JP6336753B2 - 光デバイスを形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、光デバイスの形成、例えば、レーザビームを表面に照射して表面の光学特性を変えることによって光デバイスを形成することに関する。

本発明は、限定するものではないが、位相スケールデバイス（ｐｈａｓｅ スケール ｄｅｖｉｃｅ）または他の度量衡学装置（ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ）の製造への特定の応用を有する。

光デバイスを表面上に製造する種々の多くの技術が知られている。例えば、度量衡学スケール（ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｃａｌｅ）、例えば、位相スケール（ｐｈａｓｅ ｓｃａｌｅ）または振幅スケール（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｓｃａｌｅ）を製造するための様々な良く知られた技法が存在する。

通常、振幅スケールは、動作時にリードヘッド（ｒｅａｄｈｅａｄ）によってスケールから受け取る光の振幅を決定する特徴を備える表面を含む。例えば、反射型の振幅スケールは、精確に決定された表面上の位置に形成された一連の反射ラインおよび非反射ラインを含み得る。リードヘッドを表面の上で移動させるとき、リードヘッドは、反射ラインおよび非反射ラインの位置および個数に基づいてその位置を精確に決定することができる。一般に、表面上の反射ラインおよび非反射ラインの横方向位置は、精確に決定されなければならないが、表面の上にある反射ラインおよび非反射ラインの垂直プロファイル（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｒｏｆｉｌｅ）は、振幅スケールデバイスにとって二次的に意義のあるものである。様々な技法を使用して振幅スケールデバイスを生産することができる。

位相スケールは、表面上に分布した一連の目印を有しており、各目印は、精確に決定された高さを有し、精確に決定された各目印間の深さの窪みを与えるように形成される。動作時に、リードヘッドによって照射される光は、各目印の上面と目印同士の間の窪みの両方から反射し、リードヘッドは、知られた技法を用いて、反射光の強め合う干渉または弱め合う干渉を検出することができる。典型的には、目印は、表面上に矩形波形状の構造を与えるように形成され、目印同士の間の窪みの深さは、通常、リードヘッドによって照射される光の半波長に等しい。目印の高さの変化、もしくは窪みの深さの変化、または表面上の意味のある粗さの存在の変化は、位相スケールに基づいたリードヘッドの測定値によって得られる信号対雑音比の著しい劣化を引き起こし得る。そのため、位相スケールが、典型的には、時間がかかり得るが、十分な分解能の表面の特徴を与えることができるフォトリソグラフィ技法を用いて形成される。

位相スケールの特徴を形成するために、レーザアブレーション技法を使用してかなりの量の材料を表面から除去することが示唆されている。しかし、そのようなレーザアブレーション技法によると、粗い表面の窪みになる可能性があり、その反射率に悪影響を及ぼし、信号対雑音比の増大となる。さらに、かなりの量の材料が、表面からアブレーションされる場合、材料の一部が、表面上のどこか他に定着する可能性があり、かくして位相スケールの動作を妨げることが分かっている。

位相スケールデバイスを形成する代替的方法は、本出願人の名義で特許文献１に記載されている。この方法によれば、適切な強度のレーザビームが、スケールの基板に照射され、基板材料を軟化させ、材料を実質的に除去することなくレーザビームの焦点から離れるように基板材料の変位を引き起こす。レーザビームの作用によって反射率は低下せず、スケール上の各点は、実質的に粗くならずに、反射性のままである。ビームを基板全体の様々な位置で繰り返し照射して、所望のプロファイルを有する位相スケールデバイスを構築する。結果として得られるプロファイルは、丸みのある縁部を伴う目印および窪みを有するが、矩形波ではなく、そのような丸みのあるプロファイルを有するにもかかわらず、結果として得られるデバイスは、位相スケールデバイスとしてそれでもなお十分に機能することができることが分かった。特許文献１に記載のプロセスは、フォトリソグラフィ技法よりも迅速で、効率が良く、実施が安上がりであり得る。

材料を移動させて所望のプロファイルを有する光デバイスを形成するためのレーザビームの表面への照射は、非特許文献１に記載されている。この文書に記載された方法は、回折格子を形成するために使用された。二元液体溶液の薄い液体層が表面上に設けられ、レーザ光が照射され、これにより局所的な加熱によりなされる溶液からの揮発性物質の局所的な蒸発が引き起こされ、これは材料の表面プロファイルの形成を引き起こす物質移動を引き起こした。レーザ光を繰り返して照射して回折格子構造を形成する所望のプロファイルを構築する。物質移動は、マランゴニ（Ｍａｒａｎｇｏｎｉ）効果（ギブス・マランゴニ（Ｇｉｂｂｓ−Ｍａｒａｎｇｏｎｉ）効果、マランゴニ対流、および熱毛管対流とも様々に呼ばれる）に起因したものであり、この効果は、２つの流体間の界面における表面張力の勾配が物質移動を引き起こす物理現象である。

特許文献２は、パルス状のレーザビームを磁気ディスクの縁部にある金属の表面に照射することによって引き起こされる熱毛管または表面張力を使用して、照射領域から離れるように金属の流れを引き起こすことを記載している。レーザビームを様々な位置で照射してバーコードの構造を含む湾曲した反射器を形成する。

溶接の文献は、制御された状態の下でレーザ光を適切に照射することによって材料の造形をさせることを含む被加工物のプロファイルを操作する方法を記載する。液体金属の表面張力の勾配が、金属の酸素または硫黄の含有量を変えることによって変更または逆転することができることが溶接の文献より知られている。金属の酸素含有量を変えることができるＣＯ_２アシストガス（ａｓｓｉｓｔ ｇａｓ）をレーザ加工中に使用することも知られている。しかし、溶接の文献は、概して、光デバイスの形成よりむしろ大きいスケールの機械的な結合または構造の形成に関係している。多くの場合、表面張力の効果は、溶接の関連では望ましくないものであり得る。

国際公開第２００６／１２０４４０号パンフレット 米国特許第５，９０７，１４４号明細書

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本発明の目的は、光デバイスを形成する改善されたまたは少なくとも代替の方法を提供することである。

本発明の第１の独立した態様では、レーザビームを表面の標的領域に照射して、表面の材料を選択的に加熱するようにし、それによって表面張力の勾配により材料の転移をもたらすステップを含む光デバイスを形成する方法であって、表面が、液体のときに、より低い温度の表面の部分が、より高い温度の表面の隣接した部分よりも低い表面張力を有するようになっていることを特徴とする方法が提供される。したがって、表面張力の勾配による材料の転移は、標的領域への材料の転移、例えば、標的領域のより低い温度の部分から標的領域のより高い温度の部分への、または標的領域の外側から標的領域への材料の転移を含み得る。

ありふれた表面張力の勾配のそのような逆転を用意することによって、より多種多様な表面の特徴が、レーザ光により引き起こされる表面張力により動かされる材料の転移を用いて得ることが可能であり得る。

表面張力により動かされる材料の転移を用いてより多種多様な表面の特徴を得ることは、レーザビームが材料を実質的に除去させないような強度を有するときに、特に役立ち得る。そのような強度のレーザビームを用いると、光デバイスを形成するときに重要であり得る、例えば表面の反射率を保持または改善し、表面がかなり粗くなることを避ける所望の光学特性を有する表面を用意するのを助けることができる。

レーザビームは、表面材料を溶融するようなものであり得る。この方法は、レーザビームを用いて標的領域においてまたは標的領域の近くで表面材料を溶融するステップと、所望の表面プロファイルを形成するための材料の転移を得るステップと、標的領域におけるまたは標的領域の近くの表面材料が再固化するのを可能にするステップとを含んでもよい。

レーザビームは、パルスまたはパルス列を含んでもよい。

方法は、材料を実質的に除去することなく、サブオプティカルな波長のスケールの特徴を表面に形成するのに特に役立ち得る。

方法は、表面において雰囲気を制御するステップであって、表面は、液体のときに、より低い温度の表面の部分が、より高い温度の表面の隣接した部分よりも低い表面張力を有するようになっていることをもたらすようになっている雰囲気を制御するステップを含んでもよい。

本発明のさらなる独立した態様では、表面において雰囲気を制御するステップと、レーザビームを表面の標的領域に照射して、表面の材料を選択的に加熱するようにし、それによって表面張力の勾配により材料の転移をもたらすステップとを含む光デバイスを形成する方法が提供される。

