KR20130075651A

KR20130075651A - 피가공물의 가공 방법 및 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR20130075651A
Application number: KR1020120128650A
Authority: KR
Inventors: 쇼헤이 나가토모; 이쿠요시 나카타니; 유마 이와츠보
Original assignee: 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-07-05
Also published as: CN103182607B; CN103182607A; KR101397787B1; JP2013132664A; JP5910075B2; TWI498180B; TW201332692A

Abstract

본 발명의 과제는 에너지 이용 효율이 높고 확실하게 분할 기점을 형성할 수 있는 가공 방법을 제공하는 것이다.
피가공물로의 분할 기점 형성 방법이, 오실레이터가 발진하는 발진 펄스광을 증폭기에 있어서 CPA법으로 증폭하여, 증폭광을 광원으로부터 출사시키는 출사 공정과, 개개의 단위 펄스광마다의 피조사 영역이 피가공면에 있어서 이산적으로 형성되도록 펄스 레이저광을 피가공물에 조사함으로써, 피조사 영역끼리의 사이에서 피가공물의 벽개 혹은 열개를 발생시킴으로써, 피가공물에 분할을 위한 기점을 형성하는 조사 공정을 구비하고, 출사 공정에 있어서는, 증폭기로부터의 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써, 하나의 단위 펄스광을, 단위 펄스광의 출사 주기에 비해 짧은 시간 간격으로 지연하는 2개의 펄스광으로서 광원으로부터 출사시키는 한편, 2개의 펄스광이 조사 공정에 있어서 실질적으로 동일한 피조사 영역에 조사되도록 한다.

Description

피가공물의 가공 방법 및 레이저 가공 장치{PROCESSING METHOD OF PROCESSED OBJECT AND LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저광을 조사하여 피가공물을 가공하는 가공 방법에 관한 것이다.

펄스 레이저광(이하, 단순히 레이저광이라고도 칭함)을 조사하여 피가공물을 가공하는 기술(이하, 단순히 레이저 가공 혹은 레이저 가공 기술이라고도 칭함)로서, 펄스 폭이 psec 오더인 초단 펄스의 레이저광을 주사하면서 피가공물의 상면에 조사함으로써, 개개의 단위 펄스광마다의 피조사 영역 사이에서 피가공물의 벽개 혹은 열개를 순차적으로 발생시켜 가고, 각각에 있어서 형성된 벽개면 혹은 열개면의 연속면으로서 분할을 위한 기점(분할 기점)을 형성하는 방법이 이미 공지이다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

일본 특허 출원 공개 제2011-131256호 공보

특허 문헌 1에 개시되어 있는 가공 방법(벽개/열개 가공)은, 구체적으로는, 100psec 이하의 펄스 폭을 갖는 단위 펄스광을 4㎛ 내지 50㎛ 정도의 간격으로 이산적으로 조사하여, 개개의 피조사 영역의 중심 부분에서 물질의 변질ㆍ용융ㆍ증발 제거 등을 발생시킴으로써, 피조사 영역 사이에 결정면을 따른 벽개/열개(혹은 그들보다도 더욱 거시적인 현상인 크랙)를 진전시키는 방법이다. 그로 인해, 피조사 영역에서 필요 이상의 가공이 이루어질 필요는 없고, 오히려, 피조사 영역으로부터 확실하게 벽개/열개를 진전시키는 것이 요구된다.

