JP2006047813A - 無機物の選択的パターン形成方法及びグリッド型偏光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、基板表面の凸部に該基板の法線方向に対して片寄ることのないように無機物層を形成し、且つ凹部においては基板表面が露出した、明るく、また偏光特性に優れた偏光素子を容易に製造することが可能な無機物の選択的パターン形成方法を提供することである。
【解決手段】複数の凹凸による規則的な縞状のパターンが形成された基板上に無機物層を選択的に形成する方法であって、基板１の凹凸面全体にマスキング層２を形成する工程、基板１の凹部１ａ上にマスキング層２を残しつつ凸部１ｂ上のマスキング層２を除去して該凸部１ｂ表面を露出させる工程、凸部１ｂ表面が露出した基板１の凹凸面全体に無機物層３を形成する工程、基板１の凹部１ａ上のマスキング層２を除去することで該マスキング層２上の無機物層３を共に除去して該凹部１ａ表面を露出させる工程、を順に経て前記基板１の凸部１ｂに無機物層３を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の凹凸による規則的な縞状のパターンが形成された基板上に無機物の層を選択的に形成する無機物の選択的パターン形成方法、及びこの方法によって金属層の規則的な縞状パターンが形成されたグリッド型偏光素子に関するものである。

従来、グリッド型の偏光素子は、基板上に金属等の導体が所定のピッチ（周期）で平行に配列されてなる格子状のパターン（以下、グリッドという）を有しており、該偏光素子を透過する光から、グリッドと平行に振動する光を除外（反射）し、垂直な方向に振動する光のみを透過させて、振動方向の揃った光を得ている。このようなグリッド型偏光素子は、分光計や放射計などの光測定機器に装着して、様々な分野において物性の究明や現象の解明のために利用されている。

上述したようなグリッド型偏光素子を製造する方法としては、特開２００１−３３０７２８号公報（以下、特許文献１という）に開示されている方法がある。この方法では、基板の表裏面にホトレジスト層を有し、このホトレジスト層上の凹凸による平行線パターンの凸部頂上及びその近傍にのみ金属を蒸着して、基板の表裏両面にワイヤーグリッドが形成された前記グリッド型偏光素子を得ている。

特開２００１−３３０７２８号公報

ところが、上記特許文献１に記載のグリッド型偏光素子の製造方法では、基板表面に金属蒸着を行う際、蒸着源に対して基板を傾けて基板上の凹部が凸部の影となるよう、金属を斜め方向から蒸着することにより、基板上の凹部に金属が蒸着されるのを防ぎ、凸部頂上及びその近傍のみに金属が蒸着されたグリッド型偏光素子を得ている。しかしながら、この方法では、基板凸部に蒸着される金属は蒸着源の方向に向かって堆積するため、基板の法線方向に対して略対称的な形状とはならない。よってグリッド型偏光素子の性能としては、光の透過率が視角に対して対称的にはならず、その用途が大きく制限されてしまう。これを防ぐために、基板を傾ける角度を変えて複数回の蒸着を行うことが上記特許文献１に記載されている。この方法を用いれば、基板上の凹凸に対して斜め方向から行う蒸着を１回だけ行って得られるグリッド型偏光素子に比べ、凸部頂上及びその近傍上の金属は、基板の法線方向に対して対称性が増すため、確かに前述の問題はいくらか改善される。しかしながら、このような斜め方向からの蒸着では、蒸着１回あたりの金属層の厚みを少なくし、基板の反転を繰り返して蒸着回数を増やす必要がある。従って手間がかかる上に凸部及びその近傍に形成される金属層の形状制御が非常に難しく、凸部頂上及びその近傍に蒸着される金属を、基板の法線方向に対して略対称的な形状にすることは困難である。

