(57)【要約】【課題】凸部を有する基板表面の微細構造作製方法およびガラス部品において、凸形状の表面に平面部分に形成されるのと同様な微細構造を容易に形成することができるようにする。【解決手段】ガラス基材１に圧力を局所的に印加することにより、ガラス基材１表面およびその近傍に圧縮応力部３を形成する圧縮応力部形成工程と、これによって形成された圧縮応力部３とガラス基材１の他の部分との間で、エッチングレートが異なる第１のエッチング液を用いてガラス基材１の化学的エッチング処理を行って、ガラス基材１表面に凸部２を形成する第１のエッチング工程と、凸部２が形成されたガラス基材１表面を、ガラス基材１に含まれるガラス成分の耐酸性に応じてエッチングレートが異なる酸性液からなる第２のエッチング液を用いて化学的エッチング処理を行うことで、ガラス基材１表面に微細構造５を形成する第２のエッチング工程とを備える。【選択図】図１
2009120414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基材からなる基板に圧力を局所的に印加することにより、前記ガラス基材表面およびその近傍に圧縮応力部を形成する圧縮応力部形成工程と、
該圧縮応力部形成工程によって形成された前記圧縮応力部と前記ガラス基材の他の部分との間で、エッチングレートが異なる第１のエッチング液を用いて前記ガラス基材の化学的エッチング処理を行って、前記ガラス基材表面に凸部を形成する第１のエッチング工程と、
該第１のエッチング工程によって前記凸部が形成された前記ガラス基材表面を、該ガラス基材に含まれるガラス成分の耐酸性に応じてエッチングレートが異なる酸性液からなる第２のエッチング液を用いて化学的エッチング処理を行うことで、前記ガラス基材表面に微細構造を形成する第２のエッチング工程とを備えることを特徴とする凸部を有する基板表面の微細構造作製方法。
【請求項２】
前記圧縮応力部形成工程は、
前記ガラス基材に圧力を局所的に印加するとともに前記ガラス基材を加熱し、
その後冷却することで、前記圧縮応力部を形成することを特徴とする請求項１に記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法。
【請求項３】
ガラス基材の表面に一層以上の無機材料からなる薄膜が成膜された基板の前記薄膜に圧力を局所的に印加することにより、前記薄膜の表面およびその近傍に圧縮応力部を形成する圧縮応力部形成工程と、
該圧縮応力部形成工程によって形成された前記圧縮応力部と前記薄膜の他の部分との間で、エッチングレートが異なる第１のエッチング液を用いて前記薄膜の化学的エッチング処理を行って、前記薄膜表面に凸部を形成する第１のエッチング工程と、
該第１のエッチング工程によって前記凸部が形成された前記薄膜表面を、該薄膜に含まれる材料成分の耐酸性に応じてエッチングレートが異なる酸性液からなる第２のエッチング液を用いて化学的エッチング処理を行うことで、前記薄膜表面に微細構造を形成する第２のエッチング工程とを備えることを特徴とする凸部を有する基板表面の微細構造作製方法。
【請求項４】
前記圧縮応力部形成工程は、
前記薄膜に圧力を局所的に印加するとともに前記薄膜を加熱し、
その後冷却することで、前記圧縮応力部を形成することを特徴とする請求項３に記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法。
【請求項５】
前記第２のエッチング工程の後に、前記基板に対して、前記薄膜側から前記ガラス基材内部に到達するまでエッチング処理を行って、前記ガラス基材の表面に、前記薄膜の凸部形状および微細構造の凹凸形状を反映させる第３のエッチング工程を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法。
【請求項６】
前記ガラス基材は、前記第３のエッチング工程のエッチング処理に対して、前記薄膜に比べて高いエッチングレートを有する材料を用いることを特徴とする請求項５のいずれかに記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法によって作製された基板を備えるガラス部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凸部を有する基板表面の微細構造作製方法およびガラス部品に関する。例えば、ガラス表面に反射防止機能や、親水性を発現させるために基板表面に設ける微細構造の作製方法およびそれによって作製された基板を備えるガラス部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス基材表面に凹凸を形成するガラス基材の加工方法としては、種々のものが提案されている。その一例として、例えば、ガラス基材表面や薄膜表面に、所定の型や圧子を用いて局所的に圧力を付与して高密度化された圧縮応力部を形成し、この圧縮応力部とそれ以外の非圧縮応力部とで除去能力の異なる処理剤を使用して表面層を除去し、圧縮応力部を凸形状に加工する方法が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
また、ガラス基材表面に微細構造を形成する技術として、砥粒などの粒子をガラス基材に衝突させて圧縮応力部を形成させた後、化学的エッチング処理によって、ガラス基材表面に微小な凹凸形状を形成する低反射ガラス基材の製造方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００４／０７８６６７号パンフレット
