JP5922933B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置、並びにシンチレータ構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置、並びにシンチレータ構造体の製造方法に関する。

従来、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、そのようなレーザ加工方法の一例として、異なる波長を有する二種類のパルスレーザ光を用いて改質領域の制御性を向上させる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−６９７８５号公報 国際公開第２０１１／０１８９８９号

しかしながら、従来のレーザ加工方法では、加工対象物のレーザ光入射面からレーザ光の集光点までの距離が長くなるほど収差が大きくなるため、改質領域を形成することが困難となる場合がある。その一方で、所望の改質領域を形成すべくレーザ光のエネルギーを高くすると、加工対象物に不要な亀裂等の損傷が生じる場合がある。

そこで、本発明は、加工対象物のレーザ光入射面からレーザ光の集光点までの距離が長くなっても、加工対象物に損傷が生じるのを防止しつつ、所望の改質領域を形成することができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置、並びにシンチレータ構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工方法は、第１のパルス幅を有する第１のパルスレーザ光を、その集光点が加工対象物の内部に位置するように加工対象物に照射することにより、予備改質領域を形成する工程と、第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有する第２のパルスレーザ光を、その集光点が予備改質領域内に位置するように加工対象物に照射することにより、改質領域を形成する工程と、を備える。

このレーザ加工方法によれば、加工対象物のレーザ光入射面からレーザ光の集光点までの距離が長くなっても、加工対象物に損傷が生じるのを防止しつつ、所望の改質領域を形成することができる。この効果が奏される理由として、本発明者等は次のように推測する。すなわち、パルス幅が相対的に短い第１のパルスレーザ光の照射により、加工対象物の内部に予備改質領域（第１のパルスレーザ光の１パルスの照射による影響が残っている領域）が形成される。この予備改質領域は、パルス幅が相対的に長い第２のパルスレーザ光の照射による加工閾値が下がっている状態にあると考えられる。このため、加工対象物のレーザ光入射面からレーザ光の集光点までの距離が長く、第２のパルスレーザ光の照射のみでは収差の発生等により改質領域を形成することが困難である深部においても、加工対象物に損傷が生じるのを防止しつつ、所望の改質領域を形成することができる。

このレーザ加工方法では、第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、第１のパルスレーザ光の１パルスの照射と略同時に行われてもよい。更に、第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、第１のパルスレーザ光の１パルスの照射を行ってから１００ｎｓ未満内に行われてもよい。これらの場合、所望の改質領域を確実に形成することができる。

このレーザ加工方法では、第１のパルスレーザ光の周波数と第２のパルスレーザ光の周波数とは、互いに同期がとられた同一の周波数であってもよい。或いは、第１のパルスレーザ光の周波数は、第２のパルスレーザ光の周波数よりも高くてもよく、第２のパルスレーザ光の周波数の３倍以上であってもよい。これらの場合、予備改質領域内に合わせて第２のパルスレーザ光を加工対象物に照射することが、より容易になる。

このレーザ加工方法では、第１のパルス幅は、５ｐｓ以上であってもよい。この場合、加工対象物の深部において、予備改質領域を確実に形成することができる。

このレーザ加工方法では、第１のパルスレーザ光のエネルギーは、１０〜３０μＪであり、かつ、第２のパルスレーザ光のエネルギーは、５０〜７０μＪであってもよい。この場合、加工対象物に損傷が生じるのを防止しつつ、加工対象物の深部においても所望の改質領域を形成することがより確実になる。

さらに、上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物を支持する支持部と、第１のパルス幅を有する第１のパルスレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有する第２のパルスレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、第１のレーザ光源から出射された第１のパルスレーザ光を、その集光点が支持部に支持された加工対象物の内部に位置するように加工対象物に照射することにより、予備改質領域を形成し、第２のレーザ光源から出射された第２のパルスレーザ光を、その集光点が予備改質領域内に位置するように加工対象物に照射することにより、改質領域を形成する光学系と、を備える。

このレーザ加工装置では、第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、第１のパルスレーザ光の１パルスの照射と略同時に行われてもよい。更に、第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、第１のパルスレーザ光の１パルスの照射を行ってから１００ｎｓ未満内に行われてもよい。

このレーザ加工装置では、第１のパルスレーザ光の周波数と第２のパルスレーザ光の周波数とは、互いに同期がとられた同一の周波数であってもよい。或いは、第１のパルスレーザ光の周波数は、第２のパルスレーザ光の周波数よりも高くてもよく、第２のパルスレーザ光の周波数の３倍以上であってもよい。

