JP4795214B2 - ワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法に関するものである。

現在、液晶表示装置は、携帯電話に使われる小型のものから、薄型テレビに使用される対角４０インチ超の大型サイズまで、広く普及している。この液晶表示装置は、自発光型ではないため、背面照明（バックライト）を有し、その照明光の偏光状態を液晶層にて制御することで表示を可能としている。

このため、全ての液晶表示には、無偏光状態のバックライト照明光のうち、１偏光成分のみを透過する偏光板が使われる。現在、偏光板として主に使われているのは、ヨウ素などの二色性色素で染色し、延伸されたポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルムを、２枚のトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルムで挟持した、吸収型の偏光板である。

この吸収型偏光板は、偏光分離性能としては非常に高い性能を有しているものの、透過軸と直交する偏光成分を吸収するため、バックライトの照明光のうち５０％以下の光しか利用することが出来ず、輝度の低下、消費電力の増大といった問題点がある。
この問題を解決するため、複屈折透明誘電体積層体の反射型偏光子を輝度向上フィルムとして使用することが広く普及している。複屈折透明誘電体積層体の反射型偏光子は、液晶バックライトからの光のうち１方向の偏光成分を透過し、それとは直交する偏光成分をバックライト側に反射する。バックライト側に戻った光は、バックライト部の部材の複屈折や、バックライト部での散乱や反射により偏光状態が解消された状態で、再び反射型偏光子へと戻ってくるため、一部が偏光子を透過するようになる。このサイクルを繰り返すことにより、光の利用効率を高めることが可能となる。

しかしながら、現状ではこれらの反射型偏光子の偏光分離性能は低く、反射型偏光子単体では液晶ディスプレイのコントラストが不十分となるため、偏光分離性能の高い吸収型偏光板と併用することが必要となる。このため、液晶ディスプレイを構成する部品数が増え、ディスプレイの製造コストを上昇させるばかりか、製品の厚さが増すなどの問題がある。

一方、別方式の反射型偏光子として、ワイヤーグリッド偏光子があげられる。ワイヤーグリッド偏光子は、図７に示すように、基板２上に入射光の波長よりも十分短い周期で、金属細線３が互いに平行に並んだ構造をしている。
このワイヤーグリッド偏光子に、その法線方向から光が入射すると、金属細線２の長手方向と直交する電場ベクトルを有する成分（すなわちＴＭ偏光）は透過し、金属細線の長手方向と平行な電場ベクトルを有する成分（すなわちＴＥ偏光）は反射される。

ワイヤーグリッド偏光子は高い偏光分離性能を有し、且つ透過しないＴＥ偏光を吸収せずに反射するため、反射型偏光子として理想的な性能を有し、前記問題点を解決することができる。
ワイヤーグリッド偏光子は赤外波長領域において有用な偏光子として古くから利用されている（例えば、非特許文献１）。可視光波長域（およそ４００ｎｍ〜７００ｎｍ）では、その金属細線周期が２００ｎｍ以下であることが必要で、作製上の困難さが伴うが、近年の微細加工技術の進歩に伴い、ようやく製造、販売されるようになった（例えば、非特許文献２）。

しかしながら、十分な透過率と偏光分離性能を持つワイヤーグリッド偏光子は、その金属細線の幅と高さの比（アスペクト比）を高くする必要があり、Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ法に基づく計算機シミュレーションによると、概ね２〜４程度のアスペクト比が必要である。
ところで、本明細書中で言うところの十分な透過率とは、透過率４０％以上（ＴＭ偏光のみを考えた場合、透過率８０％以上）を言い、また、十分な偏光分離性能とは、ＴＭ偏光とＴＥ偏光の透過率の比（消光比）が２００００：１以上を言う。

図８は、周期１４０ｎｍで幅７０ｎｍの金属細線が、ガラス基板上に多数並んだ構造としたときの、計算機シミュレーション結果を、横軸を透過率、縦軸を消光比として、金属（計算にはアルミニウムを仮定）細線の高さを変化してプロットしたものである。
図８より明らかなように、十分に高い透過率と偏光分離性能（消光比）は、アルミニウム細線の高さが１７５ｎｍ前後の時に得られ、幅７０ｎｍであるので、アスペクト比が２．５である。

このように、十分に高い透過率と偏光分離性能（消光比）を得るためには、アスペクト比の高い、言い換えるならば、細くて高い金属細線を形成する必要があり、図７に示すようなワイヤーグリッド偏光子は、押圧や引っかき、衝撃などに弱く、容易に金属細線３が倒れてしまうという問題点がある。
特に液晶表示装置に用いる場合には、液晶パネルを構成するガラス基板と貼り合せる必要があり、この貼り合せの工程で金属細線が倒れ、十分な性能を発揮できないという問題がある。

上記のような問題に対して、図９に示すような金属細線８の間を透明誘電体９で埋めたワイヤーグリッド偏光子７（或いは、透明誘電体のグレーティング構造の間を金属で埋めた構造）も提案されている（特許文献１）。
しかしながら、図１０に示すように、計算機シミュレーションによると、周期１４０ｎｍで幅が７０ｎｍの金属細線からなるワイヤーグリッド偏光子において、金属細線（アルミニウムを仮定）間に屈折率１．５の樹脂が埋め込まれた場合、十分な透過率と偏光分離性能を持つことが不可能となる。

つまり、図１０から明らかなように、最も高い透過率を示すのは、金属細線高さが１４０ｎｍのときであるが、それでも透過率が３７％ほどしかなく、消光比が３０００：１程度である。より高い消光比を求めると、透過率は減少傾向を示し、２００００：１の消光比を得るためには、金属細線高さが１７５ｎｍ必要で、そのときの透過率は３０％以下になってしまう。

