JP2004070131A

JP2004070131A - 薄膜偏光子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004070131A
Application number: JP2002231279A
Authority: JP
Inventors: Terufusa Kunisada; 國定　照房; Masatoshi Nara; 奈良　正俊; Toshiaki Anzaki; 安崎　利明
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】基体上に成膜工程のみで、断面形状の一様性に優れた金属の柱状構造を形成し、優れた偏光特性を有する薄膜偏光子を提供する
【解決手段】本発明の薄膜偏光子は、偏光特性を有する薄膜により構成され、その薄膜は、透明基体３０上に形成された誘電体膜５０中に多数の柱状金属４０を分散させた構造である。その柱状金属４０を基体３０表面に対して垂直、もしくは傾斜して形成し、その基体３０表面に平行な断面形状を、少なくとも基体表面から一定距離以上離れた範囲においては面積が略一定で異方性を有する形状とする。さらにこれら複数の柱状金属４０を、長径方向には互いに接し（ｂ）、短径方向には分離して配列する（ａ）。
【選択図】　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信機器、光記録機器、光センサ、液晶モニタ等に使用される偏光子に関し、とりわけ偏光特性を有する薄膜に関し、該薄膜の構造および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光子は特定方向の偏光を取り出せる光学素子であり、各種偏光子が提案され、実用化されている。例えば、アスペクト比の高い柱状銀粒子がガラス中に分散した偏光ガラス、島状金属層と誘電体層を交互に積層した後に延伸させた偏光子、高分子材料を延伸し配向させた偏光フィルム、誘電体膜と金属膜を交互に積層し、膜の断面方向から光を入射する積層型偏光子などが知られている。
【０００３】
一方、光ファイバを使用した光通信が急速に普及している。光ファイバを光学部品に接続した場合に接続界面で反射が発生し、戻り光と呼ばれる伝送方向と反対向きに進行する光が発生する。このような戻り光は、光通信ではノイズとなりシステム全体に悪影響を与えることが知られている。このような戻り光を効率よく除去するために、光アイソレータが使用されている。各種の光アイソレータが提案されており、種々のアイソレータが実用化されている。そして、多くの光アイソレータにおいて構成部品として偏光子が利用されている。
【０００４】
光アイソレータで使用される偏光子に求められる機能としては、４０ｄＢ以上の消光比、および０．４ｄＢ以下の挿入損失である。
ただし、消光比はつぎの式（１）で定義される。
消光比（ｄＢ）＝＋１０×ｌｏｇ（Ｔｍａｘ／Ｔｍｉｎ）　　　　（１）
ここで、Ｔｍａｘは最大透過率が得られる偏光の透過率、Ｔｍｉｎは最小透過率が得られる偏光の透過率である。また挿入損失は式（２）で定義される。
挿入損失（ｄＢ）＝−１０×ｌｏｇ（Ｔｍａｘ）　　　　　　　（２）
【０００５】
このような優れた特性を有する偏光子としては、ハロゲン化銀を含むガラス材料を延伸し、延伸方向に整列した金属銀に還元したもの（特公平２−４０６１９号公報参照）や、基体に細孔を形成し、金属を注入したもの（特開２０００−４７０３１号公報参照）が知られている。
【０００６】
これらの偏光子の製造はいずれも複雑な工程を必要とするため、成膜工程だけで基体上に偏光分離特性を有する膜を形成することが試みられている。特開平４−２１８６６２号公報には、金属と透明誘電体を同時に斜め蒸着することにより、基体上に柱状の金属膜を形成して、偏光特性を有する膜が得られる方法が開示されている。この方法によれば、光学部品の表面上に直接偏光子を形成できる利点が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法で作製できる偏光膜の消光比は約５ｄｂであり、偏光子としての性能は不十分であり、光通信用、液晶プロジェクタ用などには適用できないレベルである。
【０００８】
上記公報に示されている方法で作製できる柱状金属の断面構造は異方性を有し、短径部が１〜９ｎｍ、長径部が１０〜９０ｎｍとされている。しかしながら、発明者らが追試を行った結果によれば、柱状金属の構造は基板表面付近と柱状金属の先端付近でまったく異なっていた。基板付近では金属が微粒子化しており、基板近傍には柱状構造が形成されない。さらに、基板／膜界面から約５０ｎｍ離れた付近からは柱状構造が形成されるが、柱状金属の断面形状は基板から遠ざかるにつれて変化し、短径方向に広がる傾向が見られた。すなわち、開示されているような膜構造を得ることはできなかった。
【０００９】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、基体上に成膜工程のみで、断面形状の一様性に優れた金属の柱状構造を形成し、優れた偏光特性を有する薄膜偏光子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜偏光子の第１の態様は、偏光特性を有する薄膜により構成され、その薄膜は、透明基体上に形成された誘電体膜中に多数の柱状金属を分散させた構造である。その柱状金属を基体表面に対して垂直、もしくは傾斜して形成し、その基体表面に平行な断面形状を、少なくとも基体表面から一定距離以上離れた範囲においては面積が略一定で異方性を有する形状とする。ここで異方性を有する形状とは、矩形、楕円形、長円形などを言う。さらにこれら複数の柱状金属を、長径方向には互いに接し、短径方向には分離して配列する。
【００１１】