このレーザ加工装置では、第１のパルス幅は、５ｐｓ以上であってもよい。

このレーザ加工装置では、第１のパルスレーザ光のエネルギーは、１０〜３０μＪであり、かつ、第２のパルスレーザ光のエネルギーは、５０〜７０μＪであってもよい。

また、本発明は、所定の面に沿って形成された光学境界領域を有するシンチレータ構造体の製造方法にも係り、当該シンチレータ構造体の製造方法は、第１のパルス幅を有する第１のパルスレーザ光、その集光点がシンチレータ結晶塊の内部に位置するようにシンチレータ結晶塊に照射することにより、予備改質領域を形成する工程と、第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有する第２のパルスレーザ光を、その集光点が予備改質領域内に位置するようにシンチレータ結晶塊に照射することにより、所定の面に沿って光学境界領域としての改質領域を形成する工程と、を備える。

このシンチレータ構造体の製造方法では、第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、第１のパルスレーザ光の１パルスの照射と略同時に行われてもよい。更に、第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、第１のパルスレーザ光の１パルスの照射を行ってから１００ｎｓ未満内に行われてもよい。

このシンチレータ構造体の製造方法では、第１のパルスレーザ光の周波数と第２のパルスレーザ光の周波数とは、互いに同期がとられた同一の周波数であってもよい。或いは、第１のパルスレーザ光の周波数は、第２のパルスレーザ光の周波数よりも高くてもよく、第２のパルスレーザ光の周波数の３倍以上であってもよい。

このシンチレータ構造体の製造方法では、第１のパルス幅は、５ｐｓ以上であってもよい。

このシンチレータ構造体の製造方法では、第１のパルスレーザ光のエネルギーは、１０〜３０μＪであり、かつ、第２のパルスレーザ光のエネルギーは、５０〜７０μＪであってもよい。

本発明によれば、加工対象物のレーザ光入射面からレーザ光の集光点までの距離が長くなっても、加工対象物に損傷が生じるのを防止しつつ、所望の改質領域を形成することができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置、並びにシンチレータ構造体の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態のシンチレータ構造体の製造方法によって製造されたシンチレータ構造体の斜視図である。 本発明の一実施形態のシンチレータ構造体の製造方法に使用されるレーザ加工装置の構成図である。 本発明の一実施形態のシンチレータ構造体の製造方法の効果の一例を示す写真である。 シンチレータ構造体の位置弁別性を示す図である。 第１及び第２のパルスレーザ光の１パルスの照射タイミングを示す図である。 ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。 ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。 ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。 ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。 ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。 ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。 ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１のパルスレーザ光の周波数を変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１のパルスレーザ光の周波数を変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１のパルスレーザ光の周波数を変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１のパルスレーザ光の周波数を変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１のパルスレーザ光のパルス幅を変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１のパルスレーザ光のパルス幅を変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１又は第２のパルスレーザ光のエネルギーを変更した場合の加工結果を示す写真である。 第１又は第２のパルスレーザ光のエネルギーを変更した場合の加工結果を示す写真である。 加工対象物が石英ガラスである場合の加工結果を示す写真である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

本発明のレーザ加工方法又はレーザ加工装置によれば、第１及び第２のパルスレーザ光の照射により、加工対象物に改質領域が形成される。ここで改質領域とは、密度、屈折率、透過率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいい、割れ等を含む場合もある。以下の好適な実施形態では、加工対象物がシンチレータ結晶塊であって、これに光学境界領域としての改質領域を形成してシンチレータ構造体を製造する場合について説明する。

＜シンチレータ構造体＞
図１は、本発明の一実施形態のシンチレータ構造体の製造方法によって製造されたシンチレータ構造体の斜視図である。シンチレータ構造体１は、光検出器（図示せず）にシンチレーション光を提供するための部材であって、入射した放射線を吸収し、その線量に応じた強さのシンチレーション光を発生するものである。シンチレータ構造体１は、ガンマ線などの放射線の入射によりシンチレーション光を発生するシンチレータ結晶塊（以下、単に「結晶塊」ともいう。）２を加工することにより得られる。

結晶塊２は、例えばＢｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２（ＢＧＯ）、ＣｅがドープされたＬｕ_２ＳｉＯ_５（ＬＳＯ）、Ｌｕ_{２（１−Ｘ）}Ｙ_２ＸＳｉＯ_５（ＬＹＳＯ）、Ｇｄ_２ＳｉＯ_５（ＧＳＯ）、ＰｒがドープされたＬｕＡＧ（Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）などの結晶によって好適に構成される。結晶塊２は、単結晶性の部材でもよく、また、単結晶性以外の部材であってもよい。

シンチレータ構造体１は、図１に示されるように、内部が光学境界領域（改質領域）３によって複数に仕切られている。本実施形態では、シンチレータ構造体１は、１９６（＝７×７×４）の仕切り片に仕切られている。すなわち、シンチレータ構造体１は、各仕切り片が面に対して三次元に配列されるように仕切られている。光学境界領域３は、後述するように、結晶塊２の内部にパルスレーザ光を照射することにより形成される。なお、図１に示す光学境界領域３の形状は、当該光学境界領域３を模式的に表したものであり、実際の形状とは異なる。

光学境界領域３は、シンチレーション光を効果的に遮断することができるものである。このため、ある仕切り片において発生したシンチレーション光が、隣接する仕切り片へ漏れ出ることを抑制でき、良好な位置分解能を実現できる。

