(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体上にパターンを作成するパルス状レーザ堆積方法であって、前記媒体は、前記パルス状レーザの波長において実質的に透明であり、
パルス状レーザソースからパルス状レーザビームを生成するステップと、
前記媒体を介して前記パルス状レーザを伝送するステップと、
前記パルス状レーザビームをターゲットに集光し、前記ターゲットは、前記パルス状ビーム及び前記ターゲットの相互作用に応じて放出体を生成するステップと、
前記レーザビームを前記媒体及びターゲットに対して走査するステップと、
前記媒体上に前記放出体の少なくとも一部を累積し、前記媒体上に材料堆積を形成するステップと、
前記レーザビームの走査速度及び走査線密度の少なくとも一つを変化させ、前記材料堆積の厚さを制御し、前記媒体の領域の光学密度を変化させ、光学密度が変化する空間パターンを形成するステップと、
を含み、前記走査速度又は前記走査線密度は、印刷されるパターンのグレイスケールにしたがい変化し、該グレイスケールは、前記パターンのデジタル画像における少なくとも３グレイレベルを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記パターンの少なくとも一部は、一次元厚さ輪郭が、直接隣接する周辺部よりも低い厚さの中央部を有し、前記周辺部の厚さは前記光学密度が変化するように制御されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記パルス状レーザソースは、１００ｋＨｚから１ＧＨｚの繰り返し率を有する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記レーザパルスは、１０フェムト秒から１００ナノ秒の範囲にあるパルス持続期間を有する請求項１記載の方法。
【請求項５】
レーザパルスエネルギーは、１００ナノジュールから１００マイクロジュールの範囲にある請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記媒体は、ガラス、水晶、サファイア、又はポリマーを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ターゲットは、金属を含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記金属は、鋼鉄、アルミニウム、銅、金、銀、又は白金を含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記ターゲットは、非金属を含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記非金属は、炭素、ケイ素、又はポリマーを含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ターゲットは、光を放出する機能材料を含み、前記機能は、蛍光発光又はエレクトロルミネッセンスの一つ以上を含む請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記ターゲットは、カラー印刷に用いる材料を含む請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記ターゲットは、ターゲット材料から作られた構造を含む請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記ターゲット材料は、金属である請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記金属は、貴金属を含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記ターゲット材料は、誘電体を含む請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記誘電体は、無機物及び金属酸化物の少なくとも一つを含む請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記走査速度は、１ｍｍ／秒から１ｍ／秒の範囲にあり、物質の累積した堆積を生成するために利用される請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記走査線密度は、ミリメータ当たり１から１００本の範囲にある請求項１記載の方法。
【請求項２０】
前記媒体は、前記ターゲットに接し、又は前記ターゲットから最大５ミリメートルの距離において設置される請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記ターゲットは、前記レーザの波長より大きい粗さの表面を有する請求項１記載の方法。
【請求項２２】
前記パターンは、ビットマップ画像を含む請求項１記載の方法。
【請求項２３】
前記パターンは、ベクターグラフィックを含む請求項１記載の方法。
【請求項２４】
識別できる特徴を有するグレイスケール画像は、前記パターンの周囲の又は制御された照明を用いて取得することができる請求項１記載の方法。
【請求項２５】
前記媒体は、前記ソース及び前記ターゲット間に設置され、前記放出体は、前記レーザ方向とは逆向きに伝播する請求項１記載の方法。
【請求項２６】
前記制御は、前記パルス状ビームを走査し、前記走査速度を変化させることを含む請求項１記載の方法。
