(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーアブレーションによりガラス基板上に微細構造を形成する方法において、
−  ガラス基板の表面上にレーザー源のビームを方向づけ、前記ガラス基板の表面を横切って前記ビームを横行させ、こうして前記ビームが前記ガラス基板を横切って横行されるとき前記ガラス基板の表面上で前記ビームのスポット部域が第１のパターンを形成し、前記ガラスが前記第１のパターンに沿って前記ガラス基板からアブレートされるようになっているステップと；
−  前記ガラス基板の表面上に前記レーザー源のビームを方向づけ、前記ガラス基板の表面を横切って前記ビームを横行させ、こうして前記ビームが前記ガラス基板を横切って横行するとき前記ガラス基板の表面上で前記ビームのスポット部域が第２のまたは後続するパターンを形成し、その際前記第２のまたは後続するパターンは前記第１のパターンと重複するかまたは交差しており、かつガラスが前記第２のまたは後続するパターンに沿って前記ガラス基板からアブレートされて前記ガラス基板上に少なくとも１つの微細構造を形成するようになっているステップと、
を含み、
−  前記レーザー源のビームが、複数のレーザーパルスを含み、前記第１のパターンが第１の複数のレーザーパルスを含み、ここで前記第１の複数のレーザーパルス内の各レーザーパルスのスポット部域が、先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と重複し、
−  前記第２のまたは後続するパターンが第２のまたは後続する複数のレーザーパルスを含み、ここでレーザーパルスの前記第２のまたは後続するパターン内の各レーザーパルスのスポット部域が、先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と重複し、
−  前記第１のパターンが、重複するスポット部域の線形パターンを含み、前記第２のまたは後続するパターンが、前記第１のパターンと実質的に平行でかつ前記第１のパターンと重複する重複スポット部域の線形パターンを含み、こうして前記ガラス基板上に形成された前記少なくとも１つの微細構造は複数のテーパー付き微細構造キャビティであるようになっており、ここで前記複数のテーパー付き微細構造キャビティ内の各テーパー付き微細構造キャビティは前記第１のパターン内のレーザーパルスのスポット部域、前記第２のパターン内のレーザーパルスのスポット部域またはその両方の直径よりも小さい直径を有する開口部を有していることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１のパターンが平行線のセットを含み、前記第２のまたは後続するパターンが平行線のセットを含み、前記第１のパターンの平行線セットが前記第２のまたは後続するパターンの平行線セットと平行ではなく、このため、前記ガラス基板上に形成された少なくとも１つの微細構造が、前記第１のパターンの平行線セットと前記第２のまたは後続するパターンの平行線セットとの交点間のすき間において前記ガラス基板上に形成される微細構造ピラーパターンを含むようになっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のパターンの平行線セットが前記第２のまたは後続するパターンの平行線セットに対し垂直であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のパターンの平行線セットのピッチおよび前記第２のまたは後続するパターンの平行線セットのピッチが、前記微細構造ピラーの規則的パターン内の微細構造ピラーの所望の寸法に基づいて選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のパターンが中心点を中心とした放射状パターンを含み、前記第２のまたは後続するパターンが前記第１のパターンと重複する中心点を中心とした放射状パターンを含み、こうして、前記少なくとも１つの微細構造が、前記中心点を中心とした円形微細構造ピラーまたは円形微細構造キャビティであるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ガラス基板内に微細構造キャビティを形成する方法において、
−  ガラス基板上に第１のレーザーパルスを方向づけ、こうしてテーパー形状を有する第１の微細構造キャビティが前記ガラス基板内に形成されるステップであって、前記第１のレーザーパルスが前記基板の表面上に第１のスポット部域を有しているステップと；
−  前記ガラス基板上に第２のスポット部域を有する第２のレーザーパルスを方向づけ、こうして前記第２のスポット部域が前記第１のスポット部域と重複して、テーパー形状を有する第２の微細構造キャビティが前記ガラス基板内に形成されるステップであって、前記第２のスポット部域は前記基板の表面上の前記第１のスポット部域と実質的に同じであり、前記第１のスポット部域上に前記第２のスポット部域を重複させることで、前記第１の微細構造キャビティと前記第２の微細構造キャビティとの間に作られた側壁の一部分がアブレートされ、こうして前記側壁の一部分がアブレートされた後、前記第１のキャビティの開口部の直径と前記第２のキャビティの開口部の直径が、前記第１のスポット部域の直径および／または前記第２のスポット部域の直径よりも小さくなっているステップと；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記ガラス基板の表面上に複数のレーザーパルスを方向づけ、こうして前記複数のレーザーパルス内の各レーザーパルスのスポット部域が、先行するレーザーパルス、後続するレーザーパルスまたはその両方のスポット部域と重複するようになっているステップをさらに含み、ここで少なくとも１つのレーザーパルスの少なくとも１つのスポット部域が前記第１のスポット部域または前記第２のスポット部域のうちの少なくとも１つと重複し、それによりテーパー形状を有する複数の微細構造キャビティが前記ガラス基板内に形成され、前記複数のレーザーパルス内の各レーザーパルスのスポット部域が、前記基板の表面上の前記第１のスポット部域、前記第２のスポット部域またはその両方と実質的に同じであり、前記複数の微細構造キャビティ内の各々の微細構造キャビティが、前記第１のスポット部域の直径よりも小さい直径を有する開口部を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  Ｇｌａｓｓ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」という表題で２００８年４月１８日に出願された米国特許出願第１２／１４８，４７９号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、その内容全体は依拠され、参照により本明細書に援用されている。