Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP6318171B2 - レーザ微細加工によりイメージを形成する方法 - Google Patents

レーザ微細加工によりイメージを形成する方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6318171B2
JP6318171B2 JP2015549732A JP2015549732A JP6318171B2 JP 6318171 B2 JP6318171 B2 JP 6318171B2 JP 2015549732 A JP2015549732 A JP 2015549732A JP 2015549732 A JP2015549732 A JP 2015549732A JP 6318171 B2 JP6318171 B2 JP 6318171B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
laser pulse
concave surface
range
pulse beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015549732A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2016505390A5 (ja
JP2016505390A (ja
Inventor
ライヘンバッハ,ロバート
ハワートン,ジェフリー
松本 久
久 松本
シャン,ファン
ノエル,マイケル,シェーン
Original Assignee
エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド
エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド, エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド filed Critical エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド
Publication of JP2016505390A publication Critical patent/JP2016505390A/ja
Publication of JP2016505390A5 publication Critical patent/JP2016505390A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6318171B2 publication Critical patent/JP6318171B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0006Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/361Removing material for deburring or mechanical trimming
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/362Laser etching
    • B23K26/364Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/40Removing material taking account of the properties of the material involved
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08Non-ferrous metals or alloys
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10Aluminium or alloys thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/14Titanium or alloys thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41MPRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/24Ablative recording, e.g. by burning marks; Spark recording

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Surface Treatment Of Glass (AREA)

