裂纹生成方法、利用激光的切割方法以及裂纹生成装置

摘要

本发明提供能够根据加工对象物的材料来生成微细裂纹的裂纹生成方法、利用激光的切割方法以及裂纹生成装置。从第一激光光源对加工对象物照射第一光脉冲，从而在加工对象物的内部沿着预先设定的预定线形成光吸收率暂时变高的第一区域，该第一光脉冲具有预先设定的第一脉冲宽度以及使加工对象物的材料产生多光子吸收的光强度的，并且在光吸收率暂时变高了的第一区域的光吸收率复原之前，从第二激光光源对第一区域的至少一部分照射第二光脉冲并吸收第二光脉冲，来沿着预先设定的预定线在加工对象物生成裂纹，该第二光脉冲具有针对加工对象物的材料而预先设定的不使加工对象物的材料产生多光子吸收的光强度以及比第一脉冲宽度宽的第二脉冲宽度。

说明书

技术领域

本发明涉及裂纹生成方法、利用激光的切割方法以及裂纹生成装置，尤其涉及能够根据加工对象物的材料来生成微细裂纹的裂纹生成方法、利用激光的切割方法以及裂纹生成装置。

背景技术

已知有如下技术：若在透明材料的内部，聚光来自脉冲宽度相对较窄的短脉冲光源例如脉冲宽度为飞秒（fs）级的飞秒激光的光脉冲、或来自脉冲宽度相对较宽的长脉冲光源例如脉冲宽度为纳秒（ns）级的纳秒激光的光脉冲等来形成聚光点，并将该聚光点附近的电场强度设为极高的条件，则能够产生多光子吸收，能够向透明材料注入该光脉冲的能量。而且，利用该注入的能量能够在材料内形成改质区域，所以在半导体材料基板、压电材料基板、或者玻璃基板等的内部连续地或者间断地形成这样的改质区域并用于切割。

在专利文献1中，公开有使用了上述技术的、使用了激光的切割技术。专利文献1的发明构成为：利用最初照射的飞秒激光在加工对象物的内部形成改质区域，利用接下来照射的飞秒激光暂时地形成光吸收率较高的区域，进一步通过对该光吸收率较高的区域照射纳秒激光并使其吸收来进行加热，利用通过该加热而生成的热膨胀来以上述改质区域为起点进行切断。

专利文献1：日本特开2013-022627号公报

改质区域是指伴随材料的折射率变化的区域，但为了进行高精细的切割，优选在该改质区域内包括微细的裂纹。关于这一点，在专利文献1所公开的使用了激光的切割技术中，没有意图构成为在利用最初照射的飞秒激光而产生的改质区域生成裂纹。另外，没有根据加工对象物的材料将纳秒激光的光输出设定为适当的值的想法，所以加工对象物没有成为适当的加热状态，因此，专利文献1的发明并没有成为生成微细裂纹并执行切割的发明。

若未生成裂纹，则存在在之后的热膨胀时不能作为切割的起点充分地发挥作用，且根据材料难于切割的情况。另外，即使假设生成了裂纹，但也因为不能形成生成微细裂纹的条件，所以切割面粗糙。因此，在针对各种材料进行高精细的切割这一点上存在改善的余地。

另一方面，在生成微细裂纹的情况下，对于照射的激光的条件根据材料不同而不同，例如利用飞秒激光使钠钙玻璃生成微细裂纹很困难。这是因为微细裂纹的生成与材料内吸收激光后的温度分布、温度的持续时间或者由这些引起的热膨胀（即，材料的热特性）有关，从飞秒激光射出的光脉冲是在极短的时间将相对较小的能量注入到材料内的光脉冲，在给予材料热的条件这一点上，存在根据材料不同而不合适的情况。应予说明的是，上述的微细裂纹也包括没有成为微小空洞程度的裂缝。

另外，来自纳秒激光的光脉冲与来自飞秒激光的光脉冲相比具有较大的能量，若与飞秒激光相同地聚光且将电场强度设为极高的条件，则也能够产生多光子吸收，但为此需要使用激光输出较大的高价的装置。另外，即使在假设使用那样的装置的情况下，也存在因脉冲的能量过大而产生超过需要的大的裂纹、切割面粗糙、碎片产生、芯片的成品率降低等问题。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而完成的，目的在于提供一种能够根据加工对象物的材料来生成微细裂纹的裂纹生成方法、利用激光的切割方法以及裂纹生成装置。

为了实现上述目的，技术方案1所记载的裂纹生成方法是如下方法：从第一激光光源对加工对象物照射第一光脉冲，从而在上述加工对象物的内部沿着预先设定的预定线形成光吸收率暂时变高的第一区域，该第一光脉冲具有预先设定的第一脉冲宽度以及使上述加工对象物的材料产生多光子吸收的光强度，并且在光吸收率暂时变高了的上述第一区域的光吸收率复原之前，从第二激光光源对上述第一区域的至少一部分照射第二光脉冲并使其吸收第二光脉冲，来沿着上述预先设定的预定线在上述加工对象物生成裂纹，该第二光脉冲具有针对上述加工对象物的材料而预先设定的不使上述加工对象物的材料产生多光子吸收的光强度以及比上述第一脉冲宽度宽的第二脉冲宽度。

