JP4576332B2 - ガラス基材の加工方法及び応力印加装置 - Google Patents
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Description
ところで、上記特許文献に提案されている加工方法のように、ガラス基材に外力を印加して圧縮層を形成し、その圧縮層と非圧縮層とのエッチングレートの違いを利用してガラス基材表面に凹凸を形成する加工方法では、その圧縮層を形成した際に、ガラス基材にクラックが生じていないことが前提とされている。
この発明によれば、ガラス基材が加熱昇温された状態で比較的小さな外力が印加され冷却されることで圧縮応力部を形成するようになるので、外力が印加された際にクラックが生じる虞は無く、圧縮応力部を形成した際のクラックの発生をより高い確率で防止することができる。
この発明によれば、無機材料からなる薄膜が加熱昇温された状態で比較的小さな外力が印加され冷却されることで圧縮応力部を形成するようになるので、外力が印加された際にクラックが生じる虞は無く、圧縮応力部を形成した際のクラックの発生をより高い確率で防止することができる。
この発明によれば、そのエッチング処理として、再現性及び均一性に優れた、例えばイオンエッチング等のエッチング処理が行われることによって、薄膜表面に形成されている凹凸をガラス基材表面にそのまま反映させることが可能になる。よって、ガラス基材表面に形成させる凹凸を考慮した圧縮応力部を薄膜に形成させるようにすることで、所望の凹凸をガラス基材表面に形成させることが可能になる。本態様は、例えば、ガラス基材が圧縮応力部を形成困難なものである場合等に有効である。
この発明によれば、ガラス基材表面に、ガラス基材のみからなる突起、或いはガラス基材と薄膜からなる突起が形成されるようになる。
この発明によれば、薄膜よりもガラス基材の方が速くエッチングされるようになるので、例えば、ガラス基材表面に高アスペクト比形状の突起を形成することができる。
この発明によれば、成形型の形状に応じた立体的な圧縮応力部を形成するようになるので、加工後のガラス基材として立体形状物を得ることができる。
この発明によれば、より簡易な構成によりガラス基材またはガラス基材上に成膜された薄膜への熱及び外力の印加が可能になる。
この発明によれば、ガラス基材または薄膜に熱及び外力を印加させた際、圧縮応力部を形成するガラス基材または薄膜の硬度は室温時のそれよりも下がる。このときのガラス基材または薄膜の硬度より高い硬度の材質の成形型によりガラス基材の表面あるいは薄膜の表面に圧縮応力部を形成することで、比較的小さな荷重で圧縮応力部を形成することができるため、クラックの発生をさらに高い確率で防止することが可能になる。また、成形型の摩耗、損傷を抑制することが可能になる。
この発明によれば、圧子を押圧した箇所に圧縮応力部が形成されるので、加工後のガラス基材として所望の形状物を得ることができる。
この発明によれば、より簡易な構成によりガラス基材への熱及び外力の印加が可能になる。
この発明によれば、圧子を押圧掃引することによって、外力が印加されるため、圧縮応力部を形成した際のクラックの発生を高い確率で防止することができ、所望の形状の圧縮応力部を容易に形成することができる。
この発明によれば、圧子の先端が球の一部分をなす形状とすることにより、ガラス基材の表面または薄膜表面に圧子が押圧された際、圧子とガラス基材の表面または薄膜表面との接触面積を確保することができるため、ガラス基材の表面または薄膜表面に加わる圧力の制御が容易になる。
この発明によれば、圧子の先端形状をナイフエッジ状とすることにより、一定の方向に容易に圧子を掃引することができる。
この発明によれば、ガラス基材の表面または薄膜表面に一回の押圧操作で複数の凸部を作製することができる。
この発明によれば、ガラス基材または薄膜に熱及び外力を印加させた際のガラス基材または薄膜の硬度より高い硬度の材質の圧子によりガラス基材の表面あるいは薄膜の表面に圧縮応力部を形成することで、比較的小さな荷重で圧縮応力部を形成することができるため、クラックの発生をさらに高い確率で防止することが可能になる。また、圧子の摩耗、損傷を抑制することが可能になる。
この発明によれば、径や材質の異なる粒子を選択することで、粒子の特性に応じて圧縮応力部を形成することが可能となる。
この発明によれば、より簡易な構成によりガラス基材への熱及び外力の印加が可能になる。
この発明によれば、ガラス基材の表面または薄膜表面に、所望の形状となるように選択的に粒子を衝突させることにより、圧縮応力部の形状を所望の形状にすることが可能となる。
