KR101968348B1 - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 - Google Patents

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(1)는, 광원(20)과, 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 강도 변환 렌즈(11)와, 강도 변환 렌즈(11)로부터의 레이저 광을 가공 대상물(100) 내부에서의 가공 위치에 집광하는 집광 렌즈(50)와, 가공 위치를 변경하는 경우에, 복수의 강도 변환 렌즈(11)를 전환하는 제어부(80)를 구비한다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 {LASER PROCESSING DEVICE AND LASER PROCESSING METHOD}
본 발명은, 가공 대상물 내부의 가공을 행하는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 광은, 가우시안 분포와 같이, 중앙 근방이 가장 강하고, 주변을 향하여 점차 약해지는 강도 분포를 가지는 것이 많다. 그렇지만, 레이저 가공 등에서는, 공간적으로 균일한 강도 분포를 가지는 레이저 광이 요구되고 있다. 이 점에 관해, 특허 문헌 1에는, 호모지나이저(homogenizer)를 이용하여 레이저 광의 강도 분포를 균일하게 하는 것이 개시되어 있다. 이 특허 문헌 1에 개시된 레이저 가공 장치는, 웨이퍼의 내부를 가공(개질)하는 것이며, 폭넓은 두께의 웨이퍼를 가공할 때의 가공 시간을 단축하기 위해서, 레이저 광을 두께 방향으로 대각선 모양으로 집광(集光)하고 있다.
특허 문헌 1：일본특허공개 2009－172633호 공보
그런데, 가공 대상물 내부에 레이저 광을 집광하는 경우, 수차(收差, 파면 왜곡)가 발생하고, 집광 영역이 신장한다. 특허 문헌 1에 개시된 레이저 가공 장치에서는, 가공 대상물 내부에서 발생하는 수차를 고려하고 있지 않기 때문에, 가공 흔적이 가공 깊이 방향으로 신장해 버려, 예기치 않은 균열이 발생할 우려가 있다. 또, 이면(裏面) 근방까지 가공 흔적을 형성하는 경우에는, 이면까지 관통해 버릴 우려가 있다.
게다가, 가공 대상물 내부에서 발생하는 수차는, 가공 대상물 내부의 깊이 방향의 위치에 따라서 다르게 된다.
이에, 본 발명은, 가공 대상물 내부의 깊이 방향의 다른 위치를 가공하는 경우에도, 적절히 수차 보정을 행하는 것이 가능한 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원 발명자들은, 예의(銳意) 연구를 거듭한 결과, 레이저 광의 강도 분포를 균일하게 하기 위한 강도 변환 렌즈에 의해서 발생하는 파면 변화를 이용하는 것에 의해, 가공 대상물 내부에서 발생하는 수차를 보정하는 것이 가능한 것을 찾아냈다. 또, 본원 발명자들은, 예의(銳意) 연구를 거듭한 결과, 강도 변환 렌즈와 위상 보정 렌즈로 구성되는 호모지나이저에서의 위상 보정 렌즈에 파면 변화를 가지게 하는 것에 의해, 가공 대상물 내부에서 발생하는 수차를 보정하는 것이 가능한 것을 찾아냈다.
이에, 본 발명의 레이저 가공 장치는, 광 투과성을 가지는 가공 대상물 내부에 레이저 광을 집광(集光)하는 레이저 가공 장치로서, (a) 레이저 광을 생성하는 광원과, (b) 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형(整形)하는 광 정형부와, (c) 광 정형부로부터의 레이저 광을 가공 대상물 내부에서의 가공 위치에 집광하는 집광 렌즈와, (d) 광 정형부를 제어하는 제어부를 구비한다. 그리고, 광 정형부는, (b1) 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 강도 변환 렌즈, 또는, (b2) 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈, 및, 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저 광의 위상을 보정하는 위상 보정 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 위상 보정 렌즈를 가지며, 제어부는, (d1) 가공 위치를 변경하는 경우에, 복수의 강도 변환 렌즈 또는 복수의 위상 보정 렌즈를 전환한다.
또, 본 발명의 레이저 가공 방법은, (a) 레이저 광을 생성하는 광원과, (b) 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 광 정형부와, (c) 광 정형부로부터의 레이저 광을 가공 대상물 내부에서의 가공 위치에 집광하는 집광 렌즈를 구비하는 레이저 가공 장치의 레이저 가공 방법이다. 여기서, 광 정형부는, (b1) 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 강도 변환 렌즈, 또는, (b2) 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈, 및, 해당 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저 광의 위상을 보정하는 위상 보정 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 위상 보정 렌즈를 가진다. 이 레이저 가공 방법은, (e1) 가공 대상물 내부에서의 가공 위치를 설정 또는 변경하고, (e2) 가공 위치의 설정 또는 변경에 따라서, 복수의 강도 변환 렌즈 또는 복수의 위상 보정 렌즈를 전환하여, (e3) 광원으로부터의 레이저 광을 가공 대상물에서의 가공 위치로 조사한다.
이 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 의하면, 예를 들면, 광 정형부가 복수의 강도 변환 렌즈를 가지는 경우, 복수의 강도 변환 렌즈는 각각 다른 보정 파면을 생성하고, 제어부가 가공 위치의 변경에 따라 복수의 강도 변환 렌즈를 전환하므로, 가공 위치(가공 깊이)를 변경해도, 적절한 수차 보정을 행하는 것이 가능해진다. 또, 예를 들면, 광 정형부가 강도 변환 렌즈와 복수의 위상 보정 렌즈를 가지는 경우, 복수의 위상 보정 렌즈는 각각 다른 보정 파면을 생성하고, 제어부가 가공 위치의 변경에 따라 복수의 위상 보정 렌즈를 전환하므로, 가공 위치(가공 깊이)를 변경해도, 적절한 수차 보정을 행하는 것이 가능해진다.
