JP2006126338A

JP2006126338A - 偏光子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2006126338A
Application number: JP2004312301A
Authority: JP
Inventors: Terufusa Kunisada; 照房國定; Satoru Kusaka; 哲日下; Etsuo Ogino; 荻野悦男
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-18
Also published as: US20060087602A1; CN1766679A

Abstract

【課題】広い波長領域で偏光分離性能が高く、また製造が容易で、かつ熱的耐久性にも優れた偏光子を提供する。
【解決手段】本発明の偏光子は次のような構造を有する。互いに平行な複数の直線状凹凸構造を設けた透明な基体に、この基体表面と一定の角度をなし互いに平行な複数の板状体を形成されている。この板状体の一方の端部は直線状凹凸構造の直線方向に沿って基体に接している。本発明においては、上記の板状体の基体と接する端部と反対側の端部を覆うように透明誘電体膜を形成する。この誘電体膜は１〜４層とするのが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は液晶表示装置、光記録機器、光センサ、光通信用デバイス等に使用される偏光子に関し、とりわけ偏光子として必要な偏光特性を有する薄膜構造体とその製造方法に関する。

偏光子とは複数の偏光を含む光から特定方向の偏光を取り出す光学素子であり、各種の構成、形態のものが実用に供されている。例えば、金属膜を平行な複数のストライプ形状に分割して配列したワイヤグリッド型偏光子、アスペクト比の高い柱状銀粒子を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。

液晶表示装置には、このような偏光子（偏光板）が必須の要素として使用されている。液晶表示技術の分野では、光学系に関して小型化、軽量化、高輝度化などの技術革新が進み、ビジネス用データ表示、ホームシアター用動画表示などの各種用途に液晶表示装置が急速に普及している。特に、光源の高輝度化、偏光変換素子による光利用効率の向上などにより高輝度化は大きく進展している。

しかし、このような輝度向上対策、小型化対策などによって装置内の温度上昇が問題になってきている。そのため、光学部品の耐熱性に対する要求が高まっており、特に高温下での耐久性が必要とされている。

液晶表示装置で使用される偏光板としては、特許文献１に示されているような染料を用いた有機フィルムが一般的に用いられている。しかし、これら有機フィルム付き偏光板の耐熱性は、有機材料が用いられていることから本質的に低い。また、耐熱性の高い偏光フィルムとして染料系の偏光フィルムが利用されているが、この種の偏光フィルムは使用波長帯域が狭いため、利用において制約が発生する問題がある。

これらの問題を解決する目的で、ワイヤグリッド型の偏光子の適用が提案されている。ワイヤグリッド型偏光子は、直線状のワイヤ（金属細線）をガラス基板上に一定方向に規則的に配列した構造を有する偏光子である。構成材料がすべて無機材料であるので、染料系の偏光子などのような有機材料とは異なり、耐熱性が優れるという特徴を有する。特許文献２および３などに開示されている構造のワイヤグリッド型偏光子は特にこの目的に適している。

しかし、ワイヤグリッド型偏光子の作製には、ワイヤ太さ、ワイヤ間隔などを高精度で制御する必要がある。とくに、可視光域で使用するワイヤグリッド型偏光子を作製する場合は、ワイヤと空隙を加えた幅を２１０ｎｍ以下の極微細構造にする必要があることが知られている。そのため、製造技術としてはフォトリソグラフィー、気相エッチングなどの技術を用いる必要がある。これらの技術は、必要な設備が高価であり、かつ工程数が多いため、製造コストが高くなる問題点がある。

また、金属細線で構成されているワイヤグリッド型偏光子に光を入射した場合、原理的には金属細線の長手方向と電場振幅面が平行な光（ＴＥモード光）は反射され、金属細線の長手方向と電場振幅面が垂直な光（ＴＭモード光）は反射されずに透過するため、偏光の分離が行われる。しかし、広い波長領域（例えば、可視光全波長領域）に渡ってＴＭモード光の反射率を低く抑えることは難しい。

広い波長範囲でＴＭモード光の反射率を低く抑え、ＴＥモード光の反射率を高める方法として、特許文献４には、基体と金属細線の界面に追加の層を設けたり、基体表面に溝加工を施したりする手法が開示されている。

また、金属細線を２つの基体の間に介在させる「埋め込み型ワイヤグリッド偏光子」においても、広い波長範囲でＴＭモード光の反射率を低く抑え、ＴＥモード光の反射率を高める方法として、基体と金属細線の界面に追加の層を設けたり、基体表面に溝加工を施したりする手法が開示されている（特許文献５参照）。

さらに、金属ワイヤ間を低屈折率材料で充填し、対向側を透明基体で覆う方法が開示されている。この方法は、偏光子として機能する波長領域を短波長側に拡大する方法として有効であり、TMモード光の反射を低下させ、ＴＥモード光の反射率を高める効果も大きい。
特開２００２−２９６４１７号公報米国特許第６１０８１３１号明細書米国特許第６１２２１０３号明細書特表２００３−５０２７０８号公報特表２００３−５１９８１８号公報

しかしながら特許文献４に開示される手法は、偏光子として機能する波長領域を短波長側に拡大する方法としては有効であるが、ＴＭモード光の反射を低下させ、ＴＥモードの反射率を高める効果としては不十分である。また、この構造を製造するために金属と基体一部の異なる２材料を一括してエッチングする、あるいは金属と基体の間に追加の層を設けて、金属と追加の層を一括してエッチングする方法が開示されているが、この方法には異なる材料を同時にエッチングするという技術的な困難が存在する。

