JP2015018016A - グリッド偏光素子、光配向装置、偏光方法及びグリッド偏光素子製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射でき、消光比や透過率といった基本性能において優れた特性を持つ偏光素子を提供する。
【解決手段】 透明基板１上に設けられた縞状の格子２はアモルファスシリコンで形成され、使用波長において屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きい。格子２を構成する各線状部２１において一方の側の隣りの線状部との距離をｔ、他方の側の隣りの線状部との距離をＴとしたとき、格子２は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有している。各線状部２１の幅の平均値をｗとしたとき、ｔ＜Ｔの部分ではｔ／Ｔ＞０．０１５９ｗ＋０．３７３５の関係である。
【選択図】 図１

Description

本願の発明は、グリッド偏光素子を用いた偏光技術に関するものである。

偏光光を得る偏光素子は、偏光サングラスのような身近な製品を始めとして偏光フィルターや偏光フィルム等の光学素子として各種のものが知られており、液晶ディスプレイ等のディスプレイデバイスでも多用されている。偏光素子には、偏光光を取り出す方式から幾つかのものに分類されるが、その一つにワイヤーグリッド偏光素子がある。

ワイヤーグリッド偏光素子は、透明基板上に金属（導電体）より成る微細な縞状の格子を設けた構造のものである。格子の間隔を偏光させる光の波長よりも狭くすることで偏光子として機能する。直線偏光光のうち、格子の長さ方向に電界成分を持つ偏光光にとってはフラットな金属と等価なので反射する一方、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ偏光光にとっては透明基板のみがあるのと等価なので、透明基板を透過して出射する。このため、偏光子からは格子の長さ方向に垂直な方向の直線偏光光が専ら出射する。偏光素子の姿勢を制御し、格子の長さ方向が所望の方向に向くようにすることで、偏光光の軸（電界成分の向き）が所望の方向に向いた偏光光が得られることになる。

以下、説明の都合上、格子の長さ方向に電界成分を持つ直線偏光光をｓ偏光光と呼び、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ直線偏光光をｐ偏光光と呼ぶ。通常、入射面（反射面に垂直で入射光線と反射光線を含む面）に対して電界が垂直なものをｓ波、平行なものをｐ波と呼ぶが、格子の長さ方向が入射面と平行であることを前提とし、このように区別する。

このような偏光素子の性能を示す基本的な指標は、消光比ＥＲと透過率ＴＲである。消光比ＥＲは、偏光素子を透過した偏光光の強度のうち、ｓ偏光光の強度（Ｉｓ）に対するｐ偏光光の強度（Ｉｐ）の比である（Ｉｐ／Ｉｓ）。また、透過率ＴＲは、通常、入射するｓ偏光光とｐ偏光光の全エネルギーに対する出射ｐ偏光光のエネルギーの比である（ＴＲ＝Ｉｐ／（Ｉｓ＋Ｉｐ））。理想的な偏光素子は、消光比ＥＲ＝∞、透過率ＴＲ＝５０％ということになる。

特開２０１１−８１７２号公報

光の利用については、ディスプレイ技術に代表されるように可視域の光を利用する場合が多いが、光通信等の分野では赤外域の光が利用される。一方、光をエネルギーとして利用する場合も多く、この場合には紫外域の光が利用されることが多い。例えば、フォトリソグラフィにおけるレジストの露光（感光処理）や紫外線硬化型樹脂の硬化処理等である。従って、偏光光の利用においても、偏光光をエネルギーとして利用する場合、紫外域の波長の偏光光が必要になってくる。

より具体的な一例を示すと、液晶ディスプレイの製造プロセスにおいて、近年、光配向と呼ばれる技術が採用されるようになってきている。この技術は、液晶ディスプレイにおいて必要な配向膜を光照射によって得る技術である。ポリイミドのような樹脂製の膜に紫外域の偏光光を照射すると、膜中の分子が偏光光の向きに配列され、配向膜が得られる。ラビングと呼ばれる機械的な配向処理に比べ、高性能の配向膜が得られることから、高画質の液晶ディスプレイの製造プロセスとして多く採用されるようになってきている。

このように、ある種の用途では、より短い波長域の偏光光を得ることが必要になってきており、そのための偏光素子が必要になっている。しかしながら、このような短波長域の光を偏光させる偏光素子については、それほど研究されておらず、製品としても実用的なものは殆ど出回っていない。短波長域とは、可視の短波長側（例えば４５０ｎｍ以下）から紫外域の波長域である。

可視光用としては、樹脂層の吸収軸を揃えた偏光フィルムがしばしば使用される。しかしながら、紫外線用としては、樹脂が紫外線により短期間に劣化するので、使用不可である。
紫外域の光を偏光させる場合、方解石を用いたプリズム偏光子を使うことができる。しかしながら、プリズム偏光子は、レーザーのように狭い領域に偏光光を照射する用途には適しているものの、光配向のようにある程度大きな領域に偏光光を照射する用途には向いていない。
ある程度広い領域に偏光光を照射できるものが、前述したワイヤーグリッド偏光素子である。複数のワイヤーグリッド偏光素子を並べてより広い領域に偏光光を照射することも可能である。

