(57)【要約】【課題】ガラス基板表面に凹部を形成し、高精度で高アスペクト比の微細な凹凸部パターンを容易に形成できる微細加工方法および凹凸部パターンを有するガラス基板を提供する。【解決手段】表面が平滑なガラス基板表面をパターン状にエッチングして凹凸部パターンを形成するガラス基板の微細加工方法であって、前記ガラス基板表面をエッチングして凹凸部パターンの凹部を所定の深さよりも浅く形成するとともに、前記ガラス基板表面の非エッチング部を凸部となし、次に、前記凸部に表面平滑で平坦な平面状の圧子を密着させ、前記圧子に圧力を印加して前記凸部に圧縮層を形成し、次いで、前記圧子を取り除き、前記圧縮層と前記圧縮層以外の非圧縮層とでエッチング速度が異なる酸性のエッチング液で前記ガラス基板をエッチングし、前記ガラス基板表面に所定の深さの凹部を有する凹凸部パターンを形成することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が平滑なガラス基板表面をパターン状にエッチングして凹凸部パターンを形成するガラス基板の微細加工方法であって、
前記ガラス基板表面をエッチングして凹凸部パターンの凹部を所定の深さよりも浅く形成するとともに、前記ガラス基板表面の非エッチング部を凸部となし、
次に、前記凸部に表面平滑で平坦な平面状の圧子を密着させ、前記圧子に圧力を印加して前記凸部に圧縮層を形成し、
次いで、前記圧子を取り除き、前記圧縮層と前記圧縮層以外の非圧縮層とでエッチング速度が異なる酸性のエッチング液で前記ガラス基板をエッチングし、
前記ガラス基板表面に所定の深さの凹部を有する凹凸部パターンを形成することを特徴とするガラス基板の微細加工方法。
【請求項２】
前記所定の深さよりも浅く形成した凹凸部パターンの凹部が、前記ガラス基板表面にレジスト膜を設けて所定のパターン状に選択露光し、現像してレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとして前記ガラス基板をエッチングして形成したものであることを特徴とする請求項１に記載のガラス基板の微細加工方法。
【請求項３】
前記エッチング速度が異なる酸性のエッチング液が、フッ酸を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガラス基板の微細加工方法。
【請求項４】
前記ガラス基板を前記酸性のエッチング液でエッチングした後に、アルカリ性溶液でエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法。
【請求項５】
前記所定の深さよりも浅く形成した凹凸部パターンの凹部が、ガラス基板表面より深さ０．０１μｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法。
【請求項６】
前記圧縮層が、ガラス基板表面から深さ０．０２μｍ以上で２０μｍ以内までの領域に存在することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法で製造され、凹凸部パターンの凸部表面が平滑であることを特徴とする凹凸部パターンを有するガラス基板。
【請求項８】
前記凹凸部パターンの凸部のアスペクト比が、０．５〜３の範囲であることを特徴とする請求項７に記載の凹凸部パターンを有するガラス基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板の微細加工方法に関するものであり、特にガラス基板表面に凹部を形成して高アスペクト比の微細な凹凸部パターンを形成するガラス基板の微細加工方法および凹凸部パターンを有するガラス基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディスプレイパネル、光導波路、光学素子、ＭＥＭＳ、ナノインプリント用モールドなどの分野で、ガラス基板表面を微細加工してナノメータからサブミクロンメータの寸法を有する微細な凹凸部パターンを形成する加工技術が要求されるようになり、特に、パターンの微細化の進展に従って高アスペクト比のパターンが求められるようになっている。
【０００３】
ガラス基板表面を微細加工して凹凸部パターンを形成する技術としては、半導体プロセスを用いた一般的なフォトリソグラフィ法や、ガラス基板の最表面にフッ素を添加した酸化シリコン層を形成することでエッチング速度をガラス基板の厚さ方向で変化させる方法（特許文献１参照）や、ガラス基板の表面に圧子を押圧して基板表面に応力を残留させた圧縮層を形成し、この圧縮層とそれ以外の部分とのエッチング速度の差異を利用してガラス基板表面に所望のパターンの溝を形成する方法（例えば、特許文献２、特許文献３参照）が知られている。