상기의 레이저 가공 장치에서의 복수의 강도 변환 렌즈 또는 복수의 위상 보정 렌즈는, 레이저 광의 수차를 보정하기 위한 보정 파면으로서, 가공 대상물 내부의 복수의 가공 위치에 각각 대응하는 복수의 해당 보정 파면 중 다른 하나를 각각 생성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기의 레이저 가공 장치에서는, 제어부는, (d1) 복수의 가공 위치를 변경하는 경우에, 변경하는 가공 위치에 대응하는 보정 파면을 생성하는 렌즈를 복수의 강도 변환 렌즈 또는 복수의 위상 보정 렌즈로부터 선택하여 전환하는 것이 바람직하다. 한편, 상기의 레이저 가공 방법에서는, (e2) 복수의 가공 위치의 설정 또는 변경에 따라서, 설정 또는 변경하는 가공 위치에 대응하는 보정 파면을 생성하는 렌즈를 복수의 강도 변환 렌즈 또는 복수의 위상 보정 렌즈로부터 선택하여 전환하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 가공 대상물 내부의 깊이 방향의 다른 위치를 가공하는 경우에도, 적절히 수차 보정을 행하는 것이 가능하다.
도 1은 호모지나이저의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 2는 호모지나이저에서의 입사 레이저 광의 강도 분포의 일례 및 출사 레이저 광의 원하는 강도 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 강도 변환 렌즈의 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 위상 보정 렌즈의 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 강도 변환 렌즈로의 입사 레이저 광의 공간 모드(강도 분포)의 일례의 계측 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저 광이 685mm 전파한 후의 공간 모드(강도 분포)의 일례의 계측 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 측정계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 나타내는 측정계에서, 집광 렌즈가 탑재되는 위치에서의 파면의 일례를 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 가공 대상물 내부의 가공 위치(깊이)에 레이저 광을 집광시키는 경우에 발생하는 구면 수차를 보정하기 위한 보정 파면의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 위상 보정 렌즈의 형상의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10에 나타내는 위상 보정 렌즈에 의해서 발생하는 파면을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 순서를 나타내는 플로우 차트이다.
도 14는 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈를 이용하지 않은 상태에서의 집광 렌즈의 집광점을 관측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈를 이용한 상태에서의 집광 렌즈의 집광점을 관측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈를 이용하지 않은 상태에서의 집광 렌즈의 집광점 보다 10μm 앞에서의 빔 프로파일을 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈를 이용한 상태에서의 집광 렌즈의 집광점 보다 10μm 앞에서의 빔 프로파일을 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 순서를 나타내는 플로우 차트이다.
도 20은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
도 22는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
도 23은 제1 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
도 24는 제2 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
도 25는 제3 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하기로 한다.
본 발명의 실시 형태를 설명하기 전에, 호모지나이저(homogenizer) 및 호모지나이저의 비구면(非球面)의 형상 설계의 한 방법에 대해서 설명한다. 도 1은 호모지나이저의 일례를 나타내는 구성도이다. 이 호모지나이저(10X)는, 레이저 광의 강도 분포를 임의의 형상으로 정형(整形)하기 위한 것이며, 한 쌍의 비구면 렌즈(11X, 12X)를 구비한다. 입사측 비구면 렌즈(11X)는, 레이저 광의 강도 분포를 임의의 형상으로 정형하는 강도 변환 렌즈로서 기능을 하고, 출사측 비구면 렌즈(12X)는, 정형된 레이저 광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하는 위상 보정 렌즈로서 기능을 한다. 이 호모지나이저(10X)에서는, 한 쌍의 비구면 렌즈(11X, 12X)의 비구면의 형상 설계에 의해, 입사 레이저 광(Oi)의 강도 분포를 원하는 강도 분포로 정형한 출사 레이저 광(Oo)을 생성하는 것이 가능해진다.
이하에서는, 호모지나이저(10X)에서의 한 쌍의 비구면 렌즈(11X, 12X)의 비구면의 형상 설계의 일례를 예시한다. 예를 들면, 원하는 강도 분포를, 레이저 가공 장치 등에서 요구되는 공간적으로 균일한 강도 분포, 즉, 균일 강도 분포로 설정하는 것으로 한다(도 2의 Oo). 여기서, 원하는 강도 분포는, 출사 레이저 광(Oo)의 에너지(원하는 강도 분포의 면적)가 입사 레이저 광(Oi)의 에너지(강도 분포의 면적)와 동일하게 되도록 설정될 필요가 있다. 따라서, 예를 들면, 균일 강도 분포의 설정은 이하와 같이 행하면 좋다.
입사 레이저 광(Oi)의 강도 분포는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 동심원 모양의 가우시안 분포(파장 532 nm)이다. 가우시안 분포는 하기 (1)식에 의해 나타내어지므로, 입사 레이저 광(Oi)의 반경(r1)의 범위 내의 에너지는 하기 (2)식이 된다.
[수식 1]
Figure 112012091533457-pat00001
[수식 2]
Figure 112012091533457-pat00002
이 경우, 가우시안 분포는 반경 0mm를 중심으로 하여 회전 대칭이 되기 때문에, 1차원 해석에 의해 비구면 형상을 설계하게 된다.
