具有双金属层光栅的偏光组件及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种具有高消光比(extinction ratio)的偏光组件及其制造方法，特别是涉及一种适用于可见光谱(visible spectrum)的具有双金属层光栅的偏光组件及其制造方法。
背景技术
使用平行导线所构成的数组来极化(polarize)无线电波已有超过一百年的历史了。目前，金属栅通常是由薄导线所构成的数组形成于一透明基板上，而用于极化电磁光谱(electromagnetic spectrum)。
图1为一传统的单金属层光栅偏光片100。该金属栅偏光片(wire gridpolarizer)包含有形成于一介电基底120上的多条平行的导体电极110。该金属栅偏光片100的偏光机制的主要影响因素有：导体电极110的周期P、导体电极110的宽度W以及导体电极110的厚度D。经由一光源132所产生地入射光130，以入射角θ射入该偏光片100。该金属栅偏光片100会将入射光130分成一反射光140与一穿透光150。在此，使用一般的定义，入射光130包含有TM(transverse magnetic)偏振光与TE(transverse electric)偏振光。该TM偏振光又称为P偏振光(P polarized light)，其为入射光的电场向量垂直于金属栅电极110的偏振光。该TE偏振光又称为S偏振光(S polarizedlight)，其为入射光的电场向量平行于金属栅电极110的偏振光。而用来判断偏光片的极化功能是否优良，则是以穿透率的消光比(extinction ratio)来表示，穿透率的消光比的定义为TM光的穿透率TTM/TE光的穿透率TTE。在本发明中，“穿透率的消光比”是简化地以“消光比”一词来表示。
在美国专利第4289381号中，公开了一种具有双金属层的偏光组件，其是使用传统微影蚀刻方式(photolithography)来制作的。然而该方法所示的偏光组件适用于红外线光谱(infrared spectrum，2～100μm)，而且也并未指出如何使偏光组件在可见光谱下具有高消光比的条件。
在美国专利第5748368号中，公开了一种具有单金属层的偏光组件。该专利指出了可达到偏光效果的单层金属线条长宽比、周期以及形状。然而该专利的偏光组件的消光比低(约30∶1)，而且波段(wavelength bands)狭窄，因而不适合用于波段宽的可见光谱。
在美国专利第6122103号中，公开了一种适用于可见光谱的具有单金属层的偏光组件。该专利指出借助改变介电层折射率，以及蚀刻部分基底而形成狭缝(slots)来增加偏光组件的偏光范围。
在美国专利早期公开第2002/0122235号中，公开了一种利用介电层和金属层相互交错(称之为intra-wires)的偏光组件，用以提高消光比。然而由于需要至少六层的介电层和金属层相互交错，故制作并不容易，而且不易实用化。
在美国专利早期公开第2002/0191286号中，公开了一种表面具有正弦波(sinewave)起伏的金属偏光组件。然而该方式的偏光组件的消光比变化甚大，例如在550nm波长时的消光比仅有20∶1。
由于目前应用于可见光谱的偏光组件的消光比大多只能保证大于100，这对于需要超高消光比(大于1000)的光学装置来说并不能完全符合具需求。而且，当应用于入射光为大入射角的光学装置时(例如发光源装置于侧边的液晶显示器)，则公知的偏光组件也无法在任何入射角度下都能提供高消光比。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的主要目的为提供一种具有高消光比的偏光组件及其制造方法。
本发明的另一目的为提供一种适用于可见光谱的具有双金属层光栅的偏光组件及其制造方法。
根据上述目的，本发明提供一种具有双金属层光栅的偏光组件，包括：一透明基底。多条平行的介电层，具有一周期p而形成于该透明基底上，其中相邻的该多条介电层之间具有一沟槽。一第一金属层，具有一第一厚度d1而形成于该沟槽中。以及一第二金属层，具有一第二厚度d2与一宽度w而形成于该多条介电层上，其中该第一金属层与该第二金属层之间具有一垂直距离l而互不相连。其中，该周期p小于等于250nm，该第一厚度d1与该第二厚度d2都小于等于150nm，且该第一厚度d1等于该第二厚度d2，该垂直距离l小于等于100nm，该宽度w/该周期p的比例为25～75％。
