(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の内部に割断予定線に沿って、第１のレーザにより、可視光および近赤外光に対して少なくとも透明である第１の領域であって、前記加工対象物に対して屈折率が変化している第１の領域を形成する第１の工程と、
前記加工対象物の内部において、第２のレーザを前記第１の領域の少なくとも一部を含む領域または前記第１の領域の近傍の領域に照射することによって、前記第１の工程時よりも一時的に高い光吸収率を有する第２の領域を形成する第２の工程と、
前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域の光吸収率が元に戻る前に、前記加工対象物に対して透明な第３のレーザを前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域に照射することによって、前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域に前記第３のレーザを吸収させて、前記割断予定線に沿って前記加工対象物を割断する第３の工程と
を有することを特徴とするレーザによる割断方法。
【請求項２】
前記第１および第２のレーザは超短パルスレーザであり、
前記第３のレーザは、前記第１のレーザである超短パルスレーザおよび前記第２のレーザである超短パルスレーザのいずれのパルス幅よりも広いパルス幅を有する短パルスレーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザによる割断方法。
【請求項３】
前記第１および第２のレーザは、フェムト秒レーザであり、
前記第３のレーザは、ナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザによる割断方法。
【請求項４】
前記第２のレーザおよび第３のレーザは空間的および時間的に重畳されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザによる割断方法。
【請求項５】
前記第１および第２のレーザを同一のレーザとし、
前記第１の工程および第２の工程を同時に行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザによる割断方法。
【請求項６】
加工対象物を割断するレーザ割断装置であって、
前記加工対象物の内部において、可視光および近赤外光に対して少なくとも透明である第１の領域であって、前記加工対象物に対して屈折率が変化している第１の領域を形成するための第１のレーザと、前記加工対象物の内部において、前記第１の領域の少なくとも一部を含む領域または前記第１の領域の近傍の領域に照射されることによって、一時的に高い光吸収率を有する第２の領域を形成するための第２のレーザと、前記加工対象物に対しては透明であり、かつ前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域に照射されて吸収される第３のレーザとを発振可能に構成されたレーザ光発生装置と、
前記レーザ光発生装置の、該レーザ光発生装置から発生したレーザの後流側に設けられ、前記加工対象物を設置可能な設置面を有し、該設置面の面内方向および該設置面の法線方向に移動可能な加工対象物支持部とを備え、
前記レーザ光発生装置は、前記第２のレーザと、該第２のレーザのパルスから、前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域の光吸収率が元に戻るまでの所定時間以内の時間だけ遅延した第３のレーザとを空間的に重畳して出射することによって、前記加工対象物を割断するように構成されていることを特徴とするレーザ割断装置。
【請求項７】
前記第３のレーザは、前記加工対象物の前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域を熱膨張させるが溶融させないエネルギーを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザによる割断方法。
【請求項８】
前記第３のレーザは、前記加工対象物の前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域を熱膨張させるが溶融させないエネルギーを有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ割断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザによる割断方法、およびレーザ割断装置に関し、より詳細には、レーザ光により、基板といった加工対象物を割断（切断）するレーザによる割断方法、およびレーザ割断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１で提案されているレーザ加工方法は、半導体材料基板、圧電材料基板、ガラス基板といった加工対象物の内部にレーザ光により改質層を形成し、該改質層を起点として加工対象物を切断する技術である。具体的には、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に改質層による切断予定部を形成する。次いで、加工対象物に対して該加工対象物の表面に集光するように吸収性を有するレーザ光を加工対象物の表面を溶融させないエネルギーで照射し、加工対象物の内部の改質層を起点として加工対象物の表面にクラックを到達させて加工対象物を切断する。
【０００３】
また、特許文献２では、上述のように形成された改質層に対して高い吸収性を有し、非改質層に対して透過性を有するレーザ光を用いて、上記改質層を起点として加工対象物を切断する技術が開示されている。具体的には、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し形成した改質層によって、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物の内側に切断起点領域を形成する。次いで、加工対象物の非改質層に対して透過性を有し、非改質層に比べ改質層に対して高い吸収性を有するレーザ光を改質層内に集光点を合わせて照射し、その集光点を切断予定ラインに沿って移動し、切断起点領域を起点として割れを発生させ、この割れを加工対象物の表面と裏面とに到達させて加工対象物を切断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８８９７９号公報
【特許文献２】特開２００４−２６８１０４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Cheng-Hsiang Lin et al.,  “Investigation of femtosecond-nanosecond dual beam ablation of dielectrics”, Optics letters/vol 35, No 14/July 15 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された技術では、改質層を起点とした加工対象物の切断の際に加工対称物に対して吸収性のあるレーザ光を材料の表面に照射した場合には、図１に示すように、加工対象物１の内部の改質層２を起点としてクラックを成長させる為の熱源３は、加工対象物１の表面１ａに発生する事になる。この場合、図１に示すように、表面１ａに集光するように照射された吸収性を有するレーザ光のレーザ照射後の熱の拡散は、表面のレーザ照射点を中心として加工対象物１の内部に向かって半球状に広がる事になる。すなわち、レーザ照射点付近では最も温度が高い加熱領域３ａとなり、該加熱領域３ａを囲むように加熱領域３ａよりも温度が低い加熱領域３ｂが形成され、該加熱領域３ｂを囲むように加熱領域３ｂよりも温度が低い加熱領域３ｃが形成される。通常半導体デバイスの構造を考えた場合には、表面もしくは裏面に電極等の薄膜があるパターンで堆積されており、それらの薄膜に熱的ダメージを与えるのは望ましくない。すなわち、表面１ａ上に電極等の部材を設ける場合は、上述のように表面１ａに集光するように照射されたレーザ光により加熱された領域である熱源３上に少なくとも上記部材が位置することは好ましくは無い。
