JP2003344651A

JP2003344651A - 薄膜構造体およびそれを用いた薄膜偏光子

Info

Publication number: JP2003344651A
Application number: JP2002148369A
Authority: JP
Inventors: Terufusa Kunisada; 照房國定; Toshiaki Anzaki; 利明安崎; Masatoshi Nara; 正俊奈良
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-12-03

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が知ら
れているが、この方法では高温加工が必要なため、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】本発明の薄膜構造体は、表面に直線状凹
凸構造を有する透明基体上に形成された板状金属あるい
は板状金属と板状誘電体が接した板状構造体である。そ
の板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。この薄膜構造体は光通信
用あるいは液晶プロジェクタ用等に用いられる偏光子と
して十分な特性を有している。

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構造体とその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】偏光子とは複数の偏光を含む光から特定
方向の偏光を取り出す光学素子であるが、各種提案さ
れ、実用に供されている。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、情報通信分野では、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
られる特性は、一般に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】上記要求に応えることができる特性を有す
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号公報で
開示されているような基体に形成した細孔内壁に金属を
付着させた偏光部材が知られている。この偏光部材はつ
ぎのように製造される。まず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する。その後に減圧
下で金属蒸気に暴露し細孔に金属を注入し付着させる。
続いて、基体表面の洗浄を行い、さらに加熱によって金
属をアニールする。

【０００７】さらに、金属膜を斜め蒸着して基体上に柱
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。例えば、特開平４−２１
８６６２号公報には、酸化物と金属を同時に基板面の法
線に対して斜め方向から成膜する方法が記載されてお
り、この方法により基板表面に板状金属が形成できると
されている。

【０００８】

【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。

【０００９】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。

【００１０】さらに、金属を斜め蒸着することにより得
られる膜は、機械的耐久性が非常に悪く、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。

【００１１】加えて、酸化物と金属を同時に基板面の法
線に対して斜め方向から成膜する方法で得られる膜は、
偏光特性が十分でなく、光通信用、液晶プロジェクタ用
などには不十分である。

【００１２】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薄膜構造体
を形成し、これを用いて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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜構造体は、
複数の略平行な板状金属が平板状基体上に形成されてお
り、この基体表面に平行な複数の直線状凹凸構造を設け
られ、板状金属の端部がこの直線状凹凸構造の方向に沿
って基体表面に接していることを特徴としている。

【００１４】とくに、上記直線状凹凸構造の直線に垂直
な断面が、三角形の１頂点と２辺からなる凸部を含む形
状であり、板状金属の基体表面に接する端部がこの三角
形の１辺に対応する一方の傾斜面にのみ接しているこ
と、あるいは三角形の２辺に対応する両方の傾斜面に接
していることが望ましい。さらに上記の板状金属の一方
の側の表面に板状誘電体が接した構造であってもよい。

【００１５】なお、上記基体表面の直線状凹凸構造は、
基板上に展開したゾル状あるいはゲル状の透明材料を複
数の平行な直線状凹凸形状が刻まれている成形型で加圧
成形し、焼成することにより形成できる。

【００１６】このような薄膜構造体は、多数の板状金属
がほぼ平行に配列しているため、入射する光の偏光を揃
える顕著な作用を有する。したがってこのような構造体
は薄膜偏光子に応用するのにとくに適している。

【００１７】上記の薄膜構造体を薄膜偏光子に適用する
場合、板状金属の平均間隔（ｄ）、膜厚（Ｈ）、平均幅
（Ｗ）、基体に対する傾斜角（θ）が使用波長（λ）と
それぞれ以下の関係を有することが好ましい。０．０１３λ＜ｄ＜０．０６５λ ０．１３λ＜Ｈ＜０．５２λ ０．００６λ＜Ｗ＜０．０１９λ ０°≦θ≦２５° 使用する光の波長によって、薄膜構造体の形状、寸法を
上記の範囲内とすることにより、使用波長における偏光
特性を向上させることができる。

【００１８】ここで、傾斜角θは基体の法線に対する角
度であるが、基体表面には凹凸構造が形成されているた
め、微視的にみると基体表面の法線は一定方向に定まら
ない。しかしこの凹凸構造は微細であるため、基体は巨
視的にみれば平板であり、この平板に対する法線は定義
できる。θはこの基体の巨視的表面に対する法線からの
傾斜角と定義する。