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般にガラス基板内に構造を形成するためのシステムおよび方法、そしてより詳細には、レーザーアブレーションを通してガラス基板内に微細構造を形成するためのレーザーシステムおよびこのレーザーシステムを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガラス、例えば高含有量のシリカガラスおよびホウケイ酸ガラスは、化学的不活性、高温耐久性、光透過性、制御可能な表面濡れ性などを含めた、化学、薬学、光学および生物学的利用分野にとって有利な数多くの特性を有する。特定の利用分野に適したガラス基板を作るためにガラス基板内に正のトポグラフィカルフィーチャ（例えばピラー、カラム、グリッドなど）および負のトポグラフィカルフィーチャ（例えばキャビティ、空隙、溝など）が導入されうる。ガラス基板内におよそ１ｍｍ以上のフィーチャを導入する場合には従来の機械加工および成形技術が一般に使用され、一方ガラス基板内に１ｍｍ未満のフィーチャ（すなわち微細構造）を導入するためにはフォトリソグラフィおよび化学エッチングが一般に用いられる。これらのガラス微細構造は、例えばマイクロ流体工学、高疎水性表面、マイクロキャビティアレイ、マイクロレンズシステム、ライフサイエンスセル（ｌｉｆｅ  ｓｃｉｅｎｃｅ  ｃｅｌｌ）、マイクロリアクターミキシング設計などに潜在的な用途がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガラス製の微細構造を製造するために使用されるフォトリソグラフィおよび化学エッチングは、より慣習的な機械加工および成形技術に比べ応用が困難である。さらに、フォトリソグラフィなどのプロセスは高価でかつ時間を要するものであり、したがって、小規模製造および高速プロトタイプ製造を経済的に実施することは不可能である。
【０００５】
したがって、小規模製造およびプロトタイプ製造に適したガラス製微細構造の代替的生産方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態によると、レーザーアブレーションによりガラス基板内に微細構造を形成するための方法には、ガラス基板の表面上にレーザー源のビームを方向づけ、ガラス基板の表面を横切ってビームを横行させ、こうしてガラス基板の表面上でビームのスポット部域が第１のパターンを形成し、ガラスが第１のパターンに沿ってガラス基板からアブレートされるようになっているステップが含まれていてよい。この方法は同様に、ガラス基板の表面上にレーザー源のビームを方向づけ、ガラス基板を横切ってビームを横行させ、こうしてガラス基板の表面上でビームのスポット部域が少なくとも１つの第２のパターンを形成するようになっているステップを含んでいてよい。第２のまたは後続するパターンは第１のパターンと重複または交差してよい。ガラスは第２のまたは後続するパターンに沿ってガラス基板の表面からアブレートされてよく、こうしてガラス基板上に少なくとも１つの微細構造が形成される。
【０００７】
別の実施形態によると、ガラス基板内に微細構造キャビティを形成する方法には、ガラス基板上に第１のレーザーパルスを方向づけ、こうしてガラス基板内にテーパー形状を有する第１の微細構造キャビティが形成されるステップが含まれる。第１のレーザーパルスは、レーザーパルスがガラス基板の表面と交差する第１のスポット部域を有していてよい。レーザーパルスがガラス基板の表面と交差する第２のスポット部域を有する第２のレーザーパルスがガラス基板上に方向づけられ、こうしてガラス基板内にテーパー形状を有する第２の微細構造キャビティを形成してもよい。第２のスポット部域は第１のスポット部域と実質的に同じであってよい。第２のスポット部域は、同様に第１のスポット部域と重複し、こうして第１の微細構造キャビティと第２の微細構造キャビティ間に作られた側壁の一部分がアブレートされるようになっている。側壁の一部分がアブレートされた後、第１の微細構造キャビティの直径と第２の微細構造キャビティの直径は、第１のスポット部域、第２のスポット部域またはその両方の直径未満でありうる。
【０００８】
本発明の付加的な特徴および利点は、以下の詳細な説明の中で記されており、当業者にはこの説明から容易に明らかとなるか、または以下の詳細な説明、請求項ならびに添付の図面を含めた本明細書中に記載される通りに本発明を実践することによって認識されるものである。以上の一般的記述および以下の詳細な説明の両方が、本発明の実施形態を提示しており、請求されている通りの本発明の内容および特徴を理解するための概観または枠組を提供するように意図されていることを理解すべきである。
【０００９】
本発明の具体的実施形態についての以下の詳細な説明は、以下の図面と合わせて読んだ場合に理解できるものである。なお図面中、同様の構造は同様の参照番号で表示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書中に記載され図示されている一実施形態に係るガラス基板内に微細構造を形成するのに用いられるレーザーアブレーションシステムの構成要素を全体的に示すブロック図である。
【図２】ガラス基板の表面上に入射するレーザーパルスによって形成されたテーパー付き微細構造キャビティを有するガラス基板の横断面を示す。
