体的介电材料和金属材料。通过相对于该基体的宏观表面的法线斜入射，同时涂布这两种材料，以形成膜，从而与该表面上的粗糙结构形成固定的角度。该两种材料产生相位差，因此两种材料彼此相接触地板形膜。
该基体的宏观表面所指如下：因为该基体表面形成有凸部和凹部，所以该基体表面由不同方向的表面构成。然而，如果从宏观角度看该基体呈平板形，则能够确定表面的宏观方向。这个平面被称作基体表面，并且具有精细粗糙度的表面被称作粗糙表面。
更进一步，本发明人发现当通过使用相对于该基体表面的法线斜入射、并且沿与该表面粗糙度形成固定角度的方向同时涂布两种金属，则形成该板形金属膜，其以该表面粗糙度的最高点处为中心地垂直凸出。
由于简单，模塑法是形成该基体上粗糙度的最佳方法。金属醇盐(metalalkoxide)的透明溶胶或凝胶可被涂布于基体。通过使用其中刻有数条平行凹痕和凸棱线的模子进行印刻。对所获得的结构进行加热，以形成以二氧化硅作为主要成分并且非常耐久的粗糙结构。另外，使用适于模塑的树脂材料也是众所周知的。
然而，对于在此使用的方法并没有特别的限制。一种选择是使用光刻法。在这种方法中，可使用电子束刻写、干涉平板印刷(interference lithography)等方法形成图案。使用这种方法，使用光刻胶图案等作为掩膜来对光刻胶等进行曝光和显影并且对衬底材料进行蚀刻，以获得期望的具有精细粗糙度的结构。
可选择地，可以使用通过使用抛光粉等打磨衬底表面来形成表面粗糙度。然而，当通过使用这种方法形成粗糙衬底时，通常很难获得深层粗糙度。使用抛光粉等形成的粗糙度通常只能提供深度较浅的粗糙度。
在这种情况下，当以与粗糙之处形成固定角度的方向、采用相对于基体表面的法线斜入射来涂覆透明介电材料而形成膜时，可以发现板形透明介电膜能够补充粗糙度。此外，还发现：通过同时在衬底法线的任何一侧的二相对方向、且沿形成固定角度的方向进行涂布，能够补充粗糙度。
通过使用这种方法，可通过使用透明介电膜对浅粗糙度进行改进，以形成深粗糙度。通过从倾斜方向将金属涂布至这种类形的膜衬底，能够更加简单地制造具有偏振功能的薄膜结构。
在形成有间隙的线栅偏振器中，具有偏振性的板形金属能够氧化或能够聚集，因此导致了使用寿命的问题。由于板形金属之间有间隙，所以在本发明的薄膜结构中也发生类似的问题。克服该问题的一种方法是在该薄膜偏振器完成之后，用各种材料如二氧化硅、Al2O3、SiOxNy、Si3N4等填充该薄膜偏振器中的间隙。具体而言，优选将透明的无机材料二氧化硅注入到间隙中，因为这样可显著提高使用寿命。然而，对于该应用方式没有特别的限制，可以使用各种方法，如图漆、化学汽相沉积以及物理汽相沉积等。
在液晶显示器中使用的偏振膜中，最重要的特征是偏振度和对线性偏振光的最大透射率。偏振度的值依照下列方程计算：
偏振度(％)＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)×100％
其中，Imax为对线性偏振光的最大透射率；Imin为对线性偏振光的最小透射率。为了更易于使用，优选地，透射率和偏振度的光学特性应当最低限度地依赖于波长和入射角度。
下面将描述具体实施例。在附图中，相似的元件由相似的标记指代并且相同的描述可能被省略。
第一实施例
在本实施例中，通过模塑形成线形粗糙部。图1为以模塑方式获得的线形粗糙部的各种横截面图，并且该横截面垂直于该线。使用旋转涂布机(spincoater)以将四乙氧基硅烷(TEOS)溶胶膜涂布至一石英玻璃板上。在本实施例中，将具有如图1(a)中所示的横截面形状的模子22与此压抵。随后，对该结构加热并烘干，接着取下该模子。在完成这些操作之后，施加600摄氏度的高温，这样就在玻璃衬底70上形成了以二氧化硅作为主要成分的粗糙膜32。
接着，将银钯合金靶(钯：添加2％的重量)附在如图10所示的长距离溅射装置的磁控管阴极1上，并且，将二氧化硅靶附在磁控管阴极(magnetroncathode)2上。上述具有粗糙表面的石英玻璃衬底附在如图10所示的基体10的位置上。该磁控管阴极1相对于基体10的法线倾斜80度，并且该磁控管阴极2也倾斜80度。
