(57)【要約】【課題】比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光によって被加工物を加工できるレーザー加工方法を提供する。【解決手段】レーザー加工方法は、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを含むレーザー光ＤＰを照射して被加工物ＴＡを加工する。レーザー加工方法は、励起工程Ｓ５と、加工工程Ｓ７とを含む。励起工程Ｓ５において、被加工物ＴＡに第１パルスＩＰを照射して、被加工物ＴＡに電子系の励起を誘起する。加工工程Ｓ７において、電子系の励起によって形成された励起層ｚ（ｔ）が消滅する前に、励起層ｚ（ｔ）に第２パルスＳＰを照射して、励起層ｚ（ｔ）を加工する。【選択図】図８
2017060991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１パルス及び第２パルスを含むレーザー光を照射して被加工物を加工するレーザー加工方法であって、
前記被加工物に前記第１パルスを照射して、前記被加工物に電子系の励起を誘起する励起工程と、
前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記励起層に前記第２パルスを照射して、前記励起層を加工する加工工程と
を含む、レーザー加工方法。
【請求項２】
前記励起工程では、価電子帯の電子に前記第１パルスを照射して、前記電子を価電子帯から伝導帯へ励起し、前記電子の励起によって前記励起層を形成し、
前記加工工程では、前記励起された電子に前記第２パルスを照射してアバランシェイオン化を誘起し、前記アバランシェイオン化によって前記伝導帯の電子を前記第２パルスの照射前よりも増加して、前記励起層を加工する、請求項１に記載のレーザー加工方法。
【請求項３】
前記第１パルス及び前記第２パルスの各々は、前記被加工物のバンドギャップよりも小さい光子エネルギーを有し、前記被加工物の被加工閾値よりも小さいピークフルエンスを有し、
前記被加工閾値は、前記被加工物のうち前記励起層が形成されている領域と異なる領域を加工可能なフルエンスの下限値を示し、
前記フルエンスは、単位面積当たりのエネルギー量を示す、請求項１又は請求項２に記載のレーザー加工方法。
【請求項４】
前記第１パルスと前記第２パルスとの時間間隔は、所定時間より長く、１ナノ秒以下であり、
前記所定時間は、前記第１パルスの半値半幅と前記第２パルスの半値半幅との合計値を示す、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
【請求項５】
前記被加工物は、ワイドバンドギャップ材料である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
【請求項６】
前記第１パルスと前記第２パルスとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を決定する原点決定工程をさらに含み、
前記時間原点は、前記第１パルスに対する前記第２パルスの遅延時間が実質的にゼロになる時間を示す、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
【請求項７】
前記第１パルスの周波数と異なる周波数を有する第３パルスを、前記第１パルスと実質的に同時に前記被加工物に照射して、前記被加工物の格子系の励起振動を増幅する増幅工程をさらに含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
【請求項８】
第１パルス及び第２パルスを含むレーザー光を照射して被加工物を加工し、前記被加工物から加工物を製造する方法であって、
前記被加工物に前記第１パルスを照射して、前記被加工物に電子系の励起を誘起する励起工程と、
前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記励起層に前記第２パルスを照射して、前記励起層を加工する加工工程と
を含む、加工物の製造方法。
【請求項９】
第１パルス及び第２パルスを含むレーザー光を照射して対象物の表面に位置する異物を除去するレーザークリーニング方法であって、
前記異物に前記第１パルスを照射し、前記異物を介して、前記表面のうち前記異物が位置する領域に電子系の励起を誘起する励起工程と、
前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記異物に前記第２パルスを照射して、前記異物を除去する除去工程と
を含む、レーザークリーニング方法。
【請求項１０】
前記第１パルス及び前記第２パルスの各々は、前記対象物の被加工閾値よりも小さいピークフルエンスを有し、
前記被加工閾値は、前記対象物のうち前記励起層が形成されている前記領域と異なる領域を加工可能なフルエンスの下限値を示し、
前記フルエンスは、単位面積当たりのエネルギー量を示す、請求項９に記載のレーザークリーニング方法。
【請求項１１】
前記励起工程では、前記電子系の励起によってコヒーレントな前記励起層が形成され、
前記第１パルス及び前記第２パルスの各々は、前記対象物の加工閾値よりも小さいピークフルエンスを有し、
前記加工閾値は、電子系の励起によって形成される非コヒーレントな励起層を加工可能なフルエンスの下限値を示す、請求項１０に記載のレーザークリーニング方法。
【請求項１２】
被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
レーザー光を生成するレーザー発振手段と、
前記レーザー光に基づいて第１パルス及び第２パルスを生成する照射パルス生成手段と
を備え、
前記照射パルス生成手段は、
前記被加工物に前記第１パルスを照射して、前記被加工物に電子系の励起を誘起し、
前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記励起層に前記第２パルスを照射して、前記励起層を加工する、レーザー加工装置。
【請求項１３】
対象物の表面に位置する異物を除去するレーザークリーニング装置であって、
レーザー光を生成するレーザー発振手段と、
前記レーザー光に基づいて第１パルス及び第２パルスを生成する照射パルス生成手段と
を備え、
前記照射パルス生成手段は、
前記異物に前記第１パルスを照射し、前記異物を介して、前記表面のうち前記異物が位置する領域に電子系の励起を誘起し、
前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記異物に前記第２パルスを照射して、前記異物を除去する、レーザークリーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工方法、加工物の製造方法、レーザークリーニング方法、レーザー加工装置、及びレーザークリーニング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フェムト秒レーザーは、様々な微細加工に利用されている。フェムト秒レーザー加工は、熱拡散を伴わない非熱的加工であるため、熱拡散を伴うレーザー加工と比べて、加工特性が優れているからである。
【０００３】
例えば、非特許文献１は、フェムト秒レーザーを銅の表面に照射して、銅の表面に微細周期構造を形成した例を開示する。例えば、フェムト秒レーザーによって摺動部品に微細周期構造を形成して摩擦を低減できる。また、非特許文献１は、フェムト秒レーザーを金に照射して、金に微細穴開け加工を実行した例を開示する。さらに、非特許文献２は、フェムト秒レーザーを透明材料に照射し、多光子吸収を誘引することによって多層構造を形成する例を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】藤田雅之、橋田昌樹、「フェムト秒レーザー加工」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｌａｓｍａ  ａｎｄ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、２００５年、Ｖｏｌ．８１、ｐ．１９５−２０１
【非特許文献２】三澤弘明、「多光子吸収による３次元フォトニック結晶の作製」、表面科学、２００１年、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１１、ｐ．７２９−７３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１及び非特許文献２に記載された技術では、比較的高い光子エネルギー及び比較的高いフルエンスを有するフェムト秒レーザーが必要になる。従って、被加工物のうち所望の加工領域と異なる領域（加工領域外の領域）に損傷を与える可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光によって被加工物を加工できるレーザー加工方法、加工物の製造方法、及びレーザー加工装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光によって容易に対象物をクリーニングできるレーザークリーニング方法及びレーザークリーニング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点によれば、レーザー加工方法は、第１パルス及び第２パルスを含むレーザー光を照射して被加工物を加工する。レーザー加工方法は、前記被加工物に前記第１パルスを照射して、前記被加工物に電子系の励起を誘起する励起工程と、前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記励起層に前記第２パルスを照射して、前記励起層を加工する加工工程とを含む。
【０００８】
本発明のレーザー加工方法において、前記励起工程では、価電子帯の電子に前記第１パルスを照射して、前記電子を価電子帯から伝導帯へ励起し、前記電子の励起によって前記励起層を形成することが好ましい。前記加工工程では、前記励起された電子に前記第２パルスを照射してアバランシェイオン化を誘起し、前記アバランシェイオン化によって前記伝導帯の電子を前記第２パルスの照射前よりも増加して、前記励起層を加工することが好ましい。
【０００９】
本発明のレーザー加工方法において、前記第１パルス及び前記第２パルスの各々は、前記被加工物のバンドギャップよりも小さい光子エネルギーを有し、前記被加工物の被加工閾値よりも小さいピークフルエンスを有することが好ましい。前記被加工閾値は、前記被加工物のうち前記励起層が形成されている領域と異なる領域を加工可能なフルエンスの下限値を示し、前記フルエンスは、単位面積当たりのエネルギー量を示すことが好ましい。
【００１０】
本発明のレーザー加工方法において、前記第１パルスと前記第２パルスとの時間間隔は、所定時間より長く、１ナノ秒以下であることが好ましい。前記所定時間は、前記第１パルスの半値半幅と前記第２パルスの半値半幅との合計値を示すことが好ましい。
【００１１】
本発明のレーザー加工方法において、前記被加工物は、ワイドバンドギャップ材料であることが好ましい。
【００１２】
本発明のレーザー加工方法は、前記第１パルスと前記第２パルスとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を決定する原点決定工程をさらに含むことが好ましい。前記時間原点は、前記第１パルスに対する前記第２パルスの遅延時間が実質的にゼロになる時間を示すことが好ましい。
【００１３】
本発明のレーザー加工方法は、前記第１パルスの周波数と異なる周波数を有する第３パルスを、前記第１パルスと実質的に同時に前記被加工物に照射して、前記被加工物の格子系の励起振動を増幅する増幅工程をさらに含むことが好ましい。
【００１４】
本発明の第２の観点によれば、加工物の製造方法は、第１パルス及び第２パルスを含むレーザー光を照射して被加工物を加工し、前記被加工物から加工物を製造する。加工物の製造方法は、前記被加工物に前記第１パルスを照射して、前記被加工物に電子系の励起を誘起する励起工程と、前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記励起層に前記第２パルスを照射して、前記励起層を加工する加工工程とを含む。
【００１５】
本発明の第３の観点によれば、レーザークリーニング方法は、第１パルス及び第２パルスを含むレーザー光を照射して対象物の表面に位置する異物を除去する。レーザークリーニング方法は、前記異物に前記第１パルスを照射し、前記異物を介して、前記表面のうち前記異物が位置する領域に電子系の励起を誘起する励起工程と、前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記異物に前記第２パルスを照射して、前記異物を除去する除去工程とを含む。
【００１６】
本発明のレーザークリーニング方法において、前記第１パルス及び前記第２パルスの各々は、前記対象物の被加工閾値よりも小さいピークフルエンスを有することが好ましい。前記被加工閾値は、前記対象物のうち前記励起層が形成されている前記領域と異なる領域を加工可能なフルエンスの下限値を示すことが好ましい。前記フルエンスは、単位面積当たりのエネルギー量を示すことが好ましい。
【００１７】
本発明のレーザークリーニング方法において、前記励起工程では、前記電子系の励起によってコヒーレントな前記励起層が形成されることが好ましい。前記第１パルス及び前記第２パルスの各々は、前記対象物の加工閾値よりも小さいピークフルエンスを有することが好ましい。前記加工閾値は、電子系の励起によって形成される非コヒーレントな励起層を加工可能なフルエンスの下限値を示すことが好ましい。
【００１８】
本発明の第４の観点によれば、レーザー加工装置は、被加工物を加工する。レーザー加工装置は、レーザー光を生成するレーザー発振手段と、前記レーザー光に基づいて第１パルス及び第２パルスを生成する照射パルス生成手段とを備える。前記照射パルス生成手段は、前記被加工物に前記第１パルスを照射して、前記被加工物に電子系の励起を誘起し、前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記励起層に前記第２パルスを照射して、前記励起層を加工する。
【００１９】
本発明の第５の観点によれば、レーザークリーニング装置は、対象物の表面に位置する異物を除去する。レーザークリーニング装置は、レーザー光を生成するレーザー発振手段と、前記レーザー光に基づいて第１パルス及び第２パルスを生成する照射パルス生成手段とを備える。前記照射パルス生成手段は、前記異物に前記第１パルスを照射し、前記異物を介して、前記表面のうち前記異物が位置する領域に電子系の励起を誘起し、前記電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、前記異物に前記第２パルスを照射して、前記異物を除去する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光によって被加工物を加工できる。
本発明によれば、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光によって容易に対象物をクリーニングできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態１に係るレーザー加工装置を示す図である。
【図２】実施形態１に係る第１パルス及び第２パルスを示す図である。
【図３】（ａ）実施形態１に係る第１パルスと第２パルスとの時間間隔の基準を示す所定時間の第１例を示す図である。（ｂ）実施形態１に係る第１パルスと第２パルスとの時間間隔の基準を示す所定時間の第２例を示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）実施形態１に係る表面励起加工の原理を示す図である。
【図５】比較例に係る第１被加工閾値及び第２被加工閾値を示す図である。
【図６】実施形態１に係る第１加工閾値及び第２加工閾値を示す図である。
【図７】実施形態１に係る電子系の励起を示す図である。
【図８】実施形態１に係るレーザー加工方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態２に係るレーザー加工装置を示す図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）実施形態２に係る干渉スペクトル波形を示す図である。
【図１１】比較例１としてのフェムトシングルパルスの１ショットによる加工結果を示す図である。
【図１２】（ａ）比較例２としてのフェムトシングルパルスの２ショットによる加工結果を示す図である。（ｂ）実施形態２の実施例に係るダブルパルスビームによる加工結果を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態３に係るレーザー加工装置を示す図である。
【図１４】（ａ）実施形態３に係る第１パルス単体のスペクトル波形と第２パルス単体のスペクトル波形とスペクトル和とを示す図である。（ｂ）実施形態３に係るスペクトル和と干渉スペクトル波形とを示す図である。
【図１５】実施形態３に係るパルス時間遅延ミラーの位置と残差平方和との関係を示す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｄ）実施形態３に係る干渉スペクトル波形を示す図である。
【図１７】本発明の実施形態４に係るパルスエネルギーと加工量との関係を示す図である。
【図１８】実施形態４に係る遅延時間と加工量との関係を示す図である。
【図１９】実施形態４に係る遅延時間と加工量との関係を示す図である。
【図２０】実施形態４及び比較例に係るパルスエネルギーと加工量との関係を示す図である。
【図２１】（ａ）本発明の実施形態５に係るダブルパルスビームを示す図である。（ｂ）（ｃ）比較例に係るフェムトシングルパルスを示す図である。
【図２２】（ａ）（ｂ）比較例に係る加工痕の画像を示す図である。（ｃ）実施形態５に係るダブルパルスビームによる加工痕の画像を示す図である。（ｄ）比較例に係る加工痕の画像を示す図である。
【図２３】実施形態５及び比較例に係る加工閾値を示す図である。
【図２４】（ａ）実施形態５に係る加工閾値を示す図である。（ｂ）（ｃ）比較例に係る加工閾値を示す図である。
【図２５】本発明の実施形態６に係る周波数選択励起を示す図である。
【図２６】実施形態６に係るレーザー加工装置を示す図である。
【図２７】実施形態６に係るレーザー加工方法を示すフローチャートである。
【図２８】本発明の実施形態７に係るレーザー加工装置を示す図である。
【図２９】本発明の実施形態８に係るレーザークリーニングの原理を示す図である。
【図３０】実施形態８に係るダブルパルスビームの第２加工閾値及び比較例に係るシングルパルスの第２被加工閾値を示す図である。
【図３１】（ａ）（ｂ）実施形態８に係るレーザークリーニング方法を示すフローチャートである。
【図３２】比較例に係る加工領域及びフルエンス分布を示す図である。
【図３３】比較例に係る第１被加工閾値と第２被加工閾値とシングルパルスのピークフルエンスとを示す図である。
【図３４】（ａ）本発明の実施例１に係る被加工物の加工領域を示す図である。（ｂ）実施例１に係る被加工物の加工領域の断面プロファイルを示す図である。
【図３５】（ａ）比較例に係る加工領域と実施例１（１）〜実施例１（３）に係る加工領域とを示す図である。（ｂ）比較例に係る加工領域の断面プロファイルと実施例１（１）〜実施例１（３）に係る加工領域の断面プロファイルとを示す図である。（ｃ）実施例１（０）〜実施例１（３）に係る加工領域の断面プロファイルを示す図である。
【図３６】実施例１に係る第１加工閾値、比較例に係る第１被加工閾値、及び比較例に係る第２被加工閾値を示す図である。
【図３７】（ａ）比較例に係るシングルパルスのフルエンスと加工領域の深さとの関係を示す図である。（ｂ）実施例１に係る第１パルスと第２パルスとのトータルフルエンスと加工領域の深さとの関係を示す図である。
【図３８】（ａ）比較例に係るシングルパルスのピークフルエンスと第１被加工閾値との関係を示す図である。（ｂ）実施例１に係る第１パルスのピークフルエンスと第２パルスの第１加工閾値との関係を示す図である。
【図３９】本発明の実施例２に係るダブルパルスビームが照射された汚れ領域における汚れ面積と、ダブルパルスビームが照射されていない汚れ領域における汚れ面積とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【００２３】
一般的に、レーザー加工技術は、溶接、切断、穴あけ、及びマーキングなどに幅広く応用されている。特に、レーザーアブレーション加工は、非熱加工技術に分類され、ピコ秒〜フェムト秒の半値全幅を持つ超短パルスレーザー光を用いた加工である。従って、レーザーアブレーション加工は、熱影響層が小さく微細加工に適し、更に難加工材料への良好な加工特性を示す。その結果、レーザーアブレーション加工は、表面改質、精密加工、及び透明材料加工など、様々な用途で利用され得る。
【００２４】
本発明の実施形態では、超短パルスレーザー光の高い電界強度による電子励起機構及び／又は格子励起機構を利用して、被加工物を加工する。つまり、超短パルスレーザー光を用いた被加工物（例えば、被加工物の表面）の電子系の励起現象及び／又は格子系の励起現象を利用して、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する超短パルスレーザー光によって被加工物の表面を加工する。フルエンスとは、単位面積当たりのエネルギー量のことである。フルエンスは、照度に略比例する。フルエンスを定義する際の「単位面積」は、超短パルスレーザー光に関しては、超短パルスレーザー光の断面の単位面積を示す。以下、被加工物の表面の電子系の励起現象及び／又は格子系の励起現象を利用した加工を、「表面励起加工」と記載する場合がある。
【００２５】
実施形態では、超短パルスレーザー光は、例えば、フェムト秒レーザー光又はピコ秒レーザー光である。フェムト秒レーザー光とは、半値全幅がフェムト秒のオーダーのレーザー光のことである。ピコ秒レーザー光とは、半値全幅がピコ秒のオーダーのレーザー光のことである。超短パルスレーザー光は、例えば、可視光又は近赤外光である。
【００２６】
実施形態では、被加工物は、例えば、ワイドバンドギャップ材料である。ワイドバンドギャップ材料とは、シリコンよりも広いバンドギャップを有する材料のことである。ワイドバンドギャップ材料は、例えば、シリコンの１．５倍以上のバンドギャップを有する。ワイドバンドギャップ材料は、例えば、シリコンの２倍以上のバンドギャップを有する。ワイドバンドギャップ材料は、ワイドギャップ材料と記載される場合もある。
【００２７】
ワイトバンドギャップ材料は、例えば、透明材料である。例えば、透明材料の色彩は、透明色（無色透明色）又は半透明色（有色透明色）である。ワイトバンドギャップ材料は、例えば、絶縁体である。例えば、絶縁体は、合成石英、サファイア、又はガラスである。ワイトバンドギャップ材料は、例えば、ワイドバンドギャップ半導体である。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、ダイヤモンド、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。炭化ケイ素は、例えば、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、又は３Ｃ−ＳｉＣである。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、紫外光を照射しないと、バンドギャップを超えない半導体である。ワイドバンドギャップ半導体は、ワイドギャップ半導体と記載される場合もある。なお、被加工物の種類は特に限定されない。例えば、被加工物は、ワイドバンドギャップ材料以外の材料でもよい。例えば、被加工物は、不透明な材料でもよいし、電気伝導体でもよいし、ワイドバンドギャップ半導体以外の半導体でもよい。半導体は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、又はガリウムヒ素（ＧａＡｓ）である。
