JP6703050B2 - 偏光板、光学機器及び偏光板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、偏光板、光学機器及び偏光板の製造方法に関する。
偏光板は、液晶ディスプレイ等に用いられている。近年、使用帯域の光の波長より短い周期で反射層が配列したワイヤグリッド偏光板に注目が集まっている。
ワイヤグリッド偏光板は、反射型の偏光板と吸収型の偏光板とがある。例えば、特許文献１には、断面形状が矩形の金属細線が配列した反射型のワイヤグリッド偏光板が記載されている。一方で、特許文献２には、反射層の一面に誘電体層と吸収層とを有する吸収型のワイヤグリッド偏光板が記載されている。反射層で反射した光と、吸収層で反射した光と、を干渉させることで、反射光を打ち消す。
吸収型の偏光板は、光の出射側に反射する光を低減できる。例えば液晶プロジェクタ等においては、光の出射側に反射する光は、液晶パネルの誤作動及び迷光による画質の劣化の原因となりうる。
一方で、吸収型の偏光板は多層膜であり、加工が難しい。例えば、特許文献３には、半導体分野における多層膜の加工方法が記載されている。特許文献３は、ドライエッチングにより多層膜を加工している。
ワイヤグリッド偏光板の凸部は、ナノメートルオーダーで作製される。またワイヤグリッド偏光板の消光比は反射層の高さに依存し、高アスペクト比の構造体の加工が求められる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光学特性に優れた偏光板の製造方法、及び、光学特性に優れる偏光板及び光学機器を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
第１の態様にかかる偏光板は、ワイヤグリッド構造を有する偏光板であって、透明基板と、前記透明基板上の第１方向に延在し、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の凸部と、を備え、前記凸部は、反射層と、多層膜と、前記反射層と前記多層膜との間に位置する光学特性改善層と、を備え、前記光学特性改善層は、前記反射層を構成する構成元素を含む酸化物を含み、塩素系ガスに対する前記光学特性改善層のエッチングレートは、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下である。
上記態様にかかる偏光板における前記光学特性改善層は、前記多層膜よりフッ素系ガスに対するエッチングレートが低い材料からなってもよい。
上記態様にかかる偏光板の前記反射層は、Ａｌ又はＣｕからなり、前記光学特性改善層は、Ａｌ又はＣｕの酸化物からなってもよい。
第２の態様にかかる光学機器は、上記態様にかかる偏光板を備える。
第３の態様にかかる偏光板の製造方法は、透明基板に、反射層を積層する第１積層工程と、前記反射層を加熱し、前記反射層の前記透明基板と反対側の面に光学特性改善層を形成する層形成工程と、前記形成された光学特性改善層に、多層膜とマスク層とを順に積層する第２積層工程と、前記マスク層にマスクパターンを形成するパターン形成工程と、前記マスクパターンを介して前記多層膜を加工する第１加工工程と、前記多層膜をマスクとして、前記光学特性改善層及び前記反射層を加工する第２加工工程と、を有し、前記第２加工工程を塩素系ガスで行い、前記塩素系ガスに対する前記光学特性改善層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下とする。
上記態様にかかる偏光板の製造方法において、前記塩素系ガスに対する前記反射層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下としてもよい。
上記態様にかかる偏光板の製造方法において、前記マスク層は、複数の層からなり、前記マスク層は、最も前記基板側に前記反射層と同じ材料からなる第１マスク層を有し、前記パターン形成工程における前記第１マスク層の加工を前記塩素系ガスで行い、前記塩素系ガスに対する前記第１マスク層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下としてもよい。
上記態様にかかる偏光板の製造方法において、前記第１加工工程をフッ素系ガスで行い、前記フッ素系ガスに対する前記光学特性改善層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの０．２２倍以上０．３９倍以下としてもよい。
上記態様にかかる偏光板の製造方法によれば、光学特性に優れた偏光板を製造することができる。また上記態様にかかる偏光板及び光学機器によれば、光学特性を向上させることができる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
「偏光板」
図１は、第１実施形態にかかる偏光板１００の断面模式図である。偏光板１００は、ワイヤグリッド構造を有する偏光板である。偏光板１００は、基板１０と複数の凸部２０とを備える。複数の凸部２０は、平面視で第１方向に延びる。以下、基板１０が延びる平面をｘｙ平面とし、複数の凸部２０の延びる方向をｙ方向とする。またｘｙ平面に直交する方向をｚ方向とする。図１は、偏光板１００をｘｚ平面で切断した断面図である。
図１は、第１実施形態にかかる偏光板１００の断面模式図である。偏光板１００は、ワイヤグリッド構造を有する偏光板である。偏光板１００は、基板１０と複数の凸部２０とを備える。複数の凸部２０は、平面視で第１方向に延びる。以下、基板１０が延びる平面をｘｙ平面とし、複数の凸部２０の延びる方向をｙ方向とする。またｘｙ平面に直交する方向をｚ方向とする。図１は、偏光板１００をｘｚ平面で切断した断面図である。
