JP5384307B2

JP5384307B2 - レーザ装置

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Publication number: JP5384307B2
Application number: JP2009271414A
Authority: JP
Inventors: 真吾大石; 憲志福満
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: JP2011114268A

Description

本発明は、レーザ装置に関するものである。

レーザ装置は、レーザ加工用途を含む様々な用途に用いられる。例えば、特許文献１には、小型化，高出力化および安定化の容易化を図ったレーザ装置が開示されている。このようなレーザ装置を用いて例えばガラスやシリコン等を加工することが行われている。

特開２００８−０２１７９８号公報

ところで、本発明者の知見によれば、レーザ加工の対象物の材料によってパルスレーザ光のパルス幅の好適値が異なる場合がある。例えば、ガラスをレーザ加工する場合と、シリコンをレーザ加工する場合とでは、パルスレーザ光のパルス幅を異ならせることが好ましい。

このような場合、ガラス加工に好適なパルス幅のパルスレーザ光を出力するレーザ装置と、シリコン加工に好適なパルス幅のパルスレーザ光を出力するレーザ装置とを用意して、これら２つのレーザ装置を加工対象物の材料に応じて使い分ければよい。しかし、この場合には、全体の装置は大型のものとなる。各々のレーザ装置から別個に出力されるレーザ光を加工対象物まで導くための光学系の調整は容易ではない。

例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）またはＭＯＥＭＳ（Micro Opto Electro Mechanical Systems）の分野における素子の多くはガラスとシリコンとの接合体として構成される。異なるパルス幅のレーザ光を選択的に同軸上に出力することができる１台のレーザ装置を用いて、このような素子をダイシングすることができれば好ましい。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、異なるパルス幅のパルス光を選択的に同軸上に出力することができるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ装置は、(1) 共振光路上に設けられたレーザ媒質と、共振光路上に設けられレーザ媒質により光増幅される光を内部に入力して繰返し内部反射させた後に出力する透明媒質と、外部から光を共振光路上に取り込む光入力部と、レーザ媒質により光増幅された光を外部へ出力する光出力部と、を含む共振器と、(2) レーザ媒質に励起エネルギを供給する励起エネルギ供給部と、(3) 共振器の共振光路における光の往復時間より短いパルス幅を有するパルス種光を出力する種光源と、(4) 種光源から出力されるパルス種光の共振器内への導入および非導入の何れかを設定する種光導入部と、(5) 種光源から出力されたパルス種光の共振器内への導入が種光導入部により設定されているときにパルス種光を光入力部により共振光路上に取り込むタイミング、および、レーザ媒質により光増幅された光を光出力部により共振器の外部へ出力するタイミングを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係るレーザ装置は、(a) 種光源から出力されたパルス種光の共振器内への導入が種光導入部により設定されているときに、光入力部により共振光路上に取り込んだパルス種光をレーザ媒質により光増幅した後に当該光増幅したパルス光を光出力部により共振器の外部へ出力する再生増幅動作を行い、(b) 種光源から出力されたパルス種光の共振器内への非導入が種光導入部により設定されているときに、レーザ媒質により光増幅したパルス光を光出力部により共振器の外部へ出力するキャビティダンプ発振動作を行う、ことを特徴とする。

なお、共振器における光入力部および光出力部は、互いに別個の光学素子により構成されてもよいし、共通の光学素子により構成されてもよい。後者の場合、光入力部および光出力部を兼ねる光入出力部が設けられることになる。また、共振器へのパルス種光の入力と共振器からのパルス光の出力とは同軸上になることがあるが、その場合には入力パルス光と出力パルス光とを互いに分離するための分離部が共振器の外部に設けられる。

本発明に係るレーザ装置は、光出力部により共振器の外部へ出力されたパルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部を更に備えるのが好適である。また、本発明に係るレーザ装置では、種光源から出力されたパルス種光の共振器内への導入、非導入が種光導入部により切り替わるときに、制御部は、制御されるタイミングが切り替わり、再生増幅動作時、及びキャビティダンプ動作時において、外部へ出力されるタイミングを最適に制御するのが好適である。

本発明に係るレーザ装置は、異なるパルス幅のパルス光を選択的に同軸上に出力することができる。

本実施形態に係るレーザ装置１の概略構成を示す図である。共振器の構成例を示す図である。図２に示される共振器１０Ａを用いてキャビティダンプ発振動作を行ったときの出力パルス光の波形を示す図である。図２に示される共振器１０Ａを用いて再生増幅動作を行ったときの出力パルス光の波形を示す図である。透明媒質１２の一例として透明媒質１２Ａの構成を示す図である。透明媒質１２Ａにおける光の伝播の様子を示す斜視図である。透明媒質１２の他の一例として透明媒質１２Ｂの構成を示す図である。共振器１０の一例としての共振器１０Ｂの構成を示す図である。透明媒質１２Ａの他の使用例を示す図である。共振器１０の他の一例としての共振器１０Ｃの構成を示す図である。加工システム２の構成および第１加工例を示す図である。加工システム２の構成および第２加工例を示す図である。加工システム２の構成および第３加工例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ装置１の概略構成を示す図である。この図に示されるレーザ装置１は、共振器１０、励起エネルギ供給部２０、種光源３０、種光導入部４０、分離部５０、パルス圧縮部６０および制御部７０を備える。

