JP2023166997A - ガラス物品およびガラス物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
複数の微小な凹部が形成されたガラス物品を製造するに際し、凹部の形状を均一に形成すること。
【解決手段】
ガラス板３（ガラス物品）の主面２上に位置する凹部形成予定箇所４にレーザー５を照射することで、凹部形成予定箇所４の表層部に、応力が作用した応力作用領域６を形成するレーザー照射工程Ｐ１と、レーザー照射工程Ｐ１後のガラス板３をエッチング液７に浸漬させることで、凹部形成予定箇所４に凹部１を形成するエッチング工程Ｐ２と、を備えたガラス物品の製造方法について、応力の大きさを３０ＭＰａ以上かつ１００ＭＰａ以下とした。
【選択図】図３

Description

本開示は、複数の微小な凹部が形成されたガラス物品、及び、当該ガラス物品の製造方法に関する。

プロジェクター用のマイクロレンズアレイや、医療用のマイクロウェルプレート等をはじめ、複数の微小な凹部が形成されたガラス物品が種々の用途に利用されている。特許文献１及び２には、ガラス物品に微小な凹部を形成するための手法が開示されている。

特許文献１の手法では、ガラス基板にレーザーを照射して局所的に応力を作用させた後、ガラス基板にエッチングを施して応力が作用した部分に凹部を形成する。同手法では、ガラス基板のエッチングに４９％フッ酸溶液を使用する。

特許文献２の手法では、ガラス基材の表面を圧子により押圧した後、ガラス基材にエッチングを施して表面に凹部（凹凸）を形成する。同手法では、圧子による押圧に伴ってガラス基材に密度差を与え、密度差により生じるエッチングレートの相違を利用して凹部を形成する。

特開２００８－２６４３７号公報 特許第４５４０３６１号公報

特許文献１及び２の手法では、複数の微小な凹部を形成するにあたり、凹部の形状を均一に形成することが難しいという問題があった。これは、特許文献１の手法では、フッ酸溶液の濃度が高いため、凹部のサイズ、特に深さの制御が困難なことに起因する。また、特許文献２の手法では、圧子を用いた機械的な方法で押圧を行うため、複数の凹部の形成に際して毎回同じ条件で押圧を行うのが困難なことに起因する。

上記の事情に鑑みて解決すべき技術的課題は、複数の微小な凹部が形成されたガラス物品を製造するに際し、凹部の形状を均一に形成することである。

発明者は、鋭意研究の結果、ガラス物品の表面上に位置する複数の凹部の形成予定箇所にそれぞれレーザーを照射し、これらの箇所の表層部にそれぞれ３０ＭＰａ～１００ＭＰａの応力を作用させた後、ガラス物品にエッチングを施して複数の凹部を形成すれば、凹部の形状を均一に形成できることを知見するに至った。

上記の知見に基づき、上記の課題を解決するためのガラス物品の製造方法は、ガラス物品の表面上に位置する凹部形成予定箇所にレーザーを照射することで、凹部形成予定箇所の表層部に、応力が作用した応力作用領域を形成するレーザー照射工程と、レーザー照射工程後のガラス物品をエッチング液に浸漬させることで、凹部形成予定箇所に凹部を形成するエッチング工程と、を備えた製造方法であって、応力の大きさを３０ＭＰａ以上かつ１００ＭＰａ以下とすることを特徴とする。

本製造方法では、レーザー照射工程の実行に伴い、凹部形成予定箇所の表層部に応力作用領域を形成し、さらに応力作用領域に作用する応力の大きさを３０ＭＰａ以上かつ１００ＭＰａ以下とする。これにより、エッチング工程の実行に伴って形成される凹部の形状を均一に形成することが可能である。

上記の製造方法では、応力作用領域の表面上における幅をＡとし、応力作用領域の表面からの深さをＢとしたとき、Ａ／Ｂの値を２以上かつ２０以下とすることが好ましい。

このような応力作用領域を形成すれば、例えば特許文献１に開示された手法を用いてガラス物品に凹部を形成する場合に比べ、幅寸法に対して深さ寸法が大幅に小さい凹部を形成する上で有利となる。

