JP5207357B2 - ガラス部材の成形法および成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス材料の成形加工に関するもので、例えばガラス表面に微細なパターンを形成する技術に関するものである。特に、各種の光学部品やディスプレイデバイスに用いられる光学素子や、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いた光制御デバイス、μ−ＴＡＳと呼ばれる生化学分析デバイスや、微小化学分析デバイス、微小化学合成デバイス等の製造に用いられる。

近年拡大の著しい、フラットパネルディスプレイやプロジェクタなどのディスプレイデバイスでは、より多くの光を透過させてより明るい画像を実現するため、各画素の前後にレンズ機能や光散乱機能を有する多数の微細構造を形成した光学素子を設置することが行われている。また、MEMSによる微小化学分析デバイスや化学合成デバイス、流体制御システムでは、ガラス表面に微細な構造を形成し、それらを接合して液体の流路や各種分析反応機構を作製することが行われている。このような目的では、光学特性と化学的安定性に優れたガラス材料の使用が望まれるが、ドライエッチングなどの半導体プロセスを応用した加工ではガラス材料の加工能率が低く、微小な立体的構造を作製するための効率的な加工法の開発が望まれている。

微細な立体構造を安価に大量に製造する方法としては、成形用型による微細成形技術が有望である。微細成形技術は、図１に示すように、成形材料が軟化する温度で成形用型を成形材料に押しつけ、形状を転写する技術である。成形材料が樹脂材料である場合には、比較的低温で加工が可能であることから既に多くのデバイスに適用されている。さらに、型による成形はナノメートルの精度での形状の転写が可能であることから、ナノインプリント技術として活発に技術開発が進められている（非特許文献１、２、特許文献１）。

成形工程の高速化、高効率化には、成形の大面積化も重要な課題である。しかしながら、一度に成形する面積が大きくなると、それに比例して必要な荷重が増大するため加圧機構ひいては成形装置が非常に大型化すると共に、成形領域において均一に加圧することが困難となる。これを解決するため、流体を媒介とした荷重機構や（特許文献２）、成形面積に比べて相対的に小さな加圧ヘッドを成形面積全体にわたって走査する手法（特許文献３）が開発されている。

このような微細成形技術によりガラス材の成形を行う場合、ガラス材料は樹脂材料に比べ軟化温度が高いため、より高温での成形プロセスが必要となる。成形材料として低融点ガラスを使うことにより、プロセス温度をある程度低下させることは可能である（非特許文献３）。しかしながら、低融点ガラスに含まれる様々な添加元素が、光学性能や化学的安定性に影響するなどの問題点がある。高融点のガラスを成形するために、高温での成形が可能なプロセスおよび装置も開発されているが（非特許文献４）、高温でのプロセスを実現するためには、成形装置には何重もの遮熱構造や断熱材が必要となるため、装置が大型化するという問題がある。また、ガラスは樹脂材料に比べ成形に大きな圧力を必要とするため、大きな荷重を負荷するための機構が必要になり、ここでも装置が大がかりになるという問題が発生する。さらに、高温での成形における成形用型の劣化を防止するとともに、気体の閉じこめによる成形不良を回避するためには、真空中での成形が必要であり、これも装置が大型化する原因となる。

一方で、高温での成形では加熱と冷却に時間がかかるため、成形工程の効率化には大面積での成形が重要であるが、流体を媒介とした加重均一化機構などは高温では使用出来ない。また、加圧ヘッドを走査する方法なども、機構全体の遮熱や真空チャンバ内への機構の収納の問題から適用が困難である。したがって、ガラス材料の大面積成形を行うためには、装置は非常に大型で高価なものとなってしまう。
さらに、高温・大荷重の条件での成形では成形用型にかかる負担が大きくなり、成形用型が割れることなども問題になる。
平井、「ナノインプリンティング法によるナノ構造体の創成」、精密工学会誌、７０巻１０号、２００４年、１２２３〜１２２７頁 宮内、桑原、荻野、１「ナノインプリント技術」、エレクトロニクス実装学会誌、７巻６号、２００４年、４９７〜５００頁 Y. Hirai, K. Kanakugi, T. Yamaguchi, K. Yao, S. Kitagawa, Y. Tanaka, "Fine pattern fabrication on glass surface by imprint lithography", Microelecron. Eng., Vol. 67-68, 2003, pp. 237-244 高橋、前田、「研削加工によるカーボン型を用いたガラス材料の大面積マイクロ成形」、塑性と加工、第４７巻、第５４９号、２００６年、９６３〜９６７頁 特開２００６−２６９９１９ 特開２００６−３２６９２７ 特開２００７−１９４５１

本発明は、ガラスの微小成形における問題を解決するため、大きな荷重を負荷することなくガラスの成形を可能とする技術を提供することを目的とする。また、より低い温度でガラスの成形を可能とする技術を提供することを目的とする。さらに、大型で複雑な機構を必要とせずに、大面積に対して均一に成形を行う技術を提供することを目的とする。
さらにまた、成形型表面の酸化を防止し、ひいては成形型とガラスとの離型を容易にするとともに成形型の耐久性を向上させることを目的とする。

