WO2012070490A1

WO2012070490A1 - 微細孔の製造方法および微細孔を有する基体

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Publication number: WO2012070490A1
Application number: PCT/JP2011/076668
Authority: WO
Inventors: 山本　敏; 理額賀; 和仁田端; 正和杉山
Original assignee: 株式会社フジクラ; 技術研究組合Ｂｅａｎｓ研究所; 国立大学法人東京大学
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-05-31
Also published as: JPWO2012070490A1; JP5917412B2

Abstract

　基板（１１）の内部に対して、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光（Ｌ）を照射し、前記レーザー光（Ｌ）が集光した焦点およびその周辺に第一構造改質部（１２）を形成し、前記第一構造改質部（１２）に対して熱処理を行い、前記第一構造改質部（１２）の一部において、前記第一構造改質部（１２）が消滅または変性した第二構造改質部（１３）を形成し、前記第一構造改質部（１２）のうち前記第二構造改質部（１３）を除いた領域に対して選択的にエッチング処理を行い、前記第一構造改質部（１２）を除去することによって、微細孔（１４）を形成することを特徴とする微細孔の製造方法。

Description

微細孔の製造方法および微細孔を有する基体

　本発明は、微細孔の製造方法および微細孔を有する基体に関する。本願は、２０１０年１１月２４日に、日本に出願された特願２０１０－２６１７０２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　生物から採取した細胞、培養細胞、微生物、あるいは微粒子等を物理的に捕捉する方法として、樹脂性基板で構成されるウェルの内側面に設けられた微細孔（微細流路）において、細胞、微生物、あるいは微粒子等を吸引し、前記微細孔の開口部に吸着させる方法が知られている（特許文献１）。この方法によれば、捕捉された細胞、微生物、あるいは微粒子等の振る舞いを、前記ウェルの外側面から高倍率な顕微鏡を用いて直接観察したり、電気的に解析したりすることが可能である。

　上記微細孔を有する基体を、レーザー光の照射およびエッチングにより製造する従来の方法が、特許文献２において開示されている。

　上述した捕捉方法は、捕捉対象物の新たな生物的、物理的特性を解明するための有効な手段となりつつあり、今後、より小さな細胞、微生物、微粒子等を捕捉する場合に対応するために、微細孔の開口部（開口面積）がさらに小さくなるように、基板を加工することが要求されると考えられる。しかしながら、特許文献２に開示された方法は原理的な加工限界を有しており、微細孔の開口部をさらに小さく形成することは難しい。

　また、基板の内部に微細孔を形成し、その微細孔の内部に導電体を充填することで、基板の主面同士を電気的に接続する貫通配線として利用する方法が知られている。さらに、微細孔に水もしくは空気などの冷却用冷媒を流通させ、基板の熱を外部へ排出するための冷却用流路として利用する方法が特許文献２において開示されている、そして、これらの貫通配線もしくは冷却用流路のための微細孔を、レーザー光の照射およびエッチングにより製造する従来の方法が、特許文献２において開示されている。

　貫通配線は、基板の内部に高密度に形成されることで電気電子機器の高機能化に寄与することができる。同様に冷却用流路においても基板の内部に高密度に配されることによって、基板の熱を効果的に外部へ排出することができる。したがって、特許文献２に開示された加工方法の原理的な加工限界を超え、微細孔の開口部をさらに小さく形成する方法が求められている。

特願２０１０－１６１８７０号公報特願２０１０－０２４７７５号公報

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微細孔の開口部を、レーザー光の照射およびエッチングによる加工限界よりも、さらに小さく加工することを可能とする微細孔の製造方法、および前記製造方法により製造される微細孔を有する基体を提供することを目的とする。

　本発明の第１様態の微細孔の製造方法は、基板の内部に対して、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射し、前記レーザー光が集光した焦点の近傍域に第一構造改質部を形成するα工程と、前記第一構造改質部に対して熱処理を行うことによって、前記第一構造改質部の一部において、前記第一構造改質部が消滅または変性した第二構造改質部を形成するβ工程と、前記第一構造改質部のうち前記第二構造改質部を除いた領域に対して選択的にエッチング処理を行い、前記第一構造改質部を除去することによって、微細孔を形成するγ工程と、を有する。

　本発明の第１様態の微細孔の製造方法においては、前記レーザー光の照射強度が、前記基板の加工において、エッチングを行うと周期的な凹部および凸部が形成される加工上限閾値未満であり、かつ前記基板を改質してエッチング耐性を低下させる加工下限閾値以上であることが好ましい。

　本発明の第１様態の微細孔の製造方法においては、前記レーザー光の照射強度が、前記基板の加工において、エッチングを行うと周期的な凹部および凸部が形成される加工上限閾値以上であることが好ましい。

　本発明の第１様態の微細孔の製造方法においては、前記β工程における熱処理の温度は、前記第一構造改質部に歪みが発生する歪点における温度以上であり、かつ前記第一構造改質部の全部が消滅または変性する閉点における温度以下であることが好ましい。

