JP2015166861A - Method for manufacturing optical device and optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏光素子を有する光学装置及び光学装置の製造方法であり、より詳細には、偏光素子として二層型ワイヤーグリッド偏光子を有する光学装置及び光学装置の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical device having a polarizing element and a method for manufacturing the optical device, and more particularly to an optical device having a two-layer wire grid polarizer as a polarizing element and a method for manufacturing the optical device.
太陽、白熱電球及び蛍光灯などの光源から放射される光は、振動面が不規則であり、時間平均をとると一様にあらゆる方向に振動している。このような光は自然光或いは非偏光と呼ばれる。偏光子は、これら自然光などから直線偏光成分を取り出す場合に利用される。偏光子を透過した光は、偏光子の透過軸方向に振動する直線偏光である。 Light emitted from a light source such as the sun, an incandescent bulb, and a fluorescent lamp has an irregular vibration surface and oscillates uniformly in all directions when taking a time average. Such light is called natural light or non-polarized light. A polarizer is used when a linearly polarized light component is extracted from such natural light. The light transmitted through the polarizer is linearly polarized light that vibrates in the direction of the transmission axis of the polarizer.
また、半導体デバイスや液晶表示デバイスの回路パターンを露光するための露光装置が広く用いられている。この技術分野では、露光装置の解像性能を高めるために、光源の短波長化や投影光学系の大口径化が望まれている。大口径の紫外線露光装置では、光源のＴＥ偏光成分が像コントラストを低下させるため、ＴＭ偏光が多く含まれるような直線偏光に変換して照射する必要がある。そこで、これら入射光の偏光状態を制御するために偏光子が用いられている。 An exposure apparatus for exposing a circuit pattern of a semiconductor device or a liquid crystal display device is widely used. In this technical field, in order to improve the resolution performance of the exposure apparatus, it is desired to shorten the wavelength of the light source and increase the diameter of the projection optical system. In a large-diameter ultraviolet exposure apparatus, the TE-polarized component of the light source lowers the image contrast, so it is necessary to convert it into linearly polarized light that contains a large amount of TM-polarized light. Therefore, a polarizer is used to control the polarization state of the incident light.
偏光子には、一般的にはプリズム型偏光子とフィルタ型偏光子がある。そして、フィルタ型偏光子には、薄型テレビ等で使用されている吸収型偏光子とワイヤーグリッド偏光子がある。 In general, the polarizer includes a prism-type polarizer and a filter-type polarizer. Filter type polarizers include absorption polarizers and wire grid polarizers that are used in thin televisions and the like.
図１５に示されるように、ワイヤーグリッド偏光子１００は、金属といった導体線１０１ａを周期的に形成した構造を有している。そして、ワイヤーグリッド偏光子１００は、光源１０１から出射された光ＬＴに含まれたＴＥ偏光ＬＴＥを反射し、ＴＭ偏光ＬＴＭを透過する性質を有している。ＴＥ偏光ＬＴＥは、電界成分が導体線１０１ａに平行な方向の偏波（図１５の符号ＬＴＥ参照）であり、導体内の電子が光ＬＴの電界成分により平行方向に運動するため反射される。一方、ＴＭ偏光ＬＴＭは、電界成分が導体線１０１ａに垂直な方向の偏波（図１５の符号ＬＴＭ参照）であり、導体内の電子が光ＬＴの電界成分によって垂直方向に運動しないため反射せずに透過される。このようなワイヤーグリッド偏光子には、一層型と二層型がある。 As shown in FIG. 15, the wire grid polarizer 100 has a structure in which conductor wires 101a such as metal are periodically formed. Then, the wire grid polarizer 100 reflects the TE polarized light L TE included in the light emitted L T from the light source 101, has a property of transmitting TM polarization L TM. TE polarized light L TE is a polarized electric field components in a direction parallel to the conductor lines 101a (reference numeral L TE in FIG. 15), reflecting the electrons in the conductor moves in a direction parallel to the electric field component of the light L T Is done. On the other hand, TM polarization L TM is perpendicular to the direction of polarized electric field components in the conductor wire 101a (reference numeral L TM in FIG. 15), electrons in the conductor does not move in the vertical direction by the electric field component of the light L T Therefore, it is transmitted without reflecting. Such a wire grid polarizer includes a single layer type and a double layer type.
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示されるように、一層型ワイヤーグリッド偏光子１０２は、基板１０２ａ上に所定間隔を設けて配置された金属ワイヤ１０２ｂを有している。一層型ワイヤーグリッド偏光子１０２にＴＥ偏光ＬＴＥが入射されると（図１６（ａ）参照）、ＴＥ偏光ＬＴＥは、金属ワイヤ１０２ｂで反射されると共に金属ワイヤ１０２ｂが配置されていないスリット１０２ｃから透過される。また、一層型ワイヤーグリッド偏光子１０２にＴＭ偏光ＬＴＭが入射されると（図１６（ｂ）参照）、ＴＭ偏光ＬＴＭは金属ワイヤ１０２ｂで反射されることなく透過する。 As shown in FIGS. 16A and 16B, the single-layer wire grid polarizer 102 has metal wires 102b arranged at a predetermined interval on a substrate 102a. When the TE polarized light L TE to further mold the wire grid polarizer 102 is incident (see Fig. 16 (a)), TE polarization L TE is not located metal wire 102b together with reflected by the metal wire 102b slit 102c Is transmitted through. Further, when the TM polarized light L TM is incident on the single layer wire grid polarizer 102 (see FIG. 16B), the TM polarized light L TM is transmitted without being reflected by the metal wire 102b.
一方、図１６（ｃ）及び図１６（ｄ）に示されるように、二層型ワイヤーグリッド偏光子１０３は、基板１０３ａ上の凸部１０３ｂに形成された金属ワイヤ１０３ｃと、凸部１０３ｂの間から露出した基板１０３ａの表面に形成された金属ワイヤ１０３ｄとを有している。二層型ワイヤーグリッド偏光子１０３にＴＥ偏光ＬＴＥが入射されると（図１６（ｃ）参照）、ＴＥ偏光ＬＴＥは金属ワイヤ１０３ｃ及び金属ワイヤ１０３ｄで反射される。また、二層型ワイヤーグリッド偏光子１０３にＴＭ偏光ＬＴＭが入射されると（図１６（ｄ）参照）、ＴＭ偏光ＬＴＭは二層間距離が電気的にショートしない間隔であれば、一層型ワイヤーグリッド偏光子１０２と同様に透過する。従って、二層型ワイヤーグリッド偏光子１０３は、二層間の距離、すなわち金属ワイヤ１０３ｃと、金属ワイヤ１０３ｄとの間の距離ＨＴを調整することにより消光比を高めることができる。また、二層型ワイヤーグリッド偏光子１０３は、一層型ワイヤーグリッド偏光子１０２に比べて、レジスト剥離の工程が不要であり容易に作製できる。 On the other hand, as shown in FIG. 16C and FIG. 16D, the two-layer wire grid polarizer 103 is formed between the metal wire 103c formed on the protrusion 103b on the substrate 103a and the protrusion 103b. And a metal wire 103d formed on the surface of the substrate 103a exposed from the substrate. A two-layered wire grid polarizer 103 when TE polarized light L TE is incident (see Fig. 16 (c)), TE polarization L TE is reflected by the metal wire 103c and the metal wire 103d. Further, when the TM polarized light L TM is incident on the two-layer wire grid polarizer 103 (see FIG. 16D), the TM polarized light L TM is a single layer type as long as the distance between the two layers is not electrically shorted. Transmits in the same manner as the wire grid polarizer 102. Therefore, the two-layer wire grid polarizer 103 can increase the extinction ratio by adjusting the distance between the two layers, that is, the distance HT between the metal wire 103c and the metal wire 103d. Also, the two-layer wire grid polarizer 103 can be easily manufactured as compared with the single layer wire grid polarizer 102 because a resist stripping step is unnecessary.
また、特許文献１には、二層型ワイヤーグリッド偏光子に関する技術が記載されている。この二層型ワイヤーグリッド偏光子は、紫外線を用いた露光装置用の偏光子として利用される。また、二層型ワイヤーグリッド偏光子は、入射紫外光線に対して透明な基板上に形成された偏光層を有している。偏光層は、該偏光層のプラズマ周波数に対応する波長よりも大きく、かつ、波長３００ｎｍ以下の入射紫外光に対して偏光特性を有している。更に、偏光層は、異方性のある縞状構造であり、該縞状構造は基板に平行であり、該縞状構造の横断方向は、縞の間隔が前記入射紫外光の波長の平均で半分以下、かつ、１０ｎｍ以上である。 Patent Document 1 describes a technique related to a two-layer wire grid polarizer. This two-layer wire grid polarizer is used as a polarizer for an exposure apparatus using ultraviolet rays. The two-layer wire grid polarizer has a polarizing layer formed on a substrate that is transparent to incident ultraviolet light. The polarizing layer has polarization characteristics with respect to incident ultraviolet light having a wavelength larger than the wavelength corresponding to the plasma frequency of the polarizing layer and having a wavelength of 300 nm or less. Furthermore, the polarizing layer has an anisotropic stripe structure, the stripe structure is parallel to the substrate, and the transverse direction of the stripe structure is such that the interval between the stripes is an average of the wavelengths of the incident ultraviolet light. Half or less and 10 nm or more.
二層型ワイヤーグリッド偏光子は、上述した利点を有するために高性能な偏光子として注目され、広波長帯域用偏光子としての研究やシミュレーション解析が行われている。しかし、二層型ワイヤーグリッド偏光子の動作原理は、十分に解明されているとは言い難い。そこで、発明者らは、二層型ワイヤーグリッド偏光子の構造と偏光特性の関係との関係について研究を行っていたところ、特定条件下において偏光透過率が異常に大きくなる現象を見出した。 The two-layer wire grid polarizer has been attracting attention as a high-performance polarizer because it has the advantages described above, and research and simulation analysis as a polarizer for a wide wavelength band have been performed. However, it is difficult to say that the operating principle of the two-layer wire grid polarizer has been fully elucidated. Therefore, the inventors have been studying the relationship between the structure of the two-layer wire grid polarizer and the relationship between the polarization characteristics, and have found a phenomenon that the polarization transmittance is abnormally increased under specific conditions.
そこで、本発明は、任意の波長を有する入射光に対して偏光透過率を最大化し得る光学装置の製造方法、及び当該光学装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical device manufacturing method capable of maximizing the polarization transmittance for incident light having an arbitrary wavelength, and the optical device.
