JP2005202104A - 偏光化素子の製造方法、偏光化素子、および画像投影装置の製造方法、並びに画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性を有する格子構造を用いた偏光化素子は、有機膜からなる偏光化素子に比べ耐熱性が高く、大光量を扱う光学系に対しても採用することができる。しかし、良好な偏光特性を持たせるには、その格子構造の周期を、使用する光の波長の２０％以下程度に微細化する必要があり、その製造コストが高額になる。
導電性を有する格子構造を用いた偏光化素子を安価に製造可能とする製造方法を提供し、安価な上記偏光化素子の提供、大光量を有する画像投影装置の提供を目的とする。
【解決手段】 リソグラフィ工程で形成する格子構造の半分の周期からなる導電性の格子構造を形成することにより、リソグラフィ工程のコストを削減する。また、導電性の格子構造の形成を、安価なインプリンティングにより行なうものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射した光束のうち所定の直線偏光成分のみを透過しあるいは反射する偏光化素子に関し、さらに詳しくは所定の周期を有する導電性の格子構造を有する偏光化素子に関するものである。また、本発明はその偏光化素子を備える液晶プロジェクター等の画像投影装置に関する。

偏光化素子としては、多層膜の干渉作用を利用した偏光ビームスプリッターや、複屈折性の光学材料を使用するグラントムソンプリズム等がある。また、断面積の大きな光束に対して実用的でありかつ安価な偏光化素子として、いわゆる偏光板が多く用いられている。

偏光板は、方向性の揃った直鎖状の高分子からなる有機材料を用いるものであり、例えばヨード等の添加により、光により励起された電子は直鎖状の高分子の方向と平行な方向にのみ移動（振動）可能となり、すなわち直鎖状の高分子の方向に平行な偏光方向（電場方向）を有する光は吸収され、それと直交する偏光方向を有する光のみが透過される。

コンピュータ用画像出力装置やテレビ受像機用の表示素子として使用される液晶表示素子においては偏光化素子の使用は不可避である。透過型の液晶表示デバイスにおいては光束の入射側、射出側の双方に、それぞれ偏光子、検光子として作用する偏光板が配置される。液晶表示素子は、旋光性を有する液晶の作用により、入射する直線偏光の偏光方向を入力信号の強弱に応じた角度だけ回転する。そして、射出側に配置された検光子を透過可能な光量は偏光方向の回転角度に応じて変動し、これにより明暗表示が可能となる。

なお、液晶表示素子の一形態として、いわゆる液晶プロジェクターがある。これは比較的小型の透過型液晶表示素子に強力な照明光を照射し、投影光学系を使用してその透過像をスクリーン等に拡大投影するもの（画像投影装置）である。このとき、投影する画面を大型化し、かつスクリーン上で十分な明るさ（照度）を確保するには、大出力の光源を使用する必要がある。

一方、方向性の揃った直線上の導電体を、光の波長より十分小さな周期を持つ格子状に配列することによっても、偏光化素子は形成可能である。この場合にも光の照射により励起された電子は、格子状に配列する導電体に沿った方向にのみ振動可能であるため、その方向に平行な偏光方向を有する光のみがこの偏光化素子により吸収または反射され、これと直交する偏光方向を有する光のみが、この格子を透過することを利用するものである。

上記の如き液晶プロジェクターにおいて、大型スクリーン上の大面積投影像の明るさを十分に確保するために光源の出力を大型化すると、偏光化素子を透過する照明光のエネルギーが増大し、これに比例して偏光化素子が吸収する光エネルギーも増大する。その結果偏光化素子は帯熱するため、従来の有機材料からなる偏光板では、耐熱性の点で光源の高出力化に対応することが困難である。

一方、導電性の材料からなる格子構造を利用する偏光化部材においては、特にその格子を金属等の耐熱性に優れた導電材料で構成することにより、耐熱性の向上は原理的には容易である。

しかしながら、この偏光化部材を透過する偏光方向の光に対する透過率を十分に確保し、一方、これと直交する偏光方向の光を十分に遮蔽するには、その格子構造の周期を光の波長に比べて十分小さくする必要がある。従来の製造方法に於いては、このような微細な周期を有する導電性の格子を、安価に形成することは困難であった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、耐熱性に優れ、かつ小型高性能な偏光化素子の安価な製造方法の提供を第１の目的とする。
また、本発明は、上記製造方法を用いて上記偏光化素子を供給すること、及び上記耐熱性に優れた偏光化素子を備えた高照度かつ高性能な画像投影装置を提供することも目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の偏光化素子の製造方法に関する第１の発明は、透明基板（１）上に導電性材料から成り所定の周期を有する格子構造（６）の形成された偏光化素子（２０）を製造する方法であって、その格子構造の製造工程は、その所定の周期（Ｐ２，Ｐ３）の２倍の周期（Ｐ１）を有する凹凸形状（４）を形成する凹凸形状形成工程と、その凹凸形状の段差部の側面に相当する位置に、所定の薄膜（６ｃ，６ｄ，６ｅ）を形成する薄膜形成工程とを含むものとした。

斯かる本発明においては、所定の周期の２倍の周期を有する凹凸形状の側壁に、所定の薄膜を形成することにより、その凹凸形状の半分の周期、従って上記所定の周期の薄膜パターンを形成することができる。

このうちの凹凸形状形成工程は、リソグラフィ工程とエッチング工程を含むものとすることができる。
本発明においては、その凹凸形状形成工程においてリソグラフィ技術等を適用して形成する凹凸形状パターンの周期を、本来所望の周期に対して２倍の緩い周期としながら、最終的に形成する導電性の格子構造の周期を、所望の周期とすることができる。そして、これにより凹凸形状形成工程に要するコストを削減し、より微細な周期構造を有する導電性の格子構造を安価に形成することが可能となる。

また、本発明におけるそのリソグラフィ工程は、可干渉な複数本の光束の干渉により行なう露光工程を含むものとすることができる。このような露光方法を採用することにより、高価な投影露光装置を用いることなく、微細な周期を有する凹凸形状形成工程を形成することが可能となり、周期構造を有する導電性の格子構造を、より安価に形成することも可能となる。

