JP2007148344A - 偏光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視光域において所望の偏光特性が得られ、かつ生産性の高い偏光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の偏光素子１０は、可視光に対し透明な基板１１上に形成された格子状の凹凸部１３と、当該凹凸部１３の頂部又はその少なくとも一側面部に形成されたアルミニウム又はその合金からなる金属微粒子層１４とを備えている。この構成により、凹凸部１３のピッチ、深さ、溝幅、格子長さを任意に設定するだけで、所望の微細形状を有する金属微粒子層１４を自在に形成することができる。また、金属微粒子層１４にアルミニウム微粒子又はその合金微粒子を用いることで、可視光域に対して所望の偏光特性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光板や偏光フィルタ等に代表される偏光素子に関し、更に詳しくは、金属又は半導体微粒子の面内軸方向での光学異方性による光吸収率の違いを利用した無機吸収型の偏光素子及びその製造方法に関する。

液晶表示装置（特に透過型液晶表示装置）は、その画像形成原理から液晶パネル表面に偏光板を配置することが必要不可欠である。偏光板は、直交する偏光成分（いわゆるＰ偏光波、Ｓ偏光波）の一方を吸収し他方を透過させる機能を有する。このような偏光板として従来フィルム内にヨウ素系や染料系の高分子有機物を含有させた二色性の偏光板が多く用いられている。

二色性の偏光板の一般的な製法としては、ポリビニルアルコール系フィルムとヨウ素などの二色性材料で染色を行った後、架橋剤を用いて架橋を行い、一軸延伸する方法が用いられる。このように延伸により作製されるため、一般にこの種の偏光板は収縮し易い。また、ポリビニルアルコール系フィルムは親水性ポリマーを使用していることから、特に加湿条件下においては非常に変形し易い。そして、根本的にフィルムを用いるため、デバイスとしての機械的強度が弱い。

近年、液晶表示装置はその用途が拡大し高機能化している。それに伴い、液晶表示装置を構成する個々のデバイスに対して高い信頼性、耐久性が求められる。例えば、透過型液晶プロジェクターのような光量の大きな光源を使用する液晶表示装置の場合には、偏光板は強い輻射線を受ける。よって、これらに使用される偏光板には優れた耐熱性が必要となる。しかしながら、上記のようなフィルムベースの偏光板は有機物で構成されていることから、これらの特性を上げることには自ずと限界がある。

一方、耐熱性の高い偏光板として無機偏光板がある。例えば米国コーニング社製の無機偏光板（商品名「Polarcor」）は、銀微粒子をガラス内に拡散させた構造をしており、フィルム等の有機物が使用されていない。無機偏光板の偏光原理には、島状微粒子のプラズマ共鳴を利用している。金属微粒子の形状を楕円形にすると、長軸方向と短軸方向とで共鳴波長が異なる。その結果、長軸と平行な偏光成分を吸収し短軸と平行な偏光成分を透過させるという所定の偏光特性が得られる。

金属微粒子の共鳴による吸収波長は、金属の特性、微粒子の形状異方性、周囲の誘電率等に依存する。そして、これまで多岐にわたる研究が行われている。特に、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などの研究が多い。例えば、Ａｕ微粒子については、ガラス上にスパッタリングにより金微粒子を成膜し延伸することで、形状異方性を得る方法がある（非特許文献１参照）。Ａｇ微粒子については、ハロゲン化銀の熱還元によりガラス中に銀微粒子を析出させる方法（特許文献１，２参照）、使用帯域の波長に対して透明及び不透明な物質からなる微小柱状構造を斜め蒸着によって製作し偏光特性を得る方法（特許文献３参照）がある。Ｃｕ微粒子については、ハロゲン化銅を用いる方法（特許文献４参照）などがある。

また、下記特許文献５には、金型転写法を利用して基板表面に島状の金属微粒子層を形成する方法が開示されている。更に、下記特許文献６には、ワイヤグリッド型の偏光板が開示されている。ワイヤグリッド型の偏光板は、基板上に複数の金属細線を格子状に形成したもので、金属細線と平行する偏光成分を吸収または反射し、金属細線と直交する偏光成分を透過させることで所定の偏光特性を出現させる。

Ａｕ微粒子、Ａｇ微粒子およびＣｕ微粒子は、共鳴波長が長波長側にあるため可視光域で良好な偏光特性を得ることは難しい。これに対し、Ａｌ（アルミニウム）微粒子はＡｇ微粒子よりも共鳴波長が２００ｎｍ程度短いため、可視光域で良好な偏光特性が得られることが知られている（非特許文献２参照）。しかしながら、アルミニウムは非常に酸化しやすいため、他の金属微粒子のように熱還元法によりガラス上にＡｌ金属微粒子を析出させる製法は、採用することができない。

そこで、下記特許文献７には金属微粒子としてＡｌ粒子を用いた偏光板の幾つかの製造方法が開示されている。その一例として、ガラス基板上にＡｌ膜を堆積後、フォトリソグラフィ技術を用いて島状にパターンエッチングし、更にガラス基板を約７５０℃に加熱し延伸させることで、Ａｌ粒子を楕円形状に形成する方法が開示されている。また、他の例として、ガラス基板上に形成したレジストパターンの一側面部にＡｌ膜を成膜した後、当該レジストパターンを除去する方法が開示されている。

また、下記非特許文献３には、Ａｌの代わりにＧｅ（ゲルマニウム）を使うことで、波長１μｍ以下で高い消光比を実現できることが述べられている。

米国特許第６７７２６０８号明細書 特開昭５６−１６９１４０号公報 特開２００２−３７２６２０号公報 特開平８−５０２０５号公報 特開平１１−１８３７２７号公報 特表２００３−５０８８１３号公報 特開２０００−１４７２５３号公報 Optical Review Vol.4 No.3 (1997) 411-416 J.Opt.Soc.Am.A Vol.8 No.4 619-624 J.Lightwave Tec. Vol.15 No.6 1997 1042-1050

