(57)【要約】  本発明のレーザ光源(100)は、レーザ活性物質を含むファイバ(107)、および前記ファイバ(107)の両端に結合したファイバグレーティング(105,106)を有するレーザ共振器(150)と、前記レーザ共振器(150)に励起光を入射する励起用レーザ光源(104)と、前記励起用レーザ光源(104)にパルス状の駆動電流を与える駆動電流供給回路(102)と、前記レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を変換する波長変換素子(101)とを備える。前記レーザ共振器(150)は、前記励起光の入射に応じて、主パルスと前記主パルスに重畳される複数の重畳パルスとを含むレーザ光を生成し、前記波長変換素子(101)により、前記主パルスおよび前記重畳パルスの両方の波長を短くした変換光が生成される。
2012066596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ活性物質を含むファイバ、および前記ファイバの両端に結合したファイバグレーティングを有するレーザ共振器と、
前記レーザ共振器に励起光を入射する励起用レーザ光源と、
前記励起用レーザ光源にパルス状の駆動電流を与える駆動電流供給回路と、
前記レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を変換する波長変換素子とを備え、
前記レーザ共振器は、前記励起光の入射に応じて、主パルスと前記主パルスに重畳される複数の重畳パルスとを含むレーザ光を生成し、
前記波長変換素子により、前記主パルスおよび前記重畳パルスの両方の波長を短くした変換光が生成されるレーザ光源。
【請求項２】
前記レーザ共振器は、複数の縦モードでレーザ発振し、前記複数の縦モードを干渉させることによって前記複数の重畳パルスを形成する請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記励起用レーザ光源は、前記駆動電流に基づいて矩形状の波形を有する励起光を前記レーザ共振器に入射し、
前記矩形状の波形を有する励起光によって、前記レーザ共振器はパルス発振を行う請求項１または２に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記レーザ共振器が前記パルス発振を行うとき、前記レーザ共振器の屈折率が変動し、前記レーザ共振器の屈折率が変動することによって前記レーザ共振器の実効的な共振器長は変化し、
前記実効的な共振器長の変化によって生じるレーザ光の周波数シフトが、前記レーザ共振器の縦モード間隔より大きい請求項３に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記レーザ共振器の実効的な共振器長は、前記レーザ共振器の温度変化に応じて変化しており、
前記実効的な共振器長の変化によって生じるレーザ光の周波数シフトが、前記レーザ共振器の縦モード間隔より大きい請求項１から４のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記レーザ共振器の発振スペクトル幅Δｆａは、１ＧＨｚよりも大きく、前記波長変換素子が所定の変換効率を実現することができる周波数許容度Δｆｓよりも小さい請求項１から５のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記波長変換素子が所定の変換効率を実現することができる周波数許容度Δｆｓは、１ＧＨｚよりも大きい請求項６に記載のレーザ光源。
【請求項８】
前記レーザ共振器の発振スペクトル幅Δｆａは、縦モード間隔ｄｆと縦モード数ｍとの積ｍ・ｄｆよりも大きく、前記波長変換素子が所定の変換効率を実現することができる周波数許容度Δｆｓよりも小さい請求項１から５のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項９】
前記波長変換素子は、前記レーザ共振器から出力されるレーザ光の高調波を生成する請求項１から８のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１０】
前記波長変換素子を所定の温度に保つ温度保持手段をさらに備える請求項１から９のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項１１】
前記温度保持手段は、前記波長変換素子の変換効率が、最大値の５％〜５０％の範囲で低下する温度に、前記波長変換素子の温度を保持する請求項１０に記載のレーザ光源。
【請求項１２】
半導体ウェハあるいは前記半導体ウェハを用いて形成される半導体チップに対し、前記半導体ウェハの材料に応じて決定される波長を有するレーザ光を照射することによって前記半導体ウェハの表面を溶融させ、これによって凸部を形成するレーザ加工装置であって、
請求項１から１１のいずれかに記載のレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されるレーザ光を前記半導体ウェハまたは前記半導体チップに向けて照射するための光学系と
を備えるレーザ加工装置。
【請求項１３】
半導体を用意する工程と、
前記半導体の表面に、レーザ光源から出射されるパルスレーザ光を照射することによって、前記半導体の表面に凸部を形成する工程とを包含し、
前記レーザ光源は、請求項１から１１のいずれかに記載のレーザ光源である半導体の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ光源に関し、特に、ドットマーキング装置に適切に用いられるレーザ光源に関する。また、本発明は、このレーザ光源を使用するレーザ加工装置、および半導体の加工方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、市場において、半導体装置や太陽電池等の電子部品の模倣品が増加している。これらの模倣品は、概して劣悪なものが多い。今日、多くの電子部品が民生機器以外にも、自動車や医療機器に使用されている。このような粗悪な模倣品が組み込まれた製品は、そのシステム全体の安全性も左右しかねないため、真正品販売業者に金銭的な被害を与えるだけでなく、消費者の安全をも損なう。【０００３】
そのため、半導体チップに、固有のＩＤ（Identification）を付与する機運が高まってきた。ＩＤの付与により、個々の半導体チップのトレーサビリティを高められるので、模倣品を排除するだけでなく、真正品の品質を向上させることも出来る。このため、半導体チップにドットマークを付与するための国際標準を規格化する動きが活発になされている。【０００４】
電子部品に用いられる半導体の表面に文字や数字あるいはパターンをマーキングする技術には多くの方法がある。例えば、マーキングする際の塵埃の発生を抑制しつつ、視認性に優れたマークを形成する方法として、半導体の表面にパルスレーザビームを照射し、高さ１μｍ以下の多数の微小突起部を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
しかしながら、この方法により形成される微小突起部は余りにも小さく、視認性に欠ける。このため、複数の微小突起部を集めて一つのマークを形成する方法がとられている。このマークの識別は、複数の微小突起部のそれぞれが作る乱反射面の反射光量と微小突起のない平滑面の反射光量との差を利用して行われる。しかしながら、乱反射面の反射光量と平滑面の反射光量との差が少ないため、乱反射面と周辺の平滑面との識別が難しく、良好な視認性が得られなかった。【０００６】
そこで、半導体表面に、よりサイズの大きい突起部を形成し、ドットマーキングにおける１つのドットを１つの突起部で形成する技術が開発された。この技術によれば、レーザビームのパルス幅とエネルギー密度とを所定の範囲に設定して、半導体表面に形成するレーザビームスポットの直径とエネルギー密度とを調整することにより、視認性が向上した単一の微小な凸状のドットが得られる（特許文献２参照）。このように微細なドットを所定の位置に適切に配置することで、半導体表面の狭い領域においてマーキングを行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−４０４０号公報
【特許文献２】特開２０００−２２３３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のレーザマーキング装置の構成では、凸状のドットを半導体表面に適切に形成することは容易でなかった。従来の方法では、レーザ光のエネルギー密度を非常に狭い範囲に設定すれば、凸状ドットが得られる場合もあるが、半導体ウェハに照射するレーザ光のエネルギー密度は様々な要因によって変動し得るため、これを精密に制御することは困難であった。【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、視認性が向上したドットマークの形成が可能なレーザマーキング装置に好適に用いられるレーザ光源を提供することをその主な目的とする。【００１０】
また、本発明の他の目的は、本発明のレーザ光源を使用するレーザ加工装置、および半導体の加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のレーザ光源は、レーザ活性物質を含むファイバ、および前記ファイバの両端に結合したファイバグレーティングを有するレーザ共振器と、前記レーザ共振器に励起光を入射する励起用レーザ光源と、前記励起用レーザ光源にパルス状の駆動電流を与える駆動電流供給回路と、前記レーザ共振器から出力されるレーザ光の波長を変換する波長変換素子とを備え、前記レーザ共振器は、前記励起光の入射に応じて、主パルスと前記主パルスに重畳される複数の重畳パルスとを含むレーザ光を生成し、前記波長変換素子により、前記主パルスおよび前記重畳パルスの両方の波長を短くした変換光が生成される。【００１２】
ある好ましい実施形態において、前記レーザ共振器は、複数の縦モードでレーザ発振し、前記複数の縦モードを干渉させることによって前記複数の重畳パルスを形成する。【００１３】
ある好ましい実施形態において、前記励起用レーザ光源は、前記駆動電流に基づいて矩形状の波形を有する励起光を前記レーザ共振器に入射し、前記矩形状の波形を有する励起光によって、前記レーザ共振器はパルス発振を行う。【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記レーザ共振器が前記パルス発振を行うとき、前記レーザ共振器の屈折率が変動し、前記レーザ共振器の屈折率が変動することによって前記レーザ共振器の実効的な共振器長は変化し、前記実効的な共振器長の変化によって生じるレーザ光の周波数シフトが、前記レーザ共振器の縦モード間隔より大きい。【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記レーザ共振器の実効的な共振器長は、前記レーザ共振器の温度変化に応じて変化しており、前記実効的な共振器長の変化によって生じるレーザ光の周波数シフトが、前記レーザ共振器の縦モード間隔より大きい。【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記レーザ共振器の発振スペクトル幅Δｆａは、１ＧＨｚよりも大きく、前記波長変換素子が所定の変換効率を実現することができる周波数許容度Δｆｓよりも小さい。【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記波長変換素子が所定の変換効率を実現することができる周波数許容度Δｆｓは、１ＧＨｚよりも大きい。【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記レーザ共振器の発振スペクトル幅Δｆａは、縦モード間隔ｄｆと縦モード数ｍとの積ｍ・ｄｆよりも大きく、前記波長変換素子が所定の変換効率を実現することができる周波数許容度Δｆｓよりも小さい。【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記波長変換素子は、前記レーザ共振器から出力されるレーザ光の高調波を生成する。【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記波長変換素子を所定の温度に保つ温度保持手段をさらに備える。【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記温度保持手段は、前記波長変換素子の変換効率が、最大値の５％〜５０％の範囲で低下する温度に、前記波長変換素子の温度を保持する。【００２２】
