栅偏振元件、光取向装置、偏振方法及栅偏振元件制造方法

栅偏振元件、光取向装置、偏振方法及栅偏振元件制造方法
【专利摘要】本发明提供一种偏振元件、光取向装置、偏振方法及栅偏振元件制造方法，所述偏振元件，能够将从可见短波长区域至紫外区的偏振光向某种程度的大区域照射，在消光比和透过率等基本性能方面具有优良的特性。设置于透明基板1上的条纹状的栅格(2)由非晶硅形成，在使用波长中折射率实数部n比衰减系数k大。设构成栅格(2)的各线状部(21)与一侧的相邻的线状部的距离为t、与另一侧的相邻的线状部的距离为T时，栅格(2)周期性地具有实质上t＜T的部分。设各线状部(21)的宽度的平均值为w时，在t＜T的部分处于t/T＞0.0159w+0.3735的关系。
【专利说明】栅偏振元件、光取向装置、偏振方法及栅偏振元件制造方法

【技术领域】
[0001]本申请的发明涉及使用栅偏振元件的偏振技术。

【背景技术】
[0002]获得偏振光的偏振元件，已知有偏振滤光片、偏振膜等各种光学元件，例如偏振太阳镜这样的随身物品，在液晶显示器等显示器件中也广泛采用。偏振元件根据取出偏振光的方式而分为几种，其中一个为线栅偏振元件。
[0003]线栅偏振元件采用了在透明基板上设置由金属(导电体)构成的微细的条纹状栅格的构造。通过使栅格的间隔小于要偏振的光的波长，从而作为偏振器发挥作用。在直线偏振光之中，对于在栅格的长度方向具有电场成分的偏振光来说，与平板金属等效，所以产生反射，另一方面，对于在与长度方向垂直的方向具有电场成分的偏振光来说，与只有透明基板的情况等效，所以穿透透明基板而射出。因此，从偏振器只射出与栅格的长度方向垂直的方向的直线偏振光。通过控制偏振元件的姿势而使栅格的长度方向朝向期望方向，能够得到偏振光的轴(电场成分的方向)朝向期望方向的偏振光。
[0004]下面，为了便于说明，将在栅格的长度方向具有电场成分的直线偏振光称为s偏振光，将在与长度方向垂直的方向具有电场成分的直线偏振光称为P偏振光。通常，将电场与入射面(与反射面垂直且包含入射光线和反射光线的面)垂直的波称为s波，将平行的波称为P波，以栅格的长度方向与入射面平行为前提来进行区别。
[0005]表示这种偏振元件的性能的基本指标是消光比ER和透过率TR。消光比ER是透过了偏振元件的偏振光的强度之中的、P偏振光的强度(Ip)相对于S偏振光的强度(Is)之比(Ip/Is)。另外，透过率TR通常是射出的p偏振光的能量与入射的s偏振光和p偏振光的全部能量之比(TR = Ip/(Is+Ip))。在理想的偏振元件中，消光比ER =c?、透过率TR =50%。
[0006]专利文献1:日本特开2011-8172号公报
[0007]发明的概要
[0008]发明要解决的课题
[0009]对于光的利用，以显示器技术为代表，利用可见区的光的情况很多，但是在光通信等领域中利用红外区的光。另一方面，将光作为能量利用的情况也很多，在该情况下大多利用紫外区的光。例如，可以举出光刻蚀中的抗蚀剂的曝光(感光处理)、紫外线固化型树脂的固化处理等。因此，在偏振光的利用中，将偏振光作为能量利用的情况下，需要紫外区的波长的偏振光。
[0010]示出更具体的一个例子，在液晶显示器的制造工艺中，近年来采用被称为光取向的技术。该技术是通过光照射而在液晶显示器上得到需要的取向膜的技术。向聚酰亚胺这样的树脂制的膜照射紫外区的偏振光时，膜中的分子在偏振光的方向上排列，得到取向膜。与被称为研磨(rubbing)的机械取向处理相比，能够得到高性能的取向膜，所以作为高画质的液晶显示器的制造工艺被广泛采用。
[0011]像这样，在某种用途中，需要得到更短的波长区域的偏振光，需要用于得到短波长区域的偏振光的偏振元件。然而，对于使这种短波长区域的光偏振的偏振元件，尚未进行深入研究，也几乎没有出现可实用的产品。短波长区域是从可见的短波长侧(例如450nm以下)到紫外区的波长区域。
[0012]作为用于可见光的偏振膜，往往使用使树脂层的吸收轴一致的偏振膜。然而，作为用于紫外线的偏振膜，树脂受紫外线影响而在短期间劣化，所以无法使用。
[0013]在使紫外区的光偏振的情况下，能够使用利用了方解石的棱镜偏振器。然而，棱镜偏振器适用于像激光那样在窄区域照射偏振光的用途，不适用于像光取向那样在某种程度的宽区域照射偏振光的用途。
[0014]上述的线栅(wire grid)偏振元件是能够向某种程度的宽区域照射偏振光的偏振元件。将多个线栅偏振元件排列，能够向更宽区域照射偏振光。
[0015]在线栅偏振元件中，条纹状栅格的材料使用钨、铜、铝等。在紫外线用线栅偏振元件的情况下，大多使用在紫外区具有高反射率的铝。然而，线栅偏振元件虽然对于比500nm左右长的可见区的光表现出某种程度的高消光比及透过率，然而随着波长变短，消光比和透过率从400nm附近开始急剧下降。其原因虽然未完全解开，但推测为起因于铝的光学性质。
