JP4609592B2

JP4609592B2 - 透明材料加工法及び透明材料加工装置

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Publication number: JP4609592B2
Application number: JP2009522466A
Authority: JP
Inventors: 宏史押谷; 昌宏今田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2011-01-12
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Description

本発明は、レーザに対して励起反応性のある流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、該透明材料の表面からレーザを照射して該透明材料の裏面から加工する透明材料加工法、いわゆるＬＩＢＷＥ法に関する。

従来より、光をほとんど吸収しない透明材料は、レーザアブレーションやレーザ溶融法など、直接的なレーザエッチング法を利用して加工することは困難であった。例えば、石英ガラスの加工技術として以下の方法が知られている。

多段階リソグラフィ法は、適切なレジストを基板表面に製膜した後、リソグラフィによってパターニングし、イオンビームやプラズマやフッ酸を用いてエッチングする方法である。しかしながら、この方法は、フォトリソグラフィ技術に基づいているので、レジストの塗膜、乾燥、露光、現像、エッチング、剥離など、複雑な工程が必要であり、時間が掛かる。

また、イオンエッチング法は、イオン注入法により生じたエッチング速度の差を利用して、マスクレスの化学エッチングを行う方法である。しかしながら、この方法は、集光できるイオン注入装置が必要であり、加工できる範囲が小さく時間効率が低いため量産に向いていない。

また、短波長レーザ法は、透明材料が吸収できる短波長光を発振するレーザを利用してドライエッチングを行う方法である。また、極短パルスレーザ法は、パルス幅がピコ秒以下の極短パルスレーザを利用してドライエッチングを行う方法である。しかしながら、短波長レーザ法及び極短パルスレーザ法は、高真空環境が必要であり、エネルギー効率も悪く、量産に向いていない。

また、レーザ誘起プラズマ法は、真空溶液中、金属基板をガラスの後方に置いてレーザを照射し、金属から発生したプラズマを利用する方法である。しかしながら、この方法では、金属基板表面とガラス表面とのレーザ密度を同時に調整する必要があるためにマスクのイメージの形成が難しく、かつ、真空環境が必要である。さらに、未照射部分でも金属がコーティングされてしまい、試料への損傷が大きく、酸による洗浄工程が必要で処理に手間が掛かる。

そこで、特許文献１では、レーザの直接照射が困難な透明材料については、透明材料の裏面に光吸収率の大きな流動性物質を接触させ、流動性物質のレーザ吸収を利用したレーザ誘起背面湿式加工法（ＬＩＢＷＥ：laser-induced backside wet etching）が提案されている。

また特許文献１の変形として特許文献２には、透明材料に光吸収の大きな流動性物質を接触させ、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザ光を透明材料の表面側から照射しながら、レーザ光をスキャンすることにより、透明材料に所定の３次元表面微細構造を加工する光学素子作製方法が開示されている。

また特許文献３には、被加工物を、微粒子を分散した溶液中に浸漬させて配置し、高強度超短パルスレーザから出射した高強度超短パルスレーザ光を、前記被加工物の手前側位置に焦点を結ぶように集光して前記溶液にパルス照射し、前記高強度超短パルスレーザの出力強度を制御することにより、レーザ光によって誘起される前記溶液の非線形光学効果により発生する自己集束とレーザ光の回折とが釣り合うようにバランスさせて、レーザ光を前記溶液内において微小線状に前記被加工物に向け伝播させ、その微小線状の領域内の溶液中に浮遊する前記微粒子を前記被加工物に衝突させて加工を行うレーザ誘起加工法が開示されている。これはレーザ励起による加工法であるが、上記のＬＩＢＷＥ法とは異なる。
特許３０１２９２６号公報特開２００４−３０６１３４号公報特開２００６−６８７８９号公報

ところで、市場ではインクジェットプリンタのインクノズルとして微細な貫通穴が用いられており、その普及に伴って微細な貫通穴の高効率・高精度の加工法が求められている。特許文献１や特許文献２で提案されているように、ＬＩＢＷＥ法は励起現象を活用して低エネルギーでガラスなどを多数個同時に加工できる優れた手法である。

しかしながら、特許文献１や特許文献２では貫通穴を開けることは考慮されていない。加工面に流動性物質（主として液体）が接触している必要があるため、貫通穴を開けようとすると液体が流出することになる。そして流出した液体は、装置の光源系や駆動系に重大なダメージを与えるおそれがある。また、貫通穴や底の薄い穴を開けようとすると、貫通間近で残肉が薄くなったとき、残肉表裏の大気圧と液体との圧力差によって残肉部分が破損するおそれがあり、破損した場合、穴周辺にクラックや欠けが生じるおそれもある。

本発明は、ＬＩＢＷＥ法の特徴を活かしながら、貫通穴や底の薄い穴を精度良く量産できる透明材料加工法及び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に本発明は、レーザ波長に対して吸収率を有する液である第１流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、前記透明材料の表面からレーザを照射して前記透明材料の裏面から加工する透明材料加工法において、
前記レーザ波長に対して透明性を有する液である第２流動性物質を前記透明材料の表面に接触させ、前記第２流動性物質を介して前記レーザを照射して前記透明材料の裏面から加工し、前記透明材料に貫通穴を形成し、
前記第１流動性物質と前記第２流動性物質は、それぞれ容器に収容されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１流動性物質を透明材料の裏面に、第２流動性物質を透明材料の表面に接触させた状態となる。そして、透明材料へ向けてレーザを照射すると、透明材料のレーザ入射側である表面では何ら変化はないが、第１流動性物質と接触した透明材料の面ではレーザ照射部分にのみ選択的にエッチングが行える。

