JP2015064426A - グリッド偏光素子及びグリッド偏光素子製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 周辺部において消光比が低下しない優れたグリッド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を構成する各線状部３は、偏光作用を為す第一の層３１と、第一の層３１の入射側に位置する第二の層３２とより成る。第二の層３２は透光性の材料で形成され、第一の層３１より高さが低く、第一の層３１を形成する際のエッチャントに対する耐性が第一の層３１に比べて高い材料で形成されている。
【選択図】 図１

Description

本願の発明は、偏光された状態の光（偏光光）を得る偏光素子に関するものであり、特に透明基板上にグリッド（格子）を形成した構造のグリッド偏光素子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使用されている。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、透明基板上にアルミのような金属より成る微細な縞状の格子を設けた構造のものである。格子を成す各線状部の離間間隔（格子間隔）を偏光させる光の波長以下とすることで偏光素子として機能する。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、偏光素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、格子の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。
格子が金属製であるのでワイヤーグリッド偏光素子と呼ばれるが、本願発明の方法で製造される偏光素子は、格子は必ずしも金属には限らないので、以下、単にグリッド偏光素子と呼ぶ。

図５は、従来のグリッド偏光素子の製造方法の概略図である。グリッド偏光素子は、透明基板１上にフォトリソグラフィによって格子２を形成することで製造される。具体的には、図５（１）に示すように、まず透明基板１上に格子用薄膜４０を作成する。そして、図５（２）に示すように、格子用薄膜４０の上にフォトレジスト５０を塗布する（図５（２））。次に、形成するパターンを有するマスクを介してフォトレジスト５０を露光し、現像を行ってフォトレジストのパターン５を得る（図５（３））。

次に、レジストパターン５の側からエッチャントを供給し、レジストパターン５で覆われていない箇所の格子用薄膜４０をエッチングする。エッチングは、格子用薄膜４０の厚さ方向に電界を印加しながら行う異方性エッチングであり、格子用薄膜４０が縞状にパターン化される（図５（４））。その後、図５（５）に示すように、レジストパターン５を除去すると、格子２が得られ、グリッド偏光素子が完成する。格子２は、一定の方向に延びる線状部３を間隔をおいて平行に多数配置した構造であるので、ラインアンドスペースとしばしば呼ばれる。

特開２０１１−８１７２号公報

偏光素子のある種の用途では、可視域の短波長側の光や紫外域の光といった短い波長域の光を偏光させ、ある程度広い照射領域に照射することが必要になってきている。例えば、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た。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に多く採用されるようになってきている。

グリッド偏光素子では、前述したように、格子間隔を、偏光させる波長程度又はそれより短い間隔とする必要がある。従って、波長が短くなればなるほど格子間隔を短くしなければならず、格子の構造は微細化する。このため、以前においては、可視短波長域から紫外域の光の偏光用としては実現が難しいとされてきたが、近年における微細加工技術（フォトリソグラフィ技術）の進歩により、実用化は十分に可能であると考えられるようになってきている。

しかしながら、発明者の研究によると、ある程度の大きさのグリッド偏光素子を製造してある程度の大きさの領域に偏光光を照射しようとすると、照射領域の周辺部において消光比ＥＲが低下する問題があることが判明した。この問題の原因を調べるべく鋭意研究を続けたところ、製造の際のエッチング工程における面内不均一性に起因することが判ってきた。以下、この点について説明する。

図６は、グリッド偏光素子の製造におけるエッチング工程を模式的に示した正面断面概略図である。
エッチング工程では、反応性ガスのプラズマを形成し、透明基板１の厚さ方向に電界を設定する。プラズマ中のイオン（エッチャント）は電界によりプラズマから引き出されて格子用薄膜に入射し、格子用薄膜と反応して格子用薄膜をエッチングする。
この際、図６に示すように、透明基板１はステージ７上に載置されており、ステージ７上で移動しないよう透明基板１の周縁は押さえリング７１でステージ７上に押さえつけられている。押さえリング７１は、透明基板１の輪郭の形状に沿った周状であり、耐エッチング性の材料（即ち、エッチャントによってはエッチングされない材料）で形成される。

エッチングの際、エッチャントは格子用薄膜との反応によって消費される。この場合、透明基板１上の周辺部では、押さえリング７１があるため、エッチャントの消費量は中央部に比べて少ない。このため、エッチャントは、中央部に比べて周辺部において多く存在する空間分布となる。
透明基板１の周辺部上においてエッチャントが過剰に存在すると、周辺部において過剰にエッチングがされることになる。即ち、中央部において、正常にエッチングが終了するまでエッチングを行うと、周辺部ではエッチングが過剰になり、フォトレジストまでエッチングされてしまうことになる。これにより、形成された線状部までエッチングされてしまう。この結果、図５（５）に示すように、透明基板１の周辺部１ｐにおいては、各線状部３の高さが周辺部１ｐにおいて中央部１ｃより低くなる構造となってしまう。

発明者の研究によると、グリッド偏光素子において消光比は線状部の高さに依存しており、線状部の高さが低くなると、消光比が低下する。研究において確認された照射領域の周辺部での消光比の低下は、このようなグリッド偏光素子の製造工程における問題に起因していることが判明した。
本願の発明は、このような発明者による新規な知見に基づいて為されたものであり、周辺部において消光比が低下しない優れたグリッド偏光素子を提供することを解決課題とするものである。