本发明还提供一种具有双金属层光栅的偏光组件的制造方法，包括下列步骤：提供一透明基底。借助微影蚀刻制程(photolithography)或纳米压印(Nanoimprint)制程，形成多条平行的介电层于该透明基底上，该多条介电层具有一周期p，其中相邻的多条介电层之间具有一沟槽。形成一第一金属层于该沟槽中，该第一金属层具有一第一厚度d1。以及形成一第二金属层于该多条介电层上，该第二金属层具有一第二厚度d2与一宽度w，其中该第一金属层与该第二金属层之间具有一垂直距离l而互不相连。其中，该周期p的范围为10～250nm，该第一、二厚度d1、d2的范围为30～150nm，且该第一厚度d1等于该第二厚度d2，该垂直距离l的范围为10～100nm，该宽度w/该周期p的比例范围为25～75％。
由此，本发明的特点为：该第一金属层与该第二金属层之间具有的垂直距离l的范围为10～100nm，则能够将共振效应减少，从而达到在可见光区中具有高消光比(大于1000)以及在大角度入射光(0～80°)仍具有高消光比的效能。
为让本发明上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图作详细说明如下。
【附图说明】
图1为传统的金属栅偏光片的立体示意图；
图2为显示本发明第一实施例的具有双金属层光栅的偏光组件的结构剖面图；
图3为本发明第二实施例的具有双金属层光栅的偏光组件的结构剖面图；
图4A～图4C为根据本发明第一实施例的偏光组件的制程剖面示意图；
图5A～图5D为根据本发明第二实施例的偏光组件的制程剖面示意图；
图6A为根据本发明实验例1的TE光的反射率RTE与穿透率TTE和可见光波长的关系图；
图6B为根据本发明实验例1的TM光的反射率RTM与穿透率TTM和可见光波长的关系图；
图7A为根据本发明实验例3的TE光的反射率RTE与穿透率TTE和可见光波长的关系图；
图7B为根据本发明实验例3的TM光的反射率RTM与穿透率TTM和可见光波长的关系图；
图8A为根据本发明比较例的TE光的反射率RTE与穿透率TTE和可见光波长的关系图；
图8B为根据本发明比较例的TM光的反射率RTM与穿透率TTM和可见光波长的关系图；
图9A为本发明偏光组件在不同周期p时的消光比与波长的关系；以及
图9B为公知的偏光组件在不同周期p时的消光比与波长的关系。
其中，附图标记说明如下：
100传统的单金属层光栅偏光片； 110导体电极；
120介电基底； 130入射光；
132光源 140反射光；
150穿透光； P导体电极的周期；
W导体电极的宽度； D导体电极的厚度。
200、300～本案的偏光组件； 210、310、410、510透明基底；
220、320、420、520介电层； 320’、420’残留的介电层；
230、330、430、530沟槽； 240、340、440、540第一金属层；
250、350、450、550第二金属层； 260、360保护层；
270、370入射光； 415、515介电层；
518模具； p介电层的周期；
d1第一金属层厚度； d2第二金属层厚度；
w第二金属层宽度；
l第一金属层与第二金属层之间的垂直距离。
【具体实施方式】
本发明偏光组件的设计如下：
首先请参阅图2与图3，其分别示出了本发明具有双金属层光栅的偏光组件的剖面图。
请参阅图2，其为本发明第一实施例的具有双金属层光栅的偏光组件200。该偏光组件200包括有下列构成。
绝缘的一透明基底210，该透明基底210例如是由玻璃或塑料材料所构成，其厚度例如是500～1500μm。该透明基底210的折射率(refractive index，RI)例如约为1.5。上述的塑料材料例如是聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)等等。