【０００７】
従って、特許文献１の方法にて加工対象物内部の改質層を起点としてクラックを成長させる為には１００μｍ〜１ｍｍ程度のストリート（切断の為の切りしろであり、その部分には薄膜は堆積されていない領域）幅を大きく取る必要があり、歩留まりが悪くなる。
【０００８】
また、特許文献２に開示された技術においては、加工対象物の非改質層に対して透過性を有し、非改質層に比べ改質層に対して高い吸収性を有するレーザ光として、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用いている。従って、該ＹＡＧレーザ光を吸収する切断起点領域、換言すれば近赤外光に対して不透明な領域が、切断面に位置する。すなわち、特許文献２に開示された技術で切断された基板を、例えば基板の切断面から近赤外光を発振するデバイスに応用すると、上記切断の際に形成された近赤外光に対して不透明な領域により、発振効率が低下してしまう。従って、切断面において、近赤外光に対して不透明な領域をなるべく形成しないことが望まれている。同様に、切断面において、可視光に対して不透明な領域をなるべく形成しないことも望まれている。
【０００９】
また、改質層を形成した際に不透明領域ができると言う事は、レーザ照射によって材料の組成比が大きく変わっていると言う事を意味しており、応用用途によっては望ましくない。例えばＬＥＤに用いられるサファイアにおいては改質層形成時に熱ダメージを与えると光の透過率低下により、光の取り出し効率が悪くなると言う事がわかっており、光透過率を下げないような改質層の形成が望ましい（例えば、ダイアモンドスクライブ）。
【００１０】
又、パワーデバイス等に用いられる新しい半導体であるＳｉＣやＧａＮにおいても、光透過率は問題ではないが、熱ダメージにより改質層を形成する事によりＳｉやＧａの析出による絶縁性の低下や溶融領域の形成によるダイストレングス（抗折強度）の低下が考えられる為、光透過率が低下する程の熱ダメージによる改質層形成は望ましくない。
【００１１】
従って、応用用途によっては、所定の波長帯域において（例えば、可視光帯域、や近赤外光帯域）光透過率の悪くならない改質層を作製することが望ましく、そのような場合には特許文献２の方法は効果的でない。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、切断された加工対象物の切断面において少なくとも可視光および近赤外光に対して不透明な領域の形成を低減でき、上記加工対象物の、切断のためのレーザ光の入射面において、該レーザ光に起因する熱源の発生を抑制することが可能なレーザによる割断方法、およびレーザ割断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、レーザによる割断方法であって、加工対象物の内部に割断予定線に沿って、第１のレーザにより、可視光および近赤外光に対して少なくとも透明である第１の領域であって、前記加工対象物に対して屈折率が変化している第１の領域を形成する第１の工程と、前記加工対象物の内部において、第２のレーザにより、前記第１の領域の少なくとも一部を含む領域または前記第１の領域の近傍の領域である第２の領域の光吸収率を前記第１の工程時よりも一時的に高くする第２の工程と、前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域の光吸収率が元に戻る前に、前記加工対象物に対して透明な第３のレーザを前記加工対象物に照射し、前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域に前記第３のレーザを吸収させて、前記割断予定線に沿って前記加工対象物を切断する第３の工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第２の態様は、加工対象物を切断するレーザ割断装置であって、前記加工対象物の内部において、可視光および近赤外光に対して少なくとも透明である第１の領域であって、前記加工対象物に対して屈折率が変化している第１の領域を形成するための第１のレーザと、前記加工対象物の内部において、前記第１の領域の少なくとも一部を含む領域または前記第１の領域の近傍の領域である第２の領域の光吸収率を一時的に高くするための第２のレーザと、前記加工対象物に対しては透明であり、かつ前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域に吸収される第３のレーザとを発振可能に構成されたレーザ光発生装置と、前記レーザ光発生装置の、該レーザ光発生装置から発生したレーザの後流側に設けられ、前記加工対象物を設置可能な設置面を有し、該設置面の面内方向および該設置面の法線方向に移動可能な加工対象物支持部とを備え、前記レーザ光発生装置は、前記第２のレーザと、該第２のレーザのパルスから、前記一時的に光吸収率が高くなった第２の領域の光吸収率が元に戻るまでの所定時間以内の時間だけ遅延した第３のレーザとを空間的に重畳して出射できるように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、レーザ光発生装置であって、フェムト秒レーザを第１の出射端から出射し、ナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザを第２の出射端から出射可能な光源と、前記第２の出射端の、前記光源から発生したレーザの後流側に設けられ、前記第２の出射端から出射された前記ナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザに対して所定時間遅延を与える遅延手段と、前記第１の出射端から出射された前記フェムト秒レーザと、前記遅延手段から出射された前記ナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザとを合波する合波手段とを備え、前記光源は、所定のレーザを発振する発振器と、前記発振器に光学的に接続された分岐カプラと、前記分岐カプラの出力端の一方と前記第１の出射端とを光学的に接続する第１の経路であって、前記所定のレーザを前記フェムト秒レーザに変換する第１の変換手段を含む第１の経路と、前記第１の変換手段から出射された前記フェムト秒レーザを外部に出射するための前記第１の出射端と、前記分岐カプラの出力端の他方と前記第２の出射端とを光学的に接続する第２の経路であって、前記所定のレーザを前記ナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザに変換する第２の変換手段を含む第２の経路と、前記第２の変換手段から出射された前記ナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザを外部に出射するための前記第２の出射端と、前記光源から出射されるレーザを、前記フェムト秒レーザ、ならびに互いに同期した前記フェムト秒レーザおよび前記ナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザの間で切り替える手段とを有し、前記第１の経路の光路長と前記第２の経路の光路長とは同一であることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の第４の態様は、フェムト秒レーザ、およびナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザを同一の出射端から出射可能なレーザ光発生装置であって、所定のレーザを発振する発振器と、前記発振器に光学的に接続された分岐カプラと、前記分岐カプラの出力端の一方と光学的に接続された第１の経路と、前記分岐カプラの出力端の他方と光学的に接続された第２の経路であって、前記所定のレーザをナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザに変換する変換手段を有する第２の経路と、２つの入力端を有し、該２つの入力端の一方が前記第１の経路に光学的に接続され、前記２つの入力端の他方が前記第２の経路に光学的に接続された合波手段と、前記合波手段の、該合波手段から出射されたレーザの後流側に光学的に接続され、前記第１の経路から前記合波手段を介して