　本発明の第１様態の微細孔の製造方法においては、前記基板はガラスで形成され、前記閉点は、前記基板の粘性率が１０１１．７［ｐｏｉｓｅ］となる温度であることが好ましい。

　本発明の第１様態の微細孔の製造方法においては、前記β工程における熱処理の温度は、前記第一構造改質部に歪みが発生する歪点における温度未満であることが好ましい。

　本発明の第２様態の微細孔を有する基体は、基板と、前記基板の内部に設けられ、レーザー光を一回照射された領域に形成された、単数の微細孔とを有し、前記微細孔の内壁を構成する前記基板の一部が、レーザー光を照射され、さらに熱処理されることで形成される第二構造改質部で構成されている。

　本発明の第３様態の微細孔を有する基体は、基板と、前記基板の内部に設けられ、レーザー光を一回照射された領域に形成された、複数の微細孔と、を有し、全ての前記微細孔の各々の内壁を構成する前記基板の一部が、レーザー光を照射され、さらに熱処理されることで形成される第二構造改質部で構成されている。

　本発明の微細孔の製造方法では、レーザー光照射により基板内部に形成されるエッチング耐性の低い領域（第一構造改質部）に対して、熱処理を行い、第一構造改質部の一部の領域をエッチング耐性の高い領域（第二構造改質部）に変性させる。その結果として、熱処理後のエッチング処理により除去される領域は、第一構造改質部から第二構造改質部を除いた領域となる。

　従って、第一構造改質部に対して熱処理を行わない従来の方法による場合よりも、レーザー光による構造改質後にエッチング除去される領域を減らし、基板内部に形成される微細孔の開口部の長径をより短くすることが出来、開口面積を小さくすることが出来る。
　すなわち本発明によれば、微細孔の開口部を、レーザー光照射およびエッチングによる加工限界よりも、さらに小さく加工することを可能とした微細孔の製造方法、および前記製造方法により製造された微細孔を有する基体を提供することが出来る。

本発明に係る微細孔の形成方法を模式的に示す断面図である。本発明に係る微細孔の形成方法を模式的に示す断面図である。本発明に係る微細孔の形成方法を模式的に示す断面図である。レーザー照射方法を示す模式的な斜視図である。レーザー照射エネルギーに依存する改質部の構成を模式的に示す図である。レーザー照射エネルギーに依存する改質部の構成を模式的に示す図である。レーザー照射エネルギーに依存する改質部の構成を模式的に示す図である。レーザー照射エネルギーに依存する改質部の構成を模式的に示す図である。本発明に係る微細孔を有する基体の一例を模式的に示す断面図である。本発明に係る微細孔を有する基体の一例を模式的に示す断面図である。本発明に係る微細孔を有する基体の一例を模式的に示す断面図である。本発明に係る微細孔を有する基体の一例を模式的に示す断面図である。本発明に係る微細孔の各製造工程における断面図である。本発明に係る微細孔の各製造工程における断面図である。本発明に係る微細孔の各製造工程における断面図である。本発明に係る微細孔の各製造工程における断面図である。本発明に係る微細孔の各製造工程における断面図である。本発明に係る微細孔の各製造工程における断面図である。本発明に係る微細孔の断面写真である。第一構造改質部の熱処理温度特性を示す図である。

　以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

＜第一実施形態＞
　本発明の第一実施形態における微細孔の製造工程は、図１Ａ～Ｃに示すように、ピコオーダー秒以下のパルス時間幅を有するレーザー光Ｌを、単一の部材で形成される基板１１において、微細孔１４となる領域に照射することによって、前記領域に第一構造改質部１２を形成するα工程（図１Ａ）と、第一構造改質部１２の一部において、第一構造改質部１２が消滅または変性した第二構造改質部１３を形成するβ工程（図１Ｂ）と、基板１１から第一構造改質部１２をエッチングによって除去するγ工程（図１Ｃ）と、を少なくとも有する。上記α、β、γ工程の詳細について、以下に説明する。

［α工程］
　レーザー光Ｌとしては、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を用いることが好ましい。例えばチタンサファイアレーザー、前記パルス幅を有するファイバーレーザーなどを用いることが出来る。ただし、基板１１を透過する波長を使用することが必要である。より具体的には、基板１１に対する透過率が６０％以上のレーザー光であることが好ましい。

　レーザー光Ｌとしては、加工用レーザーとして使用される一般的な波長領域（０．１～１０ｕｍ）の光を適用することが出来る。その中でも、被加工部材である基板１１を透過する必要がある。基板１１を透過する波長のレーザー光を適用することによって、基板１１に第一構造改質部１２を形成することが出来る。