【図３】本明細書中に記載され図示されている一実施形態に係るガラス基板の表面上に入射する第２のビームパルスの第２のスポット部域が重複するガラス基板の表面上に入射する第１のビームパルスの第１のスポット部域を示す、ガラス基板の上面図を示す。
【図４】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって形成された第１の微細構造キャビティおよび第２の微細構造キャビティを示す図３に示されたガラス基板の横断面を示す。
【図５】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法に係る、微細構造キャビティのハニカムパターンを形成するためのガラス基板の表面上に入射する複数のビームパルスに由来するスポット部域パターンを示す。
【図６】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって形成された複数の微細構造キャビティを有する、図５のガラス基板の横断面を示す。
【図７】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって形成された微細構造キャビティのハニカムパターンを有するガラス基板の上面図を示す。
【図８】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって正方形の微細構造ピラーを形成するようにガラス基板の表面内にスクライブされた平行線セットのパターンを示す。
【図９】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって形成された正方形の微細構造ピラーの規則的パターンを有するガラス基板の上面図を示す。
【図１０】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって形成された三角形の微細構造ピラーの規則的パターンを有するガラス基板の上面図を示す。
【図１１Ａ】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって円形微細構造ピラーを形成するようにガラス基板の表面上に入射するレーザーパルスのスポット部域の第１のパターンを示す。
【図１１Ｂ】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって円形微細構造ピラーを形成するようにガラス基板の表面上に入射するレーザーパルスの少なくとも１つの第２のスポット部域パターンを示す。
【図１２】本明細書中に記載され図示されたガラス基板内に微細構造を形成するための１つの方法にしたがって形成された円形微細構造ピラーの規則的パターンを有するガラス基板の上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
最初に図１を参照すると、ガラス基板内に微細構造を形成するためのレーザーシステムが示されている。このシステムは一般に、レーザー源、ガラス基板上にレーザー源のレーザーパルスを方向づけ走査するためのビームステアリング機構、ガラス基板上にビームを集束させるためのレーザーシステムおよびガラス基板を位置決めできる作業台を含んでいてよい。システムの各要素ならびにシステムを用いてガラス基板内に微細構造を形成するためのさまざまな方法が、本明細書でより詳細に論述される。
【００１２】
ここで図１を参照すると、ガラス基板１０８上にレーザー源１０２からのビーム１１２を方向づけ、集束させ、走査するためのレーザーシステム１００が示されている。レーザーシステム１００は一般にレーザー源１０２、ビームステアリング機構１０４およびレンズ系１０６を含んでいてよい。一実施形態において、レーザーシステム１００は、工作物（例えばガラス基板１０８）を位置決めできる多軸作業台１１０も含んでいてよい。
【００１３】
レーザー源１０２は一般に、ガラス基板の表面からガラスをアブレートするのに充分な出力パワーを有するレーザー源を含んでいてよい。こうしてレーザー源は一般にＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー、ＣＯ２レーザーなどを含んでいてよい。一実施形態において、レーザー源１０２は一般に、レーザー源のビーム１１２が離散的なレーザーパルスを含むようなパルス出力モードで作動できるものであってよい。好ましくは、レーザーは、レーザーの立上り時間以下でパルス送りされ、その結果パルス時間は短くなる（例えば１００マイクロセカンド未満、より好ましくは８０マイクロセカンド未満）。特定の一実施形態において、レーザー源は、複数の離散的レーザーパルスを含むビームを生成するような形で作動されるＣＯ２レーザーを含んでいてよい。例えば、ＣＯ２レーザーのための典型的なパルス立上り時間はおよそ１００μｓであり、パルスが全パワーに達した後、ＣＯ２レーザーは一般に、連続波出力レーザーとして作動される。しかしながら、パルス立上り時間中レーザーをオフに切替えることにより、ＣＯ２レーザーをパルスモードで作動させてよい。したがって、一実施形態において、ＣＯ２レーザーは、パルス立上り時間中レーザーをオンオフ切替えすることによりパルスモードで作動されて、レーザー源の出力端で各々約１５μＪ〜約１００μＪ、より好ましくは２０μＪ〜約８０μＪ、そして最も好ましくは約２５μＪ〜約４０μＪのエネルギーを有するレーザーパルスが、約５５μｓ〜約８０μｓの時間で生成される。アブレーションによりガラス基板の表面から除去される材料の量を制御するために各パルスの持続時間を変動させてよい。ビーム１１２は一般に、レーザー源１０２の出力端においておよそ２ｍｍの直径ｄＢを有していてよい。
【００１４】
別の実施形態において、レーザー源１０２は一般に、レーザー源のビーム１１２が連続ビームを含むように連続波出力モードで作動できるものであってよい。例えば、一実施形態において、レーザー源は連続波モードで作動されるＣＯ２レーザーを含んでいてよい。ＣＯ２レーザーの出力は、本質的に連続的である平均パワー出力を生成するためパルス幅変調（ＰＷＭ）によって調節されてよい。ＣＯ２レーザーシステムの連続波出力を生成するための典型的な変調周波数は、好ましくは約１ｍｓ〜約５０μｓの周期で約１ｋＨｚ〜約２０ｋＨｚである。連続波動作のための標準的変調周波数は、最も好ましくは、約２００μｓの周期で約５ｋＨｚである。
