JP2003215336A

JP2003215336A - 薄膜偏光子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2003215336A
Application number: JP2002009618A
Authority: JP
Inventors: Terufusa Kunisada; 照房國定; Kaori Sato; かおり佐藤; Toshiaki Anzaki; 利明安崎
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】特定方向の偏光を取り出せる偏光子として
は、柱状銀粒子がガラス中に分散したもの、島状金属層
と誘電体層を交互に積層した後に延伸させたもの、高分
子材料を延伸し配向させたものなどが知られているが、
いずれも製造方法が特殊である。このため、独立に製造
した後、光学部品に貼り付けて使用しなければならない
という煩雑さを有している。【解決手段】本発明の薄膜偏光子は、成膜工程のみに
よって形成される偏光特性を有する薄膜により構成され
る。その薄膜は、透明基体上に形成された金属または誘
電体の柱状構造体からなる。その柱状構造体は基体表面
に対して垂直、もしくは傾斜していることを特徴として
いる。本発明の薄膜偏光子はその表面に保護膜や反射防
止膜を形成することも容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信機器、光記録
機器、光センサ、液晶モニタ等に使用される偏光子に関
し、とりわけ偏光特性を有する薄膜に関し、該薄膜の構
造および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】偏光子は特定方向の偏光を取り出せる光
学素子であり、各種偏光子が提案され、実用化されてい
る。例えば、アスペクト比の高い柱状銀粒子がガラス中
に分散した偏光ガラス、島状金属層と誘電体層を交互に
積層した後に延伸させた偏光子、高分子材料を延伸し配
向させた偏光フィルム、誘電体膜と金属膜を交互に積層
し、膜の断面方向から光を入射する積層型偏光子などが
知られている。

【０００３】一方、光ファイバを使用した光通信が急速
に普及している。光ファイバを光学部品に接続した場合
に接続界面で反射が発生し、戻り光と呼ばれる伝送方向
と反対向きに進行する光が発生する。このような戻り光
は、光通信ではノイズとなりシステム全体に悪影響を与
えることが知られている。このような戻り光を効率よく
除去するために、光アイソレータが使用されている。各
種の光アイソレータが提案されており、種々のアイソレ
ータが実用化されている。そして、多くの光アイソレー
タにおいて構成部品として偏光子が利用されている。

【０００４】光アイソレータで使用される偏光子に求め
られる機能としては、４０ｄＢ以上の消光比、および
０．４ｄＢ以下の挿入損失である。ただし、消光比はつ
ぎの式（１）で定義される。消光比（ｄＢ）＝＋１０×ｌｏｇ（Ｔmax／Ｔmin）（１）ここで、Ｔmaxは最大透過率が得られる偏光の透過率、
Ｔminは最小透過率が得られる偏光の透過率である。ま
た挿入損失は式（２）で定義される。挿入損失（ｄＢ）＝−１０×ｌｏｇ（Ｔmax）（２）

【０００５】このような優れた特性を有する偏光子とし
て、特公平２−４０６１９号公報で開示されているよう
な偏光ガラスが知られている。この偏光ガラスの製造方
法としては、ハロゲン化物と銀を含むガラス材料を溶融
し、ガラス素地を作製する。つぎに熱処理によりハロゲ
ン化銀を析出させる。続いて加熱条件下で素地を延伸し
てハロゲン化銀を張力方向に整列させる。最後に還元雰
囲気下で加熱して、ハロゲン化銀の一部を金属銀に還元
することより製造される。

【０００６】また、特開２０００−４７０３１公報で開
示されているような偏光部材が知られている。この偏光
部材の製造方法としては、基体にフォトリソグラフィー
とイオンエッチングで細孔を作製し、その後に減圧下で
金属蒸気に暴露し細孔に金属を注入する。続いて、基体
表面の洗浄を行い、さらに加熱工程で金属をアニールす
ることで製造される。さらに、金属膜を斜め蒸着するこ
とにより基体上に柱状の金属膜を形成することにより偏
光特性を有する膜が得られることも知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の金属銀を析出さ
せた偏光ガラスでは、その製造工程で金属銀の分散状態
の制御が難しく、歩留まりが悪い。また、ハロゲン化銀
を含むガラスを加熱して引き伸ばす工程および加熱還元
工程が含まれるために、光学部品の上に偏光子を形成す
ることは不可能であり、偏光ガラスを作製し、これを光
学部品に貼り付ける方法しか取れない。このために部品
点数が増え、工程が複雑になる問題点がある。

【０００８】また基体に形成した細孔に金属を注入した
偏光部材では、その製造工程にエッチングによる細孔作
製、および成膜、および焼成工程の複数の工程があり、
工程が非常に複雑である。また、加熱工程が含まれるた
めに光学部品上に、直接、偏光子を形成することが難し
く、偏光部材を作製し、これを光学部品に貼り付ける方
法しか取れない。このため部品点数が増え工程が複雑に
なる問題点がある。

