KR102364526B1 - 편광판, 및 편광판의 제조 방법 - Google Patents
편광판, 및 편광판의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
(과제)
우수한 광학 특성을 갖는 편광판 및 편광판의 제조 방법을 제공한다.
(해결수단)
사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 (11) 과, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층 (12) 과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층 (14) 을 구비하고, 투광 기판 (11) 측으로부터 흡수층 (12) 과 반사층 (14) 이 이 순서로 적층되어 이루어지거나, 또는 투광 기판 (11) 측으로부터 반사층 (14) 과 흡수층 (12) 이 이 순서로 적층되어 이루어진다.
우수한 광학 특성을 갖는 편광판 및 편광판의 제조 방법을 제공한다.
(해결수단)
사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 (11) 과, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층 (12) 과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층 (14) 을 구비하고, 투광 기판 (11) 측으로부터 흡수층 (12) 과 반사층 (14) 이 이 순서로 적층되어 이루어지거나, 또는 투광 기판 (11) 측으로부터 반사층 (14) 과 흡수층 (12) 이 이 순서로 적층되어 이루어진다.
Description
본 발명은, 직교하는 편광 성분 (이른바 P 편광파, S 편광파) 의 일방을 흡수하고, 타방을 투과시키는 편광판, 및 편광판의 제조 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치는, 그 화상 형성 원리로부터 액정 패널 표면에 편광판을 배치하는 것이 필요 불가결하다. 편광판의 기능은, 직교하는 편광 성분 (이른바 P 편광파, S 편광파) 의 일방을 흡수하고, 타방을 투과시키는 것이다.
종래, 이러한 편광판으로서, 필름 내에 요오드계나 염료계의 고분자 유기물을 함유시킨 2 색성의 편광판이 많이 사용되고 있다. 이들의 일반적인 제법으로서, 폴리비닐알코올계 필름과 요오드 등의 2 색성 재료로 염색을 실시한 후, 가교제를 사용하여 가교를 실시하고, 1 축 연신하는 방법이 사용된다. 이와 같이 2 색성의 편광판은, 연신에 의해 제조되기 때문에, 일반적으로 수축하기 쉽다. 또한, 폴리비닐알코올계 필름은, 친수성 폴리머를 사용하고 있으므로, 특히 가습 조건하에서는 매우 변형되기 쉽다. 또한, 근본적으로 필름을 사용하기 때문에, 디바이스로서의 기계적 강도가 약하고, 투명 보호 필름을 접착할 필요가 있는 경우가 있다.
최근, 액정 표시 장치는, 그 용도가 확대되고, 고기능화되고 있다. 그것에 따라, 액정 표시 장치를 구성하는 개개의 디바이스에 대하여, 높은 신뢰성, 내구성이 요구된다. 예를 들어, 투과형 액정 프로젝터와 같은 광량이 큰 광원을 사용하는 액정 표시 장치의 경우에는, 편광판은 강한 복사선을 받는다. 따라서, 이들에 사용되는 편광판에는, 우수한 내열성이 필요하게 된다. 그러나, 상기와 같은 필름 베이스의 편광판은, 유기물인 점에서, 이들 특성을 향상시키는 것에는 자연히 한계가 있다.
미국에서는, 코닝사에서 Polarcor 라는 상품명으로 내열성이 높은 무기 편광판이 판매되고 있다. 이 편광판은, 은 미립자를 유리 내에 확산시킨 구조를 하고 있고 필름 등의 유기물을 사용하지 않고 있다. 원리는, 도상 (島狀) 미립자의 플라즈마 공명을 이용하는 것이다. 즉, 귀금속이나 천이 금속의 도상 입자에 광이 입사했을 때의 표면 플라즈마 공명에 의한 광흡수를 이용하는 것이고, 흡수 파장은, 입자 형상, 주위의 유전율의 영향을 받는다. 여기서 도상 미립자의 형상을 타원형으로 하면 장축 방향과 단축 방향의 공명 파장이 상이하고, 이것에 의해 편광 특성이 얻어지고, 구체적으로는 장파장측에서의 장축에 평행한 편광 성분을 흡수하고, 단축과 평행한 편광 성분을 투과시킨다는 편광 특성이 얻어진다. 그러나, Polarcor 의 경우, 편광 특성이 얻어지는 파장역은 적외부에 가까운 영역이고, 액정 표시 장치에서 요구되는 가시광역을 커버하고 있지 않다. 이것은 도상 미립자에 사용되고 있는 은의 물리적 성질에 의한 것이다.
특허문헌 1 에는, 상기의 원리를 응용하여 열환원에 의해 유리 중에 미립자를 석출시키는 것에 의한 UV 편광판이 개시되어 있고, 금속 미립자로서 은을 사용하는 것이 제시되어 있다. 이 경우, 상기 Polarcor 와는 반대로 단축 방향에서의 흡수를 사용하는 것으로 생각된다. Figure 1 에 나타내고 있는 바와 같이 400 ㎚ 부근에서도 편광판으로서 기능은 하고 있지만 소광비 (消光比) 가 작고 또한 흡수할 수 있는 대역이 매우 좁기 때문에, 가령 Polarcor 와 특허문헌 1 의 기술을 조합했다고 해도 가시광 전역을 커버할 수 있는 편광판은 되지 않는다.
또한, 비특허문헌 1 에는, 금속 도상 미립자의 플라즈마 공명을 사용한 무기 편광판의 이론 해석이 기술되어 있다. 이 문헌에 의하면 알루미늄 미립자는 은 미립자보다 공명 파장이 200 ㎚ 정도 짧고, 이 때문에 알루미늄 미립자를 사용함으로써 가시광역을 커버하는 편광판을 제조할 수 있는 가능성이 있음이 기술되어 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 알루미늄 미립자를 사용한 편광판의 몇 개의 작성 방법이 개시되어 있다. 그 중에서, 규산염을 베이스로 한 유리에서는, 알루미늄과 유리가 반응하기 때문에 기판으로서는 바람직하지 않고, 칼슘·알루미노붕산염 유리가 적합하다고 기술되어 있다 (단락 0018, 0019). 그러나, 규산염을 사용한 유리는, 광학 유리로서 널리 유통되고 있고, 신뢰성이 높은 제품을 저가로 입수할 수 있고, 이것이 적합하지 않다는 것은 경제적으로 바람직하지 않다. 또한, 레지스트 패턴을 에칭함으로써 도상 입자를 형성하는 방법이 기술되어 있다 (단락 0037, 0038). 통상, 프로젝터에서 사용하는 편광판은, 수 ㎝ 정도의 크기가 필요하고 또한 높은 소광비가 요구된다. 따라서, 가시광용 편광판을 목적으로 한 경우, 레지스트 패턴 사이즈는 가시광 파장보다 충분히 짧은, 즉, 수십 나노미터의 크기가 필요하고, 또한 높은 소광비를 얻기 위해서는, 패턴을 고밀도로 형성할 필요가 있다. 또한, 프로젝터용으로서 사용하는 경우에는, 대면적 패턴의 형성이 필요하다. 그러나, 기술되어 있는 리소그래피에 의해 고밀도 미세 패턴 형성을 응용하는 방법에서는, 그와 같은 패턴을 얻기 위해 전자빔 묘화 등을 사용할 필요가 있다. 전자빔 묘화는, 개개의 패턴을 전자빔으로 그리는 방법이며 생산성이 나쁘고 실용적이지 않다.