한편, 출사 레이저 광(Oo)의 원하는 강도 분포는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 균일 강도 분포(차수 N)로 설정한다. 균일 강도 분포는 하기 (3)식에 의해 나타내어지므로, 하기 (4)식과 같이 출사 레이저 광(Oo)의 반경(r2)의 범위 내의 에너지가 입사 레이저 광(Oi)의 에너지와 동일하게 되도록, 출사 레이저 광(Oo)의 강도 균일부의 값 E0가 설정되게 된다.
[수식 3]
Figure 112012091533457-pat00003
[수식 4]
Figure 112012091533457-pat00004
또한, 본 수법에 근거하면, 정형 후의 출사 레이저 광의 원하는 강도 분포도 규정의 함수 뿐만 아니라, 임의의 강도 분포로 하는 것도 가능하다.
그 후, 도 1에 나타내는 바와 같이, 강도 변환 렌즈(11X)에서의 입사 레이저 광(Oi)의 강도 분포가 위상 보정 렌즈(12X)에서 원하는 강도 분포를 가지는 출사 레이저 광(Oo)이 되도록, 즉, 입사 레이저 광(Oi)에서의 중앙 부근의 강한 강도의 광이 주변부로 확산되고, 주변부의 약한 강도의 광이 수속(收束)되도록, 강도 변환 렌즈(11X)의 비구면(11a)으로부터 위상 보정 렌즈(12X)의 비구면(12a)으로의 광로로서, 비구면 렌즈의 반경 방향의 임의의 좌표에서의 광로(P1 ~ P8)를 구한다.
그 후, 구한 광로(P1 ~ P8)에 근거하여, 강도 변환 렌즈(11X)의 비구면(11a)의 형상을 구한다. 구체적으로는, 광로(P1 ~ P8)가 얻어지도록, 강도 변환 렌즈(11X)의 중심을 기준으로 하여 반경(r1) 방향의 각 좌표에서의 비구면(11a)의 고저차(高低差)를 구한다. 그러면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 강도 변환 렌즈(11X)의 비구면(11a)의 형상이 구해진다.
한편, 위상 보정 렌즈(12X)의 비구면(12a)의 형상은, 광로(P1 ~ P8)에서의 레이저 광의 위상을 맞추어, 평면파가 되도록 구한다. 구체적으로는, 위상 보정 렌즈(12X)의 중심을 기준으로 하여 반경(r2) 방향의 각 좌표에서의 비구면(12a)의 고저차를 구한다. 그러면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 위상 보정 렌즈(12X)의 비구면(12a)의 형상이 구해진다.
또한, 도 3 및 도 4는, 비구면 렌즈(11X, 12X)의 재료로서 MgF2(n = 1.38)를 사용하고, 비구면(11a)의 중심 위치(좌표 r1 = 0의 위치)와 비구면(12a)의 중심 위치(좌표 r2 = 0의 위치)와의 간격을 L = 685mm로 하여 설계했을 때의 일례이다.
여기서, 호모지나이저(10X)에서의 강도 변환 렌즈(11X)로의 입사 레이저 광의 공간 모드(강도 분포) 및 강도 변환 렌즈(11X)로부터의 출사 레이저 광의 685mm전파 후의 공간 모드(강도 분포)를, 결상 렌즈계를 통하여 빔 프로파일러(profiler)에 의해서 계측했다. 이들 계측 결과를 도 5 및 도 6에 나타낸다. 이것에 의해, 강도 변환 렌즈(11X)에 의하면, 렌즈 간격 설계값인 L = 685mm 전파 후에, 레이저 광의 강도 분포를 공간적으로 균일한 강도 분포로 거의 설계한 대로 정형할 수 있는 것이 확인되었다.
다음에, 호모지나이저(10X)에서의 강도 변환 렌즈(11X)에 의해서 발생하는 파면 왜곡을, 도 7에 나타내는 측정계로 계측했다. 이 측정계에서는, 레이저 광원(20)으로부터의 레이저 광을 익스팬더(30)에 의해서 확대하여 강도 변환 렌즈(11X)로 입사했다. 강도 변환 렌즈(11X)로부터의 출사 레이저 광은 반사경(21, 22) 및 결상 광학계(40)를 통하여 집광 렌즈(50)로 입사했다. 익스팬더(expander, 30)에는, 한 쌍의 오목 렌즈(31)와 볼록 렌즈(32)로 구성되는 것을 이용하고, 레이저 광원(20)으로부터의 레이저 광을 확대하여, 빔 지름을 강도 변환 렌즈(11X)의 지름에 적합하게 하였다. 또, 결상 광학계(40)에는, 한 쌍의 렌즈(41, 42)로 구성되는 것을 이용하고, 위상 보정 렌즈가 배치되는 위치에서의 파면을 집광 렌즈(50)의 동면(瞳面)에 결상시킴과 아울러, 빔 지름을 집광 렌즈(50)의 동경(瞳徑)에 적합하게 하였다. 이것은, 위상 보정 렌즈가 배치되지 않은 경우에, 또, 강도 변환 렌즈의 설계 위치에 위상 보정 렌즈를 배치하는 경우에도, 실제로는 전파 거리에 따라 강도 분포나 파면이 왜곡해 버리는 것을 회피하기 위함이다.