（１）上記目的を達成するため本発明のガラス材料の成形方法は、ガラス材料と成形用型を加熱し、接触保持した状態で、ガラス材料と成形用型の間に電圧を印加し、ガラス材料と成形用型の表面間に発生する静電引力により加圧成形を行うことを特徴としている。
（２）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）において、ガラス材料に負、成形用型に正の直流電圧を印加することを特徴としている。
（３）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）または（２）において、ガラス材料は可動イオンを含むことを特徴としている。
（４）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（３）において、ガラス材料は主成分として二酸化ケイ素を含み、可動イオンとしてアルカリ金属であるリチウム、ナトリウムまたはカリウムを含むことを特徴としている。
（５）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（４）において、アルカリ金属の含有量は、重量組成比で２％以上２５％以下であることを特徴としている。
（６）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（５）のいずれかにおいて、加熱温度Ｔは、ガラス材料のガラス転移温度Ｔ_gに対し、Ｔ_g−１５０＜Ｔ＜Ｔ_g＋１００℃の範囲にあることを特徴としている。
（７）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（５）のいずれかにおいて、加熱温度Ｔは、ガラス材料のガラス転移温度Ｔ_gに対し、Ｔ_g−１００＜Ｔ＜Ｔ_g℃の範囲にあることを特徴としている。
（８）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（７）のいずれかにおいて、印加電圧は、１０Ｖ以上、１００００Ｖ以下であることを特徴としている。
（９）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（７）のいずれかにおいて、印加電圧は、１００Ｖ以上、２０００Ｖ以下であることを特徴としている。
（１０）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（９）のいずれかにおいて、ガラス材料と成形用型を加熱後、ガラス材料と成形用型に加圧を行うことを特徴としている。
（１１）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１０）において、加圧力が１００Ｐａ以上、１ＭＰａ以下であることを特徴としている。
（１２）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（１１）のいずれかにおいて、成形を真空中で行うことを特徴としている。
（１３）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１２）において、真空雰囲気中の残留気体の圧力が1
Pa以下であることを特徴としている。
（１４）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（１１）のいずれかにおいて、成形を窒素ガス雰囲気または不活性ガス雰囲気で行うことを特徴としている。
（１５）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（１４）のいずれかにおいて、成形後に離型を行う前に、ガラス材料に正、成形用型に負の直流電圧を印加することを特徴としている。
（１６）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１）ないし（１４）のいずれかにおいて、成形後に離型を行う前に、ガラス材料と成形用型の間に交流電圧を印加することを特徴としている。
（１７）また、本発明のガラス材料の成形方法は、上記（１５）または（１６）において、電圧を印加する際の加熱温度Ｔ_１は、ガラス材料のガラス転移温度Ｔ_ｇに対し、Ｔ_g−１５０＜Ｔ₁＜Ｔ_g ℃の範囲にあることを特徴としている。

（１８）また、本発明のガラス材料の成形装置は、ガラス材料と成形用型を接触保持する機構、ガラス材料と成形用型を加熱する機構、およびガラス材料と成形用型の間に電圧を印加する機構を備え、ガラス材料表面と成形用型表面の間に働く静電引力により加圧成形を行うことを特徴としている。
（１９）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）において、ガラス材料に負極、成形用型に正極を接続し直流電圧を印加することを特徴としている。
（２０）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）または（１９）において、ガラス材料の成形面の裏側全面に接触する、電圧印加用電極を有することを特徴としている。
（２１）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）ないし（２０）のいずれかにおいて、ガラス材料の成形面の裏側の面に形成した導電体膜を、ガラス材料に電気的接続を行うための電極とすることを特徴としている。
（２２）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）ないし（２１）のいずれかにおいて、成形用型は、導電体であることを特徴としている。
（２３）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（２２）において、成形用型は、白金、イリジウム、ロジウム、オスミウムまたはルテニウムのいずれか一つを主成分とする材料、または、少なくとも二つの混合体を主成分とする材料から形成されることを特徴としている。
（２４）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（２２）において、成形用型の表面に、白金、イリジウム、ロジウム、オスミウムまたはルテニウムのいずれか一つを主成分とする材料、または、少なくとも二つの混合体を主成分とする材料からからなる薄膜を形成することを特徴としている。
（２５）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）ないし（２４）のいずれかにおいて、成形用型の成形パターンの深さは、１μｍ以下であることを特徴としている。
（２６）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）ないし（２５）のいずれかにおいて、ガラス材料と成形用型に印加する電圧の極性を反転する機能を備えていることを特徴としている。
（２７）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）ないし（２６）のいずれかにおいて、ガラス材料と成形用型を加圧保持する機構を備えることを特徴としている。
（２８）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（２７）において、加圧保持の際の加圧力は、１００Ｐａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴としている。
（２９）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）ないし（２８）のいずれかにおいて、真空中で成形を行うための真空チャンバを有することを特徴としている。
（３０）また、本発明のガラス材料の成形装置は、上記（１８）ないし（２９）のいずれかにおいて、各種ガス雰囲気で成形を行うための雰囲気制御チャンバを有することを特徴としている。