ワイヤーグリッド偏光素子において、縞状格子の材料には、タングステン、銅、アルミ等が使用される。紫外線用のワイヤーグリッド偏光素子の場合、紫外域においても高い反射率を持つアルミが使用されることが多い。しかしながら、ワイヤーグリッド偏光素子は、５００ｎｍ程度より長い可視域の光についてはある程度の高い消光比及び透過率を示すものの、波長が短くなるに従い４００ｎｍ付近から急激に消光比や透過率が低下してくる。この理由は、完全には解明されていないが、アルミの光学的性質に起因すると推測される。

このように、光配向のような光プロセスの用途では、可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射できる実用的な偏光素子が望まれているものの、消光比や透過率といった基本性能において優れた偏光素子は未だに開発されていない。配向処理の品質を高めるには、所望の向きに向いた偏光光のみが照射されるようにする必要があるし（消光比の向上）、生産性（処理効率）を上げるには、より透過率の高い偏光素子が必要になる。
本願の発明は、このような課題に考慮して為されたものであり、可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射でき、消光比や透過率といった基本性能において優れた特性を持つ偏光素子を提供する意義を有するものである。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とより成り、格子の材質において屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長の光を偏光させるグリッド偏光素子であって、
格子は、アモルファス状のシリコンで形成されており、
格子を構成する各線状部において一方の側の隣りの線状部との距離をｔ、他方の側の隣りの線状部との距離をＴとしたとき、格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有している。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長は、３３０ｎｍ以上であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記各線状部の幅の平均値をｗとしたとき、前記ｔ＜Ｔの部分においては、ｔ／Ｔ＞０．０１５９ｗ＋０．３７３５の関係であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１、２又は３の構成において、前記格子は、前記透明基板の表面に沿った方向であって前記線状部の長さ方向に垂直な方向で見た際、広い距離Ｔを隔てて二つの前記線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しない。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、光配向装置であって、光源と、請求項１乃至４いずれかに記載のグリッド偏光素子とを備えており、グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と光源との間に配置されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とより成るグリッド偏光素子を用い、格子の材質において屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長の光を偏光させる偏光方法であって、
格子は、アモルファス状のシリコンで形成されており、
格子を構成する各線状部において一方の側の隣りの線状部との距離をｔ、他方の側の隣りの線状部との距離をＴとしたとき、格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有している。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項６の構成において、前記屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長は、３３０ｎｍ以上であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項６又は７の構成において、前記各線状部の幅の平均値をｗとしたとき、前記ｔ＜Ｔの部分においては、ｔ／Ｔ＞０．０１５９ｗ＋０．３７３５の関係であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とより成り、格子を構成する各線状部において一方の側の隣りの線状部とのギャップの距離をｔ、他方の側の隣りの線状部とのギャップの距離をＴとしたとき、格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しているグリッド偏光素子を製造するグリッド偏光素子製造方法であって、
透明基板上に中間薄膜を作成する中間薄膜作成工程と、
中間薄膜をパターニングして多数の中間線状部から成る縞状とするリソグラフィ工程と、
リソグラフィ工程で縞状とされた中間薄膜の各溝の側面に格子用薄膜を作成する格子用薄膜作成工程と、
中間薄膜を除去して格子用薄膜により前記各線状部を形成する中間薄膜除去工程とを有しており、
リソグラフィ工程は、前記距離ｔのギャップが形成される位置に当該距離ｔに相当する幅Ｌ１で各中間線状部を形成するとともに、各中間線状部の離間間隔を、前記距離Ｔに前記線状部の幅を加えた距離Ｌ２とする工程であるという構成を有する。

以下に説明する通り、本願の各請求項の発明によれば、格子の材質において屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長の光を偏光させるグリッド偏光素子であって、格子がアモルファス状のシリコンで構成され、格子を構成する各線状部において一方の側の隣りの線状部との距離をｔ、他方の側の隣りの線状部との距離をＴとしたとき、格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しているので、透過率を大きく低下させることなく消光比を向上させることができる。このため、より質の良い偏光光を照射することができる。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、広い離間間隔Ｔで線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しないので、消光比が低下してしまうことがない。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、質の良い偏光光を高いエネルギーで照射しながら光配向が行えるので、良質な光配向膜を高い生産性で得ることができるようになる。
また、請求項９記載の発明によれば、リソグラフィ工程において、距離ｔのギャップが形成される位置に当該距離ｔに相当する幅Ｌ１で各中間線状部を形成するとともに、各中間線状部の離間間隔を、距離Ｔに線状部の幅を加えた距離Ｌ２とするので、基本性能の優れたグリッド偏光素子を容易に製造することができる。

本願発明の実施形態に係るグリッド偏光素子を模式的に示した斜視概略図である。 発明者らが行った実験において作成されたアモルファスシリコンの光学定数について示した概略図である。 実施形態のグリッド偏光素子における電磁波の伝搬状況をシミュレーションした結果の図である。 図２に光学定数を示すアモルファスシリコンにおいて２５４ｎｍを使用波長とした場合に偏在比ｔ／Ｔに対して透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。 アルミの光学定数について示した図である。 図５に光学定数を示すアルミを格子２の材質として採用した場合に偏在比ｔ／Ｔを変化させると透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。 実施形態のグリッド偏光素子において消光比が向上する理由について模式的に示した斜視概略図である。 ｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ちを確認したシミュレーションの結果を示す図である。 ｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により新たに電界Ｅｙが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。 アモルファスシリコン製の格子２を使用したグリッド偏光素子の最適な構造について検討した結果の図である。 実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。 実施形態のグリッド偏光素子の別の製造方法について示した概略図である。 図１１の製造方法により製造したグリッド偏光素子と図１２の製造方法により製造したグリッド偏光素子との形状の違いについて示した概略図である。 実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。

