光学素子及びその製造方法ならびに露光方法
【課題】紫外線透過率および耐性が高い無機の複屈折性材料を用いた、高精細で任意のパターンを形成した露光フィルター用の光学素子を得る。
【解決手段】光源から発せられた偏光光線を、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子に、前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する偏光光線を透過させ、前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線に変え、前記偏光光線により異方性感光層を露光することで、前記異方性感光層を、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分の異方性が異なる光配向膜に形成する。
【解決手段】光源から発せられた偏光光線を、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子に、前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する偏光光線を透過させ、前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線に変え、前記偏光光線により異方性感光層を露光することで、前記異方性感光層を、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分の異方性が異なる光配向膜に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
分子配向方向の異なるパターンを形成した光学素子を効率よく製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
分割波長板は、遅相軸の面内方向を、素子の面の部分により変えた位相差子である。この分割波長板は、無機の紫外線透過率および耐性が高い複屈折材料を用いて形成することができる。また、特許文献１では、有機高分子で構成する分割波長板が提案された。
【０００３】
分割波長板は、３Ｄディスプレーやセキュリティデバイスの部材として利用できるため近年脚光を浴びている。これらの応用分野に用いる分割波長板は、より量産性を高くするため、特許文献２と特許文献３で、異方性感光剤を偏光光線により露光した光配向膜を形成し、それに液晶を接触させ配向させる技術を用い、液晶の配向方向を変えたパターンを形成することにより分割波長板を作成する方法が提案されている。このように配向方向の異なるパターンを有する光配向膜を形成する露光方法としては、例えば、フォトマスクの面の部分により偏光光線を遮光しておき、露光部分と未露光部分で偏光の方向を変えて異方性感光剤に露光する方法がある。また、その他、スキャナーを用いて素子の面のドット毎に偏光の方向を変えながら異方性感光剤に露光する方法などがある。
【０００４】
以下に公知文献を記す。
【特許文献１】特開平７−７２３３１号公報
【特許文献２】特開平８−４３８０４号公報
【特許文献３】特開平９−３３９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
配向膜を形成するために効率の良い露光方法として、液晶を用いた分割波長板を露光フィルターとして用いることにより、一括で、場所により偏光面の回転方向が異なる配向膜を形成する手段が提案されている。この露光フィルターは、その露光フィルターを透過する部分により偏光面の回転角度を変えたパターンを形成した露光フィルターである。
【０００６】
しかし、異方性感光剤を有する露光フィルターを用いると、異方性感光剤は一般に紫外線領域に感光性を持つため、露光時の露光光線や発熱によりダメージを受けるため、露光フィルターの寿命が短いため量産性が悪い問題があった。一方、紫外線透過率および耐性が高い無機の複屈折材料を用いた露光フィルターは、透明基材への接合の難しさ、パターニングの難しさから、単純な図形を別途加工し、順に貼り合わせる必要があり作成に手間がかかる問題があった。また、精細さに欠けるため、単純なパターンの光学素子しか作成することができない問題があった。
【０００７】
本発明は、この従来の問題を解決し、紫外線透過率および耐性が高い無機の複屈折性材料を用いた、高精細で任意のパターンを形成した露光フィルター用の光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、この課題を解決するために、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層が接合され、前記複屈折性層が前記透明基材の面上で所定のパターンに形成されていることを特徴とする光学素子である。
【０００９】
また、本発明は、透明基材に接合された透明な無機材料の複屈折性層を有し、前記複屈折性層が互いに一定の位相差を有する２種類の領域のパターンを有することを特徴とする光学素子である。
【００１０】
また、本発明は、上記透明基材と上記複屈折性層の面の段差を光学異方性のない等方性層が埋め、かつ、上記複屈折性層上を覆っていることを特徴とする上記の光学素子である。
【００１１】
また、本発明は、上記透明基材が石英ガラス基板であり上記複屈折性層が水晶であり、上記透明基材に上記複屈折性層が直接接合され、上記複屈折性層の厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする上記の光学素子である。
【００１２】
また、本発明は、上記透明基材を複屈折性材料で形成した位相子とし、上記複屈折性層と遅相軸を直交させて貼り合わせたことを特徴とする上記の光学素子である。
【００１３】
また、本発明は、透明基材の面上に所定の厚さで形成した複屈折性層を接合する第１の工程と、前記複屈折性層上にドライエッチングレジストのパターンを形成する第２の工程と、ドライエッチングにより前記ドライエッチングレジストのパターンで保護された部分以外の前記複屈折性層を除去する第３の工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法である。
【００１４】
また、本発明は、上記第１の工程が、石英ガラス基板の上記透明基材に水晶の上記複屈折性層を直接接合する工程と、次に、上記複屈折性層を１０μｍ以上２０μｍ以下の厚さまで研磨する工程を有することを特徴とする上記の光学素子の製造方法である。
【００１５】
また、本発明は、上記第１の工程が、複屈折性材料で形成した上記透明基材に遅相軸と直交させて上記複屈折性層を接合することを特徴とする上記の光学素子の製造方法である。
【００１６】
また、本発明は、偏光を照射することによって異方性が生じる異方性感光層を露光する方法で、光源から発せられた偏光光線を、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子に、前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する偏光光線を透過させ、前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線に変え、前記偏光光線により異方性感光層を露光することで、前記異方性感光層を、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分の異方性が異なる光配向膜に形成することを特徴とする露光方法である。
【００１７】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする上記の露光方法である。
【００１８】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする上記の露光方法である。
【００１９】
また、本発明は、偏光光線を発生する光源と、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子を備え、前記光学素子に前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する前記偏光光線を透過させることで前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外
の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線を形成し、前記偏光光線を、異方性感光層を形成した積層体基材上の前記異方性感光層に、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分に分けて露光することを特徴とする露光装置である。
【００２０】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする上記の露光装置である。