本発明のレーザ加工装置は、半導体ウェハあるいは前記半導体ウェハを用いて形成される半導体チップに対し、前記半導体ウェハの材料に応じて決定される波長を有するレーザ光を照射することによって前記半導体ウェハの表面を溶融させ、これによって凸部を形成するレーザ加工装置であって、上記いずれかのレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光を前記半導体ウェハまたは前記半導体チップに向けて照射するための光学系とを備える。【００２３】
本発明の半導体の加工方法は、半導体を用意する工程と、前記半導体の表面に、レーザ光源から出射されるパルスレーザ光を照射することによって、前記半導体の表面に凸部を形成する工程とを包含し、前記レーザ光源は、上記いずれかのレーザ光源である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、レーザ光を用いて、半導体ウェハや半導体チップなどに視認性の優れた微小な凸部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ドット形成工程を示す図であり、（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ別の工程を示す。
【図２】ドット形成工程で生じる問題を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態にかかるレーザ光の波形を示す図である。
【図４】図１に示すレーザ光を照射したときに形成される溶融プールを示す図である。
【図５】パルス振幅比とドット高さとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態１に係るレーザマーキング装置を示す図であり、（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）は波長変換素子および温度コントローラを拡大して示す。
【図７】本発明の実施形態に係る利得スイッチの原理を説明するための図であり、（ａ）は共振器の構成、（ｂ）は励起光強度の時間変化、（ｃ）は内部エネルギーの時間変化、（ｄ）は出力光の時間変化、（ｅ）は屈折率の時間変化をそれぞれ示す。
【図８】位相整合温度ズレと振幅比および高調波出力との関係を示すグラフである。
【図９】基本波のスペクトル幅と、波長変換素子での変換効率との関係を示すグラフである。
【図１０】基本波の主パルスのピークパワーに対するＳＨＧ光の主パルスのピークパワーと基本波のスペクトル幅の関係を示す。
【図１１】（ａ）は偏波保存ファイバを用いた単一偏光のファイバレーザの構成図を示し、（ｂ）はグレーティングファイバの断面構造を示し、（ｃ）はグレーティングファイバの各偏光の反射スペクトルの関係を示す。
【図１２】ファイバレーザからの光を変換したＳＨＧ出力平均値の時間変化を示す。（ａ）は重畳パルスが印加されていないファイバレーザの特性を示し、（ｂ）は重畳パルスが印加されたファイバレーザの特性を示す。
【図１３】凸状ドットのドット高さおよびドット径を説明するための図である。
【図１４】（ａ）は、レーザ光の集光点でのエネルギー密度とドット高さとの関係、および微細デブリの発生状況を示す表であり、（ｂ）はそのグラフである。
【図１５】実施例において形成された凸状ドットを示す図であり、（ａ）はエネルギー密度２Ｊ／ｃｍ2の場合、（ｂ）は２．５Ｊ／ｃｍ2の場合、（ｃ）は５Ｊ／ｃｍ2の場合をそれぞれ示す。
【図１６】大きなデブリを示す図である。
【図１７】（ａ）は比較例で形成されたドットを示し、（ｂ）は実施例で形成されたドットを示す。
【図１８】本発明の実施形態２のマーキング装置の構成図を示す。
【図１９】本発明の実施形態３の半導体の加工方法により形成した赤外用レンズの一例を示す。
【図２０】本発明の実施形態４の太陽電池パネルの製造装置を示す。
【図２１】図２０に示す製造装置を用いた太陽電池パネルの製造方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
まず、レーザ光を用いて半導体表面にドットマークを形成する場合に生じ得る問題点を説明する。
【００２７】
図１（ａ）〜（ｆ）は、ドットマークとして利用される突起部（ドット）の形成過程の一例を示す。まず、半導体ウェハ２１０に、直径数μｍのビーム状のレーザ光２０１が照射されると、レーザ光２０１の吸収により部分的にウェハ２１０の温度が上昇して融点を超えた領域が溶融する。レーザ光２０１の波長は、対象とする半導体が効率よく光を吸収する値に設定される。溶融した部分は、溶融プール２０２と呼ばれる（図１（ａ））。溶融プール２０２は、レーザ光２０１の照射を続けると熱拡散により拡大する（図１（ｂ））。溶融シリコンは、元の固体より体積が小さくなるため、溶融プール２０２の表面は基板表面に対して凹形状となる。ただし、液相部の表面張力により溶融プールの中央部はほぼフラットとなる。一方、溶融プールの周辺部は、固相と液相との境界近傍で曲率を持つ。レーザ光２０１の照射を止めると、溶融プール２０２への熱エネルギーの供給が停止するため、周辺より熱が奪われて固化が始まる（図１（ｃ））。
【００２８】
このとき、周辺部は溶融プール２０２の凹表面に従って固化し、周辺部に固化部分２０３が形成される。この固化部分２０３は、基板表面よりへこんだ表面を有する。さらに時間が経つと、溶融プール２０２の周辺部（固化部分２０３）から中央部に向かって固化が進行する。この過程で、固化による体積増大部分が溶融プール２０２の中央部に集中するため、この部分が次第に隆起する（図１（ｄ））。全体が固化すると、中央部には凸形状のドットが形成される（図１（ｅ））。このような形成過程を経て、周辺部が陥没し、中央部が隆起した凸形状のドットが形成される（図１（ｆ））。
【００２９】
しかし、以上のような工程を経て微細な凸部を形成する場合、次のような問題が生じ得る。以下、図２を参照して、この問題点についての発明者の考察を説明する。
【００３０】
図２は、従来のマーキング装置によって形成された溶融プール２０２の状態を示す。精密な凸形状のドットを形成するためには、溶融プール２０２の形成と固化とが重要な要素である。溶融プール２０２の溶融状態は、形成されるドットの形状に大きく影響する。この溶融プール２０２の溶融状態は、形成されたドットの形状を示すＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像を観察することによって知ることができる。
【００３１】
従来の方法によって形成された凸形状ドットのＡＦＭ像を観察すると、ドットの表面に微細な凹凸が見られる（図１７（ａ）参照）。これは、結晶欠陥を示しており、図２に示すように、溶融プール内２０２において溶融しない固形部（残留固形物）２０４が存在していたことを表している。残留固形物２０４のサイズは、典型的には０．０１〜０．５μｍ程度である。
【００３２】
残留固形物２０４は、液相に比べて体積密度が小さく、溶融プール２０２の表面に集まる。このため、溶融プール２０２が固化した後、残留固形物２０４によって凸形状ドットの表面に凹凸が形成される。さらに、残留固形物２０４は、固まる際に周辺部の結晶との歪みにより結晶欠陥を形成する。これが、ドット表面に見られる結晶欠陥の原因である。
【００３３】
溶融プール２０２中に多く（例えば１００個以上）の残留固形物２０４が存在すると、溶融による体積収縮が妨げられ、溶融プール２０２の表面の凹みが小さくなる。また、表面近傍の残留固形物２０４により、表面張力が弱くなり、溶融プール周辺部の凹みが低減される。周辺部の凹部が小さいと固化による体積膨張で生じる隆起が小さくなる。その結果、凸部の高さが減少する。このような現象は、レーザ光の照射パワーが弱い場合には特に顕著になる。
【００３４】
特に、半導体ウェハに照射するレーザ光２０１のエネルギー密度（パワー密度）を２Ｊ／ｃｍ2より低くすると、凸部の隆起が相当に低くなり、視認性が悪くなる。一方、パワー密度を高めると、溶融が促進され凸部の隆起を高くできる。しかし、溶融プール２０２内には残留固形物２０４があるので、局部的な激しい突沸が生じる。その結果、溶融プール２０２内のシリコンが飛散し、ドット周辺にばら撒かれる。したがって、ドットの視認性が悪くなる。
【００３５】
本願発明者は、このような従来のマーキング方法において生じる問題を認識し、これを解決することについて検討した。以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３６】
上述のように、半導体ウェハ（または半導体チップ）のレーザマーキング技術において、表面の微細領域を溶融し、固化することで、微細な凸部（例えば直径約５μｍ、高さ約０．５μｍの円錐状凸部）を適切な形状に形成することが求められている。レーザ光の照射によって、このような微細な凸部を形成する場合、半導体に照射するレーザ光のエネルギー密度を高い精度で制御する必要がある。これまで、微細なドットを形成する際には、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザなどの固体レーザが用いられていたが、所望の形状を有する微細な凸部を形成することは容易ではなかった。
【００３７】
一方、ファイバレーザを用いてドットを形成することも考えられる。しかしながら、ファイバレーザは、ＹＡＧレーザなどの固体レーザに比べて共振器長が数十倍も長く、多数の縦モードが発振するため、出力光に大きなノイズ（高周波成分）が重畳される。ノイズ成分が多いと、照射されるレーザ光のエネルギー密度を制御しにくくなる。したがって、例えば５μｍ程度の微細な凸部を形成するためにファイバレーザを用いることは、実用上困難であり、かつ、不適当であると思われていた。
【００３８】
このような技術常識に対し、本願発明者は、ファイバレーザを敢えて用い、半導体ウェハ上に微細な凸部を形成することについて鋭意研究を行った。その結果、パルスレーザ光を用いるとともに、主パルスに対する高周波ノイズ（重畳パルス）の振幅比や、重畳パルスの周波数を適切に設定することで、従来の固体レーザを用いた場合に比べて、より視認性に優れたドットマークを安定して形成できることを見出した。
【００３９】
一般に、固体レーザから出力されるレーザ光も、上記重畳パルスに相当する高周波成分を有することがある。しかしながら、主パルスに対する重畳パルスの振幅比は、例えば１０％程度と小さく、またその周波数は数１０ＭＨｚ程度と低い。この場合には、残留固形物が発生しやすく、均一な溶融プールを作製することが困難である。十分に高い周波数を有する重畳パルスを得るには、共振器長を長くしなければならない。しかし、固体レーザやガスレーザでは、十分な長さ（数ｍ以上）の共振器長を得るために巨大な設備が必要となり現実的でない。これに対し、ファイバレーザであれば、ファイバ内のレーザ媒質を選ぶことにより低損失な共振器が得られるため、長い共振器長を容易に得ることができる。適切な共振器長を持つファイバレーザを用いれば、例えば１ＧＨｚを超える最高周波数をもつ重畳パルスを発生させることができる。
【００４０】
ただし、ファイバレーザを使用する場合には、レーザ活性物質の物性的制限により、出力されるレーザ光の波長が限定される。例えば、シリコンウェハにマーキングを行う場合、５３０ｎｍ近傍のレーザ光をウェハに照射することが好ましい。しかし、ファイバレーザ単体では、このような波長のレーザ光を得ることは困難である。
【００４１】
