(57)【要約】  【課題】微細な鏡面溝を手軽に形成することができる鏡面溝形成方法を提供する。  【解決手段】本発明の鏡面溝形成方法では、結晶化ガラス２０にレーザ１８を照射して照射箇所の結晶化ガラス２０を非晶質に変質させ、非晶質化した部分２２を剥離させて溝２１を形成する。この方法では、結晶化ガラス２０に変態応力と熱応力とが作用して非晶質化した部分２２が剥離し、溝２１が形成される。この方法は、大掛かりな装置を必要とせずに実施することができ、各種のマイクロ化学チップを短時間で、かつ、安価に製造することができる。  【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶化ガラスにレーザを照射して照射箇所の結晶化ガラスを非晶質に変質させ、非晶質化した部分を剥離させて溝を形成することを特徴とする鏡面溝形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の鏡面溝形成方法であって、前記結晶化ガラスを常温より低い温度に冷却して前記レーザを照射することを特徴とする鏡面溝形成方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鏡面溝形成方法であって、前記結晶化ガラスとしてＬｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系低膨張結晶化ガラスを使用することを特徴とする鏡面溝形成方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の方法で鏡面溝を形成した装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス上に微細な鏡面の溝を形成する方法と、その方法を用いて製造したマイクロ化学チップ等の装置に関し、特に、レーザを用いて鏡面溝を形成できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス板上に微細な溝を形成したマイクロ化学チップが、生体の分析や化学分析に多用されている。
図１１は、マイクロ化学チップの一例を示している。マイクロ化学チップは、ガラス板上に幅数十〜数百μｍ、深さ数十μｍの溝を形成し、その上に平坦なガラス板を重ねて、そのガラス板に溝への導入口を形成したものであり、流路となる微細な溝に血液や試薬などを流し、その流路内で混合、反応、分離、検出などが行われる。この溝は、液体を流す都合上、鏡面であることが求められており、現在、半導体加工技術を利用してエッチングなどによって溝が作成されている（非特許文献１）。
【非特許文献１】http://www.nsg.co.jp/products/bio/microchip/chip/products.html「日本板硝子  製品案内」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、半導体加工技術でマイクロ化学チップを製造する場合は、完成までに数十日以上を要し、多額の費用が掛かる。マイクロ化学チップには様々なニーズがあり、多品種少量生産が求められているため、半導体加工技術には不向きである。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、微細な鏡面溝を手軽に形成することができる鏡面溝形成方法を提供し、また、その方法により作成した装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の鏡面溝形成方法では、結晶化ガラスにレーザを照射して照射箇所の結晶化ガラスを非晶質に変質させ、非晶質化した部分を剥離させて溝を形成する。
この方法では、結晶化ガラスに変態応力と熱応力とが作用して非晶質化した部分が剥離し、その結果、溝が形成される。
【０００５】
また、本発明の鏡面溝形成方法では、前記結晶化ガラスを常温より低い温度に冷却してレーザを照射する。
こうすると、熱応力の作用が増加して、非晶質化した部分の剥離割合が向上する。
【０００６】
また、本願発明の鏡面溝形成方法では、前記結晶化ガラスとしてＬｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系低膨張結晶化ガラスを使用する。
Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系低膨張結晶化ガラスは、非晶質化すると熱膨張係数が一桁増加するため、大きな変態応力が得られる。
【０００７】
また、本発明の装置は、前記鏡面溝形成方法を用いて鏡面溝を形成する。
そのため、溝入れ加工が必要なマイクロ化学チップ等の装置を短時間で、かつ、安価に製造することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の鏡面溝形成方法は、大掛かりな装置を必要とせずに実施することができ、マイクロ化学チップなどの装置を短時間で製作することができる。
そのため、本発明の装置は、安価での製造が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の鏡面溝形成方法に用いる装置を示している。
