(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物にパルス発振のレーザ光を出射するレーザ光源であって、
前記レーザ光を発生させる発生部と、
前記レーザ光の出力を調整する調整部と、
前記発生部が発生させた前記レーザ光を異なる波長の変換光に変換する波長変換部と、
前記変換光の出力を低減させるように、前記波長変換部と接して配置され、前記波長変換部を断熱する断熱材と、を備え、
前記発生部と前記加工対象物との間に配設された前記調整部は、前記加工対象物上での前記レーザ光の出力密度を低減し、
前記調整部は、前記発生部から出射される前記レーザ光の光路に設置されたＮＡ変換器を含み、
前記ＮＡ変換器は、前記レーザ光の前記出力に応じて、前記レーザ光のＮＡを変換し、
前記ＮＡ変換器は、前記レーザ光１パルス内において、パルス波形に応じてビーム径を時間的に変化させ、
前記ＮＡ変換器として、非線形光学結晶が用いられており、
前記断熱材は、前記波長変換部の温度が、前記温度に対して定められた閾値を超えるならば、前記レーザ光の前記出力の増加に伴って前記変換光の出力を低減する
レーザ光源。
【請求項２】
前記ＮＡ変換器は、前記発生部から出射される前記レーザ光により熱レンズ効果を発現する
請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記発生部は、少なくとも２つの反射要素を含む共振器と、前記共振器内に配設されたレーザ媒質と、前記レーザ媒質を励起させる励起要素と、を含み
前記励起要素は、前記レーザ媒質を励起するためのエネルギを変調し、利得スイッチ方式で前記パルス発振を引き起こす
請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記発生部は、前記レーザ媒質が添加されたダブルクラッドファイバを含み、
前記波長変換部は、前記ダブルクラッドファイバ内で発生した前記レーザ光を短波長化する
請求項３に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記ＮＡ変換器の温度を調節する調温部を更に備え、
前記非線形光学結晶は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３を主とする
請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記ＮＡ変換器へ紫外線を照射する紫外光源を更に備え、
前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３を主とし、
前記紫外線の波長は、３８０ｎｍ以下である
請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の照射位置を前記加工対象物の加工面上で走査させる走査光学系と、
前記加工対象物が設置され、前記加工対象物を移動させるステージと、を備える
レーザ加工機。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する平滑化要素と、
前記垂直な面内の前記光強度分布を変化させる空間変調素子と、
前記空間変調素子にて前記光強度分布を変化させられた前記レーザ光を前記加工対象物に導く光学系と、を備える
レーザ加工機。
【請求項９】
請求項１に記載のレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する平滑化要素と、
前記垂直な面内の前記光強度分布を変化させる空間変調素子と、
前記空間変調素子にて前記光強度分布を変化させられた前記レーザ光を前記加工対象物に導く光学系と、
アパーチャが形成されたアパーチャ要素と、を備え、
前記アパーチャ要素は、前記レーザ光源と前記平滑化要素との間に配設される
レーザ加工機。
【請求項１０】
前記加工対象物は、シリコンであり、
前記レーザ光は、波長５２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の可視光であり、
前記調整部は、前記加工対象物の加工面上における前記レーザ光の出力密度を８．０×１０７Ｗ／ｃｍ２以下に調整する
請求項７又は８に記載のレーザ加工機。
【請求項１１】
前記レーザ光の出力が最大値から前記最大値の１割まで低下するまでの立下り時間は、８０ｎｓ以上である
請求項７又は８に記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を発生させるレーザ光源及び当該レーザ光源を備えるレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器やレーザシステムを使用した加工手法として、レーザ微細加工、レーザ溶接、レーザマーキングやレーザ切断といった様々な加工が挙げられる。特に、半導体に対するレーザ加工としては、レーザステッパ、レーザアニール、レーザリペアやレーザダイシングといった加工手法が挙げられる。【０００３】
例えば、特許文献１は、太陽電池パネルの製造工程を開示する。特許文献１の開示によれば、太陽電池パネルの製造にレーザアニールが用いられ、非結晶シリコン薄膜が結晶化される。この結果、高い発電効率を有する薄型且つ軽量の太陽電池パネルが低コストで製造される。【０００４】
一般的に、半導体を製造するための一連の工程それぞれに対して、多様且つ厳密な製造条件が設定される。半導体の製造のためのこれらの製造条件を管理するために、半導体ウェハの表面の一部には、数字、文字又はバーコードといったマークがドット形式で形成（ドットマーキング）される。【０００５】
一般的に、半導体は、１００以上の工程を経て製造される。各工程において、多数の素子を形成するための処理や平坦化のための処理が行われる。これらの処理は、例えば、レジストの塗布、レジスト上へのパターンの縮小投影、レジスト現像や銅配線に起因するギャップの埋込のための様々な成膜（例えば、絶縁膜や金属膜）による平坦化といった様々な工程を含む。【０００６】
図２６は、ドット形態のマークを形成する従来のレーザ加工機の概略図である。図２６を用いて、従来のレーザ加工機が説明される。【０００７】
図２６に示されるレーザ加工機９００は、連続パルスのレーザ光を半導体ウェハＷＦの表面の一部に照射し、ドット形式でマークを形成する。レーザ加工機９００は、レーザ光ＬＢを出射するレーザ光源９１０と、レーザ光ＬＢを反射するスキャンミラー９２０と、を備える。スキャンミラー９２０は、レーザ光源９１０が出射したレーザ光ＬＢを半導体ウェハＷＦに向けて反射する。この結果、半導体ウェハＷＦ上にレーザ光ＬＢが照射される。【０００８】
図２６には、３次元の直交座標系を規定するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。スキャンミラー９２０は、回転し、レーザ光ＬＢの照射位置をＹ軸方向に移動させる。【０００９】
レーザ加工機９００は、半導体ウェハＷＦを支持するステージ９３０を更に備える。ステージ９３０は、半導体ウェハＷＦをＸ軸方向に移動させる。この結果、半導体ウェハＷＦへのレーザ光ＬＢの照射位置は、Ｘ軸方向にも移動する。【００１０】
レーザ光源９１０は、レーザ光ＬＢをパルス発振する。レーザ光ＬＢが所望の照射位置で半導体ウェハＷＦに照射される結果、半導体ウェハＷＦの表面（以下、加工面と称される）に所望のパターンのマーキングが施される。レーザ光源９１０として、一般的に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源やＮｄ：ＹＶＯ４レーザ光源といった固体レーザ光源が広く用いられている。【００１１】
特許文献２は、半導体ウェハ上のドットマークを読み取るための技術を開示する。特許文献２の開示によれば、ドットマーキングがなされた半導体ウェハにＨｅ−Ｎｅレーザ光源からレーザビームが照射される。半導体ウェハ上での反射率の変化によって、ドットマーキングが表す情報が読み取られる。代替的に、ドットマーキングがなされた半導体ウェハに、一般的なレーザ光源からレーザビームが照射されてもよい。レーザビームの熱波の振動の変化によって、ドットマーキングが表す情報が読み取られてもよい。【００１２】
読み取られたドットマーキングの情報に基づいて、その後の半導体の製造工程における様々な製造条件が設定される。ドットマーキングの情報が不正確に読み取られるならば（例えば、ドットマーキングから誤った情報を読み取られるならば）、半導体は不良品として処理される。【００１３】
ドットマーキングの読取不良は、多くの場合、上述のドットマーキングの工程によって形成されたマークの不鮮明さに起因する。不鮮明なマークの原因の１つとして、マークを形成するドットの形態が挙げられる。一般的に、マークの鮮明さは、ドットの深さによって大きく影響される。【００１４】
特許文献３は、所定の高さのドットを得るための技術を開示する。特許文献３の開示によれば、比較的大きなエネルギを有するレーザビームを１回照射し、半導体ウェハの一部をスポット状に溶融並びに除去し、ドットが形成される。しかしながら、特許文献３の開示技術では、溶融並びに除去された溶融物は、ドットの周辺に高く堆積し、或いは、ドットの周辺に飛散並びに付着する。この結果、素子の形成が不可能になる危険性がある。或いは、素子の品質が悪化する。【００１５】
特許文献４は、塵芥をほとんど発生させることなく、視認性に優れたドットを形成するためのレーザマーキング方法を開示する。特許文献４の開示技術によれば、ドットの中央部に隆起部が形成され、隆起部の周囲に凹部が形成される。この結果、視認性に優れたドットマーキングが達成される。【００１６】
レーザマーキングやレーザアニールといったレーザ加工を行う従来のレーザ加工機は、しかしながら、レーザ光源のレーザ出力の変動に伴う様々な課題を有する。レーザ光源のレーザ出力に起因して、加工対象物のアブレーションが生ずることもある。加工対象物のアブレーションは、マーキングを不鮮明にするだけでなく、塵芥を発生させる。この結果、後工程において、プロセス不良が発生することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００８−１１２７７３号公報
【特許文献２】特開平２−２９９２１６号公報
【特許文献３】特開昭６０−３７７１６号公報
【特許文献４】特開２０００−２２３３８２号公報
【発明の概要】
【００１８】
本発明は、アブレーションをほとんど発生させることなく、安定して所望の加工を行うことができるレーザ光源及びレーザ加工機を提供することを目的とする。
【００１９】
本発明の一の局面に係る加工対象物にレーザ光を出射するレーザ光源は、前記レーザ光を発生させる発生部と、前記レーザ光の出力密度を調整する調整部と、を備え、前記発生部と前記加工対象物との間に配設された該調整部は、前記加工対象物上での前記レーザ光の出力を低減することを特徴とする。
【００２０】
本発明の他の局面に係るレーザ加工機は、上述のレーザ光源と、該レーザ光源から出射する前記レーザ光の照射位置を前記加工対象物の加工面上で走査させる走査光学系と、前記加工対象物が設置され、前記加工対象物を移動させるステージと、を備え、前記レーザ光源は、パルス発振することを特徴とする。
【００２１】
本発明の更に他の局面に係るレーザ加工機は、上述のレーザ光源と、該レーザ光源から出射する前記レーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する平滑化要素と、前記垂直な面内の光強度分布を変化させる空間変調素子と、前記空間変調素子にて前記光強度分布を変化させられた前記レーザ光を前記加工対象物に導く光学系と、を備え、前記レーザ光源は、パルス発振することを特徴とする。
【００２２】
本発明の更に他の局面に係るレーザ加工機は、上述のレーザ光源と、該レーザ光源から出射する前記レーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する平滑化要素と、前記垂直な面内の光強度分布を変化させる空間変調素子と、前記空間変調素子にて前記光強度分布を変化させられた前記レーザ光を前記加工対象物に導く光学系と、アパーチャが形成されたアパーチャ要素と、を更に備え、前記レーザ光源は、パルス発振し、前記アパーチャ要素は、前記レーザ光源と前記平滑化要素との間に配設されることを特徴とする。
【００２３】
本発明の更に他の局面に係るレーザ光を用いて加工対象物を加工するレーザ加工機は、少なくとも２つの反射面を含む共振器と、誘導放出によってレーザ発振するレーザ結晶と、前記共振器内に配設された前記加工対象物を前記共振器に対して相対的に変位させる変位機構と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に従うレーザ加工機の概略図である。
【図２】ポンプ光の強度、ダブルクラッドファイバの内部エネルギ及び基本波光の強度の間の関係を概略的に示すグラフである。
【図３】ＮＡ変換部として用いられるＮＡ変換器の効果を概略的に示すグラフである。
【図４Ａ】レーザ光源から出射されるレーザ光のパルス出力波形を概略的に示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ａに示されるパルス出力波形を有するレーザ光のビーム径の時間変化を概略的に示すグラフである。
【図５】ＮＡ変換部として２つのＮＡ変換器を有するレーザ光源を備えるレーザ加工機の概略図である。
【図６】ＮＡ変換機能を有する波長変換モジュールを備えるレーザ加工機の概略図である。
【図７】ＮＡ変換効果に対する調節機能を有するレーザ加工機の概略図である。
【図８】ＮＡ変換器の温度を調整する調温機能を有するレーザ加工機の概略図である。
【図９】第２実施形態に従うレーザ加工機の概略図である。
【図１０Ａ】従来の波長変換モジュールの概略図である。
【図１０Ｂ】図９に示されるレーザ加工機のレーザ光源に用いられる波長変換モジュール２４０の概略図である。
【図１１Ａ】図１０Ａに示される波長変換モジュールの変換光の出力特性を示す概略的なグラフである。
【図１１Ｂ】図１０Ｂに示される波長変換モジュールの変換光の出力特性を示す概略的なグラフである。
【図１２】第３実施形態に従うレーザ加工機の概略図である。
【図１３】第４実施形態に従うレーザ加工機の概略図である。
【図１４】半導体ウェハに対する加工に関する実験結果を示すグラフである。
【図１５】マーキングの視認性に関する実験結果を示すグラフである。
