KR102454121B1 - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 가공 장치는, 측정용 광원과, 집광용 렌즈와, 레이저광 입사면에서 반사된 측정용 광의 반사광에 근거해 레이저광 입사면의 변위를 검출하는 변위 검출부와, 측정용 광 및 측정용 광의 반사광 중 적어도 어느 하나의 결상 상태를 이동하는 결상 상태 조정부를 갖춘다. 변위 검출부는, 측정용 광의 반사광을 복수의 분기 반사광으로 분기하는 분기부와, 복수의 분기 반사광 각각에 대해 서로 다른 크기의 비점수차량을 부가하는 복수의 비점수차 부가부와, 비점수차가 부가된 복수의 분기 반사광 각각의 빔 형상을 검출하는 복수의 빔 형상 검출부와, 복수의 분기 반사광의 광로 중에서 결상 상태 조정부에서 조정할 결상 상태에 따른 하나를 선택하고, 선택한 분기 반사광의 광로에서의 빔 형상 검출부의 검출 결과에 근거해 변위에 관한 신호를 취득하는 신호 취득부를 가진다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법

본 발명의 일측면은, 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

종래, 가공 대상물에 가공용 레이저광을 집광함으로써, 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 형성하는 레이저 가공 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이러한 레이저 가공 장치는, 측정용 광을 출사하는 측정용 광원과, 가공용 레이저광 및 측정용 광을 가공 대상물에 집광하는 집광용 렌즈와, 가공 대상물의 레이저광 입사면에서 반사된 측정용 광의 반사광에 근거해 레이저광 입사면의 변위(變位)(이하, 단지 「변위」라고도 칭한다)를 검출하는 변위 검출부를 갖춘다. 변위 검출부는, 측정용 광의 반사광에 비점수차(非点收差)를 부가하고, 비점수차를 부가한 반사광의 빔 형상을 검출하고, 그 검출 결과에 근거해 변위에 관한 신호를 취득한다.

일본 특허공개 2015-186825호 공보

상술한 레이저 가공 장치에서는, 취득하는 변위에 대한 신호의 변동(신호의 기울기)이 지나치게 완만해지는 경우가 있다. 이 경우, 예를 들어 레이저광 입사면이 연삭면이면, 그 연삭흔(硏削痕)(쏘우 마크(Saw Mark)라고도 칭해진다)에서 측정용 광이 산란하여, 동일 변위여도 신호가 다른 현상이 생기기 때문에, 검출하는 변위의 오차가 현저하게 된다. 그 결과, 레이저광 입사면의 변위를 정밀도 좋게 검출하는 것이 곤란해질 우려가 있다.

본 발명의 일측면은, 레이저광 입사면의 변위를 정밀도 좋게 검출할 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치는, 가공 대상물에 가공용 레이저광을 집광함으로써, 가공 대상물에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 장치에 있어서, 측정용 광을 출사하는 측정용 광원과, 가공용 레이저광 및 측정용 광을 가공 대상물에 집광하는 집광용 렌즈와, 가공 대상물의 레이저광 입사면에서 반사된 측정용 광의 반사광에 근거해, 레이저광 입사면의 변위를 검출하는 변위 검출부와, 측정용 광 및 측정용 광의 반사광 중 적어도 어느 하나의 결상(結像) 상태를 이동하는 결상 상태 조정부를 갖추고, 변위 검출부는, 측정용 광의 반사광을 복수의 분기 반사광으로 분기하는 분기부와, 복수의 분기 반사광의 광로(光路) 각각에 설치되고, 복수의 분기 반사광 각각에 대해 서로 다른 크기의 비점수차량(非点收差量)을 부가하는 복수의 비점수차 부가부와, 복수의 분기 반사광의 광로 각각에 설치되고, 비점수차가 부가된 복수의 분기 반사광 각각의 빔 형상을 검출하는 복수의 빔 형상 검출부와, 복수의 분기 반사광의 광로 중에서 결상 상태 조정부에서 이동할 결상 상태에 따른 하나를 선택하고, 선택한 분기 반사광의 광로에서의 빔 형상 검출부의 검출 결과에 근거해 변위에 관한 신호를 취득하는 신호 취득부를 가진다.

본 발명자들은 열심히 검토를 거듭하여, 취득하는 신호의 기울기는, 측정용 광 및 측정용 광의 반사광 중 적어도 어느 하나의 결상 상태와 상관(相關)이 있다는 것을 발견하였다. 또한, 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 요인으로서, 상기 결상 상태와 반사광에 부가하는 비점수차량과의 미스매치에 기인하는 것을 찾아냈다. 그래서, 본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치에서는, 측정용 광의 반사광을 복수의 분기 반사광으로 분기하고, 각 분기 반사광의 광로에서 서로 다른 크기의 비점수차량을 부가한 분기 반사광의 빔 형상을 검출한다. 그리고, 복수의 분기 반사광의 광로 중에서, 결상 상태 조정부에서 이동할 결상 상태에 따른 하나를 선택하고, 선택한 상기 광로의 분기 반사광의 빔 형상에 근거한 신호를 취득한다. 이에 따라, 취득하는 신호에 따른 분기 반사광에 부가되는 비점수차량을, 결상 상태에 따른 것으로 할 수 있다. 취득하는 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 레이저광 입사면의 변위를 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능해진다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치에서는, 결상 상태 조정부는, 결상 상태를 이동함으로써 오프셋량을 조정하고, 신호 취득부는, 복수의 분기 반사광의 광로 중에서, 결상 상태 조정부에서 조정할 오프셋량에 따른 하나를 선택해도 무방하다. 여기서, 오프셋량이란, 가공 대상물의 레이저 입사면의 변위에 대한 신호가 기준값(전형적으로는 제로)이 될 때의, 가공 대상물의 레이저 입사면의 상대 변위를 나타내는 척도이다. 예를 들면, 오프셋량이 0 ㎛이다 라는 것은, 측정용 광과 동일 파장의 평행 광이 집광용 렌즈에 입사했을 때, 가공 대상물의 레이저 입사면에서 최소로 좁힐 수 있는 배치가 되고, 그 때의 변위 신호에 대한 신호가 기준값이 되는 기하학적 배치 상태이다. 또한, 예를 들어 오프셋량이 -180 ㎛이다 라는 것은, 오프셋량이 0 ㎛일 때의 상기 배치로부터 가공 대상물의 레이저 입사면이 집광용 렌즈로 180 ㎛ 가까워졌을 때에 신호가 기준값이 되는 기하학적 배치 상태이다. 오프셋량의 값이 작을(마이너스 폭이 클) 때에는, 오프셋 또는 오프셋량이 깊다고 하고, 오프셋량의 값이 클(마이너스 폭이 작을) 때에는, 오프셋 또는 오프셋량이 얕다고 한다.

취득하는 신호의 기울기는, 구체적으로는, 오프셋량과 상관이 있고, 오프셋량과 비점수차량과의 미스매치에 기인해 지나치게 완만해진다고 하는 지견(知見)이 발견된다. 그래서, 본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치에서는, 복수의 분기 반사광의 광로 중에서 오프셋에 따른 하나를 선택한다. 이에 따라, 취득하는 신호에 따른 분기 반사광에 부가되는 비점수차량을, 오프셋량에 따른 것으로 할 수 있다. 취득하는 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제하는 것이 가능해진다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치에서는, 분기부는, 측정용 광의 반사광을 적어도 제1 분기 반사광 및 제2 분기 반사광으로 분기하고, 비점수차 부가부는, 제1 분기 반사광의 광로에 설치되어, 제1 비점수차량을 제1 분기 반사광에 부가하는 제1 비점수차 부가부와, 제2 분기 반사광의 광로에 설치되어, 제1 비점수차량 보다 큰 제2 비점수차량을 제2 분기 반사광에 부가하는 제2 비점수차 부가부를 가지고, 신호 취득부는, 결상 상태 조정부에서 조정할 오프셋량이 제1 범위에 있는 경우에는, 제1 분기 반사광의 광로를 선택하고, 결상 상태 조정부에서 조정할 오프셋량이 제1 범위 보다 깊은 제2 범위에 있는 경우에는, 제2 분기 반사광의 광로를 선택해도 무방하다.

취득하는 신호의 기울기는, 보다 구체적으로는, 같은 비점수차량이 부가되는 경우, 오프셋이 깊을수록 지나치게 완만해진다고 하는 지견이 발견된다. 그래서, 본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치에서는, 오프셋량이 제1 범위에 있는 경우에는, 제1 분기 반사광의 광로를 선택하고, 결상 상태 조정부에서 조정할 오프셋량이 제1 범위 보다 깊은 제2 범위에 있는 경우에는, 제2 분기 반사광의 광로를 선택한다. 이에 따라, 취득하는 신호에 따른 분기 반사광에 부가되는 비점수차량을, 오프셋이 깊은 경우에는 크게(얕은 경우에는 작게) 할 수 있다. 취득하는 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제하는 것이 가능해진다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치는, 결상 상태 조정부에서 조정할 오프셋량을 설정하는 오프셋량 설정부와, 오프셋량 설정부에서 설정된 오프셋량이 되도록 결상 상태 조정부를 제어하는 결상 상태 제어부를 갖추어도 무방하다. 이 구성에 의하면, 설정된 오프셋량이 되도록 결상 상태를 자동 조정할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치는, 집광용 렌즈의 광축 방향에 따라, 가공 대상물 및 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 구동 기구와, 신호 취득부에서 취득한 신호가 목표값을 유지하도록 구동 기구를 동작시키는 구동 기구 제어부를 갖추어도 무방하다. 이 구성에 의하면, 레이저광 입사면에 추종하도록, 집광용 렌즈를 그 광축 방향에 따라 상대 이동시킬 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치는, 가공용 레이저광의 광축에 측정용 광의 광축을 맞추는 광축 조정 기구를 갖추어도 무방하다. 이 구성에 의하면, 가공용 레이저광의 광축에 측정용 광의 광축을 정밀도 좋게 맞출 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 장치에서는, 측정용 광원은, 서로 다른 파장을 가지는 복수의 광 중 어느 하나를 출사 가능하고 , 복수의 파장의 광 중 가공 대상물에 대한 반사율이 가장 높은 파장을 가지는 광을 측정용 광으로서 출사해도 무방하다. 이 경우, 측정용 광을 레이저광 입사면에서 반사한 반사광을, 검출하기 쉽게 할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 레이저 가공 방법은, 가공 대상물에 가공용 레이저광을 집광함으로써, 가공 대상물에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 방법에 있어서, 가공 대상물에 가공용 레이저광을 집광용 렌즈로 집광하면서, 측정용 광을 가공 대상물에 집광용 렌즈로 집광하고, 가공 대상물의 레이저광 입사면에서 반사된 상기 측정용 광의 반사광을 적어도 제1 분기 반사광 및 제2 분기 반사광으로 분기하고, 제1 분기 반사광의 광로에서 제1 비점수차량을 부가한 제1 분기 반사광의 빔 형상을 검출함과 동시에, 제2 분기 반사광의 광로에서 제1 비점수차량 보다 큰 제2 비점수차량을 부가한 제2 분기 반사광의 빔 형상을 검출하고, 상기 빔 형상의 검출 결과에 근거해 레이저광 입사면의 변위에 관한 신호를 취득하고, 취득한 신호가 목표값을 유지하도록 집광용 렌즈의 광축 방향에 따라 가공 대상물 및 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 레이저 가공 스텝을 갖추고, 레이저 가공 스텝은, 오프셋량을 설정하는 제1 스텝과, 제1 스텝에서 설정한 오프셋량이 제1 범위인 경우에는 제1 분기 반사광의 광로를 선택하고, 제1 스텝에서 설정한 오프셋량이 제1 범위 보다 깊은 제2 범위인 경우에는 제2 분기 반사광의 광로를 선택하는 제2 스텝과, 제1 스텝에서 설정한 오프셋량이 되도록, 측정용 광 및 측정용 광의 반사광 중 적어도 어느 하나의 결상 상태를 이동하는 제3 스텝과, 제1 스텝에서 설정한 오프셋량이 되도록, 가공 대상물 및 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 제4 스텝과, 제3 스텝 및 제4 스텝의 후에, 목표값을 취득하는 제5 스텝과, 제5 스텝의 후에, 가공 대상물에 가공용 레이저광을 집광용 렌즈로 집광하면서, 제2 스텝에서 선택한 분기 반사광의 광로에서 빔 형상을 검출하고, 상기 빔 형상의 검출 결과에 근거해 신호를 취득하고, 취득한 신호가 목표값을 유지하도록 집광용 렌즈의 광축 방향에 따라 가공 대상물 및 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 제6 스텝을 포함한다.

