JP5905899B2 - ガラスに孔の高密度アレイを形成する方法 - Google Patents

ガラスに孔の高密度アレイを形成する方法 Download PDF

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Description

関連出願の説明
本出願は２０１０年１１月３０日に出願された米国特許出願第６１/４１８１５２号の優先権を主張する。
本開示はガラスに孔の高密度アレイ、特にスルーホールの高密度アレイを作製する方法に関し、特に高アスペクト比の孔の高密度アレイを作製する方法にも関する。
ガラスにそのような高密度の孔アレイを作製するための既に実証されたプロセスが特許文献１に開示されている。開示される方法は、フェムト秒レーザによるガラスの露光及びこれに続く酸エッチングを含む。この方法は、レーザ損傷を受けたガラスが残りのガラスよりかなり高速でエッチングされるという、選択性エッチングに依存している。技術的には確かであるが、この手法は、高価で、頻繁な保守を必要とする、フェムト秒レーザ技術を利用し、レーザ露光プロセスは比較的時間がかかる。
特許文献２によれば、表面の欠陥及びチップを除去するため、レーザアブレーション及びこれに続く酸エッチングによって、直径が１２０〜１３０μｍの先細り（円錐形）孔を作製することができる。開示されるプロセスには、レーザ照射前にイオン交換工程が必要である。レーザのスポット径及びフルーエンス以外の照射条件は開示されていない。
特許文献３は、様々な組成のガラスにおける、レーザ照射及び酸エッチングによる孔形成を説明している。波長が３５５ｎｍ及び２６６ｎｍのレーザが用いられている。推奨されるビーム開口数はＮＡ＜０.０７であり、焦点はガラス内または背面の先にあるとして開示されている。孔のプロファイル及び配置精度は特には検討されていない。
必要とされていることは、深さを貫通する比較的小さな孔を比較的密な最小ピッチで、また良好な位置決め精度及び適正な小さい直径変動で、形成するための比較的コストが低く信頼性が高いプロセスである。
米国特許第６７５４４２９号明細書 米国特許出願公開第２００３/０１５０８３９号明細書 米国特許出願公開第２００９/００１３７２４号明細書
必要とされていることは、深さを貫通する比較的小さな孔を比較的密な最小ピッチで、また良好な位置決め精度及び適正な小さい直径変動で、形成するための比較的コストが低く信頼性が高いプロセスである。
本開示の一態様にしたがえば、ガラスに高密度孔アレイを作製する方法は、前面を有するガラス品を提供する工程、次いでガラス品の前面を、ガラス品の前面の±１００μｍ以内、最も望ましくは前表面の±５０μｍ以内の焦点に集束されたＵＶレーザビームで照射する工程を含む。レーザを集束するレンズは、ガラス品１００の前面１０２からガラス品１００に延び込む開孔を形成し、孔が５〜１５μｍの範囲の直径及び少なくとも２０：１のアスペクト比を有するように、０.３ｍｍと０.６３ｍｍの間のガラス厚に対し、望ましくは０.１〜０.４の範囲、さらに望ましくは０.１〜０.１５の範囲、さらに一層望ましくは０.１２〜０.１３の範囲の、開口数を有する。厚さが０.１〜０.３ｍｍの範囲の、より薄いガラスに対しては、開口数は望ましくは０.２５〜０.４、さらに望ましくは０.２５〜０.３であり、ビームはガラスの前面の±３０μｍ内に集束されることが好ましい。レーザは約１５ｋＨｚ以下の繰返し数で、また一般にガラス品のちょうど裏面まで延びる開孔を形成するに十分な照射持続時間で、動作させることが望ましい。このようにして作製されたアレイ孔はエッチングによって拡大される。望ましければ、前面はエッチングに先立って研磨することができる。
本開示の方法の様々な態様は以下の本文において、直下に簡潔に説明される、図面を参照して説明される。