また、本発明におけるその側面薄膜形成工程は、その凹凸形状の段差部の側面、上面及び下面に対してその薄膜（５）を形成する工程と、その凹凸形状の段差部の上面及び下面に形成された（５ａ，５ｂ）その薄膜を除去する工程を含むものとすることもできる。

また、一例として、その薄膜形成工程で形成されるその薄膜は、導電性の薄膜であるとすることができる。この場合、その薄膜自体によってその導電性の格子構造を形成することができる。

一方、その側面薄膜形成工程で形成されたその薄膜（９ｃ，９ｄ，９ｅ）の形状に基づいて、その凹凸形状よりも下層に形成された導電性の薄膜（８）をパターニングする工程を更に含むものとすることもできる。この場合には、上記下層に形成された導電性の薄膜をエッチング等により加工することにより、その導電性の格子構造として形成することができる。

また、本発明におけるその導電性の薄膜は、アルミニウムを主成分とする薄膜とすることもできる。
本発明の偏光化素子の製造方法に関する第２の発明は、透明基板（１）上に導電性材料から成り所定の周期（Ｐ４）を有する格子構造（６）の形成された偏光化素子（２０）を製造する方法であって、その格子構造の製造工程は、その透明基板（１）上に導電性の薄膜（８）を形成する導電層形成工程と、その導電性の薄膜よりも上層に被加工層となる薄膜（１１）を形成する工程と、インプリンティングを含む加工工程により前記被加工層に前記所定の周期を有する凹凸形状（１２，１３）を形成する形状加工工程と、その被加工層に形成された前記凹凸形状に基づいて、その導電性の薄膜をパターニングする導電層加工工程とを含むものとした。

斯かる本発明においては、微細な周期を有する格子構造をインプリンティングにより安価に製造することが可能となる。
また、その導電性の薄膜はアルミニウムを主成分とする薄膜とすることもできる。

本発明の偏光化素子の製造方法に関する第３の発明は、透明基板（１）上に導電性材料から成り所定の周期（Ｐ４）を有する格子構造（６）の形成された偏光化素子（２０）を製造する方法であって、その格子構造の製造工程は、透明基板上に被加工層となる薄膜（１４）を形成する工程と、その被加工層に対するインプリンティングを含む加工工程により、その被加工層またはその透明基板上に、その所定の周期を有する凹凸形状（１５，１６）を形成する形状加工工程と、その凹凸形状中の凹部に導電性材料を選択的に形成する導電格子形成工程を含むものとした。

斯かる本発明においても、微細な周期を有する格子構造をインプリンティングにより安価に製造することが可能となる。
また、その形状加工工程は、その被加工層に形成されたその凹凸形状を、その透明基板上に転写する転写工程をさらに含むものとすることもできる。

また、本発明におけるその導電性の薄膜はアルミニウムを主成分とする薄膜とすることもできる。
次に本発明の偏光化素子は、透明基板上に導電性材料から成り所定の周期を有する格子構造の形成された偏光化素子であって、上記の本発明による偏光化素子の製造方法を用いて、その格子構造の形成を行なうものである。

本発明によれば、耐熱性等に優れた高性能な偏光化素子を安価に提供することが可能に成る。
次に本発明の画像投影装置の製造方法は、偏光化素子を用いる画像投影装置の製造方法であって、その偏光化素子として上記の本発明の偏光化素子を用いるものである。

また、本発明の画像投影装置は、偏光化素子を用いる画像投影装置であって、その偏光化素子として上記の本発明の偏光化素子を用いるものである。

本発明によれば、耐熱性等に優れた偏光化素子を使用するため、偏光化素子の耐熱性、耐光性の制約を受けることなく、大出力の光源を使用することができる。その結果、スクリーン等の被投影面上で十分な明るさ（照度）を確保することができ、高性能な画像投影装置を実現することができる。

なお、その画像投影装置は、透過型液晶表示デバイスにより形成される画像を投影するものとすることができる。

本発明によれば、透明基板上に、導電性の材料から成り微細な周期を有する格子構造を
安価に形成することが可能となる。これにより、耐熱性に優れ、かつ小型高性能な偏光化素子を安価に提供することが可能となる。

さらに、本発明の画像投影装置では、本発明による耐熱性のすぐれた偏光化素子を用いることにより、偏光化素子の耐熱性、耐光性の制約を受けることなく、大出力の光源を使用することができる。その結果、スクリーン等の被投影面上で十分な明るさ（照度）を確保することができ、高性能な画像投影装置を実現することができる。

以下、本発明による偏光化素子の製造方法の第１の実施形態について説明する。
図１は、本第１実施形態のうちの第１の実施例を表わす図である。
図１（Ａ）に示す通り、ガラス等の透明基板１上に、始めに第１の薄膜２及びフォトレジスト３を形成する。薄膜２の材料については後述する。

次にフォトレジスト３を、例えばその周期がＰ１である一次元の明暗周期パターンで露光及び現像し、フォトレジスト３を一次元格子（周期パターン）に加工する。続いて、このフォトレジスト３をエッチングマスクとするエッチングを行ない、薄膜２を周期がＰ１である一次元格子４に加工する。

図１（Ｂ）は、透明基板１上に形成された一次元格子４の、周期方向に平行な面での断面を示す図である。従って、図中Ｙ方向が格子の長手方向（周期方向であるＸ方向に直交する方向）になる。図１（Ｂ）に示す通り、透明基板１及び一次元格子４の図中上側の表面は、一次元格子４と透明基板１の表面とからなる凹凸形状を構成する。

続いて、この凹凸形状をなす表面上に第２の薄膜５を成膜する。薄膜５の成膜が完了した状態の透明基板１等の断面図を図１（Ｃ）に示す。この成膜に際しては、第２の薄膜５が、一次元格子４の上面や透明基板１の表面すなわち上記凹凸形状の底面のみでなく、上記凹凸形状の側面に相当する一次元格子４の側面部分５ｃ，５ｄ，５ｅにも形成されるような成膜方法を使用する。そのための成膜方法として、例えば化学蒸着法（ＣＶＤ法）を使用することが望ましい。

