KR20130033950A

KR20130033950A - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 장치를 사용한 피가공물의 가공 방법

Info

Publication number: KR20130033950A
Application number: KR1020120092698A
Authority: KR
Inventors: 노리유끼 구리야마
Original assignee: 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2013-04-04
Also published as: TWI564103B; KR101335039B1; TW201313372A; CN103008888B; CN103008888A; JP2013071135A; JP5293791B2

Abstract

본 발명의 과제는 빔 프로파일이 진행 방향에 대해 등방적이 아니어도, 직교하는 2방향으로의 가공을 행하는 경우의 가공 정밀도 편차가 저감되는 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.
레이저 가공 장치가, 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 제1 분기광과 제2 분기광으로 분기시키는 분기 수단과 제2 분기광의 빔 프로파일을, 진행 방향을 축으로 하여 90° 회전시키는 변환 수단과, 제1 분기광의 광로와 변환 수단을 거친 제2 분기광의 광로를 집광 렌즈에 이르는 하나의 조사용 광로에 공통화시키는 광로 공통화 수단과, 분기 수단과 광로 공통화 수단 사이에서 제1 분기광과 제2 분기광을 선택적으로 차단하는 선택적 차단 수단을 갖는 광학계를 구비하고, 선택적 차단 수단에 의해 차단하는 광을 전환함으로써, 스테이지부에 고정된 피가공물에 대해 동일한 빔 프로파일을 갖고 또한 방향이 직교하는 2종류의 레이저광 중 어느 하나를 선택적으로 조사 가능하도록 하였다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 장치를 사용한 피가공물의 가공 방법{LASER PROCESSING APPARATUS, AND PROCESSING METHOD FOR A WORKPIECE USING THE SAME}

본 발명은 레이저광을 조사하여 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치와, 이를 사용한 피가공물의 가공 방법에 관한 것이다.

반도체 기판 등의 피가공물에 펄스 레이저광(이하, 레이저광)을 조사함으로써 가공 홈(스크라이브 라인)을 형성하는 레이저 스크라이브 장치가, 이미 공지이다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 개시된 기술에 있어서는, 각각이 LED를 구성하는 단위 패턴을 2차원적으로 배열한 LED 회로 패턴이 표면에 형성된 반도체 기판(LED 기판)이 가공 대상이 된다. 구체적으로는, LED 회로 패턴에 따라서 격자 형상으로 설정된 분할 예정 위치(스트리트라고 불림)에 따라서 레이저광을 상대적으로 주사하면서 조사함으로써, LED 기판을 LED 칩으로 분할하기 위한 스크라이브 라인이 형성된다.

또한, 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 제1 편광 빔 스플리터에 의해 편광 상태가 다른 2종류의 레이저광으로 분기하고, 양자의 강도를 1/2 파장판에 의해 개별로 조정한 후, 제2 편광 빔 스플리터를 사용하여 양 레이저광을 이격시켜 조사하는 레이저 가공 장치도 공지이다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조).

일본 특허 출원 공개 제2004-114075호 공보 일본 특허 출원 공개 제2010-284669호 공보

특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 종래의 레이저 가공 장치에 있어서 격자 형상으로 스크라이브 라인을 형성하는 경우, 레이저광은 직교하는 2방향에 있어서 주사된다. 이는 예를 들어, XY 2축 방향으로 이동 가능한 XY 스테이지 상에, LED 기판을 그 스트리트가 스테이지의 이동 방향과 일치하도록 고정한 상태에서, XY 각 방향으로 스테이지를 이동시키면서 가공 예정 위치에 따른 레이저광의 조사를 행함으로써 실현된다.

이때, LED의 품질 안정성이라고 하는 관점으로부터는, XY 양 방향에 있어서 스크라이브 라인이 동일한 가공 정밀도로 형성되는 것이 바람직하지만, 그것을 위해서는, 레이저광의 빔 프로파일(레이저광의 강도의 공간 분포)이 조사 방향에 대해 등방적이거나, 적어도 XY 양 방향에서 등가인 것이 필요하다. 그러나, 이와 같은 레이저광의 조사를 실현하기 위해서는 많은 비용이 들기 때문에, 시판되고 있는 레이저광원을 사용하는 것만으로는 실현이 어렵다.

혹은, 일방향(제1 방향)에 있어서의 스크라이브 라인의 형성 후, LED 기판을 수평면 내에서 90도 회전시켜, 제1 방향에 직교하는 제2 방향에 있어서의 스크라이브 라인의 형성을 행하도록 하는 형태도 생각된다. 이 경우, 빔 프로파일의 등가성은 요구되지 않지만, 회전 동작에 의해 LED 기판의 얼라인먼트에 어긋남이 생길 가능성이 있으므로, 가공 정밀도를 확보하기 위해서는, 회전 후에 다시 얼라인먼트 동작을 행하여, 레이저광의 조사 위치를 재설정할 필요가 있다. 그로 인해, 가공 시간을 필요로 한다고 하는 문제가 있다.

