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DE69722673T2 - Laserherstellungsverfahren für Glassubstrate und so hergestellte Mikrolinsenmatrizen - Google Patents

Laserherstellungsverfahren für Glassubstrate und so hergestellte Mikrolinsenmatrizen Download PDF

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DE69722673T2
DE69722673T2 DE69722673T DE69722673T DE69722673T2 DE 69722673 T2 DE69722673 T2 DE 69722673T2 DE 69722673 T DE69722673 T DE 69722673T DE 69722673 T DE69722673 T DE 69722673T DE 69722673 T2 DE69722673 T2 DE 69722673T2
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Keiji Osaka-shi Tsunetomo
Masahiro Osaka-shi Oikawa
Kenjiro Osaka-shi Hamanaka
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren für Glassubstrate sowie ein Mikrolinsenfeld, das hierdurch erhalten werden kann.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Hauptsächlich aus SiO2 zusammengesetztes Silikatglas ist hochtransparent und kann bei hohen Temperaturen leicht gegossen (verformt) werden. Silikatglasplatten, die durch mikroskopische topographische Bearbeitung mit Löchern oder Konkavitäten oder Konvexitäten ausgebildet wurden, sind als Glassubstrate für optische Komponenten, die für optische Kommunikations- und Anzeigevorrichtungen benutzt werden, weit verbreitet.
  • Um in einer Silikatglasplatte gemäß mikroskopischer topographischer Bearbeitung ein Loch herzustellen, war es allgemeine Praxis, die Silikatglasplatte mit Nassätzung (chemischer Ätzung) zu bearbeiten, unter Verwendung eines Ätzmittels aus Fluorwasserstoffsäure oder dgl., oder Trockenätzung (physikalischer Ätzung), wie etwa reaktiver lonenätzung.
  • Jedoch ist Nassätzung in Bezug auf die Handhabung und die Bearbeitung des Ätzmittels problematisch. Trockenätzung erfordert Ausrüstungsgegenstände, wie etwa einen Vakuumbehälter, erfordert eine voluminöse Vorrichtung und ist nicht effizient, weil durch komplizierte Fotolithographie eine Mustermaske hergestellt werden muss.
  • Laserstrahlen haben eine intensive Energie und wurden bislang benutzt, um die Temperatur einer Oberfläche eines Materials, auf das der Laserstrahl einwirkt, zu erhöhen, um hierdurch einen Teil des Materials, auf das der Laserstrahl einwirkt, zu ablatieren oder zu verdampfen, um das Material auf verschiedene Weise zu bearbeiten. Da der Laserstrahl auf einen sehr kleinen Fleck fokussiert werden kann, ist er zu mikroskopischen topographischen Bearbeitung eines Materials geeignet.
  • Dann wird in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 54-28590 (1979) das Bearbeiten einer Glassubstratoberfläche durch deren Bestrahlung mit einem Laserstrahl offenbart, während ein Tisch in X-Y-Richtungen bewegt wird, an welchem Tisch das bereits auf 300 bis 700°C erhitzte Glassubstrat fest angebracht ist.
  • Obwohl, wie oben erwähnt, durch Bewegen des Tisches in X-Y-Richtung an der Glasoberfläche die Konkavitäten und Konvexitäten gewünschter Form ausgebildet werden können, können die Konkavitäten und Konvexitäten nicht hergestellt werden, wenn es sich z. B. um ein mikroskopisches Muster handelt, wie etwa von einem Beugungsgitter.
  • Ferner erzeugt die Bewegung des Tisches Staub, was Defekte in den Produkten zur Folge hat und deren Produktivität senkt.
  • Als ein anderes Verfahren zur Herstellung eines planaren Mikrolinsenfelds etc. ist bereits ein Stanzverfahren bekannt geworden, in dem Linsenmaterial in einen Gussrahmen eingespritzt wird und die gegossenen Muster auf das Glassubstrat übertragen und verbacken werden. Jedoch erfordert dies eine akkurate Positionierung während des Musterüberführungsprozesses und des Backprozesses, und es benötigt Zeit.
  • Als ein anderes Verfahren zur Herstellung eines planaren Mikrolinsenfelds etc. wurde vorgeschlagen, eine konvexe Linse durch Formung von Konkavitäten mit bogenförmigem Querschnitt an der Glassubstratoberfläche mit Nassätzung und durch Einspritzen von Kunststoffmaterial mit hohem Brechungsindex in die geformten Konkavitäten, um hierdurch die konvexe Linse mit den Konkavitäten auszubilden, zu erhalten. Jedoch hat die Nassätzung die oben erwähnten Probleme.
