KR20130012557A - 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법 - Google Patents

레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 레이저 광선의 스폿 형상 및 집광점 위치(초점 거리)를 정확하게 검출할 수 있는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법을 제공한다.
레이저 광선 발진 수단에 의해 발진되며 집광기에 의해 집광된 레이저 광선의 스폿 형상을 검출하는 본 발명에 따른 방법은, X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된 테이블의 유지면에 레이저 광선이 조사되면 발광하는 미소 입자로 이루어지는 발광체를 구비한 검출 기판을 유지하는 검출 기판 유지 공정과, 검출 기판에 있어서 발광체가 위치하는 영역에 레이저 광선 발진 수단에 의해 발진되며 검출 기판을 가공할 수 없는 출력의 레이저 광선을 집광기에 의해 집광하여 조사하는 레이저 광선 조사 공정과, 검출 기판에 있어서 발광체가 위치하는 영역에 레이저 광선을 조사한 상태로 테이블을 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키면서 발광체에 의해 발광된 광의 광강도를 광 검출기에 의해 검출하는 광강도 검출 공정과, 광강도 검출 공정에서 검출된 발광체의 x, y 좌표값에 있어서 광강도 맵을 작성하는 광강도 맵 작성 공정과, 집광기를 테이블의 유지면에 수직인 Z축 방향에 있어서의 복수의 검출 위치에 있어서 광강도 검출 공정 및 광강도 맵 작성 공정을 실시하고, 광강도 맵 작성 공정에서 작성된 복수의 광강도 맵에 기초하여 레이저 광선의 스폿 형상 화상을 작성하는 스폿 형상 화상 형성 공정을 포함하고 있다.

Description

레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법{METHOD FOR DETECTING LASER BEAM SPOT SHAPE}
본 발명은 레이저 가공 장치의 레이저 광선 발진 수단으로부터 발진되며 집광기에 의해 집광되는 레이저 광선의 스폿 형상을 검출하는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스 제조 공정에 있어서는, 대략 원판 형상인 반도체 웨이퍼의 표면에 격자형으로 형성된 분할 예정 라인에 의해 복수개 영역이 구획되고, 이 구획된 영역에 IC, LSI 등의 디바이스를 형성한다. 이와 같이 형성된 반도체 웨이퍼를 분할 예정 라인을 따라 절단함으로써 디바이스가 형성된 영역을 분할하여 개개의 디바이스를 제조하고 있다. 또한, 사파이어 기판이나 탄화규소 기판의 표면에 질화갈륨계 화합물 반도체 등이 적층된 광 디바이스 웨이퍼도 분할 예정 라인을 따라 절단함으로써 개개의 발광 다이오드, 레이저 다이오드 등의 광 디바이스로 분할되어, 전기 기기에 널리 이용되고 있다.
전술한 웨이퍼를 분할 예정 라인을 따라 분할하는 방법으로서, 웨이퍼에 대하여 흡수성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선을 분할 예정 라인을 따라 조사함으로써 파단의 기점이 되는 레이저 가공홈을 형성하고, 이 파단의 기점이 되는 레이저 가공홈이 형성된 분할 예정 라인을 따라 외력을 부여함으로써 절단하는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
또한, 전술한 웨이퍼를 분할 예정 라인을 따라 분할하는 방법으로서, 웨이퍼에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선을 이용하고, 분할하여야 하는 영역의 내부에 집광점을 맞추어 펄스 레이저 광선을 조사하는 레이저 가공 방법도 시도되어 있다. 이 레이저 가공 방법을 이용한 분할 방법은, 웨이퍼의 한쪽의 면측으로부터 내부에 집광점을 맞추어 웨이퍼에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선을 조사하고, 웨이퍼의 내부에 스트리트를 따라 개질층을 연속적으로 형성하며, 이 개질층이 형성됨으로써 강도가 저하된 스트리트를 따라 외력을 가함으로써, 웨이퍼를 파단하여 분할하는 것이다(예컨대, 특허문헌 2 참조).
그런데, 레이저 광선을 집광하는 집광기는 다수의 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합한 조합 렌즈에 의해 구성되어 있기 때문에, 또한 레이저 발진기로부터 집광기에 이르기까지의 광학계에 왜곡이 있으며, 집광 스폿 형상이 반드시 원형 등의 의도한 형상으로 집광되는 것은 아니다. 레이저 광선의 집광 스폿 형상 및 집광 스폿의 크기가 가공 품질에 영향을 미치는 것이 알려져 있고, 이 때문에, 웨이퍼 등의 피가공물에 조사되는 레이저 광선의 스폿 형상 및 집광 스폿의 크기를 검출하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성10-305420호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 제3408805호 공보
그렇게 하여, 웨이퍼 등의 피가공물에 조사되는 레이저 광선의 스폿 형상 및 집광점 위치의 검출은, 예컨대 불투명 유리에 레이저 광선의 스폿을 위치 부여하고, CCD 카메라에 의해 이면측으로부터 스폿을 촬상하는 방법이 실시되고 있지만, 불투명 유리의 산란광에 의해 정확한 스폿 형상 및 집광점 위치를 검출할 수 없다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사실을 감안하여 이루어진 것으로, 그 주된 기술적 과제는, 레이저 광선의 스폿 형상 및 집광점 위치(초점 거리)를 정확하게 검출할 수 있는 레이저 광선의 스폿과 형상 검출 방법을 제공하는 것이다.
