JP2010533639A - 局所可逆ガラススエリングのための方法 - Google Patents

Abstract

目標範囲内の高さを有する隆起構造を、ガラス材料の表面上に、形成する方法は、（１）表面を有するガラス材料を提供する工程、（２）ガラス材料の局所膨張をおこさせる量のエネルギーを、表面または表面下の場所において、その場所において表面上に構造を隆起させるために局所的にガラス材料に供給する工程、（３）隆起構造の高さまたは隆起構造の高さの時間経過にともなう推移を検出する工程、（４）（ａ）高さが目標範囲より下であるかまたは目標範囲より下の値に近づきつつあれば、より多くの量のエネルギーを上記場所においてガラス材料に供給する工程、または（ｂ）高さが目標範囲より上であるかまたは目標範囲より上の値に近づきつつあれば、より少ない量のエネルギーを上記場所においてガラス材料に供給する工程、及び（５）高さを目標範囲内に入れるために必要に応じて工程（３）及び（４）を反復する工程を含む。このプロセスを自動化するための方法及び装置も開示される。

Description

公的支援の説明

本発明は、メリーランド調達局（Maryland Procurement）により結ばれた、契約第Ｈ９８２３０-０５-０４２９号の下に米国政府の支援によってなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。

本発明はガラス材料の表面テキスチャー形成に関し、特に、局所的に印加されるエネルギーによって誘起されるガラス材料の表面テキスチャー形成に関する。そのようなテキスチャー形成には、バンプ、リッジ及び、これらの組合せで得られるさらに複雑な、様々な表面構造の全ての作製を含めることができる。

レーザで局所的に照射したときのガラススエリング効果は既知である。ＣＯ_２レーザでガラス表面を加熱することによって形成された、数μｍ未満の小バンプが、名称を「脆い非金属の表面にテキスチャーを形成するためのプロセス（Process for Texturing Brittle Nonmetallic Surfaces）」とする特許文献１（１９９６年）に見られるように、報告されている。より大きなバンプを隆起させて上に重ねた金型で定められる形状にすることも、名称を「プレーナレンズ及びプレーナレンズアレイを作製するための方法（Method for Producing Planar Lens and Planar Lens Array）」とする特許文献２（２００６年）に見られるように、報告されている。ガラス表面上に、数μｍより高く、さらには１００μｍにもなるような、かなりの高さまでバンプを、特定の金型表面の形態または形状に限定されずに、優れた再現性及び±１００ｎｍのもの厳格な制御のような高さ制御をもって、隆起させ得ることが望ましいであろう。

米国特許第５５６７４８４号明細書 米国特許第７１５２４３４号明細書

本発明の課題は、ガラス表面上にかなりの高さまでバンプを優れた再現性及び厳格な制御精度をもって隆起させるための手段を提供することである。

本発明の一態様にしたがえば、本発明は、ガラス材料の表面上に、目標範囲内の高さを有する隆起構造を形成する方法を含む。本方法は、（１）表面を有するガラス材料を提供する工程、（２）表面または表面下の場所において、ガラス材料を局所的に膨張させてその場所で表面上に構造を隆起させる量のエネルギーを局所的にガラス材料に供給する工程、（３）隆起構造の高さまたは隆起構造の高さの時間経過にともなう推移を検出する工程、（４）（ａ）高さが目標範囲より下であるかかまたは目標範囲より下の値に近づいていれば、前記の場所においてより多くの量のエネルギーをガラス材料に供給し、（ｂ）高さが目標範囲より上であるかまたは目標範囲より上の値に近づいていれば、前記の場所においてより少ない量のエネルギーをガラス材料に供給する工程、及び（５）高さを目標範囲内に入れるために必要に応じて工程（３）及び（４）を反復する工程、を含む。本発明の別の態様にしたがえば、上記のプロセスを自動化するための方法及び装置も開示される。

本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者には説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説及び添付される特許請求の範囲、さらに添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。

上記の全般的説明及び以下の詳細な説明のいずれもが本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、既述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。

図１は本発明にしたがう方法の一定の態様の流れ図である。 図２は電磁放射によってテキスチャーが形成されているガラス表面の簡略な断面図である。 図３は表面配置エネルギー集中素子によってテキスチャーが形成されているガラス表面の簡略な断面図である。 図４はプローブ先端によってテキスチャーが形成されているガラス表面の簡略な断面図である。 図５は本発明の方法を実施及び自動化するためのシステムまたは装置の略図である。 図６はジュールを単位とするレーザバルスのドーズエネルギーの関数としてのμｍを単位とするガラスバンプ高の実験結果のグラフである。 図７はジュールを単位とするレーザバルスのドーズエネルギーの関数としてのμｍを単位とするガラスバンプ高の実験結果の別のグラフである。 図８は、本発明の方法にしたがい、７０μｍ±１００ｎｍに構造を隆起させる、複数のレーザパルスに対するドーズエネルギー及び得られた構造高のグラフである。 図９は、本発明の方法にしたがい、４０μｍ±１００ｎｍに構造を隆起させる、複数のレーザパルスに対するドーズエネルギー及び得られた構造高のグラフである。

