WO2011148465A1 - 波長板及び波長板の製造方法 - Google Patents

波長板及び波長板の製造方法 Download PDF

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wave plate
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dielectric material
wavelength
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昭夫 高田
山田　隆俊
伸幸 小池
佐々木　正俊
和幸 渋谷
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ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state

Definitions

  • the present invention relates to a wave plate having a birefringent film formed by oblique vapor deposition and a method of manufacturing the wave plate.
  • the wave plate is mostly made of an inorganic optical single crystal such as quartz or a polymer stretched film.
  • the inorganic optical single crystal is excellent in performance, durability and reliability as a wave plate, but has high raw material costs and processing costs.
  • the polymer stretched film is easily deteriorated by heat and UV rays, and has a difficulty in durability.
  • Non-Patent Document 1 describes a wave plate using structural birefringence, and a wave plate can be produced by transferring a mold having a structure birefringence shape to a resin material by a nanoprint method. Proposed. Specifically, it describes that a substrate is etched by a dry etching method using a resin material as a mask material, and a structural birefringence shape is transferred onto the surface of the substrate.
  • Non-Patent Document 1 since transfer and etching are performed, it is necessary to make a structure with a complicated process and a very high aspect ratio. For this reason, a hard etching technique is required, such as using a resin material capable of obtaining a sufficient selection ratio with respect to the substrate material and improving the perpendicularity of etching. Therefore, this method has difficulty in the productivity of the wave plate.
  • Patent Documents 1 to 3 propose an optical element in which particles are vapor-deposited from an oblique direction with respect to a substrate to form an oblique columnar structure, and has birefringence with respect to light incident perpendicularly to the substrate surface. ing.
  • An oblique deposition film (oblique deposition wavelength plate) having this oblique columnar structure can set an arbitrary phase difference by adjusting the film thickness in principle.
  • it is relatively easy to increase the area, and there is a possibility of cost reduction by mass production.
  • an oblique vapor deposition film having at least two layers is formed by obliquely vapor-depositing a material exhibiting high wavelength dispersion and a material exhibiting low wavelength dispersion in a phase difference, and a wavelength plate in a visible light broadband. It is described to function as.
  • Patent Document 3 describes that a wide operating wavelength is set by an alternating multilayer film of a high refractive index medium layer and a low refractive index medium layer having a periodic uneven shape.
  • the film thickness is increased to obtain a desired amount of birefringence, and it is difficult to reduce the film thickness.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a wave plate capable of increasing the amount of birefringence and making it thin, and a method of manufacturing the wave plate.
  • the present inventors have performed oblique deposition from two directions on a substrate on which convex portions and concave portions are formed with a period equal to or less than the wavelength of the used light, and fine particles of dielectric material are deposited on the substrate surface. It was found that by laminating in the vertical direction, the amount of birefringence can be increased and the film thickness can be reduced.
  • the wave plate according to the present invention includes a substrate on which periodic convex portions and concave portions having a wavelength equal to or less than the wavelength of the utilized light are formed, and the dielectric material fine particles are formed on the substrate by oblique deposition from two directions of the dielectric material.
  • the method of manufacturing a wave plate according to the present invention includes a dielectric material deposited obliquely from two directions on a substrate on which periodic concave portions and convex portions having a wavelength equal to or less than the wavelength of the utilized light are formed, and fine particles of the dielectric material are formed.
  • a birefringent film having a columnar portion that is perpendicular to the substrate surface of the substrate and stacked in a columnar shape on the convex portion, and a gap portion that is located on the concave portion and is provided between the columnar portions is formed. It is characterized by doing.
  • the wavelength plate since the amount of birefringence increases due to the birefringence of fine particles by oblique deposition and the birefringence due to the fine structure of the substrate, the wavelength plate can be made thin.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the shape anisotropy of fine particles of a dielectric material.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main part of the wave plate according to one embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating a configuration example of a substrate.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method of manufacturing a wave plate according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an outline of oblique deposition.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the substrate rotation angle and the birefringence amount ⁇ n.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the incident direction with respect to the one-dimensional lattice substrate.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the shape anisotropy of fine particles of a dielectric material.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main part of the wave plate according to one embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the incident angle and the birefringence amount ⁇ n.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the incident angle with respect to the substrate surface.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the retardation value and the wavelength.
  • 11A to 11C are diagrams for explaining the tilt angle of the substrate.
  • FIG. 12 is a graph showing a comparison of birefringence amounts between a wave plate using a one-dimensional grating substrate and a wave plate using a flat substrate.
  • FIG. 13 is an SEM image of a cross section of a wave plate using a one-dimensional grating substrate.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the number of layers and ⁇ n when the thickness is constant.
  • FIG. 15 is an SEM image of a cross-section of a wave plate on which a 1.0 ⁇ m ⁇ 2 birefringent film is formed.
  • FIG. 16 is an SEM image of a cross section of a wave plate on which a 0.5 ⁇ m ⁇ 4 birefringent film is formed.
  • FIG. 17 is an SEM image of a cross section of a wave plate on which a 0.4 ⁇ m ⁇ 6 birefringent film is formed.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between the number of stacked layers and ⁇ n when a one-dimensional lattice substrate is used.
  • FIG. 19 is an SEM image of a cross section of a wave plate in which a 700 nm ⁇ 1 birefringent film is formed on a one-dimensional lattice substrate.
