(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象材を準備する工程と、
前記加工対象材にパルスレーザ光を照射することにより、前記加工対象材に改質領域を形成する工程とを備え、
前記パルスレーザ光は、種光である第１の光と、前記第１の光に起因する誘導ラマン散乱光からなる連続スペクトルを有する第２の光とを含み、
前記改質領域を形成する工程では、前記パルスレーザ光をレンズで集光することにより、前記第１の光及び前記第２の光の複数の焦点により構成される集光線が形成され、前記集光線の少なくとも一部が前記加工対象材の表面に位置するように、前記パルスレーザ光を前記加工対象材に照射し、前記集光線の軸線上に前記改質領域を形成する、レーザ加工方法。
【請求項２】
加工対象材を準備する工程と、
前記加工対象材にパルスレーザ光を照射することにより、前記加工対象材に改質領域を形成する工程とを備え、
前記パルスレーザ光は、種光である第１の光と、前記第１の光に起因する誘導ラマン散乱光からなる連続スペクトルを有する第２の光とを含み、
前記改質領域を形成する工程では、前記パルスレーザ光をレンズで集光することにより、前記第１の光及び前記第２の光の複数の焦点により構成される集光線が形成され、前記集光線全体が前記加工対象材の外部に位置するように、前記パルスレーザ光を前記加工対象材に照射し、前記集光線の軸線上に前記改質領域を形成する、レーザ加工方法。
【請求項３】
前記改質領域を形成する工程では、前記加工対象材の第１面から前記パルスレーザ光が入射されるとともに、前記加工対象材の厚み方向において前記第１面と反対側に位置する第２面側に前記改質領域が形成される、請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記加工対象材を準備する工程では、前記加工対象材において、前記第１面が鏡面加工され、かつ前記第２面が梨地加工されている、請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記第２の光は、５０ｎｍ以上の前記連続スペクトルを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記第１の光のパワーに対して、前記第２の光のパワーは１０％以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記加工対象材に前記パルスレーザ光を照射することは、種光源から出射されるレーザ光を増幅することによって前記第１の光を得ることを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記第１の光は、前記第１の光の波長成分のうち最も強度が高い第１のピーク波長を有し、
前記第２の光は、前記第２の光の波長成分のうち強度が局所的な極大値を示す１つ以上の局所ピーク波長を含み、
前記第１のピーク波長と前記１つ以上の局所ピーク波長との差の最大値は１００ｎｍ以上である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
加工対象材を準備する工程と、
前記加工対象材に第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光とを照射することにより、前記加工対象材に改質領域を形成する工程とを備え、
前記第１のパルスレーザ光は、第１の種光である第１の光と、前記第１の光に起因する誘導ラマン散乱光からなる５０ｎｍ以上の第１の連続スペクトルを有する第２の光とを含み、
前記第２のパルスレーザ光は、第２の種光である第３の光と、前記第３の光に起因する誘導ラマン散乱光からなる５０ｎｍ以上の第２の連続スペクトルを有する第４の光とを含み、
前記第１の光と前記第３の光とは、複数の離散的なスペクトルを構成し、
前記改質領域を形成する工程では、
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを集光手段で集光することにより、前記第１のパルスレーザ光に含まれる前記第１の光及び前記第２の光の集光部位が集光方向に沿って連続的に分布する第１の線状の集光領域として形成されるとともに、前記第２のパルスレーザ光に含まれる前記第３の光及び前記第４の光の集光部位が集光方向に沿って連続的に分布する第２の線状の集光領域として形成され、
前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを前記加工対象材に照射し、前記第１の線状の集光領域及び前記第２の線状の集光領域による前記改質領域を前記加工対象材の内部に形成する、レーザ加工方法。
【請求項１０】
前記第２の光のパワーは、前記第１の光のパワーに対し、１０％以上である、請求項９に記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記加工対象材に前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光とを照射することは、種光源から出射される第１のレーザ光と前記第１のレーザ光と異なる波長を有する第２のレーザ光とを増幅することによって、前記第１の光及び前記第３の光を得ることを含む、請求項９または１０に記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記第１の光は、前記第１の光の波長成分のうち最も強度が高い第１のピーク波長を有し、
前記第２の光は、前記第２の光の波長成分のうち、パワーが局所的な極大値を有する１つ以上の第１の局所ピークスペクトルを含み、
前記第１のピーク波長と前記１つ以上の第１の局所ピークスペクトルとの最大値が１００ｎｍ以上である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１３】
前記第１の光及び前記第３の光は、同期して前記加工対象材に照射される、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１４】
前記第２の光の前記第１の連続スペクトル及び前記第４の光の前記第２の連続スペクトルは、波長において互いに重なる、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１５】
前記改質領域を形成する工程では、前記第１の線状の集光領域と前記第２の線状の集光領域との一部あるいは全体が前記加工対象材の前記内部に位置するように、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光を前記加工対象材に照射する、請求項９〜１４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１６】
前記改質領域を形成する工程では、前記加工対象材の第１面から前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光が入射されるとともに、前記加工対象材の厚み方向において、前記第１面と反対側に位置する第２面に前記第１の線状の集光領域と前記第２の線状の集光領域との一部を設定し、前記改質領域が前記第２面から前記加工対象材の前記内部に亘って形成される、請求項９〜１５のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１７】
前記加工対象材を準備する工程では、前記第２面の表面粗さＲａ（ＪＩＳ規格）が０．１μｍ以上１．０μｍ以下となるように、前記第２面が非鏡面加工されている、請求項１６に記載のレーザ加工方法。
【請求項１８】
前記加工対象材を準備する工程では、前記加工対象材において、前記第１面が鏡面加工されている、請求項３、１６及び１７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１９】
前記加工対象材を準備する工程では、前記加工対象材において、前記鏡面加工された前記第１面上にエピタキシャル層が形成される、請求項４または１８に記載のレーザ加工方法。
【請求項２０】
前記改質領域を形成する工程は、ＣＷ成分の光を前記加工対象材に照射することを含む、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ加工方法に関し、より特定的には、加工対象物の切断または分割加工に利用されるレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加工対象物を切断するためにレーザ光を利用するレーザ加工方法が知られている（たとえば、特開２００２−１９２３７０号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）、特開２００２−２０５１８０号公報（以下、特許文献２と呼ぶ）、および特開２００８−６４９２号公報（以下、特許文献３と呼ぶ）参照）。
【０００３】
特許文献１では、ウェハ状の加工対象物の内部にレーザ光の集光点（焦点）が配置されるように、パルス幅が１μｓ以下のレーザ光を照射することで、加工対象物の内部に切断加工の起点となる改質領域を形成することが開示されている。また、特許文献２では、ウェハ状の加工対象物の内部にレーザ光の集光点（焦点）が配置されるように、パルス幅が１μｓ以下のレーザ光を照射するとともに、当該レーザ光の入射方向における集光点の位置を変更することで、加工対象物の内部に切断加工の起点となる改質領域を深さ方向において複数形成することが開示されている。また、特許文献３では、サファイア基板のレーザ光を用いた切断において、レーザ光の照射によるダメージを最小限にするため、フェムト秒領域の極めて短いパルス幅のレーザ光を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１９２３７０号公報
【特許文献２】特開２００２−２０５１８０号公報
【特許文献３】特開２００８−６４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した従来のレーザ加工方法においては、以下のような問題があった。すなわち、特許文献１に開示されたレーザ加工方法では、照射されるレーザ光は単一波長であり、加工対象物の内部の１点に集光されるため、加工対象物の厚み方向における改質領域の長さはあまり長くできない。そのため、切断加工を行うときに改質領域から進展する亀裂の方向などが一定にならない場合があり、結果的に切断端面の形状がばらつく場合があった。また、特許文献２に開示されたレーザ加工方法では、加工対象物の深さ方向において複数の改質領域を形成できるが、そのためにレーザ光照射を複数回実施する必要があり、加工プロセスの工程数が増えることで製造コストが上昇するという問題があった。また、特許文献３に開示されたレーザ加工方法では、フェムト秒領域の極めて短いパルス幅のレーザ光を用いるとしているが、このような極短パルス幅のレーザ光を工業的に利用することは装置コストやプロセスの安定性などの面から現実的ではない。
【０００６】