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複数の線状部からなる縞状の格子とを備えたグリッド偏光素子であって、
縞状の格子は、偏光作用を為す透明基板側の第一の層と、第一の層の上側に位置する第二の層とより成るものであり、
第二の層は、透光性の材料で形成され、第一の層より高さが低いもの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２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記第二の層は、前記第一の層をエッチングによって形成する際のエッチャントに対する耐性が第一の層に比べて高い材料で形成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、前記第二の層の材料は、使用波長における消衰係数が実質的にゼロ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又は２の構成において、前記第二の層は、高さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下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５記載の発明は、前記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記使用波長は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下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６記載の発明は、前記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記第一の層は、シリコンで形成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７記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記第二の層は、酸化チタン、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化ニオブ、アルミナ、酸化ハフニウム、イットリア、ジルコニア、インジウム酸スズ、酸化セリウム、酸化タングステン、酸化亜鉛、フッ化マグネシウムの何れか一種以上の材料より成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、透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とを備えた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、
透明基板上に第一の薄膜を作成する第一の成膜工程と、
第一の薄膜の上に第二の薄膜を作成する第二の成膜工程と、
第二の薄膜をエッチングして第二の薄膜を縞状の第二層とする第一のエッチング工程と、
縞状とされた第二の層をマスクにして第一の薄膜をエッチングして第一の層とする第二のエッチング工程とを有しており、
第一の成膜工程は、偏光作用を為す材料で第一の薄膜を作成する工程であり、
第二の成膜工程は、透光性の材料で第二の薄膜を作成する工程であり、
製造されたグリッド偏光素子において第二の層の高さが第一の層より低い構造とす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、前記請求項８の構成において、前記第二のエッチング工程では、前記第二の薄膜の方が第一の薄膜より耐性が高いエッチャントを使用す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１０記載の発明は、前記請求項８又は９の構成において、前記第二の薄膜の材料は、使用波長における消衰係数が実質的にゼロ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１１記載の発明は、前記請求項８又は９の構成において、前記第二の層は、高さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下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１２記載の発明は、前記請求項８乃至１１いずれかの構成において、前記使用波長は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下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１３記載の発明は、前記請求項８乃至１２いずれかの構成において、前記第一の薄膜は、シリコンで作成され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１４記載の発明は、前記請求項８又は９の構成において、前記第二の層は、酸化チタン、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化ニオブ、アルミナ、酸化ハフニウム、イットリア、ジルコニア、インジウム酸スズ、酸化セリウム、酸化タングステン、酸化亜鉛、フッ化マグネシウムの何れか一種以上の材料で作成され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１５記載の発明は、透明基板と、透明基板上に設けられた複数の線状部からなる縞状の格子とを備えた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、
透明基板上に第一の薄膜を作成する第一の成膜工程と、
犠牲層用の第三の薄膜を第一の薄膜の上に作成する第三の成膜工程と、
第三の薄膜をフォトリソグラフィにより縞状として犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
犠牲層の側面を含む領域に第二の薄膜を作成する第二の成膜工程と、
犠牲層の側面に形成された部分が残留した状態で第二の薄膜をエッチングする第一のエッチング工程と、
犠牲層を除去して縞状の第二の層を形成する犠牲層除去工程と、
縞状とされた第二の層をマスクにして第一の層をエッチングする第二のエッチング工程と
を有しており、
第一の成膜工程は、偏光作用をもたせる材料で第一の薄膜を作成する工程であり、
第二の成膜工程は、透光性の材料で第二の薄膜を作成する工程であり、
製造されたグリッド偏光素子において第二の層の高さが第一の層より低い構造とするという構成を有する。

以下に説明する通り、本願の請求項１、８又は１５記載の発明によれば、格子が、偏光作用を有する主たる層としての第一の層と、透光性を有し、第一の層よも高さの低いキャップ層としての第二の層とから成るので、第一の層の高さが不均一になることはなく、偏光作用の均一性が向上する。
また、請求項２又は９記載の発明によれば、上記効果に加え、第二の層が耐エッチング性を有するので、第二の層用の薄膜を厚く作成する必要がなく、この点で好適となる。
また、請求項３又は１０記載の発明によれば、上記効果に加え、第二の層の消衰係数が実質的にゼロであるので、第二の層の高さが不均一になったとしてもそれによって偏光作用の均一性が低下することはない。
また、請求項５又は１２記載の発明によれば、上記効果に加え、使用波長が２００〜４００ｎｍであるので、光配向処理のようにこの波長域の偏光光の照射が必要な場合、好適に使用され得る。
また、請求項６又は１３記載の発明によれば、上記効果に加え、第一の層がシリコンで形成されるので、微細加工が容易であるという効果が得られる。

本願発明の実施形態のグリッド偏光素子の断面概略図である。 第一の実施形態のグリッド偏光素子製造方法を示した正面断面概略図である。 第二の実施形態のグリッド偏光素子製造方法の概略図である。 実施形態の方法により製造されるグリッド偏光素子の偏光作用分布について参考例のグリッド偏光素子と比較した模式図である。 従来のグリッド偏光素子の製造方法の概略図である。 グリッド偏光素子の製造におけるエッチング工程を模式的に示した正面断面概略図である。

次に、本願発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の実施形態のグリッド偏光素子の断面概略図である。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上に設けられた縞状の格子２とより成る。格子２は、一定の方向に延びる多数の線状部２１が間隔をおいて形成された構造を有する。図１において、各線状部３の幅（格子幅）がｗで示され、格子間隔がｔで示されている。また、各線状部３の高さをｈで示す。
格子２を構成する各線状部３は、上下に二つの層で形成されており、格子２は、全体として下側の第一の層３１と、第一の層３１の上の第二の層３２とから構成されている。これら層３１，３２も、全体としては格子状である。全体として格子状を成す第一の層３１は、偏光作用を為す層である。第二の層３２は、製造の際に第一の層３１を保護するキャップ層として設けられている。