共振器１０は、レーザ媒質１１、透明媒質１２および光入出力部１３を含む。共振器１０の共振光路上に、レーザ媒質１１、透明媒質１２および光入出力部１３が設けられており、また、複数枚のミラーが設けられている。レーザ媒質１０は、励起エネルギ供給部２０から供給される励起エネルギを受け取って励起されて、所定波長の光を光増幅することができる。レーザ媒質１０は、例えば、チタンサファイア結晶、希土類元素（Ｙｂ，Ｅｒ，Ｎｄ等）を添加された結晶、ガラスまたはセラミックからなる固体レーザ媒質、または、希土類元素をコア領域に添加された光ファイバである。

透明媒質１２は、レーザ媒質１１により光増幅される光を内部に入力して繰返し内部反射させた後に出力する。この透明媒質１２は、レーザ媒質１１により光増幅される光の波長において透明であることが好ましい。この透明媒質１２の光入射面および光出射面には、反射低減膜が形成されているのが好適である。また、この透明媒質１２において光を内部反射させる面は、光を全反射するのが好ましく、その為に、当該反射面への光入射角が臨界角以上であることが好ましく、或いは、当該反射面に高反射膜が形成されているのが好ましい。透明媒質１２は、例えば、数ｃｍ角の小さいものであっても、１０ｍ以上の光路長を有することができる。

まお、透明媒質１２としては、例えば合成石英などの固体媒質が好適に用いられる。合成石英は、紫外から赤外にかけての広い波長域で透明性が高く、さらに、熱膨張係数が小さいので熱的安定性にも優れている。その他にも、透明媒質１２としては、ホウケイ酸ガラスやソーダ石灰ガラスなどの他のガラス材質や、サファイアやダイヤモンドなどの単結晶材質も好適に用いられ得る。

光入出力部１３は、外部から光を共振光路上に取り込む光入力部と、レーザ媒質１１により光増幅された光を外部へ出力する光出力部と、を兼ねるものである。この光入出力部１３は、例えば音響光学結晶（ＡＯ結晶）や電気光学結晶（ポッケルスセル結晶）を含んで構成される。ポッケルスセル結晶が用いられる場合には、これと波長板および偏光ビームスプリッタが組み合わされて光入出力部１３が構成される。

励起エネルギ供給部２０は、レーザ媒質１１に励起エネルギを供給する。例えば、レーザ媒質１１が希土類元素を添加された結晶であれば、励起エネルギ供給部２０は、この添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を励起エネルギとしてレーザ媒質１１に供給する。励起エネルギ供給部２０は好適にはレーザダイオードを含んで構成される。

種光源３０は、パルス種光を出力する。このパルス種光は、レーザ媒質１１において光増幅され得る波長のものであって、共振器１０の共振光路における光の往復時間より短いパルス幅を有する。種光源３０は好適にはレーザダイオードを含んで構成される。

種光導入部４０は、種光源３０から出力されるパルス種光の共振器１０内への導入および非導入の何れかを設定する。種光導入部４０は、例えば、メカニカルシャッタ，ＡＯ結晶またはポッケルス結晶を含んで構成される。

分離部５０は、入力パルス光と出力パルス光とを互いに分離するものである。すなわち、分離部５０は、種光源３０から出力されたパルス種光の共振器１０内への導入が種光導入部４０により設定されているときに、そのパルス種光を共振器１０内へ入力させる。また、分離部５０は、レーザ媒質１１により光増幅されたパルス光が光入出力部１３により共振器１０の外部へ出力されるときに、その出力パルス光を入力パルス光の入力方向とは異なる方向へ出力する。分離部５０は、例えば、ファラデーローテータ、波長板および偏光ビームスプリッタを含んで構成される。

パルス圧縮部６０は、光入出力部１３により共振器１０の外部へ出力されて分離部５０を経たパルス光を入力し、このパルス光のパルス幅を圧縮して、当該圧縮後のパルス光を出力する。パルス圧縮部６０は、例えば、反射型回折格子または透過型回折格子と折り返しミラーとを含んで構成される。透過型回折格子が用いられる場合、その透過型回折格子は、反射型回折格子のように表面に金などの高反射膜が形成されている必要がない。透過型回折格子は、透過率の向上のために、裏面に反射低減膜が形成されていてもよい。その他にも、パルス圧縮部６０は、プリズムとグレーティングとを組み合わせた分散素子であるグリズムを含んで構成されてもよい。

制御部７０は、光入出力部１３および種光導入部４０それぞれの動作を制御する。具体的には、制御部７０は、種光源３０から出力されたパルス種光の共振器１０内への導入が種光導入部４０により設定されているときに該パルス種光を光入出力部１３により共振光路上に取り込むタイミングを制御する。また、制御部７０は、レーザ媒質１１により光増幅された光を光入出力部１３により共振器１０の外部へ出力するタイミングを制御する。

このように構成されるレーザ装置１は、種光源３０から出力されたパルス種光の共振器１０内への導入が種光導入部４０により設定されているときに、光入出力部１３により共振光路上に取り込んだパルス種光をレーザ媒質１１により光増幅した後に当該光増幅したパルス光を光入出力部１３により共振器１０の外部へ出力する再生増幅動作を行う。