本願発明者は、シリコンウェハ等に視認性に優れたドットマークを形成するために、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせて用いることにした。波長変換素子としては、例えば、入力光の半分の波長の光を出力する第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を利用することができる。
【００４２】
ただし、第２高調波や第３高調波などを利用するように構成された波長変換素子には、単一偏光を入射させる必要がある。一方で、通常、ファイバレーザの出力光は非偏光である。このため、ファイバレーザからの出力光を波長変換素子によって波長変換するための技術が必要である。光路に偏光子を挿入すると、単一偏光を得ることはできるが、光の利用効率が低下する。そこで、本願発明者は、偏光子を用いることなく単一偏光を出力することができるファイバレーザを作製し、これを用いることにした。このようなファイバレーザは、例えば、レーザ活性物質を含む偏波保存（または偏波保持）ファイバの両端に、所定のグレーティングファイバを適切に接続することで作製することができる。単一偏光を出射することができるファイバレーザの詳細については後述する。
【００４３】
このようにして、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせて使用し、かつ、適切な重畳パルスを含む波形を有するパルスレーザ光を照射することで、例えばシリコンウェハなどの材料に対して、ドットマークを構成する微細な凸部を比較的容易に形成することが可能になった。
【００４４】
以下、本発明の実施形態におけるレーザマーキング方法の原理を説明する。
【００４５】
図３は、本実施形態のレーザ光源から出力されるレーザ光の出力波形を示す。グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は光の強度を示す。図示するように、出力されるレーザ光は、主パルスに対し、多数の高周波ノイズ（重畳パルス）が重畳された波形を有している。主パルスのパルス幅Δｔａは、１００パルス程度のレーザ出力波形の半値全幅の平均値として規定され、例えば図に示すように１００ｎｓに設定される。
【００４６】
１つの主パルスに対して、重畳パルスは、所定数を超えるように多数が重畳されることが好ましい。例えば、パルス幅１００ｎｓの主パルスに対して、１００以上の重畳パルスが重畳されるように、重畳パルスの周波数は１ＧＨｚ以上に設定される。また、主パルスのピーク出力（振幅）Ａに対する重畳パルスのピーク出力Ｂの比として定義される振幅比Ｂ／Ａは、例えば、１４０％以上、好ましくは１５０％以上に設定される。重畳パルスの周波数および振幅比Ｂ／Ａを制御する方法については後述する。
【００４７】
なお、重畳パルスの振幅Ｂは、各重畳パルスのレーザ出力波形のピークとして、例えば図３に示すように測定される。すなわち、重畳パルスの振幅Ｂは、実際に半導体表面に照射されるパルスレーザ光の波形における、主パルスと重畳パルスとを含む出力の最大値（ピーク）として規定される。
【００４８】
図４は、図３に示す出力波形を有するレーザ光２００をシリコンウェハ上に照射したときに形成される溶融プール２０２の状態を模式的に示す。
【００４９】
溶融初期の固相から液相へ相変化する過程では、溶融した液体部分と溶融しない固体部分（残留固形物）とが混在する。この残留固形物は、融解したシリコンより比重が軽いので、熱対流により、溶融プールの表面に向かって上昇する。
【００５０】
この過程では、投入されたエネルギーは固相から液相への相変化エネルギーとして利用されるため、安定な温度状態となる。ところが、残留固形物は、この温度ではシリコンの他の部分より溶融し難い構造を持つ。そのため、上述の相変化過程において、単にエネルギーを外部から与えるだけでは、残留固形物が融解しない。
【００５１】
しかし、基本となるレーザパルス（主パルス）に対して、十分に周波数の高い、例えば１ＧＨｚ以上のレーザパルスを重畳させることで、この固形部を容易に溶融することができる。図３に示したような重畳パルスを含むレーザ光を照射することで、残留固形物がない溶融プール２０２を短時間で形成することができる。
【００５２】
ここで、重要なのは、主パルスに対する重畳パルスの振幅比である。また、重畳パルスの最高周波数も重要である。なお、重畳パルスは、周波数が互いに異なる複数のパルス（周波数成分）を含んでいる。したがって、重畳パルスの周波数は、正確には所定の周波数幅で規定される。本明細書では、重畳パルスの有する周波数成分のうちの最高のものを重畳パルスの最高周波数と呼んでいる。
【００５３】
以下、主パルスに対する重畳パルスの振幅比および重畳パルスの最高周波数と、形成される凸状ドットの高さとの関係について説明する。
【００５４】
図３を参照して説明したように、主パルスに対する重畳パルスの振幅比（パルス振幅比）は、主パルスの振幅をＡとし、重畳パルスの振幅をＢとすると、Ｂ／Ａで表される。また、主パルスのパルス幅が１００ｎｓ程度の場合において、重畳パルスの最高周波数は、好適には１ＧＨｚ以上に設定される。
【００５５】
図５に、パルス振幅比Ｂ／Ａとドットの高さとの関係を示す。なお、図５に示す例では、パルス振幅比の影響を観察しやすくするために、低いパワー密度（２Ｊ／ｃｍ2）のレーザ光を照射することによって凸状のドットを形成している。
【００５６】
図５のグラフからわかるように、振幅比Ｂ／Ａが１３０％以下の場合（すなわち、重畳パルスの振幅が比較的小さい場合）、形成される凸状ドットの高さは約０．１μｍ以下と低いものとなった。また、振幅比Ｂ／Ａが１５０％を超えると、形成されるドット高さは０．５μｍを超え、ドット高さがほぼ一定になっている。
【００５７】
これは、振幅比Ｂ／Ａが比較的小さい場合（ここでは、１３０％以下）には、溶融プール内の固形部分が多く残存するのに対し、所定の振幅比Ｂ／Ａを超える場合（ここでは、１５０％）には、溶融プール内の固形部分が無くなり、均一な溶融プールが形成されたからであると考えられる。
【００５８】
なお、図５には、パルス振幅比が１５０％以上の場合にドット高さが０．５μｍを超える例を示したが、本発明はこの例に限られないことは言うまでもない。適切なドットを得るために好適なパルス振幅比は、照射されるレーザ光のパワー密度等に応じて適宜選択される。また、十分な視認性を得られるのであれば、ドットの高さは０．５μｍ以上に限られず、０．５μｍより低くても良い。
【００５９】
重要なのは、所望の高さや形状を有する視認性の向上した凸状ドットを形成するために、重畳パルスの振幅の大きさを、主パルスの振幅の大きさに対して相対的に調節するという点である。
【００６０】
次に、重畳パルスの最高周波数がドット形状に与える影響について説明する。主パルスのパルス幅Δｔａが１００ｎ秒の場合において、重畳パルスの最高周波数を１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚに設定したときには、十分なドット高さを得ることが出来なかった。これは、主パルスに対する重畳パルスの数が十分でないために、溶融プールが適切に形成されず、その結果、所望の形状のドットが形成されなかったものと考えられる。一方、主パルスのパルス幅が１００ｎ秒の場合に、最高周波数を１ＧＨｚ以上にすると、良好な高さのドットが得られた。
【００６１】
ただし、本発明において、重畳パルスの最高周波数は１ＧＨｚ以上に限定されるものではなく、主パルスのパルス幅等に応じて適切に設定され得る。最高周波数は、５００ＭＨｚ以上であることが好ましく、さらに好ましくは１ＧＨｚ以上である。
【００６２】
このように、主パルスと複数の重畳パルスとを含むレーザ光を照射する場合に、主パルスの振幅に対する重畳パルスの振幅（振幅比）および重畳パルスの最高周波数を適切に選択することで、所望の形状・高さを有する好適なドットを形成することが可能である。重畳パルスの振幅および周波数は、主パルスの振幅およびパルス幅に基づいて規定されることが好ましい。主パルスに対して、重畳パルスの振幅および周波数を相対的に設定することで、微細な凸部を適切に形成することができる。
【００６３】
（実施形態１）
以下、図６（ａ）および（ｂ）を参照しながら、実施形態１のレーザ光源１００を用いたマーキング装置１０を説明する。
【００６４】
図６（ａ）に示すように、マーキング装置１０は、レーザ光源１００、スキャンミラー１０８およびステージ１０９を備える。レーザ光源１００から出射（出力）されるレーザ光１１３は、スキャンミラー１０８を介して、ステージ１０９上に載置された半導体ウェハ１１０上に照射される。これによって、半導体ウェハ１１０上に、微細な凸状のドットが形成される。なお、図６（ａ）において、半導体ウェハ１１０は、四角形の板で示されているが、円形の板であっても良いことは言うまでもない。また、ここでは、半導体ウェハ１１０を加工（マーキング）対象物としているが、加工対象物は半導体チップであってもよい。
【００６５】
また、レーザ光源１００は、ＬＤ用電源１０２、励起用ＬＤ（励起半導体レーザ）１０４、およびレーザ共振器１５０を備える。このレーザ共振器１５０は、ダブルクラッドファイバ１０７と、その両端に設けられたファイバグレーティング１０５、１０６とによって構成されている。
【００６６】
ダブルクラッドファイバ１０７としては、例えば、コア部分に希土類としてＹｂがドープされたダブルクラッド偏波保持ファイバを用いることができる。ファイバ長は、例えば１６ｍである。
【００６７】
レーザ活性物質としてＹｂを含む場合、１０５０〜１１７０ｎｍまでの基本波光１０３を任意に発振することが可能である。なお、本実施の形態ではＹｂドープのファイバを用いたが、ファイバに添加するレーザ活性物質としては、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏなどの希土類や、これらを混合した添加物をドープしたファイバでも良い。ドープする希土類を変えることで発振波長を任意に選択することができる。
【００６８】
励起用ＬＤ１０４は、電源１０２により駆動される。電源１０２から、パルス状に変調された駆動電流を励起用ＬＤ１０４に印加することによって、励起用ＬＤ１０４からは例えば波長９１５ｎｍのパルス状の励起光が出力される。この励起光は、ファイバグレーティング１０５を介してダブルクラッドファイバ１０７内に入射され、ファイバ１０７のコア部分にドープされたレーザ活性物質を励起する。
【００６９】
ダブルクラッドファイバ１０７内で発生した光は、ファイバグレーティング１０５、１０６によって反射され、レーザ共振器１５０内を往復する内に増幅される。このようにして、レーザ共振器１５０から誘導放出によるレーザ光（以下、基本波１０３と呼ぶ場合がある）が発振される。所定のパルス状（矩形状）の波形をもつ励起光を用いた場合、基本波１０３は、パルスレーザ光となる。
【００７０】
レーザ光源１００は、さらに、基本波１０３が入力される波長変換素子１０１および波長変換素子１０１に関連付けられた温度コントローラ１１５と、波長変換素子１０１から出力されたレーザ光に対して設けられた減衰器１１４および集光レンズ１１２とを備える。
【００７１】
レーザ共振器１５０から出力された基本波１０３は、温度コントローラ１１５によって温度が制御される波長変換素子１０１によって、波長が半分である第２高調波１１３に変換される。波長変換素子１０１から出力された第２高調波１１３は、減衰器１１４で強度が調整された後、レンズ１１２によって集光される。さらに、スキャンミラー１０８とステージ１０９とを調節することにより、半導体ウェハ１１０の任意の位置に第２高調波１１３が照射される。このようにして半導体ウェハ１１０に対するマーキングが行われる。
【００７２】
本実施形態では、半導体ウェハ１１０として、シリコンウェハが用いられている。シリコンウェハに対してマーキングを行う際、照射するレーザ光の波長を適切に選択することが重要である。例えば、一般的に使用されるＹＡＧレーザでは、レーザ光（波長１０６４ｎｍ）のシリコンでの吸収率が低く、レーザ光がシリコン深部にまで到達するため、ドットの形状が大きくなる。したがって、直径５μｍ程度の微小なドットを形成することは困難である。また、紫外光（波長３５５ｎｍ）の場合は、シリコンでの吸収率が高く、表面近傍でのみ吸収されるため、溶融プールが形成できず、シリコン表面で蒸散が生じやすい。そのため、シリコンウェハに対してマーキングを行う場合には、レーザ波長は５３０ｎｍ近傍であることが好ましい。
