JP2013133259A - Substrate having microhole and method for production thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微細孔を備えた基板及び該基板の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、基板にピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有するパルスレーザー光を照射することによって基板のエッチング耐性を低下させた改質部を形成し、該改質部をエッチングして微細孔を形成することによって得られた基板、及び該基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate having fine holes and a method for manufacturing the substrate. More specifically, the present invention forms a modified portion having reduced etching resistance of the substrate by irradiating the substrate with pulsed laser light having a pulse time width of picosecond order or less, and etching the modified portion. The present invention relates to a substrate obtained by forming fine holes and a method for manufacturing the substrate.
従来、ガラス基板の内部にレーザーを照射し、その焦点を走査することにより、該焦点が通過した領域およびその近傍においてエッチング耐性が低下した改質部を形成した後、改質部を選択的にエッチングすることにより微細孔を形成する方法が知られている（特許文献１参照）。 Conventionally, by irradiating the inside of a glass substrate with a laser and scanning the focal point, after forming a modified part with reduced etching resistance in the region where the focal point has passed and in the vicinity thereof, the modified part is selectively A method of forming fine holes by etching is known (see Patent Document 1).
エッチングによって微細孔が確実に形成されるためには、改質部のエッチング耐性が充分に低下している必要がある。しかし、当該改質部のエッチング耐性が充分に低下しているか否かは、通常はエッチング工程における当該改質部のエッチング速度や、エッチング工程後に形成された微細孔の形状を観察し、所望の形状となっているか否かを確認しないと分からない。仮にエッチング工程において改質部の形成が不完全であると判明した場合、再び改質工程に戻し、改質が不十分であった箇所を改質し直すことが必要となるが、そのためには多大な労力を要する。したがって、レーザー照射による改質部の形成において、当該改質部のエッチング耐性を充分に（確実に）低下させられるようにすることが求められている。 In order to surely form fine holes by etching, the etching resistance of the modified portion needs to be sufficiently lowered. However, whether or not the etching resistance of the modified portion is sufficiently lowered is usually determined by observing the etching rate of the modified portion in the etching process and the shape of the micropore formed after the etching process. It is not known if it is not confirmed whether it is a shape. If it is found that the formation of the modified portion is incomplete in the etching process, it is necessary to return to the reforming process again and reform the part where the modification was insufficient. It takes a lot of effort. Therefore, in forming the modified portion by laser irradiation, it is required to sufficiently (reliably) reduce the etching resistance of the modified portion.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、エッチング耐性を充分に低下させることが可能な微細孔を備えた基板の製造方法、および該製造方法によって得られた基板の提供を課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a method for producing a substrate provided with micropores capable of sufficiently reducing etching resistance, and a substrate obtained by the production method. To do.
本発明の請求項１に記載の微細孔を備えた基板の製造方法は、基板の内部にピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有するレーザー光を照射し、前記レーザー光のパルス毎の焦点領域同士が少なくとも一部で重なるように前記レーザー光を走査し、前記焦点領域が通過した領域にエッチング耐性が低下した改質部を形成する改質工程と、前記改質部をエッチングして微細孔を形成するエッチング工程と、を含む微細孔を備えた基板の製造方法であって、
下記式（１）で表されるパルスピッチを０．００１μｍ以上０．０８μｍ未満とし、
前記基板の内部における前記レーザー光の光軸と前記レーザー光の焦点の走査方向とのなす角が、３〜９０度であることを特徴とする微細孔を備えた基板の製造方法。
式（１）；パルスピッチ（μｍ）＝前記レーザー光の走査速度(μｍ/sec)｝／｛前記レーザー光の繰り返し周波数(Hz)｝
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a substrate having a microscopic hole, wherein a laser beam having a pulse time width of picosecond order or less is applied to the inside of the substrate, and the focal regions for each pulse of the laser beam are Scanning with the laser beam so that at least a part of the laser beam is overlapped, and forming a modified portion having reduced etching resistance in a region through which the focal region has passed, and etching the modified portion to form micropores An etching step to form, and a method of manufacturing a substrate having micropores,
The pulse pitch represented by the following formula (1) is set to 0.001 μm or more and less than 0.08 μm,
A method of manufacturing a substrate having a microscopic hole, wherein an angle formed by an optical axis of the laser beam and a scanning direction of a focus of the laser beam in the substrate is 3 to 90 degrees.
Formula (1); pulse pitch (μm) = scanning speed of the laser beam (μm / sec)} / {repetition frequency of the laser beam (Hz)}
請求項１に記載のレーザー照射条件によれば、１パルスのレーザー照射によって得られる１つの改質部において、レーザー光が入射する側から見て手前の領域は、エッチング耐性が低く、容易にエッチングが進む「第一領域」となり、奥側の領域はエッチング耐性が第一領域よりも高く、第一領域よりもエッチングが進み難い「第二領域」となる。第二領域のエッチング耐性はレーザーの非照射領域のエッチング耐性より低いため、第二領域の方が非照射領域よりエッチングされ易い。
この際、パルスピッチを特定範囲にすることにより、照射された先発のパルスの焦点領域と後発のパルスの焦点領域とが互いに少なくとも一部が重なるようにレーザー光を走査することができ、基板のエッチング耐性を充分に低下させることができる。さらに、前記なす角を３〜９０度とすることにより、先発のパルスで形成された第一領域と後発のパルスで形成された第一領域とが連続した、線状（筒状）の改質部を形成できる。
つぎに、この線状の改質部を一端側からエッチングすると、他端側へ向かって、線状の改質部の長手方向に沿って、エッチングが容易に且つ確実に進行する。これは、第一領域が長手方向に沿って連続していて、エッチング液が他端側へ浸透し易いからである。また、エッチングの進行が比較的遅い第二領域のエッチングも進行する。この結果、微細孔を確実に形成することができる。
According to the laser irradiation condition described in claim 1, in one modified portion obtained by laser irradiation of one pulse, the region in front of the laser light incident side has low etching resistance and is easily etched. Is the “first region”, and the back region is a “second region” that has higher etching resistance than the first region and is less likely to progress than the first region. Since the etching resistance of the second region is lower than the etching resistance of the non-irradiated region of the laser, the second region is more easily etched than the non-irradiated region.
At this time, by setting the pulse pitch to a specific range, the laser light can be scanned so that the focal region of the irradiated first pulse and the focal region of the subsequent pulse are at least partially overlapped with each other. Etching resistance can be sufficiently reduced. Furthermore, by making the angle to be 3 to 90 degrees, a linear (tubular) reforming in which the first region formed by the first pulse and the first region formed by the subsequent pulse are continuous. Part can be formed.
Next, when this linear modified portion is etched from one end side, the etching proceeds easily and reliably along the longitudinal direction of the linear modified portion toward the other end side. This is because the first region is continuous along the longitudinal direction, and the etching solution easily penetrates to the other end side. In addition, the etching of the second region where the progress of etching is relatively slow also proceeds. As a result, the fine holes can be reliably formed.
本発明の請求項２に記載の微細孔を備えた基板の製造方法は、請求項１において、前記改質工程において、前記基板の内部におけるレーザー光の光軸とレーザー光の焦点の走査方向とのなす角が、５０〜９０度であることを特徴とする。
この製造方法によれば、前記第一領域を改質部の長手方向、すなわちレーザー光の焦点の走査方向に、連続的に繋げて形成できると共に、エッチング速度を向上させることができる。この結果、形成された改質部のエッチング耐性を長手方向へ連続的に充分に低下させることが出来、当該改質部をエッチングによって確実に除去できるとともに、改質部の長手方向に連続した微細孔を形成する際の信頼性を高められる。また、前記なす角が５０〜９０度の範囲であれば、いずれの照射角度においても同等に優れたエッチング速度が得られるため、すなわち照射角度の変動によるエッチング速度への影響が小さいため、微細孔を安定して形成することができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a substrate having micropores according to the first aspect, wherein in the modification step, the optical axis of the laser beam and the scanning direction of the focal point of the laser beam in the substrate are The angle formed by is 50 to 90 degrees.
According to this manufacturing method, the first region can be continuously connected in the longitudinal direction of the modified portion, that is, the scanning direction of the focus of the laser beam, and the etching rate can be improved. As a result, the etching resistance of the formed modified portion can be sufficiently lowered continuously in the longitudinal direction, and the modified portion can be reliably removed by etching, and the fine portion continuous in the longitudinal direction of the modified portion can be removed. Reliability in forming the hole can be improved. Further, if the angle formed is in the range of 50 to 90 degrees, an equally excellent etching rate can be obtained at any irradiation angle, that is, the influence on the etching rate due to the variation of the irradiation angle is small, so that the micropores Can be formed stably.