この実施形態では、第一の層３１はシリコンで形成されている。偏光作用を持たせる第一の層３１の材料としてシリコンを採用することは、従来のワイヤーグリッド偏光素子とは異なる思想に基づいている。以下、この点について説明する。
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２に反射率の高い金属を使用し、格子２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。

一方、実施形態のグリッド偏光素子は、偏光させる光の波長を吸収する材料を含んで構成される各線状部３を、偏光させる光の波長と同程度以下の格子間隔ｔで配列させた縞状の格子２を有するものであって、吸収型グリッド偏光素子とも呼べるものである。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、電磁誘導に伴って生じる光の減衰を利用するものである。

第一の層３１の材料としては、ある程度消衰係数が大きい方が好ましいと言える。第一の層３１の材料は、減衰係数が０．８程度又はそれ以上であることが好ましい。その理由について以下に説明する。
吸収型ワイヤーグリッド偏光素子の原理は、透明基板上の各線状部３と平行な電界成分をもつ光がワイヤー中を伝播しながら、各線状部３を構成する材料に吸収されことによる。ここで、吸収を有する媒質中をｘ方向（線状部の高さ方向）に伝播する電界は、以下の式１で与えられる。

式１の右辺最初のｅｘｐの項は減衰を表しており、消衰係数ｋが大きいほど、短い伝播距離ｘで電界が減衰することが解る。したがって、消衰係数の小さい材料で第一の層３１を形成した場合、消光比を高くするには、第一の層３１を高くして伝搬距離を長くする必要があることが解る。その一方、格子幅ｗは、格子間隔ｔとともに波長によって最適な幅が決まってくる。つまり、消衰係数の小さい材料で第一の層３１を形成してしまうと、格子２のアスペクト比（格子幅ｗに対する線状部３の高さｈの比）を高くしなければならないことになる。アスペクト比（ｈ／ｗ：図１）の高い格子２は一般的に製造が難しく、また機械的強度も弱くなってくる。したがって、ある程度高い消衰係数を有する材料で第一の層３１を形成することが好ましい。詳細な説明は省略するが、発明者の研究によると、０．８程度の消衰係数を有する材料で第一の層３１を形成すると、消光比が２０を超える高性能のグリッド偏光素子が得られる。したがって、第一の層３１の材料は、減衰係数が０．８程度又はそれ以上であることが好ましい。

具体的には、この実施形態では、第一の層３１は、スパッタリングのような成膜技術で作成された膜で形成されており、アモルファスシリコンとなっている。
実施形態のグリッド偏光素子では、使用波長として２００〜４００ｎｍが想定されている。アモルファスシリコン２００〜４００ｎｍの波長域で２．６〜３．３の消衰係数を有するため、第一の層３１の材料として好適に選定されている。
シリコンが選定されている別の理由は、微細加工が容易な点である。シリコンは代表的な半導体材料であり、各種半導体デバイスの製造技術として各種の微細加工技術が確立されている。これら技術が転用できる点も、第一の層３１の材料としてシリコンが好適な理由である。

次に、第二の層３２について説明する。第二の層３２は、第一の層３１の寸法形状の均一性を維持するためのキャップ層として設けられる。前述したように、グリッド偏光素子の製造においては、エッチングの際のエッチャント分布の不均一性により、形成される各線状部３の高さが不均一になり易い。この点を考慮し、この実施形態では、格子２を第一第二の二つの層３１，３２を積層した構造とし、第一の層３１を主たる層（偏光作用を為す層）としている。

第二の層３２は、第一の層３１を形成する際の異方性エッチングにおいて、形成されつつある第一の層３１の上面をキャップし、第一の層３１の上面がエッチャントに晒されないようにする。したがって、第二の層３２は、異方性エッチングが完了して第一の層３１が完全に形成された時点で、第一の層３１の上に残留していることになる。主たる偏光作用を為す層は第一の層３１であるので、第一の層３１の形成後に第二の層３２を除去することも考えられるが、第二の層３２のみ除去することは難しい。したがって、第二の層３２をそのまま残留させた構造としている。

このような第二の層３２の材料を選定する際には、幾つかの点を考慮する必要がある。一つは、使用波長の光の透過性である。実施形態のグリッド偏光素子は、上述したように吸収型のモデルで動作する偏光素子である。吸収型で動作するには、光が第一の層３１に達し、第一の層３１中を伝搬する必要がある。仮に、第二の層３２が完全な遮光性の材料で形成されていると、第一の層３１には光が到達しないことになり、第一の層３１が偏光作用を為すことができなくなる。第二の層３２がアルミのような金属で形成されていて実質的に１００％の反射率である場合が、この例に該当する。尚、金属であってもクロム系のように薄くすることにより光透過性が出てくる材料もある。したがって、第二の層３２として使用できないのは、厚さ（高さ）を考慮した上で、使用波長の光を実質的に１００％遮光してしまう場合である。

第二の層３２が光透過性の材料であることを前提にした場合、次に検討すべきは、第二の層３２においてどの程度の吸収があるかということになる。第二の層３２の特性の好ましい例としては、使用波長において、第二の層３２の消衰係数が実質的ゼロであることである。消衰係数が実質的にゼロであれば、第二の層３２における吸収が実質的にないことになり、光は減衰せずに第一の層３１に達する。したがって、第二の層３２は、製造プロセスにおいて第一の層３１をキャップする機能を発揮しつつ、製造後において第一の層３１の偏光作用を阻害することはない。「実質的にゼロ」とは、例えば消衰係数が１未満の場合であり、より好ましくは０．１未満の場合である。