金属細線間を屈折率１．５の透明誘電体で埋め込んだ場合に、透過率が４０％以上で、消光比が２００００：１以上とするためには、周期７０ｎｍで、金属細線幅２８ｎｍ、高さ１３０ｎｍというアスペクト比４．６の構造を作らなければならず、作製上の困難さを伴い、現実的ではない。
Ｊ．Ｐ．Ａｕｔｏｎ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ．Ｖｏｌ．６．１０２３（１９６７） Ｆ．Ｊ．Ｋａｈｎ，Ｐｒｉｖａｔｅ Ｌｉｎｅ Ｒｅｐｏｒｔ ｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ．Ｖｏｌ．７．Ｎｏ．１０．３（２００１） 特開２００４−１５７１５９号公報

本発明は、十分に高い透過率、偏光分離性能及び信頼性を有するワイヤーグリッド偏光子及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、本発明のワイヤーグリッド偏光子は、所定の波長域の光を透過可能な基板と、前記基板上に形成され、互いに平行に延在する複数の誘電体細線と、 前記誘電体細線間に形成され、前記複数の誘電体細線と平行に延在する複数の金属細線と、を備え、前記誘電体細線は、前記所定の波長域の光を透過可能な誘電体からなり、前記複数の各誘電体細線の両側壁の全面は、隣接する前記金属細線の一方の側壁と接しており、前記金属細線の２つの側壁の少なくとも一方は、前記誘電体細線と接しない領域を有していることを特徴としている。

また、本発明のワイヤーグリッド偏光子は、隣接する前記誘電体細線間には、２つの前記金属細線が形成されていることを特徴としている。
また、本発明のワイヤーグリッド偏光子は、前記誘電体細線の高さは、前記金属細線の高さの４０％から７０％であることを特徴としている。
また、本発明のワイヤーグリッド偏光子は、隣接する前記誘電体細線間には、１つの前記金属細線が形成され、前記誘電体細線の高さは、前記金属細線の高さの４０％から７０％であることを特徴としている。

また、本発明のワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、所定の波長域の光を透過可能な基板上に、前記所定の波長域の光を透過可能な誘電体からなる互いに平行に延在する複数の誘電体細線を形成する第１の工程と、前記誘電体細線の頂部、側壁ならびに前記誘電体細線間を被覆するように金属層を形成する第２の工程と、前記誘電体細線の頂部ならびに前記誘電体細線間に形成された前記金属薄膜を、前記基板の法線方向に平行な異方性エッチングにより除去する第３の工程と、を備えることを特徴としている。

また、本発明のワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、前記第３の工程の後に、前記誘電体細線を一部除去して、前記誘電体細線の高さを除去前の４０％から７０％とする第４の工程をさらに備えることを特徴としている。
また、本発明のワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、所定の波長域の光を透過可能な基板上に、前記所定の波長域の光を透過可能な誘電体からなる互いに平行に延在する複数の誘電体細線を形成する第１の工程と、前記誘電体細線間を金属で埋め込むように金属層を形成する第２の工程と、前記誘電体細線の頂部に堆積された前記金属層を除去する第３の工程と、前記誘電体細線を一部除去して、前記誘電体細線の高さを除去前の４０％から７０％とする第４の工程と、を備えることを特徴としている。

また、本発明のワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、前記誘電体細線の形成は、ナノインプリント法により行われることを特徴としている。
また、本発明のワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、前記金属層は、化学気相堆積法により形成されることを特徴としている。
また、本発明のワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、前記金属層の除去が、反応性イオンエッチングにより行われることを特徴としている。

本発明によれば、ワイヤーグリッド偏光子を構成する直線状の誘電体細線の両側壁の全面が、隣接する金属細線の一方の側壁と接しており、誘電体細線が金属細線を側面から支持することで、容易に金属細線が倒壊することがなくなり、高い信頼性を得ることができる。
さらに、金属細線の２つの側壁の少なくとも一方は、誘電体細線と接しない領域を有しているため、側壁全体が接している場合よりも、同じアスペクト比構造とした場合に、高い透過率と偏光分離機能を有することが可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態を表す、断面概略図である。
本発明の第１の実施の形態のワイヤーグリッド偏光子１０は、基板１１と複数の誘電体細線１２と複数の金属細線１３とによって構成されており、基板１１上に所定の周期ｄ、幅ｗ２、高さｈ、屈折率ｎの誘電体細線１２が平行に多数並んでおり、その誘電体細線１２の両側面の全面に、所定の幅ｗ１、高さｈの金属細線１３が接するようになっている。このとき２×ｗ１＋ｗ２＜ｄとなっている。なお、基板１１、誘電体細線１２は、所定の波長域の光を透過可能な材料からなっている。

本実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０は、非常に高いアスペクト比を有しているにもかかわらず、金属細線１３を誘電体細線１２がその側壁でサポートすることで、金属細線１３が倒壊することを防ぎ、高い信頼性を実現している。
本実施形態において、ワイヤーグリッド偏光子１０を構成する基板１１及び金属細線１３、誘電体細線１２の屈折率は、ワイヤーグリッド偏光子１０の透過率と偏光分離性能に大きく影響する。