偏光板１００は、凸部２０が延びるｙ方向に平行な電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰し、ｙ方向に垂直な電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過する。偏光板１００は、ｙ方向が吸収軸であり、ｘ方向が透過軸である。
（基板）
基板１０は、偏光板１００の使用帯域の波長の光に対して透明性を有する。「透明性を有する」とは、使用帯域の波長の光を１００％透過する必要はなく、偏光板としての機能を保持可能な程度に透過できればよい。基板１０の平均厚みは、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
基板１０は、偏光板１００の使用帯域の波長の光に対して透明性を有する。「透明性を有する」とは、使用帯域の波長の光を１００％透過する必要はなく、偏光板としての機能を保持可能な程度に透過できればよい。基板１０の平均厚みは、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
基板１０には、屈折率１．１〜２．２の材料を用いることが好ましい。例えば、ガラス、水晶、サファイア等を用いることができる。基板１０として用いられるガラス材料の成分組成は特に制限されない。
例えばケイ酸塩ガラスは、光学ガラスとして広く流通し、安価である。また石英ガラス（屈折率１．４６）、ソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）は、コストが安く、透過性に優れる。これに対し水晶、サファイアは、熱伝導性に優れる。基板１０の材料は、偏光板１００に求められる性能に応じて適宜選択できる。例えば、プロジェクタの光学エンジン用の偏光板は、強い光が照射されるため、耐光性及び放熱性が要求される。そのため、基板１０には、水晶又はサファイアを用いることが好ましい。
基板１０の第１面１０ａの形状は、平坦面に限られない。目的に応じて凹凸形状等を設けてもよい。例えば、隣接する凸部２０との間に溝を設けてもよい。
（凸部）
凸部２０は、ｙ方向に延びる。凸部２０は、ｘ方向に周期的に配列している。隣接する凸部２０のｘ方向のピッチＰは、偏光板１００の使用帯域の波長の光より短い。例えばピッチＰは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。ピッチＰがこの範囲内であれば、凸部２０の作製が容易になり、凸部２０の機械的安定性、及び、光学特性の安定性が高まる。
凸部２０は、ｙ方向に延びる。凸部２０は、ｘ方向に周期的に配列している。隣接する凸部２０のｘ方向のピッチＰは、偏光板１００の使用帯域の波長の光より短い。例えばピッチＰは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。ピッチＰがこの範囲内であれば、凸部２０の作製が容易になり、凸部２０の機械的安定性、及び、光学特性の安定性が高まる。
隣接する凸部２０のピッチＰは、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡により平均値として計測できる。例えば、任意の４か所において隣接する凸部２０のｘ方向の距離を測定し、その算術平均によりピッチＰが求められる。複数の凸部２０のうち任意の４か所の計測値を平均化する測定方法を、電子顕微鏡法と称する。
凸部２０は、基板１０に対して突出する。凸部２０が突出する主方向は、ｚ方向である。凸部２０のｘ方向の平均幅は、ピッチＰの２０％以上５０％以下であることが好ましい。ここで凸部２０の平均幅とは、凸部２０をｚ方向に１０分割した各点における幅の平均値を意味する。凸部２０の高さは、２５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。また凸部２０の高さを平均幅で割ったアスペクト比は、５以上１３．３以下であることが好ましい。
基板１０が水晶等の光学活性な結晶の場合は、結晶の光学軸に対して平行又は垂直な方向と凸部２０の延びる方向とを一致させることが好ましい。ここで光学軸とは、その方向に進む光の常光線（Ｏ）と異常光線（Ｅ）の屈折率の差が最小となる方向軸である。当該方向に凸部２０を延在させることで、光学特性を向上させることができる。
凸部２０は、反射層３０と多層膜４０と光学特性改善層５０とをそれぞれ有する。図１に示す凸部２０は、外表面（基板１０から遠い側）から多層膜４０、光学特性改善層５０、反射層３０、の順に積層されている。
＜多層膜＞
多層膜４０は、反射層３０より基板１０から離れた位置にある。図１に示す多層膜４０は、基板１０側から誘電体層４２と、吸収層４４と、第２誘電体層４６を有する。誘電体層４２、吸収層４４及び第２誘電体層４６は、反射層３０で反射された偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を干渉により減衰する。
多層膜４０は、反射層３０より基板１０から離れた位置にある。図１に示す多層膜４０は、基板１０側から誘電体層４２と、吸収層４４と、第２誘電体層４６を有する。誘電体層４２、吸収層４４及び第２誘電体層４６は、反射層３０で反射された偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を干渉により減衰する。
「誘電体層」
図１に示す誘電体層４２は、光学特性改善層５０上に積層されている。誘電体層４２は、必ずしも光学特性改善層５０と接している必要はなく、誘電体層４２と光学特性改善層５０の間に別の層が存在してもよい。誘電体層４２は、ｙ方向に帯状に延びる。誘電体層４２は、多層膜４０の一部をなす。