そこで、本発明の目的は、基板表面の凸部に該基板の法線方向に対して片寄ることのないように無機物層を形成し、且つ凹部においては基板表面が露出した、明るく、また偏光特性に優れた偏光素子を容易に製造することが可能な無機物の選択的パターン形成方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の代表的な無機物の選択的パターン形成方法は、複数の凹凸による規則的な縞状のパターンが形成された基板上に無機物の層を選択的に形成する方法であって、前記基板の凹凸面全体にマスキング材を用いて層を形成する工程、前記基板の凹部上にマスキング層を残しつつ凸部上のマスキング層を除去して該凸部表面を露出させる工程、前記凸部表面が露出した基板の凹凸面全体に無機物を用いて層を形成する工程、前記基板の凹部上のマスキング層を除去することで該マスキング層上の無機物層を共に除去して該凹部表面を露出させる工程、を順に経て前記基板の凸部に無機物層を形成することを特徴とする。

更に本発明の無機物の選択的パターン形成方法は、前記基板上に規則的な縞状のパターンで形成された無機物層の厚さが１０ｎｍ以上１μｍ以下、ピッチが１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であること、前記無機物が金属であること、前記基板の凹部上のマスキング層を除去することで該マスキング層上の無機物層を共に除去して該凹部表面を露出させる工程において、該マスキング材が可溶な媒体を用いること、を好ましい様態として含むものである。

また上記目的を達成するための本発明のグリッド型偏光素子は、上記無機物の選択パターン形成方法により、規則的な縞状のパターンとして、前記基板の凸部に金属層を形成したことを特徴とする。すなわち、本発明のグリッド型偏光素子は、複数の凹凸による規則的な縞状のパターンが形成された基板と、前記基板の凹凸面全体にマスキング材の層を形成し、次いで前記基板の凹部上のマスキング層を残しつつ凸部上のマスキング層を除去して該凸部表面を露出させた後、該基板の凹凸面全体に金属の層を形成し、次いで前記基板の凹部上のマスキング層を除去することで該マスキング層上の金属層を共に除去して該凹部表面を露出させて、前記基板の凸部に形成された金属層と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、基板表面の凸部に該基板の法線方向に対して片寄ることのないように無機物層を形成し、且つ凹部においては基板表面を露出させることができる。よって、例えばグリッド型偏光素子を製造する場合、基板表面の凸部のみに無機物層が形成され、凹部においては基板表面が露出した構造のグリッド型偏光素子が得られるため、明るく、また偏光特性に優れた偏光素子を容易に製造することが可能である。

以下、図１を用いて、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係る無機物の選択的パターン形成方法の各工程を順に示す説明図である。本実施形態では、グリッド型偏光素子を製造する方法を例示して、複数の微細凹凸による規則的な縞状のパターンが形成された基板上に無機物の層を選択的に形成する方法について説明する。

本実施形態に係る無機物の選択的パターン形成方法は、マスキング工程、凸部マスキング除去工程、無機物層形成工程、凹部マスキング除去工程、を順に経て前記基板の凸部に無機物層を形成する。以下、各工程毎に順に説明する。

＜マスキング工程＞
まず図１（ａ）に示すように、複数の微細凹凸１ａ，１ｂによる規則的な縞状パターンが形成された基板１の該微細凹凸面全体にマスキング材を用いて薄層（以下、マスキング層という）２を形成する。

このマスキング層２を形成する際に用いるマスキング材は、後述する凹部マスキング除去工程において溶媒によって溶かして除去するが、この時に用いる溶媒は、基板上に形成された金属の層を溶かさず、マスキング材の層のみを溶かす溶媒を用いる。前記マスキング層をなすマスキング材は、この溶媒によって溶ける物質であればよい。すなわち、基板上に形成された金属の層を溶かさず、マスキング材の層のみを溶かす溶媒との組み合わせに応じたものであれば良い。

また、前述の如く基板１の微細凹凸面全体をマスキング処理するために、真空蒸着法などの方法を用いている。なお、基板のマスキング処理に用いる方法は、前述した真空蒸着法に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）など、基板の微細凹凸面全体にわたってマスキング材の薄層が形成できる方法であればその他の方法であっても良い。

なお、前記基板１上に形成されたマスキング層２の厚さは、前述の成膜に用いる物質、成膜条件、前述した成膜方法などによって異なるが、ピンホールが生じない程度の厚さであって、極力薄い方（１０ｎｍ以上）が好ましい。