＜レーザ加工装置＞
図２は、本発明の一実施形態のシンチレータ構造体の製造方法に使用されるレーザ加工装置の構成図である。レーザ加工装置１００は、第１のパルスレーザ光Ｌ１を出射する第１のレーザ光源１０１ａと、第２のパルスレーザ光Ｌ２を出射する第２のレーザ光源１０１ｂと、第１のレーザ光源制御部（光学系）１０２ａと、第２のレーザ光源制御部（光学系）１０２ｂとを備える。

第１及び第２のレーザ光源制御部１０２ａ，１０２ｂは、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパルス幅や出力タイミング等を調節するために第１及び第２のレーザ光源１０１ａ，１０１ｂを制御する。

ここで、第１及び第２のレーザ光源１０１ａ，１０１ｂは短パルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。第１及び第２のレーザ光源１０１ａ，１０１ｂに用いることができるレーザとして、この他、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＫＧＷレーザやチタンサファイアレーザがある。

第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２としては、ナノ秒（ｎｓ）パルスレーザ光やピコ秒（ｐｓ）パルスレーザ光等が挙げられる。パルス幅がナノ秒やピコ秒のパルスレーザ光は、結晶塊２の内部に好適な光学境界領域３を形成することができる。本実施形態のレーザ加工装置１００では、第１のパルスレーザ光Ｌ１が有する第１のパルス幅よりも、第２のパルスレーザ光Ｌ２が有する第２のパルス幅のほうが長い。

第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長は、加工対象物に透明である波長等、加工対象物に対して透過性を有する波長であれば特に限定されないが、レーザ加工装置１００では、第１のパルスレーザ光Ｌ１及び第２のパルスレーザ光Ｌ２の光軸をダイクロイックミラー１３１により同軸化する都合上、第１のパルスレーザ光Ｌ１及び第２のパルスレーザ光Ｌ２の波長は、互いに異なっていることが好ましい。

レーザ加工装置１００は、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光路上に設けられたシャッタ（光学系）１０３と、ダイクロイックミラー（光学系）１０４，１３１と、ミラー（光学系）１３２と、集光用レンズ（光学系）１０５とを備える。

第１のレーザ光源１０１ａから出射された第１のパルスレーザ光Ｌ１は、ミラー１３２で反射された後、ダイクロイックミラー１３１に入射する。第２のレーザ光源１０２ａから出射された第２のパルスレーザ光Ｌ２は、ダイクロイックミラー１３１に、第１のパルスレーザ光Ｌ１が入射する面とは反対側の面から入射する。ダイクロイックミラー１３１第１のパルスレーザ光Ｌ１の反射機能と第２のパルスレーザ光Ｌ２の透過機能とを有し、これにより、第１のパルスレーザ光Ｌ１の光軸と第２のパルスレーザ光Ｌ２の光軸とが同軸化される。光軸が同軸化された第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、ダイクロイックミラー１０４により反射され、集光用レンズ１０５に入射され、それぞれ集光点Ｐ１，Ｐ２へと集光される。

レーザ加工装置１００は、載置台（光学系）１０７と、Ｘ軸ステージ（光学系）１０９と、Ｙ軸ステージ（光学系）１１１と、Ｚ軸ステージ（光学系）１１３と、３つのステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部（光学系）１１５とを備える。

載置台（支持部）１０７は、集光用レンズ１０５で集光された第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２が照射される結晶塊２が載置される。Ｘ軸ステージ１０９は、載置台１０７をＸ軸方向に移動させる。Ｙ軸ステージ１１１は、載置台１０７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させる。Ｚ軸ステージ１１３は、載置台１０７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させる。

Ｚ軸方向は、結晶塊２に入射する第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の焦点深度の方向となる。したがって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、結晶塊２の内部に第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の集光点Ｐ１，Ｐ２を合わせることができる。集光点Ｐ１，Ｐ２のＸ軸方向、Ｙ軸方向への各移動は、結晶塊２をＸ軸ステージ１０９、Ｙ軸ステージ１１１によりＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させることによりそれぞれ行う。

レーザ加工装置１００は、観察用光源（光学系）１１７と、可視光用のビームスプリッタ（光学系）１１９と、を備える。観察用光源１１７は、載置台１０７に載置された結晶塊２を可視光線により照明するために可視光線を発生する。ビームスプリッタ１１９は、集光用レンズ１０５に向けて第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２を反射させるダイクロイックミラー１０４及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、反射された可視光線がダイクロイックミラー１０４及び集光用レンズ１０５を透過し、結晶塊２の被加工部位を照明する。

レーザ加工装置１００は、ビームスプリッタ１１９、集光用レンズ１０５に向けて第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２を反射させるダイクロイックミラー１０４及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置されたＣＣＤカメラ（光学系）１２１及び結像レンズ（光学系）１２３を備える。被加工部位を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０４、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されてＣＣＤカメラ１２１で撮像され、撮像データとなる。