（３１）また、本発明のガラス材料の成形体は、アルカリ金属を成分として含むガラスの成形体であって、成形面近傍でガラス母材に比べアルカリ金属の濃度が低下していることを特徴としている。
（３２）また、本発明のガラス材料の成形体は、上記（３１）において、アルカリ金属濃度の低下領域の厚さが、０．１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）ガラスと成形用型の間に電圧を印加することにより、ガラスと成形用型の間に静電引力が働き、この静電引力により成形が行われるため、成形時に外部から負荷する荷重を不要とするまたは大幅に低減することが可能となる。これにより、荷重を負荷するための機構を不要とするまたは大幅に小型簡略化することが可能となり、成形装置の小型化と低コスト化、ひいては成形プロセスの低コスト化が可能となる。
（２）さらに、外部からの荷重が大幅に低減されると共に、静電引力は成形部全体に均一に作用するため荷重の集中が無いことにより、ガラス材料や成形用型の荷重による破損を防止することが可能となる。
（３）静電引力は、ガラスと成形用型の接触部付近にのみ働くため、ガラスの成形される部分に十分な成形力が負荷されている状態でも、その他の部分への加重を相対的に小さくすることが可能となる。このため、ガラス材料が軟化した状態で成形を行っても、成形部以外のガラス材料を押しつぶすことなく必要な部分のみ成形を行うことが可能となる。
（４）また、静電引力では局所的に非常に大きな成形加重を与えることが可能であり、特に成形用型の角部など通常の方法では成型が困難な部分に電界集中により大きな力が働くため、より精度の高い成形が可能である。さらに、ガラスの軟化が十分に進んでない状態でも成形が可能となり、より低い温度で成形が可能となる。これにより、成形装置の遮熱および断熱構造が簡略化でき、成形装置の小型化と低コスト化が可能となる。
（５）さらに、成形のプロセス温度が低くなることにより、成形用型の劣化が抑制され、型の寿命が長くなることで型のコスト低減が図れると共に、型交換にかかる時間が節約出来るため生産性が向上する。
（６）また、静電引力は成形される面全体に均一に作用すると共に、大面積であっても必要な印加電圧は変わらないので、大型で複雑な荷重負荷機構を用いることなく、簡便な装置により大面積の成形が可能となる。
（７）成形用型を、白金、イリジウム、ロジウム、オスミウムまたはルテニウムのいずれか一つを主成分とする材料、または、少なくとも二つの混合体を主成分とする材料から形成すること、あるいは、成型用型の表面に、白金、イリジウム、ロジウム、オスミウムまたはルテニウムのいずれか一つを主成分とする材料、または、少なくとも二つの混合体を主成分とする材料からからなる薄膜を形成することにより、成型時の酸化性の雰囲気に対する耐性が高く、かつ成形後の離型が容易であり、成形型の寿命を向上することができる。

以下に、本発明にかかるガラス材料の成形方法、成形装置およびガラス材料の成形体についての実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は、本発明のガラス材料の成形方法を示している。ガラス材料１０と成形用型２は接触保持された状態で、ヒータ３により加熱される。加熱されたガラス材料１０と成形用型２の間に電源１１により電極１２および１３を介して電圧を印加することにより、ガラス材料１０と成形用型２の間に静電引力が発生しガラス材料１０が成形される。なお、図中ではヒータ３はガラス材料１０と成形用型２の両側に接触して配置されているが、ガラス材料１０を所定温度に加熱出来れば、どのような加熱機構および配置を用いても良い。

電圧は、ガラス材料１０に負極、成形用型２に正極を接続して、直流電圧を印加することが望ましい。このような極性にすることにより、より大きな静電引力を得ることが出来る。

図３に示すように、このときガラス材料内部ではガラス材料に含まれるアルカリ金属などの陽イオン２１が、成形される面から負電極方向に電界により移動する。一方、移動した陽イオンと結びついていた酸素イオンは、ガラスの主成分であるケイ素等の元素とも強固に結びついているため、陽イオンのように移動することが出来ない。この結果、ガラス材料の成形面には負電荷２２が蓄積する。この負電荷に対して、ガラス材料と接触している成形用型の表面には正電荷２３が誘起される。この負電荷２２と正電荷２３が蓄積されることにより、ガラス材料と成形用型の接触部に大きな静電引力２４が発生し、ガラス材料１０が変形し、成形が行われる。特に成形用型の角部など通常の方法では成型が困難な部分に電界集中により大きな力が働くため、より精度の高い成形が可能である。
なお、ここで直流電圧とは、電圧が一定のものに限定されず、極性が一定で電圧が時間的または空間的に変動するものも含まれる。

上記したように、ガラス材料１０に負、成形用型２に正の電圧を印加すると、ガラス材料１０内の陽イオンの移動によりガラス材料１０側表面に負の電荷が、成形用型２の表面に正の電荷が蓄積する。成形用型２表面の正電荷がガラス材料中で過剰となっている負の酸素イオン２６と結合すると、図４に示すように活性な遊離酸素原子２７を生成し、接触部は強い酸化性雰囲気となる。そのため、成型用型２には強い耐酸化性が求められる。

成形されるガラス材料は、アルカリ金属をはじめとする可動イオンを含むガラス材料であることが望ましい。可動イオンは電圧によりガラス中を容易に移動するため、より多くの負電荷２２がガラスの成形面に蓄積され、大きな静電引力がえられる。
さらに、ガラス材料は主成分として二酸化ケイ素を含み、可動イオンとしてアルカリ金属であるリチウム、ナトリウムまたはカリウムを含むことが望ましい。これらのアルカリ金属は、加熱状態でガラス中を容易に移動し、それにより成形面でより大きな静電引力が得られる。また、これらのアルカリ金属は、多くのガラス原料に含まれており、特殊な調合をすることなく安価に成形用ガラス材料が得られる。また、主成分の二酸化ケイ素は酸素原子と多対多で複雑に結合するため、酸素原子の移動を制限し、結果としてガラス成形面により多くの負電荷を蓄積することにより、より大きな静電引力が得られる。

さらに、ガラス材料に含まれるアルカリ金属の含有量は、２％以上であることが望ましい。含有量をこの領域とすることでアルカリ金属イオンの移動により、成形に必要な静電引力を得ることが出来る。また、ガラス材料に含まれるアルカリ金属の含有量は２５％以下であることが望ましい。含有量をこの領域とすることでガラス材料の機械的特性および化学的安定性が向上する。すなわち、アルカリ金属の含有量は、重量組成比で２％以上２５％以下であることが望ましい。なお、ここでいう重量組成比とは、アルカリ金属が酸化物であるとした場合の、その酸化物がガラス材料全体の重量に占める割合を言う。

