(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズの入射側の焦点位置にマスクを配置し、前記レンズの出射側の焦点位置にガラス基板を配置し、前記マスクにレーザ光を照射して前記レンズの出射側の焦点位置となるガラス基材表面に、前記マスクを透過したレーザ光のフーリエ変換像を結像せしめ、このフーリエ変換像の光エネルギーをガラス基材に吸収させ、このエネルギーによる溶融、蒸発若しくはアブレーションによってガラスを除去することで、ガラス基材表面に周期的に複数の凹部を形成するようにしたことを特徴とするガラス基材のレーザ加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のガラス基材のレーザ加工方法において、前記レーザ加工されるガラス基材には、表面から所定の深さまで或いは全体に亘ってＡg原子、ＡgコロイドまたはＡgイオンの形態で銀が含有され、この銀の濃度は加工が施される側の表面における濃度が最も高く、徐々に他の面側に向かって濃度が低下するように濃度勾配が形成されていることを特徴とするガラス基材のレーザ加工方法。
【請求項３】
第１のレンズの出射側の焦点位置に第２のレンズの入射側の焦点を一致させ、第１のレンズの入射側の焦点位置に第１のマスクを配置し、第１のレンズの出射側の焦点位置に第２のマスクを配置し、第２のレンズの出射側の焦点位置に、表面から所定の深さまで或いは全体に亘ってＡg原子、ＡgコロイドまたはＡgイオンの形態で銀が含有され、この銀の濃度は加工が施される側の表面における濃度が最も高く、徐々に他の面側に向かって濃度が低下するように濃度勾配が形成されているガラス基板を配置し、前記第１のマスクにレーザ光を照射して第１のレンズの出射側の焦点位置にフーリエ変換像を結像せしめるとともに、このフーリエ変換像の一部を第２のマスクを介して第２のレンズの出射側の焦点位置に配置したガラス基材表面に結像せしめ、結像の光エネルギーをガラス基材に吸収させ、このエネルギーによる溶融、蒸発若しくはアブレーションによってガラスを除去することで、ガラス基材表面に、周期的に複数の凹部を形成するようにしたことを特徴とするガラス基材のレーザ加工方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガラス基材のレーザ加工方法において、前記マスクはビーム内の位相に対して変調を加える位相型マスクであることを特徴とするガラス基材のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガラス基材に対するレーザ加工方法に関し、特に断面が曲線状をなす多数の凹部をガラス基材の表面に形成する加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信等に用いる光学部品やディスプレイ装置に組み込むマイクロレンズとしてガラス基板に微細加工を施したものが用いられている。そして、ガラス基板に微細加工を施すには、従来にあっては、フッ酸等のエッチャントを用いたウェットエッチング（化学エッチング）、或いはリアクティブイオンエッチング等のドライエッチング（物理エッチング）によるのが一般的である。
また、平板型マイクロレンズアレイ等を製造する方法としては、型内にレンズ原料を入れて成形し、これをガラス基材上に転写して焼成するスタンパ法も知られている。
【０００３】
しかしながら、ウェットエッチングにあっては、エッチャントの管理と処理の問題があり、ドライエッチングにあっては真空容器等の設備が必要になり装置自体が大掛かりとなり、更に複雑なフォトリソグラフィー技術によってパターンマスク等を形成しなければならず効率的でない。
また、スタンパ法にあっても、パターン転写工程や焼成工程では精密な位置合せが要求され、且つ時間もかかる。
【０００４】
