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

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１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５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５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１から７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１から８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１から９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１から９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１から９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１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１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。

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