その例が添付図面に示されている、本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じかまたは同様の要素を指すために同じ参照数字が用いられる。

本発明の方法またはプロセスの一実施形態が図１の流れ図に示される。本方法により、ガラス材料の表面上に、目標範囲内の高さを有する１つまたは複数の隆起構造の形成が可能になる。そのような隆起構造には単純なバンプを含めることができるが、リッジ及びこれらの組合せで得られるさらに複雑な、様々な表面構造の全ても含めることができる。

図１に見られるように、本発明の方法１０は全般的に、表面を有するガラス材料を提供する工程１及びこれに続く、表面または表面化の場所において、ガラス材料を局所的に膨張させて表面上に構造を隆起させる量のエネルギーをもつ局所エネルギードーズを印加する工程２を含む。次に、工程３において、隆起構造の高さが測定または検出され、必要に応じて、連続エネルギードーズが用いられるならば、近づきつつある高さが外挿される。工程４において、菱形判断記号１２及び１４で表されるように、測定または検出または外挿された高さが目標範囲と比較される。現時点の高さまたは近づきつつある高さが目標範囲より下であれば、工程４のパートａに表されるように、より多くの量のエネルギーがガラス材料に供給される。現時点の高さまたは近づきつつある高さが目標範囲より上であれば、工程４のパートｂに表されるように、より少ない量のエネルギーがガラス材料に供給される。反復ループ５の形態の最終工程として、高さを目標範囲内に入れるために必要に応じて工程３及び４が反復される。

図１の方法に用いられるエネルギーを供給する現在好ましい手段が図２に示される。図２には、光１８がその表面２０上に照射されている、ガラス材料１６が示される。光はレーザビームまたは、０.２〜０.５ｍｍ程度の照射スポット径をつくることができる、その他の電磁波源からの光であることが望ましい。集束されているかまたは集束されていないレーザを用いることができ、その他の十分に高強度の光源も、集束及び／またはマスクで十分に小さいスポット径にすれば、コヒーレントであるか否かにかかわらず、用いることができる。マイクロ波のような、可視及び赤外以外の周波数もおそらく用いることができるであろう。一般に必要なことは、十分に高いパワーをともなう、十分に小さいスポット径及び、バンプまたはその他の表面構造２２が隆起し、光が取り除かれても所定の場所にとどまるような量のエネルギーが十分に小さい体積２４内に蓄積されるように、吸収率が十分に高いガラス材料である。用いられる光の波長にガラス材料の吸収が適切に整合するように、ある程度注意が払われなければならない。最大吸収は必ずしも好ましくはないが、光が深く侵入するほど、したがって加熱域が深くなるほど、構造高が大きくなり得るようである。

図１の方法において用いられるエネルギーを供給する一別法が図３に示される。図３においては、加熱素子２６の形態の表面エネルギー集中素子が表面２０上に配され、表面リード２８及びボンディングワイア３０からの電流のような、エネルギーが供給される。

図１の方法のエネルギーを供給するまた別の方法が図４に示される。図４においては、振動または回転する摩擦プローブ９０の形態のエネルギー送達プローブがガラス材料１６の表面を加熱する。

本発明の方法の一実施形態にしたがえば、図１に示される工程は連続的に実施される。すなわち、図１の工程２及び４におけるエネルギー印加が不連続事象である必要はなく、与えられた目標範囲内の高さに達するまで、基本的に連続してエネルギーを印加することができる。したがって、この実施形態においては、ガラス材料に、表面または表面下において、ある量のエネルギーを局所的に供給する工程、及びガラス材料により多くの量のエネルギーを供給する工程、及びガラス材料により少ない量のエネルギーを供給する工程が、合わせて、可変であるが連続的なエネルギードーズをガラス材料に供給する工程をなす。

別の実施形態は、図１の工程２及び４における不連続エネルギードーズ供給である。この実施形態においては、ガラス材料に、表面または表面下において、ある量のエネルギーを局所的に供給する工程、及びガラス材料により多くの量のエネルギーを供給する工程、及びガラス材料により少ない量のエネルギーを供給する工程が、それぞれ、不連続エネルギードーズをガラス材料に供給する工程をなす。

