レーザ光によるライン加工方法およびレーザ加工装置
【課題】パルスレーザを用いたライン加工に際して、アスペクト比の高い被加工領域の形成を実現する。
【解決手段】被加工物へのライン加工方法が、パルスレーザである第１のレーザ光を加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換工程と、第２のレーザ光を集光して被加工物に照射しつつ、加工方向に沿って相対走査させることによって表面を加工する加工工程と、を備え、第１のレーザ光が所定の回折格子の回折光が第２のレーザ光であり、第２のレーザ光においては、被照射領域が加工方向において占める第１照射サイズがこれに垂直な第２照射サイズよりも大きく、回折格子と集光手段との間に設けたビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された第２のレーザ光を、照射サイズ比を維持するように集光しつつ走査することによって、第２のレーザ光の被照射領域を加工方向に沿って連続的に変位させる。
【解決手段】被加工物へのライン加工方法が、パルスレーザである第１のレーザ光を加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換工程と、第２のレーザ光を集光して被加工物に照射しつつ、加工方向に沿って相対走査させることによって表面を加工する加工工程と、を備え、第１のレーザ光が所定の回折格子の回折光が第２のレーザ光であり、第２のレーザ光においては、被照射領域が加工方向において占める第１照射サイズがこれに垂直な第２照射サイズよりも大きく、回折格子と集光手段との間に設けたビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された第２のレーザ光を、照射サイズ比を維持するように集光しつつ走査することによって、第２のレーザ光の被照射領域を加工方向に沿って連続的に変位させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いてスクライブ加工などのライン加工を行う方法およびこれを実現する加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＹＡＧレーザなどのレーザ光を利用した溶接や切断、穴あけなどの加工は、従来より広く用いられている（例えば、特許文献１ないし３参照。）。
【０００３】
特許文献１には、ＹＡＧレーザを有し、主として溶接に用いられるレーザ加工装置が開示されており、特許文献２には、主として半導体装置のアウターリードを連結するダムバーの切断に用いられるレーザ加工装置が開示されている。また、特許文献３には、スクライブ針を用いた機械的なスクライブとレーザ光の照射とを組み合わせた被加工物の分割方法についての開示がなされている。
【０００４】
近年では、ＹＡＧの３倍高調波を用いたパルスレーザによって、サファイアなど硬度が高く、かつ脆性を有する基板材料や、該基板材料上にＧａＮなどの同じく硬脆なワイドバンドギャップ化合物半導体薄膜により短波長ＬＤ（レーザダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）をなどのデバイスを形成したものを切削・切断等するための装置も公知となっている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００５】
特許文献４に開示された加工装置は、波長域が紫外から可視域で、出力が数百ｍＷ〜数十Ｗ、パルス幅が数ｎｓ〜数百ｎｓ、発振周波数が数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのパルスレーザを用い、レーザ光を集光光学系で基板表面付近に集光し、これを基板表面で（相対的に）走査させることで、サファイアなどの硬脆な材質よりなる基板や該基板を用いて作製されたデバイスに対するスクライブラインの形成や切断、貫通穴形成などに好適に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１１６８８４号公報
【特許文献２】特開平９−１３７１号公報
【特許文献３】特開２０００−５８４８８号公報
【特許文献４】特開２００４−１１４０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一の基板に多数個のデバイスを繰り返し形成するような場合、後工程として個々のデバイスに分離・分割するための工程が必要であり、レーザ光によってブレイク用の溝としてのスクライブラインを形成した後、該スクライブラインに沿って機械的に分割する方法や、あるいはレーザ光によって直接に切断する方法などを採用することが可能である。いずれの方法を採用する場合であっても、スクライブラインあるいはカットラインが通る、いわゆるストリートの幅をできるだけ小さくするほど、１枚の基板からのデバイスの取り個数を多くすることができる。さらには、ブレイキングを容易かつ確実に行うという観点からも、スクライブラインをより細くかつ深く形成するのが好ましい。
【０００８】
よって、特許文献４に開示されているようなレーザ加工装置におけるスクライブ加工や切断加工の過程においては、被加工物の幅方向に被加工領域が拡がることなく深さ方向への加工が進むことが、換言すれば、被加工領域のアスペクト比が大きい状態を保った加工が実現されることが、好ましい態様であるといえる。加工に用いるレーザ光についても、このような加工を実現するように照射条件が設定される必要がある。
【０００９】
しかしながら、特許文献４に係るレーザ加工装置にて用いられているような、ＹＡＧの３倍高調波のパルスレーザを用いる場合に最適な加工条件は、これまで明らかにはされていない。
【００１０】
特許文献１ないし２には、楕円形状のレーザ光を用いることで、溶接やダムバー切断の効率化を図る技術が開示されているが、上記のような、アスペクト比の向上を実現することを目的とする技術については、何らの開示も示唆もなされていない。また、特許文献３に開示された技術は、スクライブ針による機械的な加工が前提であり、レーザ光のみを用いるものではない。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、パルスレーザを用いたスクライブ加工および切断加工などのライン加工に際して、アスペクト比の高い被加工領域の形成を実現する加工方法およびこれを実現する加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿った加工を行うライン加工方法であって、所定の光源から所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発せられる第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換工程と、前記第２のレーザ光を所定の集光手段によって前記被加工物の表面近傍に集光したうえで前記被加工物に照射しつつ、所定の走査手段に前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させることによって、前記表面を加工する加工工程と、を備え、前記変換工程においては、前記第１のレーザ光を所定の回折格子に照射することで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、前記加工工程においては、前記回折格子と前記集光手段との間に設けた第１と第２のエキスパンドレンズからなるビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を、前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持するように集光しつつ走査を行うことによって、前記第２のレーザ光の被照射領域を前記加工方向に沿って連続的に変位させる、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載のライン加工方法であって、前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のライン加工方法であって、前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿ったライン加工を行うレーザ加工装置であって、第１のレーザ光を所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発する光源と、前記第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換手段と、前記第２のレーザ光を前記被加工物の表面近傍に集光する集光手段と、前記変換手段と前記集光手段との間に設けられた第１と第２のエキスパンドレンズからなり、前記第２のレーザ光の焦点距離を調整するビームエキスパンド手段と、前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させる走査手段と、前記レーザ加工装置の動作を制御する制御手段と、を備え、前記変換手段は回折格子であり、前記第１のレーザ光が前記回折格子に照射されることで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、前記集光手段は、前記ビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持して集光し、前記制御手段は、前記被加工物に照射された前記第２のレーザ光の前記被照射領域が前記加工方向に沿って連続的に変位するように、前記集光手段と前記走査手段とを制御する、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４に記載のレーザ加工装置であって、前記変換手段は、前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項４または請求項５に記載のレーザ加工装置であって、前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１ないし請求項６の発明によれば、所定の出力パワーのレーザ光を用いて加工を行う場合に、レーザ光の走査速度を小さくすることなく被加工物に対するレーザ光の積算照射時間を高めることができるとともに、出力パワーを効率的に利用した適切なピークパワー密度のレーザ光を被加工領域に照射することができる。これにより被加工領域のアスペクト比が高い加工を実現することができる。その結果、例えば、１枚の基板に形成した多数個のデバイス分離・分割する場合にスクライブラインあるいはカットラインが通るストリートの幅をできるだけ小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００の概略構成図である。
【図２】被加工物Ｓ上に形成される被照射領域が、被加工物Ｓにおける加工ラインＬ上のある点を通過する様子を示す図である。
【図３】照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合の加工溝の深さを示す図である。
【図４】照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合の加工幅を示す図である。
【図５】照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合のアスペクト比を示す図である。
【図６】ピークパワー密度と積算照射時間と加工溝の深さとの関係を示す図である。
【図７】ピークパワー密度と積算照射時間とアスペクト比との関係を示す図である。
【図８】照射サイズ比の調整の意味を説明する図である。
【図９】第１の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１０】図９の高さ位置（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【図１１】第２の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１２】図１１の高さ位置（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【図１３】第２の構成例の変形例を示す図である。
【図１４】第３の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１５】第３の構成例において形成されるビームスポットの形状を例示する図である。
【図１６】第３の構成例の変形例を示す図である。
【図１７】ビームスプリッタ３４１を説明する図である。
【図１８】第４の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１９】第４の構成例の変形例を示す図である。
【図２０】調整レンズ３４３の配置を代えた第４の構成例の変形例を示す図である。
【図２１】図２０の場合の加工の進行について説明する図である。
【図２２】レンズ列３５１を用いた変形例を示す図である。