多条平行的介电层220，具有一周期p而形成于该透明基底210上，其中该等介电层220之间是借助一沟槽230而互相隔离。其中，该沟槽230露出该透明基底210。该介电层220例如是由聚合物(polymer)构成用以当作是光阻(resist)的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层，当然其它适当的介电材料也能够使用，例如可以采用UV交联的聚合物(UV-curable polymers)或溶胶-凝胶材料(so-gel material)等等。
一第一金属层240，具有一第一厚度d1而形成于位在该沟槽230中的该透明基底210上。该第一金属层240可以为一金、银、铜或铝层。
一第二金属层250，具有一第二厚度d2与一宽度w而形成于该多条介电层220上。其中该第一金属层240与该第二金属层250之间具有一垂直距离l而互不相连。该第二金属层250可以为一金、银、铜或铝层，而且该第一金属层240与该第二金属层250的材质可以相同或不相同。
此外，该偏光组件200还可包括一保护层260，形成于该第一、二金属240、250上，用以避免金属氧化。该保护层260为一SiO2、SiN或SiON层。另外，可依制程需要，使该保护层260覆盖整个偏光组件200而用以当作是平坦层(未图示)。
这里要特别注意的尺寸设计是，该周期p小于等于250nm，其范围例如是10～250nm。该第一厚度d1与该第二厚度d2都小于等于150nm，其范围例如是30～150nm，且该第一厚度d1等于该第二厚度d2。该垂直距离l小于等于100nm，其范围例如是10～100nm。该宽度w/该周期p的比例为25～75％。
符号270表示入射光(incident light)，例如是可见光(波长400～700nm)，以入射角θ射入该偏光组件200。
经由上述本发明第一实施例的设计尺寸，可以使入射角θ在0～80°下，其消光率能达到1000以上。接着，请参阅图3，其为本发明第二实施例的具有双金属层光栅的偏光组件300。该偏光组件300包括有下列构成。
一透明基底310，该透明基底310例如是由玻璃或塑料材料所构成，其厚度例如是500～1500μm。该透明基底310的折射率(RI)例如约为1.5。上述塑料材料例如是聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)等等。
多条平行的介电层320，具有一周期p而形成于该透明基底310上，其中该多条介电层320之间具有一沟槽330。其中，该沟槽330底部具有残留的介电层320’，其厚度标示为t。该介电层320与320’例如是由聚合物构成的用以当作是光阻的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层，当然其它适当的介电材料也能够使用，例如可以采用UV交联的聚合物(UV-curable polymers)或溶胶-凝胶材料(so-gel material)等等。
一第一金属层340，具有一第一厚度d1而形成于位在该沟槽330中的该残留介电层320’上。该第一金属层340可以为一金、银、铜或铝层。
一第二金属层350，具有一第二厚度d2与一宽度w而形成于该介电层320上。其中该第一金属层340与该第二金属层350之间具有一垂直距离l而互不相连。该第二金属层350可以为一金、银、铜或铝层，而且该第一金属层340与该第二金属层350的材质可以相同或不相同。
另外，该偏光组件300可更包括一保护层360，形成于该第一、二金属340、350上，用以避免金属氧化。该保护层360为一SiO2、SiN或SiON层。另外，可依制程需要，使该保护层360覆盖整个偏光组件300而用以当作是平坦层(未图示)。
这里要特别注意的尺寸设计是，该周期p小于等于250nm，其范围例如是10～250nm。该第一厚度d1与该第二厚度d2都小于等于150nm，其范围例如是30～150nm，且该第一厚度d1等于该第二厚度d2。该垂直距离l小于等于100nm，其范围例如是10～100nm。该宽度w/该周期p的比例为25～75％。
符号370表示入射光(incident light)，例如是可见光(波长400～700nm)，以入射角θ射入该偏光组件300。
