KR102629438B1 - 가공 장치 - Google Patents

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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

가공 장치는, 가공 대상물에 개질 영역을 구성하는 개질 스폿을 형성한다. 가공 장치는, 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와, 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 위 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비한다.

Description

가공 장치
본 발명의 일 측면은, 가공 장치에 관한 것이다.
종래, 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 가공 대상물에 형성하는 가공 장치가 알려져 있다. 이런 종류의 기술로서, 예를 들면 특허문헌 1에는, 레이저 가공 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 레이저 가공 장치에서는, 가공 대상물에 레이저광을 조사하는 것에 의해, 가공 대상물의 내부에 개질 스폿을 형성하고 있다.
특허문헌 1: 일본특허공개 제2015－186825호 공보
근래, 상술한 가공 장치로서는, 여러 분야로의 적용이 진행되는 가운데, 다양한 가공 요구(예를 들면, 고분단력(高分斷力), 가공 대상물로의 데미지 억제, 또는 이들의 양립 등)에 용이하게 대응할 수 있는 부가가치가 높은 것이 원해지고 있다.
그래서, 본 발명의 일 측면은, 높은 부가가치를 가지는 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 예의(銳意) 검토를 행한 결과, 광의 조사에 의해서 가공 대상물에 개질 스폿을 형성할 때, 그 시작으로부터 종료까지의 사이에서 특징적인 현상을 찾아냈다. 구체적으로는, 가공 대상물로의 광의 조사에 의해, 가공 대상물의 일부 영역(예를 들면, 위 광의 집광점(集光点) 부근: 이하, 간단하게 「일부 영역」이라고도 함)에서 흡수율이 일시적으로 상승된다(제1 스테이지). 흡수율이 일시적으로 상승된 일부 영역으로의 광의 조사에 의해, 위 일부 영역에 에너지가 주입되어, 고온 상태의 일부 영역이 확대된다(제2 스테이지). 그 결과로서, 가공 대상물에 개질 스폿이 형성된다고 하는 현상을 찾아내었다. 이러한 특징적인 현상을 이용하면, 다양한 가공 요구에도 용이하게 대응하여, 장치의 부가가치를 높일 수 있는 것을 더욱 찾아내어, 본 발명의 일 측면을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치는, 개질 영역을 구성하는 개질 스폿을 가공 대상물에 형성하는 가공 장치로서, 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와, 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 위 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비한다.
이 가공 장치에서는, 가공 대상물에 제1 광을 조사하여, 가공 대상물의 일부 영역의 흡수율을 일시적으로 상승시키고, 그 사이에 위 일부 영역에 제2 광을 조사 함으로써, 개질 스폿을 형성한다. 이것에 의해, 개질 스폿을 형성함에 있어서, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상 각각에 따라, 광을 제1 광 및 제2 광으로 나누어 조사할 수 있다. 제1 광 및 제2 광 각각의 각종 파라미터 또는 조사 양태를 적절히 바꿈으로써, 다양한 가공 요구에 용이하게 대응 가능할 수 있게 된다. 따라서, 높은 부가가치를 가지는 가공 장치를 실현할 수 있게 된다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 에너지는, 제1 광의 에너지보다도 높아도 괜찮다. 이것에 의해, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어, 제1 광 및 제2 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 피크 강도는, 제1 광의 피크 강도보다도 낮아도 괜찮다. 이것에 의해, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어, 제1 광 및 제2 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 파장은, 제1 광의 파장과 달라도 괜찮다. 제1 광의 파장과 제2 광의 파장을 적절히 다르게 함으로써, 가공 대상물에서의 제1 광 및 제2 광의 흡수 나아가서는 가공 결과를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광은, 가공 대상물로의 단독 조사시에 개질 스폿이 형성되지 않는 광이라도 괜찮다. 이 경우, 제2 광을 항상 또는 미리 조사해 두어도 개질 스폿은 형성되지 않고, 제1 광이 개질 스폿의 형성을 개시하는 트리거(trigger)로서 작용한다. 제2 광의 조사 타이밍을 정밀하게 제어하는 것이 불필요하게 된다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 가공 대상물에 대한 제2 광의 조사 방향은, 가공 대상물에 대한 제1 광의 조사 방향과 다르게 되어 있어도 괜찮다. 제1 광의 조사 방향과 제2 광의 조사 방향을 적절히 다르게 함으로써, 개질 스폿 형성시에 개질 스폿이 확대해 가는 방향 및 개질 영역의 위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 집광 위치에 대해서 제2 광이 집광하는 각도는, 제1 광의 집광 위치에 대해서 제1 광이 집광하는 각도와 다르게 되어 있어도 괜찮다. 제1 광의 집광 위치에 대해서 제1 광이 집광하는 각도와 제2 광의 집광 위치에 대해서 제2 광이 집광하는 각도를 적절히 다르게 함으로써, 가공 영역의 광협(廣狹)을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 빔 프로파일(beam profile)은, 제1 광의 빔 프로파일과 다르게 되어 있어도 괜찮다. 제1 광의 빔 프로파일과 제2 광의 빔 프로파일을 적절히 다르게 함으로써, 분단력 및 가공 대상물에 대한 데미지를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 엠스퀘어 값은, 제1 광의 엠스퀘어 값과 다르게 되어 있어도 괜찮다. 제1 광의 엠스퀘어 값과 제2 광의 엠스퀘어 값을 적절히 다르게 함으로써, 장치의 간략화가 가능해진다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 펄스 폭은, 제1 광의 펄스 폭과 다르게 되어 있어도 괜찮다. 제1 광의 펄스 폭과 제2 광의 펄스 폭을 적절히 다르게 함으로써, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어 제1 광 및 제2 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 펄스 파형은, 제1 광의 펄스 파형과 다르게 되어 있어도 괜찮다. 제1 광의 펄스 파형과 제2 광의 펄스 파형을 적절히 다르게 함으로써, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어 제1 광 및 제2 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제2 광의 편광 방향은, 제1 광의 편광 방향과 다르게 되어 있어도 괜찮다. 제1 광의 편광 방향과 제2 광의 편광 방향을 적절히 다르게 함으로써, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어 제1 광 및 제2 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 개질 영역은, 가공 대상물을 두께 방향을 따라 절단하는 절단 기점 영역이라도 괜찮다. 이 경우, 개질 영역을 절단의 기점(起点)으로서, 가공 대상물을 두께 방향을 따라 절단할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 개질 영역은, 가공 대상물을 두께 방향과 교차하는 방향을 따라 절단하는 절단 기점 영역이라도 괜찮다. 이 경우, 개질 영역을 절단의 기점으로서, 가공 대상물을 두께 방향과 교차하는 방향을 따라 절단(예를 들면 슬라이싱)할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 개질 영역은, 가공 대상물에서 2차원 모양 또는 3차원 모양으로 연장되는 제거 예정 영역이라도 괜찮다. 이 경우, 개질 영역을 에칭 등에 의해 선택적으로 제거하여, 가공 대상물에 2차원 모양 또는 3차원 모양으로 연장되는 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 개질 영역은, 가공 대상물의 내부에 형성된 결정 영역, 재결정 영역, 또는, 게터링(gettering) 영역이라도 괜찮다. 이 경우, 개질 영역을 결정 영역, 재결정 영역, 또는, 게터링 영역으로서 이용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제1 조사부는, 제1 광을 출사 하는 제1 광원에 의해 구성되고, 제2 조사부는, 제2 광을 출사하는 제2 광원과, 제2 광이 흡수율 상승 기간에 일부 영역으로 조사되도록 제2 광원의 조사 타이밍을 제어하는 제어부에 의해 구성되어 있어도 좋다. 이 경우, 본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치를, 복수의 광원을 이용하여 구성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치에서는, 제1 조사부 및 제2 조사부는, 광원 및 광원으로부터 출사된 광을 변조하는 외부 변조기에 의해 구성되고, 광원으로부터 출사되어 외부 변조기에 의해 변조된 광의 일부는, 가공 대상물에 제1 광으로서 조사되며, 광원으로부터 출사되어 외부 변조기에 의해 변조된 광의 타부(他部)는, 흡수율 상승 기간에 일부 영역으로 제2 광으로서 조사되고 있어도 괜찮다. 이 경우, 본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치를, 동일한 하나의 광원을 이용하여 구성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 높은 부가가치를 가지는 가공 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
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, 개질 스폿의 형성 메카니즘을 설명하는 도면이다.
도 8은, 개질 스폿 형성 후의 가공 대상물의 단면을 나타내는 사진 도면이다.
도 9는, 제1 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 10은, 제1 레이저광, 제2 레이저광 및 흡수율을 설명하는 도면이다.
도 11은, 제1 실시 형태의 제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 12는, 제1 실시 형태의 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 13은, 제1 실시 형태의 제3 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 14는, 제2 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 15는, 제2 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 16은, 제3 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 17은, 제3 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 18은, 제4 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 19는, 제5 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 20은, 제6 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 21은, 제7 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 22는, 제7 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 23은, 제8 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 24는, 제8 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 25는, 제9 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
이하, 실시 형태에서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
［개질 영역의 형성］
실시 형태에 관한 가공 장치는, 가공 대상물에 광을 집광하는 것에 의해, 개질 영역을 구성하는 개질 스폿을 가공 대상물에 형성한다. 그래서, 먼저, 개질 영역의 형성에 대해 설명한다.
도 1에 나타내어지는 레이저 가공 장치(100)는, 가공 장치의 일 예로서, 열응력을 이용한 레이저 가공을 실시한다. 레이저 가공 장치(100)는, 가공 대상물(1)에 레이저광(L)을 집광하는 것에 의해, 절단 예정 라인(5)을 따라 가공 대상물(1)에 개질 영역을 형성한다. 레이저 가공 장치(100)는, 레이저광(L)을 펄스 발진하는 레이저 광원(101)과, 레이저광(L)의 광축(광로(光路))의 방향을 90° 바꾸도록 배치된 다이크로익(dichroic) 미러(103)와, 레이저광(L)을 집광하기 위한 집광용 렌즈(105)를 구비하고 있다. 또, 레이저 가공 장치(100)는, 집광용 렌즈(105)에 의해 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 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)에서는, 레이저 광원(101)으로부터 출사된 레이저광(L)은, 다이크로익 미러(103)에 의해서 그 광축의 방향이 90° 바뀌고, 지지대(107) 상에 재치된 가공 대상물(1)의 내부에 집광용 렌즈(105)에 의해서 집광된다. 이것과 아울러, 스테이지(111)가 이동되어, 가공 대상물(1)이 레이저광(L)에 대해서 절단 예정 라인(5)을 따라 상대 이동시켜진다. 이것에 의해, 절단 예정 라인(5)을 따른 개질 영역이 가공 대상물(1)에 형성된다. 또한, 여기에서는, 레이저광(L)을 상대적으로 이동시키기 위해서 스테이지(111)를 이동시켰지만, 집광용 렌즈(105)를 이동시켜도 괜찮고, 혹은 이들 양쪽 모두를 이동시켜도 괜찮다.
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 나타내어지는 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 나타내어지는 바와 같이, 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(집광 위치)(P)을 맞춘 상태에서, 레이저광(L)을 절단 예정 라인(5)을 따라(즉, 도 2의 화살표 A 방향으로) 상대적으로 이동시킨다. 이것에 의해, 도 4, 도 5 및 도 6에 나타내어지는 바와 같이, 개질 영역(7)이 절단 예정 라인(5)을 따라 가공 대상물(1)에 형성되고, 절단 예정 라인(5)을 따라 형성된 개질 영역(7)이 절단 기점 영역(8)이 된다. 절단 기점 영역(8)으로서의 개질 영역(7)이 형성된 가공 대상물(1)에 외력을 가하는 것에 의해, 혹은, 절단 기점 영역(8)으로서의 개질 영역(7)의 형성시에, 개질 영역(7)을 절단의 기점으로 하여, 가공 대상물(1)을 복수의 칩으로 분단할 수 있다.
집광점(P)이란, 레이저광(L)이 집광하는 개소이다. 절단 예정 라인(5)은, 직선 모양에 한정하지 않고 곡선 모양이어도 좋고, 이들이 조합된 3차원 모양이라도 괜찮으며, 좌표 지정된 것이라도 좋다. 절단 예정 라인(5)은, 가상선에 한정하지 않고 가공 대상물(1)의 표면(3)에 실제로 그어진 선이라도 좋다. 절단 예정 라인(5)은, 개질 영역 형성 예정 라인이다. 개질 영역 형성 예정 라인은, 개질 영역(7)의 형성이 예정되는 예정 라인이다. 개질 영역(7)은, 연속적으로 형성되는 경우도 있고, 단속(斷續)적으로 형성되는 경우도 있다. 개질 영역(7)은 열(列) 모양이라도, 점(点) 모양이라도 괜찮으며, 요점은, 개질 영역(7)은 적어도 가공 대상물(1)의 내부에 형성되어 있으면 된다. 또, 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 괜찮다. 개질 영역(7)을 형성할 때의 레이저광 입사면은, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 한정되는 것이 아니고, 가공 대상물(1)의 이면 또는 측면이라도 좋다.
가공 대상물(1)의 표면(3) 또는 이면 측에는, 복수의 기능 소자(포토다이오드 등의 수광(受光) 소자, 레이저 다이오드 등의 발광 소자, 또는 회로로서 형성된 회로 소자 등)가 매트릭스 모양으로 형성되어 있다. 복수의 절단 예정 라인(5)은, 서로 이웃하는 기능 소자의 사이를 통과하도록 격자 모양으로 설정된다.
덧붙여서, 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광(L)은, 가공 대상물(1)을 투과함과 아울러, 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(L)이 대부분 흡수되지 않기 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융되지 않는다. 한편, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광(L)은, 표면(3)에 위치하는 집광점(P) 근방에서 특히 흡수되고, 표면(3)으로부터 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 상태가 된 영역을 말한다. 개질 영역(7)으로서는, 예를 들면, 용융 처리 영역(일단 용융 후 재고체화한 영역, 용융 상태 중의 영역 및 용융으로부터 재고체화하는 상태 중의 영역 중 적어도 어느 하나를 의미함), 크랙 영역, 절연 파괴 영역, 굴절률 변화 영역 등이 있으며, 이들이 혼재된 영역도 있다. 게다가, 개질 영역(7)으로서는, 가공 대상물(1)의 재료에서 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, 이들 영역의 내부나 개질 영역(7)과 비개질 영역과의 계면(界面)에 균열(갈라짐, 마이크로 크랙)을 내포하고 있는 경우가 있다. 내포되는 균열은, 개질 영역(7)의 전면(全面)에 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), 실리콘카바이드(SiC), LiTaO3, 다이아몬드, GaOx, 및 사파이어(Al2O3) 중 적어도 어느 하나로 형성된 기판을 포함한다. 환언하면, 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 질화 갈륨 기판, 실리콘 기판, SiC 기판, LiTaO3 기판, 다이아몬드 기판, GaOx 기판, 또는 사파이어 기판을 포함한다. 결정 재료는, 이방성 결정 및 등방성 결정 중 어느 하나라도 괜찮다. 가공 대상물(1)은, 비결정 구조(비정질 구조)를 가지는 비결정 재료로 이루어지는 기판을 포함하고 있어도 좋고, 예를 들면 유리 기판을 포함하고 있어도 괜찮다.