表面において雰囲気を制御するステップは、表面張力の勾配を逆転する特に役立つやり方を提供することができることが分かっている。表面において雰囲気を制御するステップは、雰囲気の組成を制御すること、例えば、雰囲気中の１つまたは複数の成分ガスの量を制御することを含んでもよい。あるいは、または加えて、方法は、表面において大気圧を制御すること、および／または１つまたは複数の構成ガスの相対圧力を制御することを含んでもよい。

化学反応、化学的移動、拡散、および蒸発は、表面張力と温度の間の関係において重要な役割を果たすことができることが分かっている。したがって、材料の加熱した領域との反応のために表面において適切なガスを用意することが、そのようガスが存在しない場合にあるのとは異なる、材料が選択的に加熱されるときに形成される表面張力の勾配になり得る。一構成では、雰囲気を制御するステップが、酸化、リンの蒸発、炭化物形成、および／またはクロム移動を引き起こすガスに富んでいる雰囲気を表面において用意するステップを含んでもよい。雰囲気を制御するステップが、酸素および／または炭素を含有するガスなどの非希ガスの中に富んでいる雰囲気を表面において用意するステップを含んでもよい。例えば、雰囲気を制御するステップは、二酸化炭素および／または一酸化炭素に富んでいる雰囲気を用意するステップを含んでもよい。あるいは、雰囲気を制御するステップは、雰囲気、例えば窒素または水素に富んでいる雰囲気を表面において減少させるステップを含んでもよい。

雰囲気を制御するステップが、レーザビームの表面への照射中にＣＯ_２またはＣＯに富んでいる雰囲気を表面に用意することを含んでもよい。ＣＯ_２に富んだ雰囲気は、ＣＯ_２の量が、標準的な大気温度および大気圧において、または別のガス、例えばアルゴン中のガス、もしくは真空中のガスのその量については同様の分圧において、空気中に自然に存在するものより多い雰囲気中の濃度、好ましくは５％より多い雰囲気中の濃度、最も好ましくは１０％より多い雰囲気中の濃度である雰囲気であってもよい。ＣＯ_２に富んだ雰囲気を表面において用意するステップは、所望の表面張力の勾配を与えるのに特に便利なやり方を提供することができる。あるいは、または加えて、方法は、酸素に富んだ雰囲気、または硫黄に富んだ雰囲気、例えば、Ｈ_２Ｓに富んだ雰囲気またはＳＯ_２に富んだ雰囲気、窒素に富んだ雰囲気、および／または水素に富んだ雰囲気を表面において用意するステップを含んでもよい。

方法は、液体のときに、より高い温度の表面の部分が、より低い温度の表面の隣接した部分よりも高い表面張力を有することをもたらすような組成を有する材料を含有する表面を用意するステップを含んでもよい。組成が、材料の表面を材料と反応する表面活性剤を用いて処理して、液体のときに、より低い温度の表面の隣接した部分よりも高い表面張力を有するより高い温度の部分を有する表面をもたらすことによって実現されてもよい。表面活性剤が、酸化、リンの蒸発、炭化物形成、および／またはクロム移動を引き起こしてもよい。

方法は、酸素または硫黄に富んだ表面材料であって、雰囲気の制御を必ずしも必要とすることなく所望の表面張力の勾配を用意することができる表面材料を用意するステップを含んでもよい。

方法は、選択した酸素または硫黄の含有量を有する材料を含有する表面を用意するステップを含んでもよい。

周期表の１４族、１５族および１６族からの元素、および周期表の第２周期および第３周期からの元素は、同じ周期の１３族の元素が感情的であることも予期されるが、表面張力と温度の間の関係にかなり大きな影響を与えることが予期される。銀、タングステン、白金および金などの大きい周期の金属については、より高次の非金属が使用されてもよい。ある遷移金属およびアルカリ土類金属も表面張力に悪影響を及ぼす。一構成では、表面材料および／または表面活性剤は、カルシウム、硫黄、マンガン、シリコン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、マグネシウム、窒素、酸素、およびリンの群から選択される１つまたは複数の元素を含む。

方法は、レーザビームの少なくとも１つのパラメータを制御して、各標的領域の所望のプロファイルを得て、それによって所望の光学的特性を有する光デバイスをもたらすステップを含んでもよい。
少なくとも１つのパラメータが、強度、波長、パルス長、およびパルスの繰り返し時間の少なくとも１つを含んでもよい。

レーザビームは、標的領域の第２の部分における強度よりも標的領域の第１の部分において大きい強度を有してもよい。

ビームは、例えば、ガウス強度のプロファイルを有してもよい。より大きい強度およびより小さい強度を有する領域を与えることによって、そのような領域間の表面張力により動かされる材料の転移を得ることができる。

レーザビームが、閾値強度を超える強度を有し、それによって標的領域の第１の部分への材料の転移を、標的領域の第２の部分への材料の転移に比べて減少させてもよい。そのような閾値強度を超える強度を与えることによって、より高い温度の領域へ表面張力により動かされる材料の転移は、レーザビームの作用によって対抗することができる。これは、表面プロファイルの形状を制御する特に役立つやり方を与えることができる。

レーザビームが、標的領域の第１の部分において閾値強度を超える強度を有し、標的領域の第２の部分において閾値強度未満の強度を有してもよい。したがって、標的領域の異なる部分への優先的な（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ）材料の転移を得ることができる。二重ピークのプロファイルは、ビームの照射によって得ることができ、これは、複合構造の形成時に役立つ構成要素であり得る。閾値強度が、レーザ光がかなり大きいアブレーション圧力を与える強度、および／または表面の材料の気化によるかなり大きい蒸気圧が得られる強度であってもよい。

閾値強度が、レーザ光が、表面張力の勾配による材料の転移に対抗するように働く最小強度であってもよい。

方法は、レーザビームとさらなるレーザビームの両方を標的領域へ照射するステップを含んでもよく、レーザビームが閾値強度を超える強度を有し、さらなるレーザビームが閾値強度未満の最大強度を有する。

方法は、レーザビームおよびさらなるレーザビームの一方を標的領域へ照射するステップと、標的領域における表面が、少なくとも部分的に固化することを可能にするステップと、レーザビームおよびさらなるレーザビームの他方を標的領域へ照射するステップとを含んでもよい。

さらなるレーザビームの標的領域への照射が、レーザビームの照射によって形成される表面材料のプロファイルの少なくとも一部において材料を一杯にしてもよく、またはその逆もあり得る。

レーザビームの照射によって表面材料の２つのピークのあるプロファイルを形成し、その後、さらなるレーザビームの照射によって２つのピークの間の窪みを少なくとも部分的に満たしてもよく、またはさらなるレーザビームの照射によって表面材料の単一のピークのあるプロファイルを形成してもよく、その後、レーザビームの照射によって単一のピークを少なくとも部分的に広げてもよい。

レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームが、ほぼ平坦な上部を有する標的領域における材料のプロファイルを発生させるように制御されるパラメータを有してもよい。

上部が平坦な構造は、位相スケールまたは回折格子を形成するのに特に役立ち得る。パラメータを制御してほぼ正方形または長方形の構造を形成してもよい。

方法は、レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームを複数の標的領域へ照射するステップであって、各標的領域が、表面上のそれぞれの異なる位置にあり、それによって表面全体に材料の所望のプロファイルを構築する、照射するステップを含んでもよい。

方法は、レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームを複数の標的領域へ順番に照射するステップを含んでもよく、表面上で互いに空間的に隣接している標的領域の少なくともいくつかが、順番で時間的に隣接しない。

方法は、レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームを標的領域へ複数回照射して、それによって所望の標的領域における材料のプロファイルを構築するステップを含んでもよい。

方法は、金属表面の上のガスの組成を変え、それによってガスの組成が、レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームが標的領域に照射される回の少なくともいくつかについて、レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームが標的領域に照射される回の少なくともいくつかの他のものについてとは異なっているステップを含んでもよい。

方法は、レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームの外側部分が表面に到達するのを阻止するステップを含んでもよい。

方法は、ビームを表面へ照射する前にビームをビームシェーパ（ｂｅａｍ ｓｈａｐｅｒ）に通過させるステップを含んでもよい。

ビームシェーパは、ビームのより高い強度部分からビームのより低い強度部分へパワーを再分配するように構成されてもよい。

レーザビームおよびさらなるレーザビームの少なくとも１つは、材料を実質的に除去することなく、例えば、材料を実質的にアブレーションすることなく、表面張力の勾配により材料の転移をもたらすような強度を有してもよい。