【図２３】バンドルファイバー３５１を用いた変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜レーザ加工装置の概略構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００の概略構成図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光源２００からレーザ光ＬＢ１を発し、変換手段３００においてそのビーム断面形状を所定の形状に変換し、これにより得られるレーザ光ＬＢ２を集光手段４００によって集光し、駆動機構５００の上部に設けられたステージ５０１に固定された被加工物Ｓの被加工部位に集光したレーザ光ＬＢ２を照射することによって、該被加工部位のアブレーション加工を行う装置である。そして、駆動機構５００によってステージ５０１を移動させつつレーザ光ＬＢ２を連続して照射することにより、レーザ光ＬＢ２によって被加工物Ｓの表面を相対的に走査しながら、換言すれば、レーザ光の被照射領域を連続的に変位させながら、切断用の溝形成のためのスクライブ加工やあるいは直接の切断加工などのライン加工を行うことができる。このようなレーザ加工装置１００の動作は、制御手段６００によって各部の動作が制御されることで実現される。
【００２１】
レーザ光源２００としては、高周波パルスレーザ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを発生させる市販のレーザ光源装置を用いることができる。なかでもＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長約３５５ｎｍ）を用いるのが好適な態様である。レーザ光ＬＢ１の出力特性は、用いるレーザ光源装置によって異なるが、レーザ光源装置を適宜に選択することにより、出力パワーが数Ｗ〜数１０Ｗのレーザ光ＬＢ１を、レーザ光源２００から出射させることができる。このようなレーザ光ＬＢ１においては、繰り返し周波数が概ね数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、パルス幅が概ね１０ｎｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃの範囲にある。レーザ光源２００から発せられるレーザ光ＬＢ１の波長や出力、パルス幅の調整は、制御手段６００により実現される。
【００２２】
変換手段３００は、光源から出射されたレーザ光ＬＢ１に対し光学的な変換処理を作用させて、第１のレーザ光ＬＢ１とは異なるビーム断面形状を有する第２のレーザ光ＬＢ２を出射させるために備わる。また、集光手段４００は、レーザ光ＬＢ２を集光し、被加工物Ｓの被加工部位に照射させるために備わる。なお、ビーム断面形状とは、レーザ光の光軸に垂直な仮想的な面を考えた場合に、この面に対するレーザ光の投影像が有する形状を意味するものとする。また、変換手段３００および集光手段４００を、照射光学系と総称することとする。
【００２３】
通常、レーザ光ＬＢ１は、そのビーム断面形状が光軸に対し等方的であるように、より具体的には略真円形状であるように光源から発せられることが多いが、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ光源２００から出射される等方的なレーザ光ＬＢ１が等方的なまま被加工物Ｓに照射させるのではなく、被加工物Ｓに形成されるレーザ光ＬＢ２の被照射領域の形状が異方性を有するように、変換手段３００によってレーザ光ＬＢ１を光学的に変換しこれを集光手段４００により集光させる点で特徴的である。なお、このような態様で照射されるレーザ光を単に、「異方性を有するレーザ光」などと称することがある。
【００２４】
このような態様を実現する変換手段３００および集光手段４００の具体的な構成については、後述する。
【００２５】
被照射領域が異方性を有する場合としては、例えば、被照射領域が略楕円形状や略長方形状に形成される場合が考えられるが、これらを含め、略線対称となる対称軸をとることができ、かつ、その対称軸方向に対する広がりが他の方向への広がりよりも大きくなるような対称軸が存在するように形成されるのが好ましい。すなわち、該対称軸に沿って長尺な被照射領域が形成されるのが好ましい。そのような条件を満たすのであれば、複数の微小な略円形領域が該対称軸に沿って直線状に近接あるいは連接配置してなるように被照射領域が形成されてもよい。なお、以降、被照射領域の該対称軸方向のサイズを第１照射サイズ、これに直交する方向のサイズを第２照射サイズと称することとする。
【００２６】
駆動機構５００は、ステージ５０１を水平２軸方向に移動させるために備わる。さらに、ステージ５０１を所定位置を回転中心として水平面内回転させることができる態様であってもよい。駆動機構５００の動作は、制御手段６００によって制御される。
【００２７】
ステージ５０１は、好ましくは石英、サファイア、窒化ガリウム、水晶など、レーザ光ＬＢ２の波長に対して実質的に透明な材料で形成される。これにより、被加工物Ｓを透過したレーザ光ＬＢ２や被加工物をはずれて照射されたレーザ光（これらを「余剰レーザ光」と称する）がステージ５０１の表面で吸収されないので、該余剰レーザ光によってステージ５０１がダメージを受けることがない。また、ステージ５０１には、例えば吸引固定によって被加工物Ｓを固定する図示しない固定手段が設けられている。
【００２８】
制御手段６００には、汎用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。制御手段６００に備わる図示しない記憶手段に記憶されている、所定の動作プログラムが実行されることにより、レーザ加工装置１００の各部の動作が制御される。
【００２９】
なお、図１においては図示を省略するが、レーザ加工装置１００には、加工位置を観察するための、例えばＣＣＤカメラなどからなる観察手段、加工によって生じる粉塵等を除去するために、吸引や不活性ガスの供給を行う粉塵除去手段などが適宜に設けられていてもよい。
【００３０】
＜レーザ光によるライン加工＞
次に、レーザ加工装置１００によって実現されるライン加工の方法とその特徴について説明する。図２は、レーザ光ＬＢ２が照射されることによって被加工物Ｓ上に形成される被照射領域が、被加工物Ｓにおける加工ラインＬ上のある点を通過する様子を示す図である。なお、図２においては、加工を施そうとする加工ラインＬが延びる方向をｘ軸とする。
【００３１】
また、レーザ加工装置１００は、上述のように被照射領域が異方性を有するようにレーザ光ＬＢ２を照射するが、説明の簡単のため、図２においては、長方形状の被照射領域ＢＳが被加工物Ｓ上に形成される場合を例とする。この場合、被照射領域ＢＳの長手方向の大きさが第１照射サイズに相当し、これに直交する方向の大きさが第２照射サイズに相当することになる。第２照射サイズをａ（ａ＞０）とすると、第１照射サイズはｋ・ａ＝ｋａ（ｋ≧１）と表すことができる。この場合のｋを、照射サイズ比と称することとする。ただし、ｋ＝１の場合、被照射領域は正方形状となり、等方的となる。
【００３２】
加工ラインＬに沿った加工を行うためには、矢印ＡＲ１にて示すようにレーザ光ＬＢ２を加工ラインＬに沿って（相対的に）走査させることになるが、レーザ加工装置１００においては、図２に示すように、被照射領域ＢＳの長手方向と加工ラインＬとが平行を保ちつつ加工ラインＬに沿って加工が進行するように、集光手段４００によるレーザ光ＬＢ２の照射と駆動機構５００によるステージ５０１の移動がなされる。
【００３３】
このとき、被照射領域ＢＳが加工ライン上のある点ｘ＝ｘ１を通過し始めるとき（図２（ａ）の場合）の時刻をｔ＝０、通過を終えるとき（図２（ｂ）の場合）の時刻をｔ＝ｔ１とすると、レーザ光ＬＢ２の走査速度ｖを一定とするとき、被照射領域ＢＳ（の終端Ｅ２）がｘ＝ｘ１を通過するのに要する時間ｔ１は、被照射領域ＢＳの先端Ｅ１がｘ＝ｘ１から距離ｋａだけ進んだ時間に他ならないので、
ｔ１＝ｋａ／ｖ （式１）
となる。
【００３４】
レーザ光のパルスの繰り返し周波数をｆ、そのときのパルス幅をΔｔとすると、単位時間あたりに実際にレーザ光ＬＢ２が照射されている時間は、ｆ・Δｔ＝ｆΔｔであるから、被照射領域ＢＳが通過する間にレーザ光ＬＢ２が点ｘ＝ｘ１に実際に照射されている時間、すなわち積算照射時間は、
ｔ２＝ｔ１・ｆΔｔ＝ｋａｆΔｔ／ｖ （式２）
と表されることになる。
【００３５】
式２において、ａ、ｖを一定とすると、ｔ２は、ｋ、ｆ、Δｔの関数となるが、パルス幅Δｔは、一般に繰り返し周波数ｆの関数（増加関数）として表されるので、光源装置の種類が同じである限り、ｆを決めればΔｔも一意に定まることになる。よって、ｔ２は、ｋとｆとの関数であるとみなすことができる。繰り返し周波数ｆがレーザ光源２００から出射されるレーザ光ＬＢ１の出力パワーに応じて定まることを併せ考えると、このことは、ある出力パワーのレーザ光を用いて加工を行う場合、ｋの値を大きくすることで、積算照射時間が大きくすることができることを意味している。ｋの値を大きくするということは、つまり、レーザ光ＬＢ２の異方性の度合を高めることに相当する。なお、被照射領域が楕円形状などの場合、厳密には式２は成り立たないが、定性的には同様の議論が成り立つ。
【００３６】
一方、レーザ光源２００からレーザ光ＬＢ１が出射される際の出力パワーが一定である限り、レーザ光ＬＢ２に異方性が有するか否かによらず、レーザ光ＬＢ２のパワーも一定であるので、ｋの値を大きくするほど、被照射領域ＢＳにおける単位面積あたりのパワーの指標となるピークパワー密度（ピークパワーはレーザ光の１パルスのピーク強度値）は減少する。従って、レーザ光ＬＢ２の異方性の度合を高めるということは、パワーの総和を一定にしたまま、被加工物に照射されるレーザ光ＬＢ２のピークパワー密度を小さくすることに相当する。
【００３７】
図３、図４、および図５は、このような特徴を有するレーザ光ＬＢ２を用いて、照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合の加工結果の一例を、示す図である。ここでは、レーザ光ＬＢ２の相対走査速度、つまりは駆動機構５００によるステージ５０１の移動速度を２０mm／secとし、レーザ光源から出射されるレーザ光ＬＢ１としてビーム断面形状が略真円のビームを用い、そのビーム径を２μｍとし、出力パワーを、２Ｗ、６Ｗ、および１２Ｗとした場合についての結果を示している。図３は、加工の結果得られた加工溝、すなわち被加工領域の深さを示す図であり、図４は、該加工溝の幅を示す図であり、図５は、幅に対する深さの比、すなわち加工溝のアスペクト比を示す図である。横軸はいずれも照射サイズ比ｋを対数目盛にて表している。また、係る場合、ｋ＝１はレーザ光ＬＢ２のビーム形状が略真円である場合に相当する。
【００３８】
上述のように、ブレイク溝形成などのためのライン加工は、加工によって得られた被加工領域のアスペクト比が大きい方が好ましい。よって、ｋ＞１の範囲で、ｋ＝１のときよりも大きな値のアスペクト比が得られていれば、レーザ光ＬＢ２に異方性を与えることの効果が得られていることになる。図５からは、出力パワーが６Ｗ、１２Ｗの場合に、照射サイズ比ｋがおおよそ３〜５０の範囲にあるときに、ｋ＝１の場合より、大きなアスペクト比が得られていることが分かる。
【００３９】
その一方、出力パワーが２Ｗの場合には、ｋ＝１．５においてｋ＝１のときよりもわずかにアスペクト比が大きくなり、６Ｗや１２Ｗの場合と同程度の値が得られるが、さらにｋの値を大きくすると減少に転じてしまう。図３および図４において加工溝の深さと幅とがともに低下していることも踏まえると、これは、もともとの出力パワーが小さいことから、ｋ＝１であってもピークパワー密度が小さく、異方性を付与することでピークパワー密度が著しく低下して、加工に供されるエネルギーが十分でなくなってしまうことが原因と考えられる。出力パワーが６Ｗ、１２Ｗの場合に、ｋ＝１００でアスペクト比が低下しているのも、同様の理由によると考えられる。
【００４０】
ただし、このことは、見方を変えれば、パワーを２Ｗとして照射サイズ比ｋをおおよそ３〜５０の範囲とすることで、被加工物の加工がｋ＝１の場合よりも抑制されているということもできる。また、照射サイズ比ｋを一定とした場合の出力パワーごとのアスペクト比の違いは、ｋ＞１場合の方がｋ＝１の場合よりも概して大きくなっている。これらのことからは、照射サイズ比ｋをおおよそ３〜５０の範囲に設定すれば、ライン加工の際にレーザ光源２００から出射するレーザ光ＬＢ１に対する加工溝のアスペクト比のダイナミックレンジが、ｋ＝１の場合よりも大きくなるともいえる。すなわち、加工形状の自由度が高くなっているともいえる。
【００４１】
以上より、照射サイズ比ｋを３〜５０の範囲の値にすることで、アスペクト比が高い加工を実現することができるといえる。あるいはアスペクト比のダイナミックレンジが大きい加工を実現することができるともいえる。
【００４２】
ここで、このような、照射サイズ比を変えることの意味について、図６、図７、および図８に基づいて考察する。
【００４３】
図６は、ピークパワー密度と積算照射時間と加工溝の深さとの関係を示す図である。図６においては横軸を「パワー密度」と表記しているがこれはピークパワー密度を表している（図７、図８においても同様）。また、縦軸が積算照射時間を表し、濃淡で加工溝の深さを表している。図７は、縦軸および横軸を図６と同様にピークパワー密度と積算照射時間とし、これらとアスペクト比との関係を示す図であり、濃淡でアスペクト比を表している。なお、縦軸、横軸はいずれも、それぞれの値の常用対数にて目盛られている。
【００４４】
図６および図７からは、加工溝の深さおよびアスペクト比ともに、閉曲線ＲＰ１で囲んだ領域のあたりで、最も高い値が得られていることがわかる。このことは、単純にピークパワー密度が高いほどより深く、あるいはアスペクト比が大きく加工ができるとは限らないことを示している。
【００４５】