また、このように形成した改質部をエッチングすると、前記第一領域が前記第二領域よりも優先的に速くエッチングされる。このエッチング速度の差を利用して、エッチング処理時間を調整することによって、前記第一領域及び第二領域がエッチングされた、一定の孔径を有する「基部」と、前記第一領域がエッチングされているが前記第二領域のエッチングが完了しておらず、エッチングされた改質部の先端に向けて徐々に先細りとなる「先端部」と、を有する微細孔を形成できる。 Further, when the modified portion formed in this way is etched, the first region is etched preferentially faster than the second region. By adjusting the etching process time using the difference in etching rate, the first region and the second region are etched, and the first region is etched. However, the etching of the second region is not completed, and a micropore having a “tip portion” that gradually tapers toward the tip of the etched modified portion can be formed.
本発明の請求項３に記載の微細孔を備えた基板の製造方法は、請求項１又は２において、前記レーザー光の１パルスのピーク強度を７TW／ｃｍ２以上とすることを特徴とする。
この製造方法によれば、より確実に、形成した改質部のエッチング耐性を低下させることができる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a substrate having micropores according to the first or second aspect, wherein the peak intensity of one pulse of the laser light is 7 TW / cm 2 or more.
According to this manufacturing method, the etching resistance of the formed modified portion can be reduced more reliably.
本発明の請求項４に記載の微細孔を備えた基板は、請求項１〜３のいずれか一項の製造方法によって得られた、微細孔を備えた基板であって、前記微細孔は、前記基板の表面に第一開口部及び第二開口部を有する貫通孔であり、前記貫通孔は、第一開口部から内奥へ一定の孔径を有する基部と、内奥から第二開口部に進むにつれて孔径が先細りになる先端部とからなることを特徴とする。 The substrate provided with micropores according to claim 4 of the present invention is a substrate provided with micropores obtained by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the micropores are: A through hole having a first opening and a second opening on the surface of the substrate, the through hole from the first opening to the inner opening and a base having a constant hole diameter, and the inner opening to the second opening. It consists of the front-end | tip part which a hole diameter tapers as it progresses.
本発明の基板は、第一開口部から内奥へ一定の孔径を有する基部と、内奥から第二開口部に進むにつれて孔径が先細りになる先端部とからなる微細孔を有する。これを利用して、第一開口部から流体を流入させ、第二開口部から該流体を噴出させることにより、該流体を流入時よりも高い圧力および速度で噴出させることができる。このような微細孔を備えた基板は、例えばインクジェットプリンターのインクの吐出部等に使用できる。 The board | substrate of this invention has a micropore which consists of a base part which has a fixed hole diameter inward from a 1st opening part, and a front-end | tip part which a hole diameter tapers as it advances to a 2nd opening part from an inner part. Utilizing this, the fluid can be ejected at a higher pressure and speed than that at the time of inflow by injecting the fluid from the first opening and ejecting the fluid from the second opening. A substrate having such fine holes can be used, for example, in an ink discharge portion of an ink jet printer.
本発明の製造方法によれば、形成された改質部のエッチング耐性を充分に低下させることが出来、当該改質部をエッチングによって確実に除去できる。
本発明の基板によれば、第一開口部から流体を流入させ、第二開口部から該流体を噴出させることにより、該流体を流入時よりも高い圧力および速度で噴出させることができる。
According to the manufacturing method of the present invention, the etching resistance of the formed modified portion can be sufficiently reduced, and the modified portion can be reliably removed by etching.
According to the substrate of the present invention, the fluid can be ejected at a higher pressure and speed than the inflow by injecting the fluid from the first opening and ejecting the fluid from the second opening.
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
本発明の製造方法は、基板の内部にピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有するレーザー光を照射し、前記レーザー光のパルス毎の焦点領域同士が少なくとも一部で重なるように前記レーザー光を走査し、前記焦点領域が通過した領域にエッチング耐性が低下した改質部を形成する改質工程と、前記改質部をエッチングして微細孔を形成するエッチング工程と、を含む製法である。
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings.
The manufacturing method of the present invention irradiates the inside of a substrate with laser light having a pulse time width of picosecond order or less, and scans the laser light so that focal regions for each pulse of the laser light overlap at least partially. And a modification step of forming a modified portion with reduced etching resistance in a region through which the focal region has passed, and an etching step of etching the modified portion to form a fine hole.
前記レーザー光の走査において、下記式（１）で表されるパルスピッチを０．００１μｍ以上０．０８μｍ未満とする。
パルスピッチを上記範囲にすることにより、照射された先発のパルスの焦点領域と後発のパルスの焦点領域とが、互いに少なくとも一部が重なるようにレーザー光を走査することができ、基板のエッチング耐性を充分に低下させることができる。ここで、「パルス毎の焦点領域同士が少なくとも一部で重なる」とは、先発のパルスの焦点領域が照射した領域と、後発（次発）のパルスの焦点領域が照射した領域とが、互いに少なくとも一部において空間的に重なることを意味するのであって、先発のパルスと次発のパルスとが時間的に重なることを意味しない。
上記範囲の下限値以上とすることにより、改質工程に要する時間を事実上実施可能な範囲とすることができる。上記下限値未満のパルスピッチであると、改質工程に要する時間が極端に長くなり、事実上実施が困難である。
上記範囲の上限値以下とすることにより、改質された領域と改質されていない領域とのエッチング選択性（エッチング耐性の程度）を明確にすることができる。
In the laser beam scanning, the pulse pitch represented by the following formula (1) is set to 0.001 μm or more and less than 0.08 μm.
By setting the pulse pitch within the above range, the laser beam can be scanned so that the focal region of the irradiated first pulse and the focal region of the subsequent pulse are at least partially overlapped with each other. Can be sufficiently reduced. Here, “the focal regions for each pulse overlap at least partially” means that the region irradiated with the focal region of the preceding pulse and the region irradiated with the focal region of the subsequent (next) pulse are mutually This means that at least a part of the pulses overlaps spatially, and does not mean that the first pulse and the next pulse overlap in time.
By setting it above the lower limit of the above range, the time required for the reforming step can be made practically possible. When the pulse pitch is less than the above lower limit, the time required for the reforming process becomes extremely long, and practically difficult to implement.
By setting it to be equal to or lower than the upper limit of the above range, the etching selectivity (degree of etching resistance) between the modified region and the unmodified region can be clarified.
式（１）；パルスピッチ（μｍ）＝
｛前記レーザー光の走査速度(μｍ/sec)｝／｛前記レーザー光の繰り返し周波数(Hz)｝
Formula (1); Pulse pitch (μm) =
{Scanning speed of the laser beam (μm / sec)} / {Repetition frequency of the laser beam (Hz)}
式（１）において、前記レーザー光の走査速度は、前記基板内部を前記レーザー光の焦点が移動する際の、該基板に対する該焦点の相対速度である。
式（１）によれば、パルスピッチは、レーザー光の焦点の走査方向において、先発のパルスの焦点（焦点領域の中心）と、後発のパルスの焦点（焦点領域の中心）との距離を意味する。
In Formula (1), the scanning speed of the laser beam is a relative speed of the focal point with respect to the substrate when the focal point of the laser beam moves inside the substrate.
According to Equation (1), the pulse pitch means the distance between the focal point of the preceding pulse (the center of the focal region) and the focal point of the subsequent pulse (the center of the focal region) in the scanning direction of the focal point of the laser beam. To do.
本発明において、レーザー光の焦点は、レーザー光の集光部において最も強度が強くなる点を意味する。この焦点からレーザー光のスポット径の半分までの距離に全方位的に拡がりをもつ略球形又は略円形の領域が、凡そ焦点領域に相当する。
本発明においては、先発パルスの焦点領域の少なくとも一部と次発パルスの焦点領域の少なくとも一部とが重なるようにレーザー光を照射する。
In the present invention, the focal point of the laser beam means the point where the intensity is strongest in the laser beam condensing part. A substantially spherical or substantially circular region having an omnidirectional spread at a distance from the focal point to half the spot diameter of the laser beam corresponds to a focal region.
In the present invention, the laser beam is irradiated so that at least a part of the focal region of the first pulse overlaps at least a part of the focal region of the next pulse.
