(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明なまたは透過性の材料内に少なくとも１つの空隙、とりわけ貫通孔（１）を施すための方法であって、電磁放射により前記材料が、ビーム軸（ｓ）に沿って選択的に改質され、続いて１つまたは複数のエッチングステップにより前記空隙が生成され、改質された領域と改質されていない領域では異なるエッチングレートが生じる方法において、前記電磁放射により、前記材料内で前記ビーム軸（ｓ）に沿って、異なる特性をもつ改質が生成され、したがって前記エッチングプロセスが前記材料内で不均質に進行し、かつ前記異なる特性で改質された領域では、変わらないエッチング条件の場合、前記エッチングレートが互いに相違し、および異なる特性をもつ前記改質に基づく開き角度（α、β）の差が１０°超であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記改質の前記異なる特性が、とりわけ位相変調を用いた、前記電磁放射のビーム形状の変更によって獲得されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記改質の前記異なる特性が、プロセスパラメータ、とりわけ焦点位置、パルスエネルギー、ビーム形状、および／または強度の変化によって獲得されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記材料の改質およびエッチング処理から成るサイクルが複数回実行されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
複数のエッチングステップが、とりわけ異なるエッチング条件で実施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
とりわけ板状の前記材料の表面が、エッチングレジストで少なくとも部分的にカバーされ、これにより後のエッチング法の際にエッチング腐食から保護されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
プロセスパラメータの選択により、前記空隙の開き角度（α、β）がとりわけ５°未満に、および／または直径が調整されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
異なる開き角度（α、β）および／または直径を有する空隙が前記材料の両面上に生成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
前記材料を電磁放射により照射する際のビーム形状を中断のない一つの作業ステップ内で変更することによって、前記の異なる特性をもつ改質が得られることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法によって製造された板状の材料から成るノズル板を備えた加圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明なまたは透過性の、とりわけ板状の材料内に少なくとも１つの空隙、とりわけ貫通孔を施すための方法に関し、材料が電磁放射、とりわけレーザにより、ビーム軸に沿って選択的に改質され、続いてエッチングプロセスにより空隙が生成され、改質された領域と改質されていない領域では異なるエッチングレートが生じる。
【背景技術】
【０００２】
既にＷＯ２０１６／０４１５４４Ａ１（特許文献１）が、板状の被加工材内に少なくとも１つの空隙をとりわけ貫通孔として施すためのこのような方法を開示している。このためには、レーザ放射を被加工材の表面に方向づける。レーザ放射の作用時間が極めて短く選択されており、したがって被加工材の改質は、集中的にレーザビームのビーム軸の周りでだけ起こる。その後のプロセスステップでは、エッチング剤の作用に基づき、漸進的なエッチングにより、被加工材のうち予めレーザ放射による改質を受けた領域で、異方性の材料アブレーションが生じる。これにより被加工材内では、円筒形の作用ゾーンに沿って空隙が貫通孔として発生する。とりわけ、第１のステップで生成された欠損部を漸進的に拡大することができ、これにより空隙または貫通孔を生成できる。この方法の本質的な利点は、改質ゾーンが、実質的に円筒形に、ビーム軸に対して同軸に延びており、よって一定の直径の貫通孔または空隙が生じることにある。
【０００３】
ＤＥ１０２０１００２５９６６Ｂ４（特許文献２）からは、第１のステップで、ガラス内の経路に沿った局所的な非熱的破壊を生じさせるほど放射強度の強い、合焦されたレーザインパルスを、ガラス被加工材上に方向づける方法が知られている。
【０００４】
さらに、フィラメントの生成によるガラスの加工方法が、米国特許出願第２０１３／１２６５７３（Ａ１）号（特許文献３）から知られている。
【０００５】