等方的なレーザ光で加工を行う場合、レーザ光の出力パワーとピークパワー密度は比例することから、ピークパワー密度の調整は、レーザ光の出力パワーの調整によって行われることになる。図８は図６および図７と同じ座標軸を取った、照射サイズ比の調整の意味を説明する図であるが、この場合、出力パワーの調整は、図８において矢印ＡＲ２に示すように横軸方向に値を変動させることにつながる。また、等方的なレーザ光で加工を行う場合、積算照射時間の調整は、出力パワーが一定、つまりは繰り返し周波数が一定であれば、式２より、走査速度ｖの値を調整することで行われることになる。これは、図８において矢印ＡＲ３に示すように縦軸方向に値を変動させることにつながる。結局、等方的なレーザ光で加工を行う場合に、閉曲線ＲＰ１で囲まれた領域にピークパワー密度と積算照射時間とを設定しようとすると、出力パワーと走査速度とを調整せざるを得ないことになる。なお、走査速度ｖの値を小さくすることは、スループットの低下につながるので、好ましいことではない。
【００４６】
これに対して、異方性を有するレーザ光ＬＢ２を用いて加工を行う場合は、上述したように、レーザ光ＬＢ１の出力パワーが一定のもとで、照射サイズ比ｋを変化させることで、積算照射時間とピークパワー密度とを同時に変化させることができる。すなわち、図８において矢印ＡＲ４の向きに値を変動させることができる。しかも、ｋの値を大きくするほど積算照射時間は大きくなる一方、異方性が増すのでパワー密度は減少する。
【００４７】
よって、例えば、ｋ＝１とした場合に図６および図７において閉曲線ＲＰ２に示される領域に該当するような出力パワーを有するレーザ光ＬＢ１を、レーザ光源２００から出射させ、係るレーザ光ＬＢ１に対し変換手段３００によって照射サイズ比ｋが３〜５０の範囲にあるように変換すれば、ピークパワー密度を減少させつつ積算照射時間が大きくなった、閉曲線ＲＰ１に示される領域に該当するレーザ光ＬＢ２を得ることができる。すなわち、照射サイズ比ｋを適切な値に設定することで、出力パワーを有効に活かしつつ、走査速度ｖを低下させることもなく、アスペクト比の高いライン加工が実現されることになる。
【００４８】
なお、特許文献１および２においても、ビーム断面形状を楕円形状にする態様についての開示はなされているが、いずれに開示された技術も、被照射領域を加工方向に沿って広げ、かつ被照射領域の重なりをできるだけ小さくするようにレーザ光を照射することで、加工の効率化を図るものに過ぎない。すなわち、レーザ光を異なる場所ごとに断続的に照射させる態様の加工を行う技術の効率化を目的とするものである。これに対して、本発明は、連続的にレーザ光を照射することによって被照射領域を連続的に変位させつつライン加工を行う技術を対象とするものであり、その際に、スループットを低下させることなく大きな積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることで最適な加工を実現するものであるので、目的・効果の点で、特許文献１および２に開示された技術とは相違するものである。
【００４９】
＜照射光学系の第１の構成例＞
上記のようなレーザ光ＬＢ２の照射を実現するための照射光学系、すなわち変換手段３００および集光手段４００の具体的な構成を、順次に説明する。なお、以下の各構成例においては、レーザ光ＬＢ２の照射に伴って被照射領域が移動する向きをｘ軸の正の向きとする右手形の三次元座標系を用いることとする。すなわち、以下の各構成例においては、ｚ軸負方向にレーザ光源２００、変換手段３００、集光手段４００、およびステージ５０１（駆動機構５００）がこの順に設けられてなり、レーザ光ＬＢ１は、その光軸がｚ軸と一致するように、レーザ光源２００から変換手段３００に向けて出射されるものとする。
【００５０】
図９は、第１の構成例に係る照射光学系を示す図である。図９（ａ）はｙｚ平面に平行な面における断面図、図９（ｂ）はｚｘ平面に平行な面における断面図である。第１の構成例に係る照射光学系は、変換手段３００として作用するシリンドリカルレンズ３１１と集光手段４００として作用する対物レンズ４１１とを備える。また、図１０は、図９の高さ位置（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【００５１】
シリンドリカルレンズ３１１は、レーザ光源２００から等方的かつ略平行に出射されたレーザ光ＬＢ１をｘ軸方向についてのみ集光し、ｙ軸方向についてはそのまま透過させるように設けられる。これにより、シリンドリカルレンズ３１１からは、ビーム断面形状に異方性を有するレーザ光ＬＢ２が出射される。係るレーザ光ＬＢ２は対物レンズ４１１で集光されるが、ビーム断面形状に異方性があるために、ｙｚ平面における焦点位置とｚｘ平面における焦点位置とが、ｚ軸方向において異なるものとなっている。これにより、図１０に示すように、集光されたレーザ光ＬＢ２のビーム断面形状もｚ軸方向の位置に応じて異なるものとなる。このうち、位置（Ｃ）の場合の断面形状は、ｘ軸方向に長手方向を有する楕円形状をなしていることから、係る高さ位置に被加工物Ｓを配置し、レーザ光ＬＢ２をｘ軸方向に走査させることで、長尺な被照射領域の長手方向を加工ラインに沿わせて加工を進行させることができ、より長い積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることができる。
【００５２】
＜照射光学系の第２の構成例＞
上述の第１の構成例においては、図１０の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、高さ位置によってレーザ光のビーム断面がなす楕円の向きが変化することになるので、対物レンズ４１１と被加工物Ｓとの距離の変動、つまりはピント位置のズレが生じた場合に、ビーム断面形状が変動しやすいという問題がある。第２の構成例では、この点に配慮した照射光学系を示す。
【００５３】
図１１は、第２の構成例に係る照射光学系を示す図である。図１１（ａ）はｙｚ平面に平行な面における断面図、図１１（ｂ）はｚｘ平面に平行な面における断面図である。第２の構成例に係る照射光学系は、変換手段３００として作用する第１シリンドリカルレンズ３２１と第２シリンドリカルレンズ３２２と、集光手段４００として作用する対物レンズ４２１とを備える。また、図１２は、図１１の高さ位置（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【００５４】
第１シリンドリカルレンズ３２１は、レーザ光源２００から等方的かつ略平行に出射されたレーザ光ＬＢ１をｙ軸方向についてのみ集光し、ｘ軸方向についてはそのまま透過させるように設けられる。第２シリンドリカルレンズ３２２は、第１シリンドリカルレンズ３２１を出たレーザ光を、ｙ軸方向についてのみ集光して平行光とし、ｘ軸方向についてはそのまま透過させるように、かつ、ｙ軸方向における第２のレーザ光ＬＢ２のビーム径が、第１のレーザ光ＬＢ１のビーム径よりも小さくなる位置に設けられる。これにより、第２シリンドリカルレンズ３２２からは、平行光ではあるが、ビーム断面形状に異方性を有するレーザ光ＬＢ２が出射される。これにより、第１の構成例と同様に、レーザ光ＬＢ２はビーム断面形状に異方性を有するものとなっている。ただし、第２の構成例においては、図１２に示すように、集光されたレーザ光ＬＢ２のビーム断面形状が、ｚ軸方向の高さ位置によらず、ｘ軸方向に長手方向を有するものとなる点で、第１の構成例とは異なっている。
【００５５】
この場合、よりビーム径が絞られる高さ位置（Ｅ）に被加工物Ｓを配置し、レーザ光ＬＢ２をｘ軸方向に走査させるようにすることで、被照射領域の長手方向を加工ラインに沿わせて加工を進行させることができ、より長い積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることができることに加えて、対物レンズ４２１と被加工物Ｓとの距離の変動、つまりはピント位置のズレによる悪影響を抑制することができる。
【００５６】
＜第２の構成例の変形例＞
平行光であって、ビーム断面形状に異方性を有するレーザ光ＬＢ２を出射するための変換手段３００の構成態様は、上述の場合に限定されない。図１３は、変換手段３００としてアナモルフィックプリズム３２３を用いた場合を示す図である。図１３（ａ）はｙｚ平面に平行な面における断面図、図１３（ｂ）はｚｘ平面に平行な面における断面図である。２つのプリズム３２３ａと３２３ｂとを組み合わせてなるアナモルフィックプリズム３２３を図１３のように配置することにより、ｘ軸方向についての幅はそのまま、ｙ軸方向にのみ幅を狭められた異方性のあるレーザ光ＬＢ２を得ることができる。得られたレーザ光ＬＢ２を対物レンズ４２１で集光し、被加工物Ｓに照射する点は、上述の場合と同様である。
【００５７】
＜照射光学系の第３の構成例＞
第１および第２の構成例においては、被照射領域が楕円形状をなす場合について説明したが、長尺な被照射領域を形成し、長い積算照射時間を得るための態様はこれに限定されるものではない。本構成例においては、レーザ光を直線状に配列したいわゆるマルチビームによって同様の効果を実現する態様について説明する。
【００５８】
図１４は、第３の構成例に係る照射光学系を示す図である。図１４は、変換手段３００として作用する回折格子３３１と、集光手段４００として作用する対物レンズ４３１とを備える。
【００５９】
回折格子３３１は、レーザ光源２００から出射されるレーザ光ＬＢ１の光軸と垂直にその格子面３３１ａが位置するように、かつ、ｘ軸方向に格子ピッチｄで格子が配列するように配置される。対物レンズ４３１は、光軸上においてその焦点距離ｆだけ回折格子３３１から離れた位置に配置される。
【００６０】
係る場合、等方的かつ略平行なレーザ光ＬＢ１がｚ軸の負の向きに回折格子３３１に入射すると、回折格子３３１においてｚｘ平面内で回折現象が生じる。このときのｎ次（ｎは整数）の回折角θnは、回折格子の格子ピッチｄとレーザ光の波長λとｎとを用いて、
θn＝sin-1（ｎλ／ｄ） （式３）
と表される。ただし、図示の簡単のため、図１４においてはｎ＝０、±１、±２の場合のみ示している。よって、回折格子３３１から出射されるレーザ光ＬＢ２は、ｙ軸方向の幅は入射時のレーザ光ＬＢ１と同じであるのに対し、ｘ軸方向については異なった次数の光の合成光となり、その結果、入射時よりも広がりを有する異方性を備えたものとなる。
【００６１】
回折格子３３１から出射されたレーザ光ＬＢ２は、対物レンズ４３１により、その焦点距離ｆだけ対物レンズ４３１から離れた位置において、回折格子３３１における回折の次数ｎに応じた位置に集光される。その集光位置の光軸からの垂直距離Ｄnは、
Ｄn＝ｆtanθn （式４）
と表される。すなわち、０次の回折光（透過光）は光軸上の位置（Ｄ0＝０）に集光され、１次の回折光（透過光）は光軸からＤ1だけ離れた位置に集光され、２次の回折光（透過光）は光軸からＤ2だけ離れた位置に集光されることになる。このことは、単一の平行光であるレーザ光ＬＢ１が変換手段３００としての回折格子３３１によって複数の微小なレーザ光群へとマルチビーム化されたことを意味している。
【００６２】
係る場合に、集光位置において光軸に垂直に被加工物Ｓを配置すると、被加工物Ｓには、該マルチビームに応じた複数のビームスポット（・・・ＢＳ２、ＢＳ１、ＢＳ０、ＢＳ１’、ＢＳ２’・・・）が、光軸位置を中心にｘ軸方向について対称に形成されることになる。換言すれば、複数のレーザ光群が列をなして被加工物Ｓ上に照射されることになる。
【００６３】
ここで、形成されるビームスポットの数の上限は、対物レンズ４３１の有効視野径と、回折格子３３１の格子ピッチｄとに依存する。また、図１４においては図示の便宜上、被加工物Ｓ上に形成される各ビームスポットを点にて表しているが、実際には、回折条件やあるいは被加工物Ｓの位置誤差などに起因して、図１５（ａ）に示すように、ビームスポットは有限の大きさを持つ。条件によっては、図１５（ｂ）のように、隣同士が連接する場合もある。この場合、各ビームスポットが互いに接しているか否かに依らず、ピークパワー密度を弱めつつ被照射領域を長手方向に拡大している点では、上述の第１および第２の構成例と同じであるので、いずれにせよ、これらのビームスポットの全体として１つの被照射領域ＢＳとみなすことができ、被加工物Ｓにはｘ軸方向に（時には断続的にではあるが）長尺化された被照射領域ＢＳが形成されるように、レーザ光ＬＢ２が照射されるといえる。
【００６４】
そして、このようにマルチビーム化されたレーザ光ＬＢ２をｘ軸方向に（相対的に）走査させることで、第１および第２の構成例と同様に、被照射領域の長手方向を加工ラインに沿わせて加工を進行させることができ、より長い積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることができる。
【００６５】
＜第３の構成例の変形例＞
第３の構成例においては、回折格子３３１が対物レンズ４３１の瞳位置に配置されているが、回折格子３３１をこの位置関係に配置できない場合、ビームエキスパンダーを用いることで、その位置関係の制限を解消することができる。図１６は、これを示す図である。
【００６６】
図１６においては、光軸上において回折格子３３１と対物レンズ４３１との間に、ビームエキスパンダーを構成すべく、焦点距離ｆ１の第１エキスパンドレンズ３３２と焦点距離ｆ２の第２エキスパンドレンズ３３３とが設けられてなる。第１エキスパンドレンズ３３２は、回折格子３３１が一方の焦点位置に位置するように（回折格子３３１から焦点距離ｆ１だけ離れた位置に）設けられてなる。第２エキスパンドレンズ３３３は、第１エキスパンドレンズ３３２のもう一方の焦点位置が、第２エキスパンドレンズ３３３の一方の焦点位置と一致するように、かつ、他方の焦点位置が、対物レンズ４３１の焦点位置と一致するように設けられてなる。
【００６７】
この場合、被加工物Ｓに形成されるビームスポットの間隔が、ｆ１とｆ２の値に応じて定まることになるので、装置設計上の自由度が高まることになる。ビームエキスパンダーを倍率可変に設けることによって、ビームスポットの間隔を可変にすることもできる。
【００６８】
なお、ビームエキスパンダーを設ける場合には、ビームスポットの大きさがｆ２／ｆ１倍されることになる。これを回避するには、さらに別個にビームエキスパンダーを設け、あらかじめビーム系をｆ１／ｆ２倍しておけばよい。
