JP2004070131A

JP2004070131A - Thin film polarizer and its manufacturing method

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Publication number: JP2004070131A
Application number: JP2002231279A
Authority: JP
Inventors: Terufusa Kunisada; 國定　照房; Masatoshi Nara; 奈良　正俊; Toshiaki Anzaki; 安崎　利明
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film polarizer having an excellent polarizing characteristic by forming a metallic columnar structure excellent in uniformity of the sectional form on a substrate only by a film-forming process. <P>SOLUTION: The thin film polarizer is constituted of a thin film having the polarizing characteristic and the thin film has a structure where a large number of columnar metals 40 are dispersed in a dielectric film 50 formed on a transparent substrate 30. The columnar metal 40 is formed vertically or obliquely to a substrate 30 surface and its sectional form being in parallel to the substrate 30 surface is made to have an almost constant area and anisotropy at least within a range farther from the substrate surface than a prefixed distance. Further these plurality of columnar metals 40 come into contact with each other in the major diameter direction (a) and are separately arranged in the minor diameter direction (b). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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は、ハロゲン化銀を含むガラス材料を延伸し、延伸方向に整列した金属銀に還元したもの（特公平２−４０６１９号公報参照）や、基体に細孔を形成し、金属を注入したもの（特開２０００−４７０３１号公報参照）が知られている。
【０００６】
これらの偏光子の製造はいずれも複雑な工程を必要とするため、成膜工程だけで基体上に偏光分離特性を有する膜を形成することが試みられている。特開平４−２１８６６２号公報には、金属と透明誘電体を同時に斜め蒸着することにより、基体上に柱状の金属膜を形成して、偏光特性を有する膜が得られる方法が開示されている。この方法によれば、光学部品の表面上に直接偏光子を形成できる利点が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法で作製できる偏光膜の消光比は約５ｄｂであり、偏光子としての性能は不十分であり、光通信用、液晶プロジェクタ用などには適用できないレベルである。
【０００８】
上記公報に示されている方法で作製できる柱状金属の断面構造は異方性を有し、短径部が１〜９ｎｍ、長径部が１０〜９０ｎｍとされている。しかしながら、発明者らが追試を行った結果によれば、柱状金属の構造は基板表面付近と柱状金属の先端付近でまったく異なっていた。基板付近では金属が微粒子化しており、基板近傍には柱状構造が形成されない。さらに、基板／膜界面から約５０ｎｍ離れた付近からは柱状構造が形成されるが、柱状金属の断面形状は基板から遠ざかるにつれて変化し、短径方向に広がる傾向が見られた。すなわち、開示されているような膜構造を得ることはできなかった。
【０００９】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、基体上に成膜工程のみで、断面形状の一様性に優れた金属の柱状構造を形成し、優れた偏光特性を有する薄膜偏光子を提供することを目的とする。
【００１０】
【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である。その柱状金属を基体表面に対して垂直、もしくは傾斜して形成し、その基体表面に平行な断面形状を、少なくとも基体表面から一定距離以上離れた範囲においては面積が略一定で異方性を有する形状とする。ここで異方性を有する形状とは、矩形、楕円形、長円形などを言う。さらにこれら複数の柱状金属を、長径方向には互いに接し、短径方向には分離して配列する。
【００１１】
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、もしくは傾斜して形成し、その基体表面に平行な断面形状を、少なくとも基体表面から一定距離以上離れた範囲においては面積が略一定で異方性を有する形状とする。これら複数の柱状金属を、長径方向には互いに接し、短径方向には分離して配列する。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。
【００１２】
上記第１、第２の態様とも、柱状金属の断面形状の短径が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、長径が５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが望ましい。また、この柱状金属は基体表面から５０ｎｍ以下のところより表面側で径の大きさが均一であり、複数の柱状金属が長径方向では互いに接しており、短辺方向は３０ｎｍ以上分離して配列していることが望ましい。
【００１３】
上記の態様により、光通信用途、液晶プロジェクター用途などに使用するのに十分な性能を有する薄膜偏光子を提供できる。
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が、その際、基体を室温より低い温度に冷却する。ここで、室温より低い温度とは−１００℃以下とすることが望ましく、さらに望ましくは−１８０℃以下とする。
【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。
【００１８】
いずれの方法でも成膜時に基板を冷却することが必須である。これにより、金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンが基板に到達した後に起こる熱拡散が抑制される。そのため、金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンの飛来する方向性が膜構造に反映され、一方向に柱状金属の断面形状が楕円化し、長径方向に柱状金属が電気的に接合されて配列するようにできる。さらには、金属の凝集を防止することが可能であり、基体直上から異方性を有する形状の柱状金属を形成せしめることが可能になる
【００１９】
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。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは従来の薄膜偏光子の偏光特性が不十分であった原因について鋭意検討し、消光比が改善する薄膜構造について検討し、本発明に至った。
具体的には、薄膜偏光子における柱状金属の形状寸法と消光比の関係、および柱状金属の基体上での分散状態と消光比の関係について電磁波シミュレーションを行い、消光比を改善するために最適の構造を明らかにした。
【００２１】
柱状構造のモデルとして、図１に示すような断面形状が１０ｎｍ×１０ｎｍの正方形で、長さが５００ｎｍの金属柱１４１と断面形状が１０ｎｍ×１０ｎｍの正方形で、長さが５００ｎｍの誘電体柱１４５が接した柱状複合体を、基板１３０表面に対して垂直に、各金属柱間隔が図のＸ方向、Ｙ方向とも３０ｎｍになるように２次元配列させた状態の膜についての消光比を、波長１５５０ｎｍにおいて計算した。
【００２２】
つぎに、図２に示すように複数本の金属柱１４１をＹ方向に接合させた膜について消光比を計算し、Ｙ方向厚み（または接合本数ａ）と消光比の関係を調べた。
【００２３】
結果を図３に示す。同図より、金属柱のＹ方向の厚み（配列長）が、５００ｎｍ以上（波長の１／３以上）になる場合には、消光比が３０ｄｂ以上となり、光通信用、あるいは液晶プロジェクタ用などに使用できることが明らかになった。
【００２４】
上記結果に基づき、発明者らは、良好な偏光特性を有すると予測される柱状構造およびその分散配列状態を成膜工程で作製する方法、条件を検討し、以下に説明する製造方法に関する発明に至った。
【００２５】
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。
【００２６】
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が知られている。
【００２７】
しかし、本発明者らは室温成膜では金属の凝集現象が起こり、意図したような金属柱を得ることができないことを見出した。特に、異方性の断面形状を有する柱状金属において、その長径方向に柱状金属が接合した構造を得ることは困難であった。
【００２８】
そこで、基板を冷却した状態での成膜を試みた。基板を−１００℃以下、さらには−１８０℃以下に冷却した状態で、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、多数の柱状金属が形成された。しかもその断面の長径方向に金属柱が接合した構造になり、大きな偏光特性を発現する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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４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。
【００３４】
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、それぞれＡ、ＢおよびＣで示す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が可能である。図４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。
【００３５】
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。クライオ冷却システムあるいは適当な冷媒（液体窒素など）を用いて成膜時の基板温度を約−１００℃以下、好ましくは−１８０℃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。
【００３６】
［実施例１］
図４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ＳｉＯ_２ターゲットを取り付けた。図４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に対して粒子の入射方向Ａ、Ｂが、図５に示すように、同一平面Ｐ上になるように設定し、α＝７５°、β＝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。
【００３７】
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１×１０^−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。
【００３８】
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ＳｉＯ_２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−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下の温度を維持した。
【００３９】
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。
【００４０】
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ＳｉＯ_２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な状態であった。
【００４１】
図６（ａ）に示すＰ面と平行な面の断面構造は、柱状金属が誘電体で分離されている構造であり、柱状金属の間隔が平均５０ｎｍであることが分かった。一方、図６（ｂ）に示すＰ面と直交する面での断面構造は、複数の柱状金属が接合している構造であることが分かり、Ｐ面と直交する方向の柱状金属断面の差し渡し長さは平均５００ｎｍであることが分かった。
【００４２】
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。
【００４３】
［実施例２］
図４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ＳｉＯ_２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４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５の配置になるように設定し、α＝β＝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。
【００４４】
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１×１０^−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。
【００４５】
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ＳｉＯ_２膜の堆積速度が１．０ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。
【００４６】
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ＳｉＯ_２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−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下に維持した。
【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。
【００４８】
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７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ＳｉＯ_２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。
【００４９】
柱状の金属４１は基板３０表面に対して傾斜した状態であった。そして、図５のＰ面と平行な面の断面構造（図７（ａ））は、柱状金属４１が空隙６０および誘電体４５で分離されている構造であり、柱状金属４１の間隔が平均５０ｎｍであることが分かった。一方、Ｐ面と直交する面での断面構造は、複数の柱状金属が接合している構造であり（図７（ｂ））、Ｐ面と直交する方向の柱状金属断面の差し渡し長さは平均５００ｎｍであった。
【００５０】
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。
【００５１】
［実施例３］
図４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ＳｉＯ_２ターゲットを取り付けた。図４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は法線方向に対して６０°傾斜させた位置にそれぞれ配置した。
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１×１０^−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。
【００５２】
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ＳｉＯ_２膜の堆積速度が２．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前に液体窒素で−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下に維持した。
【００５３】
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。
【００５４】
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７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３０上のＳｉＯ_２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４１とが互いに接した状態で分散している。この柱状構造体７０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６０が存在する。
【００５５】
柱状の金属４１は基板３０表面に対して傾斜した状態であった。そして、Ｐ面と平行な面の断面構造（図７（ａ））は、柱状金属が空隙６０および誘電体４５で分離されている構造であり、柱状金属の間隔が平均５０ｎｍであった。一方、Ｐ面と直交する面での断面構造（図７（ｂ））は、複数の柱状金属が接合している構造であり、Ｐ面と直交する方向の柱状金属の差し渡し長さは平均５００ｎｍであることが分かった。
【００５６】
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。
【００５７】
［実施例４］
図４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４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。
