JP2008107392A - ワイヤグリッド偏光板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ワイヤが安定した構造であり、さらに隣接する金属線の重なりができないワイヤグリッド偏光板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】周期的な凹凸形状をもつ基板表面上に、表面活性化処理が施されており、この凹部に金属層が設けられているワイヤグリッド偏光板とし、好ましくは、基板上にポリマー材料を塗布し、その上部にインクプリント法により凹凸を形成し、その後、プラズマエッチングにより、ポリマー材料をエッチバックするか、あるいはポリマー材料とともに、基板に対しても凹凸を形成し、次いで、金属層を膜着し、その後、ポリマー材料を剥離してワイヤグリッド偏光板を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に、光の偏波面を制御するワイヤグリッド偏光板およびその製造方法に関するものである。

ワイヤグリッド偏光板は、約１００年前に電波（ミリ波、マイクロ波など）の偏光分離で提案された。この原理を用いて、近年、金属より構成される回折格子（ワイヤグリッド）を光の波長よりも小さな間隔で配列することにより偏光分離を行うワイヤグリッド偏光板が提案されている。
この偏光板は、ガラス基板上に電子線リソグラフィー法あるいは干渉露光などによってマスクパターニングとドライエッチングを施すものであり、こうした技術でワイヤグリッドを形成するものであり、実際、このような技術により、ガラス基板上にワイヤグリッドを形成する偏光分離素子が提案されている（特許文献１参照）。この偏光分離素子は、ガラス基板上に９０ｎｍのＡｌワイヤ（ピッチ：１４４ｎｍ、高さ：１００〜２００ｎｍ）を形成している。この文献では、凸部が高く、かつその凸部が金属で構成される構造が高い効率を有するというシュミレーション結果が示されている。

さらに、ナノインプリントの技術で凹凸パターンを転写してその表面に斜め蒸着法でナノサイズの金属ワイヤを作製する試みもなされている（非特許文献１および特許文献２参照）。

特許文献１で提案されている構造は平面上に凸部の突起形状に金属ワイヤが形成されている。一方、特許文献２では斜め蒸着により、全体の金属表面積を増やした構造となっている。
しかしながら、両者とも、凸部が不安定な構造となるため、この部分が折れたり、倒れたりすると、偏光機能に大きな影響を生じる。
さらに、特許文献１に示す金型の製造方法においては、ガラスや石英基板に対し、直接、リソグラフィおよびドライエッチングを施すことにより正確なパターンを形成することが求められる。この点を考慮して提案されたのが、特許文献２の斜め蒸着の技術である。
しかしながら、斜め蒸着法で基板に金属パターンを形成するとき、隣接する金属線の重なりができ、正確な金属格子を作製することはできないという実際上の問題がある。また、蒸着金属がむき出しになっているため、機械的強度が弱いという問題がある。

また、特許文献３には、基体の平坦な面に、導電性材料によるライン格子が埋め込まれ、該ライン格子の露呈部と上記基体の平坦な面とが同一の平面をなすように形成されている偏光素子が開示されている。ライン格子の断面形状として、逆台形状、Ｖ字状、Ｕ字状のものが開示されている（特に、図８参照）。
また、特許文献４には、基体の平坦な面に、導電性材料によるライン格子が埋め込まれ、該ライン格子の露呈部と上記基体の平坦な面とが同一の平面をなすように形成されている偏光素子が開示されている。ライン格子の断面形状として、Ｕ字状のものが開示されている（特に、図１参照）。
また、特許文献５には、ナノプリント法を用いて凹凸パターンを転写させた後に、該凹部にメッキ法にて金属細線を形成して、ワイヤグリッド型偏光板を形成する技術が開示されている。
米国特許第６１２２１０３号明細書 特開２００６−３４４７号公報 特開２００４−１５７１５９号公報 特開２００４−３０９９０３号公報 特開２００５−７０４５６号公報 ディ・イー・プロバー 他（D.E.Prober,et al）著，「ファブリケーション オブ ３００Ａ メタル ラインズ ウイズ サブストレート−ステップ テクニックス（ Fabrication of 300A metal lines with substrate-step techniques）」, アプライド フィジックス レター（Applied Physics Letter），第３７巻（Vol.37），第１号，１９８０年，ｐ．９４−９６