  • Dann könnte man daran denken, die Konkavitäten, in die der Kunststoff mit hohem Brechungsindex eingespritzt wird, durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl durch eine Maske auszubilden. Da jedoch der Laserstrahl die Tendenz hat, geradeaus vorwärts zu laufen, und angenähert die gleiche Intensität innerhalb der Fläche eines Flecks aufweist, nachdem er durch die Öffnungen der Maske hindurchtritt, dann kommt die Wand der an dem Glassubstrat gebildeten Konkavität etwa orthogonal zum Glassubstrat zu liegen, wodurch es unmöglich wird, den Querschnitt einer perfekt durchgehenden Bogenform zu erhalten. Daher kann sie auf der Vorrichtung, die eine extrem hohe Genauigkeit erfordert, wie etwa eine Flüssigkristallanzeige, nicht so angebracht werden wie sie ist und erfordert mehr oder weniger eine Behandlung mit Nassätzung und benötigt Zeit.
  • Laserstrahlen werden durch einen Infrarotlaser erzeugt, wie etwa einen CO2-Laser, einen Nd: YAG-Laser, einen Laser, der einen Nd: YAG-Laser in Kombination mit Wellenlängenumwandlungseigenschaften zum Erzeugen eines Laserstrahls aufweist, dessen Wellenlänge von einem nahen Infrarotbereich durch einen sichtbaren Bereich zu einem ultravioletten Bereich reicht, sowie einen Ultraviolettlaser, wie etwa einen Excimerlaser, wie etwa einen ArF- oder KrF-Laser. Wenn der CO2-Laser langer Wellenlänge benutzt wird, kommt es zu heftigen Brüchen durch thermische Belastung. Wenn der Ultraviolett-KrF-Laser (Wellenlänge 248 nm) benutzt wird, treten um die Fläche, wo der Laserstrahl einwirkt, Brüche auf, sodass er für die mikroskopische topographische Bearbeitung nicht geeignet ist. Somit ist die Verwendung eines ArF-Excimerlasers einer Wellenlänge von 193 nm das Optimum als Laserstrahl für die Glasbearbeitung. Wenn jedoch ein solcher ArF-Excimerlaser benutzt wird, wird es wegen der Absorption durch Luft erforderlich, die Luft durch absorptionsfreies Gas, wie etwa Ar etc., zu ersetzen, oder ein Vakuum zu halten, damit der Laserstrahl so weit wie möglich reichen kann.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben erwähnten herkömmlichen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe davon ist es, ein Laserbearbeitungsverfahren anzugeben, das in der Lage ist, mikroskopische konkave Muster auf einer Glassubstratoberfläche mit Genauigkeit und innerhalb einer kurzen Zeitdauer auszubilden.
  • Eine andere Aufgabe ist es, ein Laserbearbeitungsverfahren zur Bildung einer großen Anzahl der Konkavitäten auf der Glassubstratoberfläche auszubilden, ohne das Glassubstrat zu bewegen, und indem der Lichtweg geändert wird.
  • Eine noch weitere Aufgabe davon ist es, ein Mikrolinsenfeld zu erhalten, das mit dem obigen Verfahren hergestellt ist.
  • Zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe umfasst ein Laserbearbeitungsverfahren für ein Glassubstrat nach der vorliegenden Erfindung: Aufstrahlen des Laserstrahls mit regelmäßiger Intensitätsverteilung auf das Glassubstrat, Absorbieren von Energie des Laserstrahls in das Glassubstrat und Entfernen eines Teils des Glases durch Schmelzen, Verdampfen oder Ablation aufgrund der Energie, worin an der Oberfläche des Glassubstrats mikroskopische Konkavitäten ausgebildet werden, indem der optische Weg des Laserstrahls mit einem Optischer-Weg-Veränderungsmittel verändert wird, um hierdurch die Position eines Flecks des auf die Oberfläche des Glassubstrats aufgestrahlten Laserstrahls zu bewegen.
  • Hier kann das Optischer-Weg-Veränderungsmittel mit einem ersten Spiegel zum Bewegen der Position des Flecks des Laserstrahls in einer X-Richtung auf der Oberfläche des Glassubstrats und einem zweiten Spiegel zum Bewegen der Position des Flecks des Laserstrahls in einer Y-Richtung auf der Oberfläche des Glassubstrats aufgebaut sein. Für die Spiegel ist es bevorzugt, einen Galvanospiegel zu verwenden, der sich, in Abhängigkeit vom durch ihn fließenden Strom, um einen kleinen Winkelbetrag dreht.