[0016]像这样，在光取向这样的光学工艺的用途中，希望有一种能够将从可见短波长区域至紫外区的偏振光照射到某种程度的宽区域的实用的偏振元件，但消光比、透过率这样的基本性能优异的偏振元件尚未开发出来。为了提高取向处理的品质，需要只照射朝向期望方向的偏振光(消光比的提高)，为了提高生产性(处理效率)需要更高透过率的偏振元件。


【发明内容】

[0017]本发明是考虑上述课题而做出的，其意义在于，提供一种偏振元件，能够在某种程度的宽区域照射从可见短波长区域至紫外区的偏振光，在消光比、透过率这样的基本性能方面具有优异的特性。
[0018]为了解决上述课题，本申请的技术方案1所记载的发明，一种栅偏振元件，由透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格构成，使在栅格的材质中折射率实数部η比衰减系数k大的波长的光偏振，栅格由非晶状的硅形成，将构成栅格的各线状部与一侧的相邻的线状部的距离设为t，将与另一侧的相邻的线状部的距离设为T时，栅格周期性地具有实质上t < T的部分。
[0019]此外，为了解决上述课题，技术方案2所记载的发明，在所述技术方案1的构成中，所述折射率实数部η比衰减系数k大的波长为330nm以上。
[0020]此外，为了解决上述课题，技术方案3所记载的发明，在所述技术方案1或2的构成中，将所述各线状部的宽度的平均值设为w时，在所述t < T的部分，处于t/T >0.0159W+0.3735 的关系。
[0021]此外，为了解决上述课题，技术方案4所记载的发明，在所述技术方案1或2的构成中，在从沿着所述透明基板的表面的方向且垂直于所述线状部的长度方向的方向观察时，所述栅格不具有如下那样的部位，该部位是两个所述线状部隔着宽距离T排列的部分连续的部位。
[0022]此外，为了解决上述课题，技术方案5所记载的发明，一种光取向装置，具备光源和技术方案1?4中任一项所记载的栅偏振元件，栅偏振元件配置在配置有光取向用的膜材的照射区域和光源之间。
[0023]此外，为了解决上述课题，技术方案6所记载的发明，一种偏振方法，使用由透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格构成的栅偏振元件，使在栅格的材质中折射率实数部η比衰减系数k大的波长的光偏振，栅格由非晶状的硅形成，将构成栅格的各线状部与一侧的相邻的线状部的距离设为t，将与另一侧的相邻的线状部的距离设为T时，栅格周期性地具有实质上t < T的部分。
[0024]此外，为了解决上述课题，技术方案7所记载的发明，在所述技术方案6的构成中，所述折射率实数部η比衰减系数k大的波长为330nm以上。
[0025]此外，为了解决上述课题，技术方案8所记载的发明，在所述技术方案6或7的构成中，将所述各线状部的宽度的平均值设为w时，在所述1 < T的部分，处于t/T >0.0159W+0.3735 的关系。
[0026]此外，为了解决上述课题，技术方案9所记载的发明，一种制造栅偏振元件的栅偏振元件制造方法，该栅偏振元件由透明基板和设置于透明基板上的条纹状的栅格构成，设构成栅格的各线状部与一侧的相邻的线状部的狭缝的距离为t，设与另一侧的相邻的线状部的狭缝的距离为T时，栅格周期性地具有实质上t < T的部分，该栅偏振元件制造方法具有如下工序:中间薄膜制作工序，在透明基板上制作中间薄膜；光刻工序，将中间薄膜成图使其成为由多个中间线状部构成的条纹状；栅格用薄膜制作工序，在通过光刻工序而成为条纹状的中间薄膜的各槽的侧面制作栅格用薄膜；以及中间薄膜除去工序，将中间薄膜除去并通过栅格用薄膜形成所述各线状部；光刻工序是如下的工序:在形成有所述距离t的狭缝的位置按照与该距离t相当的宽度L1形成各中间线状部，将各中间线状部的分离间隔设为将所述距离T与所述线状部的宽度相加而得到的距离L2。
[0027]发明的效果:
[0028]如以下说明，根据本申请的各技术方案的发明，一种栅格元件，使在栅格的材质中折射率实数部η比衰减系数k大的波长的光偏振，栅格由非晶状的硅形成，将构成栅格的各线状部与一侧的相邻的线状部的距离设为t，将与另一侧的相邻的线状部的距离设为T时，栅格周期性地具有实质上t < T的部分，所以不必较大地降低透过率，就能够提高消光比。因此，能够照射品质更好的偏振光。
[0029]此外，根据技术方案4所记载的发明，除了上述效果之外，不具有线状部以宽的分离间隔T排列的部分连续的部位，所以消光比不会降低。
[0030]此外，根据技术方案5所记载的发明，除了上述效果之外，能够以高能量照射品质好的偏振光并进行光取向，所以能够以高生产性得到优质的光取向膜。