실시 형태에서는, 개질 스폿(가공 흔적, 개질층)을 하나 또는 복수 형성하는 것에 의해, 개질 영역(7)을 형성할 수 있다. 이 경우, 하나의 개질 스폿이, 또는, 모인 복수의 개질 스폿이, 개질 영역(7)이 된다. 개질 스폿은, 개질 영역(7)에 하나 또는 복수 포함된 개질 부분이다. 개질 스폿은, 개질 영역(7)을 구성하는 개질 부분이다. 개질 스폿은, 스폿 상태의 개질 부분이다. 복수의 개질 스폿 중 적어도 어느 하나는, 서로 이간되어 있어도 괜찮고, 서로 접촉(연속)되어 있어도 괜찮다. 개질 스폿이란, 펄스 레이저광의 1펄스의 쇼트(shot)(즉 1펄스의 레이저 조사: 레이저 쇼트)로 형성되는 개질 부분이다. 여기에서는, 개질 스폿은, 후술하는 제1 레이저광의 1펄스의 쇼트에 따라 형성되는 개질 부분이다. 개질 스폿으로서는, 크랙 스폿, 용융 처리 스폿 혹은 굴절률 변화 스폿, 또는 이들 중 적어도 하나가 혼재하는 것 등을 들 수 있다. 개질 스폿에 대해서는, 요구되는 절단 정밀도, 요구되는 절단면의 평탄성, 가공 대상물(1)의 두께, 종류, 결정 방위 등을 고려하여, 그 크기나 발생하는 균열의 길이를 적절하게 제어할 수 있다. 또, 실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)을 따라, 개질 스폿을 개질 영역(7)으로서 형성할 수 있다. 개질 스폿은, 국소적 또는 점 모양인 것에 한정되지 않는다. 개질 스폿의 사이즈 및 형상은, 특별히 한정되지 않으며, 여러 가지의 사이즈 및 형상이라도 괜찮다.
［개질 스폿의 형성 메카니즘］
가공 대상물(1)에 개질 스폿을 형성할 때, 그 시작으로부터 종료까지의 사이에서, 스테이지마다 나누어진 특징적인 현상이 발견된다. 이하, 개질 스폿의 형성 메카니즘에 대해 설명한다.
도 7에 나타내어지는 바와 같이, 개질 스폿(S)의 형성 개시부터 완료까지의 현상은, 그 현상의 내용에 따라 5개의 스테이지로 나눌 수 있다. 또한, 여기서의 예에서는, 가공 대상물(1)을 실리콘으로 한다.
제1 스테이지는, 가공 대상물(1)에 대해서 레이저광(L)의 펄스가 조사된 직후의 기간이다. 제1 스테이지에서는, 가공 대상물(1)에서, 실온 부근으로부터 초기 흡수가 발생하고, 집광점 부근의 일부 영역(집광점을 포함하는 일부의 영역: 이하, 간단하게 「일부 영역」이라고도 함)에서 국소적인 온도 상승 및 플라스마가 발생하여, 위 일부 영역에서 흡수율이 일시적으로 상승한다. 제1 스테이지의 종점은, 가공 대상물(1)로의 레이저광(L)의 조사 개시를 기점으로 하여, 예를 들면, 다광자(多光子) 흡수 등의 비선형적인 흡수 현상인 비선형 흡수의 경우에는 1ps까지의 시점이며, 통상의 흡수 현상인 선형 흡수의 경우에는 1ms까지의 시점이다. 제1 스테이지의 가공 대상물(1)은, 예를 들면 수 10000K의 온도를 가진다. 제1 스테이지의 가공 대상물(1)은, 플라스마, 증기 또는 액체인 상태를 가진다. 이러한 제1 스테이지의 레이저광(L)에서는, 양호한 집광성과, 집광점까지의 투과성과, 집광점에서의 선택적 흡수성과, 높은 피크 파워와, 급준한 시작의 펄스 파형 중 적어도 어느 하나가 바람직하다.
제2 스테이지는, 국소적인 온도 상승이 진행되어, 흡수율이 상승한 일부 영역이 확대되는 기간이다. 제2 스테이지는, 레이저광(L)이 조사되고 있는 기간이다. 제2 스테이지에서는, 가공 대상물(1)에서 고온 상태의 일부 영역(고온 영역)으로 에너지가 주입되어, 상부(레이저광(L)의 조사 측)로 고온 영역이 확대되어 개질 스폿의 형성 영역이 획정(畵定)된다. 제2 스테이지의 종점은, 가공 대상물(1)로의 레이저광(L)의 조사 개시를 기점으로 하여, 예를 들면, 700ns까지의 시점이다. 제2 스테이지의 가공 대상물(1)은, 예를 들면 2000~10000K의 온도를 가진다. 제2 스테이지의 가공 대상물(1)은, 액체인 상태를 가진다. 제2 스테이지에서, 고온 영역은 용융 영역이다. 이러한 제2 스테이지의 레이저광(L)에서는, 펄스 파형이나 실온 부근의 가공 전의 가공 대상물(1)에 흡수되지 않는 파장인 것이 중요해진다. 제2 스테이지의 레이저광(L)에서는, 가공 요구(가공 목적)에 따른 전파 프로파일과, 큰 펄스 에너지 및 지속 시간 중 적어도 어느 하나가 요구된다.
제3 스테이지는, 전도(傳導) 냉각에 의한 급속한 온도 저하가 진행되어, 보이드(void)(13)가 고정됨과 아울러, 용융 영역의 가둠(용융 응고 영역(11)의 형성)이 행해지는 기간이다. 제3 스테이지는, 레이저광(L)의 조사가 정지된 직후의 기간이다. 제3 스테이지의 종점은, 가공 대상물(1)로의 레이저광(L)의 조사 개시를 기점으로 하여, 예를 들면, 2μs까지의 시점이다. 제3 스테이지의 가공 대상물(1)은, 예를 들면 500~2000K의 온도를 가진다. 제3 스테이지의 가공 대상물(1)은, 고체인 상태를 가진다. 이러한 제3 스테이지에서는, 빠른 전도 냉각과, 집광점 부근에서 응고가 선행되는 것(보이드(13)의 고정)과, 분단에 적절한 형상 또한 큰 체적으로 융액을 가두는 것 중 적어도 어느 하나가 바람직하다. 또한, 보이드(13)의 고정은, 제3 스테이지에서 이루어지는 것에 한정되지 않고, 제2 스테이지 중에서 이루어지는 경우도 있다.
제4 스테이지는, 보다 많은 열확산에 의해 전체가 응고되고, 마지막까지 용융되어 있던 영역으로부터 큰 응력(St)이 발생하여, 잔류 응력장이 형성되고 또한 마이크로 크랙이 발생 및 신장되는 기간이다. 도시되는 예에서는, 발생 및 진전된 마이크로 크랙은, 이들이 모여 마이크로 크랙군(9)을 형성하고 있다. 마이크로 크랙군(9)은, 마이크로 크랙 집합체이다. 제4 스테이지는, 레이저광(L)의 조사가 정지된 기간이다. 제4 스테이지에서는, 전위(轉位) 영역이 형성된다. 제4 스테이지의 종점은, 가공 대상물(1)로의 레이저광(L)의 조사 개시를 기점으로 하여, 예를 들면, 10μs까지의 시점이다. 제4 스테이지의 가공 대상물(1)은, 실온과 동일한 정도의 온도를 가진다. 제4 스테이지의 가공 대상물(1)은, 고체인 상태를 가진다. 이러한 제4 스테이지에서는, 분단에 적절한 응고 순서 및 속도와, 전위 및 고압 영역의 형성(잔류 응력의 분포의 지배) 중 적어도 어느 하나가 바람직하다.
제5 스테이지는, 레이저광(L)의 다음의 펄스가 가공 대상물(1)에 조사되는 기간으로서, 제1 스테이지와 동일하다. 또한, 제5 스테이지에서는, 지금까지의 제1 스테이지~제4 스테이지에서 형성된 개질 스폿(S)에서, 그 마이크로 크랙이 진전되어 마이크로 크랙군(9)이 넓어지고 있다.
도 8은, 개질 스폿(S)의 형성 후의 가공 대상물(1)의 단면을 나타내는 사진 도면이다. 도면 중의 상태는, 제5 스테이지의 상태에 대응한다. 도면 중의 상측이, 레이저광(L)의 조사 측이다. 도 8에 나타내어지는 바와 같이, 개질 스폿(S)은, 용융 응고 영역(11), 마이크로 크랙군(9) 및 보이드(13)를 포함한다. 용융 응고 영역(11)은, 제3 스테이지로부터 제4 스테이지의 재응고시에 마지막까지 용융되어 있던 영역이다. 용융 응고 영역(11)의 재응고 시의 체적 팽창에 의해, 큰 응력을 발생시킨다. 용융 응고 영역(11)을 중심으로 하는 응력에 의해, 크랙(14)이 생긴다. 마이크로 크랙군(9)은, 제3 스테이지로부터 제4 스테이지의 재응고에 따른 응력에 의해 형성된다. 마이크로 크랙군(9)은, 고밀도인 전위를 수반하기도 한다. 마이크로 크랙군(9)은, 집합 및 성장하여 크랙(14)이 된다. 보이드(13)는, 제2 스테이지에서의 용융 및 증발 후의 재응고시에 남겨진 공동(空洞)이다. 도면 중의 집광점(P)은, 가공의 개시점으로서, 제1 스테이지의 작용 영역이다.
［제1 실시 형태］
다음으로, 제1 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다.
도 9에 나타내어지는 제1 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(200)는, 분단력을 우선시킨 사양의 장치로서, 높은 분단력에 의해 가공 대상물(1)을 두께 방향을 따라 절단 가능하게 한다. 레이저 가공 장치(200)는, 제1 광원(201), 제2 광원(202), 제1 어테뉴에이터(attenuator)(203), 제2 어테뉴에이터(204), 제1 빔 익스팬더(beam expander)(205), 제2 빔 익스팬더(206), 공간 광 변조기(207), 릴레이(relay) 광학계(208), 다이크로익 미러(209), 집광 광학계(210), 및 실린드리칼(cylindrical) 렌즈 유닛(211)을 구비한다.
제1 광원(201)은, 펄스 레이저광인 제1 레이저광(제1 광)(L1)을 출사(펄스 발진)한다. 일 예로서, 제1 광원(201)은, 파장이 1064nm이고 펄스 지속 시간이 30ns인 제1 레이저광(L1)을 출사한다. 제2 광원(202)은, 펄스 레이저광인 제2 레이저광(제2 광)(L2)을 출사(펄스 발진)한다. 일 예로서, 제2 광원(202)은, 파장이 1550nm이고 펄스 지속 시간이 1000ns인 제2 레이저광(L2)을 출사한다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2) 각각은, 상술한 레이저광(L)에 대응한다.
제1 어테뉴에이터(203)는, 제1 광원(201)으로부터 출사된 제1 레이저광(L1)의 출력(광 강도) 및 편광 방향을 조정한다. 제2 어테뉴에이터(204)는, 제2 광원(202)으로부터 출사된 제2 레이저광(L2)의 출력 및 편광 방향을 조정한다. 제1 빔 익스팬더(205)는, 제1 어테뉴에이터(203)를 통과한 제1 레이저광(L1)의 빔 지름 및 발산각을 조정한다. 제2 빔 익스팬더(206)는, 제2 어테뉴에이터(204)를 통과한 제2 레이저광(L2)의 빔 지름 및 발산각을 조정한다.
공간 광 변조기(207)는, 제1 빔 익스팬더(205)를 통과하여 미러(212)에 의해 반사된 제1 레이저광(L1)을 변조하면서 반사한다. 공간 광 변조기(207)는, 예를 들면 반사형 액정(LCOS:Liquid　Crystal　on　Silicon)인 공간 광 변조기(SLM: Spatial　Light　Modulator)이다. 공간 광 변조기(207)는, 제1 레이저광(L1)이 입사되는 표시부를 가지며, 이 표시부에 표시시키는 변조 패턴을 적절하게 설정하는 것에 의해, 반사되는 제1 레이저광(L1)을 변조(예를 들면, 제1 레이저광(L1)의 강도, 진폭, 위상, 편광 등을 변조)한다.
릴레이 광학계(208)는, 공간 광 변조기(207)의 표시부에서의 제1 레이저광(L1)의 상(像)(공간 광 변조기(207)에서 변조된 제1 레이저광(L1)의 상)을, 집광 광학계(210)의 입사 동면(瞳面)에 전상(결상)시킨다. 릴레이 광학계(208)로서는, 예를 들면 4f 렌즈 유닛을 이용할 수 있다.
다이크로익 미러(209)는, 릴레이 광학계(208)를 통과하여 미러(213)에서 반사된 제1 레이저광(L1)을 집광 광학계(210)을 향해 투과시킴과 아울러, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 통과한 제2 레이저광(L2)을 집광 광학계(210)를 향해 반사시킨다.
집광 광학계(210)는, 가공 대상물(1)에 대해서 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 집광한다. 집광 광학계(210)는, 복수의 렌즈와, 복수의 렌즈를 유지하는 홀더를 가진다. 집광 광학계(210)는, 압전 소자 등의 구동 기구의 구동력에 의해서, 그 광축 방향을 따라 가동된다.
실린드리칼 렌즈 유닛(211)은, 제2 빔 익스팬더(206)를 통과하여 미러(214, 215)에서 반사된 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일을 조정(빔 형상을 정형(整形))한다. 실린드리칼 렌즈 유닛(211)은, 가공 대상물(1)에 조사되는 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일을, 절단 예정 라인(5)을 따른 방향에서 장척(長尺) 모양으로 한다.
