CN111542411B - 透明材料加工方法、透明材料加工装置及透明材料 - Google Patents

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Abstract

简单且高效地进行材料的加工。透明材料加工方法是对热固化性透明材料进行加工的方法。透明材料加工方法包括：配置热固化前的热固化性透明材料的配置工序(S01)；对配置的热固化前的热固化性透明材料照射激光而使该热固化前的热固化性透明材料产生空泡的激光照射工序(S02)；以及对产生了空泡的热固化前的热固化性透明材料进行固化处理的固化处理工序(S03)。

Description

透明材料加工方法、透明材料加工装置及透明材料
技术领域
本发明涉及对基于热而固化的透明材料进行加工的透明材料加工方法及透明材料加工装置以及透明材料。
背景技术
以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为代表的热固化性透明材料具有高透过性、化学稳定性、轻量且廉价等优异的诸多特性。因此，除了在电子、电气等工业领域中作为基板而被利用，近年来在生物和医疗领域中也作为生物芯片和医疗设备的材料而被利用。目前，在这些材料的微细加工技术中，主要采用使用铸模的模塑或光刻。另外，使用激光的微细加工技术能够仅通过扫描激光就实现任意形状的微细加工。在使用通用激光的透明材料的微细加工技术中，有LIPAA(Laser-Induced Plasma-Assisted Ablation:激光诱导等离子体辅助刻蚀)法(例如，参照专利文献1)和LIBWE(Laser-Induced Backside Wet Etching:激光诱导背面湿法刻蚀)法(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-079245号公报
专利文献2：日本特开2009-136912号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在上述的现有的各技术中，存在以下的问题。在模塑的情况下，通过制作铸模并注塑成形等实现微细加工。但是，为了制作出任意的加工形状，需要重新制作铸模，在生产率和成本方面存在问题。光刻能够实现微细加工，但包括反复进行光照射、蚀刻、溅射等工序的多重步骤，存在难以进行深槽加工等问题。在深槽加工的情况下，极限为几十μm级，若为其以上则会导致进一步的多重步骤。因此，模塑和光刻难以快速成型。
作为使用激光的方法的LIPAA法和LIBWE法的加工效率(速度)低。另外，关于LIPAA法的槽加工，槽加工的极限为几μm级，在深槽加工的情况下，存在需要多个步骤等问题。
本发明的一个实施方式是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够简单且高效地进行材料的加工的透明材料加工方法及透明材料加工装置以及透明材料。
用于解决课题的技术方案
为了实现上述目的，本发明的一个实施方式的透明材料加工方法是对基于热而固化的透明材料进行加工的透明材料加工方法，其中，所述透明材料加工方法包括：配置工序，配置固化前的透明材料；激光照射工序，对在配置工序中配置的固化前的透明材料照射激光，使所述固化前的透明材料产生空泡；以及固化处理工序，对在激光照射工序中产生了空泡的固化前的透明材料进行固化处理。
在本发明的一个实施方式的透明材料加工方法中，通过照射激光，利用在固化前的透明材料中产生的空泡进行透明材料的加工。因此，根据本发明的一个实施方式的透明材料加工方法，能够简单且高效地进行材料的加工。
也可以是，在配置工序中，使固化前的透明材料与激光吸收体接触地配置，在激光照射工序中，经由固化前的透明材料，对在配置工序中配置的激光吸收体照射激光，使所述固化前的透明材料产生空泡。根据该结构，透明材料的加工部分附着有激光吸收体，能够容易地进行对透明材料的加工部分的镀层处理等。