【００１９】さらに板状金属間の空隙部、あるいは板状
金属と板状誘電体の間の空隙部が、１．６以下の屈折率
を有する透明誘電体で充填被覆されていることが望まし
く、その透明誘電体としては、樹脂あるいは二酸化珪素
を主成分とするゾルゲル膜などが好ましい。また薄膜構
造体表面を覆う透明誘電体膜を形成することが好まし
い。

【００２０】このように透明誘電体による充填、被覆を
実施することにより、上記薄膜構造体の機械的強度が改
善され、偏光子を製造する工程での取り扱いが容易にな
る。また、耐候性を改善することができ、信頼性の高い
偏光子を提供できる。

【００２１】上記薄膜構造体を製造する方法としては、
表面に平行な複数の直線状凹凸構造を設けた基体に対し
て、その直線に対して一定の角度を有し、かつ基体の巨
視的表面の法線に対して斜めの方向から金属イオン、あ
るいは金属原子、あるいは金属クラスターを入射成膜す
る。さらに上記の手順に続いて基体の直線状凹凸構造に
関して相対する方向から、かつ基板の巨視的表面の法線
に対して斜めの方向から金属イオン、あるいは金属原
子、あるいは金属クラスターを入射成膜してもよい。

【００２２】板状誘電体を有する構造体を製造する場合
には、上記板状金属の成膜に続いて基体の直線状凹凸構
造に関して相対する方向から、かつ基板の巨視的表面の
法線に対して斜めの方向から誘電体を構成する元素のイ
オン、あるいは原子、あるいはクラスターを入射成膜す
る。

【００２３】これらの製造方法は、真空成膜法を基礎に
しているため、製造工程には高温加熱工程を含まない。
そのため、他の光学部品上に直接、偏光子を形成するこ
とが可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の薄膜偏光子は、表面に微
細凹凸構造を有する基体に斜入射成膜することにより、
蒸発粒子の入射方向から見たときに影になる部分には成
膜されないことを利用して製造される。

【００２５】本発明の発明者らは、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つの材料を同時に凹凸構造と一定角度を有する
方向で、かつ基体の巨視的表面の法線に対して斜め方向
から入射して成膜すると２種材料が分相し、それぞれの
材料の板状構造膜が互いに接することを見出した。

【００２６】ここで基体の巨視的表面とは、つぎの意味
をもつ。基体表面は凹凸構造を有するので、厳密には種
々の方向をもった面からなっている。しかし巨視的にみ
て基体が平板状であれば、その巨視的な表面の方向は決
定でき、ここではそのような平面を基体の巨視的表面と
呼び、微視的な凹凸構造の表面と区別する。

【００２７】さらに、本発明者らは、金属材料を同時に
凹凸構造と一定角度を有する方向で、基体の巨視的表面
の法線に対して斜め方向から入射して成膜すると、板状
構造金属膜が凹凸構造の頂点を中心にして垂直に立つこ
とを見出した。

【００２８】基板の凹凸構造を作成する方法としては、
特に限定されない。手段の一つとして、フォトリソグラ
フィーの手法を用いることができる。その際に、パター
ンを形成する手法として電子線描画、干渉露光などの手
法を用いることができる。これらの手法でフォトレジス
トなどを露光し、現像してパターン形成したフォトレジ
スト等をマスクとして基板材料をエッチングすることに
より、所望の微細凹凸構造を得ることができる。

【００２９】また、別の手法として、成形法を用いても
よい。金属アルコキシドなどのゾル状あるいはゲル状の
透明材料を基板上に塗布し、複数の平行な直線状凹凸形
状が刻まれている成形型で加圧成形し、焼成することに
より、二酸化珪素を主成分とする耐候性に優れた凹凸構
造を得ることができる。このほか、樹脂材料にも成形法
が適用できることは周知の通りである。

