JP2010117646A - 機能性グリッド構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高いアスペクト比をもち、多様な目的に応用できる形状のグリッド構造体、及びそのグリッド構造体を簡易に作製でき、グリッド構造体がウエハーサイズを越える大きさであっても作製することのできるグリッド構造体の製造方法を提供すること。
【解決手段】 例えば、光透過性支持体１の表面に、複数の細い直線状の凸部２を、互いに平行に一定のピッチで並ぶように形成する。斜め方向から機能性材料として金属材料を堆積させ、凸部２の上面および側面を被覆する機能性部材として金属細線６を形成し、グリッド構造体としてワイヤグリッド回折格子１０を作製する。このような機能性部材は、中身のない、凸部２を被覆する薄い層にすぎないが、実効的には中身のつまった機能性部材と同様に機能し、中身のつまった機能性部材よりも容易に作製することができる。金属材料以外にも機能性材料として種々の材料を用いることで、様々な機能性素子を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学部材や電極集合体として用いることの可能な機能性グリッド構造体及びその製造方法に関するものである。

ワイヤグリッド偏光子、波長板、および波長フィルタなど、多数の直線状の部材が互いに平行に一定のピッチで並んだ構造（以下、グリッド構造と略記することがある。）をもつ構造体が知られている。例えば、ワイヤグリッド偏光子を構成するワイヤグリッドがその例である。ワイヤグリッド偏光子は、入射光のうち、特定の向きの直線偏光成分を効率よく透過させるとともに、それに直交する直線偏光成分を効果的に反射する偏光子である。以下、ワイヤグリッドを例として、従来のグリッド構造体及びその製造方法について説明する。

図９は、基本的なワイヤグリッド偏光子１００の構造を示す斜視図および部分拡大断面図である。ワイヤグリッド偏光子１００では、透明基板１０１の上に、多数の直線状金属細線１０２が、互いに平行に一定のピッチ（隣り合う２本の細線の中心間の距離）Ｐで並んでいる。図９に細線と破線で示したように、光の入射面は、通常、金属細線１０２の長手方向に垂直な面である。ワイヤグリッド偏光子１００にピッチＰよりも十分に長い波長の光を入射させると、偏光方向が金属細線１０２の長手方向に平行な偏光成分（ＴＥ偏光）はワイヤグリッド偏光子１００によって反射されやすく、偏光方向が長手方向に垂直な偏光成分（ＴＭ偏光）はワイヤグリッド偏光子１００を透過しやすい。

ワイヤグリッド偏光子１００の性能を決める最も重要な因子は、金属細線１０２のピッチＰと入射光の波長λとの関係である。ピッチＰが波長のほぼ１／２以下である範囲で、図９に示した素子は偏光子として機能する。ピッチＰが波長のほぼ２倍より大きい範囲では、図９に示した素子は回折格子として機能する。ピッチＰが波長のほぼ１／２倍〜２倍である範囲では、反射特性と透過特性が著しく変化する。これは、「レイリー共鳴」として知られており、入射光が図９に示した素子を通過するときに高次の回折光が生じることによって起こる。レイリー共鳴が起こる波長の前後において、ワイヤグリッド偏光子としての性能は著しく低下する。

従って、図９に示した素子をワイヤグリッド偏光子１００として用いるためには、レイリー共鳴が起こるのを避けるために、金属細線１０２のピッチＰは入射光の波長の１／２以下にすることが必要である。例えば、波長が４００〜８００ｎｍである可視光を偏光分離するためには、ピッチＰは４００ｎｍ／２＝２００ｎｍ以下であることが求められる。

その他に、ワイヤグリッド偏光子１００の性能を決める要因として、金属細線１０２のピッチＰ、ピッチＰに対する金属細線１０２の幅Ｗの比率Ｗ／Ｐ、光の透過方向における金属細線１０２の厚さＴ、および金属細線を構成する金属材料の種類などがある。一般的な傾向としては、ピッチＰが小さい方が、とくに短波長領域においてＴＭ偏光の透過率が向上する。ピッチＰが一定であれば、金属細線１０２の厚さＴが大きい方が、透過光の偏光度が大きくなる。また、金属細線１０２の幅Ｗが小さい方が、ＴＭ偏光の透過率が大きくなる。従って、ワイヤグリッド偏光子１００の性能向上のためには、幅Ｗに対する厚さＴの比Ｔ／Ｗ、すなわち金属細線１０２の断面のアスペクト比をある程度以上に大きくする必要がある。金属材料としては、反射率が大きい金属、例えばアルミニウムや銀などを用いることが望ましい。

さて、ワイヤグリッド偏光子の作製には、通常、半導体素子の製造に用いられるのと同様の、フォトリソグラフィ法およびエッチング法が用いられるが、後述の特許文献１には、表面にウェーブ形状の微細凹凸を有する透明樹脂基板を用いることにより、フォトリソグラフィ法を用いずに、リフトオフ法によって作製するワイヤグリッド型偏光子が提案されている。

図１０は、特許文献１に示されているワイヤグリッド偏光子１１０の作製方法のフローを示す断面図である。この作製方法では、まず、図１０（ａ）に示した、一方の表面にウェーブ形状の微細な凹部１１１ａおよび凸部１１１ｂを有する透明樹脂基板１１１を用意する。透明樹脂基板１１１は、例えば、ウェーブ形状の微細凹凸を有するスタンパーが取り付けられた金型を用いて、ポリカーボネート樹脂を射出成形法によって成形することによって作製する。スタンパーの微細凹凸のサイズは、例えば、凹部１１１ａを基準とした凸部１１１ｂの高さが２７０ｎｍ、ピッチが３００ｎｍである。