【請求項２７】
前記制御は、前記パルス状ビームを走査し、前記パルス状ビーム走査の線密度を変化させることを含む請求項１記載の方法。
【請求項２８】
前記媒体は、前記ターゲットに対して、前記パターンの空間解像度を制御するように設置される請求項１記載の方法。
【請求項２９】
前記制御は、前記パルス状ビームを前記ターゲットにわたるラスタ又はベクタパターンの一つ以上によって制御することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも一つのパルス幅は、１００ｆｓから１０ｐｓの範囲にある請求項１記載の方法。
【請求項３１】
媒体上に光学密度を有するパターンを作成するパルス状レーザ堆積に用いる装置であって、前記媒体は前記パルス状レーザの波長において実質的に透明であり、前記装置は、
パルス状レーザビームを生成する高繰り返し率レーザソースと、
前記パルス状レーザビームを前記媒体を介して前記パルス状レーザを伝送して、ターゲットにフォーカスさせるフォーカシング副装置を含み、前記ターゲットは、前記パルス状レーザ及び前記ターゲットの相互作用に応じて放出体を生成し、前記放出体の少なくとも一部は、前記媒体上に累積し、前記媒体上に材料堆積を形成する、ビーム供給装置と、
前記材料堆積の厚さを制御するために前記ソース及び前記ビーム供給装置に接続され、前記レーザビームを前記媒体及びターゲットに対して走査し、前記レーザビームの走査速度及び走査線密度の少なくとも一つを変化させ、前記厚さを変化させ、前記媒体の領域の光学密度を変化させ、変化する光学密度を有する空間パターンを形成するコントローラと
を含み、前記走査速度又は前記走査線密度は、印刷されるパターンのグレイスケールにしたがい変化し、該グレイスケールは、前記パターンのデジタル画像における少なくとも３グレイレベルを含むことを特徴とする装置。
【請求項３２】
前記供給装置は、ビーム偏向器を含み、前記フォーカシング副装置は走査レンズを含む請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
前記媒体及び前記ターゲットは、分離を提供するギャップによって隔てられ、前記ギャップは、大気、流れる乾燥空気又は不活性ガスを含むように構成された請求項３１記載の装置。
【請求項３４】
表面にパターンが形成された媒体であって、前記パターンは請求項１のパルス状レーザ堆積方法によって形成された媒体。
【請求項３５】
媒体上にパターンを形成するパルス状レーザ堆積方法であって、前記媒体は、前記パルス状レーザの波長において実質的に透明であって、前記方法は、
パルス状レーザソースからパルス状レーザビームを生成するステップと、
前記媒体を介して前記パルス状レーザを伝送するステップと、
前記パルス状レーザビームをターゲットにフォーカスし、前記ターゲットは、前記パルス状ビーム及び前記ターゲットの相互作用に応じて放出体を生成するステップと、
前記レーザビームを前記媒体及びターゲットに対して走査するステップと、
前記放出体の少なくとも一部を前記媒体上に累積して前記媒体上に材料堆積を形成し、前記堆積は、刺激に応じて放射を発するように動作可能な機能材料を含むステップと、
前記レーザビームの走査速度及び走査線密度の少なくとも一つを変化させ、前記材料堆積の厚さを制御して前記材料堆積の光学性質を変化させ、光学密度が変化する空間パターンを形成するステップと
を含み、前記走査速度又は前記走査線密度は、印刷されるパターンのグレイスケールにしたがい変化し、該グレイスケールは、前記パターンのデジタル画像における少なくとも３グレイレベルを含むことを特徴とする方法。
【請求項３６】
前記機能材料の光学性質は、リン光、エレクトロルミネッセンス、及び視覚色彩効果のための選択的光吸収及び放出を含む請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記刺激は、入力放射を含む請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記相互作用が発生させた高温及び高圧によって、前記ターゲットから前記走査の方向の横方向に前記放出体を放出し、前記レーザビームの経路の周辺に前記放出体の堆積を集中させ、薄い厚さの中心部の周りを囲む厚い輪郭部分を構成するように前記材料堆積のパターンを形成し、
前記媒体と前記ターゲットとはギャップを介して隔てられ、又は前記媒体が前記ターゲットに直接触れるように設置され、前記材料堆積の厚さが前記走査速度の変化に加え前記レーザビームの繰り返し率の変化によって制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３９】
前記相互作用が発生させた高温及び高圧によって、前記ターゲットから前記走査の方向の横方向に前記放出体を放出し、前記レーザビームの経路の周辺に前記放出体の堆積を集中させ、薄い厚さの中心部の周りを囲む厚い輪郭部分を構成するように前記材料堆積のパターンを形成し、
前記媒体と前記ターゲットとはギャップを介して隔てられ、又は前記媒体が前記ターゲットに直接触れるように設置され、前記材料堆積の厚さが前記走査速度の変化に加え前記レーザビームの繰り返し率の変化によって制御されることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルス状レーザ堆積、及びこれを用いた材料のパターン形成に関する。
【０００２】