次に、本願発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の実施形態に係るグリッド偏光素子を模式的に示した斜視概略図である。図１に示すグリッド偏光素子は、透明基板１と、透明基板１上に設けられた格子２とから主に構成されている。実施形態の偏光素子は、ワイヤーグリッド偏光素子に類似した構造を有するが、後述するように格子２は導電体（ワイヤー）ではないので、単にグリッド偏光素子と呼ぶ。

透明基板１は、使用波長（偏光素子を使用して偏光させる光の波長）に対して十分な透過性を有するという意味で「透明」ということである。この実施形態では、紫外域の光を使用波長として想定しているので、透明基板１の材質としては石英ガラス（例えば合成石英）が採用されている。

格子２は、図１に示すように、平行に延びる多数の線状部２１より成る縞状のものである。各線状部２１は、アモルファス状のシリコンで形成されている。そして、格子２において、各線状部２１は偏在している。即ち、各線状部２１において一方の側の隣りの線状部２１との距離をｔ、他方の側の隣りの線状部２１との距離をＴとしたとき、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有している。以下、説明の都合上、ｔ／Ｔを偏在比と呼ぶ。

上記説明において、「実質的にｔ＜Ｔである部分」とは、一方の側の離間距離ｔが他方の側の離間距離Ｔと実質的に異なるという意味である。「実質的に」とは、製造上のばらつきで発生する距離の相違は含まない趣旨であり、後述する作用が発揮されるよう意図的にｔ≠Ｔとするという趣旨である。
また、「周期的」というのは、ランダムではないという程度の意味である。ｔ≠Ｔが製造上のばらつきによって生じる場合はランダムということになるが、後述する作用が発揮されるように意図的にｔ≠Ｔとするのであり、従って、周期的となる。尚、この場合の周期的とは、透明基板１の表面に沿って格子２の長さ方向に垂直な方向で見た際にｔ≠Ｔの部分が周期的に存在しているということである。

このような実施形態のグリッド偏光素子の構成は、可視短波長域から紫外域にかけての領域（以下、短波長領域と総称する）においてより高い消光比と透過率が得られるグリッド偏光素子の構成はどのようなものであるかについて発明者らが鋭意研究を行った成果である。
発明者らは、短波長領域において消光比と透過率が得られるグリッド偏光素子、特に格子２の構造や材料について鋭意研究を行った結果、従来のワイヤーグリッド偏光素子とは異なる考え方に基づいて格子２の材料や構造を選定することが有効であることが判ってきた。

従来のワイヤーグリッド偏光素子は、反射型グリッド偏光素子とも呼べるもので、格子に反射率の高い金属を使用し、格子の長さ方向に電界成分を持つ直線偏光光を反射させることで透明基板１を透過させないようにするものである。このような考え方のグリッド偏光素子では、前述したように、より短い波長領域では消光比や透過率といった基本性能の向上に限界が生じている。

本願の発明者らは、このような従来のグリッド偏光素子の考え方とは異なり、吸収型グリッド偏光素子ともいうべき考え方を想到するに至った。吸収型とはいっても、可視光用の偏光フィルム等で見られるような高分子による光の吸収を利用するというようなものではなく、電磁誘導現象による光の減衰を利用するものである。

周知のように、金属のような導電性の媒質における光の伝搬においては、屈折率は複素屈折率として取り扱われる。複素屈折率を通常の屈折率と区別するため、ｎ’とすると、複素屈折率ｎ’は、以下の式１で表される。

式１において、ｎは複素屈折率の実部（以下、屈折率実部という）、ｋはいわゆる消衰係数である。発明者らが想到するに至った電磁誘導現象による光の減衰を利用したグリッド偏光素子は、消衰係数ｋに比べて屈折率実部ｎが大きく、不均等なグリッド構造を採用した場合に得られる。

まず、実施形態のグリッド偏光素子で格子材質として使用されているアモルファスシリコンの複素屈折率と、比較例としてのアルミの複素屈折率について説明する。図２は、発明者らが行った実験において作成されたアモルファスシリコン膜の光学定数（屈折率実部ｎ、消衰係数ｋ）について示した概略図である。

図２に示す光学定数のアモルファスシリコン膜は、スパッタリングにより石英製の透明基板１上に作成されたもので、成膜温度は２５℃、膜厚は１００ｎｍ程度である。図２に示すように、アモルファスシリコンは、３３０ｎｍ程度の波長を境にｎとｋの大小が逆転する。即ち、３３０ｎｍ程度より短い波長域では屈折率実部ｎは消衰係数ｋよりも小さいが、３３０ｎｍ以上の波長域ではｎがｋより大きくなる。ｎ＞ｋの関係は、４００ｎｍまでの紫外領域で変わらず、また図示は省略されているが、４００ｎｍより長く４５０ｎｍを越えた可視領域でも同様である。

