KR102359284B1 - 레이저광 조사 장치 및 레이저광 조사 방법 - Google Patents

레이저광 조사 장치 및 레이저광 조사 방법 Download PDF

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Abstract

레이저광 조사 장치는 레이저광을 발생시키는 레이저 광원과, 위상 패턴을 표시하는 표시부를 가지는 공간 광 변조기와, 공간 광 변조기에서 출사된 레이저광을 대상물에 집광하는 대물렌즈와, 표시부에 있어서의 레이저광의 상을 대물렌즈의 입사 동공면에 전상하는 전상 광학계와, 대상물에 입사되어 레이저광 입사면과는 반대측의 반대면에서 반사된 레이저광의 반사광을 검출하는 반사광 검출기와, 표시부에 표시하는 위상 패턴을 제어하는 제어부를 구비한다. 제어부는, 반사광 검출기로 반사광을 검출할 때, 소정 두께의 2배의 두께를 가지는 대상물을 레이저광이 투과하는 것으로 했을 경우에 발생하는 수차를 보정하는 위상 패턴인 반사광 수차 보정 패턴을, 표시부에 표시시킨다.

Description

레이저광 조사 장치 및 레이저광 조사 방법
본 발명의 일 측면은 레이저광 조사 장치 및 레이저광 조사 방법에 관한 것이다.
종래, 레이저광을 대상물에 조사하는 레이저광 조사 장치로서, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 장치가 기재되어 있다. 이와 같은 레이저광 조사 장치에 있어서, 레이저 광원에서 발생시킨 레이저광은, 공간 광 변조기에 의해 변조된 후, 대물렌즈에 의해서 대상물에 집광된다.
일본 특개 2011-51011호 공보
상기 레이저광 조사 장치에서는, 4f 광학계 등의 전상(轉像) 광학계에 의해, 공간 광 변조기의 표시부에 있어서의 레이저광의 상(像)이 대물렌즈의 입사 동공면에 전상된다. 여기서, 대물렌즈의 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 중심 위치가 당해 입사 동공면의 중심 위치와 일치하지 않는 경우, 예를 들면 대상물에 집광되는 레이저광의 빔 강도 중심이 이동하여, 가공 품질(레이저광 조사 후의 대상물의 품질)이 악화돼 버릴 가능성이 염려된다.
그래서, 본 발명의 일 측면은, 전상 광학계에 의해서 대물렌즈의 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 중심 위치와 당해 입사 동공면의 중심 위치 사이의 어긋남을 파악하는 것이 가능한 레이저광 조사 장치 및 레이저광 조사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치는, 소정 두께의 대상물에 레이저광을 조사하는 레이저광 조사 장치로서, 레이저광을 발생시키는 레이저 광원과, 위상 패턴을 표시하는 표시부를 가지고, 레이저 광원에서 발생시킨 레이저광을 표시부에 입사시켜, 당해 레이저광을 위상 패턴에 따라 변조하여 표시부로부터 출사하는 공간 광 변조기와, 공간 광 변조기에서 출사된 레이저광을 대상물에 집광하는 대물렌즈와, 공간 광 변조기의 표시부에 있어서의 레이저광의 상을 대물렌즈의 입사 동공면에 전상하는 전상 광학계와, 대상물에 입사되어 레이저광 입사면과는 반대측의 반대면에서 반사된 레이저광의 반사광을 검출하는 반사광 검출기와, 표시부에 표시하는 위상 패턴을 적어도 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 반사광 검출기로 반사광을 검출할 때, 소정 두께의 2배의 두께를 가지는 대상물을 레이저광이 투과하는 것으로 했을 경우에 발생하는 수차(收差)를 보정하는 위상 패턴인 반사광 수차 보정 패턴을, 표시부에 표시시킨다.
이 레이저광 조사 장치에서는, 대상물의 레이저광 입사면으로부터 입사되어 반대면에서 반사된 레이저광의 반사광이, 반사광 검출기로 검출된다. 이때, 대상물을 투과하는 것에 기인하여 반사광에 발생하는 수차에 대해서는, 반사광 공간 광 변조기의 반사광 수차 보정 패턴으로 변조함으로써 보정할 수 있다. 여기서, 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 중심 위치와 당해 입사 동공면의 중심 위치 사이에 어긋남(이하, 간단히 「전상 위치 어긋남」이라고도 함)이 있는 경우, 당해 전상 위치 어긋남이 없는 경우에 비해, 예를 들면 대물렌즈로 레이저광이 적정하게 집광되고 있지 않은 것으로부터, 반사광 검출기로 검출하는 반사광에 코마 수차 등의 수차의 영향이 나타나기 쉬운 것이 발견된다. 따라서, 반사광을 검출한 검출 결과에 기초함으로써 전상 위치 어긋남을 파악하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치는, 반사광 검출기의 검출 결과에 기초하여, 입사 동공면의 중심 위치와 전상 광학계에 의해 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 중심 위치의 사이에 어긋남이 있는지 여부를 판정하는 위치 판정부를 구비하고 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 전상 위치 어긋남의 유무를 자동으로 판정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치에서는, 반사광 검출기는 반사광의 점 이미지(像)를 포함하는 화상을 촬상하는 카메라를 포함하고, 위치 판정부는, 카메라로 촬상된 화상에 있어서의 반사광의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상(像)이 아닌 경우에, 어긋남이 있다고 판정해도 된다. 카메라로 촬상된 반사광의 점 이미지는, 전상 위치 어긋남이 없을 때에는 회전 대칭의 광학 상이 되는 한편, 전상 위치 어긋남이 있을 때에는, 예를 들면 코마 수차 등의 영향에 의해서 회전 대칭의 광학 상이 되기 어려운 것이 발견된다. 그래서, 위치 판정부에 있어서, 반사광의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 아닌 경우에 전상 위치 어긋남이 있다고 판정함으로써, 전상 위치 어긋남의 유무를 정밀도 좋게 판정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치에서는, 반사광 검출기는 반사광의 파면을 검출하는 파면 센서를 포함하고, 위치 판정부는, 파면 센서로 검출한 반사광의 파면이 평면이 아닌 경우에, 어긋남이 있다고 판정해도 된다. 반사광은 전상 위치 어긋남이 없을 때에는 평면파가 되는 한편, 전상 위치 어긋남이 있을 때에는, 평면파가 되기 어려운 것이 발견된다. 여기서, 위치 판정부에 있어서, 파면 센서로 검출한 반사광의 파면이 평면이 아닌 경우에 전상 위치 어긋남이 있다고 판정함으로써, 전상 위치 어긋남의 유무를 정밀도 좋게 판정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치는, 표시부에 있어서 위상 패턴을 표시할 때에 기준으로 하는 기준 위치를, 반사광 검출기의 검출 결과에 기초하여 오프셋시키는 위치 조정부를 구비하고 있어도 된다. 반사광 검출기의 검출 결과로부터 기준 위치를 오프셋시킴으로써, 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 위치를, 예를 들면 전상 위치 어긋남이 저감되도록 자동으로 조정하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치에서는, 반사광 검출기는 반사광의 점 이미지를 포함하는 화상을 촬상하는 카메라를 포함하고, 위치 조정부는, 카메라로 촬상된 화상에 있어서의 반사광의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 되도록, 기준 위치를 오프셋시켜도 된다. 상술한 바와 같이, 전상 위치 어긋남이 없을 때에는, 카메라로 촬상된 반사광의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 되는 것이 발견된다. 따라서, 반사광의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 되도록 기준 위치를 오프셋시킴으로써, 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 중심 위치를 당해 입사 동공면의 중심 위치에 맞게 조정하여, 전상 위치 어긋남을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치에서는, 반사광 검출기는 반사광의 파면을 검출하는 파면 센서를 포함하고, 위치 조정부는, 파면 센서로 검출한 반사광의 파면이 평면이 되도록, 기준 위치를 오프셋시켜도 된다. 상술한 바와 같이, 전상 위치 어긋남이 없을 때에는, 반사광은 평면파가 되는 것이 발견된다. 따라서, 파면 센서로 검출한 반사광의 파면이 평면이 되도록 기준 위치를 오프셋시킴으로써, 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 중심 위치를 당해 입사 동공면의 중심 위치에 맞게 조정하여, 전상 위치 어긋남을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 장치는, 대물렌즈 및 대상물 중 적어도 한쪽을 이동시키는 이동 기구를 구비하고, 제어부는 표시부에 반사광 수차 보정 패턴을 표시시키는 제1 처리와, 이동 기구에 의해, 반사광 검출기로 반사광을 검출 가능한 위치에 대물렌즈 및 대상물 중 적어도 한쪽을 이동시키는 제2 처리와, 제2 처리 후, 제1 처리에 의해 표시부에 반사광 수차 보정 패턴을 표시시킨 상태에서, 레이저 광원으로부터 레이저광을 발생시켜 대상물에 조사시키고, 당해 조사에 따라서 검출된 반사광 검출기의 검출 결과를 취득하는 제3 처리와, 제3 처리를 표시부 상의 반사광 수차 보정 패턴의 위치를 변화시켜 1 또는 복수 회 반복하여, 반사광 검출기의 검출 결과를 복수 취득하는 제4 처리를 실행하고, 위치 조정부는 반사광 검출기의 복수의 검출 결과에 기초하여 표시부에 있어서의 광축 중심을 산출하고, 당해 광축 중심에 기준 위치를 오프셋시켜도 된다. 이 경우, 전상 위치 어긋남을 저감시키는 조정을 구체적으로 실현할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저광 조사 방법은, 레이저광 조사 장치를 이용하여 소정 두께의 대상물에 레이저광을 조사하는 레이저광 조사 방법으로서, 레이저광 조사 장치는 레이저광을 발생시키는 레이저 광원과, 위상 패턴을 표시하는 표시부를 가지고, 레이저 광원에서 발생시킨 레이저광을 표시부에 입사시켜, 당해 레이저광을 위상 패턴에 따라 변조하여 표시부로부터 출사하는 공간 광 변조기와, 공간 광 변조기에서 출사된 레이저광을 대상물에 집광하는 대물렌즈와, 공간 광 변조기의 표시부에 있어서의 레이저광의 상을 대물렌즈의 입사 동공면에 전상하는 전상 광학계와, 대상물에 입사되어 레이저광 입사면과는 반대측의 반대면에서 반사된 레이저광의 반사광을 검출하는 반사광 검출기를 구비하고, 소정 두께의 2배의 두께를 가지는 대상물을 레이저광이 투과하는 것으로 했을 경우에 발생하는 수차를 보정하는 위상 패턴인 반사광 수차 보정 패턴을 표시부에 표시시키는 제1 스텝과, 제1 스텝에 의해 반사광 수차 보정 패턴을 표시부에 표시시킨 상태에서, 레이저 광원으로부터 레이저광을 발생시켜 대상물에 조사하고, 당해 조사에 따라서 반사광 검출기에 의해 레이저광의 반사광을 검출하는 제2 스텝과, 제2 스텝 후, 표시부에 있어서 위상 패턴을 표시할 때에 기준으로 하는 기준 위치를, 반사광 검출기의 검출 결과에 기초하여 오프셋시키는 제3 스텝을 포함한다.
상술한 바와 같이, 전상 위치 어긋남이 있는 경우, 당해 전상 위치 어긋남이 없는 경우에 비해, 반사광 검출기로 검출한 반사광에 코마 수차 등의 수차의 영향이 나타나 쉬운 것이 발견된다. 따라서, 제2 스텝에서 검출한 반사광의 검출 결과에 의해서, 전상 위치 어긋남을 파악하는 것이 가능하게 된다. 또한, 제3 스텝에서 반사광 검출기의 검출 결과로부터 기준 위치를 오프셋시킴으로써, 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 위치를 전상 위치 어긋남이 저감되도록 조정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 전상 광학계에 의해서 대물렌즈의 입사 동공면에 전상한 레이저광의 상의 중심 위치와 당해 입사 동공면의 중심 위치 사이의 어긋남을 파악하는 것이 가능한 레이저광 조사 장치 및 레이저광 조사 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 개질 영역의 형성에 이용되는 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 개질 영역의 형성의 대상이 되는 가공 대상물의 평면도이다.
도 3은 도 2의 가공 대상물의 Ⅲ-Ⅲ선을 따른 단면도이다.
도 4는 레이저 가공 후의 가공 대상물의 평면도이다.
도 5는 도 4의 가공 대상물의 Ⅴ-Ⅴ선을 따른 단면도이다.
도 6은 도 4의 가공 대상물의 Ⅵ-Ⅵ선을 따른 단면도이다.
도 7은 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 8은 도 7의 레이저 가공 장치의 지지대에 장착되는 가공 대상물의 사시도이다.
도 9는 도 7의 ZX 평면을 따른 레이저 출력부의 단면도이다.
도 10은 도 7의 레이저 가공 장치에 있어서의 레이저 출력부 및 레이저 집광부의 일부의 사시도이다.
도 11은 도 7의 XY 평면을 따른 레이저 집광부의 단면도이다.
도 12는 도 11의 XⅡ-XⅡ선을 따른 레이저 집광부의 단면도이다.
도 13은 도 12의 XⅢ-XⅢ선을 따른 레이저 집광부의 단면도이다.
도 14는 도 7의 레이저 가공 장치에 있어서의 반사형 공간 광 변조기의 부분 단면도이다.
도 15는 도 11의 레이저 집광부에 있어서의 반사형 공간 광 변조기, 4f 렌즈 유닛 및 집광 렌즈 유닛의 광학적 배치 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치의 주요부를 나타내는 개략 구성도이다.
도 17은 레이저광의 이면 반사시에 있어서의 각 집광 상태를 설명하는 개략 단면도이다.
도 18은 도 17의 각 집광 상태에 있어서 관찰용 카메라로 촬상된 점 이미지 화상의 예를 나타내는 사진도이다.
도 19는 전상 위치 어긋남이 발생하지 않은 상태를 설명하는 개략도이다.
도 20은 전상 위치 어긋남이 발생하고 있는 상태를 설명하는 개략도이다.