そして、この透明樹脂基板１１１の微細凹凸面全体に、図１０（ａ）に示すように、真空蒸着法、スパッタリング法、または化学気相成長法（ＣＶＤ）などによって、ポリスチレンなどからなるマスキング層１１２を形成する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、透明樹脂基板１１１の凹部１１１ａに形成されたマスキング層１１２を残しつつ、凸部１１１ｂに形成されたマスキング層１１２を除去し、凸部１１１ｂの表面を露出させる。このマスキング層１１２の選択的な除去は、逆スパッタリング法や物理的エッチング法などを用いて行う。

次に、図１０（ｃ）に示すように、真空蒸着法、スパッタリング法、またはＣＶＤ法などによって、透明樹脂基板１１１の表面全体にわたって、アルミニウムや銀などの金属層１１３を形成する。

次に、マスキング層１１２が可溶な溶媒、例えば、ポリスチレン層であればイソプロピルアルコールなどの溶媒に透明基板１１１を浸漬し、マスキング層１１２とともに凹部１１１ａに堆積した金属層１１３を除去し、図１０（ｄ）に示すように、凸部１１１ｂに堆積した金属層１１３のみを残す。この際、超音波を照射して、超音波による振動によって、凹部１１１ａと凸部１１１ｂの中間で金属層１１３を切断するのがよい。

以上のようにして、透明樹脂基板１１１の表面の凸部１１１ｂのみに金属層１１３が形成され、凹部１１１ａにおいては基板１１１の表面が露出した構造のワイヤグリッド型偏光子１１０が得られる。特許文献１には、このようにして、明るく、また偏光特性に優れたワイヤグリッド型偏光子１１０を容易に作製することが可能であると述べられている。

また、後述の特許文献２には、同様に表面にウェーブ形状の微細凹凸を有する透明基板を用い、斜め方向から金属材料を堆積させることによって、フォトリソグラフィ法を用いずにワイヤグリッド型偏光子を作製する方法が提案されている。

また、後述の特許文献３には、透明基板の上部に複数の直線状の凹凸構造が形成されており、凸部の上面及び／又は側面に接して導電体が設けられているワイヤグリッド偏光子が提案されている。図１１は、特許文献３の図９〜１１に示されているワイヤグリッド偏光子１２０ａ〜１２０ｃの構造を示す断面図である。

図１１（ａ）は、凸部１２２の上面から側面の一部（上部）にかけて上部導電体層１２４と側部導電体層１２５ａとが連設されている偏光素子１２０ａを示し、図１１（ｂ）は、凸部１２２の側面の一部（上部）にのみ側部導電体層１２５ｂが形成されている偏光素子１２０ｂを示している。特許文献３には、偏光素子１２０ａの上部導電体層１２４および側部導電体層１２５ａは、凸部１２２の上方からスパッタリング法やＣＶＤ法などによって導電体材料を堆積させることによって形成すると記されている。また、偏光素子１２０ｂは、偏光素子１２０ａと同様に上部導電体層１２４および側部導電体層１２５ａを形成した後、研磨などによって上部導電体層１２４を除去することで形成すると記されている。

図１１（ｃ）は、凸部１２２の側面全面に側部導電体層１２５ｃが形成されている偏光素子１２０ｃを示している。特許文献３には、側部導電体層１２５ｃは、凹凸構造の全面に無電解メッキなどにより導電体層を形成し、その後、指向性の高い、非等方性エッチング（例えば、反応性イオンエッチング）を用いて、凸部１２２の上面と凹部１２３の底面に堆積した導電体層を選択的に除去することによって形成すると記されている。

特許文献３の主旨は、側部導電体層１２５ｂや１２５ｃのように、透明基板１２１の表面に直交する方向に主面をもつ導電体層によって、ワイヤグリッド偏光子を構成することにある。凸部１２２の上面に形成される上部導電体層１２４は、無用で、ＴＭ偏光の透過率を低下させる邪魔なものとみなされている。従って、ワイヤグリッド偏光子１２０ｂおよび１２０ｃの例のように、作製工程の途中で形成される上部導電体層１２４は、最終的には研磨や非等方性エッチングによって除去されるのが原則である。ワイヤグリッド偏光子１２０ａのように上部導電体層１２４が残されている場合でも、それは偏光子を構成する導電体層として上部導電体層１２４を活用しようという意図からではなく、除去する手間を惜しんでのことに過ぎない。実際、特許文献３には、偏光素子１２０ｂでは、上部導電体層１２４を除去することによって、偏光素子１２０ａに比べて挿入損失が向上すると述べられている。また、上部導電体層１２４の幅を最適化するといった記述は全くない。同様なワイヤグリッド偏光子は、後述の特許文献４にも提案されている。

特開２００６−４７８１３号公報（第４−７頁、図１） 特開２００１−３３０７２８号公報（第３及び４頁、図１−４） 特開２００２−３２８２２２号公報（第３−５、７及び８頁、図９−１１） 特開２００８−１４５５８１号公報（第６−８頁、図１）

既述したように、ワイヤグリッド偏光子などのグリッド構造体の製造には、通常、リソグラフィ法とエッチング法とが用いられる。この場合、高いアスペクト比をもつグリッド構造体の作製には高い加工精度が必要になり、アスペクト比が大きくなるほど、製造時に発生する面内加工ばらつきが大きくなったり、長い加工時間が必要になったりするなどの問題が発生し、製造コストが上昇する。

また、半導体素子の製造に用いられる半導体プロセスは、適用できる基板サイズがウエハーと同じ程度のサイズまでに限定される。従って、半導体プロセスは、ウエハーサイズを越える大面積のグリッド構造体の作製には対応できない。

特許文献１〜４には、表面に複数の直線状の微細な凹凸構造が形成された透明基板を用いて、ワイヤグリッド偏光子を形成する方法が提案されている。とくに、特許文献１、２および４は、フォトリソグラフィ法などの微細加工方法を用いないでワイヤグリッド偏光子を形成している点で注目される。しかし、特許文献１および２のように、ウェーブ形状の凹凸構造を有する基板にグリッド構造体を形成した場合、応用範囲が極めて限定される。また、高いアスペクト比をもつグリッド構造体を作製することはできない。