【図１６】マーキングドットの概略的な形状を示す断面図である。
【図１７】マーキングドットの概略的な形状を示す断面図である。
【図１８】ポンプ光の強度、ダブルクラッドファイバの内部エネルギ及び基本波光の強度の間の関係を概略的に示すグラフである。
【図１９】図９に示されるレーザ加工機を用いた太陽電池パネルの製造方法を示す概略図である。
【図２０】図９に示されるレーザ加工機を用いた太陽電池パネルの他の製造方法を示す概略図である。
【図２１】グレインサイズが異なる微結晶シリコン領域及び結晶シリコン領域を作成するためのパルス発振の方法を概略的に示すグラフである。
【図２２】太陽電池パネルの概略的な断面図である。
【図２３】第５実施形態に従うレーザ加工機の概略図である。
【図２４】第５実施形態の原理に従う他のレーザ加工機の概略図である。
【図２５】第５実施形態の原理に従う他のレーザ加工機の概略図である。
【図２６】ドット形態のマークを形成する従来のレーザ加工機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、一実施形態に従うレーザ光源及びレーザ加工機が、図面を用いて説明される。図面中、同一、同様の作用或いは同様の動作をなす構成要素には、同様の符号が付されている。冗長な説明を避けるために、必要に応じて、重複する説明は省略される。一連の実施形態の原理の理解を助けるために、図面に示される構成要素は、模式的に示されている。したがって、図面に示される構成要素の形状も模式的であり、以下に説明される実施形態の原理を何ら限定するものではない。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に従うレーザ加工機の概略図である。図１を用いて、レーザ加工機が説明される。
【００２７】
図１に示されるレーザ加工機１００は、レーザ光源１１０と、スキャンミラー１３０と、ステージ１５０と、を備える。ステージ１５０上には、加工対象物ＰＯが載置される。レーザ光源１１０は、スキャンミラー１３０に向けてレーザ光ＬＢを照射する。スキャンミラー１３０は、ステージ１５０上の加工対象物ＰＯに向けてレーザ光ＬＢを反射する。かくして、レーザ光源１１０からのレーザ光ＬＢは加工対象物ＰＯに照射される。
【００２８】
図１には、３次元直交座標系を規定するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。ステージ１５０は、Ｙ軸に沿って移動する。この結果、加工対象物ＰＯは、Ｙ軸に沿って移動し、レーザ光ＬＢのＹ軸方向の照射位置が決定される。また、スキャンミラー１３０の回転角度に応じて、レーザ光ＬＢのＸ軸方向の照射位置が決定される。したがって、スキャンミラー１３０の回転に応じて、レーザ光ＬＢは、加工対象物ＰＯの上面でＸ軸方向に走査される。かくして、加工対象物ＰＯの上面ＵＳの所望の位置にレーザ光ＬＢが照射されることとなる。本実施形態において、加工対象物ＰＯの上面ＵＳは、加工面として例示される。また、スキャンミラー１３０は、走査光学系として例示される。
【００２９】
レーザ光源１１０は、ＬＤ電源１１１と、ポンプ用ＬＤ（励起用の半導体レーザ装置）１１２と、ファイバグレーティング１１３，１１４と、ダブルクラッドファイバ１１５と、ＮＡ変換器１２０と、を備える。ダブルクラッドファイバ１１５は、例えば、１０ｍの長さのダブルクラッド偏波保持ファイバであってもよい。ダブルクラッド偏波保持ファイバは、例えば、希土類として「Ｙｂ」がドープされたコア部分を含んでもよい。本実施形態において、コア部分にドープされた「Ｙｂ」は、レーザ媒質として例示される。代替的に、レーザ光を発生させるために適切なレーザ活性物質がレーザ媒質として用いられてもよい。
【００３０】
ＬＤ電源１１１は、ポンプ用ＬＤ１１２へ電力を供給する。この結果、ポンプ用ＬＤ１１２は、ポンプ光を出射する。ポンプ光は、その後、ファイバグレーティング１１３を介して、ダブルクラッドファイバ１１５へ入射する。ダブルクラッドファイバ１１５へ入射したポンプ光は、ダブルクラッドファイバ１１５のコア部分にドープされたレーザ活性物質を励起する。
【００３１】
ダブルクラッドファイバ１１５の両端部に接続されたファイバグレーティング１１３、１１４は、ダブルクラッドファイバ１１５内のレーザ活性媒質の励起に起因して発生した光を反射し、共振器を構成する。ダブルクラッドファイバ１１５内で発生した光が、ファイバグレーティング１１３、１１４によって構成された共振器内を往復する結果、誘導放出により、レーザ光ＬＢ（以下、基本波光ＦＢと称する）を発生する。本実施形態において、ＬＤ電源１１１、ポンプ用ＬＤ１１２、ファイバグレーティング１１３，１１４及びダブルクラッドファイバ１１５は、レーザ光ＬＢを発生させる発生部として例示される。また、ファイバグレーティング１１３、１１４は、少なくとも２つの反射要素として例示される。更に、ＬＤ電源１１１及びポンプ用ＬＤ１１２は、レーザ媒質を励起させる励起要素として例示される。
【００３２】
上述の如く、本実施形態において、レーザ活性物質として「Ｙｂ」が用いられる。この結果、１０５０ｎｍから１１７０ｎｍまでの波長を有する基本波光ＦＢが任意に発振される。このような波長域のレーザ光ＬＢは、加工用途や波長変換用途といった様々な用途に利用可能である。代替的に、レーザ活性物質として、「Ｅｒ」、「Ｐｒ」、「Ｎｄ」、「Ｔｍ」や「Ｈｏ」といった希土類やこれらが混合された添加物が用いられてもよい。「Ｅｒ」、「Ｐｒ」、「Ｎｄ」、「Ｔｍ」や「Ｈｏ」といった希土類やこれらの混合物が、ダブルクラッドファイバのコア部分にドープされても、適切な基本波光が発生される。尚、ドープされるレーザ活性物質の種類に応じて、発生する基本波光の発振波長が変化する。したがって、所望の発振波長に応じて、ドープされるレーザ活性物質の種類が選択されてもよい。
【００３３】
本実施形態において、ポンプ用ＬＤ１１２として、３つのシングルエミッターレーザダイオードが用いられる。３つのシングルエミッターレーザダイオードそれぞれは、例えば、８Ｗの最大出力を有する。３つのシングルエミッターレーザダイオードそれぞれから、波長９７５ｎｍの波長のポンプ光が発振される。
【００３４】
本実施形態において、ファイバグレーティング１１３として、ダブルクラッド偏波保持ファイバが用いられる。ダブルクラッド偏波保持ファイバは、ゲルマニウムが添加されたコア部分を含む。この結果、紫外光に対する感度が向上する。また、ダブルクラッド偏波保持ファイバは、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトルの半値幅１ｎｍ及び反射率９８％という特性を有する。
【００３５】
本実施形態において、ファイバグレーティング１１４として、一般的なシングルモード偏波保持ファイバ（コア径：９μｍ、クラッド外径：１２５μｍ）が用いられる。シングルモード偏波保持ファイバのコア部分には、ファイバグレーティング１１３と同様に、ゲルマニウムが添加される。シングルモード偏波保持ファイバは、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトルの半値幅０．０５ｎｍ及び反射率１０％〜１５％という特性を有する。
【００３６】
上述のレーザ共振器によって発生された基本波光ＦＢは、中心波長１０６４ｎｍのシングルモード（ガウシアンビーム）のレーザ光ＬＢとなる。
【００３７】
本実施形態において、ＬＤ電源１１１は、ポンプ用ＬＤ１１２に印加される電流をパルス変調する。この結果、上述のレーザ共振器は、基本波光ＦＢのパルスを繰り返し発生することができる。本実施形態において、ポンプ用ＬＤ１１２に印加される電流は、レーザ媒質を励起するためのエネルギとして例示される。
【００３８】
図２は、ポンプ光の強度、ダブルクラッドファイバ１１５の内部エネルギ及び基本波光ＦＢの強度の間の関係を概略的に示すグラフである。図２に示される一連のグラフは、利得スイッチによるパルス発生の原理を表す。図１及び図２を用いて、レーザ光源１１０のパルス発信の方法が説明される。
【００３９】
図２のセクション（ａ）は、ポンプ用ＬＤ１１２から出射されるポンプ光の強度の時間変化を表す概略的なグラフである。本実施形態において、ポンプ用ＬＤ１１２は、ステップ状に強度変調されたポンプ光を出射する。
【００４０】
図２のセクション（ｂ）は、ポンプ光の強度変化に伴うダブルクラッドファイバ１１５のコア部分の内部エネルギの時間変化を表す概略的なグラフである。「Ｙｂ」（レーザ活性物質）が添加されたダブルクラッドファイバ１１５のコア部分の内部エネルギは、ステップ状に強度変化したポンプ光の入射時から時間とともに増大する。ダブルクラッドファイバ１１５のコア部分のレーザ活性物質が発振状態でないならば、内部エネルギはレーザ発振閾値を超え、過飽和状態となる。
【００４１】
図２のセクション（ｃ）は、出力されるレーザ光ＬＢの強度変化を表す概略的なグラフである。ダブルクラッドファイバ１１５内の内部エネルギが過飽和状態であるとき、レーザ発振が始まると、ダブルクラッドファイバ１１５内で蓄積されたエネルギは、一度に放出される。この結果、図２のセクション（ｃ）に示されるように、出力されるレーザ光ＬＢのパルスが発生する。
【００４２】
尚、図２に関連して説明されたポンプ光は、ポンプ用ＬＤ１１２から出射された波長９７５ｎｍのレーザ光である。また、基本波光ＦＢは、ファイバグレーティング１１３，１１４で構成された共振器で発振する中心波長１０６４ｎｍのレーザ光ＬＢである。
【００４３】
図１を再度用いて、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光ＬＢによるレーザマーキングの方法が説明される。
【００４４】
上述の如く、レーザ光源１１０は、レーザ光ＬＢをスキャンミラー１３０に向けて出射する。スキャンミラー１３０は、レーザ光ＬＢを加工対象物ＰＯに向けて反射する。この結果、レーザ光ＬＢは、加工対象物ＰＯに照射される。スキャンミラー１３０は、回転し、レーザ光ＬＢの反射方向をＸ軸に沿って変化させる。本実施形態において、加工対象物ＰＯとして、半導体ウェハが例示される。
【００４５】
上述の如く、加工対象物ＰＯは、ステージ１５０上に載置される。ステージ１５０は、加工対象物ＰＯをＹ軸方向に移動させる。この結果、レーザ光ＬＢの照射位置は、Ｘ軸方向だけでなく、Ｙ軸方向にも変化する。かくして、所望のレーザ光ＬＢの照射位置が、スキャンミラー１３０及びステージ１５０によって設定される。
【００４６】
レーザ光ＬＢの所望の照射位置の設定がなされ、且つ、レーザ光源１１０がパルス発振すると、加工対象物ＰＯの上面ＵＳに任意のパターンのマーキングがなされる。
【００４７】
レーザ光源１１０は、ファイバグレーティング１１４から出射された基本波光ＦＢの波長を変換する波長変換モジュール１４０を更に備える。この場合、加工対象物ＰＯとして例示される半導体ウェハが、シリコン（ｃ−Ｓｉ）ウェハといった可視光に対する吸収率が高い材料であっても、少ない電力消費で、適切なマーキング加工がなされる。本実施形態において、波長変換モジュール１４０は、波長変換部として例示される。
【００４８】
レーザ光源１１０は、波長変換モジュール１４０とＮＡ変換器１２０との間に配設された集光レンズ１６０を更に備える。波長変換モジュール１４０は、基本波光ＦＢを、基本波光ＦＢよりも短い波長のレーザ光ＬＢに変換する。この結果、集光レンズ１６０によるレーザ光ＬＢの集光特性が向上する。かくして、一層微細なマーキング加工が達成される。以下の説明において、波長変換モジュール１４０によって、波長変換がなされたレーザ光ＬＢは、変換光ＣＢと称される。
【００４９】
波長変換モジュール１４０は、より好ましくは、基本波光ＦＢを、基本波光ＦＢの第２高調波光（変換光ＣＢ：中心波長５３２ｎｍの緑色レーザ光）に変換する。この結果、レーザ加工機１００は、より少ない電力消費で、マーキング加工を行うことができる。
【００５０】
波長変換モジュール１４０として、疑似位相整合波長変換素子が用いられてもよい。疑似位相整合波長変換素子は、例えば、Ｍｇが添加されたＬｉＮｂＯ３（ＭｇＬＮ）に約７μｍの周期の分極反転構造が設けられることによって形成される。このような疑似位相整合波長変換素子を用いた波長変換モジュール１４０は、基本波光ＦＢを第２高調波光（変換光ＣＢ）に適切に変換することができる。
【００５１】
図３は、ＮＡ変換部として用いられるＮＡ変換器１２０の効果を概略的に示すグラフである。図１及び図３を用いて、ＮＡ変換器１２０が説明される。
【００５２】
上述の如く、ファイバグレーティング１１４から出射された基本波光ＦＢは、波長変換モジュール１４０によって、変換光ＣＢに変換される。その後、集光レンズ１６０は、ＮＡ変換器１２０に変換光ＣＢを集光する。集光レンズ１６０と加工対象物ＰＯの上面ＵＳに変換光ＣＢを反射するスキャンミラー１３０との間に配設されたＮＡ変換器１２０は、加工対象物ＰＯの上面ＵＳにおける変換光ＣＢの出力を低減させるように、パルス出力に応じて、レーザ光ＬＢ（変換光ＣＢ）のＮＡ（レーザ光の拡がり角）を変化させる。本実施形態において、ＮＡ変換器１２０は、レーザ光ＬＢの出力密度を調整する調整部として例示される。
【００５３】
レーザ光ＬＢの光路上に配設されたＮＡ変換器１２０は、例えば、ＮＡ変換器１２０を透過するレーザ光ＬＢの出力に応じてレンズ効果（集束効果）が変化する結晶を含む。レンズ効果の変化によって、パルス出力が大きいほど、加工対象物ＰＯの上面ＵＳにおけるビーム径が大きくなる。この結果、加工対象物ＰＯ上でのレーザ光ＬＢの出力が適切に低減される。
【００５４】
図３は、レーザ光のパルス出力とレーザ光が照射された照射領域での温度上昇量との関係を示す。図３のグラフの実線で示されるデータは、ＮＡ変換器が存在しないときの温度上昇を表す。図３のグラフの点線で表されるデータは、レーザ光がＮＡ変換器を介して照射領域に照射されたときの温度上昇量を表す。
【００５５】
レーザ光がＮＡ変換器を透過することなしに照射領域に照射されるならば、照射領域上でのビーム径は、パルス出力の変動にかかわらず略一定である。したがって、図３の実線データで示される如く、パルス出力の増大に伴い、レーザ光が照射される照射領域の中心温度の上昇量は増大する。
【００５６】