光デバイスは、度量衡学装置、位相スケール、振幅スケール、および回折格子の少なくとも１つを含んでもよい。

本発明のさらなる独立した態様では、光デバイスを形成する装置であって、レーザビームを表面の標的領域へ照射するレーザと、レーザビームの少なくとも１つのパラメータの値が、表面の材料の選択的な加熱を行うようなものであるように制御し、それによって表面張力の勾配により材料の転移をもたらして、所望の光学的特性を有する標的領域のプロファイルを得るようにするコントローラと、表面において雰囲気を制御して、表面が、液体のときに、より高い温度の表面の部分が、より低い温度の表面の隣接した部分よりも高い表面張力を有するようになっていることをもたらす手段とを備える装置が提供される。

添付図面を参照して本明細書に記載したような装置または方法を実質的に提供することもできる。

本発明の一態様における任意の特徴は、任意の適切な組み合わせで本発明の他の態様にも当てはまり得るものであり、例えば、装置の特徴は、方法の特徴にも当てはまり得るものであり、その逆もあり得る。

次に、本発明の実施形態を非限定の例によって説明し、本発明の実施形態を以下の図に示す。
一実施形態による光デバイスを形成する装置の説明図である。 レーザビームを標的領域に照射した後の表面のプロファイルを示す試料の表面の概略説明図である。 レーザビームを標的領域に照射した後の表面のプロファイルを示す試料の表面の概略説明図である。 レーザビームを複数の標的領域に照射して所望のデバイスのプロファイルを形成した後の表面のプロファイルを示す試料の表面の概略説明図である。 中央のピークがそれ未満で形成される閾値より大きいビームの中央部分の強度を有するレーザビームを照射した後の表面のプロファイルを示す試料の表面の概略説明図である。 レーザビームを複数の標的領域に照射してさらなる実施形態において所望のデバイスのプロファイルを形成した後の表面のプロファイルを示す試料の表面の概略説明図である。 レーザビームを標的領域に照射した後の試料の表面を示す試料の表面の概略説明図である。 レーザビームを複数の標的領域に照射して上部が平坦な領域を有する所望のデバイスのプロファイルを形成した後の表面のプロファイルを示す試料の表面の概略説明図である。

図１に、一実施形態における光デバイスを表面上に形成する装置を概略的に示す。この装置は、レーザ４に接続され、レーザ４の動作を制御するように構成される制御装置２、例えば、適切にプログラムされたＰＣまたは専用コントローラを備える。図１に示す制御装置は、Ｒｅｎｉｓｈａｗ ＵＵＣおよびＳＰＡ２＋のカスタムインタフェースカード（ｃｕｓｔｏｍ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃａｒｄ）を備えるＤＱＢ−ＰＳ制御装置である。図１の装置のレーザ４は、波長３５５ｎｍのトリプルＮｄ：ＹＡＧレーザ、特に、ＪＤＳＵ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ＱスイッチＱ３０１−ＨＤレーザであり、このレーザは、１００μＪから１ｍＪ程度のパルスエネルギー、およびマイクロ秒でのパルス持続期間によって動作するように制御される。

レーザ４は、円柱レンズ６を備えて動作時にレーザ４が発したレーザビームをプラットフォーム１０に装着した試料８に合焦する集光光学系と位置合わせされる。さらなる光学部品が、レーザ４と試料８の間に備えられて、必要に応じて、知られた技法に従ってレーザビームの制御および焦点合わせを行ってもよい。

図１の本実施形態の動作の一モードによれば、レーザ４を制御して、かなり細長いガウス正規形スポット（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｓｐｏｔ）の形状でレーザのパターンを試料８の表面上に発生させることができ、ガウス正規形スポットは、レーザ４からの高品質の円形のガウスビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｂｅａｍ）を円柱レンズ６に通過させて、長さ４μｍで幅１．５ｍｍ程度のスポットを焦点に発生させることによって形成される。ビームは、パルスまたはパルス列を含むことができる。絞り（Ｓｔｏｐ）（図示せず）が、本実施形態におけるビームの外側部分を阻止するように設けられる。

試料を装着するプラットフォーム１０は、制御装置２に接続された電動式プラットフォームである。この場合、電動式プラットフォームは、Ｅｌｍｏのコントローラを用いるＤａｎａｈｅｒ Ｄｏｖｅｒ Ｆｉｂｒｅｂｅａｍ精密移動リニアモータステージである。 制御装置２は、レーザ４の任意の所望の位置に対して電動式プラットフォーム１０を移動させるように動作可能である。プラットフォーム１０の移動を制御し、レーザ４の動作を制御することによって、制御装置２は、選択した特性を有するレーザビームを試料８の表面上の標的領域とも呼ばれる一連の選択した位置で照射することができ、それによって所望の特性を有する光デバイスを形成する。

制御装置２も制御可能なガス供給源１２に接続され、ガス供給源１２は、試料８の表面全体にわたって流れるようにガスを出力することができる。図１の本実施形態では、ガス供給源１２は、動作時に試料８の表面全体にわたって所望の流量のＣＯ_２ガスを供給するように制御装置２によって制御される制御可能な流量弁を有するＣＯ_２のシリンダ（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）を備える。ＣＯ_２が、全体的に、標的領域においてまたは試料全体に供給されてもよい。代替的実施形態では、試料は、閉じられたハウジング内に用意され、センサが、試料８の上のガスの組成を監視するように用意され、制御装置２は、センサからの出力に応じてガス供給源１２の動作を制御して、試料の上の雰囲気のＣＯ_２レベルを精密に制御する。

ＣＯ_２に富んでいる雰囲気を試料表面に隣接して供給することによって、レーザビームの照射によって引き起こされる試料８の表面からの材料の移動が変えられ得るということが図１の本実施形態の特徴である。例えば、ＣＯ_２アシストガスの下で、特定の閾値未満のレーザエネルギーのパルスを用いて金属表面を処理するとき、表面の材料は、レーザスポット（ｌａｓｅｒ ｓｐｏｔ）の中央に集まるようになされ得ることが分かっている。これは、図２に概略的に示されており、図２は、レーザ４によって発生されたレーザビームの照射後の試料８の一部を示す。試料８は、金属層２０、この場合、ステンレス鋼、例えば、Ｓａｎｄｖｉｋ Ｃｈｒｏｍｆｌｅｘ ７Ｃ２７Ｍｏ２マルテンサイトステンレス鋼（Ｃ ０．３８％、Ｓｉ ０．４０％、Ｍｎ ０．５５％、Ｃｒ １３．５％、Ｍｏ １．００％）などのマルテンサイトばね鋼、または冷延のオーステナイトフェライト系の精密形の３１６ステンレス鋼の細片を含む。レーザビームを照射すると、レーザビームの領域内の金属層は溶融し、レーザビームによって照らされる標的領域の中央に向かって引き上げられる。レーザビームがスイッチオフされるまたは移動させられるとき、金属は固化し、図２に示すようなピークを有するプロファイルを形成する。

金属の実質的な除去はなく、ピークの材料は、レーザスポットの中央のいずれかの側で低温の溶融プール（ｌｏｗｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅｌｔ ｐｏｏｌ）から引き上げられる。この目印のアスペクト比は、分かりやすくするために誇張されていることに留意されたい。８μｍピッチのスケールの製造は、約４μｍの長さの中央のピークを必要とし得ると共に、８００ｎｍの照明波長を使用する位相スケールに適した特徴の高さは２００ｎｍ程度であり得る。図２のプロファイルは、より現実に即したアスペクト比で図３に示されている。図３は、概略説明図でもあり、原寸に比例しておらず、説明する実施形態について図２よりも現実に即したピッチと深さの比の例示を与えることに留意されたい。

金属層２０に隣接したＣＯ_２に富んでいる雰囲気の存在により、レーザスポットの中央において窪みではなくピークの形成が引き起こされる。ＣＯ_２が豊富でない通常の大気の組成の存在下では、図２および図３の試料の金属は、レーザスポットの中央から離れるように流れ、アブレーションの閾値未満のパワーでレーザビームを照射することにより、やはり材料を実質的に除去することなく、ピークではなく窪みの形成が引き起こされる。

試料層に隣接したガス組成の制御は、照射したレーザ光の作用によって試料層の材料の流動挙動をかなり大きく変えることができると共に、以下により詳細に説明するような光デバイスの形成の制御の改善をもたらすことができるさらなる制御パラメータをもたらす。

