KR102640596B1 - 레이저 빔 성형 장치, 제거 가공 장치, 및 윤대 위상 소자 - Google Patents

Abstract

사이드 로브가 억제된 센트럴 로브를 갖는 레이저 빔을 성형하기 위해, 본 발명의 어느 실시 형태에서는, 축대칭으로 증감되는 위상 분포를 소정 파장의 레이저광에 부여하는 윤대 위상 소자(100); 대략 원추 측면의 형상으로 된 돌출면을 적어도 표면의 일부에 갖고, 소정 파장에 있어서 주위보다 높은 굴절률을 나타내는 재질의 투과 광학 소자(200); 를 구비하는 레이저 빔 성형 장치(10)가 제공된다. 윤대 위상 소자는 예를 들어 BPP로 되고, 투과 광학 소자는 예를 들어 액시콘으로 된다. 본 발명의 실시 형태에서는 레이저 빔 성형 장치를 위한 윤대 위상 소자도 제공된다.

Description

레이저 빔 성형 장치, 제거 가공 장치, 및 윤대 위상 소자

본 발명은 레이저 빔 성형(整形) 장치, 제거 가공 장치, 및 윤대(輪帶) 위상 소자에 관한 것이다. 보다 더 상세하게는 본 발명은, 광축 방향으로 연장되는 피크를 갖고 사이드 로브(side lobe)가 억제된 레이저 빔을 형성하기 위한 레이저 빔 성형 장치, 그것을 이용하는 제거 가공 장치, 및 그들에 이용하는 윤대 위상 소자에 관한 것이다.

최근, 반도체 집적회로의 기술 분야에 있어서 고집적화·고밀도화를 위한 미세화가 진전되고 있다. 예를 들어 집적회로가 형성된 복수의 칩 또는 다이의 박편을 서로 겹치듯이 상호 접속하는 기술이 개발되어 있다. 실리콘 단결정 기판(이하 「실리콘 기판」이라고 한다)을 두께 방향으로 관통하는 전기적 도통로는 TSV(Through Silicon Via)라고도 불리고 있다. TSV를 형성하기 위해 제안되어 있는 수법 중 하나가 레이저에 의한 제거 가공을 이용하는 것이다. 그 수법에 있어서는, 관통공을 형성하기 위해 베셀 빔(BESSEL BEAM)이라고 불리는 레이저 빔이 채용되고, 베셀 빔의 레이저 펄스에 의한 미세 가공이 시도되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 비특허문헌 1). 베셀 빔은, 원추면의 파면(波面)을 원추의 축을 향해 수속(收束)시킴으로써 형성되고, 원추면의 파면을 실현하기 위해 예를 들어 액시콘(AXICON)이라 불리는 원추 프리즘형의 투과형 광학 소자가 채용된다.

베셀 빔과 같이 광축 방향으로 연장된 피크를 갖는 레이저의 빔은, 미세 가공에 머물지 않고 광범위한 용도도 기대된다. 예를 들어, 금속, 반도체, 세라믹스, 절연체(유리) 등 고체 재료의 구멍 뚫기나 절단은, 크기에 관계없이 레이저에 의한 물질의 제거를 수반하는 제거 가공의 일례이다. 또한, 바이오 이미징(BIO-IMAGING)용 현미경이나 광 핀셋(미립자 등의 트래핑(TRAPPING)이나 매니풀레이션(MANIPULATION)에서는, 광축 방향으로 연장된 피크를 형성할 수 있으면 성능을 향상시킬 수 있다.

특허문헌 1: 일본 특허공개공보 2015-226922호 특허문헌 2: 일본 특허공개공보 2011-170052호 특허문헌 3: 일본 특허공개공보 H06-82720호(일본특허 제 3553986호)

비특허문헌 1: M.K. Bhuyan et. al., "High aspect ratio nanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams," Appl. Phys. Lett. 97, 081102 (2010) 비특허문헌 2: J. Jia et. al., "Superresolution laser beam shaping," Appl Opt 43, 2112-2117 (2004) 비특허문헌 3: X. Wang et. al., "Resolution improvement of femtosecond laser induced two-photon polymerization based on phase filtering," Opt. Eng. 50(5), 054302 (2011)

종래의 베셀 빔에 의한 TSV 기술을 검토하는 과정에 있어서, 본 출원의 발명자는, 사이드 로브에 의한 악영향에 주목했다. 예를 들어 반도체 집적회로에서의 다이간 상호 접속을 위해서는, 관통공의 안지름과, 관통공의 전체 길이 즉 가공되는 판 형상의 반도체 기재의 두께간의 비율(종횡비)이 높은 것이 바람직하다. 그 뿐 아니라, 관통공을 나열하는 피치를 좁힐 수 있으면, 반도체 기재를 크게 변경하지 않고 다수의 상호 접속을 높은 밀도로 제작할 수 있다. 반도체 집적회로에서의 미세화에 의한 다이 크기(die size)의 축소를 보완하는 기술로서, 종횡비를 높이거나 피치를 좁히거나 하는 성능 지표를 추구하는 것에 대한 강한 요청이 있다.

그런데, 수μm~50μm 정도의 안지름을 갖는 미세한 구멍을 형성해야 하는 레이저 빔을 베셀 빔으로 성형한다고 해도, 베셀 빔에서는, 강도가 강한 센트럴 로브 주위에, 그것보다 약하지만 무시하기 어려운 강도의 사이드 로브가 수반된다. 그 사이드 로브 때문에, 센트럴 로브의 빔에 의해 형성되는 관통공의 개구 주변에는, 전형적으로 복수의 동심원형의 표면의 결손에 의한 데미지도 생긴다. 이러한 표면의 데미지가 일단 형성되면, 그 근처에 계속해서 관통공을 형성하려고 해도, 표면의 결손에 의한 레이저의 산란이 생겨, 조사되는 레이저의 파면이 흐트러져 베셀 빔이 바르게 형성되지 않고, 관통공의 형상 정밀도를 악화시킨다. 예를 들어 관통공이 도중의 위치에서 좁아지거나 끊어지거나 하면, 그 관통공에 의한 TSV의 전기적 접속의 신뢰성은 확보할 수 없다. 그것을 막기 위해 레이저 파워를 늘려도, 사이드 로브에 의한 데미지도 증대되는 이상, 상기 과제는 해결되지 않는다. 관통공 형성의 재현성을 높이는 동시에, 좁은 피치에서 복수의 관통공을 형성하는 공정을 확실히 수행하고, 나아가서는 고밀도의 상호 접속의 신뢰성을 높이기 위해서는, 사이드 로브를 억제하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

또한, 미세 가공 이외의 용도에 있어서도 사정은 비슷하다. 매우 일반적인 결상(結像) 광학계에 의한 가우스 빔(Gaussian beam) 대신 베셀 빔을 채용하는 용도를 위해서는, 광축 방향으로 연장되면서 충분한 집광성을 나타내는 센트럴 로브만을 활용하는 것이 통상적이기 때문이다. 대부분의 용도에 있어서, 사이드 로브는 센트럴 로브에 의한 집광 영역이 얻어진다는 이점을 크게 감쇄하는 요인이 되어, 억제되어야 할 대상이다. 사이드 로브를 충분히 억제하면서, 광축 방향으로 연장되는 센트럴 로브의 집광 영역을 실현할 수 있다면, 베셀 빔이 갖는 약점을 극복할 수 있는 것이다.

유사한 관점에 근거하여, 베셀 빔으로 사이드 로브를 억제하고자 하는 시도가 예를 들어 특허문헌 2 및 특허문헌 3에 개시되어 있다. 이들은, 모두 이중의 베셀 빔을 형성하여 사이드 로브가 서로를 없애도록 서로 겹치거나(특허문헌 2, 요약), 2개의 지름이 상이한 광진폭 분포를 갖는 베셀 빔을 서로 겹쳐 간섭시키거나 하는 것이다(특허문헌 3, 청구항 1). 이들에 개시된 수법에 있어서 다음의 2종류의 광학 소자 중 적어도 어느 하나가 채용된다. 첫번째는, 상이한 경사의 원추면을 갖는 투과형 광학 소자이다. 이 첫번째 광학 소자의 예는, 특허문헌 2에서의 다중 빔 생성 수단(9, 35), 회절 광학 소자(18), 및 특허문헌 3에서의 이중 원추 프리즘(5, 5´)이다. 두번째는, 그들 소자 또는 다른 집광성이 있는 소자(예를 들어 특허문헌 2: 렌즈(65), 대물렌즈(78); 특허문헌 3: 렌즈(2, 65), 대물렌즈(78))에 대해 입사되는 레이저 빔의 투과를 제한하여 강도 분포를 부여하는 소자이다. 이 두번째 광학 소자의 예는, 특허문헌 2에서의 빔 제한 수단(8, 19, 34), 마스크(64), 애퍼처(APERTURE)(75), 특허문헌 3에서의 이중 링 개구(1)이다. 그러나, 이들 개시에서의 사이드 로브의 억제 효과는 한정적이다. 예를 들어 특허문헌 2 및 특허문헌 3에서는, 사이드 로브는, 센트럴 로브의 피크값을 100%로 하여, 각각 1.2% 정도 및 6% 정도까지 저감되어 있다(특허문헌 2의 도 26; 특허문헌 3의 단락 0022). 그리고, 아무런 궁리도 하지 않은 베셀 빔에서는, 사이드 로브의 강도는, 센트럴 로브의 16% 정도에 달한다(특허문헌 2의 0002; 특허문헌 3의 단락 0004).

상기 첫번째 예에 나타낸 상이한 경사의 원추면을 갖는 투과형 광학 소자는, 구조가 복잡해지므로, 그러한 소자를 필수로 하는 것 자체가 실용성에 있어서 걸림돌이 된다. 또한, 상기 두번째 예로 든 입사하는 레이저 빔의 투과를 제한하여 강도 분포를 부여하는 소자는, 레이저의 강도를 약하게 하므로, 특히 가공 등의 레이저의 강한 출력을 필요로 하는 용도에서는 제약이 된다.

본 발명은 전술한 문제 중 어느 것을 해결하는 것을 과제로 한다. 본 발명은, 종래의 베셀 빔을 형성하기 위해 현실의 원추 프리즘(액시콘)을 채용하면서 사이드 로브를 유효하게 억제하기 위한 실용성 높은 레이저 빔 성형 수법을 제공함으로써, 레이저 빔 성형 장치 및 제거 가공 장치의 고도화에 공헌하는 것이다.