【００１５】
したがって、本明細書中に記載されている方法およびシステムは、ガラス基板の表面内に微細構造を形成するために連続波モードまたはパルスモードで作動されるレーザー源を利用してよいということをここで理解すべきである。
【００１６】
レーザー源１０２のビーム１１２は、ビームステアリング機構１０４内に方向づけられ、ここでビーム１１２はガラス基板１０８に向かって再度方向づけられる。ビームステアリング機構１０４は、ビーム１１２をガラス基板１０８の表面上に再度方向づけるために用いられる高速走査用ミラーなどの少なくとも１つの走査用ミラー（図示せず）を含んでいてよい。一実施形態において、ビームステアリング機構１０４は一対のカルバノミラーを含んでいてよい。各ガルバノミラーは、２本の軸に沿ってガラス基板１０８の表面を横切ってビームを走査し得る形で異なる軸を中心として回転するように位置決めされてよい。
【００１７】
ビーム１１２がビームステアリング機構１０４により再度方向づけられた後、ビーム１１２は、レンズ系１０６を通過してよく、このレンズ系がビームをガラス基板の表面上に集束させる。例えば、レーザー源が２ｍｍの出力ビーム直径ｄＢを有するＣＯ２レーザーである場合、レンズ系１０６を用いてビームを集束させ、レーザーパルス１１２のビームスポットがガラス基板の表面上で５５μｍの直径ｄＳＡを有するようにしてよい。別の実施形態において、レンズ系１０６は、ビーム走査の利用分野において一般に知られている通りのＦ−シータレンズを含んでいてよい。Ｆ−シータレンズは、走査の像平面（例えばガラス基板１０８の表面１０９）においてフラットフィールドも提供しながら、直径２ｍｍのビームを直径５５μｍのスポット部域まで容易に集束させることができる。換言すると、規定の作業部域について、Ｆ−シータレンズのビーム出力は、作業部域内のガラス基板の表面上のあらゆる位置についてガラス基板１０８の表面に対し実質的に垂直である。例えば一実施形態において、Ｆ−シータレンズは、２５ｍｍ×２５ｍｍの作業部域全体にわたり直径５５μｍのスポット部域を形成でき、ここでＦ−シータレンズの出力は、ガラス基板の表面に対して実質的に垂直である。
【００１８】
レーザーシステム１００は同様に多軸作業台１１０も含んでいてよい。多軸作業台１１０は、レーザーアブレーションプロセス中ガラス基板１０８を位置決めするために使用してよい。多軸作業台１１０を用いて、レンズ系１０６との関係において、ｘ−ｙ平面内およびｚ方向でガラス基板１０８を位置決めしてもよい。一実施形態においては、レンズ系１０６が狭い作業部域を有するＦ−シータレンズを含む場合、多軸作業台１１０を用いてＦ−シータレンズとの関係においてガラス基板を位置決めし、Ｆ−シータレンズの作業部域を効果的に増大させてよい。
【００１９】
したがって、レンズ系１０６と組み合わせた状態のビームステアリング機構１０４を用いて、レーザー源１０２からのビーム１１２をガラス基板１０８の表面上に離散的位置で集束させ位置決めしてよい。さらに、レーザー源１０２の出力はガラス基板１０８の表面からガラスをアブレートするのに充分なパワーのものであることから、レーザーシステム１００を使用してガラス基板１０８からガラスをアブレートし、こうしてレーザーアブレーションを介してガラス基板１０８の表面内へのさまざまなパターンの導入を容易にしてもよく、これによりガラス基板１０８の表面内にガラス微細構造が形成されることになる。
【００２０】
ここで図２〜７を参照すると、レーザーアブレーションによりガラス基板内に微細構造を形成するための方法の一実施形態が示されている。この実施形態においては、図１で示されているレーザーシステム１００などのレーザーシステムを用いて、レーザー源からのビームをガラス基板の表面上に方向づけ、こうしてビームのスポット部域がガラス基板の表面上に１つのパターンを形成するようにしてよい。ビームはパルス送りされてよく、パターン内の各レーザーパルスのスポット部域は、先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と重複してガラス基板の表面内にハニカムパターンで複数の微細構造キャビティを形成してよい。本明細書中に記載されている方法を使用して、ハニカムパターン内の各々の微細構造キャビティはガラス基板の表面上のビームのスポット部域の直径よりも小さい直径を有する。
【００２１】
パルスモードで作動されるレーザー源を用いてガラス基板１０８の表面１０９内に微細構造キャビティ１１８を形成するためには、第１のレーザーパルスをガラス基板１０８の表面１０９上に方向づけてよい。第１のレーザーパルスは表面１０９上に集束されてよく、こうして第１のレーザーパルスは、ガラス基板の表面１０９上に直径ｄＳＡの第１のスポット部域１１６を有するようになっている。ガラス基板の表面１０９におけるスポット部域１１６の直径は、レーザー源１０２の出力端におけるレーザーパルスの直径ｄＢよりも実質的に小さいものであってよく、こうして、ガラス基板の表面１０９上に入射するレーザーパルスはガラス基板のためのアブレーション閾値を上回って、ガラス基板１０８の表面内に第１の微細構造キャビティ１１８をアブレートするのに充分なエネルギー密度を有することになる。この第１の微細構造キャビティは、ガラス基板１０８の表面上の第１のレーザーパルスのスポット部域１１６の直径ｄＳＡと実質的に同じガラス基板１０８の表面１０９における初期直径を有していてよい。第１の微細構造キャビティ１１８は、図２を見ればわかるように、アブレーション中のレーザーパルスのエネルギー減衰に起因してガラス基板１０８の表面１０９下の深さが増大するにつれて減少する内径に向かってテーパーがついた側壁１２１、１２３を有する。
【００２２】