本発明において、前記焦点領域の直径又は前記スポット径は特に制限されないが、例えば、０．２μｍ〜２０μｍが好ましく、０．３μｍ〜１５μｍがより好ましく、０．３μｍ〜１０μｍが更に好ましい。上記範囲の下限値以上であると、前記パルスピッチの範囲でレーザー光を走査することが容易となる。上記範囲の上限値以下であると、レーザー光の強度（１パルスのピーク強度）が比較的小さくても、基板のエッチング耐性を低下させることができる。 In the present invention, the diameter of the focal region or the spot diameter is not particularly limited, but is preferably 0.2 μm to 20 μm, more preferably 0.3 μm to 15 μm, and still more preferably 0.3 μm to 10 μm. When it is at least the lower limit of the above range, it becomes easy to scan the laser beam within the range of the pulse pitch. When it is below the upper limit of the above range, the etching resistance of the substrate can be lowered even if the intensity of laser light (peak intensity of one pulse) is relatively small.
前記レーザー光の走査において、前記基板の内部におけるレーザー光の光軸とレーザー光の焦点の走査方向とのなす角を、３〜９０度とする。
前記なす角を上記範囲とすることにより、先発のパルスで形成された第一領域と後発のパルスで形成された第一領域とが連続した、線状（筒状）の改質部を形成できる。また、先発のパルスで形成された第二領域と後発のパルスで形成された第二領域とが連続した、前記線状の改質部の長手方向に沿った形状の改質部を形成できる。
In the scanning of the laser beam, an angle formed by the optical axis of the laser beam inside the substrate and the scanning direction of the focal point of the laser beam is set to 3 to 90 degrees.
By setting the angle to be in the above range, a linear (cylindrical) reformed portion in which the first region formed by the first pulse and the first region formed by the second pulse are continuous can be formed. . Further, it is possible to form a modified portion having a shape along the longitudinal direction of the linear modified portion in which the second region formed by the first pulse and the second region formed by the subsequent pulse are continuous.
＜改質工程＞
図１に、改質工程の概念図を示す。基板１の一方の面１ａ側から、レーザー光Ｌを照射して、基板１の内部で、焦点領域F（焦点）を一方の面１ａと平行な方向に走査する。焦点領域Ｆが通過した領域に、エッチング耐性が低下した改質部２を形成できる。図中の矢印は、レーザー光Ｌの走査方向を表す。図１では、走査方向を一方の面１ａと平行にしているが、走査方向はこれに限定されず、所望の向きとすることができる。
<Reforming process>
FIG. 1 shows a conceptual diagram of the reforming process. Laser light L is irradiated from one surface 1 a side of the substrate 1, and the focal region F (focal point) is scanned in a direction parallel to the one surface 1 a inside the substrate 1. In the region through which the focal region F has passed, the modified portion 2 with reduced etching resistance can be formed. The arrows in the figure indicate the scanning direction of the laser light L. In FIG. 1, the scanning direction is parallel to one surface 1 a, but the scanning direction is not limited to this and can be set to a desired direction.
本発明の改質工程において、使用する基板としてはガラス基板が好ましい。ガラス基板に対して上記条件でレーザー光を照射することにより、エッチング耐性が充分に低下した改質部を形成できる。
前記ガラス基板としては、石英からなるガラス基板、珪酸塩を主成分とするガラス又はホウ珪酸ガラスからなるガラス基板、無アルカリガラス、バイコールガラス、マイクロシートガラス、パイレックスガラス（登録商標）、ソーダライムガラス、ネオセラム等の公知のガラス基板が適用できる。これらの中でも、加工性に優れる石英ガラスがより好ましい。なお、基板の形状は平板に限らず、例えば球形であってもよい。この場合、基板とは呼ばずに基材と呼ぶこともできる。
In the modification step of the present invention, the substrate used is preferably a glass substrate. By irradiating the glass substrate with laser light under the above conditions, a modified portion having sufficiently reduced etching resistance can be formed.
Examples of the glass substrate include a glass substrate made of quartz, a glass substrate made mainly of silicate or borosilicate glass, an alkali-free glass, Vycor glass, micro sheet glass, Pyrex glass (registered trademark), and soda lime glass. A known glass substrate such as Neoceram can be used. Among these, quartz glass excellent in workability is more preferable. The shape of the substrate is not limited to a flat plate, and may be a sphere, for example. In this case, it can be called a base material instead of a substrate.
ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅を有するレーザー光のパルス幅の範囲は特に制限されず、例えば1フェムト秒以上から１０ピコ秒未満とすれば良い。上記パルス時間幅のうち３ピコ秒未満、より好ましくは２ピコ秒未満であるとより効果的である。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において「ピコ秒オーダー以下」とは、「１０ピコ秒未満」を意味する。
前記パルス幅を有するレーザー光を照射する装置としては、例えばチタンサファイアレーザー、ファイバーレーザー等が用いられる。また、本発明の製造方法で使用するレーザー装置は、レーザー光の繰り返し周波数を調整できる機構が備わっているものが好ましい。
The range of the pulse width of laser light having a pulse time width of the picosecond order or less is not particularly limited, and may be, for example, from 1 femtosecond to less than 10 picoseconds. It is more effective that the pulse time width is less than 3 picoseconds, more preferably less than 2 picoseconds.
In the present specification and claims, “less than picosecond order” means “less than 10 picoseconds”.
As a device for irradiating the laser beam having the pulse width, for example, a titanium sapphire laser, a fiber laser, or the like is used. The laser device used in the production method of the present invention preferably has a mechanism capable of adjusting the repetition frequency of laser light.
前記パルス時間幅がピコ秒オーダー以下であることで、集光部での基材の電子温度とイオン温度とが非平衡状態で加熱される、いわゆる非熱過程での加工が進行する。そして、熱拡散長を極限まで抑えることができる。さらには多光子吸収に始まる非線形加工が支配的となるため、加工後に得られる形状はナノスケールからマイクロオーダースケールの微細孔を得ることが可能である。
一方、ピコ秒オーダーを超えるパルスレーザー、例えば１０ピコ秒以上のパルス時間幅を有するレーザー光を用いた場合では、基材の電子温度とイオン温度とが平衡状態となる熱的加工が支配的となってくる。熱的加工においては熱拡散長が大きく、ナノからマイクロオーダースケールの加工を行うことが困難である。
このように、パルス時間幅が約１〜１０ピコ秒付近を境にして、全く異なる反応メカニズムとなる。
When the pulse time width is equal to or less than the picosecond order, processing in a so-called non-thermal process in which the electron temperature and ion temperature of the base material in the light condensing part are heated in a non-equilibrium state proceeds. And heat diffusion length can be suppressed to the limit. Furthermore, since non-linear processing starting from multiphoton absorption becomes dominant, it is possible to obtain micropores from nanoscale to micro-order scale in the shape obtained after processing.
On the other hand, in the case of using a pulse laser exceeding the picosecond order, for example, a laser beam having a pulse time width of 10 picoseconds or more, thermal processing in which the electron temperature and ion temperature of the substrate are in an equilibrium state is dominant. It becomes. In thermal processing, the thermal diffusion length is large, and it is difficult to perform nano to micro order scale processing.
In this way, the reaction mechanism is completely different at the boundary of the pulse time width of about 1 to 10 picoseconds.
本発明の改質工程では、レーザー光が基板内に焦点を結ぶように照射する。この際、レーザー光を集光するレンズを用いることができる。例えば、シリンドリカルレンズを用いれば、一度に基板の広範囲にレーザー照射できる。なお、レーザー光の焦点は一定の範囲に広がりを持つので、「レーザー光の集光部」と言い換えられる。この広がりを有するため、焦点が通過した近傍域に改質部を形成できる。 In the modification process of the present invention, the laser beam is irradiated so as to focus on the substrate. At this time, a lens for condensing laser light can be used. For example, if a cylindrical lens is used, laser irradiation can be performed over a wide area of the substrate at a time. In addition, since the focal point of the laser beam has a certain range, it is referred to as “laser beam condensing part”. Due to this spread, the modified portion can be formed in the vicinity of the focal point.
本発明の改質工程におけるレーザー光の偏波は、直線偏波、楕円偏波、円偏波のいずれであっても良い。レーザー光の偏波とレーザー光の焦点の走査方向との関係は特に制限されないが、より高アスペクトな微細孔を形成する場合、偏波の電場方向と走査方向とを垂直にすることが好ましい。 The polarization of the laser beam in the modification process of the present invention may be any of linearly polarized wave, elliptically polarized wave, and circularly polarized wave. The relationship between the polarization of the laser beam and the scanning direction of the focal point of the laser beam is not particularly limited. However, when a finer hole having a higher aspect is formed, it is preferable to make the electric field direction of the polarization and the scanning direction perpendicular to each other.