이 측정계에서, 집광 렌즈(50)가 탑재되는 위치에서의 파면을 파면 센서에 의해서 계측했다. 이 계측 결과를 도 8에 나타낸다. 도 8에 의하면, 강도 변환 렌즈(11X)는, 입사 레이저 광의 강도 분포를 정형하는 것이지만, 동시에 입사 레이저 광의 파면(환언하면, 입사 레이저 광의 위상)도 변화시키게 된다.
한편, 예를 들면, NA = 0.8, 초점 거리 f = 1.8mm인 집광 렌즈를 이용하여 SiC(굴절률 2.6) 내부의 깊이 94μm의 위치에 파장 532nm의 레이저 광을 집광시키는 경우에 발생하는 구면 수차를 보정하기 위해서 필요하게 되는 보정 파면으로서, 집광 렌즈 입사 전에서의 보정 파면을 도 9에 나타낸다.
도 8 및 도 9에 의하면, 양자의 파면은 유사하다. 이와 같이, 본원 발명자들은, 강도 변환 렌즈(11X)에 의해서 발생하는 파면 변화를 이용하는 것에 의해, 가공 대상물 내부에서 발생하는 수차를 보정하는 것이 가능한 것을 찾아냈다.
또, 본원 발명자들은, 강도 변환 렌즈(11X)를 고정으로 하고, 강도 변환 렌즈(11X)에 의해서 정형된 레이저 광의 위상을 맞추어 평면파로 보정하기 위한 위상 보정 렌즈(12X)에 의해서 발생하는 파면 변화를 이용함으로써, 가공 대상물 내부에서 발생하는 수차를 보정하는 것이 가능한 것을 찾아냈다. 예를 들면, 도 10에 나타내는 바와 같이, 위상 제어 렌즈의 형상을 변형하면, 도 11에 나타내는 파면이 얻어진다. 이 파면은, SiC(굴절률 2.6) 내부의 깊이 200μm의 위치에서 발생하는 구면 수차를 보정하기 위한 보정 파면에 상당한다.
[제1 실시 형태］
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다. 이 제1 실시 형태의 레이저 가공 장치(1)는, 레이저 광원(20)과, 익스팬더(30)과, 복수의 강도 변환 렌즈(11)와, 렌즈 홀더(15)와, 집광 렌즈(50)와, 구동 유닛(51)과, 스테이지(52)와, 표면 관찰 유닛(60)과, 다이크로익 미러(dichroic mirror, 61)와, 오토 포커스 유닛(70)과, 다이크로익 미러(71)와, 제어부(80)를 구비한다. 또한, 제1 실시 형태에서는, 복수의 강도 변환 렌즈(11)가 특허 청구 범위에 기재된 광 정형부에 상당한다.
레이저 광원(20)은, 예를 들면, 파장 532nm의 가우시안 분포 형상의 레이저 광을 생성하고, 익스팬더(30)로 향하여 출력한다. 익스팬더(30)는, 예를 들면, 한 쌍의 오목 렌즈(31)와 볼록 렌즈(32)로 구성되며, 레이저 광원(20)으로부터의 레이저 광을 확대하여 복수의 강도 변환 렌즈(11) 중 어느 하나로 향하여 출력한다.
복수의 강도 변환 렌즈(11)는, 가공 대상물 내부에 레이저 광을 집광하는 경우에 발생하는 구면 수차를 보정하기 위해서 필요한 보정 파면으로서, 각각 다른 보정 파면을 생성한다. 복수의 강도 변환 렌즈(11)에 의해 생성되는 보정 파면은, 가공 대상물 내부의 복수의 다른 가공 위치(깊이)에 각각 대응하고 있다. 복수의 강도 변환 렌즈(11)는, 렌즈 홀더(15)에 탑재되어 있다.
렌즈 홀더(15)는, 원반(圓盤) 모양을 이루고 있으며, 그 주변부에 복수의 강도 변환 렌즈(11)가 배열되어 있다. 렌즈 홀더(15)는, 회전하는 것에 의해서, 복수의 강도 변환 렌즈(11)를 선택적으로 레이저 광에 대응시킨다.
집광 렌즈(50)는, 강도 변환 렌즈(11)로부터의 레이저 광을, 스테이지(52) 상에 배치되는 가공 대상물(100) 내부의 소정의 가공 위치(깊이)로 집광한다. 집광 렌즈(50)는, 구동 유닛(51)에 의해서 가동 가능하게 되어 있다. 또, 가공 대상물(100)도, 스테이지(52)에 의해서 가동 가능하게 되어 있다. 구동 유닛(51) 및 스테이지(52)의 가동은 제어부(80)에 의해서 제어된다.
본 실시 형태에서는, 강도 변환 렌즈(11)와 집광 렌즈(50)와의 사이에는, 표면 관찰 유닛(60) 및 오토 포커스 유닛(70)을 위한 다이크로익 미러(61, 71)가 순차적으로 배치되어 있다. 표면 관찰 유닛(60)은, 다이크로익 미러(61)를 통하여, 가공 대상물의 표면을 관찰하는 것이다. 또, 오토 포커스 유닛(70)은, 다이크로익 미러(71)를 통하여, 가공 대상물의 표면까지의 거리를 검출하는 것이다.
제어부(80)는, 레이저 광원(20)에서의 레이저 광의 출력／출력 정지를 제어한다. 또, 제어부(80)는, 가공 대상물(100) 내부의 가공 위치를 전환하는 경우에, 구동 유닛(51) 및 스테이지(52) 중 적어도 어느 하나를 가동시켜, 집광 렌즈(50) 및 가공 대상물(100) 중 적어도 어느 하나를 이동시킨다. 예를 들면, 제어부(80)는, 오토 포커스 유닛(70)을 이용하여, 집광 렌즈(50)와 가공 대상물(100)과의 상대 위치를 제어하는 것에 의해서, 가공 대상물(100) 내부의 가공 위치를 전환한다.