しかし、これらでも、強度が大である光を偏光板に照射すると、基板が加熱されて、基板から金属細線が剥離するおそれがある。
また、光源の近傍に配置された場合、光源からの熱が偏光板に向けて放射されることによって、基板が加熱されて、基板から金属細線が剥離するおそれがある。
以上述べた課題に鑑みて、本発明は、金属ワイヤが安定した構造であり、さらに隣接する金属線の重なりができないワイヤグリッド偏光板およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、周期的な凹凸形状をもつ基板表面上に、表面活性化処理が施されており、この凹部に金属層が設けられていることを特徴とするワイヤグリッド偏光板である。
このときの表面活性化処理は、プラズマ処理、Ｏ_３処理およびチオール基による表面修飾処理から選ばれた１種以上であることが好ましい。
このうち、プラズマ処理は、ＲＩＥ、グロー放電およびコロナ放電から選ばれた1種以上であることが好ましい。
これらの場合、基板表面は、ポリマー材料、就中、疎水性のポリマー材料、特にフォトレジストから形成されていることが好ましい。
また、金属層は、周期２００ｎｍ以下で配列されていることが好ましい。
また、本発明は、基板上にポリマー材料を配してポリマー薄膜を形成する工程と、前記ポリマー薄膜に対して微細な凹凸周期構造を有する原版を押圧する押圧パターン転写工程と、前記ポリマー薄膜を介して前記基板にエッチング処理を施して前記凹凸パターンに対応する凹部を前記基板に形成し、且つ前記凹部表面を活性化処理する凹部形成工程と、前記基板の凹凸パターンに金属薄膜を膜着する工程と、前記ポリマー薄膜を剥離する工程とを有することを特徴とするワイヤグリッド偏光板の製造方法である。
さらに、本発明は、基板上にポリマー材料を配してポリマー薄膜を形成する工程と、前記ポリマー薄膜に対して微細な凹凸周期構造を有する原版を押圧して前記ポリマー薄膜および前記基板に凹凸パターンを転写する転写工程と、前記凹凸パターンに金属を膜着する工程と、前記基板の凹部に対して表面活性化処理を施す表面活性化工程と、前記ポリマー薄膜を剥離する工程とを有することを特徴とするワイヤグリッド偏光板の製造方法である。
これらの場合、ポリマーは、フォトレジストであることが好ましい。
また、金属層の膜着は、スパッタ、蒸着、銀鏡反応またはメッキによることが好ましい。

本発明のワイヤグリッド偏光板は、金属を埋め込んだ構造となるので、金属が倒れることがなくなり、安定した構造となる。これは、従来、金属部分が突起状になっていたため、倒れたりするデメリットがあったのを解決するものである。
また、本発明のワイヤグリッド偏光板の製造方法では、好ましくは、プラズマ処理等で基板表面を活性化するため、金属が基板に強く付着される利点を有する。基板の凹部に金属を埋め込み、プラズマ処理等で強く密着するため、十分な強度を有する効果がある。