【００２１】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする上記の露光装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、透明基材の面に透明な無機材料の複屈折層のパターンを接合した光学素子を設置した露光装置で、偏光紫外線をその光学素子を透過させた紫外光線にして積層体基材面上の異方性感光層を露光することで、１回の露光で光配向膜の配向方向が２種類ある光配向膜のパターンを容易に形成できる量産性が高い効果がある。また、本発明の光学素子は、無機材料の複屈折性層を接合してパターニングして形成できるため、露光装置に設置して紫外線を透過させて用いる用途へ耐性が高く寿命が長く量産性に優れる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の態様について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一態様に係る光学素子１の平面図である。また、図２は、図１のII−II線における断面図である。図３は、図２の光学素子１に光学的等方性のコーティングを施した光学デバイスの断面図である。図４は、本発明の光学素子１を通して異方性感光剤を露光することで光配向膜２のパターンを形成した積層体４に偏光フィルム１００を当てて観察した図である。図５は、本発明の光学素子１を組み込んだ露光装置の図である。
【００２４】
以下、まず、本発明の露光フィルターの構成から見た光学効果について説明する。
本発明の光学素子１は、透明基材１１上の第１部分１１ａに透明な無機の複屈折性層１２を形成して位相差を設け、もしくは、第１部分１１aと第２部分１１ｂの両方に複屈折性層１２を形成し、その位相差値に所定の位相差を与えたものである。複屈折性層１２は、面内方向に遅相光軸を持つ所定の膜厚で設けられた層であり、面内でほぼ一様な光学特性を有している。所定の膜厚ｄは、選定した露光光源の波長（λ）に関係する位相差値δと、その波長（λ）における複屈折性材料の複屈折率Δｎにより次の式１で定める。
ｄ ＝ δ ／ Δｎ（λ） （式１）
本件では、第１部分１１ａを透過する偏光の状態を変えることを目的とした光学素子１であるが、特にδが２分の１波長（λ／２）の場合と、４分の１波長（λ／４）もしくは４分の３波長（３λ／４）の場合、効果的な光学素子１となる。
【００２５】
λ／２の位相差値δを持つ露光フィルターの場合、位相差子を透過する偏光の偏光面は、遅相軸を中心として、回転して出力される。即ち、偏光面と遅相軸がθの角度を成す場合には、２θ回転する。即ち、複屈折性層１２をλ／２の位相子として設計した光学素子１は、その位相子のパターンの部分で偏光面を回転させる露光フィルターとして作用する。
【００２６】
また、λ／４もしくは３λ／４の位相差値δを持つ露光フィルターの場合、偏光の偏光面と遅相軸が４５°の角度で透過する場合には、円偏光となり、面内方向の異方性がなくなる。即ち、複屈折性層１２をλ／４もしくは３λ／４の位相差子として設計した光学素
子１は、その位相差子のパターンの部分で面内異方性を無くす光学素子１として用いることができる。
【００２７】
これら、λ／２、λ／４もしくは３λ／４波長板は、位相差値がλ毎に周期性をもつ。一般的な記述の方法としては、
λ／２位相差子 ： （ｎ − １／２）×λ （ｎは自然数）
λ／４位相差子 ： （ｎ − １／４）×λ、もしくは、（ｎ − ３／４）
（ｎは自然数）
で表すことができる。ｎが１の位相差子をファーストオーダー（もしくは０次）と呼び、２以上をマルチオーダーと呼ぶ。光源の波長分布が広い場合には、ｎが大きいほど波長により受ける光学効果が設計値からずれていくため、ファーストオーダーのものが好ましい。
【００２８】
また、遅相軸を直交させた２枚の位相差子の位相差値は、互いに打ち消し合うため、差が上記条件に合致する組合せを選ぶことにより、低いオーダーの位相差子として利用できる。即ち２枚の位相差子の一方を透明基材１１とし、もう一方を複屈折性層１２として遅相軸を直交させた２枚の位相差子の組み合わせの光学素子１を形成することができる。この場合は、２枚の位相差子の位相差値が互いに打ち消し合う効果により、ファーストオーダーのλ／２の位相差の部分を形成した光学素子１が一方の位相差子の浅いドライエッチング処理で製造できるため、光学素子１の製造が容易になる効果がある。
【００２９】
複屈折性層１２部分の段差を透明で光学的異方性のない等方性層１３で埋める。それは、等方性層１３で表面を平滑にすることにより、物理的な殺傷による破損を防ぐとともに、露光フィルターに光学的なレンズ効果や散乱効果を生じさせない為に付与する。
【００３０】
以下、本発明の光学素子１の製造方法から説明する。
（透明基材）
本発明で用いる透明基材１１は、紫外線の透過率が良い材料であることが望ましく、ガラスや結晶、ポリマーなどを用いることができる。ガラスとしては、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダガラス、カリガラス、鉛ガラスなどを用いることができるが、紫外線透過率の高い石英ガラスを用いることが好ましい。また、結晶としては、水晶、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、サファイア、フッ化リチウム、臭化カリウムなどを用いることができる。また、ポリマーとしては、アクリル系樹脂、オレフィン系樹脂などを用いることができる。これら透明基材１１は、光学的に等方であることが望ましいが、偏光状態がコントロール可能であれば水晶や延伸樹脂フィルムのように、旋光性や位相差性を有していても構わない。
【００３１】
（複屈折性層）
無機の複屈折性層１２を形成する複屈折性材料としては、水晶Ｘ板もしくはＹ板（透過波長域２００〜２，３００ｎｍ、６３３ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．００９）、フッ化マグネシウム（透過波長域１３０〜７，０００ｎｍ、４０５ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．０１２）、方解石（透過波長域２１０〜２，３００ｎｍ、６３３ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．１７）、バリウムボーレート（透過波長域１９０〜３，５００ｎｍ、５３２ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．１２）、ニオブ酸リチウム（透過波長域３７０〜４，５００ｎｍ、６３３ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．０８３６）などを用いることができる。
【００３２】
（複屈折性層の積層方法）
透明基材１１の上に透明な無機の複屈折性材料を積層するが、直接接合させる方法が望ましいが、紫外線の透過率を下げずに十分な接着力を付与できるのであれば、接着剤を介
在させてもよい。
【００３３】
＜複屈折性材料を直接接合する方法＞
直接接合する方法としては、光学接着法、溶融接合法、拡散接合法、直接接合法など既存の接合方法を用いることができる。光学接着は、鏡面研磨した透明基材１１と複屈折性層１２をファンデルワールス力で接着するのみなので、パターニング工程における昇温に伴う熱膨張係数の差で界面剥離をすることがある。このような場合には、原子拡散や化学結合を伴う接着方法である溶融接合法、拡散接合法、直接接合法などが望ましい。
（溶融接合法）
溶融接合法とは、貼り合せる基板のいずれかが融点を迎える温度まで加熱して接合する方法である。一般に高温まで加熱するため、精度が問題になることがある。
（拡散接合法）
拡散接合法とは、貼り合せる基板の融点以下で加圧密着させ、互いの原子の相互拡散を利用して接合する方式である。
（直接接合法）
直接接合法とは、貼り合せるそれぞれの基板の表面を化学エッチングもしくはイオンビームエッチングによって表面を薄く処理し、接合する方法である。
【００３４】
例えば、石英ガラスと水晶のＸ板もしくはＹ板を接合する場合、熱膨張係数がそれぞれ７×１０−７／Ｋと１．３×１０−５／Ｋとなり、光学接着では後加工の際に剥がれる可能性が高く、不安定な加工となる。また、水晶は５７３℃以上で低温型（α）から高温型（β）へ相転移を起こすため、溶融接合法は用いることができない問題があった。しかし、石英ガラスと水晶のＸ板もしくはＹ板は、拡散接合法あるいは直接接合法により接合できた。
【００３５】
＜接着剤を介在させて複屈折性層を接着する方法＞
接着剤を介在させる方法としては、エポキシ系接着剤やゾルゲル法によるシリカ系接着剤を用いることができる。
＜複屈折性層の研磨＞
複屈折性層１２を式１で計算される所定の膜厚ｄに調整する方法として、ドライエッチングで複屈折性層１２の厚さを所定の厚さまで、すなわち１０μｍ以上２０μｍ以下の厚さまで研磨する。研磨は透明基材１１に複屈折性層１２を接合する以前に行っても、研磨後に両者を接合させても構わないが、２０μｍ以下の所定の膜厚ｄにおいては、単独で複屈折性層１２を取り扱うことが困難である為、複屈折性層１２を透明基材１１に接合後に研磨する方が望ましい。また、接着剤を介在させて両者を接着させる場合には、接着剤の厚みが複屈折性層１２の研磨精度に影響を与えないように注意する必要がある。
（複屈折性層の膜厚）
本発明による複屈折性層１２の所定の膜厚ｄは、露光光源の波長λにかかわる位相差値δと、複屈折材料の波長λにおける複屈折率Δｎによって式１で計算される膜厚ｄを形成する。複屈折性層１２により偏光面を回転したい場合には、位相差値δがλ／２となる膜厚ｄを形成する。また、複屈折性層１２により面内異方性をなくしたい場合には、位相差値δがλ／４もしくは３λ／４となる膜厚ｄを形成する。