【００２８】
以下、本発明の実施形態に係るレーザー加工装置及びレーザー加工方法は、被加工物の表面を加工する。ただし、本発明は被加工物の表面の加工に限定されず、レーザー加工装置及びレーザー加工方法は、被加工物の内部を加工することもできる。また、レーザー加工装置及びレーザー加工方法を応用したレーザークリーニング装置及びレーザークリーニング方法についても説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図１〜図８を参照して、本発明の実施形態１に係るレーザー加工装置１及びレーザー加工方法について説明する。図１は、実施形態１に係るレーザー加工装置１を示す図である。
図１に示すように、レーザー加工装置１は、被加工物ＴＡを加工する。レーザー加工装置１は、被加工物ＴＡの表面にレーザー光を照射して、被加工物ＴＡの表面に、電子系の励起を誘起する。そして、レーザー加工装置１は、電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、励起層にレーザー光を照射する。レーザー光は、超短パルスレーザー光である。
【００３０】
具体的には、レーザー加工装置１は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを含むように、レーザー光ＤＰを生成する。第２パルスＳＰは、第１パルスＩＰに対して遅延している。そして、レーザー加工装置１は、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰを照射することによって、被加工物ＴＡの表面に、電子系の励起によって励起層を形成し、励起層が消滅する前に、励起層に第２パルスＳＰを照射する。
【００３１】
第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々の半値全幅は、例えば、フェムト秒のオーダーである。なお、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々の半値全幅は、例えば、ピコ秒のオーダーであってもよい。第１パルスＩＰの半値全幅は、第１パルスＩＰの強度が最大強度の１／２になるときの第１パルスＩＰの幅を示す。第２パルスＳＰの半値全幅は、第２パルスＳＰの強度が最大強度の１／２になるときの第２パルスＳＰの幅を示す。
【００３２】
以下、レーザー光ＤＰを「ダブルパルスビームＤＰ」と記載する場合がある。また、第１パルスＩＰを「励起用パルスＩＰ」と記載し、第２パルスＳＰを「加工用パルスＳＰ」と記載する場合もある。
【００３３】
実施形態１では、第１パルスＩＰの照射によって形成された励起層で、光吸収率のような材料特性が変化し、加工が容易になる。従って、比較的低い光子エネルギー（例えば、近赤外光の光子エネルギー）及び比較的低いフルエンス（例えば、比較的低い電界強度）を有する第２パルスＳＰを用いて、励起層を加工できる。その結果、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。例えば、被加工物ＴＡの加工領域の精密な制御を実現できる。また、例えば、被加工物ＴＡのうち所望の加工領域と異なる領域（加工領域外の領域）に損傷を与えることを抑制できる。さらに、例えば、レーザー加工装置１の導入コスト及びランニングコストを低減できる。なお、フルエンスを定義する際の「単位面積」は、第２パルスＳＰに関しては、第２パルスＳＰの断面の単位面積を示す。
【００３４】
特に、励起層では加工閾値が低下するため、例えば、ワイドバンドギャップ半導体又は透明材料のような一般的には加工が困難な被加工物ＴＡであっても、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第２パルスＳＰを用いて、ワイドバンドギャップ半導体又は透明材料のような被加工物ＴＡを容易に加工できる。加えて、被加工物ＴＡに損傷を与えることを抑制できる。
【００３５】
なお、一般的には、ワイドバンドギャップ半導体又は透明材料を加工する際は、比較的高い光子エネルギーを有するレーザー光（例えば、紫外光）又は比較的高いフルエンス（例えば、比較的高い電界強度）を有するレーザー光を利用する。従って、被加工物の加工領域の精密な制御を実現できない可能性がある。例えば、被加工物のうち所望の加工領域と異なる領域（加工領域外の領域）に損傷を与える可能性がある。また、例えば、装置の導入コスト及びランニングコストが増加する可能性がある。
【００３６】
また、実施形態１では、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰを用いて、被加工物ＴＡの表面に励起層を形成できる。その結果、被加工物ＴＡの表面を更に精度良く加工できる。例えば、被加工物ＴＡの加工領域の更に精密な制御を実現できる。また、例えば、被加工物ＴＡのうち所望の加工領域と異なる領域（加工領域外の領域）に損傷を与えることを更に抑制できる。さらに、例えば、レーザー加工装置１の導入コスト及びランニングコストを更に低減できる。なお、フルエンスを定義する際の「単位面積」は、第１パルスＩＰに関しては、第１パルスの断面の単位面積を示す。
【００３７】
引き続き、図１を参照して、更に具体的に説明すると、レーザー加工装置１は、被加工物ＴＡの表面にレーザー光を照射し、被加工物ＴＡの表面に、電子系の励起と格子系の励起とを誘起する。そして、レーザー加工装置１は、電子系の励起と格子系の励起とによって形成された励起層が消滅する前に、励起層にレーザー光を照射する。その結果、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。例えば、被加工物ＴＡの加工量及び加工形態の精密制御と、加工領域外への損傷の抑制とを実現できる。
【００３８】
具体的には、レーザー加工装置１は、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰを照射することによって、被加工物ＴＡの表面に、電子系の励起と格子系の励起とによって形成された励起層を形成し、励起層が消滅する前に、励起層に第２パルスＳＰを照射する。
【００３９】
すなわち、第１パルスＩＰによって、電子系の表面励起と、格子系の表面励起とが誘起される。電子系の表面励起は、例えば、被加工物ＴＡの表面の電子密度が上昇することに相当する。一方、格子系の表面励起は、例えば、非コヒーレントな格子系の表面励起である。従って、電子系の表面励起は、格子系の表面励起よりも優勢である。その結果、第２パルスＳＰによって、被加工物ＴＡは、主に、電子系の表面励起に起因する加工形態で加工される。
【００４０】
次に、図１〜図３を参照して、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの照射タイミング及び時間間隔τについて説明する。具体的には、時間間隔τは、第１パルスＩＰのピークと第２パルスＳＰのピークとの時間間隔を示す。
【００４１】
図２は、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰ並びに一般的なシングルパルスＳＮＰを示す図である。図２では、横軸は時間を示し、縦軸は光強度を示す。単位「ｆｓ」はフェムト秒を示し、単位「ｐｓ」はピコ秒を示し、単位「ｎｓ」はナノ秒を示し、単位「μｓ」はマイクロ秒を示し、単位「ｓ」は秒を示す。
【００４２】
図２に示すように、一般的に、フェムト秒レーザー光としてのシングルパルスＳＮＰ（以下、「フェムトシングルパルスＳＮＰ」と記載する場合がある。）を時刻「０」で被加工物ＴＡに照射した時、シングルパルスＳＮＰ照射時から１０ｐｓ程度のオーダーまでに、電子の励起現象、格子の励起現象、アブレーション加工、熱拡散、溶融、及び再凝固などの加工に関連する様々な過渡的な現象が発生する。ただし、電子系の励起の効果は、シングルパルスＳＮＰの照射時から少なくとも１ナノ秒までは残存する。
【００４３】
そこで、実施形態１では、レーザー加工装置１は、時刻「０」で第１パルスＩＰを被加工物ＴＡの表面に照射して、被加工物ＴＡの表面に電子系の励起を誘起する。そして、レーザー加工装置１は、例えば、第１パルスＩＰの照射時から１ナノ秒以内に、電子系の励起によって形成された励起層（つまり、第１パルスＩＰが照射された領域）に第２パルスＳＰを照射して、励起層を加工する。
【００４４】
電子系の励起の効果の残存時間を考慮すると、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τは、１ナノ秒以下であることが好ましい。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τは、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間を示す。また、時間間隔τは、４００ピコ秒以下であることが更に好ましい。さらに、時間間隔τは、数１０ピコ秒以下であることが更に好ましい。０秒以上数１０ピコ秒以下の範囲では、電子系の励起の効果の減衰が比較的小さいからである。さらに、時間間隔τは、１０ピコ秒以下であることが更に好ましい。電子系の励起の効果の減衰が更に小さいからである。
【００４５】
以下、時間間隔τを、「遅延時間τ」又は「パルス間隔τ」と記載する場合がある。
【００４６】
なお、第１パルスＩＰの照射時から数１０ピコ秒よりも後の時間では、電子の間接遷移によって徐々に伝導帯の電子が減少する。その結果、電子系の励起の効果の減衰が比較的大きくなる。ただし、電子系の励起の効果は、第１パルスＩＰの照射時から少なくとも１ナノ秒までは残存する。なお、電子の間接遷移とは、励起電子が運動エネルギーを格子にわたして脱励起状態になることである。
【００４７】
加えて、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉を抑制するためには、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τは、所定時間ＮＴより長いことが好ましい。例えば、時間間隔τは、１ピコ秒以上であることが好ましい。
【００４８】
図３（ａ）は、所定時間ＮＴの第１例を示す図である。図３（ｂ）は、所定時間の第２例を示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）では、横軸は時間を示し、縦軸は光強度を示す。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々の強度分布は、ガウス分布を示す。図３（ａ）及び図３（ｂ）の例では、第１パルスＩＰの最大強度Ｉｍと第２パルスＳＰの最大強度Ｉｍとは同一である。
【００４９】
図３（ａ）に示すように、所定時間ＮＴは、第１パルスＩＰの半値半幅ｗ１と第２パルスＳＰの半値半幅ｗ２との合計値（ｗ１＋ｗ２）を示す。例えば、時間間隔τは、所定時間ＮＴのＱ倍である。「Ｑ」は、１より大きい実数を示す。時間間隔τを所定時間ＮＴのＱ倍に設定すると、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉を抑制できる。例えば、Ｑ＝２である。例えば、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々の半値半幅が５０フェムト秒であるとき、所定時間ＮＴは、１００フェムト秒である。なお、半値半幅は、半値全幅の半分を示す。
【００５０】
図３（ｂ）に示すように、所定時間ＮＴは、第１パルスＩＰのパルス幅ｗ３の半幅ｗ３／２と第２パルスＳＰのパルス幅ｗ４の半幅ｗ４／２との合計値（ｗ３／２＋ｗ４／２）を示す。第１パルスＩＰのパルス幅ｗ３は、第１パルスＩＰの強度が最大強度Ｉｍの１／ｅ2になるときの第１パルスＩＰの幅を示す。第２パルスＳＰのパルス幅ｗ４は、第２パルスＳＰの強度が最大強度Ｉｍの１／ｅ2になるときの第２パルスＳＰの幅を示す。時間間隔τを所定時間ＮＴよりも長くすると、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉を更に抑制できる。なお、「ｅ」はネイピア数を示す。
【００５１】
次に、図４を参照して、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰによる表面励起加工の原理について説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰによる表面励起加工の原理（時間分解励起方法）を示す図である。図４（ａ）では、横軸は、第１パルスＩＰを照射した後の経過時間ｔを示し、縦軸は、被加工物ＴＡの表面温度Ｔ（ケルビン）を示す。縦軸では、スケールを１／３００にしている。また、破線は電子温度Ｔｅを示し、実線は格子温度Ｔｌを示す。１０ピコ秒以上では、電子温度Ｔｅと格子温度Ｔｌとが略重複している。
【００５２】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを時間間隔τをあけて照射する場合、励起用の第１パルスＩＰの照射直後は、被加工物ＴＡ（例えば、透明材料又は半導体）の表面の電子温度、つまり電子密度が上昇し、電子密度の変化に応じて、光の吸収率が一時的に上昇し、時間の経過と共に低下する。光吸収率の上昇により、被加工物ＴＡの表面には、励起層ｚ（ｔ）が形成される。励起層ｚ（ｔ）が形成されている時、光吸収率は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τを変化させることによって調整が可能である。具体的には、励起層ｚ（ｔ）が形成されている間に、第２パルスＳＰを励起層ｚ（ｔ）に照射して、被加工物ＴＡの表面の電子温度、つまり、電子密度を更に上昇させる。その結果、光の吸収率が一時的に更に上昇し、加工閾値が低下する。
【００５３】
このような表面励起加工の原理に基づいて、被加工物ＴＡの表面の光吸収率を上昇させ、被加工物ＴＡの非励起時の加工閾値よりも低いフルエンスで表面を加工することにより、加工領域外に損傷を与えることを抑制できる加工（ダメージレス加工）を実現する。
【００５４】
以下、被加工物ＴＡの非励起時の加工閾値を、「被加工閾値Ｆｄ」と記載する。被加工閾値Ｆｄは、励起層ｚ（ｔ）が形成されていない時に被加工物ＴＡを加工可能なフルエンスの下限値を示す。換言すれば、被加工閾値Ｆｄは、被加工物ＴＡのうち励起層ｚ（ｔ）が形成されている領域と異なる領域を加工可能なフルエンスの下限値を示す。更に換言すれば、被加工閾値Ｆｄは、励起層ｚ（ｔ）の消滅後に被加工物ＴＡを加工能なフルエンスの下限値を示す。更に換言すれば、被加工閾値Ｆｄとは、シングルパルスＳＮＰに基づく加工閾値のことである。
【００５５】
なお、一般的なシングルパルスＳＮＰによる被加工物ＴＡの加工は、励起層ｚ（ｔ）の消滅後の加工である。従って、シングルパルスＳＮＰによって被加工物ＴＡを加工するためには、シングルパルスＳＮＰには、被加工閾値Ｆｄ以上のフルエンスを有することが要求される。例えば、シングルパルスＳＮＰの繰り返し周波数は、１０Ｈｚ〜２００ＭＨｚであり、シングルパルスＳＮＰとシングルパルスＳＮＰとの時間間隔は、５ナノ秒〜１００ミリ秒である。従って、シングルパルスＳＮＰの照射時から、次のシングルパルスＳＮＰの照射時までには、励起層ｚ（ｔ）は消滅している。
【００５６】
次に、図５を参照して、比較例に係る被加工閾値Ｆｄについて説明する。図５は、被加工閾値Ｆｄを示す図である。図５に示すように、被加工物ＴＡにシングルパルスＳＮＰを照射すると、被加工物ＴＡが加工される。そして、被加工物ＴＡは、加工領域Ａ１と非加工領域Ａ２とを含む。加工領域Ａ１は、加工されている領域を示し、非加工領域Ａ２は、加工されていない領域を示す。
【００５７】
加工領域Ａ１は、アブレーション領域Ａ１１とアニーリング領域Ａ１２とを含む。アブレーション領域Ａ１１は、略円板状形状を有し、アブレーションにより加工された領域を示す。アブレーションとは、プラズマ化した原子のクラスター又はプラズマ化した原子が飛散することである。アニーリング領域Ａ１２は、アブレーション領域Ａ１１を囲むように形成され、略円環状形状を有する。アニーリング領域Ａ１２は、アニーリングにより加工された領域を示す。アニーリング領域Ａ１２の深さは、アブレーション領域Ａ１１の深さよりも浅い。深さは、被加工物ＴＡの表面に対する深さを示す。アニーリングとは、非熱的効果によって表面近傍から原子が除去されことである。
【００５８】
図５に示すように、グラフＧＰ１では、横軸は、加工領域Ａ１の中心Ｃからの位置を示し、縦軸は、フルエンスを示す。グラフＧＰ１は、シングルパルスＳＮＰのフルエンス分布を示している。フルエンス分布はガウス分布を示す。被加工閾値Ｆｄは、第１被加工閾値Ｆｄ１又は第２被加工閾値Ｆｄ２を示す。
【００５９】
シングルパルスＳＮＰのフルエンス分布とアブレーション領域Ａ１１とを対応させて、第１被加工閾値Ｆｄ１を決定する。具体的には、アブレーション領域Ａ１１の縁に対応するフルエンスを第１被加工閾値Ｆｄ１に決定する。つまり、第１被加工閾値Ｆｄ１は、励起層ｚ（ｔ）が形成されていない時に被加工物ＴＡをアブレーション加工可能なフルエンスの下限値を示す。
【００６０】
シングルパルスＳＮＰのフルエンス分布とアニーリング領域Ａ１２とを対応させて、第２被加工閾値Ｆｄ２を決定する。具体的には、アニーリング領域Ａ１２の外縁に対応するフルエンスを第２被加工閾値Ｆｄ２に決定する。つまり、第２被加工閾値Ｆｄ２は、励起層ｚ（ｔ）が形成されていない時に被加工物ＴＡをアニーリング加工可能なフルエンスの下限値を示す。第２被加工閾値Ｆｄ２は、第１被加工閾値Ｆｄ１よりも小さい。
【００６１】
次に、実施形態１に係る加工閾値Ｆｔｈについて説明する。加工閾値Ｆｔｈは、被加工物ＴＡの励起時の加工閾値であり、励起層ｚ（ｔ）が形成されている時に被加工物ＴＡを加工可能なフルエンスの下限値を示す。換言すれば、加工閾値Ｆｔｈは、被加工物ＴＡのうち励起層ｚ（ｔ）を加工可能なフルエンスの下限値を示す。更に換言すれば、加工閾値Ｆｔｈは、励起層ｚ（ｔ）の消滅前に被加工物ＴＡを加工能なフルエンスの下限値を示す。更に換言すれば、加工閾値Ｆｔｈとは、第２パルスＳＰに基づく加工閾値のことである。
【００６２】
図６は、加工閾値Ｆｔｈを示す図である。図６に示すように、第１パルスＩＰの照射後、励起層ｚ（ｔ）の消滅前に、被加工物ＴＡに第２パルスＳＰを照射すると、被加工物ＴＡが加工される。そして、被加工物ＴＡは、加工領域Ｂ１と非加工領域Ｂ２とを含む。加工領域Ｂ１は、加工されている領域を示し、非加工領域Ｂ２は、加工されていない領域を示す。
【００６３】
加工領域Ｂ１は、アブレーション領域Ｂ１１とアニーリング領域Ｂ１２とを含む。アブレーション領域Ｂ１１は、アブレーション領域Ａ１１と同様の領域であり、アニーリング領域Ｂ１２は、アニーリング領域Ａ１２と同様の領域である。
【００６４】
図６に示すように、グラフＧＰ２では、横軸は、加工領域Ｂ１の中心Ｃからの位置を示し、縦軸は、フルエンスを示す。グラフＧＰ２は、第２パルスＳＰのフルエンス分布を示している。フルエンス分布はガウス分布を示す。加工閾値Ｆｔｈは、第１加工閾値Ｆｔ１又は第２加工閾値Ｆｔ２を示す。
【００６５】
第２パルスＳＰのフルエンス分布とアブレーション領域Ｂ１１とを対応させて、第１加工閾値Ｆｔ１を決定する。具体的には、アブレーション領域Ｂ１１の縁に対応するフルエンスを第１加工閾値Ｆｔ１に決定する。つまり、第１加工閾値Ｆｔ１は、励起層ｚ（ｔ）の消滅前に被加工物ＴＡをアブレーション加工可能なフルエンスの下限値を示す。
【００６６】
第２パルスＳＰのフルエンス分布とアニーリング領域Ｂ１２とを対応させて、第２加工閾値Ｆｔ２を決定する。具体的には、アニーリング領域Ｂ１２の外縁に対応するフルエンスを第２加工閾値Ｆｔ２に決定する。つまり、第２加工閾値Ｆｔ２は、励起層ｚ（ｔ）の消滅前に被加工物ＴＡをアニーリング加工可能なフルエンスの下限値を示す。第２加工閾値Ｆｔ２は、第１加工閾値Ｆｔ１よりも小さい。また、第１加工閾値Ｆｔ１及び第２加工閾値Ｆｔ２の各々は、第１被加工閾値Ｆｄ１より小さく、第２被加工閾値Ｆｄ２より小さい。つまり、加工閾値Ｆｔｈは被加工閾値Ｆｄより小さい。
【００６７】
次に、図７を参照して、実施形態１に係る電子系の励起について説明する。図７は、電子系の励起を示す図である。図７に示すように、まず、レーザー加工装置１は、第１パルスＩＰを被加工物ＴＡに照射する。第１パルスＩＰの光子エネルギーＩＰＰに基づく多光子吸収によって価電子帯３２の電子ｅが伝導帯３４に励起される。その結果、被加工物ＴＡの表面に励起層ｚ（ｔ）が形成される。第１パルスＩＰの光子エネルギーＩＰＰは、被加工物ＴＡのバンドギャップＢＧより小さい。第１パルスＩＰのピークフルエンスは、被加工閾値Ｆｄより小さい。第１パルスＩＰのピークフルエンスとは、第１パルスＩＰのフルエンス分布のうち最大のフルエンスのことである。具体的には、第１パルスＩＰのピークフルエンスは、第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２の各々より小さい。第１パルスＩＰのピークフルエンスは、バンドギャップＢＧに相当するエネルギー量以上である。
【００６８】
次に、レーザー加工装置１は、第２パルスＳＰを励起層ｚ（ｔ）に照射する。具体的には、第２パルスＳＰを伝導帯３４の電子ｅに照射して、第２パルスＳＰの光子エネルギーＳＰＰによってアバランシェイオン化を誘起する。第２パルスＳＰの光子エネルギーＳＰＰは、被加工物ＴＡのバンドギャップＢＧより小さい。第２パルスＳＰのピークフルエンスは、被加工閾値Ｆｄより小さい。第２パルスＳＰのピークフルエンスとは、第２パルスＳＰのフルエンス分布のうち最大のフルエンスのことである。具体的には、第２パルスＳＰのピークフルエンスは、第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２の各々より小さい。第２パルスＳＰのピークフルエンスは、バンドギャップＢＧに相当するエネルギー量以上である。
【００６９】
第２パルスＳＰの半値全幅に相当する期間又はパルス幅に相当する期間、アバランシェイオン化によって、伝導帯３４の電子ｅが急激に増加する。アバランシェイオン化とは、自由電子が電界で加速され、衝突電離を引き起こす過程が繰り返し発生して、自由電子が増加することである。
【００７０】
具体的には、第１パルスＩＰによって励起された電子ｅ（以下、「種電子」と記載する。）に第２パルスＳＰが照射され、種電子が光子エネルギーＳＰＰを吸収する。種電子は、光子エネルギーＳＰＰに基づく多光子吸収によって、伝導帯３４において更に高いエネルギー準位まで励起される。そして、種電子が、バンドギャップＢＧ以上のエネルギーを吸収して高いエネルギー準位に励起し、伝導帯３４において安定したエネルギー準位まで遷移するときに、バンドギャップＢＧ以上のエネルギーを放出する。放出されたエネルギーは価電子帯３２の電子ｅに吸収されるため、価電子帯３２の電子ｅが伝導帯３４に励起される。
【００７１】
