KR20050086756A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20050086756A
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켄시 후쿠미츠
테츠야 오사지마
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 가공 장치(20)는, 빔 익스팬더(34)와 렌즈 홀더(29)의 제1의 광 통과 구멍(32)을 연결하는 레이저 광(L1)의 광로 상에, 제1의 광 통과 구멍(32)과 동일 지름의 제2의 광 통과 구멍(39)을 갖는 다이어프램 부재(38)가 배치되어 있다. 다이어프램 부재(38)는 렌즈 홀더(29)로부터 이간하고 있기 때문에, 제2의 광 통과 구멍(39)의 주위 부분에서 커트된 레이저 광(L1)에 의해, 다이어프램 부재(38)가 가열되어도, 다이어프램 부재(38)로부터 렌즈 홀더(29)에의 열전달이 방지된다.
따라서, 렌즈 홀더(29)의 가열에 의한 레이저 광(L1)의 집광점(P1)의 위치 변동을 작게 억제한다.

Description

레이저 가공 장치 {LASER PROCESSING DEVICE}
본 발명은 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질(改質) 영역을 형성하기 위한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
종래부터, 레이저 광을 가공 대상물에 조사하는 것으로 용단(溶斷) 등의 가공을 행하는 레이저 가공 장치가 있다. 이 종류의 레이저 가공 장치는, 레이저 광을 가공 대상물에 향하여 집광하기 위한 집광 렌즈가 설치된 레이저 헤드를 가지며, 이 레이저 헤드의 레이저 광 입사측에는, 집광 렌즈에 입사하는 레이저 광의 지름을 일정하게 하기 위한 입사동(入射瞳)으로서 광 통과 구멍이 설치되는 것이 일반적이다(예를 들면, 특개평 5-212571호 공보, 실개평 3-18979호 공보 참조).
도 1은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법에 의한 레이저 가공 중의 가공 대상물의 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 가공 대상물의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법에 의한 레이저 가공 후의 가공 대상물의 평면도이다.
도 4는 도 3에 나타내는 가공 대상물의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3에 나타내는 가공 대상물의 V-V선에 따른 단면도이다.
도 6은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법에 의해 절단 된 가공 대상물의 평면도이다.
도 7은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법에 있어서의 전계 강도와 크랙 스폿의 크기와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법의 제1 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 9는 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법의 제2 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 10은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법의 제3 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 11은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법의 제4 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 12는 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법에 의해 절단 된 실리콘 웨이퍼의 일부에 있어서의 단면의 사진을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법에 있어서의 레이저 광의 파장과 실리콘 기판의 내부의 투과율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.
도 15는 도 14에 나타내는 레이저 가공 장치의 주요부를 나타내는 확대도이다.
도 16은 도 14에 나타내는 레이저 가공 장치에 있어서의 레이저 가공 개시로부터의 경과 시간과 렌즈 홀더의 상승 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 발산 광인 경우의 레이저 가공 장치의 주요부를 나타내는 개략 구성도이다.
도 18은 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 집속 광인 경우의 레이저 가공 장치의 주요부를 나타내는 개략 구성도이다.
상술한 바와 같은 레이저 가공 장치에 있어서는, 입사동 직경보다 큰 빔 사이즈의 레이저 광이 레이저 헤드의 광 통과 구멍을 향하여 조사되므로, 광 통과 구멍의 주위 부분에서 커트된 레이저 광에 의해 레이저 헤드가 가열되며, 이것에 의해 집광 렌즈도 가열되게 된다. 그 때문에, 레이저 헤드나 집광 렌즈가 팽창하는 등 하여, 가공 대상물에 대한 레이저 광의 집광점의 위치가 레이저 가공 중에 변동하고 말 우려가 있다.
그리고, 이와 같은 집광점의 위치 변동은, 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역을 형성하는 것과 같은 레이저 가공에서는, 특히 까다로운 문제가 된다. 그 이유로서는, 예를 들면 두께 100㎛ 이하의 실리콘 웨이퍼를 가공 대상물로 할 때에는, 레이저 광의 집광점의 위치 제어가 ㎛ 오더로 요구되는 경우가 있기 때문이다.
그래서, 본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 레이저 가공 중에 있어서의 레이저 광의 집광점의 위치 변동을 작게 억제할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치는, 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 집광점을 맞춰서 레이저 광을 조사하고, 가공 대상물의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 장치로서, 레이저 광원으로부터 출사된 레이저 광의 빔 사이즈를 확대하는 빔 익스팬더와, 빔 익스팬더를 통하여 입사한 레이저 광을 가공 대상물의 내부에 집광하는 집광 렌즈와, 집광 렌즈를 유지하는 동시에, 집광 렌즈에 레이저 광을 입사시키는 제1의 광 통과 구멍을 갖는 렌즈 홀더를 구비하고, 빔 익스팬더와 제1의 광 통과 구멍을 연결하는 레이저 광의 광로 상에는, 레이저 광을 죄여서 통과시키는 제2의 광 통과 구멍을 갖는 다이어프램 부재가 설치되며, 그 다이어프램 부재는 렌즈 홀더로부터 이간하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 가공 장치에 있어서는, 빔 익스팬더에 의해 빔 사이즈가 확대된 레이저 광이 다이어프램 부재의 제2의 광 통과 구멍을 향하여 조사되기 때문에, 제2의 광 통과 구멍보다 큰 레이저 광의 외주 부분이 커트되며, 이것에 의해, 레이저 광은 빔 사이즈가 죄여져서 제2의 광 통과 구멍을 통과하게 된다. 이 제2의 광 통과 구멍을 통과한 레이저 광은, 집광 렌즈를 유지하는 렌즈 홀더의 제1의 광 통과 구멍을 향하여 조사되며, 이 제1의 광 통과 구멍을 통과한 레이저 광이 집광 렌즈에 의해 집광된다. 그리고, 그 집광점을 웨이퍼 형상(즉, 얇고 평평한 형상)의 가공 대상물의 내부에 맞추는 것으로, 가공 대상물의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역을 형성한다. 이와 같이 빔 익스팬더와 제1의 광 통과 구멍을 연결하는 레이저 광의 광로 상에 다이어프램 부재를 설치하는 것으로, 빔 익스팬더에 의해 빔 사이즈가 확대된 레이저 광을 렌즈 홀더의 제1의 광 통과 구멍을 향하여 직접 조사시키는 경우에 비해, 제1의 광 통과 구멍의 주위 부분에 의한 레이저 광의 커트량을 감소시킬 수 있고, 커트된 레이저 광에 의한 렌즈 홀더의 가열을 억제할 수 있게 된다. 게다가, 다이어프램 부재는 렌즈 홀더로부터 이간하고 있기 때문에, 제2의 광 통과 구멍의 주위 부분에서 커트된 레이저 광에 의해 다이어프램 부재가 가열되어도, 다이어프램 부재로부터 렌즈 홀더에의 열전달이 방지된다. 따라서, 레이저 가공 중에 있어서의 렌즈 홀더의 가열을 주원인으로 한 레이저 광의 집광점의 위치 변동을 작게 억제할 수 있고, 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 있어서의 소정의 위치에 정밀도 좋게 개질 영역을 형성할 수 있게 된다.