【０００９】さらに、金属膜を斜め蒸着することにより
得られる膜の機械的耐久性は非常に悪く、呼気をかける
と膜が飛散する程度の耐久性しかない。そのため、膜表
面を厳重に密封して使用する必要があるなど取り扱いが
難しく、一般的な偏光子としては普及していない。

【００１０】本発明は、上記のような従来の偏光子にお
ける問題点を解決するためになされたもので、成膜工程
だけで基体上に優れた偏光分離特性を有する膜を形成
し、光学部品の表面上に偏光子を形成することを目的に
なされた。したがって、製造工程には光学部品に損傷を
与えるような高温加熱工程を含まないこと、また、機械
的耐久性を向上させ、製造工程での取り扱いを容易にす
ること、などをも目的とした。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜偏光子の第
１の態様は、偏光特性を有する薄膜により構成され、そ
の薄膜は、透明基体上に形成された誘電体膜中に多数の
柱状金属を分散させた構造を有し、その柱状金属が基体
表面に対して垂直、もしくは傾斜していることを特徴と
している。

【００１２】本発明の薄膜偏光子の第２の態様は、偏光
特性を有する薄膜により構成され、その薄膜は、透明基
体上に形成された多数の柱状誘電体と多数の柱状金属か
らなり、空隙を有している。この柱状誘電体と柱状金属
の長手方向は大略平行で、基体表面に対して垂直、もし
くは傾斜していることを特徴としている。またとくに柱
状誘電体と柱状金属とが対をなし、それらの長手方向側
面が互いに接している構造を有する場合がある。

【００１３】上記いずれの態様の薄膜偏光子において
も、周囲媒体と接する表面に、１層もしくは複数層の透
明誘電体膜を形成するのが望ましい。これによって薄膜
偏光子の耐久性を向上させることができる。また、複数
の透明誘電体膜を誘電体の材料、積層順、各膜の膜厚な
どを選択して形成することで薄膜偏光子表面での反射を
防止する機能を発現させることもできる。

【００１４】さらに、偏光特性を有する薄膜と透明基体
との界面に１層もしくは複数層の透明誘電体膜を挿入す
ることが好ましい。これにより薄膜偏光子と基体の界面
での反射を低減することができる。

【００１５】上記薄膜偏光子はつぎの製造方法によって
得ることができる。本発明の製造方法においては、透明
基体表面の法線に対して一定角度を有する、すなわち斜
めの少なくとも１方向から金属粒子もしくは金属原子も
しくは金属イオンを入射し、同時に同法線に対して一定
角度を有する、斜めの少なくとも１方向から誘電体の蒸
発粒子もしくは誘電体を構成する原子もしくは誘電体を
構成するイオンを入射する。

【００１６】上記製造方法において、とくに透明基体表
面の法線に対して一定角度を有する対称な２方向から金
属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射し、
同時に法線に対して一定角度を有する少なくとも１方向
から誘電体の蒸発粒子もしくは誘電体を構成する原子も
しくは誘電体を構成するイオンを入射する方法が好まし
い。

【００１７】また、透明基体表面の法線に対して一定角
度を有する対称な２方向から誘電体の蒸発粒子もしくは
誘電体を構成する原子もしくは誘電体を構成するイオン
を入射し、同時に法線に対して一定角度を有するすくな
くとも１方向から金属粒子もしくは金属を構成する原子
もしくは金属を構成するイオンを入射してもよい。上記
の方法によれば、第１もしくは第２の態様の薄膜偏光子
が保護膜や反射防止膜を含めて成膜工程のみによって得
られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】従来、基体の法線に対して一定角
度を有する方向、すなわち斜め方向から粒子を入射して
膜を形成すると、膜成長初期段階に形成される島状膜の
ためにシャドーイング効果が生じ、柱状構造の膜が形成
されることが知られている。柱状構造膜の柱と基体のな
す角（構造角）は入射粒子の方向、基体材料と膜材料の
界面の濡れ性、基体の表面凹凸形状などで決定される。
特に、粒子の入射方向と基体法線のなす角度が大きいほ
ど、柱状構造膜の柱と基体法線のなす角度も大きくな
る。しかし、柱状構造膜の柱と基体法線のなす角度は粒
子の入射方向と基体法線のなす角度よりも常に小さくな
ることが知られている。

【００１９】本発明者らは、誘電体材料と金属材料とで
お互いに固溶しない材料の組み合わせを選択し、これら
２つの材料を同時に斜め方向から入射して成膜すると２
種材料が分相し、それぞれの材料の柱状構造膜が得られ
ることを見出した。

【００２０】この場合、基体の法線に対して３０°以上
８７°以下の角度で粒子またはイオンまたは原子を入射
することによりシャドーイングの効果が得られ、特に、
法線に対して４５°以上８５°以下の角度で粒子または
イオンまたは原子を入射することにより十分なシャドー
イング効果が得られる。このような大きなシャドーイン
グ効果が得られた場合に膜の構造は異方性となり、大き
な偏光特性を発現する。