それだけでなくガラス内に構造を生成するために、ずっと以前からエッチング法、例えばリソグラフィが知られている。これに関しては、コーティングが露光され、続いて局所的に取り除かれる。続いて所望の構造を生成するために基材をエッチングする。その際、コーティングがエッチングレジストとして働く。これによってはしかし、レジストを取り除いた位置でのエッチング腐食は等方性に起こるので、大きなアスペクト比を持つ構造は生成できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１６／０４１５４４Ａ１
【特許文献２】ＤＥ１０２０１００２５９６６Ｂ４
【特許文献３】米国特許出願第２０１３／１２６５７３（Ａ１）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の基礎となる課題は、電磁放射により、後のエッチングプロセスにおいて空隙のより望ましく差のある、とりわけ選択的に差のあるアブレーションが実現されるように、したがってとりわけ異なる開き角度をもつ空隙も実現されるように材料を改質する可能性を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明によれば請求項１の特徴に基づく方法によって解決される。本発明のさらなる形態は従属請求項から読み取ることができる。
【０００９】
つまり本発明によれば、電磁放射により、材料内でビーム軸に沿って、異なる特性をもつ改質が、例えば異なるパルスエネルギーによって生成され、したがってエッチングプロセスは材料内で不均質に進行し、それにより、異なる特性で改質された領域では、その他の点では変わらないエッチング条件の場合、改質された領域でのエッチングレートが互いに相違する方法が提供されている。これにより本発明によれば、透明なまたは透過性の材料内で、エッチング処理に基づいて発生する空隙、とりわけ貫通孔を、改質の異なる特性によって狙い通りにおよび選択的に調整する可能性が提供される。したがって例えば空隙の拡張は比較的長いエッチング腐食によってではなく、改質の異なる特性に依存して比較的速く進展するエッチングアブレーションに基づいて発生する。これに関し本発明によれば、表面付近の縁領域で円錐形の拡張を生成できるだけではない。むしろ逆にそのような拡張を妨害することができ、これにより、材料の表面の間の領域で、そこで好ましいエッチングアブレーションが起こるように改質の特性を調整することにより、例えば円筒形の空隙がまたは凸状の空隙も生成される。
【００１０】
その際、改質の異なる特性が、とりわけ位相変調を用いた、電磁放射のビーム形状の変更によって獲得される場合に、特別な成果が約束されることが分かった。これにより、材料の加工中に、中断のない１つの作業ステップ内で特性の変更を行うことができ、したがって加工をたいていは、望ましくない遅延なしで実施することができる。
【００１１】
それだけでなく、改質の異なる特性が、プロセスパラメータ、とりわけ焦点位置、パルスエネルギー、ビーム形状、および／または強度の変化によって獲得され、したがってこの変化を、プロセス操作に関する比較的少ない手間で実現し得る場合も、特別な成果が約束されることが分かった。
【００１２】
材料の改質およびエッチング処理から成るサイクルを複数回実施する場合にも、本発明の同様に特に有用なさらなる一形態が達成される。つまり、第１のエッチング処理の後に、材料の新たな改質を行うことにより、例えば比較的高い精度での後加工を実施できる。こうして、とりわけエッチングレートの低いエッチングプロセスと関連して、アブレーションを狙い通りに制御でき、かつ所望の目標値に達すると終了させ得る。
【００１３】
これに関し複数のエッチングステップを、とりわけ異なるエッチング条件で実施され、これにより一方ではアブレーション出力の、他方では獲得可能な精度の最善の状態を達成する場合が、特に有用であることが分かった。
【００１４】
さらに、とりわけ板状の材料の表面が、エッチングレジストで少なくとも部分的にカバーされ、これにより後のエッチング法の際にエッチング腐食から保護されている場合が既に有利であることが分かった。これにより、片面からのエッチング腐食によって、エッチングレートをアブレーションの強化が望まれる露出している表面に狙い通りに集中させることができる。
【００１５】
特に好ましいのは、プロセスパラメータの選択により、空隙の開き角度をとりわけ５°未満に、または空隙の直径を任意に調整でき、異なる特性をもつ改質に基づく開き角度の差が１０°超であり得ることである。
【００１６】
そのうえ空隙は、空隙の直径および／または形状が互いに最大で３μｍ異なっているように生成することができる。
【００１７】
板状の、電磁放射に対して透明なまたは透過性の材料として、様々な素材を適用することができ、好ましいのは、とりわけ板状の材料が、本質的な材料成分としてガラス、ケイ素、および／またはサファイアを有しており、それにより多種多様な技術的使用目的に最適に適している秀でた物理的および化学的な耐性を有していることである。