상기 과제를 해결하는 구체적 수단을 찾기 위해, 본 출원의 발명자는 대략 원추 측면의 형상으로 제작된 투과형 광학 소자 즉 원추 프리즘을 이용하고, 윤대 위상 소자를 추가함으로써 사이드 로브의 억제가 가능한지 검토했다. 윤대 위상 소자에서는, 레이저의 출력은 흡수도 반사도 되지 않고 효율적으로 이용할 수 있기 때문이다. 그리고, 특별한 특성을 나타내는 윤대 위상 소자를 채용함으로써, 사이드 로브의 에너지를 센트럴 로브에 분배한다는 원리, 또는, 센트럴 로브의 축방향의 범위(DOF, Depth of Field, 피사계 심도)를 필요한 범위로 한정함으로써 빔 성형을 수행할 수 있는 것을 확인했다. 구체적으로, 특별한 특성을 나타내는 윤대 위상 소자와 일반적인 액시콘 렌즈만이라는 간단한 장치 구성을 채용하여 효율적으로 사이드 로브를 억제할 수 있는 것, 특히, 그러한 장치 구성이 사이드 로브를 0.6%이하로까지 저감할 수 있는 가능성을 계산으로 찾아내고, 또한, 그 성능을 실험적으로 확인함으로써, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명의 어느 양태에 있어서는, 어느 회전축 주위에 축대칭으로 해당 회전축으로부터의 거리에 따라 증감되는 위상 분포를 소정 파장의 레이저광에 부여하는 윤대 위상 소자; 어느 원추축을 갖는 원추 측면 또는 그 원추 측면이 되도록 제조된 표면의 형상으로 된 돌출면을 적어도 표면의 일부에 갖고, 상기 소정 파장에 있어서 주위보다 높은 굴절률을 나타내는 재질의 투과 광학 소자; 를 구비하고, 상기 윤대 위상 소자와 상기 투과 광학 소자의 배치는, 상기 레이저광이 상기 회전축과 상기 원추축을 따라 진행하여 상기 돌출면을 통과하게 되어 있는 레이저 빔 성형 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에서는 제거 가공 장치의 양태도 제공된다. 즉 본 발명의 다른 양태에 있어서는, 상기 소정 파장이 가공 대상물의 내부에 도달 가능한 파장이며, 상기 소정 파장의 레이저광의 펄스를 방사하기 위한 광원; 상기 광원으로부터의 상기 레이저광의 펄스가 입사되고, 성형 베셀 빔을 형성하는 레이저 빔 성형 장치; 상기 레이저광의 펄스로부터 상기 레이저 빔 성형 장치에 의해 형성되는 상기 센트럴 로브를, 상기 가공 대상물의 상기 내부에 위치되는 제거 타겟 패스의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 위치 맞춤하기 위한 위치 맞춤 장치; 를 구비하는 제거 가공 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에서는 윤대 위상 소자의 양태도 제공된다. 즉, 본 발명의 또 다른 양태에서는, 어느 원추축을 갖는 원추 측면 또는 그 원추 측면이 되도록 제조된 표면의 형상으로 된 돌출면을 적어도 표면의 일부에 갖고 소정 파장에 있어서 주위보다 높은 굴절률을 나타내는 재질의 투과 광학 소자와 함께 사용되는 윤대 위상 소자로서, 상기 원추 축을 따라 상기 돌출면을 통과하는 상기 소정 파장의 레이저광에 대해, 상기 레이저광이 따라 진행하는 방향의 회전축 주위에 축대칭이며, 해당 회전축으로부터의 거리에 따라 증감되는 위상 분포를 부여하도록 되어 있는 윤대 위상 소자가 제공된다. 또한, 소정 파장의 레이저광으로부터 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 레이저 빔을 형성하는 레이저 빔 성형 장치를 위한 윤대 위상 소자로서, 작용시킨 상기 레이저광에 대해 축대칭의 위상 분포를 부여하게 되어 있고, 어느 원추축을 갖는 대략 원추 측면의 형상으로 된 돌출면을 적어도 표면의 일부에 갖고 소정 파장에 있어서 주위보다 높은 굴절률을 나타내는 재질의 투과 광학 소자와 함께 사용됨으로써, 상기 센트럴 로브 주위의 사이드 로브에 분배되게 되는 광이 억제되는, 윤대 위상 소자가 제공된다.

본 발명의 상기 각 양태에 있어서, 윤대 위상 소자란, 어느 회전축 주위에 축대칭인 위상 분포를 소정 파장의 레이저광에 부여하는 임의의 소자를 가리킨다. 예를 들어, 매체가 존재하지 않는 공간(예를 들어 밀도 흔들림이 없는 공기 중 또는 진공 중)을 소정 파장의 레이저광이 통과한다고 가정한다. 주위보다 높은 굴절률의 투과 매체 기판을 갖는 소자로서, 그 소자에 대해 고정되는 회전축을 상정하여, 해당 회전축으로부터의 거리에 따라 상이한 두께를 갖도록 가공되어 있는 기판은, 상기 윤대 위상 소자의 일례가 된다. 왜냐하면, 굴절률 매체의 두께 차이는, 기판의 법선 방향으로 통과하는 소정 파장의 레이저광에 대해, 그 자체의 굴절률과 주위의 굴절률의 차이와 두께의 차이에 따른 광로차(光路差)를 부여하고, 그것이 해당 회전축 주위에 축대칭이 되기 때문이다. 두께를 가공한 투명 매체 기판에 의하는 것 외에, 예를 들어, 똑같은 두께의 투명 매체 기판에 패터닝한 광투과성 박막을 형성한 것도, 투과하는 레이저광에 대한 윤대 위상 소자로서 채용할 수 있다. 또한, 윤대 위상 소자는 투과형인 것에 한정되지 않고, 예를 들어, 패터닝된 높이를 갖는 릴리프(RELIEF)형 반사막으로 할 수도 있다.

본 발명의 상기 각 양태에 있어서, 투과 광학 소자는, 대략 원추 측면의 형상으로 된 돌출면을 갖고 있다. 이 대략 원추 측면이란, 기하학적인 정의대로의 원추의 측면뿐 아니라, 원추 측면을 목표로 하여 제작된 것의 정의대로의 형상에서 벗어난 것이 포함되는 형상도 가리키고 있다. 실시 형태에 있어서 후술하는 것처럼, 현실의 원추 프리즘(액시콘)은, 이상적인 원추 측면을 반드시 갖고 있다고는 할 수 없다. 그러한 경우라도, 본 발명의 레이저 빔 성형 장치를 실용화할 때에 어떤 장애도 되지 않고, 대응한 윤대 위상 소자가 실현 가능한 것에는 유의해야 한다.

본 발명의 제거 가공 장치의 양태에 있어서는, 전술한 레이저 빔 성형 장치에 의해 발생시키는 레이저 빔이 이용된다. 레이저 빔은, 종래의 베셀 빔과 달리, 베셀 빔의 빔 프로파일을 목적에 맞게 맞춘(tailor-made) 것이라 할 수 있어, 성형 베셀 빔(tailored Bessel beam)이라고도 부른다. 이 성형 베셀 빔은 재질을 제거하는 것에 의해 어떠한 형상을 만들어 내는 임의의 가공인 제거 가공에 적합한 성질을 갖는다. 여기서, 본 출원에서 언급되는 제거 가공에는, 관통공 등의 구멍 뚫기 외에, 절단, 홈 가공과 같은, 레이저에 의해 재료의 미소 부분이 제거되는 각종 가공을 포함한다. 그러므로, 이들 가공을 수반하는 현미경 장치나, 기타 미세 가공 장치도 본 발명의 제거 가공 장치에 포함되어 있다. 그 가공 대상물도 특별히 제한되지 않고, 그 전형적인 하나가, 반도체 재료의 기재, 특히 실리콘 기판이다. 이 실리콘 기판에는, 이른바 실리콘 웨이퍼나 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 포함한다. 제거 가공의 시점에서 가공 대상물에는, 어떠한 회로 소자나 배선, 보호막과 같은 필요한 다른 재질이나 구조가 제작되어 있는 경우가 있다.

레이저 가공으로서 일반적으로 이용되는 레이저는, 가공 대상물이 제거되지 않는 시점에서 보면 그 내부에 대부분 도달할 수 없다. 이것은, 일반적으로 레이저 가공이 열가공이며, 그 열을 발생시키기 위해 가공 대상물에 의한 에너지 흡수가 필요하기 때문이다. 이에 대해, 본 발명의 제거 가공 장치에서는, 레이저의 파장이 가공 대상물의 내부에 도달 가능한 파장을 갖도록 설정되는 것이 바람직하다. 그러한 파장은 일반적으로 가공 대상물에 대해 충분히 높은 투과율을 나타내는 파장이 된다. 예를 들어, 가공 대상물이 되는 반도체 기재가 실리콘 기판이면, 실리콘 단결정의 흡수단(端)(밴드단 1.13μm)과 거의 동일하거나(예를 들어 1.12μm) 그것보다 장파장이고 흡수가 약한 파장의 레이저를 채용하는 것이 바람직하다. 레이저는, 전형적으로 펄스 동작인 것이 이용되고, 단일 펄스(싱글 쇼트) 또는 반복 펄스(멀티 쇼트)로 되어 조사된다. 본 출원의 문맥에서의 광원은 레이저광을 직접 방사하는 광원; 해당 광원 및 필요에 따라 어떠한 처리를 광원으로부터의 광을 대상으로 수행하는 요소의 조합; 의 양쪽을 포함한다. 이 요소의 전형은, 빔의 시간 프로파일을 압축하는 펄스폭 성형을 수행하는 것이다. 그 뿐 아니라 본 출원 전반에 있어서, 예를 들어 적외 영역과 같은 가시광이라고는 할 수 없는 전자파 방사에 대해서도, 관례에 따라 「광」, 「광원」, 「발광」, 「레이저」 등으로 광학 분야의 표현을 사용한다.

이러한 구성의 제거 가공 장치에 의해 반도체 기재의 재질이 제거되는 이유에 대하여, 본 출원의 발명자는, 개별의 광자(光子)가 아닌 복수의 광자가 흡수에 관여하는 다광자 흡수가 생기기 때문이라고 추측하고 있다. 윤대 위상 소자와 투과형 광학 소자의 조합에 의해 공간적으로 집광될 뿐 아니라, 펄스 성형에 의해 시간적으로 압축됨으로써, 다광자 흡수 등의 비선형 흡수를 발생시킬 수 있다면, 가공 대상물의 두께를 통과하여 집광시키면서, 그 센트럴 로브 부근에서는 가공에 필요한 에너지 전이를 발생시키는 것이 가능하게 된다. 이 점에 대해서는 상세한 설명 란에서 후술한다.

제거 타겟 패스란, 가공 대상물이 되는 물체의 적어도 일부를 제거하는 위치를 대표하여 특정하기 위한, 가공 대상물의 내부에 위치되는 경로의 범위이다. 제거 타겟 패스의 전형적인 예는, 판 형상의 가공 대상물에 대해 그 양면을 연결하는 관통공을 형성하는 경우, 관통공이 형성되어야 할 위치에 상정되는 두께 방향으로 연장되어 양면을 연결하는 선분이다. 또한, 깊이 방향으로 두께의 도중 위치까지 뚫린 비관통 구멍을 형성하는 경우는, 두께 방향의 선분인 제거 타겟 패스도 그 도중 위치 또는 그 근방에서 종단(終端)된다.

위치 맞춤 장치를 사용함으로써, 성형 베셀 빔의 센트럴 로브의 피크 범위가 그 제거 타겟 패스의 일부 또는 전부에 겹치도록 위치 맞춤된다. 위치 맞춤 장치는, 해당 피크 범위에 대해 가공 대상물의 상대 위치를 위치 맞춤하기 위한 임의의 수단이 된다. 전형적인 위치 맞춤 장치는 기계 장치에 의해 실현되고, 예를 들어 컴퓨터 제어된 가동 스테이지에 가공 대상물을 올려놓고 이동 및 정지시키거나 광학계를 이동 및 정지시키거나 하는 것이다. 그 이외에도, 광학적 수단에 의해 위치 맞춤을 수행할 수도 있다. 그리고, 센트럴 로브를 이용하는 가공은, 가공 대상물의 위치 맞춤 자유도가 높다. 가우스 빔을 집광하여 가공을 수행하는 통상적인 레이저 가공에서는, 빔축방향의 피크 범위가 집광 지름의 불과 수배로 매우 짧으므로, 항상 집광점에 가공 부위를 위치 맞춤하면서 가공을 수행할 필요가 있다. 이에 대해, 센트럴 로브의 피크 범위는 가공 대상물의 두께보다 충분히 길기 때문에, 가공 대상물을 피크 범위 내의 어느 위치에 위치 맞춤하면 되고, 또한, 가공 중에 다시 위치 맞춤을 수행할 필요도 없는 경우가 많다.

본 발명의 레이저 빔 성형 장치의 양태에 있어서는, 윤대 위상 소자와 투과 광학 소자를 조합했을 뿐인 간단한 구조에 의해, 베셀 빔에 부수되는 사이드 로브를 억제한 성형 베셀 빔을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 제거 가공 장치의 양태에 있어서는, 성형 베셀 빔의 이점을 살리면서, 예를 들어 높은 종횡비의 관통공을 형성하거나 좁은 피치로 관통공을 나열한 배열을 형성하는 것이 가능해진다. 그리고 이들 장치에 이용하는 윤대 위상 소자는, 투과 광학 소자와 조합함으로써, 성형 베셀 빔을 실현하는 것에 도움이 된다.