상기 주된 기술 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, 레이저 광선 발진 수단에 의해 발진되며 집광기에 의해 집광된 레이저 광선의 스폿 형상을 검출하는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법으로서, X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된 테이블의 유지면에 레이저 광선이 조사되면 발광하는 미소 입자로 이루어지는 발광체를 구비한 검출 기판을 유지하는 검출 기판 유지 공정과, 상기 테이블에 유지된 상기 검출 기판에 있어서 상기 발광체가 위치하는 영역에 상기 레이저 광선 발진 수단에 의해 발진되며 상기 검출 기판 및 상기 발광체를 가공할 수 없는 제1 출력의 레이저 광선을 상기 집광기에 의해 집광하여 조사하는 레이저 광선 조사 공정과, 상기 테이블에 유지된 상기 검출 기판에 있어서 상기 발광체가 위치하는 영역에 레이저 광선을 조사한 상태로 상기 테이블을 상기 집광기에 대하여 상대적으로 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키면서 상기 발광체에 의해 발광된 광의 광강도를 광 검출기에 의해 검출하는 광강도 검출 공정과, 상기 광강도 검출 공정에서 검출된 상기 발광체의 x, y 좌표값에 있어서 광강도 맵을 작성하는 광강도 맵 작성 공정과, 상기 테이블의 유지면에 수직인 Z축 방향에 있어서 복수의 검출 위치에 상기 집광기를 위치 부여하여 상기 광강도 검출 공정 및 상기 광강도 맵 작성 공정을 실시하고, 상기 광강도 맵 작성 공정에서 작성된 복수의 광강도 맵에 기초하여 레이저 광선의 스폿 형상 화상을 작성하는 스폿 형상 화상 형성 공정을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 발광체는, 입경이 30 ㎚～100 ㎚로 설정되어 있다. 또한, 상기 발광체는, 단일 형광 입자를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법에 있어서는, X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된 테이블의 유지면에 레이저 광선이 조사되면 발광하는 미소 입자로 이루어지는 발광체를 구비한 검출 기판을 유지하는 검출 기판 유지 공정과, 테이블에 유지된 상기 검출 기판에 있어서 발광체가 위치하는 영역에 레이저 광선 발진 수단에 의해 발진되며 검출 기판 및 발광체를 가공할 수 없는 제1 출력의 레이저 광선을 집광기에 의해 집광하여 조사하는 레이저 광선 조사 공정과, 테이블에 유지된 검출 기판에 있어서 발광체가 위치하는 영역에 레이저 광선을 조사한 상태로 테이블을 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키면서 발광체에 의해 발광된 광의 광강도를 광 검출기에 의해 검출하는 광강도 검출 공정과, 광강도 검출 공정에서 검출된 발광체의 x, y 좌표값에 있어서 광강도 맵을 작성하는 광강도 맵 작성 공정과, 테이블의 유지면에 수직인 Z축 방향에 있어서의 복수의 검출 위치에 집광기를 위치 부여하여 광강도 검출 공정 및 광강도 맵 작성 공정을 실시하고, 광강도 맵 작성 공정에서 작성된 복수의 광강도 맵에 기초하여 레이저 광선의 스폿 형상 화상을 작성하는 스폿 형상 화상 형성 공정을 포함하고 있기 때문에, 광강도 맵에 기초하여 스폿의 경계부인 윤곽(스폿 형상)을 구할 수 있다. 그리고, 집광기의 테이블의 유지면에 수직인 Z축 방향에 있어서 복수의 검출 위치에서 검출된 스폿의 크기(면적)가 최소가 되는 스폿이 집광 스폿이 되어, 집광 스폿의 크기(면적)를 구할 수 있으며, 집광기의 초점 거리를 정확하게 구할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법이 실시되는 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치에 장비되는 레이저 광선 조사 수단의 블록 구성도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치의 척 테이블 기구를 구성하는 지지 테이블에 착탈 가능하게 장착되는 광 검출기의 블록 구성도이다.
도 4는 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치에 장비되는 제어 수단의 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법에서의 검출 기판 지지 공정의 설명도이다.
도 6은 본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법에서의 광강도 검출 공정의 설명도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법에서의 광강도 맵 작성 공정에서 작성되는 광강도 맵의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법에서의 스폿 형상 화상 형성 공정의 설명도이다.