【００３６】
＜複屈折性層のパターンの形成＞
上記のような方法で作成した基板の第２部分１１ｂの複屈折性層１２を除去したパターンを形成するには、第１部分１１ａにエッチングレジストを形成し、エッチング法やサンドブラスト法を用いることができる。
（複屈折性層の除去処理）
複屈折性層１２を単独で取り扱える場合には、透明基材１１と貼り合わせる前に除去加工を実施し、その後、透明基材１１に接着しても構わない。さらに、単独で光学素子１と
して取り扱える場合には、透明基材１１と貼り合わせる必要もない。また、第１部分１１ａと第２部分１１ｂに必要な位相差の差が得られる場合には、貫通させることなく途中で止めてもよい。
【００３７】
（エッチングレジスト材料）
エッチングレジスト材料は、各除去手法において必要なエッチングレジスト機能を有するものを選定する。エッチングレジストの形成方法としては、フォトリソグラフィー法やスクリーン印刷法など公知の手法を用いることができる。
（ウェットエッチング方法）
例えば、フッ化水素酸を用いて水晶をウェットエッチングする場合、光軸によってエッチングレートが異なる。Ｘ軸（光軸）方向、Ｙ（電気軸）方向、Ｚ軸（化学軸）方向でエッチングレートが異なり、
Ｘ：Ｙ：Ｚ ＝ ６：１：１００
となる。
（ドライエッチング方法）
本発明で、複屈折性層１２として用いる水晶は、Ｘ軸を法線としたＸ板もしくはＹ軸を法線としたＹ板を用いるが、ウェットエッチングを用いた場合、深さ方向よりサイド方向のエッチングレートが大きく、求める形状の複屈折性層１２が得られない。よって、複屈折性層１２に水晶のＸ板、Ｙ板を用いる場合には、ドライエッチングもしくはサンドブラスト法を用いることが望ましい。
【００３８】
＜エッチングレジスト除去処理＞
第２部分１１ｂの複屈折性層１２を除去した後、エッチングレジストを除去することにより、透明基材１１上に複屈折性層１２のパターンが形成された光学素子１が完成する。エッチングレジストを除去する方法は、エッチングレジスト毎に適切な方法を選択する。＜段差の埋め込み処理＞
第１部分１１ａと第２部分１１ｂの間の段差を埋めるために、紫外線の透過性が良く光学的異方性が無い等方性の材料の等方性層１３をコーティングする。等方性層１３に用いることができるコーティング剤としては、シリコン、アクリル等の樹脂、シリカやアルミナなどの無機材料、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）やポリシラザンのような反応の結果、シリカ（ＳｉＯ2）を形成するコーティング剤などを用いることができる。また、コーティング法としては、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、蒸着、スパッタリングなど公知の手法を用いることができる。コーティングの結果、表面が平滑でない場合には、過剰にコートした後、研磨により平滑化することが好ましい。
【００３９】
＜積層体の製造方法＞
続いて、積層体基材４ａに異方性感光剤を用いた異方性感光層を露光し光配向膜２を形成し液晶３をコーティングして積層体４を製造する方法について説明する。
（異方性感光剤）
異方性感光剤とは、基板上の膜に偏光などの異方性を有する光を照射し、膜内の分子の再配列や異方的な化学反応を誘起する方法で、膜に異方性を与え、これによって液晶分子が配向することを利用したものである。光配向のメカニズムとしては、アゾベンゼン誘導体の光異性化、桂皮酸エステル、クマリン、カルコンやベンゾフェノンなどの誘導体の光二量化や架橋、ポリイミドなどの光分解などがある。これら感光剤は、一般に２５０から４００ｎｍの紫外線領域に感度をもつものが多い。
（異方性感光剤の積層体基材上へのコーティング）
これら異方性感光剤を積層体基材４ａの上にコーティングして、異方性感光層を形成する。用いる積層体基材４ａとしては、金属箔、樹脂フィルム、ガラス板などを用いることができる。
【００４０】
＜露光装置＞
異方性感光層への露光処理は、図５のような露光装置５の紫外線の光源５１から発せられた紫外線から偏光子５２により偏光紫外線５１ａを取り出し、本発明の光学素子１を通して、異方性感光層に露光する。
（紫外線の光源）
偏光紫外線５１ａを形成する元の光源５１としては、高圧水銀ランプ、エキシマランプ、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ）など、公知の光源を用いることができる。
（偏光子）
また、偏光子５２としては、プリズム偏光子、多層偏光子、石英基板をブルースター角で複数枚配置したパイル偏光子などの偏光子５２を用いることができる。
【００４１】
（露光装置による露光処理）
積層体４の一例の製造方法として、露光装置５において、図２のように第１部分１１ａにλ／２の位相差子を形成した光学素子１を用いる。図５のように露光装置５の光学素子１の遅相軸に対して、２２．５°の角度で偏光紫外線５１ａを通して、レンズ５５で紫外線を平行光にして、異方性感光剤をコーティングした金属箔の積層体基材４ａに露光する。この場合、光学素子１の第１部分１１ａでは、偏光紫外線５１ａの偏光面が４５°回転して光学素子１を通過するため、その部分を透過した紫外線が照射された異方性感光剤の部分に図３のように４５度偏光面光配向膜２ａが形成され、光学素子１の１１ｂを透過した紫外線が照射された異方性感光剤の部分にはそのままの偏光面の０度偏光面光配向膜２ｂが形成される。
【００４２】
（積層体への液晶のコーティング）
図３のように、この積層体基板４ａの光配向膜２に光硬化性の液晶３を、５５０ｎｍにおける位相差値が１３８ｎｍになるようにコーティングし、配向後に紫外線照射により固定することにより分割波長板である積層体４を製造する。
（積層体に形成された潜像の検査）
図４に、この積層体４に偏光フィルム１００を重ねた結果を示す。積層体４の液晶３が光配向膜２の配向方向に合わせて配向している配向方向の場所による違いは、偏光子を用いない目視では観察されず積層体４の面には均一な金属膜しか見えない。しかし、偏光フィルム１００を積層体４に当てたときには、液晶３の配向方向により偏光した光の偏光フィルム１００の透過率に違いがある為、偏光フィルム１００を通して観察した積層体４の面にコントラストがつき、画像が現れる。普段は見えないが、偏光フィルム１００や偏光子を重ねることにより画像が現れるこのような積層体４は、潜像技術としてセキュリティデバイスとして応用することができる。
【００４３】
＜露光装置＞
続いて、本発明の光学素子１を組み込んだ露光装置について説明する。
図５に、その例を示す。図５（ａ）は、露光装置を上方から見た概略図、図５（ｂ）は側面から見た概略図である。光源５１より発せられた紫外線は、偏光子５２を通してＳ波とＰ波の偏光紫外線５１ａに分離され、Ｐ波は直進し、Ｓ波は反射してミラー５３でさらに反射される。Ｓ波もしくはＰ波の偏光紫外線５１ａの光路のいずれかにλ／２波長板もしくは９０°偏光面を回す旋光子を配置することにより、分離した２つの偏光紫外線５１ａの偏光面を一致させる。その偏光紫外線５１ａを光拡散部５４を通して均一化し、レンズ５５を通して平行光にし、光学素子１を通して、異方性感光剤を塗布した積層体４の異方性感光層を露光する。積層体４は搬送ロール５６により支持して搬送する。
（露光光源）
光源５１は、前記のとおり高圧水銀ランプ、エキシマランプ、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ）などを組み込むことができ、偏光子５２には、プリズム偏光子、多層偏光子、パイル偏光子などを組み込むことができる。
（搬送系）
積層体４の搬送系は、間欠動作する機構を設け、必要な照度が得られるまで静止した状態で露光し、ランプを一旦閉じた後、一定量送る動作を繰り返す。
（露光処理）
光源５１にパルスレーザやフラッシュを用いる場合で、１ショットの発光で必要な照度が得られ、かつ、発光時間にフィルムが異動する距離が求める解像度に対して無視できる場合には、フィルムを一定のスピードで搬送しながら露光することができる。
【００４４】
＜積層体の製造システム＞
また、露光機の露光部分の前に異方性感光剤のコーティング装置を、後に液晶のコーティング装置を追加することにより、量産性に富んだ積層体４の製造装置を構成することが望ましい。
（コーティング装置）
異方性感光剤のコーティング装置には、グラビアコーティングヘッド、マイクログラビアコーティングヘッド、ダイコーティングヘッドなど既存のコーティングヘッドや印刷ヘッド等を用いることができる。
【実施例１】
【００４５】
＜光学素子の作成方法＞