예를 들어, 피크 파워 밀도가 크고 펄스 폭이 작은 단위 펄스광을 조사한 경우, 피조사 영역에 부여하는 에너지가 과잉으로 되어 피조사 영역에 필요 이상의 데미지를 부여하는 한편, 벽개/열개가 적절하게 진전되지 않는 일이 일어날 수 있다. 이는 조사된 단위 펄스광의 에너지가, 벽개/열개의 진전으로 충분히 돌려지지 않기 때문이다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 에너지 이용 효율이 높고, 보다 확실하게 분할 기점을 형성할 수 있는 레이저 가공 방법 및 이를 실현하는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은 피가공물에 분할 기점을 형성하기 위한 가공 방법이며, 광원에 구비되는 오실레이터가 발진하는 발진 펄스광을 상기 광원 내에 구비되는 증폭기에 있어서 증폭하여, 증폭광인 펄스 레이저광을 상기 광원으로부터 출사시키는 출사 공정과, 상기 펄스 레이저광의 개개의 단위 펄스광마다의 피조사 영역이 상기 피가공물 피가공면에 있어서 이산적으로 형성되도록 상기 펄스 레이저광을 상기 피가공물에 조사함으로써, 상기 피조사 영역끼리의 사이에서 상기 피가공물의 벽개 혹은 열개를 발생시킴으로써, 상기 피가공물에 분할을 위한 기점을 형성하는 조사 공정을 구비하고, 상기 출사 공정에 있어서 상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써, 하나의 상기 단위 펄스광을, 상기 단위 펄스광의 출사 주기에 비해 짧은 시간 간격으로 지연하는 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 한편, 상기 2개의 펄스광이 상기 조사 공정에 있어서 실질적으로 동일한 상기 피조사 영역에 조사되도록 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명은, 청구항 1에 기재된 피가공물의 가공 방법이며, 상기 출사 공정에 있어서는, 상기 증폭기로부터 상기 증폭광의 취출을, 상기 증폭광의 일부만이 상기 증폭기로부터 추출되는 제1 시간과, 상기 제1 시간의 경과 후, 상기 증폭광의 나머지가 상기 증폭기에 있어서 증폭을 받은 후의 제2 시간으로 나누어 행함으로써, 상기 2개의 펄스광을 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 3의 발명은, 청구항 1에 기재된 피가공물의 가공 방법이며, 상기 출사 공정에 있어서는, 상기 오실레이터로부터 2개의 상기 발진 펄스광을 발진시켜, k를 자연수로 할 때에, 앞서 발진된 상기 발진 펄스광의 k차 또는 k＋1차의 증폭광과, 나중에 발진된 상기 펄스광의 k차의 증폭광을 이 순서대로 상기 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 4의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 기재된 피가공물의 가공 방법이며, 상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써, 상기 2개의 펄스광의 펄스 에너지의 비를 조정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5의 발명은, 레이저광을 출사하는 광원과, 기판 상에 피가공물을 고정하는 스테이지를 구비하고, 상기 출사원과 상기 스테이지를 상대적으로 이동시킴으로써 상기 레이저광을 소정의 가공 예정선을 따라서 주사하면서 상기 피가공물에 조사 가능한 레이저 가공 장치이며, 상기 출사원이, 펄스광을 발진하는 오실레이터와, 상기 오실레이터가 발진하는 발진 펄스광을 증폭하는 증폭기를 구비하고, 상기 증폭기에 의한 증폭광인 펄스 레이저광을 출사하도록 되어 있고, 상기 펄스 레이저광의 개개의 단위 펄스광마다의 피조사 영역이 상기 피가공물의 피가공면에 있어서 이산적으로 형성되도록 상기 펄스 레이저광을 상기 피가공물에 조사함으로써, 상기 피조사 영역끼리의 사이에서 상기 피가공물의 벽개 혹은 열개를 발생시킴으로써, 상기 피가공물에 분할을 위한 기점을 형성하는 것이고, 상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써, 하나의 상기 단위 펄스광을, 상기 단위 펄스광의 출사 주기에 비해 짧은 시간 간격으로 지연하는 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 한편, 상기 2개의 펄스광을 실질적으로 동일한 상기 피조사 영역에 조사시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 6의 발명은, 청구항 5에 기재된 레이저 가공 장치이며, 상기 증폭기로부터의 상기 증폭광의 취출을, 상기 증폭광의 일부만이 상기 증폭기로부터 추출되는 제1 시간과, 상기 제1 시간의 경과 후, 상기 증폭광의 나머지가 상기 증폭기에 있어서 증폭을 받은 후의 제2 시간으로 나누어 행함으로써, 상기 2개의 펄스광을 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 7의 발명은 청구항 5에 기재된 레이저 가공 장치이며, 상기 오실레이터로부터 2개의 상기 발진 펄스광을 발진시켜, k를 자연수로 할 때에, 앞서 발진된 상기 발진 펄스광의 k차 또는 k＋1차의 증폭광과, 나중에 발진된 상기 펄스광의 k차의 증폭광을 이 순서대로 상기 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 8의 발명은 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 하나에 기재된 레이저 가공 장치이며, 상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써 상기 2개의 펄스광의 펄스 에너지의 비를 조정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 1 내지 청구항 8의 발명에 따르면, 더블 펄스화된 레이저광에 의해 피가공물에 대해 가공 예정선을 따른 벽개/열개 가공을 행하도록 함으로써, 에너지 이용 효율이 높은 벽개/열개 가공이 가능해진다. 즉, 벽개/열개에 의한 분할 기점의 형성을 보다 확실하게 행할 수 있게 된다.

도 1은 벽개/열개 가공에 의한 가공 형태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 2는 레이저 가공 장치(50)의 구성을 개략적으로 도시하는 모식도.
도 3은 레이저 가공 장치(50)가 구비하는 레이저 광원 SL의 구성을 도시하는 도면.
도 4는 더블 펄스화된 레이저광(LB)의 단위 펄스광(PL)의 프로파일을 모식적으로 도시하는 도면.
도 5는 출력 증폭기(105)에 있어서의 펄스광의 증폭과 출력 증폭기(105)로부터의 펄스광의 추출에 대해 설명하기 위한 도면.
도 6은 더블 펄스화의 제2 형태에 대해 설명하기 위한 도면.
도 7은 실시예와 비교예에 대한, 가공 후의 C면 사파이어 기판 표면의 광학 현미경상.

<가공의 원리>

본 발명의 실시 형태에 있어서 실현되는 가공의 기본적인 원리는 특허 문헌 1에 개시된 가공의 원리와 마찬가지이다. 그로 인해, 이하에 있어서는, 개략만을 설명한다. 본 발명에 있어서 행해지는 가공은, 개략적으로 말하면, 펄스 레이저광(이하, 단순히 레이저광이라고도 칭함)을 주사하면서 피가공물의 상면(피가공면)에 조사함으로써, 개개의 펄스마다의 피조사 영역 사이에서 피가공물의 벽개 혹은 열개를 순차적으로 발생시켜 가고, 각각에 있어서 형성된 벽개면 혹은 열개면의 연속면으로서 분할을 위한 기점(분할 기점)을 형성하는 것이다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 열개라 함은, 벽개면 이외의 결정면을 따라서 피가공물이 대략 규칙적으로 균열되는 현상을 지시하는 것으로 하고, 당해 결정면을 열개면이라고 칭한다. 또한, 결정면을 완전히 따른 미시적인 현상인 벽개나 열개 이외에, 거시적인 균열인 크랙이 대략 일정한 결정 방위를 따라서 발생하는 경우도 있다. 물질에 따라서는 주로 벽개, 열개 혹은 크랙 증 어느 하나만이 일어나는 경우도 있지만, 이후에 있어서는, 설명의 번잡을 피하기 위해, 벽개, 열개 및 크랙을 구별하지 않고 벽개/열개 등으로 총칭한다. 또한, 상술한 바와 같은 형태의 가공을, 단순히 벽개/열개 가공 등이라고도 칭하는 경우가 있다.