【００７３】
本実施形態では、レーザ共振器１５０と波長変換素子１０１とを組み合わせて用いることで、約５３０ｎｍの波長を有するレーザ光を得ている。また、レーザ共振器１５０として光ファイバを用いて共振器長を長く設定することで、周波数が高く、かつ、振幅の大きい重畳パルスを主パルスに重畳させている。波長変換素子１５０は、主パルスと重畳パルスとの両方の波長を短くした第２高調波１１３を生成する。これをシリコンウェハに照射することにより、シリコンウェハ上に微細なドットを形成することが可能である。
【００７４】
波長変換素子１０１から出射される第２高調波１１３を用いてドットマーキングを行う際、上述のように波長変換素子１０１の温度は、温度コントローラ１１５によって制御されている。温度制御を行うことにより、波長変換素子１０１において適切な波長変換が行われる。以下、温度コントローラ１１５の詳細を説明する。
【００７５】
図６（ｂ）に示すように、温度コントローラ１１５は、ＳＨＧ素子１０１に対して熱的に接続された銅板１２１と、銅板１２１を介してＳＨＧ素子１０１に熱的に接続されたペルチェ素子１１７とを含む。ＳＨＧ素子１０１は、例えば、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープのＬｉＮｂＯ3またはＭｇドープのＬｉＴａＯ3などの分極反転結晶を用いて作製される。ＳＨＧ素子１０１の素子基板の温度を均一化するために、ＳＨＧ素子１０１は接着剤１２２によって銅板１２１に接着されている。ＳＨＧ素子１０１の温度は、銅板１２１を介してペルチェ素子１１５によって制御することができる。
【００７６】
銅板１２１を用いる理由としては、次のような点があげられる。まず、銅の熱伝導度が高いことから、銅板１２１を用いればＳＨＧ素子１０１の熱伝動性を高めることができる。したがって、ＳＨＧ素子１０１の温度均一性が向上する。また、ＳＨＧ素子１０１と銅板１２１との熱膨張係数が近いため、温度変化が生じた際に、熱膨張係数の違いによって生じる応力がＳＨＧ素子１０１に作用することが抑制される。熱膨張係数がより大きく異なるアルミニウムやＳＵＳ（ステンレス鋼）を用いた場合には、温度変化によってＳＨＧ素子１０１の変換効率が低下することが分かった。
【００７７】
また、ＳＨＧ素子１０１は、長さ方向（光の進行方向）に沿って高い屈折率均一性を有していることが好ましい。ＳＨＧ素子１０１内に温度分布や屈折率分布が発生すると変換効率が極端に低下する。また、ＳＨＧ素子１０１が高い尖塔値のパルス出力を発生する場合、ＳＨＧ素子１０１の内部でＳＨＧ光の吸収が増加する。このため、ＳＨＧ素子１０１における光の伝搬方向に沿って温度分布が生じ、変換効率が低下するという現象が観測された。銅板１２１は熱伝導度が高いため、銅板１２１を用いればＳＨＧ素子１０１での光吸収によって発生した温度分布が緩和され、高効率な変換特性を維持することができる。
【００７８】
また、ＳＨＧ素子１０１と銅板１２１とを接着する接着剤１２２は、高い電気的絶縁性を有していることが好ましい。ＳＨＧ素子１０１は焦電性を有しており、温度変化によって素子表面に電荷が発生する。ところが、焦電効果で発生した電荷の移動度の上昇によって、ＳＨＧ素子１０１での光の吸収が増大し、素子特性が劣化することが実験的に確認された。このため、ＳＨＧ素子１０１表面の絶縁性が重要であり、ＳＨＧ素子１０１と銅板１２１とを接着する接着剤１２２には、絶縁性の高い接着剤（例えば抵抗が１０10Ωｃｍ以上）を用いることが好ましい。尖塔値の高いパルス光を発生する場合、ピーク出力に依存する吸収が増大するため、ＳＨＧ光の吸収による温度上昇が発生する。このため、パルス発生用のＳＨＧ素子１０１を、熱伝導度の高い銅板１２１に接着することが有効であった。
【００７９】
以下、振幅比が大きい高周波数の重畳パルスを主パルスに重畳する方法について詳細に説明する。
【００８０】
（ビートノイズの複合干渉）
ビートノイズとは、縦モード間の干渉により発生する振幅ノイズである。ビートノイズをさらに複合的に干渉させることで、振幅の大きいノイズ成分を主パルスに重畳させることができる。以下、その原理を説明する。
【００８１】
一般のレーザは、発振モード内に複数の縦モードを有するマルチモード状態で発振している。この時の縦モード間隔ｄλは、次の（式１）で表される。
ｄλ＝λ2／Ｌ          （式１）
ここで、λはレーザ発振の中心波長、Ｌは共振器長である。これを周波数ｄｆで表すと、（式２）となる。
ｄｆ＝Ｃ／２Ｌ          （式２）
ここで、Ｃは光速である。
【００８２】
一般にレーザ光のスペクトル幅は、長さΔλで表す場合と周波数Δｆとで表す場合があり、両者の関係は、次の（式３）で表される。
Δｆ＝Δλ＊Ｃ／λ2          （式３）
【００８３】
以降の説明では、スペクトル幅を周波数の単位Δｆで表す。
【００８４】
レーザ光の発振スペクトルは、基本発振周波数ｆ0を中心として、一定のスペクトル幅Δｆａを有する。このスペクトル幅Δｆａの中に、間隔ｄｆをあけて複数の縦モードが存在する。発振スペクトル内の縦モードの数ｍは（式４）で表される。なお、発振スペクトル内とはスペクトル強度の半値全幅を意味する。
ｍ＝Δｆａ／ｄｆ          （式４）
【００８５】
複数の縦モードが存在すると、モード間の干渉によってビートノイズが発生する。ビートノイズは、異なる縦モード間の差の周波数で発生する。すなわち、ビートノイズの周波数ｆｂは、異なる２つの縦モードの周波数ｆ１とｆ２の差周波ｆｂ＝ｆ１−ｆ２の周波数成分を有する。ビートノイズが有する周波数成分のうち、最も小さい周波数は、隣接する縦モード間隔ｄｆに相当する。一方、ビートノイズの最高周波数は、レーザ光のスペクトル幅Δｆａに相当する。従って、ビートノイズはＣ／Ｌ〜Δｆａの周波数成分を有する。
【００８６】
一般の固体レーザにおいて、ビートノイズのＳ／Ｎ比は数％程度と小さい。ところが、ファイバレーザでは、通常のビートノイズが互いに複合干渉することで、振幅が増幅される。そのため、一般の固体レーザと比較すると、３０％程度と大きなＳ／Ｎ比を持つビートノイズが得られる。
【００８７】
ファイバレーザの場合、共振器長が長いため、縦モード間隔ｄｆは非常に狭くなる。例えば、共振器長１０ｍ、波長λ＝１μｍ、スペクトル幅Δｆａ＝３０ＧＨｚ（波長単位で１００ｐｍ）とすると、縦モード間隔ｄｆ＝０．０３ＧＨｚ（ｄλ＝０．１ｐｍ）となり、縦モード数ｍ＝１０００本がスペクトル幅Δｆａ内に存在する。
【００８８】
このとき、ビートノイズは、０．０３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの広い周波数範囲で存在する。１０００本の縦モードがそれぞれ干渉してビートノイズを形成するため、発生するビートノイズの周波数および位相は膨大な数となる。ビートノイズ間でさらに複合干渉を起こすことで振幅比の大きな（例えば１４０％程度）重畳パルスが発生する。
【００８９】
このように、多数の縦モードで発振するファイバレーザを用いれば、ビートノイズの複合干渉が生じることにより、最高周波数が高く、主パルスとの振幅比が大きい重畳パルスが得られる。また、複合干渉されたビートノイズの周波数は、干渉前のビートノイズの周波数成分に依存する。このため、重畳パルスの最高周波数は、ビートノイズの最高周波数であるレーザの発振スペクトル幅Δｆａとなる。
【００９０】
このようなビートノイズの複合干渉を十分に発生させるためには、ファイバレーザのファイバ長（共振器長）は、５ｍ以上であることが望ましい。また、さらに好ましくは１０ｍ以上である。
【００９１】
また、重畳パルスの周波数帯域の上限（最高周波数）を所望のレベル以上に高めるために、本実施形態では、図６（ａ）に示したレーザ共振器１５０においてファイバグレーティング１０５、１０６による反射光のスペクトル幅を広げている。
【００９２】
通常、波長変換素子１０１は、特定波長範囲にある光のみを変換することができる。このため、ファイバグレーティングによる反射光のスペクトル幅を狭くし、共振器１５０の発振波長域を狭く設定している。このようにすれば、波長変換素子１０１における波長変換効率を向上させることができる。
【００９３】
これに対し、本発明の実施形態では、所定の周波数を有する高周波ノイズ（重畳パルス）を生じやすくするために、ファイバグレーティング１０５、１０６を調整することによって、発振波長域を比較的広くしている。これにより、所望の形状を有する微細な凸部を比較的容易に形成することができる。
【００９４】
なお、ドープファイバを増幅器として使用し、種光をドープファイバで増幅する一般のパルス用ファイバレーザにおいては、次の理由で高周波の重畳パルスは発生しない。ドープファイバを増幅器として使用する場合、ドープファイバ両端に儲けたミラー構造からなるファイバ共振器構造を有さない。このため、ファイバ共振器で発生する多数の縦モードが発生せず、モード間干渉からなる高周波の重畳パルスは発生しない。
【００９５】
（利得スイッチの効果）
また、主パルスに対する重畳パルスの振幅比を高くするために、パルスレーザ光発生中に共振器の屈折率を大きく変化させることも有効である。このような屈折率変動を実現するために、以下に説明する利得スイッチによるパルスレーザ光発振を利用することができる。
【００９６】
以下、図７（ａ）〜（ｅ）を参照しながら、利得スイッチによるパルス光発生の原理について説明する。
【００９７】
図７（ａ）に示すように、共振器は、Ｙｂドープファイバからなるレーザ媒質２２と、ミラーとして機能するファイバグレーティング２４、２５とを備える。ファイバの一方の端部から励起光２１がその内部に入射される。励起光２１は、例えば、半導体レーザ装置（ＬＤ）などの励起光源から出力された波長９１５ｎｍのレーザ光である。
【００９８】
図７（ｂ）は、励起光２１の強度の時間変化を示す。縦軸は励起光強度、横軸は時間である。また、図７（ｃ）には、レーザ媒質２２内部に蓄積されるエネルギーの時間変化を示す。
【００９９】
図７（ｂ）に示すように、矩形状の波形を有するパルス状の励起光をファイバに入力すると、図７（ｃ）に示すように、時間とともにレーザ媒質の内部エネルギーが増大する。レーザ媒質の励起が進むと、内部エネルギーは、レーザ発振レベルＬＶを超えて過飽和状態となる。
【０１００】
ファイバ内で蓄積されたエネルギーがレーザ発振の閾値ＬＶを超えた状態において、突然レーザ発振が始まる。このとき、過飽和状態で蓄積されたエネルギーが一度に放出されるため、図７（ｄ）に示すようにパルス光が発生する。このとき、共振器内部では、反転分布状態において蓄積されていたエネルギーが一度に放出される。これが、本実施形態における利得スイッチによるパルス光発生の原理である。なお、本実施形態では、共振器からパルス光が出力されるのとほぼ同時に、共振器への入射が止まるように励起光が制御されている（図７（ｂ）参照）。
【０１０１】
発明者は、利得スイッチによるパルス光発生中に、レーザ媒質における内部エネルギー状態が大きく変動することに着目した。内部エネルギーは、励起した電子が形成する反転分布状態における励起状態密度の増加に応じて増加する。利得スイッチによりレーザ発振を行う場合、図７（ｃ）に示すように、反転分布が過飽和状態からほぼゼロに近い状態まで、急激に変化する。このとき、反転分布状態が大きく変化することによって、図７（ｅ）に示すように共振器の屈折率が変化する。図７（ｅ）からわかるように、レーザ発振が行われたタイミングで、共振器内部で屈折率は急激に大きく変化する。
【０１０２】
このようにして生じる共振器内部の高速な屈折率変動によって、以下に説明する縦モードの縮退が生じる。これにより、振幅比が、より大きい重畳パルス（例えば振幅比１５０％以上）を得ることができる。
【０１０３】
（縦モードの縮退（結合））
