JP2004277244A

JP2004277244A - ガラス材料の加工方法及びその方法で加工されたガラス材料

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Publication number: JP2004277244A
Application number: JP2003073032A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Kitamura; 直之北村; Kohei Fukumi; 幸平福味; Junji Nishii; 準治西井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP3951020B2

Abstract

【課題】シリカガラスにおいてレーザー光の照射領域よりも小さい領域に隆起形状を形成することができるガラス材料の加工方法及びその方法で加工されたガラス材料を提供すること。
【解決手段】レーザー光を照射してガラス材料を加工する方法であって、前記ガラス材料がシリカガラスであり、集光手段によって、前記レーザー光の光軸と集光後の前記レーザー光の境界面とが成す集光角度が、１．５°以上４５°以下になるように、前記レーザー光を集光し、集光後の前記レーザー光を、前記ガラス材料の表面に所定時間照射し、前記ガラス材料の表面上の前記レーザー光の照射領域よりも小さい領域を隆起させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー照射を用いたシリカガラス材料の加工方法及びその方法で加工されたガラス材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラス材料の表面加工の方法としては、予め軟化させたガラス表面に金型を押し付けて成形する方法、マスクによるパターンニングの後に化学的なエッチング処理を行う方法、ガラス表面に直接レーザー光を照射してガラスを溶融もしくは蒸発させる方法などが知られている。それらの内、金型による方法は、融点が高く高粘性のガラスに対して適用することが困難であり、かつ微細な加工も困難であるため、エッチングやレーザーアブレーションによる微細加工方法がしばしば採用されている。
【０００３】
しかし、エッチングやレーザーアブレーションによる加工方法は、窪んだ形状の形成には適しているが、隆起形状を形成するためには、隆起部分として残存させる部分以外の部分を除去する加工を行う必要があり、その制御は複雑で困難である。近年の半導体製造において使用されている微細加工技術を利用すれば、任意形状の作製が可能であり、隆起部分として残存させる部分以外の部分の除去も可能ではあるが、これに要する時間とコストは膨大である。
【０００４】
この問題を克服しガラス表面に隆起形状を形成する方法として、レーザー光をガラス表面に照射して加熱を行い、照射部分を溶融させて隆起形状を生成する方法（下記特許文献１参照）や、カルコゲナイドガラスに関しては、バンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーのレーザー光を照射し、その表面に体積変化による隆起形状を形成する方法（下記特許文献２参照）が開示されている。
【０００５】
また、本願発明者は、体積減少もしくは体積増加させたガラスに熱を与えて隆起形状を形成する方法（下記特許文献３参照）を発明し、さらにこの方法を改良して特願２００２−００５４８２、特願２００２−１９５３５５として出願している。
【０００６】
このような隆起形状を持ったガラスは、高いレンズ性能を示すことが知られており、種々の光学レンズに応用されている。また、別の用途として、表面をパターニングされたガラス基板は、記録媒体（コンピュータ用ハードディスク等）用の特殊基板等としても利用されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１１２２４号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平８−８６９０３号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開２００２−２５５５７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レーザー光をガラス表面に照射し、加熱、溶融させて隆起形状を形成する方法や、体積減少もしくは体積増加させたガラスに熱を与えて隆起形状を形成する方法では、隆起形状を形成する領域が、ガラス表面上のレーザー光の照射領域と同程度の大きさの領域、もしくはそれよりも大きい領域になってしまうという問題があった。
【００１１】
従って、レーザー光の照射領域に制限されるこのような方法は、多様な応用が期待できる微小光学素子や微細パターンの製造において、大きな制限となるものであった。