＜凸部マスキング除去工程＞
次に図１（ｂ）に示すように、前記基板１の微細凹凸１ａ，１ｂのうち、凹部１ａに形成されたマスキング層２を残しつつ、凸部１ｂに形成されたマスキング層２を除去し、該凸部１ｂ表面を露出させる。この基板１の凸部１ｂ表面を露出させるためのマスキング層２の除去処理は、逆スパッタリング法や物理的エッチング法などを用いて行う。なお、前記基板１の凸部１ｂ表面を露出させるためのマスキング層２の除去処理は、前述した方法に限定されるものではなく、微細凹凸面全体に形成されたマスキング層２のうち、図１（ｂ）に示すように凹部１ａのマスキング層２が若干残り、凸部１ｂ頂上付近のマスキング層２が完全に除去でき該凸部１ｂ表面が露出される方法であれば、その他の方法であっても良い。

＜無機物層形成工程＞
次に図１（ｃ）に示すように、前記凸部１ｂからマスキング層２が除去された基板１の微細凹凸１ａ，１ｂの表面全体にわたって、無機物の薄層３（以下、無機物層という）を形成する。

この無機物層３を形成する際に用いる無機物としては、グリッド型偏光素子を製造する場合は、光の反射率が高い金属が好ましく、例えばアルミニウム、銀、金などの金属が好ましい。

前記基板１上の微細凹凸面全体に、すなわちマスキング層２が除去された凸部１ｂ及びマスキング層２が残されている凹部１ａに、前述した無機物の真空蒸着を行うことによって、図１（ｃ）に示すように基板１の微細凹凸面全体に無機物層３を形成する。

前記基板１上に形成される無機物層３のうち、凸部１ｂ上に形成される無機物層３の厚さｈは、後で詳しく説明するが、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

なお、基板１上に無機物層３を形成する処理方法は、前述した真空蒸着法に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）など、基板の微細凹凸面全体にわたって無機物の薄層が形成できる方法であればその他の方法であっても良い。

＜凹部マスキング除去工程＞
次に図１（ｄ）に示すように、前述した如く無機物層３が形成された基板１の微細凹凸１ａ，１ｂのうち、凹部１ａに形成されたマスキング層２を除去することで、該マスキング層２上の無機物層３を共に除去して、基板凹部１ｂの表面を露出させる。

この基板１の凹部１ａに形成されたマスキング層２を除去することで該マスキング層２上の無機物層３を共に除去して基板凹部１ｂ表面を露出させる工程においては、前記マスキング層をなすマスキング材が可溶な媒体を用いている。この可溶な媒体としては、アルコール類、壁さん等の脂肪族炭化水素などの溶剤があるが、基板や該基板上の無機物層を溶解せず、マスキング層のみを溶解するものであれば、これらに限定されるものではない。

そして、図１（ｃ）に示す如く無機物層３が形成された基板１を、マスキング材が可溶な媒体で処理するが、この際超音波を所定時間発振させると、前記基板１の凹部１ａ上のマスキング層２及び該マスキング層２上の無機物層３の除去が促進され、該基板凹部１ｂの表面が露出される。そして、図１（ｄ）に示すように、基板１の微細凹凸１ａ，１ｂのうち、凸部１ｂにのみ無機物層３が形成された状態となる。

このようにして形成された前記基板凸部１ｂ上の無機物層３の厚さｈは、ピンホールが生じない程度の厚さが必要であり、１０ｎｍ以上であることが好ましい。一方、無機物層３の厚さｈを厚くし過ぎると、図１（ｃ）に示す凸部１ｂと凹部１ａの間の無機物層３ａ（破線で囲った部分）を超音波による振動で切断することが困難になり、凹部１ａのマスキング層及び該マスキング層上の無機物層の除去が困難になるため、１μｍ以下であることが好ましい。すなわち、前記基板凸部１ｂ上の無機物層３の厚さｈは、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

＜グリッド型偏光素子＞
そして、上記方法を用いて、複数の微細凹凸１ａ，１ｂによる規則的な縞状のパターンが形成された基板１の凸部１ｂ上に、無機物層としての光の反射率の高い金属層３を形成し、該金属層による規則的な縞状の平行線パターンが形成されたグリッド型偏光素子を製造する。

このグリッド型偏光素子は、図１（ｄ）に示すように、複数の微細凹凸１ａ，１ｂによる規則的な縞状のパターンが形成された基板１と、上述した各工程を順に経て前記基板１の凸部１ｂに形成された反射率の高い金属層３と、を有している。