特許文献３および４では、断面が矩形状の凹凸構造の凹部や凸部側面に薄膜状の導電体を堆積させることによって、透明基板の表面に直交する方向に主面をもつ導電体層を形成し、これを金属細線として用いてワイヤグリッド偏光子を構成する例が示されている。この方法では、高いアスペクト比を有する金属細線を容易に形成できる利点がある。しかし、導電体層の成膜膜厚が、ワイヤグリッド偏光子を構成する金属細線の幅になるので、金属細線の幅を大きくするには、導電体層を成膜する際の膜厚を厚くするしかなく、成膜できる膜厚によってワイヤグリッド偏光子の設計が制約される。

一方、特許文献３および４では、作製工程の途中で凸部の上面に形成される上部導電体層は無用なものとみなされ、わざわざ手間をかけて除去されるのが原則である。偏光子を構成する導電体層として上部導電体層を活用しようという意図や提案は、特許文献３および４には示されていない。このため、凹凸構造に厚さむらのない導電体層を形成する工程と、凸部の上方および凹部底面に形成された導電体層を選択的に除去する工程が必要になり、製造工程が多く複雑になることでコスト高になる。また、導電体層を形成する際の導電体層の膜質や膜厚のばらつきと、導電体層の一部を選択的に除去する際のばらつきが二重に重なるため、グリッド構造の均一性が低下する。特に大面積のグリッド構造を形成する際に、均一性を確保することが困難になる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高いアスペクト比をもち、多様な目的に応用できる形状のグリッド構造体、及びそのグリッド構造体を簡易に作製でき、しかも、そのグリッド構造体がウエハーサイズを越える大きさであっても作製することのできるグリッド構造体の製造方法を提供することにある。

即ち、本発明は、
複数の細い直線状の凸部が互いに平行に一定のピッチで並んでいる表面構造を有する 基体と、
前記凸部の上面に配置された、細い直線状の上部機能性材料層と、
前記凸部の側面全体及び側方に、前記上部機能性材料層に連接して配置され、前記上 部機能性材料層とともに細線状の機能性部材を構成する、細い直線状の側部機能性材料 層と
からなり、隣り合う前記凸部間の凹部底面には前記基体が実質的に露出している、機能性グリッド構造体に係わるものである。

また、
基体の表面に、複数の細い直線状の凸部が互いに平行に一定のピッチで並んでいる表 面構造を形成する工程と、
前記凸部の上面、並びに側面全体及び側方に、それぞれ、細い直線状の上部機能性材 料層並びに側部機能性材料層を形成する工程と
を有する、機能性グリッド構造体の製造方法に係わるものである。

本発明の機能性グリッド構造体では、基体の表面に、複数の細い直線状の凸部が互いに平行に一定のピッチで並ぶように形成されている。そして、前記凸部の上面に細い直線状の上部機能性材料層が配置されているばかりでなく、前記凸部の側面全体及び側方にも、前記上部機能性材料層に連接して細い直線状の側部機能性材料層が配置され、これらの層によって機能性部材が構成されている。前記機能性部材は、中身のない、前記凸部の上面と側面とを被覆する薄い層にすぎないが、実効的には中身のつまった機能性部材と同様に機能する。

前記機能性部材の有効な幅は、前記凸部の幅に、側方にはみ出して形成される２つの前記側部機能性材料層の成膜膜厚を加算した大きさになる。また、前記機能性部材の有効な厚さは、前記基体の表面に垂直な方向における凸部の厚さに、前記上部機能性材料層の成膜膜厚を加算した大きさになる。そして、前記機能性部材は、これと同じ幅と厚さとを有する、中身のつまった機能性部材よりも、はるかに容易に作製することができる。従って、本発明の機能性グリッド構造体では、大きな有効厚さを有する前記機能性部材を作製することができ、隣り合うこれらの前記機能性部材によって挟まれる、厚さの大きい空間領域を、前記機能性部材の機能が発現する空間領域として利用することができる。

しかも、本発明の機能性グリッド構造体では、前記機能性部材の寸法が、予め形成されている前記凸部のピッチ、幅、及び厚さと、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層の成膜膜厚などの成膜条件とによって定まるので、前記機能性部材の形成に際してフォトリソグラフィなどの微細加工方法が不要である。

本発明の機能性グリッド構造体の製造方法は、本発明の機能性グリッド構造体を製造するための工程を有し、予め形成する前記凸部のピッチ、幅、及び厚さと、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層の成膜膜厚などの成膜条件とによって、前記機能性部材の寸法を定めることができる。このため、前記機能性部材の形成に際し、成膜工程のみを行えばよく、フォトリソグラフィ手段などの大がかりな設備を要する微細加工工程が不要である。従って、フォトリソグラフィなどの微細加工方法を適用できない、ウエハーサイズを越える大きさであっても、簡易に、生産性よく、低コストで、本発明の機能性グリッド構造体を製造することができる。

本発明の機能性グリッド構造体において、前記基体の前記表面構造が、前記基体の主部を構成する材料とは異なる材料によって形成されているのがよい。前記基体の前記表面構造と前記主部とで材料を使い分けることによって、多様な材質の前記主部を用いて、本発明の機能性グリッド構造体を作製することができる。例えば、前記基体の前記主部として有機樹脂フィルムを用いれば、軽量で、フレキシブルで、耐衝撃性のある機能性グリッド構造体を作製することができる。また、前記凸部の構成材料として紫外線硬化樹脂または熱可塑性樹脂を用い、モールドに形成された凹凸構造をナノインプリント法によって転写すれば、フォトリソグラフィなどの微細加工技術を用いずに、容易に、生産性よく凸部を形成することができる。

また、光学素子として構成されているのがよい。例えば、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層が金属層からなり、これらの金属層によって光が反射されるワイヤグリッド回折格子として構成されているのがよい。