発明者らが想到するに至った吸収型グリッド偏光素子は、ｎ＞ｋの関係において有効に機能する。即ち、図２に光学定数を示すアモルファスシリコンでは、３３０ｎｍより長波長側で使用されたとき、有効に機能する。３３０ｎｍ以上の範囲で任意の波長を選択し得るが、一例として３６５ｎｍを使用波長とした場合について説明する。３６５ｎｍにおいて、アモルファスシリコンは、ｎ＝４．０３、ｋ＝３．０４である。
発明者らは、このようなｎ及びｋを有するアモルファスシリコンを格子２の材質とした場合、透過率や消光比がどのようになるかシミュレーションを行った。以下、この結果について説明する。

図３は、実施形態のグリッド偏光素子における電磁波の伝搬状況をシミュレーションした結果の図である。図３では、図２に示すシリコン薄膜により図１に示すグリッド偏光素子を構成した場合を仮想したものであり、偏在比ｔ／Ｔを色々と変えた場合に透過率及び消光比がどのように変化するかがシミュレーション解析されている。図３中の（１）は透過率を示し、（２）は消光比を示す。図３のシミュレーションでは、ＲＣＷＡ(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法が用いられており、アメリカ国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）が配布しているソフトウェア（http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/grating.htm）が使用され、各ｔ／Ｔにおける透過率及び消光比が算出された。

図２に示すように屈折率実部ｎや消衰係数ｋは波長によって異なる値となるが、前述したように波長は３６５ｎｍであり、ｎ＝４．０３、ｋ＝３．０４とした。誘電率や透磁率については、このｎ及びｋから予め計算して代入した。また、格子２の幅Ｗは１０〜３０ｎｍの間で５ｎｍ間隔で変化させたものの、高さは１７０ｎｍで一定とした。また、１０〜３０ｎｍのそれぞれの格子幅Ｗにおいて、偏在比ｔ／Ｔを変化させた。具体的には、偏在比ｔ／Ｔ＝１の時にｔ＝Ｔ＝９０ｎｍであることを起点とし、ｔ＋Ｔ＝１８０ｎｍを常に満たすように、ｔを小さく、Ｔを大きくさせることで、ｔ／Ｔを変化させた。

図３（１）では、ｔ／Ｔ＝１のとき（偏在していない場合）の透過率を１とし、これに対する相対値として、ｔ／Ｔを１未満とした場合の透過率が示されている。図３（２）の消光比も同様であり、ｔ／Ｔ＝１のときの値を１とした場合の相対値で示されている。
図３（１）に示すように、ｔ／Ｔを１未満とするとｔ／Ｔ＝１の場合に比べて透過率は低下するものの、１０〜３０ｎｍの格子幅Ｗにおいて、ｔ／Ｔ＝１〜０．３程度の範囲であれば、透過率の大きな低下はない。
一方、図３（２）に示すように、消光比については、格子幅ｗが２５ｎｍ以下の条件において、ｔ／Ｔを１未満とすることでｔ／Ｔ＝１の場合に比べて著しく向上することが確認される。

次に、比較例として、波長３３０ｎｍ未満の場合について説明する。例えば、図２において、波長が２５４ｎｍの場合、ｎ＜ｋとなる。このようなｎ及びｋの条件下でアモルファスシリコン製の格子２より成るグリッド偏光素子を構成した場合、透過率や消光比がどのようになるか同様にシミュレーションを行った。この結果が、図４に示されている。図４は、図２に光学定数を示すアモルファスシリコンにおいて２５４ｎｍを使用波長とした場合に偏在比ｔ／Ｔに対して透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。同様に、図４（１）に透過率が示され、（２）には消光比が示されている。格子２の幅は同様に１０〜３０ｎｍで５ｎｍ刻みで変化させ、高さは１７０ｎｍで一定とした。

図４（１）に示すように、波長２５４ｎｍの条件（ｎ＜ｋの条件）の場合、１０〜２０ｎｍの格子幅Ｗにおいて透過率が若干向上することが確認されるが、他の格子幅ｗでは透過率は若干低下する。また、消光比については、いずれの格子幅Ｗの場合にも、ｔ／Ｔを１より小さくすると激減していく。消光比の低下は、透過率の向上が一部確認された偏在比ｔ／Ｔの小さい領域で顕著である。つまり、ｎ＜ｋの条件の場合、格子２を偏在化させても消光比は何ら向上しないばかりかかえって激減することが確認された。このように、使用波長において格子２の光学定数がｎ＜ｋの関係を有する場合、グリッド偏光素子の場合、格子２を偏在させても消光比が向上しないばかりかかえって低下してしまうのに対し、ｎ＞ｋの関係を有する場合、偏在化によって消光比を大きく向上させることができ、その場合でも透過率は大きくは低下しない。

また、別の比較例として、従来使用されているアルミ製の格子より成るグリッド偏光素子について説明する。図５は、アルミの光学定数について示した図であり、Aleksandar D. Raki▲c▼. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, 4755-4767 (1995)に示されたデータに基づいて作成したものである。図５に示すように、アルミの場合、同様の短波長領域において屈折率実部ｎは消衰係数ｋに比べ常に小さい。
図６は、図５に光学定数を示すアルミを格子２の材質として採用した場合に偏在比ｔ／Ｔを変化させると透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。同様に、図６（１）に透過率が示され、（２）には消光比が示されている。使用波長は２５４ｎｍが想定されており、この波長において得られるものとして、屈折率実部ｎ＝０．１８３、消衰係数ｋ＝２．９３とした。格子２の幅は同様に１０〜３０ｎｍで５ｎｍ刻みで変化させ、高さは１７０ｎｍで一定とした。