接着，用旋转式泵和低温泵将溅射室20抽空至大约1×10-4Pa。将氩气引入到靶室11中，并且将混有2％氧气的氩气引入至靶室12。随后，将直流电源供应器发送一负电压至磁控管阴极1以形成辉光放电。此外，将一无线电频率(频率：13.56MHz)发送至该磁控管阴极2以产生辉光放电。
接着，调整提供给该磁控管阴极1的电源，使银钯在该基体10的表面上的沉积速率(板形金属生长的速率)为10nm/min。同样，调整输送至磁控管阴极2的高频电源，使在该基体10的表面上的二氧化硅膜的沉积速率为10nm/min。
接着，将附在磁控管阴极1和磁控管阴极2前表面的挡板6和挡板7同时打开，开始沉积，并且该过程大约进行20分钟。20分钟后，挡板6和挡板7同时关闭，结束成膜操作。
图2中的立体图显示了用透射电子显微镜(TEM)观察按这种方式获得的样品的横截面结构。在粗糙膜32上(石英玻璃衬底未显示在图上)形成彼此接触的以二氧化硅作为主要成分的板形介电体52和具有银钯合金(钯：占2％的重量)的板形金属42，并且排列在粗糙膜32的凸部上。
板形结构50以基本垂直于基体表面(宏观见的粗糙膜32的表面)的方式凸出，并且在独立的板形结构之间形成有间隙62。基于由TEM观察的横截面结构，得到的形状如下所述：
d＝75nm(相当于0.14λ，当λ＝550nm时)
W＝50nm(相当于0.09λ，当λ＝550nm时)
H＝200nm(相当于0.36λ，当λ＝550nm时)
θ＝0度
其中d是板形金属之间的平均距离，H是膜厚度，即高度。W是宽度，以及θ是角度。
对波长为632.8nm的入射光测量到的偏振度为99.9％或更高，并且对TM偏振光的透射率为88.2％，这些值相当高。表1显示了400nm、550nm和700nm的测量结果。对于所有的波长，均获得高的偏振度和透射率。
第二实施例
在本实施例中，通过使用溅射方式涂布厚度约为100nm的二氧化硅膜，以覆盖至第一实施例中制造的板形结构的表面上。对波长为632.8nm的入射光测量到的偏振度为99.9％或更高，并且对TM偏振光的透射率为89.7％，这些值相当得高。如表1所示，对于其它波长也得到相似的特性。
上述样品在大气中以500摄氏度加热1小时。表1显示了该操作完成后进行光学测量的结果。光学特性基本与所维持的预热状态相同，并且，可以发现，以介电膜覆盖板形结构提供了相当高的抗热性。
第三实施例
在本实施例中，使用抛光粉(颗粒直径：100nm)打磨铝硅酸盐玻璃衬底的表面，以在该玻璃表面上形成线形波纹状结构。衬底上的表面波纹状结构类似于第一实施例中该结构的形状，但是，该波纹状结构浅得多，其平均深度大约为15nm。该平均波纹状结构周期(period)为130nm。
为了通过形成覆盖表面的膜来加深该波纹状结构，执行以下操作。将硅靶(B涂料(dope))附在图10所示的长距离溅射装置中的磁控管阴极1和磁控管阴极2上。随后，将具有上述波纹状结构的玻璃衬底附在图10所示的基体10的位置。磁控管阴极1相对于被附衬底的法线方向倾斜80度，并且该磁控管阴极2倾斜80度。
随后，用旋转式泵和低温泵将溅射室20中的压力抽真空至大约1×10-4Pa。将含有20％氩气的氧气引入至靶室11和靶室12。该溅射室中此刻的压力为3×10-2Pa。随后，使用一直流脉冲电源供应器将一负电压施加至磁控管阴极1和磁控管阴极2，以产生辉光放电。
接着，调整磁控管阴极1和磁控管阴极2的电源，以使玻璃衬底表面上的二氧化硅沉积速率达到10nm/min。
接着，同时打开附在磁控管阴极1和磁控管阴极2前端表面的挡板6、7，以开始沉积，并保持大约5分钟。5分钟后，两个挡板6、7同时关闭并且沉积结束。
用透射电子显微镜(TEM)观察按这种方式获得的基体的横截面结构，所观察到的该横截面结构如图3中所示。在波纹状结构的玻璃衬底72的凸出部上由二氧化硅形成的透明介电膜74比形成在凹陷部的膜厚。凹陷部的平均深度约为50nm，其比波纹状结构的玻璃衬底72本身上的波纹状结构的深度15nm更深。因此，当深度增加时，可以保持波纹状结构的周期。
接着，在与第一实施例中的相似的条件下同时形成银钯和二氧化硅膜。通过透射电子显微镜(TEM)观察到所得到的样品的横截面形状，并且可以看到图4的立体图中所示的结构。为了显示为补充衬底72的波纹状结构所形成的透明介电膜74的特征，该波纹状结构以放大的方式绘示。由二氧化硅作为主要组分所形成的板形介电体52和由银钯合金作为主要组分所形成的板形金属42彼此相接触排列在基体上的凸出部。