このように、従来はレーザ加工により加工対象物を切断する場合、短時間、ひいては低コストでかつ切断端面の形状を良好なものとすることは難しかった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、切断端面の形状が良好でコストの増大を抑制可能なレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に従ったレーザ加工方法は、加工対象材を準備する工程と、加工対象材にレーザ光を照射することにより、加工対象材に改質領域を形成する工程とを備える。改質領域を形成する工程では、連続スペクトルを有するパルス状のレーザ光をレンズで集光することにより、レーザ光の連続スペクトルを形成する所定バンド（所定の波長成分）の複数の焦点により構成される集光線が形成され、当該集光線の少なくとも一部が加工対象材の表面に位置するように、レーザ光を加工対象材に照射し、集光線の軸線上に改質領域を形成する。なお、ここで改質領域とは、加工対象材において周囲の組織と異なる組織を有する領域、あるいは強度が周囲の組織より低下している領域などを意味し、具体的には単結晶の中で非晶質や多結晶に変化した領域を意味する。また、集光線の軸線とは、集光線に沿った軸を意味し、集光線と重なる部分および集光線に沿って集光線の外側に延長した部分の両方を含む。
【０００９】
このようにすれば、連続スペクトルの波長成分が集光されることで集光線（集光点の集合）が形成されるので、加工対象材において当該集光線が位置する領域または集光線の軸線上に、レーザ光の照射方向（たとえば深さ方向）に長く伸びる改質領域を形成できる。そのため、当該改質領域を起点として加工対象材を切断するときに、予め一定の方向に長く伸びる改質領域が存在しているために切断端面の形状を安定して平坦化できる。また、レーザ光の照射方向に長く伸びる改質領域を、１回のレーザ照射により形成することができるので、レーザ照射を複数回繰り返すような場合に比べてプロセスのコストを低減できる。
【００１０】
この発明に従ったレーザ加工方法は、加工対象材を準備する工程と、加工対象材にパルス光のレーザ光を照射することにより、加工対象材に改質領域を形成する工程とを備える。改質領域を形成する工程では、５０ｎｍ以上のスペクトル領域を有する所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光手段で集光することにより、各パルスショット毎に、パルス光に含まれる各スペクトル成分の集光部位が、集光方向の直線上に所定の集光領域として形成される。レーザ光を加工対象材に照射することにより、当該直線上に集光領域による改質領域を加工対象材の内部に形成する。なお、上記各パルスショットとは、時間軸上の１パルスごとの照射パルス光を意味する。
【００１１】
また、この発明に従ったレーザ加工方法は、加工対象材を準備する工程と、加工対象材にパルス光のレーザ光を照射することにより、加工対象材に改質領域を形成する工程とを備える。改質領域を形成する工程では、５０ｎｍ以上の連続したスペクトル領域を含む所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光手段で集光することにより、各パルスショット毎に、パルス光に含まれる各スペクトル領域の集光部位が、集光方向に沿って線状に所定の集光領域として形成される。レーザ光を加工対象材に照射し、線状の集光領域による改質領域を加工対象材の内部に形成する。
【００１２】
このようにすれば、所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光することで、パルス光に含まれる各スペクトル成分の集光部位が集光方向の直線上または集光方向に沿った線状に集光領域として形成されるので、線状に延びる当該集光領域による改質領域を加工対象材の内部に形成することができる。そのため、当該改質領域を起点として加工対象材を切断するときに、予め一定の方向に長く伸びる改質領域が存在しているために切断端面の形状を安定して平坦化できる。また、レーザ光の集光方向に伸びる改質領域を、１回のレーザ照射により形成することができるので、レーザ照射を複数回繰り返すような場合に比べてプロセスのコストを低減できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、切断端面の形状が良好でかつコストの増大を抑制可能なレーザ加工方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるレーザ加工方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明によるレーザ加工方法において用いるＭＯＰＡ光源を示す模式図である。
【図３】図２に示したＭＯＰＡ光源から出力されるパルスレーザ光のスペクトルを示すグラフである。
【図４】図２に示したＭＯＰＡ光源から出力されるパルスレーザ光に含まれる波長成分の強度の時間変化を模式的に示すグラフである。
【図５】周期的に複数のパルスを発振する（マルチパルス化）場合と、単一のパルスを発振する場合とを模式的に示すグラフである。
【図６】レーザ光を加工対象材へ照射する光学系を示す斜視模式図である。
【図７】本発明によるレーザ光に含まれる各波長成分の焦点位置を説明するための模式図である。
【図８】図７に示した各波長成分についての波長と焦点位置のズレとの関係を示すグラフである。
【図９】集光されたレーザ光と加工対象材との位置関係の一例を示す模式図である。
【図１０】集光されたレーザ光と加工対象材との位置関係の一例を示す模式図である。
【図１１】集光されたレーザ光と加工対象材との位置関係の一例を示す模式図である。
【図１２】サファイア内部での改質領域の形成メカニズムを説明するための模式図である。
【図１３】サファイア内部での改質領域の形成メカニズムを説明するための模式図である。
【図１４】サファイア内部での改質領域の形成メカニズムを説明するための模式図である。
【図１５】サファイア内部での改質領域の形成メカニズムを説明するための模式図である。
【図１６】サファイア内部での改質領域の形成メカニズムを説明するための模式図である。
【図１７】サンプルに対してレーザ光を入射するときの入射面の状態による影響を説明するための模式図である。
【図１８】本発明によるレーザ加工方法のレーザ光走査方向とサンプルの破断強度との関係を説明するための模式図である。
【図１９】離散的なスペクトル光源の実施例の構成を説明するための模式図である。
【図２０】図１９に示した離散的なスペクトル光源により得られる光のスペクトルの概略を示す模式図である。
【図２１】光出力が平均化された光のスペクトルを示す模式図である。
【図２２】実験１の結果を示す顕微鏡写真を含む表である。
【図２３】条件１の試料における切断端面を示す顕微鏡写真である。
【図２４】条件５の試料の断面を示すＳＥＭ写真である。
【図２５】実験２の結果を示す顕微鏡写真を含む表である。
【図２６】条件４の試料の断面を示すＳＥＭ写真である。
【図２７】図２６の領域ＸＸＶＩＩを示す拡大ＳＥＭ写真である。
【図２８】図２６の領域ＸＸＶＩＩＩを示す拡大ＳＥＭ写真である。
【図２９】本実験例において用いたサンプルの概略断面模式図である。
【図３０】サンプルにレーザ光を照射した状態を示す模式図である。
【図３１】レーザ照射後のサンプル（サファイア基板）の断面写真である。
【図３２】図３１に示したＡ〜Ｅの場合のサンプルと焦点位置との関係を示す模式図である。
【図３３】形成された改質領域を説明するための模式図である。
【図３４】図３３に示したサンプルの断面を観察した結果を示す写真である。
【図３５】図３４に示したサンプルの断面の部分拡大写真である。
【図３６】図３４に示したサンプルの断面の部分拡大写真である。
【図３７】図３６に示したサンプルの断面の部分拡大写真である。
【図３８】図３６に示したサンプルの断面の部分拡大写真である。
【図３９】レーザ光の走査回数の影響を説明するための模式図である。
【図４０】本発明によるレーザ加工方法を用いて破断したサンプルの断面を観察した結果を示す写真である。
【図４１】図４０に示したサンプルの断面を観察した結果を示す写真である。
【図４２】図４０に示したサンプルの断面を観察した結果を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１６】
図１を参照して、本発明によるレーザ加工方法を説明する。
本発明によるレーザ加工方法では、まず加工対象材準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、レーザ加工を実施する対象である加工対象材としての半導体基板やその他の部材（たとえばサファイア基板）を所定の位置に配置する。たとえば、加工対象材をＸＹ平面方向に移動可能なＸＹステージ上に固定する。
【００１７】
次に、レーザ照射工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）においては、図２に示した本発明によるレーザ光源であるＭＯＰＡ光源１から得られたレーザ光を所定の焦点距離を有するレンズを用いて集光するとともに、加工対象材に照射する。図２に示したＭＯＰＡ光源１は、当該種光源１０から取得されたレーザ光を光ファイバ増幅部で増幅するＭＯＰＡ（Master  Oscillator  Power  Amplifier）構造を採用している。なお、図２に示したＭＯＰＡ光源１のより詳細な構成については後述する。
【００１８】
図２に示したＭＯＰＡ光源１から得られるレーザ光は、誘導ラマン散乱に起因して所定の範囲の波長成分を含む（連続スペクトルを有する）レーザ光となっている。このような連続スペクトルを有するレーザ光をレンズにより集光すると、レーザ光の波長によって焦点距離が異なることに起因して、レーザ光の焦点位置（集光点）は波長成分毎に異なる。つまり、集光点の集合体である集光線がレンズから離れる方向に（レーザ光の入射方向に沿って）線状に延びるように形成される。このような集光線が加工対象材の内部または加工対象材の表面と交差するようにあるいは加工対象材の外部に形成されるように、レーザ光を当該加工対象材に照射することにより、加工対象物において改質領域を形成することができる。
【００１９】
そして、レーザ光に対して加工対象材を相対的に移動させることにより、加工対象材中において、たとえば集光線が移動した領域にある程度の深さと幅とを持った改質領域を帯状に形成することができる。また、上述した改質領域が形成された加工対象材では、レーザ光を照射した表面には、レーザ光の照射に起因する溶融層などの損傷部はほとんど形成されず、比較的良好な表面状態を維持できる。なお、この帯状の改質領域を形成する工程のより具体的な内容については後述する。
【００２０】
次に、図１に示す後処理工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、加工対象材に対して応力を加えることにより、帯状の改質領域が形成された部分を起点として加工対象材を分割することができる。なお、応力を加える方法は従来周知の任意の方法を用いることができる。
【００２１】
上述した改質領域が形成された加工対象材では、分割された端面について大きな凹凸などもとくに形成されず、良好な表面性状を維持できる。
【００２２】
次に、図１に示したレーザ照射工程（Ｓ２０）の内容をより具体的に説明する。上記工程（Ｓ２０）において用いるレーザ光は、図２に示したＭＯＰＡ光源１から供給される。図２に示した本発明によるＭＯＰＡ光源１は、種光源１０、光アイソレータ２１〜２４、光カプラ３０、ＷＤＭフィルタ３１、３２、光コンバイナ３３、３４、増幅用光ファイバ４１〜４４、受動光ファイバ４５、バンドパスフィルタ５０、５１、エンドキャップ６０、および、励起光源９０、９３、９４ａ〜９４ｆを備える。なお、種光源１０や励起光源９０、９３、９４ａ〜９４ｆは図示しない制御部により制御されている。
【００２３】