第二の層３２の材料の消衰係数が実質的にゼロではなく、ある程度の吸収がある場合について検討すると、この場合は、第二の層３２においても吸収型の偏光作用が生じ得ることを考慮する必要がある。第二の層３２が偏光作用を有する場合に問題となるのは、第二の層３２が、従来技術の欄で述べたように高さが不均一となることである。第二の層３２が偏光作用を有し、その高さが不均一になると、第一の層３１及び第二の層３２から成る格子２が為す偏光作用が、全体として不均一になることになり、前述したような問題が生じ得る。

実施形態のグリッド偏光素子は、この点を考慮し、第二の層３２の高さを第一の層３１より低くしている。例えば、第二の層３２の材料の消衰係数が実質的にゼロではない場合であって、第一の層３１の高さは５０〜３００ｎｍ程度の範囲である場合は、第二の層３２の高さは、１０〜１００ｎｍ程度の範囲で適宜選定され、好ましくは１０〜４０ｎｍ、より好ましくは２０〜３０ｎｍである。

仮に第二の層３２が偏光作用を有し、第二の層３２の高さが不均一になったとしても、元々の高さが第一の層３１より低いので、偏光素子全体として偏光作用の面内分布が問題となるほど不均一になることはない。尚、「面内」とは、透明基板１の板面の領域内という意味であり、偏光素子において偏光作用の面内分布が不均一になると、照射面の照射領域内で偏光光の照射が不均一となる。

尚、第二の層３２が使用波長の光をよく吸収する材料で形成され、全体として格子状である第二の層３２において高い偏光作用が生じることも一応は仮定し得るが、第一の層３１が主たる偏光作用を有する層であって、使用波長との関係で十分に光を吸収する材料が選定される。第二の層３２は、第一の層３１とは異なる材料で形成されるのであるから、第一の層３１よりも高い偏光作用を有することは、通常は想定しにくい。したがって、第二の層３２を第一の層３１より低く形成しておけば、偏光作用の面内分布不均一化は防止できる。

また、第二の層３２は、第一の層３１を形成する際のエッチングにおける第一の層３１のキャップ用であるから、第二の層３２の材料は、第一の層３１を形成する際のエッチャントに対して耐性があることが好ましい。通常、エッチングはレジストパターンをマスクにして行われるが、レジストパターンもエッチャントによって多少はエッチングされることが避けられない。レジストパターンの消耗が多くなると、第一の層３１の形成が完了するまでにレジストパターンが完全に消失してしまうことがあり得る。この場合、第一の層３１が露出することになり、キャップ層である第二の層３２がエッチャントに対して耐性が低いと、第一の層３１までエッチングされて消失してしまうことになりかねない。したがって、第二の層３２の材料は、第一の層３１を形成する際のエッチャントに対して高い耐性を有することが好ましい。「高い耐性」とは、第一の層３１の保護であるので、第一の層３１に比べて高いということであり、第一の層３１をエッチングする際に使用されるエッチャントについて、エッチング速度が第一の層３１より低いということである。

尚、第二の層３２がエッチャントに対して低い耐性を有する場合であっても、第一の層３１の形成が完了した時点で残留していれば第一の層３１を保護する目的は達し得る。したがって、第一の層３１を形成する際のエッチャントに対して第二の層３２の材料の耐性が低い場合には、それを見越して第二の層３２用の薄膜を厚く形成しておけば良い。例えば、第一の層３１を形成する際のエッチャントに対して第二の層３２が第一の層３１の半分しか耐性がない場合（エッチング速度が第一の層３１の材料の倍である場合）、第二の層３２用の薄膜を第一の層３１用の薄膜の厚さの倍を少し超える程度の厚さで形成しておけば、第一の層３１の形成が完了した時点でも第二の層３２は残留することになる。

具体的な材料の例を示すと、第一の層３１が前述したようにシリコンで形成される場合、第二の層３２は、例えば酸化シリコンで形成され得る。酸化シリコンがスパッタリングのような成膜技術により作成される膜である場合、図示は省略するが、２００〜４００ｎｍにおける消衰係数はゼロであり、シリコン（アモルファス）の消衰係数２．６〜３．３に比べると十分に小さく、実質的にゼロとし得る。

また、シリコンは、例えばＣＦ_４のようなフッ化炭素系ガスや塩素系のガスのプラズマでエッチングできるが、この場合、周知のように、例えば塩素ガスのプラズマを形成してエッチングすると、酸化シリコンに対してシリコンを選択的にエッチングすることが可能になる。即ち、酸化シリコンは、シリコンをエッチングする際のエッチャントに対してシリコンよりエッチング速度が十分に低い。

第二の層３２の材料の他の例を示すと、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、アルミナ、酸化ハフニウム、イットリア、ジルコニア、インジウム酸スズ、酸化セリウム、酸化タングステン、酸化亜鉛、フッ化マグネシウム等が第二の層３２の材料として選定し得る。酸化シリコンも含め、これら各材料は、単体の材料として第二の層３２を形成しても良く、二種以上の材料で第二の層３２を形成しても良い。第二の層３２用の薄膜の形成方法としては、スパッタリングの他、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)のような熱ＣＶＤも採用し得る。
特に、後述する図３の製造方法にて説明するように、第一の層３１はシリコンで、第二の層３２は酸化チタンで形成することが好ましい。