このように、伝導帯３４の１個の種電子が伝導帯３４に残りつつ、更に１個の電子ｅが伝導帯３４に励起されるため、伝導帯３４には、電子ｅが１個増える。増えた電子ｅは、種電子と同様に機能する。つまり、伝導帯３４において、種電子が１個から２個に増加する。さらに、第２パルスＳＰの半値全幅に相当する期間又はパルス幅に相当する期間において、２個の種電子の各々が、バンドギャップＢＧ以上のエネルギーを吸収・放出することで、更に２個の電子ｅが伝導帯３４に増える。同様にして、第２パルスＳＰの半値全幅に相当する期間又はパルス幅に相当する期間において、伝導帯３４の電子ｅが指数関数的に増加する。
【００７２】
換言すれば、第１パルスＩＰによって生成された伝導帯３４の種電子が、第２パルスＳＰからバンドギャップＢＧ以上のエネルギーを吸収して加速され、被加工物ＴＡの原子に衝突し、原子内の電子ｅにバンドギャップＢＧ以上のエネルギーを与える。そして、原子内の電子ｅは、種電子からバンドギャップＢＧ以上のエネルギーを吸収し、伝導帯３４に励起されて、原子から分離する。つまり、衝突電離が発生する。さらに、原子に衝突した種電子だけでなく、原子から分離した電子ｅが種電子と同様に機能し、衝突電離が繰り返され、伝導帯３４の電子ｅが急激に増加する。
【００７３】
急激に増加した伝導帯３４の電子ｅが、伝導帯３４から価電子帯３２に遷移し、エネルギーを放出する。放出されたエネルギーによって、励起層ｚ（ｔ）の原子が飛散又は除去されて、励起層ｚ（ｔ）が加工される。つまり、実施形態１では、第１パルスＩＰで励起層ｚ（ｔ）を形成し、励起層ｚ（ｔ）が消滅する前に第２パルスＳＰを照射してアバランシェイオン化を誘起し、伝導帯３４の電子ｅを急激に増加させる。従って、比較的低い光子エネルギーＩＰＰ及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰと、比較的低い光子エネルギーＳＰＰ及び比較的低いフルエンスを有する第２パルスＳＰとを利用して、被加工物ＴＡを加工できる。
【００７４】
一方、励起層ｚ（ｔ）以外の領域では、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰが照射されないため、種電子が生成されず、更にアバランシェイオン化も誘起されない。その結果、励起層ｚ（ｔ）以外の領域の損傷が抑制される。つまり、実施形態１では、励起層ｚ（ｔ）だけが加工され、励起層ｚ（ｔ）以外の領域の加工が抑制されるため、ダメージレス加工を実現できる。
【００７５】
また、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとで役割分担を明確にしている。従って、シングルパルスＳＮＰによる加工処理のように励起と加工とが混在しつつ進行する場合と比較して、第１パルスＩＰによって形成された励起層ｚ（ｔ）の物性（例えば、光吸収率及び光反射率）が比較的安定する。そして、物性が安定した励起層ｚ（ｔ）に、第２パルスＳＰを照射して励起層ｚ（ｔ）を加工する。その結果、実施形態１では、再現性の良い加工が可能になる。
【００７６】
以上、図７を参照して説明したように、第１パルスＩＰによって励起層ｚ（ｔ）を形成することにより、被加工物ＴＡの加工閾値を低下させることができる。つまり、加工閾値を被加工閾値Ｆｄよりも小さい加工閾値Ｆｔｈにすることができる。その結果、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光（ダブルパルスビームＤＰ）によって、被加工物ＴＡを容易に加工できる。特に、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光（ダブルパルスビームＤＰ）を用いて、例えば、ワイドバンドギャップ半導体又は透明材料のような被加工物ＴＡを容易に加工できる。加えて、被加工物ＴＡに損傷を与えることを抑制できる。
【００７７】
さらに、第２パルスＳＰによってアバランシェイオン化を誘起して加工を実行するため、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光（ダブルパルスビームＤＰ）によって、被加工物ＴＡを更に容易に加工できる。特に、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光（ダブルパルスビームＤＰ）を用いて、例えば、ワイドバンドギャップ半導体又は透明材料のような被加工物ＴＡを更に容易に加工できる。加えて、被加工物ＴＡに損傷を与えることを抑制できる。
【００７８】
なお、第１パルスＩＰによって励起される電子系の励起は、非コヒーレントな励起である。一方、第１パルスＩＰによって励起される格子系の励起も、非コヒーレントな励起である。ただし、電子系の非コヒーレントな励起が格子系の非コヒーレントな励起よりも優勢である（図４（ａ））。
【００７９】
次に、図１を参照して、レーザー加工装置１の詳細について説明する。図１に示すように、レーザー加工装置１は、レーザー発振器３（レーザー発振手段）と、照射パルス生成部２（照射パルス生成手段）と、分光器１７と、光検出器１９と、ステージ２２と、制御部２４とを備える。ステージ２２には、被加工物ＴＡが設置される。
【００８０】
レーザー発振器３は、フェムト秒パルスレーザー光ＯＰ（以下、「オリジナルレーザー光ＯＰ」と記載する。）を生成及び出力する。オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスの半値全幅は、フェムト秒のオーダーである。なお、オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスの半値全幅が、ピコ秒のオーダーであってもよい。
【００８１】
照射パルス生成部２は、オリジナルレーザー光ＯＰ（レーザー光）に基づいて第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを生成する。照射パルス生成部２は、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰを照射して、被加工物ＴＡの表面に電子系の励起を誘起する。さらに、照射パルス生成部２は、電子系の励起によって形成された励起層ｚ（ｔ）が消滅する前に、励起層ｚ（ｔ）に第２パルスＳＰを照射して、励起層ｚ（ｔ）を加工する。
【００８２】
具体的には、照射パルス生成部２は、分割・合成部４と、反射部６と、遅延部９と、照射部８とを含む。分割・合成部４は、オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスを分割して、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを生成する。そして、分割・合成部４は、第１パルスＩＰを反射部６に出力し、第２パルスＳＰを遅延部９に出力する。反射部６は、第１パルスＩＰを反射して、分割・合成部４に出力する。一方、遅延部９は、第２パルスＳＰを第１パルスＩＰに対して遅延時間τだけ遅延させて、分割・合成部４に出力する。分割・合成部４は、第１パルスＩＰと遅延時間τを有する第２パルスＳＰとを、ダブルパルスビームＤＰとして、照射部８に出力する。照射部８は、ダブルパルスビームＤＰを集光して、被加工物ＴＡの表面に照射する。
【００８３】
分光器１７は、分光器１７に入射した光のスペクトル波形を計測し、スペクトル波形を示す波形信号を制御部２４に出力する。例えば、分光器１７は、オリジナルレーザー光ＯＰのスペクトル波形を計測したり、第１パルスＩＰ単体のスペクトル波形を計測したり、第２パルス単体のスペクトル波形を計測したり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形を計測したりする。干渉スペクトル波形とは、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとが干渉することによって形成されたスペクトル波形を示す。
【００８４】
光検出器１９は、光検出器１９に入射した光の強度を検出し、光の強度（光強度）を示す強度信号を制御部２４に出力する。例えば、光検出器１９は、オリジナルレーザー光ＯＰ、第１パルスＩＰ、又は第２パルスＳＰの強度を検出し、強度を示す強度信号を制御部２４に出力する。光検出器１９は、例えば、フォトディテクターである。フォトディテクターは、例えば、フォトダイオードである。
【００８５】
制御部２４は、例えば、パーソナルコンピューターである。制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を決定する。時間原点は、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τが実質的にゼロになる時間を示す。そして、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τを制御する。
【００８６】
制御部２４は、光の強度（光強度）を示す強度信号に基づいて光のビームプロファイル（例えば、フルエンス分布）を作成する。例えば、制御部２４は、強度信号に基づいて、オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルス、第１パルスＩＰ、又は第２パルスＳＰのビームプロファイルを作成する。
【００８７】
次に、図１及び図８を参照して、レーザー加工装置１が実行するレーザー加工方法について説明する。レーザー加工方法では、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを含むダブルパルスビームＤＰ（レーザー光）を被加工物ＴＡに照射して被加工物ＴＡを加工する。図８は、実施形態１に係るレーザー加工方法を示すフローチャートである。図８に示すように、レーザー加工方法は、原点決定工程Ｓ１と、遅延制御工程Ｓ３と、励起工程Ｓ５と、加工工程Ｓ７とを含む。
【００８８】
原点決定工程Ｓ１において、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を決定する。
【００８９】
例えば、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形と、スペクトル和Ｗ１２との差を算出し、差に基づいて時間原点を決定する。スペクトル和Ｗ１２は、第１パルスＩＰ単体のスペクトル波形と第２パルスＳＰ単体のスペクトル波形との和を示す。つまり、スペクトル和Ｗ１２は、遅延時間τがゼロのときのダブルパルスビームＤＰのスペクトル波形に相当する。従って、「差」を「残差」と記載する場合がある。
【００９０】
例えば、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形がスペクトル和Ｗ１２に相当する波形を示したときに、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの光路差ΔＬがゼロであると判定して、時間原点を決定する。
【００９１】
遅延制御工程Ｓ３において、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、遅延時間τを制御する。つまり、制御部２４は、遅延時間τを所望の値に設定する。例えば、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形の実測値と、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形の理論値とに基づいて、遅延時間τを制御する。
【００９２】
励起工程Ｓ５において、照射パルス生成部２は、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰを照射して、被加工物ＴＡの表面に電子系の励起を誘起する。具体的には、励起工程Ｓ５では、照射パルス生成部２は、価電子帯３２の電子ｅに第１パルスＩＰを照射して、電子ｅを価電子帯３２から伝導帯３４へ励起し、電子ｅの励起によって励起層ｚ（ｔ）を形成する。
【００９３】
加工工程Ｓ７において、照射パルス生成部２は、電子系の励起によって形成された励起層ｚ（ｔ）が消滅する前に、励起層ｚ（ｔ）に第２パルスＳＰを照射して、励起層ｚ（ｔ）を加工する。具体的には、加工工程Ｓ７では、照射パルス生成部２は、伝導帯３４に励起された電子ｅに第２パルスＳＰを照射してアバランシェイオン化を誘起し、アバランシェイオン化によって伝導帯３４の電子ｅを第２パルスＳＰの照射前よりも増加して、励起層ｚ（ｔ）を加工する。
【００９４】
なお、本発明の一実施形態に係る加工物の製造方法は、実施形態１に係るレーザー加工方法を実行することによって、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを含むダブルパルスビームＤＰ（レーザー光）を被加工物ＴＡに照射して被加工物ＴＡを加工し、被加工物ＴＡから加工物を製造する。
【００９５】
以上、図１〜図８を参照して説明したように、実施形態１によれば、第１パルスＩＰによって励起層ｚ（ｔ）を形成し、励起層ｚ（ｔ）の消滅前に励起層ｚ（ｔ）に第２パルスＳＰを照射する。その結果、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光（ダブルパルスビームＤＰ）によって被加工物ＴＡを加工できる。
【００９６】
（実施形態２）
図１及び図９を参照して、本発明の実施形態２に係るレーザー加工装置１について説明する。実施形態２は、図１に示す実施形態１に係る照射パルス生成部２の第１例を示す。実施形態１と同様に、実施形態２に係るレーザー加工装置１は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを生成する。第２パルスＳＰは、第１パルスＩＰに対して遅延している。
【００９７】
図９は、実施形態２に係るレーザー加工装置１を示す図である。図９に示すように、レーザー加工装置１は、レーザー発振器３（レーザー発振手段）と、照射パルス生成部２（照射パルス生成手段）と、分光器１７と、光検出器１９と、ステージ２２と、制御部２４とを備える。ステージ２２には、被加工物ＴＡが設置される。照射パルス生成部２は、分割・合成部４と、反射部６と、遅延部９と、照射部８とを含む。
【００９８】
分割・合成部４は、１／２波長板５、ミラーＭ１、及び偏光ビームスプリッターＰＢＳ、及び１／４波長板７を含む。反射部６は、ミラーＭ２及びミラーＭ３を含む。照射部８は、１／４波長板１３、ビームスプリッターＢＳ１、ビームスプリッターＢＳ２、偏光子１５、及びレンズＬ１を含む。遅延部９は、ミラーＭ４、ミラーＭ５、１／４波長板１１、及びステージ（不図示）を含む。
【００９９】
レーザー発振器３は、オリジナルレーザー光ＯＰを生成及び出力する。
【０１００】
オリジナルレーザー光ＯＰは、強度比調整用の１／２波長板５を通過し、ミラーＭ１に反射されて、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。その結果、オリジナルレーザー光ＯＰは、偏光ビームスプリッターＰＢＳによって、励起用の第１パルスＩＰと加工用の第２パルスＳＰとの２つの光路に分岐される。
【０１０１】
具体的には、偏光ビームスプリッターＰＢＳは、オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスを第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとに分割する。そして、偏光ビームスプリッターＰＢＳは、第２パルスＳＰを遅延部９に向けて反射するとともに、第１パルスＩＰを反射部６に向けて透過する。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの各々の強度は、１／２波長板５の回転角度に応じて変化する。つまり、１／２波長板５は、回転することによって、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの各々の強度を調整する。例えば、１／２波長板５の回転角度は、第１パルスＩＰの強度と第２パルスＳＰの強度との比が、１：１になるように設定される。なお、１／２波長板とは、直交する２つ偏光成分の間に１／２波長に対応する位相差（つまり、１８０°）を発生させる光学素子のことである。
【０１０２】
第１パルスＩＰは、１／４波長板７を通過し、ミラーＭ２及びミラーＭ３によって折り返され、再び１／４波長板７を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。なお、１／４波長板とは、直交する２つの偏光成分の間に１／４波長に対応する位相差（つまり、９０°）を発生させる光学素子のことである。
【０１０３】
一方、第２パルスＳＰは、遅延部９によって遅延されて、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。具体的には、第２パルスＳＰは、１／４波長板１１を通過し、ミラーＭ４及びミラーＭ５によって折り返され、再び１／４波長板１１を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。第２パルスＳＰが偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射するとき、第２パルスＳＰの光路は、第１パルスＩＰの光路に対して、光路差ΔＬを有する。従って、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの間には遅延時間τが発生する。遅延時間τは、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間を示す。つまり、第２パルスＳＰは、第１パルスＩＰに対して、遅延時間τだけ、遅延している。換言すれば、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔は、τである。遅延時間τは、ΔＬ／ｃによって表される。「ｃ」は光速を示す。
【０１０４】
ミラーＭ４及びミラーＭ５は、パルス時間遅延ミラー２１を構成する。ステージが、パルス時間遅延ミラー２１を方向Ｄ１に移動することによって、遅延時間τを変更する。換言すれば、ステージが、パルス時間遅延ミラー２１を方向Ｄ１に移動することによって、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの光路差ΔＬを変更する。方向Ｄ１は、第１パルスＩＰがミラーＭ２に向かう方向に直交する。つまり、方向Ｄ１は、第２パルスＳＰがミラーＭ４に向かう方向に平行である。
【０１０５】
第１パルスＩＰと、遅延した第２パルスＳＰとは、偏光ビームスプリッターＰＢＳ上で再び重ねられ、ダブルパルスビームＤＰとして出射される。具体的には、偏光ビームスプリッターＰＢＳは、遅延時間τが実質的に０より大きい場合、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとが空間的に一直線上に配置されるように、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを合成し、ダブルパルスビームＤＰを生成する。
【０１０６】
ダブルパルスビームＤＰは、例えば、第１パルスＩＰと、遅延時間τがゼロ秒より大きく１ナノ秒以下の第２パルスＳＰとを含む。換言すれば、ダブルパルスビームＤＰは、ゼロ秒より大きく１ナノ秒以下の時間間隔τを有する第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを含む。
【０１０７】
ダブルパルスビームＤＰに含まれる第１パルスＩＰの偏光面と第２パルスＳＰの偏光面とは、ビームスプリッターＢＳ１の前の１／４波長板１３で円偏光となり、レンズＬ１の前の偏光子１５によって偏光方向が決定される。その後、ダブルパルスビームＤＰは、レンズＬ１で集光され、ターゲットである被加工物ＴＡに照射される。レンズＬ１は、例えば、集光レンズである。
【０１０８】
また、ダブルパルスビームＤＰは、ビームスプリッターＢＳ１によって分岐され、分光器１７に入力される。分光器１７は、分光器１７に入射した光のスペクトル波形を計測し、スペクトル波形を示す波形信号を制御部２４に出力する。
【０１０９】
さらに、ダブルパルスビームＤＰは、ビームスプリッターＢＳ２によって分岐され、光検出器１９に入力される。光検出器１９は、光検出器１９に入射した光の強度（光強度）を検出し、光の強度を示す強度信号を制御部２４に出力する。
【０１１０】
パルス時間遅延ミラー２１の移動により与えられる遅延時間τは、分光器１７に、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを同時に重ねて入射して得られる干渉スペクトル波形を計測及び解析することで計測できる。「同時に」とは分光器１７の「露光時間以内に」ということを示す。具体的には、第１パルスＩＰが分光器１７に入射した後、分光器１７の露光時間以内に、第２パルスＳＰが分光器１７に入射すると、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとが干渉する。その結果、分光器１７が干渉スペクトル波形を検出する。そして、レーザー加工装置１は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を決定するとともに、遅延時間τを制御する。
【０１１１】
例えば、励起用の第１パルスＩＰに対する加工用の第２パルスＳＰの遅延時間τが加工パラメータとなる。
【０１１２】
引き続き図９を参照して、遅延時間τの計測方法について説明する。レーザー発振器３の周波数−電界振幅スペクトルに対応する数列Ａｋを用いて、第１パルスＩＰの電界を式（１）に示し、第２パルスＳＰの電界を式（２）に示す。
【０１１３】
ただし、レーザー発振器３が発信するオリジナルレーザー光ＯＰのスペクトル幅をΔλとしたとき、Δλを２ｎで分割し、そのスペクトルの中心から波長が長くなる方向に変化幅Δλ／２ｎで増加する数列をλk、短くなる方向に減少する数列をλ-kと定め、オリジナルレーザー光ＯＰの波長がλkとなる時の、光波のその周波数における振幅を表す数列をＡｋと定める。また、ｔは時間、φは初期位相、δは、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの光路差を示す。ｎは、１以上の整数を示す。
【０１１４】
【数１】
2017060991.tif 000003
【０１１５】
【数２】
2017060991.tif 000004
【０１１６】
オリジナルレーザー光ＯＰの周波数強度プロファイルがガウス分布となる時、数列Ａkは、ｋ＝０を中心として対称、かつ、その振幅のＡ0に対する比を示す関数Ｂ（ｋ）（Ｂ（ｎ）＝Ａk／Ａ0）はｋを変数とする標準正規分布で表現できる。この時、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとのスペクトル干渉の時間平均値Ｉ、つまり、干渉スペクトル波形は、式（３）によって表される。式（３）において、「＊」は複素共役、「＜＞」は、時間平均を示す。
【０１１７】
【数３】
2017060991.tif 000005
【０１１８】
式（１）〜式（３）において、δで定められる光路差は、遅延時間τを決めるパラメータである。そして、δ＝０となる時間原点を精度良く決めることにより、遅延時間τを精度良く計測及び制御できる。δ＝０であることは、遅延時間τがゼロであることに対応する。
【０１１９】
実施形態２では、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、遅延時間τが実質的にゼロになる時間原点を決定する。なお、作業者が、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、遅延時間τが実質的にゼロになる時間原点を決定してもよい。
【０１２０】