　基板１１を構成する部材としては、例えば非結晶性材料であるガラスや、結晶性材料であるシリコン、サファイアなどが挙げられる。これらの部材は、微細孔１４を形成する際の加工性に優れるので好ましい。なかでも、非結晶性材料の部材は、結晶方位による加工異方性の影響を受けにくいので好ましい。更には、顕微鏡等によって光学的に観察する場合、ガラス、サファイアを用いると、可視光線（波長０．３６μｍ～０．８３μｍ）が透過するため、より好ましい。

　また、基板１１を構成する部材は、加工用レーザー光として使用される一般的な波長領域（０．１μｍ～１０μｍ）の、少なくとも一部領域の光が透過することが好ましい。このようなレーザー光が透過することによって、後述するように、レーザー照射された基板１１の内部に第一構造改質部１２を形成することが出来る。

　また、前記部材は、可視光領域（波長約０．３６μｍ～約０．８３μｍ）の光が透過することが、より好ましい。可視光領域の光が透過することによって、捕捉した細胞、微生物、微粒子等を、単一の部材で形成される基板１１を介して、肉眼で容易に観察することが出来る。なお、本発明における「透過（透明）」とは、基板１１に光を入射して、基板１１から透過光が得られる全ての状態をいう。

　以下では、基板１１がガラス基板である場合を例として説明するが、基板１１がその他の部材、例えばシリコンもしくはサファイアなどの結晶性材料で形成される場合であっても、同様な効果が得られる。

　ガラス基板としては、例えば合成石英ガラス、珪酸塩を主成分とするガラス、ホウ珪酸ガラスで形成されるガラス基板等を用いることが出来る。合成石英ガラス基板は、加工性が良いため好適である。また、ガラス基板の厚さは特に制限されない。

　レーザー光Ｌの照射方法としては、図１Ａに示す方法が挙げられる。すなわち、レーザー光Ｌを基板１１の内部に集光し、焦点を結ぶようにレーザー光Ｌを照射して、該焦点を矢印方向に走査することにより、ガラスが構造的に改質された第一構造改質部１２が形成される。基板１１内部において、前記焦点を走査することにより、長手方向に所望の長さ及び形状を有する第一構造改質部１２を形成することが出来る。

　レーザー光Ｌを照射する際、照射強度を基板１１の加工上限閾値未満に設定すると共に、レーザー光Ｌの偏波方向（電場方向）を走査方向に対して垂直となるようにすることが好ましい。このレーザー照射方法を、以下ではレーザー照射方法Ｓと呼ぶ。

　レーザー照射方法Ｓを、図２で説明する。レーザー光Ｌの伝播方向は矢印Ｚであり、前記レーザー光Ｌの偏波方向（電場方向）は矢印Ｙである。レーザー照射方法Ｓでは、レーザー光Ｌの照射領域を、レーザー光Ｌの伝播方向Ｚと、レーザー光Ｌの偏波方向Ｙに対して垂直な方向と、で構成される平面１１ａ内とする。これと共に、レーザー照射強度を基板１１の加工上限閾値未満とする。

　このレーザー照射方法Ｓによって、基板１１内にナノオーダーの口径を有する第一構造改質部１２を形成することが出来る。例えば、短径が２０ｎｍ程度、長径が０．２μｍ～５μｍ程度の略楕円形状の断面を有する第一構造改質部１２が得られる。この略楕円形状は、レーザーの伝播方向Ｚに沿った方向が長軸で、レーザーの電場方向に沿った方向が短軸となる。レーザー照射条件によっては、前記断面は矩形に近い形状となることもある。

　レーザー照射強度を、基板１１を改質してエッチング耐性を低下させうるレーザー照射強度の下限値（加工下限閾値）以上、かつ基板１１の加工上限閾値未満とすれば、レーザー照射によって一つの酸素欠乏部（エッチング耐性の低い層）が形成される（図３Ａ）。この酸素欠乏部のエッチングを行うと、一つの微細孔１４を形成することが出来る。

　前述のレーザー照射方法Ｓによれば、微細孔１４の形状を楕円または略楕円とすることが出来る。また、その短径をエッチングによってナノオーダーサイズで制御することが可能となる。楕円または略楕円形状では、長径をナノオーダーサイズよりも大きくすることも出来る。これにより、微細孔１４に流入する流体の圧力損失を小さく出来る。例えば、微細孔１４の開口部に細胞、微生物、あるいは微粒子等を吸引して吸着させる場合には、微細孔１４を生体液等で満たす必要があり、その際に微細孔１４に液を流入させ易い。また、微細孔１４を冷却用の流路として利用する場合にも、冷媒液もしくはガス状流体を流入させ易い。また、微細孔１４の内部に金属粒子を充填し配線とする場合においても、金属粒子を微細孔１４の内部に流入させ易い。

　エッチング耐性が低い層（合成石英ガラス等のガラスにおいては酸素欠乏部）がレーザー照射によって一層だけ形成されるときにおいて（以下、第一構造改質部１２と呼ぶ）、前記酸素欠乏部は極めてエッチングの選択性が高い層となる。このことは、本発明者らの鋭意検討によって見出された。

