フェムト秒レーザーを用いた超薄板ガラスのナノスケール加工とその応用
奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学領域准教授 ヤリクン ヤシャイラ （Yalikun Yaxiaer ）（2018 年度 重点研究開発助成 課題研究 AF-2018202-A3）
キーワード：フェムト秒レーザー，超薄板ガラス，高精度加工

１．研究の背景と目的

図 2 のように試料がどうしても割れてしまう。その原因は、

1・1 研究の背景

薄板ガラスに MEMS 加工による小さいクラックが生じるこ

ガラス材料は透明で熱や強度や化学反応に対して耐性とで、構造上の弱点になることが顕微鏡観察から明らかとがある特徴を活かし、高耐熱・高純度・高絶縁・高耐圧がなった。クラックを基点とした破断が起き、柔軟性はとも求められる製造プロセス用途として、半導体をはじめ幅広かく、元の形状さえ維持できなくなる。このため、低歩留

い産業で使用されている。特に極めて薄い板ガラス（厚みまり、マイクロメートル精度の自在加工に対応できない問は数マイクロメートルから数十マイクロメートル、薄板ガ題点があった。超薄板ガラスの応用展開を実現するためにラスと言う）はディスプレイ、タッチカバー（高耐久）、はクラックを防ぎ、高密度な微細構造加工が可能な新たな指紋センサー（高い誘電率）、カメラモジュールカバー（高技術を開発する必要があった。

い透過率）、IC パッケージ（高帯域での低誘電損失）、薄膜バッテリー（化学的に安定、耐高温）などの応用において、極めて高い優位性を示し、今後の需要増加が期待されている１）。
上記の分野の需要と潜在市場を重視し、近年各ガラスメーカーは薄板ガラス(厚みが 30μm 以下の板ガラス)の生産技術と生産能力向上に力を入れ、すでに国内外数社から市販されている。中には、厚みは 4μm の超薄板ガラスもある。ここまで薄くするとガラスは軽量なフィルム状になり、自在に曲げることができる。ガラス材料であるため、頑丈で電気性能、耐久性の優れ、且つ柔軟な設計のデバイスの作製が可能になる。しかし、従来のガラスの加工技術は、前処理、固定、洗浄などの加工手順が多く、ガラスに破損や不要なひび割れが発生するリスクが高いため、柔軟で薄いガラスの加工に適さない欠点があった。

図２.超薄板ガラスの加工における破損の原因。（a）
MEMS 技術により Cr, Au で 2 重成膜した超薄膜ガラスの写真。この時点では破損はみられない（ｂ）ドライ、ウェットエッチングの工程で破壊された超薄板ガラスの写真。(c)エッチング前のガラス表面の顕微写真。
破損の原因となる微小クラックが確認できる。
1・2 本助成研究の目的①超薄板ガラス加工の精度向上：空気中で薄板ガラスをマ
図１.超薄板ガラスは通常ガラスの特性を有する上に、応用可能な領域はさらに広い。
MEMS 加工実績を多数有する筆者らは、従来の MEMS 技術で上記の厚み 30μm 以下の薄板ガラスの加工を試みたが、イクロから数十ナノメートルのスケールで加工できるように、従来の加工システムを改良する。
②超薄板ガラス加工の応用開拓：開発する加工手法を用いて、超薄板ガラスの特徴を活かせる様々な応用開発を行い、さらなる加工手法の改良を図る。

２．実験方法
2・1 超薄板ガラス試料の準備

2・2 超薄板ガラス加工装置の概要
本研究では、再生増幅式の高強度フェムト秒レーザーを超薄板ガラスは薄ければ薄いほどたわみやすくなり、超薄板ガラスの微細加工に用いた。これにより高価な機械、正確に加工することが困難になる。より厳しい条件での加長い加工時間、危険な化学薬品を要する複雑な工程からな工システムの有用性を評価するには、市場にある薄板ガラる浅堀、深堀、切断、貫通 4 種類の加工を簡素化した。超スよりも、薄くて表面の平坦さが優れる超薄板ガラスの作

薄板ガラスの微細加工で問題となる微小クラック発生や製が必要になる。従来の超薄板ガラスの製造では、フロー表面たわみを防ぎ、フェムト秒レーザー加工を実現するた

ト法やオーバーフロー法など高温で溶融させたガラスをめに２種類の技術を開発した。

引き延ばす方法が使われるが、ガラスを溶融させると、液まずは、常に薄板ガラスの両端にテンション（張力）が体状のガラス自体の表面張力（粘性）によりシート形状をかかるように、２つのピンチローラーで引っ張り構造を有保つことが困難になり、薄さには限界があった。ガラスをするジグを設計・作製し、幅 4 - 15 mm の薄板ガラスの固薄くする最も一般的な手法は研磨であるが、厚みが 30μm定と平坦性確保を実現した。さらに、加工に用いるフェム以下の薄膜ガラスを研磨するのは難しい。そこで報告者ら