【００３０】さらに、薄膜偏光子には空隙部が存在する
ため、偏光特性を発現している板状金属が酸化されると
いう耐久性上の問題点がある。この問題を解決する手段
として、薄膜偏光子を作成後にアクリル系樹脂、ポリイ
ミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄など
の各種材料で薄膜偏光子の表面を被覆する方法を用いる
ことができる。特に、上記のゾル状材料あるいは樹脂を
空隙部に注入すれば、耐久性を著しく向上せしめること
が可能であり、好ましい。以下に具体的な実施例につい
て述べる。

【００３１】［実施例１］石英ガラス基板上にエポキシ
系の紫外線硬化樹脂を滴下し、図５（ａ）に示す断面形
状の直線状凹凸構造が形成されている成形型２２を押し
当てる。この状態で紫外線を約２分間照射し、その後、
離型する。このような作業により、断面形状のエポキシ
樹脂からなる凹凸構造膜３２をガラス基板７０上に形成
した。

【００３２】つぎに、図６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２にＳｉＯ₂ターゲットを
取り付けた。図６に示す基体１０の位置に上記の凹凸構
造付石英ガラス基板を取り付けた。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８０°傾斜
させ、マグネトロンカソード２は８０°傾斜させた位置
にそれぞれ配置した。

【００３３】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１２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２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。

【００３４】つぎに、基体１０の表面上で、銅の堆積速
度（板状金属の長さの成長速度）が３．５ｎｍ／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２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３．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。

【００３５】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の前面に取り付けられているシ
ャッタ６、７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６、７を同時
に閉じ、成膜を終了した。

【００３６】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（ＴＥＭ）で観察したところ、図１
の斜視図に示すような構造であった。凹凸構造樹脂膜３
２付き石英ガラス基板上のＳｉＯ₂を主成分とする板状
の誘電体５２と、銅を主成分とする板状の金属４２とが
互いに接した状態で、凹凸構造樹脂膜３２の凸部に整列
して並んでいる。この板状構造体５０は基板３２を巨視
的に見た表面の法線に対して平行に立った状態となり、
各板状構造体の間には空隙部分６２が存在する。

【００３７】ＴＥＭで観察した断面構造から、該凹凸の
周期間隔（ｄ）、膜厚（Ｈ）、金属幅（Ｗ）、金属膜の
傾斜角（θ）を求めたところ、ｄ＝５０ｎｍ（λ＝１５５０ｎｍの場合、０．０３２λ
に相当）Ｗ＝１５ｎｍ（０．００９７λ）Ｈ＝６６０ｎｍ（０．４３λ） θ＝０° の形状であった。傾斜角θは上記同様に基板の巨視的表
面の法線に対する角度と定義する。

【００３８】入射光波長１５５０ｎｍでの消光比を測定
したところ４５ｄＢであり、挿入損失は０．３ｄＢ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
用いる偏光子として十分な性能を有し、適用可能であ
る。

【００３９】［実施例２］実施例１に記載した薄膜偏光
子上にエポキシ系紫外線硬化樹脂を滴下した。さらに、
滴下した樹脂上にフッ素系の撥水剤を塗布した石英ガラ
スを貼り合わせた。この状態で紫外線を約３分間照射
し、エポキシ系樹脂を硬化させた。エポキシ系樹脂硬化
後に石英ガラスを剥がした。この試料の断面をＴＥＭで
観察したところ、空隙部にエポキシ樹脂が充填されてお
り、さらに薄膜を完全に樹脂が被覆している状態が確認
できた。

【００４０】このような状態で、入射光波長１５５０ｎ
ｍでの消光比を測定したところ４２ｄＢであり、挿入損
失は０．４ｄＢ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用いる偏光子として十分な性能を有
し、かつ樹脂により被覆されたため、実施例１の場合に
対し耐候性が大幅に改善されている。

【００４１】［実施例３〜７］実施例１と同様の方法で
薄膜偏光子を作製した。その際に図５（ｂ）あるいは
（ｃ）に示す成形型２４、２６を用いて基体表面の凹凸
構造を符号３４、３６で示す構造に変更した。また成膜
の際の銅粒子入射角度、誘電体を構成する粒子の入射角
度を変更することにより各種偏光薄膜を作製した。これ
らの偏光膜の断面形状を断面ＴＥＭの手法で観察し、板
状構造体の形状および寸法を求めた。さらに、波長が１
５５０ｎｍの光に対する消光比および挿入損失を測定し
た。結果を表１にまとめて示す。