種光源１０の出力側には、光ファイバを介して光アイソレータ２１が接続されている。光アイソレータ２１の出力側には光ファイバを介してＷＤＭフィルタ３１が接続されている。当該ＷＤＭフィルタ３１の入力側には、励起光源９０が光カプラ３０および光ファイバを介して接続されている。ＷＤＭフィルタ３１の出力側には増幅用光ファイバ４１が接続されている。増幅用光ファイバ４１の出力側には光アイソレータ２２が接続されている。光アイソレータ２２の出力側にはバンドパスフィルタ５０が接続されている。
【００２４】
バンドパスフィルタ５０の出力側にはＷＤＭフィルタ３２が接続されている。ＷＤＭフィルタ３２の入力側には、光ファイバと光カプラ３０を介して励起光源９０が接続されている。ＷＤＭフィルタ３２の出力側には増幅用光ファイバ４２が接続されている。増幅用光ファイバ４２の出力側にはバンドパスフィルタ５１が接続されている。バンドパスフィルタ５１の出力側には光アイソレータ２３が接続されている。光アイソレータ２３の出力側には光コンバイナ３３が接続されている。光コンバイナ３３の入力側には光ファイバを介して励起光源９３が接続されている。光コンバイナ３３の出力側には増幅用光ファイバ４３が接続されている。
【００２５】
増幅用光ファイバ４３の出力側には光アイソレータ２４が接続されている。光アイソレータ２４の出力側には光コンバイナ３４が接続されている。光コンバイナ３４の入力側には、光ファイバを介して励起光源９４ａ〜９４ｆが接続されている。光コンバイナ３４の出力側には増幅用光ファイバ４４が接続されている。増幅用光ファイバ４４の出力側には受動光ファイバ４５が接続されている。受動光ファイバ４５の出力側にはエンドキャップ６０が接続されている。
【００２６】
なお、光アイソレータ２１から増幅用光ファイバ４３までがプリアンプ部３を構成し、光アイソレータ２４から増幅用光ファイバ４４までがブースタアンプ部４を構成する。
【００２７】
種光源１０は、基本波のパルス光を発生させる。種光源１０は例えば半導体レーザにより構成される。たとえば、本発明において用いるＭＯＰＡ光源１では、たとえば１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下という高い繰返し周波数と、当該繰返し周波数に依存せずに一定のパルス幅を実現するため、０ｍＡ以上２００ｍＡ以下の範囲で直接パルス変調した１０６０ｎｍ帯のファブリペロー半導体レーザを種光源１０として用いることができる。なお、種光源１０は、パルス光およびＣＷ光のうち一方を選択的に出力するようにしてもよい。たとえば、図示しない制御部からの制御信号に応じて、種光源１０はパルス光およびＣＷ（Continuous  Wave）光のうち一方を選択的に出力することができるように構成されていてもよい。
【００２８】
光アイソレータ２１〜２４それぞれは、順方向に光を通過させるが、逆方向に向う光を遮断する。増幅用光ファイバ４１〜４４それぞれは、希土類元素が添加された光ファイバであって、励起光源９０、９３、９４ａ〜９４ｆの何れかから出力された励起光が光カプラ３０、ＷＤＭフィルタ３１、３２および光コンバイナ３３、３４の何れかを経て供給され、この励起光により希土類元素が励起されて、基本波の波長の光を光増幅することができる。励起光源９０、９３、９４ａ〜９４ｆそれぞれは例えば半導体レーザにより構成されてもよい。
【００２９】
バンドパスフィルタ５０は、増幅用光ファイバ４１から出力される光のうち基本波の波長の光を選択的に透過させて出力する。また、バンドパスフィルタ５１は、増幅用光ファイバ４２から出力される光のうち基本波の波長の光を選択的に透過させて出力する。受動光ファイバ４５は、増幅用光ファイバ４４から出力される基本波の光を入力して伝搬させ、この基本波の伝搬の際に誘導ラマン散乱を生じさせる。エンドキャップ６０は、受動光ファイバ４５の先端に設けられていて、受動光ファイバ４５から外部へ光を出射する。
【００３０】
このＭＯＰＡ光源１は以下のように動作する。励起光源９０から出力された励起光は光カプラ３０により２分岐され、２分岐された一方の励起光はＷＤＭフィルタ３１を経て増幅用光ファイバ４１に供給される。一方、２分岐された他方の励起光はＷＤＭフィルタ３２を経て増幅用光ファイバ４２に供給される。励起光源９３から出力された励起光は光コンバイナ３３を経て増幅用光ファイバ４３に供給される。また、励起光源９４ａ〜９４ｆそれぞれから出力された励起光は光コンバイナ３４を経て増幅用光ファイバ４４に供給される。
【００３１】
種光源１０から出力された基本波の光は、光アイソレータ２１およびＷＤＭフィルタ３１を経て増幅用光ファイバ４１に入力され、この増幅用光ファイバ４１において光増幅される。増幅用光ファイバ４１において光増幅されて出力された基本波の光は、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０およびＷＤＭフィルタ３２を経て増幅用光ファイバ４２に入力され、この増幅用光ファイバ４２において光増幅される。
【００３２】
増幅用光ファイバ４２において光増幅されて後、出力された基本波の光は、バンドパスフィルタ５１、光アイソレータ２３および光コンバイナ３３を経て増幅用光ファイバ４３に入力され、この増幅用光ファイバ４３において光増幅される。増幅用光ファイバ４３において光増幅されて出力された基本波の光は、光アイソレータ２４および光コンバイナ３４を経て増幅用光ファイバ４４に入力され、この増幅用光ファイバ４４において光増幅される。
【００３３】
４本の増幅用光ファイバ４１〜４４において光増幅された基本波の光は、受動光ファイバ４５の一端に入力されて、受動光ファイバ４５中を伝搬する。受動光ファイバ４５においては、基本波の伝搬の際に誘導ラマン散乱が生じる。受動光ファイバ４５の他端からは基本波の光および誘導ラマン散乱成分の光が出力される。
【００３４】
ここで受動光ファイバ４５は、増幅用光ファイバ４４と等しいコア径ならびにコアのＮＡを有する事が望ましい。これらファイバとしての寸法や特性が異なると、増幅用光ファイバ４４と受動光ファイバ４５との接続部において融着ロスが発生し、光損傷に繋がる可能性があるためである。
【００３５】
このＭＯＰＡ光源１においては、たとえば種光源１０が上述のように波長１０６０ｎｍ帯の光を基本波として出力する。また、増幅用光ファイバ４１〜４４それぞれは、Ｙｂ元素が添加された光ファイバ（ＹｂＤＦ）であることが好ましい。これらの増幅用光ファイバ４１〜４４は、たとえばそのコア径を１０μｍとすることができ、このようにすることで融着接続や収納が容易に行なえる。
【００３６】
なお、ＹｂＤＦは励起波長と被増幅光の波長が近く、ＹｂＤＦ内部での熱の発生が小さく抑えられるという利点を有し、産業用レーザ光源には好適である。
【００３７】
第１段の増幅用光ファイバ４１は、単一クラッドのＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍである。また、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。
【００３８】
第２段の増幅用光ファイバ４２は、単一クラッドのＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍである。また、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。
【００３９】
第３段の増幅用光ファイバ４３は、二重クラッドのリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦであり、Ｐ濃度が２６.４wt％であり、Ａｌ濃度が０.８wt％であり、コア径が１０μｍであり、第一クラッド径が１２５μｍ程度である。ただし、第一クラッドの断面形状は８角形である。さらに、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が１.８ｄＢ／ｍであり、長さが３ｍである。
【００４０】
第４段の増幅用光ファイバ４４は、二重クラッドのＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が１.５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２８μｍである。また、９１５ｎｍ帯励起光における非飽和吸収が８０ｄＢ／ｍであり、長さが３．５ｍである。
【００４１】
励起光源９０、９３、９４ａ〜９４ｆそれぞれから出力される励起光の波長は０.９７５μｍ帯である。また、励起光源９０から増幅用光ファイバ４１、４２に注入される励起パワーは２００ｍＷ（単一モード）である。また、励起光源９３から増幅用光ファイバ４３に注入される励起パワーは２Ｗ（マルチモード）である。また、励起光源９４ａ〜９４ｆから増幅用光ファイバ４４に注入される合計の励起パワーは２５Ｗである。励起光源９０の出力ファイバは、コア径が６μｍであり、ＮＡが０.１４である。励起光源９３、９４ａ〜９４ｆそれぞれの出力ファイバは、コア径が１０５μｍであり、ＮＡが０.２２である。
【００４２】
ここで、ＹＡＧやＹＶＯ4などの固体レーザにおいては、数十ｄＢに及ぶ高い利得が得られない。そのため、高い利得を得るためには図２に示したような多段増幅構成を有する光ファイバ増幅が好適である。なお、図２に示したようなファイバレーザは、光ファイバ中の非線形効果（たとえば誘導ラマン散乱：ＳＲＳなど）によって、パルスピークパワーに限界があることが指摘されている。
【００４３】
図２に示したＭＯＰＡ光源１により実現された、繰返し周波数が１ＭＨｚ、パルス幅が１３０ｐｓ、ファイバ出射端でのパルスピークパワーが５０ｋＷ以上というパルスレーザ光（光パルス出力）のスペクトルを図３に示す。図３においては、横軸がパルスレーザ光の波長であり、縦軸が光パワー（光出力）を示している。なお、横軸の波長の単位はｎｍであり、縦軸の光パワーの単位はｍＷ／０．５ｎｍである。なお、図３ではＳＲＳ成分の割合が異なる３種類のパルスレーザ光のスペクトルを示している。
【００４４】
図３からわかるように、図２に示したＭＯＰＡ光源１から得られるパルスレーザ光では、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）が顕著となっており、基本波長である波長１０５０ｎｍから、当該基本波長の光の３次ＳＲＳ成分の波長であると考えられる、波長が１２１９ｎｍという波長領域近辺までの広い範囲にレーザ光の波長が分布し、連続スペクトルを示している。なお、図３の波長領域７２で示す領域は、光出力の最大値を示す波長を含む領域である最大ピークスペクトル領域であり、波長領域７１で示す領域は、ＡＳＥ（自然放射増幅光（Amplified  Spontaneous  Emission））成分のスペクトルを示している。
【００４５】
なお、上述したＳＲＳ成分は、図４に示すように波長が１０５０ｎｍである基本波の成分と殆ど同期して発生するため、パルス幅を広げてしまうという効果は小さい。ここで、図４の横軸は時間を示し、縦軸は光パワーを示している。図４においては、上述したパルスレーザ光において基本波成分とＳＲＳ成分との光パワーの出力の時間経過を模式的に示している。
【００４６】