　一方、レーザー照射強度を基板１１の加工上限閾値以上とした場合、得られる第一構造改質部１２は周期構造を伴って形成されることがある。すなわち、ピコ秒オーダー以下のパルスレーザーを加工上限閾値以上で集光照射させることで、集光部において電子プラズマ波と入射光との干渉が起こり、レーザーの偏波に対して垂直であり、偏波方向に沿って周期性を有する周期構造が自己形成的に形成されることがある。

　形成された周期構造はエッチング耐性の低い層となる。例えば合成石英ガラスの場合、酸素が欠乏した層と酸素が増えた層が周期的に配列され（図３Ｂ）、酸素欠乏部のエッチング耐性が低くなっており、エッチングを行うと周期的な凹部および凸部が形成されうる。このような周期的な凹部および凸部は、後述する本発明の微細孔１４の形成においては不要である。

　したがって、前記加工上限閾値は、前記周期構造が形成されうるレーザーパルスパワーの下限値（前記周期構造が形成されないレーザーパルスパワーの範囲における上限値）と定義される。

　また、前記「基板１１を改質してエッチング耐性を低下させうるレーザー照射強度の下限値（加工下限閾値）」とは、エッチング処理により、基板１１に微細孔１４を設けることが出来る限界値を意味する。この下限値よりも低いと、レーザー照射によってエッチング耐性の低い層が形成出来ないため、微細孔１４が設けられない。
　すなわち、「加工上限閾値」とは、基材内に照射したレーザー光の焦点（集光域）において、基材とレーザー光との相互作用によって生じる電子プラズマ波と入射するレーザー光との干渉が起こり、前記干渉によって基材に縞状の改質部が自己形成的に形成されうるレーザー照射強度の下限値である。
　また、「加工下限閾値」とは、基材内に照射したレーザー光の焦点（集光域）において、基材を改質した改質部を形成し、後工程であるエッチング処理によって選択的又は優先的にエッチングされうる程度に、前記改質部のエッチング耐性を低下させうるレーザー照射強度の下限値である。この加工下限閾値よりも低いレーザー照射強度でレーザー照射した領域は、後工程であるエッチング処理において選択的又は優先的にエッチングされ難い。このため、エッチング後に微細孔となる改質部を形成するためには、下限閾値以上で上限閾値以下のレーザー照射強度に設定することが好ましい。
　加工上限閾値及び加工下限閾値は、レーザー光の波長、レーザー照射対象である基材の材料（材質）及びレーザー照射条件によって概ね決定される。しかし、レーザー光の偏波方向と走査方向との相対的な向きが異なると、加工上限閾値及び加工下限閾値も多少異なる場合がある。例えば、偏波方向に対して走査方向が垂直の場合と、偏波方向に対して走査方向が平行の場合とでは、加工上限閾値及び加工下限閾値が異なる場合がある。したがって、使用するレーザー光の波長及び使用する基材において、レーザー光の偏波方向と走査方向との相対関係を変化させた場合の、それぞれの加工上限閾値及び加工下限閾値を、予め調べておくことが好ましい。

　前記偏波としては直線偏波に関して詳細に説明したが、多少の楕円偏波成分を持つレーザーパルスであっても同様な構造（改質部）が形成されることが容易に想像出来る。

　レーザー光Ｌの焦点を走査する方法は特に限定されないが、一度の連続走査によって形成出来る第一構造改質部１２はレーザー光Ｌの伝播方向Ｚと、レーザー光Ｌの偏波方向Ｙに対して垂直な方向とで構成される平面１１ａ内に限定される。この平面１１ａ内であれば任意に構造を形成することが出来る。

　図２では、レーザー光Ｌの伝播方向Ｚは、基板１１の上面に対して垂直である場合を示したが、必ずしも垂直である必要はない。前記上面に対して所望の入射角で、レーザーＬを照射してもよい。

　一般に、構造改質された部分のレーザーの透過率は、構造改質されていない部分のレーザーの透過率とは異なるため、改質された部分を透過させたレーザー光の焦点位置を制御することは困難である。したがって、レーザー照射する側の面（図２における基板上面）から見て、奥に位置する領域について先に構造改質部を形成することが望ましい。

　また、基板１１内において、レーザーの偏波方向（矢印Ｙ方向）を適宜変更すれば、三次元方向に任意形状を有する改質部を形成できる。

　また、図２で示すように、レンズ８を用いてレーザー光Ｌを集光し、前述したように照射することによって、第一構造改質部１２を形成してもよい。レンズとしては、例えば屈折式の対物レンズもしくは屈折式のレンズを使用することが出来るが、他にも例えばフレネル、反射式、油浸、水浸式のレンズを使用することも出来る。また、例えばシリンドリカルレンズを用いれば、一度に基板１１の広範囲にレーザー照射することが可能となる。さらに、例えばコニカルレンズを用いれば、基板１１の垂直方向の広範囲に対し、一度にレーザー光Ｌを照射することが出来る。ただし、シリンドリカルレンズを用いた場合には、レーザー光Ｌの偏波方向は、レンズが曲率を持つ方向に対して水平方向である必要がある。

