JP2011037707A - レーザを用いたガラスの加工方法および加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガラスに微小な孔や溝を容易かつ安価に形成できる加工方法を提供する。
【解決手段】工程(i)では、波長λのレーザパルス11をレンズで集光してガラス板12に照射することによって、そのガラス板12のうちレーザパルス11が照射された部分に変質部13を形成する。次に、工程(ii)では、そのガラス板12に対するエッチングレートよりも変質部13に対するエッチングレートが大きいエッチング液を用いて少なくとも変質部13をエッチングすることによりガラス板12に孔を形成する。上記レーザパルス11のパルス幅は、1ns〜200nsの範囲にある。波長λは535nm以下、波長λにおけるガラス板12の吸収係数は50cm-1以下である。レンズの焦点距離L(mm)をレンズに入射する際のレーザパルス11のビーム径D(mm)で除した値は、7以上である。
【選択図】図1
【解決手段】工程(i)では、波長λのレーザパルス11をレンズで集光してガラス板12に照射することによって、そのガラス板12のうちレーザパルス11が照射された部分に変質部13を形成する。次に、工程(ii)では、そのガラス板12に対するエッチングレートよりも変質部13に対するエッチングレートが大きいエッチング液を用いて少なくとも変質部13をエッチングすることによりガラス板12に孔を形成する。上記レーザパルス11のパルス幅は、1ns〜200nsの範囲にある。波長λは535nm以下、波長λにおけるガラス板12の吸収係数は50cm-1以下である。レンズの焦点距離L(mm)をレンズに入射する際のレーザパルス11のビーム径D(mm)で除した値は、7以上である。
【選択図】図1
Description
本発明は、レーザを用いたガラスの加工方法および加工装置に関する。
レーザを使ってガラスに微小な貫通孔を作製する方法は、従来から提案されている。たとえば、特開2000−61667号公報には、Nd:YAGレーザの基本波(1064nm)の照射によってガラスに孔を形成する方法が開示されている。また、特開2001−105398号公報には、基板の一部を変質させ、その部分にレーザを照射して微小な加工孔を形成したのち、エッチングをすることによって基板を加工する方法が開示されている。この特開2001−105398号公報では、感光性ガラス板の一部に紫外線を照射して変質させ、その部分にYAGレーザを照射して微小な孔を形成する方法が開示されている。
また、超短パルスレーザを用いてガラスを加工する方法も開示されている(特開2004−351494号公報および特開2004−359475号公報)。これらの加工方法では、超短パルスレーザとして、フェムト秒レーザが用いられている。
しかし、Nd:YAGレーザの基本波を小さく集光することは難しいため、その照射によって微細な孔を作製することは難しい。また、レーザ照射によってガラスに形成される孔の形状を、再現性よく制御することは困難である。
また、特開2001−105398号公報の方法では、実際に使用できる基板が限られるとともに、工程が煩雑であるという問題がある。また、フェムト秒レーザを用いる方法
では、加工装置が高価であるという問題がある。
では、加工装置が高価であるという問題がある。
このような状況において、本発明は、ガラスに微小な孔や溝を容易かつ安価に形成できる加工方法の提供を目的の1つとする。
従来、感光性ガラス以外のガラスの加工には、フェムト秒レーザのような超短パルスレーザを照射するか、あるいは、開口数が大きいレンズ(たとえばNA=0.8)を用いて焦点付近にエネルギーを集中させることが必要だと考えられてきた。本発明者らは、検討の結果、所定のレーザを所定のレンズで集光することによって、感光性ガラス以外のガラスを容易に加工できることを初めて見出した。本発明のような加工方法で感光性ガラス以外のガラスを加工することは従来困難だと考えられてきたが、本発明者らの検討によって、その有効性が初めて見出された。
すなわち本発明の加工方法は、
(i)波長λのレーザパルスをレンズで集光してガラスに照射することによって、前記ガラスのうち前記レーザパルスが照射された部分に変質部を形成する工程と、
(ii)前記ガラスに対するエッチングレートよりも前記変質部に対するエッチングレートが大きいエッチング液を用いて少なくとも前記変質部をエッチングすることにより前記ガラスに孔を形成する工程とを含み、
前記レーザパルスのパルス幅が1ns〜200nsの範囲にあり、
前記波長λが535nm以下であり、
前記波長λにおける前記ガラスの吸収係数が50cm-1以下であり、
前記レンズの焦点距離L(mm)を、前記レンズに入射する際の前記レーザパルスのビーム径D(mm)で除した値が7以上である、ガラスの加工方法である。
(i)波長λのレーザパルスをレンズで集光してガラスに照射することによって、前記ガラスのうち前記レーザパルスが照射された部分に変質部を形成する工程と、
(ii)前記ガラスに対するエッチングレートよりも前記変質部に対するエッチングレートが大きいエッチング液を用いて少なくとも前記変質部をエッチングすることにより前記ガラスに孔を形成する工程とを含み、
前記レーザパルスのパルス幅が1ns〜200nsの範囲にあり、
前記波長λが535nm以下であり、
前記波長λにおける前記ガラスの吸収係数が50cm-1以下であり、
前記レンズの焦点距離L(mm)を、前記レンズに入射する際の前記レーザパルスのビーム径D(mm)で除した値が7以上である、ガラスの加工方法である。
本発明の方法では、波長が535nm以下の所定のレーザパルスを所定のレンズで集光してから所定の吸収係数を有するガラスに照射して変質部を形成する。そして、その変質部をエッチングすることによって、ガラスを加工する。本発明の方法では、Nd:YAGレーザの高調波を用いることができるため、フェムト秒レーザを用いる従来の方法に比べて、安価な装置でガラスを加工できる。また、本発明の方法では、レーザパルスの照射のみによってガラスを加工する従来の方法に比べて、加工部周辺のガラスの変形(デブリやクラックなど)を抑制でき、形状のそろった孔を形成できる。
また、本発明の加工方法では、焦点距離Lとビーム径Dとの比[L/D]を所定の値以下とすることによって、レーザが焦点付近のみに集中することを防止している。このため、本発明の方法によれば、開口数が比較的大きいレンズ(たとえばNA=0.8以上)を用いて焦点付近にエネルギーを集中させて変質部を形成する従来の方法に比べて、1度のパルス照射で比較的長い変質部を形成できる。したがって、1度のパルス照射とエッチングのみで貫通孔を形成することも可能である。
また、本発明の方法では、変質部の形成条件とエッチング条件を変更することによって、孔の大きさを簡単に変えることができる。また、本発明の方法では、高繰り返しパルスレーザのスポットを、ガルバノスキャナによって高速に移動させることによって、一度に多くの変質部を形成できる。そのため、本発明の方法では、多数の孔を短時間で形成できる。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
[ガラス加工方法]
ガラスを加工するための本発明の方法は、以下の工程を含む。工程(i)では、波長λのレーザパルスをレンズで集光してガラスに照射することによって、ガラスのうちレーザパルスが照射された部分に変質部を形成する。
ガラスを加工するための本発明の方法は、以下の工程を含む。工程(i)では、波長λのレーザパルスをレンズで集光してガラスに照射することによって、ガラスのうちレーザパルスが照射された部分に変質部を形成する。
レーザパルスのパルス幅は、1ns(ナノ秒)〜200nsの範囲にあり、好ましくは1ns〜100nsの範囲で、たとえば5ns〜50nsの範囲である。パルス幅を1ns未満にするには、高価な加工装置が必要になる。また、パルス幅が200nsより大きくなると、レーザパルスの尖頭値が低下してしまい、加工がうまくできないという問題が生じる。
本発明の加工方法では、レーザパルスが、Nd:YAGレーザの高調波、Nd:YVO4レーザの高調波、またはNd:YLFレーザの高調波であってもよい。高調波は、たとえば、第2高調波や第3高調波や第4高調波である。これらレーザの第2高調波の波長は、532nm〜535nm近傍であり、第3高調波の波長は、355nm〜357nm近傍であり、第4高調波の波長は、266nm〜268nmの近傍である。これらのレーザを用いることによって、ガラスを安価に加工できる。
