特開 2023-107758 高効率高コントラストワイヤグリッド偏光子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023107758

(43)【公開日】2023-08-03

(54)【発明の名称】高効率高コントラストワイヤグリッド偏光子

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20230727BHJP

   G02B 1/115 20150101ALI20230727BHJP

【ＦＩ】

G02B5/30

G02B1/115

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023008287

(22)【出願日】2023-01-23

(31)【優先権主張番号】63/302,193

(32)【優先日】2022-01-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】501218636

【氏名又は名称】モックステック・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ニールソン， アール． スチュワート

(72)【発明者】

【氏名】ベーコン－ブラウン， ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】ブラック， マイケル

【テーマコード（参考）】

2H149

2K009

【Ｆターム（参考）】

2H149AA17

2H149AB03

2H149AB05

2H149BA04

2H149BA23

2H149FC02

2H149FD03

2K009AA05

2K009CC03

2K009CC14

2K009DD12

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ワイヤグリッド偏光子は、高い反射率（例えば、高いＲｓ）及び高いコントラスト（Ｔｐ／Ｔｓ）を有することが有益である。
【解決手段】ワイヤグリッド偏光子１０又は２０は、高効率（Ｔｐ＊Ｒｓ）及び高コントラスト（Ｔｐ／Ｔｓ）を有し得る。製造は、二重エッチング手順によって改善され得る。各ワイヤは、反射層１４、低屈折率層１５、及び高屈折率層１６を含む複数の層を有し得る。高屈折率層１６は、低屈折率層１５の側壁１５ｓに沿って下方に延び得る。隣接するワイヤ１２のペアの間にチャネル１３が存在し得る。各チャネル１３は、ペアの一方のワイヤ１２の高屈折率層１６を、ペアの他方のワイヤ１２の高屈折率層１６から分離し得る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上のワイヤのアレイであって、各ワイヤが反射層、低屈折率層、及び高屈折率層を含む複数の層を備える、ワイヤのアレイと、
隣接する各ペアのワイヤの間のチャネルであって、各チャネルが、前記ペアの一方のワイヤの前記反射層、前記低屈折率層及び前記高屈折率層を、前記ペアの他方のワイヤの前記反射層、前記低屈折率層及び前記高屈折率層からそれぞれ分離する、チャネルと
を備え、
前記低屈折率層が前記反射層と前記高屈折率層との間に挟まれ、
前記低屈折率層の屈折率が、可視スペクトルにわたって前記高屈折率層の屈折率よりも低く、
前記低屈折率層が、前記基板から最も遠い遠位端と、前記基板に最も近い近位端と、前記遠位端と前記近位端との間に延びる側壁のペアとを含み、前記低屈折率層の前記側壁が前記チャネルに面し、
前記高屈折率層が、前記低屈折率層の前記側壁に沿って下方に延びる、ワイヤグリッド偏光子。

【請求項2】

前記反射層が、前記基板から最も遠い遠位端と、前記基板に最も近い近位端と、前記遠位端と前記近位端との間に延びる側壁のペアとを含み、前記反射層の前記側壁が前記チャネルに面し、
前記高屈折率層が、前記基板から最も遠い遠位端と、前記基板に最も近い近位端と、前記遠位端と前記近位端との間に延びる側壁のペアとを含み、前記高屈折率層の前記側壁が前記チャネルに面し、
前記反射層の前記側壁が、前記低屈折率層の前記側壁と位置合わせされているが、前記高屈折率層の側壁は、前記反射層の前記側壁と位置合わせされていない、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項3】

前記高屈折率層の外面が湾曲しており、前記低屈折率層の外面が矩形であり、前記高屈折率層の最大幅（Ｗ６）が前記低屈折率層の最大幅（Ｗ５）よりも大きい、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項4】

Ｗ６／Ｗ５≧１．２である、請求項３に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項5】

前記反射層の側壁及び前記低屈折率層の側壁が平面であり、前記高屈折率層の側壁が湾曲している、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項6】

各反射層が、前記基板から最も遠い遠位端と、前記基板に最も近い近位端と、前記遠位端と前記近位端との間に延びる側壁のペアとを含み、前記反射層の側壁が前記チャネルに面し、前記反射層の側壁の７５％以上が前記低屈折率層を含まない、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項7】

前記反射層の側壁が前記低屈折率層を含まない、請求項６に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項8】