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2012年12月20日に提出された米国仮出願第61/740,430号の本出願である。この米国仮出願の内容はあらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
著作権表示
(c)2013 エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド。この特許文書の開示の一部には、著作権保護を受ける構成要素が含まれている。この特許文書又は特許開示は米国特許商標庁の特許ファイル又は記録に記載されているので、著作権所有者は、いかなる者による特許文書又は特許開示のファクシミリによる複製に対して異議を唱えることはないが、それ以外についてはどのようなものであってもすべての著作権を留保する。米国連邦規則集第37巻第1.71条(d)。
本出願は、レーザ加工に係り、特に材料内で異なる表面効果を得るために異なる組のレーザ加工パラメータで材料を加工するためのシステム、方法、及び装置に関するものである。
概要
ある実施形態においては、方法又はレーザシステムは、異なる組のレーザ加工パラメータを用いて基板に取り組み、基板内に異なる表面効果を生じさせる。
ある実施形態においては、第1組の凹部形成レーザパラメータを用いて基板内に凹部を形成することができる。第2組の研磨レーザパラメータを用いて凹部の表面を研磨することができる。第3組の表面修正レーザパラメータを用いて所望の外観に対する条件を満足する光学的特性を有するように凹部の研磨面を変えることができる。
ある実施形態においては、それぞれの組のパラメータは、他の組のものと異なる少なくとも1つの値を有するパラメータを含む。
ある実施形態においては、第3組の表面修正レーザパラメータは、異なる所望の外観に対する条件を満足する異なる光学的特性を提供する異なる組のレーザパラメータを含み得る。
図1は、対象物にイメージを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示すものである。 図2は、対象物にイメージを形成するプロセスの他の実施形態を模式的に示すものである。 図3は、対象物にイメージを形成するプロセスのさらに他の実施形態を模式的に示すものである。 図3A及び図3Bは、図3で表されるプロセスにより形成された対象物内のイメージの正面図及び側面図である。 図3A及び図3Bは、図3で表されるプロセスにより形成された対象物内のイメージの正面図及び側面図である。 図4は、対象物にイメージを形成するプロセスのさらに他の実施形態を模式的に示すものである。 図4A及び図4Bは、図4に表されるプロセスにより形成された対象物内のイメージの正面図及び側面図である。 図4A及び図4Bは、図4に表されるプロセスにより形成された対象物内のイメージの正面図及び側面図である。 図5A及び図5Bは、例示的なレーザ加工システムを示すものである。 図5A及び図5Bは、例示的なレーザ加工システムを示すものである。 図6は、図5A及び図5Bのレーザ加工システム中のある構成要素を強調した模式図である。 図7は、レーザ加工システムにより生成されるレーザ出力のビームウェストの拡大図である。
実施形態の詳細な説明
以下、添付図面を参照しつつ実施形態の例を説明する。本開示の精神及び教示を逸脱することのない多くの異なる形態及び実施形態が考えられ、本開示を本明細書で述べた実施形態に限定して解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態の例は、本開示が完全かつすべてを含むものであって、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されるものである。図面においては、理解しやすいように、構成要素のサイズや相対的なサイズが誇張されている場合がある。本明細書において使用される用語は、特定の例示的な実施形態を説明するためだけのものであり、限定を意図しているものではない。本明細書で使用されるように、内容が明確にそうではないことを示している場合を除き、単数形は複数形を含むことを意図している。さらに、「備える」及び/又は「備えている」という用語は、本明細書で使用されている場合には、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び/又は構成要素の存在を特定するものであるが、1つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び/又はそのグループの存在又は追加を排除するものではないことも理解されよう。特に示している場合を除き、値の範囲が記載されているときは、その範囲は、その範囲の上限と下限の間にあるサブレンジだけではなく、その上限及び下限を含むものである。
図1は、対象物内にイメージを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示すものである。図1を参照すると、レーザエングレービングパラメータを有するレーザパルス11(図6)のビーム110aを用いて、初期外観(preliminary visual appearance)を呈する表面100aを有する対象物100を加工して初期外観とは異なる修正外観を呈する文字又はイメージを形成することができる。図示された実施形態においては、対象物100は、(例えば、アルミニウムやアルミニウム合金からなる)基板102と、基板102の表面上に配置された(例えば、酸化アルミニウムからなる)層104とを含んでいる。対象物100又は基板102の表面100aは、滑らかであってもよく、あるいは(例えば、ビードブラストの結果として)粗くてもよい。他の実施形態においては、(例えば、対象物100の面100aが基板102の表面となるように)層104を省略してもよい。
本明細書において基板102は例としてアルミニウム又はアルミニウム合金であるものとして述べるが、本明細書において述べられるプロセスは一般的に金属及び金属合金に対して有効であることは理解できよう。金属の他の例としては、ステンレス鋼やチタンやそれらの合金が挙げられる。
修正外観を形成するために、対象物100上にレーザパルス11のビーム110aを照射して層104を除去してその下にある基板102を加工し、基板102の表面から深さ10ミクロン(μm)以上(例えば数十μm)延びて凹面108で終端する凹部106を形成してもよい。本明細書においては、このプロセスを「エングレービングプロセス」ということがある。
ある実施形態においては、エングレービングプロセスパラメータにより、10μmから約100μmの範囲の深さの凹部300が形成される。ある実施形態においては、この深さが約10μmから約50μmの範囲にある。ある実施形態においては、この深さが約10μmから約25μmの範囲にある。
一実施形態においては、イメージを形成しようとする対象物100の領域にわたってレーザパルス11のビーム110aを複数回ラスタスキャンすることにより凹部106が形成される。レーザパルス11のビーム110aのパラメータは、各パスにより数ミクロン以上の層が基板102から除去され、非常に滑らかな表面を持った凹面108が形成されるように選択される。一実施形態においては、凹面108の平滑性を向上するために様々な角度や様々なスポット重なり度合でスキャンしてもよい。
エングレービングプロセスは、基板102の表面にレーザスポットを有するレーザパルス11を含むレーザ出力を有するレーザエングレービングパラメータを有している。レーザスポット15aは、約20μmから約125μmの範囲のスポット径を有するスポットサイズを有している。ある実施形態においては、このスポット径が約60μmから約110μmの範囲にある。ある実施形態においては、スポット径が約75μmから約100μmの範囲にある。便宜上、「スポット径」という用語は、円形のレーザスポットの直径を含むだけではなく、楕円形のレーザスポットのような円形ではないレーザスポットの長い方の空間軸を含むことを意図している。
ある実施形態においては、レーザエングレービングパラメータは、約300ナノメートル(nm)から約2μmのレーザ波長を有するレーザ出力を含んでいる。ある実施形態においては、このレーザ出力は赤外線レーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は、約1152nm、1090nm、1080nm、1064nm、1060nm、1053nm、1047nm、980nm、799nm、又は753nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は、約1150nmから1350nm、780nmから905nm、又は700nmから1000nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約700nmから1350nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約980nmから1320nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約980nmから1080nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約1064nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は赤外固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力はダイオード励起赤外固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力は赤外ファイバレーザにより供給される。
ある実施形態においては、レーザエングレービングパラメータは、約500フェムト秒(fs)から約200ナノ秒(ns)の範囲のパルス幅(パルス持続時間)を有するレーザパルス11を含むレーザ出力を含んでいる。ある実施形態においては、このパルス幅は約1nsから約125ナノ秒の範囲にある。ある実施形態においては、このパルス幅は約10nsから約100nsの範囲にある。
ある実施形態においては、レーザエングレービングパラメータは、50kHzよりも高いパルス繰り返し率で対象物上にレーザパルス11を照射することを含んでいる。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約50kHzから約1000kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約75kHzから約500kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約100kHzから約200kHzの範囲にある。
一般的に、レーザエングレービングパラメータは、基板102を横断して複数パスのレーザ出力をスキャンすることを含んでいる。しかしながら、ある実施形態においては、所望の深さの凹面108を得るためには、基板102を横断するシングルパスのレーザ出力で十分な場合がある。