上記の製造方法では、レーザーの波長を２μｍ以上かつ７μｍ以下とすることが好ましい。また、レーザーとしてＣＯレーザーを用いることが好ましい。

このようにすれば、幅寸法に対して深さ寸法が大幅に小さい凹部を形成する上で更に有利となる。これは、レーザーの波長を上記の範囲内としたり、レーザーとしてＣＯレーザーを用いたりすることで、既述のＡ／Ｂの値が２以上かつ２０以下となる応力作用領域を形成しやすいためである。

また、上記の製造方法を利用して製造が可能なガラス物品は、複数の凹部が規則的に形成された表面を備えるガラス物品であって、凹部の幅が１０μｍ以上かつ５００μｍ以下であり、凹部の幅が凹部の深さの１／３以上であることを特徴とする。

本ガラス物品では、複数の凹部が規則的に形成された表面を備えていることで、例えば各凹部に検査対象を収容した上で当該検査対象を顕微鏡で観察するような場合に、観察を行いやすくなる。

上記のガラス物品では、凹部の内周面が部分球面状に形成されていてもよい。

上記のガラス物品では、複数の凹部の全てについて、幅、深さ、及び内周面の曲率半径を測定した場合に、測定値の標準偏差に３を乗じた値がそれぞれ１０μｍ以下、５μｍ以下、５μｍ以下であることが好ましい。

上記のガラス物品では、隣り合う凹部同士が連なっていてもよい。

上記のガラス物品は、マイクロレンズアレイ用、マイクロウェルプレート用、防眩用、又は、摩擦制御が必要な基材用であってもよい。

本開示に係るガラス物品の製造方法によれば、複数の微小な凹部が形成されたガラス物品を製造するに際し、凹部の形状を均一に形成することが可能である。

ガラス物品（ガラス板）を示す平面図である。 ガラス物品（ガラス板）を示す断面図である。 ガラス物品の製造方法におけるレーザー照射工程を示す図である。 ガラス物品の製造方法におけるレーザー照射工程を示す図である。 ガラス物品の製造方法におけるエッチング工程を示す図である。 ガラス物品（ガラス板）を示す断面図である。

以下、実施形態に係るガラス物品、及び、ガラス物品の製造方法について添付の図面を参照しながら説明する。はじめに、ガラス物品について説明する。なお、添付の各図面では、ガラス物品に形成される凹部のサイズを実際よりも大きく誇張して示している。また、以下の実施形態では、ガラス物品の一例としてガラス板を例に挙げて説明するが、ガラス物品はガラス板に限らず、例えばガラスブロック等であってもよい。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るガラス物品は、複数の微小な凹部１が規則的に形成された主面２を備えるガラス板３である。本ガラス板３は、元々は平坦面である主面２（表裏面の一方）に複数の凹部１が形成されてなる。本ガラス板３は、例えばマイクロウェルプレート用、防眩機能を有するカバーガラス用、又は、摩擦制御が必要な基材用のガラスとされる。勿論この限りではなく、本ガラス板３を他の用途のガラスとする場合もある。ガラス板３の主面２および凹部１の内周面１ａは、エッチング処理が施されたエッチング面である。

複数の凹部１の各々は平面視で円形に形成されると共に、各凹部１の内周面１ａは部分球面状に形成されている。複数の凹部１の相互間において、直径Ｄ（幅）、深さｄおよび内周面１ａの曲率半径ｒは、実質的に同一寸法となっている。つまり、複数の凹部１の形状が実質的に均一に形成されている。ここで、複数の凹部１の全てについて、直径Ｄ、深さｄ、及び内周面１ａの曲率半径ｒを測定した場合、測定値のバラつき３σ（標準偏差に３を乗じた値）はそれぞれ好ましくは１０μｍ以下、５μｍ以下、５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下、３μｍ以下、３μｍ以下となっている。この場合、凹部１の幅は、凹部１の直径Ｄとする。

凹部１の直径Ｄの上限値は、好ましくは５００μｍ、より好ましくは３００μｍであり、下限値は、好ましくは２０μｍ、より好ましくは３０μｍである。凹部１の深さｄの上限値は、好ましくは１００μｍ、より好ましくは５０μｍ、下限値は、好ましくは１μｍである。内周面１ａの曲率半径ｒの上限値は、好ましくは５００μｍ、より好ましくは３００μｍ、下限値は、好ましくは１０μｍ、より好ましくは２０μｍである。凹部１の直径Ｄは深さｄの１／３以上とされるが、本実施形態では直径Ｄが深さｄよりも大幅に大きくなっている。一例として直径Ｄは深さｄの２倍以上である。