【００５８】
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１×１０^−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。
【００５９】
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２．５ｎｍ／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。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ＳｉＯ_２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−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下に保持した。
【００６０】
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。
【００６１】
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８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ＳｉＯ_２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４３が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。
【００６２】
柱状の金属４３は基板３０表面に対して傾斜した状態であった。そして、Ｐ面と平行な面の断面構造（図８（ａ））は、柱状金属が誘電体５０で分離されている構造であり、柱状金属の間隔が平均５０ｎｍであることが分かった。一方、Ｐ面と直交する面での断面構造（図８（ｂ））は、複数の柱状金属が接合している構造であることが分かり、Ｐ面と直交する方向の柱状金属の差し渡し長さは平均５００ｎｍであった。
【００６３】
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。
【００６４】
［比較例１］
図１２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ＳｉＯ_２ターゲットを取り付けた。図１２に示す基体１１０の位置に石英ガラスを取り付けた。
【００６５】
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１２０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。
【００６６】
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。
【００６７】
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ＳｉＯ_２膜の堆積速度が２．５ｎｍ／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−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下の温度を維持した。
【００６８】
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。
【００６９】
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、ＳｉＯ_２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。
【００７０】
［比較例２］
図４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ＳｉＯ_２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４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。
【００７１】
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１×１０^−４Ｐａまで排気した。次いでターゲット室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１に高周波電力（周波数：１３．５６ＭＨｚ）を供給し、グロー放電を起こさせた。
【００７２】
つぎに、基体１０の表面上で、ＳｉＯ_２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−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下の温度を維持した。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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ＳｉＯ_２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。
【００７６】
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。
【００７７】
図９は実施例２に示した柱状構造体７０を作製した後、ＳｉＯ_２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１１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ＳｉＯ_２膜を約１時間成膜した。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図１０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ＳｉＯ_２膜５２を形成し、さらに偏光薄膜形成後にＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。
【００８１】
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ＳｉＯ_２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１０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。
【００８２】
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。
【００８３】
本発明における誘電体層として上記実施例ではＳｉＯ_２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、ＳｎＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
図１１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。
【００８９】
図１２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１３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。
【００９０】
【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】柱状構造薄膜の構造モデルを示す図である。
【図２】柱状構造薄膜の他の構造モデルを示す図である。
【図３】図２の構造モデルにおける消光比の計算結果を示す図である。
【図４】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５】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６】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７】実施例２および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８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarizer used for an optical communication device, an optical recording device, an optical sensor, a liquid crystal monitor, and the like, and more particularly, to a thin film having polarization characteristics, and to a structure and a manufacturing method of the thin film.
[0002]
[Prior art]
A polarizer is an optical element capable of extracting polarized light in a specific direction, and various polarizers have been proposed and put to practical use. For example, polarizing glass in which columnar silver particles having a high aspect ratio are dispersed in glass, a polarizer stretched after alternately laminating an island-shaped metal layer and a dielectric layer, a polarizing film in which a polymer material is stretched and oriented, 2. Description of the Related Art There is known a laminated polarizer in which a dielectric film and a metal film are alternately laminated, and light is incident from a cross-sectional direction of the film.
[0003]
On the other hand, optical communication using optical fibers is rapidly spreading. When an optical fiber is connected to an optical component, reflection occurs at the connection interface, and light that travels in the opposite direction to the transmission direction, called return light, is generated. It is known that such return light becomes noise in optical communication and adversely affects the entire system. In order to efficiently remove such return light, an optical isolator is used. Various types of optical isolators have been proposed, and various types of isolators have been put to practical use. A polarizer is used as a component in many optical isolators.
[0004]
The functions required for the polarizer used in the optical isolator are an extinction ratio of 40 dB or more and an insertion loss of 0.4 dB or less.
However, the extinction ratio is defined by the following equation (1).
Extinction ratio (dB) = + 10 × log (Tmax / Tmin) (1)
Here, Tmax is the transmittance of polarized light at which the maximum transmittance is obtained, and Tmin is the transmittance of polarized light at which the minimum transmittance is obtained. The insertion loss is defined by equation (2).
Insertion loss (dB) =-10 × log (Tmax) (2)
[0005]
Examples of the polarizer having such excellent characteristics include a material obtained by stretching a glass material containing silver halide and reducing it to metallic silver aligned in the stretching direction (see Japanese Patent Publication No. 2-40619). One in which a hole is formed and a metal is injected (see JP-A-2000-47031) is known.
[0006]
Since the production of these polarizers requires complicated steps, it has been attempted to form a film having polarization separation properties on a substrate only by a film forming step. Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-218662 discloses a method in which a metal and a transparent dielectric are simultaneously obliquely deposited to form a columnar metal film on a substrate, thereby obtaining a film having polarization characteristics. According to this method, there is an advantage that the polarizer can be formed directly on the surface of the optical component.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the extinction ratio of a polarizing film produced by this method is about 5 db, and the performance as a polarizer is insufficient, so that it cannot be applied to optical communications, liquid crystal projectors, and the like.
[0008]
The cross-sectional structure of the columnar metal that can be produced by the method disclosed in the above publication has anisotropy, with a short diameter portion of 1 to 9 nm and a long diameter portion of 10 to 90 nm. However, according to the results of the additional tests performed by the inventors, the structure of the columnar metal was completely different near the substrate surface and near the tip of the columnar metal. The metal is finely divided near the substrate, and no columnar structure is formed near the substrate. Further, a columnar structure was formed at a distance of about 50 nm from the substrate / film interface, but the cross-sectional shape of the columnar metal changed as the distance from the substrate increased, and tended to spread in the minor axis direction. That is, the disclosed film structure could not be obtained.
[0009]
