KR101836758B1

KR101836758B1 - 그리드 편광 소자 및 광배향 장치

Info

Publication number: KR101836758B1
Application number: KR1020167026362A
Authority: KR
Inventors: 가즈유키 츠루오카; 류헤이 아라키; 요헤이 나와키
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2018-03-08
Also published as: TW201602651A; CN106068469B; KR20160125486A; US20170017027A1; WO2015137362A1; EP3118659B1; CN106068469A; JP2015172648A; JP5862699B2; EP3118659A4; EP3118659A1; TWI565979B

Abstract

(과제) 보다 고성능으로 제조가 용이하고, 자외선과 같은 단파장역의 광에 대해서도 높은 편광 성능을 얻을 수 있는 그리드 편광 소자를 제공한다.
(해결 수단) 투명 기판(1) 상에 설치된 줄무늬형상의 그리드(2)는 유전체 또는 반도체로 형성되어 있고, 그리드(2)의 각 선형부(21)에 있어서 일방측의 갭 폭 t와, 타방측의 갭 폭 T는, 주기적으로 실질적으로 t＜T이다. 좁은 갭 t로 이웃하는 두 개의 선형부를 전반한 s편광광은, 넓은 갭 T로 이웃하는 두 개의 선형부를 전반한 s편광광보다도 위상이 π／2 이상 지연되어, 그 결과, s편광광이 서로 약화시켜 감쇠한다.

Description

그리드 편광 소자 및 광배향 장치{GRID POLARIZER AND PHOTO-ALIGNMENT DEVICE}

본원의 발명은, 그리드 편광 소자를 이용한 편광 기술에 관한 것이다.

편광광을 얻는 편광 소자는, 편광 선글라스와 같은 일상 제품을 비롯해 편광 필터나 편광 필름 등의 광학 소자로서 각종의 것이 알려져 있고, 액정 디스플레이 등의 디스플레이 디바이스에서도 다용되고 있다. 편광 소자에는, 편광광을 취출하는 방식으로부터 몇 가지의 것으로 분류되는데, 그 중 하나로 와이어 그리드 편광 소자가 있다.

와이어 그리드 편광 소자는, 투명 기판 상에 금속(도전체)으로 이루어지는 미세한 줄무늬형상의 그리드를 설치한 구조의 것이다. 그리드를 형성하는 각 선형부의 간격을 편광시키는 광의 파장보다도 좁게 함으로써 편광자로서 기능한다. 직선 편광광 중, 그리드의 길이 방향(즉, 각 선형부의 길이 방향)으로 전계 성분을 갖는 편광광에 있어서는 플랫한 금속과 등가이므로 반사하는 한편, 길이 방향에 수직인 방향으로 전계 성분을 갖는 편광광에 있어서는 투명 기판만이 있는 것과 등가이므로, 투명 기판을 투과하여 출사한다. 이 때문에, 편광자로부터는 그리드의 길이 방향에 수직인 방향의 직선 편광광만이 출사된다. 편광 소자의 자세를 제어해, 그리드의 길이 방향이 원하는 방향을 향하도록 함으로써, 편광광의 축(전계 성분의 방향)이 원하는 방향을 향한 편광광이 얻어지게 된다.

이하, 설명의 편의상, 그리드의 길이 방향으로 전계 성분을 갖는 직선 편광광을 s편광광이라 부르고, 길이 방향에 수직인 방향으로 전계 성분을 갖는 직선 편광광을 p편광광이라 부른다. 통상, 입사면(반사면에 수직이고 입사광선과 반사광선을 포함하는 면)에 대해 전계가 수직인 것을 s파, 평행한 것을 p파라고 부르는데, 그리드의 길이 방향이 입사면에 대해 수직인 것을 전제로 하여, 이와 같이 구별한다.

이와 같은 편광 소자의 성능을 나타내는 기본적인 지표는, 소광비 ER과 투과율 TR이다. 소광비 ER는, 편광 소자를 투과한 편광광의 강도 중, s편광광의 강도(Is)에 대한 p편광광의 강도(Ip)의 비이다(Ip/Is). 또, 투과율 TR은, 통상, 입사하는 s편광광과 p편광광의 전체 에너지에 대한 출사 p편광광의 에너지의 비이다(TR=Ip/(Is+Ip)). 이상적인 편광 소자는, 소광비 ER=∞, 투과율 TR=50%라는 것이 된다.

또한, 이 출원의 발명의 편광 소자는, 그리드가 금속(와이어)으로는 한정되지 않으므로, 이하, 단순히 그리드 편광 소자라고 부른다.

일본국 특허 공개 2011-8172호 공보

그리드 편광 소자의 편광 성능을 결정하는 중요한 요소에, 그리드의 애스펙트비가 있다. 그리드의 애스펙트비는, 그리드를 형성하는 선형부의 폭에 대한 선형부의 높이의 비이다. 그리드 편광 소자는, 일반적으로 애스펙트비가 높아짐에 따라서 소광비도 높아진다.

이와 같이 소광비가 높은 그리드 편광 소자를 얻으려면 고애스펙트비의 그리드가 필요하게 되는데, 고애스펙트비의 그리드 구조를 갖는 편광 소자를 제조하는 것은, 일반적으로 어렵다. 그리드 편광 소자의 제조는, 석영과 같은 투명 기판 상에 그리드를 형성함으로써 행해진다. 그리드는, 각 선형부의 간격이 광의 파장 미만이라고 하는 미세한 구조물이며, 원래, 제조는 용이하지 않다. 그리드는 포토리소그래피의 기술을 사용하여 형성되는 것이 일반적이지만, 충분한 기계적 강도로 그리드를 형성하는 것은 어렵고, 애스펙트비가 높아지면 그 경향은 현저하다.

또, 각 선형부의 간격이 광의 파장 미만인 것으로부터, 편광하는 광의 파장이 짧아지면 짧아질수록 보다 미세한 그리드 구조를 만들 필요가 있어, 더욱 어려움이 증가한다. 이 때문에 과거에는, 자외선과 같은 단파장역의 광을 편광시키는 그리드 편광 소자는 이론적으로는 가능해도 실현은 어려울 것으로 생각되었다. 그런데도, 비약적으로 진보한 반도체 제조 프로세스에서의 미세 가공 기술을 응용함으로써, 자외선과 같은 단파장역용 편광 소자의 실용화도 충분히 노릴 수 있는 상황으로는 되었다.

그러나, 소광비 등의 점에서 보다 고성능의 그리드 편광 소자를 얻고자 하는 경우, 그리드의 고애스펙트비화밖에 해결 수단이 없는 현상황에서는, 제조상의 어려움이 그리드 편광 소자의 고성능화나 사용 파장의 단파장화의 걸림돌이 되어 버렸다.

또, 발명자들이 행한 연구에 의해, 자외선과 같은 단파장역의 광을 대상 파장으로 하는 경우, 알루미늄과 같은 금속제 그리드를 채용한 종래의 그리드 편광 소자에서는, 기대된 편광 성능을 충분히 얻을 수 없음이 판명되었다. 그 이유는, 완전히는 분명하지 않지만, 금속에 대한 자외선의 반사율이 충분하지 않은 것, 자외선에 의한 금속의 열화 등이 요인으로서 추측된다.

