JP5397937B2 - 透明材料加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光の照射により透明基板の加工面に微細加工を施すための透明材料加工装置に関する。

従来、石英ガラスなどの透明材料の表面に微細な加工を行う方法として、その加工面に光吸収率の大きな流動性物質（有機色素など）を接触するようにして配置し、流動性物質のレーザー吸収を利用し、レーザー光が当った加工面に有機色素が吸着することで透明材料を加工する微細加工装置がある（例えば、特許文献１、２参照）。

図１１は、上述した従来の微細加工装置の概略構造を示した側面図である。すなわち、図１１に示す微細加工装置１００は、透明材料１０１の加工面１０１ａにレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質１０２を接触させ、正面からレーザー光１０３を照射して透明材料１０１の裏面に微細加工を施す構造であり、流動性物質１０２は裏面１０１ａに対して接触可能な開口部１０４ａを形成する容器状のセル１０４に収容された構造となっている。

特開２００４−３０６１３４号公報

しかしながら、従来の透明材料を加工する微細加工装置では、以下のような問題があった。
すなわち、図１１における微細加工装置１００において、レーザー光１０３の照射によって一度励起された有機色素は光の吸収により劣化した状態となる。そして、セル１０４に収容されている流動性物質１０２は滞留状態であり、透明材料１０１の加工部分に接触する流動性物質１０２においても劣化状態のまま存在しているので、加工面への吸着力が低下し、微細加工の品質が低下するという問題があった。
また、容器状のセル１０４内にあっては、そのセル１０４内に流動性物質１０２を収容した時点で透明材料１０１の加工面１０１ａに接触する流動性物質１０２の有機色素が集中せずに分散された状態となり、加工部分に必要な有機色素の存在確率が低くなって加工品質が低下するといった欠点があり、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、透明材料における有機色素の吸着率を高めることで、加工品質の向上が図れる透明材料加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る透明材料加工装置では、透明基板の加工面に有機色素を含んだ光吸収溶液を接触させ、その加工面にレーザー光を照射することで加工面に微細加工を施す透明材料加工装置であって、透明基板の加工面に液密に配置されるとともに、１ｍｍ以下の高さ寸法の管状の流路である流通部を有する光吸収基板と、流通部内で光吸収溶液を流動させるための流動手段と、を備え、流路又は流路より上流部に非光吸収流体を適宜量供給することで光吸収溶液を分断する供給手段が設けられていることを特徴としている。

本発明では、流動手段によって流通部に光吸収溶液を流動させ、透明基板の加工面の加工部分にレーザー光を照射することで、そのレーザー光が当った焦点（加工部分）において光吸収溶液の有機色素が分解され、透明基板に吸着されて微細加工を行うことができる。そして、透明基板の加工面に接触する光吸収基板の流通部が１ｍｍ以下の高さ寸法であるので、流通部内を流動する光吸収溶液に乱流の発生がなく層流状態となり、光吸収溶液に含まれる有機色素の分散がなくなって、流通部内での有機色素濃度が一様になる。さらに、加工時（照射時）或いは加工後において光吸収溶液を流動させることができるので、一度励起して光吸収力が低下した光吸収溶液中の有機色素が光吸収率の高い新しいものに入れ替わり、常に透明基板の加工部分に新しい有機色素を存在させておくことができ、光吸収溶液の劣化を防ぐことができる。このように、透明基板の加工部分での有機色素の存在確率を高めることができ、その加工部分に接触する光吸収溶液のレーザー光の吸収率が上がるとともに、有機色素の吸着率を向上させることができる。さらにまた、流通部の高さ寸法を１ｍｍ以下とすることで、その流通部容積が小さくなるので、光吸収溶液の使用量を低減することができる。

また、光吸収溶液が流路の軸方向に一定に流れるので、光吸収溶液中の有機色素の濃度がより一層安定し、透明基板の加工部分での有機色素の存在確率をさらに高めることができる。

また、流路内を連続的に流動する光吸収溶液に対して例えばエアなどの非光吸収流体を任意のタイミングで供給することで、流路内において非光吸収流体と光吸収溶液とが分離状態となり、非光吸収流体の供給量によって光吸収溶液の長さ寸法（流動方向の長さ寸法）や分断数を任意に調整することができる。つまり、光吸収溶液の分布により透明基板に微細加工するパターン形状を容易に、且つ繰り返し形成することができる。そして、パターン形成されたフォトマスクが不要となり、一括露光により微細加工を施すことができるため、加工精度が高まって加工品質の向上が図れる利点がある。

