KR101119377B1 - 레이저 가공장치 - Google Patents

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테츠야 오사지마
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

가공 대상물을 가공하기 위한 레이저광을 소정의 위치로부터 최대한 이탈하지 않는 위치에 집광할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.
이 레이저 가공장치는, 제 1 레이저광을 가공 대상물의 내부에 집광점을 맞추어 조사(照射)하고, 가공 대상물의 절단 예정 라인에 따라 가공 대상물의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역을 형성하는 것으로, 제 1 레이저광과 가공 대상물의 메인면의 변위를 측정하기 위한 제 2 레이저광을 동일한 축선상에서 집광하는 대물렌즈(42)와, 제 2 레이저광의 메인면에 있어서의 반사광을 수광하는 수광수단(45)과, 이 수광한 반사광에 근거하여 대물렌즈(42)를 메인면에 대하여 진퇴가 자유롭게 유지하는 액추에이터(43)를 포함하는 가공 유니트(5)와, 제 1 레이저광을 출사하기 위한 레이저 유니트(3)가 설치된 케이스(21)를 구비하며, 가공 유니트(5)는 케이스(21)에 대하여 착탈 가능하게 설치되어 있다.

Description

레이저 가공장치{LASER BEAM MACHINING SYSTEM}
본 발명은, 레이저광을 조사(照射)함으로써 가공 대상물을 가공하기 위한 레이저 가공장치에 관한 것이다.
종래의 레이저 가공 기술에는, 가공 대상물을 가공하기 위한 레이저광을 집광하는 집광 렌즈에 대하여, 가공 대상물의 메인면 높이를 측정하는 측정 수단(접촉식 변위계나 초음파 거리계 등)을 소정의 간격을 갖고 병설시킨 것이 있다(예를 들면, 하기 특허문헌 1의 도 6 ~ 도 10 참조). 이와 같은 레이저 가공 기술에서는, 가공 대상물의 메인면을 따라 레이저광으로 스캔할 때에, 측정 수단에 의해 가공 대상물의 메인면 높이를 측정하고, 그 측정점이 집광 렌즈의 바로 아래에 도달했을 때에, 그 메인면 높이의 측정치에 근거하여 집광 렌즈와 가공 대상물의 메인면과의 거리가 일정해지도록 집광 렌즈를 그 광축 방향으로 구동한다.
특허문헌 1 : 특개2002-219591호 공보
<발명이 해결하고자 하는 과제>
그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 레이저 가공 기술에 있어서는, 다음과 같은 해결해야 할 과제가 있다. 즉, 가공 대상물의 외측의 위치로부터 레이저광의 조사를 개시하여 레이저광과 가공 대상물을 그 메인면을 따라 이동시켜서 가공을 행하는 경우에, 측정 수단은 가공 대상물의 외측으로부터 측정을 개시하여, 가공 대상물의 내측으로 측정을 행하여 가게 된다. 그리고, 이 측정에 의해 얻어진 메인면 높이의 측정치에 근거하여 집광 렌즈를 구동하면, 가공 대상물의 단부에 있어서 레이저광의 집광점이 어긋나는 경우가 있다.
그래서 본 발명으로는, 가공 대상물을 가공하기 위한 레이저광을 소정의 위치로부터 최대한 이탈하지 않는 위치에 집광할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 여러 가지의 검토를 행하였다. 우선, 가공용의 제 1 레이저광과, 가공 대상물의 메인면의 변위를 측정하기 위한 제 2 레이저광을 동일한 축선상에서 가공 대상물을 향하여 조사하는 레이저 가공장치에 대하여 검토하였다. 이 검토한 레이저 가공장치의 개요를 도 4에 나타낸다.
도 4에 나타낸 레이저 가공장치(8)는, 가공용의 제 1 레이저광(L1)을 가공용 대물렌즈(81)로 집광하고, 가공 대상물(9)의 표면(91)으로부터 소정의 깊이에 제 1 레이저광(L1)의 집광점(P)을 위치시켜서 개질(改質) 영역을 형성한다. 이 개질 영역을 형성할 때에는, 가공용 대물렌즈(81)와 가공 대상물(9)을 표면(91)을 따라 상대적으로 이동시켜서, 소정의 라인에 따라 개질 영역을 형성한다. 여기서, 가공 대상물(9)의 표면(91)의 평면도가 이상적으로 높으면 좋으나, 실제로는 표면(91)에는 굴곡이 생기는 경우가 있다. 이와 같은 굴곡이 있는 경우라도 개질 영역을 표면(91)으로부터 소정의 깊이에 유지하기 위해서, 가공용 대물렌즈(81)를 압전(piezo) 액추에이터(도시생략)로 유지하고, 이 압전 액추에이터를 신축시켜서 가공용 대물렌즈(81)를 제 1 레이저광(L1)의 광축에 따라 진퇴시킨다. 이와 같이 가공 대상물(9)의 표면(91)의 굴곡에 추종(追從)시켜서 압전 액추에이터를 구동하기 위해서 비점수차(非点收差, astigmatism) 신호를 사용한다.