また、レーザ装置１は、種光源３０から出力されたパルス種光の共振器１０内への非導入が種光導入部４０により設定されているときに、レーザ媒質１１により光増幅したパルス光を光入出力部１３により共振器１０の外部へ出力するキャビティダンプ発振動作を行う。

再生増幅動作時に共振器１０から出力されるパルス光のパルス幅は、種光源３０から出力されるパルス種光のパルス幅と同程度である。一方、キャビティダンプ発振動作時に共振器１０から出力されるパルス光のパルス幅は、共振器１０の共振光路における光の往復時間と同程度である。前述したとおり、種光源３０から出力されるパルス種光のパルス幅は、共振器１０の共振光路における光の往復時間より短い。それ故、再生増幅動作時に共振器１０から出力されるパルス光のパルス幅は、キャビティダンプ発振動作時に共振器１０から出力されるパルス光のパルス幅より短い。

したがって、本実施形態に係るレーザ装置１は、異なるパルス幅のパルス光を選択的に同軸上に出力することができる。すなわち、レーザ装置１は、再生増幅動作時には比較的短いパルス幅（例えば１ｎｓ以下）のパルス光を出力することができ、キャビティダンプ発振動作時には比較的長いパルス幅（例えば１００ｎｓ以上）のパルス光を出力することができる。

制御部７０は、再生増幅動作時に、光入出力部１３によるパルス種光の取り込みから光入出力部１３によるパルス光の出力までの時間を制御することで、出力パルス光のエネルギを用途に応じて最適な値とすることが好ましい。また、制御部７０は、キャビティダンプ発振動作時に、光入出力部１３によるパルス光の出力の繰返し周期を制御することで、出力パルス光のエネルギを用途に応じて最適な値とすることが好ましい。

なお、超短パルスのパルス種光を再生増幅する際、このパルス種光を増幅しすぎると、非線形効果の影響が大きくなることで、増幅後のパルス光の特性が劣化したり、共振器１０内の光学素子を破壊したりしてしまう恐れがある。これを避けるために、キャビティダンプ発振動作時と比べて再生増幅動作時の増幅時間を短く設定した方がよい場合がある。

図２は、共振器の構成例を示す図である。この図は、透明媒質１２を含まない共振器１０Ａのレイアウトの一例を示している。この共振器１０Ａでは、一方のエンドミラーＭ_１から他方のエンドミラーＭ_１４まで共振光路に沿って順に、ミラーＭ_２〜Ｍ_４、レーザ媒質１１、ミラーＭ_５〜Ｍ_１３、偏光ビームスプリッタ１３１、λ／４板１３２およびポッケルスセル１３３が設けられている。

レーザ媒質１１は、Ｙｂドープ濃度９.８at.％のＹｂ：ＹＡＧセラミックである。レーザ媒質１１の形状は５×５×１.０ｍｍ^３の直方体である。レーザ媒質１１の表面に反射低減膜が形成され、レーザ媒質１１の裏面に高反射膜が形成されている。励起エネルギ供給部２０としてのＬＤ（laserDiode）は、ファイバ結合型のもので、出力波長が９４０ｎｍであり、最大出力パワーが２５Ｗであり、励起光を長さ１.５ｍの光ファイバによりレーザ媒質１１まで導く。ミラーＭ_５は、ダイクロイックミラーであって、光ファイバの出射端から出射された励起光をレーザ媒質１１へ透過させ、被増幅光を反射させる。

光入出力部１３は、偏光ビームスプリッタ１３１、λ／４板１３２およびポッケルスセル１３３により構成される。ポッケルスセル１３３は、ＢＢＯ結晶からなり、アパーチャ径が５ｍｍである。このポッケルスセル１３３の位置でパルス光のビーム径を小さくするために、ミラーＭ_３，Ｍ_９，Ｍ_１０それぞれは曲率半径１０００ｍｍの凹面鏡とされ、ミラーＭ_１１は曲率半径５００ｍｍの凸面鏡とされて、これらにより縮小光学系が共振器１０Ａ内に配置された。

共振器１０Ａの共振器長は７.１ｍである。共振器１０Ａの共振光路における光の往復時間は４７ｎｓである。このような構成の共振器１０Ａを実際に組み立てたところ、共振器１０Ａの設置面積は凡そ１３０ｃｍ×４０ｃｍとなり、共振器１０Ａ内におけるレーザ媒質１１および光入出力部１３を除く光学素子の個数は１４枚と多くなった。

この共振器１０Ａを用いてキャビティダンプ発振動作を行わせて、その動作特性を評価した。繰返し周波数を２０ｋＨｚ，１００ｋＨｚ，２００ｋＨｚと変化させたときのスロープ効率は、それぞれ２７％，３０％，３０％となった。また、繰返し周波数を２０ｋＨｚ，１００ｋＨｚ，２００ｋＨｚと変化させたときの最大平均強度は、励起光強度２５Ｗのときに、それぞれ３.６Ｗ，４.２Ｗ，４.２Ｗとなった。レーザ出力パワーに関して、２ｍ程度の短い共振器長のときとほぼ変わらない特性が得られた。

図３は、図２に示される共振器１０Ａを用いてキャビティダンプ発振動作を行ったときの出力パルス光の波形を示す図である。出力パルス光のパルス幅は、共振器１０Ａの共振光路における光の往復時間に相当する４７ｎｓであった。