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００４／０７８６６８号パンフレット
【特許文献３】特開２００３−１９２３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１、２に記載の技術では、ガラス基材の表面に凸部を形成することができるものの、さらに凸部の表面に、より微細な凹凸形状からなる微細構造を形成するには、さらなる改良が必要であった。
例えば、特許文献１、２に記載の技術などを用いてガラス基材上に凸部を形成した後、特許文献３に記載の技術を用いて、凸部の表面に微細構造を形成することも考えられるが、この場合、凸部の側面部では凸部の上面側に比べて砥粒などの粒子が均一に衝突しにくいため、圧縮応力部がムラになったり、圧縮応力部が形成できない場所が発生したりする場合がある。このため、凸部上に平面部分と同様な均一性を有する微細構造を作製することができないという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、凸形状の表面に平面部分に形成されるのと同様な微細構造を容易に形成することができる、凸部を有する基板表面の微細構造作製方法およびガラス部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供している。
請求項１に係る発明は、ガラス基材からなる基板に圧力を局所的に印加することにより、前記ガラス基材表面およびその近傍に圧縮応力部を形成する圧縮応力部形成工程と、該圧縮応力部形成工程によって形成された前記圧縮応力部と前記ガラス基材の他の部分との間で、エッチングレートが異なる第１のエッチング液を用いて前記ガラス基材の化学的エッチング処理を行って、前記ガラス基材表面に凸部を形成する第１のエッチング工程と、該第１のエッチング工程によって前記凸部が形成された前記ガラス基材表面を、該ガラス基材に含まれるガラス成分の耐酸性に応じてエッチングレートが異なる酸性液からなる第２のエッチング液を用いて化学的エッチング処理を行うことで、前記ガラス基材表面に微細構造を形成する第２のエッチング工程とを備えることを特徴とする、凸部を有する基板表面の微細構造作製方法を提供する。
【０００６】
この発明に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法においては、圧縮応力部形成工程によって、ガラス基材からなる基板に圧力を局所的に印加して、ガラス基材表面およびその近傍に圧縮応力部を形成する。
次に、第１のエッチング工程では、第１のエッチング液を用いてガラス基材の化学的エッチング処理を行う。第１のエッチング液は、圧縮応力部とガラス基材の他の部分との間でエッチングレートが異なるため、ガラス基材の表面に凸部が形成される。
次に、第２のエッチング工程では、第２のエッチング液を用いて凸部が形成されたガラス基材の化学的エッチング処理を行う。第２のエッチング液は、ガラス基材に含まれるガラス成分の耐酸性に応じてエッチングレートが異なるため、ガラス基材表面から、耐酸性が小さいガラス成分、例えば、アルカリ成分やアルカリ土類成分などが溶出され、耐酸性が大きいガラス成分が残る。これにより、アルカリ成分やアルカリ土類成分の部分に微細な穴部が形成され、凸部を含めたガラス基材の表面に微細な凹凸形状を有する微細構造が形成される。
ここで、微細構造とは、凸部の突出量、表面積に対して、微細と見なしうる深さ、開口面積を有する凹凸形状を意味し、表面の凹凸形状や多孔質構造を含むものとする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法において、前記圧縮応力部形成工程は、前記ガラス基材に圧力を局所的に印加するとともに前記ガラス基材を加熱し、その後冷却することで、前記圧縮応力部を形成することを特徴とする。
【０００８】
この発明に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法においては、圧縮応力部形成工程において、ガラス基材に圧力を局所的に印加するともにガラス基材を加熱し、その後冷却するので、圧力を印加するのみの場合に比べてより容易に圧縮応力部を形成することができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、ガラス基材の表面に一層以上の無機材料からなる薄膜を成膜してなる基板の前記薄膜に圧力を局所的に印加することにより、前記薄膜の表面およびその近傍に圧縮応力部を形成する圧縮応力部形成工程と、該圧縮応力部形成工程によって形成された前記圧縮応力部と前記薄膜の他の部分との間で、エッチングレートが異なる第１のエッチング液を用いて前記薄膜の化学的エッチング処理を行って、前記薄膜表面に凸部を形成する第１のエッチング工程と、該第１のエッチング工程によって前記凸部が形成された前記薄膜表面を、該薄膜に含まれる材料成分の耐酸性に応じてエッチングレートが異なる酸性液からなる第２のエッチング液を用いて化学的エッチング処理を行うことで、前記薄膜表面に微細構造を形成する第２のエッチング工程とを備えることを特徴とする、凸部を有する基板表面の微細構造作製方法を提供する。
【００１０】
この発明に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法においては、圧縮応力部形成工程によって、ガラス基材の表面に一層以上の無機材料からなる薄膜が成膜された基板に圧力を局所的に印加して、薄膜の表面およびその近傍に圧縮応力部を形成する。