本第１の実施例においては薄膜５は導電性を有する材料からなるものとする。そして、十分な耐熱性を併せ持たせるために、銀、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属を使用することが好ましい。なお、材料の価格と導電性を両立させるという観点からはアルミニウムが最適である。

次にこの導電性の薄膜５を、上記凹凸形状の側面すなわち一次元格子４の側面に相当する部分５ｃ，５ｄ，５ｅ等のみを残して除去する。この除去は、例えば薄膜５を図中の上方向から選択的に除去するような異方性エッチングにより行なう。これは、薄膜５の図中Ｚ方向の厚さが、残存させるべき一次元格子４の側面に相当する部分５ｃ，５ｄ，５ｅでは厚く、その他の部分である一次元格子４の上面部分５ａ及び透明基板１表面部分５ｂでは薄いことを利用するものである。

すなわち、上記エッチングを所定の時間等に制御して行なうことにより、上記その他の部分における厚さ分の薄膜５を完全に除去しつつ、Ｚ方向膜厚の厚い一次元格子４の側面に相当する部分５ｃ，５ｄ，５ｅ等において薄膜５を残存させることができる。

図１（Ｄ）に、透明基板１上の凹凸形状４の側面に相当する部分にのみ導電性の薄膜６ｃ，６ｄ，６ｅが形成された状態を断面図として表わす。そして、この状態から透明基板１上に残存する一次元格子４を除去することにより、図１（Ｅ）に示す如く、透明基板上に導電性材料から成り所定の周期Ｐ２，Ｐ３を有する格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅの形成された偏光化素子２０が完成する。

ここで、上記一次元格子４の除去は、例えば化学薬品によるエッチング等により行なう。従って、一次元格子４を構成する材料すなわち上記薄膜２の材料は、導電性を有する格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅを構成する薄膜５の材料とは、耐化学薬品性の異なる材料を使用することが望ましい。同時に、上述の加工工程において容易に一次元格子４に加工可能であることが望ましい。

そこで、例えば薄膜５の材料として耐酸性及び耐アルカリ性に優れたタングステンを使用する場合には、薄膜２の材料としては酸またはアルカリに対して可溶であるとともに、フッ素を含有するガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で容易にドライエッチング加工可能なであり、かつ酸溶液に可溶なアルミニウム等を使用するとよい。

格子構造を構成する６ｃ，６ｄ，６ｅ等の薄膜のうち、薄膜６ｃと薄膜６ｄの中心間隔Ｐ２は、薄膜６ｃ及び薄膜６ｄの図中Ｘ方向の厚さの平均値と除去された一次元格子４の線幅との和であり、一方、薄膜６ｄと薄膜６ｅの中心間隔Ｐ３は、一次元格子４の周期Ｐ１から上記間隔Ｐ２を引いた値となる。

この中心間隔Ｐ２と中心間隔Ｐ３は、必ずしも厳密に一致する必要は無いが概ね等しいことが効果的である。そこで、上述の一次元格子４の形成に際しては、一次元格子４の線幅が、その周期Ｐ１の半分よりも薄膜６ｃまたは薄膜６ｄの図中Ｘ方向の厚さ分だけ小さな値となるように形成することが望ましい。

偏光化素子２０の上面図（Ｚ方向から見た図）を、図２に示す。透明基板１上には、そのほぼ全面に、導電性材料からなり、Ｙ方向に長手方向を有しＸ方向に周期性を有する格子構造６が形成される。なお、図２中では、図１（Ｅ）中の格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅは、一括して格子構造６として示した。また、その周期Ｐ４は、図１（Ｅ）中の周期Ｐ２と周期Ｐ３の平均値としている。

ところで、導電性の格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅ等の、図１（Ｅ）中のＺ方向、すなわち、透明基板１表面の法線方向における導電性の格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅ等の厚さは、その材料の導電性にもよるが、５０から２００ｎｍ程度とすることが望ましい。この厚さは、一次元格子４の側面の高さに応じて制御可能な厚さであり、すなわち、図１（Ａ）に示した透明基板１上に形成する薄膜２の同方向の厚さを制御することにより制御することができる。

なお、導電性の格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅ等の周期Ｐ２、Ｐ３は、本発明の偏光化素子２０が使用されるべき光の波長の２０％程度以下であることが好ましく、さらには１５％以下であることが一層好ましい。人間の目に最も感度の高い光の波長は５５０ｎｍであるから、本発明の偏光化素子２０を可視光に対して使用する場合には、周期Ｐ２、Ｐ３は１１０ｎｍ程度以下、あるいはさらに８０ｎｍ程度以下であることが好ましい。

このような微細パターンを、マスクパターン原版を縮小投影光学系を介して転写する通常のリソグラフィ工程で形成するには、周期１１０ｎｍの微細パターンを露光するための現在における最先端の投影露光装置を用いることが必要であり、その生産コストは高価となる。

一方、本発明に於いては、リソグラフィ工程等で形成すべき一次元格子４の周期Ｐ１は、上記１１０ｎｍの２倍である２２０ｎｍで良いため、安価なリソグラフィ装置及びリソグラフィ工程を用いて、所望の周期を持つ導電性の格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅ等を形成することができる。また、通常のリソグラフィ技術の解像度の限界よりも、さらに微細な周期の格子構造を形成することができ、より高性能な偏光化素子を実現することができる。

なお、この様な格子構造は偏光化素子２０の表面に形成されていても、その内部に形成されていても、照射される光束を偏光化可能なことについて本質的に変わりは無い。ただし実用性を考えると、機械的耐久性等を確保するために、格子構造６（６ｃ，６ｄ，６ｅ）は、透明基板１の表面に露出しない方が好ましい場合もある。そこで、透明基板１の表面に、導電性材料から成る格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅの上から透明な保護膜を形成し、格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅを偏光化素子２０の表面に露出しない構成とすることもできる。

以下、このように格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅを偏光化素子２０の表面に露出しない構成とする本発明の第２の実施例について説明する。
図３は、本発明の第２の実施例による製造方法により製造した偏光化素子２０の断面図を表わす。

本発明の第２の実施例による製造方法では、上述の第１の実施例による製造方法における図１（Ｄ）に示した状態、または図１（Ｅ）に示した状態の透明基板１の表面に、格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅ等の上から透明な保護膜７を形成するものである。