本発明においては、好ましくは、基板凹部と同一平面に金属細線を配置する。この際、凹部を含む疎水性の表面は、表面活性化処理が施されていなければならない。この表面活性化処理により、凹部を含む基板表面は、水との接触角が５０°以下とされることが好ましい。水との接触角は、本発明において、好ましくは、用いられる親水化処理後のポリマー材料の水との接触角は、好ましくは、６０°以下、より好ましくは、５０°以下であり、下限値は、通常、５°程度である。表面活性化処理を施される前の基板表面は、疎水性であり、水との接触角は、９０°以上、通常、１００°〜１５０°程度である。
この表面活性化処理は、プラズマ処理、Ｏ_３処理およびチオール基による表面修飾処理からなる群から選択されたものである。
この場合、上記の特許文献３，４には、金属細線を基板と同一表面に配置する旨は、開示されているが、どのようにして配置するかはもとより、凹部に表面活性化処理を施す旨は、開示も示唆もされていない。また、特許文献５には、基板上に疎水性の薄膜を設け、その上に親水性の薄膜を設け、その後，ナノインプリントリソグラフィーによって、型を押圧し、溝を形成することが開示されている。その際、溝の底部に親水性薄膜のみを残留させる必要があるが、疎水性薄膜が残留している場合、プラズマ処理により、それを除去してもよいとの記載がある。しかし、この場合の処理は本発明における親水性を付与するための活性化処理とは異なる。特許文献５では、プラズマ処理により親水性にしていることはあり得ない。疎水性薄膜が親水性になったら、そこにも膜着してしまうからであり、特許文献５には、そのようなことは開示されていない。この記載は、ただ単に、余分な部分を除去しようというだけのものである。疎水性薄膜に膜着することは考えていないのである。従って、特許文献５に示されるプラズマ処理は、本発明における表面活性化処理とは、全く異なるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態の例について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による第１の実施形態のワイヤグリッド偏光板の構造を示す断面図である。図示のワイヤグリッド偏光板は、基板１の断面四角形の凹部に、金属層２が埋め込まれた形態である。
基板材料としては、使用波長範囲において、光透過性を有する材料、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等のポリマーから形成されるプラスチックフィルム、ガラス、石英等が用いられる。そして、好ましくは、この基板材料上には、ポリマー材料が好ましくは、塗布によって設けられる。この場合のポリマー材料の塗布膜の厚さは、乾燥膜厚で、１００ｎｍ〜２μｍとすればよい。
そして、好ましくは、この基板材料を公知のナノインプリント法で、型押しして、凹凸を形成する（図７参照）。用いる型としては、周期２００ｎｍ以下、好ましくは、１００〜１５０ｎｍ程度に形成できれば、特に制限はなく、従来公知のいずれの作製方法で作製してもよい。また、凹凸の深さとしては、通常の５０〜３００ｎｍ程度とすればよい。押圧力としても、通常用いられる圧力とすればよい。
また、金属としては、ワイヤ部分が十分な導電性を有する必要があり、具体的には、Ａｌ，Ｃｒ，Ｃｕ等が使用される。この金属は、スパッタ、蒸着、メッキ、その他の公知のいずれの方法を用いてもよい。なお、金属薄膜（金属層）は、５００〜３０００オングストローム（５０〜３００ｎｍ）の厚さに膜着すればよい。
図２は、図１において、さらに、表面に保護膜３を設けたものである。なお、同じ部材には、同符号を付して示す。以下においても同様である。
このような保護膜は、蒸着・スパッタなどによって形成した薄膜であってもよく、また、数ミクロンからサブミクロンのフィルムを密着させたような形態であってもよい。
図３は、本発明によるその他の実施形態のワイヤグリッド偏光板の構造を示す断面図である。ここでは、図１のように、金属層２が埋め込まれて基板１とほぼ同一面の高さとなっているものではなく、金属層２が、基板１の面より高くなっており、若干浮き上がって形成されている様子が示されている。

図４，５，６は、本発明による第２の実施形態の構造が示される。図示例が前記の実施形態と異なるのは、金属細線の断面がＶ字状になっていることの他、ポリマー材料を基板に配して原版を押圧した後、ポリマー材料と基板との双方に凹凸パターンを転写していることである。表面活性化処理は、この凹凸パターンの凹部に対して施されている〔図８参照〕。
図４には、図１と同様に、金属層２が基板１とほぼ同一面となるように埋め込まれた例が示されている。
さらに、図５には、保護膜３を設けた例が、図６には、金属層２が基板１の面より若干浮き上がった構造になっている例が示されている。勿論、基板面より少し凹んだ構造であってもよい。
なお、以上では金属の断面形状が四角形およびＶ字状（三角形）の例を図示しているが、これに限定されず、Ｕ字状などであってもよい。