次に、図１０を参照して、時間原点の決定方法について説明する。図１０（ａ）は、遅延時間τが２００ｆｓの第２パルスＳＰと第１パルスＩＰとの干渉スペクトル波形を示す。図１０（ｂ）は、遅延時間τが４００ｆｓの第２パルスＳＰと第１パルスＩＰとの干渉スペクトル波形を示す。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）では、横軸は波長を示し、縦軸は光強度（任意単位）を示す。
【０１２１】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形と、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとのスペクトル和Ｗ１２との残差を、波長ごとに積算し、積算値が最小となる点を時間原点と定める。その結果、高い精度で時間原点を定めることができる。
【０１２２】
実施形態２では、高い精度で時間原点を定め、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔（つまり、遅延時間）τを、δとτとの関係を取得して算出することで、例えば、２０ｆｓ以内の誤差で、０ｆｓ以上１ｎｓ以下の範囲で遅延時間τの制御を実現できる。例えば、１００ｆｓ単位での遅延時間τの制御を実現できる。
【０１２３】
以上、図１及び図９を参照して説明した実施形態２によれば、実施形態１と同様に、第１パルスＩＰを被加工物ＴＡの表面に照射して、被加工物ＴＡの表面に、電子系の表面励起と、格子系の表面励起（例えば、非コヒーレントな格子系の表面励起）とを誘起している。そして、少なくとも電子系の表面励起が消滅する前に、第２パルスＳＰを被加工物ＴＡの表面に照射している。その結果、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。実施形態２では、電子系の表面励起は、格子系の表面励起よりも優勢である。従って、被加工物ＴＡは、主に、電子系の表面励起に起因する加工形態で加工される。その他、実施形態２では、実施形態１と同様の効果を有する。
【０１２４】
＜ダブルパルス表面励起による基本加工現象評価＞
実施形態２では、被加工物ＴＡへの第１パルスＩＰの照射後に、０秒より大きく１ナノ秒以下の間隔τで時間的に近接した第２パルスＳＰを被加工物ＴＡに照射する。つまり、第１パルスＩＰによる過渡的な表面励起の効果が失われる前に、第２パルスＳＰを被加工物ＴＡに照射し、被加工物ＴＡの励起表面を加工する。
【０１２５】
以下、フェムト秒レーザーによる表面励加工に関する基本現象の確認のため、ダブルパルスビームＤＰを用いた表面励起加工基礎実験を行い、Ｓｉ表面の加工閾値に関する実験的な検証を行った結果について説明する。
【０１２６】
実施形態２の実施例では、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τを４００ｆｓとしたダブルパルスビームＤＰによる加工を実施した。比較例１として、フェムトシングルパルスＳＮＰを１回照射したビームによる加工を実施した。比較例２として、１００ｍｓ間隔でフェムトシングルパルスＳＮＰを２回照射したビームによる加工を実施した。そして、被加工物ＴＡの表面の加工状態と加工エネルギーの閾値とを調べた。
【０１２７】
パルス間の時間間隔が１００ｍｓの場合、最初のフェムトシングルパルスＳＮＰによる過渡的な励起現象は次のフェムトシングルパルスＳＮＰが照射されるまでに緩和され、加工に影響を及ぼさないため、１００ｍｓ間隔でフェムトシングルパルスＳＮＰを２度照射した場合の加工結果（比較例２）と４００ｆｓの時間間隔τを有するダブルパルスビームＤＰによるレーザー加工の結果（実施例）とを比較することで、ダブルパルスビームＤＰによる表面励起の影響を実験的に検証できた。
【０１２８】
実験条件として、レーザー発振器３として、波長７９５ｎｍ、半値全幅８０ｆｓ、繰り返し周波数１０ＨｚのＴｉ−Ｓａｐｈｉｒｅレーザーを使用した。１パルスあたりのパルスエネルギーは、設定値で、２．５ｎＪ、フルエンスは２２０ｍＪ／ｃｍ2とした。また、被加工物ＴＡはＳｉ単結晶を用いた。
【０１２９】
以下、図１１及び図１２を参照して、比較例１、比較例２、及び実施例について説明する。図１１は、比較例１としてのシングルパルスＳＮＰの１ショットによる加工結果を示す図である。比較例１では、上記の条件で、フェムトシングルパルスＳＮＰを１ショット照射してシリコン表面に加工を行った。図１１に示すように、レーザーの照射エネルギー値の変化に対応して、中央付近の高い領域Ｉ、領域Ｉの周辺の低い領域ＩＩ、さらに領域ＩＩの外側の平坦な領域ＩＩＩという３つの特徴有る加工領域が現れた。領域Ｉ及び領域ＩＩはアブレーション領域Ａ１１を示し、領域ＩＩＩはアニーリング領域Ａ１２を示した。なお、Ｓｉをフェムト秒レーザーで加工した際の、照射エネルギー密度の変化に応じた加工形態の変化については、ある研究者によって、照射ビームのエネルギー密度に対応して、特徴の異なる加工形態が現れることが確認されている。
【０１３０】
図１２（ａ）は、比較例２としてのフェムトシングルパルスＳＮＰの２ショットによる加工結果を示す図である。比較例２では、Ｓｉ表面に、１００ｍｓ間隔で２回フェムトシングルパルスＳＮＰを照射した。図１２（ｂ）は、本発明の実施例に係るダブルパルスビームＤＰによる加工結果を示す図である。
【０１３１】
図１１及び図１２（ａ）に示すように、フェムトシングルパルスＳＮＰを１回照射した結果と２回照射した結果を比較すると、１ショットの加工結果と比較して、２ショットの加工では、領域ＩＩが拡大するとともに領域ＩＩＩが拡大し、更に、領域ＩＩと領域ＩＩＩとの割合が変化した。
【０１３２】
上記の結果から、この条件で加工をする場合、二度目のフェムトシングルパルスＳＮＰ照射時には、すでに加工の影響が存在する領域にフェムトシングルパルスＳＮＰを重ねて照射することとなることから、二度目のフェムトシングルパルスＳＮＰ照射においては、加工閾値等が変化すると考えられた。
【０１３３】
また、フェムトシングルパルスＳＮＰを１００ｍｓ間隔で２回照射する場合（図１２（ａ））と時間間隔４００ｆｓのダブルパルスビームＤＰの照射を行った場合の加工結果（図１２（ｂ））とを比較した。まず、加工条件について説明する。フェムトシングルパルスＳＮＰの照射においてその１ショットあたりのパルスエネルギーは測定値で２．６ｎＪであった。従って、２ショットでは５．２ｎＪであった。一方、ダブルパルスビームＤＰの照射において、照射エネルギーの総計は４．５ｎＪであり、ダブルパルスビームＤＰ照射のエネルギーは、フェムトシングルパルスＳＮＰの２回照射に比較して１０％程度低いエネルギー照射が行われた。
【０１３４】
上述の実験条件をふまえて、２つの加工結果を比較すると、ダブルパルスビームＤＰ照射を行う場合、加工エネルギーがフェムトシングルパルスＳＮＰの２回照射の場合の９０％の条件において、領域ＩＩの拡大（面積比＋３７％）と領域ＩＩＩの拡大（＋２４％）とが確認された。本実験で照射したビームの強度プロファイルは、ガウス分布で近似できることから、加工領域の拡大は、加工エネルギー値がより低い領域において表面加工が行われていることを意味し、ダブルパルスビームＤＰの照射を行う場合、加工閾値が低減される効果が実験によって確認された。
【０１３５】
本実験において、照射ビームのエネルギー分布と加工領域とを対応させて被加工閾値Ｆｄ及び加工閾値Ｆｔｈを算出した。領域ＩＩＩにおいて、フェムトシングルパルスＳＮＰの１回照射（図１１）においては、被加工閾値Ｆｄ（具体的には第２被加工閾値Ｆｄ２）が４４０ｍＪ／ｃｍ2であり、フェムトシングルパルスＳＮＰの２回照射（図１２（ａ））時には、被加工閾値Ｆｄ（具体的には第２被加工閾値Ｆｄ２）が３４１ｍＪ／ｃｍ2であり、ダブルパルスビームＤＰ照射（図１２（ｂ））時には、加工閾値Ｆｔｈ（具体的には第２加工閾値Ｆｔ２）が２７５ｍＪ／ｃｍ2であった。ダブルパルスビームＤＰに基づく加工閾値Ｆｔｈが、フェムトシングルパルスＳＮＰの１回照射に基づく被加工閾値Ｆｄ及び２回照射に基づく被加工閾値Ｆｄの各々と比較して、大幅に低下した。
【０１３６】
フェムトシングルパルスＳＮＰの１回照射と２回照射とで、被加工閾値Ｆｄが変化しているのは、最初のフェムトシングルパルスＳＮＰ照射後にＳｉ表面が改質されているためである。また、図１２（ｂ）において、中央にみられる加工穴の中央がもりあがる加工形態については、ダブルパルスビームＤＰの照射時に特に強く表れており、電界強度の高い領域では、低い領域に比べて表面励起によるエネルギー吸収率の上昇効果が高いことが見込まれた。
【０１３７】
これらの実験によって確認された、ダブルパルスビームＤＰを時間間隔４００ｆｓ（１ｐｓ以下）で照射した場合（実施例）の基本的な加工現象では、時間間隔１００ｍｓでフェムトシングルパルスＳＮＰを２回照射する場合（比較例２）と比較して、加工閾値が大幅に低下し、ダブルパルスビームＤＰ照射による表面励起が起こっていることが実験的に確認された。
【０１３８】
以上、実施形態２の実施例によれば、ダブルパルスビームＤＰを用いた表面励起加工実験において、フェムト秒レーザーによる表面励起の基本現象を確認したところ、Ｓｉ表面にダブルパルスビームＤＰによる加工を行うことで、表面加工の閾値が、フェムトシングルパルスＳＮＰを２回照射する場合（比較例２）と比較して２４％低減されることを確認した。
【０１３９】
（実施形態３）
図１及び図１３を参照して、本発明の実施形態３に係るレーザー加工装置１について説明する。実施形態３は、図１に示す実施形態１に係る照射パルス生成部２の第２例を示す。また、実施形態３と実施形態２との共通点については適宜説明を省略する。実施形態１と同様に、実施形態３に係るレーザー加工装置１は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを生成する。第２パルスＳＰは、第１パルスＩＰに対して遅延している。
【０１４０】
実施形態３では、ダブルパルスビームＤＰに含まれる第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τをフェムト秒オーダー又はピコ秒オーダーの時間分解能で制御する。
【０１４１】
具体的には、フェムト秒レーザーをパワー半導体ウェハ基板の表面加工に応用する。実施形態３では、第１パルスＩＰで被加工物ＴＡの表面の電子及び格子を励起状態に遷移させ、被加工物ＴＡの表面をゼロ秒より長い時間から１ナノ秒程度までの時間間隔τで照射される第２パルスＳＰで励起し、被加工物ＴＡを加工する。この時に、ダブルパルスビームＤＰが照射されるタイミングで発生している表面励起現象に対して、加工量との因果関係を説明するとともに、パワー半導体ウェハ材料の表面加工特性を改善するために利用できる表面励起現象ついて説明し、更に、ダブルパルスビームＤＰによる表面励起加工技術について説明する。
【０１４２】
図１３は、実施形態３に係るレーザー加工装置１を示す図である。図１３に示すように、レーザー加工装置１は、レーザー発振器３（レーザー発振手段）と、照射パルス生成部２（照射パルス生成手段）と、分光器１７と、光検出器１９と、ステージ２２と、制御部２４とを備える。ステージ２２には、被加工物ＴＡが設置される。照射パルス生成部２は、分割・合成部４と、反射部６と、遅延部９と、照射部８とを含む。
【０１４３】
分割・合成部４は、ミラーＭ１、光強度調整機構３０、偏光ビームスプリッターＰＢＳ、及び１／４波長板７を含む。光強度調整機構３０は、１／２波長板３１及び偏光子Ｐ１を含む。反射部６は、ミラーＭ２及びミラーＭ３を含む。照射部８は、ビームスプリッターＢＳ１、ビームスプリッターＢＳ２、偏光子Ｐ２、ビームプロファイル整形器３３、１／２波長板３５、及びレンズＬ１を含む。遅延部９は、ミラーＭ４、ミラーＭ５、１／４波長板１１、及びステージ（不図示）を含む。
【０１４４】
レーザー発振器３は、オリジナルレーザー光ＯＰを生成及び出力する。レーザー発振器３は、例えば、チタンサファイアレーザー（中心波長７８０ｎｍ、半値全幅８０ｆｓ、繰り返し周波数１０Ｈｚ）である。レーザー発振器３から出射したオリジナルレーザー光ＯＰは、光強度調整機構３０によって、光の強度が調整されて、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。偏光子Ｐ１は、偏光ビームスプリッターＰＢＳに対して入射するオリジナルレーザー光ＯＰの偏光方向を定め、励起用の第１パルスＩＰと加工用の第２パルスＳＰとの振幅分割比が１：１になるように調整する。
【０１４５】
オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスは、偏光ビームスプリッターＰＢＳによって、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの２つの光路に分岐される。
【０１４６】
第１パルスＩＰは、１／４波長板７を通過し、ミラーＭ２及びミラーＭ３によって折り返され、再び１／４波長板７を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。
【０１４７】
一方、第２パルスＳＰは、遅延部９によって遅延されて、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。具体的には、第２パルスＳＰは、１／４波長板１１を通過し、ミラーＭ４及びミラーＭ５によって折り返され、再び１／４波長板１１を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳに入射する。このとき第２パルスＳＰの光路は、第１パルスＩＰの光路に対して、光路差ΔＬを有する。従って、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの間には遅延時間τが発生する。換言すれば、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔は、τである。遅延時間τは、ΔＬ／ｃによって表される。「ｃ」は光速を示す。
【０１４８】
ミラーＭ４及びミラーＭ５は、パルス時間遅延ミラー２１を構成する。ステージが、パルス時間遅延ミラー２１を方向Ｄ１に移動することによって、遅延時間τを変更する。換言すれば、ステージが、パルス時間遅延ミラー２１を方向Ｄ１に移動することによって、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの光路差ΔＬを変更する。
【０１４９】
第１パルスＩＰと、遅延した第２パルスＳＰとは、偏光ビームスプリッターＰＢＳ上で再び重ねられ、ダブルパルスビームＤＰとして出射される。
【０１５０】
第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの照射タイミングは、ステージによって移動可能なパルス時間遅延ミラー２１の位置によって調整できる。第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τは、ビームスプリッターＢＳ１を用いて、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを含む遅延時間計測用のダブルパルスビームＤＰを分岐させて計測する。ダブルパルスビームＤＰにおける第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τは、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを分光器１７に同時に重ねて入射させ、得られる干渉スペクトル波形を計測することで確認できる。つまり、レーザー加工装置１は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、遅延時間τを制御する。
【０１５１】
また、ビームスプリッターＢＳ１を透過した加工用のダブルパルスビームＤＰは、偏光子Ｐ２によって、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの振幅比が調整され、光強度調整機構３０に入射する。光強度調整機構３０は、例えば、光強度プロファイル整形レンズである。そして、ダブルパルスビームＤＰは、光強度調整機構３０によって、その光強度分布が一様になるように調整される。その後、ダブルパルスビームＤＰは、１／２波長板３５によって被加工物ＴＡ入射時の偏光方向が調整された後、レンズＬ１によって被加工物ＴＡ上に集光され、集光ビームによる被加工物ＴＡの表面加工が実行される。
【０１５２】
＜ダブルパルスビームＤＰの照射タイミング＞
上述の式（３）に基づく理想的な干渉スペクトル波形は、光路差δ＝０の時に、オリジナルレーザー光ＯＰのスペクトル波形に従って、ガウス分布となり、δの値に伴って変化することから、理想的な干渉スペクトル波形とδとの関係を用いて、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形の実測値から第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τを求めることができる。
【０１５３】
図１４〜図１６を参照して、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの遅延時間τが０となる時間原点の求め方、および、遅延時間τの算出方法について説明する。図１４（ａ）は、実施形態３に係る第１パルスＩＰ単体のスペクトル波形Ｗ１と第２パルスＳＰ単体のスペクトル波形Ｗ２とスペクトル和Ｗ１２とを示す図である。図１４（ｂ）は、実施形態３に係るスペクトル和Ｗ１２と干渉スペクトル波形ＷＲとを示す図である。
【０１５４】
第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの波長分解スペクトルは、ガウス分布と完全に一致することはない。そこで、時間原点を定めるために、図１４（ａ）に示すように、分光器１７は、第１パルスＩＰのスペクトル波形Ｗ１と第２パルスＳＰのスペクトル波形Ｗ２とをそれぞれ個別に計測する。スペクトル波形は、分光スペクトルの波形を示す。具体的には、第２パルスＳＰを遮断して、分光器１７は、第１パルスＩＰのスペクトル波形Ｗ１を計測する。また、第１パルスＩＰを遮断して、分光器１７は、第２パルスＳＰのスペクトル波形Ｗ２を計測する。そして、制御部２４は、スペクトル波形Ｗ１とスペクトル波形Ｗ２との和、つまり、スペクトル和Ｗ１２を算出する。
【０１５５】
次に、図１４（ｂ）に示すように、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形ＷＲと、スペクトル和Ｗ１２との残差ΔＩを波長ごとに求める。干渉スペクトル波形ＷＲは、分光器１７によって計測される。そして、制御部２４は、分光器１７の計測範囲内の全ての波長に対する残差ΔＩの合計を計算する。実施形態３では、制御部２４は、全ての波長に対する残差ΔＩの平方（２乗）の和（つまり、残差平方和）を計算する。
【０１５６】
パルス時間遅延ミラー２１は、ステージによって方向Ｄ１に沿って移動され、光路差ΔＬが変更される。従って、分光器１７は、パルス時間遅延ミラー２１の異なる位置ごとに、干渉スペクトル波形ＷＲを計測する。そして、制御部２４は、残差平方和を、パルス時間遅延ミラー２１の異なる位置ごとに計算する。さらに、制御部２４は、パルス時間遅延ミラー２１の位置と残差平方和との関係を示すグラフＧを生成する。
【０１５７】
図１５は、パルス時間遅延ミラー２１の位置と残差平方和との関係を示すグラフＧである。図１５では、横軸はパルス時間遅延ミラー２１の位置を示し、縦軸は残差平方和を示す。図１５に示すように、制御部２４は、グラフＧに基づいて、つまり、残差平方和とパルス時間遅延ミラー２１の位置との関係に基づいて、時間原点を定める。
【０１５８】
例えば、制御部２４は、グラフＧにおいて、残差平方和の振れ幅が所定値より小さい範囲Ｒの中点ＭＰに、パルス時間遅延ミラー２１が位置するとき、第１パルスＩＰが被加工物ＴＡに照射される時点を、時間原点に定める。つまり、制御部２４は、範囲Ｒの中点ＭＰにパルス時間遅延ミラー２１が位置するとき、パルス時間遅延ミラー２１の位置を、時間原点に対応する基準点に設定する。時間原点では、光路差ΔＬ及び遅延時間τは、実質的にゼロである。
また、例えば、制御部２４は、グラフＧにおいて、最も小さい残差平方和に対応する位置に、パルス時間遅延ミラー２１が位置するとき、第１パルスＩＰが被加工物ＴＡに照射される時点を、時間原点に定めることもできる。つまり、制御部２４は、残差平方和が最小になるときのパルス時間遅延ミラー２１の位置を、時間原点に対応する基準点に設定することもできる。
さらに、例えば、制御部２４は、グラフＧにおいて、比較的小さい残差平方和に対応する位置に、パルス時間遅延ミラー２１が位置するとき、第１パルスＩＰが被加工物ＴＡに照射される時点を、時間原点に定めることもできる。つまり、制御部２４は、残差平方和が比較的小さくなるときのパルス時間遅延ミラー２１の位置を、時間原点に対応する基準点に設定することもできる。
なお、グラフＧに基づいて時間原点を定める方法は、これらに限定されない。また、作業者が、グラフＧに基づいて時間原点を定めてもよい。さらに、制御部２４又は作業者は、残差平方和とパルス時間遅延ミラー２１の位置との関係に基づいて時間原点を定める場合と同様にして、残差ΔＩの合計とパルス時間遅延ミラー２１の位置との関係に基づいて、時間原点を定めてもよい。
【０１５９】
以上、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、遅延時間τが実質的にゼロになる時間原点を決定する。
【０１６０】
さらに、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの間の遅延時間τを測定するには、まず、グラフＧに基づいて定めた時間原点を規定するパルス時間遅延ミラー２１の位置（例えば、中点ＭＰに対応する位置）を基準点に設定する。そして、基準点からのパルス時間遅延ミラー２１の移動量をｄとし、一連の移動量ｄに対する干渉スペクトル波形を分光器１７によって計測する。干渉スペクトル波形は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形を示す。
【０１６１】
すなわち、分光器１７は、移動量ｄに応じて第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの光路差ΔＬが変化した場合の干渉スペクトル波形、つまり、移動量ｄに応じて遅延時間τが変化した場合の干渉スペクトル波形を計測する。光路差ΔＬは、移動量ｄの２倍である（ΔＬ＝２ｄ）。
【０１６２】
図１６（ａ）は、遅延時間τが０ｓの場合の干渉スペクトル波形を示す。図１６（ｂ）は、遅延時間τが１１０ｆｓの場合の干渉スペクトル波形を示す。図１６（ｃ）は、遅延時間τが２２０ｆｓの場合の干渉スペクトル波形を示す。図１６（ｄ）は、遅延時間τが８８０ｆｓの場合の干渉スペクトル波形を示す。図１６（ａ）〜図１６（ｄ）では、横軸は波長を示し、縦軸は光強度（任意単位）を示す。
【０１６３】
制御部２４は、計測された干渉スペクトル波形（以下、「計測干渉スペクトル波形」と記載する場合がある。）を、式（３）で算出される干渉スペクトル波形（以下、「算出干渉スペクトル波形」と記載する場合がある。）と比較し、複数の算出干渉スペクトル波形のうち、計測干渉スペクトル波形と同じ特徴を有する算出干渉スペクトル波形を選択する。特徴としては、例えば、干渉スペクトル波形のピーク数、ピークの高さの比、ピークの位置、及び／又はピークの間隔が挙げられる。なお、制御部２４が、式（３）に基づいて、複数の算出干渉スペクトル波形を算出する。
【０１６４】