도 21은 액정층에 표시하는 위상 패턴의 위치를 변화시켰을 때의 점 이미지 화상을 예시하는 도면이다.
도 22는 액정층에 표시하는 위상 패턴의 위치를 변화시켰을 때의 점 이미지 화상을 예시하는 다른 도면이다.
도 23은 실시 형태에 따른 레이저광 조사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 24는 도 23의 기준 위치 조정 처리를 나타내는 순서도이다.
도 25는 기준 위치와 레이저 가공 결과의 관계를 나타내는 표이다.
도 26은 기준 위치와 레이저 가공 결과의 관계를 나타내는 다른 표이다.
도 27은 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 주요부를 나타내는 개략 구성도이다.
이하, 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
실시 형태에 따른 레이저 가공 장치(레이저광 조사 장치)에서는, 가공 대상물에 레이저광을 집광함으로써, 절단 예정 라인을 따라서 가공 대상물에 개질 영역을 형성한다. 그래서, 먼저, 개질 영역의 형성에 대해서, 도 1~도 6을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)는 레이저광 L을 펄스 발진하는 레이저 광원(101)과, 레이저광 L의 광축(광로)의 방향을 90°바꾸도록 배치된 다이크로익 미러(103)와, 레이저광 L을 집광하기 위한 집광용 렌즈(105)를 구비하고 있다. 또한, 레이저 가공 장치(100)는 집광용 렌즈(105)로 집광된 레이저광 L이 조사되는 대상물인 가공 대상물(1)을 지지하기 위한 지지대(107)와, 지지대(107)를 이동시키기 위한 이동 기구인 스테이지(111)와, 레이저광 L의 출력이나 펄스 폭, 펄스 파형 등을 조절하기 위해서 레이저 광원(101)을 제어하는 레이저 광원 제어부(102)와, 스테이지(111)의 이동을 제어하는 스테이지 제어부(115)를 구비하고 있다.
레이저 가공 장치(100)에 있어서는, 레이저 광원(101)으로부터 출사된 레이저광 L은, 다이크로익 미러(103)에 의해서 그 광축의 방향이 90°바뀌어져, 지지대(107) 상에 재치된 가공 대상물(1)의 내부에 집광용 렌즈(105)에 의해서 집광된다. 이것과 함께, 스테이지(111)가 이동되어, 가공 대상물(1)이 레이저광 L에 대해서 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대 이동된다. 이것에 의해, 절단 예정 라인(5)을 따른 개질 영역이 가공 대상물(1)에 형성된다. 또한, 여기에서는, 레이저광 L을 상대적으로 이동시키기 위해서 스테이지(111)를 이동시켰지만, 집광용 렌즈(105)를 이동시켜도 되고, 혹은 이들 양쪽을 이동시켜도 된다.
가공 대상물(1)로서는, 반도체 재료로 형성된 반도체 기판이나 압전 재료로 형성된 압전 기판 등을 포함하는 판 모양의 부재(예를 들면, 기판, 웨이퍼 등)가 이용된다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 가공 대상물(1)에는, 가공 대상물(1)을 절단하기 위한 절단 예정 라인(5)이 설정되어 있다. 절단 예정 라인(5)은 직선 모양으로 연장된 가상선이다. 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역을 형성하는 경우, 도 3에 도시되는 바와 같이, 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(집광 위치) P를 맞춘 상태로, 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따라서(즉, 도 2의 화살표 A방향으로) 상대적으로 이동시킨다. 이것에 의해, 도 4, 도 5 및 도 6에 도시되는 바와 같이, 개질 영역(7)이 절단 예정 라인(5)을 따라서 가공 대상물(1)에 형성되고, 절단 예정 라인(5)을 따라서 형성된 개질 영역(7)이 절단 기점 영역(8)이 된다. 절단 예정 라인(5)은 조사 예정 라인에 대응한다.
집광점 P란, 레이저광 L이 집광되는 지점을 의미한다. 절단 예정 라인(5)은 직선 모양으로 한정되지 않고 곡선 모양이어도 되고, 이것들이 조합된 3차원 모양이어도 되고, 좌표 지정된 것이어도 된다. 절단 예정 라인(5)은 가상선으로 한정되지 않고 가공 대상물(1)의 표면(3)에 실제로 그어진 선이어도 된다. 개질 영역(7)은 연속적으로 형성되는 경우도 있고, 단속(斷續)적으로 형성되는 경우도 있다. 개질 영역(7)은 열 모양이어도 점 모양이어도 되며, 요점은, 개질 영역(7)은 적어도 가공 대상물(1)의 내부, 표면(3) 또는 이면에 형성되어 있으면 된다. 개질 영역(7)을 기점으로 균열이 형성되는 경우가 있고, 균열 및 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)의 외표면(표면(3), 이면, 혹은 외주면)에 노출되어 있어도 된다. 개질 영역(7)을 형성할 때의 레이저광 입사면은, 가공 대상물(1)의 표면(3)으로 한정되는 것은 아니며, 가공 대상물(1)의 이면이어도 된다.
이와 관련하여, 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광 L은, 가공 대상물(1)을 투과하는 것과 함께, 가공 대상물(1)의 내부에 위치하는 집광점 P 근방에서 특히 흡수된다. 이것에 의해, 가공 대상물(1)에 개질 영역(7)이 형성된다(즉, 내부 흡수형 레이저 가공). 이 경우, 가공 대상물(1)의 표면(3)에서는 레이저광 L이 거의 흡수되지 않기 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융되는 일은 없다. 한편, 가공 대상물(1)의 표면(3) 또는 이면에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광 L은, 표면(3) 또는 이면에 위치하는 집광점 P 근방에서 특히 흡수되어, 표면(3) 또는 이면으로부터 용융되어 제거되어, 구멍이나 홈 등의 제거부가 형성된다(표면 흡수형 레이저 가공).
개질 영역(7)은 밀도, 굴절률, 기계적 강도나 그 외의 물리적 특성이 주위와는 다른 상태로 된 영역을 말한다. 개질 영역(7)으로서는, 예를 들면, 용융 처리 영역(일단 용융 후 재고체화된 영역, 용융 상태 중인 영역 및 용융으로부터 재고체화되는 상태 중인 영역 중 적어도 어느 하나를 의미함), 크랙 영역, 절연 파괴 영역, 굴절률 변화 영역 등이 있고, 이것들이 혼재된 영역도 있다. 또한, 개질 영역(7)으로서는, 가공 대상물(1)의 재료에 있어서 개질 영역(7)의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교하여 변화된 영역이나, 격자 결함이 형성된 영역이 있다. 가공 대상물(1)의 재료가 단결정 실리콘인 경우, 개질 영역(7)은 고전위밀도 영역이라고도 할 수 있다.
용융 처리 영역, 굴절률 변화 영역, 개질 영역(7)의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교하여 변화된 영역, 및, 격자 결함이 형성된 영역은, 또한, 그들 영역의 내부나 개질 영역(7)과 비개질 영역의 계면에 균열(갈라짐, 마이크로 크랙)을 내포하고 있는 경우가 있다. 내포되는 균열은, 개질 영역(7)의 전면에 걸치는 경우나 일부분만이나 복수 부분에 형성되는 경우가 있다. 가공 대상물(1)은 결정 구조를 가지는 결정 재료로 이루어지는 기판을 포함한다. 예를 들면 가공 대상물(1)은 질화 갈륨(GaN), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), LiTaO3, 및, 사파이어(Al2O3) 중 적어도 어느 것으로 형성된 기판을 포함한다. 바꿔말하면, 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 질화 갈륨 기판, 실리콘 기판, SiC 기판, LiTaO3 기판, 또는 사파이어 기판을 포함한다. 결정 재료는 이방성 결정 및 등방성 결정 중 어느 것이어도 된다. 또한, 가공 대상물(1)은 비결정 구조(비정질 구조)를 가지는 비결정 재료로 이루어지는 기판을 포함하고 있어도 되고, 예를 들면 유리 기판을 포함하고 있어도 된다.
실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)을 따라서 개질 스팟(가공 흔적)을 복수 형성함으로써, 개질 영역(7)을 형성할 수 있다. 이 경우, 복수의 개질 스팟이 모임으로써 개질 영역(7)이 된다. 개질 스팟이란, 펄스 레이저광의 1펄스의 쇼트(즉 1펄스의 레이저 조사: 레이저 쇼트)로 형성되는 개질 부분이다. 개질 스팟으로서는, 크랙 스팟, 용융 처리 스팟 혹은 굴절률 변화 스팟, 또는 이것들 중 적어도 하나가 혼재하는 것 등을 들 수 있다. 개질 스팟에 대해서는, 요구되는 절단 정밀도, 요구되는 절단면의 평탄성, 가공 대상물(1)의 두께, 종류, 결정 방위 등을 고려하여, 그 크기나 발생하는 균열의 길이를 적절히 제어할 수 있다. 또한, 실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)을 따라서, 개질 스팟을 개질 영역(7)으로서 형성할 수 있다.
[실시 형태에 따른 레이저 가공 장치］
다음으로, 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하의 설명에서는, 수평면 내에 있어서 서로 직교하는 방향을 X축 방향 및 Y축 방향으로 하고, 연직 방향을 Z축 방향으로 한다.
[레이저 가공 장치의 전체 구성］
도 7에 도시되는 바와 같이, 레이저 가공 장치(200)는 장치 프레임(210)과, 제1 이동 기구(220)와, 지지대(230)와, 제2 이동 기구(이동 기구)(240)를 구비하고 있다. 또한, 레이저 가공 장치(200)는 레이저 출력부(300)와, 레이저 집광부(400)와, 제어부(500)를 구비하고 있다.
제1 이동 기구(220)는 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 제1 이동 기구(220)는 제1 레일 유닛(221)과, 제2 레일 유닛(222)과, 가동 베이스(223)를 가지고 있다. 제1 레일 유닛(221)은 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 제1 레일 유닛(221)에는, Y축 방향을 따라서 연장되는 한쌍의 레일(221a, 221b)이 마련되어 있다. 제2 레일 유닛(222)은, Y축 방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 제1 레일 유닛(221)의 한쌍의 레일(221a, 221b)에 장착되어 있다. 제2 레일 유닛(222)에는, X축 방향을 따라서 연장되는 한쌍의 레일(222a, 222b)이 마련되어 있다. 가동 베이스(223)는, X축 방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 제2 레일 유닛(222)의 한쌍의 레일(222a, 222b)에 장착되어 있다. 가동 베이스(223)는 Z축 방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전 가능하다.
지지대(230)는 가동 베이스(223)에 장착되어 있다. 지지대(230)는 가공 대상물(1)을 지지한다. 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 실리콘 등의 반도체 재료로 이루어지는 기판의 표면측에 복수의 기능 소자(포토다이오드 등의 수광 소자, 레이저 다이오드 등의 발광 소자, 또는 회로로서 형성된 회로 소자 등)가 매트릭스 모양으로 형성된 것이다. 가공 대상물(1)이 지지대(230)에 지지될 때에는, 도 8에 도시되는 바와 같이, 링 모양의 프레임(11)에 붙인 필름(12) 상에, 예를 들면 가공 대상물(1)의 표면(1a)(복수의 기능 소자측의 면)이 점착된다. 지지대(230)는 클램프에 의해서 프레임(11)을 유지하는 것과 함께 진공 척 테이블에 의해서 필름(12)을 흡착 함으로써, 가공 대상물(1)을 지지한다. 지지대(230) 상에 있어서, 가공 대상물(1)에는, 서로 평행한 복수의 절단 예정 라인(5a), 및 서로 평행한 복수의 절단 예정 라인(5b)이, 서로 이웃하는 기능 소자의 사이를 통과하도록 격자 모양으로 설정된다. 가공 대상물(1)은 소정 두께(여기에서는, 775㎛)의 판 모양을 나타내고 있다. 가공 대상물(1)의 소정 두께는 한정되지 않고, 다양한 두께여도 물론 된다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에 있어서 제2 레일 유닛(222)이 동작함으로써, Y축 방향을 따라서 이동된다. 또한, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에 있어서 가동 베이스(223)가 동작함으로써, X축 방향을 따라서 이동된다. 또한, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에 있어서 가동 베이스(223)가 동작함으로써, Z축 방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전된다. 이와 같이, 지지대(230)는 X축 방향 및 Y축 방향을 따라서 이동 가능하게 되고 또한 Z축 방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전 가능하게 되도록, 장치 프레임(210)에 장착되어 있다.
레이저 출력부(300)는 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 레이저 집광부(400)는 제2 이동 기구(240)를 통해서 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 레이저 집광부(400)는, 제2 이동 기구(240)가 동작함으로써, Z축 방향을 따라서 이동된다. 이와 같이, 레이저 집광부(400)는, 레이저 출력부(300)에 대해서 Z축 방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 장치 프레임(210)에 장착되어 있다.
제어부(500)는 CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory) 등에 의해서 구성되어 있다. 제어부(500)는 레이저 가공 장치(200)의 각 부의 동작을 제어한다.
일례로서, 레이저 가공 장치(200)에서는, 다음과 같이, 각 절단 예정 라인(5a, 5b)(도 8 참조)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역이 형성된다.
먼저, 가공 대상물(1)의 이면(1b)(도 8 참조)이 레이저광 입사면이 되도록, 가공 대상물(1)이 지지대(230)에 지지되고, 가공 대상물(1)의 각 절단 예정 라인(5a)이 X축 방향에 평행한 방향으로 맞춰진다. 이어서, 가공 대상물(1)의 내부에 있어서 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면으로부터 소정 거리만큼 이격된 위치에 레이저광 L의 집광점이 위치하도록, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 이동된다. 이어서, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면과 레이저광 L의 집광점의 거리가 일정하게 유지되면서, 각 절단 예정 라인(5a)을 따라서 레이저광 L의 집광점이 상대적으로 이동된다. 이것에 의해, 각 절단 예정 라인(5a)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역이 형성된다.