The present invention has been made in order to solve the above problems, and a thin film having excellent polarization characteristics by forming a metal columnar structure having excellent uniformity in cross-sectional shape only by a film forming process on a substrate. It is intended to provide a polarizer.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the thin film polarizer of the present invention is constituted by a thin film having a polarization characteristic, and the thin film has a structure in which a large number of columnar metals are dispersed in a dielectric film formed on a transparent substrate. The columnar metal is formed perpendicularly or obliquely to the surface of the substrate, and has a cross-sectional shape parallel to the surface of the substrate, the area being substantially constant and anisotropic at least in a range at least a certain distance from the surface of the substrate. Shape. Here, the shape having anisotropy refers to a rectangle, an ellipse, an oval, or the like. Further, the plurality of columnar metals are arranged in contact with each other in the major axis direction and separated in the minor axis direction.
[0011]
The second aspect of the thin film polarizer of the present invention is constituted by a thin film having a polarization characteristic, and the thin film is composed of a large number of columnar dielectrics and a large number of columnar metals formed on a transparent substrate, and has a void. ing. The longitudinal directions of the columnar dielectric and the columnar metal are substantially parallel to each other, and are formed perpendicularly or obliquely to the substrate surface. Has a shape having a substantially constant area and anisotropy. These plurality of columnar metals are arranged in contact with each other in the major axis direction and separated in the minor axis direction. In particular, the columnar dielectric and the columnar metal may form a pair, and have a structure in which their longitudinal side surfaces are in contact with each other.
[0012]
In both the first and second aspects, it is desirable that the minor axis of the cross-sectional shape of the columnar metal is 5 nm or more and 30 nm or less, and the major axis is 50 nm or more and 200 nm or less. In addition, the columnar metal has a uniform diameter on the surface side from a position 50 nm or less from the surface of the base, and a plurality of columnar metals are in contact with each other in the major axis direction, and are arranged separated by 30 nm or more in the short side direction. Is desirable.
[0013]
According to the above aspect, a thin film polarizer having sufficient performance for use in optical communication applications, liquid crystal projector applications, and the like can be provided.
In any of the above embodiments, it is desirable to form one or more transparent dielectric films on the surface in contact with the surrounding medium. Thereby, the durability of the thin film polarizer can be improved. In addition, a function of preventing reflection on the surface of the thin-film polarizer can be realized by forming a plurality of transparent dielectric films by selecting a dielectric material, a stacking order, a film thickness of each film, and the like.
[0014]
Further, it is preferable to insert one or more layers of transparent dielectric films at the interface between the thin film having polarization characteristics and the transparent substrate. Thereby, reflection at the interface between the thin film polarizer and the substrate can be reduced.
[0015]
The above thin film polarizer can be obtained by the following manufacturing method.
In the production method of the present invention, a metal particle or a metal atom or a metal ion is incident from at least one oblique direction at a constant angle with respect to the normal to the surface of the transparent substrate, The vaporized particles of the dielectric substance, the atoms constituting the dielectric substance, or the ions constituting the dielectric substance are incident from at least one oblique direction. At this time, the substrate is cooled to a temperature lower than room temperature. Here, the temperature lower than room temperature is preferably -100 ° C or lower, more preferably -180 ° C or lower.
[0016]
In the above manufacturing method, metal particles or metal atoms or metal ions are incident from two symmetric directions having a certain angle with respect to the normal to the surface of the transparent substrate, and from at least one direction having a certain angle with respect to the normal at the same time. It is preferable to use a method in which evaporated particles of the dielectric, atoms constituting the dielectric, or ions constituting the dielectric are incident.
[0017]
In addition, evaporating particles of the dielectric or atoms constituting the dielectric or ions constituting the dielectric are incident from two symmetrical directions having a fixed angle with respect to the normal to the surface of the transparent substrate, and at the same time, the constant At least one direction having an angle may be made to enter a metal particle or an atom constituting a metal or an ion constituting a metal.
[0018]
In any case, it is essential to cool the substrate during film formation. This suppresses thermal diffusion that occurs after the metal particles, metal atoms, or metal ions reach the substrate. Therefore, the direction in which metal particles or metal atoms or metal ions fly is reflected in the film structure, the cross-sectional shape of the columnar metal becomes elliptical in one direction, and the columnar metal is electrically joined and arranged in the major axis direction. it can. Furthermore, it is possible to prevent the metal from aggregating, and to form a columnar metal having an anisotropic shape from directly above the base.
[0019]
According to the above method, the thin-film polarizer of the first or second aspect can be obtained by only the film forming step including the protective film and the antireflection film.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present inventors diligently studied the cause of the insufficient polarization characteristics of the conventional thin-film polarizer, studied a thin-film structure having an improved extinction ratio, and reached the present invention.
Specifically, electromagnetic wave simulation was performed on the relationship between the shape and dimension of the columnar metal and the extinction ratio in the thin-film polarizer, and the relationship between the extinction ratio and the dispersion state of the columnar metal on the substrate, and the optimum value was set to improve the extinction ratio The structure was revealed.
[0021]
As a model of the columnar structure, as shown in FIG. 1, a metal pillar 141 having a square shape of 10 nm × 10 nm and a length of 500 nm and a dielectric pillar 145 having a square shape of 10 nm × 10 nm and a length of 500 nm as shown in FIG. The extinction ratio of a film in a state in which the columnar composites contacted with each other are two-dimensionally arranged perpendicular to the surface of the substrate 130 so that the distance between the metal columns is 30 nm in both the X and Y directions in the drawing, Calculated at 1550 nm.
[0022]
Next, as shown in FIG. 2, the extinction ratio was calculated for a film in which a plurality of metal pillars 141 were joined in the Y direction, and the relationship between the thickness (or the number of junctions a) in the Y direction and the extinction ratio was examined.
[0023]
The results are shown in FIG. As shown in the figure, when the thickness (arrangement length) of the metal columns in the Y direction is 500 nm or more (１／ or more of the wavelength), the extinction ratio becomes 30 db or more, which is suitable for optical communication or liquid crystal projectors. It turned out that it can be used.
[0024]
Based on the above results, the present inventors studied a method and conditions for preparing a columnar structure expected to have good polarization characteristics and its dispersed arrangement state in a film forming step, and made an invention relating to a manufacturing method described below. Reached.
[0025]
Conventionally, when a film is formed by injecting particles from a direction having a certain angle with respect to the normal line of the substrate, that is, an oblique direction, a shadowing effect occurs due to an island-like film formed at an initial stage of film growth, and a columnar shape is formed. It is known that a film with a structure is formed. The angle (structural angle) between the column of the columnar structure film and the substrate is determined by the direction of incident particles, the wettability of the interface between the substrate material and the film material, the surface unevenness of the substrate, and the like. In particular, the larger the angle between the incident direction of the particles and the normal to the substrate, the larger the angle between the column of the columnar structure film and the normal to the substrate. However, it is known that the angle between the column of the columnar structure film and the normal to the substrate is always smaller than the angle between the incident direction of the particles and the normal to the substrate.