なお、上記の透明材料加工法において、前記第２流動性物質としては、水、アセトン、エタノール又はＴＨＦなどを用いることができる。

また上記の透明材料加工法において、具体的には、第１及び第２流動性物質はそれぞれ第１及び第２容器に収容され、少なくとも第２容器は前記レーザを透過する構成とする。

また上記の透明材料加工法において、透明材料の加工後、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第１及び第２経路を通って第３及び第４容器に収容されるようにすることが望ましい。これにより、透明材料の交換が容易になる。

さらに、透明材料の加工前、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第３及び第４容器から第１及び第２経路を通って第１及び第２容器へ収容されるようにすることが望ましい。これにより、第１及び第２流動性物質の再利用が容易になる。

また本発明は、レーザ波長に対して吸収率を有する液である流動性物質を第１透明材料の裏面に接触させ、第１透明材料の表面からレーザを照射して第１透明材料の裏面から加工する透明材料加工法において、前記レーザ波長に対して透明性を有するダミーの第２透明材料を第１透明材料の表面に接触させ、前記第１透明材料の前記第２透明材料に覆われている部分に前記第２透明材料を介して前記レーザを照射して前記第１透明材料の裏面から加工し、前記第１透明材料に貫通穴を形成することを特徴とする。この構成によれば、流動性物質を第１透明材料の裏面に、第２透明材料を第１透明材料の表面に接触させた状態ともなる。そして、第１及び第２透明材料へ向けてレーザを照射すると、第１透明材料のレーザ入射側である表面では何ら変化はないが、流動性物質と接触した第１透明材料の面ではレーザ照射部分にのみ選択的にエッチングが行える。

なお、上記の透明材料加工法において、第２透明材料は基板又はゲルであることが望ましい。これにより、第２透明材料を第１透明材料に密着させることができる。

また上記の透明材料加工法において、前記レーザに対して励起反応性のない接着剤を用いて第２透明材料を第１透明材料に接着してもよい。これにより、第２透明材料を透明材料加工装置に固定するための固定手段が不要となり、装置を簡略化できるとともに着脱作業も簡略化される。

また上記の透明材料加工法において、第１透明材料と第２透明材料とが同材料であることが望ましい。これにより、第２透明材料のために他の材料を用意する必要がない。

また、上記の透明材料加工法を用いた透明材料加工装置は、レーザ波長に対して吸収率を有する液である流動性物質を第１透明材料の裏面に接触させ、第１透明材料の表面からレーザを照射して第１透明材料の裏面から加工する透明材料加工装置において、前記流動性物質を収容する容器と、前記レーザ波長に対して透明性を有するダミーの第２透明材料とを備え、前記第１透明材料の裏面を前記流動性物質に接触させるとともに、前記第２透明材料を前記第１透明材料の表面に接触させ、前記第１透明材料の前記第２透明材料に覆われている部分に前記第２透明材料を介して前記レーザを照射して前記第１透明材料の裏面から加工し、前記第１透明材料に貫通穴を形成することを特徴とする。

上記の透明材料加工装置において、第２透明材料は基板又はゲルであることが望ましい。

また上記の透明材料加工装置において、前記レーザ波長に対して透明性を有する接着剤を用いて第２透明材料を第１透明材料に接着してもよい。

また上記の透明材料加工装置において、第１透明材料と第２透明材料とが同材料であることが望ましい。

また本発明は、レーザ波長に対して吸収率を有する液である第１流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、該透明材料の表面からレーザを照射して該透明材料の裏面から加工する透明材料加工装置において、第１流動性物質を収容する第１容器と、前記レーザ波長に対して透明性を有する液である第２流動性物質を収容する第２容器とを備え、前記透明材料の裏面を前記第１流動性物質に接触させるとともに、前記透明材料の表面を前記第２流動性物質に接触させ、前記第２流動性物質を介して前記レーザを照射して前記透明材料の裏面から加工し、前記透明材料に貫通穴を形成することを特徴とする。

この構成によれば、第１流動性物質を透明材料の裏面に、第２流動性物質を透明材料の表面に接触させた状態となる。そして、第２容器の外側から透明材料へ向けてレーザを照射すると、透明材料のレーザ入射側である表面では何ら変化はないが、第１流動性物質と接触した透明材料の面ではレーザ照射部分にのみ選択的にエッチングが行える。

上記の透明材料加工装置において、第１流動性物質が溶液であり、第２流動性物質は、第１流動性物質の溶媒と同じであることが望ましい。これにより、貫通穴を加工した場合に第１流動性物質と第２流動性物質とが混ざったとしても反応するおそれがない。

上記の溶媒としては、水、アセトン、エタノール又はＴＨＦなどを用いることができる。

また上記の透明材料加工装置において、具体的には、少なくとも第２容器は前記レーザを透過する構成とする。

また上記の透明材料加工装置において、第３容器と、第４容器と、第１及び第３容器を繋ぐ第１経路と、第２及び第４容器を繋ぐ第２経路とを備え、前記透明材料の加工後、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第１及び第２経路を通って第３及び第４容器に収容されることが望ましい。これにより、透明材料の交換が容易になる。

さらに、前記透明材料の加工前、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第３及び第４容器から第１及び第２経路を通って第１及び第２容器へ収容されることが望ましい。これにより、第１及び第２流動性物質の再利用が容易になる。

本発明によると、第２流動性物質を透明材料の表面に接触させているので、加工部分が貫通間近で残肉が薄くなったとき、残肉の表裏の第２流動性物質と第１流動性物質との圧力差がないので残肉部分に力がかからず、破損することもクラックや欠けが生じることもない。したがって、加工精度を飛躍的に向上させることができる。

また、第２透明材料を第１透明材料の表面に接触させているので、貫通間近で残肉が薄くなったときでも第２透明材料が残肉を押さえているので、流動性物質の圧力によって残肉部分が破損することもクラックや欠けが生じることもない。したがって、加工精度を飛躍的に向上させることができる。