각 절단 예정 라인(5a)을 따른 개질 영역의 형성이 종료되면, 제1 이동 기구(220)에 의해서 지지대(230)가 회전되어, 가공 대상물(1)의 각 절단 예정 라인(5b)이 X축 방향에 평행한 방향으로 맞춰진다. 이어서, 가공 대상물(1)의 내부에 있어서 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면으로부터 소정 거리만큼 이격된 위치에 레이저광 L의 집광점이 위치하도록, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 이동된다. 이어서, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면과 레이저광 L의 집광점의 거리가 일정하게 유지되면서, 각 절단 예정 라인(5b)을 따라서 레이저광 L의 집광점이 상대적으로 이동된다. 이것에 의해, 각 절단 예정 라인(5b)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역이 형성된다.
이와 같이, 레이저 가공 장치(200)에서는, X축 방향에 평행한 방향이 가공 방향(레이저광 L의 스캔 방향)으로 되어 있다. 또한, 각 절단 예정 라인(5a)을 따른 레이저광 L의 집광점의 상대적인 이동, 및 각 절단 예정 라인(5b)을 따른 레이저광 L의 집광점의 상대적인 이동은, 제1 이동 기구(220)에 의해서 지지대(230)가 X축 방향을 따라서 이동됨으로써, 실시된다. 또한, 각 절단 예정 라인(5a) 간에 있어서의 레이저광 L의 집광점의 상대적인 이동, 및 각 절단 예정 라인(5b) 간에 있어서의 레이저광 L의 집광점의 상대적인 이동은, 제1 이동 기구(220)에 의해서 지지대(230)가 Y축 방향을 따라서 이동됨으로써, 실시된다.
도 9에 도시되는 바와 같이, 레이저 출력부(300)는 장착 베이스(301)와, 커버(302)와, 복수의 미러(303, 304)를 가지고 있다. 또한, 레이저 출력부(300)는 레이저 발진기(레이저 광원)(310)와, 셔터(320)와, λ/2 파장판 유닛(330)과, 편광판 유닛(340)과, 빔 익스팬더(350)와, 미러 유닛(360)을 가지고 있다.
장착 베이스(301)는 복수의 미러(303, 304), 레이저 발진기(310), 셔터(320), λ/2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340), 빔 익스팬더(350) 및 미러 유닛(360)을 지지하고 있다. 복수의 미러(303, 304), 레이저 발진기(310), 셔터(320), λ/2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340), 빔 익스팬더(350) 및 미러 유닛(360)은, 장착 베이스(301)의 주면(301a)에 장착되어 있다. 장착 베이스(301)는 판 모양의 부재이며, 장치 프레임(210)(도 7 참조)에 대해서 착탈 가능하다. 레이저 출력부(300)는 장착 베이스(301)를 통해서 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 즉, 레이저 출력부(300)는 장치 프레임(210)에 대해서 착탈 가능하다.
커버(302)는, 장착 베이스(301)의 주면(301a) 상에 있어서, 복수의 미러(303, 304), 레이저 발진기(310), 셔터(320), λ/2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340), 빔 익스팬더(350) 및 미러 유닛(360)을 덮고 있다. 커버(302)는 장착 베이스(301)에 대해서 착탈 가능하다.
레이저 발진기(310)는 직선 편광의 레이저광 L을 X축 방향을 따라서 펄스 발진한다. 레이저 발진기(310)로부터 출사되는 레이저광 L의 파장은, 500~550nm, 1000~1150nm 또는 1300~1400nm 중 어느 파장 대역에 포함된다. 500~550nm의 파장 대역의 레이저광 L은, 예를 들면 사파이어로 이루어지는 기판에 대한 내부 흡수형 레이저 가공에 적합하다. 1000~1150nm 및 1300~1400nm의 각 파장 대역의 레이저광 L은, 예를 들면 실리콘으로 이루어지는 기판에 대한 내부 흡수형 레이저 가공에 적합하다. 레이저 발진기(310)로부터 출사되는 레이저광 L의 편광 방향은, 예를 들면, Y축 방향에 평행한 방향이다. 레이저 발진기(310)로부터 출사된 레이저광 L은, 미러(303)에 의해서 반사되어, Y축 방향을 따라서 셔터(320)에 입사된다.
레이저 발진기(310)에서는, 다음과 같이, 레이저광 L의 출력의 ON/OFF가 전환된다. 레이저 발진기(310)가 고체 레이저로 구성되어 있는 경우, 공진기 내에 마련된 Q 스위치(AOM(음향 광학 변조기), EOM(전기 광학 변조기) 등)의 ON/OFF가 전환됨으로써, 레이저광 L의 출력의 ON/OFF가 고속으로 전환된다. 레이저 발진기(310)가 파이버 레이저로 구성되어 있는 경우, 시드 레이저, 앰프(여기용) 레이저를 구성하는 반도체 레이저의 출력의 ON/OFF가 전환됨으로써, 레이저광 L의 출력의 ON/OFF가 고속으로 전환된다. 레이저 발진기(310)가 외부 변조 소자를 이용하고 있는 경우, 공진기 밖에 마련된 외부 변조 소자(AOM, EOM 등)의 ON/OFF가 전환됨으로써, 레이저광 L의 출력의 ON/OFF가 고속으로 전환된다.
셔터(320)는 기계식의 기구에 의해서 레이저광 L의 광로를 개폐한다. 레이저 출력부(300)로부터의 레이저광 L의 출력의 ON/OFF의 전환은, 상술한 바와 같이, 레이저 발진기(310)에서의 레이저광 L의 출력의 ON/OFF의 전환에 의해서 실시되지만, 셔터(320)가 마련되어 있음으로써, 예를 들면 레이저 출력부(300)로부터 레이저광 L이 갑자기 출사되는 것이 방지된다. 셔터(320)를 통과한 레이저광 L은, 미러(304)에 의해서 반사되어, X축 방향을 따라서 λ/2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)에 차례로 입사된다.
λ/2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)은, 레이저광 L의 출력(광 강도)을 조정하는 출력 조정부로서 기능한다. 또한, λ/2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)은, 레이저광 L의 편광 방향을 조정하는 편광 방향 조정부로서 기능한다. λ/2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)을 차례로 통과한 레이저광 L은, X축 방향을 따라서 빔 익스팬더(350)에 입사된다.
빔 익스팬더(350)는 레이저광 L의 지름을 조정하면서, 레이저광 L을 평행화시킨다. 빔 익스팬더(350)를 통과한 레이저광 L은, X축 방향을 따라서 미러 유닛(360)에 입사된다.
미러 유닛(360)은 지지 베이스(361)와, 복수의 미러(362, 363)를 가지고 있다. 지지 베이스(361)는 복수의 미러(362, 363)를 지지하고 있다. 지지 베이스(361)는, X축 방향 및 Y축 방향을 따라서 위치 조정 가능하게 되도록, 장착 베이스(301)에 장착되어 있다. 미러(제1 미러)(362)는 빔 익스팬더(350)를 통과한 레이저광 L을 Y축 방향으로 반사한다. 미러(362)는, 그 반사면이 예를 들면 Z축에 평행한 축선 둘레로 각도 조정 가능하게 되도록, 지지 베이스(361)에 장착되어 있다. 미러(제2 미러)(363)는 미러(362)에 의해서 반사된 레이저광 L을 Z축 방향으로 반사한다. 미러(363)는, 그 반사면이 예를 들면 X축에 평행한 축선 둘레로 각도 조정 가능하게 되고 또한 Y축 방향을 따라서 위치 조정 가능하게 되도록, 지지 베이스(361)에 장착되어 있다. 미러(363)에 의해서 반사된 레이저광 L은, 지지 베이스(361)에 형성된 개구(361a)를 통과하여, Z축 방향을 따라서 레이저 집광부(400)(도 7 참조)에 입사된다. 즉, 레이저 출력부(300)에 의한 레이저광 L의 출사 방향은, 레이저 집광부(400)의 이동 방향과 일치하고 있다. 상술한 바와 같이, 각 미러(362, 363)는, 반사면의 각도를 조정하기 위한 기구를 가지고 있다. 미러 유닛(360)에서는, 장착 베이스(301)에 대한 지지 베이스(361)의 위치 조정, 지지 베이스(361)에 대한 미러(363)의 위치 조정, 및 각 미러(362, 363)의 반사면의 각도 조정이 실시됨으로써, 레이저 출력부(300)로부터 출사되는 레이저광 L의 광축의 위치 및 각도가 레이저 집광부(400)에 대해서 맞춰진다. 즉, 복수의 미러(362, 363)는, 레이저 출력부(300)로부터 출사되는 레이저광 L의 광축을 조정하기 위한 구성이다.
도 10에 도시되는 바와 같이, 레이저 집광부(400)는 하우징(401)을 가지고 있다. 하우징(401)은 Y축 방향을 길이 방향으로 하는 직육면체 모양의 형상을 나타내고 있다. 하우징(401)의 한쪽 측면(401e)에는, 제2 이동 기구(240)가 장착되어 있다(도 11 및 도 13 참조). 하우징(401)에는, 미러 유닛(360)의 개구(361a)와 Z축 방향에 있어서 대향하도록, 원통 모양의 광 입사부(401a)가 마련되어 있다. 광 입사부(401a)는 레이저 출력부(300)로부터 출사된 레이저광 L을 하우징(401) 내에 입사시킨다. 미러 유닛(360)과 광 입사부(401a)는, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 Z축 방향을 따라서 이동되었을 때에 서로 접촉되는 일이 없는 거리만큼, 서로 이격되어 있다.
도 11 및 도 12에 도시되는 바와 같이, 레이저 집광부(400)는 미러(402)와, 다이크로익 미러(403)를 가지고 있다. 또한, 레이저 집광부(400)는 반사형 공간 광 변조기(410)와, 4f 렌즈 유닛(420)과, 집광 렌즈 유닛(대물렌즈)(430)과, 구동 기구(440)와, 한쌍의 측거 센서(450)를 가지고 있다.
미러(402)는, 광 입사부(401a)와 Z축 방향에 있어서 대향하도록, 하우징(401)의 바닥면(401b)에 장착되어 있다. 미러(402)는 광 입사부(401a)를 통해서 하우징(401) 내로 입사된 레이저광 L을 XY 평면에 평행한 방향으로 반사한다. 미러(402)에는, 레이저 출력부(300)의 빔 익스팬더(350)에 의해서 평행화된 레이저광 L이 Z축 방향을 따라서 입사된다. 즉, 미러(402)에는, 레이저광 L이 평행광으로서 Z축 방향을 따라서 입사된다. 그 때문에, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 Z축 방향을 따라서 이동되어도, Z축 방향을 따라서 미러(402)에 입사되는 레이저광 L의 상태는 일정하게 유지된다. 미러(402)에 의해서 반사된 레이저광 L은, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사된다.
반사형 공간 광 변조기(410)는, 반사면(410a)이 하우징(401) 내를 향한 상태로, Y축 방향에 있어서의 하우징(401)의 단부(401c)에 장착되어 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)는 예를 들면 반사형 액정(LCOS: Liquid Crystal on Silicon)의 공간 광 변조기(SLM: Spatial Light Modulator)이며, 레이저광 L을 변조하면서, 레이저광 L을 Y축 방향으로 반사한다. 반사형 공간 광 변조기(410)에 의해서 변조되는 것과 함께 반사된 레이저광 L은, Y축 방향을 따라서 4f 렌즈 유닛(420)으로 입사된다. 여기서, XY 평면에 평행한 평면 내에 있어서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사되는 레이저광 L의 광축과, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출사되는 레이저광 L의 광축이 이루는 각도 α는, 예각(예를 들면, 10~60°)으로 되어 있다. 즉, 레이저광 L은 반사형 공간 광 변조기(410)에 있어서 XY 평면을 따라서 예각으로 반사된다. 이것은, 레이저광 L의 입사각 및 반사각을 작게 하여 회절 효율의 저하를 억제시켜서, 반사형 공간 광 변조기(410)의 성능을 충분히 발휘시키기 위함이다. 또한, 반사형 공간 광 변조기(410)에서는, 예를 들면, 액정이 이용된 광 변조층의 두께가 수㎛~수십㎛ 정도로 매우 얇기 때문에, 반사면(410a)은 광 변조층의 광 입출사면과 실질적으로 같다고 파악할 수 있다.
4f 렌즈 유닛(420)은 홀더(421)와, 반사형 공간 광 변조기(410)측의 렌즈(422)와, 집광 렌즈 유닛(430)측의 렌즈(423)와, 슬릿 부재(424)를 가지고 있다. 홀더(421)는 한쌍의 렌즈(422, 423) 및 슬릿 부재(424)를 유지하고 있다. 홀더(421)는 레이저광 L의 광축을 따른 방향에 있어서의 한쌍의 렌즈(422, 423) 및 슬릿 부재(424)의 서로의 위치 관계를 일정하게 유지하고 있다. 한쌍의 렌즈(422, 423)는, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(동공면)(430a)이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고 있다. 이것에 의해, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광 L의 상(반사형 공간 광 변조기(410)에 있어서 변조된 레이저광 L의 상)이, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)에 전상(결상)된다. 슬릿 부재(424)에는, 슬릿(424a)이 형성되어 있다. 슬릿(424a)은 렌즈(422)와 렌즈(423)의 사이로서, 렌즈(422)의 초점면 부근에 위치하고 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)에 의해서 변조되는 것과 함께 반사된 레이저광 L 중 불필요한 부분은, 슬릿 부재(424)에 의해서 차단된다. 4f 렌즈 유닛(420)을 통과한 레이저광 L은, Y축 방향을 따라서 다이크로익 미러(403)에 입사된다.
다이크로익 미러(403)는 레이저광 L의 대부분(예를 들면, 95~99.5%)을 Z축 방향으로 반사하고, 레이저광 L의 일부(예를 들면, 0.5~5%)를 Y축 방향을 따라서 투과시킨다. 레이저광 L의 대부분은, 다이크로익 미러(403)에 있어서 ZX 평면을 따라서 직각으로 반사된다. 다이크로익 미러(403)에 의해서 반사된 레이저광 L은, Z축 방향을 따라서 집광 렌즈 유닛(430)에 입사된다.