上記特許文献７に記載のＡｌ粒子を用いた偏光素子は、Ａｌの融点（６６０℃）よりも高い温度条件下における基板の延伸工程の際のＡｌ粒子とガラスの反応を防ぐため、基板としてＡｌと反応しないカルシウム・アルミノ硼酸塩ガラスが用いられている。しかし、この種のガラスは一般的なケイ酸塩ガラスに比べて高価で入手しにくい等の理由により、生産コストが高くなるという問題がある。

また、上記特許文献７に記載のＡｌ粒子を用いた偏光素子の製造方法においては、レジストパターンをマスクとしたＡｌ膜のパターンエッチングで島状粒子を形成している。一方、プロジェクターで使用する偏光板は通常、大面積が必要で、かつ高い消光比が要求される。従って、可視光用偏光板を目的とした場合、レジストパターンサイズは可視光波長より十分に短い、例えば数十ｎｍの大きさが必要である。また、高い消光比を得るためにはパターンを高密度に形成する必要がある。

従って、上記特許文献７に記載されているようなリソグラフィ技術を用いて高密度微細パターンを形成する方法では、電子ビーム描画法などの微細パターン形成法を用いる必要がある。電子ビーム描画は個々のパターンを電子ビームにより描く方法であるため生産性が悪く実用的でない。

また、Ａｌ膜を塩素プラズマによりエッチング除去する場合、Ａｌパターンの側壁に塩化物が付着するため、これを除去するための工程が別に必要となる。さらに、Ａｌ塩化物の除去はウェットエッチングで行うことができるが、Ａｌ塩化物に反応する薬液はＡｌにも少なからず反応するので、所望の微細パターン形状を実現することは困難である。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、可視光域において所望の偏光特性が得られ、かつ生産性の高い偏光素子及びその製造方法を提供することを課題とする。

以上の課題は、可視光に対し透明な基板上に形成された格子状の凹凸部と、当該凹凸部の頂部又はその少なくとも一側面部に形成されたアルミニウム系材料又は半導体材料からなる無機微粒子層とを備えている。

この構成により、凹凸部のピッチ、深さ、溝幅、格子長さを任意に設定するだけで、所望の微細形状を有する無機微粒子層を自在に形成することができる。また、無機微粒子にアルミニウム系材料（アルミニウム又はその合金からなる金属微粒子）、半導体材料（ベータ鉄シリサイド（β−ＳｉＯ₂）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、テルル（Ｔｅ）を含む半導体微粒子）を用いることで、可視光域に対して所望の偏光特性を得ることができる。

また、本発明に係る偏光素子の製造方法は、基板の表面に格子状の凹凸部を形成する工程と、基板の表面に対して斜め方向から上記凹凸部の頂部又はその少なくとも一側面部にアルミニウム系材料又は半導体材料からなる無機微粒子層を形成する工程とを有する。

この製法により、パターンエッチングを行うことなく所望の微細形状を有する無機微粒子層を自在に形成することができ、生産性高く可視光域に対して優れた偏光特性を有する偏光板を製造することができる。

基板は可視光に対して透明なガラスやセラミック基板が用いられる。凹凸部の形成は、パターンエッチングで行うことも可能であるが、基板表面に対する研磨シートによるラッピング、あるいは、基板表面に対する金型の転写によって行うことでより微細形状の凹凸パターンを形成することができる。凹凸部は、基板の面内一方向にのみ周期的に形成されていてもよいし、互いに直交する２方向に周期的に形成されていてもよい。凹凸部の頂部（上面）またはその一側面部もしくは両側面部への無機微粒子層の形成は、基板表面に対して斜め方向に成膜粒子を入射させるイオンビームスパッタ法が好適である。

そして、アルミニウム系金属微粒子層の形成後、当該金属微粒子層を凹凸部の長手方向に複数の微粒子領域を形成する工程を実施することで、更なる偏光特性すなわち消光比の向上を図ることができる。好適には、複数の微粒子領域の形成を金属微粒子層の熱処理により行う。これにより、熱凝集により金属微粒子の孤立化や粒界の増加が促進される。なお、熱処理温度の上限をＡｌの融点（６６０℃）以下とすることで、熱処理によるＡｌの反応を抑えることができる。

本発明は、基板上に形成された島状の無機微粒子の面内軸方向での光学異方性による光吸収率の違いを利用して所期の偏光特性を出現させる。無機微粒子の共鳴波長は、その無機微粒子を取り囲む物質の誘電率に影響され、無機微粒子を取り囲む物質の誘電率（＝屈折率の２乗）が小さいほど共鳴波長を小さくできる。従って、基板表面に、可視光に対して透明で当該基板よりも低屈折率の材料を凹凸部形成層として形成し、この低屈折率材料で上記凹凸部を構成することで、特定の波長領域に対する偏光特性の向上が図れるようになる。

上記凹凸部形成層を構成する低屈折率材料の屈折率は１．０〜２．５が好適であり、特に好ましくは１．０〜１．４６である。ポーラス（porous：多孔性の）フッ化物やポーラス酸化物は屈折率が１．２〜１．３程度で最も好ましい。これらのポーラス材料は、ゾル状の物質を基板にコートし熱硬化させることで薄膜化が可能である。このようにして成膜された薄膜は、上述した金型による転写により基板上に容易に凹凸部を形成でき、しかも、金属微粒子層の酸化を防止する保護膜としても使用できる。保護膜として成膜する場合は、スピンコート法やディッピング法等の簡易な方法を採用することができる。