ガラス材料に電気的接続を行うための電極は、ガラス材料の成形面の裏側の面全体で、ガラス材料と接触する構造とすることが望ましい。このような構造とすることで、ガラス内に均一に強い電界がかかり、イオンの移動が促進されることにより大きな静電引力が得られる。

また、ガラス材料の成形面の裏側に導電体膜を形成し、それを電極として用いることが望ましい。ガラスに形成した導電体膜を電極として用いることにより、ガラスに電極が密着し、電極の接触不良による成形不良を防止することが出来る。さらに、導電体膜をガラス材料の成形面の裏側の広い面積に形成することで、ガラス内に均一に強い電界がかかりイオンの移動が促進されることにより、大きな静電引力が得られる。

成形用の型は、導電体であることが望ましい。成形用型２を導電体とすることにより、型表面に正電荷２３が高密度に蓄積され、より大きな静電引力を得ることが出来る。
ガラス材料１０と成型用型２の間に電圧を印可した場合、成型用型２とガラス材料１０が強固に接合してしまうという問題がある。成型用型２は導電性を有する必要があるが、アルミニウム、クロム、チタン、シリコン、タングステン、パラジウムなどは、成型用型２とガラス材料１０の離型が困難である。それに加えて、ガラスの成形では成型用型２の耐久性が非常に重要でる。グラッシーカーボンは、通常のガラス成形ではガラスとの反応性が低く離型性もよい、優れた型材料と考えられている。しかしながら、電圧印加による成型法では、成型用型２の表面が高温の酸化雰囲気になることが判明した。そのため、グラッシーカーボン型表面が激しく酸化され、実用的な型寿命が得られない。銀、銅、モリブデンなどの金属も同様に比較的離型は容易であるが、電圧印加時に型の表面が腐食されるという問題がある。

成型時の酸化性の雰囲気に対する耐性が高く、かつ成形後の離型が容易な材料として、白金を用いることが非常に有効である。また、白金と同じく、高融点で耐酸化性に優れる、イリジウム、ロジウムおよびこれらの合金を用いることが有効である。さらにこれらに加え，同じく耐食性に優れるオスミウム，ルテニウム含む合金を主成分とすることも有効である。合金とすることで，成型用型の融点，硬度，化学的安定性を向上することが可能であり，成型用型の寿命が改善する。さらに、これらを主成分として他の原子を添加した合金を利用することも可能である。
成型用型の構成としては，これら単一金属または合金により直接作製するか、または、他の材料で作製した成型用型表面に上記の金属または合金の薄膜を形成することにより、導電性と耐酸化性を付与することも有効である。

成形用型に形成された成形パターンの深さは、１μｍ以下であることが望ましい。成形面と型表面の距離が小さいほどガラスの成形面と型表面の間に働く静電引力は大きくなるため、成形パターンの深さをこの範囲とすることにより、より大きな静電引力がガラスの成形面に働き、より低い温度でより短時間で成形が可能となる。

成形時の印加電圧は、１０Ｖ以上であることが望ましい。この電圧範囲とすることで、ガラス内部での陽イオンの移動が可能となる。また、成形時の印加電圧は、１００００Ｖ以下であることが望ましい。この電圧範囲とすることで、放電防止のための機構を含む装置の構成を簡易化することが出来る。すなわち、成形時の印加電圧は１０Ｖ以上、１００００Ｖ以下であることが望ましい。

さらに、成形時の印加電圧は１００Ｖ以上であることが望ましい。この電圧範囲とすることによりガラス内部でのより多くの陽イオンがより大きな移動速度で移動し、ガラス材料と成形用型の間に成形に十分な静電引力を発生させることが可能となり、より低い成形温度で短時間の成形が可能となる。また、成形時の印加電圧は２０００Ｖ以下であることが望ましい。この電圧範囲とすることで、ガラス材料と成形用型およびそれらと成形装置の構成部品との間での絶縁破壊の危険性が減少すると共に、絶縁構造が簡易化出来るためより小型で簡易な装置による成形が可能となる。すなわち、成形時の印加電圧は１００Ｖ以上２０００Ｖ以下であることが望ましい。

成形時の加熱温度Tは、ガラス材料のガラス転移温度をＴgとしたとき、Ｔg−１５０ ℃より高いことが望ましい。この温度範囲とすることで、ガラス中の陽イオン２１の移動が容易になり、ガラスの成形面に十分な負電荷２２が蓄積される。また、成形時の加熱温度TはＴg＋１００℃よりも低いことが望ましい。この範囲とすることで、加熱および遮熱構造を簡易化することが可能となると共に、成形用型へのダメージを低減することが出来る。すなわち、成形時の加熱温度Tは、Ｔg−１５０＜Ｔ＜Ｔg＋１００℃の範囲にあることが望ましい。

さらに、成形時の加熱温度Tは、ガラス材料のガラス転移温度をＴｇとしたとき、Ｔg−１００℃より高いことが望ましい。この温度範囲とすることで、ガラス材料が軟化し成形が容易となる。また、成形時の加熱温度TはＴｇよりも低いことが望ましい。この範囲とすることで、ガラスを成形のために十分に軟化させながら、成形面以外のガラス材料の変形を最小限に抑えることが出来る。すなわち、成形時の加熱温度Ｔは、Ｔg−１００＜Ｔ＜Ｔg ℃の範囲にあることが望ましい。