또, 제어부(80)는, 가공 대상물(100) 내부의 가공 위치를 전환하는 경우에, 렌즈 홀더(15)를 회전시켜, 그 가공 위치에서의 수차를 보정 가능한 강도 변환 렌즈(11)로 전환한다. 예를 들면, 제어부(80)는, 복수의 가공 위치와, 복수의 가공 위치 각각에서 발생하는 수차를 보정 가능한 보정 파면을 생성하는 복수의 강도 변환 렌즈(11)와를 미리 관련시킨 정보를 기억하고 있다. 그리고, 제어부(80)는, 이 정보에 근거하여, 전환하는 가공 위치에 대응하는 강도 변환 렌즈(11)를 복수의 강도 변환 렌즈 중에서 선택하여 전환한다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 순서를 나타내는 플로우 차트이다. 우선, 집광점을 가공 대상물(100)의 표면에 설정하고, 이 위치를 가공 원점으로 한다(스텝 S01). 다음에, 가공 대상물(100) 내부에서의 가공 위치(깊이)를 설정한다(스텝 S02).
다음에, 설정한 가공 위치에서의 구면 수차를 보정하는 것이 가능한 강도 변환 렌즈를 선택하고, 전환한다(스텝 S03). 다음에, 설정한 가공 위치에 레이저 광이 집광하도록, 스테이지(52)를 이동한다. 다음에, 레이저 광을 조사하고, 가공을 개시한다. 그러면, 레이저 광이 설정된 가공 위치에 집광하게 된다(스텝 S04).
다음에, 가공 종료시에, 레이저 광 조사를 정지한다(스텝 S05). 다른 가공 위치가 있는 경우에는 스텝 S02로 되돌아 가고, 다른 가공 위치가 없는 경우에는 이 가공 대상물(100)의 가공을 종료한다(스텝 S06).
또한, 설정한 가공 위치(깊이)에 레이저 광을 집광하기 위해서는, 집광 렌즈와 가공 대상물과의 상대 위치를 변화시키면 좋으므로, 스테이지(52)에 의한 가공 대상물(100)의 이동 대신에 구동 유닛(51)에 의해 집광 렌즈(50)를 이동시켜도 좋고, 양자를 모두 이동시켜도 좋다. 또한, 집광 렌즈(50)를 이동시키는 경우에서, 집광 렌즈(50)의 입사동(入射瞳)과 강도 변환 렌즈(11)가 결상 관계에 있을 때에는, 강도 변환 렌즈(11)로부터 집광 렌즈(50)까지의 집광 광학계의 단위로 이동할 필요가 있다.
이와 같이, 제1 실시 형태의 레이저 가공 장치(1) 및 레이저 가공 방법에 의하면, 각각 다른 보정 파면을 생성하는 복수의 강도 변환 렌즈(11)를 구비하고, 제어부(80)가 가공 위치의 변경에 따라 복수의 강도 변환 렌즈(11)를 전환하므로, 가공 위치(가공 깊이)를 변경해도, 적절한 수차 보정을 행하는 것이 가능해진다. 환언하면, 제1 실시 형태의 레이저 가공 장치(1) 및 레이저 가공 방법에 의하면, 임의의 가공 위치(깊이)에서의 수차 보정이 가능해진다.
그런데, 제1 실시 형태와 같이 복수의 강도 변환 렌즈를 구비하는 대신에, 공간 광 변조기(이하, 'SLM'이라고 함)를 이용하여, SLM에서의 보정 파면을 변경하는 수법도 고려된다. 그렇지만, SLM을 이용하는 경우, 레이저 광을 확대하고, 레이저 광의 중심부만을 잘라 내어 이용하는 것이 예상되어, 레이저 광의 이용 효율이 나빠지는 경우가 예상된다. 한편, 제1 실시 형태에 의하면, 강도 변환 렌즈 자체에 수차 보정 기능을 가지게 하고 있으므로, 집광 렌즈의 동영역(瞳領域)으로 입사되는 레이저 광을 모두 이용할 수 있어, 레이저 광의 이용 효율을 향상하는 것이 가능해진다.
또, 제1 실시 형태의 레이저 가공 장치(1) 및 레이저 가공 방법에 의하면, 강도 변환 렌즈(11)에 의해서, 가공 대상물의 표면을 파괴하지 않고, 내부만을 효율 좋게 가공하는 것이 가능해진다. 이 검증 결과를 이하에 나타낸다.
도 14는, 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈(11X)를 이용하지 않은 상태에서의 집광 렌즈(50)의 집광점을 관측한 결과를 나타내는 도면이고, 도 15는, 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈(11X)를 이용한 상태에서의 집광 렌즈(50)의 집광점을 관측한 결과를 나타내는 도면이다. 도 14 및 도 15에 의하면, 강도 변환 렌즈(11X)를 이용하는 것에 의해서, 집광 렌즈(50)의 실효적인 NA가 증가하고, 스포트 지름이 작게 되어 있다. 이것에 의해, 가공 대상물 내부의 가공 위치를 효율 좋게 가공할 수 있게 된다.