[0031]此外，根据技术方案9所记载的发明，在光刻工序中，在形成有所述距离t的狭缝的位置按照与该距离t相当的宽度L1形成各中间线状部，将各中间线状部的分离间隔设为将所述距离T与所述线状部的宽度相加而得到的距离L2，所以能够容易地制造基本性能优良的栅偏振兀件。

【专利附图】

【附图说明】
[0032]图1是示意性地表示本申请发明的实施方式的栅偏振元件的立体概略图。
[0033]图2是表示在发明人们进行的实验中制作的非晶硅的光学常数的概略图。
[0034]图3是对实施方式的栅偏振元件中的电磁波的传播状况进行了模拟的结果的图。
[0035]图4是在表现出图2的光学常数的非晶硅中将254nm作为使用波长的情况下，对透过率及消光比相对于偏在比t/T怎样变化进行了模拟的结果的图。
[0036]图5是表示铝的光学常数的图。
[0037]图6是将表现出图5的光学常数的铝作为栅格2的材质采用的情况下，对使偏在比t/T变化时透过率及消光比怎样变化进行了模拟的结果的图。
[0038]图7是示意性地表示在实施方式的栅偏振元件中消光比提高的理由的立体概略图。
[0039]图8是表示对X方向磁场成分Hx的波纹进行了确认的模拟的结果的图。
[0040]图9是示意性地表示通过X方向磁场成分Hx的波纹(旋转)新产生电场Ey的状况的正面截面概略图。
[0041]图10是对使用了非晶硅制的栅格2的栅偏振元件的最佳构造进行了研讨的结果的图。
[0042]图11是表示实施方式的栅偏振元件的制造方法的概略图。
[0043]图12是表示实施方式的栅偏振元件的另一制造方法的概略图。
[0044]图13是表示通过图11的制造方法制造的栅偏振元件和通过图12的制造方法制造的栅偏振元件的形状差异的概略图。
[0045]图14表示实施方式的栅偏振元件的使用例，是搭载了栅偏振元件的光取向装置的截面概略图。
[0046]符号的说明:
[0047]1透明基板；2栅格；21线状部；3中间薄膜；4栅格用薄膜；5光源；6反射镜；7栅偏振兀件；10工件

【具体实施方式】
[0048]接下来说明本发明的【具体实施方式】(实施方式)。
[0049]图1是示意性地表示本发明的实施方式的栅偏振元件的示意图。图1所示的栅偏振元件主要由透明基板1和设置在透明基板1上的栅格2构成。实施方式的偏振元件具有与线栅偏振元件类似的结构，如后述那样，栅格2不是导电体(金属线)，所以简称为栅偏振元件。
[0050]透明基板1的“透明”指的是，相对于使用波长(使用偏振元件进行偏振的光的波长)具有足够的透过性。在该实施方式中，设想为将紫外区的光作为使用波长，所以作为透明基板1的材质，采用石英玻璃(例如合成石英)。
[0051]如图1所示，栅格2是由平行地延伸的多个线状部21构成的条纹状器件。各线状部21由非晶状的硅形成。并且，在栅格2中，各线状部21偏在。即，将各线状部21与一侧的相邻的线状部21的距离设为t，将与另一侧的相邻的线状部21的距离设为T时，周期性地具有实质上t < T的部分。以下为便于说明，将t/T称为偏在比。
[0052]在上述说明中，“实质上t < T的部分”是指，一侧的分离距离t与另一侧的分离距离T实质上不同。“实质上”是指，不包括由于制造上的偏差而引起的距离的差异，而是为了发挥后述作用，有意地设为t Φ T。
[0053]另外，“周期性”是非随机的意思。在t古T是由于制造上的偏差而产生的情况下是随机的，然而，为了发挥后述的作用而有意地设为t Φ T，所以成为周期性。另外，该情况下的周期性是指，沿着透明基板1的表面，从与栅格2的长度方向垂直的方向观看时，t Φ T的部分周期性地存在。
[0054]这种实施方式的栅偏振元件的构成，是本发明人对于在从可见短波长区域至紫外区的区域(以下统称为短波长区域)中得到更高的消光比和透过率的栅偏振元件的构成是何种形态进行了深入研究的成果。
[0055]发明人对在短波长区域中得到消光比和透过率的栅偏振元件、尤其栅格2的结构和材料进行了深入研究的结果，确认了根据与以往的线栅偏振元件不同的思路选定栅格2的材料和结构是有效的。
[0056]以往的线栅偏振元件又称为反射型栅偏振元件，栅格使用高反射率的金属，使在栅格的长度方向具有电场成分的直线偏振光反射，从而不透过透明基板1。在这种思路的栅偏振元件中，如上所述，在更短的波长区域，消光比、透过率这样的基本性能的提高存在极限。
[0057]本申请的发明人想到了与这种以往的栅偏振元件的思路不同的、也可称为吸收型栅偏振元件的想法。虽然是吸收型，但不是利用在可见光用的偏振膜等中常见的由高分子进行的光吸收，而是利用由电磁感应现象引起的光的衰减。
[0058]众所周知，在金属那样的导电性介质中的光的传播中，折射率作为复折射率处理。如果为了将复折射率与通常的折射率进行区别而设为η’，则复折射率η’如以下的式1表