도 1은 종래의 베셀 빔을 나타내는 설명도이다.
도 2는 종래의 베셀 빔을 이용하여 형성된 관통공 주위의 기판 표면의 모습을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태의 빔 성형 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4는 종래의 베셀 빔과 본 발명의 실시 형태의 성형 베셀 빔의 빔 프로파일을 계산 결과를 바탕으로 설명하는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태의 일례인 광투과성 물질에 의해 제작하는 BPP의 개략 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6은 종래의 베셀 빔, 및 본 발명의 실시 형태에 있어서, 윤대 위상 소자의 예인 BPP1, BPP2 각각에 대해 얻어지는 가로 방향 및 세로 방향의 빔 프로파일에 대한 계산값이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 있어서 채용한 SA 알고리즘에 의한 파라미터(M, ｛r_m｝)의 최적화 프로세스를 나타내는 순서도이다.
도 8은 종래의 베셀 빔, 및 본 발명의 실시 형태에 있어서, 윤대 위상 소자의 예인 BPP1, BPP2 각각에 대해, 실험에 의해 얻어지는 가로 방향 및 세로 방향의 빔 프로파일이다.
도 9는 실험에 의해 얻어진 가로 방향 및 세로 방향의 빔 프로파일이며, 종래의 베셀 빔(도 9 A), 및 본 발명의 실시 형태의 윤대 위상 소자의 예인 BPP1(도 9 B), BPP2(도 9 C)를 채용한 것이다.
도 10은 실험에 의해 얻어진 피크 부근에서의 빔 단면의 강도 분포, 그 이미지, 및 강도 프로파일이며, 종래의 베셀 빔(도 10 A), 및 본 발명의 실시 형태의 윤대 위상 소자의 예인 BPP1(도 10 B), BPP2(도 10 C)인 것이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태인 제거 가공 장치의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에서, 50μm 두께의 Si 기판을 대상으로 개별적인 프로파일을 갖는 레이저 빔에 의해 관통공을 형성하고, 그 TSV 샘플의 SEM 관찰상이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에서, 100μm 두께의 Si 기판에 대하여 50μm 간격의 TSV 어레이를 형성한 샘플의 단면(도 13 A) 및 표면(도 13 B, 13 C)을 관찰한 SEM 관찰상이다.

이하, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치 및 제거 가공 장치의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 해당 설명 시에 특별히 언급이 없는 한 공통되는 부분 또는 요소에는 공통되는 참조 부호가 달려있다.

1. 베셀 빔의 개량

1-1. 종래의 베셀 빔

본 실시 형태의 설명에 앞서, 종래의 베셀 빔에 대하여 설명한다. 도 1은 종래의 베셀 빔을 나타내는 설명도이며, 도 1 A는 지면(紙面) 상 아래쪽에서 윗쪽을 향해 지면에 평행하게 진행하는 평면파인 빔(B)으로부터 베셀 빔(BB)을 얻는 모습을 나타내고, 도 1 B는 빔축과 직교하는 평면에서의 빔 프로파일을 나타내는 모식도이다. 베셀 빔(BB)은 축대칭의 빔이다. 그 빔축에 z축이 일치하는 xyz 직교 좌표계(도 1 A)를 참조하여 설명하면, 베셀 빔(BB)은 xy면에 평행한 면, 즉 z축을 법선으로 갖는 평면에 있어서 z축 근방에 강한 광 강도를 갖는다. 삼차원적으로 이 피크는 z축을 따르도록 연장된 피크 범위를 이룬다. 피크 범위는 예를 들어 도 1 A에 나타낸 z=0~L의 전부 또는 그 중의 일부가 되고, 구체적인 피크 범위는 레이저광의 빔(B)의 범위나 베셀 빔(BB)을 형성하는 광학계인 투과 광학 소자(200)에 의해 결정된다. 투과 광학 소자(200)의 전형적인 예는 원추 프리즘(액시콘)이다. 센트럴 로브의 피크 범위는 폭이 좁고 z축방향으로 연장되어 있고, 도 1 A는, 피크 범위(PK)의 원통의 축상 절단면을 점선에 의해 나타내고 있다. xy면에 평행한 면에서의 빔 프로파일은 도 1 B에 나타내는 대로이다. 이 프로파일은 z축 상의 위치에는 크게 의존하지 않는다. 종래의 베셀 빔(BB)은, 광 강도를 갖는 피크 범위는 z축상에서 비교적 연장되어 있고, z축에서 벗어나면 급속히 약해지는 빔 프로파일을 갖고, z축으로부터의 거리에 따라 광 강도가 진동을 나타낸다. 이 진동은, 피크 범위(PK)의 원통에 동일 축의 다중 관 형상과 같은 분포를 취한다. 이 다중 관 형상의 성분 중 중심축을 포함하지 않는 것은, 센트럴 로브에 대비시켜 사이드 로브라 불린다. 종래의 베셀 빔에서의 사이드 로브는, z축에서 떨어져서 처음 출현하는 것이 최대의 강도를 갖고, 센트럴 로브의 피크값를 100%로 했을 경우에 16% 전후(약 1/6 정도)의 값에 달한다.

도 2는, 종래의 베셀 빔을 이용하여 형성한 실리콘 웨이퍼(두께 500μm)에 형성한 관통공의 일례를 나타내는 광학 현미경 사진이다. 웨이퍼 표면을 관찰한 결과, 센트럴 로브에 의한 관통공 주위에, 입사면측(도 2 A) 및 광의 출사면측(도 2 B) 중 어디에서도 사이드 로브의 영향에 의한 다중 링 형상의 표면 데미지가 관찰되었다.

1-2. 빔 성형 장치의 구성 및 원리

다음으로 본 실시 형태의 구성을 설명한다. 도 3은 본 실시 형태의 빔 성형 장치(10)의 구성을 나타내는 설명도이다. 빔 성형 장치(10)는, 베셀 빔을 형성하기 위해 사용되는 투과 광학 소자(200)에 더하여 특별한 특성을 나타내는 윤대 위상 소자(100)를 사용한다. 레이저 광원(2)은, 예를 들어 티타늄 사파이어 레이저와 같은 펄스 레이저로부터, 광증폭되고, 또한 광 파라메트릭 증폭기(OPA)(4)에 의해 장파장화되어 증폭되는 것으로 해도 좋다. 그리고 적절한 조정을 위한 광학계(예를 들어 빔 익스팬더(6))를 거쳐, 애퍼처(8)에 의한 빔 지름의 제한을 거친 후, 평행광이나 가우스 빔이 되도록 조정된다. 또한 그 레이저광은, 윤대 위상 소자(100)에 입사된다. 윤대 위상 소자(100)는, 축대칭인 위상 분포를 레이저광에 부여하는 작용을 갖는다. 윤대 위상 소자(100)는, 레이저광에 대한 작용은 위상의 부가에만 관여하기 때문에, 윤대 위상 소자(100)에서는 표면 반사 등의 경미한 것도 제외하고 흡수나 반사에 의한 강도 분포가 부가되는 경우는 없다. 윤대 위상 소자(100)에 의해 부가되는 축대칭인 위상 분포란, 윤대 위상 소자(100)에 의해 부가되는 위상 분포가 그 축대칭성의 대상 축(회전축)에서 보아 방위 의존성이 없는 위상차가 부가되는 것을 특정하고 있다. 전형적인 배치에서는, 윤대 위상 소자(100)의 대칭 축(회전축)은, 레이저의 광축에 일치하도록 향해진다. 윤대 위상 소자(100)에 의해 위상 분포가 부가된 레이저광은, 이어서 투과 광학 소자(200)에 입사된다. 투과 광학 소자(200)는, 전형적으로 한쪽 면은 평면이고, 다른쪽 면은, 그 평면에 대해 수직으로 향하는 축을 원추축으로 하는 대략 원추 측면의 돌출면을 갖고 있다. 이 돌출면은, 원추축을 연장한 전방에 있어서, 수속하는 방향으로 광을 굴절시킨다. 종래의 베셀 빔을 위해서는, 윤대 위상 소자(100)를 채용하지 않고 투과 광학 소자(200)의 굴절에 의한 수속의 작용에 의해서만 센트럴 로브를 실현하고 있고, 도 1에 나타낸 것과 같은 사이드 로브를 수반하고 있었다. 본 실시 형태에서는, 투과 광학 소자(200)에 의한 수속 작용과, 윤대 위상 소자(100)에 의해 부여하는 축대칭인 위상 분포에 의한 레이저의 위상 제어 작용을 조합한다. 본 실시 형태의 이들 소자의 전형적인 배치에서는, 윤대 위상 소자(100)에서 주어지는 축대칭인 위상 분포의 회전축뿐 아니라, 투과 광학 소자(200)의 원추축도 레이저가 진행하는 방향(광축)과 일치하고 있다.

도 4는, 종래의 베셀 빔(도 4 A, 4 B)과 성형 베셀 빔(도 4 C, 4 D)의 빔 프로파일을 계산 결과를 바탕으로 설명하는 설명도이다. 각 도면은, 양쪽의 빔에 공통적으로 채용되는 투과 광학 소자(200)를 통과한 후의 위치에 있어서, 광축(Z축)을 포함하는 평면에서의 강도 분포를 농도로 나타내는 도면(도 4 A, 4 C)과 z축으로부터의 거리(r)에서의 원통 좌표에 있어서 강도 분포를 조감 그래프로 나타내는 도면(도 4 B, 4 D)이다. 종래의 베셀 빔을 생성하는 빔 성형 장치는 도 3의 것과 달리, 윤대 위상 소자(100)를 갖지 않는다. 종래의 베셀 빔은, z축방향으로 연장된 센트럴 로브와 동일한 축에서 다중 관 형상으로 형성되는 다수의 사이드 로브를 갖고, 그 모습이 도 4 A, 4 B에 명료하게 나타나 있다. 이에 대해, 윤대 위상 소자(100)를 채용한 성형 베셀 빔에서는, 사이드 로브는 전체적으로 약해지고, 특히, 광축을 따라 연장되어 분포하는 센트럴 로브가 최대값이 되는 Z=Z₀ 부근에서는 사이드 로브는 대부분 소실되어 있다. 이 결과는, 성형 베셀 빔에서는, 종래의 베셀 빔에 가까운 센트럴 로브의 성질을 크게 희생하지 않고, 사이드 로브의 억제가 실현되고 있는 것을 나타내고 있다. 중요한 것은, 그것을 위해 필요한 추가적인 고려가, 적절히 설계되어 제작된 윤대 위상 소자(100)만을 추가하는 것으로 충분하다라는 점이다. 이것은, 본 실시 형태의 수법의 유용성을 나타내는 것이라고 할 수 있다.

1-3. 윤대 위상 소자

1-3-1. 설계

다음으로, 도 3, 4에 나타낸 윤대 위상 소자(100)의 구체적인 설계 사상이나 그 구조에 대하여 설명한다. 본 실시 형태의 윤대 위상 소자(100)의 전형적인 예는, BPP(Binary Phase Plate, 2치 위상판(二値位相板))이다. 윤대 위상 소자(100) 중, 특히 본 출원의 발명자가 주목한 것은, 축대칭의 위상 분포의 회전축 상에 중심을 갖는 적어도 하나의 원에 의해 구분되는 복수의 윤대 영역을 갖고 있는 BPP이다. 그 BPP의 전형은, 각 윤대 영역에서 두께를 변화시킨 광투과성 물질의 2치 위상판이다.

여기서, BPP의 용도 중 하나로서 초해상(超解像) 기술이 알려져 있다(예를 들어, 비특허문헌 2, 비특허문헌 3). 비특허문헌 2에서는, 초해상에 의해, 에어리(airy) 한계로 정해지는 스폿 크기보다 작은 회절 스폿을 실현할 수 있을 뿐 아니라 각종 빔 성형에 초해상을 적용할 수 있다는 것이 개시되어 있다. 비특허문헌 3에 나타나는 초해상 기술은, 결상계의 초점을 향하는 광 중, 회절 한계를 위해 초점에 퍼짐을 부여하여 흐릿함을 발생시키게 하는 성분을 사이드 로브에 분배한다(넓힌다)는 원리를 채용하는 것이다. 특히 비특허문헌 3에서는, BPP가 채용되어 있고, 결상 광학계의 초점 위치에서의 집광폭을 보다 좁히기 위해, 초점에 퍼짐을 초래하지 않는 성분(중심에 도달할 수 있는 성분)에는 변경을 가하지 않고, 초점에 퍼짐을 초래하는 성분만을, 초점 근방에서 오히려 먼 사이드 로브로 의도적으로 분배하는 것이 개시되어 있다.

이것에 대해, 본 발명자는, 베셀 빔에 있어서, 센트럴 로브의 빔 지름 자체의 증감을 목표로 하는 것이 아니라, 윤대 위상 소자에 의해, 사이드 로브를 형성하기 위해 사용되는 광의 성분을 센트럴 로브로 옮기는(모으는) 수법을 제안한다. 본 실시 형태의 윤대 위상 소자의 구성은, 그 목적에 맞게 최적화되어 설계된다.