本発明の薄膜偏光子の第２の態様は、偏光特性を有する薄膜により構成され、その薄膜は、透明基体上に形成された多数の柱状誘電体と多数の柱状金属からなり、空隙を有している。この柱状誘電体と柱状金属の長手方向は大略平行で、基体表面に対して垂直、もしくは傾斜して形成し、その基体表面に平行な断面形状を、少なくとも基体表面から一定距離以上離れた範囲においては面積が略一定で異方性を有する形状とする。これら複数の柱状金属を、長径方向には互いに接し、短径方向には分離して配列する。またとくに柱状誘電体と柱状金属とが対をなし、それらの長手方向側面が互いに接している構造を有する場合がある。
【００１２】
上記第１、第２の態様とも、柱状金属の断面形状の短径が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、長径が５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが望ましい。また、この柱状金属は基体表面から５０ｎｍ以下のところより表面側で径の大きさが均一であり、複数の柱状金属が長径方向では互いに接しており、短辺方向は３０ｎｍ以上分離して配列していることが望ましい。
【００１３】
上記の態様により、光通信用途、液晶プロジェクター用途などに使用するのに十分な性能を有する薄膜偏光子を提供できる。
上記いずれの態様の薄膜偏光子においても、周囲媒体と接する表面に、１層もしくは複数層の透明誘電体膜を形成するのが望ましい。これによって薄膜偏光子の耐久性を向上させることができる。また、複数の透明誘電体膜を誘電体の材料、積層順、各膜の膜厚などを選択して形成することで薄膜偏光子表面での反射を防止する機能を発現させることもできる。
【００１４】
さらに、偏光特性を有する薄膜と透明基体との界面に１層もしくは複数層の透明誘電体膜を挿入することが好ましい。これにより薄膜偏光子と基体の界面での反射を低減することができる。
【００１５】
上記薄膜偏光子はつぎの製造方法によって得ることができる。
本発明の製造方法においては、透明基体表面の法線に対して一定角度を有する、すなわち斜めの少なくとも１方向から金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射し、同時に同法線に対して一定角度を有する、斜めの少なくとも１方向から誘電体の蒸発粒子もしくは誘電体を構成する原子もしくは誘電体を構成するイオンを入射するが、その際、基体を室温より低い温度に冷却する。ここで、室温より低い温度とは−１００℃以下とすることが望ましく、さらに望ましくは−１８０℃以下とする。
【００１６】
上記製造方法において、とくに透明基体表面の法線に対して一定角度を有する対称な２方向から金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射し、同時に法線に対して一定角度を有する少なくとも１方向から誘電体の蒸発粒子もしくは誘電体を構成する原子もしくは誘電体を構成するイオンを入射する方法が好ましい。
【００１７】
また、透明基体表面の法線に対して一定角度を有する対称な２方向から誘電体の蒸発粒子もしくは誘電体を構成する原子もしくは誘電体を構成するイオンを入射し、同時に法線に対して一定角度を有するすくなくとも１方向から金属粒子もしくは金属を構成する原子もしくは金属を構成するイオンを入射してもよい。
【００１８】
いずれの方法でも成膜時に基板を冷却することが必須である。これにより、金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンが基板に到達した後に起こる熱拡散が抑制される。そのため、金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンの飛来する方向性が膜構造に反映され、一方向に柱状金属の断面形状が楕円化し、長径方向に柱状金属が電気的に接合されて配列するようにできる。さらには、金属の凝集を防止することが可能であり、基体直上から異方性を有する形状の柱状金属を形成せしめることが可能になる
【００１９】
上記の方法によれば、第１もしくは第２の態様の薄膜偏光子が保護膜や反射防止膜を含めて成膜工程のみによって得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは従来の薄膜偏光子の偏光特性が不十分であった原因について鋭意検討し、消光比が改善する薄膜構造について検討し、本発明に至った。
具体的には、薄膜偏光子における柱状金属の形状寸法と消光比の関係、および柱状金属の基体上での分散状態と消光比の関係について電磁波シミュレーションを行い、消光比を改善するために最適の構造を明らかにした。
【００２１】
柱状構造のモデルとして、図１に示すような断面形状が１０ｎｍ×１０ｎｍの正方形で、長さが５００ｎｍの金属柱１４１と断面形状が１０ｎｍ×１０ｎｍの正方形で、長さが５００ｎｍの誘電体柱１４５が接した柱状複合体を、基板１３０表面に対して垂直に、各金属柱間隔が図のＸ方向、Ｙ方向とも３０ｎｍになるように２次元配列させた状態の膜についての消光比を、波長１５５０ｎｍにおいて計算した。
【００２２】
つぎに、図２に示すように複数本の金属柱１４１をＹ方向に接合させた膜について消光比を計算し、Ｙ方向厚み（または接合本数ａ）と消光比の関係を調べた。
【００２３】
結果を図３に示す。同図より、金属柱のＹ方向の厚み（配列長）が、５００ｎｍ以上（波長の１／３以上）になる場合には、消光比が３０ｄｂ以上となり、光通信用、あるいは液晶プロジェクタ用などに使用できることが明らかになった。
【００２４】
上記結果に基づき、発明者らは、良好な偏光特性を有すると予測される柱状構造およびその分散配列状態を成膜工程で作製する方法、条件を検討し、以下に説明する製造方法に関する発明に至った。
【００２５】