  • FIG. 20 is an SEM image of a cross section of a wave plate in which a 70 nm ⁇ 10 birefringent film is formed on a one-dimensional lattice substrate.
  • FIG. 21 is an SEM image of a cross section of a wave plate in which a 7 nm ⁇ 100 birefringent film is formed on a one-dimensional lattice substrate.
  • FIG. 22 is a graph showing the relationship between the number of stacked layers and ⁇ n when a flat substrate is used.
  • FIG. 23 is an SEM image of a cross section of a wave plate in which a 700 nm ⁇ 1 birefringent film is formed on a flat substrate.
  • FIG. 24 is an SEM image of a cross section of a wave plate in which a birefringent film of 70 nm ⁇ 10 layers is formed on a flat substrate.
  • FIG. 25 is an SEM image of a cross section of a wave plate in which a 7 nm ⁇ 100 birefringent film is formed on a flat substrate.
  • Waveplate> The wave plate shown as an embodiment of the present invention increases the amount of birefringence by utilizing birefringence of fine particles by oblique deposition and birefringence by a fine structure.
  • the former causes birefringence by causing a difference in refractive index between the major axis direction n1 and the minor axis direction n2 due to the shape anisotropy of the fine particles of the dielectric material.
  • birefringence is manifested by shape anisotropy due to unevenness formed on a dielectric substrate.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main part of the wave plate.
  • the wave plate 1 is formed in a columnar shape on the convex portion 21 by the substrate 2 on which the periodic convex portions 21 and the concave portions 22 having a wavelength equal to or less than the wavelength of the utilized light are formed, and oblique deposition from two directions of the dielectric material,
  • a columnar portion 3 in which fine particles of dielectric material are stacked in a direction perpendicular to the substrate surface of the substrate 2 and a gap portion 4 located on the recess 22 and provided between the columnar portions 3 are provided.
  • the birefringent film 5 is constituted by the columnar portion 3 and the gap portion 4.
  • a transparent substrate such as a glass substrate, a silicon substrate, or a plastic substrate is used, and among them, a quartz glass (SiO 2 ) substrate with little absorption in the visible light region (wavelength range: 380 nm to 780 nm) is preferably used. It is done.
  • a quartz glass (SiO 2 ) substrate with little absorption in the visible light region (wavelength range: 380 nm to 780 nm) is preferably used. It is done.
  • 3A and 3B are a top view and a cross-sectional view showing a configuration example of the substrate 2, respectively.
  • the substrate 2 is formed with convex portions 21 and concave portions 22 with a period (pitch) equal to or less than the wavelength of the utilized light in the x-axis direction when the xy plane in the x, y, z orthogonal coordinates is the substrate surface. That is, the substrate 2 is formed with a one-dimensional lattice (grid) in which a difference in refractive index occurs between the major axis direction n1 and the minor axis direction n2 due to the path difference of the concavo-convex structure.
  • grid one-dimensional lattice
  • the columnar portion 3 is formed of fine particles stacked by oblique deposition of a dielectric material.
  • a dielectric material a high refractive material containing Ta 2 O 5 , TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , Nb 2 O 5 , MaF 2 or the like is used, and among them, the refractive index is 2.25.
  • a highly refractive material containing Ta 2 O 5 is preferably used.
  • the columnar portion 3 is obtained by obliquely depositing a dielectric material from two directions different by 180 ° on the xy plane when the xy plane in the x, y, z orthogonal coordinates is the substrate surface.
  • This oblique vapor deposition is performed alternately from two directions different by 180 ° at a vapor deposition angle of, for example, 60 ° to 80 ° with respect to the z-axis, and forms a layer of fine particles in the z-axis direction.
  • the thickness of each layer in the columnar portion 3 is preferably 50 nm or less, and more preferably 10 nm or less.
  • the thickness of each layer in the columnar portion 3 is preferably 50 nm or less, and more preferably 10 nm or less.
  • the gap portion 4 is an air layer provided between the columnar portions 3.
  • the gap 4 is formed by a so-called self-shadowing effect, in which the dielectric material particles come from an oblique direction, so that the dielectric material cannot be adhered directly.
  • the dielectric material in which the columnar portion 3 is formed on the convex portion 21 of the substrate 2 in the direction perpendicular to the substrate surface and the gap portion 4 is formed on the concave portion 22 of the substrate 2, the dielectric material
  • the amount of birefringence can be increased by the birefringence due to the fine particles and the birefringence due to the unevenness of the substrate 2.
  • the wave plate 1 having a birefringence amount of 0.13 or more in the visible light region can be obtained.
  • an eight-layer birefringent film is formed by performing four cycles of oblique vapor deposition, but the present invention is not limited to this. Several hundred layers of birefringent films may be formed. Further, an antireflection film (AR: Anti Reflection) may be provided on both surfaces or one surface of the wave plate 1.
  • AR Anti Reflection
  • Waveplate manufacturing method> Next, a method for manufacturing a wave plate will be described.
  • symbol is attached
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of a method of manufacturing a wave plate.
  • step S ⁇ b> 1 a pattern of periodic convex portions 21 and concave portions 22 that are equal to or less than the wavelength of the utilized light is formed on the substrate 2.
  • the convex portion 21 and the concave portion 22 are formed in the x-axis direction with a period (pitch) equal to or less than the wavelength of the utilized light. That is, the substrate 2 is formed with a one-dimensional lattice (grid) in which a path difference is generated due to unevenness.