共振器１０Ａでは、Ｑ値が高い状態からＱ値が低い状態へ遷移した瞬間にパルス光が共振器１０Ａ外へ出力される。したがって、キャビティダンプ発振動作時における出力パルス光のパルス幅は、共振器長により決定されるので、繰返し周波数に依存して変化することはない。

キャビティダンプ発振動作時における出力パルス光のパルス形状は、光入出力部１３に含まれる変調素子（図２の構成ではポッケルスセル１３３）の立ち上がり特性に依存して決定される。用いたポッケルスセルの立ち上がり時間が数ｎｓ程度であるので、出力パルス光のパルス形状は矩形になった。レーザ加工において、出力パルス光のパルス形状は矩形であることが望ましいことがある。

また、この共振器１０Ａを用いて再生増幅動作を行わせて、その動作特性を評価した。種光源３０としてＹｂファイバレーザ光源を用いた。この種光源３０から出力されるパルス種光の波長は１,０４０ｎｍであり、パルス種光の平均出力は５０ｍＷであり、パルス種光の繰返し周波数は４５ＭＨｚであり、パルス種光のパルス幅は９０ｐｓであった。このパルス種光は、外部圧縮で３００ｆｓ以下にまで圧縮することが可能なチャープパルスである。このパルス種光の繰返し周波数は、共振器１０Ａに導入される前にパルスピッカーによって、再生増幅の繰返し周波数にまで下げられた。

図４は、図２に示される共振器１０Ａを用いて再生増幅動作を行ったときの出力パルス光の波形を示す図である。同図（ａ）はパルス圧縮前のパルス波形を示し、同図（ｂ）はパルス圧縮後のパルス波形を示す。パルス圧縮前で１０ｐｓのパルス幅が得られ、パルス圧縮後で１.６ｐｓのパルス幅が得られた。パルス幅に関して、２ｍ程度の短い共振器長のときとほぼ変わらない特性が得られた。

ただし、図２に示される共振器１０Ａは、空間的に光が伝播する距離が長く、また、共振光路上の光学素子の個数が多いので、動作が振動等の外乱の影響を受け易く、出力が不安定となり易く、出力パルス光の揺らぎが大きくなる。そこで、光を内部に入力して繰返し内部反射させた後に出力する透明媒質１２を共振光路上に設けることで、少ない光学素子数であって且つ小型な系で長い共振器長を有する共振器を構成するのが好適である。

図５は、透明媒質１２の一例として透明媒質１２Ａの構成を示す図である。同図（ａ）は透明媒質１２Ａの平面図であり、同図（ｂ）は透明媒質１２Ａの側面図であり、また、同図（ｃ）は透明媒質１２Ａの斜視図である。図６は、透明媒質１２Ａにおける光の伝播の様子を示す斜視図である。

これらの図に示される透明媒質１２Ａは、各々合成石英からなる主部材１２１および３個の直角プリズム１２２〜１２４を含んで構成される。主部材１２１は、概略的には直方体形状を有し、矩形断面の２箇所のコーナー部が面取りされて光入出射面１２１ａ，１２１ｂとされていている。主部材１２１の光入出射面１２１ａには直角プリズム１２２，１２４がオプティカルコンタクトや常温ボンディングなどにより貼り付けられている。また、主部材１２１の光入出射面１２１ｂには直角プリズム１２３がオプティカルコンタクトや常温ボンディングなどにより貼り付けられている。

合成石英の屈折率は約１.４５であることから、空気に対する臨界角は約４３.６度である。したがって、合成石英の内部を伝播する光が界面に対して４５度の角度で入射すれば、その光は界面で全反射される。よって、この場合、主部材１２１および３個の直角プリズム１２２〜１２４それぞれの界面には高反射膜が形成される必要はない。一方、光入出射面１２１ａ，１２１ｂにおいて光が入射または出射する部分には反射低減膜が形成されているのが好ましい。

この透明媒質１２Ａでは、外部から主部材１２１の光入出射面１２１ａへ入射された入射光Ｌｉは、主部材１２１の内部の複数回周回して伝播し、一旦、主部材１２１の光入出射面１２１ｂから外部に出射され、外部に設けられた全反射鏡（凹面鏡）１２５により反射されて、若干高さ方向に傾きをもって光入出射面１２１ｂから主部材１２１内に再び入射される。この再入射された光は、主部材１２１の内部の複数回周回して伝播して、直角プリズム１２２により高さが変えられ、主部材１２１の内部の複数回周回して伝播して、直角プリズム１２３により高さが変えられ、主部材１２１の内部の複数回周回して伝播して、直角プリズム１２４により高さが変えられ、主部材１２１の内部の複数回周回して伝播して、最終的に光入出射面１２１ｂから外部に出射されて出射光Ｌｏとなる。

例えば、透明媒質１２Ａの主部材１２１が底面のサイズが約７０ｍｍ×６３ｍｍであって合成石英からなる場合、光が光入出射面１２１ａから光入出射面１２１ｂに至るまでに、その光は主部材１２１内を５周することが可能であり、伝播距離は約０.８９ｍとなる。合成石英の屈折率が１.４５であることから、光が光入出射面１２１ａから光入出射面１２１ｂに至るまでに、約１.２９ｍの光路長が得られる。図で示したように、全ての主部材１２１内の全ての光路を含めると、光路長は約６.４５ｍとなる。