该板形结构显示为沿垂直于宏观表面的方向凸出，并且板形结构之间具有间隙。基于由TEM观察到的横截面结构，得到的形状如下：
d＝75nm(相当于0.14λ，当λ＝550nm时)
W＝50nm(相当于0.09λ，当λ＝550nm时)
H＝200nm(相当于0.36λ，当λ＝550nm时)
θ＝0度
其中d是板形金属之间的平均距离，H是膜厚度，W是宽度，以及θ是角度。
对波长为632.8nm的入射光测量到的偏振度为99.9％或更高，并且对TM偏振光的透射率为88.2％，这些值相当高。表1显示了对40nm、550nm和700nm的测量结果。对于所有的波长，均获得高的偏振度和透射率。
第四实施例
通过变化波纹状结构膜、在沉积过程中使用的金属粒子的入射角度以及形成介电体粒子的入射角度，在基体表面上形成有各种类型的薄膜结构。
在第四实施例中，图1(b)所示的模子24被用来形成基体上的波纹状结构膜34。使用该基体，从任意一侧倾斜地涂布银钯粒子，使图5中所示的板形金属44附在基体表面上的凸出部的两个斜面上。
第五实施例
在第五实施例中，通过使用图1(c)中所示的模子26来形成波纹状结构膜36。使用该基体，从一倾斜方向涂布银钯粒子。如图6中所示的板形金属46，形成在该基体表面的一侧的斜面上，该板形金属46与基体的宏观表面的法线形成一角度。
第六实施例
在第六实施例中，通过使用和第四实施例中的相类似的模子24来形成波纹状结构膜34。接着，银钯和二氧化硅靶排列在相对基体10的法线成45度和80度角的位置处。另外，使用与第一实施例相类似的条件形成膜。结果，具有二氧化硅作为主要组分的板形介电体58和具有银钯作为主要组分的板形金属48形成为彼此相互接触，并且与波纹状结构膜34的凸出部的两侧上的斜面接触。该板形结构相对于基体表面(波纹状结构膜34的宏观表面)的法线倾斜。
从第四实施例到第六实施例的板形结构的形状和尺寸是确定的，并且测定了对400nm、550nm、以及700nm光的偏振度和对TM偏振光的透射率。其结果显示在表1中。所有的结构均显示：偏振度至少为90％，并且对TM偏振光的透射率至少为50％，偏振分光和透射率的值已达到足够高。
第七实施例
在本实施例中，使用具有梯形横截面形状的模子28以形成波纹状结构膜38。接着，使用与第一实施例中的相类似的条件，同时形成银钯和二氧化硅膜。对于银钯合金，钯占据10％(重量百分比)。所获样品的横截面的结构可由TEM观测并显示于图8中的立体图。具有二氧化硅作为主要组分的板形介电体58和具有银钯合金作为主要组分的板形金属形成为彼此相接触，并且排列在基体的凸出部上。然而，与第一实施例和其它实施例的主要区别在于板形结构在基体波纹状结构周期中重复形成。这是由于板形介电体和板形金属在基体的梯形截面的斜面和上平面上以交替的方式形成。因此，可以获得比形成基体的周期更细密的结构。
第八实施例
如在第三实施例中，本实施例使用抛光粉打磨铝硅酸盐玻璃衬底的表面，在玻璃表面上形成线形波纹状结构。如图9中所示，该波纹状结构73的波纹状结构表面的简化结构由梯形与保留的原始衬底表面的平面部分构成。在这种情况下，凹陷部也同样非常浅，其平均深度约为15nm，平均波纹状结构周期为130nm。
为了通过覆盖表面补充波纹状结构的深度，如实施例3中那样形成透明介电膜(二氧化硅膜)75。类似于第三实施例，表面波纹状结构深度增加至大约50nm。然而，不同于第三实施例的是，介电膜75在梯形的斜边和上基体相遇处增厚。因此，不仅介电膜75可以补充波纹状结构的深度，而且可使波纹状结构周期是衬底的周期的两倍。
接着，在与第一实施例中的相类似的条件下同时形成银钯和二氧化硅膜。由TEM观察所得样品的横截面形状，其如图9所示。具有二氧化硅作为主要组分的板形介电体59和具有银钯合金作为主要组分的板形金属49在基体的凸出部上以彼此接触的方式排列。该板形结构的周期匹配于基体表面的周期，即，介电膜75的波纹状结构周期。
第一比较实施例
将环氧紫外线树脂(epoxy-based ultraviolet-setting resin)的液滴涂布于石英玻璃衬底，随后使气其压抵向由图1(a)所示的波纹状结构形成的模子22。此后，施加2分钟的紫外线，并且随后使该衬底与模子分离。这样就获得了由玻璃衬底70上的环氧树脂形成的波纹状结构膜32。