なお、本実施形態のワイヤーグリッドにおいては、１本の誘電体細線１２に対して２本の金属細線１３が形成された構成となっており、誘電体細線１２の幅が広いと金属細線１３間の間隔が狭くなり、十分に高い透過率と偏光分離機能を有することが難しくなるため、誘電体細線１２の周期に対して誘電体細線１２の幅を５０％以下とすることが好ましい。
ワイヤーグリッド偏光子１０の基板１１として使用可能な材料は、液晶プロジェクタなど、耐熱性が要求される用途でワイヤーグリッド偏光子１０を用いる場合には、ガラスに代表されるような可視光に対し透明性の高い高耐熱性無機材料である。

一方、耐熱性がさほど要求されない用途であれば、樹脂が使用でき、好ましい樹脂材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ジエチレングリコールビスカーボネート（ＣＲ−３９）、スチレン／アクリロニトリル共重合体（ＳＡＮ）、スチレン／メタクリル酸共重合体（ＭＳ）、脂環式アクリル樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂などの高透明誘電体が挙げられる。なお、通常はこれらをシートやフィルムとして基板１１に用いる。

また、基板１１の金属細線１３とは反対側の表面に反射防止構造を設けてもよい。この構成により、光の利用効率を高めることが出来るため、より好ましい。
金属細線１３の材料は金属であれば、特に限定はないが、可視光に対する消衰係数（屈折率の虚数部）が大きいことが好ましく、最も好ましい材料はアルミニウムである。

誘電体細線１２の材料は、金属細線１３を側面からサポートするだけの十分な強度を有し、また、金属細線１３の材料及び基材との十分な密着性を有する必要があり、前述の基板と同様に、ガラスや、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ジエチレングリコールビスカーボネート（ＣＲ−３９）、スチレン／アクリロニトリル共重合体（ＳＡＮ）、スチレン／メタクリル酸共重合体（ＭＳ）、脂環式アクリル樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂などが使用できる。更には、これらの複合体や、必要に応じて、各種添加剤を混入したものが使用できる。
また、偏光分離機能と透過率の観点から言えば、低屈折率材料の方が好ましく、低屈折率樹脂材料としては、弗素系樹脂やシリコン樹脂が使用でき、更には、上記各種樹脂材料やその複合樹脂に、弗素系樹脂やシリコン樹脂を混入して、屈折率を下げた樹脂として使用することが出来る。

以下、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０の作製方法について図２を参照しながら説明する。
〔第１の工程〕
まず、図２（ａ）に示すように、樹脂層をナノインプリント法にて加工して、周期ｄ、幅ｗ２、高さｈの誘電体細線１２が平行に多数並んだ構造を作製する。その作製法の例としては、ＰＣフィルム上に、ＵＶ硬化型樹脂をワイヤーバーで薄くコーティングし、離型処理を施したモールドと、ラミネートした状態で、ＵＶ光で樹脂を硬化、モールド離型、という手順によるものがある。なお、上記のモールドは、あらかじめ電子線リソグラフィー法によりシリコンウエハを加工したものであり、周期ｄ、幅ｗ、深さｈの溝がその加工により多数形成されたものとなっている。

ＵＶナノインプリント法は、公知の技術であるので、ここではその技術上の詳細な説明を省略する。
また、本実施形態においては、ＵＶナノインプリント法で誘電体細線１２の構造を作製するため、ＵＶナノインプリント法に適した材料として、アクリル系のＵＶ硬化型樹脂を用いているが、ＵＶナノインプリント法に代えて熱ナノインプリント法を適用する場合には、基板１１としてガラスを、誘電体細線１２の材料としてＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）を用いてもよい。この場合には、ガラス基板１１の一面に、ＰＭＭＡを溶剤に溶解した溶液をスピンコート法により塗布、乾燥して、ＰＭＭＡの薄膜（例えば厚み１μｍ）を形成する。また、熱ナノインプリント法を適用する場合には、ＰＭＭＡ基板そのものの表面に直接、細線パターンを作製してもよい。

〔第２の工程〕
次に、図２（ｂ）に示すように、誘電体細線１２の構造を有するフィルムに対して、ＣＶＤ（化学気相成長法）にて、誘電体細線１２の頂部、側壁ならびに誘電体細線１２間を被覆するように、金属層１４を成膜する。金属の成膜方法は、大きく分けてＰＶＤ（物理的気相成長法）とＣＶＤ（化学気相成長法）とがある。代表的なＰＶＤとしては、真空蒸着法やスパッタリング法があり、ＣＶＤに比べ成膜速度が速いという特徴がある。

ワイヤーグリッド偏光子１０自体の細線の幅および周期を勘案すると、数十ｎｍから数百ｎｍの大きさの細かな溝や穴に成膜することが要求される。この要求を満たすことができるものであれば、金属成膜方法は限定されないが、ＰＶＤ法では、一般的に３００ｎｍより細かな溝や穴の中に、金属を堆積することが非常に困難であり、真空度や、蒸着源サイズ、溶融方法、基板温度などの成膜条件を最適化することで、可能では有るものの、成膜条件の許容範囲が狭く、生産収率を下げる結果になる。一方、ＣＶＤ法では、細かな溝や穴に成膜することが可能であり、さらには、成膜の回り込みが良く、微細なパターン上を覆い隠すような成膜が可能となるため、本実施の形態のワイヤーグリッド偏光子１０の作製においては、ＣＶＤ法がより好ましい。

なお、不導体である誘電体上にＣＶＤにて金属を堆積することは、比較的時間を要する工程であるため、生産効率が悪いという欠点がある。生産効率を上げるために、あらかじめ、ＰＶＤ法にて５ｎｍ程度の厚みで、薄く導体を堆積することで、ＣＶＤによる金属堆積時間を短縮することも可能である。
この際、ＰＶＤ法にて堆積させる金属は、ＣＶＤ法で堆積する金属と同じ金属であることが好ましいが、前述の理由により、それが困難な場合は、チタンなどの他の金属を用いることも可能である。

