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特表2022-520538所与の材料における高繰り返しレートのフェムト秒レーザアブレーションのための方法の動作条件を決定するための方法及び決定された材料の部品間のレーザ溶接のための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-31
(54)【発明の名称】所与の材料における高繰り返しレートのフェムト秒レーザアブレーションのための方法の動作条件を決定するための方法及び決定された材料の部品間のレーザ溶接のための方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/0622 20140101AFI20220324BHJP
H01S 3/00 20060101ALI20220324BHJP
【ＦＩ】
B23K26/0622
H01S3/00 B
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021545477
(86)(22)【出願日】2020-02-06
(85)【翻訳文提出日】2021-08-13
(86)【国際出願番号】 FR2020050213
(87)【国際公開番号】W WO2020161445
(87)【国際公開日】2020-08-13
(31)【優先権主張番号】1901188
(32)【優先日】2019-02-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521343839
【氏名又は名称】アンプリテュード
(71)【出願人】
【識別番号】501455677
【氏名又は名称】サントル・ナシオナル・ドゥ・ラ・ルシェルシュ・シアンティフィーク
(71)【出願人】
【識別番号】514082686
【氏名又は名称】ユニヴェルシテ ドゥ ボルドー
【住所又は居所原語表記】３５ ＰＬＡＣＥ ＰＥＹ ＢＥＲＬＡＮＤ ３３０００ ＢＯＲＤＥＡＵＸ ＦＲＡＮＣＥ
(74)【代理人】
【識別番号】100074734
【弁理士】
【氏名又は名称】中里 浩一
(74)【代理人】
【識別番号】100086265
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 仁
(74)【代理人】
【識別番号】100076451
【弁理士】
【氏名又は名称】三嶋 景治
(72)【発明者】
【氏名】オードゥアール エリック
(72)【発明者】
【氏名】ボナミ ギヨーム
(72)【発明者】
【氏名】ミシュチク コンスタンチン
(72)【発明者】
【氏名】オニンジェ クルマン
(72)【発明者】
【氏名】ロペス ジョン
(72)【発明者】
【氏名】マネク‐ヘニンゲル インカ
(72)【発明者】
【氏名】モッテ エリック
【テーマコード（参考）】
4E168
5F172
【Ｆターム（参考）】
4E168AD18
4E168DA04
4E168DA40
4E168DA47
4E168JA12
4E168JA14
4E168JA15
5F172NN17
5F172ZZ01
(57)【要約】
本発明は、所与の材料における高繰り返しレートのフェムト秒レーザアブレーションのための方法の動作条件を決定するための方法を提案し、本方法は、材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合されたレーザパルスのバーストの一式のパラメータを決定する第１のステップであって、一式のパラメータが、数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚのバースト内繰り返し周波数ｆと、加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃに等しく、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄによって定義され、Ｌがアブレーションされる材料のテスト深さを表し、Ｄが熱拡散係数を表し、Ｎｃが１０以上である、レーザパルスのバーストのパルスの数Ｎと、パルスのバーストの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒと、単一のレーザパルスによる材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満のパルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃとを含む、第１のステップを含む。
【選択図】図３
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
所与の材料における高繰り返しレートのフェムト秒レーザアブレーションのための方法の動作条件を決定するための方法であって、前記材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合されたレーザパルスのバーストの一式のパラメータを決定する第１のステップであって、前記一式のパラメータが、数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれるバースト内繰り返し周波数ｆ、１０以上であるレーザパルスの前記バーストのパルスの数Ｎ、パルスの前記バーストの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ、及び単一のレーザパルスによる前記材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満のパルス当たりの特性フルエンスから構成される、第１のステップを含む、方法。
【請求項2】
レーザパルスの前記バーストのパルスの前記数Ｎが加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ以上であり、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄによって定義され、Ｌがアブレーションされる前記材料のテスト深さを表し、Ｄが熱拡散係数を表し、Ｎｃが１０以上であり、パルス当たりの前記特性フルエンスがＦｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃに等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
パルスの前記数Ｎｃにおける前記バーストの前記特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの値の実験的決定を含み、ＦＴｃｈａｒが、前記材料の表面においてクレータを得るための最小のトータルフルエンスである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
Ｎｃ個のレーザパルスを含むレーザパルスのバーストにおける動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔを決定する第２のステップを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔが、前記特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの２倍～前記特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの６倍に含まれる、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記テスト深さＬを超える深さまで前記材料をアブレーションするために、前記バーストのパルスの数Ｎを決定する第３のステップを含み、ＮがＮｃよりも大きく、前記バーストのパルス当たりの前記フルエンスが、前記特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒを加熱及びアブレーションパルスの前記数Ｎｃで除したものに等しい、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