図１は本開示の現在好ましい方法の基本工程を表している流れ図である。 図２は本明細書に開示される方法に有用なレーザ照射装置の簡略な斜視図である。 図３は本明細書に開示される方法に有用なエッチング装置の簡略な断面図である。 図４は本開示の方法にしたがってガラス品に作製された孔の撮影像である。 図５は本開示の方法にしたがって作製された孔の部分断面を示すように破断されたガラス品の撮影像である。 図６は本開示の方法にしたがってガラス品に作製された、エッチング工程後の、撮影像である。 図７は、ガラス品の前面から見た、本開示の方法にしたがってガラス品に作製された孔の平面図である。 図８は、ガラス品の裏面から見た、本開示の方法にしたがってガラス品に作製された孔の平面図である。 図９は対照方法にしたがってガラス品に作製された孔の撮影像である。 図１０は対照方法にしたがってガラス品に作製された孔の撮影像である。 図１１は対照方法にしたがってガラス品に作製された、エッチング工程後の、孔の撮影像である。 図１２は、別々のタイプの孔１２０を示している、ガラス板１００の簡略な断面図である。 図１３は、孔１２０の別々のタイプの孔形状を示している、ガラス板１００の簡略な平面図である。
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
本開示の一態様にしたがえば、厚さが０.８ｍｍ以下であることが望ましく、厚さが０.１〜０.６３ｍｍの範囲にあることが好ましい、薄いガラス品に、直径が２００μｍ以下の孔が３００μｍをこえない最小ピッチで、直径変動が１０μｍ以下、望ましくは５μｍ以下に制限され、配置（孔中心）位置変動が８μｍ以下、望ましくは４μｍ以下に制限されて、形成される。孔の最も細い直径すなわち「ウエスト」径は表面における開口の直径の６５％より小さくはなく、望ましくは８０％より小さくはない。
上記の結果及びその他の有益な結果は、図１〜３を全般に参照して説明される、本開示の方法によって得ることができる。ガラスに孔の高密度アレイを作製する方法の一実施形態にしたがえば、方法は、前面１０２を有するガラス品１００を提供する工程、次いで図１に表される照射工程２０においてガラス品１００の前面をＵＶレーザビーム２４で照射する工程を含む。ビーム２４は、ガラス品１００の前面１０２の±１００μｍ以内、最も望ましくは前面１０２の±５０μｍ以内の焦点に、レンズによって集束されることが最も望ましい。レンズ２６は、ガラス品１００の前面１０２からガラス品１００に延び込む開孔を形成し、孔が５〜１５μｍの範囲の直径及び少なくとも２０：１のアスペクト比を有するように、０.３ｍｍと０.６３ｍｍの間のガラス厚に対し、望ましくは０.１〜０.４の範囲、さらに望ましくは０.１〜０.１５の範囲、さらに一層望ましくは０.１２〜０.１３の範囲の、開口数を有する。厚さが０.１〜０.３ｍｍの範囲の、より薄いガラスに対しては、開口数は望ましくは０.２５〜０。４、さらに望ましくは０.２５〜０.３であり、ビームはガラスの前面の±３０μｍ内に集束されることが好ましい。レーザは約１５ｋＨｚ以下の繰返し数で、また一般にガラス品のちょうど裏面まで延びる開孔を形成するに十分な照射持続時間で、動作させることが望ましい。
図１の照射工程２０は、上述したように、２００〜４００ｎｍの範囲、さらに望ましくは、３００〜４００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビーム２４，最も好ましくは３５５ｎｍまたはその２０ｎｍ，好ましくは５ｎｍの範囲内の波長で動作させた、Ｎｄ：ＫＧＷ（ネオジムドープカリウム−ガドリニウムタングステン）レーザ２２またはその他のＮｄドープレーザを用いる、ＵＶレーザビーム２４を用いて実施される。レーザ２２は５〜５０ｋＨｚの範囲の繰返し数で動作させることが好ましく、繰返し数は１０〜２０ｋＨｚの範囲であることがさらに好ましく、１２〜１８ｋＨｚの範囲であることが最も好ましい。
０.６３ｍｍ厚のＥａｇｌｒＸＧ（登録商標）ガラスにスルーホールを作製するためには、図１の照射工程２０は、ガラス品１００の前面１０２を、ＵＶレーザビーム２４を用い、孔当たり８〜１５０ミリ秒の範囲の持続時間で照射することが望ましく、持続時間は孔当たり６０〜１２０ミリ秒の範囲にあることがさらに望ましく、孔当たり８０〜１００ミリ秒の範囲にあることが最も望ましい。０.１ｍｍ厚のガラスに対しては約１０ミリ秒が望ましく、０.１５ｍｍ厚のガラスに対しては２５ミリ秒が望ましく、０.３ｍｍ厚のガラスに対しては３０ミリ秒が望ましい。ガラスが厚くなるほど、一層長い露光（一層多くのパルス数）が必要になる。別の実施形態として、持続時間は、その持続時間が得られる孔をガラス品１００の背面１０４までちょうど延びさせるであろうように、実験または計算によるか、またはこれらの組合せによって、選ばれ得ることが望ましい。これにより、ＵＶレーザ照射の下で異なる挙動を有する様々なガラスへの本方法の適用が可能になるであろう。
