JPWO2007061018A1 - ガラス基材の加工方法およびガラス部品 - Google Patents

Abstract

ガラス基材１に、パルスレーザ光Ｌをガラス基材１の内部に集光するように照射することにより、パルスレーザ光Ｌが集光された部分の周囲に、パルスレーザ光Ｌを照射されない領域よりも高密度の領域を形成する工程と、前記高密度領域の少なくとも一部が残留するように、ガラス基材１に対してエッチング液を用いて化学的エッチングを行うことにより、ガラス基材１の表面１ａに凸部２を形成する工程とを備えるガラス基材の加工方法を提供する。

Description

本発明は、ガラス基材の表面、またはガラス基材上に積層された薄層の表面に凸部を形成するガラス基材の加工方法、およびガラス部品に関する。
本願は、２００５年１１月２２日に出願された特願２００５―３３６７５７号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、レーザ光を用いてガラス基材の表面を加工する方法として、レーザ光をガラス基材に所望の形状の領域を照らすように照射することによってガラス基材にエッチングレートの高い領域を形成し、ガラス基材にエッチングを行ってその領域を除去し、それによってガラス基材の表面に凹部を形成する方法が知られている。
具体的には、透明な被加工材料に、エネルギ密度５〜５０Ｊ／ｃｍ^２のパルスレーザ光を被加工材料の表面を含めて照射し、その被加工材料に対して、比較的濃度の高い５．４重量％のフッ酸溶液を使用してエッチングを行い、レーザ光を照射された部分を除去することによって孔を形成する（例えば、特開２００２−２１０７３０号公報を参照）。同公報には、被加工材料がシリカ硝子である場合には、加工に必要な構造変化を生じさせるためのエネルギ密度の閾値が、５Ｊ／ｃｍ^２であることが記載されている。
また、石英基板にパルスレーザ光を照射することによって石英基板の内部にエッチングレートの高い変質領域を形成し、その変質領域に対して１０％のフッ酸溶液にグリセリンを１４％添加した温度３０℃のエッチャントを使用してエッチングを行い、それによって凹部を形成することが知られている（例えば、特開２００４−３５９４７５号公報を参照）。同公報には、フッ酸溶液にグリセリンを添加しない場合は、凹部の形成に必要なフッ酸濃度、およびエッチングの温度がさらに高くなることが示唆されている。

しかしながら、上記従来方法では以下の課題が残されている。即ち、上記の特開２００２−２１０７３０号公報、および特開２００４−３５９４７５号公報では、レーザ光が照射された領域を除去することによって凸部を形成する場合、凸部を形成しようとする部分以外の領域全体にレーザ光照射をする必要があるので、生産性が低くコスト高になることが考えられる。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガラス基材の表面やガラス基材上に積層された薄層の表面に、比較的微細で複雑な形状の凸部を効率よく高精度に形成することができ、さらに多品種少量品のガラス部品を簡便に作製することができるガラス基材の加工方法、およびその加工方法によって作製されるガラス部品を提供することである。

本発明のガラス基材の加工方法の第一の形態は、以下のような特徴を有する。即ち、本発明のガラス基材の加工方法は、ガラス基材の表面に凸部を形成するガラス基材の加工方法であって：前記ガラス基材に、レーザ光を前記ガラス基材の内部に集光するように照射することにより、前記レーザ光が集光された部分の周囲に、前記レーザ光を照射されない領域よりも密度の高い高密度領域を形成する工程と；前記高密度領域の少なくとも一部が残留するように、前記ガラス基材に対してエッチング液を用いて化学的エッチングを行うことにより、前記ガラス基材の表面に前記凸部を形成する工程と；を備える。

本発明のガラス基材の加工方法の第一の形態は、以下のように理解されてもよい。即ち、ガラス基材に、所定のエネルギ強度を有するレーザ光を前記ガラス基材の内部に集光するように照射することにより、前記レーザ光が集光された部分の周囲に、前記レーザ光を照射されない領域よりも所定のエッチング液に対するエッチングレートが低い領域を形成する。続いて、前記領域の少なくとも一部が残留するように、前記ガラス基材に対して前記エッチング液を用いて化学的エッチングを行うことにより、前記ガラス基材の表面に前記凸部を形成する。

本発明のガラス基材の加工方法の第二の形態は、以下のような特徴を有する。即ち、本発明のガラス基材の加工方法は、ガラス基材上に一層以上積層された無機材料からなる薄層の表面に凸部を形成するガラス基材の加工方法であって：前記薄層に、レーザ光を前記薄層の内部に集光するように照射することにより、前記レーザ光が集光された部分の周囲に、前記レーザ光を照射されない領域よりも密度の高い高密度領域を形成する工程と；前記高密度領域の少なくとも一部が残留するように、前記薄層に対してエッチング液を用いて化学的エッチングを行うことにより、前記薄層の表面に前記凸部を形成する工程と；を備える。