이하, 본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법의 적합한 실시형태에 대해서, 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1에는, 본 발명에 따른 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법을 실시하기 위한 레이저 가공 장치의 사시도가 도시되어 있다. 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치는, 정지(靜止) 베이스(2)와, 상기 정지 베이스(2)에 화살표 X로 나타내는 X축 방향으로 이동 가능하게 설치되며 피계측물을 유지하는 척 테이블 기구(3)와, 정지 베이스(2)에 상기 X축 방향과 직교하는 화살표 Y로 나타내는 Y축 방향으로 이동 가능하게 설치된 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구(4)와, 상기 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구(4)에 X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 수직인 화살표 Z로 나타내는 Z축 방향으로 이동 가능하게 설치된 레이저 광선 조사 유닛(5)을 구비하고 있다.
상기 척 테이블 기구(3)는, 정지 베이스(2) 상에 X축 방향을 따라 평행하게 설치된 한쌍의 안내 레일(31, 31)과, 상기 안내 레일(31, 31) 상에 X축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제1 슬라이딩 블록(32)과, 상기 제1 슬라이딩 블록(32) 상에 Y축 방향으로 이동 가능하게 설치된 제2 슬라이딩 블록(33)과, 상기 제2 슬라이딩 블록(33) 상에 원통 부재(34)에 의해 지지된 지지 테이블(35)과, 피가공물을 유지하는 유지 수단으로서의 척 테이블(36)을 구비하고 있다. 이 척 테이블(36)은 다공성 재료로 형성된 흡착척(361)을 구비하고 있고, 흡착척(361)의 상면인 유지면 상에 피계측물을 도시하지 않는 흡인 수단에 의해 유지하도록 되어 있다. 이와 같이 구성된 척 테이블(36)은, 원통 부재(34) 내에 설치된 도시하지 않는 펄스 모터에 의해 회전된다. 또한, 척 테이블(36)에는, 피계측물을 보호 테이프를 개재하여 지지하는 환형의 프레임을 고정하기 위한 클램프(362)가 설치되어 있다.
상기 제1 슬라이딩 블록(32)은, 그 하면에 상기 한쌍의 안내 레일(31, 31)과 감합하는 한쌍의 피안내홈(321, 321)이 마련되어 있으며, 그 상면에 X축 방향을 따라 평행하게 형성된 한쌍의 안내 레일(322, 322)이 마련되어 있다. 이와 같이 구성된 제1 슬라이딩 블록(32)은, 피안내홈(321, 321)이 한쌍의 안내 레일(31, 31)에 감합함으로써, 한쌍의 안내 레일(31, 31)을 따라 X축 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 도시된 실시형태에서의 척 테이블 기구(3)는, 제1 슬라이딩 블록(32)을 한쌍의 안내 레일(31, 31)을 따라 X축 방향으로 이동시키기 위한 X축 방향 이동 수단(37)을 구비하고 있다. X축 방향 이동 수단(37)은, 상기 한쌍의 안내 레일(31과 31)의 사이에 평행하게 설치된 수나사 로드(371)와, 상기 수나사 로드(371)를 회전 구동시키기 위한 펄스 모터(372) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(371)는, 그 일단이 상기 정지 베이스(2)에 고정된 베어링 블록(373)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(372)의 출력축에 전동(傳動) 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(371)는, 제1 슬라이딩 블록(32)의 중앙부 하면에 돌출되게 마련된 도시하지 않는 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(372)에 의해 수나사 로드(371)를 정회전 및 역회전 구동시킴으로써, 제1 슬라이딩 블록(32)은 안내 레일(31, 31)을 따라 X축 방향으로 이동된다.
도시된 실시형태에서의 레이저 가공 장치는, 상기 척 테이블(36)의 이동 위치를 검출하기 위한 X축 방향 위치 검출 수단(374)을 구비하고 있다. X축 방향 위치 검출 수단(374)은, 안내 레일(31)을 따라 설치된 리니어 스케일(374a)과, 제1 슬라이딩 블록(32)에 설치되며 제1 슬라이딩 블록(32)과 함께 리니어 스케일(374a)을 따라 이동하는 판독 헤드(374b)로 이루어져 있다. 이 X축 방향 위치 검출 수단(374)의 판독 헤드(374b)는, 도시된 실시형태에 있어서는 0.1 ㎛마다 1 펄스의 펄스 신호를 후술하는 제어 수단에 보낸다. 그리고 후술하는 제어 수단은, 입력된 펄스 신호를 카운트함으로써, 척 테이블(36)의 X축 방향 이동 위치를 검출한다.