そして、制御部２４は、選択した算出干渉スペクトル波形に基づいて、光路差ΔＬの校正を実行する。具体的には、計測干渉スペクトル波形を計測したときの移動量ｄから算出した光路差ΔＬを、選択した算出干渉スペクトル波形を算出したときの光路差δに校正する。その後、制御部２４は、校正後の光路差ΔＬ、つまり、光路差δから、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの遅延時間τを算出する。なお、作業者が、制御部２４と同様にして、光路差ΔＬを校正して、遅延時間τを算出してもよい。
【０１６５】
なお、次のようにして、時間原点を定めてもよい。すなわち、パルス時間遅延ミラー２１の位置を変更しながら、分光器１７は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形を計測する。そして、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形がスペクトル和Ｗ１２（図１４）に相当する波形を示したときに、つまり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとが干渉していないことが観測されたときに、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの光路差ΔＬがゼロであると判定して、時間原点を決定する。換言すれば、制御部２４は、スペクトル和Ｗ１２に相当する波形を示す干渉スペクトル波形が計測されたときに、第１パルスＩＰが被加工物ＴＡに照射される時点を、時間原点に定める。更に換言すれば、制御部２４は、スペクトル和Ｗ１２に相当する波形を示す干渉スペクトル波形が計測されたときのパルス時間遅延ミラー２１の位置を、時間原点に対応する基準点に設定する。なお、作業者が、制御部２４と同様にして、時間原点を定めてもよい。
【０１６６】
以上、実施形態３では、ダブルパルスビームＤＰの遅延時間τをフェムト秒オーダーの時間分解能で制御している。従って、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。
【０１６７】
また、実施形態３によれば、第１パルスＩＰを被加工物ＴＡの表面に照射して、被加工物ＴＡの表面に、電子系の表面励起と、格子系の表面励起（例えば、非コヒーレントな格子系の表面励起）とを誘起している。そして、少なくとも電子系の表面励起が消滅する前に、第２パルスＳＰを被加工物ＴＡの表面に照射している。その結果、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。実施形態３では、電子系の表面励起は、格子系の表面励起よりも優勢である。従って、被加工物ＴＡは、主に、電子系の表面励起に起因する加工形態で加工される。その他、実施形態３では、実施形態１と同様の効果を有する。
【０１６８】
さらに、実施形態３によれば、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を定め、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τを制御する。従って、電子系の励起現象の時間応答を精密に制御できる。また、格子系の励起現象の時間応答を精密に制御することもできる。
【０１６９】
（実施形態４）
図１３及び図１７〜図２０を参照して、本発明の実施形態４に係るダブルパルスビームＤＰを用いた表面励起加工について説明する。実施形態４では、図１３に示す実施形態３に係るレーザー加工装置１を採用する。
【０１７０】
実施形態４では、第１パルスＩＰから第２パルスＳＰまでの時間間隔τを１０ｐｓ以下に設定し、２０ｍＪ／ｃｍ2以下の低フルエンスのビームで、被加工物ＴＡの表面励起加工を実行する。例えば、時間間隔τをフェムト秒オーダーの時間分解能で制御し、主に低フルエンスのダブルパルスビームＤＰを用いて被加工物ＴＡの表面を加工する。
【０１７１】
具体的には、第１パルスＩＰで被加工物ＴＡ表面の電子及び格子を励起状態に遷移させ、被加工物ＴＡの表面を第１パルスＩＰの照射から１０ピコ秒程度までの時間間隔τで照射される第２パルスＳＰで加工する。この時に、ダブルパルスビームＤＰが照射されるタイミングで発生している表面励起現象に対して、加工量との因果関係について説明する。
【０１７２】
図１７は、加工エネルギー（つまり、パルスエネルギー）を横軸、最大高さ粗さＲｚ（加工量に相当）を縦軸にプロットした場合の実験結果を示す。図１８及び図１９は、遅延時間τを横軸、最大高さ粗さＲｚ（加工量に相当）を縦軸にプロットした場合の実験結果を示す。図１７〜図１９において、黒色三角形のマークは、Ｇｅ（１０１）方位に振動面を持つダブルパルスビームＤＰで加工した結果を示し、四角形のマークは、Ｇｅ（１１０）方位に振動面を持つダブルパルスビームＤＰで加工を行った結果を示す。加工時の第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τは、０ｆｓ〜１０ｐｓに設定している。
【０１７３】
図１７に示す結果から、加工時のビームの電界振動面と結晶方位との関係によって加工量のばらつきに大きな違いが現れることがわかる。図１８に示す結果から、Ｇｅ（１０１）の方位では、同程度のエネルギーを照射する場合、遅延時間τの違いによる加工量のばらつきが抑制されることがわかる。一方、図１９に示す結果から、Ｇｅ（１１０）の方位では、同程度のエネルギーを照射する場合、遅延時間τの違いによる加工量のばらつきが比較的大きいことがわかる。
【０１７４】
図２０は、加工エネルギー（つまり、パルスエネルギー）を横軸、最大高さ粗さＲｚ（加工量に相当）を縦軸にプロットした場合の実験結果を示す。図２０において、白色三角形のマークは、遅延時間τが１６０ｆｓ以上のダブルパルスビームＤＰで加工した結果（実施例）を示し、黒色三角形のマークは、遅延時間τが１５０ｆｓ以下のダブルパルスビームＤＰで加工した結果（実施例）を示し、白色円形のマークは、フェムトシングルパルスＳＮＰで加工した結果（比較例）を示す。また、図２０では、照射総エネルギーをフェムトシングルパルスＳＮＰ照射の場合と揃えるため、ダブルパルスビームＤＰに含まれる第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々のパルスエネルギーは、横軸のプロット値の１／２を示す。
【０１７５】
図２０に示すように、白色三角形のマーク及び黒色三角形のマークで示されるダブルパルスビームＤＰによる加工は、全体的に見て、白色円形のマークで示されるフェムトシングルパルスによる加工よりも低いフルエンス（低い加工エネルギー）で実行されている。また、黒色三角形のマークで示されるダブルパルスビームＤＰによる加工は、全体的に見て、白色三角形のマークで示されるダブルパルスビームＤＰによる加工よりも低いフルエンス（低い加工エネルギー）で実行されている。
【０１７６】
以上、実施形態４によれば、ダブルパルスビームＤＰを用いた表面励起加工を実行する際に、ダブルパルスビームＤＰの電界振動面に対する結晶方位が変化することで、加工量とそのばらつきが変化する。また、ダブルパルスビームＤＰを用いた表面励起加工では、フェムトシングルパルスＳＮＰ照射時よりも、ダブルパルスビームＤＰ照射時のほうが加工閾値が低下する。
【０１７７】
その他、実施形態４に係るレーザー加工装置１は、実施形態３に係るレーザー加工装置１と同様の効果を有する。
【０１７８】
（実施形態５）
図９及び図２１〜図２４を参照して、本発明の実施形態５に係るフェムト秒レーザーを用いたダブルパルスビームＤＰ照射による励起状態面の表面加工について説明する。実施形態５では、図９に示す実施形態２に係るレーザー加工装置１を採用する。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの照射時間間隔τの設定方法として分光器１７を用いたスペクトル干渉の測定を行い、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとが完全に重なる点（時間原点）を決定する。時間原点となるステージ位置からの距離を制御し、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τを設定する。また、レーザー発振器３として、波長７９４ｎｍ、半値全幅８０ｆｓ、繰り返し周波数１０ＨｚのＴｉサファイアレーザーを使用する。
【０１７９】
実施形態５では、フェムト秒レーザーの強電界による材料表面の瞬間的な光学的励起現象に着目し、その励起状態領域の表面除去加工を実現する。超短パルスレーザーを物体に照射すると物体表面では、電子励起、格子イオンの励起などが、フェムト秒からピコ秒の時間オーダーで発生し、エネルギー準位の高い励起状態になる。さらに、これらの励起現象は通常ピコ秒のオーダーで収束し、ピコ秒からナノ秒にかけて、熱拡散現象が発生する。
【０１８０】
そこで、実施形態５では、フェムト秒レーザーを用いて、被加工物ＴＡの表面を励起し、被加工物ＴＡの励起表面を加工するために、第１パルスＩＰの照射後に、第１パルスＩＰに対して、フェムト秒のオーダーで時間的に近接した第２パルスＳＰを照射するダブルパルスビームＤＰを用いて、表面加工を実行する。
【０１８１】
実施形態５では、半導体材料の表面除去加工を可能にし、その加工精度、加工効率について説明する。また、実施形態５では、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τを４００ｆｓとしたダブルパルスビームＤＰと、１００ｍｓ間隔でフェムトシングルパルスＳＮＰを２回照射したビームを用いた加工とを実施し、被加工物ＴＡ表面の加工閾値に関する実験的な検証を行った。
【０１８２】
さらに、レーザー切断や穴開けなどの大強度レーザーによる除去加工ではなく、低フルエンスのフェムト秒レーザー照射による表面励起現象を利用し、被加工物ＴＡの加工閾値を低減し、低フルエンスのレーザーによる被加工物ＴＡの表面層を除去する微細加工を実現する。そのため、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの照射時間間隔τ、試料結晶方位に対する偏光方向などの照射条件と加工閾値、加工量の関係に関する実験的な検証を行っている。
【０１８３】
ここで、ダブルパルスビームＤＰでの加工により表面の励起状態が加工に与える影響の有無を検証するため、図２１（ａ）〜図２１（ｃ）に示すように、ダブルパルスビームＤＰの１回照射による加工（図２１（ａ）、条件１、実施例）と、第１パルスＩＰの２回照射による加工（図２１（ｂ）、条件２、比較例）と、第２パルスＳＰの２回照射による加工（図２１（ｃ）、条件３、比較例）とを比較している。
【０１８４】
図２１（ａ）に示すように、ダブルパルスビームＤＰによる加工は時間間隔τを４００ｆｓとしている。第１パルスＩＰによる励起現象は収束するのに数ｐｓを要することから、この時間間隔τで照射することで励起状態面に第２パルスＳＰを照射することができる。また、図２１（ｂ）に示すように、フェムトシングルパルスＳＮＰでの加工として、第１パルスＩＰを２回照射する。さらに、図２１（ｃ）に示すように、フェムトシングルパルスＳＮＰでの加工として、第２パルスＳＰを２回照射する。
【０１８５】
図２１（ｂ）及び図２１（ｃ）に示すように、繰り返し周波数が１０Ｈｚであることから、パルス間に１００ｍｓの時間間隔が生じる。この場合、１００ｍｓの間に表面の励起現象、熱的な拡散現象は収束、分散してしまうため、２回目のパルス照射による加工に１回目のパルス照射による過渡的な励起現象（電子、格子の励起、熱的な拡散等）は影響を及ぼさない。
【０１８６】
このことからダブルパルスビームＤＰの照射において、第１パルスＩＰの照射による励起現象が第２パルスＳＰの照射による加工に影響すると仮定したとき、フェムトシングルパルス（第１パルスＩＰ又は第２パルスＳＰ）を１００ｍｓ間隔で２回照射する場合の加工に比べ、ダブルパルスビームＤＰの照射加工の方が加工閾値が下がる。
【０１８７】
また、実験条件の選定において、第１パルスＩＰに比べ第２パルスＳＰはパルスエネルギーを５％大きく設定している。このことから、ダブルパルスビームＤＰを用いて物体に照射されるエネルギーの総量は第１パルスＩＰを２回照射した場合の加工に比べ大きく、第２パルスＳＰを２回照射した場合に比べて小さくなる。これら３つの条件（条件１、条件２、条件３）の加工において、その加工閾値を評価することで加工閾値と照射エネルギーとの関係、加工閾値と２回のパルス照射におけるパルスの時間間隔の影響について説明する。
【０１８８】
実施形態５では、被加工物ＴＡとしてＧｅのウェハを用いた。加工を行った面は（１  ０  ０）面の研磨面で、これに対しビームの振動面を（１  ０  １）面に平行に設定し照射した。コヒーレントフォノンが励起される面はこれらの面から４５度傾いた（０  １  １）面と（０  ／１  １）面であるため、照射したビームにはコヒーレントフォノンを励起する成分が含まれる。なお、「／」は上付きバーを示す。
【０１８９】
図２２（ａ）〜図２２（ｄ）は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した加工痕の画像を示す。図２２（ａ）では、第１パルスＩＰだけを１回照射したときの加工痕が示される（比較例）。図２２（ｂ）では、第２パルスＳＰだけを１回照射したときの加工痕が示される（比較例）。図２２（ｃ）では、第１パルスＩＰの４００ｆｓ後に第２パルスＳＰを照射したときの加工痕が示される（条件１、実施例）。図２２（ｄ）では、第２パルスＳＰだけを２回照射したときの加工痕が示される（条件３、比較例）。また、図中、白色破線の内部が加工されている。
【０１９０】
図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、第１パルスＩＰだけ又は第２パルスＳＰだけを１回照射する加工では、楕円型に厚さ２ｎｍ〜３ｎｍの加工痕があり中心部分が荒れている。図２２（ｃ）に示すように、ダブルパルスビームＤＰによる加工では、厚さ２ｎｍ〜３ｎｍの加工痕があり、加工領域が広がり、さらに中央部が厚さ１０ｎｍ〜２０ｎｍ加工される。一方、図２２（ｄ）に示すように、第２パルスＳＰの２回照射による加工では、照射したエネルギーはダブルパルスビームＤＰよりも大きいにも関わらず、深い加工痕は見られず、中心部分が更に荒れる結果となった。
【０１９１】
実施形態５では、表面加工を実行しているため、厚さ２ｎｍ〜３ｎｍの加工閾値周辺にのみ注目することとした。
【０１９２】
ダブルパルスビームＤＰを１回照射したとき（条件１）と、第１パルスＩＰを２回照射したとき（条件２）と、第２パルスＳＰを２回照射したとき（条件３）とについて、ビームのプロファイルと加工痕の画像とから直径を測定することにより求めたそれぞれの加工閾値の結果を図２３のテーブルＴＢに示す。また、図２４（ａ）〜図２４（ｃ）では、横軸にフルエンス（Ｊ／ｃｍ2）を示し、縦軸にＡＦＭで測定した加工深さ（ｎｍ）を示す。図２４（ａ）は、条件１でのフルエンスと加工深さとの関係を示し、図２４（ｂ）は、条件２でのフルエンスと加工深さとの関係を示し、図２４（ｃ）は、条件３でのフルエンスと加工深さとの関係を示す。図２４（ａ）〜図２４（ｃ）において、破線ＢＬは、テーブルＴＢに示した加工閾値の位置を表している。また、図中、破線ＢＬよりも右側の領域が、加工領域を表す。なお、具体的には、図２３及び図２４（ａ）〜図２４（ｃ）では、条件１での「加工閾値」は「加工閾値Ｆｔｈ」を示し、条件２及び条件３での「加工閾値」は「被加工閾値Ｆｄ」を示す。
【０１９３】
テーブルＴＢ及び図２４（ａ）〜図２４（ｃ）より、第１パルスＩＰの２回照射による加工（条件２）と第２パルスＳＰの２回照射による加工（条件３）とを比較すると、第２パルスＳＰの方がパルスエネルギーが５％大きいにも関わらず、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとで、加工閾値は略同一である。また、照射エネルギーが第２パルスＳＰの２回照射よりも小さいダブルパルスビームＤＰの１回照射での加工閾値は１６％以上低下していることが分かる。したがって、１回目のパルス照射が２回目のパルスによる加工に影響を及ぼさない第１パルスＩＰ又は第２パルスＳＰの２回照射による加工に比べ、照射時間間隔４００ｆｓのダブルパルスビームＤＰの照射での加工は加工閾値が低下していることから、励起現象が加工に影響を与えると考えられる。
【０１９４】
実施形態５では、励起状態面の表面加工に関して、ダブルパルスビームＤＰでの加工による加工閾値の変化を調査している。その結果、時間間隔４００ｆｓのダブルパルスビームＤＰを照射することにより、１００ｍｓの時間間隔で２回パルスを照射する場合に比べ加工閾値が１６％低下している。このことから、超短パルスレーザー照射による表面の励起現象が加工に影響を与えるということが分かる。
【０１９５】
その他、実施形態５に係るレーザー加工装置１は、実施形態２に係るレーザー加工装置１と同様の効果を有する。
【０１９６】
以上、図１〜図２４を参照して説明したように、実施形態１〜実施形態５によれば、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを含むダブルパルスビームＤＰが被加工物ＴＡの表面に照射される。具体的には、第１パルスＩＰが被加工物ＴＡの表面に照射されることによって、被加工物ＴＡの表面に、電子系の励起現象と格子系の励起現象とが誘起される。つまり、被加工物ＴＡの表面が励起状態になる。この励起状態では、電子系の励起現象が格子系の励起現象よりも優勢である。そして、励起状態が消失する前に、つまり、表面が励起状態を維持している間に、第２パルスＳＰが被加工物ＴＡの表面に照射される。その結果、被加工物ＴＡの表面が非励起状態のときに後続のパルスを照射する場合と比較して、被加工物ＴＡの表面の加工閾値を低下させることができる。つまり、低い加工エネルギーでの表面加工が可能となる。従って、被加工物ＴＡの表面の加工領域外へのダメージを抑制しつつ、被加工物ＴＡの表面の加工領域を加工できる。すなわち、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。
【０１９７】
また、実施形態１〜実施形態５によれば、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて時間原点を決定する。従って、高精度で時間原点を定めることができる。高精度で時間原点を定めることができるため、高精度で遅延時間τを制御できる。従って、第１パルスＩＰによって被加工物ＴＡの表面が励起状態を維持している間に、第２パルスＳＰを被加工物ＴＡの表面に照射できる。その結果、被加工物ＴＡの表面の加工閾値を低下させることができて、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。
【０１９８】
さらに、実施形態１〜実施形態５によれば、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、遅延時間τを制御する。従って、高精度で遅延時間τを制御できる。その結果、被加工物ＴＡの表面を精度良く加工できる。
【０１９９】
（実施形態６）
本発明の実施形態６では、電子系の表面励起（図４）に加えて、格子系の表面励起（具体的には表面励起振動）を増幅（強調）して、レーザー加工を実行する。以下、「増幅」を「強調」に置き換えてもよい。
【０２００】
具体的には、被加工物の表面を更に精度良く加工するために、レーザー加工装置は、第１パルスＩＰの周波数ω１と異なる周波数ω２を有する第３パルスＴＰを、第１パルスＩＰと実質的に同時に被加工物の表面に照射して、格子系の励起（具体的には励起振動）を増幅する。つまり、レーザー加工装置は、第１パルスＩＰによる電子系の励起と非コヒーレントな格子系の励起とに加えて、第３パルスＴＰによるコヒーレントな格子系の励起（例えば、コヒーレントフォノンの励起）を誘起する。その結果、格子系の表面励起（具体的には表面励起振動）が増幅される。
【０２０１】
そして、電子系の表面励起と、増幅された格子系の表面励起とによって形成された励起層に第２パルスＳＰが照射される。従って、被加工物の表面を更に精度良く効果的に加工できる。また、格子系の表面励起が増幅されるため、被加工物は、電子系の表面励起に起因する加工形態に加えて、格子系の表面励起に起因する加工形態（例えば、結晶方位に依存する加工形態）で加工される。
【０２０２】
コヒーレントな格子系の励起における格子の周波数Ω（例えば、コヒーレントフォノンの周波数Ω）と、第１パルスＩＰの周波数ω１と、第３パルスＴＰの周波数ω２との関係は、Ω＝ω１−ω２、で表される。第３パルスＴＰを周波数選択パルスＴＰと記載する場合がある。なお、半導体基板材料の表面が励起される時、基板材料の表面は、コヒーレントな格子系の励起（例えば、コヒーレントフォノン）が行われる場合と非コヒーレントな格子系の励起が行われる場合とに分類される。
【０２０３】
＜コヒーレントフォノン励起加工技術に関するコンセプト＞
まず、用語について説明する。格子系の振動であるフォノンには４種類のモードがある。振動数がゼロから始まるフォノン分散が音響フォノン（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｐｈｏｎｏｎ）に、有限の振動数から始まるフォノン分散が光学フォノン（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｈｏｎｏｎ）に相当する。波数ベクトルが小さい領域では、音響フォノンの分散は、ω＝ｃｋという波数ｋに対する線形関係が成立し、比例係数のｃが結晶中の弾性波の音速に対応する。
【０２０４】
光学フォノンは、ｋ＝０の近傍で電磁波（光）と相互作用する。また、各フォノンには、フォノンの伝播方向と同じ方向に格子振動する縦モード、縦型音響（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ：ＬＡ）フォノンと縦型光学（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ：ＬＯ）フォノン、及び、直交方向に格子振動する横モード、横型音響（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ：ＴＡ）フォノンと横型光学（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ：ＴＯ）フォノンの４種類のモードが存在する。
【０２０５】
また、コヒーレントフォノンとは、上記のフォノンモードにおいて、高強度電界が形成される場合に、瞬間的に現れる位相の揃ったフォノンモードである。コヒーレントフォノンの励起にはいくつかの方法が有り、その励起方法については、研究論文が存在する。
【０２０６】
次に、フェムト秒レーザーによる高強度電界による光学フォノンの励起と、光によって強い電界が形成された場合の、光から半導体材料の格子系へのエネルギー移動の機構について説明する。
【０２０７】
試料表面に集光フェムト秒レーザーのような強い電界が照射され、試料表面原子の電子速度νが電界によって加速されると、その運動エネルギーｅ（＝（ｍe*ν2）／２）はそれにともなって増加し（ｍe*は電子の有効質量）、電子のエネルギーは、キャリア散乱を受ける前に熱エネルギーを超えて上昇し、電子系の温度は周囲の（格子振動の）温度よりも上昇することになる。
【０２０８】
このような現象をホットエレクトロン効果と呼ぶ。ここで、電子の運動エネルギーが光学フォノンモードのエネルギーｈω0と同程度になるまで電子を加速させると、電子は加速されたことによる余分なエネルギーを光学フォノンとして格子振動に放出することができ、その際、電子は一気にそのエネルギーを失う。