〔第３の工程〕
次に、図２（ｃ）に示すように、誘電体細線１２頂部と誘電体細線１２間（溝底部）に堆積した金属のみを反応性イオンエッチング法にて除去し、誘電体細線１２の側壁に堆積した金属を残すことで、金属細線１３の構造を作製した。ここで、反応性イオンエッチングとは、プラズマによりガスをイオン化・ラジカル化して材料をエッチングする方法をいう。

このエッチングの工程は、上記のような反応性イオンエッチングに限るものではなく、基板１１と平行に堆積している金属を除去し、側壁に堆積している金属を残すような、所謂、異方性エッチングであるなら他の方法を採用することもできる。
例えば、イオンの衝突衝撃を利用するイオンミリングや、セラミックの超微粉を噴射させるサンドブラスト、或いは金属の結晶構造の方向性を利用したアルカリ又は酸性の液体を用いたウェットエッチングでも、異方性を持たせる事は可能である。或いは、反応ガス中に材料を曝す方法(反応性ガスエッチング)でも、基板１１と垂直な方向に、ある種のガス流を作れば可能である。ただし、本実施形態で用いた反応性イオンエッチングが、エッチング厚みの制御がし易く、精度も良いため、実用上最も好ましい方法といえる。

（実施例１）
まず、厚み100μｍのＰＣフィルム上に、ＵＶナノインプリント法にて、周期１４０ｎｍ、幅４９ｎｍ、高さ１７５ｎｍの誘電体細線１２が平行に多数並んだ構造を作製した。このとき、誘電体細線１２は、ＰＣフィルム上に、ＵＶ硬化型樹脂であるＰＡＫ−０１（東洋合成製）をワイヤーバーで薄くコーティングし、離型処理を施したモールドとラミネートした状態で、ＵＶ光で樹脂を硬化、モールド離型、という手順にて作製された。

次に、誘電体細線構造を有するフィルムに対して、ＣＶＤ（化学気相成長法）にて、誘電体細線１２の頂部、側壁ならびに誘電体細線１２間を被覆するように、アルミニウムを２１ｎｍの厚みで成膜した。ここでは、幅９１ｎｍという細かな溝にアルミニウムを成膜するため、反応ガスにＭＰＡ（メチルピロリジンアラン）を用いたＣＶＤ法を採用してアルミニム成膜を行った。このとき、真空チャンバー内に設置した、誘電体細線パターン付のＰＣフィルムを、温度が１０５℃となるように加熱し、ＭＰＡガスを、アルゴンガスによるバブリングにて７５秒間、チャンバー内圧力が３０Ｐａとなるよう流入することで、誘電体細線パターン上を覆い隠すように２１ｎｍの厚みで一様にアルミニウムを堆積した。

最後に、誘電体細線１２頂部と誘電体細線１２間（溝底部）に堆積したアルミニウムのみを反応性イオンエッチング法にて除去し、誘電体細線１２の側壁に堆積したアルミニウムを残すことで、アルミニウム細線の構造を作製した。ここでは、アルミニウムを除去するために、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）ガスをエッチングガスとして真空チャンバー内に導入し、有磁場マイクロ波プラズマ法により、三塩化ホウ素ガスをラジカル化し、アルミニウムと反応させてエッチングを行った。

上記のように作製したワイヤーグリッド偏光子１０は、基板１１上に周期１４０ｎｍ、幅４９ｎｍ、高さ１７５ｎｍ、屈折率１．５の誘電体細線１２が平行に多数並んでおり、その誘電体細線１２の両側面の全面に、幅２１ｎｍのアルミニウムの細線が接した構造をしている。ここで、アルミニウム細線だけを考えると、幅２１ｎｍ、高さ１７５ｎｍであるため、本実施形態におけるアスペクト比は８．３であり、非常に高いアスペクト比を有していることになる。その一方で、アルミニウム細線が２本と、それに狭持された誘電体細線１２を合わせて、幅が９１ｎｍの細線が、間隔４９ｎｍ（周期１４０ｎｍ）で並んだ構造をしており、アスペクト比が１．４７と低く、倒壊しにくい構造となっているといえる。

このような構造を有するワイヤーグリッド偏光子１０は、計算機シミュレーションによりその性能を計算した結果、透過率が４２．１％、消光比は７００００：１となり、十分に高い透過率と偏光分離機能を有することがわかった。また、実際に作製したワイヤーグリッド偏光子１０を評価した結果、透過率が４０．８％、消光比は２００００：１となり、十分に高い透過率と偏光分離性能を有していた。透過率、偏光度が計算機シミュレーションの値より低いのは、計算にはアルミニウムの複素屈折率を、文献から得たものを使用したが、実際に成膜したアルミニウムの複素屈折率（特にその虚数部）が、それよりも低いためであると考えられる。