すなわち、上述の第１の実施例では行なっていた一次元格子４の除去は、本第２の実施例においては必ずしも必要ではない。一次元格子４を、偏光化素子２０が適用される光に対して透明な材料であって、その屈折率が上記保護膜７の屈折率と等しいもので形成すれば、偏光化素子２０として特性を何ら悪化させないからである。

このような要件を満たす一次元格子４の材料すなわち図１中の薄膜２の材料としては、二酸化珪素を主成分とする材料を使用することができる。例えば、有機物を含有する二酸化珪素系の材料であれば、透明基板１上にスピンコート等の安価な成膜方法で薄膜２を形成することも可能である。

また、保護膜７についても有機物を含有する二酸化珪素系の材料を使用して、スピンコート等の安価な成膜方法で形成することもできる。
なお、本第２の実施例では、上述の通り一次元格子４の除去工程を省略することが可能であるので、格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅを構成する導電性材料の対化学薬品性等を考慮する必要が無くなる。このため、格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅの材料にアルミニウム等の、耐化学薬品性は比較的悪いが、安価で導電率の良い金属材料を使用することが容易になるという利点もある。

なお、上述の第１の実施例においては、図１（Ｄ）中の一次元格子４は、これを本発明の偏光化素子２０が適用される光に対して透明な材料で構成したとしても、その除去を省略することは難しい。これは、一次元格子４部分とそれ以外の部分（例えば導電性の薄膜６ｄと６ｅの間の部分）を透過する光束との間に位相差が生じ、両光束間に干渉による相殺効果が生じることにより、偏光化素子２０を透過する光束の光量が低下してしまう恐れがあるからである。

ところで、以上の本発明による偏光化素子の製造方法の上記第１の実施例及び第２の実施例においては、最終的に、一次元格子４の側面に相当する位置に形成した薄膜５自体を、導電性の格子構造６とするものとしたが、本発明による導電性の格子構造６の製造方法は、これに限られるものではない。

そこで、以下図４を参照して、本発明による偏光化素子の製造方法の第３の実施例について説明する。なお、図４においては、上記第１図と共通する材料等については、同一の符号を付して一部説明を省略する。

図４（Ａ）は、図１（Ａ）と同様に、透明基板１上に薄膜２及びフォトレジスト３を形成した状態の断面図を示す図である。ただし、本第３の実施例においては、第１の実施例における図１（Ａ）と異なり、透明基板１と薄膜２の間に、導電性の薄膜８を形成してある。

この透明基板１等に対して、上述の第１の実施例と同様の処理を行ない、上記薄膜２を一次元格子４に加工する。一次元格子４が形成された状態を図４（Ｂ）に示す。
続いて、導電性の薄膜８の表面と一次元格子４とが形成する凹凸形状に沿って、第２の薄膜９を成膜する。第２の薄膜９の成膜に際しても、第２の薄膜９が上記凹凸形状の側面に相当する一次元格子４の側面部分９ｃ，９ｄ，９ｅにも形成されるような、例えば上述のＣＶＤ法のような成膜方法を使用することが望ましい。

第２の薄膜９の成膜が完了した状態の透明基板１等の断面図を図４（Ｃ）に示す。
続いて、上述の第１の実施例と同様に、薄膜９を異方性エッチング等によりそのＺ方向から選択的に除去する。これにより、第２の薄膜９のうち、その図中Ｚ方向の厚さの厚い部分、すなわち一次元格子４の側面に相当する部分９ｃ，９ｄ，９ｅのみを残存させ、その他の部分を除去することができる。

その後、上述の第１の実施例と同様に一次元格子４を化学薬品によるエッチング等により除去することにより、一次元格子４の側面に相当する部分９ｃ，９ｄ，９ｅに相当する薄膜１０ｃ，１０ｄ，１０ｅのみを、導電性薄膜８の上に残すことができる。一次元格子４の除去が完了した状態を図４（Ｄ）に示す。

本第３の実施例においては、薄膜１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ自体を導電性の格子構造として使用するのではなく、この形状を基準として、その下層に形成された導電性薄膜８を導電性の格子構造として加工する。この加工にも、例えば図中Ｚ方向から選択的に導電性薄膜８をエッチングする異方性エッチングを使用する。

導電性薄膜８のエッチング等の加工と加工後の薄膜１０ｃ，１０ｄ，１０ｅの除去により、図４（Ｅ）に示す如く、透明基板１上に導電性材料からなる格子構造６ｃ，ｄ，ｅが形成され、本発明の偏光化素子製造方法の第３の実施例による偏光化素子２０は完成する。なお、本第３の実施例においても、図４（Ｅ）に示した構造の上に、さらに透明材料からなる保護層を形成し、導電性材料からなる格子構造６ｃ，ｄ，ｅを偏光化素子２０の表面に露出しない構造とすることもできる。

ここで、上記第３の実施例において使用して好ましい薄膜材料について説明する。
最終的に偏光化素子２０を構成する格子構造６ｃ，ｄ，ｅとなる導電性薄膜８は、上述の他の実施例と同様にアルミニウムがもっとも好ましい。また、アルミニウムからなる導電性薄膜８のエッチングマスクとして作用する第２の薄膜９の材料としては、例えば窒化珪素を使用する。そして、薄膜２の材料としては例えば有機物を含有する二酸化珪素を使用する。

各薄膜２，９，８の材料を、一例として上記の如く選択した場合、図４（Ｃ）に示した状態からの各エッチング工程は以下の様に行なうことが好ましい。
始めに、図４（Ｃ）に示した状態の基板に対し、フッ素ガスを反応ガスに含む反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたＺ方向からの異方性エッチングを行なう。これにより窒化珪素からなる薄膜９は、その図中Ｚ方向厚さの厚い部分９ｃ，９ｄ，９ｅを除いて除去される。このエッチング工程は、さらに、二酸化珪素を主成分とする薄膜２からなる格子構造４をも除去する。従って、エッチング完了時には、透明基板１は図４（Ｄ）の状態となる。