図７は、透明媒質１２の他の一例として透明媒質１２Ｂの構成を示す図である。同図（ａ）は透明媒質１２Ｂの平面図であり、同図（ｂ）は透明媒質１２Ｂの側面図であり、また、同図（ｃ）は透明媒質１２Ｂの斜視図である。図５に示された透明媒質１２Ａにおける直角プリズム１２２〜１２４に替えて、この図７に示された透明媒質１２Ｂの主部材１２１に高反射膜１２６，１２７が形成されている。このように構成される透明媒質１２Ｂも、透明媒質１２Ａと同様に、小型でありながら長い光路長を得ることができる。

図８は、共振器１０の一例としての共振器１０Ｂの構成を示す図である。この図に示される共振器１０Ｂでは、一方のエンドミラーＭ_１から他方のエンドミラーＭ_１４まで共振光路に沿って順に、ミラーＭ_２〜Ｍ_４、レーザ媒質１１、ミラーＭ_５、透明媒質１２、偏光ビームスプリッタ１３１、λ／４板１３２およびポッケルスセル１３３が設けられている。透明媒質１２は、透明媒質１２Ａ（図５，図６）および透明媒質１２Ｂ（図７）の何れであってもよい。

図２に示された共振器１０Ａの構成と比較すると、この図８に示される共振器１０Ｂは、ミラーＭ_６〜Ｍ_１３に替えて透明媒質１２を備えている点で相違する。共振器１０Ｂの共振器長は約９ｍとなる。図２に示された透明媒質１２を用いていない共振器１０Ａの構成と比較すると、この図８に示される透明媒質１２を用いた共振器１０Ｂは、共振器長が長くなっているにも拘わらず、設置面積が６０ｃｍ×３０ｃｍと小型になり、レーザ媒質１１および光入出力部１３を除く光学素子の個数が７枚と少なくすることができる。

図９は、透明媒質１２Ａの他の使用例を示す図である。また、図１０は、共振器１０の他の一例としての共振器１０Ｃの構成を示す図である。この共振器１０Ｃは、図９に示される使用例で透明媒質１２Ａが使用されている。ここでは、透明媒質１２Ａの主部材１２１の光入出射面１２１ｂに対向してエンドミラーＭ_１が設けられている。

この場合の透明媒質１２Ａ内での光路長は約１２.９ｍとなる。また、共振器１０Ｃの共振器長は約１５.３ｍとなる。共振器１０Ｃの設置面積は、３０ｃｍ×１８ｃｍとなり、通常、ポッケルスセル結晶の応答時間で決定される約２ｍ程度の共振器長を有する再生増幅器の共振器と変わらないサイズになる。また、レーザ媒質１１および光入出力部１３を除く光学素子の個数が４枚と少なくすることができる。

このとき、キャビティダンプパルス光のパルス幅は約１００ｎｓが得られる。また、パルス幅１ｐｓ以下にまで圧縮可能な波長帯域を有するパルス種光であれば、Ｙｂ：ＹＡＧをレーザ媒質１１として用いた場合、増幅後、出力パルス光を外部で圧縮することによって、１ｐｓ程度のパルス幅を有するパルス光が得られる。

次に、図１１〜図１３を用いて、本実施形態に係るレーザ装置１を含む加工システム２の構成、および、この加工システム２を用いた加工例について説明する。

図１１は、加工システム２の構成および第１加工例を示す図である。この図に示される加工システム２は、レーザ装置１に加えて加工部８０を備える。また、この図では、分離部５０およびパルス圧縮部６０それぞれの詳細な構成が示されている。

分離部５０は、入力パルス光と出力パルス光とを互いに分離するものであって、偏光ビームスプリッタ５１、ファラデーローテータ５２および波長板５３を含む。分離部５０は、ファラデーローテータ５２による光の偏光面の回転角に応じて、種光源３０から出力され種光導入部４０を経たパルス種光を共振器１０内へ導入したり、共振器１０から外部へ出力されたパルス光を偏光ビームスプリッタ５１で反射させてミラーＭ_２１へ出力したりすることができる。

パルス圧縮部６０は、共振器１０から外部へ出力され分離部５０，ミラーＭ_２１およびハーフミラーＭ_２２を経たパルス光を入力し、このパルス光のパルス幅を圧縮して、当該圧縮後のパルス光を加工部８０へ出力する。パルス圧縮部６０は、波長板６１、回転ステージ６２、偏光制御部６３、透過型回折格子６４および折返しミラー６５〜６７を含む。

波長板６１は、偏光制御部６３により制御された回転ステージ６２の回転により光学軸の方位が設定される。透過型回折格子６４の一方の側に波長板６１および折返しミラー６７が設けられ、他方の側に折返しミラー６５，６６が設けられている。折返しミラー６５〜６７それぞれは、ルーフミラーまたは直角プリズムにより構成され得る。