ト秒レーザーの加工面への素早いフォーカシングを実現

はガラス軟化点（塑性変形可能な温度）よりも低温で、ガするため、従来の対物レンズよりも遥かに軽くて、微弱なラスを延伸して薄くする方法の開発した（図３）。

力で駆動できるガラスレンズとレンズアレイを開発した。
このレンズに充填された液体または空気に印加する圧力を変えることで、ミリ秒オーダーで 200μm の焦点深度のフォーカススキャニングが実現できた。

図３. 超薄板ガラスの製造と特性。厚み 30μm、幅 30 mm、長さ のガラス板の両端をカーボン製のジグ（治具）に吊り下げる。反対側のホルダーには金属製の重りを取り付け、張力を調整し、作製するガラスの厚みを制御する。
この状態で真空炉に入れ、加熱することでガラスが延伸し、超薄板ガラスが得られる。表面の粗さは 2 nm 以下の優れた平面特性が得られる。本開発手法で、厚みを市販のものより遥かに薄くすることができた（700 nm - 3μm）2),3）。

図４. 本加工システムの基本構成。フェムト秒レーザ
ー、光学系（対物レンズ+自作レンズ）、電動ステージ駆動系、薄板ガラスの把持ジグで構成される。把持ジ
グはレコーダーテープの把持構造を参考に、サイズを小さくし、薄板ガラスへの把持を実現したものになる。
自作レンズはガラスの熱膨張特性を利用したマイクロスケールのドーム構造作製手法で作製した。ドーム壁の肉厚が薄い（数マイクロメートル）ため、作成したレンズは極めて軽量である。更に、空洞の深さ、加熱の温度条件、時間、元の板材料の厚み、充填媒体を調整することによって、レンズの様々な特性が変更可能であり、加工目的に応じて柔軟な対応が可能な加工システムの構築が可能になった 4),5),6）。

３．実験結果

密制御が重要となる。これまでの手法は複雑で、侵襲性の超薄板ガラスは通常ガラスの特性を有する上に曲げるある方法（ビーズなどを導入するなど）が多い。本手法でことができるので、広範な領域での応用が期待されることは超薄板ガラス（4μm と 10μm）を高精度加工して、上記は前記した。特に、微小な MEMS センサー分野では、材料の問題を解決できる新型の流速センサーを開発した。の厚みと材質、表面状態の均一性がセンサー性能に影響す

図５に示すように、流体はフラットの板を通る際に、上る。今回開発した超薄板ガラス加工技術と微小空間でのレ下の流速で生じる圧力差によって生じる板を変形させるーザー計測技術を用いることで、微小流路中での高精度な揚力（Flift ）と、流れ方向に変形止めようとする流体力

多点非接触同時流速計測センサーを世界に先駆けて実現（Fdrag）が働く。板の変形量は双方の作用によって支配さした（図５）。

れ、変形量の計測から流速を見積もることができる。

３・1 超薄板ガラスを用いた高感度流速センサーの開発

筆者らはフェムト秒レーザー加工技術を用いて、超薄板流路中にある流速の計測は、様々な分野で幅広く使わガラスに複数種類（アスペクト比 1：5，1：4，1：1.5）れている。特にマイクロ流体デバイス分野では、流速の精のカンチレバー型センサーを作成し、その特性を微小流路内で検証した。また、超薄板ガラスの厚みの影響（変形量と感度）、耐薬性評価、多点計測など様々な特性を評価した。結果として、4μm の薄板ガラスカンチレバーセンサ
ーを利用した場合、感度は 0.409 Vm-1s-1 になり、従来のカンチレバーセンサーより高い感度が得られた（2022 年時点）。さらに、気体の計測も可能で、本加工手法で開発したセンサーの応用展開が期待できる。

図 5 .超薄板ガラスを用いた微小流路内の流速計測シス
テムの原理と性能。流速に依存する揚力（Flift）と流体力（Fdrag）の作用によって板の変形量が決まる。したがって板の変形量から流速が計測可能である。上記理論をシミュレーションで検証するとともに、アスペクト比（幅と長さの比率）が違う複数パターンを作製し、本センサーの原理を実証した 7),8）。

図 6. 多点流速計測センサアレイ。微小流路中に、カンチレバーのアレイ（１４×２計１４個）を加工し、同時多点流速計測を実現した。さらに、超薄板ガラスの厚み（4 μm と 10 μm）から流速計測への影響を調査した。結果として、薄ければ薄いほど感度が良く、4μm 厚のカンチレバーは 10 μm のそれと比較し、感度は一桁改善された 7),8）。

３・２超薄板ガラスのフェムト秒レーザー加工を用いた他の応用開拓超薄板ガラスとその加工手法の確立で、様々な応用が実現可能になった、例えば、超薄板ガラスの任意場所にフェ5） Yusufu Aishan, Yaxiaer Yalikun, Yo Tanaka:

ムト秒レーザーを集光して貫通穴を作成することで、基板

Pneumatically actuated thin glass microlens for

上で神経回路を誘導する神経軸索制御・誘導デバイス 9）

on-chipを実現した。また、ガラス表面ナノスケール加工による血液やリンパ液を循環する がん細胞 (circulating tumor

multi-magnification

observations,Actuators, 9(3), 73 (2020)
6） Yusufu

Aishan,Yaxiaer

Yalikun,Shun-ichi

や、超薄板ガラスの物理的なFunano, Yigang Shen, Yo Tanaka: Accurate

安定性・一様性を利用した受精卵特性計測用のカンチレバ

rotation of ultra-thin glass chamber for single cellcells)の分取デバイスーセンサーデバイス

10),11)

12)、ガラス表面の金属電極にナノギャップ作製し、菌類やエクソソームなどナノスケール試料の計測が可能なデバイスを開発し、本手法の有用性を証明

multidirectional

observation,

Applied

Physics

Express 13, 026502 (2020)
7） Yansheng Hao, Yo Tanaka, Yoichiroh Hosokawa,
Ming Li, Yaxiaer Yalikun: A gas flow velocity

した。

sensor fabricated with femtosecondµm

謝 辞
本研究は、2018 年度公益財団法人天田財団の研究助成を受けて行ったものであり、同助成会に心より感謝を申し

ultra-thinglasssheet,laser using 4

Applied

Physics

Express, 15, 036502 (2022)
8） Yansheng Hao, Yo Tanaka, Yaxiaer Yalikun, Ming

上げます。また、同研究にご協力いただきました信越化学

Li,工業株式会社、松浪硝子工業、日本電気ガラス、国立研究

Dependency of Microfluidic Sensor of Ultra-thin

Yoichiroh

Hosokawa:

FlowVelocity

開発法人理化学研究所集積バイオデバイスチームの皆様

Glass Sheet Fabricated by Femtosecond Laserに重ねてお礼申し上げます。

Processing, The Japan Society of Applied Physics,
10a-Z16-99） Dian Anggraini, Kazunori Okano, Yo Tanaka,

参考文献
1） TaoYalikun,Yaxiaer Yalikun, Yoichiroh Hosokawa: In Situ

Yoichiroh Hosokawa, Ming Li, Yo Tanaka: GlassTang,Yapeng

Yuan,

Yaxiaer

Guided Neurite Outgrowth by Femtosecond Laser

based micro total analysis systems: Materials,

Processing in a Microfluidic Device, 2021 IEEEfabrication methods, and applications, Sensors

34th International Conference on Micro Electroand Actuators B: Chemical, 339,129859 (2021)

Mechanical Systems (MEMS), 20510448

2） Yapeng Yuan, Yaxiaer Yalikun, Satoshi Amaya,
YusufuAishan,FabricationofYigang
ultra-thinShen,glassYoTanaka:sheet10） Tianlong Zhang, Yigang Shen, Ryota Kiya, Dian
Anggraini, Tao Tang, Hanaka Uno, Kazunori

byOkano, Yo Tanaka, Yoichiroh Hosokawa, Ming Li,

weight-controlled load-assisted precise thermal

Yaxiaer Yalikun: Focusing of particles in astretching, Sensors and Actuators A: Physical,

microchannel with laser engraved groove arrays,321, 112604 (2021)

Biosensors, 11(8), 263 (2021)

3） 田中陽, ヤリクン ヤシャイラ, 天谷諭, エン ヤーポ11） Tianlong Zhang, Misuzu Namoto, Kazunori Okano,ン, ユスフ アイサン, シン キゴウ:“ガラスシートのEri Akita, Norihiro Teranishi, Tao Tang, Dian

製造方法、ガラスシート、デバイス、及びガラスシAnggraini, Yansheng Hao, Yo Tanaka, David Inglis,ートの製造装置”, 2020 年 10 月 30 日出願，特願

Yaxiaer Yalikun, Ming Li, Yoichiroh Hosokawa;

2020-182007, 2021 年 9 月 22 日 PCT 出 願 ，Hydrodynamic particle focusing enhanced by

PCT/JP2021/34876

femtosecond laser deep grooving at low reynolds4） Yusufu Aishan, Yaxiaer Yalikun, Satoshi Amaya,numbers, Scientific Reports, 11, 1652 (2021)

Yigang Shen, Yo Tanaka: Thin glass micro-dome

12） Yapeng Yuan, Yaxiaer Yalikun, Yo Tanaka: Microstructure based microlens fabricated by accuratecantilever sheet glass thin-ultra and flexible

thermalusing measurement deformation, ロボティクス・

expansion

ofmicrocavities,

Physics Letters, 115, 263501 (2019)

Applied

メカトロニクス講演会 2022 in Sapporo, J04-2P2