또, 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 대략 평행 광인 경우, 제2의 광 통과 구멍의 지름은 제1의 광 통과 구멍의 지름 이하인 것이 바람직하다. 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 완전한 평행 광인 경우에는, 제2의 광 통과 구멍의 지름과 제1의 광 통과 구멍의 지름을 동일 지름으로 하는 것으로, 다이어프램 부재의 제2의 광 통과 구멍을 통과한 레이저 광의 지름을 제1의 광 통과 구멍의 지름과 동등하게 할 수 있다. 또, 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 약간 넓어지는 것과 같은 대략 평행 광인 경우에는, 레이저 광의 확대분을 고려하여 제2의 광 통과 구멍의 지름을 제1의 광 통과 구멍의 지름보다 작게 하는 것으로, 제1의 광 통과 구멍의 주위 부분에 입사하는 레이저 광을 거의 없앨 수 있다. 따라서, 집광 렌즈의 집광 특성을 최대한으로 발휘시키면서, 제1의 광 통과 구멍의 주위 부분에 의한 레이저 광의 커트량을 거의 없애고, 렌즈 홀더의 가열을 보다 한층 억제할 수 있게 된다. 여기서, 대략 평행 광이란, 완전한 평행 광까지도 포함하는 의미이다.
또, 레이저 광원이 빔 지름 φ0, 발산 각도 2θ0로 레이저 광을 출사하고, 빔 익스팬더가 배율 M으로 레이저 광의 빔 사이즈를 확대하여, 발산 각도 2θ1으로 레이저 광을 출사하는 경우, 레이저 광원의 출사부와 빔 익스팬더의 입사부와의 거리를 d1, 빔 익스팬더의 출사부와 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d2, 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와 제1의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d3로 하고, 제1의 광 통과 구멍의 지름을 φL, 제2의 광 통과 구멍의 지름을 φS로 하면, φL 및 φS는,
의 관계를 충족하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 발산 광인 경우에는, 제1의 광 통과 구멍의 지름 φL과 제2의 광 통과 구멍의 지름 φS가 상기 관계를 충족하는 것으로, 제1의 광 통과 구멍의 주위 부분에 입사하는 레이저 광을 거의 없앨 수 있다. 따라서, 제1의 광 통과 구멍의 주위 부분에 의한 레이저 광의 커트량을 거의 없애고, 렌즈 홀더의 가열을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.
또, 레이저 광원이 빔 지름 φ0, 발산 각도 2θ0로 레이저 광을 출사하고, 빔 익스팬더가 배율 M으로 레이저 광의 빔 사이즈를 확대하여, 집속 각도 2θ1으로 레이저 광을 출사하는 경우, 레이저 광원의 출사부와 빔 익스팬더의 입사부와의 거리를 d1, 빔 익스팬더의 출사부와 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d2, 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와 제1의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d3로 하고, 제1의 광 통과 구멍의 지름을 φL, 제2의 광 통과 구멍의 지름을 φS로 하면, φL 및 φS는,
의 관계를 충족하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 집속 광인 경우에는, 제1의 광 통과 구멍의 지름 φL과 제2의 광 통과 구멍의 지름 φS가 상기 관계를 충족하는 것으로, 제1의 광 통과 구멍의 주위 부분에 입사하는 레이저 광을 거의 없앨 수 있다. 따라서, 제1의 광 통과 구멍의 주위 부분에 의한 레이저 광의 커트량을 거의 없애고, 렌즈 홀더의 가열을 보다 한층 억제하는 것이 가능하게 된다.
이하, 본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치의 매우 적합한 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 장치는, 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 집광점을 맞춰서 레이저 광을 조사하고, 상기 가공 대상물의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역을 형성하는 것이다. 그래서, 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 장치의 설명에 앞서, 다광자 흡수에 의한 개질 영역의 형성에 대해 설명한다.
재료의 흡수의 밴드 갭 EG보다 광자의 에너지 hν가 작으면 광학적으로 투명하게 된다. 따라서, 재료에 흡수가 생기는 조건은 hν＞EG이다. 그러나, 광학적으로 투명해도, 레이저 광의 강도를 매우 크게 하면 nhν＞EG의 조건(n=2, 3, 4, …)에서 재료에 흡수가 생긴다. 이 현상을 다광자 흡수라고 한다. 펄스 파의 경우, 레이저 광의 강도는 레이저 광의 집광점의 피크 파워 밀도(W/㎠)로 정해지며, 예를 들면 피크 파워 밀도가 1×108(W/㎠) 이상의 조건에서 다광자 흡수가 생긴다. 피크 파워 밀도는, (집광점에 있어서의 레이저 광의 1 펄스 당의 에너지)÷(레이저 광의 빔 스폿 단면적×펄스 폭)에 의해 구해진다. 또, 연속파의 경우, 레이저 광의 강도는 레이저 광의 집광점의 전계 강도(W/㎠)로 정해진다.
이와 같은 다광자 흡수를 이용하는 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공의 원리에 대해, 도 1∼도 6을 참조하여 설명한다. 도 1은 레이저 가공 중의 가공 대상물(1)의 평면도이고, 도 2는 도 1에 나타내는 가공 대상물(1)의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이며, 도 3은 레이저 가공 후의 가공 대상물(1)의 평면도이고, 도 4는 도 3에 나타내는 가공 대상물(1)의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도이며, 도 5는 도 3에 나타내는 가공 대상물(1)의 V-V선에 따른 단면도이고, 도 6은 절단된 가공 대상물(1)의 평면도이다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 가공 대상물(1)의 표면(3)에는 가공 대상물(1)을 절단해야 할 원하는 절단 예정 라인(5)이 있다. 절단 예정 라인(5)은 직선 형상으로 뻗은 가상선이다(가공 대상물(1)에 실제로 선을 그어서 절단 예정 라인(5)으로 해도 된다). 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공은, 다광자 흡수가 생기는 조건으로 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(P)을 맞춰서 레이저 광(L)을 가공 대상물(1)에 조사하여 개질 영역(7)을 형성한다. 또한, 집광점은 레이저 광(L)이 집광한 개소이다.
레이저 광(L)을 절단 예정 라인(5)을 따라(즉, 화살표 A방향을 따라) 상대적으로 이동시킴으로써, 집광점(P)을 절단 예정 라인(5)을 따라 이동시킨다. 이것에 의해, 도 3∼도 5에 나타내는 바와 같이 개질 영역(7)이 절단 예정 라인(5)을 따라 가공 대상물(1)의 내부에만 형성되며, 이 개질 영역(7)을 가지고 절단 예정부(8)가 형성된다. 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 방법은, 가공 대상물(1)이 레이저 광(L)을 흡수함으로써 가공 대상물(1)을 발열시켜서 개질 영역(7)을 형성하는 것은 아니다. 가공 대상물(1)에 레이저 광(L)을 투과시켜 가공 대상물(1)의 내부에 다광자 흡수를 발생시켜서 개질 영역(7)을 형성하고 있다. 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)에서는 레이저 광(L)이 거의 흡수되지 않으므로, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융하는 일은 없다.