出射されたレーザを前記レーザ光発生装置から出射すべきフェムト秒レーザに変換し、前記第２の経路から前記合波手段を介して出射されたナノ秒レーザまたはサブナノ秒レーザを前記レーザ光発生装置から出射すべきナノレーザまたはサブナノ秒レーザに変換する手段とを備え、前記第２の経路の光路長は、前記分岐カプラから前記第２の経路を通過して前記合波手段に到達するレーザが、前記分岐カプラから前記第１の経路を通過して前記合波手段に到達するレーザよりも所定時間だけ遅延するよう前記第１の経路の光路長よりも長いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、切断された加工対象物の切断面において少なくとも可視光および近赤外光に対して不透明な領域の形成を低減でき、上記加工対象物の、切断のためのレーザ光の入射面において、該レーザ光に起因する熱源の発生を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の、改質層を起点として加工対象物を切断するための熱源が加工対象物の表面に形成されている様子を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、レーザ割断装置の模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、レーザを発振する光源の構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、加工対象物のレーザによる割断方法の手順を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る、加工対象物の内部に改質領域を形成する様子を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面を説明する説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る、加工対象物の内部に光吸収率増加領域を形成する様子を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る、加工物対象物の表面への熱ダメージの軽減を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る、改質領域の形成状態を説明する説明図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る、改質領域の形成状態を説明する説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るレーザを発振する光源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００２０】
本発明の一実施形態では、加工対象物（例えば、基板）の内部に切断の起点部（切断が始まる場所）を形成するために、第１のレーザを加工対象物の内部に集光させて、加工対象物の内部に改質領域を割断予定線に沿って複数形成する。このとき、改質領域は、割断予定線に沿って連続的に形成しても良いし、断続的に形成しても良い。次いで、加工対象物の内部に、加工対象物の改質領域以外の領域（非改質領域）の光吸収率よりも高い光吸収率を有する領域（以下、“光吸収率増加領域”と呼ぶ）を一時的に形成するために、多光子吸収は生じるが、溶融は起こらないような条件で第２のレーザを、加工対象物の内部において、上記改質領域の少なくとも一部を含む領域、またはその近傍の領域に集光させて、上記光吸収率増加領域を上記割断予定線に沿って複数形成する。この光吸収率増加領域についても割断予定線に沿って連続的に形成しても良いし、断続的に形成しても良い。次いで、上記光吸収率増加領域において、上記起点部からの切断を始めさせる熱膨張を発生させるために、非改質領域に対しては透明であり、かつ上記光吸収率増加領域では吸収される第３のレーザを、加工対象物に照射して、上記光吸収率増加領域に該第３のレーザを吸収させて該光吸収率増加領域を加熱し、該加熱により生じた熱膨張により、上記割断予定線に沿って加工対象物を切断する。
【００２１】
このように、本発明の一実施形態では、第１のレーザにより加工対象物の内部に、少なくとも可視光および近赤外光には透明である改質領域を形成し、さらには第２のレーザにより一時的に光吸収率が高くなっている光吸収率増加領域を形成し、該光吸収率増加領域が生じている状態が続いている間に第３のレーザを加工対象物に入射することにより、加工対象物内部を局所的に加熱することができ、該局所的な加熱により上記改質領域を起点として加工対象物を切断する。よって、加工対象物のレーザ光の入射面において、レーザ光によって形成される熱源が発生することを抑制することができる。また、上記切断された加工対象物の切断面、および／または切断面の近傍に位置する上記領域は少なくとも可視光および近赤外光に対して透明であるので、上記切断面に少なくとも可視光および近赤外光に対して不透明な領域が形成されることを低減することができる。さらには、改質領域形成のための第１のレーザを照射しても不透明な領域の形成を低減することができるので、切断面において、組成比の変化を小さくすることができる。
【００２２】
なお、本発明では、一時的に光吸収率が高くなり、所定のレーザ光を吸収するようになるが、所定時間経過すると光吸収率が元に戻る光吸収率増加領域を加工対象物の内部に形成することが本質の１つである。すなわち、光吸収率増加領域における第３のレーザによる熱変形（例えば、熱膨張）を改質領域に作用させて、該改質領域を起点として加工対象物を切断することが重要なのである。従って、上記熱変形が改質領域を起点とした切断に作用することができれば、光吸収率増加領域の少なくとも一部と改質領域の少なくとも一部とが重なっても良いし、光吸収率増加領域と改質領域とが離れて形成されても良い。
【００２３】
本発明において「改質領域」とは、可視光および近赤外光に対しては少なくとも透明であり、該改質領域の周囲（非改質領域）に対して屈折率が変化している領域である。該改質領域は、好ましくは、溶融によって形成された領域ではなく、上記非改質領域に対してほとんど組成変化が起こっていない領域である。なお、本実施形態の改質領域として求められことの１つは、少なくとも可視光、近赤外光に対して透明であることであるので、改質領域は、可視光および近赤外光を少なくとも透過するような組成であれば、元の組成（非改質領域の組成）から変化しても良い。
【００２４】
例えば、本発明の一実施形態に係る改質領域は、上記第１のレーザによって加工対象物の内部に形成されたクラックを含む場合がある。この場合、該クラックの周囲の領域は、非改質領域に対して屈折率が変化しているので、このようなクラックを含む、屈折率が変化した領域が改質領域となる。また、本発明の一実施形態では、改質領域は、クラックのように微小の空洞にならない程度のヒビを含む場合もある。この場合においても、ヒビおよびその周辺部は、非改質領域に対して屈折率が変化しているので、ヒビを含む、屈折率が変化した領域が改質領域となる。
【００２５】
また、本発明において「光吸収率増加領域」とは、第２のレーザ光が所定の条件で照射されることにより一時的に形成される領域であって、上記所定の条件の第２のレーザ光が照射されてから所定時間（所定期間）だけ一時的に、第３のレーザ光に対する吸収率が増加する領域である。よって、光吸収率増加領域は、上記所定時間過ぎると、元の状態に戻る。
【００２６】
加工対象物中の光吸収率増加領域とすべきある領域に着目すると、該ある領域に第２のレーザ照射が照射されると、上記所定時間中は第３のレーザ光に対する光吸収率が高くなった光吸収率増加領域となる。その後所定時間過ぎると、元の状態、すなわち上記ある領域に戻る。よって、例えば、上記ある領域が改質領域に含まれる領域である場合、第２のレーザ光の照射により一時的に光吸収率増加領域となり、該光吸収率増加領域に第３のレーザ光が照射されることにより、該光吸収率増加領域が第３のレーザ光を吸収して加熱される。該加熱により光吸収率増加領域において熱変形（例えば、熱膨張）が起き、該熱変形によって改質領域を起点に切断が起こることになる。しかしながら、上記光吸収率増加領域は所定時間が過ぎると、改質領域に含まれる領域、すなわち元の状態に戻る。上記ある領域が非改質領域でも同様のことが言える。よって、光吸収率増加領域となるある領域は、第２のレーザ光が照射されてからの所定時間以外では、元の領域、すなわち、改質領域、非改質領域、またはそれらが混在する領域である。従って、光吸収率増加領域となるある領域は、第２のレーザ光が照射されてからの所定時間以外では、可視光および近赤外光に対しては少なくとも透明であり、非改質領域とは組成比が変わらない、あるいはほとんど変わらない。