제어부(216)는, CPU(Central　Processing　Unit), ROM(Read　Only　Memory) 및 RAM(Random　Access　Memory) 등에 의해서 구성되어 있다. 제어부(216)는, 레이저 가공 장치(200)의 각 부의 동작을 제어한다. 제어부(216)는, 상술한 레이저 광원 제어부(102) 및 스테이지 제어부(115)(도 1 참조)의 기능을 가진다. 제어부(216)는, 제1 광원(201) 및 제2 광원(202)의 동작을 제어하여, 제1 광원(201) 및 제2 광원(202) 각각으로부터 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2) 각각을 출사시킨다. 제어부(216)는, 제1 광원(201) 및 제2 광원(202)으로부터 출사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 출력이나 펄스 폭 등을 조절한다. 제어부(216)는, 개질 스폿(S)을 형성할 때, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 집광점이 소정 깊이에 위치하고 또한 절단 예정 라인(5)을 따라 상대적으로 이동하도록, 레이저 가공 장치(200)의 각 부의 동작을 제어한다. 제어부(216)는, 제1 광원(201) 및 제2 광원(202)으로부터 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)이 출사되는 타이밍을 조절함으로써, 가공점에서의 제1 레이저광(L1)과 제2 레이저광(L2)과의 도달 타이밍을 제어한다.
제어부(216)는, 개질 스폿(S)을 형성할 때, 공간 광 변조기(207)의 표시부에 소정의 변조 패턴을 표시시키고, 제1 레이저광(L1)을 공간 광 변조기(207)에서 원하는대로 변조시킨다. 표시시키는 변조 패턴은, 예를 들면, 개질 스폿(S)을 형성하려고 하는 깊이 위치, 제1 레이저광(L1)의 파장, 가공 대상물(1)의 재료, 집광 광학계(210)나 가공 대상물(1)의 굴절률 등에 근거하여 미리 도출되고, 제어부(216)에 기억되어 있다. 변조 패턴은, 레이저 가공 장치(200)에 생기는 개체차(個體差)를 보정하기 위한 개체차 보정 패턴, 구면수차(球面收差)를 보정하기 위한 구면수차 보정 패턴, 및 비점수차(非点收差)를 보정하기 위한 비점수차 보정 패턴 등 중 적어도 어느 하나를 포함하고 있어도 괜찮다.
제어부(216)는, 제1 광원(201)을 제어하여 제1 레이저광(L1)을 출사시킨 후, 제2 광원(202)을 제어하여 제2 레이저광(L2)을 출사시킨다. 구체적으로는, 제어부(216)는, 가공 대상물(1)로 제1 레이저광(L1)을 1펄스 조사시키고, 가공 대상물(1)의 일부 영역에서 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 기간인 흡수율 상승 기간에, 그 일부 영역에 제2 레이저광(L2)을 1펄스 조사시킨다. 제어부(216)는, 제2 레이저광(L2)의 1펄스 조사 후에는, 제1 광원(201) 및 제2 광원(202)의 출사를 일정 기간 정지시킨다. 그 후, 제어부(216)는, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 위 1펄스 조사를 반복한다.
일부 영역은, 예를 들면 제1 레이저광(L1)의 집광점 부근이며, 제1 레이저광(L1)의 조사 및 집광에 따른 흡수율이 상승하고 있는 영역이다. 흡수율이란, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 단위 길이당(예를 들면 1cm당) 흡수하는 비율이다. 흡수율 상승 기간이란, 제1 레이저광(L1)의 조사 전의 흡수율을 기준으로 하여, 일시적으로 흡수율이 상승하고 있는(일시적으로 흡수율이 커지고 있는) 기간이다. 흡수율 상승 기간은, 흡수율이 제1 레이저광(L1)의 조사 전보다도 큰 범위에서, 흡수율이 증가하고 있는 기간과, 흡수율이 감소하고 있는 기간을 포함한다. 예를 들면 흡수율 상승 기간에서는, 제1 레이저광(L1)의 조사 전의 흡수율보다도 큰 범위에서, 흡수율이 시간 경과에 따라 증가한 후에 감소한다.
보다 구체적으로는, 제어부(216)는, 다음과 같이, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 조사 타이밍을 제어한다. 즉, 도 10에 나타내어지는 바와 같이, 먼저, 제1 레이저광(L1)을 1펄스 조사시킨다. 이것에 의해, 제1 스테이지가 개시되고 일부 영역의 흡수율이 가파르게 상승하여, 피크를 맞이한 후에 하강한다. 이 흡수율 상승 기간(H)에, 제2 레이저광(L2)을 1펄스 조사시킨다. 도시하는 예에서는, 제1 레이저광(L1)의 펄스의 종료시에, 제2 레이저광(L2)의 펄스가 올라가고 있다. 제2 레이저광(L2)의 펄스는, 소정 기간 지속된 후에 종료된다. 제2 레이저광(L2)의 조사에 의해서, 흡수율이 상승 혹은 유지되고 있다. 위 종료에 따라서, 제2 스테이지가 종료되고, 제3 스테이지가 개시된다. 그리고, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 조사가 일정 기간 정지하고, 이것에 의해, 제3 스테이지 및 4 스테이지가 진전된다.
이상과 같이 구성된 레이저 가공 장치(200)에서는, 가공 대상물(1)에 제1 레이저광(L1)을 조사하여, 가공 대상물(1)의 일부 영역에서 흡수율을 제1 레이저광(L1)의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 스텝과, 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간(H)에, 위 일부 영역에 제2 레이저광(L2)을 조사하는 스텝을 포함하는 가공 방법을 실시한다.
여기서, 레이저 가공 장치(200)에서, 가공 대상물(1)에 조사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 특징에 대해서, 이하에 상세하게 설명한다.
제2 레이저광(L2)의 에너지는, 제1 레이저광(L1)의 에너지보다도 높다. 여기서 말하는 에너지는, 모든 시간축에서 투입되는 에너지의 총량이다. 제2 레이저광(L2)의 피크 강도는, 제1 레이저광(L1)의 피크 강도보다도 낮다. 여기서 말하는 피크 강도란, 위 레이저광(L)이 흡수되는 영역에서의 단위면적당 및 단위시간당 에너지이다. 제1 레이저광(L1)의 에너지 및 피크 강도는, 예를 들면 제1 광원(201) 및 제1 어테뉴에이터(203) 중 적어도 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 에너지 및 피크 강도는, 예를 들면 제2 광원(202) 및 제2 어테뉴에이터(204) 중 적어도 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 에너지 및 피크 강도는, EOM(Electro-Optic　Modulator) 또는 AOM(acousto-Optic　Modulator) 등의 변조기를 이용하여 제어할 수도 있다.
제2 레이저광(L2)의 파장은, 제1 레이저광(L1)의 파장과 다르다. 제2 레이저광(L2)의 파장 및 제2 레이저광(L2)의 파장은, 가공 대상물(1)을 투과하는 파장이며, 여기에서는, 실리콘을 투과하는 1000~8500nm이다. 제2 레이저광(L2)의 파장은, 제1 레이저광(L1)의 파장보다도 길다. 가공 대상물(1)이 실리콘인 경우, 파장을 1000nm 이상 1100nm 미만으로 하면, 가공 대상물(1)로의 흡수가 빠르고, 데미지가 적으며, 균열이 성장되기 어려워진다. 가공 대상물(1)이 실리콘인 경우, 파장을 1100nm 이상 2000nm 미만으로 하면, 분단력이 높아져, 가공 대상물(1)로의 데미지 억제보다도 분단력을 우선(발생되는 균열을 길게)시킬 수 있다. 가공 대상물(1)이 실리콘인 경우, 파장을 2000nm 이상 8500nm 미만으로 하면, 분단력이 보다 높아지며, 가공 대상물(1)로의 데미지 억제보다도 분단력을 보다 우선시킬 수 있다. 제1 레이저광(L1)의 파장은, 예를 들면 제1 광원(201) 및 공간 광 변조기(207) 중 적어도 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 파장은, 예를 들면 제2 광원(202)에 의해 제어될 수 있다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 파장은, EOM 또는 AOM 등의 변조기를 이용하여 제어할 수도 있다.
제2 레이저광(L2)은, 가공 대상물(1)로의 단독 조사시에 개질 스폿(S) 나아가서는 개질 영역(7)이 형성되지 않는 레이저광이다. 예를 들면 제2 레이저광(L2)의 피크 강도는, 가공 대상물(1)의 가공 문턱값보다도 낮고, 단독으로는 개질 스폿(S)의 형성이 개시되지 않는다. 이 경우, 제2 레이저광(L2)은, 항상 또는 미리 가공 대상물(1)에 조사되어 있어도 괜찮으며, 제1 레이저광(L1)만이 가공 개시의 트리거로서 작용한다. 이때, 가공 개시까지의 사이의 제2 레이저광(L2)은, 가공 대상물(1)에 흡수되지 않고 빠짐광이 된다.「빠짐광」이란, 가공 대상물(1)의 일방 측으로부터 입사한 광으로서, 가공 대상물(1)에서 흡수되지 않고 타방 측으로부터 빠지는(출사되는) 광이다. 광의 입사면과는 반대 측의 면에 빠짐광에 의해 데미지가 미치는 것을, 「이면 데미지」라고도 칭한다.
제2 레이저광(L2)의 NA(Numerical　Aperture)는, 제1 레이저광(L1)의 NA와 다르다. 제1 레이저광(L1)의 NA란, 제1 레이저광(L1)의 집광 위치에 대해서 제1 레이저광(L1)이 집광되는 각도이다. 제2 레이저광(L2)의 NA란, 제2 레이저광(L2)의 집광 위치에 대해서 제2 레이저광(L2)이 집광되는 각도이다. 구체적으로는, 제2 레이저광(L2)의 NA는, 제1 레이저광(L1)의 NA보다도 작다. 제2 레이저광(L2)은, 평행 빔이라도 좋다.
제1 레이저광(L1)의 NA는, 예를 들면 제1 빔 익스팬더(205), 공간 광 변조기(207) 및 집광 광학계(210) 중 적어도 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 NA는, 예를 들면 제2 빔 익스팬더(206) 및 집광 광학계(210) 중 적어도 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 요점은, 레이저광(L)의 NA는, 대물 렌즈 또는 핀 홀(pin hole) 등의 유한(有限) 개구, 빔 익스팬더 등의 빔 조정계, 및 공간 광 변조기 중 적어도 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. NA는, 그 값이 높을수록 집광점의 스폿 사이즈가 작아지고, 집광점으로부터 멀어지면 빔 지름이 급속히 증가하는 경향을 가진다. NA는, 집광 광학계(210)에서의 레이저광(L)의 지름 및 집광 광학계(210)의 초점 거리에 의해서 결정된다. 레이저광(L)의 피크 강도의 위치 의존성은, NA가 높을수록 커진다. 레이저광(L)을 깊이 방향(광축(光軸) 방향, 두께 방향)에서 국소적으로 집중시키는 경우에는, NA가 높은 쪽이 유리하다. 한편, 레이저광(L)을 광축 방향을 따라 긴 영역에 분포시키는 경우에는, NA가 낮은 것이 유리하다.
제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일은, 제1 레이저광(L1)의 빔 프로파일과 다르다. 구체적으로는, 제1 레이저광(L1)의 빔 프로파일은, 진원(眞円) 또는 고리 모양 등의 회전 대칭을 가진다. 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일은, 절단 예정 라인(5)을 따라 장척 모양의 형상을 가진다. 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일은, 절단 예정 라인(5)을 따르는 방향을 길이 방향으로 하는 회전 비대칭인 형상(예를 들면 장원(長円), 타원형, 장방형 또는 다각형 등)을 가진다. 제1 레이저광(L1)의 빔 프로파일은, 공간 광 변조기(207)에 의해 제어될 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일은, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 예를 들면 회절 광학 소자(DOE:Diffractive　Optical　Element) 또는 공간 광 변조기를 이용하여 빔 프로파일을 제어해도 괜찮고, 이 경우에는, 장원 또는 다각형 등의 복잡한 빔 프로파일도 용이하게 얻어진다.
제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값은, 제1 레이저광(L1)의 엠스퀘어 값과 다르다. 엠스퀘어 값은, 레이저광(L)(레이저광(L)의 가로 모드)의 품질을 나타내는 값이다. 엠스퀘어 값은, 레이저광(L)의 집광성을 나타내는 값이다. 엠스퀘어 값은, M＾2으로도 표기된다. 엠스퀘어 값은, 실제의 레이저광(L)이 이상적인 TEM00의 가우시안 레이저광(기본 모드 광)에 대해서 어느 정도 떨어져 있는지를 나타낸다. 엠스퀘어 값은, TEM00의 가우시안 레이저광의 퍼짐각과 빔 웨이스트(waist) 지름과의 곱(積)에 대한, 실제의 레이저광(L)의 퍼짐각과 빔 웨스트 지름과의 곱이다.
제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값은, 제1 레이저광(L1)의 엠스퀘어 값보다도 크다. 제1 레이저광(L1)에는 양호한 빔 품질이 필요하며, 제1 레이저광(L1)의 엠스퀘어 값은, 1.5 이하이다. 제2 레이저광(L2)에는, 제1 레이저광(L1) 정도의 빔 품질은 불필요하며, 제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값은, 6.0 이하이다. 제1 레이저광(L1)의 엠스퀘어 값은, 예를 들면 제1 광원(201) 및 공간 광 변조기(207) 중 적어도 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값은, 예를 들면 제2 광원(202)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 레이저광(L)의 엠스퀘어 값은, 위 레이저광(L)의 레이저 광원, 공간 필터 및 공간 광 변조기 중 적어도 어느 하나를 이용함으로써, 제어해도 괜찮다.
제2 레이저광(L2)의 펄스 폭은, 제1 레이저광(L1)의 펄스 폭과 다르다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 폭은, 제1 레이저광(L1)의 펄스 폭보다도 길다. 제1 레이저광(L1)의 펄스 폭은, 예를 들면 제1 광원(201)에 의해 제어할 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 폭은, 예를 들면 제2 광원(202)에 의해 제어할 수 있다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 펄스 폭은, EOM 또는 AOM 등의 변조기를 이용하여 제어할 수도 있다.
제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은, 제1 레이저광(L1)의 펄스 파형과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 펄스 파형은, 직사각형 파형 또는 가우스(Gauss) 파형이다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은, 시간 경과에 따라 출력이 높아지는 파형이며, 구체적으로는, 제2 레이저광(L2)이 흡수 영역에서 흡수되는 실효적인 면적이 증가함에 따라, 피크 강도가 일정하게 되도록 출력이 높아지는 파형(이하, 간단하게 「후상(後上) 파형」이라고도 함)이다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은, 예를 들면 자승(自乘, 제곱) 곡선을 가진다. 제1 레이저광(L1)의 펄스 파형은, 예를 들면 제1 광원(201)에 의해 제어할 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은, 예를 들면 제2 광원(202)에 의해 제어할 수 있다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은, EOM 또는 AOM 등의 변조기를 이용하여 제어할 수도 있다.