本発明における凸部形成のメカニズムは、以下のような理由によると考えられる。以下、説明を簡単にするために、ガラス基材にレーザ光を照射した場合について述べる。

ガラス基材に、所定のエネルギ強度を有するレーザ光を、前記ガラス基材の内部に集光するように照射すると、レーザ光が集光された部分はレーザ光によって加熱され、膨張する。これにより、レーザ光が集光された部分の周囲に、熱膨張による圧力が加わる。しかしながら、熱膨張により加圧される部分のさらに外側の領域、すなわちレーザ光を照射されない通常の領域にはレーザ光による加熱の影響が及ばないことから、その通常領域が、熱膨張により加圧される部分を拘束する。その結果、レーザ光が集光された部分には、レーザ光を照射されない通常領域よりも密度の低い領域が形成され、その周囲には、レーザ光を照射されない通常領域よりも密度の高い領域が形成される。

この高密度領域のエッチングレートは、レーザ光を照射されない通常領域のエッチングレートよりも低くなる。このようなガラス基材に対しエッチング液を使用して化学的エッチングを行うと、エッチングレートの低い高密度領域の少なくとも一部が残留し、これによってガラス基材の表面に凸部が形成される。

このような現象は、E.N.Glezer and E.Mazurにより、Appl. Phys. Lett. 71(7), 18 August 1997にも報告されている。
さらに、ガラス基材上に一層以上積層された無機材料からなる薄層にレーザ光を照射した場合は、上述と同様の作用により、薄層の表面に凸部が形成される。

本発明のガラス基材の加工方法の第二の形態は、前記薄層の表面に前記凸部を形成した後、前記薄層および前記ガラス基材に対してエッチングを行い、前記凸部を前記ガラス基材に反映させることにより、前記ガラス基材の表面に新たな凸部を形成する工程を備えていてもよい。

本発明におけるレーザ光のエネルギ強度について説明する。レーザ光のエネルギ強度が小さすぎると、レーザ光を照射されたガラス基材の内部で十分な熱膨張が起こらない。そのため、本発明の加工方法を実施することができない。一方、レーザ光のエネルギ強度が大きすぎると、レーザ光を照射されたガラス基材の内部でガラス骨格の切断が進みすぎてしまう。その結果、ガラス基材の内部にクラックが生じるという不具合が発生する。また、レーザ光の適正なエネルギ強度は、レーザ光を照射されるガラス基材の組成によっても変化する。したがって、あるガラス組成に対する所定のエネルギ強度は、予備実験などで予め明らかにしておくとよい。
また、前記ガラス基材に対する前記エッチングのエッチングレートは、前記薄層に対する前記エッチングのエッチングレートよりも高くてもよい。

本発明において、レーザ光をガラス基材に照射することにより、ガラス基材の内部に低密度領域を形成するとともに、その周囲に高密度領域を形成するのに適したガラス組成は、ＳｉＯ_２および１モル％以上のＡｌ_２Ｏ_３を含み、かつＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）が４０モル％以上６７モル％以下であることが好ましく、４７モル％以上５７モル％以下であることがより好ましい。

本発明のレーザ光は、パルスレーザ光であってもよい。さらに本発明において、前記パルスレーザ光の焦点位置における、前記パルスレーザ光１パルスの単位面積当たりのエネルギ強度は、１５０Ｊ／ｃｍ^２よりも小さくてもよい。また、上記において、前記パルスレーザ光１パルスの単位面積当たりのエネルギ強度は、５Ｊ／ｃｍ^２よりも大きくてもよい。

さらに、前記ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_２含有率）が４０モル％以上６７モル％以下であって、かつ以下に示す範囲のガラス組成であれば、本発明のガラス基材に好ましく適用することができる。
ＳｉＯ_２：５５〜７２モル％、
Ａｌ_２Ｏ_３：１〜１５モル％、
（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）：２〜１６モル％、
Ｌｉ_２Ｏ：５〜２０モル％、
Ｎａ_２Ｏ：１２モル％以下
このようなガラス組成であれば、Ａｌ_２Ｏ_３が、フッ酸を含む酸性のエッチング液に溶出しやすいので、エッチングが促進される。

さらに、本発明におけるエッチング液について説明する。本発明のエッチング液のフッ酸の濃度は、シリカ系ガラス用の通常のエッチング液としてのフッ酸の濃度よりも低いことが好ましい。具体的には、濃度２重量％以下のフッ酸溶液であってもよい。

本発明のガラス基材の加工方法によれば、ガラス基材に、レーザ光を利用してエッチングレートの低い領域を形成するので、ガラス基材の表面やガラス基材上に積層された薄層の表面に、比較的微細で複雑な形状の凸部を、効率よく高精度に形成することができる。さらに、多品種少量品のガラス部品を簡便に作製することができる。

本発明のガラス基材の加工方法の第１実施形態を示す図であって、ガラス基材の表面に凸部を形成する際の各工程を示す模式図である。 本発明のガラス基材の加工方法の第２実施形態を示す図であって、ガラス基材の表面に、薄層を介して凸部を形成する際の各工程を示す模式図である。 本発明のガラス基材の加工方法の第３実施形態を示す図であって、パルスレーザ光でガラス基材を直線的に走査する工程を示す模式図である。 本発明のガラス基材の加工方法の第３実施形態を示す図であって、ガラス基材の表面に筋状の凸部が形成されたガラス部品を示す模式図である。 確認実験によって測定されたガラス基材の表面プロファイルを示す測定結果である。 確認実験によって測定されたガラス基材の表面プロファイルを示す測定結果である。