レーザエングレービングプロセスの一実施形態においては、レーザパルス11は、20μmから125μmの範囲のスポット径と、約980nmから1320nmの波長と、1nsから100nsの範囲のパルス幅と、50kHzから500kHzの範囲のパルス繰り返し率とを有し得る。
レーザエングレービングプロセスの他の実施形態においては、レーザパルス11は、50μmから100μmの範囲のスポット径と、約1047nmから1090nmの波長と、10nsから100nsの範囲のパルス幅と、100kHzから200kHzの範囲のパルス繰り返し率とを有し得る。
凹面108を形成するレーザエングレービングプロセスにより、彫込外観(engraved visual appearance)を有するように基板102の外観が修正される。
凹面108を形成した後、レーザパルス11のビーム110bを凹面108上に照射して凹面108を磨き上げられた凹面にしてもよい。本明細書においては、このプロセスを「研磨プロセス」ということがある。ある実施形態においては、レーザ研磨パラメータは、約100μJから約2000μJの範囲のパルスエネルギーのレーザパルス11を有するレーザ出力を含んでいる。ある実施形態においては、このパルスエネルギーは約250μJから約1500μJの範囲にある。ある実施形態においては、このパルスエネルギーは約500μJから約1000μJの範囲にある。
ある実施形態においては、レーザ研磨パラメータは、50kHzよりも高いパルス繰り返し率で凹面108上にレーザパルス11を照射することを含んでいる。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は100kHzよりも高い。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約50kHzから約10,000kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約75kHzから約5,000kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約100kHzから約2,000kHzの範囲にある。
ある実施形態においては、レーザ研磨パラメータは、赤外領域外のレーザ波長のレーザ出力を含んでいる。ある実施形態においては、このレーザ出力は可視レーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約400nmから約700nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は、約694nm、676nm、647nm、660〜635nm、633nm、628nm、612nm、594nm、578nm、568nm、543nm、532nm、530nm、514nm、511nm、502nm、497nm、488nm、476nm、458nm、442nm、428nm、又は416nmのレーザ波長を有する。ある実施形態においては、このレーザ出力は約476nmから約569nmのレーザ波長を有する。ある実施形態においては、このレーザ出力は緑色レーザ波長を有する。ある実施形態においては、このレーザ出力は約532nm又は約511nmのレーザ波長を有する。ある実施形態においては、このレーザ出力は緑色固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力はダイオード励起緑色固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力はファイバレーザにより供給される。
ある実施形態においては、レーザ研磨パラメータは、凹面108でのスポット径がエングレービングプロセス中に利用されるスポット径よりも小さいレーザスポット15bを有するレーザパルス11を含んでいる。レーザ研磨プロセスのある実施形態においては、このスポット径は約5ミクロンから約50μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約15μmから約40μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約25μmから約35μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約30μmである。
ある実施形態においては、レーザ研磨パラメータは、凹面108を横断してシングルパスのレーザ出力をスキャンすることを含んでいる。ある実施形態においては、レーザ研磨パラメータは、凹面108を横断してマルチパスのレーザ出力を(ラスタスキャンのように)スキャンすることを含んでいる。
ある実施形態においては、レーザ研磨パラメータは、約75%から98%が互いに重なり合うレーザスポット15bで凹面108に当たる連続照射レーザパルス11を含み得る。ある実施形態においては、連続するレーザスポット15bは約85%から95%が互いに重なり合う。ある実施形態においては、連続するレーザスポット15bは約88%から92%が互いに重なり合う。ある実施形態においては、連続するレーザスポット15bは約90%が互いに重なり合う。
レーザ研磨プロセスの一実施形態においては、レーザパルス11は、約25μmから約35μmの範囲のスポット径と、緑色波長と、約100μJから約1000μJの範囲にあるパルスごとのエネルギーと、約500kHzから約2,000kHzの範囲のパルス繰り返し率と、約88%から92%のレーザスポット重なり率とを有していてもよい。
レーザ研磨プロセスの他の実施形態においては、レーザパルス11は、約30μmのスポット径と、約532nmの波長と、約500μJから約1000μJの範囲にあるパルスごとのエネルギーと、100kHzよりも高いパルス繰り返し率と、約90%のレーザスポット重なり率とを有していてもよい。
研磨プロセスは、凹面108の外観を変え、凹面108の彫込外観とは異なり、表面100aで示されるような対象物100の初期外観とも異なる研磨外観(polished visual appearance)を凹面108に与える。特に、研磨されるか平滑にされた表面は、実質的に反射するようになっていてもよく、人間の目には非常に明るく見えるように意図されている。
図2は、対象物100内にイメージを形成するプロセスの他の実施形態を模式的に示すものである。図2を参照すると、上述したエングレービングプロセス及び研磨プロセスを経た対象物100のような対象物をレーザパルス11のビーム110cを用いてさらに加工し、研磨された凹面108の研磨外観をさらに変えてもよい。このさらに修正された外観は、図1において述べた修正外観と異なっていてもよい。本明細書において、このプロセスを「表面修正プロセス」ということがある。
例えば、ある実施形態においては、研磨された凹面108上に照射され研磨された凹面108を横断してスキャンされるレーザパルス11は、光を吸収するように構成される周期構造、(例えば、基板102を形成する材料を含む)ナノ粒子など、又はそれらの組み合わせを生成するように構成されていてもよい。本明細書において、このプロセスを「暗化プロセス」ということがある。
研磨された凹面108上に暗化プロセス中に照射されたレーザパルス11は、比較的短いパルス持続時間を含むレーザ加工パラメータを有していてもよく、比較的小さいレーザスポット径を有していてもよく、比較的遅いスキャン速度で照射されてもよく、連続するスキャンの間のピッチを比較的近づけて照射されてもよい。
ある実施形態においては、レーザ暗化パラメータは、約500fsから約100nsの範囲のパルス持続時間を含んでいる。ある実施形態においては、このパルス持続時間は約1ピコ秒(ps)から約50nsの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス持続時間は約1ピコ秒(ps)から約25nsの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス持続時間は約1psから約10nsの範囲にある。
ある実施形態においては、レーザ暗化パラメータは、エングレービングプロセス中に用いたスポット径よりも小さいか、あるいは研磨プロセス中に用いたスポット径よりも小さいレーザスポット15cのスポット径を含んでいる。レーザ研磨プロセスのある実施形態においては、このスポット径は約1ミクロンから約50μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約30μmよりも小さい。ある実施形態においては、このスポット径は1μmから30μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約1μmから約20μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約1μmから約10μmの範囲にある。
ある実施形態においては、暗化プロセスパラメータは、10kHzよりも高いパルス繰り返し率で対象物上にレーザパルス11を照射することを含んでいる。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約10kHzから約1000kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約100kHzから約500kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約100kHzから約300kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約100kHzである。
ある実施形態においては、暗化プロセスパラメータは、約0.5Wから約50Wの範囲のパワーを生じるレーザパルス11を含んでいる。ある実施形態においては、このパワーは約1Wから約10Wの範囲にある。ある実施形態においては、このパワーは約2Wから約8Wの範囲にある。ある実施形態においては、このパワーは約5Wである。
ある実施形態においては、レーザ暗化パラメータは、約1mm/秒から約5000mm/秒の範囲にあるスキャン速度でレーザパルス11を照射することを含んでいる。ある実施形態においては、このスキャン速度は約5mm/秒から約500mm/秒の範囲にある。ある実施形態においては、このスキャン速度は約10mm/秒から約50mm/秒の範囲にある。ある実施形態においては、このスキャン速度は約12mm/秒から約40mm/秒の範囲にある。ある実施形態においては、このスキャン速度は約15mm/秒から約35mm/秒の範囲にある。ある実施形態においては、このスキャン速度は約25mm/秒である。
ある実施形態においては、レーザ暗化パラメータは、約0.5μmから約50μmの範囲にある(連続スキャン間の)ピッチでレーザパルス11を照射することを含んでいる。ある実施形態においては、この連続スキャン間のピッチは約1μmから約30μmの範囲にある。ある実施形態においては、この連続スキャン間のピッチは約5μmから約15μmの範囲にある。ある実施形態においては、この連続スキャン間のピッチは約10μmである。
一実施形態においては、レーザ暗化パラメータは、約1psから約10nsの範囲のパルス持続時間と、約30μm未満のスポット径と、約1mm/秒から約50mm/秒の範囲のスキャン速度と、約1μmから約30μmの範囲の連続スキャン間ピッチとを含んでいる。
