(57)【要約】【課題】加工対象物への加工速度を向上させること。【解決手段】レーザ光源２００，３００，４００は、それぞれ、パラメータの異なる加工用のレーザ光を発生する。レンズペア２３０、３３０、４３０は、レーザ光源２００、３００、４００が発生した平行光であるレーザ光が対物レンズ５００に入射したときの広がり角度を調整する。ミラ−２４０、３４０、４４０は、それぞれ異なるチルト角を有し、テレスコープ光学系２１０、３１０、４１０からのレーザ光を対物レンズ５００に反射する。対物レンズ５００は、ミラ−２４０，３４０，４４０から入射されたレーザ光を集光して、集光されたレーザ光を、加工対象物Ｓの深さ方向および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向の双方に関して異なる複数の集光照射位置に連続的に照射する。【選択図】図１
2008036641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第１の集光照射位置決定手段と、
前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第２の集光照射位置決定手段と、
前記第１の集光照射位置決定手段および前記第２の集光照射位置決定手段により決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する対物レンズと、
前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査手段と、を有し、
前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なる、
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記第１の集光照射位置決定手段は、
少なくとも１枚の凹レンズまたは凸レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成され、前記複数のレーザ光のそれぞれの広がり角度を調整する光学系である、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記第２の集光照射位置決定手段は、
前記複数のレーザ光のそれぞれの前記対物レンズへの入射角度を調整するミラーである、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向および前記加工対象物の深さ方向と直交する方向の双方に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記複数のレーザ光を集光照射したときに形成される焦点像は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記加工対象物の深さ方向と直交する方向は、前記加工対象物の加工予定ラインと同一の方向である、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記複数のレーザ光を集光照射したときに形成される焦点像がそれぞれ四面体型の形状になるように、前記複数のレーザ光を調整する非点収差光学系をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記非点収差光学系は、少なくとも１枚の凹型のシリンドリカルレンズ、凸型のシリンドリカルレンズ、または円形レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成される、
ことを特徴とする請求項８記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第１の集光照射位置決定ステップと、
前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第２の集光照射位置決定ステップと、
前記第１の集光照射位置決定ステップおよび前記第２の集光照射位置決定ステップにより決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する集光照射ステップと、
前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査ステップと、を有し、
前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なる、
ことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記複数のレーザ光の集光照射位置は、前記加工対象物の深さ方向および前記加工対象物の深さ方向と直交する方向の双方に関して互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、特に、加工対象材料に損傷を生起させるレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体などのデバイスおよび各種の基板となる誘電体材料の微細加工技術の産業上の有用性は、今や疑いようもない。従来、スクライビングおよびダイシングによる微細加工技術として、ダイヤモンドブレードを用いた機械的な加工技術が用いられてきた。これらの加工技術は、機械的な加工技術としては十分成熟している反面、加工分解能や加工形状の制御、切り屑の低減などに関して一定の限界があった。
【０００３】
一方、このような機械的な加工技術に代わり、近年、レーザ加工技術が大きく注目を浴びている。レーザスクライビングおよびレーザダイシングによるレーザ加工技術によれば、上記した機械的な加工技術における問題点を大きく改善することができる。
【０００４】
従来のレーザ加工技術として、例えば、特許文献１に記載されているものがある。
【０００５】
特許文献１には、互いに波長の異なる２つのレーザ光を、集光レンズにより加工対象物の内部に集光して、加工対象物の内部に２本の改質領域を形成する技術が開示されている。２つのレーザ光のうち、長波長のレーザ光の集光点は、加工対象物の表面から深い位置に合わせられ、短波長のレーザ光の集光点は、加工対象物の表面から浅い位置に合わせられる。この状態で、加工対象物を載置したステージを加工対象物の切断予定ラインに沿って駆動させることにより、２つの集光点が切断予定ラインに沿って走査され、切断予定ラインに沿った１回のスキャンで２本の改質領域を形成することができる。
【特許文献１】特開２００４−３３７９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のレーザ加工技術にあっては、現在市販されている代表的なレーザ装置をレーザ加工に用いた場合、出力やパルス発振周波数において、その性能は、必ずしも所望のレーザ加工を満足するものではないという問題がある。
【０００７】
その中でも大きな問題となるのは、単位時間におけるスクライビング距離またはダイシング距離により規定される加工速度が低いことである。現在のレーザ装置では、出力やパルス発振周波数を最大にした場合でも、所望の深さ（数１０μｍ以上）の加工を行うのにかかる時間は、機械的な加工、例えばダイヤモンドブレードによる加工を行うのにかかる時間の数倍〜１０倍程度を要する。これは、１パルスあたりの加工深さが小さいため、繰り返し供給される複数のレーザが加工面上において空間的に重なりあうように、照射されるレーザを走査する必要があるためである。このような照射形態を満たしながら加工速度を向上させるためには、レーザの繰り返し周波数を向上させることが考えられるが、現在の技術では限界があり、所望の加工速度を実現するのは容易ではない。
【０００８】
また、特許文献１記載のレーザ加工技術のように、２つのレーザ光による２つの集光点を用いてレーザ加工を行う場合であっても、その加工速度には一定の限界がある。これは、２つの集光点は、切断予定ラインと垂直な同軸上、つまり加工対象物の表面と垂直な同軸上にそれぞれ位置しているためである。すなわち、加工対象物の深さ方向における加工速度を向上させることはできるが、加工対象物の深さ方向と交差する方向、例えば集光点の走査方向における加工速度を向上させることはできない。
【０００９】
また、加工対象物への加工領域を形成するのに重要な因子となる集光点の形状についての知見がほとんど欠落していることも、上記した加工速度の向上の限界の一因である。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、加工対象物への加工速度を向上させることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のレーザ加工装置は、加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第１の集光照射位置決定手段と、前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第２の集光照射位置決定手段と、前記第１の集光照射位置決定手段および前記第２の集光照射位置決定手段により決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する対物レンズと、前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査手段と、を有し、前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なる構成を採る。