もう１つの特性フルエンスＦＴｃｈａｒ２が、Ｎｃとは異なる前記バーストのパルスの前記数Ｎの関数として計算され、Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａであり、Ｎａは正又は負の整数であり、ＦＴｃｈａｒ２＝ＦＴｃｈａｒ＋Ｎａ・ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃである、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれるバースト内繰り返し周波数ｆでのフェムト秒レーザパルスのバーストの適用を含む、決定された材料のレーザアブレーションの方法であって、フェムト秒レーザパルスの前記バーストが１０以上のパルスの数Ｎを含み、フェムト秒レーザパルスの前記バーストが、前記材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合された特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ以上のトータルフルエンスを有し、前記バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによる前記材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１以下のフルエンスＦを有する、方法。
【請求項9】
レーザパルスの前記バーストのパルスの前記数Ｎが加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ以上であり、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄによって定義され、Ｌがアブレーションされる前記材料のテスト深さを表し、Ｄが熱拡散係数を表し、Ｎｃが１０以上であり、パルス当たりの前記特性フルエンスがＦｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃに等しい、請求項８に記載のレーザアブレーション方法。
【請求項10】
前記バーストのパルスの前記数Ｎが１００～１００００に含まれる、請求項８又は９に記載のレーザアブレーション方法。
【請求項11】
前記バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによる前記材料の前記アブレーション閾値フルエンスＦｓ１の１桁以下であるフルエンスＦを有する、請求項８～１０のいずれか一項に記載のレーザアブレーション方法。
【請求項12】
前記バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによるアブレーションの前記閾値フルエンスＦｓ１よりも１桁～２桁小さいフルエンスＦを有する、請求項１１に記載のレーザアブレーション方法。
【請求項13】
アブレーションされる前記材料に対するレーザパルスの入射ビームの直交方向の寸法が２００μｍ以下である、請求項８～１２のいずれか一項に記載のレーザアブレーション方法。
【請求項14】
バーストが、１μＪ～２０ｍＪに含まれる総エネルギーを有する、請求項８～１３のいずれか一項に記載のレーザアブレーション方法。
【請求項15】
１０ｋＨｚ～４０ＭＨｚに含まれる繰り返しレートで複数のバーストを適用することを含む、請求項８～１４のいずれか一項に記載のレーザアブレーション方法。
【請求項16】
数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれるバースト内繰り返し周波数ｆでのフェムト秒レーザパルスのバーストの適用を含む、決定された材料の部品間のレーザ溶接の方法であって、フェムト秒レーザパルスの前記バーストが数Ｎのパルスを含み、レーザパルスの前記バーストのパルスの前記数Ｎが、加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ未満であり、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄにより定義され、Ｌが前記材料の深さを表し、Ｄが前記材料の熱拡散係数を表し、フェムト秒レーザパルスの前記バーストが、前記材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合された特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ未満のトータルフルエンスを有し、前記バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによる前記材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満のフルエンスＦを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、レーザアブレーション及び溶接方法の分野に関する。
【0002】
本発明は、より詳細には、ＧＨｚのオーダーの高繰り返しレートでのレーザパルスのバースト又はレーザパルスの連続するバーストによる材料の表面のレーザアブレーションの方法の分野に関する。
【背景技術】
【0003】
マイクロ秒、ナノ秒、ピコ秒、又はフェムト秒レーザパルスによる材料の表面アブレーションは、材料の表面を制御下で改造（穿孔、切断、構造形成）するために今日広く使用されている技法である。材料は、様々であり、例えば、半導体材料、金属材料、誘電体材料、又は生体組織である。
【0004】
フェムト秒パルスは、通常、最高の出来栄えをもたらすが、これらのパルスのアブレーション効率は、ナノ秒のオーダーの長いパルスよりも低い。近年、平均出力の高いレーザが利用でき、これにより、生産時間を短縮するためにＭＨｚ付近のより高い繰り返しレートを使用することができる。しかしながら、レーザによって送達されるパルスをこのような高い繰り返しレートで使用すると、望ましくない熱蓄積現象が発生し得る。この望ましくない熱蓄積現象は、材料のアブレーションの質を低下させる。したがって、所与の材料の表面アブレーションの質を向上させることを目的とする代替的な方法を開発することが不可欠である。
【0005】
いくつかの特定の場合には、フェムト秒レーザパルスの高繰り返しレート（１０ＭＨｚを超え、１ＧＨｚ付近）によって、アブレーション効率を大幅に高めることができることが科学文献において近年示されている。この場合、動作パラメータは、レーザの波長、レーザによって送達されるパルスの繰り返しレート、パルスの持続時間、パルスのエネルギー、集束、パルスの平均出力、アブレーションされる材料などと極めて数が多い。このように動作パラメータの数が多いと、所与の材料に最も適合された動作パラメータを決定することが難しくなる。加えて、ＧＨｚの繰り返しレートでのフェムト秒パルスのバーストによる材料のレーザアブレーションのメカニズムの正確な性質は、科学文献では依然として議論の的である。
【0006】
従来技術によれば、材料の表面におけるアブレーションは、レーザパルスのフルエンスが、材料ごとに決まるアブレーション閾値に等しいときに起こる。
【0007】
本発明はまた、材料のロスのない高繰り返しレートのレーザ溶接方法に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
よって、本発明によれば、所与の材料における高繰り返しレートのフェムト秒レーザアブレーションのための方法の動作条件を決定するための方法が提供され、本方法は、材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合されたレーザパルスのバーストの一式のパラメータを決定する第１のステップであって、一式のパラメータが、数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれるバースト内繰り返し周波数ｆ、１０以上であるレーザパルスのバーストのパルスの数Ｎ、パルスのバーストの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ、及び単一のレーザパルスによる材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満のパルス当たりの特性フルエンスから構成される、第１のステップを含む。
【0009】
