JP2008225169A - 幾何学パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の表面に所望の幾何学パターンを形成することができる幾何学パターン形成方法を提供する。
【解決手段】被加工物にレーザを照射し、被加工物の表面に複数の窪みを、間隔を空けて、二次元的に周期性を持つ配列に形成する。次に、被加工物のエッチングを行い、窪みの各々を中心に広がった凹部同士が干渉し、凹部の境界が所定の幾何学パターンになるまでエッチングを続ける。この幾何学パターン形成方法では、大掛かりな装置や、手間の掛かる複雑な工程を必要とせずに、被加工物の表面に所望の幾何学パターンを正確に形成することが可能である。
【選択図】図６

Description

本発明は、ガラス等の被加工物の表面に正三角形、正方形、長方形、正六角形等の幾何学パターンを形成する方法に関し、レーザ加工と化学的加工とを組み合わせて微細な幾何学パターンの形成を行うものである。

近年、工業製品の高機能化に伴い、物体の表面状態と光学特性やトライボロジー特性（摩擦性能や潤滑性能）等の表面機能との関係が注目されており、部品表面に微細凹凸を形成して製品の高付加価値化を図ることや、微細凹凸の表面機能を利用した新機能製品の開発が盛んに行われている。
これらの表面機能の解析には、物体表面に所望形状の微細凹凸を形成して各種特性を測定することが必要となる。
従来、物体表面への微細パターン加工は、その多くが機械加工によるモールド成形や半導体プロセスで行われている。しかし、これらの加工法は、型やマスクの作製に時間と手間が掛かり、工程が煩雑である。
これに対して、レーザ加工は、型やマスクを用いずに、フレキシブルな精密微細加工が可能である。

本発明者等は、先に、レーザ加工とエッチング加工とを組み合わせて、ガラス基板上に滑らかな表面を有する凹面レンズ形状のディンプルを形成する方法を開発した（下記特許文献１）。
この方法では、ガラス基板の表面にレーザを照射して窪みを形成し、次いで、このガラス基板に対して等方エッチングを施す。図８は、レーザ照射により窪み１１０が形成されたエッチング前のガラス基板の表面１００と、エッチングが進んだ状態のガラス基板の表面１２０とを模式的な断面図で示している。ガラス材は、エッチングによって、窪み１１０の周面も、窪みの無い平面も、等しく除去されるため、窪みの深さｄは変化せずに窪みの直径が拡がり、窪み（ディンプル）１３０は、精密な球面に近似した凹面レンズ形状へと成形される。

図９（ａ）は、ソーダ石灰ガラスにレーザをピーク出力２８ｋｗ、照射時間０．１秒で照射して形成した窪みの断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示し、図９（ｂ）は、これを約４０度のフッ酸水溶液中で４時間エッチングして得られたディンプルのＳＥＭ画像を示している。
このように、レーザ加工とエッチング加工とを組み合わせることで、ガラス基板の表面に、鏡面を持つ凹面レンズ形状の微細ディンプルを形成することができる。
特開２００５−２８３９９３号公報

しかし、レーザ加工とエッチング加工とを併用する従来の方法では、ガラス基板の表面に凹面レンズ形状しか形成することができない。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、被加工物の表面に所望の幾何学パターンを形成することができる幾何学パターン形成方法を提供することを目的としている。

本発明の幾何学パターン形成方法は、被加工物にレーザを照射し、前記被加工物の表面に複数の窪みを、間隔を空けて、二次元的に周期性を持つ配列に形成する第１のステップと、前記被加工物のエッチングを行い、前記窪みの各々を中心に広がった凹部同士が干渉し、前記凹部の境界が所定の幾何学パターンになるまで前記エッチングを続ける第２のステップと、を備えることを特徴とする。
第２のステップのエッチングを開始すると、被加工物の表面では、第１のステップで形成した各窪みを中心とする凹面形状の生成が始まる。各凹面の円周の直径は、エッチングの進行に伴って拡大し、終には隣接する凹面の円周同士が干渉する。二つの凹面が干渉した場合に、それらの凹面の境界は、各凹面の中心を結ぶ線の中点を通り、この線に直交する直線（即ち、両中心が線対称となる直線）に自己収斂する。そのため、凹面の周囲の全てが、他の凹面と干渉することにより、凹面の境界は多角形状となる。また、その多角形状は、第１のステップでの窪みの配列によって決まる。