집광 렌즈 유닛(430)은, Y축 방향에 있어서의 하우징(401)의 단부(401d)(단부(401c)의 반대측의 단부)에, 구동 기구(440)를 통해서 장착되어 있다. 집광 렌즈 유닛(430)은 홀더(431)와, 복수의 렌즈(432)를 가지고 있다. 홀더(431)는 복수의 렌즈(432)를 유지하고 있다. 복수의 렌즈(432)는, 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)(도 7 참조)에 대해서 레이저광 L을 집광한다. 구동 기구(440)는, 압전 소자의 구동력에 의해서, 집광 렌즈 유닛(430)을 Z축 방향을 따라서 이동시킨다.
한쌍의 측거 센서(450)는, X축 방향에 있어서 집광 렌즈 유닛(430)의 양측에 위치하도록, 하우징(401)의 단부(401d)에 장착되어 있다. 각 측거 센서(450)는 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)(도 7 참조)의 레이저광 입사면에 대해서 측거용의 광(예를 들면, 레이저광)을 출사하고, 당해 레이저광 입사면에 의해서 반사된 측거용의 광을 검출함으로써, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면의 변위 데이터를 취득한다. 또한, 측거 센서(450)에는, 삼각 측거 방식, 레이저 공초점 방식, 백색 공초점 방식, 분광 간섭 방식, 비점 수차 방식 등의 센서를 이용할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 상술한 바와 같이, X축 방향에 평행한 방향이 가공 방향(레이저광 L의 스캔 방향)으로 되어 있다. 그 때문에, 각 절단 예정 라인(5a, 5b)을 따라서 레이저광 L의 집광점이 상대적으로 이동될 때에, 한쌍의 측거 센서(450) 중 집광 렌즈 유닛(430)에 대해서 상대적으로 선행하는 측거 센서(450)가, 각 절단 예정 라인(5a, 5b)을 따른 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면의 변위 데이터를 취득한다. 그리고, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면과 레이저광 L의 집광점의 거리가 일정하게 유지되도록, 구동 기구(440)가, 측거 센서(450)에 의해서 취득된 변위 데이터에 기초하여 집광 렌즈 유닛(430)을 Z축 방향을 따라서 이동시킨다.
레이저 집광부(400)는 빔 스플리터(461)와, 한쌍의 렌즈(462, 463)와, 프로파일 취득용 카메라(464)를 가지고 있다. 빔 스플리터(461)는 다이크로익 미러(403)를 투과한 레이저광 L을 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 빔 스플리터(461)에 의해서 반사된 레이저광 L은, Z축 방향을 따라서 한쌍의 렌즈(462, 463) 및 프로파일 취득용 카메라(464)에 차례로 입사된다. 한쌍의 렌즈(462, 463)는, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)과 프로파일 취득용 카메라(464)의 촬상면이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고 있다. 이것에 의해, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)에서의 레이저광 L의 상이, 프로파일 취득용 카메라(464)의 촬상면에 전상(결상)된다. 상술한 바와 같이, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)에서의 레이저광 L의 상은, 반사형 공간 광 변조기(410)에 있어서 변조된 레이저광 L의 상이다. 따라서, 레이저 가공 장치(200)에서는, 프로파일 취득용 카메라(464)에 의한 촬상 결과를 감시함으로써, 반사형 공간 광 변조기(410)의 동작 상태를 파악할 수 있다.
또한, 레이저 집광부(400)는 빔 스플리터(471)와, 렌즈(472)와, 레이저광 L의 광축 위치 모니터용의 카메라(473)를 가지고 있다. 빔 스플리터(471)는 빔 스플리터(461)를 투과한 레이저광 L을 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 빔 스플리터(471)에 의해서 반사된 레이저광 L은, Z축 방향을 따라서 렌즈(472) 및 카메라(473)에 차례로 입사된다. 렌즈(472)는 입사된 레이저광 L을 카메라(473)의 촬상면 상에 집광한다. 레이저 가공 장치(200)에서는, 프로파일 취득용 카메라(464) 및 카메라(473)의 각각에 의한 촬상 결과를 감시하면서, 미러 유닛(360)에 있어서, 장착 베이스(301)에 대한 지지 베이스(361)의 위치 조정, 지지 베이스(361)에 대한 미러(363)의 위치 조정, 및 각 미러(362, 363)의 반사면의 각도 조정을 실시함으로써(도 9 및 도 10 참조), 집광 렌즈 유닛(430)에 입사하는 레이저광 L의 광축의 어긋남(집광 렌즈 유닛(430)에 대한 레이저광의 강도 분포의 위치 어긋남, 및 집광 렌즈 유닛(430)에 대한 레이저광 L의 광축의 각도 어긋남)을 보정할 수 있다.
복수의 빔 스플리터(461, 471)는, 하우징(401)의 단부(401d)로부터 Y축 방향을 따라서 연장되는 통체(筒體)(404) 내에 배치되어 있다. 한쌍의 렌즈(462, 463)는, Z축 방향을 따라서 통체(404) 상에 입설(立設)된 통체(405) 내에 배치되어 있고, 프로파일 취득용 카메라(464)는 통체(405)의 단부에 배치되어 있다. 렌즈(472)는 Z축 방향을 따라서 통체(404) 상에 입설된 통체(406) 내에 배치되어 있고, 카메라(473)는 통체(406)의 단부에 배치되어 있다. 통체(405)와 통체(406)는, Y축 방향에 있어서 서로 병설되어 있다. 또한, 빔 스플리터(471)를 투과한 레이저광 L은, 통체(404)의 단부에 마련된 댐퍼 등에 흡수되도록 해도 되고, 혹은, 적절한 용도로 이용되도록 해도 된다.
도 12 및 도 13에 도시되는 바와 같이, 레이저 집광부(400)는 가시 광원(481)과, 복수의 렌즈(482)와, 레티클(483)과, 미러(484)와, 하프 미러(485)와, 빔 스플리터(486)와, 렌즈(487)와, 관찰용 카메라(488)를 가지고 있다. 가시 광원(481)은 Z축 방향을 따라서 가시광 V를 출사한다. 복수의 렌즈(482)는, 가시 광원(481)으로부터 출사된 가시광 V를 평행화시킨다. 레티클(483)은 가시광 V에 눈금선을 부여한다. 미러(484)는 복수의 렌즈(482)에 의해서 평행화된 가시광 V를 X축 방향으로 반사한다. 하프 미러(485)는 미러(484)에 의해서 반사된 가시광 V를 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 하프 미러(485)에 의해서 반사된 가시광 V는, Z축 방향을 따라서 빔 스플리터(486) 및 다이크로익 미러(403)를 차례로 투과하여, 집광 렌즈 유닛(430)을 통해서, 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)(도 7 참조)에 조사된다.
가공 대상물(1)에 조사된 가시광 V는, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에 의해서 반사되어, 집광 렌즈 유닛(430)을 통해서 다이크로익 미러(403)에 입사되고, Z축 방향을 따라서 다이크로익 미러(403)를 투과한다. 빔 스플리터(486)는 다이크로익 미러(403)를 투과한 가시광 V를 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 빔 스플리터(486)를 투과한 가시광 V는, 하프 미러(485)를 투과하여, Z축 방향을 따라서 렌즈(487) 및 관찰용 카메라(488)에 차례로 입사된다. 렌즈(487)는 입사된 가시광 V를 관찰용 카메라(488)의 촬상면 상에 집광한다. 레이저 가공 장치(200)에서는, 관찰용 카메라(488)에 의한 촬상 결과를 관찰함으로써, 가공 대상물(1)의 상태를 파악할 수 있다.
미러(484), 하프 미러(485) 및 빔 스플리터(486)는, 하우징(401)의 단부(401d) 상에 장착된 홀더(407) 내에 배치되어 있다. 복수의 렌즈(482) 및 레티클(483)은, Z축 방향을 따라서 홀더(407) 상에 입설된 통체(408) 내에 배치되어 있고, 가시 광원(481)은 통체(408)의 단부에 배치되어 있다. 렌즈(487)는 Z축 방향을 따라서 홀더(407) 상에 입설된 통체(409) 내에 배치되어 있고, 관찰용 카메라(488)는 통체(409)의 단부에 배치되어 있다. 통체(408)와 통체(409)는, X축 방향에 있어서 서로 병설되어 있다. 또한, X축 방향을 따라서 하프 미러(485)를 투과한 가시광 V, 및 빔 스플리터(486)에 의해서 X축 방향으로 반사된 가시광 V는, 각각, 홀더(407)의 벽부에 마련된 댐퍼 등에 흡수되도록 해도 되고, 혹은, 적절한 용도로 이용되도록 해도 된다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 레이저 출력부(300)의 교환이 상정되어 있다. 이것은, 가공 대상물(1)의 사양, 가공 조건 등에 따라서, 가공에 적합한 레이저광 L의 파장이 다르기 때문이다. 그 때문에, 출사하는 레이저광 L의 파장이 서로 다른 복수의 레이저 출력부(300)가 준비된다. 여기에서는, 출사하는 레이저광 L의 파장이 500~550nm의 파장 대역에 포함되는 레이저 출력부(300), 출사하는 레이저광 L의 파장이 1000~1150nm의 파장 대역에 포함되는 레이저 출력부(300), 및 출사하는 레이저광 L의 파장이 1300~1400nm의 파장 대역에 포함되는 레이저 출력부(300)가 준비된다.
한편, 레이저 가공 장치(200)에서는, 레이저 집광부(400)의 교환이 상정되어 있지 않다. 이것은, 레이저 집광부(400)가 멀티 파장에 대응하고 있기(서로 연속하지 않는 복수의 파장 대역에 대응하고 있기) 때문이다. 구체적으로는, 미러(402), 반사형 공간 광 변조기(410), 4f 렌즈 유닛(420)의 한쌍의 렌즈(422, 423), 다이크로익 미러(403), 및 집광 렌즈 유닛(430)의 렌즈(432) 등이 멀티 파장에 대응하고 있다. 여기에서는, 레이저 집광부(400)는 500~550nm, 1000~1150nm 및 1300~1400nm의 파장 대역에 대응하고 있다. 이것은, 레이저 집광부(400)의 각 구성에 소정의 유전체 다층막을 코팅하는 것 등, 원하는 광학 성능이 만족되도록 레이저 집광부(400)의 각 구성이 설계됨으로써 실현된다. 또한, 레이저 출력부(300)에 있어서, λ/2 파장판 유닛(330)은 λ/2 파장판을 가지고 있고, 편광판 유닛(340)은 편광판을 가지고 있다. λ/2 파장판 및 편광판은, 파장 의존성이 높은 광학 소자이다. 그 때문에, λ/2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)은, 파장 대역마다 다른 구성으로서 레이저 출력부(300)에 마련되어 있다.
[레이저 가공 장치에 있어서의 레이저광의 광로 및 편광 방향］
레이저 가공 장치(200)에서는, 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)에 대해서 집광되는 레이저광 L의 편광 방향은, 도 11에 도시되는 바와 같이, X축 방향에 평행한 방향으로, 가공 방향(레이저광 L의 스캔 방향)과 일치하고 있다. 여기서, 반사형 공간 광 변조기(410)에서는, 레이저광 L이 P 편광으로서 반사된다. 이것은, 반사형 공간 광 변조기(410)의 광 변조층에 액정이 이용되고 있는 경우에 있어서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 대해서 입출사하는 레이저광 L의 광축을 포함하는 평면에 평행한 면 내에서 액정 분자가 경사지도록, 당해 액정이 배향(配向)되어 있을 때에는, 편파(偏波)면의 회전이 억제된 상태로 레이저광 L에 위상 변조가 실시되기 때문이다(예를 들면, 일본 특허 제3878758호 공보 참조). 한편, 다이크로익 미러(403)에서는, 레이저광 L이 S 편광으로서 반사된다. 이것은, 레이저광 L을 P 편광으로서 반사시키는 것보다도, 레이저광 L을 S 편광으로서 반사시키는 쪽이, 다이크로익 미러(403)를 멀티 파장에 대응시키기 위한 유전체 다층막의 코팅수가 감소하는 등, 다이크로익 미러(403)의 설계가 용이하게 되기 때문이다.
따라서, 레이저 집광부(400)에서는, 미러(402)로부터 반사형 공간 광 변조기(410) 및 4f 렌즈 유닛(420)을 통해서 다이크로익 미러(403)에 이르는 광로가, XY 평면을 따르도록 설정되어 있고, 다이크로익 미러(403)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 광로가, Z축 방향을 따르도록 설정되어 있다.
도 9에 도시되는 바와 같이, 레이저 출력부(300)에서는, 레이저광 L의 광로가 X축 방향 또는 Y축 방향을 따르도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 레이저 발진기(310)로부터 미러(303)에 이르는 광로, 및, 미러(304)로부터 λ/2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340)과 빔 익스팬더(350)를 통해서 미러 유닛(360)에 이르는 광로가, X축 방향을 따르도록 설정되어 있고, 미러(303)로부터 셔터(320)를 통해서 미러(304)에 이르는 광로, 및, 미러 유닛(360)에 있어서 미러(362)로부터 미러(363)에 이르는 광로가, Y축 방향을 따르도록 설정되어 있다.
여기서, Z축 방향을 따라서 레이저 출력부(300)로부터 레이저 집광부(400)로 진행된 레이저광 L은, 도 11에 도시되는 바와 같이, 미러(402)에 의해서 XY 평면에 평행한 방향으로 반사되어, 반사형 공간 광 변조기(410)로 입사된다. 이때, XY 평면에 평행한 평면 내에 있어서, 반사형 공간 광 변조기(410)로 입사되는 레이저광 L의 광축과, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출사되는 레이저광 L의 광축은, 예각인 각도 α를 이루고 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 레이저 출력부(300)에서는, 레이저광 L의 광로가 X축 방향 또는 Y축 방향을 따르도록 설정되어 있다.
따라서, 레이저 출력부(300)에 있어서, λ/2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)을, 레이저광 L의 출력을 조정하는 출력 조정부로서만이 아니라, 레이저광 L의 편광 방향을 조정하는 편광 방향 조정부로서도 기능시킬 필요가 있다.