【００４２】板状構造体の構造は表１に示した図１〜４
の模式図に相当するものであった。いずれも直線状凹凸
構造膜３２、３４、３６の直線方向に沿ってほぼ平行に
板状金属４２、４４，４６、４８が形成されている。誘
電体を構成する原料を併せて用いた場合は、板状金属に
接して板状誘電体５２または５８が形成されている。各
構造体とも３５ｄｂ以上の消光比、０．６ｄｂ以下の挿
入損失を有し、いずれも光通信用波長帯域で高い偏光分
離性能および高い透過率を有している。

【００４３】［実施例８］石英ガラス基板上にエポキシ
系の紫外線硬化樹脂を滴下し、図５（ｂ）にしめす形状
の凹凸構造が形成されている成形型２４を押し当てる。
この状態で紫外線を約２分間照射し、その後、離型す
る。このような作業により、ガラス基板７０上にエポキ
シ樹脂からなる凹凸構造膜３４を形成した。

【００４４】つぎに、図６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２にもアルミニ
ウムターゲットを取り付けた。図１に示す基体１０の位
置に前記の凹凸構造樹脂付石英ガラス基板を取り付け
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８０°傾斜させ、マグネトロンカソード２
は８０°傾斜させた位置にそれぞれ配置した。

【００４５】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およびマグネトロンカソードに
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。

【００４６】つぎに、基体１０の表面上で、マグネトロ
ンカソード１からのアルミニウムの堆積速度（板状金属
の長さの成長速度）が５．５ｎｍ／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２に供給する電力を調整し、
基体１０の表面上でのマグネトロンカソード２からのア
ルミニウムの堆積速度（板状金属の長さの成長速度）が
５．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。

【００４７】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の前面に取り付けられているシ
ャッタ６、７を同時に開放して成膜を開始し、約１４分
間放置した。１４分後に前記２個のシャッタ６、７を同
時に閉じ、成膜を終了した。

【００４８】このようにして、得られた試料の断面構造
をＴＥＭで観察したところ、図２に示すような断面構造
であり、凹凸構造膜３４の凸部に板状アルミニウム金属
４４が整列して並んでいる構造であった。この板状構造
体４４は凹凸構造膜３４表面の法線に対して平行に立っ
た状態となり、各板状構造体の間には空隙部分６４が存
在する。

【００４９】透過電子顕微鏡で観察した断面構造から、
該凹凸の周期間隔（ｄ）、膜厚（Ｈ）、金属幅（Ｗ）、
金属膜の傾斜角（θ）を求めたところ、表１に示すよう
に、ｄ＝３０ｎｍ（λ＝６３２．８ｎｍの場合、０．０４７
λに相当）Ｗ＝１５ｎｍ（０．０２３λ）Ｈ＝１５０ｎｍ（０．２４λ） θ＝０° であった。

【００５０】入射光波長６３２．８ｎｍでの消光比を測
定したところ３４．２ｄＢであり、挿入損失は０．４ｄ
Ｂであった。この特性を有する膜は、可視光で使用する
液晶プロジェクタ用偏光膜として十分な性能を有し、適
用可能である。

【００５１】［比較例１］石英ガラス基板上にエポキシ
系の紫外線硬化樹脂を滴下し、図５（ａ）にしめす形状
の凹凸構造が形成されている成形型２２で押圧する。こ
の状態で紫外線を約２分間照射し、その後、離型した。
このような作業により、ガラス基板７０上にエポキシ樹
脂からなる凹凸構造膜３２を形成した。

【００５２】図９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９に示す基体１１０の位置に石英
ガラスを取り付けた。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】つぎに、基体１１０の表面上で、金の堆積
速度が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７ｎｍ／ｍ
ｉｎになるようにした。

【００５６】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９０分間放置した。９０分後に前記２個のシ
ャッタを同時に閉じ、成膜を終了した。