本発明の幾何学パターン形成方法では、前記第１のステップで照射するレーザが、フェムト秒レーザであることが好ましい。
フェムト秒レーザは、照射時間が極めて短いため、窪み形成時に被加工物の窪みの周囲に熱的影響が及ばず、窪み周囲の損傷や組織破壊が生じない。そのため、エッチングで正確な幾何学パターンが形成される。

また、本発明の幾何学パターン形成方法では、前記第２のステップで行うエッチングが、等方エッチングであることが好ましい。
等方性エッチングの場合は、形成される幾何学パターンが予想し易く、第１のステップにおける窪みの形成位置が計算し易い。

また、本発明の幾何学パターン形成方法では、前記被加工物が、ガラスであることが好ましい。
ガラスは等方的にエッチングされるため、第１のステップにおける窪みの形成位置が計算し易い。

また、本発明の幾何学パターン形成方法では、幾何学パターンとして、正三角形、正方形、長方形または正六角形を形成することができる。
これらの多角形は、本発明の幾何学パターン形成方法を用いて高精度に形成することができる。

本発明の幾何学パターン形成方法では、大掛かりな装置や、手間の掛かる複雑な工程を必要とせずに、被加工物の表面に所望の幾何学パターンを正確に形成することができる。
この幾何学パターン形成方法は、特に、多品種少量生産に適している。

本発明の幾何学パターン形成方法の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、この幾何学パターン形成方法において、被加工物に窪みを形成するために用いたレーザ装置を示している。
この装置は、フェムト秒レーザ１０と、λ／２板１１と、入射光が同一光路を通って反射することを防止するＧｌａｎレーザープリズム１２と、光量を調節するＮＤフィルタ１３と、ミラー１５、１６と、撮影用のＣＣＤカメラ１９と、カメラ位置に焦点を合わせるレンズ１８と、可視光のＢＲＧ成分を分岐するディクロイックミラー１７と、レーザの焦点を調整する集光レンズ２０と、被加工物３０を載置する加工ステージ２１と、フェムト秒レーザ１０及び加工ステージ２１を制御する制御装置２２とを備えている。

フェムト秒レーザ１０は、波長（λ）＝７７５ｎｍ、繰り返し周波数（ｆ）＝１ｋＨｚ、パルス幅２００ｆｓ、平均出力８００ｍＷの仕様の装置を使用している。
また、加工ステージ２１は、エアー静圧３軸リニアステージを用いており、分解能１０ｎｍの性能を有している。
制御装置２２は、被加工物３０の所望箇所にレーザ照射ができるように加工ステージ２１の運動とレーザ発振のタイミングとを同期させて制御する。
被加工物３０には、エッチング時にムラが生じないように、不純物の少ない石英ガラス(厚さ；１．５ｍｍ)を用いている。
この被加工物３０の各々に、正三角形、正方形、長方形、または、正六角形の微細幾何学パターンを形成するため、図１の装置を用いて、照射位置を制御しながら被加工物３０にレーザを照射し、その表面に二次元的に分布する多数の窪みを形成した。

図２では、各幾何学パターンに対応するレーザ照射位置（窪み形成位置）を黒点で示している。正三角形は、１辺２０μｍの正三角形を形成するため、隣接するレーザ照射位置との距離を、Ｌ１＝１１．５５μｍ、Ｌ２＝２０μｍに設定した。正四角形は、１辺１０μｍの正四角形を形成するため、隣接するレーザ照射位置との距離を、Ｌ１＝１０μｍ、Ｌ２＝１０μｍに設定した。長方形は、１０μｍ×１５μｍの長方形を形成するため、隣接するレーザ照射位置との距離を、Ｌ１＝１０μｍ、Ｌ２＝１５μｍに設定した。また、正六角形は、１辺５．８μｍの正六角形を形成するため、図２に示すＬ１、Ｌ２の長さを、Ｌ１＝８．６６μｍ、Ｌ２＝５μｍに設定した。