　レーザー照射条件Ｓの具体例としては、以下の各種条件が挙げられる。例えば、チタンサファイアレーザー（レーザー媒質としてサファイアにチタンをドープした結晶を使用したレーザー）を用いる場合において、照射するレーザー光は、例えば波長８００ｎｍ、繰返周波数２００ｋＨｚを使用し、レーザー走査速度１ｍｍ／秒としてレーザー光Ｌを集光照射する。これらの波長、繰返周波数、走査速度の値は一例であり、本発明においてはこれらに限定されず、任意に変えることが可能である。

　集光に用いるレンズ８としては、例えばＮ．Ａ．＜０．７未満の対物レンズを用いることが好ましい。より微小な微細孔１４を形成させるためには、レーザー光の照射強度が、加工上限閾値以下のパワーであることが好ましい。基板１１がガラスである場合、加工上限閾値のパワーは８０ｎＪ／ｐｕｌｓｅ程度となる。Ｎ．Ａ．≧０．７であっても加工が可能であるが、スポットサイズがより小さくなり、レーザーフルエンスが大きくなる。したがって、Ｎ．Ａ．≧０．７の場合は、より小さなパルス強度でのレーザー照射が求められる。

［β工程］
　つぎに、α工程において形成された第一構造改質部１２に対して熱処理を行い、第一構造改質部１２の一部において、第一構造改質部１２を消滅または変性させた状態の第二構造改質部１３を形成する（図１Ｂ）。図１Ｂでは、第二構造改質部１３が、長手方向に一様に形成された例を示しているが、第二構造改質部１３の形状に対する制限はなく、少なくとも凹部１４の内壁面付近に形成されていればよい。

　ここでの第一構造改質部１２を消滅させた状態とは、第一構造改質部１２の、レーザー照射による構造改質履歴を消滅させた状態を意味する。また第一構造改質部１２を変性させた状態とは、エッチング耐性が第一構造改質部よりも強まった状態を意味する。変性した第一構造改質部（第二構造改質部）は、レーザー照射されていない部分と同程度のエッチング耐性を有する。従って、第二構造改質部１３は、レーザー照射されていない部分と同様に、後述するγ工程（エッチング処理）において除去されない、或いはほとんど除去されない。

　第二構造改質部１３を形成する工程について、以下に説明する。第二構造改質部１３は、少なくとも微細孔１４を構成する微細孔の開口部に対し、電気炉、赤外線ランプ、レーザー加熱装置等を用いて熱処理することで形成される。

　本実施形態では熱処理の時間を短く設定し、熱処理の温度を、第一構造改質部１２の内部応力が数時間で消失する歪点以上に設定する。基板がガラスで構成される場合には、この歪点は約１０１４．５［ｐｏｉｓｅ］の粘度に相当する温度である。ここで［ｐｏｉｓｅ］は、ＣＧＳ単位系における粘度の単位である。１［ｐｏｉｓｅ］は、流体内の１［ｃｍ］につき１［ｃｍ／ｓ］の速度勾配があるとき、その速度勾配の方向に垂直な面において速度方向の単位面積当たりに１［ｄｙｎ］の力が生じる粘度と定義される。この定義を数式で表すと、以下のようになる
　１［ｐｏｉｓｅ］≡１［ｄｙｎ・ｓ／ｃｍ^２］。
また、熱処理の温度を、第一構造改質部１２の全部が消滅または変性する閉点以下の温度とする。閉点は、第一構造改質部１２及びその近傍がアモルファス構造である場合には、第一構造改質部１２の粘性率が１０１１．７［ｐｏｉｓｅ］以上となる温度に相当する。
　基板が結晶構造を有する場合には、基板１１を構成する部材の融点以下の温度とする。基板１１を構成する部材として、例えば石英ガラスを用いる場合には、閉点は１０００～１４００℃程度である。

［γ工程］
　つぎに、単一の基板１１から、α工程において形成した第一構造改質部１２を、エッチングにより除去する（図１Ｃ）。ここで行うエッチングは、ドライエッチング、ウェットエッチングのどちらであってもよいが、ウェットエッチングである方が好ましい。ウェットエッチングを行う場合には、例えば１％以下のフッ酸を用いるのが最も好ましいが、その他の酸もしくは塩基性を有するエッチング液でもよい。第一構造改質部１２は、エッチング耐性が低くなっているため、選択的または優先的にエッチングすることが出来る。

　上述のエッチングは、基板１１の第一構造改質部１２が、レーザー照射されずに構造改質していない部分及び第二構造改質部１３に比べて速くエッチングされる現象を利用する処理であり、結果として第一構造改質部１２の形状に応じた微細孔１４を形成することが出来る。エッチング液については特に限定されず、例えばフッ酸（ＨＦ）が主成分である溶液、もしくはフッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸等を用いることが出来る。また、基板１１を構成する部材に応じて、他の薬液を用いることも出来る。