この発明によれば、ガラス基材または薄膜に熱及び外力を印加させた際のガラス基材または薄膜の硬度より高い硬度の材質の粒子によりガラス基材の表面あるいは薄膜の表面に圧縮応力部を形成することで、比較的小さな荷重で圧縮応力部を形成することができるため、クラックの発生をさらに高い確率で防止することが可能になる。
この発明によれば、制御部により、駆動手段を制御して、圧子とガラス基材とを相対的に移動させて、圧子を押圧または押圧掃引することで、ガラス基材または薄膜に所望の形状となるように外力を印加させる。このとき、加熱源によりガラス基材の表面または薄膜の表面と圧子との少なくとも一方が加熱されているため、良好な圧縮応力部を形成することが可能となる。
この発明によれば、制御部により、駆動手段を制御して、成形型とガラス基材とを相対的に移動させて、成形型を押圧することで、ガラス基材または薄膜に所望の形状となるように外力を印加させる。このとき、加熱源によりガラス基材の表面または薄膜の表面と成形型との少なくとも一方が加熱されているため、良好な圧縮応力部を形成することが可能となる。
この発明によれば、制御部により、駆動手段を制御して、粒子射出手段とガラス基材とを相対的に移動させて、粒子射出手段から粒子を射出することで、ガラス基材または薄膜に所望の形状となるように外力を印加させる。このとき、加熱源によりガラス基材の表面または薄膜の表面と粒子との少なくとも一方が加熱されているため、良好な圧縮応力部を形成することが可能となる。
この発明によれば、不活性ガス雰囲気で、ガラス基材に外力を印加することで、圧子、成形型、粒子射出手段および応力印加装置を構成するその他の部材の酸化を防止することができ、さらに良好な圧縮応力部を形成することが可能となる。
図2A,図2B,図2C,図2D,図2Eは、本発明の第二の実施の形態に係る、ガラス基材表面に凹凸を形成する工程の一例を説明する図である。
図3は本発明の第三の実施の形態に係る、応力印加装置の全体を示す概略図である。
図4は図3の応力印加装置に用いられる圧子の先端部を示す平面図である。
図5は図3の応力印加装置に用いられるガラス基材の表面に圧子を掃引している状態を示す斜視図である。
図6は本発明の第三の実施の形態により形成された加工ガラス製品を示す斜視図である。
図7は本発明の第一、第二、第三の実施の形態に用いられる圧子の形状の他の例を示す平面図である。
図8は本発明の第一、第二、第三の実施の形態においてガラス基材に圧子を押圧したときの状態を示す斜視図である。
図9は本発明の第一、第二、第三の実施の形態においてガラス基材に成形型を押圧することにより形成される加工ガラス製品の一例を示す斜視図である。
図10は本発明の第一、第二、第三の実施の形態においてガラス基材に粒子を衝突させている状態を示す側面図である。
図11は石英基板に成膜されている薄膜層の表面及びその近傍に圧縮応力部を形成するための装置の一例を示した図である。
図12は本発明の第一、第二、第三の実施の形態をマイクロ化学システム用チップ部材に適用したときの一例を示す斜視図である。
図13は図12のマイクロ化学システム用チップ部材の流路の変形例を示す斜視図である。
図1A,図1B,図1C,図1D,図1E,図1Fは、本発明の第一の実施の形態に係る、ガラス基材表面に凹凸を形成する工程の一例を説明する図である。
本実施形態は、加工対象となるガラス基材が、プレス成形困難なものである場合等に好適なものである。このようなガラス基材としては、熱膨張が小さく高い透明性を有する結晶化ガラスや石英ガラス、アサーマルガラス等がある。尚、ガラスのプレス成形とは、ガラスを加熱軟化させた後に、所望の形状に加工した成形型で押圧して形状を転写させ、その後冷却してガラスを固化し、所望の形状のガラスを得る方法をいう。よって、プレス成形困難なものの中には、前述のような熱及び外力を印加し冷却することで圧縮応力部を形成することが困難なもの等も含まれる。
このような結晶化ガラス表面に凹凸を形成させるため、まず、図2Aに示したように、結晶化ガラス11上に、加工層となる無機材料からなる薄膜である応力印加用膜12を成膜する。この応力印加用膜12は、前述のような熱及び外力を印加し冷却することでエッチングレートが他の部分と異なる圧縮応力部を形成可能なものであって、例えば、前述の第一の実施の形態において加工対象となったガラス基材1等である。
応力印加用膜12が昇温されると、続いて、成形型14を降下して成形型14を応力印加用膜12に押圧する。これにより、応力印加用膜12の表面及びその近傍に、成形型14の形状に応じた、昇温した状態の圧縮応力部が形成される。