一実施形態では、図２および図３に示す一連のプロファイルは、目印とも呼ばれ、異なる選択した標的領域においてレーザビームの繰り返しの照射によって互いに隣接して形成される。隣接した目印を順々に作製する必要はなく、ある目印を作製した後に隣接していない目印を作製し、後で隣接した目印の作製に戻ることには熱的な利点があり得る。例えば, 目印は、間に間隙を伴って作製することができ、次いでこの間隙は後で満たされる。この方法は、局所的な熱の構築が、目印の形成またはスケールの精度を歪めるのを防ぐ。例えば、元々作製された目印の材料が、隣接した目印を作製する前に十分に固化してしまうことを確実にすることができ、したがって、元の目印の望まれていない追加の流れを防ぐことができる。

レーザビームの適切な制御および標的領域の適切な選択によって、正確な大きさの目印、および所望の程度の重なりをもたらす間隔を作製することができ、それによって所望のプロファイルを有する光デバイスを提供し、この光デバイスは、所望の光学的特性をもたらす。例えば、パルスエネルギーおよびパルス持続時間は、高さ、幅および長さが正確な寸法のパターンを作製するためにビームの最適な焦点に関連して印が付けられる表面の位置と共に、制御することができる。

いくつかの実施形態では、複数の低いエネルギーパルスを使用して、必要な目印の作製と共に、材料のプロファイルの小さな変化を発生させる。これは、より優れた程度の表面形態の制御を可能にする利点を有し、統計的な平均化を使用して、レーザパルス間の変動の影響を緩和させ、印が付けられる表面に研磨の効果を与え、反射率、ひいてはスケールの性能または他の光学性能をさらに改善する。いくつかの実施形態では、６０個までのパルスが、単一の目印を構築するために使用される。

図４は、レーザビームのエネルギーのパルスに曝された材料の表面に形成されており、正弦波に対する近似を有する表面層２４を有するデバイスを示す。やはり、目印のアスペクト比は、分かりやすくするために誇張されている。

図２から図４の目印は、側面図で示されており、図２から図４の目印は、幅（これらの図面の場合、紙面内に延びる寸法）も有することを理解されたい。図４に示す目印の組み合わせは、１から５ｍｍ程度の幅を有し、位相スケールの場合、通常、１０ｍｍから数メートル程度まで長さ（ページの横幅を横切る寸法）が延び得る。

ガウス正規形のレーザビームのスポットの長軸は、その両端部の近くにより浅い目印を作り出す望まれていない副次的影響を有し得る。しかし、複数のパス（ｐａｓｓ）が、長軸にガウス正規形のプロファイルを有するビームを用いて実行される場合、隣接した段同士の間の重なりを使用してビームの中央から離れた目印の深さを増加させる。

図１の本実施形態を含むいくつかの実施形態では、ビームの端部分によってもたらされるより浅い目印の影響は、印が付けられている表面にビームの端部分が到達するのを防ぐための絞りを用いて回避または緩和され、これはそれらの幅全体にわたって使用可能である目印を作製する利点を有する。しかし、絞りを使用することによって、各レーザビームのパスによって作製される目印の幅を減少させ、やはりいくつかの実施形態では、印が付けられている表面に沿った複数のパスが、パスの間の幅の寸法に沿って段の付いた表面に対するレーザスポットの位置と共に使用される。これにより、取り付けおよび位置合わせがより容易であり得るより広いスケールまたは他の光デバイスを作製することができる。

十分なパワーが利用可能なである場合、断面のビームプロファイルの細長の軸は、さらに延ばされてもよく、次いで絞りが各端部に使用されて印が付けられている表面にビームの端部分が到達するのを防ぐ。選択可能な絞りとスケールの幅に沿って重なっているパスの組み合わせを使用して、その縁部までずっと実際に制限のない幅のパターンを使用可能にさせることができる。

代替的実施形態では、レーザビームは、ビームシェーパを通過させられ、ビームシェーパは、細長の軸におけるガウス形のビームを上部が平坦なプロファイルに変換する。これは、屈折によるビームシェーパの形態をとってもよく、例えば、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨによって提供されるπシェーパである。このデバイスは、ビームの中央からのパワーをその縁部に再分配するが、スポットの広がった軸に沿ってのみ再分配する。これは、絞りを使用してビームの長軸の端部を阻止するときに必要とされるかなり大きい余分なレーザのパワーを必要とすることなく、目印の全幅に沿って所望の目印の形態を作製する利点を有する。目印の幅に沿ってより均一に分布したビームを作製する他の知られた手段が、さらなる代替的実施形態において使用することもできることを理解されよう。

図４に示す目印のパターンは、レーザビームの中央で、形成される材料の窪みではなく、形成される材料のピークを引き起こすＣＯ_２に富んだ雰囲気の下で作製される。発明者らは、この流動挙動の変化を、ＣＯ_２に富んでいる雰囲気の存在によって引き起こされる温度による表面張力の勾配の逆転によるものとし、これによって（通常のＣＯ_２レベルでレーザビームを照射すると生じるより高い温度領域からより低い温度領域への流れとは対照的に）より低い温度領域からより高い温度領域へ材料を流させる。

図４に示す目印のパターンと同様の目印のパターンは、通常のＣＯ_２レベルでレーザビームを照射することによって作製することもでき、パターンは、一連のピークを形成することによってではなく、レーザビームのスポットの中央で一連の窪みを形成することによって構築される。しかし、他の方法で得ることができない、または他の方法で得ることができるが、困難または時間の増加を伴う目印または目印のパターンを、逆転した表面張力の条件の下で（例えばＣＯ_２に富んだ雰囲気の下で）形成できることが分かっている。

例えば、ＣＯ_２に富んだ雰囲気の下であるレーザビームの強度が超過されるとき、レーザビームによって作製される目印は、図５に概略的に示す形態をとることができることが分かっている。発明者らは、目印は、より低い温度領域からり高い温度領域へ材料を流れさせる（ＣＯ_２に富んだ雰囲気に関連して）温度による表面張力の勾配によって形成され、おそらく、流れの逆転は、溶融の端部に向かって生じると考えている。図５の場合には、強度はまだ十分に低く、あったとしても少ししか影響しない材料のアブレーションが生じ、表面は大きくは粗くならない。閾値強度は、例えば閾値の期間にわたって維持される閾値の平均のパワーであってもよい。図５の場合には、閾値強度は、一連の１０個のパルス、パルス当たり５００μＪについて得られた。実際には、閾値より高い強度のレーザビームを使用して目印を形成することができ、例えば、図５の場合には、一連の１０個のパルス、パルス当たり６００μＪである。閾値強度は、異なる材料および条件についての実験によって決定されてもよいことが理解されよう。

クロムフレックス鋼（Ｃｈｒｏｍｅｆｌｅｘ ｓｔｅｅｌ）のさらなる試料の場合、表面張力の効果単独から圧力と表面張力の効果の組み合わせへの過渡は、面積４ｍｍ×４μｍに集中したエネルギー約４００μＪのパルスのために生じることが分かった。

図５に示すものと同様の形状を有する目印を作製するように必要な閾値を上回るレーザビームの単一の照射によって作製される目印は、（例えば、図２に示すような）この閾値未満の強度を有するレーザビームの単一の照射によって同じ要件の下で作製される対応する目印よりも２０％から５０％の間だけ大きい長さ（紙面に沿った方向）を有することが分かっている。しかし、閾値を上回る強度を有するレーザビームによって作製される目印は、単一のピークではなく２つのピークを有し、したがってＣＯ_２に富んだ雰囲気での閾値を上回る強度を有するレーザビームの使用は、レーザビームの単一の照射によって作製される個々の目印の大きさがより大きいにもかかわらず、より接近して間隔をおいて配置されるピークを有するパターンを作製することができる。通常、強度は、さらなる閾値強度未満で維持され、例えば、それを上回るとアブレーションの効果は、表面張力の効果を凌ぐ。

いくつかの実施形態では、レーザビームの強度は、低い閾値に近いものであるように制御され、そのため２つのピークの間の窪みは、無視できる深さであり、したがって単一のより幅広いピークを効果的に形成する。