另外，技术方案2所记载的发明是如下发明：在技术方案1所记载的发明中，从上述第二激光光源照射上述第二光脉冲是指使上述第二光脉冲与上述第一光脉冲在时间上及空间上的至少一方上重叠来照射上述第二光脉冲。

另外，技术方案3所记载的发明是如下发明：在技术方案1或技术方案2所记载的发明中，上述第二脉冲宽度被设定为与能在上述加工对象物中生成裂纹时的上述第二激光光源的脉冲宽度中的最小脉冲宽度相对应的值。

另外，技术方案4所记载的发明是如下发明：在技术方案1至技术方案3中任意一项所记载的发明中，上述第二光脉冲的峰值比上述第一光脉冲的峰值延迟预先设定的时间。

另外，技术方案5所记载的发明是如下发明：在技术方案1至技术方案4中任意一项所记载的发明中，基于上述加工对象物的材料的热膨胀系数、热传导率以及杨氏模量中的至少一个来设定上述第二脉冲宽度。

另外，技术方案6所记载的发明是如下发明：在技术方案1至技术方案5中任意一项所记载的发明中，照射上述第一光脉冲是以在上述加工对象物的内部聚光上述第一光脉冲的方式来进行照射的，照射上述第二光脉冲是以在上述加工对象物的内部聚光上述第二光脉冲的方式来进行照射的，根据生成裂纹的方向来控制上述第一光脉冲以及上述第二光脉冲的聚光部分的大小、形状以及个数中的至少一项。

另外，技术方案7所记载的发明是如下发明：在技术方案6所记载的发明中，上述第二光脉冲的上述聚光部分的形状是椭圆形状，该椭圆的长轴与上述预先设定的预定线平行。

另外，技术方案8所记载的发明是如下发明：在技术方案6所记载的发明中，上述第二光脉冲的上述聚光部分的个数是多个，连结各个聚光部分的中心的直线与上述预先设定的预定线平行。

另一方面，为了实现上述目的，技术方案9所记载的利用激光的切割方法是如下方法：使用技术方案1至技术方案8中任意一项所记载的裂纹生成方法，并且沿着上述预先设定的预定线进行上述加工对象物的切割。

并且，为了实现上述目的，技术方案10所记载的裂纹生成装置包括：第一激光光源，射出脉冲状的光；第二激光光源，射出脉冲状的光；照射控制单元，按照使从上述第一激光光源对加工对象物照射第一光脉冲的方式控制上述第一激光光源，以使得在上述加工对象物的内部形成光吸收率暂时变高的第一区域，该第一光脉冲具有预先设定的第一脉冲宽度以及使加工对象物的材料产生多光子吸收的光强度，并且，按照在光吸收率暂时变高了的上述第一区域的光吸收率复原之前，使从第二激光光源对上述第一区域的至少一部分照射第二光脉冲的方式控制上述第二激光光源，从而在上述加工对象物生成裂纹，该第二光脉冲具有针对上述加工对象物的材料而预先设定的不使上述加工对象物的材料产生多光子吸收的光强度以及比第一脉冲宽度宽的第二脉冲宽度；以及移动单元，使上述加工对象物和上述第一激光光源以及上述第二激光光源中的至少一方移动，以使得沿着预先设定的预定线照射来自上述第一激光光源的上述第一光脉冲以及来自上述第二激光光源的上述第二光脉冲。

根据本发明，起到能够提供能够根据加工对象物的材料来生成微细裂纹的裂纹生成方法、利用激光的切割方法以及裂纹生成装置的效果。附图说明

图1是表示实施方式所涉及的裂纹生成装置的结构的一个例子的框图。

图2是表示第一实施方式所涉及的裂纹生成方法的步骤的工序图。

图3是表示第一实施方式所涉及的来自飞秒激光的光脉冲和来自纳秒激光的光脉冲的时间关系的示意图。

图4是表示第一实施方式所涉及的裂纹生成状态的模示图。

图5是表示将来自飞秒激光的光照射到钠钙玻璃的情况下的光吸收率的变化的图。

图6是表示将来自飞秒激光的光照射到SiC的情况下的光吸收率的变化的图。

图7是表示在加工对象物是SiC的情况下的来自纳秒激光的光脉冲的脉冲宽度与裂纹产生概率之间的关系的图。

图8是表示热膨胀系数与来自纳秒激光的光脉冲的产生裂纹的最小脉冲宽度之间的关系的图。

图9是表示将相对于来自飞秒激光的光脉冲的来自纳秒激光的光脉冲的延迟时间设为0.25ns且将来自激光发生装置的光照射到钠钙玻璃的情况下的光吸收率的变化的图。

图10是表示将相对于来自飞秒激光的光脉冲的来自纳秒激光的光脉冲的延迟时间设为0.05ns且将来自激光发生装置的光照射到钠钙玻璃的情况下的光吸收率的变化的图。

图11是用于说明飞秒激光的聚焦光斑以及纳秒激光的聚焦光斑与裂纹方向之间的关系的示意图。

图12是用于说明飞秒激光的聚焦光斑以及纳秒激光的聚焦光斑与裂纹方向之间的关系的示意图。

图13是用于说明飞秒激光的聚焦光斑以及纳秒激光的聚焦光斑与裂纹方向之间的关系的示意图。

图14是用于说明飞秒激光的聚焦光斑以及纳秒激光的聚焦光斑与裂纹方向之间的关系的示意图。

附图标记说明：10…裂纹生成装置；12…激光发生装置；14…短脉冲光源（飞秒激光）；16…长脉冲光源（纳秒激光）；18、24…1/2波长板；20…反射镜；22…延迟回路；22a、22b…反射镜；26…PBS；28…光束直径调整器；30…二向性滤光器；32…聚光透镜；34…XYZ坐标台；36…CCD相机；38…控制部；40…加工对象物；42…激光控制部；L…激光；SL…预先设定的预定线；