在图14中所示的磁控管溅射装置中，金靶附在磁控管阴极101上，并且二氧化硅靶附在磁控管阴极102上。该波纹状结构石英玻璃衬底附在图14中所示的基体110的位置上。
随后，使用旋转泵和低温泵将该溅射室120的内部抽空至大约1×10-4Pa。通过气体供给管103将氩气供应至该磁控管阴极101，并且将混有5％氧气的氩气通过气体供给管104供应至该磁控管阴极102。该溅射室120中的压力此刻为5×10-1Pa。在此压力下的平均自由行程大约为30mm。在该范围的自由行程中，溅射粒子在到达衬底之前被气体分子分散开，并且失去了粒子行程的方向。
接着，通过使用直流电源供应器给该磁控管阴极101提供一负电压，以产生辉光放电。随后，将无线电频率(频率：13.56MHz)提供给该磁控管阴极102，产生辉光放电。
接着，调整提供给磁控管阴极101的电压，使金以7nm/min的速度沉积在基体110的表面上。并且，调整提供给磁控管阴极102的高频电源，使二氧化硅以7nm/min的速度沉积在基体110的表面上。
接着，同时打开附在磁控管阴极101和磁控管阴极102的前表面上的挡板(未显示)，以开始沉积，并且，该过程大约要保持25分钟。90分钟后，两个挡板同时关闭，完成了成膜操作。
用这种方式获得的样品的横截面形状可由透射电子显微镜观测到，并且可以发现细小的金粒子分散在二氧化硅中。测量对波长为550nm的入射光的偏振度，其值为34.0％，并且发现对TM偏振光的透射率为24.5％。
如果在包括短期平均自由行程并且在该行程中失去了粒子迁移的方向的情况下发生沉积，则即使波纹状结构形成在衬底上，最终获得的偏振特性也比较差并且不适合用作偏振器。
第二比较实施例
采用与第一实施例类似的方式在具有如图12所示的具有圆锥形波纹状结构的透明衬底上进行沉积。使用透射电子显微镜观测用这种方式所获得样品的横截面，可以发现由二氧化硅和银钯形成的柱(pole)在锥形的顶点上，同时在其它地方没有发现清晰的结构。对波长为550nm的入射光，偏振度的测量值为5％，并且对TM偏振光的透射率为8.7％。
如果该波纹状结构没有定向，则即使波纹状结构形成在衬底上，并且以足够长的平均自由行程进行沉积，最终获得的偏振特性也比较差并且不适合用作可见光偏振器。
第三比较实施例
将环氧紫外线树脂(epoxy-based ultraviolet-setting resin)的液滴涂布于石英玻璃衬底，并且使其压抵由图1(a)中所示的波纹状结构形成的模子22。此时，施加大约2分钟的紫外线，并且随后该衬底与模子分离。这样就在玻璃衬底70上形成了由环氧树脂形成的波纹状结构膜32。
接着，将铜靶附在图10中所示的长距离溅射装置的磁控管阴极1上，并且将二氧化硅靶附在该磁控管阴极2上。磁控管阴极1相对于基体10的法线倾斜80度，并且磁控管阴极2倾斜80度。
放电完成后，将氩气引入到靶室11中，并且将混有5％氧气的氩气引入到靶室12中。此刻溅射室中的压力为3×10-2Pa。
接着，调整供应至该磁控管阴极1的电源，使铜以5.5nm/min的速度(板形金属的长度的增长速度)沉积在基体10的表面上。并且，调整提供给磁控管阴极2的高频率电源，使二氧化硅膜以5.5nm/min的速度沉积在基体10的表面上。
接着，同时打开附在磁控管阴极1和磁控管阴极2的前表面的挡板6、7，以开始沉积，并且此过程保持约40分钟。40分钟之后，同时关闭两挡板6、7，并且沉积停止。
通过使用透射显微镜观测到的用这种方式获得的样品的横截面结构，可以发现如图2中的简化图所示的形状。在具有树脂波纹状结构膜32的石英玻璃衬底上，具有二氧化硅作为主要组分的板形介电体52和具有铜作为主要组分的板形金属42以相互接触的方式形成，并且沿基体波纹状结构的凸起部排列。
该板形结构沿平行于衬底32表面的法线的方向凸起，并且板形结构之间具有间隙。根据由透射电子显微镜观测到的横截面结构，其形状如下：
d＝63nm(相当于0.11λ，当λ＝550nm时)
W＝35nm(相当于0.06λ，当λ＝550nm时)
H＝396nm(相当于0.72λ，当λ＝550nm时)
θ＝0度