以上述べたように、本発明によれば、可視光域の偏光特性の向上を図ることができるとともに、可視光域に対して所望の偏光特性を有する偏光素子を生産性高く製造することができる。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による偏光素子１０の概略構成図であり、Ａは側断面図、Ｂは平面図である。

本実施形態の偏光素子１０は、基板１１上に形成された格子状の凹凸部１３と、この凹凸部の頂部（本例では上面）に形成された金属微粒子層１４とを備えている。凹凸部１３は、基板１１の表面に形成された凹凸部形成層１２に形状加工を施して形成されている。

基板１１は、可視光に対して透明な材料、例えばガラスやセラミック材料で構成され、本実施形態ではガラス、特に石英（屈折率１．４６）やソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）が用いられる。ガラス材料の成分組成は特に制限されず、例えば光学ガラスとして広く流通しているケイ酸塩系ガラスなどの安価なガラス材料を用いることができ、製造コストの低減を図ることができる。

なお、凹凸部１３は基板１１の表面に直接形成することも可能である。この場合、基板１１に石英を採用することで、ＣＦ₄ などのフッ素系ガスにより容易にプラズマエッチングが可能である。

凹凸部形成層１２は、凹凸部１３の形成のベースとなる層で、基板１１の表面にスパッタ法あるいはゾルゲル法（例えばスピンコート法によりゾルをコートし熱硬化によりゲル化させる方法）により成膜されたＳｉＯ₂ などの可視光に対して透明な光学材料で形成されている。凹凸部形成層１２を形成することで、凹凸部１３の構成材料の選択性を広げられる点で有利であり、後述するように、基板１１の構成材料では得られない低屈折率材料で凹凸部１３を形成することが可能となる。

凹凸部１３は、金属微粒子層１４の下地層を形成するもので、凹凸部１３の加工サイズやパターン形状によって金属微粒子層１４の形状に依存する光学的特性が決定される。本実施形態において、金属微粒子層１４は凹凸部１３の頂部である上面に形成されている。凹凸部１３は格子状に形成されることで、その上面に形成される金属微粒子層１４に形状異方性を付与している。

凹凸部１３は、基板１１の面内一方向（例えば図１ＢにおいてＸ方向）とこれに直交する他の方向（例えば図１ＢにおいてＹ方向）にそれぞれ周期的に形成された断面矩形状の複数の凸状部で形成されている。この凸状部の上面に金属微粒子層１４を形成することで、基板１１上に金属微粒子が島状に分布形成される。金属微粒子層１４は、アルミニウム微粒子からなる。この金属微粒子層１４は、後述するように、基板１１の表面に対して斜め方向から成膜するイオンビームスパッタ法で形成される。

本発明に係る偏光素子１０は、基板１１上に形成された島状の金属微粒子の面内軸方向での光学異方性による光吸収率の違いを利用して所期の偏光特性を出現させる共鳴吸収型の無機偏光素子である。従って、凹凸部１３の加工サイズ、パターン形状は、目的とする偏光特性（消光比）や対象とする可視光波長領域に応じて適宜設定される。具体的に、凹凸部１３の溝の（Ｘ，Ｙ方向の）ピッチは０．５μｍ以下、凹凸部のライン幅（凸状部の形成幅）は０．２５μｍ以下、凹凸部１３の形成深さは１ｎｍ以上である。また、金属微粒子層１４の膜厚は例えば１００ｎｍ以下である。
凹凸部１３のピッチ、ライン幅／ピッチ、格子深さ、格子長さ、上部ライン幅／底部ライン幅は、それぞれ以下の範囲とするのが好ましい。
０．０５μｍ＜ピッチ＜２μｍ、
０．１＜（ライン幅／ピッチ）＜０．９、
０．０１μｍ＜格子深さ＜０．２μｍ、
０．０５μｍ＜格子長さ、
１．０≦（上部ライン幅／底部ライン幅）

図２は、以上のように構成される本実施形態の偏光素子１０の一製造方法を説明する工程断面図である。

基板１１の表面に、凹凸部形成層１２としてＳｉＯ₂ 膜をスパッタリング法、ゾルゲル法等により形成する（図２Ａ）。次に、凹凸部形成層１２に対して凹凸部１３を形成する（図２Ｂ）。凹凸部１３の形成方法としては、本実施形態では研磨シートによるラッピングあるいはラビングを行うによって、図１Ｂに示したテクスチャ構造の凹凸部１３が形成されている。なお、後述する金型転写技術を用いて凹凸部１３を形成することも可能である。

続いて、形成した凹凸部１３の頂部に金属微粒子層１４を形成する（図２Ｃ）。金属微粒子層１４の形成には、図３に模式的に示す斜め方向からのイオンビームスパッタによって行われる。

図３において、１は基板１１を支持するステージ、２はターゲット、３はビームソース（イオン源）である。ステージ１は、ターゲット２の法線方向に対して所定角度θ傾斜しており、基板１１は凹凸部１３の格子方向（長手方向）がＡｌ粒子の入射方向に対して直交する向きに配置されている。角度θは、例えば０°から１０°である。ビームソース３から引き出されたイオンは、ターゲット２へ照射される。イオンビームの照射によりターゲット２から叩き出されたＡｌ微粒子は、基板１１の表面に斜め方向から入射して付着する。

以上のように、成膜時に基板１１をターゲット２に対して傾斜させてＡｌ粒子の入射方向を制限することにより、Ａｌ粒子からなる金属微粒子層１４を凹凸部１３の頂部に選択的に形成することができる。その結果、形状異方性を有する金属微粒子層１４を所望の微細形状で基板１１表面に島状に分布させることができ、Ａｌ粒子の孤立化を実現することができる。