なお、前記基板凸部１ｂ上の金属層３のピッチｔ、すなわち基板１の微細凹凸１ａ，１ｂのピッチｔは、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。例えば、可視光を偏光するグリッド型偏光素子を製造する場合、可視光の波長範囲は４００ｎｍ〜８００ｎｍであるが、この場合、グリッドのピッチｔは一般に波長の１／５以下にする必要があるので、８０ｎｍ〜１６０ｎｍとなる。上記ピッチｔを５００ｎｍ以下としたのは赤外線のグリッド型偏光素子を考慮したものである。また上記ピッチｔが１０ｎｍであったとしても上記方法を用いれば最終的に前記ピッチｔの基板凸部上に金属層を形成することが可能である。

以下に、上記無機物の選択的パターン形成方法及び該方法を用いて製造したグリッド型偏光素子の具体的な実施例と、その比較例を例示して説明する。

〔実施例〕
本発明の一実施例について説明する。本実施例において、前述した無機物の選択的パターン形成方法を実施するための基板としては、図１に示すような一方の面の表面にウェーブ形状の微細凹凸１ａ，１ｂを有する樹脂基板１を用いた。本基板１の作製は、射出成形法にて行った。使用した金型は、金型キャビティが薄板の形状であり、キャビティ寸法は長辺が８５ｍｍ、短辺が５４ｍｍ、厚みが０．４ｍｍである。また本金型の可動型側のキャビティ面には、ウェーブ形状の微細凹凸を転写するためのスタンパーが取り付けられており、スタンパーの微細凹凸サイズは、凹部を基準とした凸部の高さが２７０ｎｍ、ピッチが３００ｎｍである。使用した射出成形機は、株式会社ソディックプラステック製ＴＵＰＡＲＬ ＴＲ５０Ｓ２Ａで、使用した樹脂はポリカーボネートである。成形条件は、射出成形機シリンダーの温度を３２０℃、金型温度を１２０℃、射出速度を２００ｍｍ／ｓｅｃ、冷却時間を１５ｓｅｃとし、同樹脂を用いて表面にウェーブ形状の微細凹凸を有する基板を射出成形した。

前述の如くして作製した基板１の微細凹凸面側にマスキング材を用いて薄層（図１（ａ）に示すマスキング層２）を形成した。本基板の微細凹凸面をマスキング処理するために、スパッタリング法を用いた。スパッタリング法を用いて基板にマスキング処理するための母材料であるターゲットには、厚さ１ｍｍのポリスチレン製樹脂シートを用いた。使用したスパッタリング装置は芝浦製作所製ＣＦＳ−４ＥＳで、真空チャンバー内に射出成形後のポリカーボネート樹脂基板をセットし、出力４０Ｗで５分間スパッタリングを行った。スパッタリング処理後、前記真空チャンバーから基板を取り出し、その断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、微細凹凸面上にマスキングされた有機物（マスキング層）の厚さは、観察視野内における平均値として、凸部が９３ｎｍ、凹部が７４ｎｍであった。

続いて同スパッタリング装置を用いて、有機物で微細凹凸面全体がマスキングされた基板を真空チャンバー内にセットし、出力２００Ｗで７分間逆スパッタリングを行った。逆スパッタリング処理後、前記真空チャンバーから基板を取り出し、その断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、逆スパッタリング処理の前に見られた有機物（マスキング層）は、図１（ｂ）に示すように、微細凹凸面の凸部１ｂには見られず、ほぼ完全に除去されていた。また微細凹凸面の凹部１ａには有機物（マスキング層２）の一部が残存しており、その厚さは平均３２ｎｍであった。

次に逆スパッタリング後の基板の微細凹凸面側に真空蒸着装置を用いて無機物としてのアルミニウムの真空蒸着を行った。使用した真空蒸着装置は、アルバック機工株式会社製ＶＰＣ−１１００で、基板の凸部に形成されるアルミニウム層の厚さ（図１（ｄ）に示す厚さｈ）が１５０ｎｍ程度となるように蒸着を行った。