レーザ加工装置１００は、ＣＣＤカメラ１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部（光学系）１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部（光学系）１２７と、モニタ１２９と、を備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点を結晶塊２上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が結晶塊２に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして結晶塊２の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。

全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、シャッタ１０３、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。

＜レーザ加工方法＞
次に、シンチレータ構造体１をレーザ加工装置１００を用いて製造する方法について説明する。まず、結晶塊２をレーザ加工装置１００の載置台１０７上に載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させて結晶塊２を照明する。照明された結晶塊２の表面をＣＣＤカメラ１２１により撮像する。ＣＣＤカメラ１２１により撮像された撮像データは、撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて、撮像データ処理部１２５は観察用光源１１７の可視光の焦点が結晶塊２の表面に位置するような焦点データを演算する。この焦点データは、ステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてＺ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させる。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点が結晶塊２の表面に位置する。撮像データ処理部１２５は、撮像データに基づいて結晶塊２の表面の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に結晶塊２の表面の拡大画像が表示される。

続いて、結晶塊２の内部に光学境界領域３を形成するための第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の集光点Ｐ１，Ｐ２が、結晶塊２の内部における当該光学境界領域３の初期加工位置となるよう、Ｘ軸ステージ１０９、Ｙ軸ステージ１１１及びＺ軸ステージ１１３により結晶塊２を移動させる。このとき、第２のパルスレーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２を、第１のパルスレーザ光Ｌ１の照射によって形成された予備改質領域内に合わせて第２のパルスレーザ光Ｌ２が結晶塊２に照射されるように調整する。

この状態でシャッタ１０３を開いて第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射し、該集光部分におけるシンチレータ材料を改質（アモルファス化や割れ）させることによって、結晶塊２の内部に周囲と異なる屈折率、透過率を有する領域を形成する。そして、このような領域を形成しながら、Ｘ軸ステージ１０９又はＹ軸ステージ１１１により結晶塊２をＸ軸のマイナス方向又はＹ軸のマイナス方向に一定速度で移動させる。これにより、光学境界領域３が、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に沿って形成されることとなる。

その後、Ｚ軸ステージ１１３により結晶塊２をＺ軸のマイナス方向に所定のピッチだけ移動させた後、Ｘ軸ステージ１０９又はＹ軸ステージ１１１により結晶塊２をＸ軸のプラス方向又はＹ軸のプラス方向に一定速度で移動させて、光学境界領域３を形成する。

そして、Ｚ軸のマイナス方向における加工終了位置での加工を終えていない場合は、Ｚ軸ステージ１１３により結晶塊２をＺ軸のマイナス方向に所定のピッチだけ移動させ、加工を継続する。一方、Ｚ軸のマイナス方向における加工終了位置での加工を終えた場合は、シャッタ１０３を閉じる。

上記工程により、所定の面に沿った複数の光学境界領域３がＺ軸方向に層状に形成されることとなる。

続いて、他に形成すべき光学境界領域３がある場合、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の集光点Ｐ１，Ｐ２が結晶塊２の内部における当該改質領域の加工初期位置となるよう、Ｘ軸ステージ１０９、Ｙ軸ステージ１１１及びＺ軸ステージ１１３により結晶塊２を移動させる。例えば、先に形成した改質領域に対して所定のピッチだけＸ軸のプラス方向またはＹ軸のプラス方向に結晶塊２を移動させるとよい。

以降、上記工程を繰り返すことによって、複数の互いに平行な所定の面のそれぞれに沿った複数の光学境界領域３が層状に形成されることとなる。

そして、結晶塊２を載置台１０７上に載置する向きを９０°変えながら上記工程を繰り返すことにより、図１に示されるように三次元方向に直交するあらゆる面に沿って形成された光学境界領域を有するシンチレータ構造体１が得られる。

＜レーザ加工装置及びレーザ加工方法による効果＞
本実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、結晶塊２のレーザ光入射面からレーザ光の集光点Ｐ１，Ｐ２までの距離が長くなっても、結晶塊２に損傷が生じるのを防止しつつ、所望の光学境界領域３を形成することができる。以下、その実験例を紹介する。

図３は、本発明の一実施形態のシンチレータ構造体の製造方法の効果の一例を示す写真である。２．９×２．９×２０ｍｍ^３のＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２に対し、表１に示す条件で加工を行った。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、加工後、深さ０．９〜２．６ｍｍの領域を側面から観察した写真である。図３（ａ）は、第１のパルスレーザ光Ｌ１のみで加工を行った場合の加工結果を示す。この場合、結晶塊２の深部まで加工を行うことが可能であったが、形成された加工痕は光透過性が高く、シンチレータの反射面（光学境界領域）として機能するには不十分なものであった。図３（ｂ）は、第２のパルスレーザ光Ｌ２のみで加工を行った場合の加工結果を示す。この場合、形成された加工痕はシンチレータの反射面として機能するには十分なものであったが、結晶塊２の深部では収差等の影響により加工を行うことができなかった。図３（ｃ）は、上記第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の同時照射により加工を行った場合の加工結果を示す。この場合、シンチレータの反射面として機能するのに十分な加工痕を、結晶塊２の深部にまで形成することができた。なお、図３中の文字は、加工痕観察時に使用したレンズの情報を示す（以下、図６〜２０において同じ）。