符号の説明

Ｌ…パルスレーザ光（レーザ光）、１，１０…ガラス基材、１ａ，１０ａ…ガラス基材の表面、２，１２，２２，３２…凸部、３，１３，３３…高密度領域、４…集光レンズ、５，２０，３０…ガラス部品、１１…薄層、１１ａ…薄層の表面

（確認実験）
本発明における凸部形成のメカニズムを確認するために、以下のような実験を行った。まず、加工対象として、下記の表１に示す組成Ａのガラス基材を用いた。このガラス基材に、下記の照射条件を満たすレーザ光を、ガラス基材の表面から深さ１５μｍ付近を中心として照射した。レーザ光の照射前、および照射後に、三次元形状測定機（三鷹光器社製ＮＨ−３）を使ってガラス基材の表面プロファイルを測定して両者を比較したところ、どちらも平坦であり、レーザ光照射による変化は認められなかった。
レーザ光の照射条件：
波長：８００ｎｍ、
パルス幅：１５０ｆｓ、
周波数：１０００Ｈｚ、
エネルギ強度：２１７Ｊ／ｃｍ^２

次に、レーザ光を照射したガラス基材に対し、液温４０℃、濃度０．１重量％のフッ酸溶液を使用して１０μｍ程度のエッチングを行ったところ、レーザ光が集光された部分の周囲の領域が残留し、ガラス基材の表面に高さ８５ｎｍの凸部が形成されていることが確認された。その凸部が形成されたガラス基材の表面プロファイルを図５に示す。
このガラス基材に対し、さらにエッチングを行ったところ、表面に形成された凸部は認められなくなり、逆に深さ約２μｍの凹部が形成されていることが確認された。その凹部が形成されたガラス基材の表面プロファイルを図６に示す。
なお、図５、図６において、縦軸は、ガラス基材のエッチングされた表面からの高さ方向の距離を表し、横軸はガラス基材の表面における水平方向の位置を表す。いずれの図においても、縦軸の値が＋（プラス）の場合はガラス基材の表面に凸部が形成されていることを表し、−（マイナス）の場合はガラス基材の表面に凹部が形成されていることを表す。

上記の結果から、本発明における凸部形成のメカニズムが確からしいことが分かる。即ち、レーザ光が集光された部分の周囲の領域は、レーザ光が照射されなかった通常領域よりも密度が高くなり、その結果、エッチングされ難くなる。一方、レーザ光が集光された部分は、レーザ光が照射されなかった通常領域よりも密度が低くなり、その結果、エッチングされ易くなる。

（第１実施形態）
以下、本発明のガラス基材の加工方法の第１実施形態について、図１を参照して説明する。
本実施形態のガラス基材の加工方法は、板状のガラス基材１の表面１ａに凸部２を形成する方法であって、レーザ光照射工程と、凸部形成工程とを備えている。
本実施形態のレーザ光照射工程は、ガラス基材１に、パルスレーザ光（レーザ光）Ｌを、ガラス基材１の内部に集光するように照射する。これにより、パルスレーザ光Ｌが集光された部分の周囲に、パルスレーザ光Ｌを照射されない通常領域よりも密度の高い高密度領域３が形成される。
本実施形態の凸部形成工程は、レーザ光照射工程の後に行われ、高密度領域３の少なくとも一部が残留するように、酸性のフッ酸（ＨＦ）溶液（エッチング液）を使用してガラス基材１に化学的エッチングを行う。これにより、ガラス基材１の表面１ａに凸部２が形成される。
なお、高密度領域３は、一様に高密度なのではない。高密度領域３の内部、即ちパルスレーザ光Ｌが集光された部分の密度は、パルスレーザ光Ｌを照射されない通常領域よりも低く、高密度領域３の外殻部、即ちパルスレーザ光Ｌが集光された部分の周囲の領域の密度は、パルスレーザ光Ｌを照射されない通常領域よりも高い。ただし、本実施形態においては、外殻部と内部とを合わせた領域を高密度領域と呼ぶ。

上記の各工程について、より詳細に説明する。
本実施形態において、加工対象としてのガラス基材１には、酸性溶液による化学的エッチングを行うことによってその表面１ａに凸部２を効果的に形成するのに有利な物質であるＳｉＯ_２および１モル％以上のＡｌ_２Ｏ_３を含み、かつＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）が４０モル％以上６７モル％以下であるガラス母材（アルミノケイ酸塩ガラス）が用いられる。
このガラス母材は、多成分系ガラスであって、ＳｉＯ_２を主成分とし、かつ１モル％以上のＡｌ_２Ｏ_３が含有されている。このようなガラス母材においては、Ａｌ_２Ｏ_３が酸性溶液に溶出し易いので、エッチングが促進される。また、このようなガラス母材においては、前記ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）が小さくなるに伴って、即ち、耐酸性の弱いＡｌ_２Ｏ_３が相対的に多くなるのに伴ってＡｌ_２Ｏ_３の溶出が促進されるので、エッチングレートが飛躍的に大きくなる。