次に前記アルミニウム層が形成された基板の微細凹凸面の凹部からマスキング層を除去する処理を行う。このマスキング層の除去により該マスキング層上の無機物層も除去され、該基板凹部の表面が露出されることとなる。すなわち、前述したアルミニウム蒸着後の基板を、可溶な媒体としてのイソプロピルアルコールを入れたガラス容器中に浸し、同ガラス容器をブランソン社製超音波洗浄機２５１０（発振周波数４２ｋＨｚ）にセットして、槽内の水温を５０度に設定し、超音波を５分間発振させた。前記ガラス容器から基板を取り出してメタノールで洗浄、乾燥した後に、その断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、図１（ｄ）に示すように、微細凹凸面の凸部１ｂにアルミニウム層３が形成され、凹部１ａのアルミニウム層３は前述の処理により溶解されたマスキング層２と共に除去されて、該基板凹部１ａは基板材質であるポリカーボネート樹脂が露出していた。このようにして、基板凸部１ａ上に光の反射率の高いアルミニウム層３が、規則的な縞状の平行線パターンとして形成された基板（グリッド型偏光素子）が得られた。また得られた基板は、可視光に対して偏光性能を有していた。

〔比較例〕
次に比較例について説明する。上記実施例で射出成形法によって作製したポリカーボネート樹脂基板を用い、マスキングのためのポリスチレン樹脂ターゲットによるスパッタ処理（マスキング処理）及び逆スパッタ処理（凸部マスキング除去処理）を行わずに、同基板の微細凹凸面に対し、上記実施例と同じ真空蒸着装置で無機物としてのアルミニウムを真空蒸着した。得られた基板を上記実施例と同様にイソプロピルアルコールで超音波処理した。得られた基板は、微細凹凸の凸部及び凹部全面にアルミニウム層（無機物層）が形成されており、可視光に対して偏光性能は示したが、基板上の凹部において透明材質であるポリカーボネート樹脂が露出していないために、光の透過が悪く、外観上暗い偏光板であった。

上述したように、本実施形態によれば、基板表面の凸部のみに無機物層が形成され、凹部においては基板表面が露出した構造のグリッド型偏光素子が得られるため、明るく、また偏光特性に優れた偏光素子を容易に製造することが可能である。

本発明の実施の形態に係る無機物の選択的パターン形成方法の各工程を示す要部断面図である。

符号の説明

１ …基板
１ａ …凹部
１ｂ …凸部
２ …マスキング層
３ …無機物層

Claims (5)

1. 複数の凹凸による規則的な縞状のパターンが形成された基板上に無機物の層を選択的に形成する方法であって、
   前記基板の凹凸面全体にマスキング材を用いて層を形成する工程、
   前記基板の凹部上にマスキング層を残しつつ凸部上のマスキング層を除去して該凸部表面を露出させる工程、
   前記凸部表面が露出した基板の凹凸面全体に無機物を用いて層を形成する工程、
   前記基板の凹部上のマスキング層を除去することで該マスキング層上の無機物層を共に除去して該凹部表面を露出させる工程、
   を順に経て前記基板の凸部に無機物層を形成することを特徴とする無機物の選択的パターン形成方法。
2. 前記基板上に規則的な縞状のパターンで形成された無機物層の厚さが１０ｎｍ以上１μｍ以下、ピッチが１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の無機物の選択的パターン形成方法。
3. 前記無機物が金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載の無機物の選択的パターン形成方法。
4. 前記基板の凹部上のマスキング層を除去することで該マスキング層上の無機物層を共に除去して該凹部表面を露出させる工程において、該マスキング材が可溶な媒体を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無機物の選択的パターン形成方法。
5. 複数の凹凸による規則的な縞状のパターンが形成された基板と、
   前記基板の凹凸面全体にマスキング材の層を形成し、次いで前記基板の凹部上のマスキング層を残しつつ凸部上のマスキング層を除去して該凸部表面を露出させた後、該基板の凹凸面全体に金属の層を形成し、次いで前記基板の凹部上のマスキング層を除去することで該マスキング層上の金属層を共に除去して該凹部表面を露出させて、前記基板の凸部に形成された金属層と、
   を有することを特徴とするグリッド型偏光素子。

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