또한, 특허 문헌 2에 개시되어 있는 장치는, 하나의 가공 진행 방향에서 2종류의 레이저광을 이격시켜 조사할 수 있는 것에 지나지 않고, 가공 방향에 의한 가공 정밀도의 편차를 억제할 수는 없다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 레이저광의 빔 프로파일이 조사 방향에 대해 등방적이 아니어도, 직교하는 2방향으로의 가공을 행하는 경우의 가공 정밀도의 편차가 저감되는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 레이저광을 조사하여 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치이며, 피가공물을 고정하는 스테이지부와, 레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 집광 렌즈로부터 상기 스테이지부에 고정된 상기 피가공물에 대해 조사하는 광학계를 구비하고, 상기 광학계가, 상기 레이저광원으로부터 출사된 상기 레이저광을 제1 분기광과 제2 분기광으로 분기시키는 분기 수단과, 상기 제2 분기광의 빔 프로파일을, 진행 방향을 축으로 하여 90° 회전시키는 변환 수단과, 상기 제1 분기광과 상기 변환 수단을 거친 상기 제2 분기광의 상기 집광 렌즈에 이를 때까지의 조사용 광로를 공통화시키는 광로 공통화 수단과, 상기 분기 수단과 상기 광로 공통화 수단 사이에서 상기 제1 분기광과 상기 제2 분기광을 선택적으로 차단하는 선택적 차단 수단을 갖고, 상기 광로 공통화 수단을 거친 상기 제1 분기광을 제1 조사용 레이저광으로 하고, 상기 공통화 수단을 거친 상기 제2 분기광을 제2 조사용 레이저광으로 할 때에, 상기 선택적 차단 수단에 의한 상기 제1 분기광과 상기 제2 분기광 차단을 전환함으로써, 상기 스테이지부에 고정된 상기 피가공물에 대해 동일한 빔 프로파일을 갖고 또한 방향이 직교하는 상기 제1 조사용 레이저광과 상기 제2 조사용 레이저광 중 어느 하나를 선택적으로 조사 가능한 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 가공 장치이며, 상기 스테이지부가 서로 직교하는 제1 방향과 제2 방향으로 이동 가능하게 되어 이루어지고, 상기 제1 조사용 레이저광을 상기 피가공물에 조사할 때에 상기 스테이지부를 상기 제1 방향으로 이동시키고, 상기 제2 조사용 레이저광을 상기 피가공물에 조사할 때에 상기 스테이지부를 상기 제2 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 3의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 레이저 가공 장치이며, 상기 변환 수단이 복수의 미러를 조합함으로써 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

청구항 4의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 레이저 가공 장치이며, 상기 변환 수단이 복수의 반사면을 갖는 프리즘에 의해 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

청구항 5의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 가공 장치를 사용한 피가공물의 가공 방법이며, 상기 피가공물을 상기 스테이지부에 고정하는 고정 공정과, 상기 피가공물에 설정된 격자 형상의 가공 대상 위치의 서로 직교하는 연장 방향을 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 합치시키는 얼라인먼트 공정과, 상기 스테이지부를 상기 제1 방향으로 이동시키면서 상기 제1 조사용 레이저광을 조사하여 상기 제1 방향으로 연장하는 가공 대상 위치를 가공하는 제1 가공 공정과, 상기 스테이지부를 상기 제2 방향으로 이동시키면서 상기 제2 조사용 레이저광을 조사하여 상기 제2 방향으로 연장하는 가공 대상 위치를 가공하는 제2 가공 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 1 내지 청구항 4의 발명에 따르면, 형상이 동일하고 방향이 직교하는 빔 프로파일을 갖는 2종류의 레이저광을 선택적으로 사용한 가공이 가능한 레이저 가공 장치가 실현된다.

특히, 청구항 2의 발명에 따르면, 레이저광원으로부터 출사되는 레이저광의 빔 프로파일이 가공 방향에 대해 등방적이 아니어도, 직교하는 2방향으로의 가공을 행하는 경우의 가공 정밀도의 편차가 저감되는 레이저 가공 장치가 실현된다.

또한, 청구항 5의 발명에 따르면, 레이저광원으로부터 출사되는 레이저광의 빔 프로파일 자체가 등방적인 것이 아니어도, 직교하는 2방향으로의 가공을 동일한 가공 정밀도로 행할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)의 구성을 도시하는 사시도.
도 2는 제1 광로 셔터(24a)가 개방되는 한편, 제2 광로 셔터(24b)에 의해 제2 광로 P2가 차단된 상태를 도시하는 도면.
도 3은 제1 광로 셔터(24a)에 의해 제1 광로 P1이 차단되는 한편, 제2 광로 셔터(24b)가 개방된 상태를 도시하는 도면.
도 4는 빔 프로파일 변환 유닛(30)의 구성을 도시하는 사시도.
도 5는 조사용 레이저광(LB3)이 조사되어 있는 상태의 스테이지부(10)의 상면도.
도 6은 빔 프로파일 변환 프리즘(130)을 도시하는 사시도.

<레이저 가공 장치의 개요>

도 1은 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)의 구성을 도시하는 사시도이다. 레이저 가공 장치(100)는 피가공물에 펄스 레이저광(이하, 레이저광)을 조사함으로써 피가공물에 홈 가공이나 천공 가공 등을 행하는 장치이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)는, 주로, 스테이지부(10)와 광학계(20)를 구비한다. 또한, 레이저 가공 장치(100)는 각 부의 동작을 제어하는 도시하지 않은 제어부를 구비한다.

스테이지부(10)는 피가공물이 적재 고정되는 부위이다. 스테이지부(10)는, 주로, X 스테이지(11)와, Y 스테이지(12)와, θ 스테이지(13)와, 흡착 척(14)으로 구성된다.

X 스테이지(11)는 수평면 내에 있어서 제1 방향으로 이동 가능하게 설치되어 이루어지는 이동 기구이다. Y 스테이지(12)는 X 스테이지(11) 상에 설치된, 수평면 내에 있어서 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 이동 가능한 이동 기구이다. θ 스테이지(13)는 Y 스테이지(12) 상에 설치된, 수평면 내에 있어서 회전 가능한 회전 기구이다. X 스테이지(11) 및 Y 스테이지(12)의 이동 동작이나, θ 스테이지(13)의 회전 동작은 도시하지 않은 공지의 구동 기구에 의해 실현 가능하다.

흡착 척(14)은 θ 스테이지(13) 상에 설치된, 피가공물을 흡착 고정하는 테이블이다. 흡착 척(14)은 그 상면(14s)에 도시하지 않은 다수의 흡인 구멍을 갖고 있고, 상기 상면(14s)에 피가공물이 적재된 상태에서, 도시하지 않은 흡인 수단에 의해 흡인 구멍에 부압이 부여됨으로써, 피가공물을 흡착 고정할 수 있도록 되어 있다.