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は、シリカガラスにおいてレーザー光の照射領域よりも小さい領域に隆起形状を形成することができるガラス材料の加工方法及びその方法で加工されたガラス材料を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記した従来技術の問題に鑑みて研究を進めた結果、不純物を含まない純粋なシリカガラスもしくは数パーセントの添加物を含有するシリカガラスの表面に、鋭くレーザー光を集光することにより、レーザー光の照射領域よりも小さい領域において隆起を形成できることを見出した。この加工方法は、製品として提供されている一般的なシリカガラスに対して有効であるだけではなく、予め体積減少させたシリカガラスに対しても有効であり、加熱による体積膨張とは明らかに異なる効果を得ることが可能であることが分かり、ここに本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、上記の課題を解決するために、本発明に係るガラス材料の加工方法（１）は、レーザー光を照射してガラス材料を加工する方法であって、前記ガラス材料がシリカガラスであり、集光手段によって、前記レーザー光の光軸と集光後の前記レーザー光の境界面とが成す集光角度が、１．５°以上４５°以下になるように、前記レーザー光を集光し、集光後の前記レーザー光を、前記ガラス材料の表面に所定時間照射し、前記ガラス材料の表面上の前記レーザー光の照射領域よりも小さい領域を隆起させることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係るガラス材料の加工方法（２）は、上記のガラス材料の加工方法（１）において、前記レーザー光が、炭酸ガスレーザー光であることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係るガラス材料の加工方法（３）は、上記のガラス材料の加工方法（１）又は（２）において、前記ガラス材料が、２０００ｗｔ・ｐｐｍ以下のＯＨ基、２０００ｗｔ・ｐｐｍ以下の金属、１ｗｔ・％以下の塩素、又は８ｗｔ・％以下のフッ素を含有するシリカガラスであることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係るガラス材料の加工方法（４）は、上記のガラス材料の加工方法（１）〜（３）の何れかにおいて、前記ガラス材料が、加熱により非可逆的な体積変化を生じるガラスであることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明に係るガラス材料の加工方法（５）は、上記のガラス材料の加工方法（１）〜（４）において、前記レーザー光が、パルスレーザー光であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明に係るガラス材料の加工方法（６）は、上記のガラス材料の加工方法（１）〜（５）において、前記ガラス材料の表面上の前記照射領域の位置を変化させることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係るガラス材料の加工方法（７）は、上記のガラス材料の加工方法（６）において、前記照射領域の位置の変化に応じて、前記レーザー光の強度を変化させることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係るガラス材料（１）は、上記のガラス材料の加工方法（１）〜（７）によって形成された隆起を表面に有することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る光学素子は、上記のガラス材料（１）から成ることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明に係るガラス基板は、上記のガラス材料（１）から成ることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に関して説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係るガラス材料の加工方法を実施する状態を概略的に示した構成図である。本発明に係るガラス材料の加工方法では、図１に示したように、レーザー光発生装置（図示せず）からのレーザー光１を集光レンズ２に導き、集光前のレーザー光１の光束の直径ｄ１を直径ｄ２まで集光させて、隆起形状を形成する対象であるガラス３の表面に照射する。
【００２６】
ここで、ガラス３はシリカガラスであり、レーザー光１は、赤外領域（波長約０．８μｍ以上）の波長のレーザー光である。さらに、レーザー光１は、ガラス３によって吸収され易い５μｍ以上の波長であることがより望ましい。例えば、炭酸ガスレーザー光を使用すれば、シリカガラスに効率的に吸収される。炭酸ガスレーザー光の代表的な基本波長は１０．６μｍであるが、炭酸ガスレーザー発生装置には９．６μｍ、９．３μｍなど種々の基本波長を発生するものがあり、これらを使用してもよい。