ガラス材料と成形用型を加熱した状態で、ガラス材料と成形用型に外部からの荷重により加圧を行うことが望ましい。本発明によれば、外部から機械的な荷重を加えることなく、静電引力によりガラス材料の成形を行うことも可能であるが、ガラスの成形面と型表面が接触していないと作用する静電引力は著しく減少する。ガラス材料と成形用型の反りや表面の微細な凹凸のために、静電引力だけではガラスの成形面と型表面が密着出来ない場合や密着形成までに時間がかかる場合には、外部からの荷重によりガラスの成形面と型表面を密着させ、成形を行うことが効果的である。これにより、より短時間でより広い面積全面にわたって、安定して成形を行うことが可能となる。加圧は電圧印加前に行ってもよいが、電圧印加まで加圧を継続するか、または電圧を印加した状態で加圧を行うことが望ましい。さらに、成形時にガラス材料と成形用型を一定時間加圧保持することが望ましい。これにより、加圧力と電圧印加による静電引力のそれぞれの効果により、より効率的に成形を行うことが可能である。加圧力による変形は成形パターンの大きさによらないが、静電引力による成形は表面間の距離の小さい、微細なパターンやパターンの角部でより有効である。そのため、加圧と電圧印加を併用することの相乗効果により、より効率的に成形が可能となる。

上記の加圧力は、１００Ｐａ以上であることが望ましい。加圧力を１００Ｐａ以上とすることでガラスの成形面と型表面を確実に接触させ、静電引力を作用させることが出来る。また、上記加圧力は1 ＭＰａ以下であることが望ましい。加圧力を1ＭＰａ以下とすることで、加圧によるガラス材料や成形用型のダメージおよび破壊の可能性を小さくすることが出来る。すなわち、加圧力は１００ＭＰａ以上1ＭＰａ以下であることが望ましい。

上記の成形は、真空中で行うことが望ましい。真空中で行うことにより、高温での成形時における型材料の酸化など、成形用型へのダメージを防止することが出来る。また、ガラス材料と成形用型の間に気体が残ってしまうことによる成形不良を防止することが出来る。さらに、成形時の真空雰囲気内の残留気体の圧力は、1Ｐａ以下であることが望ましい。残留気体圧力を1Ｐａ以下とすることで、装置内での高電圧供給系とその他の構成部品との間での、グロー放電などによる絶縁破壊現象を防止することが出来る。

上記の成形は、窒素ガス雰囲気または不活性ガス雰囲気で行うことが望ましい。窒素ガスまたは不活性ガス雰囲気で成形を行うことにより、高温での成形時における成形用型へのダメージを防止することが出来る。また、真空中で行う場合に比べ装置を小型簡易化することが可能になると共に、装置構成の自由度が向上する。

成形後に、ガラス材料と成形用型を離型する前に、ガラスに正極、成形用型に負極を接続して、成形時とは逆方向の直流電圧を印加することが望ましい。このような電圧を印加することにより、図５に示すようにガラス材料の成形面側にアルカリ金属イオンが再度移動し、成形面近傍に蓄積された負電荷２２を打ち消すことが出来る。これにより、成形用型の表面には正電荷が誘起されなくなり、結果としてガラスの成形面と成形用型表面の間の静電引力が消滅するので、ガラス材料と成形用型の離型が容易になる。このとき、ガラス材料と成形用型に逆方向の電圧を印加するための電極は、成形時に電圧印加に用いた電極を用いることが出来る。

また、成形後にガラス材料と成形用型を離型する前に、ガラス材料と成形用型の間に交流電圧を印加することが望ましい。交流電圧を印加することにより、ガラスの成形面近傍のみでイオン移動を誘起し、これによりガラス表面の負電荷を打ち消すことができる。これにより、成形用型の表面の正電荷も誘起されなくなり、結果としてガラスの成形面と成形用型表面の間の静電引力が消滅するので、ガラス材料と成形用型の離型が容易になる。このとき、ガラス材料と成形用型に交流電圧を印加するための電極は、成形時に電圧印加に用いた電極を用いることが出来る。

また、離型のために電圧を印加する際の加熱温度Ｔ₁は、ガラス材料のガラス転移温度をＴgとしたとき、Ｔg−１５０℃より高いことが望ましい。この温度範囲とすることで、ガラス中の陽イオン２１の移動が容易になり、ガラスの成形面に蓄積された負電荷を打ち消すことが容易となる。また、離型のために電圧を印加する際の加熱温度T₁はTgよりも低いことが望ましい。この範囲とすることで、成形されたガラス材料の離型後の変形を抑制し、成形体の形状精度を保つことが出来る。すなわち、離型のために電圧を印加する際の加熱温度Ｔ₁は、Ｔg−１５０＜Ｔ₁＜Ｔg℃の範囲にあることが望ましい。なお、印加される電圧の大きさは、電圧印加時の加熱温度により調節されることが望ましい。すなわち、成形時とほぼ同じ温度で電圧印加を行う場合には、成形時と同じか、より小さな電圧により静電引力の除去が可能である。一方、成形時より大幅に低い温度で電圧印加を行う場合には、イオンの移動を促進するため成形時と同じか、より大きな電圧を印加することが望ましい。

本発明の成形装置は、図６に示すように、ガラス材料１０と成形用型２を接触保持するための接触保持機構３１と、ガラス材料と成形用型を加熱するためのヒータ３と、ガラス材料と成形用型に電圧を印可するための電源１１と電極１２および１３を備え、ガラス材料表面と成形用型表面の間に働く静電引力により、成形を行うことを特徴とする。ガラス材料と成形用型を加熱する機構は、図６のように上下にヒータを設置することに限定されるものではなく、周辺にヒータやランプを配置することや、電磁誘導加熱など、ガラス材料と成形用型が所定の温度に加熱されれば、その形式を問わない。