또한, 도 1 및 이후의 도면에 있어서는, X 스테이지(11)의 이동 방향(제1 방향)을 X축 방향으로 하고, Y 스테이지(12)의 이동 방향(제2 방향)을 Y축 방향으로 하고, 연직 방향을 Z축 방향으로 하는 오른손계의 XYZ 좌표를 부여하고 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 스테이지부(10)에 있어서는, 흡착 척(14)에 피가공물을 적재 고정한 상태에서, X 스테이지(11), Y 스테이지(12) 및 θ 스테이지(13)를 구동함으로써, 상기 피가공물을, XY 2축 방향으로 수평 이동시키는 것이나, 수평면 내에서 회전시킬 수 있도록 되어 있다.

광학계(20)는 스테이지부(10)에 적재 고정된 피가공물에 대해 레이저광을 조사하기 위한 부위이다. 광학계(20)는 레이저광원(21)과, 2개의 1/2 파장판(22)[제1 1/2 파장판(22a), 제2 1/2 파장판(22b)]과, 2개의 편광 빔 스플리터(23)[제1 편광 빔 스플리터(23a), 제2 편광 빔 스플리터(23b)]와, 2개의 광로 셔터(24)[제1 광로 셔터(24a), 제2 광로 셔터(24b)]와, 1/4 파장판(25)과, 집광 렌즈(26)와, 제1 수평 반사 미러(27)와, 제2 수평 반사 미러(28)와, 수직 반사 미러(29)와, 빔 프로파일 변환 유닛(30)을 주로 구비한다. 이들 구성 요소 중, 집광 렌즈(26) 이외는, 스테이지부(10)의 상방이 설치된 배치대(20A) 상의 소정 위치에 배치되어 이루어진다.

레이저광원(21)은 직선 편광의 레이저광(LB0)을 출사시킨다. 이러한 레이저광원(21)으로서는, 다양한 공지의 광원을 사용할 수 있다. 가공 목적에 따라서, 적절한 광원이 선택되어 사용되면 된다. Nd:YAG 레이저나, Nd:YVO₄ 레이저나 그 밖의 고체 레이저를 사용하는 형태가 적합하다. 또한, 레이저광원(21)은 Q 스위치가 부착된 것이 바람직하다.

예를 들어, 사파이어 단결정 기재가 기초 기판으로서 사용된 LED 기판의 스트리트 위치에 스크라이브 라인을 형성하는 경우이면, Nd:YAG 레이저의 3배 고조파(파장:355㎚)를 사용하는 것이 적합하다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 LED 기판이라 함은, 각각이 LED를 구성하는 단위 패턴을 2차원적으로 배열한 LED 회로 패턴이 표면에 형성된 반도체 기판을 말하고, 그 스트리트라 함은, 이러한 LED 기판을 개개의 LED 칩으로 분할할(개별화할) 때의 분할 예정 위치를 말한다.

레이저광원(21)으로부터 출사된 레이저광(LB0)은, 그 광로 P0 상에 설치되어 이루어지는 제1 1/2 파장판(22a)에 의해, 그 편광 방향이 적절하게 조정된다.

제1 1/2 파장판(22a)을 거친 레이저광(LB0)은 광로 P0 상에 설치되어 이루어지는 제1 편광 빔 스플리터(23a)에 도달한다. 제1 편광 빔 스플리터(23a)에 있어서, 레이저광(LB0)은 제1 광로 P1을 진행하는 제1 분기광(LB1)과, 제2 광로 P2를 진행하는 제2 분기광(LB2)으로 분기된다. 바꾸어 말하면, 제1 편광 빔 스플리터(23a)는, 레이저광(LB0)을 제1 분기광(LB1)과 제2 분기광(LB2)으로 분기시키는 분기 수단으로서 기능한다.

보다 상세하게는, 제1 편광 빔 스플리터(23a)는, 제1 분기광(LB1)은 P 편광의 투과광으로서 출사하고, 제2 분기광(LB2)은 S 편광의 반사광으로서 출사한다. 도 1에 도시하는 경우에 있어서는, 레이저광원(21)으로부터 Y축 부방향으로 출사된 레이저광(LB0)이, 제1 편광 빔 스플리터(23a)를 그대로 Y축 부방향을 향해 투과하는 제1 분기광(LB1)과, 제1 편광 빔 스플리터(23a)에서 X축 정방향으로 반사되는 제2 분기광(LB2)으로 분기한다. 또한, 제1 편광 빔 스플리터(23a)로서는, 투과 효율이 90％ 내지 95％이고, 반사 효율은 약 99％인 것을 사용한다. 이에 의해, 제1 편광 빔 스플리터(23a)에 있어서의 광학적인 손실은 최소한으로 저감된다.

제1 광로 P1 상에는 제1 수평 반사 미러(27)와 제1 광로 셔터(24a)와 제2 1/2 파장판(22b)이 구비되어 있다. 한편, 제2 광로 P2 상에는 빔 프로파일 변환 유닛(30)과 제2 수평 반사 미러(28)와, 제2 광로 셔터(24b)가 구비되어 있다.

제1 광로 P1이 제1 광로 셔터(24a)에 의해 차단되어 있지 않은 경우(제1 광로 P1이 해방 상태에 있는 경우), 제1 분기광(LB1)은 제1 수평 반사 미러(27)에 의해 반사됨으로써 수평면 내에 있어서의 진행 방향이 적절하게 바뀐 후, 제1 광로 셔터(24a)의 위치를 통과하여 제2 1/2 파장판(22b)에 도달한다. 제2 1/2 파장판(22b)을 거침으로써, P 편광이었던 제1 분기광(LB1)은 S 편광으로 된다. S 편광으로 된 제1 분기광(LB1)은 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 도달한다. 한편, 제1 광로 P1이 제1 광로 셔터(24a)에 의해 차단되어 있는 경우, 제1 광로 셔터(24a)에 도달한 제1 분기광(LB1)은 제1 광로 셔터(24a)에 의해 도시하지 않은 빔 디퓨저를 향해 반사되고, 제2 편광 빔 스플리터(23b)에는 도달하지 않는다.

