JP6051519B2 - ワイヤグリッド素子の製造方法 - Google Patents
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Description
ワイヤグリッド型偏光子は、グリッドライン(金属細線)2の間隔または周期が波長よりもはるかに小さい場合には、グリッド方向に対して平行に偏光された電磁放射を反射し、直交する偏光の電磁放射を透過する偏光子として機能する(図1および非特許文献2参照。)。
平行な導電ワイヤアレイによる無線波の偏光形成や、可視光よりも長波長に対応する赤外偏光子などは古くから知られてきた。そして、前述の微細加工技術の進展により、可視光にも対応できるようになり、実際に金属ナノ構造からなるワイヤグリッド偏光子を用いたプロジェクタなども開発されている(非特許文献3及び特許文献1参照。)。
ワイヤグリッド偏光子の従来技術としては、特許文献1に開示されているような基板上にグリッド構造が形成されたワイヤグリッド素子がある。
また、環境によらず利用できるワイヤグリッド偏光子が望まれるが、一般的に耐久性に関する問題として、微細化したアルミニウムは水と反応し易く、腐食が生じ易いことが知られている。このような問題に対し、光学薄膜の保護膜のように、最表面にSiOxやSiNなどの透明誘電膜を厚めに設ける方法もあるが、保護膜の厚みが厚い場合にはグリッド間のスペースを他の材料が埋める構造となってしまい、ワイヤグリッド素子としての偏光子の機能が低下してしまう。また、耐食性を向上させるために積極的に他の物質を用いて被膜を設ける方法もある。しかしながら、別途、他の物質を用いた場合にはその工程による歩留まり低下や、コスト増につながる。
しかしながら、特許文献7に示されるような酸化被膜では信頼性に対して、効果はあるが充分とはいえない。また、反応性イオンエッチングではなく、リフトオフプロセスを用いているため、高アスペクト比のワイヤグリッド形成はできず、その結果、高消光比をもつ、光学特性の優れた偏光子を提供できないという問題がある。
従って本発明は、耐食性があり、簡易な構造からなり、偏光子としての光学特性(TE透過率、TM透過率、消光比)が良好なワイヤグリッド素子ならびに該ワイヤグリッド素子を用いた偏光画像撮像装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。
また本発明は、TM透過率が高いと共に、信頼性も充分であるワイヤグリッド素子ならびに該ワイヤグリッド素子を用いた偏光画像撮像装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。
また本発明によれば、光学性能として高いTM透過率を有し、信頼性が高く、低コストのワイヤグリッド素子ならびに該ワイヤグリッド素子を用いた偏光画像撮像装置及びプロジェクタを提供することができる。
また、上記課題を解決するために本発明に係るワイヤグリッド素子は、基板11と、該基板11上に周期的に配置されたグリッド構造12と、を備え、前記グリッド構造1は、アルミニウムを主成分とした材料からなるグリッドライン12aと、前記グリッドライン12aの上側を被覆する誘電体12bと、を有し、前記誘電体12bは、凸レンズ状の曲面構造を有することを特徴とする。
次に、本発明に係るワイヤグリッド素子ならびに該ワイヤグリッド素子を用いた偏光画像撮像装置及びプロジェクタについてさらに詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
(第1の実施の形態)
本発明に係るワイヤグリッド素子の第1の実施の形態であるワイヤグリッド偏光子における構成例を図2に示す。
図2(a)は断面模式図、図2(b)は上面模式図である。図2におけるサイズは図面作製上の便宜のためであり、実際のスケールは異なる。アルミニウムグリッドパターン方向に対して、入射TM偏光は透過し、入射TE偏光は反射もしくは吸収される。
グリッド構造12の上側(基板と反対側)の被覆層12bは厚み30nmのケイ素酸化物からなる。Alグリッド構造の両側面の被覆層12cは厚み約10nmのアルミニウム酸化物からなる。
また、グリッド構造12の(ライン配列方向)の周期は150nmであり、Alグリッド構造12の(ライン配列方向の)幅はグリッドライン12aと両側面のアルミニウム酸化物の領域とをあわせて70nm、基板11に対して垂直方向の高さは180nmである。
まず、透明基板11上にAl12a及びケイ素酸化物(SiOx)12bをそれぞれ、例えば、180nm、30nmの厚さで連続的に成膜する。
