JP5906198B2 - 微細孔を有する基体の製造方法、及び基体 - Google Patents
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Description
第1番目の方法として、フォトリソグラフィ技術を用いた微細構造の形成方法があげられる。まず材料の表面にマスクを形成し、その後ウェットエッチング若しくはドライエッチングを行うことによって、基板表面に微細構造を形成する方法である(特許文献1参照)。
前記第一のレーザー光を用いて、基板内に微細孔が形成される領域を含む領域に、径がナノオーダーの第一改質部および第二改質部(エッチングによってナノオーダーの径を有する微細孔に対応する)を形成し、前記第二のレーザー光を用いて、周期構造が形成される領域に第三改質部および第四改質部を形成し、前記エッチングで、前記第一改質部および前記第三改質部を基板内から除去することによって、基板内に、孔径がナノオーダーの孔径を有するとともに微細な周期構造を備えた微細孔を形成できる。
前記第一改質部および第二改質部を構成する各々の第二部分の改質の状態をエッチング選択性が無い状態にして(改質の履歴を消去して)、前記第一改質部を構成する前記第一部分および前記第二改質部を構成する第一部分のエッチング選択性を残すことによって、微細孔が形成される第一改質部の径、及び前記第二改質部の径、をより小さくした改質部(前記第一部分)を形成できる。その結果、微細孔の孔径を、周期構造を形成しなかった場合よりも、小さくすることができる。つまり、微細な周期構造を備えた、孔径のより小さいナノオーダーの微細孔を形成することができる。
前記周期的な改質群を構成する第三改質部および第四改質部の各々と局所的に重なるように、或いは、接するように、前記第一改質部および第二改質部を形成する際、先に形成されている前記周期的な改質群によって、前記第一改質部および第二改質部の形成が部分的に妨げられる。これを利用して、前記第一改質部の径および第二改質部の径を、より小さくした改質部を形成できる。その結果、微細孔の孔径を、周期構造を形成しなかった場合よりも、小さくすることができる。つまり、微細な周期構造を備えた、孔径のより小さいナノオーダーの微細孔を形成することができる。
走査方向及び偏波方向によって規定される角度を上記範囲内になるように調整することによって、前記第一改質部の径および第二改質部の径がナノオーダーとなるように、第一改質部及び第二改質を容易に形成することができる。
本発明の第一態様の基体の製造方法においては、前記第二のレーザー光の走査方向と、前記第二のレーザー光の偏波方向とのなす角は、0°以上88°以下であることが好ましい。
走査方向及び偏波方向によって規定される角度を上記範囲内になるように調整することによって、前記第三改質部および第四改質部を前記第一改質部および第二改質部に対して交差させて形成できる。また、周期的な改質群を構成する前記第三改質部および第四改質部を、ナノオーダー又はサブミクロンオーダー程度の周期で容易に形成することができる。
本発明の第一態様の基体の製造方法においては、前記改質群を、前記第一改質部および第二改質部の長手方向に沿うように形成することが好ましい。
前記第一改質部および第二改質部の長手方向に沿うように、前記周期的な改質群を形成することによって、微細孔の長手方向に沿った周期構造を形成できる。
前記微細孔の長手方向に沿って周期構造が形成されているため、前記微細孔内に流体を流通させた場合、前記流体は周期構造内に流入する。
本発明の第二態様の基体においては、前記周期構造には、前記微細孔の内壁に開口している開口部を有する複数の微細な凹部が配列されていることが好ましい。
前記微細孔の長手方向に沿って、前記複数の微細な凹部が配列する周期構造が形成されているため、前記微細孔内に流体を流通させた場合、前記流体は周期構造を構成する各凹部の内部に流入する。
本発明の第二態様の基体においては、前記凹部同士の間隔は、0.05μm〜1.2μmの範囲であることが好ましい。
上記範囲となるように間隔を規定することによって、前記周期構造を構成する各凹部の構造的強度を維持しつつ、ナノオーダー若しくはサブミクロンオーダーで、極めて微細な周期構造が実現できる。
本発明の第三態様の基体は、基体の内部に設けられ、互いに平行に配置された複数の微細孔と、前記複数の微細孔の長手方向に沿って形成された微細な周期構造とを備える。
前記複数の微細孔の長手方向に沿って周期構造が形成されているため、前記微細孔内に流体を流通させた場合、前記流体は周期構造内に流入する。
本発明の第三態様においては、前記周期構造には、前記複数の微細孔を連結する、複数の微細貫通孔が配列されていることが好ましい。
前記複数の微細貫通孔が前記複数の微細孔を連結するように(連通するように)形成されているため、一方の微細孔(第一微細孔)から他方の微細孔(第二微細孔)へ、前記微細貫通孔を通じて、流体を流通させることができる。
本発明の第三態様においては、前記微細貫通孔同士の間隔は、0.05μm〜1.2μmの範囲であることが好ましい。
間隔が上記範囲となるように微細貫通孔を形成することによって、前記周期構造を構成する各微細貫通孔の構造的強度を維持しつつ、ナノオーダーもしくはサブミクロンオーダで、極めて微細な周期構造が実現できる。
また、本発明の基体によれば、基体表面に開口する前記微細孔の開口部(微細孔の第一端部)において、微粒子を吸着することができる。すなわち、微細孔の第二端部に吸引装置を設置して、微細孔の孔径よりも大きな微粒子を含む流体を、微細孔の第一端部から内部に吸引すると、微細孔の孔径よりも大きな微粒子は微細孔内に入れないため、微細孔の第一端部において、微粒子が捕捉される。本発明の微細孔には前記周期構造が形成されているため、微細孔の第一端部の孔径が、従来の微細孔の孔径より小さくなっている。この第一端部において、微粒子を吸着した場合、単一の微粒子を吸着することができる。つまり、第一端部において、複数の微粒子を同時に捕捉してしまう恐れが少ない。したがって、捕捉した微粒子の測定若しくは観察等の実験を容易に行うことができる。
<<微細孔を有する基体>>
[基体10A]
図1は、本発明にかかる微細孔を有する基体(以下では、単に「基体」と呼ぶ。)の一例である基体10Aの斜視図である。図2Aは、図1の微細孔1に沿う断面(微細孔1の従断面)を示す模式図である。図2Bは、図2AのA−A線に沿う断面の模式図である。図2Cは、図2AのB−B線に沿う断面の模式図である。図3は、図2Aの凹部3を拡大した模式図である。
微細孔1の開口部の断面形状が鍵穴形状である場合、鍵穴形状の矩形部分は、上記略矩形の例示と同じサイズで良い。前記鍵穴形状の略楕円部分のサイズは、例えば、短径が好適には0.05μm〜50μm、より好適には0.05μm〜5μm、更に好適には0.05〜3μmであり、長径が好適には0.1μm〜100μm、より好適には0.1μm〜20μm、更に好適には0.1〜10μm、特に好適には0.1〜5μmである。基体10Aの用途に応じて、これらのサイズを選択すればよい。
上記範囲の間隔であると、微細孔1の長手方向に沿って、微細孔1の孔径における短径と同程度の間隔で、複数の凹部3を周期的に高密度に形成することができる。これは、微細孔1の孔径における短径が、好適には、0.01μm(10nm)〜1μmであるためである。
また、間隔Rをサブミクロンオーダー(〜1μm)とすることによって、後述するように、周期構造2が形成された微細孔1を分子篩として利用できる。
上記範囲の下限値(即ち、0.01μm)未満であると、例えば、微細孔1内に流体を吸引した場合、その流体の流れの勢いによって、凹部3の側壁が折れて破損する恐れがある。また、製造時のエッチングにおいて、隣接する凹部3同士が融合してしまう恐れがある。事実上、上記範囲未満の間隔Rとなるように、周期構造2を歩留まり良く製造することは困難である。
周期構造2を構成する各凹部3の形状は、同一であっても良いし、異なっていても良い。