또한, 제2 광로 P2가 제2 광로 셔터(24b)에 의해 차단되어 있지 않은 경우(제2 광로 P2가 해방 상태에 있는 경우), 제2 분기광(LB2)은 빔 프로파일 변환 유닛(30)을 거침으로써 빔 프로파일이 변화된 후, 제2 수평 반사 미러(28)에 의해 반사됨으로써 수평면 내에 있어서의 진행 방향이 적절하게 바뀐 후, 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 도달한다. 이 제2 편광 빔 스플리터에 도달한 제2 분기광(LB2)은, 빔 프로파일 변환 유닛(30)을 거침으로써 편광 방향도 변화되고, S 편광으로부터 P 편광으로 변화되어 있다. 한편, 제2 광로 P2가 제2 광로 셔터(24b)에 의해 차단되어 있는 경우, 제2 광로 셔터(24b)에 도달한 제2 분기광(LB2)은 제2 광로 셔터(24b)에 의해 도시하지 않은 빔 디퓨저를 향해 반사되고, 제2 편광 빔 스플리터(23b)에는 도달하지 않는다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 빔 프로파일이라 함은, 진행 방향(광로 방향)을 축으로 하는 레이저광의 강도의 공간 분포를 말한다. 편의적으로는, 빔 프로파일은 레이저광의 진행 방향에 수직인 임의의 단면에 있어서의 강도 분포로서 취할 수 있다.

도 1에 있어서는, 4개의 제1 수평 반사 미러(27)와 1개의 제2 수평 반사 미러(28)를 설치한 경우가 도시되어 있지만, 제1 수평 반사 미러(27)와 제2 수평 반사 미러(28)의 개수는 이에 한정되지 않고, 광학계(20)를 구성하는 각 요소의 배치 레이아웃상의 요청 등에 따라서, 적절한 개수 및 배치 위치에서 설치되는 형태라도 좋다.

또한, 도 1에 있어서는 설명의 편의상 양쪽이 개방된 상태를 도시하고 있지만, 제1 광로 셔터(24a)에 의한 제1 광로 P1의 차단과, 제2 광로 셔터(24b)에 의한 제2 광로 P2의 차단은 배타적으로 행해진다. 따라서, 한쪽이 차단 상태에 있을 때에는, 반드시 다른 쪽은 해방 상태로 되어 있다.

도 2는 제1 광로 셔터(24a)가 개방되는 한편, 제2 광로 셔터(24b)에 의해 제2 광로 P2가 차단된 상태를 도시하는 도면이다. 도 3은 제1 광로 셔터(24a)에 의해 제1 광로 P1이 차단되는 한편, 제2 광로 셔터(24b)가 개방된 상태를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시하는 경우에 있어서, 제1 분기광(LB1)만이 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 도달하여 그 앞으로 더 진행하여, 도 3에 도시하는 경우에 있어서는, 제2 분기광(LB2)만이 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 도달하여 그 앞으로 더 진행하고 있다.

보다 상세하게는, 제2 편광 빔 스플리터(23b)는 제1 분기광(LB1)을 반사광으로 하여 제3 광로 P3을 향해 출사하고, 제2 분기광(LB2)을 투과광으로 하여 제3 광로 P3을 향해 출사한다. 바꾸어 말하면, 제2 편광 빔 스플리터(23b)는 제1 분기광(LB1)과 제2 분기광(LB2)의 광로를 공통화시키는 광로 공통화 수단으로서 기능한다.

도 1 내지 도 3에 도시하는 경우에 있어서는, Y축 부방향을 직진하여 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 입사한 제1 분기광(LB1)은 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 의해 X축 부방향으로 반사되고, X축 부방향을 직진하여 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 입사한 제2 분기광(LB2)은 그대로 X축 부방향으로 투과한다. 또한, 제2 편광 빔 스플리터(23b)로서는, 투과 효율이 90％ 내지 95％이고, 반사 효율은 약 99％인 것을 사용한다. 이에 의해, 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 있어서의 광학적인 손실은 최소한으로 저감된다.

이후, 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 의해 반사된 제1 분기광(LB1)을 제1 조사용 레이저광(LB3a)이라고 칭하고, 제2 편광 빔 스플리터(23b)를 투과한 제2 분기광(LB2)을 제2 조사용 레이저광(LB3b)이라고 칭하고, 양자를 조사용 레이저광(LB3)이라고 총칭한다.

조사용 레이저광(LB3)은 그 광로 P3 상에 설치된 1/4 파장판(25)에 의해 원편광으로 한 후, 마찬가지로 광로 P3 상에 설치된 수직 반사 미러(29)에 의해 연직 하방(Z축 부방향)을 향해 반사된다. 반사 후의 조사용 레이저광(LB3)은 배치대(20A)가 설치된 관통 구멍(20B)을 통과한 후, 광로 P3 상이며 상기 관통 구멍(20B)의 바로 아래에 배치된 집광 렌즈(26)에 의해 집광된 후, 그 조사 방향이 연직 방향으로 유지되면서 스테이지부(10)에[흡착 척(14)에] 적재 고정되어 이루어지는 피가공물에 대해 조사된다. 보다 상세하게는, 제1 광로 셔터(24a)와 제2 광로 셔터(24b)의 개방/차단 상태에 따라서, 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b) 중 어느 하나가 선택적으로 조사된다. 또한, 집광 렌즈(26)에는 이것을 Z축 방향으로 이동시킴으로써 조사용 레이저광(LB3)의 포커싱 상태를 조정 가능한 도시하지 않은 포커싱 조정 기구가 설치되어 있다. 이러한 포커싱 조정 기구의 작용에 의해, 조사용 레이저광(LB3)의 포커싱 위치를 피가공물 표면에 조정하거나, 혹은 포커싱 위치를 의도적으로 피가공물 내부에 설정하는 디포커스 상태를 실현하는 것 등이 가능해진다.