【００１８】
本発明は特定の適用分野に限定されていない。特に好ましいのは、本方法に基づいて製造された板状の材料の、加圧装置のノズル板としての使用である。
【００１９】
本発明は様々な実施形態を許容する。本発明の基本原理をさらに明らかにするため、そのうちの１つを図面に示し、以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】貫通孔を備えたガラス基材の側断面の原理図である。
【図２】異なる改質タイプの原理図である。
【図３】エッチングレジストを使用する場合の幾つかのプロセスステップの原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明による方法に基づいて製造された、貫通孔１を備えた材料としてのガラス基材２の側断面を示している。製造方法に関する本発明の本質的な利点は、ガラス基材２内の貫通孔１のテーパ角度α、βの個別のおよび調整可能な変化に関している。
【００２２】
認識できるように、本発明による方法を用い初めて、ガラス基材２に、材料のそれぞれの外面に対して一方では２°未満の小さなテーパ角度αを、他方では向かい側で約２０°の大きなテーパ角度βを有する貫通孔１が備えられる。
【００２３】
このために第１のステップでは、例えば、ガラス基材２としての１００μｍ厚のガラスを、レーザシステムの放射によって改質する。ガラス内に施される出力に依存して、ガラス基材２の異なる強さの改質を調整することができる。
【００２４】
以下では、図２に示した異なる改質を「タイプＩ」または「タイプＩＩ」と言う。これに関し「タイプＩ」改質は、ガラスの比較的少ない変更を示すこととし、この比較的少ない変更は、同様に比較的低いレーザ出力によって生成される。これに対応して「タイプＩＩ」改質は、ガラス構造の強い変更であり、比較的高いレーザ出力によって引き起こされる。
【００２５】
設備の非常に高い位置決め精度により、光学的な補助手段によって長く引き伸ばされたレーザの焦点距離も、ガラス基材２内の焦点距離位置も、非常に正確に規定することができる。
【００２６】
基本的に、「タイプＩ」改質および「タイプＩＩ」改質は、図２で左側に示した形式では２種以上のレーザパルスＬＰ１、ＬＰ２によって達成することができ、または右側に示した形式に対応して１種だけのレーザパルスによって達成することができる。
【００２７】
こうして、「タイプＩ」改質（低い出力）から「タイプＩＩ」改質（高い出力）への移行は、単一のパルスによって既に、レーザの伝播方向に沿った出力プロファイルを考慮して実現することができる。
【００２８】
この効果を強化するため、および両方の改質タイプの違いを増大させるため、ガラス全体に沿った第１の均一な「タイプＩ」改質の後で、出力を上昇させ、かつ焦点距離位置を変更した第２のパルスを使用することができる。
【００２９】
図３に示した第２のプロセスステップでは、ガラス基材の片面を、エッチングレジストＲとしての耐フッ化水素酸性のカバー、例えば接着フィルムでカバーし、したがってその後のエッチングステップａでは、１つのタイプの改質のみがエッチングされる。プロセスステップｂでのエッチングレジストＲの除去後、改めてエッチングステップｂを行い、これによりガラス基材の両面のエッチングが達成される。形式Ｉおよび形式ＩＩは、エッチングレジストＲの配置によって互いに異なっており、その一方で形式ＩＩＩではエッチングレジストを使用していない。
【００３０】
両方の改質タイプは、フッ化水素酸中で異なる速度でエッチングされるので、これに基づいて、図１に示した互いに相違するテーパ角度α、βが結果として生じる。最初に片面を前エッチングすることにより、穴直径の片面の違いを調整できる。
【００３１】
第２のエッチングステップでは、貫通孔１を拡大することができる。示した図式に対応して、このように任意に様々な幾何形状を実現できる。
【００３２】
エッチング剤としては以下の湿式化学溶液が実現された。
フッ化水素酸：
−  濃度：１〜２０％
−  温度：５〜４０℃
−  第２の酸：Ｈ２ＳＯ４、ＨＣＬ、Ｈ３ＰＯ４
水酸化カリウム溶液：
−  濃度：１０〜６０％
−  温度：８５〜１６０℃
【００３３】
こうして従来技術の場合とは違い、ガラス基材２の両面で異なるテーパ角度α、βおよび穴直径を調整することができる。よって貫通孔１の個別の幾何形状を製作でき、この場合にはとりわけ、従来技術によっては不可避の、レーザ穴あけによる微細な亀裂はあり得ない。とりわけ、基材材料の断面での貫通孔１のテーパ角度α、βは可変であり得る。これに基づいて例えばマイクロ流体力学のための部品の生産に関する利点が生じる。
【００３４】
