JP2012198307A

JP2012198307A - 偏光素子の製造方法

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Publication number: JP2012198307A
Application number: JP2011061050A
Authority: JP
Inventors: Hirotomo Kumai; 啓友熊井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: JP5708095B2; US8567215B2; CN102681073B; CN102681073A; US20120234046A1

Abstract

【課題】光学特性に優れた偏光素子を簡便に製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明の偏光素子の製造方法は、ガラス基板上に、金属ハロゲン化物の島状膜を形成する工程と、前記ガラス基板を加熱延伸することで前記島状膜を伸長させ、前記金属ハロゲン化物の針状粒子を形成する工程と、前記針状粒子の前記金属ハロゲン化物を還元することで金属からなる針状金属粒子を形成する工程と、を有し、前記金属ハロゲン化物は反応性物理蒸着法により前記ガラス基板上に堆積されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光素子の製造方法に関するものである。

偏光素子の一種として、偏光ガラスが知られている。偏光ガラスは無機物のみで構成できるため、有機物を含む偏光板に比べ、光に対する劣化が著しく少ない。したがって、近年高輝度化が進んでいる液晶プロジェクターにおいて有効な光学デバイスとして注目されている。

一般的な偏光ガラスとしては、特許文献１に記載されたものが公知であり、その製造方法は以下の通りである。
（１）塩化物、臭化物、及びヨウ化物の群から選択した少なくとも１つのハロゲン化物及び銀を含有する組成物から、所望の形状のガラス製品を作製する。
（２）そのガラス製品を、該ガラス製品中にＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、又はＡｇＩの結晶を生成せしめるのに十分な期間にわたり、歪み点より高いが、ガラスの軟化点からは約５０℃は高くない温度にまで加熱し、結晶含有製品を作製する。
（３）この結晶含有製品を、結晶が少なくとも５：１のアスペクト比に伸長されるように、アニール点より高いが、ガラスが約１０８ポアズの粘度を示す温度より低い温度において応力下で伸長せしめる。
（４）その製品を、該製品上に化学的な還元表面層を発達せしめるのに十分な期間にわたり、約２５０℃より高いが、ガラスのアニール点からは約２５℃は高くない温度の還元雰囲気に暴露する。ここで伸長ハロゲン化銀粒子の少なくとも一部は銀元素に還元されている。

一方、イオン交換法で銀又は銅をガラス表層中へ導入した後、銀又は銅のハロゲン化物の相を析出させ、これを伸長することでガラス製品の表層に偏光分離機能を有する層を形成する方法も知られている（特許文献２参照）。

特開昭５６−１６９１４０号公報特許第４３９４３５５号公報

特許文献１記載の製造方法では、ガラス製品中に万遍なくハロゲン化物が析出する一方で、還元工程ではガラス製品表層のハロゲン化物しか還元できないため、ガラス製品の厚さ方向の中央部分にハロゲン化物が残存する。そのため、偏光素子の透過率が低下し、液晶表示装置などに適用した場合、十分な明るさが得られない虞がある。
一方、特許文献２記載の方法によれば、ガラス製品の表層部にのみ銀又は銅を導入するので、還元されずに残るハロゲン化物に起因する上記の不具合を防止することができる。しかし、ガラス製品を高温（３５０℃〜７５０℃）の溶融塩中に８時間程度も浸漬させる必要があるため、環境負荷が高い。つまり、製造時の消費エネルギーが非常に多く、かつ生産性が悪い。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、光学特性に優れた偏光素子を簡便に製造する方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の偏光素子の製造方法は、ガラス基板上に、金属ハロゲン化物の島状膜を形成する工程と、前記ガラス基板を加熱延伸することで前記島状膜を伸長させ、前記金属ハロゲン化物の針状粒子を形成する工程と、前記針状粒子の前記金属ハロゲン化物を還元することで金属からなる針状金属粒子を形成する工程と、を有し、前記金属ハロゲン化物は反応性物理蒸着法により前記ガラス基板上に堆積されることを特徴とする。

この製造方法によれば、ガラス基板の表面に島状膜を形成し、この島状膜を延伸して針状粒子とした後、還元処理により針状金属粒子を形成しているので、金属ハロゲン化物を確実に還元処理することができる。したがって、金属ハロゲン化物の残存による光学特性の低下が生じることはない。また、薄膜形成工程を用いてガラス基板上に金属ハロゲン化物の島状膜を形成するので、イオン交換によりガラスの表層に金属を導入する従来との工程と比較して著しく簡便な工程で製造することができる。そのため、製造時の消費エネルギーを極めて少なくすることができ、生産性も高めることができる。

