JP2017528326A - 材料をパターニングするためのマイクロマシニング方法及びシステム、並びに1つのこのようなマイクロマシニングシステムを使用する方法。 - Google Patents
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Abstract
パターンは、複数の点から構成される。方法は次のステップ:− 空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームを放射するステップ;− パターンを形成する複数の点にしたがって前記光ビームを整形するために少なくとも1つの位相変調を適用することにより、動的光学変調装置の変調面において、前記空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームを動的に整形するステップ;及び− 変調面に対してフーリエ構成で作業面に位置する前記材料の1つの表面上へ、合焦装置により、そのように整形される光ビームを合焦させるステップ;を含む。前記方法では、材料にパターンを形成することは、パターンを形成する点の数より厳密に少ない前記光ビームのパルスの有限数を含むパルス列で実行され、光ビームの放射は、各パルスが、10psから100nsの間の所定のパルス持続時間を有するように制御される。本発明はまた、前記方法を実装するマイクロマシニングシステム及び前記システムを使用する方法に関する。
Description
− 空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームの放射;
− パターンを形成する複数の点にしたがって光ビームを整形するために少なくとも1つの位相変調を適用することによる、動的光学変調装置の変調面における、前記空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームの動的整形;
− 変調面に対するフーリエ構成にある作業面に好ましくは位置する、前記材料の表面上へ合焦装置により整形される光ビームの合焦;を含み、
材料にパターンを形成することは、パターンを形成する点の数より厳密に少ない前記光ビームのパルスの有限数を含む、パルス列、好ましくは1つのパルス列で実行され、光ビームの放射は、各パルスが、10psから100nsの間、好ましくは100psから10nsの間、より好ましくは300psから8nsの間に含まれる決定されたパルス持続時間を有するように制御される。
− 方法は、複数の同一の製品に、同じマイクロマシニングパラメータにしたがって、同じパターンを形成するために使用され、全てのパターンは、製品の個体認証のために形成された後に記録される。
− パルス列は、パターンを形成する点の数より少なくとも2倍少ない、好ましくは少なくも10倍少ない、より好ましくは少なくとも100倍少ない、パスル数を含む。
− パルス列は、少なくとも1000パルスを含み、好ましくは100パルス未満、より好ましくは10パルス未満であり、より好ましくは、パルスは1パルスのみを含む。
− 方法はさらに、パターンに対応する入力設定点値から変調設定点値を計算するステップを含み、前記変調設定点値は、光ビームの動的整形を実行するための変調装置に与えられる。
− 光ビーム放射は、10μJから30mJの間、好ましくは、100μJから15mJの間、より好ましくは1mJから10mJの間に含まれる決定されたエネルギを有するように、各パルスに関して制御される。
− 光ビーム放射は、パルス列のパルスが、10Hzから30kHzの間、好ましくは20Hzから5kHzの間、より好ましくは250Hzから1kHzの間に含まれる繰り返し率を有するように制御される。
− 光ビーム放射は、パルス列が、50μWから20Wの間、好ましくは10mWから5Wの間、より好ましくは20mWから2Wの間に含まれる平均出力を供給するように制御される。
− 光ビーム放射は、動的光学変調の前に直線偏光を有するように制御される。
− 光ビームのための制御装置であって、パターンを形成する点の数以下の有限数のパルスを含むパルス列に前記光ビームの放射を制限する手段、及び10psから100nsの間に含まれるパルス持続時間にしたがって前記光ビームを設定する手段を有する、光ビームのための制御装置と;
− パターンを形成する複数の点にしたがって前記光ビームを整形するように、変調設定点値から少なくとも1つの位相変調にしたがって制御装置によって設定される光ビームを変調面において変調する手段を有する、動的光変調装置と;