レーザパルスのバーストのパルスの数Ｎが加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ以上であり、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄによって定義され、Ｌがアブレーションされる材料のテスト深さを表し、Ｄが熱拡散係数を表し、Ｎｃが１０以上であり、パルス当たりの特性フルエンスがＦｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃに等しいと都合が良い。
【0010】
本発明はまた、数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれるバースト内繰り返し周波数ｆでのフェムト秒レーザパルスのバーストの適用を含む、決定された材料のレーザアブレーションの方法に関し、フェムト秒レーザパルスのバーストが、加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ以上のパルスの数Ｎを含み、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄにより定義され、Ｌが材料におけるアブレーションの深さを表し、Ｄがアブレーションされる材料の熱拡散係数を表し、Ｎｃが１０以上であり、フェムト秒レーザパルスのバーストが、材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合された特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ以上のトータルフルエンスを有し、バーストの各パルスが、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒと加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃと間の比によって定義されるパルス当たりの特性フルエンス以上のフルエンスを有し（ＦＴｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃ）、パルス当たりの特性フルエンスが、材料をアブレーションするように適合された単一のレーザパルスによる材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満であり、上記単一のレーザパルスが、上記バーストのパルスと同じ空間的、スペクトル的、且つ時間的特性を有して材料をアブレーションするように適合される。
【0011】
レーザアブレーション方法の予備ステップは、ＦＴ＜ＦＴｃｈａｒである場合はアブレーションクレータが存在せず、ＦＴ＝ＦＴｃｈａｒである場合はアブレーションクレータが存在することにより定義される特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒを実験的に決定するために、レーザによって送達されるパルスの繰り返しレートでフェムト秒の光パルスのバーストを材料の表面に送出することにあり得る。これは、典型的には、繰り返しレートｆ且つパルス数Ｎｃのフェムト秒パルスバーストアブレーション方法のための閾値フルエンスである。
【0012】
本アブレーション方法によれば、得られるアブレーション深さは、ＦＴ＝ＦＴｃｈａｒ且つＮ＝Ｎｃの場合、テスト深さＬの値に近い。
【0013】
本発明の特定の興味深い態様によれば、
－本方法は、パルスの数Ｎｃにおけるバーストの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの値の実験的決定を含み、ＦＴｃｈａｒが、材料の表面においてクレータを得るための最小のトータルフルエンスであり、
－本方法は、Ｎｃ個のレーザパルスを含むレーザパルスのバーストにおける動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔを決定する第２のステップを含み、
－動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔは、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの２倍～特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの６倍に含まれ、
－本方法は、テスト深さＬを超える深さまで材料をアブレーションするために、バーストのパルスの数Ｎを決定する第３のステップを含み、ＮはＮｃよりも大きく、バーストのパルス当たりのフルエンスは、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒを加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃで除したものに等しく、
－バーストのパルスの数Ｎが、Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａに等しく、Ｎａは正又は負の整数であり、Ｎｃは加熱及びアブレーションパルスの数であり、
－バーストのパルスの数Ｎが、テスト深さよりも浅い深さまで材料をアブレーションするために、加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ未満であり、
－パルスの整数の数Ｎが、１０～１００００に含まれ、好ましくは５０を超え、例えば２００～５００、又は３００～５００に含まれ、
－アブレーション深さが、バーストのパルスの数Ｎによって変わり、
－もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２が、Ｎｃとは異なるバーストのパルスの数Ｎの関数として計算され、Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａであり、Ｎａは正又は負の整数であり、ＦＴｃｈａｒ２＝ＦＴｃｈａｒ＋Ｎａ・ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃであり、
－動作トータルフルエンスが、もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の２倍～もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の６倍に含まれ、
－アブレーションされる材料が、半導体材料、金属材料、誘電体材料、ポリマー材料、有機材料、又は複合材料であり、
－アブレーションされる材料に対するパルスの入射ビームの直交方向の寸法が２００μｍ以下であり、
－バーストのパルスが、１フェムト秒～１ピコ秒未満に含まれる持続時間ｄを有し、
－レーザパルスのバーストが、２００ｎｍ～３μｍに含まれる波長を有し、
－２．２μｍ～４．４μｍに含まれるテスト深さＬについては、材料がシリコンであり、パルスの数Ｎが５０～２００に含まれ、一定パルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒが約０．０１８Ｊ／ｃｍ２であり、バースト内繰り返し周波数ｆが０．８８ＧＨｚ～３．５２ＧＨｚに含まれ、
－２．５μｍ～５．２μｍに含まれるテスト深さＬについては、材料が銅であり、パルスの数Ｎが１００～４００に含まれ、一定パルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒが約０．０３Ｊ／ｃｍ２であり、バースト内繰り返し周波数ｆが１．７６ＧＨである。
－本方法は、パルスの数Ｎｃにおけるバーストの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの値の実験的決定を含み、ＦＴｃｈａｒが、材料の表面においてクレータを得るための最小のトータルフルエンスであり、
－本方法は、Ｎｃ個のレーザパルスを含むレーザパルスのバーストにおける動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔを決定する第２のステップを含み、
－動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔは、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの２倍～特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒの６倍に含まれ、