［반사형 공간 광 변조기］
도 14에 도시되는 바와 같이, 반사형 공간 광 변조기(410)는 실리콘 기판(213), 구동 회로층(914), 복수의 화소 전극(214), 유전체 다층막 미러 등의 반사막(215), 배향막(999a), 액정층(표시부)(216), 배향막(999b), 투명 도전막(217), 및 유리 기판 등의 투명 기판(218)이 이 순서대로 적층됨으로써 구성되어 있다.
투명 기판(218)은 XY 평면을 따른 표면(218a)을 가지고 있고, 이 표면(218a)은 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)을 구성하고 있다. 투명 기판(218)은, 예를 들면 유리 등의 광 투과성 재료로 이루어지고, 반사형 공간 광 변조기(410)의 표면(218a)으로부터 입사된 소정 파장의 레이저광 L을, 반사형 공간 광 변조기(410)의 내부로 투과시킨다. 투명 도전막(217)은 투명 기판(218)의 이면 상에 형성되어 있고, 레이저광 L을 투과시키는 도전성 재료(예를 들면 ITO)로 이루어진다.
복수의 화소 전극(214)은 투명 도전막(217)을 따라서 실리콘 기판(213) 상에 매트릭스 모양으로 배열되어 있다. 각 화소 전극(214)은, 예를 들면 알루미늄 등의 금속재료로 이루어지고, 이것들의 표면(214a)은, 평탄하고 매끄럽게 가공되어 있다. 복수의 화소 전극(214)은, 구동 회로층(914)에 마련된 액티브·매트릭스 회로에 의해서 구동된다.
액티브·매트릭스 회로는 복수의 화소 전극(214)과 실리콘 기판(213)의 사이에 마련되어 있고, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출력하려고 하는 광 이미지에 따라 각 화소 전극(214)으로의 인가 전압을 제어한다. 이와 같은 액티브·매트릭스 회로는, 예를 들면 도시하지 않은 X축 방향으로 늘어선 각 화소열의 인가 전압을 제어하는 제1 드라이버 회로와, Y축 방향으로 늘어선 각 화소열의 인가 전압을 제어하는 제2 드라이버 회로를 가지고 있고, 제어부(500)에 있어서의 후술하는 공간 광 변조기 제어부(502)(도 16 참조)에 의해서 양쪽의 드라이버 회로에서 지정된 화소의 화소 전극(214)에 소정 전압이 인가되도록 구성되어 있다.
배향막(999a, 999b)은 액정층(216)의 양 단면에 배치되어 있고, 액정 분자 그룹을 일정 방향으로 배열시킨다. 배향막(999a, 999b)은 예를 들면 폴리이미드 등의 고분자 재료로 이루어지고, 액정층(216)과의 접촉면에 러빙 처리 등이 실시되어 있다.
액정층(216)은 복수의 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)의 사이에 배치되어 있고, 각 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)에 의해 형성되는 전계에 따라 레이저광 L을 변조한다. 즉, 구동 회로층(914)의 액티브·매트릭스 회로에 의해서 각 화소 전극(214)에 전압이 인가되면, 투명 도전막(217)과 각 화소 전극(214)의 사이에 전계가 형성되고, 액정층(216)에 형성된 전계의 크기에 따라 액정 분자(216a)의 배열 방향이 변화한다. 그리고, 레이저광 L이 투명 기판(218) 및 투명 도전막(217)을 투과하여 액정층(216)에 입사되면, 이 레이저광 L은, 액정층(216)을 통과하는 동안에 액정 분자(216a)에 의해서 변조되어, 반사막(215)에 있어서 반사된 후, 다시 액정층(216)에 의해 변조되어, 출사한다.
이때, 후술하는 공간 광 변조기 제어부(502)(도 16 참조)에 의해서 각 화소 전극(214)에 인가되는 전압이 제어되고, 그 전압에 따라서, 액정층(216)에 있어서 투명 도전막(217)과 각 화소 전극(214) 사이의 부분의 굴절률이 변화한다(각 화소에 대응한 위치의 액정층(216)의 굴절률이 변화함). 이 굴절률의 변화에 의해, 인가된 전압에 따라서, 레이저광 L의 위상을 액정층(216)의 화소마다 변화시킬 수 있다. 즉, 홀로그램 패턴에 따른 위상 변조를 화소마다 액정층(216)에 의해서 부여할 수 있다. 바꿔말하면, 변조를 부여하는 홀로그램 패턴으로서의 변조 패턴을, 반사형 공간 광 변조기(410)의 액정층(216)에 표시시킬 수 있다. 변조 패턴으로 입사하여 투과하는 레이저광 L은, 그 파면이 조정되고, 그 레이저광 L을 구성하는 각 광선에 있어서 진행 방향과 직교하는 소정 방향의 성분의 위상에 어긋남이 발생한다. 따라서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 표시시키는 변조 패턴을 적절히 설정함으로써, 레이저광 L이 변조(예를 들면, 레이저광 L의 강도, 진폭, 위상, 편광 등이 변조) 가능하게 된다.
［4f 렌즈 유닛］
상술한 바와 같이, 4f 렌즈 유닛(420)의 한쌍의 렌즈(422, 423)는, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고 있다. 구체적으로는, 도 15에 도시되는 바와 같이, 반사형 공간 광 변조기(410)측의 렌즈(422)의 중심과 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a) 사이의 광로의 거리가 렌즈(422)의 제1 초점 거리 f1이 되고, 집광 렌즈 유닛(430)측의 렌즈(423)의 중심과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a) 사이의 광로의 거리가 렌즈(423)의 제2 초점 거리 f2가 되며, 렌즈(422)의 중심과 렌즈(423)의 중심 사이의 광로의 거리가 제1 초점 거리 f1과 제2 초점 거리 f2의 합(즉, f1＋f2)으로 되어 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 광로 중 한쌍의 렌즈(422, 423) 간의 광로는, 일직선이다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광 L의 유효지름을 크게 하는 관점에서, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율 M이, 0.5<M<1(축소계)를 만족시키고 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광 L의 유효지름이 클수록, 고정밀한 위상 패턴으로 레이저광 L이 변조된다. 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 레이저광 L의 광로가 길게 되는 것을 억제한다고 하는 관점에서는, 0.6≤M≤0.95인 것이 보다 바람직하다. 여기서, (양측 텔레센트릭 광학계의 배율 M)=(집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)에서의 상의 크기)/(반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 물체의 크기)이다. 레이저 가공 장치(200)의 경우, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율 M, 렌즈(422)의 제1 초점 거리 f1 및 렌즈(423)의 제2 초점 거리 f2가, M=f2/f1를 만족시키고 있다.
또한, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광 L의 유효지름을 작게 하는 관점에서, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율 M이, 1<M<2(확대계)를 만족시키고 있어도 된다. 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광 L의 유효지름이 작을수록, 빔 익스팬더(350)(도 9 참조)의 배율이 작아도 되고, XY 평면에 평행한 평면 내에 있어서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사되는 레이저광 L의 광축과, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출사되는 레이저광 L의 광축이 이루는 각도 α(도 11 참조)가 작게 된다. 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 레이저광 L의 광로가 길게 되는 것을 억제한다고 하는 관점에서는, 1.05≤M≤1.7인 것이 보다 바람직하다.
다음으로, 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치(200)의 주요부에 대해 상세하게 설명한다.
도 16은 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치(200)의 주요부를 나타내는 개략 구성도이다. 도 16에 도시되는 바와 같이, 반사형 공간 광 변조기(410)의 액정층(216)에 입사하여 반사된 레이저광 L은, 4f 렌즈 유닛(420)의 릴레이 렌즈인 렌즈(422)로 집속된 후, 4f 렌즈 유닛(420)의 릴레이 렌즈인 렌즈(423)로 콜리메이트 되어, 다이크로익 미러(403)에 입사된다. 다이크로익 미러(403)에서 반사된 레이저광 L은, 집광 렌즈 유닛(430)에 입사하여, 집광 렌즈 유닛(430)을 통해서 가공 대상물(1)에 조사된다.
가공 대상물(1)에 조사된 레이저광 L은, 표면(1a)을 레이저광 입사면으로서 가공 대상물(1)에 입사하여, 가공 대상물(1) 내에서 광축 방향(Z축 방향)을 따라서 이면(1b)을 향해 진행되어, 당해 이면(1b)에서 반사된다. 이면(1b)에서 반사된 레이저광 L의 반사광 RL은, 가공 대상물(1) 내에 있어서 광축 방향을 따라서 표면(1a)을 향해서 진행되어, 표면(1a)을 레이저광 입사면으로서 가공 대상물(1)로부터 출사된다. 가공 대상물(1)로부터 출사된 반사광 RL은, 다이크로익 미러(403)를 통과한 후, 렌즈(487)를 통해서 관찰용 카메라(488)의 촬상면에 입사된다.
4f 렌즈 유닛(420)의 한쌍의 렌즈(422, 423)는, 액정층(216)의 반사면(410a)에 있어서의 레이저광 L의 파면을, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)에 전상(릴레이)한다. 이것에 의해, 액정층(216)의 반사면(410a)과, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)은, 서로 공액의 관계를 구성한다. 4f 렌즈 유닛(420)은 액정층(216)에 있어서의 레이저광 L의 상을 입사 동공면(430a)에 전상하는 전상 광학계를 구성한다.
관찰용 카메라(488)는 이면(1b)에서 반사된 반사광 RL을 검출하는 반사광 검출기를 구성한다. 관찰용 카메라(488)는 반사광 RL의 점 이미지(빔 스팟, 이면 반사 이미지, 또는 집광 스팟이라고도 함)를 포함하는 화상인 점 이미지 화상을 촬상한다. 관찰용 카메라(488)는 촬상한 점 이미지 화상을 제어부(500)에 출력한다.
제어부(500)는 반사형 공간 광 변조기(410)의 액정층(216)에 표시하는 위상 패턴(9)을 제어한다. 위상 패턴(9)은, 상술한 변조 패턴으로서, 레이저광 L을 변조하는 위상 분포이다. 위상 패턴(9)은 액정층(216) 상에 설정된 기준 위치를 기준으로 하여 설정되어 있다. 즉, 액정층(216)에 있어서 위상 패턴(9)을 표시할 때에 기준으로 하는 위치가 기준 위치(이하, 간단히 「기준 위치」라고 함)로서 설정되어 있고, 이 기준 위치를 기초로 정해진 좌표계에서, 위상 패턴(9)의 위치가 설정되어 있다. 예를 들면 위상 패턴(9)의 위치는, 액정층(216) 상의 기준 위치를 원점으로 하는 2차원 좌표의 좌표값으로서 설정되어 있다. 여기에서의 액정층(216)의 좌표계는, 좌표축 방향으로서 X 방향 및 Y 방향을 가지며, X 방향 및 Y 방향 각각에 있어서 액정층(216)의 1픽셀을 1단위로 하고 있다.
제어부(500)는, 관찰용 카메라(488)로 반사광 RL을 촬상할 때, 반사광 수차 보정 패턴(10)을 액정층(216)에 표시시키는 제1 처리를 실행한다. 반사광 수차 보정 패턴(10)은 소정 두께의 2배의 두께를 가지는 가공 대상물(1)을 레이저광 L이 투과하는 것으로 했을 경우에 발생하는 수차를 보정하는 위상 패턴(9)이다. 바꿔말하면, 반사광 수차 보정 패턴(10)은 2배 상당의 매질 두께의 가공 대상물(1)을 통과했을 때에 발생하는 수차를 보정하는 위상 패턴(9)이다. 반사광 수차 보정 패턴(10)은 복수의 동심원 도형을 포함하는 패턴이다.
소정 두께의 2배는, 완전하게 2배만이 아니라, 대략 2배 또는 약 2배를 포함한다. 소정 두께의 2배는, 제조 오차나 설계 오차 등을 포함한다. 예를 들면, 소정 두께의 2배는, ±10%의 범위를 가진다(소정 두께를 α로 했을 때, (2α-0.1α)~(2α+0.1α)이다). 소정 두께의 2배는, 레이저광 L이 표면(1a)으로부터 입사되어, 이면(1b)에서 반사되고, 표면(1a)으로부터 출사할 때까지에 있어서 투과하는 도정(道程)의 길이에 대응한다. 예를 들면 가공 대상물(1)의 소정 두께가 775㎛인 경우에는, 1500㎛의 두께의 가공 대상물(1)의 표면(1a)으로부터 조사하여 이면(1b)에 집광할 때에 발생하는 수차를 보정하는 위상 패턴이, 반사광 수차 보정 패턴(10)이다.
제어부(500)는 제2 이동 기구(240)의 동작을 제어하여, 관찰용 카메라(488)에서 반사광 RL의 점 이미지를 확인 가능한 위치(검출 가능한 위치)로 집광 렌즈 유닛(430)을 광축 방향으로 이동시키는 제2 처리를 실행한다. 예를 들면 제2 처리에서는, 집광 렌즈 유닛(430)의 초점이 이면(1b) 또는 이면(1b) 근방에 위치하도록 집광 렌즈 유닛(430)을 이동시킨다. 이면(1b)의 근방이란, 대략 이면(1b) 위치, 이면(1b) 위치의 부근, 혹은 이면(1b) 위치의 주변이다. 반사광 RL의 점 이미지를 확인 가능한 위치란, 당해 점 이미지에 핀트가 일정 정도 이상 맞고 있고, 당해 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상인지 여부와 관련되는 후술하는 인식 또는 그 화상 처리가 가능한 위치이다.
제어부(500)는, 제2 처리 후, 제1 처리에 의해 액정층(216)에 반사광 수차 보정 패턴(10)을 표시시킨 상태에서, 레이저 출력부(300)의 동작을 제어하여 레이저 발진기(310)(도 9 참조)로부터 레이저광 L을 발생시켜 가공 대상물(1)에 조사시키는 처리와, 당해 조사에 따라서 관찰용 카메라(488)로 촬상된 반사광 RL의 점 이미지 화상을, 관찰용 카메라(488)로부터 취득하는 처리를 포함하는 제3 처리를 실행한다.