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明，在此之前对本实施方式的基本想法进行说明。

如上所述，为了进行高精细的切割，优选使改质区域内包括微细的裂纹。然而，在使用了激光的切割中，即使分别单独地使用短脉冲激光或者长脉冲激光也难以生成微细的裂纹。

因此，在本实施方式中，通过使短脉冲激光与长脉冲激光在时间上或者空间上重叠地照射，来吸收不能被单独吸收的低光功率的长脉冲激光的光。

也就是说，在本实施方式中，采用预先利用来自能量相对较小的短脉冲激光的光来暂时提高材料的光吸收率，使光吸收率变高了的该区域吸收来自长脉冲激光的光的方法。因此，即使长脉冲激光是不能被单独吸收的低光功率也能够被吸收。

由此，能够根据材料自由地选择吸收的长脉冲激光的光功率和脉冲宽度，能够为了根据材料生成微细裂纹而将长脉冲激光的光功率和脉冲宽度设定为适当的条件。也就是说，能够将短脉冲激光作为用于吸收长脉冲激光的“契机”，之后通过利用长脉冲激光调整适当的加热情况、热膨胀情况来生成微细裂纹。此时，来自长脉冲激光的光脉冲的脉冲宽度越窄裂纹越细，所以也可以将产生裂纹的最小脉冲宽度作为长脉冲激光的光脉冲的脉冲宽度来进行设定。

[第一实施方式]

参照图1，对本实施方式所涉及的裂纹生成装置10的结构进行说明。

裂纹生成装置10包括激光发生装置12、光束直径调整器28、二向性滤光器30、聚光透镜32、XYZ坐标台34、CCD相机36以及控制部38而构成。

从激光发生装置12射出的激光L通过光束直径调整器28、二向性滤光器30以及聚光透镜32，照射到被保持在XYZ坐标台34上的加工对象物40。

激光发生装置12包括作为第一激光光源的短脉冲光源14、1/2波长板18、作为第二激光光源的长脉冲光源16、反射镜20、延迟回路22、1/2波长板24、PBS（polarization beam splitter：偏振分束器）26以及激光控制部42而构成。

激光发生装置12构成为能够使短脉冲光源14以及长脉冲光源16分别单独地振荡，也能够使短脉冲光源14以及长脉冲光源16同步地振荡。另外，激光发生装置12能够调节从短脉冲光源14射出的光脉冲的峰值与从长脉冲光源16射出的光脉冲的峰值的相对位置关系，另外能够使两光脉冲在时间上或者空间上、或者在时间上及空间上重叠地射出。上述同步或者重叠的控制经由激光控制部42来执行。

在本实施方式中，比来自长脉冲光源16的光脉冲的脉冲宽度相对窄地设定来自短脉冲光源14的光脉冲的脉冲宽度，但对于具体的脉冲宽度并没有特别限定。然而，为了容易理解，这里作为短脉冲光源14应用了产生具有飞秒（fs）级的脉冲宽度的光脉冲的飞秒激光，作为长脉冲光源16应用了产生具有纳秒级的脉冲宽度的光脉冲的纳秒激光，并以该方式为例示来进行说明。

因此，在以下，有时将短脉冲光源14称为飞秒激光14，将长脉冲光源16称为纳秒激光16。

在本实施方式中，作为一个例子，将来自飞秒激光14的光脉冲的脉冲宽度设定为10fs以上、10ps以下。在本实施方式中，作为最初照射的激光使用飞秒激光14，在加工对象物40的内部，暂时形成针对纳秒激光16的光吸收率比非改质区域高的区域（光吸收率增加区域）。

另一方面，在本实施方式中，作为一个例子，将来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度设定为100ps以上、20ns以下。然后，作为第二次照射的激光使用纳秒激光16，对使用飞秒激光14而在加工对象物40的内部形成的光吸收率增加区域进行局部加热。此外，作为第二次照射的激光，只要如上述的纳秒激光16那样，是在形成的光吸收率增加区域被吸收的波段的激光且相对于非改质区域是透明、或者几乎透明的激光，则也可以使用任意的激光。

在来自飞秒激光14的激光的行进方向的后游侧（下游侧）设置有1/2波长板18，在该1/2波长板18的后游侧设置有PBS26。从飞秒激光14射出的光是直线偏振光，通过1/2波长板18调整偏振面的方向，仅该直线偏振光的P偏振光分量透过PBS26，并从激光发生装置12射出。

此外，在以下将从光源输出的激光的行进方向的后游侧（即下游侧）简称为“后游侧”，将从光源射出的激光的行进方向的上游侧简称为“上游侧”。

在纳秒激光16的后游侧，依次设置有反射镜20、延迟回路22以及1/2波长板24，并以从纳秒激光16射出的光被反射镜20反射，经由延迟回路22以及1/2波长板24入射至PBS26的方式被定位。从纳秒激光16射出的光是直线偏振光，通过1/2波长板24调整偏振面的方向，仅该直线偏振光的S偏振光分量被PBS26反射，并从激光发生装置12射出。

