TWI554795B - Absorbent grating polarizing elements for ultraviolet light and optical alignment devices - Google Patents

Description

紫外線用吸收型光柵偏光元件及光配向裝置

本案發明係關於使用光柵偏光元件的偏光技術。

取得偏光光線的偏光元件，係除了偏光太陽眼鏡之切身的產品之外，作為偏光濾波器及偏光薄膜等的光學元件，也公知有各種產品，液晶顯示器等的顯示器裝置也多有使用。於偏光元件，根據取出偏光光線的方式可分類成幾種，其一有線柵偏光元件。

線柵偏光元件，係於透明基板上設置由金屬(導電體)所成之細微的條紋狀光柵之構造者。利用使構成光柵之各線狀部的間隔比偏光之光線的波長還狹小，而具有作為偏光子的功能。直線偏光光線中，因對於在各線狀部的長度方向具有電場成分的偏光光線而言，與平坦的金屬等價，所以會反射，但對於在與長度方向垂直之方向具有電場成分的偏光光線而言，僅與透明基板等價，所以會透射透明基板而射出。因此，來自偏光子係專設出與晶格的長度方向垂直之方向的直線偏光光線。利用控制偏光 元件的姿勢，使光柵之各線狀部的長度方向朝向所希望的方向，可獲得偏光光線的軸(電場成分的朝向)朝向所希望的方向之偏光光線。

以下，為了便利說明，將於柵格的長度方向具有電場成分的直線偏光光線稱為s偏光光線，將於與長度方向垂直之方向具有電場成分的直線偏光光線稱為p偏光光線。通常，將對於射入面(與反射面垂直且包含射入光線與反射光線之面)，電場垂直者稱為s波，平行者稱為p波，但是以光柵之各線狀部的長度方向對於射入面垂直為前提，來如此區別。

表示此種偏光元件之性能的基本指標，係消光比ER與透射率TR。消光比ER係透射偏光元件之偏光光線的強度中，s偏光光線的強度(Is)相對於p偏光光線的強度(Ip)之比。又，透射率TR係射入之s偏光光線與p偏光光線的全能量Iin相對之射出p偏光光線的能量之比(TR=Ip/Iin)。理想的偏光元件係消光比ER=∞，透射率TR=50%。

但是，本案發明的偏光元件，光柵並不限於金屬(引線)，所以，在以下的說明中，有單稱為光柵偏光元件之狀況。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2007-17762號公報

近年來，如前述之光柵偏光元件，即使在光處理的領域也逐漸使用。作為其一例，可舉出藉由偏光光線照射來取得用以控制分子之排列的膜(配向膜)之光配向的技術。光配向係於高性能之液晶顯示器的製造中逐漸多數採用的技術。該技術係藉由光處理來取得將液晶分子對於基板排列成一定方向，或以預傾角成為一定之方式排列的配向膜的技術。利用於液晶基板上作成配向膜，於其上設置液晶分子層來控制液晶分子的排列。以前藉由被稱為配向摩擦(rubbing)的機械性處理來取得配向膜，但是，為了配向精度的提升等，配向膜用的材料是利用對光感應的光配向也逐漸偶爾採用。

在光配向中，配向膜材料感應之光線的波長大多是紫外光區域之狀況，需要針對紫外光區域的光線，具有充分之性能的偏光元件。光柵偏光元件係可對於比較寬廣的區域內比較均勻地照射偏光光線，所以，在該觀點中，適合如光配向的光處理。然而，作為光柵偏光元件，一般的線柵偏光元件不適合紫外光區域之光線的偏光用。

線柵偏光元件可說是反射型的光柵偏光元件，於金屬製光柵中使s偏光光線選擇性反射，僅使p偏光光線選擇性透射者。關於紫外光區域的光線，即使是如 鋁的金屬，也會發生吸收而反射率降低。亦即，光線的振動數接近金屬中之自由電子的電漿振動數，故關於紫外光區域的光線，就算是金屬，反射率也會降低。所以，如鋁製光柵之反射型的光柵偏光元件，係即使在可視區域中可發揮優良的偏光性能，關於紫外光區域的光線也無法獲得充分的偏光性能。

另一方面，如公知般，紫外光區域的光線相較於可視光區域或紅外光區域，能量較高，所以，在關於對象物的性質或形狀，產生某些變化來進行處理之光處理的領域中也偶爾使用。所以，如果可獲得發揮於紫外光區域中充分之偏光性能的偏光元件的話，有很大的意義。

本案的發明者們考慮前述觀點，想到以與先前之反射型的光柵偏光元件不同的模式動作，應稱為吸收型的光柵偏光元件。在吸收型的光柵偏光元件中，作為光柵的材料，使用如介電體的光吸收材料，利用s偏光光線與p偏光光線之間的光吸收的不同，產生偏光作用。

發明者們係在研究吸收型的光柵偏光元件之實用性構造及構造材料的過程中，發現會產生未預期之經時性的偏光性能的降低的問題。然後，發現該問題在某種光柵材料中，發生相當於光催化的反應，因為該原因而可能發生偏光性能的降低。

本案發明係依據前述發明者們的研究、見識者，解決課題是於可發揮針對紫外光區域之光線的充分之偏光性能的吸收型的光柵偏光元件中，防止光柵材料本身具有的光 催化作用所致之偏光性能的降低的問題。

為了解決前述課題，本案申請專利範圍第1項所記載的發明，具有以下構造：一種吸收型光柵偏光元件，係由對於的透明基板，與設置於透明基板上之條紋狀的光柵所成，光柵是以吸收對象波長之光線的材料形成之多數線狀部所成的吸收型光柵偏光元件，其中，構成光柵的各線狀部，係具備以吸收第一對象波長之光線的第一材料形成的第一層、以吸收第二對象波長之光線的第二材料形成的第二層、及設置於第一層與第二層之間的第三層；第一材料，係具有光催化作用的材料；第二材料，係可氧化性材料；第三層，係於第一層中藉由第一材料的光催化作用而產生氧化性活性種時，防止因該氧化性活性種而第二層氧化的阻障層。