また、第１透明材料が貫通したときでも第２透明材料が流動性物質を封止するので、流動性物質が流出することがない。したがって、光源系や駆動系へのダメージを防止することができる。

また本発明によると、第３容器及び第４容器を用いて第１流動性物質及び第２流動性物質を待避させることにより、新たな透明材料に付け替えるために、第１容器及び第２容器の上面から流動性物質を抜かなくてよいので、作業性が向上し、量産に適している。

本発明の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。本発明の透明材料の他の設置形態を示す第１及び第２容器の側断面図である。本発明の他の形態の第１及び第２容器の側断面図である。本発明の他の形態の第１及び第２容器の側断面図である。本発明の他の実施形態の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。図５の第１及び第２弁を開放した状態の図である。図６の状態から第１及び第２流動性物質を第１及び第２容器に再注入した図である。本発明の他の実施形態の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。図８の状態から第１及び第２流動性物質を第３及び第４容器に排出した図である。本発明の他の形態の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。本発明の透明材料の他の設置形態を示す容器の側断面図である。本発明の他の形態の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。本発明の他の形態の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０、６０透明材料加工装置
１２第１容器
１２ａ第１開口部
１３第２容器
１３ａ第２開口部
１４第１流動性物質
１５第１透明材料
１６第２流動性物質
２１第１経路
２２第２経路
２３第３容器
２４第４容器
４１第２透明材料
４３接着剤

図１は、本発明の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。透明材料加工装置１０は、レーザに対して励起反応性のある第１流動性物質１４を第１透明材料１５の裏面に接触させ、第１透明材料１５の表面からレーザを照射して第１透明材料１５の裏面から加工する装置である。そのため透明材料加工装置１０は、レーザ装置１１と、レーザに対して励起反応性のある第１流動性物質１４を収容する第１容器１２と、第１透明材料１５の裏面を第１流動性物質１４に接触させるために第１容器１２に設けられた第１開口部１２ａと、レーザに対して励起反応性のない第２流動性物質１６を収容する第２容器１３と、第１透明材料１５の表面を第２流動性物質に接触させるために第２容器１３に設けられた第２開口部１３ａとを備えている。

第１透明材料１５としては、使用するレーザ波長に対して透明性があればよい。例えば、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、シリコンカーバイド、アルミナ、サファイア、水晶、ダイヤモンド、のような無機材料、ポリカーボネイト樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、フッ素樹脂などのプラスチック材料、有機ガラス、有機結晶・固形化合物、及びそれらの混合物などが挙げられる。第１透明材料１５の形態は、図１で示した基板状の他にも、容器状、管状など任意の形状でよい。第１透明材料１５の厚みは、約１０μｍ〜数ｍｍのものを用いることができる。

レーザ装置１１は、レーザを発振するレーザ光源系１７と、発振されたレーザを所望の形状に整えるとともに、焦点も移動させられる走査光学系１８とを有している。レーザとしては、ＡｒＦ（λ＝１９３ｎｍ）、ＫｒＣｌ（λ＝２２２ｎｍ）、ＫｒＦ（λ＝２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（λ＝３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（λ＝３５１ｎｍ）エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯレーザ、ＹＬＦレーザ、色素レーザ、炭酸ガスレーザ、Ｋｒイオンレーザ、Ａｒイオンレーザ、銅蒸気レーザ、チタンサファイアレーザ等の基本発振波長光、及びその基本発振波長光を非線形光学素子などにより変換したものを用いることができる。例えば、ＹＡＧレーザに二倍高調波（λ＝５３２ｎｍ）、三倍高調波（λ＝３５５ｎｍ）、四倍高調波（λ＝２６６ｎｍ）などが挙げられる。

そして、エッチングを行うためのレーザ強度は、レーザ波長に対する第１流動性物質の吸収によって異なるが、０．０１〜１００Ｊ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅが好ましい。さらに好ましくは、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅである。レーザ強度が弱すぎるとエッチングが起こらず、強すぎると第１透明材料１５に損傷を与える。

なお、走査光学系１８の代わりに走査できない光学系を用いて、エッチング時には第１透明材料１５側を走査させてもよい。また、フォトマスクなどを用いて所望の形状のエッチングを行うようにしてもよい。

第２容器１３は、少なくともレーザが照射される部分が、使用するレーザ波長に対して透明性、つまりレーザ透過性を有すればよい。例えば、上述した第１透明材料１５に用いることができる材料と同じ材料を用いることができる。一方、第１容器１２は、第２容器と同じ材料である必要はなく、レーザを吸収する材料でも構わない。第１容器１２及び第２容器１３の壁面の厚みには特に限定はないが、数ｍｍの厚さがあれば足りる。第１容器１２及び第２容器１３は、例えば図１に示すように、直方体の上面が開放された形状とすることができる。この開放された上面には異物侵入防止のために蓋を設けてもよい。この上面から第１流動性物質１４又は第２流動性物質１６及び第１透明材料１５の入れ替えが行われる。

第１開口部１２ａと第２開口部１３ａとは、第１透明材料１５よりもひとまわり小さい開口であり、図１では２つの開口部１２ａ、１３ａは同じ大きさの四角形状となっている。また図１では、第１透明材料１５は、第２開口部１３ａの第２容器１３内側面にＯリング（不図示）などを介して固定されている。この固定にはネジやクリップやクランプなどの固定手段を用いればよい。

なお、第１透明材料１５は、図２のように、第１開口部１２ａの第１容器１２内側面に固定してもよいし、図３のように、第１開口部１２ａの第１容器外側面にＯリングを介して固定するとともに、第２開口部１３ａの第２容器外側面にＯリングを介して固定してもよい。また、図４のように、第１容器１２と第２容器１３との間の壁面は１枚とし、共有してもよい。つまり、第１容器１２と第２容器１３とを一体型にするということである。この場合、第１開口部１２ａと第２開口部１３ａとは１つの開口部となり、第１透明材料１５はこの開口部のどちら側に固定してもよい。