【００６９】
また、ビームエキスパンダーを、第２の構成例のようにシリンドリカルレンズにて構成することで、ビーム断面形状を楕円形状にする態様であってもよい。
【００７０】
＜照射光学系の第４の構成例＞
マルチビーム化を実現する態様は、第３の構成例に示したものに限られない。図１７は、ビームスプリッタ３４１によるマルチビーム化を説明する図である。
【００７１】
ビームスプリッタ３４１は、変換手段３００として作用するものであり、本体部３４１ａと反射膜３４１ｂとから構成される。本体部３４１ａは、入射面ｐ１と出射面ｐ２とが平行に設けられ、入射面ｐ１上には、反射膜３４１ｂが形成されてなる。ビームスプリッタ３４１は、レーザ光源２００から出射され、該ビームスプリッタ３４１に入射するレーザ光ＬＢ１と、後述のようにマルチビーム化されて該ビームスプリッタ３４１から出射されるレーザ光ＬＢ２とが平行を保つように、ｚｘ平面に平行に配置される。
【００７２】
まず、レーザ光ＬＢ１が本体部３４１ａの入射面ｐ１の入射部３４１ｃに入射すると、所定の屈折率に応じて屈折が生じ、屈折光ｌ１は出射面ｐ２に進む。出射面ｐ２においては、屈折光の一部の成分ｌ２は外部へ出射されるが、残りの成分ｌ３は反射されて入射面ｐ１へと進む。入射面ｐ１には、このようにして進んできたレーザ光を全て反射するように反射膜３４１ｂが設けられてなる。従って、反射を受けた光は再び出射面ｐ２へと進む。出射面においては、上記と同様にレーザ光の一部の成分は外部へ出射されるが、残りは反射され、再び入射面ｐ１へと進む。このような多重の反射を繰り返すことにより、結果として、ビームスプリッタ３４１からは、ｚ軸に平行な複数のレーザ光がｘ軸方向について等間隔に出射されることになり、複数の微小レーザ光群からなる、マルチビーム化されたレーザ光ＬＢ２を得ることができる。なお、微小レーザ光の本数は、ビームスプリッタ３４１のサイズや屈折率などによって定まり、図示している本数に限定されるものではない（以下も同様）。
【００７３】
なお、レーザ光ＬＢ２の均一性の観点からは、出射面ｐ２における出射光と反射光との比率は、反射面からの角出射光の強度が略同一になるように与えられるのが好ましい。
【００７４】
係るレーザ光ＬＢ２を、第３の構成例と同様に図示しない対物レンズで集光しつつ、ｘ軸方向に沿って走査させることによって、上述の構成例と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
図１８は、ビームスプリッタ３４１を用いた第４の構成例に係る照射光学系の構成を示す図である。ビームスプリッタ３４１を用いると、レーザ光ＬＢ２を構成するマルチビームの間隔（ビーム間隔）は、屈折率や配置位置に応じて定まるが、図１８においては、その間隔を縮小する態様の照射光学系を示している。具体的には、ビームスプリッタ３４１と、集光手段として作用する焦点距離ｆの対物レンズ４４１との間に、焦点距離ｆ３の縮小レンズ３４２が設けられてなる。縮小レンズ３４２は、光軸上（ｚ軸方向）において一方の焦点位置にビームスプリッタ３４１が位置し、もう一方の焦点位置が対物レンズ４４１の一方の焦点位置と一致するように配置される。
【００７６】
被加工物Ｓを対物レンズ４４１のもう一方の焦点位置に配置すると、ビームスプリッタ３４１から発せられたマルチビーム化されたレーザ光ＬＢ２は、ビームスプリッタ３４１から発せられた際のビーム間隔のｆ／ｆ３倍に縮小されて照射されることになる。縮小レンズ３４２の焦点距離ｆ３を可変にできる構成態様とした場合には、ビーム間隔を可変にすることができる。
【００７７】
＜第４の構成例の変形例＞
図１８においては、ビームスプリッタ３４１から出射された微小レーザ光に広がりがある場合を例示している。実際には、その広がりを無視することができ、平行光として取り扱える場合（縮小率ｆ／ｆ３の値が小さい場合など）もあるが、わずかな広がりが問題となるような場合、その広がり角を各微小レーザ光について併せる必要がある。図１９は、これを実現する照射光学系の構成を示す図である。
【００７８】
図１９に示すように、係る照射光学系においては、ビームスプリッタ３４１と縮小レンズ３４２との間に、各微小レーザ光に対応して調整レンズ３４３が設けられる。調整レンズ３４３は、その焦点位置が縮小レンズ３４２の焦点位置と一致するように配置される。なお、図１９においては、３本の微小レーザ光ＬＢａ、ＬＢｂ、ＬＢｃがビームスプリッタ３４１から出射された場合を例示しているので、それぞれに対応した３つの調整レンズ３４３ａ、３４３ｂ、３４３ｃを図示しているが、実際には、より多くの微小レーザ光が出射され、それらに対応して調整レンズ３４３が設けられる。
【００７９】
また、図１９においては、調整レンズ３４３を凸レンズにて形成してなるが、凹レンズやあるいは組み合わせレンズにて形成してもよい。
【００８０】
あるいは、調整レンズ３４３の配置を工夫することで、被加工物Ｓに照射される際の微小レーザ光の焦点位置をも調整することができる。図２０および図２１は、これを説明する図である。
【００８１】
図２０においては、個々の調整レンズ３４３が、配置位置をｚ軸方向にずらして設けられてなる照射光学系が示されている。より詳細には、調整レンズ３４３ｂは図１９の場合と同じ配置位置にあり、調整レンズ３４３ａは図１９の場合よりもビームスプリッタ３４１側に配置されており、調整レンズ３４３ｃは図１９の場合よりも縮小レンズ３４２側に配置されている。
【００８２】
このように調整レンズ３４３が配置されているので、対物レンズ４４１から出射されるそれぞれの微小レーザ光に対応する結像点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃのｚ軸方向の位置にも違いが生じ、微小レーザ光ＬＢａによってもたらされる結像点Ｆａが対物レンズ４４１から最も近い位置に形成され、順にＦｂ、Ｆｃと対物レンズ４４１に遠い位置に形成されることになる。そして、ライン加工を行う場合は、この結像位置が微小レーザ光ごとにずれた状態で、レーザ光ＬＢ２による矢印ＡＲ５の方向への相対的な走査がなされることになる。
【００８３】
図２１は、係る場合のライン加工の様子を示す図である。このとき、ｚ軸方向における結像点Ｆａの位置と被加工物Ｓの表面の位置とが略一致するように、被加工物Ｓは保持される。この場合、図２１（ａ）に示すように、被加工物Ｓがレーザ光ＬＢ２に対して矢印ＡＲ６のように進んでいくことになるので、まず、結像点Ｆａをもたらす微小レーザ光が被加工物Ｓに照射されることにより、被加工物Ｓへの加工が開始される。被加工物Ｓを矢印ＡＲ６の向きに移動させつつレーザ光の照射を継続すると、図２１（ｂ）に示すような加工溝Ｇ１がある程度の深さ範囲に形成されることになる。やがて、結像点Ｆｂをもたらす微小レーザ光が被加工物Ｓに照射するようになるが、その際、結像点Ｆｂは結像点Ｆａよりも低い位置、つまりは被加工物の表面よりも低い位置に形成されるので、加工溝Ｇ１の底部により近い位置に形成されることになる。よって、実際にレーザを照射すべき位置の近傍に結像点Ｆｂが位置することになるので、より効率的に加工を進行させることができることになる。このとき、結像点Ｆａは常に被加工物Ｓの表面近傍にあり、新たに加工されるべき箇所は常に係る結像点Ｆａを形成する微小レーザ光によって加工されることになる。
【００８４】
被加工物Ｓを引き続き移動させつつレーザ光ＬＢ２の照射を継続すると、やがて図２１（ｃ）に示すように、結像点Ｆｃを与える微小レーザ光が加工溝Ｇ２の底部近傍に照射されるようになり、図２１（ｂ）の場合と同様に、加工溝Ｇ２の底部近傍が、係る微小レーザ光がによって効率的に加工されることになる。
【００８５】
＜その他の構成例＞
被照射領域が長尺形状を有するようにレーザ光を変換し、集光する態様は、以上の各構成例に限定されるものではなく、他にも種々の手法で実現されうる。
【００８６】
図２２は、変換手段３００としてレンズ列３５１を形成することにより、マルチビームかを実現する様子を示す図である。このように、レーザ光源２００から出射されたレーザ光ＬＢ１の幅と一致する幅を有する、複数のレンズからなるレンズ列３５１を、レーザ光ＬＢ１の光軸上にレーザ光ＬＢ１と垂直に配置することで、マルチビームを形成し、集光手段に与える態様であってもよい。
【００８７】
また、変換手段３００として、図２３に示すようなバンドルファイバー３６１を用いて、ビーム断面形状を変換する態様であってもよい。バンドルファイバー３６１は多数の光ファイバーが束状に一体保持されてなるものであり、図２３においては、その入射部３６１ａの断面は円形に、出射部３６１ｂの断面は、例えばほともとは円形であったものを所定の方法で変形するなどして、略長方形状に形成されてなる。係るバンドルファイバー３６１に、レーザ光源２００から発せられた等方的かつ略平行なレーザ光ＬＢ１を入射部３６１ａに垂直に入射させると、ビーム断面形状が略長方形状をなすレーザ光ＬＢ２が出射されることになる。これを、上述の構成例と同様に集光手段４００にて集光することによっても、同様の効果を得ることができる。
【００８８】
なお、被照射領域を楕円形状に形成する態様は、被加工物Ｓの法線方向に対してある傾きを有するように、レーザ光を照射することによっても実現される。係る場合、レーザ光を傾斜させるための機構が、変換手段３００に相当することになる。
【符号の説明】
【００８９】
１００ レーザ加工装置
２００ レーザ光源
３００ 変換手段
３１１ シリンドリカルレンズ
３２１ 第１シリンドリカルレンズ
３２２ 第２シリンドリカルレンズ
３２３ アナモルフィックプリズム
３３１ 回折格子
３３１ａ 格子面
３３２ 第１エキスパンドレンズ
３３３ 第２エキスパンドレンズ
３４１ ビームスプリッタ
３４１ａ 本体部
３４１ｂ 反射膜
３４１ｃ 入射部
３４２ 縮小レンズ
３４３、３４３ａ、３４３ｂ、３４３ｃ 調整レンズ
３５１ レンズ列
３６１ バンドルファイバー
３６１ａ 入射部
３６１ｂ 出射部
４００ 集光手段
４１１、４２１、４３１、４４１ 対物レンズ
５００ 駆動機構
５０１ ステージ
６００ 制御手段
ＢＳ 被照射領域
Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ 結像点
ＬＢ１ （レーザ光源２００から出射された）レーザ光
ＬＢ２ （変換手段３００から出射された）レーザ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いてスクライブ加工などのライン加工を行う方法およびこれを実現する加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＹＡＧレーザなどのレーザ光を利用した溶接や切断、穴あけなどの加工は、従来より広く用いられている（例えば、特許文献１ないし３参照。）。
【０００３】
特許文献１には、ＹＡＧレーザを有し、主として溶接に用いられるレーザ加工装置が開示されており、特許文献２には、主として半導体装置のアウターリードを連結するダムバーの切断に用いられるレーザ加工装置が開示されている。また、特許文献３には、スクライブ針を用いた機械的なスクライブとレーザ光の照射とを組み合わせた被加工物の分割方法についての開示がなされている。
【０００４】
近年では、ＹＡＧの３倍高調波を用いたパルスレーザによって、サファイアなど硬度が高く、かつ脆性を有する基板材料や、該基板材料上にＧａＮなどの同じく硬脆なワイドバンドギャップ化合物半導体薄膜により短波長ＬＤ（レーザダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）をなどのデバイスを形成したものを切削・切断等するための装置も公知となっている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００５】
特許文献４に開示された加工装置は、波長域が紫外から可視域で、出力が数百ｍＷ〜数十Ｗ、パルス幅が数ｎｓ〜数百ｎｓ、発振周波数が数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのパルスレーザを用い、レーザ光を集光光学系で基板表面付近に集光し、これを基板表面で（相対的に）走査させることで、サファイアなどの硬脆な材質よりなる基板や該基板を用いて作製されたデバイスに対するスクライブラインの形成や切断、貫通穴形成などに好適に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１１６８８４号公報
【特許文献２】特開平９−１３７１号公報
【特許文献３】特開２０００−５８４８８号公報
【特許文献４】特開２００４−１１４０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一の基板に多数個のデバイスを繰り返し形成するような場合、後工程として個々のデバイスに分離・分割するための工程が必要であり、レーザ光によってブレイク用の溝としてのスクライブラインを形成した後、該スクライブラインに沿って機械的に分割する方法や、あるいはレーザ光によって直接に切断する方法などを採用することが可能である。いずれの方法を採用する場合であっても、スクライブラインあるいはカットラインが通る、いわゆるストリートの幅をできるだけ小さくするほど、１枚の基板からのデバイスの取り個数を多くすることができる。さらには、ブレイキングを容易かつ確実に行うという観点からも、スクライブラインをより細くかつ深く形成するのが好ましい。
【０００８】
よって、特許文献４に開示されているようなレーザ加工装置におけるスクライブ加工や切断加工の過程においては、被加工物の幅方向に被加工領域が拡がることなく深さ方向への加工が進むことが、換言すれば、被加工領域のアスペクト比が大きい状態を保った加工が実現されることが、好ましい態様であるといえる。加工に用いるレーザ光についても、このような加工を実現するように照射条件が設定される必要がある。