이하에 있어서는, 피가공물이 육방정의 단결정 물질이며, 그 C면 내에 있어서 서로 120°씩의 각도를 이루고 서로 대칭의 위치에 있는 a1축, a2축 및 a3축의 각 축방향이 벽개/열개 용이 방향이고, 또한 가공 예정선이 a1축 방향, a2축 방향, a3축 방향 중 어느 하나와 수직인 경우를 예로 들어 설명한다. 보다 일반적으로 말하면, 이는 상이한 2개의 벽개/열개 용이 방향에 대해 등가의 방향(2개의 벽개/열개 용이 방향의 대칭축이 되는 방향)이 가공 예정선의 방향으로 되는 경우이다. 또한, 이하에 있어서는, 개개의 펄스마다 조사되는 레이저광을 단위 펄스광이라고 칭한다.

도 1은 벽개/열개 가공에 의한 가공 형태를 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 1에 있어서는, a1축 방향과 가공 예정선(L)이 직교하는 경우를 예시하고 있다. 도 1의 (a)는 이러한 경우의 a1축 방향, a2축 방향, a3축 방향과 가공 예정선(L)의 방위 관계를 나타내는 도면이다. 도 1의 (b)는 레이저광의 1 펄스째의 단위 펄스광이 가공 예정선(L)의 단부의 피조사 영역(RE1)에 조사된 상태를 도시하고 있다.

일반적으로, 단위 펄스광의 조사는 피가공물의 극미소 영역에 대해 높은 에너지를 부여하므로, 이러한 조사는 피조사면에 있어서 단위 펄스광의(레이저광의) 피조사 영역 상당 혹은 피조사 영역보다도 넓은 범위에 있어서 물질의 변질ㆍ용융ㆍ증발 제거 등을 발생시킨다.

그런데, 단위 펄스광의 조사 시간, 즉 펄스 폭을 극히 짧게 설정하면, 레이저광의 스폿 사이즈보다 좁고, 피조사 영역(RE1)의 대략 중앙 영역에 존재하는 물질이, 조사된 레이저광으로부터 운동 에너지를 얻음으로써 플라즈마화되거나 기체 상태 등으로 고온화되어 변질되거나 또는 피조사면에 수직인 방향으로 비산하는 한편, 이러한 비산에 수반하여 발생하는 반력을 시작으로 하는 단위 펄스광의 조사에 의해 발생하는 충격이나 응력이, 상기 피조사 영역의 주위, 특히, 벽개/열개 용이 방향인 a1축 방향, a2축 방향, a3축 방향으로 작용한다. 이에 의해, 당해 방향을 따라서, 외관상은 접촉 상태를 유지하면서도 미소한 벽개 혹은 열개가 부분적으로 발생하거나, 혹은 벽개나 열개까지는 이르지 않아도 열적인 변형이 내재되는 상태가 발생한다. 바꾸어 말하면, 초단 펄스의 단위 펄스광의 조사가, 벽개/열개 용이 방향을 향하는 상면에서 볼 때 대략 직선 형상의 약강도 부분을 형성하기 위한 구동력으로서 작용하고 있다고도 할 수 있다.

도 1의 (b)에 있어서는, 상기 각 벽개/열개 용이 방향에 있어서 형성되는 약강도 부분 중, 가공 예정선(L)의 연장 방향에 가까운 －a2 방향 및 ＋a3 방향에 있어서의 약강도 부분(W11a, W12a)을 파선 화살표로 모식적으로 도시하고 있다.

계속해서, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이, 레이저광의 2 펄스째의 단위 펄스광이 조사되어, 가공 예정선(L) 상에 있어서 피조사 영역(RE1)으로부터 소정 거리만큼 이격된 위치에 피조사 영역(RE2)이 형성되면, 1 펄스째와 마찬가지로, 이 2 펄스째에 있어서도, 벽개/열개 용이 방향을 따른 약강도 부분이 형성되게 된다. 예를 들어, －a3 방향에는 약강도 부분(W11b)이 형성되고, ＋a2 방향에는 약강도 부분(W12b)이 형성되고, ＋a3 방향에는 약강도 부분(W11c)이 형성되고, －a2 방향에는 약강도 부분(W12c)이 형성되게 된다.

단, 이 시점에 있어서는, 1 펄스째의 단위 펄스광의 조사에 의해 형성된 약강도 부분(W11a, W12a)이 각각 약강도 부분(W11b, W12b)의 연장 방향에 존재한다. 즉, 약강도 부분(W11b, W12b)의 연장 방향은 다른 개소보다도 작은 에너지로 벽개 또는 열개가 발생할 수 있는(에너지의 흡수율이 높은) 개소로 되어 있다. 그로 인해, 실제로는 2 펄스째의 단위 펄스광의 조사가 이루어지면, 그때에 발생하는 충격이나 응력이 벽개/열개 용이 방향 및 그 앞에 존재하는 약강도 부분으로 전파하여, 약강도 부분(W11b)으로부터 약강도 부분(11a)에 걸쳐서 및 약강도 부분(W11b)으로부터 약강도 부분(W11a)에 걸쳐서, 완전한 벽개 혹은 열개가, 대략 조사의 순간에 발생한다. 이에 의해, 도 1의 (d)에 도시하는 벽개/열개면(C11a, C11b)이 형성된다. 또한, 벽개/열개면(C11a, C11b)은 피가공물의 도면에서 볼 때 수직인 방향에 있어서 수㎛ 내지 수십㎛ 정도의 깊이까지 형성될 수 있다. 또한, 벽개/열개면(C11a, C11b)에 있어서는, 강한 충격이나 응력을 받은 결과로서 결정면의 미끄럼이 발생하여, 깊이 방향으로 기복이 발생한다.