＜位置弁別特性について＞
本実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法により作製されたシンチレータ構造体は、放射線検出器として適用した場合に、位置弁別性に優れた性能を発揮する。以下、その具体例を示す。

２０×２０×３ｍｍ^３のＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２に対し、図４（ａ）に示されるように、従来のレーザ加工方法による光学境界領域３ｘ，３ｙと本実施形態のレーザ加工方法による光学境界領域３Ｘ，３Ｙとを１：３の割合で形成し、シンチレータ構造体１を製造した。Ｘ方向及びＹ方向のピッチは共に１．２５ｍｍとした。加工条件は表２に示すとおりである。

当該シンチレータ構造体１に位置検出型光電子増倍管を光学的に結合した放射線検出器に対して、ガンマ線を一様に照射して、位置検出型光電子増倍管の出力を得た。その結果を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）によれば、本実施形態のレーザ加工方法により得られた光学境界領域は、従来のレーザ加工方法により得られた光学境界領域と遜色ない位置弁別特性（位置分解能）を発揮することが認められる。すなわち、本実施形態のレーザ加工方法により得られた光学境界領域Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４，Ｙ５及びＹ６は、従来のレーザ加工方法により得られた光学境界領域ｙ１，ｙ２及びｙ３と同様のシンチレーション光の反射能を示した。

＜照射タイミングについて＞
本実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の２種類のパルスレーザ光を、結晶塊２の内部に対して所定の照射タイミングで照射する。照射タイミングとしては、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２を、同時に照射してもよく、略同時に照射してもよい。すなわち、第２のパルスレーザ光Ｌ２は、第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスの照射と同時に照射してもよく、第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスの照射を行ってから、所定のディレイタイム（遅延時間）の経過後に照射してもよい。なお、レーザ加工装置１００において、ディレイタイムの設定は、第１及び第２のレーザ光源制御部１０２ａ，１０２ｂにより行われる。

ここで、上記「略同時」及び「ディレイタイム」なる語句について、図５を参照しながら説明する。図５は、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の１パルスの照射タイミングを示す図である。図５（ａ）〜図５（ｄ）においてはいずれも、上段が第１のパルスレーザ光Ｌ１、下段が第２のパルスレーザ光Ｌ２の照射タイミングを示しており、図示右方向に時間が流れているものとする。なお、図５では、本実施形態の実態を反映して、第１のパルスレーザ光Ｌ１が有する第１のパルス幅Ｗ１よりも、第２のパルスレーザ光Ｌ２が有する第２のパルス幅Ｗ２のほうを長く描いている。

図５（ａ）は、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の１パルスを同時に照射する例を示している。図５（ｂ）は、第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスを照射してから、所定のディレイタイム（ｔ）の経過後に第２のパルスレーザ光Ｌ２の１パルスを照射する例を示している。図５（ｃ）は、第２のパルスレーザ光Ｌ２の１パルスを照射している最中に第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスを照射する例を示している。図５（ｄ）は、第２のパルスレーザ光Ｌ２の１パルスの照射を終えた後に、第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスを照射する例を示している。

「略同時」とは、図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の状態をいう。すなわち、第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスの照射の終了時点が、第２のパルスレーザ光Ｌ２の１パルスの照射の終了時点よりも早い場合をいう。なお、本明細書では「略同時」は「同時」を包含する概念であるものとする。

「ディレイタイム」とは、図５（ｂ）に記号ｔで示されるように、第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスの照射の開始時点と、第２のパルスレーザ光Ｌ２の１パルスの照射の開始時点との時間差をいう。ディレイタイムは、５００ｎｓ未満であることが好ましく、１００ｎｓ未満であることがより好ましい。

図６〜図１２は、ディレイタイムを変更した場合の加工結果を示す写真である。２．９×２．９×２０ｍｍ^３のＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２に対し、表３に示す条件で加工を行った。なお、この検討においては、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数は、互いに同期をとった。

図６〜図９は、加工後、深さ０．３〜２．７ｍｍの領域を側面から観察した写真である。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）及び図９（ａ）は、それぞれディレイタイムが３０μｓ、２０μｓ、１０μｓ、５μｓ、１μｓ、５００ｎｓ、４００ｎｓ、２００ｎｓ、１００ｎｓ及び５０ｎｓの場合を示す。図９（ｂ）は、ディレイタイムが−５０ｎｓの場合、すなわち、１０ｎｓのパルス幅を有する第２のパルスレーザ光Ｌ２を先に照射し、照射を終えた後、４０ｎｓ経過後に第１のパルスレーザ光Ｌ１を照射した場合を示す。