厚さ１ｍｍの石英ガラス基板の透明基材１１と、厚さ０．１ｍｍの水晶Ｙ板の複屈折性層１２の表面を鏡面研磨する。次に、化学エッチングによって両者の表面を薄く処理し、直接接合法により、前記石英ガラスの透明基材１１に水晶Ｙ板の複屈折性層１２を接合した。次に、水晶Ｙ板の複屈折性層１２の厚さを１５．２μｍまで薄く研磨した。水晶Ｙ板の複屈折性層１２の面に、スパッタリング法により０．１μｍのＣｒ膜を着け、スピンコートによりフォトリソグラフィー用の化薬マイクロケム製ネガレジストＫＭＰＲ１０００を４０μｍの膜厚で塗布し乾燥しレジスト膜を形成した。露光機中で１０μｍの解像度で絵柄を形成したフォトマスクを通して、レジスト膜を露光後、化薬マイクロケム製現像液ＴＭＡＨにより現像の後、Ｃｒ膜を硝酸セリウム系のエッチング液を用いてエッチングすることでドライエッチングレジストのパターンを水晶Ｙ板の複屈折性層１２上に形成した。ＮＬＤ方式のドライエッチャーで複屈折性層１２をフルオロカーボン（ＣＦ４）を用いて、０．３μｍ／ｍｉｎのエッチングレートで水晶Ｙ板の複屈折性層１２を貫通し、石英ガラス基板の透明基材１１に及ぶまで略１５μｍの深さのドライエッチング処理をしパターニングした。レジストのアッシングの後、濃硫酸にディップし、硝酸セリウム系のエッチング液で残ったＣｒ膜を除去し、洗浄して光学素子１を得た。これは、３０８ｎｍの波長において、ファーストオーダーのλ／２の位相差の部分を持つ光学素子１になった。この光学素子１は、石英ガラス基板の透明基材１１に無機材料の複屈折性層を直接接合してパターニングして形成することができるため、露光装置５に設置して紫外線を透過させて用いる用途に耐性が高く寿命が長く量産性に優れる効果がある。
【実施例２】
【００４６】
＜光学素子の作成方法＞
両面を鏡面研磨し、１５．２μｍの厚さの差をつけた０．１ｍｍ程度の厚さの水晶Ｙ板を２枚作成し、厚い方の水晶Ｙ板を複屈折性層１２とし、その面に、スパッタリング法により０．１μｍのＣｒ膜を着け、スピンコートによりフォトリソグラフィー用の化薬マイクロケム製ネガレジストＫＭＰＲ１０００を４０μｍの膜厚で塗布し乾燥しレジスト膜を形成した。露光機中で１０μｍの解像度で絵柄を形成したフォトマスクを通して、レジスト膜を露光後、化薬マイクロケム製現像液ＴＭＡＨにより現像の後、Ｃｒ膜を硝酸セリウム系のエッチング液を用いてエッチングすることでドライエッチングレジストのパターンを複屈折性層１２上に形成した。ＮＬＤ方式のドライエッチャーでその複屈折性層１２の
水晶Ｙ板をフルオロカーボン（ＣＦ４）を用いて、０．３μｍ／ｍｉｎのエッチングレートで１５．２μｍの深さを狙って、ドライエッチングした。ドライエッチングレジストのアッシングの後、濃硫酸にディップし、硝酸セリウム系のエッチング液で残ったＣｒ膜を除去した。これを洗浄し、ポリシラザンをスプレーコートし、熱処理をしてシリカ膜により表面を平滑化した。こうしてエッチングした厚い水晶Ｙ板の複屈折性層１２に薄い水晶Ｙ板の透明基材１１を遅相軸が直交するように光学接着し、光学素子１を得た。これは、３０８ｎｍの波長において、遅相軸を直交させた透明基材１１と複屈折性層１２との２枚の位相差子の位相差値が互いに打ち消し合う効果により、ファーストオーダーのλ／２の位相差の部分を持つ光学素子１が製造できた。
【実施例３】
【００４７】
＜光学素子を用いた異方性感光層への露光および積層体の作成方法＞
３８μｍのＰＥＴフィルムにＡｌ蒸着により反射層を設けた積層体基材４ａを形成し、その上に異方性感光剤である光配向剤ＩＡ−０１（大日本インキ製造株式会社製）を０．１μｍの膜厚でコーティングした。λ／２位相差子のパターンを形成した光学素子１を露光装置５に組み込む。その露光装置５で、光学素子１の遅相軸に対して、２２．５°の角度で偏光紫外線５１ａを通して１．０Ｊ／ｃｍ2で露光し、４５°配向方向が異なった光配向膜を形成した。この光配向膜に５５０ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．１８の紫外線硬化型液晶ＵＣＬ−００８（大日本インキ製造株式会社製）を０．８μｍの膜厚でコーティングし、６５℃の乾燥炉で６０秒間加熱乾燥し、窒素ガス雰囲気下で紫外線ランプを用いて０．５Ｊ／ｃｍ2紫外線を照射し、硬化し積層体４の分割波長板を得た。
【００４８】
実施例３では、実施例１、２で作成した光学素子１を設置した露光装置５で、積層体基材４ａ面上の異方性感光層に偏光紫外線５１ａを露光することで、１回の露光で４５度偏光面光配向膜２ａと０度偏光面光配向膜２ｂとの配向方向が２種類ある光配向膜２のパターンを容易に形成できる効果があった。その光配向膜２の上面に液晶３をコーティングすることにより容易に分割波長板が得られる効果があった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一態様に係る光学素子の平面図である。
【図２】光学素子の図１のII−II線における断面図である。
【図３】本発明の光学素子を通して異方性感光剤を露光して成る積層体の断面図である。
【図４】図３の積層体に偏光フィルムを当てて潜像を顕に表示した状態の平面図である。
【図５】本発明の光学素子を組み込んだ露光装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・光学素子
１１・・・透明基材
１１ａ・・・第１部分
１１ｂ・・・第２部分
１２・・・複屈折性層
１３・・・等方性層
２・・・光配向膜
２ａ・・・４５度偏光面光配向膜
２ｂ・・・０度偏光面光配向膜
３・・・液晶
４・・・積層体
４ａ・・・積層体基材
５・・・露光装置
５１・・・光源
５１ａ・・・偏光紫外線
５２・・・偏光子
５３・・・ミラー
５４・・・光拡散部
５５・・・レンズ
５６・・・搬送ロール
１００・・・偏光フィルム
【技術分野】
【０００１】
分子配向方向の異なるパターンを形成した光学素子を効率よく製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
分割波長板は、遅相軸の面内方向を、素子の面の部分により変えた位相差子である。この分割波長板は、無機の紫外線透過率および耐性が高い複屈折材料を用いて形成することができる。また、特許文献１では、有機高分子で構成する分割波長板が提案された。
【０００３】
分割波長板は、３Ｄディスプレーやセキュリティデバイスの部材として利用できるため近年脚光を浴びている。これらの応用分野に用いる分割波長板は、より量産性を高くするため、特許文献２と特許文献３で、異方性感光剤を偏光光線により露光した光配向膜を形成し、それに液晶を接触させ配向させる技術を用い、液晶の配向方向を変えたパターンを形成することにより分割波長板を作成する方法が提案されている。このように配向方向の異なるパターンを有する光配向膜を形成する露光方法としては、例えば、フォトマスクの面の部分により偏光光線を遮光しておき、露光部分と未露光部分で偏光の方向を変えて異方性感光剤に露光する方法がある。また、その他、スキャナーを用いて素子の面のドット毎に偏光の方向を変えながら異方性感光剤に露光する方法などがある。
【０００４】
以下に公知文献を記す。
【特許文献１】特開平７−７２３３１号公報
【特許文献２】特開平８−４３８０４号公報
【特許文献３】特開平９−３３９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
配向膜を形成するために効率の良い露光方法として、液晶を用いた分割波長板を露光フィルターとして用いることにより、一括で、場所により偏光面の回転方向が異なる配向膜を形成する手段が提案されている。この露光フィルターは、その露光フィルターを透過する部分により偏光面の回転角度を変えたパターンを形成した露光フィルターである。
【０００６】
しかし、異方性感光剤を有する露光フィルターを用いると、異方性感光剤は一般に紫外線領域に感光性を持つため、露光時の露光光線や発熱によりダメージを受けるため、露光フィルターの寿命が短いため量産性が悪い問題があった。一方、紫外線透過率および耐性が高い無機の複屈折材料を用いた露光フィルターは、透明基材への接合の難しさ、パターニングの難しさから、単純な図形を別途加工し、順に貼り合わせる必要があり作成に手間がかかる問題があった。また、精細さに欠けるため、単純なパターンの光学素子しか作成することができない問題があった。
【０００７】
本発明は、この従来の問題を解決し、紫外線透過率および耐性が高い無機の複屈折性材料を用いた、高精細で任意のパターンを形成した露光フィルター用の光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、この課題を解決するために、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層が接合され、前記複屈折性層が前記透明基材の面上で所定のパターンに形成されていることを特徴とする光学素子である。
【０００９】
また、本発明は、透明基材に接合された透明な無機材料の複屈折性層を有し、前記複屈折性層が互いに一定の位相差を有する２種類の領域のパターンを有することを特徴とする光学素子である。
【００１０】
また、本発明は、上記透明基材と上記複屈折性層の面の段差を光学異方性のない等方性層が埋め、かつ、上記複屈折性層上を覆っていることを特徴とする上記の光学素子である。
【００１１】
また、本発明は、上記透明基材が石英ガラス基板であり上記複屈折性層が水晶であり、上記透明基材に上記複屈折性層が直接接合され、上記複屈折性層の厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする上記の光学素子である。
【００１２】
また、本発明は、上記透明基材を複屈折性材料で形成した位相子とし、上記複屈折性層と遅相軸を直交させて貼り合わせたことを特徴とする上記の光学素子である。