図１に示す誘電体層４２は、光学特性改善層５０上に積層されている。誘電体層４２は、必ずしも光学特性改善層５０と接している必要はなく、誘電体層４２と光学特性改善層５０の間に別の層が存在してもよい。誘電体層４２は、ｙ方向に帯状に延びる。誘電体層４２は、多層膜４０の一部をなす。
誘電体層４２の膜厚は、吸収層４４で反射する偏光波に応じて決定できる。吸収層４４で反射した偏光波の位相と反射層３０で反射した偏光波の位相とが、半波長分だけずれるように誘電体層４２の膜厚を決定する。誘電体層４２の膜厚は、具体的には、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。当該範囲内であれば、反射した２つの偏光波の位相の関係を調整でき、干渉効果を高めることができる。誘電体層４２の膜厚は、上述の電子顕微鏡法を用いることができる。
誘電体層４２の材料には、金属酸化物、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、氷晶石、ゲルマニウム、ケイ素、窒化ボロン、炭素又はこれらの組合わせを用いることができる。金属酸化物は、ＳｉＯ２等のＳｉ酸化物、Ａｌ２Ｏ３、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、酸化ボロン、酸化タンタル等が挙げられる。これらの中でも、誘電体層４２は、Ｓｉ酸化物であることが好ましい。
誘電体層４２の屈折率は、１．０より大きく２．５以下であることが好ましい。反射層３０の光学特性は、周囲の屈折率（例えば、誘電体層４２の屈折率）によっても影響を受ける。誘電体層４２の屈折率を調整することで、偏光特性を制御できる。
「吸収層」
図１に示す吸収層４４は、誘電体層４２上に積層されている。吸収層４４は、ｙ方向に帯状に延びる。吸収層４４は、多層膜４０の一部をなす。
図１に示す吸収層４４は、誘電体層４２上に積層されている。吸収層４４は、ｙ方向に帯状に延びる。吸収層４４は、多層膜４０の一部をなす。
吸収層４４の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。吸収層４４の膜厚は、上述の電子顕微鏡法を用いることができる。
吸収層４４の材料には、光学定数の消衰定数が零でない光吸収作用をもつ物質を１種以上用いることができる。吸収層４４には、金属材料又は半導体材料を用いることができる。吸収層４４に用いる材料は、使用帯域の光の波長範囲によって適宜選択できる。
吸収層４４に金属材料が用いられる場合、金属材料は、Ｔａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ等の単体金属又はこれらのうち１種以上の元素を含む合金であることが好ましい。また吸収層４４に半導体材料が用いられる場合は、半導体材料はＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、ＺｎＯ、シリサイド材料であることが好ましい。シリサイド材料は、例えば、β−ＦｅＳｉ２、ＭｇＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＢａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、ＴａＳｉ等が挙げられる。これらの材料を吸収層４４に用いた偏光板１００は、可視光域に対して高い消光比を有する。また吸収層４４は、Ｆｅ又はＴａとＳｉとを含むことが特に好ましい。
吸収層４４に半導体材料が用いられる場合、光の吸収作用に半導体のバンドギャップエネルギーが寄与する。そのため、半導体材料のバンドギャップエネルギーは、使用帯域の波長をエネルギー換算した値以下となる。例えば、使用帯域が可視光域の場合、波長４００ｎｍ以上における吸収エネルギーにあたる３．１ｅＶ以下のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を用いることが好ましい。
吸収層４４は、１層に限られず２層以上で構成されていてもよい。吸収層４４が２層以上の場合は、それぞれの層の材料は異なるものでもよい。吸収層４４は、蒸着、スパッタリング法等の方法により成膜できる。
「第２誘電体層」
図１に示す第２誘電体層４６は、吸収層４４上に積層されている。第２誘電体層４６は、ｙ方向に帯状に延びる。第２誘電体層４６は、多層膜４０の一部をなす。
図１に示す第２誘電体層４６は、吸収層４４上に積層されている。第２誘電体層４６は、ｙ方向に帯状に延びる。第２誘電体層４６は、多層膜４０の一部をなす。
第２誘電体層４６は、上述の誘電体層４２と同様の材料を用いることができる。第２誘電体層４６は、誘電体層４２と同一の材料からなっても、異なる材料からなってもよい。第２誘電体層４６は、Ｓｉ酸化物であることが好ましい。第２誘電体層４６の屈折率も、上述の誘電体層４２と同様の範囲であることが好ましい。第２誘電体層４６の厚みは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。第２誘電体層４６の厚みは、上述の電子顕微鏡法を用いて測定できる。
多層膜４０の一例として、ＳｉＯ２／ＦｅＳｉ／ＳｉＯ２の組み合わせがある。誘電体層４２及び第２誘電体層４６としてＳｉＯ２、吸収層４４としてＦｅＳｉが用いられる。
＜光学特性改善層＞
光学特性改善層５０は、反射層３０と多層膜４０の界面に形成されている。光学特性改善層５０は、ｙ方向に帯状に延びる。
光学特性改善層５０は、反射層３０と多層膜４０の界面に形成されている。光学特性改善層５０は、ｙ方向に帯状に延びる。