【０２０９】
このように高電界強度を持つフェムト秒レーザーを照射する時、例えばＳｉ（シリコン）などの半導体においては、電界によって加速された電子が直接格子系にエネルギーを放出することによって、光学フォノンの緩和時間の過程においては、光から格子系へのエネルギー移動が実現する。この様に、光から電子系、電子系から格子系へのエネルギー移動については、電界によって加速されたキャリア（ここでは電子のこと）の散乱機構からその過程が説明できる。
【０２１０】
ここで、本件発明者が提案するコヒーレントフォノン励起加工とは、前述の光学フォノンモード励起中の電界による電子系の運動エネルギー移動、電子系から格子系への運動エネルギー放出を利用し、コヒーレント光学フォノンを励起した表面にフェムト秒レーザーを照射することにより、光学フォノン励起面の選択的加工を行う方法である。フェムト秒レーザーを半導体表面に照射すると、後記の式（６）で記述される光学フォノンは、例えばＧｅ（ゲルマニウム）で９．１ＴＨｚ、Ｓｉは１５．６ＴＨｚとＴＨｚ帯域の振動周波数を持ち、照射パルスのエネルギーは、ＴＨｚの周波数を持つ格子系の振動エネルギーに転換される。
【０２１１】
＜コヒーレントフォノン励起面の特徴＞
コヒーレントフォノン励起面を加工するには、コヒーレントフォノンの励起後にフェムトパルスを照射する必要がある。超短パルスレーザーによってコヒーレント光学フォノンモードが励起される様子は式（４）に示す運動方程式で記述される。
【０２１２】
【数４】
2017060991.tif 000006
【０２１３】
ここで、Ｑj（ｔ）はｊ番目の原子の変位、γは格子振動の減衰定数、ωjはｊ番目の原子の振動数、ｍは原子の換算質量、αklはラマン感受率、ｆ（ｔ）はフェムト秒レーザーによって励起される外部駆動力である。
【０２１４】
この方程式をＱについて解くと、式（５）となり、Ｆ（ωj）が、インパルス応答に対するフーリエ変換となるので、原子の変位は、時間空間では、周期的な減衰振動を示す正弦振動で表される。
【０２１５】
【数５】
2017060991.tif 000007
【０２１６】
ここで、ωは各原子の振動周波数、ω0は光学フォノンの振動周波数を示す。Ｑj（ω）、Ｆ（ω）は、それぞれＱj（ｔ）、ｆ（ｔ）のフーリエ変換を示す。
【０２１７】
ここで、原子変位の時間相関関数φ（ｔ）は、式（６）の形式に導かれ、コヒーレントフォノンは、１／γの遅延時間で減衰振動を行うことがわかる。
【０２１８】
【数６】
2017060991.tif 000008
【０２１９】
ここで、Ａは、振動振幅の相関関数、ω0は、コヒーレント光学フォノンの振動周波数を示す。
【０２２０】
ある研究者によって、Ｇｅのコヒーレントフォノンモードの持続時間が２．７ｐｓであると報告されており、コヒーレントフォノンの遅延時間１／γは、多くの材料で１０-10ｓのオーダーとなる。
【０２２１】
また、ある研究者によってコヒーレントフォノン励起面にフェムトパルスを照射した時、光波照射によって格子系の振動が増幅される現象（光波から格子系へのエネルギー伝達）が確認されており、このエネルギー伝達は、コヒーレントフォノンの遅延時間１／γよりも短い応答時間、つまりアブレーションが始まる前の時間領域で行われると考えられる。
【０２２２】
＜コヒーレントフォノン励起面へのパルス照射方法＞
通常、パルスレーザー加工では、レーザーパルスを連続して照射する場合、その駆動周波数は数Ｈｚから数百ＭＨｚのオーダーであり、そのパルスの間隔は数十ナノ秒から数百ミリ秒の範囲となる。
【０２２３】
しかし、持続時間が数ｐｓとなるコヒーレントフォノン励起面を加工するために、フェムト秒レーザーの照射パルスの繰り返し周波数を上げて、照射間隔を縮めることは困難である。
【０２２４】
これを解決するには、例えばダブルパルスビームのように、フェムト秒オーダー又はピコ秒オーダーの時間範囲において、複数のパルス列が連結したビームを形成して照射する方法が有効である。
【０２２５】
次に、図２５を参照して、コヒーレントな格子系の励起現象を誘起するための周波数選択励起方法について説明する。図２５は、本発明の実施形態６に係る周波数選択励起を示す図である。図２５に示すように、フェムト秒レーザー（周波数ω１）、つまり、励起用の第１パルスＩＰ（周波数ω１）が半導体基板に照射され、基板表面に強い電場が形成される際に、励起用の第１パルスＩＰ（周波数ω１）に対して、加工する半導体材料のコヒーレントＬＯフォノンの周波数（Ω）に対応し、周波数差を持つ第３パルスＴＰ（周波数ω２）を照射する。なお、第１パルスＩＰは、実施形態１〜実施形態５の第１パルスＩＰと同様である。
【０２２６】
第１パルスＩＰ（周波数ω１）との周波数差がサンプルの光学フォノン励起周波数（Ω＝ω１−ω２）に相当する時、誘導ラマン散乱によりコヒーレントな光学フォノンモードが発現し、基板表面の特定の周波数帯域においてフォノン振動が増幅される。コヒーレントフォノンの発現は、格子系の励起現象を増幅することに相当する。つまり、第３パルスＴＰの照射によって、格子系の励起現象が増幅される。この技術を用いて一定の周波数帯域を選択してコヒーレントフォノンを励起し、コヒーレントフォノン励起面を加工する。
【０２２７】
コヒーレントフォノンとは、時間的・空間的にランダムな格子振動（又はフォノン）の位相が全て揃う現象、又はそのような格子振動（又はフォノン）のことである。具体的には、コヒーレントフォノンは、ＩＳＲＳ（Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）励起が行われる場合に現れる位相の揃ったＬＯフォノン・ポラリトンモードの振動である。縦型光学（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ：ＬＯ）フォノンは、格子系の振動が伝播方向と同じ方向に格子振動する縦モードのフォノンであり、光波と相互作用する。
【０２２８】
ＩＳＲＳは、インパルシブ誘導ラマン散乱のことであり、ＬＯフォノン周波数がΩ＝ω１−ω２となる時に、スペクトル幅の広いパルスで物質を照射し、同パルスの中にω１とω２の波長が存在する時に、ω２の波長のラマン散乱光が誘導放出される。
【０２２９】
表面プラズモン・ポラリトンは、物質と空気（真空）との界面で発生する表面自由電荷の集団振動である。光波と結合する場合は，全反射面での励起（オット配置、クレッチマン配置）や金属ナノ粒子、表面回折格子を利用して励起する場合が主であり、半導体表面においてもその励起が確認されている。
【０２３０】
次に、図２６及び図２７を参照して、実施形態６に係るレーザー加工装置１Ａ及びレーザー加工方法について説明する。以下、実施形態６が実施形態１と異なる点を主に説明する。図２６は、実施形態６に係るレーザー加工装置１Ａを示す図である。
【０２３１】
図２６に示すように、レーザー加工装置１Ａは、被加工物ＴＡを加工する。レーザー加工装置１Ａは、被加工物ＴＡの表面にレーザー光ＢＭを照射して、被加工物ＴＡの表面に非コヒーレントな電子系の励起及び非コヒーレントな格子系の励起を誘起するとともに、格子系の励起（具体的には励起振動）を増幅してコヒーレントな格子系の励起を誘起する。そして、レーザー加工装置１Ａは、電子系の励起と増幅された格子系の励起とによって形成された励起層が消滅する前に、励起層にレーザー光ＢＭを照射する。
【０２３２】
具体的には、レーザー加工装置１Ａは、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰと第３パルスＴＰを含むように、レーザー光ＢＭを生成する。以下、レーザー光ＢＭを「照射ビームＢＭ」と記載する場合がある。
【０２３３】
第２パルスＳＰは、第１パルスＩＰに対して遅延している。第２パルスＳＰは、実施形態１〜実施形態５の第２パルスＳＰと同様である。第３パルスＴＰは、第１パルスＩＰと空間的に重なっている。そして、レーザー加工装置１Ａは、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰを照射することによって、被加工物ＴＡの表面に電子系の励起を誘起するとともに、被加工物ＴＡの表面に第３パルスＴＰを照射することによって、被加工物ＴＡの表面で格子系の励起（具体的には励起振動）を増幅する。その結果、被加工物ＴＡの表面に、電子系の励起と増幅された格子系の励起とによって励起層が形成される。そして、レーザー加工装置１Ａは、励起層が消滅する前に、励起層に第２パルスＳＰを照射する。
【０２３４】
第３パルスＴＰの半値全幅は、例えば、フェムト秒のオーダーである。なお、第３パルスＴＰの半値全幅は、例えば、ピコ秒のオーダーであってもよい。第３パルスＴＰの半値全幅は、第３パルスＴＰの強度が最大強度の１／２になるときの第３パルスＴＰの幅を示す。第３パルスＴＰの周波数ω２は、第１パルスＩＰの周波数ω１と異なる。
【０２３５】
引き続き図２６を参照して、レーザー加工装置１Ａを更に具体的に説明する。レーザー加工装置１Ａは、レーザー発振器３（レーザー発振手段）と、照射パルス生成部２Ａ（照射パルス生成手段）と、分光器１７と、光検出器１９と、ステージ２２と、制御部２４とを備える。ステージ２２には、被加工物ＴＡが設置される。
【０２３６】
レーザー発振器３は、オリジナルレーザー光ＯＰ０を生成及び出力する。オリジナルレーザー光ＯＰ０は周波数ω１を有する。照射パルス生成部２Ａは、オリジナルレーザー光ＯＰ０に基づいて第１パルスＩＰと第２パルスＳＰと第３パルスＴＰとを生成する。照射パルス生成部２Ａは、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰを照射して、被加工物ＴＡの表面に電子系の励起と格子系の励起とを誘起する。加えて、照射パルス生成部２Ａは、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰと実質的に同時に第３パルスＴＰを照射して、被加工物ＴＡの表面で格子系の励起を増幅する。そして、照射パルス生成部２Ａは、電子系の励起と増幅された格子系の励起とによって形成された励起層が消滅する前に、励起層に第２パルスＳＰを照射して、励起層を加工する。
【０２３７】
具体的には、照射パルス生成部２Ａは、分割部３８と、周波数制御部５１と、分割・合成部４Ａと、反射部６と、第１遅延部ＦＤと、第２遅延部ＳＤと、照射部８とを含む。分割部３８は、オリジナルレーザー光ＯＰ０に含まれるパルスを、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰ作成用のレーザー光ＯＰ１と、第３パルスＴＰ作成用のレーザー光ＯＰ２とに分割する。
【０２３８】
第２遅延部ＳＤは、照射ビームＢＭ中で、第３パルスＴＰと第１パルスＩＰとが空間的に重なるように、レーザー光ＯＰ１の光路長を調節する。
【０２３９】
周波数制御部５１は、レーザー光ＯＰ２の周波数ω１を周波数ω２に変換し、第３パルスＴＰを生成する。周波数制御部５１は、例えば、光パラメトリック増幅器（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。光パラメトリック増幅器は、レーザー光ＯＰ２に対して、光パラメトリック増幅を実行し、第３パルスＴＰを生成する。光パラメトリック増幅器は、第３パルスＴＰの周波数ω２を任意の値に調節することができる。
【０２４０】
分割・合成部４Ａは、レーザー光ＯＰ１に含まれるパルスを分割して、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを生成する。そして、分割・合成部４Ａは、第１パルスＩＰを第１遅延部ＦＤに出力し、第２パルスＳＰを反射部６に出力する。また、分割・合成部４Ａは、第３パルスＴＰを反射部６に出力する。
【０２４１】
反射部６は、第１パルスＩＰ及び第３パルスＴＰを反射して、分割・合成部４Ａに出力する。一方、第１遅延部ＦＤは、第２パルスＳＰが第１パルスＩＰに対して遅延するように、第１パルスＩＰの光路長を調節して、分割・合成部４Ａに出力する。分割・合成部４Ａは、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰと第３パルスＴＰとを、照射ビームＢＭとして、照射部８に出力する。照射部８は、照射ビームＢＭを集光して、被加工物ＴＡの表面に照射する。
【０２４２】
次に、図２６及び図２７を参照して、レーザー加工装置１Ａが実行するレーザー加工方法について説明する。レーザー加工方法では、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰと第３パルスＴＰとを含む照射ビームＢＭ（レーザー光）を被加工物ＴＡに照射して被加工物ＴＡを加工する。図２７は、実施形態６に係るレーザー加工方法を示すフローチャートである。図２７に示すように、レーザー加工方法は、原点決定工程Ｓ１１と、遅延制御工程Ｓ１３と、励起工程Ｓ１５と、増幅工程Ｓ１７と、加工工程Ｓ１９とを含む。
【０２４３】
原点決定工程Ｓ１１において、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を決定する。
【０２４４】
遅延制御工程Ｓ１３において、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τを制御する。
【０２４５】
励起工程Ｓ１５において、照射パルス生成部２Ａは、被加工物ＴＡの表面に第１パルスＩＰを照射して、被加工物ＴＡの表面に電子系の励起（例えば、非コヒーレントな電子系の励起）と格子系の励起（例えば、非コヒーレントな格子系の励起）とを誘起する。
【０２４６】
増幅工程Ｓ１７において、照射パルス生成部２Ａは、第３パルスＴＰを、第１パルスＩＰと実質的に同時に被加工物ＴＡの表面に照射して、被加工物ＴＡの表面の格子系の励起（具体的には格子系の励起振動）を増幅する。例えば、コヒーレントな格子系の励起を誘起する。
【０２４７】
加工工程Ｓ１９において、照射パルス生成部２Ａは、電子系の励起と増幅された格子系の励起とによって形成された励起層が消滅する前に、励起層に第２パルスＳＰを照射して、励起層を加工する。
【０２４８】
なお、本発明の一実施形態に係る加工物の製造方法は、実施形態６に係るレーザー加工方法を実行することによって、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰと第３パルスＴＰとを含む照射ビームＢＭを被加工物ＴＡに照射して被加工物ＴＡを加工し、被加工物ＴＡから加工物を製造する。
【０２４９】
以上、実施形態６によれば、第１パルスＩＰによって電子系の表面励起が誘起されるだけでなく、第３パルスＴＰによって格子系の表面励起が増幅される。従って、被加工物ＴＡは、電子系の表面励起に起因する加工形態に加えて、格子系の表面励起に起因する加工形態で加工される。つまり、実施形態６では、第３パルスＴＰを照射しない場合と比較して、被加工物ＴＡの表面を更に精度良く効果的に加工できる。また、実施形態６によれば、第１パルスＩＰ及び第３パルスＴＰによって励起層を形成し、励起層の消滅前に励起層に第２パルスＳＰを照射する。その結果、更に低い光子エネルギー及び更に低いフルエンスを有するレーザー光（照射ビームＢＭ）によって被加工物ＴＡを加工できる。その他、実施形態６では、実施形態１と同様の効果を有する。
【０２５０】
（実施形態７）
図２６及び図２８を参照して、本発明の実施形態７に係るレーザー加工装置１Ａについて説明する。実施形態７は、図２６に示す実施形態６に係る照射パルス生成部２Ａの具体例を示す。実施形態６と同様に、実施形態７に係るレーザー加工装置１Ａは、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰと第３パルスＴＰとを生成する。第２パルスＳＰは、第１パルスＩＰに対して遅延している。つまり、第２パルスＳＰは遅延時間τを有する。第３パルスＴＰは、第１パルスＩＰと空間的に重なっている。第３パルスＴＰの周波数ω２は、第１パルスＩＰの周波数ω１と異なる。周波数ω１と周波数ω２とコヒーレントフォノン（具体的には、コヒーレントＬＯフォノン）の周波数Ωとの関係は、Ω＝ω１−ω２、で表される。なお、実施形態７と実施形態６との共通点については適宜説明を省略する。
【０２５１】
図２８は、実施形態７に係るレーザー加工装置１Ａを示す図である。図２８に示すように、レーザー加工装置１Ａは、レーザー発振器３（レーザー発振手段）と、照射パルス生成部２Ａ（照射パルス生成手段）と、分光器１７と、光検出器１９と、ステージ２２と、制御部２４とを備える。照射パルス生成部２Ａは、分割部３８と、周波数制御部５１と、分割・合成部４Ａと、反射部６と、第１遅延部ＦＤと、第２遅延部ＳＤと、照射部８とを含む。
【０２５２】
分割部３８は、１／２波長板５と偏光ビームスプリッターＰＢＳ１とを含む。分割・合成部４Ａは、ミラーＭ１と、１／２波長板５３と、偏光ビームスプリッターＰＢＳ２と、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３と、１／４波長板７とを含む。
【０２５３】
第１遅延部ＦＤは、ミラーＭ４、ミラーＭ５、１／４波長板１１、及び第１ステージ（不図示）を含む。ミラーＭ４及びミラーＭ５は、パルス時間遅延ミラー２１を構成する。第２遅延部ＳＤは、ミラーＭ６、ミラーＭ７、１／４波長板５７、偏光ビームスプリッターＰＢＳ４、及び第２ステージ（不図示）を含む。ミラーＭ６及びミラーＭ７は、パルス時間遅延ミラー５５を構成する。照射部８は、１／４波長板１３と、ビームスプリッターＢＳ１と、ビームスプリッターＢＳ２と、偏光子１５と、レンズＬ１とを含む。
【０２５４】
レーザー発振器３は、オリジナルレーザー光ＯＰ０を生成及び出力する。オリジナルレーザー光ＯＰ０は周波数ω１を有する。オリジナルレーザー光ＯＰ０に含まれるパルスの半値全幅は、フェムト秒のオーダーである。なお、オリジナルレーザー光ＯＰ０に含まれるパルスの半値全幅は、ピコ秒のオーダーであってもよい。
【０２５５】
オリジナルレーザー光ＯＰ０は、強度比調整用の１／２波長板５を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ１によって、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰ作成用のレーザー光ＯＰ１と、第３パルスＴＰ作成用のレーザー光ＯＰ２とに分岐される。
【０２５６】
レーザー光ＯＰ１は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ４及び１／４波長板５７を通過し、ミラーＭ６及びミラーＭ７によって折り返され、再び１／４波長板５７を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ４に入射する。そして、レーザー光ＯＰ１は、１／２波長板５３及び偏光ビームスプリッターＰＢＳ２を経由して、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３に入射する。
【０２５７】
レーザー光ＯＰ１は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３によって、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとに分岐される。
【０２５８】
周波数ω１の第１パルスＩＰは、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３から、１／４波長板１１を通過し、ミラーＭ４及びミラーＭ５によって折り返され、再び１／４波長板１１を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３に入射する。
【０２５９】
周波数ω１の第２パルスＳＰは、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３から、１／４波長板７を通過し、ミラーＭ２及びミラーＭ３によって折り返され、再び１／４波長板７を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３に入射する。
【０２６０】
一方、レーザー光ＯＰ２は、周波数制御部５１に入射する。周波数制御部５１は、レーザー光ＯＰ２に対して、光パラメトリック増幅を実行し、周波数ω２を有する第３パルスＴＰを生成する。
【０２６１】
第３パルスＴＰは、ミラーＭ１に反射されて、偏光ビームスプリッターＰＢＳ２に入射する。そして、第３パルスＴＰは、偏光ビームスプリッターＰＢＳ２から、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３に入射する。さらに、第３パルスＴＰは、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３から、１／４波長板７を通過し、ミラーＭ３及びミラーＭ２によって折り返され、再び１／４波長板７を通過し、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３に入射する。
【０２６２】
第１パルスＩＰと、第２パルスＳＰと、第３パルスＴＰとは、偏光ビームスプリッターＰＢＳ３上で重ねられ、照射ビームＢＭとして出射される。照射ビームＢＭは、１／４波長板１３と、ビームスプリッターＢＳ１と、ビームスプリッターＢＳ２と、偏光子１５とを経由して、レンズＬ１で集光され、ターゲットである被加工物ＴＡに照射される。レンズＬ１は、例えば、集光レンズである。
【０２６３】
照射ビームＢＭの詳細について説明する。照射ビームＢＭに含まれる第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとは、ダブルパルスビームＤＰを構成する。第１パルスＩＰ、第２パルスＳＰ、及びダブルパルスビームＤＰは、それぞれ、実施形態１〜実施形態５の第１パルスＩＰ、第２パルスＳＰ、及びダブルパルスビームＤＰと同様である。従って、照射ビームＢＭ中で、第２パルスＳＰは、第１パルスＩＰに対して、遅延時間τだけ遅延している。また、照射ビームＢＭ中で、第１パルスＩＰと第３パルスＴＰとは、空間的に重なっている。つまり、照射ビームＢＭ中で、第１パルスＩＰと第３パルスＴＰとは、時間軸上の位置が実質的に同一である。従って、第１パルスＩＰと第３パルスＴＰとは、被加工物ＴＡの表面に実質的に同時に照射される。そして、遅延時間τだけ遅れて、第２パルスＳＰが被加工物ＴＡの表面に照射される。
【０２６４】
また、照射ビームＢＭは、ビームスプリッターＢＳ１によって分岐され、分光器１７に入力される。分光器１７は、入射した光のスペクトル波形を計測する。例えば、分光器１７は、第１パルスＩＰ単体のスペクトル波形を計測したり、第２パルス単体のスペクトル波形を計測したり、第３パルスＴＰ単体のスペクトル波形を計測したり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形を計測したり、第１パルスＩＰと第３パルスＴＰとの干渉スペクトル波形を計測したり、第２パルスＳＰと第３パルスＴＰとの干渉スペクトル波形を計測したり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰと第３パルスＴＰとの干渉スペクトル波形を計測したりする。
【０２６５】
さらに、照射ビームＢＭは、ビームスプリッターＢＳ２によって分岐され、光検出器１９に入力される。光検出器１９は、第１パルスＩＰ、第２パルスＳＰ、第３パルスＴＰ、ダブルパルスビームＤＰ、又は照射ビームＢＭの強度を検出する。
【０２６６】