このパルス圧縮部６０では、パルス光は、透過型回折格子６４、折返しミラー６６、透過型回折格子６４、折返しミラー６７、透過型回折格子６４、折返しミラー６６および透過型回折格子６４を順に経ることで、パルス幅が圧縮される。また、パルス幅の圧縮の程度は、透過型回折格子６４と折返しミラー６６との間の距離により設定され得る。パルス圧縮部６０は、このパルス幅が圧縮されたパルス光をハーフミラーＭ_２２で反射させて加工部８０に入力させる。

加工部８０は、加工部８０、ＸＹＺステージ８１、載物台８２、集光レンズ８３、ダイクロイックミラー８４、シャッタ８５、照明光源８６、ハーフミラー８７、リレーレンズ８８および観察光学系８９を含む。ＸＹＺステージ８１は、光軸に平行な方向（ｚ方向）およびこれに垂直な２方向（ｘ，ｙ方向）に載物台８２を移動させることができる。載物台８２は、加工対象物９０を載置するものであり、ＸＹＺステージ８１によりｘ方向，ｙ方向およびｚ方向の何れにも移動が可能である。

集光レンズ８３は、パルス圧縮部６０から出力されてシャッタ８５およびダイクロイックミラー８４を経て到達したパルス光を加工対象物９０の加工位置に集光する。集光レンズ８３は、照明光源８６から出力されてハーフミラー８７およびダイクロイックミラー８４を経て到達した照明光を加工対象物９０に照射する。また、集光レンズ８３は、加工対象物９０への照明光の照射に伴い加工対象物９０で生じた光（以下「観察光」という。）を入力して、ダイクロイックミラー８４へ出力する。

ダイクロイックミラー８４は、パルス圧縮部６０から出力されてシャッタ８５を経て到達したパルス光を集光レンズ８３へ反射させる。また、ダイクロイックミラー８４は、照明光源８６から出力されてハーフミラー８７を経て到達した照明光を集光レンズ８３へ透過させ、加工対象物９０で生じた観察光をハーフミラー８７へ透過させる。シャッタ８５は、加工対象物９０へのパルス光の照射および非照射を設定する。

照明光源８６は、加工対象物９０を観察するために加工対象物９０に照射すべき照明光を出力する。ハーフミラー８７は、照明光源８６から出力された照明光をダイクロイックミラー８４へ反射させ、加工対象物９０で生じた観察光をリレーレンズ８８へ透過させる。リレーレンズ８８は、ハーフミラー８７から到達した観察光を観察光学系８９へ導く。観察光学系８９は、リレーレンズ８８から到達した観察光により、加工対象物９０を観察することができる。

図１１に示される第１加工例では、加工対象物９０はシリコン板とガラス板との接合体であり、このような加工対象物９０をパルス光照射により分断するものとする。ガラス板はパイレックス（登録商標）であるとし、シリコン板およびガラス板それぞれの厚さは３００μｍであるとして、シリコン板とガラス板とは互いに陽極接合されているとする。第１加工例の加工方法は、加工対象物９０のうちのシリコン板を加工する第１ステップと、加工対象物９０のうちのガラス板を加工する第２ステップとを含む。

この場合、第１ステップにおいてシリコン板を加工するときのパルス光は、一例として、波長１０３０ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓ、繰返し周波数８０ｋＨｚ、パルスエネルギ６μＪであるのが好ましい。また、第２ステップにおいてガラス板を加工するときのパルス光は、一例として、波長１０３０ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰返し周波数３０ｋＨｚ、パルスエネルギ２０μＪであるのが好ましい。

シリコン板を加工する第１ステップでは、種光源３０から出力されるパルス種光が種光導入部４０により共振器１０へ導入されない設定（すなわち、キャビティダンプ発振動作の設定）とされる。また、偏光制御部６３により波長板６１の光学軸の方位が水平偏光状態に設定されて、共振器１０から出力されたパルス光がパルス圧縮部６０内の回折格子６４によって回折されない設定とされる。この状態で、共振器１０におけるキャビティダンプ発振動作で発生したパルス光（波長１０３０ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓ、繰返し周波数８０ｋＨｚ、パルスエネルギ６μＪ）Ｌ１は、加工対象物９０のうちのシリコン板の内部に集光照射される。このとき、加工部８０では、シリコン板における集光位置は、ＸＹＺステージ８１によりｚ方向に６箇所の位置それぞれに設定され、また、ｚ方向の各位置について、ＸＹＺステージ８１によりｘ方向またはｙ方向に速度３００ｍｍ／ｓでスキャンされる。このようにして、シリコン板の内部に亀裂を進展させる。

ガラス板を加工する第２ステップでは、種光源３０から出力されたパルス種光が種光導入部４０により共振器１０へ導入される設定（すなわち、再生増幅動作の設定）とされる。また、偏光制御部６３により波長板６１の光学軸の方位が垂直偏光状態に設定されて、共振器１０から出力されたパルス光がパルス圧縮部６０によりパルス圧縮される設定とされる。この状態で、共振器１０における再生増幅動作で発生しパルス圧縮部６０によりパルス圧縮されたパルス光（波長１０３０ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰返し周波数３０ｋＨｚ、パルスエネルギ２０μＪ）Ｌ２は、加工対象物９０のうちのガラス板の内部に集光照射される。このとき、加工部８０では、ガラス板における集光位置は、ＸＹＺステージ８１によりｚ方向に６箇所の位置それぞれに設定され、また、ｚ方向の各位置について、ＸＹＺステージ８１によりｘ方向またはｙ方向に速度３００ｍｍ／ｓでスキャンされる。このようにして、ガラス板の内部に亀裂を進展させる。