図６（１）に示すように、アルミより成る格子２の場合、１０〜２０ｎｍの格子幅Ｗにおいて透過率が若干向上することが確認される。透過率は、偏在比ｔ／Ｔがより小さい場合においてより高く、最大で４０％程度である。しかしながら、図６（２）に示すように、消光比については、いずれの格子幅Ｗの場合にも、ｔ／Ｔを１より小さくすると激減していく。消光比の低下は、透過率の向上が一部確認された偏在比ｔ／Ｔの小さい領域で顕著である。即ち、格子２の材質をアルミとする場合も、格子２を偏在させると肝心の消光比が低下してしまい、透過率の向上と消光比の向上とが両立しない。

このように、格子２の偏在化による消光比向上の効果は、格子２の材質においてｎ＞ｋの条件が成立する場合に得られる。ｎ＞ｋである格子２を有する実施形態のグリッド偏光素子において、消光比の向上が見られる理由について、推測できる事項を以下に説明する。図７は、実施形態のグリッド偏光素子において消光比が向上する理由について示した模式的に示した斜視概略図である。
前述したように、消光比は、ｓ偏光光の強度（Ｉｓ）に対するｐ偏光光の強度（Ｉｐ）の比であるから、消光比を高くするには、ｓ偏光光が偏光素子を透過できないようにすれば良く、ここでは主としてｓ偏光光の挙動について考える。

図７において、便宜上、光は紙面上の上から下に伝搬するものとし、この方向をｚ方向とする。また、格子２の延びる方向をｙ方向とし、従ってｓ偏光光（図５にＬｓで示す）は、電界成分Ｅｙを持つ。このｓ偏光光の磁界成分（不図示）はｘ方向となる（Ｈｘ）。
このようなｓ偏光光がグリッド偏光素子の格子２にさしかかると、ｓ偏光光の電界Ｅｙは、格子２の誘電率によって弱められる。一方、格子２の間の媒質は、空気である場合が多いが、一般的に格子２より誘電率が小さいので、格子２の間の空間では電界Ｅｙは格子２内ほどは弱められない。

この結果、ｘ−ｙ平面内において電界Ｅｙの回転成分が生じる。そして、ファラデーの電磁誘導に対応する以下のマクスウェル方程式（式２）により、このｘ−ｙ平面での回転の強さに応じて、ｚ方向において二つの互いに逆向きの磁界Ｈｚが誘起される。

即ち、格子２間の中央の電界Ｅｙの最も高いところを境に、一方の側ではＨｚは光の伝搬方向前方に向き、他方の側ではＨｚは後方を向く。ここで、図７では省略されているが、ｘ方向の磁界ＨｘはＥｙと同位相で、ｘ軸負の側を向いて存在している。このｘ方向磁界成分Ｈｘは、生成されたｚ方向成分Ｈｚに引っ張られ、波打つように変形する。

図８は、このｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ちを確認したシミュレーションの結果を示す図である。図８は、同様に格子２の材質をアモルファスシリコンとし波長３６５ｎｍでの光学定数（ｎ＝４．０３、ｋ＝３．０４）でシミュレーションを行ったものである（ｎ＞ｋ）。図８では、格子２の各線状部２１の幅は１５ｎｍ、各線状部２１の間隔は９０ｎｍで一定、各線状部２１の高さは１７０ｎｍとした。シミュレーションはＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法に基づいており、使用したソフトウェアは、Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ社（米国マサチューセッツ州）のＭＡＴＬＡＢ（同社の登録商標）を用いた。

図８中、上側の濃い黒色の部分は電界Ｅｚのマイナス成分、中程の淡い灰色の部分は電界Ｅｚのプラス成分を示している。磁界は、ベクトル（矢印）で示されている。
図８に示すように、格子２にさしかかる前のｓ偏光光にはＨｚ成分が無いためＨｘ成分のみとなるが、格子２にさしかかる前述のＨｚ成分の生成により、磁界がｘ−ｚ面内で波打つことが確認できる。図８に示すように、磁界の波打ちは、時計回りの磁界の回転とも言える状況である。尚、図８では、ｙ方向が光の伝搬方向であり、ｚ方向が格子２の長さ方向となっており、図７とは異なる。

このような磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）が生じると、アンペール・マクスウェルの法則に対応するマクスウェル方程式（式３）により、さらに図７のｙ方向に電界が発生する。

この様子を図９において模式的に示す。図９は、ｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により新たに電界Ｅｙが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。

図９に示すように、ｘ−ｚ面内での磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により、格子２内では図９の紙面手前側に向いた電界Ｅｙが発生し、格子２と格子２の間においては紙面奥側に向いた電界Ｅｙが発生する。この場合、入射したｓ偏光光の元の電界Ｅｙは紙面手前側に向いているから、格子２間の電界は、上記磁界の回転により打ち消され、波動が分断するように作用する。結果として、電界Ｅｙが格子２内に局在し、格子２の材質に応じた吸収によりｓ偏光光のエネルギーが格子２内を伝播しながら消失していく。

