(57)【要約】  レーザを主体とする穿設技術により直径と個所とが分かっている極めて小さい孔（３０、３０´）を有する微孔性フィルタ（１０）を提供する。この技術の一例では、一種以上の均一なスポット寸法を有するレーザビーム（６２）を使用して各孔を形成する。レーザビームは、深さ方向で基板（１２）中の該当する既知の距離に対して材料を除去し、各孔内に所望数の段（３２、３８、４４）を形成する。前記技術の他の例では、インプリント式のパターン化用ツールフォイル（８０）を使用することによって、孔の段に対応した特定の直径及び距離の凹部（３２、３８）を基板中にスタンピング形成する。これらの双方の例では、ガウス形状のレーザビームにより材料の最後の部分を取り除き、極めて小さい直径の最終段（４４）を形成する。
2007508141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いにほぼ平行な第１及び第２の主表面を有し、これらの主表面間で膜厚を規定している可撓性高分子膜と、
前記膜厚を深さ方向で貫通する前記可撓性高分子膜の多数の孔であって、各孔は第１の主表面から第２の主表面に向けて長軸の寸法が減少する不連続な複数の段の形状となっているこれらの孔と
を具えている微孔性フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の微孔性フィルタにおいて、前記各孔は、第１の長軸を有する第１の段と第２の長軸を有する第２の段とを有し、前記第１の段は前記第１の主表面を貫通して形成され、前記第２の段は前記第２の主表面を貫通して形成され、前記第１の長軸は前記第２の長軸よりも長くなっている微孔性フィルタ。
【請求項３】
請求項２に記載の微孔性フィルタにおいて、この微孔性フィルタが更に、前記各孔の前記第１の段及び前記第２の段の間に位置する中間の段を具え、この中間の段の長軸は前記第１の長軸よりも短く前記第２の長軸よりも長くなっている微孔性フィルタ。
【請求項４】
請求項３に記載の微孔性フィルタにおいて、前記第１の段は第１の深さ、前記第２の段は第２の深さ、及び前記中間の段は中間の深さをそれぞれ有し、この中間の深さは前記第１の深さよりも浅く前記第２の深さよりも深くなっている微孔性フィルタ。
【請求項５】
請求項１に記載の微孔性フィルタにおいて、前記各孔は、前記膜厚を貫通する中心軸線を有し、この中心軸線は前記第１及び前記第２の主表面に対して垂直ではない、ある傾斜角を以って傾斜されている微孔性フィルタ。
【請求項６】
請求項１に記載の微孔性フィルタにおいて、前記膜が有機材料で形成されている微孔性フィルタ。
【請求項７】
請求項６に記載の微孔性フィルタにおいて、前記有機材料が、ポリイミド、ポリカーボネート及びＰＴＦＥのうち１つを有する微孔性フィルタ。
【請求項８】
互いにほぼ平行な第１及び第２の主表面を有し、これらの主表面間で膜厚を規定している可撓性高分子膜を形成する工程と、
この可撓性高分子膜にレーザビームを入射させて多数の個所に多数の不連続な段を付けた孔を形成する工程と
を具える微孔性フィルタの形成方法であって、前期レーザビームは、前記膜によって吸収される波長と、スポット寸法及び出力レベルを含むビームパラメータの第１及び第２の組とによって特徴付けられており、前記多数の不連続な段を付けた孔の各々に対し、前記ビームパラメータの第１の組は、レーザビームによって第１の深さと第１の長軸とを有する第１の段を前記第１の主表面を通して形成させるものであり、前記ビームパラメータの第２の組は、レーザビームによって第２の深さと第２の長軸とを有する第２の段を前記第２の主表面を通して形成させるものであり、前記第１の長軸は前記第２の長軸よりも長くなるようにする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項９】
請求項８に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記レーザビームは可変形状のビームであり、前記第１の段を形成するのに均一ビーム形状とし、前記第２の段を形成するのにガウスビーム形状とする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記レーザビームは更に、スポット寸法及び出力レベルを含むビームパラメータの中間の組によって特徴付けられており、前記多数の不連続な段を付けた孔の各々に対して、ビームパラメータの中間の組は、レーザビームによって中間の深さと中間の長軸とを有する中間の段を形成させるものであり、この中間の段は前記第１の段と前記第２の段との間に位置しており、前記中間の長軸は前記第１の長軸より短く前記第２の長軸より長くなるようにする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記レーザビームは、前記中間の段を形成するのに均一ビーム形状とする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記レーザビームの波長は約４００ｎｍよりも短くする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記可撓性高分子膜を有機材料から形成する微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記有機材料が、ポリイミド、ポリカーボネート及びＰＴＦＥのうち１つを含むようにする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１５】