도 17은 레이저광 L이 이면(1b)에서 반사하는 이면 반사시에 있어서의 각 집광 상태를 설명하는 개략 단면도이다. 도 17 중의 각 집광 상태는, 집광 렌즈 유닛(430)의 초점이 이면(1b)에 위치하는 경우의 예이다. 도 18은 도 17의 각 집광 상태에 있어서 관찰용 카메라(488)로 촬상된 점 이미지 화상을 나타내는 사진도이다.
도 17의 (a) 및 도 18의 (a)는, 수차 보정을 반사형 공간 광 변조기(410)로 행하고 있지 않은 경우에 있어서의 레이저광 L의 집광 상태이다. 도 17의 (b) 및 도 18의 (b)는, 소정 두께의 가공 대상물(1)을 레이저광 L이 투과할 때에 발생하는 수차를 보정하는 수차 보정(매질 두께 보정)을 반사형 공간 광 변조기(410)로 행하고 있는 경우에 있어서의 레이저광 L의 집광 상태이다. 도 17의 (c) 및 도 18의 (c)는, 소정 두께의 2배의 두께를 가지는 가공 대상물(1)을 레이저광 L이 투과할 때에 발생하는 수차를 보정하는 수차 보정(매질 두께 2배 보정)을 반사형 공간 광 변조기(410)로 행하고 있는 경우에 있어서의 레이저광 L의 집광 상태이다.
도 17의 (a)에 도시되는 바와 같이, 수차 보정을 행하지 않은 경우, 레이저광 L의 외주 부분이 내주 부분보다도 깊은 위치로 어긋나서 집광한다. 도 17의 (b)에 도시되는 바와 같이, 매질 두께 보정을 행했을 경우에는, 레이저광 L의 모든 성분이 이면(1b)에서 1점으로 집광한다. 그 때문에, 이면(1b)에서의 반사 후에 소정 두께 분의 매질을 더 투과하여 표면(1a)으로부터 출사된 반사광 RL은, 렌즈(487)로 집광 될 때에는, 수차의 영향으로 흐릿해져 1점으로 집광하지 않게 된다. 그 결과, 도 18의 (a) 및 도 18의 (b)에 도시되는 바와 같이, 관찰용 카메라(488)로 촬상된 반사광 RL의 화상에 있어서, 충분한 명도 및 크기 등의 점 이미지를 확인할 수 없다.
한편, 도 17의 (c)에 도시되는 바와 같이, 매질 두께 2배 보정을 행했을 경우에는, 레이저광 L의 외주 부분이 내주 부분보다도 얕은 위치로 어긋나서 집광한다. 매질 두께 2배 보정을 행했을 경우, 이면(1b)에서의 반사 후에 소정 두께분의 매질을 더 투과하여 표면(1a)으로부터 출사된 반사광 RL은, 렌즈(487)로 집광 될 때에는, 1점으로 깨끗하게 집광하게 된다. 그 결과, 도 18의 (c)에 도시되는 바와 같이, 관찰용 카메라(488)로 촬상된 반사광 RL의 화상에 있어서, 제어부(500)에 의한 후술하는 판정이나 조정이 가능한 만큼 충분한 명도 및 크기 등의 점 이미지를 확인할 수 있다.
제어부(500)는 상기 제3 처리를 액정층(216) 상의 반사광 수차 보정 패턴(10)의 위치를 변화시켜 1 또는 복수 회 반복하여, 관찰용 카메라(488)에 의한 점 이미지 화상을 복수 취득하는 제4 처리를 실행한다.
여기서, 제어부(500)는, 관찰용 카메라(488)로 촬상한 점 이미지 화상에 기초하여, 입사 동공면(430a)의 중심 위치와 4f 렌즈 유닛(420)으로 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상의 중심 위치 사이의 어긋남(이하, 「전상 위치 어긋남」이라고 함)이 있는지 여부를 판정한다. 또한 제어부(500)는, 전상 위치 어긋남이 저감 나아가서는 없게 되도록, 위상 패턴(9)의 기준 위치를 조정한다. 이하, 전상 위치 어긋남의 판정, 및, 기준 위치의 조정과 관련되는 원리 또는 현상에 대해 설명한다.
도 19는 전상 위치 어긋남이 발생하지 않은 상태를 설명하는 개략도이다. 도 20은 전상 위치 어긋남이 발생하고 있는 상태를 설명하는 개략도이다. 도 19에 도시되는 바와 같이, 전상 위치 어긋남이 발생하지 않은 경우, 4f 렌즈 유닛(420)은, 반사형 공간 광 변조기(410)의 액정층(216)에서 반사한 레이저광 L을, 그대로 집광 렌즈 유닛(430)까지 이미지 전송한다. 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상(39)의 중심 위치 C1은, 입사 동공면(430a)의 중심 위치 C2와 일치하고 있다. 위상 패턴(9)의 중심 위치 C3는, 액정층(216)의 광축 중심 C4와 일치하고 있고, 즉, 액정층(216)에 있어서의 위상 패턴(9)의 기준 위치가 광축 중심 C4에 설정되어 있다.
한편, 도 20에 도시되는 바와 같이, 전상 위치 어긋남이 발생하고 있는 경우에는, 위상 패턴(9)의 기준 위치로서의 중심 위치 C3는, 액정층(216)의 광축 중심 C4로부터 어긋나 있다. 바꿔말하면, 위상 패턴(9)의 중심 위치 C3가 광축 중심 C4로부터 어긋나게 설정되어 있으면, 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상(39)의 중심 위치 C1는, 입사 동공면(430a)의 중심 위치 C2에 대해서 어긋나 있다(불일치가 됨). 이 경우, 빔 강도 중심이 어긋나 버려, 코마 수차가 발생하는 것이 발견된다. 예를 들면, 액정층(216)에 있어서 위상 패턴(9)의 중심 위치 C3가 광축 중심 C4에 대해서 1 픽셀 어긋나면, 20㎛의 전상 위치 어긋남이 발생하는 경우가 있어, 가공 품질에 영향이 미칠 가능성이 있다.
도 21은 액정층(216)에 표시하는 위상 패턴(9)의 위치를 변화시켰을 때의 점 이미지 화상을 예시하는 도면이다. 점 이미지 화상 G0는, 위상 패턴(9)의 기준 위치가 광축 중심 C4로 설정되어 있는 경우의 점 이미지이다. 점 이미지 화상 G1은, 광축 중심 C4에 대해서 기준 위치가 액정층(216)의 좌표계의 X 방향 마이너스 측으로 1 픽셀 어긋나 있는 경우의 점 이미지이다. 점 이미지 화상 G2는, 광축 중심 C4에 대해서 기준 위치가 액정층(216)의 좌표계의 X 방향의 플러스 측으로 1 픽셀 어긋나 있는 경우의 점 이미지이다. 점 이미지 화상 G3는, 광축 중심 C4에 대해서 기준 위치가 액정층(216)의 좌표계의 Y 방향의 마이너스 측으로 1 픽셀 어긋나 있는 경우의 점 이미지이다. 점 이미지 화상 G4는, 광축 중심 C4에 대해서 기준 위치가 액정층(216)의 좌표계의 Y 방향의 플러스 측으로 1 픽셀 어긋나 있는 경우의 점 이미지이다. 점 이미지 화상 G0에서는, 전상 위치 어긋남이 발생하지 않고, 점 이미지 화상 G1~G4에서는, 전상 위치 어긋남이 발생하고 있다.
도 21에 도시되는 바와 같이, 전상 위치 어긋남이 발생하고 있는 점 이미지 화상 G1~G4는, 상술한 바와 같이 코마 수차가 발생하는 것이 발견되는 것으로부터, 이 코마 수차에 기인하여, 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상으로 되어 있지 않다. 예를 들면, 점 이미지 화상 G1~G4에서는, 점 이미지가 편심되어 있거나, 외주 측으로 원호 모양의 상 EZ가 포함되어 있거나, 둘레 방향에 있어서의 일부분이 다른 부분보다도 크게 흐릿해진 형상으로 되어 있다. 한편, 전상 위치 어긋남이 발생하지 않은 점 이미지 화상 G0에서는, 코마 수차의 영향이 보이지 않고, 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상으로 되어 있다.
또한, 회전 대칭이란, 어느 중심의 둘레를 360/n°(n은 2이상의 정수) 회전시키면 자신과 중첩되는 대칭성이다. 회전 대칭의 점 이미지는, 완전한 회전 대칭인 것에 더하여, 대략 회전 대칭인 것을 포함한다. 회전 대칭의 점 이미지는, 편심되어 있지 않은 점 이미지, 외주 측으로 원호 모양의 상 EZ가 포함되어 있지 않은 점 이미지, 원주 방향에 있어서의 일부분이 다른 부분보다도 크게 흐릿해진 형상으로 되어 있지 않은 점 이미지, 및, 이들 중 적어도 어느 것을 포함하는 점 이미지이다.
도 22는 액정층(216)에 표시하는 위상 패턴(9)의 위치를 변화시켰을 때의 점 이미지 화상을 예시하는 다른 도면이다. 도 22 중의 X 방향의 숫자에 대해서, 「0」은, X 방향에 있어서 기준 위치가 광축 중심 C4와 일치하고 있는 경우를 나타내고, 「-2」, 「-1」, 「1」, 「2」는, X 방향에 있어서 기준 위치가 광축 중심 C4에 대해서 「-2 픽셀」, 「-1 픽셀」, 「1 픽셀」, 「2 픽셀」만큼 오프셋되어 있는 경우를 각각 나타내고 있다. 마찬가지로, 도 22 중에 있어서의 Y 방향의 숫자에 대해서, 「0」은, Y 방향에 있어서 기준 위치가 광축 중심 C4와 일치하고 있는 경우를 나타내고, 「-2」, 「-1」, 「1」, 「2」는, Y 방향에 있어서 기준 위치가 광축 중심 C4에 대해서 「-2 픽셀」, 「-1 픽셀」, 「1 픽셀」, 「2 픽셀」만큼 오프셋되어 있는 경우를 각각 나타내고 있다. 도 22 중에서는, 기준 위치가 광축 중심 C4와 일치하고 있는 경우의 정상시의 점 이미지와, 정상시로부터 기준 위치를 X 방향에만 오프셋된 경우의 각 점 이미지와, 정상시로부터 기준 위치를 Y 방향에만 오프셋된 경우의 각 점 이미지를 예시하고 있다.
도 22에 도시되는 바와 같이, 기준 위치가 광축 중심 C4와 일치하고 있는(즉, 전상 위치 어긋남이 발생하고 있지 않은) 경우, 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 된다. 기준 위치가 광축 중심 C4로부터 어긋난(즉, 전상 위치 어긋남이 발생하고 있는) 경우, 점 이미지가 흐트러져 회전 비대칭의 광학 상이 된다. 또한, 기준 위치의 광축 중심 C4로부터의 어긋남량이 커지는 만큼(즉, 전상 위치 어긋남의 어긋남량이 커지는 만큼), 점 이미지의 광학 상에 있어서의 회전 대칭에 대한 괴리가 커지고 있다.
이상의 원리 또는 현상에 관한 지견으로부터, 도 16에 도시되는 바와 같이, 제어부(500)는, 관찰용 카메라(488)로 촬상한 점 이미지 화상에 기초하여, 전상 위치 어긋남이 있는지 여부를 판정한다. 구체적으로는, 제어부(500)는, 점 이미지 화상에 있어서의 반사광 RL의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 아닌 경우에, 전상 위치 어긋남이 있다고 판정한다. 또한, 회전 대칭의 광학 상인지 여부는, 예를 들면 점 이미지 화상으로부터 기하학적 수법에 의해 인식해도 되고, 패턴 인식 등의 공지된 화상 인식 처리에 의해 인식해도 된다. 예를 들면 도 21 또는 도 22에 나타나는 각 점 이미지의 적어도 하나를 미리 기억해 놓고, 이 기억한 점 이미지를 이용한 패턴 매칭 수법에 의해 회전 대칭의 광학 상인지 여부를 인식해도 된다.
또한, 제어부(500)는, 액정층(216)에 있어서의 기준 위치를, 관찰용 카메라(488)로 촬상한 점 이미지 화상에 기초하여 조정한다. 제어부(500)는, 점 이미지 화상에 있어서의 반사광 RL의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 되도록, 액정층(216)에 있어서의 기준 위치를 오프셋시킨다(시프트 시킴). 구체적으로는, 제어부(500)는, 상기 제4 처리로 취득한 복수의 점 이미지 화상으로부터, 액정층(216)에 있어서의 광축 중심 C4를 산출한다. 예를 들면 제어부(500)는, 복수의 점 이미지 화상으로부터, 회전 대칭의 광학 상이 될 때의 점 이미지를 구하고, 당해 점 이미지일 때에 있어서의 액정층(216) 상의 반사광 수차 보정 패턴(10)의 위치를 구한다. 이때의 반사광 수차 보정 패턴(10)의 위치에 기초하여, 광축 중심 C4를 산출한다. 그리고, 제어부(500)는 산출한 당해 광축 중심 C4에 기준 위치를 오프셋시킨다.
제어부(500)에는, 모니터가 접속되어 있다. 모니터는 관찰용 카메라(488)로 촬상된 반사광 RL의 점 이미지 화상을 표시할 수 있다. 모니터는 공간 광 변조기 제어부(502)에 의해 액정층(216)에 표시시키는 위상 패턴(9)을 표시할 수 있다. 모니터는 제어부(500)에 의한 전상 위치 어긋남이 있는지 여부의 판정 결과를 로그로서 표시할 수 있다. 모니터는 제어부(500)에 의한 기준 위치의 조정 결과를 로그로서 표시할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 따른 레이저광 조사 방법의 일례에 대해서, 도 23 및 도 24의 순서도를 참조하면서 설명한다.