次に、第１のエッチング工程では、第１のエッチング液を用いて薄膜の化学的エッチング処理を行う。第１のエッチング液は、圧縮応力部と薄膜の他の部分との間でエッチングレートが異なるため、薄膜の表面に凸部が形成される。
次に、第２のエッチング工程では、第２のエッチング液を用いて凸部が形成された薄膜の化学的エッチング処理を行う。第２のエッチング液は、薄膜に含まれる材料成分の耐酸性に応じてエッチングレートが異なるため、薄膜表面から、耐酸性が小さい材料成分、例えば、アルカリ成分やアルカリ土類成分などが溶出され、耐酸性が大きい材料成分が残る。これにより、アルカリ成分やアルカリ土類成分の部分に微細な穴部が形成され、凸部を含めた薄膜の表面に微細な凹凸形状を有する微細構造が形成される。
ここで、微細構造とは、凸部の突出量および表面積に対して、それぞれ少ない深さおよび小さな開口を有する凹部または穴部が多数形成された凹凸形状を意味する。ただし、各穴部が密集あるいは内部で連通して、多孔質層を形成する場合を含むものとする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法において、前記圧縮応力部形成工程は、前記薄膜に圧力を局所的に印加するとともに前記薄膜を加熱し、その後冷却することで、前記圧縮応力部を形成することを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法においては、圧縮応力部形成工程において、薄膜に圧力を局所的に印加するともに薄膜を加熱し、その後冷却するので、圧力を印加するのみの場合に比べてより容易に圧縮応力部を形成することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項３または４に記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法において、前記第２のエッチング工程の後に、前記基板に対して、前記薄膜側から前記ガラス基材内部に到達するまでエッチング処理を行って、前記ガラス基材の表面に、前記薄膜の凸部形状および微細構造の凹凸形状を反映させる第３のエッチング工程を備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法においては、第２のエッチング工程の後に、基板に対して、薄膜側からガラス基材内部に到達するまでエッチング処理を行う第３のエッチング工程を備えることで、薄膜の凸部形状および微細構造を反映させて、ガラス基材上に凸部および微細構造を形成することができる。すなわち、第２のエッチング工程で形成された薄膜表面の凸部および微細構造にそれぞれ対応する凹凸形状をエッチング開始形状として、薄膜側からガラス基材側に向かってエッチングが進行するため、薄膜表面の凸部形状および微細構造の凹凸形状を反映した凹凸形状が、ガラス基材上に形成される。
ここで、第３のエッチング工程のエッチング処理は、例えば、イオンエッチングなどのドライエッチング処理を用いた異方性エッチング処理であることが好ましいが、化学的エッチング処理などの異方性ウェットエッチング処理であってもよく、また、ガラス基材上に凸部や微細構造を形成することができれば、等方性ウェットエッチング処理を用いてもよい。
また、第３のエッチング工程で形成されるガラス基材上の凸部形状および微細構造の凹凸形状は、基板が適用されるガラス部品の構造や微細構造による所望特性、例えば、反射率や親水性などの要求に応じて設定することができる。
ここで、薄膜の凸部形状および微細構造の凹凸形状をガラス基材上の凸部形状および微細構造の凹凸形状に「反映させる」とは、ガラス基材上の凸部形状および微細構造の凹凸形状を薄膜の凸部形状および微細構造の凹凸形状と同じ形状にすることには限定されない。例えば、薄膜の凸部形状および微細構造の凹凸形状から、相似的に縮小された形状や、基板厚さ方向に凹凸が拡大または縮小された形状などを含み、さらにこれらの形状からエッチング処理による細部形状の劣化によって変化した形状も含めるものとする。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項５のいずれかに記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法において、前記ガラス基材は、前記第３のエッチング工程のエッチング処理に対して、前記薄膜に比べて高いエッチングレートを有する材料を用いることを特徴とする。
この発明に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法においては、第３のエッチング工程のエッチング処理に対し、ガラス基材のエッチングレートが薄膜のそれに比べて高いため、第１および第２のエッチング工程で薄膜上に形成された凸部形状や微細構造の凹凸形状が、基板厚さ方向に拡大されるため、ガラス基材上に高アスペクト比の凹凸形状を容易に形成することができる。
【００１６】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法によって作製された基板を備えるガラス部品を提供する。
この発明に係るガラス部品は、請求項１〜６のいずれかに記載の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法によって作製された基板を備えるので、請求項１〜６のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法およびガラス部品によれば、凸形状の表面に平面部分に形成されるのと同様な微細構造を容易に形成することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法およびガラス部品について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法の各工程を順次説明する模式的な工程説明図である。