[0026]
When a combination of dielectric material and metal material that do not form a solid solution with each other is selected, and these two materials are simultaneously incident from an oblique direction to form a film, the two materials are phase-separated, and a columnar structure film of each material is formed. Is known to be obtained.
[0027]
However, the present inventors have found that metal deposition occurs at room temperature and metal columns as intended cannot be obtained. In particular, it has been difficult to obtain a columnar metal having an anisotropic cross-sectional shape in which the columnar metal is joined in the major axis direction.
[0028]
Therefore, an attempt was made to form a film while the substrate was cooled. In a state where the substrate is cooled to −100 ° C. or lower, and further −180 ° C. or lower, shadowing effect is obtained by injecting particles, ions or atoms at an angle of 30 ° to 87 ° with respect to the normal of the base. In particular, a sufficient shadowing effect can be obtained by injecting particles, ions or atoms at an angle of 45 ° to 87 ° with respect to the normal. When such a large shadowing effect was obtained, the structure of the film became anisotropic, and many columnar metals were formed. In addition, a metal column is joined in the major axis direction of the cross section, and a large polarization characteristic is exhibited.
[0029]
At this time, by making the particles constituting the dielectric material incident on the surface of the substrate from a direction almost perpendicular to the surface of the substrate, the formed dielectric material can be formed into a film, and on the contrary, it becomes the normal of the substrate. When particles are incident from a direction whose angle is close to 90 °, a clear columnar film can be obtained.
[0030]
In order to form the columnar structure film of the present invention, the elements constituting the film need to be incident on the substrate from a specific direction. Therefore, it is desirable that the gas pressure during the film formation be low, particularly from 0.1 Pa It is preferably low, and more preferably lower than 0.05 Pa. If the gas pressure during the film formation process is high, the mean free path in the atmosphere is shortened, and the particles constituting the film are scattered by the atmosphere gas, making it difficult to control the direction of incidence on the substrate.
[0031]
As a film formation method with a low gas pressure applicable to the present invention, there are methods such as electron beam evaporation and evaporation using a Knudsen cell. A film formation method similar to sputtering generally has a high gas pressure, but is preferable as a film formation method for forming a film in a relatively large area. Although the optical communication polarizer has a small area as a single unit, the production efficiency can be further improved if a large area film can be formed.
[0032]
In order to extend the mean free path of particles in the sputtering method, it is necessary to discharge even at a low gas pressure in a space other than the vicinity of the target as disclosed in JP-A-9-143709 or JP-A-9-31637. It is particularly preferable to use a sputtering device (long-distance sputtering device) devised so as to be able to maintain.
[0033]
In the long-distance sputtering device, the magnetron magnetic field strength is designed to be strong so that discharge can be performed at a low gas pressure. Then, as shown in FIG. 4, these apparatuses are provided with target chambers 11, 12, and 13 containing magnetron cathodes 1, 2, and 3 for mounting targets, and each target chamber and the sputtering chamber 20 can be evacuated independently. A predetermined gas can be independently introduced into each of the target chambers through the gas introduction pipes 14, 15, and 16, and the gas pressure in the target chamber is kept higher than that of the sputtering chamber to maintain the discharge.
[0034]
After the sputtered particles go out of the target chambers 11, 12, and 13, they are hardly scattered in the low-pressure sputter chamber 20, and can reach the substrate in directions indicated by A, B, and C, respectively. Here, the positions of the magnetron cathodes 11 and 12 can be adjusted. Although FIG. 4 shows an example of an apparatus having three targets, one or more targets can be provided as needed.
[0035]
Further, by cooling the substrate during film formation to room temperature or lower, the anisotropy in the film structure can be emphasized, which is advantageous in improving the polarization separation characteristics. By lowering the substrate temperature during film formation to about −100 ° C. or less, preferably to −180 ° C. using a cryocooling system or a suitable refrigerant (such as liquid nitrogen), the anisotropy of the film structure is further emphasized, Good polarization separation characteristics can be obtained.
Hereinafter, specific examples will be described.
[0036]
[Example 1]
A copper target was attached to the magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 2 of the long-distance sputtering apparatus shown in FIG. ₂ The target was attached. A borosilicate glass plate was attached to the position of the substrate 10 shown in FIG. The positions of the magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 2 are set such that the incident directions A and B of the particles with respect to the substrate 10 are on the same plane P as shown in FIG. = 75 °. On the other hand, the magnetron cathode 3 was set at a position inclined by 50 ° with respect to the normal line of the substrate 10.
[0037]
Then, using a rotary pump and a cryopump, the pressure inside the sputtering chamber 20 was increased to about 1 × 10 ^-4 It exhausted to Pa. An argon gas was introduced into the target chamber 11 and the target chamber 12, and a 5% oxygen mixed argon gas was introduced into the target chamber 13. At this time, the pressure inside the sputtering chamber 20 is 4 × 10 ^-2 Pa. Thereafter, a negative voltage was applied to the magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 2 from a DC power supply to cause glow discharge. Further, a high frequency (frequency: 13.56 MHz) was applied to the magnetron cathode 3 to generate a glow discharge.
[0038]
Next, the power supplied to the magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 2 was adjusted such that the deposition rate of copper (the growth rate of the length of the rod-shaped metal) on the surface of the substrate 10 was 1.5 nm / min. Further, the high-frequency power supplied to the magnetron cathode 3 is adjusted so that the SiO 2 on the surface of the ₂ The deposition rate of the film was set to 2.0 nm / min. The borosilicate glass plate as the substrate was cooled to -180 ° C or less with liquid nitrogen before the start of film formation, and was maintained at a temperature of -180 ° C or less during film formation.
[0039]
Subsequently, the shutters 6, 7, and 8 attached to the front surfaces of the magnetron cathode 1, the magnetron cathode 2, and the magnetron cathode 3 were simultaneously operated to start film formation, and left for about 2 hours. Two hours later, the three shutters 6, 7, and 8 were simultaneously operated to complete the film formation.
[0040]
When the cross-sectional structure of the sample thus obtained was observed with a transmission electron microscope, the structure was as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. SiO 2 on a substrate 30 which is a borosilicate glass plate ₂ Is deposited, and a columnar metal 40 containing copper as a main component is dispersed therein. The columnar metal 40 was almost perpendicular to the surface of the substrate 30.
[0041]
The cross-sectional structure of the plane parallel to the P-plane shown in FIG. 6A was a structure in which the columnar metals were separated by a dielectric, and it was found that the average interval between the columnar metals was 50 nm. On the other hand, it can be seen that the cross-sectional structure in a plane orthogonal to the P-plane shown in FIG. The average was found to be 500 nm.