本実施形態において使用するパルスレーザ光Ｌは、波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、周波数１０００Ｈｚ、エネルギ強度１３Ｊ／ｃｍ²の超短パルスレーザ光である。

まず、上記レーザ光照射工程を行う。即ち、図１の工程（Ａ）に示すように、ガラス基材１の上方からガラス基材１に向けて上記のエネルギ強度を有するパルスレーザ光Ｌをガラス基材１に照射し、集光レンズ４を利用してガラス基材１の内部に集光させる。この際、パルスレーザ光Ｌを、その焦点がガラス基材１の表面１ａから深さ１０μｍの位置に合うように照射する。また、集光レンズ４の倍率を適宜選択することにより、パルスレーザ光Ｌの焦点位置におけるエネルギ強度が３００Ｊ／ｃｍ²より小さくなるようにする。これにより、図１の工程（Ｂ）に示すように、ガラス基材１内部のパルスレーザ光Ｌが集光された部分の周囲に、パルスレーザ光Ｌを照射されない通常領域よりも密度の高い高密度領域３が形成される。

このようにして形成された高密度領域３は、パルスレーザ光Ｌを照射されない通常領域とは異なる化学的性質を示し、酸性液による化学的エッチングを行うと、高密度領域３と通常領域との間にエッチングレートの差が生じる。詳しくは、高密度領域３のエッチングレートが、通常領域のエッチングレートよりも低くなる（エッチングされ難くなる）。

上記レーザ光照射工程の後、上記凸部形成工程を行う。即ち、図１の工程（Ｃ）に示すように、高密度領域３が形成されたガラス基材１を濃度０．２重量％のフッ酸（ＨＦ）溶液に浸漬し、ガラス基材１に対して８μｍの化学的エッチングを行う。これにより、ガラス基材１の表面１ａには、高さ約１．５μｍの凸部２が形成される。その結果、ガラス基材１の表面１ａに凸部２が形成されたガラス部品５が作製される。

本実施形態のガラス基材の加工方法によれば、上記のレーザ光照射工程および凸部形成工程を行うことにより、ガラス基材１の表面１ａの所望の位置に、凸部２を簡便に形成することができる。
また、レーザ光照射工程を行う際にパルスレーザ光Ｌを使用するので、比較的微細な高密度領域３を容易に形成することができる。また、パルスレーザ光Ｌの焦点をガラス基材１の内部に合わせるので、高密度領域３をガラス基材１内部の深さ方向に容易に形成することができる。さらに、集光レンズ４の開口数や倍率を変えることにより、パルスレーザ光Ｌが集光される部分の形状を容易に変化させることも可能なので、複雑な形状の高密度領域３を形成することが容易である。したがって、比較的複雑な形状の凸部２を精度良く形成することができる。

本実施形態のガラス基材の加工方法によって作製されたガラス部品５には、比較的微細で複雑な形状の凸部２が形成されるので、そのガラス部品５は、様々な用途に適応することが可能である。

なお、本実施形態のガラス基材１においては、耐水性を劣化させないという観点から、ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）を４０モル％以上とするのが好ましい。また、比較的少ないエッチング量であっても効率よく高い凸部２が形成できるようにする観点から、前記ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差を４７モル％以上とするのが好ましい。
一方、ガラス基材１中にＡｌ_２Ｏ_３を多量に添加することによって生じる耐酸性の低下を抑制するとともに、ガラス基材１の溶融温度の上昇を抑制し、それによって溶融温度を比較的低くし、組成均質性を高めるという観点から、前記ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差を６７モル％以下とするのが好ましい。また、比較的少ないエッチング量であっても効率よく高い凸部２が形成できるようにする観点から、前記ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差を５７モル％以下とするのが好ましい。

また、ＳｉＯ_２はガラス基材１を構成する基本的な成分であり、ガラス基材１の化学的耐久性の付与および凸部形成性を高めるという観点から、ＳｉＯ_２含有率を４０モル％以上とするが好ましい。一方、Ａｌ_２Ｏ_３含有率は１モル％以上とするのが肝要であるが、Ａｌ_２Ｏ_３がガラス基材１に溶解性を確保してガラス基材を均質にする成分であり、凸部を形成する場所によってガラス基材１の凸部形成性にばらつきが生じないようにするという観点から、その上限を１５モル％とするのが好ましい。