【００２７】
さらに、レーザー光１は、図１に示したように、レーザー光１の光軸と、集光レンズ２を透過した後のレーザー光１の境界面とが成す角度（以下、集光角度と記す）θが１．５°以上の角度、より望ましくは１．５°〜４５°の範囲の角度になるように、集光レンズ２によって鋭く集光される。集光角度θは、集光レンズ２の位置におけるレーザー光１の光束の半径Ｒ（＝ｄ１／２）と集光レンズ２からレーザー光１が焦点を結ぶ位置までの距離Ｌとを使用して、θ＝ｔａｎ^−１（Ｒ／Ｌ）によって計算した値である。
【００２８】
ガラス３と集光レンズ２との距離は、集光前のレーザー光１の光束の直径ｄ１、及び集光レンズ２の焦点距離を考慮し、ガラス３の表面上に直径ｄ２の所望の照射領域が得られるように設定する。
【００２９】
レーザー光１の照射方法は、連続照射を１回行う方法でも、所定のパルス幅のレーザーパルスを繰返し照射する方法の何れでもよく、照射するレーザー光１の強度、照射時間、パルス幅、パルス周期は、過度の温度上昇によるガラスの蒸発が生じない範囲であればよい。
【００３０】
このように集光されたレーザー光１が焦点を結ぶ近傍にガラスを設置することで、照射されるレーザー光１の照射領域（直径ｄ２）よりも小さい領域に隆起形状を形成することができる。
【００３１】
また、加工対象のガラス３は、不純物を含まない、即ち不純物が０ｗｔ・％の純粋なシリカガラスであることが望ましいが、若干の不純物や強制的にドープした元素を含むシリカガラスであってもよい。若干の不純物を含有するシリカガラスに対しても、上記の方法によってレーザー光１の照射領域よりも狭い範囲を隆起させることができる。例えば、２０００ｗｔ・ｐｐｍ以下のＯＨ基もしくは金属不純物を含有するシリカガラス、１ｗｔ・％以下の塩素、又は８ｗｔ・％以下のフッ素を含有するシリカガラスは、熱的性質が純粋なシリカガラスとほぼ同じであるので、これらを加工対象とすることができる。
【００３２】
また、これらのシリカガラスに対して、高圧力による圧縮、加速粒子ビーム（電子線、中性子線など）の照射などを行うことによって得られる、加熱により非可逆的な体積変化を生じ、冷却しても元に戻らないシリカガラス材料も加工対象となり得る。
【００３３】
また、レーザー光１を連続照射しながら、集光レンズ２の位置及びレーザー光１の光路を適切に変化させて、集光レンズ２を介して集光されるレーザー光１のガラス３の表面上の集光位置を変化させることによって、所定の直線状又は曲線状に隆起を形成することができる。さらに、一定強度のレーザー光１がガラス３の表面上に集光される集光位置の移動速度を変化させること、又は、集光位置の変化に応じて、レーザー光１の強度やパルス幅を変化させることによって、場所に応じて高さが変化する、所定の直線状又は曲線状の隆起を形成することができる。
【００３４】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。
【００３５】
（実施例１）
隆起形状を形成する対象物として、合成シリカガラス（ＯＨ基の含有量１２００ｗｔ・ｐｐｍ）を１０ｍｍ角×１ｍｍ厚さに加工し、表面を光学研磨したガラス基板を使用した。水平にガラス基板を設置し、ガラス基板表面から１１０ｍｍ離れた位置に焦点距離１０１．６ｍｍ（４インチ）のＺｎＳｅの片凸レンズを設置した。この配置で、炭酸ガスレーザー発生装置からの０．５１Ｗのレーザー光（光束の直径ｄ１＝約６ｍｍ）を、片凸レンズの光軸に平行に入射して集光し、ガラス基板表面に２分間連続的に照射した。
【００３６】
片凸レンズに入射するレーザー光の光束の直径ｄ１を約６ｍｍとしたことで、ガラス基板表面の照射領域の直径ｄ２は約１００μｍとなり、入射するレーザー光の集光角度θは１．５４°であった。
【００３７】
照射後のガラス基板表面を表面粗さ計により計測した結果、図２に示した断面形状を表わすグラフを得ることができた。図２において、縦軸はガラス基板表面の平坦部分を基準とするガラス基板表面の高さ（μｍ）、横軸はピーク位置からの距離（μｍ）であり、便宜上、図２の左方向を負とした。図２から分かるように、レーザー光の照射によって、直径約３０μｍの範囲に、中心の高さが１．７μｍの隆起形状を形成することができた。この隆起形状の大きさ（直径約３０μｍ）は、ガラス基板表面に照射したレーザー光の照射領域（ｄ２＝約１００μｍ）の約３分の１であった。
【００３８】
（実施例２）
隆起形状を形成する対象物として、熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラスを使用した。合成シリカガラス（ＯＨ基の含有量１２００ｗｔ・ｐｐｍ）を、１ＧＰａの圧力、１２００℃の環境で２時間加熱した。処理後のガラスの体積は３．７％減少した。このガラスは、加熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラスである。このガラスを１０ｍｍ角×１ｍｍ厚さに加工し、表面を光学研磨したガラス基板を、隆起形状を形成する対象物として使用した。