以上に説明したように、利得スイッチを用いたパルス光発振によって、共振器の屈折率は急激に変化する。このとき、共振器の実効的な共振器長が変化する。また、共振器の内部あるいは外部の温度の変化によっても実効的な共振器長は変化する。ここでいう実効的な共振器長とは、温度等によって変化する実際の共振器の長さや、屈折率変動によって変化する共振器内の光学的距離（光路長）を意味する。この実効的な共振器長が変化することで、共振器から出力されるレーザ光の性質も変化し得る。
【０１０４】
実効的な共振器長が変化すると、縦モードの縮退が生じる。縦モードの縮退とは、外乱によって縦モードの周波数シフトが発生し、隣接する縦モード間で結合が生じることを意味する。縦モードの縮退が生じると、縦モードの振幅変動が増大する。
【０１０５】
以下、実効的な共振器長が変化する場合に生じる縦モードの縮退（結合）についてより詳細に説明する。
【０１０６】
共振器の外部または内部の温度変化によって実効的な共振器長が変動することがある。また、上記の屈折率変動が生じたときにも実効的な共振器長は変動する。このとき、共振器長の変化によってドップラー効果が生じ、光の周波数をシフトさせる。この周波数シフトの大きさが縦モード間隔より大きくなると、縦モード間で周波数が一致することがあり、縦モードの縮退が生じる。
【０１０７】
縦モード間で縮退が発生すると、異なる縦モード間での結合が生じる。縦モード間でエネルギーの結合が発生すると、縦モードで発振する光の振幅が大きくなる。この結果、重畳パルスの振幅比が増大する。
【０１０８】
縦モード間の縮退が発生する条件は、ドップラー効果による周波数シフトが、縦モード間隔ｄｆより大きくなることである。この条件を式で表すと、ドップラー効果による周波数シフト（ΔｎＬ／Δｔ）／λおよび（式２）より、次の（式５）の関係が導かれる。
（ΔｎＬ／Δｔ）／λ＞Ｃ／Ｌ          （式５）
これを簡単にすると、次の（式６）となる。
Δｎ／Δｔ＞λＣ／Ｌ2          （式６）
ここで、Δｎは屈折率変化、λは波長、Ｃは光速、Ｌは共振器長である。
【０１０９】
この関係式より、縦モードの縮退を起こすためには、共振器内部の屈折率変化Δｎを大きくし、共振器長Ｌを長くすればよいことが分かる。従って、共振器長の長いファイバレーザにおいて、利得スイッチによる大きな屈折率変化を発生させれば、縦モード間の縮退を容易に生じさせることができる。
【０１１０】
このようにファイバレーザと利得スイッチとを組み合わせると、ビートノイズ間の複合干渉に加えて、縦モード間の縮退が生じることにより、振幅比の大きな重畳パルスを発生させることができる。縦モード間の縮退を生じさせるためには、狭い縦モード間隔と多数の縦モードとが必要である。したがって、縦モード間隔は１ｐｍ以下が好ましく、縦モード数は１００個以上が好ましい。この条件を満足するためには、共振器長を５ｍ以上に設定することが適切である。ファイバレーザを用いれば、長い共振器長を容易に実現することができる。
【０１１１】
なお、一般の固体レーザに利得スイッチを組み合わせたとしても、次の理由で、振幅比の大きい重畳パルスは発生しない。固体レーザの場合、共振器長が０．１ｍ程度である。主パルスの波長を１μｍ、Δλｆを１００ｐｍとすると、ｄλは１０ｐｍ、ｄｆは３ＧＨｚ、縦モード数ｍは１０、ビートノイズの周波数は３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚとなる。このため、振幅比の大きい重畳パルスは発生しない。
【０１１２】
（素子温度の制御による振幅比の増加）
次に、ファイバレーザと波長変換素子（本実施形態ではＳＨＧ素子）との組み合わせにおいて、重畳パルスの振幅比を増加させる他の方法を説明する。
【０１１３】
本願発明者は、波長変換素子の変換光の振幅比が、波長変換素子の位相整合温度と、実際の波長変換素子の温度との差（位相整合温度ずれ）に依存することを見出した。これにより、波長変換素子の温度を制御することで、振幅比を増加させることが可能になった。ここで、位相整合温度とは、ＳＨＧ出力が最大となる素子の温度であり、ＳＨＧ用の非線形光学結晶の特性と、変換する波長、およびＳＨＧ素子に形成した分極反転構造の周期によって決定される。
【０１１４】
波長変換素子として、高調波を発生させる非線形光学結晶を用いる場合において、高調波の出力を高くするためには、非線形光学結晶における、入射された光に対する屈折率と、発生した高調波に対する屈折率とを一致させることが必要である（位相整合条件）。非線形光学結晶の屈折率を適切な状態に維持するためには、非線形光学結晶を所定の温度範囲に保持することが重要である。
【０１１５】
本実施形態では、素子温度を位相整合温度に一致させず、位相整合温度と異なる温度に保持することで、位相整合温度ずれを生じさせている。このことによって、主パルスに対する重畳パルスの振幅比を増加させることができる。以下、位相整合温度ずれによる振幅比への影響について説明する。
【０１１６】
上述のように、変換効率が最大となる最適条件（位相整合温度）と素子温度とが異なると、重畳パルスの振幅比が増加する。これは、ファイバレーザの重畳パルスが、強度変調とともに、波長変動を起こしていることを示している。重畳パルスの波長は、ファイバレーザのスペクトル幅Δｆａの波長範囲で変動する。素子温度が位相整合温度からずれると、ＳＨＧ出力の波長依存性が大きくなるため、パルス振幅比が増大するものと考えられる。
【０１１７】
重畳パルスは基本波の波長変動を伴うので、基本波出力の変動と同時に基本波波長の変動が生じる。基本波の波長が変動すると、波長変換効率が変動するため、ＳＨＧ出力の変動が生じる。この変動分が重畳パルスのパルス振幅に加わるため振幅率が増大する。位相整合温度近傍では、波長変動による出力変動は位相整合温度ズレと共に増大するため、重畳パルスの振幅比が位相整合温度ズレと共に増大する。
【０１１８】
図８は、位相整合温度ズレとパルス振幅比Ｂ／Ａとの関係を示す。また、位相整合温度ズレと、波長変換素子からの出射光の出力Ａとの関係を示す。横軸は位相整合温度が最適の状態を０℃として、位相整合温度の最適値からのズレを温度で表している。図８において、実線は振幅比を表し、破線は出射光（第２高調波）の出力を相対強度として表している。なお、図８には、波長変換素子の長さを２５ｍｍとし、波長１０６４ｎｍの基本波を５３２ｎｍの高調波に変換する場合が示されている。ここではスペクトル幅Δｆａを５．３ＧＨｚ（２０ｐｍ）とした。
【０１１９】
図６（ｂ）に示したように波長変換素子１０１の温度はペルチェ素子１１７によって制御可能である。ペルチェ素子１１７によりＳＨＧ素子１０１の温度を制御することで、図８に示したような、位相整合温度ズレ（位相整合温度と素子温度の差）と主パルスの出力Ａとの関係、および、位相整合温度ズレに対する主パルスと重畳パルスとの振幅比Ｂ／Ａの関係を求めた。位相整合温度ズレが大きくなると、波長変動に起因する高周波ノイズによって重畳パルスの振幅比が増大する。このため主パルスの振幅Ａは減少するが、振幅比Ｂ／Ａは位相整合温度ズレと共に増加する。
【０１２０】
図中に示した矢印の範囲Ｔは、出力の低下が許容できる範囲であり、かつ、所望の大きさの振幅比を有する重畳パルスが得られる範囲を示している。以下に、ペルチェ素子などを用いて波長変換素子の温度を位相整合温度からずらすときの温度範囲について説明する。
【０１２１】
図８からわかるように、位相整合温度の最適値からずれると振幅比Ｂ／Ａが増大する。０．１℃程度ずらすと、出力Ａの低下はほとんど発生せずに、振幅比Ｂ／Ａは１５０％を超え、０．５℃程度ずらすと出力Ａは半分程度になるが、振幅比Ｂ／Ａは１７０％に増大する。この結果は、実験で得られた位相整合温度と振幅比Ｂ／Ａとの関係に良く一致しており、位相整合温度を最適値からずらすことで、図８に示される振幅比Ｂ／Ａが得られた。
【０１２２】
より具体的には、位相整合温度ズレが０．１℃のときの変換効率の低下は約２％であり、重畳パルスの振幅比が安定的に約１５０％を超えることが確認された。変換効率の低下率が２％程度の場合には、共振器長の比較的に短いファイバレーザにおいてもドット形成が可能であった。ただし、低下率が５０％を超えると第２高調波の出力低下が激しく、出力の不安定性も大きくなるので、好ましくない。したがって、変換効率の低下が最大値の２％〜５０％になることが好ましい。より好ましくは、５％〜２０％の範囲である。
【０１２３】
（波長変換素子とファイバレーザとの組み合わせ）
波長変換素子とファイバレーザとを組み合わせて用いる場合、波長変換素子の特性と、ファイバレーザから出力されるレーザ光の主パルスおよび重畳パルスとは、所定の条件を満たすことが望ましい。本実施形態において、波長変換素子として、次に示す構成・特性を有するものを用いている。非線形光学材料：ＭｇドープのストイキオメトリックＬｉＴａＯ3、分極反転周期：８μｍ、基本波波長：１０６４ｎｍ、第２高調波波長：５３２ｎｍ、素子長：２６ｍｍ。ここで、波長変換素子の許容度Δｆｓとする。また、ファイバレーザの共振器長をＬ、発振されたレーザ光のスペクトル幅をΔｆａとする。
【０１２４】
図９に、利得スイッチにより発生するパルスレーザ光（基本波）の、波長変換素子における規格化変換効率と基本波のスペクトル幅Δｆａとの関係を示す。スペクトル幅Δｆａは、光スペクトルアナライザにより測定した基本波スペクトルの平均値である。
【０１２５】
図９からわかるように、基本波のスペクトル幅Δｆａが５．３ＧＨｚ（２０ｐｍ）以下の場合には、ほぼ一定の規格化変換効率が得られる。一方、５．３ＧＨｚを超えると変換効率が大きく低下し始め、１０ＧＨｚを超えると規格化変換効率は略半減する。
【０１２６】
利得スイッチにより発生させたパルス光の波長変換を行うとき、変換効率を低下させないためには、パルス光のスペクトル幅Δｆａが狭帯域であることが望ましい。これは、連続光の波長変換許容度（１０〜１７ＧＨｚ）に比べて半分以下の値である。したがって、利得スイッチによるパルス光を高効率に波長変換するためには、狭帯域スペクトルをもつ基本波を発振することができるレーザ光源が必要となる。
【０１２７】
ここで、波長変換素子の規格化変換効率が半分に低下する基本波のスペクトル幅を、波長変換素子の波長許容度Δｆｓとする。本明細書において、波長許容度Δｆｓは、波長変換効率が半分に低下するパルス波のスペクトル幅Δｆａに相当するものとする。
【０１２８】
ここでは、波長許容度Δｆｓは１０．６ＧＨｚ（４０ｐｍに相当）である。これは、基本波のスペクトル幅Δｆａの平均値が１０．６ＧＨｚを超えると、波長変換素子で変換されないスペクトル成分が増大するため、変換効率の大幅な低下が発生することを意味する。従って、高効率変換を実現するためには、基本波の平均スペクトル幅Δｆａを波長許容度Δｆｓより狭くする必要がある。
【０１２９】
一方で、好適な振幅比を有する重畳パルスを得るためには、重畳パルスの最高周波数を１ＧＨｚ以上にすることが望ましい。ここで、前述したように、重畳パルスの最高周波数は、基本波（主パルス）のスペクトル幅Δｆａに対応する。
【０１３０】
従って、好適なΔｆａの範囲は、次の（式７）によって規定される。
Δｆｓ＞Δｆａ＞１ＧＨｚ        （式７）
【０１３１】
即ち、パルス出力のスペクトル幅Δｆａは、波長変換素子の波長許容度Δｆｓ＝１０．６ＧＨｚより小さく、かつ、周波数１ＧＨｚより大きい値が望ましい。また、波長変換素子の波長許容度Δｆｓは、１ＧＨｚより大きな値が望ましい。
【０１３２】
また、好適な重畳パルスを発生させるには、基本波のスペクトル内に、十分な縦モード数（１００以上）が必要である。その理由は、ビートノイズの複合共振を生じさせて重畳パルスの振幅比を大きくするためである。最低限必要とする縦モード数ｍを１００とした場合、スペクトル幅Δｆａは、Δｆａ＞１００・ｄｆを満たすことが好ましい。この条件式と（式２）とを用いて次の（式８）が導かれる。
Δｆｓ＞Δｆａ＞１００Ｃ／Ｌ        （式８）
【０１３３】
このように、ファイバレーザから出力されるパルスレーザ光のスペクトル幅Δｆａは、波長変換素子の波長許容度Δｆｓより小さく、かつ、所望の重畳パルス発生に必要な縦モード数ｍと縦モード間隔ｄｆの積より大きな値が望ましい。また、波長変換素子の波長許容度Δｆｓは、所望の重畳パルス発生に必要な縦モード数と縦モード間隔の積より大きな値が望ましい。