이 레이저 가공 방법에 있어서도, 취득하는 신호에 따른 분기 반사광에 부가되는 비점수차량을, 오프셋이 깊은 경우에는 크게(얕은 경우에는 작게) 할 수 있다. 상기 지견에 의해, 취득하는 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 레이저광 입사면의 변위를 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능해진다.

본 발명의 일측면에 따르면, 레이저광 입사면의 변위를 정밀도 좋게 검출할 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공하는 것이 가능해진다.

[도 1]　도 1은, 개질 영역의 형성에 이용되는 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.
[도 2]　도 2는, 개질 영역의 형성의 대상이 되는 가공 대상물의 평면도이다.
[도 3]　도 3은, 도 2의 가공 대상물의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도이다.
[도 4]　도 4는, 레이저 가공 후의 가공 대상물의 평면도이다.
[도 5]　도 5는, 도 4의 가공 대상물의 Ⅴ-Ⅴ선에 따른 단면도이다.
[도 6]　도 6은, 도 4의 가공 대상물의 Ⅵ-Ⅵ선에 따른 단면도이다.
[도 7]　도 7은, 일실시형태에 따른 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.
[도 8]　도 8은, 도 7의 레이저 가공 장치의 반사형 공간 광 변조기의 부분 단면도이다.
[도 9]　도 9는, 도 7의 레이저 가공 장치의 AF 유닛을 포함한 오토 포커스 제어계의 개략 구성도이다.
[도 10]　도 10(a)는, 반사광의 빔 형상이 세로로 긴 타원(縱長楕圓)인 경우를 설명하는 도면이다. 도 10(b)는, 반사광의 빔 형상이 완전한 원(眞圓, true circle)인 경우를 설명하는 도면이다. 도 10(c)는, 반사광의 빔 형상이 가로로 긴 타원(橫長楕圓)인 경우를 설명하는 도면이다.
[도 11]　도 11은, 오차 신호의 일례를 나타내는 그래프이다.
[도 12]　도 12는, 도 7의 레이저 가공 장치에서 실시되는 레이저 가공 방법을 나타내는 플로우 차트의 일례이다.
[도 13]　도 13은, 제1 빔 형상 검출부에서 검출한 빔 형상에만 기초해 생성한 오차 신호를 나타내는 그래프이다.
[도 14]　도 14는, 도 7의 레이저 가공 장치에서 생성한 오차 신호를 나타내는 그래프이다.
[도 15]　도 15는, 제2 빔 형상 검출부에서 검출한 빔 형상에만 기초해 생성한 오차 신호를 나타내는 그래프이다.
[도 16]　도 16은, 변형예에 따른 AF 유닛의 개략 구성도이다.
[도 17]　도 17(a)는, 도 16의 AF 유닛에 의한 효과를 설명하기 위한 그래프로서, 제1 빔 형상 검출부가 고정(固定)인 경우의 오차 신호이다. 도 17(b)는, 도 16의 AF 유닛에 의한 효과를 설명하기 위한 그래프로서, 제1 빔 형상 검출부가 가동(可動)인 경우의 오차 신호이다.

이하, 실시 형태에 대해, 도면을 참조해 상세하게 설명한다. 덧붙여, 각 도면에서 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여해, 중복하는 설명을 생략한다.

실시 형태에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에서는, 가공 대상물에 레이저광을 집광함으로써, 절단 예정 라인에 따라 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 형성한다. 그래서, 우선, 개질 영역의 형성에 대해, 도 1∼도 6을 참조해 설명한다.

도 1에 도시한 것처럼, 레이저 가공 장치(100)는, 가공용 레이저광인 레이저광(L)을 펄스 발진하는 가공용 레이저 광원인 레이저 광원(101)과, 레이저광(L)을 도광하는 광학계(103)와, 레이저광(L)을 집광하기 위한 집광용 렌즈(105)를 갖추고 있다. 레이저 가공 장치(100)는, 집광용 렌즈(105)로 집광된 레이저광(L)이 조사되는 가공 대상물(1)을 지지하기 위한 지지대(107)와, 지지대(107)를 이동시키기 위한 스테이지(111)와, 레이저광(L)의 출력(펄스 에너지, 광 강도)이나 펄스 폭, 펄스 파형 등을 조절하기 위해 레이저 광원(101)을 제어하는 레이저 광원 제어부(102)와, 스테이지(111)의 이동을 제어하는 스테이지 제어부(115)를 갖추고 있다.

레이저 가공 장치(100)에서는, 레이저 광원(101)으로부터 출사된 레이저광(L)은, 광학계(103)로 인도되고, 지지대(107) 상에 재치(載置)된 가공 대상물(1)의 내부로 집광용 렌즈(105)에 의해 집광된다. 이와 함께, 스테이지(111)가 이동하고, 가공 대상물(1)이 레이저광(L)에 대해 절단 예정 라인(5)에 따라 상대 이동한다. 이에 따라, 절단 예정 라인(5)에 따른 개질 영역이 가공 대상물(1)에 형성된다. 덧붙여, 여기에서는, 레이저광(L)을 상대적으로 이동시키기 위해 스테이지(111)를 이동시켰지만, 집광용 렌즈(105)를 이동시켜도 무방하고, 혹은 이들 양쪽 모두를 이동시켜도 무방하다.

가공 대상물(1)로서는, 반도체 재료로 형성된 반도체 기판이나 압전 재료로 형성된 압전 기판 등을 포함한 판 형상의 부재(예를 들면, 기판, 웨이퍼 등)가 이용된다. 도 2에 도시한 것처럼, 가공 대상물(1)에는, 가공 대상물(1)을 절단하기 위한 절단 예정 라인(5)이 설정되어 있다. 절단 예정 라인(5)은, 직선 형상으로 연장된 가상 선이다. 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역을 형성하는 경우, 도 3에 도시한 것처럼, 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(집광 위치)(P)을 맞춘 상태에서, 레이저광(L)을 절단 예정 라인(5)에 따라(즉, 도 2의 화살표 A 방향으로) 상대적으로 이동시킨다. 이에 따라, 도 4, 도 5 및 도 6에 도시한 것처럼, 개질 영역(7)이 절단 예정 라인(5)에 따라 가공 대상물(1)에 형성되고, 절단 예정 라인(5)에 따라 형성된 개질 영역(7)이 절단 기점 영역(8)이 된다.

집광점(P)이란, 레이저광(L)이 집광하는 부분(箇所)이다. 절단 예정 라인(5)은, 직선 형상으로 한정되지 않고, 곡선 형상이어도 무방하고, 이들이 조합된 3차원 형상이어도 무방하고, 좌표 지정된 것이어도 무방하다. 절단 예정 라인(5)은, 가상 선으로 한정되지 않고, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 실제로 그어진 선이어도 무방하다. 개질 영역(7)은, 연속적으로 형성되는 경우도 있고, 단속적(斷續的)으로 형성되는 경우도 있다. 개질 영역(7)은 열(列) 형상이어도 점(点) 형상이어도 무방하고, 요점은, 개질 영역(7)은 적어도 가공 대상물(1)의 내부에 형성되어 있으면 무방하다. 또한, 개질 영역(7)을 기점으로 균열이 형성되는 경우가 있고, 균열 및 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)의 외표면(표면(3), 이면(裏面), 혹은 외주면(外周面))에 노출되어 있어도 무방하다. 개질 영역(7)을 형성할 때의 레이저광 입사면은, 가공 대상물(1)의 표면(3)으로 한정되는 것이 아니라, 가공 대상물(1)의 이면이어도 무방하다.

덧붙여서, 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광(L)은, 가공 대상물(1)을 투과함과 동시에, 가공 대상물(1)의 내부에 위치하는 집광점(P) 근방에서 특히 흡수된다. 이에 따라, 가공 대상물(1)에 개질 영역(7)이 형성된다. 이 경우, 가공 대상물(1)의 표면(3)에서는 레이저광(L)의 에너지 밀도가 낮기 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융하는 경우는 없다. 한편, 가공 대상물(1)의 표면(3) 또는 이면에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광(L)이 표면(3) 또는 이면에 위치하는 집광점(P) 근방에서 특히 흡수되고, 표면(3) 또는 이면으로부터 용융(溶融)되어 제거되고, 홀(hole)이나 홈(溝) 등의 제거부가 형성된다.

개질 영역(7)은, 밀도, 굴절률, 기계적 강도나 그 외의 물리적 특성이 주위와는 다른 상태가 된 영역을 말한다. 개질 영역(7)으로서는, 예를 들면, 용융 처리 영역(일단 용융 후 재고화(再固化)한 영역, 용융 상태 중인 영역 및 용융으로부터 재고화 하는 상태 중인 영역 중 적어도 어느 하나를 의미한다), 크랙 영역, 절연 파괴 영역, 굴절률 변화 영역 등이 있고, 이들이 혼재한 영역도 있다. 또한, 개질 영역(7)으로서는, 가공 대상물(1)의 재료에서 개질 영역(7)의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교해 변화한 영역이나, 격자 결함이 형성된 영역이 있다. 가공 대상물(1)의 재료가 단결정(單結晶) 실리콘인 경우, 개질 영역(7)은, 고전위 밀도 영역이라고도 할 수 있다.

용융 처리 영역, 굴절률 변화 영역, 개질 영역(7)의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교해 변화한 영역 및 격자 결함이 형성된 영역은, 더욱, 이들 영역의 내부나 개질 영역(7)과 비개질 영역과의 계면(界面)에 균열(깨어짐, 마이크로 크랙)을 내포하고 있는 경우가 있다. 내포되는 균열은, 개질 영역(7)의 전면(全面)에 걸친 경우나 일부분 만이나 복수 부분에 형성되는 경우가 있다. 가공 대상물(1)은, 결정 구조를 가지는 결정 재료로 이루어진 기판을 포함한다. 예를 들면, 가공 대상물(1)은, 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), LiTaO₃ 및 사파이어(Al₂O₃) 중 적어도 어느 하나로 형성된 기판을 포함한다. 환언하면, 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 질화갈륨 기판, 실리콘 기판, SiC 기판, LiTaO₃ 기판 또는 사파이어 기판을 포함한다. 결정 재료는, 이방성(異方性) 결정 및 등방성(等方性) 결정 중 어느 하나여도 무방하다. 또한, 가공 대상물(1)은, 비결정 구조(비정질(非晶質) 구조)를 가지는 비결정 재료로 이루어진 기판을 포함해도 무방하고, 예컨대 글라스 기판을 포함해도 무방하다.