前記低屈折率層及び前記高屈折率層が、前記可視スペクトルにわたって透明であり、
前記低屈折率層の屈折率が、前記可視スペクトルにわたって１．６以下であり、
前記高屈折率層の屈折率が、前記可視スペクトルにわたって１．８以上である、
請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項9】

前記反射層が、前記低屈折率層及び前記高屈折率層よりも前記基板に接近しており、前記高屈折率層が、前記複数の層のうちの最外層である、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子。

【請求項10】

各ワイヤが、前記反射層、前記低屈折率層、及び前記高屈折率層から本質的になり、前記低屈折率層が、前記反射層及び前記高屈折率層に隣接している、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、ワイヤグリッド偏光子に関する。

【背景技術】

【0002】

ワイヤグリッド偏光子は、光を２つの異なる偏光状態に分割し得る。一方の偏光状態は主にワイヤグリッド偏光子を通過し得、他方の偏光状態は主に吸収又は反射され得る。ワイヤグリッド偏光子の有効性又は性能は、主に透過される偏光状態（例えば、ｐ偏光）の高透過率（例えば、Ｔｐ）及び垂直偏光状態（例えば、ｓ偏光）の最小透過率（例えば、Ｔｓ）に基づく。

【0003】

反射光ビームが使用される場合、垂直偏光状態の高い反射率（例えば、高いＲｓ）を有することが有用である場合がある。反射ワイヤグリッド偏光子の場合、効率（Ｔｐ＊Ｒｓ）はワイヤグリッド偏光子性能の有用な指標である。

【0004】

高いコントラスト（Ｔｐ／Ｔｓ）を有することが有益である場合がある。コントラストは、主に透過される偏光状態の透過率を増加させ（例えば、Ｔｐを増加させる）、垂直偏光状態の透過率を減少させる（例えば、Ｔｓを減少させる）ことによって改善され得る。

【発明の概要】

【0005】

ワイヤグリッド偏光子は、基板上にワイヤのアレイを備え得る。各ワイヤは、反射層、低屈折率層、及び高屈折率層を含む複数の層を有し得る。低屈折率層は、反射層と高屈折率層との間に挟まれ得る。低屈折率層の屈折率は、高屈折率層の屈折率よりも低くなり得る。高屈折率層は、低屈折率層の側壁に沿って下方に延び得る。

【図面の簡単な説明】

【0006】

（図面は縮尺通りに描写されていない場合がある）

【図1】基板１１上にワイヤ１２のアレイを有するワイヤグリッド偏光子１０の断面側面図である。各ワイヤ１２は、反射層１４、低屈折率層１５、及び高屈折率層１６を含む複数の層を有し得る。高屈折率層１６は、低屈折率層１５の側壁１５ｓに沿って下方に延び得る。チャネル１３は、各ワイヤ１２の高屈折率層１６を、隣接するワイヤ１２の高屈折率層１６から分離し得る。

【図2】ワイヤグリッド偏光子を作製する方法におけるステップ２０を示す断面側面図である。ステップ２０は、基板１１上に反射薄膜２４を堆積させることを含む。

【図3】ワイヤグリッド偏光子を作製する方法におけるステップ３０を示す断面側面図である。ステップ３０は、反射薄膜２４上に低屈折率薄膜３５を堆積させることを含む。

【図4】ワイヤグリッド偏光子を作製する方法におけるステップ４０を示す断面側面図である。ステップ４０は、図３の低屈折率薄膜３５及び反射薄膜２４をパターニング及びエッチングすることによってワイヤ４２のアレイを形成することを含む。各ワイヤ４２は、（反射薄膜２４から形成された）反射層１４上に（低屈折率薄膜３５から形成された）低屈折率層１５を含み得る。

【図5】ワイヤグリッド偏光子を作製する方法におけるステップ５０を示す断面側面図である。ステップ５０は、低屈折率層１５上に高屈折率層１６を堆積させることを含む。

【図6】ワイヤグリッド偏光子を作製する方法におけるステップ６０を示す断面側面図である。ステップ６０は、高屈折率層１６をエッチングすることを含む。

【発明を実施するための形態】

【0007】

定義。複数の定義を含む以下の定義は、本特許出願を通して適用される。

【0008】

本明細書で使用される場合、「細長い」という用語は、ワイヤ長さがワイヤ幅Ｗ２及びワイヤ厚さＴ２よりも実質的に大きいことを意味する（図面の用紙に入っていく方向で、ワイヤ幅Ｗ２又はワイヤ厚さＴ２に垂直）。例えば、ワイヤ長さは、ワイヤ幅Ｗ２、ワイヤ厚さＴ２、又はその両方よりも少なくとも１０倍、１００倍、１０００倍、又は１０，０００倍大きくなり得る。図１を参照されたい。