また、本発明に係る透明材料加工装置は、流路に供給される非光吸収流体と光吸収溶液とによって、透明基板の加工面に微細加工するパターン形状が形成されることが好ましい。
本発明では、流路内を流動する非光吸収流体と光吸収溶液とによってパターン形状を形成することができるので、上述したようにパターン形成されたフォトマスクが不要となって一括露光により微細加工を施すことができ、これにより加工精度が高まって加工品質の向上を図ることができる。

また、本発明に係る透明材料加工装置は、光吸収基板は、高分子材料から形成されていることが好ましい。
これにより、型枠や流通部に相当する鋳型を用いて光吸収基板を容易に加工することができる。

また、本発明に係る透明材料加工装置は、光吸収基板は、ポリジメチルシロキサンからなることがより好ましい。
これにより、光吸収基板に粘着性をもたせることができ、透明基板に対する密着性能が高まることから、透明基板の加工面と流通部が形成された光吸収基板の一端面とを液密に接合することができ、流路内を流動する光吸収溶液の漏出をなくすことができる。

本発明の透明材料加工装置によれば、流通部の高さ寸法が１ｍｍ以下と小さいことから、その流通部を流動する光吸収溶液は層流状態となって有機色素濃度が一様になるとともに、流動により劣化がなくなるので、透明基板の加工部分での有機色素の存在確率を高めることができ、その加工部分における有機色素の吸着率が上がることから、微細加工品質を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態による透明材料加工装置の概略構成を図である。 透明基板に取り付けられた流路基板を示す側断面図である。 流路基板の構成を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は流路形成面側の平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は図２に示す流路基板の作製方法を示す図である。 第２の実施の形態による流路基板の構成を示す側断面図であって、図２に対応する図である。 図５に示す流路基板における流路形成面側の平面図である。 第２の実施の形態による光吸収溶液の流動状態を示す図である。 第３の実施の形態による流路基板の構成を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は面状流通部側から見た平面図である。 第１変形例による流路基板の構成を示す面状流通部側から見た平面図である。 第２変形例による流路基板の構成を示す面状流通部側から見た平面図である。 従来の透明材料加工装置の一例を示す側面図である。

以下、本発明の第１の実施の形態による透明材料加工装置について、図１乃至図４に基づいて説明する。

図１に示すように、本第１の実施の形態による透明材料加工装置１は、透明基板２の加工面２ａに光吸収溶液Ｎを接触させて、レーザー光Ｌを照射して透明基板２の加工面２ａに微細加工を施すためのものである。
すなわち、透明材料加工装置１は、有機色素を含んだ光吸収材料Ｎを流通させるための管状の流路３１（流通部）を有する流路基板３（光吸収基板）が透明基板２の加工面２ａに対して液密な状態で配置され、集光レンズ４４を備えた照射手段４によって透明基板２の加工面２ａの所定の加工部分に対してレーザー光Ｌが照射される構成となっている。

ここで、透明基板２の材質として、石英ガラス、フッ化カルシウム、サファイア、フッ素樹脂、水晶基板等が挙げられる。
また、有機色素を含む光吸収材料Ｎとしては、レーザー光Ｌの波長に対して高い吸収率を有するものであって、例えば、ローダミン６Ｇ又は炭素微粒子、ナノ粒子等が挙げられる。

図２に示すように、透明基板２の加工面２ａに設けられる流路基板３は、平板形状をなし、透明基板２側の一端面３ａ側で開口するとともにその一端面３ａに沿う溝状の流路３１が形成されており、この流路３１の一端側に連通する注入孔３２と他端側に連通する排出孔３３とが設けられた構造となっている。流路３１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、所定の長さ寸法で直線状に延びており、図２に示す高さ寸法Ｄ（流路基板３の厚さ方向に相当）が１ｍｍ以下（例えば、Ｄ＝０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ）で形成されている。この高さ寸法Ｄは、流路３１内を流動する光吸収溶液Ｎに含まれる有機色素が分散しない程度の寸法である。

なお、流路基板３の材質として、高分子からなる材料が挙げられ、とくにシリコン樹脂であるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を採用することができる。ＰＤＭＳの材料とすることで、流路基板３に粘着性をもたせることができ、透明基板２に対する密着性能を高めることができる。なお、透明基板２に対する流路基板３の接合方法については後述する。