－本方法は、テスト深さＬを超える深さまで材料をアブレーションするために、バーストのパルスの数Ｎを決定する第３のステップを含み、ＮはＮｃよりも大きく、バーストのパルス当たりのフルエンスは、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒを加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃで除したものに等しく、
－バーストのパルスの数Ｎが、Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａに等しく、Ｎａは正又は負の整数であり、Ｎｃは加熱及びアブレーションパルスの数であり、
－バーストのパルスの数Ｎが、テスト深さよりも浅い深さまで材料をアブレーションするために、加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ未満であり、
－パルスの整数の数Ｎが、１０～１００００に含まれ、好ましくは５０を超え、例えば２００～５００、又は３００～５００に含まれ、
－アブレーション深さが、バーストのパルスの数Ｎによって変わり、
－もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２が、Ｎｃとは異なるバーストのパルスの数Ｎの関数として計算され、Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａであり、Ｎａは正又は負の整数であり、ＦＴｃｈａｒ２＝ＦＴｃｈａｒ＋Ｎａ・ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃであり、
－動作トータルフルエンスが、もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の２倍～もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の６倍に含まれ、
－アブレーションされる材料が、半導体材料、金属材料、誘電体材料、ポリマー材料、有機材料、又は複合材料であり、
－アブレーションされる材料に対するパルスの入射ビームの直交方向の寸法が２００μｍ以下であり、
－バーストのパルスが、１フェムト秒～１ピコ秒未満に含まれる持続時間ｄを有し、
－レーザパルスのバーストが、２００ｎｍ～３μｍに含まれる波長を有し、
－２．２μｍ～４．４μｍに含まれるテスト深さＬについては、材料がシリコンであり、パルスの数Ｎが５０～２００に含まれ、一定パルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒが約０．０１８Ｊ／ｃｍ２であり、バースト内繰り返し周波数ｆが０．８８ＧＨｚ～３．５２ＧＨｚに含まれ、
－２．５μｍ～５．２μｍに含まれるテスト深さＬについては、材料が銅であり、パルスの数Ｎが１００～４００に含まれ、一定パルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒが約０．０３Ｊ／ｃｍ２であり、バースト内繰り返し周波数ｆが１．７６ＧＨである。
【0014】
数Ｎａが固定されることにより、パルスの数Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａにおけるもう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２が、ＦＴｃｈａｒ２＝ＦＴｃｈａｒ＋Ｎａ・Ｆｃｈａｒで与えられる。このようにして、所与の材料について、繰り返しレートｆ且つパルスの数Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａのバーストにおけるアブレーション閾値を定義するもう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の値が得られる。したがって、得られるアブレーション深さは大きくなり、その推定値はＬ２＝√（Ｄ・Ｎ／ｆ）である。本方法によれば、テスト深さＬ＝Ｌ２に固定した場合、ＦＴｃｈａｒ２に近いトータルフルエンスが実験的に得られる。ＮがＮ＝Ｎｃ＋Ｎａに固定されることにより、トータルフルエンスＦをＦＴｃｈａｒ２よりも大きくすることにより、またＦＴｏｐｔについて、つまり、もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の２倍～もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の６倍に含まれるＦＴについて述べたのと同じ規則にしたがって、Ｌ２を超えるアブレーション深さが得られる。
【0015】
本方法の変形形態によれば、パルスの総数Ｎが、Ｎｃから負のＮａによって減少させられることもあり、それによりＮ＝Ｎｃ＋Ｎａとなる。したがって、実効アブレーション深さＬ２はテスト深さＬよりも浅くなり、トータルフルエンスＦＴを最適化するための手順は上述したものと同じままである。
【0016】
レーザアブレーション方法の他の特定且つ有利な態様は以下の通りである。
【0017】
レーザパルスのバーストのパルスの数Ｎが加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ以上であり、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄによって定義され、Ｌがアブレーションされる材料のテスト深さを表し、Ｄが熱拡散係数を表し、Ｎｃが１０以上であり、パルス当たりの特性フルエンスは、Ｆｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃに等しい。
【0018】
バーストのパルスの数Ｎは１００～１００００に含まれる。
【0019】
バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによる材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１の１桁以下であるフルエンスＦを有する。
【0020】
バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによるアブレーションの閾値フルエンスＦｓ１よりも１桁～２桁小さいフルエンスＦを有する。
【0021】
アブレーションされる材料に対するレーザパルスの入射ビームの直交方向の寸法が２００μｍ以下である。
【0022】
バーストは１μＪ～２０ｍＪに含まれる総エネルギーを有する。
【0023】
レーザアブレーション方法が、１０ｋＨｚ～４０ＭＨｚに含まれる繰り返しレートで複数のバーストを適用することを含むと特に都合が良い。
【0024】
本開示はまた、数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれるバースト内繰り返し周波数ｆでのフェムト秒レーザパルスのバーストの適用を含む、決定された材料の部品間のレーザ溶接の方法に関し、フェムト秒レーザパルスのバーストが数Ｎのパルスを含み、レーザパルスのバーストのパルスの数Ｎが、加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ未満であり、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄにより定義され、Ｌが材料の深さ（加熱又は溶接深さ）を表し、Ｄが材料の熱拡散係数を表し、フェムト秒レーザパルスのバーストが、材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合された特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ未満のトータルフルエンスを有し、バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによる材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満のフルエンスＦを有する。
【0025】
当然のことながら、本発明の異なる特徴、変形形態、及び実施形態は、それらが互いに相容れない又は排他的ではない限り、様々な組み合わせにおいて互いに関連付けられ得る。
【0026】