本発明においては、金属細線を配置するにあたって、凹凸が形成された基板表面に表面活性化処理を施す。この表面活性化処理により表面には，疎水性部分を親水性に変えることができる。
この場合、水との接触角は、６０°以内とすることができる。用いる表面活性化処理としては、プラズマ処理、Ｏ_３処理、チオール基による表面処理のいずれか1種以上であることが好ましい。

プラズマ処理の例としては、Ｏ_２を用いたＲＩＥ処理、グロー放電、コロナ放電が挙げられる。
Ｏ_２を用いたＲＩＥ処理は、高真空中で、高周波電流によってプラズマを生じさせ、そのなかに、Ｏ_２ガスを導入すると、Ｏ_２ガスがガラス管の基板に衝突し、該基板の表面を活性化することによって行われ、表面を親水性にするものである。その典型的な処理条件としては、電力（パワー）が２００Ｗ、Ｏ_２ガス圧力が２Ｐａ、エッチング時間が５秒〜１０分であり、一般的には、電力（パワー）が１００〜４００Ｗ、Ｏ_２ガス圧力が０．５〜２００Ｐａ、エッチング時間が２秒〜１０分の条件から選択される。この他、Ａｒ１．５ｓｃｃｍ（２．５×１０^−３Ｐａ・ｍ^３・ｓ^−１），Ｃｌ_２ ２ｓｃｃｍ（３．３×１０^−３Ｐａ・ｍ^３・ｓ^−１）の雰囲気とし、真空度８×１０^−４ｔｏｒｒ（０．１１Ｐａ）の条件下で、プラズマを発生させるマイクロ波電力が６０Ｗ，イオン電流が８０ｍＡ／ｃｍ^２，加速電圧が５００Ｖ，試料温度が０℃の処理条件がある。

一方、グロー放電には、大気圧グロー放電、低圧グロー放電がある。このうち、大気圧グロー放電は、大気圧雰囲気で、高周波（ＲＦ波）グロー放電を生じさせるものである。直流３００Ｖ程度の電圧で、放電を繰り返し、プラズマ状態を作る。基板となるポリマーフィルムの疎水性部分を架橋させて、親水基に変えることもできるし、ガラスや石英のＳｉ基に大気中の酸素が結合してＳｉＯ_２に変わり、親水性にすることができる。大気圧グロー放電の条件としては、一例として、周波数：８０ｋＨｚ，電極間ギャップ：１ｍｍ，下電極：ガラス１ｍｍ（水冷），上電極：銅（水冷）が挙げられ、一般的には、周波数：１〜１００ｋＨｚ，電極間ギャップ：０．１〜１００ｍｍとし、下電極としては銅、ガラス等を用い、上電極としてはステンレス鋼５、銅等を用いる。また、低圧グロー放電の条件の一例としては、圧力：１０Ｐａ，印加電流密度：１０ｍＡ／ｃｍ^２，周波数：８０ｋＨｚ：電極間ギャップ：１ｍｍ，下電極：ガラス１ｍｍ（水冷），上電極：銅（水冷）が挙げられ、一般的には、圧力：０．１〜２００Ｐａ，印加電流密度：０．１〜２００ｍＡ／ｃｍ^２，周波数：０．１〜１００ｋＨｚ：電極間ギャップ：１〜５０ｍｍとし、下電極としてはガラス、銅等を用い、上電極としては銅等を用いる。

Ｏ_３（オゾン）処理は、次のように行う。処理室内に酸素（Ｏ_２）ガスの反応性ガスを導入したのち、紫外線などの光を照射すると、オゾンが発生する。このオゾンにより、表面を親水化させることができる。但し、長時間アッシングすると、レジストも反応して除去されてしまう。短時間で親水化処理を行う。