/j、l Ο
[0059]【数学式1】
[0060]n’ = n-1k (式 1)
[0061]在式1中，η是复折射率的实数部分(以下称为折射率实数部)，k是所谓的衰减系数。在折射率实数部分η大于衰减系数k并采用不均等的栅结构的情况下，能够得到发明人想到的利用由电磁感应现象引起的光衰减的栅偏振元件。
[0062]首先，说明在实施方式的栅偏振元件中作为栅格材质使用的非晶硅的复折射率和作为比较例的铝的复折射率。图2是表示在发明人进行的实验中制作的非晶硅膜的光学常数(折射率实数部分η、衰减系数k)的示意图。
[0063]图2所示的光学常数的非晶硅膜通过溅射法在石英制的透明基板1上制作，所以成膜温度为25°C、膜厚为lOOnm程度。如图2所示，非晶硅以330nm程度的波长为界，η和k的大小反转。即，在比330nm程度短的波长区域，折射率实数部η比衰减系数k小，但是在330nm以上的波长区域，η比k大。η > k的关系在到400nm为止的紫外区域也不变，此外，虽然省略图示，在比400nm长而超过450nm的可见区域也同样。
[0064]发明人们想到的吸收型栅偏振元件在η > k的关系下有效地发挥功能。即，在图2中示出光学常数的非晶硅中，在比330nm更长的长波长侧使用时有效地发挥功能。在330nm以上的范围内能够选择任意的波长，作为一例说明将365nm作为使用波长的情况。在365nm时，非晶娃 η = 4.03, k = 3.04。
[0065]发明人们在将具有这样的η及k的非晶硅作为栅格2的材质的情况下，对于透过率和消光比怎样变化进行了模拟。以下说明其结果。
[0066]图3是对实施方式的栅偏振元件中的电磁波的传播状况进行模拟的结果的图。在图3中，设想了通过图2所示的硅薄膜构成图1所示的栅偏振元件的情况下，对于使偏在比t/T各种变化的情况下透过率及消光比怎样变化进行了模拟解析。图3中的(1)表示透过率，(2)表示消光比。在图3的模拟中，使用了 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法，使用美国国立标准技术研究所(NIST)发布的软件(http://physics.nist.gov/Divis1ns/Div844/facilities/scatmech/html/grating, htm),计算出各 t/T 中的透过率以及消光比。
[0067]如图2所示，折射率实数部η和衰减系数k根据波长而成为不同的值，但是如前述那样，设波长为365nm, η = 4.03, k = 3.04。电介质和透磁率根据该η及k预先计算并代入。此外，栅格2的宽度W在10?30nm之间以5nm间隔变化，但是高度为170nm，是一定的。此外，在10?30nm的各个栅格宽度W使偏在比t/T变化。具体地说，在偏在比t/T =1时，以t = T = 90nm为起点，以始终满足t+T = 180nm的方式减小t而增大T,由此使t/T变化。
[0068]在图3(1)中，将t/T = 1时(不偏在的情况)的透过率设为1，作为相对于此的相对值，示出了使t/T小于1时的透过率。图3(2)的消光比也同样，以将t/T = 1时的值设为1的情况下的相对值示出。
[0069]如图3(1)所示，使t/T小于1时，与t/T = 1的情况相比透过率下降，但是在10?30nm的栅格宽度W，只要在t/T = 1?0.3程度的范围，透过率的大小就不会下降。
[0070]另一方面，如图3(2)所示，在栅格宽度w为25nm以下的条件下，确认到了通过使t/T小于1而与t/T = 1的情况相比消光比显著提高。
[0071]接下来，作为比较例，说明波长小于330nm的情况。例如，在图2中，波长为254nm的情况下η < k。在这样的η及k的条件下构成由非晶硅制的栅格2形成的栅偏振元件的情况下，同样地对透过率和消光比怎样变化进行了模拟。其结果在图4中示出。图4是在图2示出的光学常数的非晶硅中将254nm作为使用波长的情况下，对透过率及消光比相对于偏在比t/T怎样变化进行了模拟的结果的图。同样，图4(1)中示出了透过率，图4(2)中示出了消光比。栅格2的宽度同样地在10?30nm之间以5nm间隔变化，高度为170nm，是一定的。
[0072]如图4(1)所示，在波长254nm的条件下(n < k的条件)，确认到了透过率在10?20nm的栅格宽度W稍微提高，但是透过率在其他栅格宽度W稍微下降。此外，在任何栅格宽度W的情况下，如果使t/T小于1则消光比急剧减小。消光比的下降在部分地确认到透过率的提高的、偏在比t/T小的区域较为显著。即，在η < k的条件下，即便使栅格2偏在，消光比不但没有任何提高，反而急剧减小。像这样，在使用波长中栅格2的光学常数具有η< k的关系的情况下，栅偏振元件即便使栅格2偏在，消光比不但没有任何提高，反而急剧减小，与此相对，具有η > k的关系的情况下，提闻偏在化能够较大地提闻消光比，这种情况下透过率也不会较大地下降。