また、第１容器１２又は第２容器１３の側壁そのものを加工することもできる。この場合、第１開口部１２ａ又は第２開口部１３ａを壁面とし、その壁面を加工することになる。

第１流動性物質１４は、使用するレーザ波長に対して高い吸収率を有する物質であればよい。例えば、ピレンのアセトン溶液、ベンジルのアセトン溶液、ピレンのテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）溶液、ローダミン６Ｇのエタノール溶液、フタロシアニンのエタノール溶液などのような芳香族環を含む有機化合物の溶液、ベンゼン、トルエン、四塩化炭素などのような液体状の化合物などが挙げられる。また、ピラニン水溶液、ナフタレン誘導体水溶液、有機化合物、有機色素、無機顔料、あるいは炭素などの微粒子を分散して作った溶液や、有機化合物、有機色素、無機顔料、あるいは炭素粉末などの微粒子や微結晶で作った流動性粉体などが挙げられる。さらに、上述した物質の２種類以上を混合して作られた流動性物質も使用することができる。

これらの物質は使用するレーザ波長に対して高い吸収率を有することが必要で、例えば、第１流動性物質１４と第１透明材料１５との界面から、流動性物質内部に０．１ｍｍの深さで１０％以上の吸収率を有することが好ましい。さらに好ましくは、０．１ｍｍの深さで５０％以上の吸収率を有することである。吸収率が十分に高くない場合には、エッチングの精密化及び微細化が十分には達成されない。

第２流動性物質１６は、使用するレーザ波長に対して透明性を有する物質であればよい。例えば、上述した第１流動性物質１４の溶媒として挙げられた水、アセトン、エタノール、ＴＨＦなどを用いることができる。第２流動性物質１６は、第１流動性物質１４と混合したときに化学反応しない必要があるので、第１流動性物質１４の溶媒と同じものを用いることが望ましい。

次に、上記の透明材料加工装置１０を用いた第１透明材料１５の加工法について図１を用いて説明する。まず、第１透明材料１５を図１のように第２容器１３の開放された上面から第２容器１３内へ移動させ、第２開口部１３ａに密着させるように固定する。続いて第１流動性物質１４を第１容器１２へ、第２流動性物質１６を第２容器１３へそれぞれの上面から注入する。それぞれの流動性物質は、少なくとも第１透明材料１５の加工位置よりも上まで注ぐ。このとき気泡が混ざらないように注意する。気泡は加工の妨げとなるからである。

これで、第１流動性物質１４を第１透明材料１５の裏面に、第２流動性物質１６を第１透明材料１５の表面に接触させた状態となる。次に、第２容器１３の外側から第１透明材料１５へ向けてレーザを照射する。つまり、第１透明材料１５の表面からレーザを照射することになる。レーザの焦点は第１透明材料１５の裏面と第１流動性物質１４との接触面に合わせる。

第１透明材料１５に対するレーザの入射角は任意に設定でき、第１流動性物質１４と第１透明材料１５との接触面にレーザが到達できればよい。また、単一のレーザビームを照射するか、複数のレーザビームを同時に又は続けて照射するかは任意であり、少なくとも、１つのレーザビームが第１透明材料１５を通して第１流動性物質１４と第１透明材料１５との接触面に照射されればよい。したがって、上述したように、レーザをレンズにより集光させて直接照射する方法や、フォトマスクを介して照射する方法など、任意の方法によって行うことができる。

このようにしてレーザを照射すると、第１透明材料１５のレーザ入射側である表面では何ら変化はないが、第１流動性物質１４と接触した第１透明材料１５の面ではレーザ照射部分にのみ選択的にエッチングが行える。また、マスクパターンを通してレーザ照射することによって、線幅が数μｍの鮮明なエッチングパターンの形成も可能である。しかもエッチング部分には何ら化学的な劣化や損傷を与えない。エッチング速度はレーザ強度に依存し、エッチング工程を精密に制御できる。また、エッチングの深さは、レーザパルス数に比例して増加するので、エッチング深さを精密に制御できる。

また、作業温度としては、第１流動性物質１４の流動性が保持される温度であれば特に限定はない。さらに、エッチングの安定性を高めるための手段、例えば、第１流動性物質１４を循環する方法、あるいは、撹拌する方法などを用いてもよい。

また、上記の実施形態では、第１透明材料１５を垂直に支持して水平レーザによって加工する例を示したが、第１透明材料１５を水平に支持して、垂直方向からレーザを照射する落射方式によっても実施することができる。その際には、レーザアブレーションによって発生する気泡を継続的に除去することが望ましいので、第１透明材料１５の裏面に形成されている第１流動性物質１４を循環又は撹拌させ、さらに、第１透明材料１５の裏面への第１流動性物質１４の吹きつけを行う等の手法で気泡の影響をなくすことが望ましい。

上記の透明材料加工装置１０及び加工法によれば、多段階リソグラフィ法による多段階の工程が必要であることに比べて、一段階の処理でエッチングができる。しかも、真空雰囲気が不要である。また、レーザ誘起プラズマ法に比べて、未照射部分への損傷も避けられる。しかもレーザを直接集光する方法とマスクを通して照射する方法とのどちらでも可能である。また、低レーザ強度のためエネルギー効率が良く、エッチングできる材料の対象範囲も広くなる。さらに、低レーザ強度のためにマスクを通してパターン状のエッチングも可能で、エッチングパターンの精度は１０μｍ以下である。加えて、エッチング速度も制御でき、エッチング面の化学組成にも変化を与えないことから、本発明の加工法は微細化、精密化、高品質化できる方法であるとともに、非常に低コストであり、量産性に富む方法である。