そして、以上のような第１ステップおよび第２ステップが終了した後、シリコン板とガラス板との接合体である加工対象物９０は分割される。

図１２は、加工システム２の構成および第２加工例を示す図である。この図に示される第２加工例では、加工対象物９０はＬｏｗ-ｋ膜（比誘電率が低い膜）が主面に形成されたシリコン板であり、このような加工対象物９０をパルス光照射により分断するものとする。シリコン板の厚さは６２５μｍであるとし、Ｌｏｗ-ｋ膜の厚さは１０μｍとする。第２加工例の加工方法は、加工対象物９０のうちのＬｏｗ-ｋ膜を加工する第１ステップと、加工対象物９０のうちのシリコン板を加工する第２ステップとを含む。

この場合、第１ステップにおいてＬｏｗ-ｋ膜を加工するときのパルス光は、一例として、波長１０３０ｎｍ、パルス幅９０ｐｓ、繰返し周波数５０ｋＨｚ、パルスエネルギ５０μＪであるのが好ましい。また、第２ステップにおいてシリコン板を加工するときのパルス光は、一例として、波長１０３０ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓ、繰返し周波数８０ｋＨｚ、パルスエネルギ６μＪであるのが好ましい。

Ｌｏｗ-ｋ膜を加工する第１ステップでは、種光源３０から出力されたパルス種光が種光導入部４０により共振器１０へ導入される設定（すなわち、再生増幅動作の設定）とされる。また、偏光制御部６３により波長板６１の光学軸の方位が水平偏光状態に設定されて、共振器１０から出力されたパルス光がパルス圧縮部６０によりパルス圧縮されない設定とされる。この状態で、共振器１０における再生増幅動作で発生したパルス光（波長１０３０ｎｍ、パルス幅９０ｐｓ、繰返し周波数５０ｋＨｚ、パルスエネルギ５０μＪ）Ｌ１は、パルス圧縮されることなく、加工対象物９０のうちのＬｏｗ-ｋ膜の表面に集光照射される。このとき、加工部８０では、Ｌｏｗ-ｋ膜の表面における集光位置は、ＸＹＺステージ８１によりｘ方向またはｙ方向に速度５０ｍｍ／ｓでスキャンされる。このようにして、Ｌｏｗ-ｋ膜の光照射部分がアブレーションにより除去されて、当該除去領域においてシリコン板が露出される。

シリコン板を加工する第２ステップでは、種光源３０から出力されるパルス種光が種光導入部４０により共振器１０へ導入されない設定（すなわち、キャビティダンプ発振動作の設定）とされる。また、偏光制御部６３により波長板６１の光学軸の方位が水平偏光状態に設定されて、共振器１０から出力されたパルス光がパルス圧縮部６０内の回折格子６４によって回折されない設定とされる。この状態で、共振器１０におけるキャビティダンプ発振動作で発生したパルス光（波長１０３０ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓ、繰返し周波数８０ｋＨｚ、パルスエネルギ６μＪ）Ｌ２は、加工対象物９０のうちのシリコン板の内部（シリコン板露出領域）に集光照射される。このとき、加工部８０では、シリコン板における集光位置は、ＸＹＺステージ８１によりｚ方向に６箇所の位置それぞれに設定され、また、ｚ方向の各位置について、ＸＹＺステージ８１によりｘ方向またはｙ方向に速度３００ｍｍ／ｓでスキャンされる。このようにして、シリコン板の内部に亀裂を進展させる。

そして、以上のような第１ステップおよび第２ステップが終了した後、Ｌｏｗ-ｋ膜が主面に形成されたシリコン板である加工対象物９０は分割される。

図１３は、加工システム２の構成および第３加工例を示す図である。この図に示される第３加工例では、シリコン板とガラス板とが樹脂接着剤により接合されたものであり。このような加工対象物９０をパルス光照射により分断するものとする。ガラス板はパイレックス（登録商標）であるとし、シリコン板およびガラス板それぞれの厚さは３００μｍであるとし、樹脂接着剤の厚さは１０μｍであるとする。第３加工例の加工方法は、加工対象物９０のうちのシリコン板を加工する第１ステップと、加工対象物９０のうちの樹脂接着剤を加工する第２ステップと、加工対象物９０のうちのガラス板を加工する第３ステップとを含む。

この場合、第１ステップにおいてシリコン板を加工するときのパルス光は、一例として、波長１０３０ｎｍ、パルス幅１５０ｎｓ、繰返し周波数８０ｋＨｚ、パルスエネルギ６μＪであるのが好ましい。第２ステップにおいて樹脂接着剤を加工するときのパルス光は、一例として、波長１０３０ｎｍ、パルス幅１ｐｓ、繰返し周波数５０ｋＨｚ、パルスエネルギ１０μＪであるのが好ましい。また、第３ステップにおいてガラス板を加工するときのパルス光は、一例として、波長１０３０ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰返し周波数３０ｋＨｚ、パルスエネルギ２０μＪであるのが好ましい。