  • grid one-dimensional lattice
  • a transparent substrate such as a glass substrate, a silicon substrate, or a plastic substrate is used, and among them, a quartz glass (SiO 2 ) substrate with little absorption in the visible light region (wavelength range: 380 nm to 780 nm) is preferably used. It is done. Alternatively, a substrate having an antireflection film formed on one side may be used.
  • a pattern formation method for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method can be used. SiO 2 is deposited, a photoresist pitch pattern is formed by photolithography, and CF 4 is used as a reactive gas. A SiO 2 lattice pattern is formed by vacuum etching.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a dielectric material is obliquely vapor-deposited from two directions on the substrate 2 on which the periodic convex portions 21 and concave portions 22 having a wavelength equal to or less than the wavelength of the utilized light are formed.
  • a high refractive material containing Ta 2 O 5 , TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , Nb 2 O 5 , MaF 2 or the like is used, and among them, the refractive index is 2.25.
  • a highly refractive material containing Ta 2 O 5 is preferably used.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an outline of oblique deposition.
  • the oblique vapor deposition is performed by setting the vapor deposition source 6 in the direction of the vapor deposition angle ⁇ with respect to the normal direction of the substrate 2 surface, and the birefringence amount of the deposited film is controlled by changing the vapor deposition angle ⁇ .
  • the amount of birefringence can be increased by setting the deposition angle to 60 ° to 80 °.
  • the dielectric material can be increased in birefringence by being deposited from a direction perpendicular to the lines of the periodic convex portions 21 and concave portions 22 on the substrate 2, that is, the lines of the one-dimensional lattice.
  • the dielectric material is obliquely vapor-deposited from two directions different from each other by 180 ° on the xy plane when the xy plane in the x, y, z orthogonal coordinates is the substrate surface.
  • a multilayer film deposited from two directions can be obtained by performing a plurality of deposition cycles in which oblique deposition is performed from one direction and then the substrate 2 is rotated 180 ° to perform oblique deposition from the other direction. .
  • each layer being 50 nm or less, more preferably 10 nm or less, a columnar shape extending straight in the z-axis direction can be obtained, and the amount of birefringence can be increased. .
  • step S3 an AR film is formed on the birefringent film.
  • the AR film a multilayer thin film composed of a generally used high refractive film and low refractive film can be used.
  • step S4 the wave plate is cut into a desired size.
  • a cutting device such as a glass scraper is used.
  • the columnar portions stacked in a columnar shape on the convex portions 21 by oblique vapor deposition, and the columnar portions positioned on the concave portions.
  • the amount of birefringence can be increased by birefringence due to the fine particles of the dielectric material and birefringence due to the unevenness of the substrate 2.
  • a one-dimensional grating is used.
  • a random pattern or a pattern forming method using a block copolymer described in Non-Patent Document 1 that is, on a glass substrate.
  • a SiO 2 film is formed, a pattern is formed with a block copolymer, and a block collimator pattern is transferred to the SiO 2 .
  • a pattern may be directly formed on the glass without forming SiO 2 .
  • a glass (SiO 2 ) substrate was used as the substrate, and SiO 2 was deposited to a thickness of 100 nm by CVD on this substrate, and a photoresist pitch pattern was formed by photolithography. Then, a one-dimensional lattice pattern having a pitch of 150 nm and a depth of 50 nm was formed by vacuum etching using CF 4 as a reactive gas.
  • a substrate on which a one-dimensional lattice pattern is formed hereinafter also referred to as a one-dimensional lattice substrate
  • a one-dimensional lattice substrate a substrate on which a one-dimensional lattice pattern is formed
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the substrate rotation angle and the birefringence amount ⁇ n.
  • the oblique vapor deposition is a single-layer composite in which the incident angles are 3 °, 23 °, and 43 ° when the incident angle perpendicular to the line of the one-dimensional lattice (grid) is 0 °.
  • a refractive film was formed.
  • Ta 2 O 5 was used as the dielectric material.
  • the deposition angle with respect to the normal direction of the substrate surface was 70 °.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the incident angle and the birefringence amount ⁇ n.
  • the incident angle perpendicular to the grid line was 3 °.
  • Ta 2 O 5 was used as the dielectric material, and the thickness of the birefringent film was 356 nm.
  • the birefringence amount can be increased by setting the vapor deposition angle to the normal direction of the substrate surface to 60 ° to 80 °.
  • the oblique deposition of Ta 2 O 5 can increase the amount of birefringence by setting the deposition angle in the direction perpendicular to the line of the one-dimensional lattice and the normal direction of the substrate surface to 60 ° to 80 °. I found it possible.
  • the wavelength dependence of the birefringent film by oblique deposition was evaluated.
  • a single layer birefringent film was formed with a deposition angle of 70 ° perpendicular to the line of the one-dimensional lattice and the normal direction of the substrate surface.
  • Ta 2 O 5 was used as the dielectric material, and the thickness of the birefringent film was 1.2 ⁇ m.
  • ⁇ n ⁇ d / ⁇ when functioning as a ⁇ / 4 wavelength plate for a wavelength of 550 nm, ⁇ n ⁇ d / ⁇ may be 0.25, and the tilt angle may be 0 °.