また、上記の透明材料加工装置１０及び加工法では、貫通穴や底の薄い穴を精度良く量産することもできる。この場合も上述したように、第１透明材料１５の裏面からエッチングしていき、貫通するまでエッチングを続ければ貫通穴が得られ、貫通直前でエッチングを終了すれば底の薄い穴を得ることができる。

このエッチング工程において、従来のように第２流動性物質１６を用いない場合は、貫通間近で残肉が薄くなったとき、残肉の表裏の大気圧と第１流動性物質１４との圧力差によって残肉部分が破損するおそれがあり、破損した場合、穴周辺にクラックや欠けが生じるおそれもある。これは、貫通穴や底の薄い穴の径が大きくなるほど顕著に表れる。

それに比べて本発明のように第２流動性物質１６を第１透明材料１５の表面に接触させている場合は、貫通間近で残肉が薄くなったとき、残肉の表裏の第２流動性物質１６と第１流動性物質１４との圧力差がないので残肉部分に力がかからず、破損することもクラックや欠けが生じることもない。

このように、貫通穴や底の薄い穴を加工する場合、第２流動性物質１６を第１透明材料１５の表面に接触させることで加工精度を飛躍的に向上させることができる。なお、貫通穴や底の薄い穴の形状は、円、楕円、多角形など、任意の形状に加工できる。また、貫通穴や底の薄い穴の形状を円とした場合、その直径は０．０１ｍｍ以上であれば加工可能であり、約０．１ｍｍまでが最適に加工可能である。この大きさの穴を精度良く大量に加工できるので、例えばインクジェット用ノズルの加工に利用することができる。

次に、本発明の透明材料加工装置の他の実施形態について説明する。図５は、本発明の他の実施形態の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。この透明材料加工装置２０が図１の透明材料加工装置１０と異なる点は、第１容器１２に繋がる第１経路２１と、第２容器１３に繋がる第２経路２２と、第１経路２１に繋がる第３容器２３と、第２経路２２に繋がる第４容器２４とが設けられていることである。

図５では、第１容器１２の底面に第１経路２１である穴が形成され、第２容器１３の底面に第２経路２２である穴が形成されている。そして、第１経路２１の下方に第３容器２３が、第２経路２２の下方に第４容器２４が位置している。さらに、第１経路２１の上面には第１弁２５が、第２経路２２の上面には第２弁２６が設けられている。なお、第１容器１２及び第２容器１３は、図２〜図４のような形態を利用してもよい。

なお、第１経路２１及び第２経路２２は、管を用いてもよく、その場合、管は第１容器１２及び第２容器１３の底面に接続してもよいし、第１容器１２及び第２容器１３の底面付近の側面に接続してもよい。

第３容器２３は、第１容器１２より一回り大きく、その上面が開放されている。同様に、第４容器２４は、第２容器１３より一回り大きく、その上面が開放されている。また、第３容器２３と第４容器２４との間の壁面２７は１枚とし、共有している。つまり、第３容器２３と第４容器２４とが一体となっている。この壁面２７は、上下に折りたためるようになっており、例えば、蛇腹の樹脂を用いることができる。また、壁面２７の上端は、第１経路２１と第２経路２２の間であって、第１容器１２又は第２容器１３の底面に密着した状態で固定されている。また、第３容器２３及び第４容器２４は、第１流動性物質１４及び第２流動性物質１６によって劣化しない材料で作製されていればその材料には特に限定はない。

第１弁２５は、第１経路２１を通じて第１流動性物質１４を第１容器１２と第３容器２３との間で移動させたり、せき止めたりできればよく、同様に、第２弁２６は、第２経路２２を通じて第２流動性物質１６を第２容器１３と第４容器２４との間で移動させたり、せき止めたりできればよく、例えば、電磁弁などを用いることができる。図５では、第１弁２５及び第２弁２６は、それぞれ第１経路２１の上面又は第２経路２２の上面を覆うように設けられているが、その位置は特に限定はなく、第１経路２１又は第２経路２２の中や下面に設けてもよい。なお、弁の代わりにコックなど他のせき止め手段を用いてもよい。

次に、上記の透明材料加工装置２０を用いた第１透明材料１５の加工法について図５〜図７を用いて説明する。まず、第１透明材料１５を図５のように第２容器１３の開放された上面から第２容器１３内へ移動させ、第２開口部１３ａに密着させるように固定する。続いて第１流動性物質１４を第１容器１２へ、第２流動性物質１６を第２容器１３へそれぞれの上面から注入する。このとき第１弁２５及び第２弁２６は閉じておく。それぞれの流動性物質は、少なくとも第１透明材料１５の加工位置よりも上まで注ぐ。

次に、第２容器１３の外側から第１透明材料１５へ向けてレーザを照射する。これは、図１で説明した方法と同様であるので、ここでは説明を省略する。そして、加工が完了すると、レーザ照射を停止し、図６のように第１弁２５を開放し、第１容器１２中の第１流動性物質１４を第１経路２１を通じて第３容器２３へ落下させて収容する。同様に、第２容器１３中の第２流動性物質１６を第２経路２２を通じて第４容器２４へ落下させて収容する。その後、第１透明材料１５を取り出す。

続けて新たな第１透明材料１５を加工する場合は、この状態で第１透明材料１５を同様に取り付ける。そして、図７のように第１弁２５及び第２弁２６を開放した状態で、第３容器２３及び第４容器２４を、流動性物質がこぼれ出さないように、徐々にゆっくりと持ち上げる。これにより、第１流動性物質１４及び第２流動性物質１６は、それぞれ第３容器２３及び第４容器２４から第１経路２１及び第２経路２２を通って第１容器１２及び第２容器１３へ収容される。そして、第１流動性物質１４及び第２流動性物質１６が十分に第１容器１２及び第２容器１３へ移動したら、第１弁２５及び第２弁２６を閉じ、第３容器２３及び第４容器２４を下方へ移動させ、図５の位置まで戻す。その後、レーザ照射によって加工する。