가공 대상물(1)의 절단에 있어서, 절단하는 개소에 기점이 있으면 가공 대상물(1)은 그 기점으로부터 갈라지므로, 도 6에 나타내는 바와 같이 비교적 작은 힘으로 가공 대상물(1)을 절단할 수 있다. 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 불필요한 갈라짐을 발생시키는 일 없이 가공 대상물(1)의 절단이 가능해진다.
또한, 절단 예정부를 기점으로 한 가공 대상물의 절단에는, 다음의 두 방법이 고려된다. 하나는, 절단 예정부 형성 후, 가공 대상물에 인위적인 힘이 인가됨으로써, 절단 예정부를 기점으로 하여 가공 대상물이 갈라져서 가공 대상물이 절단되는 경우이다. 이것은, 예를 들면 가공 대상물의 두께가 큰 경우의 절단이다. 인위적인 힘이 인가된다는 것은, 예를 들면 가공 대상물의 절단 예정부를 따라 가공 대상물에 굽힘 응력이나 전단 응력을 가하거나, 가공 대상물에 온도차를 부여함으로써 열응력을 발생시키거나 하는 것이다. 다른 하나는, 절단 예정부를 형성함으로써, 절단 예정부를 기점으로 하여 가공 대상물의 단면 방향(두께 방향)을 향하여 자연적으로 갈라지고, 결과적으로 가공 대상물이 절단되는 경우이다. 이것은, 예를 들면 가공 대상물의 두께가 작은 경우에는, 1열의 개질 영역에 의해 절단 예정부가 형성되는 것으로 가능해지며, 가공 대상물의 두께가 큰 경우에는, 두께 방향으로 복수 열 형성된 개질 영역에 의해 절단 예정부가 형성되는 것으로 가능해진다. 또한, 이 자연적으로 갈라지는 경우도, 절단하는 개소에 있어서 절단 예정부가 형성되어 있지 않은 부위에 대응하는 부분의 표면상에까지 균열이 앞서는 일이 없고, 절단 예정부를 형성한 부위에 대응하는 부분만을 분할 절단할 수 있으므로, 분할 절단의 제어를 잘 할 수 있다. 근래에, 실리콘 웨이퍼 등의 가공 대상물의 두께는 얇아지는 경향이 있으므로, 이와 같은 제어성이 좋은 분할 절단 방법은 몹시 유효하다.
그런데, 본 실시 형태에 있어서 다광자 흡수에 의해 형성되는 개질 영역으로서는, 다음의 (1)∼(3)이 있다.
(1) 개질 영역이 하나 또는 복수의 크랙을 포함하는 크랙 영역인 경우
가공 대상물(예를 들면, 유리나 LiTaO3로 이루어지는 압전 재료)의 내부에 집광점을 맞추고, 집광점에 있어서의 전계 강도가 1×108(W/㎠) 이상이며 또한 펄스 폭이 1㎲ 이하의 조건으로 레이저 광을 조사한다. 이 펄스 폭의 크기는, 다광자 흡수를 발생시키면서 가공 대상물의 표면에 불필요한 데미지를 주지 않고, 가공 대상물의 내부에만 크랙 영역을 형성할 수 있는 조건이다. 이것에 의해, 가공 대상물의 내부에는 다광자 흡수에 의한 광학적 손상이라고 하는 현상이 발생한다. 이 광학적 손상에 의해 가공 대상물의 내부에 열 왜곡이 유기되며, 이것에 의해 가공 대상물의 내부에 크랙 영역이 형성된다. 전계 강도의 상한치로서는, 예를 들면 1×1012(W/㎠)이다. 펄스 폭은, 예를 들면 1㎱∼200㎱가 바람직하다. 또한, 다광자 흡수에 의한 크랙 영역의 형성은, 예를 들면 제45회 레이저 열 가공 연구회 논문집(1998년. 12월)의 제23 페이지∼제28 페이지의 「고체 레이저 고조파에 의한 유리 기판의 내부 마킹」에 기재되어 있다.
본 발명자는 전계 강도와 크랙의 크기와의 관계를 실험에 의해 구하였다. 실험 조건은 다음과 같다.
(A) 가공 대상물 : 파이렉스(등록상표) 유리(두께 700㎛)
(B) 레이저
광원 : 반도체 레이저 여기 Nd : YAG 레이저
파장 : 1064㎚
레이저 광 스폿 단면적 : 3.14×10-8㎠
발진 형태 : Q 스위치 펄스
반복 주파수 : 100㎑
펄스 폭 : 30㎱
출력 : 출력＜1mJ/펄스
레이저 광 품질 : TEM00
편광 특성 : 직선 편광
(C) 집광용 렌즈
레이저 광 파장에 대한 투과율 : 60퍼센트
(D) 가공 대상물이 재치되는 재치대의 이동 속도 : 100㎜/초
또한, 레이저 광 품질이 TEM00란, 집광성이 높고 레이저 광의 파장 정도까지 집광 가능을 의미한다.
도 7은 상기 실험의 결과를 나타내는 그래프이다. 가로축은 피크 파워 밀도이며, 레이저 광이 펄스 레이저 광이므로 전계 강도는 피크 파워 밀도로 표시된다. 세로축은 1 펄스의 레이저 광에 의해 가공 대상물의 내부에 형성된 크랙 부분(크랙 스폿)의 크기를 나타내고 있다. 크랙 스폿이 모여 크랙 영역으로 된다. 크랙 스폿의 크기는, 크랙 스폿의 형상 중 최대의 길이로 되는 부분의 크기이다. 그래프 중의 검은 동그라미로 나타내는 데이터는 집광용 렌즈(C)의 배율이 100배, 개구수(NA)가 0.80인 경우이다. 한편, 그래프 중의 흰 동그라미로 나타내는 데이터는 집광용 렌즈(C)의 배율이 50배, 개구수(NA)가 0.55인 경우이다. 피크 파워 밀도가 1011(W/㎠) 정도로부터 가공 대상물의 내부에 크랙 스폿이 발생하며, 피크 파워 밀도가 커짐에 따라 크랙 스폿도 커지는 것을 알 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공에 있어서, 크랙 영역 형성에 의한 가공 대상물의 절단의 메커니즘에 대해 도 8∼도 11을 이용하여 설명한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 다광자 흡수가 생기는 조건으로 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(P)을 맞춰서 레이저 광(L)을 가공 대상물(1)에 조사하여 절단 예정 라인을 따라 내부에 크랙 영역(9)을 형성한다. 크랙 영역(9)은 하나 또는 복수의 크랙을 포함하는 영역이다. 이 크랙 영역(9)을 가지고 절단 예정부가 형성된다. 도 9에 나타내는 바와 같이 크랙 영역(9)을 기점으로 하여 (즉, 절단 예정부를 기점으로 하여) 크랙이 더욱 성장하고, 도 10에 나타내는 바와 같이 크랙이 가공 대상물(1)의 표면(3)과 이면(17)에 도달하고, 도 11에 나타내는 바와 같이 가공 대상물(1)이 갈라짐으로써 가공 대상물(1)이 절단된다. 가공 대상물의 표면과 이면에 도달하는 크랙은 자연적으로 성장하는 경우도 있고, 가공 대상물에 힘이 인가됨으로써 성장하는 경우도 있다.