なお、本発明において「所定時間」とは、加工対象物の内部の一領域が、所定の条件で入射した第２のレーザによって光吸収率増加領域となった時から、該光吸収率増加領域から元の状態に戻るまでの期間である。すなわち、光吸収率増加領域の形成が継続されている期間である。
【００２７】
上述から分かるように、本発明の一実施形態においては、第１のレーザにより、可視光および近赤外光に対して少なくとも透明である改質領域を形成し、第２のレーザにより、第３のレーザに対して光吸収率を一時的に増加させて元に戻る光吸収率増加領域を形成し、第３のレーザにより光吸収率増加領域にて該第３のレーザ光を吸収させて加工対象物内部を局所的に加熱し、該加熱の影響により改質領域を起点として、加工対象物を切断する。これを実現できるようなレーザを第１〜第３のレーザとして選択することが本発明において重要である。
【００２８】
本発明の一実施形態では、第１のレーザおよび第２のレーザとして超短パルスレーザを用いることが好ましく、フェムト秒レーザを用いることがさらに好ましい。第１のレーザおよび第２のレーザとしてフェムト秒レーザを用いる場合は、パルス幅が３０ｐｓ以下であることが好ましく、２０ｐｓ以下であることがさらに好ましく、さらには１０ｆｓ以上、２０ｐｓ以下であることが好ましい。
【００２９】
第１のレーザとしてフェムト秒レーザを用いることにより、加工対象物の内部において、可視光および近赤外光に対して少なくとも透明であり、組成比が非改質領域とほとんど変わらないような領域であって、クラックやヒビといった切断の起点となるものが含まれた領域、すなわち本発明の改質領域を形成することができる。本発明では、第１のレーザ光としては、上述のようなフェムト秒レーザ等、レーザ焦点およびその周辺部を熱により溶融しないような超短パルスレーザ、すなわち、本発明の改質領域を加工対象物内に形成可能な超短パルスレーザであればいずれのレーザを用いても良い。
【００３０】
また、第２のレーザとしてフェムト秒レーザを用いることにより、加工対象物の内部において、第３のレーザ（例えば、ナノ秒レーザ、またはサブナノ秒レーザ）に対する光吸収率が非改質領域よりも高い領域（光吸収率増加領域）を一時的に形成することができる。本発明では、第２のレーザ光としては、上述のようなフェムト秒レーザ等、多光子吸収は起こるが、レーザ焦点およびその周辺部を熱により溶融しないような条件により、加工対象物の一部を本発明の光吸収率増加領域にすることが可能な超短パルスレーザであればいずれのレーザを用いても良い。
【００３１】
さらに、本発明の一実施形態では、第３のレーザとして、第１および第２のレーザよりもパルス幅が広い短パルスレーザを用いることが好ましく、パルス幅が１００ｐｓ以上、１μｓ以下の短パルスレーザを用いることがさらに好ましく、さらには１００ｐｓ以上、２０ｎｓ以下の短パルスレーザを用いることが好ましい。例えば、第３のレーザとして、ナノ秒レーザ、サブナノ秒レーザを用いることができる。第３のレーザとしてナノ秒レーザ、サブナノ秒レーザを用いることにより、第２のレーザとしてフェムト秒レーザを用いて加工対象物内に光吸収率増加領域を形成した場合、該光吸収率増加領域を局所的に加熱することができる。本発明では、第３のレーザ光としては、上述のようなナノ秒レーザ、サブナノ秒レーザ等、形成された光吸収率増加領域にて吸収される波長帯を有するレーザであって、非改質領域に対しては透明、またはほぼ透明であるレーザであればいずれのレーザを用いても良い。
【００３２】
さらに、本発明の一実施形態では、加工対象物の例としては、ＧａＮ、ＳｉＣ、サファイア等が挙げられる。ただし、本発明の一実施形態では加工対象物の材料としてはこれら材料に限定されないことは言うまでも無い。すなわち、第１のレーザにより本発明の改質領域を形成し、第２のレーザにより光吸収率増加領域を形成し、第３のレーザを光吸収率増加領域にて吸収させて生じた熱変形により、改質領域を起点として切断される材料であれば、いずれの材料を用いることができる。
【００３３】
（第１の実施形態）
図２は、本実施形態に係るレーザ割断装置２０の模式図である。
レーザ割断装置２０は、第１のレーザおよび第２のレーザとしてのフェムト秒レーザ、第３のレーザとしてのナノ秒レーザをそれぞれ単一に出射することができ、かつ第２のレーザおよび該第２のレーザのパルスから所定時間だけ遅延した第３のレーザとを空間的に重畳して出射することが可能なレーザ光発生装置２１を備えている。該レーザ光発生装置２１は、光源２２、１／２波長板２３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４、ミラー２５、遅延回路２６、および１／２波長板２７を有している。
【００３４】
光源２２は、フェムト秒レーザおよびナノ秒レーザをそれぞれ単独で発振することもできるし、フェムト秒レーザおよびナノ秒レーザを同期して発振することもできるように構成されている。該光源２２は、フェムト秒レーザを発振する短パルス光源２２ａと、ナノ秒レーザを発振する長パルス光源２２ｂとを有する。
【００３５】
短パルス光源２２ａの、レーザの進行方向の後流側には１／２波長板２３が設けられおり、該１／２波長板２３の後流側にＰＢＳ２４が設けられている。本実施形態では、短パルス光源２２ａから発振されたフェムト秒レーザが、ＰＢＳ２４に対してＰ偏光で入射するように１／２波長板２３は構成されている。従って、短パルス光源２２ａから出力されたフェムト秒レーザは、１／２波長板２３にてＰ偏光になり、ＰＢＳ２４をそのまま透過する。
なお、本明細書においては、光源２２から出力されたレーザの進行方向の後流側を単に“後流側”と呼び、光源２２から出力されたレーザの進行方向の上流側を単に“上流側”と呼ぶことにする。
【００３６】
長パルス光源２２ｂの後流側には、ミラー２５、遅延回路２６、および、１／２波長板２７がこの順番で設けられており、ミラー２５にて反射された、長パルス光源２２ｂから発振されたナノ秒レーザが、遅延回路２６および１／２波長板２７を介してＰＢＳ２４に入射するように、ミラー２５、遅延回路２６、および１／２波長板２７は位置決めされている。本実施形態では、長パルス光源２２ｂから発振されたナノ秒レーザが、ＰＢＳ２４に対してＳ偏光で入射するように１／２波長板２７は構成されている。従って、１／２波長板２７の上流側から入射されたナノ秒レーザは、１／２波長板２７にてＳ偏光になり、ＰＢＳ２４にて反射されてＰＢＳ２４の後流側に出射される。
【００３７】
本実施形態では、ＰＢＳ２４は、短パルス光源２２ａおよび長パルス光源２２ｂのそれぞれの後流側に設けられ、短パルス光源２２ａから発振されたフェムト秒レーザと長パルス光源２２ｂから発振されたナノ秒レーザとを同一の方向から出射しているので、短パルス光源２２ａから発振されたフェムト秒レーザと長パルス光源２２ｂから発振されたナノ秒レーザとの合波手段としても機能することができる。
【００３８】
本実施形態では、短パルス光源２２ａおよび長パルス光源２２ｂからフェムト秒レーザおよびナノ秒レーザを同期して発振した場合に、長パルス光源２２ｂから発振されたあるナノ秒レーザパルスが、該あるナノ秒レーザパルスと同期して発振された長パルス光源２２ａから発振されたフェムト秒レーザパルスよりも所定時間遅延してＰＢＳ２４に入射するように、遅延回路２６は構成されている。なお、上記所定時間は、第２のレーザとしてフェムト秒レーザを加工対象物に入射して生じた光吸収率増加領域の形成が持続する期間（例えば、数１０ｎｓ以内の時間）である。従って、短パルス光源２２ａからのフェムト秒レーザの発振と長パルス光源２２ｂからのナノ秒レーザの発振とを同期して行うと、あるフェムト秒レーザパルス２８ａと該フェムト秒レーザパルス２８ａと同期して発振されたナノ秒レーザパルス２８ｂとは、ＰＢＳ２４から上記所定時間だけ時間的にずれて出射される。すなわち、ＰＢＳ２４からは、フェムト秒レーザパルス２８ａから上記所定時間だけ遅れてナノ秒レーザパルス２８ｂが出射される。