一実施形態においては、レーザ暗化パラメータは、約1psから約10nsの範囲のパルス持続時間と、約1μmから約30μmの範囲のスポット径と、約15mm/秒から約35mm/秒の範囲のスキャン速度と、約5μmから約15μmの範囲の連続スキャン間ピッチとを含んでいる。
一実施形態においては、レーザ暗化パラメータは、約1psから約10nsの範囲のパルス持続時間と、約1μmから約30μmの範囲のスポット径と、約25mm/秒のスキャン速度と、約10μmの連続スキャン間ピッチとを含んでいる。
このように、研磨された凹面108に暗化プロセスを施すと、凹面108は、表面100aで表されるような対象物100の初期外観とは異なり、彫込外観とも異なり、研磨された凹面108の研磨外観とも異なるさらなる修正外観を呈する。特に、暗化プロセスは、光を吸収して、凹面108が人間の目に黒く見えるようにすることを意図している。
図3は、対象物100内にイメージを形成するプロセスのさらに他の実施形態を模式的に示すものである。図3A及び図3Bは、図3で表されるプロセスにより形成された対象物内のイメージの正面図及び側面図である。図3、図3A、及び図3Bを参照すると、初期外観を呈する表面100aを有する対象物100をレーザパルス11のビームを用いて加工して初期外観とは異なる修正外観を呈する文字又はイメージを形成してもよい。図示された実施形態においては、先に図1及び図2に関して述べたエングレービングプロセス及び研磨プロセスを基板102に施すことにより対象物100を用意してもよいし、あるいは異なる方法により対象物100を用意してもよい。
例えば、ある実施形態においては、レーザパルス11のビームを対象物100上に照射して、基板102、層104、又は基板102及び層104を溶融、除去、あるいは整形又は加工して、互いに交差して対象物100の表面から数ミクロンの深さ314にまで延びる凹部300の網状組織を形成してもよい。本明細書においては、この表面修正プロセスを「クロスハッチングプロセス」ということがある。
ある実施形態においては、イメージが形成される対象物100の領域を横断して複数回レーザパルス11のビームを(例えば、矢印302により示される様々な方向に)スキャンすることにより凹部300が形成される。このイメージが凹面108内又は対象物100の表面100a内又は基板102内に形成され得る。ある実施形態においては、矢印302により表されるスキャン方向が平行な線に沿って延びていてもよい。ある実施形態においては、矢印302により表されるスキャン方向が対象物100のエッジに平行な平行線に沿って延びていてもよい。ある実施形態においては、スキャン方向が湾曲した平行線(図示せず)に沿って延びていてもよい。ある実施形態においては、スキャン方向が直交しない横方向(図示せず)に沿って延びていてもよい。ある実施形態においては、矢印302により表されるスキャン方向が互いに直交する方向に沿って延びていてもよい。
ある実施形態においては、クロスハッチングプロセスパラメータは、隣り合う凹部300間の中心間距離310又は312が約1μmから約50μmの範囲にあることを含んでいる。ある実施形態においては、この隣り合う凹部300間の中心間距離は約5μmから約30μmである。ある実施形態においては、この隣り合う凹部300間の中心間距離は10μmから20μmである。スキャン間の間隔又はピッチ310又は312は、隣り合う凹部300間の中心間距離と同じであってもよいし、異なっていてもよい。さらに、この隣り合う凹部300間の中心間距離が横方向で異なっていてもよく、スキャン間の間隔又はピッチ310又は312が横方向で異なっていてもよい。
ある実施形態においては、クロスハッチングプロセスパラメータは、赤外領域外のレーザ波長を有するレーザ出力を含んでいる。ある実施形態においては、このレーザ出力は可視レーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約400nmから約700nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は、約694nm、676nm、647nm、660〜635nm、633nm、628nm、612nm、594nm、578nm、568nm、543nm、532nm、530nm、514nm、511nm、502nm、497nm、488nm、476nm、458nm、442nm、428nm、又は416nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約476nmから約569nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は緑色レーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は、約532nm又は約511nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は緑色固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力はダイオード励起緑色固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力はファイバレーザにより供給される。
ある実施形態においては、クロスハッチングプロセスパラメータは、約25μmから約200μmの範囲のスポット径を含むスポットサイズを有するレーザスポットを有するレーザ出力を含んでいる。ある実施形態においては、このスポット径は約40μmから約125μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約50μmから約100μmの範囲にある。
ある実施形態においては、クロスハッチングプロセスパラメータは、約1μmから約10μmの範囲の深さを有する凹部300を形成する。ある実施形態においては、この深さは約1μmから約5μmの範囲にある。ある実施形態においては、この深さは約1μmから約3μmの範囲にある。
ある実施形態においては、レーザクロスハッチングプロセスパラメータは、約25mm/秒から約150mm/秒の範囲のスキャン速度でレーザパルス11を照射することを含んでいる。ある実施形態においては、このスキャン速度は約50mm/秒から約100mm/秒の範囲にある。ある実施形態においては、このスキャン速度は約60mm/秒から約80mm/秒の範囲にある。ある実施形態においては、このスキャン速度は約75mm/秒である。
ある実施形態においては、レーザクロスハッチングプロセスパラメータは、約1Wから約10Wの範囲のパワーを有するレーザパルス11を含んでいる。ある実施形態においては、このパワーは約2Wから約8Wの範囲にある。ある実施形態においては、このパワーは約3Wから約6Wの範囲にある。ある実施形態においては、このパワーは約4Wである。
一実施形態においては、レーザクロスハッチングプロセスパラメータは、可視レーザ波長を有し、スポット径が約40μmから約125μmの範囲にあり、スキャン速度が50mm/秒から約100mm/秒の範囲にあり、パワーが約2Wから約8Wの範囲にあり、隣り合う凹部300間の中心間距離が約5μmから約30μmの範囲にあり、スキャン間のピッチ310又は312が約5μmから約30μmの範囲にあるレーザ出力を含んでいる。
一実施形態においては、レーザクロスハッチングプロセスパラメータは、緑色レーザ波長を有し、スポット径が約50μmから約100μmの範囲にあり、スキャン速度が約60mm/秒から約80mm/秒の範囲にあり、パワーが約3Wから約6Wの範囲にあり、隣り合う凹部300間の中心間距離が約10μmから約20μmの範囲にあり、スキャン間のピッチ310又は312が約10μmから約20μmの範囲にあるレーザ出力を含んでいる。
一実施形態においては、レーザクロスハッチングプロセスパラメータは、緑色レーザ波長を有し、スポット径が約50μmから約100μmの範囲にあり、スキャン速度が約75mm/秒であり、パワーが約4Wからの範囲にあり、隣り合う凹部300間の中心間距離が約10μmから約20μmの範囲にあり、スキャン間のピッチ310又は312が約10μmから約20μmの範囲にあるレーザ出力を含んでいる。
クロスハッチングプロセスのある実施形態においては、レーザパルス11は、対象物100に当たる際に焦点が外れるように対象物100上に照射される。レーザパルス11のビームの焦点が外れるので、スポットサイズが非常に大きくなり、対象物100の材料にエッチングされた線が重なり合うこととなる。これにより、こぶ又は隆起部304のパターンの上面が対象物100の表面100aよりも低くなる。
上記で例示的に説明したクロスハッチングプロセスを行う際に、反射隆起部304のパターンが対象物100内に形成される。隆起部304は、(例えば、レーザパルス11のビームにより溶融された後、再度固化された基板102の材料から少なくとも部分的に形成される)滑らかな平面を有しており、安定的で摩耗に対する耐久性がある。隆起部304のパターンにより高い輝度のイメージが生成される。特定の理論に拘束されることは望んでいないが、隆起部304のパターンに入射した光は隆起部304に反射し散乱して隆起部304のパターンから反射した光が人間の目には白く見えると考えられる。反射隆起部304のパターンにより、当初の表面100aや基板表面102、研磨されていない凹面108、及び研磨された凹面108よりも明るい白の外観が得られる。さらに、隆起部304のパターンにより、従来のエッチングプロセスによって達成できるよりも明るい白色が得られる。先行する研磨プロセスを行わずにクロスハッチングプロセスを行うと、隆起部304のパターンにより、研磨プロセス後にクロスハッチングプロセスを行った場合に比べてつやの少ない白マットの外観が得られるが、白マットは従来のエッチングプロセスによって達成できるよりも依然として明るい白色であることも留意されたい。
図4は、対象物100内にイメージを形成するプロセスのさらに他の実施形態を模式的に示すものである。図4A及び図4Bは、図4に表されるプロセスにより形成された対象物内のイメージの正面図及び側面図である。図4、図4A、及び図4Bを参照すると、初期外観を呈する表面100aを有する対象物100をレーザパルス11のビームを用いて加工して初期外観とは異なる修正外観を呈する文字又はイメージを形成してもよい。図示された実施形態においては、図1及び図2に関して述べたエングレービングプロセス及び研磨プロセスを基板102に対して行うことにより対象物100を提供してもよいし、異なる方法により提供してもよい。
修正外観を形成するために、レーザパルス11のビームを対象物100上に照射して、基板102、層104、又は基板102及び層104を溶融、除去、あるいは整形又は加工して、対象物100の表面100aから基板102の表面下方又は凹面108の下方の深さまで延びる重なり合わない凹部402のパターン400を形成してもよい。本明細書においては、この表面修正プロセスを「パンチパターニングプロセス」ということがある。