비점수차 신호를 이용하여 레이저 가공장치(8)가 압전 액추에이터를 구동하는 방법에 대하여 설명한다. 레이저 다이오드 등인 거리측정용 광원(82)으로부터 출사된 거리측정용 제 2 레이저광(L2)은, 빔 익스펜더(beam expander)(83)를 통과하고, 미러(84), 하프 미러(85)에 의해 순차적으로 반사되어, 다이크로익 미러(dichroic mirror)(86)에 유도된다. 이 다이크로익 미러(86)에 의해 반사된 제 2 레이저광(L2)은, 제 1 레이저광(L1)의 광축상을 도면중 아래쪽을 향하여 진행하고, 가공용 대물렌즈(81)에 의해 집광되어 가공 대상물(9)에 조사된다. 또한, 제 1 레이저광(L1)은 다이크로익 미러(86)를 투과한다.
그리고, 가공 대상물(9)의 표면(91)에서 반사된 제 2 레이저광(L2)의 반사광(L3)은, 가공용 대물렌즈(81)에 재입사하여 제 1 레이저광(L1)의 광축상을 도면중 위쪽을 향하여 진행하고, 다이크로익 미러(86)에 의해 반사된다. 이 다이크로익 미러(86)에 의해 반사된 반사광(L3)은, 하프 미러(85)를 통과하고, 실린더리칼 렌즈(cylindrical lens)와 평 볼록 렌즈(plane-convex lens)로 이루어진 정형(整形) 광학계(87)에 의해 집광되어, 포토다이오드를 4등분하여 이루어진 4분할 위치 검출 소자(88) 위에 조사된다.
이 수광 소자인 4분할 위치 검출 소자(88) 위에 집광된 반사광(L3)의 집광상(像) 패턴(F)은, 가공용 대물렌즈(81)에 의한 제 2 레이저광(L2)의 집광점이 가공 대상물(9)의 표면(91)에 대하여 어느 위치에 있는지에 따라 변화한다. 따라서, 이 집광상 패턴(F)을 나타내기 위해서 4분할 위치 검출 소자(88)로부터의 출력 신호(종방향으로 대향하는 수광면으로부터의 출력과 횡방향으로 대향하는 수광면으로부터의 출력과의 차이)를 이용할 수 있다. 이 출력 신호에 근거하여, 가공 대상물(9)의 표면(91)에 대한 제 2 레이저광(L2)의 집광점의 위치를 구할 수 있다. 따라서, 압전 액추에이터(도시생략)를 이 출력 신호에 근거하여 신축(伸縮)시키면, 가공 대상물(9)의 표면(91)의 굴곡에 따라 가공용 대물렌즈(81)를 구동할 수 있다.
그러나, 이 레이저 가공장치(8)를 반도체 웨이퍼 등의 절단에 사용하는 경우, 레이저 구동 시간이 길어진다. 가공용 대물렌즈(81)의 부품 수명이나, 압전 액추에이터(도시생략)의 부품 수명에 기인하여, 그들 부품을 교환할 필요가 생긴다. 상술한 바와 같이 제 1 레이저광(L1)과 제 2 레이저광(L2)를 동일한 축선상에서 가공 대상물(9)을 향하여 집광하고 있으므로, 가공용 대물렌즈(81)를 교환하는 경우에는, 제 1 레이저광(L1)의 중심 맞추기(centering)뿐만 아니라, 제 2 레이저광(L2)의 중심 맞추기도 필요해진다. 제 2 레이저광(L2)의 중심 맞추기를 하기 위해서는, 거리측정용 광원(82), 빔 익스펜더(83), 미러(84), 하프 미러(85), 다이크로익 미러(86), 정형 광학계(87), 4분할 위치 검출 소자(88) 등으로 이루어진 길이측정용 광학계를 조정할 필요가 있으며, 그 조정은 번잡한 것이 될 것이 상정(想定)된다. 따라서, 본 발명자들은 상술한 검토 과정에서 발견한 이 새로운 과제를 해결하기 위해서 본 발명을 이룬 것이다.
본 발명의 레이저 가공장치는, 제 1 레이저광을 가공 대상물에 조사하고, 이 가공 대상물을 가공하는 레이저 가공장치로서, 제 1 레이저광과 가공 대상물의 메인면의 변위를 측정하기 위한 제 2 레이저광을 동일한 축선상에서 가공 대상물을 향하여 집광하는 대물렌즈와, 제 2 레이저광의 메인면에 있어서의 반사광을 수광하는 수광 수단과, 이 수광한 반사광에 근거하여 대물렌즈를 메인면에 대하여 진퇴가 자유롭게 유지하는 유지 수단을 포함하는 가공 유니트와, 제 1 레이저광을 출사하기 위한 레이저 유니트를 포함하는 케이스부를 구비하고, 가공 유니트는 케이스부에 대하여 착탈 가능하게 설치되어 있다.
