JP2009190908A - 凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法において、圧子に用いる材料の自由度を広げる。
【解決手段】ガラス基材の表面の所定領域を押圧し、前記押圧した所定領域を含む領域をエッチングすることにより、前記所定領域と前記所定領域を除く領域とにおけるエッチング速度の相違を利用して前記表面に凹凸を形成する、凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法であって、前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する材料を先端部に用いた圧子を用い、前記先端部を前記表面に押し付けながら、前記先端部が前記表面に及ぼす剪断力および押圧力が前記エッチング速度の相違を生じせしめるのに足りる大きさとなるように剪断力が発生する相対速度により、前記圧子を前記ガラス基材に対して移動させることを含む、ガラス基材の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス基材の表面の所定領域を押圧し、押圧した所定領域を含む領域をエッチングすることにより、所定領域と所定領域を除く領域とにおけるエッチング速度の相違を利用してガラス基材の表面に凹凸を形成する、凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法に関する。

近年、磁気記録媒体、光学素子等の用途において、表面に微細なテクスチャーを有するガラス基板が用いられており、ガラス表面を高精密に加工する技術が高い注目を集めている。これまでに、本出願人らは、特開２００２−１６０９４３号公報等に、新たなガラス表面の微細加工法を提案してきた。

この方法は、圧子を用いて外力を印加（押圧）することによりガラスの表面に圧縮部を形成させると、その部位のエッチング速度が非圧縮部に比べて低下する現象を利用してガラスの表面に凸部を形成するものである。この方法には、押圧した後エッチングするだけという単純なプロセスで微細加工が可能で、フォトマスクを使用することなく任意のパターンを形成できるといった特徴がある。
特開２００２−１６０９４３号公報

しかしながら、従来技術には次のような問題点があった。前記ガラス表面の微細加工法においては、ガラスを圧縮しなければならないことから、圧子の材料には、ダイアモンドやｃＢＮ、超硬合金といった、ガラスよりもはるかに硬度の高い材料が選択されていた。これらの材料は、その硬度の高さゆえに加工性が悪く、コスト面でも不利なものであった。したがって、その他の材料を用いた圧子を用いて、凹凸のある表面を有するガラス基板を製造することができれば、有益である。

本発明の目的は、前記の凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法において、圧子に用いる材料の自由度を広げることにある。

本発明は、ガラス基材の表面の所定領域を押圧し、前記押圧した所定領域を含む領域をエッチングすることにより、前記所定領域と前記所定領域を除く領域とにおけるエッチング速度の相違を利用して前記表面に凹凸を形成する、凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法であって、
前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する材料を先端部に用いた圧子を用い、前記先端部を前記表面に押し付けながら、前記先端部が前記表面に及ぼす剪断力および押圧力が前記エッチング速度の相違を生じせしめるのに足りる大きさとなるように剪断力が発生する相対速度により、前記圧子を前記ガラス基材に対して移動させることを含む、ガラス基材の製造方法である。

なお、本明細書で用いるモース硬度の表示は、１０段階モース硬度計による。この１０段階モース硬度では、１から１０までの整数値に対して標準物質が設定されており、検査対象の物質を標準物質で引っ掻いたとき、傷の有無によって相対的に硬度（数値）を決める。モース硬度は相対的なものであるため、モース硬度の数値が同じであっても、硬度が同じであるとは限らない。

本発明によれば、前記凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法において、圧子に用いる材料の自由度を広げることができ、加工が容易で安価な材料を用いた圧子を使用することができる。

ガラス基材の表面の所定領域を押圧し、押圧した所定領域を含む領域をエッチングすることにより、所定領域と所定領域を除く領域とにおけるエッチング速度の相違を利用してガラス基材の表面に凹凸を形成する、凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法においては、ガラスを圧子で押圧して圧縮する必要があるために、ガラス基材の硬度と同等以下のモース硬度を有する材料を先端部に用いた圧子は、押圧時にその先端部が変形するために不適切であると考えられていた。そのため、そのような圧子は使用されず、これまでは、ダイアモンドやｃＢＮ、超硬合金製等の高硬度の圧子が用いられていた。

しかし、本発明者等の詳細な検討により、圧子の先端部のモース硬度がガラス基材と同等以下であっても、当該圧子の先端部を、特定の圧力で前記表面に押し付けつつ、大きな相対速度で掃引させて押圧すれば、ガラスの表面近傍にエッチング速度の相違をもたらす構造変化、圧縮層が形成されることを見出した。このメカニズムは定かではないが、押圧力に加え、圧子の押し付けのみでは得られない剪断力がガラス基材の表面に作用して、ガラスの表面近傍にエッチング速度の相違をもたらすことのできる圧縮層が形成されるものと考えられる。