上述したパルスレーザ光（光パルス出力）のＳＲＳ成分の光パワーは、図２に示したＭＯＰＡ光源１から得られるパルスレーザ光の平均出力パワー、パルス幅、繰返し周波数などの条件を適宜調整することで制御可能である。また、このようなＳＲＳ成分の光パワーは、図５の下段のグラフに示すように種光源１０から入射するパルスレーザ光の波形をマルチパルス化するといった、特殊な波形を採用することによっても制御可能である。ここで、図５は、種光源での発生パルスのパターンを説明するための模式図であって、横軸が時間を示し、縦軸がパルスの光パワーを示している。図５においては、上下に２段のグラフが示されており、上段のグラフにおいては、１つのパルスが周期的に発生している状態を示している。一方、下段のグラフにおいては、周期的に２つのパルスが連続して発生している、いわゆるマルチパルス化したパルスレーザの波形を模式的に示している。
【００４７】
また、ＳＲＳ成分のパワーは、図２に示した４段目（最終段）の増幅用光ファイバ４４からエンドキャップ６０に至るデリバリファイバ（受動光ファイバ４５）の長さを変えることによってもある程度調整できる。
【００４８】
なお、図３に示したＡ〜Ｃのグラフのそれぞれについて、基本波のパワーとＳＲＳ成分の総合計のパワーとの比率は以下のとおりである。すなわち、グラフＡで示される条件においては、基本波のパワーとＳＲＳ成分の合計のパワーとの比は２：１である。また、グラフＢで示される条件における基本波のパワーとＳＲＳ成分の合計のパワーとの比率は１：１である。また、グラフＣで示される条件における基本波のパワーとＳＲＳ成分の合計のパワーとの比率は１０：１である。
【００４９】
なお、上述したグラフＡで示された条件は、加工対象材に届くレーザ光の平均パワーを８Ｗとし、繰返し周波数を１ＭＨｚ、パルス幅を２００ｐｓとしたものである。また、図３のグラフＢによって示された条件は、上記グラフＡの条件からパルス幅のみを１３０ｐｓと狭くした条件に対応する。また、図３のグラフＣによって示される条件は、グラフＡで示される条件から繰返し周波数を１００ｋＨｚに下げ、かつパルス幅をグラフＢに示された条件と同様に１３０ｐｓとした条件になっている。
【００５０】
図１に示したレーザ照射工程（Ｓ２０）においては、図２のエンドキャップ６０から出射されたレーザ光が、所定の光学系を介して図６に示すような加工対象材６に対向配置されたレンズ９を介して集光され、加工対象材６に照射される。ここで、図６に示した実験系においては、たとえば図２に示したＭＯＰＡ光源１から得られるほぼ回折限界のビーム品質の出力光をコリメートし、ビーム径Ｄを５ｍｍに拡大した後、図６に示したレンズ９で集光している。レンズ９としては、たとえば焦点距離が２０ｍｍのレンズを用いることができる。加工対象材６としては、たとえば厚さが４００μｍのサファイヤ基板を用いることができる。加工対象材６のレーザ光１５が入射する面はたとえば光沢面１２（鏡面加工面）としてもよい。なお、レンズ９と加工対象材６の光沢面１２との間の距離Ｌは、適宜調整される。そして、加工対象材６を図６の矢印７に示す方向に移動させる（すなわち図６のＸ軸方向に移動させる）ことにより、加工対象材６においてレーザ光１５が照射された領域８を線状に形成することができる。このときの加工対象材６の移動速度はたとえば１０ｍｍ／ｓ以上４０ｍｍ／ｓ以下とすることができる。なお、加工対象材６の裏面は梨地面１３（非鏡面加工面、あるいは非光沢面加工面）となっていてもよい。
【００５１】
ここで、図７に示すように、波長が１０５０ｎｍのレーザ光に関して、レンズ９による集光点の位置（焦点位置）はレンズ９からの距離が２０ｍｍである位置と予想される。一方、図７に示すように、レーザ光に含まれるＳＲＳ成分は、その波長が上述した１０５０ｎｍよりも大きいため、レンズからの距離が２０ｍｍよりも遠い位置に集光点が形成される（焦点を結ぶ）と考えられる。なお、一般に集光する光の波長が長いほど焦点距離は長くなる傾向がある。そのため、ＳＲＳ成分を含むパルスレーザ光は、レンズ９で集光されても従来のような単一の集光点を形成するのではなく、レンズ９から見た光軸方向に集光点が連続的に分布したいわば集光線を形成する。すなわち、図７に示すように、少なくとも長さＬｆで示される長さの集光線が形成されることになる。
【００５２】
すなわち、図６に示した実験系におけるレンズ９として、焦点距離が２０ｍｍのレンズを用い、ビーム径Ｄが５ｍｍのパルスレーザ光をサファイヤ基板である加工対象材６中に集光した場合については、レーザ光の波長と集光点（焦点）位置との関係は図８に示されるような関係である。なお、図８において横軸はレーザ光の波長を示し、縦軸は、波長が１０５０ｎｍのレーザ光の焦点位置から、各波長のレーザ光の焦点位置までの距離を焦点位置のずれとして示している。横軸の単位はｎｍであり、縦軸の単位はｍｍである。上述のように、波長が長くなるほど、焦点位置がレンズから遠ざかることがわかる。
【００５３】
そして、上述のような系における集光線の長さＬｆは、図７に示すように基本波の波長である１０５０ｎｍから３次ＳＲＳ成分のピーク波長である１２１９ｎｍまでの波長範囲のレーザ光に関して考えれば、約８４μｍと見積もることができる。さらに、４次のＳＲＳ成分のピーク波長は１２８８ｎｍであり、当該４次ＳＲＳ成分まで考慮すれば、集光線の長さは約１１８μｍと見積もることができる。
【００５４】
なお、ＳＲＳ成分のパワー配分は、光ファイバ中の偏波の状態や光ファイバの曲げロスなどに起因して穏やかながら常時変動している。そのため、図３に示したスペクトルの分布形状も、ある程度の時間変動を示す可能性は考えられる。
【００５５】
このような所定の長さの集光線を形成するレーザ光を加工対象材に照射する場合、集光線の位置と加工対象材との位置との相対的な関係を適宜調整することにより、加工対象材の裏面（レーザ光を照射する側とは反対側の表面）の近傍に破断部やクラックとして認められる改質領域を形成することができる。このような改質領域を起点として、上述のように後処理工程（Ｓ３０）において加工対象材６を容易に分割することができる。
【００５６】
なお、集光されたレーザ光の集光線の位置と加工対象材６との位置関係は、図６に示すように当該レーザ光の基本波（波長が１０５０ｎｍの波長成分）の集光点の位置が加工対象材６の表面（光沢面１２）と一致するようになっていてもよい（つまりレーザ光の集光線が加工対象材６の表面側から内部にまで延在するように配置されてもよい）が、図９〜図１１に示すような異なる位置関係となっていてもよい。
【００５７】
たとえば、図９に示すように、レーザ光１５の基本波の集光点が加工対象材６の厚み方向での内部に配置されていてもよい。異なる観点から言えば、当該レーザ光１５の基本波の集光点が、加工対象材６の表面（光沢面１２）と裏面（梨地面１３）との間に配置されていてもよい。なお、この場合レーザ光の集光線は、加工対象材６の裏面（梨地面１３）と交差していてもよいし、当該集光線の全体が光沢面１２と梨地面１３との間に配置されていてもよい。
【００５８】
また、異なる形態としては、図１０に示すように、レーザ光１５の基本波の集光点が加工対象材６の裏面（梨地面１３）と重なる位置に配置されていてもよい。なお、この場合レーザ光の集光線は、加工対象材６の裏面（梨地面１３）から外側に伸びるように配置されることになる。また、さらに異なる形態としては、図１１に示すように、レーザ光１５の基本波の集光点が加工対象材６の裏面（梨地面１３）より外側に配置されていてもよい。なお、この場合レーザ光の集光線も、加工対象材６の裏面（梨地面１３）よりも外側に配置されることになる。
【００５９】
次に、サファイア内部に改質領域が形成されるメカニズムについて検討する。
図１２〜図１６は、サファイア内部での改質領域の形成メカニズムを説明するための模式図である。
【００６０】
ここで、ＧａＮのエピタキシャル層とサファイア基板とには、それぞれ異なる損傷閾値（あるパワー密度以上を照射すると損傷する閾値）が存在する。一般的に、エピタキシャル層の損傷閾値は、サファイア基板のそれよりも低い。図１２は、エピタキシャル層とサファイア基板の損傷閾値を考慮に入れた集光点付近の概略図である。本発明において用いる光源は、広帯域のスペクトルを有しているために、それぞれの波長に対応する集光点が存在する。波長λ1、λ2、λ3それぞれの集光点を、ω０λ１、ω０λ２、およびω０λ３とする。エピタキシャル層の損傷閾値をＥＰＩｔｈ、サファイア基板の損傷閾値をＳａ.thとした場合、ＥＰＩｔｈ＜Ｓａ.thの関係がある。図１２に示したように、ＥＰＩｔｈおよびＳａ.thは、集光点付近を中心にビーム伝搬上の上下対称位置に２つずつ存在する。２つのＥＰＩｔｈの間の領域をエピタキシャル層損傷領域α、また、２つのＳａ.th間の領域をサファイア損傷領域βとする。領域αは、エピタキシャル層を損傷させるパワー密度領域を指す。また、領域βはサファイア基板が損傷する領域を指す。なお、集光に用いるレンズの形状は、図１２に示すように加工対象材側が平坦で、光源側が凸形状となったレンズを用いてもよいが、図７に示したような両側が凸形状となったレンズを用いてもよい。また、図１２に示したレンズのように一方表面が平坦で他方表面が凸形状となったレンズを用いる場合、後述するように光源側を平坦な面とし、加工対象材側を凸形状の面となるようにレンズを配置してもよい。
【００６１】
図１３のＡ〜Ｅは、後述する図３１および図３２のＡ〜Ｅに対応している。
Ａ：（サンプル上面より０．１ｍｍ上方の空気中の位置に集光点が存在する場合）：サンプルのエピタキシャル層は、領域α間に位置するため損傷する。領域βは空気中にある。
Ｂ：（エピタキシャル層上に集光点がある場合）：エピタキシャル層は、Ａの場合と同様に領域α間にあるため損傷する。領域βは、一部分サファイア基板に達しているが、損傷したエピタキシャル層によりレーザ光は散乱し、領域βでの光パワー密度は大幅に低下する。よって、サファイア基板内部に改質領域は形成されない。
Ｃ：（エピタキシャル層より０．１ｍｍ下方のサファイア基板内に集光点が存在する場合）：エピタキシャル層は、Ａ、Ｂと同様に領域α間にあるため、損傷する。領域β間は、サファイア基板内部に存在するが、損傷したエピタキシャル層によりレーザ光が散乱するため、Ｂと同様にサファイア基板内部に改質領域は形成されない。
Ｄ：（エピタキシャル層より０．２ｍｍ下方のサファイア基板内に集光点が存在する場合）：エピタキシャル層は、領域α外であるため、損傷しない。領域βは、サファイア基板内部に存在する。エピタキシャル層は損傷しないため、レーザ光は散乱することなくサファイア基板内部へ入射され、領域β内に改質領域が形成される。
Ｅ：（サファイア基板内を通り抜けた空気中に焦点位置がある場合）：エピタキシャル層は、領域α外であるため、Ｄと同様に損傷しない。領域βの一部はサファイア基板内部に存在する。エピタキシャル層は損傷しないため、Ｄと同様に入射光は領域β内に高いパワー密度を生成し、その領域β内に改質領域が形成される。
【００６２】
図１４は、異なる集光レンズを用いた場合のＥＰＩｔｈとＳａ.thの関係を示す模式図である。
【００６３】
図１４（ａ）は、後述する図３０〜図３２に用いたｆ＝２０ｍｍのレンズを用いた場合の概略図である。ここで、γ＝(α−β)／２とする。なお、以下では領域αの深さ方向での長さを単にαと、また領域βの深さ方向での長さを単にβと記載することがある。
【００６４】
図１４（ｂ）は、ｆ＜２０ｍｍのレンズを用いた場合の概略図である。ＥＰＩｔｈとＳａ.thの値は物性値であるため、図１４（ａ）と同じ値であるが、領域αと領域βのそれぞれの領域間は、ガウシアンビームの伝搬を基準とした相対変化が生じ、図１４（ａ）の領域αと領域βとは異なる領域α1と領域β1が存在する。よって、γ1の値は、（α1−β1）／２となる。一方、図１４（ｃ）は、ｆ＞２０ｍｍのレンズを用いた場合の概略図であり、図１４（ｂ）と同様に相対的に変化した領域α2と領域β2が存在し、γ2の値は、（α2−β2）／２となる。