제2 레이저광(L2)의 편광 방향은, 제1 레이저광(L1)의 편광 방향과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 편광 방향은, 수직, 수평, 우회전 원 편광, 좌회전 원 편광, 또는 Z 편광이다. 제2 레이저광(L2)의 편광 방향은 수평, 수직, 좌측 방향 원 편광, 우회전 원 편광, 또는 Z 편광이다. 제1 레이저광(L1)의 편광 방향은, 예를 들면 파장판(미도시) 및 공간 광 변조기(207) 중 적어도 어느 하나에 의해 제어할 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 편광 방향은, 예를 들면 파장판(미도시)에 의해 제어할 수 있다. 편광으로서는, 예를 들면 직선 편광, 직교 편광, 원 편광, 랜덤 편광, Z 편광, 및 래디얼 편광을 들 수 있다. 파장판에는, 1/4 파장판, 1/2 파장판, 및 Z 파장판 중 적어도 하나가 포함된다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 편광 방향은, 파장판, 편광 해소자(解消子) 및 공간 광 변조기 중 적어도 어느 하나를 이용하여 제어할 수도 있다.
이러한 레이저 가공 장치(200)에서는, 제1 스테이지에 필요하고 또한 충분한 제1 레이저광(L1)을, 제1 스테이지에 최적인 시간적 및 공간적 분포로 공급할 수 있다. 적절한 시간 간격 후에, 제2 스테이지에 필요하고 또한 충분한 제2 레이저광(L2)을, 제2 스테이지에 최적인 시간적 및 공간적 분포로 공급할 수 있다. 그 후, 제3 스테이지 이후에 신속하게 냉각이 행해지도록, 예리하게 제2 레이저광(L2)(및 그 외의 광)을 차단할 수 있다.
여기서의 레이저 가공 장치(200)는, 가공 대상물(1)에 조사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)에 관해서, 이하의 특징을 가지도록 구성되어 있다.
(파장)
제1 레이저광(L1): 1026~1064nm
제2 레이저광(L2): 1180~7500nm
(빔 품질(엠스퀘어 값))
제1 레이저광(L1): 1.0
제2 레이저광(L2): 3.0 미만
(펄스 지속 시간)
제1 레이저광(L1): 20~50ns
제2 레이저광(L2): 0.7~5μs
(펄스 시작 시간)
제1 레이저광(L1): 5ns 미만
제2 레이저광(L2): 50ns 미만
(펄스 파형)
제1 레이저광(L1): 직사각형 파형 또는 가우스 파형
제2 레이저광(L2): 후상 파형(자승 곡선)
(피크 강도)
제1 레이저광(L1): 70W
제2 레이저광(L2): 150~250W
(반복 주파수)
제1 레이저광(L1): 150kHz 이하
제2 레이저광(L2): 150kHz 이하
(조사 타이밍)
제1 레이저광(L1): 임의
제2 레이저광(L2): 20~30ns 후
(제1 레이저광(L1)의 조사 개시를 기점)
(집광계)
제1 레이저광(L1): 집광 우선
제2 레이저광(L2): 경로 우선
(수차 보정)
제1 레이저광(L1): 있음
제2 레이저광(L2): 없음
(빔 프로파일의 대칭성)
제1 레이저광(L1): 회전 대칭(진원)
제2 레이저광(L2): 절단 예정 라인(5)을 따르는 방향으로 장척 모양
(NA)
제1 레이저광(L1): 0.7 이상
제2 레이저광(L2): 0.2~0.6
이상, 레이저 가공 장치(200)에 의하면, 개질 스폿(S)을 형성함에 있어서, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상 각각에 맞추어, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)으로 나누어 조사할 수 있다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2) 각각의 각종 파라미터 내지 조사 양태를 적절하게 바꿈으로써, 여러 가지 가공 요구에 용이하게 대응할 수 있게 된다. 따라서, 높은 부가가치를 가지는 레이저 가공 장치(200)를 실현할 수 있게 된다. 또, 단순하고 또한 저렴한 광학계를 이용하여 분단력을 향상시키는 것이 가능해진다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 에너지는, 제1 레이저광(L1)의 에너지보다도 높다. 이것에 의해, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 더욱 더 맞추어, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 조사할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 피크 강도는, 제1 레이저광(L1)의 피크 강도보다도 낮다. 이것에 의해, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 더욱 더 맞추어, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 조사할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 파장은, 제1 레이저광(L1)의 파장과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 파장과 제2 레이저광(L2)의 파장을 적절히 다르게 함으로써, 가공 대상물(1)에서의 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 흡수, 나아가서는 가공 결과를 제어할 수 있다. 게다가, 반도체인 가공 대상물(1)은, 밴드 갭 근방에서 분광 흡수 특성이 크게 변화하기 때문에, 파장을 변화시키면 그 흡수 분포나 가공 결과를 효과적으로 제어할 수 있다. 특히 레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 파장은, 제1 레이저광(L1)의 파장보다도 길다. 이것에 의해, 제1 레이저광(L1)의 흡수를 앞당겨 데미지를 억제하면서, 제2 레이저광(L2)에 의해 분단력을 높이는 것(고분단력과 데미지 억제와의 양립)이 가능하다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)은, 가공 대상물(1)로의 단독 조사시에 개질 스폿(S)이 형성되지 않는 광이다. 이것에 의해, 제2 레이저광(L2)을 항상 또는 미리 조사해 두어도 괜찮고, 이 경우에도, 개질 스폿(S)은 형성되지 않고, 제1 레이저광(L1)이 개질 스폿(S)의 형성을 개시하는 트리거로서 작용한다. 제2 레이저광(L2)의 조사 타이밍을 정밀하게 제어하는 것이 불필요하게 된다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 NA는, 제1 레이저광(L1)의 NA와 다르다. 제1 레이저광(L1)의 NA와 제2 레이저광(L2)의 NA를 적절히 다르게 함으로써, 가공 영역의 광협(廣狹, 넓음과 좁음)을 제어할 수 있다. 특히 레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 NA는, 제1 레이저광(L1)의 NA보다도 작다. 이것에 의해, 제2 레이저광(L2)은 집광점으로부터 떨어진 위치에서도 빔의 발산이 억제되기 때문에, 개질 스폿(S)을 집광점으로부터 떨어진 위치까지 유도 또는 형성할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일은, 제1 레이저광(L1)의 빔 프로파일과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 빔 프로파일과 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일을 적절히 다르게 함으로써, 분단력이 및 가공 대상물(1)로의 데미지를 제어할 수 있다. 특히 레이저 가공 장치(200)에서는, 제1 레이저광(L1)의 빔 프로파일은, 회전 대칭의 형상이며, 이것에 의해, 제1 레이저광(L1)을 작은 영역에 집광할 수 있어, 높은 파워 밀도를 실현할 수 있다. 그 때문에, 제1 스테이지의 현상을 최저한(最低限)의 빠짐광으로 실현할 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일은, 절단 예정 라인(5)을 따라 장척 모양의 형상이다. 이것에 의해, 절단 예정 라인(5)을 따라 가공 대상물(1)을 절단하기 쉽게 할 수 있다. 또, 두께 방향으로부터 보아 절단 예정 라인(5)에 직교하는 방향이, 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일의 단수(短手) 방향이 되기 때문에, 가공 대상물(1)의 기능 소자에 대한 제2 레이저광(L2)에 의한 악영향을 억제할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값은, 제1 레이저광(L1)의 엠스퀘어 값과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 엠스퀘어 값과 제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값을 적절히 다르게 함으로써, 장치의 간략화, 저가격화 및 간이화가 가능해진다. 특히 레이저 가공 장치(200)에서는, 제1 레이저광(L1)의 엠스퀘어 값은 제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값보다도 작다. 이것에 의해, 제1 레이저광(L1)에서 필요한 빔 품질을 확보하면서, 제2 레이저광(L2)의 빔 품질에 관한 제한을 저감하는 것이 가능해진다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 펄스 폭은, 제1 광의 펄스 폭과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 펄스 폭과 제2 레이저광(L2)의 펄스 폭을 적절히 다르게 함으로써, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 조사할 수 있다. 특히 레이저 가공 장치(200)에서는, 제1 레이저광(L1)의 펄스 폭은 제2 레이저광(L2)의 펄스 폭보다도 길다. 이것에 의해, 용융 영역이 성장 가능한 속도에 맞추어, 혹은 용융 영역이 성장에 필요한 시간에 맞추어, 제2 레이저광(L2)에 의한 에너지 공급이 한층 적절하게 행해지고, 한층 더 적절한 용융 영역, 나아가서는 개질 스폿(S)을 형성할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은, 제1 레이저광(L1)의 펄스 파형과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 펄스 파형과 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형을 적절히 다르게 함으로써, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 조사할 수 있다. 특히 레이저 가공 장치(200)에서는, 제1 레이저광(L1)의 펄스 파형은 직사각형 파형 또는 가우스 파형이며, 이것에 의해, 뾰죡한 시작 특성을 펄스 파형이 구비하게 되어, 가공 전의 빠짐광을 최소한으로 할 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은 후상 파형이며, 이것에 의해, 제2 레이저광(L2)의 흡수 영역의 면적이 증가하는 경우에도, 그것에 따라 피크 강도를 일정하게 유지할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 제2 레이저광(L2)의 편광 방향은, 제1 레이저광(L1)의 편광 방향과 다르다. 제1 레이저광(L1)의 편광 방향과 제2 레이저광(L2)의 편광 방향을 적절히 다르게 함으로써, 제1 스테이지 및 제2 스테이지의 각 현상에 한층 더 맞추어 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 조사할 수 있다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 결합 및 분리가 용이해진다. 특히 레이저 가공 장치(200)에서는, 제1 레이저광(L1)의 편광 방향은, 수직, 수평, 우회전 원 편광, 좌회전 원 편광, 또는 Z 편광이며, 제2 레이저광(L2)의 편광 방향은, 수평, 수직, 왼쪽 주위 원 편광, 우회전 원 편광, 또는 Z 편광이다. 이것에 의해, 제1 레이저광(L1)의 파장과 제2 레이저광(L2)의 파장이 동일한 경우에도, 편광 방향의 상위(相違)를 이용하여 동일 광로로의 빔 합성 혹은 동일 광로로부터의 빔 분리가 용이하게 가능하게 된다. 또, 물질 내부로의 투과율이 높은 Z 편광의 레이저광(L)을 이용함으로써, 한층 적절하게 가공 대상물(1)의 내부 가공을 행할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)을 두께 방향을 따라 절단시키는 절단 기점 영역이다. 이것에 의해, 개질 영역(7)을 절단의 기점으로 하여, 가공 대상물(1)을 두께 방향을 따라 절단(분단)할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)는, 제1 광원(201), 제2 광원(202) 및 제어부(216)를 포함하고 있다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)로 조사하는 레이저 가공 장치(200)를, 제1 광원(201) 및 제2 광원(202)(복수의 광원)을 이용하여 구성할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 가공 대상물(1)에 대한 제2 레이저광(L2)의 조사 방향은, 가공 대상물(1)에 대한 제1 레이저광(L1)의 조사 방향과 동일하다. 이 경우, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을 동일 방향으로부터 조사할 수 있어, 광학계를 간편한 것으로 할 수 있다.
또한, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향 및 제2 레이저광(L2)의 조사 방향은, 가공 목적 및 장치 구성상의 제약으로부터 적절하게 설정해도 괜찮다. 제1 레이저광(L1)과 제2 레이저광(L2) 각각의 집광점이 공통이라도, 달라도, 그들의 조사 방향(전반(傳搬) 방향)을 개별로 제어함으로써 가공을 특징짓는 것이 가능하다. 예를 들면 후술하는 변형예에서 나타내어지는 바와 같이, 제1 레이저광(L1)을 가공 대상물(1)의 표면(또는 이면)으로부터 수직으로 입사시키는 일방에서, 제2 레이저광(L2)을 이면(또는 표면)으로부터, 측부로부터, 그들의 대향 방향으로부터, 혹은, 그들을 조합시킨 방향으로부터 입사시켜도 괜찮다. 제1 레이저광(L1)의 조사 방향을 적절하게 설정함으로써, 초기의 빠짐광의 방향을 제어할 수 있다. 제2 레이저광(L2)의 조사 방향을 적절하게 설정함으로써, 분단력의 방향 결정을 행하거나, 개질 스폿(S)의 형성 방향 및 위치를 제어하거나, 특정 가공 양태(예를 들면 잔존 빠짐광의 분포 제어)에 최적화시키거나 하는 것 등이 가능하게 된다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 상술한 바와 같이, 제2 레이저광(L2)은, 절단 예정 라인(5)을 따라 장척을 이루는 회전 비대칭의 빔 형상으로서, 큰 에너지 및 지속 시간으로 공급된다. 이것에 의해, 제2 스테이지를 장시간 지속시켜, 용융 응고 영역(11)을 절단 예정 라인(5)의 연장 방향으로 확대할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 각종 파라미터는, 상기의 값에 특별히 한정되지 않는다. 제1 레이저광(L1)의 파장은, 1000nm~1100nm라도 괜찮고, 특히, 1026nm, 1028nm, 1030nm, 1047nm, 1064nm, 또는 1080nm이면, 장치 제조가 용이하기 때문에 유효하다. 제1 레이저광(L1)의 파장은, 9500nm~10000nm라도 괜찮다.
제1 레이저광(L1)의 집광 상태는, 높은 집광 강도를 실현할 수 있도록, 양호한 빔 품질로 하기 위해서, 엠스퀘어 값이 1.2 미만이라도 괜찮다. 제1 레이저광(L1)의 구면 수차 보정에 관하여, 집광점(P)에서 무수차(無收差) 집광이라도 괜찮다. 제1 레이저광(L1)의 집광 스폿 지름(집광점에서의 빔 지름)은, φ 1μm 이하라도 괜찮다. 제1 레이저광(L1)의 펄스 지속 시간은, 30~50ns 미만이라도 괜찮다.