本発明に用いるガラス基材は、押圧した所定領域（圧縮層が形成された領域、以下圧縮部ともいう）と当該所定領域を除く領域（非圧縮領域、以下非圧縮部ともいう）とで、エッチング速度に相違が生じるものであれば、いかなる組成のものでもよい。例示すると、アルミノシリケート系ガラス、ホウ珪酸系ガラス、無アルカリガラス、石英などが挙げられる。

前記ガラス基材は、表面の平滑性および平坦性の向上、または火造り面の除去などを目的とした前処理がなされたものを使用することが好ましい。当該前処理には、酸化セリウム系研磨剤による研磨が、研磨レートが高く経済性にも優れることから好適である。酸化セリウム系研磨剤による研磨について、当該研磨の後の洗浄方法は、特に限定はなく、公知の手法を用いることができ、例えば、１質量％ＫＯＨなどの強アルカリ性の薬液を用いて洗浄すればよい。また、ビルダーなどの洗剤成分を添加してもよい。

本発明においては、前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する材料を先端部（ガラス基材と接触する部分）に用いた圧子を使用する。ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する材料は、加工が容易であるという利点がある。

圧子の先端部のモース硬度としては、２以上かつガラス基材のモース硬度以下であることが好ましい。モース硬度が２未満の場合には、圧子の先端部が極度に変形するおそれがある。なお、ガラス基材のモース硬度は、凹凸を形成する表面におけるモース硬度であり、ガラスの種類によっても異なるが、Ｗｅｂページ（http://www.asahi-net.or.jp/~JH3M-FJYM/katasa/katasa.html）の記載によると、４．５〜６．５である。

圧子の先端部の材料としては、前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する、金属または樹脂が好ましい。当該金属の例としては、銅（２．５〜３）、アルミニウム（２）、鉄（４〜５）、亜鉛（２．５）、ニッケル（５）が挙げられる（括弧内の数字はモース硬度で、前記Ｗｅｂページの記載値）。また、これらを含む合金（前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有するもの）として、例えば、アルミニウム合金（２〜２．９）、真鍮（３〜４）、鐘青銅（４）、リン青銅（４）等が挙げられる。前記樹脂の例としては、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。

このような材料は、従来のダイアモンド、ｃＢＮといった硬質材料に比べ、加工が容易であり、安価である。よって圧子の設計の自由度が広がり、例えば、図４のような、２以上の先端部を有する圧子とするなど、圧子の形状を工夫することにより、押圧操作をより効率的にすることもできる。圧子の先端部以外の材料については、先端部と同じであってもよいし、ガラス基材以上の硬度を有する材料を用いてもよい。

本発明においては、圧子の先端部をガラス基材の表面に押し付けながら、圧子の先端部がガラス基材の表面に及ぼす剪断力および押圧力が、前記エッチング速度の相違を生じせしめるのに足りる大きさとなるように剪断力が発生する相対速度により、圧子をガラス基材に対して移動させて押圧を行う。

圧子の先端部をガラス基材の表面に押し付ける際の圧力は、当該圧力と圧子掃引時の剪断力によってガラスが圧縮され、非圧縮部とエッチング速度の異なる圧縮部が形成されるような大きさとする。使用する圧子の先端部の材料および掃引時の圧子の相対速度に応じて最適な値は異なるものと考えられるため、これらに応じて適宜設定すればよい。当該圧力は、概して、４．９×１０⁵ＭＰａ（５．０×１０⁶ｋｇｆ／ｃｍ²）以下であることが好ましい。また、圧力は、４．９×１０⁴ＭＰａ（５．０×１０⁵ｋｇｆ／ｃｍ²）以上であることが好ましい。圧力が高すぎると、圧子の先端部が、押圧ができなくなる程度にまで変形するおそれがあり、圧力が低すぎると、圧力不足で圧縮部を形成できなくなるおそれがある。

圧子を掃引する際の相対速度は、圧力を受けて圧子の先端部が大きく変形して圧力がエッチング速度の相違を生じせしめるに足らなくなる前に、圧子の先端部による所定領域の掃引が終了するような大きさとするのがよい。つまり、前記のように、圧子の先端部には圧力がかけられており、圧子の先端部は、圧力を受けて変形を起こし得る。ここで、変形が大きいと、圧子とガラス基材表面との接触面積が大きくなり、単位面積当たりの応力が小さくなって、圧縮部が形成されなくなる。圧力を受ける時間が長いほど、圧子の先端部の変形が大きくなるため、押圧ができなくなる程の極度の変形が起こらないよう、短い時間で掃引できるような、大きな相対速度を選択する訳である。