レーザパルスの波長は、535nm以下であり、好ましくは360nm以下であり、たとえば350nm〜360nmの範囲である。一方、レーザパルスの波長が535nmよりも大きくなると、照射スポットが大きくなり、微小孔の作製が困難になるという問題、および熱の影響で照射スポットの周囲が割れやすくなるという問題が生じる。
レーザパルスのエネルギーは、ガラスの材質や、どのような変質層を形成するかに応じて好ましい値が選択される。一例では、5μJ/パルス〜100μJ/パルスの範囲である。本発明の方法では、レーザパルスのエネルギーを増加させることによって、それに比例するように変質部の長さを長くすることが可能である。レーザパルスのビーム品質M2値は、たとえば2以下であってもよい。M2値が2以下であるレーザパルスを用いることによって、微小な細孔や微小な溝の形成が容易になる。
波長λにおけるガラスの吸収係数は、50cm-1以下であり、好ましくは0.1cm-1〜20cm-1の範囲である。吸収係数が50cm-1よりも大きいと、レーザ光のエネルギーがガラスの表面近傍で吸収されてしまい、ガラス内部に変質部が形成されにくくなる。なお、実施例に示すように、吸収係数が0.1cm-1未満であっても、ガラス内部に変質部を形成することは可能である。
波長λにおけるガラスの吸収係数が50cm-1以下であるガラスは、公知のガラスから選択することができる。
本発明の加工方法が適用されるガラスとしては、銀、金および銅を実質的に含まないガラス、いわゆる感光性ガラス以外のガラスが好ましい。具体的には、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、ソーダライムガラスまたはチタン含有シリケートガラスが好適である。このようなガラス種であれば、その吸収係数は、少なくとも0.1cm-1である。
さらに、その吸収係数を効果的に高めるために、ガラスが、着色成分として、Bi、W、Mo、Ce、Co、Fe、Mn、Cr、VおよびTiから選ばれる金属の酸化物を少なくとも1種含んでいてもよい。
また、チタン含有シリケートガラスでは、例えば、TiO2を5モル%以上含有することによって吸収係数を1以上に、さらに10モル%以上含有することによって吸収係数を4以上にすることができる。さらに必要に応じて、上述した着色成分として機能する金属の酸化物を含んでいてもよい。
本発明の加工方法が適用されるガラスの一つであるホウケイ酸ガラスとしては、コーニング社の#7059やパイレックス(登録商標)、などを例示できる。
本発明の加工方法が適用されるガラスの一つであるアルミノシリケートガラスとしては、以下のような組成を有するとよい。
質量%で表して、
SiO2 58〜66%、
Al2O3 13〜19%、
Li2O 3〜4.5%、
Na2O 6〜13%、
K2O 0〜5%、
R2O 10〜18%(ただし、R2O=Li2O+Na2O+K2O)、
MgO 0〜3.5%、
CaO 1〜7%、
SrO 0〜2%、
BaO 0〜2%、
RO 2〜10%(ただし、RO=MgO+CaO+SrO+BaO)、
TiO2 0〜 2%、
CeO2 0〜2%、
Fe2O3 0〜2%、
MnO 0〜1%(ただし、TiO2+CeO2+Fe2O3+MnO=0.01〜3%)、
SO3 0.05〜0.5%の組成を有するガラス組成物である。
質量%で表して、
SiO2 58〜66%、
Al2O3 13〜19%、
Li2O 3〜4.5%、
Na2O 6〜13%、
K2O 0〜5%、
R2O 10〜18%(ただし、R2O=Li2O+Na2O+K2O)、
MgO 0〜3.5%、
CaO 1〜7%、
SrO 0〜2%、
BaO 0〜2%、
RO 2〜10%(ただし、RO=MgO+CaO+SrO+BaO)、
TiO2 0〜 2%、
CeO2 0〜2%、
Fe2O3 0〜2%、
MnO 0〜1%(ただし、TiO2+CeO2+Fe2O3+MnO=0.01〜3%)、
SO3 0.05〜0.5%の組成を有するガラス組成物である。
また、以下のような組成を有してもよい。
質量%で示して、本質的に
SiO2 60〜70%、
Al2O3 5〜20%、
Li2O+Na2O+K2O 5〜25%、
Li2O 0〜 1%、
Na2O 3〜18%、
K2O 0〜 9%、
MgO+CaO+SrO+BaO 5〜20%、
MgO 0〜10%、
CaO 1〜15%、
SrO 0〜4.5%、
BaO 0〜1%、
TiO2 0〜1%、
ZrO2 0〜1%、
からなる組成を有するガラス組成物である。
質量%で示して、本質的に
SiO2 60〜70%、
Al2O3 5〜20%、
Li2O+Na2O+K2O 5〜25%、
Li2O 0〜 1%、
Na2O 3〜18%、
K2O 0〜 9%、
MgO+CaO+SrO+BaO 5〜20%、
MgO 0〜10%、
CaO 1〜15%、
SrO 0〜4.5%、
BaO 0〜1%、
TiO2 0〜1%、
ZrO2 0〜1%、
からなる組成を有するガラス組成物である。
さらに、以下のような組成を有してもよい。
質量%で示して、
SiO2 59〜68%、
Al2O3 9.5〜15%、
Li2O 0〜 1%、
Na2O 3〜18%、
K2O 0〜 3.5%、
MgO 0〜15%、
CaO 1〜15%、
SrO 0〜 4.5%、
BaO 0〜 1%、
TiO2 0〜 2%、
ZrO2 1〜10%、
を含むガラス組成物である。
質量%で示して、
SiO2 59〜68%、
Al2O3 9.5〜15%、
Li2O 0〜 1%、
Na2O 3〜18%、
K2O 0〜 3.5%、
MgO 0〜15%、
CaO 1〜15%、
SrO 0〜 4.5%、
BaO 0〜 1%、
TiO2 0〜 2%、
ZrO2 1〜10%、
を含むガラス組成物である。
本発明の加工方法が適用されるガラスの一つであるソーダライムガラスは、例えば板ガラスに広く用いられるガラス組成物である。
本発明の加工方法が適用されるガラスの一つであるアルミノシリケートガラスは、例えば、
質量%で表して、
SiO2 50〜70%、
Al2O3 14〜28%、
Na2O 1〜 5%、
MgO 1〜13%、および
ZnO 0〜14%、
を含むガラス組成物が挙げられる。
質量%で表して、
SiO2 50〜70%、
Al2O3 14〜28%、
Na2O 1〜 5%、
MgO 1〜13%、および
ZnO 0〜14%、
を含むガラス組成物が挙げられる。
さらに、以下の組成物も例示できる。
質量%で表して、
SiO2 56〜70%、
Al2O3 7〜17%、
Li2O 4〜 8%、
MgO 1〜11%、
ZnO 4〜12%、
Li2O+MgO+ZnO 14〜23%、
B2O3 0〜 9%、および
CaO+BaO 0〜3%
TiO2 0〜 2%、
からなるガラス組成物である。
質量%で表して、
SiO2 56〜70%、
Al2O3 7〜17%、
Li2O 4〜 8%、
MgO 1〜11%、
ZnO 4〜12%、
Li2O+MgO+ZnO 14〜23%、
B2O3 0〜 9%、および
CaO+BaO 0〜3%
TiO2 0〜 2%、
からなるガラス組成物である。
本発明の加工方法が適用されるガラスの一つであるチタン含有シリケートガラスは、以下のような組成を有するとよい。
モル%で表示して、
50≦(SiO2+B2O3)≦79モル%、
5≦(Al2O3+TiO2)≦25モル%、
5≦(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O+MgO+CaO+SrO+BaO)≦25モル%、
ただし、5≦TiO2≦25モル%である、ガラス組成物である。
モル%で表示して、
50≦(SiO2+B2O3)≦79モル%、
5≦(Al2O3+TiO2)≦25モル%、
5≦(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O+MgO+CaO+SrO+BaO)≦25モル%、
ただし、5≦TiO2≦25モル%である、ガラス組成物である。
また上記チタン含有シリケートガラスにおいて、