一方、特許文献５に開示される方法では、充填材として実質的に樹脂系材料を使用することになり、耐久性が損なわれる欠点が存在する。特にワイヤグリッド型偏光子は無機材料で構成されているため耐久性に優れるという特徴を失うことになる。また、光学ガラスが２枚必要になり、製造コストが高くなる問題も同時に存在する。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、広い波長領域で偏光分離性能が高い偏光子を提供することを目的とする。また他の目的は製造が容易で、かつ熱的耐久性にも優れた偏光子を提供することにある。

上記の問題点を解決するため、本発明においては、つぎのような構造を有する薄膜構造体を備えた偏光子を提供する。すなわち、互いに平行な複数の直線状凹凸構造を設けた透明な基体に、この基体表面と一定の角度をなし互いに平行な複数の板状体を形成する。この板状体の一方の端部は直線状凹凸構造の直線方向に沿って基体に接している。

本発明においては、上記の板状体の基体と接する端部とは反対側の端部を覆うように透明膜を形成する。そしてこの透明膜を、薄膜構造体のＴＭ偏光に対する偏光透過率の、透明膜がない場合に比べた増加を、ＴＥ偏光に対する偏光透過率の増加より大きくなるように構成する。

この透明膜は反射防止膜として機能し、広い波長範囲においてＴＭモードの透過率を高め、かつ消光比を大きく低下させない効果を有するため、高い偏光分離性能を有する偏光子を提供できる。またこの薄膜構造体は薄膜の成膜工程のみで作製できるため、製造が容易である。

上記板状体は金属材料を主成分とすることが望ましい。方向の揃った金属層が形成されることにより、偏光特性を発現することができる。

また、上記板状体は金属材料を主成分とする層と誘電体材料を主成分とする層が表裏に互いに密着した構造を有することが望ましい。方向の揃った金属層により偏光特性を発現することができるとともに、この金属層に誘電体層を密着させることにより、薄膜構造体の耐久性を向上させることができる。

また上記透明膜は、１種類の材料からなる単層膜または複数の異なる材料からなる多層膜であることが望ましい。このような透明膜により、広い波長範囲においてＴＭモードの透過率を高め、かつ消光比を低下させない効果を得ることができる。

上記透明膜は１種類の材料からなる単層膜とすることができ、その場合、屈折率を１．５以下とすることが望ましい。また上記透明膜は２種類の材料からなる２層膜とすることができ、その場合、薄膜構造体側第１層の屈折率が１．６〜１．９の範囲、第２層の屈折率が１．５以下の範囲であることが望ましい。さらに上記透明膜は３種類の材料からなる３層膜とすることができ、その場合、薄膜構造体側第１層の屈折率が１．６〜１．９の範囲、第２層の屈折率が２．２〜２．７の範囲、第３層の屈折率が１．５以下の範囲であることが望ましい。

透明膜として上記のような膜構成を採用することにより、広い波長範囲においてＴＭモードの透過率を高め、かつ消光比を低下させない効果を得ることができる。

上記板状体を構成する金属材料は、銀、アルミニウム、銅、白金、金またはこれらの各金属を主成分とする合金から選ぶのが好ましい。これらの金属材料は表面における反射率が高く、広い波長範囲においてＴＭモードの透過率を高め、かつ消光比を低下させない効果を得る観点で好ましい。

また上記板状体の誘電体層を構成する誘電体材料は、二酸化珪素を主成分とする材料またはフッ化マグネシウムを主成分とする材料であることが好ましい。これらの誘電体は可視光域から近赤外域の広い波長領域にわたって透明性が高く、また屈折率が低いため、反射防止効果を得やすい。またこれらの誘電体材料は上記金属材料とともに耐熱性が高く、偏光子の熱的耐久性を改善する効果を有する。

また上記板状体間の空隙部を、１．６以下の屈折率を有する透明誘電体で充填することが望ましい。空隙部を透明材料で充填することにより、偏光子の耐久性が改善できる。また空隙部が充填されることにより、薄膜構造体表面の凹凸が減少するため、透明膜を形成しやすくなる。この誘電体の屈折率が小さいことにより、透明膜による反射防止効果を得やすい。

また、特許文献１〜４で開示されているワイヤグリッド型の偏光子においても、表面を透明誘電体膜で被覆する（図９に示す構造）ことで、ＴＥモードの透過率を低く保ちつつ、ＴＭモードの透過率を高めることが可能である。ただし、この場合にはワイヤ間隔が狭い必要がある。ワイヤ間隔が広い場合は、透明誘電体を形成する際にワイヤ間に誘電体が堆積し、意図する膜形状が得られない。一方、ワイヤ間隔を狭くするためには微細なフォトリソグラフィーの技術が必要となるため、作製上の困難さが増すことになる。この点で、これ以降に説明する作製方法で作製する薄膜構造体では、板状体の隙間を容易に狭くすることができるので、有利である。

本発明の金属板状体を含む薄膜構造体を備えた偏光子はつぎのように製造する。基板上に形成した直線状凹凸構造の直線方向に対して一定の角度を有し、かつ基板の法線に対して斜めの方向から金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射し、同時に基板の凹凸構造の直線方向に平行な法面を挟んで反対側からも同時に金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射して金属を主成分とする板状体を基板表面に形成する。続いて無指向性の成膜手段によってこの板状体上に透明誘電体層を少なくとも１層形成する。