従来、基体の法線に対して一定角度を有する方向、すなわち斜め方向から粒子を入射して膜を形成すると、膜成長初期段階に形成される島状膜のためにシャドーイング効果が生じ、柱状構造の膜が形成されることが知られている。柱状構造膜の柱と基体のなす角（構造角）は入射粒子の方向、基体材料と膜材料の界面の濡れ性、基体の表面凹凸形状などで決定される。特に、粒子の入射方向と基体法線のなす角度が大きいほど、柱状構造膜の柱と基体法線のなす角度も大きくなる。しかし、柱状構造膜の柱と基体法線のなす角度は粒子の入射方向と基体法線のなす角度よりも常に小さくなることが知られている。
【００２６】
誘電体材料と金属材料とでお互いに固溶しない材料の組み合わせを選択し、これら２つの材料を同時に斜め方向から入射して成膜すると２種材料が分相し、それぞれの材料の柱状構造膜が得られることが知られている。
【００２７】
しかし、本発明者らは室温成膜では金属の凝集現象が起こり、意図したような金属柱を得ることができないことを見出した。特に、異方性の断面形状を有する柱状金属において、その長径方向に柱状金属が接合した構造を得ることは困難であった。
【００２８】
そこで、基板を冷却した状態での成膜を試みた。基板を−１００℃以下、さらには−１８０℃以下に冷却した状態で、基体の法線に対して３０°以上８７°以下の角度で粒子またはイオンまたは原子を入射することによりシャドーイングの効果が得られ、特に、法線に対して４５°以上８７°以下の角度で粒子またはイオンまたは原子を入射することにより十分なシャドーイング効果が得られる。このような大きなシャドーイング効果が得られた場合に膜の構造は異方性となり、多数の柱状金属が形成された。しかもその断面の長径方向に金属柱が接合した構造になり、大きな偏光特性を発現する。
【００２９】
このとき、誘電体材料を構成する粒子を基体表面に対して垂直に近い方向から入射することにより、形成される誘電体は膜状にすることが可能であり、反対に基体の法線となす角度が９０°に近い方向から粒子を入射することにより、明確な柱状膜を得ることが可能になる。
【００３０】
本発明の柱状構造膜を形成するためには、膜を構成する元素を特定の方向から、基板に入射する必要があるので、成膜中のガス圧力が低いことが望ましく、特に０．１Ｐａより低いことが望ましく、さらには０．０５Ｐａより低いことがより好ましい。成膜プロセス中のガス圧が高いと、雰囲気中の平均自由行程が短くなり、膜を構成する粒子が雰囲気ガスが散乱され、基板に入射する方向を制御することが難しくなる。
【００３１】
本発明に適用できるガス圧が低い成膜方法としては、電子線蒸着、クヌーセンセルを用いた蒸着などの方法がある。スパッタリングに類する成膜方法は一般にガス圧が高いが、膜を比較的大きな面積に形成するための成膜法として好ましい。光通信用偏光子は単体としての面積は小さいが、大面積の成膜が可能であれば、より生産効率が高められる。
【００３２】
スパッタリング法において粒子の平均自由行程を長くするためには、特開平９−１４３７０９号公報、もしくは特開平９−３１６３７号公報に開示されているようなターゲット近傍以外の空間が低いガス圧でも放電の維持が可能なように工夫されたスパッタリング装置（遠距離スパッタリング装置）を用いるのが特に好ましい。
【００３３】
遠距離スパッタ装置では、低ガス圧で放電できるように、マグネトロンの磁場強度を強く設計している。そして、これらの装置は図４に示すように、ターゲットを取り付けるマグネトロンカソード１、２、３を内蔵するターゲット室１１、１２、１３を備え、各ターゲット室とスパッタ室２０は独立に排気できる。各ターゲット室にはガス導入管１４，１５，１６を通して所定のガスを独立に導入することができ、ターゲット室内のガス圧をスパッタ室よりも高く保って放電を維持する。
【００３４】
スパッタされた粒子はターゲット室１１、１２、１３外に出た後、低圧力のスパッタ室２０では散乱を受けにくく、それぞれＡ、ＢおよびＣで示す方向性をもって基体に到達することができる。ここでマグネトロンカソード１１および１２の位置を調整することが可能である。図４では３ターゲットを備えた装置の例を示したが、ターゲットの数は必要に応じて一式または複数式設けることができる。
【００３５】
さらに成膜時の基板を室温以下に冷却することにより、膜構造における異方性を強調することができ、偏光分離特性の向上に有利である。クライオ冷却システムあるいは適当な冷媒（液体窒素など）を用いて成膜時の基板温度を約−１００℃以下、好ましくは−１８０℃まで冷却することにより、膜構造の異方性はいっそう強調され、良好な偏光分離特性が得られる。
以下に具体的な実施例について述べる。
【００３６】
［実施例１］
図４に示す遠距離スパッタリング装置のマグネトロンカーソード１およびマグネトロンカソード２に銅ターゲットを取り付け、マグネトロンカソード３にＳｉＯ_２ターゲットを取り付けた。図４に示す基体１０の位置に硼珪酸ガラス板を取り付けた。マグネトロンカーソード１およびマグネトロンカソード２の位置は、基体１０に対して粒子の入射方向Ａ、Ｂが、図５に示すように、同一平面Ｐ上になるように設定し、α＝７５°、β＝７５°とした。一方、マグネトロンカソード３は基体１０の法線に対して５０°傾斜した位置に設定した。
【００３７】
その後、ロータリーポンプおよびクライオポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１０^−４Ｐａまで排気した。ターゲット室１１およびターゲット室１２にアルゴンガスを導入し、ターゲット室１３に５％酸素混合アルゴンガスを導入した。この時スパッタ室２０内部の圧力は、４×１０^−２Ｐａであった。その後、マグネトロンカソード１およびマグネトロンカソード２に直流電源により負電圧を印加し、グロー放電を起こさせた。さらに、マグネトロンカソード３には高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生させた。
【００３８】