前記島状膜を形成する工程が、前記反応性物理蒸着法により前記ガラス基板上に前記金属ハロゲン化物からなる被膜を形成する工程と、前記被膜をエッチング処理することにより前記島状膜とする工程と、を有する製造方法としてもよい。
この製造方法によれば、被膜を形成する工程とは独立に被膜をエッチング処理する際の条件を選択することができるため、島状膜を構成する島状粒子の配置密度を容易に制御することができ、ひいては偏光素子の光学特性を容易に制御することができる。

前記エッチング処理が、不活性ガス又は反応性ガスを用いたドライエッチング処理である製造方法としてもよい。
この製造方法によれば、簡便に歩留まりよく金属ハロゲン化物の島状膜を形成することができる。

前記反応性物理蒸着法が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ａｌから選ばれる１種又は２種類以上の金属からなるターゲットと、ハロゲンガスを含むプロセスガスとを用いる反応性スパッタ法である製造方法としてもよい。
この製造方法によれば、歩留まりよく高速に金属ハロゲン化物をガラス基板上に形成することができるので、効率良く偏光素子を製造することができる。

実施形態の偏光素子の製造方法を示す図。エッチング工程後及び延伸工程後のガラス基板表面を示す平面図。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。

図１は、本実施形態の偏光素子の製造方法を示す図である。
本実施形態の偏光素子の製造方法は、図１に示すように、成膜工程Ｓ１と、エッチング工程Ｓ２と、延伸工程Ｓ３と、還元工程Ｓ４と、を有する。

成膜工程Ｓ１は、図１（ａ）に示したように、反応性物理蒸着法を用いて、ガラス基板１０上に金属ハロゲン化物からなる被膜１１を形成する工程である。
ガラス基板１０としては、特に限定されず、公知のいかなるガラス基板も用いることができる。これは、本実施形態の偏光素子の製造方法では、ガラス基板中に金属ハロゲン化物を析出させたり、ガラス基板の表面にイオン交換により金属イオンを導入したりする必要がなく、金属ハロゲン化物の被膜１１を形成可能なものであればよいからである。具体的には、石英ガラス、ソーダライムガラス、サファイアガラス、ホウ珪酸ガラス、アルミノホウ珪酸ガラス等、偏光素子の用途に応じて種々のガラス基板を用いることができる。

反応性物理蒸着法は、物理蒸着中の反応により化合物薄膜を形成する成膜法である。本実施形態の場合、物理蒸着法により飛散させた金属粒子と、反応ガスに含まれるハロゲンとの反応により、ガラス基板１０上に金属ハロゲン化物からなる被膜１１を形成する。

物理蒸着法としては、特に限定されず、蒸発系、スパッタ系のいずれであってもよい。蒸発系の物理蒸着法としては、例えば、真空蒸着法、分子線蒸着法（ＭＢＥ）、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法などを例示することができる。スパッタ系の物理蒸着法としては、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、ＥＣＲスパッタリングなどを例示することができる。

成膜工程Ｓ１において、例えば反応性スパッタを用いる場合、金属ターゲットとして、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ａｌから選ばれる１種又は２種以上の金属からなるターゲットを用いることができる。反応ガスとしては、ハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、Ｕｕｓ）のガス又はハロゲン化合物のガスが用いられる。これらを用いて形成される金属ハロゲン化物は、例えば、ＡｇＣｌｘ、ＡｌＦ、ＡｇＦ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＡｌＣｌｘ等である。

ハロゲン化合物ガスとしては、特に限定されるものではないが、ＢＣｌ_３、ＢＢｒ_３、ＢＦ_３等のホウ素化合物ガス、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６等のフッ化炭素化合物、ＧｅＣｌ_４、ＧｅＦ_４等のゲルマニウム化合物、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４等のシリコン化合物、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２等のシラン化合物、ＮＦ_３、ＰＦ_３、ＳＦ_６、ＳｎＣｌ_４、ＴｉＣｌ_４、ＷＦ_６等を挙げることができる。