도 5는, 본 실시 형태의 윤대 위상 소자(100)의 일례인 광투과성 물질에 의해 제작하는 BPP의 개략 구성을 나타내는 구성도이며, 그 평면도(도 5 A) 및 중앙을 통과하는 위치에서의 단면도(도 5 B)이다. 윤대 위상 소자(100)는, 전형적으로 유리 등의, 사용하는 파장의 광에 있어서 투과성을 나타내는 물질에 의해 제작된다. 평면에서 보아 중앙을 중심으로 하여 동심원(반경 r₁, ···r_M, M은 1이상의 정수)에 의해 구분되는 평면 영역을 윤대 영역 또는 단순히 윤대라고 부른다. 각 윤대(A1~A6)는, 중앙의 윤대(A1)는 원형, 그 주위의 윤대(A2~A5)는 도너츠형, 최외부의 윤대(A6)는 윤대 위상 소자(100)의 기판의 평면 형상으로부터 원을 제거한 형상이다. 다만, 최외부의 윤대(A6)는, 레이저 빔이 조사되지 않는 범위(예를 들어 애퍼처(8)의 개구보다 밖의 범위)에서 광학적 특성을 발휘하는 것은 아니다. 각 윤대(A1~A6)는, 각각 인접하는 윤대와 상이한 위상을 광에게 부여하도록 구성된다.

예를 들어 윤대 위상 소자(100)가 광투과성 물질로 제작되어 있는 경우에, 전형적으로 서로 ð만큼 어긋난 위상차를 갖도록, 이웃한 윤대의 두께 차이가 조정된다. 이러한 위상을 부여하기 위해, 광투과성 물질에서는, 전형적으로 그 자체의 두께가 조정된다. 출력 빔을 필요한 패턴에 최적으로 적합시키는 BPP를 설정하기 위해서는, 일반적으로는, 윤대 영역의 수, 각 윤대를 구분하는 원의 지름, 및 홈의 깊이를 조정한다. 여기에서는, 0과 ð의 2치의 위상 분포를 부여하는 BPP를 설계하기 위해, 위상차를 결정하는 단차의 깊이는 ð분의 위상 시프트를 발생시키는 것에 고정하는 것으로 하고, 최적화는 윤대 영역의 수(M) 및 각 윤대의 구분이 되는 원의 반경｛r_m｝으로 한다.

이상적 베셀 빔은, 액시콘이 평면파에 의해 조명될 때 형성된다. 수학적으로는, 이상적 베셀 빔의 복소 진폭은, 강도 분포가 I(r, z)=J₀ ²(k_tr)로 주어지고,

식(1)

과 같이 모델화할 수 있다. 식(1)의 표현에 있어서, r 및 z는 반경 방향 및 세로 방향의 좌표값이며, k는 파수 벡터, k_t=ksinα 및 k_z=kcosα에 있어서, α는 광축에 대한 상대적인 광선 각도이다.

무한한 에너지를 포함하는 이상적 베셀 빔은, 경계를 갖지 않고, 불변량이 되어, 전파(傳播)에 있어서 완전히 회절이 제거되어 있는 것으로 이해되지만, 현실에는 그러한 것은 존재할 수 없다. 많은 실용적인 용도에 있어서, 가우스 빔을 액시콘에 의해 집광시켜, 가우스·베셀 빔을 생성하도록 근사(近似)가 수행된다. 본 출원에서 종래의 베셀 빔이라고 기재하는 것은, 이상적(이론적) 베셀 빔과 구별하고 있지만, 액시콘의 작용에 의해서만 생성되는 현실의 빔이다. 이상적인 액시콘, 즉 원추의 꼭대기부가 이상(理想)과 같이 뾰족해져 있는 것이면, 프레넬의 회절 적분을 푼다는 해석적인 수법에 의해, 생성된 종래의 베셀 빔의 강도 분포를 구할 수 있다.

본 출원에서는, BPP의 설계에 정확성을 기하기 위해, 꼭대기부 부근이 둥그스름한 액시콘의 형상 모델을 채용하고, 구체적으로는 액시콘의 표면을 2엽(二葉)이 회전하는 쌍곡면으로 가정한다. 도 6은, 본 실시 형태의 투과 광학 소자(200)의 일례인 액시콘에 대하여, 현실의 액시콘의 형상을 설명하는 설명도이다. 투과 광학 소자(200)는, 베이스 앵글()에 따른 원추 측면을 갖도록 제작되어 있는 것이 이상적이다. 그러나, 현실의 액시콘은 어떠한 제조 공정의 제약상, 기하학적인 원추 측면의 형상대로는 작성되지 않고, 꼭대기부 부근은, 원추 측면의 가장자리(周)의 베이스 앵글로부터 정해지는 원추 측면보다 둥그스름해져 버린다. 실측한 예에서는, 베이스 앵글()이 20°인 액시콘에서, 그 쌍곡면의 꼭대기점과 이상적인 액시콘의 꼭대기점 사이의 거리()는 21μm라고 결정되었다. 정밀한 빔 성형을 수행하는 경우에 이러한 형상의 설계에서 벗어나는 것에 대응할 수 없으면, 고도한 설계가 반드시 실용으로 이어지지는 않는다고 할 수 있지만, 본 실시 형태에서 제안하는 윤대 위상 소자(100)에 의한 사이드 로브의 억제에서는 이러한 벗어남은 문제가 되지 않는다. 시뮬레이션에서는, 위상만을 취급하는 한 애퍼처(8)(도 3)와 윤대 위상 소자(100)를 위한 BPP의 양쪽에서의 회절을 고려하지 않는 계산으로 한다. 또한, 필터(애퍼처 및 BPP) 및 액시콘을 넘어선 빔의 전파를 시뮬레이션하기 위해, 한켈 변환에 근거하는 수치적인 수법이 채용된다. 이렇게 하여, 둥그스름한 액시콘의 바로 뒤의 광전계(光電場)(z=0)는,

식(2)

와 같이 표현된다. 여기서, E_in=exp(-r²/w_in ²)는, w_in을 빔 웨이스트(beam waist), n 및 n₀을 액시콘 및 외부 매체의 굴절률로 하여, 입사하는 가우스 빔의 장(場)이다. 최대 두께 d, z=0이 이상적인 액시콘의 꼭대기점에 합쳐진 얇은 액시콘이 고려되고 있는 것에 유의해야 한다. T(r)이 BPP의 투과 함수이며, 다음과 같이 기재할 수 있다:

식(3)

여기서, r_m은, m번째의 윤대 영역의 외주원(外周円)의 반경이며, M은 윤대 영역의 총수이며, circ(·)는, 다음과 같이 정의되는 원함수이다:

식(4)

식(3)으로 정의되는 BPP의 투과 함수 T(r)은 r과 r_m만으로 정해지는 점에서, z축을 회전축으로 하는 축대칭인 함수라고 할 수 있다. 식(3)의 T(r)의 정의는, 광에 가해지는 위상의 기준으로부터의 위상차인 위상량이 0과 ð만으로 간이하게 BPP를 표현하기 위한 것이다. 식(3)의 T(r)을 포함하는 모든 설명은, 임의의 위상량을 갖는 윤대에 대해서도 동일하게 성립하는 것에는 유의해야 한다. 그리고, 임의의 위상량을 갖는 윤대에 대한 T(r)의 정의는, 보다 일반적인 위상량φ_m(m=1~M)을 각 윤대에 대하여 부여하고, 식(3)에서의 합 기호(Σ) 직후의 위상 인자(phaser)인 (-1)^m＋1을 exp(iφ_m)(다만, i는 허수 단위)로 고쳐 쓴 것이다.

원기둥 좌표계에서의 E(r, 0)의 한켈 변환을 실행함으로써, z=0에서의 장의 공간 주파수 스펙트럼은,

식(5)

가 된다. 여기서, R은, 액시콘의 눈동자 크기(반경)이다. 이어서 각도 스펙트럼법을 적용함으로써, 거리(z)만큼 공간 영역 중에서 스펙트럼을 전파시켜 다음을 얻는다.

식(6)

여기서, k_z=k(1-ξ²)^1/2는 진행 방향으로의 파수 벡터이다. 이렇게 하여, 둥그스름한 액시콘을 통과 후에 거리(z)를 전파하는 장은 S(ξ, z)의 역한켈 변환에 의해,

식(7)

과 같이 하여 얻어진다. 수치 시뮬레이션에 있어서 계산 속도를 높이기 위해 포물선 샘플링이 식(5)~(7)에 채용되는 것은 특필(特筆)해야 한다. BPP의 최적 구조를 얻기 위해 적절한 비용 함수가 결정되고, 그 최소화가 실행되어야 한다. 본 출원에서의 비용 함수는, 어느 축방향 범위［z_max-l, z_max＋l］에 걸친 SLR(side-lobe ratio, 사이드 로브비) 즉 최대의 사이드 로브의 피크의 센트럴 로브의 피크에 대한 비를 구하고, 그 평균이 이용되어, 구체적으로 다음과 같이 표현된다.

식(8)

여기서 I₀(z)=｜E(0, z)｜²는 빔의 축 상의 강도(동시에 센트럴 로브의 피크의 강도), I₁(z)는 가장 밝은 사이드 로브의 강도, 2 l(엘)은, 센트럴 로브의 빔축방향의 집광 범위를 규정하고 있고, 다음에 설명하는 최적화 알고리즘에서의 탐색 윈도우의 길이이다.

최적화 절차에 있어서 계산 도중에서의 수속 속도와 최적화의 효과를 양호하게 균형 잡기 위해, 그리고 다변량의 최적화에 있어서 최적의 피팅으로 하기 위해, 최적화해야 할 파라미터를 (M, ｛r_m｝)으로 하여 시뮬레이티드 어닐링(Simulated Annealing)(SA) 알고리즘을 채용했다.

이상의 수법에 근거하여, 실제의 BPP를 사용한 사이드 로브의 억제의 유효성을 확인하는 계산을 실행하여, 본 실시 형태에 의한 성과를 점차적으로 조사했다. 구체적으로, DOF 및 SLR이 다른 성형 베셀 빔을 형성할 수 있도록, 윤대 영역의 외주원의 반경의 집합을 2개 선택했다. 즉, ［z_max-100, z_max＋100］μm에 대응시켜, BPP를 이용하는 제 1예로서, ｛r_1m｝=｛78.7, 130.5, 225.6, 1823.6, 1872.4｝로 했다. 이 구체적 설계의 BPP를 채용하는 조건이나 그 조건으로 제작된 윤대 위상 소자(100)인 BPP 그 자체를, 이하 BPP1라고 부른다. 마찬가지로 ［z_max-50, z_max＋50］μm에 대응시켜, 제 2예로서 ｛r_2m｝=｛145.5, 185.0, 200.0, 1695.8, 1919.5｝로 했다. 이 조건이나 그 BPP 자체도 BPP2라고 부른다.

여기서, 전술한 SA 알고리즘에 의한 파라미터(M,｛r_m｝)의 최적화 프로세스를 도 7에 의거하여 설명한다. 초기화 단계 S12에서는, 최적화의 초기 조건이 되는 M 및 r_m을 대입한다. 윤대 위상 소자(100)로서 상기 BPP1, BPP2의 구성을 도출한 계산예에서는, M을 초기값에서는 7로 하고, 윤대 영역의 외주원의 반경의 집합인 ｛r_m｝(m=1~7)에는, 빔의 지름에 따라 정해지는 소자 크기를 나타내는 범위로부터 적절한 수치를 부여한다. 계산예에서는 ［0, 2］(mm)의 범위)에 있어서, 무작위 수치열을 작은 수에서 큰 수로 나열하여 그대로 채용했다. 이어서, 구속 파라미터 산출 단계 S14에서, ｛r_m｝으로부터, 윤대폭의 집합｛r_m-r_m-1｝을 구한다. 윤대폭 판정 단계 S16에서, ｜r_m-r_m-1｜의 값이 윤대폭 하한값과 비교하여, 윤대폭이 너무 좁아졌을 경우(S16, 분기 Y)에는, M을 줄이는 윤대 삭감 단계 S18을 실행하고, 다시 구속 파라미터 산출 단계 S14로 진행된다. 윤대폭 하한값은, 제작 프로세스에 의한 한계값을 고려하여 결정되고, 계산예에서는 1μm로 했다. 윤대폭이 너무 좁아지지 않는 경우(S16, 분기 N), 전술한 식(2)~식(7)에 따라 광전계 산출 단계 S20을 실행한다. 그리고, 식(8)에 따라 평가 함수인 SLR의 평균이 산출되고, 판정 기준값(예를 들어, 0.6%)과 비교하는 사이드 로브 판정 단계 S22가 실행된다. SLR의 평균이 판정 기준값으로까지 저하되지 않는 경우에는, 윤대 영역의 외주원 반경의 집합인 ｛r_m｝의 각 값에 무작위 수치(r)를 가해 증가 또는 감소시키는 갱신 단계 S24에서 다시 구속 파라미터 산출 단계 S14로부터 시작되는 일련의 계산을 반복한다. SLR의 평균이 판정 기준값을 밑돌면, 출력 단계 S26에서, 그 시점에서의 파라미터(M, ｛r_m｝)를 최적화가 끝난 결과로 출력한다. 그리고, SA 알고리즘에 따르는 처리는, 갱신 단계 S24에서 갱신에 이용되는 무작위 수치의 결정 시에 실행된다. 상기 BPP1, BPP2의 산출에서는, 식(8)의 l의 값에 따라 다른 외주원의 반경의 집합이 얻어졌다. BPP1, BPP2 양자에서 M은 5로 감소했다.