第２のスポット部域１２０を有する第２のレーザーパルスは、ガラス基板１０８の表面１０９に向かって方向づけられこの表面１０９上に集束される。第２のレーザーパルスのスポット部域１２０は直径ｄＳＡを有し、そのため第２のレーザーパルスのスポット部域１２０は第１のレーザーパルスのスポット部域１１６と実質的に同じになる。図１に示されているレーザーシステム１００のビームステアリング機構１０４を使用して、ガラス基板１０８の表面１０９上に第２のレーザーパルスを方向づけてよく、こうして第２のレーザーパルスのスポット部域１２０は第１のレーザーパルスのスポット部域１１６と重複し、これによりガラス基板１０８の表面１０９にテーパー形状を有する第２の微細構造キャビティ１２４がアブレートされることになる。第２のレーザーパルスのスポット部域１２０は第１のレーザーパルスのスポット部域１１６と重複することから、第１の微細構造キャビティと第２の微細構造キャビティの間の側壁１２７の一部分が、ガラス基板の表面１０９の対応する部分と共にアブレートされる。側壁１２７の部分がアブレートされた後、第１の微細構造キャビティ内の開口部の直径ｄＭＳは第２の微細構造キャビティ内の開口部の直径ｄＭＳと同じであり、これらは両方共、ガラス基板の表面１０９上の第１のレーザーパルスまたは第２のレーザーパルスのスポット部域の直径ｄＳＡよりも小さい。微細構造キャビティの開口部の直径とは微細構造キャビティの最も広い部分の直径を意味するものと理解すべきである。第１および第２の微細構造キャビティの両方がテーパー形状を有することから、側壁１２７の一部分および微細構造キャビティ間の表面の対応する部分のアブレーションの結果として、微細構造キャビティの開口部直径ｄＭＳは、ガラス基板のもとの表面に入射するスポット部域の直径ｄＳＡよりも小さいものとなる。したがって、隣接するレーザーパルスのスポット部域を重複させることにより、微細構造キャビティの開口部の直径が、ガラスをアブレートし微細構造キャビティを形成するのに使用されるレーザーパルスの直径よりも小さくなるような形で、微細構造キャビティをレーザーアブレーションを介してガラス基板内に形成することができる。例えば、レーザーパルスのスポット部域がガラス基板の表面上で５５μｍである場合、スポット部域の重複に起因して形成される結果として得られた微細構造キャビティは一般に、約５０μｍ未満、より好ましくは約４０μｍ未満そして最も好ましくは約３０μｍ未満の開口部直径ｄＭＳを有する。したがって、ガラス基板の表面上のスポット部域の所与の直径ｄＳＡについて、結果として得られる微細構造キャビティは約未満の開口部直径を有し、各微細構造キャビティの開口部直径は約０．９０＊ｄＳＡ未満、より好ましくは約０．７＊ｄＳＡ未満そして最も好ましくは約０．５５＊ｄＳＡ未満である。
【００２３】
本明細書中、ガラス基板１０８の表面に対して第１のレーザーパルスおよび第２のレーザーパルスを方向づけることに言及されているが、ガラス基板１０８の表面に対し複数のビームスポットを再度方向づけるために多数のレーザーシステム１００が使用される場合など、第１のレーザーパルスおよび第２のレーザーパルスをガラスの表面に向かって同時に方向づけてもよいということを理解すべきである。
【００２４】
図３を参照すると、第１および第２の微細構造キャビティの開口部直径ｄＭＳは、隣接するレーザーパルス間の間隔ひいては隣接するスポット部域間の重複１２２を調整することによって制御されてよい。したがって、重複を増大させること（つまり連続するレーザーパルスのスポット部域間の間隔を減少させること）によって、隣接する微細構造キャビティ間の側壁がより多く除去される。キャビティ間の側壁にはテーパーがついていることから、側壁をより多く除去すること（つまり側壁の高さを減少させること）で、微細構造キャビティの開口部の直径は削減される。したがって、結果として得られる微細構造キャビティの開口部直径は、隣接するスポット部域が重複するように連続する隣接レーザーパルス間の間隔を調整することによって調整されてよい。
【００２５】
ガラス基板の表面内に微細構造キャビティを作り出すためにレーザーパルスのスポット部域を重複させる技術を何度も反復させて、図５〜８に示される通りのガラス基板１０８の表面１０９内に微細構造キャビティのパターンを形成してよい。一実施形態においては、複数のレーザーパルスをガラス基板１０８の表面１０９上に方向づけ集束させて、各レーザーパルスのスポット部域が、先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と重複するようにしてよい。例えば、図５および６に示されているように、第１の複数のレーザーパルスを１本の線に沿ってガラス基板１０８の表面１０９上に方向づけて、これらのレーザーパルスのスポット部域が、重複するスポット部域１２６の第１の線形パターン１２８を形成するようにしてもよく、ここで各スポット部域１２６は、レーザーアブレーションを介したガラス基板内の微細構造キャビティ１２５の形成を表わしている。
【００２６】
その後、第２のまたは後続する複数のレーザーパルスを１本の線に沿ってガラス基板１０８の表面１０９上に方向づけて、レーザーパルスのスポット部域が、重複するスポット部域１２６の第２のまたは後続する線形パターン１３０を形成するようにしてもよく、ここで各スポット部域１２６はレーザーアブレーションを通したガラス基板内の別の微細構造キャビティ１２５の形成を表わしている。第２のまたは後続する線形パターン１３０は一般には、第１の線形パターン１２８に対し平行であってよくかつ一般的には第１の線形パターン１２８と重複してよく、こうして、各々のスポット部域１２６は、形成された微細構造キャビティが一般的に第１の線形パターンおよび第２のまたは後続する線形パターン１３０内のスポット部域の直径よりも小さい直径およびピッチ（微細構造キャビティ内心点間の距離）を有するような形で全ての隣接するスポット部域１２６と重複するようになっている。例えば、５０マイクロメートルのビームスポットサイズの場合、中心点が２０マイクロメートルしか離れていない構造を作ることができる。こうして、例えば、ピッチ（中心間距離）がレーザーのスポットサイズより小さく、より好ましくはレーザーのスポットサイズの０．７５倍未満であり、一部の場合においてはレーザーのスポットサイズの０．５倍未満でさえあり得る構造を達成することができる。さらに、第１の線形パターン１２８内の各スポット部域１２６の中心が第２のまたは後続する線形パターン１３０内の２つの隣接するスポット部域１２６の中心間に配置され得るような形で、第２のまたは後続する線形パターン１３０を第１の線形パターン１２８から線形的にオフセットしてよい。より詳細には、第１の線形パターン１２８を第２のまたは後続する線形パターン１３０から線形的にオフセットさせ、互いに隣接する任意の３つのスポット部域１２６（例えばスポット部域１２６Ａ、１２６Ｂ、および１２６Ｃ）の中心点が２等辺または正三角形１３４の頂点を形成するようにしてもよい。重複するスポット部域１２６の付加的な第２のまたは後続する線形パターン１３２をその後、図７に示されているようなガラス基板１０８の表面１０９内の微細構造キャビティ１２５のハニカムパターンを形成するために使用してよい。