실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)에 따라 개질 스팟(가공흔(加*j痕))을 복수 형성함으로써, 개질 영역(7)을 형성할 수 있다. 이 경우, 복수의 개질 스팟이 모여서 개질 영역(7)이 된다. 개질 스팟에 대해서는, 요구되는 절단 정밀도, 요구되는 절단면의 평탄성, 가공 대상물(1)의 두께, 종류, 결정 방위 등을 고려해, 그 크기나 발생하는 균열의 길이를 적절히 제어할 수 있다. 또한, 실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)에 따라, 개질 스팟을 개질 영역(7)으로서 형성할 수 있다.

다음으로, 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 대해 설명한다. 이하에서는, 가공 대상물(1)의 이면(21)을 레이저광 입사면으로 하는 경우를 예시한다. 가공 대상물(1)의 두께 방향을 Z 방향으로서 설명한다.

도 7에 도시한 것처럼, 레이저 가공 장치(300)는, 레이저 광원(202), 반사형 공간 광 변조기(203), 4f 광학계(241) 및 집광 광학계(204)를, 하우징(housing, 筐體)(231) 내에 갖추고 있다. 레이저 가공 장치(300)는, 가공 대상물(1)에 레이저광(L)을 집광함으로써, 절단 예정 라인(5)에 따라 가공 대상물(1)에 개질 영역(7)을 형성한다.

레이저 광원(202)은, 레이저광(L)을 출사하는 것이다. 레이저 광원(202)은, 1㎲ 이하의 펄스 폭을 가지는 레이저광인 펄스 레이저광을 레이저광(L)으로서 출사한다. 레이저 광원(202)은, 레이저 발진기로서 초단 펄스 레이저 광원을 포함한다. 레이저 발진기로서는, 예를 들면, 고체 레이저, 파이버 레이저 또는 외부 변조 소자 등으로 구성할 수 있다. 레이저 광원(202)은, 레이저광(L)의 출력을 조정하는 출력 조정부를 포함하고 있다. 출력 조정부로서는, λ/2 파장판 유닛 및 편광판 유닛 등으로 구성할 수 있다. 또한, 레이저 광원(202)은, 레이저광(L)의 지름(徑)을 조정하면서 평행화(平行化) 하는 빔 익스팬더(beam expander)를 포함하고 있다.

레이저 광원(202)으로부터 출사되는 레이저광(L)의 파장은, 500∼550 nm, 1000∼1150 nm 또는 1300∼1400 nm 중 어느 하나의 파장대(波長帶)에 포함된다. 여기서의 레이저광(L)의 파장은, 1064 nm이다. 이러한 레이저 광원(202)은, 수평 방향으로 레이저광(L)을 출사하도록, 하우징(231)의 천판(天板)(236)에 나사 등으로 고정되어 있다.

반사형 공간 광 변조기(203)는, 레이저 광원(202)으로부터 출사된 레이저광(L)을 변조하는 것이다. 반사형 공간 광 변조기(203)는, 예를 들면 반사형 액정(LCOS: Liquid　Crystal　on　Silicon)의 공간 광 변조기(SLM: Spatial　Light　Modulator)이다. 반사형 공간 광 변조기(203)는, 수평 방향으로부터 입사하는 레이저광(L)을 변조함과 동시에, 수평 방향에 대해 비스듬히 위로 반사한다.

도 8에 도시한 것처럼, 반사형 공간 광 변조기(203)는, 실리콘 기판(213), 구동 회로층(914), 복수의 화소 전극(214), 유전체 다층막 미러 등의 반사막(215), 배향막(配向膜)(999a), 액정층(216), 배향막(999b), 투명 도전막(217) 및 글라스 기판 등의 투명 기판(218)이 이 순서로 적층되어 구성되어 있다. 투명 기판(218)은, 소정 평면에 따른 표면(218a)을 가지고 있다. 투명 기판(218)의 표면(218a)은, 반사형 공간 광 변조기(203)의 표면을 구성한다. 투명 기판(218)은, 예를 들면 글라스 등의 광투과성 재료로 이루어진다. 투명 기판(218)은, 반사형 공간 광 변조기(203)의 표면(218a)으로부터 입사한 소정 파장의 레이저광(L)을, 반사형 공간 광 변조기(203)의 내부로 투과한다. 투명 도전막(217)은, 투명 기판(218)의 이면 상에 형성되어 있다. 투명 도전막(217)은, 레이저광(L)을 투과하는 도전성 재료(예를 들면, ITO)로 이루어진다.

복수의 화소 전극(214)은, 투명 도전막(217)에 따라 실리콘 기판(213) 상에 매트릭스 형상으로 배열되어 있다. 복수의 화소 전극(214)은, 예를 들면 알루미늄 등의 금속 재료로 형성되어 있다. 복수의 화소 전극(214)의 표면(214a)은, 평탄하고 매끄럽게 가공되어 있다. 복수의 화소 전극(214)은, 구동 회로층(914)에 설치된 액티브·매트릭스 회로에 의해 구동된다.

액티브·매트릭스 회로는, 복수의 화소 전극(214)과 실리콘 기판(213)의 사이에 설치되어 있다. 액티브·매트릭스 회로는, 반사형 공간 광 변조기(203)로부터 출력하려고 하는 광 이미지(光像)에 따라 각 화소 전극(214)으로의 인가 전압을 제어한다. 예를 들면, 액티브·매트릭스 회로는, 표면(218a)에 따른 일방향으로 늘어선 각 화소 열의 인가 전압을 제어하는 제1 드라이버 회로와, 상기 일방향에 직교하고 표면(218a)에 따른 타방향으로 늘어선 각 화소 열의 인가 전압을 제어하는 제2 드라이버 회로를 가지고 있다. 이러한 액티브·매트릭스 회로는, 제어부(250)(도 7 참조)에 의해 쌍방의 드라이버 회로에서 지정된 화소의 화소 전극(214)에 소정 전압이 인가되도록 구성되어 있다.

배향막(999a, 999b)은, 액정층(216)의 양단면에 배치되어 있고, 액정 분자 군(群)을 일정 방향으로 배열시킨다. 배향막(999a, 999b)은, 예를 들면 폴리이미드 등의 고분자 재료로 형성되어 있다. 배향막(999a, 999b)에서의 액정층(216)과의 접촉면에는, 러빙(rubbing) 처리 등이 실시되어 있다.

액정층(216)은, 복수의 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)의 사이에 배치되어 있다. 액정층(216)은, 각 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)에 의해 형성되는 전계(電界)에 따라 레이저광(L)을 변조한다. 즉, 구동 회로층(914)의 액티브·매트릭스 회로에 의해 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(L)이 투명 기판(218) 및 투명 도전막(217)을 투과해 액정층(216)에 입사하면, 이 레이저광(L)은, 액정층(216)을 통과하는 동안에 액정 분자(216a)에 의해 변조되어, 반사막(215)에서 반사한 후, 다시 액정층(216)에 의해 변조되어 출사한다.

이때, 제어부(250)(도 7 참조)에 의해 각 화소 전극(214)에 인가되는 전압이 제어되고, 그 전압에 따라, 액정층(216)에서 투명 도전막(217)과 각 화소 전극(214) 사이에 있는 부분의 굴절률이 변화한다(각 화소에 대응한 위치의 액정층(216)의 굴절률이 변화한다). 이 굴절률의 변화에 의해, 인가한 전압에 따라, 레이저광(L)의 위상을 액정층(216)의 화소 마다 변화시킬 수 있다. 즉, 홀로그램 패턴에 따른 위상 변조를 화소 마다 액정층(216)에 의해 부여할 수 있다. 변조 패턴에 입사하여 투과한 레이저광(L)은, 그 파면(波面)이 조정되어, 레이저광(L)을 구성하는 각 광선에서 진행 방향에 직교하는 방향의 성분의 위상에 차이가 생긴다. 따라서, 반사형 공간 광 변조기(203)에 표시시키는 변조 패턴을 적절히 설정함으로써, 레이저광(L)이 변조(예를 들면, 레이저광(L)의 강도, 진폭, 위상, 편광 등이 변조) 가능해진다.

도 7로 돌아와서, 4f 광학계(241)는, 반사형 공간 광 변조기(203)에 의해 변조된 레이저광(L)의 파면 형상을 조정하는 조정 광학계이다. 4f 광학계(241)는, 제1 렌즈(241a) 및 제2 렌즈(241b)를 가지고 있다. 제1 렌즈(241a) 및 제2 렌즈(241b)는, 반사형 공간 광 변조기(203)와 제1 렌즈(241a) 사이의 광로의 거리가 제1 렌즈(241a)의 제1 초점 거리(f1)가 되고, 집광 광학계(204)와 제2 렌즈(241b) 사이의 광로의 거리가 제2 렌즈(241b)의 제2 초점 거리(f2)가 되고, 제1 렌즈(241a)와 제2 렌즈(241b) 사이의 광로의 거리가 제1 초점 거리(f1)와 제2 초점 거리(f2)의 합(즉, f1+f2)이 되고, 제1 렌즈(241a) 및 제2 렌즈(241b)가 양측 텔레센트릭(telecentric) 광학계가 되도록, 반사형 공간 광 변조기(203)와 집광 광학계(204) 사이의 광로 상에 배치되어 있다. 4f 광학계(241)에 의하면, 반사형 공간 광 변조기(203)에서 변조된 레이저광(L)이 공간 전파에 의해 파면 형상이 변화해 수차(收差)가 증대하는 것을 억제할 수 있다.

집광 광학계(204)는, 레이저 광원(202)에 의해 출사되어 반사형 공간 광 변조기(203)에 의해 변조된 레이저광(L)과, 후술하는 AF 유닛(212)에 의해 출사된 측정용 광(LB1)을 가공 대상물(1)에 집광한다. 집광 광학계(204)는, 압전 소자 등을 포함해 구성된 구동 유닛(232)을 통해 하우징(231)의 저판(底板)(233)에 설치되어 있다. 집광 광학계(204)는 집광용 렌즈로서, 복수의 렌즈를 포함해 구성되어 있다.

이상과 같이 구성된 레이저 가공 장치(300)에서는, 레이저 광원(202)으로부터 출사된 레이저광(L)은, 하우징(231) 내에서 수평 방향으로 진행한 후, 미러(205a)에 의해 하방으로 반사되어, 어테뉴에이터(attenuator)(207)에 의해 광 강도가 조정된다. 그 후, 레이저광(L)은, 미러(205b)에 의해 수평 방향으로 반사되고, 빔 호모게나이저(Beam homogenizer)(260)에 의해 레이저광(L)의 강도 분포가 균일화 되어 반사형 공간 광 변조기(203)로 입사한다.

반사형 공간 광 변조기(203)에 입사한 레이저광(L)은, 액정층(216)에 표시된 변조 패턴을 투과함으로써 상기 변조 패턴에 따라 변조된다. 그 후, 레이저광(L)은, 미러(206a)에 의해 상방으로 반사되고, λ/2 파장판(228)에 의해 편광 방향이 변경되고, 미러(206b)에 의해 수평 방향으로 반사되어, 4f 광학계(241)로 입사한다.