前記アスペクト比が前記範囲の上限値(即ち、500)よりも大きいと、例えば、微細孔1内に流体を吸引した場合、その流体の流れの勢いによって、凹部3の側壁が折れて破損する恐れがある。また、製造時のエッチングにおいて、隣接する凹部3同士が融合してしまう恐れがある。事実上、前記範囲を超えるアスペクト比となるように、凹部3を歩留まり良く製造することは困難である。
具体的には、微細孔1及び周期構造2の形成に使用する加工用レーザーの一般的な波長(0.1μm〜10μm)の、少なくとも一部を透過させる材料であることが好ましい。レーザー光を透過させる材料であると、後述するように、レーザー照射することにより、基材4の内部に改質部を形成することができる。
より具体的には、例えば非結晶性材料であるガラスや、結晶性材料であるシリコン、石英、サファイアなどが挙げられる。なかでも、非結晶性材料は、結晶方位による加工異方性の影響を受けにくいので好ましい。これらの材料を用いた場合、微細孔1の加工精度をさらに高めることができ、微細孔1の開口部の口径をナノオーダーで形成できる。
図4は、本発明にかかる基体の一例である、微細孔を有する基体10Bの斜視図である。図5Aは、図4の微細孔1に沿う断面(微細孔1の従断面)を示す模式図である。図5Bは、図5AのA−A線に沿う断面の模式図である。図5Cは、図5AのB−B線に沿う断面の模式図である。各図において、基体10Aと同様の構成には同じ符号を付した。
また、微細孔1の第一端部1aから微細孔1の中央付近まで、周期構造2が、形成されている。
図6は、本発明にかかる基体の一例である、微細孔を有する基体10Cの斜視図である。図7Aは、図6の微細孔1に沿う断面(微細孔1の従断面)を示す模式図である。図7Bは、図7AのA−A線に沿う断面の模式図である。図7Cは、図7AのB−B線に沿う断面の模式図である。各図において、基体10Aと同様の構成には同じ符号を付した。
図8は、本発明にかかる基体の一例である、微細孔を有する基体10Dの斜視図である。
図9Aは、図8の微細孔1,5に沿う断面(微細孔1,5の従断面)を示す模式図である。図9Bは、図9AのA−A線に沿う断面の模式図である。図9Cは、図9AのB−B線に沿う断面の模式図である。各図において、基体10Aと同様の構成には同じ符号を付した。
第一微細孔1および第二微細孔5の長手方向に沿って、微細な周期構造6が形成されている。周期構造6には、第一微細孔1と第二微細孔5との間を連結する(連通する)、複数の微細貫通孔7が配列されている。
前記開口部の断面形状が鍵穴形状である場合、前記鍵穴形状の矩形部分は、前記略矩形の断面形状について例示したサイズと同じサイズで形成できる。前記鍵穴形状の略楕円部分のサイズは、次のように形成できる。例えば、短径が好適には0.05μm〜50μm、より好適には0.05μm〜5μm、更に好適には0.05μm〜3μmであり、長径が好適には0.1μm〜100μm、より好適には0.1μm〜20μm、更に好適には0.1μm〜10μm、特に好適には0.1μm〜5μmである。基体10Aの用途に応じて、これらのサイズを選択すればよい。
上記範囲の間隔であると、微細孔1,5の長手方向に沿って微細孔1,5の孔径における短径と同程度の間隔で、周期的に形成された複数の微細貫通孔7を高密度に配置することができる。これは、微細孔1,5の孔径における短径が、好適には、0.01μm〜1μmであるためである。
また、間隔Rをサブミクロンオーダー(〜1μm)とすることによって、後述するように、周期構造6が形成された微細孔1を分子篩として利用できる。
上記範囲の下限値(即ち、0.01μm)未満であると、例えば、微細孔1,5内に流体を吸引した場合、その流体の流れの勢いによって、微細貫通孔7の側壁が折れて破損する恐れがある。また、製造時のエッチングにおいて、隣接する微細貫通孔7同士が融合してしまう恐れがある。事実上、上記範囲未満の周期Rとなるように、周期構造6を歩留まりよく製造することは困難である。
周期構造6を構成する各微細貫通孔7の形状は、同一であっても良いし、異なっていても良い。
上記アスペクト比が前記範囲の上限値(即ち、500)よりも大きいと、例えば、微細孔1内に流体を吸引した場合、その流体の流れの勢いによって、微細貫通孔7の側壁が折れて破損する恐れがある。また、製造時のエッチングにおいて、隣接する微細貫通孔7同士が融合してしまう恐れがある。事実上、上記範囲を超えるアスペクト比となるように、微細貫通孔7を歩留まり良く製造することは困難である。
図11は、本発明にかかる基体の一例である、微細孔を有する基体10Eの斜視図である。図12Aは、図11の微細孔1,5に沿う断面(微細孔1,5の従断面)を示す模式図である。図12Bは、図12AのA−A線に沿う断面の模式図である。図12Cは、図12AのB−B線に沿う断面の模式図である。各図において、基体10A,10Dと同様の構成には同じ符号を付した。
図13は、本発明にかかる基体の一例である、微細孔を有する基体10Fの斜視図である。図14Aは、図13の微細孔1,5,9に沿う断面(微細孔1,5,9の従断面)を示す模式図である。図14Bは、図14AのA−A線に沿う断面の模式図である。図14Cは、図14AのB−B線に沿う断面の模式図である。各図において、基体10Eと同様の構成には同じ符号を付した。
基材4の内部において、第三微細孔9は、第一微細孔1および第二微細孔5と平行に配置されている。第三微細孔9は、第一の開口部9a及び第二の開口部9bを、基材4の側面にそれぞれ有する。第三微細孔9の形状および孔径は、第一微細孔1又は第二微細孔5の形状および孔径と同じであっても良く、異なっていても良い。
微細貫通孔11及び第二の周期構造8の説明は、第一微細孔1と第二微細孔5との間を連結する、微細貫通孔7及び周期構造6(第一の周期構造6)の説明と同様である。
図15は、本発明にかかる基体の一例である、微細孔を有する基体10Gの斜視図である。図16Aは、図15の微細孔1,1’,1”に沿う断面(微細孔1’の従断面)を示す模式図である。図16Bは、図16AのA−A線に沿う断面の模式図である。図16Cは、図16AのB−B線に沿う断面の模式図である。各図において、基体10Aと同様の構成には同じ符号を付した。
各微細孔1,1’,1”は、基材4の平面方向において、互いに平行に配置されている。
各微細孔1,1’,1”は、第一の開口部1a,1a’,1a”及び第二の開口部1b,1b’,1b”を、基材4の側面にそれぞれ有する。
各微細孔1,1’,1”の形状および孔径は、互いに同じであっても良く、異なっていても良い。各微細孔1,1’,1”の形状および孔径の説明は、前述の基体10Aにおける微細孔1の説明と同様である。
一つの凹部3は、各微細孔1,1’,1”の各内壁に開口する三つの開口部を有する。
凹部3及び周期構造2の説明は、前述の基体10Aにおける凹部3及び周期構造2の説明と同様である。
図17は、本発明にかかる基体30の斜視図である。図18及び19は、図17のA−A線に沿う断面を示す模式図である。
前記微細孔21には、前述の周期構造が、その長手方向に沿って形成されている。しかし、図17〜21においては、前記周期構造は省略され、描かれていない。
前記単一の部材の材料として、例えばシリコン、ガラス、石英、サファイアなどが挙げられる。これらの材料は、微細孔21の加工性に優れるので好ましい。なかでも、結晶方位による加工異方性の影響を受けにくい非結晶質である方が好ましい。
顕微鏡などの光学装置によってトラップされた微粒子を観察するために、前記材料として、可視光線(波長0.36μm〜0.83μm)を透過させる、ガラス、石英、サファイアを用いることが好ましい。
具体的には、加工用レーザー光として使用される一般的な波長領域(0.1μm〜10μm)の、少なくとも一部領域の光を透過させることが好ましい。このようなレーザー光を透過させることによって、後述するように、前記部材にレーザー照射して改質部を形成することができる。
また、可視光領域(約0.36μm〜約0.83μm)の光を透過させる材料であることが、より好ましい。可視光領域の光を透過させる材料であることによって、捕捉した微粒子Tを、前記単一部材を透して光学的観察装置で容易に観察することができる。