[0042]
The extinction ratio defined by the above equation (1) at an incident light wavelength of 1550 nm was measured to be 43 dB, and the insertion loss defined by the equation (2) was 0.4 dB. These characteristics satisfy the characteristics required for a polarizer used in an optical isolator for optical communication.
[0043]
[Example 2]
The magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 2 of the long-distance sputtering apparatus shown in FIG. ₂ A target was attached, and a gold target was attached to the magnetron cathode 3. A borosilicate glass plate was attached to the position of the substrate 10 shown in FIG. The positions of the magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 2 were set so as to be arranged as shown in FIG. 5 with respect to the base 10, and α = β = 75 °. On the other hand, the magnetron cathode 3 was set at a position inclined by 50 ° with respect to the normal line of the substrate 10.
[0044]
Then, using a rotary pump and a cryopump, the pressure inside the sputtering chamber 20 was increased to about 1 × 10 ^-4 It exhausted to Pa. Argon gas mixed with 5% oxygen was introduced into the target chamber 11 and the target chamber 12, and argon gas was introduced into the target chamber 13. At that time, the pressure inside the sputtering chamber 20 was 4 × 10 ^-2 Pa. Thereafter, a high frequency (frequency: 13.56 MHz) was applied to the magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 2 to cause glow discharge. Further, a DC voltage was applied to the magnetron cathode 3 to generate a glow discharge.
[0045]
Next, the power supplied to the magnetron cathode 3 was adjusted such that the deposition rate of gold (the growth rate of the length of the rod-shaped metal) on the surface of the substrate 10 was 1.5 nm / min. Further, the high-frequency power supplied to the magnetron cathode 1 is adjusted, and the SiO 2 from the cathode 1 on the surface of the base 10 is adjusted. ₂ The deposition rate of the film was set to 1.0 nm / min.
[0046]
Further, the high-frequency power supplied to the magnetron cathode 2 was adjusted, and the SiO 2 from the cathode 3 on the surface of the base 10 was adjusted. ₂ The deposition rate of the film was set to 2.0 nm / min. The borosilicate glass plate as the substrate was cooled to -180 ° C or less with liquid nitrogen before the start of film formation, and was maintained at -180 ° C or less during film formation.
[0047]
Subsequently, the film formation was started by simultaneously operating the shutters 6, 7, and 8 attached to the front surfaces of the magnetron cathode 1, the magnetron cathode 2, and the magnetron cathode 3, and left for about 2 hours. Two hours later, the three shutters 6, 7, and 8 were simultaneously operated to complete the film formation.
[0048]
When the cross-sectional structure of the sample thus obtained was observed with a transmission electron microscope, the structure was as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. SiO 2 on a substrate 30 which is a borosilicate glass plate ₂ A columnar dielectric 45 and a columnar metal 41, whose main components are, are dispersed in contact with each other. Such a columnar structure 70 is in a state of standing upright with respect to the surface of the substrate 30, and a gap portion 60 exists between the columnar structures 70.
[0049]
The columnar metal 41 was inclined with respect to the surface of the substrate 30. The cross-sectional structure of the plane parallel to the P plane in FIG. 5 (FIG. 7A) is a structure in which the columnar metal 41 is separated by the void 60 and the dielectric 45, and the interval between the columnar metals 41 is 50 nm on average. It turned out that. On the other hand, the cross-sectional structure in a plane orthogonal to the P surface is a structure in which a plurality of columnar metals are joined (FIG. 7B), and the crossover length of the columnar metal cross section in the direction orthogonal to the P surface is an average. It was 500 nm.
[0050]
The extinction ratio defined by the above equation (1) at an incident light wavelength of 1550 nm was measured to be 41 dB, and the insertion loss defined by the equation (2) was 0.4 dB, which was required for a polarizer used in an optical isolator. Satisfy the following characteristics.
[0051]
[Example 3]
A copper target was attached to the magnetron cathode 1 of the long-distance sputtering apparatus shown in FIG. ₂ The target was attached. A quartz glass plate was attached to the position of the substrate 10 shown in FIG. The magnetron cathode 1 was inclined at an angle of 75 ° with respect to the normal direction of the substrate 10, and the magnetron cathode 3 was arranged at an angle of 60 ° with respect to the normal direction.
Then, using a rotary pump and a cryopump, the pressure inside the sputtering chamber 20 was increased to about 1 × 10 ^-4 It exhausted to Pa. An argon gas was introduced into the target chamber 11, and an argon gas mixed with 5% oxygen was introduced into the target chamber 13. At that time, the pressure inside the sputtering chamber was 3 × 10 ^-2 Pa. Thereafter, a negative voltage was applied to the magnetron cathode 1 from a DC power supply to cause glow discharge. Further, a high frequency (frequency: 13.56 MHz) was applied to the magnetron cathode 3 to generate a glow discharge.
[0052]
Next, the power supplied to the magnetron cathode 1 was adjusted such that the deposition rate of copper (the growth rate of the length of the rod-shaped metal) on the surface of the substrate 10 was 1.5 nm / min. Further, the high-frequency power supplied to the magnetron cathode 3 is adjusted so that the SiO 2 on the surface of the ₂ The deposition rate of the film was set to 2.5 nm / min. The borosilicate glass plate as the substrate was cooled to -180 ° C or less with liquid nitrogen before the start of film formation, and was maintained at -180 ° C or less during film formation.
[0053]
Subsequently, the shutters 6 and 8 attached to the front surfaces of the magnetron cathode 1 and the magnetron cathode 3 were simultaneously opened to start film formation, and left for about 3 hours. Three hours later, the two shutters 6 and 8 were closed at the same time, and the film formation was completed.
[0054]
When the cross-sectional structure of the sample thus obtained was observed with a transmission electron microscope, the structure was as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. SiO on substrate 30 which is a quartz glass plate ₂ And a columnar metal body 41 mainly composed of copper are dispersed in contact with each other. The columnar structure 70 stands up at an angle of about 20 ° with respect to the normal to the surface of the substrate 31, and the gap 60 exists between the columnar structures.
[0055]
The columnar metal 41 was inclined with respect to the surface of the substrate 30. The cross-sectional structure of the plane parallel to the P plane (FIG. 7A) was a structure in which the columnar metal was separated by the voids 60 and the dielectric 45, and the interval between the columnar metals was 50 nm on average. On the other hand, the cross-sectional structure in a plane perpendicular to the P plane (FIG. 7B) is a structure in which a plurality of columnar metals are joined, and the average length of the columnar metal in the direction perpendicular to the P plane is 500 nm. It turned out that.
[0056]
The measured extinction ratio at an incident light wavelength of 1550 nm was 31 dB, and the insertion loss was 1.4 dB. A film having this characteristic is insufficient for an optical communication isolator, but can be applied to other uses such as a polarizing film for a liquid crystal projector.
[0057]
[Example 4]
An aluminum target was attached to the magnetron cathode 2 of the long-distance sputtering apparatus shown in FIG. ₂ The target was attached. A borosilicate glass plate was attached to the position of the substrate 10 shown in FIG. The magnetron cathode 2 was arranged at an angle of 80 ° with respect to the normal line of the substrate 10, and the magnetron cathode 3 was arranged at an angle of 30 °.
[0058]