レーザー光の焦点を基板の内部で走査する方法としては、基板を固定してレーザー照射装置を動かす方法、レーザー照射装置を固定して基板を動かす方法、又は基板およびレーザー照射装置の両方を動かす方法が挙げられる。光源の駆動方式としては、例えばリニアーモーター、ピエゾアクチュエータ、ガルバノスキャナー、といった駆動方式を採用することができる。本発明において、レーザー光の走査速度とは「基板内部をレーザー光の焦点が移動する際の、該基板に対する該焦点の相対速度」を意味する。基板及びレーザー装置の両方を動かして、レーザー光の焦点を走査する場合、当該レーザー光の走査速度は、レーザー装置と基板との相対的な速度となる。 As a method of scanning the focal point of the laser light inside the substrate, a method of moving the laser irradiation device with the substrate fixed, a method of moving the substrate with the laser irradiation device fixed, or a method of moving both the substrate and the laser irradiation device Is mentioned. As a driving method of the light source, for example, a driving method such as a linear motor, a piezo actuator, or a galvano scanner can be employed. In the present invention, the scanning speed of the laser beam means “the relative speed of the focal point with respect to the substrate when the focal point of the laser beam moves inside the substrate”. When both the substrate and the laser apparatus are moved to scan the focal point of the laser light, the scanning speed of the laser light is a relative speed between the laser apparatus and the substrate.
本発明において、レーザー光のパルスピッチは、前記式（１）で定義される。
本発明の改質工程では、前記パルスピッチ（μｍ）が０．００１μｍ以上０．０８μｍ未満となるように、レーザー光の走査速度(mm/sec)及びレーザー光の繰り返し周波数(kHz)を調整することによって、改質部のエッチング耐性を充分に低下させることができる。
In the present invention, the pulse pitch of the laser beam is defined by the formula (1).
In the modification step of the present invention, the laser beam scanning speed (mm / sec) and the laser beam repetition frequency (kHz) are adjusted so that the pulse pitch (μm) is 0.001 μm or more and less than 0.08 μm. As a result, the etching resistance of the modified portion can be sufficiently reduced.
前記走査速度(mm/sec)としては、０．００１mm/sec〜３５００mm/secが好ましく、０．０１mm/sec〜３５００mm/secがより好ましく、０．０１mm/sec〜３００mm/secが更に好ましい。上記範囲であることにより、改質部のエッチング耐性を充分に低下させることができる。 The scanning speed (mm / sec) is preferably 0.001 mm / sec to 3500 mm / sec, more preferably 0.01 mm / sec to 3500 mm / sec, and still more preferably 0.01 mm / sec to 300 mm / sec. By being the said range, the etching tolerance of a modification part can fully be reduced.
前記繰り返し周波数(kHz)としては、１kHz〜５０×１０３kHzが好ましく、１０kHz〜３０×１０３kHzがより好ましく、２０kHz〜３０×１０３kHzがより好ましく３０kHz〜３０×１０３kHzがより好ましく、３０kHz〜３×１０３kHzがさらに好ましい。上記範囲であることにより、改質部のエッチング耐性を充分に低下させることができる。 As the repetition frequency (kHz), preferably 1kHz~50 × 10 3 kHz, more preferably 10kHz~30 × 10 3 kHz, more preferably 20kHz~30 × 10 3 kHz and more preferably 30kHz~30 × 10 3 kHz 30 kHz to 3 × 10 3 kHz is more preferable. By being the said range, the etching tolerance of a modification part can fully be reduced.
前記パルスピッチ(μｍ)としては、０．００１μｍ〜０．０８μｍが好ましく、０．００１μｍ〜０．０１μｍがより好ましく、０．００１μｍ〜０．００８μｍが更に好ましい。上記範囲であることにより、改質部のエッチング耐性を充分に低下させることができると共に、エッチング速度を向上させることができる。 The pulse pitch (μm) is preferably 0.001 μm to 0.08 μm, more preferably 0.001 μm to 0.01 μm, and still more preferably 0.001 μm to 0.008 μm. By being the said range, while being able to fully reduce the etching tolerance of a modification part, an etching rate can be improved.
パルスピッチとエッチング速度との関係を調べるための試験を行った結果を図２に示す。この試験方法は次の通りである。まず、チタンサファイアレーザーを用いて、以下の照射条件によって、図１に示した様に、石英ガラス基板１の一方の面１ａに平行に延びる線状（筒状）の改質部２を形成した。形成した改質部２の長手方向の長さは１０ｍｍであり、改質部の径はおよそ４μｍであった。 FIG. 2 shows the result of a test for examining the relationship between the pulse pitch and the etching rate. This test method is as follows. First, using a titanium sapphire laser, a linear (tubular) modified portion 2 extending parallel to one surface 1a of the quartz glass substrate 1 was formed under the following irradiation conditions as shown in FIG. . The length of the reformed part 2 formed in the longitudinal direction was 10 mm, and the diameter of the reformed part was approximately 4 μm.
《照射条件》
・波長＝８００ｎｍ、スペクトル幅＝１０ｎｍ、パルス時間幅＝〜２２０ｆｓ、対物レンズの開口数（N.A.）＝０．５、偏波＝円偏波、光軸と走査方向とのなす角θ＝９０度、レーザー光の１パルス当りのパルスのピーク強度＝５０TW／ｃｍ２、レーザースポット径＝約４μｍ
・走査速度(mm/s)および繰り返し周波数(kHz)は、所定のパルスピッチとなる様に、０．５ｍｍ／ｓ〜３ｍｍ／ｓおよび１０〜２００ｋＨｚの範囲で調整した。
<Irradiation conditions>
Wavelength = 800 nm, spectral width = 10 nm, pulse time width = ˜220 fs, numerical aperture (NA) of objective lens = 0.5, polarization = circular polarization, angle θ between optical axis and scanning direction = 90 degrees , Peak intensity per pulse of laser light = 50 TW / cm 2 , laser spot diameter = about 4 μm
The scanning speed (mm / s) and the repetition frequency (kHz) were adjusted in the range of 0.5 mm / s to 3 mm / s and 10 to 200 kHz so as to obtain a predetermined pulse pitch.
次に、形成した改質部２の長手方向に垂直な断面を基板表面に露出させて、改質部２の一端側から他端側へ向けて、エッチャント＝ＫＯＨ水溶液（１５ｗｔ％）、温度＝８０度、エッチング時間＝３時間、の条件でエッチングを行った。図２に示した結果から、パルスピッチが０．００１μｍ以上０．０８μｍ未満の範囲において、エッチング可能な改質部を形成できることが明らかである。 Next, a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the formed reforming part 2 is exposed on the substrate surface, and from one end side to the other end side of the reforming part 2, an etchant = KOH aqueous solution (15 wt%), temperature = Etching was performed under the conditions of 80 degrees and etching time = 3 hours. From the results shown in FIG. 2, it is clear that a modified portion that can be etched can be formed in a range where the pulse pitch is 0.001 μm or more and less than 0.08 μm.
本発明の製造方法において、レーザー光の１パルスのピーク強度（＝レーザーフルエンス／パルス時間幅）は、７TW／ｃｍ２以上とすることが好ましい。７TW／ｃｍ２以上であると、改質部のエッチング耐性をより充分に低下させることができる。レーザー光のピーク強度の上限は、基板が破壊されるような極端に高い強度でない限り特に制限されず、例えば７００TW／ｃｍ２とすればよい。以下であると、形成する改質部の形状を制御することがより容易となる。 In the production method of the present invention, the peak intensity (= laser fluence / pulse time width) of one pulse of laser light is preferably 7 TW / cm 2 or more. When it is 7 TW / cm 2 or more, the etching resistance of the modified portion can be sufficiently reduced. The upper limit of the peak intensity of the laser beam is not particularly limited as long as it is not an extremely high intensity at which the substrate is destroyed, and may be 700 TW / cm 2 , for example. When it is below, it becomes easier to control the shape of the modified portion to be formed.
本発明において使用するレーザー光の波長（ｎｍ）は特に制限されないが、例えば３００ｎｍ〜２０００ｎｍが好ましく、３００ｎｍ〜１６００ｎｍがより好ましく、４００ｎｍ〜１６００ｎｍが更に好ましい。
本発明において使用するレーザー光のスペクトル時間幅（ｆｓ）は特に制限されないが、例えば１ｆｓ以上、１０ｐｓ未満が好ましく、１ｆｓ以上、３ｐｓ未満がより好ましく、１ｆｓ以上、２ｐｓ未満が更に好ましい。
The wavelength (nm) of the laser beam used in the present invention is not particularly limited, but is preferably, for example, 300 nm to 2000 nm, more preferably 300 nm to 1600 nm, and still more preferably 400 nm to 1600 nm.