さらなる実施形態において、表面上の異なる標的領域における一連の目印は、ＣＯ_２に富んだ雰囲気において閾値を上回る強度を有するレーザビームの照射によって作成され、図６に概略的に示すパターンになる。各目印は、隣接した目印と合体して正弦曲線に似ている連続したパターンを作製する。この場合、レーザビームの照射によって作製される各目印は、２つのピークをもたらす。各目印は、たった２０％から５０％長いだけであるが、単一のピークではなく２つのピークを含むので、スケールのピッチは、閾値未満のレーザビームを用いて作製されることになるスケールのピッチよりもかなり短い（６０％から７５％の間）。したがって、（二重ピークが形成される閾値未満の強度を有するレーザビームを用いて作製される図４に示されるような）同じ長さの２４個のピークに比べて、図６には、４２個のピークがある。

図６の実施形態では、目印の間隔は等しいピッチが実現されるように設定され、材料の体積がほぼ一定であるとき（すなわち、レーザ加工中、実質的に材料はアブレーションされない）、平らでない特徴の深さが生じ得る。パターンが位相スケールとして使用される場合、位相スケールによって発生する縞同士の間のコントラストは、平らでない特徴の深さによって減少させられ得るものであり、平らでない特徴の深さは、位相スケールを読むときにリードヘッドによって出力された電気信号の雑音源であり得る。それでも、より小さいピッチのスケールは、この方法を用いて迅速に作製することができる。必要であれば、さらなる処理を使用して、例えば、追加のアブレーションのステップまたは充填のステップを用いて特徴の深さを一様にすることもできる。

閾値を上回る強度を有するレーザビームを照射する実施形態では、ビームの中央部分がビームの全幅にわたって閾値を上回る強度を有することを確実にするために、絞りまたはビームシェーパを使用することが特に役立ち得る。その他の場合には、ビームの縁部は、所望の二重ピークのプロファイルではなく単一のピークのあるプロファイルを形成することができる。

さらなる実施形態において、閾値を上回る強度を有するレーザビーム、および閾値未満の強度を有するレーザビームは、レーザ４によって、逆転した表面張力の条件の下で（例えば、ＣＯ_２に富んだ雰囲気の下で）同じ標的領域へ連続的に照射される。閾値を上回るおよび閾値未満のそのような連続的なレーザビームを照射することによって、レーザビームによって形成される異なる形状の目印が組み合わさって、特に役立つ光学的特徴を形成することが分かっている。選択した条件下の特定の表面材料についての閾値強度は、当業者によって容易に決定することができることを理解されたい。

正弦曲線のピークおよび谷を平らにすることによって純粋な正弦曲線状のプロファイルを改善するために、例えば、閾値を上回る強度を有するレーザビームによって作製される二重ピークのある目印は、閾値未満の強度を有するレーザビームによって作製される単一のピークのある正弦曲線状の目印と効果的に組み合せることができる。これにより、目印の形態を、図７に概略的に示すような、奥行き２００ｎｍの深さ、および長さ４μｍの高コントラストの縞についての理論的な理想である矩形波により密接に似ているようにさせる。やはり、アスペクト比（高さ対幅の比）は、分かりやすくするために誇張されている。

図７に示す組み合された目印は、パワーが閾値未満の単一のレーザビームによって生成される目印と類似しており、この目印は、二重ピークをもたらすが、ピークになったより平坦な上部（ｆｌａｔｔｅｒ ｔｏｐ ｔｏ ｔｈｅ ｐｅａｋ）を有する。第１のレーザビームによって形成される表面プロファイルは、例示の加法的な目印と目印の組み合わせの歪みがあるように、第２のレーザビームによって形成されるプロファイルを歪めることを予期するかもしれない。しかし、任意のそのような歪みは、あるとしても、何ら大きな障害を引き起こさないように思われる。

さらなる動作のモードでは、図１の装置を動作させて、印が付けられる表面上にレーザビームの少なくとも２つのパスを作製して二重ピークをもたらす閾値未満のパルス、および各標的領域に対する表面でのこの閾値を上回るパルスを向ける複数の標的領域ごとの目印を形成することによって、平坦になったピークおよび谷を有するスケールを形成する。図８に、発生する材料の結果として得られるパターンの概略図を示す。やはり、アスペクト比は、分かりやすくするために誇張されている。

図８との関連で説明される組み合わせたマルチパス法（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｐａｓｓ ｍｅｔｈｏｄ）は、光学的特徴の所望の深さおよび幅、ならびにピークおよび谷の平坦化を実現するために最適化され得る追加の処理パラメータをもたらす。例えば、パルスのパワーおよび焦点の程度によって、特徴の深さおよび幅を調整することができ、パルスが二重ピークが形成される閾値を上回る程度を使用して、この特徴中の中央の谷の深さを制御することができ、それによってピークの平坦化の程度を制御し、目印の幅およびそれらの離間距離を調整して谷の平坦化を制御することができる。目印の全体的な深さは、複数のパルスを用いることによって増大させることができる。また、溶融した材料の流れの方向は、ＣＯ_２カバーガス（ｃｏｖｅｒ ｇａｓ）の有無にかかわらず、印付けを実行することによって逆転させることができる。これらのパラメータを用いて、目印の形態を精確に制御することができる。

特定の効果または構造をもたらすために必要とされるレーザビームのパラメータは、種々の材料および条件について変更することができ、適切なレーザビームのパラメータは、実験によって決定することができることを理解されよう。

例えば、さらなる実施形態では、冷延のオーステナイトフェライト系の精密形の３１６ステンレス鋼のスパー（ｓｐａｒ）上に単一のピークのある目印を作り出すために、一連の１０個のパルス、それぞれはパルス当たり３００μＪから４００μＪの間のパワーで長さが３０μｓを、円柱レンズの焦点距離＝４０ｍｍおよび公称のガウス入力ビームの直径約３.６ｍｍと共に使用することができることが分かっている。６００μＪ、６０μｓの長さのパルスを用いると、中央はアブレーション圧力によって押し下げられ、二重ピークのある構造を与える。パルス当たり５００μＪおよび１０個のパルスの制限について、混ぜた結果が得られており、例えば、隆起は、同じ試料上の凹みの隣に見出すことができ、または波状の表面がもたらされ得る。パルス当たりのエネルギー≧６００μＪについては、凹み／溝が、見える隆起なしで得られる。

前述の段落のレーザのパラメータを用いて様々な実験でもたらされたラインの寸法は、以下のものを含む。

ステンレス鋼のスパー上の空気中では、高エネルギーの状態では、幅２μｍから８μｍの間、長さ１ｍｍから２ｍｍの間、深さは奥行き１.５μｍまで（表面張力の効果および反動圧（ｒｅｃｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）効果）、さらに通常は奥行き２００ｎｍから３００ｎｍ、しかし、低エネルギーの状態では５００ｎｍまで（表面張力の効果のみ）。

ステンレス鋼のスパー上のＣＯ_２では、線幅：幅が約４μｍ、長さ：長さが約１から２ｍｍ、ピークから谷の深さ：１２０ｎｍまで。

空気中およびニッケル上：線幅が約４μｍ、長さ２ｍｍ、ピークから谷の深さ：３５０ｎｍまでの隆起。

作製できるラインまたは他のパターンの性質および寸法は、前述の４つの段落において言及されたものに限定されないことを理解されよう。幅広い所望のパターンおよび寸法が、レーザのパラメータを適切に選択することで得ることができる。

さらなる実施形態では、ＣＯ_２に富んだ雰囲気は、種々のレーザビームのパルスに対して試料表面で用意され、表面に隣接した追加のＣＯ_２のレベルは、種々のパルスに対して異なるように制御され、したがって表面材料の成形を制御するための追加の制御パラメータを与える。

他の実施形態では、表面に隣接した雰囲気の組成は、表面張力の効果を変えるために、例えば温度による表面の温度勾配の逆転をもたらすために、ＣＯ_２とともに、またはＣＯ_２の代わりに、他のガスの量を制御することによって制御される。いくつかのそのような実施形態では、Ｈ_２Ｓガスが、表面において供給される。いくつかの実施形態では、表面における雰囲気の圧力、および雰囲気の成分の相対圧力も制御される。

温度による普通の表面の温度勾配の逆転は、適切な表面材料、例えば酸素の含有量が十分に高いステンレス鋼を用意することによってやはりもたらされ得ることも分かっている。いくつかの実施形態では、使用されるそのような材料のさらなる一例は、より厚い銅の層上の層として堆積されるニッケルである。そのような材料を使用する実施形態では、より低い温度領域からより高い温度領域への表面張力の勾配により引き起こされる流れは、通常の大気の組成、例えば空気中で、ＣＯ_２に富んだ雰囲気が材料の表面に隣接して用意されない場合についても得ることができる。そのような実施形態は、図７および図８に示すものに類似した、特定の閾値を上回るおよび特定の閾値未満の強度を有するレーザパルスの組み合わせを用いて光デバイスの形成を行うことができる。