4f 광학계(241)에 입사한 레이저광(L)은, 평행 광으로 집광 광학계(204)에 입사하도록 파면 형상이 조정된다. 구체적으로는, 레이저광(L)은, 제1 렌즈(241a)를 투과해 수속(收束)되고, 미러(219)에 의해 하방으로 반사되어, 집광점(O)을 거쳐 발산함과 동시에, 제2 렌즈(241b)를 투과해, 평행 광이 되도록 다시 수속된다. 그리고, 레이저광(L)은, 다이크로익 미러(210, 238)를 순차적으로 투과해 집광 광학계(204)에 입사하고, 스테이지(111) 상에 재치된 가공 대상물(1) 내에 집광 광학계(204)에 의해 집광된다.

또한, 레이저 가공 장치(300)는, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면을 관찰하기 위한 표면 관찰 유닛(211)과, 집광 광학계(204)와 가공 대상물(1)과의 거리를 미세 조정하기 위한 AF(AutoFocus) 유닛(212)을, 하우징(231) 내에 갖추고 있다.

표면 관찰 유닛(211)은, 가시광(VL1)을 출사하는 관찰용 광원(211a)과, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에서 반사된 가시광(VL1)의 반사광(VL2)을 수광(受光)해 검출하는 검출기(211b)를 가지고 있다. 표면 관찰 유닛(211)에서는, 관찰용 광원(211a)으로부터 출사된 가시광(VL1)이, 미러(208), 하프 미러(209) 및 다이크로익 미러(210, 238)에서 반사·투과되어, 집광 광학계(204)에서 가공 대상물(1)을 향해 집광된다. 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에서 반사된 반사광(VL2)이, 집광 광학계(204)에서 집광되어 다이크로익 미러(238, 210)에서 투과·반사된 후, 하프 미러(209)를 투과해 검출기(211b)에 수광(受光)된다.

AF 유닛(212)은, 측정용 광(LB1)을 출사하고, 레이저광 입사면에서 반사된 측정용 광(LB1)의 반사광(LB2)을 수광해 검출함으로써, 절단 예정 라인(5)에 따른 레이저광 입사면의 변위 데이터인 오차 신호(변위에 관한 신호)를 취득한다. AF 유닛(212)은, 개질 영역(7)을 형성할 때, 취득한 오차 신호를 제어부(250)로 출력한다. 제어부(250)는, 상기 오차 신호에 근거해 구동 유닛(232)을 구동시켜, 레이저광 입사면의 기복에 따르도록 집광 광학계(204)를 그 광축 방향으로 왕복 이동시킨다. AF 유닛(212)의 구성 및 동작에 대해, 상세한 것은 후술한다.

레이저 가공 장치(300)는, 상기 레이저 가공 장치(300)의 각 부의 동작을 제어하는 제어부(250)를 갖추고 있다. 제어부(250)는, CPU(Central　Processing　Unit), ROM(Read　Only　Memory) 및 RAM(Random　Access　Memory) 등에 의해 구성되어 있다.

제어부(250)는, 레이저 광원(202)의 동작을 제어해, 레이저 광원(202)으로부터 레이저광(L)을 출사시킨다. 제어부(250)는, 레이저 광원(202)의 동작을 제어해, 레이저 광원(202)으로부터 출사되는 레이저광(L)의 출력이나 펄스 폭 등을 조절한다. 제어부(250)는, 개질 영역(7)을 형성할 때, 레이저광(L)의 집광점(P)이 가공 대상물(1)의 표면(3) 또는 이면(21)으로부터 소정 거리에 위치하고, 레이저광(L)의 집광점(P)이 절단 예정 라인(5)에 따라 상대적으로 이동하도록, 하우징(231), 스테이지(111)의 위치 및 구동 유닛(232)의 구동 중 적어도 하나를 제어한다. 제어부(250)는, 상기 레이저 광원 제어부(102) 및 상기 스테이지 제어부(115)의 기능을 가진다.

제어부(250)는, 개질 영역(7)을 형성할 때, 반사형 공간 광 변조기(203)에서의 각 화소 전극(214)에 소정 전압을 인가해, 액정층(216)에 소정의 변조 패턴을 표시시킨다. 이에 따라, 제어부(250)는, 레이저광(L)을 반사형 공간 광 변조기(203)에서 소망대로 변조시킨다. 액정층(216)에 표시되는 변조 패턴은, 예를 들면, 개질 영역(7)을 형성하려고 하는 위치, 조사하는 레이저광(L)의 파장, 가공 대상물(1)의 재료 및 집광 광학계(204)나 가공 대상물(1)의 굴절률 등에 근거해 미리 도출되어, 제어부(250)에 기억되어 있다. 변조 패턴은, 레이저 가공 장치(300)에 생기는 개체차(個體差)(예를 들면, 액정층(216)에 생기는 왜곡)를 보정하기 위한 개체차 보정 패턴, 구면수차(球面收差)를 보정하기 위한 구면수차 보정 패턴 등을 포함하고 있다.

다음으로, AF 유닛(212)의 구성에 대해 구체적으로 설명한다.

도 9에 도시한 것처럼, AF 유닛(212)은, 측정용 광원(30), 변위 검출부(50), 결상 상태 조정부(70)를 갖춘다. 측정용 광원(30)은, 측정용 광(LB1)을 출사한다. 측정용 광원(30)은, 서로 다른 파장을 가지는 복수의 광 중 어느 하나를 출사 가능하다. 측정용 광원(30)은, 복수의 SLD(Super　Luminescent　Diode) 광원(31, 32)을 가진다. 측정용 광원(30)에서는, 제어부(250)에 의해, 복수의 SLD 광원(31, 32) 중에서, 가공 대상물(1)에 대한 반사율이 높은 파장의 광을 출사하는 일방(一方)이 선택된다. 측정용 광원(30)은, 선택된 SLD 광원(31, 32)의 일방으로부터, 가공 대상물(1)에 대한 반사율이 높은 파장의 광을 측정용 광(LB1)으로서 출사한다. SLD 광원(31)은, 예를 들면, 650 nm의 파장의 광을 출사한다. SLD 광원(32)은, 예를 들면, 830 nm의 파장의 광을 출사한다.

측정용 광원(30)으로서는, SLD 광원(31, 32)으로 한정되지 않으며, 예를 들면, LED(Light　Emitting　Diode) 광원을 가지고 있어도 무방하고, LD(Laser　Diode) 광원을 가지고 있어도 무방하다. 측정용 광(LB1)의 파장은, 레이저광 입사면인 이면(21)에서 제로 보다 큰 반사율을 가지고 있으면 무방하다. 측정용 광원(30)은, 복수 파장의 광을 출사 가능하지 않아도 무방하고, 예를 들면, SLD 광원(31, 32) 중 어느 하나 만을 가지고, 1파장의 광 만을 출사 가능해도 무방하다.

측정용 광원(30)은, 복수 파장의 레이저광의 합성에 사용하는 WDM(Wavelength　Division　Multiplexing)(33)과 싱글 모드의 광섬유(34)를 통해, 출사한 측정용 광(LB1)을 조정 광학계(60)로 전송한다. 덧붙여, 측정용 광원(30)이 1파장의 측정용 광(LB1) 만을 출사하는 경우에는, WDM(33)은 불필요하다. 광섬유(34)를 대신해, 공간 광 전송 디바이스를 이용해도 무방하다. 조정 광학계(60)는, 복수 종류의 렌즈를 가지고, 측정용 광(LB1)이 적절한 빔 지름이 되도록 조정한다.

변위 검출부(50)는, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면인 이면(21)에서 반사된 측정용 광(LB1)의 반사광(LB2)에 근거해, 이면(21)의 변위를 검출한다. 변위 검출부(50)는, 제1 분기부(51), 제2 분기부(분기부)(52), 제1 및 제2 비점수차 부가부(비점수차 부가부)(53, 54), 제1 및 제2 빔 형상 검출부(빔 형상 검출부)(55, 56) 및 오차 신호 생성부(57)를 가진다.

제1 분기부(51)는, 측정용 광(LB1)과 반사광(LB2)을 분기하는 빔 스플리터이다. 제1 분기부(51)는, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 광로를, 측정용 광(LB1)의 광로와 반사광(LB2)의 광로로 나눈다. 제1 분기부(51)는, 측정용 광(LB1)을 투과시키는 한편, 반사광(LB2)을 반사한다. 제1 분기부(51)는, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 광로에서, 결상 상태 조정부(70)와 조정 광학계(60)의 사이에 설치되어 있다.

제2 분기부(52)는, 제1 분기부(51)에서 분기한 반사광(LB2)을, 제1 분기 반사광(LS1)과 제2 분기 반사광(LS2)으로 분기하는 빔 스플리터이다. 제2 분기부(52)는, 반사광(LB2)의 광로(OP)를, 제1 분기 반사광(LS1)의 광로인 제1 분기 광로(OP1)와 제2 분기 반사광(LS2)의 광로인 제2 분기 광로(OP2)로 나눈다. 제2 분기부(52)는, 제2 분기 반사광(LS2)을 투과시키는 한편, 제1 분기 반사광(LS1)을 반사한다. 제2 분기부(52)는, 반사광(LB2)의 광로(OP)에서 제1 분기부(51)의 하류에 설치되어 있다.

제1 비점수차 부가부(53)는, 제1 분기 광로(OP1)에서 제2 분기부(52)의 하류에 설치되어 있다. 제1 비점수차 부가부(53)는, 제2 비점수차 부가부(54)가 부가하는 비점수차량 보다 작은 제1 비점수차량을, 제1 분기 반사광(LS1)에 부가한다. 비점수차량은, 비점수차(非点收差)의 크기를 나타내는 척도로서, 여기서는 다음과 같이 정의된다. 측정용 광(LB1)과 동일 파장의 평행 빔이 비점수차 부가부에 입사했을 때, 비점수차 부가부로부터 출사한 빔의 광축에 수직인 면에 투영한 빔 폭의 단축(短軸)이 최소가 되는 점이 존재하고, 광축에 수직인 면 상에서 그 단축의 방향을 비점수차 부가부의 특성 축으로 한다. 비점수차 부가부의 특성 축 방향에 대한 초점 거리를 fL1로 하고, 특성 축에 수직인 방향에 대한 초점 거리를 fL2로 했을 때, fL2/fL1을 비점수차량으로 한다. 제1 비점수차 부가부(53)는, 볼록(凸) 렌즈(53a)와 실린드리컬 렌즈(53b)의 조합에 의해 구성되어 있다. 예를 들면, 볼록 렌즈(53a)의 초점 거리는 40 mm이며, 실린드리컬 렌즈(53b)의 초점 거리는 100 mm이다.

제2 비점수차 부가부(54)는, 제2 분기 광로(OP2)에서 제2 분기부(52)의 하류에 미러(58)를 통해 설치되어 있다. 제2 비점수차 부가부(54)는, 제1 비점수차량과는 상이한 비점수차량을 제2 분기 반사광(LS2)에 부가한다. 제2 비점수차 부가부(54)는, 제1 비점수차량 보다 큰 제2 비점수차량을 제2 분기 반사광(LS2)에 부가한다. 제2 비점수차 부가부(54)는, 볼록 렌즈(54a)와 실린드리컬 렌즈(54b)의 조합에 의해 구성되어 있다. 예를 들면, 볼록 렌즈(53a)의 초점 거리는 75 mm이며, 실린드리컬 렌즈(53b)의 초점 거리는 75 mm이다.