本発明の一形態は、光入射部と、光入射部からの入射光を受光する受光面が入射光の進行方向と所定角度をもって交差するように配置された偏光素子とを備える光学装置の製造方法である。偏光素子は、入射光に対して透明な基板と、基板上において所定の配列周期に基づいて形成された凸部と、凸部の上面に形成された第１の金属ワイヤ部と、凸部の間から露出した基板の表面に形成された第２の金属ワイヤ部と、を備えている。光学装置の製造方法は、入射光の波長及び配列周期を利用して、偏光素子に発生する表面プラズモンの励起条件を得る励起条件取得工程と、励起条件を利用して、入射光の進行方向と偏光素子の受光面とがなす所定角度を得る角度取得工程と、受光面に対して入射光が所定角度で入射するように、光入射部と偏光素子とを配置する配置工程と、を有する。 One embodiment of the present invention is an optical device that includes a light incident portion and a polarizing element that is disposed so that a light receiving surface that receives incident light from the light incident portion intersects the traveling direction of the incident light at a predetermined angle. Is the method. The polarizing element includes a substrate transparent to incident light, a convex portion formed on the substrate based on a predetermined arrangement period, a first metal wire portion formed on an upper surface of the convex portion, And a second metal wire portion formed on the surface of the substrate exposed from between. An optical device manufacturing method includes an excitation condition acquisition step of obtaining an excitation condition of surface plasmons generated in a polarizing element using the wavelength and arrangement period of incident light, and the traveling direction of incident light using the excitation condition. An angle obtaining step of obtaining a predetermined angle formed by the light receiving surface of the polarizing element, and an arranging step of arranging the light incident portion and the polarizing element so that incident light is incident on the light receiving surface at a predetermined angle.
この光学装置の製造方法によれば、光入射部から導入された光が偏光素子に照射されるため偏光を得ることができる。より詳細には、偏光素子は、凸部の上面に形成された第１の金属ワイヤ部と、凸部の間に形成された第２の金属ワイヤ部を有している。この構造によれば、ＴＥ偏光はそれぞれの金属ワイヤ部において反射され、ＴＭ偏光の光は凸部と第１の金属ワイヤ部と第２の金属ワイヤ部とにより構成される回折格子を透過する。
そして、励起条件取得工程及び角度取得工程において、偏光素子に入射光が照射されたとき、入射光により表面プラズモンが励起されるための所定角度が得られる。そして、配置工程において、受光面に対して入射光が所定角度で入射するように光入射部と偏光素子とが配置される。
ここで、発明者らの知見によれば、表面プラズモンの励起条件を満たす入射角度をもって、偏光素子に対して入射光が入射されると、表面プラズモンに起因する光が発生して、偏光素子から出射される。そうすると、偏光素子を透過するＴＭ偏光が見かけ上著しく増加して、ＴＭ偏光の偏光透過率が高まる。従って、任意の波長を有する入射光に対して偏光透過率を最大化することが可能な光学装置を製造することができる。
According to this method of manufacturing an optical device, polarized light can be obtained because the light introduced from the light incident portion is irradiated onto the polarizing element. More specifically, the polarizing element has a first metal wire portion formed on the upper surface of the convex portion and a second metal wire portion formed between the convex portions. According to this structure, TE-polarized light is reflected at each metal wire portion, and TM-polarized light passes through a diffraction grating composed of a convex portion, a first metal wire portion, and a second metal wire portion.
In the excitation condition acquisition step and the angle acquisition step, when incident light is irradiated on the polarizing element, a predetermined angle for exciting the surface plasmon by the incident light is obtained. In the arranging step, the light incident part and the polarizing element are arranged so that incident light is incident on the light receiving surface at a predetermined angle.
Here, according to the knowledge of the inventors, when incident light is incident on the polarizing element at an incident angle that satisfies the excitation condition of the surface plasmon, light due to the surface plasmon is generated and is emitted from the polarizing element. Emitted. If it does so, TM polarization which permeate | transmits a polarizing element will increase remarkably, and the polarization | polarized-light transmittance of TM polarization will increase. Therefore, an optical device capable of maximizing the polarization transmittance for incident light having an arbitrary wavelength can be manufactured.
励起条件取得工程は、入射光の波長を利用して、入射光エネルギーを得る工程と、配列周期を利用して、表面プラズモンの分散曲線を得る工程と、入射光エネルギーと分散曲線とを利用して、分散曲線と入射光エネルギーとが一致する励起波数を表面プラズモンの励起条件として得る工程と、を有することとしてもよい。これらの工程によれば、励起波数で示される表面プラズモンの励起条件を数値計算により得ることが可能になる。 The excitation condition acquisition step uses the incident light wavelength to obtain incident light energy, uses the array period to obtain a surface plasmon dispersion curve, and uses the incident light energy and dispersion curve. A step of obtaining an excitation wave number at which the dispersion curve and the incident light energy coincide with each other as a surface plasmon excitation condition. According to these steps, the surface plasmon excitation condition indicated by the excitation wave number can be obtained by numerical calculation.
角度取得工程は、入射光の波長を利用して得られる入射光の波数と、励起波数と、を利用して、入射光の波数の受光面に沿った成分が励起波数と等しくなる所定角度を算出する工程を有することとしてもよい。これらの工程によれば、入射光の進行方向と偏光素子の受光面とがなす所定角度を数値計算により得ることが可能になる。 The angle acquisition step uses the wave number of incident light obtained by using the wavelength of incident light and the excitation wave number to determine a predetermined angle at which the component along the light receiving surface of the wave number of incident light is equal to the excitation wave number. It is good also as having the process of calculating. According to these steps, it is possible to obtain a predetermined angle formed by the traveling direction of incident light and the light receiving surface of the polarizing element by numerical calculation.
また、光学装置の製造方法は、凸部の上面及び凸部間から露出する基板の表面に、金、銀、銅、アルミニウム、白金、パラジウム、イリジウム、ニッケル、タングステン、モリブデン、鉄、チタン及びクロムの何れか１つの材料を用いて、第１の金属ワイヤ部及び第２の金属ワイヤ部を形成する偏光素子の準備工程を有する。この工程によれば、表面プラズモンを好適に発生させることができる偏光素子を製造することができる。 Further, the optical device manufacturing method includes gold, silver, copper, aluminum, platinum, palladium, iridium, nickel, tungsten, molybdenum, iron, titanium, and chromium on the upper surface of the convex portion and the surface of the substrate exposed from between the convex portions. A polarizing element preparing step for forming the first metal wire portion and the second metal wire portion using any one of the above materials is provided. According to this step, a polarizing element capable of suitably generating surface plasmon can be manufactured.
また、入射光の波長は、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であることができる。 Further, the wavelength of the incident light can be 100 nm or more and 3000 nm or less.
また、本発明の別の形態は、光軸上に配置された光入射部と、光入射部からの入射光に対して透明な基板、基板上において所定の配列周期に基づいて形成された凸部、凸部の上面に形成された第１の金属ワイヤ部、及び凸部の間から露出した基板の表面に形成された第２の金属ワイヤ部を有し、光軸上に配置された偏光部と、光軸上に配置され、偏光部からの偏光を出射する光出射部と、を備えた光学装置である。光入射部及び偏光部は、偏光部の受光面に対して入射光が所定角度で入射するように配置されている。所定角度は、入射光の波長及び配列周期に基づいて得られる偏光部に発生する表面プラズモンの励起条件を満たす。 Another embodiment of the present invention includes a light incident portion arranged on the optical axis, a substrate transparent to the incident light from the light incident portion, and a convex formed on the substrate based on a predetermined arrangement period. And a first metal wire portion formed on the upper surface of the convex portion, and a second metal wire portion formed on the surface of the substrate exposed from between the convex portions, and disposed on the optical axis And an optical device that is disposed on the optical axis and that emits polarized light from the polarizing unit. The light incident part and the polarizing part are arranged so that incident light is incident on the light receiving surface of the polarizing part at a predetermined angle. The predetermined angle satisfies the excitation condition of the surface plasmon generated in the polarization unit obtained based on the wavelength and arrangement period of the incident light.
この光学装置によれば、光入射部から導入された光が偏光素子に照射されるため、偏光を得て、光出射部から外部へ出射することができる。より詳細には、偏光素子は、凸部の上面に形成された第１の金属ワイヤ部と、凸部の間に形成された第２の金属ワイヤ部を有している。この構造によれば、ＴＥ偏光はそれぞれの金属ワイヤ部において反射され、ＴＭ偏光の光は凸部と第１の金属ワイヤ部と第２の金属ワイヤ部とにより構成される回折格子を透過する。
そして、光入射部及び偏光部は、偏光部の受光面に対して入射光が所定角度で入射するように配置されている。所定角度は、入射光の波長及び配列周期に基づいて得られる偏光部に発生する表面プラズモンの励起条件を満たしている。
ここで、発明者らの知見によれば、表面プラズモンの励起条件を満たす入射角度をもって、偏光素子に対して入射光が入射されると、表面プラズモンに起因する光が発生して、偏光素子から出射される。そうすると、偏光素子を透過するＴＭ偏光が見かけ上著しく増加して、ＴＭ偏光の偏光透過率が高まる。従って、任意の波長を有する入射光に対して偏光透過率を最大化することが可能な光学装置を製造することができる。
According to this optical apparatus, since the light introduced from the light incident part is irradiated to the polarizing element, polarized light can be obtained and emitted from the light emitting part to the outside. More specifically, the polarizing element has a first metal wire portion formed on the upper surface of the convex portion and a second metal wire portion formed between the convex portions. According to this structure, TE-polarized light is reflected at each metal wire portion, and TM-polarized light passes through a diffraction grating composed of a convex portion, a first metal wire portion, and a second metal wire portion.
The light incident part and the polarizing part are arranged so that incident light is incident on the light receiving surface of the polarizing part at a predetermined angle. The predetermined angle satisfies the excitation condition of the surface plasmon generated in the polarization unit obtained based on the wavelength and arrangement period of the incident light.
Here, according to the knowledge of the inventors, when incident light is incident on the polarizing element at an incident angle that satisfies the excitation condition of the surface plasmon, light due to the surface plasmon is generated and is emitted from the polarizing element. Emitted. If it does so, TM polarization which permeate | transmits a polarizing element will increase remarkably, and the polarization | polarized-light transmittance of TM polarization will increase. Therefore, an optical device capable of maximizing the polarization transmittance for incident light having an arbitrary wavelength can be manufactured.
本発明の光学装置の製造方法によれば、任意の波長を有する入射光に対して偏光透過率を最大化し得る光学装置を製造することができる。また、本発明の光学装置によれば、任意の波長を有する入射光に対して偏光透過率を最大化することができる。 According to the method for manufacturing an optical device of the present invention, an optical device capable of maximizing the polarization transmittance with respect to incident light having an arbitrary wavelength can be manufactured. Further, according to the optical device of the present invention, the polarization transmittance can be maximized with respect to incident light having an arbitrary wavelength.