이 출원의 발명은, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 보다 고성능으로 제조가 용이하고, 자외선과 같은 단파장역의 광에 대해서도 높은 편광 성능을 얻을 수 있는 그리드 편광 소자를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본원의 청구항 1에 기재된 발명은, 투명 기판과, 투명 기판 상에 설치된 줄무늬형상의 그리드로 이루어지는 그리드 편광 소자로서,

그리드는, 유전체 또는 반도체로 형성되어 있고,

그리드를 구성하는 각 선형부에 있어서 일방측의 인접하는 선형부와의 거리를 t, 타방측의 인접하는 선형부와의 거리를 T로 했을 때, 그리드는, 실질적으로 t＜T인 부분을 주기적으로 갖고 있고,

그리드의 각 선형부의 길이 방향으로 전계 성분을 갖는 편광광을 s편광광으로 하고, 거리 t로 이웃하는 두 개의 선형부를 전반(傳搬)한 s편광광을 빽빽한 부분 전반광으로 하고, 거리 T로 이웃하는 두 개의 선형부를 전반한 s편광광을 성긴 부분 전반광으로 했을 때, t/T의 비는, 빽빽한 부분 전반광의 위상이 성긴 부분 전반광의 위상보다도 π／2 이상 지연되는 비로 되어 있다는 구성을 갖는다.

또, 상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 2에 기재된 발명은, 상기 청구항 1의 구성에 있어서,

상기 그리드는, 이웃하는 두 개의 선형부가 한 세트가 되어 상기 투명 기판 상에 설치되어 있고,

각 세트의 두 개의 선형부를 전반한 s편광광이 상기 빽빽한 부분 전반광이며, 각 세트의 두 개의 선형부의 이격 거리는 상기 거리 t로 되어 있고,

인접하는 세트끼리 마주보는 두 개의 선형부를 전반한 s편광광이 상기 성긴 부분 전반광이며, 인접하는 세트끼리의 이격 거리는 상기 거리 T로 되어 있고,

상기 거리 t는, 상기 빽빽한 부분 전반광의 출사단에서의 이격 거리이며,

상기 거리 T는, 상기 성긴 부분 전반광의 출사단에서의 이격 거리라고 하는 구성을 갖는다.

또, 상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 3에 기재된 발명은, 상기 청구항 2의 구성에 있어서, 상기 각 세트의 두 개의 선형부의 이격 거리는, 상기 빽빽한 부분 전반광의 전반방향 앞쪽을 향해 서서히 좁아져 있다는 구성을 갖는다.

또, 상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 4에 기재된 발명은, 광원과, 청구항 1에 기재된 그리드 편광 소자를 구비하고 있고, 그리드 편광 소자는, 광배향용의 막재가 배치되는 조사 영역과 광원 사이에 배치되어 있다고 하는 구성을 갖는다.

이하에서 설명하는 바와 같이, 본원의 청구항 1 또는 2에 기재된 발명에 의하면, 유전체 또는 반도체제의 그리드를 사용한 감쇠형의 그리드 편광 소자에 있어서, 빽빽한 부분 전반광이 성긴 부분 전반광에 대해 π／2 이상 위상이 지연되는 것을 이용하여 s편광광을 감쇠시키므로, 애스펙트비를 높게 하지 않고 소광비를 보다 높게 할 수 있다. 이 때문에, 제조가 용이한 고성능의 그리드 편광 소자가 제공된다.

또, 청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 각 세트의 두 개의 선형부의 이격 거리는, 상기 빽빽한 부분 전반광의 전반방향 앞쪽을 향해 서서히 좁아져 있으므로, 더욱 제조가 용이해진다.

또, 청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 소광비가 높은 그리드 편광 소자가 사용되므로, 고품질의 광배향 처리를 행하는 것이 가능해져, 고품질의 광배향막을 얻을 수 있다. 이 때문에, 고화질의 디스플레이의 제조에 크게 공헌할 수 있다.

도 1은 이 출원 발명의 제1의 실시형태에 따른 그리드 편광 소자를 모식적으로 나타낸 사시 개략도이다.
도 2는 감쇠형의 그리드 편광 소자의 동작 모델에 대해서 모식적으로 나타낸 사시 개략도이다.
도 3은 x방향 자계 성분 Hx의 물결침을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 x방향 자계 성분 Hx의 물결침(회전)에 의해 새로 전계 Ey가 발생하는 모습을 모식적으로 나타낸 정면 단면 개략도이다.
도 5는 감쇠형의 그리드 편광 소자에 있어서 고애스펙트비를 대신하는 고성능화의 수단에 대해서 검토하기 위해서 발명자가 행한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 그리드 편재화에 의한 소광비의 향상을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 그리드 편재화에 의한 소광비의 향상을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 그리드 편재화에 의한 소광비의 향상을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 그리드 편재화에 의한 소광비의 향상을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 제1의 실시형태의 그리드 편광 소자의 제조 방법에 대해서 나타낸 개략도이다.
도 11은 실시형태의 그리드 편광 소자의 사용예를 나타낸 것이며, 그리드 편광 소자를 탑재한 광배향 장치의 단면 개략도이다.
도 12는 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자의 정면 개략도이다.
도 13은 도 12에 나타내는 실시형태의 구조에 대한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자의 적합한 제조 방법에 대해서 나타낸 개략도이다.

다음에, 이 출원 발명을 실시하기 위한 형태(실시형태)에 대해서 설명한다.

도 1은, 제1의 실시형태의 그리드 편광 소자를 모식적으로 나타낸 사시 개략도이다. 도 1에 나타내는 그리드 편광 소자는, 투명 기판(1)과, 투명 기판(1) 상에 설치된 그리드(2)로 주로 구성되어 있다.

투명 기판(1)은, 사용 파장(편광 소자를 사용하여 편광시키는 광의 파장)에 대해 충분한 투과성을 갖는다는 의미에서 「투명」하다는 것이다. 이 실시형태에서는, 자외선을 사용 파장으로서 상정하고 있으므로, 투명 기판(1)의 재질로는 석영 유리(예를 들면 합성 석영)가 채용되고 있다.

그리드(2)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 평행하게 연장되는 다수의 선형부(21)로 이루어지는 줄무늬형상의 것이다. 각 선형부(21)는, 산화 티탄이나 질화 티탄과 같은 유전체 또는 아몰퍼스 실리콘과 같은 반도체로 형성되어 있다. 그리고, 그리드(2)에 있어서, 각 선형부(21)는 편재하고 있다. 즉, 각 선형부(21)에 있어서 일방측의 인접하는 선형부(21)와의 거리를 t, 타방측의 인접하는 선형부(21)와의 거리를 T로 했을 때, 실질적으로 t＜T인 부분을 주기적으로 갖고 있다. 이하, 설명의 편의상, t/T를 편재비라고 부른다.