본 실시 형태에 따른 레이저광 조사 방법은, 레이저 가공 장치(200)의 검사 방법 또는 조정 방법으로서 이용할 수 있는 것으로서, 예를 들면 정기 점검시의 체크 모드로서 실시된다. 본 실시 형태에 따른 레이저광 조사 방법에서는, 제어부(500)에 의해 다음의 처리를 실행한다. 즉, 먼저, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)를 Z축 방향을 따라서 이동시켜, 관찰용 카메라(488)의 초점 위치가 표면(1a)(레티클 기준 위치)이 되도록, 집광 렌즈 유닛(430)을 가공 대상물(1)에 대해서 이동시킨다(스텝 S1).
반사광 수차 보정 패턴(10)을 액정층(216)에 표시시킨다(스텝 S2). 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)를 Z축 방향을 따라서 이동시켜, 레티클 기준 위치로부터 디포커스시킨 위치로서 반사광 RL의 점 이미지가 확인 가능한 위치에, 집광 렌즈 유닛(430)을 가공 대상물(1)에 대해서 광축 방향으로 이동시킨다(스텝 S3).
액정층(216)에 반사광 수차 보정 패턴(10)을 표시시킨 상태에서, 레이저 발진기(310)로부터 레이저광 L을 발생시켜, 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 조사한다. 당해 조사에 따라서 관찰용 카메라(488)에 의해 반사광 RL의 점 이미지 화상을 촬상한다(스텝 S4). 상기 스텝 S4에서는, 레이저광 L의 조사에 의해 가공 대상물(1)에 개질 영역(7)이 형성되지 않게, 레이저 출력부(300)(λ/2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340))을 제어하여, 레이저광 L의 출력을, 가공 대상물(1)의 가공 임계값보다도 작은 출력으로 조정한다.
촬상한 점 이미지 화상에 기초하여, 전상 위치 어긋남의 유무를 판정한다(스텝 S5). 점 이미지 화상에 포함되는 점 이미지가 회전 중심의 광학 상인 경우, 상기 스텝 S5에서 NO가 되어, 전상 위치 어긋남 없음으로서, 그대로 처리를 종료한다. 한편, 점 이미지가 회전 중심의 광학 상이 아닌 경우에는, 상기 스텝 S5에서 YES가 되어, 전상 위치 어긋남이 있음으로서, 위상 패턴(9)의 기준 위치를 조정하는 기준 위치 조정 처리를 실행한다(스텝 S6).
기준 위치 조정 처리에서는, 먼저, 상기 스텝 S1과 마찬가지로, 관찰용 카메라(488)의 초점 위치가 레티클 기준이 되도록, 집광 렌즈 유닛(430)을 가공 대상물(1)에 대해서 이동시킨다(스텝 S11). 상기 스텝 S2와 마찬가지로, 반사광 수차 보정 패턴(10)을 액정층(216)에 표시시킨다(스텝 S12). 상기 스텝 S3와 마찬가지로, 가공 대상물(1)의 이면(1b)에서 반사한 반사광 RL의 점 이미지를 확인 가능한 위치에, 집광 렌즈 유닛(430)을 가공 대상물(1)에 대해서 광축 방향으로 이동시킨다(스텝 S13).
상기 스텝 S4와 마찬가지로, 액정층(216)에 반사광 수차 보정 패턴(10)을 표시시킨 상태에서, 레이저 발진기(310)로부터 레이저광 L을 발생시켜, 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 조사한다. 당해 조사에 따라서 반사광 RL의 점 이미지 화상을 관찰용 카메라(488)에 의해 촬상한다(스텝 S14).
상기 스텝 S14의 처리 횟수인 촬상 횟수 i가, 미리 설정된 소정 횟수(=2이상의 정수)에 도달했는지 여부를 판정한다(스텝 S15). 상기 스텝 S15에서 NO인 경우, 액정층(216) 상의 반사광 수차 보정 패턴(10)의 위치를 X 방향을 따라서 1 픽셀분 변화시키고, 상기 스텝 S14의 처리로 돌아온다(스텝 S16).
상기 스텝 S15에서 YES인 경우, 액정층(216) 상의 반사광 수차 보정 패턴(10)의 위치를 Y 방향을 따라서 1 픽셀분 변화시킨다(스텝 S17). 상기 스텝 S4와 마찬가지로, 액정층(216)에 반사광 수차 보정 패턴(10)을 표시시킨 상태에서, 레이저 발진기(310)로부터 레이저광 L을 발생시켜, 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 조사한다. 당해 조사에 따라서 반사광 RL의 점 이미지 화상을 관찰용 카메라(488)에 의해 촬상한다(스텝 S18). 상기 스텝 S18의 처리 횟수인 촬상 횟수 j가, 미리 설정된 소정 횟수(=2이상의 정수)에 도달했는지 여부를 판정한다(스텝 S19). 상기 스텝 S19에서 NO인 경우, 상기 스텝 S17의 처리로 돌아온다.
상기 스텝 S19에서 YES인 경우, 상기 스텝 S14 및 상기 스텝 S18에서 취득한 복수의 점 이미지 화상으로부터, 액정층(216)에 있어서의 광축 중심 C4를 산출한다(스텝 S20). 예를 들면 상기 스텝 S20에서는, 복수의 점 이미지 중 회전 대칭의 광학 상이 될 때의 점 이미지를 구하고, 당해 점 이미지일 때에 있어서의 액정층(216) 상의 반사광 수차 보정 패턴(10)의 중심 위치를, 광축 중심 C4로서 산출한다. 그리고, 산출한 당해 광축 중심 C4에 기준 위치를 오프셋시킨다(스텝 S21). 이것에 의해, 전상 위치 어긋남이 저감 나아가서는 발생하고 있지 않는 상태로, 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상(39)의 위치가 보정되게 된다.
상기에 있어서, 제어부(500)는 위치 판정부, 위치 조정부를 구성한다. 상기 스텝 S12는 제1 스텝을 구성한다. 상기 스텝 S14, S18은 제2 스텝을 구성한다. 상기 스텝 S20, S21은 제3 스텝을 구성한다.
이상, 본 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치(200)에서는, 가공 대상물(1)의 표면(1a)으로부터 입사되어 이면(1b)에서 반사된 레이저광 L의 반사광 RL이, 관찰용 카메라(488)로 검출된다. 이때, 가공 대상물(1)을 투과(표면(1a)으로부터 이면(1b)의 사이, 및 이면(1b)으로부터 표면(1a)의 사이를 투과)하는 것에 기인하여 반사광 RL에 발생하는 수차에 대해서는, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사광 수차 보정 패턴(10)으로 변조함으로써 보정할 수 있다. 여기서, 전상 위치 어긋남이 있는 경우, 예를 들면 집광 렌즈 유닛(430)에서 레이저광 L이 적정하게 집광되고 있지 않기 때문에, 관찰용 카메라(488)로 촬상하는 반사광 RL에는, 코마 수차 등의 수차의 영향이 나타나는 것이 발견된다. 한편, 전상 위치 어긋남이 없는 경우, 관찰용 카메라(488)로 촬상하는 반사광 RL에는, 당해 코마 수차 등의 수차의 영향이 적게 또는 나타나지 않는 것이 발견된다. 따라서, 관찰용 카메라(488)로 촬상한 점 이미지 화상에 기초함으로써 전상 위치 어긋남을 파악하는 것이 가능하게 된다.
레이저 가공 장치(200)는, 제어부(500)에 의해, 관찰용 카메라(488)의 점 이미지 화상에 기초하여 전상 위치 어긋남이 있는지 여부를 판정한다. 이것에 의해, 전상 위치 어긋남의 유무를, 제어부(500)에 의해 자동으로 판정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 관찰용 카메라(488)로 촬상된 반사광 RL의 점 이미지는, 전상 위치 어긋남이 없을 때에는 회전 대칭의 광학 상이 되는 한편, 전상 위치 어긋남이 있을 때에는, 코마 수차 등의 영향에 의해서 회전 대칭의 광학 상이 되기 어려운 것이 발견된다. 그래서, 레이저 가공 장치(200)에서는, 제어부(500)에 의해, 관찰용 카메라(488)로 촬상된 점 이미지 화상에 있어서의 반사광 RL의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 아닌 경우에, 전상 위치 어긋남이 있다고 판정한다. 이것에 의해, 전상 위치 어긋남의 유무를 정밀도 좋게 판정할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)는, 제어부(500)에 의해, 액정층(216)에 있어서의 기준 위치를 관찰용 카메라(488)에 의한 점 이미지 화상에 기초하여 오프셋시킨다. 이것에 의해, 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상(39)의 중심 위치 C1을, 예를 들면 전상 위치 어긋남이 저감되도록 자동으로 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 가공 품질의 악화를 억제하는 것이 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 전상 위치 어긋남이 없을 때에는, 관찰용 카메라(488)로 촬상된 반사광 RL의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 되는 것이 발견된다. 그래서, 레이저 가공 장치(200)에서는, 제어부(500)에 의해, 관찰용 카메라(488)로 촬상된 점 이미지 화상에 있어서의 반사광 RL의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 되도록, 액정층(216)의 기준 위치를 오프셋시킨다. 이것에 의해, 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상(39)의 중심 위치 C1을 당해 입사 동공면(430a)의 중심 위치 C2에 맞게 조정하여, 전상 위치 어긋남을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
레이저 가공 장치(200)에 있어서, 제어부(500)는 제1~제4 처리를 실행한다. 제1 처리에서는, 액정층(216)에 반사광 수차 보정 패턴(10)을 표시시킨다. 제2 처리에서는, 관찰용 카메라(488)에서 반사광 RL의 전상을 확인 가능한 위치에, 집광 렌즈 유닛(430)을 광축을 따라 이동시킨다. 제3 처리에서는, 제2 처리 후, 제1 처리에 의해 액정층(216)에 반사광 수차 보정 패턴(10)을 표시시킨 상태에서 레이저광 L을 가공 대상물(1)에 조사시켜, 당해 조사에 따라서 반사광 RL의 점 이미지 화상을 관찰용 카메라(488)로부터 취득한다. 제4 처리에서는, 제3 처리를 액정층(216) 상의 반사광 수차 보정 패턴(10)의 위치를 변화시켜 1 또는 복수 회 반복하여, 점 이미지 화상을 복수 취득한다. 그리고, 제어부(500)는 취득한 복수의 점 이미지 화상에 기초하여 액정층(216)에 있어서의 광축 중심 C4를 산출하고, 당해 광축 중심 C4에 기준 위치를 오프셋시킨다. 이 경우, 전상 위치 어긋남을 저감시키는 조정을 구체적으로 실현할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)를 이용한 레이저광 조사 방법에 의하면, 반사광 RL의 검출 결과(관찰용 카메라(488)의 점 이미지 화상)에 의해서, 전상 위치 어긋남을 파악하는 것이 가능하게 된다. 또한, 반사광 RL의 검출 결과로부터 기준 위치를 오프셋시킴으로써, 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상(39)의 위치를, 전상 위치 어긋남이 저감 나아가서는 없게 되도록 조정하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 이면(1b)에서 반사한 반사광 RL을 이용하기 때문에, 가공 대상물(1)의 내부를 투과한 레이저광 L을 검출하게 되는 것으로부터, 쓸데없는 고스트 광의 영향을 저감할 수 있다. 정밀도 좋은 전상 위치 어긋남의 판정 및 기준 위치의 조정이 가능하게 된다.
일반적으로는, 가공 대상물(1)에 대해서 실제로 레이저 가공을 실시하여, 레이저 가공 후의 가공 대상물(1)의 가공 품질(예를 들면 균열의 증가량)로부터 전상 위치 어긋남을 판단 및 액정층(216)의 기준 위치를 조정하는 수법이 채용되고 있다. 이 점, 본 실시 형태에서는, 예를 들면 정기적인 컨디션 체크시에 있어서, 간단하고 쉬운 운용이 가능하게 된다. 또한, 기준 위치 조정 처리를 실행하기 전에, 전상 위치 어긋남의 유무를 먼저 판정하는 것으로부터, 전상 위치 어긋남이 없는 경우에도 기준 위치 조정 처리가 실행되는 것을 억제할 수 있어, 효율적인 운용이 가능하게 된다.
도 25 및 도 26은, 액정층(216)의 기준 위치와 레이저 가공 결과의 관계를 나타내는 표이다. 여기에서는, 반사형 공간 광 변조기(410)로 레이저광 L의 수차 보정을 행하면서 표면(1a)을 레이저광 입사면으로서 절단 예정 라인(5)을 따라서 당해 레이저광 L을 스캔하고, 가공 대상물(1)의 내부에 당해 레이저광 L을 집광시키는 절단용 레이저 가공의 가공 품질을, 레이저 가공 결과로서 평가한다. 도면 중의 「EXCELLENT」는, 이면(1b)에 도달하는 균열이 발생하고 있어, 가공 대상물(1)을 정밀도 좋게 절단 가능한 경우를 나타낸다. 도면 중의 「GOOD」은, 이면(1b)에 도달하는 균열이 발생하고 있지만, 절단면의 일부에 스크래치(뜯어내진 것과 같은 자국)가 발생한 경우를 나타낸다. 도면 중의 「WRONG」은, 이면(1b)에 도달하는 균열이 발생하고 있지 않은 경우를 나타낸다.
도면 중의 깊이는, 표면(1a)으로부터의 집광점 P의 거리이다. 왕로는 절단 예정 라인(5)을 따른 일방향을 스캔 방향으로 한 경우이며, 귀로는 절단 예정 라인(5)을 따른 다른 방향을 스캔 방향으로 한 경우이다. 도 25 중의 Y 방향의 숫자 및 도 26 중의 X 방향의 숫자에 대해서는, 상술한 도 22의 설명과 마찬가지이다. 또한, X 방향은 가공 진행 방향(스캔 방향)에 대응한다.
도 25 및 도 26에 나타내는 바와 같이, 기준 위치가 광축 중심 C4에 가까워지는 만큼, 집광점 P가 가공 대상물(1)의 얕은 위치(표면(1a)측)에 형성되어 있어도, 이면(1b)에 도달하는 균열이 발생하기 쉽고, 가공 품질이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, Y 방향에 있어서의 기준 위치의 광축 중심 C4로부터의 어긋남에 대해서, 가공 진행 방향인 X 방향에 있어서의 기준 위치의 광축 중심 C4로부터의 어긋남은, 가공 품질에 미치는 영향이 심각한 것을 확인할 수 있다.