【０００４】
図２は、特許文献２に記載されたガラス基板の加工方法であり、鋭利な圧子２２によりガラス基板２１を圧縮してガラス基板表面に微細な圧縮層２４を形成し、その後ウェットエッチングすることにより、圧縮層２４とそれ以外の部分である非圧縮層２６とのエッチングレートの違いを利用してパターン形成する方法である。
【特許文献１】特開２００２−０３０４４０号公報
【特許文献２】特開２００２−１６０９４３号公報
【特許文献３】特開２００５−２３０６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、フォトリソグラフィ法では半導体技術をそのまま応用できるため、微細加工が可能であるものの、ドライエッチングではエッチング加工時間が長いために有機レジストが損傷してしまうので、レジストを繰り返し塗布したり、耐ドライエッチング性の金属層をガラス基板とレジストの間に設けることが必要で、加工工程が長く煩雑になるという問題があり、一方、ウェットエツチングではサイドエッチングのために高精細でアスペクト比の高い凹凸部パターンを形成するのは困難であるという問題があった。
【０００６】
さらに、ウェットエツチングにおいては、フッ酸のような等方的にエッチングが進行するエッチング液を用いてガラス基板をエッチングすると、エッチングにより形成した凹部の開口端に鋭角なエッジ形状を持つ逆テーパー部分が発生し、エッヂ部のカケや、他の部品との組み合わせにおいて不具合が発生するおそれがあるという問題があった。
【０００７】
また、特許文献１に記載の方法は、高価な真空装置を用いてガラス基板の被加工面に特定の材料を成膜する必要があり、特定の材料を用いたガラス基板の微細加工であり、汎用性に欠ける特殊な方法であるという問題があった。
【０００８】
特許文献２に記載の方法は、圧子は針状の形状で、所望のパターンを得るには複数回の圧縮工程が必要となり、圧子を走査しても一筆書きなので加工効率が悪いという問題があった。複数の圧子を用意すれば、加工効率をあげることができるが、装置が複雑になったり、汎用的でなくなるという問題があった。
【０００９】
また、特許文献３に記載の方法は、形成するパターンと同サイズの圧子を複数用意する必要があり、各々のパターン間の位置合わせ精度が問題となり、高精細のパターン形成には不向きであり、さらにパターンごとに金型となる圧子を作製しなければならず、ガラス基板の加工コストが増大してしまうという問題があった。
【００１０】
さらに、特許文献２および特許文献３に記載の方法は、いずれもガラス基板表面を鋭利なバイトやカミソリ刃などの圧子で押圧するために、ガラス表面に傷を残してしまったり、ガラス表面の平滑性を損なうという問題があった。
【００１１】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ガラス基板表面に凹部を形成し、高精度で高アスペクト比の微細な凹凸部パターンを容易に形成できる微細加工方法、および凹凸部パターンを有するガラス基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係るガラス基板の微細加工方法は、表面が平滑なガラス基板表面をパターン状にエッチングして凹凸部パターンを形成するガラス基板の微細加工方法であって、前記ガラス基板表面をエッチングして凹凸部パターンの凹部を所定の深さよりも浅く形成するとともに、前記ガラス基板表面の非エッチング部を凸部となし、次に、前記凸部に表面平滑で平坦な平面状の圧子を密着させ、前記圧子に圧力を印加して前記凸部に圧縮層を形成し、次いで、前記圧子を取り除き、前記圧縮層と前記圧縮層以外の非圧縮層とでエッチング速度が異なる酸性のエッチング液で前記ガラス基板をエッチングし、前記ガラス基板表面に所定の深さの凹部を有する凹凸部パターンを形成することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明に係るガラス基板の微細加工方法は、請求項１に記載のガラス基板の微細加工方法において、前記所定の深さよりも浅く形成した凹凸部パターンの凹部が、前記ガラス基板表面にレジスト膜を設けて所定のパターン状に選択露光し、現像してレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとして前記ガラス基板をエッチングして形成したものであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