樹脂接着剤を加工する第２ステップでは、種光源３０から出力されたパルス種光が種光導入部４０により共振器１０へ導入される設定（すなわち、再生増幅動作の設定）とされる。また、偏光制御部６３により波長板６１の光学軸の方位が垂直偏光状態に設定されて、共振器１０から出力されたパルス光がパルス圧縮部６０によりパルス圧縮される設定とされる。この状態で、共振器１０における再生増幅動作で発生しパルス圧縮部６０によりパルス圧縮されたパルス光（波長１０３０ｎｍ、パルス幅１ｐｓ、繰返し周波数５０ｋＨｚ、パルスエネルギ１０μＪ）Ｌ２は、加工対象物９０のうちの樹脂接着剤に集光照射される。このとき、加工部８０では、樹脂接着層における集光位置は、ＸＹＺステージ８１によりｘ方向またはｙ方向に速度５０ｍｍ／ｓでスキャンされる。このようにして、接着樹脂層の光照射部分が除去される。

ガラス板を加工する第３ステップでは、種光源３０から出力されたパルス種光が種光導入部４０により共振器１０へ導入される設定（すなわち、再生増幅動作の設定）とされる。また、偏光制御部６３により波長板６１の光学軸の方位が垂直偏光状態に設定されて、共振器１０から出力されたパルス光がパルス圧縮部６０によりパルス圧縮される設定とされる。この状態で、共振器１０における再生増幅動作で発生しパルス圧縮部６０によりパルス圧縮されたパルス光（波長１０３０ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰返し周波数３０ｋＨｚ、パルスエネルギ２０μＪ）Ｌ３は、加工対象物９０のうちのガラス板の内部に集光照射される。このとき、加工部８０では、ガラス板における集光位置は、ＸＹＺステージ８１によりｚ方向に６箇所の位置それぞれに設定され、また、ｚ方向の各位置について、ＸＹＺステージ８１によりｘ方向またはｙ方向に速度３００ｍｍ／ｓでスキャンされる。このようにして、ガラス板の内部に亀裂を進展させる。

なお、第２ステップおよび第３ステップでは、再生増幅動作の設定とされる点では同じであるが、ポッケルスセル１３３の動作タイミングが制御されることで、パルス光出力の繰返し周波数およびパルスエネルギが異なるものとされる。また、第２ステップおよび第３ステップでは、共振器１０からの出力パルス光がパルス圧縮部６０によりパルス圧縮される点では同じであるが、透過型回折格子６４と折返しミラー６６との間の距離が制御されることで、パルス光のパルス幅が異なるものとされる。

そして、以上のような第１〜第３のステップが終了した後、シリコン板とガラス板とが樹脂接着剤により接合されてなる加工対象物９０は分割される。

以上のように、本実施形態に係るレーザ装置１は、異なるパルス幅のパルス光を選択的に同軸上に出力することができる。そして、加工システム２は、このようなレーザ装置１を１台のみ備えることで、例えば、異種の複数の材料から構成される加工対象物に対して、材料に応じて好適なパルス幅のレーザ光を同軸上に出力して照射し、該加工対象物をダイシング等することができる。

１…レーザ装置、２…加工システム、１０…共振器、１１…レーザ媒質、１２…透明媒質、１３…光入出力部、２０…励起エネルギ供給部、３０…種光源、４０…種光導入部、５０…分離部、６０…パルス圧縮部、７０…制御部、８０…加工部。

Claims

共振光路上に設けられたレーザ媒質と、前記共振光路上に設けられ前記レーザ媒質により光増幅される光を内部に入力して繰返し内部反射させた後に出力する透明媒質と、外部から光を前記共振光路上に取り込む光入力部と、前記レーザ媒質により光増幅された光を外部へ出力する光出力部と、を含む共振器と、
前記レーザ媒質に励起エネルギを供給する励起エネルギ供給部と、
前記共振器の共振光路における光の往復時間より短いパルス幅を有するパルス種光を出力する種光源と、
前記種光源から出力されるパルス種光の前記共振器内への導入および非導入の何れかを設定する種光導入部と、
前記種光源から出力されたパルス種光の前記共振器内への導入が前記種光導入部により設定されているときに前記パルス種光を前記光入力部により前記共振光路上に取り込むタイミング、および、前記レーザ媒質により光増幅された光を前記光出力部により前記共振器の外部へ出力するタイミングを制御する制御部と、
を備え、
前記種光源から出力されたパルス種光の前記共振器内への導入が前記種光導入部により設定されているときに、前記光入力部により前記共振光路上に取り込んだ前記パルス種光を前記レーザ媒質により光増幅した後に当該光増幅したパルス光を前記光出力部により前記共振器の外部へ出力する再生増幅動作を行い、
前記種光源から出力されたパルス種光の前記共振器内への非導入が前記種光導入部により設定されているときに、前記レーザ媒質により光増幅したパルス光を前記光出力部により前記共振器の外部へ出力するキャビティダンプ発振動作を行う、
ことを特徴とするレーザ装置。
前記光出力部により前記共振器の外部へ出力されたパルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記種光源から出力されたパルス種光の前記共振器内への導入、非導入が前記種光導入部により切り替わるときに、前記制御部で制御される外部へ出力されるタイミングが切り替わり、再生増幅動作時、及びキャビティダンプ動作時において、最適なタイミングに制御される、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。