JP5497522B2 - テラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板及び電磁波処理装置 - Google Patents
テラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板及び電磁波処理装置 Download PDFInfo
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Description
ワイヤグリッド偏光板を構成する樹脂基材151としては、透明で屈曲性を有し、厚みの均一なフィルム材料が好ましく、またテラヘルツ帯で低屈折率、低反射率、低吸収率の材料が好ましい。特に、テラヘルツ時間領域分光分析装置用のワイヤグリッド偏光板の場合、パルス波を照射したときに樹脂基材の内部で多重反射すると、観測対象のパルス波とともに多重反射により遅れてあらわれるパルス波と重なり、これらをそのままフーリエ変換するとスペクトルに激しい干渉縞が現れ、データの解析を複雑にする問題がある。本発明のワイヤグリッド偏光板にはこのような測定を行ったときの多重反射によるパルス波の強度が小さい樹脂基材を用いることが好ましい。例えば、ワイヤグリッド偏光板に0.5THz〜1.5THzの帯域のパルス波を入射したときの、樹脂基材の内部での多重反射によるパルス波の強度が、観測対象のパルス波の強度の50%以下であることが好ましく、40%以下になることがより好ましく、30%以下になることがさらに好ましく、20%以下になることが特に好ましく、10%以下になることがより特に好ましく、5%以下になることが最も好ましく、実質的に多重反射が無いことが特に最も好ましい。ここでテラヘルツパルス波は従来公知の方法、例えば超短パルスレーザーを用いて半導体の光伝導スイッチ素子を励起する方法で発生させ、電流計と接続した光伝導スイッチをテラヘルツパルス波の検出器として評価することができる。
樹脂基材151上には、高さH1が0.01μm〜20μmの範囲であって、少なくとも一方向のピッチPが0.01μm〜20μmの範囲である規則的な凸凹構造を表面に有し、厚みH2が0.3μm〜3μmの範囲の光硬化性樹脂の成形体からなる樹脂皮膜152が形成されている。さらに樹脂皮膜152の凸凹構造の上には金属ワイヤ154が形成されている。
樹脂皮膜152と金属ワイヤ154との密着性を向上させるために、金属ワイヤ154を形成する前に誘電体層153を樹脂皮膜152表面の凸部及び、その側面部の少なくとも一部を覆うように設けておくことが好ましい。誘電体層153を構成する誘電体は、ワイヤグリッド偏光板を使用する光の帯域で実質的に透明であることが好ましく、樹脂皮膜152及び金属ワイヤ154を構成する金属との密着力が強い材料が好ましい。例えば、珪素(Si)の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はその複合物や、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、イットリウム(Y)、ジルコニア(Zr)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、バリウム(Ba)、インジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、セリウム(Ce)、銅(Cu)などの金属の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はそれらの複合物(誘電体単体に他の元素、単体又は化合物が混ざった誘電体)を用いることができる。誘電体層153の厚みは金属との密着力を向上させるためには0.1nm以上であることが好ましく、生産性を高めるためには30nm以下であることが好ましい。誘電体層153には金属ワイヤ154形成時に樹脂皮膜152からの揮発成分の放出を抑制する効果もあるが、樹脂皮膜152の厚みが3μm以下であると揮発成分量が少ないので誘電体層153の厚みが5nm未満であっても十分な効果を発揮できる。誘電体層153の厚みは4nm以下がより好ましく、3nm以下がさらに好ましい。
金属ワイヤ154を構成する金属としては、特に制限は無く、例えば、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、又はそれらの合金で構成されていることが好ましい。中でも、コストと耐久性の観点からは、アルミニウム又はその合金で構成されていることがより好ましい。また、消光比向上の観点からは、タングステンまたはその合金を用いることが好ましい。