どの程度表面張力がステンレス鋼の温度に関連しているかが、硫黄などの元素の存在に応じて、少なくとも一部示されている（非特許文献２、および非特許文献３参照）。液体の鉄の膜中の材料の流れは、酸素汚染によって悪影響を受けると思われる（非特許文献４参照）。ニッケル‐リンの表面は、リン濃度と同等の挙動を示し（非特許文献５参照）、リンの蒸発によって引き起こされ得る影響を示す（非特許文献６参照）。溶接産業からの観察は、表面張力のための表面元素、および溶融プール中のバルクの流体運動（ｂｕｌｋ ｆｌｕｉｄ ｍｏｔｉｏｎ）の重要性を強化する（非特許文献７参照）ただし、硫黄、酸素および窒素が、表面活性元素である。わずか１００万分の１０の活性元素が大きい効果を有することができる。ステンレス鋼については、カルシウム、硫黄、マンガン、シリコン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、マグネシウム、および酸素は、表面張力に悪影響を及ぼすように思われる。ニッケルについては、酸素も役割を果たすことができるが、リンが、重要な影響を有するように思われる。

任意の適切な材料は、ステンレス鋼の代わりに、代替的実施形態における試料に使用することができる。位相スケールの応用については、一般に、試料の表面層ができる限り反射性であり、簡単に変色しないことが望まれている。試料の表面層は、金属製、純金属または合金であってもよい。試料は、第２の異なる材料、例えばガラスまたはポリマーの基板上に形成された第１の材料の表面層を備えてもよく、または単一の材料で形成されてもよい。試料のための適切な材料は、鋼鉄、クロム、ニッケル、金、銀またはインジウムを含んでもよい。いくつかの実施形態では、目印は、所望のプロファイルを有するパターンを反射しない材料、例えば、適切なポリマーなどの熱可塑性プラスチック材料に与えるように形成され、その後に、この材料は、後のプロセスで、クロムコーティングなどの反射コーティングで被覆される。

この方法は、回折格子、反射ホログラム、または振幅スケールもしくは位相スケールなどの度量衡学装置を含む任意の適切な光デバイスの形成に使用することができる。

さらなる特徴は、付録１および２に記載されている。

本発明は、純粋に例によって上述されてきたが、細部の修正は、本発明の範囲内でなされてもよいことを理解されよう。

本説明および（適切な場合には）特許請求の範囲および図面に開示した各特徴が、独立してまたは任意の適切な組み合わせで与えられてもよい。

（付録１）

（付録２）
ＹＡＧｂｏｓｓ − 高精度の光学エンコーダのスケールを製造するための金属の表面のレーザマイクロスカルプティング
論文Ｍ２０２

Ｓ．Ｇｉｅｔ^１、Ｆ．Ａｌｂｒｉ^１、Ｍ．Ｄ．Ｋｉｄｄ^２、Ｊ．Ｄ．Ｓｈｅｐｈａｒｄ^１、Ｎ．Ｊ．Ｗｅｓｔｏｎ^２、Ｄ．Ｐ．Ｈａｎｄ^１
１ヘリオットワット大学、物理学科、エディンバラ、ＥＨ１４ ４ＡＳ、スコットランド、ＵＫ
^２Ｒｅｎｉｓｈａｗ ｐｌｃ、エディンバラ、ＥＨ１４ ４ＡＰ、スコットランド、ＵＫ

要約
高精度の位置決めは、プロセス制御の重要な点である。この内容では、高い精度の光学的位置エンコーダ（ＯＰＥ）によって与えられる高い分解能の位置決めフィードバックは、精密な位置決めが応用の成功または技術の発展の鍵である広範にわたる自動化システムで実施される極めて貴重なツールである。ＯＰＥは、２つの主要な要素、すなわちスケールおよびリードヘッドからなる。ＯＰＥは、過去３０年以上もの間産業景観の一部であったが、ＯＰＥの現在の製造方式は、ナノメートルの分解能を必要とする電子機器組立体または半導体製造などのますます要求の多い応用の要求にもはや一致していない。実際、ＯＰＥに見られる回折性のスケールを製造するのに伝統的に使用される機械的型押し技法は、分解能が制限され、一方、代替のリソグラフィ技法は、大量生産および長いスケールの長さに適していない。

本論文は、回折性のスケールを開発するための新規のレーザベースの高精度のマイクロスカルプティング技法を紹介する。これは、スケールの分解能の改善に焦点を当てるが、奥行き２００ｎｍ±１０ｎｍおよび幅４μｍ±０．１μｍである、正弦曲線の表面の特徴を１００秒メートルで生産することを実現する商業的に成立できるプロセス速度を保持する。本論文では、生じた表面の特徴（形状、幅、深さ）の特性がどのようにレーザのパラメータと処理の雰囲気の組み合わせに依存するかについて研究する。ステンレス鋼に印が付けられた８μｍピッチのスケールの試料は、効率を求めるためにリードヘッドに関連して度量衡によって評価される。

イントロダクション
製造またはライフサイエンスなどの成長するいくつかの応用では、プロセス制御は、高品位出力に密接に関係している。プロセス制御は、プロセスの信頼性、企業の信用性を強化し、直接的な競争のアドバンテージを与える。自動システム中のこのプロセス制御の一部は、高性能かつ高い精度のモーションシステムおよびコンポーネントによって与えられる。

高精度の光学的位置エンコーダ（ＯＰＥ）は、そのようなデバイスである。ＯＰＥは、信頼できる高い精度の位置フィードバックをもたらし、自動化された精密な位置決めシステム［１］の精度に貢献する。
ＯＰＥは、図１に示すような２つの主要な構成要素、すなわち、反射で働く回折性のスケール、およびリードヘッドからなる。リードヘッドは、以下のものから構成される［２］。
・スケールへの入射光線を生成する光源
・１組の２つの格子；インデックス格子は可読光線を縞に回折し、アナライザ格子は縞を光変調に変換する
・光変調を代表的な電気信号に変換する受光素子のアレイ

これらのデバイスは、医療用ステントの切断、真空ベースの空間的な装備の組立体、または電子機器の製造のためのレーザシステムなどのますます要求の多い応用の課題に直面している。これらの応用は、典型的には、ナノメートルの分解能の位置決めを要求する。ＯＰＥのスケールのための現在の製造方式は、これらの要求にもはや合っていない。高価なリソグラフィ技法および不正確な型押し加工法に基づいて、それらはそれぞれ柔軟性および分解能を欠く。このため、金属表面のサブミクロンのテクスチャリングのためのレーザベースのプロセスを用いた概念を提案する。

本論文に提示するＹＡＧｂｏｓｓ技法は、通常ステンレス鋼である金属基板の表面上に精密に材料を彫るおよび成形する（「型押しする」）のに使用されるパルス状のＮｄ：ＹＡＧレーザにちなんでその名が付けられている。反射性の格子の作製に必要な浅い溝を作製するために、レーザ物質相互作用の現象、および流体力学的な表面効果を利用するのが直接ライト法である。これらの格子は、滑らかな正弦曲線のプロファイルを有するように設計される。発明者の要求は、８３０ｎｍの赤外線で発するリードヘッド光源と共に使用できる周期８μｍを有する格子である。溝は、一次の最大の回折効果を示すために奥行き２００±２０ｎｍを必要とする。これは、レーザラインフォーカスを用いて並んだラインを機械加工することによって実現される。典型的には５〜２０個のパルスのバーストが、各ラインを生成するために使用される。

いくつかの連続的な物理現象が、単一のラインを発生させるプロセスに含まれることを予期している［３〜７］。
１．金属の表面における局所的なレーザビームの吸収
２．局所的な加熱および熱伝播
３．入射点での金属の表面が、その溶融温度に到達する
４．溶融した正面の伝播
５．温度の変動により溶融プールを横切る表面張力の変動の発生、それによる局所的な溶融の流れの発生
６．金属の表面が入射点で蒸発温度に到達する
７．反動圧の形成により表面張力の効果を強化し、縁部をわきに押す
明らかに現象１〜５は、６および７なしで、強度に応じて生じる可能性がある。本論文では、必要な構造の発生時の比較的重要な現象５および７を探求する。