The spectral time width (fs) of the laser light used in the present invention is not particularly limited, but is preferably 1 fs or more and less than 10 ps, for example, preferably 1 fs or more and less than 3 ps, more preferably 1 fs or more and less than 2 ps.
図３〜４に、図１の改質部２の拡大した断面図を示す。図３は、図１の改質部２と同じ向きであり、改質部２の長手方向（延設方向）の断面を示す。図４は、改質部２を長手方向に直交する断面であり、改質部２の孔径に相当する断面である。 3 to 4 are enlarged cross-sectional views of the modified portion 2 of FIG. FIG. 3 shows a cross section in the longitudinal direction (extending direction) of the reforming unit 2 in the same direction as the reforming unit 2 of FIG. FIG. 4 is a cross section orthogonal to the longitudinal direction of the reforming portion 2 and is a cross section corresponding to the hole diameter of the reforming portion 2.
本発明の製造方法によれば、パルスピッチを所定の範囲とすることにより、レーザー光Lが入射する側から見て、改質部２のうち、手前の領域２ａ（第一領域２ａ）のエッチング耐性を、奥の領域２ｂ（第二領域２ｂ）のエッチング耐性よりも低くするので、エッチング工程において、第一領域２ａを優先的に除去することが出来る。この結果、第二領域２ｂへもエッチング液が浸透し易くなり、第一領域２ａ及び第二領域２ｂからなる改質部２の全体を除去することが容易となる。 According to the manufacturing method of the present invention, by setting the pulse pitch within a predetermined range, etching of the region 2a (first region 2a) in the foreground of the modified portion 2 when viewed from the side on which the laser light L is incident. Since the resistance is lower than the etching resistance of the back region 2b (second region 2b), the first region 2a can be preferentially removed in the etching process. As a result, the etching solution easily penetrates into the second region 2b, and it becomes easy to remove the entire modified portion 2 including the first region 2a and the second region 2b.
前記レーザー光の照射を行う際、前記基板の内部におけるレーザー光の光軸とレーザー光の焦点の走査方向とがなす角θを３〜９０度とすることが好ましい。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、なす角θは０〜９０度の範囲を取りうるものとする。ここで、前記レーザーの光軸と走査方向のなす角度とは、レーザーの光軸を表す直線と走査方向が表す直線とがなす角度のうち鋭角側の角度を意味しており、レーザーの光軸を表すベクトルと走査方向が表すベクトルとのなす角（両ベクトルがなす角の範囲は０〜１８０度）を意図していない。即ち前記レーザーの光軸と走査方向のなす角度が取りうる角度の定義する範囲は０から９０度である。
なお、レーザー光はが基板表面に対し垂直に入射せず、斜めに照射されても構わない。
When the laser light irradiation is performed, it is preferable that an angle θ formed by the optical axis of the laser light and the scanning direction of the focus of the laser light in the substrate is 3 to 90 degrees. In the present specification and claims, the angle θ formed can take a range of 0 to 90 degrees. Here, the angle formed by the optical axis of the laser and the scanning direction means an acute angle among the angles formed by the straight line representing the optical axis of the laser and the straight line representing the scanning direction. Is not intended to be an angle formed by the vector representing the vector and the vector represented by the scanning direction (the range of angles formed by both vectors is 0 to 180 degrees). That is, the range defined by the angle formed by the optical axis of the laser and the scanning direction is 0 to 90 degrees.
The laser beam may be irradiated obliquely without entering the substrate surface perpendicularly.
なす角θを３〜９０度の範囲とすることによって、レーザー光Ｌの焦点の走査方向、すなわち改質部２の長手方向（延設方向）に、第一領域２ａを連続的に繋げて形成できる。この結果、当該改質部２をエッチングによって確実に除去できるとともに、改質部２の長手方向に連続した微細孔を形成する際の信頼性を高められる。さらに、なす角を３度未満とした場合と比べて、エッチング速度を高速化することができる。 By forming the angle θ to be in the range of 3 to 90 degrees, the first region 2a is continuously connected in the scanning direction of the focal point of the laser beam L, that is, the longitudinal direction (extending direction) of the modified portion 2. it can. As a result, the modified portion 2 can be reliably removed by etching, and the reliability when forming fine holes continuous in the longitudinal direction of the modified portion 2 can be enhanced. Furthermore, the etching rate can be increased compared to the case where the angle formed is less than 3 degrees.
このように第一領域２ａが第二領域２ｂよりも相対的にエッチング耐性が低くなる理由は、必ずしも明確ではないが、レーザーの集光部が光軸方向に複数形成される現象（フィラメンテーション）によって生じた結果であると考えられる。前記パルスピッチの範囲に設定することによって、レーザー光Ｌの光源に近い第一領域２ａに改質部が形成され、その後フィラメンテーションによって再集光し、第二領域２ｂにも改質部が形成される。第一領域２aおよび第二領域２ｂの各々の径（拡がり）が大きいため、あたかも一つの改質部であるかのように形成される。この際、第二領域２ｂに到達する前にレーザー光Ｌのエネルギーの一部が吸収或いは散乱などして、レーザー光Ｌのエネルギーが減衰することため、第二領域２ｂの改質部は第一領域の改質部のエッチング耐性より低くなると考えられる。各図において、第一領域２ａと第二領域２ｂとの間に、境界があるように描いている。しかし、実際にはこのような物理的な境界は存在せず、第一領域と第ニ領域との境界では、徐々に改質の程度が変化していくものと考えられる。これは後に形成される第二領域２ｂが先に形成される第一領域２aに重なるためであると考えられる。
なお、ここで説明したフィラメンテーションは、１パルスのレーザー光によって、光軸方向に複数の集光部が形成される現象である。本発明において、「焦点領域同士の少なくとも一部が重なるようにレーザー光を照射する」とは、先発パルスの最も光源側にある焦点領域と、次発パルスの最も光源側にある焦点領域とが一部重なることを意味するのであって、１パルスが発生させたフィラメンテーションにおける複数の集光部同士が重なることを意味するものではない。
The reason why the etching resistance of the first region 2a is relatively lower than that of the second region 2b is not necessarily clear, but a phenomenon in which a plurality of laser condensing portions are formed in the optical axis direction (filamentation). This is considered to be the result of By setting to the range of the pulse pitch, a modified portion is formed in the first region 2a close to the light source of the laser light L, and then refocused by filamentation, and a modified portion is also formed in the second region 2b. Is done. Since the diameter (expansion) of each of the first region 2a and the second region 2b is large, it is formed as if it were one reforming portion. At this time, part of the energy of the laser beam L is absorbed or scattered before reaching the second region 2b, and the energy of the laser beam L is attenuated. This is considered to be lower than the etching resistance of the modified portion of the region. In each figure, it has drawn so that a boundary may exist between the 1st area | region 2a and the 2nd area | region 2b. However, there is actually no such physical boundary, and it is considered that the degree of reforming gradually changes at the boundary between the first region and the second region. This is thought to be because the second region 2b formed later overlaps the first region 2a formed first.
The filamentation described here is a phenomenon in which a plurality of condensing portions are formed in the optical axis direction by one pulse of laser light. In the present invention, “irradiating laser light so that at least a part of the focal regions overlap” means that the focal region closest to the light source of the preceding pulse and the focal region closest to the light source of the next pulse This means that they partially overlap, and it does not mean that a plurality of condensing parts in the filamentation generated by one pulse overlap.
図３〜４において、前記基板内におけるレーザー光Lの光軸と焦点の走査方向とのなす角θは９０度である。図５に、なす角θが１０度である場合を示す。この場合も、形成した改質部２の長手方向に沿って、第一領域２ａが連続して繋がった状態で、改質部２を形成できる。このように基板１の一方の面１ａに対して斜めの角度で改質部２を形成することにより、基板１の一方の面１ａ及びそれに対向する基板１の他方の面に各々開口する貫通孔として微細孔を形成できる。 3 to 4, the angle θ formed by the optical axis of the laser beam L in the substrate and the scanning direction of the focal point is 90 degrees. FIG. 5 shows a case where the angle θ formed is 10 degrees. Also in this case, the reforming part 2 can be formed in a state in which the first regions 2a are continuously connected along the longitudinal direction of the formed reforming part 2. In this way, by forming the reforming portion 2 at an oblique angle with respect to the one surface 1a of the substrate 1, the through-holes opened in the one surface 1a of the substrate 1 and the other surface of the substrate 1 opposed thereto, respectively. As a result, fine holes can be formed.