  • FIG. 12 is a graph showing a comparison of birefringence amounts between a wave plate using a one-dimensional grating substrate and a wave plate using a flat substrate.
  • FIG. 13 is an SEM (Scanning Electron Microscope) image of a cross section of a wave plate using a one-dimensional grating substrate.
  • the wavelength plate using the one-dimensional grating substrate has a birefringence amount of 2.8 times that of the oblique deposition using the conventional flat substrate. This is thought to be due to the effect of structural birefringence added by forming a gap between the lattices by forming a film on a one-dimensional lattice substrate.
  • the wave plate using the one-dimensional grating substrate it is possible to make the film thinner than the conventional one in order to obtain the desired phase characteristics.
  • the thinning brings about many merits such as speeding up and efficiency of the production process and suppression of material costs used for film formation.
  • Ta 2 O 5 was obliquely deposited from two directions to form a birefringent film composed of a plurality of layers on a one-dimensional lattice substrate.
  • the oblique deposition was performed from two directions in which the deposition angle was 70 ° with respect to the direction normal to the line of the one-dimensional lattice and the normal direction of the substrate surface. Specifically, after vapor deposition was performed from one direction, the substrate was rotated 180 ° to perform multiple vapor deposition cycles from the other direction, thereby forming a birefringent film composed of a plurality of layers.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the number of layers and ⁇ n when the thickness is constant.
  • FIGS. 15 to 17 are SEM images of cross sections of wave plates on which birefringent films of 1.0 ⁇ m ⁇ 2 layers, 0.5 ⁇ m ⁇ 4 layers, and 0.4 ⁇ m ⁇ 6 layers are formed, respectively.
  • the number of stacked layers was further increased, and the wavelength dependency was evaluated when a one-dimensional lattice substrate was used and when a flat substrate was used.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between the number of stacked layers and ⁇ n when a one-dimensional lattice substrate is used.
  • FIGS. 19 to 21 are SEM images of cross sections of wave plates in which birefringent films of 700 nm ⁇ 1 layer, 70 nm ⁇ 10 layer, and 7 nm ⁇ 100 layer are formed on a one-dimensional lattice substrate, respectively.
  • FIG. 22 is a graph showing the relationship between the number of stacked layers and ⁇ n when a flat substrate is used.
  • FIGS. 23 to 25 are SEM images of cross sections of wave plates in which birefringent films of 700 nm ⁇ 1 layer, 70 nm ⁇ 10 layer, and 7 nm ⁇ 100 layer are formed on a flat substrate, respectively.
  • the birefringent film made of a plurality of layers on the primary lattice substrate is more effective than the birefringent film made of a plurality of layers on the flat substrate.