金属ワイヤ154の製造方法には特に限定は無いが、製造コストや生産性の観点から真空下における斜め蒸着法が好ましい。斜め蒸着法とは、格子状凸部155の延在方向と垂直に交わる平面内において、蒸着源が基材151の法線に対して入射角度αを持ちながら金属を蒸着、積層させていく方法である。入射角度αは、格子状凸部155と作製する金属ワイヤ154の断面形状から好ましい範囲が決まり、一般には入射角度αは5°〜40°が好ましく、より好ましくは10°〜30°である。さらに、蒸着中に積層した金属の射影効果を考慮しながら、入射角度αを徐々に減少または増加させることは、金属ワイヤ154の高さなど断面形状を制御する上で好適である。なお、このような製法から格子状凸部155と金属ワイヤの延在方向は等しくなる。
上述したワイヤグリッド偏光板はテラヘルツ帯光学素子として好適に適用でき、例えば、テラヘルツ時間領域分光分析装置、検査装置(光線処理装置)、検体情報取得装置、情報通信装置用途として、好ましく用いられる。
本実施の形態で示すワイヤグリッド偏光板は前記したようにテラヘルツ帯域から可視光域までの広い帯域で良好な偏光特性を有するうえ、易加工性、小型・薄膜、高信頼性、耐振動性、クリーニング性などの特徴を有しているので、テラヘルツ光を応用した広範な用途で好ましく使用できる。
本実施の形態で示すワイヤグリッド偏光板は、テラヘルツパルス光を試料に照射する光源と、透過/反射パルス光を検出する手段と、透過/反射パルス光のテラヘルツ時間領域計測手段と組み合わせることによって、分光透過率に基づく検査装置を構成できる。検査装置は、試料の不純物濃度などの分析対象を、空間的分布としてニ次元、三次元に画像化する画像処理手段を備えることがより好ましい。検査装置は、半導体材料の不純物濃度検査や不良解析の用途、農作物・食品の生育状態や鮮度や残留農薬や産地特定などの品質管理の用途、隠匿された危険物や禁止薬物を探知する用途、電子機器内の電子分布(稼動状態)を評価する用途、材料内部の繊維構造や構造欠陥の評価用途、さらには宇宙からの地球資源探索などにも利用できる。これは既に前記したような利点に加え、周波数帯域が異なる複数のテラヘルツ光を利用した計測や、テラヘルツ光と赤外光及び可視光を同時に利用した計測が出来るので、これらの検査光を重畳させることで、様々な測定目的に利用できる利点や、テラヘルツ光を可視光と重畳させて擬似的に目視可能に出来る利点や、テラヘルツ分光情報、赤外分光情報、可視画像を位置精度良く組み合わせた多面的な分析ができる利点や、検査において従来のワイヤグリッド偏光板のようにワイヤの破断や基材の欠けなど、自らが汚染源になる問題が無い利点による。検査装置の構成例のひとつを図5に示す。
本実施の形態で示すワイヤグリッド偏光板が既に前記したような利点に加え、高強度でクリーニング性にも優れており、検体と近接させても、または直接接触させても再現性のある分析ができる点、またロールプロセスにより大面積のものが製造できるという利点を有している。そのため、ワイヤグリッド偏光板と、テラヘルツ波発生手段と、検体保持手段と、入射光と透過光と反射光を夫々検出する検出手段と、前記検出手段で検出された信号を処理して検体の情報を取得する処理手段とを有し、構成が簡単で小型化が可能で、信頼性にも優れた、イメージング像などの透過情報と反射情報をほぼ同時に取得できる検体情報取得装置を構成できる。検体情報取得装置の構成例のひとつを図7に示す。
本実施の形態で示すワイヤグリッド偏光板が既に前記したような利点に加え、大面積にしても軽量で耐振動性に優れる点、信頼性が高く広い温度・湿度環境下で使用できる点、クリーニング性に優れることから屋外での使用や、光学特性を一定に回復保持することが可能な点、テラヘルツ光と赤外光や可視光を重畳して利用することが出来る点などから、ワイヤグリッド偏光板と、テラヘルツ波送信素子を備え受信機に向けてテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波送信機と、テラヘルツ波受信素子を備え送信機から放射され空中を伝播してきたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波受信機からなる情報通信装置を構成できる。ワイヤグリッド偏光板は前記したように単純な構成でテラヘルツ光を発生させる手段や、光路を切り換える手段や、干渉防止などの目的で偏光面を切り換える手段や、視認性を持たせるなどの目的でテラヘルツ光と赤外光や可視光を重畳する手段などに利用出来る。前記受信機は前記送信機からのテラヘルツ波を集約するための集約器を備えることが好ましい。
(実施例1)
(ワイヤグリッド偏光板の製造)
三官能以上のアクリレート化合物である単量体として、トリメチロールプロパントリアクリレートを32質量%、N−ビニル化合物である単量体としてN−ビニル−2−ピロリドンを32質量%、その他の単量体として1,9−ノナンジオールジアクリレートを33質量%、光重合開始剤として2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイドを2質量%、シリコンジアクリレートを1質量%配合したものをろ過して光硬化性樹脂を調整した。この粘度は7.9mPa・sであった。