제2 레이저광(L2)의 조사 타이밍(제1 레이저광(L1)으로부터의 지연 시간)은, 제1 레이저광(L1)의 조사에 의한 일부 영역의 국소적인 전자의 여기(勵起) 혹은 온도 상승 등의 과도적 현상의 개시 후이고, 여기된 전자의 완화 또는 열확산에 의해 위 과도적 현상이 종료 혹은 감쇠하여 캐리어 등이 확산 또는 소멸하는 시점보다도 빠른 타이밍이라도 괜찮다. 제2 레이저광(L2)의 파장은, 1150nm~9500nm라도 괜찮다. 제2 레이저광(L2)의 파장은, 가공 대상물(1)을 투과하는 파장이면 좋다. 제2 레이저광(L2)의 빔 품질로의 요구는, 대폭으로 완화되어, 예를 들면 제2 레이저광(L2)의 엠스퀘어 값이 4라도 괜찮다. 제2 레이저광(L2)의 집광 스폿 지름(집광점에서의 빔 지름)은, φ 3μm 정도라도 괜찮다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형의 시작은, 제1 레이저광(L1)의 조사에 의한 일부 영역의 국소적인 온도 상승이 완화되지 않을 정도의 시작이면 좋다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 상승 시간은, 10~30ns라도 괜찮다.
제2 레이저광(L2)의 펄스 지속 시간은, 500~5000ns여도 괜찮다. 제2 레이저광(L2)의 편광 상태는, 모든 상태라도 좋다. 제2 광원(202)으로서, 저렴한 랜덤 편광 레이저 광원을 이용해도 괜찮다. 제2 레이저광(L2)의 집광 상태는, 가공 성능을 결정짓기 위해, 가공 요구에 따라 설정되어 있어도 괜찮다. 제2 레이저광(L2)은, 제1 레이저광(L1)에 비해, 집광점이 아닌 전파 상태가 중요하게 된다.
상기에서, 제1 광원(201) 및 제어부(216)는 제1 조사부를 구성하고, 제2 광원(202) 및 제어부(216)는 제2 조사부를 구성한다.
도 11은, 제1 실시 형태의 제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치(220)의 구성을 나타내는 개략도이다. 제1 변형예에 관한 레이저 가공 장치(220)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 다른 점은, 제1 레이저광(L1)과 대향하도록 제2 레이저광(L2)을 더 조사하는 점이다. 레이저 가공 장치(220)는, 상기 레이저 가공 장치(200)에 대해서, 하프 미러(221) 및 집광 광학계(224)를 더 구비한다.
하프 미러(221)는, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 실린드리칼 렌즈 유닛(211)과 다이크로익 미러(209)와의 사이에 배치되어 있다. 하프 미러(221)는, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 통과한 제2 레이저광(L2)의 일부를 반사함과 아울러, 위 제2 레이저광(L2)의 다른 부분을 투과시킨다.
집광 광학계(224)는, 하프 미러(221)에서 반사되고 미러(222, 223)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(224)는, 가공 대상물(1)을 사이에 두고 집광 광학계(210)와 대향하도록 배치되어 있다. 집광 광학계(224)는, 집광 광학계(210)의 레이저광 입사면인 표면(또는 이면)과는 반대 측의 이면(또는 표면)을 레이저광 입사면으로 하여, 제2 레이저광(L2)을 입사시킨다. 집광 광학계(224)는, 집광 광학계(210)와 동일하게 구성되어 있다. 집광 광학계(224)로서 집광 광학계(210)보다도 특히 고성능인 광학계를 이용하는 것은 불필요하다. 이러한 레이저 가공 장치(220)에서는, 가공 대상물(1)에서, 표면 측 및 이면 측 각각으로부터 제2 레이저광(L2)을 동시 조사하여, 표면 측 및 이면 측 각각으로 개질 스폿(S)을 성장시켜 형성하는 것이 가능하다.
이상, 레이저 가공 장치(220)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또, 레이저 가공 장치(220)에서는, 2개의 제2 레이저광(L2) 중의 일방의 제2 레이저광(L2)의 조사 방향은, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향과 다르다. 제1 레이저광(L1)과 제2 레이저광(L2)에서 조사 방향을 적절히 다르게 함으로써, 개질 스폿(S) 및 균열이 확대되어 가는 방향을 제어 가능(선택적 유도 가능)함과 아울러, 개질 스폿(S) 및 균열의 위치를 제어 가능하게 된다. 특히 레이저 가공 장치(220)에서는, 대향하는 집광 광학계(210, 224)에 의한 표면 측 및 이면 측으로부터의 개질 스폿(S)의 동시 성장 및 분단력의 극대화가 가능해진다.
도 12는, 제1 실시 형태의 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(230)의 구성을 나타내는 개략도이다. 제2 변형예에 관한 레이저 가공 장치(230)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 빔 시프터(231)를 구비하는 점이다.
빔 시프터(231)는, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 실린드리칼 렌즈 유닛(211)과 다이크로익 미러(209)와의 사이에 배치되어 있다. 빔 시프터(231)는, 제2 레이저광(L2)의 위치를 시프트시킨다. 구체적으로는, 빔 시프터(231)는, 집광 광학계(210)에서 집광된 제2 레이저광(L2)의 조사 방향(광축)이, 집광 광학계(210)의 광축에 대해 경사지는 경사 방향이 되도록, 제2 레이저광(L2)의 위치를 시프트시킨다. 여기서의 경사 방향은, 가공 대상물(1)에 가까워짐에 따라, 레이저광(L)(제1 레이저광(L) 및 제2 레이저광(L2))의 스캔의 진행 방향에서의 전측(前側)으로부터 후측(後側)으로 경사지는 방향이다.
또한, 빔 시프터(231)로서는, 특별히 한정되지 않고, 제2 레이저광(L2)의 위치를 시프트할 수 있으면, 여러 가지의 광학 소자를 이용할 수 있다. 이하, 스캔의 진행 방향을, 간단하게 「스캔 진행 방향」이라고 칭한다. 스캔 진행 방향은, 레이저광(L)을 주사하는 방향이며, 가공 진행 방향이다.
이상, 레이저 가공 장치(230)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또, 레이저 가공 장치(230)에서는, 제2 레이저광(L2)을 집광 광학계(210)의 광축에 대해 경사지는 경사 방향으로부터 조사시킬 수 있다. 특히, 위 경사 방향은, 가공 대상물(1)에 가까워짐에 따라 스캔 진행 방향의 전측으로부터 후측으로 경사지는 방향이기 때문에, 레이저광(L)의 스캔에 대해서 개질 스폿(S)을 선행하도록 형성하는 것이 가능해진다.
도 13은, 제1 실시 형태의 제3 변형예에 관한 레이저 가공 장치(240)의 구성을 나타내는 개략도이다. 제3 변형예에 관한 레이저 가공 장치(240)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 다른 점은, 가공 대상물(1)의 측면으로부터 제2 레이저광(L2)을 조사함과 아울러, 제1 레이저광(L1)과 대향하도록 제2 레이저광(L2)을 조사하는 점이다. 레이저 가공 장치(220)는, 상기 레이저 가공 장치(200)에 대해서, 다이크로익 미러(209)를 구비하지 않고, 하프 미러(241) 및 집광 광학계(242, 243)를 더 구비한다. 레이저 가공 장치(220)에서는, 집광 광학계(210)는, 가공 대상물(1)에 대해서 제1 레이저광(L1)만을 집광한다.
하프 미러(241)는, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 실린드리칼 렌즈 유닛(211)의 하류 측에 배치되어 있다. 하프 미러(241)는, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 통과하여 미러(244)에서 반사된 제2 레이저광(L2)의 일부를 반사함과 아울러, 위 제2 레이저광(L2)의 다른 부분을 투과시킨다.
집광 광학계(242)는, 하프 미러(241)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(242)는, 가공 대상물(1)의 측면과 대향하도록 배치되어 있다. 집광 광학계(242)는, 가공 대상물(1)의 측면을 레이저광 입사면으로 하여 제2 레이저광(L2)을 입사시킨다. 집광 광학계(242)는, 집광 광학계(210)와 동일하게 구성되어 있다. 집광 광학계(243)는, 하프 미러(221)를 투과하여 미러(245, 246)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(243)는, 가공 대상물(1)을 사이에 두고 집광 광학계(210)와 대향하도록 배치되어 있다. 집광 광학계(243)는, 집광 광학계(210)의 레이저광 입사면인 표면(또는 이면)과는 반대 측의 이면(또는 표면)을 레이저광 입사면으로 하여, 제2 레이저광(L2)을 입사시킨다. 집광 광학계(243)는, 집광 광학계(210)와 동일하게 구성되어 있다. 집광 광학계(242, 243)로서, 집광 광학계(210)보다도 특히 고성능인 광학계를 이용하는 것은 불필요하다.
이러한 레이저 가공 장치(240)에서는, 가공 대상물(1)에서, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측 및 가공 대상물(1)의 측면 측으로부터 제2 레이저광(L2)을 동시 조사하여, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측 및 가공 대상물(1)의 측면 측 각각으로 개질 스폿(S)을 성장시키는 것이 가능하다.
이상, 레이저 가공 장치(240)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또, 레이저 가공 장치(240)에서는, 제2 레이저광(L2)이 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측과 가공 대상물(1)의 측면 측으로부터 조사되므로, 개질 스폿(S) 및 균열이 확대되어 가는 방향을, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측과 가공 대상물(1)의 측면 측으로 제어 가능(선택적 유도 가능)하게 된다. 또, 제2 레이저광(L2)이 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측과 가공 대상물(1)의 측면 측으로부터 조사되므로, 빠짐광에 의한 이면 데미지를 본질적으로 회피하는 것이 가능해진다.
［제2 실시 형태］
다음으로, 제2 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 14에 나타내어지는 제2 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(300)는, 가공 대상물(1)로의 데미지 억제를 우선시킨 사양의 장치로서, 가공 대상물(1)에 주는 데미지(특히 이면 데미지)를 억제하면서 가공 대상물(1)을 두께 방향을 따라 절단 가능하게 한다. 레이저 가공 장치(300)가 상기 레이저 가공 장치(200)와 장치 구성에서 다른 점은, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 구비하고 있지 않은 점이다. 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 구비하지 않고 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2) 쌍방을 회전 대칭의 빔 프로파일로 하고, 쌍방의 전반 경로 및 집광점을 한층 더 일치시킨다. 이것에 의해, 제1 레이저광(L1)에 의해 여기되어 흡수율이 일시적으로 상승한 일부 영역에 대해서, 제2 레이저광(L2)을 한층 더 효율적으로 작용시키는 것이 가능해진다.
레이저 가공 장치(300)에서는, 제1 레이저광(L1)의 빠짐광의 억제가 우선되고 있다. 제1 레이저광(L1)은, 가공 대상물(1)의 흡수가 큰 파장이며 급준한 시작의 파형을 가진다. 이러한 제1 레이저광(L1)에 의하면, 제1 스테이지만을 최소한의 빠짐광으로 실시할 수 있다. 레이저 가공 장치(300)에서는, 제2 레이저광(L2)은, 가공 대상물(1)의 밴드 갭 부근 또는 밴드 갭보다 긴 파장, 회전 대칭의 빔 프로파일, 큰 에너지, 급준한 시작의 펄스 파형, 및 긴 펄스 지속 시간을 가진다. 이것에 의해, 제1 레이저광(L1)의 조사에 의해 일시적으로 흡수율이 상승하고 있는 일부 영역에 시간적 및 공간적으로 일치하도록, 제2 레이저광(L2)을 조사하고, 제2 스테이지를 지속시켜, 용융 응고 영역(11)을 확대할 수 있다.
여기서의 레이저 가공 장치(300)는, 가공 대상물(1)에 조사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)에 관하여, 이하의 특징을 가지도록 구성되어 있다.
(파장)
제1 레이저광(L1): 1026~1064nm
제2 레이저광(L2): 1120~2000nm
(빔 품질(엠스퀘어 값))
제1 레이저광(L1): 1.0
제2 레이저광(L2): 3.0 미만
(펄스 지속 시간)
제1 레이저광(L1): 10~30ns
제2 레이저광(L2): 0.5~1μs
(펄스 시작 시간)
제1 레이저광(L1): 3ns 미만
제2 레이저광(L2): 50ns 미만
(펄스 파형)
제1 레이저광(L1): 직사각형 파형 또는 가우스 파형
제2 레이저광(L2): 후상 파형(자승 곡선)
(피크 강도)
제1 레이저광(L1): 70W
제2 레이저광(L2): 150~250W
(반복 주파수)
제1 레이저광(L1): 300kHz 이하
제2 레이저광(L2): 300kHz 이하
(조사 타이밍)
제1 레이저광(L1): 임의
제2 레이저광(L2): 15~20ns 후
(제1 레이저광(L1)의 조사 개시를 기점)
(제1 레이저광(L1)의 펄스 폭, 제1 레이저광(L1)의 시작, 및 제2 레이저광(L2)의 시작에 따라 적절하게 최적화)
(집광계)
제1 레이저광(L1): 집광 우선
제2 레이저광(L2): 경로 우선
(수차 보정)
제1 레이저광(L1): 있음
제2 레이저광(L2): 없음
(빔 프로파일의 대칭성)
제1 레이저광(L1): 회전 대칭(진원)
제2 레이저광(L2): 회전 대칭(진원)
(NA)
제1 레이저광(L1): 0.7 이상
제2 레이저광(L2): 0.2~0.6
이상, 레이저 가공 장치(300)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 특히 레이저 가공 장치(300)에서는, 단순하고 또한 저렴한 광학계를 이용하여, 빠짐광을 억제하여, 가공 대상물(1)로의 데미지를 억제하는 것이 가능해진다.
도 15는, 제2 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치(320)의 구성을 나타내는 개략도이다. 변형예에 관한 레이저 가공 장치(320)가 상기 레이저 가공 장치(300)(도 14 참조)와 다른 점은, 제1 레이저광(L1)과 대향하도록 제2 레이저광(L2)을 조사하는 점이다. 레이저 가공 장치(320)는, 상기 레이저 가공 장치(300)에 대해서, 다이크로익 미러(209)를 구비하지 않고, 집광 광학계(321)를 더 구비한다. 레이저 가공 장치(320)에서는, 집광 광학계(210)는, 가공 대상물(1)에 대해서 제1 레이저광(L1)만을 집광한다.
집광 광학계(321)는, 제2 빔 익스팬더(206)을 통과하여 미러(214, 215, 322, 323, 324)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(321)는, 가공 대상물(1)을 사이에 두고 집광 광학계(210)와 대향하도록 배치되어 있다. 집광 광학계(321)는, 집광 광학계(210)의 레이저광 입사면인 표면(또는 이면)과는 반대 측의 이면(또는 표면)을 레이저광 입사면으로 하여, 제2 레이저광(L2)을 입사시킨다. 집광 광학계(321)는, 집광 광학계(210)와 동일하게 구성되어 있다. 집광 광학계(321)로서, 집광 광학계(210)보다도 특히 고성능인 광학계를 이용하는 것은 불필요하다.