[0073]此外，作为另一比较例，说明以往使用的由铝制的栅格构成的栅偏振元件。图5是表不招的光学常数的图，基于Aleksandar D.Raki ▲ c ▼.Algorithm forthe determinat1n of intrinsic optical constants of metal films:applicat1n toaluminum, Appl.0pt.34，4755-4767(1995)公开的数据而制作。如图5所示，在铝的情况下，在同样的短波长区域，折射率实数部η始终比衰减系数k小。
[0074]图6是在图5示出的光学常数的铝作为栅格2的材质采用的情况下，对使偏在比t/T变化时透过率及消光比怎样变化进行了模拟的结果的图。同样地，图6(1)中示出了透过率，图6(2)中示出了消光比。
[0075]使用波长设想为254nm，作为在该波长下得到的参数，设折射率实数部η = 0.183、衰减系数k = 2.93。使栅格2的宽度同样地在10?30nm之间以5nm间隔变化，高度为170nm,是一定的。
[0076]如图6(1)所示，由铝构成的栅格2的情况下，确认到了透过率在10?20nm的栅格宽度W稍微提高。在偏在比t/T越小时透过率越高，最大为40%程度。但是，如图6(2)所示，在任一栅格宽度W的情况下，如果使t/T小于1则消光比急剧减小。消光比的下降在部分地确认到透过率的提高的、偏在比t/T小的区域较为显著。即，将栅格2的材质设为铝的情况下，如果使栅格2偏在，最重要的消光比也会降低，透过率的提高和消光比的提高无法兼得。
[0077]像这样，在栅格2的材质中η > k的条件成立的情况下，能够得到通过提高栅格2的偏在化来提高消光比的效果。在具有η > k的栅格2的实施方式的栅偏振元件中，关于能够得到消光比的提高的理由，以下说明可推测出的事项。图7是示意性地表示在实施方式的栅偏振元件中消光比提高的理由的立体概略图。
[0078]如前述那样，消光比是p偏振光的强度(Ip)相对于s偏振光的强度(Is)之比，为了提高消光比，使S偏振光无法透过偏振元件即可，在此主要考虑S偏振光的举动。
[0079]在图7中，为方便起见，设光在纸面上从上向下传播，并设该方向为z方向。此外，设栅格2的延伸方向为y方向，因此，s偏振光(图5中以Ls示出)具有电场成分Ey。该s偏振光的磁场成分(未图不)成为X方向(Hx)。
[0080]这样的s偏振光照射到栅偏振元件的栅格2时，s偏振光的电场Ey被栅格2的电介质削弱。另一方面，栅格2之间的介质大多数情况下是空气，但是一般来说电介质比栅格2小，所以在栅格2之间的空间中电场Ey不会像栅格2内那样变弱。
[0081]结果，在x-y平面内产生电场Ey的旋转成分。并且，按照与法拉第电磁感应对应的以下的麦克斯维尔方程式(式2)，根据该x-y平面的旋转的强弱，在z方向上感应出两个相互反向的磁场Hz。
[0082]【数2】

3(0β
[0083]RotE =--

dt
[0084]式⑵
[0085]g卩，以栅格2间的中央的电场Ey最高的地方为界，在一侧Hz朝向光的传播方向前方，在另一侧Hz朝向后方。在此，虽然在图7中省略，但是X方向的磁场Hx与Ey同位相且朝向X轴的负侧存在。该X方向磁场成分Hx被生成的z方向成分Hz拉拽而变形为波纹状。
[0086]图8是表示对该X方向磁场成分Hx的波纹进行确认的模拟的结果的图。在图8中，同样地将栅格2的材质设为非晶硅，以波长365nm的光学常数(n = 4.03、k = 3.04)进行了模拟(n>k)。在图8中，栅格2的各线状部21的宽度为15nm，各线状部21的间隔为90nm是一定的，各线状部21的高度为170nm。模拟基于FDTD (Finite-Difference Time-Domain)法来进行，使用的软件是Mathworks公司(美国马萨诸塞州)的MATLAB (该公司的注册商标)。
[0087]在图8中，上侧的浓黑色部分表示电场Ez的负成分，中段的淡灰色部分表示电场Ez的正成分。磁场以矢量(箭头)示出。
[0088]如图8所示，照射到栅格2之前的s偏振光没有Hz成分，所以只有Hx成分，但是由于照射到栅格2的前述Hz成分的生成，能够确认到磁场在x-z面内出现波纹。如图8所示，磁场的波纹处于可以称为顺时针的磁场旋转的状况。另外，在图8中，y方向是光的传播方向，z方向是栅格2的长度方向，与图7不同。
[0089]产生这样的磁场成分Hx的波纹(旋转)后，按照与安培-麦克斯维尔法则对应的麦克斯维尔方程式(式3)，还在图7的y方向上产生电场。