注入孔３２は、流路基板３の他端面３ｂ（透明基板２側とは反対の面）から流路３１の上流側に連通する挿通孔３ｃにシリコンチューブ３４が挿入されて形成されている。また、排出孔３３は、流路基板３の他端面３ｂから流路３１の下流側となるに連通する挿通孔３ｄにシリコンチューブ３４が挿入されて形成されている。なお、注入孔３２および排出孔３３の少なくとも一方にはシリンジポンプ等の流動手段（図示省略）が接続されており、その流動手段（シリンジポンプ等の駆動）により流路３１内を光吸収溶液Ｎが注入孔３２側から排出孔３３側に流れるようになっている。すなわち、流路基板３においては、流路３１を透明基板２の加工部分に合わせて配置することで、流路３１内を流れる光吸収溶液Ｎが透明基板２に接触した状態となっている。

図１に示すように、照射手段４は、レーザー光Ｌを発生させるエキシマレーザー４１と、エキシマレーザー４１から照射されたレーザー光Ｌの強度分布を均一化させるホモジナイザー４２と、ホモジナイザー４２から出射されたレーザー光Ｌを所定形状にパターン形成された開口を通過させるフォトマスク４３と、フォトマスク４３によってパターン化されたレーザー光Ｌを透明基板２の加工面２ａに縮小投影するようにして集光させる集光レンズ４４とがレーザー光Ｌの照射方向にその順で配置されて概略構成されている。

ここで、本実施の形態で使用するレーザー光Ｌの波長として、短波長とされるＡｒＦ（波長１９３μｍ）、ＫｒＦ（波長２４８μｍ）などが用いられている。つまり、長い波長の場合において熱反応してダブリングを起す可能性があるが、本実施の形態では流路基板３の流路３１が透明基板２の加工面２ａ側のみに配置され、しかも流路３１の高さ寸法が１ｍｍ以下と小さく、細い流路３１が形成されており、その加工面２ａの接触する部分に集中的に光吸収溶液Ｎが流れることが可能となるため、短波長のレーザー光で十分な光吸収を行うことができ、これによりダブリングがなく急激な温度変化を防ぐことが可能となる。

次に、上述した流路基板３の作製方法と、透明基板２に対する流路基板３の接合方法について、図４などを用いて説明する。
先ず、図４（ａ）に示すように、図２に示す流路３１と同形状で高さ寸法Ｄが１ｍｍ以下の鋳型１２を仮基板１１上に配置し、流路基板３の外殻を形成するためのシリコン基板からなる型枠１３を鋳型１２を覆うようにして仮基板１１上に配置する。そして、型枠１３に設けられた図示しない注入穴からシリコン樹脂（ここではＰＤＭＳ）を枠内に流し込む。

次いで、図４（ｂ）に示すように、シリコン樹脂が所定の硬さに硬化した時点で型枠１３を脱型するとともに、鋳型１２を取り除くことで、流路３１が形成された状態の流路基板３が作製できる。なお、流路基板３の材質がシリコン樹脂であるので、型枠１３から剥がし易くなり、脱型作業の効率化が図れるとともに、脱型時の破損が防げる利点がある。
そして、この状態の流路基板３に対して、例えば円筒形状のカッターを用いて流路３１の上流側と下流側とのそれぞれに連通する挿通孔３ｃ、３ｄ（図２参照）を形成し、その挿通孔３ｃ、３ｄに密着した状態でシリコンチューブ３４を挿入、固定することで注入孔３２と排出孔３３とを形成し、流路基板３が完成することになる。

続いて、図４（ｃ）に示すように、加工する透明基板２の加工面２ａに対して、流路基板３の流路３１が形成された一端面３ａを接合する。このとき、流路３１の位置は、透明基板２の加工部分に重なる位置となる。具体的には、流路基板３の透明基板２側の一端面３ａをプラズマ処理や光解離などの加工によりを表面改質させ、さらに加圧等を行うことで、透明基板２の加工面２ａに液密な状態で接合することができる（図４（ｄ）参照）。この接合状態において、図４（ｄ）に示すように、透明基板２の加工面２ａ（具体的には加工部分）に流路３１中を流動する光吸収溶液Ｎが接触した状態となる。
このように、流路基板３の材質をＰＤＭＳ（高分子材料）とすることで、型枠１３や流路３１に相当する鋳型１２を用いて容易に加工することができる。さらに、流路基板３に粘着性をもたせることができ、透明基板２に対する密着性能が高まることから、透明基板２の加工面２ａと流路３１が形成された流路基板３の一端面３ａとを液密に接合することができ、流路３１内を流動する光吸収溶液Ｎの漏出をなくすことができる。