其中d是板形金属之间的平均距离，H是膜厚度，即高度。W是宽度，以及θ是角度。
对波长为400nm、550nm、以及700nm的入射光测量到的偏振度均为99.9％，然而，对TM偏振光的透射率为28.2％、50.8％、和89.9％，对于波长为400nm的透射率的值比较低，不到30％。
第四比较实施例
类似于在第三实施例中，使用抛光粉(粒子直径：100nm)打磨铝硅酸盐玻璃衬底的表面，在玻璃表面上形成线形波纹状结构。在该基体72上，在与第一实施例中的条件下使用银钯和二氧化硅形成相类似的膜。
通过使用透射电子显微镜(TEM)观测到的用此种方式获得的样品的横截面结构，可以发现大致如图13中的立体图所示的形状。具有二氧化硅作为主要组分的板形介电体59和具有银钯合金(钯：占2％的重量)作为主要组分的板形金属49以彼此相接触的方式形成，并且沿波纹状结构衬底72的凸出部排列，这些板形结构沿平行于衬底宏观表面的法线的方向凸起，并且这些板形结构之间具有间隙。然而，在对应于衬底的凹陷部的截面上，银钯和二氧化硅膜相混合，形成一层68，在该层中细小的银钯粒子混入二氧化硅膜中。
对波长为632.8nm的入射光测量到的偏振度为90.2％或更高，然而，对TM偏振光的透射率较低，为32％。对波长为400nm、550nm以及700nm的测量结果如表1中所示。对于所有的波长，偏振度高，然而透射率低。
第五比较实施例至第七比较实施例
使用与该第一实施例相类似的方法形成薄膜结构。然而，通过使用各种不同的模子形状，改变基体表面波纹状结构的形状。此外，改变在沉积中的形成介电体的粒子和金属粒子的入射角度。由TEM观测这些样品的横截面形状，确定波纹状结构的形状和尺寸。
进一步，对波长400nm、500nm、700nm的光测量偏振度和TM偏振光透射率。结果，如表1所示，表明偏振度为90％或以下；TM偏振光透射率为50％或以下。因此，没有样品可适用于偏振器。因此，即使形成了图2或图4至图9中所示的结构，如果尺寸和形状不合适，其对预定波长的偏振分光特性也不够充足。
考虑到上述的实施例和比较实施例可以看出，对于板形金属之间的平均距离(d)、膜厚度(H)、平均宽度(W)以及相对于基体的角度(θ)存在一个适当的范围，该适当的范围与用λ表示的波长相关。通过使用与所用光的波长相关的下述范围中的形状和尺寸的薄膜结构，能够改善该波长的偏振特性。
0.07λ＜d＜0.20λ
0.15λ＜H＜0.90λ
0.05λ＜W＜0.18λ
0度≤θ≤25度
为了获得具有上述形状的薄膜结构，只要基体上形成平行的线形波纹状结构，使看起来垂直于该线的横截面具有一个顶点，不存在其他特别的限制。但是，优选的，该横截面形成为具有一顶点和两侧边的三角形的凸出。优选地，一个凸出部的顶点和一个凸出部的顶点之间的距离与上述的d范围相近似。
并且，该横截面形状可为具有上底边和两个斜边的梯形。在这种情况下，该凸出部的周期是d的双倍，并且波纹状结构能容易地形成于衬底上。然而，凸出部之间的距离不一定要遵循固定的周期。事实上，优选地，凸出部顶点之间距离具有变化，这样将减少插入损失。
除了上述的方式，能够采用包括电子束刻写设备等的光刻法来形成基体表面上的这些波纹状结构。
在上述的实施例中，用二氧化硅作为该介电层，但是也可以使用其它对于所用波长范围透明的材料、以及具有低折射率的材料。因此，SiO2、SiOxNy、Al2O3、MgF2、MgO等能被用作进行长距离溅射的沉积。然而，低折射率优选要减少插入损失，特别优选MgF2、SiO2、SiOxNy等。
除了如银、铂、铜、铝等单一金属外，还可以使用银钯合金、金铜合金、银锌合金、银铝合金、铝钕合金等。
并且，在选择介电材料和金属材料时，不适于采用形成固溶体的化合物。在这种情况下，金属和介电体将会发生混合，从而不能获得所期望的板形膜。
在本发明的该板形结构中，无需高温加工。因此，对基体的材料没有特殊的限制。除了石英玻璃、硅、硼硅酸盐玻璃、碱石灰玻璃等，还可以使用树脂材料。
进一步，对基体的横截面形状没有特殊限制，并且，本发明不必限于如图1(a)至图1(d)中所示的上述实施例的形状。也可以使用如波形弯曲的波纹状结构。波纹状结构也可以在不会导致热损坏的条件下直接形成在具有弯曲状表面的透镜面和棱镜等光学部件上。