照射後、得られた高アスペクト比開孔は、図１の工程４０のエッチング工程において、ＨＦ＋ＨＮＯ３溶液内でエッチングされ得ることが望ましい。ＨＦ＋ＨＮＯ３は、何か他のエッチング剤溶液に比較して、２００μｍもの小さい最小ピッチで隔てられた数１０００の孔をもつ基板にわたり均等なエッチングを可能にすることが本研究で示された。望ましい濃度は２０％ＨＦ＋１０％ＨＮＯ３溶液である。
必要に応じる工程として、照射工程２０の後でエッチング工程４０の前に、ガラス品１００の前面１０２に研磨工程６０を施すことができる。
図２及び３はそれぞれ、本開示の方法に有用な、レーザ露光装置及びエッチングステーションの略図である。
ガラス品１００は、精度及び再現性が１μｍ以下の、図２に示されるような電動ＸＹＺステージ上に載せることができる。レーザビーム２４がレンズ２６によりガラス品１００の前面１０２上に集束される。レンズの開口数は理想的にはほぼＮＡ＝０.１より大きくすべきである。発明者等のビーム２４は開口数がＮＡ＝０.１２５のレンズを用いて境界が明確に定められた損傷領域を形成した。
現在好ましいレーザ条件は、
繰返し数：１５ｋＨｚ，
平均パワー：１.５Ｗ，及び
持続時間：９０ｍｍ秒，
である。さらに高い繰返し数では、繰返し数が１００ｋＨｚの対照プロセスの画像である図９に示されるように、損傷領域は明確に定められた境界をもたない。そのような損傷領域では、準円筒形よりもむしろ円錐形の孔プロファイルが生じる。約１.５Ｗより低いパワーでは十分な損傷が生じず、１.５Ｗをこえるパワーはかなりの前面損傷を生じさせることができ、そのような前面損傷は漏斗形の孔プロファイルも生じさせる。９０ミリ秒トレイン／バーストの１５ｋＨｚパルスが露光に選ばれ、バースト持続時間は０.６３ｍｍ厚ＥａｇｌｅＸＧガラスにおけるガラスの一方の側から他方の側に延びる損傷領域に対して最適化される。バースト持続時間が長くなるほど強い背面損傷が生じ、バースト持続時間が短くなるほど損傷領域長が短くなる。
そのようなレーザ条件では、図４の画像に示されるように、直径が７〜１０μｍの開放または中空のマイクロチャネルしか得られない。図９に示される対照プロセスで得られるようなマイクロクラックを有するレーザ損傷領域と比較すると、図４のマイクロチャネルではエッチングされた孔プロファイルにわたってより優れた制御が得られている。
ビーム２４の焦点の位置は損傷領域形成に重要な役割を果たす。図４に示されるような損傷領域は、ビームがガラス前面から±１００μｍ内に集束されたときに達成され得る。さらに高い一貫性のためには、この範囲は±５０μｍまで減じられるべきである。ビームが背面の近くに、または背面より先に、集束されると、損傷領域は、図１０に示されるように異なって見え、図１１の撮影像に示されるように、ウエストを生じさせずに孔をエッチングすることはほとんど不可能になる。
好ましいエッチング条件（２０体積％ＨＦ＋１０体積％ＨＮＯ３水溶液、１０〜１２分、ほぼ３５℃での超音波浴内エッチング）の下で、得られる孔１２０は、図６の撮影像に見られるように準円筒形であり、上述した要件を基本的に満たす。例えばＣａｐｓｔｏｎｅ ＦＳ−１０のような、界面活性剤を酸に加えると、ガラスからのエッチング生成物を流し去るに役立ち得る。図７及び８に示される上面図及び底面図は、また図６の撮影像の側面図も、必要に応じる前面研磨工程６０が用いられたときに得られる孔の画像である。これらの画像に示される試料において、前面は、エッチング工程に先立って前面損傷を除去するためにほぼ８０μｍ研磨されている。そのような研磨がなければ、孔の前面開孔はさらに不規則な形状を有し得る。
図３はエッチング工程４０に有用な酸エッチング装置４２の略図である。図３において、装置４２は、水のような、音響エネルギー伝達液体４６をその中に入れている外槽４４を備える。酸槽４８が液体４６によって支持され、酸または混酸５０がその中に入れられる。照射され、アニールされたガラス板１００が酸または混酸５０内に浸漬される。エッチングプロセス中、外槽４４に音響エネルギーがエネルギー変換器５２によって印加され、介在する槽及び液体を通して、ガラス板１００に伝達される。