【００１２】
本発明のレーザ加工方法は、加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第１の集光照射位置決定ステップと、前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第２の集光照射位置決定ステップと、前記第１の集光照射位置決定ステップおよび前記第２の集光照射位置決定ステップにより決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する集光照射ステップと、前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査ステップと、を有し、前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なるようにした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加工対象物への加工速度を向上させることができる。また、加工対象物に生起させる損傷の形状を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（基本原理）
まず、本発明の基本原理を説明する。
【００１５】
本発明のレーザ加工技術は、
（１）加工対象物の深さ方向に関する複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第１の集光照射位置決定ステップと、
（２）前記複数のレーザ光の入射角度を調整して、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関する前記複数のレーザ光のそれぞれの集光照射位置を決定する第２の集光照射位置決定ステップと、
（３）前記第１の集光照射位置決定ステップおよび前記第２の集光照射位置決定ステップにより決定された複数の集光照射位置に、前記複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する集光照射ステップと、
（４）前記複数のレーザ光の集光照射位置を、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に走査する走査ステップとを含み、
（５）前記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、前記加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なることを特徴とする。
【００１６】
加工対象物は、例えば、ガラスや石英、サファイアなどの誘電体材料、またはシリコンやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの半導体材料である。また、加工対象物は、例えば、銅やステンレスなどの金属および各種の合金などであってもよい。また、「加工対象物の深さ方向」とは、加工対象物の表面と直交する方向を意味する。
【００１７】
複数のレーザ光は、例えば、波長、パルス幅、パワー、または繰り返し周波数などのパラメータがそれぞれ異なる複数のレーザ光であってもよいし、これらのパラメータが等しい同一のレーザ光であってもよい。複数のレーザ光は、ナノ秒〜ピコ秒パルス発振のＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）、第２高調波（波長５３２ｎｍ）、第３高調波（波長３５５ｎｍ）、第４高調波（波長２６６ｎｍ）、フェムト秒〜ピコ秒のチタンサファイアレーザやその高調波、またはパラメトリック発振光（波長４００ｎｍから２０００ｎｍ）などのレーザ光である。また、複数のレーザ光は、各種のＣＷ（Continuous Wave）レーザや炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ、媒質の異なるレーザなどであってもよい。複数のレーザ光は、それぞれ別個のレーザ光源が発生したものでもよいし、１つのレーザ光源が発生したものでもよい。
【００１８】
加工対象物の深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度により決定されうる。
【００１９】
より具体的には、加工対象物の深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が小さいほど、加工対象物の深さ方向に関して加工対象物の表面から近い位置に決定される。また、加工対象物の深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が大きいほど、加工対象物の深さ方向に関して加工対象物の表面から遠い位置に決定される。ここで「広がり角度」は、口径が絞られる度合いに比例して小さくなり、口径が拡大される度合いに比例して大きくなる。また「広がり角度が負のレーザ光」とは、口径を絞られながら入射するレーザ光を意味し、「広がり角度が正のレーザ光」とは、口径を拡大されながら入射するレーザ光を意味する。さらに、「広がり角度がゼロのレーザ光」とは、平行光であるレーザ光を意味する。
【００２０】
対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、例えば、凹レンズおよび凸レンズから構成されるレンズペアにレーザ光を通過させることにより変化しうる。より具体的には、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、レンズペアを構成する凹レンズと凸レンズとの距離、またはその開口数ＮＡ（Numerical Aperture）を調整することにより制御することができる。
【００２１】
なお、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、上記のようなレンズペアの他にも、例えば、少なくとも１枚の凹レンズまたは凸レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成される光学系を通過させることによっても変化しうる。このように、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度は、種々の光学系を用いて変化させることができる。
【００２２】
加工対象物の深さ方向と直交する方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の対物レンズへの入射角度により決定されうる。
【００２３】
レーザ光の対物レンズへの入射角度は、例えば、ミラーを用いてレーザ光を反射させることにより変化しうる。より具体的には、レーザ光の対物レンズへの入射角度は、ミラーのチルト角を調整することにより制御することができる。
【００２４】
このように、レーザ光の集光照射により形成される焦点像の位置は、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度と、レーザ光の対物レンズへの入射角度とによって決定されうる。
【００２５】
本発明では、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度と、レーザ光の対物レンズへの入射角度とを調整することにより決定された複数の集光照射位置に、複数のレーザ光のそれぞれを連続的に集光照射する。
【００２６】
「連続的」とは、複数のレーザ光のうち最初に集光照射されたレーザ光から、他のレーザ光がそれぞれ１回ずつ時系列的に集光照射されること（以下「１サイクル集光照射」という）を意味する。すなわち、最初に集光照射されたレーザ光の後に、他のレーザ光が次々に追従して集光照射されることになる。
【００２７】
ここで、複数のレーザ光を集光照射することにより形成される焦点像は、それぞれ重なり合っていてもよいし、重なり合っていなくてもよい。前者の場合、１サイクル集光照射される複数のレーザ光は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する。また、後者の場合であっても、複数のレーザ光を集光照射する位置は、それぞれ、追従すべきレーザ光が集光照射されることにより生起された損傷または改質領域と重なりあうように設定することが好ましい。このようにすれば、複数のレーザ光のそれぞれは、常に、他のレーザ光の集光照射により生起された損傷または改質領域に集光照射されることになり、その加工速度に飛躍的な向上を見込むことができる。
【００２８】
１サイクル集光照射された複数のレーザ光の集光照射位置は、加工対象物を載置したステージが加工予定ラインに沿って駆動することにより走査されうる。より具体的には、このステージは、複数のレーザ光が加工対象物に対して１サイクル集光照射されるたびに、加工予定ラインに沿って所定の距離だけ駆動する。ここで、ステージの１回の駆動距離は、それぞれのレーザ光が集光照射されることにより生起された損傷または改質領域の幅に含まれることが好ましい。このようにして、複数のレーザ光の１サイクル集光照射が、加工予定ラインに関して連続して行われる。