  • Ferner ist in der herkömmlichen Technik der Laserstrahl, der bei der Glasbearbeitung anwendbar ist, auf einen ArF-Excimerlaser der Wellenlänge von 193 nm beschränkt, und die Vorrichtung ist groß und kompliziert, weil der Austausch mit nicht absorbierendem Gas, wie etwa Ar, oder ein Vakuum erforderlich ist. Jedoch wird nach einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung experimentell sichergestellt, dass ein Laserstrahl mit einer längeren Wellenlänge als dem oben erwähnten bei der Glasbearbeitung anwendbar ist, ohne zu reißen oder zu brechen, indem in das Glas Silber in der Form von Ag-Atomen, Ag-Kolloid oder Ag-Ionen eingebaut wird, und die Spur der Laserbestrahlung sehr glatt ist.
  • Falls jedoch das Glas Silber in gleichmäßiger Konzentration enthält, wie etwa herkömmliches lichtempfindliches Glas und/oder antibakterielles Glas, lässt sich keine Zunahme der Bearbeitbarkeit finden, und daher ist es erforderlich, dass es ein Konzentrationsgefälle des Silbers aufweist, das die höchste Konzentration an der zu bearbeitenden Seitenfläche zeigt und zur anderen Seitenfläche davon allmählich abnimmt.
  • Dies entspricht dem in 1 gezeigten Mechanismus und wird nachfolgend erläutert.
  • Wie in 1(a) gezeigt, wirkt der Laserstrahl auf die Oberfläche mit der höchsten Ag-Ionenkonzentration. Dann wird, wie in 1(b) gezeigt, auf der Oberfläche mit der höchsten Ag-Ionenkonzentration auf dem Glassubstrat das Ag-Ion zu einem Kolloid aufgelöst (sehr feine Ag-Partikel). Die Ag-Kolloidpartikel absorbieren Energie des Laserstrahls, wie in 1(c) gezeigt, und es kommt zu einem Schmelzen, Verdampfen oder Ablatieren, wodurch das Glas der Oberflächenschicht entfernt wird. Nach dem Entfernen des Glases von der Oberflächenschicht tritt das gleiche Phänomen in der nachfolgenden Glasschicht auf, und im letztgenannten werden Konkavitäten oder eindringende Löcher gebildet, wie in 1(d) gezeigt.
  • Da auf diese Weise das Glas von der Oberfläche des Glassubstrats her allmählich entfernt wird, treten kaum Brüche oder Risse auf. Im Gegensatz hierzu tritt in dem Glassubstrat, das Silber in gleichförmiger Konzentration oder kein Silber enthält, innerhalb des Glassubstrats eine Ablation auf, und daher kommt es leicht zu Rissen oder Brüchen.
  • Die Erfindung sieht auch ein planares Mikrolinsenfeld vor, wie es in Anspruch 4 definiert ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1(a) bis (d) sind Zeichnungen zur Erläuterung der Grundidee des Laserbearbeitungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung zur Verwendung beim Ionenaustausch;
  • 3 ist eine Umrisszeichnung einer Konstruktion einer Bearbeitungsvorrichtuntg, die zur Durchführung eines Laserbearbeitungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
  • 4 ist eine Perspektivansicht des Glassubstrats während der Bearbeitung;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht des planaren Mikrolinsenfelds; und
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines zweidimensionalen Faseroptikfelds.
  • DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • Nachfolgend werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert.
  • Beispiele
  • 3 zeigt den Konstruktionsumriss einer Bearbeitungsvorrichtung, die zum Ausführen des Laserbearbeitungsverfahrens des vorliegenden Beispiels angewendet wird. Die Bearbeitungsvorrichtung ist aufgebaut mit einer Strahlungsquelle eines Laserstrahls, einem ersten Spiegel, einem zweiten Spiegel, einer Linse und einem Tisch, auf dem das plattenförmige Glassubstrat angebracht wird.
  • Die ersten und zweiten Spiegel sind mit einem Galvanospiegel aufgebaut, der sich, in Abhängigkeit vom durch ihn fließenden Strom, um einen kleinen Winkelbetrag dreht, und die ersten und zweiten Spiegel sind derart angeordnet, dass ihre Drehachsen einander rechtwinklig kreuzen oder schneiden. Die Linse ist so positioniert, dass der vom zweiten Spiegel reflektierte Laserstrahl auf dieselbe Ebene fokussiert wird, in dieser Ausführung auf die Oberfläche des Glassubstrats.