【００５７】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であった。

【００５８】基板に凹凸構造が形成されていても、平均
自由行程が短い条件での成膜で、粒子が飛行する際の方
向性は失わている場合には、得られる偏光特性は小さ
く、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８に示すような円錐構造の
凹凸を有する透明基板上に、実施例１と同様の方法で成
膜を実施した。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、円錐の頂点にＳ
ｉＯ₂とＣｕからなるポールが存在し、その他の部分で
は、明瞭な構造は観察されなかった。入射光波長１５５
０ｎｍでの消光比を測定したところ１０．３ｄＢであ
り、挿入損失は５ｄＢであった。

【００６０】基板に凹凸構造が形成されていてもそれに
方向性がない場合には、平均自由工程が十分長い条件で
成膜を行っても、得られる偏光特性は小さく、光アイソ
レータに用いる偏光子としては使用できない。

【００６１】［比較例３］石英ガラス基板上にエポキシ
系の紫外線硬化樹脂を滴下し、図５（ａ）にしめす形状
の凹凸構造が形成されている成形型２２で押圧する。こ
の状態で紫外線を約２分間照射し、その後、離型した。
このような作業により、ガラス基板７０上をエポキシ樹
脂からなる凹凸構造膜３２を形成した。

【００６２】つぎに、図６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２にＳｉターゲットを取り
付けた。図６に示す基体１０の位置に前記の凹凸樹脂付
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８０°傾斜させ、
マグネトロンカソード２は８０°傾斜させた位置にそれ
ぞれ配置した。

【００６３】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１２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２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。

【００６４】つぎに、基体１０の表面上で、銅の堆積速
度（板状金属の長さの成長速度）が５．５ｎｍ／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２に供給する高
周波電力を調整し、基体１０の表面上でのＳｉ膜の堆積
速度が５．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。

【００６５】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の前面に取り付けられているシ
ャッタ６、７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６、７を同時
に閉じ、成膜を終了した。

【００６６】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１の断面模式
図に示すような構造であった。凹凸構造樹脂膜３２付き
石英ガラス基板上のＳｉを主成分とする板状の誘電体５
２と、銅を主成分とする板状の金属４２とが互いに接し
た状態で、凹凸樹脂の凸部に整列して並んでいる。この
板状構造体５０は基板表面の法線に対して平行に立った
状態となり、各板状構造体の間には空隙部分６２が存在
する。

【００６７】透過電子顕微鏡で観察した断面構造から、
該凹凸の周期間隔（ｄ）、膜厚（Ｈ）、金属幅（Ｗ）、
金属膜の傾斜角（θ）を求めたところ、ｄ＝４８ｎｍ（λ＝１５５０ｎｍの場合、０．０３１
λ）Ｗ＝１８ｎｍ（λ＝１５５０ｎｍの場合、０．０１２
λ）Ｈ＝６６０ｎｍ（λ＝１５５０ｎｍの場合、０．４３
λ） θ＝０° の形状であった。

【００６８】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５ｄＢであった。
この特性を有する膜は、光通信用アイソレータ用として
不十分であり、基板表面に方向性のある凹凸構造を形成
し、平均自由工程の長い条件で成膜しても、材料によっ
ては十分な偏光特性が得られない場合がある。本例はＳ
ｉの屈折率が高過ぎることが原因である。

【００６９】［比較例４〜７］実施例１と同様の方法で
薄膜偏光子を作製した。その際に成形型の形状を変更す
ることにより基体表面の凹凸形状を変更し、さらに成膜
の際の銅粒子入射角度、誘電体を構成する粒子の入射角
度を変更することにより各種偏光薄膜を作製した。これ
らの偏光膜の断面形状を断面ＴＥＭの手法で観察し、凹
凸構造の形状および寸法を求めた。さらに、波長が１５
５０ｎｍの光に対する消光比および挿入損失を測定し
た。

【００７０】結果は表１に示すように、いずれも３０ｄ
Ｂ以下の消光比、もしくは１．０ｄＢ以上の挿入損失を
有し、いずれも光通信用アイソレーターで使用する為に
は不十分な性能であることが分かる。すなわち、図１〜
４に示すような構造体が形成できても、その寸法形状が
適切でないと、所定の波長における偏光分離特性は発揮
されない。