また、金属層と誘電体層が密着した構造を有する板状体を含む薄膜構造体を備えた偏光子はつぎのように製造する。基板上に形成した直線状凹凸構造の直線方向に対して一定の角度を有し、かつ基板の法線に対して斜めの方向から金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射し、同時に前記基板の凹凸構造に直線方向に平行な法面を挟んで反対側からも同時に誘電体を構成する元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射して金属を主成分とする層と誘電体を主成分とする層が密着した構造を有する板状体を基板表面に形成する。続いて無指向性の成膜手段によって板状体上に透明誘電体層を少なくとも１層形成する。

以上の方法により、互いに平行な複数の直線状凹凸構造を設けた透明な基体に、この基体表面と一定の角度をなし互いに平行な複数の板状体が形成され、この板状体の一方の端部が直線状凹凸構造の直線方向に沿って基体に接する。さらにこの板状体の基体と接する端部と反対側の端部を覆うように透明膜を形成できる。この工程は薄膜の成膜工程だけからなるため、本発明の偏光子を容易に製造できる。

さらに上記の板状体を基板表面に形成した薄膜構造体のＴＭ偏光およびＴＥ偏光に対する偏光透過率を基準値として測定しておき、透明誘電体層は、この基準値に比べたＴＭ偏光に対する偏光透過率の増加がＴＥ偏光に対する偏光透過率の増加より大きくなるように構成する。このような構成となるように透明誘電体膜を設計し成膜することで、本発明の偏光子を製造できる。

本発明によれば、成膜工程のみにより優れた偏光分離特性を有し、かつ優れた熱的耐久性を有する偏光子を形成できる。特に、ＴＥモード光に対する透過率を低く保った状態で、ＴＭモード光に対する透過率を著しく高めることができる。また、基本的に無機材料であるので、熱的耐久性が高い偏光子を提供できる。さらに本発明の偏光子の製造には、フォトリソグラフィー工程等を必要としないので、低コストで大面積の偏光子を作製することができる。

本発明の偏光子は、ワイヤグリッド型の偏光子におけるＴＭモード光の透過率を高めることを目的になされたものである。ここで、ＴＭモード光とは、光の入射面とワイヤグリッドの細線方向が垂直に交わる配置において、光の電場振幅が入射面と平行な光のことである。

本発明は、ワイヤグリッド型偏光子の表面上に透明誘電体膜を形成し、この透明誘電体膜を反射防止効果を有する膜構成にすることでＴＭモード光の透過率を著しく高めることが可能であることを見出すことによってなされた。

ワイヤグリッド型偏光子のように直線状の金属線がガラス等の透明基板上に一定方向に規則的に配列した構造体では、ＴＥモードの光に対する巨視的な屈折率は、金属の屈折率にほぼ等しい値をとる。一方、ＴＭモードの光に対する巨視的な屈折率は金属と比較して非常に小さな値になる。このため、ＴＥモード光に対する反射率は非常に大きいが、ＴＭモード光に対する反射率は低くなる。しかし、ＴＭモード光に対する屈折率は有限の値をとるため、界面での反射は必ず発生する。

そこで上記構造体自体の透過率を高めるために、ＴＭモード光に対する反射率を低下させることが望ましい。このために構造体を覆う透明膜を設ける手段があり、その膜には適当な膜厚、および屈折率が存在する。まず、適当な屈折率とは、基板とワイヤグリッドを一つの界面と見なした場合の見かけの屈折率より低い屈折率である。一方、適当な膜厚とは、光学膜厚がλ／４相当（λは入射光の波長）の厚みに相当する。

すなわち、このような構造の偏光子上に膜を形成してＴＭモードの透過率を向上させるためには、透明基板の透過率を高める手段として従来から知られているいわゆる反射防止膜を偏光子上に形成することが有効であると言える。もちろんこの際に偏光子の偏光分離性能が低下することは望ましくなく、ＴＭモード光の透過率とＴＥモード光の透過率の比である消光比が劣化しないようにする必要がある。

反射防止効果を有する膜構成としては、透明な基体上の反射防止膜として既知である膜構成が使用可能であり、特に限定されるものではない。例を以下に列挙する。いずれも基板上に設けられたワイヤグリッド表面へ形成する透明誘電体膜層の膜構成を示している。
（１）低屈折率層１層のみの構成
（２）中間屈折率層／低屈折率層の２層構成
（３）中間屈折率層／高屈折率層／低屈折率層の３層構成

ただし、ワイヤグリッド上に多層膜を形成する場合には、表面が凹凸であるため、膜形状、膜厚を制御することが困難であり、この困難さは積層数の増大に伴って増加する。このため、膜積層数は少ないほうが好ましい。

透明誘電体膜の各層の膜厚、屈折率は、特に限定されるものではないが、ワイヤグリッドの構造、サイズ、金属材料、適用波長範囲などによって最適値は異なり、特に限定されるものではない。

上記の困難さを解消するためには、ワイヤグリッド型偏光子の金属細線間を透明誘電体で充填して、表面を平滑にすることで、その上に多層膜の形成を容易にすることができる。この透明誘電体しては、各種の樹脂材料やＳｉＯ₂を主成分とするゾルゲル材料などを用いることが可能である。ただし、ＴＭモード光の透過率とＴＥモード光の透過率の比（消光比）を大きくする観点から、充填材料の屈折率は低い方が好ましい。

ワイヤグリッドを形成する手法としては、フォトリソグラフィーおよび気相エッチングの手法を適用することが可能である。ただし、この場合、ワイヤグリッドの間隔は、フォトリソグラフィーの精度に依存するため、金属細線の間隔としては９０ｎｍ程度が限度である。このため、このようなワイヤグリッド型偏光子の表面上に透明誘電体膜を平滑に形成することは困難である。