한편, 도 16은, 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈(11X)를 이용하지 않은 상태에서의 집광 렌즈(50)의 집광점 보다 10μm 앞(집광 렌즈측)에서의 빔 프로파일을 계측한 결과를 나타내는 도면이고, 도 17은, 도 7에 나타내는 측정계에서, 강도 변환 렌즈(11X)를 이용한 상태에서의 집광 렌즈(50)의 집광점 보다 10μm앞에서의 빔 프로파일을 계측한 결과를 나타내는 도면이다. 도 16 및 도 17에 의하면, 강도 변환 렌즈(11X)를 이용하는 것에 의해서, 집광 렌즈(50)의 집광점 보다 10μm 앞에서의 빔 면적이 증가하고, 단위 면적당 광 강도가 저감하고 있다. 이것에 의해, 가공 대상물의 표면 파괴를 회피하게 된다.
[제2 실시 형태］
도 18은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다. 이 제2 실시 형태의 레이저 가공 장치(2)는, 레이저 가공 장치(1)에서, 복수의 강도 변환 렌즈(11)를 대신하여 1개의 강도 변환 렌즈(11)를 구비하고, 복수의 위상 보정 렌즈(12)를 더 구비하는 구성에서 제1 실시 형태와 다르다. 또, 제2 실시 형태의 레이저 가공 장치(2)는, 제어부(80)를 대신하여 제어부(80A)를 구비하는 구성에서 제1 실시 형태와 다르다. 레이저 가공 장치(2)의 그 외의 구성은, 레이저 가공 장치(1)와 동일하다. 또한, 제2 실시 형태에서는, 강도 변환 렌즈(11)와 복수의 위상 보정 렌즈(12)가 특허 청구 범위에 기재된 광 정형부에 상당한다.
복수의 위상 보정 렌즈(12)는, 가공 대상물 내부에 레이저 광을 집광하는 경우에 발생하는 구면 수차를 보정하기 위해서 필요한 보정 파면으로서, 각각 다른 보정 파면을 생성한다. 복수의 위상 보정 렌즈(12)의 보정 파면은, 가공 대상물 내부의 복수의 다른 가공 위치(깊이)에 각각 대응하고 있다. 복수의 위상 보정 렌즈(12)는, 렌즈 홀더(15)에 탑재되어 있다.
렌즈 홀더(15)는, 원반 모양을 이루고 있으며, 그 주변부에 복수의 위상 보정 렌즈(12)가 배열되어 있다. 렌즈 홀더(15)는, 회전하는 것에 의해서, 복수의 위상 보정 렌즈(12)를 선택적으로 레이저 광에 대응시킨다.
제어부(80A)는, 제어부(80)와 마찬가지로, 레이저 광원(20)에서의 레이저 광의 출력／출력 정지를 제어한다. 또, 제어부(80A)는, 제어부(80)와 마찬가지로, 가공 대상물(100) 내부의 가공 위치를 전환하는 경우에, 구동 유닛(51) 및 스테이지(52) 중 적어도 어느 하나를 가동시켜, 집광 렌즈(50) 및 가공 대상물(100) 중 적어도 어느 하나를 이동시킨다.
또, 제어부(80A)는, 가공 대상물(100) 내부의 가공 위치를 전환하는 경우에, 렌즈 홀더(15)를 회전시켜, 그 가공 위치에서의 수차를 보정 가능한 위상 보정 렌즈(12)로 전환한다. 예를 들면, 제어부(80A)는, 복수의 가공 위치와, 복수의 가공 위치 각각에서 발생하는 수차를 보정 가능한 보정 파면을 생성하는 복수의 위상 보정 렌즈(12)와를 미리 관련시킨 정보를 기억하고 있다. 그리고, 제어부(80A)는, 이 정보에 근거하여, 전환하는 가공 위치에 대응하는 위상 보정 렌즈(12)를 복수의 위상 보정 렌즈 중에서 선택하여 전환한다.
도 19는, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 순서를 나타내는 플로우 차트이다. 우선, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 집광점을 가공 대상물(100)의 표면에 설정하고, 이 위치를 가공 원점으로 한다(스텝 S01). 다음에, 가공 대상물(100) 내부에서의 가공 위치(깊이)를 설정한다(스텝 S02).
다음에, 제2 실시 형태에서는, 설정한 가공 위치(깊이)에서의 구면 수차를 보정하는 것이 가능한 위상 보정 렌즈를 선택하고, 전환한다(스텝 S13). 다음에, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 설정한 가공 위치(깊이)에 레이저 광이 집광하도록, 스테이지(52)를 이동한다. 다음에, 레이저 광을 조사하고, 가공을 개시한다. 그러면, 레이저 광이 설정된 가공 위치에 집광하게 된다(스텝 S04).
다음에, 가공 종료시에, 레이저 광 조사를 정지한다(스텝 S05). 다른 가공 위치가 있는 경우에는 스텝 S02로 되돌아 가고, 다른 가공 위치가 없는 경우에는 이 가공 대상물(100)의 가공을 종료한다(스텝 S06).
이와 같이, 제2 실시 형태의 레이저 가공 장치(2) 및 레이저 가공 방법에 의하면, 각각 다른 보정 파면을 생성하는 복수의 위상 보정 렌즈(12)를 구비하고, 제어부(80A)가 가공 위치의 변경에 따라 복수의 위상 보정 렌즈(12)를 전환하므로, 가공 위치(가공 깊이)를 변경해도, 적절한 수차 보정을 행하는 것이 가능해진다. 환언하면, 제2 실시 형태의 레이저 가공 장치(2) 및 레이저 가공 방법에서도, 임의의 가공 위치(깊이)에서의 수차 보정이 가능해진다.