このように、第３容器２３及び第４容器２４を用いることにより、新たな透明材料に付け替えるために、第１容器１２及び第２容器１３の上面から流動性物質を抜かなくてよいので、作業性が向上し、量産に適している。

また、第１流動性物質１４を第３容器２３へ移動させて再び第１容器１２へ戻すことにより、第１流動性物質１４を循環させることができ、大面積の透明基板を加工するときに起こりうるエッチング付近の第１流動性物質１４の劣化の影響を低減することができる。したがって、エッチングの精度を維持することができるとともに、エッチングの再現性も向上させることができる。

なお、上記の透明材料加工装置２０は、図８に示す透明材料加工装置３０のような形態としてもよい。透明材料加工装置３０は、透明材料加工装置２０から第１弁２５及び第２弁２６を省略し、少なくとも第４容器２４の側面２４ａのレーザが照射される部分が、使用するレーザ波長に対して透明性を有する構成としたものである。

この構成によれば、図８のように第１及び第２容器１２、１３と第３及び第４容器２３、２４とを重ねた状態でレーザ照射可能である。そして、第１透明材料１５を取り替える際には、図９のように第１及び第２容器１２、１３を持ち上げる。これにより、第１及び第２流動性物質１４、１６はそれぞれ第１及び第２経路２１、２２を通じて第３及び第４容器２３、２４へ移動するので、容易に第１透明材料１５を取り替えることができる。そして、第１弁２５及び第２弁２６も不要となる。

本発明において、貫通穴を加工した場合、貫通穴を通じて第１及び第２流動性物質１４、１６が互いに混ざることが考えられるが、多少混ざって第１流動性物質１４の濃度が多少薄くなったとしてもレーザの吸収率はほとんど変わらないので十分に再利用可能である。一方、第２流動性物質１４に第１流動性物質１６が多少混ざって第２流動性物質が数％の濃度になったとしてもレーザに反応する濃度にはほど遠く、レーザの焦点も透明材料の裏面にあるので、第２流動性物質１６を再利用してもレーザによって透明材料の表面が加工されてしまうことはない。したがって、貫通穴を加工する場合、第１流動性物質１４及び第２流動性物質１６は何回も再利用することができ経済的である。

次に、本発明の透明材料加工装置のさらに他の実施形態について説明する。図１０は、本発明の透明材料加工装置の模式的な側断面図である。透明材料加工装置４０は、レーザに対して励起反応性のある第１流動性物質１４を第１透明材料１５の裏面に接触させ、第１透明材料１５の表面からレーザを照射して第１透明材料１５の裏面から加工する装置である。そのため透明材料加工装置４０は、レーザ装置１１と、レーザに対して励起反応性のある第１流動性物質１４を収容する第１容器１２と、第１透明材料１５の裏面を第１流動性物質１４に接触させるために第１容器１２に設けられた第１開口部１２ａとを備えている。

そして、第２透明材料４１が第１透明材料１５の表面に密着するように接触している。第２透明材料４１は、第１透明材料１５を加工する際、加工部分が貫通間近で残肉が薄くなったときに生じる破損の防止や加工部分が貫通したときに生じる第１流動性物質１４の流出の防止のために押さえておくダミーの材料である。

第２透明材料４１としては、使用するレーザ波長に対して透明性があればよい。例えば、第１透明材料１５で例示した材料やゲルを用いることができる。ゲルとしては、シリコーンを主成分とするアルファゲル（ジェルテック社製）などが挙げられる。第２透明材料４１の形態は、第１透明材料１５に密着させるため、第１透明材料１５の形態に沿った形態であれば、図１０で示した基板状の他にも、容器状、管状など任意の形状でよい。そして、少なくとも加工部分を覆う大きさであればよい。また、第２透明材料４１の厚みは、約１０μｍ〜数ｍｍのものを用いることができる。なお、第２透明材料４１として第１透明材料１５そのものを用いれば、ダミーとして用いた第２透明材料４１を、後で第１透明材料１５として利用することができ無駄がでない。

そして、エッチングを行うためのレーザ強度は、レーザ波長に対する第１流動性物質１４の吸収によって異なるが、０．０１〜１００Ｊ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅが好ましい。さらに好ましくは、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅである。レーザ強度が弱すぎるとエッチングが起こらず、強すぎると第１透明材料１５に損傷を与える。

第１透明材料１５は、第１開口部１２ａの第１容器１２外側面にＯリング（不図示）などを介して固定されている。そして、第２透明材料４１が第１透明材料１５に密着している。第１透明材料１５及び第２透明材料４１の固定にはネジやクリップやクランプなどの固定手段を用いればよい。

なお、第１透明材料１５及び第２透明材料４１は、図１１のように、第１開口部１２ａの内側面に固定してもよい。また、第１容器１２の側壁そのものを加工することもできる。この場合、第１開口部１２ａを壁面とし、その壁面を加工することになる。

次に、上記の透明材料加工装置４０を用いた第１透明材料１５の加工法について図１０を用いて説明する。まず、第１透明材料１５を第１開口部１２ａに密着させるように固定する。続いて第２透明材料４１を第１透明材料１５の表面側に密着させるように固定する。そして第１流動性物質１４を第１容器１２へその上面から注入する。第１流動性物質１４は、少なくとも第１透明材料１５の加工位置よりも上まで注ぐ。このとき気泡が混ざらないように注意する。気泡は加工の妨げとなるからである。