実際の被加工物３０には、同一の微細幾何学パターンを多数形成する必要があるため、図２に示すレーザ照射位置の単位構造を二次元的に拡張し、この単位構造を縦方向及び横方向に繰り返すことによって得られる各位置にレーザが照射される。従って、このレーザ照射により、被加工物３０の表面には、多数の窪みが、二次元的に、且つ、周期的に配列される。
ここでは、図３の加工条件に示すように、ｆ＝８ｍｍ（Ｎ．Ａ．＝０．５）の集光レンズ２０を使用し、レーザ出力；１０ｍＷ、被加工物３０の加工範囲；２００μｍ×２００μｍに設定して、各被加工物３０にレーザを照射している。いずれの幾何学パターンに対応した窪みを形成する場合でも、各被加工物３０へのレーザ加工は、数分で終了した。

窪みを形成した被加工物３０は、次にエッチング処理される。
まず、被加工物３０に形成されたディンプル形状のエッチングによる変化について説明する。
図４は、ディンプル形状の変化を時間的に追跡したシミュレーションの結果について示している。図４（ａ）は、等間隔で配置した３つのディンプルが１μｍ／ｈのエッチングレートでエッチングされる様子を示し、図４（ｂ）は、このときの時間とディンプルの直径及び深さとの関係を示している。
なお、当初のディンプルは、深さ４μｍ、直径４μｍとし、ディンプル形状はy＝ｘ²で近似している。

図４（ａ）では、エッチング前の表面を線４０で示し、エッチング1時間ごとの表面を線４１で示している。また、図４（ｂ）では、ディンプルの深さの時間的変化を黒三角で示し、ディンプルの直径の時間的変化を白丸で表示している。
ディンプルの直径は、当初、エッチングによって広がるが、４時間が経過すると、ディンプルと隣接するディンプルとの中間にあった平坦部が完全になくなり、それ以降は、ディンプルの直径は、変わらなくなる。最終的にディンプルの直径は、ディンプルと隣接するディンプルとの中心距離に収束する。
一方、ディンプルの深さは、ディンプルの直径が増え続けている間は変わらないが、５時間以上になると、エッチング時間に応じてディンプルと隣接するディンプルとの中間位置にある凸部が低くなり、ディンプルの深さは浅くなる。また、ディンプルの曲率は、エッチング時間に伴って小さくなる。

実際のエッチングは、図３の加工条件に示すように、被加工物の石英ガラスに対し、エッチング液として、フッ酸と硫酸との混合液（１：１、各３ｗｔ％）を用い、ホットスターラーによって攪拌と加熱とを加えながら実施した。加熱温度は約４０℃、攪拌の回転数は３５０ｒｐｍである。
図５は、正六角形のディンプルアレイを作製したときの各時点のＳＥＭ画像を示している。なお、図中の被加工物は３０°傾けて観察したものであり、ほぼ同じ位置をエッチング時間ごとに観察したものである。
エッチング前のディンプルは楕円形状であるが、エッチングが進むにつれて、ディンプルは球形になっていく様子が見て取れる。３時間のエッチングでは、レーザ照射によって生じた粗さ成分が広がり、一時的にディンプル内部が粗くなる。５時間エッチングでは、大きくなったディンプル同士が互いに接触し、設計した通りの正六角形に近づく。さらにエッチングを継続すると、ディンプルは鏡面になる。

図６（ａ）は、同じように、正三角形ディンプルアレイを作製したときのエッチング前の窪みと１５時間エッチング後の状態とをＳＥＭ画像で示し、図６（ｂ）は、正方形ディンプルアレイを作製したときの同様のＳＥＭ画像を、また、図６（ｃ）は、長方形ディンプルアレイを作製したときの同様のＳＥＭ画像を、それぞれ示している。
いずれの場合にも、エッチングを行うことで所望の形状を有する鏡面ディンプルアレイを作製することができる。
図７は、作製した各幾何学パターンの実測値と、その設計値との誤差を示している。作製したディンプルの辺の長さは、設計値に対して誤差２％以内である。また、ディンプル深さは、いずれも１μｍ前後である。形状のばらつきは、隣り合うディンプルの深さのばらつきに依存すると推察される。