또한, 특허문헌 2 에는, 알루미늄을 염소 플라즈마에 의해 제거한다고 기술되어 있지만, 통상 그와 같이 에칭한 경우에는, 알루미늄 패턴의 측벽에 염화물이 부착된다. 시판되는 웨트 에칭액 (예를 들어 도쿄 응화 공업의 SST-A2) 에 의해 염화물의 제거가 가능하지만, 알루미늄 염화물에 반응하는 약액은 알루미늄에도 에칭 속도는 느리면서도 반응은 하기 때문에, 기술되어 있는 방법으로 원하는 패턴 형상을 실현하는 것은 어렵다.
또한, 특허문헌 2 에는, 다른 방법으로서, 패턴화된 포토레지스트 상에 경사 성막에 의해 알루미늄을 퇴적하고, 포토레지스트를 제거하는 방법이 기술되어 있다 (단락 0045, 0047). 그러나, 이러한 방법에서는, 기판과 알루미늄의 밀착성을 얻기 위해, 어느 정도 기판면에도 알루미늄을 퇴적할 필요가 있는 것으로 생각된다. 그러나, 이것은 퇴적한 알루미늄막의 형상이 단락 0015 에 기술되어 있는 적당한 형상인 장형의 타원체를 포함하는 장형의 구체 (球體) 와는 상이한 것을 의미한다. 또한, 단락 0047 에는 표면에 수직인 이방성 에칭에 의해 과침적분을 제거한다고 기술되어 있다. 편광판으로서 기능시키기 위해서는, 알루미늄의 형상 이방성은 매우 중요하다. 따라서 레지스트부와 기판면에 퇴적하는 알루미늄의 양을 에칭에 의해 원하는 형상이 얻어지도록 조정할 필요가 있다고 생각되지만, 단락 0047 에 기술되어 있는 0.05 ㎛ 라는 서브 미크론 이하의 사이즈에서 이들을 제어하는 것은 매우 곤란하다고 생각되고, 생산성이 높은 제조 방법으로서 적합한지 의문이다. 또한, 편광판의 특성으로서 투과축 방향에 대해서는 높은 투과율이 요구되지만, 통상, 기판에 유리를 사용한 경우, 유리 계면으로부터 수 ％ 의 반사는 피할 수 없어, 높은 투과율을 얻는 것이 어렵다.
또, 특허문헌 3 에는, 경사 증착에 의한 편광판에 대해 기술되어 있다. 이 방법은, 사용 대역의 파장에 대하여 투명 및 불투명한 물질을 경사 증착에 의해 미소 주상 구조를 제조함으로써 편광 특성을 얻는 것이고, 특허문헌 1 과 달리, 간편한 방법으로 미세 패턴을 얻을 수 있기 때문에 생산성이 높은 방법이라고 생각된다. 그러나, 사용 대역에 대하여 불투명한 물질의 미소 주상 구조의 애스펙트비, 개개의 미소 주상 구조의 간격, 직선성은, 양호한 편광 특성을 얻기 위해 중요한 요소이고, 특성의 재현성의 관점에서도 의도적으로 제어되어야 하는 것인데, 이 방법에서는 증착 입자의 초기 퇴적층의 그림자가 되는 부분에 다음으로 비래 (飛來) 하는 증착 입자가 퇴적하지 않는 것에 의해 주상 구조가 얻어진다는 현상을 이용하고 있기 때문에, 상기 항목을 의도적으로 제어하는 것이 어렵다. 이것을 개선하는 방법으로서, 증착 전에 러빙 처리에 의해 기판에 연마 흔적을 형성하는 방법이 기술되어 있지만, 일반적으로는 증착막의 입자경은 최대로도 수십 ㎚ 정도의 크기이고, 이러한 입자의 이방성을 제어하기 위해서는 서브 미크론 이하의 피치를 연마에 의해 의도적으로 제조할 필요가 있다. 그러나, 일반의 연마 시트 등에서는, 서브 미크론 정도가 한계이고, 그와 같은 미세한 연마 흔적을 제조하는 것은 용이하지 않다. 또한, 상기와 같이 Al 미립자의 공명 파장은 주위의 굴절률에 크게 의존하고, 이 경우, 투명 및 불투명한 물질의 조합이 중요한데, 특허문헌 3 에는, 가시광역에서 양호한 편광 특성을 얻기 위한 조합에 대해 기술되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 1 과 동일하게, 기판으로서 유리를 사용한 경우, 유리 계면에서 수 ％ 의 반사는 피할 수 없다.
또한, 비특허문헌 2 에는, Lamipol 이라고 칭하는 적외 통신용의 편광판에 대해 기술되어 있다. 이것은, Al 과 SiO2 의 적층 구조를 하고 있고, 이 문헌에 의하면 매우 높은 소광비를 나타낸다. 또, 비특허문헌 3 에는, Lamipol 의 광흡수를 담당하는 Al 대신에 Ge 를 사용함으로써, 파장 1 ㎛ 이하에서 높은 소광비를 실현할 수 있는 것이 기술되어 있다. 또한, 동 자료 중의 Fig 3 으로부터 Te (텔루륨) 도 높은 소광비가 얻어지는 것을 기대할 수 있다. 이와 같이 Lamipol 은, 높은 소광비가 얻어지는 흡수형 편광판이지만, 흡광 물질과 투과성 물질의 적층 두께가 수광면의 크기가 되기 때문에 가로 세로 수 ㎝ 의 크기가 필요한 프로젝터 용도의 편광판에는 적합하지 않다.
또한, 특허문헌 4 에는, 와이어 그리드 구조와 흡수막을 조합한 편광판이 기재되어 있다. 흡수막에 금속이나 반도체막을 사용하는 경우, 재료의 광학 특성에 강하게 영향을 받기 때문에, 재료와 와이어 그리드와 흡수막 사이의 유전체막 두께를 조정함으로써, 특정역의 반사율을 경감시키는 것이 가능하지만, 광파장역에서 이것을 실현하는 것은 곤란하다.
또, 흡수성이 높은 Ta 나 Ge 등을 사용함으로써, 대역을 넓히는 것이 가능하지만, 투과축 방향의 흡수가 동시에 커지고, 편광판에서 중요한 특성인 투과축 방향의 투과율이 저하된다.
상기 문제에 대한 개선책으로서, 흡수막에 대한 미립자의 적용이 있다. 그러나, 지금까지 제안되어 있는 경사 성막을 사용하여 직접 흡수막을 퇴적하는 방법에서는, 퇴적시키는 흡수막의 쉐도잉에 의한 자기 조직화에 의지하고 있기 때문에, 재료 자체의 물성이나 기판의 조도 등에 강하게 영향을 받고, 흡수 특성의 제어가 곤란하였다.
J. Opt. Soc. Am. A Vol.8, No.4 619-624
Applied Optics Vol.25 No.21986 311-314
J. Lightwave Tec. Vol.15 No.6 1997 1042-1050
본 발명은, 이러한 실정을 감안하여 제안된 것으로, 우수한 광학 특성을 갖는 편광판 및 편광판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본건 발명자는, 예의 검토한 결과, 광흡수층으로서 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 사용함으로써, 반사율을 저하시키고, 우수한 광학 특성이 얻어지는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명에 관련된 편광판은, 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판과, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층을 구비하고, 상기 투광 기판측으로부터 상기 흡수층과 상기 반사층이 이 순서로 적층되어 이루어지거나, 또는 상기 투광 기판측으로부터 상기 반사층과 상기 흡수층이 이 순서로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 편광판의 제조 방법은, 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 상에, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖는 흡수층과, 반사층을, 이 순서 또는 반대의 순서로 적층하고, 에칭에 의해, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 그리드 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 광흡수층으로서, 광흡수에 상당하는 소쇠 계수가 높은 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 사용함으로써, 반도체층보다도 광흡수성을 향상시키는 것이 가능해짐과 함께, 금속층보다도 반사율을 저하시키는 것이 가능해져, 우수한 광학 특성을 얻을 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 제 1 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 제 2 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 3 은, 종래의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4의 (A) 는, 비교예의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 4의 (B) 는, 비교예의 편광판의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 5 는, 실시예 1 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 6의 (A) 는, 실시예 1 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 6의 (B) 는, 실시예 1 의 편광판의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 제 1 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 8 은, 제 2 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 9 는, 제 1 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10 은, 제 1 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11 은, 제 2 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12 는, 제 2 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13의 (A) 는, 에칭 시간에 대한 에칭 깊이를 나타내는 그래프이고, 도 13의 (B) 는, 에칭 레이트의 계산 결과를 나타내는 표이다.