　エッチングの結果、ナノオーダーの口径を有する微細孔１４を、基板１１内の所定位置に、凹部１４と基板の外部とを連通するように、形成することが出来る。

　微細孔１４のサイズとしては、例えば、短径が２０ｎｍ～２００ｎｍ程度、長径が０．２μｍ～５μｍ程度の略楕円形状の断面を有する貫通孔とすることが出来る。エッチング処理の具合によっては、前記断面の形状は矩形に近い形状になることもある。

　ウェットエッチングの処理時間を調整することによって、第一構造改質部１２のサイズと微細孔１４のサイズとの差を増減させることが可能である。ウェットエッチング処理時間を短くすることにより、前記短径を数ｎｍ～数十ｎｍにすることも理論的には可能である。これとは逆に、ウェットエッチングの処理時間を長くすることにより、前記短径を１μｍ～２μｍ程度に、前記長径を５μｍ～１０μｍ程度とすることも出来る。

　図１Ｃに示す微細孔を有する基体（以下、基体１０Ｂと呼ぶ）の構成は、上記製造方法により製造される微細孔を有する基体の構成の一例である。以下に、本発明に係る微細孔を有する基体の、他の構成例を挙げる。

　本発明に係る微細孔を有する基体としては、図４に示す基体２０Ｂも挙げられる。基体２０Ｂでは、微細孔２４は口径が異なる２つの部分２４ａ、２４ｂで構成されている。すなわち、微細孔２４の口径は、長手方向において一様でなくてもよい。ただし、基体２０Ｂは単一の基板２１において形成され、部分２４ａと２４ｂとの間に、継ぎ目または貼り合わせ面はない。基体２０Ｂの他の構成については、基体１０Ｂと同様である。

　本発明に係る微細孔を有する基体としては、図５に示す基体３０Ｂも挙げられる。基体３０Ｂは、２つの微細孔を備えている。微細孔を有する基体は、この例に限らず、３つ以上の微細孔を備えていてもよい。基体３０Ｂの他の構成については、基体１０Ｂと同様である。

　本発明に係る微細孔を有する基体としては、図６に示す基体４０Ｂも挙げられる。基体４０Ｂでは、微細孔の一端の断面と他端の断面とが異なる方向を向いている。すなわち、微細孔４４は直線に沿って延びる形状でなくてもよい。ただし、基体４０Ｂは単一の基板４１によって構成され、部分４４ａと４４ｂとの間に、継ぎ目または貼り合わせ面はない。基体４０Ｂの他の構成については、基体１０Ｂと同様である。

　本発明に係る微細孔を有する基体としては、図７に示す基体５０Ｂも挙げられる。基体５０Ｂでは、微細孔の一端が分岐している。微細孔は、この例に限らず、両端で分岐していてもよい。ただし、基体５０Ｂは単一の基板５１において形成され、部分５７ａと５７ｂとの間に、継ぎ目または貼り合わせ面はない。基体５０Ｂの他の構成については、基体１０Ｂと同様である。

　上記α、β、γ工程処理後の、微細孔が形成される領域の断面構造について、図８Ａ～Ｆを用いて説明する。

　図８Ａ～Ｃは、α工程おけるレーザー照射強度が基板１１を改質してエッチング耐性を低下させうるレーザー照射強度の下限値である加工下限閾値以上、かつ基板１１の加工上限閾値未満としたときの微細孔形成領域を示している。

　図８Ａは、図１ＡのＡ１－Ａ１断面で切断した断面図であり、上述した条件によりα工程処理した微細孔が形成される領域の断面構造を示す図である。α工程処理後の微細孔が形成される領域の断面は、基板１１のレーザー光Ｌが照射された領域のエッチング耐性が低くなり、前記領域に第一構造改質部１２ａが形成された構造を有している。前記第一構造改質部１２ａは、長径がＤａである略楕円形状を有している。

　図８Ｂは、図１ＢのＡ２－Ａ２断面で切断した断面図であり、β工程処理後における微細孔が形成される領域の断面構造を示す図である。β工程処理後の微細孔が形成される領域の断面は、第一構造改質部１２ａ（図８Ａ）で構成された微細孔が形成される領域の一部（ここでは外周部）が、熱処理によって消滅または変性し、第二構造改質部１３ｂが形成された構造を有している。前記微細孔が形成される領域の残部を構成する第一構造改質部１２ｂは、長径がＤｂである略楕円形状を有している。

　図８Ｃは、図１ＣのＡ３－Ａ３断面で切断した断面図であり、γ工程処理後における微細孔が形成される領域の断面構造を示す図である。γ工程処理後の微細孔が形成される領域の断面は、エッチング処理により、第一構造改質部１２ｂ（図８Ｂ）が選択的に除去され、第一構造改質部が選択的に除去された領域において、微細孔が形成された構造を有している。なお、図４～７のＡ３－Ａ３断面で切断した断面も、図８Ｃと同様の構造を有している。図８Ｃに相当する微細孔の電子顕微鏡写真を、図９に示す。図９は、基板の内部に形成された複数の微細孔の開口部である。α工程を複数回繰り返して、複数の第一構造改質部を形成し、次いで、β工程、γ工程を複数の構造改質部に対して一括で行うことにより、基板内部に複数の微細孔を形成することができた。