このように、この幾何学パターン形成方法では、被加工物の表面に、選択した形状の微細幾何学パターンを形成することができる。
被加工物は、等方的にエッチングされるガラスであることが好ましい。特に、石英ガラスが好ましい。エッチングが等方的に進行する場合は、形成される幾何学パターンが予想し易く、レーザ照射による窪みの形成位置が容易に計算できる。しかし、ガラス以外を被加工物としても良い。
また、被加工物の表面に窪みを形成するレーザは、フェムト秒レーザであることが好ましい。フェムト秒レーザは、照射時間が極めて短いため、窪み形成時に被加工物の窪みの周囲に熱的影響を及ぼさない。そのため、窪みの周囲に損傷が発生せず、エッチングでの正確な幾何学パターンの形成が可能になる。また、被加工物が石英ガラスであっても、安定したレーザ加工が可能である。しかし、本発明では、フェムト秒レーザ以外のレーザを用いることも可能である。

本発明の幾何学パターン形成方法は、物体の表面に所望形状の微細パターンを形成して機能の向上を図り、あるいは、新機能を実現する表面機能製品の製造に用いることができる。また、表面機能製品の一つとして、反射率が低く、透過率が高い光学特性や、反射率が高く、透過率が低い光学特性を発現する光学機器の製造に用いることができる。
また、本発明の方法は、幾何学パターンの大きさを適宜設定することにより、凹球面レンズアレイの製造に利用することができる。
また、ＤＮＡマイクロアレイやバイオチップ等、微細粒子や細胞などの精密配列用トレイとしての応用が期待できる。

本発明は、物体の表面に所望の幾何学パターンを正確に形成することが可能であり、各種の表面機能製品や光学機器、あるいは、精密配列用トレイ等の製造に広く用いることができる。

本発明の実施形態の幾何学パターン形成方法で用いるレーザ装置の模式図 本発明の実施形態の幾何学パターン形成方法で形成する目標形状とレーザ照射位置との関係を示す図 本発明の実施形態の幾何学パターン形成方法での加工条件を示す図 本発明の幾何学パターン形成方法のシミュレーションにより得られたエッチング形状変化（ａ）と、エッチング時間と加工形状との関係（ｂ）を示す図 本発明の実施形態の幾何学パターン形成方法で正六角形のディンプルアレイを作製したときの作製過程のＳＥＭ画像を示す図 本発明の実施形態の幾何学パターン形成方法で作製した正三角形のディンプルアレイ（ａ）、正方形のディンプルアレイ（ｂ）、長方形のディンプルアレイ（ｃ）のＳＥＭ画像を示す図 本発明の実施形態の幾何学パターン形成方法で作製した幾何学パターンの形状評価を示す図 エッチングによるディンプルアレイの形状変化を説明する図 ソーダ石灰ガラスにレーザ照射で形成した窪み（ａ）と、エッチングで得られた凹面形状（ｂ）のＳＥＭ画像を示す図

符号の説明

１０ フェムト秒レーザ
１１ λ／２板
１２ Ｇｌａｎレーザープリズム
１３ ＮＤフィルタ
１５ ミラー
１６ ミラー
１７ ディクロイックミラー
１８ レンズ
１９ ＣＣＤカメラ
２０ 集光レンズ
２１ 加工ステージ
２２ 制御装置
３０ 被加工物
４０ エッチング前の表面
４１ エッチング1時間ごとの表面
１００ エッチング前のガラス基板表面
１１０ エッチング前の窪み
１２０ エッチングが進んだ状態の基板表面
１３０ エッチングが進んだ状態の窪み（ディンプル）

Claims (5)

1. 被加工物にレーザを照射し、前記被加工物の表面に複数の窪みを、間隔を空けて、二次元的に周期性を持つ配列に形成する第１のステップと、
   前記被加工物のエッチングを行い、前記窪みの各々を中心に広がった凹部同士が干渉し、前記凹部の境界が所定の幾何学パターンになるまで前記エッチングを続ける第２のステップと、
   を備えることを特徴とする幾何学パターン形成方法。
2. 請求項１に記載の幾何学パターン形成方法であって、前記第１のステップで照射するレーザが、フェムト秒レーザであることを特徴とする幾何学パターン形成方法。
3. 請求項１または２に記載の幾何学パターン形成方法であって、前記第２のステップで行うエッチングが、等方エッチングであることを特徴とする幾何学パターン形成方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の幾何学パターン形成方法であって、前記被加工物が、ガラスであることを特徴とする幾何学パターン形成方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の幾何学パターン形成方法であって、前記幾何学パターンが、正三角形、正方形、長方形または正六角形であることを特徴とする幾何学パターン形成方法。