使来自飞秒激光14的光透过并输出且将来自纳秒激光16的光反射并输出的上述PBS26也作为将来自飞秒激光14的光和来自纳秒激光16的光进行合波的合波单元发挥作用。

延迟回路22包括配置成直角的2枚为1组的反射镜22a以及22b而构成，通过与入射的激光的光轴平行地移动该反射镜来使纳秒激光16的光路长度发生变化，调整从飞秒激光14射出的光脉冲与从纳秒激光16射出的光脉冲之间的时间上的关系。

该调整结果，如图3所示，设定有延迟时间tD的来自飞秒激光14的光脉冲以及来自纳秒激光16的光脉冲作为激光被从PBS26射出。

此外，延时回路22并不限于以上的结构，也可以使用回复反射器（retro-reflector）等。

在PBS26的后游侧配置有光束直径调整器28，从飞秒激光14以及纳秒激光16入射的光被调整到所希望的光束直径并向后游侧射出。作为光束直径调整器28能够使用光束扩展器、开口（孔隙）等。

在光束直径调整器28的后游侧，依次设置有：构成为使来自飞秒激光14以及纳秒激光16这双方的光反射并且使可见光透过的二向性滤光器30、聚光透镜32以及XYZ坐标台34。

从光束直径调整器28射出的来自飞秒激光14以及纳秒激光16的光被二向性滤光器30反射，经由聚光透镜32入射到被保持在XYZ坐标台34上的加工对象物40。

这里，关于XYZ坐标台34的各轴，设X轴以及Y轴处于用于设置XYZ坐标台34上的加工对象物40的设置面面内，Z轴为该设置面的法线方向（参照图4）。

XYZ坐标台34构成为能够沿着X轴、Y轴以及Z轴以所希望的距离移动设置在设置面上的加工对象物40。

与XYZ坐标台34的设置面对置地设置有CCD相机36。CCD相机36具备朝向XYZ坐标台34的设置面照射可见光的可见光光源。按照从该可见光光源射出的可见光通过二向性滤光器30以及聚光透镜32照射到被保持在XYZ坐标台34的加工对象物40，在该加工对象物40反射的可见光再次通过二向性滤光器30入射至CCD相机36的摄像元件的方式，对CCD相机36、二向性滤光器30、聚光透镜32以及XYZ坐标台34进行定位。在本实施方式中，通过聚光透镜32聚光的可见光的焦点与通过聚光透镜32聚光的飞秒激光14以及纳秒激光16的焦点一致。

XYZ坐标台34以及CCD相机36与控制XYZ坐标台34及CCD相机36的控制部38电连接。

该控制部38包括执行各种运算、控制、判别等处理动作的CPU、以及储存通过该CPU执行的各种各样的控制程序等的ROM、暂时储存CPU的处理动作中的数据、输入数据等的RAM、以及快闪存储器、SRAM等非易失性存储器等而构成。另外，控制部38与包括输入规定指令或者数据等的键盘或者各种开关等的未图示的输入操作部、进行以XYZ坐标台34的输入·设定状态、CCD相机36的摄像图像等为主的各种显示的未图示的显示部（例如，显示器）连接。

接下来，对将从激光发生装置12射出的光的焦点设定在加工对象物40的内部的规定位置的方法的一个例子进行说明。

控制部38以使保持加工对象物40的XYZ坐标台34在Z轴方向移动且利用CCD相机36获取摄像数据的方式，控制XYZ坐标台34以及CCD相机36。控制部38基于利用CCD相机36获取的该摄像数据，获取在从上述可见光光源射出并被聚光透镜32聚光了的光的焦点位置与加工对象物40的表面一致时的XYZ坐标台34的位置，并将该位置作为基准位置。该基准位置也可以预先存储在基于设置于控制部38的未图示的RAM等的存储部。此外，该基准位置在聚光透镜32被设置在相同的位置且加工对象物40的厚度相同的情况下能够挪用。

在将经由聚光透镜32了的飞秒激光14、纳秒激光16的焦点设定于加工对象物40的内部的规定位置的情况下，将上述基准位置作为基准调整XYZ坐标台34的Z轴方向的位置来进行设定。

例如，在想要将上述焦点设定在距离加工对象物40的表面xμm的位置的情况下，用户通过上述的未图示的输入操作部，输入xμm作为与从加工对象物40的表面至焦点的距离相关的焦点距离信息，并且输入加工对象物40的材料的折射率。

控制部38基于储存在RAM等的基准位置来使XYZ坐标台34移动，以使加工对象物40的表面与来自聚光透镜32的焦点一致。接着，控制部38基于由用户输入的焦点距离信息以及加工对象物40的材料的折射率来运算输入的折射率中的xμm的对应距离，并基于该运算结果，使XYZ坐标台34从上述基准位置向下方（Z轴方向，远离聚光透镜32的方向）移动规定距离，以使得在从加工对象物40的表面朝向内部xμm的位置成为焦点位置。

