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引言
由于玻璃材料具有耐用性，光滑性，高絕緣性和透明性的特點(diǎn)，近年來(lái)，除了顯示器，光學(xué)元件和記錄介質(zhì)外，人們對(duì)其應(yīng)用于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）和類似TAS（微全分析系統(tǒng)）等新領(lǐng)域的期望越來(lái)越高。 此外，還研究了許多將玻璃材料與金屬等不同種類的材料接合以制造新功能元件的方法。 特別是多成分玻璃表面的性質(zhì)與帕爾克有很多不同，最表面的組成、硅烷醇基等官能基、水分和有機(jī)物的吸附等因素對(duì)表面的耐候性、耐化學(xué)性、與異種材料的粘著性、包括加工性在內(nèi)的機(jī)械特性等有各種各樣的影響。 因此，在新功能材料中控制或改性表面性質(zhì)是重要課題之一。
基本原理是利用了在加載壓力的情況下，在玻璃表面形成壓縮層后，該部位的耐酸性，特別是腐植酸引起的耐蝕刻性發(fā)生較大變化的現(xiàn)象。 在本方法的要素技術(shù)中，有機(jī)械加工工藝和化學(xué)方面的玻璃表面的改質(zhì)這2個(gè)方面。 在本綜述中，筆者等人將從迄今為止的研究中，首先從表面改質(zhì)的觀點(diǎn)，介紹壓力加載引起的玻璃表面化學(xué)性質(zhì)的變化，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后闡述其在微細(xì)加工中的應(yīng)用。
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實(shí)驗(yàn)
在此，首先對(duì)鋁硅酸鹽類玻璃的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。 圖1顯示的是，對(duì)于含有堿金屬氧化物、堿土金屬酸化物及微量氧化物等的各種鋁硅酸鹽類玻璃，關(guān)注作為主要成分且形成玻璃骨架的SiO*和AkOia， 在沒有加載壓力的部位，隨著SiO―AU0S的減少，蝕刻速度顯著增大。
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圖1（SiOi-AU0*）蝕刻速率與玻璃成分之間的關(guān)系
結(jié)果表明，在不施加壓力的區(qū)域，在用富硅酸蝕刻后，玻璃表面附近（幾納米）的SiO2以外的組分顯著減少，而在施加壓力的區(qū)域，這種現(xiàn)象幾乎不發(fā)生B）。如圖2的簡(jiǎn)單示意圖所示，在不施加壓力的普通鋁硅酸鹽玻璃中，已知除SiO2以外的相對(duì)較弱的耐酸組分在酸性水溶液中選擇性地洗脫12-14）。因此，當(dāng)作為網(wǎng)狀物的Al離子洗脫時(shí)，剩余的SiO2層不能保持玻璃結(jié)構(gòu)，并且其耐化學(xué)性顯著降低。因此，氟離子（主要是H町）很容易侵蝕和蝕刻。
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圖2 腐植酸蝕刻時(shí)產(chǎn)生的玻璃成分的選擇性洗脫（示意圖）
如上所述，在鋁硅酸鹽玻璃的蝕刻中，含Al離子在酸性氣氛下的選擇性洗脫是決定蝕刻速度的重要因素，蝕刻速度的成分依賴性的產(chǎn)生。 另一方面，這種選擇性洗脫在壓力施加部分沒有發(fā)生的事實(shí)被認(rèn)為是，在該部分，選擇性洗脫不再是決定蝕刻速度的因素，而是氟離子對(duì)SiO2網(wǎng)絡(luò)的攻擊變得占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致蝕刻速度的降低和組成依賴性的降低。 通過(guò)加載壓力抑制選擇性溶出的原因還不清楚，但可以推測(cè)，玻璃表面被局部壓縮9），其結(jié)果是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的各分子間的結(jié)合性發(fā)生了變化。