상기 설명에 있어서, 「실질적으로 t＜T인 부분」이란, 일방측의 이격 거리 t가 타방측의 이격 거리 T와 실질적으로 상이하다고 하는 의미이다. 「실질적으로」란, 제조상의 불균일로 발생하는 거리의 상이는 포함하지 않는 취지이며, 후술하는 위상 지연 작용이 발휘되도록 의도적으로 t≠T로 한다는 취지이다.

또, 「주기적」이라는 것은, 랜덤은 아니라는 정도의 의미이다. t≠T가 제조상의 불균일에 의해서 발생하는 경우에는 랜덤이라는 것이 되지만, 후술하는 위상 지연 작용이 발휘되도록 의도적으로 t≠T로 하는 것이며, 따라서, 주기적이 된다. 또한, 이 경우의 주기적이란, 투명 기판(1)의 표면을 따라서 선형부(21)의 길이 방향에 수직인 방향에서 봤을 때에 t≠T의 부분이 주기적으로 존재하고 있는 것이다.

이와 같은 실시형태의 그리드 편광 소자의 구성은, 애스펙트비를 높게 하지 않고 보다 높은 편광 성능이 얻어지도록 하거나, 자외선과 같은 단파장역의 광에 대해서도 높은 편광 성능이 얻어지도록 하거나 하려면, 그리드 편광 소자의 구성을 어떻게 해야 하는지에 대해서 발명자들이 예의 연구를 행한 성과이다.

발명자들은, 우선, 종래와는 기본적으로 상이한 사상에 의해 편광 소자를 구성하는 것을 의도했다. 종래의 와이어 그리드 편광 소자는, 반사형 그리드 편광 소자라고도 부를 수 있는 것으로, 그리드에 반사율이 높은 금속을 사용해, 그리드의 길이 방향으로 전계 성분을 갖는 직선 편광광을 반사시킴으로써 투명 기판(1)을 투과시키지 않도록 하는 것이다. 이와 같은 사상의 그리드 편광 소자에서는, 상술한 바와 같이, 고성능화에는 고애스펙트비화가 필요하고, 자외선과 같은 단파장역에서는 높은 편광 성능을 얻을 수 없다는 문제가 발생하고 있다.

발명자들은, 이와 같은 종래의 그리드 편광 소자의 사상과는 달리, 감쇠형 그리드 편광 소자라고도 해야 할 사상을 생각해내기에 이르렀다. 즉, 편광광이 편광 소자 중을 전반하는 결과로, 특정의 편광광이 선택적으로 감쇠하는 것을 이용하는 것이다. 실시형태의 감쇠형 그리드 편광 소자는, 그리드의 재료로서 종래와 같은 금속이 아니라 유전체 또는 반도체를 채용하는 것, 그리드를 구성하는 각 선형부를 편재시킴(t≠T)으로써 달성된다.

우선, 그리드의 재료를 금속이 아니라 유전체 또는 반도체로 한 경우, 그리드 편광 소자에 있어서의 광의 전반이 어떻게 되는지에 대해서, 이하에 설명한다. 여기서의 설명은, 그리드는 편재화되어 있지 않은 것으로 한다(t=T).

도 2는, 감쇠형의 그리드 편광 소자의 동작 모델에 대해서 모식적으로 나타낸 사시 개략도이다. 상술한 바와 같이, 그리드 편광 소자는, p편광광을 투과시키는 한편, s편광광을 투과시키지 않도록 한 편광 소자이다. 따라서, 주로 검토해야 하는 것은, s편광광의 거동이다.

도 2에 있어서, 편의상, 광은 지면 상의 위에서부터 아래로 전반하는 것으로 하고, 이 방향을 z방향으로 한다. 또, 그리드(2)가 연장되는 방향을 y방향으로 하고, 따라서 s편광광(도 5에 Ls로 나타낸다)은, 전계 성분 Ey를 갖는다. 이 s편광광의 자계 성분(도시하지 않음)은 x방향이 된다(Hx).

이와 같은 s편광광이 그리드 편광 소자의 그리드(2)에 다다르면, s편광광의 전계 Ey는, 그리드(2)의 유전율에 의해서 약해진다. 한편, 그리드(2) 사이의 매질은, 공기인 경우가 많지만, 일반적으로 그리드(2)보다 유전율이 작기 때문에, 그리드(2) 사이의 공간에서는 전계 Ey는 그리드(2) 내만큼은 약해지지 않는다.

이 결과, x-y 평면 내에 있어서 전계 Ey의 회전 성분이 발생한다. 그리고, 패러데이의 전자 유도에 대응하는 이하의 맥스웰 방정식(식 1)에 의해, 이 x-y 평면에서의 회전의 강도에 따라, z방향에 있어서 2개의 서로 역방향의 자계 Hz가 유기된다.

즉, 그리드(2) 사이의 중앙의 전계 Ey의 가장 높은 곳을 경계로, 일방측에서는 Hz는 광의 전반방향 앞쪽을 향하고, 타방측에서는 Hz는 후방을 향한다. 여기서, 도 2에서는 생략되어 있지만, x방향의 자계 Hx는 Ey와 동위상으로, x축 음의 측을 향해 존재하고 있다. 이 x방향 자계 성분 Hx는, 생성된 z방향 성분 Hz에 의해 끌어당겨져 물결치듯이 변형된다.

도 3은, 이 x방향 자계 성분 Hx의 물결침을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다. 도 3은, 그리드(2)의 재질을 산화티탄으로 하고 파장 254nm에서의 광학 상수(n=2.35, k=1.31)로 시뮬레이션을 행한 것이다. 도 3에서는, 그리드(2)의 각 선형부(21)의 폭은 15nm, 각 선형부(21)의 간격은 90nm로 일정, 각 선형부(21)의 높이는 170nm로 했다. 시뮬레이션은 FDTD(Finite-Difference Time-Domain)법에 의거하고 있고, 사용한 소프트웨어는, Mathworks사(미국 매사추세츠주)의 MATLAB(동사의 등록상표)이다.

도 3 중, 상측의 진한 검은색의 부분은 전계 Ez의 마이너스 성분, 중간정도의 옅은 회색의 부분은 전계 Ez의 플러스 성분을 나타내고 있다. 자계는, 벡터(화살표)로 나타나 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 그리드(2)에 다다르기 전의 s편광광에는 Hz 성분이 없기 때문에 Hx 성분만이 되지만, 그리드(2)에 다다르는 상술한 Hz 성분의 생성에 의해, 자계가 x-z면 내에서 물결치는 것을 확인할 수 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 자계의 물결침은, 시계 방향의 자계의 회전이라고도 할 수 있는 상황이다. 또한, 도 3에서는, y방향이 광의 전반방향이며, z방향이 그리드(2)의 길이 방향으로 되어 있어, 도 2와는 상이하다.

이와 같은 자계 성분 Hx의 물결침(회전)이 발생하면, 암페어·맥스웰의 법칙에 대응하는 맥스웰 방정식(식 2)에 의해, 또한 도 2의 y방향으로 전계가 발생한다.