光学特性改善層５０は、反射層を構成する構成元素を含む酸化物からなる酸化層である。例えば、反射層３０がＡｌの場合は、光学特性改善層５０はＡｌの酸化物であり、反射層３０がＣｕの場合は、光学特性改善層５０はＣｕの酸化物である。
光学特性改善層５０の厚みは、０ｎｍより大きければよく、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
光学特性改善層５０の塩素系ガスに対するエッチングレートは、多層膜４０のエッチングレートより早い。塩素系ガスに対する光学特性改善層５０のエッチングレートは、多層膜４０のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下である。すなわち、塩素系ガスに対する光学特性改善層５０と多層膜４０との間のエッチング選択比は、６．７以上１５以下となる。エッチング選択比は、光学特性改善層５０のエッチングレートを多層膜４０のエッチングレートで割って求められる。
塩素系ガスに対する光学特性改善層５０と多層膜４０との間のエッチング選択比が上記関係を満たすと、偏光板１００の光学特性が向上する。光学特性改善層５０及び反射層３０を加工する際のエッチングにおいて、多層膜４０が過度にエッチングされ、凸部２０の形状が乱れることが抑制されたためと考えられる。また反射層３０を加工する際のエッチングの初期は、エッチング条件が安定しにくい。光学特性改善層５０が反射層３０と多層膜４０との間に位置することにより反射層３０が所望の形状となり、偏光板１００の光学特性が向上するとも考えられる。
これに対し、光学特性改善層５０のフッ素系ガスに対するエッチングレートは、多層膜４０のエッチングレートより遅いことが好ましい。すなわち、光学特性改善層５０は、多層膜４０よりフッ素系ガスに対するエッチングレートが低い材料からなることが好ましい。具体的には、光学特性改善層５０のエッチングレートを、多層膜４０のエッチングレートの０．２２倍以上０．３９倍以下とすることが好ましい。多層膜４０を加工する際のエッチングにおいて、光学特性改善層５０が同時にエッチングされにくくなり、凸部２０の形状を所望の形状に整えることができる。
ここで塩素系ガスとは、構成元素に塩素を含むガスである。例えば、ＢＣｌ３とＣｌ２とＮ２との混合ガス、Ｃｌ２とＣＣｌ４とＮ２との混合ガス等が挙げられる。またフッ素系ガスとは、構成元素にフッ素を含むガスである。例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８等が挙げられる。
＜反射層＞
反射層３０は、基板１０に対してｚ方向に突出し、ｙ方向に帯状に延びる。反射層３０は、基板１０と多層膜４０との間に位置する。基板１０と反射層３０との間には、別の層が挿入されていてもよい。反射層３０は、ＴＥ波（Ｓ波）を反射し、ＴＭ波（Ｐ波）を透過する。
反射層３０は、基板１０に対してｚ方向に突出し、ｙ方向に帯状に延びる。反射層３０は、基板１０と多層膜４０との間に位置する。基板１０と反射層３０との間には、別の層が挿入されていてもよい。反射層３０は、ＴＥ波（Ｓ波）を反射し、ＴＭ波（Ｐ波）を透過する。
反射層３０には、使用帯域の波長の光に対して反射性を有する材料を用いることができる。例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔａ等の単体金属又はこれらの合金を用いることができる。これらの中でも、Ａｌ、Ｃｕ又はこれらの合金を用いることが好ましい。また反射層３０は、金属に限られず、着色等により表面反射率を高めた無機膜又は樹脂膜を用いることができる。
反射層３０の高さは、自由に設計できる。例えば、反射層３０の高さは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。反射層３０の高さは、電子顕微鏡法で求めることができる。
反射層３０の幅は、ピッチＰの２０％以上５０％以下であることが好ましい。具体的には、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
反射層３０は、塩素系ガスに対するエッチングレートが、光学特性改善層５０のエッチングレートと同等である。
反射層３０と光学特性改善層５０とが上記関係を満たすことで、反射層３０と光学特性改善層５０とを同時に加工できる。また反射層３０と光学特性改善層５０とのエッチング条件を一定にすることができ、反射層３０に至った時点でのエッチング条件をより安定にすることができる。その結果、反射層３０の形状が所望の形状となり、偏光板１００の光学特性が向上する。
また反射層３０は、塩素系ガスに対するエッチングレートが、多層膜４０のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下であることが好ましい。上記関係を満たすと、反射層３０を加工する際のエッチングにおいて、多層膜４０が過度にエッチングされることを抑制できる。その結果、凸部２０の形状が所望の形状となり、偏光板１００の光学特性が向上する。
また反射層３０は、フッ素系ガスに対するエッチングレートが、多層膜４０のエッチングレートの０．２２倍以上０．３９倍以下であることが好ましい。上記関係を満たすと、多層膜４０を加工する際のエッチングにおいて、反射層３０が過度にエッチングされることを抑制できる。その結果、凸部２０の形状が所望の形状となり、偏光板１００の光学特性が向上する。
（その他の構成）
偏光板１００は、上記の構成以外の層を有してもよい。
例えば、誘電体層４２又は第２誘電体層４６と吸収層４４との間に、拡散バリア層を有してもよい。拡散バリア層は、吸収層４４における光の拡散を防止する。拡散バリア層は、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ等の金属膜を用いることができる。