도 14 는, 실시예 4 의 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 15 는, 유전체층의 막두께를 5 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16 은, 유전체층의 막두께를 20 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17 은, 유전체층의 막두께를 35 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18 은, 유전체층의 막두께를 50 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19 는, 실시예 5 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 20 은, 흡수층으로서 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 21 은, 흡수층으로서 Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 22 는, 흡수층으로서 Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 23 은, 흡수층으로서 Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 24 는, 흡수층으로서 각각, Si, Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si, 및 Ta 를 사용했을 때의 흡수축 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 25 는, Ta 의 원자 백분율에 대한 흡수축 반사율의 측정 파장 범위에 있어서의 최대값과 최소값의 차를 나타내는 그래프이다.
도 26 은, 흡수층으로서 각각, Si, Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si, 및 Ta 를 사용했을 때의 투과축 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 27 은, Ta 의 원자 백분율에 대한 투과축 투과율의 측정 파장 범위에 있어서의 평균값을 나타내는 그래프이다.
도 28 은, 실시예 6 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 29 는, 실시예 6 의 편광판에 있어서 유전체층의 막두께를 각각, 2.5 ㎚, 5.0 ㎚, 7.5 ㎚, 및 10.0 ㎚ 로 했을 때의 흡수축 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 30 은, 실시예 7 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 31 은, 실시예 7 의 편광 소자의 단면의 SEM 화상이다.
도 32의 (A) 는, 실시예 7 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 32의 (B) 는, 적색 (Red), 녹색 (Green), 청색 (Blue) 의 각 파장 대역에 있어서의 투과축 투과율 (Tp), 흡수축 투과율 (Ts), 콘트라스트 (CR) (Tp/Ts), 투과축 반사율 (Rp), 및 흡수축 반사율 (Rs) 의 평균값을 나타내는 표이다.
도 33 은, 실시예 8 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 34 는, 실시예 8 의 편광 소자의 단면의 SEM 화상이다.
도 35의 (A) 는, 실시예 8 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 35의 (B) 는, 적색 (Red), 녹색 (Green), 청색 (Blue) 의 각 파장 대역에 있어서의 투과축 투과율 (Tp), 흡수축 투과율 (Ts), 콘트라스트 (CR) (Tp/Ts), 투과축 반사율 (Rp), 및 흡수축 반사율 (Rs) 의 평균값을 나타내는 표이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 제 2 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 3 은, 종래의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4의 (A) 는, 비교예의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 4의 (B) 는, 비교예의 편광판의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 5 는, 실시예 1 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 6의 (A) 는, 실시예 1 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 6의 (B) 는, 실시예 1 의 편광판의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 제 1 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 8 은, 제 2 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 9 는, 제 1 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10 은, 제 1 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11 은, 제 2 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12 는, 제 2 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13의 (A) 는, 에칭 시간에 대한 에칭 깊이를 나타내는 그래프이고, 도 13의 (B) 는, 에칭 레이트의 계산 결과를 나타내는 표이다.
도 14 는, 실시예 4 의 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 15 는, 유전체층의 막두께를 5 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16 은, 유전체층의 막두께를 20 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17 은, 유전체층의 막두께를 35 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18 은, 유전체층의 막두께를 50 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19 는, 실시예 5 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 20 은, 흡수층으로서 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 21 은, 흡수층으로서 Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 22 는, 흡수층으로서 Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 23 은, 흡수층으로서 Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
도 24 는, 흡수층으로서 각각, Si, Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si, 및 Ta 를 사용했을 때의 흡수축 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 25 는, Ta 의 원자 백분율에 대한 흡수축 반사율의 측정 파장 범위에 있어서의 최대값과 최소값의 차를 나타내는 그래프이다.
도 26 은, 흡수층으로서 각각, Si, Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si, 및 Ta 를 사용했을 때의 투과축 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 27 은, Ta 의 원자 백분율에 대한 투과축 투과율의 측정 파장 범위에 있어서의 평균값을 나타내는 그래프이다.
도 28 은, 실시예 6 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 29 는, 실시예 6 의 편광판에 있어서 유전체층의 막두께를 각각, 2.5 ㎚, 5.0 ㎚, 7.5 ㎚, 및 10.0 ㎚ 로 했을 때의 흡수축 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 30 은, 실시예 7 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 31 은, 실시예 7 의 편광 소자의 단면의 SEM 화상이다.
도 32의 (A) 는, 실시예 7 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 32의 (B) 는, 적색 (Red), 녹색 (Green), 청색 (Blue) 의 각 파장 대역에 있어서의 투과축 투과율 (Tp), 흡수축 투과율 (Ts), 콘트라스트 (CR) (Tp/Ts), 투과축 반사율 (Rp), 및 흡수축 반사율 (Rs) 의 평균값을 나타내는 표이다.
도 33 은, 실시예 8 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다.
도 34 는, 실시예 8 의 편광 소자의 단면의 SEM 화상이다.
도 35의 (A) 는, 실시예 8 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 35의 (B) 는, 적색 (Red), 녹색 (Green), 청색 (Blue) 의 각 파장 대역에 있어서의 투과축 투과율 (Tp), 흡수축 투과율 (Ts), 콘트라스트 (CR) (Tp/Ts), 투과축 반사율 (Rp), 및 흡수축 반사율 (Rs) 의 평균값을 나타내는 표이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 하기 순서로 상세하게 설명한다.
1. 편광판의 구성
2. 편광판의 제조 방법
3. 실시예
<1. 편광판의 구성>
본 실시형태에 관련된 편광판은, 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판과, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층을 구비하고, 투광 기판측으로부터 흡수층과 반사층이 이 순서로 적층되어 이루어지거나, 또는 투광 기판측으로부터 반사층과 흡수층이 이 순서로 적층되어 이루어진다. 즉, 본 실시형태에 관련된 편광판은, 입사광에 대하여 흡수층과 반사층이 이 순서로 형성되어 이루어지는 것이다. 또, 흡수층과 반사층 사이에, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 유전체층을 구비해도 된다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 제 1 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 편광판은, 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 (11) 과, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층 (12) 과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 유전체층 (13) 과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층 (14) 을 구비하고, 투광 기판 (11) 측으로부터 흡수층 (12) 과 유전체층 (13) 과 반사층 (14) 이 이 순서로 적층되어 있다. 즉, 제 1 편광판 (1) 은, 투광 기판 (11) 측으로부터 흡수층 (12) 과 유전체층 (13) 과 반사층 (14) 이 이 순서로 적층된 볼록부가, 투광 기판 (11) 상에 일정 간격으로 늘어선 1 차원 격자상의 와이어 그리드 구조를 갖는다.