相対速度は、使用する圧子の先端部の材料、形状および前記圧力に応じて最適な値は異なるものと考えられるため、これらに応じて適宜設定すればよい。相対速度は、概して（例えば、０．１〜１０００ｍｍの距離を圧子で掃引させる場合）、１０ｍｍ／ｓｅｃ以上が好ましく、６０ｍｍ／ｓｅｃ以上がより好ましい。相対速度が小さすぎると、圧子の先端部が押圧できなくなる程度にまで変形したり、剪断力が十分に得られないおそれがある。当該相対速度の上限としては、圧子を押圧しながら掃引できる限り、特に限定されない。なお、圧子を掃引する際の速度は、相対速度であるため、圧子を移動させてもよいし、ガラス基材を移動させてもよい。なお、押圧する際の圧子の数は、１つに限られることなく、２つ以上の前記先端部を有する圧子を用いてもよい。

なお、本発明においては、圧子の先端部が表面に及ぼす剪断力および押圧力により圧縮部を形成するが、先端部が表面に及ぼす剪断力は、圧子の掃引によって得られる剪断力のみに限られない。例えば、掃引時に圧子を回転させて、さらなる剪断力を得てもよい。圧子の回転による剪断力を利用する場合には、圧子の掃引する際の相対速度が小さくて掃引のみでは十分な剪断力が得られない場合でも、圧縮部を形成することができる。換言すれば、圧子を回転させた場合には、圧子を掃引する際の相対速度を小さくすることができる。同様に、圧子の掃引によって得られる剪断力以外の剪断力を得るために、ガラス基材を回転させてもよいし、圧子およびガラス基材の両方を回転させてもよい。また、圧子を振動させてもよい。ただし、本発明においては、回転、振動等を利用せずに掃引のみによって剪断力を得る方法の方が実施が容易であり、好ましい。

以下、本発明の製造方法の具体的手順について、一例を挙げて図面を参照しながら説明する。

まず、ガラス基材の一例であるガラス基板１０の表面の所定領域を、先端部１１が前記の材料である圧子１２で、所定の圧力を印加しつつ、圧子の先端部１１がガラス基板表面１０に及ぼす剪断力および押圧力が圧縮部および非圧縮部でのエッチング速度の相違を生じせしめるのに足りる大きさとなるように剪断力が発生する相対速度により、掃引して押圧する（図１（ａ））。このときの押圧力および剪断力によって所定領域のガラスが圧縮され、圧縮部１４が形成される（図１（ｂ））。

圧子１２を用いた押圧操作は、室温の温度域で問題なく行うことができる。またガラス基板１０を加熱して、例えば１００℃〜４００℃として、押圧操作をしてもよい。ガラス基板１０をこの温度範囲内にしておくと、ガラス基板１０にクラックがより発生しにくくなり、形成する凸部の最大高さを高くすることができる。押圧時のガラス基板１０の温度を１００℃〜４００℃とするには、押圧時にガラス基板１０を加熱してもよいし、予め加熱したガラス基板を用い、温度が１００℃〜４００℃に下がるまで待って押圧してもよい。なお本発明では、ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する圧子を用いた押圧操作を行うので、ダイアモンドなどの硬質材料の圧子に比べて、ガラス基板１０にクラックは発生しにくい。

次に、ガラス基板１０の表面の、押圧した所定領域（圧縮部１４）と、当該所定領域を除く領域（非圧縮部１５）の少なくとも一部をエッチングする。エッチングは、圧縮部１４のエッチング速度が、非圧縮部１５のエッチング速度よりも低くなる条件でエッチングを行えばよい。このようなエッチング条件としては、例えば、化学的エッチングにおいては、エッチング液がフッ化水素酸（濃度０．０１〜１．０質量％程度）、エッチング液の温度が室温（例えば２５℃）〜８０℃程度である。

前記のエッチングにより、非圧縮部１５が優先的にエッチングされ、圧縮部１４に由来する凸部１６が形成される。エッチング後は、適宜洗浄等を行うことによって凹凸のある表面を有するガラス基板を得ることができる。

凹凸のある表面を有するガラス基板は、磁気記録媒体、光学素子等のガラス基板として用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。
（実施例１）
ＳｉＯ₂：６４．８ｍｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₃：１０ｍｏｌ％、Ｎａ₂Ｏ：１０．６ｍｏｌ％、Ｌｉ₂Ｏ：７．４ｍｏｌ％、ＣａＯ：４．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ：２．９ｍｏｌ％、Ｆｅ₂Ｏ₃：０．１ｍｏｌ％という組成のガラス基板を使用した。まず、このガラス基板の表面の平滑性を向上させるために、ガラス基板を研磨した後、室温（２５℃）の１質量％ＫＯＨに浸漬し５分間超音波による洗浄を行った。