[0090]【数3】
[0091]RotH = j + ε-~ (式 3)
dt
[0092]该情形在图9示意性地示出。图9是示意性地表示由于X方向磁场成分Hx的波纹(旋转)而新产生电场Ey的情形的正面截面概略图。
[0093]如图9所示，由于x-z面内的磁场成分Hx的波纹(旋转)，在栅格2内产生朝向图9的纸面近前侧的电场Ey，在栅格2和栅格2之间产生朝向纸面里侧的电场Ey。这种情况下，因为入射的s偏振光的原来的电场Ey朝向纸面近前侧，所以栅格2间的电场由于上述磁场的旋转而抵消，作用为波动分断。结果，电场Ey局部地存在于栅格2内，通过与栅格2的材质相应的吸收，s偏振光的能量一边在栅格2内传播一边消失。
[0094]另一方面，关于p偏振光，虽然电场成分朝向X方向(Ex),但是在y方向观察时，电介质的分布是均匀的，所以实质上不产生前述那样的电场的旋转成分。因此，对于P偏振光，不产生s偏振光那样的电场的栅格2内的局部存在化、栅格2内的衰减。即，对于s偏振光，通过产生磁场成分Hx的波纹(旋转)而使电场Ey在栅格2内局部地存在，并通过栅格2内的吸收使s偏振光选择性地衰减，这是本实施方式的栅偏振元件的动作原理。通过使栅格2偏在化而使栅格2间的间隔部分地变窄，能够有效地达成这样的s偏振光的电场Ey的局部存在化，并且推测为由此能够提高消光比。图3所示的消光比的提高被认为是基于这样的机理。
[0095]此外，在折射率实数部η比衰减系数k小的情况下，实质上不产生上述的电场Ey的局部存在化。折射率实数部η和衰减系数k使用物理常数ε和μ表示时，成为以下的式4。
[0096]【数4】
?1 ]r2 _ ε.β
[0097]?—欠-(式 4)

￡.0//0
[0098]根据式4，η < k意味着具备负的电介质。这意味着，波动不可以进入内部，在上述的情况下，意味着在栅格2内不形成电场。因此，实质上不产生上述那样的电场的局部存在化。另一方面，通过使栅格2偏在化而产生栅格间隔大的部位时，s偏振光穿过该部位而容易传播，结果消光比较大地下降。图4和图6所示的消光比的急剧减小被认为是这样的状况。
[0099]图10是对使用了这样的非晶硅制的栅格2的栅偏振元件的最佳构造进行了研讨的结果的图。如图3(2)所示，使偏在比t/T从1开始减小时(逐渐偏在)，消光比立即变高。消光比在某个t/T成为峰值，然后下降。并且，以某个t/T为界，消光比比相对值1变小。即，与不偏在的情况相比，消光比变小。因此，消光比只要是小于相对值1时的t/T的值(以下称为临界偏在比)以上的偏在比即可。
[0100]图10是将该临界偏在比进行图示的图。图10所示的直线是对各标记应用最小二乗法而引出的直线。如图所示，只要设为t/T > 0.0159W+0.3735，就能够预见消光比的提高。并且，参照图3(1)可知，在该范围内透过率几乎不下降。即，能够得到消光比和透过率兼得的栅偏振元件。
[0101]接下来说明实施方式的栅偏振元件的制造方法。以下的说明也是栅偏振元件制造方法的发明的实施方式的说明。
[0102]图11是表示实施方式的栅偏振元件的制造方法的概略图。在实施方式的制造方法中，首先，如图11 (1)所示，在透明基板1上制作中间薄膜3。中间薄膜3是制作栅格用的薄膜时成为基底的薄膜。中间薄膜3最终要被除去，所以材料无特别限制。只要形状稳定性好且在蚀刻时能够迅速除去即可。例如，将光蚀剂等有机材料、碳等选为中间薄膜3的材质。
[0103]接着，如图11(2)所示，进行光刻而将中间薄膜3成图(patterning)。S卩，进行光蚀剂的整面涂覆和曝光、显像、蚀刻而将中间薄膜3成图。成图是使中间薄膜3成为由沿着纸面垂直方向延伸的多个线状部(以下称为中间线状部)31构成的条纹状。这时，各中间线状部31的宽度L1及其分离间隔L2决定最终制作的栅格2的各线状部21的间隔t、T。
[0104]接着，如图11(3)所示，在由各中间线状部31形成的槽的侧面制作中间薄膜4。栅格用薄膜4仅在槽的侧面制作即可，但是通常覆盖整面而在整体制作栅格用薄膜4。栅格用薄膜4是由栅格2的材料即硅构成的薄膜，例如通过溅射法制作。栅格用薄膜4制作后，进行栅格用薄膜4的各向异性蚀刻。各向异性蚀刻是透明基板1的厚度方向的蚀刻。通过该蚀刻，如图11(4)所示成为在中间线状部31的两侧壁残留有栅格用薄膜4的状态。
[0105]然后，使用仅能够蚀刻中间薄膜3的材料的蚀刻剂来进行蚀刻，将各中间线状部31全部除去。由此，成为由硅制的各线状部21构成的栅格2形成在透明基板1上的状态，得到实施方式的栅偏振元件。得到的栅偏振元件具有规定的偏在比t/T，为了成为该值而根据栅格宽度w决定各中间线状部31的尺寸L1、L2。