一方、レーザ光は強力なエネルギーを有し、照射された材料の表面温度を上げ、照射された部分をアブレーション（爆蝕）或いは蒸発せしめて種々の加工を施すことが従来から行われている。特にレーザ光は極めて小さなスポットに絞ることができるので、微細加工に適している。そこで、特開昭５４−２８５９０号公報には、レーザ光を照射することで、ガラス基板表面を加工することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガラス基板表面にレーザ光を照射し、アブレーション（爆蝕）或いは蒸発によって、ガラスを除去して凹部を形成する場合、光強度の強い部分のガラス除去量は多く、光強度の弱い部分のガラス除去量は少なくなる。また、レーザ光は直進性でマスクの開口を透過したレーザ光の強度は、１スポットの範囲においてほぼ等しく、ガラス基材に形成される凹部の壁はガラス基材に対して略垂直になる。
【０００６】
一方、一例として平板型マイクロレンズアレイを挙げると、平板型マイクロレンズアレイはガラス基板の表面に断面円弧状の凹部を形成し、この凹部に高屈折率樹脂を充填することで凹部を凸レンズとして作用させるようにしている。斯かる凹部をレーザ光の照射によって形成する場合、凹部断面が連続した円弧状をなしていないと同一の光学特性を有する凸レンズを多数形成することができず、液晶ディスプレイ等に組み込むことができない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、マスクの開口を透過したレーザ光の強度は中心部でも周辺部でもほぼ同一の矩形状の強度分布を示すが、当該マスクを透過したレーザ光によるフーリエ変換像は、各スポットの中心部で強度が大きく、周辺部で強度が小さくなるｓｉｎ波状の強度分布になることに着目して本発明をなしたものである。
【０００８】
即ち、本願の第１発明に係るガラス基材のレーザ加工方法は、レンズの入射側の焦点位置にマスクを配置し、レンズの出射側の焦点位置にガラス基板を配置し、前記マスクにレーザ光を照射してレンズの出射側の焦点位置となるガラス基材表面にマスクのフーリエ変換像を結像せしめ、このフーリエ変換像の光エネルギーをガラス基材に吸収させ、このエネルギーによる溶融、蒸発若しくはアブレーションによってガラスを除去することで、ガラス基材表面に周期的に拡散する複数の凹部を形成するようにした。
【０００９】
斯かる構成とすることにより、ガラス基材表面に２次元的な広がりで形成される多数の凹部の断面形状を、スムーズな円弧状等の曲線状にすることができ、例えば、平板型マイクロレンズアレイに適用することで、高精度の凸レンズ部を形成することができる。
【００１０】
また、本願の第２発明に係るガラス基材のレーザ加工方法は、第１のレンズの出射側の焦点位置に第２のレンズの入射側の焦点を一致させ、第１のレンズの入射側の焦点位置に第１のマスクを配置し、第１のレンズの出射側の焦点位置に第２のマスクを配置し、第２のレンズの出射側の焦点位置にガラス基板を配置し、前記第１のマスクにレーザ光を照射して第１のレンズの出射側の焦点位置にフーリエ変換像を結像せしめるとともに、このフーリエ変換像の一部を第２のマスクを介して第２のレンズの出射側の焦点位置に配置したガラス基材表面に結像せしめ、結像の光エネルギーをガラス基材に吸収させ、このエネルギーによる溶融、蒸発若しくはアブレーションによってガラスを除去することで、ガラス基材表面に周期的に拡散する複数の凹部を形成するようにした。
【００１１】
斯かる構成によってガラス基材表面に形成される凹部のパターンは第１のマスクと同一となるが、凹部の断面形状は滑らかな曲線状になる。また、２枚のレンズの焦点距離を変えることで像の倍率を調整することが可能となる。
【００１２】
尚、本発明にあってはレンズの出射側の焦点位置にガラス基板を配置して、ガラス基板上にフーリエ変換像を結像せしめるようにしたが、焦点位置からズレた位置にガラス基板を配置することも可能である。この場合には、ガラス基板上にフーリエ変換像ではなく、マスクとは異なる形状の周期構造が転写される。
【００１３】
前記ガラス基材の加工に用いるレーザ光としては、Ｎd−ＹＡＧレーザ、Ｔi−Ａl2Ｏ3レーザ、ＡrＦまたはＫrＦ等のエキシマレーザが適当であり、また、ガラス基板としてはＳiＯ2を主成分とする珪酸塩ガラスが、透明度が高く、高温下で簡単に成形（変形）が可能なため適する。