本実施形態においては、ガラス基材１として、ＳｉＯ_２および１モル％以上のＡｌ_２Ｏ_３を含み、かつＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）が４０モル％以上６７モル％以下であるガラス母材を用いたが、これに限らず、ＳｉＯ_２を主成分とし、少なくともＡｌ_２Ｏ_３を含むガラス（アルミノケイ酸塩ガラス）を用いてもよい。また、アルミノケイ酸塩ガラスに限らず、パルスレーザ光Ｌを照射することによってエッチングレートの低い高密度領域３を容易に形成することができ、その後、エッチングを行うことによってガラス基材１の表面１ａに凸部２が形成できるものであれば、ガラス基材１の種類に特に制限は無い。
このようなガラス基材１の種類としては、上記したアルミノケイ酸塩ガラスの他に、アルミノホウケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス等を選択することができる。

また、本実施形態においては、エッチング液として濃度０．２重量％のフッ酸溶液を使用したが、フッ酸溶液の濃度は、２重量％以下であることが好ましく、１重量％以下であることがより好ましい。エッチング液として使用される酸性液には、ガラス基材１からＳｉＯ_２以外の成分を選択的に溶出することが求められる。さらに、エッチング液による化学的エッチングにより、高密度領域３と通常領域との間で溶出量が異なることが求められる。そのため、エッチング液はｐＨ５以下の水溶液であることが好ましい。化学的エッチングによってガラス基材１中から選択的に溶出されるのは、Ａｌ_２Ｏ_３等の耐酸性の低い成分なので、エッチング液は酸性寄りであることが求められる。このようなエッチング液としては、フッ素イオンを含有する酸性の水溶液、例えば、フッ酸溶液を用いることができる。また、このような酸性のエッチング液には、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、スルファミン酸、シュウ酸、酒石酸、リンゴ酸およびクエン酸の中から選ばれる少なくとも一種の酸が添加されたものを使用することができる。

また、本実施形態においてはパルスレーザ光Ｌを使用したが、良好な高密度領域３を形成することができるのであれば、パルスレーザ光に限らず、その他のレーザ光を使用してもよい。
また、パルスレーザ光Ｌを使用する場合、パルス幅、周波数、照射時間、およびエネルギ強度を、パルスレーザ光Ｌの焦点位置や高密度領域３の所望の形状に応じて任意に設定してもよい。特に、パルス幅および照射時間を制御することにより、ガラス基材１に損傷の無い良好な高密度領域３を形成することができる。また、パルスレーザ光Ｌの焦点位置を、凸部２の所望の形状に応じて任意に設定してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明のガラス基材の加工方法の第２実施形態について、図２を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
第２実施形態が第１実施形態と異なるのは以下の点である。即ち、第１実施形態では、ガラス基材１の表面１ａに凸部２を直接形成する。これに対し第２実施形態では、ガラス基材１０上に薄層１１を積層し、薄層１１の表面１１ａに凸部１２を形成する。その後、凸部１２の形状をガラス基材１０に反映させることにより、ガラス基材１０の表面１０ａに凸部２２を形成する。
本実施形態のガラス基材の加工方法は、加工対象としてのガラス基材１０が、熱変形加工の困難なものである場合等に特に好適である。このようなガラス基材１０としては、例えば、熱膨張し難くて透明性の高い結晶化ガラス、石英ガラス、アサーマルガラス等がある。

なお、熱変形加工とは、加熱して軟化させたガラスに、例えば、所望の形状に加工した成形型を押圧して成形型の形状を転写し、そのガラスを冷却して形状を固定し、最終的に所望の形状を得る方法をいう。よって、プレス成形の困難な加工対象には、レーザ光を照射することによって高密度領域を形成することが困難なガラス基材等も含まれる。

本実施形態のガラス基材の加工方法は、ガラス基材１０の表面１０ａに凸部２２を形成する方法であって、レーザ光照射工程と、凸部形成工程と、凸部反映工程とを備えている。
本実施形態のレーザ光照射工程は、板状のガラス基材１０上に積層された無機材料からなる薄層１１に、パルスレーザ光Ｌを薄層１１の内部に集光するように照射する。これにより、パルスレーザ光Ｌが集光された部分の周囲に、パルスレーザ光Ｌを照射されない通常領域よりも密度の高い高密度領域１３が形成される。
本実施形態の凸部形成工程は、レーザ光照射工程の後において、高密度領域１３の少なくとも一部が残留するように、薄層１１に化学的エッチングを行う。これにより、薄層１１の表面１１ａに凸部１２が形成される。
本実施形態の凸部反映工程は、凸部形成工程の後において、薄層１１およびガラス基材１０に対してエッチングを行い、凸部１２をガラス基材１０に反映させる。これにより、ガラス基材１０の表面１０ａに新たな凸部２２が形成される。

これら各工程について、以下に詳細に説明する。
本実施形態において、最終的に表面１１ａに凸部２２が形成される加工対象としてのガラス基材１０には、板状の結晶化ガラスが用いられる（以下、結晶化ガラス１０とする）。
結晶化ガラス１０の表面１０ａに凸部２２を形成するために、まず、図２の工程（Ａ）に示すように、無機材料からなる厚さ５０μｍ程度の薄板を、エッチングによって除去可能な接着剤（図示略）を用いて結晶化ガラス１０の表面１０ａに接着し、これによって結晶化ガラス１０上に加工層としての薄層１１を形成する。薄層１１は、例えば、上記第１実施形態における加工対象であるガラス基材１と同じ材質である。