【００２９】
ここで、「加工予定ライン」は、例えば、加工対象物の深さ方向と直交する方向を意味する。
【００３０】
本発明者は、鋭意研究の結果、加工対象物に損傷を生起させるレーザ加工技術においては、上記複数のレーザ光の集光照射位置の少なくとも一つは、加工対象物の深さ方向と直交する方向に関して、他の集光照射位置と異なることが、加工速度を向上させるために有効であることを見出した。また、本発明者は、上記複数のレーザ光の集光照射位置は、加工対象物の深さ方向と加工対象物の深さ方向と直交する方向との双方に関して互いに異なることが、加工速度の向上のためにより有効であることを見出した。
【００３１】
ここでいう「双方に関して互いに異なる位置」とは、加工対象物の深さ方向と同軸上、または加工対象物の深さ方向と直交する方向と同軸上のいずれにもない位置を意味する。
【００３２】
また、本発明のレーザ加工技術は、上記したレーザ加工技術において、前記複数のレーザ光を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、前記複数のレーザ光を調整するステップをさらに含んでいてもよい。
【００３３】
四面体型の形状の焦点像は、例えば、凹型シリンドリカルレンズ、凸型シリンドリカルレンズ、および円形レンズから構成される非点収差光学系にレーザ光を通過させることにより形成されうる。
【００３４】
ここで、凹型シリンドリカルレンズは、レーザ光の一方の成分、例えば水平成分のみを水平方向に発散し、レーザ光の他方の成分、例えば垂直成分をそのまま透過する。凸型シリンドリカルレンズは、レーザ光の一方の成分、例えば水平成分のみを水平方向に縮小し、レーザ光の他方の成分、例えば垂直成分をそのまま透過する。円形レンズは、レーザ光の水平成分および垂直成分を絞り込んで、水平成分の線状焦点および垂直方向の線状焦点を形成する。
【００３５】
なお、凹型シリンドリカルレンズおよび凸型シリンドリカルレンズは、その構造または配置方向を変えることにより、水平成分にのみ作用して垂直成分に作用しないように構成することももちろん可能である。
【００３６】
このように、凹型シリンドリカルレンズおよび凸型シリンドリカルレンズは、レーザ光の互いに直交する成分のうち一方の成分のみを発散および縮小するので、レーザ光の一方の成分の焦点像およびレーザ光の他方の成分の焦点像は、それぞれ異なる焦点面で形成される。より具体的には、レーザ光の一方の成分の焦点像と他方の成分の焦点像とは、非点収差により異なる焦点面に結像された互いに直交する一対の線状の焦点である。
【００３７】
そして、互いにねじれて直交しているレーザ光の水平成分の焦点像および垂直成分の焦点像は、これらの焦点像間に相互に働く力により仮想的に形成される加工領域である四面体型の焦点像を形成するのである。
【００３８】
また、上記一対の焦点像のそれぞれの長さおよびこれらの焦点像の距離は、シリンドリカルレンズの焦点位置や配置距離、傾け角度等のパラメータを調整することにより制御されうる。これにより、四面体型の焦点像の形状を制御することができる。したがって、加工対象物に生起させる損傷の形状を所定の範囲内で制御することができる。例えば、互いに直交する一対の線状焦点のうち、加工対象物の表面側の焦点像の長さを大きくすることにより、加工対象物に生起させるスクライビング溝を、幅広のＶ字型の形状にすることができる。また、互いに直交する一対の線状焦点のうち、加工対象物の表面側の焦点像の長さを小さくすることにより、加工対象物に生起させるスクライビング溝を、鋭利なＶ字型の形状にすることができる。
【００３９】
形状が制御された四面体型の焦点像を用いて加工対象物の加工を行うことにより、加工対象物に対して所望の形状の損傷を生起させることが可能になる。
【００４０】
なお、非点収差光学系は、上記した構成に必ずしも限定されるものではない。例えば、非点収差光学系は、少なくとも１枚の凹型のシリンドリカルレンズ、凸型のシリンドリカルレンズ、または円形レンズ、或いはそれらの組み合わせにより構成されうる。
【００４１】
以上説明したように、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度と、レーザ光の対物レンズへの入射角度とを調整することにより、加工対象物の深さ方向および加工対象物の深さ方向と直交する方向のうちの一方だけではなく、これらの双方に関して異なる位置に複数のレーザ光を連続的に集光照射するという特徴は、加工対象物への加工速度の向上という観点から本発明者が想到した新しい知見である。
【００４２】
また、上記特徴に加えて、レーザ光の集光照射位置に形成される焦点像、つまり加工領域を四面体型の形状に制御して加工を行うという特徴は、加工対象物への加工速度の向上とともにその加工形状を制御するという観点から本発明者が想到した新しい知見である。
【００４３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示すブロック図である。
【００４５】
図１において、レーザ加工装置１００は、レーザ光源２００，３００，４００、テレスコープ光学系２１０，３１０，４１０、ミラー２４０，３４０，４４０、対物レンズ５００、保護用窓プレート５１０、ステージ５２０、計測用光源５３０、ビーム整形器５４０、ハーフミラー５５０、光検出器５６０、コントローラ５７０、照明用光源５８０、ＣＣＤ（Charge-Coupled Devices）カメラ５９０、コンピュータ６００、およびモニタ６１０を備えている。
【００４６】
レーザ光発生手段としてのレーザ光源２００，３００，４００は、加工対象物Ｓに集光照射するための加工用の単一パルスレーザ光を発生する。レーザ光源２００，３００，４００が発生するレーザ光は、例えば、ナノ秒〜ピコ秒パルス発振のＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）、第２高調波（波長５３２ｎｍ）、第３高調波（波長３５５ｎｍ）、または第４高調波（波長２６６ｎｍ）である。また、レーザ光源２００，３００，４００が発生するレーザ光としては、フェムト秒〜ピコ秒のチタンサファイアレーザやその高調波、パラメトリック発振光（波長４００ｎｍから２０００ｎｍ）などを使用することができる。さらに、レーザ光として、各種のＣＷレーザや炭酸ガスレーザ、媒質の異なるレーザなどを使用することもできる。
【００４７】
レーザ光源２００，３００，４００は、それぞれ、発生するレーザ光のパラメータ、例えば波長、パルス幅、パワー、および繰り返し周波数を変化させることができる。レーザ光源２００，３００，４００は、発生するレーザ光の波長を、２６６ｎｍから２０００ｎｍの範囲で変化させることができる。レーザ光源２００，３００，４００は、発生するレーザ光のパルス幅を、１０ｆｓから１００ｎｓの範囲で変化させることができる。レーザ光源２００，３００，４００は、発生するレーザ光のパワーを、０.１Ｗから５.０Ｗの範囲で変化させることができる。レーザ光源２００，３００，４００は、発生するレーザ工の繰り返し周波数を、３０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲で変化させることができる。レーザ光源２００，３００，４００が発生するレーザ光の各種のパラメータは、コンピュータ６００からの制御信号によって制御される。
【００４８】
テレスコープ光学系２１０は、可変ＮＤ（Neutral Density）フィルタ２２０およびレンズペア２３０を備える。テレスコープ光学系３１０は、可変ＮＤフィルタ３２０およびレンズペア３３０を備える。テレスコープ光学系４１０は、可変ＮＤフィルタ４２０およびレンズペア４３０を備える。
【００４９】
可変ＮＤフィルタ２２０は、レーザ光源２００が発生したレーザ光の一部を透過し、その他の部分を反射または吸収する。可変ＮＤフィルタ２２０は、例えば、ガラスの表面にクロムをコーティングして構成され、このクロムの膜厚を調整することにより、透過率を可変させることができる。これにより、レーザ光源２００が発生したレーザ光のパルスエネルギを所望の値に調整することができる。
【００５０】
なお、可変ＮＤフィルタ２２０の機能を果たす光学部品として、偏光光学部品を組み合わせた減衰機構を代用することも可能である。
【００５１】
第１の集光照射位置決定手段としてのレンズペア２３０は、凹レンズ２３１と凸レンズ２３２との組み合わせにより構成される（図２（Ａ）参照）。レンズペア２３０は、可変ＮＤフィルタ２２０を透過したレーザ光が対物レンズ５００に入射するときの口径、およびこのレーザ光の広がり角度を調整する。図２（Ａ）の例では、レンズペア２３０は、レーザ光源２００が発生した平行光であるレーザ光の広がり角度を、その広がり角度が負になるように調整する。対物レンズ５００に入射するときのレーザ光の口径およびレーザ光の広がり角度は、レンズペア２３０を構成する凹レンズ２３１と凸レンズ２３２との間の距離またはその開口数ＮＡを調整することにより制御可能である。
【００５２】