続いて、塩素ガスを反応ガスに含む反応性イオンエッチングを用いたＺ方向からの異方性エッチングを行なう。これによりアルミニウムからなる導電性薄膜８は、その上にエッチングマスクとしての薄膜１０ｃ，１０ｄ，１０ｅが形成された部分を除いて除去される。そして、導電性薄膜８の格子構造６ｃ，６ｄ，６ｅへの加工の完了後に、反応ガスをＣＦ４やＣ２Ｆ６（いずれも化学式）等のフッ化炭素を含むガスに変更してエッチングを行ない、残存する薄膜１０ｃ，１０ｄ，１０ｅを除去し、エッチング工程が完了する。

ところで、本発明による偏光化素子の製造方法の上記第１から第３の実施例のいずれに於いても、上記一次元格子４の形成に用いるリソグラフィ工程のコストを更に低減するために、いわゆる２光束干渉による干渉縞を用いる露光工程を用いることもできる。そこで、図５に、本発明に使用して好適な２光束干渉式露光装置の概要を示す。

図５中、レーザー等の光源３０を発した露光光束３１は、偏向ミラー３２により偏向され露光光束３３となって、フライアイレンズ等の照度均一化素子３５に入射する。照度均一化素子３５を射出した露光光束３５は、リレー光学系３６，３７で整形された後、照明光束３８ｕ，３８ｄとなって半透過ミラー３９に入射する。照明光束３８ｕ，ｄは、以降の説明の便宜上、照明光束の両端の光線をそれぞれ光線３８ｕ，３８ｄと呼称しているが、実際にはその間にも均一な照明光量分布を有する光束である。また、以下の説明中で末尾にｕ，ｄの符号を有する光束についても、これと同様にその間に均一な照明光量分布を有する光束である。

半透過ミラー３９を透過した光束４０ｕ，４０ｄはプリズム４１に入射し、その内部反射面４１ａで反射するとともにプリズム４１を射出し、光束４２ｕ，４２ｄとなって透明基板１等の被露光物５０上の位置４９ｕから位置４９ｄの範囲に、図中−Ｘ方向に傾いた方向から照射される。

一方、半透過ミラー３９で反射した光束４３ｕ，４３ｄは第１のミラー４４で反射されて光束４５ｕ，４５ｄとなり、さらに第２のミラー４６で反射されて光束４７ｕ，４７ｄとなって、被露光物５０上の位置４９ｕから位置４９ｄの範囲に、図中＋Ｘ方向に傾いた方向から照射される。

上記の如く、被露光物５０には光束４２ｕ，４２ｄと光束４７ｕ，４７ｄの２本の照明光束が照射される。これらの光束は、同じ光源３０を発し半透過ミラー３９により振幅分割された光束であるから、相互に可干渉性（コヒーレンシー）を有する。従って、被露光物５０上の位置４９ｄから位置４９ｕの範囲には、両光束による干渉縞が形成される。そして、その干渉縞の周期方向は、上述の両光束の入射（照射）方向に応じてＸ方向となる。

なお、被露光物５０上にコントラスト良く干渉縞を形成するには、被露光物５０上の位置４９ｕから位置４９ｄの範囲の全面に亘って、光束４２ｕ，４２ｄと光束４７ｕ，４７ｄとが、その相互間において良好な可干渉性を有する必要がある。

このため、図５に示した露光装置では、光束４２ｕ，４２ｄと光束４７ｕ，４７ｄのうちの、特に相互に高い可干渉性を有する光束同士が被露光物５０上で重なり合う構成としている。具体的には、半透過ミラー３９で反射した光束４３ｕ，４３ｄに対しては、これが被露光物５０上に照射されるまでに、２枚のミラー４４，４６で反射させる構成としている。

これにより、例えば半透過ミラー３９上において、照明光束３８の上端にあたる光線３８ｕが照射される位置である位置３９ｕを透過した光線４０ｕ及びその延長にあたる光線４２ｕと、当該位置３９ｕで反射した光線４３ｕ及びその延長にあたる光線４５ｕ，４７ｕとは、被露光物５０上において同一の位置４９ｕ上に照射される。これは、半透過ミラー３９上の他の位置（例えば光線３８ｄが照射される位置３９ｄ）を通る光線についても同様であり、これにより、上記２本の光束間の相互の可干渉性を一層高めることができる。

なお、上記の半透過ミラー３９で反射した光束４３ｕ，４３ｄを２枚のミラー４４，４６で反射させる構成は、光束４３ｕ，４３ｄ等の、半透過ミラー３９から被露光物５０までの光路長を、半透過ミラー３９を透過して被露光物５０に至る光束４０ｕ，４０ｄ等の光路長に比べて増大させる。このような光路長差が、露光光３０等の時間的可干渉距離に比べ無視できない長さとなると、被露光物５０上に形成される干渉縞のコントラストを低下させる恐れが生じる。

そこで、図５の露光装置では、半透過ミラー３９から被露光物５０に至る光路長が相対的に短くなる光路である光路４０ｕ，４０ｄ及び光路４２ｕ，４２ｄ側に、プリズム４１を配置し、プリズム４１の内部での実効的な光路長をその屈折率倍だけ増大するものとしている。これにより、両光路の光路長をほぼ等しくすることができ、被露光物５０上に形成される干渉縞のコントラストを一層向上させることができる。

なお、被露光物５０上での各露光光間の相互の可干渉性を向上する方法は、これに限らず他の方法を使用することもできることは言うまでもない。
ところで、被露光物５０に対向して配置されるプリズム４８は、本露光装置に必須の光学部材ではない。ただし、プリズム４８の底面を被露光物５０から数ｍｍ以下に近接して配置し、かつ、プリズム４８の底面と被露光物５０の間の間隙に水等の液体を満たすことにより、本露光装置をいわゆる液浸露光装置にすることができる。そしてこれにより、本露光装置解像度（本露光装置が形成する干渉縞の周期）を、概ね上記液体の屈折率ｎ分だけ、すなわち１／ｎに縮小することができる。

なお、被露光物５０は載置台５１上に保持されるが、載置台５１は必要に応じて図中Ｘ方向及びＹ方向に移動可能な構成をとることもできる。そして、Ｘ方向またはＹ方向への移動と被露光物５０上への干渉縞の露光を繰り返すことにより、被露光物５０上のより広範な範囲に、所望の干渉縞を形成することができる。