【００２１】このとき、誘電体材料を構成する粒子を基
体表面に対して垂直に近い方向から入射することによ
り、形成される誘電体は膜状にすることが可能であり、
反対に基体の法線となす角度が９０°に近い方向から粒
子を入射することにより、明確な柱状膜を得ることが可
能になる。

【００２２】さらに、透明基体上に、透明基体表面の法
線に対して等しい角度を有する対称な２方向から粒子を
入射することにより、柱状構造膜の構造角を垂直に形成
することが可能なことを見出し、これにより偏光子の挿
入損失を大きく改善できる見通しを得た。法線に対して
対称とは、図１に示すように、一方の粒子の入射方向を
ベクトルＡで示したとき、他方の粒子の入射方向を示す
ベクトルＢは、基体１０の法線に対してベクトルＡと対
称な角度θをもち、かつ法線とベクトルＡを含む平面Ｐ
上にあることを意味する。

【００２３】本発明の柱状構造膜を形成するためには、
膜を構成する元素を特定の方向から、基板に入射する必
要があるので、成膜中のガス圧力が低いことが望まし
く、特に０．１Ｐａより低いことが望ましく、さらには
０．０５Paより低いことがより好ましい。成膜プロセス
中のガス圧が高いと、雰囲気中の平均自由行程が短くな
り、膜を構成する粒子が雰囲気ガスが散乱され、基板に
入射する方向を制御することが難しくなる。

【００２４】本発明に適用できるガス圧が低い成膜方法
としては、電子線蒸着、クヌーセンセルを用いた蒸着な
どの方法がある。スパッタリングに類する成膜方法は一
般にガス圧が高いが、膜を比較的大きな面積に形成する
ための成膜法として好ましい。光通信用偏光子は単体と
しての面積は小さいが、大面積の成膜が可能であれば、
より生産効率が高められる。

【００２５】スパッタリング法において粒子の平均自由
行程を長くするためには、特開平９−１４３７０９号公
報、もしくは特開平９−３１６３７号公報に開示されて
いるようなターゲット近傍以外の空間が低いガス圧でも
放電の維持が可能なように工夫されたスパッタリング装
置（遠距離スパッタリング装置）を用いるのが特に好ま
しい。

【００２６】遠距離スパッタ装置では、低ガス圧で放電
できるように、マグネトロンの磁場強度を強く設計して
いる。そして、これらの装置は図２に示すように、ター
ゲットを取り付けるマグネトロンカソード１、２、３を
内蔵するターゲット室１１、１２、１３を備え、各ター
ゲット室とスパッタ室２０は独立に排気できる。各ター
ゲット室にはガス導入管１４，１５，１６を通して所定
のガスを独立に導入することができ、ターゲット室内の
ガス圧をスパッタ室よりも高く保って放電を維持する。

【００２７】スパッタされた粒子はターゲット室１１、
１２、１３外に出た後、低圧力のスパッタ室２０では散
乱を受けにくく、方向性をもって基体に到達することが
できる。ここでマグネトロンカソード１１および１２の
位置を調整することにより、図１に示したベクトルＡ、
Ｂの方向に相当する方向性をスパッタされた粒子に付与
することができる。なお、図２では３ターゲットを備え
た装置の例を示したが、ターゲットの数は必要に応じて
一式または複数式設けることができる。

【００２８】さらに成膜時の基板を室温以下に冷却する
ことにより、膜構造における異方性を強調することがで
き、偏光分離特性の向上に有利である。液体窒素を用い
て成膜時の基板温度を約−１９０℃まで冷却することに
より、膜構造の異方性はいっそう強調され、良好な偏光
分離特性が得られる。以下に具体的な実施例について述
べる。

【００２９】［実施例１］図２に示す遠距離スパッタリ
ング装置のマグネトロンカーソード１およびマグネトロ
ンカソード２に銅ターゲットを取り付け、マグネトロン
カソード３にＳｉＯ₂ターゲットを取り付けた。図２に
示す基体１０の位置に硼珪酸ガラス板を取り付けた。マ
グネトロンカーソード１およびマグネトロンカソード２
の位置は基体１０に対して図１の配置になるように設定
し、θ＝７５°とした。一方、マグネトロンカソード３
は基体１０の法線に対して５０°傾斜した位置に設定し
た。

【００３０】その後、ロータリーポンプおよびクライオ
ポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１
０^-4Ｐａまで排気した。ターゲット室１１およびターゲ
ット室１２にアルゴンガスを導入し、ターゲット室１３
に５％酸素混合アルゴンガスを導入した。この時スパッ
タ室２０内部の圧力は、４×１０^-2Ｐａであった。その
後、マグネトロンカソード１およびマグネトロンカソー
ド２に直流電源により負電圧を印加し、グロー放電を起
こさせた。さらに、マグネトロンカソード３には高周波
（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を
発生させた。