偏光板１００は、上記の構成以外の層を有してもよい。
例えば、誘電体層４２又は第２誘電体層４６と吸収層４４との間に、拡散バリア層を有してもよい。拡散バリア層は、吸収層４４における光の拡散を防止する。拡散バリア層は、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ等の金属膜を用いることができる。
また偏光板１００の光の入射側に保護膜を形成してもよい。例えば、図１において＋ｚ方向から−ｚ方向に向かって光が入射する場合、基板１０の第１面１０ａ及び凸部２０の周囲を覆うように保護膜を形成する。保護膜は、誘電体層４２と同様の材料を用いることができる。保護膜は、反射層３０等の金属膜が必要以上に酸化されることを抑制する。保護膜は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等を利用して形成できる。
また偏光板１００の光の入射側に撥水膜を形成してもよい。撥水膜は、例えば、パーフルオロデシルトリエトキシシラン（ＦＤＴＳ）等のフッ素系シラン化合物を用いることができる。撥水膜は、ＣＶＤ、ＡＬＤ等を利用して形成できる。撥水膜は、偏光板１００の耐湿性を高め、信頼性を向上する。
上述のように、本実施形態にかかる偏光板１００は、反射率が低く、透過率が高い。そのため様々な光学機器に用いることができる。
「光学機器」
第２実施形態にかかる光学機器は、上記の第１実施形態にかかる偏光板１００を備える。光学機器は、液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等が挙げられる。第１実施形態にかかる偏光板１００は、透過軸方向の偏光の透過率が高く、吸収軸方向の偏光の反射率が低い。そのため、種々の用途に利用可能である。また偏光板１００は無機材料により構成される。有機偏光板に比べて耐熱性が要求される液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ等に、偏光板１００は特に好適に用いられる。
第２実施形態にかかる光学機器は、上記の第１実施形態にかかる偏光板１００を備える。光学機器は、液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等が挙げられる。第１実施形態にかかる偏光板１００は、透過軸方向の偏光の透過率が高く、吸収軸方向の偏光の反射率が低い。そのため、種々の用途に利用可能である。また偏光板１００は無機材料により構成される。有機偏光板に比べて耐熱性が要求される液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ等に、偏光板１００は特に好適に用いられる。
光学機器が複数の偏光板を備える場合、複数の偏光板のうち少なくとも一つが第１実施形態にかかる偏光板１００であればよい。例えば、光学機器が液晶プロジェクタの場合は、液晶パネルの入射側及び出射側に偏光板は配置される。このうち一方の偏光板に、第１実施形態にかかる偏光板１００を用いる。
「偏光板の製造方法」
第３実施形態にかかる偏光板の製造方法は、第１積層工程と、第２積層工程と、層形成工程と、パターン形成工程と、第１加工工程と、第２加工工程と、を有する。以下、図２〜図８を用いて、第３実施形態にかかる偏光板の製造方法について具体的に説明する。
第３実施形態にかかる偏光板の製造方法は、第１積層工程と、第２積層工程と、層形成工程と、パターン形成工程と、第１加工工程と、第２加工工程と、を有する。以下、図２〜図８を用いて、第３実施形態にかかる偏光板の製造方法について具体的に説明する。
図２は、第３実施形態にかかる偏光板の製造方法を説明するための断面模式図である。まず第１積層工程では、基板１０に、反射層１３０を積層する。反射層１３０は、例えばＡｌを用いる。反射層１３０は、スパッタリング法又は蒸着法を用いて形成できる。反射層１３０は、加工後に図１に示す反射層３０となる層である。反射層１３０は、上述の反射層３０と同じ材料が用いられる。
次いで、層形成工程として反射層１３０を空気中で加熱する。加熱により反射層１３０の表面が酸化され、光学特性改善層１５０が形成される。光学特性改善層１５０は、反射層１３０の基板１０と反対側の面に形成される。加熱は、１００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。光学特性改善層１５０の厚みは、加熱時間、加熱温度等で調整できる。
次いで、第２積層工程として、光学特性改善層１５０に多層膜１４０を積層する。多層膜１４０は、光学特性改善層１５０の反射層１３０と反対側の面に形成される。基板１０に、反射層１３０、光学特性改善層１５０及び多層膜１４０からなる積層体１９０が形成される。多層膜１４０は、誘電体層１４２、吸収層１４４及び第２誘電体層１４６を順次積層することで得られる。例えばＳｉＯ２（誘電体層１４２）、ＦｅＳｉ（吸収層１４４）、ＳｉＯ２（第２誘電体層１４６）を順次積層する。これらの層は、スパッタリング法又は蒸着法を用いて形成できる。
多層膜１４０は、加工後に図１に示す多層膜４０となる層である。多層膜１４０は、上述の多層膜４０と同じ材料が用いられる。
図３は、第３実施形態にかかる偏光板の製造方法を説明するための断面模式図である。第２積層工程では、積層体１９０の基板１０と反対側の面に、マスク層１６０を積層する。図３に示すマスク層１６０は、第１マスク層１６２、第２マスク層１６４、第３マスク層１６６の三層構造からなる。