도 8은, 가로 방향 및 세로 방향의 빔 프로파일에 대하여, 빔 전파 방향에 대하여(도 8 A, 8 C, 8 E), 및 빔 직교 방향에 대하여(도 8 B, 8 D, 8 F), 시뮬레이션 계산에 근거하는 빔 프로파일을 나타내는 그래프이며, 종래의 베셀 빔(도 8 A, 8 B), 및 윤대 위상 소자의 전형적인 2개의 예인 BPP1(도 8 C, 8 D), BPP2(도 8 E, 8 F) 각각을 채용하여 얻어지는 것이다. 빔 직교 방향에 대해서는, 센트럴 로브의 피크 위치인 것(Max)과 빔 전파 방향으로 건너는 평균에 의한 것(Mean)을 나타내고 있다. 그 때의 빔 웨이스트(직경), DOF, SLR는, 표 1과 같이 얻어졌다.

그리고, 2w_o는 센트럴 로브의 빔 웨이스트이며, FWHM으로 결정한 직경이다. z_DOF는, DOF이며 광축 방향으로 FWHM으로 측정한다. SLR_m은, z=z_max에서의 사이드 로브비이며, SLR 바는, 최적화되는 축방향 범위［z_max-l, z_max＋l］에 걸친 평균값의 강도로부터 산출되는 사이드 로브비이다.

또한, 상기 성질이 얻어지는 것은, 예를 들어 실리콘 웨이퍼를 가공하기 위한 TSV 형성의 관점에서 봤을 경우, 고(高)종횡비의 TSV의 제작에도 잠재적으로는 BPP를 적용할 수 있다는 것을 의미하고 있다. 흡수의 기준이 되는 양(흡수의 단면적)이 레이저 강도에 비선형에 의존하는 다광자 흡수를 채용했을 경우, 예를 들어 실리콘 웨이퍼를 가공하기 위해 파장 1.5μm의 fs(펨토초) 레이저를 사용하는 TSV 가공을 위해 사이드 로브 데미지를 최소화하고자 하면, 억제된 SLR이 한층 더 효과적으로 작용하게 된다.

1-3-2. 윤대 위상 소자의 작용

본 실시 형태에서 실현된 성형 베셀 빔에서는, 종래의 베셀 빔과 비교하여 센트럴 로브가 빔축방향으로 신장되는 길이가 짧아져 있다. 즉, 종래의 베셀 빔이 약 12 mm정도의 DOF를 갖는데 반해, BPP1, BPP2를 채용하는 경우에는, 각각, 약 530μm, 약 280μm가 되었다(표 1). 이 점은, 일반적으로 베셀 빔에서의 사이드 로브의 역할과 관계된다. 베셀 빔에서는, 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 실현하기 위해, 액시콘에서 반경이 다른 위치로부터의 광을 서로 동일한 꼭지각을 갖는 원추면을 따라 진행시켜, 빔축 상의 다른 위치로 수속시킨다. 그러므로, 빔축에 직교하는 어느 평면에서 사이드 로브를 형성하는 광은, 그 평면과 다른 위치에서 빔축을 절단하는 별도의 평면에서 보면 센트럴 로브에 기여하고 있다. 따라서, 어느 평면에서 사이드 로브를 억제하면, 빔축 상의 다른 위치의 센트럴 로브를 형성하는 광이 부족해져 버린다. 이것은, 사이드 로브를 억제하기 위해서는 DOF를 빔축방향의 어느 범위로 한정할 필요가 있다는 것을 의미하고 있다. 다만, 가공 등, 목적으로 하는 한정된 DOF의 범위에서 광의 강도를 높여 사용하는 용도에서는, 과도하게 DOF가 커도 에너지가 분산되어 강도를 확보할 수 없을 뿐이다. 목적으로 하는 범위의 DOF에 대응하는 사이드 로브가 약해지는 것은, 거기에 분배되어 온 에너지, 즉 목적 범위 외의 DOF의 센트럴 로브를 형성하고 있던 에너지를 약하게 하고 있을 뿐이므로, 낭비였던 것이 감소한 것 이외에 대부분 영향은 없다. 오히려, 종래의 베셀 빔에서는 사이드 로브가 되어 목적 범위외의 DOF의 센트럴 로브를 형성하고 있던 광은, 윤대 위상 소자(100)의 작용에 의해 결국 목적의 DOF 내의 센트럴 로브에 기여하고 있다. 결국, 본 실시 형태에서 적절히 설계된 윤대 위상 소자(100)는, 사이드 로브에 분배되어 있던 광을 목적 범위의 센트럴 로브로 모으는 작용을 가져와, 보다 효율적인 가공을 실현한다고 할 수 있다. 그리고, 윤대 위상 소자의 작용에 대해서는, 실험 결과를 설명한 후에 다시 설명한다.

1-3-3. 실제 BPP에 의한 실험

설계된 윤대 위상 소자(100)를 위한 BPP를 포토리소그래피법에 의해 제작했다. 제작 시에, BPP는 BK7 유리 기판(1.5 mm 두께, 16 mmХ16 mm)에 의해 제작되었다. 포토레지스트가 유리 기판에 스핀 코팅되고, 설계된 형상에 따라 패터닝 되고, ð라디안(radian) 즉 반파장분의 위상 지연을 부여하도록 유리가 에칭되었다. 사용하는 파장 1.5μm에서의 BK7의 굴절률(1.501)에 따라 투과광에 대해 ð분의 위상 지연을 부여하는 단차는, 계산에 있어서 1.50μm였다. 이에 대해, 윤대 위상 소자(100)에 있어서 마무리의 단차는, 실측으로 1.60μm(BPP1) 및 1.65μm(BPP2)였다. 윤대 위상 소자(100)는 투명하고, 각 윤대가 회전축으로부터 순서대로 번갈아 0 및 거의 ð라디안만큼 위상이 시프트되도록 작성되었다.

1-4. 성형 베셀 빔의 성능

성형 베셀 빔에 대하여, 실험에 의해 사이드 로브의 억제 성능을 평가했다. 도 9는, 실험에 의해 얻어진 가로 방향 및 세로 방향의 빔 프로파일이며, 종래의 베셀 빔(도 9 A), 및 윤대 위상 소자(100)의 예인 BPP1(도 9 B), BPP2(도 9 C)를 채용한 것이다. 또한, 도 10은, 마찬가지로 실험에 의해 얻어진 피크 부근에서의 빔 단면의 강도 분포(상단), 그 이미지(중단), 및 강도 프로파일(하단)이며, 종래의 베셀 빔(도 10 A), 및 윤대 위상 소자(100)의 예인 BPP1(도 10 B), BPP2(도 10 C)인 것이다. 이들의 측정에는, 도 3에 있어서, 투과 광학 소자(200)의 출사측을 마주보는 위치에 광투과성 스크린을 배치하고, 스크린을 사이에 두고 투과 광학 소자(200)를 마주보는 위치에 배치한 현미경용 대물렌즈와 그 결상 위치에 둔 CCD 카메라에 의해, 레이저광의 스크린 상의 각 위치에서의 스크린 투과광량을 측정한 것이고, 센트럴 로브가 피크가 되는 광축 방향의 위치인 것이다. 그리고, 측정계로의 영향을 피하기 위해 레이저 강도는 가공 등에 사용하는 것보다 약하게 했다.

도 9 A는, 종래의 베셀 빔의 축상 프로파일(도면 중 하얀 곡선) 및 XZ면에서의 전형적 빔 프로파일(농도 화상)이다. 광축을 따라 반치전폭(半値全幅)에서 짐작되는 DOF는 12 mm이며, 빔 진행 방향으로 강도 변조가 관찰되었다. 이들 값은, 둥그스름한 액시콘을 고려한 계산과 잘 일치했다. 그 다음, 윤대 위상 소자(100)의 예인 BPP1 및 BPP2를 투과 광학 소자(200) 앞에 배치하여 성형 베셀 빔에 대하여 측정을 수행했다. BPP1에 대해서는, z_max=3.8 mm, z_DOF=600μm가 되는 빔이 생성된 것이 확인되었다. 이것은, 이론을 바탕으로 설계된 파라미터에 일치하는 것이었다. BPP2에 대해서는, z_max=2.35 mm, z_DOF=420μm이며, 계산에서 어긋남이 확인되었다. 이 어긋남의 원인에 대하여, 본 발명자는, 입사 빔의 다소 낮은 품질이 원인이 된 것, BPP의 제작 해상도에 제한이 있는 점도 원인이 되었다, 고 생각하고 있다.

또한, z=z_max의 위치에서의 패턴을, 종래의 베셀 빔, BPP1, BPP2에 의한 성형 베셀 빔에 대하여 조사했다. 그 이유는, 빔 프로파일은, TSV의 가공에 있어서 중요하기 때문이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 베셀 빔의 사이드 로브는, 윤대 위상 소자(100)의 예인 BPP를 채용함으로써 유효하게 억제되는 것, 그리고, BPP2가 보다 바람직한 결과를 가져 오는 것이 확인되었다. 이들은 계산과 잘 정합되어 있는 것이다.

이상에 나타낸 것처럼, 본 실시 형태의 빔 성형 장치(10)에서는, 액시콘 등의 투과 광학 소자(200)에 윤대 위상 소자(100)를 추가하는 간단한 구성으로, 충분히 사이드 로브를 억제할 수 있다. 이와 같이 간단한 수단으로 사이드 로브가 억제된 성형 베셀 빔이 실현되면 광축 방향으로 연장된 센트럴 로브를 이용하는 레이저의 임의의 용도가 실용적인 것이 된다. 또한, 윤대 위상 소자(100)를 추가하는 것만으로 레이저를 거의 흡수하지 않고 사이드 로브를 억제할 수 있는 성질은, 레이저의 강도를 이용하는 용도에 있어서 특히 유용하다.

1-5. 사이드 로브의 광의 센트럴 로브로의 집결

액시콘의 중심 근처를 통과하는 광은 액시콘에 가까운 빔축 상의 위치에서, 또한, 액시콘의 가장자리 부근을 통과하는 광은, 먼 빔축 상의 위치에서 각각 집광한다. 윤대 위상 소자(100)의 작용의 상세한 것을, 특히 실제로 설계한 BPP1, BPP2의 수치도 고려하여 설명한다. 다시 도 5를 참조하면, 윤대 위상 소자(100)는, 각 윤대(A1~A6)에 의해, 회전축 주위에 축대칭의 위상 분포를 레이저광에 부여한다. 이 각 윤대(A1~A6), 보다 일반적으로는, 복수의 윤대 영역을 포함하는 범위 중, 레이저광에 작용하는 부분(예를 들어 애퍼처(8)에 의해 차폐되지 않았던 레이저가 도달하는 부분)은, 회전축을 포함하는 중심 영역(102)과, 그 중심 영역(102)을 둘러싸는 중간 영역(104)과, 중간 영역(104)을 둘러싸는 가장자리 영역(106)이라고 하는 서로 겹침을 갖지 않는 영역으로 크게 나뉜다.

도 5에는 중심 영역(104), 중간 영역(106), 및 가장자리 영역(106)을 각 윤대(A1~A6)에 대응시키고 있다. 도 5 A 및 5 B에 있어서는, 중심 영역(102)은 윤대(A1~A3)를 포함하고, 가장자리 영역(106)은 윤대(A5, A6)를 포함한다. 중간 영역(104)은, 윤대(A4)의 전부 또는 그 중의 안지름 및 바깥지름 부근을 제외한 링 형상 부분 중 어느 하나이다. 도 5 A 및 5 B에 나타내는 바와 같이, 중심 영역(102) 및 가장자리 영역(106)에서는, 각각 윤대(A1)로부터 윤대(A4)에 이르는 두께의 변동, 및, 윤대(A4)로부터 윤대(A6)에 이르는 두께의 변동에 의해, 레이저광에 대해 위치에 따라 일정하지 않은 변화하는 위상이 부여된다. 이에 대해, 중간 영역(104)에서는 윤대(A4)의 일정한 두께에 의해 레이저광에 대해 위치가 바뀌어도 일정한 변화하지 않는 위상이 부여된다.