(2) 개질 영역이 용융 처리 영역인 경우
가공 대상물(예를 들면, 실리콘과 같은 반도체 재료)의 내부에 집광점을 맞추고, 집광점에 있어서의 전계 강도가 1×108(W/㎠) 이상이며 또한 펄스 폭이 1㎲ 이하의 조건으로 레이저 광을 조사한다. 이것에 의해 가공 대상물의 내부는 다광자 흡수에 의해 국소적으로 가열된다. 이 가열에 의해 가공 대상물의 내부에 용융 처리 영역이 형성된다. 용융 처리 영역이란 일단 용융 후 재고화(再固化)한 영역이나, 바로 용융 상태의 영역이나, 용융 상태로부터 재고화하는 상태의 영역이며, 상(相)변화한 영역이나 결정 구조가 변화한 영역이라고 할 수도 있다. 또, 용융 처리 영역이란 단결정 구조, 비정질 구조, 다결정 구조에 있어서, 어떤 구조가 다른 구조로 변화한 영역이라고 할 수도 있다. 즉, 예를 들면, 단결정 구조로부터 비정질 구조로 변화한 영역, 단결정 구조로부터 다결정 구조로 변화한 영역, 단결정 구조로부터 비정질 구조 및 다결정 구조를 포함하는 구조로 변화한 영역을 의미한다. 가공 대상물이 실리콘 단결정 구조의 경우, 용융 처리 영역은 예를 들면 비정질 실리콘 구조이다. 전계 강도의 상한치로서는, 예를 들면 1×1012(W/㎠)이다. 펄스 폭은 예를 들면 1㎱∼200㎱가 바람직하다.
본 발명자는 실리콘 웨이퍼의 내부에서 용융 처리 영역이 형성되는 것을 실험에 의해 확인하였다. 실험 조건은 다음과 같다.
(A) 가공 대상물 : 실리콘 웨이퍼(두께 350㎛, 외경 4 인치)
(B) 레이저
광원 : 반도체 레이저 여기 Nd : YAG 레이저
파장 : 1064㎚
레이저 광 스폿 단면적 : 3.14×10-8㎠
발진 형태 : Q 스위치 펄스
반복 주파수 : 100㎑
펄스 폭 : 30㎱
출력 : 20μJ/펄스
레이저 광 품질 : TEM00
편광 특성 : 직선 편광
(C) 집광용 렌즈
배율 : 50배
N.A. : 0.55
레이저 광 파장에 대한 투과율 : 60 퍼센트
(D) 가공 대상물이 재치되는 재치대의 이동 속도 : 100㎜/초
도 12는 상기 조건에서의 레이저 가공에 의해 절단된 실리콘 웨이퍼의 일부에 있어서의 단면의 사진을 나타낸 도면이다. 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에 용융 처리 영역(13)이 형성되어 있다. 또한, 상기 조건에 의해 형성된 용융 처리 영역(13)의 두께 방향의 크기는 100㎛ 정도이다.
용융 처리 영역(13)이 다광자 흡수에 의해 형성된 것을 설명한다. 도 13은 레이저 광의 파장과 실리콘 기판의 내부의 투과율과의 관계를 나타내는 그래프이다. 단, 실리콘 기판의 표면측과 이면측 각각의 반사 성분을 제거하고, 내부만의 투과율을 나타내고 있다. 실리콘 기판의 두께 t가 50㎛, 100㎛, 200㎛, 500㎛, 1000㎛의 각각에 대해 상기 관계를 나타내었다.
예를 들면, Nd : YAG 레이저의 파장인 1064㎚에 있어서, 실리콘 기판의 두께가 500㎛이하인 경우, 실리콘 기판의 내부에서는 레이저 광이 80％ 이상 투과하는 것을 알 수 있다. 도 12에 나타내는 실리콘 웨이퍼(11)의 두께는 350㎛이므로, 다광자 흡수에 의한 용융 처리 영역(13)은 실리콘 웨이퍼의 중심 부근, 즉 표면으로부터 175㎛의 부분에 형성된다. 이 경우의 투과율은 두께 200㎛의 실리콘 웨이퍼를 참고로 하면 90％이상이므로, 레이저 광이 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에서 흡수되는 것은 근소하며, 대부분이 투과한다. 이것은, 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에서 레이저 광이 흡수되고, 용융 처리 영역(13)이 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에 형성(즉, 레이저 광에 의한 통상의 가열로 용융 처리 영역이 형성)된 것이 아니라, 용융 처리 영역(13)이 다광자 흡수에 의해 형성된 것을 의미한다. 다광자 흡수에 의한 용융 처리 영역의 형성은, 예를 들면 용접 학회 전국 대회 강연 개요 제66집(2000년 4월)의 제72 페이지∼제73 페이지의 「피코초(pico-second) 펄스 레이저에 의한 실리콘의 가공 특성 평가」에 기재되어 있다.
또한, 실리콘 웨이퍼는, 용융 처리 영역을 가지고 형성되는 절단 예정부를 기점으로 하여 단면 방향을 향하여 갈라짐을 발생시키고, 그 갈라짐이 실리콘 웨이퍼의 표면과 이면에 도달함으로써 결과적으로 절단된다. 실리콘 웨이퍼의 표면과 이면에 도달하는 이 갈라짐은 자연적으로 성장하는 경우도 있고, 실리콘 웨이퍼에 힘이 인가됨으로써 성장하는 경우도 있다. 또한, 절단 예정부로부터 실리콘 웨이퍼의 표면과 이면에 갈라짐이 자연적으로 성장하는 경우에는, 절단 예정부를 형성하는 용융 처리 영역이 용융하고 있는 상태로부터 갈라짐이 성장하는 경우와, 절단 예정부를 형성하는 용융 처리 영역이 용융하고 있는 상태로부터 재고화할 때에 갈라짐이 성장하는 경우의 어느 쪽도 있다. 다만, 어느 쪽의 경우도 용융 처리 영역은 실리콘 웨이퍼의 내부에만 형성되고, 절단 후의 절단면에는 도 12와 같이 내부에만 용융 처리 영역이 형성되어 있다. 가공 대상물의 내부에 용융 처리 영역을 가지고 절단 예정부를 형성하면, 분할 절단시, 절단 예정부 라인으로부터 벗어난 불필요한 갈라짐이 생기기 어려우므로 분할 절단 제어가 용이해진다.