이상과 같은 구성을 갖는 레이저 가공 장치(100)에 있어서는, 개략, 조사용 레이저광(LB3)의 조사와, 스테이지부(10)에 구비되는 X 스테이지(11), Y 스테이지(12) 및 θ 스테이지(13)의 이동을 적절하게 조합함으로써, 피가공물의 원하는 가공 위치에 대해 가공을 행할 수 있다. 예를 들어, LED 기판의 스트리트에 스크라이브 라인을 형성하는 경우이면, 격자 형상으로 배치된 스트리트의 연장 방향을 XY 양축 방향에 일치시킨 상태에서, X 스테이지(11) 또는 Y 스테이지(12)를 이동시키면서 조사용 레이저광(LB3)을 스트리트 위치에 조사함으로써 실현된다.

또한, 레이저 가공 장치(100)에 있어서는, 제1 광로 셔터(24a)와 제2 광로 셔터(24b)의 개방/차단 상태에 따라서, 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b) 중 어느 하나가 선택적으로 조사된다. 이 점에 대해서는, 다음에 상세하게 서술한다.

<레이저광의 빔 프로파일과 선택적 조사의 관계>

우선, 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b)의 빔 프로파일의 차이를 만들어 내는 빔 프로파일 변환 유닛(30)에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)에 있어서는, 레이저광원(21)으로부터 출사된 레이저광(LB0)이 제1 편광 빔 스플리터(23a)에 있어서 제1 분기광(LB1)과 제2 분기광(LB2)으로 분기하고, 제2 광로 P2를 진행하는 제2 분기광(LB2)만이 빔 프로파일 변환 유닛(30)을 경유하도록 되어 있다.

도 4는 빔 프로파일 변환 유닛(30)의 구성을 도시하는 사시도이다. 빔 프로파일 변환 유닛(30)은 출사하는 레이저광(출사광)의 빔 프로파일을 입사한 레이저광(입사광)의 빔 프로파일과는 다른 것으로 변환하는, 레이저 가공 장치(100)의 구성 요소이다.

빔 프로파일 변환 유닛(30)은 외부로부터 수평 방향(도 4에 있어서는 X축 정방향)으로 입사한 레이저광(LB)[입사광(LBα)]을 연직 상방(Z축 정방향)으로 반사하는 제1 미러(31)와, 제1 미러(31)에 의해 반사된 레이저광(LB)을 수평면 내이며 제1 미러(31)로의 입사 방향과 직교하는 방향(도 4에 있어서는 Y축 부방향)으로 반사하는 제2 미러(32)와, 제2 미러(32)에 의해 반사된 레이저광(LB)을 연직 하방(Z축 부방향)으로 반사하는 제3 미러(33)와, 제3 미러(33)에 의해 반사된 레이저광(LB)을 수평면 내이며 제2 미러(32)로부터의 반사광과 평행한 방향(도 4에 있어서는 Y축 부방향)으로 반사하는 제4 미러(34)의 4개의 미러로 이루어지는 미러군을 구비한다. 제4 미러(34)에 의해 반사된 레이저광(LB)이 외부로 출사되는 출사광(LBβ)으로 된다.

또한, 도 4에 예시하는 빔 프로파일 변환 유닛(30)에 있어서는, 미러군을 저장하는 하우징(35)이 구비되어 있고, 외부로부터의 입사광(LBα)이 하우징(35)에 형성된 입사 구멍(35A)을 통해 제1 미러(31)로 조사되고, 제4 미러로부터의 반사광인 출사광(LBβ)이 하우징(35)에 형성된 출사 구멍(35B)을 통해 외부로 출사되는 것으로 되어 있지만, 빔 프로파일 변환 유닛(30)이 하우징(35)을 구비하는 것은 필수의 형태가 아니다.

상술한 구성을 갖는 빔 프로파일 변환 유닛(30)에 있어서는, 입사한 레이저광(LB)이 미러군에 의해 순차적으로 반사됨으로써, 입사광(LBα)의 빔 프로파일을, 진행 방향을 축으로 90° 회전시킨 빔 프로파일을 갖는 출사광(LBβ)이 출사된다.

예를 들어, 도 4에 도시하는 경우이면, 입사광(LBα)의 빔 프로파일은 화살표 AR1로 나타낸 바와 같이 수평면 내의 일방향인 Y축 방향으로 길이 방향을 갖지만, 출사광(LBβ)의 빔 프로파일은 화살표 AR2로 나타낸 바와 같이 Z축 방향으로 길이 방향을 갖는 것으로 되어 있다. 즉, 입사광(LBα)의 빔 프로파일과 출사광(LBβ)의 빔 프로파일은 진행 방향을 축으로 하면, 직교하고 있게 된다.

레이저 가공 장치(100)에 있어서는, 이러한 빔 프로파일 변환 유닛(30)을 제2 광로 P2 상에 구비하므로, 제2 분기광(LB2)의 빔 프로파일이, 빔 프로파일 변환 유닛(30)에 의해 진행 방향을 축으로 90° 회전되게 된다. 제2 광로 P2에 있어서 빔 프로파일 변환 유닛(30)과 제2 편광 빔 스플리터(23b) 사이에 구비되는 것은, 제2 수평 반사 미러(28)와 제2 광로 셔터(24b)뿐이므로, 빔 프로파일 변환 유닛(30)으로부터 수평면 내에 출사된 제2 분기광(LB2)의 빔 프로파일은, 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 이를 때까지 유지되게 된다.