【００６５】
図１５は、異なる集光レンズを用いた場合のエピタキシャル層から内部改質領域までの距離γと内部改質領域長さ（領域βの長さ）との関係を説明するための模式図である。
【００６６】
図１５（ａ）は、図１４（ｂ）の集光レンズ（ｆ＜２０ｍｍ）を用いた場合の領域β1とγ1の関係を示す。図１５（ｂ）は、図１４（ｃ）の集光レンズ（ｆ＞２０ｍｍ）を用いた場合の領域β2とγ2の関係を示す。焦点距離が短い場合は、γ1値を小さくできるため、改質領域の形成深さはエピタキシャル層に近づけることが可能であるが、改質領域長さ（領域β1の長さ）は小さくなる。一方、焦点距離が長い場合は、γ2値が大きくなるためエピタキシャル層から離れた領域に改質領域が形成されるが、領域β2の長さである改質領域長さは長くなる。例えば、基板厚さがＬｉｎｅ  Ａの場合（つまり、サファイア基板の裏面の位置がＬｉｎｅ  Ａで示される位置である場合）、ｆ＞２０ｍｍの集光レンズでは結晶の外側に領域βがあるために改質領域は形成されない。よって、改質領域の形成には、ｆ＜２０ｍｍの集光レンズを用いる必要がある。一方、基板厚さがＬｉｎｅ  Ｂの場合（つまり、サファイア基板の裏面の位置がＬｉｎｅ  Ｂで示される位置である場合）は、ｆ＜２０ｍｍ、ｆ＞２０ｍｍいずれのレンズにおいても内部改質領域を形成させられるが、一度に長い改質領域を形成させられる方が有利な場合があり、その場合は、ｆ＞２０ｍｍのレンズを用いる必要がある。
【００６７】
以上より、所望の基板厚さに所望の内部改質領域を形成させる指針は、ＥＰＩｔｈ、Ｓａ.thの値を求め、γとβの関係を明らかにし、図１５に示したように適切なｆ値を有する集光レンズを用いる必要がある。
【００６８】
図１６は、内部改質領域を形成するための条件を説明するための模式図である。図１６に示すように、損傷閾値Ｂｔｈを有している異なる材料（厚さｔ）に所望のγCとβBで内部改質領域を形成させるには、デザインした損傷閾値Ａｔｈを有している層を上記材料上に堆積させ、適切な光レンズ（ｆ＝Γｍｍ）を用いることが必要である。
【００６９】
図１７は、サンプルに対してレーザ光を入射するときの入射面の状態による影響を説明するための模式図である。図１７（ａ）は、サンプルの梨地面からレーザ光を照射した場合を示している。一方、図１７（ｂ）は、サンプルにおいてエピタキシャル層が形成された面からレーザ光を照射した場合を示している。図１７に示すように、梨地面からレーザ光を入射させた場合、サンプルの表面でレーザ光が散乱するために改質層は形成されない。
【００７０】
図１８は、本発明によるレーザ加工方法のレーザ走査方向とサンプルの破断強度との関係を説明するための模式図である。図１８（ａ）は、レーザ走査方向と破断強度との関係を示すグラフであり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）におけるレーザ走査方向とサファイア基板の結晶方位との関係を説明するための模式図である。
【００７１】
図１８（ａ）を参照して、垂直方向および平行方向の破断強度は、それぞれ４０ＭＰａ、および６０ＭＰａ程度であり、サファイア基板の引張強度２，２５０ＭＰａに比べそれぞれ１．７％、および２．６％にまで低減している。また、水平方向と垂直方向の破断強度の差異は極めて小さい。このように、サファイア基板の結晶方位に関係なく、レーザ光の走査ラインに沿って分割することが可能である。つまり、内部改質領域を起点として小さい応力で基板を分割することが可能である。
【００７２】
次に、図１９を参照して、本発明において用いる離散的なスペクトル光源の実施例を説明する。図１９に示した光源は、図２の種光源１０の一例であって、光出射部１０１として高いピークパワーを有するＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ、あるいは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源を用いる。光出射部１０１から出射される光の波長を波長ω０（たとえば１０６４ｎｍ）とする。当該出射された光は、ＳＨＧ結晶１０２において２倍波の波長ω１（たとえば５３２ｎｍ）である光に波長変換される。
【００７３】
次に、波長ω０の光については高反射特性、波長ω１の光については高透過特性を有するダイクロイックミラー１０３により波長ω０の成分と波長ω１の成分とを分離する。ダイクロイックミラー１０３において分離された波長ω０の成分は図１９の矢印１１０に示す方向に反射される。一方、波長ω１の成分は矢印１１１に示すようにダイクロイックミラー１０３を透過する。
【００７４】
次に、波長ω１の成分（光）は、幾つかのハーフミラーを用いて複数の光路に等分分岐される。当該等分分岐した各々の光は、ＯＰＯ１０４（Optical  Parametric  Oscillator１０４）によりエネルギー保存則を満たした異なる波長の光に波長変換される。例えば、ＯＰＯ１０４の領域１０５ａでは、波長ω１の光は波長ω２の光と波長ω３の光とに変換される。また、ＯＰＯ１０４の領域１０５ｂでは、波長ω１の光は波長ω４の光と波長ω５の光に、さらに、ＯＰＯ１０４の領域１０５ｃでは、波長ω１の光は波長ω６の光と波長ω７の光とに、それぞれ波長変換される。ＯＰＯ１０４では、上述した波長ω２〜ω７はそれぞれ異なるように設計されている。また、ＯＰＯ１０４の各領域１０５ａ〜１０５ｃはダイクロイックミラー１０３の出側に設置されたハーフミラー（図示せず）から同一距離になるように配置されている。なお、ＯＰＯ１０４の各領域１０５ａ〜１０５ｃは、それぞれミラー１０６ａ〜１０６ｃおよびミラー１０７ａ〜１０７ｃを含む。
【００７５】
波長変換後の波長ω２〜ω７の光について、スペクトルの概略を図２０に示す。図２０を参照して、横軸は光の波長を示し、縦軸は光出力（ａ．ｕ．）を示す。図２０からわかるように、波長変換した各々の光の波長は、波長ω０を中心として分布している。また、図１９および図２０に示されるように、各領域１０５ａ〜１０５ｃからそれぞれ２つの異なる波長の光が生成されている。
【００７６】
なお、ダイクロイックミラー１０３の出側においてハーフミラーを増設し、波長ω１の光を等分分岐した光路数を増大させることにより、波長ω１の光を等分分岐して得られる光の離散的な波長の数を増やす事が可能である。また、図２０における各々の波長の光の光出力は、それぞれ同程度になるように調整するのが好ましいが、必ずしもこれらの光出力が一致する必要は無い。
【００７７】
そして、ＯＰＯ１０４から出力された光は光学系を用いてダイクロイックミラー１０８に入射される。このダイクロイックミラー１０８は、波長ω１の光については高反射特性、波長ω１以外の光については高透過特性を有する。そのため、ダイクロイックミラー１０８において波長ω１の光は矢印１１２に示すように反射され、一方、波長変換後の波長ω２〜ω７の光は矢印１１３に示すようにダイクロイックミラー１０８を透過する。このようにして、図１９に示した光源から波長ω２〜ω７の光が出力される。
【００７８】
次に、広帯域に亘って光出力がフラットな連続スペクトルが得られる光源の実施例について説明する。図１９および図２０に示した光源（離散スペクトル光源）を、図２に示したＭＯＰＡ光源の種光源１０として用い、プリアンプ部３、ブースタアンプ部４を備えるファイバレーザを用いることにより、利得がある波長範囲内に調整されたそれぞれの離散的な波長の光出力を数十ｋＷピーク値にまで増幅させることができる。さらに、強制的に誘導ラマン散乱を誘起させ、各々の離散的な波長を有する光によって生じた各々の誘導ラマン散乱光を加算し、光出力の平均化を行うことができる。
【００７９】
上記ファイバレーザの利得媒体としては、すでに述べたように増幅用光ファイバとしてＹｂドープファイバが用いられている。このため、利得の波長範囲は、反転分布の状態にも寄与するが、およそ波長１０００ｎｍから１１８０ｎｍの範囲であり、当該利得プロファイルは１０３０ｎｍ近傍にピークを有する。種光源１０として用いる図１９に示した離散スペクトル光源の各々の波長（波長ω２〜ω７）は、上記利得範囲内に収まるようにＯＰＯ１０４を設計する。また、誘導ラマン散乱の閾値は、上記増幅用光ファイバのコア径に依存するが、数ｋＷから３０ｋＷ程度である。したがって、この閾値以上のピーク値を有するよう、種光源１０からの光をファイバレーザで増幅する。
【００８０】
このようにして光出力が平均化された光のスペクトルを、図２１に示す。図２１の横軸は波長を示し、縦軸は光出力（単位：ｄＢ）を示す。離散スペクトル光源の各々の波長（波長ω２〜ω７）は、上述のようにＹｂドープファイバの利得範囲に含まれることが好ましい。また、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）により形成される成分（たとえばＳＲＳ１次成分〜ＳＲＳ３次成分）が、広い波長範囲で重なることにより、全体として光出力が平均化される。
【００８１】
なお、光出力の平均化（フラット化）の程度をより高めるためには、図１９などに示す離散スペクトル光源から得られる複数の波長の光について、各波長の間の間隔を狭くし、さらにより多数の波長（ωｎ）の光を用いることが有効である。また、用いられる増幅用光ファイバの利得プロファイルを考慮に入れて、増幅された各波長の光の光出力が同程度となるように、離散スペクトル光源から得られる各波長の光の光出力を調整することが望ましい。
【００８２】
このような光出力の調整方法としては、たとえば図１９に示すＯＰＯ１０４の各領域１０５ａ〜１０５ｃに含まれるミラー１０６ａ〜１０６ｃ、１０７ａ〜１０７ｃの各波長に対する反射率と透過率とを調整する方法や、アッテネータやフィルター等を併用する方法が挙げられる。
【００８３】
以下、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。この発明に従ったレーザ加工方法は、加工対象材６を準備する工程（加工対象材準備工程（Ｓ１０））と、加工対象材６にレーザ光を照射することにより、加工対象材６に改質領域を形成する工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））とを備える。レーザ照射工程（Ｓ２０）では、連続スペクトルを有するパルス状のレーザ光１５をレンズ９で集光することにより、レーザ光１５の連続スペクトルを形成する所定バンドの複数の焦点により構成される集光線が形成され、当該集光線の少なくとも一部が加工対象材６の表面（光沢面１２または梨地面１３）に位置するように、レーザ光１５を加工対象材６に照射し、集光線の軸線上に改質領域を形成する。
【００８４】
このようにすれば、連続スペクトルの波長成分が集光されることで集光線（集光点（焦点）の集合）が形成されるので、加工対象材６において当該集光線が位置する領域または集光線の軸線上に、レーザ光１５の照射方向（たとえば深さ方向）に長く伸びる改質領域を形成できる。そのため、当該改質領域を起点として加工対象材６を切断するときに、予め一定の方向に長く伸びる改質領域が存在しているために切断端面の形状を安定して平坦化できる。また、レーザ光１５の照射方向に長く伸びる改質領域を、１回のレーザ照射により形成することができるので、レーザ照射を複数回繰り返すような場合に比べてプロセスのコストを低減できる。
【００８５】