イオンビームスパッタ以外にも斜め蒸着法により同様の効果が期待できるが、イオンビームスパッタは下記の点でメリットがある。
第１に、スパッタ法は蒸着法に比べて入射粒子のエネルギーが高いので、デバイスの信頼性の確保の上で重要となる金属微粒子の基板に対する付着強度を向上させることができる。第２に、蒸着できる物質はその蒸気圧などの物質の特性により大きく制限されるが、スパッタ法はそのような制限が無いので物質の選択範囲が広い。従って、保護膜も含めた物質の選択性においてイオンビームスパッタの方が有利である。

なお、従来技術で説明した特許文献３には、斜め蒸着法を用いて形状異方性をもった微小柱状構造の形成方法が開示されている。この微小柱状体は、可視光に対して透明な柱状体の上にＡｇ金属微粒子層が形成されている。始めに形成される透明物質の微小柱状体は、アスペクト比、個々の微小柱状体の間隔、直線性は、良好な偏光特性を得るために重要な要素であり特性の再現性の観点からも意図的に制御されるべきものである。しかし、この方法は蒸着粒子の初期堆積層の影となる部分に次に飛来する蒸着粒子が堆積せず、このため柱状構造が得られるという現象を利用しているため、上述した微小柱状構造の形状要素を意図的に制御することが難しい。

これに対して、本実施形態では、あらかじめ機械的に形成した凹凸部１３の上に金属微粒子層１４を形成するようにしているので、凹凸部１３を安定して形成できるとともに、その上に形成される金属微粒子層１４の形状制御を容易に行うことができる点で優れている。

以上のように構成される本実施形態の偏光素子１０において、基板１１の表面に形成された金属微粒子層１４は図１Ｂに示したように面内Ｘ，Ｙ方向に関して異方的な形状を有して分布している。これらの金属微粒子層１４は、その長軸方向（Ｙ方向）に電磁進行方向をもつ偏光成分を吸収し、短軸方向（Ｘ方向）に電磁進行方向をもつ偏光成分を透過させる。

図４は、ガラス基板の表面に直接金属微粒子層１４を形成し、金属微粒子層１４の透過軸方向（短軸方向）と吸収軸方向（長軸方向）のそれぞれの透過率を示している。図中、「基板：テクスチャー付きガラス」は、基板表面に対して研磨シートによるラッピングを施して凹凸部を形成しその上面に金属微粒子層を形成したサンプルを意味し、「基板：ガラス」は表面平滑なガラス上に金属微粒子層を直接形成したテクスチャー無しのサンプルを意味する。なお、テクスチャー形状は、溝ピッチが０．５μｍ、ライン幅が０．１μｍ以下、溝深さが１ｎｍとした。

図４に示したように、金属微粒子層を島状に形成することで、一定の偏光特性が得られることがわかる。また、テクスチャー付きのサンプルの方が、テクスチャー無しのサンプルに比べて、透過軸方向の透過率が高く、吸収軸方向の透過率が総じて低い。すなわち、図１Ａに示したように基板表面に形成した凹凸部の上に金属微粒子層を設けた構成の方が偏光特性すなわち消光比＝（透過軸方向透過率）／（吸収軸方向透過率）が優れることがわかる。

金属微粒子層１４の形状異方性の更なる制御のためには、凹凸部１３のピッチを小さくして、図１Ａに示したように金属微粒子層１４が凹凸部１３の頂部にのみ堆積されるようにすることが有効である。これにより、金属微粒子層１４の更なる孤立化を図ることができる。凹凸部１３の形状パターンは、好ましくは、図５Ａ，Ｂのように形成される。図５Ａ，Ｂに示した凹凸部１３は、図１Ａ，Ｂの例と異なり、金属微粒子層１４の各列が長手方向に所定量ずつずらして形成されている。

上述した研磨シートによるラッピング以外の他の凹凸部１３の形成方法としては、
（１）半導体デバイス作製で用いられるようなフォトレジストを基板に塗布してマスクを使った露光により基板上にパターンを作製した後、基板をエッチングする方法、
（２）凹凸部１３の形状寸法に対応して形成された金型を準備し、基板上に金型形状を転写する方法。

図６は金型転写法による凹凸部１３の形成方法を説明する工程断面図である。図の例においては、凹凸部１３の形状寸法に対応して形成された金型１５を準備し、この金型１５の構造面を基板１１上の凹凸部形成層１２へ転写して、基板１１上に凹凸部１３を形成する例を示している。転写後、必要に応じてプラズマエッチングを施すことで凹凸部形成層１２が加工される。

金型転写法は、ナノインプリント法とも称され、一度モールド（金型）を作製すれば複雑なプロセスなしに微細パターンを得ることができるので、生産性が非常に高い。特に本発明のように単純な格子パターンのモールドを作製する場合には、電子線描画のような高価な方法は用いずに、例えば干渉露光法により一度の露光で大面積上の格子パターンを作製することができる。しかも、凹凸部１３の形状が格子状という単純な形状であるので、一度の露光でも高精度にパターン形成をすることができる点で有利である。

プロジェクターなどに使われる偏光板の場合には、大面積を容易にパターン形成できる方が望ましい。（１）のような半導体プロセスによるパターン形成は現在広く用いられているが、パターン寸法が小さくなるに従い波長の短い光を使う必要があり、本発明のような微細パターンを大面積に作るには電子ビーム等を用いた高価な露光システムを使う必要がある。

これに対して（２）のような金型転写法によれば、金型転写位置を変更しながら転写を行う、いわゆるステップアンドリピート法により大面積化が容易に実現できる。例えば米国Molecular Imprints社製の装置でこの方法が可能である。