ところで、図５に示した露光装置では、振幅分割により、相互に可干渉性を有する２本の露光光束を生成し、これを干渉させて干渉縞を形成するものとしたが、干渉させる光束の本数は２本に限るものではなく、３本以上の光束を使用しても良いことはいうまでも無い。これによりよりコントラストの高い干渉縞を形成することもできる。

ところで、本発明の偏光化素子の製造方法は、上記のフォトリソグラフィ工程を含む第１から第３の実施例に例示される第１の実施形態に限定されるものではなく、他のパターン形成方法を用いる実施形態とすることも可能である。

以下、周期パターンの形成方法にインプリンティングを使用する本発明の偏光化素子の製造方法の第２の実施形態について図６を用いて説明する。
図６（Ａ）は、透明基板１上に導電性材料からなる薄膜８と、被加工層となる薄膜１１を形成した状態の断面図を表わす図である。ここで、薄膜８は例えばアルミニウム等の金属を材料とし、薄膜１１は例えばフォトレジストと同様に有機物を材料とする膜である。

この状態の透明基板１の薄膜１１の表面に対して、微細凹凸パターンの形成された原版（スタンパ）を接触させ、原版上のその微細凹凸パターン形状を薄膜１１上に転写（インプリンティング）する。転写された凹凸パターン１２，１３のＸＹ面内の形状は、周期Ｐ４からなる１次元の格子パターンであり、その方向が図中Ｘ方向に長手方向が図中Ｙ方向であるとする。その断面形状を、図６（Ｂ）に示す。

そして、この凹凸形状１２，１３の形状に基づいて、その下層に存在する導電性材料からなる薄膜８を加工し、図６（Ｃ）に示す如き導電性材料からなる格子構造６ｆ，６ｇを形成する。すなわち、凹凸形状１２，１３中の凹部１２では、薄膜１１の厚さが薄いため上記エッチングに際して早期に薄膜１１が除去され薄膜８がエッチングされる。一方、凸部１３では薄膜１１が厚く、これにより薄膜８は保護されエッチングされることは無い。

このエッチング加工により、偏光化素子２０は完成する。
上記の薄膜８の加工についても、上述の各実施例と同様に、エッチング技術が使用できる。薄膜８及び薄膜１１が、上記の如くそれぞれアルミニウム及び有機膜であれば、塩素を反応ガスとして用いる反応性イオンエッチングを使用することができる。

また、図６（Ｃ）に示す状態から、さらに透明基板１上に、格子構造６ｆ，６ｇの上から透明保護膜を形成し、格子構造６ｆ，６ｇを偏光化素子２０の表面に露出させない構造とすることもできる。

また、同じくインプリンティングを使用して微細パターンを形成するに際して、導電性の薄膜の形成は、インプリンティリング工程以後に行なうものとすることもできる。
以下のこの方法に基づく本発明の偏光化素子の製造方法の第３の実施形態について図７を用いて説明する。

図７（Ａ）は、被加工層となる薄膜１４を形成した状態の断面図を表わす図である。ここで、薄膜１４は例えばフォトレジストと同様な有機材料からなる膜である。続いて上述の第２の実施形態の場合と同様に、薄膜１４に対して微細な凹凸形状を有する周期Ｐ４の１次元格子パターンを、インプリンティングにより転写する。

図７（Ｂ）は、上記インプリンティングにより転写された凹凸形状１５，１６を表わす図である。この場合にも、その周期方向はＸ方向であり、長手方向はＹ方向である。
続いて、この薄膜１４上の凹凸形状に基づいて、透明基板１の表面に凹凸形状を加工する。この加工工程も例えば上記と同様にエッチングを用いて行なう。本工程においては、加工対象がガラス基板等であるため、反応性ガスとしてフッ素系ガスを使用する。

上記エッチング工程により、図７（Ｃ）に示す如く透明基板１上に凹凸形状１７が形成される。
続いて、図７（Ｄ）に示す如く、透明基板１上にアルミニウム等の金属などの導電性材料８を、この凹部１７に埋め込むように成膜する。この成膜に際し、導電性材料８が良好に凹部１７を満たすように、加熱等の処理を行なうこともできる。その後、エッチングまたは研磨等により、透明基板１上に形成された余分な導電性材料８を除去し、図７（Ｅ）に示す如く偏光化素子２０が完成する。

なお、本工程においては、導電体からなる格子構造６ｊ，６ｋは、透明基板１表面に形成した凹凸形状の凹部に形成するものとしたが、これを、透明基板１表面への上記凹凸形状の形成を省略し、薄膜１４上に形成した凹凸形状の凹部１５に形成することもできる。

また、本第３の実施形態においても、導電体からなる格子構造６ｊ，６ｋが偏光化素子２０の表面に露出しないように、透明基板１の上層に、格子構造６ｊ，６ｋの上から保護膜を形成することもできる。

以上の第２の実施形態及び第３の実施形態による偏光化素子の製造方法では、微細な格子パターンの形成工程をインプリンティングにより行なうものとしたので、パターン形成に要するコストを、一層安価にすることができる。

また、第２の実施形態の如く、インプリンティング工程の前に透明基板１上に導電性の薄膜８を形成しておく方法では、製造工程全体を簡素化することができ、コストダウンに役立つ。一方、第３の実施形態の如く、インプリンティング工程の後に透明基板１上に導電性の薄膜８を形成する方法の場合、導電性の薄膜８のインプリンティングによる損傷の恐れが全くなくなるため、インプリンティング工程における押し付け力を増大させることができ、高品質な格子パターン及び偏光化素子２０を形成することが可能になる。

なお、上記第２第３のいずれの実施形態においても、インプリンティングに用いるスタンパーの原版には、チタン、ニッケル、モリブデンやタングステンからなる硬質の合金などを使用することが好ましい。

また、第１の実施形態の如く、光リソグラフィー技術を用いて微細パターンを形成する方法においては、透明基板１の表面にある程度の凹凸が残存していても、その表面に良好な微細パターンを形成することが可能になるため、透明基板１の研磨に要するコストが削減できるという利点もある。