一方、なす角θを３度未満とした場合には、レーザー光Ｌの光軸と走査方向とが略平行となるため、エッチング耐性がより低下した第一領域２ａが、改質部２の長手方向に連続的に繋がった状態で形成することが困難となる。図６に、なす角θが０度の場合を示す。このように改質された場合であっても、エッチング処理によって改質部２を除去して微細孔を形成することは可能であるが、エッチング速度が比較的遅くなる。 On the other hand, when the angle θ formed is less than 3 degrees, the optical axis of the laser beam L and the scanning direction are substantially parallel, so that the first region 2 a having further reduced etching resistance is the longitudinal length of the modified portion 2. It becomes difficult to form in a state continuously connected in the direction. FIG. 6 shows a case where the angle θ formed is 0 degree. Even in such a case, it is possible to remove the modified portion 2 by the etching process to form the fine holes, but the etching rate becomes relatively slow.
図６に示すように、なす角θを３度未満とした場合には、先発のパルスによって形成された第一領域２ａが、後発のパルスによって消去又は上書きされて、その改質の程度が第二領域２ｂと同じ程度になるため、第一領域２ａを改質部２の長手方向へ連続的に繋げて形成することが困難になると考えられる。
（参考文献；
“Femtosecond laser erasing and rewriting of self-organized planar nanocracks in fused silica glass”, Optics Letters, Vol.32, No.19, (2007), p.2888)
As shown in FIG. 6, when the angle θ formed is less than 3 degrees, the first region 2a formed by the preceding pulse is erased or overwritten by the subsequent pulse, and the degree of modification is the first. Since it becomes the same level as the two regions 2b, it is considered difficult to form the first region 2a continuously connected in the longitudinal direction of the modified portion 2.
(References;
“Femtosecond laser erasing and rewriting of self-organized planar nanocracks in fused silica glass”, Optics Letters, Vol.32, No.19, (2007), p.2888)
なす角θとエッチング速度との関係を調べるための試験を行った結果を図７に示す。この試験方法は次の通りである。まず、石英ガラス製の基板１にチタンサファイアレーザーを照射して、下記レーザー照射条件によって、所定のなす角θでレーザー光を走査して、厚さが約５００μｍの基板１に対し、孔径が約５〜５０μｍの改質部を形成した。
図７に示した各プロットのなす角は、左から順に、９０度、５０度、２２度、１４度、７度、３度、０度である。
FIG. 7 shows the result of a test for examining the relationship between the angle θ formed and the etching rate. This test method is as follows. First, a quartz glass substrate 1 is irradiated with a titanium sapphire laser, and a laser beam is scanned at a predetermined angle θ according to the following laser irradiation conditions, so that the hole diameter is about 500 μm. A reformed part having a thickness of 5 to 50 μm was formed.
The angles formed by the plots shown in FIG. 7 are 90 degrees, 50 degrees, 22 degrees, 14 degrees, 7 degrees, 3 degrees, and 0 degrees in order from the left.
[レーザー照射条件]
パルスピッチ＝０．００２５μｍ、繰り返し周波数＝２００kHz、走査速度＝０．５mm/sec、レーザー光の１パルスのピーク強度（＝レーザーフルエンス／パルス時間幅）＝7０TW／ｃｍ２、波長＝８００ｎｍ、スペクトル幅＝１０ｎｍ、パルス時間幅＝２２０ｆｓ、対物レンズの開口数（N.A.）＝０．５、偏波＝円偏波、レーザースポット径＝約４μｍ
[Laser irradiation conditions]
Pulse pitch = 0.0025 μm, repetition frequency = 200 kHz, scanning speed = 0.5 mm / sec, peak intensity of one pulse of laser light (= laser fluence / pulse time width) = 70 TW / cm 2 , wavelength = 800 nm, spectral width = 10 nm, pulse time width = 220 fs, numerical aperture (NA) of objective lens = 0.5, polarization = circular polarization, laser spot diameter = about 4 μm
なお、本発明における「なす角θ」とは、「レーザー光Ｌの光軸」と、「レーザー光Ｌの焦点の走査方向」とで定義される。ここで、「レーザー光Ｌの焦点の走査方向」とは、基板１内部における焦点の走査方向を示している。また、光軸の方向は、基板１の内部における光軸の方向を示している。レーザー光が基板表面に対し斜めに照射される場合、レーザー光は基板に入射する際に屈折するので、基板１外のレーザー光の光軸と基板１内のレーザー光の光軸は、通常異なる。
例えば図５においては、θ＝１５度となるように改質部を形成しているが、これは基板１を光軸に対して１５度の方向に移動させて形成させたり、レーザー光Ｌの焦点を、大気或いは真空中において１５度の方向に移動するように動かして形成したものではない。ある光学系を通してレーザー光の焦点を結ぶことを考えた場合、大気中または真空中においてレーザー光の焦点を結んだときと、基板の内部においてレーザー光の焦点を結んだときとでは、両者の焦点の位置は異なる。これは、基板はその材料固有の屈折率をもち、レーザー光が入射する基板表面において入射光が屈折するためである。したがって、レーザー光の光源と基板との相対的な位置関係だけで改質部の延伸方向を知ることはできない。改質部の延伸方向を知るためには、基板の内部に形成された改質部を調べたり、改質部をエッチングした後の微細孔を調べたりする方法が挙げられる。改質部の延伸方向は、レーザー焦点の走査方向に対応する。基板に形成した微細孔の延伸方向を調べる手法としては、基板を割断したり研磨したりして微細孔の縦断面を直接的に観察可能な状態にすれば、微細孔の延伸方向を観察することができる。あるいは、微細孔の内部に溶融金属充填法やめっき法を用いて金属充填し、そして基板全体をＸ線観察すれば、基板を破壊することなく微細孔の延伸方向を観察することができる。
したがって、本発明においては、事前に、基板にレーザー光を入射させる角度と基板内におけるレーザー光の伝播方向（レーザー光の光軸方向）との関係を求めておくことが好ましい。
In the present invention, “the angle θ formed” is defined by “the optical axis of the laser beam L” and “the scanning direction of the focal point of the laser beam L”. Here, “the scanning direction of the focal point of the laser beam L” indicates the scanning direction of the focal point in the substrate 1. The direction of the optical axis indicates the direction of the optical axis inside the substrate 1. When the laser beam is irradiated obliquely with respect to the substrate surface, the laser beam is refracted when entering the substrate, so that the optical axis of the laser beam outside the substrate 1 and the optical axis of the laser beam inside the substrate 1 are usually different. .
For example, in FIG. 5, the modified portion is formed so that θ = 15 degrees, but this may be formed by moving the substrate 1 in the direction of 15 degrees with respect to the optical axis, The focal point is not formed so as to move in the direction of 15 degrees in the atmosphere or vacuum. When considering focusing the laser beam through an optical system, the focal point of the laser beam is focused when the laser beam is focused in the atmosphere or in a vacuum and when the laser beam is focused inside the substrate. The position of is different. This is because the substrate has a refractive index specific to the material, and the incident light is refracted on the substrate surface on which the laser beam is incident. Therefore, it is impossible to know the extending direction of the modified portion only from the relative positional relationship between the light source of the laser beam and the substrate. In order to know the extending direction of the modified portion, there are a method of examining the modified portion formed inside the substrate, or examining a fine hole after etching the modified portion. The extending direction of the modified portion corresponds to the scanning direction of the laser focus. As a method of examining the extending direction of the micropores formed in the substrate, if the substrate is cleaved or polished so that the longitudinal section of the micropores can be directly observed, the extending direction of the micropores is observed. be able to. Alternatively, if the metal is filled into the microhole using a molten metal filling method or a plating method, and the entire substrate is observed with X-rays, the extending direction of the microhole can be observed without destroying the substrate.
Therefore, in the present invention, it is preferable to obtain the relationship between the angle at which the laser beam is incident on the substrate and the propagation direction of the laser beam in the substrate (the optical axis direction of the laser beam) in advance.
次に、形成した改質部の一端を基板の表面に露出させて、この一端から他端へ向けてエッチングを進行させた。エッチング条件としては、温度８０℃、濃度１５wt%のKOH水溶液に当該基板を浸漬させて、１時間のエッチング処理を行った。エッチング後に、形成された微細孔の開口部から、微細孔の先端部の先端までの長さを測定して、エッチング速度を算出した。 Next, one end of the formed modified portion was exposed on the surface of the substrate, and etching proceeded from one end to the other end. As the etching conditions, the substrate was immersed in a KOH aqueous solution having a temperature of 80 ° C. and a concentration of 15 wt%, and etching treatment was performed for 1 hour. After etching, the length from the opening of the formed microhole to the tip of the tip of the microhole was measured to calculate the etching rate.