이 모습을 도 4에 있어서 모식적으로 나타낸다. 도 4는, x방향 자계 성분 Hx의 물결침(회전)에 의해 새로 전계 Ey가 발생하는 모습을 모식적으로 나타낸 정면 단면 개략도이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, x-z면 내에서의 자계 성분 Hx의 물결침(회전)에 의해, 그리드(2) 내에서는 도 2의 지면 앞쪽을 향한 전계 Ey가 발생하고, 그리드(2)와 그리드(2) 사이에 있어서는 지면 안쪽을 향한 전계 Ey가 발생한다. 이 경우, 입사한 s편광광의 원래의 전계 Ey는 지면 앞쪽을 향하기 때문에, 그리드(2) 사이의 전계는, 상기 자계의 회전에 의해 상쇄되어, 파동을 분단하도록 작용한다. 결과적으로, 전계 Ey가 그리드(2) 내에 국재(局在)해, 그리드(2)의 재질에 따른 흡수에 의해 s편광광의 에너지가 그리드(2) 내를 전파하면서 감쇠된다.

한편, p편광광에 대해서는, 전계 성분은 x방향을 향하고 있지만(Ex), y방향에서 보았을 때, 유전율의 분포는 균일하기 때문에, 상술한 바와 같은 전계의 회전 성분은 실질적으로 발생하지 않는다. 따라서, s편광광과 같은 전계의 그리드(2) 내에서의 국재화, 파동의 분단은, p편광광에 실질적으로 발생하지 않는다. 실시형태의 감쇠형 그리드 편광 소자는, 공간의 유전율 분포의 차이로부터 이와 같이 s편광광과 p편광광에서 상이한 전반을 하는 것을 전제로 하고 있다. 또한, 아몰퍼스 실리콘과 같은 반도체제의 그리드(2)에서도, 마찬가지로 s편광광과 p편광광에서 상이한 전반을 하는 것이 확인되고 있다.

발명자들은, 이와 같은 유전체 또는 반도체제의 그리드 편광 소자에 의해서 편광 작용을 얻을 수 있고, 특히, 자외선과 같은 단파장역의 광이 편광용에 유효한 것을 확인했다. 단파장역의 광의 편광용에 유효한 이유는, 그리드에 있어서의 광의 흡수를 이용하는 것, 즉, 상기와 같이 s편광광이 그리드(2) 내에서 국재화해, 그리드(2) 내에서의 흡수에 의해 감쇠되는 것에 의한다고 추측되었다.

발명자들은, 이와 같은 감쇠형의 그리드 편광 소자에 있어서 편광 성능을 보다 높게 하는 관점에서 연구를 더 계속했다. 그 결과, 상기와 같이 그리드의 각 선형부를 편재화시키는 것에 주목해, 어느 편재화의 조건에서는 특히 소광비를 높게 할 수 있음을 찾아냈다. 이하, 이 점에 대해서 설명한다.

도 5는, 감쇠형의 그리드 편광 소자에 있어서 고애스펙트비를 대신하는 고성능화의 수단에 대해서 검토하기 위해서 발명자가 행한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.

도 5의 시뮬레이션 실험에서는, 그리드의 애스펙트비나 그리드의 편재비를 바꾸면 소광비나 투과율이 어떻게 변화하는지를 조사했다. 시뮬레이션에는, RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)법이 이용되고 있으며, 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)가 배포하고 있는 소프트웨어(http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/grating.htm)가 사용되었다. 그리드의 재료는 산화티탄으로 하고, 투명 기판은 석영으로 했다. 또, 편광시키는 광의 파장은, 254nm로 했다. 또한, 시뮬레이션에는 재료의 광학 상수가 필요하지만, 여기에서는, 산화티탄의 광학 상수는, 굴절률 2.35, 소광계수(굴절률의 허수부)는 1.31로 했다. 또 석영에 대해서는, 굴절률 1.5, 소광계수 0으로 했다.

우선, 그리드의 각 선형부의 폭 w를 20nm, 갭 폭을 70nm로 일정하게 하고, 각 선형부의 높이 h를 바꿈으로써 애스펙트비를 변화시킨 시뮬레이션을 행했다. 도 5 중에 나타내는 바와 같이, 도 5 중에, × 표시한 것이 그 결과이다. 시뮬레이션에서는, h=90nm(애스펙트비=4.5)에서부터 시작하여, 도 5에 나타내는 바와 같이 높이 h를 증가시켜 애스펙트비를 증가시켰다. 또한, 도 5 중의 횡축은 투과율, 종축은 소광비(로그 눈금)이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 애스펙트비를 증가시키면, 투과율은 감소하지만 소광비는 증가한다. 예를 들면 그리드 높이 h=230nm(애스펙트비=11.5)에서는, 투과율은 30% 정도로 떨어지지만, 소광비는 1000을 초과하는 높은 값이 얻어진다. 그러나, 이와 같이 높은 애스펙트비의 그리드는 실제로는 제조가 어렵다.

다음에, 발명자들은, 그리드 편재화의 구성에 대해서 시뮬레이션 실험을 행했다. 구체적으로는, 상기 그리드의 치수에 있어서, 비교적 제조가 용이한 그리드 높이 h=170nm(애스펙트비=8.5)를 표준적인 모델로서 채용하고, 이 모델에 있어서 편재시킨 구성에 대해서 소광비나 투과율을 시뮬레이션했다. 보다 구체적으로는, t+T의 전체의 치수는 140nm로 고정한 다음, t를 감소시키고 T를 증가시킴으로써 t/T를 변화시켰다. 도 5 중의 ■ 표시는, 각 t의 값일 때의 소광비 및 투과율이다. 여기에서는 t를 도 5에 나타내는 바와 같이 조금씩 감소시켜(T를 증가시켜), 소광비 및 투과율을 산출했다.

도 5에 나타내는 바와 같이, t를 감소시키면(즉, 갭 폭을 편재화시키면), 애스펙트비를 증가시키는 경우에 비해, 투과율은 그만큼 감소하지 않음에도 불구하고 소광비가 급격하게 증가했다. 소광비의 증가는, t=50nm 정도를 경계로 하여 보다 급격해져, t=36nm에서 피크가 되었다. 또한 t를 작게 하면, 투과율과 함께 소광비도 감소했다. 갭 폭의 편재화는, 그리드 구조의 편재화라고 하는 것을 의미한다.

상기와 같이, 그리드 편재화에 의한 소광비의 향상은 어느 범위에서 얻을 수 있고, 그 범위 중에서도 특히 현저하게 소광비가 향상되는 범위가 있는 것이 시뮬레이션 실험의 결과로부터 판명되었다. 발명자들은, 이와 같은 결과가 되는 원인에 대해서 보다 상세하게 분석하기 위해서, 파면의 상황을 계산에 의해서 조사하여 관찰했다. 계산에는, CYBERNET SYSTEMS 주식회사(본사:도쿄도 치요다구)가 판매하고 있는 해석 소프트웨어 FULLWAVE(상품명)를 사용했다. 이 결과를 나타낸 것이, 도 6~도 9이다. 도 6~도 9는, 그리드 편재화에 의한 소광비의 향상을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다.