상기 제2 슬라이딩 블록(33)은, 그 하면에 상기 제1 슬라이딩 블록(32)의 상면에 마련된 한쌍의 안내 레일(322, 322)과 감합하는 한쌍의 피안내홈(331, 331)이 마련되어 있고, 이 피안내홈(331, 331)을 한쌍의 안내 레일(322, 322)에 감합함으로써, Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 도시된 실시형태에서의 척 테이블 기구(3)는, 제2 슬라이딩 블록(33)을 제1 슬라이딩 블록(32)에 마련된 한쌍의 안내 레일(322, 322)을 따라 Y축 방향으로 이동시키기 위한 제1 Y축 방향 이동 수단(38)을 구비하고 있다. 제1 Y축 방향 이동 수단(38)은, 상기 한쌍의 안내 레일(322와 322)의 사이에 평행하게 설치된 수나사 로드(381)와, 상기 수나사 로드(381)를 회전 구동시키기 위한 펄스 모터(382) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(381)는, 그 일단이 상기 제1 슬라이딩 블록(32)의 상면에 고정된 베어링 블록(383)에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(382)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(381)는, 제2 슬라이딩 블록(33)의 중앙부 하면에 돌출되게 마련된 도시하지 않는 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(382)에 의해 수나사 로드(381)를 정회전 및 역회전 구동시킴으로써, 제2 슬라이딩 블록(33)은 안내 레일(322, 322)을 따라 Y축 방향으로 이동된다.
도시된 실시형태에서의 레이저 가공 장치는, 상기 제2 슬라이딩 블록(33)의 Y축 방향 이동 위치를 검출하기 위한 Y축 방향 이동 위치 검출 수단(384)을 구비하고 있다. Y축 방향 이동 위치 검출 수단(384)은, 안내 레일(322)을 따라 설치된 리니어 스케일(384a)과, 제2 슬라이딩 블록(33)에 설치되며 제2 슬라이딩 블록(33)과 함께 리니어 스케일(384a)을 따라 이동하는 판독 헤드(384b)로 이루어져 있다. 이 Y축 방향 이동 위치 검출 수단(384)의 판독 헤드(384b)는, 도시된 실시형태에 있어서는 0.1 ㎛마다 1 펄스의 펄스 신호를 후술하는 제어 수단에 보낸다. 그리고 후술하는 제어 수단은, 입력된 펄스 신호를 카운트함으로써, 척 테이블(36)의 인덱싱 이송 위치를 검출한다.
상기 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구(4)는, 정지 베이스(2) 상에 Y축 방향을 따라 평행하게 설치된 한쌍의 안내 레일(41, 41)과, 이 안내 레일(41, 41) 상에 Y축 방향으로 이동 가능하게 설치된 가동 지지 베이스(42)를 구비하고 있다. 이 가동 지지 베이스(42)는, 안내 레일(41, 41) 상에 이동 가능하게 설치된 이동 지지부(421)와, 이 이동 지지부(421)에 부착된 장착부(422)로 이루어져 있다. 장착부(422)는, 일측면에 Z축 방향으로 연장되는 한쌍의 안내 레일(423, 423)이 평행하게 마련되어 있다. 도시된 실시형태에서의 계측 유닛 지지 기구(4)는, 가동 지지 베이스(42)를 한쌍의 안내 레일(41, 41)을 따라 Y축 방향으로 이동시키기 위한 제2 Y축 방향 이동 수단(43)을 구비하고 있다. 제2 Y축 방향 이동 수단(43)은, 상기 한쌍의 안내 레일(41, 41)의 사이에 평행하게 설치된 수나사 로드(431)와, 이 수나사 로드(431)를 회전 구동시키기 위한 펄스 모터(432) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(431)는, 그 일단이 상기 정지 베이스(2)에 고정된 도시하지 않는 베어링 블록에 회전 가능하게 지지되어 있고, 그 타단이 상기 펄스 모터(432)의 출력축에 전동 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(431)는, 가동 지지 베이스(42)를 구성하는 이동 지지부(421)의 중앙부 하면에 돌출되게 마련된 도시하지 않는 암나사 블록에 형성된 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 이 때문에, 펄스 모터(432)에 의해 수나사 로드(431)를 정회전 및 역회전 구동시킴으로써, 가동 지지 베이스(42)는 안내 레일(41, 41)을 따라 Y축 방향으로 이동된다.
레이저 광선 조사 유닛(5)은, 유닛 홀더(51)와, 이 유닛 홀더(51)에 부착된 레이저 광선 조사 수단(52)을 구비하고 있다. 유닛 홀더(51)는, 상기 장착부(422)에 마련된 한쌍의 안내 레일(423, 423)에 미끄럼 이동 가능하게 감합하는 한쌍의 피안내홈(511, 511)이 마련되어 있고, 이 피안내홈(511, 511)을 상기 안내 레일(423, 423)에 감합함으로써, Z축 방향으로 이동 가능하게 지지된다.