(1)テラヘルツ帯域の偏光性能
前記のワイヤグリッド偏光板1及び2の透過率をテラヘルツ時間領域分光装置により、周波数0.2〜2.5THzの範囲で評価した。結果を図2と図3に示す。特に周波数0.5〜1.5THzでの消光比は45dB以上と良好なものであった。ここで消光比は10×log(TTM/TTE)と定義した。尚テラヘルツパルス波の時間波形には、TAC樹脂フィルム基材の内部での多重反射によるパルス波の存在は全く認められなかった。
前記のワイヤグリッド偏光板1及び2の可視光域での偏光性能を分光光度計(V-7100 日本分光製)により評価した。結果を表1に示す。可視光域での偏光性能も、光学解析用途や画像表示用途等に十分利用し得る良好なものであった。ここでは、直線偏光に対する平行ニコル、直交ニコル状態での透過光強度を測定し、偏光度、光線透過率は下記式より算出した。また、測定波長は550nmとした。
光線透過率=[(Imax+Imin)/2]×100 %
Imaxは平行ニコル時の透過光強度であり、Iminは直交ニコル時の透過光強度である。
前記のワイヤグリッド偏光板1及び2の曲げストレス耐久性を評価するために半径が20mm、10mm、5mmの、3種類の円筒にワイヤグリッド偏光板を巻きつけた状態で20℃で50%RHの雰囲気下で24時間保持した後、ワイヤグリッド偏光板を円筒から解いて、ストレスを加えた前後での外観と偏光性能の変化の有無を評価した。このときワイヤグリッド偏光板の透過軸と円筒の長さ方向とのなす角はおよそ45度となるように巻きつけた。結果を表1に示す。ワイヤグリッド偏光板1及び2の外観及び偏光性能には有意な変化は認められず、従来のワイヤグリッド偏光板にくらべて取り扱い性が格段に向上されたことが確認出来た。
前記のワイヤグリッド偏光板1及び2の裁断加工性を評価するためにカッターナイフで碁盤目状に切り込み、1辺が5mmの正方形に切り分けたピース25個について、樹脂皮膜にクラックなどの異常が無いか倍率10倍のルーペを用いて評価した。結果を表1に示す。ワイヤグリッド偏光板1及び2のピースの周囲は滑らかに裁断されており、クラックや欠けは無かった。
前記のワイヤグリッド偏光板1及び2の信頼性を評価するために各辺がそれぞれ透過軸と略平行及び略直交するような3cm角の正方形に切り抜き、60℃、85%相対湿度条件下の恒温恒湿槽に1000時間保持した前後での外観と偏光性能の変化の有無を評価した。結果を表1に示す。ワイヤグリッド偏光板1及び2の変形及び偏光性能の変化は小さく、過酷な環境下での使用や保管に耐え得ることが確認出来た。
(従来のワイヤグリッド偏光板)
米国MICROTECH instruments,inc.製のワイヤグリッド偏光板モデルG25×10−S(タングステンワイヤ径10μm、ワイヤ間隔25μm)をワイヤグリッド偏光板3とし、これについて、以下の評価を行った。
(1)テラヘルツ帯域の偏光性能
ワイヤグリッド偏光板3の透過率をテラヘルツ時間領域分光装置により、周波数0.5〜1.5THzの範囲で評価したところ消光比は27〜40dBの範囲であった。
ワイヤグリッド偏光板3は可視光域での偏光性能は有していなかった。
ワイヤグリッド偏光板3は金枠に固定されており屈曲性は有していなかった。タングステンワイヤの強度は弱く、接触によって容易に切断してしまうためにワイヤグリッド偏光板の表面に異物が付着した場合であっても、性能にダメージを与えることなくクリーニングすることは不可能であった。
ワイヤグリッド偏光板3はワイヤが40mm径の金枠に張られたものであり、裁断して使用することは不可能だった。ワイヤの強度が弱いために落下や振動程度の衝撃を加えただけでもワイヤが切断してしまった。
(ワイヤグリッド偏光板の製造)
光硬化性樹脂を市販の光硬化性樹脂組成物PAK−01(東洋合成製)に代えて、実施例1と同様にしてワイヤグリッド偏光板の製造を試みた。この樹脂組成物の粘度は72.0mPa・sであった。しかしながら連続転写の工程において、樹脂の塗布厚みが不均一なうえロールスタンパと接触させたときに気泡が入りやすく、転写を開始した直後からロールスタンパが樹脂の付着残留物で汚染されてしまった。このため連続プロセスによる製造は断念し、あらためて厚み80μm、幅200mm、長さ200mmの正方形のTAC樹脂フィルム上に、バーコータを用いてPAK−01を塗付し、微細格子パターンを表面に有する幅100mm、長さ100mmの平板状のスタンパと接触させながら紫外線硬化させることで、微細格子パターンを転写したが、部分的にスタンパに樹脂の付着残留物が発生した。この転写フィルムの断面を電子顕微鏡により観察したところ、微細格子パターンの形状は概ねロールスタンパの反転形状になっており、ピッチが140nm、高さが150nmのライン&スペース構造が確認できたものの、スタンパに樹脂の付着残留物が発生した箇所においては平均径が50〜500μmの微細格子パターンの無い領域が多数存在した。また樹脂皮膜の厚みには若干のむらがあり5〜8μmの範囲であった。この転写フィルムを回分式の製膜装置を使用した以外は実施例1と同様にして、転写フィルムの転写面側に窒化珪素薄膜を形成した。次いで窒化珪素薄膜の上にアルミニウムのワイヤを形成することでワイヤグリッド偏光板4を製造した。