複数の凹部１は、ガラス板３の長辺方向および短辺方向にそれぞれ延びる直線Ｘ，Ｙ上に並んでいる（図１には直線Ｘ，Ｙをそれぞれ１本ずつのみ表示）。各凹部１は、隣接する凹部１と連なることなく独立して形成されている。これにより、隣り合う凹部１，１同士の相互間には平坦面が存在する。本実施形態では複数の凹部１が等ピッチで形成されているが、勿論この限りではない。

ここで、「複数の凹部１が規則的に形成される」とは、複数の凹部１を目標ライン（本実施形態では直線Ｘ，Ｙ）上に並べて形成するにあたり、凹部１の中心（円形の中心）が目標ラインから位置ずれした距離が一定以下であることを意味する。詳しくは、複数の凹部１の全てについて、凹部１の中心が目標ラインに対して直交方向へ位置ずれした距離が±５μｍ以下であることを意味する。なお、目標ラインは、本実施形態のような直線のみに限らず、円形や楕円形をなす場合もある。

ガラス板３の組成は特に限定されるものではないが、一例として無アルカリガラスやアルカリアルミノシリケートガラス（化学強化用ガラス）とすることが可能である。

無アルカリガラスとは、アルカリ成分（アルカリ金属酸化物）を実質的に含まないガラスのことであり、具体的には、アルカリ成分の重量比が３０００ｐｐｍ以下のガラスのことである。アルカリ成分の重量比は、好ましくは１０００ｐｐｍ以下であり、より好ましくは５００ｐｐｍ以下であり、最も好ましくは３００ｐｐｍ以下である。

無アルカリガラスは、例えば、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２：５８～７０％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０～２０％、Ｂ_２Ｏ_３：０．１～３％、ＭｇＯ：０～１％、ＣａＯ：５～１０％、ＳｒＯ：０．５～５％、ＢａＯ：５～１５％、ＳｎＯ_２：０．００１～１％を含有する。

アルカリアルミノシリケートガラスは、例えば、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２：５０～８０％、Ａｌ_２Ｏ_３：５～２５％、Ｂ_２Ｏ_３：０～１５％、Ｎａ_２Ｏ：１～２０％、Ｋ_２Ｏ：０～１０％を含有する。

以下、上記のガラス板３を製造するためのガラス物品の製造方法について説明する。

本製造方法は、レーザー照射工程Ｐ１（図３，図４）と、エッチング工程Ｐ２（図５）とを備えている。

図３及び図４に示すように、レーザー照射工程Ｐ１では、ガラス板３の主面２上に位置する複数の凹部形成予定箇所４にそれぞれレーザー５を照射する。これにより、各凹部形成予定箇所４の表層部に、応力が作用した応力作用領域６（図３，図４にて斜線で示す領域）を形成する。応力作用領域６が独立している場合、応力作用領域６の表面上における幅は、応力作用領域６の直径とする。なお、応力作用領域６の表面上における幅は、レーザー５の照射径よりも大きくても良い。

応力作用領域６に作用させる応力の値（応力の最大値）の上限値は、好ましくは１００ＭＰａ、より好ましくは９０ＭＰａであり、下限値は、好ましくは３０ＭＰａ、より好ましくは４０ＭＰａである。

上記の応力の値は、光学的な複屈折の測定、すなわち直交する直線偏光波の光路差の測定により見積もることができる。光路差をＲ［ｎｍ］として、応力Ｆ［ＭＰａ］は、Ｆ＝Ｒ／（Ｃ×Ｌ）として表される。ここで、Ｌは偏光波が通過した距離［ｃｍ］であり、Ｃ［ｎｍ／ｃｍ／ＭＰａ］はガラスにより決まる比例定数であり、光弾性定数と称される。なお、本実施形態において、応力の値の測定には、株式会社フォトニックラティス社製の顕微鏡型ワイドレンジ２次元複屈折評価装置：ＷＰＡ－ｍｉｃｒｏを用いる。