パンチパターニングプロセスのある実施形態においては、凹部402は、約1μmから約50μmの範囲の深さ414を有している。ある実施形態においては、深さ414は約1μmから約25μmの範囲にある。ある実施形態においては、深さ414は約5μmから約15μmの範囲にある。
ある実施形態においては、パンチパターニングプロセスパラメータは、隣接する凹部402間の中心間距離406が約10μmから約100μmの範囲であることを含んでいる。ある実施形態においては、隣接する凹部402間の中心間距離406は約20μmから約75μmの範囲である。ある実施形態においては、隣接する凹部402間の中心間距離406は約30μmから約60μmの範囲である。ある実施形態においては、隣接する凹部402間の中心間距離406は約40μmである。
ある実施形態においては、パンチパターニングプロセスパラメータは、約10個から100個のレーザパルス11を用いて(例えば、図3において矢印302により示される様々なスキャン経路に沿って)イメージが形成される対象物100上にそれぞれの凹部402を形成することを含んでいる。ある実施形態においては、それぞれの凹部400は約20個から80個のレーザパルス11により形成される。ある実施形態においては、それぞれの凹部400は約30個から70個のレーザパルス11により形成される。ある実施形態においては、それぞれの凹部400は約40個から60個のレーザパルス11により形成される。
ある実施形態においては、パンチパターニングプロセスパラメータは、赤外レーザ波長を有するレーザ出力を含んでいる。ある実施形態においては、このレーザ出力は約700nmから約20μmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は、約1152nm、1090nm、1080nm、1064nm、1060nm、1053nm、1047nm、980nm、799nm、又は753nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は、約1150nmから1350nm、780nmから905nm、又は700nmから1000nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約700nmから1350nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約980nmから1320nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約980nmから1080nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は約1064nmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力は赤外固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力はダイオード励起赤外固体レーザにより供給される。ある実施形態においては、このレーザ出力は赤外ファイバレーザにより供給される。
ある実施形態においては、このレーザ出力は約9.4μmから約10.6μmのレーザ波長を有している。ある実施形態においては、このレーザ出力はCO2レーザにより供給される。
ある実施形態においては、パンチパターニングプロセスパラメータは、凹面108でのレーザスポットがエングレービングプロセス中に用いられるスポット径よりも小さいスポット径を有するレーザパルス11を含んでいる。レーザ研磨プロセスのある実施形態においては、このスポット径は約5ミクロンから約50μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約15μmから約40μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約25μmから約35μmの範囲にある。ある実施形態においては、このスポット径は約30μmである。長い方の空間軸410又は412は、このスポット径とほぼ同じか、少し大きいか、少し小さい距離を有していてもよい。
ある実施形態においては、パンチパターニングプロセスパラメータは、10kHzよりも高いパルス繰り返し率でレーザパルス11を対象物上に照射することを含んでいる。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約10kHzから約1000kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約50kHzから約500kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約75kHzから約200kHzの範囲にある。ある実施形態においては、このパルス繰り返し率は約100kHzである。
ある実施形態においては、パンチパターニングプロセスパラメータは、約1Wから約10Wの範囲のパワーを有するレーザパルス11を含んでいる。ある実施形態においては、このパワーは約2Wから約8Wの範囲にある。ある実施形態においては、このパワーは約4Wから約6Wの範囲にある。ある実施形態においては、このパワーは約5Wである。
一実施形態においては、パンチパターニングプロセスは、凹部402の深さ414が約5μmから約15μmの範囲にあり、隣り合う凹部402間の中心間距離406が約30μmから約60μmの範囲にあり、各凹部402を約30個から70個のレーザパルス11で形成し、各レーザパルス11は赤外波長を有し、スポット径が約15μmから約40μmの範囲にあり、パルス繰り返し率が約50kHzから約500kHzの範囲にあり、レーザパルスパワーが約1Wから約10Wの範囲にあることを含んでいる。
一実施形態においては、パンチパターニングプロセスにより、深さが約5μmから約15μmの範囲にあり、隣り合う凹部402間の中心間距離が約40μmの凹部402が生成され、ファイバレーザからの赤外波長を有する約40個から60個のレーザパルス11によって各凹部402が形成され、スポット径は約30μmであり、パルス繰り返し率は約100kHzであり、レーザパルス出力は約5Wである。
上記で例示的に述べたパンチパターニングプロセスを行う際に、鉢状のテーパを有する凹部402のパターン400を対象物100内に形成することができる。凹部402は、(例えば、レーザパルス11のビームにより溶融された後、再度固化された基板102の材料から少なくとも部分的に形成される)滑らかな平面を有しており、安定的で摩耗に対する耐久性がある。凹部402のパターン400により高い輝度のイメージが生成される。特定の理論に拘束されることは望んでいないが、凹部402のパターン400に入射した光は凹部に反射し散乱して凹部402のパターン400から反射した光が人間の目には白く見えると考えられる。凹部402のパターン400により、当初の表面100aや基板表面102、研磨されていない凹面108、及び研磨された凹面108よりも明るい白の外観が得られる。さらに、隆起部304のパターンにより、従来のエッチングプロセスにより達成できるよりも明るい白色が得られる。さらに、凹部402のパターン400により、従来のエッチングプロセスによって達成できるよりも明るい白色が得られる。先行する研磨プロセスを行わずにパンチパターニングプロセスを行うと、凹部402のパターン400により、研磨プロセス後にパンチパターニングプロセスを行った場合に比べてつやの少ない白マットの外観が得られるが、白マットは従来のエッチングプロセスによって達成できるよりも依然として明るい白色であることも留意されたい。
上述したように、基板のレーザ加工(マーキング)の信頼性及び再現性を改善するために選択可能なレーザ加工パラメータの例としては、レーザの種類、波長、パルス持続時間、パルスエネルギー、パルス時間的形状、パルス空間的形状、焦点スポットサイズ(ビームウェスト)、パルス繰り返し率、パルス数、バイトサイズ、レーザスポットの重なり度合い、スキャン速度、衝突位置ごとのスキャンパス数が挙げられる。さらなるレーザパルスパラメータとしては、対象物100の表面に対する焦点の位置を特定することと対象物100に対してレーザパルス11の相対運動を行うことが挙げられる。
対象物100の表面を彫り込んだり、研磨したり、修正したりするのに適合可能なレーザ加工システムの例は、独立して案内可能なレーザヘッドなど、エングレービングプロセス、研磨プロセス、及び付加的な修正プロセスのうちの1つ以上を行うための複数のツールを含み得る。Cutler氏の米国特許第5,847,960号は、複数のツールによる微細加工システムについて述べており、本明細書において参照により組み込まれる。あるいは、レーザ加工システムの例示的なレーザは、異なる組のレーザ加工パラメータにより対象物100の表面を彫り込んだり、研磨したり、修正したりして、異なるエングレービングプロセス、研磨プロセス、及び付加的な修正プロセスを実現するように構成され得る。あるいは、あるレーザ加工システムは、エングレービングプロセス、研磨プロセス、及び付加的な修正プロセスのうち2つを行うために用いることができ、他のレーザ加工システムは、エングレービングプロセス、研磨プロセス、及び付加的な修正プロセスのうち他のものを行うために用いることができる。あるいは、エングレービングプロセス、研磨プロセス、及び付加的な修正プロセスのそれぞれを別個のレーザ加工システムで行ってもよい。
ある実施形態において有利に用いることができるレーザ加工パラメータは、IRからUVまでの範囲、特に約10.6ミクロンから約266nmまでの範囲の波長を有するレーザを用いることを含んでいる。レーザ38のうちの1つ以上のレーザは1Wから100Wの範囲で動作し得るが、一部のレーザは1Wから12Wの範囲で動作し得る。パルス持続時間は1psから1000nsの範囲にあり得るか、あるいは、ある実施形態においては、パルス持続時間は1psから200nsの範囲にあり得る。レーザ繰り返し率は1kHzから100MHzの範囲にあり得るか、あるいは、ある実施形態においては、レーザ繰り返し率は10kHzから1MHzの範囲にあり得る。レーザフルエンスは約0.1×10-6J/cm2から100.0J/cm2の範囲にあり得るか、あるいは、ある実施形態においては、レーザフルエンスは1.0×10-2J/cm2から10.0J/cm2の範囲にあり得る。マークが付けられている対象物100に対してレーザビームが移動する速度は、1mm/sから10m/sの範囲にあり得るか、あるいは、ある実施形態においては、スキャン速度は100mm/sから1m/sの範囲にあり得る。対象物100の表面上の隣り合うレーザパルス11の列のピッチ又は間隔は、1ミクロンから1000ミクロンの範囲にあり得るか、あるいは、ある実施形態においては、ピッチ又は間隔は10ミクロンから100ミクロンの範囲にあり得る。対象物100の表面で測定されるレーザパルス11のレーザスポット15のサイズは、1ミクロンから1000ミクロンの範囲にあり得るか、あるいは、ある実施形態においては、レーザスポットは25ミクロンから500ミクロンの範囲にあり得る。対象物100の表面に対するレーザパルス11の焦点の位置(高さ)は−10mmから+10mmの範囲にあり得るか、あるいは、焦点の高さは表面に対して0から+5mmの範囲にあり得る。