본 발명의 레이저 가공장치에 의하면, 가공 유니트가 케이스부에 대하여 착탈 가능하게 설치되어 있으므로, 예를 들면 가공 유니트의 구성 부품이 고장난 경우에는, 가공 유니트마다 교환할 수 있다. 또, 가공 유니트는 대물렌즈와 수광 수단을 포함하므로, 가공 유니트를 케이스부에 설치하였을 때에는, 가공 유니트에 있어서의 제 2 레이저광의 축선에 케이스부에 있어서의 제 1 레이저광의 축선을 맞추면 중심 맞추기 조정이 가능해진다.
또 본 발명의 레이저 가공장치에서는, 케이스부는 관찰 광학계를 포함하고, 이 관찰 광학계는 관찰용 가시광을 제 1 레이저광 및 제 2 레이저광과 동일한 축선상에서 가공 대상물을 향하여 조사하고, 이 조사에 따라 가공 대상물의 메인면에서 반사된 반사광을 관찰 가능하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 관찰용 가시광을 제 1 레이저광과 동일한 축선상에서 가공 대상물을 향하여 조사하고, 그 반사광을 관찰 가능하도록 구성되어 있으므로, 관찰용 가시광에 근거하여 대물렌즈와 가공 대상물과의 거리를 조정할 수 있다.
또 본 발명의 레이저 가공장치에서는, 케이스부는 제 1 레이저광 및 제 2 레이저광의 축선에 따른 설치판을 갖고, 이 설치판의 메인면에 가공 유니트가 착탈 가능하게 설치되어 있으며, 이 설치판과 가공 유니트는 한쪽으로부터 연장하여 나가는 돌기부를 다른 쪽에 뚫려진 구멍에 삽입함으로써 상호의 위치 결정이 이루어져 있는 것이 바람직하다. 제 1 레이저광 및 제 2 레이저광의 축선에 따른 설치판에 가공 유니트가 설치되어 있으므로, 가공 유니트의 축선 둘레의 움직임을 구속할 수 있다. 설치판과 가공 유니트는 돌기부를 구멍에 삽입함으로써 위치 결정이 이루어져 있으므로, 가공 유니트를 정확한 위치에 설치하는 작업이 용이해진다.
본 발명의 레이저 가공장치는, 가공 대상물을 가공하기 위한 제 1 레이저광을 출사하는 제 1 레이저 광원을 포함하는 케이스부와, 가공 대상물의 메인면의 변위를 측정하기 위한 제 2 레이저광을 출사하는 제 2 레이저 광원과, 이 제 2 레이저 광원으로부터 출사된 제 2 레이저광을 수광하기 위한 수광 수단과, 제 2 레이저 광원 및 수광 수단을 그 내부에 수용하는 가공 유니트 케이스와, 이 가공 유니트 케이스의 외주면에 유지 수단을 통하여 고정되어 제 1 레이저광 및 제 2 레이저광을 동일한 축선상에서 가공 대상물을 향하여 집광하는 대물렌즈를 포함하는 가공 유니트를 구비하며, 가공 유니트는 케이스부에 대하여 착탈 가능하게 설치되어 있다.
본 발명의 레이저 가공장치에 의하면, 가공 유니트가 케이스부에 대하여 착탈 가능하게 설치되어 있으므로, 예를 들면 가공 유니트가 포함하는 제 2 레이저 광원이나 수광 수단이라고 하는 구성 부품이 고장난 경우에는, 가공 유니트마다 교환할 수 있다. 또, 가공 유니트는 대물렌즈와 수광 수단을 포함하므로, 가공 유니트를 케이스부에 설치하였을 때에는, 가공 유니트에 있어서의 제 2 레이저광의 축선에 케이스부에 있어서의 제 1 레이저광의 축선을 맞추면 중심 맞추기 조정이 가능해진다.
또 본 발명의 레이저 가공장치에서는, 케이스부에는, 축선에 따른 가공 유니트에 맞닿는 위치에 제 1 레이저광을 통과시키기 위한 제 1 레이저광 통과부가 형성되고, 가공 유니트 케이스에는, 축선에 따른 케이스부에 맞닿는 위치에 제 1 레이저광을 통과시키기 위한 제 2 레이저광 통과부가 형성되어 있음과 동시에, 축선에 따른 대물렌즈에 대향하는 위치에 제 1 레이저광 및 제 2의 레이저광을 통과시키기 위한 제 3 레이저광 통과부가 형성되어 있는 것도 바람직하다. 소정의 축선에 따라 제 1 레이저광 통과부, 제 2 레이저광 통과부, 제 3 레이저광 통과부, 및 대물렌즈가 배치되어 있으므로, 케이스부에 가공 유니트를 설치하면, 제 1 레이저광이 케이스부 및 가공 유니트 케이스를 통과하여 대물렌즈에 이르도록 케이스부 및 가공 유니트를 배치할 수 있다.