【００３９】
ＰＢＳ２４の後流側には、出力減衰器２９およびビーム径調整器３０がこの順番で配置されている。従って、ＰＢＳ２４から出射された、フェムト秒レーザの単体、ナノ秒レーザ単体、またはフェムト秒レーザとナノ秒レーザとが合波されたものは、出力減衰器２９にて所望に応じて出力が減衰され（エネルギーが調節され）、ビーム径調整器３０にて所望のビーム径に調整されて後流側に出射される。
【００４０】
ビーム径調整器３０の後流側には、短パルス光源２２ａから出射されたフェムト秒レーザおよび長パルス光源２２ｂから出射されたナノ光レーザの双方は反射し、可視光は透過するように構成されたダイクロイックフィルタ３１、レンズ３２、およびＸＹＺステージ３３がこの順番で設けられている。従って、ビーム径調整器３０から出射された、フェムト秒レーザの単体、ナノ秒レーザ単体、またはフェムト秒レーザとナノ秒レーザとが合波されたものは、ダイクロイックフィルタ３１にて反射され、レンズ３２を介してＸＹＺステージ３３に保持された加工対象物に入射する。
なお、ＸＹＺステージ３３のＸ軸およびＹ軸はＸＹＺステージ３３の加工対象物を設置するための設置面の面内方向にあり、Ｚ軸は該設置面の法線方向である。ＸＹＺステージ３３は、上記設置面上に設置された加工対象物３４を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って所望に応じて移動できるように構成されている。
また、本実施形態では、レンズ３２により集光された可視光の焦点と、レンズ３２により集光されたフェムト秒レーザおよびナノ秒レーザの焦点とは一致している。
【００４１】
ＸＹＺステージ３３の設置面と対向して、ＣＣＤカメラ３５が設けられている。該ＣＣＤカメラ３５は可視光を発振する可視光光源を有しており、該可視光光源から発振された可視光がダイクロイックフィルタ３１を介してＸＹＺステージ３３に保持された加工対象物３４に入射し、該加工対象物３４にて反射された可視光がダイクロイックフィルタ３１を介してＣＣＤカメラの撮像素子に入射するように、ＣＣＤカメラ３５、ダイクロイックフィルタ３１、レンズ３２、ＸＹＺステージ３３が位置決めされている。
【００４２】
ＸＹＺステージ３３およびＣＣＤカメラ３５には、ＸＹＺステージ３３およびＣＣＤカメラ３５を制御する制御部３６が電気的に接続されている。この制御部３６は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するＣＰＵ、およびこのＣＰＵによって実行される様々な制御プログラムなどを格納するＲＯＭ、ＣＰＵの処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するＲＡＭ、およびフラッシュメモリやＳＲＡＭ等の不揮発性メモリなどを有する。また、制御部３６には、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部３７、ＸＹＺステージ３３の入力・設定状態、ＣＣＤカメラ３５の撮像画像などをはじめとする種々の表示を行う表示部３８（例えば、ディスプレイ）が接続されている。なお、上記制御部３６は、出力減衰器２９の減衰率を調節するように構成されていても良い。
【００４３】
図３は、本実施形態に係る光源２２の構成を示す図である。
図３において、短パルス光源２２ａは、発振器２０１、パルス間引き器２０２、分岐カカプラ２０３、ストレッチャ２０４、予備増幅器２０５、増幅器２０６、パルス圧縮器２０７、およびシャッター２０８を備えている。一方、長パルス光源２２ｂは、ストレッチャ２０９、予備増幅器２１０、増幅器２１１、およびシャッター２１２を備えている。
なお、シャッター２０８はパルス圧縮器２０７から出射されたフェムト秒レーザが照射されても破壊されないように構成されている。同様に、シャッター２１２は増幅器２１１から出射されたナノ秒レーザが照射されても破壊されないように構成されている。
【００４４】
図３において、５０ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を発振する発振器２０１の後流側は、パルス間引き器２０２が光ファイバを介して接続されており、パルス間引き器２０２は、発振器２０１から入射された５０ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を５００ｋＨｚ、１００ｆｓのレーザ光に変換して後流側に出射する。パルス間引き器２０２の後流側は、３ｄＢカプラである分岐カプラ２０３が光ファイバを介して接続されており、分岐カプラ２０３の出力端の一方には光ファイバを介してストレッチャ２０４が光ファイバを介して接続されており、他方にはストレッチャ２０９が光ファイバを介して接続されている。
【００４５】
ストレッチャ２０４は、分岐カプラ２０３の一方の出力端から出射された、５００ｋＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を、５００ｋＨｚ、１００ｐｓのレーザ光に変換して後流側に出射する。ストレッチャ２０４の後流側は、予備増幅器２０５が光ファイバを介して接続されており、該予備増幅器２０５の後流側は、増幅器２０６が光ファイバを介して接続されており、該増幅器２０６の後流側は、光ファイバを介してパルス圧縮器２０７が光ファイバを介して接続されている。該パルス圧縮器２０７は、増幅器２０６から出射された５００ｋＨｚ、５００ｆｓのレーザ光に変換し、該５００ｋＨｚ、５００ｆｓのレーザ光は、短パルス光源２２ａの出射端２１３から出射される。このようにして、短パルス光源２２ａは、５００ｋＨｚ，５００ｆｓのフェムト秒レーザを出射することができる。このとき、パルス圧縮器２０７の後流側には矢印方向Ｐに移動可能なシャッター２０８が設けられているので、短パルス光源２２ａは、シャッター２０８の開閉動作により、フェムト秒レーザの発振をオン、オフすることができる。
【００４６】
このように、本実施形態では、分岐カプラ２０３の一方の出力端と出射端２１３とを光学的に接続する第１の経路に含まれる各構成要素を分岐カプラ２０３の一方の出力端から出射されたレーザが通過することにより、該レーザが出射すべきフェムト秒レーザに変換される。
【００４７】
一方、ストレッチャ２０９は、分岐カプラ２０３の他方の出力端から出射された、５００ｋＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を、５００ｋＨｚ、１ｎｓのレーザ光に変換して後流側に出射する。ストレッチャ２０９の後流側は、予備増幅器２１０が光ファイバを介して接続されており、該予備増幅器２１０の後流側は、増幅器２１１が光ファイバを介して接続されている。増幅器２１１から出射された５００ｋＨｚ、１ｎｍのレーザ光は、長パルス光源２２ｂの出射端２１４から出射される。従って、長パルス光源２２ｂは、５００ｋＨｚ、１ｎｓのナノ秒レーザを出射することができる。このとき、増幅器２１１の後流側には矢印方向Ｐに移動可能なシャッター２１２が設けられているので、短パルス光源２２ｂは、シャッター２１２の開閉動作により、ナノ秒レーザの発振をオン、オフすることができる。
【００４８】
このように、本実施形態では、分岐カプラ２０３の他方の出力端と出射端２１４とを光学的に接続する第２の経路に含まれる各構成要素を分岐カプラ２０３の他方の出力端から出射されたレーザが通過することにより、該レーザが出射すべきナノ秒レーザに変換される。
【００４９】
本実施形態では、分岐カプラ２０３の一方の出力端から出射されたレーザ光が短パルス光源２２ａの出射端２１３まで通過する第１の経路の光路長と、分岐カプラ２０３の他方の出力端から出射されたレーザ光が長パルス光源２２ｂの出射端２１４まで通過する第２の経路の光路長とが同一に設定されている。従って、単一の発振器２０１から出射された単一のレーザ光を分岐して、互いに同期したフェムト秒レーザおよびナノ秒レーザとして発振することができる。なお、光路長の調整は、例えば、各構成要素間に設けられた光ファイバの長さおよび屈折率の少なくとも一方を適宜変えることによって行えば良い。
【００５０】