【０００９】
しかしながら、特許文献４に係るレーザ加工装置にて用いられているような、ＹＡＧの３倍高調波のパルスレーザを用いる場合に最適な加工条件は、これまで明らかにはされていない。
【００１０】
特許文献１ないし２には、楕円形状のレーザ光を用いることで、溶接やダムバー切断の効率化を図る技術が開示されているが、上記のような、アスペクト比の向上を実現することを目的とする技術については、何らの開示も示唆もなされていない。また、特許文献３に開示された技術は、スクライブ針による機械的な加工が前提であり、レーザ光のみを用いるものではない。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、パルスレーザを用いたスクライブ加工および切断加工などのライン加工に際して、アスペクト比の高い被加工領域の形成を実現する加工方法およびこれを実現する加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿った加工を行うライン加工方法であって、所定の光源から所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発せられる第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換工程と、前記第２のレーザ光を所定の集光手段によって前記被加工物の表面近傍に集光したうえで前記被加工物に照射しつつ、所定の走査手段に前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させることによって、前記表面を加工する加工工程と、を備え、前記変換工程においては、前記第１のレーザ光を所定の回折格子に照射することで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、前記加工工程においては、前記回折格子と前記集光手段との間に設けた第１と第２のエキスパンドレンズからなるビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を、前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持するように集光しつつ走査を行うことによって、前記第２のレーザ光の被照射領域を前記加工方向に沿って連続的に変位させる、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載のライン加工方法であって、前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のライン加工方法であって、前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿ったライン加工を行うレーザ加工装置であって、第１のレーザ光を所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発する光源と、前記第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換手段と、前記第２のレーザ光を前記被加工物の表面近傍に集光する集光手段と、前記変換手段と前記集光手段との間に設けられた第１と第２のエキスパンドレンズからなり、前記第２のレーザ光の焦点距離を調整するビームエキスパンド手段と、前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させる走査手段と、前記レーザ加工装置の動作を制御する制御手段と、を備え、前記変換手段は回折格子であり、前記第１のレーザ光が前記回折格子に照射されることで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、前記集光手段は、前記ビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持して集光し、前記制御手段は、前記被加工物に照射された前記第２のレーザ光の前記被照射領域が前記加工方向に沿って連続的に変位するように、前記集光手段と前記走査手段とを制御する、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４に記載のレーザ加工装置であって、前記変換手段は、前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項４または請求項５に記載のレーザ加工装置であって、前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１ないし請求項６の発明によれば、所定の出力パワーのレーザ光を用いて加工を行う場合に、レーザ光の走査速度を小さくすることなく被加工物に対するレーザ光の積算照射時間を高めることができるとともに、出力パワーを効率的に利用した適切なピークパワー密度のレーザ光を被加工領域に照射することができる。これにより被加工領域のアスペクト比が高い加工を実現することができる。その結果、例えば、１枚の基板に形成した多数個のデバイス分離・分割する場合にスクライブラインあるいはカットラインが通るストリートの幅をできるだけ小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００の概略構成図である。
【図２】被加工物Ｓ上に形成される被照射領域が、被加工物Ｓにおける加工ラインＬ上のある点を通過する様子を示す図である。
【図３】照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合の加工溝の深さを示す図である。
【図４】照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合の加工幅を示す図である。
【図５】照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合のアスペクト比を示す図である。
【図６】ピークパワー密度と積算照射時間と加工溝の深さとの関係を示す図である。
【図７】ピークパワー密度と積算照射時間とアスペクト比との関係を示す図である。
【図８】照射サイズ比の調整の意味を説明する図である。
【図９】第１の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１０】図９の高さ位置（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【図１１】第２の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１２】図１１の高さ位置（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【図１３】第２の構成例の変形例を示す図である。
【図１４】第３の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１５】第３の構成例において形成されるビームスポットの形状を例示する図である。
【図１６】第３の構成例の変形例を示す図である。
【図１７】ビームスプリッタ３４１を説明する図である。
【図１８】第４の構成例に係る照射光学系を示す図である。
【図１９】第４の構成例の変形例を示す図である。
【図２０】調整レンズ３４３の配置を代えた第４の構成例の変形例を示す図である。
【図２１】図２０の場合の加工の進行について説明する図である。
【図２２】レンズ列３５１を用いた変形例を示す図である。
【図２３】バンドルファイバー３５１を用いた変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜レーザ加工装置の概略構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００の概略構成図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光源２００からレーザ光ＬＢ１を発し、変換手段３００においてそのビーム断面形状を所定の形状に変換し、これにより得られるレーザ光ＬＢ２を集光手段４００によって集光し、駆動機構５００の上部に設けられたステージ５０１に固定された被加工物Ｓの被加工部位に集光したレーザ光ＬＢ２を照射することによって、該被加工部位のアブレーション加工を行う装置である。そして、駆動機構５００によってステージ５０１を移動させつつレーザ光ＬＢ２を連続して照射することにより、レーザ光ＬＢ２によって被加工物Ｓの表面を相対的に走査しながら、換言すれば、レーザ光の被照射領域を連続的に変位させながら、切断用の溝形成のためのスクライブ加工やあるいは直接の切断加工などのライン加工を行うことができる。このようなレーザ加工装置１００の動作は、制御手段６００によって各部の動作が制御されることで実現される。
【００２１】
レーザ光源２００としては、高周波パルスレーザ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを発生させる市販のレーザ光源装置を用いることができる。なかでもＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長約３５５ｎｍ）を用いるのが好適な態様である。レーザ光ＬＢ１の出力特性は、用いるレーザ光源装置によって異なるが、レーザ光源装置を適宜に選択することにより、出力パワーが数Ｗ〜数１０Ｗのレーザ光ＬＢ１を、レーザ光源２００から出射させることができる。このようなレーザ光ＬＢ１においては、繰り返し周波数が概ね数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、パルス幅が概ね１０ｎｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃの範囲にある。レーザ光源２００から発せられるレーザ光ＬＢ１の波長や出力、パルス幅の調整は、制御手段６００により実現される。
【００２２】
変換手段３００は、光源から出射されたレーザ光ＬＢ１に対し光学的な変換処理を作用させて、第１のレーザ光ＬＢ１とは異なるビーム断面形状を有する第２のレーザ光ＬＢ２を出射させるために備わる。また、集光手段４００は、レーザ光ＬＢ２を集光し、被加工物Ｓの被加工部位に照射させるために備わる。なお、ビーム断面形状とは、レーザ光の光軸に垂直な仮想的な面を考えた場合に、この面に対するレーザ光の投影像が有する形状を意味するものとする。また、変換手段３００および集光手段４００を、照射光学系と総称することとする。
【００２３】
通常、レーザ光ＬＢ１は、そのビーム断面形状が光軸に対し等方的であるように、より具体的には略真円形状であるように光源から発せられることが多いが、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ光源２００から出射される等方的なレーザ光ＬＢ１が等方的なまま被加工物Ｓに照射させるのではなく、被加工物Ｓに形成されるレーザ光ＬＢ２の被照射領域の形状が異方性を有するように、変換手段３００によってレーザ光ＬＢ１を光学的に変換しこれを集光手段４００により集光させる点で特徴的である。なお、このような態様で照射されるレーザ光を単に、「異方性を有するレーザ光」などと称することがある。
【００２４】
このような態様を実現する変換手段３００および集光手段４００の具体的な構成については、後述する。
【００２５】
被照射領域が異方性を有する場合としては、例えば、被照射領域が略楕円形状や略長方形状に形成される場合が考えられるが、これらを含め、略線対称となる対称軸をとることができ、かつ、その対称軸方向に対する広がりが他の方向への広がりよりも大きくなるような対称軸が存在するように形成されるのが好ましい。すなわち、該対称軸に沿って長尺な被照射領域が形成されるのが好ましい。そのような条件を満たすのであれば、複数の微小な略円形領域が該対称軸に沿って直線状に近接あるいは連接配置してなるように被照射領域が形成されてもよい。なお、以降、被照射領域の該対称軸方向のサイズを第１照射サイズ、これに直交する方向のサイズを第２照射サイズと称することとする。
【００２６】
駆動機構５００は、ステージ５０１を水平２軸方向に移動させるために備わる。さらに、ステージ５０１を所定位置を回転中心として水平面内回転させることができる態様であってもよい。駆動機構５００の動作は、制御手段６００によって制御される。
【００２７】
ステージ５０１は、好ましくは石英、サファイア、窒化ガリウム、水晶など、レーザ光ＬＢ２の波長に対して実質的に透明な材料で形成される。これにより、被加工物Ｓを透過したレーザ光ＬＢ２や被加工物をはずれて照射されたレーザ光（これらを「余剰レーザ光」と称する）がステージ５０１の表面で吸収されないので、該余剰レーザ光によってステージ５０１がダメージを受けることがない。また、ステージ５０１には、例えば吸引固定によって被加工物Ｓを固定する図示しない固定手段が設けられている。
【００２８】
制御手段６００には、汎用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。制御手段６００に備わる図示しない記憶手段に記憶されている、所定の動作プログラムが実行されることにより、レーザ加工装置１００の各部の動作が制御される。
【００２９】
なお、図１においては図示を省略するが、レーザ加工装置１００には、加工位置を観察するための、例えばＣＣＤカメラなどからなる観察手段、加工によって生じる粉塵等を除去するために、吸引や不活性ガスの供給を行う粉塵除去手段などが適宜に設けられていてもよい。