也可以是，激光吸收体是金属，透明材料加工方法还包括对在固化处理工序中进行了固化处理的透明材料进行镀层处理的镀层处理工序。根据该结构，能够简单且高效地进行透明材料中的金属配线的形成等。
也可以是，在激光照射工序中，对激光进行聚光并对激光吸收体进行照射。根据该结构，能够更适当地进行激光的照射，能够更适当地产生空泡。由此，能够更适当地进行材料的加工。
也可以是，在配置工序中，从在激光照射工序中向固化前的透明材料照射的激光的射出位置到所述固化前的透明材料配置透明的物质，所述透明的物质由固体和液体中的至少任一种构成。根据该结构，能够抑制所照射的激光的路径中的折射率的变动。由此，能够适当地对固化前的透明材料照射激光，其结果是，能够进行适当的材料的加工。
此外，能够在本发明的一个实施方式的透明材料加工方法中使用的透明材料加工装置也是具有新的结构的发明。本发明的一个实施方式的透明材料加工装置是对基于热而固化的透明材料进行加工的透明材料加工装置，其中，所述透明材料加工装置具备：容器，收容固化前的透明材料；激光照射装置，对收容于容器的所述固化前的透明材料照射激光；以及移动部件，使所述容器或所述激光照射装置中的至少任一方移动，以使收容于所述容器的所述固化前的透明材料中的、由激光照射装置照射激光的位置移动。
也可以是，透明材料加工装置进一步具备从由激光照射装置向固化前的透明材料照射的激光的射出位置到所述固化前的透明材料配置的透明的物质，所述透明的物质由固体和液体中的至少任一种构成。
此外，通过本发明的一个实施方式的透明材料加工方法加工并基于热而固化的透明材料也是具有新的结构的发明。
发明效果
在本发明的一个实施方式中，通过照射激光，利用在固化前的透明材料中产生的空泡进行透明材料的加工。因此，根据本发明的一个实施方式，能够简单且高效地进行材料的加工。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的透明材料加工方法中使用的加工装置的图。
图2是表示本发明的实施方式的透明材料加工方法的流程图。
图3是示意性地表示热固化性透明材料及激光吸收体的配置以及激光的扫描的图。
图4是示意性地表示空泡的产生的图。
图5是表示以本发明的实施方式加工出的槽的图。
图6是表示以本发明的实施方式加工出的槽的图。
图7是表示以本发明的实施方式加工出的槽及镀层的图。
图8是表示以本发明的实施方式加工出的槽的图。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的透明材料加工方法、透明材料加工装置及透明材料的实施方式进行详细说明。此外，在附图的说明中，对相同要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。另外，附图的尺寸比率未必与说明的尺寸比率一致。
本实施方式的透明材料加工方法是对基于热而固化的透明材料、例如热固化性透明材料进行加工的方法。作为成为加工对象的热固化性透明材料，有PDMS
(polydimethylsiloxane:聚二甲基硅氧烷，硅酮)、环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、三聚氰胺和尿素树脂等热固化性透明树脂。
本实施方式的加工例如在热固化性透明材料的表面设置几～几十μm左右的宽度的微细的槽。在本实施方式的加工中，除了槽以外还可以在热固化性透明材料的表面设置微细的凹坑。另外，在本实施方式的加工中，还可以在所设置的槽中形成能够作为金属配线使用的金属薄膜。
图1表示本实施方式的透明材料加工方法的执行中使用的加工装置1。即，加工装置1是对上述透明材料进行加工的本实施方式的透明材料加工装置。如图1所示，加工装置1构成为具备容器10、激光光源20、聚光透镜30以及自动载置台40。