(3) 개질 영역이 굴절률 변화 영역인 경우
가공 대상물(예를 들면, 유리)의 내부에 집광점을 맞추고, 집광점에 있어서의 전계 강도가 1×108(W/㎠) 이상이며 또한 펄스 폭이 1㎱ 이하의 조건으로 레이저 광을 조사한다. 펄스 폭을 극히 짧게 하고 다광자 흡수를 가공 대상물의 내부에 일으키게 하면, 다광자 흡수에 의한 에너지가 열에너지로 변환되지 않고, 가공 대상물의 내부에는 이온가수 변화, 결정화 또는 분극 배향 등의 영속적인 구조 변화가 유기되어 굴절률 변화 영역이 형성된다. 전계 강도의 상한치로서는, 예를 들면 1×1012(W/㎠)이다. 펄스 폭은, 예를 들면 1㎱ 이하가 바람직하고, 1㎰ 이하가 더욱 바람직하다. 다광자 흡수에 의한 굴절률 변화 영역의 형성은, 예를 들면 제42회 레이저 열 가공 연구회 논문집(1997년. 11월)의 제105페이지∼제111페이지의 「펨토초(femto-second) 레이저 조사에 의한 유리 내부에의 광 유기 구조 형성」에 기재되어 있다.
다음에, 본 실시 형태에 관련되는 레이저 가공 장치에 대해, 도 14및 도 15를 참조하여 설명한다.
도 14에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공 장치(20)는 웨이퍼 형상의 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(P1)을 맞춰서 가공용 레이저 광(L1)을 조사하는 것으로, 가공 대상물(1)의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역(7)을 형성하고, 이 개질 영역(7)을 가지고, 가공 대상물(1)의 표면(3)을 따라 뻗어있는 절단 예정부(8)를 형성하는 장치이다. 여기서, 가공 대상물(1)은 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼이며, 개질 영역(7)은 용융 처리 영역이다.
이 레이저 가공 장치(20)는, 가공 대상물(1)이 재치되는 스테이지(21)를 갖고 있고, 이 스테이지(21)는 상하 방향을 Z축 방향으로 하여 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향의 각 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 스테이지(21)의 위쪽에는, 가공용 레이저 광(L1)을 발생하는 레이저 광원(22) 등을 수용한 광체(筐體)(23)가 배치되어 있다. 이 레이저 광원(22)은, 예를 들면 Nd : YAG 레이저이며, 바로 아래에 위치하는 스테이지(21) 상의 가공 대상물(1)을 향하여 펄스 폭 1㎲ 이하의 펄스 레이저 광인 가공용 레이저 광(L1)을 출사한다.
광체(23)의 하단면에는 전동 리볼버(revolver)(24)가 장착되어 있고, 이 전동 리볼버(24)에는, 가공 대상물(1)을 관찰하기 위한 관찰용 대물렌즈(26)와, 가공용 레이저 광(L1)을 집광하기 위한 가공용 대물렌즈(27)가 장착되어 있다. 각 대물렌즈(26, 27)의 광축(光軸)은 전동 리볼버(24)의 회전에 의해 가공용 레이저 광(L1)의 광축에 일치되어진다. 또한, 가공용 대물렌즈(27)와 전동 리볼버(24)와의 사이에는, 피에조 소자를 사용한 액추에이터(28)가 개재되어 있고, 이 액추에이터(28)에 의해 가공용 대물렌즈(27)의 위치가 Z축 방향(상하 방향)으로 미세 조정된다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 가공용 대물렌즈(27)는 원통 형상의 렌즈 홀더(29)를 가지며, 이 렌즈 홀더(29)는 그 내부에 있어서 복수의 렌즈를 편성하여 이루어지는 개구수 「0.80」의 집광 렌즈(31)를 유지하고 있다. 그리고, 렌즈 홀더(29)의 상단부에는, 집광 렌즈(31)에 대한 가공용 레이저 광(L1)의 입사동으로서 제1의 광 통과 구멍(32)이 형성되고, 렌즈 홀더(29)의 하단부에는 가공용 레이저 광(L1)의 출사 개구(33)가 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 가공용 대물렌즈(27)에 의해 가공용 레이저 광(L1)이 집광되며, 집광 렌즈(31)에 의한 집광점(P1)에서의 가공용 레이저 광(L1)의 피크 파워 밀도는 1×108(W/㎠) 이상으로 된다.
또, 광체(23) 내에 있어서의 가공용 레이저 광(L1)의 광축 상에는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 레이저 광원(22)에서 발생한 레이저 광(L1)의 빔 사이즈를 확대하는 빔 익스팬더(34)와, 레이저 광(L1)의 출력이나 편광을 조정하는 레이저 광 조정 광학계(36)와, 레이저 광(L1)의 통과 또는 차단을 행하는 전자(電磁) 셔터(37)와, 레이저 광(L1)의 빔 사이즈를 죄는 다이어프램 부재(38)가 위로부터 아래로 이 순서로 배치되어 있다. 또한, 빔 익스팬더(34)는, 대략 평행 광으로서 레이저 광(L1)을 출사한다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 다이어프램 부재(38)는, 가공용 대물렌즈(27)의 제1의 광 통과 구멍(32)의 위쪽에 위치하여 광체(23)에 장착되어 있고, 가공용 레이저 광(L1)의 광축 상에 있어서 이 레이저 광(L1)을 죄여서 통과시키는 애퍼쳐로서의 제2의 광 통과 구멍(39)을 갖고 있다. 이 제2의 광 통과 구멍(39)은, 가공용 대물렌즈(27)의 제1의 광 통과 구멍(32)과 동일 지름으로 형성되어 있고, 제2의 광 통과 구멍(39)의 중심 축선은, 다이어프램 부재(38)에 설치된 조절 나사(35)에 의해 제1의 광 통과 구멍(32)의 중심 축선에 정확히 일치시킬 수 있다. 따라서, 빔 익스팬더(34)에 의해 빔 사이즈가 확대된 가공용 레이저 광(L1)은, 다이어프램 부재(38)에 의해 제2의 광 통과 구멍(39)보다 큰 레이저 광(L1)의 외주 부분이 커트되며, 이것에 의해, 제2의 광 통과 구멍(39)을 통과한 가공용 레이저 광(L1)의 지름은, 가공용 대물렌즈(27)의 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름과 동등하게 된다. 또한, 빔 익스팬더(34)로부터 출사된 레이저 광(L1)이 완전한 평행 광은 아니며, 레이저 광(L1)이 약간 넓어지는 것과 같은 대략 평행 광인 경우에는, 레이저 광(L1)의 확대분을 고려하여, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 입사하는 레이저 광(L1)이 거의 없어지도록 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름을 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름보다 작게 하면 된다.