ＮＡ変換器が、パルス出力の１／２乗に比例して、照射領域上のビーム径が変化するように設計されるならば、図３の点線データで示される如く、パルス出力の変動に拘わらず、レーザ光が照射される照射領域の温度上昇量（最大温度上昇量）は略一定となる。本実施形態のレーザ光源１１０のＮＡ変換器１２０が図３の点線データで表される特性を有するならば、パルス出力の変動に伴う加工対象物ＰＯの上面ＵＳにおける温度上昇量の変動が緩和される。
【００５７】
ＮＡ変換器１２０として、熱レンズ効果を有する結晶が例示される。ＮＡ変換器１２０として用いられる結晶は、入射したレーザ光ＬＢの一部を吸収する。この結果、結晶内のレーザ光ＬＢの光路に不均一な温度分布が生ずる。また、不均一な温度分布に応じた屈折率分布が得られる。
【００５８】
屈折率の温度変化率が「正」の結晶がＮＡ変換器１２０として用いられるならば、レーザ光ＬＢは集束される。屈折率の温度変化率が「負」の結晶がＮＡ変換器１２０として用いられるならば、レーザ光ＬＢは発散される。したがって、パルス出力に応じて、加工対象物ＰＯの上面ＵＳでのビーム径が変化することとなる。
【００５９】
代替的に、光強度に応じて屈折率が変化するカー効果やポッケルス効果を発現する結晶が、ＮＡ変換器１２０として用いられてもよい。パルス出力に応じて、自己集束或いは自己発散の効果が変化するので、加工対象物ＰＯの上面ＵＳでのビーム径が変化する。
【００６０】
熱レンズ効果、カー効果及びポッケルス効果によるレンズ効果（集束・発散効果）は、以下に示される因子によって調整される。
【００６１】
（１）ＮＡ変換器１２０の材料特性（熱レンズ効果の場合は、吸収率、屈折率の温度変化率及び熱伝導率といった材料特性：カー効果及びポッケルス効果の場合は、非線形光学定数）
（２）レーザ光ＬＢのパルス出力
（３）相互作用長（レーザ光ＬＢが透過する距離）
（４）レーザ光ＬＢのビーム径
【００６２】
これらの因子に加えて、加工対象物ＰＯ（加工対象物ＰＯの材料によって、アブレーションが引き起こされる閾値となる光強度（パルス出力）が異なる）、加工形状及びレーザ加工機１００の光学的な構成（例えば、レーザ光源１１０から加工対象物ＰＯまでの距離）に合わせて、レーザ加工機１００は、適切に設計される。
【００６３】
集光レンズ１６０の焦点距離及び位置は、例えば、ＮＡ変換器１２０を通過したレーザ光ＬＢのパルス出力が想定される変動幅（想定されるばらつき）の中で最低の時に、レーザ光ＬＢの焦点が加工対象物ＰＯの上面ＵＳに最も近づき、パルス出力の変動幅（想定されるばらつき）が大きくなるにつれて、レーザ光ＬＢの焦点が加工対象物ＰＯの上面ＵＳより上方に遠ざかるように設定されてもよい。
【００６４】
上述の如く、ＮＡ変換器１２０は、パルス出力が大きくなるほど、第２高調波光（変換光ＣＢ）を発散するように設計される。ＮＡ変換器１２０は、好ましくは、上述の集光レンズ１６０と同様に、レーザ光ＬＢのパルス出力が想定される変動幅の中で最低の時に、レーザ光ＬＢの焦点が加工対象物ＰＯの上面ＵＳに最も近づくように設計される。この場合、ＮＡ変換器１２０は、好ましくは、上述の集光レンズ１６０と異なり、レーザ光ＬＢのパルス出力が想定される変動幅の中で最低の時に、パルス出力の変動幅（想定されるばらつき）が大きくなるにつれて、レーザ光ＬＢの焦点が加工対象物ＰＯの上面ＵＳより下方に移動するように設計される。かくして、小型且つ安価な光学的構成を用いて、加工対象物ＰＯの上面ＵＳにおけるアブレーションが適切に抑制される。
【００６５】
上述の光学的構成は、パルス出力の変動に起因する加工対象物ＰＯの上面ＵＳにおける光強度の変動を適切に抑制する。かくして、加工対象物ＰＯの上面ＵＳでのアブレーションは、ほとんど生じなくなる。
【００６６】
熱レンズ効果を生ずる結晶は、安価なレーザ加工機１００に組み込まれるＮＡ変換器１２０として好適に利用可能である。このようなＮＡ変換器１２０は、レーザ光源１１０内で発生されたレーザ光ＬＢの一部を吸収し、レーザ光ＬＢの吸収量に応じてレンズパワー（集束・発散効果）が変化する熱レンズ効果を発現する。熱レンズ効果を利用して、ＮＡ変換器１２０は、ＮＡを変化させることができる。かくして、上述の如く、ＮＡ変換器１２０は、パルス出力の増大に伴って、加工対象物ＰＯの上面ＵＳでのビーム径が大きくなるように設計される。したがって、パルス出力が変動しても、加工対象物ＰＯの上面ＵＳにおける光強度（即ち、温度上昇量）の変化は生じにくくなる。
【００６７】
熱レンズ効果を利用したＮＡ変換器１２０が組み込まれるならば、レーザ光源１１０は、比較的安価に製造される。また、レーザ光源１１０は、上述のアブレーションに対する抑制効果を適切に発揮することができる。
【００６８】
熱レンズ効果を利用したＮＡ変換器１２０が用いられるならば、ＮＡ変換器１２０に用いられる結晶の屈折率の温度変化率（ｄｎ／ｄＴ）は、好ましくは、１０−６以上である。また、ＮＡ変換器１２０は、好ましくは、結晶内のレーザ光ＬＢの光路が３μｍ以上となるように設計される。この結果、より少ないレーザ光ＬＢの吸収で、ＮＡが変化する。したがって、ＮＡ変換器１２０の内部での発熱が抑制され、レーザ光源１１０の安定した動作が得られることとなる。
【００６９】
図４Ａは、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光ＬＢのパルス出力波形を概略的に示すグラフである。図４Ｂは、図４Ａに示されるパルス出力波形を有するレーザ光ＬＢのビーム径の時間変化を概略的に示すグラフである。図１、図４Ａ及び図４Ｂを用いて、レーザ光ＬＢのパルス出力波形及びレーザ光ＬＢのビーム径の時間変化が説明される。
【００７０】
レーザ光ＬＢが、パルス幅が１ｆｓ以下の短パルスであり、且つ、パルスの周波数が低い（例えば、約１Ｈｚ）であるならば、ポッケルス効果やカー効果を発現する非線形光学結晶がＮＡ変換器１２０として用いられることが好ましい。「パルス幅」との用語は、１パルスごとのレーザ出力波形の半値全幅を意味する。図４Ａにおいて、「パルス幅」は、Ｙ[s]で示されている。非線形光学結晶から得られる非線形光学現象によって、図４Ｂに示される如く、１パルス内でもパルス波形に応じてビーム径が時間的に変化される。この結果、ピークの光強度を押さえ、アブレーションを抑制するために必要なビーム径の変化が低減される。このことは、マーキング形状を一定に保つ（即ち、均一化する）ことに寄与する。
【００７１】
カー効果を発現する非線形光学結晶は、ＮＡ変換器１２０として、特に好適である。カー効果を発現する非線形光学結晶がＮＡ変換器１２０として用いられるならば、比較的小さなパワーのレーザ加工機１００であっても、アブレーションの抑制に必要な程度のＮＡ変化が得られることとなる。
【００７２】
尚、レーザ光源１１０から加工面（加工対象物ＰＯの上面ＵＳ）までの距離が１０ｃｍ以上であるならば、ポッケルス効果を発現する結晶は、レーザ光の指向性に対して比較的高い保持性を有するので、ポッケルス効果を発現する結晶がＮＡ変換器１２０として用いられることが好ましい。
【００７３】
図５は、ＮＡ変換部として２つのＮＡ変換器を有するレーザ光源を備えるレーザ加工機の概略図である。図１及び図５を用いて、２つのＮＡ変換器を有するレーザ光源を備えるレーザ加工機が説明される。
【００７４】
図５に示されるレーザ加工機１００Ａは、図１に関連して説明されたレーザ加工機１００と同様のスキャンミラー１３０及びステージ１５０に加えて、レーザ光源１１０Ａを備える。レーザ光源１１０Ａは、図１に関連して説明されたＬＤ電源１１１、ポンプ用ＬＤ１１２、ファイバグレーティング１１３，１１４、ダブルクラッドファイバ１１５、波長変換モジュール１４０及び集光レンズ１６０に加えて、熱レンズ効果を発現する第１ＮＡ変換器１２１及びポッケルス効果又はカー効果を発現する第２ＮＡ変換器１２２を備える。第１ＮＡ変換器１２１及び第２ＮＡ変換器１２２は、ＮＡ変換部として用いられる。例えば、熱レンズ効果を利用する第１ＮＡ変換器１２１及びポッケルス効果を利用する第２ＮＡ変換器１２２が併用されるならば、ポッケルス効果を利用する第２ＮＡ変換器１２２は、より小型且つ安価に製造される。加えて、熱レンズ効果のみ利用するＮＡ変換器よりも、アブレーションに対する高い抑制効果が得られる。図５に示されるレーザ加工機１００Ａにおいて、第１ＮＡ変換器１２１及び第２ＮＡ変換器１２２は、調整部として例示される。
【００７５】
尚、図１に関連して説明されたＮＡ変換器１２０が熱レンズ効果及びポッケルス効果又はカー効果の両方を発現してもよい。この結果、レーザ光源１１０に用いられる光学部品の数が低減される。かくして、レーザ光源１１０は、小型且つ安価に製造される。
【００７６】
図６は、ＮＡ変換機能を有する波長変換モジュールを備えるレーザ加工機の概略図である。図１及び図６を用いて、ＮＡ変換機能を有する波長変換モジュールを備えるレーザ加工機が説明される。
【００７７】
図６に示されるレーザ加工機１００Ｂは、図１に関連して説明されたレーザ加工機１００と同様のスキャンミラー１３０及びステージ１５０に加えて、レーザ光源１１０Ｂを備える。レーザ光源１１０Ｂは、図１に関連して説明されたＬＤ電源１１１、ポンプ用ＬＤ１１２、ファイバグレーティング１１３，１１４、ダブルクラッドファイバ１１５及び集光レンズ１６０に加えて、ＮＡ変換機能を有する波長変換モジュール１４１を備える。集光レンズ１６０は、基本波光ＦＢを波長変換モジュール１４１に集光する。ＮＡ変換部として用いられる波長変換モジュール１４１は、集光レンズ１６０によって集光された基本波光ＦＢを変換光ＣＢに変換する。この場合、波長変換モジュール１４１にＮＡ変換特性と波長変換特性とを有する材料が必要とされ、且つ、光学的な構成の設計自由度が狭くなる反面、レーザ光源１１０Ｂに用いられる光学部品の数が更に低減される。したがって、レーザ光源１１０Ｂは、一層小型化される。ＮＡ変換機能を有する波長変換モジュール１４１は、調整部として例示される。
【００７８】
図６に示される如く、レーザ光源１１０Ｂは、好ましくは、波長変換モジュール１４１へ紫外線を照射する紫外光源１４２を更に備える。この結果、ＮＡ変換機能を有する波長変換モジュール１４１は、ＮＡ変換効果（集束や発散の効果：レンズパワー）に対する調整機能を発揮する。例えば、波長変換モジュール１４１は、ＬｉＮｂＯ３を主体とする非線形光学結晶からなる波長変換素子を含む。紫外光源１４２が生成した紫外光は、波長変換素子に照射される。この結果、波長変換素子は、ＮＡ変換及び波長変換を行う。波長変換素子として用いられるＬｉＮｂＯ３を主体とする非線形光学結晶は、紫外光から赤外光領域の光に対して、熱レンズ効果を発現するので、ＮＡ変換機能を有する波長変換モジュール１４１は、安価に形成される。照射される紫外光の強度が高くなるほど、ＬｉＮｂＯ３を主体とする非線形光学結晶の熱レンズ効果は高くなるので、ＮＡ変換効果は大きくなる。即ち、ＮＡ変換効果は、レーザ光のパルス出力及び紫外光の強度の両方に依存する。
【００７９】
加工対象物ＰＯの材料に応じて、加工に必要とされる光強度及びアブレーションが発生する閾値となる光強度は異なる。レーザ光ＬＢのパルス出力以外にＮＡ変換効果を調節するための機能（紫外光源１４２）を備えるレーザ光源１１０Ｂは、加工対象物ＰＯの材質に応じて、加工対象物ＰＯの上面ＵＳにおける最適なビーム径の設定できるようにＮＡ効果を調節することができる。
【００８０】
本発明者は、３８０ｎｍ以下の波長の紫外光がＬｉＮｂＯ３に照射されるならば、より大きな熱レンズ効果が得られることを明らかにしている。したがって、紫外光源１４２から照射される紫外光は、３８０ｎｍ以下の波長の光を含むことが好ましい。この結果、より低出力の紫外光で必要とされるＮＡ変換効果が蹴られる。かくして、低コスト化及び省電力化が達成される。
【００８１】
図７は、ＮＡ変換効果に対する調節機能を有するレーザ加工機の概略図である。図１及び図７を用いて、ＮＡ変換効果に対する調節機能を有する波長変換モジュールを備えるレーザ加工機が説明される。
【００８２】
図７に示されるレーザ加工機１００Ｃは、図１に関連して説明されたレーザ加工機１００と同様のスキャンミラー１３０及びステージ１５０に加えて、レーザ光源１１０Ｃを備える。レーザ光源１１０Ｃは、図１に関連して説明されたＬＤ電源１１１、ポンプ用ＬＤ１１２、ファイバグレーティング１１３，１１４、ダブルクラッドファイバ１１５、波長変換モジュール１４０及びＮＡ変換器１２０に加えて、ＮＡ変換器１２０内のレーザ光ＬＢのビーム径を調整するための調整部１６１を備える。調整部１６１として、例えば、可変焦点レンズが用いられてもよい。ポッケルス効果、カー効果及び／又は熱レンズ効果を利用するＮＡ変換器１２０は、ＮＡ変換器１２０内部のレーザ光ＬＢのビーム径に応じて、ＮＡ変換効果が調整される。
【００８３】
レーザ加工機１００Ｃは、例えば、使用者によって操作される制御盤１６２を備えてもよい。制御盤１６２は、例えば、加工対象物ＰＯの材質及び加工対象物ＰＯの材質に適したＮＡ変換効果を関連づけるデータベースを格納する。使用者は、制御盤１６２に加工対象物ＰＯの材質を入力すると、制御盤１６２は、ＬＤ電源１１１及び調整部１６１を、入力された材質に合わせて制御する。この結果、適切なＮＡ変換の下で、加工対象物ＰＯが加工される。
【００８４】
図１を再度用いて、レーザ光源１１０に用いられる光学素子の配列が説明される。
【００８５】
図１に示されるレーザ光源１１０は、ＮＡ変換器１２０の前に集光レンズ１６０を備える。波長変換モジュール１４０が波長変換した変換光ＣＢの光路に沿って、集光レンズ１６０、ＮＡ変換器１２０及びスキャンミラー１３０が順に配列される。しかしながら、これらの光学素子の配列は、図１に示される配列以外の配列であってもよい。集光レンズ１６０に代えて、他の集光光学系が用いられてもよい。
【００８６】
図１に示される集光レンズ１６０及びＮＡ変換器１２０は、スキャンミラー１３０と波長変換モジュール１４０との間に配設されるので、集光レンズ１６０及びＮＡ変換器１２０は、比較的小型に形成されてもよい。この結果、レーザ加工機１００も小型化される。
【００８７】
ＮＡ変換器と加工対象物との間に集光レンズが設置されるならば、集光レンズとＮＡ変換器との間の光学距離は、集光レンズの焦点距離よりも長いことが好ましい。この結果、より簡単な光学系のレーザ加工機が形成される。
【００８８】
図８は、ＮＡ変換器１２０の温度を調整する調温機能を有するレーザ加工機の概略図である。図１及び図８を用いて、調温機能を有するレーザ加工機が説明される。
【００８９】