<발명의 효과>
본 발명의 레이저 가공장치에 의하면, 가공 대상물을 가공하기 위한 레이저광을 소정의 위치로부터 최대한 이탈하지 않는 위치에 집광할 수 있다. 또한, 대물렌즈나 수광 수단을 교환할 때에, 제 1 레이저광의 광축과 제 2 레이저광의 광축을 맞추어 동일한 축선상에서 가공 대상물을 향하여 집광하는 것이 용이해진다. 또, 예를 들면 가공 대상물이 웨이퍼 형상의 것인 경우에는, 그 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 레이저를 조사하여 개질층을 형성하고, 그 형성한 개질층을 기점으로 하여 가공 대상물을 할단(割斷)하는 일이 있으며, 그 때에는 정밀도 좋게 일정한 깊이 위치에 레이저를 조사하는 것이 할단 품질, 정밀도를 올리기 위해서 중요하다. 이와 같은 가공에 본 발명을 적용하면, 레이저 가공장치의 유지보수(maintenance)를 행할 때에 정밀도가 좋은 세팅(setting)이 용이해진다.
도 1은 본 실시형태인 레이저 가공장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 2는 도 1의 가공 유니트를 광학계 본체부에 설치하는 모습을 나타낸 도이다.
도 3은 도 1의 가공 유니트를 광학계 본체부에 설치한 모습을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 도달한 검토 내용을 설명하기 위한 도면이다.
<부호의 설명>
1…레이저 가공장치, 2…스테이지, 3…레이저 유니트, 4…광학계 본체부, 5…가공 유니트, 6…레이저 출사 장치, 7…제어 장치, S…가공 대상물, R…개질 영역, 42…대물렌즈, 43…액추에이터, 13…레이저 헤드, 44…제 2 레이저 광원, 45…수광수단.
<발명을 실시하기 위한 바람직한 형태>
본 발명의 지견(知見)은, 예시만을 위해 나타낸 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 기술(記述)을 고려함으로써 용이하게 이해할 수 있다. 이어서, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명한다. 가능한 경우에는, 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
본 실시형태의 레이저 가공 장치에 대하여 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 장치(1)는, 스테이지(2) 위에 실어 놓여진 평판 형상의 가공 대상물(S)의 내부에 집광점(P)을 맞추어 제 1 레이저광(L1)을 조사하고, 가공 대상물(S)의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역(R)을 형성하는 장치이다. 스테이지(2)는, 상하 방향 및 좌우 방향으로의 이동 및 회전 이동이 가능한 것이며, 이 스테이지(2)의 위쪽에는, 주로 레이저 유니트(3, 케이스부), 광학계 본체부(4, 케이스부) 및 가공 유니트(5)로 이루어진 레이저 출사 장치(6)가 배치되어 있다. 또, 레이저 가공 장치(1)는 제어 장치(7)를 구비하고 있으며, 제어 장치(7)는 스테이지(2) 및 레이저 출사 장치(6)에 대하여 각각의 거동(스테이지(2)의 이동, 레이저 출사 장치(6)의 레이저광의 출사 등)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다.
레이저 유니트(3)는, 광학계 본체부(4)의 상단부에 착탈이 자유롭게 설치되어 있다. 이 레이저 유니트(3)는 L자 형상의 냉각 재킷(11)을 갖고 있으며, 이 냉각 재킷(11)의 세로 벽(11a) 내에는, 냉각수가 유통하는 냉각관(12)이 사행(蛇行)한 상태로 매설되어 있다. 이 세로 벽(11a)의 앞면에는, 제 1 레이저광(L1)을 아래쪽을 향하여 출사하는 레이저 헤드(13)와, 이 레이저 헤드(13)로부터 출사된 제 1 레이저광(L1)의 광로의 개방 및 폐쇄를 선택적으로 행하는 셔터 유니트(14)가 설치되어 있다. 이에 의해, 레이저 헤드(13) 및 셔터 유니트(14)가 과열하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 레이저 헤드(l3)는, 예를 들면 Nd:YAG 레이저를 사용한 것이며, 제 1 레이저광(L1)으로서 펄스 폭 1μs이하의 펄스 레이저광을 출사한다.