レンズペア２３０により調整された、対物レンズ５００に入射するときのレーザ光の広がり角度により、加工対象物Ｓの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置が決定される。
【００５３】
より具体的には、加工対象物Ｓの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が小さいほど、加工対象物Ｓの深さ方向に関して加工対象物Ｓの表面から近い位置に決定される。また、加工対象物Ｓの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置は、レーザ光の広がり角度が大きいほど、加工対象物Ｓの深さ方向に関して加工対象物Ｓの表面から遠い位置に決定される。
【００５４】
テレスコープ光学系３１０の可変ＮＤフィルタ３２０およびレンズペア３３０は、レーザ光源３００が発生したレーザ光に対して、上記したテレスコープ光学系２１０と同様の処理を行う。また、テレスコープ光学系４１０の可変ＮＤフィルタ４２０およびレンズペア４３０は、レーザ光源４００が発生したレーザ光に対して、テレスコープ光学系２１０，３１０と同様の処理を行う。
【００５５】
ここで、レンズペア２３０，３３０，４３０を構成する凹レンズ２３１，３３１，４３１と凸レンズ２３２，３３２，４３２との間の距離またはその開口数ＮＡは、それぞれ異なる値に設定されている。したがって、レンズペア２３０，３３０，４３０は、レーザ光源２００，３００，４００が発生したレーザ光を、対物レンズ５００に入射するときの広がり角度がそれぞれ異なるように調整する（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）参照）。
【００５６】
この例では、レンズペア２３０で調整されたレーザ光は、その広がり角度が負、つまり口径を絞られながら入射するレーザ光であり、レンズペア３３０で調整されたレーザ光は、その広がり角度がゼロ、つまり平行光であり、レンズペア４３０で調整されたレーザ光は、その広がり角度が正、つまり口径を拡大されながら入射するレーザ光である。
【００５７】
そして、レンズペア２３０で調整されたレーザ光は、加工対象物Ｓの深さ方向に関して加工対象物Ｓの表面から最も近い位置、例えば加工対象物Ｓの表面と略同一面に集光照射される。また、レンズペア３３０で調整されたレーザ光は、加工対象物Ｓの深さ方向に関して、加工対象物Ｓの表面からレンズペア２３０で調整されたレーザ光の次に近い位置に集光照射される。また、レンズペア４３０で調整されたレーザ光は、加工対象物Ｓの深さ方向に関して、加工対象物Ｓの表面からレンズペア３３０で調整されたレーザ光の次に近い位置に集光照射される。
【００５８】
第２の集光照射位置決定手段としてのミラー２４０は、テレスコープ光学系２１０からのレーザ光を、そのエネルギを損失することなく下方に反射して、対物レンズ５００に入射させる。レーザ光の対物レンズ５００への入射角度は、ミラー２４０のチルト角を調整することにより制御可能である。レーザ光の対物レンズ５００への入射角度により、加工対象物Ｓの内部の深さ方向と直交する方向に関するレーザ光の集光照射位置が決定される。
【００５９】
また、ミラー２４０は、ハーフミラー５５０から入力された計測用レーザ光を、ほぼ１００％透過して対物レンズ５００に入射させる。
【００６０】
ミラー３４０は、テレスコープ光学系３１０からのレーザ光、およびハーフミラー５５０からの計測用レーザ光のそれぞれに対して、上記したミラー２４０と同様の処理を行う。また、ミラー４４０は、テレスコープ光学系４１０からのレーザ光、およびハーフミラー５５０からの計測用レーザ光のそれぞれに対して、ミラー２４０，３４０と同様の処理を行う。
【００６１】
ここで、ミラー２４０，３４０，４４０のチルト角は、それぞれ異なる値に設定されている。したがって、ミラー２４０，３４０，４４０は、テレスコープ光学系２１０，３１０，４１０からのレーザ光を、それぞれ異なる入射角度で対物レンズ５００に反射する（図３（Ａ）〜図３（Ｃ）参照）。この例では、ミラー２４０のチルト角が最も大きく、ミラー３４０のチルト角がこれに次いで大きく、ミラー４４０のチルト角が最も小さくなっている。
【００６２】
したがって、ミラー２４０で反射されたレーザ光は、加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に関する加工開始位置に集光照射される。また、ミラー３４０で反射されたレーザ光は、加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に関して、加工開始位置から最も近い位置に集光照射される。また、ミラー４４０で反射されたレーザ光は、加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に関して、加工開始位置から、ミラー３４０で反射されたレーザ光の次に近い位置に集光照射される。
【００６３】
対物レンズ５００は、ミラー２４０，３４０，４４０から入射されたレーザ光を集光する。対物レンズ５００は、集光されたレーザ光を、加工対象物Ｓの上方、加工対象物Ｓの表面と略同一面、または加工対象物Ｓの内部のいずれかに連続的に照射する。これにより、レーザ光の集光照射位置に焦点像が形成される。
【００６４】
ここで、ミラー２４０，３４０，４４０から対物レンズ５００に入射されるレーザ光は、それぞれ、上述したような、異なる広がり角度および入射角度を有する。したがって、対物レンズ５００は、ミラー２４０，３４０，４４０から入射されるレーザ光のそれぞれを、加工対象物Ｓの深さ方向および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向の双方に関して異なる複数の集光照射位置に連続的に照射する。
【００６５】
保護用窓プレート５１０は、加工対象物Ｓの表面と略同一面を加工する場合に、加工対象物Ｓの表面から飛散する微小な破片などから対物レンズ５００を保護する。
【００６６】
走査手段としてのステージ５２０は、加工対象物Ｓを載置するためのステージである。ステージ５２０は、載置された加工対象物Ｓへのレーザ光の集光照射位置を変化させるように、ＸＹＺ軸に沿って平行移動する。また、ステージ５２０は、ＸＹＺ軸のいずれかを軸として回転する。すなわち、ステージ５２０は、ＸＹＺ軸座標を駆動することにより、加工対象物Ｓに対するレーザ光の集光照射位置を、任意の加工予定位置または加工予定ラインに沿って走査させる。これにより、ステージ５２０に載置された加工対象物Ｓの所望の位置にレーザ光を集光照射することができる。
【００６７】
より具体的には、ステージ５２０は、ミラー２４０，３４０，４４０から入射されるレーザ光を１サイクル集光照射するたびに、加工予定ラインに沿って所定の距離だけ駆動する。ここで、ステージ５２０の１サイクル集光照射に対する駆動距離は、それぞれのレーザ光が集光照射されることにより生起された損傷または改質領域のサイズに含まれる程度であることが好ましい。これにより、ミラー２４０，３４０，４４０から１サイクル集光照射されるレーザ光が、加工予定ラインに関して連続して集光照射される。
【００６８】
ステージ５２０は、図示しない高分解能のセンサ（例えば、キャパシタンスセンサ）を内蔵しており、例えば、数ナノメートル〜数十ナノメートルの駆動分解能を有している。ステージ５２０の駆動は、コントローラ５７０を介してコンピュータ６００により精密に制御されている。例えば、コンピュータ６００に加工対象物Ｓへの加工予定位置または加工予定ラインを示す情報を格納しておき、この情報に基づいてステージ５２０を走査駆動させることにより、加工対象物Ｓの所望の位置にレーザ光を集光照射することができる。また、ステージ５２０の走査速度は、コントローラ５７０を介して、コンピュータ６００により制御される。
【００６９】
計測用光源５３０は、コンピュータ６００からの制御信号に従って、ステージ５２０に載置された加工対象物Ｓの表面の位置を計測するための計測用レーザ光を発生する。
【００７０】
ビーム整形器５４０は、計測用光源５３０が発生した計測用レーザ光のビーム形状を調整する。これにより、計測用レーザ光が最適化される。
【００７１】
ハーフミラー５５０は、ビーム整形器５４０で最適化された計測用レーザ光を、半透明に反射および透過する。すなわち、ハーフミラー５５０は、ビーム整形器５４０から入力された計測用レーザ光を透過する。この計測用レーザ光は、ミラー２４０，３４０，４４０および対物レンズ５００を透過し、加工対象物Ｓの表面に到達して反射される。この反射光は、再び、対物レンズ５００およびミラー２４０，３４０，４４０を透過して、ハーフミラー５５０に入射される。ハーフミラー５５０は、この反射光をさらに反射して、光検出器５６０に入射させる。
【００７２】
光検出器５６０は、ハーフミラー５５０から入射された、加工対象物Ｓの表面からの反射光を検出して、加工対象物Ｓの表面の位置を検出する。光検出器５６０は、この検出結果を、コントローラ５７０に出力する。
【００７３】
コントローラ５７０は、フィードバック回路（図示せず）を備える。コントローラ５７０は、このフィードバック回路を用いて、光検出器５６０から入力された加工対象物Ｓの表面位置の情報に基づいて、レーザ光の集光照射位置が加工対象物Ｓへの加工予定位置または加工予定ラインに合うように、ステージ５２０をフィードバック制御する。