これで、第１流動性物質１４を第１透明材料１５の裏面に、第２透明材料４１を第１透明材料１５の表面に接触させた状態となる。次に、第２透明材料４１の表面側からレーザを照射する。つまり、第１透明材料１５の表面からレーザを照射することになる。レーザの焦点は第１透明材料１５の裏面と第１流動性物質１４との接触面に合わせる。

第１透明材料１５及び第２透明材料４１に対するレーザの入射角は任意に設定でき、第１流動性物質１４と第１透明材料１５との接触面にレーザが到達できればよい。また、単一のレーザビームを照射するか、複数のレーザビームを同時に又は続けて照射するかは任意であり、少なくとも、１つのレーザビームが第１流動性物質１４と第１透明材料１５との接触面に照射されればよい。したがって、上述したように、レーザをレンズにより集光させて直接照射する方法や、フォトマスクを介して照射する方法など、任意の方法によって行うことができる。

このような透明材料加工装置の具体例を図１２に示す。図１２の透明材料加工装置５０では、レーザは、レーザ光源系１７から水平方向に発振され、反射鏡４２で直角に反射させて鉛直上方へ導き、走査光学系１８で整形され、第２透明材料４１の下側から入射して第１透明材料１５の上側に透過し、第１流動性物質１４に吸収される構成となっている。

ここで第１容器１２’は、直方体の１面が開放された開放面を有する形状となっている。この開放面から第１流動性物質１４の入れ替えを行い、開放面の端部を第１透明材料１５にＯリング（不図示）などを介して固定することで第１流動性物質１４の漏れを防止し、第１透明材料１５を下に向けた状態で透明材料加工装置１０に取り付ける。そして、第２透明材料４１を第１透明材料１５に密着させる。第１透明材料１５及び第２透明材料４１の固定にはネジやクリップやクランプなどの固定手段を用いればよい。

上記の透明材料加工装置５０を用いた第１透明材料１５の加工法について図１２を用いて説明する。まず、第１容器１２’に第１流動性物質１４を注入し、第１容器１２’の開放面に第１透明材料１５及び第２透明材料４１を取り付ける。そして、第１透明材料１５及び第２透明材料４１が下向きになるように第１容器１２’を上下逆さまにし、走査光学系１８の上方の所定位置に取り付ける。このとき、第１流動性物質１４に気泡が混ざらないように注意する。気泡は加工の妨げとなるからである。

これで、第１流動性物質１４を第１透明材料１５の裏面に接触させた状態となる。次に、第２透明材料４１の下側からレーザを照射する。つまり、第１透明材料１５の表面からレーザを照射することになる。レーザの焦点は第１透明材料１５の裏面と第１流動性物質１４との接触面に合わせる。このような透明材料加工装置５０によっても本発明の加工法を実現することができる。

また、接着剤を用いて第２透明材料４１を第１透明材料１５に接着する構成としてもよい。図１３は、その透明材料加工装置６０の模式的な側断面図である。なお、この構成は図１１や図１２の装置にももちろん適用できる。この透明材料加工装置６０が図１０の透明材料加工装置４０と異なる点は、第２透明材料４１と第１透明材料１５を接着する接着剤４３を設け、第２透明材料４１を固定するクランプなどの固定手段を省略した点である。なお、接着剤４３は、少なくとも加工部分に設ければよい。

接着剤４３としては、第２透明材料４１と第１透明材料１５を接着でき、使用するレーザ波長に対して透明性があればよい。さらに、分離が容易であることが望ましい。例えば、エンチオール樹脂系紫外線硬化型接着剤であるハードロックＯＰ（電気化学工業株式会社製）やアクリル系紫外線硬化型接着剤であるハードロックＵＶ（電気化学工業株式会社製）やポリビニルブチラール樹脂系接着剤などを用いることができる。また、接着剤４３の厚みは、数μｍ〜数ｍｍとすることができる。

次に、上記の透明材料加工装置６０を用いた第１透明材料１５の加工法について図１３を用いて説明する。まず、第２透明材料４１又は／及び第１透明材料１５に接着剤４３を塗布し、第１透明材料１５と第２透明材料４１とを接着する。続いて、第１透明材料１５を第１開口部１２ａに密着させるように固定する。これ以降の加工法は上述した透明材料加工装置４０の場合と同様であるので説明を省略する。

加工後は、接着された状態の第２透明材料４１及び第１透明材料１５を透明材料加工装置６０から取り外し、接着剤４３の種類と第１及び第２透明材料１６、１７の材質とに応じた適切な手法で第２透明材料４１と第１透明材料１５を分離する。分離の手法としては、例えば、接着剤４３を有機溶剤で溶かしたり、接着剤４３を高温で燃焼させたり、接着剤４３をプラズマ照射で昇華させたりするなどの手法がある。

このように、接着剤を用いて第２透明材料４１を第１透明材料１５に接着することにより、第２透明材料４１を透明材料加工装置３０に固定するための固定手段が不要となり、装置を簡略化できるとともに着脱作業も簡略化される。また、接着剤４３による固定はクランプなどによる固定よりも安定しているため、第２透明材料４１及び第１透明材料１５が大面積である場合に最適な手法である。

上記の透明材料加工装置４０、５０、６０及び加工法によれば、多段階リソグラフィ法による多段階の工程が必要であることに比べて、一段階の処理でエッチングができる。しかも、真空雰囲気が不要である。また、レーザ誘起プラズマ法に比べて、未照射部分への損傷も避けられる。しかもレーザを直接集光する方法とマスクを通して照射する方法とのどちらでも可能である。

また、低レーザ強度のためエネルギー効率が良く、エッチングできる材料の対象範囲も広くなる。さらに、低レーザ強度のためにマスクを通してパターン状のエッチングも可能で、エッチングパターンの精度は１０μｍ以下である。加えて、エッチング速度も制御でき、エッチング面の化学組成にも変化を与えないことから、本発明の加工法は微細化、精密化、高品質化できる方法であるとともに、非常に低コストであり、量産性に富む方法である。