次に、エッチング工程Ｓ２は、図１（ｂ）に示したように、成膜工程Ｓ１で形成した被膜１１をエッチング処理することで、多数の島状粒子１２ａからなる島状膜１２を形成する工程である。
エッチング処理としては、ドライエッチング処理を用いることが好ましい。ドライエッチング処理は被膜１１の材質に応じてガス種を選択して用いればよい。すなわち、不活性ガス（Ａｒ等）を用いたスパッタエッチング処理であってもよく、反応性ガス（Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＨＢｒ、ＣＦ_４、ＳＦ_６等）を用いた反応性ドライエッチング処理であってもよい。

図２（ｂ）は、エッチング工程後のガラス基板表面を示す平面図である。図２（ａ）に示すように、上記エッチング処理により、粒径が２〜８ｎｍ程度の金属ハロゲン化物（例えばＡｇＣｌｘ、ＡｌＦ等）からなる島状粒子１２ａが形成される。島状粒子１２ａの間の領域には、ガラス基板１０の表面が露出した領域１０ａが形成されている。
本実施形態のエッチング工程Ｓ２では、被膜１１を部分的に除去することで被膜１１を島状膜１２を形成するので、被膜１１のエッチング条件を緩やかにし、容易に制御可能な状態で処理を十知ることが好ましい。具体的には、被膜１１の膜厚にもよるが、エッチレートを１０ｎｍ／ｍｉｎ〜１００ｎｍ／ｍｉｎの範囲とすることが好ましい。

なお、本実施形態では、成膜工程Ｓ１において一様な被膜１１を形成し、その後のエッチング工程Ｓ２で被膜１１を島状膜１２へ加工することとしているが、成膜工程Ｓ１により島状膜１２を形成する場合には、エッチング工程Ｓ２は不要である。本実施形態の成膜工程Ｓ１では反応性物理蒸着法を用いて金属ハロゲン化物を成膜するが、金属ハロゲン化物は気化しやすいため、反応により生成する金属ハロゲン化物のガラス基板１０への付着と脱離のバランスを調整すれば、成膜工程Ｓ１により図２（ａ）に示したような島状膜１２を形成することが可能である。

次に、延伸工程Ｓ３では、図１（ｃ）に示すように、加熱して軟化させたガラス基板１０を、島状粒子１２ａが設けられているガラス基板１０の面と平行な方向に引き延ばす。引き延ばす方法としては、ガラス基板１０を面と平行な方向に引っ張る延伸処理であってもよく、圧力により薄く延ばす圧延処理であってもよい。延伸工程Ｓ３における加熱温度は特に限定されず、ガラス基板１０が溶融させることなく軟化させることができる温度に加熱すればよい。

延伸工程Ｓ３により、ガラス基板１０は延伸方向に引き延ばされるとともに薄く加工される。また、ガラス基板１０の島状粒子１２ａも延伸方向に引き延ばされ、図２（ｂ）に示すように、ガラス基板１０上で延伸方向（図示左右方向）に配向した多数の針状粒子１２ｂとなる。針状粒子１２ｂは、アスペクト比が５以上の細長い形状であり、例えば、幅１〜３ｎｍ、長さ５〜２０ｎｍ程度の大きさである。

また、複数の針状粒子１２ｂの間の領域には、図２（ａ）に示した領域１０ａが引き延ばされることによって、細長いスリット状の領域１０ｂが形成される。このスリット状の領域１０ｂの大きさは、島状粒子１２ａの形成密度により変化するが、幅１〜１０ｎｍ、長さ３〜５０ｎｍ程度である。

次に、還元工程Ｓ４では、図１（ｄ）に示したように、ガラス基板１０を、水素等の還元雰囲気中に配置するとともに加熱することで、針状粒子１２ｂを構成する金属ハロゲン化物を還元する。これにより、ガラス基板１０上に針状金属粒子１２ｃが形成される。例えば、針状粒子１２ｂがＡｇＣｌｘからなるものである場合には、Ａｇからなる針状金属粒子１２ｃが形成される。針状粒子１２ｂがＡｌＦからなるものである場合には、Ａｌからなる針状金属粒子１２ｃが形成される。
以上の工程により、ガラス基板１０上に、基板面内の一方向に配向した多数の針状金属粒子１２ｃがスリット状の領域１０ｂを介して配列された偏光素子１００を製造することができる。