  • wavelength dependency (wavelength dispersion) can be improved by alternately depositing obliquely from two directions to form a plurality of layers.
  • Ta 2 O 5 is perpendicular to the substrate surface and is stacked in a columnar shape on the convex portion. Because. That is, by reducing the thickness of each layer, a straight columnar shape can be obtained. Therefore, the thickness of each layer is preferably 50 nm or less, and more preferably 10 nm or less. As a result, the wavelength dependency can be improved and the amount of birefringence can be increased, and the wave plate can be made thinner.
  • the optical unit can be miniaturized because it can cope with a high light density.

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Abstract

　本発明は、複屈折量を増大させ、薄膜化することが可能な波長板及び波長板の製造方法を提供する。利用光の波長以下の周期的な凸部（２１）及び凹部（２２）が形成された基板（２）と、誘電体材料の２方向からの斜め蒸着により誘電体材料の微粒子が基板（２）の基板面に対して垂直方向であって、凸部（２１）上に柱状に積層された柱状部（３）と、凹部（２２）上に位置し、柱状部（３）間に設けられた間隙部（４）とを備える。誘電体材料の微粒子による複屈折と基板の凹凸による複屈折を利用することにより、複屈折量を増大させ、薄膜化することが可能となる。

Description

波長板及び波長板の製造方法
　本発明は、斜め蒸着によって形成された複屈折膜を有する波長板及び波長板の製造方法に関する。
　従来、波長板は、水晶などの無機光学単結晶や高分子延伸フィルムにより作られていることがほとんどであった。しかし、無機光学単結晶は、波長板として、性能、耐久性、信頼性に優れるものの、原材料費、加工コストが高い。また、高分子延伸フィルムは、熱やＵＶ光線に対して劣化し易く、耐久性に難がある。
　非特許文献１には、構造複屈折を利用した波長板について述べられており、構造複屈折の形状を有する金型をナノプリント法により樹脂材に転写することにより、波長板を作製することが提案されている。具体的には、樹脂材をマスク材としてドライエッチング法で基板をエッチングし、基板表面上に構造複屈折形状を転写することが記載されている。
　しかしながら、この非特許文献１に記載の技術では、転写とエッチングを行うため、プロセスが複雑になり、且つ非常にアスペクト比の高い構造体を作る必要がある。このため、基板材に対して十分な選択比を得られる樹脂材を使うこと、エッチングの垂直性を高めることなど、硬度なエッチング技術が要求される。よって、この方法は、波長板の生産性に難がある。
　また、特許文献１～３には、基板に対して斜め方向から粒子を蒸着し、斜め柱状構造を形成し、基板面に垂直に入射する光線に対して複屈折性を有する光学素子が提案されている。この斜め柱状構造を持つ斜方蒸着膜（斜方蒸着波長板）は、原理的に膜厚を調製することによって任意の位相差を設定できる。また、大面積化が比較的容易であり、大量生産により低コスト化の可能性がある。
　特に、特許文献１には、位相差において高波長分散を示す材料と低波長分散を示す材料とを斜め蒸着した、少なくとも２層からなる斜方蒸着膜を形成し、可視光線の広帯域において波長板として機能させることが記載されている。また、特許文献３には、周期的な凹凸形状を有する高屈折率媒質層と低屈折率媒質層との交互多層膜により、広い動作波長を設定することが記載されている。
　しかしながら、上述したような従来の斜方蒸着膜では、所望の複屈折量を得るのに膜厚が厚くなってしまい、薄膜化することは困難であった。
特開平１１－２３８４０号公報 特開平１１－２５０４８３号公報 ＷＯ２００４／１１３９７４号公報
O.Masuda, H.Miyakoshi, M.Saito, M.Yamada, M.Yamada, KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5, 101-106 (2008)
　本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、複屈折量を増大させ、薄膜化することが可能な波長板及び波長板の製造方法を提供すること目的とする。
　本発明者らは、種々の検討を重ねた結果、利用光の波長以下の周期で凸部及び凹部が形成された基板上に２方向から斜め蒸着し、誘電体材料の微粒子を基板面に対して垂直方向に積層することにより、複屈折量を増大させ、薄膜化可能であることを見出した。
　すなわち、本発明に係る波長板は、利用光の波長以下の周期的な凸部及び凹部が形成された基板と、誘電体材料の２方向からの斜め蒸着により誘電体材料の微粒子が基板の基板面に対して垂直方向であって、凸部上に柱状に積層された柱状部と、凹部上に位置し、柱状部間に設けられた間隙部とを備えることを特徴とする。
　また、本発明に係る波長板の製造方法は、利用光の波長以下の周期的な凹部及び凸部が形成された基板上に誘電体材料を２方向から斜め蒸着し、誘電体材料の微粒子が基板の基板面に対して垂直方向であって、凸部上に柱状に積層された柱状部と、凹部上に位置し、柱状部間に設けられた間隙部とを有する複屈折膜を成膜することを特徴とする。
　本発明によれば、斜め蒸着による微粒子の複屈折と基板の微細構造による複屈折により、複屈折量が増大するため、波長板を薄膜化することができる。