又，為了解決前述課題，申請專利範圍第2項所記載的發明，具有以下構造：於前述第1項的構造中，前述第一材料是氧化鈦；前述第二材料是矽。

又，為了解決前述課題，申請專利範圍第3項所記載的發明，具有以下構造： 於前述第2項的構造中，前述第三層，係以氧化矽形成。

又，為了解決前述課題，申請專利範圍第4項所記載的發明，具有以下構造：於前述第3項的構造中，前述第三層的厚度，係2nm以上。

又，為了解決前述課題，申請專利範圍第5項所記載的發明，具有以下構造：於前述第1項至第4項中任一項的構造中，前述第一層、前述第二層及前述第三層，係沿著光線的傳輸方向層積。

又，為了解決前述課題，申請專利範圍第6項所記載的發明，具有以下構造：具備光源，與前述第1項至第5項中任一項所記載之光柵偏光元件；光柵偏光元件，係被配置於配置光配向用的膜材的照射區域與光源之間。

如以下所說明般，依據本案申請專利範圍第1項所記載之發明，因為是吸收型的光柵偏光元件，適合使用於使紫外光區域之光線偏光時。又，以第一材料之層與第二材料之層形成各線狀部，所以，於寬頻的波長區域中可獲得偏光作用，萬用性高。進而，設置防止因第一層中產生的氧化性活性種而第二層氧化的阻障層，所以，初始 之急遽的氧化不會於第二層中發生，可不損及且獲得被期待的偏光性能。

又，依據申請專利範圍第2項所記載之發明，除了前述效果之外，第一材料是氧化鈦，第二材料是矽，所以，在除了如365nm之UVA或UVB區域的光線之外，關於如254nm之UVC區域的光線也欲獲得偏光光線時成為適合的光柵偏光元件。

又，依據申請專利範圍第3項所記載之發明，除了前述效果之外，因為第三層的材料是氧化矽，所以，成為與使初始之氧化先發生者等價之狀態。因此，氧化性活性種所致之第二層的氧化難以發生，成為更適合作為阻障層者。

又，依據申請專利範圍第4項所記載之發明，因為由氧化矽所成之第三層的厚度為2nm以上，所以，成為以可能發生之初始的急遽氧化以上的厚度來形成阻障層。因此，可更確實防止第二層的損耗。

又，依據申請專利範圍第5項所記載之發明，除了前述效果之外，因為第一、第二、第三層沿著光線的傳輸方向層積，因此點，可獲得更高的偏光性能。

又，依據申請專利範圍第6項所記載之發明，可一邊獲得前述各效果一邊對於膜材進行光配向處理，光柵偏光元件的萬用性高，所以，可抑制設備投資的成本。

1‧‧‧透明基板

2‧‧‧光柵

3‧‧‧線狀部

31‧‧‧第一層

32‧‧‧第二層

33‧‧‧第三層(阻障層)

34‧‧‧第四層

4‧‧‧間隔

60‧‧‧工件

61‧‧‧光源

62‧‧‧鏡片

63‧‧‧光柵偏光元件

[圖1]關於實施形態之光柵偏光元件的立體概略圖。

[圖2]針對吸收型之光柵偏光元件的動作模式，進行模式揭示的立體概略圖。

[圖3]揭示確認x方向磁場成分Hx的波動之模擬分析實驗結果的圖。

[圖4]模式揭示因x方向磁場成分Hx的波動(旋轉)而產生新的電場Ey之樣子的前視剖面概略圖。

[圖5]針對光柵的各線狀部以不同之兩個光吸收性材料形成的意義進行模式揭示的圖。

[圖6]揭示確認藉由氧化鈦與矽的組合，偏光性能寬頻化之處的模擬分析實驗之結果的圖。

[圖7]針對確認藉由兩個吸收型光柵材料的組合，一方的光柵材料發生劣化之實驗進行揭示的圖。

[圖8]揭示針對圖7所示之偏光性能的劣化之模擬分析實驗結果的圖。

[圖9]針對第一層的材料所致之光催化作用進行模式揭示的圖。

[圖10]揭示氧分子之光吸收光譜的圖。

[圖11]揭示針對中長期的時距之消光比降低的原因進行調查之實驗結果的圖。

[圖12]針對實施形態之光柵偏光元件的製造方法，進行揭示的概略圖。

[圖13]其他實施形態之光柵偏光元件的前視剖面概 略圖。

[圖14]揭示實施形態之光柵偏光元件的使用例者，搭載光柵偏光元件之光配向裝置的剖面概略圖。

[圖15]作為其他材料的組合之一例，針對氧化鈦與氮化鈦的組合所致之寬頻化進行揭示的圖。

[圖16]作為另其他材料的組合之一例，針對氮化鈦與矽的組合所致之寬頻化進行揭示的圖。

接著，針對用以實施本案發明的形態(實施形態)進行說明。

圖1係關於實施形態之光柵偏光元件的立體概略圖。圖1所示之光柵偏光元件，係主要由透明基板1，與設置於透明基板1上的光柵2所構成。

透明基板1係代表相對於使用波長(使用偏光元件進行偏光之光線的波長)，具有充分透射性的意思，故稱為「透明」。在此實施形態中，作為使用波長，想定紫外線，作為透明基板1的材質，採用石英玻璃(例如合成石英)。

光柵2係如圖1所示，由平行延伸之多數線狀部3所成之條紋狀者。光柵偏光元件是利用光學常數不同的區域交互且平行地配置，發揮偏光作用者。各線狀部3之間的空間4被稱為間隔，以各線狀部3與各間隔4獲得偏光作用。各線狀部3的寬度W與間隔4的寬度t，係 以針對對象波長的光線獲得偏光作用之方式適切訂定。所謂對象波長的光線係指欲使其偏光之波長的光線。