図６〜図９によれば、ディレイタイムが３０μｓ〜１μｓである場合、及び、第２のパルスレーザ光Ｌ２の１パルスの照射を終えた後に第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスを照射した場合は、結晶塊２の最深部に十分な光学境界領域３が形成されていないことが認められる。また、これらの場合、結晶塊２の浅部においても光学境界領域３が形成されていない領域が生じる傾向が認められる。これに対し、ディレイタイムが５００ｎｓ〜５０ｎｓである場合、結晶塊２の浅部だけでなく、最深部にまで十分な光学境界領域３が形成されていることが認められる。

図１０〜図１２は、上記条件にてＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２の別サンプルを用いて加工した加工結果（追試験）を示す写真である。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）及び図１２（ａ）は、それぞれディレイタイムが１０μｓ、８５０ｎｓ、６００ｎｓ、４００ｎｓ、２００ｎｓ、１００ｎｓ及び５０ｎｓの場合を示す。図１２（ｂ）は、上記と同様にディレイタイムが−５０ｎｓの場合を示す。

図１０〜図１２によれば、ディレイタイムが１０μｓ〜６００ｎｓである場合、及び、第２のパルスレーザ光Ｌ２の１パルスの照射を終えた後に第１のパルスレーザ光Ｌ１の１パルスを照射した場合は、結晶塊２の最深部では光学境界領域３が形成されない領域が生じていることが認められる。これに対し、ディレイタイムが４００ｎｓ〜５０ｎｓである場合、結晶塊２の最深部にまで十分な光学境界領域３が形成されていることが認められる。

＜周波数について＞
第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数は、第２のパルスレーザ光Ｌ２を、第１のパルスレーザ光Ｌ１の照射により形成された予備改質領域内に照射する観点から、互いに同期がとられた同一の周波数であることが好ましい。同期が取られていない場合は、第１のパルスレーザ光Ｌ１の周波数は、第２のパルスレーザ光Ｌ２の周波数よりも高いことが好ましく、第２のパルスレーザ光の周波数の３倍以上が好ましく、５倍以上がより好ましい。なお、レーザ加工装置１００において、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２の周波数の設定は、それぞれ第１及び第２のレーザ光源制御部１０２ａ，１０２ｂにより行われる。

図１３〜図１６は、第１のパルスレーザ光Ｌ１の周波数を変更した場合の加工結果を示す写真である。２．９×２．９×２０ｍｍ^３のＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２に対し、表４に示す条件で加工を行った。

図１３及び図１４は、加工後、深さ０．３〜２．７ｍｍの領域を側面から観察した写真である。図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）、図１３（ｄ）、図１４（ａ）、図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）は、それぞれ第１のパルスレーザ光Ｌ１の周波数が１０ｋＨｚ、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ及び２００ｋＨｚの場合を示す。

図１３及び図１４によれば、第１のパルスレーザ光Ｌ１の周波数が１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚである場合は、結晶塊２の特に深部において十分な光学境界領域が３形成されていない領域が認められる。これに対し、第１のパルスレーザ光Ｌ１の周波数が３０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚである場合、結晶塊２の浅部だけでなく、最深部にまで十分な光学境界領域３が形成されていることが認められる。

図１５及び図１６は、上記条件にてＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２の別サンプルを用いて加工した加工結果（追試験）を示す写真である。図１５及び図１６は、図１３及び図１４と同様の傾向を示した。

＜第１のパルスレーザ光のパルス幅について＞
使用する２種類のパルスレーザ光は、第１のパルスレーザ光Ｌ１が有する第１のパルス幅Ｗ１よりも、第２のパルスレーザ光Ｌ２が有する第２のパルス幅Ｗ２のほうが長いものとする。ここで、第１のパルスレーザ光Ｌ１のパルス幅は３ｐｓ以上であることが好ましく、５ｐｓ以上であることがより好ましく、第２のパルスレーザ光Ｌ２のパルス幅は１ｎｓ以上であることが好ましく、１０ｎｓ以上であることが好ましい。なお、レーザ加工装置１００において、第１及び第２のパルス幅Ｗ１，Ｗ２の設定は、それぞれ第１及び第２のレーザ光源制御部１０２ａ，１０２ｂにより行われる。

図１７及び図１８は、第１のパルスレーザ光Ｌ１のパルス幅Ｗ１を変更した場合の加工結果を示す写真である。２．９×２．９×２０ｍｍ^３のＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２に対し、表５に示す条件で加工を行った。

図１７及び図１８は、加工後、深さ０．３〜２．７ｍｍの領域を側面から観察した写真である。図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１８（ａ）、図１８（ｂ）及び図１８（ｃ）は、それぞれ第１のパルスレーザ光Ｌ１のパルス幅Ｗ１が２３９ｆｓ、１ｐｓ、２ｐｓ、３ｐｓ、５ｐｓ及び１０ｐｓの場合を示す。