本実施形態の製造方法により製造される偏光素子１００は、可視光の波長よりも狭い幅の針状金属粒子１２ｃが狭ピッチで配列されていることにより、透過光を所定の振動方向の直線偏光に分離する機能を奏する光学素子として用いることができる。
また従来の偏光ガラスでは、針状の金属粒子の配置密度は１μｍ^３あたり２０本以下程度であったため、高い偏光分離特性を得るためには、針状の金属粒子をガラス基板の厚さ方向に広く分布させる必要があった。これに対して本実施形態の偏光素子では、針状金属粒子１２ｃは、ガラス基板１０の表面に高密度で配置されているため、任意の厚さのガラス基板１０を用いることができ、薄型の偏光素子とすることも容易である。

以上に詳細に説明した本実施形態の製造方法によれば、薄膜形成技術を用いてガラス基板１０の表面に金属ハロゲン化物の島状粒子１２ａを形成し、これを延伸、還元するので、金属ハロゲン化物を確実に還元することができ、金属のみからなる針状金属粒子１２ｃを容易かつ確実に得ることができる。したがって、従来の偏光ガラスのようにガラス基板内部に金属ハロゲン化物が残留することによって、偏光素子の光透過率を低下させることがない。
また、島状粒子１２ａの形成に、反応性スパッタやドライエッチングなどの薄膜形成技術を用いているため、イオン交換によりガラス基板の表層部に金属元素を導入するプロセスのように高温の溶融塩に長時間浸漬するといった製造工程が不要である。そのため、製造時の消費エネルギーを極めて少なくすることができ、環境負荷を小さくすることができる。また、本実施形態の製造方法は従来の製造方法よりも生産性に優れている。

また本実施形態の製造方法では、エッチング工程Ｓ２により被膜１１を部分的に除去することで島状膜１２を形成するので、島状粒子１２ａの配置密度を極めて容易に制御することができる。すなわち、偏光素子の光学特性を極めて容易に制御することが可能である。
なお、成膜工程Ｓ１において島状膜１２を形成する場合には、成膜条件を調整して島状粒子１２ａと領域１０ａとの比率を調整すればよい。

また本実施形態の製造方法では、反応性物理蒸着法を用いて金属ハロゲン化物の被膜１１あるいは島状粒子１２ａを形成するので、形成する金属ハロゲン化物の材質変更が極めて容易であり、従来の偏光ガラスの製造プロセスでは使用することができなかった材質であっても用いることが可能である。このように材質の選択範囲が広がることで、偏光素子の光学特性の制御が容易になり、生産性を高めることも容易になる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の技術範囲は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
金属ターゲットとしてＡｇターゲット（純度９９．９９％、厚さ５ｍｍ、円盤状）が取り付けられた平行平板型のスパッタリング装置の真空容器内に、ガラス基板を配置した（基板−ターゲット間距離１１０ｍｍ）。次いで、Ａｒガス（純度９９．９９９％、流量４０ｓｃｃｍ）とＣｌガス（流量１０ｓｃｃｍ）の混合ガスを、圧力０．４Ｐａとなるように真空容器内に導入した状態で、Ａｇターゲットに５００Ｗの交流電力（発振周波数１３．５６ＭＨｚ）を入力し、１０分間の成膜を行った。これにより、スパッタされたＡｇ粒子をガラス基板上に飛来させ、Ｃｌと反応させながらガラス基板上に堆積させることで、ガラス基板上に厚さ３２１ｎｍのＡｇＣｌｘ膜を形成した。

次に、ＩＣＰドライエッチャー装置の真空容器内にＡｇＣｌｘ膜が形成されたガラス基板を配置した。次いで、Ａｒガス（流量１００ｓｃｃｍ）を圧力０．４Ｐａとなるように真空容器内に導入した状態で、ＩＣＰアンテナに３００Ｗ、基板バイアスに１２０Ｗの交流電力（発振周波数１３．５６ＭＨｚ）を投入し、Ａｒプラズマにより被膜１１をエッチングした。このエッチング処理により、図２（ａ）に示したのと同様の島状膜をガラス基板上に形成することができた。
次に、ガラス基板を延伸することにより、島状膜はガラス基板とともに引き延ばされ、図２（ｂ）に示すような形状の針状粒子１２ｂを得ることができた。さらに、針状粒子１２ｂを構成する金属ハロゲン化物を還元することにより、Ａｇからなる針状金属粒子１２ｃが形成された。