또한, 레이저 유니트(3)에 있어서, 냉각 재킷(11)의 바닥벽(11b)의 하면에는, 냉각 재킷(11)의 기울기 등을 조정하기 위한 조정부(15)가 설치되어 있다. 이 조정부(15)는, 레이저 헤드(13)로부터 출사된 제 1 레이저광(L1)의 광축(α)을, 상하 방향으로 연장되어 있도록 광학계 본체(4) 및 가공 유니트(5)에 설정된 축선(β)에 일치시키기 위한 것이다. 즉, 레이저 유니트(3)는 조정부(15)를 통하여 광학계 본체부(4)에 설치된다. 그 후, 조정부(15)에 의해 냉각 재킷(11)의 기울기 등이 조정되면, 냉각 재킷(11)의 움직임에 추종하여 레이저 헤드(13)의 기울기 등도 조정된다. 이에 의해, 제 1 레이저광(L1)은, 그 광축(α)이 축선(β)과 일치한 상태에서 광학계 본체(4) 내에 진행하게 된다. 또한, 냉각 재킷(11)의 바닥벽(11b), 조정부(15), 및 광학계 본체부(4)의 케이스(21)에는, 제 1 레이저광(L1)이 통과하는 관통 구멍(11c), 관통 구멍(15a), 관통 구멍(21a), 및 관통 구멍(21b, 제 1 레이저광 통과부)이 각각 형성되어 있다.
또, 광학계 본체부(4)의 케이스(21) 내의 축선(β)상에는, 레이저 헤드(13)로부터 출사된 제 1 레이저광(L1)의 빔 사이즈를 확대하는 빔 익스펜더(beam expander)(22)와, 제 1 레이저광(L1)의 출력을 조정하는 광감쇠기(optical attenuator)(23)와, 광감쇠기(23)에 의해 조정된 제 1 레이저광(L1)의 출력을 관찰하는 출력 관찰 광학계(24)와, 제 1 레이저광(L1)의 편광을 조정하는 편광 조정 광학계(25)가 위에서 아래로 이 순서로 배치되어 있다. 또한, 광감쇠기(23)에는, 제거된 레이저광을 흡수하는 빔 댐퍼(beam damper)(26)가 설치되어 있으며, 이 빔 댐퍼(26)는, 히트 파이프(27)를 통하여 냉각 재킷(11)에 접속되어 있다. 이에 의해, 레이저광을 흡수한 빔 댐퍼(26)가 과열하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 스테이지(2) 위에 실어 놓여진 가공 대상물(S)을 관찰하기 위하여, 광학계 본체부(4)의 케이스(21)에는, 관찰용 가시광을 도광(導光)하는 라이트 가이드(28)가 설치되며, 케이스(21) 내에는 CCD 카메라(29)가 배치되어 있다. 관찰용 가시광은 라이트 가이드(28)에 의해 케이스(21) 내에 유도되어, 시야 조리개(31), 레티클(reticle)(32), 다이크로익 미러(33) 등을 순차적으로 통과한 후, 축선(β)상에 배치된 다이크로익 미러(34)에 의해 반사된다. 반사된 관찰용 가시광은, 축선(β)상을 아래쪽을 향하여 진행하여 가공 대상물(S)에 조사된다. 또한, 제 1 레이저광(L1)은 다이크로익 미러(34)를 투과한다.
그리고, 가공 대상물(S)의 표면(S1)에서 반사된 관찰용 가시광의 반사광은, 축선(β)을 위쪽을 향하여 진행하여, 다이크로익 미러(34)에 의해 반사된다. 이 다이크로익 미러(34)에 의해 반사된 반사광은, 다이크로익 미러(33)에 의해 다시 반사되어 결상(結像) 렌즈(35) 등을 통과하여, CCD 카메라(29)에 입사한다. 이 CCD 카메라(29)에 의해 촬상(撮像)된 가공 대상물(S)의 화상은 모니터(도시생략)에 투 영된다. 이 관찰용 가시광을 도광(導光)하고 나서 CCD 카메라(29)에 입사하기까지의 계통이 본 발명의 관찰 광학계를 실시하는 형태이다.
또, 가공 유니트(5)는, 광학계 본체부(4)의 하단부에 착탈이 자유롭게 설치되어 있다. 가공 유니트(5)는, 복수의 위치 결정 핀에 의해 광학계 본체부(4)의 하단부에 대하여 위치 결정되기 때문에, 광학계 본체(4)에 설정된 축선(β)과 가공 유니트(5)에 설정된 축선(β)을 용이하게 일치시킬 수 있다. 이 가공 유니트(5)의 가공 유니트 케이스(41)의 하단에는, 압전 소자를 사용한 액추에이터(43)(유지 수단)를 개재시키고, 축선(β)에 광축이 일치한 상태에서 가공용 대물렌즈(42)가 장착되어 있다. 또한, 광학계 본체부(4)의 케이스(21) 및 가공 유니트(5)의 가공 유니트 케이스(41)에는, 제 1 레이저광(L1)이 통과하는 관통 구멍(21a), 관통 구멍(21b), 관통 구멍(41c, 제 2 레이저광 통과부), 및 관통 구멍(41d, 제 3 레이저광 통과부)가 각각 형성되어 있다. 또, 대물렌즈(42)에 의해 집광된 제 1 레이저광(L1)의 집광점(P)에 있어서의 피크 파워 밀도는 1× 108(W/㎠) 이상이 된다.