関連出願への相互参照
この出願は、２００８年１０月２０に出願され、「薄膜の製造方法」と称する米国特許出願第１２／２５４０７６号に関連し、ここで参照によりその全体を組み込むものとする。
【背景技術】
【０００３】
材料堆積のパターン形成にパルス状レーザを用いるとき、その方法は、２つの一般的カテゴリーに分類される。すなわち、レーザ誘起前方移動（laser-induced forward transfer；ＬＩＦＴ）及びレーザ誘起後方移動（laser-induced backward transfer；ＬＩＢＴ）である。ＬＩＦＴによると、剥離された材料は入射レーザに対して同一方向の受取基板に移動され、ＬＩＢＴによると、逆方向に移動される。ＬＩＦＴにおいては、ターゲットフィルムは、レーザに対して透明な支持基板上に堆積されることを要する。受取基板は、ターゲットフィルムに対向して設置される。レーザビームは、ターゲット支持基板のコーティングされていない側から入射し、ターゲットフィルムに剥離を生じさせる。剥離した材料は、レーザと同一方向に、受取基板に向けて前方に移動される。ＬＩＢＴ構成においては、配置は逆である。レーザは、最初にレーザに対して透明な受け取る基板を通って導かれ、ターゲットに集光される。ターゲットは、所望のターゲット材料から作られた板であることができる。剥離が起こると、剥離された材料は、入射レーザビームと逆方向に、後方に移動され、受取基板上に堆積される。
【０００４】
数個のＬＩＦＴ方法が、例えばメイヤーに与えられた米国特許第４７５２４５５号及び第６１５９８３２号、ウィリアムズ他に与えられた第４９８７００６号、クリゼイ他に与えられた第６１７７１５１号及び第６７６６７６４号に開示されている。２〜３のＬＩＢＴ方法が、ユー他に与えられた米国特許第５１７３４４１号、ハネダ他に与えられた日本国特許第２００５−７９２４５号、及びリュー他の米国特許出願２００７／０２４３３２８号に開示されている。
【０００５】
レーザ誘起プラズマ支援剥離は、ハネタ他の「レーザ誘起プラズマ支援剥離（ＬＩＰＰＡ）による透明材料のカラーマーキング」、ジャーナルオブフィジクス、カンファランスシリーズ５９（２００７）、６８７−６９０に記載されているように、金属ターゲットのカラーマーキングに用いられてきた。様々なレーザがテストされ、様々なピコ秒、ナノ秒、フェムト秒出力を１０ＫＨｚの最大繰り返し率で生成した。このＲＧＢプロセルについて、従来のナノ秒パルス幅が、レーザマーキング産業において高品質及び費用効率が高いことについて大きな潜在性を有していると結論された。
【０００６】
上記方法の目的は、正確にパターンが形成された材料の堆積である。印刷に適用された場合、これらの方法は、二値であり、オン／オフ効果又は視覚的な黒／白効果が提供されるであろう。大きなグレイスケール範囲にわたってビットマップ画像を印刷するためには、２つの要件が充足される必要がある。すなわち、（ｉ）グレースケールレベルが十分な数あり、（ｉｉ）印刷の速度が実際に受け入れられること、である。
【０００７】
シャー他による最近の国際特許出願であって、本出願の譲受人に譲渡されたＷＯ２００８／０９１８９８は、固体表面上に画像を極短パルス状レーザ印刷する方法を開示している。この方法は、この方法は、固体表面との極短パルス状レーザ相互作用によって誘起される表面テクスチャリングに基づいている。レーザフルエンス及び露光時間（単位面積当たり平均パワー）の範囲において、レーザ照射の後、リップル、柱、細孔及びランダムな微小突起の多くのタイプを含む、表面テクスチャのいくつかのタイプを作成することができる。これらのテクスチャの制御された配列は、光の散乱、捕獲及び吸収によってグレイスケールの視覚効果を生成する。この方法は、ターゲットから基板への材料の移動を含まない。
【０００８】
ＬＩＦＴ、ＬＩＢＴ及びＬＩＰＰＡ装置は、１ｋＨｚの繰り返し率においてＮｄ：ＹＡＧ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅを、最高約１０ｋＨｚにおいてＮｄＹＶＯ４をベースとした装置を利用してきた。巨視的スケールに高解像度のパターン又は画像を形成することは、低い繰り返し率の結果、最大で千分かかることがあり、これらの方法の適用を制限している。さらに、上述したように、多くの装置は、二値パターンの作成に限られている。
【発明の概要】
【０００９】
実施形態の一以上の目的は、透明基板上への材料の正確な堆積であり、その位置と厚さの両方を制御することである。基板は、ガラス、又は他の適切な媒体であることができる。
【００１０】
少なくとも一つの実施形態は、透明基板上に高速でパターンを形成するＬＩＢＴ方法を提供する。
【００１１】
いくつかの実施形態において、堆積した材料の位置及び厚さは、グレイスケール画像が媒体の照明によって得られるように、媒体の領域の光学密度を変化させるように制御される。例として、堆積した材料の位置及び厚さは、媒体の微小な領域にわたって制御され、媒体にわたる関連した反射率の変化は、グレイスケールの視覚効果、及び肉眼、又は低倍率で見たとき識別できる画像を生成する。周囲の照明又は制御された照明のどちらかを利用することができる。
【００１２】
いくつかの実施形態において、受取基板は、ターゲット板に、隣接し、対向して設置される。レーザビームは、受取基板を介して導かれ、材料が剥離され、受取基板に向けて後方に移動されるようにターゲットに集光される。
【００１３】