또한, 도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 제 2 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 2 편광판은, 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 (11) 과, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층 (12) 과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 유전체층 (13) 과, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층 (14) 을 구비하고, 투광 기판 (11) 측으로부터 반사층 (14) 과 유전체층 (13) 과 흡수층 (12) 이 이 순서로 적층되어 있다. 즉, 제 2 편광판 (1) 은, 투광 기판 (11) 측으로부터 반사층 (14) 과 유전체층 (13) 과 흡수층 (12) 이 이 순서로 적층된 볼록부가, 투광 기판 (11) 상에 일정 간격으로 늘어선 1 차원 격자상의 와이어 그리드 구조를 갖는다.
이러한 제 1 또는 제 2 편광판에 있어서, 1 차원 격자상의 와이어 그리드 구조의 볼록부의 흡수층 (12) 또는 유전체층 (13) 의 적어도 일부의 폭이, 반사층 (14) 의 폭보다도 좁은 것이 바람직하고, 특히, 흡수층 (12) 의 폭이, 반사층 (14) 의 폭보다도 좁은 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 편광판의 투과율을 증가시키고, 반사율을 저하시킬 수 있다.
투광 기판 (11) 은, 사용 대역의 광에 대하여 투명하고, 굴절률이 1.1 ∼ 2.2 인 재료, 예를 들어 유리, 사파이어, 수정 등으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 투광 기판 (11) 의 구성 재료로서, 열전도성이 높은 수정이나 사파이어 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 강한 광에 대해 높은 내광성을 갖는 것이 되고, 발열량이 많은 프로젝터의 광학 엔진용의 편광판으로서 유용해진다.
또, 투광 기판 (11) 이 수정과 같은 광학 활성의 결정으로 이루어지는 경우, 결정의 광학축에 대해 평행 방향 또는 수직 방향으로 격자상 볼록부를 배치함으로써, 우수한 광학 특성을 얻을 수 있다. 여기서, 광학축이란, 그 방향으로 진행하는 광의 O (상광선 (常光線)) 와 E (이상광선) 의 굴절률의 차가 최소가 되는 방향축이다.
또, 편광판의 용도에 따라서는, 유리, 특히, 석영 (굴절률 1.46) 이나 소다 석회 유리 (굴절률 1.51) 를 사용해도 된다. 유리 재료의 성분 조성은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 광학 유리로서 널리 유통되고 있는 규산염 유리 등의 저가의 유리 재료를 사용할 수 있고, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
흡수층 (12) 은, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖는 1 층 이상으로 구성된다. 금속 함유 반도체층은, 광흡수에 상당하는 소쇠 계수가 높은 금속을 함유하기 때문에, 반도체층보다도 광흡수성을 향상시킬 수 있음과 함께, 금속층보다도 반사율을 저하시킬 수 있다.
금속 함유 반도체층의 반도체로는, Si, Ge, Te, ZnO 등 중 어느 1 종을 사용할 수 있다. 반도체의 광흡수 작용에 반도체의 밴드 갭 에너지가 관여하기 때문에, 밴드 갭 에너지가 사용 대역 이하인 것이 필요하다. 예를 들어, 가시광에서 사용하는 경우, 파장 400 ㎚ 이상에서의 흡수, 즉 밴드 갭으로는 3.1 eV 이하의 반도체를 사용할 필요가 있다. 또, 금속 함유 반도체층의 금속으로는, Ta, Al, Ag, Cu, Au, Mo, Cr, Ti, W, Ni, Fe, Sn, Nb 등 중 1 종 이상의 순금속 또는 합금을 사용할 수 있다.
또, 금속 함유 반도체층의 금속 함유량은, 50 atm％ 이하인 것이 바람직하다. 금속 함유 반도체층의 금속 함유량이 지나치게 많으면, 투과율이 감소한다. 또, 금속 함유 반도체층의 반도체는, 용이하게 성막 가능한 Si 인 것이 바람직하다. 금속 함유 반도체층의 보다 바람직한 조합으로는, Fe 를 함유하는 Si, Ta 를 함유하는 Si 등을 들 수 있다.
또, 흡수층 (12) 은, 금속 함유 반도체층 외에, 금속층을 추가로 갖고, 금속층의 폭을 반사층 (14) 의 폭보다도 좁게 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 편광판의 반사율을 저하시킬 수 있다. 흡수층 (12) 의 폭은, 에칭에 의해 제어 가능하고, 그 사이드 에칭량은, 에칭 가스 압력, 및 기판을 냉각시키는 He 가스의 압력에 의해 제어할 수 있다.
또한, 흡수층 (12) 은, 금속 함유 반도체층 외에, 금속층 또는 반도체층을 추가로 갖는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 반사를 억제하고, 투과율을 향상시킬 수 있고, 콘트라스트 (소광비 : 투과축 투과율/흡수축 투과율) 를 증대시킬 수 있다.
금속 함유 반도체층으로서 Fe 를 함유하는 Si 를 사용한 경우, Fe 함유량은, 50 atm％ 이하인 것이 바람직하다. Fe 함유량이 50 atm％ 보다 많은 경우, 가스종을 연구해도 에칭이 곤란해진다. 또한, 널리 반도체 에칭 프로세스에서 사용되고 있는 CF4 로 에칭 가능하게 하기 위해, 10 atm％ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 금속 함유 반도체층으로서 Fe 를 함유하는 Si 를 사용한 경우, 반사율의 저감 효과를 높이기 위해, 흡수층 (12) 으로서 추가로 Ta 층을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, Ta 층을 형성한 경우, 흡수층 (12) 은, 광입사 방향에 대하여, Ta 층, 금속 함유 반도체층의 순서로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 금속 함유 반도체층의 막두께는, Ta 층보다도 두꺼운 것이 바람직하다. 이것에 의해 낮은 반사율을 얻을 수 있음과 함께 높은 투과율을 얻을 수 있다. 또한, 흡수 효과나 간섭 효과를 높여 콘트라스트 (소광비 : 투과축 투과율/흡수축 투과율) 를 증대시킬 수 있다.
또, 금속 함유 반도체층으로서 Ta 를 함유하는 Si 를 사용한 경우, Ta 함유량은, 40 atm％ 이하인 것이 바람직하다. Ta 함유량이 40 atm％ 이하의 범위에서는, 반사율은 유리 계면 레벨과 동등한 4 ％ 이하이고, 또한 투과율도 높은 값이기 때문에, 실용상, 반사율의 저감과 높은 투과율을 유지할 수 있다.
또한, 금속 함유 반도체층으로서 Ta 를 함유하는 Si 를 사용한 경우, 반사율의 저감 효과를 높이기 위해, 흡수층 (12) 으로서 추가로 Ta 층을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, Ta 층을 형성한 경우, 흡수층 (12) 은, 광입사 방향에 대하여, Ta 층, 금속 함유 반도체층의 순서로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 금속 함유 반도체층의 막두께는, Ta 층보다도 두꺼운 것이 바람직하다. 이것에 의해 낮은 반사율을 얻을 수 있음과 함께 높은 투과율을 얻을 수 있다. 또한, 흡수 효과나 간섭 효과를 높여 콘트라스트 (소광비 : 투과축 투과율/흡수축 투과율) 를 증대시킬 수 있다.
흡수층 (12) 은, 증착법이나 스퍼터법에 의해, 막이 높은 밀도로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 막의 밀도가 높은 것에 의해, 열전도성이 향상되고, 방열성을 향상시킬 수 있다.