− 変調設定点値を変調装置に与えるように設けられるとともにパターンに対応する入力設定点値から変調設定点値を計算する手段を有する、制御装置と;
− 好ましくは変調装置の変調面に対してフーリエ構成にある、作業面に位置する前記材料の表面上に変調装置によって整形される光ビームを合焦させるように配置される合焦装置と;を有する。
− 合焦装置は、変調装置の変調面に対してフーリエ構成の焦点面を有する。
− システムは、焦点を合わせられた光ビームがシステム入力部における光ビームに対して90°に向けられるように配置される光学部材のセットをさらに有する。
− システムは、200×200×250mm3未満、好ましくは200×200×200mm3未満のかさ体積を有する。
a. 材料を反応させるように前記光ビームのパルスの数kを選ぶことによってパルス列を設定するステップ;
b. 材料が前記光ビームのパルスの数kに反応する閾値密度F閾値(k)を計算し、関連する閾値出力P閾値(k)を決定するステップ;
c. 放射装置及び位相変調装置の特性パラメータから変調装置の出力における利用可能な出力P利用可能(Nk)に関する方程式を設定するステップであって、Nkは、決定されるべき数であり、kパルスの列に関してマークされることができる点の最大の数を表す、ステップ;
d. 整形された点の数が、材料が反応する閾値に影響を及ぼさないという仮説の下で、マークされることができる点の最大の数Nkを計算するステップであって、マークされることができる点の最大の数Nkは、以下のように計算される、ステップ:
・Nk=P利用可能(Nk)/F閾値(k)
e. 光ビームのパルスの数k内でマークされることができる点の最大の数Nk以下の複数の点Nに光ビームを整形するように位相変調を設定するステップ。
− ステップd)で計算されるkパルスの列に関してマークされることができる点の最大の数Nkがパターンを形成する点の数未満である場合、ステップa)乃至d)は、前記光ビームに関するパルスkのより大きい数を選ぶ中で繰り返される。
− ステップa)において、前記光ビームのパルスの数kは、パターンを形成する点の数未満に選ばれる。
− 位相変調は、光ビームのパルスの数k内でマークされることができる点の最大の数Nkの半分以下の値に制限される複数のN点に光ビームを整形するように設定される。
− 方法は、パターンを形成する点の数を、位相変調を設定するために選ばれる複数のN点で割ることによって完全なパターンを形成するために必要とされるパルス列の数の追加の計算ステップを含み、パターンは、個別に形成されることができる複数の基本サブパターンに分解する複雑なパターンである。
− パルス列を設定するステップは、任意の数のパルスiに関する閾値エネルギ密度F閾値(i)の計算にしたがってパルスの数kを選ぶステップからなり、パルスの数kは、最小閾値エネルギ密度の200%と等しい閾値エネルギ密度に対応するパルスの数k200と、エネルギ密度が最小閾値エネルギ密度と等しいパルスの最低数に対応するパルスの数k100との間で選ばれる整数である。
− 閾値エネルギ密度F閾値の計算は、光ビームがガウス形状を有すること及び光ビームで照射される材料が以下の式によって与えられる閾値エネルギ密度F閾値から反応することを考慮して実行され、この式は:
ここでDは材料への光ビームの物理的な衝突直径であり、Fピークは、光軸で測定される最大エネルギ密度であるとともにレーザ平均出力P平均の関数として表され、vは、パルス繰り返し率であり、ωは合焦装置の焦点面における光ビームの半径である。
− 閾値エネルギ密度F閾値の計算は、材料への損傷の発生の統計的解析によって実行される。
− Nkの関数としての、変調装置の出力における利用可能な出力P利用可能(Nk)を与える方程式は、次の式である:
・u%は、動的光学変調装置の透過パーセンテージであり;
・v%は、マークするためのパターンの対称の欠如の影響の後の利用可能なパーセンテージであり;
・w%は、動的光学変調装置からの整形の対象でない中心合焦点における光ビームによって失われるパーセンテージであり;
・x%(C)は、動的光学変調装置に適用される変調設定点値に関する位相マップ上の曲率Cの適用の結果の後の利用可能なパーセンテージであり;
・c及びdは、衝突の数に関する係数であり、動的光学変調装置に適用される設定点値に関して使用される位相マップの多数の合焦点を反映する;Nk点に関連付けられる効率は(cNk+d)であり、fは合焦装置の焦点距離である。