引き続き、図２８を参照して、ダブルパルスビームＤＰに含まれる第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの遅延時間τの制御について説明する。実施形態１〜実施形態５では、第２パルスＳＰの光路長を調節することにより、遅延時間τを形成したが、実施形態７では、第１パルスＩＰの光路長を調節することにより、遅延時間τを形成する。
【０２６７】
すなわち、第１遅延部ＦＤは、第２パルスＳＰが第１パルスＩＰに対して遅延するように、第１パルスＩＰの光路長を調節する。具体的には、パルス時間遅延ミラー２１を第１ステージによって方向Ｄ１に移動することによって、第１パルスＩＰの光路長を調節し、遅延時間τを形成する。方向Ｄ１は、第２パルスＳＰがミラーＭ２に向かう方向に直交する。
【０２６８】
なお、遅延時間τを制御する際の時間原点の決定方法と、遅延時間τの詳細な制御方法とは、実施形態１〜実施形態５と同様である。つまり、レーザー加工装置１Ａは、レーザー加工装置１と同様にして、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、遅延時間τを制御する。
【０２６９】
引き続き、図２８を参照して、照射ビームＢＭに含まれる第１パルスＩＰと第３パルスＴＰとを空間的に重ねるための制御について説明する。第１パルスＩＰは、レーザー光ＯＰ１に基づいて生成されている。そこで、第２遅延部ＳＤは、照射ビームＢＭ中で、第３パルスＴＰと第１パルスＩＰとが空間的に重なるように、レーザー光ＯＰ１の光路長を調節する。つまり、第２遅延部ＳＤは、第３パルスＴＰと第１パルスＩＰとが実質的に同時に被加工物ＴＡに照射されるように、レーザー光ＯＰ１の光路長を調節する。
【０２７０】
具体的には、パルス時間遅延ミラー５５を第２ステージによって方向Ｄ２に移動することによって、レーザー光ＯＰ１の光路長を調節し、第３パルスＴＰに第１パルスＩＰを空間的に重ねる。方向Ｄ２は、方向Ｄ１に直交する。
【０２７１】
なお、第１遅延部ＦＤ及び第２遅延部ＳＤは、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τを維持したまま、第１パルスＩＰと第３パルスＴＰとが空間的に重なるように、第１パルスＩＰの光路長及びレーザー光ＯＰ１の光路長を調節する。
【０２７２】
以上、実施形態７によれば、第１パルスＩＰによって電子系の表面励起が誘起されるだけでなく、第３パルスＴＰによって格子系の表面励起が増幅される。従って、被加工物ＴＡは、電子系の表面励起に起因する加工形態に加えて、格子系の表面励起に起因する加工形態で加工される。つまり、実施形態７では、第３パルスＴＰを照射しない場合と比較して、被加工物ＴＡの表面を更に精度良く効果的に加工できる。その他、実施形態７では、実施形態１と同様の効果を有する。
【０２７３】
（実施形態８）
図１を参照して、本発明の実施形態８に係るレーザークリーニング装置について説明する。実施形態８に係るレーザークリーニング装置の構成は、実施形態１に係るレーザー加工装置１の構成と同じである。従って、実施形態８に係るレーザークリーニング装置を「レーザークリーニング装置１」と記載する。また、実施形態８では、ステージ２２には、被加工物ＴＡに代えて、クリーニングの対象物が設置される。理解の便宜のため、対象物を「対象物ＴＡ」と記載する。
【０２７４】
図１に示すように、レーザークリーニング装置１は、対象物ＴＡの表面に位置する異物を除去する。異物は、例えば、対象物ＴＡの表面に付着していたり、対象物ＴＡの表面に形成されたりしている。対象物ＴＡは、例えば、半導体である。具体的には、照射パルス生成部２は、異物に第１パルスＩＰを照射し、異物を介して、対象物ＴＡの表面のうち異物が位置する領域に電子系の励起を誘起する。そして、照射パルス生成部２は、電子系の励起によって形成された励起層が消滅する前に、異物に第２パルスＳＰを照射して、異物を除去する。
【０２７５】
実施形態８では、第１パルスＩＰの照射によって形成された励起層の影響で、励起層上の異物の除去が容易になる。従って、励起層の消滅前に異物に第２パルスＳＰを照射することによって、第２パルスＳＰが比較的低い光子エネルギー（例えば、近赤外光の光子エネルギー）及び比較的低いフルエンス（例えば、比較的低い電界強度）を有する場合でも、容易に異物を除去できる。その結果、対象物ＴＡの表面に損傷を与えることを抑制しつつ、対象物ＴＡの表面をクリーニングできる。
【０２７６】
また、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰを用いて、対象物ＴＡの表面のうち異物が位置する領域に励起層を形成できる。その結果、対象物ＴＡの表面に損傷を与えることを更に抑制できる。
【０２７７】
特に、対象物の表面から異物を探索することなしに、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを照射して対異物を除去できるため、対象物ＴＡへの損傷を抑制しつつ、対象物ＴＡの表面を容易にクリーニングできる。
【０２７８】
すなわち、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを利用するため、対象物ＴＡの表面のうち異物が位置していない領域に第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを照射しても、対象物ＴＡの表面の損傷を抑制できる。従って、クリーニングの際に、異物だけを狙って第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを照射することが要求されない。その結果、対象物ＴＡの表面から異物を探索することなしに、照射位置を変えながら、対象物ＴＡの表面の全面にわたって第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを照射して、異物を除去できる。つまり、対象物ＴＡの表面を容易にクリーニングできる。
【０２７９】
加えて、対象物ＴＡの表面を液体によって洗浄することが要求されないため、ドライクリーニングを実行できる。その結果、対象物ＴＡの表面を更に容易にクリーニングできる。
【０２８０】
次に、レーザークリーニング装置１の適用例について説明する。一般的に、半導体デバイスは、多くの工程を経て製造される。そして、各工程でパーティクル、金属汚染、又はポリマー化合物など、多くの汚染物質が発生する。従って、汚染物質による半導体デバイスの品質低下及び歩留まりの低下の抑制が要望されている。例えば、主流とされている半導体ウェハ洗浄方法は、ＲＣＡ洗浄と呼ばれるウェットクリーニングである。ＲＣＡ洗浄ではウェハ全体を一様に洗浄するが、ウェハ上のコンタミネーションを完全に除去できない。そこで、一般的に、洗い残してしまったコンタミネーションをレーザー照射によって１つ１つ除去するピンポイントドライクリーニングが実行される。しかしながら、ピンポイントドライクリーニングでは、コンタミネーションを探索する作業が必要になるため、非常に煩雑であり、装置コストも上昇する。また、ピンポイントドライクリーニングに限らず、一般的なレーザー照射によるクリーニングでは、コンタミネーションの除去が可能となる一方で、レーザーによって表面が加工されてしまい、表面が荒れてしまう場合がある。表面の加工を避けるためには、レーザーのパルスエネルギーを小さくすればよいが、十分なクリーニング効果を期待できない。
【０２８１】
これに対して、実施形態８では、対象物ＴＡの表面のうち異物が位置する領域に励起層を形成することで、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰによるクリーニングを可能にしている。従って、対象物ＴＡの表面の損傷を抑制しつつ、十分なクリーニングを実行できる。加えて、異物を探索することなしにドライクリーニングを実行できるため、装置コストの上昇を抑制しつつ、容易に異物を除去できる。その結果、例えば、レーザークリーニング装置１は、半導体デバイスのクリーニングに好適である。
【０２８２】
次に、図２９を参照して、レーザークリーニング装置１によるレーザークリーニングの原理を説明する。図２９は、実施形態８に係るレーザークリーニングの原理を示す図である。図２９に示すように、対象物ＴＡの表面に異物５６が位置している。異物５６のうちの異物５６ａは、例えば、ナノ粒子である。異物５６のうちの異物５６ｂは、例えば、金属汚染物質である。
【０２８３】
まず、レーザークリーニング装置１は、異物５６に第１パルスＩＰを照射する。そして、第１パルスＩＰの光子エネルギーによって異物５６が位置している対象物ＴＡの表面にコヒーレントな電子系の励起を誘起する。その結果、異物５６に対応して、対象物ＴＡの表面に、コヒーレントな電子系の励起層ｙ（ｔ）が形成される。
【０２８４】
具体的には、対象物ＴＡの表面のうち異物５６が位置する領域では、第１パルスＩＰの電界が増強されるため、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰであっても、コヒーレントな電子系の励起を誘起できる。コヒーレントな電子系の励起は、表面プラズモン・ポラリトン５８の励起である。従って、励起層ｙ（ｔ）は、表面プラズモン・ポラリトン５８を含む。第１パルスＩＰの光子エネルギーは、例えば、対象物ＴＡのバンドギャップより小さい。なお、第１パルスＩＰの光子エネルギーは、対象物ＴＡの表面が加工されない限り、対象物ＴＡのバンドギャップ以上であってもよい。第１パルスＩＰのピークフルエンスは被加工閾値Ｆｄより小さい。具体的には、第１パルスＩＰのピークフルエンスは、第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２の各々より小さい。
【０２８５】
被加工閾値Ｆｄは、対象物ＴＡの非励起時の加工閾値であり、励起層ｙ（ｔ）が形成されていない時に対象物ＴＡを加工可能なフルエンスの下限値を示す。換言すれば、被加工閾値Ｆｄは、対象物ＴＡのうち励起層ｙ（ｔ）が形成されている領域と異なる領域を加工可能なフルエンスの下限値を示す。更に換言すれば、被加工閾値Ｆｄは、励起層ｙ（ｔ）の消滅後に対象物ＴＡを加工能なフルエンスの下限値を示す。
【０２８６】
第１被加工閾値Ｆｄ１は、励起層ｙ（ｔ）が形成されていない時に対象物ＴＡをアブレーション加工可能なフルエンスの下限値を示す。第２被加工閾値Ｆｄ２は、励起層ｙ（ｔ）が形成されていない時に対象物ＴＡをアニーリング加工可能なフルエンスの下限値を示す。第２被加工閾値Ｆｄ２は第１被加工閾値Ｆｄ１より小さい。
【０２８７】
第１パルスＩＰのピークフルエンスは加工閾値Ｆｔｈより小さいことが好ましい。具体的には、第１パルスＩＰのピークフルエンスは、第１加工閾値Ｆｔ１及び第２加工閾値Ｆｔ２の各々より小さいことが好ましい。
【０２８８】
加工閾値Ｆｔｈは、対象物ＴＡの励起時の加工閾値であり、電子系の励起によって非コヒーレントな励起層ｚ（ｔ）が形成されている時に対象物ＴＡを加工可能なフルエンスの下限値を示す。換言すれば、加工閾値Ｆｔｈは、対象物ＴＡのうち、電子系の励起によって形成される非コヒーレントな励起層ｚ（ｔ）（以下、「電子系非コヒーレント励起層ｚ（ｔ）」と記載する場合がある。）を加工可能なフルエンスの下限値を示す。更に換言すれば、加工閾値Ｆｔｈは、電子系非コヒーレント励起層ｚ（ｔ）の消滅前に対象物ＴＡを加工能なフルエンスの下限値を示す。電子系非コヒーレント励起層ｚ（ｔ）は、図４を参照して説明した励起層ｚ（ｔ）を示す。
【０２８９】
第１加工閾値Ｆｔ１は、電子系非コヒーレント励起層ｚ（ｔ）の消滅前に対象物ＴＡをアブレーション加工可能なフルエンスの下限値を示す。第２加工閾値Ｆｔ２は、電子系非コヒーレント励起層ｚ（ｔ）の消滅前に対象物ＴＡをアニーリング加工可能なフルエンスの下限値を示す。第２加工閾値Ｆｔ２は、第１加工閾値Ｆｔ１よりも小さい。また、第１加工閾値Ｆｔ１及び第２加工閾値Ｆｔ２の各々は、第１被加工閾値Ｆｄ１より小さく、第２被加工閾値Ｆｄ２より小さい。つまり、加工閾値Ｆｔｈは被加工閾値Ｆｄより小さい。
【０２９０】
次に、レーザークリーニング装置１は、対象物ＴＡの表面の励起層ｙ（ｔ）が消滅する前に、異物５６に第２パルスＳＰを照射する。第２パルスＳＰの光子エネルギーは、例えば、対象物ＴＡのバンドギャップより小さい。なお、第２パルスＳＰの光子エネルギーは、対象物ＴＡの表面が加工されない限り、対象物ＴＡのバンドギャップ以上であってもよい。
【０２９１】
第２パルスＳＰのピークフルエンスは、対象物ＴＡの表面のうち異物５６が位置している領域と異なる領域（以下、「異物不存在領域」と記載する。）に、第１パルスＩＰに対して遅延時間τを有する第２パルスＳＰを照射したときに、異物不存在領域を加工可能なフルエンスの下限値よりも小さい。異物不存在領域は、対象物ＴＡの表面のうち異物５６が存在しない領域である。例えば、第２パルスＳＰのピークフルエンスは被加工閾値Ｆｄより小さい。具体的には、第２パルスＳＰのピークフルエンスは、第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２の各々より小さい。例えば、第２パルスＳＰのピークフルエンスは加工閾値Ｆｔｈより小さいことが好ましい。具体的には、第２パルスＳＰのピークフルエンスは、第１加工閾値Ｆｔ１及び第２加工閾値Ｆｔ２の各々より小さいことが好ましい。
【０２９２】
対象物ＴＡの表面には、コヒーレントな電子系の励起層ｙ（ｔ）が形成されている。従って、励起層ｙ（ｔ）と接触している異物５６は、励起層ｙ（ｔ）の影響により、光吸収率が上昇している。その結果、低光子エネルギー及び低フルエンスの第２パルスＳＰであっても、異物５６の電子がエネルギーを吸収し易い。そして、エネルギーを吸収した電子が、安定なエネルギー準位に遷移するときにエネルギーを放出する。その結果、異物５６が蒸発して、異物５６が除去される。
【０２９３】
第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々のピークフルエンスが被加工閾値Ｆｄより小さいため、異物５６だけが除去され、異物５６が付着していない領域が損傷を受けることを抑制できる。また、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々のピークフルエンスが加工閾値Ｆｔｈより小さい場合は、異物５６が付着していない領域が損傷を受けることを更に抑制できる。
【０２９４】
以上、図２９を参照して説明したように、対象物ＴＡの表面のうち異物５６が位置する領域では、第１パルスＩＰの電界が増強されるため、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第１パルスＩＰであっても、コヒーレントな電子系の励起を誘起できる。従って、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有する第２パルスＳＰによって、励起層ｙ（ｔ）上の異物５６を容易に除去できる。加えて、対象物ＴＡが損傷することを抑制できる。
【０２９５】
次に、図３０を参照して、アニーリング加工可能なフルエンスの下限値を示す第２加工閾値Ｆｔ２と第２被加工閾値Ｆｄ２との関連で、異物５６の除去について説明する。図３０は、実施形態８に係る第２加工閾値Ｆｔ２及び比較例に係る第２被加工閾値Ｆｄ２を示す図である。図３０では、ゲルマニウム基板にダブルパルスビームＤＰ及びシングルパルスＳＮＰを照射している。
【０２９６】
図３０に示すように、第１パルスＩＰに第２パルスＳＰを積み上げて、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとのトータルのフルエンスに着目すると、ダブルパルスビームＤＰに基づく第２加工閾値Ｆｔ２は、値「Ｆ１」を有する。そして、値「Ｆ１」は、シングルパルスＳＮＰに基づく第２被加工閾値Ｆｄ２と略同一である。
【０２９７】
しかしながら、第２パルスＳＰは第１パルスＩＰに対して遅延しているため、実際には、第２パルスＳＰに基づく第２加工閾値Ｆｔ２は、値「Ｆ２」を有する。そして、値「Ｆ２」は、値「Ｆ１」及び第２被加工閾値Ｆｄ２の各々よりも小さい。なぜなら、第１パルスＩＰの照射によって形成される電子系非コヒーレント励起層ｚ（ｔ）の消滅前に、第２パルスＳＰを照射するためである。
【０２９８】
さらに、実施形態８では、第２パルスＳＰに基づく第３加工閾値Ｆｔ３は、値「Ｆ２」を有する第２加工閾値Ｆｔ２よりも小さい。なぜなら、対象物ＴＡの表面のうち異物５６が位置する領域では、第１パルスＩＰの電界が増強されて、コヒーレントな励起層ｙ（ｔ）が形成されるためである。
【０２９９】
第３加工閾値Ｆｔ３は、対象物ＴＡの励起時の加工閾値であり、電子系の励起によってコヒーレントな励起層ｙ（ｔ）が形成されている時に対象物ＴＡを加工可能なフルエンスの下限値を示す。換言すれば、第３加工閾値Ｆｔ３は、対象物ＴＡのうち、電子系の励起によって形成されるコヒーレントな励起層ｙ（ｔ）（以下、「電子系コヒーレント励起層ｙ（ｔ）」と記載する場合がある。）を加工可能なフルエンスの下限値を示す。更に換言すれば、第３加工閾値Ｆｔ３は、電子系コヒーレント励起層ｙ（ｔ）の消滅前に対象物ＴＡを加工能なフルエンスの下限値を示す。具体的には、第３加工閾値Ｆｔ３は、電子系コヒーレント励起層ｙ（ｔ）の消滅前に対象物ＴＡをアニーリング加工可能なフルエンスの下限値を示す。
【０３００】
実施形態８では、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰのうち少なくとも第２パルスＳＰのピークフルエンスＰＦは、シングルパルスＳＮＰに基づく第２被加工閾値Ｆｄ２よりも小さい。従って、対象物ＴＡの表面が損傷することを抑制しつつ、異物５６を除去できる。
【０３０１】
また、実施形態８では、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰのうち少なくとも第２パルスＳＰのピークフルエンスＰＦは、第２パルスＳＰに基づく第２加工閾値Ｆｔ２（＝Ｆ２）よりも小さい。従って、対象物ＴＡの表面が損傷することを更に抑制しつつ、異物５６を除去できる。
【０３０２】
具体的には、第２パルスＳＰが異物５６に照射されるときには、第２パルスＳＰに基づく加工閾値は第３加工閾値Ｆｔ３である。従って、第３加工閾値Ｆｔ３以上のフルエンスを利用して、異物５６が除去される。一方、第２パルスＳＰが異物不存在領域に照射されるときには、第２パルスＳＰに基づく加工閾値は第２加工閾値Ｆｔ２（＝Ｆ２）である。なぜなら、異物不存在領域では、第１パルスＩＰの電界が増強されないため、第１パルスＩＰによって電子系非コヒーレント励起層ｚ（ｔ）が形成されるためである。そして、第２パルスＳＰのピークフルエンスＰＦは、第２加工閾値Ｆｔ２（＝Ｆ２）よりも小さい。従って、異物不存在領域が損傷されることを更に抑制できる。
【０３０３】
次に、図３１を参照して、レーザークリーニング装置１が実行するレーザークリーニング方法について説明する。レーザークリーニング方法では、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを含むダブルパルスビームＤＰ（レーザー光）を照射して対象物ＴＡの表面に位置する異物５６を除去する。
【０３０４】
図３１（ａ）は、実施形態８に係るレーザークリーニング方法を示すフローチャートである。図３１（ａ）に示すように、レーザークリーニング方法は、原点決定工程Ｓ３１と、遅延制御工程Ｓ３３と、照射工程Ｓ３５と、判定工程Ｓ３７と、位置変更工程Ｓ３９とを含む。
【０３０５】
原点決定工程Ｓ３１において、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、時間原点を決定する。
【０３０６】
遅延制御工程Ｓ３３において、制御部２４は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの干渉スペクトル波形に基づいて、第１パルスＩＰに対する第２パルスＳＰの遅延時間τを制御する。
【０３０７】
照射工程Ｓ３５において、照射パルス生成部２は、対象物ＴＡの表面にダブルパルスビームＤＰを照射する。
【０３０８】
判定工程Ｓ３７において、制御部２４は、対象物ＴＡの表面の全面に対して、ダブルパルスビームＤＰの照射が完了したか否かを判定する。
【０３０９】
全面に対して照射が完了したと判定された場合（判定工程Ｓ３７でＹｅｓ）、処理は終了する。
一方、全面に対して照射が完了していないと判定された場合（判定工程Ｓ３７でＮｏ）、処理は位置変更工程Ｓ３９に進む。
【０３１０】
位置変更工程Ｓ３９において、制御部２４は、ステージ２２を移動して、ダブルパルスビームＤＰの照射位置を変更する。そして、処理は、照射工程Ｓ３５に進む。照射工程Ｓ３５及び位置変更工程Ｓ３９を繰り返して、対象物ＴＡの表面の全面に対して、ダブルパルスビームＤＰを照射して、異物５６を除去する。
【０３１１】
図３１（ｂ）は、図３１（ａ）の照射工程Ｓ３５を示すフローチャートである。ただし、実施形態８では、異物５６を探索することなく、対象物ＴＡの表面の全面にわたってダブルパルスビームＤＰを照射するため、ダブルパルスビームＤＰの照射位置に、異物５６が存在する場合と存在しない場合とがある。図３１（ｂ）では、ダブルパルスビームＤＰの照射位置に異物５６が存在する場合の照射工程Ｓ３５を示している。
【０３１２】
図３１（ｂ）に示すように、照射工程Ｓ３５は、励起工程Ｓ４１と除去工程Ｓ４３とを含む。
励起工程Ｓ４１において、照射パルス生成部２は、異物５６に第１パルスＩＰを照射し、異物５６を介して、対象物ＴＡの表面のうち異物５６が位置する領域に電子系の励起を誘起する。具体的には、励起工程Ｓ４１では、電子系の励起によってコヒーレントな励起層ｙ（ｔ）が形成される。
【０３１３】
除去工程Ｓ４３において、照射パルス生成部２は、電子系の励起によって形成された励起層ｙ（ｔ）が消滅する前に、異物５６に第２パルスＳＰを照射して、異物５６を除去する。
【０３１４】
なお、レーザークリーニング装置１として、実施形態２〜実施形態５のレーザー加工装置１、並びに、実施形態６及び実施形態７のレーザー加工装置１Ａを採用することもできる。
【０３１５】
以上、図２９〜図３１を参照して説明したように、実施形態８によれば、対象物ＴＡの表面のうち異物５６が位置する領域では、第１パルスＩＰの電界が増強されて、コヒーレントな励起層ｙ（ｔ）が形成される。そして、励起層ｙ（ｔ）の消滅前に励起層ｙ（ｔ）に第２パルスＳＰを照射する。その結果、比較的低い光子エネルギー及び比較的低いフルエンスを有するレーザー光（ダブルパルスビームＤＰ）によって容易に対象物ＴＡをクリーニングできる。
【０３１６】
次に、本発明が実施例に基づき具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例によって限定されない。
【実施例】
【０３１７】
（実施例１）
本発明の実施例１では、図９を参照して説明した実施形態２に係るレーザー加工装置１を使用した。また、実施例１及び比較例では、ワイドバンドギャップ材料として（表１）に示す「４Ｈ−ＳｉＣ」を被加工物ＴＡとして採用した。被加工物ＴＡは基板であった。被加工物ＴＡである「４Ｈ−ＳｉＣ」のＳｉ面とＣ面とのうちＳｉ面（０００１）を研磨して、ダブルパルスビームＤＰを照射した。レーザー発振器３は、チタンサファイアレーザーであった。レーザー発振器３が生成するオリジナルレーザー光ＯＰの中心波長は７９４ｎｍであった。オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスの半値全幅は８０ｆｓであった。繰り返し周波数は１０Ｈｚであった。中心波長が７９４ｎｍであるため、オリジナルレーザー光ＯＰの光子エネルギーは１．５６ｅＶであった。オリジナルレーザー光ＯＰの光子エネルギーは、被加工物ＴＡのバンドギャップ（＝３．２６ｅＶ）より小さかった。つまり、第１パルスＩＰの光子エネルギーは被加工物ＴＡのバンドギャップより小さく、第２パルスＳＰの光子エネルギーは被加工物ＴＡのバンドギャップより小さかった。