(1)テラヘルツ帯域の偏光性能
ワイヤグリッド偏光板4の透過率をテラヘルツ時間領域分光装置により、周波数0.5〜1.5THzの範囲で評価した。結果を表1に示す。消光比は測定箇所によって変動があり、19〜15dBの範囲であった。これはワイヤグリッド偏光板4の面内に微細転写パターンの無い領域が多数存在したためと考えられる。
ワイヤグリッド偏光板4の可視光域での偏光性能を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。偏光性能は測定箇所によって変動があり、5点測定での偏光度の中央データで示した。
ワイヤグリッド偏光板4の曲げストレス耐久性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。半径が最も大きい20mmの円筒での評価ですら、樹脂皮膜にクラックが入り、TAC樹脂フィルムから部分的に剥離してしまった。
ワイヤグリッド偏光板4の裁断加工性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。切断線の周囲では25個のピース全てについて樹脂皮膜にクラックが入り、TAC樹脂フィルムから部分的に剥離してしまった。
ワイヤグリッド偏光板4の信頼性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。試料は試験中に大きくカール変形し、樹脂皮膜がTAC樹脂フィルムから剥離してしまった。
(ワイヤグリッド偏光板の製造)
光硬化性樹脂を実施例1で使用した光硬化性樹脂に代えた以外は比較例2と同様にして厚み80μm、幅200mm、長さ200mmの正方形のTAC樹脂フィルム上に、バーコータを用いて光硬化性樹脂を塗付し、微細格子パターンを表面に有する幅100mm、長さ100mmの平板状のスタンパと接触させながら紫外線硬化させることで、微細格子パターンを転写した。スタンパには樹脂の付着残留物は認められず、この転写フィルムの断面を電子顕微鏡により観察したところ、微細格子パターンの形状は平板状のスタンパの反転形状になっており、ピッチが140nm、高さが150nmのライン&スペース構造が確認できた。樹脂皮膜の厚みは2〜3μmの範囲であった。この転写フィルムを回分式の製膜装置を使用して、転写フィルムの転写面側に窒化珪素薄膜を形成した。次いで窒化珪素薄膜の上にアルミニウムのワイヤを形成することでワイヤグリッド偏光板5を製造した。
ワイヤグリッド偏光板5の透過率をテラヘルツ時間領域分光装置により、周波数0.5〜1.5THzの範囲で評価した。結果を表1に示す。消光比は測定箇所による変動が無く、45dB以上と良好なものであった。
ワイヤグリッド偏光板5の可視光域での偏光性能を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。偏光性能は測定箇所による変動が無く、良好なものであった。
ワイヤグリッド偏光板5の曲げストレス耐久性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。半径が最も小さい5mmの円筒での評価で、樹脂皮膜に長さ1mm以下のクラックが数点確認された。偏光性能には有意な変化は認められなかった。
ワイヤグリッド偏光板5の裁断加工性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。切断線の周囲では12個のピースについて樹脂皮膜に長さ1mm以下のクラックが確認された。
ワイヤグリッド偏光板5の信頼性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。わずかにカール変形したもののクラック発生は認められず、偏光性能の変化は小さかった。
(ワイヤグリッド偏光板の製造)
ロールスタンパの微細パターン形状を変えた以外は実施例1と同様にして連続転写フィルムを作製した。この転写フィルムの断面を電子顕微鏡により観察したところ微細格子パターンの形状はロールスタンパの正確な反転形状になっており、ピッチが250nm、高さが270nmのライン&スペース構造であることが確認できた。樹脂皮膜の厚みは0.3μmであった。次いで実施例1と同様にして連続製膜することでワイヤグリッド偏光板6を製造した。