제1 빔 형상 검출부(55)는, 제1 분기 광로(OP1)에 설치되어 있다. 제1 빔 형상 검출부(55)는, 제1 비점수차량이 부가된 제1 분기 반사광(LS1)을 필터(59a)를 통해 수광하여, 상기 제1 분기 반사광(LS1)의 빔 형상을 검출한다. 제2 빔 형상 검출부(56)는, 제2 분기 광로(OP2)에 설치되어 있다. 제2 빔 형상 검출부(56)는, 제2 비점수차량이 부가된 제2 분기 반사광(LS2)을 필터(59b)를 통해 수광하여, 상기 제2 분기 반사광(LS2)의 빔 형상을 검출한다.

필터(59a)는, 제1 분기 반사광(LS1)에서의 레이저광(L)의 파장의 광을 감쇠한다. 필터(59a)는, 레이저광(L)의 파장의 광이 제1 빔 형상 검출부(55)에 입사하는 것을 방지한다. 필터(59b)는, 제2 분기 반사광(LS2)에서의 레이저광(L)의 파장의 광을 감쇠한다. 필터(59b)는, 레이저광(L)의 파장의 광이 제2 빔 형상 검출부(56)에 입사하는 것을 방지한다.

제1 빔 형상 검출부(55) 및 제2 빔 형상 검출부(56)로서는, 4상한(象限) 검지기를 이용할 수 있다. 제1 빔 형상 검출부(55) 및 제2 빔 형상 검출부(56)는, 그 검출 결과를 오차 신호 생성부(57)에 출력한다. 구체적으로는, 제1 빔 형상 검출부(55) 및 제2 빔 형상 검출부(56)의 각각은, 그 수광면에 형성된 빔 형상을 분할해 수광하고, 그 각 광량에 따른 출력값(전압값)을 오차 신호 생성부(57)에 출력한다. 덧붙여, 제1 빔 형상 검출부(55)로서는, 빔 형상을 검출할 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 2차원 PD(Photo　Diode) 어레이여도 무방하다.

오차 신호 생성부(57)는, 제1 빔 형상 검출부(55) 및 제2 빔 형상 검출부(56)로부터의 출력을 수취해, 오차 신호를 생성한다. 구체적으로는, 오차 신호 생성부(57)는, 제어부(250)에 의해 선택된 제1 및 제2 분기 광로(OP1, OP2)의 일방에 설치된 제1 및 제2 빔 형상 검출부(55, 56) 중 어느 하나의 검출 결과에 근거해, 오차 신호를 생성한다. 오차 신호 생성부(57)는, 제어부(250)에 의해 제1 분기 광로(OP1)가 선택된 경우, 제1 빔 형상 검출부(55)의 검출 결과를 이용해 오차 신호를 생성한다. 오차 신호 생성부(57)는, 제어부(250)에 의해 제2 분기 광로(OP2)가 선택된 경우, 제2 빔 형상 검출부(56)의 검출 결과를 이용해 오차 신호를 생성한다. 오차 신호 생성부(57)는, 생성한 오차 신호를 제어부(250)에 출력한다.

여기서, 오차 신호 및 그 취득 원리에 대해, 이하에 구체적으로 설명한다.

AF 유닛(212)은, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면인 이면(21)의 변위(상대 변위)를 Through　the　Lens 방식을 이용하여, 즉, 레이저광(L)을 집광하는 집광 광학계(204)를 통과하는 측정용 광(LB1)을 이용해 계측한다. 또한, AF 유닛(212)은, 비점수차를 이용해 이면(21)의 변위를 계측한다. AF 유닛(212)은, 집광 광학계(204)와 이면(21)과의 상대 변위의 변화에 의해 광학계의 거리가 변화하고, 광학계를 통과했을 때의 측정용 광(LB1)의 반사광(LB2)의 상점(像点)의 위치가 이동하는 것을 이용한다.

AF 유닛(212)에서, 반사광(LB2)의 빔 형상은, 가공 대상물(1)에서의 후술하는 기준위치로부터의 이면(21)의 변위에 의해, 4상한 검지기 등의 빔 형상 검출부(55, 56) 상에서 변화한다. 구체적으로는, 이면(21)에서 반사된 반사광(LB2)은, 상기 이면(21)의 변위에 따라 상이한 빔 확산 각도를 가지고, 그 빔 확산 각도에 따라 빔 형상 검출부(55, 56) 상에서 상이한 빔 형상이 된다. 예를 들면, 도 10에 도시한 것처럼, 반사광(LB2)의 빔 형상(H)은, 세로로 긴 타원(도 10(a) 참조)과 완전한 원(도 10(b) 참조)과 가로로 긴 타원(도 10(c) 참조)의 사이에서 변화한다. AF 유닛(212)에서는, 이처럼 변화하는 빔 형상을, 빔 형상 검출부(55, 56)에서 수광면 S_A, S_B, S_C, S_D로 분할해 검출한다. 그리고, AF 유닛(212)에서는, 빔 형상의 검출 결과에 근거하여 아래의 식(1)의 연산에 따라 오차 신호를 생성한다.

오차 신호 = [(I_A+I_C)-(I_B+I_D)]/[(I_A+I_B+I_C+I_D)] …(1)

단,

I_A: 수광면 S_A에서의 광량에 근거해 출력된 신호값,

I_B: 수광면 S_B에서의 광량에 근거해 출력된 신호값,

I_C: 수광면 S_C에서의 광량에 근거해 출력된 신호값,

I_D: 수광면 S_D에서의 광량에 근거해 출력된 신호값.

도 11은, 오차 신호의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시한 그래프에서는, 횡축은 레이저광 입사면의 오차 신호가 제로가 되는 위치로부터의 변위를 나타내고, 종축은 오차 신호의 크기를 나타내고 있다. 변위가 작아질수록(도면 중 좌측으로 갈수록), 레이저광 입사면이 집광 광학계(204)에 가까워지는 방향에 위치한다. 변위가 커질수록(도면 중 우측으로 갈수록), 레이저광 입사면이 집광 광학계(204)로부터 멀어지는 방향에 위치한다.

도 11에 도시한 것처럼, 오차 신호는, 그래프 상에서 S자 커브 형상으로 변화한다. 오차 신호가 제로가 될 때의 변위는, 빔 형상이 빔 형상 검출부(55, 56) 상에서 완전한 원(眞圓)이 될 때의 변위이다. 오차 신호에서 이용 가능한 범위는, 제로 주변의 단조 감소(monotonically decreasing)가 되는 범위(이하, 이 범위를 「측장(測長) 레인지」라고 칭한다)이다. 본 실시 형태의 측장 레인지는, 가공 대상물(1)의 휘어짐에 따른 레이저 가공 개시 위치에서의 이면(21)의 변위의 편차로부터, 실용성을 고려해, 적어도 ±10 ㎛ 이다. 본 실시 형태의 측장 레인지는, ±20 ㎛ 이상이다.

도 9로 돌아와서, 결상 상태 조정부(70)는, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 결상 상태를 이동한다. 결상 상태 조정부(70)는, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 광로에서 제1 분기부(51)와 다이크로익 미러(238)의 사이에 설치되어 있다. 결상 상태 조정부(70)는, 오목(凹) 렌즈(71) 및 볼록(凸) 렌즈(72)를 가진다. 결상 상태 조정부(70)는, 제어부(250)로부터의 지령에 근거해, 오목 렌즈(71) 및 볼록 렌즈(72) 간 거리를 변화시켜, 상기 결상 상태를 이동한다. 이에 따라, 결상 상태 조정부(70)는, 오프셋량을 조정한다. 결상 상태의 이동은, 상기 광로 상의 모든 결상 위치 관계의 집합을 다른 결상 위치 관계의 집합으로 옮기는 것(즉, 결상 위치의 이동)을 포함한다.

기준위치란, 후술하는 기준위치 포지셔닝(positioning)시(스텝 S5)에 설정된 레이저광 입사면의 깊이 위치이다. 구체적으로는, 기준위치는, 이면(21)을 표면 관찰 유닛(211)으로 촬상해, 투영되는 레티클(reticle)의 콘트라스트가 최대가 되는 상태일 때의 상기 이면(21)의 위치이다.

결상 상태 조정부(70)는, 가공 대상물(1)이 최대 775 ㎛의 두께를 가지는 실리콘 기판인 경우, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 결상 상태를 이동함으로써, 0 ㎛∼-180 ㎛의 범위에서 오프셋량을 가변한다.

가공 대상물(1)이 두께 775 ㎛인 실리콘 기판으로서 가공 대상물(1) 내에서의 이면(21)으로부터 얕은 위치에 개질 영역(7)을 형성하는 경우, 결상 상태 조정부(70)의 수속 파워는 약해지고, 오프셋량은 0 ㎛ 내지 0 ㎛에 가까운 값이 되어, 집광 광학계(204)와 이면(21) 사이의 거리는 원거리가 된다. 이에 반해, 가공 대상물(1)이 두께 775 ㎛인 실리콘 기판으로서 가공 대상물(1) 내에서의 이면(21)으로부터 깊은 위치에 개질 영역(7)을 형성하는 경우, 결상 상태 조정부(70)의 수속 파워는 강해지고, 오프셋량은 -180 ㎛ 내지 -180 ㎛에 가까운 값이 되어, 집광 광학계(204)와 표면(3) 사이의 거리는 근거리가 된다.

제어부(250)는, 상위 컨트롤러 등의 상위 시스템으로부터의 지령에 근거해, 오프셋량을 설정한다. 제어부(250)는, 설정된 오프셋량이 되도록 결상 상태 조정부(70)를 제어한다. 구체적으로는, 제어부(250)에는, 오프셋량 마다 정해진 오목 렌즈(71)의 위치에 관한 데이터 테이블이, 미리 기억되어 있다. 제어부(250)는, 설정된 오프셋량이 되는 오목 렌즈(71)의 위치를 데이터 테이블을 참조해 구하고, 구해진 오목 렌즈(71)의 위치까지 상기 오목 렌즈(71)를 이동시키는 지령을 결상 상태 조정부(70)에 출력한다.

제어부(250)는, 제1 분기 광로(OP1) 및 제2 분기 광로(OP2) 중, 결상 상태 조정부(70)에서 이동할 결상 상태에 따른 일방을 선택한다. 구체적으로는, 제어부(250)는, 제1 분기 광로(OP1) 및 제2 분기 광로(OP2) 중에서, 결상 상태 조정부(70)에서 조정할 오프셋량에 따른 일방을 선택한다. 보다 구체적으로는, 제어부(250)는, 설정된 오프셋량이 제1 범위에 있는 경우에는, 제1 분기 반사광(LS1)의 광로인 제1 분기 광로(OP1)를 선택한다. 설정된 오프셋량이 제2 범위에 있는 경우에는, 제2 분기 반사광(LS2)의 광로인 제2 분기 광로(OP2)를 선택한다. 제2 범위는, 제1 범위 보다 깊은 범위이다. 제1 범위는, 0 ㎛ 이하이고 -40 ㎛ 보다 큰 범위이다. 제2 범위는, -40 ㎛ 이하이고 -180 ㎛ 이상의 범위이다. 제어부(250)는, 제1 분기 광로(OP1) 및 제2 분기 광로(OP2)의 선택 결과에 따른 지시를, 오차 신호 생성부(57)로 출력한다. 제어부(250)는, 오차 신호 생성부(57)에서 생성된 오차 신호가 목표값(여기서는, 제로)을 유지하도록, 구동 유닛(232)을 동작시킨다.