또한, 가공 유니트(5)의 가공 유니트 케이스(41) 내에는, 가공 대상물(S)의 표면(S1)으로부터 소정의 깊이에 제 1 레이저광(L1)의 집광점(P)을 위치시키도록, 거리측정을 위한 제 2 레이저광(L2)을 출사하는 레이저 다이오드인 제 2 레이저 광원(44)와 수광수단(45)이 배치되어 있다. 제 2 레이저광(L2)은 제 2 레이저 광원(44)으로부터 출사되어, 미러(46), 하프 미러(47)에 의해 순차적으로 반사된 후, 축선(β)상에 배치된 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된다. 반사된 제 2 레이저광(L2)은, 축선(β)상을 아래쪽을 향하여 진행하고, 관통 구멍(41d, 제 3 레이저광 통과부)를 통과한 후, 그 관통 구멍(41d, 제 3 레이저광 통과부)에 대향하는 위치에 설치되어 있는 대물렌즈(42)를 통과하여 가공 대상물(S)의 표면(S1)에 조사된다. 또한, 제 1 레이저광(L1)은 다이크로익 미러(48)를 투과한다.
그리고, 가공 대상물(S)의 표면(S1)에서 반사된 제 2 레이저광(L2)의 반사광은, 대물렌즈(42)에 재입사하여 축선(β)상을 위쪽을 향하여 진행하고, 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된다. 이 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된 제 2 레이저광(L2)의 반사광은, 하프 미러(47)를 통과하여 수광수단(45) 내에 입사하여, 포토다이오드를 4등분하여 이루어진 4분할 위치 검출 소자 상에 집광된다. 이 4분할 위치 검출 소자 상에 집광된 제 2 레이저광(L2)의 반사광의 집광상 패턴에 근거하여, 대물렌즈(42)에 의한 제 2 레이저광(L2)의 집광점이 가공 대상물(S)의 표면(S1)에 대하여 어느 위치에 있는지를 검출할 수 있다. 4분할 위치 검출 소자 상에 집광된 제 2 레이저광(L2)의 반사광의 집광상 패턴에 관한 정보는, 제어 장치(7)에 출력된다. 제어 장치(7)는 이 정보에 근거하여, 액추에이터(43)에 대물렌즈(42)를 유지하는 위치를 지시하는 제어 신호를 출력한다.
이상과 같이 구성된 레이저 가공 장치(1)에 의한 레이저 가공 방법의 개요에 대하여 설명한다. 우선, 스테이지(2) 위에 가공 대상물(S)을 실어 놓고, 스테이지(2)를 이동시켜서 가공 대상물(S)의 내부에 제 1 레이저광(L1)의 집광점(P)을 맞춘다. 이 스테이지(2)의 초기 위치는, 가공 대상물(S)의 두께나 굴절율, 대물렌즈(42)의 개구수 등에 근거하여 결정된다.
계속해서, 레이저 헤드(13)로부터 제 1 레이저광(L1)을 출사함과 동시에, 제 2 레이저 광원(44)으로부터 제 2 레이저광(L2)를 출사하고, 대물렌즈(42)에 의해 집광된 제 1 레이저광(L1) 및 제 2 레이저광(L2)이 가공 대상물(S)의 소망의 라인(절단 예정 라인) 위를 스캔하도록 스테이지(2)를 이동시킨다. 이 때, 수광수단(45)에 의해 제 2 레이저광(L2)의 반사광이 검출되고, 제 1 레이저광(L1)의 집광점(P)의 위치가 가공 대상물(S)의 표면(S1)으로부터 항상 일정한 깊이가 되도록 액추에이터(43)가 제어 장치(7)에 의해 피드백 제어되어, 대물렌즈(42)의 위치가 축선(β)방향으로 미세조정된다.
따라서, 예를 들면 가공 대상물(S)의 표면(S1)에 면편차가 있더라도, 표면(S1)으로부터 일정한 깊이의 위치에 다광자 흡수에 의한 개질 영역(R)을 형성할 수 있다. 이와 같이 평판 형상의 가공 대상물(S)의 내부에 라인 형상의 개질 영역(R)을 형성하면, 그 라인 형상의 개질 영역(R)이 기점이 되어 분열이 발생하고, 라인 형상의 개질 영역(R)에 따라 용이하게 또한 고정밀도로 가공 대상물(S)을 절단할 수 있다.