− 閾値出力P閾値(k)は次の式によって与えられる:
ここで
− 使用され且つ変調される光ビームは、コヒーレンスの要件を有さない:画像は、LED(発光ダイオード)又は白熱電球によって放射されるような「白色光」を使用する場合でさえ作業面内に生じる。
− 変調面内の光波の位相の偏光は、作業面に影響を及ぼさない。この構成はしたがって、ネマチック位相LCOS変調器に適していない。
− 振幅及び/又は位相変調の使用は、適切である。しかし、フーリエ構成における振幅変調構成が、一般的な場合に、問題になり得る、50%未満の伝送を有するので、位相変調だけが、効率性の理由のために最も使用される。
− 目的は、変調後にそれ自体と干渉するビームを作ることであるので、変調は、この干渉を可能にするビーム特性を変更すべきではない:より具体的には、偏光は偏光されるべきではない。
− 全ての点から離れた横方向シフト(位相の傾き又は傾斜);
− 全ての点から離れた軸方向シフト(位相曲率);
− 既知のビーム構造(アキシコン、渦)。
− 例えば、マイクロマシニングの一般的な適用のフレームワーク内の、焦点のセットからなる任意形状(多点形状);
− 例えば、トレーサビリティ適用のフレームワーク内の、「面」内の一連の英数字(数及び文字)又は暗号化された形(バーコード、2次元コード−データマトリックス、QRコード、Aztecコード等)を表す形状。
− ビームのサイズを、様々な要素に、より具体的には、変調器のアクティブ表面に適合させるために、
− 変調器によって課せられる制約に光学放射のエネルギ及び出力レベルを適合させるために、
設けられる。
− 変調器特性を「実質的に」適合させるために、
− 合焦装置を使用して、マークするためのターゲットの表面にレーザ放射の焦点を合わせるために、
選ばれる。
− 例えば、微小空洞、構造若しくはテクスチャ、付着物の創造、又は表面状態の変更につながる、形態学的、
− 例えば、化学構造の、酸化、改質の形態の、化学的、
− 例えば、光学的(率、反射、吸収)、機械的又は構造的特性の変更を伴う、物理的、
なものを取り得る。
− 直径がアクティブ表面より大きいことが必要ではなしに、光変調器のアクティブ表面の充填を最大にするように選ばれる直径を持つ入力レーザビームのための開口2。例えば、8mm以下の直径である;
− 特に、このレーザビームの位相の空間変調のための、動的光変調器3;
− 例えば、通常のレーザマーキングヘッドによる入力方向と垂直な方向に沿ってビームを再配向するために及び/又は全システムを、通常のレーザマーキングヘッドと同様又はそれより小さい体積(典型的には200×200×250mm3より小さく、より好ましくは200×200×200mm3より小さい)に維持するための光路の折り畳みのために、ビームの位置を制御するための光学要素のセット4;
− 材料12に変調器3によって生成された形状のエネルギを集中させるための合焦要素7−この要素は、同様に、球面又は非球面レンズ、薄レンズ、色消し複レンズ又はトリプレットレンズ、fθレンズ及び/又はテレセントリックレンズであり得る。焦点は、前述の光学要素のセットを使用して、例えば、システムの入力面に垂直に、配置されることができる;
− 合焦レンズ7の反対側の開口6が、必要に応じて、マーキングゾーンを見る手段を受けることができる;
− 組み込まれた若しくは組み込まれていない、光変調器3の及び/又は光源の制御並びに/又はデータベースの管理及び/又はオペレータ若しくはマーキング/マイクロマシニング装置の他の構成要素とのコミュニケーションのためのグラフィカルインタフェースを含む、制御電子システム5。
− ビーム13のサイズ及び形状、より広範には、入力光路の特性;
− 放射の特性(例えば、その波長);
− 最終の合焦レンズ7の特性(より具体的には、焦点距離);
− 同じレンズに関する光位相共役及び変調器(又はその画像)からの物理的な距離。
− 400psのパルス持続時間(プラス/マイナス5%において)、2mJ以下のエネルギ、及び1kHz以下のパルス繰り返し率;
− 7nsのパルス持続時間(プラス/マイナス5%において)、7mJ以下のエネルギ、及び20Hz以下のパルス繰り返し率;
− 87nsのパルス持続時間(プラス/マイナス5%において)、100μJ以下のエネルギ、及び25kHz以下のパルス繰り返し率。
− 波長1064nm;
− 出力パワー:2.2W;
− パルス持続時間:10ns;
− パルス繰り返し率:1kHz;
− 偏光:直線;