の発明に係るガラス基板の微細加工方法は、請求項１または請求項２に記載のガラス基板の微細加工方法において、前記エッチング速度が異なる酸性のエッチング液が、フッ酸を含むことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明に係るガラス基板の微細加工方法は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法において、前記ガラス基板を前記酸性のエッチング液でエッチングした後に、アルカリ性溶液でエッチングする工程を含むことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５の発明に係るガラス基板の微細加工方法は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法において、前記所定の深さよりも浅く形成した凹凸部パターンの凹部が、ガラス基板表面より深さ０．０１μｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の発明に係るガラス基板の微細加工方法は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法において、前記圧縮層が、ガラス基板表面から深さ０．０２μｍ以上で２０μｍ以内までの領域に存在することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７の発明に係る凹凸部パターンを有するガラス基板は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のガラス基板の微細加工方法で製造され、凹凸部パターンの凸部表面が平滑であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８の発明に係る凹凸部パターンを有するガラス基板は、請求項７に記載の凹凸部パターンを有するガラス基板において、前記凹凸部パターンの凸部のアスペクト比が、０．５〜３の範囲であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のガラス基板の微細加工方法は、ガラス基板表面を予め所定の形状にパターニングして浅い凹部を形成した基板に、平坦な平面状の圧子を押し付けることにより、凹凸部パターンの凸部のみを選択的に圧縮して凸部に圧縮層を形成し、未圧縮の凹部に比べ、凸部はエッチング速度が遅くなる。その後、ウェツトエッチングを行えば、凸部と凹部で高い選択比が得られ、ガラス基板表面に高精度で高アスペクト比の任意の微細凹凸パターンを容易に得ることができるという効果を奏する。
【００２１】
本発明のガラス基板の微細加工方法は、圧子にパターンを形成する必要が無く、金型としての使用が無いため、圧子は種々のパターン形成に対応することが可能となり、ガラス基板への凹凸パターン形成の製造コストが低減できる。
【００２２】
本発明のガラス基板の微細加工方法により製造された本発明の凹凸部パターンを有するガラス基板は、凸部表面がガラス基板の最初の状態のままで保持されるために、凸部表面が平滑であり、ガラス基板による高精度の微細な凹凸パターンを設けた高品質の製品を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るガラス基板の微細加工方法について詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明のガラス基板の微細加工方法の工程の一実施形態を示す部分断面模式図である。
図１（ａ）に示すように、ガラス基板１１の一主面上にレジスト膜を設けて、所定のパターン状に選択露光し、現像してレジストパターン１２を形成する。次に、ガラス基板１１をエッチングし、所定の深さよりも浅い凹部１３を形成する。このとき、非エッチング部は凸部１４として残る（図１（ｂ））。
【００２５】
上記の浅い凹部１３の形成には、サンドブラスト法など他の方法の適用も可能であるが、微細加工性に優れたエッチング法が好ましい。
【００２６】
本発明で用いられるガラス基板１１としては、アルミノシリケートガラス、ボロシリケートガラス、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、合成石英ガラスなどからなるガラス基板が用いられ、特にアルミノシリケートガラスはガラス成分の酸化アルミニウムが酸性エッチング液に溶解し易いのでより好ましい。
【００２７】