尚、作成される薄膜は、一般的には成膜温度が高くなると結晶化の度合いが高くなる。結晶化の度合いが高くなると、バンド構造に由来した光の吸収が現れてくるため、一般的に消衰係数が高くなる。したがって、上述した各材料で第二の層３２を形成する場合、アモルファス状態とした方が好ましい場合が多い。
各層の高さについて説明すると、第一の層３１の高さは５０〜３００ｎｍ程度の範囲で適宜選定され、例えば１００ｎｍ程度とされる。また、第二の層３２の高さは、１０〜１００ｎｍ程度の範囲で適宜選定され、好ましくは１０〜４０ｎｍ、より好ましくは２０〜３０ｎｍであり、例えば３０ｎｍ程度とされる。

第一及び第二の層３１，３２から成る格子２の寸法については、幾つかの観点から検討が必要である。一般的に、グリッド偏光素子は、各線状部３の高さが高い程、消光比は高くなる。吸収型の場合、各線状部３を伝搬する過程でのｓ偏光光の減衰を利用するので、この傾向は顕著である。その一方、各線状部３の高さが高くなると、透過率は低下する。また、各線状部３の幅に対する高さの比（アスペクト比）が高くなると、各線状部３の機械的強度が低下し、倒壊し易くなる。よって、各線状部３の高さは、消光比、透過率及び機械的強度を考慮して決定する必要があり、例えば、格子幅ｗが１０〜５０ｎｍ程度の場合、第一及び第二の層３１，３２から成る格子２の高さｈは、６０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の範囲で適宜選定される。このうち、偏光作用を為す第一の層３１は、十分な消光比を得る観点から５０〜３００ｎｍ程度であることが好ましい。尚、各線状部３のアスペクト比については、２〜２０程度の範囲で適宜選定でき、例えばアスペクト比５とし得る。

次に、このような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２は、第一の実施形態のグリッド偏光素子製造方法を示した正面断面概略図である。実施形態のグリッド偏光素子を製造する場合、まず、図２（１）に示すように、透明基板１上に第一の薄膜４１を作成する第一の成膜工程が行われる。第一の薄膜４１は、第一の層３１となるものであり、シリコンより成る膜である。この実施形態では、第一の薄膜４１はアモルファスシリコンであり、例えばスパッタリングにより作成される。膜厚は、第一の層３１の高さに相当しており、例えば５０〜２００ｎｍである。

第一の成膜工程の後、図２（２）に示すように、第一の薄膜４１の上に第二の薄膜４２を作成する第二の成膜工程が行われる。第二の薄膜４２は第二の層３２となるもので、この実施形態では酸化シリコンより成る膜である。酸化シリコン膜は、同様にスパッタリングにより作成される。酸化シリコン製のターゲットをスパッタして酸化シリコン膜を作成するが、誘電体ターゲットのスパッタであるので、高周波電圧を印加することでスパッタリングを行う。

次に、図２（３）に示すように、レジストパターンの形成が行われる。即ち、第二の薄膜４２の上にフォトレジストを塗布し、プレベーク、露光、現像及びポストべークなどを行ってレジストパターン５を形成する。このレジストパターン５は、格子２のパターンに相当するもので、縞状（ラインアンドスペース）である。

次に、形成されたレジストパターン５をマスクにして第一及び第二の薄膜４１，４２をエッチングする第一及び第二のエッチング工程が行われる。この際、エッチング工程に先立ち、レジストパターン５を酸素プラズマにさらし、部分的にアッシングしてパターンを小さくする処理（シュリンク処理）が行われる。これは、フォトリソグラフィの解像度を超えた細い線幅でラインを形成するためである。

シュリンク処理の後、第二の薄膜４２をエッチングできるエッチャントを使用し、まず第一のエッチング工程が行われる。例えば第二の薄膜４２が酸化シリコンである場合、ＣＦ_４のようなフッ化炭素系ガスと酸素との混合ガスを使用し、高周波放電によってプラズマを形成し、バイアス電界を設定する。バイアス電界によってイオンが引き出され、第二の薄膜４２が異方性エッチングされる。この結果、図２（４）に示すように、第二の層３２が形成される。尚、プラズマには、放電方式の違いに誘導結合型と容量結合型とがあるが、誘導結合型プラズマの方がプラズマ密度が高いので、生産性の点で好適である。

次に、第一の薄膜４１をエッチングできるエッチャントを使用し、第一の薄膜４１をエッチングする。例えば第一の薄膜４１がシリコンである場合、塩素ガスを使用し、同様に誘導結合プラズマにより異方性エッチングする。この結果、図２（５）に示すように、第一の層３１が形成される。その後、レジストパターン５をアッシングして除去すると、図２（６）に示すように、実施形態のグリッド偏光素子が得られる。

上記説明では、第一の薄膜４１をエッチングして第一の層３１を形成する際、レジストパターン５は、消耗があっても残留するように説明したが、レジストパターン５がすべて消耗してしまうことがあり得る。この場合、第二の層３２がエッチングされ得るが、エッチングされる場合でも、完全にはエッチングされずに残留する。この状態を示したのが、図２（６’）である。実施形態の製造方法では、図２の（６）か（６’）の構造でグリッド偏光素子が製造されることになる。

図２（６’）に示すように、実施形態の製造方法では、格子２を構成する第二の層３２が一部エッチングされる場合がある。この場合、このエッチングは透明基板１の周辺部で大きくなり易く、したがって第二の層３２の高さが不均一になり易い。その場合でも、第二の層３２は、高さが第一の層３１よりも低いから、全体として偏光作用が不均一になることはない。尚、第二の層３２の高さが最終的に第一の層３１よりも低くなるように、第一及び第二の各薄膜４１，４２の厚さが選定される。