【０１３４】
波長変換素子の波長許容度Δｆｓは素子特性に依存する。また、所望の重畳パルスを得るために必要な縦モード数は、ファイバ共振器の設計やそれに使用されるレーザ活性物質により変化する。従って、予め、波長変換素子の波長許容度Δｆｓに適合するようにファイバ共振器の設計を行うことが好ましい。
【０１３５】
ファイバレーザから出射されるパルスレーザ光のスペクトル幅Δｆａは、グレーティングファイバの設計などによって決まる。図９のグラフからわかるように、ＳＨＧ素子の許容度Δｆｓは１０ＧＨｚ程度である。この値より（式８）からファイバレーザの共振器長を計算すると、共振器長Ｌは２．５ｍ以上が好ましいことがわかる。ファイバレーザの共振器長を５ｍ以上に設定することがさらに好ましい。
【０１３６】
ファイバレーザの共振器長を５ｍ以上に設定した場合、（式８）を満たすスペクトル幅Δｆａは５．３ＧＨｚ以下であり得る。すなわち、このような比較的スペクトル幅の狭い基本波を波長変換素子に入力した場合にも所望の重畳パルスが得られる。このことから、共振器長を５ｍ以上に設定し、スペクトル幅Δｆａを５．３ＧＨｚ以下に設定しても良く、この場合には、ＳＨＧ素子での規格化変換効率がほぼ低下しない（図９参照）という利点を有しながら適切な波形のパルスレーザ光が得られる。
【０１３７】
次に、スペクトル幅Δｆａの設定について説明する。スペクトル幅Δｆａはファイバレーザの発振スペクトル幅であり、ファイバレーザの共振器を構成する２つのグレーティングファイバのブラッグ反射スペクトルのうち、狭い方のスペクトルの幅によって決まる。図１０は、基本波の主パルスのピークパワーと、そのスペクトル幅との関係をグラフ（「■」のグラフ）で示す。同様に、基本波の主パルスのピークパワーと、ＳＨＧ光の主パルスのピークパワーとの関係を別のグラフ（「●」のグラフ）で示す。赤外光である基本波の主パルスのピークパワーに対して、変換されたＳＨＧ光の主パルスのピークパワーを左軸に、赤外光のスペクトル幅を右軸に表示する。
【０１３８】
このとき用いた、ファイバレーザは、共振器長が１６ｍであり、グレーティングファイバの反射スペクトル幅を３ＧＨｚで設計している。ファイバレーザはＹｂドープのファイバレーザであり、９１５ｎｍの励起光により利得スイッチパルスを発生した。
【０１３９】
この図から分かるように、ファイバレーザの発振光のスペクトル幅Δｆａ（■）は、出力パルスのピークパワーに依存して広がってくる。これは、ファイバレーザにおける自然発光成分の増大と、非線形現象による波長変換によるものである。このため、高効率な波長変換を行うためには、ＳＨＧ素子の波長許容度Δｆｓ（約１０ＧＨｚ）を考慮して、グレーティングファイバのブラック反射スペクトルの設計値を、５ＧＨｚ以下の値に設計するのが好ましい。さらに好ましくは３ＧＨｚ以下である。
【０１４０】
なお、グレーティングファイバのブラッグ反射の設計値とは、ファイバレーザ出力が１０Ｗ以下の領域で、非線形減少や自然発光成分の影響でファイバレーザの発振スペクトル幅の増大が生じない領域での反射スペクトル幅の値である。
【０１４１】
さらに、基本波ピークパワーの増大にともなうスペクトル幅の増加により、ＳＨＧ光のピークパワー（●）が飽和してくる。これは、図９に示したように、基本波のスペクトル幅Δｆａの増大により、規格化変換効率が低下するからである。規格化変換効率が低下すると基本波からＳＨＧ光への変換が減少し、ＳＨＧ光の出力飽和を起こす。図１０より基本波のスペクトル幅（■）が１１ＧＨｚ以上になると、ＳＨＧ出力（●）が減少を始める。この結果は、ＳＨＧ素子の波長許容度である１０．６ＧＨｚとほぼ一致する。
【０１４２】
基本波のピークパワーとＳＨＧ出力の関係から、基本波ピークパワーを適切に設定することが好ましい。基本波のピークパワーが１４０Ｗを超えるとＳＨＧ出力が低下するので、基本波出力は１４０Ｗ以下が好ましい。また、基本波の出力は重畳パルスとも関係する。重畳パルスと主パルスとの振幅比は、基本波の主パルスのピークパワーの増大とともに徐々に低下する。このため、基本波の主パルスのピークパワーが１６０Ｗを超えると、重畳パルスによるドットマーキングの凸部の高さが低下する場合がある。したがって、基本波の主パルスのピークパワーとしては１６０Ｗ以下にするのが好ましい。
【０１４３】
（単一偏光のレーザ光を発振するファイバレーザ）
以下、図１１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、単一偏光を出射するように構成された本実施形態のファイバレーザ３０の構成を説明する。
【０１４４】
図１１（ａ）は、単一偏光を出射するように作製されたファイバレーザ３０の構成図である。ファイバレーザ３０は、希土類がドープされた偏波保存の固体レーザファイバ２と、固体レーザファイバ２に沿って、所定の距離だけ互いに離されて設置された第１および第２のグレーティングファイバ３、４とを備える。グレーティングファイバ３、４は、複屈折率をもつ偏波保存ファイバで構成されており、その断面構造を図１１（ｂ）に示す。
【０１４５】
図１１（ｂ）に示すように、光を伝搬するコア３２の側面においてコア３２に応力を付与する部分３４がコア３２を挟むように設けられている。応力付与部分３４によってコア３２は光弾性効果による複屈折を示す。複屈折を有するコア３２では、偏光軸が互いに直交する偏光のそれぞれで伝搬定数が異なる。図示するように、直交する偏光軸に対応してファーストモードとスローモードとの２つの偏波モードが存在する。ファーストモードとはファースト軸を伝搬する光の伝搬モードであり、スローモードとはスロー軸を伝搬する光の伝搬モードである。２つのモードのそれぞれで伝搬定数が異なるため、モード間でのエネルギーの結合が抑制される。このため、一方の偏光モードを励起すると他方の偏光モードに結合することなく、偏波が保存された状態でコア３２内を光が伝搬する。図１１（ｂ）に示したような構成を有する偏波保持ファイバは、ＰＡＮＤＡ（Ｐｏｌｉｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｒｅｄｕｃｉｎｇ）ファイバとして知られている。
【０１４６】
本実施形態におけるファイバレーザ３０の特徴は、第１、第２のグレーティングファイバ３、４の偏波モードの方向（ファースト軸およびスロー軸の方向）が互いに９０°異なるようにファイバ２に対して各々接合されている点である。このように両端のグレーティングファイバ（ファイバブラッググレーティングまたはＦＢＧ）３、４で偏波モードを直交配置させた場合、第１のグレーティングファイバ３のファースト軸を伝搬する光は、第２のグレーティングファイバ４のスロー軸を伝搬する。また、第１のグレーティングファイバ３のスロー軸を伝搬する光は、第２のグレーティングファイバ４のファースト軸を伝搬する。
【０１４７】
グレーティングファイバ３、４に用いられる偏波保存ファイバは偏光に応じて屈折率が異なるため、単一周期のグレーティングを形成した場合にも、ファーストモードとスローモードとではブラッグ反射波長が異なる。なお、ＦＢＧにおいて、ブラッグ条件を満たすことで反射される光の波長を、ブラッグ反射波長（またはブラッグ波長）と呼んでいる。
【０１４８】
一般に、ブラッグ反射波長（中心波長）λbは、λb＝２ｎΛ（ｎ：コアの実効屈折率、Λ：グレーティング周期）で規定される。第１のグレーティングファイバ３のファーストモードのブラッグ反射波長をλ１ｆ、スローモードのブラック反射波長をλ１ｓとし、第２のグレーティングファイバ４のファーストモード、スローモードのブラッグ反射波長をそれぞれλ２ｆ、λ２ｓとする。それぞれのグレーティングファイバにおいて、ファーストモードとスローモードのブラッグ波長の関係は、実効屈折率の違いにより、λ１ｓ＞λ１ｆ、λ２ｓ＞λ２ｆとなる。
【０１４９】
通常の偏波保存ファイバの場合、ファーストモードとスローモードとにおけるブラッグ反射波長の差は０．４ｎｍ程度である。第１のグレーティングファイバ３の反射率は１０％程度、第２のグレーティングファイバ４の反射率は９９％以上である。
【０１５０】
ここで、グレーティングファイバの周期Λをλ１ｆ＝λ２ｓとなるように設計すると、λ１ｓ＞λ１ｆ＝λ２ｓ＞λ２ｆという関係が得られる。また、グレーティングファイバの温度を制御することによっても、ブラッグ反射波長を変化させることが可能である。このことを利用し、所定の温度制御手段を設けてλ１ｆ＝λ２ｓとなるように設計してもよい。また、ファイバへの引っ張り応力を調整してブラッグ波長を可変し、λ１ｆ＝λ２ｓとなるように設計してもよい。
【０１５１】
この場合、λ１ｓ＞λ２ｆとなり、第１のグレーティングファイバ３のスローモードと第２のグレーティングファイバ４のファーストモードとを伝搬する偏光のブラッグ反射波長が異なる。したがって、本実施形態のように、一対のＦＢＧで偏光モードの方向を直交させている場合には、第１のグレーティングファイバ３のファーストモードと第２のグレーティングファイバ４のスローモードとを伝搬する偏光でのみ、ブラッグ反射波長が一致する。
【０１５２】
次に、本実施形態のファイバレーザ３０の動作原理を説明する。ポンプ光源１から出射された所定の波長λｐの光は、第２のグレーティングファイバ４を透過して固体レーザファイバ２に入射される。固体レーザファイバ２内で前記ポンプ光λｐは吸収され、希土類イオンを励起することで、固体レーザファイバ２は励起状態となる。さらに、固体レーザファイバ２と、第１および第２のグレーティングファイバ３、４とによって共振器構造が構成されているため、誘導放出による光増幅が生じ、励起状態の固体レーザファイバ２からレーザ発振が可能となる。
【０１５３】
このとき、本実施形態では、図１１（ｃ）に示すように、第１のグレーティングファイバ３のファーストモードのブラッグ波長λ１ｆと、第２のグレーティングファイバ４のスローモードのブラッグ波長λ２ｓとが一致するように設計されている。共振条件を満たすには、同一の偏光で、同一の反射波長を持ったミラー間で光を往復させる必要がある。本実施形態の構成では、共振条件を満足するのは、第２のグレーティングファイバ４のファーストモードと第１のグレーティングファイバ３のスローモードとを伝搬する偏光のみであり、もう一方の偏光では、共振条件が成立しない。この結果、単一偏光でのみレーザ発振が起こり、ポンプ光のエネルギーによって単一偏光のレーザ光がファイバから出力される。
【０１５４】
このような本実施形態の単一偏光ファイバレーザを用いて、利得スイッチによるパルス発振動作を行うことで、パルス出力の向上が可能となる。利得スイッチによるパルス発生は、共振器内部へのエネルギーの蓄積と放出により発生する。しかしながら、ファイバレーザの共振器長が長いため、共振器内部にロス（エネルギーが所望のレーザ光に変換されない部分）が存在すると、エネルギーが部分的に残留してパルス出力が小さくなる。ファイバレーザを単一偏光にする方法としては、ファイバ共振器内部に偏光素子を挿入する、いわゆるインライン型の構成も提案されているが、この方式を採用した場合、共振器内部のロスが大幅に増大するため、パルス出力が大幅に低下する。
【０１５５】
これに対して、上記に説明した本実施形態のファイバレーザでは、ファイバの融着のみで共振器が作製されているため、共振器ロスが極めて小さい。また、偏波保存ファイバにおける直交する偏光面をそれぞれ通過する偏光の結合においても屈折率差は非常に小さい（例えば１０-4以下）ため、結合損失はほとんど発生しない。このため、共振器ロスを低減することが可能となり、利得スイッチのパルス発振において１００Ｗを超える高出力のパルス発生が実現できた。
【０１５６】
ただし、本実施形態のファイバレーザを用いるだけでは、安定したＳＨＧ出力を得ることができない場合がある。本実施形態のように、偏波保存ファイバからなるＦＢＧを直交させることで単一偏光にする構成では、共振器ロスが小さく高出力のパルス光発生が可能である。しかしながら、ＳＨＧ素子によって上記の単一偏光を波長変換すると、ＳＨＧ出力の変動が大きいことが実験により確認された。