− パルスからパルスへの制御を含むバーストモードショット。
繰り返しの数は、ここでは、準任意の方法だが、この計算から得られる最適化が、かなり安定し、したがって、1つの繰り返しから次にほとんど変動しないような方法で、10より大きい。
− 波長1064nm;
− 出力パワー:6W;
− パルス持続時間:80ns;
− パルス繰り返し率:25kHz;
− 偏光:任意;
− パルス制御の変調:5kHz。
− レーザパラメータ:これらは、レーザ源に、又はより一般的には放射のソース(源)に特有の特性である;
− マイクロマシニング方法及びシステムのパラメータ:これらは、レーザからサンプルに放射されるビームを扱うための、マイクロマシニングシステム、その設定及びその動作に特有の特性である;
− 材料パラメータ:レーザ−物質相互作用は、吸収−透過特性、溶融−気化温度等のような各材料の特性に依存するので、これらは、最終的な研究材料に特有である。
− 波長λ
− パルス繰り返し率ν
− パルス持続時間τ
− 偏光p
− 平均出力Pレーザ
− 出力直径D出力
− 拡がり角α
− 透過パーセンテージ u%:SLMは、ピクセル化された光学系であるので、無視できないパーセンテージのエネルギ損失が、整形のために利用可能なエネルギの推定において考慮されることになる;このパラメータはまた、変調器の後の光路を形成する光学系の処理の欠陥を統合する。
− 対称効果の欠如の後の利用可能なパーセンテージ v%:エネルギの損失が、v%と推定される量によって記号で表される、光軸に対する対称整形と、非対称整形との間でマークされることになるパターンのために、観察されている;
− 中心スポットw%によって失われるパーセンテージ:光学系及びレーザ特性の完全さの欠如、並びに近似計算に起因して、定数w%によって再び推定されるエネルギの量は、中心焦点で見つかり、システムによってビームに適用される整形にさらされない。
− 曲率の追加により利用可能なパーセンテージx%(C):対称又は非対称整形のように、曲率値を含む位相マップの実行は、整形に利用可能なエネルギの量に影響を及ぼす。Cは、整形のフレームワーク内で適用される曲率値である;。
− 衝突の数に関する係数c&d;マークするための点の数Nkに依存する利用可能なパーセンテージ(cNk+d):対称又は非対称整形に関してのように、材料に異なる数の収束点を生成する位相マップの実行は、同じ数の点の整形に利用可能なエネルギの量に影響を及ぼす。
− 焦点距離f:規定された収束フォーカスレンズによる作動距離。このパラメータは、中でも、マーキング面におけるレーザビームのサイズを、したがって、この面におけるエネルギ密度を規定するために使用される。
P利用可能=Pレーザu%x%(C)(cNk+d)v%−w%Pレーザ
ここで、
− Fはエネルギ密度(J/cm2、また一般に放射露光量と呼ばれる)であり、
− rは光軸までの距離であり、
− Fピークは、レーザ平均出力P平均の関数として表される、光軸において測定される最大放射露光量であり、
− vは、パルス繰り返し率であり、
− ωは、焦点面におけるビーム半径であり(一般に、ウエストとも呼ばれ)、システムレンズの頂点距離fに直線依存する。
D2=2ω2ln(Fピーク)−2ω2ln(F閾値)
Claims (27)
- 材料にパターンを形成するためのマイクロマシニング方法であって、前記パターンは複数の点からなり、前記方法は、以下のステップ:
− 空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームの放射;
− 前記パターンを形成する前記複数の点にしたがって前記光ビームを整形するために少なくとも1つの位相変調を適用することによる、動的光学変調装置の変調面における、前記空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームの動的整形;
− 前記変調面に対するフーリエ構成にある作業面に位置する前記材料の表面上への合焦装置による整形される光ビームの合焦;を含み、
前記材料に前記パターンを形成することは、前記パターンを形成する点の数より厳密に少ない前記光ビームのパルスの有限数を含むパルス列で実行され、前記光ビームの前記放射は、各パルスが、10psから100nsの間に含まれる決定されたパルス持続時間を有するように制御される、
方法。 - 前記光ビームの前記放射は、各パルスが、100psから10nsの間に含まれる決定されたパルス持続時間を有するように制御される、