次に、第二の実施形態のグリッド偏光素子製造方法について説明する。図３は、第二の実施形態のグリッド偏光素子製造方法の概略図である。
図３に示す実施形態の方法は、より微細な構造のグリッド偏光素子を製造すべく、犠牲層を一時的な層として形成する方法である。前述したように、グリッド偏光素子において、格子間隔ｔは、偏光させる光の波長と同程度以下とすることが必要であり、波長が短くなると格子間隔ｔも狭くする必要がある。その一方、格子間隔ｔが狭くなってくると、微細加工技術が発達したとはいっても、単に縞状のレジストパターン５を形成してエッチングするだけでは、十分な寸法形状精度で格子２を形成するのが難しくなってくる。

図３に示す実施形態は、この点を考慮したものである。具体的に説明すると、この実施形態でも、透明基板１上に第一の薄膜４１が形成される。そして、第一の薄膜４１の上に、犠牲層用の第三の薄膜４３が作成される。そして、この第三の薄膜４３の上に、図３（２）に示すように、同様にフォトリソグラフィによりレジストパターン５が形成される。レジストパターン５は、形成する格子２の形状に適合した縞状である。

次に、レジストパターン５をマスクにして第三の薄膜４３をエッチングし、図３（３）に示すように、各犠牲層６を形成する。各犠牲層６は、レジストパターン５の形状に沿った縞状を成している。各犠牲層６を形成後、レジストパターン５を除去する。
次に、図３（４）に示すように、各犠牲層６を覆うようにして第二の薄膜４２を形成する。第二の薄膜４２は、各犠牲層６の上面、側面及び各犠牲層６の間の第一の薄膜４１の露出面に形成される。

次に、第二の薄膜４２の材料をエッチングできるエッチャントを使用し、第二の薄膜４２を異方性エッチングする第一のエッチング工程を行う。この結果、図３（５）に示すように、第二の薄膜４２は、各犠牲層６の側面に堆積したもののみとなり、第二の層３２が形成される。
次に、犠牲層６のみをエッチングできるエッチャントを使用し、犠牲層６をエッチングして除去する。この結果、図３（６）に示すように、第一の薄膜４１上に縞状に各第二の層３２のみが突出して形成された状態となる。犠牲層６のエッチングは、ＲＩＥのようなドライエッチングの場合が多いが、ウェットエッチングの場合もある。

次に、各第二の層３２をマスクにして第一の薄膜４１をエッチングして第一の層３１を形成する第二のエッチング工程を行う。各第二の層３２の材料に対して選択性のあるエッチャントを使用し、第一の薄膜４１のみを選択的にエッチングする。この結果、図３（７）に示すように、第一の層３１の上に第二の層３２が残留した構造の格子２から成るグリッド偏光素子が得られる。

この実施形態の製造方法によれば、各犠牲層６の各側面に第二の薄膜４２を堆積させて各第二の層３２を形成するので、各第二の層３２の幅や離間間隔を狭くすることが可能である。このため、各第一の層３１についても幅や離間間隔を狭くすることができ、より短波長用の微細な格子構造を容易に得ることができる。
尚、この実施形態の製造方法において一時的に形成される犠牲層６の材料としては、各第二の層３２の形成後にエッチングして犠牲層６を除去する際、各第二の層３２や第一の薄膜４１までエッチングしてしまわない材料でない限り、任意の材料を使用し得る。

特にこの実施形態の製造方法では、第二の薄膜４２を犠牲層６上にムラ無く形成することが必要であるが、酸化チタンを第二の薄膜４２として作成する場合、ＡＬＤによりカバレッジ性良くムラなく作成することが容易であるため、好ましい。また、第二の薄膜４２は、図３（６）に示す第二の薄膜３２のパターン（縞状パターン）を形成するためのエッチングにおいて程よくエッチングされる材料であることが必要である一方、第一の薄膜４１のエッチングにおいては耐エッチング性を有する材料であることが必要とされる。第二の薄膜４２として酸化チタンを用いると、縞状パターンとするためのエッチングを良好に行うことができるとともに、第一の薄膜４１をエッチングして第一の層３１を形成する際に第一の層３１に対する保護層として良好に機能させることができる。

次に、上記実施形態に属する実施例について説明する。
実施例のグリッド偏光素子製造方法では、合成石英より成る透明基板上に、第一の薄膜としてシリコン膜がマグネトロンスパッタ装置により１００ｎｍの厚さで作成される。この際、透明基板を載置したステージの温度は室温であり、プロセスガスとしてアルゴンを３０ｓｃｃｍの流量でチャンバーに導入される。この状態で、ターゲットであるシリコンに１３．５６ＭＨｚの高周波が３００Ｗ印加される。

上記高周波によりアルゴンガスは解離されてプラズマ状態となり、アルゴンイオンが生成される。生成されたアルゴンイオンは、負電位であるシリコンターゲットに加速しながら衝突し、ターゲットからシリコンを叩き出す。叩き出されたシリコンは、ターゲットと対向するように配置された透明基板上に堆積し、成膜が進行することになる。１０分間の高周波印加で、１００ｎｍのシリコン膜が透明基板１上に堆積される。
次に、ターゲット材料を酸化シリコンとして、上述と同条件で１３分間の高周波印加が行われ、第一の薄膜（シリコン膜）上に第二の薄膜として酸化シリコン膜を５０ｎｍの厚さで作成される。