また、本実施形態では、短パルス光源２２ａおよび長パルス光源２２ｂがそれぞれ、シャッター２０８、２１２を備えているので、シャッター２０８、２１２の開閉の組み合わせにより、光源２２は、フェムト秒レーザ単体、およびナノ秒レーザ単体で出射することができ、さらにはフェムト秒レーザと該フェムト秒レーザと同期したナノ秒レーザとを同時に出射することができる。シャッター２０８、２１２の開閉制御は、制御部３６が行っても良い。
【００５１】
なお、本実施形態では、予備増幅器２０５、２１０に、入射されるレーザ光をオン、オフするスイッチ機能を持たせても良い。この場合は、予備増幅器２０５、２１０がそれぞれ、上流側から入射された光を遮断することができるので、予備増幅器２０５、２１０のオン、オフを制御することで、光源２２から出射されるレーザ光の選択を行うことができる。例えば、予備増幅器２０５、２１０を共にオン状態とすれば、光源２２からは互いに同期したフェムト秒レーザおよびナノ秒レーザが出射され、予備増幅器２０５をオン状態とし、予備増幅器２１０をオフ状態とすれば、光源２２はフェムト秒レーザのみを出射する。同様に、予備増幅器２０５をオフ状態とし、予備増幅器２１０をオン状態とすれば、光源２２はナノ秒レーザのみを出射する。
【００５２】
また、分岐カプラ２０３を、分岐比可変機能を有する分岐カプラにしても良い。この場合、互いに同期したフェムト秒レーザおよびナノ秒レーザを出射する場合は、分岐カプラ２０３の一方の出射端と他方の出射端との分岐比を、５０：５０にし、フェムト秒レーザのみを出射したい場合は、上記分岐比を１００：０にし、ナノ秒レーザのみを出射したい場合は、上記分岐比を０：１００とすれば良い。
【００５３】
このような構成により、短パルス光源２２ａ、長パルス光源２２ｂ、１／２波長板２３、ＰＢＳ２４、ミラー２５、遅延回路２６、および１／２波長板２７を備えるレーザ光発生装置は、第１〜第３のレーザを単体で発振することができ、かつ第２および第３のレーザを時間的、空間的に重畳して発振することができる。
【００５４】
次に、所定のレーザ光の焦点を加工対象物の内部の所定の位置に設定する方法の一例を説明する。
レンズ３２により集光される焦点を加工対象物３４の表面に設定する場合、制御部３６は、ＣＣＤカメラ３５から可視光を照射した状態で、加工対象物３４が設定されたＸＹＺステージ３３をＺ軸方向に移動させながら、ＣＣＤカメラ３５にて撮像データを取得するように、ＸＹＺステージ３３およびＣＣＤカメラ３５を制御する。制御部３６は、上記ＣＣＤカメラ３５にて取得された各撮像データに基づいて、可視光のレンズ３２を介した焦点が加工対象物３４の表面と一致する時の、ＸＹＺステージ３３の位置を取得し、この位置を基準位置として、制御部３６のＲＡＭに記憶される。よって、制御部３６は、レンズ３２から集光される焦点が加工対象物３４の表面と一致する場合に対応するＸＹＺステージ３３のＺ軸方向の位置を基準位置として保持することになる。なお、この基準位置は、レンズ３２が同一の位置に設けられ、加工対象物の厚さが、上記測定のものと同一である場合には流用できる。
【００５５】
加工対象物３４の内部の所定の位置にレンズ３２を介したフェムト秒レーザやナノ秒レーザの焦点を設定する場合は、上記基準位置を用いてＸＹＺステージ３３のＺ軸方向の位置を変動させる。例えば、加工対象物３４の表面からｘμｍの位置に上記焦点を設定したい場合は、ユーザが入力操作部３７により、加工対称物３４の表面から焦点までの距離に関する焦点距離情報としてｘμｍを入力し、さらに加工対象物３４の屈折率を入力する。制御部３６は、ＲＡＭに格納された基準位置に基づいてＸＹＺステージ３３を移動させ、加工対象物３４の表面がレンズ３２からの焦点と一致するようにする。次いで、制御部３６は、ユーザから入力された焦点距離情報および加工対象物３４の屈折率に基づいて、入力された屈折率におけるｘμｍの対応距離を演算し、該演算結果に基づいて、加工対象物３４の表面から内部に向かってｘμｍの位置に焦点位置が来るように上記基準位置から所定距離だけ下方（Ｚ軸方向であって、レンズ３２から遠ざかる方向）にＸＹＺステージ３３を移動させる。これにより、レンズ３２から集光したフェムト秒レーザおよびナノ秒レーザの焦点は、加工対象物３４の内部の所定の場所に位置することになる。
【００５６】
以下で、本実施形態に係る、加工対象物の割断方法を説明する。
図４は、本実施形態に係る、加工対象物のレーザによる割断方法の手順を示す図である。
まずは、ステップＳ４１において、第１のレーザであるフェムト秒レーザ（超短パルスレーザ；例えば、１０ｆｓ−３０ｐｓ）を（レーザにとって）透明な加工対象物３４内部に集光点を持つように照射する事により、加工対象物３４内部に改質領域を形成する。この改質領域は、切断したいラインである割断予定線にそって連続的もしくは断続的に形成され、加工対象物３４の表面からの深さ方向に対して複数の深さにラインを形成する事もできる。この改質領域のラインが加工対称物の割断の為の起点となる。この時の光密度は例えば加工対象物３４がサファイアの場合、時間幅：５００ｆｓ、波長：１．０４μｍのレーザ光を用いて、ＮＡ＝０．６５の集光レンズ３２でおよそ１．５μｍのスポット径に集光した場合、クラック形成に必要なエネルギーはおよそ＞０．０５μＪである。この時形成された改質領域はフェムト秒レーザ照射時に発生する内部応力によるクラックもしくは残留応力により形成される屈折率が変化した領域であり、いわゆる溶融領域ではない。このフェムト秒レーザで改質された領域に多光子吸収を起こさない程度のエネルギー密度のレーザを照射しても改質領域はレーザ光を吸収せず、それ以上の変化は起こらない。
【００５７】
図５（ａ）において、符号５１は、割断予定線であり、該割断予定線５１に沿って加工対象物３４を切断する。なお、本明細書において、割断予定線とは、仮想的な線であっても良いし、加工対象物３４の表面に実際に書かれた線であっても良い。
【００５８】
本実施形態では、ユーザが入力操作部３７により、改質領域を形成すべき深さ（加工対象物の表面から内部に向かった距離）および加工対象物３４の屈折率が入力されると、制御部３６は、ＲＡＭに格納された基準位置および上記ユーザ入力に基づいて、ＸＹＺステージ３３を移動させ、加工対象物３４の内部の所定の位置にレンズ３２による焦点が位置するようにＸＹＺステージ３３を制御する。これと共に、制御部３６は、シャッター２０８を開け、シャッター２１２を閉じるようにシャッター２０８、２１２を制御する。従って、このときは光源２２からはフェムト秒レーザのみが出射されることになる。次いで、制御部３６が、割断予定線５１に沿ってレーザが走査されるようにＹＸＺステージ３３を移動させることにより、図５（ｂ）に示すように、加工対象物３４の内部において、割断予定線に沿った改質領域５２を形成することができる。本実施形態では、改質領域５２にはクラックが含まれている。なお、上記レーザ走査の際にシャッター２０８を開放し続ければ、改質領域５２のラインは割断予定線に沿って連続的に形成される。一方、上記レーザ走査の際にシャッター２０８を断続的に開閉すれば、改質領域５２のラインは割断予定線に沿って断続的に形成される。
【００５９】
ステップＳ４２では、ステップＳ４１により形成された改質領域５２のラインもしくはその近辺に、光吸収率増加領域を形成するために、固体内部プラズマを発生させるのに十分なエネルギーを持った第２のレーザであるフェムト秒レーザ（超短パルスレーザ；例えば、１０ｆｓ−３０ｐｓ）を照射する。この時、第２のレーザのエネルギー密度は必ずしも材料を改質する程のエネルギー（改質領域を形成するほどのエネルギー）を持つ必要は無く、固体内部プラズマもしくは光イオン化現象を誘起する程度のエネルギーが有ればよい。例えば時間幅：５００ｆｓ、波長：１．０４μｍのレーザ光を用いて、ＮＡ＝０．６５の集光レンズ３２でおよそ１．５μｍのスポット径に集光した場合はおよそ＞０．０１μＪである。この時、固体内部プラズマもしくは光イオン化の自己吸収（アバランシェ吸収）により、透明材料の光吸収率は一時的に上がる。内部プラズマもしくは光イオン化は光子密度の濃い領域でのみ発生する為、透明材料に対して局所的に光吸収率の大きい部分を形成するのがステップＳ４２の目的である。このプラズマもしくは光イオン化による吸収率上昇の持続時間はおよそ〜３０ｎｓ程度（溶融石英、１２０ｆｓ,８００ｎｍのレーザ照射時）である事が非特許文献１に記載されている。
【００６０】