【００７４】
照明用光源５８０は、ステージ５２０の上方に配置され、ステージ５２０に載置された加工対象物Ｓの加工部位を観察するための照明光を発生する。
【００７５】
ＣＣＤカメラ５９０は、照明用光源５８０から照射され加工対象物を透過した照明光を取り込んで、加工対象物Ｓの一部のレーザ光の集光照射位置を撮像する。また、ＣＣＤカメラ５９０は、撮像したデータをコンピュータ６００に出力する。
【００７６】
コンピュータ６００は、レーザ光源２００，３００，４００、計測用光源５３０、コントローラ５７０、およびＣＣＤカメラ５９０に接続されており、これらの各装置部を総合的に制御する。例えば、コンピュータ６００は、コントローラ５７０によるフィードバック制御を通じてステージ５２０を駆動させることにより、レーザ光の集光照射位置を、加工対象物Ｓの加工予定位置または加工予定ラインに沿って走査させる。また、コンピュータ６００は、レーザ光の照射の開始または停止のタイミングと、ステージ操作とを同期させて制御することができる。
【００７７】
モニタ６１０は、コンピュータ６００を介して、ＣＣＤカメラ５９０の撮像データを表示する。これにより、加工対象物Ｓの加工部位、つまり加工対象物Ｓに生起された損傷を観察することができる。
【００７８】
以下、上述のように構成されたレーザ加工装置１００の動作について、図４を用いて詳細に説明する。
【００７９】
図４は、レーザ加工装置１００による加工対象物Ｓへの損傷の生起の一例を示す図である。
【００８０】
ここでは、「加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向」は、レーザ光の集光照射位置の走査方向、つまり加工対象物Ｓの加工予定ラインであるものと仮定する。
【００８１】
まず、レーザ光源２００，３００，４００は、コンピュータ６００からの制御信号に従って、加工対象物Ｓに集光照射するための加工用の単一パルスレーザ光を発生する。レーザ光源２００，３００，４００が発生するレーザ光は、それぞれ、波長、パルス幅、パワー、または繰り返し周波数などのパラメータが異なるレーザ光であってもよいし、これらのパラメータが等しい同一のレーザ光であってもよい。ここでは、レーザ光源２００が発生するレーザ光をＬ１で、レーザ光源３００が発生するレーザ光をＬ２で、レーザ光源４００が発生するレーザ光をＬ３でそれぞれ示すことにする。レーザ光Ｌ１は、可変ＮＤフィルタ２２０によりそのパルスエネルギが調整される。同様に、レーザ光Ｌ２は、可変ＮＤフィルタ３２０によりそのパルスエネルギが調整され、レーザ光Ｌ３は、可変ＮＤフィルタ４２０によりそのパルスエネルギが調整される。
【００８２】
レンズペア２３０は、可変ＮＤフィルタ２２０を透過したレーザ光Ｌ１が対物レンズ５００に入射するときの口径、およびこのレーザ光Ｌ１の広がり角度を調整する。レンズペア３３０は、可変ＮＤフィルタ３２０を透過したレーザ光Ｌ２が対物レンズ５００に入射するときの口径、およびこのレーザ光Ｌ２の広がり角度を調整する。レンズペア４３０は、可変ＮＤフィルタ４２０を透過したレーザ光Ｌ３が対物レンズ５００に入射するときの口径、およびこのレーザ光Ｌ３の広がり角度を調整する。
【００８３】
この例では、レーザ光Ｌ１が対物レンズ５００に入射するときの口径が最も小さく、レーザ光Ｌ２が対物レンズ５００に入射するときの口径がこれに次いで小さく、レーザ光Ｌ３が対物レンズ５００に入射するときの口径が最も大きくなっている。
【００８４】
また、レーザ光Ｌ１は、その広がり角度が負、つまり口径を絞られながら入射するレーザ光であり、レーザ光Ｌ２は、その広がり角度がゼロ、つまり平行光であり、レーザ光Ｌ３は、その広がり角度が正、つまり口径を拡大されながら入射するレーザ光である。
【００８５】
ミラー２４０は、レーザ光Ｌ１を反射して、対物レンズ５００に入射させる。ミラー３４０は、レーザ光Ｌ２を反射して、対物レンズ５００に入射させる。ミラー４４０は、レーザ光Ｌ３を反射して、対物レンズ５００に入射させる。この例では、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示すように、ミラー２４０，３４０，４４０は、それぞれ異なるチルト角を有しているので、レーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ異なる入射角度で対物レンズ５００に入射される。
【００８６】
対物レンズ５００は、ミラー２４０から入射されたレーザ光Ｌ１を集光して、例えば加工対象物Ｓの表面と略同一面に照射する。これにより、レーザ光Ｌ１の集光照射位置に焦点像Ｐ１が形成される。
【００８７】
また、対物レンズ５００は、ミラー３４０から入射されたレーザ光Ｌ２を集光して、例えば加工対象物Ｓの内部の、焦点像Ｐ１に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光Ｌ２の集光照射位置に焦点像Ｐ２が形成される。ここで、焦点像Ｐ２は、加工対象物Ｓの深さ方向および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向の双方に関して、焦点像Ｐ１とは異なる位置に形成される。
【００８８】
また、対物レンズ５００は、ミラー４４０から入射されたレーザ光Ｌ３を集光して、例えば加工対象物Ｓの内部の、焦点像Ｐ２に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光Ｌ３の集光照射位置に焦点像Ｐ３が形成される。ここで、焦点像Ｐ３は、加工対象物Ｓの深さ方向および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向の双方に関して、焦点像Ｐ１，Ｐ２とは異なる位置に形成される。
【００８９】
すなわち、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、加工対象物Ｓの深さ方向（図４のｚ軸方向）および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向（図４のｘ軸方向）の双方に関して異なる位置に、連続的に形成される。
【００９０】
また、焦点像Ｐ１と焦点像Ｐ２とは空間的に重なり合っており、かつ焦点像Ｐ２と焦点像Ｐ３とは空間的に重なり合っているので、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する。また、焦点像Ｐ２は、最初に形成された焦点像Ｐ１を追従するように形成され、焦点像Ｐ３は、焦点像Ｐ２を追従するように形成されるので、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、最初に形成された焦点像Ｐ１から時系列的に追従するように形成される。
【００９１】
ここで、焦点像Ｐ１を形成するためのレーザ光Ｌ１のレーザ光のエネルギが最も高く、焦点像Ｐ２を形成するためのレーザ光Ｌ２のエネルギがこれに次いで高く、焦点像Ｐ３を形成するためのレーザ光Ｌ３のエネルギが最も低くなるように調整することも可能である。すなわち、１サイクル集光照射する複数のレーザ光のそれぞれに対して、個別にエネルギを調整することも可能である。これは、損傷または改質領域の発生前後で、集光照射するレーザ光による損傷生起のエネルギ効率が異なるためである。
【００９２】
上記の原理は、焦点像のサイズにも同様に応用することができる。例えば、焦点像Ｐ１のサイズが最も大きく、焦点像Ｐ２のサイズがこれに次いで大きく、焦点像Ｐ３のサイズが最も小さくなるように調整すれば、より高効率のレーザ加工が可能になると考えられる。ここで、焦点像のサイズは、その焦点像を形成するためのレーザ光の口径を変化させることにより調整することができる。
【００９３】
なお、レーザ光Ｌ２の集光照射位置は、必ずしも焦点像Ｐ１に重なり合っていなくてもよく、レーザ光Ｌ３の集光照射位置は、必ずしも焦点像Ｐ２に重なり合っていなくてもよい。例えば、レーザ光Ｌ２を、焦点像Ｐ１により生起された損傷または改質領域と重なり合うように、レーザ光Ｌ３を、焦点像Ｐ２により生起された損傷または改質領域と重なり合うようにそれぞれ集光照射してもよい。
【００９４】
また、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、必ずしも加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる位置に形成されなくてもよい。例えば、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のうちのいずれか２つの焦点像が、加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に関して同一の位置に形成されていてもよい。この場合であっても、１つの焦点像が加工予定ラインに関して突出した位置に形成されているので、加工速度の向上に一定の効果を期待することができる。
【００９５】