つぎに、基体１０の表面上で、銅の堆積速度（棒状金属の長さの成長速度）が１．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード１およびマグネトロンカソード２に供給する電力を調整した。また、マグネトロンカソード３に供給する高周波電力を調整し、基体１０の表面上でのＳｉＯ_２膜の堆積速度が２．０ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。また基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前に液体窒素で−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下の温度を維持した。
【００３９】
続いてマグネトロンカソード１、およびマグネトロンカソード２およびマグネトロンカソード３の前面に取り付けられているシャッタ６、７、８を同時に操作して成膜を開始し、約２時間の放置した。２時間後に前記３個のシャッタ６、７、８を同時に操作し、成膜を終了した。
【００４０】
このようにして、得られた試料の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図６の断面模式図に示すような構造であった。硼珪酸ガラス板である基板３０上にＳｉＯ_２を主成分とする誘電体薄膜５０が堆積し、その中に銅を主成分とする柱状の金属４０が分散している。柱状の金属４０は基板３０表面に対してほぼ垂直な状態であった。
【００４１】
図６（ａ）に示すＰ面と平行な面の断面構造は、柱状金属が誘電体で分離されている構造であり、柱状金属の間隔が平均５０ｎｍであることが分かった。一方、図６（ｂ）に示すＰ面と直交する面での断面構造は、複数の柱状金属が接合している構造であることが分かり、Ｐ面と直交する方向の柱状金属断面の差し渡し長さは平均５００ｎｍであることが分かった。
【００４２】
入射光波長１５５０ｎｍでの上記（１）式で定義される消光比を測定したところ４３ｄＢであり、（２）式で定義される挿入損失は０．４ｄＢであった。これらの特性は光通信用光アイソレータに用いる偏光子に要求される特性を満たしている。
【００４３】
［実施例２］
図４に示す遠距離スパッタリング装置のマグネトロンカーソード１およびマグネトロンカソード２にＳｉＯ_２ターゲットを取り付け、マグネトロンカソード３に金ターゲットを取り付けた。図４に示す基体１０の位置に硼珪酸ガラス板を取り付けた。マグネトロンカーソード１およびマグネトロンカソード２の位置は基体１０に対して図５の配置になるように設定し、α＝β＝７５°とした。一方、マグネトロンカソード３は基体１０の法線に対して５０°傾斜した位置に設定した。
【００４４】
その後、ロータリーポンプおよびクライオポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１０^−４Ｐａまで排気した。ターゲット室１１およびターゲット室１２に５％酸素混合のアルゴンガスを導入し、ターゲット室１３にアルゴンガスを導入した。その時にスパッタ室２０内部の圧力は、４×１０^−２Ｐａであった。その後、マグネトロンカソード１およびマグネトロンカソード２に高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を起こさせた。さらに、マグネトロンカソード３には直流電圧を印加し、グロー放電を発生させた。
【００４５】
つぎに、基体１０の表面上で、金の堆積速度（棒状金属の長さの成長速度）が１．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード３に供給する電力を調整した。また、マグネトロンカソード１に供給する高周波電力を調整し、基体１０の表面上におけるカソード１からのＳｉＯ_２膜の堆積速度が１．０ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。
【００４６】
さらに、マグネトロンカソード２に供給する高周波電力を調整し、基体１０の表面上でのカソード３からのＳｉＯ_２膜の堆積速度が２．０ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。また基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前に液体窒素で−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下に維持した。
【００４７】
続いて、マグネトロンカソード１、およびマグネトロンカソード２およびマグネトロンカソード３の前面に取り付けられているシャッタ６、７、８を同時に操作して成膜を開始し、約２時間の放置した。２時間後に前記３個のシャッタ６、７，８を同時に操作し、成膜を終了した。
【００４８】
このようにして、得られた試料の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図７の断面模式図に示すような構造であった。硼珪酸ガラス板である基板３０上にＳｉＯ_２を主成分とする柱状の誘電体４５と柱状の金属４１が互いに接する形状で分散している。このような柱状の構造体７０は基板３０表面に対して傾斜して立った状態となり、柱状構造体７０の間には空隙部分６０が存在する。
【００４９】
柱状の金属４１は基板３０表面に対して傾斜した状態であった。そして、図５のＰ面と平行な面の断面構造（図７（ａ））は、柱状金属４１が空隙６０および誘電体４５で分離されている構造であり、柱状金属４１の間隔が平均５０ｎｍであることが分かった。一方、Ｐ面と直交する面での断面構造は、複数の柱状金属が接合している構造であり（図７（ｂ））、Ｐ面と直交する方向の柱状金属断面の差し渡し長さは平均５００ｎｍであった。
【００５０】
入射光波長１５５０ｎｍでの上記（１）式で定義される消光比を測定したところ４１ｄＢであり、（２）式で定義される挿入損失は０．４ｄＢで、光アイソレータに用いる偏光子に要求される特性を満たしている。
【００５１】
［実施例３］