【００３１】つぎに、基体１０の表面上で、銅の堆積速
度（棒状金属の長さの成長速度）が１．５ｎｍ／ｍｉｎ
になるようにマグネトロンカソード１およびマグネトロ
ンカソード２に供給する電力を調整した。また、マグネ
トロンカソード３に供給する高周波電力を調整し、基体
１０の表面上でのＳｉＯ₂膜の堆積速度が２．０ｎｍ／
ｍｉｎになるようにした。また基板である硼珪酸ガラス
板は成膜開始前に液体窒素で冷却した。

【００３２】続いてマグネトロンカソード１、およびマ
グネトロンカソード２およびマグネトロンカソード３の
前面に取り付けられているシャッタ６、７、８を同時に
操作して成膜を開始し、約２時間の放置した。２時間後
に前記３個のシャッタ６、７、８を同時に操作し、成膜
を終了した。

【００３３】このようにして、得られた試料の断面構造
を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図３の断面模式
図に示すような構造であった。硼珪酸ガラス板である基
板３０上にＳｉＯ₂を主成分とする誘電体薄膜５０が堆
積し、その中に銅を主成分とする柱状の金属４０が分散
している。柱状の金属４０は基板３０表面に対してほぼ
垂直に立った状態となる。

【００３４】入射光波長１５５０ｎｍでの上記（１）式
で定義される消光比を測定したところ４３ｄＢであり、
（２）式で定義される挿入損失は０．４ｄＢであった。
これらの特性は光通信用光アイソレータに用いる偏光子
に要求される特性を満たしている。

【００３５】［実施例２］図２に示す遠距離スパッタリ
ング装置のマグネトロンカーソード１およびマグネトロ
ンカソード２にＳｉＯ₂ターゲットを取り付け、マグネ
トロンカソード３に金ターゲットを取り付けた。図２に
示す基体１０の位置に硼珪酸ガラス板を取り付けた。マ
グネトロンカーソード１およびマグネトロンカソード２
の位置は基体１０に対して図１の配置になるように設定
し、θ＝７５°とした。一方、マグネトロンカソード３
は基体１０の法線に対して５０°傾斜した位置に設定し
た。

【００３６】その後、ロータリーポンプおよびクライオ
ポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１
０^-4Ｐａまで排気した。ターゲット室１１およびターゲ
ット室１２に５％酸素混合のアルゴンガスを導入し、タ
ーゲット室１３にアルゴンガスを導入した。その時にス
パッタ室２０内部の圧力は、４×１０^-2Ｐａであった。
その後、マグネトロンカソード１およびマグネトロンカ
ソード２に高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加
し、グロー放電を起こさせた。さらに、マグネトロンカ
ソード３には直流電圧を印加し、グロー放電を発生させ
た。

【００３７】つぎに、基体１０の表面上で、金の堆積速
度（棒状金属の長さの成長速度）が１．５ｎｍ／ｍｉｎ
になるようにマグネトロンカソード３に供給する電力を
調整した。また、マグネトロンカソード１に供給する高
周波電力を調整し、基体１０の表面上におけるカソード
１からのＳｉＯ₂膜の堆積速度が１．０ｎｍ／ｍｉｎに
なるようにした。さらに、マグネトロンカソード２に供
給する高周波電力を調整し、基体１０の表面上でのカソ
ード３からのＳｉＯ₂膜の堆積速度が２．０ｎｍ／ｍｉ
ｎになるようにした。また基板である硼珪酸ガラス板は
成膜開始前に液体窒素で冷却した。

【００３８】続いて、マグネトロンカソード１、および
マグネトロンカソード２およびマグネトロンカソード３
の前面に取り付けられているシャッタ６、７、８を同時
に操作して成膜を開始し、約２時間の放置した。２時間
後に前記３個のシャッタ６、７，８を同時に操作し、成
膜を終了した。

【００３９】このようにして、得られた試料の断面構造
を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図４の断面模式
図に示すような構造であった。硼珪酸ガラス板である基
板３０上にＳｉＯ₂を主成分とする柱状の誘電体４５と
柱状の金属４１が互いに接する形状で分散している。こ
のような柱状の構造体７０は基板３０表面に対して傾斜
して立った状態となり、柱状構造体７０の間には空隙部
分６０が存在する。

【００４０】入射光波長１５５０ｎｍでの上記（１）式
で定義される消光比を測定したところ４１ｄＢであり、
（２）式で定義される挿入損失は０．４ｄＢで、光アイ
ソレータに用いる偏光子に要求される特性を満たしてい
る。

【００４１】［実施例３］図２に示す遠距離スパッタリ
ング装置のマグネトロンカーソード１に銅ターゲットを
取り付け、マグネトロンカソード３にＳｉＯ₂ターゲッ
トを取り付けた。図２に示す基体１０の位置に石英ガラ
ス板を取り付けた。マグネトロンカソードカソード１は
基体１０の法線方向に対して７５°傾斜させ、マグネト
ロンカソード３は６０°傾斜させた位置にそれぞれ配置
した。