そして、加工対象物Ｓを載置したステージ５２０は、コントローラ５７０を介してコンピュータ６００に制御され、所定の走査速度ｖで加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向（図４のｘ軸方向）に平行移動する。より具体的には、ステージ５２０は、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が形成されると（１サイクル集光照射）、加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に所定の距離だけ平行移動する。これにより、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、それぞれ加工予定ラインに沿って走査される。
【００９６】
このように、加工対象物Ｓへの損傷の生起に真に必要とされるレーザエネルギの方向、つまり加工対象物Ｓの深さ方向および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向の双方に沿って、焦点像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が形成され、走査される。これにより、加工予定ラインではない部位の加工によるレーザエネルギの消失を防止して、高効率なレーザエネルギの伝達を実現することができる。
【００９７】
すなわち、限られたレーザエネルギの加工対象物Ｓに対する消費効率（伝搬効率および加工効率）を改善することにより、所望のエネルギ消費対象ではない部分（例えば、アブレーションにより発生し、損傷部位付近の空間上に散在する加工屑）によるエネルギの消失を低減することができる。
【００９８】
なお、本実施の形態では、加工対象物Ｓの深さ方向に関する複数のレーザ光の集光照射位置を決定するために、対物レンズ５００に入射したときのレーザ光の広がり角度を、テレスコープ光学系のレンズペアを用いて調整するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、対物レンズに入射したときのレーザ光の広がり角度をミラーで反射した後に調整することもできる。
【００９９】
また、本実施の形態では、加工対象物Ｓの深さ方向に関して互いに異なる位置に複数のレーザ光を集光照射するようにしたが、本発明はこれに限定されない。
【０１００】
例えば、図５に示すように、複数のレーザ光を、加工対象物Ｓの深さ方向に関して同一の位置で、かつ加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に関して互いに異なる位置に集光照射してもよい（縦列照射）。図５において、レーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は広がり角度が等しい平行光であり、異なる入射角度で対物レンズ５００に入射している。上記のように、焦点像のサイズはレーザ光の口径により規定され、焦点像Ｐ１が最も小さく、焦点像Ｐ２がこれに次いで小さく、焦点像Ｐ３が最も大きくなっている。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、加工対象物Ｓに連続的に集光照射するレーザ光の数を３として説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２つのレーザ光または４つ以上のレーザ光を、加工対象物Ｓに連続的に集光照射してもよい。４つ以上のレーザ光を集光照射する場合、加工対象物Ｓの深さ方向に関して、より大きな損傷を生起することが可能になる。
【０１０２】
なお、本実施の形態では、レンズペアを用いて広がり角度を変化させることにより、加工対象物Ｓの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置を制御するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、レーザ光の広がり角度が同一であっても、レーザ光の波長を変化させることにより、加工対象物Ｓの深さ方向に関するレーザ光の集光照射位置を制御することが可能である。
【０１０３】
このように、本実施の形態によれば、加工対象物Ｓの深さ方向および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向の双方に関して異なる複数の集光照射位置に、複数のレーザ光を連続的に集光照射するので、加工対象物Ｓに対するレーザエネルギの伝達を高効率で行うことができる。これにより、加工対象物Ｓへの加工速度を向上させることができる。
【０１０４】
（実施の形態２）
本実施の形態は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように制御する場合である。
【０１０５】
「非点収差」とは、光軸外の物点の像が１つの像点として結ばず、互いに直交する一対の線状の焦点として、異なる焦点面に結像するレンズ系の収差のことである。非点収差がある光学系においては、レンズの焦点距離が光軸を含む直交する２つの断面で異なる値を持つため、光軸に直交する２つの平面方向、つまり水平方向および垂直方向は、同一平面内に焦点を結ぶことができない。すなわち、光軸の中心に対して、放射状の線および同心円状の線のいずれかは焦点が合わないことになる。
【０１０６】
非点収差が発生する原因は、水平方向の光線と垂直方向の光線とがレンズに入射するときの入射角度が異なるため、そこで発生する収差量が異なることである。したがって、非点収差を顕著に発生させるためには、光軸を含む直交する２つの平面内における光線、つまり光線の垂直方向と水平方向との広がり角度が異なるようにすればよい。
【０１０７】
本実施の形態においては、上記非点収差を発生させるために、シリンドリカルレンズを使用する。シリンドリカルレンズとは、直交する２つの方向のうち、１つの方向のみがレンズとして働き、他の方向が単なるウインドウズとしてしか働かないレンズである。シリンドリカルレンズを用いれば、直交する２つの方向のうち、１つの方向のみの倍率を変化させることができる。例えば、円形のビーム形状を有する光線を１枚の凹型のシリンドリカルレンズで集光結像させると、そのビーム断面形状を直線状（線状）に変換することができる。
【０１０８】
図６は、本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置７００の構成の一例を示すブロック図である。図１と同一の構成部分には同一の符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【０１０９】
図６において、レーザ加工装置７００は、非点収差光学系７１０，７２０，７３０を備える。
【０１１０】
非点収差光学系７１０は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光Ｌ１を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源２００が発生したレーザ光Ｌ１を調整する。
【０１１１】
ここで、非点収差光学系７１０について、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）を用いて詳細に説明する。
【０１１２】
図７（Ａ）は、非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す斜視図であり、図７（Ｂ）は、非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す平面図であり、図７（Ｃ）は、非点収差光学系により形成された四面体型の焦点像の一例を示す図である。なお、説明の簡略化のため、図７（Ａ）および図７（Ｂ）における空間座標軸として、レーザ光Ｌ１の進行方向（光軸方向）をｚ軸とし、ｚ軸に直交する平面上で互いに直交する２つの軸をｘ軸（水平方向）およびｙ軸（垂直方向）とする。
【０１１３】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）において、非点収差光学系７１０は、凹型シリンドリカルレンズ７１１、凸型シリンドリカルレンズ７１２および円形レンズ７１３の組み合わせにより構成される。
【０１１４】
凹型シリンドリカルレンズ７１１は、レーザ光源２００が発生したレーザ光Ｌ１の水平成分Ｌｈを水平方向に発散し、垂直成分Ｌｖをそのまま透過する。
【０１１５】
凸型シリンドリカルレンズ７１２は、凹型シリンドリカルレンズ７１１からのレーザ光Ｌ１の水平成分Ｌｈを水平方向に縮小し、垂直成分Ｌｖをそのまま透過する。
【０１１６】
円形レンズ７１３は、凸型シリンドリカルレンズ７１２からのレーザ光Ｌ１の水平成分Ｌｈおよび垂直成分Ｌｖを絞り込んで、水平成分の焦点像Ｐｈおよび垂直方向の焦点像Ｐｖを形成する。ここで、水平成分の焦点像Ｐｈと垂直成分の焦点像Ｐｖとは、非点収差により異なる焦点面に結像された互いに直交する一対の線状の焦点である。
【０１１７】
また、図７（Ｃ）に示すように、互いに空間的にねじれて直交している水平成分の焦点像Ｐｈおよび垂直成分の焦点像Ｐｖは、これらの焦点像間に相互に働く力により仮想的に形成される加工領域である四面体型の焦点像Ｐｓ１を形成する。
【０１１８】