他の目的は、透明基板上への画像のレーザ印刷であり、芸術的画像又は写真画像を含むが、これらに限られない。より詳しくは、高繰り返し率極短パルス状レーザを用い、グレイスケールの視覚的効果及び高速印刷速度の両方を達成することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態において、グレイスケールは、印刷されたパターンの光透過及び反射が堆積の厚さに依存して変化するように、材料堆積を変化させることによって作成される。厚さは、レーザパラメータを制御することによって連続的に制御することができる。高繰り返し率レーザは、レーザ照射下のターゲットが、集光したスポット径にわたるレーザパルスの可変数を受け取ることができるように利用される。
【００１５】
様々な実施形態において、堆積の量は、印刷の間に２つの方法によって変化する。すなわち、（ｉ）定走査線密度を維持しながらレーザビーム走査速度を変化させる、（ｉｉ）定ビーム走査速度を維持しながらレーザ走査線密度を変化させる、である。最初の方法は、芸術品、写真等のビットマップ画像の印刷を提供する。第二の方法は、テキストパターン及び単純な幾何形状等のベクターグラフィックの印刷を提供する。
【００１６】
様々な実施形態は、高速の印刷速度を提供する。例えば、１ＭＨｚのレーザ繰り返し率を用いる実施形態においては、２×２平方インチの画像は、２０秒から１分で印刷される。１ｋＨｚ繰り返し率を有する他のレーザを用いると、このような印刷は、最大で千分かかるであろう。
【００１７】
様々な実施形態において、ＰＬＤパターン形成は、空気中において、真空チャンバなしで実行される。いくつかの実施形態において、例えば乾燥空気のガス流のような、真空又は雰囲気のいくつかの他の制御が利用されることがある。
【００１８】
ターゲット材料は、例えば、鋼鉄、アルミニウム、又は銅のような金属であることがある。鋼鉄は、印刷画像に茶色がかった色彩を与える。ケイ素及び炭素を含むがこれらに限られない誘電材料を使用することもできる。
【００１９】
他の目的は、機能ターゲット材料を用いてパターンを印刷することである。このような機能材料は、光の透過又は反射を修正することに加えて特定の機能を提供する。少なくとも一つの実施形態において、印刷画像が室内又は太陽光の照明の下ではほとんど眼に見えず、紫外線光を用いた特定の照明の下でのみ画像が見えるようになるように、蛍光物質から作られたターゲットが使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】パルス状レーザ微小堆積パターン形成の配列を概略的に示す図である。
【図２】光学密度を変化させたパターンを提供するために材料のパルス状レーザ微小堆積について配列のさらなる詳細を概略的に示す図である。
【図３】印刷画像の二つの光学顕微鏡像を示す例である。
【図４】鋼鉄板をターゲットとして用いた２インチガラスウェハー上に印刷された二つの画像を示す例である。
【図５】蛍光材料から作られたターゲットを用いた１×１平方インチガラスウェハー上に印刷されたテキストを示す例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、パルス状レーザ微小堆積パターン形成についての配置の一部を概略的に示し、レーザと材料の相互作用の説明を提供している。この例において、レーザビーム１は、例えばガラス基板のような透明媒体２を介してターゲット３上に集光されている。剥離によって焦点４から材料が除去され、小さなクレーター（原寸大でない）が形成される。この例において、剥離された材料、具体的に放出体５は、後方に移動し、一般にレーザ入射方向とは逆方向に伝播する。材料は、例えばターゲットに対向する表面のような基板上に堆積する。
【００２２】
少なくとも一つの実施形態において、基板は、ターゲット及び受取基板２間に小さなギャップが残るように、ターゲットの近くに配置される。ギャップ幅は、基板及びターゲット間に異なる厚さのスペーサを挿入することによって調整することができる。高い画像解像度を提供するため、例えば約１０マイクロメートルより小さいような小さいギャップ幅が好ましい。実際、基板は、ターゲットに直接触れるように設置することができる。このような場合、滑らかなターゲット表面及び基板間にしばしば現れる干渉縞から判断すると、ギャップ幅は１マイクロメートル程度である。いくつかの実施形態において、媒体及びターゲットは、分離を提供するギャップによって隔てられている。ギャップは、大気、又は流れる乾燥空気によって満たされることができる。いくつかの実施形態において、ギャップは、窒素又はアルゴンのような不活性ガスによって満たされることがある。例えば圧力のような物理パラメータは、ギャップ内において制御されることがある。
【００２３】
基板及びターゲット間の干渉縞は、ターゲット表面が滑らかで光沢のある場合には、高コントラストを有する。これらの縞は、レーザフルエンスを変調することによって印刷の品質を低下させることがある。干渉効果を回避する一つの方法は、例えば粒状表面のような粗いターゲット表面を用いてターゲットからの反射をランダム化することである。一般に、レーザ波長より大きい粗さを用いることにより、干渉効果は無視できるレベルまで低減することができる。
【００２４】