중심 영역(102) 및 가장자리 영역(106)에서의 변화하는 위상, 및 중간 영역(104)에서의 변화하지 않는 위상이라는 부여되는 위상 분포는, 사이드 로브에 분배되게 되는 광이 센트럴 로브에 모인다는 전술한 작용과 관련되어 있다. 즉, 중간 영역(104)을 통과하는 레이저광은 파면이 크게 흐트러지지 않고 전파되고, 투과 광학 소자(200)의 굴절 작용에 의해 예를 들어 z₀(도 4 C) 부근을 향해 수속한다. 중간 영역(104)을 통과하는 광은, 종래의 베셀 빔이 액시콘에 의해 형성되는 현상을 따른다. 이에 대해, 중심 영역(102) 및 가장자리 영역(106)을 통과하는 레이저광에는 일정하지 않고 변화하는 위상이 부여되므로, 서로 약하게 하는 간섭이 생긴다. 투과 광학 소자(200)의 굴절 작용을 받으면, 중심 영역(102)을 통과한 후의 레이저광은 z₀보다 가까운 위치(z＜z₀)에 광이 도달할 것이지만, 그 위치를 향하는 레이저광은 서로 약하게 하는 간섭 때문에 약해진다. 가장자리 영역(106)에 대응하는 먼 위치(z＞z₀)의 레이저광도 마찬가지로 약해진다. 윤대 위상 소자(100)에서 서로 약하게 하는 간섭이 생기는 위치와 거기에 대응하는 빔축 상에서의 위치 관계로부터, 윤대 위상 소자(100)를 통과한 광은, 센터 로브의 빔축방향에서 가까운 위치(z＜z₀) 및 먼 위치(z＞z₀)에는 도달할 수 없다. 빔축방향 z₀에 대응하는 중간 영역(104)만이 이러한 작용을 갖지 않고 레이저를 전파시키기 때문에, 윤대 위상 소자(100)는, 중간 영역(104)을 투과한 레이저광이 전파하는 둥근 고리 형상의 범위에 통과한 광을 모으는 작용을 갖는다. 이렇게 하여 윤대 위상 소자(100)는 z₀ 전후 그 빔축방향의 압축 작용을 발휘한다. 이 빔축방향의 압축은, 전술한 것처럼 z₀의 위치에서의 사이드 로브의 광의 억제를 수반하고 있으므로, 사이드 로브의 억제와도 등가이며, 사이드 로브에서 센트럴 로브로 광을 모으는 작용의 원인이 되고 있다.

상기 정성적인 설명은, 전술한 SA 알고리즘에 의한 파라미터(M,｛r_m｝)의 최적화 프로세스(도 7)에 근거하여 다수의 계산기 실험으로부터 선별되는 설계에 있어서도 동일하게 성립되고 있는 것에 유의하길 바란다. 예를 들어, BPP1, BPP2의 구체적 수치에 있어서 중심 영역(102) 및 가장자리 영역(106)에 대응하는 영역에서 두께가 변화하고 있고, 그들 사이의 중간 영역(104)에서 두께가 일정해져 있다. 중간 영역(104)을 반경(r₃)~반경(r₄)의 윤대(A4)영역이라고 봤을 경우, 계산 대상의 레이저가 투과하는 범위(반경 2 mm) 중 윤대(A4)의 폭은 BPP1, BPP2 모두 약 1.5 mm정도를 차지하고 있다. 윤대(A4) 중 안지름 및 바깥지름의 부근은 더욱더 내측의 윤대(A3) 및 더욱더 외측의 윤대(A5)에서 레이저광에 부여되는 위상의 영향에 의해 서로 약하게 하는 간섭에도 기여하지만, 윤대(A4)의 약 1.5 mm 폭의 중앙부는 서로 약하게 하는 간섭과는 관계가 없다. 즉, BPP1, BPP2는 모두 전술한 정성적 설명에 따르는 작용을 발휘하는 것이라고 할 수 있다. 그리고, 중심 영역(102), 중간 영역(104), 그리고 가장자리 영역(106)의 구체적 범위나, 중심 영역(102) 및 가장자리 영역(106)에 있어서 몇개의 윤대가 포함되어야할 것인가는, 모두 설계에 의존한다. 이들의 구체적 설계는 예를 들어 레이저 빔의 지름, DOF의 크기 등에 따라 결정할 수 있다. 다만, 중간 영역(104)에서는 일정한 변화하지 않는 위상을 부여하는 것이므로, 기껏해야 1개의 윤대에만 대응한다. 또한, 중심 영역(102), 중간 영역(104), 그리고 가장자리 영역(106)으로 영역을 구분하여 사이드 로브에서 센터 로브로 광을 모으는 동작을 실시할 수 있는 윤대 위상판은, 2치 위상판에 한정되지 않고, 위상을 부여하는 다른 형식의 위상판으로 할 수도 있다.

2. 제거 가공 장치

2-1. 전체 구성

본 발명에서는, 성형 베셀 빔을 이용하는 제거 가공 장치의 실시 형태도 제공된다. 도 11은, 제거 가공 장치(1000)의 구조를 나타내는 구성도이다. 이하, 실리콘 기판을 가공 대상물의 반도체 기재로 하는 경우를 설명한다. 제거 가공 장치(1000)는 도 3에 나타낸 빔 성형 장치(10)를 일부로 포함하고 있다. 빔 성형 장치(10)에 입사하는 레이저는, 가공을 위해 레이저 강도나 펄스 조사 시간을 조정하는 제어나 실장을 위한 추가 광학계(9)(가변 ND필터(92), 셔터(94), 미러(96))가 추가되는 점 이외는 도 3의 구성과 동일하다. 이하의 설명에 있어서, 윤대 위상 소자(100)는, 비교를 위해 제외되어 종래의 베셀 빔을 생성하여 가공하는 경우가 있고, 또한, BPP1와 BPP2로 교체하여, 성형 베셀 빔의 조건을 변경하는 경우도 있다. 광원(2)으로부터는 펄스형으로 된 실리콘 기판의 내부에 도달 가능한 파장(예를 들어 파장 1.5μm)의 레이저가 조사된다. 윤대 위상 소자(100)에 의한 위상 분포의 부가를 거쳐 투과 광학 소자(200)에 의해 수속되는 빔은, 성형 베셀 빔(TBB)이 된다. 성형 베셀 빔(TBB)의 가공에 적절한 피크 범위는 도 9 B, 9 C에 나타낸 것처럼, 종래의 베셀 빔(도 9 A)에 비해 광축 방향의 범위가 한정되지만, 그럼에도 200μm 정도의 길이를 유지하고 있다. 그러므로, 예를 들어 가공 대상물(W)이 실리콘 웨이퍼로 박판화된 것이면, 그 두께(예를 들어 100μm 두께)를 적어도 피크 범위를 실현하는 것은 어렵지 않다.

예를 들어 실리콘 웨이퍼인 가공 대상물(W)은, 위치 맞춤 장치(300)가 되는 스테이지에 필요에 따라 일시적으로 고정된다. 위치 맞춤 장치(300)는 성형 베셀 빔(TBB)이 가공 대상물(W)에 입사하는 것을 방해하지 않는다. 제거 가공의 모습은 필요에 따라 관찰 광학계(400)를 통해 화상화된다. 관찰 광학계(400)는, 통상적인 광학현미경의 광학계와 동일하고, 대물렌즈(420)를 통해 가공 대상물(W)의 지면 상의 윗쪽면의 화상을 카메라(430)에 의해 취득한다. 관통공이 형성되었을 경우에 관찰 광학계(400)에 제거 가공을 위한 파장의 광이 카메라(430)에 도달하는 것을 막는 필터(410)도 적절히 배치된다. 카메라(430)로부터의 화상 또는 영상은, 필요에 따라 처리, 보존, 또는 표시된다.

성형 베셀 빔(TBB)은, 가공 대상물(W) 내부에 있어서도 여전히 센트럴 로브에 에너지가 집중되어 사이드 로브가 억제된 성형 베셀 빔으로서의 성질을 계속 유지한다. 가공 대상물(W)에 외부로부터 입사할 때에 굴절되어도, 파면은, 꼭지각이 변화하지만 원추면이며, 여전히 빔축으로 수속하여 진행된다. 또한, 윤대 위상 소자(100)에 의한 위상 변화도, 마찬가지로 가공 대상물(W)에 도달하는 레이저에 영향을 준다. 예를 들어 굴절의 영향에 의해, 센트럴 로브의 원단(遠端) 위치가 가공 대상물의 유무나 가공 대상물의 두께의 영향을 받는다. 이 영향은 굴절에 의한 파면의 방향 변화에 의해 설명되고, 파면의 기하학적인 변화에 따른 위치 변화에 지나지 않는다. 본 출원 전반에 있어서 센트럴 로브라는 표현은, 도 1에 나타낸 것과 같은 성형 베셀 빔에 의한 센트럴 로브가 공간(진공 또는 공기)에서 형성되는 경우뿐 아니라, 그 일부 또는 전부가 굴절률 매체 중에 위치하는 경우까지 포함하여, 실제로 피크가 얻어지는 범위를 나타내는 것으로 한다. 예를 들어 위치 맞춤 등에 의해 광과 굴절률 매체의 위치 관계가 변화했을 경우, 발생시킨 성형 베셀 빔의 센트럴 로브가 해당 위치 관계의 변화에 따라 변화하는 경우가 있다.

2-2. 레이저

본 실시 형태에 있어서 레이저의 선택은 제거 가공의 원리와 밀접하게 관련된다. 파장에 대해서는 전형적으로, 가공 대상물이 강한 흡수를 나타내지 않는 긴 파장으로 설정된다. 이것을 만족하지 않고 흡수가 강하면 가공 대상물의 내부에 광이 도달하지 않아, 가공 대상물의 내부에서 성형 베셀 빔은 형성되지 않는다. 가공 대상물(W)이 실리콘 기판인 경우에 바람직한 레이저는, 실리콘 단결정의 밴드 갭(1.12 eV)에 대응하는 1.13μm보다 긴 파장을 갖는 것으로, 예를 들어 1.5μm로 된다. 다른 종류의 반도체 기재가 가공 대상물이 되는 경우에도, 그 가공 대상물의 흡수 파장 대역을 벗어나는 장파장측으로 레이저의 파장이 선택된다. 다만 가공 대상물 표면에서만 성형 베셀 빔을 형성하고자 하는 경우는, 불투명한 보다 짧은 파장의 빔을 이용할 수도 있다.

제거 가공의 실용성을 높이는 목적에서는, 성형 베셀 빔에 의해 강한 광의 범위를 위치적으로 제한하는 것을 포함하여, 강한 광 강도를 얻는 것이 유용하다. 제거 타겟 패스의 센트럴 로브에 있는 가공 대상물의 내부의 재질에 의해 다광자 흡수를 발생시키기 위해, 광전계를 강하게 하는 것이 효과적이 된다. 그러므로, 레이저 펄스의 펄스폭(펄스 기간)을 짧게 하여 광전계를 강하게 하는 것이 바람직하다. 이용되는 광원의 펄스 레이저는, 펄스 발진 가능한 레이저나 펄스 여기되는 레이저를 이용할 수 있고, 또한 필요에 따라 빔 압축 등 임의의 수법에 의해 시간축 상에서 펄스의 압축도 이용할 수 있다.

광원이 펄스 레이저이면, 전술한 파장을 적절히 설정하기 위해서도, 광학 결정을 이용할 수 있다. 전술한 광 파라메트릭 증폭기(OPA)(4)는, 파장의 조정 용이성과 펄스 발진의 요건을 양립시키는 것에 도움이 된다. 한편, 처음부터 원하는 파장 및 펄스폭의 펄스를 발진하는 레이저를 준비하면, 증폭기(OPA)(4)는 필요하지 않다.