도 6~도 8에는, 그리드 편광 소자를 통한 s편광광의 전반상황이 나타나 있고, 상술한 소프트웨어에 의해 파면의 상황을 표시한 것이다. 실제의 표시는 컬러 화상이며, 도 6~도 8은, 그것을 흑백으로 변환한 것이다. 실제의 컬러 화상에 있어서의 색을 주석적으로 기재했다.

이 중, 도 6 및 도 7에는 그리드 편재화의 구성인 제1의 실시형태의 그리드 편광 소자에 있어서의 광의 전반상황이 나타나 있고, 도 6에는 s편광광(TE파)의 전반상황, 도 7에는 p편광광(TM파)의 전반상황이 나타나 있다. 도 6 및 도 7에 있어서, 입사면은 지면에 대해 평행이며, 그리드의 각 선형부의 길이 방향은 지면에 수직이다. 각 선형부(21)의 위치를 알 수 있도록, 화상에 중첩시켜 그려넣었다.

도 6은 s편광광이므로, 전계는 지면에 수직인 방향으로 분포를 갖고 있고, 따라서 지면을 따른 방향에서는 균일하다. 또, 도 7에서는, 편의상, 전계가 아니라 자계의 위상이 나타나 있다. 도 7은 p편광광(TM파)이므로, 자계는 지면에 수직인 방향으로 분포하고 있어, 지면에 따른 방향에서는 균일하다.

또한, 도 6 및 도 7에 있어서, 색의 차이는, 위상의 차이이며, 단적으로는 극성의 차이이다. 예를 들면 파랑이 플러스, 빨강이 마이너스이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, s편광광은 TE파이므로, 그리드에 입사하기 전에는 전계는 그리드에 수직인 방향(지면상의 횡방향)에서 위상은 균일하여, 흐트러져 있지 않다. 그리드에 입사하면, 굴절률의 분포가 불균일해지기 때문에, 그에 따른 위상에 흐트러짐이 발생한다. 즉, 도 6에 나타내는 바와 같이, 좁은 폭 t의 갭에서 인접하는 두 개의 선형부(21)의 부분(이하, 빽빽한 부분이라고 한다)을 전반하는 파(波)는, 넓은 폭 T의 갭에서 인접하는 두 개의 선형부(21)의 부분(이하, 성긴 부분이라고 한다)을 전반하는 물결에 대해 위상이 서서히 지연된다. 위상의 지연은, 굴절률이 높은 부분을 전반하기 위해서 위상 속도가 지연되는 것에 기인한다.

이와 같은 위상 지연 때문에, 빽빽한 부분을 전반하여 그리드로부터 출사하는 광(이하, 빽빽한 부분 전반광이라고 한다)과, 성긴 부분을 전반하여 출사하는 광(이하, 성긴 부분 전반광이라고 한다)은, 상당한 위상차가 발생한다. 그리드를 출사한 후에는, 공간에 있어서의 굴절률의 분포가 균일하게 되므로, 그 이상의 위상차는 발생하지 않지만, 그대로 위상차가 보존된 상태로 광이 전반한다. 이 때, 빽빽한 부분 전반광에만 주목하면, 도 6의 투명 기판 상에 동위상으로 광을 방사하는 복수의 광원이 배열되어 광을 방사하고 있는 것처럼 볼 수 있다. 각 광원으로부터 방사되는 광은 대략 구면파(球面波)형상이지만, 투명 기판으로부터 멀어짐에 따라서 각 광원으로부터의 광이 겹쳐져 평면파가 형성된다. 이것은, 호이헨스의 원리로 각 소원파가 겹쳐져 평면파로서 전반해 나가는 모델과 유사하다.

다음에, 성긴 부분 전반광에만 주목하면, 빽빽한 부분과 위상이 상이하지만, 도 6의 투명 기판 상에 동위상으로 광을 방사하는 복수의 광원이 배열되어 광을 방사하고 있는 것처럼 볼 수 있고, 투명 기판으로부터 멀어짐에 따라서, 각 광원으로부터의 광이 겹쳐져 평면파가 형성된다. 빽빽한 부분을 전반하여 형성된 평면파와, 성긴 부분을 전반하여 형성된 평면파는 위상차가 있으므로, 위상차가 π／2 이상인 경우에는, 2개의 광이 서로 상쇄하게 된다. 이와 같은 사상에 의하면, 그리드를 투과한 시점에서, s편광광이 완전하게 흡수되지 않았다고 해도, 그리드를 투과하여 누설된 광은, 상쇄에 의해 강도를 약화시킬 수 있기 때문에, 종래의 애스펙트비에서는 얻을 수 없었던 s편광광의 감쇠를 달성할 수 있다.

한편, p편광광(TM파)에 대해서는, 갭 폭방향으로 균일한 자계가 도 7에 나타내는 바와 같이 변형되지만, 전계에 대해서는 갭 폭방향으로 애당초 분포를 갖고 있으므로, 성긴 부분을 전반한 광과 빽빽한 부분을 전반한 광에서 균일하게 위상차가 발생하는 상황으로는 되지 않아, 따라서 서로 약화시키는 상황으로는 되지 않는다.

도 5에 나타내는 그리드 편재화 구조의 현저한 소광비의 향상은, 이러한 상황을 나타내고 있는 것이라고 생각된다. 즉, 갭 폭을 편재화시키면, 전계의 집중을 강화시켜 그리드 내에서의 흡수에 의한 s편광광의 감쇠의 효과가 보다 높아지지만, 그에 추가해, 빽빽한 부분 전반광과 성긴 부분 전반광 사이에서 π／2 이상의 위상차가 발생하도록 갭 폭을 편재화시키면, 위상차에 의한 상쇄의 효과도 더해지므로, 더욱 s편광광이 감쇠하게 되어, 소광비를 보다 높게 할 수 있다. 도 5에 나타내는 결과는, 이러한 상황을 나타내고 있는 것이라고 생각된다.

도 8은, 편재화시키지 않은 그리드 편광 소자(t=T)에 대해서, 동일한 시뮬레이션 실험을 행한 결과를 나타내는 도면이다. 조건은, t=T로 한 것 이외에는, 도 5 및 도 6에 나타내는 경우와 동일하게 했다. 따라서, 애스펙트비는 8.5이다. 도 6과의 비교를 위해서, 도 8에서는 s편광광의 전반상황이 나타나 있다.

도 8에 나타내는 바와 같이, t=T인 경우, 다소의 위상 지연이 발생해, x방향으로 균일했던 s편광광의 전계 성분이 그리드에 의해서 분단되도록 변형되지만, 그리드를 출사할 때에는 대부분 위상차가 발생하지 않았다. 이것은, 공간의 굴절률 분포의 불균일화가 적기 때문에 발생하는 위상차도 작고, 이 때문에, 그리드를 출사했을 때의 파면의 겹침에 있어서 위상차가 완화되어 해소되어 버리는 것에 의한 것이라고 생각된다. 즉, 빽빽한 부분 전반광의 위상 지연을 이용한 s편광광의 감쇠는, 그리드의 편재화를 어느 정도 크게 해, 공간의 굴절률 분포가 어느 정도 이상 불균일해진 경우에 발생하는 현상이라고 생각된다.