계속해서, 가공 유니트(5)를 광학계 본체부(4)에 설치하고 있는 부분에 대하여 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2에서는 이해를 용이하게 하기 위해서 가공 유니트(5)의 가공 유니트 케이스(41)의 내부에 넣어져 있는 부품을 생략하고 있다.
광학계 본체부(4)의 바닥부에는 축선(β)(도 1 참조)에 따라 설치판(211)이 설치되어 있다. 설치판(211)에는, 돌기부(211d) 및 돌기부(211e)가 연장되어 나가도록 설치되어 있다. 설치판(211)에는 또한 나선 구멍(211a), 나선 구멍(211b), 및 나선 구멍(211c)가 형성되어 있다.
가공 유니트(5)의 가공 유니트 케이스(41)는 뒤판(411)을 갖고 있으며, 이 뒤판(411)이 설치판(211)에 맞닿아 가공 유니트(5)가 케이스(21)에 고정된다. 뒤판(411)에는, 구멍(411a), 구멍(411b), 구멍(411c), 구멍(411d), 및 구멍(411e)가 뚫어져 있다.
가공 유니트(5)의 구멍(411d)에 설치판(211)의 돌기부(211d)가, 가공 유니트(5)의 구멍(411e)에 설치판(211)의 돌기부(211e)가, 각각 삽입되도록 가공 유니트(5)를 설치판(211)에 맞닿게 한다. 설치판(211)은 축선(β)(도 1 참조)에 따르도록 형성되어 있으므로, 가공 유니트(5)의 축선(β) 둘레의 움직임이 구속된다. 또, 구멍(411d) 및 구멍(411e)에 돌기부(211d) 및 돌기부(211e)가 삽입되어 위치 결정되어 있으므로, 가공 유니트(5)의 설치판(211)에 따른 면에 있어서의 움직임이 구속된다. 따라서, 가공 유니트(5)의 대물렌즈(42)에 축선(β)이 맞도록 설치할 수 있다.
이와 같이 가공 유니트(5)를 설치판(211)에 맞닿게 하면, 가공 유니트(5)의 구멍(411a)과 설치판(211)의 나선 구멍(211a)이, 가공 유니트(5)의 구멍(411b)과 설치판(211)의 나선 구멍(211b)이, 가공 유니트(5)의 구멍(411c)과 설치판(211)의 나선 구멍(211c)이, 각각 대응하는 위치에 배치된다. 여기서 나선(50a)을 가공 유니트(5)의 구멍(411a)측으로부터, 나선(50b)을 가공 유니트(5)의 구멍(411b)측으로부터, 나선(50c)을 가공 유니트(5)의 구멍(411c)측으로부터, 각각 삽입하여 나사 체결하여, 가공 유니트(5)가 케이스(21)에 고정된다.
가공 유니트(5)가 케이스(21)에 고정되어 있는 모습을 도 3에 나타낸다. 가공 유니트(5)는, 액추에이터(43)를 통하여 대물렌즈(42)가 설치되어 있는 제 1 부분(41a)과, 제 2 레이저 광원(44), 수광수단(45), 미러(46) 및 하프미러(47)로 구성된 길이측정용 광학계가 넣어져 있는 제 2 부분(41b)으로 구성되어 있다.
이미 설명한 바와 같이, 제 2 레이저 광원(44)으로부터 출사된 제 2 레이저광(L2)은 미러(46), 하프미러(47)에 의해 순차적으로 반사되고, 제 1 부분(41a)에 배치되어 있는 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된다. 이 다이크로익 미러(48)는 축선(β)상에 위치하도록 배치되어 있다. 따라서 다이크로익 미러(48)에서 반사된 제 2 레이저광(L2)은, 축선(β)상을 도면중 아래쪽을 향하여 진행하고, 대물렌즈(42)를 통과하여 가공 대상물(S)의 표면(S1)에 조사된다.
그리고, 가공 대상물(S)의 표면(S1)에서 반사된 제 2 레이저광(L2)의 반사광은, 대물렌즈(42)에 재입사하여 축선(β)상을 도면중 위쪽을 향하여 진행하고, 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된다. 이 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된 제 2 레이저광(L2)의 반사광은, 제 2 부분(41b)에 배치되어 있는 하프 미러(47)를 통과하여 수광수단(45) 내에 입사하여, 포토다이오드를 4등분하여 이루어진 4분할 위치 검출 소자 상에 집광된다.