容器10是对在加工时成为加工对象的热固化性透明材料100和在加工中使用的激光吸收体200进行收容的容器。容器10例如使用透明的容器。由于成为加工对象的热固化性透明材料100形成被放入容器10时的形状，因此容器10的形状与其对应。
如图1所示，在容器10的下侧放入激光吸收体200。作为激光吸收体200，使用金属板(例如铜板)。但是，作为激光吸收体200，也可以使用金属以外的材料。在容器10的激光吸收体200之上，放入热固化前的热固化性透明材料100、即液态的热固化性透明材料100。在容器10的内部，成为在板状的激光吸收体200的一侧的面上载置有热固化前的热固化性透明材料100的状态，即，热固化性透明材料100与激光吸收体200接触的状态。热固化性透明材料100的与激光吸收体200接触的部分成为被加工的部分。
激光光源20是射出用于加工热固化性透明材料100的激光300的装置。由激光光源20输出的激光300的波长是相对于热固化前的热固化性透明材料100透明的波长(透过热固化前的热固化性透明材料100的波长)。即，热固化性透明材料100只要在热固化前相对于激光300的波长为透明即可。作为激光光源20，能够使用现有的YAG(yttrium aluminumgarnet：钇铝石榴石)激光等通用激光的光源等。
聚光透镜30是对从激光光源20射出的激光300进行聚光并射出的透镜。从聚光透镜30射出的激光300经由热固化性透明材料100照射到激光吸收体200。此时，激光吸收体200的位置(表面)为激光300的焦点位置。这样，激光光源20和聚光透镜30被定位配置成以使激光300照射到激光吸收体200。另外，还可以配置激光光源20和聚光透镜30以外的光学系统。作为聚光透镜30，能够使用现有的用作物镜的透镜。例如，作为聚光透镜30，能够使用倍率为20倍、NA(数值孔径)为0.35的物镜。激光光源20和聚光透镜30构成向收容于容器10的热固化前的透明材料照射激光300的激光照射装置。另外，激光照射装置也可以采用上述以外的结构。
自动载置台40是能够对激光300的照射位置、即热固化性透明材料100的加工位置进行定位的载置台。在自动载台40上载置有容器10。作为自动载置台40，能够使用现有的在XYZ轴的全轴方向上进行驱动的自动载置台。自动载置台40是使容器10移动的移动部件，以使收容于容器10的热固化前的透明材料中的、由激光光源20和聚光透镜30照射激光300的位置移动。另外，激光300的照射位置的定位也可以不是通过自动载置台40、即容器10的移动，而是通过激光300的射出位置的移动来进行。另外，也可以是这两者移动。即，上述的移动部件只要使容器10以及激光照射装置中的至少任意一方移动，以使收容于容器10的热固化前的透明材料中的、由激光照射装置照射激光的位置移动即可。以上是本实施方式的透明材料加工方法的执行中使用的加工装置1。
接着，使用图2的流程图对本实施方式的透明材料加工方法进行说明。首先，在容器10内配置热固化前的热固化性透明材料100和激光吸收体200(S01，配置工序)。该配置例如由操作者进行。此时，如图1所示，热固化性透明材料100与激光吸收体200接触地配置。例如，如图3的上侧的图所示，通过向配置有激光吸收体200的容器10内流入热固化前的热固化性透明材料100来进行该配置。
接着，从激光光源20射出并由聚光透镜30聚光后的激光300经由热固化性透明材料100对激光吸收体200照射(S02，激光照射工序)。通过激光300对激光吸收体200的照射，在照射位置的热固化性透明材料100中产生空泡。激光吸收体200的照射位置通过自动载置台40而移动。即，激光300在激光吸收体200上扫描(移动)。激光300的扫描对热固化性透明材料100的加工区域进行，通过操作者的操作或预先的设定等进行。
如图4所示，在各照射位置分别产生空泡400。当如图3的上侧的图所示地使激光300呈直线状进行扫描时，会如图3的下侧的图所示地在热固化性透明材料100产生直线状(线状)的连续的空泡400。