請求項1に記載の方法。 - 前記光ビームの前記放射は、各パルスが、300psから8nsの間に含まれる決定されたパルス持続時間を有するように制御される、
請求項1に記載の方法。 - 前記材料は、前記合焦装置の焦点面に対応する作業面内に位置する、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。 - 複数の同一の製品に、同じマイクロマシニングパラメータにしたがって、同じパターンを形成するために使用される請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法であって、全てのパターンは、前記製品の個体認証のために形成された後に記録される、
方法。 - 前記パルス列は、前記パターンを形成する前記点の数より少なくとも2倍少ない、好ましくは少なくも10倍少ない、より好ましくは少なくとも100倍少ない、パスル数を含む、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。 - 前記パルス列は、1000パルス未満、好ましくは100パルス未満、より好ましくは10パルス未満のパルスを含み、より好ましくは、前記パルスは1パルスのみを含む、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。 - 前記パターンに対応する入力設定点値から変調設定点値を計算するステップをさらに含み、前記変調設定点値は、前記光ビームの前記動的整形を実行するための前記変調装置に与えられる、
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。 - 前記光ビームの前記放射は、10μJから30mJの間、好ましくは100μJから15mJの間、より好ましくは1mJから10mJの間に含まれる決定されたエネルギを有するように、各パルスに関して制御される、
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。 - 前記光ビームの前記放射は、前記パルス列の前記パルスが、10Hzから30kHzの間、好ましくは20Hzから5kHzの間、より好ましくは250Hzから1kHzの間に含まれる繰り返し率を有するように制御される、
請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。 - 前記光ビームの前記放射は、前記パルス列が、50μWから20Wの間、好ましくは10mWから5Wの間、より好ましくは20mWから2Wの間に含まれる平均出力を供給するように制御される、
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の方法。 - 前記光ビームの前記放射は、前記動的光学変調の前に直線偏光を有するように制御される、
請求項1乃至11のいずれか1項に記載の方法。 - 空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームの放射から、材料に複数の点からなるパターンを形成するためのマイクロマシニングシステムであって:
− 前記光ビームのための制御装置であって、前記パターンを形成する点の数以下の有限数のパルスを含むパルス列に前記光ビームの前記放射を制限する手段、及び10psから100nsの間に含まれるパルス持続時間にしたがって前記光ビームを設定する手段を有する、光ビームのための制御装置と;
− 前記パターンを形成する前記複数の点にしたがって前記光ビームを整形するように、変調設定点値から少なくとも1つの位相変調にしたがって前記制御装置によって設定される前記光ビームを変調面において変調する手段を有する、動的光変調装置と;
− 前記変調設定点値を前記変調装置に与えるように設けられるとともに前記パターンに対応する入力設定点値から前記変調設定点値を計算する手段を有する、制御装置と;
− 前記変調装置の前記変調面に対してフーリエ構成にある作業面に位置する前記材料の表面上に前記変調装置によって整形される前記光ビームを合焦させるように配置される合焦装置と;を有する、
システム。 - 前記合焦装置は、前記変調装置の前記変調面に対してフーリエ構成にある焦点面を有する、
請求項13に記載のシステム。 - 合焦された前記光ビームがシステム入力部における前記光ビームに対して90°に向けられるように配置される光学要素のセットをさらに有する、