接下来，对从激光发生装置12射出的光脉冲的脉冲宽度和光功率的调整方法进行说明。

纳秒激光16的脉冲宽度的调整例如能够在图1的纳秒激光16的内部进行。作为一个例子，在调整为1ns左右以上的脉冲宽度时，能够预先在纳秒激光16的谐振器内部的光路上设置声光器件（AOM：Acousto-Optic Modulator），并根据该AOM的开关动作的时间长度来调整脉冲宽度。此外，例如在调整为1ns左右以下的脉冲宽度时，能够使用专利文献1等所公开的光纤拉伸器。

另外，光纤拉伸器能够以其长度调整脉冲宽度，例如通过将像来自飞秒激光14的光脉冲那样的脉冲宽度较窄的光脉冲传输到光纤拉伸器内，能够扩大该脉冲宽度。

光功率的调整能够使用图1的1/2波长板18或24和PBS26来进行。从飞秒激光14以及纳秒激光16射出的激光是直线偏振光，通过使1/2波长板18或24旋转来改变偏振面的方向，能够改变P偏振光分量和S偏振光分量的量。

1/2波长板18构成为来自飞秒激光14的射出光相对于PBS26以P偏振光射入。另外，1/2波长板24构成为来自纳秒激光16的射出光相对于PBS26以S偏振光射入。

PBS26透过P偏振光分量且反射S偏振光分量，所以若从飞秒激光14射出的激光增加P偏振光分量（减少S偏振光分量），则从激光发生装置12向外部射出的光脉冲的光功率增加，相反若减少P偏振光分量（增加S偏振光分量）则光脉冲的光功率减少。

另一方面，若从纳秒激光16射出的激光增加S偏振光分量（减少P偏振光分量）则从激光发生装置12向外部射出的光脉冲的光功率增加，相反若减少S偏振光分量（增加P偏振光分量）则从激光发生装置12向外部射出的光脉冲的光功率减少。

其中，在为了从飞秒激光14或者纳秒激光16射出的光的偏振光状态成为椭圆偏振光、圆偏振光，而如上述那样调整输出的情况下，在从飞秒激光14或者纳秒激光16射出的光的消光比恶化的情况下，能够分别在1/2波长板18或者1/2波长板24的上游侧插入偏振片来改善该消光比。

接下来，参照图2，对使加工对象物40生成裂纹的情况的步骤进行说明。图2示有本实施方式所涉及的裂纹生成方法的工序。

首先，在工序S100中，根据加工对象物40的材料设定来自飞秒激光14以及纳秒激光16的光脉冲的参数，在这里是指脉冲宽度和光功率。

来自飞秒激光14的光脉冲的参数被设定为具有在加工对象物40的内部形成光吸收率增加区域所需要的最低限度的能量。具体而言，光功率被设定为超过加工对象物40的材料所固有的吸收阈值（在特定的材料中产生多光子吸收的最低的光功率），脉冲宽度基于该光功率和所需要的能量来设定。

另一方面，来自纳秒激光16的光脉冲的光功率被设定为小于吸收阈值，脉冲宽度被设定为在将来自该纳秒激光16的光脉冲照射到上述光吸收率增加区域的情况下，具有生成微细裂纹的能量。

图3示意性地表示像以上那样设定的来自飞秒激光14的光脉冲和来自纳秒激光16的光脉冲的时间上的关系。在该图中，来自纳秒激光16的光脉冲的峰值被设定为比来自飞秒激光14的光脉冲的峰值延迟延迟时间tD，但延迟时间tD的设定根据需要进行即可，不是必需的。其中，关于延迟时间tD的详细内容之后叙述。

作为一个例子，以上的飞秒激光14以及纳秒激光16的光脉冲的参数以及延迟时间tD的设定值也可以按照各材料预先存储在设置于控制部38的未图示的ROM等存储部，并且控制部38在预先设定的时间读入。

接下来，在工序S102中，通过使保持有加工对象物40的XYZ坐标台34相对于来自激光发生装置12的激光L相对移动，并且使来自飞秒激光14的光以及来自纳秒激光16的光在时间上或者空间上重叠地向加工对象物40的内部照射，来沿着预先设定的预定线生成微细裂纹。该激光L的照射可以连续进行，也可以间断进行。另外，沿着预先设定的预定线的激光L的照射也可以根据需要改变在加工对象物40内部的深度而进行多次（例如，5次）。来自该激光发生装置12的激光L的照射的控制由控制部38控制XYZ坐标台34并且控制激光控制部42来执行。

图4示意性地表示上述激光L与裂纹生成区域R之间的关系。该图所记载的SL表示上述的预先设定的预定线。此外，预先设定的预定线可以是假想的线，也可以是在加工对象物40的表面实际画出的线。

在图2中省略了记载，但也可以在上述激光L的照射后，沿着预先设定的预定线切割加工对象物40。该切割也可以使用基于外部机械应力的切断工序来进行。

其中，在本实施方式中，使加工对象物40相对于来自激光发生装置12的激光L相对移动，但并不局限于此，也可以使来自激光发生装置12的激光L相对于加工对象物40相对移动。