ここで、水平成分の焦点像Ｐｈおよび垂直方向の焦点像Ｐｖのそれぞれの長さおよびこれらの焦点像の距離は、シリンドリカルレンズの焦点位置や配置距離、傾け角度等のパラメータを調整することにより制御されうる。これにより、四面体型の焦点像Ｐｓ１の形状を制御することができる。したがって、加工対象物Ｓに生起させる損傷の形状を所定の範囲内で制御することができる。例えば、レーザ光Ｌ１の水平成分の焦点像Ｐｈの長さを大きくすることにより、加工対象物Ｓに生起させるスクライビング溝を、幅広のＶ字型の形状にすることができる。また、レーザ光Ｌ１の水平成分の焦点像Ｐｈの長さを小さくすることにより、加工対象物Ｓに生起させるスクライビング溝を、鋭利なＶ字型の形状にすることができる。
【０１１９】
非点収差光学系７２０は、上記した非点収差光学系７１０と同様に、凹型シリンドリカルレンズ、凸型シリンドリカルレンズおよび円形レンズの組み合わせにより構成され、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光Ｌ２を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源３００が発生したレーザ光Ｌ２を調整する。また、非点収差光学系７３０は、非点収差光学系７１０，７２０と同様に、凹型シリンドリカルレンズ、凸型シリンドリカルレンズおよび円形レンズの組み合わせにより構成され、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光Ｌ３を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源４００が発生したレーザ光Ｌ３を調整する。
【０１２０】
以下、上述のように構成されたレーザ加工装置７００の動作について、図８を用いて詳細に説明する。
【０１２１】
図８は、レーザ加工装置７００による加工対象物Ｓへの損傷の生起の一例を示す図である。
【０１２２】
まず、レーザ光源２００，３００，４００は、コンピュータ６００からの制御信号に従って、加工対象物Ｓに集光照射するための加工用の単一パルスレーザ光を発生する。レーザ光源２００，３００，４００が発生するレーザ光は、それぞれ、波長、パルス幅、パワー、または繰り返し周波数などのパラメータが異なるレーザ光であってもよいし、これらのパラメータが等しい同一のレーザ光であってもよい。ここでは、レーザ光源２００が発生するレーザ光をＬ１で、レーザ光源３００が発生するレーザ光をＬ２で、レーザ光源４００が発生するレーザ光をＬ３でそれぞれ示すことにする。
【０１２３】
非点収差光学系７１０は、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）を用いて説明したように、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光Ｌ１を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源２００が発生したレーザ光Ｌ１を調整する。非点収差光学系７２０は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光Ｌ２を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源３００が発生したレーザ光Ｌ２を調整する。非点収差光学系７３０は、レーザ光の非点収差性を利用して、レーザ光Ｌ３を集光照射したときに形成される焦点像が四面体型の形状になるように、レーザ光源４００が発生したレーザ光Ｌ３を調整する。
【０１２４】
非点収差光学系７１０を介したレーザ光Ｌ１は、可変ＮＤフィルタ２２０によりそのパルスエネルギが調整される。同様に、非点収差光学系７２０を介したレーザ光Ｌ２は、可変ＮＤフィルタ３２０によりそのパルスエネルギが調整され、非点収差光学系７３０を介したレーザ光Ｌ３は、可変ＮＤフィルタ４２０によりそのパルスエネルギが調整される。
【０１２５】
レンズペア２３０は、可変ＮＤフィルタ２２０を透過したレーザ光Ｌ１が対物レンズ５００に入射するときの広がり角度を調整する。レンズペア３３０は、可変ＮＤフィルタ３２０を透過したレーザ光Ｌ２が対物レンズ５００に入射するときの広がり角度を調整する。レンズペア４３０は、可変ＮＤフィルタ４２０を透過したレーザ光Ｌ３が対物レンズ５００に入射するときの広がり角度を調整する。
【０１２６】
この例では、レーザ光Ｌ１は、その広がり角度が負、つまり口径を絞られながら入射するレーザ光であり、レーザ光Ｌ２は、その広がり角度がゼロ、つまり平行光であり、レーザ光Ｌ３は、その広がり角度が正、つまり口径を拡大されながら入射するレーザ光である。
【０１２７】
ミラー２４０は、レーザ光Ｌ１を反射して、対物レンズ５００に入射させる。ミラー３４０は、レーザ光Ｌ２を反射して、対物レンズ５００に入射させる。ミラー４４０は、レーザ光Ｌ３を反射して、対物レンズ５００に入射させる。
【０１２８】
対物レンズ５００は、ミラー２４０から入射されたレーザ光Ｌ１を集光して、例えば加工対象物Ｓの表面と略同一面に照射する。これにより、レーザ光Ｌ１の集光照射位置に四面体型の焦点像Ｐｓ１が形成される。このとき、四面体型の焦点像Ｐｓ１は、水平成分の焦点像Ｐｈが加工対象物Ｓの表面と略同一面となるように形成されることが好ましい。これにより、加工におけるレーザ光Ｌ１のエネルギ伝達の効率を向上させることができる。
【０１２９】
また、対物レンズ５００は、ミラー３４０から入射されたレーザ光Ｌ２を集光して、例えば加工対象物Ｓの内部の、四面体型の焦点像Ｐｓ１に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光Ｌ２の集光照射位置に四面体型の焦点像Ｐｓ２が形成される。
【０１３０】
また、対物レンズ５００は、ミラー４４０から入射されたレーザ光Ｌ３を集光して、例えば加工対象物Ｓの内部の、四面体型の焦点像Ｐｓ２に重なり合う位置に照射する。これにより、レーザ光Ｌ３の集光照射位置に四面体型の焦点像Ｐｓ３が形成される。
【０１３１】
ここで、四面体型の焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３は、それぞれ、加工対象物Ｓの上方側の線状焦点が加工対象物Ｓの加工予定ラインと直交するように形成されることが好ましい。この場合、加工対象物Ｓの下方側の線状焦点は、加工対象物Ｓの加工予定ラインに沿って形成される。したがって、四面体型の焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３により、加工対象物Ｓの加工予定ラインに沿って、Ｖ字型の損傷ラインを効率的に生起させることができる。
【０１３２】
また、レーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ異なる広がり角度および入射角度で対物レンズ５００に入射している。これにより、これらのレーザ光により形成される四面体型の焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３は、加工対象物Ｓの深さ方向（図８のｚ軸方向）および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向（図８のｘ軸方向）の双方に関して異なる位置に、連続的に形成される。
【０１３３】
また、四面体型の焦点像Ｐｓ１と四面体型の焦点像Ｐｓ２とは空間的に重なり合っており、かつ四面体型の焦点像Ｐｓ２と四面体型の焦点像Ｐｓ３とは空間的に重なり合っているので、四面体型の焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３は、空間的に重なり合った一連の焦点像を形成する。また、焦点像Ｐｓ２は、最初に形成された焦点像Ｐｓ１を追従するように形成され、焦点像Ｐｓ３は、焦点像Ｐｓ２を追従するように形成されるので、焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３は、最初に形成された焦点像Ｐｓ１から時系列的に追従するように形成される。
【０１３４】
そして、加工対象物Ｓを載置したステージ５２０は、コントローラ５７０を介してコンピュータ６００に制御され、所定の走査速度ｖで加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向（図８のｘ軸方向）に平行移動する。より具体的には、ステージ５２０は、焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３が形成されると（１サイクル集光照射）、加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向に所定の距離だけ平行移動する。これにより、四面体型の焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３は、それぞれ加工予定ラインに沿って走査される。
【０１３５】
このように、加工対象物Ｓへの損傷の生起に真に必要とされるレーザエネルギの方向、つまり加工対象物Ｓの深さ方向および加工対象物Ｓの深さ方向と直交する方向の双方に沿って、四面体型の焦点像Ｐｓ１，Ｐｓ２，Ｐｓ３が形成され、走査される。これにより、加工予定ラインではない部位の加工によるレーザエネルギの消失を防止して、高効率なレーザエネルギの伝達を実現することができる。