【００３０】
＜レーザ光によるライン加工＞
次に、レーザ加工装置１００によって実現されるライン加工の方法とその特徴について説明する。図２は、レーザ光ＬＢ２が照射されることによって被加工物Ｓ上に形成される被照射領域が、被加工物Ｓにおける加工ラインＬ上のある点を通過する様子を示す図である。なお、図２においては、加工を施そうとする加工ラインＬが延びる方向をｘ軸とする。
【００３１】
また、レーザ加工装置１００は、上述のように被照射領域が異方性を有するようにレーザ光ＬＢ２を照射するが、説明の簡単のため、図２においては、長方形状の被照射領域ＢＳが被加工物Ｓ上に形成される場合を例とする。この場合、被照射領域ＢＳの長手方向の大きさが第１照射サイズに相当し、これに直交する方向の大きさが第２照射サイズに相当することになる。第２照射サイズをａ（ａ＞０）とすると、第１照射サイズはｋ・ａ＝ｋａ（ｋ≧１）と表すことができる。この場合のｋを、照射サイズ比と称することとする。ただし、ｋ＝１の場合、被照射領域は正方形状となり、等方的となる。
【００３２】
加工ラインＬに沿った加工を行うためには、矢印ＡＲ１にて示すようにレーザ光ＬＢ２を加工ラインＬに沿って（相対的に）走査させることになるが、レーザ加工装置１００においては、図２に示すように、被照射領域ＢＳの長手方向と加工ラインＬとが平行を保ちつつ加工ラインＬに沿って加工が進行するように、集光手段４００によるレーザ光ＬＢ２の照射と駆動機構５００によるステージ５０１の移動がなされる。
【００３３】
このとき、被照射領域ＢＳが加工ライン上のある点ｘ＝ｘ１を通過し始めるとき（図２（ａ）の場合）の時刻をｔ＝０、通過を終えるとき（図２（ｂ）の場合）の時刻をｔ＝ｔ１とすると、レーザ光ＬＢ２の走査速度ｖを一定とするとき、被照射領域ＢＳ（の終端Ｅ２）がｘ＝ｘ１を通過するのに要する時間ｔ１は、被照射領域ＢＳの先端Ｅ１がｘ＝ｘ１から距離ｋａだけ進んだ時間に他ならないので、
ｔ１＝ｋａ／ｖ （式１）
となる。
【００３４】
レーザ光のパルスの繰り返し周波数をｆ、そのときのパルス幅をΔｔとすると、単位時間あたりに実際にレーザ光ＬＢ２が照射されている時間は、ｆ・Δｔ＝ｆΔｔであるから、被照射領域ＢＳが通過する間にレーザ光ＬＢ２が点ｘ＝ｘ１に実際に照射されている時間、すなわち積算照射時間は、
ｔ２＝ｔ１・ｆΔｔ＝ｋａｆΔｔ／ｖ （式２）
と表されることになる。
【００３５】
式２において、ａ、ｖを一定とすると、ｔ２は、ｋ、ｆ、Δｔの関数となるが、パルス幅Δｔは、一般に繰り返し周波数ｆの関数（増加関数）として表されるので、光源装置の種類が同じである限り、ｆを決めればΔｔも一意に定まることになる。よって、ｔ２は、ｋとｆとの関数であるとみなすことができる。繰り返し周波数ｆがレーザ光源２００から出射されるレーザ光ＬＢ１の出力パワーに応じて定まることを併せ考えると、このことは、ある出力パワーのレーザ光を用いて加工を行う場合、ｋの値を大きくすることで、積算照射時間が大きくすることができることを意味している。ｋの値を大きくするということは、つまり、レーザ光ＬＢ２の異方性の度合を高めることに相当する。なお、被照射領域が楕円形状などの場合、厳密には式２は成り立たないが、定性的には同様の議論が成り立つ。
【００３６】
一方、レーザ光源２００からレーザ光ＬＢ１が出射される際の出力パワーが一定である限り、レーザ光ＬＢ２に異方性が有するか否かによらず、レーザ光ＬＢ２のパワーも一定であるので、ｋの値を大きくするほど、被照射領域ＢＳにおける単位面積あたりのパワーの指標となるピークパワー密度（ピークパワーはレーザ光の１パルスのピーク強度値）は減少する。従って、レーザ光ＬＢ２の異方性の度合を高めるということは、パワーの総和を一定にしたまま、被加工物に照射されるレーザ光ＬＢ２のピークパワー密度を小さくすることに相当する。
【００３７】
図３、図４、および図５は、このような特徴を有するレーザ光ＬＢ２を用いて、照射サイズ比ｋを変えつつスクライブ加工を行った場合の加工結果の一例を、示す図である。ここでは、レーザ光ＬＢ２の相対走査速度、つまりは駆動機構５００によるステージ５０１の移動速度を２０mm／secとし、レーザ光源から出射されるレーザ光ＬＢ１としてビーム断面形状が略真円のビームを用い、そのビーム径を２μｍとし、出力パワーを、２Ｗ、６Ｗ、および１２Ｗとした場合についての結果を示している。図３は、加工の結果得られた加工溝、すなわち被加工領域の深さを示す図であり、図４は、該加工溝の幅を示す図であり、図５は、幅に対する深さの比、すなわち加工溝のアスペクト比を示す図である。横軸はいずれも照射サイズ比ｋを対数目盛にて表している。また、係る場合、ｋ＝１はレーザ光ＬＢ２のビーム形状が略真円である場合に相当する。
【００３８】
上述のように、ブレイク溝形成などのためのライン加工は、加工によって得られた被加工領域のアスペクト比が大きい方が好ましい。よって、ｋ＞１の範囲で、ｋ＝１のときよりも大きな値のアスペクト比が得られていれば、レーザ光ＬＢ２に異方性を与えることの効果が得られていることになる。図５からは、出力パワーが６Ｗ、１２Ｗの場合に、照射サイズ比ｋがおおよそ３〜５０の範囲にあるときに、ｋ＝１の場合より、大きなアスペクト比が得られていることが分かる。
【００３９】
その一方、出力パワーが２Ｗの場合には、ｋ＝１．５においてｋ＝１のときよりもわずかにアスペクト比が大きくなり、６Ｗや１２Ｗの場合と同程度の値が得られるが、さらにｋの値を大きくすると減少に転じてしまう。図３および図４において加工溝の深さと幅とがともに低下していることも踏まえると、これは、もともとの出力パワーが小さいことから、ｋ＝１であってもピークパワー密度が小さく、異方性を付与することでピークパワー密度が著しく低下して、加工に供されるエネルギーが十分でなくなってしまうことが原因と考えられる。出力パワーが６Ｗ、１２Ｗの場合に、ｋ＝１００でアスペクト比が低下しているのも、同様の理由によると考えられる。
【００４０】
ただし、このことは、見方を変えれば、パワーを２Ｗとして照射サイズ比ｋをおおよそ３〜５０の範囲とすることで、被加工物の加工がｋ＝１の場合よりも抑制されているということもできる。また、照射サイズ比ｋを一定とした場合の出力パワーごとのアスペクト比の違いは、ｋ＞１場合の方がｋ＝１の場合よりも概して大きくなっている。これらのことからは、照射サイズ比ｋをおおよそ３〜５０の範囲に設定すれば、ライン加工の際にレーザ光源２００から出射するレーザ光ＬＢ１に対する加工溝のアスペクト比のダイナミックレンジが、ｋ＝１の場合よりも大きくなるともいえる。すなわち、加工形状の自由度が高くなっているともいえる。
【００４１】
以上より、照射サイズ比ｋを３〜５０の範囲の値にすることで、アスペクト比が高い加工を実現することができるといえる。あるいはアスペクト比のダイナミックレンジが大きい加工を実現することができるともいえる。
【００４２】
ここで、このような、照射サイズ比を変えることの意味について、図６、図７、および図８に基づいて考察する。
【００４３】
図６は、ピークパワー密度と積算照射時間と加工溝の深さとの関係を示す図である。図６においては横軸を「パワー密度」と表記しているがこれはピークパワー密度を表している（図７、図８においても同様）。また、縦軸が積算照射時間を表し、濃淡で加工溝の深さを表している。図７は、縦軸および横軸を図６と同様にピークパワー密度と積算照射時間とし、これらとアスペクト比との関係を示す図であり、濃淡でアスペクト比を表している。なお、縦軸、横軸はいずれも、それぞれの値の常用対数にて目盛られている。
【００４４】
図６および図７からは、加工溝の深さおよびアスペクト比ともに、閉曲線ＲＰ１で囲んだ領域のあたりで、最も高い値が得られていることがわかる。このことは、単純にピークパワー密度が高いほどより深く、あるいはアスペクト比が大きく加工ができるとは限らないことを示している。
【００４５】
等方的なレーザ光で加工を行う場合、レーザ光の出力パワーとピークパワー密度は比例することから、ピークパワー密度の調整は、レーザ光の出力パワーの調整によって行われることになる。図８は図６および図７と同じ座標軸を取った、照射サイズ比の調整の意味を説明する図であるが、この場合、出力パワーの調整は、図８において矢印ＡＲ２に示すように横軸方向に値を変動させることにつながる。また、等方的なレーザ光で加工を行う場合、積算照射時間の調整は、出力パワーが一定、つまりは繰り返し周波数が一定であれば、式２より、走査速度ｖの値を調整することで行われることになる。これは、図８において矢印ＡＲ３に示すように縦軸方向に値を変動させることにつながる。結局、等方的なレーザ光で加工を行う場合に、閉曲線ＲＰ１で囲まれた領域にピークパワー密度と積算照射時間とを設定しようとすると、出力パワーと走査速度とを調整せざるを得ないことになる。なお、走査速度ｖの値を小さくすることは、スループットの低下につながるので、好ましいことではない。
【００４６】
これに対して、異方性を有するレーザ光ＬＢ２を用いて加工を行う場合は、上述したように、レーザ光ＬＢ１の出力パワーが一定のもとで、照射サイズ比ｋを変化させることで、積算照射時間とピークパワー密度とを同時に変化させることができる。すなわち、図８において矢印ＡＲ４の向きに値を変動させることができる。しかも、ｋの値を大きくするほど積算照射時間は大きくなる一方、異方性が増すのでパワー密度は減少する。
【００４７】
よって、例えば、ｋ＝１とした場合に図６および図７において閉曲線ＲＰ２に示される領域に該当するような出力パワーを有するレーザ光ＬＢ１を、レーザ光源２００から出射させ、係るレーザ光ＬＢ１に対し変換手段３００によって照射サイズ比ｋが３〜５０の範囲にあるように変換すれば、ピークパワー密度を減少させつつ積算照射時間が大きくなった、閉曲線ＲＰ１に示される領域に該当するレーザ光ＬＢ２を得ることができる。すなわち、照射サイズ比ｋを適切な値に設定することで、出力パワーを有効に活かしつつ、走査速度ｖを低下させることもなく、アスペクト比の高いライン加工が実現されることになる。
【００４８】
なお、特許文献１および２においても、ビーム断面形状を楕円形状にする態様についての開示はなされているが、いずれに開示された技術も、被照射領域を加工方向に沿って広げ、かつ被照射領域の重なりをできるだけ小さくするようにレーザ光を照射することで、加工の効率化を図るものに過ぎない。すなわち、レーザ光を異なる場所ごとに断続的に照射させる態様の加工を行う技術の効率化を目的とするものである。これに対して、本発明は、連続的にレーザ光を照射することによって被照射領域を連続的に変位させつつライン加工を行う技術を対象とするものであり、その際に、スループットを低下させることなく大きな積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることで最適な加工を実現するものであるので、目的・効果の点で、特許文献１および２に開示された技術とは相違するものである。
【００４９】
＜照射光学系の第１の構成例＞
上記のようなレーザ光ＬＢ２の照射を実現するための照射光学系、すなわち変換手段３００および集光手段４００の具体的な構成を、順次に説明する。なお、以下の各構成例においては、レーザ光ＬＢ２の照射に伴って被照射領域が移動する向きをｘ軸の正の向きとする右手形の三次元座標系を用いることとする。すなわち、以下の各構成例においては、ｚ軸負方向にレーザ光源２００、変換手段３００、集光手段４００、およびステージ５０１（駆動機構５００）がこの順に設けられてなり、レーザ光ＬＢ１は、その光軸がｚ軸と一致するように、レーザ光源２００から変換手段３００に向けて出射されるものとする。
【００５０】
図９は、第１の構成例に係る照射光学系を示す図である。図９（ａ）はｙｚ平面に平行な面における断面図、図９（ｂ）はｚｘ平面に平行な面における断面図である。第１の構成例に係る照射光学系は、変換手段３００として作用するシリンドリカルレンズ３１１と集光手段４００として作用する対物レンズ４１１とを備える。また、図１０は、図９の高さ位置（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【００５１】
シリンドリカルレンズ３１１は、レーザ光源２００から等方的かつ略平行に出射されたレーザ光ＬＢ１をｘ軸方向についてのみ集光し、ｙ軸方向についてはそのまま透過させるように設けられる。これにより、シリンドリカルレンズ３１１からは、ビーム断面形状に異方性を有するレーザ光ＬＢ２が出射される。係るレーザ光ＬＢ２は対物レンズ４１１で集光されるが、ビーム断面形状に異方性があるために、ｙｚ平面における焦点位置とｚｘ平面における焦点位置とが、ｚ軸方向において異なるものとなっている。これにより、図１０に示すように、集光されたレーザ光ＬＢ２のビーム断面形状もｚ軸方向の位置に応じて異なるものとなる。このうち、位置（Ｃ）の場合の断面形状は、ｘ軸方向に長手方向を有する楕円形状をなしていることから、係る高さ位置に被加工物Ｓを配置し、レーザ光ＬＢ２をｘ軸方向に走査させることで、長尺な被照射領域の長手方向を加工ラインに沿わせて加工を進行させることができ、より長い積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることができる。
【００５２】
＜照射光学系の第２の構成例＞
上述の第１の構成例においては、図１０の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、高さ位置によってレーザ光のビーム断面がなす楕円の向きが変化することになるので、対物レンズ４１１と被加工物Ｓとの距離の変動、つまりはピント位置のズレが生じた場合に、ビーム断面形状が変動しやすいという問題がある。第２の構成例では、この点に配慮した照射光学系を示す。
【００５３】