레이저 광선 조사 수단(52)은, 상기 유닛 홀더(51)에 고정되며 실질상 수평으로 연장되는 원통 형상의 케이싱(521)을 포함하고 있다. 케이싱(521) 내에는 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 광선 발진 수단(522)과 출력 조정 수단(523)이 설치되어 있다. 이 레이저 광선 발진 수단(522) 및 출력 조정 수단(523)은, 후술하는 제어 수단에 의해 제어된다. 또한, 레이저 광선 조사 수단(52)은, 상기 레이저 광선 발진 수단(522)으로부터 발진되며 출력 조정 수단(523)에 의해 출력이 조정된 레이저 광선을 집광하여 척 테이블(36)에 유지된 피가공물에 조사하는 집광기(524)를 구비하고 있다. 이 집광기(524)는, 다수의 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합한 조합 렌즈에 의해 구성되어 있고, 상기 케이싱(521)의 선단부에 장착되어 있다.
도 1로 되돌아가 설명을 계속하면, 레이저 광선 조사 수단(52)을 구성하는 케이싱(521)의 전단부에는, 상기 집광기(524)로부터 조사되는 레이저 광선에 의해 레이저 가공하여야 할 가공 영역을 검출하는 촬상 수단(55)이 설치되어 있다. 이 촬상 수단(55)은, 피가공물을 조명하는 조명 수단과, 이 조명 수단에 의해 조명된 영역을 포착하는 광학계와, 이 광학계에 의해 포착된 이미지를 촬상하는 촬상 소자(CCD) 등을 구비하고, 촬상한 화상 데이터를 도시하지 않는 제어 수단에 보낸다.
도 1을 참조하여 설명을 계속하면, 레이저 광선 조사 유닛(5)은, 유닛 홀더(51)를 한쌍의 안내 레일(423, 423)을 따라 Z축 방향으로 이동시키기 위한 Z축 방향 이동 수단(53)을 구비하고 있다. Z축 방향 이동 수단(53)은, 상기 X축 방향 이동 수단(37)이나 제1 Y축 방향 이동 수단(38) 및 제2 Y축 방향 이동 수단(43)과 마찬가지로 한쌍의 안내 레일(423, 423)의 사이에 설치된 수나사 로드(도시하지 않음)와, 이 수나사 로드를 회전 구동시키기 위한 펄스 모터(562) 등의 구동원을 포함하고 있고, 펄스 모터(532)에 의해 도시하지 않는 수나사 로드를 정회전 및 역회전 구동시킴으로써, 유닛 홀더(51)와 레이저 광선 조사 수단(52)을 한쌍의 안내 레일(423, 423)을 따라 Z축 방향으로 이동시킨다.
레이저 광선 조사 유닛(5)은, 레이저 광선 조사 수단(52)의 Z축 방향 위치를 검출하기 위한 Z축 방향 위치 검출 수단(54)을 구비하고 있다. Z축 방향 위치 검출 수단(54)은, 상기 안내 레일(423, 423)과 평행하게 설치된 리니어 스케일(54a)과, 상기 유닛 홀더(51)에 부착되며 유닛 홀더(51)와 함께 리니어 스케일(54a)을 따라 이동하는 판독 헤드(57b)로 이루어져 있다. 이 Z축 방향 위치 검출 수단(54)의 판독 헤드(54b)는, 도시된 실시형태에 있어서는 0.1 ㎛마다 1 펄스의 펄스 신호를 후술하는 제어 수단에 보낸다. 또한, 레이저 광선 조사 유닛(5)은, 유닛 하우징(52)의 전단부에 설치되며 후술하는 피계측물의 계측 영역을 촬상하는 촬상 수단(55)을 구비하고 있다. 이 촬상 수단(55)은, 촬상한 화상 신호를 후술하는 제어 수단에 보낸다.
도시된 실시형태에서의 레이저 가공 장치는, 상기 척 테이블 기구(3)를 구성하는 지지 테이블(35) 상에 광 검출기(6)가 착탈 가능하게 장착되도록 구성되어 있다. 이 광 검출기(6)는, 도 3에 나타내는 바와 같이 척 테이블 기구(3)를 구성하는 척 테이블(36)에 유지된 후술하는 검출 기판에 유지된 발광체가 발광하는 광의 파장만을 투과하는 밴드패스 필터(61)와, 이 밴드패스 필터(61)를 투과한 광을 결상하는 결상 렌즈(62)와, 이 결상 렌즈(62)에 결상된 광을 수광하여 광강도 신호를 출력하는 포토 멀티플라이어(63)로 이루어져 있다. 이와 같이 구성된 광 검출기(6)는, 척 테이블(36)에 유지된 후술하는 검출 기판에 고정된 발광체가 발광한 광을 수광하고, 수광한 광의 강도에 대응한 전압 신호를 후술하는 제어 수단에 보낸다.