その後、有機レジスト等を用い、例えば、150nmの周期、70nmの幅で有機レジストパターン13を形成する。
続いて、RIEエッチング装置で、フッ素系ガスを用いてケイ素酸化物をドライエッチングし、有機レジストパターン13をケイ素酸化物12bに転写し、Alエッチングのハードマスクを形成する。
その後、金属用ドライエッチング装置で、塩素系ガスを用いて、ケイ素酸化物12bをマスクとしてAl12aをドライエッチングし、グリッド構造(12a,12bおよび12cの酸化前の状態)を形成する。
更に、同一エッチャー内で、連続して酸素ガスを用いてプラズマ酸化することにより、Alグリッド両側壁12cにアルミニウム酸化物を形成し(例えば、10nmの厚み)、耐食性の高いワイヤグリッド素子を形成することができる。
(1)Al成膜に続けてSiOx成膜することにより、Alが大気に触れる時間が短く、また、Alがウエットプロセスにさらされることがない。よって、作製途中でのAlの劣化や腐食が起こり難い。
(2)Alのエッチングとプラズマ酸化を同一エッチング装置内で、連続的に行える。よって、基板を取り出して大気中に触れること無く、清浄なAlグリッド側面に緻密なアルミニウム酸化物を形成することができる。尚、Alエッチング後にエッチャーから基板を取り出した場合には、残留塩素と大気中の水分から酸が発生しAlを腐食する心配があるが、このような腐食を防ぐ効果もある。
(3)保護層であるアルミニウム酸化物は同一エッチング装置内で作製出来る為、特別な工程の増加もなく低コストで作製できる。
図2に示す構造では、ケイ素酸化物12bとアルミニウム酸化物12cとに囲まれたAlグリッド構造の中心部であるグリッドライン12aは、大気と直接触れる箇所がないという特徴がある。したがって、アルミニウムからなるAlグリッドライン12aは基本的に、腐食を生じさせる元素と触れることはなく、化学反応することもない。
また、通常の酸化アルミニウム被膜のみの場合よりも、Alグリッド構造の上部をケイ素酸化物で被覆することにより、信頼性をより高めることができる。
また、アルミニウム酸化物に関しては、Alのドライエッチング工程と連続して行えることからエッチング箇所を大気にさらす前に酸素プラズマなどの簡易なプロセスにより形成できる。したがって、本実施の形態では、新たに保護膜材料を用意するなどのプロセスは不要であり、コストの増加に繋がらないという利点がある。
他の材料を用いた場合について述べる。
基板11となるガラス素材としては、ホウケイ酸ガラス、合成石英、結晶化ガラス、極低膨張ガラスセラミックス、低膨張ガラス、光学ガラス、特殊ガラス、無アルカリガラス、白板ガラス、青板ガラスなどが挙げられる。いずれも基本的にAlを腐食する成分がAlグリッド構造に染み出すことはない。
通常、基板11の厚みは0.5〜1mm程度である。ホウケイ酸ガラスを用いた場合には、基板上に信頼性の高いワイヤグリッド素子が形成できる。このため、Siウエハ上に形成される結像素子とするような場合や他のデバイス等と積層するような場合、陽極接合によりウエハレベル同士で接合できるので、低コスト実装が可能になる。
Alの成膜は、スパッタリング法、蒸着法などの真空成膜技術により形成できる。グリッド構造12を作製するためのパターン形成には、電子線描画等を用いた微細加工プロセスやアルミニウムを加工するドライエッチングプロセスが必要となる。
なお、アルミニウムが主成分であるとは、アルミニウムの原子比が98%以上であることを意味する。ワイヤグリッド素子としてのTM透過率を向上させる観点からは、純Al(Alが100%)であることが好ましいが、さらに耐久性を必要とする場合などには、SiやNd、Tiを2%以内の範囲で添加することもある。
また、同様に上記作製したワイヤグリッド素子に対して電子顕微鏡を用いて断面観察を行い、測長した結果、Alの高さは180nmであり、その上側に形成されたケイ素酸化物の高さは30nmであった。
図4(a)はAlライン構造の側面はAl2O3、上面はSiO2が保護膜として形成された構造の断面模式図である。また、図4(b)はAlライン構造の側面、および、上面がAl2O3を保護膜として形成された構造の断面模式図である。また、図4(c)は、(a)および(b)におけるTM、TE透過率の波長依存性を示す。
なお、図4(c)において右側の縦軸がTE透過率を表し、左側の縦軸がTM透過率を表す。また、図4(c)中、減少していく曲線がTE透過率を表し、山型の曲線がTM透過率を表す。