図４に示す遠距離スパッタリング装置のマグネトロンカーソード１に銅ターゲットを取り付け、マグネトロンカソード３にＳｉＯ_２ターゲットを取り付けた。図４に示す基体１０の位置に石英ガラス板を取り付けた。マグネトロンカソードカソード１は基体１０の法線方向に対して７５°傾斜させ、マグネトロンカソード３は法線方向に対して６０°傾斜させた位置にそれぞれ配置した。
その後、ロータリーポンプおよびクライオポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１０^−４Ｐａまで排気した。ターゲット室１１にアルゴンガスを導入し、ターゲット室１３に５％酸素混合のアルゴンガスを導入した。その時にスパッタ室内部の圧力は、３×１０^−２Ｐａであった。その後、マグネトロンカソード１に直流電源により負電圧を印加し、グロー放電を起こさせた。さらに、マグネトロンカソード３には高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生させた。
【００５２】
つぎに、基体１０の表面上で、銅の堆積速度（棒状金属の長さの成長速度）が１．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード１に供給する電力を調整した。また、マグネトロンカソード３に供給する高周波電力を調整し、基体１０の表面上でのＳｉＯ_２膜の堆積速度が２．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前に液体窒素で−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下に維持した。
【００５３】
続いて、マグネトロンカソード１、およびマグネトロンカソード３の前面に取り付けられているシャッタ６、８を同時に開放して成膜を開始し、約３時間放置した。３時間後に前記２個のシャッタ６、８を同時に閉じ、成膜を終了した。
【００５４】
このようにして、得られた試料の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図７の断面模式図に示すような構造であった。石英ガラス板である基板３０上のＳｉＯ_２を主成分とする柱状の誘電体４５と、銅を主成分とする柱状の金属４１とが互いに接した状態で分散している。この柱状構造体７０は基板３１表面の法線に対して約２０°傾斜して立った状態となり、柱状構造体の間には空隙部分６０が存在する。
【００５５】
柱状の金属４１は基板３０表面に対して傾斜した状態であった。そして、Ｐ面と平行な面の断面構造（図７（ａ））は、柱状金属が空隙６０および誘電体４５で分離されている構造であり、柱状金属の間隔が平均５０ｎｍであった。一方、Ｐ面と直交する面での断面構造（図７（ｂ））は、複数の柱状金属が接合している構造であり、Ｐ面と直交する方向の柱状金属の差し渡し長さは平均５００ｎｍであることが分かった。
【００５６】
入射光波長１５５０ｎｍでの消光比を測定したところ３１ｄＢであり、挿入損失は１．４ｄＢであった。この特性を有する膜は、光通信用アイソレータには不十分であるが、液晶プロジェクタ用の偏光膜などの他の用途には適用可能である。
【００５７】
［実施例４］
図４に示す遠距離スパッタリング装置のマグネトロンカーソード２にアルミニウムターゲットを取り付け、マグネトロンカソード３にＳｉＯ_２ターゲットを取り付けた。図４に示す基体１０の位置に硼珪酸ガラス板を取り付けた。マグネトロンカソード２は基体１０の法線に対して８０°傾斜させ、マグネトロンカソード３は３０°傾斜させた位置に配置した。
【００５８】
その後、ロータリーポンプおよびクライオポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１０^−４Ｐａまで排気した。ターゲット室１２にアルゴンガスを導入し、ターゲット室１３に５％酸素混合のアルゴンガスを導入した。その時にスパッタ室２０内部の圧力は、３×１０^−２Ｐａであった。その後、マグネトロンカソード２に直流負電圧を印加し、グロー放電を起こさせた。さらに、マグネトロンカソード３には高周波（周波数；１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生させた。
【００５９】
つぎに、基体１０の表面上で、アルミニウムの堆積速度（棒状金属の長さの成長速度）が２．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード２に供給する電力を調整した。また、マグネトロンカソード３に供給する高周波電力を調整し、基体１０の表面上におけるＳｉＯ_２膜の堆積速度が６．０ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。また基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前に液体窒素で−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下に保持した。
【００６０】
続いて、マグネトロンカソード３の前面に取り付けられているシャッタ８とマグネトロンカソード２の前面に取り付けられているシャッタ７を操作して成膜を開始した。２．５時間後にシャッタ７、８を閉めて成膜を終了した。
【００６１】
このようにして、得られた試料の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、図８の断面模式図に示すような構造であった。硼珪酸ガラス板である基板３０上にＳｉＯ_２を主成分とする誘電体膜５０が堆積し、その中にアルミニウムを主成分とする柱状の金属４３が分散している状態であった。この柱状金属４３は基板３０表面に対して傾斜して立った状態であった。
【００６２】
柱状の金属４３は基板３０表面に対して傾斜した状態であった。そして、Ｐ面と平行な面の断面構造（図８（ａ））は、柱状金属が誘電体５０で分離されている構造であり、柱状金属の間隔が平均５０ｎｍであることが分かった。一方、Ｐ面と直交する面での断面構造（図８（ｂ））は、複数の柱状金属が接合している構造であることが分かり、Ｐ面と直交する方向の柱状金属の差し渡し長さは平均５００ｎｍであった。