図１は、誘電体材料の微粒子の形状異方性を説明するための図である。 図２は、本発明の一実施の形態における波長板の要部を示す断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、基板の構成例を示す図である。 図４は、本発明の一実施の形態における波長板の製造方法を示すフローチャートである。 図５は、斜め蒸着の概要を説明するための図である。 図６は、基板回転角と複屈折量△ｎの関係を示すグラフである。 図７は、一次元格子基板に対する入射方向を説明するための図である。 図８は、入射角と複屈折量△ｎの関係を示すグラフである。 図９は、基板面に対する入射角を説明するための図である。 図１０は、リタデーション値と波長の関係を示すグラフである。 図１１Ａ乃至図１１Ｃは、基板のあおり角を説明するための図である。 図１２は、一次元格子基板を用いた波長板と平坦基板を用いた波長板との複屈折量の比較を示すグラフである。 図１３は、一次元格子基板を用いた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図１４は、厚みを一定としたときの積層数と△ｎの関係を示すグラフである。 図１５は、１．０μｍ×２層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図１６は、０．５μｍ×４層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図１７は、０．４μｍ×６層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図１８は、一次元格子基板を用いた場合の積層数と△ｎの関係を示すグラフである。 図１９は、一次元格子基板上に７００ｎｍ×１層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図２０は、一次元格子基板上に７０ｎｍ×１０層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図２１は、一次元格子基板上に７ｎｍ×１００層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図２２は、平坦基板を用いた場合の積層数と△ｎの関係を示すグラフである。 図２３は、平坦基板上に７００ｎｍ×１層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図２４は、平坦基板上に７０ｎｍ×１０層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。 図２５は、平坦基板上に７ｎｍ×１００層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．波長板
２．波長板の製造方法
３．実施例
＜１．波長板＞
　本発明の一実施の形態として示す波長板は、斜め蒸着による微粒子の複屈折と、微細構造による複屈折とを利用し、複屈折量を増大させるものである。前者は、図１に示すように誘電体材料の微粒子の形状異方性によって、長軸方向ｎ１と短軸方向ｎ２とで屈折率に差が生じることにより、複屈折を発現させるものである。また、後者は、例えば、誘電体の基板上に形成された凹凸による形状異方性によって、複屈折を発現させるものである。
　図２は、波長板の要部を示す断面図である。この波長板１は、利用光の波長以下の周期的な凸部２１及び凹部２２が形成された基板２と、誘電体材料の２方向からの斜め蒸着により凸部２１上に柱状に形成され、誘電体材料の微粒子が基板２の基板面に対して垂直方向に積層された柱状部３と、凹部２２上に位置し、柱状部３間に設けられた間隙部４とを備える。また、柱状部３及び間隙部４により複屈折膜５を構成している。
　基板２としては、ガラス基板、シリコン基板、プラスチック基板などの透明基板が用いられ、その中でも、可視光領域（波長範囲：３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）の吸収が少ない石英ガラス（ＳｉＯ２）基板が好適に用いられる。
　図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ基板２の構成例を示す上面図及び断面図である。この基板２には、ｘ、ｙ、ｚ直交座標におけるｘｙ平面を基板面としたとき、ｘ軸方向に利用光の波長以下の周期（ピッチ）で凸部２１及び凹部２２が形成されている。すなわち、基板２には、凹凸構造の行路差により長軸方向ｎ１と短軸方向ｎ２とで屈折率に差が生じる一次元格子（グリッド）が形成されている。
　図２に戻って、柱状部３は、誘電体材料の斜め蒸着によって積層された微粒子から形成されている。誘電体材料としては、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＭａＦ２などを含有する高屈折材料が用いられ、その中でも、屈折率が２．２５のＴａ２Ｏ５を含有する高屈折材料が好適に用いられる。
　柱状部３は、ｘ、ｙ、ｚ直交座標におけるｘｙ平面を基板面としたとき、ｘｙ平面において１８０°異なる２方向から誘電体材料を斜め蒸着させることにより得られる。この斜め蒸着は、１８０°異なる２方向から交互にｚ軸に対して例えば６０°～８０°の蒸着角度で行われ、ｚ軸方向に微粒子の層を形成する。
　ここで、柱状部３における各層の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以下である。このように各層の厚さを薄くすることにより、ｚ軸方向に真っ直ぐに伸びた柱状形状を得ることができ、複屈折量を増大させることができる。
　間隙部４は、柱状部３間に設けられた空気層である。この間隙部４は、誘電体材料の微粒子が斜め方向から飛来してくために誘電体材料が直接付着できない陰ができる、いわゆるセルフ・シャドーイング効果によって形成されたものである。
　このように基板２の凸部２１上に柱状部３が基板面に対して垂直方向に形成され、基板２の凹部２２上に間隙部４が形成された波長板１によれば、誘電体材料の微粒子による複屈折と基板２の凹凸による複屈折により、複屈折量を増大させることができる。また、誘電体材料としてＴａ２Ｏ５を含有する高屈折材料を用いることにより、可視光領域における複屈折量が、０．１３以上である波長板１を得ることができる。また、可視光領域の任意の２波長における複屈折量の差が、０．０２以下である優れた波長分散性（波長依存性）を有する波長板１を得ることができる。
　なお、図２に示す波長板１の構成例は、説明を簡単にするため、斜め蒸着を４サイクル行うことにより８層の複屈折膜を形成させたものであるが、これに限られることなく、数百層の複屈折膜を形成させてもよい。また、また、波長板１の両面又は片面に反射防止膜（ＡＲ：Anti Reflection）を設けてもよい。
＜２．波長板の製造方法＞
　次に、波長板の製造方法について説明する。なお、図２に示す波長板及び図３に示す基板と同様な構成については、同一符号を付し、ここでは説明を省略する。