図１１は、第２の構成例に係る照射光学系を示す図である。図１１（ａ）はｙｚ平面に平行な面における断面図、図１１（ｂ）はｚｘ平面に平行な面における断面図である。第２の構成例に係る照射光学系は、変換手段３００として作用する第１シリンドリカルレンズ３２１と第２シリンドリカルレンズ３２２と、集光手段４００として作用する対物レンズ４２１とを備える。また、図１２は、図１１の高さ位置（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）におけるビーム断面形状を示す図である。
【００５４】
第１シリンドリカルレンズ３２１は、レーザ光源２００から等方的かつ略平行に出射されたレーザ光ＬＢ１をｙ軸方向についてのみ集光し、ｘ軸方向についてはそのまま透過させるように設けられる。第２シリンドリカルレンズ３２２は、第１シリンドリカルレンズ３２１を出たレーザ光を、ｙ軸方向についてのみ集光して平行光とし、ｘ軸方向についてはそのまま透過させるように、かつ、ｙ軸方向における第２のレーザ光ＬＢ２のビーム径が、第１のレーザ光ＬＢ１のビーム径よりも小さくなる位置に設けられる。これにより、第２シリンドリカルレンズ３２２からは、平行光ではあるが、ビーム断面形状に異方性を有するレーザ光ＬＢ２が出射される。これにより、第１の構成例と同様に、レーザ光ＬＢ２はビーム断面形状に異方性を有するものとなっている。ただし、第２の構成例においては、図１２に示すように、集光されたレーザ光ＬＢ２のビーム断面形状が、ｚ軸方向の高さ位置によらず、ｘ軸方向に長手方向を有するものとなる点で、第１の構成例とは異なっている。
【００５５】
この場合、よりビーム径が絞られる高さ位置（Ｅ）に被加工物Ｓを配置し、レーザ光ＬＢ２をｘ軸方向に走査させるようにすることで、被照射領域の長手方向を加工ラインに沿わせて加工を進行させることができ、より長い積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることができることに加えて、対物レンズ４２１と被加工物Ｓとの距離の変動、つまりはピント位置のズレによる悪影響を抑制することができる。
【００５６】
＜第２の構成例の変形例＞
平行光であって、ビーム断面形状に異方性を有するレーザ光ＬＢ２を出射するための変換手段３００の構成態様は、上述の場合に限定されない。図１３は、変換手段３００としてアナモルフィックプリズム３２３を用いた場合を示す図である。図１３（ａ）はｙｚ平面に平行な面における断面図、図１３（ｂ）はｚｘ平面に平行な面における断面図である。２つのプリズム３２３ａと３２３ｂとを組み合わせてなるアナモルフィックプリズム３２３を図１３のように配置することにより、ｘ軸方向についての幅はそのまま、ｙ軸方向にのみ幅を狭められた異方性のあるレーザ光ＬＢ２を得ることができる。得られたレーザ光ＬＢ２を対物レンズ４２１で集光し、被加工物Ｓに照射する点は、上述の場合と同様である。
【００５７】
＜照射光学系の第３の構成例＞
第１および第２の構成例においては、被照射領域が楕円形状をなす場合について説明したが、長尺な被照射領域を形成し、長い積算照射時間を得るための態様はこれに限定されるものではない。本構成例においては、レーザ光を直線状に配列したいわゆるマルチビームによって同様の効果を実現する態様について説明する。
【００５８】
図１４は、第３の構成例に係る照射光学系を示す図である。図１４は、変換手段３００として作用する回折格子３３１と、集光手段４００として作用する対物レンズ４３１とを備える。
【００５９】
回折格子３３１は、レーザ光源２００から出射されるレーザ光ＬＢ１の光軸と垂直にその格子面３３１ａが位置するように、かつ、ｘ軸方向に格子ピッチｄで格子が配列するように配置される。対物レンズ４３１は、光軸上においてその焦点距離ｆだけ回折格子３３１から離れた位置に配置される。
【００６０】
係る場合、等方的かつ略平行なレーザ光ＬＢ１がｚ軸の負の向きに回折格子３３１に入射すると、回折格子３３１においてｚｘ平面内で回折現象が生じる。このときのｎ次（ｎは整数）の回折角θnは、回折格子の格子ピッチｄとレーザ光の波長λとｎとを用いて、
θn＝sin-1（ｎλ／ｄ） （式３）
と表される。ただし、図示の簡単のため、図１４においてはｎ＝０、±１、±２の場合のみ示している。よって、回折格子３３１から出射されるレーザ光ＬＢ２は、ｙ軸方向の幅は入射時のレーザ光ＬＢ１と同じであるのに対し、ｘ軸方向については異なった次数の光の合成光となり、その結果、入射時よりも広がりを有する異方性を備えたものとなる。
【００６１】
回折格子３３１から出射されたレーザ光ＬＢ２は、対物レンズ４３１により、その焦点距離ｆだけ対物レンズ４３１から離れた位置において、回折格子３３１における回折の次数ｎに応じた位置に集光される。その集光位置の光軸からの垂直距離Ｄnは、
Ｄn＝ｆtanθn （式４）
と表される。すなわち、０次の回折光（透過光）は光軸上の位置（Ｄ0＝０）に集光され、１次の回折光（透過光）は光軸からＤ1だけ離れた位置に集光され、２次の回折光（透過光）は光軸からＤ2だけ離れた位置に集光されることになる。このことは、単一の平行光であるレーザ光ＬＢ１が変換手段３００としての回折格子３３１によって複数の微小なレーザ光群へとマルチビーム化されたことを意味している。
【００６２】
係る場合に、集光位置において光軸に垂直に被加工物Ｓを配置すると、被加工物Ｓには、該マルチビームに応じた複数のビームスポット（・・・ＢＳ２、ＢＳ１、ＢＳ０、ＢＳ１’、ＢＳ２’・・・）が、光軸位置を中心にｘ軸方向について対称に形成されることになる。換言すれば、複数のレーザ光群が列をなして被加工物Ｓ上に照射されることになる。
【００６３】
ここで、形成されるビームスポットの数の上限は、対物レンズ４３１の有効視野径と、回折格子３３１の格子ピッチｄとに依存する。また、図１４においては図示の便宜上、被加工物Ｓ上に形成される各ビームスポットを点にて表しているが、実際には、回折条件やあるいは被加工物Ｓの位置誤差などに起因して、図１５（ａ）に示すように、ビームスポットは有限の大きさを持つ。条件によっては、図１５（ｂ）のように、隣同士が連接する場合もある。この場合、各ビームスポットが互いに接しているか否かに依らず、ピークパワー密度を弱めつつ被照射領域を長手方向に拡大している点では、上述の第１および第２の構成例と同じであるので、いずれにせよ、これらのビームスポットの全体として１つの被照射領域ＢＳとみなすことができ、被加工物Ｓにはｘ軸方向に（時には断続的にではあるが）長尺化された被照射領域ＢＳが形成されるように、レーザ光ＬＢ２が照射されるといえる。
【００６４】
そして、このようにマルチビーム化されたレーザ光ＬＢ２をｘ軸方向に（相対的に）走査させることで、第１および第２の構成例と同様に、被照射領域の長手方向を加工ラインに沿わせて加工を進行させることができ、より長い積算照射時間と適切なピークパワー密度とを得ることができる。
【００６５】
＜第３の構成例の変形例＞
第３の構成例においては、回折格子３３１が対物レンズ４３１の瞳位置に配置されているが、回折格子３３１をこの位置関係に配置できない場合、ビームエキスパンダーを用いることで、その位置関係の制限を解消することができる。図１６は、これを示す図である。
【００６６】
図１６においては、光軸上において回折格子３３１と対物レンズ４３１との間に、ビームエキスパンダーを構成すべく、焦点距離ｆ１の第１エキスパンドレンズ３３２と焦点距離ｆ２の第２エキスパンドレンズ３３３とが設けられてなる。第１エキスパンドレンズ３３２は、回折格子３３１が一方の焦点位置に位置するように（回折格子３３１から焦点距離ｆ１だけ離れた位置に）設けられてなる。第２エキスパンドレンズ３３３は、第１エキスパンドレンズ３３２のもう一方の焦点位置が、第２エキスパンドレンズ３３３の一方の焦点位置と一致するように、かつ、他方の焦点位置が、対物レンズ４３１の焦点位置と一致するように設けられてなる。
【００６７】
この場合、被加工物Ｓに形成されるビームスポットの間隔が、ｆ１とｆ２の値に応じて定まることになるので、装置設計上の自由度が高まることになる。ビームエキスパンダーを倍率可変に設けることによって、ビームスポットの間隔を可変にすることもできる。
【００６８】
なお、ビームエキスパンダーを設ける場合には、ビームスポットの大きさがｆ２／ｆ１倍されることになる。これを回避するには、さらに別個にビームエキスパンダーを設け、あらかじめビーム系をｆ１／ｆ２倍しておけばよい。
【００６９】
また、ビームエキスパンダーを、第２の構成例のようにシリンドリカルレンズにて構成することで、ビーム断面形状を楕円形状にする態様であってもよい。
【００７０】
＜照射光学系の第４の構成例＞
マルチビーム化を実現する態様は、第３の構成例に示したものに限られない。図１７は、ビームスプリッタ３４１によるマルチビーム化を説明する図である。
【００７１】
ビームスプリッタ３４１は、変換手段３００として作用するものであり、本体部３４１ａと反射膜３４１ｂとから構成される。本体部３４１ａは、入射面ｐ１と出射面ｐ２とが平行に設けられ、入射面ｐ１上には、反射膜３４１ｂが形成されてなる。ビームスプリッタ３４１は、レーザ光源２００から出射され、該ビームスプリッタ３４１に入射するレーザ光ＬＢ１と、後述のようにマルチビーム化されて該ビームスプリッタ３４１から出射されるレーザ光ＬＢ２とが平行を保つように、ｚｘ平面に平行に配置される。
【００７２】
まず、レーザ光ＬＢ１が本体部３４１ａの入射面ｐ１の入射部３４１ｃに入射すると、所定の屈折率に応じて屈折が生じ、屈折光ｌ１は出射面ｐ２に進む。出射面ｐ２においては、屈折光の一部の成分ｌ２は外部へ出射されるが、残りの成分ｌ３は反射されて入射面ｐ１へと進む。入射面ｐ１には、このようにして進んできたレーザ光を全て反射するように反射膜３４１ｂが設けられてなる。従って、反射を受けた光は再び出射面ｐ２へと進む。出射面においては、上記と同様にレーザ光の一部の成分は外部へ出射されるが、残りは反射され、再び入射面ｐ１へと進む。このような多重の反射を繰り返すことにより、結果として、ビームスプリッタ３４１からは、ｚ軸に平行な複数のレーザ光がｘ軸方向について等間隔に出射されることになり、複数の微小レーザ光群からなる、マルチビーム化されたレーザ光ＬＢ２を得ることができる。なお、微小レーザ光の本数は、ビームスプリッタ３４１のサイズや屈折率などによって定まり、図示している本数に限定されるものではない（以下も同様）。
【００７３】
なお、レーザ光ＬＢ２の均一性の観点からは、出射面ｐ２における出射光と反射光との比率は、反射面からの角出射光の強度が略同一になるように与えられるのが好ましい。
【００７４】
係るレーザ光ＬＢ２を、第３の構成例と同様に図示しない対物レンズで集光しつつ、ｘ軸方向に沿って走査させることによって、上述の構成例と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
図１８は、ビームスプリッタ３４１を用いた第４の構成例に係る照射光学系の構成を示す図である。ビームスプリッタ３４１を用いると、レーザ光ＬＢ２を構成するマルチビームの間隔（ビーム間隔）は、屈折率や配置位置に応じて定まるが、図１８においては、その間隔を縮小する態様の照射光学系を示している。具体的には、ビームスプリッタ３４１と、集光手段として作用する焦点距離ｆの対物レンズ４４１との間に、焦点距離ｆ３の縮小レンズ３４２が設けられてなる。縮小レンズ３４２は、光軸上（ｚ軸方向）において一方の焦点位置にビームスプリッタ３４１が位置し、もう一方の焦点位置が対物レンズ４４１の一方の焦点位置と一致するように配置される。
【００７６】
被加工物Ｓを対物レンズ４４１のもう一方の焦点位置に配置すると、ビームスプリッタ３４１から発せられたマルチビーム化されたレーザ光ＬＢ２は、ビームスプリッタ３４１から発せられた際のビーム間隔のｆ／ｆ３倍に縮小されて照射されることになる。縮小レンズ３４２の焦点距離ｆ３を可変にできる構成態様とした場合には、ビーム間隔を可変にすることができる。
【００７７】
＜第４の構成例の変形例＞
図１８においては、ビームスプリッタ３４１から出射された微小レーザ光に広がりがある場合を例示している。実際には、その広がりを無視することができ、平行光として取り扱える場合（縮小率ｆ／ｆ３の値が小さい場合など）もあるが、わずかな広がりが問題となるような場合、その広がり角を各微小レーザ光について併せる必要がある。図１９は、これを実現する照射光学系の構成を示す図である。
【００７８】
図１９に示すように、係る照射光学系においては、ビームスプリッタ３４１と縮小レンズ３４２との間に、各微小レーザ光に対応して調整レンズ３４３が設けられる。調整レンズ３４３は、その焦点位置が縮小レンズ３４２の焦点位置と一致するように配置される。なお、図１９においては、３本の微小レーザ光ＬＢａ、ＬＢｂ、ＬＢｃがビームスプリッタ３４１から出射された場合を例示しているので、それぞれに対応した３つの調整レンズ３４３ａ、３４３ｂ、３４３ｃを図示しているが、実際には、より多くの微小レーザ光が出射され、それらに対応して調整レンズ３４３が設けられる。
【００７９】
また、図１９においては、調整レンズ３４３を凸レンズにて形成してなるが、凹レンズやあるいは組み合わせレンズにて形成してもよい。
【００８０】
あるいは、調整レンズ３４３の配置を工夫することで、被加工物Ｓに照射される際の微小レーザ光の焦点位置をも調整することができる。図２０および図２１は、これを説明する図である。
【００８１】
図２０においては、個々の調整レンズ３４３が、配置位置をｚ軸方向にずらして設けられてなる照射光学系が示されている。より詳細には、調整レンズ３４３ｂは図１９の場合と同じ配置位置にあり、調整レンズ３４３ａは図１９の場合よりもビームスプリッタ３４１側に配置されており、調整レンズ３４３ｃは図１９の場合よりも縮小レンズ３４２側に配置されている。
【００８２】