另外，在本实施方式中，设置另外的切断工序来进行切割，但也可以与上述专利文献1相同，通过激光照射进行切割。

以下，对与图2所示的工序图相关的内容进一步进行详细说明。

对于作为本实施方式所涉及的裂纹生成对象物的加工对象物40的例子，列举GaN（氮化镓）、SiC（碳化硅）、蓝宝石、玻璃等材料。然而，作为加工对象物40的材料并不局限于这些材料，只要是能够通过飞秒激光14形成光吸收率增加区域且能够使该光吸收率增加区域吸收纳秒激光16而生成微细裂纹的材料，能够应用任意材料。

另外，来自激光发生装置12（飞秒激光14以及纳秒激光16）的激光L的波长选择相对于加工对象物40的材料透明的波长。在该意思中，加工对象物40相对于从激光发生装置12射出的光是透明的透明材料。

首先，对飞秒激光14的照射进行说明。

在工序S102中，为了在加工对象物40的内部形成光吸收率增加区域，照射来自飞秒激光14的光脉冲，该光脉冲具有使固体内部等离子体或光致电离现象产生的充分的能量。在本实施方式中，飞秒激光14的能量密度并非一定需要设定为对加工对象物进行改质的程度的能量密度（形成改质区域的程度的能量），设定为引起固体内部等离子体或光致电离现象的程度的能量即可。

对于飞秒激光14的具体的设定而言，作为一个例子，列举使用波长=1.04μm、脉冲宽度（以在光脉冲中光功率成为峰值的1/2的部分的时间宽度来规定，以下相同。以下，有时将该时间宽度称为“半值宽度”。）=500fs的激光，利用NA=0.65的聚光透镜32聚光成大约1.5μm的光斑直径的例子。该情况下所需要的能量（即，引起固体内部等离子体或光致电离现象的程度的能量）大约是0.01μJ。

若将来自飞秒激光14的射出光照射到加工对象物40，则产生由固体内部等离子体或光致电离引起的自吸收（雪崩吸收），加工对象物40中的飞秒激光14的照射部的光吸收率暂时上升。

图5是对钠钙玻璃照射来自飞秒激光14的光的情况下的光吸收率随时间变化的测定例，另外图6是对SiC照射来自飞秒激光14的光的情况下的光吸收率的随时间变化的测定例。测定通过泵浦探测法来进行。

即，在图1中，在来自飞秒激光14的光刚射出之后使用半反射镜分支一部分（将该分支出的光称为“探测光”。）且使其通过延迟回路（与延迟回路22不同的延迟回路）后，使用PBS（与PBS26不同的PBS）等与来自飞秒激光14的光合波并返回至相同路径，并且对飞秒激光14赋予延迟时间（在图5以及图6中记作“经过时间”）并照射到加工对象物40，求出透过材料的探测光的吸收率并作成图5或者图6的图。其中，在该测定时，不使纳秒激光16振荡。

根据图5或者图6所示的测定结果可知，对于钠钙玻璃、SiC而言，在刚照射了飞秒激光14之后（即经过时间0的附近），吸收率都急剧上升，之后缓和。另外，可知该吸收率的变化，钠钙玻璃在0.2ns左右结束，SiC在4ns左右结束。因此，能够将该光吸收率发生变化的时间看作由固体内部等离子体或者光致电离引起的光吸收率上升的持续时间。以下，有时将该光吸收率上升的持续时间称为“光吸收率持续时间”。

接下来，对按照各材料决定来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度的方法进行说明。

来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度（时间宽度），在原理上优选设定为能够高效地对加工对象物40的材料给予热，并且直到由该光脉冲引起的电子激发→晶格振动→热扩散的过程进展为止持续光照射。考虑到这一点，可以说一般优选纳秒激光16的脉冲宽度为100ps以上。以下，对实际通过实验求出的来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度进行说明。

图7表示将加工对象物40作为SiC而测定的在一定条件下照射了来自飞秒激光14的光后照射了来自纳秒激光16的光的情况下的、来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度与裂纹产生概率之间的关系的例子。由该图可知，在脉冲宽度为100ps附近裂纹产生概率饱和，对于这之后的脉冲宽度，裂纹产生概率几乎成为恒定值。

虽未图示，但若进一步扩宽脉冲宽度，则裂纹产生概率减少，裂纹在被照射的来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度在某个范围的情况下产生。并且，如该图所示，脉冲宽度越窄裂纹越微细。

因此，作为一个例子，能够将来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度设为产生裂纹的脉冲宽度的范围内的最小脉冲宽度。即，在加工对象物40的材料为SiC的情况下，由图7可知设纳秒激光16的脉冲宽度约为100ps即可。

表1是关于各种材料与上述相同地通过实验求出的产生裂纹的最小脉冲宽度的一个例子。随着该脉冲宽度变得越短裂纹产生概率减少，最终变得不产生（参照图7）。因此，在脉冲宽度比上述最小脉冲宽度窄的区域也产生一定量的裂纹，在这个意味上，表1所示的最小脉冲宽度是大概估计的具有一定宽度的值。

表1

材料（加工对象物）产生裂纹的最小脉冲宽度石英玻璃100fsSiC100psGaN100ps钠钙玻璃10ns

根据表1所示的实验结果，若预先对某种材料改变纳秒激光16的脉冲宽度并观察在加工对象物40中产生的裂纹，并且求出产生裂纹的最小脉冲宽度，则在进行与其同种材料的裂纹生成时，也能够将该脉冲宽度设为纳秒激光16的脉冲宽度。