互いにほぼ平行な第１及び第２の主要面を有し、これらの主表面間で膜厚を規定している可撓性高分子膜を形成する工程と、
多数の個所に多数の不連続な段を付けた孔を形成する工程と
を具える微孔性フィルタの形成方法であって、各孔は、第１の深さと第１の長軸とを有する第１の段を第１の主表面を通して有するとともに、第２の深さと第２の長軸とを有する第２の段を第２の主要面を通して有するようにし、前記多数の不連続な段を付けた孔の各々における前記第２の段の形成には、レーザビームを前記可撓性高分子膜に入射させる工程が含まれ、前記レーザビームは、前記可撓性高分子膜によって吸収される波長と、このレーザビームによって前記第１の長軸よりも短い前記第２の長軸を有する前記第２の段を形成するようにするビームパラメータとによって特徴付けられているようにする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記レーザビームは、前記第２の段を形成するのにガウスビーム形状とする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記レーザビームの波長を、約４００ｎｍよりも短くする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記可撓性高分子膜を、ポリカーボネート又はＰＴＦＥから形成する微孔性フィルタの形成方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記多数の不連続な段を付けた孔における前記第２の段の形成には、前記段を付けた孔の個所に対応する個所に位置する凹部のパターンを前記第１の主表面内にインプリントする工程が含まれるようにし、前記凹部は、前記第１の段の前記第１の深さにほぼ等しい深さを有するようにする微孔性フィルタの形成方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の微孔性フィルタの形成方法において、前記凹部のパターンをインプリントする前記工程が、
前記第１の段の前記第１の深さに対応する長さを有する突起のパターン化表面を有するツールフォイルを準備する工程と、
このツールフォイルと前記可撓性高分子膜の前記第１の主表面とを互いに押圧して、この可撓性高分子膜に凹部をスタンピング形成し、これにより、前記第１の段を形成する工程と
を具える微孔性フィルタの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微孔性フィルタに関するものであり、特に、直径が小さく、寸法に信頼性があり、位置が分かっている孔を有する微孔性フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微孔性フィルタは現在、綿織物、紙及び合成繊維織物のような本質的に僅かに多孔質の材料から形成されている。この種のフィルタは、医薬品や工業用の燃料電池を製造したり、分析のために、体液や、化学的な粒子や、その他の種々の材料を分離したりするのに適用することが見出されている。フィルタの孔の寸法及び位置は、フィルタ材料の構造によって異なる。
【０００３】
必要なことは、既知の位置に配設され、従って既知の密度に配列された予測可能な極めて小さい直径の孔で微孔性フィルタを構成することである。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、基板に段（ホールステップ）付きの孔のアレイを形成し、各孔が、極めて小さくて予測可能な最終直径を既知の位置に有するようにすることにある。孔のアレイは、４００ｎｍより短い紫外線（ＵＶ）波長のレーザによって形成した孔の最終段を有する。アレイ中の孔の他の段は、レーザ又はインプリント式のパターン化技術を用いて形成される。孔の最終段の直径及び孔の密度は、膜から形成される微孔性フィルタの多孔度を定める。
【０００５】
好適な第１の例においては、３５５ｎｍ又は２６６ｎｍの波長の光を発するＵＶレーザにより、ポリイミド、ポリカーボネート又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような高分子基材の可撓性膜から材料を除去して貫通孔を形成する。ＵＶレーザは、有機材料を除去、すなわち有機材料の化学結合を分断して、厚さが約５０μｍと約２５０μｍとの間の膜材料に、最終直径すなわち出口直径が約１．０μｍと約５．０μｍとの間である孔を形成する。（これは、２００μｍの厚さの有機包装材料に直径が２０μｍ〜１００μｍの孔を形成したことに匹敵する。）これらの孔は、所望のアスペクト比を得るために膜の厚さ全体に亘って深さ方向で直径が減少する段状に形成し、アスペクト比が大きく直径が小さい孔を形成するのを阻害するであろうプラズマやデブリスの影響を低減させる。アスペクト比が大きい孔は、長さ対幅の比率が５：１より大きい孔である。この技術は、レーザビームのスポット寸法を変化させることにより達成される。その理由は、このようにすることにより、対象の材料を深さ方向で除去し、この除去処理中に生じたプラズマガス及びデブリスを逃すことができる為である。レーザーガスやデブリスがアスペクト比の大きな孔の底部につまることにより、直径が小さい孔の最終段を穿設する処理に妨害を及ぼす。