一方、ｐ偏光光については、電界成分はｘ方向に向いているが（Ｅｘ）、ｙ方向で見たとき、誘電率の分布は一様であるため、前述したような電界の回転成分は実質的に生じない。従って、ｓ偏光光のような電界の格子２内の局在化、格子２内での減衰は、ｐ偏光光に生じない。つまり、ｓ偏光光について磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）を生じさせることで電界Ｅｙを格子２内に局在させ、格子２内での吸収によりｓ偏光光を選択的に減衰させていくのが、この実施形態のグリッド偏光素子の動作原理である。このようなｓ偏光光における電界Ｅｙの局在化は、格子２を偏在化させ、格子２間の間隔を部分的に狭くすることで効率良く達成でき、これによって消光比を高めることができるものと推測される。図３に示す消光比の向上は、このようなメカニズムによるものと考えられる。

また、上記のような電界Ｅｙの局在化は、屈折率実部ｎが消衰係数ｋよりも小さい場合には、実質的に生じない。屈折率実部ｎと消衰係数ｋは、物理定数εやμを使って表すと、以下の式４のようになる。

式４から、ｎ＜ｋということは、負の誘電率を持つということになる。このことは、波動が内部に入っていけないことを意味し、上記の場合には格子２内に電界が形成されないことを意味する。従って、上記のような電界の局在化は実質的に生じない。その一方、格子２を偏在化させることで格子間隔が広い場所が生じると、ｓ偏光光がその場所を通り抜けるようにして伝搬し易くなり、結果的に消光比が大きく低下してしまう。図４や図６に示す消光比の激減は、このような状況を示しているものと推測される。

図１０は、このようなアモルファスシリコン製の格子２を使用したグリッド偏光素子の最適な構造について検討した結果の図である。図３（２）に示すように、偏在比ｔ／Ｔを１から小さくしていくと（偏在させていくと）、ただちに消光比が向上する。消光比はあるｔ／Ｔでピークとなり、その後は下降する。そして、あるｔ／Ｔを境に消光比は相対値１より小さくなる。即ち、偏在させない場合に比べて消光比が小さくなる。従って、消光比が相対値１を下回る際のｔ／Ｔの値（以下、臨界偏在比と呼ぶ）以上の偏在比となっていれば良いことになる。

図１０は、この臨界偏在比をプロットした図である。図１０に示す直線は、各マーカーについて最小二乗法を適用して引いた直線である。ここに示すように、ｔ／Ｔ＞０．０１５９ｗ＋０．３７３５としておけば、消光比の向上が見込めることになる。そして、図３（１）を参照すれば解るように、この範囲では透過率は殆ど低下しない。即ち、消光比と透過率とが両立したグリッド偏光素子が得られる。

次に、実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について説明する。以下の説明は、グリッド偏光素子製造方法の発明の実施形態の説明でもある。
図１１は、実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。実施形態の製造方法では、まず、図１１（１）に示すように、透明基板１上に中間薄膜３を作成する。中間薄膜３は、格子用の薄膜を作成する際のベースになる薄膜である。中間薄膜３は、最終的には除去されるものであるため、特に材料については制限がない。形状安定性が良く、エッチングの際に迅速に除去可能であれば良い。例えば、フォトレジストなどの有機材料、カーボンなどが中間薄膜３の材質として選定される。

次に、図１１（２）に示すように、フォトリソグラフィを行って中間薄膜３をパターニングする。即ち、フォトレジストの全面塗布と、露光、現像、エッチングを行って中間薄膜３をパターニングする。パターニングは、中間薄膜３を、紙面垂直方向に延びた多数の線状部（以下、中間線状部という）３１から成る縞状とするものである。この際、各中間線状部３１の幅Ｌ１やその離間間隔Ｌ２は、最終的に作成される格子２の各線状部２１の間隔ｔ，Ｔを決めるものである。

次に、図１１（３）に示すように、各中間線状部３１により形成される溝の側面に中間薄膜４を作成する。格子用薄膜４は、溝の側面のみに作成すれば足りるが、通常は、全面を覆うようにして全体に格子用薄膜４が作成される。格子用薄膜４は、格子２の材料即ちシリコンより成る薄膜であり、例えばスパッタリングで作成される。格子用薄膜４の作成後、格子用薄膜４の異方性エッチングを行う。異方性エッチングは、透明基板１の厚さ方向のエッチングである。このエッチングにより、図１１（４）に示すように中間線状部３１の両側壁に格子用薄膜４が残留した状態となる。

その後、中間薄膜３の材料のみエッチングできるエッチャントを使用してエッチングを行い、各中間線状部３１をすべて除去する。これにより、シリコン製の各線状部２１より成る格子２が透明基板１上に形成された状態となり、実施形態のグリッド偏光素子が得られる。得られたグリッド偏光素子は、所定の偏在比ｔ／Ｔを持ち、この値になるように格子幅Ｗに応じて各中間線状部３１の寸法Ｌ１，Ｌ２が決定される。