이러한 레이저 가공 장치(320)에서는, 가공 대상물(1)에서, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측으로부터 제2 레이저광(L2)을 조사하고, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측으로 개질 스폿(S)을 성장시켜 형성하는 것이 가능하다.
이상, 레이저 가공 장치(320)에서도, 상기 레이저 가공 장치(300)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또, 레이저 가공 장치(320)에서는, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측으로부터 제2 레이저광(L2)을 조사함으로써, 개질 스폿(S)의 형성시에 개질 스폿(S) 및 균열이 확대되어 가는 방향을, 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측으로 제어 가능(선택적 유도 가능)하게 된다. 제1 레이저광(L1)의 조사 방향의 반대 측으로부터 제2 레이저광(L2)을 조사함으로써, 빠짐광에 의한 이면 데미지를 본질적으로 회피하는 것이 가능해진다.
［제3 실시 형태］
다음으로, 제3 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 16에 나타내어지는 제3 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(400)는, 두께 방향으로 장척인 개질 스폿(S)을 가공 대상물(1)에 형성 가능하게 한다. 레이저 가공 장치(400)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 구비하고 있지 않은 점이다. 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 구비하지 않고 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2) 쌍방을 회전 대칭의 빔 프로파일로 하고, 쌍방의 전반 경로 및 집광점을 한층 더 일치시킨다. 이것에 의해, 제1 레이저광(L1)에 의해 여기되어 흡수율이 일시적으로 상승한 일부 영역에 대해서, 제2 레이저광(L2)을 한층 더 효율적으로 작용시키는 것이 가능해진다.
여기서의 레이저 가공 장치(400)는, 가공 대상물(1)에 조사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)에 관해서, 이하의 특징을 가지도록 구성되어 있다.
(파장)
제1 레이저광(L1): 1026~1064nm
제2 레이저광(L2): 1120~2000nm
(빔 품질(엠스퀘어 값))
제1 레이저광(L1): 1.0
제2 레이저광(L2): 2.0 미만
(펄스 지속 시간)
제1 레이저광(L1): 20~80ns
제2 레이저광(L2): 2~200μs
(펄스 시작 시간)
제1 레이저광(L1): 3ns 미만
제2 레이저광(L2): 50ns 미만
(펄스 파형)
제1 레이저광(L1): 직사각형 파형 또는 가우스 파형
제2 레이저광(L2): 후상 파형(자승 곡선) 또는 직사각형 파형
(피크 강도)
제1 레이저광(L1): 70W
제2 레이저광(L2): 150~250W
(반복 주파수)
제1 레이저광(L1): 300kHz 이하
제2 레이저광(L2): 300kHz 이하
(조사 타이밍)
제1 레이저광(L1): 임의
제2 레이저광(L2): 15~20ns 후
(제1 레이저광(L1)의 조사 개시를 기점)
(집광계)
제1 레이저광(L1): 집광 우선
제2 레이저광(L2): 경로 우선
(수차 보정)
제1 레이저광(L1): 있음
제2 레이저광(L2): 없음
(빔 프로파일의 대칭성)
제1 레이저광(L1): 회전 대칭(진원)
제2 레이저광(L2): 회전 대칭(진원) 혹은 임의 형상 단면
(NA)
제1 레이저광(L1): 0.7 이상
제2 레이저광(L2): 0.4~0.6
이상, 레이저 가공 장치(400)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 특히 레이저 가공 장치(400)에서는, 두께 방향으로 장척인 개질 스폿(S) 및 개질 영역(7)을 형성하는 것이 가능해진다.
도 17은, 제3 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치(420)의 구성을 나타내는 개략도이다. 변형예에 관한 레이저 가공 장치(420)가 상기 레이저 가공 장치(400)(도 16 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 미러(215)와 다이크로익 미러(209)와의 사이에, 실린드리칼 렌즈 유닛(421) 및 빔 시프터(422)를 더 구비하는 점이다.
실린드리칼 렌즈 유닛(421)은, 상기 실린드리칼 렌즈 유닛(211)(도 9 참조)과 동일하게 구성되어 있다. 빔 시프터(422)는, 상기 빔 시프터(231)(도 12 참조)와 동일하게 구성되어 있다. 이러한 레이저 가공 장치(420)에서는, 제2 레이저광(L2)을 평행 빔으로 하여 가공 대상물(1)에 조사할 수 있다.
이상, 레이저 가공 장치(420)에서도, 상기 레이저 가공 장치(400)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또, 레이저 가공 장치(420)에서는, 제2 레이저광(L2)을 평행 빔으로 하여 가공 대상물(1)에 조사함으로써, 제2 레이저광(L2)의 입사면 측에 무제한으로 긴 개질 스폿(S)을 형성하는 것이 가능해진다.
［제4 실시 형태］
다음으로, 제4 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 18에 나타내어지는 제4 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(500)는, 가공 대상물(1)의 벽개(劈開) 방향에 의하지 않고, 가공 대상물(1)을 절단 가능하게 한다. 레이저 가공 장치(500)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 빔 시프터(501) 및 빔 셰이퍼(shaper)(502)를 더 구비하는 점이다.
빔 시프터(501)는, 제2 레이저광(L2)의 위치를 시프트시킨다. 구체적으로는, 빔 시프터(501)는, 집광 광학계(210)에서 집광된 제2 레이저광(L2)의 조사 방향이 집광 광학계(210)의 광축에 대해 경사진 경사 방향이 되도록, 제2 레이저광(L2)의 위치를 시프트시킨다. 여기서의 경사 방향은, 가공 대상물(1)에 가까워짐에 따라, 스캔 진행 방향의 후측으로부터 전측으로 경사지는 방향이다. 또한, 빔 시프터(501)로서는, 특별히 한정되지 않고, 제2 레이저광(L2)의 위치를 시프트할 수 있으면, 여러 가지의 광학 소자를 이용할 수 있다.
빔 셰이퍼(502)는, 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일을, 스캔 진행 방향으로 비대칭인 이형(異形) 프로파일로 성형한다. 구체예로서는, 빔 셰이퍼(502)는, 집광 광학계(210)에서 집광된 제2 레이저광(L2)이, 스캔 진행 방향의 전측이 빠진 반원(스캔 진행 방향에서 후측 절반의 반원) 모양의 빔 프로파일이 되도록, 제2 레이저광(L2)의 빔 프로파일을 성형한다.
이상, 레이저 가공 장치(500)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 특히 레이저 가공 장치(500)에서는, 스캔 진행 방향의 전측의 균열을 억제함과 아울러, 스캔 진행 방향의 후측으로 균열을 발생시킬 수 있다. 가공 대상물(1)의 벽개(劈開) 방향에 의하지 않고, 절단 예정 라인(5)을 따라 가공 대상물(1)이 절단 가능해진다.
［제5 실시 형태］
다음으로, 제5 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 19에 나타내어지는 제5 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(600)는, 결정 방위에 의하지 않고, 두께 방향으로 장척인 개질 스폿(S)을 가공 대상물(1)에 형성 가능하게 한다. 레이저 가공 장치(600)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 실린드리칼 렌즈 유닛(211)과 다이크로익 미러(209)와의 사이에, 빔 시프터(602)를 더 구비하는 점이다. 본 실시 형태의 가공 대상물(1)의 벽개 방향은, 절단 예정 라인(5)의 연장 방향을 따르지 않고, 절단 예정 라인(5)과 교차한다.
빔 시프터(602)는, 상기 빔 시프터(231)(도 12 참조)와 동일하게 구성되어 있다. 이러한 레이저 가공 장치(600)에서는, 제2 레이저광(L2)을 평행 빔으로 하여 가공 대상물(1)에 조사할 수 있다. 본 실시 형태의 제어부(216)는, 제2 레이저광(L2)의 조사 타이밍을 제어하여, 균열이 생기지 않도록 용융 응고 영역(11)의 응고 속도를 제어한다.
이상, 레이저 가공 장치(600)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 특히 레이저 가공 장치(600)에서는, 제2 레이저광(L2)을 평행 빔으로 하여 가공 대상물(1)에 조사하고, 벽개 방향으로의 균열의 발생을 억제하면서, 두께 방향으로 장척인 개질 스폿(S)을 형성할 수 있다.
［제6 실시 형태］
다음으로, 제6 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 20에 나타내어지는 제6 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(700)는, 저렴한 장치 구성을 가능하게 한다. 레이저 가공 장치(700)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 제2 어테뉴에이터(204) 및 실린드리칼 렌즈 유닛(601)을 구비하지 않고, 제1 광원(201)을 대신하여 제1 광원(701)을 구비하고, 제2 광원(202)을 대신하여 제2 광원(702)을 구비하는 점이다.
제1 광원(701)은, 제1 광원(201)(도 9 참조)에 대해서 출력이 작은 광원이다. 제2 광원(702)은, 레이저 다이오드, CW(Continuous　Wave: 연속 발진) 파이버 레이저, 또는, QCW(Quasi Continuous　Wave: 준연속 발진) 파이버 레이저를 이용한 광원이다. 일 예로서, 제2 광원(702)은, 파장이 1064nm이고 펄스 지속 시간이 1μs인 제2 레이저광(L2)을 출사한다.
이상, 레이저 가공 장치(700)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 특히 레이저 가공 장치(700)에서는, 매우 저렴한 가공 장치를 구축할 수 있게 된다.
［제7 실시 형태］
다음으로, 제7 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 21에 나타내어지는 제7 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(800)는, 가공 대상물(1)을 두께 방향과 직교(교차)하는 방향을 따라 절단(슬라이싱)하는 것을 가능하게 한다. 레이저 가공 장치(800)에서는, 가공 대상물(1)에 설정된 슬라이스 예정면에 직교하는 방향으로부터 레이저광(L)(제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2))을 입사시켜, 위 슬라이스 예정면을 따르는 평면 모양의 개질 영역(7)을 가공 대상물(1)의 내부에 형성한다. 본 실시 형태의 개질 영역(7)은, 슬라이싱하는 절단 기점 영역이다.
슬라이스 예정면은, 가공 대상물(1)을 슬라이싱하기 위한 가상면이며, 평면 모양으로 펼쳐진다. 슬라이스 예정면은, 평면 모양에 한정되지 않고 곡면 모양이라도 좋고, 이들이 조합된 3차원 모양이라도 괜찮으며, 좌표 지정된 것이어도 좋다. 슬라이스 예정면은, 개질 영역 형성 예정면이다. 개질 영역 형성 예정면은, 개질 영역(7)의 형성이 예정되는 예정면이다.
레이저 가공 장치(800)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 실린드리칼 렌즈 유닛(211)과 다이크로익 미러(209)와의 사이에, 빔 시프터(801)를 더 구비하는 점이다. 빔 시프터(801)는, 상기 빔 시프터(231)(도 12 참조)와 동일하게 구성되어 있다. 이러한 레이저 가공 장치(600)에서는, 제2 레이저광(L2)을 평행 빔으로 하여 가공 대상물(1)에 조사할 수 있다. 본 실시 형태의 제어부(216)는, 제2 레이저광(L2)의 조사 타이밍을 제어하여, 두께 방향으로는 균열이 생기지 않도록 용융 응고 영역(11)의 응고 속도를 제어한다.
레이저 가공 장치(800)에서, 제1 레이저광(L1)은, 밴드 갭 부근 또는 밴드 갭보다 긴 파장, 및 급준한 시작의 펄스 파형을 가진다. 제1 레이저광(L1)의 펄스 파형은, 직사각형 파형 또는 가우스 파형이다. 제1 레이저광(L1)은, 가공 대상물(1)에서의 슬라이스 예정면이 깊이 위치 혹은 그것보다도 깊은 깊이 위치에, 단시간만 조사된다. 이러한 제1 레이저광(L1)의 조사에 의해, 제1 스테이지의 흡수 현상을 슬라이스 예정면에 최소한의 높이(두께 방향의 폭)로 유기(誘起)한다.
한편, 제2 레이저광(L2)은, 기저(基底) 상태의 가공 대상물(1)에 대해서 흡수가 없는 파장을 가진다. 제2 레이저광(L2)은, 펄스 파형을 가진다. 제2 레이저광(L2)의 펄스 파형은, 직사각형 파형 또는 가우스 파형이다. 제2 레이저광(L2)은, 가공 대상물(1)에 단시간에 단속적으로 조사된다. 이것에 의해, 제2 스테이지를 단속적으로 생기게 하여 개질 스폿(S)이 슬라이스 예정면으로부터의 두께 방향으로 일탈하는 것을 억제한다. 이것과 함께, 슬라이스 예정면에서 분단을 용이하게 하기 때문에, 복수점 동시 조사 등에 의해 슬라이스 예정면을 따른 개질 영역(7)을 형성한다. 두께 방향으로의 균열의 진전을 억제한다.
여기서의 레이저 가공 장치(800)는, 가공 대상물(1)에 조사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)에 관하여, 이하의 특징을 가지도록 구성되어 있다.
(파장)
제1 레이저광(L1): 1026~1064nm
제2 레이저광(L2): 1180~1700nm
(빔 품질(엠스퀘어 값))
제1 레이저광(L1): 1.0
제2 레이저광(L2): 3.0 미만
(펄스 지속 시간)
제1 레이저광(L1): 10~50ns
제2 레이저광(L2): 0.3~0.7μs
(펄스 시작 시간)
제1 레이저광(L1): 3ns 미만
제2 레이저광(L2): 50ns 미만
(펄스 파형)
제1 레이저광(L1): 직사각형 파형 또는 가우스 파형
제2 레이저광(L2): 직사각형 파형 또는 가우스 파형
(피크 강도)
제1 레이저광(L1): 70W
제2 레이저광(L2): 150~250W
(반복 주파수)
제1 레이저광(L1): 300kHz 이하
제2 레이저광(L2): 300kHz 이하
(조사 타이밍)
제1 레이저광(L1): 임의
제2 레이저광(L2): 20~30ns 후
(복수 펄스 열(列))
(집광계)
제1 레이저광(L1): 집광 우선
제2 레이저광(L2): 경로 우선
(수차 보정)
제1 레이저광(L1): 있음
제2 레이저광(L2): 없음
(빔 프로파일의 대칭성)
제1 레이저광(L1): 회전 대칭(진원)
제2 레이저광(L2): 4각형 모양
(NA)
제1 레이저광(L1): 0.7 이상
제2 레이저광(L2): 0.6 이상
이상, 레이저 가공 장치(800)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 특히 레이저 가공 장치(800)에서는, 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)을 슬라이싱하는 경우의 절단 기점 영역이다. 이것에 의해, 개질 영역(7)을 절단의 기점으로서 가공 대상물(1)을 슬라이싱할 수 있다.