【０１５７】
この原因は、直交偏光のファイバ間の結合において、偏光成分がわずかに結合することにある。偏波保存ファイバ間の融着接合において、異なる偏光成分間の結合がわずかに存在する（例えば−２０ｄＢ以下）。ファイバレーザは長いレーザ媒質を有するため、不要な偏光成分までもがレーザ共振器内部で増幅され、波長変換に寄与しない偏光成分となって出力される。その大きさは数％〜１０％程度となる。さらに不要な偏光成分は、外乱やレーザの発振条件などで出力変動する。ファイバレーザ出力に含まれる不要な偏光成分が時間とともに変動すると、ファイバレーザの出力を一定に保つ制御を行っていても、波長変換素子により変換されたＳＨＧ出力は大きく変動する。ＳＨＧ出力の変動を測定した結果を、図１２（ａ）および（ｂ）に示す。
【０１５８】
図１２（ａ）は、本実施形態のファイバレーザを連続発振することによって得られたレーザ光を波長変換素子で変換したときのＳＨＧ出力の時間変化を測定した結果を示す。ファイバレーザからの出力を一定に保つ制御を行い、その光のＳＨＧ光を測定した。図１２（ａ）、（ｂ）は同じ平均出力の条件で、出力の時間変動を測定している。図１２（ａ）に示す、連続発振させたファイバレーザ出力のＳＨＧ光の出力特性は、高周波パルスが重畳されていないファイバレーザの出力のＳＨＧ光の出力特性と等価であると考えられる。図１２（ａ）に示すグラフは、レーザ発振の直後から測定したグラフを示しているが、出力変動は約１０％となった。出力変動はレーザ発振の開始時には大きく、数分から数時間の間、変動を続けた。
【０１５９】
これに対して、図１２（ｂ）は、高周波が重畳されたパルス光を波長変換することによって得られたＳＨＧ出力の時間変化を示す。すなわち、利得スイッチ動作によるパルス発振などを行うことによって、所定レベル以上の高周波パルスが主パルスに重畳されている場合を示している。このような本実施形態のファイバレーザの構成では、ＳＨＧ出力変動は２％以下に低減され、出力安定性が大幅に向上したことが確認できた。
【０１６０】
このように重畳パルスが適切に重畳された波形を有するレーザ光において、ＳＨＧ出力の変動が抑制された理由は、重畳パルスのパルスピークの大きさによるものと考えられる。重畳パルスのパルスピークの尖塔値が高いことで、非線形光学効果による波長変換の変換効率が飽和状態となる。このため、偏光成分の揺らぎに起因する、変換光であるＳＨＧ出力の変動が低減されたものと考えられる。さらに、高周波が重畳されたパルス発生によってファイバ内部を伝搬する光の状態が高速に変動するため、外乱による偏光の揺らぎが抑えられ、偏光成分の変動が小さくなったことも原因と考えられる。
【０１６１】
以上のことより、本実施形態のレーザ光源を用いれば、共振器ロスの発生を抑えつつ単一偏光を得ることができるため、利得パルスの出力の向上を図ることができる。また、単一偏光の構成によって発生した偏光揺らぎによるＳＨＧ出力変動を抑えることができる。
【０１６２】
なお、上記には偏波保存ファイバとしてＰＡＮＤＡファイバを用いた場合を説明したが、楕円コアファイバなど複屈折率を有するファイバであれば同様に使用できる。
【０１６３】
第２のグレーティングファイバ４としては、ダブルクラッドファイバが好ましい。ポンプ光源１との高い結合効率が実現でき、かつ固体レーザファイバー２に高出力のポンプ光を注入できるからである。
【０１６４】
（実施例および比較例）
本発明にかかるレーザマーキング装置（実施例）と従来のレーザマーキング装置（比較例）とを用い、照射するレーザ光のエネルギー密度を変えて、各々の装置により形成されるマーキングドットの形状を比較した。
【０１６５】
従来例（比較例）のレーザマーキング装置の光源は、半導体レーザ励起のＮｄ:ＹＶＯ4固体レーザ装置である。この固体レーザ装置を用いてＱスイッチによるパルス動作を行い、得られたパルスレーザ光を波長変換素子で第２高調波に波長変換している。共振器長は約１ｍで、パルス幅は９０ｎｓであり、レーザ出力を減衰器により出力調整した。一方、本実施例の光源としては、図６（ａ）に示したレーザ光源を用いた。出力されるレーザパルス光のパルス幅は約１００ｎｓである。
【０１６６】
加工対象物は、シリコンウェハである。形成するドットの径が９μｍφとなるようにマーキングを行った。ここで、凸状ドット高さ（凸部高さ）Ｚの定義を図１３を参照しながら説明する。図１３は、ドットが形成された半導体ウェハの断面図である。図１３からわかるように、半導体ウェハの加工面Ｓを基準として、加工面Ｓからドット中央の隆起した部分の最高点までの距離をドット高さＺとしている。また、ドット周辺部に形成された凹部と、フラットな加工面Ｓとの境界によってドット径Ｄｄを規定した。このドット径Ｄｄは、実際には、加工面に垂直な方向から観察したときの円形ドット（凹部を含む）の外周の直径である。
【０１６７】
図１４（ａ）は、半導体ウェハに照射したレーザ光の集光点でのエネルギー密度とドット高さＺとの関係、および微細デブリの発生状況を示す表である。図１４（ｂ）は図１４（ａ）の表のデータをグラフで示している。
【０１６８】
微細デブリは、ナノオーダのデブリであり、ＡＦＭにより観察される。図１４（ａ）からわかるように、微細デブリは、照射エネルギー密度が２Ｊ／ｃｍ2を超えると実施例、比較例ともに発生した。ここで、微細デブリを含めてデブリが全く発生しない状態を完全デブリフリーと呼ぶことにする。完全デブリフリーは、本発明、従来例ともに２Ｊ／ｃｍ2以下のエネルギー密度で実現できた。また、図１６に示すような突沸による大きなデブリは、エネルギー密度が７Ｊ／ｃｍ2を超えると発生した。
【０１６９】
まず、完全デブリフリーを実現する２Ｊ／ｃｍ2以下のエネルギー密度でレーザ光を照射する場合のドット形成について述べる。比較例では、完全デブリフリーの条件ではドットがほとんど形成されなかった。これに対し、実施例では、１〜２Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度範囲で、０．５μｍを超える高さの凸ドットを形成することができた。図１５（ａ）は、照射エネルギー密度２Ｊ／ｃｍ2で形成された実施例のドットのＡＦＭ像を示す。形成されたドットは、完全デブリフリーで、視認性が非常に高い。
【０１７０】
次に、エネルギー密度が２Ｊ／ｃｍ2より大きく７Ｊ／ｃｍ2以下の範囲におけるドット形成について説明する。この範囲では微細デブリが発生する。図１５（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、本実施例において照射エネルギー密度を２．５Ｊ／ｃｍ2、５Ｊ／ｃｍ2としたときの、微細なデブリが発生したドットを示す。図１５（ａ）〜（ｃ）からわかるように、エネルギー密度が増大するに従ってデブリの量が増えている。
【０１７１】
マーキングの用途によっては、微細なデブリを許容する場合もあり、図１５（ｂ）、（ｃ）に示したような実施例のドットはドットマークに使用し得る。しかしながら、図１４（ｂ）からわかるように、比較例のマーキング装置では、エネルギー密度が５J／ｃｍ2以下になると、ドット高さが０．３μｍ以下になり、視認性が著しく低下し、ドットマークとして利用できない。また、パワー密度（照射エネルギー密度）が７J／ｃｍ2以上では、図１６に示すようなドットの周辺に突沸による大きなデブリが見られた。これは、高いパワー密度のためシリコンの突沸や蒸散により溶融したシリコンが飛散し周辺部に大量に付着したものと思われる。
【０１７２】
以上のように比較例の方法では、視認性の高いドット形状が可能な条件は６Ｊ／ｃｍ2近傍に限られており非常に精密なパワー制御が必要となる。一方、実施例では、エネルギー密度１〜９Ｊ／ｃｍ2の範囲で凸部の高さが０．５μｍを超え、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、視認性の向上した凸状ドットが形成できた。
【０１７３】
以上の結果、本発明のレーザ光源を用いれば、１Ｊ／ｃｍ2以上、６Ｊ／ｃｍ2以下の広いエネルギー密度範囲で、デブリの少ない視認性の高い凸状ドット形成が可能となり、従来方法に比べてドット形成条件を大幅に緩和できた。さらに１Ｊ／ｃｍ2以上、２Ｊ／ｃｍ2以下のエネルギー密度の範囲で、従来難しかった完全デブリフリーのドット形成が可能となった。
【０１７４】
また、ウェハ直上から観察したドットのＡＦＭ像を図１７（ａ）および（ｂ）に示す。図１７（ａ）は、比較例のレーザマーキング装置で６Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度で形成したドットを示し、図１７（ｂ）は実施例のレーザマーキング装置により１．５Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度形成したドットを示す。
【０１７５】
比較例の方法で形成されたドットのドット径は約７．２μｍ、ドットの高さは０．８μｍ程度である。凸形状は左右非対称であり、円錐形状が歪んでいる。また、円錐形の表面に微小な凹凸が観測されている。凹凸の原因は、ドット形成時にできた結晶欠陥である。また微細なデブリが多数観察される。
【０１７６】
一方、実施例のレーザマーキング装置で形成されたドットは、その直径が約４μｍ、その高さは約０．５μｍである。ドット形状は理想的な円錐形状であり、対称性、側面の鏡面性に優れる。結晶欠陥による凹凸は観察されず、ドット表面も理想的な鏡面状態になっている。また、完全なデブリフリー状態が実現されている。このように、実施例のレーザマーキング装置を用いれば、従来に比べ、極めて視認性の高いドットマークを形成することができる。
【０１７７】
なお、以上には、本発明のレーザ光源を用いてドットマーキングを行う場合について詳細に説明したが、本発明はこれに限られず、半導体用のレーザ加工機に広く用いられ得る。本発明のレーザ光源は、形状の良い微細な凸部を半導体ウェハやチップ上に形成することが望まれる種々の用途に対して利用することができる。
【０１７８】
例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスを構成する部品の一部を形成するために利用することも考えられる。本発明によれば、半導体表面上に微細で対称性に優れた円錐状の凸部を形成することが可能であり、例えば、導電性の薄膜を凸部上に設けて、先端から電子を放出するエミッタあるいは電極として利用してもよい。また、このような精密な形状の円錐を樹脂等に転写して微細な凹部を多数有する光学部材を作製することも可能である。
【０１７９】
（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２にかかるレーザ光源を用いたマーキング装置３００を説明する。図１８は、微小ドットマークを形成するためのマーキング装置３００の構成を示す。図１８に示すように、マーキング装置３００は、駆動電源３０２、励起用レーザ光源３０４、Ｙｂドープのダブルクラッドファイバ３０７、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）３０５、３０６、ＳＨＧユニット３０１、ビーム整形ユニット３１２、液晶マスク３１４、ビームプロファイル変換手段３１６、レンズユニット３１８を備える。マーキング対象は、シリコンウェハ１１０である。
【０１８０】
本実施形態では、マーキング対象としてシリコンウェハ１１０を例示している。ただし、マーキング対象は、シリコンウェハ１１０に限られず、種々の半導体ウェハであり得る。マーキング対象は、シリコンウェハ１１０のみならず、表面に酸化膜や窒化膜が形成されたシリコンウェハであって良く、更にはエピタキシャル成長させた半導体ウェハ、ガリウム砒素、インジウムリン化合物などにより成膜された半導体ウェハなどであって良い。
【０１８１】
本実施形態では、ＳＨＧユニット３０１から出力されたグリーン光（ガウシアン形状のエネルギー密度分布）を、まずビーム整形ユニット３１２を通して、尖頭値がほぼ均一なトップハット型のエネルギー密度分布形状に成形する。こうしてエネルギー密度分布が均一に成形されたレーザ光は、次いで液晶マスク３１４の表面に照射される。
【０１８２】