このように、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０は、幅が狭く高いアスペクト比を有する金属細線１３を備えているために高い透過率と消光比を実現できるだけでなく、その金属細線１３が誘電体細線１２に支持されているために、倒壊し難く信頼性が高い。
また、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０は、１本の誘電体細線１２に対して金属細線１３が２本作製されるため、金属細線１３の周期は、誘電体細線１２の周期の半分となる。例えば、可視光線に対するワイヤーグリッド偏光子１０が、２００ｎｍ以下の周期を必要とするため、誘電体細線１２の周期は、その倍の４００ｎｍ以下であれば良い。したがって、製造工程上の難易度も下がり、生産効率を上昇させ、且つ大面積化も容易となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態を添付の図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態を表す、断面概略図である。
本発明の第２の実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０は、基板２１と複数の誘電体細線２２と複数の金属細線２３とによって構成されており、基板上に所定の周期ｄ、幅ｗ２、高さｈ２、屈折率ｎの誘電体細線２２が平行に多数並んでおり、その誘電体細線２２の両側面の全面に、所定の幅ｗ１の、高さｈ１の金属細線２３が接するようになっている。このときｈ２＜ｈ１、２×ｗ１＋ｗ２＜ｄとなっている。なお、基板２１、誘電体細線２２は、所定の波長域の光を透過可能な材料からなっている。

本実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０は、非常に高いアスペクト比を有しているにもかかわらず、金属細線２３を、誘電体細線２２が、その側壁でサポートすることで、金属細線２３が、倒壊することを防ぎ、高い信頼性を実現している。

なお、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０においては、１本の誘電体細線２２に対して金属細線２３が２本形成された構成となっており、誘電体細線２２の幅が広いと金属細線２３間の間隔が狭くなり、十分に高い透過率と偏光分離機能を有することが難しくなるため、誘電体細線２２の周期に対して誘電体細線２２の幅を５０％以下とすることが好ましい。

誘電体細線２２の高さは、金属細線２３の高さに対して、低ければ低いほど、透過率や偏光分離機能といった光学性能は向上する。計算機シミュレーションによれば、誘電体細線２２の高さは、金属細線２３の高さの７０％以下であれば、実現可能なアスペク比の構造において、十分な透過率や偏光分離機能を有すると判明している。
一方、誘電体細線２２が金属細線２３を支持し、その倒壊を防ぐと言う信頼性の点からは、誘電体細線２２の高さは、高ければ高いほど好ましい。本実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０に要求される信頼性は、それが使われる商品形態や、作製工程によって異なり、金属細線２３の倒壊を防ぐために、誘電体細線２２が、どの程度の高さがあれば良いかを一概には言えないが、発明者が実際に実験的に得た知見によれば、誘電体細線２２の高さが、金属細線２３の高さの４０％以上の高さであれば、十分な信頼性を得られることが判明している。

ここで、ワイヤーグリッド偏光子２０の基板２１、誘電体細線２２、金属細線２３として使用可能な材料は、第１の実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０と同様であるためその説明を省略するが、ワイヤーグリッド偏光子を構成する基板及び金属細線材料、誘電体細線材料は、ワイヤーグリッド偏光子２０の透過率と偏光分離性能に大きく影響し、前述の材料から適宜選択する必要がある。

以下、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０の作製方法について、図４を参照して説明する。
〔第１の工程〕
まず、図４（ａ）に示すように、樹脂層をナノインプリント法にて加工して、周期ｄ、幅ｗ２、高さｈ１の誘電体細線２２が平行に多数並んだ構造を作製する。ナノインプリント法の例としては、第１の実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０の作製方法における第１の工程の記載と同様であるためその説明を省略する。

〔第２の工程〕
次に、図４（ｂ）に示すように、誘電体細線構造を有するフィルムに対して、ＣＶＤ（化学気相成長法）にて、誘電体細線２２の頂部、側壁ならびに誘電体細線２２間を被覆するように、金属層２４を成膜する。金属の成膜方法は、第１の実施形態のワイヤーグリッド偏光子の作製方法における第２の工程と同様であるため、その説明を省略する。

〔第３の工程〕
次に、図４（ｃ）に示すように、誘電体細線頂部と誘電体細線間（溝底部）に堆積した金属のみを反応性イオンエッチング法にて除去し、誘電体細線２２の側壁に堆積した金属を残すことで、金属細線２３の構造を作製した。反応性イオンエッチング法は、第１の実施形態のワイヤーグリッド偏光子の作製方法における第３の工程と同様であるため、その説明を省略する。

〔第４の工程〕
図４（ａ）〜（ｃ）までの工程で得られた試料の誘電体細線２２の頂部を除去し、その高さをｈ２からｈ１にすることにより、図４（ｄ）に示すような構造を得る。この工程は、エッチングによって行われ、ウェットエッチングでもドライエッチング（特に反応性イオンエッチング）でも良いが、金属細線構造に影響を与えないような、エッチングであることが好ましい。反応性イオンエッチングの場合、反応性ガスとして酸素を用いることで、金属細線構造に影響を与えず、樹脂系の誘電体細線２２だけをエッチングすることができる。

（実施例２）
まず、ガラス基板上のＰＭＭＡ層に、熱ナノインプリント法にて、周期２００ｎｍ、幅６０ｎｍ、高さ２００ｎｍの誘電体細線２２が平行に多数並んだ構造を作製した。ここで、ガラス基板は予め二酸化チタンと二酸化シリコンの薄膜を三層重ねた反射防止コートがされているものであり、反射防止層とは反対側の表面に、ＰＭＭＡを溶剤に溶解した溶液を、スピンコート法により塗布、乾燥して、ＰＭＭＡの薄膜（厚み１μｍ）を形成したものを用いている。このとき誘電体細線２２は、ＰＭＭＡを塗布したフロートガラス基板を、１５０℃に熱し、ＰＭＭＡ層を軟化させた後で、モールドを接触、加圧し、この加圧状態のまま、モールドと基板とを室温まで冷却、モールド離型、という手順にて作製された。