도 9는, 이러한 점을 확인한 시뮬레이션 실험의 결과에 대해서 나타낸 도면이다. 도 9에서는, 도 5~도 7에 나타내는 시뮬레이션에 있어서, 편재비와 위상차의 관계를 FDTD법(Finite-difference time-domain method)에 의해 구한 계산 결과가 나타나 있다. 계산에는, 동일하게 CYBERNET SYSTEMS 주식회사의 해석 소프트웨어 FULLWAVE(상품명)를 사용했다. 도 9에 있어서, 횡축은 좁은 쪽의 갭 폭 t이며, 종축은 위상차(좌측) 및 소광비(우측)이다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 갭 폭 t를 좁게 해나가면(즉, 편재비의 역수 T/t를 크게 해나가면), 갭 폭 t가 60nm를 밑도는 부근에서부터 갑자기 위상차가 커져, 갭 폭t=50nm~10nm의 범위에서 위상차는 π(역위상)가 된다. 이 때, 갭 폭t=50nm~10nm의 범위에서 소광비 향상의 효과가 얻어지게 되는데, 이 효과가 균일하지 않고, 36nm 부근에서 피크가 되었던 것에 대해서는, 이하와 같이 생각된다. 즉, 갭 폭 t가 50~40nm 정도에서는, 빽빽한 부분에서의 전계의 집중이 비교적 약하고, 위상차에 의해서 성긴 부분의 전계를 약화시키는 작용이 그만큼 크지 않다고 생각된다. 반대로, 갭 폭t=20~10nm 정도에서는, 빽빽한 부분에서의 전계의 집중은 커지지만, 성긴 부분의 범위가 넓어져 버리기 때문에, 성긴 부분의 전계를 약화시키는 효과가 상대적으로 작아져 버리는 것이라고 생각된다. 갭 폭t=40~30nm 정도로, 빽빽한 부분에서의 전계의 집중과 성긴 부분의 폭의 크기의 밸런스를 잡아, 알맞게 서로 잘 약화시키게 된다고 생각된다.

어느 경우에나, 빽빽한 부분과 성긴 부분에서 위상차가 π／2 이상이면, 이론적으로는 서로 약화시키는 것이 발생해 s편광광은 감쇠한다. 이 때문에, 소광비가 높아진다. 이 효과는, 파장이나 굴절률의 관계에서 그리드의 높이를 최적으로 정할 필요가 있지만, 애스펙트비를 높게 함으로써 얻는 것은 아니다. 실제로, 도 5에 나타내는 바와 같이, 애스펙트비 8.5의 그리드에서도, 1×10⁴를 훨씬 초과하는 높은 소광비가 얻어져 있고, 이 정도의 그리드비이면 그다지 어려움없이 제조가 가능하다.

다음에, 실시형태의 그리드 편광 소자의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 10은, 제1의 실시형태의 그리드 편광 소자의 제조 방법에 대해서 나타낸 개략도이다. 이 제조 방법에서는, 우선, 도 10(1)에 나타내는 바와 같이, 투명 기판(1) 상에 중간 박막(3)을 제작한다. 중간 박막(3)은, 그리드용 박막을 제작할 때의 베이스가 되는 박막이다. 중간 박막(3)은, 최종적으로는 제거되는 것이므로, 특히 재료에 대해서는 제한이 없다. 형상 안정성이 좋고, 에칭시에 신속하게 제거 가능하면 된다. 예를 들면, 포토레지스트 등의 유기 재료, 카본 등이 중간 박막(3)의 재질로서 선정된다.

다음에, 도 10(2)에 나타내는 바와 같이, 포토리소그래피를 행하여 중간 박막(3)을 패터닝한다. 즉, 포토레지스트의 전체면 도포와, 노광, 현상, 에칭을 행하여 중간 박막(3)을 패터닝한다. 패터닝은, 중간 박막(3)을, 지면 수직 방향으로 연장된 다수의 선형부(이하, 중간 선형부라고 한다)(31)로 이루어지는 줄무늬형상으로 하는 것이다. 이 때, 각 중간 선형부(31)의 폭 L₁이나 그 이격 간격 L₂는, 최종적으로 제작되는 그리드(2)의 각 선형부(21)의 간격 t, T를 결정하는 것이다.

다음에, 도 10(3)에 나타내는 바와 같이, 각 중간 선형부(31)에 의해 형성되는 홈의 측면에 그리드용 박막(4)을 제작한다. 그리드용 박막(4)은, 홈의 측면에만 제작하면 충분하지만, 통상은, 전체면을 덮도록 하여 전체에 그리드용 박막(4)이 제작된다. 그리드용 박막(4)은, 그리드(2)의 재료, 예를 들면 산화티탄으로 이루어지는 박막이며, 예를 들면 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 제작된다. 그리드용 박막(4)의 제작 후, 그리드용 박막(4)의 이방성 에칭을 행한다. 이방성 에칭은, 투명 기판(1)의 두께 방향의 에칭이다. 이 에칭에 의해, 도 10(4)에 나타내는 바와 같이 중간 선형부(31)의 양측벽에 그리드용 박막(4)이 잔류한 상태가 된다.

그 후, 중간 박막(3)의 재료만 에칭할 수 있는 에천트를 사용하여 에칭을 행하고, 각 중간 선형부(31)를 모두 제거한다. 이에 의해, 각 선형부(21)로 이루어지는 그리드(2)가 투명 기판(1) 상에 형성된 상태가 되어, 실시형태의 그리드 편광 소자가 얻어진다. 얻어진 그리드 편광 소자는, 소정의 편재비 t/T를 갖고, 이 값이 되도록 그리드 폭 W에 따라 각 중간 선형부(31)의 치수 L₁, L₂가 결정된다.

다음에, 이와 같은 그리드 편광 소자의 사용예에 대해서 설명한다. 도 11은, 실시형태의 그리드 편광 소자의 사용예를 나타낸 것이며, 그리드 편광 소자를 탑재한 광배향 장치의 단면 개략도이다.

도 11에 나타내는 장치는, 상술한 액정 디스플레이용 광배향막을 얻기 위한 광배향 장치이며, 대상물(워크)(10)에 편광광을 조사함으로써, 워크(10)의 분자 구조가 일정한 방향으로 정렬된 상태로 하는 것이다. 따라서, 워크(10)는 광배향막용 막(막재)이며, 예를 들면 폴리이미드제의 시트이다. 워크(10)가 시트상인 경우, 롤 투 롤의 반송 방식이 채용되어, 반송 도중에 편광광이 조사된다. 광배향용의 막재로 피복된 액정 기판이 워크가 되는 일도 있고, 이 경우에는, 액정 기판을 스테이지에 실어 반송하거나, 또는 컨베이어로 반송하거나 하는 구성이 채용된다.

도 11에 나타내는 장치는, 광원(5)과, 광원(5)의 배후를 덮은 미러(6)와, 광원(5)과 워크(10) 사이에 배치된 그리드 편광 소자(7)를 구비한다. 그리드 편광 소자(7)는, 상술한 실시형태의 것이다.