第１マスク層１６２は、多層膜１４０を加工するための層である。第１マスク層１６２と多層膜１４０のエッチングレート差を利用して、多層膜１４０を加工する。第１マスク層１６２は、所定のガスに対して多層膜１４０とエッチングレートが異なる材料により構成される。第１マスク層１６２は、例えば反射層１３０と同様の材料を用いることができる。一例として、第１マスク層１６２にはＡｌが用いられる。第１マスク層１６２は、スパッタリング法又は蒸着法を用いて形成できる。
第２マスク層１６４は、反射防止膜である。第２マスク層１６４は、レジストからなる第３マスク層１６６を露光する光が、第１マスク層１６２により反射し、戻り光となるのを防ぐ。戻り光は、第３マスク層１６６の加工精度を低下させる。第２マスク層１６４は、有機物の塗布膜を利用できる。例えば、東京応化工業株式会社製のＳＷＫ−ＥＸ４ＰＥを用いることができる。第２マスク層１６４は、スピンコート等によって塗布後、加熱して焼成する方法等によって形成できる。
第３マスク層１６６は、レジストである。例えば、東京応化工業株式会社製のＴＤＵＲ−Ｐ３２６２ＥＭを用いることができる。第３マスク層１６６は、第１マスク層１６２及び第２マスク層１６４を加工するために形成される。第３マスク層１６６は、スピンコート等の公知の方法で形成できる。
図４〜図６は、第３実施形態にかかる偏光板の製造方法におけるパターン形成工程を説明するための断面模式図である。まず図４に示すように、第３マスク層１６６に対してパターンを形成する。第３マスク層１６６は、フォトリソグラフィー法等を用いてパターン形成する。第３マスク層１６６は、第３マスクパターン１６６Ａとなる。
次いで、図５に示すように、第３マスクパターン１６６Ａをマスクとして第２マスク層１６４を加工する。第２マスク層１６４の加工は、エッチングにより行う。エッチングは、Ｏ２とＡｒの混合ガスを用いたドライエッチング法を用いることが好ましい。
第２マスク層１６４のＯ２とＡｒの混合ガスに対するエッチングレートは、第１マスク層１６２のエッチングレートより１０倍以上とすることが好ましい。エッチングレートは、加工する層の材料、ガス種、ガス流量、ガス圧、イオン又はラジカルを発生されるための出力電圧等を変えることで調整できる。
第１マスク層１６２の形状変化を抑制しつつ、第２マスク層１６４のみにパターン形成できる。第２マスク層１６４は、第２マスクパターン１６４Ａとなる。
次いで、図６に示すように、第２マスクパターン１６４Ａ及び第３マスクパターン１６６Ａをマスクとして第１マスク層１６２を加工する。第１マスク層１６２の加工は、エッチングにより行う。エッチングは、塩素系ガスを用いたドライエッチング法を用いることが好ましい。塩素系ガスはＢＣｌ３とＣｌ２とＮ２の混合ガスを用いることが好ましく、それぞれの流量比はＢＣｌ３が１６〜３０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２が８〜１７ｓｃｃｍ、Ｎ２が２〜１８ｓｃｃｍとすることが好ましい。
第１マスク層１６２の塩素系ガスに対するエッチングレートは、多層膜１４０のエッチングレートより６．７倍以上１５倍以下とすることが好ましい。多層膜１４０の形状変化を抑制しつつ、第１マスク層１６２のみにパターン形成できる。第１マスク層１６２は、第１マスクパターン１６２Ａとなる。
上述のように、３段階に分けてマスク層１６０を加工することで、精度の高いマスクパターン１６０Ａが形成される。
図７は、第３実施形態にかかる偏光板の製造方法における第１加工工程を説明するための断面模式図である。第１加工工程は、形成したマスクパターン１６０Ａを介して多層膜１４０を加工する。
第１加工工程は、フッ素系ガスで行うことが好ましい。多層膜１４０を構成する誘電体層１４２、吸収層１４４及び第２誘電体層１４６はフッ素系ガスに対して同等程度のエッチングレートを示す。フッ素系ガスを用いることで、多層膜１４０を一度に加工できる。
フッ素系ガスに対する光学特性改善層１５０及び反射層１３０のエッチングレートは、多層膜１４０のエッチングレートの０．２２倍以上０．３９倍以下とすることが好ましい。光学特性改善層１５０及び反射層１３０をほとんど加工せずに、多層膜１４０を加工できる。多層膜１４０は、加工により誘電体層４２、吸収層４４及び第２誘電体層４６からなる多層膜４０となる。
マスクパターン１６０Ａは、フッ素系ガスによるエッチングにより除去される。図７に示すように、第１マスクパターン１６２Ａが一部残る場合もある。第１マスクパターン１６２Ａは次工程で除去される。
最後に、第２加工工程を行う。第２加工工程は、多層膜４０をマスクとして光学特性改善層１５０及び反射層１３０を加工する。反射層１３０はエッチングにより反射層３０となり、図１に示す偏光板１００が得られる。
エッチングの初期は、エッチング条件が安定しない場合がある。光学特性改善層１５０を設けることで、反射層１３０を加工する際のエッチング条件を安定化させることができる。入射した光は反射層１３０で反射するため、反射層１３０を所望の形状にすることで、偏光板１００の光学特性が向上する。
第２加工工程は、塩素系ガスを用いて行う。塩素系ガスに対する光学特性改善層１５０のエッチングレートは、多層膜４０のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下とすることが好ましい。また塩素系ガスに対する反射層１３０のエッチングレートは、多層膜４０のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下とすることが好ましい。光学特性改善層１５０及び反射層１３０の加工時に多層膜４０及び光学特性改善層５０が過剰にエッチングされることが避けられる。
上述のように、本実施形態にかかる偏光板の製造方法によれば、所定の層をエッチングにより加工する際に、他の層への影響を低減できる。その結果、所望の形状の凸部２０を作製することができ、光学特性に優れた偏光板１００を得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