（実施例２）
金属ターゲットとしてＡｌターゲット（純度９９．９９％、厚さ５ｍｍ、円盤状）が取り付けられた平行平板型のスパッタリング装置の真空容器内に、ガラス基板を配置した（基板−ターゲット間距離１１０ｍｍ）。次いで、Ａｒガス（純度９９．９９９％、流量４５ｓｃｃｍ）とＣＦ_４ガス（流量５ｓｃｃｍ）の混合ガスを、圧力０．４Ｐａとなるように真空容器内に導入した状態で、Ａｌターゲットに３００Ｗの交流電力（発振周波数１３．５６ＭＨｚ）を入力し、１０分間の成膜を行った。これにより、スパッタされたＡｌ粒子をガラス基板上に飛来させ、Ｆと反応させながらガラス基板上に堆積させることで、ガラス基板上に厚さ２１２ｎｍのＡｌＦ膜を形成した。
次に、実施例１と同様にして、ＩＣＰドライエッチャー装置を用いたドライエッチング処理を行い、ＡｌＦ膜をエッチングした。このエッチング処理により、図２（ａ）に示したのと同様の島状膜をガラス基板上に形成することができた。
次に、ガラス基板を延伸することにより、島状膜はガラス基板とともに引き延ばされ、図２（ｂ）に示すような形状の針状粒子１２ｂを得ることができた。さらに、針状粒子１２ｂを構成する金属ハロゲン化物を還元することにより、Ａｌからなる針状金属粒子１２ｃが形成された。

実施例１と実施例２ではガラス基板上に単層の島状膜を形成して、そのガラス基板を延伸したが、島状膜を単層形成しただけでは偏光素子としての性能が不十分であれば、ガラス基板上に複数の島状膜を積層してからガラス基板を延伸してもよい。
この場合、１層目の島状膜の上に透明な絶縁膜を形成し、その絶縁膜の上に２層目の島状膜を形成する。１層目の島状膜と２層目の島状膜との間に絶縁膜を設けることにより、互いに積層された二つの島状膜同士が融合することが防止される。３層めの島状膜が必要であれば、２層目の島状膜の上に透明な絶縁膜をさらに形成し、該絶縁膜を介して３層めの島状膜を形成すればよい。絶縁膜の材料としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、チタン酸化物やジルコニウム酸化物など透明な材料を用いることができる。絶縁膜の厚さとしては特に限定されないが、例えば１００ｎｍとすることができる。このように複数の島状膜を積層した後、ガラス基板を延伸することにより、複数の島状膜はガラス基板とともに引き延ばされ、平面視で図２（ｂ）に示すような形状の針状粒子１２ｂを得ることができる。さらに、針状粒子１２ｂを構成する金属ハロゲン化物を還元することにより、針状金属粒子１２ｃを形成することができる。

以上に説明したように、複数の材質について、図２（ａ）に示した島状膜１２と同様の形状の島状膜を形成できることが確認された。これらの島状膜は、ＡｇＣｌｘ又はＡｇＦからなる島状粒子の集合体であることから、ガラス基板を延伸処理することにより、ガラス基板とともに引き延ばされ、図２（ｂ）に示す形状の針状粒子１２ｂを得ることができる。このように、本発明によれば、光学特性に優れた偏光素子を、従来よりも極めて小さい環境負荷で簡便に製造することができる。

１０…ガラス基板、１１…被膜、１２…島状膜、１２ｂ…針状粒子、１２ｃ…針状金属粒子、１００…偏光素子

Claims

ガラス基板上に、金属ハロゲン化物の島状膜を形成する工程と、
前記ガラス基板を加熱延伸することで前記島状膜を伸長させ、前記金属ハロゲン化物の針状粒子を形成する工程と、
前記針状粒子の前記金属ハロゲン化物を還元することで金属からなる針状金属粒子を形成する工程と、
を有し、
前記金属ハロゲン化物は反応性物理蒸着法により前記ガラス基板上に堆積されることを特徴とする偏光素子の製造方法。
前記島状膜を形成する工程が、
前記反応性物理蒸着法により前記ガラス基板上に前記金属ハロゲン化物からなる被膜を形成する工程と、
前記被膜をエッチング処理することにより前記島状膜とする工程と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光素子の製造方法。
前記エッチング処理が、不活性ガス又は反応性ガスを用いたドライエッチング処理であることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光素子の製造方法。
前記反応性物理蒸着法が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ａｌから選ばれる１種又は２種類以上の金属からなるターゲットと、ハロゲンガスを含むプロセスガスとを用いる反応性スパッタ法であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光素子の製造方法。