【0009】

本明細書で使用される場合、「上に（ｏｎ）」、「上に位置する（ｌｏｃａｔｅｄ ｏｎ）」、「に位置する（ｌｏｃａｔｅｄ ａｔ）」、及び「上方に位置する（ｌｏｃａｔｅｄ ｏｖｅｒ）」という用語は、直接その上に位置するか、又は間に何らかの他の固体材料が位置していることを意味する。「直接上に位置する（ｌｏｃａｔｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」、「隣接する（ａｄｊｏｉｎ）」、「隣接する（ａｄｊｏｉｎｓ）」、及び「隣接する（ａｄｊｏｉｎｉｎｇ）」という用語は、直接的かつ間近の（ｄｉｒｅｃｔ ａｎｄ ｉｍｍｅｄｉａｔｅ）接触を意味する。

【0010】

本明細書で特に明記しない限り、すべての温度依存値は２５℃でのそのような値である。

【0011】

光学構造に使用される材料は、いくらかの光を吸収し、いくらかの光を反射し、いくらかの光を透過し得る。以下の定義は、主に吸収性、主に反射性、又は主に透明な材料を区別する。各材料は、意図される使用の波長範囲において吸収性、反射性、又は透明であると考えられ得る。各材料は、異なる波長範囲で異なる特性を有し得る。材料は、バルク反射率Ｒ、屈折率ｎ、及び消衰係数ｋに基づいて、吸収性、反射性、及び透明に分けられる。式１は、垂直入射における空気と材料の均一なスラブとの間の界面のバルク反射率Ｒを決定するために使用される。

【0012】

本明細書で特に明記しない限り、波長範囲でｋ≦０．１の材料は「透明」材料であり、指定された波長範囲でｋ＞０．１かつＲ≦０．６の材料は「吸収性」材料であり、指定された波長範囲でｋ＞０．１かつＲ＞０．６の材料は「反射性」材料である。特許請求の範囲で明示的に述べられている場合、指定された波長範囲でｋ＞０．１かつＲ≧０．７、Ｒ≧０．８、又はＲ≧０．９を有する材料は、「反射性」材料である。

【0013】

本明細書で使用される場合、可視スペクトルは、少なくとも４００ｎｍかつ７００ｎｍ未満の波長を有する電磁放射線を意味する。

【0014】

ワイヤグリッド偏光子は、光を２つの異なる偏光状態に分割し得る。一方の偏光状態は主にワイヤグリッド偏光子を通過し得、他方の偏光状態は主に吸収又は反射され得る。ワイヤグリッド偏光子の有効性又は性能は、主に透過される偏光の高透過率（例えば、高いＴｐ）及び反対の偏光の最小透過率（例えば、低いＴｓ）に基づく。反対の偏光の高い反射率（例えば、高いＲｓ）を有することが有用である場合がある。したがって、効率（Ｔｐ＊Ｒｓ）は、ワイヤグリッド偏光子性能の有用な指標である。高いコントラスト（Ｔｐ／Ｔｓ）を有することが有益である場合もある。

【0015】

ワイヤグリッド偏光子を使用することにより、プロジェクタの画質は向上され得、効率とコントラストが改善する。また、このようなワイヤグリッド偏光子を使用することにより、画像投写装置の消費電力を低減し得る。

【0016】

図１に示すように、ワイヤグリッド偏光子１０は、基板１１上にワイヤ１２のアレイを含み得る。ワイヤ１２のアレイは、平行で細長であり得る。ワイヤ１２のピッチＰは、所望の偏光範囲の最低波長の１／２未満になり得る。

【0017】

各ワイヤ１２は、反射層１４、低屈折率層１５、及び高屈折率層１６を含む複数の層を有し得る。低屈折率層１５は、反射層１４と高屈折率層１６との間に挟まれ得る。反射層１４は、低屈折率層１５及び高屈折率層１６よりも基板１１に接近し得る。高屈折率層１６は、複数の層のうちの最外層であり得る。この層の配置は、ワイヤグリッド偏光子効率（Ｔｐ＊Ｒｓ）及びコントラスト（Ｔｐ／Ｔｓ）を増加させ得る。