加えて、本発明の様々な他の特徴は、本発明の非限定的な実施形態を示す図面を参照しながらなされる添付の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】ＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数でのフェムト秒レーザパルスのバーストの時間プロファイルの一例を示すグラフである。
【図2】ＧＨｚ周波数のパルスのバースト当たりのトータルフルエンスＦＴの関数として、シリコン材料の表面におけるアブレーション効率（又はトータルフルエンスによってアブレーションされた体積）の変化を示すグラフである。
【図3】ＧＨｚ周波数のパルスのバースト当たりのトータルフルエンスＦＴの関数として、銅材料の表面におけるアブレーション効率（又はトータルフルエンスによってアブレーションされた体積）の変化を示すグラフである。
【図4】アブレーションをもたらさない、Ｎ＝Ｎｃとなるようなパルスの整数の数Ｎにおける、且つここではＦＴ＜ＦＴｃｈａｒとなるようなバーストのトータルフルエンスＦＴによる、シリコン材料のアブレーションの特性トータルフルエンスを決定するためのステップの一例を示す図である。
【図5】アブレーションをもたらす、Ｎ＝Ｎｃとなるようなパルスの整数の数Ｎにおける、且つここではＦＴ≒ＦＴｃｈａｒとなるようなバーストのトータルフルエンスＦＴによる、シリコン材料のアブレーションの特性トータルフルエンスを決定するための別のステップの一例を示す図である。
【図6】図５よりも深いアブレーションをもたらす、Ｎ＝Ｎｃとなるようなパルスの整数の数Ｎの関数としての、且つここではＦＴ＞ＦＴｃｈａｒとなるようなバーストのトータルフルエンスＦＴによる、シリコン材料のアブレーションの特性トータルフルエンスを決定するための別のステップの一例を示す図である。
【図7A-7C】Ｎｃ個のフェムト秒パルスのバーストのトータルフルエンスの関数としての、材料の表面における高繰り返しレートのフェムト秒レーザアブレーションの際に関与するアブレーションのメカニズムの概略図である。
【図8】材料の表面におけるレーザアブレーションにおいて関与するアブレーションメカニズムのステップの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
これらの図面では、異なる変形形態に共通する構造的及び／又は機能的な要素は、同じ参照符号を有し得ることに留意されたい。
【0029】
本発明は、特に、フェムト秒（ピコ秒未満）のオーダーの持続時間及びＧＨｚのオーダーのバースト内繰り返し周波数を有するバーストのパルスの分野に関する。
【0030】
本開示は、レーザパルスのバーストのパルスの整数の数Ｎから構成されるＧＨｚのオーダーのバーストの繰り返しレートｆと、バーストの各パルスのフルエンスＦとに関する一式のパラメータを決定するステップを含む、所与の材料のためのレーザアブレーション方法の動作条件を決定するための方法を提案する。材料からみたバーストのトータルフルエンスＦＴは、積Ｎ・Ｆに等しい。バーストの繰り返しレートＣは、使用されるレーザ源のもう１つのパラメータである。
【0031】
レーザパルスのバーストのパルスの整数の数Ｎは、少なくとも１０以上であり、特にパルスの数Ｎは１０～８００に含まれる。いくつかのアプリケーションでは、バーストのフェムト秒パルスの数Ｎは２０又は５０よりも大きく、１００～８００に含まれ、又は２００～６００に含まれ、又は３００～４００に含まれる。
【0032】
繰り返しレートｆにおけるＮ個のパルスのバーストの持続時間Ｔは、Ｔ＝Ｎ／ｆによって定義される。
【0033】
バーストのパルスは、１００ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれ、好ましくは１ＧＨｚ～１００ＧＨｚに含まれる、又は１ＧＨｚ～１０ＧＨｚに含まれる繰り返し周波数ｆを有する。
【0034】
バーストの総エネルギーＥｂは、使用されるレーザに応じて１μＪ～２０ｍＪに含まれ得る。
【0035】
パルスのバーストは、材料が動いているか否か、異なるバーストが重なるか否かにかかわらず、１０ｋＨｚ～４０ＭＨｚに含まれる繰り返しレートＣを有する。しかしながら、繰り返しレートは、バーストの持続時間Ｔが厳密に繰り返しレートＣの逆数未満であることを確認するために、バーストの持続時間Ｔによって制限される。
【0036】
本開示によれば、バーストの各パルスは、上記バーストのパルスと同じ空間的、スペクトル的、且つ時間的特性を有するが、必要に応じて送信され、高レートのバーストの一部ではない単一のレーザパルスによる材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満のフルエンスＦを有する。
【0037】
レーザパルスのバーストは、２００ｎｍ～３μｍに含まれる波長を有する。
【0038】
いずれの図面においても、座標系ＸＹＺが定義されており、軸Ｚの方向はアブレーションされる材料の表面に直交し、レーザビームは軸Ｚに沿って伝播する。
【0039】
図１は、Ｎ個のパルスを含むバーストの一例を示すグラフである。ここで、上記バーストのパルスの整数の数Ｎは１００であり、上記バーストのパルスは０．８８ＧＨｚに等しい繰り返し周波数ｆを有する。バーストの各パルスは、５５０ｆｓ以下である持続時間ｄを有する。上記バーストは、１μＪから１００μＪまで変化し得るエネルギーＥｂを有し、この例では、エネルギーＥｂは３３μＪに等しい。Ｎ個のパルスの各バーストは、１１４ｎｓに等しい総持続時間Ｔを有する。バーストは、レーザ源によって、１ｋＨｚから２００ｋＨｚまで変化し得る繰り返しレートＣで送達される。
【0040】
別の例では、パルスのバーストのパルスの整数の数Ｎは５０であり、上記バーストのパルスは０．８８ＧＨｚに等しい繰り返し周波数ｆを有する。バーストの各パルスは、５５０ｆｓ以下である持続時間ｄを有する。上記バーストは、１μＪから１００μＪまで変化し得るエネルギーＥｂ、１ｋＨｚ～２００ｋＨｚに含まれる調節可能な繰り返し周波数Ｃ、及び５７ｎｓに等しい総持続時間Ｔを有する。
【0041】
別の例では、パルスのバーストのパルスの整数の数Ｎは２００であり、上記バーストのパルスは０．８８ＧＨｚに等しい繰り返し周波数ｆを有する。バーストの各パルスは、５５０ｆｓ以下である持続時間ｄを有する。上記バーストは、１μＪから１００μＪまで変化し得るエネルギーＥｂ、１ｋＨｚ～２００ｋＨｚに含まれる調節可能な繰り返し周波数Ｃ、及び２２８ｎｓに等しい総持続時間Ｔを有する。
【0042】
加工装置を使用することにより、静止状態の場合はバーストの空間的な重畳、又は試料若しくはレーザビームが移動する場合はパルスの完全若しくは部分的な空間的シフトのいずれかによって、試料上へのバーストの差し向けを管理することができる。
【0043】
ｃｍ２／ｓで表される所与の熱拡散係数Ｄを有するアブレーションされる材料を考える。
【0044】
理論に縛られることなく、本方法によれば、バーストにおけるＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスの整数の数Ｎは、深さＬｔｈにわたる加熱及びアブレーションを可能にするパルスの整数の数Ｎｃと、補足的なパルスの整数の数Ｎａとの和に等しく、Ｌｔｈは繰り返しレートｆでの、材料に関連する熱深さの長さに対応する。
【0045】
第１のステップでは、閾値フルエンスＦｓ１未満のもう１つの閾値フルエンスＦｓ２に到達するまで閾値フルエンスＦｓ１の値を修正するために、アブレーションされる材料を最適化の開始点として与えられたテスト深さＬにわたって加熱するのに必要な繰り返しレートｆのバーストにおけるフェムト秒パルスの数に対応する加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃが決定される。バーストのトータルフルエンスＦＴは、パルス当たりのフルエンスＦが閾値フルエンスＦｓ１未満であるように定義される。数Ｎｃは式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄによって定義される。換言すれば、本開示によれば、フェムト秒パルスのバーストでは、パルス当たりのフルエンスＦは、閾値フルエンスＦｓ１未満であり、もう１つの閾値フルエンスＦｓ２以上である。
【0046】
数Ｎｃは、軸Ｚに沿って深さＬにわたるアブレーションされる材料の加熱を可能にするバーストのパルスの数に対応する。数Ｎｃは、深さＬの近くにおけるバーストのパルスの繰り返しレートｆでのアブレーションのためのパルスの数Ｎの下限を表す。換言すれば、Ｎｃは、Ｌに近い深さのアブレーションクレータが材料の表面に現れるパルスの数を表す。