液晶マスク３１４において、半導体ウェハ上に形成しようとする複数の凸状ドットマークのパターンに対応するように、液晶マスク３１４のドット（画素）毎に光透過状態と遮光状態とが制御される。液晶マスク３１４に照射されたレーザ光は、液晶マスク３１４上に表示されているマスクパターンにおける光透過状態のドット部分のみを透過する。このとき、液晶マスク３１４上のドット数が５×１０〜１０×１０個であり、ウェハ上に形成しようとする凸状ドット全体のドット数より少ない場合もある。この場合は、液晶マスクのパターンを変えて、所望の凸状ドットパターンがウェハ上に形成されるように、複数回に分けてレーザ光を照射することでドットマークを形成すれば良い。このとき、ウェハ又は照射位置を移動させることで、所望の位置に凸状ドットを形成することができる。このようにして、マーキング領域を分割する場合でも、１ドットずつマーキングする場合に比べて、マーキング時間を大幅に短縮できる。このような液晶マスクを用いた複数の凸状ドットの形成方法は、例えば、特許文献２に記載されている。
【０１８３】
本実施形態では、液晶マスク３１４を通過したドット単位のレーザ光を、ビームプロファイル変換器３１６で、適切なエネルギー密度分布を有するように制御する。ビームプロファイル変換器３１６は、液晶マスク３１４においてマトリクス状に配置された個々のドットに対応するようにマトリクス状に配列されており、ビーム品質の劣化を低減することが可能であり、形の良いドットを形成することができる。なお、液晶マスク３１４を通過させる前にビームプロファイル変換器３１６を通過させて、そのプロファイルを変換させるようにしてもよい。
【０１８４】
ビームプロファイル変換器３１６を通過したレーザ光はレンズユニット３１８により縮小投影され、半導体ウェハ１１０の表面の所定の位置に照射される。これによって液晶マスク３１４のマスクパターンに基づいて、その縮小されたパターンで、半導体ウェハ１１０の所望の場所にドットマーキングが行われる。ここで、ミクロン単位のマーキングを複数のウェハ表面に均一に形成しようとする場合には、そのマーキング面と集光レンズとの間の距離や光軸合わせをミクロン単位で調節すれば良い。
【０１８５】
本実施形態のレーザ光源３００は、ファイバレーザの利得スイッチを利用したパルスレーザ光をＳＨＧユニット３０１により緑色光に変換している。前述したように、本発明のレーザ光源から出力されるパルス光は、高周波の重畳パルスを有しているため、広いパワー密度範囲のパルスレーザ光で、安定して所望形状のドットを形成できる。このため、液晶マスクパターンを用いて一度に複数のドットマーキングを形成する際に、ドット間で照射エネルギー密度分布にバラツキが生じている場合にも、それぞれのドットを適切に形成することができる。従来の構成ではドット間の均一性を確保するために一度にマーキングするドットの数を１０×１０程度に制限していたが、本発明の構成を用いることで、光学系の簡素化、安定化が可能となり、２０×２０ドット以上の広い面積にドット形成が可能となる。
【０１８６】
また本発明のレーザ光源のもう一つの特徴は、従来のレーザ光源では難しい２Ｊ／ｃｍ2以下の低パワー密度において、完全デブリフリーの良好な凸ドットが形成できるという点である。液晶マスクを用いたドットマーキングで問題となるのが液晶マスクの劣化である。高パワーの光が液晶マスクに照射されると液晶が劣化し、頻繁にマスク交換が必要となる。これに対して、本発明のレーザ光源を用いることで照射パワーを約１／３に低減できるため、液晶マスクの寿命を２倍以上に増大することが可能となった。
【０１８７】
（実施形態３）
以下、本発明のレーザ光源を用いたシリコンレンズの凹凸加工方法について説明する。
【０１８８】
図１９（ａ）および（ｂ）は、本発明のレーザ光源を利用して微細な凹凸を有するように表面加工された、シリコン基板４０４上のフレネルレンズ４０２を示す。シリコンは波長1μｍ以上の近赤外から中赤外の光に対して透明で、光学材料として使われている。シリコンを加工してフレネルレンズとし、赤外線センサーや温度検知器などに利用されている。このフレネルレンズの反射防止構造として微細な凸形状が利用できる。光学素子あるいは光学部品の表面に、反射防止構造体と呼ばれる、非常に微細な錐状凹凸形状をアレイ状に配列した構造体を形成することで、広い波長範囲の光に対して反射防止膜として機能する。
【０１８９】
反射防止構造体とは、図１９（ｂ）に拡大して示すように、錐状凹凸形状４０６が入射光の波長以下のピッチ（例えば、赤外光であればミクロンピッチ）でアレイ状に並べられたものである。このような反射防止構造体を光学素子あるいは光学部品の表面に形成すると、表面の屈折率分布は、レンズの光軸方向に沿って非常に滑らかに変化するようになり、錐状凹凸形状の配列ピッチよりも長い波長の入射光は、ほとんど全て光学素子あるいは光学部品内部に進入する。したがって、光学素子あるいは光学部品の表面からの光の反射を防止することができる。
【０１９０】
また、入射光の入射角度が大きくなっても、反射防止効果はそれほど小さくならないという特徴を持つ。このように、光学素子または光学部品の表面に反射防止構造体を形成することで、反射防止膜での課題である波長依存性と入射角依存性とを解決できる。シリコンレンズの場合、入射される光の波長が１μｍ以上なので、反射防止構造体を構成する微細構造のサイズも１μｍ程度となる。本発明のレーザ光源により形成した凸部は鏡面形状でありシリコンレンズの反射防止構造体として利用できる。
【０１９１】
さらに、本発明のレーザ光源を用いて凸ドットを形成する場合、形成される凸ドットの高さの均一性が極めて高いため、高さの揃った多数の微細凸部を容易に作製することができる。そこで、均一な凸ドット高さを利用して、ＭＥＭＳの摩擦抵抗低を減少するためにこれらの凸ドットを用いることができる。シリコンで作製したＭＥＭＳの稼働部の接触面に凸部を均等に形成すれば、凸部によって接触面積が小さくなるので摩擦抵抗を低減できる。
【０１９２】
（実施形態４）
太陽電池の表面加工に本発明を適用することもできる。以下、実施形態４によるレーザ加工装置を用いた太陽電池の表面加工を説明する。
【０１９３】
太陽電池の高効率化技術としては、セル表面での反射率低減による太陽光の取り込み促進が非常に重要である。その方法としては、セル表面に形成した微小凹凸構造と反射防止膜とを組み合わせて用いることが一般的であり、様々なプロセスが考案され実用化されている。一般的な方法は、シリコン基板の表面にマスクパターンを形成し、ドライエッチングにより凹凸パターンを形成する方法である。典型的には、数μｍサイズの凹凸パターンがシリコン基板に形成される。しかしながら、例えば、プラズマエッチングによりセル表面の加工を行うと、プラズマパワーに応じて数１０〜数１００ｎｍ程度の表面ダメージが生じ、後段にウェットエッチングによるダメージ層除去プロセスが必要となる。また、エッチング工程が真空プロセスであるため、装置コストおよび真空引きに要する処理時間が余計に必要となるなどの問題を有していた。
【０１９４】
本実施形態では、ファイバレーザで構成されたレーザ光源を備えるレーザ加工装置を用いて、太陽電池の表面加工を行うことにより、このような問題を解決することができる。以下、図２０を参照しながら、本実施形態４に係る太陽電池の表面加工方法を説明する。
【０１９５】
図２０に示すように、実施形態４のレーザ加工装置５００は、駆動電源５０２、励起用レーザ光源５０４、Ｙｂドープのダブルクラッドファイバ５０７、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）５０５，５０６、ＳＨＧユニット５０１、ビーム整形ユニット５１２、ビームプロファイル変換手段５１４、レンズユニット５１６を備える。加工対象物は、シリコンウェハ１１０である。
【０１９６】
本実施形態では、太陽電池用のシリコンウェハ１１０を加工対象物として例示している。なお、本実施例にあってウェハとは、シリコンウェハのみならず、同ウェハ表面に酸化膜や窒化膜が形成されたもの、更にはエピタキシャル成長させた半導体ウェハ、ガリウム砒素、インジウムリン化合物などにより成膜された半導体ウェハ一般を総称するものである。
【０１９７】
本実施例にあっては、ＳＨＧユニット５０１から出力されたグリーン光（ガウシアン形状のエネルギー密度分布）を、まずビーム整形ユニット５１２を通して、尖頭値がほぼ均一なトップハット型のエネルギー密度分布形状に成形する。このようにしてエネルギー密度分布が均一に成形されたレーザ光は、ビームプロファイル変換手段５１４により複数のビームに分割される。さらにレンズユニット５１６により縮小投影されて、ウェハ１１０上に集光される。
【０１９８】
図２１（ａ）〜（ｃ）に、レーザ加工装置５００を用いた凹凸形成工程を示す。図２１（ａ）に示すように、まず、シリコンウェハ１１０の表面を清浄な状態に保つ。次に、図２１（ｂ）に示すように、大気中で図２０に示すレーザ加工装置５００からのレーザビーム５２０を照射する。これにより、図２１（ｃ）に示すように、シリコンウェハ１１０の表面が溶融固化する過程で表面に凹凸部５２２が形成される。
【０１９９】
このとき、ウェハ１１０に照射されるレーザ光の焦点は、ウェハ１１０上に形成する複数のドットに対応しており、ドット数は１００×１００程度である。一度に処理できる面積は０．５×０．５ｍｍ前後となる。この場合は、ドットパターンを複数に分割して、数回、レーザ照射プロセスを行うことで、ウェハ全体に凹凸加工を施す。ドット形成の速度は１００ｋＨｚ程度で、４インチウェハの面積を数秒で処理できる。このため、真空プロセスに比べて処理速度を大幅に向上できる。本実施形態４の方法では、真空プロセスを必要としないため、製造にかかるコストを削減することができる。また工程時間が短く、表面ダメージも発生しないため、製造プロセスにかかる時間を短縮することができる。
【０２００】
また、本実施形態のレーザ光源により凹凸加工を行う際には、シリコンの溶融および固化の過程を経るが、前述したように溶融プール内の残留固形物が非常に少ないため、溶融プールが固化する際の結晶欠陥の発生を抑圧できるという点である。
【０２０１】
太陽電池の場合、表面の結晶欠陥により特性が大幅に劣化する。このため、エッチングによるダメージ層の除去など複雑な工程を必要とする。これに対して、本発明のレーザ光源を用いることで結晶欠陥が大幅に低減し、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。さらに、多結晶シリコンを用いた場合にはその効果がより顕著になる。多結晶シリコンを用いた太陽電池は、安価に構成できるが、結晶欠陥が多いため、効率が低い。これに対して、本発明のレーザ光源による凹凸加工のプロセスを施すことで、表面の溶融固化工程において結晶欠陥の少ない大きな結晶粒を形成することが可能となる。これによって、太陽電池の効率を大幅に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０２】
本発明にかかるレーザ光源を用いてレーザマーキングを行えば、パルスレーザビームの照射により半導体材料の表面に生じる溶融プールを均一に形成することができる。これにより、視認性の高い微小ドットを形成することが出来る。そのため、半導体材料にＩＤを刻印するレーザマーキング装置に有用である。
【符号の説明】
【０２０３】
１０  レーザマーキング装置
１００  レーザ光源
１０１  波長変換素子
１０２  駆動電源
１０３  基本波
１０４  ポンプ用ＬＤ
１０５、１０６  ファイバグレーティング
１０７  ダブルクラッドファイバ
１０８  スキャンミラー
１０９  ステージ
１１０  半導体ウェハ
１１２  レンズ
１１３  第２高調波
１１４  減衰器
１１５  温度コントローラ
１５０  レーザ共振器
２０１  レーザ光
２０２  溶融プール
２０３  固化部分
２０４  残留固形物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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