この際、前記上部金属層及び前記側部金属層を構成する材料は、光を反射しやすい材料が好ましく、例えば、アルミニウムや銀がよい。ただし、純アルミニウムを用いて成膜を行うと、成膜粒子の粒径が数１０ｎｍ程度に大きくなり、ｎｍサイズの金属細線を形成する場合には、ラインエッジに凹凸を生じたり、アルミニウム膜の膜質が場所ごとに変化したりする原因になることがある。このようなばらつきは、アルミニウム膜の光反射率を低下させる。

こういった場合には、少量の添加物を添加した合金を用いるのがよい。例えば、アルミニウムに対してケイ素及び／又は銅を微量（例えば、０．５〜１質量％）添加した材料を用いることによって、成膜粒子の粒径を小さくし、金属細線のラインエッジに生じる凹凸や、アルミニウム膜の膜質の場所ごとの変化を小さく抑え、アルミニウム膜の光反射率を高くすることができる。また、構成材料として銀を用いる場合にも、同様の現象が生じた場合には、銀に対してパラジウム及び／又は銅を微量（例えば、０．５〜１質量％）を添加した材料を用いることが有効である。構成材料としてその他の金属を用いる場合にも、大きな成膜粒子の発生を抑えるために、微量の別材料を添加した材料を用いることが望ましい。

また、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層が金属層からなり、電極集合体として構成されているのがよい。

本発明の機能性グリッド構造体の製造方法において、前記基体の前記表面に垂直な方向から前記凸部の配列方向へ所定の角度θだけ傾いた所定の方向から、前記凸部の上面及び側方にかけて機能性材料を堆積させることによって、隣り合う前記凸部間の凹部底面に前記機能性材料を実質的に堆積させることなく、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層を形成するのがよい。

この際、前記所定の方向から所定の期間成膜した後、前記表面に垂直な方向に関して前記所定の方向と左右対称の方向から所定の期間成膜する一連の工程を、必要回数繰り返して行うのがよい。また、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層の厚さの増加に対応して、前記所定の角度θを徐々に小さくしていくのがよい。

或いはまた、前記基体の前記表面に機能性材料を堆積させた後、エッチバックすることにより、隣り合う前記凸部間の凹部底面に堆積した前記機能性材料を除去し、かつ、前記凸部の上面及び側方にかけて堆積した前記機能性材料の一部を残して、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層を形成するのがよい。

また、前記基体の前記表面に、前記基体の主部を構成する材料とは異なる材料によって前記凸部を形成するのがよい。

この際、
凹凸パターンが形成されたモールドを作製する工程と、
前記凸部の構成材料に前記モールドを押し当て、前記凹凸パターンを転写して前記凸 部を形成する工程と
を有するのがよい。

詳しくは、
前記基体の前記表面に、前記凸部の構成材料として樹脂層を配置する工程と、
前記樹脂層に前記モールドを押し当て、前記樹脂層を前記凹凸パターンに相補的な形 状に成形する工程と、
前記成形中、及び／又は前記成形後、前記樹脂層を硬化させ、前記凸部を形成する工 程と、
前記モールドを剥離させる工程と
を有するのがよい。

この際、前記樹脂層として紫外線硬化性樹脂層を塗布法又は印刷法によって配置し、紫外線透過性のモールドによって成形後、前記モールドを通して紫外線を照射して前記紫外線硬化性樹脂層を硬化させるのがよい。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。

実施の形態１
実施の形態１では、主として、請求項１、３〜５に記載した機能性グリッド構造体、および請求項７〜１０に記載した機能性グリッド構造体の製造方法の例として、ワイヤグリッド回折格子およびその製造方法について説明する。

図１は、実施の形態１に基づくワイヤグリッド回折格子１０の構造を示す断面図および部分拡大図である。ワイヤグリッド回折格子１０では、前記基体である光透過性支持体１の表面上に、複数の細い直線状の凸部２が互いに平行に一定のピッチＰで並ぶように形成されている。この例では光透過性支持体１と凸部２とは同じ材料からなり、例えば、ガラス板の表面にフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングとによって凸部２が形成されている。

凸部２の上面には、細い直線状の上部金属層４が配置され、凸部２の側面全体および側方にも、細い直線状の側部金属層５が上部金属層４に連接して配置されている。これら、上部金属層４と側部金属層５とによって金属細線６が構成され、ワイヤグリッド回折格子１０が形成されている。上部金属層４、側部金属層５、および金属細線６は、それぞれ、前記上部機能性材料層、前記側部機能性材料層、および前記機能性部材に相当する。上部金属層４および側部金属層５は、斜め方向から蒸着法またはスパッタリング法によって金属材料を堆積させることによって形成される。金属材料は、光を反射しやすい材料が好ましく、例えば、アルミニウムや銀がよい。ただし、純アルミニウムや純銀を用いて成膜を行うと、成膜粒子の粒径が大きくなり過ぎる場合には、既述したように、アルミニウムに対しては、ケイ素及び／又は銅を微量（例えば、０．５〜１質量％）添加し、銀に対しては、パラジウム及び／又は銅を微量（例えば、０．５〜１質量％）を添加する。

金属細線６は、中身のつまった真の金属細線ではなく、実体は、凸部２の上面と側面とを被覆する薄い金属層にすぎない。しかしながら、この中身のない金属細線６が、中身のつまった真の金属細線と同様に、ワイヤグリッド回折格子１０を構成できることを、本発明者は発見した（特願２００８−２９１９３２参照。）。ワイヤグリッド回折格子１０を構成する金属細線の中身がつまっている必要がないことは、金属と光の相互作用が金属の表面を占めている自由電子の働きによって起こることを考えると、当然のことと考えられる。従って、上部金属層４および側部金属層５の膜厚としては、光が透過してしまわない程度の厚さがあれば十分である。ここでは、金属細線６を中身のつまった金属細線と同様に考えることができると仮定して、ワイヤグリッド回折格子１０の性能を決める諸量について検討する。以下、説明を簡単にするために、入射光を光透過性支持体１の表面に垂直に入射させる場合を考えることにする。