上記レーザ加工方法において、改質領域を形成する工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））では、集光線全体が加工対象材６の外部に位置するように、レーザ光１５を加工対象材６に照射してもよい。この場合、加工対象材６の内部において集光線に隣接する部分に、レーザ光１５の照射方向に伸びる改質領域を形成できる。
【００８６】
上記レーザ加工方法において、改質領域を形成する工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））では、加工対象材６の第１面（光沢面１２）からレーザ光１５が入射されるとともに、加工対象材６の厚み方向において第１面と反対側に位置する第２面（梨地面１３）側に改質領域が形成されてもよい。
【００８７】
このように、レーザ光１５を照射する面とは反対側の面（第２面）である梨地面１３に近い位置に改質領域を形成できるので、加工対象材６の第１面（レーザ光の照射面である光沢面１２）にたとえば半導体層を形成している場合、当該光沢面１２側の半導体層が改質領域の形成により損傷を受けるといった問題の発生を抑制できる。
【００８８】
上記レーザ加工方法において、加工対象材準備工程（Ｓ１０）では、加工対象材６において、第１面（光沢面１２）が鏡面加工されてもよく、かつ上記第２面（梨地面１３）が梨地加工されてもよい。
【００８９】
上記レーザ加工方法において、レーザ光の種光であるパルス光に対するラマン散乱効果を利用して連続スペクトルを有するパルス状のレーザ光１５を発生させていてもよい。この場合、ラマン散乱効果を利用して、光源（種光源１０）から出射される単波長のレーザ光から、本発明において必要な連続スペクトルを有するパルス状のレーザ光１５を容易に得ることができる。また、このようにラマン散乱効果を利用するので、得られるレーザ光１５のパルス幅が連続スペクトルを有するレーザ光を形成するために広がるといった問題の発生を防止できる。
【００９０】
上記レーザ加工方法において、図３のグラフＡ、Ｂの場合のように、レーザ光１５の連続スペクトルを構成する波長成分のうち最も強度の高い最大ピーク波長の強度に対して、連続スペクトルを構成する波長成分のうち最大ピーク波長以外の波長成分の強度の合計が１０％以上であってもよい。この場合、最大ピーク波長以外の波長成分についてもある程度の強度を有するようにすることで、集光線において最大ピーク波長以外の波長成分の集光点に対応する部分によっても改質領域を確実に形成できる。
【００９１】
上記レーザ加工方法において、レーザ光１５の連続スペクトルを構成する波長成分は、最大ピーク波長以外の波長成分のうち強度が局所的な極大値を示す１つ以上の局所ピーク波長を含んでいてもよく、最大ピーク波長と、１つ以上の局所ピーク波長との差の最大値が１００ｎｍ以上であってもよい。この場合、連続スペクトルにおける波長の分布幅を十分大きくすることで、得られる集光線の長さをある程度以上の長さとすることができる。この結果、レーザ光１５の照射方向における改質領域の長さを十分長くすることが可能になる。
【００９２】
また、この発明に従ったレーザ加工方法は、加工対象材６を準備する工程（加工対象材準備工程（Ｓ１０））と、加工対象材６にパルス光のレーザ光を照射することにより、加工対象材６に改質領域を形成する工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））とを備える。改質領域を形成する工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））では、５０ｎｍ以上のスペクトル領域を有する所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光手段（レンズ９）で集光することにより、各パルスショット毎に、当該パルス光に含まれる各スペクトル成分の集光部位が、集光方向の直線上に所定の集光領域として形成され、レーザ光を加工対象材６に照射することにより、当該直線上に集光領域による改質領域を加工対象材６の内部に形成する。なお、上記各パルスショットとは、時間軸上の１パルスごとの照射パルス光を意味する。
【００９３】
このようにすれば、当該パルス光に含まれる各スペクトル成分の集光部位が、集光方向の直線上に所定の集光領域として形成されるので、加工対象材６の内部において当該集光領域による改質領域を線状に伸びるように形成できる。そのため、当該改質領域を起点として加工対象材６を切断するときに、予め線状に伸びる改質領域が存在しているために切断端面の形状を安定して平坦化できる。また、所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光して利用することにより、レーザ光の照射方向に長く伸びる改質領域を、１回のレーザ照射により形成することができるので、レーザ照射を複数回繰り返すような場合に比べてプロセスのコストを低減できる。
【００９４】
また、この発明に従ったレーザ加工方法は、加工対象材を準備する工程と、加工対象材にパルス光のレーザ光を照射することにより、加工対象材に改質領域を形成する工程とを備える。改質領域を形成する工程では、５０ｎｍ以上の連続したスペクトル領域を含む所定のスペクトルバンドのパルス光をレーザ光として集光手段で集光することにより、各パルスショット毎に、パルス光に含まれる各スペクトル領域の集光部位が、集光方向に沿って線状に所定の集光領域として形成され、レーザ光を加工対象材に照射し、線状の集光領域による改質領域を加工対象材の内部に形成する。
【００９５】
このようにすれば、当該パルス光に含まれる各スペクトル領域の集光部位が、集光方向に沿って線状に所定の集光領域として形成されるので、加工対象材６の内部において当該集光領域による改質領域を線状に伸びるように形成できる。そのため、当該改質領域を起点として加工対象材６を切断するときに、予め線状に伸びる改質領域が存在しているために切断端面の形状を安定して平坦化できる。また、レーザ光の照射方向に長く伸びる改質領域を、１回のレーザ照射により形成することができるので、レーザ照射を複数回繰り返すような場合に比べてプロセスのコストを低減できる。
【００９６】
上記レーザ加工方法において、所定のスペクトルバンドは、５０ｎｍ以上の連続したスペクトル領域以外の離散的なスペクトル領域を含んでいてもよい。
【００９７】
上記レーザ加工方法において、図３や図２１に示すように、所定のスペクトルバンドは、連続スペクトル、あるいは複数の離散的なスペクトルを有したスペクトル領域を含んでいてもよい。
【００９８】
上記レーザ加工方法において、レーザ光は、ＣＷ（Continuous  Wave）成分を含んでいてもよい。
【００９９】
上記レーザ加工方法において、パルス光は、スペクトルの異なるパルス光を個別に発生する複数のパルス光源からの複数のパルス光を同期して合波した単一のパルス光を含んでいてもよい。たとえば、図１９に示したＯＰＯ１０４の複数の領域１０５ａ〜１０５ｃが上記複数のパルス光源に該当すると考えることができ、図１９のダイクロイックミラー１０８から出力されるパルス光が図２に示したプリアンプ部３およびブースタアンプ部４により増幅されたパルス光が上記単一のパルス光に該当する。あるいは、図２に示したようなＭＯＰＡ光源であって互いに特性の異なるものを複数準備し、これらの複数のＭＯＰＡ光源から出力されるスペクトルの異なるパルス光を従来周知の合波装置などを用いて合波することで単一のパルス光を構成してもよい。このようにすれば、合波するパルス光のスペクトルを調整することで、得られる単一のパルス光のスペクトルを調整することができる。
【０１００】
上記レーザ加工方法において、パルス光は、図２１に示すように、受動ファイバ（受動光ファイバ４５）に入力される基本パルス光由来の成分と、基本パルス光に対する受動光ファイバ４５での誘導ラマン散乱効果を利用して形成された５０ｎｍ以上のスペクトル幅の連続スペクトル成分とを有していてもよい。
【０１０１】
上記レーザ加工方法において、パルス光は、連続スペクトル成分を構成するスペクトル成分のうちの基本パルス光のスペクトル領域以外のスペクトル成分のパワーが、基本パルス光のパワーに対し、１０％以上であってもよい。この場合、基本パルス光のスペクトル領域以外のスペクトル成分についてもある程度のパワー（強度）を有するようにすることで、集光領域において基本パルス光以外のスペクトル成分の集光点に対応する部分によっても改質領域を確実に形成できる。
【０１０２】
なお、ここで基本パルス光のパワーとは、誘導ラマン散乱効果を受ける前のパワー（図２の増幅用光ファイバ４４後であり、受動光ファイバ４５の前におけるパルス光のパワー）を意味する。また、基本パルス光のスペクトル領域以外のスペクトル成分とは、上記の基本パルス光の中心スペクトルに対して、基本パルス光のパワーが５％となる長波長側のスペクトルの波長から、長波長側の領域のスペクトル成分を指す。ここでは、ラマン成分との仕分けの指標として上記５％という数値を用いている。なお、レーザの増幅過程において発生する自然放射増幅光（Amplified  Spontaneous  Emission：ＡＳＥ：たとえば図３の波長領域７１における成分）は連続光であって、上記の議論におけるパルス光ではない。
【０１０３】
上記レーザ加工方法において、連続スペクトルは、基本パルス光のピークスペクトル領域以外の成分のうち、パワーが局所的な極大値を有する局所ピークスペクトルを一つ以上含んでいてもよく、基本パルス光のピークスペクトル（波長）と、１つ以上の局所ピークスペクトル（波長）との最小離間間隔が１００ｎｍ以上であってもよい。この場合、連続スペクトルにおける波長の分布幅を十分大きくすることで、得られる集光線の長さをある程度以上の長さとすることができる。この結果、レーザ光１５の照射方向における改質領域の長さを十分長くすることが可能になる。
【０１０４】
上記レーザ加工方法において、改質領域を形成する工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））では、レーザ光の集光領域の一部、あるいは全体が加工対象材の内部に位置するように、レーザ光を加工対象材に照射してもよい。この場合、加工対象材の内部において確実に改質領域を形成できる。
【０１０５】
上記レーザ加工方法において、改質領域を形成する工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））では、加工対象材の第１面からレーザ光が入射されるとともに、加工対象材の厚み方向において、第１面と反対側に位置する第２面に集光領域の一部を設定し、改質領域が第２面から加工対象材の内部に亘って形成されてもよい。この場合、レーザ光が入射する第１面と反対側の第２面に改質領域を形成するので、第１面側に別の材料層（たとえば半導体層などの機能層）を形成した場合、当該材料層が改質領域の形成により損傷を受けるといった問題の発生を抑制できる。
【０１０６】
上記レーザ加工方法において、加工対象材６を準備する工程（加工対象材準備工程（Ｓ１０））では、第２面の表面粗さＲａ（ＪＩＳ規格）が０．１μｍ以上１．０μｍ以下となるように、第２面が非鏡面加工されていてもよい。
【０１０７】
上記レーザ加工方法において、加工対象材６を準備する工程（加工対象材準備工程（Ｓ１０））では、加工対象材において第１面が鏡面加工されていてもよい。この場合、レーザ光を照射する第１面において当該レーザ光が乱反射するといった問題の発生を抑制できる。
【０１０８】