【００６３】
入射光波長１５５０ｎｍでの上記（１）式で定義される消光比を測定したところ３７ｄＢであり、（２）式で定義される挿入損失は１．４ｄＢであった。光通信用光アイソレータに用いる偏光子に要求される特性は満足していないが、液晶プロジェクタ用偏光膜などの用途には適用可能である。
【００６４】
［比較例１］
図１２に示すマグネトロンスパッタリング装置のマグネトロンカーソード１０１に金ターゲットを取り付け、マグネトロンカソード１０２にＳｉＯ_２ターゲットを取り付けた。図１２に示す基体１１０の位置に石英ガラスを取り付けた。
【００６５】
その後、ロータリーポンプおよびクライオポンプを用いて、スパッタ室１２０内部の圧力を約１×１０^−４Ｐａまで排気した。マグネトロンカソード１０１にアルゴンガスをガス導入管１０３より供給し、マグネトロンカソード１０２に５％酸素混合のアルゴンガスをガス導入管１０４より供給した。その時にスパッタ室１２０内部の圧力は、５×１０^−１Ｐａであった。この圧力下での平均自由行程は約３０ｍｍである。この程度の平均自由行程では、スパッタ粒子が基板に到達前にガス分子により散乱され、粒子が飛行する際の方向性は失われる。
【００６６】
次いでマグネトロンカソード１０１に直流電源により負電圧を印加し、グロー放電を起こさせた。さらに、マグネトロンカソード１０２には高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、グロー放電を発生させた。
【００６７】
つぎに、基体１１０の表面上で、金の堆積速度が０．７ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード１０１に供給する電力を調整した。また、マグネトロンカソード１０２に供給する高周波電力を調整し、基体１１０の表面上でのＳｉＯ_２膜の堆積速度が２．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにした。また基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前に液体窒素で−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下の温度を維持した。
【００６８】
続いて、マグネトロンカソード１０１、およびマグネトロンカソード１０２の前面に取り付けられているシャッタ（図示しない）を同時に開放して成膜を開始し、約２時間放置した。２時間後に前記２個のシャッタを同時に閉じ、成膜を終了した。
【００６９】
このようにして得られた試料の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、ＳｉＯ_２膜中に粒状のＡｕ微粒子が分散している構造であった。入射光波長１５５０ｎｍでの消光比を測定したところ０．３ｄＢであり、挿入損失は１７ｄＢで、光アイソレータに用いる偏光子としては使用できない。
【００７０】
［比較例２］
図４に示す遠距離スパッタリング装置のマグネトロンカーソード１にＳｉＯ_２を取り付け、マグネトロンカソード２に１０％パラジウム−銀合金ターゲットを取り付けた。図４に示す基体１０の位置に硼珪酸ガラスを取り付けた。マグネトロンカソード１、２とも基体１０の法線に対して７０°傾斜した位置に配置した。
【００７１】
その後、ロータリーポンプおよびクライオポンプを用いて、スパッタ室２０内部の圧力を約１×１０^−４Ｐａまで排気した。次いでターゲット室１１に１５％酸素混合のアルゴンガスを導入した。その時にスパッタ室２０内部の圧力は、２．５×１０^−２Ｐａであった。その後、マグネトロンカソード１に高周波電力（周波数：１３．５６ＭＨｚ）を供給し、グロー放電を起こさせた。
【００７２】
つぎに、基体１０の表面上で、ＳｉＯ_２の堆積速度（棒状金属の長さの成長速度）が２．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード１に供給する電力を調整した。また基板である硼珪酸ガラス板は成膜開始前に液体窒素で−１８０℃以下に冷却し、成膜中も−１８０℃以下の温度を維持した。
【００７３】
続いて、マグネトロンカソード１の前面に取り付けられているシャッタ６を開放して成膜を開始し、約２時間の放置した。２時間後にシャッタ６を閉じ、成膜を終了した。
【００７４】
さらに、ターゲット室１２にアルゴンガスを導入した。その時にスパッタ室２０内部の圧力は、２．５×１０^−２Ｐａであった。その後、マグネトロンカソード２に直流電力を供給し、グロー放電を起こさせた。つぎに、基体１０の表面上で、１０％パラジウム−銀合金ターゲットの堆積速度が２．５ｎｍ／ｍｉｎになるようにマグネトロンカソード２に供給する電力を調整した。続いて、マグネトロンカソード２の前面に取り付けられているシャッタ７を開放して成膜を開始し、約２時間の放置した。２時間後にシャッタ７を閉じ、成膜を終了した。
【００７５】
このようにして得られた試料の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、柱状のＳｉＯ_２膜上に粒状の１０％パラジウム−銀合金が分散している構造であった。入射光波長１５５０ｎｍでの消光比を測定したところ２ｄＢであり、挿入損失は９．５ｄＢで、光アイソレータに用いる偏光子としては使用できない。
【００７６】
本発明の偏光特性を有する薄膜は膜の構造が柱状であり、とくに実施例２、３のように柱状構造体の間に空隙が存在する場合もある。そのため、化学的耐久性に問題が生じる場合があるが、この場合には、偏光特性を有する膜上に透明な保護膜を形成するのが望ましい。
【００７７】