図１７及び図１８によれば、第１のパルスレーザ光Ｌ１のパルス幅Ｗ１が２３９ｆｓ〜２ｐｓである場合は、結晶塊２の最深部に十分な光学境界領域３が形成されていないことが認められる。これに対し、ディレイタイムが３ｐｓ〜１０ｐｓである場合、結晶塊２の浅部だけでなく、最深部にまで十分な光学境界領域３が形成されていることが認められる。

＜エネルギーについて＞
第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２のエネルギーとしては、シンチレータ結晶塊２の内部に十分な光学境界領域を形成することができる程度のエネルギーが必要である。第１のパルスレーザ光Ｌ１のエネルギーは５〜７０μＪであることが好ましく、１０〜５０μＪであることがより好ましく、１０〜３０μＪであることが更に好ましい。第２のパルスレーザ光Ｌ２のエネルギーは、４０〜８０μＪであることが好ましく、４０〜７０μＪであることがより好ましく、５０〜７０μＪであることが更に好ましい。なお、「エネルギー」とは、結晶塊２の内部でパルスレーザ光が集光した部分のエネルギーをいう。また、レーザ加工装置１００において、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２のエネルギーの設定は、それぞれ第１及び第２のレーザ光源制御部１０２ａ，１０２ｂにより行われる。

図１９及び図２０は、第１又は第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２のエネルギーを変更した場合の加工結果を示す写真である。２．９×２．９×２０ｍｍ^３のＬＹＳＯシンチレータ結晶塊２に対し、エネルギーを変更したこと以外は表１に記載のものと同一の条件で加工を行った。

図１９及び図２０は、加工後、深さ０．３〜２．７ｍｍの領域を側面から観察した写真である。図１９は、第２のパルスレーザ光Ｌ２のエネルギーを７０μＪに固定し、第１のパルスレーザ光Ｌ１のエネルギーを変更した場合の加工結果を示す。図１９（ａ）、図１９（ｂ）、図１９（ｃ）、図１９（ｄ）、図１９（ｅ）及び図１９（ｆ）は、それぞれ第１のパルスレーザ光Ｌ１のエネルギーが３μＪ、６μＪ、１２μＪ、２４μＪ、４８μＪ及び６９μＪの場合を示す。

図１９によれば、第１のパルスレーザＬ１光のエネルギーが小さくなるに従い、第２のパルスレーザ光Ｌ２のみによる加工に特徴的なＺ方向への光学境界領域３が形成されていることが認められる。一方、第１のパルスレーザ光Ｌ１のエネルギーが大きくなるに従い、結晶塊２に割れが生じていることが認められる。

図２０は、第１のパルスレーザ光Ｌ１のエネルギーを２４μＪに固定し、第２のパルスレーザ光Ｌ２のエネルギーを変更した場合の加工結果を示す。図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）及び図２０（ｄ）は、それぞれ第２のパルスレーザ光Ｌ２のエネルギーが３０μＪ、４０μＪ、５０μＪ及び７０μＪの場合を示す。

図２０によれば、第２のパルスレーザ光Ｌ２のエネルギーが小さくなるに従い、結晶塊２の深部に十分な光学境界領域３が形成されないことが認められる。一方、第２のパルスレーザ光Ｌ２のエネルギーが大きくなるに従い、結晶塊２の深部にも十分な光学境界領域３が形成されていることが認められる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、第１のパルスレーザ光Ｌ１の照射により予備改質領域を形成するごとに第２のパルスレーザ光Ｌ２を照射して光学境界領域３を形成する態様を示したが、第１のパルスレーザ光Ｌ１の照射により予備改質領域を所定の面に沿って形成した後に、第２のパルスレーザ光Ｌ２を照射して光学境界領域３を形成してもよい。

また、上記実施形態では加工対象物がシンチレータ結晶塊である態様を示したが、加工対象物は石英ガラスであってもよい。図２１は、加工対象物が石英ガラスである場合の加工結果を示す写真である。図２１の右側の三つの加工痕１０ｂは、表３に示す第１のパルスレーザ光Ｌ１のみを照射した場合の加工痕である。図２１の左側の三つの加工痕１０ａは、表３に示す第１のパルスレーザ光Ｌ１を照射した後、５０ｎｓのディレイタイムの経過後に第２のパルスレーザ光Ｌ２を照射した場合の加工痕である。この結果によれば、第１のパルスレーザ光Ｌ１のみを用いた場合は光学境界領域として機能するには不十分な改質領域が形成されるのみであったが、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ１，Ｌ２を併用した場合は、光学境界領域３として機能するのに十分な改質領域が形成されたことが分かる。

また、本発明は、ウェハ等の板状の加工対象物を切断するために、その切断予定ラインに沿って、切断起点領域としての改質領域を形成する場合にも適用することができる。つまり、加工対象物の材料や改質領域の機能は上述したものに限定されない。