第1の実施の形態と同様の構造にて、Alの代わりにAl−Si(Siの原子比1%)を用い、ホウケイ酸ガラス基板の代わりに石英基板を用いて図5に示す構造とした。
グリッド構造12の上側(基板と反対側)の被覆層12bは厚み30nmのケイ素酸化物からなる。Al−Siグリッド構造の両側面の被覆層12cは厚み約20nmのアルミニウム酸化物からなる。
また、Al−Siグリッド(ライン配列方向)12の周期は200nmであり、Al−Siラインの(ライン配列方向の)幅はグリッドライン12aと両側面のアルミニウム酸化物の領域とをあわせて110nm、基板に対して垂直方向の高さは200nmである。
本発明に係るワイヤグリッド素子の第3の実施の形態であるワイヤグリッド偏光子における構成例を図6に示す。
図6(a)は断面模式図、図6(b)は上面模式図である。図6におけるサイズは図面作製上の便宜のためであり、実際のスケールは異なる。アルミニウムグリッドパターン方向に対して、入射TM偏光は透過し、入射TE偏光は反射もしくは吸収される。
Alグリッド(ライン配列方向)12の周期は150nmであり、グリッドライン12aの(ライン配列方向の)幅は60nm、基板に対して垂直方向の高さは210nmである。
また、グリッド構造の上側(基板と反対側)の被覆層12bは厚み50nmのケイ素酸化物またはケイ素窒化物等の誘電体からなり、最大高さ50nm、最小高さ20nmの凸状レンズ構造である。
まず、透明基板11上にAl12a及びケイ素酸化物(SiOx)12bをそれぞれ、例えば、210nm、60nmの厚さで連続的に成膜する。
その後、有機レジスト等を用い、例えば、150nmの周期、60nmの幅で有機レジストパターン13を形成する。
続いて、RIEエッチング装置で、フッ素系ガスを用いてケイ素酸化物をドライエッチングし、有機レジストパターン13をケイ素酸化物に転写し、Alエッチングのハードマスクを形成する。
その後、金属用ドライエッチング装置で、塩素系ガスを用いて、ケイ素酸化物をマスクとしてAlをドライエッチングし、Alからなるグリッド構造を形成する。
他の材料を用いた場合について述べる。
基板11となるガラス素材としては、ホウケイ酸ガラス、合成石英、結晶化ガラス、極低膨張ガラスセラミックス、低膨張ガラス、光学ガラス、特殊ガラス、無アルカリガラス、白板ガラス、青板ガラスなどが挙げられる。いずれも基本的にAlを腐食する成分がAlグリッド構造に染み出すことはない。
通常、基板11の厚みは0.5〜1mm程度である。ホウケイ酸ガラスを用いた場合には、基板上に信頼性の高いワイヤグリッド素子が形成できる。このため、Siウエハ上に形成される結像素子とするような場合や他のデバイス等と積層するような場合、陽極接合によりウエハレベル同士で接合できるので、低コスト実装が可能になる。
Alの成膜は、スパッタリング法、蒸着法などの真空成膜技術により形成できる。グリッド構造を作製するためのパターン形成には、電子線描画等を用いた微細加工プロセスやアルミニウムを加工するドライエッチングプロセスが必要となる。
なお、アルミニウムが主成分であるとは、アルミニウムの原子比が98%以上であることを意味する。ワイヤグリッド素子としてのTM透過率を向上させる観点からは、純Al(Alが100%)であることが好ましいが、さらに耐久性を必要とする場合などには、SiやNd、Tiを2%以内の範囲で添加することもある。
Alグリッド構造12の上部に形成されている上側被覆層12bを構成するケイ素窒化物については、化学量論的組成であるSi3N4から、Nが欠乏することもあるが、ケイ素酸化物の場合と同様に光学的に透明である方が良いという点で、化学量論的組成に近いことが好ましい。
また、同様に上記作製したワイヤグリッド素子に対して電子顕微鏡を用いて断面観察を行い、測長した結果、Alの高さは210nmであり、その上側に形成されたケイ素酸化物は凸レンズ形状であり、凸状箇所の最大高さは50nm、最小高さは20nmであった。
なお、図8(a)及び図8(b)において、曲線を横切る矢印の方向の順に膜厚t1,t2は0,20,40,60nmと変化している。
以上より、上記第3の実施の形態の構造においては、凸構造をもちながら、TM透過率も高くすることができる。
本実施の形態では、第3の実施の形態と同様の構造にて、Alグリッドライン12aの高さを180nmに変更し、ホウケイ酸ガラス基板の代わりに石英基板を用いて図9に示す構造とした。