次に、本発明による偏光化素子を使用する画像投影装置の実施例について、図８を用いて説明する。図８は、本発明による画像投影装置の概略図を表わす図であり、ハロゲンランプ，水銀ランプ，キセノンランプ等の光源２１を発した照明光は、光軸ＯＰ上に沿って配置されるコンデンサーレンズ２２，２３により整形されて、第１の偏光化素子２０Ａに入射する。光源２１を射出した照明光のうち、所定の直線偏光成分を有する光のみが第１の偏光化素子２０Ａを選択的に透過し、透過型の液晶デバイスからなる画像表示素子２４に照射される。

画像表示素子２４を透過した光束は、第２の偏光化素子２０Ｂに至る。第２の偏光化素子２０Ｂは、その選択的に透過する直線偏光の偏光方向が、第１の偏光化素子２０Ａが選択的に透過する直線偏光の偏光方向とは、所定の角度関係を有するように配置する。これは、上記両偏光方向が光軸ＯＰに垂直な面内で、例えば平行あるいは垂直となる角度関係である。

画像表示素子２４は、光軸ＯＰに対して概ね垂直な面内に２次元格子状に配列される表示画素を有する。各表示画素は、画像処理装置２６から伝達される画像信号に基づいて、それぞれを透過する照明光の偏光状態を変化させる。この結果、第１の偏光化素子２０Ａを透過した直線偏光は、画像表示素子２４の各素子に加えられた画像信号に応じて偏光状態が変化し、第２の偏光化素子２０Ｂにおける透過率が変動する。

この画像表示素子２４の各表示画素に応じた透過率の変動は、２次元的な透過率の明暗分布を形成し、この透過率分布が投影レンズ２５により所定距離離れた不図示のスクリーンに像Ｉｍｇとなって投影される。なお、スクリーンは本発明の画像投影装置の構成要素である必要は無く、任意のスクリーンや壁面等を用いることができる。

このような画像投影装置においては、スクリーン等に投影する画像の大きさを大きくすると、その明るさ（照度）は低下する。従って、実用的な投影像の明るさを維持しつつより大画面の投影像を得るためには、光源２１の明るさ（出力）を増大する必要がある。そしてこれは、画像投影装置内の各光学部材２２，２３，２５と、偏光化素子２０Ａ，２０Ｂを透過する照明光量の増大を伴なう。その結果、偏光化素子２０Ａ，２０Ｂが遮断する照明光の光量（光エネルギー）が増大する問題が生じる。

従来主に使用されていた直鎖状の有機分子からなる偏光板では、光エネルギーの吸収に伴う発熱により、偏光板自体の溶融または変形が生じる恐れがあり、光源出力２１を十分に大出力化することができなかったが、本発明の画像投影装置では、上述の本発明による耐熱性に優れた偏光化素子を使用するため、光源２１の大出力化への制約が無くなる。そして、大出力光源を備え、大画面への投影においても投影像の明るさを十分に確保できる画像投影装置を実現することが可能となる。

なお、本発明による画像投影装置の実施形態は、図８に示した形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の実施形態とすることができることは言うまでも無い。

例えば、図８において画像表示素子２４よりも光源２１側に配置する偏光化部材を、上記第１の偏光化素子２０Ａに代えて、偏光ビームスプリッターとすることもできる。そして、偏光ビームスプリッターを透過した直線偏光については、そのまま画像表示素子２４に照射させるとともに、偏光ビームスプリッターで反射した上記透過した直線偏光とは直交する偏光方向を有する光についても、１／２波長板等の偏光変換部材を作用させその偏光方向を上記偏光ビームスプリッターを透過した直線偏光と同じ方向に揃えて、画像表示素子２４に照射させる構成とすることもできる。

このような構成を採用すると、画像表示素子２４よりも光源２１側に配置する偏光化部材による光量の損失を防止できるため、画像投影装置が生成する投影像の明るさを、一層向上することが可能となる。

また、画像表示素子２４を、青，緑，赤の各色（波長）の光に対応して光学的に並列に３個配置する構成とすることもできる。すなわち、光源２１と画像表示素子２４の間に、光束をその波長に応じて分割する素子（ダイクロイックミラー等）により各波長毎に分割し、各波長毎に画像表示素子２４を設け、各色それぞれの明暗画像を形成し、再度これをダイクロイックミラー等で合成して１つのカラー画像として投影する構成とすることもできる。

なお、この場合に、１つの光源３０からの光束をダイクロイックミラーで波長毎に分割する代わりに、各色毎に各色を発する別々の光源を備え、各光源からの照明光をそれぞれの画像表示素子２４に照射する構成とすることもできる。この場合、光源としては、発光ダイオードや半導体レーザ等を使用することが、発光効率や寿命の点で好ましい。

これらの変形例の様に、各波長に対応する複数の画像表示素子２４を使用する場合には、第２の偏光化素子２０Ｂについても、各画像表示素子２４よりも像側にそれぞれ配置することもできる。また、第２の偏光化素子２０Ｂは、これら各色の波長を１つに合成した後の光路に装填する構成とすることもできる。

なお、本発明の画像投影装置で使用する画像表示素子２４も、上述の透過型液晶デバイスに限るものでなく、反射型の液晶デバイスや、印加電圧に応じて透過光の偏光方向を可変にする電気光学素子が二次元アレイ状に配列された表示デバイスなど、他のデバイスを使用しても良い。

また、本発明による偏光化素子は透過型のみでなく、反射形として使用することも可能である。従って、偏光化素子を反射鏡として使用し、かつその入射光から所定の直線偏光成分のみを選択的に反射させることもできる。なお、この場合、選択的に透過する直線偏光と選択的に反射する直線偏光とは、その偏光方向が直交する。