【００１３】
また、本発明は、透明基材の面上に所定の厚さで形成した複屈折性層を接合する第１の工程と、前記複屈折性層上にドライエッチングレジストのパターンを形成する第２の工程と、ドライエッチングにより前記ドライエッチングレジストのパターンで保護された部分以外の前記複屈折性層を除去する第３の工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法である。
【００１４】
また、本発明は、上記第１の工程が、石英ガラス基板の上記透明基材に水晶の上記複屈折性層を直接接合する工程と、次に、上記複屈折性層を１０μｍ以上２０μｍ以下の厚さまで研磨する工程を有することを特徴とする上記の光学素子の製造方法である。
【００１５】
また、本発明は、上記第１の工程が、複屈折性材料で形成した上記透明基材に遅相軸と直交させて上記複屈折性層を接合することを特徴とする上記の光学素子の製造方法である。
【００１６】
また、本発明は、偏光を照射することによって異方性が生じる異方性感光層を露光する方法で、光源から発せられた偏光光線を、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子に、前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する偏光光線を透過させ、前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線に変え、前記偏光光線により異方性感光層を露光することで、前記異方性感光層を、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分の異方性が異なる光配向膜に形成することを特徴とする露光方法である。
【００１７】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする上記の露光方法である。
【００１８】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする上記の露光方法である。
【００１９】
また、本発明は、偏光光線を発生する光源と、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子を備え、前記光学素子に前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する前記偏光光線を透過させることで前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外
の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線を形成し、前記偏光光線を、異方性感光層を形成した積層体基材上の前記異方性感光層に、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分に分けて露光することを特徴とする露光装置である。
【００２０】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする上記の露光装置である。
【００２１】
また、本発明は、上記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする上記の露光装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、透明基材の面に透明な無機材料の複屈折層のパターンを接合した光学素子を設置した露光装置で、偏光紫外線をその光学素子を透過させた紫外光線にして積層体基材面上の異方性感光層を露光することで、１回の露光で光配向膜の配向方向が２種類ある光配向膜のパターンを容易に形成できる量産性が高い効果がある。また、本発明の光学素子は、無機材料の複屈折性層を接合してパターニングして形成できるため、露光装置に設置して紫外線を透過させて用いる用途へ耐性が高く寿命が長く量産性に優れる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の態様について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一態様に係る光学素子１の平面図である。また、図２は、図１のII−II線における断面図である。図３は、図２の光学素子１に光学的等方性のコーティングを施した光学デバイスの断面図である。図４は、本発明の光学素子１を通して異方性感光剤を露光することで光配向膜２のパターンを形成した積層体４に偏光フィルム１００を当てて観察した図である。図５は、本発明の光学素子１を組み込んだ露光装置の図である。
【００２４】
以下、まず、本発明の露光フィルターの構成から見た光学効果について説明する。
本発明の光学素子１は、透明基材１１上の第１部分１１ａに透明な無機の複屈折性層１２を形成して位相差を設け、もしくは、第１部分１１aと第２部分１１ｂの両方に複屈折性層１２を形成し、その位相差値に所定の位相差を与えたものである。複屈折性層１２は、面内方向に遅相光軸を持つ所定の膜厚で設けられた層であり、面内でほぼ一様な光学特性を有している。所定の膜厚ｄは、選定した露光光源の波長（λ）に関係する位相差値δと、その波長（λ）における複屈折性材料の複屈折率Δｎにより次の式１で定める。
ｄ ＝ δ ／ Δｎ（λ） （式１）
本件では、第１部分１１ａを透過する偏光の状態を変えることを目的とした光学素子１であるが、特にδが２分の１波長（λ／２）の場合と、４分の１波長（λ／４）もしくは４分の３波長（３λ／４）の場合、効果的な光学素子１となる。
【００２５】
λ／２の位相差値δを持つ露光フィルターの場合、位相差子を透過する偏光の偏光面は、遅相軸を中心として、回転して出力される。即ち、偏光面と遅相軸がθの角度を成す場合には、２θ回転する。即ち、複屈折性層１２をλ／２の位相子として設計した光学素子１は、その位相子のパターンの部分で偏光面を回転させる露光フィルターとして作用する。
【００２６】
また、λ／４もしくは３λ／４の位相差値δを持つ露光フィルターの場合、偏光の偏光面と遅相軸が４５°の角度で透過する場合には、円偏光となり、面内方向の異方性がなくなる。即ち、複屈折性層１２をλ／４もしくは３λ／４の位相差子として設計した光学素
子１は、その位相差子のパターンの部分で面内異方性を無くす光学素子１として用いることができる。
【００２７】
これら、λ／２、λ／４もしくは３λ／４波長板は、位相差値がλ毎に周期性をもつ。一般的な記述の方法としては、
λ／２位相差子 ： （ｎ − １／２）×λ （ｎは自然数）
λ／４位相差子 ： （ｎ − １／４）×λ、もしくは、（ｎ − ３／４）
（ｎは自然数）
で表すことができる。ｎが１の位相差子をファーストオーダー（もしくは０次）と呼び、２以上をマルチオーダーと呼ぶ。光源の波長分布が広い場合には、ｎが大きいほど波長により受ける光学効果が設計値からずれていくため、ファーストオーダーのものが好ましい。
【００２８】
また、遅相軸を直交させた２枚の位相差子の位相差値は、互いに打ち消し合うため、差が上記条件に合致する組合せを選ぶことにより、低いオーダーの位相差子として利用できる。即ち２枚の位相差子の一方を透明基材１１とし、もう一方を複屈折性層１２として遅相軸を直交させた２枚の位相差子の組み合わせの光学素子１を形成することができる。この場合は、２枚の位相差子の位相差値が互いに打ち消し合う効果により、ファーストオーダーのλ／２の位相差の部分を形成した光学素子１が一方の位相差子の浅いドライエッチング処理で製造できるため、光学素子１の製造が容易になる効果がある。
【００２９】
複屈折性層１２部分の段差を透明で光学的異方性のない等方性層１３で埋める。それは、等方性層１３で表面を平滑にすることにより、物理的な殺傷による破損を防ぐとともに、露光フィルターに光学的なレンズ効果や散乱効果を生じさせない為に付与する。
【００３０】
以下、本発明の光学素子１の製造方法から説明する。
（透明基材）
本発明で用いる透明基材１１は、紫外線の透過率が良い材料であることが望ましく、ガラスや結晶、ポリマーなどを用いることができる。ガラスとしては、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダガラス、カリガラス、鉛ガラスなどを用いることができるが、紫外線透過率の高い石英ガラスを用いることが好ましい。また、結晶としては、水晶、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、サファイア、フッ化リチウム、臭化カリウムなどを用いることができる。また、ポリマーとしては、アクリル系樹脂、オレフィン系樹脂などを用いることができる。これら透明基材１１は、光学的に等方であることが望ましいが、偏光状態がコントロール可能であれば水晶や延伸樹脂フィルムのように、旋光性や位相差性を有していても構わない。
【００３１】
（複屈折性層）