請求項13又は14に記載のシステム。 - システムは、200×200×250mm3未満、好ましくは200×200×200mm3未満のかさ体積を有する、
請求項13乃至15のいずれか1項に記載のシステム。 - 材料に複数の点からなるパターンを形成するためのマイクロマシニングシステムを使用する方法であって、前記システムは、空間的及び時間的にコヒーレントなパルス光ビームを放射する装置と、前記光ビームを複数の点に整形するための位相変調装置及び前記材料の表面上への整形された前記光ビームの合焦装置を有する前記光ビームの動的光学変調装置と、を有し、方法は:
a. 前記材料を反応させるように前記光ビームのパルスの数kを選ぶことによってパルス列を設定するステップ;
b. 前記材料が前記光ビームの前記パルスの数kに反応する閾値密度F閾値(k)を計算し、関連する閾値出力P閾値(k)を決定するステップ;
c. 前記放射する装置及び前記位相変調装置の特性パラメータから前記変調装置の出力における利用可能な出力P利用可能(Nk)に関する方程式を設定するステップであって、Nkは、決定されるべき数であり且つkパルスの列に関してマークされることができる点の最大の数を表す、ステップ;
d. 整形された点の数が、前記材料が反応する前記閾値に影響を及ぼさないという仮説の下で、マークされることができる前記点の最大の数Nkを計算するステップであって、マークされることができる前記点の最大の数Nkは:
・Nk=P利用可能(Nk)/F閾値(k)
のように計算される、ステップ;
e. 前記光ビームの前記パルスの数kでマークされることができる前記点の最大の数Nk以下の複数の点Nに前記光ビームを整形するように前記位相変調を設定するステップ;を含む、
方法。 - ステップdで計算されるkパルスの列に関してマークされることができる前記点の最大の数Nkが前記パターンを形成する前記点の数未満である場合、ステップa)乃至d)は、前記光ビームに関するより大きい数のパルスkを選ぶ中で繰り返される、
請求項17に記載の方法。 - ステップa)において、前記光ビームのパルスの数kは、前記パターンを形成する前記点の数未満に選ばれる、
請求項17又は18に記載の方法。 - 前記位相変調は、前記光ビームのパルスの数k内でマークされることができる前記点の最大の数Nkの半分以下の値に制限される複数のN点に前記光ビームを整形するように設定される、
請求項17乃至19のいずれか1項に記載の方法。 - 前記パターンを形成する前記点の数を、前記位相変調を設定するために選ばれる前記複数のN点で割ることによって完全なパターンを形成するために必要とされる前記パルス列の数の追加の計算ステップを含み、前記パターンは、個別に形成されることができる複数の基本サブパターンに分解する複雑なパターンである、
請求項17乃至20のいずれか1項に記載の方法。 - 前記パルス列を設定するステップは、任意の数のパルスiに関する閾値エネルギ密度F閾値(i)の前記計算にしたがって前記パルスの数kを選ぶステップからなり、前記パルスの数kは、最小閾値エネルギ密度の200%と等しい閾値エネルギ密度に対応するパルスの数k200と、エネルギ密度が前記最小閾値エネルギ密度と等しいパルスの最低数に対応するパルスの数k100との間で選ばれる整数である、
請求項17乃至21のいずれか1項に記載の方法。 - 前記閾値エネルギ密度F閾値の前記計算は、前記材料への損傷の発生の統計的解析によって実行される、
請求項17乃至22のいずれか1項に記載の方法。 -
Nkの関数としての、前記変調装置の出力における前記利用可能な出力P利用可能(Nk)を与える方程式は、次の式:
ここで、
・u%は、前記動的光学変調装置の透過パーセンテージであり;
・v%は、マークするための前記パターンの対称の欠如の影響の後の利用可能なパーセンテージであり;
・w%は、前記動的光学変調装置からの整形の対象でない中心合焦点における前記光ビームによって失われるパーセンテージであり;
・x%(C)は、前記動的光学変調装置に適用される変調設定点値に関する位相マップ上の曲率Cの適用の影響の後の利用可能なパーセンテージであり;
・c及びdは、衝突の数に関する係数であり、前記動的光学変調装置に適用される設定点値に関して使用される前記位相マップの多数の合焦点を反映し;Nk点に関連付けられる効率は(cNk+d)であり、fは前記合焦装置の焦点距離である、
請求項17乃至24のいずれか1項に記載の方法。
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