チオール基による表面修飾処理は、加水分解によって、縮重合可能な含チオール有機シリコーン化合物（有機シリコーン化合物として、例えば、シリコントリアルコキシド、シリコンジアルコキシド、シリコンモノアルコキシド、シリコントリハライド、シリコンジハライド、シリコンモノハライド）のチオール基変性体や、チオール基をもつ金属アルコキシドなどを用いて行う。
例えば、メルカプトプロピルトリメトキシシラン（ＭＰＴＳ）をトルエン中に１質量％となるように溶解し、この溶液中に、被処理物を浸漬して、静かに引き上げた後、乾燥機にて５０℃で乾燥させるという手順に従う。

なお、上記のような表面活性化処理のうち、ＲＩＥなどの基板表面を物理的に処理する方法によれば、基板表面を粗面にすることが可能であるため、アンカー効果により基板と金属層との密着性が向上し、金属層剥がれを防止することができる。

（第１の実施形態の製造方法）
図７に、本発明の第１の実施形態による実施例を示す。
基板（ポリマーフィルム、ガラス、石英基板など）１上に、ポリマー材料をスピンコート等により塗布する。ここで、ポリマー材料は、例えば、フォトレジストを用い、フォトレジスト層１１を形成する〔図７（ａ）参照〕。フォトレジストプレス付きポリマーフィルム上にナノインプリント用の金型１０でプレスする〔図７（ｂ）参照〕。その結果、フォトレジスト層１１に金型の形態が転写される〔図７（ｃ）参照〕。その後、エッチバック法により、基板自体に凹部を形成する。ここで、予め、理論計算で、形状の最適化を行い、その形状の凹部をエッチングする。また、図示のように、ＲＩＥによるエッチバック法でこの凹部を形成するとき、フォトレジストが平面部分に残るように、フォトレジストの厚さを決める〔図７（ｄ），（ｅ）参照〕。
さて、上部に金属層２を蒸着またはスパッタ法により、凹部が完全に満ちるまで成膜する〔図７（ｆ）参照〕。
そして、リフトオフ法により、フォトレジスト層１１とその上部にある金属層２を除去する。最終的に、図１に示されるような、四角形の凹部をもつポリマーの基板１内に金属層２が埋め込まれたワイヤグリッド偏光板が完成する〔図７（ｇ）参照〕。なお、リフトオフ法としても特に制限はなく、公知の湿式法から適宜用いればよい。その条件も公知のいずれであってもよい。

実施例１
ガラス基板上に、フォトレジスト（東京応化製ｉ線用化学増幅型ポジ型フォトレジスト）を１μｍ厚（乾燥膜厚）に塗布した。その後、ナノインプリント法で、表面に凹凸を形成した。
次に、ＲＩＥ処理を施した。条件は、パワー２００Ｗ、Ｏ_２ガス圧力２Ｐa、処理時間１分とした。このＲＩＥ処理により、疎水性のフォトレジスト層は、親水性の３０°の水との接触角となった。
次いで、スパッタにより、Ａｌを膜着した。その後、リフトオフにより、フォトレジストを剥離した。
リフトオフは、次のように行った。フォトレジスト上に、金属材料、例えばＣｕを５００〜３０００オングストローム（５０〜３００ｎｍ)厚に着膜後、Ｃｒを５００オングストローム（５０ｎｍ）厚に着膜し、これをレジスト剥離液に浸漬し、レジストとレジスト上に着膜されたＣｕ-Ｃｒ膜を基板から分離した。
このようなリフトオフ法により、金属のストライプ模様を作製した。
このようにして得られたワイヤグリッド偏光板は、優れた偏光特性を発揮した。しかも、５０ｍＪの高い強度の光を連続照射しても特性の変化は見られなかった。

比較例１
プラズマエッチングの条件をＯ_２ガス圧力２Ｐa,投入パワー５Ｗ、時間１分に変えた他は、実施例１と同様にして、偏光板を作製した。このものは、疎水性薄膜の接触角は、１００°と変わらないものであった。この結果、５０ｍＪの連続照射には耐えられず、特性が劣化した。