無機の複屈折性層１２を形成する複屈折性材料としては、水晶Ｘ板もしくはＹ板（透過波長域２００〜２，３００ｎｍ、６３３ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．００９）、フッ化マグネシウム（透過波長域１３０〜７，０００ｎｍ、４０５ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．０１２）、方解石（透過波長域２１０〜２，３００ｎｍ、６３３ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．１７）、バリウムボーレート（透過波長域１９０〜３，５００ｎｍ、５３２ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．１２）、ニオブ酸リチウム（透過波長域３７０〜４，５００ｎｍ、６３３ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．０８３６）などを用いることができる。
【００３２】
（複屈折性層の積層方法）
透明基材１１の上に透明な無機の複屈折性材料を積層するが、直接接合させる方法が望ましいが、紫外線の透過率を下げずに十分な接着力を付与できるのであれば、接着剤を介
在させてもよい。
【００３３】
＜複屈折性材料を直接接合する方法＞
直接接合する方法としては、光学接着法、溶融接合法、拡散接合法、直接接合法など既存の接合方法を用いることができる。光学接着は、鏡面研磨した透明基材１１と複屈折性層１２をファンデルワールス力で接着するのみなので、パターニング工程における昇温に伴う熱膨張係数の差で界面剥離をすることがある。このような場合には、原子拡散や化学結合を伴う接着方法である溶融接合法、拡散接合法、直接接合法などが望ましい。
（溶融接合法）
溶融接合法とは、貼り合せる基板のいずれかが融点を迎える温度まで加熱して接合する方法である。一般に高温まで加熱するため、精度が問題になることがある。
（拡散接合法）
拡散接合法とは、貼り合せる基板の融点以下で加圧密着させ、互いの原子の相互拡散を利用して接合する方式である。
（直接接合法）
直接接合法とは、貼り合せるそれぞれの基板の表面を化学エッチングもしくはイオンビームエッチングによって表面を薄く処理し、接合する方法である。
【００３４】
例えば、石英ガラスと水晶のＸ板もしくはＹ板を接合する場合、熱膨張係数がそれぞれ７×１０−７／Ｋと１．３×１０−５／Ｋとなり、光学接着では後加工の際に剥がれる可能性が高く、不安定な加工となる。また、水晶は５７３℃以上で低温型（α）から高温型（β）へ相転移を起こすため、溶融接合法は用いることができない問題があった。しかし、石英ガラスと水晶のＸ板もしくはＹ板は、拡散接合法あるいは直接接合法により接合できた。
【００３５】
＜接着剤を介在させて複屈折性層を接着する方法＞
接着剤を介在させる方法としては、エポキシ系接着剤やゾルゲル法によるシリカ系接着剤を用いることができる。
＜複屈折性層の研磨＞
複屈折性層１２を式１で計算される所定の膜厚ｄに調整する方法として、ドライエッチングで複屈折性層１２の厚さを所定の厚さまで、すなわち１０μｍ以上２０μｍ以下の厚さまで研磨する。研磨は透明基材１１に複屈折性層１２を接合する以前に行っても、研磨後に両者を接合させても構わないが、２０μｍ以下の所定の膜厚ｄにおいては、単独で複屈折性層１２を取り扱うことが困難である為、複屈折性層１２を透明基材１１に接合後に研磨する方が望ましい。また、接着剤を介在させて両者を接着させる場合には、接着剤の厚みが複屈折性層１２の研磨精度に影響を与えないように注意する必要がある。
（複屈折性層の膜厚）
本発明による複屈折性層１２の所定の膜厚ｄは、露光光源の波長λにかかわる位相差値δと、複屈折材料の波長λにおける複屈折率Δｎによって式１で計算される膜厚ｄを形成する。複屈折性層１２により偏光面を回転したい場合には、位相差値δがλ／２となる膜厚ｄを形成する。また、複屈折性層１２により面内異方性をなくしたい場合には、位相差値δがλ／４もしくは３λ／４となる膜厚ｄを形成する。
【００３６】
＜複屈折性層のパターンの形成＞
上記のような方法で作成した基板の第２部分１１ｂの複屈折性層１２を除去したパターンを形成するには、第１部分１１ａにエッチングレジストを形成し、エッチング法やサンドブラスト法を用いることができる。
（複屈折性層の除去処理）
複屈折性層１２を単独で取り扱える場合には、透明基材１１と貼り合わせる前に除去加工を実施し、その後、透明基材１１に接着しても構わない。さらに、単独で光学素子１と
して取り扱える場合には、透明基材１１と貼り合わせる必要もない。また、第１部分１１ａと第２部分１１ｂに必要な位相差の差が得られる場合には、貫通させることなく途中で止めてもよい。
【００３７】
（エッチングレジスト材料）
エッチングレジスト材料は、各除去手法において必要なエッチングレジスト機能を有するものを選定する。エッチングレジストの形成方法としては、フォトリソグラフィー法やスクリーン印刷法など公知の手法を用いることができる。
（ウェットエッチング方法）
例えば、フッ化水素酸を用いて水晶をウェットエッチングする場合、光軸によってエッチングレートが異なる。Ｘ軸（光軸）方向、Ｙ（電気軸）方向、Ｚ軸（化学軸）方向でエッチングレートが異なり、
Ｘ：Ｙ：Ｚ ＝ ６：１：１００
となる。
（ドライエッチング方法）
本発明で、複屈折性層１２として用いる水晶は、Ｘ軸を法線としたＸ板もしくはＹ軸を法線としたＹ板を用いるが、ウェットエッチングを用いた場合、深さ方向よりサイド方向のエッチングレートが大きく、求める形状の複屈折性層１２が得られない。よって、複屈折性層１２に水晶のＸ板、Ｙ板を用いる場合には、ドライエッチングもしくはサンドブラスト法を用いることが望ましい。
【００３８】
＜エッチングレジスト除去処理＞
第２部分１１ｂの複屈折性層１２を除去した後、エッチングレジストを除去することにより、透明基材１１上に複屈折性層１２のパターンが形成された光学素子１が完成する。エッチングレジストを除去する方法は、エッチングレジスト毎に適切な方法を選択する。＜段差の埋め込み処理＞
第１部分１１ａと第２部分１１ｂの間の段差を埋めるために、紫外線の透過性が良く光学的異方性が無い等方性の材料の等方性層１３をコーティングする。等方性層１３に用いることができるコーティング剤としては、シリコン、アクリル等の樹脂、シリカやアルミナなどの無機材料、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）やポリシラザンのような反応の結果、シリカ（ＳｉＯ2）を形成するコーティング剤などを用いることができる。また、コーティング法としては、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、蒸着、スパッタリングなど公知の手法を用いることができる。コーティングの結果、表面が平滑でない場合には、過剰にコートした後、研磨により平滑化することが好ましい。
【００３９】
＜積層体の製造方法＞
続いて、積層体基材４ａに異方性感光剤を用いた異方性感光層を露光し光配向膜２を形成し液晶３をコーティングして積層体４を製造する方法について説明する。
（異方性感光剤）
異方性感光剤とは、基板上の膜に偏光などの異方性を有する光を照射し、膜内の分子の再配列や異方的な化学反応を誘起する方法で、膜に異方性を与え、これによって液晶分子が配向することを利用したものである。光配向のメカニズムとしては、アゾベンゼン誘導体の光異性化、桂皮酸エステル、クマリン、カルコンやベンゾフェノンなどの誘導体の光二量化や架橋、ポリイミドなどの光分解などがある。これら感光剤は、一般に２５０から４００ｎｍの紫外線領域に感度をもつものが多い。
（異方性感光剤の積層体基材上へのコーティング）
これら異方性感光剤を積層体基材４ａの上にコーティングして、異方性感光層を形成する。用いる積層体基材４ａとしては、金属箔、樹脂フィルム、ガラス板などを用いることができる。
【００４０】
＜露光装置＞
異方性感光層への露光処理は、図５のような露光装置５の紫外線の光源５１から発せられた紫外線から偏光子５２により偏光紫外線５１ａを取り出し、本発明の光学素子１を通して、異方性感光層に露光する。
（紫外線の光源）
偏光紫外線５１ａを形成する元の光源５１としては、高圧水銀ランプ、エキシマランプ、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ）など、公知の光源を用いることができる。
（偏光子）
また、偏光子５２としては、プリズム偏光子、多層偏光子、石英基板をブルースター角で複数枚配置したパイル偏光子などの偏光子５２を用いることができる。
【００４１】
（露光装置による露光処理）
積層体４の一例の製造方法として、露光装置５において、図２のように第１部分１１ａにλ／２の位相差子を形成した光学素子１を用いる。図５のように露光装置５の光学素子１の遅相軸に対して、２２．５°の角度で偏光紫外線５１ａを通して、レンズ５５で紫外線を平行光にして、異方性感光剤をコーティングした金属箔の積層体基材４ａに露光する。この場合、光学素子１の第１部分１１ａでは、偏光紫外線５１ａの偏光面が４５°回転して光学素子１を通過するため、その部分を透過した紫外線が照射された異方性感光剤の部分に図３のように４５度偏光面光配向膜２ａが形成され、光学素子１の１１ｂを透過した紫外線が照射された異方性感光剤の部分にはそのままの偏光面の０度偏光面光配向膜２ｂが形成される。
【００４２】
（積層体への液晶のコーティング）