此實施形態的光柵偏光元件，係以吸收型的模式動作者。更具體來說，構成光柵的各線狀部3係具備以吸收第一對象波長之光線的第一材料形成的第一層31，與以吸收第二對象波長之光線的第二材料形成的第二層32。亦即，實施形態的光柵偏光元件係成為針對不同的兩個波長發揮偏光作用者。

首先，針對吸收型的光柵偏光元件，使用圖2來說明。圖2係針對吸收型之光柵偏光元件的動作模式，進行模式揭示的立體概略圖。如上所述，光柵偏光元件是使p偏光光線透射之外，不使s偏光光線透射的偏光元件。所以，主要應討論的是s偏光光線的舉動。在者，在以下的說明中，為了容易理解，光柵2的各線狀部3作為以單一材料形成的單一層。

於圖2中，為了說明方便，光線設為從紙面上往下傳輸者，將此方向設為z方向。又，將光柵2的各線狀部3延伸的方向設為y方向，所以，s偏光光線(於圖2以Ls表示)具有電場成分Ey。該s偏光光線的磁場成分(未圖示)為x方向(Hx)。

此種s偏光光線射入光柵偏光元件的光柵2時，s偏光光線的電場Ey係因各線狀部3的介電率而變弱。另一方面，間隔4的媒質大多為空氣，但是，一般來說介電率小於各線狀部3，在間隔4的空間中，電場Ey並未變弱 如光柵2內般。

結果，於x-y平面中產生電場Ey的旋轉成分。然後，藉由對應法拉第之電磁感應的以下馬克斯威爾方程式(式1)，因應該x-y平面之旋轉的強度，於z方向中誘發兩個相互逆向的磁場Hz。

亦即，以光柵2之間的中央的電場Ey最高處為境界，在一方側中Hz朝向光線的傳播方向前方，在另一方側中Hz朝向後方。在此，在圖2中省略，但是，x方向的磁場Hx係與Ey相同相位，朝向x軸負側而存在。該x方向磁場成分Hx係以被產生之z方向成分Hz拉引，產生波動之方式變形。

圖3係揭示確認該x方向磁場成分Hx的波動之模擬分析實驗結果的圖。圖3係將光柵2之各線狀部3的材質設為氧化鈦，以波長365nm之光學常數(n=4.03，k=3.04)來進行模擬分析者。在圖3中，各線狀部3的寬度為15nm，各線狀部3的間隔為一定的90nm，各線狀部21的高度設為170nm。模擬係依據FDTD(Finite-Difference Time-Domain)法，使用的軟體係使用Mathworks公司(美國麻州)的MATLAB(同公司的註冊商標)。

圖3中，上側的深黑色的部分表示電場Ez的負成分，中間的淡灰色的部分表示電場Ez的正成分。磁 場係以向量(箭頭)表示。

如圖3所示，射入光柵2之前的s偏光光線沒有Hz成分，成為僅有Hx成分，但是，藉由射入光柵2之前述的Hz成分的產生，可確認磁場在x-z面內產生波動。如圖3所示，磁場的波動也可說是順時針之磁場的旋轉。

此種磁場成分Hx的波動(旋轉)產生的話，藉由對應Maxwell Ampere法則的麥克斯威爾方程式(式2)，進而於圖2的y方向產生電場。

並於圖4模式揭示該樣子。圖4係模式揭示因x方向磁場成分Hx的波動(旋轉)而產生新的電場Ey之樣子的前視剖面概略圖。

如圖4所示，藉由x-z面內之磁場成分Hx的波動(旋轉)，在各線狀部3內，產生朝向圖2的紙面前方側的電場Ey，在各間隔4中，產生朝向紙面裏側的電場Ey。此時，射入之s偏光光線原來的電場Ey係因為朝向紙面前方側，間隔4的電場以被前述磁場的旋轉抵消，分斷波動之方式作用。作為結果，電場Ey局部存在於光柵2的各線狀部3內，藉由因應各線狀部3之材料的吸收，s偏光光線的能量一邊傳播於光柵2內，一邊逐漸衰減。

另一方面，關於p偏光光線，電場成分朝向x方向(Ex)，但是從y方向觀察時，介電率的分布為一 樣，故如前述之電場的旋轉成分實質上不會產生。所以，如s偏光光線之電場的光柵2的局部存在化、波動的分斷，實質上不會產生於p偏光光線。因此，從透明基板1專射出p偏光光線，獲得偏光作用。實施形態的吸收型光柵偏光元件，係因為空間的介電率分布的不同，以利用如此s偏光光線與p偏光光線進行不同的傳播為前提。再者，確認即使由如非晶矽之半導體製的線狀部3所成的光柵2，也同樣地以s偏光光線與p偏光光線進行不同的傳輸，獲得偏光作用。

以此種吸收型的模式動作之實施形態的光柵偏光元件，係如上所述，於各線狀部3中設置第一、第二之兩層31、32。此點具有使可偏光之波長多波長化或廣帶域化的意義。針對此點，使用圖5來說明。圖5係針對光柵2的各線狀部3以不同之兩個光吸收性材料形成的意義進行模式揭示的圖。

如上所述，在吸收型的動作模式中，利用s偏光光線的電場於光柵中局部存在化，被各線狀部3吸收而逐漸衰減。所以，各線狀部3係以吸收對象波長之光線的材料形成。

紫外光區域之光線的物質之吸收，係除了前述之金屬時的模式(為了自由電子的電漿振動數接近光線的振動數所發生)之外，一般來說，電子遷移特別因為能帶間遷移而發生。不管如何，紫外光區域之吸收特性亦即分光吸收率係因應材料而不同。吸收率係大多在某波長成為尖峰， 但是，具有兩個材料成為尖峰的吸收率時，尖峰波長因材料而不同。作為阻止光柵偏光的材料，如此選定分光吸收特性不同之兩個材料時，成為分光吸收特性被平均化的情況，可獲的因應被平均化之分光吸收特性的偏光性能。