한편, 제1 광로 P1에는 제1 수평 반사 미러(27)와 제1 광로 셔터(24a)가 구비될 뿐이므로, 제1 광로 P1을 진행하는 제1 분기광(LB1)의 빔 프로파일은, 제1 편광 빔 스플리터(23a)로부터 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 이를 때까지 유지된다.

그로 인해, 제2 편광 빔 스플리터(23b)에 입사하는 제1 분기광(LB1)과 제2 분기광(LB2)에 있어서도, 도 4에 도시한 경우와 마찬가지로, 서로의 빔 프로파일이 진행 방향을 축으로 90° 회전한 관계(90° 회전시키면 빔 프로파일이 합치하는 관계)에 있게 된다. 이것을, 양자의 빔 프로파일이 직교하거나, 혹은 직교 관계에 있다고 칭한다. 또한, 제1 분기광(LB1)과 제2 분기광(LB2)은 원래, 동일한 레이저광원(21)으로부터 출사된 레이저광(LB0)이 분기한 것이므로, 양자의 빔 프로파일은, 축 방향에 대한 방향은 다르지만 형상 자체는 동일하다.

제2 편광 빔 스플리터(23b)로부터 스테이지부(10)에 이르는 광로 P3에는 1/4 파장판(25)과 수직 반사 미러(29)가 설치되어 있고, 제1 분기광(LB1)인 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 분기광(LB2)인 제2 조사용 레이저광(LB3b)은 각각, 제2 편광 빔 스플리터(23b)를 거친 후에 1/4 파장판(25)에 의해 원편광으로 된 후 수직 반사 미러(29)에 의해 반사된다. 그로 인해, 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b)의 진행 방향 자체는 변화되지만, 양자의 빔 프로파일은 수직 반사 미러(29)에 의한 반사 후에도 직교 관계를 유지하고 있다.

상술한 바와 같이, 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b)은 제1 광로 셔터(24a)와 제2 광로 셔터(24b) 중 어느 것을 개방/차단할지에 따라서, 선택적으로 피가공물에 조사되므로, 결국, 레이저 가공 장치(100)에 있어서는, 빔 프로파일이 동일 형상을 가지면서도 서로 직교하는 관계에 있는 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b)을 선택적으로 피가공물에 조사할 수 있도록 되어 있다.

예를 들어, 도 2 및 도 3은 레이저광원(21)으로부터 Y축 부방향을 향해 출사되는 레이저광(LB0)의 빔 프로파일이 X축 방향으로 길이 방향을 갖는 경우의, 피가공물에 조사되는 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b)의 빔 프로파일의 차이를 나타내고 있다. 도 2와 같이, 제1 광로 셔터(24a)가 개방되는 한편, 제2 광로 셔터(24b)에 의해 제2 광로 P2가 차단된 상태에서, 피가공물에 조사되는 제1 조사용 레이저광(LB3a)은 Y축 방향으로 길이 방향을 갖는 것으로 되어 있다. 한편, 도 3과 같이, 제2 광로 셔터(24b)가 개방되는 한편, 제1 광로 셔터(24a)에 의해 제1 광로 P1이 차단된 상태에서, 피가공물에 조사되는 제2 조사용 레이저광(LB3b)은 X축 방향으로 길이 방향을 갖는 것으로 되어 있다.

<스트리트 가공>

이상과 같이 빔 프로파일이 직교 관계에 있는 2종의 조사용 레이저광(LB3)을 선택적으로 조사 가능한 레이저 가공 장치(100)는 LED 기판 등의 스트리트 가공, 즉 LED 기판의 표면에 정방 격자 형상으로 설정된 스트리트의 위치에 스크라이브 라인을 형성하는 경우와 같이, 직교하는 2방향으로 스크라이브 가공을 행하는 데 적합하다. 이하, 이 점에 대해 설명한다.

도 5는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 레이저광원(21)으로부터 출사되는 레이저광(LB0)의 빔 프로파일이 X축 방향으로 길이 방향을 갖는 경우에 있어서, 조사용 레이저광(LB3)이 조사되고 있는 상태의 스테이지부(10)의 상면도이다. 구체적으로는, 도 5의 (a)는 제1 조사용 레이저광(LB3a)이 조사되고 있을 때의 스테이지부(10)의 상면도이고, 도 5의 (b)는 제2 조사용 레이저광(LB3b)이 조사되고 있을 때의 스테이지부(10)의 상면도이다. 단, 모두, 피가공물인 LED 기판의 도시는 생략하고 있다. 또한, 각 부의 사이즈의 관계는 실제의 것과는 다르다. 실제로는, 스트리트의 폭이 수십㎛ 정도이고, LED 기판에 조사되는 레이저광의 빔 프로파일의 길이 방향 사이즈는 스트리트의 폭보다 약간 작거나 그 이하이고, 작아도 수㎛ 정도이다.

도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 조사용 레이저광(LB3a)은 빔 프로파일이 Y축 방향으로 길이 방향을 갖도록 조사된다. 한편, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 조사용 레이저광(LB3b)은 빔 프로파일이 X축 방향으로 길이 방향을 갖도록 조사된다. 즉, 양자의 빔 프로파일은 동일 형상을 갖고 또한 직교한다. 그로 인해, 제1 조사용 레이저광(LB3a)을 조사하여 가공을 행할 때의 가공 진행 방향[피가공물에 대한 제1 조사용 레이저광(LB3a)의 상대 주사 방향]과, 제2 조사용 레이저광(LB3b)을 조사하여 가공을 행할 때의 가공 진행 방향[피가공물에 대한 제2 조사용 레이저광(LB3b)의 상대 주사 방향]을 직교시키도록 하면, 각각의 가공 진행 방향에 대해 보면, 동일 형상의 빔 프로파일을 갖는 레이저광에 의해 가공이 행해지게 된다.