【０００６】
段付きの孔は、所望の寸法の材料を最後の最も小さい直径の孔に通す圧力の降下を低減させる為に有利となる。
【０００７】
好適な第２の例においては、突起構造のアレイを有する金属シートであるインプリント式のパターン化用ツールフォイルを、可撓性膜に押し込み、この可撓性膜に凹部のアレイを形成する。ＵＶレーザは、アレイ中の各凹所の底部を通して孔の最後段を形成する。インプリント式のパターン化は、意図された孔の位置を中心とする領域に凹部をあけ、これによりレーザーガス及びデブリスを逃がすようにする。このことにより、小さいアスペクト比の孔の最後段を形成しうるようにする。
【０００８】
段付きの孔の中心軸線は、膜の上下の主表面に対し必ずしも垂直にする必要はない。角度を付した孔は、旋回方向が異なる螺旋分子構造から成る粒子を濾過しうるようにするのに有利である。
【０００９】
本発明の更なる観点及び利点は、添付の図面を参照した以下の好適な実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。
【実施例】
【００１０】
好適な実施例の詳細な説明
図１は、通常互いに平行な上側主表面１４及び下側主表面１６を有し、これらの主表面間で膜厚１８を規定している可撓性高分子膜１２から形成された微孔性フィルタ１０の断面図を示す。この高分子膜１２は、ポリイミド、ポリカーボネート、ＰＴＦＥ又はその他の有機質の膜材料で形成するのが好ましい。フィルタ１０の多孔性は、深さ方向で膜厚１８を貫通している多数の段付きの孔３０（図１は１つだけの孔を示す）を形成することにより得られる。好適実施例のフィルタ１０は、２つ以上の段を孔３０に形成することによって製造する。以下は、寸法、すなわち、上下の主表面１４及び１６に対し平行に測定した横断面積を徐々に減少させた３つの段で形成した好適な孔３０の説明である。好適な実施例においては、孔３０を横断面において円形又は楕円形状にし得るので、便宜上、孔の寸法はその長軸の寸法を言うものとする。
【００１１】
好適な孔３０は、膜厚１８によって規定される全長が約１００μｍのものである。典型的な膜厚１８、従って孔の長さは５０μｍ〜２５０μｍの範囲内にある。孔３０は、約４０μｍの幅３４及び約７０μｍの深さ３６を有する入口の段３２と、約１５μｍの幅４０及び約２５μｍの深さ４２を有する中間の段３８と、約１μｍ〜約５μｍの幅４６及び約５μｍの深さ４８を有する出口の段４４とで形成される。この孔３０は中心軸線５０を有し、この孔の段３２及び３８はこれらのそれぞれの幅３４及び４０に応じて必ずしも互いに軸線方向に整列させる必要はなく、これに付随してこれらの段３２及び３８が孔の段４４の幅４６を包含するようにする必要があるだけである。
【００１２】
図２は、角度を付した２つの孔３０´を示し、これらの孔３０´の中心軸線５０´が上側主表面１４及び下側主表面１６に対して垂直でない、ある角度で傾斜されていることを除いて、これらの孔３０´は孔３０と同じである。
【００１３】
レーザビームの使用は、孔３０を形成する好適な第１の方法である。図１は、中心軸線５０と同一直線上にある伝搬路に沿って伝搬するビーム６２を放出するレーザ６０を示す。レーザ６０は、４００ｎｍより短い波長、好ましくは３５５ｎｍ又は２６６ｎｍの波長の光を表す紫外（ＵＶ）光を放出するようにするのが好ましい。光学的にレーザ６０と関連しているプログラム可能なレンズ系（図示せず）により、孔の段３２、３８及び４４の長軸の寸法を決めるためのビーム６２のスポット寸法を設定する。出力レベル制御装置（図示せず）により、ビーム６２の出力を、形成している孔の段の寸法に適したレベルに調整し、孔の段３２を形成するのに使用する出力よりも、孔の段３８を形成するのに使用する出力を小さくする。孔の段３２及び３８を形成するためには均一形状のビーム６２を用いるのが好ましく、孔の段４４を形成するためにはガウス形状のビーム６２を用いるのが好ましい。
【００１４】
孔３０を形成するための所望の形状、スポット寸法及び出力レベルのビーム６２を提供する能力は、現在入手可能な装置に依存する。たとえば、孔の段３２及び３８は、Model 5330 Via Drilling Systemによって生ぜしめられるレーザビームによって形成することができ、孔の段４４は、Model 4420 Micromachining Systemによって生ぜしめられるレーザビームによって形成することができ、これらのシステムは双方共、本件の特許出願人であるElectro Scientific Industries社（米国オレゴン州ポートランド）によって製造されているものである。Model 5330は均一形状のＵＶレーザビームを生じ、Model 4420は極めて小さいスポット寸法を有するガウス形状のＵＶレーザビームを生じる。