그리고, 도 1의 (e)에 도시한 바와 같이, 그 후, 가공 예정선(L)을 따라서 레이저광을 주사함으로써 피조사 영역(RE11, RE12, RE13, RE14‥‥)에 순차적으로 단위 펄스광을 조사해 가면, 그 조사 시에 발생하는 충격이나 응력에 의해, 도면에서 볼 때 직선 형상의 벽개/열개면(C11a 및 C11b, C12a 및 C12b, C13a 및 C13b, C14a 및 C14b…)이 가공 예정선(L)을 따라서 순차적으로 형성되어 가게 된다. 이러한 형태로 벽개/열개면을 연속적으로 형성하는 것이, 본 실시 형태에 있어서의 벽개/열개 가공이다.

다른 견해로 하면, 단위 펄스광의 조사에 의해 열적 에너지가 부여됨으로써 피가공물 표층 부분이 팽창하여, 피조사 영역(RE11, RE12, RE13, RE14‥‥)의 각각의 대략 중앙 영역보다도 외측에 있어서 벽개/열개면(C11a 및 C11b, C12a 및 C12b, C13a 및 C13b, C14a 및 C14b…)에 수직인 인장 응력이 작용함으로써, 벽개/열개가 진전되어 있다고도 할 수 있다.

즉, 도 1에 도시한 경우에 있어서는, 가공 예정선(L)을 따라서 이산적으로 존재하는 복수의 피조사 영역과, 그들 복수의 피조사 영역 사이에 형성된 벽개/열개면이, 전체적으로, 피가공물을 가공 예정선(L)을 따라서 분할할 때의 분할 기점으로 된다. 이러한 분할 기점의 형성 후에는 소정의 지그나 장치를 사용한 분할을 행함으로써, 가공 예정선(L)을 대략 따르는 형태로 피가공물을 분할할 수 있다.

또한, 도 1에 도시한 경우에 있어서는, 가공 예정선이, a1축 방향, a2축 방향, a3축 방향 중 어느 하나와 수직으로 되도록, 단위 펄스광이 조사되어 있지만, 이를 대신하여, 가공 예정선이 a1축 방향, a2축 방향, a3축 방향 중 어느 하나와 평행해지도록 단위 펄스광이 조사되는 형태여도 되고, 혹은 개개의 피조사 영역이, 가공 예정선(L)을 사이에 두는 2개의 벽개/열개 용이 방향을 교대로 따르는 형태로 지그재그 형상으로 형성되도록, 각각의 피조사 영역을 형성하는 단위 펄스광이 조사되는 형태여도 된다.

이상과 같은 벽개/열개 가공을 실현하기 위해서는, 펄스 폭이 짧은, 단펄스의 레이저광을 조사할 필요가 있다. 구체적으로는, 펄스 폭이 100psec 이하인 레이저광을 사용하는 것이 필요하다. 예를 들어, 1psec 내지 50psec 정도의 펄스 폭을 갖는 레이저광을 사용하는 것이 적합하다.

한편, 단위 펄스광의 조사 피치(피조사 스폿의 중심 간격)는 4㎛ 내지 50㎛의 범위에서 정해지면 된다. 이것보다도 조사 피치가 크면, 벽개/열개 용이 방향에 있어서의 약강도 부분의 형성이 벽개/열개면을 형성할 수 있을 정도까지 진전되지 않는 경우가 발생하므로, 상술한 바와 같은 벽개/열개면으로 이루어지는 분할 기점을 확실하게 형성한다고 하는 관점으로부터는, 바람직하지 않다. 또한, 주사 속도, 가공 효율, 제품 품질의 점으로부터는, 조사 피치는 큰 쪽이 바람직하지만, 벽개/열개면의 형성을 보다 확실한 것으로 하기 위해서는, 4㎛ 내지 30㎛의 범위에서 정하는 것이 바람직하고, 4㎛ 내지 20㎛ 정도인 것이 보다 적합하다.

현재, 레이저광의 반복 주파수가 R(㎑)인 경우, 1/R(msec)마다 단위 펄스광이 레이저 광원으로부터 발해지게 된다. 피가공물에 대해 레이저광이 상대적으로 속도 V(㎜/sec)로 이동하는 경우, 조사 피치 Δ(㎛)는 Δ＝V/R로 정해진다. 따라서, 레이저광의 주사 속도 V와 반복 주파수는 Δ가 수㎛ 정도로 되도록 정해진다. 예를 들어, 주사 속도 V는 50㎜/sec 내지 3000㎜/sec 정도이고, 반복 주파수 R이 1㎑ 내지 200㎑, 특히 10㎑ 내지 200㎑ 정도인 것이 적합하다. V나 R의 구체적인 값은 피가공물의 재질이나 흡수율, 열전도율, 융점 등을 감안하여 적절하게 정해져도 된다.

레이저광은 약 1㎛ 내지 10㎛ 정도의 빔 직경으로 조사되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 레이저광의 조사에 있어서의 피크 파워 밀도는 대략 0.1TW/㎠ 내지 수십 TW/㎠로 된다.

또한, 레이저광의 조사 에너지(펄스 에너지)는 0.1μJ 내지 50μJ의 범위 내에서 적절하게 정해져도 된다. 단, 본 실시 형태에 있어서는, 후술하는 형태에서 조사 에너지의 효율적 이용을 행하므로, 0.1μJ 내지 10μJ의 범위에서 충분히 적합한 가공이 가능하다.

<레이저 가공 장치의 개요>

다음에, 상술한 벽개/열개 가공을 실현 가능한 레이저 가공 장치에 대해, 그 개요를 설명한다.