図１を再度参照すると、堆積した材料は、ビーム走査線（図示なし）の周辺近くに大量に集中している。二重線６が、受取基板上に形成されている。これは、直接レーザ照射下の高温及び高圧によって剥離された材料が横に放出されたからである。したがって、レーザの相互作用によって影響された媒体の局在する領域は、制御された材料堆積を有するより厚い部分によって囲まれた薄い厚さの中心部によって特徴付けられる一次元厚さ輪郭を有している。例として、堆積の最終的な全線幅は、レーザ焦点スポットサイズの約２〜３倍である。２０マイクロメートル径のレーザスポットサイズを用いると、堆積した線幅は約４０〜６０マイクロメートルであるが、様々な実施形態において比較的高解像度画像の印刷に十分である。
【００２５】
図２は、パルス状レーザによる材料の微小堆積についての配列の例であって、変化する光学密度のパターンを提供するものをさらに示している。この例においては、レーザ７は、好ましくは高繰り返し率パルス状レーザである。例えば音響光学又は電気光学的変調器（図示なし）のようなパルス選択器がコントローラ１２に接続され、ターゲットに供給するパルスを選択するために使用される。ビームスキャナ８は、コンピュータ制御の下で使用され、パターンを形成する。スキャナは、走査速度を変化させることができるように制御することができる。スキャナ８は、二つの走査ミラー９及び１０、焦点レンズ１１、例えばｆθレンズを含み、フラットビーム走査面を提供する。テレセントリック光学系は、いくつかの実施形態で使用することができる。スキャナは、コンピュータ化された制御信号をコントローラ１２から受信する。商業的に市販されたビームスキャナ（走査）装置を使用することができ、例えばスキャンラブアメリカ社（SCANLAB America Inc.）から入手できる様々な製品があり、これらは、走査ヘッド、コンピュータインターフェースを含むコントローラ、画像を読み込みテキスト及び幾何図形を編集するユーザソフトウェアを含んでいる。
【００２６】
様々な実施形態において、他の走査機構を、単独で、又は適切な組み合わせで利用することができ、光学密度を変化させることを有する所定の空間パターンを形成する。例えば、音響光学偏光器、多面鏡、回転プリズム等は、走査速度をさらに増加させるために提供することがある。いくつかの実施形態は、高速の走査速度を維持しつつ、高速及び低速偏向機構の組み合わせを含むことで堆積を制御することがある。例えば、高速の偏向機構は、第１の方向を定速度で走査し、第２のスキャナは第２の速度で第１とは逆の方向を走査することがある。
【００２７】
様々な走査パターンが生成されることがあり、穿孔又はディザーパターンを含んでいる。このような機構は、レーザマーキング、掘削、又はマイクロマシーンに提案されて利用されてきており、パルス状レーザ微小堆積パターン形成のために構成されることもある。
【００２８】
高繰り返し率の極短レーザは、ＰＬＤパターンの形成にいくつかの利益を提供する。ナノ秒パルス状レーザ剥離に比べ、極短パルス状レーザ剥離は、より小さいパルスエネルギーを要し、剥離閾値に達する。極短パルス持続時間を有する入手可能な極高ピークパワーは、低い閾値に寄与する。例えば、数マイクロジュールのフェムト秒パルスは、数ミリジュールの従来のナノ秒パルスより高いピークパワーを有している。また、焦点における低減された熱影響域（ＨＡＺ）により、剥離のエネルギー効率が顕著に増加する。
【００２９】
本願の譲受人であるイムラアメリカインク（IMRA America Inc.）は、いくつかのファイバベースのチャープパルス増幅装置を開示し、これらは、１ＭＨｚを超える高繰り返し率、５００フェムト秒から数ピコ秒の極短パルス持続時間、及び１０ワットを越える高平均パワーを有している。様々なファイバ構成は、以下で説明するように、商業的に入手できる。
【００３０】
例えば１００ｋＨｚから１ＭＨｚを越える高レーザ繰り返し率を用い、ターゲットは、局在した焦点領域からビームが移動する前に、短期間に複数レーザパルスを受ける。例えば、１ＭＨｚ繰り返し率、ビーム走査速度１ｍ／ｓ、スポットサイズ径２０マイクロメートルでは、重複するレーザパルスの数は約２０であり、隣接するスポット間の約９５％の重複に相当します。例えば１ミリ秒以下のようなパルス間の短期間での複数レーザパルスは、画像形成のために考慮される物理効果を生成することがある。例えば、（ｉ）堆積の累積、（ｉｉ）空気ギャップにおける熱及び圧力の累積が、考慮される。様々なレーザビーム走査速度を用い、第１の効果は異なる堆積厚さによる異なる光の透過及び反射を生成し、連続的方法によって好ましく制御される。厚さの変化とこれに伴う透過及び／又は反射の変化により、グレイスケールの視覚的効果が生成される。第２の効果は、図１に示すように、堆積がレーザビーム経路の周辺近くに集中しているという観察に関連し、図３は、例となる画像をさらに示す。
【００３１】
高繰り返し率パルス状レーザは、高速の印刷速度にも必要とされる。Ｑスイッチレーザのような従来の固体レーザ及び再生増幅器ベースの極短レーザ装置は、１０Ｈｚから数十ｋＨｚの典型的な繰り返し率を提供する。１ＭＨｚの繰り返し率では２×２平方インチの画像を印刷するには約２０秒から１分を必要とするが、パルス間に同様の空間的重複を有するようにするには、繰り返し率１ｋＨｚでは約一千分が必要とされる。
【００３２】
様々な実施形態は、例えばイムラアメリカインクによって製造されたＦＣＰＡμＪｅｗｅｌモデルのようなファイバベースの高繰り返し率極短パルス状レーザを利用することがある。レーザは、１００ｋＨｚから最大５ＭＨｚの繰り返し率であり、５００ｆｓから１０ｐｓのパルス持続時間であり、最大２０マイクロジュールのパルスエネルギーである。スポット径が２０〜３０マイクロメートルの集光ビームを用い、このレーザは、多くの金属、誘電体及び半導体材料を剥離することができる。