2-3. 가공 원리

전술한 것처럼 본 실시 형태에서는 비선형 흡수, 특히 다광자 흡수가 이용된다. 광전계가 위치적·시간적으로 압축된 강대한 것이 되어 있으면, 코히렌트(COHERENT)에 겹쳐져 강대화된 전계의 작용에 의해 가상 준위를 매개한 복수의 전이(遷移)를 동시에 일으킬 수 있다. 이러한 가상 준위를 매개한 전이의 확률은, 레이저의 펄스폭이 짧아질수록 높아지지만, 여기된 전자가 완화되어 열이 되어 흩어 없어지는 시간 내 정도이면 충분한 전이 확률이 얻어지는 동시에, 비열적인 양호한 절제(ABLATION) 가공을 실행할 수 있다. 또한, 다광자 흡수는, 전계가 강대해짐으로써 확률이 늘기 때문에, 광이 피크 위치(도 1, z축)에 도달할 때까지는 다광자 흡수의 확률은 작다. 즉, 다광자 흡수가 생기는 것은, 피크 위치까지 통상적인 의미에서의 흡수가 생기는 것을 의미하지는 않는다. 만약, 종래의 베셀 빔을 채용하면, 센트럴 로브보다 작은 강도의 사이드 로브가 빔축에 동일 축인 원통면의 위치에 극대값을 갖도록 다수 생성된다. 광전계가 강대한 경우에는, 사이드 로브에서도 확률적으로 흡수가 생길 가능성이 있으므로, 센트럴 로브로의 에너지가 감쇄된다.

도 11에 나타내는 바와 같이 가공 대상물(W)은 위치 맞춤 장치(300)에 대해 적어도 일시적으로 고정되어 있다. 위치 맞춤 장치(300)는 피크 범위에 대해 가공 대상물(W)의 상대 위치를 조정하도록 동작한다.

2-4. 보조액에 의한 개량

다음으로, 보조액을 이용하는 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 11에는, 보조액을 이용하는 실시 형태를 위한 구성인 보조액 용기(500) 및 보조액(AL)도 함께 기재하고 있다. 보조액(AL)은, 가공 대상물(W)의 입사측의 제1 면과 반대인 제2 면(SR)에 접하고 있다. 가공 대상물(W)에 설정되는 제거 타겟 패스는, 제2 면(SR)에 도달하여 거기서 종단되어 있다. 위치 맞춤 장치(300)는, 투과 광학 소자(200)로부터의 성형 베셀 빔 펄스가 가공 대상물(W)의 내부를 통과하는 센트럴 로브가 보조액에 도달하도록, 위치 맞춤한다.

보조액(AL)은, 가공 대상물(W)을 통과하여 제2 면(SR)을 출사한 레이저광을 받으면, 가공 대상물(W)의 제2 면(SR)측에서의 에칭을 돕는 작용을 갖는다. 이러한 작용을 갖는 임의의 액체가 본 실시 형태의 보조액으로 채용된다. 그 일례는 질산은(AgNO₃) 수용액이다.

보조액(AL)을 이용하면, 절제를 발생시킬 정도로 강한 피크를 얻을 수 없는 경우에도, 피크 범위로 한정된 제거 가공이 가능해진다. 예를 들어, 가공 대상물(W)이 두꺼운 경우, 가공 대상물(W)의 내부에 도달 가능한 레이저의 파장을 적절히 선택해도, 낮은 확률로 발생하는 다광자 흡수 등의 원인으로 특히 출사측 표면 근처에서 충분한 강도의 피크를 얻을 수 없는 경우가 있다. 그러한 경우도 보조액에 의해 제2 면(SR)측으로부터 에칭이 촉진되면 가공이 용이해진다. 이 경우에서도, 성형 베셀 빔에서는 사이드 로브가 억제되어 있으므로, 사이드 로브의 위치에서 의도하지 않는 가공이 진행되는 것을 회피할 수 있다.

2-5. 제거 가공의 실시예

다음으로, 본 실시 형태의 제거 가공에 대한 실시예를 설명한다. 아래의 실시예에 나타내는 재료, 사용량, 비율, 처리 내용, 처리 순서, 요소 또는 부재의 방향이나 구체적 배치 등은 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한 적절히 변경할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 아래의 구체적인 예에 한정되는 것은 아니다. 아래의 설명에 있어서는, 지금까지 설명한 도면도 계속해서 참조하고, 설명이 끝난 요소의 부호는 그대로 이용한다.

도 9, 10에서 설명한 종래의 베셀 빔 및 성형 베셀 빔에 의해 TSV의 가공성을 확인했다. 가공 대상물(W)로 실리콘 웨이퍼를 채용하고, 간단함을 위해, 빔에 대해 실리콘 웨이퍼를 고정했다. 펄스 에너지는, 각 빔으로 관통공을 형성하기 위한 임계값보다 약간 높게 설정하고, 쇼트수(펄스수)는, TSV의 테이퍼각을 최소화하는 값으로 최적화했다.

종래의 베셀 빔에서는, 최적화된 펄스 에너지 및 쇼트수는, 각각, 196μJ 및 500 쇼트로 최적화되었다. 펄스 에너지가 커진 것은, 종래의 베셀 빔에서는 사이드 로브의 큰 비율 때문이고, 긴 z_DOF를 생성하는 것과 등가라고 생각하고 있다. BPP1 및 BPP2가 채용되어 TSV 가공을 수행하는 케이스에서는, 필요한 펄스 에너지는, 각각 135μJ 및 47μJ로 감소시킬 수 있고, 최적화된 쇼트수는, 양쪽 모두의 BPP에 대해 800 쇼트가 되었다. 중요한 것은, BBP를 채용하는 것에 의해, 베셀 빔의 사이드 로브가 억제되어 에너지가 센트럴 로브의 형성에 의해 집중되기 때문에 TSV 형성을 위해 필요한 펄스 에너지를 크게 삭감할 수 있는 것이다. 종래의 베셀 빔 및 성형 베셀 빔 양쪽에 있어서, TSV 가공 중에, 실리콘 샘플의 전체면 표면에 대하여, z=z_MAX로 했다.

레이저로 관통공을 뚫은 후 TSV 샘플을 금긋기 나이프에 의해 커팅하여, SEM 검사에 의해 단면을 확인했다. 도 12는, 50μm 두께의 Si 기판을 대상으로 각기 다른 프로파일을 갖는 레이저 빔에 의해 관통공을 형성하고, 그 TSV 샘플을 절단한 단면의 SEM 관찰상이다. 종래의 베셀 빔을 채용함으로써, 거의 테이퍼가 없는 TSV가 실현되었지만, 3차까지의 사이드 로브가, TSV 주위에 바람직하지 않은 데미지를 생성했다. BPP1을 사용함으로써, 사이드 로브 야기 데미지는, 유의미하게 억제되었지만, 1차 사이드 로브에 의해 야기된 데미지는, 2.2%의 상대적으로 높은 SLR 때문에 검지되었다. 이에 대해, SLR을 0.6% 정도로까지 경감하여, 사이드 로브의 에너지를 데미지가 생기는 임계값보다 작게 한 BPP2는, 완전히 명백한 데미지를 제거할 수 있었다.

또한, 100μm 두께의 Si 기판에서의 TSV 형성을, 상기 3 종류의 fs 레이저 빔으로 시도했지만, 50μm 두께와 달리 100μm 두께의 Si 기판에서의 TSV가 BPP2의 성형 베셀 빔만 TSV를 형성할 수 있었던 것은, 유의해야 한다. 도 13은, 100μm 두께의 Si 기판에 대해서 50μm 간격(배열 피치)의 TSV 어레이를 형성한 샘플(「TSV 샘플」이라고 부른다)의 단면(도 13 A), 표면(입사측: 도 13 B, 출사측: 도 13 C)을 관찰한 SEM 관찰상이다. 도 13 B, 13 C에 있어서 삽입도의 축척 바는 5μm 길이이다. 100μm 두께의 Si 기판에서의 프로세스를 위해 최적화된 펄스 에너지 및 쇼트수는 104μJ 및 1200 쇼트이다. 다른 2 종류의 fs 레이저에서는, 입사 펄스 에너지 및 쇼트수를 증대해도 50μm 두께와 달리 100μm 두께의 Si 기판에 구멍을 관통시킬 수 없었다. BPP2에서는, 100μm 두께의 Si 기판에 50μm 간격의 TSV 어레이가 제작되었다. 도 13 A의 단면으로부터 알 수 있듯이, 사이드 로브 야기의 데미지로 검지 가능한 것은 관찰되지 않고, 본 수법이 100μm 두께와 같은 두꺼운 Si 기판에 대해 유효하다는 것을 증명하는 것이 되었다. 도 13 A에 있어서, 심한 미소편(微小片)의 부착이 Si 기판의 특히 앞면측(지면 윗쪽 방향)에서 관찰되었다. 이 미소편을 제거하기 위해, TSV 샘플을 47%HF, 70% HNO₃, 및 100 H₂O(체적비 5:3:1) 중에 10분 침지하고(초음파 없음), 그 후 이온 교환 순수(純水)로 세정했다. 이 순서 다음, TSV 샘플은 도 13 B, 13 C에 나타내는 바와 같이 앞면 및 뒷면 모두 청정한 표면이 되었다.

3. 변형예

본 발명은 전술한 각 실시 형태를 변형된 각종 실시 형태에 의해 실시할 수 있다. 이것을 변형예로서 설명한다.

3-1. 변형예 1: BPP 이외의 윤대 위상 소자

전술한 설명은 주로 BPP(2치 위상판)를 예로 하여 윤대 위상 소자의 유효성을 나타냈지만, 본 실시 형태에 채용 가능한 윤대 위상 소자는, 반드시 BPP일 필요는 없다. 예를 들어 3치 또는 그 이상의 값의 위상 분포를 부여하는 것도 유효하다. 또한, 위상이 2ð(1 진동, 또는 1 파장)의 정수배에 대해 분별이 되지 않는 성질로부터, 예를 들어 계단형으로 두께가 달라 2ð 이상의 위상차를 부여하는 위상 분포는, 위상차로서 증감을 부여하는 것과 동일하게 취급할 수 있다.

3-2. 변형예 2: 액시콘의 방향

전술한 설명에서는, 투과 광학 소자(200)의 원추 측면을 갖는 돌출면을 출사측에 고정하여 설명했지만, 윤대 위상 소자(100)의 성질이나 레이저 강도와 액시콘의 재질의 내구성 등에 따라서는, 액시콘의 원추 측면을 갖는 돌출면을 입사측으로 할 수도 있다.

3-3. 변형예 3: 밀착·일체화

각 실시 형태에서는 각각 준비된 투과 광학 소자(200)와 윤대 위상 소자(100)를 서로 분리하여 배치하는 사용예에 근거하여 설명했지만, 투과 광학 소자(200)와 윤대 위상 소자(100)는 그 기능을 유지한 채로 서로 밀착시켜 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타내는 바와 같이 레이저 광원(2)측으로부터 윤대 위상 소자(100), 투과 광학 소자(200)로 배치할 때에는, 윤대 위상 소자(100)는 그 거리를 미리 결정한 다음 설계·제조되지만, 윤대 위상 소자(100)와 투과 광학 소자(200)의 거리는 설계 시점에서는 배치 가능한 임의의 거리가 된다. 따라서, 예를 들어, 윤대 위상 소자(100)를 투과 광학 소자(200)에 직접 또는 어떠한 광투과성의 층을 통해 밀착시키는 것도 본 발명의 실시 형태 중 하나가 된다. 그 경우, 계면이 감소하는 것에 의한 투과광량의 증가나, 얼라이먼트(Alignment) 요인의 삭감에 의한 실용성의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 투과 광학 소자(200)와 윤대 위상 소자(100)를 일체의 광투과성 부재에 통합하는 구성도 실용성이 높다. 투과 광학 소자(200)의 평면부에 어떠한 광투과성 박막의 패터닝을 하거나 또는, 투과 광학 소자(200)의 재질 그 자체를 에칭하는 등의 방법에 의해 윤대 위상 소자(100)를 통합하는 것은 실용성의 관점에서 바람직하다. 예를 들어 투과 광학 소자(200)의 원추 측면이, 전술한 둥그스름함과 같은 형상 편차를 피할 수 없는 경우에, 개별의 투과 광학 소자(200)의 형상 에러를 반영한 윤대 위상 소자(100)가 통합하고 있으면, 사용자는 소기의 성능이 간단하게 얻어지는 빔 성형 장치(10)를 하나의 광학 부재만으로 얻을 수 있다. 마찬가지로 광학 소자(200) 및 윤대 위상 소자(100)에 더하여, 예를 들어 애퍼처(8)가 추가되어 통합되어 있는 것도 바람직하다.