所定の偏在比ｔ／Ｔを持つグリッド偏光素子の製造方法については、図１１に示す方法の他、別の方法があり得る。この点について、図１２に使用して説明する。図１２は、実施形態のグリッド偏光素子の別の製造方法について示した概略図である。
図１２に示す製造方法でも、透明基板１に中間薄膜３を作成し、フォトリソグラフィを行って中間薄膜３をパターニングする。この際、図１１に示す方法とは、中間薄膜３のパターニングの仕方が異なっている。
図１１では、最終的な製品において狭い方の幅ｔのギャップが形成される位置に当該幅ｔに相当する幅Ｌ１で各中間線状部３１を形成する。そして、各中間線状部３１の離間間隔を、広い方のギャップの幅Ｔに線状部２１の幅（格子幅Ｗ）を加えた間隔Ｌ２とする。一方、図１２に示す方法では、広い方の幅Ｔのギャップが形成される位置に当該幅Ｔに相当する幅Ｌ１で各中間線状部３１を形成する。そして、各中間線状部３１の離間間隔を、狭い方のギャップの幅ｔに線状部２１の幅を加えた間隔Ｌ２とする。
上記の点以外は、実質的に同様であり、格子用薄膜４の作成（図１２（３））、格子用薄膜４の異方性エッチング（図１２（４））、各中間線状部３１の除去（図１２（５））を行って透明基板１上に格子２を形成する。このような方法によっても、上記実施形態のグリッド偏光素子の製造が可能である。

図１１の製造方法と図１２の製造方法とは、技術的に等価であるが、製造の容易性や、格子２の寸法精度、製品の基本性能などの点では、図１１に示す方法の方が有利である。図１１（３）と図１２（３）とを比べると解るように、格子用薄膜４を作成する際、各中間線状部３１で形成された溝のアスペクト比は、図１２の製造方法の方が図１１の製造方法に比べて高い。アスペクト比の高い溝の内面の膜作成は一般的に困難で、溝の深い部分で膜厚が薄くなり易い。

また、格子用薄膜４の異方性エッチングにおいても、図１２（４）の場合には図１１（４）に比べてアスペクト比の高い溝の底面を異方性エッチングしなければならい。アスペクト比の高い溝の底面に選択的にエッチャントを到達させることは一般的に困難で、底面で格子用薄膜４が残留し易い。底面で格子用薄膜４が残留すると、前述した説明から解るように、グリッド偏光素子の消光比や透過率とった基本性能の低下につながる。
尚、図１１の製造方法と図１２の製造方法とでは、出来上がったグリッド偏光素子において格子２の形状が若干異なる。この点について、図１３を使用して説明する。図１３は、図１１の製造方法により製造したグリッド偏光素子と図１２の製造方法により製造したグリッド偏光素子との形状の違いについて示した概略図である。

図１３には、実施形態のグリッド偏光素子の製造の際の格子用薄膜４の異方性エッチングについてより詳細に示されている。このうち、図１３（１−１）は図１１に示す製造方法におけるもの、（２−１）は図１２に示す製造方法におけるものである。
格子用薄膜４の異方性エッチングでは、溝の底部での格子用薄膜４の残留を無くすため、多少過剰なエッチング（オーバーエッチング）をする場合が多い。異方性エッチングは、プラズマ中でのイオンを電界で引き込むことで行われるが、溝の開口の縁の部分はチャージアップされ易く、電界によって異方性を与えつつも縁の部分は強いイオン衝撃を受け易い。このため、図１３に示すように、格子用薄膜４は、溝の開口の縁の部分で斜めに削られた断面形状となり易い。

このようなことから、出来上がったグリッド偏光素子の格子２は、各線状部２１の上面がテーパ面となる。この際、図１３（１−２）に示すように、図１１の製造方法では、各線状部２１の上面は、広い間隔Ｔの側のギャップに向けて徐々に低くなるテーパ面であるのに対し、図１２に示す製造方法では、図１３（２−２）に示すように、各線状部２１の上面は、狭い間隔ｔの側のギャップに向けて徐々に低くなるテーパ面となる。このような各線状部２１の断面形状の違いから、図１１の製造方法によったのか、図１２の製造方法によったのかを識別することができる。

次に、このようなグリッド偏光素子の使用例について説明する。図１４は、実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。
図１４に示す装置は、前述した液晶ディスプレイ用の光配向膜を得るための光配向装置であり、対象物（ワーク）１０に偏光光を照射することで、ワーク１０の分子構造が一定の方向に揃った状態とするものである。従って、ワーク１０は光配向膜用の膜（膜材）であり、例えばポリイミド製のシートである。ワーク１０がシート状である場合、ロールツーロールの搬送方式が採用され、搬送の途中で偏光光が照射される。光配向用の膜材で被覆された液晶基板がワークとなることもあり、この場合には、液晶基板をステージに載せて搬送したり、又はコンベアで搬送したりする構成が採用される。

図１４に示す装置は、光源５と、光源５の背後を覆ったミラー６と、光源５とワーク６との間に配置されたグリッド偏光素子７とを備える。グリッド偏光素子７は、前述した実施形態のものである。
多くの場合、光配向には紫外線の照射が必要なことから、光源５には高圧水銀ランプのような紫外線ランプが使用される。光源５は、ワーク１０の搬送方向に対して垂直な方向（ここでは紙面垂直方向）に長いものが使用される。

グリッド偏光素子７は、前述したように、格子２の長さを基準にしてｐ偏光光を選択的に透過させるものである。従って、光配向を行う方向にｐ偏光光の偏光軸が向くよう、ワーク１０に対してグリッド偏光素子７が姿勢精度良く配置される。
尚、グリッド偏光素子は、大型のものを製造するのが難しいため、大きな領域に偏光光を照射する必要がある場合、複数のグリッド偏光素子を同一平面上に並べた構成が採用される。この場合、複数のグリッド偏光素子を並べた面は、ワーク１０の表面と並行とされ、各グリッド偏光素子における格子の長さ方向がワークに対して所定の向きとなるように各グリッド偏光素子が配置される。