１…シンチレータ構造体、２…シンチレータ結晶塊（加工対象物）、３…光学境界領域（改質領域）、１００…レーザ加工装置、１０１ａ…第１のレーザ光源、１０１ｂ…第２のレーザ光源、１０７…載置台（支持部）、Ｌ１…第１のパルスレーザ光、Ｌ２…第２のパルスレーザ光、Ｐ１，Ｐ２…集光点、Ｗ１…第１のパルス幅、Ｗ２…第２のパルス幅。

Claims (21)

1. 第１のパルス幅を有する第１のパルスレーザ光を、その集光点が加工対象物の内部に位置するように前記加工対象物に照射することにより、予備改質領域を形成する工程と、
   前記第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有する第２のパルスレーザ光を、その集光点が前記予備改質領域内に位置するように前記加工対象物に照射することにより、改質領域を形成する工程と、を備え、
   前記第１のパルスレーザ光のエネルギーは、１０〜３０μＪであり、かつ、前記第２のパルスレーザ光のエネルギーは、５０〜７０μＪであるレーザ加工方法。
2. 前記第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、前記第１のパルスレーザ光の１パルスの照射と略同時に行われる請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、前記第１のパルスレーザ光の１パルスの照射を行ってから１００ｎｓ未満内に行われる請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記第１のパルスレーザ光の周波数と前記第２のパルスレーザ光の周波数とは、互いに同期がとられた同一の周波数である請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１のパルスレーザ光の周波数は、前記第２のパルスレーザ光の周波数よりも高い請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記第１のパルスレーザ光の周波数は、前記第２のパルスレーザ光の周波数の３倍以上である請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記第１のパルス幅は、５ｐｓ以上である請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
8. 加工対象物を支持する支持部と、
   第１のパルス幅を有する第１のパルスレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
   前記第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有する第２のパルスレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
   前記第１のレーザ光源から出射された前記第１のパルスレーザ光を、その集光点が前記支持部に支持された前記加工対象物の内部に位置するように前記加工対象物に照射することにより、予備改質領域を形成し、前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のパルスレーザ光を、その集光点が前記予備改質領域内に位置するように前記加工対象物に照射することにより、改質領域を形成する光学系と、を備え、
   前記第１のパルスレーザ光のエネルギーは、１０〜３０μＪであり、かつ、前記第２のパルスレーザ光のエネルギーは、５０〜７０μＪであるレーザ加工装置。
9. 前記第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、前記第１のパルスレーザ光の１パルスの照射と略同時に行われる請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 前記第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、前記第１のパルスレーザ光の１パルスの照射を行ってから１００ｎｓ未満内に行われる請求項８又は９に記載のレーザ加工装置。
11. 前記第１のパルスレーザ光の周波数と前記第２のパルスレーザ光の周波数とは、互いに同期がとられた同一の周波数である請求項８〜１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
12. 前記第１のパルスレーザ光の周波数は、前記第２のパルスレーザ光の周波数よりも高い請求項８〜１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
13. 前記第１のパルスレーザ光の周波数は、前記第２のパルスレーザ光の周波数の３倍以上である請求項１２に記載のレーザ加工装置。
14. 前記第１のパルス幅は、５ｐｓ以上である請求項８〜１３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
15. 所定の面に沿って形成された光学境界領域を有するシンチレータ構造体の製造方法であって、
    第１のパルス幅を有する第１のパルスレーザ光を、その集光点がシンチレータ結晶塊の内部に位置するように前記シンチレータ結晶塊に照射することにより、予備改質領域を形成する工程と、
    前記第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有する第２のパルスレーザ光を、その集光点が前記予備改質領域内に位置するように前記シンチレータ結晶塊に照射することにより、前記所定の面に沿って前記光学境界領域としての改質領域を形成する工程と、を備え、
    前記第１のパルスレーザ光のエネルギーは、１０〜３０μＪであり、かつ、前記第２のパルスレーザ光のエネルギーは、５０〜７０μＪであるシンチレータ構造体の製造方法。
16. 前記第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、前記第１のパルスレーザ光の１パルスの照射と略同時に行われる請求項１５に記載のシンチレータ構造体の製造方法。
17. 前記第２のパルスレーザ光の１パルスの照射は、前記第１のパルスレーザ光の１パルスの照射を行ってから１００ｎｓ未満内に行われる請求項１５又は１６に記載のシンチレータ構造体の製造方法。
18. 前記第１のパルスレーザ光の周波数と前記第２のパルスレーザ光の周波数とは、互いに同期がとられた同一の周波数である請求項１５〜１７のいずれか一項に記載のシンチレータ構造体の製造方法。
19. 前記第１のパルスレーザ光の周波数は、前記第２のパルスレーザ光の周波数よりも高い請求項１５〜１７のいずれか一項に記載のシンチレータ構造体の製造方法。
20. 前記第１のパルスレーザ光の周波数は、前記第２のパルスレーザ光の周波数の３倍以上である請求項１９に記載のシンチレータ構造体の製造方法。
21. 前記第１のパルス幅は、５ｐｓ以上である請求項１５〜２０いずれか一項に記載のシンチレータ構造体の製造方法。