3-4. 변형예 4: 제거 가공에 의한 절단

전술한 설명의 특히 관통공에 관한 설명에서는, 고립된 관통공 또는 그 어레이의 가공을 설명했다. 본 실시 형태의 가공 방법을 사용하면, 선형으로 연속하여 예를 들어 Si 웨이퍼를 절단할 수 있다. 가는 선폭으로 절단할 수 있는 본 실시 형태의 제거 가공 방법은, 예를 들어 웨이퍼로부터 다수의 유효한 칩을 잘라내는 용도로 유용하다. 또한, 회전 박막 지석(砥石)에 의한 다이싱과 달리 직선뿐 아니라 복잡한 곡선이나 닫힌 곡선 형상의 절단이 생기는 점에서도 본 실시 형태의 제거 가공은 유용하다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명했다. 전술한 각 실시 형태 및 구성예는 발명을 설명하기 위해 기재된 것으로, 본 출원의 발명의 범위는 청구 범위의 기재에 근거하여 정해져야 할 것이다. 각 실시 형태의 다른 조합을 포함하는 본 발명의 범위 내에 존재하는 변형예도 또한 청구 범위에 포함되는 것이다.

본 발명은 광축 방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 레이저를 사용하는 임의의 장치, 또는, 그러한 레이저 빔에 의한 제거 가공을 수행하는 임의의 장치에 사용 가능하다.

10: 빔 성형 장치
100: 윤대 위상 소자
102: 중심 영역
104: 중간 영역
106: 가장자리 영역
200: 투과 광학 소자
2: 광원
4: 광 파라메트릭 증폭기
6: 빔 익스펜더
8: 애퍼처
9: 추가 광학계
92: 가변 ND 필터
94: 셔터
96: 미러
1000: 제거 가공 장치
300: 위치 맞춤 장치
400: 관찰 광학계
410: 필터
420: 대물렌즈
430: 카메라
500: 보조액 용기
A1~A6: 윤대
W: 가공 대상물
SR: 제2 면
AL: 보조액

Claims (18)

1. 어느 회전축 주위에 축대칭으로 해당 회전축으로부터의 거리에 따라 증감되는 위상 분포를 소정 파장의 레이저광에 부여하는 윤대 위상 소자;
   어느 원추축을 갖는 원추 측면 또는 그 원추 측면이 되도록 제조된 표면의 형상으로 된 돌출면을 적어도 표면의 일부에 갖고, 상기 소정 파장에 있어서 주위보다 높은 굴절률을 나타내는 재질의 투과 광학 소자;를 구비하고,
   상기 윤대 위상 소자와 상기 투과 광학 소자의 배치는, 상기 레이저광이 상기 회전축과 상기 원추축을 따라 진행하여 상기 돌출면을 통과하게 되어 있고,
   상기 투과 광학 소자는 상기 돌출면을 마주보는 표면이 평면으로 되어 있고,
   상기 윤대 위상 소자와 상기 투과 광학 소자의 상기 배치는, 상기 윤대 위상 소자를 통과하여 상기 위상 분포가 부여된 상기 레이저광이, 상기 평면의 옆에서 입사하여 상기 돌출면에서 출사하도록 상기 투과 광학 소자를 통과하도록 되어 있고,
   상기 윤대 위상 소자는, 상기 회전축 상에 중심을 갖는 적어도 하나의 원에 의해 구분되는 복수의 윤대 영역을 갖고, 두께를 각 윤대 영역에서 변화시킨 광투과성 물질의 2치 위상판(BPP)이며,
   상기 2치 위상판(BPP)에서 상기 복수의 윤대 영역을 구분하는 상기 적어도 하나의 원의 지름은, 상기 투과 광학 소자의 상기 돌출면을 통과한 상기 레이저광이, 사이드 로브가 억제되면서 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 빔인 성형 베셀 빔을 형성하도록 결정되어 있는 것인 레이저 빔 성형 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 빔 성형 장치는 상기 레이저광으로부터 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 레이저 빔을 형성하는 것이고,
   상기 윤대 위상 소자는, 상기 투과 광학 소자와 함께 사용될 때, 상기 센트럴 로브 주위의 사이드 로브에 분배되게 되는 광을 상기 센트럴 로브에 모으는 작용을 발휘하는 것인 레이저 빔 성형 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 윤대 위상 소자는, 상기 회전축상에 중심을 갖는 적어도 하나의 원에 의해 구분되는 복수의 윤대 영역을 갖고,
   상기 위상 분포는, 각 윤대 영역에 대응하는 상기 소정 파장의 레이저광의 각 부분의 위상이, 상기 윤대 영역 각각의 범위에서 똑같고, 상기 복수의 윤대 영역에 걸쳐 번갈아 변화하는 것인 레이저 빔 성형 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 윤대 위상 소자는, 상기 회전축 상에 중심을 갖는 적어도 하나의 원에 의해 구분되는 복수의 윤대 영역을 갖고,
   상기 위상 분포는, 이웃하는 상기 윤대 영역이 상기 소정 파장의 레이저광에 반파장분의 위상차를 가져오도록 하여 상기 복수의 윤대 영역마다 번갈아 변화하는 것인 레이저 빔 성형 장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 투과 광학 소자의 상기 돌출면의 표면 형상이, 상기 돌출면의 꼭대기점 부근에 있어서, 상기 돌출면의 가장자리로부터 규정되는 원추 측면에 비해 둥그스름해져 있고,
   상기 2치 위상판(BPP)에서 상기 복수의 윤대 영역을 구분하는 상기 적어도 하나의 원의 지름은, 상기 둥그스름함을 반영한 상기 투과 광학 소자에 적합시켜, 상기 투과 광학 소자의 상기 돌출면을 통과한 상기 레이저광이, 사이드 로브가 억제되면서 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 빔인 성형 베셀 빔을 형성하도록 결정되어 있는 것인 레이저 빔 성형 장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   빔축방향에 따라 상기 센트럴 로브가 연장되는 길이가, 상기 윤대 위상 소자를 제거하여 상기 투과 광학 소자를 통과시킨 상기 레이저광에서 얻어지는 빔의 센트럴 로브가 빔축방향에 따라 연장되는 길이보다 짧아져 있는 레이저 빔 성형 장치.
9. 상기 소정 파장이 가공 대상물의 내부에 도달 가능한 파장이고,
   상기 소정 파장의 레이저광의 펄스를 방사하기 위한 광원;
   해당 광원으로부터의 상기 레이저광의 펄스가 입사되는 청구항 1에 따른 레이저 빔 성형 장치;
   상기 레이저광의 펄스로부터 상기 레이저 빔 성형 장치에 의해 형성되는 상기 센트럴 로브를, 상기 가공 대상물의 상기 내부에 위치되는 제거 타겟 패스의 일부 또는 전부와 겹쳐지도록 위치 맞춤하기 위한 위치 맞춤 장치; 를 구비하는 제거 가공 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 레이저 빔 성형 장치가 상기 레이저광으로부터 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 레이저 빔을 형성하는 것이고,
    상기 윤대 위상 소자는, 상기 투과 광학 소자와 함께 사용될 때, 상기 센트럴 로브 주위의 사이드 로브에 분배되게 되는 광을 상기 센트럴 로브에 모으는 작용을 발휘하는 것인 제거 가공 장치.
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 광원은, 상기 가공 대상물을 이루는 재질이 강한 흡수를 나타내지 않는 파장을 갖는 레이저 광원이며, 해당 재질에 의해 다광자 흡수가 생길 수 있는 정도의 짧은 펄스폭으로 설정 가능한 것인 제거 가공 장치.
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제거 타겟 패스가 상기 가공 대상물 중 어느 하나의 표면에서 종단되어 있고,
    상기 파장의 광을 받으면 상기 가공 대상물의 에칭을 돕는 작용을 갖는 보조액이 상기 표면에서 상기 가공 대상물에 접촉되어 있고,
    상기 위치 맞춤 장치는, 상기 펄스가 상기 가공 대상물의 내부를 통과하고, 상기 센트럴 로브가 상기 표면에서 상기 보조액에 도달하도록 위치 맞춤 하는 것이고,
    이것에 의해, 상기 보조액이 상기 펄스를 받아 상기 가공 대상물의 에칭을 돕도록 작용하는 제거 가공 장치.
13. 청구항 9에 있어서,
    상기 가공 대상물이 실리콘 단결정 기판이며,
    상기 파장이 1.12μm보다 긴 제거 가공 장치.
14. 어느 원추축을 갖는 원추 측면 또는 그 원추 측면이 되도록 제조된 표면의 형상으로 된 돌출면을 적어도 표면의 일부에 갖고 소정 파장에 있어서 주위보다 높은 굴절률을 나타내는 재질의 투과 광학 소재와 함께 사용되는 윤대 위상 소자로서,
    상기 원추축을 따라 상기 돌출면을 통과하는 상기 소정 파장의 레이저광에 대해, 해당 레이저광이 따라 진행하는 방향의 회전축 주위에 축 대칭이며, 해당 회전축으로부터의 거리에 따라 증감되는 위상 분포를 부여하는 것이며,
    상기 회전축 상에 중심을 갖는 적어도 하나의 원에 의해 구분되는 복수의 윤대 영역을 갖고, 두께를 각 윤대 영역에서 변화시킨 광투과성 물질의 2치 위상판(BPP)이며,
    상기 2치 위상판(BPP)에서 상기 복수의 윤대 영역을 구분하는 상기 적어도 하나의 원의 지름은, 상기 투과 광학 소자의 상기 돌출면을 통과한 상기 레이저광이, 사이드 로브가 억제되면서 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 빔인 성형 베셀 빔을 형성하도록 결정되어 있는 것인 윤대 위상 소자.
15. 삭제
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 투과 광학 소자의 상기 돌출면의 표면 형상이, 상기 돌출면의 꼭대기점 부근에 있어서, 상기 돌출면의 가장자리로부터 규정되는 원추 측면에 비해 둥그스름해져 있고,
    상기 2치 위상판(BPP)에서 상기 복수의 윤대 영역을 구분하는 상기 적어도 하나의 원의 지름은, 상기 둥그스름함을 반영한 상기 투과 광학 소자에 적합시켜, 상기 투과 광학 소자의 상기 돌출면을 통과한 상기 레이저광이, 사이드 로브가 억제되면서 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 빔인 성형 베셀 빔을 형성하도록 결정되어 있는 것인 윤대 위상 소자.
17. 소정 파장의 레이저광으로부터 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 레이저 빔을 형성하는 레이저 빔 성형 장치를 위한 윤대 위상 소자로서,
    작용시킨 상기 레이저광에 대해 어느 회전축 주위에 축대칭의 위상 분포를 부여하게 되어 있고,
    어느 원추축을 갖는 원추 측면 또는 그 원추 측면이 되도록 제조된 표면의 형상으로 된 돌출면을 적어도 표면의 일부에 갖고 소정 파장에 있어서 주위보다 높은 굴절률을 나타내는 재질을 갖는 상기 돌출면에 대향하는 표면이 평면으로 되어 있는 투과 광학 소자와 함께 사용되며,
    상기 윤대 위상 소자와 상기 투과 광학 소자의 배치는, 상기 윤대 위상 소자를 통과하여 상기 위상 분포가 부여된 상기 레이저광이, 상기 평면의 옆에서 입사하여 상기 돌출면에서 출사하도록 상기 투과 광학 소자를 통과하도록 되어 있고,
    상기 윤대 위상 소자는, 상기 회전축 상에 중심을 갖는 적어도 하나의 원에 의해 구분되는 복수의 윤대 영역을 갖고, 두께를 각 윤대 영역에서 변화시킨 광투과성 물질의 2치 위상판(BPP)이며,
    상기 2치 위상판(BPP)에서 상기 복수의 윤대 영역을 구분하는 상기 적어도 하나의 원의 지름은, 상기 투과 광학 소자의 상기 돌출면을 통과한 상기 레이저광이, 사이드 로브가 억제되면서 빔축방향으로 연장된 센트럴 로브를 갖는 빔인 성형 베셀 빔을 형성하도록 결정되어 있는 것이며,
    사용될 때, 상기 센트럴 로브의 사이드 로브에 분배되게 되는 광을 상기 센트럴 로브에 모으는 작용을 발휘하는, 윤대 위상 소자.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 윤대 위상 소자는, 상기 회전축을 포함하는 중심 영역과, 상기 중심 영역을 둘러싸는 중간 영역과, 해당 중간 영역을 둘러싸는 가장자리 영역을 상기 레이저광이 작용하는 영역으로 갖고 있고,
    상기 중심 영역 및 상기 가장자리 영역 양쪽의 범위에 있어서 상기 레이저광에 대해 위치에 따라 변화하는 위상을 부여하고, 상기 중간 영역에서 상기 레이저광에 대해 위치에 따라 변화하지 않는 위상을 부여하는 윤대 위상 소자.
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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