(Al2O3+TiO2)/(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O+MgO+CaO+SrO+BaO)≦0.9、
であることが好ましい。
(Al2O3+TiO2)/(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O+MgO+CaO+SrO+BaO)≦0.9、
であることが好ましい。
さらに上記チタン含有シリケートガラスにおいて、
70≦(SiO2+B2O3)≦79モル%、
10≦TiO2≦15モル%、
10≦Na2O≦15モル%、
であることが好ましい。
70≦(SiO2+B2O3)≦79モル%、
10≦TiO2≦15モル%、
10≦Na2O≦15モル%、
であることが好ましい。
加えて上記チタン含有シリケートガラスにおいて、
前記ガラスの熱膨張係数が100×10-7℃-1以下であることが好ましい。
前記ガラスの熱膨張係数が100×10-7℃-1以下であることが好ましい。
ガラスの形状に限定はなく、たとえばガラス板が用いられる。なお、本発明の加工方法では、いわゆる感光性ガラスを用いる必要がなく、加工できるガラスの範囲が広い。すなわち、本発明の加工方法では、金や銀を実質的に含まないガラスを加工できる。
特に剛性の高いガラスは、レーザ照射した際に、ガラスの上面と下面のどちらにおいても割れを発生しづらく、本発明の加工方法によって好適に加工できる。例えば、ヤング率が80GPa以上のガラスが好ましい。
なお、吸収係数は、厚さd(たとえば約0.1cm)のサンプルの透過率および反射率を測定することによって算出した。まず、厚さd(cm)のサンプルについて、透過率T(%)と、入射角12°における反射率R(%)とを測定した。透過率および反射率は、株式会社島津製作所製の分光光度計UV―3100型を用いて測定した。そして、測定値から以下の式を用いて吸収係数αを算出した。
レンズの焦点距離L(mm)は、たとえば50mm〜500mmの範囲にあり、100mm〜200mmの範囲から選択してもよい。
また、レーザパルスのビーム径D(mm)は、たとえば1mm〜40mmの範囲にあり、3mm〜20mmの範囲から選択してもよい。ここで、ビーム径Dは、レンズに入射する際のレーザパルスのビーム径であり、ビームの中心の強度に対して強度が[1/e]倍となる範囲の直径を意味する。
本発明の加工方法では、焦点距離Lをビーム径Dで除した値、すなわち[L/D]の値が、7以上であり、好ましくは7以上40以下であり、たとえば10以上20以下である。この値は、ガラスに照射されるレーザの集光性に関係する値であり、この値が小さいほど、レーザが局所的に集光され、均一で長い変質部の作製が困難になることを示す。この値が7未満であると、ビームウェスト近傍でレーザパワーが強くなりすぎてしまい、ガラス内部でクラックが発生しやすくなるという問題が生じる。
本発明の加工方法の場合、レーザパルスの照射前にガラスに対して前処理すること、たとえば、レーザパルスの吸収を促進するような膜を形成することは不要である。ただし、本発明の効果が得られる限り、そのような処理を行ってもよい。
レーザパルスが照射された部分には、照射前のガラスとは異なる変質部が形成される。この変質部は、通常、光学顕微鏡を用いた観察によって他の部分と見分けることが可能である。
この変質部は、レーザ照射によって光化学的な反応が起き、E'センターや非架橋酸素などの欠陥が生じた部位や、レーザ照射の急熱・急冷によって発生した、高温度域における疎なガラス構造を保持した部位である。これら変質部は通常部よりも所定のエッチング液に対して、エッチングされやすいために、エッチング液に浸すことによって微小な細孔や微小な溝が作製できる。
フェムト秒レーザを用いる従来の加工方法では、照射パルスが重なるようにレーザを深さ方向にスキャンしながら変質部を形成していた。これに対して、本発明の方法では、1度のパルス照射で変質部を形成することが可能である。すなわち、本発明の方法では、照射位置が重ならないようにレーザパルスを照射することによって、変質部を形成できる。ただし、照射パルスが重なるようにレーザパルスを照射してもよい。
工程(i)では、通常、ガラスの内部にフォーカスされるようにレンズでレーザパルスを集光する。たとえばガラス板に貫通孔を形成する場合には、通常、ガラス板の厚さ方向の中央付近にフォーカスされるようにレーザパルスを集光する。なお、ガラス板の上面側(レーザパルスの入射側)のみを加工する場合には、通常、ガラス板の表面側にフォーカスされるようにレーザパルスを集光する。逆に、ガラス板の裏面側(レーザパルスの入射側とは反対側)のみを加工する場合には、通常、ガラス板の裏面側にフォーカスされるようにレーザパルスを集光する。ただし、ガラス変質部が形成できる限り、レーザパルスがガラスの外部にフォーカスされてもよい。たとえば、ガラス板の裏面から所定の距離(たとえば1.0mm)だけ離れた位置にレーザパルスがフォーカスされてもよい。換言すれば、ガラスに変質部が形成できる限り、レーザパルスは、ガラスの裏面から後方(ガラスを透過したレーザパルスが進行する方向)1.0mm以内にある位置(ガラスの裏面位置を含む)または内部にフォーカスされてもよい。
工程(i)で形成される変質部の大きさは、レンズに入射する際のレーザのビーム径D、レンズの焦点距離L、ガラスの吸収係数、レーザパルスのパワーなどによって変化する。本発明の加工方法によれば、たとえば、直径が10μm以下で長さが100μm以上の円柱状の変質部を形成することが可能である。
工程(i)で選択される条件の一例を、表1に示す。
次に、工程(ii)として、ガラスに対するエッチングレートよりも変質部に対するエッチングレートが大きいエッチング液を用いて変質部をエッチングする。このようなエッチング液としては、たとえばフッ酸(フッ化水素(HF)の水溶液)を用いてもよい。また、硫酸(H2SO4)やその水溶液、硝酸(HNO3)やその水溶液、または塩酸(塩化水素(HCl)の水溶液)を用いてもよい。また、これらの酸の混合物を用いることができる。フッ酸を用いた場合、変質部のエッチングが進みやすく、短時間に孔を形成できる。硫酸を用いた場合、変質部以外のガラスがエッチングされにくく、テーパ角の小さいストレートな孔を作製できる。
エッチング時間やエッチング液の温度は、変質層の形状や、目的とする加工形状に応じて選択される。なお、エッチング時のエッチング液の温度を高くすることによって、エッチング速度を高めることができる。また、エッチング条件によって、孔の直径を制御することが可能である。
変質部がガラス板の上面側にのみ露出するように形成された場合、エッチングによって、ガラス板の上面側のみに孔を形成できる。逆に、変質部がガラス板の裏面側にのみ露出するように形成された場合、エッチングによって、ガラス板の裏面側のみに孔を形成できる。また、変質部がガラス板の上面側および裏面側に露出するように形成された場合には、ガラス板の両側からエッチングを行うことによって、貫通孔を形成できる。なお、ガラス板の上面側または裏面側にエッチングを防止するための膜を形成し、一方のみからエッチングが起こるようにしてもよい。また、ガラス板の表面に露出しない変質部を形成し、次に、変質部が露出するようにガラス板を研磨してからエッチングを行ってもよい。変質部の形成条件およびエッチング条件を変化させることによって、円柱状の貫通孔、鼓形(砂時計形)の貫通孔、円錐台状の貫通孔、円錐状の孔、円錐台状の孔、円柱状の孔といった様々な形状の孔を形成することが可能である。
また、複数の孔を、それらが連続するように形成することによって、溝を形成することも可能である。この場合、線状に並ぶように複数のレーザパルスを照射することによって、線状に配置された複数の変質部を形成する。その後、変質部をエッチングすることによって溝を形成する。複数のレーザパルスの照射位置は重なっていなくてもよく、エッチングによって形成された孔が、隣接する孔同士を結合すればよい。
本発明の加工方法でガラス板を加工する工程の5つの例を、図1〜図5に模式的に示す。第1の加工方法では、まず、図1(a)に示すように、レーザパルス11の照射によって、ガラス板12を貫通するように変質部13を形成する。次に、ガラス板12の両面からエッチングを行うことによって、鼓状の貫通孔14を形成する。図1(b)に示すように、貫通孔14は、2つの円錐台状の孔を連結したような形状を有する。