또한, 레이저 가공 장치(20)는, 도 14에 나타내는 바와 같이 가공용 대물렌즈(27)와 가공 대상물(1)의 표면(3)과의 거리를 레이저 가공 중 항상 일정하게 유지하기 위해, 측거용(測距用) 레이저 광을 발생하는 레이저 다이오드 등의 측거용 광원(41)과, 포토 다이오드를 4 등분하여 이루어지는 4 분할 위치 검출 소자(42)를 광체(23) 내에 갖고 있다.
즉, 측거용 광원(41)으로부터 출사된 측거용 레이저 광은, 핀 홀(43), 빔 익스팬더(44)를 순차 통과한 후, 미러(46), 하프 미러(47)에 의해 순차 반사되고, 전자 셔터(37)와 다이어프램 부재(38)의 사이에 배치된 다이크로익 미러(48)에 유도된다. 이 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된 측거용 레이저 광은, 가공용 레이저 광(L1)의 광축 상을 아래쪽으로 향하여 진행하며, 다이어프램 부재(38)의 제2의 광 통과 구멍(39)을 통과한 후, 가공용 대물렌즈(27)의 집광 렌즈(31)에 의해 집광되어 가공 대상물(1)에 조사된다. 또한, 가공용 레이저 광(L1)은 다이크로익 미러(48)를 투과한다.
그리고, 가공 대상물(1)의 표면(3)에서 반사된 측거용 레이저 광의 반사광은, 가공용 대물렌즈(27)의 집광 렌즈(31)에 재입사하여 가공용 레이저 광(L1)의 광축 상을 위쪽으로 향하여 진행하며, 다이어프램 부재(38)의 제2의 광 통과 구멍(39)을 통과한 후, 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된다. 이 다이크로익 미러(48)에 의해 반사된 측거용 레이저 광의 반사광은, 하프 미러(47)를 통과한 후, 원통형 렌즈와 평 볼록 렌즈로 이루어지는 정형(整形) 광학계(49)에 의해 집광되어 4 분할 위치 검출 소자(42) 상에 조사된다.
이 4 분할 위치 검출 소자(42) 상에 있어서의 측거용 레이저 광의 반사광의 집광상(集光像) 패턴은, 가공용 대물렌즈(27)와 가공 대상물(1)의 표면(3)과의 거리에 따라 변화한다. 이 레이저 가공 장치(20)에서는, 가공용 대물렌즈(27)와 가공 대상물(1)의 표면(3)과의 거리가 레이저 가공 중 항상 일정하게 되도록, 4 분할 위치 검출 소자(42) 상의 집광상 패턴에 의거하여 액추에이터(28)를 피드백 제어하며, 가공용 대물렌즈(27)의 위치를 상하 방향으로 미세 조정한다.
또한, 레이저 가공 장치(20)는, 스테이지(21) 상에 재치된 가공 대상물(1)을 관찰하기 위해, 관찰용 가시광을 발생하는 관찰용 광원(51)을 광체(23) 외부에 가지며, CCD 카메라(52)를 광체(23) 내부에 갖고 있다.
즉, 관찰용 광원(51)에서 발사된 관찰용 가시광은, 광 파이버로 이루어지는 광 가이드(53)에 의해 광체(23) 내에 유도되며, 시야(視野) 다이어프램(54), 개구 다이어프램(56), 다이크로익 미러(57) 등을 순차 통과한 후, 다이어프램 부재(38)와 가공용 대물렌즈(27)의 제1의 광 통과 구멍(32)과의 사이에 배치된 다이크로익 미러(58)에 의해 반사된다. 반사된 관찰용 가시광은, 가공용 레이저 광(L1)의 광축 상을 아래쪽으로 향하여 진행하며, 전동 리볼버(24)의 회전에 의해 가공용 레이저 광(L1)의 광축 상에 배치된 관찰용 대물렌즈(26)를 통과하여 가공 대상물(1)에 조사된다. 또한, 가공용 레이저 광(L1), 측거용 레이저 광 및 그 반사광은 다이크로익 미러(58)를 투과한다.
그리고, 가공 대상물(1)의 표면(3)에서 반사된 관찰용 가시광의 반사광은, 관찰용 대물렌즈(26) 내에 재입사하여 가공용 레이저 광(L1)의 광축 상을 위쪽으로 향하여 진행하고, 다이크로익 미러(58)에 의해 반사된다. 이 다이크로익 미러(58)에 의해 반사된 반사광은, 다이크로익 미러(57)에 의해 다시 반사되며, 필터(59), 결상 렌즈(61), 릴레이 렌즈(62)를 순차 통과하여 CCD 카메라(52)에 입사하게 된다.
이 CCD 카메라(52)에 의해 촬상된 촬상 데이터는 전체 제어부(63)에 수용되고, 이 전체 제어부(63)에 의해 TV 모니터(64)에 가공 대상물(1)의 표면(3) 등의 화상이 비추어진다. 또한, 전체 제어부(63)는 각종 처리를 실행하는 동시에, 스테이지(21)의 이동, 전자 리볼버(24)의 회전, 전자 셔터(37)의 개폐, CCD 카메라(52)에 의한 촬상 등 외에, 레이저 가공 장치(20)의 전체의 동작을 제어하는 것이다.
다음에, 상술한 레이저 가공 장치(20)에 의한 레이저 가공 순서에 대해 설명한다. 먼저, 스테이지(21) 상에 가공 대상물(1)을 재치한다. 계속하여, 가공 대상물(1)의 개질 영역(7)의 형성 개시 위치와 가공용 레이저 광(L1)의 집광점(P1)이 일치하도록 스테이지(21)를 이동시킨다. 또한, 이 때의 가공용 대물렌즈(27)와 가공 대상물(1)의 표면(3)과의 거리는, 가공 대상물(1)의 두께나 굴절률에 의거하여 결정할 수 있다.
계속하여, 레이저 광원(22)으로부터 가공용 레이저 광(L1)을 가공 대상물(1)을 향하여 출사시킨다. 이 때, 가공용 레이저 광(L1)의 집광점(P1)은, 가공 대상물(1)의 표면(3)으로부터 소정 거리 안쪽에 위치하고 있으므로, 개질 영역(7)은 가공 대상물(1)의 내부에 형성된다. 그리고, 절단해야 할 원하는 절단 예정 라인에 따르도록 스테이지(21)를 X축 방향이나 Y축 방향으로 이동시키고, 가공 대상물(1)의 표면(3)을 따라 뻗어있는 절단 예정부(8)를 개질 영역(7)에 의해 형성한다.