続いて、このようにして圧縮応力部が形成された応力印加用膜12に対し酸性液による化学的エッチング処理を行う。これにより、他の部分よりもエッチングレートが低い圧縮応力部は他の部分よりもエッチングされ難くなり、圧縮応力部が凸部となって残存するようになって、図2Cに示したように、応力印加用膜12の表面に凹凸が形成される。
本実施形態に係る応力印加装置30は、図3に示すように、チャンバ31内に、ガラス基材1の表面に、圧縮応力部が所望の形状となるように押圧あるいは押圧掃引で外力を印加する圧子2と、ガラス基材1の裏面に接触し、ガラス基材1を加熱する基板加熱装置(加熱源)32と、ガラス基材1が載置された基板加熱装置32を可動させる可動ステージ(駆動手段)33と、制御装置(制御部)34とを備えている。
まず、ガス供給装置37により、チャンバ31内に不活性ガスを導入する。そして、制御装置34により、基板加熱装置32及び圧子加熱装置35を300℃に加熱させ、圧子可動機構36をZ軸方向に移動させて、ガラス基板1の表面に圧子2の先端を1μmを押し込む。圧子2を押し込んだ状態のまま、制御装置34により、所望形状となるように可動ステージ33をX軸及びY軸方向に移動させ、図5に示すように、ガラス基材1の表面に圧子2を掃引させ圧縮応力部3を形成する。圧縮応力部3を形成した後、制御装置34により、圧子2を上昇させる。そして、第1実施形態と同様に化学的エッチング処理を行うことにより、図6に示すように、断面が山形の尾根状凸部1aが形成される。なお、図5では簡単のために、圧縮応力部3を直線状とした。
本例においては、最終的に表面に凹凸を形成させるガラス基材として石英基板を用い、この石英基板への加工層となる薄膜(無機薄膜)の成膜は、Siターゲット上にAlプレートを適量配置し、酸素を適宜導入しながらRFスパッタリングを行う反応性スパッタリングにより行った。このときの成膜条件は、Siターゲット上に20mm×40mmのAlプレートを、SiとAlの面積比が略1:1になるように2枚配置し、Arガス導入量を20cm3/min、酸素ガス導入量を6cm3/min、スパッタ圧を0.2Pa、RFパワーを1kWとして、120分間成膜した。
続いて、このようにして石英基板に成膜された薄膜層に、圧縮応力部を形成させる工程に移る。尚、この薄膜層に圧縮応力部を形成しエッチング液による化学的エッチング処理によって薄膜層表面に凹凸を形成させる工程は、第一の実施の形態に係る工程に従ったものでもある。
図11に示した装置では、石英管21等で構成された成形室内を窒素雰囲気とし、薄膜層22が形成された石英基板23が下型24上に載置され、ランプヒーター25によって成形室内の温度が上昇或いは下降することによって薄膜層22への加熱或いは冷却が行われるようになっている。また、圧子26の押圧面は、外径φ2.0mm、内径φ1.95mmの円環形状を有している。
Claims (23)
- ガラス基材に外力を印加し、前記ガラス基材の表面及びその近傍に、使用するエッチング液に対するエッチングレートが他の部分と異なる圧縮応力部を形成し、該圧縮応力部を形成した前記ガラス基材に対し前記エッチング液による化学的処理を行って、前記ガラス基材表面に凹凸を形成するガラス基材の加工方法であって、
前記ガラス基材を直接に加熱昇温することによって、または加熱された圧力媒体によって、前記ガラス基材を加熱昇温された状態で前記外力を印加し、その後冷却することを特徴とするガラス基材の加工方法。 - ガラス基材に外力を印加し、前記ガラス基材の表面及びその近傍に、使用するエッチング液に対するエッチングレートが他の部分と異なる圧縮応力部を形成し、該圧縮応力部を形成した前記ガラス基材に対し前記エッチング液による化学的処理を行って、前記ガラス基材表面に凹凸を形成するガラス基材の加工方法であって、
前記ガラス基材上には、前記外力を印加するより前に1層以上の無機材料からなる薄膜を成膜し、前記薄膜を直接に加熱昇温することによって、または加熱された圧力媒体によって、前記薄膜を加熱昇温された状態で前記外力を印加し、その後冷却することを特徴とするガラス基材の加工方法。 - 前記凹凸を表面に形成した薄膜が成膜されている前記ガラス基材に対しエッチング処理を行って、前記ガラス基材表面に凹凸を形成する、
ことを特徴とする請求項2記載のガラス基材の加工方法。 - 前記ガラス基材表面に形成した凸部は、前記ガラス基材、又は前記ガラス基材及び前記薄膜からなる、