続いて、上記レーザ光照射工程を行う。即ち、図２の工程（Ｂ）に示すように、結晶化ガラス１０および薄層１１の上方から薄層１１に向けて所定のエネルギ強度を有するパルスレーザ光Ｌを照射し、集光レンズ４を利用して薄層１１の内部に集光する。これにより、図２の工程（Ｃ）に示すように、薄層１１内部のパルスレーザ光Ｌが集光された部分の周囲に、パルスレーザ光Ｌを照射されない通常領域よりも密度の高い高密度領域１３が形成される。

上記レーザ光照射工程の後、上記凸部形成工程を行う。即ち、図２の工程（Ｄ）に示すように、高密度領域１３が形成された薄層１１をフッ酸溶液等の酸性液に浸漬し、薄層１１に対して化学的エッチングを行う。これにより、薄層１１の表面１１ａに凸部１２が形成される。

続いて、上記凸部反映工程を行う。即ち、図２の工程（Ｅ）に示すように、表面１１ａに凸部１２が形成された薄層１１および結晶化ガラス１０に対してイオンエッチングを行う。イオンエッチングは、再現性および均一性に優れ、活性でない材料、例えば酸性液を用いた化学的エッチングによってはエッチングされ難い材料をエッチングするのに有効である。また、イオンエッチングは、複合材料をエッチングするのにも有効である。したがって、表面１１ａに凸部１２が形成された薄層１１および結晶化ガラス１０に対しイオンエッチングを行うと、図２の工程（Ｆ）に示すように、薄層１１の表面１１ａに形成された凸部１２の形状が、結晶化ガラス１０にそのまま反映される。即ち、結晶化ガラス１０の表面１０ａに新たな凸部２２が形成される。その結果、結晶化ガラス１０の表面１０ａに凸部２２が形成されたガラス部品２０が作製される。

本実施形態のガラス基材の加工方法によれば、上記レーザ光照射工程および凸部形成工程を行うことにより、薄層１１の表面１１ａの所望の位置に、凸部１２を簡便に形成することができる。
また、レーザ光照射工程を行う際にパルスレーザ光Ｌを使用するので、比較的微細な高密度領域１３を容易に形成することができる。そして、パルスレーザ光Ｌの焦点を薄層１１の内部に合わせることができるので、薄層１１内部の深さ方向に高密度領域１３を容易に形成することができる。さらに、集光レンズ４の開口数や倍率を変えることにより、パルスレーザ光Ｌが集光される部分の形状を容易に変化させることも可能なので、複雑な形状の高密度領域１３を形成することも容易である。したがって、比較的複雑な形状の凸部１２を精度良く形成することができる。

さらに、上記の凸部反映工程を行うことにより、通常領域よりもエッチングレートの低い高密度領域１３を形成することが困難な結晶化ガラス１０であっても、その表面１０ａに、比較的微細で複雑な形状の凸部２２を形成することができる。

また、本実施形態のガラス基材の加工方法によって作製されたガラス部品２０には、比較的微細で複雑な形状の凸部２２が形成されるので、そのガラス部品２０は、様々な用途に適応することが可能である。

なお、本実施形態においては、薄層１１の表面１１ａに形成された凸部１２を結晶化ガラス１０にそのまま反映させるために、イオンエッチングによって薄層１１をすべて除去したが、必要に応じて薄層１１の一部を残すようにしてもよい。

また、本発明において「凸部をガラス基材に反映させる」とは、図２の工程（Ｆ）に示す形態には限らない。例えば、上記のイオンエッチングに対するエッチングレートが薄層１１よりも高い結晶化ガラス１０を使用しても構わない。この場合、薄層１１よりも結晶化ガラス１０の方が速くエッチングされるので、結晶化ガラス１０の表面１０ａに高アスペクト比形状の凸部２２を容易に形成することができる。

また、本実施形態の凸部反映工程においては、ドライエッチングのひとつであるイオンエッチングを採用したが、薄層１１および結晶化ガラス１０を共に除去することが可能であれば、ドライエッチングではなくウエットエッチングを採用してもよい。また、凸部形成工程において行われる化学的エッチングを引き続いて行ってもよい。