なお、本発明における「透明」とは、前記部材に光を入射して、前記部材から透過光が得られる状態の全てをいう。
図17では、基材24を構成する単一の部材は透明なガラス基板である。
基体30が捕捉する微粒子Tとしては、流体Qに含まれることが可能な微粒子であれば特に制限されず、前記流路を流通することが可能な微粒子であることが好ましい。例えば、微生物、細胞、有機物質で構成される粒子、無機物質で構成される粒子等が挙げられる。前記微生物としては、細菌、真菌、黴、大型のウイルス等が例示できる。前記細胞としては、赤血球、白血球等の浮遊培養することが可能な細胞を例示できる。前記有機物質で構成される粒子としては、樹脂や多糖類等の高分子で構成される粒子、活性炭粒子等を例示できる。前記無機物質で構成する粒子としては、シリカ粒子や金コロイド粒子等の金属粒子を例示できる。
前記有機物質で構成される粒子、及び前記無機物質で構成される粒子は、その表面又は内部に抗体分子等を結合させた機能性粒子であってもよい。
前記有機物質で構成される粒子の形状、及び前記無機物質で構成される粒子の形状は、特に制限されない。例えば、球、立方体、直方体、多面体、ドーナッツ形の立体、ひも状の立体等、あらゆる立体形状の粒子が、前記微粒子に含まれる。
前記有機物質で構成される粒子、及び前記無機物質で構成される粒子の大きさは、前記吸着部を構成する微細孔の第一端部の開口径(短径)よりも大きければ、特に制限されない。
つまり、前記微細孔を通過する大きさでなければよい。
すなわち、微細孔21の開口部の形状は、矩形、三角形、楕円、又は円のいずれであってもよい。微細孔21の開口部の短径(最も短い口径)が0.02μm〜5μmの範囲であれば、微生物又は細胞等の微粒子Tを、吸着部Sにおいてトラップすることができる。細胞よりもサイズの小さい微生物に対しては、短径が0.02〜0.8μmの範囲が好ましい。
つまり、微細孔21の開口部の短径は、微粒子Tが微小吸引孔21を通り抜けることができない程度にすればよい。例えば赤血球細胞(6〜8μm)をトラップする場合には、前記短径を1μm程度にすればよく、納豆菌(枯草菌;0.7〜2μm)をトラップする場合には、前記短径を0.2μm程度にすればよい。
上記範囲の下限値(即ち、0.02μm)未満であると、吸着部Sの吸引力が弱すぎて微粒子Tをトラップすることができない恐れがある。上記範囲の上限値(即ち、2μm)超であると、微粒子Tが、微細孔21を通り抜けてしまい、トラップできない恐れがある。
前記孔の長径(最も長い口径)のサイズは、トラップする微粒子Tの大きさによって適宜調整すればよく、例えば0.2μm〜10μmの範囲が挙げられる。
微細孔21が基体30に複数形成されていてもよいことは、前述の基体10A〜10Gで説明した通りである。各々の微細孔21において、吸着部Sが各々備わるため、複数の微粒子Tをトラップすることができる。
第二流路23の上流側には、微細孔21の第二端部21bが開口している。第二流路23の下流側には、第二流路23の内部を減圧することが可能なシリンジやポンプ等の減圧装置が備えられている(不図示)。したがって、第一流路22の上流側F1から、第一流路22の下流側F2へ流入(流通)された流体Qの一部が、第二流路23の内部を減圧することによって、微細孔21を介して第二流路23側へ引き込まれる。このとき、流体Qに含まれる微粒子Tを、微細孔21の第一端部21aで構成される吸着部Sに引き寄せて、トラップすることができる(図19)。
例えば、部材25を複数積層することによって、第一流路22の径を大きくすることができる。さらに、積層した部材25の高さ(厚さ)を利用して、第二流路23の下流側を基体30の上面に配置することも可能である。
なお、第二流路23の上面23cを構成する部材としては、観察装置の光線(例えば可視光線)を、透過させる部材であっても、透過させない部材であっても良い。微粒子の捕捉のみを目的とする場合は、必ずしも観察装置の光線を透過させる部材である必要はない。観察装置の光線を透過させる部材であれば、上面からの光学的手法による観察が可能となるため好ましい。
なお、電極26,27は、第一流路22及び第二流路23に連結する別の流路に配置されていてもよい。
このように、本発明にかかる基体に形成された微細孔には周期構造が形成されているため、その周期構造が形成された領域の分だけ、微細孔1の開口部の口径が小さくなっている。このため、前記開口部で構成される吸着部Sにおいて、複数の微粒子Tを捕捉する恐れがなく、単一の微粒子Tのみを捕捉することができる。
一方、周期構造が形成されていない微細孔の場合は、その開口部が大きいため、複数の微粒子Tを吸着してしまう(図23)。この場合、一方向(例えば基体100の上面側)から観察すると、微粒子T同士が重なってしまうことがあり、観察や実験操作が行いづらい問題がある。
本発明の基体おける微細孔の第一端部(開口部)の周辺に、周期構造が形成されている場合、前記微細孔の第一端部の孔径が、より小さくなっている。この第一端部において、微粒子を吸着することによって、単一の微粒子を吸着することがより容易となる。つまり、前記第一端部において、複数の微粒子を同時に捕捉してしまう恐れが少ない。したがって、捕捉した微粒子について、測定や観察等の実験を行うことが容易となる。
一方、逆方向の流れにおいては、微細孔内を流通する流体は、各凹部の奥に入り込むことが多く、各凹部が流れの抵抗として働くため、第二の開口部から第一の開口部へ流れる速度が遅くなり易い。
このように、周期構造を備えた微細孔は、周期構造を構成する各凹部又は各微細貫通孔の、微細孔に対する角度(傾き)を調節することによって、微細孔内の流体の流れ具合を制御する整流装置として機能させることができる。
次に、本発明にかかる基体の製造方法の一例を説明する。
本発明の微細孔を有する基体の製造方法は、基体の内部において、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第一のレーザー光の焦点を走査して、少なくとも1つの第一改質部および第二改質部を形成する工程Aと、前記基体の内部においてピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第二のレーザー光の焦点を走査して、複数個の第三改質部および第四改質部で構成される、周期的な改質群を形成する工程Bと、前記第一改質部および前記第三改質部をエッチングによって除去する工程Cと、を含み、前記工程A及び前記工程Bにおいて、前記第一改質部および第二改質部と、前記周期的な改質群とが、重なるように、或いは接するように形成された基体を得た後、工程Cを行う。
また、本発明において、「改質部」は「基体を構成する基材のエッチング耐性が、元の状態から変化した部分」を意味する。基材の種類とエッチング条件との組み合わせを変更すると、同じ改質部について、そのエッチング耐性の強弱を変更することができる。つまり、エッチング条件を変更することにより、第一改質部及び第三改質部をエッチングする場合と、第二改質部及び第四改質部をエッチングする場合とを任意に選択できる。
前記第一改質部に隣接して形成された第二改質部は、第一改質部と同様に、第一部分と、前記第一部分を除いた第二部分とで構成される。前記工程Aの後、前記工程Bにおいて、前記第一改質部の第二部分と同様に、第二改質部の第二部分も前記周期的な改質群によって上書きされ、その第二改質部における改質の状態をエッチング選択性の無い状態に変え(その第二部分の改質の履歴が消去され)、且つ、その第二改質部の第一部分と前記周期的な改質群とが重なるように、或いは接するように形成される。
したがって、前記第一改質部と同様に、前記第二改質部を構成する前記第二部分の履歴を消去して、前記第二改質部を構成する前記第一部分を残すことができる。ここで、エッチング液の組成やエッチング時間等の条件を変更することによって、第一改質部を残して第二改質部を優先的又は選択的にエッチングできる場合がある。この場合においても、微細孔が形成される第二改質部の径をより小さくした改質部(前記第一部分)を形成できているので、第二改質部をエッチングして形成された微細孔の孔径を、周期構造を形成しなかった場合よりも、小さくすることができる。つまり、第二改質部をエッチングした場合でも、孔径のより小さいナノオーダーの微細孔を、微細な周期構造を付して形成することができる。