空泡400持续存在于热固性透明材料100。照射激光300后，对产生了空泡400的热固化性透明材料100连同容器10一起进行热处理(固化处理)，使热固化性透明材料100热固化(S03，固化处理工序)。热处理与现有的对热固化性透明材料100的热处理同样地进行。
热固化后的热固化性透明材料100的空泡400的部分为凹坑。即，对热固化性透明材料100进行反映了成为铸模的空泡400的形状的微细加工。在如上述的例子那样产生了直线状的连续的空泡400的情况下，在热固化性透明材料100上形成直线状的槽。
空泡400的尺寸(形状)能够通过激光300的照射条件(例如，激光300的功率和照射时间)来控制。通常，若分别增大激光300的功率和照射时间，则空泡400的尺寸变大。能够以μm级进行该控制。这些控制也可以通过例如在激光300的光路上设置对激光300的波阵面进行控制的光学系统(例如空间光调制器或圆锥透镜)来进行。
热固化后的热固化性透明材料100从容器10取出。在使用金属作为激光吸收体200的情况下，上述凹坑(槽)附着有该金属的微粒。在将其去除的情况下，在热处理后，利用盐酸等溶剂进行超声波清洗(S04)。
另一方面，也可以不去除金属微粒地对热固化性透明材料100的凹坑部分(槽)、即加工部分进行镀层处理(S05，镀层处理工序)。镀层处理能够与以往同样地通过例如将热固化性透明材料100浸渍在镀层处理液中而进行。由此，能够仅在加工出的凹坑(槽)中堆积能够用作金属配线的金属薄膜。即，能够实现向加工区域的选择性的金属配线。以上是本实施方式的透明材料加工方法。
如上所述，在本实施方式中，通过激光300的照射，在热固化前的热固化性透明材料100中产生空泡400，进行热固化性透明材料100的加工。根据本实施方式，与模塑和光刻相比，能够以较少的工序数量进行微细加工，能够进行快速成型。具体而言，根据本实施方式，能够将光刻工序所花费的时间减少至五分之一～十分之一左右。另外，在本实施方式中，由于能够使用通用激光，因此不需要光刻所需的无尘室等高额设备。
另外，在本实施方式中，由于基于在热固化前的热固化性透明材料100中产生的空泡400进行加工，与对已经固化的固体材料进行加工的LIPAA法和LIBWE法相比，能够以高效率(高速)进行加工。例如，根据本实施方式，与LIPAA法以及LIBWE法相比，能够容易地实现深槽加工。具体而言，在LIPAA法和LIBWE法中，关于槽加工，通过一次激光照射的槽加工极限为几μm级，但在本实施方式中能够容易地实现在此之上的深槽加工。这样，根据本实施方式，能够简单且高效地进行材料的加工。另外，通过本实施方式的透明材料加工方法所加工出的热固化性透明材料100是本实施方式的透明材料。
另外，如本实施方式所述，也可以是，在配置工序中，使热固化前的热固化性透明材料100与激光吸收体200接触地配置，在激光照射工序中，经由热固化前的热固化性透明材料100对激光吸收体200照射激光，使该热固化前的热固化性透明材料100产生空泡400。根据该结构，在热固化性透明材料100的加工部分附着有因空泡400的产生而被削掉的激光吸收体200，能够容易地进行对热固化性透明材料100的加工部分的镀层处理等。但是，在热固化性透明材料100的加工中未必需要使用激光吸收体200。在不使用激光吸收体200的情况下，向成为热固化前的热固化性透明材料100的加工对象的部分照射激光，在成为该加工对象的部分产生空泡即可。
另外，如本实施方式所述，也可以是，使用金属板作为激光吸收体200，进行镀层处理并在加工后的热固化性透明材料100上形成金属薄膜。根据该结构，能够简单且高效地进行热固化性透明材料100中的金属配线的形成等。例如，在LIBWE法中，为了进行向加工区域的金属配线而需要新的工序，但在本实施方式中，与该新的工序相比，能够容易地进行金属配线的形成。但是，在不需要形成金属薄膜的情况下，不需要进行镀层处理，例如，也可以如上述那样通过超声波清洗等去除加工部分的金属的微粒子。另外，在该情况下，作为激光吸收体200也可以使用金属以外的材料。