도시된 실시형태에서의 레이저 가공 장치는, 도 4에 나타내는 제어 수단(7)을 구비하고 있다. 제어 수단(7)은 컴퓨터에 의해 구성되어 있고, 제어 프로그램에 따라 연산 처리하는 중앙 처리 장치(CPU)(71)와, 제어 프로그램 등을 저장하는 리드 온리 메모리(ROM)(72)와, 연산 결과 등을 저장하는 기록 및 판독 가능한 랜덤 액세스 메모리(RAM)(73)와, 카운터(74)와, 입력 인터페이스(75) 및 출력 인터페이스(76)를 구비하고 있다. 제어 수단(7)의 입력 인터페이스(75)에는, 상기 X축 방향 위치 검출 수단(374), Y축 방향 이동량 검출 수단(384), 촬상 수단(524), 광 검출기(6) 등으로부터의 검출 신호가 입력된다. 그리고, 제어 수단(7)의 출력 인터페이스(76)로부터는, 상기 펄스 모터(372), 펄스 모터(382), 펄스 모터(432), 펄스 모터(532), 레이저 광선 발진 수단(522), 출력 조정 수단(523), 표시 수단(70) 등에 제어 신호를 출력한다.
도시된 실시형태에서의 레이저 가공 장치는 이상과 같이 구성되어 있고, 이하 그 작용에 대해서 설명한다. 전술한 레이저 가공 장치에서의 레이저 광선 조사 수단(52)의 집광기(524)로부터 조사되는 레이저 광선의 스폿 형상을 검출하기 위해서는, 도 5에 나타내는 바와 같이 환형의 프레임(F)에 장착된 점착 테이프(T)의 표면에 검출 기판(8)을 점착한다(검출 기판 지지 공정). 검출 기판(8)은 도시된 실시형태에 있어서는 유리 기판에 의해 원형으로 형성되어 있고, 그 표면(상면)에 있어서 중심부에 레이저 광선이 조사되면 발광하는 발광체(9)가 고정되어 있다. 발광체(9)는, 입경이 30 ㎚～100 ㎚인 단일 형광 입자가 이용된다. 이러한 단일 형광 입자로서는, 형광 실리카 나노 입자를 이용할 수 있다.
전술한 검출 기판 지지 공정을 실시하였다면, 상기 도 1에 나타내는 레이저 가공 장치의 척 테이블(36) 상에 검출 기판(8)이 점착된 점착 테이프(T)를 배치한다. 그리고, 도시하지 않는 흡인 수단을 작동시킴으로써, 점착 테이프(T)를 개재하여 검출 기판(8)을 척 테이블(36) 상에 흡인 유지한다(검출 기판 유지 공정). 이와 같이 하여, 검출 기판(8)이 점착되어 있는 점착 테이프(T)를 장착한 환형의 프레임(F)은, 척 테이블(36)에 설치된 클램프(362)에 의해 고정된다. 이와 같이 하여, 검출 기판(8)을 점착 테이프(T)를 개재하여 흡인 유지한 척 테이블(36)은, X축 방향 이동 수단(37) 및 제1 Y축 방향 이동 수단(38)을 작동시켜 척 테이블(36)의 중심 위치를 레이저 광선 조사 수단(52)의 집광기(524)의 바로 아래에 위치 부여한다.
척 테이블(36)의 중심 위치를 레이저 광선 조사 수단(52)의 집광기(524)의 바로 아래에 위치 부여하였다면, 레이저 광선 조사 수단(52)을 작동시켜 집광기(524)로부터 척 테이블(36)에 유지된 검출 기판(8)에 고정된 발광체(9)가 위치하는 영역에 레이저 광선을 조사한다. 이와 같이 하여 조사된 레이저 광선은, 검출 기판(8) 및 발광체(9)를 가공할 수 없는 제1 출력(예컨대 0.01 W)으로 설정되어 있다(레이저 광선 조사 공정).
다음에, Z축 방향 이동 수단(53)을 작동시켜 레이저 광선 조사 수단(52)의 집광기(524)를 Z축 방향으로 이동시키고, 집광기(524)에 의해 집광되는 레이저 광선의 집광점이 척 테이블(36)에 유지된 검출 기판(8)의 표면(상면)보다 설계값으로서 소정량 높은 제1 검출 위치(Z1)에 위치 부여한다. 그리고, 척 테이블(36)에 유지된 검출 기판(8)에 고정된 발광체(9)가 위치하는 영역에 레이저 광선을 조사한 상태로 척 테이블(36)을 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키면서 발광체(9)가 발광하는 광의 광강도를 광 검출기(6)에 의해 검출하는 광강도 검출 공정을 실시한다. 이 광강도 검출 공정에 관하여, 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6에는, 레이저 광선 조사 수단(52)의 집광기(524)로부터 검출 기판(8)에 조사된 레이저 광선의 스폿(S)과, 검출 기판(8)에 고정된 발광체(9)가 과장된 상태로 도시되어 있다. 