【００１５】
具体例
各貫通孔が２つの段を有している複数の貫通孔のアレイを、以下のようにして２００μｍ厚のポリカーボネート膜に形成した。３５５ｎｍのレーザ出力を２倍のビームエクスパンダを介して伝搬させることにより、ポリカーボネート膜における各孔に対し直径が５０μｍで深さが１８０μｍ〜１９０μｍの円形の第１の段を形成した。レーザビームは、２ｋＨｚのＱスイッチレートで２２０ｍWのレベルを有する均一な出力のプロファイルを有した。加工片ポジショナを６０ｍｍ／秒の走査速度で動作させることにより、レーザビームを膜に対して移動させて、孔の位置を順次繰り返して走査した。順次の走査処理中に、レーザビームが膜材料の深さ方向の部分を孔の位置から除去し、部分的に第１の段を形成した。膜材料の部分を順次に部分的に除去することにより、孔の段の形成処理中に生じたプラズマガスを逃がし、これによって高品質の孔の形成を確実にした。この走査処理手順を数回繰り返すことにより、孔の第１の段の形成を完了させた。当業者にとって明らかなように、孔の段を部分的に形成するためにレーザビームを往復走査させるのではなく、孔の段を完全形成するようにレーザ処理パラメータを選択することができる。
【００１６】
３５５ｎｍのレーザ出力を２０倍のガウスレンズを介して伝搬させることにより、アレイ中の各孔の第１の段の底面を通して、直径が５μｍ及び深さが１０μｍ〜２０μｍの出口の段を形成した。出口の段は、パルスレーザビームを連続的に加えて孔の打抜き処理を行うことにより、各孔の位置に形成した。１０ｋＨｚでパルス化した６００ｍＷ又は９５０ｍＷのガウス形状のレーザビームの１０個のパルスにより、再現可能な高品質の出口の段を、孔のアレイ中に整列して形成した。
【００１７】
インプリント式のパターン化用ツールフォイルをレーザビームと組み合わせて用いることが、孔３０を形成する好適な第２の方法である。図３は、金属ツールフォイル８０の一部を拡大して示しており、このツールフォイル８０は、予め定められた距離８４だけ相互に離間された、名目上同一の円柱状突起部８２の規則的なアレイより成るパターンを有している。突起部８２は、インプリント式のパターン化技術に応じて膜１２に孔の段を形成する。この段の形成は、ツールフォイル８０と膜１２とを、通常の積層プレス装置（図示せず）内で位置決めすると共にこのプレス装置を動作させて、突起部８２を上側主表面１４内に圧入させ、これにより突起部と相補を成す凹部を膜１２内にスタンピング形成することによって達成される。突起部８２は、孔の段の長軸（直径）寸法及び深さにそれぞれ対応した特定の直径８６及び長さ８８を有する。図１においては、凹部が、孔の段３２又は段３８のいずれかに一致する。図１の孔の段４４のような孔の出口の段を形成するためには、ガウス形状のレーザビーム６２を用いるのが好ましい。
【００１８】
図３の突起部８２は均一の直径を有しているが、図４は、長軸又は直径が異なっている縦断面を有するように構成した突起部９０を用いて、１回の積層サイクルで複数の段を膜１２の各孔に形成することを示している。長軸の寸法を減少させるように複数の段を付けた孔は、レーザ６０を使用することにより生じるプラズマの影響を部分的に防止するために用いられるので、インプリント式のパターン化を用いることにより、孔の出口の段をレーザ除去処理により形成する前に、多段の凹部又は孔を形成する必要性を排除する。
【００１９】
本発明の基礎となる原理から逸脱することなく、上述した実施例の細部に対して多くの変更を行いうるということは、当業者にとって明らかである。例えば、高分子膜１２は互いに積層した２枚のシートを以って構成し、上側のシートに大きい直径の段を形成する孔を穿孔し、下側のシートにより小さな直径の出口の段を形成する孔をレーザにより穿孔することができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ決定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、段付きの孔が形成され、その中心軸線が可撓性高分子膜の上下の主表面に対して垂直に配置されるようにした本発明による微孔性フィルタの一部を拡大して示す断面図である。
【図２】図２は、段付きの孔が形成され、その孔の中心軸線が可撓性高分子膜の上下の主表面に対して垂直でない、ある傾斜角を以って傾斜されるようにした本発明による他の微孔性フィルタの一部を拡大して示す断面図である。
【図３】図３は均一の直径を有している円柱状突起部のパターンを有するツールフォイルの一部を拡大して示す斜視図である。
【図４】図４は長手方向の断面で直径が異なっている円柱状突起部のパターンを有するツールフォイルの一部を拡大して示す斜視図である。
【図１】
2007508141.tif 000003
【図２】
2007508141.tif 000004
【図３】
2007508141.tif 000005
【図４】
2007508141.tif 000006
【国際調査報告】
2007508141.tif 000007