도 2는 이러한 가공을 실현 가능한 레이저 가공 장치(50)의 구성을 개략적으로 도시하는 모식도이다. 레이저 가공 장치(50)는 피가공물(이하, 기판이라고도 함)(10)을 그 위에 적재하는 스테이지(7)와, 레이저 가공 장치(50)의 다양한 동작(관찰 동작, 얼라인먼트 동작, 가공 동작 등)을 행하는 컨트롤러(1)를 주로 구비하여, 스테이지(7)에 적재된 피가공물(10)에 대해 레이저광(LB)을 조사함으로써 피가공물(10)을 가공할 수 있도록 구성되어 있다.

스테이지(7)는 이동 기구(7m)에 의해 수평 방향으로 이동 가능하게 되어 이루어진다. 이동 기구(7m)는 도시하지 않은 구동 수단의 작용에 의해 수평면 내에서 소정의 XY2축 방향으로 스테이지(7)를 이동시킨다. 이에 의해, 레이저광 조사 위치의 이동 등이 실현되어 이루어진다. 또한, 이동 기구(7m)에 대해서는, 소정의 회전축을 중심으로 한, 수평면 내에 있어서의 회전(θ 회전) 동작도, 수평 구동과 독립으로 행할 수 있도록 되어 있다.

또한, 레이저 가공 장치(50)에 있어서는, 도시하지 않은 촬상 수단을 통해, 상기 피가공물(10)을 레이저광이 조사되는 측(이를 표면이라고 칭함)으로부터 직접적으로 관측하는 표면 관찰이나, 스테이지(7)에 적재된 측(이를 이면이라고 칭함)으로부터 상기 스테이지(7)를 통해 관찰하는 이면 관찰 등을 행할 수 있도록 되어 있다.

스테이지(7)는, 상술한 바와 같이, 석영 등 투명한 부재로 형성되어 있지만, 그 내부에는 피가공물(10)을 흡착 고정하기 위한 흡기 통로가 되는 도시하지 않은 흡인용 배관이 설치되어 이루어진다. 흡인용 배관은, 예를 들어 스테이지(7)의 소정 위치를 기계 가공에 의해 펀칭함으로써 설치된다.

피가공물(10)을 스테이지(7) 상에 적재한 상태에서, 예를 들어 흡인 펌프 등의 흡인 수단(11)에 의해 흡인용 배관에 대해 흡인을 행하여, 흡인용 배관의 스테이지(7) 적재면측 선단에 형성된 흡인 구멍에 대해 부압을 부여함으로써, 피가공물(10)[및 투명 기판 보호 시트(4)]이 스테이지(7)에 고정되도록 되어 있다. 또한, 도 2에 있어서는, 가공 대상인 피가공물(10)이 투명 기판 보호 시트(4)에 부착되어 있는 경우를 예시하고 있지만, 투명 기판 보호 시트(4)의 부착은 필수는 아니다.

보다 상세하게 말하면, 레이저 가공 장치(50)에 있어서는, 레이저 광원 SL로부터 레이저광(LB)을 발하고, 도시를 생략하는 경통 내에 구비되는 다이클로익 미러(51)로 반사시킨 후, 상기 레이저광(LB)을, 스테이지(7)에 적재된 피가공물(10)의 피가공 부위에서 포커싱하도록 집광 렌즈(52)로 집광하여, 피가공물(10)에 조사한다. 이러한 레이저광(LB)의 조사와, 스테이지(7)의 이동을 조합함으로써, 레이저광(LB)을 피가공물(10)에 대해 상대적으로 주사시키면서 피가공물(10)의 가공을 행할 수 있도록 되어 있다. 예를 들어, 피가공물(10)을 분할하기 위해, 피가공물(10)의 표면에 홈 가공(스크라이빙)을 실시하는 가공 등을 행할 수 있다.

레이저 광원 SL로서는, Nd:YAG 레이저를 사용하는 것이 적합한 형태이다. 혹은, Nd:YVO₄ 레이저나 그 밖의 고체 레이저를 사용하는 형태여도 된다. 레이저 광원 SL의 구성의 상세에 대해서는 후술한다.

또한, 레이저 광원 SL로부터 발해지는 레이저광(LB)의 출사 제어나, 펄스의 반복 주파수, 펄스 폭의 조정 등은 컨트롤러(1)의 조사 제어부(23)에 의해 실현된다. 가공 모드 설정 데이터 D2에 따른 소정의 설정 신호가 가공 처리부(25)로부터 조사 제어부(23)에 대해 발해지면, 조사 제어부(23)는 상기 설정 신호에 따라서, 레이저광(LB)의 조사 조건을 설정한다.

본 실시 형태에 있어서는, 레이저 광원 SL로서는, 파장이 500㎚ 내지 1600㎚인 것을 사용한다. 또한, 상술한 가공 패턴에서의 가공을 실현하기 위해, 레이저광(LB)의 펄스 폭은 1psec 내지 50psec 정도일 필요가 있다. 또한, 반복 주파수 R은 10㎑ 내지 200㎑ 정도, 레이저광의 조사 에너지(펄스 에너지)는 0.1μJ 내지 50μJ 정도인 것이 적합하다. 이러한 경우 레이저광(LB)의 조사에 있어서의 피크 파워 밀도는 대략 0.1TW/㎠ 내지 수십 TW/㎠로 된다.

컨트롤러(1)는 상술한 각 부의 동작을 제어하여, 후술하는 다양한 형태에서의 피가공물(10)의 가공 처리를 실현시키는 제어부(2)와, 레이저 가공 장치(50)의 동작을 제어하는 프로그램(3p)이나 가공 처리 시에 참조되는 다양한 데이터를 기억하는 기억부(3)를 더 구비한다.