经由上述发明第二实施例的设计尺寸，可以使得入射角θ在0～80°以下，其消光率能达到1000以上。
本发明偏光组件的制作方法如下：
请参阅图4A～图4C与图5A～图5D，其分别为制作本发明的具有双金属层光栅的偏光组件200或300的不同方法的例子，但并非用以限定本发明。
首先请参阅图4A～图4C，其所示为制作本发明具有双金属层光栅的偏光组件200或300的一方法。
请参阅图4A，于透明基底410上涂布至少一层的介电层415(例如是用以当作光阻的PMMA层)。
请参阅图4B，然后使用微影蚀刻制程(photolithography)图案化该介电层415而形成具有一周期p的多条平行的介电层420，其中该多条介电层420之间具有一沟槽430。此时，该沟槽430底部可以露出下面的透明基底410，也可以在该沟槽430底部上残留有剩余的介电层420’，该剩余的介电层420’不会对本发明偏光组件的消光比产生不良影响。
请参阅图4C，利用真空蒸镀(vacuum evaporation)或溅镀(sputtering)的方式，同时地形成第一金属层440于位在沟槽430中以及形成第二金属层450于该多条介电层420上，要注意的是第一金属层440与第二金属层450之间互不相连。之后可通过化学气相沉积法形成一保护层(未图示)于该等第一、二金属层440、450上。
接着请参阅图5A～图5D，其所示为制作本发明的具有双金属层光栅的偏光组件200或300的另一方法。
请参阅图5A，于透明基底510上涂布至少一层的介电层515(例如是用以当作光阻的PMMA层)。
请参阅图5B，然后使用纳米压印(Nanoimprint)制程，将一具有线条图案的模具(mold)518以热压法(hot embossing)或UV铸造法(UV casting)将图案转印至该介电层515上，之后脱离模具518而形成如图5C所示的具有一周期p的多条平行的介电层520。其中该介电层520之间具有一沟槽530。此时，在该沟槽530底部可能会残留有剩余的介电层(未图示)，该剩余的介电层(未图示)不会对本发明偏光组件的消光比产生不良影响。当然，也可再进行反应离子蚀刻(RIE)程序将沟槽530中的剩余的介电层(未图示)除去，而使得该沟槽530底部露出下面的透明基底510而如图5C所示。
请参阅图5D，利用真空蒸镀或溅镀的方式，同时地形成第一金属层540于沟槽530中以及形成第二金属层550于该介电层520上，要注意的是第一金属层540与第二金属层550之间互不相连。之后可通过化学气相沉积法而形成一保护层(未图示)于该第一、二金属层540、550上。
以下，使用市售的光栅解算发展公司(Grating Solver Development)制造的G解算衍射光栅分析软件(Gsolver Diffraction Grating Analysis Software)来分析本发明的偏光组件在不同实验条件下的穿透率T与反射率R，进而计算出穿透光的消光比TTM/TTE。
实验例1
请参阅图2本发明的偏光组件200，入射光270的波长为400～700nm(即可见光谱)，金属层240与250为铝，介电层220为PMMA，基底210为玻璃。其各层的尺寸条件为：基底210厚度1000μm、d1＝d2＝70nm、l＝30nm、p＝100nm、w＝50nm以及θ＝0°。在此条件下TE光的反射率RTE与穿透率TTE和可见光波长的关系图则如图6A所示，而TM光的反射率RTM与穿透率TTM和可见光波长的关系图则如图6B所示。
由图6A与图6B可看出TM光的穿透率TTM大部分都在70％以上，而TE光的穿透率TTE则近乎为零(实际量测的结果约10-4％)。以470nm，550nm以及610nm作为入射光波长为例，经由计算发现本发明偏光组件在可见光谱下的消光比TTM/TTE范围约为6.75E4～2.07E5，故证明本发明偏光组件具有相当高的消光比(大于1000)，即偏光效果极佳。
实验例2