対象物100を加工するように適合され得るレーザ加工システムの例は、米国、97229 オレゴン州、ポートランドのElectro Scientific Industries社により製造されるESI MM5330微細加工システム2である。そのような微細加工システム2は、平均パワー5.7W、パルス繰り返し率30kHzのダイオード励起Qスイッチ固体レーザ38を用いることができ、ある実施形態においては、2次高調波波長532nm又は他の波長を出射するように構成され得る。対象物100を加工するように適合され得るレーザ加工システムの他の例は、同じく米国、97229 オレゴン州、ポートランドのElectro Scientific Industries社により製造されるESI ML5900微細加工システムである。そのようなレーザ微細加工システム2は、5MHzまでのパルス繰り返し率で約266nm(UV)から約1064nm(IR)の波長を出射するように構成することができる固体ダイオード励起レーザ38を用いることができる。例えば、必要に応じて固体高調波周波数発生器を用いてレーザ38を2逓倍して波長を532nmに下げるか3逓倍して約355nmに下げて可視(緑色)レーザパルス又は紫外(UV)レーザパルスをそれぞれ生成してもよい。
他のレーザ微細加工システムの例としては、同じく米国、97229 オレゴン州、ポートランドのElectro Scientific Industries社により製造されるモデル5335、モデル5950、及びモデル5970が挙げられる。
ある実施形態においては、レーザ38は、1064nmの波長で動作するダイオード励起Nd:YVO4固体レーザ、例えばドイツ連邦共和国、カイザースラウテルンのLumera Laser社によって製造されるモデルRapidであってもよい。1〜2MHzのパルス繰り返し率で6Wの連続パワーまで生成するようにレーザ38を構成することができる。ある実施形態においては、レーザ38は、3逓倍された355nm波長で動作するダイオード励起Nd:YVO4固体レーザ、例えば米国、95054 カリフォルニア州、サンタクララのSpectra-Physics社により製造されるモデルVanguardであってもよい。レーザ38を2.5Wまで生成するように構成することができるが、一般的には、レーザ38は、約1Wのパワーを生成する80MHzのモードロックパルス繰り返し率で動作する。
適切なレーザ38、レーザ光学系6及び8、部品操作機器、及び制御ソフトウェアを追加することにより本明細書において開示された方法に従って表面を確実かつ繰り返し加工するようにレーザ微細加工システム2を適合させてもよい。これらの改良によって、レーザ加工システムは、適切なレーザ加工パラメータを有するレーザパルス11を適切に配置され保持された対象物100上の所望の場所に所望の速度及びピッチで照射して所望の色と光学濃度を有する所望の表面効果を生じさせることが可能となる。
図5A及び図5Bは、対象物100を加工するように適合されたESI モデルMM5330レーザ微細加工システム2の図であり、図6は、図5A及び図5Bのレーザ微細加工システム2中のある構成要素を強調した模式図である。図5A、図5B、及び図6を参照すると、ESI モデルMM5330レーザ微細加工システム2は、レーザミラー及びパワー減衰器4と、(1対のガルバノメーター制御ミラーのような)レーザビームステアリング光学系6と、ある実施形態のレーザ波長、パワー、及びビームサイズを扱うように構成されたレーザフィールド光学系8と、対象物100を固定するように構成されたチャック10と、対象物100とレーザパルス11の位置を互いに移動させるように構成されたステージ14,18,20と、レーザ加工データ及び/又はビーム位置目標データを保存し、レーザ38にレーザパルス11を出射させて対象物100上の特定の位置に向かせるコントローラ12とを含んでいる。
図5Bは、好適なESI モデルMM5330レーザ微細加工システム2の他の図を示しており、レーザ微細加工システム2は、MM5330レーザ微細加工システム2の様々なパネルが開けられた際にレーザ38の動作を妨げるインターロックセンサ(図示せず)の動作を制御するレーザインターロックコントローラ26と、コントローラ28と、レーザ電源30と、レーザビームコリメータ32と、レーザビーム光学系34と、レーザミラー36とを含んでいる。これらのすべては好適なレーザ38とともに機能するように構成されている。
レーザ38又は別のレーザは、コントローラ28及びレーザ電源30と協動して1psから1,000nsの持続時間を有するレーザパルス11を生成するように構成されていてもよい。これらのレーザパルス11は、ガウス形であってもよく、あるいは所望の表面効果が得られるようにレーザビーム光学系34によって特別に整形されていてもよい。レーザビーム光学系34は、コントローラ28、レーザビームステアリング光学系6、及びレーザフィールド光学系8と協動して、レーザパルス11を照射してチャック10により固定された対象物100上にレーザスポット15を形成する。ある実施形態においては、ビームステアリング光学系6は、1以上のガルバノメーター、ファーストステアリングミラーと、音響光学偏向器、又はこれらの組み合わせを含み得る。運動制御要素であるYステージ14、Xステージ18、Zステージ(光学系ステージ)20、及びレーザビームステアリング光学系6を組み合わせて複合ビームポジショニング能力を提供する。この1つの側面は、レーザビームのレーザスポット15に対して対象物100が連続的に動いているときに、対象物100に対してレーザビームを位置決めする能力である。この能力については、本出願の譲受人に譲受されたCutler等による米国特許第5,751,585号に述べられており、この米国特許は参照により本明細書に組み込まれる。複合ビームポジショニングには、対象物100がレーザビームに対して相対的に移動しているときに、コントローラ28に運動制御要素の一部、すなわちYステージ14、Xステージ18、Zステージ20、及びレーザビームステアリング光学系6を案内させて、運動制御要素の他の部分により誘引される連続的な相対運動を補償することにより、対象物100上に特定の形状の表面効果を生じさせる能力が含まれる。
また、レーザパルス11は、コントローラ28と協動したレーザビーム光学系34により整形される。レーザビーム光学系34は、レーザパルス11の空間的なエネルギープロファイルだけではなく空間的な幾何的形状を決定することができる。この空間的なエネルギープロファイルは、ガウス形であってもよく、あるいは特別なプロファイルであってもよい。例えば、マークが付される対象物100に当たるレーザスポット15の全領域にわたって均一なフルエンス分布を有するレーザパルス11を伝達するために「トップハット」空間プロファイルを使用してもよい。回折光学素子や他の光学ビーム整形素子を用いてこのように特別に整形された空間プロファイルを生成してもよい。ガウス形プロファイルでは、プロファイル上のいくつかの点でアブレーション閾値を超えることがあると仮定すると、アブレーション閾値の外側の焦点領域では材料が除去されないが、アブレーション閾値内の焦点領域はアブレーション閾値を超える場合があり、ダメージを生じる可能性がある。微細加工において回折光学素子を用いることについては、本出願の譲受人に譲受されたDunsky等による米国特許第6,433,301号で開示されている。この米国特許は参照により本明細書に組み込まれる。
レーザスポットサイズは、レーザビームの焦点のサイズを意味するものである。マークが付される対象物100の表面上のレーザスポット15の実際のスポットサイズは、焦点が表面の上方に位置しているか下方に位置しているかによって異なる場合がある。加えて、レーザビーム光学系34、レーザビームステアリング光学系6、レーザフィールド光学系8、Zステージ20が協動して、レーザスポット15の焦点の深さや対象物100上の交点が焦点面から離れたときにレーザスポット15の焦点が外れるスピードを制御する。焦点の深さを制御することにより、コントローラ28は、レーザビーム光学系34、レーザビームステアリング光学系6、レーザフィールド光学系8、及びZステージ20を案内して、非常に正確に試料の表面上又はその近傍のいずれかに繰り返してレーザスポットを位置決めすることができる。対象物100の表面の上方又は下方に焦点を位置決めすることによりマークをつけることにより、レーザビームを特定の量だけ焦点から外すことができ、これによりレーザパルス11に照らされる面積を増やし、表面でのレーザフルエンスを下げることができる。ビームウェストの幾何的形状は知られているので、対象物100の実際の表面の上方又は下方に焦点を正確に位置決めすることにより、スポットサイズ及びフルエンスに対するより正確な制御が可能となる。1から1,000psの範囲にあるレーザパルス幅を生成するピコ秒レーザを用いるとともに、焦点の位置決めによってレーザスポットの幾何的形状を変えることによりレーザフルエンスを変えることは、上述したように対象物100上に表面効果の一部を確実にかつ繰り返して生成するための1つの方法である。また、ビーム経路44に沿って配置されたAOMフルエンス減衰器や他の光学減衰装置によってフルエンスも変更することができる。
図7は、レーザパルス焦点40とその近傍のビームウェストの図を示している。ビームウェストは、レーザパルス11が伝搬する光軸44上でFWHM法により測定したレーザパルス11の空間エネルギー分布の直径(又は長い方の空間軸)である面42により表される。直径48は、レーザ加工システムが表面102の上方の距離(A−O)でレーザパルス11を集束させたときの基板102の表面上でのレーザスポット15のレーザスポットサイズを表している。直径46は、レーザ加工システムが表面の下方の距離(O−B)でレーザパルス11を集束させたときの基板102の表面上でのレーザスポット15のレーザスポットサイズを表している。
他のレーザ又は追加のレーザや異なる微細加工システムを用いることができ、異なるエングレービング技術、研磨技術、及び表面修正技術を用いて所望の光学的表面特性を得ることができることは理解できよう。他の微細加工システムやレーザ、プロセスパラメータについては、米国特許第8,379,679号、第8,389,895号、及び第8,604,380号で見ることができる。これらの米国特許は参照により本明細書に組み込まれる。
上記は、本発明の実施形態を例示するものであって、本発明を限定するものと解釈すべきではない。本発明のいくつかの実施形態について説明してきたが、本発明の新規な教示及び効果から大きく逸脱することなく実施形態の中で多くの修正が可能であることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。したがって、そのような修正はすべて特許請求の範囲において規定される本発明の範囲内に含まれることを意図している。このため、上記は、本発明を例示するものであって、開示された本発明の特定の実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく、開示された実施形態に対する修正は、他の実施形態とともに、添付した特許請求の範囲に含まれることを意図されていることは理解できよう。本発明は、以下の特許請求の範囲に含まれる均等物とともに、以下の特許請求の範囲により規定されるものである。