【００２７】
ここで、ガラス基板の表面上に複数のレーザーパルスを方向づけて、レーザーパルスのスポット部域が重複するスポット部域パターンを形成することによって、レーザーアブレーションを通してガラス基板内に微細構造、具体的には微細構造キャビティを形成してよいこと、そしてレーザーパルスのスポット部域が重複することを理由として、結果として得られた微細構造キャビティの開口部直径が微細構造キャビティを形成するために用いられたスポット部域の直径より小さいものであり得ること、を理解すべきである。
【００２８】
ここで図８および９を参照すると、レーザーアブレーションによりガラス基板内に微細構造を形成するための方法の別の実施形態が示されている。この実施形態においては、図１に示されているレーザーシステムを用いて平行線セットに沿ってガラス基板の表面上にビームを方向づけてよい。平行線は、それらに沿ってガラスをアブレートするためにレーザーシステム１００を使用することによって、ガラス基板内にスクライブされる。したがって、異なる相対的方向性を有する多数の平行線セットをスクライブするためにレーザーシステム１００を使用することによって、異なる平行線セットの交点間のすき間においてガラス基板内に微細構造パターン１５６が形成されてよい。
【００２９】
図８に示されているように、一実施形態においては、第１の平行線セットが重複するスポット部域の列１６２を含むように多数の平行線１５１に沿ってパルスモードで作動されるレーザー源からの複数のレーザーパルスを方向づけ、かくして平行線１５１に沿ってガラス基板からガラスをアブレートすることによって、ガラス基板の表面内に第１の平行線セット１５２がスクライブされる。平行線１５１のピッチＰｒは、結果として得られる微細構造の所望の寸法に応じて選択され調整される。レーザーパルス（図示せず）は、平行線１５１を中心としており、こうして複数のレーザーパルスの各パルスが平行線１５１を中心とする１つのスポット部域１６４をガラス基板の表面上に有している。平行線１５１に沿った各レーザーパルスのスポット部域１６４は、重複するスポット部域１６２の列が、この列のいずれかの側で各スポット部域１６４に対して接線方向の実質的に平行なエッジ１６３により画定され得るような形で、先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と重複していてよい。この結果を達成するため、各スポット部域１６４は、先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と、１つのスポット部域の直径の約５０パーセント超だけ重複してよい。
【００３０】
第１の平行線セット１５２がガラス基板の表面内にスクライブされた後、第２のまたは後続する平行線セット１５４を、第１の平行線セット１５２と同じ要領でガラス基板の表面内にスクライブしてよい。図８に示されている実施形態において、第２または後続する平行線セット１５４は、レーザーシステムを用いて平行線１６１に沿ってレーザーパルスを方向づけこうしてガラス基板の表面内に第２の平行線セット１５４をスクライブすることにより、ガラス基板内にスクライブされる。図８に示されている通り、平行線１６１は、平行線１５１に対して垂直に方向づけされている。したがって、ガラス基板の表面内にスクライブされた第２の平行線セット１５４は、第１の平行線セット１５２に対して垂直である。その結果、図８および９の両方に示されている通り第１の平行線セット１５２と第２の平行線セット１５４との交点間のすき間において、正方形または矩形の横断面を有する規則的な反復する微細構造ピラー１５６のパターンが形成される。ピラーは、ガラス基板１０８の上部表面１０９と等しい高さの上面を有することができ、あるいは表面１０９より低く「下がっている」可能性もある。
【００３１】
以上で記した通り、平行線１５１のピッチＰｒおよび平行線１６１のピッチＰｒを、結果として得られる微細構造ピラー１５６のサイズおよび形状を制御するように選択し調整してよい。例えば、正方形の微細構造ピラーを生成するには、平行線１５１のピッチＰｒおよび平行線１６１のピッチＰｒを同じになるように選択してよい。矩形の微細構造ピラーを生成するには、平行線１５１のピッチＰｒと平行線１６１のピッチＰｒが異なるように選択してよい。さらに、平行線１５１、１６１のピッチを増加または減少させることによって、結果として得られる微細構造ピラー１５６のサイズを調整することができる。一実施形態において、平行線１５１、１６１のピッチは、結果として得られる微細構造ピラー１５６が、微細構造ピラーを形成するのに用いられたレーザーパルスのスポット部域の直径よりも小さいエッジ寸法（例えば長さおよび幅）を有するように選択される。例えば、スポット部域が５５μｍである場合には、結果として得られる微細構造ピラーが２０μｍ×２０μｍの正方形の微細構造ピラーとなるように、線１５１、１６１のピッチを７５μｍに選択してよい。したがって、ガラス基板の表面上で直径ｄＳＡを有するスポット部域の場合は、微細構造ピラーのエッジ寸法が約０．７５＊ｄＳＡ未満、より好ましくは約０．５＊ｄＳＡ未満、そして最も好ましくは約０．４０＊ｄＳＡ未満となるように線１５１、１６１のピッチを選択してよい。
【００３２】