【0047】
テスト深さＬは、繰り返しレートｆのパルスのバーストの特性トータルフルエンス値ＦＴｃｈａｒについて得られる。この特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒは、材料の表面においてアブレーションクレータを観察することを可能にする最小バーストのトータルフルエンスに対応する。パルスのバーストの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒをパルスの数Ｎで除したものは、一般に、単一のパルスのアブレーション閾値を特徴づけるフルエンスＦｓ１とは異なり、フルエンスＦｓ１未満であり、つまりＦＴｃｈａｒ／Ｎ＜Ｆｓ１である。
【0048】
実際には、既知の熱拡散率Ｄの所与の材料について、所与の繰り返しレートｆにいて、且つ材料のアブレーションの深さ目標Ｌについて、パルスの数ＮｃがＤ、ｆ、及びＬの関数として計算される。パルスの数Ｎｃが推定されると、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒが、深さＬのクレータの形成を可能にするＮｃ個のパルスのバーストの最小フルエンスとして実験的に決定され得る。
【0049】
次に第２のステップでは、バーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔが、アブレーション効率をその最大近くに維持しながらアブレーション深さ又はアブレーション体積を最適化することができる最適なアブレーション効率に対応するＮ＝Ｎｃについて決定される。ＦＴｃｈａｒはＧＨｚバーストアブレーションの閾値フルエンスに等しくなるように推定される。アブレーション閾値フルエンスＦＴｔｈを把握することによりアブレーション効率を推定できることが一般に認められている。アブレーション深さはＬｎ（ＦＴ／ＦＴｔｈ）で変化し、アブレーション体積はＬｎ２（ＦＴ／ＦＴｔｈ）で変化する。比量であるＬｎ（Ｆ／ＦＴｔｈ）／ＦＴ及びＬｎ２（ＦＴ／ＦＴｔｈ）／ＦＴにより、アブレーション効率をパルス当たりのフルエンスＦの関数として推定し、ＦＴｔｈに近い最適な値を持たせ、その後飽和することができる。したがって、パルスのバーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔは、２・ＦＴｃｈａｒ＜ＦＴｏｐｔ＜６・ＦＴｃｈａｒの区間においてＮ＝Ｎｃにおいて選択される。
【0050】
バーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔの値の例は特性トータルフルエンスの値ＦＴｃｈａｒに近く、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒに２を乗ずることにより推定され得る、つまりＦＴｏｐｔ＝２ＦＴｃｈａｒである。
【0051】
加熱／アブレーション段階は、アブレーション閾値フルエンスＦｓ２に近いパルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒに最適な条件下で実行される。この閾値フルエンスＦｓ２は既知ではなく、測定することが困難である。本発明によれば、パルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒは、Ｆｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃと近似される。この値は、所与の材料においてパルスレートｆでクレータを得るための閾値に対応する各ペア（ＦＴｃｈａｒ，Ｎｃ）で略一定のままである。
【0052】
本方法の第３の任意のステップは、Ｌを超えるアブレーション深さについてパルスの数Ｎを決定することにある。ＦＴｃｈａｒに等しいトータルフルエンスＦＴに対してバーストが最適化されたとき、材料はクレータの表面において加熱され、単一のパルスのアブレーション閾値は材料の既知の値Ｆｓ１から、未知且つ測定が困難である低い値Ｆｓ２になった。
【0053】
フルエンスのみの増加により生じる飽和の現象を防ぎ、より大きいアブレーション深さを得るためには、パルスの数Ｎを増やすと良い。パルス当たりの同じフルエンスＦｃｈａｒ＝ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃを維持しながら、パルスの数Ｎを値Ｎａだけ増やすことが選択される、つまり、Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａである。パルス当たりの特性フルエンスＦｃｈａｒは、同じ材料についてのすべてのペア（ＦＴｃｈａｒ，Ｎｃ）で同じままである。
【0054】
この結果、ＦＴｃｈａｒ＋Ｎａ・Ｆに等しい、つまりＦＴｃｈａｒ（１＋Ｎａ／Ｎｃ）に等しいトータルフルエンスＦＴのもう１つの値がもたらされる。例えば、Ｎａ＝Ｎｃとすると、ＦＴ＝２・ＦＴｃｈａｒ且つＮ＝２・Ｎｃである。より詳細には、Ｎ＝Ｎｃ＝５０である場合、特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ＝０．９６Ｊ／ｃｍ２がシリコン材料の場合には得られる。Ｎａ個の補足的なパルスを加えることにより、２・Ｎｃ又は１００に等しいパルスの数Ｎが得られ、もう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２の値は２・ＦＴｃｈａｒ又は１．９Ｊ／ｃｍ２に等しい。
【0055】
トータルフルエンスＦＴを再度最適化し、ＦＴｃｈａｒ２よりも大きいバーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔ２のもう１つの値を得るために、上述の手順が繰り返され、その結果、バーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔ２が以下の区間に含まれ、すなわち、２・ＦＴｃｈａｒ２＜ＦＴｏｐｔ２＜６・ＦＴｃｈａｒ２となる。
【0056】
図２は、ＧＨｚ周波数のパルスのバースト当たりのトータルフルエンスＦＴの関数として、シリコン材料の表面におけるアブレーション効率（又はトータルフルエンスによってアブレーションされた体積）の変化を示している。この例では、パルスの数Ｎは５０（丸い点）及び１００（四角い点）に等しく、繰り返し周波数ｆは０．８８ＧＨｚである。
【0057】
グラフでは、材料の表面のアブレーションの効率が、材料の表面においてアブレーションクレータを観察することができる特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒに対応するトータルフルエンスＦＴの値のためのアブレーション閾値を有することが分かる。次いで、アブレーション効率は、トータルフルエンスＦＴが増加するにつれて、バーストのトータルフルエンスＦＴｏｐｔに対応する最大のアブレーション効率値に達するまで上がる。バーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔは２・ＦＴｃｈａｒから６・ＦＴｃｈａｒまでの範囲内にあり、この範囲は最適なアブレーション効率に対応する。最大のアブレーション効率に到達すると、トータルフルエンスＦＴが増加し続けるにつれてアブレーション効率が低下する。この場合、アブレーション深さ又はアブレーション体積は増加し続けるが、アブレーションに必要のないエネルギーの量が増加することにより、質が低下する。
【0058】
ここで、Ｎ＝Ｎｃ＝５０（丸い点）の場合、０．９６Ｊ／ｃｍ２に等しい特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒに対して、約１８μｍ３／μＪに等しい最小のアブレーション効率が得られる。最大のアブレーション効率は、約２Ｊ／ｃｍ２～６Ｊ／ｃｍ２に含まれるバーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔに対して、約２５μｍ３／μＪに等しい。
【0059】