以下の実施実施形態(第一〜第五)では、第一改質部及び第三改質部をエッチングする方法に基づいて本発明を説明するが、第二改質部及び第四改質部をエッチングする場合も、エッチング条件を変更することによって同様に行うことができる。第二改質部及び第四改質部をエッチングした場合に形成される、微細孔の形状や大きさ及び周期構造の形状や大きさは、第一改質部及び第三改質部をエッチングした場合に形成される、微細孔の形状や大きさ及び周期構造の形状や大きさと似ている。これは、第一改質部と第二改質部が互いに似た形状や大きさで隣接して形成され、且つ、第三改質部と第四改質部とが、互いに似た形状や大きさで隣接して形成されるからである。ただし、工程Aにおいて、1つ(1個)の第一改質部のみを形成した場合は、前記第一改質部の両側に2個の第二改質部が形成される場合がある。この場合、第一改質部をエッチングすると1本の微細孔が形成されるのに対して、第二改質部をエッチングすると2本の微細孔が形成されることが可能である。周期構造は、第三改質部をエッチングして形成した場合と、第四改質部をエッチングして形成した場合とでは、その周期が1周期ずれたように形成されることが可能である。これは、周期的な改質群を構成する第三改質部及び第四改質部が、交互に配列するように形成されるためである。
以下、本発明にかかる基体の製造方法のより具体的な実施形態を説明する。
本発明の製造方法の第一実施形態を、前述の基体10Aを例にとって、図24A〜Cを参照して説明する。
[第一実施形態の工程A]
ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第一のレーザー光Lを照射して、基体を構成する基材4内部において、微細孔1が形成される領域85を含む領域81において、第一のレーザー光Lの焦点を走査することによって、その領域81に第一改質部81を形成する(図24A)。第一改質部81は、第一部分85と前記第一部分85を除いた第二部分86だけで構成される。なお、第一部分85と第二部分86との境界は存在せず、後段の工程Cでエッチングされる部分が第一部分85である。
また、第一のレーザー光Lのレーザー照射強度を、後述するように、基材4の加工上限閾値未満且つ加工上限閾値に近い値、又は加工上限閾値未満に設定することが好ましい。
第一改質部81の長手方向に沿うように、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第二のレーザー光Mの焦点を走査して、第一改質部81の第一部分85と重なるように、又は接するように、第三改質部83を複数個形成する。この際、前記複数個の第三改質部83が周期的な改質群88を構成する(図24B)。図では、第三改質部83の端(第三改質部の局所)が、第一改質部81の第一部分85に重なっている。図示しないが、第三改質部83の端が、第一改質部81の第一部分85に重なるのではなく、接するように、第三改質部83を形成しても良い。いずれの場合であっても、工程Cのエッチングによって、第一改質部81の第一部分85及び第三改質部83を基材4内部から除去し、微細孔1の内壁に各凹部3の端部が開口するように、微細孔1及び周期構造2を形成できる。
走査方向U及び偏波方向Eによって規定される角度(なす角)を上記範囲になるように調整することによって、第三改質部83を第一改質部81に対して交差させて形成できる。前記なす角を0°に設定した場合には、第三改質部83を第一改質部81に対して直交するように形成することができる。この場合、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88によって、第一改質部81を、より少ないレーザー照射強度で効果的に消去することが可能となる。前記なす角は小さい角度である方が、第一改質部81をより小さいレーザー照射強度で効果的に消去できるので、好ましい。
レーザー照射強度をこのように設定することによって、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88を自己形成的に形成できる。この仕組みは後述する。
この際、形成する複数の第三改質部83の厚み(幅)を、偏波方向Eに対して垂直の方向から見たときに最も薄くすることができる。例えば、偏波方向Eを第一改質部81の長手方向と平行になるように設定した場合、形成する複数の第三改質部83の厚み(幅)を、第一改質部81の長手方向において(長手方向に対して垂直の方向から見たときに)最も薄くすることができる(図24B)。
工程Cにおいて、基材4に形成した第一改質部81の第一部分85および複数の第三改質部83をエッチングによって除去する。この際、第一改質部81の第二部分86において、改質の履歴が消去された箇所は、エッチングされずに残る。これにより、周期構造2および微細孔1が形成される。
このように、第一改質部81の一部85および第三改質部83が形成された基材4の材料は、所定のエッチング液に対するエッチング耐性が低下するように改質されているため、工程Cにおけるエッチングによって基材4から除去される。
以上の工程A〜Cによって、本発明にかかる基体10Aを製造することができる。
第一のレーザー光Lおよび第二のレーザー光Mは、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を用いることが好ましい。例えばチタンサファイアレーザー、前記パルス幅を有するファイバーレーザーなどを用いることができる。ただし基材4を透過する波長を使用することが必要である。より具体的には、基材4を透過する透過率が60%以上であるレーザー光を用いることが好ましい。
更には、基材4の材料に、可視光線(波長0.36μm〜0.83μm)を透過させるガラス、石英、サファイアを採用した場合、顕微鏡等の光学的装置によって微細孔1内を観察できるので、より好ましい。
具体的には、加工用レーザー光として使用される一般的な波長領域(0.1μm〜10μm)の、少なくとも一部領域の光を透過させる材料であることが好ましい。基材4を透過するレーザー光を使用することによって、基材4にレーザー照射して、改質部を形成できる。
また、基材4の材料は、可視光領域(波長約0.36μm〜約0.83μm)を透過させる材料であることが、より好ましい。可視光領域の光を透過させる材料を用いることによって、捕捉した微粒子Tを、光学的装置で容易に観察することができる。
なお、本発明における「透明」とは、前記基材に光を入射して、前記基材から透過光が得られる状態の全てをいう。
図24A〜Cでは、基材4は透明な単一のガラス基板である(以下、ガラス基板4と呼ぶ)。
加工精度が高く、加工が容易であるという加工性の観点から、基材4を構成する材料はシリコン、石英、ガラスであることが好ましい。
工程Aにおいて、微細孔1が形成される領域85を含む領域81に対して、第一のレーザー光Lを照射する際、照射強度をガラス基板4の加工上限閾値未満且つ加工上限閾値に近い値、又は加工上限閾値未満にすると共に、第一のレーザー光Lの偏波方向(電場方向)を走査方向Uに対して略垂直に設定することが好ましい。つまり、第一のレーザー光Lの偏波方向Yとその焦点の走査方向Uとがなす角は88°より大きく90°以下であることが好ましい。このレーザー照射方法を、以下ではレーザー照射方法αと呼ぶ。
このように並列して形成された複数の第一改質部81の間に、前記第一改質部81に隣接して第二改質部が形成される。例えば、第一改質部81と第二改質部とが交互に並んで形成されうる。複数の第二改質部のうち中央に形成された第二改質部ほど、改質の程度が大きくなることは、第一改質部81と同様である。