请参阅图2本发明的偏光组件200。实验条件设定为：入射光270的波长λ为470nm、550nm、610nm，金属层240与250为铝，介电层220为PMMA，基底210为玻璃，基底210厚度1000μm、d1＝d2＝70nm、l＝30nm、p＝100nm、w＝50nm以及θ＝0°、45°、80°。在此条件下的入射角θ与消光比TTM/TTE的实验结果如表1所示：
表1
由表1可知本发明偏光组件在入射光为大入射角(80°)时，仍具有相当高的消光比(大于1000)。
实验例3
请参阅图2本发明的偏光组件200，入射光270的波长为400～700nm(即可见光谱)，金属层240与250为金，介电层220为PMMA，基底210为玻璃。其各层的尺寸条件为：基底210厚度1000μm、d1＝d2＝70nm、l＝30nm、p＝180nm、w＝90nm以及θ＝0°。在此条件下的TE光的反射率RTE与穿透率TTE和可见光波长的关系图则如图7A所示，而TM光的反射率RTM与穿透率TTM和可见光波长的关系图则如图7B所示。
由图7A与图7B可看出TM光的穿透率TTM大部分都在70％以上，而TE光的穿透率TTE则近乎为零(实际量测的结果约10-4％)。以470nm，550nm以及610nm作为入射光波长为例，经由计算发现本发明偏光组件在可见光谱下的消光比TTM/TTE范围约为1E2～3.93E5，故证明本发明偏光组件具有高消光比。
比较例
请参阅图2本发明的偏光组件200，入射光270的波长为400～700nm(即可见光谱)，金属层240与250为铝，介电层220为PMMA，基底210为玻璃。其各层的尺寸条件为：基底210厚度1000μm、d1＝d2＝70nm、l＝130nm、p＝100nm、w＝50nm以及θ＝0°。在此条件下的TE光的反射率RTE与穿透率TTE和可见光波长的关系图则如图8A所示，而TM光的反射率RTM与穿透率TTM和可见光波长的关系图则如图8B所示。
由图8A与图8B可看出，当第一金属层240与第二金属层250之间垂直距离l大于100nm时，TM光的穿透率TTM几乎都在50％以下，而TE光的穿透率TTE则在波长450nm处有共振(resonance)现象，而使得450nm处的消光比TTM/TTE仅有28.6，而无法符合高消光比的要求。
实验例5
请参阅图2本发明的第一实施例偏光组件200与图3的本发明的第二实施例偏光组件300。
以相同于实验例1的条件，而调查本发明第二实施例偏光组件300的残留介电层320’对消光比的影响。结果发现，残留介电层320’的厚度t在0～500nm范围之内时，对消光比几乎没有不良影响，而且对穿透率也几乎没有影响。也就是说，即使残留介电层320’的厚度t是500nm，其消光比仍大于1000。
实验例6
请参阅图1公知的具有单金属层光栅的偏光组件100与图2本发明的具有双金属层光栅的偏光组件200。实验条件设定为：入射光130、270的波长λ为400～700nm，金属层110、240与250为铝，介电层220为PMMA，基底120、210为玻璃，基底120、210厚度1000μm、D＝d1＝d2＝70nm、l＝30nm、W＝w＝50nm、p＝100、130与180nm、P＝100、130与180nm以及θ＝0°。在此条件下的入射光波长与消光比TTM/TTE的实验结果如图9A、图9B所示。图9A为本发明偏光组件200在不同周期p时的消光比与波长的关系。而图9B为公知的偏光组件100在不同周期P时的消光比与波长的关系。
由图9A、图9B可看出，在不同周期下，本发明偏光组件的消光仍远大于公知的偏光组件的消光比。
本发明提供一种具有高消光比的偏光组件及其制造方法，其特征在于：周期p小于等于250nm，其范围是10～250nm。该第一厚度d1与该第二厚度d2都小于等于150nm，其范围例如是30～150nm，且该第一厚度d1等于该第二厚度d2。该垂直距离l小于等于100nm，其范围例如是10～100nm。该宽度w/该周期p的比例为25～75％。
经由上述本发明特征的设计尺寸，可以使得入射角θ在0～80°下，其消光率能达到1000以上。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，可作各种更改与修饰，因此本发明的保护范围应以权利要求书所界定的范围为准。