【０１３６】
すなわち、限られたレーザエネルギの加工対象物Ｓに対する消費効率（伝搬効率および加工効率）を改善することにより、所望のエネルギ消費対象ではない部分（例えば、アブレーションにより発生し、損傷部位付近の空間上に散在する加工屑）によるエネルギの消失を低減することができる。
【０１３７】
なお、本実施の形態では、凹型シリンドリカルレンズおよび凸型シリンドリカルレンズの２つのシリンドリカルレンズを用いるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７（Ａ）において、凹型シリンドリカルレンズ７１１のみを用いるようにしてもよい。
【０１３８】
すなわち、上記のように、四面体型の焦点像は、互いに直交する一対の線状焦点により仮想的に形成される加工領域であって、レーザ光の集光照射位置に、互いに直交する一対の線状焦点を形成することができれば、非点収差光学系に必ずしも複数のレンズを使用する必要はない。
【０１３９】
以上のように、四面体型の形状の焦点像を形成する方法、およびこの四面体型の形状を調整する方法としては、複数の形態が考えられる。いずれの方法においても、既存の光学部品を適宜組み合わせることにより実現することができ、容易に導入が可能であり、汎用性に優れるという利点がある。
【０１４０】
このように、本実施の形態によれば、加工対象物Ｓを加工するための焦点像を、所望の四面体型の形状に制御することができる。これにより、加工対象物Ｓに対して所望の形状の損傷を生起させることが可能になる。例えば、加工対象物Ｓに生起させる損傷ラインの形状を、加工後の加工対象物Ｓの用途に応じて、例えば鋭利なＶ字型や幅広なＶ字型などに変更することができる。
【０１４１】
以上詳細に説明したように、上記各実施の形態によれば、加工対象物Ｓへの加工速度を向上させるとともに、加工対象物Ｓに生起させる損傷の形状を加工後の加工対象物Ｓの用途に応じて制御することができる。
【実施例】
【０１４２】
以下において、本発明のより具体的な実施の形態（実施例）について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。
【０１４３】
本実施例では、図６に示すレーザ加工装置を用いて、シングルビーム、つまり１つの四面体型の焦点像を、加工対象物の略同一面に集光照射してスクライビングを行った（シングルビームスクライビング）。また、同じレーザ加工装置を用いて、ダブルビーム、つまり２つの四面体型の焦点像を、加工対象物の深さ方向および加工対象物の深さ方向と直交する方向の双方に関して異なる複数の集光照射位置に、連続的に集光照射してスクライビングを行った（ダブルビームスクライビング）。そして、これらのスクライビングの結果を光学顕微鏡で確認することにより、本発明のレーザ加工技術の効果を確認した。
【０１４４】
本実施例で用いた各実験器具および実験条件は、以下の通りである。
＜レーザ光源＞ＬＤ励起パルス発振ＹＡＧレーザ装置（ＴＨＧ）
＜レンズペア＞Ｆ＝−１００／＋２００
＜対物レンズ＞ＮＡ＝０.４
＜シリンドリカルレンズ＞＋１００／＋１００
＜加工対象物＞サファイア
【０１４５】
本実施例で用いたレーザ光の各種のパラメータは、以下の通りである。
＜波長＞３５５（ｎｍ）
＜パルス幅＞１０（ｎｓ）〜１００（ｎｓ）
＜パワー＞０.３（Ｗ）〜２.０（Ｗ）
＜繰り返し周波数＞１３０（ｋＨｚ）
＜ビーム走査速度＞５（ｍｍ／ｓ）〜５０（ｍｍ／ｓ）
＜ミラーのチルト角＞＋／−１°
【０１４６】
図９（Ａ）は、シングルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真である。
【０１４７】
図９（Ａ）〜図９（Ｃ）より、四面体型の焦点像により、サファイアにＶ字型の損傷が生起されていることが分かる。また、スクライビング溝の断面の幅Ｗ１および深さＤ１を測定したところ、幅Ｗ１は７μｍであり、深さＤ１は２３μｍであった（図９（Ｃ）参照）。これにより、ある程度鋭利なＶ字型の断面形状を有するスクライビング溝が生起されていることが分かる。
【０１４８】
図１０（Ａ）は、ダブルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真であり、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真である。
【０１４９】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）より、シングルビームスクライビングの場合と比較して、格段に深いスクライビング溝が生起されていることが分かる。また、スクライビング溝の断面の幅Ｗ２および深さＤ２を測定したところ、幅Ｗ１は８.２μｍであり、深さＤ１は４９μｍであった（図１０（Ｃ）参照）。
【０１５０】
以上より、ダブルビームスクライビングにおいては、シングルビームスクライビングに比べると、スクライビング溝の幅はほとんど変化させず（７μｍ→８.２μｍ）、スクライビング溝の深さのみを大幅に大きくさせ（２３μｍ→４９μｍ）、スクライビング溝の断面形状をより鋭利にすることができる。断面形状が鋭利なスクライビング溝は、好適な割断または個片化を行うために適した構造ということができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、加工対象物への加工速度を向上させることができる効果を有し、加工対象材料に損傷を生起させるレーザ加工装置およびレーザ加工方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成の一例を示すブロック図
【図２】（Ａ）レンズペアによるレーザ光の広がり角度の変化の一例を示す図、（Ｂ）レンズペアによるレーザ光の広がり角度の変化の他の例を示す図、（Ｃ）レンズペアによるレーザ光の広がり角度の変化のさらに他の例を示す図
【図３】（Ａ）ミラーによる単一パルスレーザの反射の一例を示す図、（Ｂ）ミラーによる単一パルスレーザの反射の他の例を示す図、（Ｃ）ミラーによる単一パルスレーザの反射のさらに他の例を示す図
【図４】図１のレーザ加工装置による加工対象物への損傷の生起の一例を示す図
【図５】図１のレーザ加工装置による加工対象物への損傷の生起の他の例を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成の一例を示すブロック図
【図７】（Ａ）非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す斜視図、（Ｂ）非点収差光学系に入射したレーザ光の成分を示す平面図、（Ｃ）非点収差光学系により形成された四面体型の焦点像の一例を示す図
【図８】図７のレーザ加工装置による加工対象物への損傷の生起の一例を示す図
【図９】（Ａ）シングルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真、（Ｂ）図９（Ａ）のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真、（Ｃ）図９（Ａ）のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真
【図１０】（Ａ）ダブルビームスクライビングによるスクライビング溝を上方から見た光学顕微鏡写真、（Ｂ）図１０（Ａ）のスクライビング溝を基点に割断したサファイア基板の割断面を示す光学顕微鏡写真、（Ｃ）図１０（Ａ）のスクライビング溝の断面を示す光学顕微鏡写真
【符号の説明】
【０１５３】
１００、７００  レーザ加工装置
２００、３００、４００  レーザ光源
２１０、３１０、４１０  テレスコープ光学系
２２０、３２０、４２０  可変ＮＤフィルタ
２３０、３３０、４３０  レンズペア
２３１、３３１、４３１  凹レンズ
２３２、３３２、４３２  凸レンズ
２４０、３４０、４４０  ミラー
５００  対物レンズ
５１０  保護用窓プレート
５２０  ステージ
５３０  計測用光源
５４０  ビーム整形器
５５０  ハーフミラー
５６０  光検出器
５７０  コントローラ
５８０  照明用光源
５９０  ＣＣＤカメラ
６００  コンピュータ
６１０  モニタ
７１０、７２０、７３０  非点収差光学系
７１１  凹型シリンドリカルレンズ
７１２  凸型シリンドリカルレンズ
７１３  円形レンズ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  レーザ光
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３  焦点像
Ｌｈ  レーザ光の水平成分
Ｌｖ  レーザ光の垂直成分
Ｐｈ  レーザ光の水平成分の焦点像
Ｐｖ  レーザ光の垂直成分の焦点像
Ｐｓ１、Ｐｓ２、Ｐｓ３  四面体型の焦点像
【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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