上記のレジストパターン１２の形成には従来公知のリソグラフィ方法を用いることができるが、微細パターンを形成する点からは電子線リソグラフィが好適である。
また、ガラス基板１１を目標とする所定の深さよりも浅くエッチングするエッチング方法としては、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれも用いることができるが、微細パターンを形成する点からはドライエッチングがより好ましい。ガラス基板１１のドライエッチングとしては、ＣＦ4 、ＣＨＦ3 、Ｃ2 Ｆ6などのフッ素系ガス、あるいはこれらの混合ガスをエツチングガスとして用いることによりドライエッチングを行うことができる。
【００２８】
本発明において、目標とする所定の深さよりも浅く形成した凹凸部パターンの凹部は、ガラス基板表面より深さ０．０１μｍ〜１μｍの範囲であることが好ましい。エッチングした凹部の深さが０．０１μｍ未満では、次工程で圧子と密着させる際に、パターンの種類によっては凹部が圧子と接触してしまうおそれを生じ、一方、凹部の深さが１μｍを超えると、ドライエッチングではエッチング時間が長くかかりすぎ、またレジストの損傷も大きくなってパターン欠陥を生じ、製造上好ましくないからである。
【００２９】
次に、図１（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の凸部１４に表面平滑で平坦な平面状の圧子１５を密着させ、圧子１５に圧力１６を印加し、凸部１４に圧縮応力を付与し、凸部にガラスの圧縮層を形成する。図１（ｄ）は、圧子１５を取り除いたガラス基板１１の状態を示す断面模式図で、ガラス基板１１の凸部のみに選択的にガラスの圧縮層１７が形成される。
【００３０】
本発明において、圧子１５はガラス基板１１と密着させて圧力を印加してガラス基板１１の凸部１４に圧縮層を形成するので、圧子１５の硬度はガラス基板１１の硬度よりも大きいことが必要であり、圧子１５の材料としては、例えば超硬合金などが用いられ、少なくともガラス基板１１と接する側は表面平滑で平坦な面が求められる。
圧子１５の外形は加圧するガラス基板１１の凸部１４を覆う大きさであれば特に限定されないが、通常、直方体形あるいは円柱体形が用いられ、その厚さはガラス基板１１を加圧したときに変形しない厚みがあればよい。
【００３１】
圧子１５を加圧する圧力としては、 圧子１５とガラス基板１１の接触面積にもよるが 、０．３ＭＰａ〜４ＧＰａの範囲が好ましい。 圧力が０．３ＭＰａ未満ではガラス基板１１の凸部１４に圧縮層１７を形成するのに不十分であり、一方、圧力が４ＧＰａを超えるとガラス基板１１に歪みやクラックを生じるからである。
【００３２】
上記の圧縮層１７は、ガラス基板１１表面から深さ０．０２μｍ以上で２０μｍ以内までの領域に存在するように加圧して形成するのが好ましい。圧縮層１７の深さが上記の範囲内であれば、酸性エッチングによりガラス基板１１をエッチングするときに、凸部の圧縮層１７と浅い凹部１３を含む圧縮層以外の非圧縮層とでエッチング速度に差を生じさせ、微細パターンを形成するのが容易になる。圧縮層１７の深さが深さ０．０２μｍ未満では、酸性エッチングによりガラス基板をエッチングするときに不十分であり、一方、深さ２０μｍを超える領域まで圧縮層を形成するには相当な加圧を要するためにガラス基板に歪やクラックを生じて好ましくないからである。
【００３３】
次いで、上記の浅い凹部１３と凸部に選択的に圧縮層１７が形成されたガラス基板１１を、圧縮層１７と浅い凹部１３を含む圧縮層以外の非圧縮層とでエッチング速度が異なるエッチング液でガラス基板１１をエッチングし、図１（ｅ）に示すように、浅い凹部１３を深くエッチングする。図１（ｅ）では、ガラス材質とエッチング液との関係で、凹部の底面に変質層１８が生じている場合を例示している。
【００３４】
本発明で用いられるエッチング液としては、ガラス基板から酸化アルミニウムなどの成分を容易に溶出させるために酸性のエッチング液が使用され、このようなエッチング液として、フッ酸を含む酸性のエッチング液が用いられ、フッ酸の濃度は０．０５重量％以上の水溶液として使用される。本発明において、フッ酸を含む酸性のエッチング液としては、水溶液にしたときにフッ酸を生じる化合物であれば、ＨＦ以外に、ＮＨ4ＦあるいはＨＢＦ4を用いることもできる。
【００３５】
また、上記の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、リンゴ酸及びクエン酸の中から選ばれる少なくとも一種が添加されたものを使用することができる。