【００３３】
高繰り返し率での動作が可能である。ドン他による「ファイバレーザ及び増幅器に用いる高希土類ドープ光ファイバ」と称する米国予備出願第６１／１２００２２号は、ここで参照により組み込まれる。‘０２２出願で開示された様々な例は、最大約５０００ｄＢ／ｍのポンプ光吸収、０．５〜５ｄＢ／ｃｍの範囲にある単位長さ当たり利得を有する高希土類ドープ利得ファイバを含んでいる。様々なドーパント濃度は、Ｙｂのクラスタリングを低減することによって、高いポンプ吸収、大きい利得を低い光黒化で提供している。このような希土類ドープファイバは、短空洞長のファイバレーザの構築、１ＧＨｚを超える繰り返し率における高エネルギー極短パルスの生成を提供する。増加したパルスエネルギーを有するＧＨｚファイバソースを利用することによって、パルス幅、エネルギー、スポットサイズ、及び平均パワーの様々な組み合わせをベースとし、好ましくは全ファイバ装置を利用して、改良された性能指数を得ることができる。
【００３４】
様々な実施形態において、繰り返し率は、ビームスプリッタ及び光学遅延線の組み合わせによって増加することがある。
【００３５】
図３及び４は、グレイスケールの視覚効果を示している。図３は、図４（ａ）に示された印刷した芸術的画像から取得した、異なるグレイレベルを有する二つの微小部分を示している。図３（ａ）において、二つの明るい線は、走査速度８〜１０ｍ／ｓの高速のビームスキャンによって作成された。図１に戻ると、堆積した材料６は、図３ａにおける明るい線間の領域に対応する領域に相当している。上述したように、走査線の白さは、放出体を横に押し出すような、レーザビームの直接照射下の高温及び高圧によるものである。図３（ａ）において、高速の走査速度のため、とりわけ画像の最上部では、比較的僅かな堆積が残っている。
【００３６】
図３（ｂ）は、平均で０．２ｍ／ｓの低速の走査速度で作成した三本の走査線を示し、線間にはより厚い堆積が形成され、全体として暗い視覚効果をもたらしている。白い走査線も存在している。したがって、異なるビーム走査速度は、走査線間の物質堆積を制御し、グレイスケール変化を生成する。このようにして、著名な芸術画像が印刷され、図４（ａ）に示されている。ニッケル硬貨がガラスウェーファの隣に置かれ、その大きさを示している。
【００３７】
上述したように、グレイレベルの数は、ビーム走査速度について堆積厚さの線形依存性を仮定すると、ビーム走査速度の最小増分と最大走査速度によって決定される。例えば、最大走査速度１０ｍ／ｓ及び速度の増分１ｍｍ／ｓでは、堆積の量の増分は十分に小さく、視覚的に連続的なグレイスケールを作成する。
【００３８】
図４（ｂ）は、異なるグレイスケールを有する三つの同一のテキストパターンの画像を示している。この例においては、パターンは、定ビーム走査速度５ｍ／ｓを維持しながら走査線密度を制御することによって形成される。最上部から最下部への三つの画像について、走査線密度は、ミリメートル当たりそれぞれ４、８、１２本である。これは、ベクターグラフィックを印刷する例である。パターン形成技術は、単純な幾何形状を埋めることにも適している。走査線密度を変化させることによって、グレイレベルの利用できる数は１０を超えることができる。様々な実施形態において、少なくとも１ユニット（１０：１）における光学密度（Ｏ．Ｄ．）が提供されることがあり、最大で約３〜４ユニットである。
【００３９】
様々な実施形態において、パターンは、光の反射又は透過を変化させるのとは別の機能を提供する材料を用いて形成される。一つの例は、図５に示され、蛍光材料で作られたターゲットを用いて、テキストは１×１インチのガラスウェイファに印刷される。この材料は、室内又は太陽光の下で白い粉末であるが、紫外線を照射すると、材料は橙色に発光する。この材料をターゲットに使用すると、図５（ａ）の印刷したテキストは、室内光の下で辛うじて識別することができる。図５（ｂ）において、紫外光照明を用い、テキストは明るく発光している。このことは、元のターゲット材料の光を放出する性質が、印刷の間も保たれたことを表している。
【００４０】
上述の実施においては、リン光や蛍光の性質のようなターゲット材料の特定の物理的機能及び化学的機能が保持される。材料はレーザ照射によって崩壊するが、元の材料に関連した物理的性質及び化学的性質は、レーザ剥離によっては破壊されない。極短パルスは、このような利益を提供する。
【００４１】
特定の理論に同意することなく、パルス状レーザ剥離の工程は、（ｉ）光吸収、（ｉｉ）加熱及び相転移、（ｉｉｉ）プラズマ膨張を含むいくつかの段階に分離される。最終的な材料堆積は、パルス持続時間、パルスエネルギー、及び繰り返し率を含むレーザパラメータに、また、例えば金属又は誘電体のようなターゲット材料のタイプにも強く依存している。これらの因子の内、パルス持続時間は、最初に考慮し、従来のナノ秒パルス状レーザ及び極短パルス状レーザ間で対比すべきであるが、これは、強度の数次にもわたる大きな差異のためである。
【００４２】
ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、又はＮｄ：ＹＶＯ４のようなナノ秒パルス状レーザを用いると、パルス持続時間は、固体中の電子及びイオン間のエネルギー交換の時間スケールより長い。この時間スケールは、典型的には、数十ピコ秒である。ナノ秒レーザパルスは、固体を加熱し、熱による蒸発及びイオン化をもたらし、レーザによってプラズマが形成される。レーザパルスの尾部は、プラズマも加熱することができ、いくつかの大きな液滴を除いて、ほぼ完全に原子化し、高度にイオン化したプルームをもたらす。大気の存在下では、剥離の間に、例えば酸化のような強い化学反応が期待され、剥離された材料の物理的性質及び化学的性質を変化させることになる。
【００４３】
数百フェムト秒から数十ピコ秒までの範囲のパルス持続時間を有する極短パルス状レーザを用い、剥離閾値近くの範囲内におけるレーザフルエンスにおいては、剥離ざれた材料は小さな粒子に崩壊することがある。このような粒子はナノメートルの範囲であることがあり、後述する参考文献１−６に記載されている。結晶化度、化学組成、及び合金組成のようないくつかの元の物理的性質及び化学的性質は、参考文献１−３に記載されているように、維持される。よって、機能的な性質は保持される。機能的な性質のいくつかの例としては、リン光、エレクトロルミネッセンス、及び視覚色彩効果について選択的光吸収及び放出がある。図５に描かれているように、このような性質は、ＰＬＤベースの微小堆積及びパターン形成によって実現されることがある。
【００４４】
ＰＬＤパターン形成に適する高繰り返し率ソースについて多くの可能性が存在する。上述の極短パルス及び様々な構成は、正確で繰り返し可能な材料除去を提供する。しかしながら、いくつかの実施形態において、高繰り返し率のピコ秒又はナノ秒ソースを利用することがある。Ｑスイッチソースの有効繰り返し率は、出力を分割し再結合することによって、及び／又は複数レーザ出力を結合することによって増加することがあることが知られている。例えば、Ｑスイッチレーザは、複数レーザ及び／又は分割及び結合によってベース繰り返し率７０ｋＨｚから１００ｋＨｚをかなり越えるまで増加することがある。また、半導体レーザダイオードは、ピコ秒又はナノ秒パルスを生成することがあり、ダイオードは、少なくとも数十ＭＨｚの超高繰り返し率で変調されることができる。ダイオードの出力は、ファイバ増幅器によって増幅され、ピコ秒又はナノ秒パルスのエネルギーレベルを例えばマイクロジュールの範囲まで増加させることがある。パルスセレクタが、増幅とターゲットへの供給のためにパルスをゲートするために使用されることがある。多くの可能性が存在する。
【００４５】
様々な実施形態において、金属ターゲットが剥離され、様々なレーザパラメータが予め選択され、速度及び解像度を制御する。例えば、パルス状レーザ微小堆積パターン形成は、１００ｎｓ、好ましくは１０ｐｓより短いパルス幅を用い、少なくとも１００ｋＨｚまたはこれをかなり超える繰り返し率において実行されることがある。約２０μＪより低いパルスエネルギーは、約３０μｍの集光スポット径において少なくとも約２．８Ｊ／ｃｍ２のフルエンスを提供し、様々なパターンを形成するのに適する。フルエンスは、多くの金属の剥離閾値より実質的に大きい。より小さいスポット径も利用されることがある。あるフルエンスについて、必要なエネルギーはスポット面積にしたがい減少するが、ある平均パワーについて繰り返し率につれてポテンシャルの増加が提供され、走査の時間は増加する。様々な実施形態において、材料堆積は、金属ターゲットの剥離閾値に近いフルエンスを用いて実行される。
【００４６】
以上のように、発明者は、パルス状レーザ微小堆積及びパターン形成について方法、装置、及び材料を説明してきた。
【００４７】
少なくとも一つの実施形態は、パルス状レーザの波長において実質的に透明である材料にパターンを形成するパルス状レーザ堆積の方法を含んでいる。この方法は、パルス状レーザソースからパルス状レーザビームを生成し、パルス状レーザビームをターゲットに集光する。パルス状ビーム及びターゲットの相互作用に応じて、ターゲットは放出体を生成する。この方法は、少なくとも放出体の一部を媒体に累積し、媒体に媒質堆積を形成することを含んでいる。この方法は、材料堆積の厚さを制御し、媒体の領域の光学密度を変化させ、変化する光学密度を有する空間的パターンを形成することを含んでいる。
【００４８】
様々な実施形態において、
この方法は、媒体を介してパルス状レーザビームを伝送し、媒体及びターゲットに対してレーザビームを走査し、レーザビーム走査速度及び走査線密度の少なくとも一つを変化させて厚さを制御することを含み、
パターンの少なくとも一部は、直接隣接する周辺部より低い厚さの中央部を有する一次元厚さ輪郭によって特徴付けられ、周辺部の厚さは制御されて光学密度を変化させる。
【００４９】
パルス状レーザソースは、約１００ｋＨｚから１００ＭＨｚ、最大約１ＧＨｚの繰り返し率を有する。
【００５０】
レーザパルスは、約１０フェムト秒から最大約１００ナノ秒の範囲にあるパルス持続期間を有する。
【００５１】
レーザパルスエネルギーは、約１００ナノジュールから約１００マイクロジュールの範囲にある。
【００５２】
媒体は、ガラス、水晶、サファイア、プラスチックシート、又はポリマーを含む。
【００５３】
ターゲットは、金属を含み、金属は、鋼鉄、アルミニウム、銅、金、銀及び／又は白金を含む。
【００５４】
ターゲットは、非金属を含み、非金属は、炭素、ケイ素及び／又はポリマーのような有機材料を含む。
【００５５】
ターゲットは、光を発する機能材料を含み、機能は、蛍光体発光及びエレクトロルミネッセンスの一つ以上を含む。
【００５６】
ターゲットは、カラー印刷に用いる材料を含む。