또, 제2 실시 형태에서도, 위상 보정 렌즈 자체에 수차 보정 기능을 가지게 하고 있으므로, 집광 렌즈의 동영역으로 입사되는 레이저 광을 모두 이용할 수 있어, 레이저 광의 이용 효율을 향상하는 것이 가능해진다. 또, 제2 실시 형태의 레이저 가공 장치(2) 및 레이저 가공 방법에서도, 강도 변환 렌즈(11)에 의해서, 가공 대상물의 표면을 파괴하지 않고, 내부만을 효율 좋게 가공하는 것이 가능해진다.
[제3 실시 형태］
도 20은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다. 이 제3 실시 형태의 레이저 가공 장치(3)는, 레이저 가공 장치(2)에서, 반사경(21, 22) 및 결상 광학계(40)를 더 구비하는 구성에서 제2 실시 형태와 다르다. 레이저 가공 장치(3)의 그 외의 구성은, 레이저 가공 장치(2)와 동일하다.
반사경(21, 22)은, 위상 보정 렌즈(12)로부터의 레이저 광의 진행 방향을 90° 변경한다. 구체적으로는, 반사경(21, 22)이 레이저 광의 진행 방향을 각각 135°씩 변경하고, 그 결과, 위상 보정 렌즈(12)로부터의 레이저 광의 진행 방향이 90°변경되어, 결상 광학계(40)로 향해진다.
결상 광학계(40)는, 한 쌍의 렌즈(41, 42)를 가지며, 입사측 결상면에서의 레이저 광을 출사측 결상면에 결상한다. 결상 광학계(40)의 입사측 결상면은, 위상 보정 렌즈(12)의 출사면에 설정되어 있고, 출사측 결상면은, 집광 렌즈(50)의 동면에 설정되어 있다. 또한, 결상 광학계(40)는, 입사측 결상면에서의 레이저 광의 빔 지름을 집광 렌즈(50)의 동면의 크기에 적합하게 하는 확대 광학계 혹은 축소 광학계로서 기능을 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 집광 렌즈(50)의 동영역으로 입사되는 레이저 광을 모두 이용할 수 있어, 레이저 광의 이용 효율이 비교적 좋아진다.
이 제3 실시 형태의 레이저 가공 장치(3)에서도, 제2 실시 형태의 레이저 가공 장치(2)와 동일한 이점을 얻을 수 있다.
또한, 제3 실시 형태의 레이저 가공 장치(3)에 의하면, 결상 광학계(40)에 의해서, 위상 보정 렌즈(12) 전파 후의 파면을 집광 렌즈(50)의 동면에 결상시킬 수 있으므로, 위상 보정 렌즈(12)를 집광 렌즈(50)의 동면 부근에 배치할 수 없을 것 같은 경우에 바람직하다.
[제4 실시 형태］
도 21은, 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다. 이 제4 실시 형태의 레이저 가공 장치(4)는, 레이저 가공 장치(3)에서, 반사경(22)을 대신하여 빔 스플리터(91)를 구비하고, 빔 스플리터(92) 및 관측용 광학계(90)를 더 구비하는 구성에서 제3 실시 형태와 다르다. 레이저 가공 장치(4)의 그 외의 구성은, 레이저 가공 장치(3)와 동일하다.
관측용 광학계(90)는, 카메라(95)와, 렌즈(96)와, 광원(97)을 가진다. 광원(97)은, 빔 스플리터(92, 91), 결상 광학계(40), 다이크로익 미러(61, 71) 및 집광 렌즈(50)를 통하여, 가공 대상물(100)에 광을 조사한다. 그리고, 카메라(95)는, 렌즈(96), 빔 스플리터(92, 91), 결상 광학계(40), 다이크로익 미러(61, 71) 및 집광 렌즈(50)를 통하여, 가공 대상물(100)을 관측하기 위한 것이다.
이 제4 실시 형태의 레이저 가공 장치(4)에서도, 제3 실시 형태의 레이저 가공 장치(3)와 동일한 이점을 얻을 수 있다.
또, 제4 실시 형태의 레이저 가공 장치(4)에 의하면, 레이저 가공 중에 가공 대상물(100)을 관측하는 것이 가능해진다.
[제5 실시 형태］
도 22는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치를 나타내는 구성도이다. 이 제5 실시 형태의 레이저 가공 장치(5)는, 레이저 가공 장치(3)에서, 익스팬더(30) 및 반사경(21, 22)을 대신하여 어테뉴에이터(30A), 반사경(23, 24, 25, 26, 27)을 구비하는 형태에서 제3 실시 형태와 다르다.
보다 상세하게는, 반사경(23 ~ 27)은, 각각 레이저 광의 진행 방향을 90°씩 변경하는 것이며, 그 결과, 레이저 광원(20)으로부터의 레이저 광의 진행 방향이 90°변경된다. 반사경(23)과 반사경(24)과의 사이에는 어테뉴에이터(attenuator, 30A)가 배치되어 있고, 반사경(24)과 반사경(25)과의 사이에는 강도 변환 렌즈(11)가 배치되어 있고, 반사경(25)과 반사경(26)과의 사이에는 복수의 위상 보정 렌즈(12) 및 렌즈 홀더(15)가 배치되어 있고, 반사경(26)과 반사경(27)과의 사이에는 결상 광학계(40)에서의 일방의 렌즈(41)가 배치되어 있으며, 반사경(27)과 다이크로익 미러(61)와의 사이에는 결상 광학계(40)에서의 타방의 렌즈(42)가 배치되어 있다.