【００１９】
本実施形態の凸部を有する基板表面の微細構造作製方法（以下、単に、微細構造作製方法と称する場合がある）によって作製されるガラス部品である基板１００は、図１（ｅ）に示すように、加工対象の基板がガラス基材１からなり、ガラス基材１の表面に凸部２が形成され、凸部２を含むガラス基材１の表面に、凸部２の突出量および表面積に対してそれぞれ微細と見なしうる深さおよび開口面積を有する凹凸形状からなる微細構造５を備えるものである。
微細構造５は、凸部２の突出量および表面積に対して、それぞれ少ない深さおよび小さな開口を有する凹部または穴部が多数形成された凹凸形状を意味する。ただし、各穴部が密集あるいは内部で連通して、多孔質層を形成する場合を含むものとする。
【００２０】
凸部２の大きさや形状、および微細構造５の凹凸形状は、ガラス部品の使用目的に応じて適宜設定することができる。このようなガラス部品の一例として、例えば、凸部２がグレーティング溝を構成する透過型回折格子を挙げることができる。この場合、微細構造５によって反射防止構造が形成されるため、低波長側の反射防止効果を備えることができる。また、微細構造５によれば、親水性を向上されるから、表面に微細な凹凸構造を有するガラス部品において、凸部も含めた表面の親水性が向上されたガラス部品を得ることができる。
【００２１】
本実施形態の微細構造作製方法は、圧縮応力部形成工程、第１のエッチング工程、および第２のエッチング工程を順次行うものである。
本実施形態で加工対象とするガラス基材１は、第１のエッチング工程において、表面に凸部２を効果的に形成させるのに有利な、ＳｉＯ2および１ｍｏｌ％以上のＡｌ2Ｏ3を含みかつ（ＳｉＯ2含有率−Ａｌ2Ｏ3含有率）が４０ｍｏｌ％〜６７ｍｏｌ％であるガラス母材を用いる。
このガラス母材は、多成分系ガラスであって、ＳｉＯ2を主成分とし、かつ、１モル以上のＡｌ2Ｏ3が含有されている。このようなガラス母材では、Ａｌ2Ｏ3が酸性溶液に溶出し易いため、エッチング処理が促進され、また、これに含まれるＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3とのモル濃度の差（ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3）が小さくなるに伴い（即ち、耐酸性の弱いＡｌ2Ｏ3が相対的に多くなるに伴い）、その溶出が促進されエッチングレートが飛躍的に大きくなる。
なお、本実施形態においては、ＳｉＯ2  ６３．８ｍｏｌ％、Ａｌ2Ｏ3  １１ｍｏｌ％、Ｎａ2Ｏ  １０．６ｍｏｌ％、Ｌｉ2Ｏ  ７．４ｍｏｌ％、ＣａＯ  ４．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ  ２．９ｍｏｌ％、Ｆｅ2Ｏ3  ０．１ｍｏｌ％の組成のガラス基板を使用した。
【００２２】
圧縮応力部形成工程では、加工工具４を用いてガラス基材１に圧力を局所的に印加することにより、ガラス基材１表面およびその近傍に圧縮応力が残留する領域である圧縮応力部３（図１（ｃ）参照）を形成する。
本実施形態で使用する加工工具４は、単結晶ダイヤモンド製の加工工具である。この加工工具４の先端部の形状は、球の一部分をなしており、例えば、半径が１μｍである。
本工程では、図１（ｂ）に示すように、加工工具４を下降（矢印Ａ方向）させ、ガラス基材１に圧縮応力部３が形成されるように、加工工具４の先端をガラス基材１の表面に押圧して外力を印加する。
【００２３】
このとき、凸部２を点状に形成する場合には、圧縮応力部３が形成された後（図１（ｃ）参照）、加工工具４を上昇（図示Ｂ方向）させて、ガラス基材１から離間させる。そして、次の圧縮応力部３を形成する位置に加工工具４を移動し、必要な個数だけ圧縮応力部３を形成する。
また、凸部２を線状に形成する場合には、加工工具４の先端をガラス基材１の表面に押圧したまま、軌跡が所望の線状になるように加工工具４を掃引することによって、線状の圧縮応力部３を形成する。掃引速度は、加工工具４がガラス基材１の表面の各位置で必要な時間だけガラス基材１に押圧されるように設定する。そして、圧縮応力部３の終端部に到達したら、加工工具４を上昇（図示Ｂ方向）させて、ガラス基材１から離間させる。そして、次の圧縮応力部３を形成する位置に加工工具４を移動し、必要な個数だけ圧縮応力部３を形成する。
【００２４】
なお、本工程において、実際にはこのときに加工工具４の押圧によってガラス基材１の表面に凹部が形成される場合があるが、図１（ｂ）から図１（ｄ）では図示を省略している。
【００２５】
次に、第１のエッチング工程を行う。
圧縮応力部形成工程で形成された圧縮応力部３は、ガラス基材１の他の部分（通常部、即ち非圧縮部分）と異なる化学的性質を示し、酸性液による化学的エッチング処理を行った際にエッチングレート差が生じる。詳しくは、圧縮応力部３では、他の部分に比べてエッチングレートが低くなる（エッチング速度が遅くなる）。
このメカニズムは、完全には明らかになっていないが、圧縮応力部３では、ガラス構造の変化、相変態、密度上昇等が生じ、緻密化したシロキサンネットワークがその他の部分の溶出を妨げる一方、他の部分ではＡｌ2Ｏ3が酸性液により選択的にエッチングされるためと考えられる。
【００２６】