次に、酸化シリコン膜の表面にフォトレジストがスピンコーターにより塗布される。使用されるフォトレジストは東京応化工業株式会社製のＴＤＵＲ-Ｐ338ＥＭであり、例えば回転数４０００ｒｐｍの条件にて１５０ｎｍ塗布される。
次に、上記フォトレジストに対し１００℃でソフトベークが行われた後、ＫｒＦステッパーにより縞状パターン（ラインアンドスペース）の露光が行われる。ラインの幅とスペースの幅は、例えば１：１であり、各１５０ｎｍとされる
この露光後、１００℃でフォトレジストのポストベークが行われ、その後、東京応化工業株式会社製の現像液ＮＭＤ−３により現像処理が行われる。

上記露光・現像後、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ドライエッチング装置によりドライエッチング処理が行われる。まず、酸素ガスプラズマにより、レジストパターンの幅が７５ｎｍ幅から３０ｎｍ幅程度にシュリンクされる。このシュリンク処理の条件は、雰囲気圧力１Ｐａ，誘導結合用のアンテナへの投入電力１００Ｗ、透明基板を載置したステージの温度２０℃、酸素ガスの流量１００ＳＣＣＭとされ、３０秒処理される。
その後、レジストパターンをマスクにして、第二の薄膜である酸化シリコン膜をエッチングする第一のエッチング工程が行われる。処理条件は、雰囲気圧力１Ｐａ，アンテナへの投入電力５００Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、ステージの温度２０℃、酸素ガスの流量５ｓｃｃｍ，ＣＦ_４ガスの流量３０ｓｃｃｍとされ、３０秒処理される。

次に、第二のエッチング工程として、上記第一のエッチング工程により形成された各第二の層をマスクとして、第一の薄膜であるシリコン膜がエッチングされる。処理条件は、雰囲気圧力１Ｐａ、アンテナへの投入電力６００Ｗ、バイアス電力５０Ｗ、ステージの温度２０℃とし、プロセスガスとしての塩素ガスを流量３０ｓｃｃｍで、６０秒処理される。その後、レジストパターンをレジスト除去用溶媒により除去することで、実施例のグリッド偏光素子が得られる。

次に、上述した実施形態の方法により製造されるグリッド偏光素子における偏光作用均一性向上の効果についてシミュレーションした結果について説明する。
図４は、実施形態の方法により製造されるグリッド偏光素子の偏光作用分布について参考例のグリッド偏光素子と比較した模式図である。図４に示すシミュレーションでは、格子２を構成する各線状部３がシリコンのみから成る場合を参考例とし、第一の層３１としてのシリコンの層と第二の層３２としての酸化シリコンの層から成る場合を実施例として比較した。尚、各線状部３を形成する際のエッチング処理は、参考例と実施例とで同様のエッチング装置を用い、同様の処理条件であることを前提とした。したがって、エッチャントの分布も参考例と実施例とで同様であることを前提とした。

図４（１）に示す参考例では、シリコンより成る薄膜をエッチングして各線状部３を形成する。したがって、前述したように、エッチャントの不均一な分布により、各線状部３の高さは不均一となる。図４（１−１）に周辺部における線状部の高さがｈ_ｐで示され、（１−２）に透明基板１の中央部における線状部３の高さがｈ_ｃで示されている。前述したように、周辺部ではエッチャントの量が多いので、ｈ_ｐ＜ｈ_ｃとなる。

一方、実施例では、第一の層３１としてのシリコン層の上に第二の層３２としての酸化シリコン層が存在しているが、同一の偏光作用を為すことを前提に、第一の層３１の高さを、参考例における設計値ｈ_ｃと同じとする。参考例において、中央部の線状部３は膜減りがないと仮定でき、高さが設計値ｈ_ｃであるとすることができるから、実施例のグリッド偏光素子では、各第一の層３１の高さｈ_ｃ１、ｈ_ｐ１が、ｈ_ｃに等しいと仮定できる。この場合、実施例のグリッド偏光素子における第二の層３２について、中央部の高さをｈ_ｃ２、ｈ_ｐ２とすると、同様にエッチャントの不均一性から、ｈ_ｐ２＜ｈ_ｃ２となる。

前述したように、同様にエッチャントは不均一に分布しており、エッチング完了後の各線状部３の高さ分布の不均一性は同様である。
また、使用波長は３６５ｎｍであることを前提とした。シリコンの光学定数は、ｎ＝４．０３，ｋ＝３．０４とし、酸化シリコンの光学定数は、ｎ＝１．５６、ｋ＝０とした。参考例において、シリコンより成る各線状部３の高さは、ｈ_ｃ＝１００ｎｍ、ｈ_ｐ＝（７０）ｎｍとした。また実施例については、ｈ_ｃ１＝ｈ_ｐ１＝１００ｎｍ、ｈ_ｃ２＝４０ｎｍ、ｈ_ｐ２＝１０ｎｍとした。格子幅ｗは、いずれの場合も２５ｎｍとし、格子間隔ｔはいずれの場合も１５０ｎｍとした。

以上を前提に、グリッド偏光素子としての特性がどのようになるかシミュレーションした。シミュレーションは、ＲＣＷＡ(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法を用いて行われ、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）を使用し、透明基板１の中央部と周辺部とで、波長３６５ｎｍの光の消光比ＥＲと透過率ＴＲを算出した。この結果が、図４中に記載されている。

図４（１−２）に示すように、参考例では、中央部の消光比ＥＲは４６、透過率ＴＲは４３．７％である。また、図４（１−１）に示すように、周辺部の消光比ＥＲは１６、透過率ＴＲは４７．４％である。即ち、参考例では、周辺部の消光比ＥＲは、中央部の半分以下に低下している。尚、周辺部で透過率ＴＲが若干高い理由は、線状部３の高さが低いためにｐ偏光光の減衰が中央部に比べて少ないことによるものと推測される。