另外，如本实施方式所述，也可以是，通过聚光透镜30对激光300进行聚光并照射。根据该结构，能够更适当地进行激光的照射，能够更适当地产生空泡400。由此，能够更适当地进行热固化性透明材料100的加工。但是，根据激光300的功率不同，未必需要进行激光300的聚光。在不进行聚光的情况下，成为反映激光300的光束直径的加工标尺。
需要说明的是，在本实施方式中将加工对象设为热固化性透明材料，但只要是基于热而固化的透明材料也可以将热固化性透明材料以外的材料作为加工对象。热固化性透明材料通过加热而固化，但也可以将与热固化性透明材料相反地通过冷却而固化的材料(例如玻璃)作为加工对象。另外，在本实施方式中，示出了热固化性透明材料100与激光吸收体200在铅垂方向上接触的例子，但不限于该接触，也可以任意地接触。
图5表示通过本实施方式形成于热固化性透明材料100(PDMS)的槽的例子。图5(a)是该槽的俯视图，图5(b)是该槽的剖视图。根据激光300的照射条件，如图5(b)所示，槽的深度与宽度的纵横比大约为1：1。图6表示通过本实施方式形成于热固化性透明材料100(PDMS)的槽的激光显微镜像(倍率：100倍)的例子。本例是激光300的功率为1μJ/pulse、扫描的速度为5000μm/s的例子。纵横比同样约为1：1。图7(a)是通过本实施方式形成于热固化性透明材料100(PDMS)的槽的反射显微镜像(倍率：20倍)，图7(b)是镀层了的槽的反射显微镜像(倍率为20倍)。也如上述的图5～图7所示那样，根据本实施方式，适当地进行热固化性透明材料100(PDMS)的加工。
接着，对本实施方式的变形例进行说明。上述的实施方式是设置沿着热固化性透明材料100的表面的槽的实施方式。本发明的实施方式的加工不限于上述那样的在热固化性透明材料100上设置槽的情况，也能够用于在热固化性透明材料100上形成贯通孔或未贯通的孔(深槽)的情况。
在该情况下，照射激光300的部分(激光300的焦点位置)成为与形成于热固化性透明材料100的贯通孔或未贯通的孔相当的部分。例如，在图1、图3以及图4中，使照射激光300的部分沿铅垂方向(纸面的上下方向)扫描(移动)。具体而言，使聚光后的激光300相对于光轴在水平方向上从下上升。这样的扫描能够通过使来自激光光源20以及聚光透镜30的激光300的射出位置沿着激光的光轴移动或者使自动载置台40沿着激光的光轴移动来实现。
另外，也可以在对热固化前的热固化性透明材料100照射激光300之前，即，在配置工序中，从激光300的射出位置到该热固化前的热固化性透明材料100配置由固体和液体中的至少任一种构成的透明的物质。例如，在热固化前的热固化性透明材料100上配置玻璃板，在该玻璃板之上载置水膜，使作为激光300的射出位置的聚光透镜30与水膜接触。在该结构中，射出的激光300经由水及玻璃板入射到热固化前的热固化性透明材料100。
上述结构考虑了激光300的路径的折射率。例如，作为热固化前的热固化性透明材料100的PDMS的折射率为1.41左右。在不设置上述的玻璃板和水膜的情况下，激光300经由空气向热固化前的热固化性透明材料100入射。空气的折射率为约1，因此与热固化前的热固化性透明材料100的折射率之差变大。由于玻璃板的折射率为1.45左右，水的折射率为1.3左右，因此能够减小与热固化前的热固化性透明材料100的折射率之差。即，根据该结构，能够抑制被照射的激光300的路径中的折射率的变动。由此，能够适当地对热固化前的热固化性透明材料100照射激光300，其结果是，能够进行适当的材料的加工。
另外，如本变形例所述，即使在使激光300的射出位置、即聚光透镜30沿铅垂方向移动的情况下，只要移动的长度短，例如如果是1500μm左右，水也会因水的表面张力而与聚光透镜30接触。
另外，设置在激光300的路径上的透明的物质不限于玻璃板和水，只要是由抑制折射率变动的固体和液体中的至少任一种构成的透明的物质即可。另外，该透明的物质也可以如上所述是固体(玻璃板)和液体(水)的组合。另外，该透明的物质也可以包含在加工装置1中。