試作品
３５５ｎｍで動作するＪＤＳＵ Ｎｄ：ＹＡＧ ｑスイッチレーザを用いて実験が実行された。パルス幅は３５ｎ秒である。望遠鏡を使用してこのレーザからの直径１．６ｍｍのビーム出力を直径３ｍｍの平行ビームに変換する。次いで、焦点距離４０ｍｍの円柱レンズを使用して試料の表面に必要なフォーカスライン４μｍ×３ｍｍを発生させる。試料は、ＸＹＺ平行移動ステージを用いて位置決めされ、長手方向軸に沿って８μｍのステップで集束ビームを横切って移動された。平行移動ステージは、およそ１００ｎｍの精密な精度を有する。

機械加工プロセスは自動化され、トリガおよびモーションのシステムは、コンピュータで中央制御される。現在、最大マーキング速度は、インタフェースの通信時間によって制限されている。

材料その１：マルテンサイトばね鋼
この章では、幅８ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍの半硬質ばね鋼片を用いて実現され、それを受け入れたままの状態で試験を受けた結果を報告する。表面は、高品質の圧延面であり、不規則な長手方向の特徴がその引上げおよび圧延の軸に沿っている。表面は、腐食を防ぐために製造後に軽く油が差されている。

図３は、ＹＡＧｂｏｓｓプロセスを用いて実現される典型的な正弦曲線のプロファイルを示しており、各溝は、マーキング繰り返しレート５ｋＨｚで７５０±２０μＪのエネルギーの１８個のパルスを用いて機械加工されている。

図３のグラフは、異なるパルスエネルギーＥ_Ｐについてラインあたりの総エネルギーＥ_Ｔ＝Ｅ_ＰＮの関数として溝の深さｄを示しており、ただし、Ｎは使用したパルスの個数である。
深さｄは、わずかに異なる勾配であるがいずれの場合もほぼ直線の依存性を有する。このことは、実現された深さの大きさがむしろ小さいことと共に、プロセスが主に溶融を伴い、蒸発はほとんど無いまたは全くないことを示唆する。言い換えれば、溝の成形および形成は、局所的な対流束および表面張力の変動に主に頼っており、材料が局所的に加熱され、溶融プールが形成されると、液体材料は、レーザの照明領域の縁部に向かって引っ張られる。

これは、白色干渉計を用いて取得された３Ｄ画像（図２）によって確かめられており、この写真は、滑らかで均一な溝を示す。５ｋＨｚの繰り返しレートにおいて多くのパルスの個数を用いて>７００μＪ／パルスで印を付けられたラインの場合でも、通常、過剰な蒸気反動圧の徴候であるマーキングの縁部での噴出した材料または溢れている溶融した材料の形跡はない［３、８］。

図４にプロットしたグラフは、様々な繰り返しレートに対して一定の６００μＪのパルスエネルギーでの溝の深さの変化を示す。パルスの間隔は、３００ｋＨｚの３．３ｍ秒から１０ｋＨｚの０．１ｍ秒まで変化する。繰り返しレートは、深さにほとんど影響を与えず、深さは、ラインを機械加工するのに使用したパルスの個数に比例することは明らかである。パルスの個数が増加するにつれて、熱が影響するゾーン（ＨＡＺ）および溶解プールの拡散があることが提案される［８］。

材料その２：機械的に研磨された冷延のオーステナイトフェライト系の精密形の３１６ステンレス鋼片
同様の実験が、ステンレス鋼の硬質スパーを用いて実施された。図５、図６および図７は、パルスエネルギー２０８±２０μＪおよび２０個のパルスのバーストを用いて５ｋＨｚの繰り返しレートで実現される格子を示す。格子は、（「基準の目印」を発生させるために生成される）２個のわざと外したライン以外、良好な一様な正弦曲線のプロファイルを示す。図８に表される深さ対ライン当たりのエネルギーのグラフは、はっきりと２つの状態を示す。低いエネルギーパルスの場合、深さは、弱く（直線的に）ライン当たりのエネルギーに依存するに過ぎない。溶融の効果と表面張力の効果の組み合わせによるものと考えられる。

高いエネルギーパルスの場合、深さはずっと大きく、ライン当たりのエネルギーに関するその勾配はずっと急である。深さの増加は、蒸発の始まり、したがってかなり大きい蒸気の反動圧によるものであるのに対して、低いエネルギーパルスの状態では、変化する表面張力の効果だけが、かなり大きいと考えている。

処理の雰囲気の影響
表面張力の効果および反動圧の相対的重要性をさらに研究するために、１５℃のＣＯ_２ガスの流れの下で試料を用いて実験が実行された。文献［７、９］は、ＣＯ_２が、溶解した金属材料の対流束にかなり大きく影響を及ぼすことを示しており、実際、発明者らも材料が、集束ビームの縁部に向かってではなく、中央に向かって流れることを予期した。対照的に、反動圧は常に反対の効果を有することを予期した。

図９は、ＣＯ_２ガスのブランケットの下で、ラインフォーカスで印を付けられた機械的に研磨されたステンレス鋼のスパーの試料の表面を示す。１０個のパルスからなる一組、それぞれエネルギー４００μＪが、ラインごとに使用される。空気中で処理する状況とは対照的に強度のピークが、（陥凹ではなく）隆起をもたらしこのパルスエネルギーを用いて、（反動圧ではなく）表面張力の効果が支配することを確かにする。さらに、ＣＯ_２の下で処理されるラインは、空気中で発生するラインよりも狭い。マーキングの縁部に向かって溶融した材料が溢れる空気中の処理とは異なり、ＣＯ_２雰囲気中の溶融した材料は、光学的放射の下で局所化されたままである。

空気中およびその後ＣＯ_２の下で実行された実験の第２の組では、単一のラインを印付けるのに使用される（一定のパルスエネルギーＥ_Ｐ＝３００ｍＪの）パルスの個数は、連続的に増加した。図１０に結果が表されている。

ＣＯ_２中で処理された材料の変調深さ（ピーク・ツー・谷）は、パルスの個数が多い（＞１０パルス）場合、すなわち総ラインエネルギーが大きいＥ_Ｔ≧３ｍＪ場合、およそ１００ｎｍで平坦域に到達するのに対して、空気中で印付けられたラインの変調深さは、増加のままである。可能な説明は、一連のパルス中に生じる熱の蓄積が、１０個のパルスの後に蒸発の始まりになるということであり、空気中の場合、これにより高い強度の領域によって作り出される陥凹を増強するのに対して、ＣＯ_２中では、これは陥凹に反対に作用する。

ＣＯ_２の処理の場合に、パルスエネルギーがさらに増加するとき、一連のパルスによって作り出される単一のラインのプロファイルは、隆起から凹みへ変化する（図１１参照）、すなわち、空気中の場合により類似し、したがってこの状態では、蒸発が支配的になる。

検討
ＹＡＧｂｏｓｓプロセスは、材料の上の表面張力と反動蒸気圧の組み合わせに基づいている。このことは、ラインに成形された目印の縁部に向かって溶融した材料が変位することを意味する。本論文に示される実験では、機械加工した標的は、能動的に冷却されない。印付けが行われ、スパーがビームの経路を横切って移動するとき、当初室温である基板は、材料が印付けられるにつれてその局所温度が変わることをが分かる。このことは、熱伝導率、流体の密度、表面張力および粘性のような大部分の熱物理のパラメータが温度依存性であるので伴われる現象の説明を複雑にさせる。

本論文に示される実験の結果は、典型的な特徴として、光学エンコーダのスケールの製造に必要な深さ（およそ２００ｎｍ）、表面張力の変化を示しており、結果として得られるマランゴニ対流［７］が支配的なプロセスである。

このＹＡＧｂｏｓｓ技法は、レーザビーム処理の結果として安定した液体の均一な相を示す様々な材料にうまく適用することができる。これは、およそ１μｍのニッケルと、スパーのステンレス鋼上にコーティングした銀層と共に働き、幅およそ４μｍおよび奥行きおよそ４００ｎｍのラインを微細加工することが高い処理速度で実現可能となっていることも示されている［１０］。

結び
本論文では、ＹＡＧｂｏｓｓプロセスに含まれる物理現象のいくつかを研究した。この技法は、金属の表面を精確にテクスチャリングして周期８μｍおよび深さ２００±２０ｎｍの反射性の正弦曲線の格子を作り出すために使用される。これらの格子は、高精度の光学的位置エンコーダに組み込まれる。