  • Im obigen wird, durch Drehen des ersten Spiegels, die Position des Flecks des Laserstrahls von der Strahlungsquelle in einer X-Richtung auf der Oberfläche des Glassubstrats verschoben und, durch Drehen des zweiten Spiegels, wird die Position des Flecks des Laserstrahls in einer Y-Richtung auf der Oberfläche des Glassubstrats verschoben. Durch Kombination dieser Vorgänge ist es demzufolge möglich, die Position des Flecks des Laserstrahls auf eine beliebige Stelle auf der Oberfläche des Glassubstrats zu verschieben, wodurch auf dem Glassubstrat mit einem konstanten Abstand die Konkavitäten sequenziell gebildet werden können, wie in 4 gezeigt.
  • Genauer gesagt enthält, als das obige Glassubstrat, das Glas hauptsächlich SiO2 und zusätzlich hierzu Al2O3, B2O3, Na2O, F und hat eine Dicke von 2 mm. Mittels einer in 2 gezeigten Vorrichtung wurde ein Ionenaustausch durchgeführt. Das Glassubstrat wurde in die Glasschmelze (bei 300°C gehalten), die ein Gemisch von 50 mol-% Silbernitrat und 50% mol-% Natriumnitrat in dem Quarzbehälter enthielt, für 86 Stunden eingetaucht, um hierdurch Na-Ionen in der Oberfläche des Glassubstrats auszuwaschen, und Ag-Ionen in der Glasschmelze in das Glas zu diffundieren. Die Dicken der Schichten, in die die Ag-Ionen diffundiert wurden, betrug etwa 160 μm, gemessen durch einen Röntgenstrahlen-Mikroanalysator (XMA).
  • Durch Anbringen des oben erwähnten Glassubstrats und Bewegen der Position des Flecks des Laserstrahls einer Wellenlänge von 355 nm, der dritthöchsten Oberwelle des Nd: YAG-Lasers, wurden eine Mehrzahl von Konkavitäten auf dem Glassubstrat mit einem Abstand von 125 μm gebildet. Die Pulsweite des angewendeten Laserstrahls beträgt etwa 10 ns, deren Wiederholfrequenz 5 Hz und die Strahlungsenergie pro einem Puls 30 J/cm2/Puls. Auf einen jeden der Flecken werden einhundert Pulse geschossen.
  • Ein planares Mikrolinsenfeld kann hergestellt werden, indem ein Kunststoff mit hohem Brechungsindex in die Konkavitäten des durch die obige Ausführung erhaltenen Glassubstrats gefüllt wird, wie in 5 gezeigt.
  • 6 zeigt ein zweidimensionales Faseroptikfeld, das als ein Element aufgebaut ist, in Kombination mit dem obigen plattenartigen Mikrolinsenfeld. Dieses zweidimensionale Faseroptikfeld kann auch erhalten werden, indem man durch den Laserstrahl Löcher bildet, die das Glassubstrat durchdringen, die einen Enden der Optikfasern in die Löcher einsetzt und dann diese mit Kunststoff fixiert, das durch ultraviolette Strahlung härtbar ist, in der gleichen Weise wie das planare Mikrolinsenfeld. Bei der Bildung der Durchgangslöcher an den Positionen, die den Positionen der Linsenabschnitte des oben erwähnten planaren Mikrolinsenfelds entsprechen, wie in 6 gezeigt, werden Lichtstrahlen, die auf die Linsenabschnitte des plattenartigen Mikrolinsenfelds fallen, gesammelt und treten in die Optikfaser an deren einen Ende ein.
  • Wie oben erläutert, wird nach der vorliegenden Erfindung bei der Bearbeitung der Konkavitäten und Konvexitäten mit vorbestimmtem Muster auf dem Glassubstrat durch den Laserstrahl, die Position eines Flecks des abgestrahlten Laserstrahls bewegt, indem der optische Weg des Laserstrahls durch die Funktion eines Optischer-Weg-Veränderungsmittels verändert wird, der bevorzugt Spiegel enthält, während das Glassubstrat fest montiert wird, wodurch das mikroskopische Muster der Konkavitäten und Konvexitäten auf einer Oberfläche des Glassubstrats mit Genauigkeit und in kurzer Zeit ausgebildet werden kann.
  • Da sich der Tisch, auf dem das Glassubstrat montiert ist, nicht bewegt, ist es daher möglich, die Stauberzeugung beim Prozess zu unterdrücken und die Produktivität der Produkte zu erhöhen.