例えば石英の場合、酸素が欠乏した層と酸素が増えた層が周期的に配列され(図26B)、酸素欠乏部として形成された第一改質部(及び第三改質部)のエッチング耐性が低くなっている。第一改質部及び第三改質部のエッチングを行うことにより、周期的な凹部及び凸部(非凹部領域)を形成することができる。
酸素欠乏部のエッチング耐性が低くなるエッチング液としては、フッ酸(HF)溶液やKOH等の塩基性のエッチャントが挙げられる。
また、本発明の工程Aにおいても、ガラス基板4の平面方向に平行に並ぶ複数の微細孔1,1’,1”・・・に対応する第一改質部81,81’,81”・・・を形成する場合には、前述した、前記周期性を伴う改質部および前記周期的な改質群を形成する方法が活用される。
本発明においては、前記エッチングの選択性が高い層を、第一改質部81として形成している。
前記所定のエッチング液に対するエッチング耐性が低い層の例として、石英又はガラスに形成された酸素欠乏部が挙げられる。この酸素欠乏部は、例えばフッ酸を主成分とするエッチング液に対するエッチング耐性が低い層として形成される。
前記加工上限閾値は、レーザー光の波長およびレーザー照射対象である基材4の材料(材質)やレーザー照射条件によって概ね決定される。しかし、レーザー光の偏波方向と走査方向との相対的な向きが異なると、前記加工上限閾値も多少異なる場合がある。例えば、偏波方向に対して走査方向が垂直の場合と、偏波方向に対して走査方向が平行の場合とでは、前記加工上限閾値が異なる場合がある。したがって、使用するレーザー光の波長および使用する基材において、レーザー光の偏波方向と走査方向との相対関係を変化させた場合の、それぞれの前記加工上限閾値を、予め調べておくことが好ましい。
すなわち、「加工上限閾値」とは、基材内に照射したレーザー光の焦点(集光域)において、基材とレーザー光との相互作用によって生じる電子プラズマ波と入射するレーザー光との干渉が起こり、前記干渉によって基材に縞状の改質部が自己形成的に形成されることが可能なレーザー照射強度の下限値である。
また、「加工下限閾値」とは、基材内に照射したレーザー光の焦点(集光域)において、基材を改質した改質部を形成し、後工程であるエッチング処理によって選択的又は優先的にエッチングされることが可能な程度に、前記改質部のエッチング耐性を低下させることが可能なレーザー照射強度の下限値である。この加工下限閾値よりも低いレーザー照射強度でレーザー照射した領域は、後工程であるエッチング処理において、選択的又は優先的にエッチングされ難い。このため、エッチング後に微細孔が形成される改質部を形成するためには、加工下限閾値以上で加工上限閾値以下のレーザー照射強度に設定することが好ましい。
加工上限閾値及び加工下限閾値は、レーザー光の波長、レーザー照射対象である基材の材料(材質)及びレーザー照射条件によって概ね決定される。しかし、レーザー光の偏波方向と走査方向との相対的な向きが異なると、加工上限閾値及び加工下限閾値も多少異なる場合がある。例えば、偏波方向に対して走査方向が垂直の場合と、偏波方向に対して走査方向が平行の場合とでは、加工上限閾値及び加工下限閾値が異なる場合がある。したがって、使用するレーザー光の波長及び使用する基材において、レーザー光の偏波方向と走査方向との相対関係を変化させた場合の、それぞれの加工上限閾値及び加工下限閾値を、予め調べておくことが好ましい。
ガラス基板4内において、レーザーの偏波方向(矢印Y方向)を適宜変更すれば、三次元方向に任意形状を有する改質部を形成できる。
前記レンズとしては、例えば屈折式の対物レンズ若しくは屈折式のレンズを使用することができる。さらに、他にも例えばフレネル、反射式、油浸、水浸式で照射することも可能である。また、例えばシリンドリカルレンズを用いれば、一度にガラス基板4の広範囲にレーザー照射することが可能になる。さらに、例えばコニカルレンズを用いればガラス基板4の垂直方向に広範囲に一度にレーザー光Lを照射することができる。ただし、シリンドリカルレンズを用いた場合には、レーザー光Lの偏波はレンズが曲率を持つ方向に対して水平方向である必要がある。
工程Bにおいて、第一改質部81の第二部分86に対して、第二のレーザー光Mを照射する際、照射強度をガラス基板4の加工上限閾値以上、又は、加工上限閾値以上且つ加工上限閾値に近い値にすると共に、第二のレーザー光Mの偏波方向(電場方向)と走査方向Uとがなす角を0°〜88°に設定することが好ましい。このレーザー照射方法を、以下ではレーザー照射方法βと呼ぶ。
工程Bにおいて、レーザー照射条件βによってレーザー光を走査すると、最初のレーザー照射(最初のレーザーパルス)の集光域で形成された複数の第三改質部の周期に対して、つづいて、最初のレーザー照射とは異なる位置に照射されたレーザー照射(つづくレーザーパルス)の集光域で形成される複数の第三改質部の周期が一致して連なるので、走査方向に所定の間隔で並んだ複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88を形成できる。
言い換えると、工程Bでは、最初のレーザー照射で形成された周期的な改質群を起点として、同程度の周期性を持つ第三改質部83を走査方向へ連なるように自己形成的に形成し、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88を自己形成的に形成できる。
このように形成された複数の第三改質部83の間に挟まれた領域に、第三改質部の両側に隣接して第四改質部が形成される。
また、第三改質部及び第四改質部が形成される際、既に形成されていた前記第一改質部の第二部分及び前記第二改質部の第二部分における改質の履歴は消去される。
前記所定のエッチング液に対するエッチング耐性が低い層の例として、石英又はガラスに形成された酸素欠乏部が挙げられる。この酸素欠乏部は、例えばフッ酸を主成分とするエッチング液に対するエッチング耐性が低い層として形成される。
通常、前記なす角度γを0°に設定した場合に、形成される微細孔1の開口部の口径(長径)を小さくすることが、最も容易である。また、前記なす角度γは小さい角度である方が、第一改質部81の改質の履歴をより小さいレーザー照射強度で効果的に消去できるので好ましい。例えば、前記なす角度γを0°に設定すると、前述のレーザー照射方法βによって、第一改質部81をより少ないレーザー照射強度で効果的に消去すると共に、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88を形成できる。
第一改質部81の長手方向が基板4の厚さ方向に形成されている場合、第三改質部83を形成するためには、第二のレーザー光Mを基板4の側面から照射すればよい。
前記レンズとしては、例えば屈折式の対物レンズ若しくは屈折式のレンズを使用することができる。さらに、他にも例えばフレネル、反射式、油浸、水浸式で照射することも可能である。また、例えばシリンドリカルレンズを用いれば、一度にガラス基板4の広範囲にレーザー照射することが可能になる。さらに、例えばコニカルレンズを用いればガラス基板4の垂直方向に広範囲に一度に第二のレーザー光Mを照射することができる。
周期的な改質群の周期は、第二のレーザー光Mの波長や、パルスエネルギーを変えることによって変化させることが出来る。一般的に、第二のレーザー光Mの波長が長くなるほど、或いは、第二のレーザー光Mのパルスエネルギーが大きいほど、前記周期が大きくなる傾向がある。
エッチング方法としては、ウェットエッチングが好ましい。第一改質部81および第三改質部83は、エッチング耐性が充分に変化しているため、適切なエッチング液を使用することにより、選択的又は優先的にエッチングすることができる。
前記エッチング液は特に限定されず、例えばフッ酸(HF)を主成分とする溶液、フッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸等を用いることができる。また、基材4の材料に応じて、他の薬液を用いることもできる。
前記エッチングの結果、ナノオーダーの口径を有する微細孔1を、ガラス基板4内の所定位置に形成できる。