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図１に示されるように、光学装置１は、光源１０１からの入射光Ｌ１を偏光し、別の光学装置１０４へＴＭ偏光ＬＴＭを出射する。光学装置１は、光入射部２と、偏光素子（偏光部）３と、光出射部４とを備えている。これら光入射部２、偏光素子３、及び光出射部４は、所定の方向に延在する光軸Ａ上に沿って、光入射部２、偏光素子３、光出射部４の順に配置されている。 As shown in FIG. 1, the optical device 1 polarizes incident light L <b> 1 from the light source 101 and emits TM polarized light L TM to another optical device 104. The optical device 1 includes a light incident part 2, a polarizing element (polarizing part) 3, and a light emitting part 4. The light incident part 2, the polarizing element 3, and the light emitting part 4 are arranged in the order of the light incident part 2, the polarizing element 3, and the light emitting part 4 along the optical axis A extending in a predetermined direction. Yes.
光入射部２は、光源１０１からの出射された入射光Ｌ１を受光し、後段の偏光素子３に出射する。偏光素子３は、光入射部２から出射された入射光Ｌ１を偏光するものであり、入射光Ｌ１に含まれたＴＥ偏光を反射すると共にＴＭ偏光ＬＴＭを透過する。ここで、偏光素子３の性能を示すパラメータに、消光比がある。消光比は、ＴＭ偏光ＬＴＭの透過率とＴＥ偏光の透過率との比である。一般に、消光比は、ＴＭ偏光ＬＴＭの透過率を分子とし、ＴＥ偏光の透過率を分母として示される。理想的には、ＴＭ偏光ＬＴＭの透過率は１００％（すなわち全て透過）であり、ＴＥ偏光の透過率は０％（すなわち全て反射）であるため、消光比の値は無限大である。従って、消光比の値が大きいほど、偏光素子３の特性がよいことを示す。偏光素子３を透過したＴＭ偏光ＬＴＭは、後段の光出射部４に導かれる。光出射部４は、偏光素子３を透過したＴＭ偏光ＬＴＭを受光し、光学装置１の外部へ出射する。 The light incident part 2 receives the incident light L1 emitted from the light source 101 and emits it to the polarizing element 3 at the subsequent stage. The polarizing element 3 polarizes the incident light L1 emitted from the light incident part 2, and reflects the TE polarized light contained in the incident light L1 and transmits the TM polarized light LTM . Here, the parameter indicating the performance of the polarizing element 3 includes an extinction ratio. The extinction ratio is a ratio between the transmittance of TM polarized light LTM and the transmittance of TE polarized light. In general, the extinction ratio is expressed using the transmittance of TM polarized light L TM as a numerator and the transmittance of TE polarized light as a denominator. Ideally, the transmittance of the TM polarized light L TM is 100% (that is, all transmitted) and the transmittance of the TE polarized light is 0% (that is, all reflected), so that the extinction ratio value is infinite. Therefore, the larger the extinction ratio value, the better the characteristics of the polarizing element 3. The TM polarized light L TM transmitted through the polarizing element 3 is guided to the light emitting unit 4 at the subsequent stage. The light emitting unit 4 receives the TM polarized light L TM transmitted through the polarizing element 3 and emits it to the outside of the optical device 1.
偏光素子３について更に詳細に説明する。図２に示されるように、偏光素子３は、入射光Ｌ１の波長に対して透明な基板６と、基板６上において所定の配列周期Ｐに基づいて形成されたレジスト突条（凸部）７と、レジスト突条７の上面７ａに形成された第１の金属ワイヤ部８と、レジスト突条７の間から露出した基板６の表面６ａに形成された第２の金属ワイヤ部９と、を備えている。このような構造を有する偏光素子３は、二層型ワイヤーグリッド偏光子と呼ばれている。 The polarizing element 3 will be described in more detail. As shown in FIG. 2, the polarizing element 3 includes a substrate 6 that is transparent to the wavelength of the incident light L <b> 1, and a resist protrusion (convex portion) 7 formed on the substrate 6 based on a predetermined arrangement period P. And a first metal wire portion 8 formed on the upper surface 7a of the resist protrusion 7 and a second metal wire portion 9 formed on the surface 6a of the substrate 6 exposed from between the resist protrusions 7. I have. The polarizing element 3 having such a structure is called a two-layer wire grid polarizer.
基板６は、厚さ０．５〜３ｍｍといったガラス板（屈折率１．３〜１．８）であり、偏光素子３の基部をなす。この基板６は、入射光Ｌ１の波長に対して透明であればよく、ガラス板の他に、サファイア、フッ化カルシウムなどを用いることもできる。 The substrate 6 is a glass plate (refractive index: 1.3 to 1.8) having a thickness of 0.5 to 3 mm, and forms the base of the polarizing element 3. The substrate 6 only needs to be transparent to the wavelength of the incident light L1, and sapphire, calcium fluoride, or the like can be used in addition to the glass plate.
基板６の表面６ａに形成された複数のレジスト突条７は、電子ビームに感光するＥＢレジストといった材料（屈折率１．４〜１．６）により形成されている。一個のレジスト突条７は、線幅ｗ１が１００ｎｍ〜５００ｎｍであり、基板６の表面６ａからの高さｈが１００ｎｍ〜６００ｎｍである。一例として、線幅ｗ１が４００ｎｍであり、高さｈが１００ｎｍである。これらレジスト突条７の形状は、ベクトル回折論等に基づいて設定されている。複数のレジスト突条７は、所定の配列周期Ｐに基づいて形成されることにより、回折格子をなす。配列周期Ｐは、互いに隣り合ったレジスト突条７までの距離である。より詳細には、レジスト突条７の側面７ｂからレジスト突条７の側面７ｃまでの距離である。この配列周期Ｐは、例えば、ベクトル回折論等に基づいて２００ｎｍ〜１０００ｎｍの間の任意の値に設定されている。 The plurality of resist protrusions 7 formed on the surface 6a of the substrate 6 are formed of a material (refractive index: 1.4 to 1.6) such as an EB resist that is sensitive to an electron beam. One resist protrusion 7 has a line width w1 of 100 nm to 500 nm and a height h from the surface 6a of the substrate 6 of 100 nm to 600 nm. As an example, the line width w1 is 400 nm and the height h is 100 nm. The shape of these resist protrusions 7 is set based on vector diffraction theory or the like. The plurality of resist protrusions 7 are formed based on a predetermined arrangement period P to form a diffraction grating. The array period P is the distance to the adjacent resist protrusions 7. More specifically, it is the distance from the side surface 7b of the resist protrusion 7 to the side surface 7c of the resist protrusion 7. This arrangement period P is set to an arbitrary value between 200 nm and 1000 nm based on, for example, vector diffraction theory.
第１の金属ワイヤ部８は、金（屈折率０．１〜１、消衰係数１〜２０）からなり、膜厚ｔ１が１０ｎｍ〜１００ｎｍの薄膜である。また、第２の金属ワイヤ部９は、金（屈折率０．１〜１、消衰係数１〜２０）からなり、膜厚ｔ２が１０ｎｍ〜１００ｎｍの薄膜である。図２に示されたレジスト突条７の側面７ｂ，７ｃには、導電性の金属膜が形成されていないので第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９は、電気的に互いに接続されていない。なお、レジスト突条７の側面７ｂ，７ｃには、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を有する金属層が形成されていてもよい。また、第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９は、銀、銅、アルミニウム、白金、パラジウム、イリジウム、ニッケル、タングステン、モリブデン、鉄、チタン及びクロム等の金属薄膜であってもよい。 The first metal wire portion 8 is made of gold (refractive index 0.1 to 1, extinction coefficient 1 to 20), and is a thin film having a thickness t1 of 10 nm to 100 nm. The second metal wire portion 9 is made of gold (refractive index 0.1 to 1, extinction coefficient 1 to 20), and is a thin film having a film thickness t2 of 10 nm to 100 nm. Since the conductive metal film is not formed on the side surfaces 7b and 7c of the resist protrusion 7 shown in FIG. 2, the first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9 are electrically connected to each other. Not connected. A metal layer having a film thickness of about 1 nm to 10 nm may be formed on the side surfaces 7b and 7c of the resist protrusion 7. The first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9 may be metal thin films such as silver, copper, aluminum, platinum, palladium, iridium, nickel, tungsten, molybdenum, iron, titanium, and chromium. Good.
図１に示されるように、偏光素子３は、回折格子が形成された側が受光面１１であると設定されている。偏光素子３は、この受光面１１が光入射部２と対面するように配置されている。そして、偏光素子３は、受光面１１と光軸Ａとがなす角度が所定の角度に設定される。この所定の入射角度（所定角度）φは、表面プラズモンの励起条件を満たす角度である。入射角度φについては、入射光Ｌ１の波長及び配列周期Ｐに基づいて得られるものであり、後に詳細に説明する。 As shown in FIG. 1, the polarizing element 3 is set such that the side on which the diffraction grating is formed is the light receiving surface 11. The polarizing element 3 is disposed so that the light receiving surface 11 faces the light incident portion 2. In the polarizing element 3, the angle formed by the light receiving surface 11 and the optical axis A is set to a predetermined angle. This predetermined incident angle (predetermined angle) φ is an angle that satisfies the surface plasmon excitation condition. The incident angle φ is obtained based on the wavelength of the incident light L1 and the arrangement period P, and will be described in detail later.
なお、光学装置１は、光入射部２、偏光素子３及び光出射部４の他に、所望の機能を達成するための別の光学部品を更に備えていてもよい。 The optical device 1 may further include another optical component for achieving a desired function in addition to the light incident part 2, the polarizing element 3, and the light emitting part 4.
この光学装置１によれば、光入射部２から導入された入射光Ｌ１が偏光素子３に照射されるため、ＴＭ偏光ＬＴＭを得て、光出射部４から外部へ出射することができる。また、偏光素子３は、レジスト突条７の上面７ａに形成された第１の金属ワイヤ部８と、レジスト突条７の間に形成された第２の金属ワイヤ部９を有している。この構造によれば、ＴＥ偏光ＬＴＥは第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９において反射され、ＴＭ偏光ＬＴＭはレジスト突条７と第１の金属ワイヤ部８と第２の金属ワイヤ部９とにより構成される回折格子を透過する。 According to this optical device 1, the incident light L <b> 1 introduced from the light incident part 2 is irradiated to the polarizing element 3, so that TM polarized light L TM can be obtained and emitted from the light emitting part 4 to the outside. In addition, the polarizing element 3 includes a first metal wire portion 8 formed on the upper surface 7 a of the resist protrusion 7 and a second metal wire portion 9 formed between the resist protrusions 7. According to this structure, the TE-polarized light TE is reflected by the first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9, and the TM-polarized light L TM is reflected by the resist protrusion 7, the first metal wire portion 8, and the second metal wire portion 8. It passes through a diffraction grating composed of the metal wire portion 9.