도 22는, 제7 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치(820)의 구성을 나타내는 개략도이다. 변형예에 관한 레이저 가공 장치(820)가 상기 레이저 가공 장치(800)(도 21 참조)와 다른 점은, 가공 대상물(1)의 측면으로부터 제2 레이저광(L2)을 조사하는 점이다. 레이저 가공 장치(820)는, 상기 레이저 가공 장치(800)에 대해서, 다이크로익 미러(209)를 구비하지 않고, 집광 광학계(821)을 더 구비한다. 레이저 가공 장치(820)에서는, 집광 광학계(210)는, 가공 대상물(1)에 대해서 제1 레이저광(L1)만을 집광한다.
집광 광학계(821)는, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 통과하여 미러(822, 823)를 반사한 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(821)는, 가공 대상물(1)의 측면과 대향하도록 배치되어 있다. 집광 광학계(821)는, 가공 대상물(1)의 측면을 레이저광 입사면으로 하여, 제2 레이저광(L2)을 입사시킨다. 집광 광학계(821)는, 집광 광학계(210)와 동일하게 구성되어 있다. 집광 광학계(821)로서, 집광 광학계(210)보다도 특히 고성능인 광학계를 이용하는 것은 불필요하다.
레이저 가공 장치(820)에서, 제1 레이저광(L1)은, 밴드 갭 부근 또는 밴드 갭보다 긴 파장, 및 급준한 시작의 펄스 파형을 가진다. 제1 레이저광(L1)은, 가공 대상물(1)에서의 슬라이스 예정면에 조사된다. 제1 레이저광(L1)은, 데미지 억제 조건을 만족한다. 이러한 제1 레이저광(L1)의 조사에 의해, 제1 스테이지의 일시적인 흡수 영역의 유기를 최소한으로 실시한다. 한편, 제2 레이저광(L2)은, 기저 상태의 가공 대상물(1)에 대해서 흡수가 없는 파장, 큰 에너지, 및 긴 펄스 지속 시간을 가진다. 제2 레이저광(L2)은, 분단력 우선 조건을 만족한다. 제2 레이저광(L2)은, 빔 프로파일이 슬라이스 예정면을 따르고 있다. 제2 레이저광(L2)은, 슬라이스 예정면을 따른 방향으로부터, 슬라이스 예정면을 따른 빔 프로파일로, 슬라이스 예정면에 조사된다. 이것에 의해, 제2 스테이지를 장시간 지속시켜, 슬라이스 예정면 내에서, 용융 응고 영역(11)을 확대시켜, 큰 분단력을 발생 가능하게 된다.
여기서의 레이저 가공 장치(820)는, 가공 대상물(1)에 조사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)에 관하여, 이하의 특징을 가지도록 구성되어 있다.
(파장)
제1 레이저광(L1): 1026~1064nm
제2 레이저광(L2): 1180~7500nm
(빔 품질(엠스퀘어 값))
제1 레이저광(L1): 1.0
제2 레이저광(L2): 2.0 미만
(펄스 지속 시간)
제1 레이저광(L1): 10~30ns
제2 레이저광(L2): 0.7~5μs
(펄스 시작 시간)
제1 레이저광(L1): 3ns 미만
제2 레이저광(L2): 50ns 미만
(펄스 파형)
제1 레이저광(L1): 직사각형 파형 또는 가우스 파형
제2 레이저광(L2): 후상 파형(자승 곡선)
(피크 강도)
제1 레이저광(L1): 70W
제2 레이저광(L2): 150~250W
(반복 주파수)
제1 레이저광(L1): 150kHz 이하
제2 레이저광(L2): 150kHz 이하
(조사 타이밍)
제1 레이저광(L1): 임의
제2 레이저광(L2): 20~30ns 후
(집광계)
제1 레이저광(L1): 집광 우선
제2 레이저광(L2): 경로 우선
(수차 보정)
제1 레이저광(L1): 있음
제2 레이저광(L2): 깊이에 따라 대응
(빔 프로파일의 대칭성)
제1 레이저광(L1): 회전 대칭(진원)
제2 레이저광(L2): 슬라이스 예정면을 따라 장척
(NA)
제1 레이저광(L1): 0.7 이상
제2 레이저광(L2): 0.05~0.4
이상, 레이저 가공 장치(820)에서도, 상기 레이저 가공 장치(800)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또, 레이저 가공 장치(820)에서는, 슬라이스 예정면을 따르는 방향으로부터 제2 레이저광(L2)을 조사함으로써, 개질 스폿(S) 및 균열이 확대되어 가는 방향을, 슬라이스 예정면을 따르는 방향으로 제어 가능(선택적 유도 가능)하게 된다.
［제8 실시 형태］
다음으로, 제8 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하, 제1 실시 형태와 다른 점을 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 23에 나타내어지는 제8 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(900)는, 예를 들면 인터포저(interposer) 또는 마이크로 유로(流路)의 제조에 이용되는 가공 장치로서, 가공 대상물(1)에서 2차원 모양 또는 3차원 모양으로 연장되는 개질 영역(7)을 형성 가능하게 한다. 본 실시 형태의 개질 영역(7)은, 에칭 등이 선택적으로 진전되어 제거되는 제거 예정 영역이다. 레이저 가공 장치(900)는, 가공 대상물(1)에 대해서 제2 레이저광(L2)을 다방향 조사하는 것에 의해, 개질 영역(7)을 초고속으로 유도한다.
레이저 가공 장치(900)가 상기 레이저 가공 장치(200)(도 9 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 하프 미러(901, 902), 집광 광학계(903, 904), 및 셔터(907~909)를 더 구비하는 점이다. 하프 미러(901)는, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 실린드리칼 렌즈 유닛(211)과 다이크로익 미러(209)와의 사이에 배치되어 있다. 하프 미러(901)는, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 통과한 제2 레이저광(L2)의 일부를 반사함과 아울러, 위 제2 레이저광(L2)의 다른 부분을 투과시킨다.
하프 미러(902)는, 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 하프 미러(901)의 하류 측에 배치되어 있다. 하프 미러(902)는, 하프 미러(901)에서 반사된 제2 레이저광(L2)의 일부를 반사함과 아울러, 위 제2 레이저광(L2)의 다른 부분을 투과시킨다.
집광 광학계(903)는, 하프 미러(902)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(903)는, 가공 대상물(1)의 측면과 대향하도록 배치되어 있다. 집광 광학계(903)는, 가공 대상물(1)의 측면을 레이저광 입사면으로 하여 제2 레이저광(L2)을 입사시킨다. 집광 광학계(903)는, 집광 광학계(210)와 동일하게 구성되어 있다. 집광 광학계(904)는, 하프 미러(902)를 투과하여 미러(905, 906)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(904)는, 가공 대상물(1)을 사이에 두고 집광 광학계(210)와 대향하도록 배치되어 있다. 집광 광학계(904)는, 집광 광학계(210)의 레이저광 입사면인 표면(또는 이면)과는 반대 측의 이면(또는 표면)을 레이저광 입사면으로 하여, 제2 레이저광(L2)을 입사시킨다. 집광 광학계(904)는, 집광 광학계(210)와 동일하게 구성되어 있다. 집광 광학계(903, 904)로서, 집광 광학계(210)보다도 특히 고성능인 광학계를 이용하는 것은 불필요하다.
셔터(907~909)는, 제2 레이저광(L2)의 차단 및 개방을 제어한다. 셔터(907)는, 예를 들면 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 하프 미러(901)와 다이크로익 미러(209)와의 사이에 배치되어 있다. 셔터(908)는, 예를 들면 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 하프 미러(902)와 집광 광학계(903)와의 사이에 배치되어 있다. 셔터(909)는, 예를 들면 제2 레이저광(L2)의 광로 상에서 하프 미러(902)와 미러(905)와의 사이에 배치되어 있다.
본 실시 형태의 제어부(216)는, 셔터(907~909)의 개폐를 적절하게 전환함으로써, 가공 대상물(1)에 대한 제2 레이저광(L2)의 다방향 조사를 실현한다. 예를 들면 제어부(216)는, 셔터(907~909) 중 어느 하나만을 적시에 개방함으로써, 가공 대상물(1)에 대해서 제2 레이저광(L2)을, 가공 대상물(1)의 표면 측, 이면 측 및 측면 측 중 어느 하나로부터 조사 가능하게 한다. 혹은, 제2 레이저광(L2)의 조사 방향의 전환을, 복수의 광원을 조합시켜 적절한 타이밍으로 발광시키는 것에 의해 실현해도 괜찮다.
레이저 가공 장치(900)에서, 제1 레이저광(L1)은, 밴드 갭 부근 또는 밴드 갭보다 긴 파장, 및 급준한 시작의 펄스 파형을 가진다. 제1 레이저광(L1)은, 가공 대상물(1)의 제거 예정 위치에 조사된다. 이러한 제1 레이저광(L1)의 조사에 의해, 제1 스테이지의 일시적인 흡수 영역의 유기를 최소한으로 실시한다. 한편, 제2 레이저광(L2)은, 기저 상태의 가공 대상물(1)에 대해서 흡수가 없는 파장, 큰 에너지, 및 긴 펄스 지속 시간을 가진다. 제2 레이저광(L2)은, 가공 대상물(1)의 제거 예정 경로를 따라서 조사된다. 이러한 제2 레이저광(L2)의 조사에 의해, 제2 스테이지를 장시간 지속하고, 에칭에 유효한 개질 영역(7)을 임의의 길이로 형성한다.
제거 예정 경로는, 가공 대상물(1)에 제거 예정 영역을 형성하기 위한 가상 경로이다. 제거 예정 경로는, 직선 모양에 한정하지 않고 곡선 모양이라도 좋고, 이들이 조합된 3차원 모양이라도 좋고, 좌표 지정된 것이라도 좋다. 제거 예정 경로는, 개질 영역 형성 예정 경로이다. 개질 영역 형성 예정 경로는, 개질 영역(7)의 형성이 예정되는 경로이다.
여기서의 레이저 가공 장치(900)는, 가공 대상물(1)에 조사되는 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)에 관하여, 이하의 특징을 가지도록 구성되어 있다. 또한, 비아(via) 지름이란, 제거 예정 영역으로서의 개질 영역(7)에서의 연장 방향과 직교하는 단면에서의 지름에 대응한다.
(파장)
제1 레이저광(L1): 1026~1064nm
제2 레이저광(L2): 1180~7500nm
(빔 품질(엠스퀘어 값))
제1 레이저광(L1): 1.0
제2 레이저광(L2): 3.0 미만
(펄스 지속 시간)
제1 레이저광(L1): 10~30ns
제2 레이저광(L2): 0.1~5μs
(펄스 시작 시간)
제1 레이저광(L1): 3ns 미만
제2 레이저광(L2): 50ns 미만
(펄스 파형)
제1 레이저광(L1): 직사각형 파형 또는 가우스 파형
제2 레이저광(L2): 후상 파형(자승 곡선)
(피크 강도)
제1 레이저광(L1): 70W
제2 레이저광(L2): 80~180W
(반복 주파수)
제1 레이저광(L1): 80kHz 이하
제2 레이저광(L2): 80kHz 이하
(조사 타이밍)
제1 레이저광(L1): 임의
제2 레이저광(L2): 20~30ns 후
(집광계)
제1 레이저광(L1): 집광 우선
제2 레이저광(L2): 경로 우선
(수차 보정)
제1 레이저광(L1): 있음
제2 레이저광(L2): 깊이 및 비아 지름에 따라 대응
(빔 프로파일의 대칭성)
제1 레이저광(L1): 회전 대칭(진원)
제2 레이저광(L2): 개질 영역(7)에 의존
(NA)
제1 레이저광(L1): 0.7 이상
제2 레이저광(L2): 0.05~0.4
이상, 레이저 가공 장치(900)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 특히 레이저 가공 장치(900)에서는, 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)에서 2차원 모양 또는 3차원 모양으로 연장되는 제거 예정 영역이다. 이 경우, 개질 영역(7)을 에칭 등에 의해 선택적으로 제거하여, 가공 대상물에 2차원 모양 또는 3차원 모양으로 연장되는 공간을 형성할 수 있다.
레이저 가공 장치(900)에서는, 가공 대상물(1)에 대해서 제2 레이저광(L2)을 원하는 조사 방향으로부터 조사하여, 개질 영역(7)의 진전을 초고속으로 3차원적으로 유도할 수 있다. 원하는 3차원 모양의 개질 영역(7)을 가공 대상물(1)에 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 레이저 가공 장치(900)에서는, 장치 구성 상의 제약으로부터, 제2 레이저광(L2)의 조사 방향을 제거 예정 경로의 연장되는 방향으로 일치시키는 것이 곤란한 경우가 있다. 이 경우, 제2 레이저광(L2)의 펄스 지속 시간을 짧게 하고, 위 제2 레이저광(L2)을 단속적으로 조사하여 스캔함으로써, 제2 레이저광(L2)의 조사 방향 이외의 방향으로 개질 영역(7)을 진전하시키는 것도 가능하다. 레이저 가공 장치(900)의 광학계는, 도 23에 나타내어지는 구성에 특별히 한정되지 않고, 가공 대상물(1)에 대해서 다방향 조사가 가능하면, 다른 구성이라도 좋다. 예를 들면, 고속 분기 유닛(EOM 또는 AOM 등)을 이용함으로써, 순간적으로 광로를 전환하는 것이 가능하고, 이 경우, 제2 레이저광(L2)의 출력의 이용 효율을 큰 폭으로 개선할 수 있다.
도 24는, 제8 실시 형태의 변형예에 관한 레이저 가공 장치(920)의 구성을 나타내는 개략도이다. 변형예에 관한 레이저 가공 장치(920)가 상기 레이저 가공 장치(900)(도 23 참조)와 장치 구성에서 다른 점은, 다이크로익 미러(209), 하프 미러(901, 902), 집광 광학계(904), 미러(905, 906) 및 셔터(907~909)를 구비하고 있지 않은 점이다. 레이저 가공 장치(920)에서는, 집광 광학계(210)는, 가공 대상물(1)에 대해서 제1 레이저광(L1)만을 집광한다. 레이저 가공 장치(920)에서는, 집광 광학계(903)는, 실린드리칼 렌즈 유닛(211)을 통과하여 미러(921, 922)를 반사한 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다.