一方、実施例では、図４（２−２）に示すように、中央部の消光比ＥＲは４５、透過率ＴＲは４２．９％であり、図４（２−１）に示すように周辺部の消光比ＥＲは４５、透過率ＴＲは４３．２％である。即ち、消光比ＥＲは、中央部と周辺部とで同様であり、均一となっている。これは、第一の層３１の高さが中央部と周辺部とで同一であるためであって、第二の層３２では実質的に吸収がないため、この部分で偏光作用が生じないからである。もしくは、第二の層３２での吸収が少なく、また高さが低いため、消光比ＥＲの差として現れないものと推測される。尚、透過率ＴＲが周辺部において若干高いのは同様の理由で、第二の層の高さが低いために吸収が少ないことによるものと推測される。

このように、実施例のグリッド偏光素子によれば、偏光作用を有する主たる層としての第一の層３１の高さが一定であるため、偏光作用の面内均一性が向上することがシミュレーションによって確認された。
尚、上記各実施形態及び実施例の説明において、グリッド偏光素子は透明基板１が水平な姿勢で配置されることを前提とし、第一の層３１や第二の層３２について「高さ」と表現したが、グリッド偏光素子は、水平以外の姿勢で配置される（例えば垂直に立てて配置される）場合もある。第一の層３１や第二の層３２の「高さ」は、上位概念としては、光の伝搬方向の長さということになる。

１ 透明基板
２ 格子
３ 線状部
３１ 第一の層
３２ 第二の層
４１ 第一の薄膜
４２ 第二の薄膜
５ レジストパターン
６ 犠牲層

Claims (15)

1. 透明基板と、透明基板上に設けられた複数の線状部からなる縞状の格子とを備えたグリッド偏光素子であって、
   縞状の格子は、偏光作用を為す透明基板側の第一の層と、第一の層の上側に位置する第二の層とより成るものであり、
   第二の層は、透光性の材料で形成され、第一の層より高さが低いものであることを特徴とするグリッド偏光素子。
2. 前記第二の層は、前記第一の層をエッチングによって形成する際のエッチャントに対する耐性が第一の層に比べて高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載のグリッド偏光素子。
3. 前記第二の層の材料は、使用波長における消衰係数が実質的にゼロ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. 前記第二の層は、高さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のグリッド偏光素子。
5. 前記使用波長は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のグリッド偏光素子。
6. 前記第一の層は、シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のグリッド偏光素子。
7. 前記第二の層は、酸化チタン、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化ニオブ、アルミナ、酸化ハフニウム、イットリア、ジルコニア、インジウム酸スズ、酸化セリウム、酸化タングステン、酸化亜鉛、フッ化マグネシウムの何れか一種以上の材料より成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のグリッド偏光素子。
8. 透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とを備えた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、
   透明基板上に第一の薄膜を作成する第一の成膜工程と、
   第一の薄膜の上に第二の薄膜を作成する第二の成膜工程と、
   第二の薄膜をエッチングして第二の薄膜を縞状の第二の層とする第一のエッチング工程と、
   縞状とされた第二の層をマスクにして第一の薄膜をエッチングして第一の層とする第二のエッチング工程とを有しており、
   第一の成膜工程は、偏光作用をもたせる材料で第一の薄膜を作成する工程であり、
   第二の成膜工程は、透光性の材料で第二の薄膜を作成する工程であり、
   製造されたグリッド偏光素子において第二の層の高さが第一の層より低い構造とすることを特徴とするグリッド偏光素子製造方法。
9. 前記第二のエッチング工程では、前記第二の薄膜の方が第一の薄膜より耐性が高いエッチャントを使用することを特徴とする請求項８記載のグリッド偏光素子製造方法。
10. 前記第二の薄膜の材料は、使用波長における消衰係数が実質的にゼロであることを特徴とする請求項８又は９記載のグリッド偏光素子製造方法。
11. 前記第二の層は、高さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８又は９記載のグリッド偏光素子製造方法。
12. 前記使用波長は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８乃至１１いずれかに記載のグリッド偏光素子製造方法。
13. 前記第一の薄膜は、シリコンで作成されることを特徴とする請求項８乃至１２記載のグリッド偏光素子製造方法。
14. 前記第二の層は、酸化チタン、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化ニオブ、アルミナ、酸化ハフニウム、イットリア、ジルコニア、インジウム酸スズ、酸化セリウム、酸化タングステン、酸化亜鉛、フッ化マグネシウムの何れか一種以上の材料で作成されることを特徴とする請求項８又は９記載のグリッド偏光素子製造方法。
15. 透明基板と、透明基板上に設けられた縞状の格子とを備えた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、
    透明基板上に第一の薄膜を作成する第一の成膜工程と、
    犠牲層用の第三の薄膜を第一の薄膜の上に作成する第三の成膜工程と、
    第三の薄膜をフォトリソグラフィにより縞状として犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
    犠牲層の側面を含む領域に第二の薄膜を作成する第二の成膜工程と、
    犠牲層の側面に形成された部分が残留した状態で第二の薄膜をエッチングする第一のエッチング工程と、
    犠牲層を除去して、縞状の第二の層を形成する犠牲層除去工程と、
    縞状とされた第二の層をマスクにして第一の薄膜をエッチングして第一の層を形成する第二のエッチング工程と
    を有しており、
    第一の成膜工程は、偏光作用をもたせる材料で第一の薄膜を作成する工程であり、
    第二の成膜工程は、透光性の材料で第二の薄膜を作成する工程であり、
    製造されたグリッド偏光素子において第二の層の高さが第一の層より低い構造とす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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