[0106]具有规定的偏在比t/T的栅偏振元件的制造方法，除了图11所示的方法，还可以有其他方法。关于这一点，使用图12进行说明。图12是表示实施方式的栅偏振元件的另一制造方法的概略图。
[0107]在图12所示的制造方法中，也在透明基板1上制作中间薄膜3，进行光刻而将中间薄膜3成图。这时，与图11所示的方法相比，中间薄膜3的成图方法不同。
[0108]在图11中，在最终产品上形成有较窄宽度t的狭缝的位置，以与该宽度t相当的宽度L1形成各中间线状部31。然后，将各中间线状部31的分离间隔设为将较宽狭缝的宽度T与线状部21的宽度(栅格宽度W)相加而得到的间隔L2。另一方面，在图12所示的方法中，在形成有较宽宽度T的狭缝的位置，以与该宽度T相当的宽度L1形成各中间线状部31。然后，将各中间线状部31的分离间隔设为将较窄狭缝的宽度t与线状部21的宽度相加而得到的间隔L2。
[0109]除了上述点以外实质上相同，进行栅格用薄膜4的制作(图12(3))、栅格用薄膜4的各向异性蚀刻(图12(4))、各中间线状部31的除去(图12(5))而在透明基板1上形成栅格2。通过这样的方法也能够制造上述实施方式的栅偏振元件。
[0110]图11的制造方法和图12的制造方法在技术上是等价的，从制造的容易性、栅格2的尺寸精度、产品的基本性能等方面来看，图11所示的方法更为有利。将图11(3)和图12(3)相对比可知，制作栅格用薄膜4时，由各中间线状部31形成的槽的纵横比，图12的制造方法比图11的制造方法更高。纵横比高的槽的内面的膜制作通常比较困难，在槽深的部分膜厚容易变薄。
[0111]此外，在栅格用薄膜4的各向异性蚀刻中，在图12(4)的情况下，与图11(4)相比，必须对纵横比高的槽的底面进行各向异性蚀刻。使蚀刻剂选择性地到达纵横比高的槽的底面通常较为困难，在底面栅格用薄膜4容易残留。如果在底面残留了栅格用薄膜4，则从前述的说明可知，会导致栅偏振元件的消光比和透过率等基本性能的下降。
[0112]另外，在图11的制造方法和图12的制造方法中，在制造出的栅偏振元件中栅格2的形状稍微不同。使用图13说明这一点。图13是表示通过图11的制造方法制造的栅偏振元件和通过图12的制造方法制造的栅偏振元件的形状差异的概略图。
[0113]在图13中详细示出了实施方式的栅偏振元件制造时的栅格用薄膜4的各向异性蚀刻。其中，图13(1-1)对应于图11的制造方法，图13(2-1)对应于图12的制造方法。
[0114]在栅格用薄膜4的各向异性蚀刻中，为了消除槽底部的栅格用薄膜4的残留，经常进行稍微过剩的蚀刻(过蚀刻)。各向异性蚀刻通过用电场吸引等离子中的离子来进行，但是槽开口的边缘部分容易带电，虽然通过电场赋予各向异性，但是边缘部分容易受到强烈的离子冲击。因此，如图13所示，栅格用薄膜4容易成为在槽开口的边缘部分被斜向切削的截面形状。
[0115]因此，在制造出的栅偏振元件的栅格2中，各线状部21的上表面成为锥台面。这时，如图13(1-2)所示，在图11的制造方法中，各线状部21的上表面是朝向较宽间隔T 一侧的狭缝而逐渐变低的锥台面，与此相对，在图12所示的制造方法中，如图13(2-2)所示，各线状部21的上表面是朝向较窄间隔t 一侧的狭缝而逐渐变低的锥台面。由于这样的各线状部21的截面形状的差异，能够识别是通过图11的制造方法制造的还是通过图12的制造方法制造的。
[0116]接下来，说明这样的栅偏振元件的使用例。图14表示实施方式的栅偏振元件的使用例，是搭载了栅偏振元件的光取向装置的截面概略图。
[0117]图14所示的装置是用于得到前述的液晶显示器用的光取向膜的光取向装置，通过向对象物(工件)10照射偏振光，使工件10的分子构造成为统一到一定的方向的状态。因此，工件10是光取向膜用的膜(膜材)，例如是聚亚酰胺制的薄片。工件10为薄片状的情况下，采用辊到辊的搬运方式，在搬送途中照射偏振光。被光取向用的膜材覆盖的液晶基板有时也成为工件，这种情况下，采用将液晶基板载放到载物台上并搬运、或者通过传送带搬运的构成。
[0118]图14所示的装置具备:光源5、覆盖光源5的背后的反射镜6、以及配置在光源5和工件6之间的栅偏振元件7。栅偏振元件7是前述的实施方式的栅偏振元件。
[0119]多数情况下，在光取向中需要照射紫外线，所以光源5使用高压水银灯这样的紫外线灯。光源5使用在垂直于工件10的搬运方向的方向(在此为纸面垂直方向)上较长的光源。
[0120]如前述那样，栅偏振元件7以栅格2的长度为基准，使p偏振光选择性地透过。因此，使P偏振光的偏振轴朝向进行光取向的方向，将栅偏振兀件7相对于工件10姿势精度较好地配置。
[0121]另外，由于难以制造大型的栅偏振元件，所以需要向较大区域照射偏振光的情况下，采用将多个栅偏振元件排列在同一平面上的构成。这种情况下，各栅偏振元件被配置为，排列多个栅偏振元件的面与工件10的表面平行，工件相对于各栅偏振元件中的栅格的长度方向处于规定的朝向。