図７の結果から、本発明の製造方法において、なす角θは３〜９０度（°）が好ましく、７〜９０度がより好ましく１４〜９０度がさらに好ましく、２２〜９０度が特に好ましく、５０〜９０度が特に好ましい。上記範囲の下限値以上とすることにより、エッチング速度を高速化することが出来、基板の製造効率を向上させられる。なかでも、５０〜９０度の範囲であれば、それ以外の角度範囲で加工した場合よりも、エッチング速度の角度依存性が小さい（照射角度が変化したとしても、エッチング速度の変化が小さい）ので、微細孔を安定的に加工することができる。 From the results of FIG. 7, in the production method of the present invention, the angle θ formed is preferably 3 to 90 degrees (°), more preferably 7 to 90 degrees, further preferably 14 to 90 degrees, and particularly preferably 22 to 90 degrees. 50 to 90 degrees is particularly preferable. By setting it to be equal to or more than the lower limit of the above range, the etching rate can be increased and the production efficiency of the substrate can be improved. In particular, if it is in the range of 50 to 90 degrees, the angle dependency of the etching rate is smaller than the case of processing in the other angle range (the change in the etching rate is small even if the irradiation angle is changed). The fine holes can be processed stably.
このように、なす角θを３〜９０度とすることによって、改質部２の長手方向にエッチング耐性がより低下した第一領域２ａを連続的に繋げて形成できるので、当該改質部２をエッチングすると、第一領域２ａが、第二領域２ｂよりも速くエッチングされる。この結果、図８に示すように、第一領域２ａが優先的にエッチングされる。図８の矢印は、エッチングによって改質部２が除去されて、基板１が浸食されていく方向、すなわちエッチャント（エッチング液）の進行方向を示す。 Thus, by making the formed angle θ 3 to 90 degrees, it is possible to continuously connect the first regions 2a whose etching resistance is further lowered in the longitudinal direction of the modified portion 2, so that the modified portion 2 Is etched, the first region 2a is etched faster than the second region 2b. As a result, as shown in FIG. 8, the first region 2a is preferentially etched. The arrows in FIG. 8 indicate the direction in which the modified portion 2 is removed by etching and the substrate 1 is eroded, that is, the traveling direction of the etchant (etching solution).
エッチング処理の時間を充分に長くすることによって、第一領域２ａ及び第二領域２ｂを両方ともエッチングすれば、得られる微細孔３の孔径はほぼ一定となる。この微細孔３は、両端が基板の外部に連通した貫通孔とすることもできるし、一端のみが基板の外部に連通した非貫通孔とすることもできる。 If both the first region 2a and the second region 2b are etched by sufficiently lengthening the time for the etching process, the hole diameter of the obtained fine hole 3 becomes substantially constant. The fine hole 3 can be a through hole whose both ends communicate with the outside of the substrate, or can be a non-through hole whose only one end communicates with the outside of the substrate.
一方、エッチング処理の時間を調整し、第二領域２ｂが完全に除去されない段階でエッチング処理を終了することによって、形成される微細孔３の先端部を先細りの形状とすることができる。さらに基板１を切断又は研磨し、微細孔３の両端を基板１の表面に開口させることによって、微細孔３を貫通孔とすることができる。この貫通孔を備えた本発明にかかる基板１０の、微細孔３の長手方向に沿った断面図の一例を図９に示す。 On the other hand, by adjusting the time of the etching process and ending the etching process at a stage where the second region 2b is not completely removed, the tip portion of the formed microhole 3 can be tapered. Further, by cutting or polishing the substrate 1 and opening both ends of the fine hole 3 on the surface of the substrate 1, the fine hole 3 can be made a through hole. FIG. 9 shows an example of a cross-sectional view along the longitudinal direction of the fine hole 3 of the substrate 10 according to the present invention provided with this through hole.
また、図１０に、基部４及び先端部５を有する微細孔を２本形成した基板の断面の写真を示す。図１０の微細孔を構成する基部４の端は、基板１０の表面に開口するエッチング液侵入路に接続されている。また、該微細孔を構成する先端部５の端は、基板の内部に内在し、基板表面には開口していないので、当該微細孔は非貫通孔である。この基板を切断又は研磨することによって、先端部５の端を基板表面に開口させれば、当該微細孔を貫通孔とすることができる。なお、図１０の微細孔になる改質部を形成する際の、レーザー光の走査方向と光軸とがなす角θは９０度である。 FIG. 10 shows a photograph of a cross section of the substrate on which two fine holes having the base 4 and the tip 5 are formed. The end of the base 4 constituting the fine hole in FIG. 10 is connected to an etchant intrusion path that opens on the surface of the substrate 10. Further, since the end of the tip 5 constituting the fine hole is inside the substrate and does not open on the surface of the substrate, the fine hole is a non-through hole. If the end of the tip 5 is opened on the surface of the substrate by cutting or polishing the substrate, the minute hole can be made a through hole. Note that the angle θ formed by the scanning direction of the laser beam and the optical axis when forming the modified portion that becomes the micropore in FIG. 10 is 90 degrees.
本発明にかかる基板１０において、微細孔３は、基板１０の側面に第一の開口部３ａ及び第二の開口部３ｂを備える貫通孔である。微細孔３は、第一開口部３ａから内奥へほぼ一定の孔径を有する基部４と、内奥から第二開口部３ｂに進むにつれて孔径が先細りになる先端部５とからなる。微細孔３の形状は、製造時に形成した改質部２の形状を反映したものである。第一開口部３ａが第二開口部３ｂよりも大きく、孔径が徐々に先細りとなる先端部５の形状を利用して、第一開口部３ａから流体（液体又は気体）を流入させ、第二開口部３ｂから該流体を噴出させることにより、該流体を流入時よりも高い圧力および速度で噴出させることができる。このような微細孔３を備えた基板１０は、例えばインクジェットプリンターのインクの吐出部等に使用できる。 In the substrate 10 according to the present invention, the fine hole 3 is a through-hole provided with a first opening 3 a and a second opening 3 b on the side surface of the substrate 10. The minute hole 3 includes a base 4 having a substantially constant hole diameter from the first opening 3a to the inner depth, and a tip 5 having a hole diameter that decreases from the inner depth to the second opening 3b. The shape of the fine hole 3 reflects the shape of the modified portion 2 formed at the time of manufacture. The first opening 3a is larger than the second opening 3b, and the fluid (liquid or gas) is introduced from the first opening 3a using the shape of the tip 5 where the hole diameter is gradually tapered. By ejecting the fluid from the opening 3b, the fluid can be ejected at a higher pressure and speed than at the time of inflow. The board | substrate 10 provided with such a fine hole 3 can be used for the discharge part etc. of the ink of an inkjet printer, for example.
本発明にかかる基板１０において、微細孔３を構成する基部４の長さは特に制限されず、例えば０．１μｍ〜５０００μｍとすることができる。また、基部４の孔径は特に制限されず、例えば０．５μｍ〜１００μｍとすることができる。基部４の長手方向に直交する断面の形状は、円形、楕円形、矩形、多角形等種々の形状を取りうる。前記孔径は、該断面形状を円形又は楕円形に近似した場合の、直径又は長径である。 In the board | substrate 10 concerning this invention, the length in particular of the base 4 which comprises the micropore 3 is not restrict | limited, For example, it can be set as 0.1 micrometer-5000 micrometers. Moreover, the hole diameter in particular of the base 4 is not restrict | limited, For example, it can be set as 0.5 micrometer-100 micrometers. The shape of the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the base 4 can take various shapes such as a circle, an ellipse, a rectangle, and a polygon. The hole diameter is a diameter or a major axis when the cross-sectional shape is approximated to a circle or an ellipse.