そして、光入射部２及び偏光素子３は、偏光素子３の受光面１１に対して入射光Ｌ１が入射角度φで入射するように配置されている。入射角度φは、入射光Ｌ１の波長及び配列周期Ｐに基づいて得られる偏光素子３に発生する表面プラズモンの励起条件を満たしている。ここで、発明者らの知見によれば、表面プラズモンの励起条件を満たす入射角度φをもって、偏光素子３に対して入射光Ｌ１が入射されると、表面プラズモンに起因する光が発生して、偏光素子３から出射される。そうすると、偏光素子３を透過するＴＭ偏光ＬＴＭが見かけ上著しく増加して、ＴＭ偏光ＬＴＭの偏光透過率が高まる。従って、任意の波長を有する入射光Ｌ１に対して偏光透過率を最大化することができる。 The light incident part 2 and the polarizing element 3 are arranged so that the incident light L1 is incident on the light receiving surface 11 of the polarizing element 3 at an incident angle φ. The incident angle φ satisfies the excitation condition of the surface plasmon generated in the polarizing element 3 obtained based on the wavelength of the incident light L1 and the arrangement period P. Here, according to the knowledge of the inventors, when the incident light L1 is incident on the polarizing element 3 with an incident angle φ that satisfies the excitation condition of the surface plasmon, light due to the surface plasmon is generated, The light is emitted from the polarizing element 3. If it does so, TM polarization L TM which permeate | transmits the polarizing element 3 will increase remarkably, and the polarization | polarized-light transmittance of TM polarization L TM will increase. Therefore, the polarization transmittance can be maximized for the incident light L1 having an arbitrary wavelength.
次に、図３を参照しつつ、光学装置１の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the optical device 1 will be described with reference to FIG.
＜準備工程：Ｓ１＞
はじめに、偏光素子３を作製する（図３の工程Ｓ１）。まず、図４（ａ）に示されるように、基板６となるガラス板にヘキサメチルジシラザン１２を塗布する。次に、図４（ｂ）に示されるように、ヘキサメチルジシラザン１２を塗布した面にＥＢレジスト層１３を形成する。より詳細には、ＥＢレジストの粘度を溶剤で調整し、スピンコータの回転数を制御して膜厚Ｂを調整する。ＥＢレジスト層１３は、レジスト突条７を形成するものであるため、膜厚Ｂはレジスト突条７の高さｈに相当する。その後、ＥＢレジスト層１３の表面に、帯電防止層１４を形成する。
<Preparation process: S1>
First, the polarizing element 3 is produced (step S1 in FIG. 3). First, as shown in FIG. 4A, hexamethyldisilazane 12 is applied to a glass plate that becomes the substrate 6. Next, as shown in FIG. 4B, an EB resist layer 13 is formed on the surface coated with hexamethyldisilazane 12. More specifically, the film thickness B is adjusted by adjusting the viscosity of the EB resist with a solvent and controlling the rotational speed of the spin coater. Since the EB resist layer 13 forms the resist protrusions 7, the film thickness B corresponds to the height h of the resist protrusions 7. Thereafter, an antistatic layer 14 is formed on the surface of the EB resist layer 13.
次に、図４（ｃ）に示されるように、電子線露光装置を用いて電子線（ＥＢ）を照射することにより、ＥＢレジスト層１３の現像を行う。そして、図４（ｄ）に示されるように、露光された部分のＥＢレジスト層１３を除去する。これらの工程により、複数のレジスト突条７が形成される。次に、図４（ｅ）に示されるように、第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９を形成する。この工程では、スパッタ装置を用いてレジスト突条７の上面及びレジスト突条７の間から露出しているヘキサメチルジシラザン１２の上に金を堆積させる。 Next, as shown in FIG. 4C, the EB resist layer 13 is developed by irradiating an electron beam (EB) using an electron beam exposure apparatus. Then, as shown in FIG. 4D, the exposed portion of the EB resist layer 13 is removed. Through these steps, a plurality of resist protrusions 7 are formed. Next, as shown in FIG. 4E, the first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9 are formed. In this step, gold is deposited on the upper surface of the resist protrusion 7 and the hexamethyldisilazane 12 exposed from between the resist protrusions 7 using a sputtering apparatus.
上述した工程を経て、二層型ワイヤーグリッド偏光子である偏光素子３が作製される。例えば、第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９が形成された領域Ｆは、一辺ＬＡが１．５ｍｍの正方形領域である（図４（ｆ）参照）。 Through the steps described above, the polarizing element 3 that is a two-layer wire grid polarizer is manufactured. For example, the region F in which the first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9 are formed is a square region having a side LA of 1.5 mm (see FIG. 4F).
次に、光軸Ａと偏光素子３の受光面１１とがなす入射角度φを算出する（図３の工程Ｓ２）。 Next, the incident angle φ formed by the optical axis A and the light receiving surface 11 of the polarizing element 3 is calculated (step S2 in FIG. 3).
＜励起条件取得工程：Ｓ３＞
まず、入射光Ｌ１の波長を利用して、入射光エネルギーを算出する（図３の工程Ｓ３ａ）。入射光Ｌ１の波長がλである場合には、入射光エネルギーＥＩＮは下記式（１）により算出される。
本実施形態において入射光Ｌ１の波長λが６２８ｎｍであるとすると、入射光エネルギーＥＩＮは、１．９７４である。この入射光エネルギーＥＩＮは、入射光Ｌ１の波長λにより決定される値であるため、図５（ａ）及び図５（ｂ）の二次元座標系に示した場合には、直線Ｇ５ａとなる。
<Excitation condition acquisition step: S3>
First, the incident light energy is calculated using the wavelength of the incident light L1 (step S3a in FIG. 3). When the wavelength of the incident light L1 is λ, the incident light energy E IN is calculated by the following equation (1).
In this embodiment, if the wavelength λ of the incident light L1 is 628 nm, the incident light energy E IN is 1.974. Since this incident light energy E IN is a value determined by the wavelength λ of the incident light L1, it becomes a straight line G5a when shown in the two-dimensional coordinate system of FIGS. 5 (a) and 5 (b). .
次に、表面プラズモンの分散曲線Ｇ５ｂを算出する（図３の工程Ｓ３ｂ）。この分散曲線Ｇ５ｂは、第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９を構成する金と、媒質における表面プラズモンの分散関係を示している。ここで、媒質は、ＥＢレジスト（屈折率１．５）と空気（屈折率１．０）の平均屈折率（１．２５）を有するものと仮定する。ここで表面プラズモンの励起波数ｋｓｐは、下記式（２）により示される。
ω：入射光の振動数
ｃ：光速（＝２．９９×１０８ｍ／ｓ）
ε１：媒質の誘電率（ε１＝１．２５２＝１．５６）
ε２：第２の金属ワイヤ部９を形成する金の誘電率
そして、金の誘電率ε２は、ドルーデモデルに従うと仮定すると、下記式（３）により示される。
ωｐ：金のプラズマ周波数（＝３．６×１０１５ｒａｄ／ｓ）
媒質の誘電率ε１と、金の誘電率ε２とを式（２）に代入すると、表面プラズモンの励起波数ｋｓｐと入射光Ｌ１の角周波数数ωの関係式が得られる。入射光Ｌ１の角周波数ωは、光のエネルギーに換算することが可能である。この分散曲線Ｇ５ｂは、回折格子の要素を含まない表面プラズモンの分散曲線である。
Next, a surface plasmon dispersion curve G5b is calculated (step S3b in FIG. 3). This dispersion curve G5b shows the dispersion relationship between the surface plasmon in the medium and the gold constituting the first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9. Here, it is assumed that the medium has an average refractive index (1.25) of EB resist (refractive index 1.5) and air (refractive index 1.0). Excitation wave number k sp here surface plasmon is represented by the following formula (2).
ω: frequency of incident light c: speed of light (= 2.99 × 10 8 m / s)
ε 1 : dielectric constant of the medium (ε 1 = 1.25 2 = 1.56)
ε 2 : Dielectric constant of gold forming the second metal wire portion 9 And, assuming that the dielectric constant ε 2 of gold follows the Drude model, it is expressed by the following formula (3).
ω p : Gold plasma frequency (= 3.6 × 10 15 rad / s)
By substituting the dielectric constant ε 1 of the medium and the dielectric constant ε 2 of gold into the equation (2), a relational expression between the excitation wave number k sp of the surface plasmon and the angular frequency number ω of the incident light L 1 is obtained. The angular frequency ω of the incident light L1 can be converted into light energy. The dispersion curve G5b is a dispersion curve of surface plasmon that does not include a diffraction grating element.
続いて、回折格子の要素を含む表面プラズモンの分散曲線Ｇ５ｃ〜Ｇ５ｉを算出する（図３の工程Ｓ３ｂ）。この表面プラズモンの分散曲線Ｇ５ｃ〜Ｇ５ｉは、下記式（４）により示される。
Ｋ：回折格子の波数
ｍ：回折次数（整数）
すなわち、表面プラズモンの分散曲線Ｇ５ｃ〜Ｇ５ｉを示す式は、回折格子の要素を含まない表面プラズモンの分散曲線Ｇ５ｂを示す式（３）に回折格子の波数Ｋを加えたものである。ここで、回折格子の波数Ｋは、下記式（５）により示される。
Ｐ：レジスト突条７の配列周期
図５（ａ）において、分散曲線Ｇ５ｃはレジスト突条７の配列周期Ｐが２００ｎｍである。分散曲線Ｇ５ｄはレジスト突条７の配列周期Ｐが２５０ｎｍである。分散曲線Ｇ５ｅはレジスト突条７の配列周期Ｐが３００ｎｍである。分散曲線Ｇ５ｆはレジスト突条７の配列周期Ｐが４００ｎｍである。また、図５（ｂ）において、分散曲線Ｇ５ｇはレジスト突条７の配列周期Ｐが５００ｎｍである。分散曲線Ｇ５ｈはレジスト突条７の配列周期Ｐが７００ｎｍである。分散曲線Ｇ５ｉはレジスト突条７の配列周期Ｐが９００ｎｍである。なお、分散曲線Ｇ５ｋは、いわゆるライトラインである。ライトラインは、空気中を水平方向（すなわち入射角度９０度）に進行する光のエネルギーと波数ｋｓｐとの関係を示すものである。
Subsequently, dispersion curves G5c to G5i of the surface plasmons including the diffraction grating elements are calculated (step S3b in FIG. 3). The surface plasmon dispersion curves G5c to G5i are expressed by the following equation (4).
K: Wave number of diffraction grating m: Diffraction order (integer)
In other words, the expression indicating the surface plasmon dispersion curves G5c to G5i is obtained by adding the wave number K of the diffraction grating to the expression (3) indicating the dispersion curve G5b of the surface plasmon not including the elements of the diffraction grating. Here, the wavenumber K of the diffraction grating is expressed by the following formula (5).