このとき、一度目の転写位置と二度目の転写位置の端部の位置を完全に一致させることが理想であるが、装置に非常に精密なアライメント機構が必要となってしまい装置が高価なものになる。そこで、図７Ａに示すように、一の転写位置Ｐ１とこれに隣接する他の転写位置Ｐ２、Ｐ４またはＰ５との間に制御可能なサイズの隙間を設ける。そして、このようにして転写位置Ｐ１〜Ｐ９に凹凸部および金属微粒子層を形成した２枚以上の偏光素子を用意し、図７Ｂに示すようにその隙間以上ずらし相互に重ねる。この場合、偏光素子を複数積み重ねるほど消光比は高くなるので、トータルの枚数で所望の消光比になるように、１枚当たりの偏光素子の消光比を調整しておく。

更に、凹凸部１３の形成は、基板１１の表面に直接形成する場合よりも、上述のように基板１１表面に形成した凹凸部形成層１２を介して行う方が次の点で有利である。

まず、ガラス製の基板よりも軟質の下地層の方が形状加工が容易であり、微細加工精度に優れる。次に、金属微粒子層１４の下地材料に選択性を広げられ、屈折率制御性を高めることができる。例えば図４において、波長５００ｎｍから４００ｎｍにおいて透過率の低下が観測される。この原因は基板の屈折率の影響により金属微粒子層の共鳴波長が長波長側にずれているためと考えられる。金属微粒子の共鳴波長は当該金属微粒子を取り囲む物質の誘電率に影響される。ここで、誘電率は屈折率の２乗に比例する。

図８は「Optics Letters Vol.17 No.8 1992 622-624」に記載されている下記［数１］の式に基づいて、金属微粒子層の下地媒質の屈折率と共鳴波長の関係を調べた図である。図８の結果から、下地媒質の屈折率が小さいほど共鳴波長を短くできることがわかる。図３に示した実験結果は下地媒質にガラス基板（屈折率１．５１）を用いたときの例であるが、このガラス基板よりも屈折率が低い材料を基板上にコートすることで、低波長側での特性を改善することができる。

低屈折率材料としては、ＭｇＦ₂に代表されるようなフッ化物が知られている。この材料の屈折率は１．３程度である（Applied Optics Vol.18 No.12 1979）。また、Applied Optics Vol.31 No.28 1992 6145-6149、Applied Optics Vol.27 No.16 1988 3356-3358、Applied Optics Vol.19 No.9 1980 1425-1429、ＷＯ２００２／０１８９８２号公報には、各種のポーラス酸化物、ポーラスフッ化物の屈折率が記載されている。これらの物質をベースとした材料をポーラス化することで、屈折率を１．２程度まで下げることができる。これらはゾル状の物質を基板にコートし熱硬化させることで薄膜化が可能である。

以上のように、凹凸部形成層１２をこれらの低屈折率材料で形成することによって、短波長側での偏光特性を向上させることができる。また、これら低屈折率材料に対する凹凸部１３の形成は、上述の金型１５による転写法で容易に行うことができる。

更に、これらの低屈折率材料は、金属微粒子層１４の保護膜として使用することができる。この場合、凹凸部１３の頂部に金属微粒子層１４を形成後、スピンコート法やディッピング法により上記低屈折率材料層からなる保護膜を簡単に形成することができる。

なお、図４において、透過率５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において、その透過軸方向の透過率は９０％程度であるが、これは基板からの反射成分があるためである。これを改善するためには、基板表面に反射防止膜等の光学膜を形成するのが好適である。反射防止膜としては、単層もしくは多層の蒸着による一般的な反射防止膜材料で構わない。

以上述べたように、本実施形態においては、凹凸部１３のピッチ、深さ、溝幅、格子長さを設定することで、アルミニウム金属微粒子層１４の形状および密度を容易に制御することができ、これにより可視光域において所望の偏光特性を得ることができる。

また、金属微粒子層１４の形成に高温処理を必要としないことから、Ａｌ微粒子の反応による成分変化を防ぎ、微粒子固有の面内軸方向での光学異方性による光吸収率の違いを適切に出現させて優れた偏光特性を得ることができる。従って、基板材料として特殊な材料を必要とすることはないので、素子の製造を低コストに抑えることができる。

更に、凹凸部１３の下地媒質として凹凸部形成層１２を有しているので、凹凸部の形成が容易となり、加工精度、形状再現性、加工作業性の向上が図れるようになる。これにより、信頼性の高い偏光素子を容易に製造することができる。また、凹凸部形成層１２の構成材料を適宜変更するだけで、偏光特性の調整が可能となり、仕様に応じて適切な偏光特性を具備する偏光素子を容易に提供可能となる。このように、凹凸部形成層１２の形成により、金属微粒子層の形状異方性制御と、媒体の屈折率制御を一度に行うことが可能となる。

一方、プロジェクターなどの光学機器への適用例においては、ある程度の面積をもつ偏光板が必要となる。本実施形態によれば、上述の金型転写技術を用いた凹凸部１３の形成と、ステップアンドリピートによる大面積への凹凸部形成とにより、これらの光学機器に必要な大きさの偏光板を容易かつ安価に提供することが可能となる。

また、偏光素子の構成に有機材料を用いていないので、高温下での使用における耐久性の向上を図ることができる。従って、プロジェクターへの適用例などのように、強い輻射線に対する耐久性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
図９および図１０は本発明の第２の実施形態を示している。ここで、図９は本実施形態による偏光素子２０の概略構成図であり、Ａは側断面図、Ｂは平面図である。図１０はその凹凸部２３，２５の拡大図である。

図９において、２１は基板、２２は凹凸部形成層、２３は凹凸部、２４はアルミニウムからなる金属微粒子層である。上述の第１の実施形態においては、金属微粒子層１４を凹凸部１３の頂部に形成した例を説明したが、本実施形態では、凹凸部２３の一側面部に金属微粒子層２４が形成されている。