本実施形態では、ユーザが入力操作部３７により、光吸収率増加領域を形成すべき深さが入力されると、制御部３６は、ＲＡＭに格納された基準位置および上記ユーザ入力に基づいて、ＸＹＺステージ３３を移動させ、加工対象物３４の内部の所定の位置にレンズ３２による焦点が位置するようにＸＹＺステージ３３を制御する。例えば、ユーザが改質領域５２よりも浅い位置に光吸収率増加領域が形成されるような深さを入力すると、制御部３６は、レンズ３２からの焦点が改質領域５２の形成時よりも浅い領域に位置するようにＸＹＺステージ３３を制御する。次いで、制御部３６が、短パルス光源２２ａから発振されているフェムト秒レーザが、多光子吸収は起こるが、レーザ焦点およびその周辺部を熱により溶融しないようなエネルギーまでレーザ出力が減衰されるように出力減衰器２９を制御し、割断予定線５１に沿ってレーザが走査されるようにＹＸＺステージ３３を移動させる。これにより、図６に示すように、改質領域５２の直上において、割断予定線５１に沿って光吸収率増加領域５３が形成される。なお、上記レーザ走査の際にシャッター２０８を開放し続ければ、光吸収率増加領域５３のラインは割断予定線に沿って連続的に形成される。一方、上記レーザ走査の際にシャッター２０８を断続的に開閉すれば、光吸収率増加領域５３のラインは割断予定線に沿って断続的に形成される。
【００６１】
ステップＳ４３では、ステップＳ４２により局所的に形成された吸収領域（光吸収率増加領域５３）に対して、該吸収領域の光吸収率が元に戻る前に、第３のレーザとしてのナノ秒レーザを光吸収率増加領域に入射させる。なお、第３のレーザは、第２のレーザと空間的および／または時間的にオーバーラップすることが好ましい。第３のレーザであるナノ秒レーザ（加工対象物に対して透明なレーザ）を照射する事により、第３のレーザは材料の表面では吸収されずに、ステップＳ４２で励起した領域（光吸収率増加領域）のみで吸収されることになり、加工対象物３４の内部を局所的に加熱する事ができる。それにより加工対象物３４の内部の切断予定線５１近辺に極端な温度勾配を作る事ができる。この時、第３のレーザのエネルギーは材料に熱膨張は与えるが、溶融領域を発生させないエネルギーに調整しておく。ステップＳ４３とステップＳ４２とは時間的に同時もしくはステップＳ４２から〜１０ｎｓ以内に実施する必要がある。第３のレーザの時間幅は、材料に効率的に熱を与える事ができ、かつ光による電子励起→格子振動→熱拡散が進むまで光照射が持続している事が望ましく、その為第３のレーザの時間幅は＞１００ｐｓ以上が望ましい。
【００６２】
本ステップでは、制御部３６の制御により、シャッター２０８が開いた状態で、シャッター２１２を開ける。これにより、光源２２からはフェムト秒レーザおよび該フェムト秒レーザと同期したナノ秒レーザが同時に発振される。長パルス光源２２ｂとＰＢＳ２４との間には遅延回路２６が設けられているので、ＰＢＳ２４から、光源２２から同期して出射されたフェムト秒レーザ（第２のレーザ）に対して、上記所定時間だけ遅延したナノ秒レーザ（第３のレーザ）を出射することができる。よって、加工対象物３４の内部の所定の領域には、第２のレーザとしてのフェムト秒レーザが入射されて光吸収率増加領域５３が形成され、所定時間経過する前に該光吸収率増加領域５３に第３のレーザとしてのナノ秒レーザが入射される。よって、光吸収率増加領域５３がナノ秒レーザを吸収することになり、該光吸収率増加領域５３が加熱される。これにより、光吸収率増加領域５３と改質領域５２に含まれるクラックとの間に極端な温度勾配が生じる。すなわち、光吸収率増加領域５３が熱膨張することになり、該熱膨張によりクラック部分を広げるような応力がクラックに働き、該応力によりクラックを起点とした切断が起こる。これにより、割断予定線５１に沿って加工対象物３４は切断される。
【００６３】
以上のステップによりステップＳ４１で形成した改質領域５２近辺のみに極端な温度勾配を発生する事ができ、ステップＳ４１で形成したクラック等を含む改質領域５２を起点として材料を切断する事ができる。その為、従来のように材料切断の為にフェムト秒レーザによる改質層形成+外部機械的応力によるブレークという２段階のプロセスを必要とせず、レーザ照射のみによる切断が可能となる。
【００６４】
また、本実施形態では、レーザ光を吸収して改質領域を起点とした切断を起こさせる熱変形が起こる光吸収率増加領域５３は、所定時間経過すると元の状態に戻る。該元の状態は、非改質領域、改質領域、またはそれが混在する領域であるが、いずれにしても可視光および近赤外光に対しては少なくとも透明な領域であるので、加工対象物の切断後において、切断された加工対象物の切断面、内部において、可視光および近赤外光に対して少なくとも不透明な領域の発生を低減することができる。
【００６５】
なお、本実施形態では、第１から第３のレーザはシングルビームではなく、例えば深さ方向に３つの焦点を持つマルチビーム（ＤＯＥ等を用いて）にしておく事も可能である。
【００６６】
又、加工対象物の材料の割れやすさによってはステップＳ４２での第２のレーザ（超短パルスレーザ）のエネルギーを改質領域ができる程度のエネルギーに調整する事により、ステップＳ４１を省略しても良い。
【００６７】
このように本実施形態によれば、第２レーザ照射により、加工対象物内部に局所的に光吸収領域（光吸収率増加領域）を形成しその部分だけを熱する事ができる為、第３のレーザにより形成される熱源７１は内部にある。その為、図７に示すように熱拡散により、加工対象物３４の表面に所定の堆積薄膜７２が形成さている場合、該堆積薄膜７２に熱ダメージを与える事が無い、あるいは該堆積薄膜７２への熱ダメージを軽減することができる。なお、図７において、符号７１ａはレーザ照射点付近の最も温度が高い加熱領域であり、符号７１ｂは加熱領域７１ａを囲むように形成された加熱領域７１ａよりも温度が低い加熱領域であり、符号７１ｃは加熱領域７１ｂを囲むように形成された加熱領域７１ｂよりも温度が低い加熱領域である。
特許文献１の方法では熱源の位置が表面に限定されており、改質層から熱源までの距離が場合によっては遠くなるために、効果が薄い。それに対して本実施形態では改質領域の直近に熱勾配を作る事ができる為に熱勾配により与える応力を大きくすることができる。
特許文献２の方法では、改質層が恒常的に光吸収性を持つ必要があるが、本実施形態では、一時的に光吸収率が高くなり所定時間経過後には元に戻る光吸収率増加領域を形成しているので、材料の組成を大きく変化させずに材料を切断する事が可能である。すなわち、第２のレーザにより熱源７１を発生させるための領域を形成しているので、加工対象物内のある領域を、切断のときだけ一時的に、切断のための熱に寄与する第３のレーザ光を吸収するような領域とし、それ以外では可視光および近赤外光に対して少なくとも透明な領域とすることができる。
【００６８】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、改質領域の形成箇所を、加工対象物の深さ方向（Ｚ軸方向）においては１箇所に設定しているが、図８に示すように、改質領域８３を、加工対象物３４の表面（レンズ３２側の面）８１から裏面（ＸＹＺステージ３３の設置面側の面）８２に向かって連続的に形成しても良い。図８において、符号８４は光吸収率増加領域であり、符号８５は第３のレーザが照射されて加熱される領域である。
【００６９】
この場合は、制御部３６は、ＣＣＤカメラ３５により、加工対象物３４の表面を検知する方法と同様にして、可視光のレンズ３２を介した焦点が加工対象物３４の裏面８２と一致する時の、ＸＹＺステージ３３の位置（裏面位置）を取得する。次いで、制御部３６は、ＸＹＺステージ３３を裏面位置に移動させて、レンズ３２を介した焦点を裏面８２に一致させ、この状態からＸＹＺステージ３３を所定の速さで下降させ（表面８１から裏面８２に向かう方向に移動させ）、これと共にフェムト秒レーザを加工対象物３４に入射させる。
【００７０】
制御部３６は、加工対象物３４の厚さ分だけＸＹＺステージ３３が下降したときに、レンズ３２を介した焦点が表面８１に一致したと判断し、Ｘ−Ｙ軸において割断予定線に沿って所定距離だけＸＹＺステージ３３を移動させ、かつ裏面位置となるようにＸＹＺステージ３３を移動させる。次いで、上述と同様にして、裏面８２から表面８１に向かってフェムト秒レーザを連続的に走査して、裏面８２から表面８１に向かって連続的に改質領域８３を形成する。