P: Arrangement period of the resist protrusions 7 In FIG. 5A, the dispersion curve G5c has an arrangement period P of the resist protrusions 7 of 200 nm. In the dispersion curve G5d, the arrangement period P of the resist protrusions 7 is 250 nm. In the dispersion curve G5e, the arrangement period P of the resist protrusions 7 is 300 nm. In the dispersion curve G5f, the arrangement period P of the resist protrusions 7 is 400 nm. Further, in FIG. 5B, the dispersion curve G5g has an arrangement period P of the resist protrusions 7 of 500 nm. In the dispersion curve G5h, the arrangement period P of the resist protrusions 7 is 700 nm. In the dispersion curve G5i, the arrangement period P of the resist protrusions 7 is 900 nm. The dispersion curve G5k is a so-called light line. The light line indicates the relationship between the energy of light traveling in the air in the horizontal direction (that is, the incident angle of 90 degrees) and the wave number ksp .
続いて、偏光素子３に発生する表面プラズモンの励起条件を得る。より詳細には、分散曲線Ｇ５ｃ〜Ｇ５ｉ上において入射光エネルギーを示す直線Ｇ５ａと交差する点を算出し、当該交差点（励起点）の励起波数ｋＳＰを算出する（図３の工程Ｓ３ｃ）。すなわち、表面プラズモンの励起条件は、励起波数ｋＳＰによって示される。 Subsequently, excitation conditions for surface plasmons generated in the polarizing element 3 are obtained. More specifically, a point that intersects the straight line G5a indicating the incident light energy on the dispersion curves G5c to G5i is calculated, and an excitation wave number k SP at the intersection (excitation point) is calculated (step S3c in FIG. 3). That is, the excitation condition of the surface plasmon is indicated by the excitation wave number k SP .
例えば、入射光Ｌ１の波長λが６２８ｎｍであり、レジスト突条７の配列周期Ｐが３００ｎｍ（図５（ａ）の分散曲線Ｇ５ｅ）であるとすると、励起点Ｐ１が得られる。そして、この励起点Ｐ１は、波数ｋｓｐが１０μｍ−１であり、エネルギーが１．９７４ｅＶである。以上の工程により、表面プラズモンの励起条件が得られる。 For example, when the wavelength λ of the incident light L1 is 628 nm and the arrangement period P of the resist protrusions 7 is 300 nm (dispersion curve G5e in FIG. 5A), the excitation point P1 is obtained. The excitation point P1 has a wave number k sp of 10 μm −1 and an energy of 1.974 eV. Through the above steps, surface plasmon excitation conditions are obtained.
＜角度取得工程：Ｓ４＞
次に、励起条件取得工程Ｓ３で得た励起条件（励起波数ｋＳＰ）を利用して、入射光Ｌ１の進行方向と偏光素子３の受光面１１とがなす入射角度φ（図１参照）を算出する（図３の工程Ｓ４）。この角度取得工程Ｓ４では、入射光Ｌ１の波長λを利用して得られる入射光Ｌ１の波数（２π／λ）と、表面プラズモンの励起波数ｋＳＰとを利用して、入射光Ｌ１の波数の受光面１１に沿った成分が表面プラズモンの励起波数ｋＳＰと等しくなる入射角度φを算出する。これら入射光Ｌ１の波長λ、表面プラズモンの励起波数ｋＳＰ及び入射角度φの関係は、式（６）によって示される。式（６）の右辺は、表面プラズモンの励起波数ｋＳＰを示す。式（６）の左辺は、入射光Ｌ１の波数（２π／λ）の水平成分を示す。すなわち、式（６）は、入射光Ｌ１の波数（２π／λ）の水平成分が、表面プラズモンの励起波数ｋＳＰと等しいことを示している。入射光Ｌ１の波数の水平成分（式（６）の左辺）が、表面プラズモンの励起波数ｋＳＰと一致した場合に、入射光Ｌ１によって偏光素子３における表面プラズモンが励起される。励起波数ｋＳＰは、式（４）及び式（５）に示されるように、レジスト突条７の配列周期Ｐを利用して得られる回折格子の波数Ｋ、媒質の誘電率ε１、第２の金属ワイヤ部９を構成する材料の誘電率ε２、などによって決定される。一方、入射光Ｌ１の波数の水平成分（式（６）の左辺）の大きさは、入射光Ｌ１の入射角度φによって調整することが可能である。そこで、入射光Ｌ１の波数の水平成分が表面プラズモンの励起波数ｋＳＰと一致する入射角度φを算出する。なお、ここでいう一致とは、厳密な数値の一致に限定されることはない。入射角度φは、表面プラズモンの励起を生じさせることが可能な範囲であればよい。
λ：入射光の波長
φ：入射角度
ｋＳＰ：表面プラズモンの励起波数
<Angle acquisition process: S4>
Next, using the excitation condition (excitation wave number k SP ) obtained in the excitation condition acquisition step S3, the incident angle φ (see FIG. 1) formed by the traveling direction of the incident light L1 and the light receiving surface 11 of the polarizing element 3 is obtained. Calculate (step S4 in FIG. 3). In this angle acquisition step S4, the wave number (2π / λ) of the incident light L1 obtained using the wavelength λ of the incident light L1 and the excitation wave number k SP of the surface plasmon are used to determine the wave number of the incident light L1. The incident angle φ at which the component along the light receiving surface 11 becomes equal to the excitation wave number k SP of the surface plasmon is calculated. The relationship between the wavelength λ of the incident light L1, the excitation wave number k SP of the surface plasmon, and the incident angle φ is expressed by Expression (6). The right side of Equation (6) represents the excitation wave number k SP of the surface plasmon. The left side of Equation (6) indicates the horizontal component of the wave number (2π / λ) of the incident light L1. That is, Expression (6) indicates that the horizontal component of the wave number (2π / λ) of the incident light L1 is equal to the excitation wave number k SP of the surface plasmon. When the horizontal component of the wave number of the incident light L1 (the left side of Expression (6)) matches the excitation wave number k SP of the surface plasmon, the surface plasmon in the polarizing element 3 is excited by the incident light L1. The excitation wave number k SP is obtained by using the wave number K of the diffraction grating obtained by using the arrangement period P of the resist protrusions 7, the dielectric constant ε 1 of the medium, and the second value as shown in the equations (4) and (5). The dielectric constant ε 2 of the material constituting the metal wire portion 9 is determined. On the other hand, the magnitude of the horizontal component of the wave number of the incident light L1 (the left side of Expression (6)) can be adjusted by the incident angle φ of the incident light L1. Therefore, the incident angle φ at which the horizontal component of the wave number of the incident light L1 matches the excitation wave number k SP of the surface plasmon is calculated. Note that the term “match” here is not limited to exact match of numerical values. The incident angle φ may be in a range that can cause excitation of surface plasmons.
λ: wavelength of incident light φ: incident angle k SP : excitation wave number of surface plasmon
なお、図５に示された二次元座標系は、縦軸が光のエネルギーを示していたが、光の角周波数ωを示すものであってもよい。 In the two-dimensional coordinate system shown in FIG. 5, the vertical axis indicates the energy of light, but it may indicate the angular frequency ω of light.
＜配置工程：Ｓ５＞
次に、光入射部２と偏光素子３とを配置する。より詳細には、偏光素子３の受光面１１に対して入射光Ｌ１が入射角度φで入射するように、光入射部２と偏光素子３とを配置する。この場合、固定された偏光素子３に対して光入射部２の配置角度を調整してもよい。また、固定された光入射部２に対して偏光素子３の配置角度を調整してもよい。
<Arrangement process: S5>
Next, the light incident part 2 and the polarizing element 3 are arranged. More specifically, the light incident part 2 and the polarizing element 3 are arranged so that the incident light L1 enters the light receiving surface 11 of the polarizing element 3 at an incident angle φ. In this case, the arrangement angle of the light incident part 2 may be adjusted with respect to the fixed polarizing element 3. Further, the arrangement angle of the polarizing element 3 may be adjusted with respect to the fixed light incident portion 2.
以上の工程を実施することにより、光学装置１が製造される。 The optical device 1 is manufactured by performing the above steps.
この光学装置１の製造方法によれば、光入射部２から導入された入射光Ｌ１が偏光素子３に照射されるのでＴＭ偏光ＬＴＭを得ることができる。また、偏光素子３は、レジスト突条７の上面７ａに形成された第１の金属ワイヤ部８と、レジスト突条７の間に形成された第２の金属ワイヤ部９とを有している。この構造によれば、ＴＭ偏光ＬＴＭは、第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９において反射され、ＴＭ偏光ＬＴＭはレジスト突条７と第１の金属ワイヤ部と第２の金属ワイヤ部とにより構成される回折格子を透過する。 According to the method for manufacturing the optical device 1, the incident light L <b> 1 introduced from the light incident part 2 is irradiated to the polarizing element 3, so that the TM polarized light L TM can be obtained. In addition, the polarizing element 3 has a first metal wire portion 8 formed on the upper surface 7 a of the resist protrusion 7 and a second metal wire portion 9 formed between the resist protrusions 7. . According to this structure, the TM polarized light L TM is reflected by the first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9, and the TM polarized light L TM is reflected by the resist protrusion 7, the first metal wire portion, and the second metal wire portion 8. Is transmitted through a diffraction grating composed of a metal wire portion.
そして、励起条件取得工程Ｓ３及び角度取得工程Ｓ４において、偏光素子３に入射光Ｌ１が照射されたとき、入射光Ｌ１により表面プラズモンが励起されるための入射光Ｌ１の進行方向と偏光素子３の受光面１１とがなす入射角度φが得られる。そして、配置工程Ｓ５において、受光面１１に対して入射光Ｌ１が入射角度φで入射するように光入射部２と偏光素子３とが配置される。 Then, in the excitation condition acquisition step S3 and the angle acquisition step S4, when the incident light L1 is irradiated on the polarizing element 3, the traveling direction of the incident light L1 for exciting the surface plasmon by the incident light L1 and the polarization element 3 An incident angle φ formed by the light receiving surface 11 is obtained. In the arranging step S5, the light incident part 2 and the polarizing element 3 are arranged so that the incident light L1 enters the light receiving surface 11 at an incident angle φ.