次に、誘電体細線構造を有するガラス基板に対して、ＣＶＤにて、誘電体細線２２の頂部、側壁ならびに誘電体細線２２間を被覆するように、アルミニウムを４０ｎｍの厚みで成膜した。ここでは、幅１４０ｎｍという細かな溝にアルミニウムを成膜するため、反応ガスにＭＰＡを用いたＣＶＤ法を採用してアルミニム成膜を行った。このとき、真空チャンバー内に設置した、誘電体細線パターン付のＰＣフィルムを、温度が１０５℃となるように加熱し、ＭＰＡガスを、アルゴンガスによるバブリングにて１５０秒間、チャンバー内圧力が３０Ｐａとなるよう流入することで、誘電体細線パターン上を覆い隠すように４０ｎｍの厚みで一様にアルミニウムを堆積した。

次に、誘電体細線頂部と誘電体細線間（溝底部）に堆積したアルミニウムのみを反応性イオンエッチング法にて除去し、誘電体細線２２の側壁に堆積したアルミニウムを残すことで、アルミニウム細線の構造を作製した。ここでは、アルミニウムを除去するために、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）ガスをエッチングガスとして真空チャンバー内に導入し、有磁場マイクロ波プラズマ法により、三塩化ホウ素ガスをラジカル化し、アルミニウムと反応させてエッチングを行った。

最後に、誘電体細線２２の上部を、高さ２００ｎｍから１００ｎｍになるまで、塩化メチレン溶液に浸漬、攪拌することで除去し、最終的に図３に示したワイヤーグリッド偏光子２０を得た。

上記のように作製したワイヤーグリッド偏光子２０において、基板２１上に周期２００ｎｍ、幅６０ｎｍ、高さ１００ｎｍ、屈折率１．５の誘電体細線２２が平行に多数並んでおり、その誘電体細線２２の両側面の全面に、幅４０ｎｍ、高さ２００ｎｍのアルミニウムの細線が接している。ここで、アルミニウム細線だけを考えると、幅４０ｎｍ、高さ２００ｎｍであるため、本実施形態におけるアスペクト比は５．０であり、非常に高いアスペクト比を有していることになる。その一方で、アルミニウム細線が２本と、それに狭持された誘電体細線２２を合わせて、幅が１４０ｎｍの細線が、間隔６０ｎｍ（周期２００ｎｍ）で並んだ構造をしており、アスペクト比が１．４３と低く、倒壊しにくい構造となっているといえる。

このような構造を有するワイヤーグリッド偏光子２０は、計算機シミュレーションによりその性能を計算した結果、透過率が４３．２％、消光比は５７００００：１となり、十分に高い透過率と偏光分離機能を有することがわかった。また、実際に作製したワイヤーグリッド偏光子２０を評価した結果、透過率が４２．２％、消光比は４００００：１となり、十分に高い透過率と偏光分離性能を有していた。透過率、偏光度が計算機シミュレーションの値より低いのは、計算にはアルミニウムの複素屈折率を、文献から得たものを使用したが、実際に成膜したアルミニウムの複素屈折率（特にその虚数部）が、それよりも低いためであると考えられる。

このように、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０は、幅が狭く高いアスペクト比を有する金属細線２３を備えているために高い透過率と消光比を実現できるだけでなく、その金属細線２３が誘電体細線２２に支持されているために、倒壊し難く信頼性が高い。
また、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０は、１本の誘電体細線２２に対して金属細線２３が２本作製されるため、金属細線２３の周期は、誘電体細線２２の周期の半分となる。例えば、可視光線に対するワイヤーグリッド偏光子２０が、２００ｎｍ以下の周期を必要とするため、誘電体細線２２の周期は、その倍の４００ｎｍ以下であれば良い。したがって、製造工程上の難易度も下がり、生産効率を上昇させ、且つ大面積化も容易となる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態を表す、断面概略図である。
本発明の第３の実施形態のワイヤーグリッド偏光子３０は、基板３１と複数の誘電体細線３２と複数の金属細線３３とによって構成されており、基板上に所定の周期ｄ、幅ｗ２、高さｈ２、屈折率ｎの誘電体細線３２が平行に多数並んでおり、その誘電体細線３２の両側面の全面に、所定の幅ｗ１の、高さｈ１の金属細線３３が接するようになっている。このときｈ２＜ｈ１、ｗ１＋ｗ２＝ｄとなっている。なお、基板３１、誘電体細線３２は、所定の波長域の光を透過可能な材料からなっている。

本実施形態のワイヤーグリッド偏光子３０は、非常に高いアスペクト比を有しているにもかかわらず、金属細線３３間を埋めている誘電体が、その側壁で密接しているアルミニウム細線をサポートすることで、アスペクト比の高い構造の金属細線３３が倒壊することを防ぎ、高い信頼性を実現している。

誘電体細線３２の高さｈ２は、金属細線３３の高さｈ１に対して、低ければ低いほど、透過率や偏光分離機能といった光学性能は向上する。誘電体細線３２の高さは、金属細線３３の高さｈ１に対して、低ければ低いほど、透過率や偏光分離機能といった光学性能は向上する。計算機シミュレーションによれば、誘電体細線３２の高さは、金属細線３３の高さの７０％以下であれば、実現可能なアスペク比の構造において、十分な透過率や偏光分離機能を有すると判明している。
一方、誘電体細線３２が金属細線３３を支持し、その倒壊を防ぐと言う信頼性の点からは、誘電体細線３２の高さは、高ければ高いほど好ましい。本実施形態のワイヤーグリッド偏光子２０に要求される信頼性は、それが使われる商品形態や、作製工程によって異なり、金属細線３３の倒壊を防ぐために、誘電体細線３２が、どの程度の高さがあれば良いかを一概には言えないが、発明者が実際に実験的に得た知見によれば、誘電体細線３２の高さが、金属細線３３の高さの４０％以上の高さであれば、十分な信頼性を得られることが判明している。