壓力的加載對(duì)硅鋁酸鹽類玻璃的耐酸性產(chǎn)生了顯著影響，但我想簡(jiǎn)單介紹一下除此之外的玻璃。 例如，已知SiO2比例高的所謂鈉鈣基玻璃，耐酸性（蝕刻速度）的變化幾乎不發(fā)生8）^，那么，多孔硅酸鹽基玻璃和石英玻璃等SiO2比例更高的組成如何？ 如上所述，在這些玻璃中，隨著壓力加載，蝕刻速度的變化得到確認(rèn)的oSiO2比率高的玻璃，當(dāng)然不會(huì)發(fā)生選擇性的溶出，或者顯著減少。如上所述，已經(jīng)清楚的是，施加壓力不僅對(duì)物理現(xiàn)象（例如壓縮）產(chǎn)生很大影響，而且對(duì)化學(xué)因素（例如蝕刻速率的變化）產(chǎn)生很大影響。接下來(lái)，從將這種現(xiàn)象應(yīng)用于精細(xì)加工技術(shù)的角度進(jìn)行解釋。
圖3的(a)(b)顯示了筆者等人提出的微加工方法的原理和工藝10）。 從這個(gè)圖可以看出，過(guò)程非常簡(jiǎn)單。 首先，準(zhǔn)備符合目的的玻璃，根據(jù)需要進(jìn)行研磨和清洗等處理后，用金剛石等壓頭在玻璃表面上進(jìn)行局部壓縮（高密度化）程度的負(fù)荷掃描。接著，用富二酸類水溶液對(duì)該玻璃進(jìn)行蝕刻，如前所述，由于高密度化部位的蝕刻速度降低，殘留為凸?fàn)?，在玻璃基板表面的任意位置形成凹凸結(jié)構(gòu)體成為可能。 但是，其加工性不一樣，從壓力加載時(shí)的形狀變化和壓力加載部與非壓力加載部的蝕刻速度比等方面來(lái)看，存在適合本加工技術(shù)的組成。 ?關(guān)于壓力加載。
如圖3的(c)所示，通過(guò)。x―用NC控制工作臺(tái)，可以在玻璃表面直接描繪各種圖案。 從該程序可知，在本加工方法中，圖案寬度方向的精度是根據(jù)用于壓力加載的壓頭及定位制度來(lái)決定的。 ?而且，最近也確認(rèn)了通過(guò)激光照射也可以進(jìn)行同樣的蝕刻速度變化。 因此，與機(jī)械施加壓力相比，更高密度的部分被更深地放置在玻璃的深處
圖4顯示的是蝕刻量與壓力加載部位高度的關(guān)系。 如圖所示，壓力施加部位的高度幾乎與蝕刻量成比例地增大。 本來(lái)，可以推測(cè)加載壓力的影響在玻璃的深度方向上有分布，但對(duì)蝕刻速度變化的影響是一定的，從高度控制的觀點(diǎn)來(lái)看是有利的。 作為蝕刻液，基本上使用的是基于腐植酸的蝕刻液。 正如根據(jù)上述機(jī)理所設(shè)想的那樣，蝕刻的化學(xué)因素會(huì)影響蝕刻速度的變化。 更具體地說(shuō)，已經(jīng)明確了通過(guò)促進(jìn)選擇性溶出，蝕刻速度比大幅增大。 例如，通過(guò)改變蝕刻液的pH值即使這樣，其程度也可以發(fā)生很大變化。 到目前為止，通過(guò)優(yōu)化組成和蝕刻條件，已確認(rèn)壓力加載部非壓力加載部的蝕刻比可以調(diào)整到1:10 0以上。
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討論和總結(jié)
本綜述從玻璃表面的耐化學(xué)性變化和在微細(xì)加工中的應(yīng)用的觀點(diǎn)出發(fā)，闡述了利用富二酸對(duì)玻璃的蝕刻速度隨著壓力的加載而發(fā)生變化的現(xiàn)象的原理和特征。 正如文章開頭所提到的那樣，微細(xì)加工法還有很多其他的種類，各有各的優(yōu)良特點(diǎn)。 此次介紹的技術(shù)也是微細(xì)加工技術(shù)或表面改性技術(shù)的一種，另外，通過(guò)與包括樹脂和金屬在內(nèi)的各種異種材料的組合，期待能帶來(lái)新的應(yīng)用和發(fā)展。