ここで、発明者らの知見によれば、表面プラズモンの励起条件を満たす入射角度φをもって、偏光素子３に対して入射光Ｌ１が入射されると、表面プラズモンに起因する光が発生して、偏光素子３から出射される。そうすると、偏光素子３を透過するＴＭ偏光ＬＴＭが見かけ上著しく増加して、ＴＭ偏光ＬＴＭの偏光透過率が高まる。従って、任意の波長λを有する入射光Ｌ１に対して偏光透過率を最大化することが可能な光学装置１を製造することができる。 Here, according to the knowledge of the inventors, when the incident light L1 is incident on the polarizing element 3 with an incident angle φ that satisfies the excitation condition of the surface plasmon, light due to the surface plasmon is generated, The light is emitted from the polarizing element 3. If it does so, TM polarization L TM which permeate | transmits the polarizing element 3 will increase remarkably, and the polarization | polarized-light transmittance of TM polarization L TM will increase. Therefore, the optical device 1 capable of maximizing the polarization transmittance for the incident light L1 having an arbitrary wavelength λ can be manufactured.
偏光素子３の準備工程Ｓ１によれば、表面プラズモンを好適に発生させることができる偏光素子３を製造することができる。また、励起条件取得工程Ｓ３によれば、励起波数ｋｓｐによって示される表面プラズモンの励起条件を数値計算により得ることが可能になる。また、角度取得工程Ｓ４によれば、入射光Ｌ１の進行方向と偏光素子３の受光面１１とがなす入射角度φを数値計算により得ることが可能になる。 According to preparatory process S1 of the polarizing element 3, the polarizing element 3 which can generate | occur | produce a surface plasmon suitably can be manufactured. In addition, according to the excitation condition acquisition step S3, the surface plasmon excitation condition indicated by the excitation wave number ksp can be obtained by numerical calculation. Further, according to the angle acquisition step S4, the incident angle φ formed by the traveling direction of the incident light L1 and the light receiving surface 11 of the polarizing element 3 can be obtained by numerical calculation.
本実施形態に係る光学装置の製造方法で製造された光学装置１は、露光装置、プロジェクターの他にＬＣＤ等のディスプレイにも適用することが可能である。その他、薄膜トランジスタ、カラーフィルタ、フォトニック結晶、タッチパネルへの適用可能性が期待できる。 The optical device 1 manufactured by the method for manufacturing an optical device according to the present embodiment can be applied to a display such as an LCD in addition to an exposure device and a projector. In addition, applicability to thin film transistors, color filters, photonic crystals, and touch panels can be expected.
＜実施例１＞
二層型ワイヤーグリッド偏光子を作製して、透過率を測定した。まず、電子線描画装置を用いて複数のレジスト突条７からなる回折格子をガラス基板上に形成した。そして、金を堆積させて二層型ワイヤーグリッド偏光子を作製した。以下に、二層型ワイヤーグリッド偏光子の設計寸法を示す。
レジスト突条７の高さｈ（レジスト膜厚）：１００ｎｍ
レジスト突条７の配列周期Ｐ：２００ｎｍ、３００ｎｍ、３１８ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、６３５ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ
レジスト突条７の線幅ｗ１：２００ｎｍ
スリット幅ｗ２：２００ｎｍ
第１の金属ワイヤ部の膜厚ｔ１（図２参照）：４０ｎｍ
第２の金属ワイヤ部の膜厚ｔ２（図２参照）：４０ｎｍ
<Example 1>
A two-layer wire grid polarizer was prepared and the transmittance was measured. First, a diffraction grating composed of a plurality of resist protrusions 7 was formed on a glass substrate using an electron beam drawing apparatus. And gold was deposited and the two-layer type wire grid polarizer was produced. The design dimensions of the two-layer wire grid polarizer are shown below.
Resist protrusion 7 height h (resist film thickness): 100 nm
Arrangement period P of resist protrusion 7: 200 nm, 300 nm, 318 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 635 nm, 700 nm, 800 nm, 1000 nm
Line width w1: 200 nm of resist protrusion 7
Slit width w2: 200 nm
Film thickness t1 of the first metal wire portion (see FIG. 2): 40 nm
Film thickness t2 of the second metal wire portion (see FIG. 2): 40 nm
図６は、配列周期Ｐが２００ｎｍである二層型ワイヤーグリッド偏光子のＳＥＭ像である。図６に示されるように、目標通りの配列周期Ｐ（格子間間隔）、線幅ｗ１、スリット幅ｗ２及びレジスト突条７の高さｈが実現できていることが確認できた。 FIG. 6 is an SEM image of a two-layer wire grid polarizer having an arrangement period P of 200 nm. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the target array period P (interstitial spacing), line width w1, slit width w2, and height h of the resist protrusions 7 were realized.
次に、図７及び図８に示される垂直測定光学系５０及び斜め入射測定光学系６０を構築し、配列周期Ｐが異なるそれぞれの二層型ワイヤーグリッド偏光子３Ａについて透過率の評価を行った。図７に示されるように、垂直測定光学系５０は、光源５１と、検光子５２と、受光器５３とを備え、所定方向に延在する光軸上に沿ってこの順に配置した。そして、光源５１と検光子５２との間に二層型ワイヤーグリッド偏光子３Ａを配置した。ここで、光源５１から出射される光は、波長λが６３５ｎｍのレーザ光である。また、図８（ａ）に示されるように、斜め入射測定光学系６０は、光源６１と、検光子６２と、受光器６３とを備え、所定方向に延在する光軸上に沿ってこの順に配置した。そして、光源６１と検光子６２との間に二層型ワイヤーグリッド偏光子３Ａを配置した。この斜め入射測定光学系６０では、二層型ワイヤーグリッド偏光子３Ａをゴニオメータといった任意の角度に設定可能な治具６４を利用して、レーザ光ＬＢの入射角度φ（図８（ｂ）参照）を調整した。 Next, the perpendicular measurement optical system 50 and the oblique incidence measurement optical system 60 shown in FIGS. 7 and 8 were constructed, and the transmittance was evaluated for each of the two-layer wire grid polarizers 3A having different arrangement periods P. . As shown in FIG. 7, the vertical measurement optical system 50 includes a light source 51, an analyzer 52, and a light receiver 53, and is arranged in this order along an optical axis extending in a predetermined direction. A two-layer wire grid polarizer 3 </ b> A is disposed between the light source 51 and the analyzer 52. Here, the light emitted from the light source 51 is laser light having a wavelength λ of 635 nm. Further, as shown in FIG. 8A, the oblique incidence measurement optical system 60 includes a light source 61, an analyzer 62, and a light receiver 63, and is arranged along an optical axis extending in a predetermined direction. Arranged in order. A two-layer wire grid polarizer 3 </ b> A is disposed between the light source 61 and the analyzer 62. In the oblique incidence measurement optical system 60, the incident angle φ of the laser beam LB is used by using a jig 64 that can set the two-layer wire grid polarizer 3A to an arbitrary angle such as a goniometer (see FIG. 8B). Adjusted.
図９は、垂直入射における配列周期ＰごとのＴＭ偏光ＬＴＭの透過率（グラフＧ９ａ）と、ＴＥ偏光の透過率（グラフＧ９ｂ）とを示す。図９に示されるように、ＴＭ偏光ＬＴＭの透過率（グラフＧ９ａ参照）は、配列周期Ｐが４００ｎｍであるとき透過率のピークを示すことがわかった。また、ＴＥ偏光の透過率（グラフＧ９ｂ参照）は、ＴＭ偏光ＬＴＭの透過率に比べて２ケタ程度小さいことがわかった。 FIG. 9 shows the transmittance of TM polarized light L TM (graph G9a) and the transmittance of TE polarized light (graph G9b) for each array period P at normal incidence. As shown in FIG. 9, it was found that the transmittance of TM polarized light L TM (see graph G9a) shows a peak of transmittance when the arrangement period P is 400 nm. Further, the transmittance of the TE polarization (see graph G9b) was found to be 2 digits about smaller than the transmittance of the TM polarization L TM.
図１０（ａ）は、配列周期Ｐ（２００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ）の二層型ワイヤーグリッド偏光子に対して、入射角度を０度から７０度まで変化させたときの透過率を示す。図１０（ａ）に示されるように、配列周期Ｐごとに、透過率のピークを示す入射角度が異なることがわかった。例えば、配列周期Ｐが４００ｎｍ（グラフＧ１０ａ参照）である場合には、入射角度が０度であるときに透過率のピークが得られた。また、配列周期Ｐが２５０ｎｍ以下（グラフＧ１０ｃ参照）の場合には、表面プラズモンが励起されず、透過率の増大は確認されなかった。 FIG. 10A shows a case where the incident angle is changed from 0 degree to 70 degrees with respect to a two-layer wire grid polarizer having an arrangement period P (200 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 1000 nm). The transmittance is shown. As shown in FIG. 10A, it was found that the incident angle indicating the transmittance peak is different for each arrangement period P. For example, when the arrangement period P is 400 nm (see graph G10a), a transmittance peak was obtained when the incident angle was 0 degrees. Further, when the arrangement period P was 250 nm or less (see graph G10c), the surface plasmon was not excited, and no increase in transmittance was confirmed.
図１０（ｂ）は、配列周期Ｐ（２００ｎｍ、３００ｎｍ、３１８ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、６３５ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ）の二層型ワイヤーグリッド偏光子に対して、入射角度を０度から７０度まで変化させたときの透過率を示す。図１０（ｂ）に示されるように、配列周期Ｐが３１８ｎｍ（グラフＧ１０ｂ参照）である場合には、最も大きな透過率のピークが得られた。また、配列周期Ｐが２５０ｎｍ以下（グラフＧ１０ｄ参照）の場合には、表面プラズモンが励起されず、透過率の増大は確認されなかった。 FIG. 10B shows an incident angle of 0 to 70 with respect to a two-layer wire grid polarizer having an arrangement period P (200 nm, 300 nm, 318 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 635 nm, 700 nm, 800 nm, 1000 nm). It shows the transmittance when changed to a degree. As shown in FIG. 10B, when the arrangement period P is 318 nm (see graph G10b), the highest transmittance peak was obtained. When the arrangement period P was 250 nm or less (see graph G10d), the surface plasmon was not excited and no increase in transmittance was confirmed.