図９は実施例２に示した柱状構造体７０を作製した後、ＳｉＯ_２保護膜５１を形成した例を示している。柱状構造体の形成が終了した後、ターゲット室１１に供給している５％酸素混合のアルゴンガス流量を柱状構造体の形成時より増やして、スパッタ室２０内部の圧力を、６×１０^−１Ｐａに調整する。マグネトロンカソード１に高周波（周波数、１３．５６ＭＨｚ）を印加し、シャッタ６を開いて約３ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度でＳｉＯ_２膜を約１時間成膜した。
【００７８】
さらに、高屈折率材料と中間屈折率材料、低屈折率材料など屈折率の異なる複数の層を積層すれば保護膜の機能を兼ねた反射防止膜を形成することもでき、空気と偏光膜界面での反射を抑制し挿入損失を低くする効果が得られる。
【００７９】
さらに、偏光特性を有する薄膜と基板の界面の反射を防止して、挿入損失を抑制するために反射防止層として基体と偏光特性を有する膜の間に追加の層を形成して良い。
【００８０】
図１０は実施例４に示した偏光薄膜を作製する前に、基板３０上にＳｉＯ_２膜５２を形成し、さらに偏光薄膜形成後にＳｉＯ_２保護膜５３を形成した例を示している。偏光薄膜形成のための調整後、マグネトロンカソード３の前面に取り付けられているシャッタ８のみを操作してＳｉＯ_２の成膜を開始する。１時間後に、マグネトロンカソード２の前面に取り付けられているシャッタ７を開けることにより、中断することなく偏光薄膜の成膜に移行することができる。
【００８１】
さらに２．５時間後にシャッタ８を開放のまま放置し、シャッタ７のみを閉める。これにより連続して偏光薄膜表面にＳｉＯ_２保護膜５３が成膜される。１時間後に、シャッタ８を閉めて成膜を終了すれば、図１０のような構造が得られる。この場合も反射防止機能を強化するために層５２、５３を複数の層で構成してもよい。
【００８２】
なお、本発明の偏光特性を有する膜の柱状金属の径および長さは、使用する波長域によって偏光特性を最大にするために好ましい値が異なる。使用する波長域に合わせて柱状金属の径を制御するために基体表面上に凹凸が形成されていてもよい。基体の表面凹凸を形成するために、基体表面を加工してもよいが、表面の平坦な基板上に表面に凹凸が生じるように薄膜を形成し、それを利用してもよい。
【００８３】
本発明における誘電体層として上記実施例ではＳｉＯ_２を例示したが、使用波長領域で透明な材料であればとくに制限はない。ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、ＳｎＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＭｇＯなどは上記の遠距離スパッタリングで成膜ができ、適用可能である。ただし、挿入損失を小さくするためにはＳｉＯ_２、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙなどがとくに好ましい。
【００８４】
本発明における金属としては、金、銀、銅、パラジウム、白金、アルミニウム、ニッケル、コバルト、鉄、クロムなどの単体金属の他、銀−パラジウム合金、金−銀合金、銀−錫合金、銀−亜鉛合金、銀−アルミニウム合金などが使用できる。ただし、銀、金、アルミニウムなどの凝集しやすい金属の場合には、成膜中に微粒を形成しやすい。これらの金属の場合には、成膜時に基体の温度が上昇しないように基体を冷却することが必要になる。
【００８５】
また、誘電体材料と金属材料の選定で、お互いに固溶する組み合わせの選定は好ましくない。この場合には、金属と誘電体が混合するために所望の柱状構造膜が得られなくなる。
【００８６】
本発明の柱状構造体の形成には高温プロセスを必要としない。このため基体の材料はとくに限定されることはなく、石英ガラス、シリコン、硼珪酸ガラス、樹脂、ソーダライムガラスなどを用いることができる。さらに、基体の形状も特に限定されることはなく、上記実施例に示した板形状に限られない。曲面を有するレンズ表面やプリズムなどの光学部品上にも、それらに熱的損傷を与えることなく直接形成することが可能である。
【００８７】
成膜方法としては、上述のように堆積させる材料の粒子を方向性をもって供給できる方法であればよい。上述の方法の他、イオンビームスパッタリングやマグネトロンスパッタリングなどの各種物理成膜方法はこの条件に適合する。
【００８８】
図１１に示すようなイオンビームスパッタ法は、成膜中のターゲットと基板の間のガス圧力が低く（約１×１０^−２Ｐａ）、平均自由工程が長いので好ましい。このイオンビームスパッタ装置８０は装置内を一排気系で比較的低圧に排気する。複数のイオンガン８１、８２、８３からイオンビームをターゲット９１、９２、９３にそれぞれ照射し、基体９０上に薄膜を形成する。成膜はシャッタ８６によって制御する。しかしこのイオンビームスパッタリングは、イオンガンとターゲットの両方が必要であり装置が複雑である。適切なイオンビーム入射角度を設定するためには、装置の設計、製作が煩雑になるという難点がある。
【００８９】
図１２に示すような通常のマグネトロンスパッタリングのプロセス圧力は０．１Ｐａ以上である。したがって比較例１に示したように柱状構造膜は得られにくい。このような通常のマグネトロンスパッタリング装置を使用する場合には、図１３に示すようにスパッタターゲットと基板の間に蒸発粒子の向きを揃えるためのコリメータ１０８を挿入するなどの工夫が必要となる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、成膜工程だけで基体上に優れた偏光分離特性を有し、かつ優れた機械的耐久性を有する膜を形成できる。とくに本発明の製造工程には光学部品に損傷を与えるような高温加熱工程を含まないため、光学部品上に偏光子を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】柱状構造薄膜の構造モデルを示す図である。
【図２】柱状構造薄膜の他の構造モデルを示す図である。