이 절단 예정부(8)의 형성 중은, 4 분할 위치 검출 소자(42) 상에 있어서의 측거용 레이저 광의 반사광의 집광상 패턴에 의거하여, 가공용 대물렌즈(27)와 가공 대상물(1)의 표면(3)과의 거리가 일정하게 되도록, 액추에이터(28)에 의해 가공용 대물렌즈(27)의 위치가 상하 방향으로 미세 조정된다. 그 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 면 요동이 있거나 스테이지(21)가 진동하거나 해도, 가공용 대물렌즈(27)와 가공 대상물(1)의 표면(3)과의 거리는 일정하게 유지되게 된다. 따라서, 가공 대상물(1)의 표면(3)으로부터 소정 거리 안쪽에 정밀도 좋게 절단 예정부(8)를 형성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 레이저 가공 장치(20)에 있어서는, 빔 익스팬더(34)와 렌즈 홀더(29)의 제1의 광 통과 구멍(32)을 연결하는 가공용 레이저 광(L1)의 광로 상에, 제1의 광 통과 구멍(32)과 동일 지름의 제2의 광 통과 구멍(39)을 갖는 다이어프램 부재(38)가 배치되어 있다. 그 때문에, 빔 익스팬더(34)에 의해 빔 사이즈가 확대된 가공용 레이저 광(L1)은, 다이어프램 부재(38)에 의해 제2의 광 통과 구멍(39)보다 큰 레이저 광(L1)의 외주 부분이 커트되며, 이것에 의해, 제2의 광 통과 구멍(39)을 통과한 가공용 레이저 광(L1)의 지름은, 렌즈 홀더(29)의 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름과 대략 동등하게 된다. 따라서, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 의한 레이저 광(L1)의 커트량을 거의 없앨 수 있고, 가공용 레이저 광(L1)의 조사에 의한 렌즈 홀더(29)의 가열을 방지할 수 있게 된다. 게다가, 다이어프램 부재(38)는 렌즈 홀더(29)로부터 이간하고 있기 때문에, 제2의 광 통과 구멍(39)의 주위 부분에서 커트된 레이저 광(L1)에 의해 다이어프램 부재(38)가 가열되어도, 다이어프램 부재(38)로부터 렌즈 홀더(29)에의 열전달이 방지된다. 따라서, 레이저 가공 중에 있어서의 렌즈 홀더(29)의 가열을 주원인으로 한 가공용 레이저 광(L1)의 집광점(P1)의 위치 변동을 작게 억제할 수 있고, 가공 대상물(1)의 내부에 있어서의 소정의 위치에 정밀도 좋게 개질 영역(7)을 형성할 수 있게 된다.
도 16은 레이저 가공 개시로부터의 경과 시간과 렌즈 홀더의 상승 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 나타내는 바와 같이, 레이저 가공 장치(20)에 있어서는 다이어프램 부재(39)를 설치함으로써, 다이어프램 부재(39)를 설치하지 않았던 경우에 비해, 레이저 가공 개시로부터 30분의 경과 후에 있어서의 렌즈 홀더(29)의 상승 온도를 1℃까지도 억제할 수 있다.
또, 레이저 가공 장치(20)에 있어서는, 가공 대상물(1)의 내부에 다광자 흡수를 야기시키기 위해, 집광점(P1)에서의 가공용 레이저 광(L1)의 피크 파워 밀도를 1×108(W/㎠) 이상과 같이 높게 할 필요가 있고, 또 가공 대상물(1)이 웨이퍼 형상이기 때문에 다광자 흡수에 의해 발생하는 개질 영역(7)을 미소한 것으로 할 필요가 있다. 이와 같은 개질 영역(7)을 형성하기 위해서는, 예를 들면 「0.80」이라고 하는 개구수의 큰 집광 렌즈(31)를 사용할 필요가 있고, 그 때문에, 집광 렌즈(31)의 입사 동경, 즉 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름을 크게 할 필요가 있다. 이 레이저 가공 장치(20)에 있어서는, 빔 익스팬더(34)를 설치하는 것으로, 레이저 광원(22)에서 발생한 가공용 레이저 광(L1)의 빔 사이즈를, 대형화된 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름에 대응 가능하게 되도록 충분히 크게 할 수 있다.
본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치는 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들면, 다이어프램 부재(38)의 제2의 광 통과 구멍(39)은, 렌즈 홀더(29)의 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름과 동일 지름인 것에 한정하지 않고, 빔 익스팬더(34)에 의해 빔 사이즈가 확대된 가공용 레이저 광(L1)을 죄여서 통과시키는 것이라면, 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름보다 커도 된다. 이 경우에도, 빔 익스팬더(34)에 의해 확대된 가공용 레이저 광(L1)을 제1의 광 통과 구멍(32)을 향하여 직접 조사시키는 경우에 비해, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 의한 레이저 광(L1)의 커트량을 감소시킬 수 있고, 커트된 레이저 광(L1)에 의한 렌즈 홀더(29)의 가열을 억제할 수 있게 된다.
또, 상기 실시 형태는, 빔 익스팬더(34)로부터 출사된 레이저 광(L1)이 대략 평행 광인 경우였으나, 발산 광이나 집속 광이라도 된다.
먼저, 빔 익스팬더(34)로부터 출사된 레이저 광(L1)이 발산 광인 경우에 대해 설명한다. 또한, 레이저 광원(22)은 빔 지름 φ0, 발산 각도 2θ0로 레이저 광(L1)을 출사하고, 빔 익스팬더(34)는 배율 M으로 레이저 광(L1)의 빔 사이즈를 확대하여, 발산 각도 2θ1으로 레이저 광(L1)을 출사하는 것으로 한다. 또, 도 17에 나타내는 바와 같이, 레이저 광원(22)의 출사부(22a)와 빔 익스팬더(34)의 입사부(34a)와의 거리를 d1, 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)와 제2의 광 통과 구멍(39)의 입사측 개구(39a)와의 거리를 d2, 제2의 광 통과 구멍(39)의 입사측 개구(39a)와 제1의 광 통과 구멍(32)의 입사측 개구(32a)와의 거리를 d3로 한다.
이 때, 빔 익스팬더(34)의 입사부(34a)에서의 레이저 광(L1)의 빔 지름은 「 φ0＋2d1·tanθ0」이므로, 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)에서의 레이저 광(L1)의 빔 지름 φ1은, 다음의 식 (1)로 표시된다.
φ1=M(φ0＋2d1·tanθ0)…(1)
여기서, 빔 익스팬더(34)가 없다고 가정한 경우, 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)의 위치에서 빔 지름 φ1, 발산 각도 2θ1으로 되는 레이저 광(L1)을 출사하는 의사점(疑似點) 광원 위치(Q)와 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)와의 거리 d4는, 다음의 식 (2)로 표시된다.
d4= φ1/(2·tanθ1)…(2)
그리고, 의사점 광원 위치(Q)로부터 발산 각도 2θ1으로 레이저 광(L1)이 출사된다고 가정한 경우, 의사점 광원 위치(Q)로부터 거리 「d4＋d2＋d3」의 위치에 있는 제1의 광 통과 구멍(32)의 입사측 개구(32a)에 들어가는 광선 각도 2θL은, 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름을 φL로 하면, 다음의 식 (3)으로 표시된다.
2θL=2·tan-1{φL/2(d4＋d2＋d3)}…(3)
따라서, 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름을 φS로 하면, 광선 각도 2θL 이하의 레이저 광(L1) 밖에 통과시키지 않도록 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름 φS를 다음의 식 (4)로 정의하면, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 입사하는 레이저 광(L1)을 거의 없앨 수 있다.