図８に示されるレーザ加工機１００Ｄは、図１に関連して説明されたレーザ加工機１００と同様のスキャンミラー１３０及びステージ１５０に加えて、レーザ光源１１０Ｄを備える。レーザ光源１１０Ｄは、図１に関連して説明されたＬＤ電源１１１、ポンプ用ＬＤ１１２、ファイバグレーティング１１３，１１４、ダブルクラッドファイバ１１５、波長変換モジュール１４０、集光レンズ１６０及びＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３を用いて形成されたＮＡ変換器１２０に加えて、ＮＡ変換器１２０の温度を調整する調温要素１２３を備える。調温要素１２３として、例えば、ヒータやペルチエ素子が用いられる。本実施形態において、調温要素１２３は、第２調温部として例示される。
【００９０】
ＮＡ変換器１２０に用いられる結晶（例えば、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３）の屈折率の温度変化係数は、結晶の温度に応じて変化する。したがって、結晶の温度変化は、ＮＡ変換効果の変化に帰結する。ＮＡ変換器１２０が熱レンズ効果を利用するならば、レーザ加工機１００Ｄの如く、調温要素１２３が用いられることが好ましい。この結果、安定したＮＡ変換効果が得られる。かくして、アブレーションが安定的に抑制される。
【００９１】
（第２実施形態）
図９は、第２実施形態のレーザ加工機の概略図である。図９を用いて、第２実施形態のレーザ加工機が説明される。
【００９２】
図９に示されるレーザ加工機２００は、第１実施形態に関連して説明されたレーザ加工機１００と同様のスキャンミラー１３０及びステージ１５０に加えて、レーザ光源２１０を備える。レーザ光源２１０は、第１実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０と同様のＬＤ電源１１１、ポンプ用ＬＤ（励起用レーザ光源）１１２、ファイバグレーティング１１３，１１４、ダブルクラッドファイバ１１５及び集光レンズ１６０に加えて、波長変換モジュール２４０を備える。波長変換モジュール２４０は、第１実施形態と同様にファイバグレーティング１１４から出射された基本波光ＦＢ（中心波長１０６４ｎｍ）の出力が大きくなるほど、波長変換効率を低減させる。この結果、加工対象物ＰＯの上面ＵＳでの光強度の変動が抑制される。第１実施形態と異なる点は、基本波光ＦＢを第２高調波である変換光ＣＢに変換する波長変換モジュール２４０である。
【００９３】
図１０Ａは、従来の波長変換モジュールの概略図である。図１０Ｂは、本実施形態のレーザ光源２１０に用いられる波長変換モジュール２４０の概略図である。図９乃至図１０Ｂを用いて、従来の波長変換モジュール及び本実施形態のレーザ光源２１０に用いられる波長変換モジュール２４０が対比される。
【００９４】
従来の波長変換モジュール９４０は、非線形光学結晶からなる波長変換素子２４１と、ペルチエ素子２４２と、波長変換素子２４１とペルチエ素子２４２との間に配設されたサーミスタ９４３と、を備える。一方、本実施形態のレーザ光源２１０に用いられる波長変換モジュール２４０は、従来の波長変換モジュール９４０の波長変換素子２４１及びペルチエ素子２４２に加えて、波長変換素子２４１とペルチエ素子２４２との間に配設された断熱材２４４を更に備える。また、波長変換モジュール２４０は、断熱材２４４とペルチエ素子２４２との間に配設されたサーミスタ２４３を更に備える。波長変換素子２４１は、ファイバグレーティング１１４からのレーザ光ＬＢ（基本波光ＦＢ）の波長を変換する。本実施形態において、波長変換素子２４１は、波長変換部として例示される。
【００９５】
波長変換素子２４１は、第１実施形態に関連して説明された波長変換モジュール１４０と同様に、ＭｇがドープされたＬｉＮｂＯ３からなる疑似位相整合波長変換素子であってもよい。波長変換素子２４１には、約７μｍの周期で分極方向が１８０度入れ替わる周期的な分極反転構造が形成される。代替的に、波長変換素子２４１は、副屈折位相整合波長変換素子であってもよい。
【００９６】
図１０Ａに示される従来の波長変換モジュール９４０の波長変換素子２４１に入射する基本波光ＦＢの出力が増大すると、より顕著な非線形光学現象が生ずる。この結果、波長変換効率（第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力÷基本波光ＦＢの出力）も増大する。波長変換効率が低い（約数％）ならば、基本波光ＦＢの出力に対して、波長変換効率は比例する。したがって、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力は、基本波光ＦＢの出力の２乗に比例する。
【００９７】
従来の波長変換モジュール９４０がレーザ光源に組み込まれるならば、基本波光ＦＢの出力が変動すると、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力は、基本波光ＦＢよりも大きく変動することとなる。例えば、基本波光ＦＢの出力が１０％低下すると、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力は、１９％低下する。また、基本波光ＦＢの出力が２０％増加すると、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力は、４４％増加する。したがって、従来の波長変換モジュール９４０が組み込まれたレーザ光源は、アブレーションを引き起こしやすい。この結果、ドットの形状（深さ）も安定しにくくなる。
【００９８】
一方、本実施形態の波長変換モジュール２４０は、基本波光ＦＢの出力が増えるほど波長変換効率が低下するように設計される。
【００９９】
図１１Ａは、従来の波長変換モジュール９４０の変換光ＣＢの出力特性を示す概略的なグラフである。図１１Ｂは、本実施形態の波長変換モジュール２４０の変換光ＣＢの出力特性を示す概略的なグラフである。図１０Ａ乃至図１１Ｂを用いて、波長変換モジュール９４０，２４０の出力特性が説明される。
【０１００】
図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、実線で示されるデータは、基本波光ＦＢの出力が「Ｉ１」であるときの第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力変動を示す。破線で示されるデータは、基本波光ＦＢの出力が「Ｉ２」（Ｉ１＞Ｉ２）であるときの第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力変動を示す。図１１Ａ及び図１１Ｂに示される如く、基本波光ＦＢの出力が一定であっても、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力はサーミスタ９４３，２４３によって測定される温度（以下、サーミスタ温度と称される）に応じて変動する。
【０１０１】
基本波光ＦＢの出力が「Ｉ１」から「ＩＢ」に増大すると、従来の波長変換モジュール９４０からの第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力は、図１１Ａに示される如く、全てのサーミスタ温度において増加する。一方、図１１Ｂに示される如く、本実施形態の波長変換モジュール２４０の断熱材２４４は、基本波光ＦＢの出力が「Ｉ１」のときに第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力がピークとなる温度と、基本波光ＦＢの出力が「Ｉ２」のときに第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力がピークとなる温度と、を相違させる。この結果、基本波光ＦＢの出力が「Ｉ１」のときの波長変換モジュール２４０の第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力特性を表すグラフの間で交点ＣＳが規定される。図１１Ｂには、交点ＣＳにおける波長変換素子２４１の温度は「Ｔ」で示される。
【０１０２】
図１１Ｂに示される如く、断熱材２４４は、波長変換素子２４１の温度が「Ｔ」未満の第１温度域であるとき、基本波光ＦＢの出力の増加にともなって第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力が増大し、且つ、波長変換素子２４１の温度が「Ｔ」より大きな第２温度域であるとき第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力が減少する出力特性を波長変換素子２４１に与える。波長変換素子２４１に入射する基本波光ＦＢの一部や第２高調波光（変換光ＣＢ）の一部は、基本波光ＦＢ及び第２高調波光（変換光ＣＢ）が伝搬する波長変換素子２４１の伝搬路において吸収される。この結果、波長変換素子２４１は発熱する。断熱材２４４は、波長変換素子２４１と波長変換素子２４１の温度を測定するサーミスタ２４３との間での熱抵抗を調整する。この結果、サーミスタ２４３と伝搬路との間での温度差が調整される。この結果、基本波光ＦＢの出力が「Ｉ１」のときに第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力がピークとなる温度及び基本波光ＦＢの出力が「Ｉ２」のときに第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力がピークとなる温度が相違することとなる。かくして、第２温度域において、断熱材２４４は、基本波光ＦＢの出力の増大にともなって、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力（即ち、波長変換効率）を低減させることができる。本実施形態において、断熱材２４４は、低減要素として例示される。また、交点ＣＳにおける温度「Ｔ」は、波長変換部の温度に対して定められた閾値として例示される。また、サーミスタ２４３は、測温部として例示される。
【０１０３】
図１１Ｂに示される出力特性を有する波長変換モジュール２４０は、基本波光ＦＢの出力の変動よりも、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力の変動を小さくすることができる。ペルチエ素子２４２は、サーミスタ２４３の温度に基づき、交点ＣＳにおける温度「Ｔ」（即ち、波長変換素子２４１に入射する基本波光ＦＢの出力の増大に伴って第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力が増大する第１温度域と波長変換素子２４１に入射する基本波光ＦＢの出力の増大に伴って第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力が減少する第２温度域との間の境界温度）となるように波長変換素子２４１の温度を調整する。本実施形態において、ペルチエ素子２４２は、第１調温部として例示される。
【０１０４】
本実施形態において、ペルチエ素子２４２は、基本波光ＦＢの出力の増大に伴って第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力が増大する第１温度域と、基本波光ＦＢの出力の増大に伴って第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力が減少する第２温度域との間に波長変換素子２４１の温度が設定されるように制御される。また、断熱材２４４の熱抵抗は、少なくとも特定のサーミスタ温度において、基本波光ＦＢの出力の増大にともなって、波長変換効率が低下するように設計される。基本波光ＦＢの伝搬路とサーミスタ２４３との間の熱抵抗が適切に設定されるので、基本波光ＦＢの出力の変動に起因する第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力変動が抑制される。この結果、アブレーションが発生しにくくなる。
【０１０５】
上述の如く、断熱材２４４の熱抵抗は、特定のサーミスタ温度において、基本波光ＦＢの出力が増大するほど、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力が低下するように設計される。基本波光ＦＢの伝搬路とサーミスタ２４３との間の熱抵抗が適切に設定されるので、基本波光ＦＢの出力が変動しても、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力は、略一定になる。したがって、アブレーションが発生しにくくなるだけでなく、マーキングドットの視認性のばらつきも低減する。
【０１０６】
本実施形態のレーザ加工機２００は、ビーム径の変動を伴うことなく、アブレーションを抑制することができる。したがって、ドットサイズに求められる精度が高い加工がなされる場合に、第１実施形態よりも好適である。尚、第１実施形態の原理にしたがうレーザ加工機は、波長変換素子を必須の構成としないので、より広い技術範囲に適用可能である。
【０１０７】
好ましくは、第２実施形態の原理にしたがうレーザ加工機は、加工対象物の加工面と基本波光を発生させる発生部との間にＮＡ変換部（ＮＡ変換器）を備えてもよい。この結果、第１実施形態の原理及び第２実施形態の原理から得られる両方の効果によって、アブレーションが一層発生しにくくなる。
【０１０８】
第２実施形態の原理にしたがうレーザ光源２１０は、第２高調波光（変換光ＣＢ）の出力を安定化させるので、レーザディスプレイやレーザアニールといった様々な装置の光源として用いられてもよい。
【０１０９】
（第３実施形態）
図１２は、第３実施形態のレーザ加工機の概略図である。図１及び図１２を用いて、第３実施形態のレーザ加工機が説明される。
【０１１０】
第３実施形態のレーザ加工機３００は、第１実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０に加えて、空間変調素子３３０を備える。レーザ光源１１０から出射されるレーザ光ＬＢは、空間変調素子３３０を通じて、加工対象物ＰＯの上面ＵＳ（加工面）に照射される。この結果、加工対象物ＰＯの上面ＵＳには、高速にレーザマーキングがなされる。
【０１１１】