作為藉由分光吸收特性的平均化所得的效果，有在成為具有兩個吸收率的尖峰波長而可於不同的兩個波長中獲得良好的偏光作用之狀況(偏光的多波長化)，與可於寬波長區域中獲得某種程度一定的偏光性能之狀況(偏光的寬頻化)。亦即，於圖5中，將第一材料之吸收的尖峰波長設為λ1，將第二材料之吸收的尖峰波長設為λ2的話，吸收型的光柵偏光元件係在λ1與λ2的雙方中可有效率地動作(多波長化)。然後，吸收光譜係於尖峰波長的前後漸減，所以，整體的吸收光譜成為圖5中以虛線表示者，於λ1~λ2之某種程度寬波長區域中，作為整體具有高吸收率者。亦即，以第一材料之層31與第二材料之層32來形成各線狀部3時，可於λ1~λ2之某種程度寬波長區域中獲得偏光作用(寬頻化)。以下，作為也包含前述多波長化的概念，使用「寬頻」或「寬頻化」的用語。再者，圖5係針對藉由吸收的尖峰波長不同之兩個材料來獲得偏光作用之狀況，進行模式揭示者，並不是揭示特定材料的吸收光譜的測定資料者。

發明者們係依據此種技術思想，針對於寬頻的區域中可發揮更高的偏光性能之材料的組合，進行銳意研究。結果，於某種材料的組合中，判明有一方之材料的 作用會使另一方之材料劣化之狀況。所謂一方之材料的作用指所謂光催化作用。以下，針對此點進行說明。

發明者們係作為於寬頻的波長區域中可獲得偏光作用之光柵的材料，著目於氧化鈦與矽的組合。氧化鈦係於280nm以下(UVC區域，例如254nm)具有高吸收率，適合使該波長區域的光線偏光。另一方面，於280~400nm(UVA區域，UVB區域)中，矽及氮化鈦等材料具有高吸收率，適合使該波長區域(例如365nm)的光線偏光。

圖6係揭示確認藉由氧化鈦與矽的組合，偏光性能寬頻化之處的模擬分析實驗之結果的圖。在該模擬分析實驗中，針對於石英製的透明基板上，作為各線狀部的構造，僅由氧化鈦所成者、僅由矽所成者、層積由氧化鈦所成之層與由矽所成之層者，分別藉由計算來計算出偏光特性。氧化鈦及矽係以非晶狀前提。其中，於圖6揭示各波長之消光比的資料。圖6中，「Si 200nm」代表僅以矽形成高度200nm的各線狀部之狀況，「TiO2 200nm」代表僅以氧化鈦形成高度200nm的各線狀部之狀況，「TiO2 50nm+Si 150nm」代表層積僅由氧化鈦所成之50nm之層與僅由矽所成之150nm之層來形成各線狀部之狀況，其兩者亦相同。又，間隔寬任一狀況中皆設為80nm。再者，模擬分析使用RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法，軟體使用Nihon Synopsys G.K.發售的RSOFT系列的DiffractMod(產品名稱)。

如圖6所示，在僅以氧化鈦形成高度200nm的各線狀部時，在250~270nm程度的波長區域中，可獲得高消光比，但是，在比其長的波長區域中，消光比漸減，在比350nm長的區域中，僅能獲得非常低的消光比。然後，分配200nm之高度的各線狀部中以矽形成之層，逐漸增加其高度時，如圖6所示，於比270nm長的波長區域中消光比逐漸變高。然後，全部以矽之層形成時，可獲得在380nm附近消光比成為尖峰的偏光性能。

由該結果可知，設為將氧化鈦製之各線狀部的一部分置換成矽的構造時，即使於實質上無法獲得偏光作用之超過350nm的波長區域中，也可獲得偏光作用，於更寬廣的範圍中可獲得比較均勻的偏光作用。再者，偏光特性中透射率的資料雖然省略圖示，但是，同樣地將一部分置換成矽之層的話，可確認於250~400nm程度的波長區域中透射率更均勻化之狀況。

如上所述，利用組合以不同材料形成之層，可獲得偏光性能寬頻化的效果。然而，發現在構成藉由此種材料的組合所寬頻化之吸收型光柵偏光元件時，一方的波長之偏光性能(一方的材料所期待的偏光性能)會發生無法預測的惡化。針對此點，使用圖7來說明。圖7係針對確認藉由兩個吸收型光柵材料的組合，一方的光柵材料發生劣化之實驗進行揭示的圖。

於圖7(1)揭示在該實驗中所使用之光柵偏光元件的概略構造。如圖7(1)所示，在該實驗中所使 用的光柵偏光元件，係具有光柵2的各線狀部3由第一、第二之兩層31、32所成的構造。具體來說，第一層31是氧化鈦，第二層32是矽。各線狀部3的寬度為30nm程度，間隔4的寬度為80nm程度，第一層31(氧化鈦)的溝度為30nm程度，第二層(矽)32的高度為100nm程度。再者，在該範例中，第一層31為上側，第二層32為下側。

在實驗中，針對圖7(1)所示之光柵偏光元件，照射紫外光區域的光線，來評估偏光性能。此時，與製作光柵偏光元件之後的時間點的性能一起調查偏光性能如何經時性地變化。亦即，於圖7(2)，揭示紫外光區域之光線的各機算照射時間之透射率與消光比的變化。透射率與消光比的變化係以將製作之後的(紫外線照射開始時)之值設為100的比例表示。在此之透射率及波長的資料，係使用檢測器365nm的檢測器所得者，所以，是波長365nm的資料。

再者，作為照射紫外光區域之光線的光源，使用牛尾電機有限公司製的高壓水銀燈。該燈管公知是所謂具有臭氧的燈管，該水銀燈即使於280nm以下的UVC的區域中也具有豐富的放射光譜。於圖7(3)揭示該燈管的放射光譜。