本実施形態において、凹凸部２３は、Ｙ軸方向に長手方向を有する格子状を有する点で上述の第１の実施形態と共通するが、当該長手方向に複数に分割されておらず、Ｘ軸方向にのみ周期的に凸状部が配列されている点で第１の実施形態と異なっている。凹凸部２３の形成は、上述した金型転写法が有利である。

凹凸部２３の凸状部の形状は四角形や台形などの矩形状、あるいは鋸歯形状に形成することができる。図１０Ａは凹凸部２３の凸状部２３ａが断面矩形状で、その一側面部に金属微粒子層２４を形成した例を示している。また、図１０Ｂは凹凸部２５の凸状部２５ａが断面鋸歯形状で、その垂直方向に立設した一側面部に金属微粒子層２４を形成した例を示している。凸状部の断面を鋸歯状に形成することで、凸状部の頂部への膜の付着を回避することができる。

また、金属微粒子層２４の形成は、上述の第１の実施形態と同様、図１１に示すような基板表面に対して斜め方向からのイオンビームスパッタによって行うことができる。この場合も基板１１の傾斜角θは０°〜１０°である。ここで、基板表面への入射粒子の方向を制御し凹凸部２２の側壁部にのみ粒子を堆積させるために、基板１１の直上に平板状の制御板４を配置するのが有効である。基板１１と制御板４との間の離間距離は、例えば５０ｍｍである。

以上のようにして金属微粒子層２４を凹凸部２３，２５の一側面部に形成することにより、当該凹凸部に入射する光から見て、上述の第１の実施形態よりも金属微粒子層２４の形成幅を小さくできる。金属微粒子の大きさが波長に対して十分小さくなると、金属微粒子の共鳴吸収効果により所定の波長の光を吸収する。

図１２は、石英製基板に塗布したポリマー（Micro Resist Technology社製mr-I 8010）を格子パターン（１０ｍｍ×１０ｍｍ：ピッチ１５０ｎｍ、ライン／スペース０．７、深さ１５０ｎｍ、格子長さ１０ｍｍ）のモールドで熱式ナノインプリント法によりプレス成形しモールドパターンを基板に転写後、ＣＦ₄ ガスによりレジストをマスクとして石英基板をエッチングし、アルミニウムをイオンビームスパッタ装置により３０ｎｍ成膜（基板傾斜角θ＝５°）した基板の断面の透過型電子顕微鏡写真である。凹凸部の側壁にのみアルミニウムが堆積していることがわかる。

図１３は、基板表面にＡｌ膜を５ｎｍ成膜し、レジストマスクを介してＡｒ＋ＣＦ₄ ガスによるイオンエッチングを施して、ピッチ１５０ｎｍ、ライン幅（Ａｌの形成幅）１０ｎｍに加工した素子の偏光特性を示している。確かに偏光特性は得られているが、消光比が小さく透過軸方向透過率も低い。その原因は、作製時のアルミニウムの酸化、腐食やエッチング粒子の再付着によるエッチング後の形状の乱れなどにあると考えられる。特に形状に関して、大きな消光比を得るためには、長軸、短軸の比が大きくかつ楕円形などの単純な形が望ましい。短軸方向の腐食や再付着による形状の乱れは、短軸側の長さを光の波長より十分小さく、すなわち数１０ｎｍ程度にする必要があるため、特性に大きな影響を与える。

これに対して本実施形態においては、アルミニウム層のエッチングが必要ないので腐食、再付着の心配はない。さらに大きな消光比を得るためには膜厚１０ｎｍ以上にする必要があるが、エッチングの場合はエッチング時間が長くなるに従い、腐食、再付着の影響が大きくなる。しかし、凹凸部上に格子状に成膜する場合はこのような問題は一切発生しない。更に、パターニングの場合には、ライン幅のパターン精度で短軸の幅が決まってしまうが、凹凸部の側壁に集中的にアルミニウム粒子を堆積させることで、パターン精度に依存することなく容易に理想形状を実現できる。

次に、図１４は、アルミニウム微粒子層を６０ｎｍ厚みで格子状の凹凸部２３の側面に形成したサンプルの偏光特性である。吸収軸方向の反射率が大きく、完全な吸収型となっていない。これは格子長が測定波長以上のためである。長手方向に振動している光波に対しては、堆積したＡｌ微粒子層が波長以上の長さであれば、いわゆるワイヤグリッド型の偏光板と同じ原理で反射成分が生じるためである。反射成分が支配的でないのは、堆積粒子の粒界のためである。

一方、図１５は、図１４のサンプルを真空中（１０^-6Ｔｏｒｒ）で５００℃×１４時間熱処理した後、一旦室温にまで冷却し、更に再度５５０℃にまで昇温して１時間熱処理したサンプルの偏光特性を示している。消光比が向上し反射成分が減少していることがわかる。これは熱処理による熱凝集で金属微粒子の孤立化や粒界の増加が進むためである。

以上のように、凹凸部１２の側面に形成された金属微粒子層２４は、熱処理を施すことで、格子の長手方向に沿って複数の微粒子領域が分割形成される。これにより、偏光特性の向上を図ることができる。なお、熱処理条件は勿論、上記の条件に限られない。また、熱処理だけに限らず、例えばエッチング等によって物理的に微粒子領域を分割形成する手法を用いても同様な効果が得られる。また、金属微粒子層の成膜後にラッピングシートによって長手方向と垂直に金属微粒子堆積層表面を研磨することも微粒子領域の分割形成法として有効である。

更に、熱処理による金属微粒子領域の多分割工程は、上述の第１の実施形態にも当然に適用することができ、偏光特性の向上に大きく貢献することができる。なお、アルミニウムの融点よりも低い温度での処理であるので、微粒子の反応による影響は少ない。