本工程では、圧縮応力部形成工程で、圧縮応力部３が形成されたガラス基材１を、第１のエッチング液である５０℃、０．１％フッ化水素（ＨＦ）水溶液に浸漬することによって、化学的エッチング処理を行う。
これにより、図１（ｄ）に示すように、エッチングレートが低い圧縮応力部３の位置に対応して凸部２が形成される。例えば、本実施形態では、６μｍの化学的エッチング処理を行うことで、ガラス基材１の表面に高さ約３．６μｍの凸部２を形成している。
ここで、本工程における化学的エッチング処理は、圧縮応力部３がガラス基材１の表面に残る程度のエッチング量としてもよいが、必要な凸部２の形状が得られれば、圧縮応力部３がなくなるようなエッチング量としてもよい。
【００２７】
次に、第２のエッチング工程を行う。
本工程では、第１のエッチング工程によって形成された凸部２を有するガラス基材１の表面において、ガラス基材１中のアルカリ成分やアルカリ土類成分を選択的に溶出させるような化学的エッチング処理を行う。そのために本工程に用いる第２のエッチング液は、ガラス基材１中の成分の耐酸性の大きさに対するエッチングレートの差が顕著となるようなものを選択する。
本実施形態では、第１のエッチング液に比べて、アルカリ成分、アルカリ土類成分を溶出させやすい高濃度の酸性液を採用している。すなわち、ガラス基材１を、第２のエッチング液である５０℃、０．０５％フッ化水素水溶液に浸漬することによって、化学的エッチング処理を行う。
これにより、ガラス基材１中の耐酸性の低いアルカリ成分やアルカリ土類成分が、より耐酸性の大きい成分に先だって溶出し、その跡に、穴形状、凹形状、多孔質形状などからなる微細構造５が形成される（図１（ｅ）参照）。
そして、アルカリ成分やアルカリ土類成分よりも耐酸性が高い成分が溶出して、微細構造が平滑化される前に、化学的エッチング処理を停止する。本実施形態では、凸部２を含むガラス基材１の表面に、周期にして３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の微細構造５が形成される。
なお、図１（ｅ）は模式図のため、微細構造５の詳細形状の図示は省略している。
【００２８】
このように本実施形態の微細構造作製方法によれば、ガラス基材１の表面の所望する位置に簡便に凸部２を形成することができ、さらに、この凸部２の表面に平面部分に形成されるのと同様な微細構造５を容易に形成することができる。微細構造５は、ガラス基材１から、アルカリ成分やアルカリ土類成分を溶出させて形成するため、凸部２の高さ、幅、表面積などの形状にほとんど影響を受けることなく容易に形成することができる。
従来のように、型を利用するものではないので、多品種少量品を簡便に作製することができる。また、従来のように、砥粒などの粒子をガラス基材１に衝突させるものではないので、凸部２の表面にもむらなく微細構造５を形成することができる。
また、本実施形態では、凸部２を形成する第１のエッチング工程と微細構造５を形成する第２のエッチング工程とが、それぞれに用いる第１、第２のエッチング液の濃度が異なるだけなので、効率的に加工を行うことができる。
【００２９】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
本実施形態の変形例は、圧縮応力部形成工程において、ガラス基材１に圧力を局所的に印加するとともにガラス基材１を加熱し、その後冷却することで、圧縮応力部３を形成するようにしたものである。
本変形例によれば、加熱により昇温状態にあるガラス基材１に圧力を局所的に印加した後、冷却するので、圧力を印加するのみの場合に比べて、容易に圧縮応力部３を形成することができる。例えば、ガラス基材１にクラックが生じない程度の温度、例えば、３００℃程度に昇温して加工工具４による圧力の印加を行い、常温まで冷却する、といった条件を採用することができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、ガラス基材１の（ＳｉＯ2含有率−Ａｌ2Ｏ3含有率）は、耐水性を劣化させないガラス基材とする観点から、４０ｍｏｌ％以上とするのが好ましく、さらにはエッチング量に対して効率良く高い凸部２が得られるガラス基材とする観点から、４７ｍｏｌ％以上とするのが好ましい。
一方、Ａｌ2Ｏ3のガラス基材１中への多量の添加によって生じる耐酸性の低下を抑制し、かつ、ガラス基材１の溶融温度の上昇を抑制し、比較的低い溶融温度で組成均質性の高いガラス基材とする観点から、上述の（ＳｉＯ2含有率−Ａｌ2Ｏ3含有率）は６７ｍｏｌ％以下とするのが好ましく、さらにはエッチング量に対して効率良く高い凸部２が得られるガラス基材とする観点から、５７ｍｏｌ％以下とするのが好ましい。
【００３１】
また、ガラス基材１のＳｉＯ2含有率は４０ｍｏｌ％以上が好ましく、一方、Ａｌ2Ｏ3含有率は１ｍｏｌ％以上が肝要であるが、上限としては１５ｍｏｌ％以下が好ましい。ＳｉＯ2は、ガラス基材の基本的構成成分であり、化学的耐久性の付与および凸部形成性の点から４０ｍｏｌ％以上が好ましい。また、Ａｌ2Ｏ3は、ガラス基材の溶解性を確保し、均質なガラス基材とし、これにより凸部形成の場所によるばらつきを小さくし得る点から、１５ｍｏｌ％以下が好ましい。
【００３２】
このように、ガラス基材１は、ＳｉＯ2及びＡｌ2Ｏ3を上述したような割合で含み、加工工具４により外力を印加するか、または、熱を加えた状態で加工工具４により外力を印加した後冷却することで、エッチングレートが低い圧縮応力部３を容易に形成でき、その後エッチング処理を行うことによって、凸部２が形成できるものであれば良く、特に制限は無い。