【００４２】その後、ロータリーポンプおよびクライオ
ポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１
０^-4Ｐａまで排気した。ターゲット室１１にアルゴンガ
スを導入し、ターゲット室１３に５％酸素混合のアルゴ
ンガスを導入した。その時にスパッタ室内部の圧力は、
３×１０^-2Ｐａであった。その後、マグネトロンカソー
ド１に直流電源により負電圧を印加し、グロー放電を起
こさせた。さらに、マグネトロンカソード３には高周波
（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を
発生させた。

【００４３】つぎに、基体１０の表面上で、銅の堆積速
度（棒状金属の長さの成長速度）が１．５ｎｍ／ｍｉｎ
になるようにマグネトロンカソード１に供給する電力を
調整した。また、マグネトロンカソード３に供給する高
周波電力を調整し、基体１０の表面上でのＳｉＯ₂膜の
堆積速度が２．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。

【００４４】続いて、マグネトロンカソード１、および
マグネトロンカソード３の前面に取り付けられているシ
ャッタ６、８を同時に開放して成膜を開始し、約３時間
放置した。３時間後に前記２個のシャッタ６、８を同時
に閉じ、成膜を終了した。

【００４５】このようにして、得られた試料の断面構造
を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図５の断面模式
図に示すような構造であった。石英ガラス板である基板
３１上のＳｉＯ₂を主成分とする柱状の誘電体４５と、
銅を主成分とする柱状の金属４２とが互いに接した状態
で分散している。この柱状構造体７１は基板３１表面の
法線に対して約２０°傾斜して立った状態となり、柱状
構造体の間には空隙部分６１が存在する。

【００４６】入射光波長１５５０ｎｍでの消光比を測定
したところ３１ｄＢであり、挿入損失は１．４ｄＢであ
った。この特性を有する膜は、光通信用アイソレータに
は不十分であるが、液晶プロジェクタ用の偏光膜などの
他の用途には適用可能である。

【００４７】［実施例４］図２に示す遠距離スパッタリ
ング装置のマグネトロンカーソード２にアルミニウムタ
ーゲットを取り付け、マグネトロンカソード３にＳｉＯ
₂ターゲットを取り付けた。図２に示す基体１０の位置
に硼珪酸ガラス板を取り付けた。マグネトロンカソード
２は基体１０の法線に対して８０°傾斜させ、マグネト
ロンカソード３は３０°傾斜させた位置に配置した。

【００４８】その後、ロータリーポンプおよびクライオ
ポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１
０^-4Ｐａまで排気した。ターゲット室１２にアルゴンガ
スを導入し、ターゲット室１３に５％酸素混合のアルゴ
ンガスを導入した。その時にスパッタ室２０内部の圧力
は、３×１０^-2Ｐａであった。その後、マグネトロンカ
ソード２に直流負電圧を印加し、グロー放電を起こさせ
た。さらに、マグネトロンカソード３には高周波（周波
数；１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生さ
せた。

【００４９】つぎに、基体１０の表面上で、アルミニウ
ムの堆積速度（棒状金属の長さの成長速度）が２．５ｎ
ｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード２に供給
する電力を調整した。また、マグネトロンカソード３に
供給する高周波電力を調整し、基体１０の表面上におけ
るＳｉＯ₂膜の堆積速度が６．０ｎｍ／ｍｉｎになるよ
うにした。また基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前
に液体窒素で冷却した。

【００５０】続いて、マグネトロンカソード３の前面に
取り付けられているシャッタ８とマグネトロンカソード
２の前面に取り付けられているシャッタ７を操作して成
膜を開始した。２．５時間後にシャッタ７、８を閉めて
成膜を終了した。

【００５１】このようにして、得られた試料の断面構造
を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図６の断面模式
図に示すような構造であった。硼珪酸ガラス板である基
板３０上にＳｉＯ₂を主成分とする誘電体膜５０が堆積
し、その中にアルミニウムを主成分とする柱状の金属４
３がで分散している状態であった。この柱状金属４３は
基板３０表面に対して傾斜して立った状態であった。

【００５２】入射光波長１５５０ｎｍでの上記（１）式
で定義される消光比を測定したところ３７ｄＢであり、
（２）式で定義される挿入損失は１．４ｄＢであった。
光通信用光アイソレータに用いる偏光子に要求される特
性は満足していないが、液晶プロジェクタ用偏光膜など
の用途には適用可能である。

【００５３】［比較例１］図１０に示すマグネトロンス
パッタリング装置のマグネトロンカーソード１０１に金
ターゲットを取り付け、マグネトロンカソード１０２に
ＳｉＯ₂ターゲットを取り付けた。図１０に示す基体１
１０の位置に石英ガラスを取り付けた。