유전체층 (13) 은, 투광 기판 (11) 측에서 입사한 광에 대하여, 흡수층 (12) 을 투과하고, 반사층 (14) 에서 반사한 당해 편광의 위상이 반파장 어긋나는 막두께로 형성되어 있다. 구체적인 막두께는, 편광의 위상을 조정하고, 간섭 효과를 높이는 것이 가능한 1 ∼ 500 ㎚ 의 범위로 적절히 설정된다. 본 실시형태에서는, 흡수층 (12) 이 반사한 광을 흡수하기 때문에, 막두께가 최적화되어 있지 않아도 콘트라스트의 향상을 실현할 수 있고, 실용상은, 원하는 편광 특성과 실제의 제조 공정의 균형으로 결정하면 된다.
유전체층 (13) 을 구성하는 재료는, SiO2, Al2O3, MgF2 등의 일반적인 재료를 사용할 수 있다. 또한, 유전체층 (13) 의 굴절률은, 1.0 보다 크고 2.5 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 흡수층 (12) 의 광학 특성은, 주위의 굴절률에 의해서도 영향을 받기 때문에, 유전체층 (13) 의 재료에 의해 편광판 특성을 제어해도 된다.
반사층 (14) 은, 유전체층 (13) 상에 흡수축인 Y 방향으로 띠상으로 연장된 금속 박막이 배열되어 이루어지는 것이다. 즉, 반사층 (14) 은, 와이어 그리드형 편광자로서의 기능을 갖고, 투광 기판 (11) 측에서 입사한 광 중, 와이어 그리드의 길이 방향에 평행한 방향 (Y 축 방향) 으로 전계 성분을 갖는 편광파 (TE 파 (S 파)) 를 감쇠시키고, 와이어 그리드의 길이 방향과 직교하는 방향 (X 축 방향) 으로 전계 성분을 갖는 편광파 (TM 파 (P 파)) 를 투과시킨다.
반사층 (14) 의 구성 재료에는, 사용 대역의 광에 대하여 반사성을 갖는 재료이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 Al, Ag, Cu, Mo, Cr, Ti, Ni, W, Fe, Si, Ge, Te 등의 금속 단체 또는 이들을 포함하는 합금 또는 반도체 재료를 사용할 수 있다. 또, 금속 재료 이외에도, 예를 들어 착색 등에 의해 표면의 반사율이 높게 형성된 금속 이외의 무기막이나 수지막으로 구성되어 있어도 된다.
또, 반사층 (14) 의 피치, 라인폭/피치, 박막 높이 (두께, 격자 깊이), 박막 길이 (격자 길이) 는, 각각 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
0.05 ㎛ < 피치 < 0.8 ㎛
0.1 < (라인폭/피치) < 0.9
0.01 ㎛ < 박막 높이 < 1 ㎛
0.05 ㎛ < 박막 길이
또한, 광학 특성의 변화가 실용상 영향을 주지 않는 범위에서, 투광 기판 (11) 및 격자상 볼록부의 표면을 피복하는 보호막을 구비하는 것이 바람직하다. 예를 들어 SiO2 등을 퇴적시킴으로써, 내습성 등의 신뢰성을 개선할 수 있다. 보호막의 형성 방법으로는, 플라즈마 CVD (Chemical Vapor Deposition) 를 사용하는 것이 바람직하다. 플라즈마 CVD 를 사용함으로써, 격자상 볼록부의 간극에도 보호막을 퇴적시킬 수 있다.
이러한 구성의 편광판에 의하면, 투과, 반사, 간섭, 편광파의 선택적 광흡수의 4 개의 작용을 이용함으로써, 반사층의 격자에 평행한 전계 성분을 갖는 편광파 (TE 파 (S 파)) 를 감쇠시키고, 격자에 수직인 전계 성분을 갖는 편광파 (TM 파 (P 파)) 를 투과시킬 수 있다. 즉, TE 파는, 흡수층 (12) 의 편광파의 선택적 광흡수 작용에 의해 감쇠되고, 흡수층 (12) 및 유전체층 (13) 을 투과한 TE 파는, 와이어 그리드로서 기능하는 격자상의 반사층 (14) 에 의해 반사된다. 여기서, 유전체층 (13) 의 두께, 굴절률을 적절히 조정함으로써, 반사층 (14) 에서 반사한 TE 파에 대해서, 흡수층 (12) 을 투과할 때에 일부를 반사하고, 반사층 (14) 에 되돌릴 수 있고, 또한, 흡수층 (12) 을 통과한 광을 간섭에 의해 감쇠시킬 수 있다. 이상과 같이 하여 TE 파의 선택적 감쇠를 실시함으로써, 원하는 편광 특성을 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태에 관련된 편광판은, 광흡수층으로서, 광흡수에 상당하는 소쇠 계수가 높은 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 사용함으로써, 반도체층보다도 광흡수성을 향상시키는 것이 가능해짐과 함께, 금속층보다도 반사율을 저하시키는 것이 가능해져, 우수한 광학 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 종래보다도 편광판의 설계 범위를 확대할 수 있고, 가시광역에서 원하는 소광비를 가진 편광판을 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에 관련된 편광판은, 유기물보다도 내구성이 높은 무기물로 구성되어 있기 때문에, 액정 프로젝터에 사용되는 강한 광에 대하여 높은 내광 특성을 나타내고, 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, 광파장역에서 반사율을 저감시킬 수 있기 때문에, 카메라용 편광 필터나, 액정 TV 용 편광판 등, 범용 편광판에 대한 적용이 가능해진다.
<2. 편광판의 제조 방법>
다음으로, 편광판의 제조 방법에 대해서 설명한다. 본 실시형태에 관련된 편광판의 제조 방법은, 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 상에, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖는 흡수층과, 반사층을, 이 순서 또는 반대의 순서로 적층하고, 에칭에 의해, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 그리드 구조를 형성하는 것이다.
여기서는, 도 1 에 나타내는 제 1 편광판의 제조 방법에 대해 설명한다. 제 1 편광판의 제조 방법에서는, 먼저, 투광 기판 (11) 상에, 흡수층 (12), 유전체층 (13), 반사층 (14) 을 이 순서로 성막한다.
흡수층 (12) 은, 증착법이나 스퍼터법에 의해 성막한다. 구체적으로는, 성막시에 투광 기판 (11) 을 타깃에 대하여 대향시켜 배치하고, 아르곤 가스 입자를 타깃에 충돌시키고, 그 충격으로 튕겨 날아간 타깃 성분을 기판 상에 부착시키고, 흡수층 (12) 을 얻는다. 금속 함유 반도체층은, 예를 들어 Fe 함유 실리콘 타깃, Ta 함유 실리콘 타깃 등의 금속 함유 반도체 타깃을 사용함으로써 성막할 수 있다.
또, 유전체층 (13) 및 반사층 (14) 은, 스퍼터법, 기상 성장법, 증착법 등의 일반적인 진공 성막법 또는 졸겔법 (예를 들어 스핀 코트법에 의해 졸을 코트하여 열경화에 의해 겔화시키는 방법) 에 의해 성막할 수 있다.
이렇게 하여 성막된 반사층 (14) 상에, 나노 임프린트, 포토리소그래피 등에 의해 격자상의 마스크 패턴을 형성, 그 후, 건식 에칭에 의해 격자상 볼록부를 형성한다. 건식 에칭용의 가스로는, 반사 방지막 (BARC) 에는 Ar/O2, AlSi 에는 Cl2/BCl3, SiO2, Si, Ta 에는 CF4/Ar 을 들 수 있다. 또한, 에칭 조건 (가스 유량, 가스압, 파워, 기판의 냉각 온도) 을 최적화함으로써, 수직성이 높은 격자 형상을 실현할 수 있다. 또한, 에칭 조건에 의해, 흡수층 (12) 의 폭 (X 축 방향) 을 조정할 수 있다.