2(d4＋d2) tanθL≥ φS…(4)
상기 식 (1)∼식 (4)로부터 φ1, d4, θL을 소거하면, 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름 φL 및 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름 φS는,
의 관계를 충족하는 것으로 된다.
이상과 같이, 빔 익스팬더(34)로부터 출사된 레이저 광(L1)이 발산 광인 경우에는, 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름 φL과 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름 φS가 상기 관계를 만족하는 것으로, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 입사하는 레이저 광(L1)을 거의 없앨 수 있다. 따라서, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 의한 레이저 광(L1)의 커트량을 거의 없애며, 렌즈 홀더(29)의 가열을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.
다음에, 빔 익스팬더(34)로부터 출사된 레이저 광(L1)이 집속 광인 경우에 대해 설명한다. 또한, 레이저 광원(22)은 빔 지름 φ0, 발산 각도 2θ0로 레이저 광(L1)을 출사하며, 빔 익스팬더(34)는 배율 M으로 레이저 광(L1)의 빔 사이즈를 확대하여, 집속 각도 2θ1으로 레이저 광(L1)을 출사하는 것으로 한다. 또, 도 18에 나타내는 바와 같이, 레이저 광원(22)의 출사부(22a)와 빔 익스팬더(34)의 입사부(34a)와의 거리를 d1, 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)와 제2의 광 통과 구멍(39)의 입사측 개구(39a)와의 거리를 d2, 제2의 광 통과 구멍(39)의 입사측 개구(39a)와 제1의 광 통과 구멍(32)의 입사측 개구(32a)와의 거리를 d3로 한다.
이 때, 빔 익스팬더(34)의 입사부(34a)에서의 레이저 광(L1)의 빔 지름은 「φ0＋2d1·tanθ0」이므로, 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)에서의 레이저 광(L1)의 빔 지름 φ1은, 다음의 식 (5)로 표시된다.
φ1=M(φ0＋2d1·tanθ0)…(5)
여기서, 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)의 위치에서 빔 지름 φ1, 집속 각도 2θ1으로 되는 레이저 광(L1)이 집광하는 것으로 가정한 경우, 의사(疑似) 집광점 위치(R)와 빔 익스팬더(34)의 출사부(34b)와의 거리 d5는, 다음 식 (6)으로 표시된다.
d5= φ1/(2·tanθ1)…(6)
그리고, 의사 집광점 위치(R)에 집속 각도 2θ1으로 집광되는 레이저 광(L1) 중, 의사 집광점 위치(R)로부터 거리 「d5－(d2＋d3)」의 위치에 있는 제1의 광 통과 구멍(32)의 입사측 개구(32a)에 들어가는 광선 각도 2θL은, 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름을 φL로 하면, 다음의 식 (7)으로 표시된다.
2θL=2·tan-1[φL/2{d5-(d2＋d3)}]…(7)
따라서, 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름을 φS로 하면, 광선 각도 2θL이하의 레이저 광(L1) 밖에 통과시키지 않도록 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름 φS를 다음의 식 (8)로 정의하면, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 입사하는 레이저 광(L1)을 거의 없앨 수 있다.
φL＋2d3·tanθL≥ φS…(8)
상기 식 (5)∼식 (8)로부터 φ1, d5, θL을 소거하면, 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름 φL 및 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름 φS는,
의 관계를 충족하는 것으로 된다.
이상과 같이, 빔 익스팬더(34)로부터 출사된 레이저 광(L1)이 집속 광인 경우에는, 제1의 광 통과 구멍(32)의 지름 φL과 제2의 광 통과 구멍(39)의 지름 φS가 상기 관계를 충족하는 것으로, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 입사하는 레이저 광(L1)을 거의 없앨 수 있다. 따라서, 제1의 광 통과 구멍(32)의 주위 부분에 의한 레이저 광(L1)의 커트량을 거의 없애며, 렌즈 홀더(29)의 가열을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 관련되는 레이저 가공 장치에 의하면, 레이저 가공 중에 있어서의 렌즈 홀더의 가열을 주원인으로 한 레이저 광의 집광점의 위치 변동을 작게 억제할 수 있고, 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 있어서의 소정의 위치에 정밀도 좋게 개질 영역을 형성할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 내부에 집광점을 맞춰서 레이저 광을 조사하고, 상기 가공 대상물의 내부에 다광자 흡수에 의한 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 장치로서,
    레이저 광원으로부터 출사된 레이저 광의 빔 사이즈를 확대하는 빔 익스팬더와,
    상기 빔 익스팬더를 통하여 입사한 레이저 광을 상기 가공 대상물의 내부에 집광하는 집광 렌즈와,
    상기 집광 렌즈를 유지하는 동시에, 상기 집광 렌즈에 레이저 광을 입사시키는 제1의 광 통과 구멍을 갖는 렌즈 홀더를 구비하고,
    상기 빔 익스팬더와 상기 제1의 광 통과 구멍을 연결하는 레이저 광의 광로 상에는, 레이저 광을 죄여서 통과시키는 제2의 광 통과 구멍을 갖는 다이어프램 부재가 설치되며, 그 다이어프램 부재는 상기 렌즈 홀더로부터 이간하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 익스팬더로부터 출사된 레이저 광이 대략 평행 광인 경우, 상기 제2의 광 통과 구멍의 지름은 상기 제1의 광 통과 구멍의 지름 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원이 빔 지름 φ0, 발산 각도 2θ0로 레이저 광을 출사하고, 상기 빔 익스팬더가 배율 M으로 레이저 광의 빔 사이즈를 확대하여, 발산 각도 2θ1으로 레이저 광을 출사하는 경우,
    상기 레이저 광원의 출사부와 상기 빔 익스팬더의 입사부와의 거리를 d1, 상기 빔 익스팬더의 출사부와 상기 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d2, 상기 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와 상기 제1의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d3로 하고,
    상기 제1의 광 통과 구멍의 지름을 φL, 상기 제2의 광 통과 구멍의 지름을 φS로 하면,
    상기 φL 및 상기 φS는,
    의 관계를 충족하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원이 빔 지름 φ0, 발산 각도 2θ0로 레이저 광을 출사하고, 상기 빔 익스팬더가 배율 M으로 레이저 광의 빔 사이즈를 확대하여, 집속 각도 2θ1으로 레이저 광을 출사하는 경우,
    상기 레이저 광원의 출사부와 상기 빔 익스팬더의 입사부와의 거리를 d1, 상기 빔 익스팬더의 출사부와 상기 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d2, 상기 제2의 광 통과 구멍의 입사측 개구와 상기 제1의 광 통과 구멍의 입사측 개구와의 거리를 d3로 하고,
    상기 제1의 광 통과 구멍의 지름을 φL, 상기 제2의 광 통과 구멍의 지름을 φS로 하면,
    상기 φL 및 상기 φS는,
    의 관계를 충족하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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