「実施例１」
基板１０として無アルカリガラス（イーグルＸＧ、コーニング社製）を準備した。その上に、スパッタリング法を用いて厚み２５０ｎｍのＡｌ（反射層１３０）を積層した。次いで、反射層１３０を３００℃で加熱し、光学特性改善層１５０を作製した（図２参照）。光学特性改善層の厚みは、５ｎｍであった。
基板１０として無アルカリガラス（イーグルＸＧ、コーニング社製）を準備した。その上に、スパッタリング法を用いて厚み２５０ｎｍのＡｌ（反射層１３０）を積層した。次いで、反射層１３０を３００℃で加熱し、光学特性改善層１５０を作製した（図２参照）。光学特性改善層の厚みは、５ｎｍであった。
次いで、反射層の上に、ＳｉＯ２（誘電体層１４２）、ＦｅＳｉ（吸収層１４４）、ＳｉＯ２（第２誘電体層１４６）を順に積層した。これらの層の積層は、スパッタリング法を用いて行った。誘電体層１４２の厚みは５ｎｍ、吸収層１４４の厚みは３５ｎｍ、第２誘電体層１４６の厚みは６０ｎｍとした。このようにして、基板１０上に、反射層１３０と光学特性改善層１５０と多層膜１４０とからなる積層体１９０を作製した（図２参照）。
積層体１９０にマスク層１６０として、Ａｌ（第１マスク層１６２）、反射防止膜（第２マスク層１６４）、レジスト（第３マスク層１６６）を順次積層した（図３参照）。反射防止膜は、ＢＡＲＣとした。第１マスク層１６２の厚みは６０ｎｍ、第２マスク層１６４の厚みは３０ｎｍ、第３マスク層１６６の厚みは１３０ｎｍとした。
フォトリソグラフィーを利用して、第３マスク層１６６であるレジストにパターンを形成した（図５参照）。パターンは、ラインアンドスペースとした。隣接するライン間のピッチは１４０ｎｍとし、ラインとラインとの最短距離は１１０ｎｍとした。
パターン形成されたレジストをマスクとして、第２マスク層１６４にパターンを形成した（図６参照）。第２マスク層１６４のエッチングは、ドライエッチング装置（アルバック社製（ＮＥ−５７００））を用いて、ＡＰＣ ｐｒｅｓｓ：０．５Ｐａ、Ｂｉａｓ ＲＦ Ｐｏｗｅｒ：５０Ｗの条件で行った。ＡＰＣ ｐｒｅｓｓは、エッチング中の圧力であり、Ｂｉａｓ ＲＦ Ｐｏｗｅｒはバイアス側の印加電圧である。エッチングガスは、ＡｒとＯ２の混合ガスとし、ＡｒとＯ２との比率を５：１とした。この条件における第２マスク層１６４のエッチングレートは１ｎｍ／ｓｅｃであり、第１マスク層１６２のエッチングレートは０．１ｎｍ／ｓｅｃであった。すなわち、第２マスク層１６４のエッチングレートは、第１マスク層１６２のエッチングレートの１０倍であった。
第３マスクパターン１６６Ａおよび第２マスクパターン１６４Ａをマスクとして、第１マスク層１６２にパターンを形成した（図６参照）。第１マスク層１６２のエッチングは、ドライエッチング装置（アルバック社製（ＮＥ−５７００））を用いて、ＡＰＣ ｐｒｅｓｓ：０．５ＰａＢｉａｓ ＲＦ Ｐｏｗｅｒ：５０Ｗの条件で行った。エッチングガスは、Ｎ２とＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガスとし、Ｎ２とＢＣｌ３とＣｌ２と比率を２：１６．５：３０とした。この条件における第１マスク層１６２のエッチングレートは２〜３ｎｍ／ｓｅｃであり、第２誘電体層１４６のエッチングレートは０．２〜０．３ｎｍ／ｓｅｃであった。すなわち、第１マスク層１６２のエッチングレートは、第２誘電体層１４６のエッチングレートの６．７倍から１５倍の範囲内であった。
作製したマスクパターン１６０Ａをマスクとして、多層膜１４０を加工した（図７参照）。多層膜１４０のエッチングは、ドライエッチング装置（アルバック社製（ＮＥ−５７００））を用いて、ＡＰＣ ｐｒｅｓｓ：０．５ＰａＢｉａｓ ＲＦ Ｐｏｗｅｒ：６０Ｗの条件で行った。エッチングガスは、ＡｒとＣＦ４との混合ガスとし、ＡｒとＣＦ４との比率を１：４とした。この条件における多層膜１４０のエッチングレートは１．８〜２．３ｎｍ／ｓｅｃであり、光学特性改善層１５０及び反射層１３０のエッチングレートは０．５〜０．７ｎｍ／ｓｅｃであった。すなわち、光学特性改善層１５０及び反射層１３０のエッチングレートは、多層膜１４０のエッチングレートの０．２２倍から０．３９倍の範囲内であった。
最後に、反射層１３０及び光学特性改善層１５０を加工した（図１参照）。反射層１３０及び光学特性改善層１５０のエッチングは、ドライエッチング装置（アルバック社製（ＮＥ−５７００））を用いて、ＡＰＣ ｐｒｅｓｓ：０．５Ｐａ、Ｂｉａｓ ＲＦ Ｐｏｗｅｒ：５０Ｗの条件で行った。エッチングガスは、Ｎ２とＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガスとし、Ｎ２とＢＣｌ３とＣｌ２と比率を９：４：８とした。この条件における反射層１３０及び光学特性改善層１５０のエッチングレートは２〜３ｎｍ／ｓｅｃであり、多層膜１４０のエッチングレートは０．２〜０．３ｎｍ／ｓｅｃであった。すなわち、反射層１３０及び光学特性改善層１５０のエッチングレートは、多層膜１４０及び光学特性改善層１５０のエッチングレートの６．７倍から１５倍の範囲内であった。
以下の表１に、実施例１の製造条件をまとめた。
作製した実施例１の偏光板の構成を以下にまとめる。
基板：無アルカリガラス（イーグルＸＧ（コーニング社製））、表面に高さ２０ｎｍの凸部を設け、凸部は反射層の下方に存在する。
凸部：ピッチ１４０ｎｍ、隣接する凸部間の間隔１０５ｎｍ
反射層：Ａｌ、幅３５ｎｍ、厚み２５０ｎｍ
光学特性改善層：Ａｌ２Ｏ３、幅３５ｎｍ、厚み５ｎｍ
誘電体層：ＳｉＯ２、幅３５ｎｍ、厚み５ｎｍ