本発明によれば、ガラス内にビーム軸ｓに沿って、異なる特性をもつ複数の改質を、例えば一貫した改質および小泡の鎖を生成することができる。これにより改質長さ全体でのエッチング腐食は不均質になり、つまりとりわけ、一定のエッチング条件下で、エッチングレートが異なるようになる。
【００３５】
これに関し本発明によれば、以下の態様を実現できることが有利である。
・  異なる領域でのエッチング条件の変更
・  両面または片面のエッチング（エッチングレジスト）
・  ノズル板としての使用
・  すべての穴が同一、精度＜３μｍ
・  開き角度＜５°
・  開き角度の違い＞１０°
・  異なる改質を、位相変調（空間光変調器、ＳＬＭ）またはプロセスパラメータ（焦点位置、強度など）の変化によって獲得する
【００３６】
以下では図を参照しながら、上の領域では約１５°のテーパ角度αおよび下の領域では約２°のテーパ角度βを有する貫通孔における２つの異なるテーパ角度α、βを生成するためのプロセスシーケンスの一方法例に基づいて、加工をより詳しく説明する。
【００３７】
最初に、パルスエネルギーの異なる２種のレーザパルスを用いてレーザ構造化を行い、これにより、ガラス基材２の厚さ全体を貫く改質および追加的にガラス基材２の上部での小泡の鎖の改質が生成される。
【００３８】
続いて、ガラス基材２の片面を耐フッ化水素酸性のフィルムでラミネートし、保持フレーム内に固定する。その後、フィルムによって保護されていない側のエッチングを、フッ化水素酸（１〜２０％ＨＦ）中で、５℃〜３０℃の間の温度で、５〜６０分間行う。
【００３９】
この後、施すべき空隙の領域を保護しているフィルムの一領域を除去し、例えばＵＶ剥離テープとして実施されたフィルムの場合はＵＶ光で照射し、または熱剥離テープとして実施されたフィルムの場合は熱によって処理する。施すべき空隙の縁領域ではフィルムを残し、これにより、ガラス基材２の取扱いが改善される。その後の新たなエッチングプロセスの後、フィルムを完全に除去する。
【００４０】
フィルムの代わりに、例えばクロムでのコーティングを実施してもよく、第１のエッチング浴を、コーティングが後のエッチング浴中で初めてアブレーションされるように調整する。
【００４１】
さらに、例えば先行するエッチング処理後のさらなるレーザ改質と、片面または両面のエッチング処理とを行ってもよい。
【００４２】
厚さが１００μｍ未満の非常に薄いガラス基材２は、プロセス中のより良好な取扱いのために、好ましくはウエハフレーム内に固定し、例えばウエハフレーム上に接着する。
本願は特許請求の範囲に記載の発明に係るものであるが、本願の開示は以下も包含する：
１．
透明なまたは透過性の材料内に少なくとも１つの空隙、とりわけ貫通孔（１）を施すための方法であって、電磁放射により前記材料が、ビーム軸（ｓ）に沿って選択的に改質され、続いて１つまたは複数のエッチングステップにより前記空隙が生成され、改質された領域と改質されていない領域では異なるエッチングレートが生じる方法において、前記電磁放射により、前記材料内で前記ビーム軸（ｓ）に沿って、異なる特性をもつ改質が生成され、したがって前記エッチングプロセスが前記材料内で不均質に進行し、かつ前記異なる特性で改質された領域では、変わらないエッチング条件の場合、前記エッチングレートが互いに相違することを特徴とする方法。
２．
前記改質の前記異なる特性が、とりわけ位相変調を用いた、前記電磁放射のビーム形状の変更によって獲得されることを特徴とする上記１．に記載の方法。
３．
前記改質の前記異なる特性が、プロセスパラメータ、とりわけ焦点位置、パルスエネルギー、ビーム形状、および／または強度の変化によって獲得されることを特徴とする上記１．または２．に記載の方法。
４．
前記材料の改質およびエッチング処理から成るサイクルが複数回実行されることを特徴とする上記１．〜３．のいずれか一つに記載の方法。
５．
複数のエッチングステップが、とりわけ異なるエッチング条件で実施されることを特徴とする上記１．〜４．のいずれか一つに記載の方法。
６．
とりわけ板状の前記材料の表面が、エッチングレジストで少なくとも部分的にカバーされ、これにより後のエッチング法の際にエッチング腐食から保護されることを特徴とする上記１．〜５．のいずれか一つに記載の方法。
７．
プロセスパラメータの選択により、前記空隙の開き角度（α、β）がとりわけ５°未満に、および／または直径が調整されることを特徴とする上記１．〜６．のいずれか一つに記載の方法。
８．
異なる特性をもつ前記改質に基づく開き角度（α、β）の差が１０°超であることを特徴とする上記１．〜７．のいずれか一つに記載の方法。
９．
上記１．〜８．のいずれか一つに記載の方法によって製造された板状の材料から成るノズル板を備えた加圧装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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