図８および９は、正方形または矩形の微細構造ピラーを形成するように互いに対し９０度の方向性を有する２つの平行線セットに沿ってガラス基板からガラスをアブレートすることを示しているが、ここで、方向性が互いに対して平行でない２つ以上の平行線セットに沿ってガラス基板からガラスをアブレートすることによって、異なる形状を有する微細構造ピラーを形成してよいということを理解すべきである。例えば、一実施形態において、他方の平行線セットに対して各々４５度の方向性を有する２つの平行線セットの交点間のすき間において菱形の微細構造ピラーを形成してよい。図１０に示されているような別の実施形態においては、互いに６０度で方向付けされた３つの平行線セットの交点間のすき間において、三角形の微細構造ピラーを形成してよい。したがって、本明細書中に記載されているレーザーアブレーション技術を用いて、ガラス基板の表面内にスクライブされた交差する平行線セットのさまざまなパターンを用いて、さまざまな形状およびパターンの微細構造ピラーを形成してよい。
【００３３】
さらに、本明細書では平行線１５１、１６１に沿ってパルスビームからの複数のレーザーパルスを方向づけることによりガラス基板内に第１および第２の平行線セット１５２、１５４をスクライブすることについて具体的に言及してきたが、出力ビームが連続的なものとなるように連続波出力モードでレーザーシステム１００のレーザー源１０２を使用することによって、第１および第２の平行線セット１５２、１５４をガラス基板内にスクライブしてもよいということを理解すべきである。例えば、レーザー源の連続ビームをガラス基板上に方向づけ、平行線１５１、１６１に沿ってビームをガラス基板の表面上で横行させ、こうして平行線１５１，１６１に沿ってガラスをアブレートし第１および第２の平行線セットをガラス基板内にスクライブすることによって、第１および第２の平行線セット１５２、１５４をガラス基板内にスクライブしてよい。図８に示されている重複するスポット部域の列は、一般に、それに沿って連続ビームを横行させた経路を表わしている。その結果、第１および第２の平行線セット１５２、１５４の交点間のすき間において、正方形または矩形の微細構造ピラーが形成される。結果として得られた微細構造ピラーのエッジ寸法（すなわちエッジの長さ）は、平行線１５１、１６１のピッチＰｒを調整することにより制御されてよい。
【００３４】
ここで図１１Ａ〜１２を参照すると、ガラス基板内に微細構造を形成する方法の別の実施形態が示されており、ここでは、複数のレーザーパルスを含むレーザー源からのビームが放射状パターンでガラス基板の表面上に方向づけられて、放射状パターンに沿って離散的位置でガラス基板からガラスをアブレートし、こうして円形の微細構造ピラー１７８を生成する。ガラス基板上に入射するレーザーパルスの位置を制御するために図１に示されたシステムを使用して、各レーザーパルスのスポット部域１７２がガラス基板の表面上で半径Ｒをもつ第１の放射状パターン１７０を形成するような形で、第１の複数の連続したレーザーパルスが円形パターンでガラス基板の表面上に方向づけられる。各々のレーザーパルスは、各レーザーパルスの各々のスポット部域１７２の中心が中心点１７４から等距離となるような形で、ガラス基板の表面上に方向づけられる。したがって、各スポット部域１７２の中心は、中心点１７４を中心とする半径Ｒの円に沿って存在している。さらに、各レーザーパルス１７２のスポット部域は先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と重複する。結果として得られる微細構造１７５のサイズは、第１の放射状パターンの半径Ｒを増減させることによっておよび／または隣接するレーザーパルス間の間隔を減少させ（例えば隣接するスポット部域間の重複を増大させ）第１の放射状パターン１７０に追加のレーザーパルスを加えることによって、増大または減少されてよい。
【００３５】
図１１Ａに示されているように、ガラスがガラス基板からアブレートされた後第１の放射状パターン１７０の中心に残っている微細構造１７５は、不規則で星状の横断面形態を有する。円形の横断面を有する微細構造ピラーへと微細構造１７５を精緻化するため、図１１Ｂに示されているものなどの第２のまたは後続する放射状パターン１７６でガラス基板に対して第２の後続する複数のレーザーパルスを適用し、こうして第２の後続する放射状パターン１７６に沿って離散的位置でガラス基板からガラスをアブレートしてよい。第２の後続する放射状パターン１７６は、同一の中心点１７４を中心にしてよい。一実施形態において、第２の後続する放射状パターン１７６内の各レーザーパルスの各スポット部域１７３の中心は、一般に、第一の放射状パターン１７０の場合と同様に各スポット部域１７３が中心点１７４から等距離にあるような形で、半径Ｒの同じ円上に存在してよい。別の実施形態において、第２の後続する放射状パターン１７６内の各レーザーパルスの各スポット部域１７３の中心は、第１の放射状パターンの半径Ｒよりも小さい半径を有する円上に存在してよい。いずれの実施形態においても、第２の後続する放射状パターン１７６は、第１の放射状パターン１７０内の第１の複数のレーザーパルスによりアブレートされていないガラス基板の部分が第２の後続する放射状パターン１７６内の第２の後続する複数のレーザーパルスによりアブレートされ、こうして星状微細構造１７５の形状が図１１Ｂに示されているような円形微細構造ピラー１７８へと精緻化されるように、第１の放射状パターンから回転方向にオフセットされていてよい。第１の放射状パターン１７０の場合と同様、第２の後続する放射状パターン１７６内の各レーザーパルスのスポット部域１７３は先行するレーザーパルスのスポット部域、後続するレーザーパルスのスポット部域またはその両方と重複してよい。
【００３６】
ここで、レーザーパルススポット部域の複数の放射状パターンをガラス基板に適用して、円形微細構造ピラー１７８の形状を精緻化してよいということを理解すべきである。さらに、レーザーパルススポット部域の多数の放射状パターンを適用する方法を使用することによって、さまざまな横断面サイズの円形微細構造ピラーをガラス基板の表面上に作り上げてよいということを理解すべきである。これらの方法をガラス基板の表面全体にわたって反復し、図１２に示されているようにガラス基板の表面全体にわたり円形微細構造ピラーの規則的パターンを作り出してよい。さらに、これらの方法を用いて、微細構造を作り出すために用いられたレーザーパルスのスポット部域の直径よりも小さい横断面寸法を有する円形の微細構造ピラーを作り出してよい。さらに、放射状パターンの半径、放射状パターン内のパルス数、放射状パターン内の隣接するパルスの重複またはそれらの組合せを調整することにより、円形微細構造ピラーの横断面のサイズを変動させてよい。一実施形態において、ガラス基板の表面上で直径ｄＳＡを有するスポット部域については、結果として得られる円形微細構造ピラーが、約０．９０＊ｄＳＡ未満、より好ましくは約０．７５＊ｄＳＡ未満そして最も好ましくは約０．５０＊ｄＳＡ未満の直径を有するように第１および第２の放射状パターンの半径Ｒを選択してよい。