【００５４】その後、ロータリーポンプおよびクライオ
ポンプを用いて、スパッタ室１２０内部の圧力を約１×
１０^-4Ｐａまで排気した。マグネトロンカソード１０１
にアルゴンガスをガス導入管１０３より供給し、マグネ
トロンカソード１０２に５％酸素混合のアルゴンガスを
ガス導入管１０４より供給した。その時にスパッタ室１
２０内部の圧力は、５×１０^-1Ｐａであった。この圧力
下での平均自由行程は約３０ｍｍである。この程度の平
均自由行程では、スパッタ粒子が基板に到達前にガス分
子により散乱され、粒子が飛行する際の方向性は失われ
る。

【００５５】次いでマグネトロンカソード１０１に直流
電源により負電圧を印加し、グロー放電を起こさせた。
さらに、マグネトロンカソード１０２には高周波（周波
数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生さ
せた。

【００５６】つぎに、基体１１０の表面上で、金の堆積
速度が０．７ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカ
ソード１０１に供給する電力を調整した。また、マグネ
トロンカソード１０２に供給する高周波電力を調整し、
基体１１０の表面上でのＳｉＯ₂膜の堆積速度が２．５
ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。また基板である硼珪酸
ガラス板は成膜開始前に液体窒素で冷却した。

【００５７】続いて、マグネトロンカソード１０１、お
よびマグネトロンカソード１０２の前面に取り付けられ
ているシャッタ（図示しない）を同時に開放して成膜を
開始し、約２時間放置した。２時間後に前記２個のシャ
ッタを同時に閉じ、成膜を終了した。

【００５８】このようにして得られた試料の断面構造を
透過型電子顕微鏡で観察したところ、ＳｉＯ₂膜中に粒
状のＡｕ微粒子が分散している構造であった。入射光波
長１５５０ｎｍでの消光比を測定したところ０．３ｄＢ
であり、挿入損失は１７ｄＢで、光アイソレータに用い
る偏光子としては使用できない。

【００５９】［比較例２］図２に示す遠距離スパッタリ
ング装置のマグネトロンカーソード１にＳｉＯ₂を取り
付け、マグネトロンカソード２に１０％パラジウム−銀
合金ターゲットを取り付けた。図２に示す基体１０の位
置に硼珪酸ガラスを取り付けた。マグネトロンカソード
１、２とも基体１０の法線に対して７０°傾斜した位置
に配置した。

【００６０】その後、ロータリーポンプおよびクライオ
ポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１
０^-4Ｐａまで排気した。ターゲット室１１に１５％酸素
混合のアルゴンガスを導入した。その時にスパッタ室２
０内部の圧力は、２．５×１０^-2Ｐａであった。その
後、マグネトロンカソード１に高周波電力（周波数：１
３．５６ＭＨｚ）を供給し、グロー放電を起こさせた。

【００６１】つぎに、基体１０の表面上で、ＳｉＯ₂の
堆積速度（棒状金属の長さの成長速度）が２．５ｎｍ／
ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード１に供給する
電力を調整した。また基板である硼珪酸ガラス板は成膜
開始前に液体窒素で冷却した。

【００６２】続いて、マグネトロンカソード１の前面に
取り付けられているシャッタ６を開放して成膜を開始
し、約２時間の放置した。２時間後にシャッタ６を閉
じ、成膜を終了した。

【００６３】さらに、ターゲット室１２にアルゴンガス
を導入した。その時にスパッタ室２０内部の圧力は、
２．５×１０^-2Ｐａであった。その後、マグネトロンカ
ソード２に直流電力を供給し、グロー放電を起こさせ
た。つぎに、基体１０の表面上で、１０％パラジウム−
銀合金ターゲットの堆積速度が２．５ｎｍ／ｍｉｎにな
るようにマグネトロンカソード２に供給する電力を調整
した。続いて、マグネトロンカソード２の前面に取り付
けられているシャッタ７を開放して成膜を開始し、約２
時間の放置した。２時間後にシャッタ７を閉じ、成膜を
終了した。

【００６４】このようにして得られた試料の断面構造を
透過型電子顕微鏡で観察したところ、柱状のＳｉＯ₂膜
上に粒状の１０％パラジウム−銀合金が分散している構
造であった。入射光波長１５５０ｎｍでの消光比を測定
したところ２ｄＢであり、挿入損失は９．５ｄＢで、光
アイソレータに用いる偏光子としては使用できない。

【００６５】本発明の偏光特性を有する薄膜は膜の構造
が柱状であり、とくに実施例２、３のように柱状構造体
の間に空隙が存在する場合もある。そのため、化学的耐
久性に問題が生じる場合があるが、この場合には、偏光
特性を有する膜上に透明な保護膜を形成するのが望まし
い。

【００６６】図７は実施例２に示した柱状構造体７０を
作製した後、ＳｉＯ₂保護膜５１を形成した例を示して
いる。柱状構造体の形成が終了した後、ターゲット室１
１に供給している５％酸素混合のアルゴンガス流量を柱
状構造体の形成時より増やして、スパッタ室２０内部の
圧力を、６×１０^-1Ｐａに調整する。マグネトロンカソ
ード１に高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加
し、シャッタ６を開いて約３ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度で
ＳｉＯ₂膜を約１時間成膜した。