AF 유닛(212)은, 제1 스티어링 미러(81) 및 제2 스티어링 미러(82)를 더 가진다. 제1 및 제2 스티어링 미러(81, 82)는, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 광로에서, 결상 상태 조정부(70)와 다이크로익 미러(238)의 사이에 배치되어 있다. 제1 및 제2 스티어링 미러(81, 82)는, 레이저광(L)의 광축에 측정용 광(LB1)의 광축을 맞춘다(상호정렬(co-alignment) 한다). 제1 및 제2 스티어링 미러(81, 82)는, 광축 조정 기구를 구성한다.

다음으로, 레이저 가공 장치(300)에서 실시되는 레이저 가공 방법에 대해 설명한다.

본 실시 형태의 레이저 가공 방법은, 가공 대상물(1)을 레이저 가공하여 복수의 칩을 제조하기 위한 칩의 제조 방법으로서 이용된다. 가공 대상물(1)은, 판 형상을 나타내고 있다. 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 사파이어 기판, SiC 기판, 글라스 기판(강화 글라스 기판), 실리콘 기판, 반도체 기판 또는 투명 절연 기판 등이다. 여기서의 가공 대상물(1)은, 실리콘 기판이다. 가공 대상물(1)에서 레이저광 입사면 측인 이면(21)측과는 반대측의 표면(3)측에는, 기능 소자층이 형성되어 있다. 기능 소자층은, 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 기능 소자(예를 들면, 포토 다이오드 등의 수광 소자, 레이저 다이오드 등의 발광 소자, 또는 회로로서 형성된 회로 소자 등)를 포함하고 있다. 가공 대상물(1)의 이면(21)측은, 가공 대상물(1)이 소망하는 두께까지 박화(薄化)하도록 연삭되고 있다. 가공 대상물(1)에는, 인접한 기능 소자 사이를 통과하도록 연장되는 절단 예정 라인(5)이 복수 설정되어 있다. 복수의 절단 예정 라인(5)은, 격자 형상으로 연재(延在)해 있다.

본 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 우선, 이면(21)이 레이저광 입사면이 되도록 스테이지(111)의 지지대(107) 상에 가공 대상물(1)을 재치한다. 레이저 광원(202)으로부터 레이저광(L)을 출사시켜, 상기 레이저광(L)을 집광 광학계(204)에 의해 가공 대상물(1)의 내부에 집광시킨다. 아울러, 제어부(250)에 의해 스테이지(111)의 이동 등을 제어하여, 상기 레이저광(L)을 절단 예정 라인(5)에 따른 가공 진행 방향으로 상대적으로 이동(스캔)시켜, 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 절단 예정 라인(5)에 따라 형성한다. 그 후, 가공 대상물(1)의 표면(3) 또는 이면(21)에 붙여진 확장 테이프(expanding tape)를 확장(擴張)해서 가공 대상물(1)을 절단해, 가공 대상물(1)을 복수의 칩으로 절단한다.

여기서, 가공 대상물(1)의 이면(21)은, 표면(3)에 기능 소자층을 형성한 것에 기인하는 응력 등의 영향에 의해, 휘어짐 또는 기복을 가지고 있다. 따라서, 레이저광(L)을 집광시켜서 개질 영역(7)을 의도한 깊이로 안정적으로 형성하기 위해서는, 집광 광학계(204)와 이면(21)과의 상대 변위를 의도한 변위로 유지하는 제어를 실시할 필요가 있다.

그래서, 본 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 가공 대상물(1)에 레이저광(L)을 집광하면서, 측정용 광(LB1)을 가공 대상물(1)에 집광한다. 이면(21)에서 반사한 측정용 광(LB1)의 반사광(LB2)을 제1 및 제2 분기 반사광(LS1, LS2)으로 분기하고, 제1 분기 광로(OP1)에서 제1 비점수차량을 부가한 제1 분기 반사광(LS1)의 빔 형상을 검출함과 동시에, 제2 분기 광로(OP2)에서 제2 비점수차량을 부가한 제2 분기 반사광(LS2)의 빔 형상을 검출한다. 상기 빔 형상의 검출 결과에 근거해 오차 신호를 취득하고, 그 오차 신호가 목표값을 유지하도록 구동 유닛(232)에 의해 집광 광학계(204)를 Z 방향으로 동작시킨다. 구체적으로는, 이하의 스텝을 실행한다.

즉, 도 12에 도시한 것처럼, 상위 시스템으로부터의 지령에 근거해, 제어부(250)에 의해, 오프셋량을 설정한다(스텝 S1). 상위 시스템으로부터의 지령에 근거하여, 제어부(250)에 의해, 측정용 광원(30)의 SLD 광원(31, 32) 중에서, 가공 대상물(1)에 대한 반사율이 높은 파장을 가지는 광을 출사하는 일방(一方)을 선택한다(스텝 S2).

제어부(250)에 의해, 설정한 오프셋량에 근거하여, 오차 신호를 생성하는 분기 광로(OP1, OP2)를 선택한다(스텝 S3). 스텝 S3에서는, 설정한 오프셋량이 제1 범위(-40 ㎛ ＜ 오프셋량 ≤ 0 ㎛)에 있는 경우에는, 제1 비점수차량을 제1 분기 반사광(LS1)에 부가한 광로인 제1 분기 광로(OP1)를 선택한다. 설정한 오프셋량이 제2 범위(-180 ㎛ ≤ 오프셋량 ≤ -40 ㎛)에 있는 경우에는, 제1 비점수차량 보다 큰 제2 비점수차량을 제2 분기 반사광(LS2)에 부가한 광로인 제2 분기 광로(OP2)를 선택한다.

제어부(250)에 의해, 설정한 오프셋량이 되도록 결상 상태 조정부(70)를 제어하여, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 결상 상태를 이동한다(스텝 S4). 스텝 S4에서는, 데이터 테이블을 참조하여, 설정한 오프셋량에 대응하는 오목 렌즈(71)의 위치를 도출하고, 이 위치까지 오목 렌즈(71)를 이동시킨다.

가공 대상물(1)을 기준위치에 위치시키는 기준위치 포지셔닝(positioning)을 실행한다(스텝 S5). 스텝 S5에서는, 레이저광 입사면인 이면(21)을 표면 관찰 유닛(211)으로 촬상해, 투영되는 레티클의 콘트라스트가 최대가 되는 상태의 깊이 위치에 이면(21)이 위치하도록, 제어부(250)에 의해 스테이지(111)를 Z 방향으로 이동시킨다. 레티클을 투영하는 광의 파장과 측정용 광(LB1)의 파장이 동일한 경우, 오프셋량이 0 ㎛일 때에, 이 단계에서의 오차 신호의 크기는 제로가 된다. 한편, 레티클을 투영하는 광의 파장과 측정용 광(LB1)의 파장이 다른 경우, 오프셋량이 0 ㎛일 때에, 이 단계에서의 오차 신호의 크기는, 집광 광학계(204)의 레티클 투영광과 측정용 광(LB1)에 대한 색수차(色收差)의 크기에 따른 값이 된다. 기준위치와 오프셋량은, 이와 같이 연관지어진다. 그 후, 제어부(250)에 의해, 설정한 오프셋이 되도록, 스테이지(111)를 이동시켜서 집광 광학계(204)에 가공 대상물(1)을 접근시킨다(스텝 S6).

오차 신호의 목표값을 취득해, 제어부(250)에 메모리한다(스텝 S7). 스텝 S7에서는, 측정용 광원(30)의 SLD 광원(31, 32) 중 상기 스텝 S2에서 선택한 일방으로부터 측정용 광(LB1)을 출사한다. 측정용 광(LB1)은, 조정 광학계(60)에서 빔 지름이 조정되고, 제1 분기부(51)를 통과해, 결상 상태 조정부(70)에서 결상 상태가 조정된 후, 제1 및 제2 스티어링 미러(81, 82) 및 다이크로익 미러(238)에서 순서대로 반사하고, 집광 광학계(204)에 의해 가공 대상물(1)에 집광되어, 이면(21)에서 반사한다.

이면(21)에서 반사한 반사광(LB2)은, 집광 광학계(204)를 지나, 다이크로익 미러(238), 제2 및 제1 스티어링 미러(82, 81)에서 순서대로 반사하고, 결상 상태 조정부(70)에서 결상 상태가 조정되어, 제1 분기부(51)에서 반사된 후, 제2 분기부(52)에서 제1 및 제2 분기 반사광(LS1, LS2)으로 분기된다. 제1 분기 반사광(LS1)은, 제1 분기 광로(OP1)에서, 제1 비점수차 부가부(53)에 의해 제1 비점수차량이 부가된 후, 필터(59a)를 통해 제1 빔 형상 검출부(55)에서 수광된다. 제2 분기 반사광(LS2)은, 제2 분기 광로(OP2)에서, 제2 비점수차 부가부(54)에 의해 제2 비점수차량이 부가된 후, 필터(59b)를 통해 제2 빔 형상 검출부(56)에서 수광된다. 오차 신호 생성부(57)는, 상기 스텝 S3에서 제1 분기 광로(OP1)가 제어부(250)에 의해 선택되는 경우, 제1 빔 형상 검출부(55)에서 검출한 빔 형상에 따른 오차 신호를 위의 식(1)에 따라 생성한다. 한편, 상기 스텝 S3에서 제2 분기 광로(OP2)가 제어부(250)에 의해 선택되는 경우, 제2 빔 형상 검출부(56)에서 검출한 빔 형상에 따른 오차 신호를 위의 식(1)에 따라 생성한다. 생성한 오차 신호를, 목표값으로서 제어부(250)에 메모리한다.

계속해서, 레이저 가공을 개시한다(스텝 S8). 스텝 S8에서는, 절단 예정 라인(5)에 따라 레이저광(L)을 스캔하면서, 상기 스텝 S7과 마찬가지로 해서 오차 신호를 취득하고, 취득한 오차 신호가 목표값을 유지하도록 구동 유닛(232)에 의해 집광 광학계(204)를 Z 방향으로 동작시킨다. 이에 따라, 레이저광(L)의 스캔과 함께, 집광 광학계(204)와 이면(21)과의 상대 변위가 일정하게 유지되는 피드백 제어가 실행되고, 집광 광학계(204)가 이면(21)의 변위에 추종하게 된다. 그 후, 모든 절단 예정 라인(5)에 따른 레이저 가공이 완료되었는지 여부를 판정한다(스텝 S9). 스텝 S9에서 No인 경우, 레이저 가공이 완료되지 않은 상기 절단 예정 라인(5)에 따라, 상기 스텝 S1∼S9를 반복 실시하는 한편, 스텝 S9에서 Yes인 경우, 레이저 가공이 종료된다.

도 13은, 제1 빔 형상 검출부(55)에서 검출한 빔 형상에만 기초해 생성한 오차 신호를 나타내는 그래프이다. 도면 중에서는, 오프셋량을 0 ㎛에서 -180 ㎛까지 10 ㎛ 단위 내지 20 ㎛ 단위로 변경한 경우의 각 오차 신호를 나타내고 있다. 도 13에 도시한 것처럼, 오차 신호의 기울기는, 오프셋량(즉, 결상 상태 조정부(70)에서 이동할 결상 상태)과 상관을 가지고 있다. 또한, 오프셋이 가공 대상물(1)에서 깊은 위치가 될수록, 오차 신호의 기울기는 지나치게 완만해지는 것을 알 수 있다. 덧붙여, 오차 신호의 기울기란, 취득하는 변위에 대한 오차 신호의 변동이다. 오차 신호의 기울기란, 변위에 관한 오차 신호의 변화의 비율이다. 오차 신호의 기울기는, 오차 신호가 비례적으로 단조 감소하는 경우에, 그 비례 정수에 대응한다. 오차 신호의 기울기는, 변위의 변화에 따라 오차 신호가 변동할 때의 변동량에 대응한다.