레이저 가공 장치(920)에서, 제1 레이저광(L1)은, 가공 대상물(1)에 흡수가 큰 파장, 및 급준한 시작의 펄스 파형을 가진다. 이러한 제1 레이저광(L1)을 조사하는 것에 의해, 제1 스테이지만을 최소한의 용융 응고 영역(11)에서 실시한다. 한편, 제2 레이저광(L2)은, 가공 대상물(1)에 대해서 완전하게 투명한 파장, 큰 에너지, 및 긴 펄스 지속 시간을 가진다. 이러한 제2 레이저광(L2)을 조사하는 것에 의해, 제2 스테이지를 장시간 지속시켜, 에칭에 유효한 개질 영역(7)을 형성함과 아울러, 개질 영역(7)을 임의의 사이즈로 확대시킨다.
이상, 레이저 가공 장치(920)에서도, 상기 레이저 가공 장치(900)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또한, 레이저 가공 장치(920)에 의한 가공에서는, 가공 대상물(1)의 내부에 절단 기점 영역으로서 개질 영역(7)을 형성하는 경우와 달리, 레이저광(L)을 좁은 피치로 3차원 모양으로 스캔한다. 따라서, 스캔 속도를 느리게 하여, 가공 피치를 미세하게 새김으로써 개질 영역(7)을 연결할 수도 있다. 레이저 가공 장치(920)에 의한 가공에서는, 제2 스테이지에서 개질 영역(7)을 에칭에 유효한 상태로 촉진할 수 있다.
［제9 실시 형태］
다음으로, 제9 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다.
도 25에 나타내어지는 제9 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(1000)는, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)의 가공 대상물(1)로의 조사를, 하나의 광원(1001)에 의해 실현한다. 레이저 가공 장치(1000)는, 광원(1001), 외부 변조기(1002), 분기용 광학 소자(1003), 결합용 광학 소자(1004), 미러(1005, 1006), 집광 광학계(1007) 및 제어부(1008)를 구비한다.
광원(1001)은, 펄스 레이저광의 레이저광(L)을 출사(펄스 발진)한다. 외부 변조기(1002)는, 광원(1001)이 출사한 레이저광(L)에 대해서, 하류 측의 변조기에 적절한 분기용 광학 소자(1003)에서 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)으로서 분기되도록 변조한다. 외부 변조기(1002)로서는, 특별히 한정되지 않고, 여러 가지의 변조기를 이용할 수 있다.
분기용 광학 소자(1003)는, 외부 변조기(1002)에서 변조된 레이저광(L)이 입사되어, 그 단파장 측 혹은 수평 또는 수직 편광을 제1 레이저광(L1)으로서 투과함과 아울러, 그 장파장 측 혹은 수직 또는 수평 편광을 제2 레이저광(L2)으로서 반사한다. 분기용 광학 소자(1003)는, 예를 들면 다이크로익 미러 또는 편광자이다. 결합용 광학 소자(1004)는, 분기용 광학 소자(1003)를 투과한 제1 레이저광(L1)을 투과함과 아울러, 분기용 광학 소자(1003)를 반사하여 미러(1005, 1006)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 반사한다. 결합용 광학 소자(1004)의 구성은, 분기용 광학 소자(1003)의 구성과 동일하다.
집광 광학계(1007)는, 결합용 광학 소자(1004)를 투과한 제1 레이저광(L1) 및 결합용 광학 소자(1004)에서 반사된 제2 레이저광(L2)을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 집광 광학계(1007)는, 상기 집광 광학계(210)(도 9 참조)와 동일하게 구성되어 있다. 제어부(1008)는, 광원(1001) 및 외부 변조기(1002)의 동작을 제어한다. 제어부(1008)는, 상기 제어부(216)(도 9 참조)와 동일한 기능을 가진다. 광원(1001), 외부 변조기(1002) 및 제어부(1008)는, 제1 조사부 및 제2 조사부를 구성한다.
이와 같이 구성된 레이저 가공 장치(1000)에서는, 광원(1001)으로부터 레이저광(L)이 출사되고, 출사된 레이저광(L)은 외부 변조기(1002)에서 변조된다. 외부 변조기(1002)에서 변조된 레이저광(L)의 일부는, 분기용 광학 소자(1003)를 제1 레이저광(L1)으로서 투과한다. 외부 변조기(1002)에서 변조된 레이저광(L)의 타부(他部)는, 분기용 광학 소자(1003)에서 제2 레이저광(L2)으로서 반사된다.
분기용 광학 소자(1003)를 투과한 제1 레이저광(L1)은, 결합용 광학 소자(1004)를 투과하고, 집광 광학계(1007)를 통해서 가공 대상물(1)에 조사된다. 이것에 의해, 가공 대상물(1)의 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승한다. 위 흡수율 상승 기간(H)에서, 분기용 광학 소자(1003)를 반사한 제2 레이저광(L2)은, 미러(1005, 1006) 및 결합용 광학 소자(1004)를 순차 반사하고, 집광 광학계(1007)를 거쳐 가공 대상물(1)의 일부 영역에 조사된다.
이상, 레이저 가공 장치(1000)에서도, 상기 레이저 가공 장치(200)에 의한 상술한 작용 효과를 발휘한다. 또한, 레이저 가공 장치(1000)에서는, 동일한 하나의 광원(1001)을 이용하여 구성할 수 있다.
［변형예］
이상, 본 발명은, 상술한 실시 형태로 한정되지 않는다.
상기 실시 형태에서는, 제2 광원(202)은 특별히 한정되지 않고, 저렴하고 고출력인 가스 레이저나 멀티 모드 레이저 광원이라도 좋다. 제2 광원(202)으로서는, 예를 들면 치과용 또는 미용 성형용으로 보급되어 있는 파장이 1.8~2.3μm 영역인 레이저 광원도 이용 가능하다. 또, 제1 광원(201) 및 제2 광원(202) 중 적어도 어느 하나는, 반드시 레이저 광원이 아니어도 좋고, 인코히렌트(incoherent)인 광을 출력하는 램프 등이라도 좋고, 플라스마 광원이라도 괜찮으며, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발진기이라도 좋다.
상기 실시 형태에서는, 제2 광원(202)의 수는 특별히 한정되지 않고, 2개 이상의 제2 광원(202)을 구비하고 있어도 괜찮다. 이 경우, 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간(H)에, 복수의 제2 광원(202) 각각으로부터 복수의 제2 레이저광(L2)이 순차적으로, 복수의 제2 광원(202) 중 적어도 일부가 동시에 조사된다.
상기 실시 형태에서는, 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2)을, 가공 대상물(1)의 표면, 이면 또는 측면에 대해서 수직인 수직 방향으로부터 입사시켰지만, 이것에 한정되지 않는다. 제1 레이저광(L1) 및 제2 레이저광(L2) 중 적어도 어느 하나를, 위 수직 방향에 대해서 경사진 경사 방향으로부터 입사시켜도 괜찮다.
본 발명의 일 측면에 관한 가공 장치는, 상술한 가공 이외의 다른 가공에 적용되어도 괜찮고, 요점은, 가공 대상물(1)에 개질 영역(7)을 형성하는 것이면 좋다. 개질 영역(7)은, 예를 들면 가공 대상물(1)의 내부에 형성된 결정 영역, 재결정 영역, 또는, 게터링 영역이라도 괜찮다. 결정 영역은, 가공 대상물(1)의 가공 전의 구조를 유지하고 있는 영역이다. 재결정 영역은, 일단은 증발, 플라스마화 혹은 용융한 후, 재응고할 때에 단결정 혹은 다결정으로서 응고한 영역이다. 게터링 영역은, 중금속 등의 불순물을 모아 포획하는 게터링 효과를 발휘하는 영역이며, 연속적으로 형성되어 있어도 괜찮고, 단속적으로 형성되어 있어도 괜찮다. 또, 예를 들면 가공 장치는, 아브레이션(ablation) 등의 가공에 적용되어도 괜찮다.
본 발명의 일 측면은, 레이저 가공 장치, 개질 영역 형성 장치 또는 칩의 제조 장치로서 파악할 수도 있다. 또, 본 발명의 일 측면은, 가공 방법, 레이저 가공 방법, 개질 영역 형성 방법 또는 칩의 제조 방법으로서 파악할 수도 있다. 상기 실시 형태 및 상기 변형예 각각에서는, 다른 상기 실시 형태 및 상기 변형예 각각의 구성 중 적어도 일부를 적절하게 조합해도 괜찮다.
1 - 가공 대상물 7 - 개질 영역
100, 200, 220, 230, 240, 300, 320, 400, 420, 500, 600, 700, 800, 820, 900, 1000 - 레이저 가공 장치(가공 장치)
201 - 제1 광원(제1 조사부) 202 - 제2 광원(제2 조사부)
216 - 제어부(제1 조사부, 제2 조사부)
1001 - 광원(제1 조사부, 제2 조사부)
1002 - 외부 변조기(제1 조사부, 제2 조사부)
1008 - 제어부(제1 조사부, 제2 조사부)
L1 - 제1 레이저광(제1 광) L2 - 제2 레이저광(제2 광)
S - 개질 스폿

Claims (24)

  1. 실리콘인 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제2 광의 파장은, 상기 제1 광의 파장보다도 길고,
    상기 제2 광의 파장은, 1000~8500nm이며,
    상기 제2 광의 엠스퀘어 값은, 상기 제1 파장의 엠스퀘어 값보다 큰, 가공 장치.
  2. 실리콘인 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제1 광의 펄스 종료시에, 상기 제2 광의 펄스가 시작되고,
    상기 제2 광의 펄스 폭은, 상기 제2 광의 펄스 폭보다도 길며,
    상기 제2 광의 파장은, 상기 제1 광의 파장보다도 길고,
    상기 제2 광의 파장은, 1000~8500nm이며,
    상기 제2 광의 엠스퀘어 값은, 상기 제1 파장의 엠스퀘어 값보다 큰, 가공 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광의 에너지는, 상기 제1 광의 에너지보다도 높은 가공 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광의 피크 강도는, 상기 제1 광의 피크 강도보다도 낮은 가공 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광은, 상기 가공 대상물로의 단독 조사시에 개질 스폿이 형성되지 않는 광인 가공 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 가공 대상물에 대한 상기 제2 광의 조사 방향은, 상기 가공 대상물에 대한 상기 제1 광의 조사 방향과 다른 가공 장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광의 집광 위치에 대해서 상기 제2 광이 집광하는 각도는, 상기 제1 광의 집광 위치에 대해서 상기 제1 광이 집광하는 각도와 다른 가공 장치.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광의 빔 프로파일은, 상기 제1 광의 빔 프로파일과 다른 가공 장치.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광의 펄스 파형은, 상기 제1 광의 펄스 파형과 다른 가공 장치.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광의 편광 방향은, 상기 제1 광의 편광 방향과 다른 가공 장치.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 개질 영역은, 상기 가공 대상물을 두께 방향을 따라 절단하는 절단 기점 영역인 가공 장치.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 개질 영역은, 상기 가공 대상물을 두께 방향과 교차하는 방향을 따라 절단하는 절단 기점 영역인 가공 장치.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 개질 영역은, 상기 가공 대상물에서 2차원 모양 또는 3차원 모양으로 연장되는 제거 예정 영역인 가공 장치.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 개질 영역은, 상기 가공 대상물의 내부에 형성된 결정 영역, 재결정 영역, 또는 게터링(gettering) 영역인 가공 장치.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 조사부는, 상기 제1 광을 출사하는 제1 광원에 의해 구성되고,
    상기 제2 조사부는, 상기 제2 광을 출사하는 제2 광원과, 상기 제2 광이 상기 흡수율 상승 기간에 상기 일부 영역으로 조사되도록 상기 제2 광원의 조사 타이밍을 제어하는 제어부에 의해 구성되는 가공 장치.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 조사부 및 상기 제2 조사부는, 광원 및 상기 광원으로부터 출사된 광을 변조하는 외부 변조기에 의해 구성되며,
    상기 광원으로부터 출사되어 상기 외부 변조기에 의해 변조된 광의 일부는, 상기 가공 대상물에 상기 제1 광으로서 조사되고,
    상기 광원으로부터 출사되어 상기 외부 변조기에 의해 변조된 광의 타부(他部)는, 상기 흡수율 상승 기간에 상기 일부 영역으로 상기 제2 광으로서 조사되는 가공 장치.
  17. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제2 광의 집광 위치에 대해서 상기 제2 광이 집광하는 각도는, 상기 제1 광의 집광 위치에 대해서 상기 제1 광이 집광하는 각도와 다른 가공 장치.
  18. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제2 광의 빔 프로파일은, 상기 제1 광의 빔 프로파일과 다른 가공 장치.
  19. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제2 광의 엠스퀘어 값은, 상기 제1 광의 엠스퀘어 값과 다른 가공 장치.
  20. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제2 광의 펄스 폭은, 상기 제1 광의 펄스 폭과 다른 가공 장치.
  21. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제2 광의 펄스 파형은, 상기 제1 광의 펄스 파형과 다른 가공 장치.
  22. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제2 광의 편광 방향은, 상기 제1 광의 편광 방향과 다른 가공 장치.
  23. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제1 조사부는, 상기 제1 광을 출사하는 제1 광원에 의해 구성되고,
    상기 제2 조사부는, 상기 제2 광을 출사하는 제2 광원과, 상기 제2 광이 상기 흡수율 상승 기간에 상기 일부 영역으로 조사되도록 상기 제2 광원의 조사 타이밍을 제어하는 제어부에 의해 구성되는 가공 장치.
  24. 가공 대상물에 개질(改質) 영역을 구성하는 개질 스폿(spot)을 형성하는 가공 장치로서,
    상기 가공 대상물에 제1 광을 조사하며, 상기 가공 대상물의 일부 영역에서 흡수율을 상기 제1 광의 조사 전보다도 일시적으로 상승시키는 제1 조사부와,
    상기 일부 영역의 흡수율이 일시적으로 상승하고 있는 흡수율 상승 기간에, 상기 일부 영역에 제2 광을 조사하는 제2 조사부를 구비하고,
    상기 제1 조사부 및 상기 제2 조사부는, 광원 및 상기 광원으로부터 출사된 광을 변조하는 외부 변조기에 의해 구성되며,
    상기 광원으로부터 출사되어 상기 외부 변조기에 의해 변조된 광의 일부는, 상기 가공 대상물에 상기 제1 광으로서 조사되고,
    상기 광원으로부터 출사되어 상기 외부 변조기에 의해 변조된 광의 타부(他部)는, 상기 흡수율 상승 기간에 상기 일부 영역으로 상기 제2 광으로서 조사되는 가공 장치.
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