次いで、ガラス基板の表面に、先端を約１００μｍφに加工したアルミニウムピン（図２参照；４０４３合金，モース硬度：約２．２）を、９．８×１０⁴ＭＰａ（１．０×１０⁶ｋｇｆ／ｃｍ²）の圧力を加えながら所定方向に６０ｍｍ／ｓｅｃの速度で掃引する操作を室温（２５℃）で行った。この加工痕を形成したガラス基板を、５０℃の０．１質量％フッ酸水溶液に１分浸漬してエッチングし、試験片１を作製した。得られた試験片１の表面を三次元形状測定機（三鷹光器社製）および光学顕微鏡で観察した。試験片１の表面には１本の尾根形状の凸部が形成され、その高さは５５ｎｍであった。試験片１の断面プロファイルを図３に示す。

（実施例２）
アルミニウムピンの代わりに、塩化ビニル樹脂製の板（モース硬度：約２）の角部をガラス基板に押し付けて掃引し、簡易的に押圧した以外は実施例１と同様の操作を行い、試験片２を作製した。押圧時の圧力は９．８×１０⁴ＭＰａ（１．０×１０⁶ｋｇｆ／ｃｍ²）であり、掃引速度は、６０ｍｍ／ｓｅｃであった。得られた試験片２の表面を光学顕微鏡で観察した。試験片２の表面には１本の尾根形状の凸部が形成されていた。

（比較例１）
掃引する速度を１ｍｍ／ｓｅｃにしたこと以外は実施例１と同様の操作を行い、試験片３を作製した。得られた試験片３の表面を光学顕微鏡で観察した。押圧部に凸部は形成されていなかった。これは、１ｍｍ／ｓｅｃという掃引速度では、エッチング速度に差異が生じるのに十分な剪断力を得ることができなかったためである。

（実施例３）
実施例１で用いたアルミニウムピンを、４１６．７回転／秒(２５０００ｒｐｍ)、周速１２５ｍｍ／ｓｅｃで回転させながら、掃引する速度を１ｍｍ／ｓｅｃとした以外は、実施例１と同様の操作を行い、試験片４を作製した。押圧時の圧力は９．８×１０⁴ＭＰａ（１．０×１０⁶ｋｇｆ／ｃｍ²）であった。得られた試験片４の表面を光学顕微鏡で観察した。試験片４の表面には１本の尾根形状の凸部が形成されていた。これは、掃引する速度は比較例１と同じはであるが、アルミニウムピンを周速１２５ｍｍ／ｓｅｃで回転させているため、回転による剪断力が加わって圧縮部が形成されたために凸部が形成されたものと考えられる。

本発明の製造方法は、凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法として有用であり、当該ガラス基材は、磁気記録媒体、光学素子等のガラス基材として用いることができる。

本発明の製造方法の一例を示す概略図である。 実施例１で使用したアルミニウムピンの先端のＳＥＭ写真である。 実施例１で形成した凹凸のある表面を有するガラス基板の断面プロファイルである。 好適な圧子の形状の一例を示す図である。

符号の説明

１０ ガラス基板
１１ 圧子の先端部
１２ 圧子
１４ 圧縮部
１５ 非圧縮部
１６ 凸部

Claims (9)

1. ガラス基材の表面の所定領域を押圧し、前記押圧した所定領域を含む領域をエッチングすることにより、前記所定領域と前記所定領域を除く領域とにおけるエッチング速度の相違を利用して前記表面に凹凸を形成する、凹凸のある表面を有するガラス基材の製造方法であって、
   前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する材料を先端部に用いた圧子を用い、前記先端部を前記表面に押し付けながら、前記先端部が前記表面に及ぼす剪断力および押圧力が前記エッチング速度の相違が生じせしめるのに足りる大きさとなるように剪断力が発生する相対速度により、前記圧子を前記ガラス基材に対して移動させることを含む、ガラス基材の製造方法。
2. 前記圧子の先端部の材料のモース硬度が、２以上かつガラス基材のモース硬度以下である請求項１に記載の製造方法。
3. 前記圧子の先端部の材料が、前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する、金属または樹脂である請求項１に記載の製造方法。
4. 前記金属が、銅、アルミニウム、鉄、またはこれらを含み前記ガラス基材と同等以下のモース硬度を有する合金である請求項３に記載の製造方法。
5. 前記相対速度が、１０ｍｍ／ｓｅｃ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 前記相対速度が、６０ｍｍ／ｓｅｃ以上である請求項５に記載の製造方法。
7. 前記先端部を前記表面に押し付ける際の圧力が、４．９×１０⁵ＭＰａ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
8. 前記先端部を前記表面に押し付ける際の圧力が、４．９×１０⁴ＭＰａ以上である請求項７に記載の製造方法。
9. ２つ以上の前記先端部を有する圧子を用いる請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。