次に、このように構成される透明材料加工装置１を用いた加工方法と作用について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、上述した作製方法によって透明基板２に接合させた流路基板３の流路３１に光吸収溶液Ｎを流すとともに、エキシマレーザー４１からレーザー光Ｌを発光させ、そのレーザー光Ｌはホモジナイザー４２を介して所定のパターン形状に形成されているフォトマスク４３を通過し、そのパターン形状をなすレーザー光Ｌを集光レンズ４４によって透明基板２の加工面２ａの加工部分に集光させる。そうすると、レーザー光Ｌが当った焦点（加工部分）において光吸収溶液Ｎの有機色素が分解され、透明基板２に吸着されて微細加工が施される。

本透明材料加工装置１では、透明基板２の加工面２ａに接触する流路基板３の流路３１が１ｍｍ以下の高さ寸法Ｄであるので、流路３１内を流動する光吸収溶液Ｎに乱流の発生がなく層流状態となり、光吸収溶液Ｎに含まれる有機色素の分散がなくなって、流路３１内での有機色素濃度が一様になる。さらに、加工時（照射時）或いは加工後において光吸収溶液Ｎを流動させることができるので、一度励起して光吸収力が低下した光吸収溶液Ｎ中の有機色素が光吸収率の高い新しいものに入れ替わり、常に透明基板２の加工部分に新しい有機色素を存在させておくことができ、光吸収溶液Ｎの劣化を防ぐことができる。とくに、流路３１が管状をなしており、光吸収溶液Ｎが流路３１の軸方向に一定に流れるので、光吸収溶液Ｎ中の有機色素の濃度がより一層安定することになる。
このように、透明基板２の加工部分での有機色素の存在確率を高めることができ、その加工部分に接触する光吸収溶液Ｎのレーザー光Ｌの吸収率が上がるとともに、有機色素の吸着率を向上させることができる。
しかも、流路３１の高さ寸法を１ｍｍ以下とすることで、その流路容積が小さくなるので、光吸収溶液Ｎの使用量を低減することができる利点がある。

上述のように本第１の実施の形態による透明材料加工装置では、流路３１の高さ寸法Ｄが１ｍｍ以下と小さいことから、その流路３１を流動する光吸収溶液Ｎは層流状態となって有機色素濃度が一様になるとともに、流動により劣化がなくなるので、透明基板２の加工部分での有機色素の存在確率を高めることができ、その加工部分における有機色素の吸着率が上がることから、微細加工品質を向上させることができる。

次に、他の実施の形態および変形例について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

図５および図６に示す第２の実施の形態では、流路３１にエアＥ（非光吸収流体）を適宜量供給することで流路内の光吸収溶液Ｎをその流動方向に分断するエア供給路５（供給手段）を流路基板３に設けた構成となっている。
すなわち、エア供給路５は、流路３１の途中の所定位置（エア供給部３１ａ）にエア吐出口５ａが設けられていて、流路３１に連通した状態となっている。エア吐出口５ａの位置は任意に設定することができるが、後述するように透明基板２の加工部分では光吸収溶液Ｎによる加工パターンが形成されている必要があるので、少なくとも加工部分よりも上流側の位置に配置される。
そして、エア供給路５のエア吐出口５ａとは反対側の端部にはシリコンチューブ５１（図６）が挿入され、そのシリコンチューブ５１が流路基板３の外方に設けた図示しないエア供給ポンプに接続されている。エア供給路５から流路３１内に供給されるエアＥは、所定の吐出圧で任意のタイミングで供給が可能となっている。

このように、本第２の実施の形態では、流路３１内を連続的に流動する光吸収溶液Ｎに対してエアＥを任意のタイミングで供給することで、図７に示すように、流路３１内においてエアＥと光吸収溶液Ｎとが分離状態となり、エアＥの供給量によって光吸収溶液Ｎの長さ寸法（流動方向の長さ寸法）や分断数を任意に調整することができる。つまり、光吸収溶液Ｎの分布により透明基板２に微細加工するパターン形状を容易に、且つ繰り返し形成することができる。そして、パターン形成されたフォトマスクが不要となり、一括露光により微細加工を施すことができるため、加工精度が高まって加工品質の向上が図れる利点がある。なお、流路３１内を流動する光吸収溶液Ｎをパターン形成させているので、加工中においては、流路３１の流れを停止するようにする。