ワイヤグリッド偏光板6の透過率をテラヘルツ時間領域分光装置により、周波数0.5〜1.5THzの範囲で評価した。結果を表1に示す。消光比は測定箇所による変動が無く、43dB以上と良好なものであった。
ワイヤグリッド偏光板6の可視光域での偏光性能を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。偏光性能はワイヤグリッド偏光板1より低いものの、測定箇所による変動が無く良好なものであった。
ワイヤグリッド偏光板6の曲げストレス耐久性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。半径が最も小さい5mmの円筒での評価でも、外観や偏光性能に有意な変化は認められなかった。
ワイヤグリッド偏光板6の裁断加工性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。ワイヤグリッド偏光板6のピースの周囲は滑らかに裁断されており、クラックや欠けは無かった。
ワイヤグリッド偏光板6の信頼性を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。ワイヤグリッド偏光板6の変形及び偏光性能の変化は小さく、過酷な環境下での使用や保管に耐え得ることが確認出来た。
Claims (10)
- 樹脂基材と、前記樹脂基材上に形成された樹脂皮膜と、前記樹脂皮膜上に形成された金属ワイヤとを包含するワイヤグリッド偏光板であって、前記樹脂皮膜は、高さが0.01μm〜20μmであり、少なくとも一方向のピッチが0.01μm〜20μmの範囲である規則的な凸凹構造を表面に有し、厚みが0.3μm〜3μmの光硬化性の成形体であって、0.5THz〜1.5THzの帯域における消光比が20dB以上であることを特徴とするテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板。
- 前記金属ワイヤが格子状凸部の頂部より少なくとも上方に存在し、特定方向に垂直な断面において前記金属ワイヤの頂部を通り前記金属ワイヤの立設方向に沿う金属ワイヤ軸と、前記格子状凸部の頂部を通り前記格子状凸部の立設方向に沿う格子状凸部軸と、がずれていることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板。
- 0.5THz〜1.5THzの帯域のパルス波を入射したときの、前記樹脂基材の内部での多重反射によるパルス波の強度が、観測対象のパルス波の強度の50%以下であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板。
- 曲げ半径20mmの曲げストレスを加えた前後の消光比の変化率が5%以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板。
- 前記金属ワイヤが保護膜により被覆されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板を光学素子として使用するテラヘルツ時間領域分光分析装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板と、テラヘルツパルス光を試料に照射する光源と、透過/反射パルス光を検出する手段と、透過/反射パルス光のテラヘルツ時間領域計測手段と組み合わせることによって構成された、分光透過率に基づく検査装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板を、可視光からテラヘルツ光までの任意の帯域の複数の光線の光軸を重畳させる光学素子として使用する、光線処理装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板と、テラヘルツ波発生手段と、検体保持手段と、入射光と透過光と反射光をそれぞれ検出する検出手段と、前記検出手段で検出された信号を処理して検体の情報を取得する処理手段と、を有する検体情報取得装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のテラヘルツ帯光学素子用ワイヤグリッド偏光板と、テラヘルツ波送信素子を備え受信機に向けてテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波送信機と、テラヘルツ波受信素子を備え送信機から放射され空中を伝播してきたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波受信機と、を有する情報通信装置。
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