【0018】

低屈折率層１５は、反射層１４及び高屈折率層１６に隣接し得る。各ワイヤ１２は、反射層１４、低屈折率層１５、及び高屈折率層１６から本質的になり得る。

【0019】

隣接するワイヤ１２のペアの間にチャネル１３が存在し得る。各チャネル１３は、ペアの一方のワイヤ１２のすべての層を、ペアの他方のワイヤ１２のすべての層から分離し得る。各チャネル１３は、ペアの一方のワイヤ１２の反射層１４、低屈折率層１５及び高屈折率層１６を、ペアの他方のワイヤ１２の反射層１４、低屈折率層１５及び高屈折率層１６から分離し得る。チャネル１３は、空気又は他のガス、真空、液体、固体、又はそれらの組み合わせで充填され得る。チャネル１３内の任意の固体は透明であり得る。

【0020】

高屈折率層１６のエッチングは、困難である可能性がある。多層スタックの３つの層すべてを単一のエッチングステップでエッチングすることも、困難である可能性がある。従来のエッチングプロセスが使用される場合、高アスペクト比のマスキング層が必要になる可能性がある。高アスペクト比マスクが使用される場合、反射層１４のエッチングを制御することは困難である可能性がある。

【0021】

３つの層すべてを一度にエッチングする代わりに、エッチングは、２つのステップに分離され得る。最初に、反射層１４及び低屈折率層１５を有するワイヤ４２が形成され得る（図４）。次いで、高屈折率層１６が追加され得る（図５）。その後、高屈折率層１６がエッチングされ得る。この高屈折率層１６のエッチングは、パターニングすることなく実行され得る。これにより、パターニングすることなく高屈折率層１６が形成され得る。この単一パターニング、二重エッチング手順は、単一のエッチングで３つの薄膜２４、３５、及び１６すべてをエッチングしようとするよりも製造が容易であり、より良好な反射層１４の形状をもたらし得る。

【0022】

各反射層１４は、基板１１から最も遠い遠位端１４ｄと、基板１１に最も近い近位端１４ｐと、遠位端１４ｄと近位端１４ｐとの間に延びる側壁１４ｓのペアとを含み得る。反射層１４の側壁は、チャネル１３に面し得る。

【0023】

反射層１４の側壁１４ｓは、低屈折率層１５を含まなくてもよい。これにより、ワイヤグリッド偏光子１０の性能を向上させ得る。

【0024】

反射層１４の側壁１４ｓが低屈折率層１５を含まないことが好ましいが、反射層１４の側壁１４ｓの大部分が低屈折率層１５を含まない場合、かなりの利点が得られる。例えば、反射層１４の側壁１４ｓの５０％以上、７５％以上、又は９０％以上が、低屈折率層１５を含まなくてもよい。

【0025】

各低屈折率層１５は、基板１１から最も遠い遠位端１５ｄと、基板１１に最も近い近位端１５ｐと、遠位端１５ｄと近位端１５ｐとの間に延びる側壁１５ｓのペアとを含み得る。側壁１５ｓは、チャネル１３に面し得る。

【0026】

各高屈折率層１６は、基板１１から最も遠い遠位端１６ｄと、基板１１に最も近い近位端１６ｐと、遠位端１６ｄと近位端１５ｐとの間に延びる側壁１６ｓのペアとを含み得る。側壁１６ｓは、チャネル１３に面し得る。

【0027】

反射層１４及び低屈折率層１５が最初に堆積され、一緒にエッチングされ得るので、それらの側壁１４ｓ及び１５ｓは、互いに、かつ基板１１の面に垂直な平面１７と位置合わせされ得る。反射層１４及び低屈折率層１５を形成した後に高屈折率層１６を追加する場合、その側壁１６ｓはこの平面１７と位置合わせされなくてもよい。

【0028】

反射層１４の側壁１４ｓ及び／又は低屈折率層１５の側壁１５ｓは平面であり得る。低屈折率層１５及び／又は反射層１４の外面は矩形であり得る。高屈折率層１６の側壁１６ｓは湾曲し得る。高屈折率層１６の外面は湾曲し得る。これらの形状は、本明細書に記載の製造方法から生じ得る。