另外，如图8所示，对于多种材料，在材料的热膨胀系数与能够生成微细裂纹的最小脉冲宽度之间存在相关性，所以也可以根据进行切割的加工对象物40的材料的热膨胀系数来决定纳秒激光16的脉冲宽度。也就是说，也可以根据该材料的物理特性来预测并决定该脉冲宽度。

例如，根据图8，作为一个例子，也可以针对热膨胀系数处于3×10-6～7×10-6（1/k）的范围内的材料，将纳秒激光16的脉冲宽度设定为10ps以上1ns以下，针对热膨胀系数是7×10-6（1/k）以上的材料，将纳秒激光16的脉冲宽度设定为1ns以上20ns以下。

其中，根据实验的结果，除了加工对象物的材料的热膨胀系数以外，加工对象物的材料的热传导率或者杨氏模量与能够生成微细裂纹的最小脉冲宽度之间也发现存在相关性。

也可以使如以上那样按照每种材料设定的纳秒激光16的脉冲宽度以及光功率预先存储在设置于控制部38的未图示的ROM等中。

接下来，对图2的工序S102进行说明。在工序S102中，对通过来自飞秒激光14的光的照射而在加工对象物40中局部地形成的光吸收率增加区域，在该光吸收率增加区域的光吸收率复原之前，也就是在光吸收率持续时间内，照射来自纳秒激光16的光。此时的纳秒激光16的脉冲宽度以及光功率是在工序S100中设定的脉冲宽度以及光功率。

优选使从纳秒激光16射出的光脉冲与从飞秒激光14射出的光脉冲在时间上或空间上、或者在时间上及空间上交叠（重叠）。

图3示有使来自飞秒激光14的光脉冲与来自纳秒激光16的光脉冲在时间上交叠的情况下的例子。在图3中，将来自纳秒激光16的光脉冲的峰值相对于来自飞秒激光14的光脉冲的峰值的延迟时间差定义为延迟时间tD。

在图3所示的例子中，相对于来自飞秒激光14的光脉冲的峰值，来自纳秒激光16的光脉冲的峰值延迟了延迟时间tD，但先射入至加工对象物40的是来自纳秒激光16的光脉冲。因此，在来自飞秒激光14的光脉冲与来自纳秒激光16的光脉冲之间产生时间上的交叠。

在图3中还一并示有吸收阈值。如上所述，在本实施方式中，将来自飞秒激光14的光脉冲的光功率的峰值设定为超过吸收阈值的值。另外，将来自纳秒激光16的光脉冲的光功率的峰值设定为小于吸收阈值。

图9以及图10中示出针对钠钙玻璃改变了上述延迟时间tD的情况下的光吸收率的变化。图9示出tD=0.25ns的情况下的光吸收率的变化，图10示出tD=0.05ns的情况下的光吸收率的变化。在图9以及图10中，除了飞秒激光14以外，还照射能量约为1.2μJ、脉冲宽度约为0.1ns的纳秒激光16。另外，本光吸收率的测定使用上述泵浦探测法来进行。

通过与图5的比较清楚可见，在图10中，光吸收率升高，另外光吸收率持续时间也大幅扩大，另一方面在图9中，在与图5的对比中没有明显的差异。因此，可以说图10示出：在由来自飞秒激光14的光脉冲照射而产生的0.2ns左右的光吸收率持续时间（参照图5）内照射的来自纳秒激光16的光脉冲的能量的一部分被加工对象物40吸收，通过吸收该能量由固体内部等离子体或光致电离引起的自吸收进一步持续。

另外，示出：即使是来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度更长的情况（例如，作为一个例子，是10ns左右的脉冲宽度），若该光脉冲的最初的一部分被吸收，则跟随其后的光脉冲的剩余部分也被吸收，换言之，能够在光脉冲的脉冲宽度全域的整个时间吸收光脉冲。

在本实施方式中，将按照加工对象40的每种材料来根据实验等求出上述延迟时间tD作为基础。

然而，根据从图5以及图10的结果所示的事实，即，从刚对加工对象物40照射了来自飞秒激光14的光脉冲之后开始产生光吸收率的增加，且若来自纳秒激光16的光脉冲的最初的一部分被加工对象物40吸收，则跟随其后的来自纳秒激光16的光脉冲的剩余部分也被吸收这样的事实，延迟时间tD也可以与材料无关地例如设定为来自纳秒激光16的光脉冲的脉冲宽度（半值宽度）的大约1/2。若像这样进行延迟时间tD的设定，则能够省去预先按照每种材料查找照射了飞秒激光14后的光吸收率持续时间的工夫。

另外，在假设以延迟时间tD=0s对加工对象物40照射了来自飞秒激光14的光脉冲和来自纳秒激光16的光脉冲的情况下，不能够吸收来自纳秒激光16的光脉冲的前半部分，从而浪费能量，但也不会产生那样的问题。此外，所谓的脉冲宽度的1/2是大概估计的值，即使某种程度地扩大延迟时间tD也能够使光脉冲吸收，也可以根据需要改变为其他的固定值。

如以上所述，通过对加工对象物40照射来自纳秒激光（相对于加工对象物40是透明的激光）16的光脉冲，该光脉冲的能量在光吸收率增加区域（被激发了的区域）被吸收，能够对加工对象物40的内部进行局部加热。其结果是，在本实施方式中，能够生成微细的裂纹。