즉, 제어 수단(7)은, X축 방향 이동 수단(37) 및 제1 Y축 방향 이동 수단(38)을 작동시켜 척 테이블(36)을 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키며, X축 방향 위치 검출 수단(374) 및 Y축 방향 이동 위치 검출 수단(384)으로부터의 검출 신호에 기초하여 척 테이블(36)에 유지된 검출 기판(8)에 고정된 발광체(9)를 예컨대 (x1, y1)의 좌표값에 위치 부여한다. 그리고, X축 방향 이동 수단(37)을 작동시켜 척 테이블(36)을 (xn, y1)의 좌표값까지 이동시킨다. 이 척 테이블(36)의 이동에 의해, 발광체(9)가 레이저 광선의 스폿(S)이 위치하고 있지 않은 영역으로부터 스폿(S)이 위치하고 있는 영역을 통과하여 스폿(S)이 위치하고 있지 않은 영역에 이르게 된다. 이와 같이 하여 이동하는 발광체(9)는, 레이저 광선의 스폿(S)이 위치하고 있지 않은 영역에서는 레이저 광선이 조사되지 않기 때문에 발광하지 않고, 스폿(S)이 위치하고 있는 영역에서는 레이저 광선이 조사되기 때문에 높은 광강도로 발광한다. 그리고 발광체(9)는, 스폿(S)의 경계부에 있어서는 부분적으로 레이저 광선이 조사되기 때문에 비교적 낮은 광강도로 발광한다. 이와 같이 하여 발광체(9)가 이동할 때에, 광 검출기(6)는 발광체(9)가 발광하는 광을 수광하고, 그 광강도 신호를 제어 수단(7)에 보낸다. 제어 수단(7)은, 광 검출기(6)로부터의 광강도 신호와 X축 방향 이동 위치 검출 수단(374) 및 Y축 방향 이동 위치 검출 수단(384)으로부터의 검출 신호에 기초하여 0.1 ㎛마다의 좌표값에 대응한 광강도를 랜덤 액세스 메모리(RAM)(73)에 저장한다.
전술한 바와 같이, (x1, y1) 좌표값으로부터 (xn, y1) 좌표값까지 주사하였다면, X축 방향 이동 수단(37) 및 제1 Y축 방향 이동 수단(38)을 작동시켜 척 테이블(36)을 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키며, X축 방향 위치 검출 수단(374) 및 Y축 방향 이동 위치 검출 수단(384)으로부터의 검출 신호에 기초하여 척 테이블(36)에 유지된 검출 기판(8)에 고정된 발광체(9)를 예컨대 (x1, y2)의 좌표값에 위치 부여한다. 그리고, X축 방향 이동 수단(37)을 작동시켜 척 테이블(36)을 (xn, y2)의 좌표값까지 이동시킨다. 이와 같이 하여 발광체(9)가 이동할 때에, 광 검출기(6)는 전술한 바와 같이 발광체(9)가 발광하는 광을 수광하고, 그 광강도 신호를 제어 수단(7)에 보낸다. 제어 수단(7)은, 광 검출기(6)로부터의 광강도 신호와 X축 방향 이동 위치 검출 수단(374) 및 Y축 방향 이동 위치 검출 수단(384)으로부터의 검출 신호에 기초하여 0.1 ㎛마다의 좌표값에 대응한 광강도를 랜덤 액세스 메모리(RAM)(73)에 저장한다. 다음에 제어 수단(7)은, (x1, y3) 좌표값으로부터 (xn, y3) 좌표값까지 주사하고, 이후 (x1, yn) 좌표값으로부터 (xn, yn) 좌표값까지 순차적으로 주사하여, 광 검출기(6)에 의해 검출된 각 (x, y) 좌표값에 있어서 발광체(9)가 발광하는 광의 광강도를 랜덤 액세스 메모리(RAM)(73)에 저장한다.
이상과 같이 하여 제1 검출 위치(Z1)에서의 (x1, y1) 좌표값으로부터 (xn, yn) 좌표값까지의 광강도 검출 공정을 실시하였다면, 제어 수단(7)은, 랜덤 액세스 메모리(RAM)(73)에 저장된 각 (x, y) 좌표값에 있어서 발광체(9)가 발광하는 광의 광강도에 기초하여, 예컨대 도 7에 나타내는 바와 같이 제1 검출 위치(Z1)의 각 (x, y) 좌표값에서의 광강도 맵을 작성하고, 랜덤 액세스 메모리(RAM)(73)에 저장한다(광강도 맵 작성 공정).
전술한 바와 같이 제1 검출 위치(Z1)에 있어서 광강도 검출 공정 및 광강도 맵 작성 공정을 실시하였다면, 제어 수단(7)은 Z축 방향 이동 수단(53)을 작동시켜 레이저 광선 조사 수단(52)의 집광기(524)를 Z축 방향으로 0.1 ㎛ 하강시키고, 집광기(524)를 제2 검출 위치(Z2)에 위치 부여한다. 그리고, 제2 검출 위치(Z2)에 있어서, 상기 광강도 검출 공정 및 광강도 맵 작성 공정을 실시한다. 이후, Z축 방향 이동 수단(53)을 작동시켜 레이저 광선 조사 수단(52)의 집광기(524)를 Z축 방향으로 0.1 ㎛씩 하강시키고, 제3 검출 위치(Z3), 제4 검출 위치(Z4), 제5 검출 위치(Z5)에 있어서 각각 전술한 광강도 검출 공정 및 광강도 맵 작성 공정을 한다.