【００７１】
また、図９に示すように、改質領域９１を、加工対象物３４の表面８１から裏面に向かって断続的に形成しても良い。
この場合は、裏面位置に位置するＸＹＺステージ３３を下降に移動させながらフェムト秒レーザを加工対象物３４に照射する際、シャッター２０８の開閉を断続的に行うように制御部３６を構成すれば良い。
【００７２】
（第３の実施形態）
本実施形態では、図２に示す構成において、出力減衰器２９の上流側に設けられたレーザ光発生装置は、フェムト秒レーザおよびナノ秒レーザを同一の出射端から出射する光源１００を備えている。
図１０において、５０ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を発振する発振器３０１の後流側は、パルス間引き器３０２が光ファイバを介して接続されており、パルス間引き器３０２は、発振器３０１から入射された５０ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を５００ｋＨｚ、１００ｆｓのレーザ光に変換して後流側に出射する。パルス間引き器３０２の後流側は、３ｄＢカプラである分岐カプラ３０３が光ファイバを介して接続されており、分岐カプラ３０３の出力端の一方には光ファイバを介してストレッチャ３０４が光ファイバを介して接続されており、他方にはストレッチャ３０７が光ファイバを介して接続されている。
【００７３】
ストレッチャ３０４は、分岐カプラ３０３の一方の出力端から出射された、５００ｋＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を、５００ｋＨｚ、１００ｐｓのレーザ光に変換して後流側に出射する。ストレッチャ３０４の後流側は、入射された光をオン、オフする機能を有する予備増幅器３０５が光ファイバを介して接続されている。該予備増幅器３０５のオン、オフの切り替えを制御部３６が行っても良い。該予備増幅器３０５の後流側は、増幅器３０６が光ファイバを介して接続されている。増幅器３０６は２つの入力端を有しており、一方の入力端が予備増幅器３０５に接続されている。
【００７４】
一方、ストレッチャ３０７は、分岐カプラ３０３の他方の出力端から出射された、５００ｋＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を、５００ｋＨｚ、１．１ｎｓのレーザ光に変換して後流側に出射する。ストレッチャ３０７の後流側は、入射された光をオン、オフする機能を有する予備増幅器３０８が光ファイバを介して接続されている。該予備増幅器３０８のオン、オフの切り替えを制御部３６が行っても良い。該予備増幅器３０８の後流側は、増幅器３０６の他方の入力端が光ファイバを介して接続されている。
【００７５】
上述のように本実施形態では増幅器３０６が２つの入力端を有しているので、該増幅器３０６が分岐カプラ３０３にて分岐された光を合波する合波手段としても機能する。よって、増幅器３０６は、光源３００から発振すべきフェムト秒レーザの元となる５００ｋＨｚ、１００ｐｓのレーザ光と、光源３００から発振すべきナノ秒レーザの元となる５００ｋＨｚ、１．１ｎｓのレーザ光とを増幅して後流側に出射する。
【００７６】
増幅器３０６の後流側は、光ファイバを介してパルス圧縮器３０９が光ファイバを介して接続されている。該パルス圧縮器３０９は、１００ｐｓ分のチャープが補正されるように構成されている。よって、該パルス圧縮器３０９に入射した１００ｐｓパルスはフェムト秒まで圧縮されるが、１．１ｎｓパルスは１ｎｓまでしか圧縮されない。従って、パルス圧縮器３０９は、増幅器３０６から出射された５００ｋＨｚ、１００ｐｓのレーザ光を５００ｋＨｚ、５００ｆｓのフェムト秒レーザに変換して出射し、増幅器３０６から出射された５００ｋＨａ、１．１ｎｓのレーザ光を５００ｋＨｚ、１ｎｓのナノ秒レーザに変換して出射する。
【００７７】
本実施形態では、単一の発振器３０１から出射されたレーザ光を、第１および第２の経路に分岐して合波しているが、第１の経路では発振器３０１からのレーザ光を光源３００から出射すべきフェムト秒レーザの元となるレーザに変換し、第２の経路では発振器３０１からのレーザ光を光源３００から出射すべきナノ秒レーザの元となるレーザに変換する。なお、発振器３０１から出射したレーザ光をフェムト秒レーザに変換するための第１の経路は、分岐カプラ３０３とストレッチャ３０４とを接続する光ファイバ３１０、ストレッチャ３０４、ストレッチャ３０４と予備増幅器３０５とを接続する光ファイバ３１１、予備増幅器３０５、および予備増幅器３０５と増幅器３０６とを接続する光ファイバ３１２である。また、発振器３０１から出射したレーザ光をナノ秒レーザに変換するための第２の経路は、分岐カプラ３０３とストレッチャ３０７とを接続する光ファイバ３１３、ストレッチャ３０７、ストレッチャ３０７と予備増幅器３０８とを接続する光ファイバ３１４、予備増幅器３０８、および予備増幅器３０８と増幅器３０６とを接続する光ファイバ３１５である。
【００７８】
本実施形態では、分岐カプラ３０３の一方の出射端から出射されたあるパルスと同時に他方の出射端から出射した他のパルスが、上記あるパルスから所定時間だけ遅延して合波手段としての増幅器３０６に到達するように、第２の経路は構成されている。すなわち、上記他のパルスがあるパルスから所定時間だけ遅延して増幅器３０６に到達するように、第２の経路の光路長を第１の光路長よりも長く設定することにより、第２の経路に遅延回路の機能を持たせている。なお、光ファイバ３１３、３１４、３１５の長さおよび屈折率の少なくとも一方を調整することにより、上記第２の経路の光路長を調整すれば良い。
【００７９】
本実施形態では、予備増幅器３０５、３０８のオン、オフの組み合わせにより、光源３００から出射されるレーザ光の種類を決定することができる。例えば、光源３００からフェムト秒レーザのみを出射する場合は、予備増幅器３０５をオン（レーザ光を通過できる状態）にし、予備増幅器３０８をオフ（レーザ光を遮断する状態）にし、光源３００からナノ秒レーザのみを出射する場合は、予備増幅器３０５をオフにし、予備増幅器３０８をオンにすれば良い。また、光源３００からフェムト秒レーザとナノ秒レーザとを空間的、時間的に重畳して出射する場合は、予備増幅器３０５および３０８共にオンにすれば良い。
【００８０】
なお、分岐カプラ３０３を、分岐比可変機能を有する分岐カプラにしても良い。この場合、フェムト秒レーザとナノ秒レーザとを空間的、時間的に重畳して出射する場合は、分岐カプラ３０３の一方の出射端と他方の出射端との分岐比を、５０：５０にし、フェムト秒レーザのみを出射したい場合は、上記分岐比を１００：０にし、ナノ秒レーザのみを出射したい場合は、上記分岐比を０：１００とすれば良い。
【００８１】
このように、本実施形態では、第１および第２のレーザ光としてのフェムト秒レーザのみのレーザ発振、第３のレーザとしてのナノ秒レーザのみのレーザ発振をそれぞれ単一に行うことができ、かつ第２のレーザと該第２のレーザパルスから所定時間だけ遅延した第３のレーザとを同一の光ファイバから出射すること、すなわち、第２のレーザと第３のレーザとを空間的、時間的に重畳して出射することができる。
【符号の説明】
【００８２】
２０    レーザ割断装置
２１    レーザ光発生装置
２２、３００  光源
２２ａ  短パルス光源
２２ｂ  長パルス光源
２３、２７  １／２波長板
２４    ＰＢＳ
２５    ミラー
２６    遅延回路
２９    出力減衰器
３０    ビーム径調整器
３１    ダイクロイックミラー
３２    レンズ
３３    ＸＹＺステージ
３５    ＣＣＤカメラ
３６    制御部
３７    入力操作部
３８    表示部
２０１、３０１  発振器
２０２、３０２  パルス間引き器
２０３、３０３  分岐カプラ
２０４、２０９、３０４、３０７  ストレッチャ
２０５、２１０、３０５、３０８  予備増幅器
２０６、２１１、３０６  増幅器
２０７、３０９  パルス圧縮器
２０８、２１２シャッター
２１３、２１４  出射端
【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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