レーザ加工機３００は、第１実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０に加えて、アパーチャが形成されたアパーチャ板３１０と、アパーチャ板３１０を通過したレーザ光ＬＢのエネルギ分布を平滑化するビームホモジナイザ３２０と、を備える。本実施形態において、ビームホモジナイザ３２０は、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光ＬＢの伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化するので、平滑化要素として例示される。また、レーザ光源１１０とビームホモジナイザ３２０との間に配設されたアパーチャ板３１０は、アパーチャ要素として例示される。
【０１１２】
第１実施形態に関連して説明された如く、レーザ光源１１０は、ＮＡ変換器１２０を備えるので、パルス出力の大きさに応じて、出射されるレーザ光ＬＢのＮＡを変えることができる。したがって、パルス出力が大きいほど、アパーチャ板３１０におけるレーザ光ＬＢのビーム径は大きくなる。この結果、アパーチャ板３１０を通じて、ビームホモジナイザ３２０に入射するレーザ光ＬＢの出力変動は、レーザ光源１１０から照射されるレーザ光ＬＢの出力変動よりも小さくなる。
【０１１３】
空間変調素子３３０は、加工パターンに合わせて、レーザ光ＬＢの透過を許容する透過領域及びレーザ光ＬＢの透過を許容しない非透過領域のパターンが形成されるように駆動される。ビームホモジナイザ３２０を通過したレーザ光ＬＢは、空間変調素子３３０に入射する。空間変調素子３３０は、レーザ光ＬＢの伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を、透過領域及び非透過領域の形成によって変化させる。空間変調素子３３０は、液晶マスクやＤＭＤミラーといった光学素子であってもよい。加工パターンが一定であるならば、空間変調素子３３０は金型であってもよい。
【０１１４】
レーザ加工機３００は、空間変調素子３３０によって光強度分布を変化させられたレーザ光ＬＢを加工対象物ＰＯ（例えば、半導体ウェハ）の上面ＵＳに集光する集光レンズ３４０を更に備える。本実施形態において、集光レンズ３４０は、レーザ光ＬＢを加工対象物ＰＯに導く光学系として例示される。
【０１１５】
本実施形態の原理によれば、１パルスのレーザ光ＬＢが、加工対象物ＰＯの複数箇所に照射される。したがって、本実施形態のレーザ加工機３００は、第１実施形態に関連して説明されたレーザ加工機１００よりも高速にレーザマーキング加工を行うことができる。尚、第１実施形態に関連して説明されたレーザ加工機１００は、本実施形態のレーザ加工機３００よりもレーザ光源１１０に要求される出力が小さいので、レーザ加工機１００に組み込まれるレーザ光源１１０は、より小型のものであってもよい。
【０１１６】
本実施形態の原理に従い、レーザ加工機３００にレーザ光源１１０とアパーチャ板３１０とが組み込まれるので、アブレーションは、一層発生しにくくなる。
【０１１７】
（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態のレーザ加工機の概略図である。図９及び図１３を用いて、第４実施形態のレーザ加工機が説明される。
【０１１８】
第４実施形態のレーザ加工機４００は、第２実施形態に関連して説明されたレーザ光源２１０に加えて、空間変調素子３３０を備える。レーザ光源２１０から出射されるレーザ光ＬＢは、空間変調素子３３０を通じて、加工対象物ＰＯの上面ＵＳ（加工面）に照射される。この結果、加工対象物ＰＯの上面ＵＳには、高速にレーザマーキングがなされる。
【０１１９】
レーザ加工機４００は、第２実施形態に関連して説明されたレーザ光源２１０に加えて、レーザ光源２１０が出射したレーザ光ＬＢのエネルギ分布を平滑化するビームホモジナイザ３２０を備える。本実施形態において、ビームホモジナイザ３２０は、レーザ光源２１０から出射されるレーザ光ＬＢの伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化するので、平滑化要素として例示される。
【０１２０】
空間変調素子３３０は、加工パターンに合わせて、レーザ光ＬＢの透過を許容する透過領域及びレーザ光ＬＢの透過を許容しない非透過領域のパターンが形成されるように駆動される。ビームホモジナイザ３２０を通過したレーザ光ＬＢは、空間変調素子３３０に入射する。空間変調素子３３０は、レーザ光ＬＢの伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を、透過領域及び非透過領域の形成によって変化させる。空間変調素子３３０は、液晶マスクやＤＭＤミラーといった光学素子であってもよい。加工パターンが一定であるならば、空間変調素子３３０は金型であってもよい。
【０１２１】
レーザ加工機４００は、空間変調素子３３０によって光強度分布を変化させられたレーザ光ＬＢを加工対象物ＰＯ（例えば、半導体ウェハ）の上面ＵＳに集光する集光レンズ３４０を更に備える。本実施形態において、集光レンズ３４０は、レーザ光ＬＢを加工対象物ＰＯに導く光学系として例示される。
【０１２２】
本実施形態の原理によれば、１パルスのレーザ光ＬＢが、加工対象物ＰＯの複数箇所に照射される。したがって、本実施形態のレーザ加工機４００は、第２実施形態に関連して説明されたレーザ加工機２００よりも高速にレーザマーキング加工を行うことができる。尚、第２実施形態に関連して説明されたレーザ加工機２００は、本実施形態のレーザ加工機４００よりもレーザ光源２１０に要求される出力が小さいので、レーザ加工機２００に組み込まれるレーザ光源２１０は、より小型のものであってもよい。
【０１２３】
本実施形態の原理に従い、レーザ加工機４００に照射されるレーザ光ＬＢのパルス出力が安定したレーザ光源２１０が組み込まれるので、アブレーションは、一層発生しにくくなる。
【０１２４】
（様々な変更形態）
上述の第１実施形態乃至第４実施形態に関連して、レーザ加工機の原理が説明されている。上述されたレーザ加工機の構成は、例示的なものにすぎず、上述の一連の実施形態の原理を逸脱しない範囲で、様々な変更がなされてもよい。
【０１２５】
以下に、上述の一連の実施形態の変更例が、第１実施形態に関連して説明される。以下の説明は、しかしながら、上述の第１実施形態乃至第４実施形態に共通する。したがって、以下に説明される代替的な構成並びに効果は、第２実施形態乃至第４実施形態に対しても適用される。
【０１２６】
上述の第１実施形態乃至第４実施形態において、波長変換モジュールは、基本波光を第２高調波光に変換する。代替的に、波長変換モジュールは、基本波光を第３高調波光に変換してもよい。更に代替的に、波長変換モジュールは、基本波光を別のレーザ光との和周波光に変換してもよい。波長変換モジュールによる波長変換によって生成される光（基本波光と波長が異なる光：第２高調波光や第３高調波光）は、波長変換光と総称される。尚、より短波長のレーザ光（高次高調波光）が用いられるならば、レーザ加工機は、より微細な加工を行うことができる。
【０１２７】
上述の第１実施形態乃至第４実施形態において、波長変換モジュールは、MgLNからなる波長変換素子を含む。代替的に、波長変換モジュールは、MgSLT（Mgが添加されたストイキオメトリック組成のタンタル酸リチウム）、MgSLN（Mgが添加されたストイキオメトリック組成のニオブ酸リチウム）、MgCLT（Mgが添加されたコングルエント組成のニオブ酸リチウム）やKTP、LBOといった非線形光学結晶からなる波長変換素子を含んでもよい。これら様々な種類の波長変換素子を備える波長変換モジュールも、第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明された優れた効果を奏する。
【０１２８】
図１４は、半導体ウェハに対する加工に関する実験結果を示すグラフである。図１４を用いて、半導体ウェハに対する加工試験の結果が説明される。
【０１２９】
本発明者は、半導体ウェハの加工試験を行い、パルスレーザ光の１パルス当たりのエネルギ密度に関係なく、光強度が一定の閾値を超えることによってアブレーションが発生するという知見を得た。本発明者は、半導体ウェハとして、シリコンウェハ（ｃ−Ｓｉ）を用いた。また、本発明者は、レーザ光として、波長５２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の可視光を用いた。図１４に示される如く、パルスレーザ光の出力密度が、８．０×１０７Ｗ／ｃｍ２以下であるならば、アブレーションの発生が抑制される。したがって、パルス出力の変動幅のなかで最大の出力時においても、加工対象物の加工面上における出力密度が８．０×１０７Ｗ／ｃｍ２となるようにパルス幅や加工面上でのビーム径が設定されることが好ましいことが分かる。このような設定によって、アブレーションは一層効果的に抑制される。尚、出力密度は、パルス幅内の平均出力をビーム径（１／ｅ２）内の円の面積で割った値を意味する。また、エネルギ密度は１パルス当たりのエネルギをビーム径（１／ｅ２）内の円の面積で割った値を意味する。
【０１３０】
図１５は、マーキングの視認性に関する実験結果を示すグラフである。図４Ａ及び図１５を用いて、マーキングの視認性に関する実験結果が説明される。
【０１３１】
レーザマーキングに対して、アブレーションの防止だけでなく、マーキングに対する視認性の向上が求められる。パルス出力の変動にともないマーキングされたドットの深さが変動するので、マーキングの視認性の安定化は困難であると一般的に考えられてきた。しかしながら、本発明者は、マーキングの視認性に関する実験を通じて、パルス波形の立ち下がり時間を所定範囲内に設定することによって、パルス出力の変動があってもマーキングドットの高さの変動が低減されることを検証した。以下の説明において、「パルス波形の立ち下がり時間」との用語は、出力が最大となる時間から最大出力の１割になるまでの時間（図４Ａにおいて、Ｘ[s]で示される期間）を意味する。
【０１３２】
本発明者は、実験において、立ち下がり時間に対して、５５ｎｓ、８０ｎｓ、１２０ｎｓの３つの条件を設定した。本発明者は、３つの条件の立ち下がり時間の下、パルスレーザ光（中心波長５３２ｎｍ）をシリコンウェハに照射し、マーキングドットの深さと加工面上でのエネルギ密度との間の関係を調べた。立ち下がり時間が５５ｎｓの条件の下では、図１５に示される如く、エネルギ密度が６Ｊ／ｃｍ２前後に設定されたときのみ、０．５μｍを超える深さのマーキングドットが形成された。しかしながら、立ち下がり時間が８０ｎｓの条件の下では、２Ｊ／ｃｍ２から８Ｊ／ｃｍ２の広いエネルギ密度の範囲で０．５μｍを超えるマーキングドットが形成された。また、立ち下がり時間が１２０ｎｓの条件の下でも、同様の結果が得られた。
【０１３３】
したがって、パルス出力の変動（エネルギ密度の変動）に起因する視認性のばらつきの抑制の観点から、立ち下がり時間が８０ｎｓ以上となる設定が好適である。尚、一般的に、０．５μｍを超える深さとなるように形成されたマーキングドットは、検知可能なレベルの視認性をもたらすと考えられている。視認性の観点から、エネルギ密度は、５Ｊ／ｃｍ２から７Ｊ／ｃｍ２であることが好ましい。この結果、パルス毎のエネルギ密度のばらつきに対して、更に安定した視認性のマーキングドットが形成される。
【０１３４】
図１６は、マーキングドットの概略的な形状を示す。図１６を用いて、マーキングドットの形状が説明される。
【０１３５】
「マーキングドットの高さ」との用語は、レーザ光が照射された後（マーキングドットが形成された後）のマーキングの中心部とレーザ光が照射される前の加工面との距離を意味する。図１６は、立ち下がり時間が８０ｎｓ以上且つエネルギ密度が１０Ｊ／ｃｍ２以下の条件下或いは立ち下がり時間が５５ｎｓ且つエネルギ密度が６Ｊ／ｃｍ２以下の条件下の下で形成されるマーキングドットの断面形状を示す。図１６に示される如く、マーキングドットの中央部が隆起し、隆起部の周囲において窪みが形成されている。図１６において、中心部分（隆起部）と加工面との間の距離は、マーキングドットの高さとして、Ｚ[μｍ]として表されている。
【０１３６】
図１７は、マーキングドットの概略的な形状を示す。図１７を用いて、マーキングドットの形状が更に説明される。
【０１３７】
図１７に示されるマーキングドットの断面形状は、立ち下がり時間５５ｎｓ且つ６Ｊ／ｃｍ２を超えるエネルギ密度の条件下でパルスレーザ光が照射されたときに得られた。このような条件下で得られたマーキングドットの断面形状は、図１７に示される如く、中央部分が窪んでいる。図１７において、中心部分（窪み部）と加工面との間の距離は、マーキングドットの高さとして、Ｚ[μｍ]として表されている。図１７に示されるマーキングドットの高さは、「負」の状態である。中心部が窪んだマーキングドットが形成されるとき、アブレーションが発生する。この結果、マーキングドットの周囲には、塵芥が飛散している。
【０１３８】
上述の如く、波長５３２ｎｍのレーザ光を用いて、シリコンウェハに加工が行われるならば、８０ｎｓ以上の立ち下がり時間の設定が好ましい。この結果、パルス出力の変動に起因するマーキングの視認性のばらつきが適切に抑制される。
【０１３９】
尚、立ち下がり時間が５００ｎｓ以上に設定されると、エネルギ密度が大きくなりすぎ、ドットマークの周囲に塵芥が飛散する。したがって、立ち下がり時間は、８０ｎｓ以上５００ｎｓ以下に設定されることが好ましい。
【０１４０】
上述のパルスの立ち下がり速度を達成するため、第１実施形態乃至第４実施形態の原理に従うレーザ光源は、Ｑ値が低い共振器を備えることが好ましい。共振器は、数メートル以上の共振器長を有することが好ましい。また、レーザ光が出射される側に配設された反射部の反射率は、約５０％以下に設計されることが好ましい。第１実施形態乃至第４実施形態の原理に従うレーザ光源の光学系は小型化が可能であることが好ましい。特に、第１実施形態乃至第４実施形態の原理に従うレーザ光源は、Ｑ値が低くとも高効率なレーザ発信が可能なファイバレーザ装置を備えることが好ましい。或いは、第１実施形態乃至第４実施形態の原理に従うレーザ光源は、共振器から発振されたレーザ光を基本波光として用い、基本波光の波長変換を行う波長変換モジュールを備えることが好ましい。
【０１４１】
上述のシリコンウェハに対して行われた実験に基づく知見は、他の物質に対しても適用可能である。したがって、立ち下がり時間（冷却速度）の調節の結果、他の物質に対するマーキング加工の際のアブレーションの抑制並びにマーキングの視認性の向上といった有利な効果が得られる。しかしながら、物質の種類に応じて立ち下がり時間の最適値は異なるので、レーザ加工機は、パルス発振の立ち下がり時間を自由に調整可能に形成されることが好ましい。