대부분의 경우, 광배향에는 자외선의 조사가 필요한 점으로부터, 광원(5)에는 고압 수은 램프와 같은 자외선 램프가 사용된다. 광원(5)은, 워크(10)의 반송 방향에 대해 수직인 방향(여기에서는 지면 수직 방향)으로 긴 것이 사용된다.

그리드 편광 소자(7)는, 상술한 바와 같이, 그리드(2)의 길이를 기준으로 하여 p편광광을 선택적으로 투과시키는 것이다. 따라서, 광배향을 행하는 방향으로 p편광광의 편광축이 향하도록, 워크(10)에 대해 그리드 편광 소자(7)가 자세 정밀하게 배치된다.

또한, 그리드 편광 소자는, 대형의 것을 제조하는 것이 어렵기 때문에, 큰 영역에 편광광을 조사할 필요가 있는 경우, 복수의 그리드 편광 소자를 동일 평면 상에 늘어놓은 구성이 채용된다. 이 경우, 복수의 그리드 편광 소자를 늘어놓은 면은, 워크(10)의 표면과 병행하게 되어, 각 그리드 편광 소자에 있어서의 그리드의 길이 방향이 워크에 대해 소정의 방향이 되도록 각 그리드 편광 소자가 배치된다.

이와 같은 그리드 편광 소자(7)를 탑재한 광배향 장치는, 소광비가 높은 그리드 편광 소자(7)를 사용하고 있으므로, 고품질의 광배향 처리를 행하는 것이 가능해져, 고품질의 광배향막을 얻을 수 있다. 이 때문에, 고화질의 디스플레이의 제조에 크게 공헌할 수 있다.

다음에, 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자에 대해서 설명한다. 도 12는, 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자의 정면 개략도이다.

제1의 실시형태에서는, 그리드(2)를 이루는 각 선형부(21)는, 투명 기판(1)에 대해 수직이었는데, 제2의 실시형태에서는 비스듬하게 형성되어 있다. 즉, 도 12에 나타내는 바와 같이, 이웃하는 한 쌍의 선형부(21)는, 정면에서 봤을 때 역ハ자를 형성하고 있다. 역ハ자를 형성하는 두 개의 선형부가 한 세트가 되어 다수 세트의 선형부(21, 21)가 형성되어 있다.

제2의 실시형태에 있어서, 그리드 편재화의 구조는, 각 선형부의 출사단(출사측의 단부)에 있어서 달성되고 있다. 즉, 각 세트를 구성하는 두 개의 선형부(21, 21)의 서로의 이격 거리는 출사단의 단부에 있어서 좁은 거리 t로 되어 있다. 그리고, 도 12에 나타내는 바와 같이, 인접하는 세트끼리의 출사단에 있어서의 거리가 넓은 거리 T로 되어 있다. 즉, 예를 들면 어느 세트에 있어서의 우측의 선형부와 그 우측의 세트의 두 개의 선형부 중 좌측의 선형부의 출사단에 있어서의 거리가 넓은 거리 T로 되어 있다. 좌측의 세트에 대해서도 마찬가지이며, 좌측의 세트의 두 개의 선형부 중 우측의 선형부의 출사단에 있어서의 거리가 넓은 거리 T로 되어 있다.

이와 같은 그리드 편재화의 구조에 있어서도, 발명자들이 행한 시뮬레이션에서는, 동일하게 효과가 있는 것이 확인되었다. 도 13은, 이 점을 나타내는 것으로, 도 12에 나타내는 실시형태의 구조에 대한 시뮬레이션 실험의 결과를 나타내는 도면이다. 도 13은, 마찬가지로 해석 소프트웨어 FULLWAVE를 사용하여 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다. 마찬가지로, 컬러 화상을 흑백으로 변환하고 있고, 이해를 위해서, 원래의 화상의 색의 구별이 기입되어 있다. 도 6과 마찬가지로, 도 13은 s편광광에 대한 전반 상황파를 나타내고 있다. 또한, 역ハ자를 이루는 두 개의 선형부(21, 21)가 빽빽한 부분이다. 또, 각 세트에 있어서 이웃하는 두 개의 선형부(21, 21)가 성긴 부분이다. 즉, 예를 들면 어느 세트의 우측의 선형부(21)와 그 우측의 세트의 좌측의 선형부(21)가 이루는 부분이 성긴 부분이다.

도 13에 나타내는 바와 같이, 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자에서도, s편광광에 대해서는, 그리드로부터 출사할 때, 빽빽한 부분과 성긴 부분에서 π／2를 초과하는 위상차가 발생했고, 서로 약화시킴으로써 전체적으로 감쇠해 나간다. 이 때문에, 그리드의 애스펙트비를 높게 하지 않고 높은 소광비를 얻을 수 있다.

도 5에 있어서, 아울러 이 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자에 대한 시뮬레이션 실험 결과(소광비 및 투과율)가 나타나 있다. 도면이 보기 어려우므로 t의 값에 대해서는 도시가 생략되어 있지만, 제2의 실시형태의 시뮬레이션 실험에서는, 동일하게 t=70nm에서부터 시작하여 t를 서서히 작게 했더니, 투과율은 서서히 감소하지만, 소광비는 t=30nm 부근에서부터 급격하게 상승해, t=24nm에서 최대의 소광비 8300이 얻어졌다. 소광비가 최대가 되는 t의 값이 제1의 실시형태에 비해서 작아지고 있는 것은, 역ハ자형의 형상과 관계가 있는 것이라고 추측된다. 즉, 빽빽한 부분이라고 해도 입사측에서 갭 폭이 넓어져 있으므로, 출사단이 보다 좁아지지 않으면, 전계의 집중이나 위상 지연의 효과가 나오기 어려운 것이라고 추측된다.

또한, 두 개의 선형부(21, 21)가 하나의 세트를 형성해, 그 서로의 이격 거리가 좁은 거리 t이며, 세트끼리의 이격 간격이 넓은 거리 T라는 점 자체는, 제1의 실시형태에서도 동일하다. 제2의 실시형태에서는, 각 선형부(21)가 투명 기판(1)에 대해 수직이 아니라 비스듬한 것이 상이하다.

또, 도시 및 자세한 설명은 생략하지만, 그리드(2)의 형상을 상하 반대로 해, 빽빽한 부분을 이루는 한 쌍의 선형부를 ハ자형으로 한 경우, 소광비 향상의 효과는 작다. 그 이유는, ハ자형의 경우, 그리드(2)의 출사단에 있어서 편재비가 작아져버려, 전계를 집중시키는 효과나 위상차를 발생시키는 효과가 완화되어 버리는 것에 의한 것이라고 생각된다.

다음에, 도 14에 나타내는 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자의 적합한 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 14는, 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자의 적합한 제조 방법에 대해서 나타낸 개략도이다.

제2의 실시형태의 그리드 편광 소자를 제조할 때에도, 도 14(1)에 나타내는 바와 같이, 투명 기판(1) 상에 중간 박막(3)을 제작한다. 중간 박막(3)은, 그리드용 박막을 제작할 때의 베이스가 되는 박막이다.