ＹＡＧｂｏｓｓは、熱的に引き起こされる流体力学的な表面改質を利用する直接書き込み技法である。この技法は、レーザ光の下で均一な液相に到達できる様々な材料に適用できる。基板温度に伴う表面張力の変化による対流の束（マランゴニ効果）と反動蒸気圧の組み合わせから生まれたこれらの表面変形は、正弦曲線のプロファイルを作製するために活用される。

このプロセスは、商業的に成立できる必要なプロセス速度でＯＰＥのスケールを製造する可能性を有し、（３５個のパルス×ライン当たりのエネルギーおよそ３００μＪの場合）＞４５ｍｍ／分の速度が、平均パワー１０Ｗおよび繰り返し率＞３０ｋＨｚ、８μｍの周期のスケールの基板の位置決めを適切な時間（１ｍ秒）で可能にするレーザを用いて実現可能であるはずである。

Claims (34)

1. レーザビームを表面層の標的領域に照射して、前記表面層の材料を選択的に加熱するようにし、それによって表面張力の勾配により材料の転移をもたらすステップを含む、位相スケール、回折格子または、反射ホログラムを形成する方法であって、
   前記表面層が、液体のときに、より高い温度の前記表面層の部分が、より低い温度の前記表面層の隣接した部分よりも高い表面張力を有し、レーザビームが材料の転移をもたらし前記表面層に、必要な間隔の周期的な形状にして回折性の光学特性を備えた、位相スケール、回折格子または、反射ホログラムを形成することを特徴とする方法。
2. 前記表面は、液体のときに、より高い温度の前記表面の部分は、より低い温度の前記表面の隣接した部分よりも高い表面張力を有するようになっていることをもたらすようになっている前記表面において雰囲気を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記雰囲気を制御するステップは、酸化、リンの蒸発、炭化物形成、および／またはクロム移動を引き起こすガスに富んでいる雰囲気を前記表面において用意するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記雰囲気を前記制御するステップは、前記レーザビームの前記表面への照射中に前記表面においてＣＯ₂に富んだ雰囲気を用意するステップを含むことを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記方法は、液体のときに、より高い温度の前記表面の部分が、より低い温度の前記表面の隣接した部分よりも高い表面張力を有することをもたらすような組成を有する材料を含有する表面を用意するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記組成は、前記材料の前記表面を前記材料と反応する表面活性剤を用いて処理して、液体のときに、より低い温度の前記表面の隣接した部分よりも高い表面張力を有するより高い温度の部分を有する表面をもたらすことによって実現されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記表面活性剤は、酸化、リンの蒸発、炭化物形成、および／またはクロム移動を引き起こすことを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
8. 前記組成は、周期表の１３族、１４族、１５族および１６族からの１つまたは複数の元素を含むことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記組成は、周期表の第２周期および第３周期からの１つまたは複数の元素を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記材料は、銀、タングステン、白金および金などの大きい周期の金属を含み、前記組成は、第４周期および第５周期からの１つまたは複数の元素を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 組成および／または表面活性剤は、カルシウム、硫黄、マンガン、シリコン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、マグネシウム、窒素、酸素、およびリンから選択される１つまたは複数の元素を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
12. 前記方法は、選択した酸素または硫黄の含有量を有する材料を含有する表面を用意するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
13. 前記レーザビームの少なくとも１つのパラメータを制御して、各前記標的領域の所望のプロファイルを得て、それによって所望の光学的特性を有する光デバイスをもたらすステップを含むことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つのパラメータは、強度、波長、パルス長、およびパルスの繰り返し時間の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記レーザビームは、前記標的領域の第２の部分における強度よりも前記標的領域の第１の部分において大きい強度を有することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記レーザビームは、閾値強度を超える強度を有し、それによって前記標的領域の前記第１の部分への前記材料の転移を、前記標的領域の前記第２の部分への前記材料の転移に比べて減少させることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記レーザビームは、前記標的領域の前記第１の部分において前記閾値強度を超える強度を有し、前記標的領域の前記第２の部分において前記閾値強度未満の強度を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記閾値強度は、レーザ光がかなり大きいアブレーション圧力を与える強度であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
19. 前記閾値強度は、レーザ光が前記表面張力の勾配による前記材料の転移に対抗するように働く最小強度であることを特徴とする請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記レーザビームとさらなるレーザビームの両方を前記標的領域へ照射するステップを含み、
    前記レーザビームは前記閾値強度を超える強度を有し、前記さらなるレーザビームは前記閾値強度未満の最大強度を有することを特徴とする請求項１６ないし１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記レーザビームおよび前記さらなるレーザビームの一方を前記標的領域へ照射するステップと、
    前記標的領域における前記表面は、少なくとも部分的に固化することを可能にするステップと、
    前記レーザビームおよび前記さらなるレーザビームの他方を前記標的領域へ照射するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記さらなるレーザビームの前記標的領域への照射は、前記レーザビームの照射によって形成される表面材料のプロファイルの少なくとも一部において材料を一杯にし、またはその逆もあることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記レーザビームの照射によって表面材料の２つのピークのあるプロファイルを形成し、その後、前記さらなるレーザビームの照射によって前記２つのピークの間の窪みを少なくとも部分的に満たし、または前記さらなるレーザビームの照射によって表面材料の単一のピークのあるプロファイルを形成し、その後、前記レーザビームの照射によって前記単一のピークを少なくとも部分的に広げることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記レーザビームおよび前記さらなるレーザビームは、ほぼ平坦な上部を有する前記標的領域における材料のプロファイルを発生させるように制御されるパラメータを有することを特徴とする請求項２０ないし２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記レーザビームおよび／または前記さらなるレーザビームを複数の標的領域へ照射するステップであって、各標的領域は、前記表面上のそれぞれの異なる位置にあり、それによって前記表面全体に材料の所望のプロファイルを構築する、照射するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記レーザビームおよび／または前記さらなるレーザビームを前記複数の標的領域へ順番に照射するステップを含み、
    前記表面上で互いに空間的に隣接している前記標的領域の少なくともいくつかは、前記順番で時間的に隣接しないことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記レーザビームおよび／またはさらなるレーザビームを前記標的領域へ複数回照射して、それによって所望の前記標的領域における材料のプロファイルを構築するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 金属表面の上のガスの組成を変え、それによって、前記ガスの前記組成は、前記レーザビームおよび／または前記さらなるレーザビームが前記標的領域に照射される前記回の少なくともいくつかについて、前記レーザビームおよび／または前記さらなるレーザビームが前記標的領域に照射される前記回の少なくともいくつかの他のものについてとは異なっているステップを含むことを特徴とする請求項２までに従属する請求項２７に記載の方法。
29. 前記レーザビームおよび／または前記さらなるレーザビームの外側部分が前記表面に到達するのを阻止するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 前記ビームを前記表面へ照射する前に前記ビームをビームシェーパに通過させるステップを含むことを特徴とする前記請求項１ないし２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記ビームシェーパは、前記ビームのより高い強度部分から前記ビームのより低い強度部分へパワーを再分配するように構成されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 前記レーザビームおよび前記さらなるレーザビームの少なくとも１つは、材料を実質的に除去することなく、例えば、材料を実質的にアブレーションすることなく、表面張力の勾配により材料の転移をもたらすような強度を有することを特徴とする請求項１ないし３１のいずれか１項に記載の方法。
33. 光デバイスは、度量衡学装置、位相スケール、振幅スケール、および回折格子の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１ないし３２のいずれか１項に記載の方法。
34. 位相スケール、回折格子または、反射ホログラムを形成する装置であって、
    レーザビームを表面層の標的領域へ照射するレーザと、
    前記レーザビームの少なくとも１つのパラメータの値は、前記表面の材料の選択的な加熱を行うようなものであるように制御し、それによって表面張力の勾配により材料の転移をもたらして、前記表面層を周期的な形状に形成して回折性の光学的特性を有し、位相スケール、回折格子または、反射ホログラムの形成に必要な間隔の周期的な形状とした、前記標的領域のプロファイルを得るコントローラと、
    前記表面において雰囲気を制御して、前記表面層は、液体のときに、より高い温度の前記表面層の部分が、より低い温度の前記表面層の隣接した部分よりも低い表面張力を有するようになっていることをもたらす手段と、
    を備えることを特徴とする装置。

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