어테뉴에이터(30A)는, λ／2 파장판(波長板, 31A)과, 편광 빔 스플리터(splitter, 32A)와, 댐퍼(damper, 33A)를 가기며, 소정의 편광면을 가지는 레이저 광을 강도 변환 렌즈(11)로 출력하는 것이다. 레이저 가공 장치(5)의 그 외의 구성은, 레이저 가공 장치(3)와 동일하다.
이 제5 실시 형태의 레이저 가공 장치(5)에서도, 제3 실시 형태의 레이저 가공 장치(3)와 동일한 이점을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 본 실시 형태에 한정되지 않고 여러 가지의 변형이 가능하다. 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 원반 모양의 렌즈 홀더(15)를 회전하는 것에 의해서 복수의 강도 변환 렌즈(11) 또는 복수의 위상 보정 렌즈(12)를 전환하는 형태를 예시했지만, 복수의 강도 변환 렌즈(11) 또는 복수의 위상 보정 렌즈(12)를 전환하는 수법은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 23 ~ 도 25에 예시하는 레이저 가공 장치(1A ~ 3A)와 같이, 제1 ~ 제3 실시 형태의 레이저 가공 장치(1 ~ 3)에서, 원반 모양의 렌즈 홀더(15)를 대신하여 띠 모양의 렌즈 홀더(15A)를 구비해도 괜찮다. 이 경우, 복수의 강도 변환 렌즈(11) 또는 복수의 위상 보정 렌즈(12)는 띠 모양의 렌즈 홀더(15A)에 배열되고, 렌즈 홀더(15A)가 슬라이드 하는 것에 의해서, 복수의 강도 변환 렌즈(11) 또는 복수의 위상 보정 렌즈(12)가 선택적으로 변환된다.
또, 본 실시 형태에서는, 복수의 강도 변환 렌즈(11) 및 복수의 위상 보정 렌즈(12) 중 일방만을 전환하는 형태를 예시했지만, 복수의 강도 변환 렌즈(11) 및 복수의 위상 보정 렌즈(12)의 양쪽 모두를 전환해도 괜찮다. 이것에 의하면, 복수의 강도 변환 렌즈(11)의 보정 파면과 복수의 위상 보정 렌즈(12)의 보정 파면과의 조합에 의해, 보다 정밀한 수차 보정이 가능해진다.

Claims (4)

  1. 광 투과성을 가지는 가공 대상물 내부에 레이저 광을 집광(集光)하는 레이저 가공 장치로서,
    레이저 광을 생성하는 광원과,
    상기 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형(整形)하는 광 정형부와,
    상기 광 정형부로부터의 레이저 광을 상기 가공 대상물 내부에서의 가공 위치에 집광하는 집광 렌즈와,
    상기 광 정형부를 제어하는 제어부를 구비하며,
    상기 광 정형부는,
    상기 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 강도 변환 렌즈, 또는,
    상기 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈, 및 상기 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저 광의 위상을 보정하는 위상 보정 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 위상 보정 렌즈를 가지고,
    상기 복수의 강도 변환 렌즈 또는 상기 복수의 위상 보정 렌즈는, 레이저 광의 수차(收差)를 보정하기 위한 보정 파면으로서, 상기 가공 대상물 내부의 복수의 가공 위치에 각각 대응하는 복수의 상기 보정 파면 중 다른 하나를 각각 생성하고,
    상기 제어부는, 상기 복수의 가공 위치를 변경하는 경우에, 변경하는 가공 위치에 대응하는 보정 파면을 생성하는 렌즈를 상기 복수의 강도 변환 렌즈 또는 상기 복수의 위상 보정 렌즈로부터 선택하여 전환하는 레이저 가공 장치.
  2. 삭제
  3. 레이저 광을 생성하는 광원과, 상기 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 광 정형부와, 상기 광 정형부로부터의 레이저 광을 가공 대상물 내부에서의 가공 위치에 집광하는 집광 렌즈를 구비하는 레이저 가공 장치로서, 상기 광 정형부는,
    상기 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 강도 변환 렌즈, 또는,
    상기 광원으로부터의 레이저 광의 강도 분포를 변환하여 원하는 강도 분포로 정형하는 강도 변환 렌즈, 및 상기 강도 변환 렌즈로부터의 출사 레이저 광의 위상을 보정하는 위상 보정 렌즈로서, 각각 다른 파면을 생성하는 복수의 위상 보정 렌즈를 가지는 상기 레이저 가공 장치의 레이저 가공 방법에 있어서,
    상기 가공 대상물 내부에서의 가공 위치를 설정 또는 변경하고,
    상기 복수의 강도 변환 렌즈 또는 상기 복수의 위상 보정 렌즈에 의해, 레이저 광의 수차를 보정하기 위한 보정 파면으로서, 상기 가공 대상물 내부의 복수의 가공 위치에 각각 대응하는 복수의 상기 보정 파면 중 다른 하나를 각각 생성하며,
    상기 복수의 가공 위치의 설정 또는 변경에 따라서, 설정 또는 변경하는 가공 위치에 대응하는 보정 파면을 생성하는 렌즈를 상기 복수의 강도 변환 렌즈 또는 상기 복수의 위상 보정 렌즈로부터 선택하여 전환하여,
    상기 광원으로부터의 레이저 광을 상기 가공 대상물에서의 가공 위치로 조사하는 레이저 가공 방법.
  4. 삭제
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