【００５７】
ターゲットは、ターゲット材料から作られた構造を含む。
【００５８】
ターゲット材料は、金属であり、金属は、貴金属を含む。
【００５９】
ターゲット材料は、誘電体を含み、誘電体は、無機物及び／又は金属酸化物を含む。
【００６０】
レーザビーム走査速度は、印刷するパターンのグレイスケールにしたがって変化する。
【００６１】
１ｍｍ／秒から１ｍ／秒のレーザビーム走査速度が使用され、材料の累積された堆積を生成する。
【００６２】
レーザビーム走査線密度は、ミリメートル当たり１から１００本の範囲にある。
【００６３】
媒体は、ターゲットに接して設置され、ターゲットに１００マイクロメートル以内に設置され、又はターゲットに５ｍｍ以内に設置される。
【００６４】
光学密度は、パターンのデジタル画像の少なくとも３グレーレベルに対応している。
【００６５】
ターゲットは、レーザの波長より大きい粗さの表面を有している。
【００６６】
パターンは、ビットマップ画像及び／又はベクターグラフィックを含んでいる。
【００６７】
識別できる特徴を有するグレイスケール画像は、パターンの周囲の又は制御された照明を用いて取得することができる。
【００６８】
媒体は、ソース及びターゲット間に設置され、放出体は、レーザ方向とは逆向きに伝播する。
【００６９】
制御は、パルス状ビームを走査し、走査速度を変化させることを含んでいる。
【００７０】
制御は、パルス状ビームを走査し、走査の線密度を変化させることを含んでいる。
【００７１】
媒体は、ターゲットに対し、パターンの空間解像度を制御できるように位置している。
【００７２】
制御は、パルス状ビームをターゲットにわたるラスタ又はベクターパターンの一つ以上で走査することを含んでいる。
【００７３】
少なくとも一つのパルス幅は、約１００ｆｓから約１０ｐｓの範囲にある。
【００７４】
少なくとも一つの実施形態は、媒体上に光学密度を有するパターンを生成するパルス状レーザ堆積に用いる装置を含み、媒体は、パルス状レーザの波長において実質的に透明である。装置は、パルス状レーザビームを生成する高繰り返し率レーザ、及びビーム供給装置を含んでいる。ビーム供給装置は、パルス状レーザビームをターゲット上に集光するフォーカシング副装置、パルス状ビーム及びターゲットの相互作用に応じて放出体を生成するターゲットを含み、ターゲットは、パルス状ビーム及びターゲットの相互作用に応じて放出体を生成する。放出体の少なくとも一部は、媒体上に累積され、媒体上に材料堆積を形成する。コントローラは、媒体堆積の光学密度を制御するためソース及びビーム供給装置に接続され、媒体の領域の光学密度を変化させている。光学密度が変化している空間パターンが形成される。
【００７５】
様々な実施形態において、
供給装置は、ビーム偏向器、及び走査レンズを含むフォーカシング副装置を含む。
【００７６】
コントローラは、レーザビーム走査速度及び走査線密度の少なくとも一つを変化させて厚さを制御するように構成される。
【００７７】
媒体及びターゲットは、分離を提供するギャップによって隔てられ、ギャップは、大気、又は流れる乾燥空気、又は不活性ガス、例えば窒素又はアルゴンによって満たされることがある。ギャップ内の物理パラメータ、例えば圧力は、制御されることがある。
【００７８】
少なくとも一つの実施形態は、パターンが形成された媒体を含む製品を製造する。パターンは、上述のパルス状レーザ堆積方法を用いて形成される。様々な実施形態において、パターンは、デジタル画像において少なくとも３つの検出可能なグレイレベルを有するグレイスケール画像に対応する。
【００７９】
少なくとも一つの実施形態は、媒体上にパターンを作成するパルス状レーザ堆積方法を含み、前記媒体は、パルス状レーザの波長において実質的に透明である。この方法は、パルス状レーザソースからパルス状レーザビームを生成し、パルス状レーザをターゲット上に集光することを含んでいる。ターゲットは、パルス状ビーム及びターゲットの相互作用に応じて放出体を生成する。この方法は、媒体上に放出体の少なくとも一部を累積し、媒体上に材料堆積を形成することを含んでいる。堆積した材料は、刺激に応じて放射を発するように動作することができる機能材料を含んでいる。この方法は、材料堆積の厚さを制御し、材料堆積の光学性質を変化させることを含んでいる。
【００８０】
様々な実施形態において、機能材料の光学性質は、リン光、エレクトロルミネッセンス、及び視覚色彩効果のための選択的光吸収及び放出を含む。刺激は、例えば短波長放射のような蛍光励起を生じる放射であることがある。
【００８１】
よって、ここでは特定の実施形態のみを記載したが、発明の趣旨及び範囲から離れることなく多くの修正がなされることがあることは明らかであろう。さらに、頭字語は、単に明細書及び特許請求の範囲の読み易さを向上させるために使用しました。これらの頭字語は、使用された用語の一般性を損なうことを意図するものではなく、ここで記載した実施形態に対する特許請求の範囲を制限すると解釈されてはならないことに注意されたい。
【００８２】
参考文献
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
0005427899.tif 000007
【図４Ｂ】
0005427899.tif 000008
【図５Ａ】
0005427899.tif 000009
【図５Ｂ】
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