다음에, 포토리소그래피를 행하여 중간 박막(3)을 패터닝한다. 즉, 포토레지스트의 전체면 도포와, 노광, 현상, 에칭을 행하여, 도 14(2)에 나타내는 바와 같이 포토레지스트(30)를 줄무늬형상으로 패터닝한다. 그리고, 도 14(3)에 나타내는 바와 같이, 이 포토레지스트(30)의 패턴을 마스크로 하여 중간 박막(3)을 에칭하고, 줄무늬형상으로 한다(다수의 중간 선형부(31)로부터 이루어지는 것으로 한다).

이 때, 도 10에 나타내는 제조 방법과 달리, 완전한 이방성 에칭이 아니라, 약간 등방적인 에칭으로 한다. 약간 등방적인 에칭이란, 드라이 에칭에 있어서 기판에 수직 바이어스 전력을 작게 설정하거나, 또는 C_xH_yF_z 가스와 같은 첨가 가스를 도입함으로써 행할 수 있다. 이들 양쪽을 행해도 된다. 약간 등방적인 에칭으로 하면, 도 14(3)에 나타내는 바와 같이, 각 중간 선형부(31)는 단면 사다리꼴형상이 된다. 즉, 측면(311)이 테이퍼형의 형상(테이퍼면)이 된다. 이 때, 이웃하는 중간 선형부(31)의 바닥부의 이격 거리 L₁, 및 각 중간 선형부(31)의 바닥면의 폭 L₂는, 최종적으로 제작되는 그리드(2)의 각 선형부(21)의 간격 t, T를 결정하는 것이다.

다음에, 이와 같이 패터닝된 중간 박막(3)에 대해, 도 14(4)에 나타내는 바와 같이 그리드용 박막(4)을 제작한다. 그리드용 박막(4)은, 동일하게 ALD 등의 방법에 의해 제작되어, 각 중간 선형부(31)의 측면 및 상면을 덮은 상태가 된다. 그리고, 투명 기판(1)의 두께 방향의 이방성 에칭을 그리드용 박막(4)에 대해 행하고, 도 14(5)에 나타내는 바와 같이 중간 선형부(31)의 양측의 측면(테이퍼면)(311)에 그리드용 박막(4)이 잔류한 상태로 한다.

그 후, 중간 박막(3)의 재료만 에칭할 수 있는 에천트를 사용하여 에칭을 행하고, 각 중간 선형부(31)를 모두 제거한다. 이에 의해, 도 14(6)에 나타내는 바와 같이 각 세트에서 역ハ자형을 이루는 각 선형부(21)에서 형성된 그리드(2)의 구조가 얻어진다. 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, t=L₁-2w이며, T=L₂이다.

도 14에 나타내는 제조 방법은, 중간 박막(3)의 패터닝에 있어서 측면(311)이 테이퍼면이므로, 제조가 용이하다고 하는 우위성이 있다. 도 14(4)에 있어서 그리드용 박막(4)을 제작할 때, 중간 박막(3)이 사다리꼴이면, 그리드용 박막(4)은 표면에 퇴적되기 쉬워지기 때문이다. 도 10에 나타내는 제조 방법에서는, 중간 박막(3)으로 이루어지는 선형부(31)가 투명 기판(1)에 대해 수직이기 때문에, 도 10(3)에 있어서 그리드용 박막(4)을 표면에 균일하게 성막하는 것이 어렵다. ALD법으로 성막할 수 있는 재료인 경우에는 비교적 용이하게 그리드용 박막(4)을 표면에 균일하게 성막할 수 있지만, 스퍼터링법, 증착법으로밖에 형성할 수 없는 그리드 재료인 경우에는, 중간 박막(3)은 사다리꼴이 그리드용 박막(4)을 형성하기 쉽다. 즉, 도 12에 나타내는 제2의 실시형태의 그리드 편광 소자의 구조는, 제조가 용이하다고 하는 우위성을 갖는다.

이상의 설명에 있어서, 대상 파장은 254nm를 상정했는데, 그것보다도 짧은, 예를 들면 200nm 이하의 자외선이 대상 파장이 되는 경우도 있다. 또 반대로, 254nm보다도 긴 자외역 또는 가시역의 파장이 대상 파장이 되는 일도 있다.

또, 상기 각 실시형태에 있어서, 거리 t의 갭과 거리 T의 갭이 번갈아 존재하고 있었지만, 주기적으로 편재화되어 있으면 충분해, 반드시 번갈아 존재할 필요는 없다. 예를 들면, 제1의 실시형태의 구조에 있어서, 짧은 거리 t로 이웃하는 세 개의 선형부(두 개의 갭)가 한 세트가 되어, 각 세트가 넓은 갭 T로 이웃하고 있는 구조여도 된다.

1: 투명 기판 2: 그리드
21: 선형부 3: 중간 박막
4: 그리드용 박막 5: 광원
6: 미러 7: 그리드 편광 소자
10: 워크

Claims

투명 기판과, 투명 기판 상에 설치된 줄무늬형상의 그리드로 이루어지는 그리드 편광 소자로서,
그리드는, 유전체 또는 반도체로 형성되어 있고,
그리드를 구성하는 각 선형부에 있어서 일방측의 인접하는 선형부와의 거리를 t, 타방측의 인접하는 선형부와의 거리를 T로 했을 때, 그리드는, 실질적으로 t＜T인 부분을 주기적으로 갖고 있고,
그리드의 각 선형부의 길이 방향으로 전계 성분을 갖는 편광광을 s편광광으로 하고, 거리 t로 이웃하는 두 개의 선형부를 전반(傳搬)한 s편광광을 빽빽한 부분 전반광으로 하고, 거리 T로 이웃하는 두 개의 선형부를 전반한 s편광광을 성긴 부분 전반광으로 했을 때, t/T의 비는, 빽빽한 부분 전반광의 위상이 성긴 부분 전반광의 위상보다도 π／2 이상 지연되는 비로 되어 있는 것을 특징으로 하는 그리드 편광 소자.
청구항 1에 있어서,
상기 그리드는, 이웃하는 두 개의 선형부가 한 세트가 되어 상기 투명 기판 상에 설치되어 있고,
각 세트의 두 개의 선형부를 전반한 s편광광이 상기 빽빽한 부분 전반광이며, 각 세트의 두 개의 선형부의 이격 거리는 상기 거리 t로 되어 있고,
인접하는 세트끼리 마주보는 두 개의 선형부를 전반한 s편광광이 상기 성긴 부분 전반광이며, 인접하는 세트끼리의 이격 거리는 상기 거리 T로 되어 있고,
상기 거리 t는, 상기 빽빽한 부분 전반광의 출사단에서의 이격 거리이며,
상기 거리 T는, 상기 성긴 부분 전반광의 출사단에서의 이격 거리인 것을 특징으로 하는 그리드 편광 소자.
청구항 2에 있어서,
상기 각 세트의 두 개의 선형부의 이격 거리는, 상기 빽빽한 부분 전반광의 전반방향 앞쪽을 향해 서서히 좁아져 있는 것을 특징으로 하는 그리드 편광 소자.
광원과, 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 그리드 편광 소자를 구비하고 있고, 그리드 편광 소자는, 광배향용 막재가 배치되는 조사 영역과 광원 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광배향 장치.