ことを特徴とする請求項3記載のガラス基材の加工方法。 - 前記ガラス基材として、前記薄膜よりもエッチングレートの高いものを使用する、
ことを特徴とする請求項4記載のガラス基材の加工方法。 - 所望の形状の成形型を押圧することによって前記外力を印加する、
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - 加熱された前記成形型を押圧することによって前記熱及び外力を印加する、
ことを特徴とする請求項6に記載のガラス基材の加工方法。 - 前記成形型の材質を、前記熱及び外力が印加された前記ガラス基材部分または前記ガラス基材上に成膜された薄膜の材質よりも高硬度材質とした、
ことを特徴とする請求項6または請求項7に記載のガラス基材の加工方法。 - 圧子を押圧することによって前記外力を印加する、
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - 加熱された前記圧子を押圧することによって前記熱及び外力を印加する、
ことを特徴とする請求項9に記載のガラス基材の加工方法。 - 前記圧子を押圧掃引することによって前記外力を印加する、
ことを特徴とする請求項9または請求項10に記載のガラス基材の加工方法。 - 前記圧子の先端を球の一部分をなす形状とした、
ことを特徴とする請求項9乃至11の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - 前記圧子の先端形状をナイフエッジ状とした、
ことを特徴とする請求項9乃至11の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - 前記圧子を複数備える、
ことを特徴とする請求項9乃至13の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - 前記圧子の材質を、前記熱及び外力が印加された前記ガラス基材部分または前記ガラス基材上に成膜された薄膜の材質よりも高硬度材質とした、
ことを特徴とする請求項9乃至14の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - 粒子を衝突させることによって前記外力を印加する、
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - 加熱された前記粒子を衝突させることによって前記熱及び外力を印加する、
ことを特徴とする請求項16に記載のガラス基材の加工方法。 - 前記圧縮応力部が所望の形状となるように前記粒子を制御して衝突させる、
ことを特徴とする請求項16または請求項17に記載のガラス基材の加工方法。 - 前記粒子の材質を、前記熱及び外力が印加された前記ガラス基材部分または前記ガラス基材上に成膜された薄膜の材質よりも高硬度材質とした、
ことを特徴とする請求項16乃至18の何れか一項記載のガラス基材の加工方法。 - ガラス基材の表面または前記ガラス基材上に成膜された薄膜に、圧縮応力部が所望の形状となるように押圧あるいは押圧掃引で外力を印加する圧子と、
前記ガラス基材の表面または前記薄膜の表面と前記圧子との少なくとも一方を加熱する加熱源と、
前記圧子と前記ガラス基材の少なくとも一方を移動させる駆動手段と、
前記駆動手段及び前記加熱源を制御する制御部とを備える、
ことを特徴とする応力印加装置。 - ガラス基材の表面または前記ガラス基材上に成膜された薄膜に、圧縮応力部が所望の形状となるように押圧で外力を印加する成形型と、
前記ガラス基材の表面または前記薄膜の表面と前記成形型との少なくとも一方を加熱する加熱源と、
前記成形型と前記ガラス基材の少なくとも一方を移動させる駆動手段と、
前記駆動手段及び前記加熱源を制御する制御部とを備える、
ことを特徴とする応力印加装置。 - ガラス基材の表面または前記ガラス基材上に成膜された薄膜に、圧縮応力部が所望の形状となるように粒子を射出するための粒子射出手段と、
前記ガラス基材の表面または前記薄膜の表面と前記粒子との少なくとも一方を加熱する加熱源と、
前記粒子射出手段と前記ガラス基材の少なくとも一方を移動させる駆動手段と、
前記駆動手段及び前記加熱源を制御する制御部とを備える、
ことを特徴とする応力印加装置。 - 前記ガラス基材が収納されたチャンバ内に不活性ガスを供給するガス供給手段を備える、
ことを特徴とする請求項20乃至22の何れか一項記載の応力印加装置。
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