只要将被沉积的粒子如上所述的那样能够定向涂布，可以使用任何一种成膜方法。除了上述的方法，在上述条件下也可用物理成膜方法如，离子束溅射以及使用瞄准仪的磁控溅射等。
由于在沉积过程中靶和衬底之间的气压比较低(大约1×10-2Pa)并且平均自由形成较大，所以优选使用如图11所示的离子束溅射方法。该离子束溅射设备80使用一独立的抽气系统将该设备抽空至一相对低的压力。从数个离子枪81、82、83将离子束射到靶91、92、93，并且在基体90上形成薄膜。用挡板86来控制沉积。然而，该离子束溅射方法既需要离子枪又需要靶，使得该设备变得复杂。并且，设定适当的离子束入射角度就意味着在设计和设备的制造方面很复杂。
在如图14中所示的标准磁控溅射中的压力至少为0.1Pa。这样就难以获得如该第一比较实施例所示的具有板形结构的膜。当使用这种类型的标准磁控溅射设备时，为了使蒸发的粒子的方向保持一致，必须进行改进，例如如图15中所示那样在溅射靶和衬底之间插入瞄准仪108。
以上参考附图描述了本发明的优选实施例，然而应当理解本发明并不限于这些详细的实施例，并且由本领域的技术人员在不脱离本发明如所附权利要求中所限定的范围和精神内所做的各种变化和修饰皆包含在其中。
                                                                               表1
目标物体的材质 薄膜结构     d(平均值) W(nm) H(nm) θ(°) 偏振度(％) TM透射率(％) 备注
  实施例   λ400nm   λ550nm   λ700nm   λ400nm   λ550nm    λ700nm
1   AgPd(Pd：2wt％)-SiO2 图2 75 50 200 0 99.9 99.9 99.9 88.2 81.3 74.9
2   AgPd(Pd：2wt％)-SiO2 图2 75 50 200 0 99.9 99.9 99.9 88.7 89.3 90.8 SiO2外层
99.8 99.7 99.2 88.8 89.4 90.3 500℃加热后
3   AgPd(Pd：2wt％)-SiO2 图4 75 50 200 0 99.9 99.9 99.9 88.2 81.3 74.9 研磨基板
    4   Ag 图5     63     35   396     15     99.9     99.9     99.9     88.2     91.5     93
    5   Al 图6     63     35   261     0     99.9     99.9     99.9     90.5     87.2     90.5
    6   Ag-SiO2 图7     75     70   150     0     97.8     99.6     99.7     50.4     92.6     88.7
7   AgPd(Pd：10wt％)-SiO2 图8 90 40 150 0 92.2 97.1 98.4 88.2 92.4 94.4
8   AgPd(Pd：10wt％)-SiO2 图9 研磨基板
(续上表)
  比较例
1 Au-SiO2 - - - - - - 34 - - 24.5 - 磁控溅射
2 AgPd(Pd：2wt％)-SiO2 - - - - - - 5 - - 8.7 - 没有方向性的波纹基板
  3   Cu-SiO2 图2     63     35   396    0     99.9     99.9     99.9     28.2     50.8     89.9
4   AgPd(Pd：2wt％)-SiO2 图13 - 35.0 200 0.0 92.6 90.4 85.7 12.3 28.7 35.1 研磨基板
  5   Ag 图4     120     120   80    0     53.2     67     83     7.1     54.5     70
  6   Al 图5     20     20   300    0     99.9     99.9     99.9     38.3     72.4     77.5