すなわち、間隔が９０ｎｍ程度を越えるワイヤグリッドの表面に被膜を形成した場合、金属細線の周期構造を著しく反映した表面が凹凸な膜しか形成することができない。この場合には、金属細線間を樹脂、あるいはゾルゲル材料で充填して表面を平滑にした後に透明な光学多層膜を形成することが望ましい。

ワイヤグリッドを形成する別の手段としては、以下のような方法を用いることもできる。
基板上に予め直線状凹凸構造を形成しておき、その直線方向に対して一定の角度を有し、かつ基板の法線に対して斜めの方向から金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射成膜し、同時に基板の凹凸構造の直線方向に平行な法面を挟んで反対側からも同時に金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射成膜する。

このような方法により、基板の凹凸構造に沿って板状の金属が基板上に立った薄膜構造体が形成される。このような薄膜構造体もワイヤグリッドとして応用が可能である。このような方法で作製したワイヤグリッド型偏光子では板状金属の間隔は、基板に用いた凹凸構造の周期と金属粒子の入射角度（基板の法線に対する角度）に依存する。すなわち、凹凸構造の周期が小さいほど、また金属粒子の入射角度が小さいほど、板状金属の間隔は狭くなる。この板状金属の間隔が小さくなると、その上に形成する透明誘電体膜は平滑なものが得られるので好ましい。

さらに、ワイヤグリッドを形成する別手段としては、以下のような方法を用いることもできる。
上記同様の直線状凹凸構造の直線方向に対して一定の角度を有し、かつこの基板の法線に対して斜めの方向から金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射成膜し、同時に基板の凹凸構造の直線方向に平行な法面を挟んで反対側からも同時に誘電体を構成する元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射成膜する。

このような方法により、基板の凹凸構造に沿って板状の金属と誘電体とが背中合わせに密着して基板上に立った薄膜構造体が形成される。このような薄膜構造体もワイヤグリッドとして応用が可能である。

このようなワイヤグリッド型偏光子では板状金属の間隔は、基板に用いた凹凸構造の周期と、金属と誘電体の構成粒子の入射角度（基板の法線に対する角度）に依存する。すなわち、凹凸構造の周期が小さいほど、金属と誘電体の構成粒子の入射角度が小さいほど、板状金属の間隔は狭くなる。

そして、この方法が板状金属の幅を小さくし、板状金属の間隔を狭くする観点で最も好ましく、本発明に適したワイヤグリッドの形成方法である。
そして、板状金属の間隔が小さいほど、その上に形成する透明誘電体膜は平滑なものが得られるので好ましい。

用いる金属材料としては、偏光子の光学特性の観点から、白金、金、銀、銅、アルミニウム、あるいはこれらを主成分とする合金などの材料が望ましい。

基板の凹凸構造を作製する方法としては、成形法が簡便で好ましい。金属アルコキシドなどのゾル状あるいはゲル状の透明材料を基板上に塗布し、複数の平行な直線状凹凸形状が刻まれている成形型で加圧成形し、焼成することにより、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を主成分とする耐候性に優れた凹凸構造を得ることができる。このほか、樹脂材料にも成形法が適用できることは周知の通りである。

しかし、この方法に特に限定されるものではない。他の手段の一つとして、フォトリソグラフィーの手法を用いることができる。その際に、パターンを形成する手法として電子線描画、干渉露光などの手法を用いることができる。これらの手法でフォトレジストなどを露光し、現像してパターンを形成し、このパターンをマスクとして基板材料をエッチングすることにより、所望の凹凸構造を得ることができる。

また、砥粒などを用いて基板表面を研磨することにより、形成できる表面凹凸も利用することができる。ただし一般に、このような方法で凹凸基板を作製すると、深い凹凸形状を得ることは困難である。特に、砥粒などを用いて凹凸を作製する場合には浅い凹凸しか形成できない。

このような浅い凹凸構造の場合には、透明誘電体材料を凹凸構造と一定角度を有する方向で、基体表面の法線に対して斜め方向から入射して成膜すると、板状構造の透明誘電体が基板の凹凸構造を助長するように形成できることが見出された。さらに、基板法面を挟んで相対する２方向から同時に、一定角度を有する方向から誘電体材料を入射することによっても凹凸構造を助長できることが見出された。

この方法を用いることによって、浅い凹凸構造を透明誘電体膜によって深い凹凸構造に改良することが可能であり、このような膜付き基板上に金属を斜め方向から成膜することにより、偏光機能を有する薄膜構造体を作製することが容易になる。

空隙部が存在するワイヤグリッド型偏光子では、偏光特性を発現している板状金属が酸化また微粒子化されるという耐久性上の問題点がある。このため透明誘電体によって薄膜構造体表面を覆うことは、耐久性を著しく向上させる効果があり好ましい。また、被覆方法は限定されるものではなく、液体塗布法、化学的気相成長、物理的成膜手法など様々な方法が適用可能であり、方法は限定されない。ただし、膜厚を厳密に制御する必要性から、物理的成膜手法が最も好ましい。

以下に具体的な実施形態について図を用いて説明する。図中、同一部材は同一符合で示し、説明を省略する場合がある。

［第１実施形態］
本発明の第１の実施形態は、可視光波長域での使用を目的とした偏光子であり、凹凸構造基板上に、誘電体層と金属層とが互いに接した板状体が整列した以下に示す薄膜構造体Ａを基礎として構成される。以下に実施例を作製方法に沿って説明する。

（薄膜構造体Ａ）
本実施形態で使用する薄膜構造体の作製およびその特性について以下に説明する。
基体表面の直線状凹凸構造は成形法によって作製した。図５はこの場合に使用する成形型と作製された直線状凹凸構造を有する基板の例を、凹凸構造の直線方向に対して垂直な断面形状について示している。本実施例では図５（ａ）の断面形状が２等辺３角形状の凹凸形状を用いたが、必要に応じて同図（ｂ）〜（ｄ）に示すような種々の形状のものを作製することができる。