또한, 격자상 볼록부를 형성하는 그리드 사이의 에칭시, 에칭에 의한 재디포지션을 억제하고, 또한 확실히 기판 계면의 금속을 제거하기 위해, SiO2, Ta2O5 등의 투명하고 또한 CF4 에 의한 에칭이 용이한 재료를 편광 성능에 영향을 주지 않는 범위에서 기판 상에 성막해도 된다. 또, 상기 재료를 에칭으로 부분적 또는 전부 제거해도 된다.
또, 반사층 (14) 에 Al 이나 AlSi 를 사용하는 경우에는, 흡수층 (12) 및 유전체층 (13) 에는, 불소로 에칭 가능한 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 높은 에칭 선택비가 얻어지고, 흡수층 (12) 및 유전체층 (13) 의 막두께 설계값의 폭을 넓게 할 수 있고, 프로세스 구축상 유리해진다.
또한, 광학 특성의 변화가 응용상 영향을 주지 않는 범위에서, 최상부에 내습성 등의 신뢰성 개선의 목적으로 SiO2 등의 보호막을 퇴적하는 것도 가능하다.
(실시예)
<3. 실시예>
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 여기서는, 흡수층으로서, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 사용한 편광판을 제조하고, 광학 특성에 대해서 평가하였다. 또, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[비교예]
도 3 은, 종래의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 투광 기판 상에 Ta 를 20 ㎚, SiOx 를 50 ㎚, 및 Al 을 60 ㎚, 순차로 스퍼터링법에 의해 성막하고, 드라이 에칭을 실시하고, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 형성하였다.
도 4의 (A) 는, 비교예의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 4의 (B) 는, 비교예의 편광판의 반사율을 나타내는 그래프이다. 도 4의 (A) 및 도 4의 (B) 에 나타내는 바와 같이, Ta 는, 광흡수막으로서 유효하게 작용하지만, 반사율의 절대값은 10 ％ 빠듯하여, 통상의 액정 TV 나 액정 모니터에서 사용되는 유기계 편광판의 반사율에 비해 훨씬 높다. 이와 같이 종래의 편광판에서는, 가시역이 넓은 파장역에서 낮은 반사율을 얻는 것은 곤란하다.
[실시예 1]
도 5 는, 실시예 1 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 투광 기판 상에 Ta 를 10 ㎚, (Fe 5 ％) Si 를 15 ㎚, SiOx 를 30 ㎚, 및 Al 을 60 ㎚, 순차로 스퍼터링법에 의해 성막하고, 건식 에칭을 실시하고, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 형성하였다. (Fe 5 ％) Si 는, Fe 를 5 atm％ 함유하는 실리콘 타깃을 사용하여 성막하였다.
도 6의 (A) 는, 실시예 1 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 6의 (B) 는, 실시예 1 의 편광판의 반사율을 나타내는 그래프이다. 도 6의 (B) 와 도 4의 (B) 를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 의 편광판은, 반사율을 현저히 저하시킬 수 있었다. 특히 시감도가 높은 녹색역에서의 반사율을 2 ％ 이하로 할 수 있었다. 또한, 실시예 1 의 편광판은, 비교예와 비교하여, 가시 파장이 넓은 범위에서 반사율을 저하시킬 수 있었다. 이와 같이 흡수층으로서, 금속을 함유하는 금속 함유 반도체층을 사용함으로써, 반사율을 대폭 저하시키는 것이 가능한 것을 알았다.
[실시예 2]
다음으로, 금속 함유 반도체층의 반사율 저감 효과를 RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) 법에 의해 시뮬레이션으로 검증하였다.
도 7 은, 제 1 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이고, 도 8 은, 제 2 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 제 1 시뮬레이션에 사용하는 편광판은, 도 2 에 나타내는 제 2 편광판과 동일하게, 기판측으로부터 반사층, 유전체층, 및 흡수층이 형성된 구조이고, 흡수층에 Fe 를 함유하는 Si, 유전체층에 SiO2, 및 반사층에 Al 을 사용하였다. 또한, 제 2 시뮬레이션에 사용하는 편광판은, 도 1 에 나타내는 제 1 편광판과 동일하게, 기판측으로부터 흡수층, 유전체층, 및 반사층이 형성된 구조이고, 흡수층에 Fe 를 함유하는 Si, 유전체층에 SiO2, 및 반사층에 Al 을 사용하였다.
도 9 는, 제 1 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다. 이 시뮬레이션에 사용한 편광판은, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖고, 기판측으로부터 Al 을 100 ㎚, SiO2 를 20 ㎚, 및 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 25 ㎚ 적층한 것으로 하였다.
도 10 은, 제 1 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다. 이 시뮬레이션에 사용한 편광판은, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖고, 기판측으로부터 Al 을 100 ㎚, SiO2 를 50 ㎚, 및 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 15 ㎚ 적층한 것으로 하였다.
도 11 은, 제 2 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다. 이 시뮬레이션에 사용한 편광판은, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖고, 기판측으로부터 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 25 ㎚, SiO2 를 20 ㎚, 및 Al 을 100 ㎚ 적층한 것으로 하였다.
도 12 는, 제 2 시뮬레이션에 있어서, 흡수층으로서 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다. 이 시뮬레이션에 사용한 편광판은, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖고, 기판측으로부터 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 15 ㎚, SiO2 를 50 ㎚, 및 Al 을 100 ㎚ 적층한 것으로 하였다.
도 9 및 도 11 에 나타내는 바와 같이, Fe 함유량이 5 atm％ 인 Si 를 흡수층에 사용한 경우, 광파장역에서의 반사율의 저감은 충분하지 않지만, 가시용 편광판으로서 중요한 파장 500 ㎚ 의 녹색역의 반사율의 저감은 충분하고, 액정 프로젝터용의 채널 편광판에 사용할 수 있다. 광파장역에서 반사율을 저감시키기 위해서는, 실시예 1 과 같이 Ta 를 적층하는 것이 유효하다.
또, 도 10 및 도 12 에 나타내는 바와 같이, Fe 함유량이 10 atm％ 인 Si 를 흡수층에 사용한 경우, 실시예 1 과 같이 Ta 를 적층하지 않아도, 광파장역에서 반사율을 저감시키는 것이 가능하다. 이와 같이 Fe 함유량에 의해 반사율의 조정이 가능하고, Fe 함유량을 증가시킴으로써 광파장역에서의 반사율의 저감 효과가 높아지는 것을 알았다.
[실시예 3]
다음으로, 실제의 제조 프로세스에 있어서의 Fe 함유량의 영향에 대해서 검증하였다. 여기서는, 에칭 가스에 CF4 를 사용한 경우의 Fe 함유 Si 의 에칭 레이트를 측정하였다. CF 계의 에칭 가스는, MEMS, 반도체 등의 미세 에칭에 널리 사용되고 있는 가스이다. 개편 (個片) 유리 기판 상에 각각 (Fe 5 ％) Si, (Fe 10 ％) Si, 및 (Fe 15 ％) Si 를 성막하고, 이들을 일괄하여 에칭 처리를 실시하였다.
도 13의 (A) 는, 에칭 시간에 대한 에칭 깊이를 나타내는 그래프이고, 도 13의 (B) 는, 에칭 레이트의 계산 결과를 나타내는 표이다. 도 13의 (B) 에 나타내는 바와 같이, (Fe 5 ％) Si 는 0.973 ㎚/sec, (Fe 10 ％) Si 는 0.234 ㎚/sec 의 에칭 레이트이고, (Fe 15 ％) Si 는 에칭되지 않았다. 즉, Fe 함유량이 증가하면 에칭 레이트가 감소하고, 에칭이 곤란해지는 것을 알았다.