レーザー５としてはＣＯレーザーを用いる。この他、レーザー５としてエルビウムレーザーを使用することも可能である。ＣＯレーザーを用いれば、例えば超短パルスレーザーを用いた場合に比べ、広範な領域に応力を作用させ得ると共に、応力の値を小さくできる。これにより、超短パルスレーザーを用いてレーザー照射工程Ｐ１を実行した場合と比較して、後のエッチング工程Ｐ２の実行に伴って形成される凹部１は、その直径Ｄが大きく、その深さｄが浅く形成される。

以下、本実施形態に用いるレーザー５（ＣＯレーザー）の諸条件を列挙する。周波数は３０００Ｈｚ～５０００Ｈｚ、パルス幅は７０μｓ～２００μｓ、パルスエネルギーは０．３ｍＪ～５ｍＪ、照射径（スポット径）は２０μｍ～２００μｍ、波長は２μｍ～７μｍとした。

本実施形態では、レーザー５をガラス板３の長辺方向および短辺方向に沿って等ピッチで照射していく。これにより、各凹部形成予定箇所４の表層部に応力作用領域６を形成する。このようにレーザー５を用いることで、所望の位置どおりに応力作用領域６を形成できる。なお、レーザー５は、ガラス板３に実質的な欠陥（微小クラック等）を発生させないように照射する。勿論であるが、複数の凹部形成予定箇所４の各々にレーザー５を照射するに際し、照射の条件は相互に同一とする。応力作用領域６は、その主面２上における直径をＡとし、主面２からの深さをＢとしたとき、Ａ／Ｂの値が２以上かつ２０以下となるように形成する。レーザー照射工程Ｐ１では、ガラス板３を固定し、レーザー５の照射ヘッドを移動させてもよく、レーザー５の照射ヘッドを固定し、ガラス板３を移動させてもよい。また、ガラス板３及びレーザー５の照射ヘッドを固定し、光路上に配置したミラーの角度を変化させることで、照射位置を移動させてもよい。

以上によりレーザー照射工程Ｐ１が完了する。レーザー照射工程Ｐ１が完了すると、次いでエッチング工程Ｐ２を実行する。

図５に示すように、エッチング工程Ｐ２では、レーザー照射工程Ｐ１後のガラス板３をエッチング液７に浸漬させる。このとき、応力作用領域６においては、ガラス板３のその他の領域よりもエッチングレートが大きい。これにより、凹部形成予定箇所４に微小な凹部１を形成する。

エッチング液７としては、２ｍｏｌ／ＬのＨＦ（フッ酸）と０．２５ｍｏｌ／ＬのＨＣｌ（塩酸）とを混合した液を使用している。ＨＣｌはガラス板３の表面で難溶性のフッ化物を生成し難くするための補助剤である。補助剤としては、ＨＣｌに代えてＨＮＯ_３（硝酸）やＨ_２ＳＯ_４（硫酸）を使用してもよい。

エッチングレートは１μｍ／ｍｉｎ程度とすることが好ましい。エッチング液７の温度を調節することで、このようなエッチングレートに調整できる。なお、エッチングレートを小さくすることを目的として、ＨＦに代えてＫＯＨ（水酸化カリウム）やＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）を使用してもよい。この場合、ＨＣｌ、ＨＮＯ_３やＨ_２ＳＯ_４等の補助剤は不要である。

エッチング工程Ｐ２が完了すると、複数の微小な凹部１が規則的に形成された主面２を備えるガラス板３が製造される。

ここで、本実施形態では、隣り合う凹部１，１同士が連なることなく独立して形成されたガラス板３を製造しているが、同ガラス板３に対して更にエッチング処理を行うことで、図６に示すようなガラス板３を製造することも可能である。図６に示したガラス板３では、隣り合う凹部１，１同士が連なっている。この場合、複数の凹部形成予定箇所４の配置に応じて、各凹部１が多角形等の円形以外に形成される。この場合、応力作用領域６の主面２上における幅及び凹部１の幅は、応力作用領域６及び凹部１の最大幅とする。