本実施形態のガラス基材の加工方法は、例えば、加工対象が、高密度領域を形成することが困難な結晶化ガラス等である場合に有効である。
なお、本実施形態においては、結晶化ガラス１０の表面１０ａに無機材料からなる薄板を接着することにより、結晶化ガラス１０上に加工層としての薄層１１を形成したが、高密度領域１３の形成および化学的エッチングに関して第１実施形態のガラス基材１と同等の特性が得られるのであれば、他の手法によって薄層１１を形成しても構わない。また、本実施形態においては、結晶化ガラス１０上に薄層１１を一層だけ形成したが、結晶化ガラス１０上に複数の薄層を形成し、これら複数の薄層のうちいずれかの内部に高密度領域を形成しても構わない。
本実施形態においても、第１実施形態と同様にパルスレーザ光Ｌを使用したが、良好な高密度領域１３を形成できるのであれば、パルスレーザ光に限らず、その他のレーザ光を使用してもよい。
また、パルスレーザ光Ｌを使用する場合、パルス幅、周波数、照射時間、およびエネルギ強度を、パルスレーザ光Ｌの焦点位置や高密度領域１３の所望の形状に応じて任意に設定してもよい。特に、パルス幅および照射時間を制御することにより、薄層１１に損傷の無い良好な高密度領域１３を形成することができる。また、パルスレーザ光Ｌの焦点位置を、凸部１２または凸部２２の所望の形状に応じて任意に設定してもよい。
その他、本実施形態のガラス基材の加工方法において、薄層１１に照射されるレーザ光の特性および照射条件、エッチング液の成分およびエッチング条件は、第１実施形態と同じであってもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明のガラス基材の加工方法の第３実施形態について、図３および図４を参照して説明する。なお、この第３実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第３実施形態が第１実施形態と異なるのは以下の点である。即ち、第１実施形態では、レーザ光照射工程の際、ガラス基材１にパルスレーザ光Ｌを単に照射するだけである。これに対し第３実施形態では、ガラス基材１に対してパルスレーザ光Ｌの焦点位置を走査する。

即ち、本実施形態においては、レーザ光照射工程の際、パルスレーザ光Ｌを、ガラス基材１の表面１ａに平行な方向または垂直な方向の少なくともいずれか一方に移動させる。ここでは、図３に示すように、ガラス基材１の上方からガラス基材１に向けて上記のエネルギ強度を有するパルスレーザ光Ｌを照射し、集光レンズ４を利用してガラス基材１の内部に集光しながら、パルスレーザ光Ｌをガラス基材１の表面１ａに平行な方向（図３中のＸ方向）に移動させることによって走査を行う。これにより、パルスレーザ光Ｌの走査方向に沿って高密度領域３３が連続的に形成される。

上記レーザ光照射工程の後、高密度領域３３が形成されたガラス基材１をフッ酸溶液等の酸性液に浸漬し、ガラス基材１に対して化学的エッチングを行う。これにより、図４に示すように、ガラス基材１の表面１ａに、パルスレーザ光Ｌの走査方向に沿って凸部３２が連続的に形成される。その結果、ガラス基材１の表面１ａに筋状の凸部３２が形成されたガラス部品３０が作製される。

本実施形態のガラス基材の加工方法によれば、上記のようにガラス基材１の表面１ａに沿ってパルスレーザ光Ｌを走査することにより、パルスレーザ光Ｌの走査方向に沿って凸部３２が連続的に形成されるので、ガラス部品を設計するうえでの自由度を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、パルスレーザ光を直線的に走査したが、これに限られるものではなく、凸部３２の所望の形状に応じて、曲線状、破線状に走査を行っても構わない。また、ガラス基材の表面に平行な方向にパルスレーザ光を走査したが、この場合に限られず、凸部３２の所望の形状に応じて、ガラス基材の表面に対して垂直な方向（深さ方向）に走査しても構わない。
また、本実施形態では、ガラス基材１の表面１ａに筋状の凸部３２を直接形成したが、上記第２実施形態のように、ガラス基材１上に薄層１１を積層し、その薄層１１に筋状の凸部を形成しても構わない。

（第１実施形態における具体例）
本発明の第１実施形態に係る具体例、および具体例との比較を行うための比較例を選定し、それらについて以下のような実験を行った。まず、具体例および比較例に用いたガラス基材の組成を表１に示す。なお、丸め誤差のため、各成分の合計は１００％とはなっていない。
（表１）

まず、表１に示した組成Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各ガラス基板の中から、具体例１〜３、および比較例１〜３のガラス基板を決定した。そして、各例のガラス基板に、以下の照射条件を満たすレーザ光を照射した。なお、各例におけるレーザ光のエネルギ強度は、表２に示した。
レーザ光の照射条件：
波長：８００ｎｍ、
パルス幅：１５０ｆｓ、
周波数：１０００Ｈｚ、
レーザ走査速度：０．２５ｍｍ／ｓ、
焦点深さ：１５μｍ

次に、レーザ光を照射された各ガラス基板を、表２に示したフッ酸濃度のエッチング液に浸漬し、エッチングを行った。その結果、各ガラス基板の表面に形成された凸部の高さを、表２に併せて示した。
（表２）

比較例１については、ガラス基板の組成に関し、ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）が４０モル％以上６７モル％以下の範囲に含まれていなかった。その結果、比較例１においては凸部が形成されなかった。
比較例２については、レーザ光のエネルギ強度が３００Ｊ／ｃｍ²よりも大きく、本発明において規定したレーザ光のエネルギ強度の範囲に含まれていなかった。その結果、比較例２においても凸部が形成されなかった。
比較例３については、エッチング液のフッ酸濃度が２重量％よりも大きく、本発明において規定したエッチング液の濃度の範囲に含まれていなかった。その結果、比較例３においても凸部が形成されなかった。