この性質を利用して、例えば図８中の第２の偏光化素子２０Ｂを、反射鏡として使用することもできる。

本発明による偏光化素子の第１の実施形態による製造方法の第１の実施例を概ね工程順に表わす図である。（Ａ）は透明基板１上に薄膜２，フォトレジスト３を形成した状態を表わす図、（Ｂ）は上記薄膜２を一次元格子４に加工した状態を表わす図、（Ｃ）はその上に薄膜５を形成した状態を表わす図、（Ｄ）は一次元格子４の側面部分にのみ薄膜６ｃ等を残膜させた状態を表わす図、（Ｅ）は偏光化素子２０が完成した状態を表わす図である。 本発明の偏光化素子２０の上面図を表わす図である。 本発明による偏光化素子の第１の実施形態による製造方法の第２の実施例により完成された偏光化素子２０の断面図を表わす図である。 本発明による偏光化素子の第１の実施形態による製造方法の第３の実施例を概ね工程順に表わす図である。（Ａ）は透明基板１上に、導電性の薄膜８，薄膜２，フォトレジスト３を形成した状態を表わす図、（Ｂ）は上記薄膜２を一次元格子４に加工した状態を表わす図、（Ｃ）はその上に薄膜９を形成した状態を表わす図、（Ｄ）は一次元格子４の側面に相当する部分にのみ薄膜１０ｃ等を残膜させ、他の部分の薄膜９及び一次元格子４を除去した状態を表わす図、（Ｅ）は偏光化素子２０が完成した状態を表わす図である。 本発明による偏光化素子の第１の実施形態による製造方法での使用に適した露光装置を表わす図である。 本発明による偏光化素子の第２の実施形態による製造方法を、概ね工程順に表わす図である。（Ａ）は透明基板１上に、導電性の薄膜８，被加工層（薄膜）１１を形成した状態を表わす図、（Ｂ）は上記被加工層に凹凸パターン１２，１３を転写（加工）した状態を表わす図、（Ｃ）は偏光化素子２０が完成した状態を表わす図である。 本発明による偏光化素子の第３の実施形態による製造方法を、概ね工程順に表わす図である。（Ａ）は透明基板１上に、被加工層（薄膜）１４を形成した状態を表わす図、（Ｂ）は上記被加工層に凹凸パターン１５，１６を転写（加工）した状態を表わす図、（Ｃ）は上記凹凸パターンを透明基板１上に転写した状態を表わす図、（Ｄ）はその透明基板１上に導電性の薄膜８を形成した状態を表わす図、（Ｅ）は偏光化素子２０が完成した状態を表わす図である。 本発明による偏光化素子を用いた画像投影装置を表わす図である。

符号の説明

１…透明基板、４…一次元格子構造、５，８…導電性の薄膜、６…導電性の材料から成る格子構造、７…保護層、１１，１４…被加工層（薄膜）、２０…偏光化素子、２１…画像投影用光源、２２，２３…コンデンサーレンズ、２５…投影レンズ、３０…露光用光源、４１，４８…プリズム

Claims (16)

1. 透明基板上に導電性材料から成り所定の周期を有する格子構造の形成された偏光化素子を製造する方法であって、
   前記格子構造の製造工程は、
   前記所定の周期の２倍の周期を有する凹凸形状を形成する凹凸形状形成工程と、
   前記凹凸形状の段差部の側面に相当する位置に、所定の薄膜を形成する側面薄膜形成工程とを含むことを特徴とする偏光化素子の製造方法。
2. 前記凹凸形状形成工程は、リソグラフィ工程とエッチング工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の偏光化素子の製造方法。
3. 前記リソグラフィ工程は、可干渉な複数本の光束の干渉により行なう露光工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の偏光化素子の製造方法。
4. 前記側面薄膜形成工程は、前記凹凸形状の段差部の側面、上面及び下面に対して前記薄膜を形成する工程と、前記凹凸形状の段差部の上面及び下面に形成された前記薄膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光化素子の製造方法。
5. 前記側面薄膜形成工程で形成する前記薄膜は、導電性の薄膜であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光化素子の製造方法。
6. 前記側面薄膜形成工程で形成された前記薄膜の形状に基づいて、前記凹凸形状よりも下層に形成された導電性の薄膜をパターニングする工程を更に含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光化素子の製造方法。
7. 前記導電性の薄膜はアルミニウムを主成分とする薄膜であることを特徴とする請求項５または６に記載の偏光化素子の製造方法。
8. 透明基板上に導電性材料から成り所定の周期を有する格子構造の形成された偏光化素子を製造する方法であって、
   前記格子構造の製造工程は、
   前記透明基板上に導電性の薄膜を形成する導電層形成工程と、
   前記導電性の薄膜よりも上層に被加工層となる薄膜を形成する工程と、
   インプリンティングを含む加工工程により前記被加工層に前記所定の周期を有する凹凸形状を形成する形状加工工程と、
   前記被加工層に形成された前記凹凸形状に基づいて、前記導電性の薄膜をパターニングする導電層加工工程とを含むことを特徴とする偏光化素子の製造方法。
9. 前記導電性の薄膜はアルミニウムを主成分とする薄膜であることを特徴とする請求項８に記載の偏光化素子の製造方法。
10. 透明基板上に導電性材料から成り所定の周期を有する格子構造の形成された偏光化素子を製造する方法であって、
    前記格子構造の製造工程は、
    透明基板上に被加工層となる薄膜を形成する工程と、
    前記薄膜に対するインプリンティングを含む加工工程により、前記被加工層または前記透明基板上に、前記所定の周期を有する凹凸形状を形成する形状加工工程と、
    前記凹凸形状中の凹部に導電性材料を選択的に形成する導電格子形成工程を含むことを特徴とする偏光化素子の製造方法。
11. 前記形状加工工程は、前記被加工層に形成された前記凹凸形状を、前記透明基板上に転写する転写工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の偏光化素子の製造方法。
12. 前記導電性材料はアルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１０または１１に記載の偏光化素子の製造方法。
13. 透明基板上に導電性材料から成り所定の周期を有する格子構造の形成された偏光化素子であって、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の偏光化素子の製造方法を用いて、前記格子構造の形成を行なうことを特徴とする偏光化素子。
14. 偏光化素子を用いる画像投影装置の製造方法であって、前記偏光化素子として請求項１３に記載の偏光化素子を用いることを特徴とする画像投影装置の製造方法。
15. 偏光化素子を用いる画像投影装置であって、前記偏光化素子として請求項１３に記載の偏光化素子を用いることを特徴とする画像投影装置。
16. 前記画像投影装置は、透過型液晶表示デバイスにより形成される画像を投影するものであることを特徴とする請求項１５に記載の画像投影装置。