  • Ferner ist das Optischer-Weg-Veränderungsmittel mit einem ersten Spiegel aufgebaut, um die Position des Flecks des Laserstrahls vertikal auf der Oberfläche des Glassubstrats zu bewegen, und einem zweiten Spiegel, um die Position des Flecks des Laserstrahls horizontal auf der Oberfläche des Glassubstrats zu bewegen, wodurch jede Art von Konkavitäten und Konvexitäten auf dem Glassubstrat ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist es, durch Konstruktion der Spiegel mit Galvanospiegeln, möglich, eine sehr genaue Bearbeitung durchzuführen.
  • Insbesondere enthält, in den oben erwähnten Bearbeitungsverfahren, das zu behandelnde Glassubstrat Silber in der Form von Atomen, Kolloid oder Ionen darin, und hat eine Silberkonzentration, die den höchsten Wert an der Oberseite zeigt und die von der Oberfläche zu ihrem Inneren allmählich abnimmt, und daher tritt auch dann kein Riss oder Bruch auf, wenn ein Laserstrahl mit einer relativ langen Wellenlänge verwendet wird. Und bei der Verwendung des Laserstrahls mit einer relativ langen Wellenlänge braucht man die Absorption des Laserstrahls in der Luft nicht berücksichtigen und wird die Vorrichtung selbst einfach.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Das Laserbearbeitungsverfahren für das Glassubstrat nach der vorliegenden Erfindung ist ein Beitrag zur Herstellung optischer Produkte, einschließlich eines Beugungsgitters, eines Mikrolinsenfelds etc. Das Beugungsgitter nach der vorliegenden Erfindung kann in einen Optokoppler eingebaut werden, ein Polariskop, ein Spektroskop, einen Reflektor und einen Moduswandler etc., und das Mikrolinsenfeld nach der vorliegenden Erfindung kann in eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung etc. eingebaut werden.

Claims (5)

  1. Laserbearbeitungsverfahren für ein Glassubstrat, umfassend: Aufstrahlen eines Laserstrahls mit einer regelmäßigen Intensitätsverteilung auf das Glassubstrat, Absorbieren von Energie des Laserstrahls in das Glassubstrat und Entfernen eines Teils des Glases durch Schmelzen, Verdampfen oder Ablation aufgrund der Energie, worin an einer Oberfläche des Glassubstrats mikroskopische Konkavitäten ausgebildet werden, indem der optische Weg des Laserstrahls mit einem Optischer-Weg-Veränderungsmittel verändert wird, um hierdurch die Position eines Flecks des auf die Oberfläche des Glassubstrats aufgestrahlten Laserstrahls zu bewegen.
  2. Laserbearbeitungsverfahren für ein Glassubstrat nach Anspruch 1, worin das Optischer-Weg-Veränderungsmittel einen ersten Spiegel zum Bewegen der Position des Flecks des optischen Laserstrahls in einer X-Richtung auf der Oberfläche des Glassubstrats sowie einen zweiten Spiegel zum Bewegen der Position des Flecks des Laserstrahls in einer Y-Richtung auf der Oberfläche des Glassubstrats umfasst.
  3. Laserbearbeitungsverfahren für ein Glassubstrat nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Glassubstrat von der Oberfläche her bis zu einer vorbestimmten Tiefe oder insgesamt Silber in der Form von Ag-Atomen, Ag-Kolloid oder Ag-Ionen enthält und ein Konzentrationsgefälle des Silbers aufweist, das die höchste Konzentration an einer zu bearbeitenden Seitenfläche zeigt und zur anderen Seitenfläche davon allmählich abnimmt.
  4. Planares Mikrolinsenfeld, das in ein Flüssigkristallanzeigeelement eingebaut werden kann, worin das Planare Mikrolinsenfeld mit regelmäßig angeordneten Konkavitäten versehen ist, die durch Aufstrahlen eines Laserstrahls mit einer regelmäßigen Intensitätsverteilung auf eine Oberfläche eines plattenartigen Glassubstrats gebildet sind.
  5. Planares Mikrolinsenfeld nach Anspruch 4, worin das plattenartige Glassubstrat, welches das Beugungsgitter bildet, von einer Oberfläche her bis zu einer vorbestimmten Tiefe oder insgesamt Silber in der Form von Ag-Atomen, Ag-Kolloid oder Ag-Ionen enthält und ein Konzentrationsgefälle des Silbers aufweist, das die höchste Konzentration an einer zu bearbeitenden Seitenfläche zeigt und zur anderen Seitenfläche davon allmählich abnimmt.
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