上記レーザ加工方法において、加工対象材６を準備する工程（加工対象材準備工程（Ｓ１０））では、加工対象材６において鏡面加工された第１面上にエピタキシャル層が形成されてもよい。この場合、エピタキシャル層に損傷を与えることなく、第２面側に形成された改質領域を起点として加工対象材６を当該エピタキシャル層とともに分割することができる。
【０１０９】
（実験１）
本発明によるレーザ加工方法の効果を説明するため、以下のような実験を行なった。なお、以下の実験では、光源として用いるパルス光のパルス幅を１８０ｐｓとした。
【０１１０】
（試料）
本発明によるレーザ加工方法の加工対象材の試料として、厚さが４００μｍのサファイヤ基板を準備した。なお、当該サファイヤ基板の平面形状は、四角形状であって、縦×横が１０ｍｍ×１０ｍｍである。試料の表面（光沢面１２）は鏡面加工を施し、裏面（梨地面１３）については梨地加工を施した。
【０１１１】
（実験内容）
図２に示したＭＯＰＡ光源から得られるパルスレーザ光を焦点距離が２０ｍｍのレンズを用いて集光し、加工対象材としてのサファイヤ基板に照射した。なお、レンズに入射したレーザ光のビーム径は５ｍｍである。そして、サファイヤ基板に入射するレーザ光の集光線の位置が５つの条件になるように、サファイア基板とレンズとの間の距離を変更しながら、当該サファイア基板にレーザ加工を行なった。
【０１１２】
具体的には、条件１としては、図６に示すように、基本波（波長が１０５０ｎｍのパルスレーザ光）の焦点位置がサファイヤ基板の光沢面１２（図６参照）と一致するように設定した。但し、プラズマ発生が最も顕著になるように目視で設定を行ったので、±０．１ｍｍ程度の誤差は見込まれる可能性がある。そして、条件２としては、試料の光沢面１２がレンズ９の方向に向かうように（つまり、当該基本波の焦点位置が加工対象材６であるサファイヤ基板の光沢面１２より加工対象材６の内部に移動するように、あるいはｚ軸方向に）、試料を条件１の位置から０．１ｍｍだけシフトさせる（ｚ＝０．１ｍｍ）。また、条件３は、試料の光沢面１２の位置をレンズ９側に向けて条件１の位置から０．２ｍｍだけシフトさせる（ｚ＝０．２ｍｍ）。
【０１１３】
また、条件４は、試料の光沢面１２の位置をレンズ９側に向けて条件１の位置から０．３ｍｍだけシフトさせる（ｚ＝０．３ｍｍ）。また、条件５としては試料の光沢面１２の位置をレンズ９側に向けて条件１の位置から０．４ｍｍだけシフトさせる（ｚ＝０．４ｍｍ）。また、用いたレーザ光の条件としては、繰返し周波数を１ＭＨｚ、パルス幅を１８０ｐｓ、平均出力を８Ｗとした。また、サファイヤ基板のレーザ照射時における移動速度は１０ｍｍ／ｓとした。
【０１１４】
そして、加工後の試料について、レーザ光を照射した領域の側面およびレーザ照射面（光沢面）について光学顕微鏡による観察を行なった。また、後述するように条件５については、改質領域が形成された部分の断面についてＳＥＭにより観察を行なった。
【０１１５】
（結果）
図２２〜図２４を参照して、実験の結果を説明する。図２２は、条件２〜条件５における試料のレーザ加工後の側面および光沢面（レーザ照射面）の状態を示す光学顕微鏡写真を示している。つまり、図２２では、４つのカラムの左側から順番に条件２〜条件５の試料のレーザ照射部についての光学顕微鏡写真を示している。各カラムの上段の写真はレーザ照射された部分の側面の光学顕微鏡写真であり、下段はレーザ照射面である光沢面の光学顕微鏡写真である。なお、図２２の光学顕微鏡写真は、図６に示したＸ軸の方向から試料の側面（端面）を観察したものである。図２２からもわかるように、条件２〜条件３については、レーザ光照射面である光沢面におけるレーザ照射を受けた部分において、レーザ照射を受けた痕跡が確認できるものの、その側面を確認すると、深さ方向には殆ど改質領域は形成されていなかった。
【０１１６】
一方、条件５においては、レーザ照射面である光沢面には条件２〜条件４に比べてごく薄いレーザ照射の痕跡が認められる一方で、レーザ照射された側と反対の面である裏面（梨地面）から深さが約９０μｍ程度の改質領域（変質層）が形成されていた。なお、条件１の試料については、レーザ光を照射された面である光沢面１２側から深さが１００μｍ以上の改質領域が形成されていた。そして、レーザ照射によって条件１では当該レーザ光が照射された部分において切断された。図２３は、条件１のレーザ加工により切断されたサファイヤ基板の切断面を示す光学顕微鏡写真である。なお、図２３ではレーザ光のスキャン方向が矢印１６で示されている。
【０１１７】
このように、条件５においてレーザ照射された側と反対側の裏面に一定の深さの改質領域が形成されていた。この条件５の改質領域を確認するため、図２４に示すように条件５の試料の断面を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察した。なお、図２４では、試料の梨地面（レーザ照射された面とは反対側の裏面）が上側になっている。
【０１１８】
図２４からわかるように、図２４の上面側（梨地面側）から深さ９０μｍという位置まで、その幅が約５μｍという改質領域が形成されていた。なお、この改質領域のアスペクト比（深さ／幅）は１８となり、極めて高いアスペクト比を示している。
【０１１９】
また、図２４からもわかるように、図２４に示した梨地面（図２４の上面）から深さが約９０μｍの位置に、加工の起点と思われる部分が認められる。これは、図７に示した集光線のうち、レーザ光の波長成分のうち最もパワー配分の高い基本波の成分の集光点（焦点）が加工対象材であるサファイヤ基板の改質の起点を形成したものと考えられる。そして、３次〜４次のＳＲＳ成分による焦点によって構成される集光線が裏面側（梨地面側）に届いたことで、従来のようなフェムト秒パルスレーザを用いなくても、上述したようなアスペクト比が極めて大きい（幅が狭くかつ深さ方向の距離が長い）改質領域を形成することができたものと考えられる。
【０１２０】
また、図２４からもわかるように、改質領域の深さ方向の両端に近い部分ほど加工を受けた程度が高くなっているように考えられる。これは、照射したレーザ光のうち基本波の成分による焦点と３次のＳＲＳ成分による焦点とが改質領域の深さ方向の両端に位置し、改質の起点の形成に寄与したものと考えられる。そして、３次のＳＲＳ成分による焦点の位置を裏面側である梨地面の位置とほぼ一致させたという条件が、他の条件２〜条件４とは異なっている。したがって、この点が条件５における改質領域の形成に寄与しているものと考えられる。
【０１２１】
なお、上述したレーザ照射の条件は図３に示したグラフＢのデータに対応するレーザ照射条件とほぼ同様であった。このように、照射されるレーザ光については、基本波のパワーとＳＲＳ成分のパワーの総合計との比率が適切な値になっていることが望ましいと考えられる。
【０１２２】
（実験２）
レーザ光の照射条件を変えて、本発明によるレーザ加工方法の効果を確認するための実験を行なった。
【０１２３】
（試料）
上述した実験１において準備した試料と同様の試料（サファイヤ基板）を加工対象材として準備した。
【０１２４】
（実験内容）
準備したサファイヤ基板に対して、実験１の場合と同様にレーザ加工を行なった。但し、レーザ光の照射条件は基本的には上述した実験１と同様であるが、試料の移動速度が４０ｍｍ／ｓとされている点が異なっている。そして、試料とレンズとの間の距離の条件については、上述した実験１における条件１〜条件４と同様の条件について、それぞれレーザ加工の実験を行なった。そして、加工後の試料について、レーザ光を照射した領域の側面およびレーザ照射面（光沢面）について光学顕微鏡による観察を行なった。また、後述するように条件４については改質領域が形成された部分の断面についてＳＥＭにより観察を行なった。
【０１２５】
（結果）
図２５〜図２８を参照して、条件１〜条件３については、レーザ照射された側の面である光沢面において、レーザ照射の痕跡は認められるものの、厚み方向に深く伸びるような改質領域は殆ど形成されなかった。一方、条件４においては、実験１における条件５の場合と定性的に類似した形態で、裏面側（梨地面側）に改質領域が形成されていた。また、条件４については光沢面側におけるレーザ照射痕は他の条件よりも比較的軽微であった。
【０１２６】
そして、条件４の試料について、改質領域が形成された部分の断面をＳＥＭで観察すると、図２６〜図２８に示すように、裏面側（梨地面側）から深さが約１２０μｍ（具体的にはほぼ１２５μｍ）の位置にまで延びる改質領域が形成されていた。当該改質領域の深さ方向の両端部には、図２７および図２８に示すように改質点（核）と思われる領域１７、１８がそれぞれ形成されていた。具体的には、図２７に示すように梨地面から深さが約１０μｍの位置に改質点となる領域１７（核）が認められ、また図２６および図２８に示すように、梨地面から深さが１２５μｍの位置に改質点となる他の領域１８（核）が認められた。
【０１２７】
これは、試料（サファイア基板）とレンズとの間の距離などを考慮すれば、図２８に示した領域１８がレーザ光の基本波による焦点の位置に対応し、図２７の領域１７が、４次のＳＲＳ成分による焦点に対応すると考えられる。そして、これらの基本波および４次のＳＲＳ成分による焦点が改質領域（加工線）の両端にあって領域１７、１８の形成に寄与したものと考えられる。
【０１２８】
なお、照射するレーザ光のエネルギーを増大させることにより、レーザ光が集光した結果として集光線が形成される場合においても、集光線における十分なフルエンスが得られれば、実験１の条件３および条件４の場合、あるいは実験２の条件２および条件３の場合のように、集光線が加工対象材であるサファイヤ基板の梨地面（裏面）と交差しない場合であっても、サファイヤ基板の内部に改質領域を形成することは可能であると思われる。
【０１２９】
但し、サファイヤ基板の梨地面には特にエピタキシャル層などが形成されることない。また、上記のような改質領域の形成は、サファイヤ基板の光沢面上に形成されるエピタキシャル層などに対して影響を殆ど及ぼさないと考えられる。そのため、比較的低い平均パワーの条件でレーザ光の集光線に沿った改質領域を形成する場合には、集光線の位置を加工対象材の厚み方向の内部に完全に含まれるように配置するのではなく、集光線の一部を加工対象材の表面側あるいは裏面側の一部と交差させる、より好ましくは裏面側（加工対象材６の梨地面１３側）と交差させることが好ましい。
【０１３０】
ここで、従来のように単一波長のレーザ光を集光して点状の集光点（焦点）を形成し、当該集光点を加工対象材の内部に位置させた場合、加工対象材の内部には点状の変質領域（変質点）が形成される。一方、本発明のように、レーザ光において敢えてＳＲＳを発生させることで、レンズによりレーザ光を集光することで形成される集光点（焦点）を線状に配置した集光線とし、当該集光線を加工対象材の表面または裏面と交差するように当該レーザ光を加工対象材に対して照射すれば、加工対象材の深さ方向に広がった改質領域を１度のレーザ照射で形成することができる。
【０１３１】
さらに、従来のように点状の集光点を加工対象材の内部に配置させてレーザ照射を行なう場合、広い改質領域を形成するためにはレーザ照射を複数回実施する必要がある。しかし、本発明によれば１度のレーザ照射により広い範囲に帯状の改質領域を形成することが可能である。さらに、発生させることが困難であるフェムト秒領域の短パルスレーザを用いることなく、本発明ではアスペクト比の大きな改質領域を形成することができる。
【０１３２】