本実施の形態では、第3の実施の形態と同様の構造にて、Alグリッドライン12aの幅は40nmとし、グリッド構造12の両側壁部12cは酸化させることにより、10nmの幅のアルミニウム酸化物を形成し図10に示す構造とした。
ケイ素酸化物がAlワイヤグリッド構造に対して、反射抑制構造として働き、透過率としてもTM透過率が89%、TE透過率は0.03%であった。
信頼性の点では、図10の構造は、Alラインの上面および、側壁などの側面全体が誘電体により被覆され、大気中の水分の浸入を防ぐようになっている。したがって、信頼性が高いワイヤグリッド素子構造となっている。
第1の実施の形態のワイヤグリッド素子を二次元アレイ状に作製するとともに、偏光画像撮像装置を作製した。模式図を図11に示す。
偏光画像撮像装置では、撮像素子(受光素子)22が図示の如く横方向および縦方向にそれぞれ等間隔で二次元配列され、各撮像素子の手前(受光面側)に領域ごとに偏光軸が異なるワイヤグリッド素子21が二次元配置されている。
ワイヤグリッドの基板としてホウケイ酸ガラスを用いた場合には、ガラス基板上に信頼性の高いワイヤグリッド素子が形成できるので、Siウエハ上に形成される結像素子とする場合や他のデバイス等と積層するような場合、陽極接合によりウエハレベル同士で接合できるので、低コスト実装が可能になる。
本プロジェクタにかかる実施の形態は、上述したワイヤグリッド素子を偏光子31として利用したプロジェクタである。プロジェクタは、画像を鮮明に投射することが必要とされ、偏光分離素子の機能が低下すると画像品質に影響する。本実施の形態においては、高温高湿下においても光学特性が変化することのない耐久性のあるワイヤグリッド素子を利用しているため、プロジェクタの画像が劣化することはない。
ここで、本発明におけるワイヤグリッド素子は、LCOSなどの空間光変調器を用いたプロジェクタにも利用できる。
以上、本発明におけるワイヤグリッド素子の偏光子としての利用について述べたが、偏光分離素子としての利用においても、ワイヤグリッド素子は充分に機能を保つ。
なお、上記第3及び第4の実施の形態においてAlラインの側壁に誘電体層が形成されていてもよい。従来例と異なり、凸状の誘電体層が効果につながっている。
また、ワイヤグリッド素子として平面上に一方向のみならず、二方向、もしくは、ランダムに配置した場合でも有用である。ワイヤグリッドのグリッド箇所を構成する材料として、Alのみの場合や、Alを主成分としながら、SiやTi(チタン)、Nd(ネオジウム)、Cs(セシウム)などの添加物が入った材料においても、本発明の構成は適用できる。また、上記実施の形態では、TE光成分は主に反射される反射型のワイヤグリッド素子について述べたが、光吸収層を新たに用意した反射抑制型のワイヤグリッド素子についても同様に適用できる。
なお、ケイ素酸化物及び/またはアルミニウム酸化物の厚みについて、耐久性を向上させるという観点で説明したが、これらの厚みを制御することにより、ワイヤグリッド素子の偏光子としての光学特性も制御できる。
11 基板
12 グリッドパターン(グリッド構造)
12a グリッドライン
12b グリッドライン上側被覆層
12c グリッドライン側面被覆層
13 レジスト
21 偏光子アレイ
22 撮像素子(CCD)
31 偏光子
32 コンデンサレンズ
33 LCライトバルブ
34 ダイクロイッククロスプリズム
35 投射レンズ
Claims (1)
- 基板と、該基板上に周期的に配置されたグリッド構造と、を備えるワイヤグリッド素子を製造するワイヤグリッド素子の製造方法であって、
前記基板上にアルミニウムを主成分とした材料からなる薄膜、及びケイ素酸化物からなる薄膜を、この順に真空中にて連続成膜する成膜工程と、
該ケイ素酸化物からなる薄膜の表面にレジストからなるパターンを形成し、該レジストからなるパターンをマスクにしてエッチングを行うことにより前記ケイ素酸化物からなる薄膜に前記パターンを転写する転写工程と、
前記ケイ素酸化物をマスクにしてエッチングを行い、前記アルミニウムに前記パターンを転写するとともに、凸レンズ状の曲面構造を有するケイ素酸化物のみによって上側が被覆されたグリッドラインを生成するグリッドライン生成工程と、
前記グリッドライン生成工程に使用する装置と同一の装置内にて前記基板を大気に取り出す前に前記アルミニウムに酸素プラズマを施し、前記アルミニウムの側面に酸化アルミニウムを形成する酸化アルミニウム形成工程と、
を有することを特徴とするワイヤグリッド素子の製造方法。
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