エッチングにより、エッチ孔１００の直径及びその形状が決定される。例えば、エッチングが低酸濃度（１体積％ＨＦ＋１体積％ＨＣｌ水溶液）を用いて１時間なされた場合、孔１２０はかなり小さくなる。底面直径は１９μｍであり、上面直径は６５μｍである。そのような条件の下でガラス厚は１０μｍ減じて０.６３μｍから０.６２μｍになる。より高い酸濃度を用いると、図６〜８に示される、直径が約１００μｍの孔が形成される。得られる孔の寸法に影響を与えるエッチングパラメータには、酸濃度、エッチング剤処方（すなわち酸の選択）、エッチング時間及び溶液の温度がある。酸または混酸には、ＨＦのみ（１〜３０体積％）、またはＨＦ（１〜３０体積％）と、ＨＣｌ（１〜５０体積％）、Ｈ２ＳＯ４（１〜２０体積％）、ＨＮＯ３（１〜４０体積％）及びＨ３ＰＯ４（１〜４０体積％）との組合せを含めることができる。酸の温度は２５〜６０℃の範囲にあることが好ましい。超音波印加またはその他のタイプの（例えばスプレイエッチングのような）撹拌が、微細孔内の溶液対流のため及びウエスト領域におけるエッチング高速化のために、望ましい。
提案される手法により、斜行孔の形成も可能になる。レーザビームがガラス試料上に角度をなして向けられれば、損傷領域及びエッチ孔の方位も表面に角度をなして定められるであろう。レーザ装置の構成は、図１２のガラス板１００の簡略な断面図に示される孔１２０のような、ガラス表面に垂直な孔と斜行する孔のいずれも有する、アレイの作成を可能にするであろうような態様に設計することができる。
望ましければ、図１３のガラス板１００上の孔１２０に９簡略に示されるような様々な形状に孔形状を変えるための手段として、ビーム整形を用いることもできる。楕円形ビームで照射することによって楕円形の孔が形成されており、アパーチャ及び結像、ビームの重畳及び／またはその他の手法及び手法の組合せによるビーム整形によってその他の形状が可能である。
望ましければ、上述したスルーホールに加えて、露光時間の短縮により、図１２にも示されるような、同じ基板上のいずれのタイプの孔も含む、盲孔の作製が可能になる。盲孔は、例えばレーザバースト持続時間を９０ミリ秒からほぼ１０〜２０ミリ秒に短縮すると生じるであろう。生じる損傷領域は、上述した７〜１０μｍのマイクロチャネルに関する損傷領域と同様であり、ガラスの前面に始まってガラス内部の、短縮された持続時間と全持続時間の間の比の関数である、いくらかの長さまで延びる。そのような損傷跡のエッチングにより盲孔が形成されるであろう。同じ孔アレイ内に異なる深さのスルーホールと盲孔の組合せを形成することができる。
ガラス表面に耐酸性フィルム／コーティングを施すことにより、孔形状をさらに一層改善することができる。このコーティングはいくつかの機能、（ａ）レーザアブレーション屑からの表面保護、（ｂ）露光領域周囲のガラス表面への機械的損傷の軽減、（ｃ）エッチング中のガラス薄化の防止、したがって孔アスペクト比の向上、を果たすことができる。そのようなフィルム／コーティングは除去可能とすることができ、あるいは以降の処理の妨げにならなければガラス上に残しておくことができる。
「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定するため、あるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえも意味するためには用いられていないことに注意されたい。むしろ、これらの語句は、本開示のある実施形態の特定の態様を識別すること、あるいは、本開示の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない、代わりのまたは追加の特徴を強調することが目的とされているに過ぎない。