다음에, 제어 수단(7)은, 상기 각 검출 위치(Z1～Z5)에서의 광강도 맵에 기초하여 레이저 광선의 스폿 형상 화상을 작성한다(스폿 형상 화상 형성 공정). 이 스폿 형상 화상 형성 공정에 있어서는, 전술한 바와 같이 스폿(S)의 경계부에 있어서는 발광체(9)는 부분적으로 레이저 광선이 조사되기 때문에 비교적 낮은 광강도로 발광하므로, 이 비교적 낮은 광강도의 (x, y) 좌표값에 기초하여 스폿(S)의 윤곽을 구할 수 있다. 도 8에는, 스폿 형상 화상 형성 공정에 의해 구해진 각 검출 위치(Z1～Z5)에서의 스폿(S)의 윤곽이 도시되어 있고, 이 화상이 표시 수단(70)에 표시된다. 따라서, 표시 수단(70)에 표시된 스폿(S)의 윤곽에 기초하여 스폿 형상을 확인할 수 있다. 또한, 도 8에 있어서는, 제3 검출 위치(Z3)에 있어서 스폿(S)의 크기(면적)가 최소로 되어 있다. 따라서, 제3 검출 위치(Z3)에서의 스폿(S)이 집광 스폿이 되어, 집광 스폿의 크기(면적)를 구할 수 있으며, 집광기(524)의 초점 거리를 정확하게 구할 수 있다. 또한, 도 8에 나타내는 실시형태에 있어서는, 제1 검출 위치(Z1) 및 제2 검출 위치(Z2)의 화상은 집광기(524)가 초점 거리보다 높은 위치에 위치 부여된 상태를 나타내고, 제4 검출 위치(Z4) 및 제5 검출 위치(Z5)의 화상은 집광기(524)가 초점 거리보다 낮은 위치에 위치 부여된 상태를 나타내고 있다. 또한, 전술한 스폿 형상 화상 형성 공정에 있어서 작성된 스폿 형상이 설정된 형상과 다른 경우에는, 가공 품질에 영향을 미치기 때문에, 집광기를 교환하거나 렌즈 유닛 등의 광학계의 수정을 행한다.
2: 정지 베이스
3: 척 테이블 기구
36: 척 테이블
37: X축 방향 이동 수단
374: X축 방향 위치 검출 수단
38: 제1 Y축 방향 이동 수단
384: Y축 방향 이동량 검출 수단
4: 레이저 광선 조사 유닛 지지 기구
43: 제2 Y축 방향 이동 수단
5: 레이저 광선 조사 유닛
52: 레이저 광선 조사 수단
524: 집광기
53: Z축 방향 이동 수단
54: Z축 방향 위치 검출 수단
6: 광 검출기
7: 제어 수단
70: 표시 수단
8: 검출 기판
9: 발광체

Claims (3)

  1. 레이저 광선 발진 수단에 의해 발진되며 집광기에 의해 집광된 레이저 광선의 스폿 형상을 검출하는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법으로서,
    X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된 테이블의 유지면에 레이저 광선이 조사되면 발광하는 미소 입자로 이루어지는 발광체를 구비한 검출 기판을 유지하는 검출 기판 유지 공정과,
    상기 테이블에 유지된 상기 검출 기판에 있어서 상기 발광체가 위치하는 영역에 상기 레이저 광선 발진 수단에 의해 발진되며 상기 검출 기판 및 상기 발광체를 가공할 수 없는 제1 출력의 레이저 광선을 상기 집광기에 의해 집광하여 조사하는 레이저 광선 조사 공정과,
    상기 테이블에 유지된 상기 검출 기판에 있어서 상기 발광체가 위치하는 영역에 레이저 광선을 조사한 상태로 상기 테이블을 상기 집광기에 대하여 상대적으로 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키면서 상기 발광체에 의해 발광된 광의 광강도를 광 검출기에 의해 검출하는 광강도 검출 공정과,
    상기 광강도 검출 공정에서 검출된 상기 발광체의 x, y 좌표값에 있어서 광강도 맵을 작성하는 광강도 맵 작성 공정과,
    상기 집광기를 상기 테이블의 유지면에 수직인 Z축 방향에서의 복수의 검출 위치에 위치 부여하여 상기 광강도 검출 공정 및 상기 광강도 맵 작성 공정을 실시하며, 상기 광강도 맵 작성 공정에서 작성된 복수의 광강도 맵에 기초하여 레이저 광선의 스폿 형상 화상을 작성하는 스폿 형상 화상 형성 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광체는, 입경이 30 ㎚～100 ㎚로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발광체는, 단일 형광 입자가 이용되는 것을 특징으로 하는 레이저 광선의 스폿 형상 검출 방법.
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