如圖7(2)所示，關於透射率，隨著照射時間增加為30小時、220小時、550小時，雖然稍微提升，但是，相對於初始值並未顯是太大變化。另一方面，關於 消光比，在經過30小時的時間點，降低至86.0%為止。之後，在經過220小時時為86.8%，又，在經過550小時的時間點為76.2%。亦即，關於消光比，在當初經過30小時為止可看到14%之大幅降低，之後，消光比的降低變為緩慢，即使經過550小時(10倍以上的時間)也停留於小幅的降低。再者，因為透射率為Ip/Iin，實際上為50%以下的特定值，但是，圖7(2)程為分別將當初值設為100%時的相對值。消光比(Ip/Is)也相同，實際是並無單位的特定值，但是，以將當初值設為100時的百分比來表示。

圖7(2)所是資料是波長365nm的資料，在該光柵偏光元件中，關於波長365nm的光線，作為發揮偏光作用者而設置第二層32亦即矽之層。亦即，圖7(2)所示之消光比的降低，是於矽中發生某些劣化的結果。

發明者們針對劣化的原因而銳意檢討的結果，推測出可能是作為第一層31的材料所用之氧化鈦的光催化作用所致。亦即，可推測出是對於第一層31的氧化鈦照射紫外光區域之光線的結果，發生臭氧或活性氧化物(例如原子狀氫)，因為該等活性種而矽氧化的結果。

第二層32之矽的氧化，原因是作為第一層31所用的氧化鈦所致之光催化作用的話，矽的氧化可推測專發生於與氧化鈦的界面中。發明者們為了檢證該推測，進行某模擬分析實驗。針對該結果，使用圖8來說明。圖8 係揭示針對圖7所示之偏光性能的劣化之模擬分析實驗結果的圖。

在圖8的實驗中，於圖7(1)所示之光柵偏光元件的構造中，於第二層32形成氧化層時，藉由計算來求出偏光性能如何變化。亦即，光柵2之各線狀部3的整體高度設為一定，求出於第二層(矽)32中與第一層31的界面側的部位被置換成氧化矽時偏光性能如何變化。

再者，計算使用RCWA法，且使用美國國家標準技術研究院(NIST)所發派的軟體(http：//physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/grating.htm)。又，關於矽的光學常數，設為n=4.03，k=3.04，關於氧化矽的光學常數，設為n=2.35，k=1.33(任一皆為365nm之值)。

如圖8所示，在模擬分析中，第二層(矽)32之氧化層的厚度變厚時，透射率在38~39%程度中幾乎一定，但是，消光比漸減。亦即，第二層32的矽的與第一層31的界面附近之氧化，係成為消光比的減少而顯現。所以，圖7(2)所示之消光比的降低，係揭示該狀態者。

於圖8所示之模擬分析結果中，相對於當初的消光比(2046)，消光比降低至86%程度，係在氧化矽層的厚度成為2nm程度的時間點。所以，圖7(2)所示結果，表示第二層32的氧化急遽進行到2nm程度的深度為止，之 後，氧化逐漸緩慢地進行。

根據前述實驗結果及模擬分析結果所推測之紫外光照射開始當初的第二層(矽)32之急遽氧化，可推測是第一層31的氧化鈦所致之光催化作用的結果。針對此點，使用圖9來說明。圖9係針對第一層31的材料所致之光催化作用進行模式揭示的圖。

同樣地以第一層31是氧化鈦，第二層32是矽之狀況為例來進行說明。對氧化鈦照射紫外光UV的話，氧化鈦的電洞會被激發，藉此，產生有氧化作用的活性種(以下，稱為氧化性活性種)(圖9(1))。氧化性活性種係臭氧、氧化活性種、OH自由基等。該等氧化性活性種，係於界面中使第二層32的矽氧化，產生氧化矽層321(圖9(2))。

氧化性活性種本來是作為基底狀態的水或氧的物種，可推測存在於氣氛之氣體分子吸附於第一層31的表面，或含有於第一層31內。吸附或含有的物種，藉由因紫外光UV的照射所激發之氧化鈦而分解，結果，產生氧化性活性種。

另一方面，圖7(2)所示之30小時以後(中長期的時距)的消光比之緩慢降低，係存在於氣氛的氧氣體分子直接吸收紫外光所致者。針對該點，使用圖10及圖11來進行說明。圖10係揭示氧分子的光吸收光譜的圖，圖11係揭示針對中長期的時距之消光比降低的原因進行調查之實驗結果的圖。

如公知般，關於氧分子，於300nm以下的短波長區域有舒曼‧隆吉(Schumann Runge)吸收帶，於比舒曼‧隆吉吸收帶還短的波長區域有舒曼‧隆吉連續吸收帶。然後，公知於舒曼‧隆吉吸收帶的長波長側，有赫茲伯格吸收帶，該吸收帶為200~240nm程度的波長區域。並於圖10揭示該等。

發明者們係推測圖7(2)所示之中長期的時距(經過30小時以後)之消光比降低，原因是因氧氣體分子直接吸收紫外光而被激發所致之氧化。為了確認此點，進行圖11所示結果的檢證實驗。在該實驗中，針對與圖7(1)所示者相同的光柵偏光元件，同樣地使用放射UVA~UVC區域的紫外光的紫外線燈，經時性地評估偏光性能。此時，進行關於某光柵偏光元件，使用截止220nm以下的截止濾波器，關於其他某光柵偏光元件，使用截止240nm以下的截止濾波器的偏光實驗。

在圖11中，將經過30小時的時間點之透射率及消光比設為100，作為相對於此的比例，揭示經過220小時的時間點、經過550小時的時間點之透射率及消光比。如在此所示般，在截止220nm以下時，消光比漸減，經過550小時時則降低至77.9%為止。另一方面，在截止240nm以下時，消光比幾乎不會降低，即使經過550小時也有92.2%。在220nm以下截止時消光比降低，在240nm以下截止時因為不會發生此種消光比的降低，很明顯地，消光比的降低是因為220~240nm之波長區域的光 線所產生。然後，如圖10所示，氧分子的光吸收從240nm附近開始，所以，氧氣體分子吸收220~240nm之波長區域的光線而被激發，結果，使第二層(矽)32氧化。