본 실시 형태에 있어서는, 이 관계를 이용하여, 스트리트 위치에 대한 스크라이브 라인을 형성한다. 구체적으로는, 흡착 척(14)에 흡착 고정한 LED 기판의 배치 위치를 공지의 방법으로 조정함(얼라인먼트함)으로써 격자 형상으로 배치된 스트리트의 서로 직교하는 2개의 연장 방향을 XY 양 축 방향에 일치시킨 후, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 제1 조사용 레이저광(LB3a)을 조사하면서 화살표 AR3으로 나타낸 바와 같이 X 스테이지(11)를 이동시킴으로써, X축 방향을 따른 스트리트 위치에 대해 스크라이브 라인을 형성하도록 한다. 마찬가지로, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 제2 조사용 레이저광(LB3b)을 조사하면서 화살표 AR4로 나타낸 바와 같이 Y 스테이지(12)를 이동시킴으로써, Y축 방향을 따른 스트리트 위치에 대해 스크라이브 라인을 형성하도록 한다.

이와 같이 하면, X축 방향을 따라서 본 제1 조사용 레이저광(LB3a)의 빔 프로파일과, Y축 방향을 따라서 본 제2 조사용 레이저광(LB3b)의 빔 프로파일이 동일해지므로, 결과적으로, 직교하는 XY 2방향의 스크라이브 라인은 동일한 가공 정밀도로 형성되게 된다. 또한, 이 경우, 레이저광원(21)으로부터 출사되는 레이저광(LB0)의 빔 프로파일 자체가 등방적일 필요는 없으므로, 상술한 가공은, 반드시 빔 프로파일의 등방성이 엄밀하게 보증되어 있는 것이 아닌 시판의 레이저광원(21)을 사용하여 구성된 레이저 가공 장치(100)에 의해서도, 적절하게 실현 가능해진다.

이러한 형태에서 스트리트 가공을 행하는 경우에 있어서의 구체적인 가공 조건은, 원하는 스크라이브 라인이 형성되는 범위에 있어서 적절하게 정해지면 좋다. 예를 들어, LED 기판이 사파이어 단결정 기재를 사용하여 형성되어 있는 경우이면, 레이저광(LB0)의 파장은 150㎚ 내지 563㎚의 파장 범위에 속하는 것이 바람직하고, 그 중에서도 Nd:YAG 레이저를 레이저광원(21)으로 하는 경우에는, 그 3배 고조파(파장 약 355㎚)를 사용하는 것이 적합한 형태이다. 그때, 펄스의 반복 주파수는 50㎑ 이상 150㎑ 이하인 것이 바람직하고, 펄스 폭은 50nsec 이상 150nsec 이하인 것이 적합하다. 피크 파워는 100W 이상 500W 이하인 것이 적합하다. 또한, X 스테이지(11) 및 Y 스테이지(12)의 이동 속도는 100㎜/sec 이상 300㎜/sec 이하인 것이 적합하다.

또한, 제1 조사용 레이저광(LB3a)과 제2 조사용 레이저광(LB3b)은 1/4 파장판(25)에 의해 원편광으로 된 후, 피가공물에 조사되도록 되어 있으므로, 편광의 상태가 가공 정밀도에 영향을 미치는 일은 없다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 피가공물을 흡착 고정한 상태에서 직교하는 2방향으로 이동 가능한 스테이지부를 구비하는 동시에, 형상이 동일하고 방향이 직교하는 빔 프로파일을 갖는 2종류의 레이저광을 선택적으로 사용한 가공이 가능한 레이저 가공 장치가 실현된다. 그리고, 이러한 레이저 가공 장치에 따르면, 예를 들어 LED 기판의 표면에 정방 격자 형상으로 설치된 스트리트 위치에 스크라이브 라인을 형성하는 경우와 같이, 직교하는 2방향에 대해 스크라이브 가공을 행하는 경우에, 스크라이브 라인의 형성 방향과 스테이지부의 이동 방향을 일치시킨 후, 이동 방향을 따라서 조사하는 레이저광을 정함으로써, 레이저광원으로부터 출사되는 레이저광의 빔 프로파일 자체가 등방적인 것이 아니어도, 직교하는 2방향의 스크라이브 라인을 동일한 가공 정밀도로 형성할 수 있다. 즉, 직교하는 2방향에 있어서의 스크라이브 라인의 가공 정밀도 편차가 저감된다.

<변형예>

상술한 실시 형태에 관한 빔 프로파일 변환 유닛(30)은, 도 4에 도시한 바와 같이 입사광과 출사광이 동일한 YX 평면 내를 진행하도록 구성되어 있는 동시에, 입사 방향과 출사 방향이 XY 평면 내에서 직교하도록 구성되어 있지만, 이들은 필수의 형태는 아니다. 예를 들어, 제3 미러(33)와 제4 미러(34)를 생략한 구성의 빔 프로파일 변환 유닛(30)의 경우, 입사광과 출사광의 높이 위치는 다르지만, 양자의 빔 프로파일은 평면에서 볼 때에는 직교하게 된다. 혹은, 제4 미러(34)로부터의 반사광을 X축 정방향으로 반사하는 제5 미러를 설치한 빔 프로파일 변환 유닛(30)의 경우, 출사 방향이 입사 방향과 동일해진다. 즉, 빔 프로파일 변환 유닛(30)의 구성은 수평 반사 미러 등 다른 구성 요소의 배치 위치에 따라서 적절하게 정해져도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, 레이저 가공 장치(100)가 제2 광로 P2 상에 미러군으로 이루어지는 빔 프로파일 변환 유닛(30)을 구비하는 형태에 대해 설명하였지만, 빔 프로파일 유닛의 구성은, 이것으로는 한정되지 않는다. 도 6은 빔 프로파일 변환 유닛(30) 대신에 사용이 가능한 빔 프로파일 변환 프리즘(130)을 도시하는 사시도이다.