第2の加工方法では、まず、図2(a)に示すように、レーザパルス11の照射によって、ガラス板12を貫通するように変質部13を形成する。次に、図2(b)に示すように、ガラス板12の片面を保護膜15で覆う。次に、保護膜15を形成していない面からエッチングを行うことによって、図2(c)に示すように、ガラス板12を貫通する円錐台状の貫通孔14を形成する。次に、保護膜15を除去することによって、図2(d)に示すように、ガラス板12の両面において貫通孔14が表面に露出する。
第3の加工方法では、まず、図3(a)に示すように、レーザパルス11の照射によって、ガラス板12の上面側に変質部13を形成する。変質部13は、ガラス板12の上面からガラス板12の内部にまで伸びるように形成される。次に、エッチングによって変質部13を除去し、図3(b)に示すように、円錐台状の孔16を形成する。
第4の加工方法では、まず、図4(a)に示すように、レーザパルス11の照射によって、ガラス板12の内部に変質部13を形成する。次に、ガラス板12の両面または片面を研磨することによって、ガラス板12の両面または片面において変質部13を露出させる。次に、露出した変質部13をエッチングによって除去し、孔を形成する。図4(b)および(c)には、ガラス板12の片面のみを研磨して変質部13を露出させ、円錐台状の孔16を形成した一例について示す。
第5の加工方法を図5(a)〜図5(d)に示す。図5(a)および(c)は上面図であり、図5(b)および(d)は、それらの断面図である。まず、図5(a)および(b)に示すように、ガラス板12に、複数のレーザパルスを線状に照射することによって、複数の変質部13を線状に配置する。レーザパルスが重なるように連続して照射すると、照射部分が加熱されすぎてガラスにクラックが生じる場合がある。そのようなクラックの発生は、たとえば、レーザパルスが重ならないように照射することによって避けることができる。
次に、変質部13をエッチングによって除去する。エッチング時に変質部13よりも広い範囲がエッチングされるため、変質部13のエッチングによって生じた孔同士が連結される。その結果、図5(c)および(d)に示すように、溝51が形成される。なお、エッチングを行う前に、ガラス基板12の表面を研磨してもよい。なお、図5(a)〜図5(d)では、直線上の溝を形成する場合について示したが、変質部の配置を変えることによって、任意の平面形状の溝を形成できる。
以上のように、本発明の方法によって形成される孔は、有底孔であっても貫通孔であってもよい。
また、レーザパルスを照射する工程((i)の工程)において複数の変質部を形成し、エッチング液を用いてエッチングする工程((ii)の工程)において、上記複数の変質部を含む部分をエッチングして当該部分を孔としてもよい。
この場合、(i)の工程において、複数の変質部を、当該複数の変質部がガラスの表面において互いに離間しつつ線状に配置されるように形成し、(ii)の工程におけるエッチングにより、孔として溝を形成することとしてもよい。
上記のように、複数の変質部をエッチングにより一つに接続して孔(溝)を形成する方法によれば、[深さ/幅]の比が高い溝を有するガラス板を得ることができる。この溝は、[深さ/幅]の値が好ましくは5以上、より好ましくは10以上である。溝の幅は、好ましくは500μm以下、より好ましくは100μm以下である。このガラス板は、上記のとおり、好ましくは銀、金および銅を実質的に含まないガラスからなり、例えば石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、ソーダライムガラスまたはチタン含有シリケートガラスからなる。
また、(ii)の工程において変質部をエッチングにて除去する際に、孔の一部分が連結したところで、エッチングを止めることにより、例えば、周期的に幅の変化する溝を得ることができる。この幅の変化は、周期的である必要はなく、変質部を形成する間隔によって、部分的に幅の狭い箇所が形成されていればよい。このように、本発明によれば、溝が部分的に幅の狭い箇所を有するガラス板を得ることができる。この溝は、エッチングされたガラス板の表面に垂直な方向から見て、幅が狭い部分(箇所)を有する。この相対的に幅が狭い部分は、相対的に幅が広い部分を連結する。相対的に幅が広い部分は、レーザパルスの照射による複数の変質部がエッチングされて生成した部分である。
本発明の方法によれば、レーザパルスの照射位置を適宜選択することにより、相対的に幅が狭い部分と相対的に幅が広い部分とが、交互に、例えば周期的に、配列した溝を形成することができる。また、本発明の方法によれば、相対的に幅が広い部分に局部的に幅が狭い部分が配置された溝を形成することも可能である。
このような溝をマイクロ流路として利用すれば、通常の流路と液体の流れを場所によって変化させることができ、2層液の混合や反応性の向上が期待できる。
[加工装置]
本発明の加工装置は、上述した本発明の加工方法の工程(i)を実施するための装置である。すなわち、その加工装置は、ガラスに孔を形成するために当該ガラスにレーザを照射するガラスの加工装置である。
本発明の加工装置は、上述した本発明の加工方法の工程(i)を実施するための装置である。すなわち、その加工装置は、ガラスに孔を形成するために当該ガラスにレーザを照射するガラスの加工装置である。
その加工装置は、パルス幅が1ns〜200nsであり波長λのレーザパルスを出射する光源を含む。また、その加工装置は、レーザパルスを集光して加工対象のガラスに照射するためのレンズを含む。レーザパルスの波長λは、波長λが535nm以下である。上記レンズの焦点距離L(mm)を、そのレンズに入射する際のレーザパルスのビーム径D(mm)で除した値は7以上である。なお、波長λにおける、加工対象のガラスの吸収係数は、50cm-1以下である。
レーザパルスを出射する光源には特に限定はなく、たとえば、ガラスの加工方法の説明において例示した光源を適用できる。レンズには、公知のレンズを適用できる。
本発明の加工装置の一例の構成を、図6に模式的に示す。図6の加工装置60は、レーザ装置61と、アッティネータ62と、ビームエキスパンダー63と、アイリス64と、ガルバノミラー65と、fθレンズ66と、ステージ67とを備える。これらの光学素子には、公知の光学素子を適用できる。レンズに入射する際のビーム径Dは、レーザ装置61、ビームエキスパンダー63およびアイリス64によって調整できる。
レーザ装置61から出射されたレーザパルスは、アッティネータ62で減衰され、ビームエキスパンダー63で拡大され、アイリス64で絞られ、ガルバノミラー65に入射する。レーザパルスは、ガルバノミラー65によって光軸を調整され、fθレンズ66に入射する。ガルバノミラーを用いることによって、レーザの照射位置を高速(数千mm/s)で動かすことができる。そのため、高繰り返しのレーザパルスでも1パスル毎に異なる位置に照射することができ、変質部を等間隔に並べることも可能である。図6に示すように、ガルバノミラー65を用いてレーザパルスの経路を光軸a、光軸bおよび光軸cと変化させることが可能である。一例では、以下のように光軸a〜cにレーザパルスが振り分けられる。最初のパルスは、ガルバノミラーよって光軸aに沿って、fθレンズの中心からずれた部位を通過し、ガラス板68の一方の端部に照射される。その次のパルスは、光軸bに沿ってfθレンズの中心を通過し、ガラス板68の中央付近に照射される。さらに次のパルスは、光軸cに沿ってfθレンズの中心からずれた所に入射し、ガラス板68の他方の端部に照射される。
本発明の加工装置は、上述したガラスの加工方法の工程(i)を実施するための制御装置を備える。制御装置は、プログラムおよびデータを記憶するためのメモリと、プルグラムおよびデータに基づいて処理を実行する演算処理装置とを備える。これらの制御装置には、一般的なコンピュータを適用してもよい。
以下、本発明について例を挙げて詳細に説明する。なお、以下の説明において、エッチング液の濃度は、「質量%」で示されている。
[実施例1]
以下に、チタン含有シリケートガラスからなるガラス板(厚さ:0.3mm、355nmにおける吸収係数:8cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。実施例1のガラスのヤング率は、85GPaであった。