もちろん、望ましければ、時には不連続ドーズが用いられ、時には連続ドーズが用いられるように、これらの２つの実施形態を併用することもできる。

本発明の方法は、１０μｍまたは５０μｍの高さ、または１００〜２００μｍないしさらに大きい高ささえも有する、隆起構造をガラス材料の表面上に形成できる能力を提供する。高さが２５０μｍもの大きなバンプさえ形成できている。本発明の方法は、±５００ｎｍ及び±２００ｎｍ、さらには±１００ｎｍもの、狭い目標範囲内の高さを確実に達成できる能力も提供する。±１００ｎｍの範囲内での１００μｍ高の構造の作製は、０.５％に過ぎない高さの最大変動を表す。

本発明の別の態様として、特許請求項１の方法は、望ましければ、自動化することができる。ガラス材料の物品の自動表面テキスチャー形成のためのシステム１１０の一例が図５に示される。ｘ-ｙ可動ステージ装置４０はガラス材料１６の物品がその上に置かれる可動ステージ４２を有する。専用回路または小型マイクロコントローラから専用コンピュータまたは工場制御システムの一部の内の、１つ以上のアイテムのいずれかとすることができる、コントローラ７０は、現在好ましい実施形態としてはレーザエネルギーが望ましい、１つ以上のタイプのエネルギーの影響の下での１つ以上のガラス材料の挙動に関する情報のための記憶装置を備えるかまたはそのような情報へのアクセスを有する。コントローラ７０は形成されるべき隆起構造または隆起構造のパターンも格納するかまたは隆起構造または隆起構造のパターンへのアクセスも有する。コントローラ７０は、目標範囲に基づいて初期エネルギー及び照射時間を選択するために、ソフトウエアまたはハードウエアの推定アルゴリズム、１つ以上のルックアップテーブル、あるいはこれらの適する代用手段によるように、情報を用いる。一般に、目標範囲の中心の構造高を達成することが最も確からしいエネルギー量が選ばれるが、特定のガラス材料については、特定の材料または特定の構造高に対しては特定の側から目標に近づくほうが容易であれば、初めに中心より上の側または下の側を狙うことが必要であり得る。また、コントローラは、材料１６の表面上の所望の場所に所望の構造を形成するようにステージ４２及びガラス材料１６の位置を定めるための信号をステージ装置４０に送る。

ガラス材料が所望の位置につくと、コントローラ７０は選ばれた量のエネルギーをビーム１８によって与えるための信号をレーザ装置５０に送る。０.１〜２秒程度の時間での１〜１０ジュール程度のエネルギーの送達が一般に適切であると考えられるが、試験では５ないし１０秒もの長い時間でも成功している。上述したように、局所化されたエネルギー入力は表面構造の隆起をおこさせる。不連続エネルギードーズが用いられるならば、ガラス材料１６の照射終了後直ちに隆起部分は隆起状態に固定されることになる。

不連続または連続のエネルギードーズのいずれが用いられるかにかかわらず、次いで、走査測定ビーム６２を用いる光学プロフィルメータのような、測定装置６０によって構造高が測定される。この測定を容易にするため、不連続エネルギードーズの場合は、ステージ装置４０が図５の破線で輪郭が示される位置にステージ４２を移動させることができる。あるいは、測定装置を別の測定ビーム６３で示されるようにレーザ装置５０の光学系５２の近くに配置することができ、または光学系５２に組み込むことさえもでき、そうではなくとも、ステージ４２の移動が必要にならないように、初めの位置にあるガラス材料に向けることができる。自動化システム１１０においては、レーザ装置５０の光学系５２が、複雑な隆起構造の形成に対してさえも可動ステージ４２または可動ステージ装置４０が必要とされないように、ビーム操作能力を有することさえできる。ビーム操作がないより一般的な場合、レーザ装置５０自体またはその該当部分が、ビーム操作がなくとも可動ステージを用いる必要がないように、マウント構造体８０上で可動とすることができ、測定装置６０も可動とすることができる。照射ビーム１８と同時に動作する測定システムの使用により、連続エネルギードーズを使用して目標範囲にさらに迅速に達することが可能になる。