ここで、ワイヤーグリッド偏光子３０の基板３１、誘電体細線３２、金属細線３３として使用可能な材料は、第１の実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０と同様であるためその説明を省略するが、ワイヤーグリッド偏光子を構成する基板及び金属細線材料、誘電体細線材料は、ワイヤーグリッド偏光子の透過率と偏光分離性能に大きく影響し、前述の材料から適宜選択する必要がある。

以下、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子３０の作製方法について図６を参照しながら説明する。
〔第１の工程〕
まず、図６（ａ）に示すように、樹脂層をナノインプリント法にて加工して、周期１００ｎｍ、幅５０ｎｍ、高さ１７５ｎｍの誘電体細線３２が平行に多数並んだ構造を作製する。ナノインプリント法の例としては、第１の実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０の作製方法における第１の工程の記載と同様であるためその説明を省略する。なお、図６においては、樹脂層にかえて樹脂基板表面を直接加工した例として図示されている。

〔第２の工程〕
次に、図６（ｂ）に示すように、誘電体細線構造を有するフィルムに対して、ＣＶＤ（化学気相成長法）にて、誘電体細線全体を被覆するように、金属層３４を成膜する。金属の成膜方法は、第１の実施形態のワイヤーグリッド偏光子１０の作製方法における第２の工程と同様であるため、その説明を省略する。

〔第３の工程〕
次に、図６（ｃ）に示すように、誘電体細線上に堆積した金属をアルカリ水溶液によるウェットエッチング法にて除去する。このエッチングの工程は、アルカリ水溶液によるウェットエッチング法に限るものではなく、酸性溶液を用いたウェットエッチングや、第１や第２の実施形態と同様に反応性イオンエッチングを用いることも可能である。ただし、誘電体細線間に埋まった金属は、誘電体細線上に堆積した金属に比べて、アルカリ水溶液に浸る確率が非常に低いため、反応性イオンエッチングに比べて生産工程が簡単なウェットエッチングでも、容易に図６（ｃ）の構造を作ることが可能である。そのほか、イオンの衝突衝撃を利用するイオンミリングや、セラミックの超微粉を噴射させるサンドブラスト法、反応性ガスエッチング法でも、誘電体細線上に堆積した金属の除去は可能である。

〔第４の工程〕
最後に、図６（ｄ）に示すように、誘電体細線３２の上部を、反応性ガスとして酸素を用いた反応性イオンエッチングにより除去する。このエッチングの工程は、酸素を用いた反応性イオンエッチングに限るものではなく、誘電体細線３２を構成する材料（本実施形態ではＰＭＭＡ）をエッチングし、金属細線３３の構造に影響を与えないような、エッチングであるなら他の方法を採用することもできる。また、例えば、塩化メチレン溶液やＭＭＡ（メチルメタアクリレート）溶液を用いたウェットエッチング法を用いても良い。

（実施例３）
まず、厚み１２５μｍのＰＭＭＡフィルム上に、熱ナノインプリント法にて、周期１００ｎｍ、幅５０ｎｍ、高さ１７５ｎｍの誘電体細線３２が平行に多数並んだ構造を作製した。このとき誘電体細線３２は、ＰＭＭＡフィルムを、１５０℃に熱し、軟化させた後で、モールドを接触、加圧し、この加圧状態のまま、モールドと基板とを室温まで冷却、モールド離型、という手順にて作製された。

次に、誘電体細線構造を有するフィルムに対して、ＣＶＤ（化学気相成長法）にて、誘電体細線３２の頂部、側壁ならびに誘電体細線３２間を被覆するように、アルミニウムを３００ｎｍの厚みで成膜した。ここでは、幅５０ｎｍという細かな溝にアルミニウムを成膜するため、反応ガスにＭＰＡ（メチルピロリジンアラン）を用いたＣＶＤ法を採用してアルミニウムの成膜を行った。このとき、真空チャンバー内に設置した、誘電体細線パターン付のＰＣフィルムを、温度が１０５℃となるように加熱し、ＭＰＡガスを、アルゴンガスによるバブリングにて２０分間、チャンバー内圧力が３０Ｐａとなるよう流入することで、誘電体細線パターン上を覆い隠すように３００ｎｍの厚みで一様にアルミニウムを堆積した。

次に、不要なアルミニウムを除去するために、０．１ｍｏｌ／Ｌの濃度のＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）水溶液を用意し、これにアルミニウム成膜後のＰＭＭＡフィルムを浸漬、攪拌して、誘電体細線上に堆積したアルミニウムのみを除去し、誘電体細線間にアルミニウム細線が残存する構造を得た。
最後に、誘電体細線３２の上部を、反応性ガスとして酸素を用いた反応性イオンエッチングにより除去し、誘電体細線３２の高さを１２５ｎｍとした。

上記のように作製したワイヤーグリッド偏光子３０において、基板上に周期１００ｎｍ、幅５０ｎｍ、高さ１２５ｎｍ、屈折率１．５の誘電体細線３２が平行に多数並んでおり、その誘電体細線３２の間に、幅５０ｎｍ高さ１７５ｎｍのアルミニウムの細線が接している。ここで、アルミニウム細線だけを考えると、幅５０ｎｍ、高さ１７５ｎｍであるため、本実施形態におけるアスペクト比は３．５であり、非常に高いアスペクト比を有していることになる。その一方で、アルミニウム細線間を埋めている誘電体細線３２が、その側壁で密接しているアルミニウム細線をサポートすることで、アスペクト比３．５という高い構造のアルミニウム細線が、倒壊することを防ぎ、信頼性の高いワイヤーグリッド偏光子３０を実現している。