また、上記の透明材料加工装置４０、５０、６０及び加工法では、貫通穴や底の薄い穴を精度良く量産することもできる。この場合も上述したように、第１透明材料１５の裏面からエッチングしていき、第２透明材料４１が一部エッチングされるまでエッチングを続ければ貫通穴が得られ、貫通直前でエッチングを終了すれば底の薄い穴を得ることができる。

このエッチング工程において、従来のように第２透明材料４１を用いない場合は、貫通間近で残肉が薄くなったとき、残肉の表裏の大気圧と第１流動性物質１４との圧力差によって残肉部分が破損するおそれがあり、破損した場合、穴周辺にクラックや欠けが生じるおそれもある。これは、貫通穴や底の薄い穴の径が大きくなるほど顕著に表れる。

それに比べて本発明のように、第２透明材料４１を第１透明材料１５の表面に接触させている場合は、貫通間近で残肉が薄くなったときでも第２透明材料４１が残肉を押さえているので、第１流動性物質１４の圧力によって残肉部分が破損することもクラックや欠けが生じることもない。

また、従来のように第２透明材料４１を用いない場合は、貫通穴を開けると第１流動性物質１４が流出することになる。そして、流出した第１流動性物質１４は、装置の光源系や駆動系に重大なダメージを与えるおそれがある。それに比べて本発明のように、第２透明材料４１を第１透明材料１５の表面に接触させている場合は、第１透明材料１５が貫通したときでも第２透明材料４１がその貫通穴を封止するので、第１流動性物質１４が流出することがない。

このように、貫通穴や底の薄い穴を加工する場合、第２透明材料４１を第１透明材料１５の表面に接触させることで加工精度を飛躍的に向上させることができるとともに、光源系や駆動系へのダメージを防止することができる。なお、貫通穴や底の薄い穴の形状は、円、楕円、多角形など、任意の形状に加工できる。また、貫通穴や底の薄い穴の形状を円とした場合、その直径は０．０１ｍｍ以上であれば加工可能であり、約０．１ｍｍまでが最適に加工可能である。この大きさの穴を精度良く大量に加工できるので、例えばインクジェット用ノズルの加工に利用することができる。

本発明による貫通穴の加工は、インクジェット用ノズルの加工などに利用することができる。また、本発明の加工は、マイクロレンズアレイ、回折格子、光導波路、発光素子、回折素子（ＤＯＥ）、フェーズマスク、フォトニック素子、液晶配向基板、などの光学素子の加工やＤＮＡチップ基板、マイクロリアクター反応容器、マイクロ分析セル、センサー基板などの化学・環境・バイオ・医療用材料の調製、極微小マーキング、微小電気回路素子などの産業応用材料のように様々な応用が可能である。

Claims

レーザ波長に対して吸収率を有する液である第１流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、前記透明材料の表面からレーザを照射して前記透明材料の裏面から加工する透明材料加工法において、
前記レーザ波長に対して透明性を有する液である第２流動性物質を前記透明材料の表面に接触させ、前記透明材料の加工面を略鉛直に配し、前記レーザの加工点での前記透明材料両面の圧力差をなくすように前記第１及び第２の流動性物質を配した状態で、前記第２流動性物質を介して前記レーザを照射して前記透明材料の裏面から加工し、前記透明材料に貫通穴を形成し、
前記第１流動性物質と前記第２流動性物質は、それぞれ容器に収容されていることを特徴とする透明材料加工法。
前記第２流動性物質が、水、アセトン、エタノール又はＴＨＦであることを特徴とする請求項１記載の透明材料加工法。
第１及び第２流動性物質はそれぞれ第１及び第２容器に収容され、少なくとも第２容器は前記レーザを透過す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法。
前記透明材料の加工後、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第１及び第２経路を通って第３及び第４容器に収容され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法。
前記透明材料の加工前、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第３及び第４容器から第１及び第２経路を通って第１及び第２容器へ収容されることを特徴とする請求項４記載の透明材料加工法。
レーザ波長に対して吸収率を有する液である第１流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、該透明材料の表面からレーザを照射して該透明材料の裏面から加工する透明材料加工装置において、
第１流動性物質を収容する第１容器と、
前記レーザ波長に対して透明性を有する液である第２流動性物質を収容する第２容器とを備え、
前記透明材料の裏面を前記第１流動性物質に接触させるとともに、前記透明材料の表面を前記第２流動性物質に接触させ、前記透明材料の加工面を略鉛直に配し、前記レーザの加工点での前記透明材料両面の圧力差をなくすように前記第１及び第２の流動性物質を配した状態で、前記第２流動性物質を介して前記レーザを照射して前記透明材料の裏面から加工し、前記透明材料に貫通穴を形成することを特徴とする透明材料加工装置。
第１流動性物質が溶液であり、第２流動性物質は、第１流動性物質の溶媒と同じであることを特徴とする請求項６記載の透明材料加工装置。
前記溶媒が、水、アセトン、エタノール又はＴＨＦであることを特徴とする請求項７記載の透明材料加工装置。
少なくとも第２容器は前記レーザを透過することを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載の透明材料加工装置。
第３容器と、
第４容器と、
第１及び第３容器を繋ぐ第１経路と、
第２及び第４容器を繋ぐ第２経路とを備え、
前記透明材料の加工後、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第１及び第２経路を通って第３及び第４容器に収容されることを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載の透明材料加工装置。
前記透明材料の加工前、第１及び第２流動性物質は、それぞれ第３及び第４容器から第１及び第２経路を通って第１及び第２容器へ収容されることを特徴とする請求項１０記載の透明材料加工装置。