更に熱処理による微粒子化法は生産性の観点からも有益である。すなわち、上記特許文献５に記載のように金型転写法で島状微粒子層を形成する方法では、その長軸長さを入射波長以下にする必要があるが、可視光偏光板の場合には青の光は４５０ｎｍ近辺であり、金型の長軸長をこの寸法以下にしなければならない。従って、金型製作のため短軸、長軸の２軸の精密加工が必要となる。これに対して、上述した熱処理法を利用すれば、長軸長さを問わないので、金型を短軸長さのみ制御すればよい。

（第３の実施形態）
図１６は本発明の第３の実施形態による偏光素子３０の概略構成を示しており、Ａは側断面図、Ｂは平面図である。図１６において、３１は基板、３２は凹凸部形成層、３３は凹凸部、３４は半導体材料からなる半導体微粒子層である。半導体微粒子層３４は、凹凸部３３の一側面部に形成されている。

本実施形態において、凹凸部３３は、基板３１の面内一方向（例えば図１６ＢにおいてＸ方向）とこれに直交する他の方向（例えば図１６ＢにおいてＹ方向）にそれぞれ周期的に形成された断面矩形状の複数の格子状の凸状部で形成されている。この凸状部の一側面部側に半導体微粒子層３４を形成することで、基板３１上に半導体微粒子が島状に分布形成されている。

凹凸部３３は、上述の第１の実施形態における凹凸部１３と同様に構成されており、かつ同様な方法で形成される。なお、凹凸部３３の断面形状は図示する矩形状に限らず、三角形状や鋸歯形状等であってもよい。また、凹凸部３３は、上述の第２の実施形態において説明したように、Ｘ方向にのみ周期的に凸状部が配列された構成でも構わない。

半導体微粒子層３４は、ベータ鉄シリサイド（β−ＦｅＳｉ₂）、Ｓｉ（シリコン）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、テルル（Ｔｅ）のいずれかの成分を含む半導体材料の微粒子層からなる。凹凸部３３の凸状部の一側面部に半導体微粒子層３４を形成する方法としては、上述した真空蒸着法やイオンビームスパッタ法等の斜め成膜法が有効である。半導体微粒子層３４は、凹凸部３３のピッチ方向（Ｘ方向）と長手方向（Ｙ方向）とで異方的な形となり（凹凸部側壁に円柱形もしくは楕円体が貼り付いた形）、かつ厚みが光の波長より十分小さい。

半導体微粒子層３４の大きさが波長に対して十分小さくなると、所定の波長の光を吸収する。吸収の原理は、金属微粒子層と同様な共鳴による吸収である。特に、波長１μｍ以下で高い消光比を得るには複素比誘電率の大きい材料であるゲルマニウム、テルルが有効である（上記非特許文献３参照）。本実施形態によっても上述の各実施形態と同様な効果を得ることができる。特に本実施形態によれば、例えばプロジェクター用途などの大面積を必要とする偏光板に好適に用いることができる。

なお、プロジェクター用途では、高いコントラストを必要としないプリ偏光板も使われる。即ち、偏光板の熱劣化を抑えるために液晶パネルから出射した光を２枚の偏光板で分担する方法において、前段の偏光板で出射側プリ偏光板と呼ばれるものがある。プリ偏光板は熱をとることが目的なので、消光比は低くても構わないが高い透過率が求められる。

図１７は、半導体微粒子層３４としてゲルマニウムを用いて製作した偏光板３０の偏光特性の一例を示している。光のエネルギーが最も強い青域（波長が４５０ｎｍ付近）においてプリ偏光板の要求特性を満たしている。有機フィルムを使用した偏光板と違い、無機材なので熱劣化が比較にならないほど小さく、機器の長期信頼性の大幅な向上を実現できる。

本実施形態において、半導体微粒子層３４を構成する半導体材料は、β−ＦｅＳｉ₂ も有効である。この材料は吸光度が非常に高いことが知られており、偏光板の用途としても適している。この材料の成膜方法としては、上述の斜め成膜法が有効である。即ち、ＳｉとＦｅを同時にもしくは交互に斜め方向から凹凸部３３の側面部に堆積させ、成膜中の熱処理もしくは成膜後の熱処理によりβ−ＦｅＳｉ₂ を得ることができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の第１，第２の実施形態では、金属微粒子層２４は純アルミニウム（９９．９９９％）を用いたが、Ａｌ−Ｃｕ（Ｃｕ＜５ｗｔ％）、Ａｌ−Ｓｉ（Ｓｉ＜５ｗｔ％）等のアルミニウム合金を用いてもよい。この場合、微量の不純物によりアルミニウムが微粒子化するので、反射成分の抑制に効果がある。

また、以上の各実施形態では、金属微粒子層や半導体微粒子層といった無機微粒子層が形成される基板上の凹凸部の断面形状が矩形状又は鋸歯形状を例に挙げて説明したが、これらに限られず、例えば図１８Ａに示すように、凹凸部形成層４２の表面に形成された凹凸部４３の凸状部の断面形状を二等辺三角形状とし、この凹凸部４３の一側面部に無機微粒子層４４を形成してもよい。

また、無機微粒子層４４は凹凸部の一側面部に形成される場合に限らず、図１８Ｂに示すように、凹凸部４３の両側面部に無機微粒子層を形成しても構わない。この構成によりコントラストの更なる向上を図ることができる。

更に、凹凸部の両側面部に無機微粒子層を形成する他の実施形態を図１８Ｃに示す。図１８Ｃは、一側面部に無機微粒子層４４が形成された凹凸部４３を中間層４３で被覆し、凹凸部４３の表面形状にならって凹凸化した中間層４５に対して他側面部側から無機微粒子層４４を形成した例を示している。中間層４５は、可視光域に透明でかつ屈折率が１．１から１．７程度の薄膜（例えばＳｉＯ₂）で構成することができる。