このようなガラス基材１の種類の例を挙げれば、アルミノケイ酸塩ガラス、アルミノホウケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス等から選択できる。なお、ホウケイ酸塩ガラス等に含まれているＢ2Ｏ3は、ガラス基材１中でＡｌ2Ｏ3と同様の作用を示すと考えられ、これがガラス基材に含まれていても何ら差し支えない。
【００３３】
また、本実施形態においては、エッチング液としてＨＦ水溶液を使用したが、その理由は以下の通りである。
即ち、使用される酸性液はガラス基材１からＳｉＯ2以外の成分を選択的に溶出することが必要であり、さらにエッチング液による化学的エッチング処理により、圧縮応力部３とそれ以外の通常部との間に上述の選択的溶出量が異なることが求められる。そのため、第１のエッチング液はｐＨ５以下の水溶液であることが好ましい。
また、第１、第２のエッチング工程において、エッチング処理によりガラス基材１中から選択的に溶出されるのは、アルカリ成分、アルカリ土類成分、Ａｌ2Ｏ3等の耐酸性の低い成分であることから、第１、第２のエッチング液は酸性寄りであることが求められる。このようなエッチング液として、フッ素イオンを含有する酸性の水溶液、例えば、フッ化水素水溶液を用いることができる。
また、こ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。
【００３４】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法およびガラス部品について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は、本発明の第２の実施形態に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法の各工程を順次説明する模式的な工程説明図である。
【００３５】
本実施形態の微細構造作製方法は、基板のガラス基材の材料が、圧力を印加することによっても、あるいは、圧力とともに加熱してその後冷却することによっても、上記第１の実施形態の第１のエッチング液に対するエッチングレートが通常部に対して十分高くなる圧縮応力部を形成できない材料からなる場合に、より好適となるものである。
このようなガラス材料としては、熱膨張が小さく、高い透明性を有する結晶化ガラス、石英ガラス、およびアサーマルガラス等が挙げられる。本実施形態は、これらのガラス材料も含めて、熱変形加工が困難なガラス材料に好適である。ここで、熱変形加工とは、ガラスを加熱して軟化させた後に、例えば、成形型で押圧して形状を転写させ、その後冷却してガラスを固化し、所望の形状を得る方法をいう。
【００３６】
本実施形態の微細構造作製方法によって作製されるガラス部品である基板１２０は、図２（ｇ）に示すように、ガラス基材１０の表面に凸部１５が形成され、凸部１５を含むガラス基材１０の表面に、凸部１５の突出量および表面積に対してそれぞれ微細と見なしうる深さおよび開口面積を有する凹凸形状からなる微細構造１６を備えるものである。
微細構造１６は、凸部１５の突出量および表面積に対して、それぞれ少ない深さおよび小さな開口を有する凹部または穴部が多数形成された凹凸形状を意味する。ただし、各穴部が密集あるいは内部で連通して、多孔質層を形成する場合を含むものとする。
【００３７】
本実施形態の微細構造作製方法は、圧縮応力部形成工程、第１のエッチング工程、第２のエッチング工程、および第３のエッチング工程を順次行うものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３８】
本実施形態で加工対象とするガラス基材１０は、以下では、一例として、結晶化ガラスからなるものとして説明する。
結晶化ガラスは、加工工具４によって圧力を印加しても、良好な圧縮応力部を形成することができない。また、熱膨張率が小さいため、加熱、冷却を行っても良好な圧縮応力部を形成することができない。
本実施形態の圧縮応力部形成工程では、図２（ａ）に示すように、ガラス基材１０の表面に、無機材料からなる薄膜１１が成膜された基板１０１に対して、上記第１の実施形態の圧縮応力部形成工程と同様の工程を行う。
すなわち、図２（ｂ）に示すように、加工工具４を下降（矢印Ｃ方向）させ、加工工具４の先端を薄膜１１の表面に押圧して、薄膜１１に圧力を局所的に印加し、薄膜１１表面およびその近傍に圧縮応力が残留する領域である圧縮応力部１３（図２（ｃ）参照）を形成する。
このとき、凸部１５を点状に形成する場合には、圧縮応力部１３が形成された後（図２（ｃ）参照）、加工工具４を上昇（図示Ｄ方向）させて、薄膜１１から離間させる。そして、次の圧縮応力部１３を形成する位置に加工工具４を移動し、必要な個数だけ圧縮応力部１３を形成する。
また、凸部１５を線状に形成する場合には、上記第１の実施形態と同様に、加工工具４を掃引することによって線状の圧縮応力部１３を形成する。
【００３９】
薄膜１１の材質は、上記第１の実施形態のガラス基材１と同様に、圧縮応力部１３と、薄膜１１における圧縮応力部１３を除いた通常部との間で、エッチングレートの差が発生する材質であり、ガラス基材１０の表面に成膜可能な材質であれば、特に制限はない。
例えば、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3からなる無機材料を採用することができる。この場合、ＲＦスパッタＳｉターゲット上にＡｌプレートを配置し、ＡｒとＯ2の混合ガスによる反応スパッタを行うことによってガラス基材１０上に薄膜１１を成膜することができる。