このような構造を有するワイヤーグリッド偏光子３０は、計算機シミュレーションによりその性能を計算した結果、透過率が４２．２％、消光比は７００００：１となり、十分に高い透過率と偏光分離機能を有することがわかった。また、実際に作製したワイヤーグリッド偏光子３０を評価した結果、透過率が４１．８％、消光比は４００００：１となり、十分に高い透過率と偏光分離性能を有していた。透過率、偏光度が計算機シミュレーションの値より低いのは、計算にはアルミニウムの複素屈折率を、文献から得たものを使用したが、実際に成膜したアルミニウムの複素屈折率（特にその虚数部）が、それよりも低いためであると考えられる。

このように、本実施形態のワイヤーグリッド偏光子３０は、幅が狭く高いアスペクト比を有する金属細線３３を備えているために高い透過率と消光比を実現できるだけでなく、その金属細線３３が誘電体細線３２に支持されているために、倒壊し難く信頼性が高い。
以上添付図面を参照しながら、第１から第３まで本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明によれば、ワイヤーグリッド偏光子の信頼性を向上することが可能である。本発明によるワイヤーグリッド偏光子を液晶ディスプレイに用いれば、光の利用効率を大幅に向上させることができ、モバイル系の情報端末の電池寿命を大幅に伸ばしたり、軽量化が可能となったりするばかりか、部品数の削減によるコストダウンや、製品の薄肉化が可能となる。このように、本発明は偏光を利用する幅広い産業分野において、高い利用価値を有する。

符号の説明

１、７、１０、２０、３０ ワイヤーグリッド偏光子
２、１１、２１、３１ 基板
３、８、１３、２３、３３ 金属細線
９、１２、２２、３２ 誘電体細線
１４、２４、３４ 金属層

本発明のワイヤーグリッド偏光子の第１実施形態のワイヤーグリッド偏光子の模式図である。 本発明のワイヤーグリッド偏光子の第１実施形態のワイヤーグリッド偏光子の作製方法を示す概略断面図である。 本発明のワイヤーグリッド偏光子の第２実施形態のワイヤーグリッド偏光子の模式図である。 本発明のワイヤーグリッド偏光子の第２実施形態のワイヤーグリッド偏光子の作製方法を示す概略断面図である。 本発明のワイヤーグリッド偏光子の第３実施形態のワイヤーグリッド偏光子の模式図である。概略断面図 本発明のワイヤーグリッド偏光子の第３実施形態のワイヤーグリッド偏光子の作製方法を示す概略断面図である。 ワイヤーグリッド偏光子の模式図である。 周期１４０ｎｍ、幅７０ｎｍのワイヤーグリッド偏光子の光学性能を示すシミュレーション結果である。 従来の金属細線間を樹脂で埋めたワイヤーグリッド偏光子の模式図である。 従来の金属細線間を樹脂で埋めたワイヤーグリッド偏光子において周期１４０ｎｍ、幅７０ｎｍの場合の光学性能を示すシミュレーション結果である。

Claims (5)

1. 所定の波長域の光を透過可能な基板と、
   前記基板上に形成され、互いに平行に延在する複数の誘電体細線と、
   前記誘電体細線間に形成され、前記複数の誘電体細線と平行に延在する複数の金属細線と、を備え、
   前記誘電体細線は、前記所定の波長域の光を透過可能な誘電体からなり、
   前記複数の各誘電体細線の両側壁の全面は、隣接する前記金属細線の一方の側壁と接しており、
   前記金属細線の２つの側壁の少なくとも一方は、前記誘電体細線と接しない領域を有し、
   隣接する前記誘電体細線間には、２つの前記金属細線が形成されており、
   前記誘電体細線の高さは、前記金属細線の高さの４０％から７０％であり、
   前記金属細線の幅ｗ１と、前記誘電体細線の幅ｗ２と、前記誘電体細線の周期ｄとが、２×ｗ１＋ｗ２＜ｄという式を満足し、
   前記金属細線のアスペクト比が前記誘電体細線のアスペクト比より大きいことを特徴とするワイヤーグリッド偏光子。
2. 所定の波長域の光を透過可能な基板上に、前記所定の波長域の光を透過可能な誘電体からなる互いに平行に延在する複数の誘電体細線を形成する第１の工程と、
   前記誘電体細線の頂部、側壁ならびに前記誘電体細線間を被覆するように金属層を形成する第２の工程と、
   前記誘電体細線の頂部ならびに前記誘電体細線間に形成された前記金属層を、前記基板の法線方向に平行な異方性エッチングにより除去する第３の工程と、
   前記第３の工程の後に、前記誘電体細線を一部除去して、前記誘電体細線の高さを除去前の４０％から７０％とする第４の工程とを備え、
   前記金属細線の幅ｗ１と、前記誘電体細線の幅ｗ２と、前記誘電体細線の周期ｄとが、２×ｗ１＋ｗ２＜ｄという式を満足し、
   前記金属細線のアスペクト比が前記誘電体細線のアスペクト比より大きいことを特徴とするワイヤーグリッド偏光子の製造方法。
3. 前記誘電体細線の形成は、ナノインプリント法により行われることを特徴とする請求項２に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。
4. 前記金属層は、化学気相堆積法により形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。
5. 前記金属層の除去が、反応性イオンエッチングにより行われることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。

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