ここで、Ｎ＝２Ｎｃ＝１００（四角い点）の場合、２ＦＴｃｈａｒ又は１．９Ｊ／ｃｍ２に等しい特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２に対して、約２７μｍ３／μＪに等しい最小のアブレーション効率が得られる。最大のアブレーション効率は、約４Ｊ／ｃｍ２～１２Ｊ／ｃｍ２に含まれるバーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔに対して、約３４μｍ３／μＪに等しい。
【0060】
パルス当たりのフルエンスＦｃｈａｒが略一定であることが確かめられている。また、アブレーション効率は２・ＦＴｃｈａｒ２～６・ＦＴｃｈａｒ２で最適であることも確かめられている。
【0061】
図３は、ＧＨｚ周波数のパルスのバースト当たりのトータルフルエンスＦＴの関数として、銅材料の表面におけるアブレーション効率（又はトータルフルエンスによってアブレーションされた体積）の変化を示している。この例では、パルスの数Ｎは１００（丸い点）及び２００（四角い点）に等しく、繰り返し周波数ｆは１．７６ＧＨｚである。
【0062】
グラフでは、Ｎ＝１００（丸い点）の場合、約３Ｊ／ｃｍ２に等しい特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒに対して、約０．１ｍｍ３／ｍｉｎ／Ｗに等しい最小のアブレーション効率が得られる。最大のアブレーション効率は、約６Ｊ／ｃｍ２～１８Ｊ／ｃｍ２に含まれるバーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔに対して、約０．５ｍｍ３／ｍｉｎ／Ｗである。
【0063】
グラフでは、Ｎ＝２００（四角い点）の場合、約６Ｊ／ｃｍ２に等しい特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒに対して、約０．５ｍｍ３／ｍｉｎ／Ｗに等しい最小のアブレーション効率が得られる。最大のアブレーション効率は、約１２Ｊ／ｃｍ２～３６Ｊ／ｃｍ２に含まれるバーストの動作トータルフルエンスＦＴｏｐｔに対して、約０．７ｍｍ３／ｍｉｎ／Ｗである。
【0064】
【0065】
図４、図５、及び図６に示す各例では、繰り返し周波数Ｃは１００ｋＨｚであり、繰り返し周波数ｆは０．８８ＧＨｚであり、連続する２つのバーストの間の周期は１０μｓであり、バーストの総持続時間Ｔは５７ｎｓであり、バーストのパルスの持続時間ｄは５５０ｆｓである。
【0066】
図４は、パルスの数ＮがＮｃに等しく、バーストのトータルフルエンスＦＴが特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ未満である場合のシリコン材料の表面におけるアブレーションプロファイルを示している。これらの条件下では、光学形状計測（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）によって得られた画像は、材料の表面におけるバンプの形成を示しており、材料は加熱されているが、アブレーションできていない。この例では、パルスの数Ｎは１００でありトータルフルエンスＦＴは１．７Ｊ／ｃｍ２に等しい。
【0067】
図５は、パルスの数ＮがＮｃに等しく、バーストのトータルフルエンスＦＴが特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒに近い場合のシリコン材料の表面におけるアブレーションプロファイルを示している。これらの条件下では、光学形状計測によって得られた画像は、最小の深さを有する、材料の表面におけるクレータの形成を示している。この例では、パルスの数Ｎは１００でありトータルフルエンスＦＴは１．８Ｊ／ｃｍ２に等しい。１００個のパルスのバーストにより生じるアブレーション深さは、約２．６μｍであることが分かる。
【0068】
図６は、パルスの数ＮがＮｃに等しく、バーストのトータルフルエンスＦＴが特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒよりも大きい場合のシリコン材料の表面におけるアブレーションプロファイルを示している。これらの条件下では、光学形状計測によって得られた画像は、以前に形成されたクレータのアブレーションの深さの増加を示している。クレータの深さは、トータルフルエンスＦＴが増えるにつれて、最適な効率で大きくなる。この例では、パルスの数Ｎは１００であり、トータルフルエンスＦＴは５．８Ｊ／ｃｍ２である。１００個のパルスのバーストにより生じるアブレーション深さは、約４．５μｍであることが分かる。
【0069】
アブレーション深さは、Ｎ＞Ｎｃ且つＦＴ＞ＦＴｃｈａｒの場合、パルスの数Ｎが増えるにつれて、大きくなることが分かる。この技術的効果は、フェムト秒パルスのアブレーションが非常に議論の的になっている技術分野における教示に由来するものでは決してない。５０個のパルスを含むバーストでのアブレーション深さは、３．５μｍから、２００個のパルスを含むバーストでは７．５μｍに減少し、バーストのトータルフルエンスＦＴはいずれも５．８Ｊ／ｃｍ２である。
【0070】
１つの考えられる解釈は、本方法は材料表面における熱の蓄積の現象と極めて効率的なアブレーションとの結合に基づいており、これは、持続時間がμｓ又はｎｓである単一のパルスによるアブレーションに関与するメカニズムとは異なるということである。
【0071】
本方法によって、例えば、シリコン材料の表面においてＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスのバーストによってレーザアブレーションを実行するための動作条件を決定することができる。表１には、シリコン材料の表面においてＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスのバーストによるレーザアブレーションを行うための動作条件が、ＡからＧまでのインデックスを付けた例の形態で列挙されている。室温におけるシリコンの熱拡散係数Ｄは０．８６ｃｍ２／ｓに等しい。
【0072】
【表1】
【0073】
表１は、ＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスのバーストによってシリコン材料に対してレーザアブレーションを実行するための動作条件を列挙している。この表では、Ｌｍは、ＦＴ＝ＦＴｃｈａｒ且つＮ＝Ｎｃで測定されたテスト長さＬの実験値に対応する。
【0074】
シリコンにおける１つのパルスによるアブレーションの閾値フルエンスＦｓ１は、０．４６Ｊ／ｃｍ２に等しい。例Ａ～Ｇにおいて、バーストにおけるパルス当たりのフルエンスは、シリコン材料における１つのパルスによるアブレーションにおける閾値フルエンスＦｓ１よりも大幅に小さい。換言すれば、バーストのフェムト秒パルス当たりのフルエンスＦは、約Ｆｓ１／２５である。バーストのフェムト秒パルス当たりのフルエンスＦは、単一のパルスにおける閾値Ｆｓ１アブレーションフルエンスよりも一桁を超えて小さい。
【0075】
【表2】
【0076】
表２は、ＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスのバーストによって銅材料に対してレーザアブレーションを実行するための動作条件を列挙している。
【0077】
銅における１つのパルスによるアブレーションの閾値フルエンスＦｓ１は、１．７Ｊ／ｃｍ２である。室温における銅の熱拡散係数Ｄは１．１５ｃｍ２／ｓに等しい。換言すれば、バーストのフェムト秒パルス当たりのフルエンスＦは、約Ｆｓ１／５０に等しい。ここでも同様に、フェムト秒パルス当たりのバーストフルエンスＦは、単一のパルスにおけるアブレーション閾値フルエンスＦｓ１よりも一桁を超えて小さい。パルス当たりのフルエンスＦが、単一のパルスにおけるアブレーションの閾値フルエンスＦｓ１よりも、１桁～２桁小さい。
【0078】
Ａ～Ｊのいずれの例においても、アブレーションされる材料に対するパルスの集束された入射ビームの直交方向の寸法は２４μｍである。実際には、アブレーションされる材料に対するパルスの集束された入射ビームの直交方向の寸法が２００μｍ以下である。
【0079】
バーストの繰り返し周波数Ｃは、１ｋＨｚ～２００ｋＨｚに含まれ得る。パルスのバーストは、例えば、１ナノ秒～数百ナノ秒に含まれる持続時間を有する。バーストのパルスは、例えば、１フェムト秒～１ピコ秒未満に含まれる持続時間を有する。パルスの整数の数Ｎは１０～４００以上に含まれ得る。バーストの各パルスのフルエンスＦの値は、例えば、０．００１Ｊ／ｃｍ２～１Ｊ／ｃｍ２に含まれる。アブレーションされる材料は、半導体材料、金属材料、誘電体材料、ポリマー材料、有機材料、又は複合材料から選択され得る。