以下に、チタン含有シリケートガラスからなるガラス板(厚さ:0.3mm、355nmにおける吸収係数:8cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。実施例1のガラスのヤング率は、85GPaであった。
レーザには、Nd:YAGレーザ装置(LightWave社製210S−UV)から出射される高繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数10kHz)を使用した。レーザ装置より出射されたレーザパルス(パルス幅9ns、パワー370mW、ビーム径1mm)を、ビームエキスパンダーで36倍に広げ、これを直径14mmのアパーチャーで切り取り、焦点距離160mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は14mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.15mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、400mm/sの速度でスキャンした。
レーザ光照射後、ガラス板の上面(レーザ光入射側)および裏面のどちらにも、直径3μm、高さ1μm程度の凸部が等間隔に形成されていた。また、レーザ光が照射された部分のガラスには、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部がどのように変質されているかは明確ではないが、他の部分とは光学的に明らかに異なっていた。この変質部の断面を光学顕微鏡で観察したところ、変質部は太さがほとんど変わらない円柱状に形成されており、ガラス板の上面から裏面まで到達していた。
次に、ガラス板の上面から10μmの深さまで、ガラス板を研磨した。研磨は、酸化セリウム粉末を用いて行った。この研磨によって、ガラス板の上面側の変質部の直径のばらつきが、より少なくなった。なお、この研磨工程は省略してもよい。
次に、エッチング工程において裏面側からのみエッチングされるようにするため、ガラス板の上面側にシリテクト−II(TrylanerInternational社製)を塗布して保護した。
次に、室温(約20℃)の2.3%フッ酸にガラス板を10分間浸漬することによって、ガラス板の裏面側をエッチングした。実験に使用したフッ酸は、4.5%フッ酸(松野園製薬所製)を純水で薄めることによって作製した。エッチングは、フッ酸に38kHzの超音波を加えながら行った。
変質部がエッチングされることによって、上面側の直径が20μmで裏面側の直径が55μm程度であるテーパを有する円錐台状の貫通孔が形成された。また、エッチングによって基板が25μm程度薄くなった。基板のエッチング量(薄くなった量)は、表面の一部にシリテクト−IIを塗ったモニタ用のチタン含有シリケートガラスを用いて測定した。具体的には、モニタ用のガラスを上述した条件でエッチングした後にシリテクト−IIを除去し、シリテクト−IIによって保護された部分と保護されていない部分との段差を測定することによって、エッチング量を求めた。以下の実施例においても、それぞれのガラス板について、同様の方法でエッチング量を測定した。
なお、超音波を印加してエッチングを行った場合には10分以下で貫通孔が形成されたが、超音波を印加しないでエッチングを行った場合には貫通孔が形成されるまでに60分程度を要した。
[実施例2]
以下に、ソーダライムガラスからなるガラス板(厚さ:0.41mm、355nmにおける吸収係数:0.3cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。実施例2のガラスのヤング率は、72GPaであった。
以下に、ソーダライムガラスからなるガラス板(厚さ:0.41mm、355nmにおける吸収係数:0.3cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。実施例2のガラスのヤング率は、72GPaであった。
レーザには、Nd:YAGレーザ装置(PhotonicsIndustries社製)から出射される高
繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数20kHz)を使用した。レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅24ns、パワー450mW、ビーム径1mm)をビームエキスパンダーで6倍に広げ、焦点距離100mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は6mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.20mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、1000mm/sの速度でスキャンした。
繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数20kHz)を使用した。レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅24ns、パワー450mW、ビーム径1mm)をビームエキスパンダーで6倍に広げ、焦点距離100mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は6mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.20mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、1000mm/sの速度でスキャンした。
レーザ光の照射によって、ガラス板の上面(レーザ光入射側)には、直径2μm程度の凹部が等間隔に形成された。また、レーザ光が照射された部分のガラスには、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、長さが250μm程度で太さがほとんど変わらない円柱状に形成されていた。この変質部は、裏面には達していなかった。
次に、38kHzの超音波を印加しながら、30℃の2.3%フッ酸にガラス板を25分間浸漬してエッチングを行った。続いて、38kHzの超音波を印加しながら、室温の2.3%フッ酸に10分間ガラス板を浸漬してエッチングを行った。エッチングによって、ガラス板の上面および裏面が、それぞれ15μm程度薄くなった。また、エッチングによって、ガラス板の上面側に、表面から徐々に径が小さくなるようなテーパを有する、円錐状の孔が形成された。この孔は、深さが250μm程度で、ガラス板の表面における直径が30μm程度であった。
次に、エッチング後のガラス板に対して、さらに、2.3%フッ酸で38kHzの超音波を印加して室温で20分間エッチングを行った。その結果、基板の上面と裏面とが、さらに5μm程度薄くなった。エッチング後の孔の深さは250μm程度であり、エッチング前と変わらなかった。エッチング後の孔の形状は、表面の直径が45μm程度で深さ方向に直径があまり変化しない円錐台状の形状になった。
[実施例3]
以下に、チタン含有シリケートガラスからなるガラス板(厚さ:0.3mm、355nmにおける吸収係数:8cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。
以下に、チタン含有シリケートガラスからなるガラス板(厚さ:0.3mm、355nmにおける吸収係数:8cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。
レーザには、Nd:YAGレーザ装置(PhotonicsIndustries社製)から出射される高繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数20kHz)を使用した。レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅24ns、パワー800mW、ビーム径1mm)を、ビームエキスパンダーで6倍に広げ、焦点距離100mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は6mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.15mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光は、1000mm/sの速度でスキャンした。