更に、単層で製作された偏光板を多層化することで、消光比の更なる向上を図ることが可能である。多層化には上記のほか、下記の方法がある。
（１）金属微粒子層の形成後、基板上にゾルゲル法やスパッタ法などにより可視光帯域に対し透明でかつ屈折率が１．１から２．２の薄膜を成膜し、この薄膜を凹凸部形成層として更にその上に金属微粒子層を形成する工程を繰り返し行う方法、
（２）基板の両面に凹凸部形成層および凹凸部、更に金属微粒子層をそれぞれ形成する方法、
（３）複数枚の偏光素子を透過特性に影響を与えない接着剤を介して貼り合わせる方法、などがある。

本発明の第１の実施形態による偏光素子１０の概略構成図であり、Ａは側断面図、Ｂは平面図である。 偏光素子１０の一製造方法を説明する工程断面図である。 金属微粒子層２４の形成方法を説明するイオンビームスパッタ装置の概略図である。 本発明の第１の実施形態による偏光素子のサンプルの偏光特性を示す図ある。 偏光素子１０の他の構成例を示す図であり、Ａは側断面図、Ｂは平面図である。 偏光素子１０の他の製造方法を説明する工程断面図である。 金型転写法による凹凸部の形成例を説明する図である。 金属微粒子層の共鳴波長と下地媒質層の屈折率との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態による偏光素子２０の概略構成図であり、Ａは側断面図、Ｂは平面図である。 偏光素子２０の凹凸部２３の拡大図とその形状変形例を示す図である。 金属微粒子層２４の形成方法を説明するイオンビームスパッタ装置の概略図である。 本発明の第２の実施形態による偏光素子のサンプルの透過型電子顕微鏡写真である。 本発明の第２の実施形態において説明する比較例としての偏光素子サンプルの偏光特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態において説明する偏光素子サンプルの熱処理前の偏光特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態において説明する偏光素子サンプルの熱処理後の偏光特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態による偏光素子３０の概略構成図であり、Ａは側断面図、Ｂは平面図である。 偏光素子３０の偏光特性の一例を示す図である。 本発明に係る偏光素子の構成の変形例を示す概略断面図である。

符号の説明

１…ステージ、２…ターゲット、３…ビームソース、４…制御板、１０，２０，３０…偏光素子、１１，２１，３１…基板、１２、２２，３２…凹凸部形成層、１３，２３，２５，３３…凹凸部、１４，２４…金属微粒子層、１５…金型（モールド）、３４…半導体微粒子層

Claims (18)

1. 可視光に対し透明な基板と、
   前記基板上に形成された格子状の凹凸部と、
   当該凹凸部の頂部又はその少なくとも一側面部に形成されたアルミニウム系材料又は半導体材料からなる無機微粒子層とを備えた
   ことを特徴とする偏光素子。
2. 前記半導体材料は、Ｓｉ、β−ＦｅＳｉ₂、Ｇｅ、Ｔｅのいずれかの成分を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
3. 前記凹凸部は、前記基板の面内一方向に周期的に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
4. 前記凹凸部は、前記基板の面内一方向とこれに直交する他の方向にそれぞれ周期的に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
5. 前記凹凸部は断面矩形状であり、その頂部または一側面部に前記無機微粒子層が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
6. 前記凹凸部は断面鋸歯形状であり、その一側面部又は両側面部に前記無機微粒子層が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
7. 前記凹凸部は、前記基板の表面に形成され可視光に対して透明な凹凸部形成層からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
8. 前記凹凸部形成層は、ポーラスフッ化物又はポーラス酸化物からなる
   ことを特徴とする請求項７に記載の偏光素子。
9. 前記凹凸部の屈折率は、１．０以上２．５以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
10. 前記無機微粒子層は、前記凹凸部の長手方向に複数の微粒子領域が分割形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
11. 前記凹凸部と前記無機微粒子層とからなる光学層が、複数積層されてなる
    ことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
12. 前記凹凸部のピッチ、ライン幅／ピッチ、格子深さ、格子長さ、上部ライン幅／底部ライン幅が、それぞれ以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
    ０．０５μｍ＜ピッチ＜２μｍ、
    ０．１＜（ライン幅／ピッチ）＜０．９、
    ０．０１μｍ＜格子深さ＜０．２μｍ、
    ０．０５μｍ＜格子長さ、
    １．０≦（上部ライン幅／底部ライン幅）
13. 基板の表面に格子状の凹凸部を形成する工程と、
    前記基板の表面に対して斜め方向から前記凹凸部の頂部又はその少なくとも一側面部にアルミニウム系材料又は半導体材料からなる無機微粒子層を形成する工程とを有する
    ことを特徴とする偏光素子の製造方法。
14. 前記無機微粒子層の形成後に、前記凹凸部の長手方向に複数の微粒子領域を形成する工程を有する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の偏光素子の製造方法。
15. 前記複数の微粒子領域の形成を前記無機微粒子層の熱処理により行う
    ことを特徴とする請求項１４に記載の偏光素子の製造方法。
16. 前記凹凸部の形成を前記基板表面に対する研磨シートによるラッピングで行う
    ことを特徴とする請求項１３に記載の偏光素子の製造方法。
17. 前記凹凸部の形成を前記基板表面に対する金型の転写により行う
    ことを特徴とする請求項１３に記載の偏光素子の製造方法。
18. 前記無機微粒子層の形成をイオンビームスパッタ法で行う
    ことを特徴とする請求項１３に記載の偏光素子の製造方法。