【００３７】
さらに、レーザーパルススポット部域の多数の放射状パターンを適用する方法を用いて、微細構造を作り上げるために使用されるレーザーパルスのスポット部域の直径よりも大きい横断面寸法を有する円形の微細構造ピラーを形成してよい。これは、ガラス基板の表面上に入射する各々のビームパルスのスポット部域の直径ｄＳＡよりも大きくなるように第１および第２のパターンの半径Ｒを選択することによって達成されてよい。
【００３８】
レーザーパルスの追加の放射状パターンをガラス基板の表面に適用して、アブレーションを通して表面濡れ性などの円形微細構造ピラーの物理的特性を改変させてよい、ということも理解すべきである。さらに、ガラス基板の表面上で放射状パターンに沿ってガラスをアブレートするプロセスを異なる中心点を中心として多数回反復して図１２に示されている通りの円形ガラス微細構造１７８の規則的パターンを作り出してよい、ということも理解すべきである。さらに、図１２に示されているように、追加のレーザーパルスを中心点１７５においてガラス基板上に方向づけ、各々の円形微細構造ピラー１７８の中心にキャビティ１８０を作り出してもよい。
【００３９】
別の実施形態において、各レーザーパルスのスポット部域１７２が中心点１７５で交差または重複するような形で第１の放射状パターン１７０の半径Ｒを選択してよい。例えば、一実施形態においては、第１の放射状パターン１７０の半径Ｒは、第１の放射状パターン内の各々のスポット部域の半径よりも小さくてよい。この実施形態においては、ガラス基板の表面から第１の放射状パターン１７０の中心にあるガラスがアブレートされるにつれて、円形微細構造ピラーの代りに中心点１７４を中心とする微細構造キャビティが形成される。微細構造キャビティは一般に、微細構造キャビティを作り上げるのに用いられるスポット部域の直径よりも大きい直径を有する。次に中心点１７４を中心とし第１の放射状パターンから回転方向にオフセットされた重複するスポット部域の第２の後続する放射状パターンを用いて、円形微細構造キャビティの形状をさらに精緻化してよい。
【００４０】
さらに、本明細書では第１および第２の放射状パターン１７０、１７６でガラス基板上にレーザーパルスを方向づけてガラス基板内に円形の微細構造ピラーまたはキャビティを作り出すことが具体的に言及されているが、レーザー源の連続波出力を用いることによって円形ガラス微細構造を形成してもよいということを理解すべきである。例えば、レーザー源からの連続ビームを、図１に示されているもののようなレーザーシステムを用いて、ガラス基板上に方向づけてもよい。半径Ｒの放射状パターンで連続ビームをガラス基板の表面上に方向づけ基板上を走行させ、こうして放射状パターンの中心でガラス微細構造を作り上げてよい。図１１Ａに示されている重複するスポット部域１７２は一般に、連続ビームがそれに沿って走行してよい経路を示している。選択された放射状パターンの半径に応じて、ガラス微細構造は、円形微細構造ピラーであっても、円形微細構造キャビティであってもよい。レーザー源の連続波出力を、第１のパターンと重複する第２の後続する放射状パターンで表面上に方向づけて、以上で論述したとおりの微細構造の形状および寸法を精緻化してよい。
【００４１】
ここで、本明細書中に記載され図示されているシステムおよび方法を用いて微細構造そしてより具体的には微細構造のパターンをガラス基板上に形成し得るということを理解すべきである。本明細書中に記載され図示されている具体的実施例はフラットガラス基板と合わせた本発明の方法およびシステムの使用に言及していたが、これらのシステムおよび方法を用いて、ガラスの棒、管、湾曲表面などのさまざまなその他の形態を有するガラス基板上に微細構造を形成し得るということを理解すべきである。さらにここで、マスキングまたはその他の／追加の化学物質の適用は一切必要でないことから、本明細書中に記載したシステムおよび方法は、ガラス基板内に微細構造を形成するためのフォトリソグラフィおよび化学エッチングに比較してより高速でより費用効果性の高い選択肢を提供しているということも理解すべきである。
【００４２】
さらにここで、本明細書中に記載したシステムおよび方法を用いてガラス基板内に形成された微細構造が、マイクロ流体工学、高疎水性表面、マイクロキャビティアレイ、マイクロレンズ系、ライフサイエンスセル、マイクロリアクターミキシング設計などにおいて応用される潜在性を有し得る、ということは明らかであるはずである。例えば、本明細書中に記載したシステムおよび方法を用いて、例えばマイクロ流体工学システム、高疎水性表面、マイクロキャビティアレイ、マイクロレンズ系、ライフサイエンスセルおよびマイクロリアクターミキシング設計などと合わせた用途のために微細構造を伴うガラス基板を生産してよい。したがって、本明細書中に記載したシステムおよび方法を用いてまたはそれにしたがって作られたガラス基板は、生物学的利用分野、化学的利用分野、薬学的利用分野、光学的利用分野などで使用されてよい。
【００４３】
当業者にとって、本発明の精神および範囲から逸脱することなく本発明に対しさまざまな修正および変形形態を加えてよいということは明白である。したがって、本発明は、添付の請求項およびその同等物の範囲内に入ることを条件として、本発明の修正および変形形態を網羅するものであることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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