　図４は、波長板の製造方法の一例を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１において、基板２上に利用光の波長以下の周期的な凸部２１及び凹部２２のパターンを形成する。具体的には、ｘ、ｙ、ｚ直交座標におけるｘｙ平面を基板面としたとき、ｘ軸方向に利用光の波長以下の周期（ピッチ）で凸部２１及び凹部２２が形成されている。すなわち、基板２には、凹凸により行路差が生じる一次元格子（グリッド）が形成されている。
　基板２としては、ガラス基板、シリコン基板、プラスチック基板などの透明基板が用いられ、その中でも、可視光領域（波長範囲：３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）の吸収が少ない石英ガラス（ＳｉＯ２）基板が好適に用いられる。また、片面に反射防止膜が成膜された基板を用いても構わない。
　パターンの形成方法としては、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることが可能であり、ＳｉＯ２を堆積し、フォトリソグラフィにより、フォトレジストピッチパターンを形成し、ＣＦ４を反応性ガスとして用いた真空エッチングにより、ＳｉＯ２格子パターンを形成する。
　ステップＳ２では、利用光の波長以下の周期的な凸部２１及び凹部２２が形成された基板２上に誘電体材料を２方向から斜め蒸着する。誘電体材料としては、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＭａＦ２などを含有する高屈折材料が用いられ、その中でも、屈折率が２．２５のＴａ２Ｏ５を含有する高屈折材料が好適に用いられる。
　図５は、斜め蒸着の概要を説明するための図である。斜め蒸着は、基板２面の法線方向に対して蒸着角度αの方向に蒸着源６を設置して行われ、蒸着角度αを変更することにより堆積される膜の複屈折量を制御する。例えば、誘電体材料としてＴａ２Ｏ５を含有する高屈折材料を用いた場合、蒸着角度を６０°～８０°に設定することにより、複屈折量を増大させることができる。
　また、誘電体材料は、基板２上の周期的な凸部２１及び凹部２２のライン、すなわち一次元格子のラインに対して垂直方向から蒸着させることにより、複屈折量を増大させることができる。
　また、複数層の蒸着の際は、ｘ、ｙ、ｚ直交座標におけるｘｙ平面を基板面としたとき、ｘｙ平面において１８０°異なる２方向から誘電体材料を斜め蒸着させる。例えば、一方の方向から斜め蒸着させた後、基板２を１８０°回転させることにより他方の方向から斜め蒸着させる蒸着サイクルを複数回行うことにより、２方向から蒸着された多層膜を得ることができる。
　さらに、各層の厚さを５０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下として蒸着サイクルを複数回行うことにより、ｚ軸方向に真っ直ぐに伸びた柱状形状を得ることができ、複屈折量を増大させることができる。
　ステップＳ３では、複屈折膜上にＡＲ膜を成膜する。ＡＲ膜は、一般的に用いられる高屈折膜と低屈折膜とからなる多層薄膜を用いることができる。
　ステップＳ４では、波長板を所望の大きさに切断する。切断には、ガラススクライパーなどの切断装置を用いる。
　このように利用光の波長以下の周期的な凸部２１及び凹部２２が形成された基板を用い、斜め蒸着により凸部２１上に柱状に積層された柱状部と、凹部上に位置し、柱状部間に設けられた間隙部とを有する複屈折膜を成膜することにより、誘電体材料の微粒子による複屈折と基板２の凹凸による複屈折により、複屈折量を増大させることができる。
　なお、上述した例では、一次元格子を用いたが、利用光の波長以下であれば、ランダムパターンや、非特許文献１に記載のブロックコポリマーを用いたパターン形成方式、すなわち、ガラス基板上に上記と同様にＳｉＯ２を成膜し、ブロックコポリマーによりパターン形成を行い、ＳｉＯ２にブロックコリマーのパターンを転写する。また、ＳｉＯ２を成膜しないで、ガラス上に直接パターン形成しても構わない。
＜３．実施例＞
　以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　基板としてガラス（ＳｉＯ２）基板を用い、この基板上にＣＶＤ法でＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィにより、フォトレジストピッチパターンを形成した。そして、ＣＦ４を反応性ガスに用いた真空エッチングにより、ピッチ１５０ｎｍ、深さ５０ｎｍの一次元格子のパターンを形成した。
　以下、一次元格子のパターンが形成された基板（以下、一次元格子基板とも呼ぶ。）を用い、斜め蒸着の蒸着条件、波長依存性、微細パターンの効果、及び複数層からなる複屈折膜について評価した。
〔蒸着条件〕
　図６は、基板回転角と複屈折量△ｎの関係を示すグラフである。斜め蒸着は、図７に示すように一次元格子（グリッド）のラインに垂直な入射角度を０°としたとき、入射角度が３°、２３°、及び４３°の場合について１層のみの複屈折膜を形成した。誘電体材料としてはＴａ２Ｏ５を用いた。また、基板面の法線方向に対する蒸着角度を７０°とした。
　図６から分かるように、基板上の一次元格子のラインに対して垂直方向から蒸着させることにより、複屈折量を増大させることが可能である。
　図８は、入射角と複屈折量△ｎの関係を示すグラフである。斜め蒸着は、図９に示すように基板面の法線方向に対する蒸着角度を６０°、７０°、及び８０°として１層のみの複屈折膜を形成した。また、グリッドラインに垂直な入射角度を３°とした。誘電体材料としてはＴａ２Ｏ５を用い、複屈折膜の膜厚を３５６ｎｍとした。
　図８に示す結果より、基板面の法線方向に対する蒸着角度を６０°～８０°とすることにより、複屈折量を増大させることが可能であることが分かった。
　すなわち、Ｔａ２Ｏ５の斜め蒸着は、一次元格子のラインと垂直方向、且つ、基板面の法線方向に対する蒸着角度を６０°～８０°とすることにより、複屈折量を増大させることが可能であることが分かった。
〔波長依存性〕
　次に、斜め蒸着による複屈折膜の波長依存性について評価した。斜め蒸着は、一次元格子のラインと垂直方向、且つ、基板面の法線方向に対する蒸着角度を７０°とし、１層のみの複屈折膜を形成した。誘電体材料としてＴａ２Ｏ５を用い、複屈折膜の膜厚を１．２μｍとした。
　図１０は、リタデーション値と波長の関係を示すグラフである。図１１Ａ～図１１Ｃに示すように基板のあおり角を制御し、リタデーション（Ｒｅ：Retardation）を測定した。
　Ｒｅ＝△ｎ・ｄ（△ｎ：複屈折量、ｄ：膜厚）