（第２の実施形態の製造方法）
図８に、本発明の第２の実施形態による実施例を示す。
第１の実施形態の製造方法において、ポリマー材料、例えばフォトレジストを基板に配してフォトレジスト層１１を形成し〔図８（ａ）参照〕、原版、例えば金型１０を押圧〔図８（ｂ）参照〕した後、ポリマー材料と基板との双方に凹凸パターンを転写している〔図８（c）参照〕ことを除いては同様の操作を行う。表面活性化処理は、この凹凸パターンの凹部に対して施されており、表面活性化処理をしたのちに、金属層２を形成する〔図８（ｄ）参照〕。その後、リフトオフを行い、図４に示されるワイヤグリッド偏光版が得られる〔図８（ｅ）参照〕。このように、凹部に存在する基板に表面活性化処理を施すことによって、より一層基板との密着性が向上して、好ましい結果を得る。
この場合、基板材料としては、前述のように、プラスチックフィルム、ガラス、石英等の材料が可能である。
金属膜の膜着後に、リフトオフ法によって、ポリマー材料を剥離する。リフトオフ法としても特に制限はなく、公知の湿式法から適宜用いればよい。その条件も公知のいずれであってもよい。

金属ワイヤが安定した構造であり、さらに隣接する金属線の重なりができないワイヤグリッド偏光板が得られる。

本発明による第１の実施形態のワイヤグリッド偏光板の構造を示す断面図である。 本発明による第１の実施形態において、さらに保護膜を設けた態様のワイヤグリッド偏光板の構造を示す断面図である。 本発明によるその他の実施形態のワイヤグリッド偏光板の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態を示す断面図である。 本発明による第１の実施形態のワイヤグリッド偏光板の製造方法を示す断面図である。 本発明による第２の実施形態のワイヤグリッド偏光板の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 金属層
３ 保護膜
１０ 金型
１１ フォトレジスト層

Claims (9)

1. 周期的な凹凸形状をもつ基板表面上に、表面活性化処理が施されており、この凹部に金属層が設けられていることを特徴とするワイヤグリッド偏光板。
2. 前記表面活性化処理は、プラズマ処理、Ｏ_３処理およびチオール基による表面修飾処理から選ばれた１種以上である請求項１のワイヤグリッド偏光板。
3. 前記プラズマ処理は、ＲＩＥ、グロー放電およびコロナ放電から選ばれた1種以上である請求項２のワイヤグリッド偏光板。
4. 前記基板表面は、疎水性のポリマー材料から形成されている請求項１のワイヤグリッド偏光板。
5. 前記金属層は、周期２００ｎｍ以下で配列されている請求項１のワイヤグリッド偏光板。
6. 基板上にポリマー材料を配してポリマー薄膜を形成する工程と、
   前記ポリマー薄膜に対して微細な凹凸周期構造を有する原版を押圧する押圧パターン転写工程と、
   前記ポリマー薄膜を介して前記基板にエッチング処理を施して前記凹凸パターンに対応する凹部を前記基板に形成し、且つ前記凹部表面を活性化処理する凹部形成工程と、
   前記基板の凹凸パターンに金属薄膜を膜着する工程と、
   前記ポリマー薄膜を剥離する工程とを有することを特徴とするワイヤグリッド偏光板の製造方法。
7. 基板上にポリマー材料を配してポリマー薄膜を形成する工程と、
   前記ポリマー薄膜に対して微細な凹凸周期構造を有する原版を押圧して前記ポリマー薄膜および前記基板に凹凸パターンを転写する転写工程と、
   前記凹凸パターンに金属を膜着する工程と、
   前記基板の凹部に対して表面活性化処理を施す表面活性化工程と、
   前記ポリマー薄膜を剥離する工程とを有することを特徴とするワイヤグリッド偏光板の製造方法。
8. 前記ポリマーは、フォトレジストである請求項６または７のワイヤグリッド偏光板の製造方法。
9. 前記金属層の膜着は、スパッタ、蒸着、銀鏡反応またはメッキによる請求項６または７のワイヤグリッド偏光板の製造方法。

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