제어부(2)는, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터나 마이크로컴퓨터 등의 범용의 컴퓨터에 의해 실현되는 것으로, 기억부(3)에 기억되어 있는 프로그램(3p)이 상기 컴퓨터에 판독되어 실행됨으로써, 다양한 구성 요소가 제어부(2)의 기능적 구성 요소로서 실현된다.

구체적으로는, 제어부(2)는 이동 기구(7m)에 의한 스테이지(7)의 구동이나 집광 렌즈(52)의 포커싱 동작 등, 가공 처리에 관계되는 다양한 구동 부분의 동작을 제어하는 구동 제어부(21)와, 도시하지 않은 촬상 수단에 의한 피가공물(10)의 촬상을 제어하는 촬상 제어부(22)와, 레이저 광원 SL로부터의 레이저광(LB)의 조사를 제어하는 조사 제어부(23)와, 흡인 수단(11)에 의한 스테이지(7)로의 피가공물(10)의 흡착 고정 동작을 제어하는 흡착 제어부(24)와, 부여된 가공 위치 데이터 D1 및 가공 모드 설정 데이터 D2에 따라서 가공 대상 위치로의 가공 처리를 실행시키는 가공 처리부(25)를 주로 구비한다.

기억부(3)는 ROM이나 RAM 및 하드 디스크 등의 기억 매체에 의해 실현된다. 또한, 기억부(3)는 제어부(2)를 실현하는 컴퓨터의 구성 요소에 의해 실현되는 형태여도 되고, 하드 디스크의 경우 등, 상기 컴퓨터와는 별개로 설치되는 형태여도 된다.

또한, 레이저 가공 장치(50)에 대해 오퍼레이터가 부여하는 다양한 입력 지시는 컨트롤러(1)에 있어서 실현되는 GUI를 이용하여 행해지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가공 처리부(25)의 작용에 의해 가공 처리용 메뉴가 GUI에 의해 제공된다.

또한, 이상과 같은 구성을 갖는 레이저 가공 장치(50)는 레이저 광원 SL로부터의 레이저광(LB)의 조사 조건과 스테이지(7)를 이동시킴으로써 피가공물(10)에 대한 레이저광(LB)의 주사 조건과의 조합을 다르게 함으로써, 다양한 가공 모드를 선택적으로 행할 수 있도록 되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상술한 벽개/열개 가공에 적합한 가공 조건으로 가공을 행하는 모드 외에, 피가공 영역이 연속적으로 형성되는 가공 조건에서의 가공이 행하는 모드가 선택 가능한 것이 적합하다.

가공 모드는, 예를 들어 가공 처리부(25)의 작용에 의해 컨트롤러(1)에 있어서 오퍼레이터에 이용 가능하게 제공되는 가공 처리 메뉴에 따라서 선택할 수 있는 것이 적합하다. 컨트롤러(1)의 기억부(3)에는 피가공물에 있어서의 가공 예정 위치를 기술한 가공 위치 데이터 D1이 기억되는 동시에, 개개의 가공 모드에 있어서의 레이저 가공의 형태에 따른, 레이저광의 개개의 파라미터에 대한 조건이나 스테이지(7)의 구동 조건(혹은 그들의 설정 가능 범위) 등이 기술된 가공 모드 설정 데이터 D2가 기억되어 있다. 가공 처리부(25)는 가공 위치 데이터 D1을 취득하는 동시에 선택된 가공 모드에 대응하는 조건을 가공 모드 설정 데이터 D2로부터 취득하여, 당해 조건에 따른 동작이 실행되도록, 구동 제어부(21)나 조사 제어부(23), 그 밖의 것을 통해 대응하는 각 부의 동작을 제어한다.

<레이저 광원>

도 3은 레이저 가공 장치(50)가 구비하는 레이저 광원 SL의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에 있어서 사용하는 레이저 광원 SL은 처프 펄스 증폭(CPA)법에 의해 고강도로 초단 펄스의 레이저 출력이 가능하게 되어 있다. 이러한 레이저 광원 SL은 오실레이터(101)와, 펄스 신장기(102)와, 제1 편광자(103)와, 패러데이 회전자(104)와, 출력 증폭기(105)와, 펄스 압축기(106)를 구비한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 오실레이터(101)와, 펄스 신장기(102)와, 제1 편광자(103)와, 패러데이 회전자(104)와, 출력 증폭기(105)는 제1 광로 OP1 상에 이 순서대로 배치되어 이루어진다. 또한, 펄스 압축기(106)는 제1 편광자(103)로부터 분기하는 제2 광로 OP2 상에 배치되어 이루어진다.

오실레이터(101)는 미리 설정된 반복 주파수 R의 역수인 출력 주기로, 펨토초(fsec) 오더 혹은 피코초(psec) 오더의 펄스 폭의 펄스광(제1 펄스광) PL1을 출력하는 레이저 발진기이다. 오실레이터(101)는 모드 동기 레이저 발진기로 이루어지는 것이 적합한 일례이다. 또한, 이하에 있어서는, 오실레이터(101) 내부에 있어서의 펄스의 발진 주기를 X(nsec)로 한다.

펄스 신장기(102)는 오실레이터(101)로부터 출력된 제1 펄스광 PL1의 펄스 폭을, 상기 제1 펄스광 PL1의 스펙트럼 폭을 이용하여 확장하고, 제1 펄스광 PL1의 10³배 내지 10⁵배 정도의 펄스 폭을 갖는 제2 펄스광 PL2로서 출사한다. 펄스 신장기(102)는, 예를 들어 벌크형의 회절 격자쌍(그레이팅 페어)이나 파이버 등으로 이루어진다.