　図１０に示す結果より、波長依存性についてはあおり角によって制御可能であることが分かった。例えば、波長５５０ｎｍに対してλ／４波長板として機能させる場合、△ｎ・ｄ／λが０．２５となればよいため、あおり角を０°とすればよい。
〔微細パターンの効果〕
　次に、基板上に形成される微細パターンの効果について評価した。斜め蒸着は、一次元格子のラインと垂直方向、且つ、基板面の法線方向に対する蒸着角度を７０°とし、１層のみの複屈折膜を形成した。誘電体材料としてＴａ２Ｏ５を用い、複屈折膜の膜厚を１．２μｍとした。また、これと同様にして、パターンが形成されていない平坦な基板（以下、平坦基板ともいう。）を用い、この平坦基板上に複屈折膜を形成した。
　図１２は、一次元格子基板を用いた波長板と平坦基板を用いた波長板との複屈折量の比較を示すグラフである。また、図１３は、一次元格子基板を用いた波長板の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像である。
　一次元格子基板を用いた波長板は、従来の平坦基板を用いた斜め蒸着に比べ複屈折量が２．８倍となった。これは、一次元格子基板上に成膜することにより、格子間に間隔ができ、構造複屈折の効果が加味されたものと考えられる。
　このように一次元格子基板を用いた波長板によれば、所望の位相特性を得るのに従来よりも薄膜化することができる。また、薄膜化により、生産工程の高速化及び効率化、成膜に使用する材料費の抑制など、多くのメリットが生じる。
〔複数層からなる複屈折膜〕
　次に、Ｔａ２Ｏ５を２方向から斜め蒸着し、一次元格子基板上に複数層からなる複屈折膜を形成させた。斜め蒸着は、一次元格子のラインと垂直方向、且つ、基板面の法線方向に対する蒸着角度を７０°とした２方向から行った。具体的には、一方の方向から斜め蒸着させた後、基板を１８０°回転させることにより他方の方向から斜め蒸着させる蒸着サイクルを複数回行い、複数層からなる複屈折膜を形成させた。
　図１４は、厚みを一定としたときの積層数と△ｎの関係を示すグラフである。また、図１５～図１７は、それぞれ１．０μｍ×２層、０．５μｍ×４層、及び０．４μｍ×６層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。
　図１４に示す結果より、複屈折膜の積層数を増やすことにより、波長依存性が向上することが分かった。
　そこで、さらに積層数を増やし、一次元格子基板を用いた場合と平坦基板を用いた場合について波長依存性について評価した。
　図１８は、一次元格子基板を用いた場合の積層数と△ｎの関係を示すグラフである。また、図１９～図２１は、一次元格子基板上にそれぞれ７００ｎｍ×１層、７０ｎｍ×１０層、及び７ｎｍ×１００層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。
　一方、図２２は、平坦基板を用いた場合の積層数と△ｎの関係を示すグラフである。また、図２３～図２５は、平坦基板上にそれぞれ７００ｎｍ×１層、７０ｎｍ×１０層、及び７ｎｍ×１００層の複屈折膜を形成させた波長板の断面のＳＥＭ像である。
　図１８に示すグラフと図２２に示すグラフとを比較すれば分かるように、一次格子基板上に複数層からなる複屈折膜を設けた方が、平坦基板上に複数層からなる複屈折膜よりも複屈折量が大きい。これは、誘電体材料の微粒子による複屈折と基板の凹凸による複屈折によるものである。
　また、図１８に示す結果より、２方向から交互に斜め蒸着し、複数層を形成することにより、波長依存性（波長分散）を向上させることができることが分かった。これは、図２３～図２５に示す波長板の断面のＳＥＭ像を見れば分かるように、Ｔａ２Ｏ５が基板面に対して垂直方向であって、凸部上に柱状に積層されているためである。すなわち、各層の厚さを薄くすることにより、真っ直ぐに伸びた柱状形状を得ることができるため、各層の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以下である。これにより、波長依存性を向上させるとともに複屈折量を増大させることができ、波長板を薄型化することができる。さらに、図１８に示す結果より、誘電体材料としてＴａ２Ｏ５を含有する高屈折材料を用いることにより、可視光領域における複屈折量が、０．１３以上である波長板を得ることができることが分かった。特に、各層の厚さを１０ｎｍ以下とした７ｎｍ×１００層の複屈折膜によれば、可視光領域の任意の２波長における複屈折量の差が、０．０２以下である優れた波長分散性（波長依存性）を得ることができることが分かった。
　誘電体材料の微粒子による複屈折と基板の凹凸による複屈折を組み合わせることにより、従来よりも高性能且つ安価な高耐熱性を有する波長板を供給することができる。特に、液晶プロジェクタに用いた場合、高い光密度に対応することができるため、光学ユニット部の小型化も実現することができる。
　１　波長板、　２　基板、　３　柱状部、　４　間隙部、　５　複屈折膜、　６　蒸着源、　２１　凸部、　２２　凹部

Claims (8)

  1. 　利用光の波長以下の周期的な凸部及び凹部が形成された基板と、
    　誘電体材料の２方向からの斜め蒸着により前記誘電体材料の微粒子が前記基板の基板面に対して垂直方向であって、前記凸部上に柱状に積層された柱状部と、
    　前記凹部上に位置し、前記柱状部間に設けられた間隙部と
    　を備える波長板。
  2. 　前記柱状部における各層の厚さが、５０ｎｍ以下である請求項１記載の波長板。
  3. 　前記誘電体材料は、Ｔａ２Ｏ５を含有し、
    　可視光領域における複屈折量が、０．１３以上である請求項１又は２記載の波長板。
  4. 　可視光領域の任意の２波長における複屈折量の差が、０．０２以下である請求項１乃至３にいずれかに記載の波長板。
  5. 　利用光の波長以下の周期的な凹部及び凸部が形成された基板上に誘電体材料を２方向から斜め蒸着し、
    　前記誘電体材料の微粒子が前記基板の基板面に対して垂直方向であって、前記凸部上に柱状に積層された柱状部と、前記凹部上に位置し、前記柱状部間に設けられた間隙部とを有する複屈折膜を成膜する波長板の製造方法。
  6. 　前記柱状部における各層の厚さを、５０ｎｍ以下とする請求項５記載の波長板の製造方法。
  7. 　前記誘電体材料は、Ｔａ２Ｏ５を含有する請求項５又は６記載の波長板の製造方法。
  8. 　前記２方向からの斜め蒸着は、前記周期的な凸部及び凹部のラインと垂直方向、且つ、基板面の法線方向に対する蒸着角度を６０°～８０°とする請求項５乃至７にいずれかに記載の波長板の製造方法。
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