여기서, 오차 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 요인으로서, 측정용 광(LB1)의 반사광(LB2)에 부가한 비점수차량과 오프셋량과의 미스매치가 발견된다. 그래서, 레이저 가공 장치(300)에서는, 제1 및 제2 분기 광로(OP1, OP2)의 일방을 오프셋량에 따라 선택하고, 선택한 제1 및 제2 분기 광로(OP1, OP2)의 일방에서 검출된 빔 형상에 근거해 오차 신호를 생성한다. 이에 따라, 오차 신호의 생성에 이용되는 제1 및 제2 분기 반사광(LS1, LS2)의 일방에 부가한 비점수차량을, 오프셋량에 따른 것으로 할 수 있다. 그 결과, 오차 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 레이저광 입사면인 이면(21)의 변위를 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능해진다.

특히, 가공 대상물(1)이 소망 두께로 박화할 때까지 이면(21)이 연삭되고 있는 점에서, 이면(21)에는, 연삭흔이 형성된 상태(깊이가 극히 얕은 홈이 다수 형성된 상태)가 된다. 이 경우, 이면(21)에서 측정용 광(LB1)이 산란하여 동일 변위여도 오차 신호가 흩어질 우려가 있기 때문에, 오차 신호의 기울기가 지나치게 완만하게 되면, 실용성에 문제가 생길 수 있다. 따라서, 이처럼 이면(21)에 연삭흔이 형성되어 있는 경우에는, 오차 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제한다 라는 상기 작용 효과는 현저하다.

레이저 가공 장치(300)에서는, 오프셋량이 제1 범위에 있는 경우에는, 제1 분기 광로(OP1)를 선택하고, 오프셋량이 제1 범위 보다 깊은 제2 범위에 있는 경우에는, 제2 분기 광로(OP2)를 선택한다. 이 경우, 오프셋이 얕은 경우에는, 작은 비점수차량이 부가된 제1 분기 반사광(LS1)을 오차 신호의 생성에 이용하고, 오프셋이 깊은 경우에는, 큰 비점수차량이 부가된 제2 분기 반사광(LS2)을 오차 신호의 생성에 이용할 수 있다. 오차 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제하는 것이 가능하게 되어, 이면(21)의 변위를 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능해진다.

도 14는, 레이저 가공 장치(300)에서 생성한 오차 신호를 나타내는 그래프이다. 도면 중에서는, 오프셋량을 0 ㎛에서 -180 ㎛까지 10 ㎛ 단위 내지 20 ㎛ 단위로 변경한 경우의 각 오차 신호를 나타내고 있다. 도면 중의 각 항목(계열)명에 있어서, 제1 분기 광로(OP1)의 빔 형상에 근거한 오차 신호인 경우에 「OP1」를 부여하고, 제2 분기 광로(OP2)의 빔 형상에 근거한 오차 신호인 경우에 「OP2」를 부여하고 있다. 도 14에 도시한 것처럼, 레이저 가공 장치(300)에 의하면, 오차 신호의 기울기가 지나치게 완만해지는 것을 억제할 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 레이저 가공 장치(300)에서는, 오차 신호는, 연삭흔에 의한 측정 오차가 실용 범위 내가 되는 일정 이상의 기울기를 가지고 있다. 예를 들면, 오차 신호는, 오차 신호가 제로가 되는 변위에서, 0.025 /㎛ 이상의 기울기의 절대값을 가지고 있어도 무방하다. 예를 들면, 오차 신호는, 오차 신호가 제로가 되는 변위에서, 0.0275 /㎛ 이상의 기울기의 절대값을 가지고 있어도 무방하다.

덧붙여, 오프셋량이 -40 ㎛인 경우에는, 제1 분기 광로(OP1)의 빔 형상에 근거한 오차 신호여도, 제2 분기 광로(OP2)의 빔 형상에 근거한 오차 신호여도, 그 기울기는 일정 이상이 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 제1 범위를 0 ㎛ 이하이고 -40 ㎛ 보다 큰 범위로 하고, 제2 범위를 -40 ㎛ 이하이고 -180 ㎛ 이상인 범위로 했지만, 제1 범위를 0 ㎛ 이하이고 -40 ㎛ 이상인 범위로 하고, 제2 범위를 -40 ㎛ 미만이고 -180 ㎛ 이상인 범위로 해도 무방하다.

도 15는, 제2 빔 형상 검출부(56)에서 검출한 빔 형상에만 기초해 생성한 오차 신호를 나타내는 그래프이다. 도면 중에서는, 오프셋량을 0 ㎛에서 -180 ㎛까지 10 ㎛ 단위 내지 20 ㎛ 단위로 변경한 경우의 각 오차 신호를 나타내고 있다. 도 15에 도시한 결과에 따르면, 오프셋이 가공 대상물(1)에 있어서 얕은 위치가 될수록, 오차 신호의 기울기는 지나치게 급격해지고, 측장 레인지가 불충분하게 되는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 레이저 가공 장치(300)에서는, 오차 신호의 기울기가 지나치게 급격해지는 것을 억제할 수 있고, 측장 레인지를 충분히 확보하는 것이 가능해진다(도 14 참조).

레이저 가공 장치(300)에서는, 제어부(250)에 의해 오프셋량이 설정되고, 설정된 오프셋량이 되도록 결상 상태 조정부(70)가 제어된다. 이 구성에 의하면, 설정된 오프셋량이 되도록 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 결상 상태를 자동 조정할 수 있다.

레이저 가공 장치(300)는, Z 방향으로 집광 광학계(204)를 동작시키는 구동 유닛(232)을 갖추고, 오차 신호가 목표값을 유지하도록 제어부(250)에 의해 구동 유닛(232)이 동작된다. 이 구성에 의하면, 이면(21)에 추종하도록 집광 광학계(204)를 Z 방향으로 이동시킬 수 있다.

레이저 가공 장치(300)는, 레이저광(L)의 광축에 측정용 광(LB1)의 광축을 맞추는 제1 및 제2 스티어링 미러(81, 82)를 갖춘다. 이 구성에 의하면, 레이저광(L)의 광축에 측정용 광(LB1)의 광축을 정밀도 좋게 맞출 수 있다.

레이저 가공 장치(300)에서는, 측정용 광원(30)은, 복수의 파장의 광 중 가공 대상물(1)에 대한 반사율이 높은 파장을 가지는 광을, 측정용 광(LB1)으로서 출사한다. 이에 따라, 측정용 광(LB1)을 이면(21)에서 반사시키기 쉽게 하는 것이 가능하게 된다.

덧붙여서, 결상 상태 조정부(70)와 집광 광학계(204) 사이의 물리적 거리를 짧게 하거나, 또는 이전에 4f 렌즈계를 삽입하여 광학적 거리를 짧게 함으로써, 오차 신호의 기울기의 변화를 억제하는 것도 고려할 수 있다. 그러나, 장치 구성 상의 제한 때문에 상기 물리적 거리를 짧게 하기 어렵고, 또한 4f 렌즈계를 삽입하는 것은 장치 대형화로도 이어지기 때문에, 실현 곤란해질 가능성이 있다. 특히, 제1 및 제2 스티어링 미러(81, 82)를 배치하는 경우, 상기 물리적 거리를 짧게 하는 것은 곤란하다. 이 점에서, 레이저 가공 장치(300)에서는, 장치 구성 상의 제한을 적게 받고, 또한 장치 대형화를 억제할 수 있다. 레이저 가공 장치(300)에서는, 제1 및 제2 스티어링 미러(81, 82)를 배치하는 것이 가능하다.

도 16은, 변형예에 따른 AF 유닛(212B)의 일부를 나타내는 구성도이다. 도 16에 도시한 것처럼, AF 유닛(212B)의 제1 및 제2 빔 형상 검출부(55, 56) 각각은, 결상 상태 조정부(70)의 오목 렌즈(71)의 이동에 따라, 제1 및 제2 분기 광로(OP1, OP2) 각각을 따라 이동 가능해도 무방하다. 구체적으로는, 제어부(250)에 의해, 오프셋이 깊어지도록 오목 렌즈(71)가 이동되는 만큼, 제1 및 제2 빔 형상 검출부(55, 56)를 제1 및 제2 비점수차 부가부(53, 54)로부터 가까워지는 방향으로 연동시켜도 무방하다(환언하면, 오프셋이 깊어짐에 따라 제1 및 제2 빔 형상 검출부(55, 56)를 제1 및 제2 비점수차 부가부(53, 54)에 가까이 해도 무방하다).

도 17은, 도 16의 AF 유닛(212B)에 의한 효과를 설명하기 위한 그래프이다. 도 17에서는, 제1 빔 형상 검출부(55)에서 검출한 빔 형상에 근거해 생성한 오차 신호를 나타내고 있다. 도 17(a)는, 제1 빔 형상 검출부(55)가 고정인 경우의 오차 신호이다. 도 17(b)는, AF 유닛(212B)에서 생성된 오차 신호, 즉, 제1 빔 형상 검출부(55)가 가동인 경우의 오차 신호이다. 도 17(a) 및 도 17(b)에 도시한 것처럼, 변형예에 따른 AF 유닛(212B)에서는, 어느 오프셋량에 대해서도, 오차 신호의 S자 커브를, 횡축에서 제로를 중심으로 균형 잡힌 형상으로 할 수 있다. 이는, PID 제어 등의 응답성 개선에 기여한다.

AF 유닛(212B)에서는, 제1 및 제2 빔 형상 검출부(55, 56)의 이동을 대신하거나 혹은 더하여, 제1 및 제2 비점수차 부가부(53, 54)의 볼록 렌즈(53a, 54a) 및 실린드리컬 렌즈(53b, 54b) 중 적어도 어느 하나를 마찬가지로 이동시켜도 무방하다. 이 경우에도, 마찬가지의 효과가 나타난다.

이상, 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니라, 각 청구항에 기재한 요지를 변경하지 않는 범위에서 변형하거나, 또는 다른 것에 적용해도 무방하다.

상기 실시 형태에서는, 제2 분기부(52)에 의해 반사광(LB2)의 광로(OP)를 2 광로(제1 및 제2 분기 광로(OP1, OP2))로 분기했지만, 3 광로 이상으로 분기해도 무방하다. 3 광로 이상의 광로 각각에서, 서로 다른 크기의 비점수차량을 부가하는 복수의 비점수차 부가부와, 비점수차가 부가된 복수의 분기 반사광 각각의 빔 형상을 검출하는 복수의 빔 형상 검출부가 설치되어 있으면 무방하다. 이 경우, 복수의 광로 중에서, 오프셋이 깊을수록 큰 비점수차량이 분기 반사광에 부가되도록 광로를 선택하고, 선택한 광로의 상기 분기 반사광의 빔 형상의 검출 결과에 근거해 오차 신호를 생성해도 무방하다.