【００７１】上記の実施例、比較例を勘案すると、薄膜
構造体を薄膜偏光子に適用する場合、板状金属の平均間
隔（ｄ）、膜厚（Ｈ）、平均幅（Ｗ）、基体に対する傾
斜角（θ）には、好ましい値の範囲が存在することがわ
かる。好ましい範囲は使用波長（λ）に関係している。

【００７２】使用する光の波長によって、薄膜構造体の
形状、寸法をそれぞれ下記の範囲内とすることにより、
使用波長における偏光特性を向上させることができる。０．０１３λ＜ｄ＜０．０６５λ ０．１３λ＜Ｈ＜０．５２λ ０．００６λ＜Ｗ＜０．０１９λ ０°≦θ≦２５°

【００７３】上記形状の薄膜構造体を得るため、基体に
平行に設ける直線状凹凸構造は、その直線に垂直な断面
で見た場合に頂点を有する形状であれば特に限定される
ものではないが、断面が三角形の１頂点と２辺からなる
凸部を有することが好ましい。このとき、凸部の頂点と
凸部の頂点の間隔が、上記ｄと同等な範囲となるように
製作することが望ましい。

【００７４】しかし、すべての凸部頂点と凸部頂点の間
隔が一定である必要はない。すなわち、間隔に一定周期
がある必要は無い。むしろ、全ての凸部頂点と凸部頂点
の間隔がばらついている方が、挿入損失を低減できるた
め好ましい。

【００７５】基体表面にこのような凹凸構造を設ける手
段としては、型成形の他、電子線描画装置を用いたフォ
トリソ加工などの手法を用いることができる。特に、ゾ
ルゲル材料の成形加工は工程が簡略であり、安価に作製
できる手法であり、また二酸化珪素を主成分とすること
ができるので耐候性の点でも優れており、好ましい。

【００７６】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
であれば特に問題はない。したがって、ＳｉＯ₂、Ｓｉ
Ｏ_xＮ _y、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＦ₂、ＭｇＯ，ＳｎＯ₂、Ｚｎ
Ｏ、ＴｉＯ₂、Ｓｉ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、屈折率が低い方が好ましく、ＭｇＦ
₂、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ_xＮ_yなどがとくに好ましい。

【００７７】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。

【００７８】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板状構
造膜が得られなくなる。さらに、可視光領域で使用する
場合には、銅、金、金銀合金などの材料は可視光領域で
吸収の波長分散が大きいので好ましくない。

【００７９】本発明の板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、ソーダライムガラスなどの他、樹脂材料を用いるこ
とができる。

【００８０】さらに、基体の断面形状もとくに限定され
ることはなく、上記実施例に示した図５（ａ）〜（ｄ）
に示す形状に限られない。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。

【００８１】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
コリメーター付きの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。

【００８２】図７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。

【００８３】図９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
たがって実施例１に示したように板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１０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。

【００８４】

【表１】

【００８５】

【発明の効果】本発明によれば、加熱工程を使用せずに
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。また、エッチング行程
を含まないのでエッチング液により光学部品に損傷を与
える危険がないため、光学部品上に偏光子を直接形成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜構造体の模式図である。

【図２】本発明の薄膜構造体の模式図である。

【図３】本発明の薄膜構造体の模式図である。

【図４】本発明の薄膜構造体の模式図である。

【図５】本発明の基体の凹凸構造、およびそれを作製
する成形型の断面模式図である。

【図６】本発明の薄膜構造体を成膜する装置の構成を
示す図である。

【図７】本発明の薄膜構造体を成膜する他の装置の構
成を示す図である。

【図８】比較例２に用いた基体の構造を示す斜視図で
ある。

【図９】従来の成膜装置の構成を示す図である。

【図１０】改良した従来の成膜装置の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１，２，１０１，１０２マグネトロンカソード６，７，８６シャッタ１０，９０，１１０基体１１，１２ターゲット室１４，１５，１６，１０３，１０４ガス導入管２０，１２０スパッタ室３２，３４，３６，３８凹凸構造膜４２，４４，４６，４８板状金属５０板状構造体５２，５８板状誘電体６２，６４空隙７０ガラス基板