エッチングによって形成される微細孔1および周期構造2において、微細孔1の孔径、開口部の形状や大きさ、周期構造2の形状や大きさ、及び周期構造2を構成する凹部3若しくは微細貫通孔7の配列の周期は、前述した、本発明にかかる基体10A〜10Gで説明した通りである。
例えば、前記処理時間を短くすることによって、微細孔1の前記短径を数nm〜数十nmのサイズで形成することも理論的には可能である。これとは逆に、前記処理時間を長くすることによって、微細孔1の前記短径を、より大きくすることもできる。
例えば、基材4としてガラス基板を使用した場合、レーザー照射によって形成される酸素欠乏層が第一改質部及び第三改質部に相当し、酸素リッチ層が第二改質部及び第四改質部に相当する。この場合、上記のようにフッ酸を主成分とするエッチング溶液を使用すれば第一改質部及び第三改質部を優先的又は選択的にエッチングすることができ、他の適切なエッチング溶液を使用すれば第二改質部及び第四改質部をエッチングすることができる。
通常は、第一改質部及び第三改質部のエッチング選択性が高いため、第一改質部及び第三改質部をエッチングして基材から除去する方が、より容易であり、好ましい。
前記ドライエッチングのうち、等方性エッチング法としては、例えばバレル型プラズマエッチング、平行平板型プラズマエッチング、ダウンフロー型ケミカルドライエッチング、などの各種ドライエッチング方式が挙げられる。
次に、本発明の製造方法の第二実施形態を、前述の基体10Dを例にとって、図31A〜Dを参照して説明する。
[第二実施形態の工程A]
ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第一のレーザー光Lを照射して、基体を構成する基材4内部において、微細孔1が形成される領域85を含む領域81において、第一のレーザー光Lの焦点を走査することによって、その領域81に第一改質部81を形成する(図31A)。第一改質部81は、第一部分85と前記第一部分85を除いた第二部分86だけで構成される。なお、第一部分85と第二部分86との境界は存在せず、後段の工程Cでエッチングされる部分が第一部分85である。
また、第一のレーザー光Lのレーザー照射強度を、基材4の加工上限閾値未満且つ加工上限閾値に近い値、又は加工上限閾値未満とすることが好ましい。
第一改質部81の長手方向に沿うように、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第二のレーザー光Mの焦点を走査して、第一改質部81の第一部分85と重なるように、又は、接するように、第三改質部83を複数個形成する。この際、前記複数個の第三改質部83が周期的な改質群88を構成する(図31B)。図では、第三改質部83の端(第三改質部の局所)が、第一改質部81の第一部分85に重なっている。図示しないが、第三改質部83の端が、第一改質部81の第一部分85に重なるのではなく、接するように、第三改質部83を形成しても良い。いずれの場合であっても、工程Cのエッチングによって、第一改質部81の第一部分85と第三改質部83が連結するように、微細孔1及び周期構造2が形成できる。
走査方向U及び偏波方向Eによって規定される角度(なす角)を上記範囲になるように調整することによって、第三改質部83を第一改質部81に対して交差させて形成できる。前記なす角を0°に設定した場合には、第三改質部83を第一改質部81に対して直交するように形成することができる。この場合、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88によって、第一改質部81の第二部分86を、より少ないレーザー照射強度で効果的に消去することが可能となる。
このように第二のレーザー光Mを照射することによって、第三改質部83の径をナノオーダー又はサブマイクロオーダーで形成し、周期的な改質群88(周期構造2)の周期(凹部3の離間距離)を0.05〜1.2μmで形成することができる。
続いて、第三改質部83が配列した周期的な改質群88に沿うように、微細孔5が形成される領域87に、第一のレーザー光Lを照射することによって、その領域87に第五改質部87(別の第一改質部87)を形成する(図31C)。この際、第一のレーザー光Lの偏波方向(電場方向)Yを、第五改質部87の長手方向に対して88°より大きく90°以下に設定することが好ましい。つまり、第一のレーザー光Lの走査方向U(紙面の左右方向)と、第一のレーザー光Lの偏波方向Y(点で表す紙面奥行き方向)とのなす角は88°より大きく90°以下であることが好ましく、88.5°以上90°以下であることがより好ましく、89°以上90°以下であることがさらに好ましく、90°であることが特に好ましい。
また、第一のレーザー光Lのレーザー照射強度を、前述したように、基材4の加工上限閾値未満且つ加工上限閾値に近い値、加工上限閾値未満且つ加工下限閾値に近い値、又は加工上限閾値未満とすることが好ましく、加工上限閾値未満且つ加工下限閾値に近い値とすることがより好ましい。加工上限閾値未満且つ加工下限閾値に近い値の照射強度であると、第五改質部87の形成時に、第三改質部86の改質履歴を消去してしまうことを、より確実に抑制できる。
各第三改質部83に挟まれた領域に、第一のレーザー光Lが照射された場合、一見すると、その領域に第五改質部87が形成されるように思われる。しかし実際には、各第三改質部83に挟まれた領域に、第五改質部87は形成されない。これは、各第三改質部83に挟まれた領域には、第二のレーザー光Mの照射によって第四改質部(不図示)が形成されていて、第五改質部87の形成が妨げられるためである。
このメカニズムは、後述する本発明の製造方法の第五実施形態においても共通する。
工程Cにおいて、基材4に形成した第一改質部81の第一部分85、第三改質部83、及び第五改質部87(別の第一改質部87)をエッチングによって除去する。これにより、周期構造6が形成された微細孔1,5が形成される。
得られた基体10Dを構成する基材4の側面に開口する、微細孔1,5の開口部の形状は、図9B,Cで示す断面A又は断面Bとなる。基体4の側面を研磨、エッチング若しくは切断して、新たな断面を出すことによって、断面Aおよび断面Bのうち、望む断面形状を得ることもできる。
以上の工程A〜Cによって、本発明にかかる基体10Dを製造することができる。
次に、本発明の製造方法の第三実施形態を、前述の基体10Dを例にとって、図32A〜Cを参照して説明する。
[第三実施形態の工程A]
ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第一のレーザー光Lを照射して、基体を構成する基材4内部において、微細孔1が形成される領域85および微細孔5が形成される領域87を含む領域81において、第一のレーザー光Lの焦点を走査することによって、その領域81に第一改質部81を形成する(図32A)。第一改質部81は、第一部分85,87と前記第一部分85,87を除いた第二部分86だけで構成される。なお、第一部分85,87と第二部分86との境界は存在せず、後段の工程Cでエッチングされる部分が第一部分85,87である。
また、第一のレーザー光Lのレーザー照射強度を、基材4の加工上限閾値未満且つ加工上限閾値に近い値、又は加工上限閾値未満とすることが好ましい。
第一改質部81の長手方向に沿うように、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第二のレーザー光Mの焦点を走査して、第一改質部81の第一部分85,87と重なるように、又は接するように、第三改質部83を複数個形成する。この際、前記複数個の第三改質部83が周期的な改質群89を構成する(図32B)。図では、第三改質部83の端が、第一改質部81の第一部分85,87に重なっている。図示しないが、第三改質部83の端が、第一改質部81の第一部分85,87に重なるのではなく、接するように、第三改質部分83を形成しても良い。いずれの場合であっても、工程Cのエッチングによって、第一改質部81の第一部分85と第一部分87とが、複数の第三改質部83を介して連結するように、微細孔1,5及び複数の微細貫通孔7で構成される周期構造6を形成できる。