Claims (25)

  1. ある材料から形成され、外面を有する基板を用意し、
    第1の側壁と第2の側壁と凹面とを含む凹部を前記基板内に形成し、前記第1の側壁及び前記第2の側壁はそれぞれ前記外面から前記基板内に延び、前記凹面は、前記第1の側壁から前記第2の側壁まで延びて初期外観を呈しており、前記材料は、前記初期外観を呈する前記凹面に存在しており、
    第1組のレーザ加工パラメータを用いて、第1のレーザパルスビームを前記凹面に交差する光軸に沿って前記凹面に照射して前記凹面を修正し、前記修正された凹面は、前記初期外観とは異なる第1の修正外観を呈し、前記材料は、前記第1の修正外観を呈する前記凹面に存在し、
    前記第1組のレーザ加工パラメータとは異なる第2組のレーザ加工パラメータを用いて、第2のレーザパルスビームを前記凹面に交差する光軸に沿って前記修正された凹面に照射して前記修正された凹面をさらに修正し、前記さらに修正された凹面は、前記第1の修正外観とは異なる第2の修正外観を呈する
    方法。
  2. 前記第1組のレーザ加工パラメータは、前記凹面を研磨するのに好適な第1のパラメータ値を有する、請求項1の方法。
  3. 前記第1組のレーザ加工パラメータは、長い方の空間軸が約10μmから約50μmであるスポットサイズ、可視波長、約10nsから約100nsのパルス幅、約100kHzより高いパルス繰り返し率、及び約500μJから約1000μJのパルスエネルギーから選択された少なくとも2つによって特徴付けられる、請求項1の方法。
  4. 前記第1のレーザパルスビームは、前記凹面上にレーザスポットを形成し、連続レーザスポットが先行レーザスポットと75%から95%だけ重なるように照射される、請求項1の方法。
  5. 前記凹部を前記基板内に形成する際に、第3のレーザパルスビームを前記凹面に交差する光軸に沿って前記基板の前記外面に照射して前記基板の一部を除去する、請求項の方法。
  6. 前記第2のレーザパルスビームにおけるレーザパルスのパルス幅又はスポットサイズは、前記第3のレーザパルスビームにおけるレーザパルスのパルス幅又はスポットサイズと異なる、請求項の方法。
  7. 前記第2のレーザパルスビームにおけるレーザパルスの繰り返し率又はスポットサイズは、前記第3のレーザパルスビームにおけるレーザパルスの繰り返し率又はスポットサイズと異なる、請求項の方法。
  8. 前記第2の修正外観は、前記第1の修正外観よりも暗い、請求項からのいずれか一項の方法。
  9. 前記第1のレーザパルスビームにおけるレーザパルスのスキャン速度又はスポットサイズは、前記第2のレーザパルスビームにおけるレーザパルスのスキャン速度又はスポットサイズと異なる、請求項からのいずれか一項の方法。
  10. 前記第2組のレーザ加工パラメータは、長い方の空間軸が約50μmよりも短いスポットサイズ、約500fsから約50psのパルス幅、及び約50mm/秒よりも遅いスキャン速度から選択された少なくとも2つによって特徴付けられる、請求項からのいずれか一項の方法。
  11. 前記第2組のレーザ加工パラメータは、長い方の空間軸が約50μmから約100μmであるスポットサイズ、1000nmよりも短い波長、約1から5ワットの平均パワー、及び約70mm/秒よりも速いスキャン速度から選択された少なくとも2つによって特徴付けられる、請求項からのいずれか一項の方法。
  12. 前記第2組のレーザ加工パラメータは、赤外波長、約3から10ワットの平均パワー、及び約75kHzから約125kHzのパルス繰り返し率から選択された少なくとも2つによって特徴付けられる、請求項からのいずれか一項の方法。
  13. 前記第2のレーザパルスビームのレーザパルスは、光を吸収するように構成された周期的構造を前記さらに修正された凹面に生成する、請求項から12のいずれか一項の方法。
  14. 前記第2のレーザパルスビームのレーザパルスは、重なり合わない凹みのパターンを前記さらに修正された凹面に形成する、請求項から12のいずれか一項の方法。
  15. 前記凹部を前記基板内に形成する際に、第3のレーザパルスビームを前記凹面に交差する光軸に沿って前記基板の前記外面に照射して前記基板の一部を除去する、請求項1から4のいずれか一項の方法。
  16. 前記第3のレーザパルスビームのレーザ加工パラメータは、前記凹面の一部をクロスハッチするクロスハッチングプロセスを行うのに好適である、請求項15の方法。
  17. 前記第3のレーザパルスビームのレーザ加工パラメータは、前記凹面に凹部をパンチするパンチングプロセスを行うのに好適である、請求項15の方法。
  18. 前記第1のレーザパルスビームにおけるレーザパルスの波長又はスポットサイズは、前記第3のレーザパルスビームのレーザパルスの波長又はスポットサイズと異なる、請求項15から17のいずれか一項の方法。
  19. 前記第3のレーザパルスビームを照射する際に、前記凹部が形成される前記基板の領域を横断して前記第3のレーザパルスビームをラスタスキャンする、請求項15から18のいずれか一項の方法。
  20. 前記第3のレーザパルスビームは、長い方の空間軸が約25μmから約100μmであるスポットサイズ、赤外波長、約10nsから約100nsのパルス幅、及び約100kHzから約200kHzのパルス繰り返し率から選択された少なくとも2つによって特徴付けられる、請求項15から19のいずれか一項の方法。
  21. 前記材料は前記外面に存在する、請求項1から20いずれか一項の方法。
  22. 前記材料はアルミニウム合金である、請求項1から21のいずれか一項の方法。
  23. 前記材料はチタンを含む、請求項1から21のいずれか一項の方法。
  24. 前記材料はステンレス鋼を含む、請求項1から21のいずれか一項の方法。
  25. 前記第1のレーザパルスビームを照射する際に、前記凹面を横断して前記第1のレーザパルスビームをラスタスキャンする、請求項1から24のいずれか一項の方法。
JP2015549732A 2012-12-20 2013-12-19 レーザ微細加工によりイメージを形成する方法 Active JP6318171B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261740430P 2012-12-20 2012-12-20
US61/740,430 2012-12-20
PCT/US2013/076677 WO2014100469A1 (en) 2012-12-20 2013-12-19 Methods of forming images by laser micromachining