成形装置は、ガラス材料の成形面の裏側全面に接触する、ガラス用の電圧印加用電極を有していることが望ましい。このような形状の電極を用いることで、ガラス内に均一に強い電界がかかり、イオンの移動が促進されることにより大きな静電引力が得られる。また、ヒータ表面を導電性の材料で構成し、それをガラス材料の成形面の裏側全面に接触させる構成としても良い。

成形装置は、ガラス材料および成形用型に印加する電圧の極性を反転できるように構成されていることが望ましい。このようにすることで、離型前に成形時とは逆方向の電圧を印加し、ガラス材料と成形用型の離型を容易にすることが出来る。

成形装置は、図７のように、ガラス材料と成形用型を加圧保持するための機構３３を備えることが望ましい。図７には真空排気または雰囲気制御用のチャンバ３２が示されているが、大気中で成形を行う場合はチャンバ３２を有しない構成とすることが出来る。
上記加圧機構は、１００Ｐａ以上の加圧力を有していることが望ましい。加圧力を１００Ｐａ以上とすることでガラスの成形面と型表面を確実に接触させ、静電引力を作用させることが出来る。また、上記加圧機構の加圧力は1ＭＰａ以下であることが望ましい。加圧力を1 ＭＰａ以下とすることで、加圧によるガラス材料や成形用型のダメージおよび破壊の可能性を小さくすることが出来る。すなわち、加圧機構の加圧力は１００Ｐａ以上1ＭＰａ以下であることが望ましい。

成形装置は、真空中で成形を行うための真空チャンバを有していることが望ましい。真空中で成形を行うことにより、高温での成形時における型材料の酸化など、成形用型へのダメージを防止することが出来る。

成形装置は、各種ガス雰囲気で成形を行うための雰囲気制御チャンバを有することが望ましい。雰囲気制御チャンバにより、窒素ガスまたは不活性ガス雰囲気で成形を行うことにより、高温での成形時における成形用型へのダメージを防止することが出来る。

成形は、以下の手順で行う。ガラス材料１０と成形用型２を接触させ、電極１２および１３の間に設置する。真空雰囲気で成形を行う場合は、図示されていない真空ポンプによりチャンバ３２内を真空に排気する。各種ガス雰囲気で成形を行う場合には、図示されていない排気ポンプおよびガス導入機構を用いて、チャンバ内を窒素ガスなどの所望のガスに置換する。次に、ヒータ３によりガラス材料１０および成形用型２を加熱する。所定の温度まで加熱したのち、加圧保持機構３３によりガラス材料１０および成形用型２を加圧し、電源１１と電極１２および１３を用いて電圧を印加する。このとき加圧と電圧印加はどちらを先に開始しても良いが、加圧と電圧印加が同時に行われることが望ましい。さらに、電圧印加中に加圧を継続しガラス材料１０と成形用型２を加圧保持することで、加圧と静電引力の相乗効果により、より良好な成形が行われる。

図８は本発明のガラス材料の成形体を示す。ガラス材料の成形体４１は、成形面が成形用型と接触し、ガラス材料と成形用型の間に電圧が印可されたことにより、成形面近傍にガラス母材４２に比べアルカリ金属の濃度が低下している領域４３が形成されていることが望ましい。このようなアルカリ金属濃度低下領域が形成されることにより、成形時にガラスの成形面と成形用型の間に静電引力が働き、低温度低加圧での成形が可能となる。

また、アルカリ金属濃度低下領域４３の厚さは、０．１μｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。図３における負電荷２２の蓄積領域は、図８におけるガラスの成形面のアルカリ金属濃度低下領域４３に対応する。蓄積されている負電荷２２が多いほど、ガラスの成形面と型表面に働く静電引力は大きくなる。また、印加する電圧が同じ場合には蓄積されている層の厚みが小さいほど電荷量は大きくなり、さらに表面に電荷が集中することによりガラスの成形面と型表面に働く静電引力が成形に効果的に作用する。しかしながら、電子による電導機構を持たないガラスにおいては高密度の電荷の蓄積には限界があり、成形に十分な静電引力を発生させるための負電荷を蓄積するには、負電荷の蓄積領域、すなわちアルカリ金属濃度低下領域４３の厚みが０．１μｍ以上であることが望ましい。また、過度に大きな電圧を印加することなく十分な負電荷を蓄積し、それにより成形に十分な静電引力を発生させるためには、上記アルカリ金属濃度低下領域４３の厚みは、５μｍ以下であることが望ましい。

以下に具体例に従い本発明をさらに詳述する。ただし、これらの実施例に本発明が必ずしも限定されるものではない。

（実施例１）
成形には、ガラス材料としてカリウムを含むクラウンガラス（松浪硝子工業株式会社製、0200ガラス）を、成形用型には石英基板に微細なラインアンドスペースパターンを形成したものを使用し、型の表面に厚さ20nmの白金層を形成した。クラウンガラスのガラス転移温度は５３３℃であった。これらを図７の構成を持つ成形装置にセッティングし、チャンバー内を真空に排気した。ついで、ガラス材料と成形用型を接触保持した状態で４４０℃まで加熱し、ガラス側を負極、成形用型を正極として、１ ｋＶの電圧を印加して１０分間保持した。成形時には荷重は負荷しなかった。成形後のガラス表面には、図９のように型の形状が転写されていることが確認された。このとき、ガラス材料の張り出し量として約０．０５μｍが得られた。この張り出し量はパターンの線幅にほとんど依存せず、微細なパターンの成形が可能である。また、繰り返し成形を行った場合も成型用型に損傷は見られず、良好な転写特性が得られた。