【００６７】さらに、高屈折率材料と中間屈折率材料、
低屈折率材料など屈折率の異なる複数の層を積層すれば
保護膜の機能を兼ねた反射防止膜を形成することもで
き、空気と偏光膜界面での反射を抑制し挿入損失を低く
する効果が得られる。

【００６８】さらに、偏光特性を有する薄膜と基板の界
面の反射を防止して、挿入損失を抑制するために反射防
止層として基体と偏光特性を有する膜の間に追加の層を
形成して良い。

【００６９】図８は実施例４に示した偏光薄膜を作製す
る前に、基板３０上にＳｉＯ₂膜５２を形成し、さらに
偏光薄膜形成後にＳｉＯ₂保護膜５３を形成した例を示
している。偏光薄膜形成のための調整後、マグネトロン
カソード３の前面に取り付けられているシャッタ８のみ
を操作してＳｉＯ₂の成膜を開始する。１時間後に、マ
グネトロンカソード２の前面に取り付けられているシャ
ッタ７を開けることにより、中断することなく偏光薄膜
の成膜に移行することができる。

【００７０】さらに２．５時間後にシャッタ８を開放の
まま放置し、シャッタ７のみを閉める。これにより連続
して偏光薄膜表面にＳｉＯ₂保護膜５３が成膜される。
１時間後に、シャッタ８を閉めて成膜を終了すれば、図
８のような構造が得られる。この場合も反射防止機能を
強化するために層５２、５３を複数の層で構成してもよ
い。

【００７１】なお、本発明の偏光特性を有する膜の柱状
金属の径および長さは、使用する波長域によって偏光特
性を最大にするために好ましい値が異なる。使用する波
長域に合わせて柱状金属の径を制御するために基体表面
上に凹凸が形成されていてもよい。基体の表面凹凸を形
成するために、基体表面を加工してもよいが、表面の平
坦な基板上に表面に凹凸が生じるように薄膜を形成し、
それを利用してもよい。

【００７２】本発明における誘電体層として上記実施例
ではＳｉＯ₂を例示したが、使用波長領域で透明な材料
であればとくに制限はない。ＳｉＮ_x、ＳｉＯ_xＮ_y、Ｓ
ｎＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＦ₂、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＭｇＯなど
は上記の遠距離スパッタリングで成膜ができ、適用可能
である。ただし、挿入損失を小さくするためにはＳｉＯ
₂、ＳｉＯ_xＮ_yなどがとくに好ましい。

【００７３】本発明における金属としては、金、銀、
銅、パラジウム、白金、アルミニウム、ニッケル、コバ
ルト、鉄、クロムなどの単体金属の他、銀−パラジウム
合金、金−銀合金、銀−錫合金、銀−亜鉛合金、銀−ア
ルミニウム合金などが使用できる。ただし、銀、金、ア
ルミニウムなどの凝集しやすい金属の場合には、成膜中
に微粒を形成しやすい。これらの金属の場合には、成膜
時に基体の温度が上昇しないように基体を冷却すること
が必要になる。

【００７４】また、誘電体材料と金属材料の選定で、お
互いに固溶する組み合わせの選定は好ましくない。この
場合には、金属と誘電体が混合するために所望の柱状構
造膜が得られなくなる。

【００７５】本発明の柱状構造体の形成には高温プロセ
スを必要としない。このため基体の材料はとくに限定さ
れることはなく、石英ガラス、シリコン、硼珪酸ガラ
ス、樹脂、ソーダライムガラスなどを用いることができ
る。さらに、基体の形状も特に限定されることはなく、
上記実施例に示した板形状に限られない。曲面を有する
レンズ表面やプリズムなどの光学部品上にも、それらに
熱的損傷を与えることなく直接形成することが可能であ
る。

【００７６】成膜方法としては、上述のように堆積させ
る材料の粒子を方向性をもって供給できる方法であれば
よい。上述の方法の他、イオンビームスパッタリングや
マグネトロンスパッタリングなどの各種物理成膜方法は
この条件に適合する。

【００７７】図９に示すようなイオンビームスパッタ法
は、成膜中のターゲットと基板の間のガス圧力が低く
（約１×１０^-2Ｐａ）、平均自由工程が長いので好まし
い。このイオンビームスパッタ装置８０は装置内を一排
気系で比較的低圧に排気する。複数のイオンガン８１、
８２、８３からイオンビームをターゲット９１、９２、
９３にそれぞれ照射し、基体９０上に薄膜を形成する。
成膜はシャッタ８６によって制御する。しかしこのイオ
ンビームスパッタリングは、イオンガンとターゲットの
両方が必要であり装置が複雑である。適切なイオンビー
ム入射角度を設定するためには、装置の設計、製作が煩
雑になるという難点がある。