次に、配列周期Ｐごとに透過率がピークになる入射角度φを取得した。そして、図１１に示されるように、二次元座標系にプロットした（点Ｐ１１参照）。この二次元座標系は、配列周期Ｐを横軸とし、ピークになる角度を表面プラズモン励起角として縦軸として示したものである。更に、配列周期Ｐ及び入射光Ｌ１の波長λ（６３５ｎｍ）から入射角度φを算出することにより、上述した二次元座標系にプロットした（グラフＧ１１ａ，Ｇ１１ｂ，Ｇ１１ｃ参照）。ここで、グラフＧ１１ｂは、計算条件を７５０ｎｍとした場合であり、グラフＧ１１ｃは、計算条件を５６０ｎｍとした場合である。グラフＧ１１ａによれば、配列周期Ｐが４１０ｎｍであるときには、垂直入射（入射角度φ＝０度）である場合に透過率が最大値になることがわかった。なお、配列周期Ｐが４１０ｎｍより小さい領域は、表面プラズモンの１次バンド励起によるものであり、図５（ａ）が示す内容に対応している。また、配列周期Ｐが４１０ｎｍより大きい領域は、表面プラズモンの２次バンド励起によるものであり、図５（ｂ）が示す内容に対応している。 Next, the incident angle φ at which the transmittance peaked for each array period P was obtained. Then, as shown in FIG. 11, it was plotted in a two-dimensional coordinate system (see point P11). This two-dimensional coordinate system is shown with the arrangement period P as the horizontal axis and the peak angle as the vertical axis as the surface plasmon excitation angle. Furthermore, by calculating the incident angle φ from the arrangement period P and the wavelength λ (635 nm) of the incident light L1, it was plotted in the two-dimensional coordinate system described above (see graphs G11a, G11b, and G11c). Here, the graph G11b is when the calculation condition is 750 nm, and the graph G11c is when the calculation condition is 560 nm. According to the graph G11a, it was found that when the arrangement period P is 410 nm, the transmittance becomes the maximum value when the incident angle is normal (incident angle φ = 0 degrees). Note that the region where the arrangement period P is smaller than 410 nm is due to the primary band excitation of the surface plasmon, and corresponds to the content shown in FIG. Further, the region where the arrangement period P is larger than 410 nm is due to the secondary band excitation of the surface plasmon, and corresponds to the content shown in FIG.
また、実測値をプロットした点Ｐ１１は、計算により求めたグラフＧ１１ａと略同様の傾向を示すことがわかった。この結果から、配列周期Ｐと入射角度φとの関係は、表面プラズモン励起により説明できることが確認できた。すなわち、配列周期Ｐと入射角度φに関係性があることが明らかとなり、実測値とシミュレーション結果との比較により、これらの関係を表面プラズモン励起により説明できることが確認できた。従って、本実施形態に係る光学装置の製造方法の妥当性が確認できた。 Moreover, it turned out that the point P11 which plotted the measured value shows the tendency substantially the same as the graph G11a calculated | required by calculation. From this result, it was confirmed that the relationship between the arrangement period P and the incident angle φ can be explained by surface plasmon excitation. That is, it has been clarified that there is a relationship between the array period P and the incident angle φ, and it has been confirmed that the relationship can be explained by surface plasmon excitation by comparing the measured value with the simulation result. Therefore, the validity of the manufacturing method of the optical device according to the present embodiment was confirmed.
＜実施例２＞
次に、光強度分布シミュレーションを実施して、実施例１で得られた現象の理論的検討を行った。実施例２では、入射角度φと透過率との関係に注目した。図１２は、入射角度φをパラメータとして変化させたときの光強度分布のシミュレーション結果である。ここで、計算モデルの各部寸法は、以下のように設定した。下記設定によれば、表面プラズモンが励起される入射角度φは、３０度である。
レジスト突条７の高さｈ（レジスト膜厚）：１００ｎｍ
レジスト突条７の配列周期Ｐ：３１６ｎｍ
レジスト突条７の線幅ｗ１：１５８ｎｍ
スリット幅ｗ２：１５８ｎｍ
第１の金属ワイヤ部の膜厚ｔ１（図２参照）：４０ｎｍ
第２の金属ワイヤ部の膜厚ｔ２（図２参照）：４０ｎｍ
レジスト突条の側面における金属膜厚：１０ｎｍ
<Example 2>
Next, a light intensity distribution simulation was performed to theoretically examine the phenomenon obtained in Example 1. In Example 2, attention was paid to the relationship between the incident angle φ and the transmittance. FIG. 12 shows a simulation result of the light intensity distribution when the incident angle φ is changed as a parameter. Here, the dimensions of each part of the calculation model were set as follows. According to the following setting, the incident angle φ at which the surface plasmon is excited is 30 degrees.
Resist protrusion 7 height h (resist film thickness): 100 nm
Arrangement period P of resist protrusion 7: 316 nm
Line width w1: 158 nm of resist protrusion 7
Slit width w2: 158nm
Film thickness t1 of the first metal wire portion (see FIG. 2): 40 nm
Film thickness t2 of the second metal wire portion (see FIG. 2): 40 nm
Metal film thickness on the side of the resist ridge: 10 nm
図１２（ａ）は、垂直入射（入射角度φ＝０度）のときの光強度分布である。図１２（ｂ）は、入射角度φが３０度のときの光強度分布である。図１２（ｃ）は、入射角度φが６０度のときの光強度分布である。図中における濃淡が光強度の強弱を示している。詳細には、色の濃い部分は相対的に光強度が強い部分であり、色の淡い部分は相対的に光強度が弱い部分である。 FIG. 12A shows the light intensity distribution at normal incidence (incident angle φ = 0 degrees). FIG. 12B shows the light intensity distribution when the incident angle φ is 30 degrees. FIG. 12C shows a light intensity distribution when the incident angle φ is 60 degrees. The shading in the figure shows the intensity of light intensity. Specifically, the dark part is a part with relatively high light intensity, and the light part is a part with relatively low light intensity.
図１２（ａ）、（ｃ）に示されるように、表面プラズモンの励起条件を満たさない入射角度φ（０度、６０度）では、基板６側に光強度の強い分布が確認できなかった。すなわち、透過される光強度は弱く、透過率が低いことがわかった。一方、図１２（ｂ）に示されるように、表面プラズモンの励起条件を満たす入射角度φ（３０度）では、基板６側において光強度の強い分布Ｓ２（色の濃い部分）が確認できた。より詳細には、第２の金属ワイヤ部９と基板６との界面で強い表面プラズモン波が発生し（図１２（ａ）のＳ１）、この領域から基板６中に光が進行していることがわかった。 As shown in FIGS. 12 (a) and 12 (c), a strong light intensity distribution could not be confirmed on the substrate 6 side at an incident angle φ (0 °, 60 °) that does not satisfy the surface plasmon excitation condition. That is, it was found that the transmitted light intensity was weak and the transmittance was low. On the other hand, as shown in FIG. 12B, at the incident angle φ (30 degrees) satisfying the surface plasmon excitation condition, a strong light intensity distribution S2 (dark portion) was confirmed on the substrate 6 side. More specifically, a strong surface plasmon wave is generated at the interface between the second metal wire portion 9 and the substrate 6 (S1 in FIG. 12A), and light travels from this region into the substrate 6. I understood.
さらに詳しく検討したところ、レジスト突条７の側面を透過した光によってレジスト突条７と基板６とび第２の金属ワイヤ部９との界面において光強度が強くなっている。そして、この光はガラスからなる基板６の内部を透過している（図１２（ｂ）のＳ２）。従って、表面プラズモン励起が発生するとき、レジスト突条７の側面を透過した光によって基板６とレジスト突条７と第２の金属ワイヤ部９との界面で、表面プラズモン励起が発生し、これが基板６中を伝搬する光と結合することにより、異常透過現象が発生しているものと予測できた。これにより、二層型ワイヤーグリッド偏光子３ＡにおけるＴＭ偏光ＬＴＭの透過率のピークシフトと配列周期３１８ｎｍにおいて最も高い透過率が得られる現象は、第２の金属ワイヤ部９とレジスト突条７との界面における表面プラズモン励起の発生と、互いに隣り合う第２の金属ワイヤ部９によって形成されたナノスリットによる異常透過現象に起因するものと予測できた。 When examined in more detail, the light intensity at the interface between the resist protrusion 7 and the substrate 6 and the second metal wire portion 9 is increased by the light transmitted through the side surface of the resist protrusion 7. And this light is permeate | transmitting the inside of the board | substrate 6 which consists of glass (S2 of FIG.12 (b)). Therefore, when surface plasmon excitation occurs, surface plasmon excitation occurs at the interface between the substrate 6, the resist protrusion 7, and the second metal wire portion 9 due to light transmitted through the side surface of the resist protrusion 7. It was predicted that an abnormal transmission phenomenon occurred by coupling with the light propagating through the light. Thereby, the peak shift of the transmittance of the TM polarized light L TM in the two-layer wire grid polarizer 3A and the phenomenon that the highest transmittance can be obtained in the arrangement period 318 nm are the second metal wire portion 9 and the resist protrusion 7. It can be predicted that this is caused by the occurrence of surface plasmon excitation at the interface of and the abnormal transmission phenomenon caused by the nano slit formed by the second metal wire portions 9 adjacent to each other.
また、図１２（ｂ）によれば、レジスト突条７の上面に形成された第１の金属ワイヤ部８とレジスト突条７との界面において、エバネッセント波による強い光強度の分布が発生していることがわかった。 Further, according to FIG. 12B, a strong light intensity distribution due to evanescent waves is generated at the interface between the first metal wire portion 8 formed on the upper surface of the resist protrusion 7 and the resist protrusion 7. I found out.
＜実施例３＞
実施例２において、レジスト突条７の側面を透過した光によってレジスト突条７と基板６と第２の金属ワイヤ部９との界面において光強度が強くなっていることが予測された。そこで、実施例３では、レジスト突条７の側面に形成された金属膜７ｄ（図１３（ｂ）、図１３（ｃ）参照）と透過率との関係に注目した。
<Example 3>
In Example 2, it was predicted that the light intensity increased at the interface between the resist protrusion 7, the substrate 6, and the second metal wire portion 9 due to the light transmitted through the side surface of the resist protrusion 7. Thus, in Example 3, attention was paid to the relationship between the transmittance and the metal film 7d (see FIGS. 13B and 13C) formed on the side surface of the resist protrusion 7.
また、実施例１では、レジスト突条７の側面に金属膜７ｄが存在しない理想的なモデルを用いて検討を行った。しかし、第１の金属ワイヤ部８及び第２の金属ワイヤ部９を実際に堆積させたときには、レジスト突条７の側面にも金属膜７ｄが形成される。そこで、より現実的な構成を検討するため、レジスト突条７の側面に形成された金属膜７ｄの影響を光強度分布シミュレーションにより検討した。図１３は、レジスト突条７の側面に形成された金属膜の膜厚をパラメータとして変化させたときの光強度分布のシミュレーション結果である。ここで、計算モデルの各部寸法は、以下の寸法を除き、実施例２と同様に設定した。
レジスト突条７の側面に形成された金属膜の膜厚Ｃ１：０ｎｍ、１０ｎｍ、４０ｎｍ
In Example 1, the examination was performed using an ideal model in which the metal film 7d does not exist on the side surface of the resist protrusion 7. However, when the first metal wire portion 8 and the second metal wire portion 9 are actually deposited, the metal film 7 d is also formed on the side surface of the resist protrusion 7. Therefore, in order to examine a more realistic configuration, the influence of the metal film 7d formed on the side surface of the resist protrusion 7 was examined by light intensity distribution simulation. FIG. 13 is a simulation result of the light intensity distribution when the thickness of the metal film formed on the side surface of the resist protrusion 7 is changed as a parameter. Here, the dimensions of each part of the calculation model were set in the same manner as in Example 2 except for the following dimensions.