吸収層：Ｆｅ（５ａｔｍ％）Ｓｉ（９５ａｔｍ％）、幅３５ｎｍ、厚み３５ｎｍ
第２誘電体層：ＳｉＯ２、幅３５ｎｍ、厚み３０ｎｍ
凸部：ピッチ１４０ｎｍ、隣接する凸部間の間隔１０５ｎｍ
反射層：Ａｌ、幅３５ｎｍ、厚み２５０ｎｍ
光学特性改善層：Ａｌ２Ｏ３、幅３５ｎｍ、厚み５ｎｍ
誘電体層：ＳｉＯ２、幅３５ｎｍ、厚み５ｎｍ
吸収層：Ｆｅ（５ａｔｍ％）Ｓｉ（９５ａｔｍ％）、幅３５ｎｍ、厚み３５ｎｍ
第２誘電体層：ＳｉＯ２、幅３５ｎｍ、厚み３０ｎｍ
「実施例２〜４及び比較例１」
実施例２〜４及び比較例１は、光学特性改善層を形成する際の条件を変えて、光学特性改善層の厚みを変えた点が実施例１と異なる。光学特性改善層の厚みは、実施例２が１０ｎｍ、実施例３が２０ｎｍ、実施例３が３０ｎｍ、比較例１は０ｎｍであった。
実施例２〜４及び比較例１は、光学特性改善層を形成する際の条件を変えて、光学特性改善層の厚みを変えた点が実施例１と異なる。光学特性改善層の厚みは、実施例２が１０ｎｍ、実施例３が２０ｎｍ、実施例３が３０ｎｍ、比較例１は０ｎｍであった。
図８は、実施例１〜４及び比較例１の偏光板の透過軸透過率及び吸収軸透過率を測定した結果である。図８（ａ）は透過軸透過率の結果であり、図８（ｂ）は吸収軸透過率の結果である。実施例１〜４はいずれも比較例１より透過軸透過率が向上した。特に光学特性改善層の厚みが０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下の範囲で、吸収軸反射率が低下した。
１０ 基板
１０ａ 第１面
２０ 凸部
３０、１３０ 反射層
４０、１４０ 多層膜
４２、１４２ 誘電体層
４４、１４４ 吸収層
４６、１４６ 第２誘電体層
５０、１５０ 光学特性改善層
１００ 偏光板
１６０ マスク層
１６０Ａ マスクパターン
１６２ 第１マスク層
１６２Ａ 第１マスクパターン
１６４ 第２マスク層
１６４Ａ 第２マスクパターン
１６６ 第３マスク層
１６６Ａ 第３マスクパターン
１９０ 積層体
１０ａ 第１面
２０ 凸部
３０、１３０ 反射層
４０、１４０ 多層膜
４２、１４２ 誘電体層
４４、１４４ 吸収層
４６、１４６ 第２誘電体層
５０、１５０ 光学特性改善層
１００ 偏光板
１６０ マスク層
１６０Ａ マスクパターン
１６２ 第１マスク層
１６２Ａ 第１マスクパターン
１６４ 第２マスク層
１６４Ａ 第２マスクパターン
１６６ 第３マスク層
１６６Ａ 第３マスクパターン
１９０ 積層体
Claims (8)
- ワイヤグリッド構造を有する偏光板であって、
透明基板と、
前記透明基板上の第１方向に延在し、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の凸部と、を備え、
前記凸部は、前記透明基板側から順に、反射層と、光学特性改善層と、多層膜と、を備え、
前記光学特性改善層は、前記反射層を構成する構成元素を含む酸化物を含み、
塩素系ガスに対する前記光学特性改善層のエッチングレートは、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下であり、
塩素系ガスに対する前記反射層のエッチングレートは、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下である、偏光板。 - 前記光学特性改善層は、前記多層膜よりフッ素系ガスに対するエッチングレートが低い材料からなる、請求項１に記載の偏光板。
- 前記反射層は、Ａｌ又はＣｕからなり、
前記反射層がＡｌの場合、前記光学特性改善層はＡｌの酸化物であり、前記反射層がＣｕの場合、前記光学特性改善層はＣｕの酸化物である、請求項１又は２に記載の偏光板。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の偏光板を備える、光学機器。
- 透明基板に、反射層を積層する第１積層工程と、
前記反射層を加熱し、前記反射層の前記透明基板と反対側の面に光学特性改善層を形成する層形成工程と、
前記形成された光学特性改善層に、多層膜とマスク層とを順に積層する第２積層工程と、
前記マスク層にマスクパターンを形成するパターン形成工程と、
前記マスクパターンを介して前記多層膜を加工する第１加工工程と、
前記多層膜をマスクとして、前記光学特性改善層及び前記反射層を加工する第２加工工程と、を有し、
前記第２加工工程を塩素系ガスで行い、
前記塩素系ガスに対する前記光学特性改善層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下とする、偏光板の製造方法。 - 前記塩素系ガスに対する前記反射層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下とする、請求項５に記載の偏光板の製造方法。
- 前記マスク層は、複数の層からなり、
前記マスク層は、最も前記基板側に前記反射層と同じ材料からなる第１マスク層を有し、
前記パターン形成工程における前記第１マスク層の加工を前記塩素系ガスで行い、
前記塩素系ガスに対する前記第１マスク層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの６．７倍以上１５倍以下とする、請求項５又は６に記載の偏光板の製造方法。 - 前記第１加工工程をフッ素系ガスで行い、
前記フッ素系ガスに対する前記光学特性改善層のエッチングレートを、前記多層膜のエッチングレートの０．２２倍以上０．３９倍以下とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の偏光板の製造方法。
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