この装置は、試料２０にレーザ光を走査しながら照射するためのものであり、レーザを発振するＣＷＣＯ２レーザ１０と、レーザ光のビーム径を拡大するエキスパンダ１１と、ミラー１２、１３と、レーザ光を走査するガルバノミラー１４と、ガルバノミラー１４を制御するパソコン１７と、走査光を歪まないように集光するｆ−θレンズ１５と、試料２０を載置するステージ１６とを有している。
【００１０】
試料２０には、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系低膨張結晶化ガラスを使用し、ＣＷＣＯ２レーザ１０からは、結晶化ガラスへの吸収性が良い波長λ：１０．５９μｍのレーザ光（ビーム径４ｍｍ）を発振させている。このレーザ光は、エキスパンダ１１でビーム径が３．５倍の１４ｍｍに拡大され、ＰＣ１７で制御されたガルバノミラー１４により走査光とされ、走査位置によって焦点の大きさが歪まないようにｆ−θレンズ１５で集光されて試料２０に照射される。集光時のスポット径は約２００μｍである。
試料２０のＬｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系低膨張結晶化ガラスは、加熱され屈服点を超えると非晶質化する。この結晶化ガラスの常温での熱膨張係数は−３×１０-7／℃であり、加熱されて非晶質化すると熱膨張係数が４．２×１０-6／℃に増加する。
【００１１】
図２は、試料２０に直線の鏡面溝を形成する際の様子を示している。レーザ光１８は、焦点位置をガラス（試料２０）表面に設定し、照射出力：１．８Ｗ、走査速度：８．０ｍｍ／ｓ、照射距離：２０．０ｍｍの条件で照射している。
また、図３は、鏡面溝が形成される様子を模式的に示している。レーザ光１８が照射された位置の試料２０が非晶質化し、この非晶質部分２２が剥離して鏡面の溝２１が残される。非晶質部分２２の剥離は、レーザ照射後数秒から数十秒が経過すると自然に生じる。剥離が自然に開始しないときは、針や指で軽く衝撃を与えたり、超音波を当てると剥離する。
【００１２】
図４（ａ）は、剥離した非晶質部分２２の拡大写真を示し、図４（ｂ）は、形成された鏡面溝２１を示している。
また、図５は、鏡面溝２１の断面を非接触３次元形状測定装置（三鷹光器製、ＮＨ−３ＮＴ）で測定した結果を示している。この溝は、溝深さ：４０μｍ、溝幅：１６０μｍであり、また、粗さ測定の結果は、最大高さ（Ｒｚ）：４７．５ｎｍ、平均高さ（Ｒａ）：１４．３ｎｍであり、鏡面が形成されていることを示している。
【００１３】
この溝は、解析の結果から、次のようなメカニズムで形成されると考えられる。
レーザ光に照射された部分の結晶化ガラスは、加熱によって非晶質化する。結晶化ガラスは殆ど熱膨張しないが、非晶質部分の熱膨張係数は結晶化ガラスに比べて一桁大きいため、非晶質部分は加熱によって急膨張する。その結果、非晶質部分とその周囲との境界に引っ張り応力が発生し、非晶質部分周辺にクラックが発生する。加熱が終了し室温まで冷却される過程で、結晶化ガラスは収縮しないが非晶質部分は収縮する。そのため、非晶質部分が結晶化ガラスから剥離する。
このように、材料が変質し膨張係数が極端に大きく変化することから生じる応力（変態応力）と熱応力とが作用して非晶質部分の剥離が発生し、それにより溝ができる。
【００１４】
図６は、結晶化ガラスの一部が非晶質化する前後での応力分布の変化を解析した結果について示している。図６（ａ）の（１）は、加熱部分が７９２℃であって非晶質化していない状態での引張応力分布を示し、同（２）は、加熱部分が８０１℃に達して非晶質化した直後（０．０８８秒後）の引張応力分布を示し、同（３）は、加熱部分が９００℃に達した、非晶質化の０．１秒後の引張応力分布を示している。また、図６（ｂ）は、（３）の時点の溝境界における引張応力ベクトルを示している。これらの解析結果から、結晶化ガラスの変態によって、非晶質部分とその周囲との境界に大きな引っ張り応力が発生していることが分かる。
【００１５】
また、この鏡面溝形成方法では、レーザ照射の軌跡を変えることで溝の形状を任意に設定することができる。図７は、結晶化ガラスにｓｉｎ波形の鏡面溝を形成する際の様子を示している。レーザ光は、焦点位置をガラス表面に設定し、照射出力：１．８Ｗ、走査速度：７．０ｍｍ／ｓ、照射距離：２０．０ｍｍの条件で照射を行い、振幅が０．５ｍｍのｓｉｎ波形の溝を形成している。
図８（ａ）には、形成した溝の全体形状を示し、また、図８（ｂ）には、溝の断面を前記非接触３次元形状測定装置で測定した結果を示している。この溝は、溝深さ：４０μｍ、溝幅：２００μｍであり、粗さ測定の結果は、最大高さ（Ｒｚ）：４８．８ｎｍ、平均高さ（Ｒａ）：１３．９ｎｍであった。
【００１６】
なお、試料にレーザ光を照射しても、非晶質部分の剥離が発生しない場合がある。図９は、レーザ光の照射距離に対する剥離長さの比（％）を「剥離割合」として、レーザ光の走査速度と剥離割合との関係について調査した結果を示している。ここではレーザ照射出力を１．８Ｗに設定している。この場合、走査速度が７ｍｍ／ｓのとき、高い割合で剥離が発生するが、走査速度がそれより遅いと、剥離割合が低下し、また、走査速度がそれよりも速いと、剥離割合が大幅に低下する。