（実施例２）
クラウンガラスと白金膜を形成した石英製成形用型を用い、成形時に電圧を印加すると共に、０．５ＭＰａの加圧力を１０分間負荷して成形を行った。加圧力を負荷したこと以外の条件は、実施例１と同等とした。加圧力を負荷したことにより、成形能力が向上し、ガラス材料の張り出し量として０．２μｍが得られた。

（比較例１）
実施例１において、白金に代わり、アルミニウム、クロム、チタン、シリコン、タングステン、パラジウムの膜を石英製成形型の表面に形成して成形を行った。表面の金属膜の材質以外の条件は、実施例１と同等とした。これらの膜を型表面に形成した場合には、型とガラスが強固に結合してしまい、離型が困難であった。

（比較例２）
実施例１において、白金に代わり、銀、銅、モリブデンの膜を石英製成形型の表面に形成して成形を行った。表面の金属膜の材質以外の条件は、実施例１と同等とした。これらの膜では成形用型とガラスの離型は可能であったが、成型用型表面の金属膜が腐食されてしまい、成形は困難であった。

（比較例３）
実施例１において、成形用型にはグラッシーカーボンに収束イオンビーム加工装置により、微細なラインアンドスペースパターンを形成したものを使用した。成型用型の材質および作製法以外の条件は、実施例１と同等とした。グラッシーカーボン製成形型はガラスから容易に離型可能で、ガラス材料の張り出し量として０．０５μｍが得られた。このとき、成形前のグラッシーカーボン製成形型のノルマルスキー微分干渉顕微鏡による観察結果を図１０に、４回の成形実験後の成形型の観察結果を図１１に示す。これらのグラッシーカーボン製成形型は同様の手順で作製されたものであるが、成形実験後のグラッシーカーボン製成形型では表面が激しく腐食されていた。このため、成形体の形状制度は著しく悪化し、繰り返し成形は困難であった。

（比較例４）
クラウンガラスと白金膜を形成した石英製成形用型を用い、成形時に０．５ＭＰａおよび２ＭＰａの加圧力を加え、ガラス材料と成形用型の間に電圧を印加せずに成形を行った。電圧を印加しなかったことおよび加圧力以外の条件は、実施例２と同等とした。電圧を印加しない場合にはこの温度では成形が困難で、いずれの加圧力においもガラス材料の変形は確認されなかった。

（比較例５）
クラウンガラスと白金膜を形成した石英製成形用型を用い、５４０℃および５５０℃で，電圧を印加せずに成形を行った。加圧力は1 ＭＰａとした。ガラス材料の張り出し量は加熱温度が５４０℃の場合に０．１μｍ、加熱温度が５５０℃の場合に０．２μｍ程度であり、成形温度を高くすることにより成形が可能となった。図１２は５５０℃での成形結果であるが、電圧を印加せずに成形を行った場合成形結果はパターンの線幅に大きく依存し、線幅の広いパターンでは成形が可能であるが、線幅が細くなると成形が困難となっている。

以上から、ガラス材料の成形において、ガラス材料と成形用型の間に電圧を印加し、ガラスの成形面と型表面の間に静電引力を作用させることが、ガラス材料の成形に有効である。これにより、電圧を印加しない場合に比べ、より低温での成形が可能になると共に、より小さな加圧力により成形が可能となる。さらに、パターンの線幅が小さい場合にも成形が可能である。

（実施例３）
ガラス材料に旭テクノガラス株式会社製のパイレックスガラス（パイレックス：登録商標）を用いて、４４０℃および５００℃で成形を行った。成形時の温度以外の条件は実施例１と同等とした。４４０℃では、張り出し量は０．０１μｍ程度であったが、５００℃での成形により張り出し量０．２μｍが得られた。軟化温度の高いパイレックスガラスでは、成形には高い温度を必要とするが、電圧を印加することの効果については実施例１と同様である。

本発明は、ガラス表面に微細なパターンを形成するなどの、ガラスの成形加工に利用される。特に、成形時の温度や、高温状態での加圧など、従来のガラスの成型方法での問題点に対し、より低い温度で小さな加圧により成形が可能となるため、より簡便な装置でのガラスの成形加工を実現する。また、ガラス成形面と成形用型の表面の静電引力により成型が行われるため、大面積の成形に適している。これによりガラス成型品の成形コストを低減すると共に、ディスプレイデバイスに用いられる光学素子などの各種光学部品や、ＭＥＭＳを用いた光制御デバイス、μ−ＴＡＳと呼ばれる生化学分析デバイスや、微小化学分析デバイス、微小化学合成デバイスなど、様々な分野への応用を可能とする。

従来の加熱と加圧による成形方法を説明する概略正面図である。 本発明のガラスの成形方法を説明する概略正面図である。 本発明のガラスの成形方法における電圧印加によるイオンの移動と、ガラス成形面と型表面との間に発生する静電引力との関係を説明する説明図である。 電圧印加に伴うガラス材料と成型用型との接触部での活性な遊離酸素の発生状態を説明する説明図である。 成形時と逆方向の電圧印加による離型方法を説明する説明図である。 本発明の成形装置の概略構成を示す正面図である。 本発明において加圧機構を備えた成形装置の概略構成を示す正面図である。 本発明のガラス成形体を示す断面図である。 本発明の実施例１の成形後のガラスの表面形状を示す図である。 比較例３における成形実験前のグラッシーカーボン製成型用型表面を示す図である。 比較例３における成形実験後のグラッシーカーボン製成型用型表面を示す図である。 比較例５における５５０℃で成形後のガラスの表面形状を示す図である。