上記のガラス物品の製造方法によれば、複数の凹部１の形状を均一に形成することが可能である。

上記の効果を検証することを目的として、下記の［表１］に示した５つの条件（条件１～５）の下、条件１及び２では１０個、条件３～５では５個の微小な凹部１が形成されたガラス板３の製造を試みた。そして、１０個あるいは５個の凹部１（条件１及び２ではＮｏ．１～１０の１０個，条件３及び４ではＮｏ．１～５の５個，条件５では凹部１を形成できず）の相互間における形状のバラつきの大小を確認した。具体的には、凹部１の曲率半径ｒ、深さｄ、直径Ｄのバラつき３σ（標準偏差に３を乗じた値）を確認した。条件１～５についての結果を下記の［表２］～［表６］にそれぞれ示す。

［表２］～［表４］に示した３σの値から、条件１～３のいずれでも、１０個あるいは５個の凹部１の相互間における形状のバラつきが極めて小さくなっていることが分かる（曲率半径ｒについての３σ＜５μｍ、深さｄについての３σ＜５μｍ、直径Ｄについての３σ＜１０μｍ）。つまり、複数の凹部１の形状を均一に形成できていることが理解できる。本結果が得られたのは、応力作用領域６の応力の大きさを３０ＭＰａ以上かつ１００ＭＰａ以下としたことによるものと推認される。

一方、［表５］に示した３σの値から、条件４においては、５個の凹部１の相互間における形状のバラつきが大きくなっていることが分かる（曲率半径ｒについての３σ＞５μｍ、直径Ｄについての３σ＞１０μｍ）。つまり、複数の凹部１の形状を均一に形成できていないことが理解できる。本結果が得られたのは、応力作用領域６の応力の大きさを１００ＭＰａ超としたことによるものと推認される。

また、［表６］に示すとおり、条件５においては、凹部１を形成すること自体が不可能であったことが分かる。本結果が得られたのは、応力作用領域６の応力の大きさを３０ＭＰａ未満としたことによるものと推認される。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記実施形態では、ガラス板３の一面に複数の微小な凹部１を形成したが、これに限定されない。ガラス板３の両面に複数の微小な凹部１を形成してもよい。

１ 凹部
１ａ 凹部の内周面
２ ガラス板の主面
３ ガラス板
４ 凹部形成予定箇所
５ レーザー
６ 応力作用領域
７ エッチング液
Ａ 応力作用領域の直径
Ｂ 応力作用領域の深さ
Ｄ 凹部の直径
ｄ 凹部の深さ
Ｐ１ レーザー照射工程
Ｐ２ エッチング工程
ｒ 凹部の曲率半径
Ｘ 直線（目標ライン）
Ｙ 直線（目標ライン）

Claims (9)

1. ガラス物品の表面上に位置する凹部形成予定箇所にレーザーを照射することで、前記凹部形成予定箇所の表層部に、応力が作用した応力作用領域を形成するレーザー照射工程と、
   前記レーザー照射工程後の前記ガラス物品をエッチング液に浸漬させることで、前記凹部形成予定箇所に凹部を形成するエッチング工程と、を備えたガラス物品の製造方法であって、
   前記応力の大きさを３０ＭＰａ以上かつ１００ＭＰａ以下とすることを特徴とするガラス物品の製造方法。
2. 前記応力作用領域の前記表面上における幅をＡとし、前記応力作用領域の前記表面からの深さをＢとしたとき、Ａ／Ｂの値を２以上かつ２０以下とすることを特徴とする請求項１に記載のガラス物品の製造方法。
3. 前記レーザーの波長を２μｍ以上かつ７μｍ以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス物品の製造方法。
4. 前記レーザーとしてＣＯレーザーを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス物品の製造方法。
5. 複数の凹部が規則的に形成された表面を備えるガラス物品であって、
   前記凹部の幅が１０μｍ以上かつ５００μｍ以下であり、
   前記凹部の幅が前記凹部の深さの１／３以上であることを特徴とするガラス物品。
6. 前記凹部の内周面が部分球面状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のガラス物品。
7. 前記複数の凹部の全てについて、前記幅、前記深さ、及び前記内周面の曲率半径を測定した場合に、測定値の標準偏差に３を乗じた値がそれぞれ１０μｍ以下、５μｍ以下、５μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載のガラス物品。
8. 隣り合う前記凹部同士が連なっていることを特徴とする請求項５～７のいずれかに記載のガラス物品。
9. マイクロレンズアレイ用、マイクロウェルプレート用、防眩用、又は、摩擦制御が必要な基材用であることを特徴とする請求項５～７のいずれかに記載のガラス物品。

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