本実施形態では、一例として、上記無機材料からなる膜厚１μｍの薄膜１１を成膜している。
【００４０】
次に、第１のエッチング工程を行う。
本工程は、圧縮応力部形成工程で、薄膜１１に圧縮応力部１３が形成された基板１０１を、第１のエッチング液である５０℃、０．１％フッ化水素（ＨＦ）水溶液に浸漬することによって、化学的エッチング処理を行う。
これにより、図２（ｄ）に示すように、エッチングレートが低い圧縮応力部１３の位置に対応して凸部１２が形成される。例えば、本実施形態では、５００ｎｍの化学的エッチング処理を行うことで、薄膜１１の平面部分から高さ３００ｎｍの凸部１２を形成している。
ここで、圧縮応力部１３は、第１の実施形態の第１のエッチング工程と同様、上記の化学的エッチング処理後、薄膜１１の表面に残っていてもよいし、エッチングされてなくなっていてもよい。
【００４１】
次に、第２のエッチング工程を行う。
本工程では、第１のエッチング工程によって形成された凸部１２を有する薄膜１１の表面において、薄膜１１中のアルカリ成分やアルカリ土類成分を選択的に溶出させるような化学的エッチング処理を行う。そのために本工程に用いる第２のエッチング液は、薄膜１１中の成分の耐酸性の大きさに対するエッチングレートの差が顕著となるようなものを選択する。
本実施形態では、第１のエッチング液に比べて、アルカリ成分、アルカリ土類成分を溶出させやすい高濃度の酸性液を採用している。すなわち、薄膜１１を、第２のエッチング液である５０℃、０．０５％フッ化水素水溶液に浸漬することによって、化学的エッチング処理を行う。
これにより、薄膜１１中の耐酸性の低いアルカリ成分やアルカリ土類成分が、より耐酸性の大きい成分に先だって溶出し、その跡に、穴形状、凹形状、多孔質形状などからなる微細構造１４が形成される（図２（ｅ）参照）。
そして、アルカリ成分やアルカリ土類成分よりも耐酸性が高い成分が溶出して、微細構造が平滑化される前に、化学的エッチング処理を停止する。本実施形態では、凸部１２を含む薄膜１１の表面に、周期にして３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の微細構造１４が形成される。
このようにして、ガラス基材１０の表面に設けられた薄膜１１上に凸部１２が形成されるとともに、凸部１２を含む薄膜１１の表面に微細構造１４が形成された基板１１０を得ることができる。
なお、図２（ｅ）は模式図のため、微細構造１４の詳細形状の図示は省略している（図２（ｇ）の微細構造１６についても同様）。
【００４２】
次に、第２のエッチング工程で得られた基板１１０に対して、第３のエッチング工程を行う。
本工程は、薄膜１１側からガラス基材１０内部に到達するまでエッチング処理を行って、ガラス基材１０の表面に、薄膜１１の凸部１２の形状および微細構造１４の凹凸形状を反映させる工程である。
ここで、薄膜１１の凸部１２の形状および微細構造１４の凹凸形状をガラス基材１０上に反映させるとは、ガラス基材１０上の凸部形状および微細構造の凹凸形状を薄膜１１の凸部１２の形状および微細構造１４の凹凸形状と同じ形状にすることには限定されない。例えば、薄膜１１の凸部１２の形状および微細構造１４の凹凸形状から、相似的に縮小された形状や、基板厚さ方向に凹凸が拡大または縮小された形状などを含み、さらにこれらの形状からエッチング処理による細部形状の劣化によって変化した形状も含めるものとする。
【００４３】
本実施形態では、本工程のエッチング処理として、異方性エッチングの一例であるイオンエッチングを行う。例えば、イオンビームを、図２（ｆ）に示すように、薄膜１１の表面側から照射し、ガラス基材１０側に向かって、薄膜１１を除去していく。この場合、イオンビームは、薄膜１１を表面から照射方向に均一にエッチングしていく。そのため、エッチング処理が進むに連れて、薄膜１１の表面に形成された凸部１２の形状および微細構造１４の凹凸形状が、それぞれ相対的な凹凸を略保持した状態で、ガラス基材１０側に向かって下降される。
薄膜１１が除去されてガラス基材１０が露出すると、続いて、ガラス基材１０が厚さ方向にエッチングされ、ガラス基材１０上に、凸部１２の形状および微細構造１４の凹凸形状が反映されていく。
【００４４】
このようにして、薄膜１１がすべて除去されると、図２（ｇ）に示すように、ガラス基材１０の表面に、凸部１２の形状が反映された凸部１５と、凸部１５を含むガラス基材１０の表面に、微細構造１４の形状が反映された微細構造１６とが形成された基板１２０が得られる。
【００４５】
ここで、薄膜１１とガラス基材１０とのイオンビームに対するエッチングレートが異なる場合には、このエッチングレートの差に応じて、イオンビームの照射方向におけるエッチング量が変化するため、微細構造１６の凹凸形状は、微細構造１４の凹凸形状に対して、基板厚さ方向の凹凸の寸法は変化して反映される。例えば、ガラス基材１０のエッチングレートが、薄膜１１のエッチングレートに比べて高くなる設定とすれば、薄膜１１に対するエッチングが進んでガラス基材１０に到達すると（ガラス基材１０表面が露出すると）、まだガラス基材１０に到達しない薄膜１１に比べて、エッチング量が増大するので、薄膜１１が残っている間に、微細構造１４の凹凸形状が基板厚さ方向に拡大される。そのため、エッチングレートの差に応じて、高アスペクト比の凹凸形状を容易に形成することができる。
同様に、エッチングレートの関係を逆に設定すれば、微細構造１４の凹凸形状が基板厚さ方向に縮小された微細構造１６が得られる。