図１から明らかなように、金属細線６のピッチは、凸部２の並びのピッチＰと同じになる。また、部分拡大図に示したように、金属細線６の有効な幅Ｗは、凸部２の幅Ｗｇに、側方にはみ出して形成される２つの側部金属層５の成膜膜厚Ｔｓを加算した大きさになる。
Ｗ ＝ Ｗｇ＋２Ｔｓ
また、金属細線６の有効な厚さＴは、光が金属細線６間を通り抜ける際に、透過方向において感じる金属細線６の厚さである。部分拡大図から、これは、光の透過方向における側部金属層５の厚さに等しい。ただし、側部金属層５の厚さと言っても、その実体は、光の透過方向において側部金属層５が占めている幅である。図１に示すように、側部金属層５は凸部２の側面全面および上部金属層４の側方に設けられているので、金属細線６の有効な厚さＴは、光の透過方向における凸部の厚さ（凹部３の底面を基準とする、凸部２の高さ）Ｔｇに上部金属層４の成膜膜厚Ｔｕを加算した大きさになる。
Ｔ ＝ Ｔｇ＋Ｔｕ

上記のように、ワイヤグリッド回折格子１０では、金属細線６の有効厚さＴは、上部金属層４の膜厚Ｔｕに、光の透過方向における凸部２の厚さＴｇを加算した大きさになる。従って、図９に示した従来のワイヤグリッド偏光子１００のように、光の透過方向における金属細線１０２の厚さＴを金属層の膜厚のみで実現する素子に比べて、凸部２の厚さＴｇの分だけ上部金属層４の膜厚Ｔｕを薄くすることができ、容易に作製することができる。この際、凸部２の側面全面に側部金属層５が形成されるので、特許文献３に提案されているワイヤグリッド偏光子１２０ａ（図１１（ａ）参照。）のように、凸部１２２の側面の一部（上部）にのみ側部導電体層１２５ａが形成される素子に比べて、凸部２の側面をより有効に利用することができる。また、特許文献３または４に提案されているワイヤグリッド偏光子のように、金属細線を側部金属層のみで実現する素子（図１１（ｃ）参照。）に比べて、上部金属層４の膜厚Ｔｕの分だけ凸部２の厚さＴｇを薄くすることができるので、凸部２の作製が容易になる。

また、金属細線６の幅Ｗは、凸部２の幅Ｗｇと２つの側部金属層５の膜厚Ｔｓとを加算した大きさになるので、凸部２の幅Ｗｇを適切に選択することによって、側部金属層５の膜厚Ｔｓとは独立に、金属細線６の幅Ｗを所定の大きさに定めることができる。従って、ワイヤグリッド回折格子１０は、特許文献３または４に提案されているワイヤグリッド偏光子のように、金属細線の幅が側部金属層の膜厚と同じ大きさに決まってしまう素子（図１１（ｃ）参照。）に比べて、設計の自由度がはるかに大きく、作製が容易になる。

しかも、ワイヤグリッド回折格子１０の性能を決める諸量が、予め形成されている凸部２のピッチＰ、幅Ｗｇ、および厚さＴｇと、上部金属層４の成膜膜厚Ｔｕおよび側部金属層５の成膜膜厚Ｔｓなどの成膜条件によって定まるので、金属細線６の形成に際してリソグラフィなどの微細加工方法が不要である。従って、その大きさがウエハーサイズを越える大きさであっても作製することができる。また、上部金属層４および側部金属層５の成膜膜厚を薄くすることにより、成膜時間の短縮や膜厚のばらつきの縮小を可能とし、歩留まり向上につながる。

図２は、ワイヤグリッド回折格子１０の作製工程のフローを示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、光透過性支持体１を用意する。光透過性支持体１はガラス板や有機樹脂板である。この表面に、例えばフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングとによって、複数の細い直線状の凸部２が互いに平行に一定のピッチＰで並んでいる表面構造を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、斜め方向から蒸着法またはスパッタリング法によって金属材料を堆積させることによって、凸部２の上面、並びに一方の側面全面および側方に、選択的に上部金属層４および側部金属層５ａを形成する。

金属材料を出射する蒸着源またはターゲットは、光透過性支持体１の表面に垂直な方向から、凸部２の配列方向へ所定の角度θだけ傾いた方向に配置する。角度θは、凸部２が作る影に、隣り合う凸部２間の凹部３の底面がちょうど収まり、凹部３の底面に金属材料が堆積することのない角度とする。別の言い方をすると、凸部２の最下部と凹部３との境界の位置Ａから、凹部３を挟んで隣り合う凸部２の上端の角Ｂを見上げる方向に蒸着源またはターゲットを配置する。すなわち、角度θは次式
θ＝arc tan((Ｐ−Ｗｇ)／Ｔｇ)
で与えられる。

角度をθよりも大きくすると、凸部２の最下部に金属材料が堆積しない領域が生じる。逆に、角度をθよりも小さくすると、凹部３の底面の一部に金属材料が堆積する。角度をθとすることで、凹部３の底面に金属材料を実質的に堆積させることなく、凸部２の上面および一側面の全領域に選択的に、それぞれ細い直線状の上部金属層４および側部金属層５ａを形成することができる。

実際の成膜では、散乱などによって単純な直線運動では考えられない振る舞いをする成膜粒子も現れてくる。このような複雑な現象に対処するために、所定の角度θの前後に角度を少し変えて成膜したワイヤグリッド回折格子１０をいくつか試作し、断面の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）解析などによって凹部３への金属材料の堆積状況を観察して、求める特性に最も近い特性が得られる成膜角度を選ぶことが望ましい。なお、上記「凹部３の底面に金属材料を実質的に堆積させず」の「実質的に堆積させず」とは、「散乱などによって凹部３の底面に少量の金属材料が堆積するとしても、光の透過を妨げ、ワイヤグリッド回折格子１０の性能を本質的に変化させてしまうほどの堆積はない」という意味である。