에칭 가스에 암모니아를 사용하면 Fe 를 에칭할 수 있다는 보고도 있지만, 본 구조는, Fe 함유 Si 단층이 아니라, 복수의 층이 적층되어 있기 때문에, 다른 층에 대한 영향 (에칭시의 부식, 에칭 이방성) 을 고려하면, 사용하기에는 적합하지 않다. 또한, 아르곤 가스에 의한 물리적 제거라는 방법도 있지만, 본 구조는 미세한 피치를 갖기 때문에 재부착이 일어나기 쉽고, 특성 열화의 원인도 된다.
이상과 같은 이유에 의해, 가스종을 연구해도 50 atm％ 보다 많은 Fe 함유량은 어렵다고 생각된다. 따라서, Fe 함유량은, 50 atm％ 이하, 더욱 실용적으로는, 널리 반도체 에칭 프로세스에서 사용되고 있는 CF4 로 에칭 가능한 10 atm％ 이하인 것이 사용상 바람직하다. Fe 함유량을 10 atm％ 이하로 한 경우, 반사율의 저감 효과를 높이기 위해 Ta 를 적층하는 것이 바람직하다.
[실시예 4]
흡수층에 Fe 를 함유하는 Si 를 사용한 구조에 있어서도, 반사층, 유전체층, 흡수층 사이의 간섭 효과가 있기 때문에, 유전체층의 막두께에 의해서도 반사율은 변화된다. 그래서, 실시예 4 에서는, 유전체층의 막두께에 의한 반사율에 대해서, RCWA 법에 의해 시뮬레이션으로 검증하였다.
도 14 는, 실시예 4 의 시뮬레이션에 사용하는 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 실시예 4 의 편광판은, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖고, 기판측으로부터 Al 을 100 ㎚, SiO2, 및 Fe 를 5 ％ 함유하는 Si 를 25 ㎚ 적층한 것으로 하였다.
도 15 ∼ 도 18 은, 유전체층의 막두께를 각각 5 ㎚, 20 ㎚, 35 ㎚, 및 50 ㎚ 로 했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다. 도 15 ∼ 도 18 로부터 알 수 있는 바와 같이, 유전체층의 막두께를 제어함으로써, 반사율을 저감시키는 것이 가능하다. 유전체의 막두께가 5 ㎚, 20 ㎚, 35 ㎚, 및 50 ㎚ 인 경우, 반사율이 높지만, 실시예 1 과 같이 Ta 를 적층함으로써 반사율을 저하시킬 수 있다.
또한, 도 15 ∼ 도 18 로부터, 유전체층의 막두께를 증가시킴으로써, 흡수 효과나 간섭 효과가 높아지고, CR (소광비 : 투과축 투과율/흡수축 투과율) 이 증대되는 것을 알았다.
또한, 유전체층의 막두께는, 에칭 시간이 짧아지고 제조 프로세스상 유리해지므로, 얇은 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 10 에 나타내는 시뮬레이션 결과의 편광판은, 유전체층의 막두께가 50 ㎚ 이고, 또한, 흡수층으로서 Fe 를 10 atm％ 함유하는 Si 를 사용하고 있기 때문에, 긴 에칭 시간이 필요하다.
[실시예 5]
다음으로, 흡수층으로서 Ta 함유 Si 를 사용한 편광판의 Ta 함유량에 대해서, 실제로 샘플을 제조하여 검증하였다.
도 19 는, 실시예 5 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 실시예 5 의 편광판은, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖고, 기판측으로부터 흡수층을 30 ㎚, SiO2 를 30 ㎚, 및 Al 을 40 ㎚ 적층한 것으로 하였다.
도 20 ∼ 도 23 은, 흡수층으로서 각각 Si, Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si, 및 Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si 를 사용했을 때의 광학 특성을 나타내는 그래프이다.
또한, 도 24 는, 흡수층으로서 각각 Si, Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si, 및 Ta 를 사용했을 때의 흡수축 반사율을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 25 는, Ta 의 원자 백분율에 대한 흡수축 반사율의 측정 파장 범위에 있어서의 최대값과 최소값의 차를 나타내는 그래프이다.
또, 도 26 은, 흡수층으로서 각각 Si, Ta 를 20 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 25 atm％ 함유하는 Si, Ta 를 33 atm％ 함유하는 Si, 및 Ta 를 사용했을 때의 투과축 투과율을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 27 은, Ta 의 원자 백분율에 대한 투과축 투과율의 측정 파장 범위에 있어서의 평균값을 나타내는 그래프이다.
도 25 에 나타내는 바와 같이, 흡수축 반사율의 측정 파장 범위에 있어서의 최대값과 최소값의 차는, Ta 함유량의 증가에 의해 작아지고, 흡수형 편광판으로는 Ta 함유량이 많은 쪽이 바람직하게 된다. 한편, 도 27 에 나타내는 바와 같이, 투과축 투과율의 측정 파장 범위에 있어서의 평균값은, Ta 함유량의 증가에 의해 작아지고, Ta 함유량이 적은 쪽이 바람직하게 된다.
도 25 및 도 27 로부터, Ta 함유량은 40 atm％ 이하인 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 일반적인 플로트 유리의 반사율이 8 ％ 인 것에 대해, Ta 함유량이 40 atm％ 이하의 범위에서는, 반사율은 유리와 동등 이하이고, 또한 투과율도 높은 값이기 때문에, 실용상, 반사율의 저감과 높은 투과율을 유지할 수 있다.
또, 실시예 4 에서는, 도 1 에 나타내는 제 1 편광판의 구조를 사용했지만, 도 2 에 나타내는 제 2 편광판의 구조를 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[실시예 6]
실시예 3 에 있어서, 유전체층의 막두께에 의한 반사율에 대해서 설명했지만, 실시예 6 에서는, 유전체층의 막두께에 의한 반사율의 최소값의 파장에 대해서, 실제로 샘플을 제조하여 검증하였다.
도 28 은, 실시예 6 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이다. 실시예 5 의 편광판은, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖고, 기판측으로부터 Al 을 220 ㎚, SiO2, 및 Fe 를 5 atm％ 함유하는 Si 를 35 ㎚ 적층한 것으로 하였다.
도 29 는, 실시예 6 의 편광판에 있어서 유전체층의 막두께를 각각 2.5 ㎚, 5.0 ㎚, 7.5 ㎚, 및 10.0 ㎚ 로 했을 때의 흡수축 반사율을 나타내는 그래프이다. 도 29 에 나타내는 바와 같이, 유전체층의 막두께에 의해, 흡수축 반사율의 최소값의 파장을 제어할 수 있는 것을 알았다. 또한, 유전체층의 막두께가 2.5 ㎚ 로 매우 얇아도 반사율이 저감되어 있으므로, 저반사율이 기대되는 파장에 따라서는, 유전체층이 없어도 되는 것을 알았다.
도 30 은, 실시예 7 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이고, 도 31 은, 실시예 7 의 편광 소자의 단면의 SEM 화상이다. 실시예 7 의 편광판은, 다음과 같이 제조하였다. 먼저, 두께 0.7 ㎜ 의 투광 기판 (품명 : Eagle2000, 코닝사 제조) 상에 하지막으로서 SiO2 를 15 ㎚, 흡수층 A 로서 Ta 를 15 ㎚, 흡수층 B 로서 (Fe 5 ％) Si 를 10 ㎚, 유전체층으로서 SiOx 를 40 ㎚, 및 반사층으로서 Al 을 170 ㎚, 순차로 스퍼터링에 의해 성막하였다. (Fe 5 ％) Si 는, Fe 를 5 atm％ 함유하는 실리콘 타깃을 사용하여 성막하였다.