【００３９】
水平にガラス基板を設置し、ガラス基板表面から１１０ｍｍ離れた位置に焦点距離１０１．６ｍｍ（４インチ）のＺｎＳｅの片凸レンズを設置し、この配置で、炭酸ガスレーザー光発生装置からの０．４５Ｗのレーザー光（光束の直径ｄ１＝約６ｍｍ）を、片凸レンズの光軸に平行に入射して集光し、ガラス基板表面に連続的に照射した。
【００４０】
片凸レンズに入射するレーザー光の光束の直径ｄ１を約６ｍｍとしたことで、実施例１と同様に、ガラス基板表面の照射領域の直径ｄ２は約１００μｍであり、入射するレーザー光の集光角度θは１．５４°であった。
【００４１】
上記の条件でレーザー光を１分間連続的に照射した後に、ガラス基板の表面を、実施例１と同様に、表面粗さ計により計測した。その結果、直径約１００μｍの範囲に、中心の高さが約０．７μｍの隆起を形成することができた。これは、従来から知られている、加熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラス材料において見られる効果である。
【００４２】
一方、上記の条件でレーザー光を２０分間連続的に照射した後に、ガラス基板の表面を表面粗さ計により計測した。その結果、図３に示した断面形状を表わすグラフを得ることができた。図３において、縦軸、横軸は図２と同様である。図３から分かるように、レーザー光の照射によって、直径約３０μｍの範囲に、中心の高さが４．６μｍの隆起を形成することができた。この隆起部分の大きさ（直径約３０μｍ）は、ガラス表面に照射したレーザー光の照射領域（ｄ２＝約１００μｍ）の約３分の１であった。
【００４３】
図３において、中心の高さが４．６μｍの隆起形状の周囲に形成されている直径約１００μｍの緩やかな隆起は、上記したレーザー光を１分間連続照射して得られる隆起である。即ち、体積を減少させた、加熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラスに、レーザー光を長時間連続的に照射すると、まず従来から知られている体積変化が起こり、この変化が完了した後に、本発明の効果である、照射したレーザー光の照射領域よりも小さい領域に隆起（従来から知られている体積変化後の表面から約３．９μｍの高さ）が形成されたことが分かる。
【００４４】
（実施例３）
実施例２と同様に、隆起形状を形成する対象物として、熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラスを使用した。合成シリカガラス（塩素の含有量２０００ｗｔ・ｐｐｍ）を、１ＧＰａの圧力、１２００℃の環境で２時間加熱した。処理後のガラスの体積は３．６％減少した。このガラスは、加熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラスである。このガラスを１０ｍｍ角×１ｍｍ厚さに加工し、表面を光学研磨したガラス基板を、隆起形状を形成する対象物として使用した。
【００４５】
水平にガラス基板を設置し、ガラス基板表面から１１０ｍｍ離れた位置に焦点距離１０１．６ｍｍ（４インチ）のＺｎＳｅの片凸レンズを設置した。この配置で、炭酸ガスレーザー光発生装置から出力される、パルス幅１４ｍｓ、繰返し周期約１７ｍｓ（周波数６０Ｈｚ）、０．４５Ｗのパルスレーザー光（光束の直径ｄ１＝約６．５ｍｍ）を、片凸レンズの光軸に平行に入射して集光し、ガラス基板表面に照射した。
【００４６】
片凸レンズに入射するレーザー光の光束の直径ｄ１を約６．５ｍｍとしたことで、ガラス基板表面の照射領域の直径ｄ２は約８０μｍであり、入射するレーザー光の集光角度θは１．６７°であった。
【００４７】
上記の条件でレーザーパルスを６００パルス照射した後に、ガラス基板の表面を、実施例１、２と同様に、表面粗さ計により計測した。その結果、直径約８０μｍの範囲に、中心の高さが約０．４μｍの隆起を形成することができた。これは、実施例２と同様に、従来から知られている、加熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラス材料において見られる効果である。
【００４８】
一方、上記の条件でレーザーパルスを８６００パルス照射した後に、ガラス基板の表面を表面粗さ計により計測した。その結果、図４に示した断面形状を表わすグラフを得ることができた。図４において、縦軸、横軸は図２、３と同様である。図４から分かるように、レーザー光の照射によって、直径約２５μｍの範囲に、中心の高さが２．１μｍの隆起を形成することができた。この隆起部分の大きさ（直径約２５μｍ）は、ガラス表面に照射したレーザー光の照射領域（ｄ２＝約８０μｍ）の約３分の１であった。
【００４９】