　なお、図８Ｃに示した、エッチング処理後における断面図では、微細孔１４ｃの上端と下端の両方に、同程度の大きさで第二構造改質部１３ｃが形成されているが、本発明はこれに限られない。すなわち、微細孔１４ｃの上端または下端のどちらかに偏って第二構造改質部１３ｃが形成されていても良い。または、微細孔１４ｃの上端のみ、または下端のみに第二構造改質部が形成されていてもよい。

　図８Ｄ～Ｆは、α工程おけるレーザー照射強度を基板１１の加工上限閾値以上としたときの微細孔形成領域を示している。

　図８Ｄは、図１ＡのＡ１－Ａ１断面で切断した断面図であり、上述した条件によりα工程処理した微細孔の形成される領域の断面構造を示す図である。α工程処理後の微細孔の形成される領域の断面は、基板１１のレーザー光Ｌが照射された領域のエッチング耐性が低くなり、前記領域において第一構造改質部１２ｄが周期的に形成された構造を有している。第一改質部１２ｄは、図８Ａの第一構造改質部１２ａと異なり、複数並んで形成されている。第一構造改質部１２ｄは、長径Ｄｄの略楕円形状をなしている。

　図８Ｅは、図１ＢのＡ２－Ａ２断面で切断した断面図であり、β工程処理後における微細孔の形成される領域の断面構造を示す図である。複数の微細孔の形成される領域の各々の断面は、第一構造改質部１２ｄ（図８Ｄ）の一部（ここでは外周部）において、第一構造改質部１２ｄが消滅または変性してなる第二構造改質部１３ｅが形成された構造を有している。前記第一構造改質部１２ｄの残部を構成する第一構造改質部１２ｅは、長径がＤｅである略楕円形状を有している。

　図８Ｆは、図１ＣのＡ３－Ａ３断面で切断した断面図であり、γ工程処理後における微細孔が形成される領域の断面構造を示す図である。複数の微細孔が形成される領域の各々の断面は、エッチング処理により、第一構造改質部１２ｅ（図８Ｅ）が除去され、第一構造改質部が除去された領域において、微細孔が形成された構造となっている。なお、図４～７のＡ３－Ａ３断面で切断した断面も、図８Ｆと同様の構造を有している。

　なお、図８Ｆに示した、エッチング処理後における断面図では、微細孔１４ｆの上端と下端の両方に、同程度の大きさで第二構造改質部１３ｆが形成されているが、本発明はこれに限られない。すなわち、微細孔１４ｆの上端または下端のどちらかに偏って第二構造改質部１３ｆが形成されていても良い。または、微細孔１４ｆの上端のみ、または下端のみに第二構造改質部が形成されていてもよい。

　微細孔の製造工程として、β工程を導入することによる効果について、図１０を用いて説明する。

　図１０は、第一構造改質部１２の、楕円形状の断面における長径の、熱処理温度特性を示すグラフである。横軸が熱処理の温度を示し、縦軸が長径の熱処理前後比Ｄｂ／Ｄａ、Ｄｅ／Ｄｄ（図８Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ参照）を示している。このグラフは実験結果に基づく。グラフの実線が、本実施形態の熱処理において、目的温度に到達してからの保持時間を５分に設定した場合の長径の熱処理温度特性を示している。ここでは基板１１としてガラスを用いており、昇温レートをおよそ５０℃／分としている。

　長径は歪点以下の温度では一定であり、歪点以上の温度で減少する。従って、歪点以上の温度で熱処理を行う本実施形態においては、短い時間（例えば５分程度）の熱処理により、第一構造改質部１２の一部を消滅または変性させることが可能である。

　すなわち、上記温度条件により熱処理を行う場合、β工程処理に要する時間を短縮することが出来る。そのため本実施形態は、微細孔形成工程を複数有するプロセスを扱う場合、高密度に微細孔を有する基体を大量に製造する場合等において、好適である。

　従来の方法により形成される微細孔は、第一構造改質部全体をエッチング除去し、除去した領域に形成される。これに対し、上述した方法により製造される本発明の微細孔は、第一構造改質部の一部を消滅、または第二構造改質部に変性させ、残りの部分を選択的にエッチング除去し、除去した領域に形成される。

　従って、上述した本発明の微細孔の製造方法によれば、第一構造改質部に対して熱処理を行わない従来の方法による場合よりも、レーザー光による構造改質後にエッチング除去される領域を減らし、基板内部に形成される微細孔の開口部（開口面積）を小さくすることが出来る。すなわち、上述した本発明の微細孔の製造方法によれば、微細孔の開口部を、レーザー光照射およびエッチングによる加工限界よりも、さらに小さく加工することを可能とした微細孔の製造方法、および前記製造方法により製造された微細孔を有する基体を提供することが出来る。