[0122]上述的实施方式的栅偏振元件，栅格2由非晶状的硅形成，在使用波长中折射率实数部η大于衰减系数k，所以不必降低透过率，就能够提高消光比。因此，能够照射品质更好的偏振光。另外，栅格宽度w由于制造上的偏差等其他理由而在各线状部21之间不同的情况下，应用上述算式时，应用各线状部21的宽度的平均值。
[0123]此外，搭载了这样的栅偏振元件的光取向装置使用消光比高的栅偏振元件，所以能够进行高品质的光取向处理，能够得到高品质的光取向膜。因此，对高画质的显示器的制造能够较大地贡献。
[0124]另外，在实施方式的栅偏振元件的构造中，说明了周期性地存在t辛T的部分，但是距离t的部分和距离T的部分交替存在的构造(图1所示的构造)是其中的一例。周期性的栅格的偏在构造除此之外还可以想到很多。但是，并不优选线状部21以宽的分离间隔T排列的部分连续。这是因为，s偏振光在该部分容易透过而消光比降低。将栅格间隔的形态表示为t (窄)、T(宽)时，作为优选的另一例，可以举出ttTttTttT…或ttTtTttTtt..等。包括该例在内，本申请发明并不排除包含t = T的部分。S卩，在所有部位t古T并不是必须的条件。但是，从得到消光比提高的效果的观点来看，优选为在栅格的整个区域中的一半以上的区域成为t古T。
[0125]此外，在上述的实施方式中，使用波长为330nm以上的紫外线(例如365nm)，但是使用波长为400nm以上(可见光)的情况下也能够使用本申请发明的栅偏振元件。例如，在400?450nm程度的接近紫外区的可见区也能够合适地使用。
【权利要求】
1.一种栅偏振元件，其特征在于， 该栅偏振元件由透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格构成，使在栅格的材质中折射率实数部η比衰减系数k大的波长的光偏振， 栅格由非晶状的硅形成， 将构成栅格的各线状部与一侧的相邻的线状部的距离设为t，将与另一侧的相邻的线状部的距离设为T时，栅格周期性地具有实质上t < T的部分。
2.如权利要求1所述的栅偏振元件，其特征在于， 所述折射率实数部η比衰减系数k大的波长为330nm以上。
3.如权利要求1或2所述的栅偏振元件，其特征在于， 将所述各线状部的宽度的平均值设为w时，在所述t < T的部分，处于t/T >0.0159W+0.3735 的关系。
4.如权利要求1或2所述的栅偏振元件，其特征在于， 在从沿着所述透明基板的表面的方向且垂直于所述线状部的长度方向的方向观察时，所述栅格不具有如下那样的部位，该部位是两个所述线状部隔着宽距离T排列的部分连续的部位。
5.一种光取向装置，其特征在于， 具备光源和权利要求1?4中任一项所述的栅偏振元件， 栅偏振元件配置在配置有光取向用的膜材的照射区域和光源之间。
6.—种偏振方法,其特征在于， 该偏振方法使用由透明基板和设置在透明基板上的条纹状的栅格构成的栅偏振元件，使在栅格的材质中折射率实数部η比衰减系数k大的波长的光偏振， 栅格由非晶状的硅形成， 将构成栅格的各线状部与一侧的相邻的线状部的距离设为t，将与另一侧的相邻的线状部的距离设为T时，栅格周期性地具有实质上t < T的部分。
7.如权利要求6所述的偏振方法，其特征在于， 所述折射率实数部η比衰减系数k大的波长为330nm以上。
8.如权利要求6或7所述的偏振方法，其特征在于， 将所述各线状部的宽度的平均值设为w时，在所述t < T的部分，处于t/T >0.0159w+0.3735 的关系。
9.一种栅偏振元件制造方法，制造栅偏振元件，其特征在于， 该栅偏振元件由透明基板和设置于透明基板上的条纹状的栅格构成， 设构成栅格的各线状部与一侧的相邻的线状部的狭缝的距离为t，设与另一侧的相邻的线状部的狭缝的距离为T时，栅格周期性地具有实质上t < T的部分， 该栅偏振元件制造方法具有如下工序: 中间薄膜制作工序，在透明基板上制作中间薄膜； 光刻工序，将中间薄膜成图使其成为由多个中间线状部构成的条纹状； 栅格用薄膜制作工序，在通过光刻工序而成为条纹状的中间薄膜的各槽的侧面制作栅格用薄膜；以及 中间薄膜除去工序，将中间薄膜除去并通过栅格用薄膜形成所述各线状部； 光刻工序是如下的工序:在形成有所述距离t的狭缝的位置按照与该距离t相当的宽度LI形成各中间线状部，将各中间线状部的分离间隔设为将所述距离T与所述线状部的宽度相加而得到的距离L2。
【文档编号】G02F1/1337GK104280808SQ201410305311
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】鹤冈和之, 影林由郎 申请人:优志旺电机株式会社