上記のようにして所定の方向から所定の期間成膜した後、図２（ｃ）に示すように、表面に垂直な方向に関して前記所定の方向と左右対称の方向から所定の期間成膜する。このようにして、凸部２の上面および左右反対側の一側面に選択的に、それぞれ細い直線状の上部金属層４および側部金属層５ｂを形成する。

この後、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示した一連の工程を、必要回数繰り返して行い、図２（ｄ）に示すように、凹部３の底面に金属材料を実質的に堆積させることなく、凸部２の上面および両側方に選択的に、それぞれ細い直線状の上部金属層４および側部金属層５を形成する。

この際、凸部２の最下部近辺の側面では、成膜が進行すると、上部金属層４および側部金属層５の成膜膜厚の増加にともない、上部金属層４および側部金属層５が作る影に入り、金属材料が入射して来ない領域が次第に大きくなる。側部金属層５の膜厚のうち、凸部２の最下部近辺の側面に形成される側部金属層５の膜厚が、上部側面に形成される側部金属層５の膜厚に比べて小さいのはこのためである。上部金属層４が作る影の影響を小さくするには、上部金属層４および側部金属層５の膜厚の増加に対応して、成膜角度を初期の値から徐々に小さくしていくのがよい。

図１の拡大図に示したように、斜め方向から成膜を行うと、側部金属層５が形成されるため、金属細線６の幅Ｗは、２つの側部金属層５の膜厚分２Ｔｓだけ、凸部２の幅Ｗｇよりも大きくなる（Ｗ＝Ｗｇ＋２Ｔｓ）。従って、凸部２の幅Ｗｇは、成膜後に金属細線６の間に必要な隙間が残るように、側部金属層５の膜厚Ｔｓを考慮して設定する（Ｗｇ＝Ｗ−２Ｔｓ）。

上部金属層４の膜厚Ｔｕと側部金属層５の膜厚Ｔｓとの間には下記の関係がある。
Ｔｓ＝Ｔｕ×tanθ
θ一定の下で上部金属層４の膜厚Ｔｕを大きくしようとすると、これにつれて側部金属層５の膜厚Ｔｓも大きくなるので、結果的に凸部２の幅Ｗｇをより狭めることが必要になり、凸部２の形成が困難になる場合がある。このような場合には、凸部２の高さＴｇをできるだけ大きくするのがよい。このようにすると、成膜角度θを小さくすることができるので、凸部２の側方に堆積する金属材料を減らすことができ、側部金属層５の膜厚Ｔｓを小さく抑えたまま、上部金属層４の膜厚Ｔｕを大きくすることができる。

図３は、ワイヤグリッド回折格子１０の作製工程で用いられる成膜方法を示す説明図である。図３（ａ）は、図２（ｂ）および（ｃ）に対応しており、光透過性支持体１の傾斜角度を変えることによって、成膜角度を変える方法を示している。図３（ｂ）は、コリメータ１２によって成膜粒子の運動方向を制御することによって、成膜角度を設定する方法を示している。この方法によれば、凸部２の両側面にそれぞれ側部金属層５ａおよび側部金属層５ｂを同時に形成することができる。

図４は、ワイヤグリッド回折格子１０の作製工程で用いられる成膜方法を示す別の説明図である。先述したように、成膜が進行すると、上部金属層４および側部金属層５の成膜膜厚の増加にともない、凸部２の最下部近辺の側面には、上部金属層４および側部金属層５が作る影に入り、金属材料が入射して来ない領域が次第に大きくなる。この影響を小さくするには、上部金属層４および側部金属層５の膜厚の増加に対応して、成膜角度を初期の値から徐々に小さくしていくのがよい。図４は、その際の変化を示しており、成膜の進行(ａ)→(ｂ)→(ｃ)→(ｄ)→(ｅ)とともに、成膜角度をθa→θb→θc→θd→θe（θa＞θb＞θc＞θd＞θe）と変えていくことを示している。

以上に説明したように、本実施の形態のワイヤグリッド回折格子１０の製造方法では、予め形成する凸部２のピッチ、幅Ｗｇ、および厚さＴｇと、上部金属層４の膜厚Ｔｕ、側部金属層５の膜厚Ｔｓ、および成膜角度θなどの成膜条件によって、ワイヤグリッド回折格子の仕様を支配する諸量を定めることができる。とくに、上部金属層４および側部金属層５の形成に際し、成膜工程のみを行えばよく、フォトリソグラフィなどの微細加工工程が不要である。従って、フォトリソグラフィなどの微細加工方法を適用できない、ウエハーサイズを越える大きさであっても、簡易に、生産性よく、低コストで、ワイヤグリッド回折格子１０を製造することができる。

実施の形態２
実施の形態２では、主として、請求項２に記載した機能性グリッド構造体、および請求項１２〜１５に記載した機能性グリッド構造体の製造方法の例として、ワイヤグリッド回折格子およびその製造方法の例について説明する。

図５は、実施の形態２に基づくワイヤグリッド回折格子の構造を示す断面図である。ワイヤグリッド偏光子２０ａおよび２０ｂでは、光透過性支持体の凸部が、光透過性支持体の主部２１を構成する材料とは別の材料によって形成されている。図５（ａ）は、凸部２２だけが別材料である例を示し、図５（ｂ）は、光透過性支持体の上部２３と凸部２４とが別材料である例を示している。

これらの例のように、光透過性支持体の主部２１と凸部２２または２４とで材料を使い分けることによって、多様な材質の光透過性支持体主部２１を用いて、ワイヤグリッド回折格子２０ａまたは２０ｂを形成することができる。例えば、光透過性支持体主部２１として有機樹脂フィルムを用いれば、軽量で、フレキシブルで、耐衝撃性のあるワイヤグリッド回折格子を作製することができる。