此種氧分子直接吸收紫外光的能量所致之氧化，可推想出因不伴隨光催化作用，所以緩慢，因此，中長期的消光比的降低也緩慢。另一方面，初始之(經過30小時為止)消光比的降低，係起因於起因光催化作用之急遽氧化，因此，變成急遽降低。

再者，關於起因於光催化作用之急遽氧化在某時間點飽和(停止)之點，可推測為如以下所述。

一般的光催化作用係在以光催化材料所形成之構件(光催化構件)的表面發生。有機物之污垢的去除等是該典型，在於光催化構件的表面吸附水或氧之狀態下照射紫外光，藉此，水及氧分解，被激發而產生活性種。然後，產生的活性種分解、去除有機物。

光柵偏光元件之光催化作用基本上也是相同者，但是，如上所述，構成光柵2的各線狀部3是奈米級(光線的波長程度以下)之非常細微者。所以，以如氧化鈦的光催化材料，如此形成細微的光柵構造時，各線狀部3的剖面全區域成為光催化作用發生的表面區域。

亦即，光催化作用雖然說是光催化構件的表面反應，於波長階的深度的區域中也會發生的現象，所以，可推測在如光柵偏光元件之波長階的細微構造中，其 整體具有光催化作用。然後，可推測其光催化作用對於直接接觸之第二層32的矽有強烈作用，使急遽氧化發生。

再者，因光催化作用所發生的氧化性活性種是第一層31(氧化鈦)中含有的水及氧所致者(氧化鈦公知為親水性的材料)，但是，也有吸附於第一層31的表面之物種一邊被激發一邊移動於第一層31中，達到與第二層32的界面而發生氧化之狀況。

不管如何，如上所述，組合如氧化鈦之有光催化作用的材料，與如矽之可氧化性材料，構成寬頻類型的光柵偏光元件的話，可氧化性材料之層會發生急遽氧化。然後，該氧化性活性種所致之急遽氧化是通過界面者，所以，氧化層的厚度達到某種程度會飽和，該氧化不會進行到其以上為止的深度。前述實驗結果可說是表示此種狀況。

實施形態的光柵偏光元件係依據如前述之研究、見識者，如圖1所示，在第一層31與第二層32之間設置第三層33。第三層33成為防止在第一層31產生之活性種到達第二層32的阻障層。具體說明的話，同樣地，第一層31以氧化鈦形成，第二層32以矽形成。然後，阻障層33係在此實施形態中，以氧化矽形成。

由矽所成之阻障層33的厚度，係設為2nm以上為佳。如上所述，光催化作用所致之第二層32的急遽氧化，係在紫外線照射開始後的30小時程度飽和，其厚度為2nm程度。亦即，可推測形成2nm以上之厚度的氧 化矽層的話，氧化性活性種所致之氧化作用不會影響其以上深度的區域。所以，從開始以2nm以上的厚度形成氧化矽層的話，不會發生光催化作用所致之矽層的氧化(損耗)。亦即，沒有阻障層33的話，因為光催化作用，第二層32會損耗2nm程度，但是，利用設置阻障層33，第二層32成為維持當初形成的厚度之狀態，不會損及被期待之偏光性能。實施形態之阻障層33係具有此種技術上的意義。

再者，阻障層33係因為設置作為無偏光作用之層，如果過厚的話，各線狀部3的高度會不必要地變高，變成難以製造，並不理想。考慮製造上的問題的話，阻障層33係設為30nm程度為止的厚度為佳。

又，因為中長期性之第二層32的氧化如上所述般，比較緩慢，所以，大多狀況不會有問題，又，可採取經過作為光柵偏光元件的壽命之某程度的其間則進行新品交換等的對應。又，偏光的對象波長是如254nm，比240nm長的波長時，以濾波器截止240nm以下的話，也可防止中長期性消光比的降低。

接著，針對此種實施型態之光柵偏光元件的偏光作用，進行補充說明。

如上所述，實施形態的光柵偏光元件是吸收型，利用射入的偏光光線因s波與p波而進行不同的吸收方式(衰減方式)來進行偏光。此時，於第一層31的材料(氧化鈦)中大量被吸收的第一波長的光線，係在傳輸於以第一 層31形成之上側的光柵區域時，進行如前述之吸收型的模式的偏光。然後，過了上側的光柵區域，傳輸於以第二層32形成之下側的光柵區域時，針對第二層32的材料(矽)中大量被吸收之第二波長的光線，同樣地藉由吸收型的模式進行偏光。結果，從透明基板於第一波長與第二波長中專射出p偏光光線，達成多波長的(寬頻)偏光。

接著，針對實施型態之光柵偏光元件的製造方法，使用圖12進行說明。圖12係針對實施形態之光柵偏光元件的製造方法，進行揭示的概略圖。

製造實施形態的光柵偏光元件時，首先，於石英製的透明基板1上，形成第二層32用的矽膜51(圖12(1))。作為形成方法，可採用各種方法，例如可採用ALD(原子層沉積)法。

接著，對矽膜51的表面進行熱氧化，於表面形成氧化矽層52(圖12(2))。作為熱氧化的方法，與半導體裝置的製程之形成絕緣層之狀況相同，可採用於加熱爐內配置附矽膜51的透明基板1，適當導入氧氣等的方法。

藉由熱氧化形成氧化矽層52後，於其上作成第二層32用的氧化鈦膜53(圖12(3))。作為作成方法，同樣地可採用ALD法。

接著，於氧化鈦膜53上塗布光阻劑，進行曝光、顯像、蝕刻，形成光阻圖案54(圖12(4))。光阻圖案54係因應形成之光柵2的形狀者，為條紋狀(line and space)。