【０３１８】
【表１】
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【０３１９】
まず、比較例として、オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスをシングルパルスＳＮＰとして被加工物ＴＡに照射した。
【０３２０】
図３２は、比較例に係るシングルパルスＳＮＰによる加工領域Ａ１及びフルエンス分布を示す図である。図３２は、被加工物ＴＡの写真とグラフＧＰ１とを含む。被加工物ＴＡの写真は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による観測結果であった。グラフＧＰ１は、シングルパルスＳＮＰのフルエンス分布を示した。横軸は加工領域Ａ１の中心からの位置を示し、縦軸はフルエンスを示した。
【０３２１】
図３２に示すように、シングルパルスＳＮＰによって被加工物ＴＡが加工された。被加工物ＴＡは、加工領域Ａ１と非加工領域Ａ２とを含んでいた。加工領域Ａ１は、アブレーション領域Ａ１１とアニーリング領域Ａ１２とを含んでいた。そして、シングルパルスＳＮＰのフルエンス分布とアブレーション領域Ａ１１とを対応させて、第１被加工閾値Ｆｄ１を決定した。また、シングルパルスＳＮＰのフルエンス分布とアニーリング領域Ａ１２とを対応させて、第２被加工閾値Ｆｄ２を決定した。
【０３２２】
具体的には、フルエンスを変えて、シングルパルスＳＮＰを照射し、第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２を測定した。つまり、０〜１７４０［ｍＪ／ｃｍ2］のフルエンス範囲でシングルパルスＳＮＰを照射し、表面加工領域の特徴から、被加工物ＴＡの表面を、照射フルエンス範囲と対応させて、非加工領域Ａ２とアニーリング領域Ａ１２とアブレーション領域Ａ１１とに分類した。
【０３２３】
非加工領域Ａ２は、シングルパルスＳＮＰ照射後の被加工物ＴＡをＳＥＭ又はＡＦＭで形状計測しても被加工物ＴＡの表面に変化が生じない領域であると定義した。非加工領域Ａ２に対応する照射フルエンスの上限値は９９０［ｍＪ／ｃｍ2］であった。９９０［ｍＪ／ｃｍ2］以下のフルエンスでシングルパルスＳＮＰの照射を繰り返しても、被加工物ＴＡに加工痕は形成されなかった。
【０３２４】
アニーリング領域Ａ１２は、９９０［ｍＪ／ｃｍ2］から１０８０［ｍＪ／ｃｍ2］までの照射フルエンスの範囲と対応した。そして、この範囲のフルエンスを有する１ショットのシングルパルスＳＮＰを照射すると、被加工物ＴＡの表面では、その高さおよび断面プロファイルの変化はほとんどないものの、非加工領域Ａ２と比較すると数ｎｍ以下の高さ変化が現れ、繰り返しシングルパルスＳＮＰ照射によって加工痕が形成された。
【０３２５】
アブレーション領域Ａ１１は、１０８０［ｍＪ／ｃｍ2］から１７４０［ｍＪ／ｃｍ2］までの照射フルエンス範囲と対応した。そして、この範囲のフルエンスを有するシングルパルスＳＮＰを被加工物ＴＡに照射すると、被加工物ＴＡ表面がアブレーション加工されることを確認した。
【０３２６】
別の比較例として、第１被加工閾値Ｆｄ１と第２被加工閾値Ｆｄ２とシングルパルスＳＮＰのピークフルエンスとを計測した。
【０３２７】
図３３は、比較例に係る第１被加工閾値Ｆｄ１と第２被加工閾値Ｆｄ２とシングルパルスＳＮＰのピークフルエンスとを示す図である。図３３では、横軸は実験番号を示し、縦軸はフルエンスを示した。三角形のマークは、シングルパルスＳＮＰのピークフルエンスを示し、菱形のマークは、第１被加工閾値Ｆｄ１を示し、四角形のマークは、第２被加工閾値Ｆｄ２を示した。
【０３２８】
図３３に示すように、実験を６回行った。ピークフルエンスが１０％で変動しているにも拘わらず、第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２の各々は一定であった。第１被加工閾値Ｆｄ１の平均値は１０８０［ｍＪ／ｃｍ2］であり、第２被加工閾値Ｆｄ２の平均値は９７０［ｍＪ／ｃｍ2］であった。
【０３２９】
次に、実施例１として、ダブルパルスビームＤＰによって被加工物ＴＡを加工した。第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々のピークフルエンスは、８７０［ｍＪ／ｃｍ2］であり、第１被加工閾値Ｆｄ１よりも小さく、第２被加工閾値Ｆｄ２よりも小さかった。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τ（パルス間隔τ）は、４００ｆｓであった。そして、ＡＦＭで加工痕を観察した。第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々が１ショット照射された。
【０３３０】
図３４（ａ）は、ダブルパルスビームＤＰによって加工された被加工物ＴＡの加工領域Ｂ１を示す図である。図３４（ｂ）は、被加工物ＴＡの加工領域Ｂ１の断面プロファイルを示す図である。図３４（ｂ）では、横軸は加工領域Ｂ１の中心からの位置を示し、縦軸は被加工物ＴＡの表面からの加工領域Ｂ１の深さを示した。図３４（ａ）及び図３４（ｂ）に示すように、第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２の各々よりも小さいフルエンスの第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰを使用して、ワイドバンドギャップ材料である被加工物ＴＡが加工されていた。
【０３３１】
次に、比較例として、シングルパルスＳＮＰによって被加工物ＴＡを加工した。また、別の実施例１（実施例１（０）〜実施例１（３））として、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τを変えて、被加工物ＴＡを加工した。
【０３３２】
実施例１（０）〜実施例１（３）のダブルパルスビームＤＰのトータルエネルギーは３６［μＪ］であり、第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々のピークフルエンスは、８２０［ｍＪ／ｃｍ2］であり、シングルパルスＳＮＰに基づく第２被加工閾値Ｆｄ２（＝９７０［ｍＪ／ｃｍ2］：図３３）よりも小さかった。一方、比較例のシングルパルスＳＮＰのエネルギーは、３６μＪであり、ダブルパルスビームＤＰのトータルエネルギーと同じであった。シングルパルスＳＮＰのピークフルエンスは、１６５０ｍＪ／ｃｍ2であり、第１パルスＩＰのピークフルエンスと第２パルスＳＰのピークフルエンスとの和１６４０ｍＪ／ｃｍ2とほぼ同じであった。
【０３３３】
図３５（ａ）は、比較例に係る加工領域Ａ１と実施例１（１）〜実施例１（３）に係る加工領域Ｂ１とを示す図である。図３５（ａ）に示すように、写真６０ａ〜写真６０ｄは、ＡＦＭによる観測結果を示した。
【０３３４】
写真６０ａは、比較例であり、被加工物ＴＡにシングルパルスＳＮＰを照射したときの加工領域Ａ１を示した。
【０３３５】
写真６０ｂは、実施例１（１）であり、被加工物ＴＡにダブルパルスビームＤＰを照射したときの加工領域Ｂ１を示した。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τは１ｐｓであった。
【０３３６】
写真６０ｃは、実施例１（２）であり、被加工物ＴＡにダブルパルスビームＤＰを照射したときの加工領域Ｂ１を示した。時間間隔τは１０ｐｓであった。
【０３３７】
写真６０ｄは、実施例１（３）であり、被加工物ＴＡにダブルパルスビームＤＰを照射したときの加工領域Ｂ１を示した。時間間隔τは１００ｐｓであった。
【０３３８】
実施例１（１）〜実施例１（３）では、写真６０ｂ〜写真６０ｄに示すように、比較例のシングルパルスＳＮＰのピークフルエンスよりも小さいピークフルエンスの第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰによって、ワイドバンドギャップ材料である被加工物ＴＡを加工でき、加工領域Ｂ１を観測できた。また、実施例１（１）〜実施例１（３）では、写真６０ｂ〜写真６０ｄに示すように、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τが大きくなるほど、加工領域Ｂ１が小さくなった。従って、第１パルスＩＰの照射時からの経過時間に伴って、励起層ｚ（ｔ）（図４）が減衰することを確認できた。ただし、写真６０ｂ及び写真６０ｃの加工領域Ｂ１が比較的大きく、更に、写真６０ｂの加工領域Ｂ１の大きさと写真６０ｃの加工領域Ｂ１の大きさが同程度であるため、時間間隔τが１ｐｓ以上１０ｐｓ以下であると、励起層ｚ（ｔ）の減衰が比較的小さいことを確認できた。つまり、時間間隔τが１ｐｓ以上１０ｐｓ以下であると、被加工物ＴＡを効果的に加工できた。
【０３３９】
図３５（ｂ）は、比較例に係る加工領域Ａ１の断面プロファイルと実施例１（１）〜実施例１（３）に係る加工領域Ｂ１の断面プロファイルとを示す図である。図３５（ｃ）は、実施例１（０）〜実施例１（３）に係る加工領域Ｂ１の断面プロファイルを示す図である。図３５（ｂ）及び図３５（ｃ）では、横軸が加工領域Ａ１の中心又は加工領域Ｂ１の中心からの位置を示し、縦軸が被加工物ＴＡの表面からの加工領域Ａ１又は加工領域Ｂ１の深さを示す。
【０３４０】
図３５（ｂ）に示すように、断面プロファイル６１ａは、比較例であり、シングルパルスＳＮＰを照射したときの加工痕を示し、断面プロファイル６１ｂは、実施例１（１）であり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを時間間隔（τ＝１ｐｓ）で照射したときの加工痕を示し、断面プロファイル６１ｃは、実施例１（２）であり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを時間間隔（τ＝１０ｐｓ）で照射したときの加工痕を示し、断面プロファイル６１ｃは、実施例１（３）を示し、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを時間間隔（τ＝１００ｐｓ）で照射したときの加工痕を示した。
【０３４１】
実施例１（１）〜実施例１（３）では、断面プロファイル６１ｂ〜断面プロファイル６１ｄに示すように、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τが大きくなるほど、加工領域Ｂ１の深さが小さくなった。従って、第１パルスＩＰの照射時からの経過時間に伴って、励起層ｚ（ｔ）（図４）が減衰することを確認できた。
【０３４２】
また、実施例１（１）及び実施例１（２）では、断面プロファイル６１ｂ及び断面プロファイル６１ｃに示すように、加工領域Ｂ１の深さは、比較例に係る断面プロファイル６１ａの示す加工領域Ａ１の深さと同程度であった。さらに、実施例１（１）及び実施例１（２）では、断面プロファイル６１ｂ及び断面プロファイル６１ｃに示すように、加工領域Ｂ１の深さが比較的大きいため、時間間隔τが１ｐｓ以上１０ｐｓ以下であると、励起層ｚ（ｔ）の減衰が比較的小さいことを確認できた。つまり、時間間隔τが１ｐｓ以上１０ｐｓ以下であると、被加工物ＴＡを効果的に加工できた。
【０３４３】
さらに、図３５（ｃ）に示すように、断面プロファイル６１ｅは、実施例１（０）であり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとを時間間隔（τ＝４００ｆｓ）で照射したときの加工痕を示した。時間間隔τがフェムト秒のオーダーでも、ワイドバンドギャップ材料である被加工物ＴＡを良好に加工できた。
【０３４４】
なお、比較例として、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔を１００ｍｓに設定した場合は、被加工物ＴＡに加工痕が形成されなかった。
【０３４５】
次に、別の実施例１として、第１加工閾値Ｆｔ１を計測して、比較例に係る第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２と比較した。
【０３４６】
図３６は、実施例１に係る第２パルスＳＰに基づく第１加工閾値Ｆｔ１を示す図である。横軸は、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τ、つまり、パルス間隔τを示し、縦軸はフルエンスを示す。また、菱形のマークは、実施例１に係る第１加工閾値Ｆｔ１を示す。図３６に示すように、パルス間隔τを０．２ｐｓ以上２０ｐｓ以内の範囲に設定し、４つのパルス間隔τでの第２パルスＳＰに基づく第１加工閾値Ｆｔ１を計測した。
【０３４７】
実施例１では、どのパルス間隔τにおいても、第１加工閾値Ｆｔ１は、約６５０［ｍＪ／ｃｍ2］であり、比較例に係る第１被加工閾値Ｆｄ１より小さく、比較例に係る第２被加工閾値Ｆｄ２より小さかった。なお、比較例に係る第１被加工閾値Ｆｄ１及び第２被加工閾値Ｆｄ２は図３３から得られた。
【０３４８】
次に、別の実施例１として、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとのトータルフルエンスを変えたときの加工領域Ｂ１の深さを計測し、比較例に係るシングルパルスＳＮＰのピークフルエンスを変えたときの加工領域Ａ１の深さと比較した。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとのトータルフルエンスは、第１パルスＩＰのピークフルエンスと第２パルスＳＰのピークフルエンスとの合計値を示した。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとのトータルエネルギーは３６μＪであり、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τは１ｐｓであった。また、第１パルスＩＰのピークフルエンスと第２パルスＳＰのピークフルエンスとは略同じであった。シングルパルスＳＮＰのエネルギーは３６μＪであった。
【０３４９】
図３７（ａ）は、比較例に係るシングルパルスＳＮＰのピークフルエンスと加工領域Ａ１の深さとの関係を示す図である。図３７（ｂ）は、実施例１に係る第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとのトータルフルエンスと加工領域Ｂ１の深さとの関係を示す図である。
【０３５０】
図３７（ａ）では、約１０５０［ｍＪ／ｃｍ2］以上のプロットを直線近似した。図３７（ａ）に示すように、比較例では、直線によるフィッティングが良くなかった。つまり、比較例では、シングルパルスＳＮＰによる励起と加工とが混在しつつ進行するため、多光子吸収による励起に使用されるエネルギーと加工に使用されるエネルギーとが混在し、シングルパルスＳＮＰのピークフルエンスと加工領域Ａ１の深さとの関係が非線形になった。
【０３５１】
一方、図３７（ｂ）では、約１３２０［ｍＪ／ｃｍ2］以上のプロットを直線近似した。図３７（ｂ）に示すように、実施例１では、直線によるフィッティングが良かった。つまり、実施例１では、加工領域Ｂ１の深さの大きさがトータルフルエンスに略比例した。加工領域Ｂ１の深さの大きさは加工量を示すため、換言すれば、加工量がトータルフルエンスに略比例した。加工量がトータルフルエンスに略比例することは、第１パルスＩＰのエネルギーが主に励起に使用され、加工量が主に第２パルスＳＰによるアバランシェイオン化によって定まることを示した。従って、トータルフルエンスを調整することによって、容易に、所望の加工量で被加工物ＴＡを加工できることを確認できた。
【０３５２】
次に、比較例として、シングルパルスＳＮＰのピークフルエンスを変えたときの第１被加工閾値Ｆｄ１を計測した。また、別の実施例１として、第１パルスＩＰのピークフルエンスを変えたときの第２パルスＳＰの第１加工閾値Ｆｔ１を計測した。第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τは１ｐｓであった。
【０３５３】
図３８（ａ）は、比較例に係るシングルパルスＳＮＰのピークフルエンスと第１被加工閾値Ｆｄ１との関係を示す図である。横軸はシングルパルスＳＮＰのピークフルエンスを示し、縦軸は第１被加工閾値Ｆｄ１を示す。図３８（ａ）に示すように、ピークフルエンスを、１０５０〜１６００［ｍＪ／ｃｍ2］の範囲で変化させた。第１被加工閾値Ｆｄ１は、１０５０〜１６００［ｍＪ／ｃｍ2］の範囲において、略一定であり、第１被加工閾値Ｆｄ１の平均値は９９０［ｍＪ／ｃｍ2］であった。
【０３５４】
図３８（ｂ）は、実施例１に係る第１パルスＩＰのピークフルエンスＰＦと第２パルスＳＰの第１加工閾値Ｆｔ１との関係を示す図である。図３８（ｂ）では、四角形のマークは、第２パルスＳＰに基づく第１加工閾値Ｆｔ１を示し、菱形のマークは、第２パルスＳＰに基づく第１加工閾値Ｆｔ１と第１パルスＩＰのピークフルエンスＰＦとの和を示す。
【０３５５】
図３８（ｂ）に示すように、第２パルスＳＰに基づく第１加工閾値Ｆｔ１と第１パルスＩＰのピークフルエンスＰＦとの和は、略一定であった。一方、第２パルスＳＰに基づく第１加工閾値Ｆｔ１は、第１パルスＩＰのピークフルエンスＰＦに略比例した。比例定数は負であった。つまり、第１パルスＩＰのピークフルエンスＰＦを大きくする程、第１加工閾値Ｆｔ１が小さくなった。換言すれば、第１パルスＩＰのピークフルエンスＰＦを大きくして、第１パルスＩＰに基づく励起による種電子を多く生成するほど、第２パルスＳＰに基づく第１加工閾値Ｆｔ１が小さくなることを確認できた。また、図示を省略したが、第２パルスＳＰに基づく第２加工閾値Ｆｔ２は、第１パルスＩＰのピークフルエンスＰＦに略比例した。比例定数は負であった。
【０３５６】
（実施例２）
本発明の実施例２では、実施形態８に係るレーザークリーニング装置１を使用した。具体的には、図９に示すレーザー加工装置１をレーザークリーニング装置１として使用した。ゲルマニウムを被加工物ＴＡとして採用した。被加工物ＴＡは基板であった。レーザー発振器３は、チタンサファイアレーザーであった。レーザー発振器３が生成するオリジナルレーザー光ＯＰの中心波長は７９４ｎｍであった。オリジナルレーザー光ＯＰに含まれるパルスの半値全幅は８０ｆｓであった。繰り返し周波数は１０Ｈｚであった。ダブルパルスビームＤＰの照射エネルギーの総計は、４．７９［μＪ］であった。第１パルスＩＰ及び第２パルスＳＰの各々のピークフルエンスは、２１４［ｍＪ／ｃｍ2］であった。
【０３５７】
実施例２では、被加工物ＴＡの表面のうち汚れた領域（以下、「汚れ領域」と記載する。）に、ダブルパルスビームＤＰを照射した。具体的には、ダブルパルスビームＤＰが照射されていない汚れ領域のうちの矩形領域（１０μｍ×１０μｍ）の汚れと、ダブルパルスビームＤＰが照射された汚れ領域のうちの矩形領域（１０μｍ×１０μｍ）の汚れとを比較した。矩形領域において、汚れが観測された面積（以下、「汚れ面積」と記載する。）を測定した。
【０３５８】
図３９は、実施例２に係るダブルパルスビームＤＰが照射された汚れ領域における汚れ面積と、ダブルパルスビームＤＰが照射されていない汚れ領域における汚れ面積とを示す図である。図３９に示すように、ダブルパルスビームＤＰが照射されていない矩形領域では、汚れ面積が９．０μｍ2であった。これに対して、ダブルパルスビームＤＰが照射された矩形領域では、汚れ面積がほぼゼロμｍ2であった。また、ダブルパルスビームＤＰが照射されていない矩形領域とダブルパルスビームＤＰが照射された矩形領域との双方で、ダブルパルスビームＤＰの加工痕は観測されなかった。従って、ダブルパルスビームＤＰを照射することによって、被加工物ＴＡの表面が損傷することを抑制しつつ、被加工物ＴＡの表面の汚れを除去できた。
【０３５９】
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である（例えば、下記（１）、（２））。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の個数等は、図面作成の都合から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０３６０】
（１）図１〜図３９を参照して説明した実施形態及び実施例では、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとの時間間隔τは、ゼロ秒より大きかった。ただし、時間間隔τは、実質的にゼロ秒であってもよい。遅延時間τが実質的にゼロ秒の場合、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとが空間的に重なるように、第１パルスＩＰと第２パルスＳＰとが合成される。
【０３６１】
（２）図１〜図２８を参照して説明した実施形態では、第１パルスＩＰによって、被加工物ＴＡの表面に励起層（例えば、励起層ｚ（ｔ））を形成した。ただし、第１パルスＩＰによって、被加工物ＴＡの内部に励起層を形成してもよい。そして、被加工物ＴＡの内部に形成された励起層に第２パルスＳＰを照射することによって、励起層を加工してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０３６２】
本発明は、レーザー加工方法、加工物の製造方法、レーザークリーニング方法、レーザー加工装置、及びレーザークリーニング装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【０３６３】
１、１Ａ    レーザー加工装置、レーザークリーニング装置
２、２Ａ    照射パルス生成部（照射パルス生成手段）
３    レーザー発振器（レーザー発振手段）
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１５】
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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２３】
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【図２４】
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【図２６】
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【図２７】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３３】
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【図２】
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【図４】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図２２】
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【図２５】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３２】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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