빔 프로파일 변환 프리즘(130)은 제1 반사면(131)과, 제2 반사면(132)과, 제3 반사면(133)과, 제4 반사면(134)이, 각각, 입사광 및 반사광에 대해, 빔 프로파일 변환 유닛(30)의 제1 미러(31), 제2 미러(32), 제3 미러(33) 및 제2 미러(34)의 배치 관계와 동일한 배치 관계가 되도록 구성되어 이루어진다. 이러한 빔 프로파일 변환 프리즘(130)에 있어서도, 입사한 레이저광(LB)이 미러군에 의해 순차적으로 반사됨으로써, 입사광(LBα)의 빔 프로파일을, 진행 방향을 축으로 90° 회전시킨 빔 프로파일을 갖는 출사광(LBβ)이 출사된다.

상술한 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 있어서는, 빔 프로파일 변환 유닛이 제2 분기광(LB2)의 프로파일의 방향을 90° 회전시키고 있었지만, 빔 프로파일 변환 유닛 내외의 각종 미러의 배치를 적절하게 행함으로써, 제2 분기광(LB2)의 프로파일의 방향을 180° 회전시키는 빔 프로파일 변환 유닛을 구비한 레이저 가공 장치도 실현 가능하다. 이러한 레이저 가공 장치를 사용하면, 복수의 스크라이브 라인을 평행하게 형성하는 왕복 가공에 있어서 진행 방향의 가공과 복귀 방향의 가공을 동일한 빔 프로파일을 갖는 다른 레이저광에 의해 행하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 왕복 가공에 있어서 왕복 양 방향의 가공 정밀도 편차가 저감된다.

10 : 스테이지부
11 : X 스테이지
12 : Y 스테이지
13 : θ 스테이지
14 : 흡착 척
20 : 광학계
20A : 배치대
20B : 관통 구멍
21 : 레이저광원
22(22a, 22b) : 파장판
23(23a, 23b) : 편광 빔 스플리터
24(24a, 24b) : 광로 셔터
25 : 파장판
26 : 집광 렌즈
27, 28 : 수평 반사 미러
29 : 수직 반사 미러
30 : 빔 프로파일 변환 유닛
100 : 레이저 가공 장치
130 : 빔 프로파일 변환 프리즘
LBα : (빔 프로파일 변환 유닛으로의) 입사광
LBβ : (빔 프로파일 변환 유닛으로부터의) 출사광
LB0 : (레이저광원으로부터 출사되는) 레이저광
LB1 : 제1 분기광
LB2 : 제2 분기광
LB3(LB3a, LB3b) : 조사용 레이저광

Claims

레이저광을 조사하여 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치이며,
피가공물을 고정하는 스테이지부와,
레이저광원으로부터 출사된 레이저광을 집광 렌즈로부터 상기 스테이지부에 고정된 상기 피가공물에 대해 조사하는 광학계를 구비하고,
상기 광학계가,
상기 레이저광원으로부터 출사된 상기 레이저광을 제1 분기광과 제2 분기광으로 분기시키는 분기 수단과,
상기 제2 분기광의 빔 프로파일을, 진행 방향을 축으로 하여 90° 회전시키는 변환 수단과,
상기 제1 분기광과 상기 변환 수단을 거친 상기 제2 분기광의 상기 집광 렌즈에 이를 때까지의 조사용 광로를 공통화시키는 광로 공통화 수단과,
상기 분기 수단과 상기 광로 공통화 수단 사이에서 상기 제1 분기광과 상기 제2 분기광을 선택적으로 차단하는 선택적 차단 수단을 갖고,
상기 광로 공통화 수단을 거친 상기 제1 분기광을 제1 조사용 레이저광으로 하고, 상기 공통화 수단을 거친 상기 제2 분기광을 제2 조사용 레이저광으로 할 때에,
상기 선택적 차단 수단에 의한 상기 제1 분기광과 상기 제2 분기광의 차단을 전환함으로써, 상기 스테이지부에 고정된 상기 피가공물에 대해 동일한 빔 프로파일을 갖고 또한 방향이 직교하는 상기 제1 조사용 레이저광과 상기 제2 조사용 레이저광 중 어느 하나를 선택적으로 조사 가능한 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
제1항에 있어서, 상기 스테이지부가 서로 직교하는 제1 방향과 제2 방향으로 이동 가능하게 되어 이루어지고,
상기 제1 조사용 레이저광을 상기 피가공물에 조사할 때에 상기 스테이지부를 상기 제1 방향으로 이동시키고, 상기 제2 조사용 레이저광을 상기 피가공물에 조사할 때에 상기 스테이지부를 상기 제2 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변환 수단이, 복수의 미러를 조합함으로써 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변환 수단이, 복수의 반사면을 갖는 프리즘에 의해 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
제2항에 기재된 레이저 가공 장치를 사용한 피가공물의 가공 방법이며,
상기 피가공물을 상기 스테이지부에 고정하는 고정 공정과,
상기 피가공물에 설정된 격자 형상의 가공 대상 위치의 서로 직교하는 연장 방향을 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 합치시키는 얼라인먼트 공정과,
상기 스테이지부를 상기 제1 방향으로 이동시키면서 상기 제1 조사용 레이저광을 조사하여 상기 제1 방향으로 연장하는 가공 대상 위치를 가공하는 제1 가공 공정과,
상기 스테이지부를 상기 제2 방향으로 이동시키면서 상기 제2 조사용 레이저광을 조사하여 상기 제2 방향으로 연장하는 가공 대상 위치를 가공하는 제2 가공 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치를 사용한 피가공물의 가공 방법.