另外，在包含变形例的本实施方式中，也可以调整热固化前的热固化性透明材料100的粘度，以使产生的空泡400不移动等而稳定地位于热固化前的热固化性透明材料100。
图8表示通过本实施方式和变形例在作为热固化性透明材料100的PDMS上形成的槽的例子。在图8中，热固化性透明材料100载置在作为激光吸收体200的铜板之上。形成在与激光吸收体200的交界的槽110通过上述的实施方式形成。从激光吸收体200垂直延伸的槽(贯通孔)120通过上述变形例形成。即，呈T字型地形成有槽110、120。这样的槽110、120能够用作流路。激光吸收体200的槽120在延伸的方向上的长度(激光吸收体200的厚度)为1500μm左右，遍及该长度整体形成有槽120(即，贯通孔)。另外，图8中的激光吸收体200在该方向上的长度为173.8μm。
槽120的宽度约为7.4μm。槽120中的长度与宽度的纵横比为约202(1500/7.4)。这样，根据本方法，能够不依靠热固化性透明材料100的贴合等方法地形成纵横比为200以上的槽。
为了实现上述目的，本发明的一个实施方式的透明材料加工方法是对基于热而固化的透明材料进行加工的透明材料加工方法，包括：使固化前的透明材料与激光吸收体接触地配置的配置工序；经由固化前的透明材料，对在配置工序中配置的激光吸收体照射激光而使该固化前的透明材料产生空泡的激光照射工序；以及对在激光照射工序中产生了空泡的固化前的透明材料进行固化处理的固化处理工序。
在本发明的一个实施方式的透明材料加工方法中，通过照射激光，利用在固化前的透明材料中产生的空泡进行透明材料的加工。因此，根据本发明的一个实施方式的透明材料加工方法，能够简单且高效地进行材料的加工。
也可以是，激光吸收体为金属，透明材料加工方法进一步包括对在固化处理工序中进行了固化处理的透明材料进行镀层处理的镀层处理工序。根据该结构，能够简单且高效地进行透明材料中的金属配线的形成等。
也可以是，在激光照射工序中对激光进行聚光并对激光吸收体进行照射。根据该结构，能够更适当地进行激光的照射，能够更适当地产生空泡。由此，能够更适当地进行材料的加工。
附图标记说明
1、加工装置；10、容器；20、激光光源；30、聚光透镜；40、自动载置台；100、热固化性透明材料；200、激光吸收体；300、激光；400、空泡。

Claims (5)

1.一种透明材料加工方法，对基于热而固化的透明材料进行加工，其中，
所述透明材料加工方法包括：
配置工序，配置固化前的透明材料；
激光照射工序，对在所述配置工序中配置的所述固化前的透明材料照射激光，使所述固化前的透明材料产生空泡；以及
固化处理工序，对在所述激光照射工序中产生了空泡的固化前的透明材料进行固化处理。
2.根据权利要求1所述的透明材料加工方法，其中，
在所述配置工序中，使所述固化前的透明材料与激光吸收体接触地配置，
在所述激光照射工序中，经由所述固化前的透明材料，对在所述配置工序中配置的激光吸收体照射激光，使所述固化前的透明材料产生空泡。
3.根据权利要求2所述的透明材料加工方法，其中，
所述激光吸收体是金属，
所述透明材料加工方法还包括对在所述固化处理工序中进行了固化处理的透明材料进行镀层处理的镀层处理工序。
4.根据权利要求2或3所述的透明材料加工方法，其中，
在所述激光照射工序中，对激光进行聚光并对所述激光吸收体进行照射。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的透明材料加工方法，其中，
在所述配置工序中，从在所述激光照射工序中向所述固化前的透明材料照射的激光的射出位置到该固化前的透明材料配置透明的物质，所述透明的物质由固体和液体中的至少任一种构成。
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