【００７８】図１０に示すような通常のマグネトロンス
パッタリングのプロセス圧力は０．１Ｐａ以上である。
したがって比較例１に示したように柱状構造膜は得られ
にくい。このような通常のマグネトロンスパッタリング
装置を使用する場合には、図１１に示すようにスパッタ
ターゲットと基板の間に蒸発粒子の向きを揃えるための
コリメータ１０８を挿入するなどの工夫が必要となる。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、成膜工程だけで基体上
に優れた偏光分離特性を有し、かつ優れた機械的耐久性
を有する膜を形成できる。とくに本発明の製造工程には
光学部品に損傷を与えるような高温加熱工程を含まない
ため、光学部品上に偏光子を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の柱状構造膜を成膜するための基本配
置を示す模式図である。

【図２】本発明の柱状構造膜を成膜するための成膜装
置の構成を示す模式図である。

【図３】実施例１により形成された柱状構造膜の断面
構造を示す模式図である。

【図４】実施例２により形成された柱状構造膜の断面
構造を示す模式図である。

【図５】実施例３により形成された柱状構造膜の断面
構造を示す模式図である。

【図６】実施例４により形成された柱状構造膜の断面
構造を示す模式図である。

【図７】実施例２により形成された柱状構造膜表面に
保護膜を設けた場合の断面構造を示す模式図である。

【図８】実施例４により形成された柱状構造膜の表面
および基体界面に誘電体薄膜を設けた場合の断面構造を
示す模式図である。

【図９】本発明の柱状構造膜を成膜するための他の成
膜装置の構成を示す模式図である。

【図１０】従来のマグネトロンスパッタ装置の構成を
示す模式図である。

【図１１】改良したマグネトロンスパッタ装置の構成
を示す模式図である。

【符号の説明】

１，２，３，１０１，１０２マグネトロンカソード６，７，８，８６シャッタ１０，９０，１１０基体１１，１２，１３ターゲット室１４，１５，１６，１０３，１０４ガス導入管２０，１２０スパッタ室３０，３１ガラス基板４０，４１，４２，４３柱状金属４５柱状誘電体５０，５１，５２，５３誘電体薄膜６０，６１空隙部分７０，７１柱状構造体８０イオンビームスパッタ装置８１，８２，８３イオンガン９１，９２，９３ターゲット１０８コリメータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安崎利明大阪府大阪市中央区北浜四丁目７番28号日本板硝子株式会社内Ｆターム(参考） 2H049 BA02 BA23 BA39 BB22 BB65 BC02 BC22 BC25 2H091 FA08Y FB08 FC04 LA01 LA30 4K029 BA08 BA46 BA64 BB07 BC07 CA05 CA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】偏光特性を有する薄膜からなる薄膜偏光子
において、前記薄膜が透明基体上に形成された誘電体膜
中に多数の柱状金属が分散した構造を有し、該柱状金属
の長手方向が前記基体表面に対して垂直、もしくは傾斜
していることを特徴とする薄膜偏光子。
【請求項２】偏光特性を有する薄膜からなる薄膜偏光子
において、前記薄膜が透明基体上に形成された多数の柱
状誘電体と多数の柱状金属からなる空隙のある構造を有
し、該柱状誘電体および柱状金属の長手方向は略平行
で、前記基体表面に対して垂直、もしくは傾斜している
ことを特徴とする薄膜偏光子。
【請求項３】前記柱状誘電体と柱状金属とが対をなし、
それらの長手方向側面が互いに接していることを特徴と
する請求項２に記載の薄膜偏光子。
【請求項４】請求項１、２または３に記載の薄膜偏光子
の周囲媒体と接する表面に、１層もしくは複数層の透明
誘電体膜を形成したことを特徴とする薄膜偏光子。
【請求項５】前記偏光特性を有する薄膜と前記透明基体
との界面に１層もしくは複数層の透明誘電体膜を挿入し
たことを特徴とする請求項１ないし４に記載の薄膜偏光
子。
【請求項６】前記透明基体上に、該透明基体表面の法線
に対して一定角度を有する少なくとも１方向から金属粒
子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射し、同時
に前記透明基体表面の法線に対して一定角度を有する少
なくとも１方向から誘電体の蒸発粒子もしくは該誘電体
を構成する原子もしくは該誘電体を構成するイオンを入
射することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜
偏光子の製造方法。
【請求項７】前記透明基体上に、該透明基体表面の法線
に対して同一角度を有する対称な２方向から金属粒子も
しくは金属原子もしくは金属イオンを入射し、同時に該
透明基体表面の法線に対して一定角度を有する少なくと
も１方向から誘電体の蒸発粒子もしくは該誘電体を構成
する原子もしくは該誘電体を構成するイオンを入射する
ことを特徴とする請求項６に記載の薄膜偏光子の製造方
法。
【請求項８】前記透明基体上に、該透明基体表面の法線
に対して同一角度を有する対称な２方向から誘電体の蒸
発粒子もしくは該誘電体を構成する原子もしくは該誘電
体を構成するイオンを入射し、同時に該透明基体表面の
法線に対して角度を有する少なくとも１方向から金属粒
子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射すること
を特徴とする請求項６に記載の薄膜偏光子の製造方法。