本開示の主題を詳細に、またその特定の実施形態を参照することで、説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく様々な改変及び変形が可能であることが明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様は好ましいかまたは特に有利であるとして本明細書に識別されるが、本開示がそのような態様に限定される必要はないと考えられる。
添付される特許請求項の１つ以上において語句「〜を特徴とする(wherein)」が転換句として用いられていることに注意されたい。本発明を定める目的のため、この語句は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる制約の無い転換句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる制約の無い前置句「〜を含む」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
２０ 照射工程
２２ レーザ
２４ レーザビーム
２６ レンズ
４０ エッチング工程
４２ 酸エッチング装置
４４ エッチング装置外槽
４６ 音響エネルギー伝達液体
４８ 酸槽
５０ 酸または混酸
５２ エネルギー変換器
６０ 研磨工程
１００ ガラス品
１０２ ガラス品前面
１０４ ガラス品背面
１２０ 孔

Claims (10)

  1. ガラスに孔の高密度アレイを作製する方法において、前記方法が、
    前面を有するガラス品を提供する工程、及び
    前記ガラス品の前記前面をＵＶレーザビームで照射する工程、
    を含み、
    前記ビームがレンズによって前記ガラス品の前記前面の±１００μｍ内に集束され、
    前記ガラス品の前記前面から前記ガラス品に延び込む開孔を形成するため、前記レンズが０.１〜０．４の範囲の開口数を有し、
    前記孔が５〜１５μｍの範囲の直径及び少なくとも２０：１のアスペクト比を有する、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記照射する工程が近ＵＶレーザビームを使用する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記照射する工程に用いられる前記近ＵＶレーザが３３５μｍの波長で動作させたＮｄ：ＫＧＷ（ネオジムドープカリウム−ガドリニウムタングステン）レーザであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 前記照射する工程に用いられる前記レンズの前記開口数が０.１〜０.１５の範囲内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
  5. 前記レンズの前記開口数が０.１２〜０.１３の範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記照射する工程の間、前記レーザを１０〜２０ｋＨｚの範囲の繰返し数で動作させることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 前記照射する工程が前記ガラス品の前記表面をＵＶレーザビームにより、孔当たり６０〜１２０ミリ秒の範囲の持続時間をかけて、照射する工程を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
  8. 前記照射する工程が前記ガラス品の前記表面をＵＶレーザビームにより、形成される孔を前記ガラス品のちょうど背面まで延びさせるであろう持続時間であるように実験または計算によって決定された持続時間をかけて、照射する工程を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
  9. 前記方法が前記ガラス品をＨＦ＋ＨＮＯ３溶液内でエッチングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
  10. 前記照射する工程の後で前記エッチングする工程の前に前記ガラス品の前記前面を研磨する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
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