次に、図８（ａ）及び（ｂ）に示す第３の実施の形態は、上述した第１及び第２の実施の形態の直線状に延びる流路３１に代えて、平面視で四角形状の第１面状流通部３５（流通部）を採用したものである。本第１面状流通部３５においても、一端側には注入孔３２が設けられ、他端側には排出孔３３が設けられ、高さ寸法も１ｍｍ以下となっている。
本第３の実施の形態では、透明基板２の加工部分の形状に応じた流通部を流路基板３に形成することができる。そして、注入孔３２から注入される光吸収溶液Ｎは透明基板２の加工面に沿ってその面全体に広がって流れるが（図中二点鎖線の矢印）、第１面状流通部３５の高さ寸法が１ｍｍ以下と小さいので、流れる光吸収溶液Ｎ中の有機色素が流路基板３の厚さ方向へ分散されることはなく、有機色素の濃度が一様となることから、第１及び第２の実施の形態と同様に透明基板２の加工部分における有機色素の存在確率を高めることができ、加工品質の向上を図ることができる。

次に、図９に示す第１変形例の第２面状流通部３６は、上述した第３の実施の形態の変形例であって、平面視で楕円形状としたものである。

また、図１０に示す第２変形例の第３面状流通部３７は、平面視で注入孔３２側において注入孔３２から排出孔３３側に向けて漸次幅寸法が広がるとともに、排出孔３３側において注入孔３２から排出孔３３側に向けて漸次幅寸法が小さくなる形状としたものである。

以上、本発明による透明材料加工装置の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では注入孔３２側にシリンジポンプ（流動手段）を設けているが、排出孔３３側に流動手段を設けて、流通部内の光吸収溶液を引き出す形態であってもかまわない。
また、流路３１、面状流通部３５、３６、３７の位置、大きさ（寸法）、平面形状、断面形状、レーザー光Ｌｍの波長などの構成は、光吸収溶液の材質、流量、透明基板の材質、厚さ寸法などの条件に応じて適宜に設定することができる。本発明にあっては、流通路の高さ寸法を１ｍｍ以下の形状を確保できればよいのである。

さらに、本第２の実施の形態では流路３１に連通するエア供給路５を流路基板３に設けているが、このような構造に限定されることはなく、流路３１より上流部にエア供給路５などの非光吸収流体を供給するための供給手段を設けることもできる。例えば、注入孔３２に供給手段を設けることができ、その位置も流路基板３内であることに限らず、流路基板３の外方に配置させたものであってもよい。
さらにまた、第２の実施の形態ではエアＥを流路３１に供給することで流動する光吸収溶液Ｎを分断する構成としているが、これに限定されることはなく、エアＥでない他の流体を使用することもできる。要は、レーザー光に対して光吸収をしない流体であればよいのである。
また、第１の実施の形態では微細加工時において流路３１内を光吸収溶液Ｎを流動させた状態でレーザー光Ｌを透明基板２の加工部分に当てて加工を行っているが、このとき第２の実施の形態と同様に光吸収溶液Ｎの流動を停止させて加工を行うようにしてもかまわない。

１ 透明材料加工装置
２ 透明基板
２ｂ 裏面
３ 流路基板（光吸収基板）
４ 照射手段
５ エア供給路（供給手段）
３１ 流路（流通部）
３２ 注入孔
３３ 排出孔
３５ 第１面状流通部（流通部、面状流通部）
３６ 第２面状流通部（流通部、面状流通部）
３７ 第３面状流通部（流通部、面状流通部）
４１ エキシマレーザー
４２ ホモジナイザー
４３ フォトマスク
４４ 集光レンズ
Ｌ レーザー光
Ｎ 光吸収溶液
Ｄ 厚さ寸法
Ｅ エア（非光吸収流体）

Claims (4)

1. 透明基板の加工面に有機色素を含んだ光吸収溶液を接触させ、その加工面にレーザー光を照射することで前記加工面に微細加工を施す透明材料加工装置であって、
   前記透明基板の加工面に液密に配置されるとともに、１ｍｍ以下の高さ寸法の管状の流路である流通部を有する光吸収基板と、
   前記流通部内で前記光吸収溶液を流動させるための流動手段と、
   を備え、
   前記流路又は該流路より上流部に非光吸収流体を適宜量供給することで前記光吸収溶液を分断する供給手段が設けられていることを特徴とする透明材料加工装置。
2. 前記流路に供給される前記非光吸収流体と前記光吸収溶液とによって、前記透明基板の加工面に微細加工するパターン形状が形成されることを特徴とする請求項１に記載の透明材料加工装置。
3. 前記光吸収基板は、高分子材料から形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の透明材料加工装置。
4. 前記光吸収基板は、ポリジメチルシロキサンからなることを特徴とする請求項３に記載の透明材料加工装置。

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