作製手順としては、まずスピンコータを用いて石英ガラス基板７０上にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）系ゾル膜を塗布し、これに成形型６０を押し当てる。この状態で加熱、乾燥を行い、その後に成形型２２を離型する。このような作業の後に、６００℃に加熱することにより、ＳｉＯ₂を主成分とする凹凸構造膜５０をガラス基板７０上に形成することができ、これを基体として使用した。

つぎに、図６に示す遠距離スパッタリング装置のマグネトロンカソード１にＡｌターゲットを取り付け、マグネトロンカソード２にＳｉＯ₂ターゲットを取り付けた。図６に示す基体１０の位置に上記の凹凸構造付石英ガラス基板を取り付けた。マグネトロンカソードカソード１は基体１０の法線方向に対して８０°傾斜させ、マグネトロンカソード２は８０°傾斜させた位置にそれぞれ配置した。

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^-3Ｐａまで排気した。ターゲット室１１にアルゴンガスを導入し、ターゲット室１２にアルゴンガスを導入した。その時にスパッタ室内部の圧力は、３×１０^-2Ｐａであった。その後、マグネトロンカソード１に直流電源により負電圧を印加し、グロー放電を起こさせた。さらに、マグネトロンカソード２には高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生させた。

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

続いて、マグネトロンカソード１、およびマグネトロンカソード２の前面に取り付けられているシャッタ６、７を同時に開放して成膜を開始し、約１０分間放置した。１０分後に前記２個のシャッタ６、７を同時に閉じ、成膜を終了した。

このようにして、得られた薄膜構造体の断面構造を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、図１の斜視図に示すような構造であった。ガラス基板７０上に設けた凹凸構造膜５０の表面に、ＳｉＯ₂を主成分とする板状の誘電体層３２、Ａｌを主成分とする板状の金属層３４とが互いに接した板状体３０が、凹凸構造膜５０の凸部の直線方向に沿って整列して並んでいる。

なお、板状の誘電体層および板状の金属層の成分分析により、誘電体層には金属層の成分が、金属層には誘電体層の成分がそれぞれ微量、不純物として含有されていることが明らかになっている。上記の主成分とはこのような不純物を除く主要な成分を意味する。

板状体３０の高さをＨ、板状体３０が形成されている周期をＰ、金属（Ａｌ）層３４の厚みをＷｍ、誘電体（ＳｉＯ₂）層３２の厚みをＷｄと定義すると、Ｈは約１００ｎｍ、Ｐは１００ｎｍ、Ｗｍは４５ｎｍ、Ｗｄは４５ｎｍであることが分かった。

上述のような膜が形成されたガラス基板７０の裏面に、ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂からなる４層の反射防止膜８０をスパッタリング法で形成した。これにより裏面の反射率は波長が４００ｎｍから７００ｎｍの範囲で１％以下となった。

入射光波長が４４０ｎｍ、５４０ｎｍ、７００ｎｍでの偏光透過率を測定した。ここで、板状体３０の板面の方向（基板の凹凸構造の直線方向）と電場振幅面が平行な光をＴＥモード光（ＴＥ偏光）と呼び、板面の方向と電場振幅面が垂直な光をＴＭモード光（ＴＭ偏光）と呼ぶことにし、両モードの偏光について測定を行った。測定は分光光度計を用いて行った。上記の測定結果を薄膜構造体Ａとして表１に示す。なお、消光比は次式で示される。
消光比（ｄＢ）＝１０・ｌｏｇ（Ｔ_TM／Ｔ_TE）
ここでＴ_TMはＴＭモード光に対する偏光透過率、Ｔ_TEはＴＥモード光に対する偏光透過率である。

（実施例１）
薄膜構造体Ａを再び図７に示す配置でスパッタ装置内部に導入した。マグネトロンカソード３にはＳｉＯ₂ターゲットを基体１０の位置に取り付けた。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^-3Ｐａまで排気した。スパッタ装置内に２％酸素混合のアルゴンガスを導入し、スパッタ室内部の圧力を１Ｐａに調整した。その後、マグネトロンカソード３に高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生させた。約３分間でＳｉＯ₂膜を堆積した。この場合、指向性のない状態で成膜が行われるので、板状の構造等は形成されず、薄膜構造体Ａを覆うようにＳｉＯ₂膜（屈折率：１．４６）が形成される。

こうして得られた薄膜構造体１００の断面構造を再び透過型電子顕微鏡で観察した。図２（ａ）のような構造であり、図１に示した薄膜構造体Ａの表面側を透明誘電体（ＳｉＯ₂）膜１１１で被覆した形状であった。ＳｉＯ₂層の膜厚Ｈd1を図２（ａ）に示すように定義すると、Ｈd1は約７５ｎｍであった。構造内には空洞４０が残っている。

上記の薄膜構造体１００について、入射光波長が４４０ｎｍ、５４０ｎｍ、７００ｎｍでの偏光透過率をそれぞれ測定した。測定結果を表２に示す。ＳｉＯ₂層を形成する前の薄膜構造体Ａと比較すると、各波長でのＴＭモード光に対する透過率は、λ＝４４０ｎｍでは８０．８％から８６．６％に、λ＝５４０ｎｍでは７２．８％から８９．２％に、λ＝７００ｎｍでは６９．９％から８０．８％にそれぞれ大きく増加している。