然後，以形成之光阻圖案54作為遮罩來進行蝕刻，形成由第一、第二、第三層31、32、33所成的各線狀部3(圖12(5))。藉此，完成實施形態的光柵偏光元件。蝕刻係在各層中材料不同，故使用分別不同的蝕刻劑來進行。又，蝕刻是乾式蝕刻，且為透明基板1之厚度方向的非等向性蝕刻，適合使用如RIE(反應性離子蝕刻)的手法。

針對實施形態的光柵偏光元件之更具體範例進行說明的話，在同樣地第一層31是氧化鈦，第二層32是矽，第三層是氧化矽時，第一層31的厚度為50nm，第二層的厚度為150nm，第三層的厚度為5nm。此時，各線狀部整體的厚度(高度)為205nm，寬度為30nm。又，此例之間隔4的寬度為80nm。

接著，針對其他實施型態之光柵偏光元件的製造方法，使用圖13進行說明。圖13係其他實施形態之光柵偏光元件的前視剖面概略圖。

在前述實施形態中，發揮偏光作用之層為兩層，但是，也有三層或其以上之狀況。並於圖13(1)揭示該一例。亦即，如圖13(1)所示，作為發揮偏光作用之層，設置第一、第二、第四層31、32、34，第三層(阻障層)33設置於個別界面亦可。此範例係第一層31設置於正中央，如前述之有光催化作用的氧化鈦，下側的第二層32是矽，上側的第四層34是其他可氧化性的材料(例如 氮化鈦)。又，也有第一層31是有光催化作用的材料，被設置於最下面，於其上設置可氧化性之層即第二層32，又於其上設置第四層34之狀況。此時，第三層33(阻障層)係也有僅設置於第一層31與正中央的第二層32之間，無法設置於第二層32與第四層34之間之狀況。第一層31位於最上面之狀況也相同。

又，第一層31與第二層32係沿著光線的傳輸方向所層積之層，但是，也有採用第一層31與第二層32並排於對於光線的傳輸方向之垂直方向的構造。並於圖13(2)揭示該範例。在此範例中，各線狀部3係藉由並設於對於光線的傳輸方向垂直之方向的第一、第二層31、32所形成。第一、第二層31、32係發揮偏光作用之層，於其間設置有第三層(阻障層)33。然後，第一層31以有光催化作用的材料形成，第二層32以可氧化性材料形成。此種構造之狀況，也可能因紫外光的照射而激發的光催化作用，於第一層31中發生氧化性活性種。所以，沒有第三層(阻障層)33的話，關於第二層21的偏光作用，會發生初始之急遽的消光比降低，設置第三層(阻障層)具有重大的意義。

相較於圖13(2)所示之實施形態，如圖1的實施形態及圖13(1)的實施形態，發揮偏光作用之層被層積於光線的傳輸方向的構造在偏光性能的觀點上較為有利。亦即，因為於與光線的傳輸方向垂直之方向中，光學常數的對比更明顯可獲得更高的偏光性能。

再者，於圖1所示之實施形態中，也可能有365nm用的矽之層(第二層32)設置於上側，354nm用的氧化鈦之層(第一層31)設置於下側之狀況。

接著，針對此種光柵偏光元件的使用例進行說明。圖14係揭示實施形態之光柵偏光元件的使用例者，搭載光柵偏光元件之光配向裝置的剖面概略圖。

圖14所示之裝置，係用以取得前述之液晶顯示器用的光配向膜的光配向裝置，利用對對象物(工件)60照射偏光光線，作為工件60的分子構造一致於一定方向的狀態。所以，工件60係光配向膜用的膜(膜材)，例如聚醯亞胺製的薄片。工件60是薄片狀時，採用捲對捲的搬送方式，在搬送的途中被照射偏光光線。也有被光配向用的膜材覆蓋的液晶基板是工件之狀況，此時，採用將液晶基板載置於平台搬送，或利用輸送機搬送的構造。

圖14所示裝置，係具備光源61、覆蓋光源61之背後的鏡片62、配置於光源61與工件6之間的光柵偏光元件63。光柵偏光元件63係前述之實施形態者。

作為光源61，如前述般，使用如高壓水銀燈的紫外線燈。光源61係使用與工件60的搬送方向垂直之方向(在此為紙面垂直方向)較長者。

光柵偏光元件63係如前述般，以各線狀部的長度方向為基準，選擇性透射p偏光光線。所以，以p偏光光線的偏光軸朝向進行光配向的方向之方式，光柵偏光元件63被配置成對於工件60高精度的姿勢。

再者，光柵偏光元件係難以製造大型者，故需要對較大區域照射偏光光線時，採用將複數光柵偏光元件並排於相同平面上的構造。此時，並排複數光柵偏光元件之面，係與工件60的表面平行，以各光柵偏光元件之各線狀部的長度方向對於工件60成為所定朝向之方式配置各光柵偏光元件。

如上所述，光柵偏光元件63是藉由以吸收波長區域不同的材料形成之第一、第二層31、32所成的吸收型之光柵偏光元件，故於寬頻的波長區域中可獲得偏光光線。此點有提升光配向裝置的萬用性，使裝置使用者的設備投資更便宜的意義。亦即，因配向膜的類型不同而需要不同之波長的偏光光線的照射時，在先前的光配向裝置中，需要交換該不同波長用的光柵偏光元件。另一方面，在實施形態的光柵偏光元件中，因波長範圍為寬頻，故有針對不同之類型的配向膜也可使用相同光柵偏光元件來進行處理之狀況。如果以相同光柵偏光元件也可針對不同配向膜進行處理的話，裝置使用者的設備投資就可抑制該分量。