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2016505390A JP2016505390A (ja) 2016-02-25
JP2016505390A5 JP2016505390A5 (ja) 2017-01-19
JP6318171B2 true JP6318171B2 (ja) 2018-04-25

Family

ID=50973462

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015549732A Active JP6318171B2 (ja) 2012-12-20 2013-12-19 レーザ微細加工によりイメージを形成する方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20140175067A1 (ja)
JP (1) JP6318171B2 (ja)
KR (1) KR20150097475A (ja)
CN (1) CN104884205A (ja)
TW (1) TWI604909B (ja)
WO (1) WO2014100469A1 (ja)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016117224A1 (ja) * 2015-01-20 2016-07-28 東レエンジニアリング株式会社 マーキング装置および方法、パターン生成装置、並びに被加工物
EP3047932B1 (en) * 2015-01-21 2018-12-26 Agie Charmilles New Technologies SA Method of laser ablation for engraving of a surface with patch optimization, with corresponding software and machine tool
DE102015007216B4 (de) * 2015-06-03 2023-07-20 Asml Netherlands B.V. Verfahren zur Herstellung einer Halteplatte, insbesondere für einen Clamp zur Waferhalterung, Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung zur Halterung eines Bauteils, Halteplatte und Haltevorrichtung
US11033985B2 (en) 2015-06-24 2021-06-15 University Of Dundee Method of, and apparatus for, reducing photoelectron yield and/or secondary electron yield
GB201603991D0 (en) 2016-03-08 2016-04-20 Univ Dundee Processing method and apparatus
CN108140556B (zh) * 2015-08-22 2022-07-26 东京毅力科创株式会社 基片背侧纹理化
AT519177B1 (de) * 2016-10-06 2019-04-15 Trotec Laser Gmbh Verfahren zum Gravieren, Markieren und/oder Beschriften eines Werkstückes mit
DE102017202269A1 (de) * 2017-02-13 2018-08-16 Sauer Gmbh Verfahren zur bearbeitung einer werkstückoberfläche mittels eines lasers
JP6722617B2 (ja) * 2017-05-12 2020-07-15 三菱電線工業株式会社 金属表面の粗面化方法
KR102630873B1 (ko) * 2019-05-03 2024-01-31 삼성디스플레이 주식회사 윈도우의 제조 방법
JP2021122635A (ja) * 2020-02-07 2021-08-30 国際化工株式会社 レーザーマーキング樹脂成形品
KR102254339B1 (ko) * 2021-02-03 2021-05-21 주식회사 21세기 펨토초 펄스 레이저를 이용한 플래닝-폴리싱 장치 및 방법
EP4046817B1 (fr) * 2021-02-23 2024-01-03 DM Surfaces SA Procede de traitement laser d'un composant horloger visant a en noircir au moins une portion
US11784130B2 (en) * 2021-08-27 2023-10-10 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Structure and formation method of package with underfill
CN115819121B (zh) * 2022-12-15 2023-11-07 潮州三环(集团)股份有限公司 一种氧化锆陶瓷表面哑光处理方法、氧化锆陶瓷盖板

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5126532A (en) * 1989-01-10 1992-06-30 Canon Kabushiki Kaisha Apparatus and method of boring using laser
FI92112C (fi) * 1992-11-09 1994-09-26 Partek Cargotec Oy Menetelmä taustastaan tummempina erottuvien alueiden muodostamiseksi kirkkaaseen metallipintaan ja tällä tavoin värjättyjä alueita käsittävä metallipinta
US5461212A (en) * 1993-06-04 1995-10-24 Summit Technology, Inc. Astigmatic laser ablation of surfaces
US5841099A (en) * 1994-07-18 1998-11-24 Electro Scientific Industries, Inc. Method employing UV laser pulses of varied energy density to form depthwise self-limiting blind vias in multilayered targets
JP2001510109A (ja) * 1997-07-16 2001-07-31 オーチス エレベータ カンパニー レーザインプリンティングのための方法及び組成物と該方法及び該組成物を使用してインプリンティングを施された物品
JPH11207477A (ja) * 1998-01-26 1999-08-03 Mitsubishi Electric Corp きさげ加工装置およびきさげ加工方法
JP4465065B2 (ja) * 1998-10-30 2010-05-19 シャープ株式会社 配線の断線修復方法
ATE346715T1 (de) * 2000-10-26 2006-12-15 Xsil Technology Ltd Steueurung von laserbearbeitung
US6864459B2 (en) * 2001-02-08 2005-03-08 The Regents Of The University Of California High precision, rapid laser hole drilling
US7357486B2 (en) * 2001-12-20 2008-04-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Method of laser machining a fluid slot
US20050087522A1 (en) * 2003-10-24 2005-04-28 Yunlong Sun Laser processing of a locally heated target material
US7486705B2 (en) * 2004-03-31 2009-02-03 Imra America, Inc. Femtosecond laser processing system with process parameters, controls and feedback
US20060000814A1 (en) * 2004-06-30 2006-01-05 Bo Gu Laser-based method and system for processing targeted surface material and article produced thereby
US20070235902A1 (en) * 2006-03-31 2007-10-11 3M Innovative Properties Company Microstructured tool and method of making same using laser ablation
JP4910100B2 (ja) * 2006-07-06 2012-04-04 日本ケミコン株式会社 電子部品の金属ケース
US10876193B2 (en) * 2006-09-29 2020-12-29 University Of Rochester Nanostructured materials, methods, and applications
GB2444037A (en) * 2006-11-27 2008-05-28 Xsil Technology Ltd Laser Machining
US8710402B2 (en) * 2007-06-01 2014-04-29 Electro Scientific Industries, Inc. Method of and apparatus for laser drilling holes with improved taper
US20100320179A1 (en) * 2007-10-16 2010-12-23 Hideki Morita Method for Creating Trench in U Shape in Brittle Material Substrate, Method for Removing Process, Method for Hollowing Process and Chamfering Method Using Same
GB0804955D0 (en) * 2008-03-18 2008-04-16 Rumsby Philip T Method and apparatus for laser processing the surface of a drum
JP5454080B2 (ja) * 2008-10-23 2014-03-26 住友電気工業株式会社 レーザ加工方法およびレーザ加工装置
JP4612733B2 (ja) * 2008-12-24 2011-01-12 東芝機械株式会社 パルスレーザ加工装置
JP5473414B2 (ja) * 2009-06-10 2014-04-16 株式会社ディスコ レーザ加工装置
US8389895B2 (en) * 2010-06-25 2013-03-05 Electro Scientifix Industries, Inc. Method and apparatus for reliably laser marking articles
JP2012183549A (ja) * 2011-03-04 2012-09-27 Mitsubishi Electric Corp SiC半導体ウェハのマーキング方法およびSiC半導体ウェハ
WO2012132653A1 (ja) * 2011-03-30 2012-10-04 日本碍子株式会社 金属部材へのマーキング方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW201433396A (zh) 2014-09-01
KR20150097475A (ko) 2015-08-26
CN104884205A (zh) 2015-09-02
WO2014100469A1 (en) 2014-06-26
US20140175067A1 (en) 2014-06-26
JP2016505390A (ja) 2016-02-25
TWI604909B (zh) 2017-11-11
WO2014100469A8 (en) 2014-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6318171B2 (ja) レーザ微細加工によりイメージを形成する方法
JP6026409B2 (ja) 確実に対象物にレーザマーキングを施す方法及び装置
JP3208730B2 (ja) 光透過性材料のマーキング方法
US9138826B2 (en) Method for laser marking a metal surface with a desired colour
EP3313605B1 (en) Method of laser blackening of a surface, wherein the laser has a specific power density and a specific pulse duration
KR20180071396A (ko) 양극 산화된 금속 물품
DE112015004118T5 (de) Laserabtrag- und Bearbeitungsverfahren und -systeme
JP2008504964A (ja) ターゲット表面材料を加工するレーザベース方法およびシステム並びにその製造物
JP2016505390A5 (ja)
JP2016516584A (ja) テーパ制御のためのビーム角度とワークピース移動の連係方法
EP2922657A1 (en) Method for laser marking a metal surface with a desired colour
US10315274B2 (en) Laser marking method and system and laser marked object
WO2020239857A1 (en) Laser hole drilling apparatus and method
US9649727B2 (en) High speed laser cutting of amorphous metals
Wlodarczyk et al. Investigation of an interlaced laser beam scanning method for ultrashort pulse laser micromachining applications
JP4781941B2 (ja) レーザによる表面微細構造形成方法
DE102013002222A1 (de) Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls
JP2005034865A (ja) ロール加工装置および加工方法
WO2015136948A1 (ja) レーザ加工方法
JP5305928B2 (ja) 周期構造の作成方法
JP7387791B2 (ja) レーザ加工装置
Rößler et al. High-power nanosecond pulsed laser engraving with an ultra-high speed polygon mirror scanner
JPWO2020251782A5 (ja)
JP2004188437A (ja) 微細傾斜面の加工方法
KR20230129791A (ko) 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161130

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20161130

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170927

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171107

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180124

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180306

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180402

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6318171

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150