一方、ＴＥモード光に対する透過率は、λ＝４４０ｎｍでは０．１６％から０．２５％、λ＝５４０ｎｍでは０．０８％から０．１５％、λ＝７００ｎｍでは０．０４％から０．０６％とわずかに増加している。ＴＥモード光の透過率の増加が僅かであるため、透明誘電体膜を形成したことによる消光比の劣化はわずかである。すなわち透明誘電体膜の形成は、優れた偏光性能を維持しつつ、ＴＭモード光に対する透過率を増加させる効果があることが確認できた。この薄膜構造体１００を可視光用偏光子として使用することができる。

（実施例２〜４）
実施例２〜４においては、薄膜構造体Ａを使用し、その表面を覆う以下に示すような膜構成の透明誘電体膜とした。各層の膜厚を図中に示すように薄膜構造体側からＨd1、Ｈd2、Ｈd3とする。
・実施例２：Ａｌ₂Ｏ₃（Ｈd1＝１６６ｎｍ、屈折率：１．６４）／ＳｉＯ₂（Ｈd2＝９４ｎｍ）
・実施例３：Ａｌ₂Ｏ₃（Ｈd1＝８３ｎｍ）／ＳｉＯ₂（Ｈd2＝９４ｎｍ）
・実施例４：Ａｌ₂Ｏ₃（Ｈd1＝８３ｎｍ）／ＴｉＯ₂（Ｈd2＝１１５ｎｍ、屈折率：２．５０）／ＳｉＯ₂（Ｈd3＝９４ｎｍ）

各薄膜構造体の断面模式図を図２（ｂ）〜（ｃ）に示す（透明誘電体膜を１２１〜１３３の符合で示した）。実施例１同様の形状評価と透過率測定の結果を表２に示す。実施例２〜４のいずれの膜構成でも薄膜構造体Ａに比べて透過率は増大しており、また消光比には大きな変化が見られないことを確認した。これらの薄膜構造体も可視光用偏光子として使用することができる。

（比較例１）
比較例１においては、薄膜構造体Ａを使用し、その表面を覆う透明膜をＴｉＯ₂の単層膜とし、膜厚Ｈd1を１００ｎｍとした。
各薄膜構造体の断面模式図を図２（ａ）に示す。（透明誘電体膜を１１１の符合で示した）。実施例１同様の形状評価と透過率測定の結果を表２に示す。消光比は薄膜構造体Ａに比べて増大しているが、透過率は大きく低下していることを確認した。したがって、可視光用偏光子として使用することは困難である。

（実施例５）
薄膜構造体Ａの空間部分をゾルゲル法によってＳｉＯ₂で充填した。さらに、この表面にスパッタリング法によりＳｉＯ₂膜を形成し、その表面を被覆した。この薄膜構造体について、入射光波長が４４０ｎｍ、５４０ｎｍ、７００ｎｍでの偏光透過率をそれぞれ測定した。測定結果を表２に示す。

薄膜構造体Ａと比較すると、各波長でのＴＭモード光に対する透過率は、λ＝４４０ｎｍでは８０．８％から８４．５％に、λ＝５４０ｎｍでは７２．８％から８７．６％に、λ＝７００ｎｍでは６９．９％から７８．１％にそれぞれ大きく増加している。一方、ＴＥモード光に対する透過率は、ほとんど変化していない。この結果、消光比の劣化はわずかであり、同時にＴＭモード光に対する透過率を大きく増加させる効果があることが確認できた。この薄膜構造体を可視光用偏光子として使用することができる。

［第２実施形態]
本発明の第２の実施形態は第１の実施形態同様に可視光波長域での使用を目的とした偏光子であり、凹凸構造基板上に、金属の板状体が整列した薄膜構造体Ｂを基礎として作製される。

（薄膜構造体Ｂ）
基体は薄膜構造体Ａを作製する際に用いたものと同様なものを使用した。
成膜は、図６に示す遠距離スパッタリング装置のマグネトロンカソード１にＡｌターゲットを取り付け、マグネトロンカソード２にもＡｌターゲットを取り付けた点が実施例１と異なる。基体１０の表面上で、Ａｌの堆積速度（板状金属の成長速度）が３０ｎｍ／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。成膜時間は約４分間とした。

このようにして、得られた薄膜構造体Ｂの断面構造を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、図３の斜視図に示すような構造であった。凹凸構造膜５０上にＡｌを主成分とする金属の板状体３６が互いに独立して凸部に整列して並んでいる。板状体の高さをＨ、整列周期をＰ、厚みをＷｍと定義すると、Ｈは約１２０ｎｍ、Ｐは１２０ｎｍ、Ｗｍは６０ｎｍであることが分かった。

薄膜構造体Ａと同様に、ガラス基板７０の裏面にＴｉＯ₂とＳｉＯ₂からなる４層の反射防止膜８０を形成した。この状態の試料についてＴＭモード光に対する透過率とＴＥモード光に対する透過率を測定した。この測定結果を薄膜構造体Ｂとして表１に示す。

（実施例６）
上記のように作製した薄膜構造体Ｂの表面に図７に示す成膜装置により単層のＳｉＯ₂層を膜厚７５ｎｍだけ形成した。この薄膜構造体２００の断面模式図を図４（ａ）に示す。
実施例１同様の形状評価と透過率測定の結果を表２に示す。本実施例の膜構成では、測定したすべての波長において薄膜構造体Ｂと比較してＴＭモード光の透過率が増大し、消光比が維持されるのを確認した。本実施例の薄膜構造体も可視光用偏光子として使用することができる。