【０１４２】
上述の第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０，２１０は、２つのファイバグレーティング１１３，１１４、レーザ活性物質が添加されたダブルクラッドファイバ１１５及び励起用のレーザダイオード（ポンプ用ＬＤ１１２）を備えるファイバレーザ装置である。しかしながら、第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明された原理は、従来から広くレーザ加工（レーザマーキング）に用いられてきたＱスイッチを備える固体レーザ装置（Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４）やＱスイッチを備えたファイバレーザ装置によっても実現されてもよい。尚、Ｑスイッチを用いてパルス発振するこれらのレーザ光源の場合は、立ち下がり時間の変化と同時にパルス発振の周波数（パルス発振の間隔）やピーク出力も変動する。この結果、立ち下がり時間の変更は、加工速度の低下、マーキングの視認性のばらつきの増大や塵芥の発生といった影響をもたらす。一方、上述の一連の実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０，２１０は、所謂、利得スイッチ型のレーザ発振器であるので、パルス発振の周波数やピーク出力とは独立に立ち下がり時間が調整される。したがって、レーザ光源１１０，２１０は、上述の第１実施形態乃至第４実施形態の原理を実現する上で好ましい。
【０１４３】
図１８は、ポンプ光の強度、ダブルクラッドファイバ１１５の内部エネルギ及び基本波光ＦＢの強度の間の関係を概略的に示すグラフである。図２及び図１８を用いて、利得スイッチを利用したレーザ光源１１０，２１０を用いた立ち下がり時間の調整方法が説明される。
【０１４４】
図１８のセクション（ａ）は、ポンプ用ＬＤ１１２から出射されるポンプ光の強度の時間変化を表す概略的なグラフである。本実施形態において、ポンプ用ＬＤ１１２は、ステップ状に強度変調されたポンプ光を出射する。図２のセクション（ａ）に示されるポンプ光は、パルス発振の後もポンプ用ＬＤ１１２から出力され続けている。この結果、パルス発振後もＣＷ発振が続いている。一方、図１８のセクション（ａ）に示されるポンプ光は、パルス発振の後に停止されている。また、図１８のセクション（ｃ）に示される如く、ポンプ光の出力停止の後、出力光（第２高調波光）の強度が低下している。図２及び図１８から明らかな如く、ポンプ用ＬＤ１１２の駆動時間の調節を通じて、パルス発振から出力停止までの時間が自由に調整されることとなる。
【０１４５】
以上の説明から、利得スイッチを利用するレーザ光源１１０は、第１実施形態乃至第４実施形態の原理を実現するのに好適であることが分かる。尚、レーザ光源２１０も利得スイッチを利用するので、同様に、第１実施形態乃至第４実施形態の原理を実現するのに好適であることが分かる。
【０１４６】
第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０から出射されるレーザ光は、シングルモードレーザ（ガウシアンビーム）である。出射されるレーザ光がガウシアンビームであるならば、第１実施形態の場合、集光位置が加工面から外れても、集光位置が加工面に合っているときと略同様の光強度分布が得られ、同様の加工形状が得られる。しかしながら、第１実施形態乃至第４実施形態の原理は、シングルモードレーザに限定されるものではない。
【０１４７】
レーザ光の伝搬方向と垂直な面内の光強度が一定なトップフラットビームの状態のレーザ光が第１実施形態乃至第４実施形態に用いられてもよい。例えば、トップフラットビームの状態のレーザ光が図１に示される集光レンズ１６０に入射し、加工面付近で集光されてもよい。集光されるレーザ光がトップフラットビームに近いほど、ガウシアンビームのレーザ光と比べて、加工面におけるビーム径が小さくなる。したがって、より微細なマーキングドットが形成される。代替的に、中心部分の光強度が周囲の光強度と比べて低いドーナツビームの状態のレーザ光が集光レンズ１６０に入射し、加工面付近で集光されてもよい。ドーナツビーム状態のレーザ光が加工面付近で集光されると、ガウシアンビームと比べて、加工面上でのビーム径が小さくなる。この結果、加工対象物の多光子吸収特性を利用したマーキングも可能になる。かくして、更に微細なマーキングドットの形成が達成される。
【０１４８】
第１実施形態乃至第４実施形態おいて、半導体ウェハ、特に、シリコンウェハが加工対象物ＰＯとして例示されている。また、半導体ウェハ、特に、シリコンウェハに対する第１実施形態乃至第４実施形態の有利な効果が説明されている。半導体ウェハへの加工の多くは、シリコンウェハ自体を加工対象とする。しかしながら、ウェハの表面に酸化膜（ＳｉＯ２）や窒化膜（ＳｉＮ）が形成されていることもある。或いは、エピタキシャル成長させたウェハ、ガリウム砒素又はインジウム化合物が表面に形成されたウェハが加工対象物となることもある。第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明された原理は、これらの様々なウェハの加工にも同様に適用され、同様の優れた効果をもたらす。更には、第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明された原理は、ベアチップといった電極（パッド）、ＩＣ表面、様々なセラミック製品やＩＣのリード部といった様々な加工対象物にも適用され、同様の優れた効果をもたらす。
【０１４９】
石英、KTaO3結晶、プラスチックレンズ用の材料として用いられるエビスルフィド系樹脂やウレタン系樹脂が加工対象物として用いられてもよい。上述の一連の実施形態に関連して説明された加工原理がこれらの加工対象物に用いられるならば、例えば、モスアイ構造（無反射構造）が形成された光学素子を製造することができる。
【０１５０】
例えば、可視光に対するモスアイ構造が形成されるならば、約３００ｎｍ以下の狭いピッチで図１６の断面図で表されるような隆起構造が形成されることが好ましい。また、可視光に対するモスアイ構造のためには、マーキングドットの高さは、数百ｎｍを超えることが好ましい。
【０１５１】
マーキングドットの高さは、モスアイ構造の対象となる光の波長に依存するが、マーキングドットの高さ寸法の安定化が求められる。従来のレーザ加工機によれば、マーキングドットの高さは不安定であり、しばしばアブレーションが生ずるので、モスアイ構造の形成は、困難である。
【０１５２】
上述の如く、第１実施形態乃至第４実施形態のレーザ加工機は、アブレーションの発生を適切に抑制する。また、上述の如く、パルス波形の立ち下がり時間が調整可能であるので、マーキングドットの安定した高さが得られる。したがって、第１実施形態乃至第４実施形態のレーザ加工機は、モスアイ構造を形成するための用途に対しても、好適に用いられる。
【０１５３】
第１実施形態乃至第４実施形態のレーザ加工機は、加工位置に応じて、パルス出力を変更し、モスアイ構造を形成することもできる。したがって、位置に応じて反射率や反射する波長が異なるモスアイ構造の形成も可能になる。かくして、第１実施形態乃至第４実施形態のレーザ加工機は、レーザ光のビームプロファイル成形やＬＥＤ正面といった照明素子の色斑を解消する光学部品の製造にも好適に用いられる。
【０１５４】
上述の第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０，２１０は、波長５３２ｎｍ付近の第２高調波光を生成することができる。したがって、第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０，２１０は、非結晶シリコン（アモルファスシリコン）の結晶化（レーザアニール）（例えば、特許文献１参照）にも用いられる。レーザ光源１１０，２１０から出射される第２高調波光の光強度は安定しているので、非結晶シリコンの結晶化に好適である。安定した光強度の結果、グレインサイズが一定且つ均一なシリコンの結晶化が達成される。したがって、第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０，２１０は、結晶シリコンや微結晶シリコンの作成に好適に利用可能である。また、これらの結晶シリコンや微結晶シリコンを用いて、高効率の太陽電池が製造可能となる。
【０１５５】
非結晶シリコン、結晶シリコン及び／又は微結晶シリコンが太陽電池に用いられるならば、様々な波長の光を吸収し、電力エネルギに変換することができる。非結晶シリコンは、４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の光を吸収し、電力エネルギに変換する。微結晶シリコンは、６００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の光を吸収し、電力エネルギに変換する。結晶シリコンは、７００ｎｍ以上の範囲の光を吸収し、電力エネルギに変換する。
【０１５６】
例えば、非結晶シリコンを含む第１領域及び結晶シリコンを含む第２領域を含む太陽電池パネルが、７００ｎｍ以下の波長の光が第１領域に導かれ、７００ｎｍより長い波長の光が第２領域に導かれるように形成されるならば、太陽電池パネルは、高効率で太陽光発電を行うことができる。
【０１５７】
図１９は、第２実施形態に関連して説明されたレーザ加工機２００を用いた太陽電池パネルの製造方法を概略的に示す。図９及び図１９を用いて、太陽電池パネルの製造方法が説明される。
【０１５８】
図１９に示されるレーザ加工機２００のステージ１５０上には、図９に関連して説明された半導体ウェハに代えて、加工対象物として非結晶シリコンが載置されている。第２実施形態に関連して説明された如く、ステージ１５０はＹ軸に沿って、非結晶シリコンを移動させる。スキャンミラー１３０は、Ｘ軸に沿って、レーザ光の光路をスキャンする。また、レーザ光源２１０は、レーザ光の発振のＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。
【０１５９】
レーザ光源２１０のレーザ光の発振がＯＮされ、レーザ光が照射された非結晶シリコンの領域は、レーザアニールされ、結晶シリコン領域ＰＯ１となる。レーザ光源２１０のレーザ光の発振がＯＦＦされ、レーザアニールされていない領域は、非結晶シリコン領域ＰＯ２となる。この結果、結晶シリコン領域ＰＯ１と非結晶シリコン領域ＰＯ２とを備える太陽電池パネルが作成される。
【０１６０】
図２０は、第２実施形態に関連して説明されたレーザ加工機２００を用いた太陽電池パネルの他の製造方法を概略的に示す。図１９及び図２０を用いて、太陽電池パネルの製造方法が説明される。
【０１６１】
図２０に示されるレーザ加工機２００のステージ１５０上には、加工対象物として非結晶シリコンが載置されている。第２実施形態に関連して説明された如く、ステージ１５０はＹ軸に沿って、非結晶シリコンを移動させる。スキャンミラー１３０は、Ｘ軸に沿って、レーザ光の光路をスキャンする。また、レーザ光源２１０は、レーザ光の発振のＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。
【０１６２】
レーザ光源２１０のレーザ光の発振がＯＮされ、レーザ光が照射された非結晶シリコンの領域は、レーザアニールされ、結晶シリコン領域ＰＯ１又は微結晶シリコン領域ＰＯ３となる。レーザ光源２１０のレーザ光の発振がＯＦＦされ、レーザアニールされていない領域は、非結晶シリコン領域ＰＯ２となる。この結果、結晶シリコン領域ＰＯ１、微結晶シリコン領域ＰＯ３及び非結晶シリコン領域ＰＯ２を備える一層高効率な太陽電池パネルが作成される。
【０１６３】
微結晶シリコン領域ＰＯ３中のグレインサイズは、好ましくは、非結晶シリコン領域ＰＯ２に近づくにつれて大きくなるように調整される（即ち、微結晶シリコン領域ＰＯ３中のグレインサイズは、結晶シリコン領域ＰＯ１に近づくにつれて小さくなるように調整される）。非結晶シリコン領域ＰＯ２から結晶シリコン領域ＰＯ１に向けて、吸収される光の波長域が徐々に長くなるので、太陽電池パネルの発電効率は一層高くなる。
【０１６４】
図２１は、グレインサイズが異なる微結晶シリコン領域ＰＯ３及び結晶シリコン領域ＰＯ１を作成するためのパルス発振の方法を概略的に示すグラフである。図２０及び図２１を用いて、レーザアニールによってグレインサイズが異なる結晶を作成する方法が説明される。
【０１６５】
シリコンをレーザアニールするために、例えば、波長５３２ｎｍのパルスレーザ光が非結晶シリコンに照射される。この結果、シリコンの結晶化が開始する。シリコンが結晶化するときの温度に応じて、グレインサイズが相違する。したがって、立ち下がり速度が異なるパルスレーザ光が発振されるならば、異なるグレインサイズの結晶が作り出される。
【０１６６】
上述の第１実施形態乃至第４実施形態に関連して説明された如く、レーザ加工機には、利得スイッチを利用したパルスレーザ光源が用いられる。上述の如く、利得スイッチを利用したパルスレーザ光源は、立ち上がり速度が異なるパルスレーザ光を自由に発振することができる。
【０１６７】
図２１のセクション（ａ）は、ポンプ光の強度を示す。図２１のセクション（ｂ）は、ポンプ光の出射に伴う内部エネルギの変動を示す。図２１のセクション（ｃ）は、レーザ光源から出射されるレーザ光の強度の変動を示す。図２１のセクション（ａ）に示される如く、パルス発振後にポンプ光の強度が低減されるならば、出射されるレーザ光の立ち下がり速度が増大する（図２１のセクション（ｃ）参照）。この結果、結晶化時における温度が低減する。逆に、パルス発振後のポンプ光の光強度が増大されるならば（図示せず）、パルス発振後に発振されるレーザ光の強度が増大するので、結晶化時における温度の低下が抑制される。
【０１６８】
上述の温度調整は、パルスのピーク出力及びパルス発振の周波数とは独立して達成される。このような効果は、利得スイッチを利用したパルスレーザ光源に特有のものである。したがって、利得スイッチを利用するパルスレーザ光源は、図２０に関連して説明されたような結晶状態の異なる領域（非結晶シリコン領域ＰＯ２、微結晶シリコン領域ＰＯ３、結晶シリコン領域ＰＯ１）を作成するのに好適である。特に、利得スイッチを利用するパルスレーザ光源は、パルス発振後のレーザ光の出力を代えて、同一の非結晶シリコン基板をレーザアニールすることができるので、高効率の太陽電池パネルの作成に有利である。