走査方向U及び偏波方向Eによって規定される角度(なす角)を上記範囲内になるように調整することによって、第三改質部83を第一改質部81に対して交差させて形成できる。前記なす角を0°に設定した場合には、第三改質部83を第一改質部81に対して直交するように形成することができる。この場合、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群89によって、第一改質部81の第二部分86の改質の履歴を、より少ないレーザー照射強度で効果的に消去することが可能となる。
このように第二のレーザー光Mを照射することによって、第三改質部83の径をナノオーダー又はサブマイクロオーダーで形成し、周期的な改質群89(周期構造6)の周期(微細貫通孔7の離間距離)を0.05〜1.2μmで形成することができる。
この非微細貫通孔領域は、工程Aにおいて、第一改質部81の第二部分86として改質された後(第二部分86のエッチング耐性が低下した後)、工程Bにおいて、その改質の程度が減弱して(第二部分86の一度低下したエッチング耐性が向上して)、改質前の状態に近づいた領域である。
工程Cにおいて、基材4に形成した第一改質部81の第一部分85,87、及び第三改質部83をエッチングによって除去する。これにより、周期構造6が形成された微細孔1,5が形成される。
得られた基体10Dを構成する基材4の側面に開口する、微細孔1,5の開口部の形状は、図9B,Cで示す断面A又は断面Bとなる。基体4の側面を研磨、エッチング若しくは切断して、新たな断面を出すことによって、断面Aおよび断面Bのうち、望む断面形状を得ることもできる。
以上の工程A〜Cによって、本発明にかかる基体10Dを製造することができる。
<基体の製造方法の第四実施形態>
[第四実施形態の工程A]
ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第一のレーザー光Lを照射して、基体を構成する基材4内部において、微細孔1,1’,1”が形成される領域85,85’,85”を含む領域において、第一のレーザー光Lの焦点を走査することによって、その領域に第一改質部81,81’,81”を形成する(図24A)。
また、第一のレーザー光Lのレーザー照射強度を、前述したのように、基材4の加工上限閾値以上、又は、加工上限閾値以上且つ加工上限閾値に近い値に設定することが好ましい。
レーザー照射強度を調節することによって、2本以上10本以下程度の複数の第一改質部を並列して形成することが可能である。
第一改質部81,81’,81”の長手方向に沿うように、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第二のレーザー光Mの焦点を走査して、第一改質部81,81’,81”の一部85,85’,85”と重なるように、又は接するように、第三改質部83を複数個形成する。この際、前記複数個の第三改質部83が周期的な改質群88を構成する(図24B)。図では、第三改質部83の端が、第一改質部81,81’,81”の第一部分85,85’,85”に重なっている。図示しないが、第三改質部83の端が、第一改質部81,81’,81”の第一部分85,85’,85”に重なるのではなく、接するように、第三改質部83を形成しても良い。いずれの場合であっても、工程Cのエッチングによって、第一改質部81,81’,81”の第一部分85,85’,85”と第三改質部83が連結するように、微細孔1,1’,1”及び周期構造2を形成できる。
走査方向U及び偏波方向Eによって規定される角度(なす角)を上記範囲内になるように調整することによって、第三改質部83を第一改質部81,81’,81”に対して交差させて形成できる。前記なす角を0°に設定した場合には、第三改質部83を第一改質部81,81’,81”に対して直交するように形成することができる。この場合、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88によって第一改質部81,81’,81” の第二部分86,86’,86”の改質の履歴を、より少ないレーザー照射強度で効果的に消去することが可能となる。
レーザー照射強度をこのように設定することによって、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88を自己形成的に形成できる。
このように第二のレーザー光Mを照射することによって、第三改質部83の径をナノオーダー又はサブマイクロオーダーで形成し、周期的な改質群88(周期構造2)の周期(凹部3の離間距離)を0.05〜1.2μmで形成することができる。
この非凹部領域は、工程Aにおいて第一改質部81,81’,81”の第二部分86,86’,86”として改質された後(他部のエッチング耐性が低下した後)、工程Bにおいて、その改質の程度が減弱して(他部の一度低下したエッチング耐性が向上して)、改質前の状態に近づいた領域である。
工程Cにおいて、基材4に形成した第一改質部81,81’,81”の第一部分85,85’,85”および第三改質部83をエッチングによって除去する。これにより、周期構造2および微細孔1,1’,1”が形成される。
得られた基体10Gを構成する基材4の側面に開口する、微細孔1,1’,1”の開口部の形状は、図16B,Cで示す断面A又は断面Bとなる。基体4の側面を研磨、エッチング若しくは切断して、新たな断面を出すことによって、断面Aおよび断面Bのうち、望む断面形状を得ることもできる。
以上の工程A〜Cによって、本発明にかかる基体10Gを製造することができる。
本発明の製造方法において、前記工程Aと前記工程Bの順序はどちらを先に行っても良い。ここまでは、工程A→工程Bの順で行う場合を、第一実施形態〜第四実施形態として説明した。
次に、工程B→工程Aの順で行う場合を、第五実施形態として説明する。
[第五実施形態の工程B]
基材4内部において、後段の工程Aで形成する第一改質部81の長手方向に沿うように、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第二のレーザー光Mの焦点を走査して、第三改質部83を複数個形成し、前記複数個の第三改質部83により周期的な改質群88を形成する(図33A)。
走査方向U及び偏波方向Eによって規定される角度(なす角)を上記範囲内になるように調整することによって、第三改質部83を走査方向Uに対して交差させて形成できる。前記なす角を0°に設定した場合には、第三改質部83を走査方向Uに対して直交するように形成できる。
レーザー照射強度をこのように設定することによって、複数の第三改質部83で構成される周期的な改質群88を自己形成的に形成できる。この仕組みは前述した通りである。
この際、形成する複数の第三改質部83の厚み(幅)を、偏波方向Eに対して垂直の方向から見たときに最も薄くすることができる。例えば、偏波方向Eを走査方向Uと平行になるように設定した場合、形成する複数の第三改質部83の厚み(幅)を、走査方向Uに対して垂直の方向から見たときに)最も薄くすることができる(図33A)。
前述の工程Bを行った後、工程Aを行う。
ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第一のレーザー光Lを照射して、周期的な改質群88の周期のある方向に沿って、微細孔1が形成される領域85を含む領域93に第一のレーザー光Lの焦点を走査する。この際、第一のレーザー光Lの焦点(集光部)が部分的に、周期的な改質群88と重なるように照射することが好ましい。このように照射することによって、その照射領域93のうち、主に周期的な改質群88と重ならない領域91において、第一改質部91が形成される(図33B)。一方、照射領域93のうち、周期的な改質群88と重なる領域92(以後、重なり領域92と呼ぶ)には、改質部は殆ど形成されない。この結果、周期的な改質群88を構成する複数の第三改質部83が、第一改質部91に接し、さらに第一改質部91の長手方向に沿って配列するように、第一改質部91を形成できる。