【0080】
図７Ａ～図７Ｃは、材料の表面におけるＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスのバーストによるレーザアブレーション方法の異なるステップを、Ｎｃ個のフェムト秒パルスのバーストのトータルフルエンスの関数として示している。
【0081】
図７Ａは、数Ｎｃの加熱及びアブレーションパルスを受ける材料の表面を示している。材料表面の加熱が開始し、トータルフルエンスＦＴは特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒよりもはるかに低い。この例示的な例では、Ｎ＝Ｎｃ且つＦＴ＜＜ＦＴｃｈａｒである。
【0082】
図７Ｂは、トータルフルエンスＦＴが上図に示す場合よりも高い状態で数Ｎｃの加熱及びアブレーションパルスを受けた材料の表面を示している。材料の表面がテスト長さＬに近い長さにわたって加熱され、トータルフルエンスＦＴが特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ未満である。この例示的な例では、Ｎ＝Ｎｃ且つＦＴ＜ＦＴｃｈａｒである。
【0083】
図７Ｃは、数Ｎｃの加熱及びアブレーションパルスを受ける材料の表面を示している。材料アブレーション閾値に到達すると、材料のアブレーションが可能になり、トータルフルエンスＦＴは特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒに等しい。この例示的な例では、Ｎ＝Ｎｃ且つＦＴ＝ＦＴｃｈａｒである。得られたアブレーション深さはテスト長さＬに近い。
【0084】
図８は、材料の表面にＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスのバーストにより、数Ｎａの補足的なレーザパルスを加えるステップを示している。次いで、閾値は、トータルフルエンスＦＴ＝ＦＴｃｈａｒ２に到達する。アブレーション深さはテスト深さＬよりも大きい。
【0085】
図８の図は、数Ｎｃ＋Ｎａに等しい数Ｎのパルスを受ける材料の表面を示している。ＮがＮｃ＋Ｎａに等しい場合、アブレーション深さはＮａの関数として増加し、トータルフルエンスＦＴはもう１つの特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ２、すなわちＦＴｃｈａｒ＋Ｎａ・ＦＴｃｈａｒ／Ｎｃ又は（Ｎｃ＋Ｎａ）・（Ｆｃｈａｒ／Ｎｃ）に等しい。この例示的な例では、Ｎ＝Ｎｃ＋Ｎａ且つＦＴ＝ＦＴｃｈａｒ２である。
【0086】
ＧＨｚ領域のバースト内繰り返し周波数ｆ、バースト当たりのパルスの数Ｎ、及びパルスの総エネルギーを組み合わせる設定により、最適なアブレーションを得ることができる。図２にも示す表１の例Ａ及びＢにおいて、パルスの数Ｎが１００パルス（例Ｂ、四角い点）を有するバーストによって、０．８８ＧＨｚに等しい同じバースト内繰り返し周波数ｆにおいて、５０パルスに等しいパルスの数Ｎを有するバースト（例Ａ、丸い点）よりも大きいアブレーション効率を達成することができる。本例は、アブレーション閾値に到達すると、同じバースト内繰り返し周波数でも、バーストの総エネルギーの増加、ひいてはバーストのトータルフルエンスの増加が、より効率的なアブレーションプロセスに寄与することを示している。この現象は、高すぎるエネルギーではアブレーション効率の飽和により制限されるため、最大フルエンスは各材料に依存し、例えば５０Ｊ／ｃｍ２のオーダーとなる。
【0087】
物質の表面におけるＧＨｚのオーダーの繰り返し周波数のフェムト秒パルスのバーストによるレーザアブレーション方法の動作条件を決定するための方法によって、パルスの数Ｎ及びバーストのエネルギーＥｂを制御することができる。
【0088】
本方法は、既知の熱拡散率Ｄを有する材料に対して定義される。
【0089】
表３は、異なる材料における熱拡散係数Ｄの値の例を示している。
【0090】
【表3】
【0091】
本方法は、単一のパルスによる検討される材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満であるバーストの各パルスのフルエンスＦを得るためにバースト当たりのエネルギーＥｂを定義することを必要とする。
【0092】
本方法によって、好都合なことに、パルス当たりの固定されたフルエンスＦのバーストのパルスの数Ｎの関数として得られるアブレーション深さを調整することができる。
【0093】
本方法によって、好都合なことに、パルスの固定数Ｎに対してバーストのトータルフルエンスの関数として得られるアブレーション深さを調整することができる。
【0094】
材料ごとに、また所与のアブレーション深さに対して、バーストのトータルフルエンスの関数としてアブレーション閾値に対応するパルスの数Ｎを決定することが可能である。
【0095】
ＧＨｚ領域におけるバースト内繰り返し周波数ｆのフェムト秒パルスによる材料のアブレーションの技術分野における予想に反して、精密な動作条件の下では高いアブレーション効率及び良好な加工品質を得ることができる。
【0096】
例えば、シリコン材料の場合、２．２μｍ～４．４μｍに含まれるテスト深さＬでは、パルスの数Ｎは５０～２００に含まれ、ＧＨｚアブレーション閾値の特性パルスあたりのフルエンスＦｃｈａｒは約０．０１８Ｊ／ｃｍ２であり、バースト内繰り返しの周波数は０．８８ＧＨｚ～３．５２ＧＨｚに含まれる。
【0097】
例えば、銅材料の場合、２．５μｍ～５．２μｍに含まれるテスト深さＬでは、パルスの数Ｎは１００～４００に含まれ、ＧＨｚアブレーション閾値の特性パルスあたりのフルエンスＦｃｈａｒは約０．０３Ｊ／ｃｍ２であり、バースト内繰り返し周波数は１．７６ＧＨｚに等しい。
【0098】
本開示のレーザアブレーション方法は、特にガラス又は透明セラミックスなどの材料に適用可能である。これらの材料は透明であり、レイリー長に対応する深さにわたって表面吸収が起こる。加えて、これらの材料は脆い。このことは、表面又は体積に亀裂が入ると、容易に成長し、深刻な損傷につながり得ることを意味する。最終的には、バーストにおけるパルスの数は、必要最小限に制限されることが好ましい。このような状況では、Ｎｃの式は適用されず、１０よりも大きいバーストのパルスの最小数Ｎに対する条件のみが適用される。加えて、これらの材料では、熱拡散を抑える必要がある。熱拡散を抑制するための方法の１つは、所与のガラス基板の透明な範囲を超える波長、例えばＵＶ又は深ＵＶ（ＤＵＶ）範囲のレーザ源を使用することである。
【0099】
本開示のレーザアブレーション方法はまた、好都合なことに、低表面粗さのガラスのアブレーションにも適用可能である。この場合、光は不規則な表面でトラップされ、表面下に拡散される。表面粗さは、光学的な劣化をもたらす。表面粗さは、これらの粗さを得るために空間的に制御されたパルスを有するレーザを用いて生成され得る。表面粗さは、機械的手段、例えばサンドブラストによってもたらされ得る。平均粗さの要件は、４００ｎｍ～１０μｍの表面粗さのオーダーのものである（「ｒｍｓ」（二乗平均平方根）粗さ＞０．２５）。
【0100】
また、アブレーションをなすための条件を把握することにより、本開示によって、同じ材料の部分間で材料を失うことなく溶接を実行するための動作条件を決定することもできる。したがって、本開示はまた、数百ＭＨｚ～１００ＧＨｚに含まれるバースト内繰り返し周波数ｆでのフェムト秒レーザパルスのバーストの適用に基づく、レーザ溶接方法に適用され、フェムト秒レーザパルスのバーストが数Ｎのパルスを含み、レーザパルスのバーストのパルスの数Ｎが、加熱及びアブレーションパルスの数Ｎｃ未満であり、Ｎｃが式Ｎｃ＝（Ｌ２・ｆ）／Ｄにより定義され、Ｌがテスト深さを表し、Ｄが材料の熱拡散係数を表し、フェムト秒レーザパルスのバーストが、材料においてアブレーションクレータを発生させるように適合された特性トータルフルエンスＦＴｃｈａｒ未満のトータルフルエンスを有し、バーストの各パルスが、単一のレーザパルスによる材料のアブレーション閾値フルエンスＦｓ１未満のフルエンスを有する。いくつかのアプリケーションでは、レーザパルスのバーストのパルスの数Ｎは１０以上である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】