Then, using a rotary pump and a cryopump, the pressure inside the sputtering chamber 20 was increased to about 1 × 10 ^-4 It exhausted to Pa. Argon gas was introduced into the target chamber 12, and argon gas mixed with 5% oxygen was introduced into the target chamber 13. At that time, the pressure inside the sputtering chamber 20 was 3 × 10 ^-2 Pa. Thereafter, a DC negative voltage was applied to the magnetron cathode 2 to cause glow discharge. Further, a high frequency (frequency: 13.56 MHz) was applied to the magnetron cathode 3 to generate a glow discharge.
[0059]
Next, the power supplied to the magnetron cathode 2 was adjusted such that the deposition rate of aluminum (the growth rate of the length of the rod-shaped metal) on the surface of the substrate 10 was 2.5 nm / min. Further, the high-frequency power supplied to the magnetron cathode 3 is adjusted, and the SiO 2 on the surface of the base 10 is adjusted. ₂ The deposition rate of the film was set to 6.0 nm / min. The borosilicate glass plate as the substrate was cooled to -180 ° C or less with liquid nitrogen before the start of film formation, and was kept at -180 ° C or less during film formation.
[0060]
Subsequently, the film formation was started by operating the shutter 8 attached to the front surface of the magnetron cathode 3 and the shutter 7 attached to the front surface of the magnetron cathode 2. After 2.5 hours, the shutters 7 and 8 were closed to complete the film formation.
[0061]
When the cross-sectional structure of the sample thus obtained was observed with a transmission electron microscope, the structure was as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. SiO 2 on a substrate 30 which is a borosilicate glass plate ₂ Was deposited, and the columnar metal 43 containing aluminum as a main component was dispersed therein. The columnar metal 43 was in a state of being inclined with respect to the surface of the substrate 30.
[0062]
The columnar metal 43 was inclined with respect to the surface of the substrate 30. Then, it was found that the cross-sectional structure of the plane parallel to the P plane (FIG. 8A) was a structure in which the columnar metals were separated by the dielectric 50, and the average interval between the columnar metals was 50 nm. On the other hand, the cross-sectional structure in a plane perpendicular to the P-plane (FIG. 8B) is a structure in which a plurality of columnar metals are joined, and the length of the columnar metal in the direction perpendicular to the P-plane is shown. Was 500 nm on average.
[0063]
The extinction ratio defined by the above equation (1) at an incident light wavelength of 1550 nm was measured to be 37 dB, and the insertion loss defined by the equation (2) was 1.4 dB. Although the characteristics required for a polarizer used for an optical isolator for optical communication are not satisfied, it is applicable to applications such as a polarizing film for a liquid crystal projector.
[0064]
[Comparative Example 1]
A gold target was attached to a magnetron cathode 101 of a magnetron sputtering apparatus shown in FIG. ₂ The target was attached. Quartz glass was attached to the position of the base 110 shown in FIG.
[0065]
Then, using a rotary pump and a cryopump, the pressure inside the sputtering chamber 120 is increased to about 1 × 10 ^-4 It exhausted to Pa. Argon gas was supplied to the magnetron cathode 101 from the gas introduction tube 103, and argon gas containing 5% oxygen was supplied to the magnetron cathode 102 from the gas introduction tube 104. At that time, the pressure inside the sputtering chamber 120 is 5 × 10 ^-1 Pa. The mean free path under this pressure is about 30 mm. In this mean free path, the sputtered particles are scattered by gas molecules before reaching the substrate, and the direction in which the particles fly is lost.
[0066]
Next, a negative voltage was applied to the magnetron cathode 101 from a DC power supply to cause glow discharge. Further, a high frequency (frequency: 13.56 MHz) was applied to the magnetron cathode 102 to generate a glow discharge.
[0067]
Next, the power supplied to the magnetron cathode 101 was adjusted such that the deposition rate of gold was 0.7 nm / min on the surface of the base 110. Further, the high-frequency power supplied to the magnetron cathode 102 is adjusted, and the SiO 2 on the surface of the base 110 is adjusted. ₂ The deposition rate of the film was set to 2.5 nm / min. The borosilicate glass plate as the substrate was cooled to -180 ° C or less with liquid nitrogen before the start of film formation, and was maintained at a temperature of -180 ° C or less during film formation.
[0068]
Subsequently, the shutters (not shown) attached to the front surfaces of the magnetron cathode 101 and the magnetron cathode 102 were simultaneously opened to start film formation, and left for about 2 hours. Two hours later, the two shutters were simultaneously closed, and the film formation was completed.
[0069]
When the cross-sectional structure of the sample thus obtained was observed with a transmission electron microscope, it was found that ₂ The structure was such that granular Au fine particles were dispersed in the film. The measured extinction ratio at an incident light wavelength of 1550 nm was 0.3 dB, the insertion loss was 17 dB, and it could not be used as a polarizer for an optical isolator.
[0070]
[Comparative Example 2]
The magnetron cursor 1 of the long-distance sputtering apparatus shown in FIG. ₂ And a 10% palladium-silver alloy target was attached to the magnetron cathode 2. A borosilicate glass was attached to the position of the substrate 10 shown in FIG. Both the magnetron cathodes 1 and 2 were arranged at a position inclined by 70 ° with respect to the normal line of the substrate 10.
[0071]
Then, using a rotary pump and a cryopump, the pressure inside the sputtering chamber 20 was increased to about 1 × 10 ^-4 It exhausted to Pa. Next, an argon gas mixed with 15% oxygen was introduced into the target chamber 11. At that time, the pressure inside the sputtering chamber 20 is 2.5 × 10 ^-2 Pa. Thereafter, high-frequency power (frequency: 13.56 MHz) was supplied to the magnetron cathode 1 to cause glow discharge.
[0072]
Next, on the surface of the substrate 10, SiO 2 ₂ The power supplied to the magnetron cathode 1 was adjusted such that the deposition rate (the growth rate of the length of the rod-shaped metal) became 2.5 nm / min. The borosilicate glass plate as the substrate was cooled to -180 ° C or less with liquid nitrogen before the start of film formation, and was maintained at a temperature of -180 ° C or less during film formation.
[0073]
Subsequently, the shutter 6 attached to the front surface of the magnetron cathode 1 was opened to start film formation, and left for about 2 hours. Two hours later, the shutter 6 was closed, and the film formation was completed.
[0074]
Further, an argon gas was introduced into the target chamber 12. At that time, the pressure inside the sputtering chamber 20 is 2.5 × 10 ^-2 Pa. Thereafter, DC power was supplied to the magnetron cathode 2 to cause glow discharge. Next, the power supplied to the magnetron cathode 2 was adjusted so that the deposition rate of the 10% palladium-silver alloy target was 2.5 nm / min on the surface of the substrate 10. Subsequently, the shutter 7 attached to the front surface of the magnetron cathode 2 was opened to start film formation, and left for about 2 hours. Two hours later, the shutter 7 was closed, and the film formation was completed.
[0075]
The cross-sectional structure of the sample thus obtained was observed with a transmission electron microscope. ₂ The structure was such that granular 10% palladium-silver alloy was dispersed on the film. The measured extinction ratio at an incident light wavelength of 1550 nm was 2 dB, the insertion loss was 9.5 dB, and it could not be used as a polarizer for an optical isolator.
[0076]
The thin film having the polarization characteristics of the present invention has a columnar structure, and in particular, there may be a gap between the columnar structures as in Examples 2 and 3. Therefore, a problem may occur in the chemical durability. In this case, it is desirable to form a transparent protective film on a film having polarization characteristics.
[0077]
FIG. 9 shows that after forming the columnar structure 70 shown in the second embodiment, ₂ An example in which a protective film 51 is formed is shown. After the formation of the columnar structure is completed, the flow rate of 5% oxygen-mixed argon gas supplied to the target chamber 11 is increased from that at the time of forming the columnar structure, and the pressure inside the sputtering chamber 20 is increased to 6 × 10 ^-1 Adjust to Pa. A high frequency (frequency: 13.56 MHz) is applied to the magnetron cathode 1, the shutter 6 is opened, and SiO 2 is formed at a film forming rate of about 3 nm / min. ₂ The film was formed for about 1 hour.