このように調整レンズ３４３が配置されているので、対物レンズ４４１から出射されるそれぞれの微小レーザ光に対応する結像点Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃのｚ軸方向の位置にも違いが生じ、微小レーザ光ＬＢａによってもたらされる結像点Ｆａが対物レンズ４４１から最も近い位置に形成され、順にＦｂ、Ｆｃと対物レンズ４４１に遠い位置に形成されることになる。そして、ライン加工を行う場合は、この結像位置が微小レーザ光ごとにずれた状態で、レーザ光ＬＢ２による矢印ＡＲ５の方向への相対的な走査がなされることになる。
【００８３】
図２１は、係る場合のライン加工の様子を示す図である。このとき、ｚ軸方向における結像点Ｆａの位置と被加工物Ｓの表面の位置とが略一致するように、被加工物Ｓは保持される。この場合、図２１（ａ）に示すように、被加工物Ｓがレーザ光ＬＢ２に対して矢印ＡＲ６のように進んでいくことになるので、まず、結像点Ｆａをもたらす微小レーザ光が被加工物Ｓに照射されることにより、被加工物Ｓへの加工が開始される。被加工物Ｓを矢印ＡＲ６の向きに移動させつつレーザ光の照射を継続すると、図２１（ｂ）に示すような加工溝Ｇ１がある程度の深さ範囲に形成されることになる。やがて、結像点Ｆｂをもたらす微小レーザ光が被加工物Ｓに照射するようになるが、その際、結像点Ｆｂは結像点Ｆａよりも低い位置、つまりは被加工物の表面よりも低い位置に形成されるので、加工溝Ｇ１の底部により近い位置に形成されることになる。よって、実際にレーザを照射すべき位置の近傍に結像点Ｆｂが位置することになるので、より効率的に加工を進行させることができることになる。このとき、結像点Ｆａは常に被加工物Ｓの表面近傍にあり、新たに加工されるべき箇所は常に係る結像点Ｆａを形成する微小レーザ光によって加工されることになる。
【００８４】
被加工物Ｓを引き続き移動させつつレーザ光ＬＢ２の照射を継続すると、やがて図２１（ｃ）に示すように、結像点Ｆｃを与える微小レーザ光が加工溝Ｇ２の底部近傍に照射されるようになり、図２１（ｂ）の場合と同様に、加工溝Ｇ２の底部近傍が、係る微小レーザ光がによって効率的に加工されることになる。
【００８５】
＜その他の構成例＞
被照射領域が長尺形状を有するようにレーザ光を変換し、集光する態様は、以上の各構成例に限定されるものではなく、他にも種々の手法で実現されうる。
【００８６】
図２２は、変換手段３００としてレンズ列３５１を形成することにより、マルチビームかを実現する様子を示す図である。このように、レーザ光源２００から出射されたレーザ光ＬＢ１の幅と一致する幅を有する、複数のレンズからなるレンズ列３５１を、レーザ光ＬＢ１の光軸上にレーザ光ＬＢ１と垂直に配置することで、マルチビームを形成し、集光手段に与える態様であってもよい。
【００８７】
また、変換手段３００として、図２３に示すようなバンドルファイバー３６１を用いて、ビーム断面形状を変換する態様であってもよい。バンドルファイバー３６１は多数の光ファイバーが束状に一体保持されてなるものであり、図２３においては、その入射部３６１ａの断面は円形に、出射部３６１ｂの断面は、例えばほともとは円形であったものを所定の方法で変形するなどして、略長方形状に形成されてなる。係るバンドルファイバー３６１に、レーザ光源２００から発せられた等方的かつ略平行なレーザ光ＬＢ１を入射部３６１ａに垂直に入射させると、ビーム断面形状が略長方形状をなすレーザ光ＬＢ２が出射されることになる。これを、上述の構成例と同様に集光手段４００にて集光することによっても、同様の効果を得ることができる。
【００８８】
なお、被照射領域を楕円形状に形成する態様は、被加工物Ｓの法線方向に対してある傾きを有するように、レーザ光を照射することによっても実現される。係る場合、レーザ光を傾斜させるための機構が、変換手段３００に相当することになる。
【符号の説明】
【００８９】
１００ レーザ加工装置
２００ レーザ光源
３００ 変換手段
３１１ シリンドリカルレンズ
３２１ 第１シリンドリカルレンズ
３２２ 第２シリンドリカルレンズ
３２３ アナモルフィックプリズム
３３１ 回折格子
３３１ａ 格子面
３３２ 第１エキスパンドレンズ
３３３ 第２エキスパンドレンズ
３４１ ビームスプリッタ
３４１ａ 本体部
３４１ｂ 反射膜
３４１ｃ 入射部
３４２ 縮小レンズ
３４３、３４３ａ、３４３ｂ、３４３ｃ 調整レンズ
３５１ レンズ列
３６１ バンドルファイバー
３６１ａ 入射部
３６１ｂ 出射部
４００ 集光手段
４１１、４２１、４３１、４４１ 対物レンズ
５００ 駆動機構
５０１ ステージ
６００ 制御手段
ＢＳ 被照射領域
Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ 結像点
ＬＢ１ （レーザ光源２００から出射された）レーザ光
ＬＢ２ （変換手段３００から出射された）レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿った加工を行うライン加工方法であって、
所定の光源から所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発せられる第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換工程と、
前記第２のレーザ光を所定の集光手段によって前記被加工物の表面近傍に集光したうえで前記被加工物に照射しつつ、所定の走査手段に前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させることによって、前記表面を加工する加工工程と、
を備え、
前記変換工程においては、前記第１のレーザ光を所定の回折格子に照射することで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、
前記加工工程においては、前記回折格子と前記集光手段との間に設けた第１と第２のエキスパンドレンズからなるビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を、前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持するように集光しつつ走査を行うことによって、前記第２のレーザ光の被照射領域を前記加工方向に沿って連続的に変位させる、
ことを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のライン加工方法であって、
前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のライン加工方法であって、
前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。
【請求項４】
レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿ったライン加工を行うレーザ加工装置であって、
第１のレーザ光を所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発する光源と、
前記第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換手段と、
前記第２のレーザ光を前記被加工物の表面近傍に集光する集光手段と、
前記変換手段と前記集光手段との間に設けられた第１と第２のエキスパンドレンズからなり、前記第２のレーザ光の焦点距離を調整するビームエキスパンド手段と、
前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させる走査手段と、
前記レーザ加工装置の動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記変換手段は回折格子であり、前記第１のレーザ光が前記回折格子に照射されることで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、
前記集光手段は、前記ビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持して集光し、
前記制御手段は、前記被加工物に照射された前記第２のレーザ光の前記被照射領域が前記加工方向に沿って連続的に変位するように、前記集光手段と前記走査手段とを制御する、
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ加工装置であって、
前記変換手段は、前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿った加工を行うライン加工方法であって、
所定の光源から所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発せられる第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換工程と、
前記第２のレーザ光を所定の集光手段によって前記被加工物の表面近傍に集光したうえで前記被加工物に照射しつつ、所定の走査手段に前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させることによって、前記表面を加工する加工工程と、
を備え、
前記変換工程においては、前記第１のレーザ光を所定の回折格子に照射することで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、
前記加工工程においては、前記回折格子と前記集光手段との間に設けた第１と第２のエキスパンドレンズからなるビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を、前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持するように集光しつつ走査を行うことによって、前記第２のレーザ光の被照射領域を前記加工方向に沿って連続的に変位させる、
ことを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のライン加工方法であって、
前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のライン加工方法であって、
前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とするレーザ光によるライン加工方法。
【請求項４】
レーザ光を照射することによって被加工物に対し所定の加工方向に沿ったライン加工を行うレーザ加工装置であって、
第１のレーザ光を所定のパルス幅で繰り返し照射されるパルスレーザとして発する光源と、
前記第１のレーザ光を前記加工方向に沿って近接あるいは連接する複数の微小レーザ光群である第２のレーザ光に変換する変換手段と、
前記第２のレーザ光を前記被加工物の表面近傍に集光する集光手段と、
前記変換手段と前記集光手段との間に設けられた第１と第２のエキスパンドレンズからなり、前記第２のレーザ光の焦点距離を調整するビームエキスパンド手段と、
前記第２のレーザ光を前記加工方向に沿って相対的に走査させる走査手段と、
前記レーザ加工装置の動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記変換手段は回折格子であり、前記第１のレーザ光が前記回折格子に照射されることで生じる前記回折格子からの回折光が前記第２のレーザ光であり、前記第２のレーザ光においては、前記被加工物へ照射される際に形成される被照射領域が前記加工方向において占める第１照射サイズが前記加工方向と垂直な方向において占める第２照射サイズよりも大きく、
前記集光手段は、前記ビームエキスパンド手段によって焦点距離が調整された前記第２のレーザ光を前記第１照射サイズと前記第２照射サイズとの比率を維持して集光し、
前記制御手段は、前記被加工物に照射された前記第２のレーザ光の前記被照射領域が前記加工方向に沿って連続的に変位するように、前記集光手段と前記走査手段とを制御する、
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ加工装置であって、
前記変換手段は、前記第２照射サイズに対する前記第１照射サイズの比である照射サイズ比を３以上５０以下に調整することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
前記第１のレーザ光の波長が２１０ｎｍ〜５３３ｎｍの波長範囲に属することを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−６７８７３（Ｐ２０１１−６７８７３Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７１４４８（Ｐ２０１０−２７１４４８）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【分割の表示】特願２００４−１７９５１３（Ｐ２００４−１７９５１３）の分割
【原出願日】平成１６年６月１７日（２００４．６．１７）
【出願人】（３９００００６０８）三星ダイヤモンド工業株式会社 (383)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【分割の表示】特願２００４−１７９５１３（Ｐ２００４−１７９５１３）の分割
【原出願日】平成１６年６月１７日（２００４．６．１７）
【出願人】（３９００００６０８）三星ダイヤモンド工業株式会社 (383)
【Ｆターム（参考）】
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