フロントページの続き (72)発明者奈良正俊大阪府大阪市中央区北浜４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 BA45 BB28 BB42 BC01 BC22 BC25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の略平行な板状金属が平板状基体上に
形成された薄膜構造体であって、前記基体表面に平行な
複数の直線状凹凸構造が設けられ、前記板状金属の端部
が該直線状凹凸構造の方向に沿って前記基体表面に接し
ていることを特徴とする薄膜構造体。
【請求項２】前記直線状凹凸構造の直線方向に垂直な断
面が、三角形の１頂点と２辺からなる凸部を含む形状で
あり、前記板状金属の基体表面に接する端部が前記三角
形の１辺に対応する一方の傾斜面にのみ接していること
を特徴とする請求項１に記載の薄膜構造体。
【請求項３】前記直線状凹凸構造の直線方向に垂直な断
面が、三角形の１頂点と２辺からなる凸部を含む構造で
あり、前記板状金属の一端が前記三角形の２辺に対応す
る両方の傾斜面に接していることを特徴とする請求項１
に記載の薄膜構造体。
【請求項４】前記板状金属の一方の側のそれぞれの表面
に接した板状誘電体を有することを特徴とする請求項１
または２に記載の薄膜構造体。
【請求項５】前記直線状凹凸構造が、基板上に展開した
ゾル状あるいはゲル状の透明材料を複数の平行な直線状
凹凸形状が刻まれている成形型で加圧成形し、焼成する
ことにより形成された基体を有することを特徴とする請
求項１から４のいずれか一項に記載の薄膜構造体。
【請求項６】請求項１から５のいずれか一項に記載の薄
膜構造体を有し、前記板状金属の平均間隔（ｄ）、膜厚
（Ｈ）、平均幅（Ｗ）、基体に対する傾斜角（θ）が使
用波長（λ）とそれぞれ以下の関係を有する薄膜偏光
子。０．０１３λ＜ｄ＜０．０６５λ ０．１３λ＜Ｈ＜０．５２λ ０．００３λ＜Ｗ＜０．０１９λ ０°≦θ≦２５°
【請求項７】前記板状金属間の空隙部、あるいは板状金
属と板状誘電体の間の空隙部が、１．６以下の屈折率を
有する透明誘電体で充填被覆されていることを特徴とす
る請求項６に記載の薄膜偏光子。
【請求項８】前記透明誘電体が、樹脂あるいは二酸化珪
素を主成分とするゾルゲル膜であることを特徴とする請
求項７に記載の薄膜偏光子。
【請求項９】前記薄膜構造体表面を覆う透明誘電体膜が
形成されていることを特徴とする請求項６から８のいず
れか一項に記載の薄膜偏光子。
【請求項１０】表面に平行な複数の直線状凹凸構造を設
けた基体に対して、前記直線に対して一定の角度を有
し、かつ基体の巨視的表面の法線に対して斜めの方向か
ら金属イオン、あるいは金属原子、あるいは金属クラス
ターを入射成膜することを特徴とする薄膜構造体の製造
方法。
【請求項１１】表面に平行な複数の直線状凹凸構造を設
けた基体に対して、前記直線に対して一定の角度を有
し、かつ基体の巨視的表面の法線に対して斜めの方向か
ら金属イオン、あるいは金属原子、あるいは金属クラス
ターを入射成膜し、次いで前記直線に関して相対する方
向であり、かつ基板の巨視的表面の法線に対して斜めの
方向から金属イオン、あるいは金属原子、あるいは金属
クラスターを入射成膜することを特徴とする薄膜構造体
の製造方法。
【請求項１２】表面に平行な複数の直線状凹凸構造が設
けた基体に対して、前記直線に対して一定の角度を有
し、かつ基体の巨視的表面の法線に対して斜めの方向か
ら金属イオン、あるいは金属原子、あるいは金属クラス
ターを入射成膜し、次いで前記直線に関して相対する方
向であり、かつ基板の巨視的表面の法線に対して斜め方
向から誘電体を構成する元素のイオン、あるいは原子、
あるいはクラスターを入射成膜することを特徴とする薄
膜構造体の製造方法。