Film thickness C1: 0 nm, 10 nm, 40 nm of the metal film formed on the side surface of the resist protrusion 7
図１３（ａ）は、膜厚Ｃ１が０ｎｍのときの光強度分布である。図１３（ｂ）は、膜厚Ｃ１が１０ｎｍのときの光強度分布である。図１３（ｃ）は、膜厚Ｃ１が４０ｎｍのときの光強度分布である。 FIG. 13A shows the light intensity distribution when the film thickness C1 is 0 nm. FIG. 13B shows the light intensity distribution when the film thickness C1 is 10 nm. FIG. 13C shows the light intensity distribution when the film thickness C1 is 40 nm.
図１３（ａ）に示されるように、膜厚Ｃ１が０ｎｍ、すなわちレジスト突条７の側面に金属膜７ｄが存在しない場合には、基板６を透過する強い光分布が発生していることが確認できた。また、膜厚Ｃ１が０ｎｍである場合のＴＭ偏光ＬＴＭ（０次光）の透過率は４１．８％であった。一方、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）に示されるように、レジスト突条７の側面に形成された金属膜７ｄの膜厚Ｃ１が厚くなると、透過する光分布が弱くなっていることが確認できた。より詳細には、膜厚Ｃ１が１０ｎｍである場合のＴＭ偏光ＬＴＭ（０次光）の透過率は１９．８％であった。また、膜厚Ｃ１が４０ｎｍである場合のＴＭ偏光ＬＴＭ（０次光）の透過率は１３．２％であった。 As shown in FIG. 13A, when the film thickness C1 is 0 nm, that is, when the metal film 7d is not present on the side surface of the resist protrusion 7, a strong light distribution that passes through the substrate 6 is generated. It could be confirmed. Further, the transmittance of the TM polarized light L TM (0th order light) when the film thickness C1 was 0 nm was 41.8%. On the other hand, as shown in FIGS. 13B and 13C, when the film thickness C1 of the metal film 7d formed on the side surface of the resist protrusion 7 is increased, the transmitted light distribution is weakened. Was confirmed. More specifically, the transmittance of TM polarized light L TM (0th order light) when the film thickness C1 is 10 nm was 19.8%. Moreover, the transmittance | permeability of TM polarization | polarized-light LTM (0th-order light) in case the film thickness C1 is 40 nm was 13.2%.
＜実施例４＞
実施例４では、第１の金属ワイヤ部８の膜厚ｔ１及び第２の金属ワイヤ部９の膜厚ｔ２に注目して、光強度分布シミュレーションを行った。図１４は、膜厚ｔ１及び膜厚ｔ２をパラメータとして変化させたときの光強度分布をシミュレーションしたものである。ここで、計算モデルの各部寸法は、以下の寸法を除き、実施例２と同様に設定した。以下のように設定した。
第１の金属ワイヤ部の膜厚Ｃ２：４０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ
第２の金属ワイヤ部の膜厚Ｃ３：４０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ
<Example 4>
In Example 4, the light intensity distribution simulation was performed paying attention to the film thickness t1 of the first metal wire portion 8 and the film thickness t2 of the second metal wire portion 9. FIG. 14 shows a simulation of the light intensity distribution when the film thickness t1 and the film thickness t2 are changed as parameters. Here, the dimensions of each part of the calculation model were set in the same manner as in Example 2 except for the following dimensions. The settings were as follows.
Film thickness C2 of first metal wire part: 40 nm, 100 nm, 200 nm
Film thickness C3 of second metal wire portion: 40 nm, 100 nm, 200 nm
図１４（ａ）は、膜厚Ｃ２及び膜厚Ｃ３が４０ｎｍである場合の光強度分布である。図１４（ｂ）は、膜厚Ｃ２及び膜厚Ｃ３が１００ｎｍである場合の光強度分布である。図１４（ｃ）は、膜厚Ｃ２及び膜厚Ｃ３が２００ｎｍである場合の光強度分布である。 FIG. 14A shows the light intensity distribution when the film thickness C2 and the film thickness C3 are 40 nm. FIG. 14B shows the light intensity distribution when the film thickness C2 and the film thickness C3 are 100 nm. FIG. 14C shows the light intensity distribution when the film thickness C2 and the film thickness C3 are 200 nm.
図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に示されるように、何れの場合においても、基板６側には強い光強度の分布が発生していた。従って、表面プラズモン励起は第１の金属ワイヤ部８の膜厚Ｃ２及び膜厚Ｃ３によらず発生していることがわかった。従って、第１の金属ワイヤ部８の膜厚Ｃ２及び第２の金属ワイヤ部９の膜厚Ｃ３は、ＴＭ偏光ＬＴＭの透過率にほとんど影響しないことがわかった。 As shown in FIGS. 14A to 14C, in any case, a strong light intensity distribution occurred on the substrate 6 side. Therefore, it was found that the surface plasmon excitation occurred regardless of the film thickness C2 and the film thickness C3 of the first metal wire portion 8. Therefore, it was found that the film thickness C2 of the first metal wire portion 8 and the film thickness C3 of the second metal wire portion 9 hardly affect the transmittance of the TM polarized light LTM .
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
１…光学装置、２…光入射部、３…偏光素子、４…光出射部、６…基板、７…レジスト突条、８…第１の金属ワイヤ部、９…第２の金属ワイヤ部、１１…受光面、Ｇ５ｂ〜Ｇ５ｉ…分散曲線、Ｌ１…入射光、ＬＴＭ…ＴＭ偏光、Ｐ…配列周期、Ｓ１…準備工程、Ｓ３…励起条件取得工程、Ｓ４…角度取得工程、Ｓ５…配置工程。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical apparatus, 2 ... Light incident part, 3 ... Polarizing element, 4 ... Light emitting part, 6 ... Board | substrate, 7 ... Resist protrusion, 8 ... 1st metal wire part, 9 ... 2nd metal wire part, 11 ... light-receiving surface, G5b～G5i ... dispersion curve, L1 ... incident light, L TM ... TM polarized light, P ... sequence period, S1 ... preparation step, S3 ... excitation condition acquisition step, S4 ... angle acquisition step, S5 ... arrangement step .
Claims (6)
前記偏光素子は、前記入射光に対して透明な基板と、前記基板上において所定の配列周期に基づいて形成された凸部と、前記凸部の上面に形成された第１の金属ワイヤ部と、前記凸部の間から露出した前記基板の表面に形成された第２の金属ワイヤ部と、を備え、
前記入射光の波長及び前記配列周期を利用して、前記偏光素子に発生する表面プラズモンの励起条件を得る励起条件取得工程と、
前記励起条件を利用して、前記入射光の進行方向と前記偏光素子の前記受光面とがなす前記所定角度を得る角度取得工程と、
前記受光面に対して前記入射光が前記所定角度で入射するように、前記光入射部と前記偏光素子とを配置する配置工程と、を有する、光学装置の製造方法。 In a method of manufacturing an optical device, comprising: a light incident part; and a polarizing element disposed so that a light receiving surface that receives incident light from the light incident part intersects the traveling direction of the incident light with a predetermined angle.
The polarizing element includes a substrate that is transparent to the incident light, a convex portion that is formed on the substrate based on a predetermined arrangement period, and a first metal wire portion that is formed on an upper surface of the convex portion. A second metal wire portion formed on the surface of the substrate exposed from between the convex portions,
Using the wavelength of the incident light and the arrangement period, an excitation condition acquisition step of obtaining an excitation condition of surface plasmons generated in the polarizing element;
An angle acquisition step for obtaining the predetermined angle formed by the traveling direction of the incident light and the light receiving surface of the polarizing element using the excitation condition;
And a disposing step of disposing the light incident part and the polarizing element so that the incident light is incident on the light receiving surface at the predetermined angle.
前記入射光の波長を利用して、入射光エネルギーを得る工程と、
前記配列周期を利用して、表面プラズモンの分散曲線を得る工程と、
前記入射光エネルギーと前記分散曲線とを利用して、前記分散曲線と前記入射光エネルギーとが一致する励起波数を表面プラズモンの励起条件として得る工程と、を有する、請求項１に記載の光学装置の製造方法。 The excitation condition acquisition step includes
Utilizing the wavelength of the incident light to obtain incident light energy;
Using the arrangement period to obtain a dispersion curve of surface plasmons;
The optical apparatus according to claim 1, further comprising: using the incident light energy and the dispersion curve to obtain an excitation wave number at which the dispersion curve and the incident light energy coincide with each other as a surface plasmon excitation condition. Manufacturing method.
前記入射光の波長を利用して得られる前記入射光の波数と、前記励起波数とを利用して、前記入射光の波数の前記受光面に沿った成分が前記励起波数と等しくなる前記所定角度を算出する工程を有する、請求項２に記載の光学装置の製造方法。 The angle acquisition step includes
Using the wave number of the incident light obtained by using the wavelength of the incident light and the excitation wave number, the predetermined angle at which a component along the light receiving surface of the wave number of the incident light is equal to the excitation wave number The manufacturing method of the optical apparatus of Claim 2 which has the process of calculating.
前記光入射部からの入射光に対して透明な基板、前記基板上において所定の配列周期に基づいて形成された凸部、前記凸部の上面に形成された第１の金属ワイヤ部、及び前記凸部の間から露出した前記基板の表面に形成された第２の金属ワイヤ部を有し、前記光軸上に配置された偏光部と、
前記光軸上に配置され、前記偏光部からの偏光を出射する光出射部と、
を備え、
前記光入射部及び前記偏光部は、前記偏光部の受光面に対して前記入射光が所定角度で入射するように配置され、
前記所定角度は、前記入射光の波長及び前記配列周期に基づいて得られる前記偏光部に発生する表面プラズモンの励起条件を満たす、光学装置。
A light incident portion disposed on the optical axis;
A substrate transparent to incident light from the light incident portion, a convex portion formed on the substrate based on a predetermined arrangement period, a first metal wire portion formed on an upper surface of the convex portion, and the A second metal wire portion formed on the surface of the substrate exposed from between the convex portions, and a polarizing portion disposed on the optical axis;
A light emitting portion disposed on the optical axis and emitting polarized light from the polarizing portion;
With
The light incident part and the polarizing part are arranged such that the incident light is incident at a predetermined angle with respect to a light receiving surface of the polarizing part,
The said predetermined angle is an optical apparatus which satisfy | fills the excitation conditions of the surface plasmon which generate | occur | produces in the said polarization | polarized-light part obtained based on the wavelength of the said incident light, and the said arrangement period.
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