이와 같이 본 실시형태에서는, 제 2 레이저 광원(44)으로부터 출사된 제 2 레이저광(L2)이 미러(46), 하프 미러(47), 다이크로익 미러(48)를 순차적으로 경유하여, 대물렌즈(42)에 입사하도록 각 구성 부품이 배치되어 있으므로, 가공 유니트(5)를 교환한 경우에도 길이측정용 광학계의 미세조정이 불필요하게 된다. 또, 가공 유니트(5)를 광학계 본체부(4)의 케이스(21)에 설치하는 경우에는 소정의 위치에 위치 결정되도록 구성되어 있으므로, 대물렌즈(42) 및 다이크로익 미러(48)가 축선(β)상에 위치하도록 배치할 수 있다.
본 발명의 레이저 가공장치에 의하면, 가공 대상물을 가공하기 위한 레이저광을 소정의 위치로부터 최대한 이탈하지 않는 위치에 집광할 수 있다. 또한, 대물렌즈나 수광 수단을 교환할 때에, 제 1 레이저광의 광축과 제 2 레이저광의 광축을 맞추어 동일한 축선상에서 가공 대상물을 향하여 집광하는 것이 용이해진다. 또, 예를 들면 가공 대상물이 웨이퍼 형상인 경우에는, 그 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 레이저를 조사하여 개질층을 형성하고, 그 형성한 개질층을 기점으로 하여 가공 대상물을 할단하는 일이 있으며, 그 때에는 정밀도 좋게 일정한 깊이 위치에 레이저를 조사하는 것이 할단 품질, 정밀도를 올리기 위해서 중요하다. 이와 같은 가공에 본 발명을 적용하면, 레이저 가공장치의 메인터넌스를 행할 때에 정밀도가 좋은 세팅이 용이해진다.

Claims (5)

  1. 제 1 레이저광을 가공 대상물에 조사(照射)하고, 이 가공 대상물을 가공하는 레이저 가공장치로서,
    상기 제 1 레이저광을 출사하기 위한 레이저 유니트를 포함하는 케이스부와,
    상기 케이스부에 대해서 착탈 가능하게 설치된 가공 유니트를 구비하고,
    상기 가공 유니트는,
    상기 가공 대상물의 메인면의 변위를 측정하기 위한 제 2 레이저광을 출사하는 제 2 레이저 광원과,
    상기 제 1 레이저광과 상기 제 2 레이저광을 상기 가공 대상물을 향하여 집광하는 대물렌즈와,
    상기 대물렌즈에 상기 제 1 레이저광 및 상기 제 2 레이저광이 동일한 축선상으로 입사하도록 상기 제 1 레이저광 및 상기 제 2 레이저광 중 적어도 한쪽의 진행 방향을 변경시키기 위한 다이크로익 미러(dichroic mirror)와,
    상기 제 2 레이저광의 상기 메인면에 있어서의 반사광을 수광하는 수광 수단과,
    상기 수광 수단이 수광한 반사광에 근거하여 상기 대물렌즈를 상기 메인면에 대하여 진퇴가 자유롭게 유지하는 액추에이터를 가지며,
    상기 액추에이터는 상기 제 2 레이저 광원, 상기 다이크로익 미러 및 상기 수광 수단을 그 내부에 수용하는 가공 유니트 케이스에 고정되어 있는 레이저 가공장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스부는 관찰 광학계를 포함하고, 이 관찰 광학계는 관찰용 가시광을 상기 축선상에서 상기 가공 대상물을 향하여 조사하며, 이 조사에 따라 상기 가공 대상물의 메인면에서 반사된 반사광을 관찰 가능하도록 구성되어 있는 레이저 가공장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스부는 상기 축선에 따른 설치판을 갖고, 이 설치판의 메인면에 상기 가공 유니트가 착탈 가능하게 설치되어 있으며, 이 설치판과 상기 가공 유니트는 한쪽으로부터 연장되어 나간 돌기부를 다른 쪽에 뚫려진 구멍에 삽입함으로써 상호의 위치 결정이 이루어져 있는 레이저 가공장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다이크로익 미러는 상기 제 2 레이저광을 반사하고, 상기 제 1 레이저광을 투과시키는 레이저 가공장치.
  5. 제 1항에 있어서,　
    상기 케이스부에는, 상기 축선에 따른 상기 가공 유니트에 맞닿는 위치에 상기 제 1 레이저광을 통과시키기 위한 제 1 레이저광 통과부가 형성되고,
    상기 가공 유니트 케이스에는, 상기 축선에 따른 상기 케이스부에 맞닿는 위치에 상기 제 1 레이저광을 통과시키기 위한 제 2 레이저광 통과부가 형성되어 있음과 동시에, 상기 축선에 따른 상기 대물렌즈에 대향하는 위치에 상기 제 1 레이저광 및 상기 제 2 레이저광을 통과시키기 위한 제 3 레이저광 통과부가 형성되어 있는 레이저 가공장치.
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