＜第二実施形態＞
　第二実施形態における微細孔の製造工程は、第一実施形態と同様の、α、β、γ工程を少なくとも有し、β工程において行う熱処理の条件が、第一実施形態と異なる。すなわち、第二実施形態では、熱処理の時間を長く設定し、熱処理の温度を、第一構造改質部１２の内部応力が数時間で消失する歪点未満の温度とする。

　本実施形態によれば、微細孔の楕円形状をなす断面の長径の温度特性が、第一実施形態と異なる。図１０に示すグラフの点線が、本実施形態の熱処理において、目的温度に到達してからの保持時間を３０分に設定した場合の長径の温度特性を示している。

　長径は、温度に対して単調に減少する。すなわち、長い時間（例えば３０分）で熱処理を行う本実施形態においては、処理温度を歪点未満の温度において、第一構造改質部１２の一部が消滅または変性する。ここでは基板１１としてガラスを用いており、昇温レートをおよそ２０℃／分としている。

　長径は、ほぼ温度の１乗に比例して減少するため、何れの温度領域においても、長径が一義的に決まる。すなわち、本実施形態のγ工程は、長径を高精度に制御できる。

　また本実施形態によれば、長径は低温においても減少する。従って、熱処理を低温で行うことにより、安定性を高めたプロセスを実現することが可能である。

　従来の方法により形成される微細孔は、第一構造改質部全体をエッチング除去し、除去した領域に形成される。これに対し、上述した方法により製造される本発明の微細孔は、第一構造改質部の一部を消滅、または第二構造改質部に変性させ、残りの部分のみをエッチング除去し、除去した領域に形成される。

　本発明の微細孔の製造方法および微細孔を有する基体は、水もしくは空気等に含まれる微生物，細胞あるいは微粒子を捕捉して、種々の観察、分析、および測定を行うための、マイクロ流体デバイス等の製造および使用に広く適用することが出来る。その他、微細孔の内部に水、空気、もしくは冷却用冷媒を流通させて冷却用流路として適用することができる。さらには、微細孔の内部に導電体を充填し、基体の内部に形成された微細配線（例えばインターポーザー基板）として適用することができる。

　１１　　基板
　１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｄ、１２ｅ　　第一構造改質部
　１３、１３ｂ、１３ｃ、１３ｅ、１３ｆ　　第二構造改質部
　１４、１４ｃ、１４ｆ　　微細孔
　Ｌ　　レーザー光

Claims

　基板の内部に対して、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射し、前記レーザー光が集光した焦点およびその周辺に第一構造改質部を形成し、
　前記第一構造改質部に対して熱処理を行い、前記第一構造改質部の一部において、前記第一構造改質部が消滅または変性した第二構造改質部を形成し、
　前記第一構造改質部のうち前記第二構造改質部を除いた領域に対して選択的にエッチング処理を行い、前記第一構造改質部を除去することによって、微細孔を形成する、
ことを特徴とする微細孔の製造方法。
　前記レーザー光の照射強度が、前記基板の加工において、エッチングを行うと周期的な凹部および凸部が形成される加工上限閾値未満であり、かつ前記基板を改質してエッチング耐性を低下させる加工下限閾値以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の微細孔の製造方法。
　前記レーザー光の照射強度が、前記基板の加工において、エッチングを行うと周期的な凹部および凸部が形成される加工上限閾値以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の微細孔の製造方法。
　前記第二構造改質部を形成する工程における熱処理の温度は、
　前記第一構造改質部に歪みが発生する歪点における温度以上あり、かつ前記第一構造改質部の全部が消滅または変性する閉点における温度以下である、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の微細孔の製造方法。
　前記基板はガラスで構成され、
　前記閉点は、前記基板の粘性率が１０１１．７［ｐｏｉｓｅ］となる温度である、ことを特徴とする請求項４に記載の微細孔の製造方法。
　前記第二構造改質部を形成する工程における熱処理の温度は、
　前記第一構造改質部に歪みが発生する歪点における温度未満である、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の微細孔の製造方法。
　基板と、
　前記基板の内部に設けられ、レーザー光を一回照射された領域に形成された、単数の微細孔と、を有し、
　前記微細孔の内壁を構成する前記基板の一部が、レーザー光を照射され、さらに熱処理されることで形成される第二構造改質部で構成されている、
ことを特徴とする微細孔を有する基体。
　基板と、
　前記基板の内部に設けられ、レーザー光を一回照射された領域に形成された、複数の微細孔と、を有し、
　全ての前記微細孔の各々の内壁を構成する前記基板の一部が、レーザー光を照射され、さらに熱処理されることで形成される第二構造改質部で構成されている、
ことを特徴とする微細孔を有する基体。