제1 편광자(103)는 펄스 신장기(102)와 패러데이 회전자(104) 사이에 설치되어, 펄스 신장기(102)로부터 출사된 제2 펄스광 PL2를 제1 광로 OP1 상의 패러데이 회전자(104)를 향해 투과시키는 한편, 출력 증폭기(105)로부터 출사되어 패러데이 회전자(104)를 통과한 제3 펄스광 PL3은 제2 광로 OP2로 반사시킨다.

패러데이 회전자(104)는 펄스 신장기(102)로부터 제1 편광자(103)를 거쳐서 입사한 제2 펄스광 PL2를 편광시켜 제3 펄스광 PL3으로서 출력 증폭기(105)를 향해 출사하는 한편, 출력 증폭기(105)로부터 입사한 제4 펄스광 PL4를 편광시켜 제5 펄스광 PL5로서 제1 편광자(103)를 향해 출사한다.

출력 증폭기(105)는 패러데이 회전자(104)로부터 입사한 제3 펄스광 PL3을 내부에서 증폭하여, 이에 의해 얻어진 증폭광인 제4 펄스광 PL4를 소정의 타이밍에서 출사한다. 보다 상세하게는, 출력 증폭기(105)는 제1 증폭 미러(105a)와, 제2 증폭 미러(105b)와, 증폭 매체(105c)와, 포켈스 셀(포켈스 결정)(105d)과, 제2 편광자(105e)와, 중간 미러(105f)를 구비한다.

출력 증폭기(105)에 있어서는, 제2 편광자(105e)와, 포켈스 셀(105d)과, 제1 증폭 미러(105a)가, 제1 광로 OP1 상에 패러데이 회전자(104)에 이어서 이 순서대로 배치되어 이루어진다. 또한, 제2 편광자(105e)로부터 분기하는 제3 광로 OP3 상에 중간 미러(105f)와, 증폭 매체(105c)와, 제2 증폭 미러(105b)가 이 순서대로 배치되어 이루어진다. 또한, 이후에 있어서는, 편의상, 제1 광로 OP1과 중복되는 제1 증폭 미러(105a)로부터 제2 편광자(105e)에 이르는 부분도 포함시켜, 제1 증폭 미러(105a)로부터 제2 증폭 미러(105b)까지를 제3 광로 OP3이라고 칭하는 것으로 한다.

이러한 구성을 갖는 출력 증폭기(105)에 있어서는, 개략, 패러데이 회전자(104)로부터 입사하여, 제2 편광자(105e) 및 포켈스 셀(105d)을 거친 제3 펄스광 PL3이, 화살표 AR1로 나타낸 바와 같이 제1 증폭 미러(105a)와 제2 증폭 미러(105b) 사이에서 반복해서 반사될 때마다, 증폭 매체(105c)에 있어서 증폭되도록 되어 있다. 제3 펄스광 PL3은, 예를 들어 펄스 에너지가 10¹⁰배 정도로 될 정도로 증폭된다. 또한, 이하에 있어서는, 제1 증폭 미러(105a)와 제2 증폭 미러(105b) 사이에 있어서의 펄스광의 왕복 주기(제3 광로 OP3을 왕복하는 데 필요로 하는 시간)를 Y(nsec)로 한다.

증폭 매체(105c)는 레이저 광원 SL로부터 출사하려고 하는 레이저광(LB)의 파장에 따라서 선택되면 된다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 레이저 광원 SL을 Nd:YAG 레이저로서 구성하는 경우이면, 네오디뮴(Nd)을 첨가한 Y₃Al₅O₁₂ 결정(Nd:YAG 결정)을 증폭 매체(105c)로서 사용하는 형태여도 된다. 또한, 증폭 매체(105c)에 있어서의 증폭은 조사 제어부(23)의 제어 하에서, 도시하지 않은 여기원에 의한 여기에 의해 행해진다.

또한, 포켈스 셀(105d)과 제2 편광자(105e)는 출력 증폭기(105)로부터의 제4 펄스광 PL4의 출사를 제어하기 위해 설치되어 이루어진다. 포켈스 셀(105d)은 KDP(KH₂PO₄) 결정 등으로 이루어지고, 인가되는 전압에 따라서 광의 편광 상태를 변화시키는 기능을 갖는다. 이러한 포켈스 셀(105d)로의 전압 인가는 조사 제어부(23)에 의해 제어된다. 제2 편광자(105e)는 패러데이 회전자(104)로부터 출사된 제3 펄스광 PL3을 제1 증폭 미러(105a)를 향해 투과시키는 한편, 제1 증폭 미러(105a)로 반사되어 포켈스 셀(105d)을 통과한 제3 펄스광 PL3은 포켈스 셀(105d)에 의해 부여되는 편광 상태에 따라서 투과 혹은 반사시킨다.