図３のように、この積層体基板４ａの光配向膜２に光硬化性の液晶３を、５５０ｎｍにおける位相差値が１３８ｎｍになるようにコーティングし、配向後に紫外線照射により固定することにより分割波長板である積層体４を製造する。
（積層体に形成された潜像の検査）
図４に、この積層体４に偏光フィルム１００を重ねた結果を示す。積層体４の液晶３が光配向膜２の配向方向に合わせて配向している配向方向の場所による違いは、偏光子を用いない目視では観察されず積層体４の面には均一な金属膜しか見えない。しかし、偏光フィルム１００を積層体４に当てたときには、液晶３の配向方向により偏光した光の偏光フィルム１００の透過率に違いがある為、偏光フィルム１００を通して観察した積層体４の面にコントラストがつき、画像が現れる。普段は見えないが、偏光フィルム１００や偏光子を重ねることにより画像が現れるこのような積層体４は、潜像技術としてセキュリティデバイスとして応用することができる。
【００４３】
＜露光装置＞
続いて、本発明の光学素子１を組み込んだ露光装置について説明する。
図５に、その例を示す。図５（ａ）は、露光装置を上方から見た概略図、図５（ｂ）は側面から見た概略図である。光源５１より発せられた紫外線は、偏光子５２を通してＳ波とＰ波の偏光紫外線５１ａに分離され、Ｐ波は直進し、Ｓ波は反射してミラー５３でさらに反射される。Ｓ波もしくはＰ波の偏光紫外線５１ａの光路のいずれかにλ／２波長板もしくは９０°偏光面を回す旋光子を配置することにより、分離した２つの偏光紫外線５１ａの偏光面を一致させる。その偏光紫外線５１ａを光拡散部５４を通して均一化し、レンズ５５を通して平行光にし、光学素子１を通して、異方性感光剤を塗布した積層体４の異方性感光層を露光する。積層体４は搬送ロール５６により支持して搬送する。
（露光光源）
光源５１は、前記のとおり高圧水銀ランプ、エキシマランプ、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ）などを組み込むことができ、偏光子５２には、プリズム偏光子、多層偏光子、パイル偏光子などを組み込むことができる。
（搬送系）
積層体４の搬送系は、間欠動作する機構を設け、必要な照度が得られるまで静止した状態で露光し、ランプを一旦閉じた後、一定量送る動作を繰り返す。
（露光処理）
光源５１にパルスレーザやフラッシュを用いる場合で、１ショットの発光で必要な照度が得られ、かつ、発光時間にフィルムが異動する距離が求める解像度に対して無視できる場合には、フィルムを一定のスピードで搬送しながら露光することができる。
【００４４】
＜積層体の製造システム＞
また、露光機の露光部分の前に異方性感光剤のコーティング装置を、後に液晶のコーティング装置を追加することにより、量産性に富んだ積層体４の製造装置を構成することが望ましい。
（コーティング装置）
異方性感光剤のコーティング装置には、グラビアコーティングヘッド、マイクログラビアコーティングヘッド、ダイコーティングヘッドなど既存のコーティングヘッドや印刷ヘッド等を用いることができる。
【実施例１】
【００４５】
＜光学素子の作成方法＞
厚さ１ｍｍの石英ガラス基板の透明基材１１と、厚さ０．１ｍｍの水晶Ｙ板の複屈折性層１２の表面を鏡面研磨する。次に、化学エッチングによって両者の表面を薄く処理し、直接接合法により、前記石英ガラスの透明基材１１に水晶Ｙ板の複屈折性層１２を接合した。次に、水晶Ｙ板の複屈折性層１２の厚さを１５．２μｍまで薄く研磨した。水晶Ｙ板の複屈折性層１２の面に、スパッタリング法により０．１μｍのＣｒ膜を着け、スピンコートによりフォトリソグラフィー用の化薬マイクロケム製ネガレジストＫＭＰＲ１０００を４０μｍの膜厚で塗布し乾燥しレジスト膜を形成した。露光機中で１０μｍの解像度で絵柄を形成したフォトマスクを通して、レジスト膜を露光後、化薬マイクロケム製現像液ＴＭＡＨにより現像の後、Ｃｒ膜を硝酸セリウム系のエッチング液を用いてエッチングすることでドライエッチングレジストのパターンを水晶Ｙ板の複屈折性層１２上に形成した。ＮＬＤ方式のドライエッチャーで複屈折性層１２をフルオロカーボン（ＣＦ４）を用いて、０．３μｍ／ｍｉｎのエッチングレートで水晶Ｙ板の複屈折性層１２を貫通し、石英ガラス基板の透明基材１１に及ぶまで略１５μｍの深さのドライエッチング処理をしパターニングした。レジストのアッシングの後、濃硫酸にディップし、硝酸セリウム系のエッチング液で残ったＣｒ膜を除去し、洗浄して光学素子１を得た。これは、３０８ｎｍの波長において、ファーストオーダーのλ／２の位相差の部分を持つ光学素子１になった。この光学素子１は、石英ガラス基板の透明基材１１に無機材料の複屈折性層を直接接合してパターニングして形成することができるため、露光装置５に設置して紫外線を透過させて用いる用途に耐性が高く寿命が長く量産性に優れる効果がある。
【実施例２】
【００４６】
＜光学素子の作成方法＞
両面を鏡面研磨し、１５．２μｍの厚さの差をつけた０．１ｍｍ程度の厚さの水晶Ｙ板を２枚作成し、厚い方の水晶Ｙ板を複屈折性層１２とし、その面に、スパッタリング法により０．１μｍのＣｒ膜を着け、スピンコートによりフォトリソグラフィー用の化薬マイクロケム製ネガレジストＫＭＰＲ１０００を４０μｍの膜厚で塗布し乾燥しレジスト膜を形成した。露光機中で１０μｍの解像度で絵柄を形成したフォトマスクを通して、レジスト膜を露光後、化薬マイクロケム製現像液ＴＭＡＨにより現像の後、Ｃｒ膜を硝酸セリウム系のエッチング液を用いてエッチングすることでドライエッチングレジストのパターンを複屈折性層１２上に形成した。ＮＬＤ方式のドライエッチャーでその複屈折性層１２の
水晶Ｙ板をフルオロカーボン（ＣＦ４）を用いて、０．３μｍ／ｍｉｎのエッチングレートで１５．２μｍの深さを狙って、ドライエッチングした。ドライエッチングレジストのアッシングの後、濃硫酸にディップし、硝酸セリウム系のエッチング液で残ったＣｒ膜を除去した。これを洗浄し、ポリシラザンをスプレーコートし、熱処理をしてシリカ膜により表面を平滑化した。こうしてエッチングした厚い水晶Ｙ板の複屈折性層１２に薄い水晶Ｙ板の透明基材１１を遅相軸が直交するように光学接着し、光学素子１を得た。これは、３０８ｎｍの波長において、遅相軸を直交させた透明基材１１と複屈折性層１２との２枚の位相差子の位相差値が互いに打ち消し合う効果により、ファーストオーダーのλ／２の位相差の部分を持つ光学素子１が製造できた。
【実施例３】
【００４７】
＜光学素子を用いた異方性感光層への露光および積層体の作成方法＞
３８μｍのＰＥＴフィルムにＡｌ蒸着により反射層を設けた積層体基材４ａを形成し、その上に異方性感光剤である光配向剤ＩＡ−０１（大日本インキ製造株式会社製）を０．１μｍの膜厚でコーティングした。λ／２位相差子のパターンを形成した光学素子１を露光装置５に組み込む。その露光装置５で、光学素子１の遅相軸に対して、２２．５°の角度で偏光紫外線５１ａを通して１．０Ｊ／ｃｍ2で露光し、４５°配向方向が異なった光配向膜を形成した。この光配向膜に５５０ｎｍにおける複屈折率Δｎ＝０．１８の紫外線硬化型液晶ＵＣＬ−００８（大日本インキ製造株式会社製）を０．８μｍの膜厚でコーティングし、６５℃の乾燥炉で６０秒間加熱乾燥し、窒素ガス雰囲気下で紫外線ランプを用いて０．５Ｊ／ｃｍ2紫外線を照射し、硬化し積層体４の分割波長板を得た。
【００４８】
実施例３では、実施例１、２で作成した光学素子１を設置した露光装置５で、積層体基材４ａ面上の異方性感光層に偏光紫外線５１ａを露光することで、１回の露光で４５度偏光面光配向膜２ａと０度偏光面光配向膜２ｂとの配向方向が２種類ある光配向膜２のパターンを容易に形成できる効果があった。その光配向膜２の上面に液晶３をコーティングすることにより容易に分割波長板が得られる効果があった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一態様に係る光学素子の平面図である。
【図２】光学素子の図１のII−II線における断面図である。
【図３】本発明の光学素子を通して異方性感光剤を露光して成る積層体の断面図である。
【図４】図３の積層体に偏光フィルムを当てて潜像を顕に表示した状態の平面図である。
【図５】本発明の光学素子を組み込んだ露光装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・光学素子
１１・・・透明基材
１１ａ・・・第１部分
１１ｂ・・・第２部分
１２・・・複屈折性層
１３・・・等方性層
２・・・光配向膜
２ａ・・・４５度偏光面光配向膜
２ｂ・・・０度偏光面光配向膜
３・・・液晶
４・・・積層体
４ａ・・・積層体基材
５・・・露光装置
５１・・・光源
５１ａ・・・偏光紫外線
５２・・・偏光子
５３・・・ミラー
５４・・・光拡散部
５５・・・レンズ
５６・・・搬送ロール
１００・・・偏光フィルム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層が接合され、前記複屈折性層が前記透明基材の面上で所定のパターンに形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