最適な走査速度は、レーザ照射出力に関係しており、照射出力を３６Ｗに高めたテストでは、走査速度が４３４．８ｍｍ／ｓのときに最適な状態が得られている。
【００１７】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、剥離割合の向上を図るための方法について説明する。
この方法では、試料を冷却し、低温状態の試料にレーザ光を照射して鏡面溝を形成する。こうすると、溝形成の際に変態応力と共に作用する熱応力が増加し、非晶質部分が剥離しやすくなる。
【００１８】
図１０は、試料の結晶化ガラスを０℃に冷却し、この試料に照射出力：１．７Ｗ、走査速度：８．０ｍｍ／ｓ、照射距離：２０．０ｍｍの条件でレーザ光を照射して溝を形成した場合と、冷却せずに同じ条件でレーザ光を照射して溝を形成した場合との剥離割合を示している。試料を冷却した場合は、加熱終了後の非晶質部分の収縮が増大し、熱応力が増えて非晶質部分の剥離が進行する。
【００１９】
また、試料表面温度を−１６℃に設定し、この試料に照射出力：３６Ｗ、走査速度：４３４．８ｍｍ／ｓ、照射距離：２０．０ｍｍの条件でレーザ光を照射して溝を形成した場合は、１００％の剥離割合が得られている。
【００２０】
このように、本願発明の鏡面溝形成方法では、試料にレーザ光を照射して照射箇所を変質させ、試料に変態応力と熱応力とを作用させて溝を形成している。
この方法は、大きな規模の装置を必要とせず、実験室レベルでも実施することができる。また、試料に対するレーザの照射位置を制御することは容易であるから、この方法をマイクロ化学チップ等の溝入れ加工が必要な装置の製作に適用して、ニーズに応じた製品を短時間で、かつ、安価に製造することができる。
【００２１】
なお、ここで示した照射出力、走査速度、照射距離などの値は、一例であって、本発明は、それに限るものではない。
また、ここではＬｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系低膨張結晶化ガラスを使用する例について説明したが、本発明では、変態応力を発生する材料であれば、その他の材料でも使用可能である。
また、鏡面溝形成に使用するレーザは、ＣＯ２レーザ以外であっても良く、使用する材料に応じて、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザ、フェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザなどを使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、バイオテクノロジー、医学分野、薬学・化学分野等で求められているマイクロ化学チップ等の装置を製造する際に極めて有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で使用する装置を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で直線の溝を形成する方法を示す図
【図３】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で溝が形成される様子を模式的に示す図
【図４】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で形成された非晶質部分と溝とを示す図
【図５】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で形成された直線溝の測定結果を示す図
【図６】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で形成される非晶質部分の応力分布を示す図
【図７】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で曲線の溝を形成する方法を示す図
【図８】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法で形成された曲線溝の全体像（ａ）と、測定結果（ｂ）とを示す図
【図９】本発明の第１の実施形態における鏡面溝形成方法での溝の剥離割合を示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態における鏡面溝形成方法での溝の剥離割合を第１の実施形態と対比して示す図
【図１１】マイクロ化学チップを示す図
【符号の説明】
【００２４】
１０  ＣＷＣＯ２レーザ
１１  エキスパンダ
１２  ミラー
１３  ミラー
１４  ガルバノミラー
１５  ｆ−θレンズ
１６  ステージ
１７  パソコン
１８  レーザ光
２０  試料
２１  鏡面溝
２２  非晶質部分
【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】
2007230798.tif 000010
【図９】
2007230798.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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