（実施例７）
本実施例では、実施例６に対して、透明誘電体膜の膜構成のみ、次のように変えた。
Ａｌ₂Ｏ₃（Ｈd1＝８３ｎｍ）／ＴｉＯ₂（Ｈd2＝１１５ｎｍ）／ＳｉＯ₂（Ｈd3＝９４ｎｍ）
この薄膜構造体の断面模式図を図４（ｃ）に示す。本実施例の構成では、表２に示すように波長４４０ｎｍではＴＭモード光の透過率が減少したが、波長５４０ｎｍおよび７００ｎｍではＴＭモード光の透過率が増大し、かつ消光比は高い値を維持することを確認した。本実施例の薄膜構造体も可視光用偏光子として使用することができる。

（比較例２、３）
比較例２、３においては、薄膜構造体Ｂを使用し、その表面を覆う透明膜を以下に示すような膜構成の透明誘電体膜とした。
・比較例４：ＺｎＯ（Ｈd1＝７５ｎｍ、屈折率：１．８４）
・比較例５：ＴｉＯ₂（Ｈd1＝１００ｎｍ）
各薄膜構造体の断面模式図を図４（ａ）に示す。実施例６同様の形状評価と透過率測定の結果を表２に示す。比較例２、３のいずれの膜構成でも薄膜構造体Ｂに比べて透過率は大きく減少している。したがって、これらの薄膜構造体は可視光用偏光子として使用することができない。

［第３実施形態］
第３の実施形態は光通信で用いられる近赤外域（波長１５５０ｎｍ）での使用を目的とした偏光子である。

（薄膜構造体Ｃ）
薄膜構造体Ａと同様の方法で、偏光特性を有する薄膜構造体Ｃを作製した。ガラス基板の裏面にＴｉＯ₂とＳｉＯ₂からなる反射防止膜を形成し、波長１５５０ｎｍで反射率を０．１％になるようにした。

次に、偏光特性を有する薄膜構造体の断面構造を透過電子顕微鏡で確認した。図１に示すような断面構造であり、周期Ｐ＝２７０ｎｍ、板状体の高さＨ＝３６０ｎｍ、金属（Ａｇ)層の厚みWｍ＝１００ｎｍ、誘電体（ＳｉＯ₂）層の厚みＷｄ＝９０ｎｍであることを確認した。この構造の薄膜構造体について偏光光学特性を波長１５５０ｎｍの半導体レーザおよびグラントムソンプリズムを使用して測定した。ＴＭモード光に対する透過率とＴＥモード光に対する透過率の測定結果を薄膜構造体Ｃとして表１に示す。

（薄膜構造体Ｄ）
薄膜構造体Ｃと同様の方法で、板状体の高さ（Ｈ）のみ２倍の７２０ｎｍとした。この薄膜構造体Ｄの光学特性を表１に示す。

（実施例８）
本実施例ではこの薄膜構造体Ｃの表面を膜厚Ｈd1＝２２０ｎｍのＳｉＯ₂膜で被覆した。薄膜構造体の断面模式図は図２（ａ）に示したものと同様である。その後に、偏光光学特性を波長１５５０ｎｍの半導体レーザおよびグラントムソンプリズムを使用して測定した。測定結果を表２に示す。ＴＭモード光に対する透過率が約７％向上し、消光比はほとんど変わらず、高い性能を維持していることが分かった。本実施例の薄膜構造体は赤外波長領域用偏光子として使用することができる。

（比較例４）
比較例４においては、薄膜構造体Ｃを使用し、その表面を膜厚Ｈd1＝１６０ｎｍのＺｎＯで覆う構造とした。実施例８同様の形状評価と透過率測定の結果を表２に示す。比較例４の膜構成では、薄膜構造体Ｃに比べて透過率は大きく減少している。したがって、これらの薄膜構造体は赤外波長領域用偏光子として適さない。

（実施例９）
薄膜構造体Ｄの表面を膜厚Ｈd1＝２８０ｎｍのＳｉＯ₂膜で被覆した。測定結果を表２に示すが、ＳｉＯ₂膜で被覆することによってＴＭモード光に対する透過率が約９％向上し、消光比はほとんど変わらず、高い性能を維持していることが分かった。本実施例の薄膜構造体も赤外波長領域用偏光子として使用することができる。

(比較例５)
比較例においては、薄膜構造体Ｄの表面を膜厚Ｈd1＝２００ｎｍのＺｎＯで被覆する構造とした。実施例９同様の形状評価と透過率測定の結果を表２に示す。比較例５の膜構成では、薄膜構造体Ｄに比べて透過率は減少している。したがって、これらの薄膜構造体は偏光子として適さない。

（総合評価）
実施例１、６、８および９はいずれも薄膜構造体上に透明膜として屈折率１．４６のＳｉＯ₂単層膜が形成されている。ＴＭモード光に対する透過率が膜のない場合に比べて増加し、かつ消光比がそれほど変化しない良好な結果が得られている。これに対し、比較例１〜５は屈折率２．５０のＴｉＯ₂または屈折率１．８４のＺｎＯの単層膜が形成されているが、いずれもＴＭモード光に対する透過率が膜のない場合に比べて低下している。したがって透明膜が単層である場合は、その屈折率が１．８以下であることが使用波長によらず望ましいと言える。

また実施例１と６から薄膜構造体を構成する板状体が金属と誘電体の２層構造であっても金属の単層であっても同様な効果が得られることがわかる。

実施例２および３は透明膜が２層の場合で、薄膜構造体側第１層が屈折率１．６４のＡｌ₂Ｏ₃、第２層が屈折率１．４６のＳｉＯ₂層で構成されている。２層構造の場合は薄膜構造体側第１層の屈折率が１．６〜１．９の範囲、第２層の屈折率が１．５以下であることが望ましい。