[0078]
Furthermore, by laminating a plurality of layers having different refractive indices, such as a high refractive index material, an intermediate refractive index material, and a low refractive index material, an antireflection film serving also as a protective film can be formed. This has the effect of suppressing reflection at the surface and reducing insertion loss.
[0079]
Further, an additional layer may be formed as an antireflection layer between the substrate and the film having polarization characteristics in order to prevent reflection at the interface between the thin film having polarization characteristics and the substrate and suppress insertion loss.
[0080]
FIG. 10 shows that SiO 2 was formed on the substrate 30 before the polarizing thin film shown in Example 4 was produced. ₂ After forming a film 52 and further forming a polarizing thin film, ₂ An example in which a protective film 53 is formed is shown. After the adjustment for forming the polarizing thin film, only the shutter 8 attached to the front surface of the magnetron cathode 3 is operated to operate the SiO 2. ₂ Is started. After one hour, by opening the shutter 7 attached to the front surface of the magnetron cathode 2, it is possible to shift to the deposition of the polarizing thin film without interruption.
[0081]
After 2.5 hours, the shutter 8 is left open and only the shutter 7 is closed. As a result, SiO 2 is continuously formed on the polarizing thin film surface. ₂ The protection film 53 is formed. One hour later, if the shutter 8 is closed to terminate the film formation, a structure as shown in FIG. 10 is obtained. Also in this case, the layers 52 and 53 may be composed of a plurality of layers in order to enhance the antireflection function.
[0082]
Note that the diameter and length of the columnar metal of the film having the polarization characteristics of the present invention have different preferable values for maximizing the polarization characteristics depending on the wavelength region to be used. Irregularities may be formed on the surface of the substrate to control the diameter of the columnar metal in accordance with the wavelength range to be used. The surface of the substrate may be processed to form the surface irregularities of the substrate. Alternatively, a thin film may be formed on a substrate having a flat surface so that the surface has irregularities and used.
[0083]
In the above embodiment, SiO 2 is used as the dielectric layer in the present invention. ₂ However, there is no particular limitation as long as the material is transparent in the used wavelength region. SiN _x , SiO _x N _y , SnO ₂ , Al ₂ O ₃ , MgF ₂ , ZnO, Si, MgO, etc. can be formed by the above-mentioned long-distance sputtering and are applicable. However, in order to reduce insertion loss, SiO ₂ , SiO _x N _y Etc. are particularly preferred.
[0084]
Examples of the metal in the present invention include simple metals such as gold, silver, copper, palladium, platinum, aluminum, nickel, cobalt, iron and chromium, as well as silver-palladium alloy, gold-silver alloy, silver-tin alloy, silver- A zinc alloy, a silver-aluminum alloy, or the like can be used. However, in the case of a metal that easily aggregates, such as silver, gold, or aluminum, fine particles are easily formed during film formation. In the case of these metals, it is necessary to cool the substrate so that the temperature of the substrate does not increase during film formation.
[0085]
Also, when selecting a dielectric material and a metal material, it is not preferable to select a combination that forms a solid solution with each other. In this case, a desired columnar structure film cannot be obtained because the metal and the dielectric are mixed.
[0086]
The formation of the columnar structure of the present invention does not require a high temperature process. Therefore, the material of the base is not particularly limited, and quartz glass, silicon, borosilicate glass, resin, soda lime glass, or the like can be used. Further, the shape of the base is not particularly limited, and is not limited to the plate shape shown in the above embodiment. It can be formed directly on an optical component such as a lens surface having a curved surface or a prism without thermally damaging them.
[0087]
As a film formation method, any method may be used as long as particles of a material to be deposited can be supplied in a directional manner as described above. In addition to the above methods, various physical film forming methods such as ion beam sputtering and magnetron sputtering meet this condition.
[0088]
In the ion beam sputtering method as shown in FIG. 11, the gas pressure between the target and the substrate during film formation is low (about 1 × 10 ^-2 Pa), which is preferable because the mean free path is long. The ion beam sputtering apparatus 80 evacuates the inside of the apparatus to a relatively low pressure by a single exhaust system. The targets 91, 92, and 93 are irradiated with ion beams from the plurality of ion guns 81, 82, and 83, respectively, to form a thin film on the substrate 90. Film formation is controlled by a shutter 86. However, this ion beam sputtering requires both an ion gun and a target, and the apparatus is complicated. In order to set an appropriate ion beam incident angle, there is a problem that the design and manufacture of the apparatus become complicated.
[0089]
The process pressure of normal magnetron sputtering as shown in FIG. 12 is 0.1 Pa or more. Therefore, it is difficult to obtain a columnar structure film as shown in Comparative Example 1. When such a normal magnetron sputtering apparatus is used, it is necessary to devise a measure such as inserting a collimator 108 between the sputter target and the substrate to align the direction of the evaporated particles, as shown in FIG.
[0090]
【The invention's effect】
According to the present invention, a film having excellent polarization separation properties and excellent mechanical durability can be formed on a substrate only by a film forming process. In particular, since the manufacturing process of the present invention does not include a high-temperature heating step that damages the optical component, a polarizer can be formed on the optical component.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structural model of a columnar structure thin film.
FIG. 2 is a diagram showing another structural model of a columnar structure thin film.
FIG. 3 is a diagram showing a calculation result of an extinction ratio in the structural model of FIG. 2;
FIG. 4 is a schematic view showing a configuration of a film forming apparatus for forming a columnar structure film of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a basic arrangement for forming a columnar structure film of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a columnar structure film formed according to Example 1.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a columnar structure film formed according to Examples 2 and 3.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a columnar structure film formed according to Example 4.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure when a protective film is provided on the surface of a columnar structure film formed in Example 2.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure in a case where a dielectric thin film is provided on the surface of a columnar structure film formed in Example 4 and an interface between substrates.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of another film forming apparatus for forming a columnar structure film of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional magnetron sputtering apparatus.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of an improved magnetron sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
1,2,3,101,102 magnetron cathode
6,7,8,86 shutter
10,90,110 Substrate
11,12,13 Target room
14, 15, 16, 103, 104 Gas inlet pipe
20,120 Sputter chamber
30,31 glass substrate
40,41,42,43 Columnar metal
45 pillar dielectric
50,51,52,53 Dielectric thin film
60, 61 gap
70,71 pillar structure
80 Ion beam sputtering equipment
81, 82, 83 Ion gun
91, 92, 93 target
108 collimator