実施例２と同様に、図４において、中心の高さが２．１μｍの隆起部分の周囲に形成されている直径約８０μｍの緩やかな隆起は、上記したレーザー光を６００パルス照射して得られる隆起である。即ち、体積を減少させた、加熱によって非可逆的な体積変化を生じるガラスに、パルスレーザー光を長時間照射すると、従来から知られている体積変化が完了した後に、本発明の効果である、照射したレーザー光の照射領域よりも小さい領域に隆起（従来から知られている体積変化後の表面から約１．７μｍの高さ）が形成されたことが分かる。
【００５０】
（比較例）
本発明の効果をより具体的且つ明確に示すために、従来の方法による隆起形成の結果を比較例として説明する。
【００５１】
従来の照射方法（特願２００２−１９５３５５等参照）に従って、焦点距離１９０．５ｍｍ（７．５インチ）のＺｎＳｅレンズをシリカガラス基板表面から２１９ｍｍ離れた位置に設置し、炭酸ガスレーザー発生装置からの５Ｗのレーザー光（光束の直径ｄ１＝約６ｍｍ）を、シリカガラス基板表面に連続的に照射した。レンズに入射するレーザー光の光束の直径ｄ２を約６ｍｍとしたことで、ガラス基板表面上の照射領域の直径ｄ２は約２００μｍであり、レーザー光の集光角度θは、上記の実施例１〜３における集光角度よりも小さい０．７６°であった。
【００５２】
３０秒間、又はガラス基板の蒸発による陥没が発生しない時間範囲で、長時間連続的に照射しても（パルスレーザー光の場合には２０００パルス以上照射しても）、上記の実施例１〜３で示したような照射領域よりも小さい領域に鋭い隆起形状は形成されなかった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、シリカガラス表面上のレーザー光の照射領域よりも小さい領域に、鋭い隆起形状を形成することができる。
【００５４】
従って、シリカガラスの特徴である紫外領域から近赤外領域の優れた透光性を維持しながら、ガラス表面に微細な隆起を形成できることから、本発明を応用して、信号伝送用の光源素子（レーザーダイオード）や受光素子（フォトダイオード）とファイバとを接続するための極微光学レンズやレンズアレイなどの光学素子を製造することが可能となる。
【００５５】
また、ガラス表面に幾何学的な凹凸を形成できるので、基板の光反射を抑制する表面処理や、磁気ディスク用の基板のような表面に微細な突起を形成することが要求されるガラス基板などの製造にも、本発明を応用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガラス材料の加工方法を実施する状態を概略的に示す構成図である。
【図２】実施例１でガラス基板表面に形成された隆起の断面形状を表すグラフである。
【図３】実施例２でガラス基板表面に形成された隆起の断面形状を表すグラフである。
【図４】実施例３でガラス基板表面に形成された隆起の断面形状を表すグラフである。
【符号の説明】
１レーザー光
２集光レンズ
３ガラス
ｄ１集光前のレーザー光の光束の直径
ｄ２照射領域の直径
θ 集光角度

Claims

レーザー光を照射してガラス材料を加工する方法であって、
前記ガラス材料がシリカガラスであり、
集光手段によって、前記レーザー光の光軸と集光後の前記レーザー光の境界面とが成す集光角度が、１．５°以上４５°以下になるように、前記レーザー光を集光し、
集光後の前記レーザー光を、前記ガラス材料の表面に所定時間照射し、
前記ガラス材料の表面上の前記レーザー光の照射領域よりも小さい領域を隆起させることを特徴とするガラス材料の加工方法。
前記レーザー光が、炭酸ガスレーザー光であることを特徴とする請求項１に記載のガラス材料の加工方法。
前記ガラス材料が、２０００ｗｔ・ｐｐｍ以下のＯＨ基、２０００ｗｔ・ｐｐｍ以下の金属、１ｗｔ・％以下の塩素、又は８ｗｔ・％以下のフッ素を含有するシリカガラスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス材料の加工方法。
前記ガラス材料が、加熱により非可逆的な体積変化を生じるガラスであることを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載のガラス材料の加工方法。
前記レーザー光が、パルスレーザー光であることを特徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載のガラス材料の加工方法。
前記ガラス材料の表面上の前記照射領域の位置を変化させることを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載のガラス材料の加工方法。
前記照射領域の位置の変化に応じて、前記レーザー光の強度を変化させることを特徴とする請求項６に記載のガラス材料の加工方法。
請求項１〜７の何れかの項に記載のガラス材料の加工方法によって形成された隆起を表面に有することを特徴とするガラス材料。
請求項８に記載のガラス材料から成ることを特徴とする光学素子。
請求項８に記載のガラス材料から成ることを特徴とするガラス基板。