実施例４および７は透明膜が３層の場合で、薄膜構造体側第１層が屈折率１．６４のＡｌ₂Ｏ₃、第２層が屈折率２．５０のＴｉＯ₂、第３層が屈折率１．４６のＳｉＯ₂で構成されている。３層構造の場合は薄膜構造体側第１層の屈折率が１．６〜１．９の範囲、第２層の屈折率が２．２〜２．７の範囲、第３層の屈折率が１．５以下の範囲であることが望ましい。

薄膜構造体ＡおよびＢでは板状体を構成する金属としてアルミニウムを用い、薄膜構造体ＣおよびＤでは銀を用いた。この他、銅、白金、金またはこれらの各金属を主成分とする合金を使用することもできる。

薄膜構造体Ａ、ＣおよびＤでは板状体の誘電体層としていずれも二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を用いたが、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）などを用いることもできる。
また実施例５から板状体間の空隙を誘電体で充填した場合も同様な効果が得られている。使用した誘電体は屈折率１．４６のＳｉＯ₂であるが、屈折率１．６以下の誘電体であることが好ましい。

透明膜形成前の薄膜構造体の一例を示す斜視模式図である。本発明の偏光子の断面模式図である。透明膜形成前の薄膜構造体の他の例を示す斜視模式図である。本発明の偏光子の断面模式図である。基体の作製方法および形状の例を示す模式図である。本発明の薄膜構造体の製造に用いる成膜装置を示す図である。透明誘電体膜の成膜装置を示す図である。

符号の説明

３０、３６板状体
３２誘電体層
３４金属層
５０凹凸構造膜
６０成形型
７０ガラス基板
８０反射防止膜
１００、２００薄膜構造体
１１１、１２１、１２２、１３１、１３２、１３３、２１１、２２１、２２２、２３１、２３２、２３３透明誘電体膜

Claims

互いに平行な複数の直線状凹凸構造を設けた透明な基体上に、該基体表面と一定の角度をなし互いに平行な複数の板状体が形成され、該板状体の一方の端部が前記直線状凹凸構造の直線方向に沿って基体に接している薄膜構造体を備えた偏光子において、前記薄膜構造体は前記板状体の基体と接する端部とは反対側の端部を覆うように透明膜を備え、該透明膜は、前記薄膜構造体のＴＭ偏光に対する偏光透過率の前記透明膜がない場合に比べた増加が、ＴＥ偏光に対する偏光透過率の増加より大きくなるように構成されていることを特徴とする偏光子。
前記板状体が金属材料を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
前記板状体が金属材料を主成分とする層と誘電体材料を主成分とする層が表裏に互いに密着した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
前記透明膜が、１種類の材料からなる単層膜または複数の異なる材料からなる多層膜であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の偏光子。
前記透明膜が１種類の材料からなる単層膜であり、その屈折率が１．８以下であることを特徴とする請求項４に記載の偏光子。
前記透明膜が２種類の材料からなる２層膜であり、薄膜構造体側第１層の屈折率が１．６〜１．９の範囲、第２層の屈折率が１．５以下の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の偏光子。
前記透明膜が３種類の材料からなる３層膜であり、薄膜構造体側第１層の屈折率が１．６〜１．９の範囲、第２層の屈折率が２．２〜２．７の範囲、第３層の屈折率が１．５以下の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の偏光子。
前記透明膜が２種類以上の材料からなる４層膜であり、薄膜構造体側第１層の屈折率が２．２〜２．７の範囲、第２層の屈折率が１．５以下、第３層の屈折率が２．２〜２．７の範囲、第４層の屈折率が１．５以下の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の偏光子。
前記金属材料が銀、アルミニウム、銅、白金、金またはこれらの各金属を主成分とする合金からなることを特徴とする請求項２に記載の偏光子。
前記誘電体材料が、二酸化珪素を主成分とする材料またはフッ化マグネシウムを主成分とする材料であることを特徴とする請求項３に記載の偏光子。
前記板状体間の空隙部が、１．６以下の屈折率を有する透明誘電体で充填されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の偏光子。
基板上に形成した直線状凹凸構造の直線方向に対して一定の角度を有し、かつ前記基板の法線に対して斜めの方向から金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射し、同時に前記基板の凹凸構造の前記直線方向に平行な法面を挟んで反対側からも同時に金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射して前記金属を主成分とする板状体を前記基板表面に形成し、続いて無指向性の成膜手段によって前記板状体上に透明誘電体層を少なくとも１層形成することを特徴とする偏光子の製造方法。
基板上に形成した直線状凹凸構造の直線方向に対して一定の角度を有し、かつ前記基板の法線に対して斜めの方向から金属元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射し、同時に前記基板の凹凸構造の前記直線方向に平行な法面を挟んで反対側からも同時に誘電体を構成する元素のイオン、あるいは原子、あるいはクラスタを入射して前記金属を主成分とする層と前記誘電体を主成分とする層が密着した構造を有する板状体を前記基板表面に形成し、続いて無指向性の成膜手段によって前記板状体上に透明誘電体層を少なくとも１層形成することを特徴とする偏光子の製造方法。
前記板状体を基板表面に形成した薄膜構造体のＴＭ偏光およびＴＥ偏光に対する偏光透過率を基準値として測定し、前記透明誘電体層は、前記基準値に比べたＴＭ偏光に対する偏光透過率の増加がＴＥ偏光に対する偏光透過率の増加より大きくなるように構成することを特徴とする請求項１２または１３に記載の偏光子の製造方法。