上述した実施形態のグリッド偏光素子は、格子２はアモルファス状のシリコンで形成されていて使用波長において屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きいので、透過率を低下させることなく消光比を向上させることができる。このため、より質の良い偏光光を照射することができる。尚、格子幅ｗは、製造上のばらつきその他の理由により各線状部２１によって異なるものになる場合、上記式に適用する際、各線状部２１の幅の平均値を適用することになる。
そして、このようなグリッド偏光素子を搭載した光配向装置は、消光比の高いグリッド偏光素子を使用しているので、高品質の光配向処理を行うことが可能となり、高品質の光配向膜を得ることができる。このため、高画質のディスプレイの製造に大きく貢献できる。

尚、実施形態のグリッド偏光素子の構造において、ｔ≠Ｔとなっている部分が周期的に存在すると説明したが、距離ｔの部分と距離Ｔの部分とが交互に存在している構造（図１に示す構造）は、その一例である。周期的な格子の偏在構造は、これ以外にも多く考えられる。但し、広い離間間隔Ｔで線状部２１が並んでいる部分が連続することは好ましくない。ｓ偏光光がその部分で透過し易くなり、消光比が低下してしまうからである。格子間隔のパターンをｔ（狭い）、Ｔ（広い）で表すと、好ましい他の一例として、ｔｔＴｔｔＴｔｔＴ…や、ｔｔＴｔＴｔｔＴｔＴ…等が挙げられる。この例も含め、本願発明は、ｔ＝Ｔとなっている部分を含むことを排除するものでない。即ち、全ての箇所においてｔ≠Ｔとすることは必須要件ではない。但し、消光比向上の効果を得る観点から、格子の全領域のうち半分以上の領域においてｔ≠Ｔとなっていることが好ましい。
また、上述した実施形態では、使用波長は３３０ｎｍ以上の紫外線（例えば３６５ｎｍ）であったが、使用波長が４００ｎｍ以上（可視光）である場合にも本願発明のグリッド偏光素子を使用することは可能である。例えば、４００〜４５０ｎｍ程度の紫外域に近い可視域においても好適に使用することができる。

１ 透明基板
２ 格子
２１ 線状部
３ 中間薄膜
４ 格子用薄膜
５ 光源
６ ミラー
７ グリッド偏光素子
１０ ワーク

Claims (9)

1. 透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とより成り、格子の材質において屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長の光を偏光させるグリッド偏光素子であって、
   格子は、アモルファス状のシリコンで形成されており、
   格子を構成する各線状部において一方の側の隣りの線状部との距離をｔ、他方の側の隣りの線状部との距離をＴとしたとき、格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有していることを特徴とするグリッド偏光素子。
2. 前記屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長は、３３０ｎｍ以上であることを特徴とするグリッド偏光素子。
3. 前記各線状部の幅の平均値をｗとしたとき、前記ｔ＜Ｔの部分においては、ｔ／Ｔ＞０．０１５９ｗ＋０．３７３５の関係であることを特徴とする請求項１又は２記載のグリッド偏光素子。
4. 前記格子は、前記透明基板の表面に沿った方向であって前記線状部の長さ方向に垂直な方向で見た際、広い距離Ｔを隔てて二つの前記線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しないことを特徴とする請求項１、２又は３記載のグリッド偏光素子。
5. 光源と、請求項１乃至４いずれかに記載のグリッド偏光素子とを備えており、グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と光源との間に配置されていることを特徴とする光配向装置。
6. 透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とより成るグリッド偏光素子を用い、格子の材質において屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長の光を偏光させる偏光方法であって、
   格子は、アモルファス状のシリコンで形成されており、
   格子を構成する各線状部において一方の側の隣りの線状部との距離をｔ、他方の側の隣りの線状部との距離をＴとしたとき、格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有していることを特徴とする偏光方法。
7. 前記屈折率実部ｎが消衰係数ｋより大きくなる波長は、３３０ｎｍ以上であることを特徴とする偏光方法。
8. 前記各線状部の幅の平均値をｗとしたとき、前記ｔ＜Ｔの部分においては、ｔ／Ｔ＞０．０１５９ｗ＋０．３７３５の関係であることを特徴とする請求項６又は７記載の偏光方法。
9. 透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とより成り、格子を構成する各線状部において一方の側の隣りの線状部とのギャップの距離をｔ、他方の側の隣りの線状部とのギャップの距離をＴとしたとき、格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しているグリッド偏光素子を製造するグリッド偏光素子製造方法であって、
   透明基板上に中間薄膜を作成する中間薄膜作成工程と、
   中間薄膜をパターニングして多数の中間線状部から成る縞状とするリソグラフィ工程と、
   リソグラフィ工程で縞状とされた中間薄膜の各溝の側面に格子用薄膜を作成する格子用薄膜作成工程と、
   中間薄膜を除去して格子用薄膜により前記各線状部を形成する中間薄膜除去工程とを有しており、
   リソグラフィ工程は、前記距離ｔのギャップが形成される位置に当該距離ｔに相当する幅Ｌ１で各中間線状部を形成するとともに、各中間線状部の離間間隔を、前記距離Ｔに前記線状部の幅を加えた距離Ｌ２とする工程であることを特徴とするグリッド偏光素子製造方法。

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