なお、第一改質部91と第三改質部83との境界は存在せず、後段の工程Cで両方ともエッチングされて除かれる。
また、第一のレーザー光Lのレーザー照射強度を、前述したように、基材4の加工上限閾値未満且つ加工上限閾値に近い値、又は加工上限閾値未満に設定することが好ましい。
各第三改質部83に挟まれた領域に、第一のレーザー光Lが照射された場合、一見すると、その領域に第一改質部91が形成されるように思われる。しかし、実際には、各第三改質部83に挟まれた領域に、第一改質部91は形成されない。これは、各第三改質部83に挟まれた領域に、第二のレーザー光Mの照射によって第四改質部(不図示)が形成されていて、第一改質部91の形成が妨げられるためである。
工程Cにおいて、基材4に形成した第一改質部91および複数の第三改質部83をエッチングによって除去する。これにより、周期構造2および微細孔1が形成される。
このように、第一改質部91および第三改質部83は、所定のエッチング液に対するエッチング耐性が低下するように基材4の材料が改質されているため、工程Cにおけるエッチングによって基材4から除去される。
以上説明したように、本発明の製造方法においては、工程B、工程A、工程Cの順に行うことによっても、本発明にかかる基体10Aを製造することができる。
本発明の製造方法の第一実施形態〜第四実施形態において、第一のレーザー光Lによって、第一改質部及び第二改質部を形成した後、第二のレーザー光Mによって、第一改質部及び第二改質部の改質の履歴を消去し、第三改質部及び第四改質部を上書きし、第三改質部及び第四改質部を形成した。この上書きのメカニズムは、図34A〜Dを参照して、石英基板又はガラス基板を用いた場合を例として、次のように説明できる。
基体10に第一のレーザー光Lを照射することにより、第一改質部では酸素含有量が低下し、エッチング選択性が付与される。一方、第二改質部では、レーザー光Lの照射前よりも酸素含有量が増加するので、レーザー光Lの照射前よりも、エッチングされ難い状態となる。そのため、第二のレーザー光Mを照射して第二改質部を上書きしてエッチング選択性を付与するためには、レーザー光Lが照射されなかった領域がエッチング選択性を付与される程度に改質されるのに必要なレーザー照射強度よりも、より大きなレーザー照射強度が求められる。そのため、第二改質部に第二のレーザー光Mを照射したときにエッチング選択性が得られなかった場合でも、第一のレーザー光Lが照射されず、第二レーザー光Mだけが照射された領域ではエッチング選択性が得られることがある。
なお、以下の説明では、第一改質部を第二改質部と読み換えると共に、第三改質部を第四改質部と読み換えることができる。このように読み換えた場合、「酸素含有量の低下」は「酸素含有量の増加」と読み換えると共に、「酸素含有量の増加」は「酸素含有量の低下」と読み換える。
次に、第二のレーザー光Mを、第一改質部に重ねて照射した場合、3つのケースが生じ得る。
本発明の製造方法の第一実施形態〜第四実施形態は、主にこの三番面のケースを利用した方法である。しかしながら、集光部においては、中心をピークとして周辺に行く程、レーザー照射の強度が小さくなっているため、集光部の周辺が、部分的に、一番目或いは二番目のケースとなっている箇所が、少なからず存在する。
基体10に第二のレーザー光Mを照射することにより、第三改質部では酸素含有量が低下し、エッチング選択性が付与される。一方、第四改質部では、レーザー光Mの照射前よりも酸素含有量が増加するので、レーザー光Mの照射前よりも、エッチングされ難い状態となる。そのため、第一のレーザー光Lを照射して第三改質部を上書きしてエッチング選択性を付与するためには、レーザー光Mが照射されなかった領域がエッチング選択性を付与される程度に改質されるのに必要なレーザー照射強度よりも、より大きなレーザー照射強度が求められる。そのため、第四改質部に第一のレーザー光Lを照射したときにエッチング選択性が得られなかった場合でも、第二のレーザー光Mが照射されず、第一レーザー光Lだけが照射された領域ではエッチング選択性が得られることがある。
本発明の製造方法にかかる第五実施形態は、この一番面のケースを利用した方法である。
Claims (8)
- 微細孔を有する基体の製造方法であって、
基体の内部において、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第一のレーザー光の焦点を走査して、少なくとも1つの第一改質部および第二改質部を形成し、
前記基体の内部においてピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有する第二のレーザー光の焦点を走査して、複数個の第三改質部および第四改質部からなる、周期的な改質群を形成し、
前記第一改質部および前記第二改質部と前記改質群とが重なるように、或いは、接するように形成された基体を得て、
前記第一改質部および前記第三改質部をエッチングによって除去して前記微細孔を形成することを特徴とする微細孔を有する基体の製造方法。 - 請求項1に記載の微細孔を有する基体の製造方法であって、
前記第一のレーザー光によって形成された第一改質部および第二改質部の各々は、第一部分及び第二部分で構成されており、
前記第一改質部及び前記第二改質部を形成した後、前記第一改質部の第二部分および前記第二改質部の第二部分に重なるように前記改質群を形成することによって、前記第一改質部の第二部分および前記第二改質部の第二部分における改質の状態をエッチング選択性の無い状態に変え、
前記第一改質部の第一部分および前記第二改質部の第一部分と前記周期的な改質群とが、重なるように、或いは、接するように形成することを特徴とする微細孔を有する基体の製造方法。 - 請求項1に記載の微細孔を有する基体の製造方法であって、
前記改質群を形成した後、前記第三改質部および第四改質部と局所的に重なるように、或いは、接するように、前記第一改質部および第二改質部を形成することを特徴とする微細孔を有する基体の製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の微細孔を有する基体の製造方法であって、
前記第一のレーザー光の走査方向と、前記第一のレーザー光の偏波方向とのなす角は、88°より大きく90°以下であることを特徴とする微細孔を有する基体の製造方法。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の微細孔を有する基体の製造方法であって、前記第二のレーザー光の走査方向と、前記第二のレーザー光の偏波方向とのなす角は、0°以上88°以下であることを特徴とする微細孔を有する基体の製造方法。
- 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の微細孔を有する基体の製造方法であって、
前記改質群を、前記第一改質部および第二改質部の長手方向に沿うように形成することを特徴とする微細孔を有する基体の製造方法。 - 基体であって、
基体の内部に設けられた微細孔と、前記微細孔の長手方向に沿って形成された微細な周期構造とを備え、
前記周期構造には、前記微細孔の内壁に開口している開口部を有する複数の微細な凹部が配列されており、
前記凹部同士の間隔は、0.05μm〜1.2μmの範囲であり、
前記基体の材料は、ガラス、シリコン、石英、及びサファイアから選択されるいずれかであることを特徴とする基体。 - 基体であって、
基体の内部に設けられ、互いに平行に配置された複数の微細孔と、前記複数の微細孔の長手方向に沿って形成された微細な周期構造とを備え、
前記周期構造には、前記複数の微細孔を連結する、複数の微細貫通孔が配列されており、
前記微細貫通孔同士の間隔は、0.05μm〜1.2μmの範囲であり、
前記基体の材料は、ガラス、シリコン、石英、及びサファイアから選択されるいずれかであることを特徴とする基体。
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