【００３６】
上記のように、酸性エッチング液でエッチング処理を行うと、ガラスを構成する成分の一部がエッチング液に溶出し、凹部底面などのガラス基板のエッチング面に二酸化シリコンの骨格が残った変質層１８として形成されることがある（図１（ｅ））。そのため上記の酸性エッチング液でのエッチング処理の後、アルカリ性溶液でさらにエッチング処理することにより、上記の変質層１８を選択的にエッチング除去することができる。
【００３７】
変質層１８をエッチング除去するアルカリ性溶液としては、特に限定されないが、例えば、ＮａＯＨ、ＫＯＨあるいはＮＨ3の水溶液が用いられる。
【００３８】
上記のように、変質層１８を除去し、図１（ｆ）に示すように、ガラス基板１１に所定の深さの凹部１９を有する凹凸部パターンを形成した基板１０が得られる。
【００３９】
本発明のガラス基板の微細加工方法により製造された凹凸部パターンを有するガラス基板は、凸部表面を鋭利なバイトなどで押圧することが無いために、凸部表面はガラス基板の最初の平滑な状態が保持されて平滑であり、ガラス基板による高精度の微細な凹凸パターンを設けた高品質の製品を得ることが可能となる。
【００４０】
本発明のガラス基板の微細加工方法で製造されたガラス基板は、アスペクト比の高い凹凸部パターンを形成することが可能であり、電子線などのリソグラフィ技術の微細化の利点を生かしてガラスを微細加工することができ、特別の形状をした金型は不要であり、パターンに応じて微細加工することができる。得られる凹凸パターンのアスペクト比は所望するパターンにより異なるが、例えば、上記のガラス基板の微細加工方法で製造された凹凸部パターンの凸部のアスペクト比が、０．５〜３の範囲であることが好ましい。アスペクト比が０．５未満では従来の方法でも可能であり、一方、アスペクト比が３を超えるとパターン精度の維持が難しくなってくるからである。
【００４１】
本発明のガラス基板の微細加工方法は、ナノメータからサブミクロンメータの寸法の高アスペクト比の微細パターンが必要とされるディスプレイパネル、光導波路、光学素子、ＭＥＭＳ、ナノインプリント用モールドなどの分野に用いられ、高精度で高アスペクト比の微細な凹凸部パターンを有するガラス基板を得ることができる。
以下、実施例を用いて、本発明をさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００４２】
アルミノシリケートガラス基板上に、電子線レジストＺＥＰ７０００（ゼオン社製）を３００ｎｍの膜厚で塗布し、電子線描画を行った。次にＺＥＰ７０００用現像液で上記レジスト膜の現像を行い、ピッチ１μｍ、高さ２８０ｎｍのライン＆スペースのレジストパターンを得た。続いて、リアクティブイオンエッチング装置を用い、ＣＦ4ガスで、上記レジストパターンを形成したガラス基板表面をドライエッチングし、パターンをガラス基板に転写して、ピッチ１μｍの凹凸部パターンで、凹部の深さ約２００ｎｍのライン＆スペースのガラス基板を得た。
【００４３】
次に、上記凹凸部パターンを有するガラス基板の凸部に、表面平滑で平坦な面を持つ超硬合金製の直方体形状の圧子を密着させ、１ＭＰａの圧力で２０秒間加圧した。これによりガラス基板の凸部にのみ圧縮層が形成された。次に、圧子を取り除いた後、上記のガラス基板を濃度０．０２５vol％のフッ酸水溶液に浸漬してエッチングし、その後ｐＨ１２のアルカリ性エッチング液に浸漬し、フッ酸エッチングで生じた変質層をエッチング除去した。
得られたガラス基板のパターン形状をＡＦＭ(Atomic Force Microscope)で確認すると、ピッチ１μｍ、凹部の深さ４００ｎｍの凹凸部のライン＆スペースパターン（凸部のアスペクト比０．８）を有するガラス基板が得られていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のガラス基板の微細加工方法の工程の一実施形態を示す部分断面模式図である。
【図２】従来のガラス基板の微細加工方法を説明するための部分断面模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１  ガラス基板
１２  レジスト
１３  浅い凹部
１４  凸部
１５  圧子
１６  圧力
１７  圧縮層
１８  変質層
１９  凹部
１０  凹凸部パターンを有するガラス基板
２１  ガラス基板
２２  圧子
２３  窪み部
２４  圧縮層
２５  微小凸部
２６  非圧縮層
２７  変質層
【図１】
2010047427.tif 000003
【図２】
2010047427.tif 000004