透明基材に接合された透明な無機材料の複屈折性層を有し、前記複屈折性層が互いに一定の位相差を有する２種類の領域のパターンを有することを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記透明基材と前記複屈折性層の面の段差を光学異方性のない等方性層が埋め、かつ、前記複屈折性層上を覆っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記透明基材が石英ガラス基板であり前記複屈折性層が水晶であり、前記透明基材に前記複屈折性層が直接接合され、前記複屈折性層の厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の光学素子。
【請求項５】
前記透明基材を複屈折性材料で形成した位相子とし、前記複屈折性層と遅相軸を直交させて貼り合わせたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の光学素子。
【請求項６】
透明基材の面上に所定の厚さで形成した複屈折性層を接合する第１の工程と、前記複屈折性層上にドライエッチングレジストのパターンを形成する第２の工程と、ドライエッチングにより前記ドライエッチングレジストのパターンで保護された部分以外の前記複屈折性層を除去する第３の工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の工程が、石英ガラス基板の前記透明基材に水晶の前記複屈折性層を直接接合する工程と、次に、前記複屈折性層を１０μｍ以上２０μｍ以下の厚さまで研磨する工程を有することを特徴とする請求項６記載の光学素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１の工程が、複屈折性材料で形成した前記透明基材に遅相軸と直交させて前記複屈折性層を接合することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
偏光を照射することによって異方性が生じる異方性感光層を露光する方法で、光源から発せられた偏光光線を、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子に、前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する偏光光線を透過させ、前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線に変え、前記偏光光線により異方性感光層を露光することで、前記異方性感光層を、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分の異方性が異なる光配向膜に形成することを特徴とする露光方法。
【請求項１０】
前記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする請求項９記載の露光方法。
【請求項１１】
前記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする請求項９記載の露光方法。
【請求項１２】
偏光光線を発生する光源と、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子を備え、前記光学素子に前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する前記偏光光線を透過させることで前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方
向に偏光面を回転させた偏光光線を形成し、前記偏光光線を、異方性感光層を形成した積層体基材上の前記異方性感光層に、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分に分けて露光することを特徴とする露光装置。
【請求項１３】
前記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする請求項１２記載の露光装置。
【請求項１４】
前記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする請求項１２記載の露光装置。
【請求項１】
透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層が接合され、前記複屈折性層が前記透明基材の面上で所定のパターンに形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
透明基材に接合された透明な無機材料の複屈折性層を有し、前記複屈折性層が互いに一定の位相差を有する２種類の領域のパターンを有することを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記透明基材と前記複屈折性層の面の段差を光学異方性のない等方性層が埋め、かつ、前記複屈折性層上を覆っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記透明基材が石英ガラス基板であり前記複屈折性層が水晶であり、前記透明基材に前記複屈折性層が直接接合され、前記複屈折性層の厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の光学素子。
【請求項５】
前記透明基材を複屈折性材料で形成した位相子とし、前記複屈折性層と遅相軸を直交させて貼り合わせたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の光学素子。
【請求項６】
透明基材の面上に所定の厚さで形成した複屈折性層を接合する第１の工程と、前記複屈折性層上にドライエッチングレジストのパターンを形成する第２の工程と、ドライエッチングにより前記ドライエッチングレジストのパターンで保護された部分以外の前記複屈折性層を除去する第３の工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の工程が、石英ガラス基板の前記透明基材に水晶の前記複屈折性層を直接接合する工程と、次に、前記複屈折性層を１０μｍ以上２０μｍ以下の厚さまで研磨する工程を有することを特徴とする請求項６記載の光学素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１の工程が、複屈折性材料で形成した前記透明基材に遅相軸と直交させて前記複屈折性層を接合することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
偏光を照射することによって異方性が生じる異方性感光層を露光する方法で、光源から発せられた偏光光線を、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子に、前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する偏光光線を透過させ、前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方向に偏光面を回転させた偏光光線に変え、前記偏光光線により異方性感光層を露光することで、前記異方性感光層を、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分の異方性が異なる光配向膜に形成することを特徴とする露光方法。
【請求項１０】
前記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする請求項９記載の露光方法。
【請求項１１】
前記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする請求項９記載の露光方法。
【請求項１２】
偏光光線を発生する光源と、透明基材の面に接合された無機材料の複屈折性層により互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を形成した光学素子を備え、前記光学素子に前記複屈折性層の異方光軸に対して角度を成す偏光面を有する前記偏光光線を透過させることで前記複屈折性層の前記第１のパターンとそれ以外の領域で異なる方
向に偏光面を回転させた偏光光線を形成し、前記偏光光線を、異方性感光層を形成した積層体基材上の前記異方性感光層に、前記第１のパターンと対応する部分とそれ以外の領域に対応する部分に分けて露光することを特徴とする露光装置。
【請求項１３】
前記光学素子が、透明基材の面に一定の厚さの透明な無機材料の複屈折性層の第１のパターンが形成されている光学素子であることを特徴とする請求項１２記載の露光装置。
【請求項１４】
前記光学素子が、透明基材の面に接合された透明な無機材料の複屈折性層が互いに一定の位相差を有する第１のパターンとそれ以外の領域を有する光学素子であることを特徴とする請求項１２記載の露光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−８６１９１（Ｐ２００９−８６１９１Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５４５０１（Ｐ２００７−２５４５０１）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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