【0029】

低屈折率層１５を形成した後に高屈折率層１６を追加する場合、高屈折率層１６は、低屈折率層１５の側壁１５ｓに沿って下方に延び得る。図６に示すように、高屈折率層１６は、低屈折率層１５の側壁１５ｓの途中まで延び得る。図１に示すように、高屈折率層１６は、低屈折率層１５の側壁１５ｓを覆い得る。高屈折率層１６の堆積条件は、図１のワイヤグリッド偏光子１０又は図６のワイヤグリッド偏光子６１を達成するように変更され得る。

【0030】

高屈折率層１６の最大幅Ｗ６は、低屈折率層１５の最大幅Ｗ５よりも大きくなり得る。例えば、Ｗ６／Ｗ５≧１．２、Ｗ６／Ｗ５≧１．５、又はＷ６／Ｗ５≧２である。各幅Ｗ５及びＷ６は、（図面の用紙に入る方向の）ワイヤ長さに垂直に、かつワイヤ厚さＴ２に垂直に測定され得る。これらの相対寸法は、本明細書に記載の製造方法から生じ得る。

【0031】

反射層１４は金属であり得る。例えば、反射層１４の少なくとも５０、７０、９０、又は９５質量パーセントはアルミニウムであり得る、

【0032】

低屈折率層１５及び高屈折率層１６は、可視スペクトルにわたって透明であり得る。低屈折率層１５の屈折率は、可視スペクトルにわたって高屈折率層１６の屈折率よりも低くなり得る。例えば、いずれも可視スペクトルにわたって、低屈折率層１５の屈折率は、１．５又は１．６以下であり得、高屈折率層１６の屈折率は、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、又は２．３以上であり得る。

【0033】

低屈折率層１５の材料の一例は二酸化ケイ素である。低屈折率層１５は、少なくとも５０、７０、９０、又は９５質量パーセントの二酸化ケイ素を有し得る。高屈折率層１６の材料の一例は二酸化チタンである。高屈折率層１６は、少なくとも５０、７０、９０、又は９５質量パーセントの二酸化チタンを有し得る。

【0034】

ワイヤグリッド偏光子を作製する方法は、以下のステップの一部又は全部を含み得る。これらのステップは、以下の順序で実行され得る。ワイヤグリッド偏光子及びその構成要素は、上述のような特性を有し得る。

【0035】

ステップ２０は、基板１１上に反射薄膜２４を堆積させることを含み得る（図２）。反射薄膜２４は、反射層１４について上述した特性を有し得る。

【0036】

ステップ３０は、反射薄膜２４上に低屈折率薄膜３５を堆積させることを含み得る（図３）。低屈折率薄膜３５は、低屈折率層１５について上述した特性を有し得る。

【0037】

ステップ４０は、図３の低屈折率薄膜３５及び反射薄膜２４をパターニング及びエッチングして、ワイヤ４２のアレイを形成することを含み得る。各ワイヤ４２は、反射層１４上に低屈折率層１５を含み得る。低屈折率薄膜３５及び反射薄膜２４は、単一のエッチングステップで一緒にエッチングされ得る。低屈折率薄膜３５をパターニング及びエッチングして低屈折率層１５を形成することは、マスクを使用することを含み得る。

【0038】

ステップ５０は、低屈折率層１５上に高屈折率層１６を堆積させることを含み得る（図５）。

【0039】

高屈折率層１６は、基板１１から最も遠い、低屈折率層１５の遠位端１５ｄにあり得る。隣接するワイヤ４２の高屈折率層１６は、次のステップ６０の前に、このステップ５０の終わりに互いに隣接し得る。隣接するワイヤ４２の高屈折率層１６は、高屈折率層１６の側壁１６ｄで、及び／又はチャネル１３内の基板１１の面に沿って互いに隣接し得る。

【0040】

ステップ６０は、高屈折率層１６をエッチングすることを含み得る。したがって、図５のワイヤグリッド偏光子は、図６のワイヤグリッド偏光子へと形成され得る。隣接するワイヤ１２の高屈折率層１６は、このステップの終わりに互いに分離され得る。高屈折率層１６のエッチングは、パターニングすることなく実行され得る。このエッチングは異方性であり得る。高屈折率層１６は、マスクを使用することなく形成され得る。

【0041】

本方法は、単一のパターニングステップからなり、２つの別個のエッチングステップを含み得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】