測定された高さが目標より上か下かを決定した後、図１の方法にしたがって、新しいエネルギー量がコントローラによって選択され、照射／測定工程が反復される。ドーズは変えられるが照射時間は同じままにされることが好ましい。連続エネルギードーズが用いられる場合、コントローラは、隆起構造の高さだけでなく、隆起構造高の時間経過にともなう推移も測定され、コントローラのメモリ機能に記録されるかまたは反映され、よって与えられたドーズエネルギーによって近づく最終高を外挿するためにコントローラが機能するように、隆起構造が隆起している間の成長傾向を考慮に入れるようにプログラムされることが好ましい。連続ドーズ実施形態において、高さが目標範囲より下の値に近づいていればより多くの量のエネルギーがガラス材料に供給され、高さが目標値より上の値に近づいていればより少ない量のエネルギーがガラス材料に供給される。

実験
８１０ｎｍの波長において、また組成３については１５５０ｎｍに対しても、かなり高いバンプが達成されたガラス組成を、下の表Ｉに挙げてある。１５５０ｎｍの波長が、この波長で透明な、シリコンのような基板で覆われたガラス上にバンプを形成するために望ましい。この波長は、１.５μｍエルビウムファイバレーザで発生される主波長である。この形態のレーザを用いて、バンプ高を上げ下げできる能力を実証した。

図６及び７にグラフ化された実験結果で示されるように、バンプまたはその他の構造の高さは、レーザパルスエネルギードーズの関数として、かなり良く予測することができる。図６は、μｍを単位とするバンプ高を１秒レーザパルスのジュールを単位とするドーズエネルギーの関数として示す。用いたレーザは１５５０ｎｍ波長のエルビウムドープファイバレーザであり、ガラス組成は上の表Ｉの組成３であって、様々なグラフ記号で示されるようにいくつかの異なる試料を試験した。図からわかるように、変動が小さい、基本的にリニアな関係が明らかになった。図７は、ｘ軸上のジュールを単位とする初期１秒レーザパルスのドーズエネルギーとμｍを単位とするバンプ高の間の関係についての別の実験結果を示す。‘□’の線は、図６の試験に用いた材料と同じ材料の、一試料を表し、‘▼’の線は別の試料を表す。１５５０ｎｍ出力を同じく用いた。図７は、約１０ジュールまでは極めてリニアな関係を示し、１０ジュールをこえると初期高さはそれほどには大きくならない。現在のところ、図７の曲線の初期直線部分内にとどまることが好ましい。図６及び７に示されるようなデータは明らかに初期パルスエネルギーの選択の自動化に有用である。

バンプまたはその他の構造の高さを上げ下げできる能力は、狭い目標範囲内に高さ値を到達させるに肝要である。高すぎるバンプ高を容易にまたは確実に下げることは決してできない従来の実施形態においては、狭い目標範囲内の高さが確実に得られるように、極めて一様な（レーザまたはその他の）エネルギー源の制御が、ガラス材料の極めて高い一様性とともに、必要とされる。そのような高いガラス材料の一様性及びそのような厳格なレーザパワーの制御は困難である。

対照的に、本発明にしたがえば、バンプまたはその他の構造の高さは必要に応じて、上げる方向にも下げる方向にも、調節される。図８及び９は３０μｍないしさらに高いバンプを±１００ｎｍの目標範囲内で達成するために適用された、本発明の方法の２つの実験例を示す。不連続エネルギードーズを用いた。ｘ軸上に数値が与えられた、それぞれのドーズに対し、ジュールを単位とするドーズエネルギーが左縦軸に対して‘▲’としてプロットされ、μｍを単位とする得られた構造高が右縦軸に対して‘●’としてプロットされている。

実施例１
エルビウムドープファイバレーザからの１５１０ｎｍ光を用いて、表Ｉの組成３に対応するガラス材料の表面上７０μｍ±１００ｎｍの高さにバンプを隆起させることにした。図６及び７のデータと同様のデータに依存して、４.２５Ｗの初期ドーズエネルギーを選択した。次いで、４.２５Ｗを１秒間照射する間、レーザ出力をガラス表面上または僅かにガラス表面下に集束させて０.２〜０.４ｍｍ径のスポットにし、初期バンプを形成した。

初期バンプ形成後、その高さを図４に示されるようにレーザプロファイラで測定した。測定により、図８に示されるように、達成された高さが−所望の高さより若干低い−６８.５μｍであることが明らかになった。達成された高さは目標値と異なり、１.５μｍだけ低いから、高さを上げるために第１ショットで用いたエネルギーより高いエネルギーのパルスを印加する、調整プロセスが必要である。この初期バンプ高が目標より上がり過ぎていれば、第１ショットで用いたエネルギーより低いエネルギーのパルスを用いて高さを下げなければならないであろう。