また、凸部２２または２４の構成材料として紫外線硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を用い、モールドに形成された凹凸構造をナノインプリント法によって転写すれば、容易に、生産性よく、フォトリソグラフィなどの微細加工技術を用いずに、凸部２２または２４を形成することができる。

図６は、実施の形態２に基づくワイヤグリッド回折格子の作製工程のフローの一部を示す断面図である。この例では凸部２２をナノインプリント法によって形成する。

まず、図６（ａ）に示す、凹凸パターンが形成されたモールド６３を別途作製する。モールド６３の作製方法は限定されるものではないが、例えば、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングによって形成する。一方、光透過性支持体主部２１の表面に、凸部２２の構成材料として樹脂層６１を配置する。この樹脂層６１として、例えば、紫外線硬化性樹脂層を塗布法または印刷法によって形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、樹脂層６１にモールド６３を押し当て、モールド６３の凹凸パターンに凹凸嵌合する形状に成形された樹脂層６２を形成する。

そして成形中、及び／又は成形後に、樹脂材料を硬化させ、凸部２２を形成する。この際、樹脂材料として紫外線硬化性樹脂を用いる場合には、図６（ｃ）に示すように、紫外線透過性のモールド６３によって成形後、波長が３００〜４００ｎｍ程度の紫外線をモールド６３を通して照射して、紫外線硬化性樹脂層を硬化させるのがよい。紫外線硬化性樹脂としては、例えば、アクリレート系やエポキシ系の紫外線硬化性樹脂を用いることができる。紫外線硬化性樹脂を用いると、室温下で硬化処理を行うので、温度変化による寸法の変化がない利点がある。

樹脂材料として熱可塑性樹脂を用いる場合には、モールド６３を押し当てる前に樹脂層６１をガラス転移温度以上の温度に加熱して熱可塑性樹脂を軟化させておき、この状態でモールド６３を押し当てて成形し、その後、ガラス転移温度以下の温度に冷却して硬化させた後、モールド６３を剥離させる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂やポリカーボネート（ＰＣ）樹脂を用いる。

モールド６３は、何度も繰り返して用いることができるので、光透過性支持体主部２１に比べて小型でよい。従って、半導体微細加工技術を用いて精密に作製することができる。また、モールド６３を、外周面に凹凸パターンが形成されたローラー形にすれば、このローラー形のモールド６３を回転させながら樹脂層６１に押し当てることによって、凹凸パターンを転写することができ、大面積の光透過性支持体主部２１に対しても効率よく凸部２２を形成することができる。

その他、上部金属層４および側部金属層５、並びにその作製方法などは、実施の形態１に基づくワイヤグリッド回折格子１０と同様であるので、重複を避け、説明を省略する。

実施の形態３
実施の形態３では、請求項１１に記載した機能性グリッド構造体の製造方法によって作製されるワイヤグリッド回折格子の例、および実施の形態１の変形例に相当するワイヤグリッド回折格子の例について説明する。

図７は、実施の形態３に基づくワイヤグリッド回折格子の構造を示す断面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）にそれぞれ示すワイヤグリッド回折格子３０および４０は、凸部２の側面に膜厚がほぼ一定の側部金属層３５および４５が形成されている点が実施の形態１に基づくワイヤグリッド回折格子１０と異なっているのみで、ワイヤグリッド回折格子１０と同様の機能が得られる。ワイヤグリッド回折格子３０および４０は、凸部２が設けられた光透過性支持体１の表面全体に金属材料を堆積させた後、エッチバックすることにより、凹部３の底面に堆積した金属材料を除去し、かつ、凸部２の上面および側方にかけて堆積した金属材料の一部を残して、上部金属層４および側部金属層３５または４５を形成することによって得ることができる。金属材料を堆積させる方法としては、異方性の小さい成膜ができるＣＶＤ法が好ましい。

実施の形態４
実施の形態４では、請求項６に記載した機能性グリッド構造体の例として、隣り合う前記側部機能性材料層によって挟まれる空間領域に、別の機能性部材を充填して得られる機能性素子の例について説明する。

図８（ａ）は、実施の形態４に基づく機能性グリッド構造体７０からなるカラーフィルタ７７を形成した例を示す断面図である。機能性グリッド構造体７０は、ガラス基板などの光透過性基板７１に凸部７２が設けられ、凸部７２の上面および側方に前記機能性部材として、黒色炭素材料などからなる光吸収性材料層７３が形成されている。そして、光吸収性材料層７３によって仕切られた機能性グリッド構造体７０の凹部に、赤、緑、青の三原色に対応したカラーフィルタ材料が充填され、カラーフィルタ７７が形成されている。

図８（ｂ）は、実施の形態４に基づく機能性グリッド構造体８０からなる発光素子集合体８６を形成した例を示す断面図である。機能性グリッド構造体８０は、光反射性基板８１に凸部８２が設けられ、凸部８２の上面および側方に前記機能性部材として、金属などからなる電極８３および８４が形成されている。そして、電極８３および８４によって仕切られた機能性グリッド構造体８０の凹部に発光材料８５が充填され、発光素子集合体８６が形成されている。電極８３および８４は一つおきに交互に配置され、陽極および陰極として用いられる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

本発明の機能性グリッド構造体およびその製造方法は、光学部材や電極集合体として用いることができ、従来作製できなかった大型の回折格子などを安価に作製可能であることから、従来では考えられない応用分野を創出することができる。