Claims

In a thin film polarizer made of a thin film having polarization characteristics, a thin film polarizer has a structure in which a number of columnar metals are dispersed in a dielectric film formed on a transparent substrate, and the longitudinal direction of the columnar metals is perpendicular to the surface of the substrate. Or, the cross-sectional shape of the columnar metal parallel to the substrate surface is a shape having a substantially constant area and anisotropy at least in a range apart from the substrate surface by a certain distance or more, and its major axis direction Wherein a plurality of columnar metals are in contact with each other and are arranged separately in the minor axis direction.

In a thin film polarizer made of a thin film having polarization characteristics, the thin film has a structure having a void composed of a number of columnar dielectrics and a number of columnar metals formed on a transparent substrate, and the columnar dielectric and the columnar metal The longitudinal direction is substantially parallel, perpendicular or inclined to the substrate surface, and the cross-sectional shape of the columnar metal parallel to the substrate surface has an area of at least in a range at least a certain distance from the substrate surface. A thin film polarizer having a constant and anisotropic shape, wherein a plurality of columnar metals are in contact with each other in the major axis direction and are separated and arranged in the minor axis direction.

The thin film polarizer according to claim 2, wherein the columnar dielectric and the columnar metal form a pair, and their longitudinal side surfaces are in contact with each other.

The thin film polarizer according to claim 1, wherein a length of a minor axis of the cross section of the columnar metal is 5 nm or more and 30 nm or less, and a length of a major axis is 50 nm or more and 200 nm or less.

3. The thin-film polarizer according to claim 1, wherein the area of the cross section of the columnar metal is substantially constant at least in a range at least 50 nm away from the surface of the base.

The thin film polarizer according to claim 1, wherein the plurality of columnar metals are arranged separated by 30 nm or more in a minor axis direction of the cross section.

A thin-film polarizer comprising one or more transparent dielectric films formed on a surface of the thin-film polarizer according to claim 1, the surface being in contact with a surrounding medium.

The thin-film polarizer according to claim 1, wherein one or more transparent dielectric films are inserted at an interface between the thin film having the polarization characteristics and the transparent substrate.

Metal particles, metal atoms or metal ions are incident on the transparent substrate from at least one direction having a constant angle with respect to the normal of the transparent substrate surface, and at the same time, a constant angle with respect to the normal of the transparent substrate surface. In the method for producing a thin-film polarizer in which evaporated particles of a dielectric substance, atoms constituting the dielectric substance, or ions constituting the dielectric substance are incident from at least one direction, the substrate is cooled to a temperature lower than room temperature. The method for producing a thin film polarizer according to claim 1.

Metal particles or metal atoms or ions are incident on the transparent substrate from two symmetrical directions having the same angle with respect to the normal to the surface of the transparent substrate, and at the same time, a fixed angle with respect to the normal to the surface of the transparent substrate. The method for producing a thin-film polarizer according to claim 9, wherein vaporized particles of a dielectric substance, atoms constituting the dielectric substance, or ions constituting the dielectric substance are incident from at least one direction having:

On the transparent substrate, evaporating particles of a dielectric substance or atoms constituting the dielectric substance or ions constituting the dielectric substance are incident from two symmetrical directions having the same angle with respect to the normal line of the transparent substrate surface, The method for producing a thin-film polarizer according to claim 9, wherein metal particles, metal atoms, or metal ions are simultaneously incident from at least one direction having an angle with respect to the normal to the surface of the transparent substrate.

The method for producing a thin film polarizer according to claim 9, wherein the temperature lower than the room temperature is −100 ° C. or less.

The method for producing a thin film polarizer according to claim 12, wherein the temperature lower than the room temperature is set to -180C or less.