然後，如上所述，因為於光柵偏光元件中設置有第三層(阻障層)33，並沒有初始之急遽的消光比降低的問題。因此，光柵偏光元件的壽命變長，在該觀點上也可更抑制設備投資。

再者，此種效果除了光配向以外，於因應效果而需要不同之波長區域的偏光光線的光處理中，一般來說可說為 妥當。

於前述之實施形態中，有光催化作用之第一層31的材料是氧化鈦，但是，此外，氧化錫、氧化鎢、氧化鐵、氧化鋅、氧化鈮、鈦酸鍶、鎢酸鉀、氧化鋯、氮化鈦等也可使用作為第一層31。

又，作為非氧化物之第二層32的材料，除了矽之外，也可使用氮化鈦、氮化鎵、氮化鋁、鍺等。

進而，作為第三層(阻障層)33的材料，除了氧化矽之外，也有使用氮化矽之狀況，又，也有使用化學上穩定的氟化物(例如MgF₂)之狀況。

圖15係作為其他材料的組合之一例，針對氧化鈦與氮化鈦的組合所致之寬頻化進行揭示的圖。在此，以氧化鈦是金紅石型，氮化鈦是非晶狀為前提。在圖15的範例中，揭示針對各線狀部的高度100nm、寬度30nm的各線狀部，僅以氧化鈦形成各線狀部之狀況、僅以氮化鈦形成各線狀部之狀況、層積高度50nm的氧化鈦層與高度50nm的氮化鈦層來形成各線狀部之狀況中，藉由模擬分析來調查偏光特性如何變化之實驗的結果。間隔寬為共通的100nm。同樣地，模擬分析使用RCWA法，軟體使用DiffractMod(產品名稱)。

如圖15所示，僅由氧化鈦所成之光柵之狀況中，在320nm附近雖然有高消光比的尖峰，但是，在250nm以下，則為100以下的低消光比。此係如果是層積氧化鈦之層與氮化鈦之層的光柵的話，雖然320nm附近 的消光比的尖峰變低，但是，在250nm以下的波長區域中，消光比會改善。即使超過350nm的波長區域也相同。如此，利用將氧化鈦製之各線狀部的一部分置換成氮化鈦，波長區域不同所致之消光比的不均變小，可獲得更均勻之特性的偏光元件。即使在此狀況中，也利用在氧化鈦之層與氮化鈦之層之間設置如前述的阻障層，防止因氧化鈦的光催化作用的影響，氮化鈦氧化。因此，可不損及且獲得被期待的偏光性能。

圖16係作為另其他材料的組合之一例，針對氮化鈦與矽的組合所致之寬頻化進行揭示的圖。在此，氮化鈦及矽為非晶狀。即使在圖16的範例中，也揭示將各線狀部的高度100nm、寬度30nm設為共通，僅以氮化鈦形成各線狀部之狀況、僅以矽形成各線狀部之狀況、層積高度50nm的氮化鈦層與高度50nm的矽層來形成各線狀部之狀況中，藉由模擬分析來調查偏光特性如何變化之實驗的結果。同樣地，間隔寬為共通的100nm，模擬分析使用RCWA法、DiffractMod(產品名稱)。

如圖16所示，僅由氮化鈦所成之光柵之狀況中，在230nm附近雖然有高消光比的尖峰，但是，在比其長的波長區域中，消光比會漸減，在350nm以上的長波長區域中，則為低於10的消光比。由此可知將氮化鈦之層的一部分置換成矽之層的話，雖然230nm附近的消光比的尖峰稍微下降，但是，在超過250nm的波長區域中，消光比會大幅改善。如此，即使於氮化鈦與矽的組合 中，波長區域不同所致之消光比的不均也變小，可獲得更均勻之特性的偏光元件。然後，於此範例中，即使在氮化鈦具有光催化作用之狀況中，也利用在氮化鈦之層與矽之層之間設置如前述的阻障層，防止因氮化鈦的光催化作用的影響，矽氧化。因此，可不損及且獲得被期待的偏光性能。

1‧‧‧透明基板

2‧‧‧光柵

3‧‧‧線狀部

4‧‧‧間隔

31‧‧‧第一層

32‧‧‧第二層

33‧‧‧第三層(阻障層)

t‧‧‧寬度

W‧‧‧寬度

Claims (7)

1. 一種紫外線用吸收型光柵偏光元件，係由對於紫外線透明的透明基板，與設置於透明基板上之條紋狀的光柵所成，光柵是以吸收紫外線即對象波長之光線的材料形成之多數線狀部所成的紫外線用吸收型光柵偏光元件，其特徵為：構成光柵的各線狀部，係具備以吸收第一對象波長之光線的第一材料形成的獲得偏光作用之層即第一層、以吸收第二對象波長之光線的第二材料形成的獲得偏光之層即第二層、及設置於第一層與第二層之間的第三層；第一材料，係介電體或半導體，且具有紫外線照射所致之光催化作用的材料；第二材料，係介電體或半導體，且為可氧化性材料；第三層，係於第一層中藉由第一材料的光催化作用而產生氧化性活性種時，防止因該氧化性活性種而第二層氧化的阻障層。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之紫外線用吸收型光柵偏光元件，其中，前述第一材料是氧化鈦；前述第二材料是矽。
3. 如申請專利範圍第2項所記載之紫外線用吸收型光柵偏光元件，其中，前述第三層，係以氧化矽形成。
4. 如申請專利範圍第3項所記載之紫外線用吸收型光柵偏光元件，其中， 前述第三層的厚度，係2nm以上。
5. 如申請專利範圍第4項所記載之紫外線用吸收型光柵偏光元件，其中，前述第三層的厚度，係比前述第一層及前述第二層薄的30nm以下。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所記載之紫外線用吸收型光柵偏光元件，其中，前述第一層、前述第二層及前述第三層，係沿著光線的傳輸方向層積。
7. 一種光配向裝置，其特徵為：具備光源，與申請專利範圍第1項所記載之紫外線用吸收型光柵偏光元件；光柵偏光元件，係被配置於配置光配向用的膜材的照射區域與光源之間。