【００１４】
マスクとしては、矩形状、円形等の穴を２次元的に配列した銅板（銅メッシュ）、石英基板上に金属蒸着膜をパターニングしたもの等の開口型のマスクの他に、ビーム内の位相に対して変調を加える、いわゆる位相型のマスクを使用することも可能である。
【００１５】
更に、ガラス基材にはＡg原子、ＡgコロイドまたはＡgイオンの形態で銀を導入しておくことが好ましい。しかも従来の感光性ガラスや抗菌ガラスのように均一な濃度で銀が含有せしめるのではなく、加工が施される側の表面における銀の濃度が最も高く、徐々に他の面側に向かって銀の濃度が低下する濃度勾配となっていることが必要である。
斯かる構成とすることで、従来であれば、ガラス加工に用いることができるレーザ光は波長１９３ｎｍのＡrＦエキシマレーザに限定され、しかもＡr等の吸収のないガスと置換するか、真空中で照射しなけばならなかったが、その不利が解消される。
【００１６】
これは、以下の図１に示す機構によるものと考えられる。
即ち、図１（ａ）に示すように、Ａgイオンの濃度が最も高い側の表面からレーザ光を照射する。すると、同図（ｂ）に示すように、最もＡgイオン濃度が高いガラス基材表面のＡgイオンが還元せしめられてコロイド（Ａgの超微粒子）となり、このコロイドがレーザ光エネルギーを吸収し、同図（ｃ）に示すように、このエネルギーによる溶融、蒸発若しくはアブレーションを生じ、表層部のガラスが除去される。そして、表層部のガラスが除去されるとその下層のガラスでも同様の現象が順次起こり、最終的には同図（ｄ）に示すように凹部若しくは貫通穴が形成される。
このように、ガラス基材の最表面から徐々にガラスが除去されてゆくので、割れや欠けが発生しにくい。これに対し、銀の濃度が均一であったり、銀が含まれていないガラス基材にあっては、ガラス基材内部でアブレーション等が生じ、割れや欠けが発生しやすい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図２は実施例１に係るレーザ加工方法を実施する光学系を示す図であり、投影レンズ１の入射側の焦点位置にマスク２を配置し、投影レンズ１の出射側の焦点位置にガラス基板３を配置している。
【００１８】
ガラス基板３は、Ａl2Ｏ3−ＳiＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｎa2Ｏ−Ｆを主成分として含む厚さ２ｍｍのガラスに、Ａgイオン交換処理を施したものを使用した。Ａgイオン交換処理は以下の手順で行った。
Ａgイオン交換を行う溶融塩は、硝酸銀と硝酸ナトリウムを５０mol%-５０mol%で混合したものを用い、石英製の反応容器に加工用ガラスを１５分間浸漬した。溶融塩の温度は電気炉中で３００℃に保ち、反応雰囲気は空気とした。
この処理を行うことにより、ガラス表面のＮaイオンが溶出し、塩中に含まれるＡgイオンがガラス中に拡散（イオン交換）した。Ａgイオンが拡散した層の厚さをＸ線マイクロアナライザで測定したところ、約５μｍであった。
【００１９】
レーザ光源としては、Ｎd−ＹＡＧパルスレーザの第３高調波（波長：３５５ｎｍ、パルス幅：約１０ｎｓｅｃ、繰り返し周波数：５Ｈz）を使用した。レーザ光の１パルス当りのエネルギーは、レーザのＱスイッチのタイミングを変えることで調整が可能である。本実施例で用いたレーザの場合、最大のパルスエネルギーは約９０ｍＪであり、ビーム直径は約５ｍｍであった。
【００２０】
また、レンズ１は焦点距離２５０ｍｍのものを使用し、マスク２としては約１００μｍの孔を２次元的に配列した銅メッシュを使用した。
【００２１】
以上において、レーザ光を照射すると、マスク２のフーリエ変換像２ａがガラス基板４の表面に結像される。
ここで、マスク２を透過した時点でのレーザ光強度の空間分布は図３（ａ）に示すように、中心部も周辺部も略等しい矩形状をなし、一方、フーリエ変換像２ａのレーザ光強度の空間分布は同図（ｂ）に示すように、ｓｉｎ波状をなす。