レーザ光の照射によって、ガラスの上面(レーザ光入射側)には、直径9μmで深さ1μm程度の凹部が等間隔に形成された。裏面には、直径1μm程度の凹部が形成されていた。また、レーザ光が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、太さがほとんど変わらない円柱状に形成されており、ガラス板の上面から裏面にまで到達していた。
次に、38kHzの超音波を印加しながら、30℃の2.3%フッ酸にガラス板を5分間浸漬してエッチングを行った。続いて、38kHzの超音波を印加しながら、室温の2.3%フッ酸にガラス板を15分間浸漬してエッチングを行った。エッチングによって、ガラス板の上面および裏面が、それぞれ40μm程度薄くなった。また、変質部がエッチングされることによって、表面直径が60μm程度で、裏面直径が約50μm程度で、ガラス板の中央部付近で直径が小さくなる鼓型の貫通孔が形成された。この貫通孔は、裏面から約50μmのところで最も細くなっていた。
[実施例4]
以下に、パイレックス(登録商標)からなるガラス板(厚さ:0.7mm、355nmにおける吸収係数:0.1cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。実施例4のガラスのヤング率は、65GPaであった。
以下に、パイレックス(登録商標)からなるガラス板(厚さ:0.7mm、355nmにおける吸収係数:0.1cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。実施例4のガラスのヤング率は、65GPaであった。
レーザには、Nd:YAGレーザ装置(PhotonicsIndustries社製)から出射される高繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数20kHz)を用いた。レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅24ns、パワー800mW、ビーム径1mm)を、ビームエキスパンダーで6倍に広げ、焦点距離100mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は6mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.35mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、1000mm/sの速度でスキャンした。
レーザ光の照射によるガラス板の表面の変形は観察されなかった。また、レーザ光が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、太さがほとんど変わらない円柱状に形成されていた。この変質部は長さが200μmであり、ガラス板の上面から深さが200μmの位置から深さが400μmの位置まで形成されていた。
次に、エッチング後のガラス板の上面から約210μmの深さまで、平板研削および酸化セリウム粉末を用いた研磨で除去し、変質部を露出させた。表面に露出した変質部の直径は約3μmであり、変質部の周囲にはクラックが観察された。
次に、38kHzの超音波を印加しながら、室温で2.3%フッ酸にガラス板を40分間浸漬してエッチングを行った。エッチングによって、ガラス板の上面および裏面が、それぞれ2μm程度薄くなった。また、変質部がエッチングされることによって、ガラス板の上面側に、深さ200μm程度の孔が形成された。この孔の形状は、ガラス板上面における直径が30μm程度で、底にいくほど細くなるテーパ形状であった。しかし、他の実施例では孔の表面形状が円形であったのに対し、実施例4では、孔の周囲のクラックが進展して孔の表面形状が星型のようになった。
[実施例5]
以下に、チタン含有シリケートガラスからなるガラス板(厚さ:0.3mm、355nmにおける吸収係数:8cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。
以下に、チタン含有シリケートガラスからなるガラス板(厚さ:0.3mm、355nmにおける吸収係数:8cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。
レーザには、Nd:YAGレーザ装置(LightWave社製210S−UV)から出射される高繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数10kHz)を使用した。レーザ装置より出射されたレーザパルス(パルス幅9ns、パワー200mW、ビーム径1mm)を、ビームエキスパンダーで36倍に広げ、これを直径14mmのアパーチャーで切り取り、焦点距離160mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は14mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.15mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、400mm/sの速度でスキャンした。
レーザ光照射後、ガラス板の上面(レーザ光入射側)には、直径2μm、高さ1μm程度の凸部が等間隔に形成されていた。また、レーザ光が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、長さが200μm程度で太さがほとんど変わらない円柱状に形成されていた。この変質部は、裏面には達していなかった。
次に、38kHzの超音波を印加しながら、室温の10%硫酸水溶液にガラス板を70分間浸漬してエッチングを行った。実験に使用した10%硫酸水溶液は、95%硫酸水溶液(双葉化学薬品社製)を純水で薄めることによって作製した。エッチングによって、ガラス板の上面および裏面が、それぞれ1μm程度薄くなった。また、変質部がエッチングされることによって、表面直径が4μm程度で深さが40μm程度で、直径がほとんど変わらないほぼ垂直の孔が形成された。エッチング後のガラス板を、さらに、38kHzの超音波を印加しながら室温の10%硫酸で140分間エッチングすると、ガラス板の上面および裏面がそれぞれ3μm程度薄くなった。また、変質部がエッチングされることによって、表面直径が9μm程度で深さが85μm程度で、直径がほとんど変わらないほぼ垂直の孔が形成された。
エッチング後のガラス断面の光学顕微鏡写真を図7に示す。図7の写真では、ガラス板の上面に2本の垂直な孔が形成されている。
[比較例1]
以下に、チタン含有シリケートガラス(厚さ:0.57mm、355nmにおける吸収係数:104cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。
以下に、チタン含有シリケートガラス(厚さ:0.57mm、355nmにおける吸収係数:104cm-1)を加工した一例について説明する。このガラスの成分比率を表2に示す。
レーザには、Nd:YAGレーザ装置(PhotonicsIndustries社製)から出射される高
繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数20kHz)を用いた。レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅24ns、パワー800mW、ビーム径1mm)を、ビームエキスパンダーで6倍に広げ、焦点距離100mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は6mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.28mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、1000mm/sの速度でスキャンした。
繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数20kHz)を用いた。レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅24ns、パワー800mW、ビーム径1mm)を、ビームエキスパンダーで6倍に広げ、焦点距離100mmのfθレンズでガラス板の内部に集光させた。レンズに入射する際のビーム径は6mmであった。このとき、ガラス板の上面から物理長で0.28mmだけ離れた位置にレーザ光を集光させた。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、1000mm/sの速度でスキャンした。
レーザ光の照射によって、ガラス板の上面には、直径11μm程度の凹部が等間隔に形成された。しかし、実施例で観察されたような変質部は形成されなかった。
次に、38kHzの超音波を印加しながら室温の2.3%フッ酸にガラス板を5分間浸漬してエッチングを行った。エッチングによって表面の加工痕が少し大きくなったが、それ以外の変化は観察されなかった。比較例1のガラスのエッチングレートは0.5μm/分程度であった。
[実施例6]
この実施例では、サンプル1〜サンプル8までの8種類のガラス板を、波長266nmのレーザパルスで加工した一例について説明する。波長266nmにおけるサンプルの吸収係数を表3に示す。
この実施例では、サンプル1〜サンプル8までの8種類のガラス板を、波長266nmのレーザパルスで加工した一例について説明する。波長266nmにおけるサンプルの吸収係数を表3に示す。
サンプル1は、石英ガラスである。なお、上述の方法で測定した結果、サンプル1の吸収係数は、小数点以下第1位までの範囲ではゼロであった。サンプル3および5は、それぞれ、NHテクノグラス株式会社製のディスプレイパネル用ガラスNA32およびNA35である。サンプル4は、旭テクノグラス株式会社製のガラス基板である。サンプル6は、パイレックス(登録商標)である。サンプル8は、実施例1で用いたチタン含有シリケートガラスであり、その成分は表2に示される。サンプル2および7の組成を表4に示す。サンプル2は、アルミノシリケートガラスの1種として分類されるアルミノホウケイ酸ガラスである。サンプル7も、基本的にはアルミノホウケイ酸ガラスであるが、Tiを含むため、本明細書では、Ti含有シリケートガラスとして取り扱う(Tiを含有する各種シリケートガラスはTi含有シリケートガラスとして取り扱う)。
各サンプルにおけるヤング率は、以下のようであった。
サンプル1(石英ガラス):73GPa
サンプル2(シリケート):82GPa
サンプル3(NA32):71GPa
サンプル4(SW−YY):82GPa
サンプル5(NA35):70GPa
サンプル7(Ti含有シリケート):82GPa
サンプル1(石英ガラス):73GPa
サンプル2(シリケート):82GPa
サンプル3(NA32):71GPa
サンプル4(SW−YY):82GPa
サンプル5(NA35):70GPa
サンプル7(Ti含有シリケート):82GPa
上記サンプル1〜8のガラスに、波長266nmのレーザパルス(パルス幅:3.5ns)を照射した。
レーザパルスの照射によって、サンプル1〜6に変質部が形成できた。特にサンプル2および4には、明瞭に変質部を形成できた。一方、波長266nmにおける吸収係数が50cm-1を超えるサンプル7および8には、変質部は形成できなかった。
変質部が形成されたサンプル1〜6のガラスについて、2.3%フッ酸に10〜30分間浸漬した。その結果、いずれのサンプルにも、細孔を形成できた。
[実施例7]
実施例6のサンプル3のガラス(NA32、355nmにおける吸収係数:0.2)、サンプル4のガラス(SW−YY、355nmにおける吸収係数:0.4)および以下の表5に示す組成を有するサンプル9のガラス(355nmにおける吸収係数:10.9)に対して、実施例4と同様の方法で、変質部の形成およびエッチングを行った。その結果、いずれのガラスにも細孔を形成できた。なお、サンプル9のヤング率は、87GPaであった。
実施例6のサンプル3のガラス(NA32、355nmにおける吸収係数:0.2)、サンプル4のガラス(SW−YY、355nmにおける吸収係数:0.4)および以下の表5に示す組成を有するサンプル9のガラス(355nmにおける吸収係数:10.9)に対して、実施例4と同様の方法で、変質部の形成およびエッチングを行った。その結果、いずれのガラスにも細孔を形成できた。なお、サンプル9のヤング率は、87GPaであった。
[実施例8]
実施例1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長355nmのレーザパルス(パルス幅:25ns)を照射した。
実施例1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長355nmのレーザパルス(パルス幅:25ns)を照射した。
[実施例9]
実施例1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長355nmのレーザパルス(パルス幅:25ns)を照射し、変質部を形成した。次に、変質部が形成されたガラスを、様々なエッチング液に浸漬した。その結果、10%硫酸水溶液、10%硝酸水溶液、10%塩酸のいずれのエッチング液を用いた場合でも、変質部を除去して細孔を形成できた。実験に使用した10%硫酸水溶液は、60%硫酸水溶液(双葉化学薬品社製)を純水で薄めることによって作製した。10%塩酸は、35%塩酸を純水で薄めることによって作製した。
実施例1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長355nmのレーザパルス(パルス幅:25ns)を照射し、変質部を形成した。次に、変質部が形成されたガラスを、様々なエッチング液に浸漬した。その結果、10%硫酸水溶液、10%硝酸水溶液、10%塩酸のいずれのエッチング液を用いた場合でも、変質部を除去して細孔を形成できた。実験に使用した10%硫酸水溶液は、60%硫酸水溶液(双葉化学薬品社製)を純水で薄めることによって作製した。10%塩酸は、35%塩酸を純水で薄めることによって作製した。
[実施例10]
実施例1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長355nmのレーザパルス(パルス幅:25ns)を照射し、変質部を形成した。このとき、複数のパルスを、隣接するように線状に照射した。レーザパルスの照射によって、図5(a)および(b)に示すように配置された変質部を形成した。
実施例1のチタン含有シリケートガラスに対して、波長355nmのレーザパルス(パルス幅:25ns)を照射し、変質部を形成した。このとき、複数のパルスを、隣接するように線状に照射した。レーザパルスの照射によって、図5(a)および(b)に示すように配置された変質部を形成した。
次に、変質部が形成された側の表面から100μm程度まで、研磨によって除去した。次に、10%硫酸水溶液によって3時間エッチングした。エッチングによって、幅が約8μmで深さが約100μmの溝を作製できた。この溝の[深さ/幅]の値は、10以上であった。この溝を上方から撮影した走査型電子顕微鏡写真を図8に示す。
[実施例11]
この実施例では、ガラスの外部にレーザパルスを集光させて変質部を形成した。
この実施例では、ガラスの外部にレーザパルスを集光させて変質部を形成した。
まず、実施例1のチタン含有シリケートガラス(厚さ:0.3mm)に対して、Nd:YAGレーザ装置(Coherent社製AVIA355)から出射される高繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数25kHz)を照射した。具体的には、レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅<30ns、パワー:5W、ビーム径:3.5mm)に対して、アッティネータによる出力の調整、ビームエキスパンダーによるビーム径の拡大(3倍)、アパーチャー(経路の直径7mm)によるビームの切り取り、焦点距離100mmのfθレンズによる集光、を行った。fθレンズに入射する際のビーム径は7mmであった。fθレンズによって。レーザパルスをガラス板の裏面の外側に集光するように、ガラス板を配置した。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、3750mm/sの速度でスキャンした。fθレンズを通った後のレーザパルスのエネルギーを測定すると、60μJ/パルスであった。