バンプを所望の高さに調整する（大きくする）ためにこの実施例を継続し、４.３９Ｊの第２ショットを与えてバンプ高を−まだ目標より０.５μｍ足りない−〜６９．５μｍに上げた。４．４４Ｊの第３ショットを与えると、本実施例においては実際に高さが下がった。これは、厳密さに欠ける出力パワー対設定のリニアリティの変動により、調整時に時折おこる。挙げられたエネルギーはバンプ設定に基づく推定値である。試験において、レーザのパルス対パルス不安定性は約±５％であった。したがって、追加のショットが必要になった。４.５３Ｊパルスを与えるとバンプは７０.１μｍに成長し、これは目標値±１００ｎｍの範囲に入っていた。これは、レーザのパルス対パルス不安定性のたがをある程度引き締めることができる本プロセスの能力も実証する。すなわち、パルス対パルス不安定性が±５％の精度が低いレーザを用いることができる。

実施例２
第２の実施例は、バンプ高目標値が４０μｍであった、図６に示されるデータによって代表される。この場合も、図６及び７に提示されるデータを見ることが第１ショットについて与えられるレーザパルスエネルギーの選択の手引きとして役立つ。本実施例においては、２.７２ジュールのパルスを選択した。このパルス印加により−所望より高い−４０.９μｍのバンプが得られた。小サイズのバッチでガラスを作製したから、脈理（不均一性）が多く見られた。この場合も、バンプ高を上下に調整できる本発明の能力により、高品質で均質な試料は必要とされない。バンプ高が所望の値より高いから、バンプ高を下げ調整するために第１ショットより低いエネルギーの次のドーズが必要である。２.６３Ｊの第２のパルスでバンプ高を調整して〜４０.４５μｍまで下げた。最後に、２.５４Ｊの第３ショットにより、バンプ高は、所望のターゲット高範囲内の、３９.９μｍになった。

１６ ガラス材料
１８ 光
２０ ガラス材料表面
２２ 隆起表面構造
２６ 加熱素子
２８ 表面リード
３０ ボンディングワイア
４０ ｘ-ｙ可動ステージ装置
４２ 可動ステージ
５０ レーザ装置
５２ 光学系
６０ 測定装置
６２，６３ 測定ビーム
７０ コントローラ
８０ マウント構造体
９０ 摩擦プローブ
１１０ 自動表面テキスチャー形成システム

Claims (10)

1. 目標範囲内の高さを有する隆起構造を、ガラス材料の表面上に、形成する方法において、前記方法が、
   （１）表面を有するガラス材料を提供する工程、
   （２）前記ガラス材料の局所膨張をおこさせる量のエネルギーを、前記表面または前記表面下の場所において、前記場所において前記表面上に構造を隆起させるために、局所的に前記ガラス材料に供給する工程、
   （３）前記隆起構造の高さまたは前記隆起構造の高さの時間経過にともなう推移を検出する工程、
   （４）（ａ）前記高さが前記目標範囲より下であるかまたは前記目標範囲より下の値に近づきつつあれば、より多くの量のエネルギーを前記場所において前記ガラス材料に供給する工程、
   （ｂ）前記高さが前記目標範囲より上であるかまたは前記目標範囲より上の値に近づきつつあれば、より少ない量のエネルギーを前記場所において前記ガラス材料に供給する工程、及び
   （５）前記高さを前記目標範囲内に入れるために、必要に応じて、前記工程（３）及び（４）を反復する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記高さが少なくとも１０μｍであり、前記目標範囲が±５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記目標範囲が±２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記目標範囲が±１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 前記高さが少なくとも３０μｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記高さが少なくとも８０μｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記エネルギーのドーズが、電磁放射、化学反応及び摩擦の内の１つ以上によって供給されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記工程（２）〜（５）を自動的に実施する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. （１）前記表面または前記表面下の場所において、ある量のエネルギーを局所的に前記ガラス材料に供給する工程、及びより多くの量のエネルギーを前記場所において前記ガラス材料に供給する工程、及びより少ない量のエネルギーを前記場所において前記ガラス材料に供給する工程が、合わせて、可変であるが連続のエネルギードーズを前記ガラス材料に供給する工程をなす、または
   （２）前記表面または前記表面下の場所において、ある量のエネルギーを局所的に前記ガラス材料に供給する工程、及びより多くの量のエネルギーを前記場所において前記ガラス材料に供給する工程、及びより少ない量のエネルギーを前記場所において前記ガラス材料に供給する工程が、それぞれ、不連続のエネルギードーズを前記ガラス材料に供給する工程をなす、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 製品において、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法によって作製されることを特徴とする製品。

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