또한, 반사층 상에 BARC (Bottom Anti-Reflective Coat) 를 성막하고, 레지스트에 의해 격자상의 마스크 패턴을 형성하였다. 다음으로, Ar/O2 가스에 의한 스컴 처리에 의해 BARC 를 제거하고, Cl2/BCl3 에 의해 Al 을 에칭하였다. 그 후, H2O 플라즈마에 의해 부식층 (염화 화합물) 을 제거하고, O2 애싱에 의해, 레지스트, BARC 를 제거하였다. 그리고, CF4/Ar 가스에 의해 흡수층을 에칭하여 격자상 볼록부를 형성하고, 피치가 140 ㎚ 인 그리드 구조를 갖는 편광판을 제조하였다. 흡수층의 에칭 조건은, CF4 가스 유량 : 20 sccm, Ar 가스 유량 : 4 sccm, CF4/Ar 가스 압력 : 0.5 ㎩, 냉각용 He 가스 압력 : 400 ㎩, 에칭 시간 : 80 sec 로 하였다. 이 실시예 7 의 편광판의 Ta 층의 폭은, Al 층의 폭 (W) 과 거의 동일했다.
도 32의 (A) 는, 실시예 7 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 32의 (B) 는, 적색 (Red), 녹색 (Green), 청색 (Blue) 의 각 파장 대역에 있어서의 투과축 투과율 (Tp), 흡수축 투과율 (Ts), 콘트라스트 (CR) (Tp/Ts), 투과축 반사율 (Rp), 및 흡수축 반사율 (Rs) 의 평균값을 나타내는 표이다. 실시예 7 의 편광판은, 실시예 1 과 동일하게, 비교예와 비교하여, 가시파장이 넓은 범위에서 반사율을 저하시킬 수 있었다. 또한, 실시예 7 의 편광판은, 높은 콘트라스트 (CR) 를 얻을 수 있었다.
도 33 은, 실시예 8 의 편광판을 나타내는 개략 단면도이고, 도 34 는, 실시예 8 의 편광 소자의 단면의 SEM 화상이다. 실시예 8 의 편광판은, 흡수층의 에칭 조건 이외에는, 실시예 7 의 편광판과 동일하게 제조하였다. 흡수층의 에칭 조건은, CF4 가스 유량 : 20 sccm, Ar 가스 유량 : 4 sccm, CF4/Ar 가스 압력 : 2.0 ㎩, 냉각용 He 가스 압력 : 1000 ㎩, 에칭 시간 : 80 sec 로 하였다. 이 실시예 8 의 편광판의 Ta 층의 폭은, Al 층의 폭 (W) 보다도 좁게 형성되었다.
도 35의 (A) 는, 실시예 8 의 편광판의 광학 특성을 나타내는 그래프이고, 도 35의 (B) 는, 적색 (Red), 녹색 (Green), 청색 (Blue) 의 각 파장 대역에 있어서의 투과축 투과율 (Tp), 흡수축 투과율 (Ts), 콘트라스트 (CR) (Tp/Ts), 투과축 반사율 (Rp), 및 흡수축 반사율 (Rs) 의 평균값을 나타내는 표이다. 실시예 8 의 편광판은, 콘트라스트 (CR) 가 실시예 7 과 거의 동일하면서, 반사율을 실시예 7 보다도 저하시킬 수 있었다. 이것은, 청색의 파장 대역 (430 ㎚ - 510 ㎚) 에서 특히 현저하였다.
11: 투광 기판
12 : 흡수층
13 : 유전체층
14 : 반사층
12 : 흡수층
13 : 유전체층
14 : 반사층
Claims (21)
- 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판과,
Ta 를 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층과,
사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층을 구비하고,
상기 투광 기판측으로부터 상기 흡수층과 상기 반사층이 이 순서로 적층되어 이루어지거나, 또는 상기 투광 기판측으로부터 상기 반사층과 상기 흡수층이 이 순서로 적층되어 이루어지고,
상기 금속 함유 반도체층의 반도체가 Si 이고,
상기 금속 함유 반도체층의 Ta 함유량이 40 atm％ 이하인, 편광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수층과 상기 반사층 사이에, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 유전체층을 구비하는, 편광판. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 흡수층의 적어도 일부의 폭이, 상기 반사층의 폭보다도 좁은, 편광판. - 제 3 항에 있어서,
상기 흡수층이, 금속층을 추가로 갖고, 그 금속층의 폭이 상기 반사층의 폭보다도 좁은, 편광판. - 제 4 항에 있어서,
상기 흡수층이, 광입사 방향에 대하여, 상기 금속층, 상기 금속 함유 반도체층의 순서로 형성되어 이루어지는, 편광판. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 흡수층이, 금속층 또는 반도체층을 추가로 갖는, 편광판. - 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 상에, Ta 함유량이 40 atm％ 이하이고, 반도체가 Si 인 금속 함유 반도체층을 적어도 갖는 흡수층과, 반사층을, 이 순서 또는 반대의 순서로 적층하고,
에칭에 의해, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 그리드 구조를 형성하는, 편광판의 제조 방법. - 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판과,
Fe 를 함유하는 금속 함유 반도체층을 적어도 갖고, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 흡수층과,
사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 반사층을 구비하고,
상기 투광 기판측으로부터 상기 흡수층과 상기 반사층이 이 순서로 적층되어 이루어지거나, 또는 상기 투광 기판측으로부터 상기 반사층과 상기 흡수층이 이 순서로 적층되어 이루어지고,
상기 금속 함유 반도체층의 반도체가 Si 이고,
상기 금속 함유 반도체층의 Fe 함유량이 5 atm％ 이상 10 atm％ 이하인, 편광판. - 제 8 항에 있어서,
상기 흡수층과 상기 반사층 사이에, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 유전체층을 구비하는, 편광판. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 흡수층의 적어도 일부의 폭이, 상기 반사층의 폭보다도 좁은, 편광판. - 제 10 항에 있어서,
상기 흡수층이, 금속층을 추가로 갖고, 그 금속층의 폭이 상기 반사층의 폭보다도 좁은, 편광판. - 제 11 항에 있어서,
상기 흡수층이, 광입사 방향에 대하여, 상기 금속층, 상기 금속 함유 반도체층의 순서로 형성되어 이루어지는, 편광판. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 흡수층이, 금속층 또는 반도체층을 추가로 갖는, 편광판. - 제 8 항에 있어서,
상기 흡수층이 Ta 층을 추가로 갖고,
상기 흡수층이, 광입사 방향에 대하여, 상기 Ta 층, 상기 금속 함유 반도체층의 순서로 형성되어 이루어지는, 편광판. - 제 14 항에 있어서,
상기 Ta 층의 폭이 상기 반사층의 폭보다도 좁은, 편광판. - 사용 대역의 광을 투과하는 투광 기판 상에, Fe 함유량이 5 atm％ 이상 10 atm％ 이하이고, 반도체가 Si 인 금속 함유 반도체층을 적어도 갖는 흡수층과, 반사층을, 이 순서 또는 반대의 순서로 적층하고,
에칭에 의해, 사용 대역의 광의 파장보다도 작은 피치로 1 차원 격자상으로 배열된 그리드 구조를 형성하는, 편광판의 제조 방법. - 제 2 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 유전체층의 적어도 일부의 폭이, 상기 반사층의 폭보다도 좁은, 편광판. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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