なお、こういった事情は凸部１２の形状についても同様であって、ガラス基材１０のエッチングレートが、薄膜１１のエッチングレートに比べて高くなる設定とすれば、凸部１５の形状を凸部１２に比べて高アスペクト比とすることができる。
【００４６】
このように本実施形態の微細構造作製方法によれば、圧縮応力部を形成することが困難な結晶化ガラスなどの材料からなるガラス基材１０に対しても、薄膜１１上に形成した凸部１２を元として、表面の所望する位置に簡便に凸部１５を形成することができる。さらに、薄膜１１上に形成した微細構造１４を元として、この凸部１５の表面に平面部分に形成されるのと同様な微細構造１６を容易に形成することができる。微細構造１４は、薄膜１１から、アルカリ成分やアルカリ土類成分を溶出させて形成するため、凸部１２の高さ、幅、表面積などの形状にほとんど影響を受けることなく容易に形成することができる。そのため、微細構造１４がガラス基材１０に反映された微細構造１６も、凸部１２や凸部１５の高さ、幅、表面積などの形状にほとんど影響を受けることなく容易に形成することができる。
また、上記第１の実施形態と同様に、型を利用するものではないので、多品種少量品を簡便に作製することができる。
また、上記第１の実施形態と同様に、凸部１２を形成する第１のエッチング工程と微細構造１４を形成する第２のエッチング工程とが、それぞれに用いる第１、第２のエッチング液の濃度が異なるだけなので、効率的に加工を行うことができる。
【００４７】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
本実施形態の第１変形例は、圧縮応力部形成工程において、薄膜１１に圧力を局所的に印加するとともに薄膜１１を加熱し、その後冷却することで、圧縮応力部１３を形成するようにしたものである。
本変形例によれば、加熱により昇温状態にある薄膜１１に圧力を局所的に印加した後、冷却するので、圧力を印加するのみの場合に比べて、容易に圧縮応力部１３を形成することができる。例えば、薄膜１１にクラックが生じない程度の温度、例えば、３００℃程度に昇温して加工工具４による圧力の印加を行い、常温まで冷却する、といった条件を採用することができる。
【００４８】
本実施形態の第２変形例は、第３のエッチング工程において、ドライエッチング処理の一種であるイオンエッチングに代えて、薄膜１１およびガラス基材１０をともに除去可能なウェットエッチング処理を用いたものである。例えば、第１、第２のエッチング工程に用いるような化学的エッチング処理を採用することができる。
ウェットエッチング処理は、異方性エッチングであることが好ましいが、ガラス基材１０上に所望の凹凸形状が形成できる場合には、等方性ウェットエッチングを用いてもよい。
本変形例によれば、第３のエッチング工程にウェットエッチング処理を用いるため、第３のエッチング工程を、例えば、基板１１０をイオンビームエッチング装置に移送したりすることなく、第２のエッチング工程から引き続いて行うことができるため、効率的な加工を行うことができる。
【００４９】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法およびガラス部品について説明する。
【００５０】
本実施形態の微細構造作製方法は、上記第２の実施形態の微細構造作製方法において、第３のエッチング工程を省略したものである。これにより、ガラス部品として、ガラス基材１０の表面に形成された薄膜１１の表面に、凸部１２、微細構造１４を残した状態の基板１１０を作製するものである。
【００５１】
本実施形態によれば、圧縮応力部が形成困難な材料からなるガラス基材１０を基材としても、基板１１０の表面に凸部１２とともに微細構造１４を形成することができる。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００５３】
例えば、上記の説明では、加工工具４の先端部の形状を球の一部分としたが、これに限るものではなく、所望の圧縮応力部の形状に応じて、角錐、円錐、ドリル状などの形状に変えることも可能である。
【００５４】
また、上記第２、第３の実施形態では、ガラス基材１０上に一層からなる薄膜１１を形成した場合の例で説明したが、ガラス基材１０と薄膜１１との間に他の薄膜を設けてもよい。この場合、他の薄膜は、第２の実施形態では、第３のエッチング工程によって除去可能な材料で構成する。一方、第３の実施形態では、第３のエッチング工程が省略されるため、他の薄膜の材料は特に限定されない。
【００５５】
また、上記の説明では、第１、第２のエッチング工程において、それぞれのエッチング液の濃度のみを変えた場合の例で説明したが、第１、第２のエッチング液の種類、濃度、温度、浸漬時間などの条件は、加工対象の材質、凸部や微細構造の形状条件などに応じて、適宜変えて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法の各工程を順次説明する模式的な工程説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る凸部を有する基板表面の微細構造作製方法の各工程を順次説明する模式的な工程説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  ガラス基材（基板）
１０  ガラス基材
２、１２、１５  凸部
３、１３  圧縮応力部
４  加工工具
５、１４、１６  微細構造
１１  薄膜
１００、１１０、１２０  基板（ガラス部品）
１０１  基板
【図１】
2009120414.tif 000003
【図２】
2009120414.tif 000004