【図３】図２の構造モデルにおける消光比の計算結果を示す図である。
【図４】本発明の柱状構造膜を成膜するための成膜装置の構成を示す模式図である。
【図５】本発明の柱状構造膜を成膜するための基本配置を示す模式図である。
【図６】実施例１により形成された柱状構造膜の断面構造を示す模式図である。
【図７】実施例２および３により形成された柱状構造膜の断面構造を示す模式図である。
【図８】実施例４により形成された柱状構造膜の断面構造を示す模式図である。
【図９】実施例２により形成された柱状構造膜表面に保護膜を設けた場合の断面構造を示す模式図である。
【図１０】実施例４により形成された柱状構造膜の表面および基体界面に誘電体薄膜を設けた場合の断面構造を示す模式図である。
【図１１】本発明の柱状構造膜を成膜するための他の成膜装置の構成を示す模式図である。
【図１２】従来のマグネトロンスパッタ装置の構成を示す模式図である。
【図１３】改良したマグネトロンスパッタ装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１，２，３，１０１，１０２　マグネトロンカソード
６，７，８，８６　シャッタ
１０，９０，１１０　基体
１１，１２，１３　ターゲット室
１４，１５，１６，１０３，１０４　ガス導入管
２０，１２０　スパッタ室
３０，３１　ガラス基板
４０，４１，４２，４３　柱状金属
４５　柱状誘電体
５０，５１，５２，５３　誘電体薄膜
６０，６１　空隙部分
７０，７１　柱状構造体
８０　イオンビームスパッタ装置
８１，８２，８３　イオンガン
９１，９２，９３　ターゲット
１０８　コリメータ

Claims

偏光特性を有する薄膜からなる薄膜偏光子において、透明基体上に形成された誘電体膜中に多数の柱状金属が分散した構造を有し、該柱状金属の長手方向が前記基体表面に対して垂直、もしくは傾斜しており、該柱状金属の基体表面に平行な断面形状が、少なくとも該基体表面から一定距離以上離れた範囲においては面積が略一定で異方性を有する形状であり、その長径方向では複数の柱状金属が互いに接し、短径方向では分離して配列していることを特徴とする薄膜偏光子。
偏光特性を有する薄膜からなる薄膜偏光子において、前記薄膜が透明基体上に形成された多数の柱状誘電体と多数の柱状金属からなる空隙のある構造を有し、該柱状誘電体および柱状金属の長手方向は略平行で、前記基体表面に対して垂直、もしくは傾斜しており、該柱状金属の基体表面に平行な断面形状が、少なくとも該基体表面から一定距離以上離れた範囲においては面積が略一定で異方性を有する形状であり、その長径方向では複数の柱状金属が互いに接し、短径方向では分離して配列していることを特徴とする薄膜偏光子。
前記柱状誘電体と柱状金属とが対をなし、それらの長手方向側面が互いに接していることを特徴とする請求項２に記載の薄膜偏光子。
前記柱状金属の前記断面の短径の長さが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、長径の長さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜偏光子。
前記柱状金属の前記断面の面積が、少なくとも前記基体表面から５０ｎｍ以上離れた範囲において略一定であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜偏光子。
前記複数の柱状金属が、前記断面の短径方向に３０ｎｍ以上分離して配列していることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜偏光子。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の薄膜偏光子の周囲媒体と接する表面に、１層もしくは複数層の透明誘電体膜を形成したことを特徴とする薄膜偏光子。
前記偏光特性を有する薄膜と前記透明基体との界面に１層もしくは複数層の透明誘電体膜を挿入したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の薄膜偏光子。
前記透明基体上に、該透明基体表面の法線に対して一定角度を有する少なくとも１方向から金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射し、同時に前記透明基体表面の法線に対して一定角度を有する少なくとも１方向から誘電体の蒸発粒子もしくは該誘電体を構成する原子もしくは該誘電体を構成するイオンを入射する薄膜偏光子の製造方法において、前記基体を室温より低い温度に冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜偏光子の製造方法。
前記透明基体上に、該透明基体表面の法線に対して同一角度を有する対称な２方向から金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射し、同時に該透明基体表面の法線に対して一定角度を有する少なくとも１方向から誘電体の蒸発粒子もしくは該誘電体を構成する原子もしくは該誘電体を構成するイオンを入射することを特徴とする請求項９に記載の薄膜偏光子の製造方法。
前記透明基体上に、該透明基体表面の法線に対して同一角度を有する対称な２方向から誘電体の蒸発粒子もしくは該誘電体を構成する原子もしくは該誘電体を構成するイオンを入射し、同時に該透明基体表面の法線に対して角度を有する少なくとも１方向から金属粒子もしくは金属原子もしくは金属イオンを入射することを特徴とする請求項９に記載の薄膜偏光子の製造方法。
前記室温より低い温度を−１００℃以下とすることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の薄膜偏光子の製造方法。
前記室温より低い温度を−１８０℃以下とすることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜偏光子の製造方法。