本発明の実施の形態１に基づくワイヤグリッド回折格子の構造を示す断面図および部分拡大図である。 同、ワイヤグリッド回折格子の作製工程のフローを示す断面図である。 同、ワイヤグリッド回折格子の作製工程で用いられる成膜方法を示す説明図である。 同、ワイヤグリッド回折格子の作製工程で用いられる成膜方法を示す別の説明図である。 本発明の実施の形態２に基づくワイヤグリッド回折格子の構造を示す断面図である。 同、ワイヤグリッド回折格子の作製工程のフローの一部を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に基づくワイヤグリッド回折格子の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に基づく機能性グリッド構造体から得られる機能性素子の構造を示す断面図である。 従来の基本的なワイヤグリッド偏光子の構造を示す斜視図および部分拡大断面図である。 特許文献１に示されているワイヤグリッド偏光子の作製工程を示す断面図である。 特許文献３に示されているワイヤグリッド偏光子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１…光透過性支持体、２…凸部、３…凹部、４…上部金属層、
５、５ａ、５ｂ…側部金属層、６…金属細線、１０…ワイヤグリッド回折格子、
１１…蒸着源またはターゲット、１２…コリメータ、
２０ａ、２０ｂ…ワイヤグリッド回折格子、２１…光透過性支持体主部、２２…凸部、
２３…光透過性支持体上部、２４…凸部、３０、４０…ワイヤグリッド回折格子、
３５、４５…側部金属層、６１…樹脂層、６２…成形された樹脂層、６３…モールド、
７０…機能性グリッド構造体、７１…光透過性基板、７２…凸部、
７３…光吸収性材料層、７４…カラーフィルタ材料（赤）、
７５…カラーフィルタ材料（緑）、７６…カラーフィルタ材料（青）、
７７…カラーフィルタ、８０…機能性グリッド構造体、８１…光反射性基板、
８２…凸部、８３…電極（陽極）、８４…電極（陰極）、８５…発光材料、
８６…発光素子集合体、１００…ワイヤグリッド偏光子、１０１…透明基板、
１０２…金属細線、１１０…ワイヤグリッド偏光子、１１１…透明樹脂基板、
１１１ａ…凹部、１１１ｂ…凸部、１１２…マスキング層、１１３…金属層、
１２０ａ〜１２０ｃ…ワイヤグリッド偏光子、１２１…透明基板、１２２…凸部、
１２３…凹部、１２４…上部導電体層、１２５ａ〜１２５ｃ…側部導電体層、
Ｐ…金属細線のピッチ、Ｗ…金属細線の幅、Ｔ…金属細線の厚さ

Claims (15)

1. 複数の細い直線状の凸部が互いに平行に一定のピッチで並んでいる表面構造を有する 基体と、
   前記凸部の上面に配置された、細い直線状の上部機能性材料層と、
   前記凸部の側面全体及び側方に、前記上部機能性材料層に連接して配置され、前記上 部機能性材料層とともに細線状の機能性部材を構成する、細い直線状の側部機能性材料 層と
   からなり、隣り合う前記凸部間の凹部底面には前記基体が実質的に露出している、機能性グリッド構造体。
2. 前記基体の前記表面構造が、前記基体の主部を構成する材料とは異なる材料によって形成されている、請求項１に記載した機能性グリッド構造体。
3. 光学素子として構成されている、請求項１に記載した機能性グリッド構造体。
4. 前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層が金属層からなり、これらの金属層によって光が反射されるワイヤ機能性グリッド回折格子として構成されている、請求項３に記載した機能性グリッド構造体。
5. 前記金属層の材料がアルミニウムＡl、銀Ａg、又はこれらの金属に少量の添加物を添加した合金である、請求項４に記載した機能性グリッド構造体。
6. 前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層が金属層からなり、電極集合体として構成されている、請求項１に記載した機能性グリッド構造体。
7. 基体の表面に、複数の細い直線状の凸部が互いに平行に一定のピッチで並んでいる表 面構造を形成する工程と、
   前記凸部の上面、並びに側面全体及び側方に、それぞれ、細い直線状の上部機能性材 料層並びに側部機能性材料層を形成する工程と
   を有する、機能性グリッド構造体の製造方法。
8. 前記基体の前期表面に垂直な方向から前記凸部の配列方向へ所定の角度θだけ傾いた所定の方向から、前記凸部の上面及び側方にかけて機能性材料を堆積させることによって、隣り合う前記凸部間の凹部底面に前期機能性材料を実質的に堆積させることなく、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層を形成する、請求項７に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。
9. 前記所定の方向から所定の期間成膜した後、前期表面に垂直な方向に関して前記所定の方向と左右対称の方向から所定の期間成膜する一連の工程を、必要回数繰り返して行う、請求項８に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。
10. 前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層の厚さの増加に対応して、前記所定の角度θを徐々に小さくしていく、請求項９に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。
11. 前記基体の前期表面に機能性材料を堆積させた後、エッチバックすることにより、隣り合う前記凸部間の凹部底面に堆積した前期機能性材料を除去し、かつ、前記凸部の上面及び側方にかけて堆積した前期機能性材料の一部を残して、前記上部機能性材料層及び前記側部機能性材料層を形成する、請求項７に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。
12. 前記基体の前記表面に、前記基体の主部を構成する材料とは異なる材料によって前記凸部を形成する、請求項７に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。
13. 凹凸パターンが形成されたモールドを作製する工程と、
    前記凸部の構成材料に前記モールドを押し当て、前記凹凸パターンを転写して前記凸 部を形成する工程と
    を有する、請求項１２に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。
14. 前記基体の主部の表面に、前記凸部の構成材料として樹脂層を配置する工程と、
    前記樹脂層に前記モールドを押し当て、前記樹脂層を前期凹凸パターンに相補的な形 状に成形する工程と、
    前記成形中、及び／又は前記成形後、前記樹脂層を硬化させ、前期凸部を形成する工 程と、
    前期モールドを剥離させる工程と
    を有する、請求項１３に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。
15. 前記樹脂層として紫外線硬化性樹脂層を塗布法又は印刷法によって配置し、紫外線透過性のモールドによって成形後、前記モールドを通して紫外線を照射して前記紫外線硬化性樹脂層を硬化させる、請求項１４に記載した機能性グリッド構造体の製造方法。

Images