本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態においては、ガラス基材にひとつのパルスレーザ光を照射したが、複数のパルスレーザ光をガラス基材に一度に照射することにより、ガラス基材の表面に複数の凸部を形成しても構わない。
さらに、上記各実施形態では、パルスレーザ光を、ガラス基材の上方または薄層の上方から真下に向けて照射したが、パルスレーザ光を照射することが可能であれば、どのような方向から照射しても構わない。
なお、ガラス基材の内部に集光されるレーザ光は、必ずしも単一のスポットに集光されなくてもよい。例えば、位相変調や空間変調により、集光位置に種々のパターンが形成されるようにレーザ光を照射してもよい。

本発明に係るガラス基材の加工方法によれば、ガラス基材やガラス基材に積層された薄層の表面に、比較的微細で複雑な形状を有する凸部を、効率よく高精度に形成することができる。そして、このような凸部が形成されたガラス基材は、例えば、μ−ＴＡＳ（micro Total Analysis Systems）などのケミカルチップに利用することが可能である。また、形成された微細な凸部により、回折格子や微小レンズを形成したり、光の散乱や反射を制御したりするなど、多くの光学部品に応用することが可能である。

Claims (15)

1. ガラス基材の表面に凸部を形成するガラス基材の加工方法であって：
   前記ガラス基材に、レーザ光を前記ガラス基材の内部に集光するように照射することにより、前記レーザ光が集光された部分の周囲に、前記レーザ光を照射されない領域よりも密度の高い高密度領域を形成する工程と；
   前記高密度領域の少なくとも一部が残留するように、前記ガラス基材に対してエッチング液を用いて化学的エッチングを行うことにより、前記ガラス基材の表面に前記凸部を形成する工程と；
   を備えるガラス基材の加工方法。
2. 前記ガラス基材は、ＳｉＯ_２および１モル％以上のＡｌ_２Ｏ_３を含み、かつＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）が４０モル％以上６７モル％以下である請求項１に記載のガラス基材の加工方法。
3. 前記ＳｉＯ_２含有率とＡｌ_２Ｏ_３含有率との差（ＳｉＯ_２含有率−Ａｌ_２Ｏ_３含有率）が、４７モル％以上５７モル％以下である請求項２に記載のガラス基材の加工方法。
4. ガラス基材上に一層以上積層された無機材料からなる薄層の表面に凸部を形成するガラス基材の加工方法であって：
   前記薄層に、レーザ光を前記薄層の内部に集光するように照射することにより、前記レーザ光が集光された部分の周囲に、前記レーザ光を照射されない領域よりも密度の高い高密度領域を形成する工程と；
   前記高密度領域の少なくとも一部が残留するように、前記薄層に対してエッチング液を用いて化学的エッチングを行うことにより、前記薄層の表面に前記凸部を形成する工程と；
   を備えるガラス基材の加工方法。
5. 前記薄層の表面に前記凸部を形成した後、前記薄層および前記ガラス基材に対してエッチングを行い、前記凸部を前記ガラス基材に反映させることにより、前記ガラス基材の表面に新たな凸部を形成する工程をさらに備える請求項４に記載のガラス基材の加工方法。
6. 前記ガラス基材に対する前記エッチングのエッチングレートは、前記薄層に対する前記エッチングのエッチングレートよりも高い請求項５に記載のガラス基材の加工方法。
7. 前記薄層は、ＳｉＯ_２を主成分とし少なくともＡｌ_２Ｏ_３を含むガラス質からなる請求項４から６のいずれか一項に記載のガラス基材の加工方法。
8. 前記レーザ光は、パルスレーザ光である請求項１から７のいずれか一項に記載のガラス基材の加工方法。
9. 前記パルスレーザ光の焦点位置における、前記パルスレーザ光１パルスの単位面積当たりのエネルギ強度は、１５０Ｊ／ｃｍ²よりも小さい請求項８に記載のガラス基材の加工方法。
10. 前記パルスレーザ光の焦点位置における、前記パルスレーザ光１パルスの単位面積当たりのエネルギ強度は、５Ｊ／ｃｍ²よりも大きい請求項９に記載のガラス基材の加工方法。
11. 前記レーザ光は、パルスレーザ光であって、
    前記パルスレーザ光の焦点位置における、前記パルスレーザ光１パルスの単位面積当たりのエネルギ強度は、５Ｊ／ｃｍ²よりも大きく、３００Ｊ／ｃｍ²よりも小さい請求項２、３または７のいずれか一項に記載のガラス基材の加工方法。
12. 前記エッチング液は、濃度２重量％以下のフッ酸溶液である請求項１から１１のいずれか一項に記載のガラス基材の加工方法。
13. 前記レーザ光を照射する際、前記レーザ光を、前記ガラス基材の表面に平行な方向または垂直な方向の少なくともいずれか一方に移動させる請求項１から１２のいずれか一項に記載のガラス基材の加工方法。
14. 前記レーザ光を照射する際、前記レーザ光のエネルギ強度を変化させる請求項１から１３のいずれか一項に記載のガラス基材の加工方法。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のガラス基材の加工方法によって作製されるガラス部品。

Images