  7   Ag-SiO2 图6     63     35   50    0     2.6     41.1     56.8     52.3     87.6     90.8
注：括号内的数值表示分散范围。

Claims (15)

1、一种薄膜结构，包括：
基体，其上设置有多个平行的线形波纹状结构；
多个平行的板形金属，其设置在所述基体上，所述板形金属被设置成与所述基体的表面成一固定角度，并且各板形金属的一端沿所述线形波纹状结构的方向与所述基体接触；
其中，依照工作波长λ，所述板形金属之间的平均间隙d、膜厚度H、以及平均宽度W，以及相对于所述基体的角度θ介于下列范围之中：
0.07λ＜d＜0.20λ
0.15λ＜H＜0.90λ
0.05λ＜W＜0.18λ
0度≤θ≤25度。
2、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，所述膜厚度H的范围是：
0.15λ＜H＜0.50λ。
3、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，所述基体由一衬底形成，所述多个平行的线形波纹状结构设置在该衬底上，并且至少一层的透明介电膜设置在该衬底上；并且
设置在所述衬底上的所述线形波纹状结构的表面形状不同于所述透明介电膜的表面形状。
4、如权利要求3所述的薄膜结构，其中，所述透明介电膜在该衬底上的所述波纹状结构的最高处比在所述波纹状结构的最低处厚。
5、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，所述线形波纹状结构具有一横截面，其形成相似梯形的周期性排列；每个梯形的任一侧都具有一底基部，该底基部与所述衬底表面相遇于一条线；并且
所述板形金属的端部设置在所述波纹状结构上，对应于所述梯形的斜边。
6、如权利要求5所述的薄膜结构，其中，所述板形金属的所述端部与所述波纹状结构的、与所述梯形的顶部的任一侧上的两斜边相应的两平面相接触。
7、如权利要求6所述的薄膜结构，其中，所述板形金属以所述梯形的周期的两倍排列。
8、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，所述线形波纹状结构是通过将刻有多个平行的线形波纹状结构的模子压抵涂布于平衬底表面的透明材料溶胶或凝胶、并且加热所述衬底而形成。
9、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，所述线形波纹状结构是通过使用研磨剂打磨衬底表面而形成。
10、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，一板形介电体与所述板形金属表面的一侧相接触。
11、如权利要求10所述的薄膜结构，其中，所述板形介电体的主要组分包括二氧化硅。
12、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，所述板形金属之间的间隙、以及所述板形金属与所述板形介电体之间的间隙被折射率不超过1.6的透明介电体填充和覆盖。
13、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，一透明介电膜覆盖所述薄膜结构的上表面。
14、如权利要求1所述的薄膜结构，其中，所述板形金属包括银、铝、铜、铂、或上述金属的合金。
15、一种制造薄膜结构的方法，包括下述步骤：
提供一基体，该基体由其上具有多个平行的线形波纹状结构的衬底形成；通过从相对于所述衬底的法线倾斜的方向、以相对于形成在所述衬底上的所述线形波纹状结构的方向成一固定角度地涂布用于形成介电体的元素的离子、原子或簇，同时，从相对的方向在所述衬底上包括所述线的法向面的另一侧上涂布用于形成介电体的元素的离子、原子或簇，来在所述衬底上形成一透明介电膜；以及
随后通过从相对于所述衬底表面的法线倾斜的方向、并且以相对于所述线形波纹状结构的方向成一固定角度地涂布金属离子、金属原子、或金属簇，来形成一膜。
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