符号の説明

１ 成形材料
２ 成形用型
３ ヒータ
１０ ガラス材料
１１ 電源
１２ ガラス用電極
１３ 成形用型用電極
２１ 陽イオン
２２ 負電荷
２３ 正電荷
２４ 静電引力
２６ 酸素イオン
２７活性な遊離酸素原子
３１ 接触保持機構
３２ チャンバ
３３ 加圧保持機構
４１ ガラス成形体
４２ ガラス母材
４３ アルカリ金属濃度低下領域

Claims (30)

1. ガラス材料と成形用型を加熱し、接触保持した状態で、ガラス材料と成形用型の間に電圧を印加し、ガラス材料と成形用型の表面間に発生する静電引力により加圧成形を行うことを特徴とする、ガラス材料の成形方法。
2. ガラス材料に負、成形用型に正の直流電圧を印加することを特徴とする、請求項１に記載のガラス材料の成形方法。
3. 上記ガラス材料は、可動イオンを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のガラス材料の成形方法。
4. 上記ガラス材料は主成分として二酸化ケイ素を含み、可動イオンとしてアルカリ金属であるリチウム、ナトリウムまたはカリウムを含むことを特徴とする、請求項３に記載のガラス材料の成形方法。
5. 上記アルカリ金属の含有量は、重量組成比で２％以上２５％以下であることを特徴とする、請求項４に記載のガラス材料の成形方法。
6. 上記加熱温度Ｔは、ガラス材料のガラス転移温度Ｔ_gに対し、Ｔ_g−１５０＜Ｔ＜Ｔ_g＋１００℃の範囲にあることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
7. 上記加熱温度Ｔは、ガラス材料のガラス転移温度Ｔ_gに対し、Ｔ_g−１００＜Ｔ＜Ｔ_g ℃の範囲にあることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
8. 上記印加電圧は、１０Ｖ以上、１００００Ｖ以下であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
9. 上記印加電圧は、１００Ｖ以上、２０００Ｖ以下であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
10. ガラス材料と成形用型を加熱後、ガラス材料と成形用型に加圧を行うことを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
11. 上記加圧力が１００Ｐａ以上、１ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１０に記載のガラス材料の成形方法。
12. 上記成形を真空中で行うことを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
13. 上記真空雰囲気中の残留気体の圧力が1 Pa以下であることを特徴とする、請求項１２に記載のガラス材料の成形方法。
14. 上記成形を窒素ガス雰囲気または不活性ガス雰囲気で行うことを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
15. 成形後に離型を行う前に、ガラス材料に正、成形用型に負の直流電圧を印加することを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
16. 成形後に離型を行う前に、ガラス材料と成形用型の間に交流電圧を印加することを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のガラス材料の成形方法。
17. 電圧を印加する際の加熱温度Ｔ_１は、ガラス材料のガラス転移温度Ｔ_ｇに対し、Ｔ_g−１５０＜Ｔ₁＜Ｔ_g ℃の範囲にあることを特徴とする、請求項１５または１６に記載のガラス材料の成形方法。
18. ガラス材料と成形用型を接触保持する機構、ガラス材料と成形用型を加熱する機構、およびガラス材料と成形用型の間に電圧を印加する機構を備え、ガラス材料表面と成形用型表面の間に働く静電引力により加圧成形を行うことを特徴とする、ガラス材料用の成形装置。
19. ガラス材料に負極、成形用型に正極を接続し直流電圧を印加することを特徴とする、請求項１８記載のガラス材料の成形装置。
20. ガラス材料の成形面の裏側全面に接触する、電圧印加用電極を有することを特徴とする、請求項１８または１９記載のガラス材料の成形装置。
21. ガラス材料の成形面の裏側の面に形成した導電体膜を、ガラス材料に電気的接続を行うための電極とすることを特徴とする、請求項１８ないし２０のいずれか１項に記載のガラス材料の成形装置。
22. 上記成形用型は、導電体であることを特徴とする、請求項１８ないし２１のいずれか１項に記載のガラス材料の成形装置。
23. 成形用型は、白金、イリジウム、ロジウム、オスミウムまたはルテニウムのいずれか一つを主成分とする材料、または、少なくとも二つの混合体を主成分とする材料から形成されることを特徴とする請求項２２記載のガラス材料の成形装置。
24. 成形用型の表面に、白金、イリジウム、ロジウム、オスミウムまたはルテニウムのいずれか一つを主成分とする材料、または、少なくとも二つの混合体を主成分とする材料からからなる薄膜を形成することを特徴とする請求項２２記載のガラス材料の成形装置。
25. 上記成形用型の成形パターンの深さは、１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１８ないし２４のいずれか１項に記載のガラス材料の成形装置。
26. ガラス材料と成形用型に印加する電圧の極性を反転する機能を備えていることを特徴とする、請求項１８ないし２５のいずれか１項に記載のガラス材料の成形装置。
27. ガラス材料と成形用型を加圧保持する機構を備えることを特徴とする、請求項１８ないし２６のいずれか１項に記載のガラス材料の成形装置。
28. 上記の加圧保持の際の加圧力は、１００Ｐａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項２７に記載のガラス材料の成形装置。
29. 真空中で成形を行うための真空チャンバを有することを特徴とする、請求項１８ないし２８のいずれか１項に記載のガラス材料の成形装置。
30. 各種ガス雰囲気で成形を行うための雰囲気制御チャンバを有することを特徴とする、請求項１８ないし２８のいずれか１項に記載のガラス材料の成形装置。