そして、レーザ光強度の空間分布に対応してガラス基板３の表面には断面形状が曲線状（円弧状）をなす凹部が形成された。
【００２２】
尚、レーザ光による蒸発またはアブレーションは、非線形現象であり、ある強度以上にならないと蒸発またはアブレーションは生じない。本実施例の場合にはフーリエ変換像２ａのうち、３次以上の成分については、強度が小さく、蒸発またはアブレーションは生じなかった。
但し、マスクの設計次第では開口型のマスクでも、更に高次のスポットまで記録できる。
【００２３】
（実施例２）
図４は実施例２に係るレーザ加工方法を実施する光学系を示す図であり、この実施例にあっては、第１の投影レンズ１１の出射側の焦点位置に第２の投影レンズ１２の入射側の焦点を一致させ、第１の投影レンズ１１の入射側の焦点位置に第１のマスク１３を配置し、第１の投影レンズ１１の出射側の焦点位置に第２のマスク１４を配置し、第２の投影レンズ１２の出射側の焦点位置にガラス基板１５を配置している。
レーザ光源、第１のマスク、第１及び第２の投影レンズ、ガラス基板については実施例１と同様のものを使用した。
【００２４】
以上において、レーザ光を照射すると、第１のマスク１３のフーリエ変換像１３ａのうち、０次及び１次フーリエ変換像以外のスポットを第２のマスク１４で遮断し、０次及び１次フーリエ変換像のみを第２の投影レンズ１２に入射せしめ、ガラス基板表面に結像せしめる。この像はフーリエ変換像の２次以上の成分が除去されたものであり、ガラス基板１５に形成される凹部の断面形状は滑らかな曲線状になる。また、第１及び第２の投影レンズ１１，１２の焦点距離を変えることで像の倍率を調整することが可能となる。
【００２５】
図４は平板型マイクロレンズアレイの断面図であり、平板型マイクロレンズアレイ２０は上記の実施例１，２によって得られたガラス基板３，１５の凹部３ａ，１５ａ内に高屈折率樹脂２１を充填することで構成されている。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように本願の第１発明によれば、マスクのフーリエ変換像の結像位置にガラス基材を配置するようにしたので、ガラス基材表面に２次元的な広がりで形成される多数の凹部の断面形状を、スムーズな円弧状等の曲線状にすることができる。したがって、例えば、平板型マイクロレンズアレイに適用した場合に、高精度の凸レンズ部を形成することができる。
【００２７】
また、本願の第２発明によれば、一旦結像したフーリエ変換像のうちの高次の成分を除去して再度ガラス基板表面に結像せしめるようにしたので、第１のマスクと平面的には同一であるが、凹部の断面形状が滑らかな曲線状のものが得られる。また２枚のレンズの焦点距離を変えることで像の倍率を変え凹部のピッチ等を調整することも可能となる。
【００２８】
また、ガラス基材に形成すべき凹凸パターンが決れば、当該パターンに基づいてマスクを作製するだけでよく、任意の凹凸パターンを簡単に形成することができる。
【００２９】
更に、ガラス基材としてＡgが厚み方向に濃度勾配をもったものを使用すれば、使用するレーザ光についても自由度が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）はＡgを濃度勾配をもって含有するガラス基材にレーザ光を照射した過程を示す図
【図２】本発明方法に係るレーザ加工方法を実施する光学系を示す図
【図３】（ａ）はマスクを透過したレーザ光強度の空間分布を示す図、（ｂ）はフーリエ変換像のレーザ光強度の空間分布を示す図
【図４】別実施例を示す図１と同様の図
【図５】本発明方法に係るレーザ加工方法にて製造したガラス基材を用いた平板型マイクロレンズアレイの断面図
【符号の説明】
１…投影レンズ、２ａ，１３ａ…フーリエ変換像、２…マスク、３，１５…ガラス基板、１１…第１の投影レンズ、１２…第２の投影レンズ、１３…第１のマスク、１４…第２のマスク。
【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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