이상, 적합한 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 각 청구항에 기재된 요지를 변경하지 않는 범위에서 변형하거나, 또는 다른 것에 적용해도 된다.
상기 실시 형태는, 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 형성하는 것으로 한정되지 않고, 어블레이션(ablation) 등, 다른 레이저 가공을 실시하는 것이어도 된다. 상기 실시 형태는 가공 대상물(1)의 내부에 레이저광 L을 집광시키는 레이저 가공에 이용되는 레이저 가공 장치로 한정되지 않고, 가공 대상물(1)의 표면(1a, 3) 또는 이면(1b)에 레이저광 L을 집광시키는 레이저 가공에 이용되는 레이저 가공 장치여도 된다. 본 발명이 적용되는 장치는 레이저 가공 장치로 한정되지 않고, 레이저광 L을 대상물에 조사하는 것이면, 다양한 레이저광 조사 장치에 적용할 수 있다. 상기 실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)을 조사 예정 라인으로 했지만, 조사 예정 라인은 절단 예정 라인(5)으로 한정되지 않고, 조사되는 레이저광 L을 따르게 하는 라인이면 된다.
상기 실시 형태에 있어서, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동공면(430a)이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하는 결상 광학계는, 한쌍의 렌즈(422, 423)로 한정되지 않고, 반사형 공간 광 변조기(410)측의 제1 렌즈계(예를 들면, 접합 렌즈, 3개 이상의 렌즈 등) 및 집광 렌즈 유닛(430)측의 제2 렌즈계(예를 들면, 접합 렌즈, 3개 이상의 렌즈 등)를 포함하는 것 등이어도 된다.
상기 실시 형태에 있어서, 렌즈(422), 렌즈(423) 및 렌즈(463)의 릴레이 배율은 임의 배율이어도 된다. 상기 실시 형태는 반사형 공간 광 변조기(410)를 구비했지만, 공간 광 변조기는 반사형의 것으로 한정되지 않고, 투과형의 공간 광 변조기를 구비하고 있어도 된다. 상기 실시 형태에서는, 주면인 표면(1a)을 레이저광 입사면으로 하고, 그 반대측의 주면인 이면(1b)을 반대면으로 하고 있지만, 이면(1b)을 레이저광 입사면으로 하고, 표면(1a)을 반대면으로 해도 된다.
상기 실시 형태에 있어서, 집광 렌즈 유닛(430) 및 한쌍의 측거 센서(450)는, Y축 방향에 있어서의 하우징(401)의 단부(401d)에 장착되어 있었지만, Y축 방향에 있어서의 하우징(401)의 중심 위치보다도 단부(401d)측으로 치우쳐서 장착되어 있으면 된다. 반사형 공간 광 변조기(410)는 Y축 방향에 있어서의 하우징(401)의 단부(401c)에 장착되어 있었지만, Y축 방향에 있어서의 하우징(401)의 중심 위치보다도 단부(401c)측으로 치우쳐서 장착되어 있으면 된다. 또한, 측거 센서(450)는 X축 방향에 있어서 집광 렌즈 유닛(430)의 한쪽 측에만 배치되어 있어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 반사광 검출기로서 관찰용 카메라(488)를 이용했지만, 반사광 RL을 검출할 수 있는 것이면 반사광 검출기는 특별히 한정되지 않는다. 상기 실시 형태는, 관찰용 카메라(488) 및 렌즈(487) 대신에, 예를 들면 도 27에 도시되는 바와 같이, 반사광 RL의 파면을 검출하는 파면 센서(588)를 반사광 검출기로서 구비하고 있어도 된다. 파면 센서는 예를 들면 마이크로 렌즈 어레이와 촬상 소자를 포함하여 구성되고, 국소적인 위상 구배(勾配)를 각 마이크로 렌즈에 의한 집광 스팟 상 위치로부터 취득한다. 파면 센서로서는, Shack-Hartmann 파면 센서(THORLABS사제, WFS150-5C)를 이용할 수 있다.
이 변형예에서는, 제어부(500)는, 파면 센서로 검출한 반사광 RL의 파면이 평면이 아닌 경우, 전상 위치 어긋남이 있다고 판정해도 된다. 이것에 의해, 전상 위치 어긋남의 유무를 정밀도 좋게 판정할 수 있다. 또한, 제어부(500)는, 파면 센서로 검출한 반사광 RL의 파면이 평면이 되도록, 기준 위치를 오프셋시켜도 된다. 이것에 의해, 입사 동공면(430a)에 전상한 레이저광 L의 상(39)의 중심 위치 C1을 당해 입사 동공면(430a)의 중심 위치 C2에 맞게 조정하여, 전상 위치 어긋남을 저감 나아가서는 없게 하는 것이 가능하게 된다. 이것은, 반사광 RL은, 전상 위치 어긋남이 없을 때에는 평면파(파의 등위상면이 평면으로 되어 있는 것)가 되는 한편, 전상 위치 어긋남이 있을 때에는, 평면파가 되지 않는 것이 발견되기 때문이다. 평면은 완전한 평면으로 한정되지 않고, 실질적으로 평면인 것이면 되고, 거의 평면 및 대략 평면을 포함하고 있다.
또는 상기 실시 형태에서는, 예를 들면 코마 수차 성분을 검출하는 검출기를 반사광 검출기로서 구비하고 있어도 된다. 이 변형예에서는, 제어부(500)는, 검출한 코마 수차 성분이 0 또는 소정 이하가 아닌 경우, 전상 위치 어긋남이 있다고 판정해도 된다. 또한, 제어부(500)는, 검출한 코마 수차 성분이 0 또는 소정 이하가 되도록, 기준 위치를 오프셋시켜도 된다.
상기 실시 형태에서는, 제어부(500)에 있어서 전상 위치 어긋남의 판정 및 기준 위치의 조정(오프셋) 양쪽을 실행했지만, 전상 위치 어긋남의 판정만을 실행해도 되고, 또는, 기준 위치의 조정만을 실행해도 된다. 또한, 제어부(500)에 의한 전상 위치 어긋남의 판정 대신에 혹은 더하여, 점 이미지 화상(반사광 RL의 검출 결과)을 모니터에 표시시켜, 점 이미지 화상에 기초하여 오퍼레이터가 전상 위치 어긋남을 눈으로 판단해도 된다. 제어부(500)에 의한 기준 위치의 조정 대신에 혹은 더하여, 점 이미지 화상을 모니터에 표시시켜, 점 이미지 화상에 기초하여 오퍼레이터가 기준 위치를 눈으로 조정해도 된다. 제어부(500)는 하나의 전자 제어 유닛이어도 되고, 복수의 전자 제어 유닛으로 구성되어 있어도 된다.
1…가공 대상물(대상물), 1a, 3…표면(레이저광 입사면), 1b…이면(반대면), 9…위상 패턴, 10…반사광 수차 보정 패턴, 100, 200…레이저 가공 장치(레이저광 조사 장치), 216…액정층(표시부), 240…제2 이동 기구(이동 기구), 310…레이저 발진기(레이저 광원), 410…반사형 공간 광 변조기(공간 광 변조기), 420…4f 렌즈 유닛(전상 광학계), 430…집광 렌즈 유닛(대물렌즈), 430a…입사 동공면, 488…관찰용 카메라(반사광 검출기, 카메라), 500…제어부(위치 판정부, 위치 조정부), 588…파면 센서, L…레이저광, RL…반사광.

Claims (9)

  1. 소정 두께의 대상물에 레이저광을 조사하는 레이저광 조사 장치로서,
    상기 레이저광을 발생시키는 레이저 광원과,
    위상 패턴을 표시하는 표시부를 가지고, 상기 레이저 광원에서 발생시킨 상기 레이저광을 상기 표시부에 입사시켜, 당해 레이저광을 상기 위상 패턴에 따라 변조하여 상기 표시부로부터 출사하는 공간 광 변조기와,
    상기 공간 광 변조기에서 출사된 상기 레이저광을 상기 대상물에 집광하는 대물렌즈와,
    상기 공간 광 변조기의 상기 표시부에 있어서의 상기 레이저광의 상을 상기 대물렌즈의 입사 동공면에 전상하는 전상 광학계와,
    상기 대상물에 입사되어 레이저광 입사면과는 반대측의 반대면에서 반사된 상기 레이저광의 반사광을 검출하는 반사광 검출기와,
    상기 표시부에 표시하는 상기 위상 패턴을 적어도 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 반사광 검출기로 상기 반사광을 검출할 때, 상기 소정 두께의 2배의 두께를 가지는 상기 대상물을 상기 레이저광이 투과하는 것으로 했을 경우에 발생하는 수차를 보정하는 상기 위상 패턴인 반사광 수차 보정 패턴을, 상기 표시부에 표시시키는 레이저광 조사 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사광 검출기의 검출 결과에 기초하여, 상기 입사 동공면의 중심 위치와 상기 전상 광학계에 의해 상기 입사 동공면에 전상한 상기 레이저광의 상의 중심 위치의 사이에 어긋남이 있는지 여부를 판정하는 위치 판정부를 구비하는 레이저광 조사 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사광 검출기는 상기 반사광의 점 이미지를 포함하는 화상을 촬상하는 카메라를 포함하고,
    상기 위치 판정부는, 상기 카메라로 촬상된 상기 화상에 있어서의 상기 반사광의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 아닌 경우에, 상기 어긋남이 있다고 판정하는 레이저광 조사 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 반사광 검출기는 상기 반사광의 파면을 검출하는 파면 센서를 포함하고,
    상기 위치 판정부는, 상기 파면 센서로 검출한 상기 반사광의 파면이 평면이 아닌 경우에, 상기 어긋남이 있다고 판정하는 레이저광 조사 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표시부에 있어서 상기 위상 패턴을 표시할 때에 기준으로 하는 기준 위치를, 상기 반사광 검출기의 검출 결과에 기초하여 오프셋시키는 위치 조정부를 구비하는 레이저광 조사 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 반사광 검출기는 상기 반사광의 점 이미지를 포함하는 화상을 촬상하는 카메라를 포함하고,
    상기 위치 조정부는, 상기 카메라로 촬상된 상기 화상에 있어서의 상기 반사광의 점 이미지가 회전 대칭의 광학 상이 되도록, 상기 기준 위치를 오프셋시키는 레이저광 조사 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 반사광 검출기는 상기 반사광의 파면을 검출하는 파면 센서를 포함하고,
    상기 위치 조정부는, 상기 파면 센서로 검출한 상기 반사광의 파면이 평면이 되도록, 상기 기준 위치를 오프셋시키는 레이저광 조사 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 대물렌즈 및 상기 대상물 중 적어도 한쪽을 이동시키는 이동 기구를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 표시부에 상기 반사광 수차 보정 패턴을 표시시키는 제1 처리와,
    상기 이동 기구에 의해, 상기 반사광 검출기로 상기 반사광을 검출 가능한 위치에 상기 대물렌즈 및 상기 대상물 중 적어도 한쪽을 이동시키는 제2 처리와,
    상기 제2 처리 후, 상기 제1 처리에 의해 상기 표시부에 상기 반사광 수차 보정 패턴을 표시시킨 상태에서, 상기 레이저 광원으로부터 상기 레이저광을 발생시켜 상기 대상물에 조사시키고, 당해 조사에 따라서 검출된 상기 반사광 검출기의 검출 결과를 취득하는 제3 처리와,
    상기 제3 처리를 상기 표시부 상의 상기 반사광 수차 보정 패턴의 위치를 변화시켜 1 또는 복수 회 반복하여, 상기 반사광 검출기의 검출 결과를 복수 취득하는 제4 처리를 실행하고,
    상기 위치 조정부는,
    상기 반사광 검출기의 복수의 검출 결과에 기초하여 상기 표시부에 있어서의 광축 중심을 산출하고, 당해 광축 중심에 상기 기준 위치를 오프셋시키는 레이저광 조사 장치.
  9. 레이저광 조사 장치를 이용하여 소정 두께의 대상물에 레이저광을 조사하는 레이저광 조사 방법으로서,
    상기 레이저광 조사 장치는,
    상기 레이저광을 발생시키는 레이저 광원과,
    위상 패턴을 표시하는 표시부를 가지고, 상기 레이저 광원에서 발생시킨 상기 레이저광을 상기 표시부에 입사시켜, 당해 레이저광을 상기 위상 패턴에 따라 변조하여 상기 표시부로부터 출사하는 공간 광 변조기와,
    상기 공간 광 변조기에서 출사된 상기 레이저광을 상기 대상물에 집광하는 대물렌즈와,
    상기 공간 광 변조기의 상기 표시부에 있어서의 상기 레이저광의 상을 상기 대물렌즈의 입사 동공면에 전상하는 전상 광학계와,
    상기 대상물에 입사되어 레이저광 입사면과는 반대측의 반대면에서 반사된 상기 레이저광의 반사광을 검출하는 반사광 검출기를 구비하고,
    상기 소정 두께의 2배의 두께를 가지는 상기 대상물을 상기 레이저광이 투과하는 것으로 했을 경우에 발생하는 수차를 보정하는 상기 위상 패턴인 반사광 수차 보정 패턴을 상기 표시부에 표시시키는 제1 스텝과,
    상기 제1 스텝에 의해 상기 반사광 수차 보정 패턴을 상기 표시부에 표시시킨 상태에서, 상기 레이저 광원으로부터 상기 레이저광을 발생시켜 상기 대상물에 조사하고, 당해 조사에 따라서 상기 반사광 검출기에 의해 상기 레이저광의 반사광을 검출하는 제2 스텝과,
    상기 제2 스텝 후, 상기 표시부에 있어서 상기 위상 패턴을 표시할 때에 기준으로 하는 기준 위치를, 상기 반사광 검출기의 검출 결과에 기초하여 오프셋시키는 제3 스텝을 포함하는 레이저광 조사 방법.
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