在本实施方式中，如上述那样做，并沿着预先设定的预定线进行飞秒激光14以及纳秒激光16的照射，能够连续地或者间断地形成包括了微细裂纹的裂纹生成区域。这之后，也可以根据需要，通过基于外部机械应力的切断工序来沿着该裂纹生成区域进行切割。

[第二实施方式]

本实施方式是在第一实施方式的基础上，能够进一步控制裂纹的产生方向的方式。

在利用激光形成裂纹的情况下，一般地，若照射正圆光束则在聚光部的热应力各向同性地扩展，所以裂纹在任意方向产生。因此，关于作为加工对象物40例如选择半导体材料，且在规定的方向形成裂纹的连接线之后进行切割这样的情况，存在产生不优选形状的裂纹的可能性。因此，产生控制裂纹的产生方向的必要性。

作为控制裂纹的产生方向的方法，已知有使光束的聚光形状具有方向性（例如，将光束的聚光形状设为椭圆形等），或者设置2个聚焦光斑并使它们接近来进行照射等方法（例如，日本特开2011-056544号公报）。

然而，在上述方法中使用超短脉冲激光，所以不能够根据材料来附加充分的热应力，因此，只能够应用某种特定的材料。另外，由于需要形成椭圆或多个聚焦光斑，所以激光的所需能量变大。并且，若使用具有用于附加热应力的充分的脉冲宽度的来自纳秒激光的光脉冲，来使产生多光子吸收，则与单脉冲相比需要更大的能量，所以裂纹会变得过大。

另外，即使在使用飞秒激光的脉冲与纳秒激光的脉冲的混合脉冲的情况下，当对于飞秒光脉冲及纳秒光脉冲这双方而言，均设为椭圆或设为多个聚焦光斑时，飞秒光脉冲的光能量与单光斑的情况相比需要一倍以上，所以对于廉价且高速的加工来说不优选。

本实施方式的特征在于，注目于由飞秒光脉冲产生的光吸收率增加区域的范围变得比该飞秒光脉冲的聚焦光斑的范围更宽（凭经验来说，光吸收率增加区域的面积是飞秒光脉冲的聚焦光斑的面积的4倍以上），并且利用飞秒光脉冲以单光斑进行照射来减小所需能量，且仅控制纳秒光脉冲的聚光形状，由此来进行裂纹的产生方向的控制。

以下，对本实施方式进一步进行详细说明，首先，参照图11以及图12，对从纳秒激光16射出的椭圆光斑的长轴方向与裂纹方向之间的关系进行说明，图11以及图12是在图1中从相对于加工对象物40的表面垂直的方向观察加工对象物40的内部所得的图。

如图11（a）所示，若在加工对象物40的内部聚光从飞秒激光14射出的光，则在该光被加工对象物40吸收后，在该聚光部以及其周围产生固体内部等离子体。若使该固体内部等离子体吸收从纳秒激光16射出的光脉冲，则该固体内部等离子体与从该纳秒激光16射出的椭圆光斑重叠的区域被加热，在该区域热应力各向异性地扩散，在该椭圆光斑的长轴方向产生裂纹。因此，如图11（b）所示，若照射例如在X轴方向具有长轴的椭圆的来自纳秒激光16的光脉冲，则裂纹在X轴方向产生。

因此，若使用具有图11（b）所示的光斑的纳秒激光16，并且如图12（a）所示那样，一边照射来自飞秒激光14的光脉冲和来自纳秒激光16的光脉冲一边沿X轴方向扫描加工对象物40，则能够与想要切割的线平行地产生裂纹，所以能够得到作为本实施方式的目的的、在与加工对象物40的材料对应的微细裂纹的生成上优选的状态。另一方面，如图12（b）所示，若在来自纳秒激光16的射出光中的椭圆光斑的长轴朝向Y轴方向的状态下沿X轴方向进行扫描，则与想要切割的线垂直地产生裂纹，所以不优选。

如以上所述，在本实施方式中，将具有椭圆光斑的来自纳秒激光16的光脉冲的长轴方向设定为与切割预定线平行。通过这样的结构，能够根据加工对象物的材料在优选方向生成微细裂纹，并且能够进行高精细地切割。

另外，如图13（a）或者图13（b）所示，也可以设加工对象物40的切割面（由切割而产生的面，XZ面）与具有椭圆光斑的来自纳秒激光16的光脉冲的长轴平行（裂纹方向与切割面平行）。根据该结构也能够在切割加工对象物40方面使裂纹朝向在优选的方向。

并且，除了将来自纳秒激光16的射出光的光斑设为椭圆的方法以外，如图14所示，也可以将来自纳秒激光16的射出光的光斑设为大致正圆，并照射多个（在图14中是2个）该光斑。该情况下的裂纹方向如在图中用箭头表示的那样，成为连结了来自纳秒激光16的射出光的光斑的中心的直线的方向。

如以上所述，在本实施方式中，将具有椭圆光斑的来自纳秒激光16的光脉冲的长轴方向设定为与切割面平行。或者，将连结具有多个大致正圆形光斑的来自纳秒激光的光脉冲的光斑的中心而成的线的方向设定为与切割预定线平行。根据这样的结构，能够根据加工对象物的材料在优选方向生成微细裂纹，并且能够进行高精细的切割。