レーザ光の照射によって、ガラス板の上面(レーザパルス入射側の面)には、直径7mm程度の凹部が等間隔で形成された。裏面には、直径3mm程度の凹部が形成されていた。また、レーザ光が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、太さがほとんど変わらない円柱状に形成されており、ガラス板の上面から裏面にで到達していた。
次に、38kHzの超音波を印加しながら、30℃の0.5%フッ酸にガラス板を浸漬してエッチングを行った。実験に使用したフッ酸は、0.5%フッ酸(松野園製薬所製)を純水で薄めることによって作製した。エッチングによって、ガラス板の上面および裏面が、それぞれ30μm程度薄くなった。また、変質部がエッチングされることによって、貫通孔が形成された。ガラス板の上面および裏面における貫通孔の直径はともに50μm程度であった。
[実施例12]
この実施例では、ガラスの外部にレーザパルスを集光させて変質部を形成した。
この実施例では、ガラスの外部にレーザパルスを集光させて変質部を形成した。
まず、表6に示す組成を有するガラス(厚さ:0.75mm、355nmにおける吸収係数:5.4cm-1)に対して、Nd:YAGレーザ装置(Coherent社製AVIA355)から出射される高繰り返しパルスレーザ(波長355nm、繰り返し周波数10kHz)を照射した。具体的には、レーザ装置から出射されたレーザパルス(パルス幅<30ns、パワー:2W、ビーム径:3.5mm)に対して、アッティネータによる出力の調整、ビームエキスパンダーによるビーム径の拡大(3倍)、アパーチャー(経路の直径11mm)によるビームの切り取り、焦点距離100mmのfθレンズにより集光した。fθレンズに入射する際のビーム径は11mmであった。fθレンズによってレーザパルスをガラス板の裏面の外側に集光するように、ガラス板を配置した。照射パルスが重ならないように、レーザ光を、3750mm/sの速度でスキャンした。fθレンズを通った後のレーザパルスのエネルギーを測定すると、160μJ/パルスであった。
なお、実施例12のガラスのヤング率は、85GPaであった。
なお、実施例12のガラスのヤング率は、85GPaであった。
レーザ光の照射によって、ガラス板の上面(レーザパルス入射側の面)には、直径10mm程度の凹部が等間隔で形成された。裏面には、直径3mm程度の凹部が形成されていた。また、レーザ光が照射された部分には、他の部分とは異なる変質部が形成されていた。変質部は、太さがほとんど変わらない円柱状に形成されており、ガラス板の上面から裏面にまで到達していた。
次に、38kHzの超音波を印加しながら、30℃の4.5%フッ酸にガラス板を浸漬してエッチングを行った。実験には、4.5%フッ酸(松野園製薬所製)を使用した。エッチングによって、ガラス板の上面および裏面が、それぞれ230μm程度薄くなった。また、変質部がエッチングされることによって、貫通孔が形成された。ガラス板の上面および裏面における貫通孔の直径はともに340μm程度であった。
本発明の加工方法によれば、様々なガラスに微細な孔を簡単に形成できる。この加工方法は、配線用の基板、エマルション作製用の貫通孔を含むフィルター、インクジェットプリンタのプリンタヘッド、光ファイバのアライメント用治具などの形成に利用できる。
特に、図1(b)に示した断面の微細な孔を有するガラス基板では、テーパのついた部分がガイドとして機能し、光ファイバのアライメント用治具として、有用である。
11 レーザパルス
12 ガラス板
13 変質部
14 貫通孔
15 保護膜
16 孔
61 レーザ装置
62 アッティネータ
63 ビームエキスパンダー
64 アイリス
65 ガルバノミラー
66 fθレンズ
67 ステージ
68 ガラス板
12 ガラス板
13 変質部
14 貫通孔
15 保護膜
16 孔
61 レーザ装置
62 アッティネータ
63 ビームエキスパンダー
64 アイリス
65 ガルバノミラー
66 fθレンズ
67 ステージ
68 ガラス板
Claims (20)
- (i)波長λのレーザパルスをレンズで集光してガラスに照射することによって、前記ガラスのうち前記レーザパルスが照射された部分に変質部を形成する工程と、
(ii)前記ガラスに対するエッチングレートよりも前記変質部に対するエッチングレートが大きいエッチング液を用いて少なくとも前記変質部をエッチングすることにより前記ガラスに孔を形成する工程とを含み、
前記レーザパルスのパルス幅が1ns〜200nsの範囲にあり、
前記波長λが535nm以下であり、
前記波長λにおける前記ガラスの吸収係数が50cm-1以下であり、
前記レンズの焦点距離L(mm)を、前記レンズに入射する際の前記レーザパルスのビーム径D(mm)で除した値が7以上である、ガラスの加工方法。 - 前記波長λが360nm以下である請求項1に記載の加工方法。
- 前記レーザパルスが、Nd:YAGレーザの高調波、Nd:YVO4レーザの高調波、またはNd:YLFレーザの高調波である請求項1に記載の加工方法。
- 前記エッチング液が、フッ化水素の水溶液である請求項1に記載の加工方法。
- 前記エッチング液が、硫酸の水溶液、硝酸の水溶液または塩化水素の水溶液である請求項1に記載の加工方法。
- 前記(i)の工程において、前記レーザパルスが、前記ガラスの裏面から後方1.0mm以内の距離にある位置または前記ガラスの内部にフォーカスされる請求項1に記載の加工方法。
- 前記ガラスが、銀、金および銅を実質的に含まない請求項1に記載の加工方法。
- 前記ガラスが、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、ソーダライムガラスまたはチタン含有シリケートガラスである請求項1に記載の加工方法。
- 前記ガラスが、着色成分として、Bi、W、Mo、Ce、Co、Fe、Mn、Cr、VおよびTiから選ばれる金属の酸化物を少なくとも1種含む請求項1に記載の加工方法。
- 前記孔が、貫通孔である請求項1に記載の加工方法。
- 前記(i)の工程において複数の変質部を形成し、
前記(ii)の工程において前記複数の変質部を含む部分をエッチングして前記部分を孔とする、請求項1に記載の加工方法。 - 前記(i)の工程において、前記複数の変質部を、当該複数の変質部が前記ガラスの表面において互いに離間しつつ線状に配置されるように形成し、
前記(ii)の工程におけるエッチングにより、前記孔として溝を形成する、請求項11に記載の加工方法。 - ガラスに孔を形成するために前記ガラスにレーザを照射するガラスの加工装置であって、
パルス幅が1ns〜200nsであり波長λのレーザパルスを出射する光源と、
前記レーザパルスを集光して前記ガラスに照射するためのレンズとを含み、
前記波長λが535nm以下であり、
前記レンズの焦点距離L(mm)を、前記レンズに入射する際の前記レーザパルスのビーム径D(mm)で除した値が7以上である、加工装置。 - 溝を有するガラス板であって、
前記溝が、請求項12に記載の加工方法により形成しうる形状を有し、
前記溝が部分的に幅の狭い箇所を有する、ガラス板。 - 溝を有するガラス板であって、
前記溝が、請求項12に記載の加工方法により形成しうる形状を有し、
前記溝の[深さ/幅]の値が5以上である、ガラス板。 - 前記溝の[深さ/幅]の値が10以上である、請求項15に記載のガラス板。
- 銀、金および銅を実質的に含まないガラスからなる請求項15に記載のガラス板。
- 石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、ソーダライムガラスまたはチタン含有シリケートガラスからなる請求項15に記載のガラス板。
- 前記溝の幅が500μm以下である請求項15に記載のガラス板。
- 前記溝の幅が100μm以下である請求項15に記載のガラス板。
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