【０１６９】
上述の太陽電池パネルの作成方法において、第２実施形態に関連して説明されたレーザ加工機２００及びレーザ光源２１０が用いられている。代替的に、第１実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０や第３実施形態に関連して説明されたレーザ光源１１０とアパーチャ板３１０との組み合わせが太陽電池パネルの作成に用いられてもよい。これらが同様に用いられても、太陽電池パネルが好適に作成される。
【０１７０】
図２２は、太陽電池パネルの概略図である。図２２を用いて、結晶状態の異なる複数の領域に太陽光を導光する光学的構成が説明される。
【０１７１】
太陽電池パネル５００は、非結晶シリコン領域ＰＯ２、結晶シリコン領域ＰＯ１及び微結晶シリコン領域ＰＯ３を有するシリコン基板５１０を備える。太陽電池パネル５００は、シリコン基板５１０上に配設された波長分離素子５２０を更に備える。波長分離素子５２０は、太陽光を分光し、非結晶シリコン領域ＰＯ２、微結晶シリコン領域ＰＯ３及び結晶シリコン領域ＰＯ１それぞれに、各領域にとって最も高い吸収率の波長の光を入射させる。波長分離素子５２０として、プリズムや回折光学素子が例示される。波長分離素子５２０として回折光学素子が用いられるならば、回折光学素子は、０次回折光を発生させないように設計されることが好ましい。この結果、太陽電池パネル５００は、高い効率で発電することができる。代替的に、波長分離素子５２０として、ハーモニックセパレータといった波長分離用の多層膜コートを備えたミラーが用いられてもよい。
【０１７２】
太陽電池パネル５００は、波長分離素子５２０より前に太陽光を受ける集光光学素子５３０を更に備えてもよい。集光光学素子５３０は、波長分離素子５２０に太陽光を集光するように設計される。この結果、太陽電池パネル５００は、より高効率に発電することができる。
【０１７３】
太陽電池パネル５００は、波長分離素子５２０へ入射する太陽光の入射角が一定となるように太陽電池パネル５００の角度を調整する機構を更に備えることが好ましい。この結果、太陽電池パネル５００は更に高効率に発電することができる。
【０１７４】
集光光学素子５３０として、マイクロレンズアレイが例示される。マイクロレンズと波長分離素子５２０との間の相対位置が調節される結果、太陽光が波長分離素子５２０に入射する位置並びに角度が調整されることが特に好ましい。この結果、太陽電池パネル５００自体の角度が調整されなくとも、太陽電池パネル５００は、高効率に発電することができる。
【０１７５】
（第５実施形態）
図２３は、第５実施形態のレーザ加工機の概略図である。図２３を用いて、第５実施形態のレーザ加工機が説明される。
【０１７６】
第５実施形態のレーザ加工機６００によって加工される加工対象物ＰＯは、レーザ光が発振する共振器内に配設される。加工対象物ＰＯがマーキングされる（形状変形する）と同時に、レーザ発振が停止する。この結果、加工対象物ＰＯに対するそれ以上の加熱が停止される。
【０１７７】
レーザ加工機６００は、加工対象物ＰＯが載置されるステージ６１０と、ステージ６１０の上方に配設された励起レーザ光源６２０と、を備える。レーザ加工機６００は、ステージ６１０と励起レーザ光源６２０との間に配設された固体レーザ結晶６４０を更に備える。励起レーザ光源６２０は、励起光ＰＬを生成し、固体レーザ結晶６４０に向けて照射する。
【０１７８】
レーザ加工機６００は、固体レーザ結晶６４０と励起レーザ光源６２０との間を横切る凹面ミラー６５０を更に備える。励起レーザ光源６２０からの励起光ＰＬは、凹面ミラー６５０を介して、固体レーザ結晶６４０に入射し、固体レーザ結晶６４０内のエネルギを増大させる。固体レーザ結晶６４０内のエネルギがある閾値を超えると、誘導放出によって、凹面ミラー６５０とステージ６１０との間で共振レーザ光ＣＬが発振する。本実施形態において、凹面ミラー６５０及びステージ６１０は、共振器として例示される。また、ステージ６１０の上面及び凹面ミラー６５０の下面は、反射面として例示される。
【０１７９】
共振レーザ光ＣＬの一部は、加工対象物ＰＯに吸収される。この結果、加工対象物ＰＯ中の共振レーザ光ＣＬの光路が加熱され、加工対象物ＰＯにマーキングがなされる。マーキングの結果、加工対象物ＰＯの形状が変化するので、共振条件が崩れる。この結果、共振レーザ光ＣＬの発振が停止する。
【０１８０】
図２３には、３次元直交座標系を規定するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。ステージ６１０は、加工対象物ＰＯをＸＹ平面に沿って、凹面ミラー６５０とステージ６１０とによって形成される共振器に対して相対的に移動させる。加工対象物ＰＯが所望の位置に配設されると、上述の如く、レーザ加工機６００は、励起レーザ光源６２０は励起光ＰＬを固体レーザ結晶６４０に入射させ、固体レーザ結晶６４０を励起させる。この結果、共振レーザ光ＣＬによって、加工対象物ＰＯの所望の位置にマーキングが形成される。本実施形態において、ステージ６１０は、変位機構として例示される。
【０１８１】
本実施形態のレーザ加工機６００は、レーザアニールに用いられてもよい。例えば、加工対象物ＰＯが結晶化によって、共振レーザ光ＣＬの吸収率が高まる材質であるならば、レーザ加工機６００は、共振器内のロスの増大に伴って、固体レーザ結晶内に蓄積されたエネルギが発振閾値を下回るように設計される。この結果、レーザ加工機６００は、レーザアニールに応用可能となる。即ち、結晶化と同時に共振レーザ光ＣＬの発振が停止するので、レーザ加工機６００は、加工対象物ＰＯの全体を均一に結晶化することができる。
【０１８２】
本実施形態のレーザ加工機６００によって加工される加工対象物ＰＯ自体がレーザ光源の共振器内に配設されるので、共振レーザ光ＣＬは、加工対象物ＰＯに対する光路中での形状変化（マーキング）が生ずると同時に、発振を停止する。この結果、加工対象物ＰＯは、過度に加熱されない。したがって、アブレーションは、発生しにくくなる。
【０１８３】
加えて、共振器内において、共振レーザ光ＣＬのパワーが増幅・増大するので、小さな励起光ＰＬのパワーを用いて、マーキングや切断といったレーザ加工が実行可能な程度の高いピークエネルギが加工対象物ＰＯに与えられる。特に、加工対象物ＰＯが、共振レーザ光ＣＬの吸収率が低い材質であるならば、従来のレーザ加工機と比べて遙かに小さな励起光のパワーを用いて、所望の加工が達成されるので、上述の特徴は有利である。
【０１８４】
更に、高ピークのレーザ発振は、共振器内に限られるので、レーザ加工機６００は、安全性にも優れることとなる。
【０１８５】
本実施形態のレーザ加工機６００の励起レーザ光源６２０として、波長８０８ｎｍのレーザ光を発振する半導体レーザ装置が例示される。また、固体レーザ結晶６４０として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ結晶が例示される。この結果、波長１０６４ｎｍの共振レーザ光ＣＬが発振される。尚、Ｎｄの代わりにＹｂが固体レーザ結晶に添加されてもよい。また、ＹＡＧの代替として、ＹＶＯ４といった他のレーザ結晶が固体レーザ結晶として用いられてもよい。
【０１８６】
本実施形態において、半導体励起固体レーザ光源を備えるレーザ加工機６００が説明されている。しかしながら、本実施形態の原理は、共振器内の誘導放出を用いる「いわゆるレーザ光源」に対して、同様に適用可能である。例えば、半導体レーザ装置、ファイバレーザ装置やガスレーザ装置の共振器内に加工対象物を移動させながら挿入することができる機構が用いられるならば、本実施形態と同様の効果が得られる。
【０１８７】
尚、加工対象物が共振レーザ光に対して、低い吸収率を有するならば、本実施形態で説明された半導体レーザ（又は、他の光源）によって励起される固体レーザ装置やガスレーザ装置が好ましい。この結果、Ｑ値が増大されることによって、低い消費電力で加工対象物が加工される。
【０１８８】
本実施形態で説明された半導体レーザ（又は、他の光源）によって励起される固体レーザ装置やガスレーザ装置が光源として用いられるならば、共振器の長さは、極力短く設計されることが好ましい。この結果、共振器内の光子寿命が短縮され、短パルスレーザが発振される。かくして、２光子吸収などを利用したレーザ加工が達成可能になる。
【０１８９】
本実施形態において、ファイバレーザ装置が用いられてもよい。安価なレーザ光源として、ファイバレーザ装置が用いられ、利得スイッチ型のパルスレーザ発振がなされても、大きなパルスエネルギが得られる。加えて、パルスの発振周波数やピーク出力とは独立に立ち下がり時間が調整されるので、上述の如く、レーザマーキングのドット深さが安定化される。
【０１９０】
図２３に示される如く、本実施形態のレーザ加工機６００は、共振レーザ光ＣＬが共振する共振器内に配設された波長変換素子６６０を更に備えてもよい。レーザ加工機６００が波長変換素子６６０を備えるならば、加工対象物ＰＯが波長約１μｍの赤外光に対して低い吸収率を有していても、レーザ加工は好適に行われる。例えば、レーザ加工機６００が、第１実施形態に関連して説明された波長変換素子と同様の構成の波長変換素子６６０を備えるならば、共振レーザ光ＣＬは、波長５３２ｎｍの第２高調波光に変換される。この結果、レーザ加工機６００は、シリコン基板に対するマーキングやレーザアニールに適することとなる。したがって、波長変換素子を含まないレーザ加工機と比べて、レーザ加工機６００は、低い消費電力で加工対象物ＰＯを加工することができる。
【０１９１】
尚、好ましくは、凹面ミラー６５０及びステージ６１０には、第２高調波光の透過を防止するための誘電体多層膜が成膜されている。この結果、レーザ加工機６００は、更に小型となり、且つ、低い消費電力で加工対象物ＰＯを加工することができる。
【０１９２】
凹面ミラー６５０と加工対象物ＰＯとの間の光学距離は、凹面ミラー６５０の曲率半径より短く、或いは、凹面ミラー６５０の曲率半径に近似していることが好ましい。この結果、加工対象物ＰＯ又はステージ６１０が、例えば、傾斜したときのマーキングの位置ズレが低減され、所望の位置にマーキングされやすくなる。
【０１９３】
凹面ミラー６５０と加工対象物ＰＯとの間の光学距離は短く設定されることが好ましい。この結果、加工対象物ＰＯやステージ６１０の凹凸に起因した共振レーザ光ＣＬの出力の不安定性が低減される。かくして、安定したレーザ加工が達成される。
【０１９４】
凹面ミラー６５０は、好ましくは、誘電体多層膜が形成された凹面６５１を含む。凹面６５１に成膜された誘電体多層膜は、共振レーザ光ＣＬの透過を防止するとともに、励起光ＰＬの反射を防止する。この結果、レーザ加工機６００は、小型化されるともに、高効率でレーザ加工を行うことができる。
【０１９５】
固体レーザ結晶６４０は、励起光ＰＬが入射する入射面６４１と、入射面６４１とは反対側の出射面６４２と、を含む。入射面６４１には、好ましくは、共振レーザ光ＣＬ及び励起光ＰＬの両方の反射を防止する誘電体多層膜が成膜される。出射面６４２には、好ましくは、共振レーザ光ＣＬの反射を防止する誘電体多層膜が成膜される。この結果、共振レーザ光ＣＬの発振が安定化し、アブレーションが更に発生しにくくなる。
【０１９６】
ステージ６１０は、加工対象物ＰＯを支持する上面６１１を含む。上面６１１には、好ましくは、共振レーザ光ＣＬの反射率を向上させる誘電体多層膜が成膜される。この結果、レーザ加工機６００は、小型化されるとともに、高効率でレーザ加工を行うことができる。
【０１９７】
本実施形態において、共振レーザ光ＣＬは、凹面ミラー６５０とステージ６１０との間で発振する。代替的に、加工対象物ＰＯの底面６１２と凹面ミラー６５０との間で、共振レーザ光ＣＬが発振されてもよい。
【０１９８】
本実施形態において、レーザ加工機６００は、凹面ミラー６５０を備える。しかしながら、凹面ミラー６５０に代えて、平面ミラー及び集光レンズが用いられてもよい。
【０１９９】
図２４は、本実施形態の原理に従う他のレーザ加工機を示す。図２３及び図２４を用いて、本実施形態の原理に従う他のレーザ加工機が説明される。
【０２００】
図２４に示されるレーザ加工機６００Ａは、図２３に関連して説明されたレーザ加工機６００と同様の凹面ミラー６５０、励起レーザ光源６２０及び固体レーザ結晶６４０に加えて、追加的な凹面ミラー６５５を備える。追加的な凹面ミラー６５５は、凹面ミラー６５０の凹面６５１に対向する凹面６５６を含む。励起レーザ光源６２０が励起光ＰＬを出射すると、共振レーザ光ＣＬが凹面ミラー６５０，６５５間で発振する。図２４に示されるレーザ加工機６００Ａの凹面ミラー６５０，６５５は、共振器として例示される。また、凹面６５１，６５６は、反射面として例示される。
【０２０１】
レーザ加工機６００Ａは、加工対象物ＰＯが共振レーザ光ＣＬの光路を横切るように加工対象物ＰＯを支持する支持機構６１５を備える。支持機構６１５は、図２４に示される如く、共振レーザ光ＣＬがブリュースター角で入射するように、支持機構６１５は、加工対象物ＰＯを共振レーザ光ＣＬの伝搬方向に対して傾斜させる。
【０２０２】
図２４には、３次元直交座標系を規定するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。支持機構６１５は、加工対象物ＰＯをＸＹ平面に沿って、凹面ミラー６５０，６５５によって形成される共振器に対して相対的に移動させる。本実施形態において、支持機構６１５は、変位機構として例示される。
【０２０３】
共振レーザ光ＣＬがブリュースター角で入射するように、支持機構６１５は、加工対象物ＰＯを共振レーザ光ＣＬの伝搬方向に対して傾斜させるので、共振器のＱ値が増大する。したがって、レーザ加工機６００Ａは、一層低い消費電力でレーザ加工を行うことができる。
【０２０４】
図２３に関連して説明されたステージ６１０及び図２４に関連して説明された支持機構６１５は、Ｚ軸方向に加工対象物ＰＯを移動させてもよい。加工対象物ＰＯがＺ軸方向に移動するならば、加工対象物ＰＯ内の共振レーザ光ＣＬのビーム径が拡大或いは縮小する。レーザ加工機６００，６００Ａがドットマーキングを行うならば、加工対象物ＰＯのＺ軸方向の移動の結果、ドットサイズが適切に調整される。
【０２０５】