本発明にかかる基板１０において、微細孔３を構成する先端部５の長さは特に制限されず、例えば１０μｍ〜２０００μｍとすることができる。先端部５の孔径は徐々に先細りになるため一定ではない。通常、該孔径の最大値は基部４の孔径と等しく、該孔径の最小値は先端部５の先端に開口する第二開口部３ｂの開口径と等しくすることができる。前記最大値と最小値の比（最大値／最小値）は、例えば１．５〜１００とすることができる。
先端部５の長手方向に直交する断面の形状は、円形、楕円形、矩形、多角形等種々の形状を取りうる。前記孔径は、該断面形状を円形又は楕円形に近似した場合の、直径又は長径である。
In the board | substrate 10 concerning this invention, the length of the front-end | tip part 5 which comprises the micropore 3 is not restrict | limited in particular, For example, it can be set as 10 micrometers-2000 micrometers. The hole diameter of the tip 5 is not constant because it gradually tapers. Usually, the maximum value of the hole diameter is equal to the hole diameter of the base 4, and the minimum value of the hole diameter can be equal to the opening diameter of the second opening 3 b that opens at the tip of the tip 5. The ratio between the maximum value and the minimum value (maximum value / minimum value) can be set to 1.5 to 100, for example.
The shape of the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the distal end portion 5 can take various shapes such as a circle, an ellipse, a rectangle, and a polygon. The hole diameter is a diameter or a major axis when the cross-sectional shape is approximated to a circle or an ellipse.
本発明にかかる基板１０における基部４の長さと先端部５の長さは、基板１０の製造時におけるエッチング後又はエッチング前に、基板１０を所定の箇所でダイシングすることによって適宜調整できる。 The length of the base portion 4 and the length of the tip portion 5 in the substrate 10 according to the present invention can be appropriately adjusted by dicing the substrate 10 at a predetermined location after etching or before etching at the time of manufacturing the substrate 10.
＜エッチング工程＞
改質部をエッチングして微細孔を形成する方法は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、公知の方法が適用できる。
例えば、基板の内部に形成した改質部の一端が基板の表面に露出する状態で、当該基板をエッチング液（エッチャント）に浸漬することによって、改質部を基板内部から除去し、微細孔を形成できる。前記エッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）の水溶液が用いられる。
<Etching process>
As a method for forming the fine holes by etching the modified portion, a known method can be applied without departing from the gist of the present invention.
For example, by immersing the substrate in an etching solution (etchant) with one end of the modified portion formed inside the substrate exposed on the surface of the substrate, the modified portion is removed from the substrate, and micropores are formed. Can be formed. As the etching solution, for example, an aqueous solution of hydrofluoric acid (HF) or potassium hydroxide (KOH) is used.
本発明の製造方法において、形成した改質部の一端側からのみエッチングを進行させることによって、前記基部及び先端部を有する微細孔を形成できる。
一方、形成した改質部の両端側からエッチングを進行させても良い。この場合、エッチング処理の時間や温度条件にもよるが、前述の第一領域及び第二領域の両方を除去することにより、ほぼ一定の孔径を有する貫通孔として微細孔を形成できる。
また、形成した改質部の両端側からエッチングを進行させ、当該改質部の中央部においてのみ第二領域を残すように貫通孔を形成すれば、長手方向に沿った断面においてアーチ橋の様な貫通孔とすることができる。
このように、先端部が先細りしている又は中央部が細くなっている貫通孔を用いて、その細くなった孔径よりも大きな物質を当該貫通孔の中へ流し込むことにより、貫通孔の細くなっている領域で、当該物質を捕捉（トラップ）することができる。このような使用方法の具体的な用途としては、例えば、細胞をトラップすることが考えられる。トラップした細胞内の現象を例えば蛍光分子等を用いた検出系によって測定したり、当該細胞を微量な蛍光色素で細胞を染色することが可能となる。さらに、トラップした細胞を強く吸引することによって、細胞内容物を取り出すことも可能であり、本発明にかかる基板を、細胞内組織の回収デバイスとしても用いることが可能となる。
また、前記アーチ橋の様な貫通孔の中央部で切断するように当該基板をダイシング又は研磨することにより、２本の先細りした貫通孔を備えた基板を得ることができる。
In the manufacturing method of the present invention, the fine holes having the base portion and the tip portion can be formed by proceeding the etching only from one end side of the formed modified portion.
On the other hand, etching may proceed from both ends of the formed modified portion. In this case, although depending on the time and temperature conditions of the etching process, by removing both the first region and the second region, a fine hole can be formed as a through hole having a substantially constant hole diameter.
In addition, if etching is performed from both ends of the formed modified portion and a through hole is formed so that the second region is left only at the central portion of the modified portion, the cross section along the longitudinal direction is like an arch bridge. Through-holes.
In this way, by using a through-hole having a tapered tip or a thin central portion, a material larger than the narrowed hole diameter is poured into the through-hole, thereby reducing the through-hole. The substance can be trapped in the area where As a specific application of such a usage method, for example, it is conceivable to trap cells. The trapped intracellular phenomenon can be measured by a detection system using, for example, a fluorescent molecule, or the cell can be stained with a trace amount of fluorescent dye. Furthermore, it is possible to take out the cell contents by strongly sucking the trapped cells, and the substrate according to the present invention can be used as a device for collecting intracellular tissue.
In addition, a substrate having two tapered through holes can be obtained by dicing or polishing the substrate so as to cut at the center of the through hole such as the arch bridge.
エッチング後に形成される微細孔の孔径は、エッチング液に浸漬する時間を調整することによって、調整できる。例えば、改質部２の径を０．４μｍ〜１０μｍとした場合、エッチング後に形成する微細孔３の孔径を０．５μｍ以上とすることができる。
エッチング後に形成される微細孔の孔径の形状は、円又は楕円に近似できる形状となる。本明細書で例示した微細孔の孔径は、近似される円の直径又は近似される楕円の長径である。
The hole diameter of the fine holes formed after etching can be adjusted by adjusting the time of immersion in the etching solution. For example, when the diameter of the modified portion 2 is 0.4 μm to 10 μm, the hole diameter of the fine hole 3 formed after etching can be 0.5 μm or more.
The shape of the hole diameter of the fine hole formed after etching is a shape that can approximate a circle or an ellipse. The pore diameter of the micropores exemplified in this specification is an approximate circle diameter or an approximate ellipse major axis.
１…基板、１ａ…基板の一方の面、２…改質部、２ａ…手前の領域（第一領域）、２ｂ…奥の領域（第二領域）、３…微細孔、３ａ…第一開口部、３ｂ…第二開口部、４…基部、５…先端部、１０…微細孔を備えた基板、Ｌ…レーザー光、Ｆ…レーザー光の焦点領域（集光部）、Ｇ…レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 1a ... One surface of a board | substrate, 2 ... Modified | denatured part, 2a ... Area in front (1st area | region), 2b ... Area | region (2nd area | region) in the back, 3 ... Fine hole, 3a ... 1st opening Part, 3b ... second opening part, 4 ... base part, 5 ... tip part, 10 ... substrate with fine holes, L ... laser light, F ... focal region (condensing part) of laser light, G ... lens
Claims (4)
前記改質部をエッチングして微細孔を形成するエッチング工程と、を含む微細孔を備えた基板の製造方法であって、
下記式（１）で表されるパルスピッチを０．００１μｍ以上０．０８μｍ未満とし、
前記基板の内部における前記レーザー光の光軸と前記レーザー光の焦点の走査方向とのなす角が、３〜９０度であることを特徴とする微細孔を備えた基板の製造方法。
式（１）；パルスピッチ（μｍ）＝前記レーザー光の走査速度(μｍ/sec)｝／｛前記レーザー光の繰り返し周波数(Hz)｝ A laser beam having a pulse time width of picosecond order or less is irradiated inside the substrate, the laser beam is scanned so that the focal regions for each pulse of the laser beam overlap at least partially, and the focal region passes through. A reforming step for forming a modified portion with reduced etching resistance in the region,
An etching step of etching the modified portion to form micropores, and a method of manufacturing a substrate having micropores,
The pulse pitch represented by the following formula (1) is set to 0.001 μm or more and less than 0.08 μm,
A method of manufacturing a substrate having a microscopic hole, wherein an angle formed by an optical axis of the laser beam and a scanning direction of a focus of the laser beam in the substrate is 3 to 90 degrees.
Formula (1); pulse pitch (μm) = scanning speed of the laser beam (μm / sec)} / {repetition frequency of the laser beam (Hz)}
前記微細孔は、前記基板の表面に第一開口部及び第二開口部を有する貫通孔であり、
前記貫通孔は、第一開口部から内奥へ一定の孔径を有する基部と、内奥から第二開口部に進むにつれて孔径が先細りになる先端部とからなることを特徴とする、微細孔を備えた基板。 A substrate provided with micropores obtained by the production method according to claim 1,
The fine hole is a through hole having a first opening and a second opening on the surface of the substrate,
The through-hole is composed of a base having a constant hole diameter from the first opening to the inner depth, and a tip portion having a hole diameter that decreases from the inner depth to the second opening. Board provided.
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