상기 실시 형태에서는, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)의 광로에서, 제1 분기부(51)와 다이크로익 미러(238)의 사이에 결상 상태 조정부(70)를 배치했지만, 결상 상태 조정부(70)의 배치는 한정되지 않는다. 상기 실시 형태의 배치를 대신하거나 혹은 더하여, 측정용 광(LB1)의 광로에서 제1 분기부(51) 보다 상류측, 및 반사광(LB2)의 광로(OP)에서 제1 분기부(51)와 제2 분기부(52)의 사이 중 적어도 어느 하나에, 결상 상태 조정부(70)를 배치해도 무방하다.

상기 실시 형태에서는, 결상 상태 조정부(70)를 오목 렌즈(71) 및 볼록 렌즈(72)에 의해 구성했지만, 결상 상태 조정부(70)는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 가변 초점 거리 렌즈여도 무방하다. 상기 실시 형태의 광학계는, 레이저광(L)을 투과시키고, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)을 반사시키는 다이크로익 미러(238)를 갖추고 있지만, 이를 대신해, 레이저광(L)을 반사시키고, 측정용 광(LB1) 및 반사광(LB2)을 투과시키는 다이크로익 미러를 갖춘 구성이어도 무방하다. 마찬가지로, 상기 실시 형태의 광학계는, 제1 분기부(51)에서 측정용 광(LB1)을 반사시키고, 반사광(LB2)을 투과시키는 구성이어도 무방하다. 마찬가지로, 상기 실시 형태의 광학계는, 제2 분기부(52)에서 제1 분기 반사광(LS1)을 투과시키고, 제2 분기 반사광(LS2)을 반사시키는 구성이어도 무방하다.

상기 실시 형태에서는, 상기 스텝 S6과 상기 스텝 S7의 사이에서, 제1 및 제2 빔 형상 검출부(55, 56)의 바이어스 오프셋 값(빔 형상을 검출하고 있지 않는 상태의 제1 및 제2 빔 형상 검출부(55, 56)의 출력값)를 취득해 조정해도 무방하다. 상기 실시 형태에서는, 오프셋량을 오차 신호가 제로가 되는 광학 배치로서 설정했지만, 오차 신호가 제로가 되는 경우로 한정되지 않고, 오프셋량을 오차 신호가 기준값이 되는 광학 배치로서 설정해도 무방하다.

상기 실시 형태에서는, 상위 시스템으로부터의 지령에 근거해 오프셋량을 설정했지만, 오퍼레이터의 조작에 의해 오프셋량을 설정해도 무방하고, 형성하는 개질 영역(7)의 위치에 따라 미리 오프셋량이 설정되어도 무방하다. 상기 실시 형태에서는, 설정된 오프셋량이 되도록 결상 상태 조정부(70)를 제어부(250)에 의해 제어했지만, 오퍼레이터의 조작에 의해 결상 상태 조정부(70)를 제어해도 무방하다.

상기 실시 형태는, 공간 광 변조기로서 반사형 공간 광 변조기(203)를 갖추고 있지만, 공간 광 변조기는 반사형으로 한정되지 않고, 투과형의 공간 광 변조기를 갖추어도 무방하다. 상기 실시 형태에서는, 가공 대상물(1)의 이면(21)을 레이저광 입사면으로 했지만, 가공 대상물(1)의 표면(3)을 레이저광 입사면으로 해도 무방하다. 상기에서, 제어부(250) 및 오차 신호 생성부(57)는, 신호 취득부를 구성한다. 제어부(250)는, 오프셋량 설정부, 결상 상태 제어부 및 구동 기구 제어부를 구성한다.

1: 가공 대상물
3: 표면
7: 개질 영역
21: 이면
30: 측정용 광원
50: 변위 검출부
52: 제2 분기부(분기부)
53: 제1 비점수차 부가부(비점수차 부가부)
54: 제2 비점수차 부가부(비점수차 부가부)
55: 제1 빔 형상 검출부(빔 형상 검출부)
56: 제2 빔 형상 검출부(빔 형상 검출부)
57: 오차 신호 생성부(신호 취득부)
70: 결상 상태 조정부
81: 제1 스티어링 미러(광축 조정 기구)
82: 제2 스티어링 미러(광축 조정 기구)
100, 300: 레이저 가공 장치
204: 집광 광학계(집광용 렌즈)
232: 구동 유닛(구동 기구)
250: 제어부(신호 취득부, 오프셋량 설정부, 결상 상태 제어부, 구동 기구 제어부)
L: 레이저광(가공용 레이저광)
LB1: 측정용 광
LB2: 반사광
LS1: 제1 분기 반사광(분기 반사광)
LS2: 제2 분기 반사광(분기 반사광)
OP1: 제1 분기 광로(제1 분기 반사광의 광로)
OP2: 제2 분기 광로(제2 분기 반사광의 광로)

Claims (8)

1. 가공 대상물에 가공용 레이저광을 집광함으로써, 상기 가공 대상물에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 장치에 있어서,
   측정용 광을 출사하는 측정용 광원과,
   상기 가공용 레이저광 및 상기 측정용 광을 상기 가공 대상물에 집광하는 집광용 렌즈와,
   상기 가공 대상물의 레이저광 입사면에서 반사된 상기 측정용 광의 반사광에 근거해, 상기 레이저광 입사면의 변위를 검출하는 변위 검출부와,
   상기 측정용 광 및 상기 측정용 광의 반사광 중 적어도 어느 하나의 결상 상태를 이동하는 결상 상태 조정부
   를 갖추고,
   상기 변위 검출부는,
   상기 측정용 광의 반사광을 복수의 분기 반사광으로 분기하는 분기부와,
   복수의 상기 분기 반사광의 광로 각각에 설치되고, 복수의 상기 분기 반사광 각각에 대해 서로 다른 크기의 비점수차량을 부가하는 복수의 비점수차 부가부와,
   복수의 상기 분기 반사광의 광로 각각에 설치되고, 비점수차가 부가된 복수의 상기 분기 반사광 각각의 빔 형상을 검출하는 복수의 빔 형상 검출부와,
   복수의 상기 분기 반사광의 광로 중에서 상기 결상 상태 조정부에서 조정할 상기 결상 상태에 따른 하나를 선택하고, 선택한 상기 분기 반사광의 광로에서의 상기 빔 형상 검출부의 검출 결과에 근거해 상기 변위에 관한 신호를 취득하는 신호 취득부
   를 가지는 레이저 가공 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 결상 상태 조정부는,
   상기 결상 상태를 이동함으로써 오프셋량을 조정하고,
   상기 신호 취득부는,
   복수의 상기 분기 반사광의 광로 중에서, 상기 결상 상태 조정부에서 조정할 상기 오프셋량에 따른 하나를 선택하는
   레이저 가공 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 분기부는,
   상기 측정용 광의 반사광을 적어도 제1 분기 반사광 및 제2 분기 반사광으로 분기하고,
   상기 비점수차 부가부는,
   상기 제1 분기 반사광의 광로에 설치되고, 제1 비점수차량을 상기 제1 분기 반사광에 부가하는 제1 비점수차 부가부와,
   상기 제2 분기 반사광의 광로에 설치되고, 상기 제1 비점수차량 보다 큰 제2 비점수차량을 상기 제2 분기 반사광에 부가하는 제2 비점수차 부가부
   를 가지고,
   상기 신호 취득부는,
   상기 결상 상태 조정부에서 조정할 상기 오프셋량이 제1 범위에 있는 경우에는, 상기 제1 분기 반사광의 광로를 선택하고,
   상기 결상 상태 조정부에서 조정할 상기 오프셋량이 상기 제1 범위 보다 깊은 제2 범위에 있는 경우에는, 상기 제2 분기 반사광의 광로를 선택하는
   레이저 가공 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 결상 상태 조정부에서 조정할 상기 오프셋량을 설정하는 오프셋량 설정부와,
   상기 오프셋량 설정부에서 설정된 상기 오프셋량이 되도록 상기 결상 상태 조정부를 제어하는 결상 상태 제어부
   를 갖추는 레이저 가공 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 집광용 렌즈의 광축 방향에 따라, 상기 가공 대상물 및 상기 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 구동 기구와,
   상기 신호 취득부에서 취득한 상기 신호가 목표값을 유지하도록 상기 구동 기구를 동작시키는 구동 기구 제어부
   를 갖추는 레이저 가공 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 가공용 레이저광의 광축에 상기 측정용 광의 광축을 맞추는 광축 조정 기구
   를 갖추는 레이저 가공 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 측정용 광원은,
   서로 다른 파장을 가지는 복수의 광 중 어느 하나를 출사 가능하고,
   복수의 파장의 광 중 상기 가공 대상물에 대한 반사율이 가장 높은 파장을 가지는 광을 상기 측정용 광으로서 출사하는
   레이저 가공 장치.　
8. 가공 대상물에 가공용 레이저광을 집광함으로써, 상기 가공 대상물에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 방법에 있어서,
   상기 가공 대상물에 상기 가공용 레이저광을 집광용 렌즈로 집광하면서, 측정용 광을 상기 가공 대상물에 상기 집광용 렌즈로 집광하고, 상기 가공 대상물의 레이저광 입사면에서 반사된 상기 측정용 광의 반사광을 적어도 제1 분기 반사광 및 제2 분기 반사광으로 분기하고, 상기 제1 분기 반사광의 광로에서 제1 비점수차량을 부가한 상기 제1 분기 반사광의 빔 형상을 검출함과 동시에, 상기 제2 분기 반사광의 광로에서 상기 제1 비점수차량 보다 큰 제2 비점수차량을 부가한 상기 제2 분기 반사광의 빔 형상을 검출하고, 상기 빔 형상의 검출 결과에 근거해 상기 레이저광 입사면의 변위에 관한 신호를 취득하고, 취득한 상기 신호가 목표값을 유지하도록 상기 집광용 렌즈의 광축 방향에 따라 상기 가공 대상물 및 상기 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 레이저 가공 스텝
   을 갖추고,
   상기 레이저 가공 스텝은,
   오프셋량을 설정하는 제1 스텝과,
   상기 제1 스텝에서 설정한 상기 오프셋량이 제1 범위인 경우에는 상기 제1 분기 반사광의 광로를 선택하고, 상기 제1 스텝에서 설정한 상기 오프셋량이 상기 제1 범위 보다 깊은 제2 범위인 경우에는 상기 제2 분기 반사광의 광로를 선택하는 제2 스텝과,
   상기 제1 스텝에서 설정한 상기 오프셋량이 되도록, 상기 측정용 광 및 상기 측정용 광의 반사광 중 적어도 어느 하나의 결상 상태를 이동하는 제3 스텝과,
   상기 제1 스텝에서 설정한 상기 오프셋량이 되도록, 상기 가공 대상물 및 상기 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 제4 스텝과,
   상기 제3 스텝 및 상기 제4 스텝의 후에, 상기 목표값을 취득하는 제5 스텝과,
   상기 제5 스텝의 후에, 상기 가공 대상물에 상기 가공용 레이저광을 상기 집광용 렌즈로 집광하면서, 상기 제2 스텝에서 선택한 상기 분기 반사광의 광로에서 상기 빔 형상을 검출하고, 상기 빔 형상의 검출 결과에 근거해 상기 신호를 취득하고, 취득한 상기 신호가 상기 목표값을 유지하도록 상기 집광용 렌즈의 광축 방향에 따라 상기 가공 대상물 및 상기 집광용 렌즈 중 적어도 어느 하나를 동작시키는 제6 스텝
   을 포함하는 레이저 가공 방법.

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