図２５は、本実施形態の原理に従う他のレーザ加工機を示す。図２３及び図２５を用いて、本実施形態の原理に従う他のレーザ加工機が説明される。
【０２０６】
図２５に示されるレーザ加工機６００Ｂは、図２３に関連して説明されたレーザ加工機６００と同様のステージ６１０、励起レーザ光源６２０及び固体レーザ結晶６４０に加えて、励起レーザ光源６２０から励起光ＰＬが入射される第１凹面ミラー６９０と、第１凹面ミラー６９０に隣接する第２凹面ミラー６９５と、を備える。励起レーザ光源６２０が励起光ＰＬを出射すると、共振レーザ光ＣＬは、ステージ６１０、第１凹面ミラー６９０及び第２凹面ミラー６９５の３面で発振する。図２５に示されるレーザ加工機６００Ｂのステージ６１０、第１凹面ミラー６９０及び第２凹面ミラー６９５は、共振器として例示される。
【０２０７】
第１凹面ミラー６９０及び第２凹面ミラー６９５は、好ましくは、共振レーザ光ＣＬがステージ６１０上の加工対象物ＰＯに対してブリュースター角で入射するように設置される。したがって、レーザ加工機６００Ｂは、一層低い消費電力でレーザ加工を行うことができる。
【０２０８】
図２３に関連して説明されたレーザ加工機６００は、好ましくは、凹面ミラー６５０とステージ６１０との間にＱスイッチ（図示せず）を備える。図２５に関連して説明されたレーザ加工機６００Ｂは、好ましくは、第１凹面ミラー６９０とステージ６１０との間にＱスイッチ（図示せず）を備える。この結果、レーザ加工機６００，６００Ｂ内に構築された共振器内での共振レーザ光ＣＬのピークパワーが向上される。
【０２０９】
上述の一連の実施形態に関連して、レーザ加工機の原理が説明されている。上述されたレーザ加工機の構成は、例示的なものにすぎず、上述の一連の実施形態の原理を逸脱しない範囲で、様々な変更がなされてもよい。
【０２１０】
上述された実施形態は、以下の構成を主に備える。上述された実施形態の原理に従うレーザ光源及びレーザ加工機は、レーザ照射時における加工対象物の表面温度の上昇量のばらつきを低減するので、加工対象物のアブレーションが置きにくくなる。したがって、上述された実施形態の原理に従うレーザ光源及びレーザ加工機は、所望の加工を安定的に行うことができる。
【０２１１】
上述の実施形態の一局面に係る加工対象物にレーザ光を出射するレーザ光源は、前記レーザ光を発生させる発生部と、前記レーザ光の出力を調整する調整部と、を備え、前記発生部と前記加工対象物との間に配設された該調整部は、前記加工対象物上での前記レーザ光の出力密度を低減することを特徴とする。
【０２１２】
上記構成によれば、レーザ光源の発生部は、レーザ光を発生させる。発生部と加工対象物との間に配設された調整部は、加工対象物上でのレーザ光の出力密度を低減させるので、加工対象物の過度の温度上昇は生じにくくなる。したがって、アブレーションが生じにくくなる。
【０２１３】
上記構成において、前記調整部は、前記発生部から出射される前記レーザ光の光路に設置されたＮＡ変換部を含み、該ＮＡ変換部は、前記レーザ光の出力に応じて、前記レーザ光のＮＡを変換することが好ましい。
【０２１４】
上記構成によれば、調整部は、発生部から出射されるレーザ光の光路に設置されたＮＡ変換部を含む。ＮＡ変換部は、レーザ光の出力に応じて、レーザ光のＮＡを変換するので、加工対象物の過度の温度上昇は生じにくくなる。したがって、アブレーションが生じにくくなる。
【０２１５】
上記構成において、前記発生部は、少なくとも２つの反射要素を含む共振器と、該共振器内に配設されたレーザ媒質と、該レーザ媒質を励起させる励起要素と、を含み、該励起要素は、前記レーザ媒質を励起するためのエネルギを変調し、利得スイッチ方式でパルス発振を引き起こすことが好ましい。
【０２１６】
上記構成によれば、発生部は、少なくとも２つの反射要素を含む共振器と、共振器内に配設されたレーザ媒質と、レーザ媒質を励起させる励起要素と、を含む。励起要素は、レーザ媒質を励起するためのエネルギを変調し、利得スイッチ方式でパルス発振を引き起こすので、加工対象物に所望の加工処理が施与される。
【０２１７】
上記構成において、レーザ光源は、前記発生部が発生させた前記レーザ光の波長を変換する波長変換部を更に備え、前記発生部は、前記レーザ媒質が添加されたダブルクラッドファイバを含み、前記波長変換部は、前記ダブルクラッドファイバ内で発生した前記レーザ光を短波長化することが好ましい。
【０２１８】
上記構成によれば、波長変換部は、レーザ媒質が添加されたダブルクラッドファイバ内で発生したレーザ光を短波長化するので、所望の波長のレーザ光を用いて、加工対象物が加工される。
【０２１９】
上記構成において、レーザ光源は、前記発生部が発生させた前記レーザ光の波長を変換する波長変換部を更に備え、前記発生部は、前記レーザ光として、基本波光を発生し、前記波長変換部は、前記基本波光を異なる波長の変換光に変換し、前記波長変換部に入射する前記基本波光の出力が、第１出力から該第１出力よりも高い第２出力に増加すると、前記調整部は、前記波長変換部の波長変換効率を低減させることが好ましい。
【０２２０】
上記構成によれば、波長変換部は、発生部が発生させたレーザ光の波長を変換する。発生部は、レーザ光として、基本波光を発生する。波長変換部は、基本波光を異なる波長の変換光に変換する。波長変換部に入射する基本波光の出力が、第１出力から第１出力よりも高い第２出力に増加すると、調整部は、波長変換部の波長変換効率を低減させるので、加工対象物の過度の温度上昇は生じにくくなる。したがって、アブレーションが生じにくくなる。
【０２２１】
上記構成において、前記調整部は、前記波長変換部の温度を計測する測温部と、前記波長変換部の温度を調整する第１調温部と、前記変換光の出力を低減させる低減要素を含み、前記波長変換部の前記温度が、該温度に対して定められた閾値を超えるならば、前記低減要素は、前記基本波光の出力の増加に伴って前記変換光の出力を低減することが好ましい。
【０２２２】
上記構成によれば、調整部は、波長変換部の温度を計測する測温部と、波長変換部の温度を調整する第１調温部と、変換光の出力を低減させる低減要素を含む。波長変換部の温度が、温度に対して定められた閾値を超えるならば、低減要素は、基本波光の出力の増加に伴って変換光の出力を低減するので、加工対象物の過度の温度上昇は生じにくくなる。したがって、アブレーションが生じにくくなる。
【０２２３】
上記構成において、前記低減要素は、前記波長変換部の温度が第１温度域に存するとき前記基本波光の前記出力の増加に伴って前記変換光の前記出力が増大し、且つ、前記波長変換部の温度が前記第１温度域とは異なる第２温度域に存するとき前記基本波光の前記出力の増加に伴って前記変換光の前記出力が減少する出力特性を前記波長変換部に与え、前記第１調温部は、前記第１温度域と前記第２温度域との間の温度に、前記波長変換部の温度を設定することが好ましい。
【０２２４】
上記構成によれば、調整部が波長変換部に与える出力特性に従い、波長変換部の温度が第１温度域に存するとき、基本波光の出力の増加に伴って変換光の前記出力が増大する。また、波長変換部の温度が第１温度域とは異なる第２温度域に存するとき、基本波光の出力の増加に伴って変換光の出力が減少する。第１調温部は、第１温度域と第２温度域との間の温度に、波長変換部の温度を設定するので、基本波光の出力変動に伴う変換光の出力変動が低減される。
【０２２５】
上記構成において、前記ＮＡ変換部は、前記発生部から出射するレーザ光により熱レンズ効果を発現することが好ましい。
【０２２６】
上記構成によれば、ＮＡ変換部は、発生部から出射するレーザ光により熱レンズ効果を発現するので、加工対象物の過度の温度上昇は生じにくくなる。したがって、アブレーションが生じにくくなる。
【０２２７】
上記構成において、レーザ光源は、前記ＮＡ変換部の温度を調節する第２調温部を更に備え、前記ＮＡ変換部は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３を含む非線形光学結晶であることが好ましい。
【０２２８】
上記構成によれば、レーザ光源は、ＮＡ変換部の温度を調節する第２調温部を更に備える。ＮＡ変換部は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３を含む非線形光学結晶であるので、紫外光から赤外光領域にわたって、熱レンズ効果が得られる。かくして、レーザ光源が廉価に製造される。
【０２２９】
上述の実施形態の他の局面に係るレーザ加工機は、上述のレーザ光源と、該レーザ光源から出射する前記レーザ光の照射位置を前記加工対象物の加工面上で走査させる走査光学系と、前記加工対象物が設置され、前記加工対象物を移動させるステージと、を備え、前記レーザ光源は、パルス発振することを特徴とする。
【０２３０】
上記構成によれば、走査光学系は、上述のレーザ光源から出射するレーザ光の照射位置を加工対象物の加工面上で走査させる。加工対象物が設置されたステージは、加工対象物を移動させる。レーザ光源は、パルス発振するので、アブレーションはほとんど生ずることなく、加工対象物に所望のレーザ加工が施与される。
【０２３１】
上述の実施形態の更に他の局面に係るレーザ加工機は、上述のレーザ光源と、該レーザ光源から出射する前記レーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する平滑化要素と、前記垂直な面内の光強度分布を変化させる空間変調素子と、前記空間変調素子にて前記光強度分布を変化させられた前記レーザ光を前記加工対象物に導く光学系と、を備え、前記レーザ光源は、パルス発振することを特徴とする。
【０２３２】
上記構成によれば、平滑化要素は、上述のレーザ光源から出射するレーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する。空間変調素子は、垂直な面内の光強度分布を変化させる。光学系は、空間変調素子にて光強度分布を変化させられたレーザ光を加工対象物に導く。レーザ光源は、パルス発振するので、アブレーションはほとんど生ずることなく、加工対象物に所望のレーザ加工が施与される。
【０２３３】
上述の実施形態の更に他の局面に係るレーザ加工機は、上述のレーザ光源と、該レーザ光源から出射する前記レーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する平滑化要素と、前記垂直な面内の光強度分布を変化させる空間変調素子と、前記空間変調素子にて前記光強度分布を変化させられた前記レーザ光を前記加工対象物に導く光学系と、アパーチャが形成されたアパーチャ要素と、を更に備え、前記レーザ光源は、パルス発振し、前記アパーチャ要素は、前記レーザ光源と前記平滑化要素との間に配設されることを特徴とする。
【０２３４】
上記構成によれば、平滑化要素は、上述のレーザ光源から出射するレーザ光の伝搬方向に垂直な面内の光強度分布を平滑化する。空間変調素子は、垂直な面内の光強度分布を変化させる。光学系は、空間変調素子にて光強度分布を変化させられたレーザ光を加工対象物に導く。アパーチャが形成されたアパーチャ要素は、パルス発振するレーザ光源と平滑化要素との間に配設されるので、レーザ光の出力変動が小さくなる。
【０２３５】
上記構成において、前記加工対象物は、シリコンであり、前記レーザ光は、波長５２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の可視光であり、前記調整部は、前記加工対象物の加工面上における前記レーザ光の出力密度を８．０×１０７Ｗ／ｃｍ２以下に調整することが好ましい。
【０２３６】
上記構成によれば、加工対象物は、シリコンである。レーザ光は、波長５２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の可視光である。調整部は、加工対象物の加工面上におけるレーザ光の出力密度を８．０×１０７Ｗ／ｃｍ２以下に調整するので、アブレーションはほとんど生ずることなく、シリコンに対するレーザ加工が適切に行われる。
【０２３７】
上記構成において、前記レーザ光の出力が最大値から該最大値の１割まで低下するまでの立下り時間は、８０ｎｓ以上であることが好ましい。
【０２３８】
上記構成によれば、レーザ光の出力が最大値から最大値の１割まで低下するまでの立下り時間は、８０ｎｓ以上であるので、視認性の高いマーキングが加工面に施与される。
【０２３９】
上述の実施形態の更に他の局面に係るレーザ光を用いて加工対象物を加工するレーザ加工機は、少なくとも２つの反射面を含む共振器と、誘導放出によってレーザ発振するレーザ結晶と、前記共振器内に配設された前記加工対象物を前記共振器に対して相対的に変位させる変位機構と、を備えることを特徴とする。
【０２４０】
上記構成によれば、レーザ加工機は、誘導放出によってレーザ発振するレーザ結晶からのレーザ光を用いて加工対象物を加工する。変位機構は、共振器内に配設された加工対象物を共振器に対して相対的に変位させるので、加工対象物は安全に加工される。
【０２４１】
上記構成において、前記レーザ光がブリュースター角で前記加工対象物に入射するように、前記加工対象物は、前記レーザ光の光路に対して斜めに配置されることが好ましい。
【０２４２】
上記構成によれば、レーザ光がブリュースター角で加工対象物に入射するように、加工対象物は、レーザ光の光路に対して斜めに配置されるので、加工対象物に対する加工に消費される電力が低減される。
【産業上の利用可能性】
【０２４３】
上述の実施形態の原理は、アブレーションの発生を抑制し、所望の加工を行うことができるレーザ光源及びレーザ光源が組み込まれたレーザ加工装置を提供する。上述された実施形態の原理は、安定した視認度のドットマーキングを行う装置やレーザアニール装置といった様々な加工装置に適用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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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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【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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