なお、レーザ光源としては、上述のようなファイバレーザを用いることが好ましいが、仮に光源として固体レーザを用いた場合でも、実質的に単一モードのデリバリ用光ファイバを用いて敢えてＳＲＳを発生させることで、本発明によるレーザ加工方法の光源として利用することが可能である。
【０１３３】
以下、他の実験例について説明する。
本実験ではレーザ発振器に微細加工用パルスファイバーレーザ（住友電気工業社製）を使用した。本レーザ発振器は、図２に示したレーザ装置と同様にＭＯＰＡ方式であり、高速変調可能な半導体レーザを種光源とし、アンプ器によってパワー増幅することから、パルス幅と繰り返し数を独立して設定することが可能である。当該レーザ発振器の発振中心波長は１０６０ｎｍであり、パルス繰り返し数とパルス幅を広範囲で選択することができる。コリメータレンズにより出力された直径１．６ｍｍのレーザ光はアイソレータを通過後、ビームエキスパンダによって５倍に拡大され、焦点距離２０ｍｍのアクロマティックレンズによってサンプルへ集光した。
【０１３４】
図２９は、本実験例において用いたサンプルの概略断面模式図である。当該サンプルはサファイア基板上にエピタキシャル層が形成された積層構造となっている。サファイア基板厚はおよそ４００μｍであり、当該サファイア基板のミラー研磨面上に窒化ガリウム（ＧａＮ）のエピタキシャル層が０．３μｍ厚で堆積されている。なお、サファイア基板の上記ミラー研磨面と反対側に位置する対向面は、梨地面（表面粗さＲａ（ＪＩＳ（日本工業規格）Ｂ０６０１の算術平均粗さＲａ）が０．５１μｍ）である。
【０１３５】
図３０は、サンプルにレーザ光を照射した状態を示す模式図である。レーザ光源としては上述のように高いピークパワーと広帯域のスペクトルを有するファイバレーザ光源を用いた。当該レーザ光源から出力されたレーザ光は、上述のように集光レンズ（ｆ＝２０ｍｍ）を介してサンプル（エピタキシャル層／サファイア基板）に照射される。サンプルは、図３０に示すようにジグ上に配置されている。ジグはｘｙｚ可動式ステージ上に搭載されている。レーザ光はサンプルにおいてエピタキシャル層が形成された側から照射した。なお、ジグはＡｌ製であり、レーザ光の反射光を抑制するために、短冊形状を採用した。
【０１３６】
図３１は、レーザ照射後のサンプル（サファイア基板）の断面写真である。図３２は、図３１に示したＡ〜Ｅの場合のサンプルと焦点位置との関係を示す模式図である。
【０１３７】
図３１では、焦点位置を５０μｍずつ移動させたときのレーザ光走査軸に対して垂直方向より観察した加工痕の断面形状を示しており、レーザ光は図上側から照射している。ｚはステージの高さを示す。ステージの高さを制御することで集光レンズとサンプルの深さ方向での相対位置を調整することができる（なお、図３１に図示した記号Ａ〜Ｅは、図３２のＡ〜Ｅに対応している）。観察には光学顕微鏡を用い、観察方向と反対の方向から光を照射している。焦点位置ｚは焦点位置が試料表面にある場合をｚ＝０とし、それより上側（試料上部）に焦点がある場合を正、下側（試料内部）にある場合を負と定義した。
【０１３８】
Ａ：ｚ＝０．１ｍｍの場合は、サンプル上面より０．１ｍｍ上方の空気中の位置に集光点が存在する。Ｂ:ｚ＝０の場合は、エピタキシャル層上に集光点がある。Ｃ:ｚ＝−０．１ｍｍ、およびＤ:ｚ＝−０．２ｍｍの場合は、エピタキシャル層よりそれぞれ０．１ｍｍおよび０．２ｍｍ下方のサファイア基板内に集光点が存在する。Ｅ:ｚ＝−０．２５ｍｍの場合は、サファイア基板内を通り抜けた空気中に焦点位置がある。なお、図３２に記載されているドットはサファイアの屈折率を考慮した焦点位置である。図３１から分かるように、ｚ＝０．１５ｍｍ〜−０．１５ｍｍの範囲において、エピタキシャル層のみが損傷している。一方、ｚ＝−０．２ｍｍ〜−０．２５ｍｍの範囲においては、エピタキシャル層は損傷せず、サファイア内部のみに改質領域が形成されている。
【０１３９】
ｚ＝−０．２０ｍｍ、−０．２５ｍｍの場合においては梨地面から基板内部にかけて直線状の改質領域が形成されている。ｚ＝−０．２０ｍｍの場合での改質領域は幅５μｍ、高さ１８０μｍで、アスペクト比が３６と非常に高いアスペクト比が得られている。
【０１４０】
図３３は、形成された改質領域を説明するための模式図である。図３３（ａ）は、本発明において用いるレーザ光の特徴を説明するための模式図である。また、図３３（ｂ）は、改質領域を説明するための断面写真である。
【０１４１】
図３３（ａ）に示すように、本光源は、広範囲のスペクトル幅を有しているため、レーザ光の各波長によって集光点位置が異なる。
【０１４２】
そして、図３３（ａ）に示すようなレーザ光を用いてレーザ照射を行なった場合、図３３（ｂ）に示すように、サンプルであるサファイア基板の内部には改質領域が形成される。図３３（ｂ）に示すように、それぞれの集光点を結ぶように改質領域が線状に形成されている。
【０１４３】
なお、図３３に示したサンプルについては、図３４〜図３８により詳細な断面写真を示している。すなわち、図３４の左上の写真は、当該サンプルの光学顕微鏡写真である。また、図３４の左下の写真は当該サンプルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による写真であって、二次電子像を示す。また、図３４の右下の写真は当該サンプルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による写真であって、インレンズ像を示す。なお、図３４の左下の写真は、図３３（ｂ）の左上の写真を上下反転したものに対応する。
【０１４４】
また、図３５の左上の写真は、ＳＥＭによる二次電子像であって、当該サンプルの断面における梨地面側の一部を示す。また、図３５の右上の写真は、図３５の左上の写真のさらに一部分を示す。また、図３５の左下の写真は、ＳＥＭによる二次電子像であって、当該サンプルの断面における鏡面側の一部を示す。また、図３５の右下の写真は、図３５の左下の写真のさらに一部分を示す。なお、図３５のたとえば左上の写真に認められる縦に伸びるスジはＣＰ（Ｃｒｏｓｓ  Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）加工による加工痕である。このような表面加工については、上記ＣＰ加工の他にＩｏｎ  Ｂｅａm  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍを用いた加工を適用してもよい。
【０１４５】
また、図３６に示した写真は、実質的に図３５の左上の写真と同じであるが、図３６の右下の写真では、サンプルの断面における改質領域の一部分を特定するための番号（８１〜８４）が記載されている。
【０１４６】
また、図３７に示した写真は、図３６の右下に示された写真における番号（８１〜８４）で示された改質領域の一部分を示すＳＥＭ写真である。なお、図３７の左上の写真は、図３３（ｂ）の左下の写真を上下反転したものに対応する。また、図３８は、図３７に示した４枚の写真を縦に並べることで、改質領域の広い領域を示している。なお、図３８は図３３（ｂ）の右側の写真を上下反転したものに対応する。
【０１４７】
図３９は、レーザ光の走査回数の影響を説明するための模式図である。図３９（ａ）および図３９（ｂ）は、エピタキシャル層/サファイア基板という積層構造のサンプルにそれぞれ１回、および２回のレーザ走査を行い（なお、エピタキシャル層側から入射したレーザ光の走査方向は図１８（ｂ）に示す垂直方向である）、破断試験後の断面観察結果を示す写真である。また、図３９（ｃ）は、レーザ光の走査方向を説明するための模式図である。図３９（ａ）および図３９（ｂ）に示すように、２回走査の方が破断面に生じた条痕は短く、改質領域が密に形成されていることが分かる。また、これらのサンプルについて破断強度の測定を行なった結果を、図３９（ｄ）のグラフに示す。図３９（ｄ）に示したグラフの縦軸は破断強度（単位：ＭＰａ）を示し、グラフの左側のデータが走査回数１回のサンプル（図３９（ａ）のサンプル）のデータであり、グラフの右側のデータが走査回数２回のサンプル（図３９（ｂ）のサンプル）のデータである。当該グラフからも分かるように、２回走査した方が破断強度は低く、バラつきも小さい。よって、内部改質後のサンプルの破断を行う場合は、多重走査が有効である。
【０１４８】
図４０は、本発明によるレーザ加工方法を用いて破断したサンプルの断面を観察した結果を示す写真である。図４０に示したサンプルは、エピタキシャル層/サファイア基板という積層構造のサンプルに２回のレーザ走査を行った後の破断面観察結果を示す。なお、レーザ光の走査方向は図３９（ｃ）に示した走査方向である。図４０（ａ）はサンプルの断面を示す写真であり、図４０（ｂ）はサンプルのエピタキシャル層／サファイア基板との界面近傍の領域（図４０（ａ）の鎖線で囲まれた上側の領域）の拡大写真であり、図４０（ｃ）はサンプルの改質領域の一部（図４０（ａ）の鎖線で囲まれた下側の領域）の拡大写真である。図４０（ａ）および図４０（ｃ）に示すように、サファイア基板の梨地面側にはおよそ２００μｍ程度の深さの改質領域が形成されているが、図４０（ｂ）に示すように上面のエピタキシャル層には大きな損傷は見受けられない。つまり、エピタキシャル層に対し、改質領域に起因した大きな損傷を及ぼすことなく、改質領域を形成すること、また、その改質領域を利用してサファイア基板を分割することが可能である。
【０１４９】
なお、図４０に示したサンプルについては、図４１および図４２により詳細な断面写真を示している。すなわち、図４１の上側の写真は、図４０（ａ）に対応し、図４１の下側の写真は、図４０（ｂ）に対応する。また、図４２の写真は、図４０（ｃ）に対応する。
【０１５０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
この発明は、半導体を形成するために用いられる基板の切断に特に有利に適用できる。
【符号の説明】
【０１５２】
１  ＭＯＰＡ光源、３  プリアンプ部、４  ブースタアンプ部、６  加工対象材、７，１６，１１０〜１１３  矢印、８，１７，１８  領域、９  レンズ、１０  種光源、１２  光沢面、１３  梨地面、１５  レーザ光、２１〜２４  光アイソレータ、３０  光カプラ、３１，３２  ＷＤＭフィルタ、３３，３４  光コンバイナ、４１〜４４  増幅用光ファイバ、４５  受動光ファイバ、５０，５１  バンドパスフィルタ、６０  エンドキャップ、７１，７２，１０５ａ〜１０５ｃ  領域、９０，９３，９４ａ〜９４ｆ  励起光源、１０１  光出射部、１０２  ＳＨＧ結晶、１０３，１０８  ダイクロイックミラー、１０４  ＯＰＯ、１０６ａ〜１０６ｃ，１０７ａ〜１０７ｃ  ミラー。
【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１９】
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【図２０】
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【図２１】
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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２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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