보다 상세하게는, 포켈스 셀(105d)은 패러데이 회전자(104)로부터 출사되어, 제2 편광자(105e)를 투과한 제3 펄스광 PL3 및 제2 증폭 미러(105b)로 반사되어 제3 광로 OP3 상을 진행해 온 제3 펄스광 PL3이 입사하는 타이밍에 있어서는, 이들의 광을 그대로 투과시키도록 그 인가 전압이 제어된다. 한편, 제1 증폭 미러(105a)로 반사된 제3 펄스광 PL3 혹은 그 증폭광인 제4 펄스광 PL4가 입사하는 타이밍에서는, 이를 외부로 출사시키지 않고 더욱 증폭시키는 경우이면, 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압은, 제3 펄스광 PL3 혹은 제4 펄스광 PL4가 제2 편광자(105e)로 반사되는 편광 상태로 되도록 제어된다. 한편, 제4 펄스광 PL4를 출력 증폭기(105)의 외부로 출사시키는 경우이면, 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압은, 제4 펄스광 PL4가 제2 편광자(105e)를 투과 가능한 편광 상태로 되도록 제어된다. 또한, 이후에 있어서는, 제4 펄스광 PL4를 출력 증폭기(105)의 외부로 출사시키는 것을, 펄스광을 「추출한다」라고도 칭한다. 또한, 제4 펄스광 PL4가 출력 증폭기(105)로부터 추출되는 경우의 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압을 「추출 전압」이라고 칭하고, 제4 펄스광 PL4가 출력 증폭기(105) 내에서 증폭되는 경우의 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압을 「증폭 전압」이라고 칭한다.

중간 미러(105f)는 출력 증폭기(105)의 사이즈상의 제약 등으로 인해, 제3 광로 OP3의 방향을 변화시키기 위해 설치되어 이루어진다. 출력 증폭기(105)가 중간 미러(105f)를 구비하는 것은 필수의 형태는 아니다. 혹은, 도 3에 있어서는 1개의 중간 미러(105f)를 구비하는 형태를 예시하고 있지만, 출력 증폭기(105)에 있어서는, 더 많은 중간 미러(105f)가, 제1 광로 OP1 위 혹은 제3 광로 OP3에 설치되는 형태여도 된다.

출력 증폭기(105)로부터 출사된(추출된) 제4 펄스광 PL4는, 상술한 바와 같이 패러데이 회전자(104)에 있어서 다시 편광되어, 제5 펄스광 PL5로 된다. 제5 펄스광 PL5는 제1 편광자(103)에 있어서 반사되어, 제2 광로 OP2 상을 진행하여 펄스 압축기(106)에 입사한다.

펄스 압축기(106)는 입사한 제5 펄스광 PL5의 펄스 폭을 압축하여 제5 펄스광 PL5의 1/10배 내지 1/10⁵배 정도의 펄스 폭을 갖는 초단 펄스의 제6 펄스광 PL6으로서 출사한다. 펄스 압축기(106)는 펄스 신장기(102)와 마찬가지로, 예를 들어 벌크형의 회절 격자쌍(그레이팅 페어) 등으로 이루어진다.

이상과 같은 구성을 갖는 레이저 광원 SL에 있어서는, 개략, 오실레이터(101)로부터 출력된 펄스 에너지가 작은 초단 펄스광이, 펄스 신장기(102)에 의해 펄스 폭이 신장되어, 출력 증폭기(105)에서 증폭된 후, 펄스 압축기(106)에 의해 펄스 폭이 압축된 후, 레이저광(LB)으로서 외부로 출사되도록 되어 있다. 예를 들어, 오실레이터(101)로부터 100fsec의 펄스 폭과 100nJ의 펄스 에너지를 갖고 출사된 펄스광에 대해, 펄스 신장기(102)로 펄스 폭을 1nsec로 신장한 후, 출력 증폭기(105)로 펄스 에너지를 10J로 증폭하고, 또한 펄스 압축기(106)로 펄스 폭을 다시 100fsec로 압축하면, 초단 펄스이고 또한 펄스 에너지가 매우 큰 레이저광(LB)을 출사하는 것이 가능해진다.

또한, 레이저광(LB)을, Nd:YAG 레이저의 3배 고조파와 같은 고조파로서 출력하는 경우이면, 펄스 압축기(106)로부터 출사된 광을 도시하지 않은 비선형 광학 결정에 입사시켜, 그 파장을 변환하도록 하면 된다.

<더블 펄스화에 의한 펄스 에너지의 이용 효율 향상>

상술한 원리로 실현되는 벽개/열개 가공은, 상술한 바와 같이 개개의 피조사 영역의 중심 부분에서 물질의 변질ㆍ용융ㆍ증발 제거 등을 발생시킴으로써, 피조사 영역 사이에 벽개/열개를 진전시키는 방법이다. 그로 인해, 피조사 영역에서 필요 이상의 가공이 이루어질 필요는 없고, 오히려, 피조사 영역으로부터 벽개/열개 용이 방향에 대해 확실하게 벽개/열개를 진전시키는 것이 요구된다.

예를 들어, 펄스 에너지가 크고 펄스 폭이 작은 단위 펄스광을 조사한 경우, 피조사 영역에 부여하는 에너지가 과잉으로 되어 피조사 영역에 필요 이상의 데미지를 부여하는 한편, 벽개/열개가 적절하게 진전되지 않는 경우가 일어날 수 있다. 이는 조사된 단위 펄스광의 에너지가, 벽개/열개의 진전으로 충분히 돌려지지 않기 때문이다. 보다 상세하게 말하면, 전자계의 에너지 흡수로부터 당해 에너지에 의한 분자계의 진동으로의 천이에는 10psec 정도의 시간을 필요로 한다고 생각되고 있다. 따라서, 조사된 단위 펄스광의 에너지를, 물질의 변질ㆍ용융ㆍ증발 제거 등에 의한 약강도 부분의 형성과 그 후의 벽개/열개의 진전으로 적절하게 분류할 수 있으면, 레이저광의 에너지 이용 효율이 높아지게 된다.

본 실시 형태에 있어서는, 이와 같은 에너지 이용 효율의 향상을, 레이저 광원 SL로부터의 펄스광의 취출 형태를 고안하여, 반복 주파수 R의 역수인 개개의 단위 펄스광의 본래의 출사 주기가 도래할 때마다, 당해 출사 주기에 비해 극히 단시간에 2개의 초단 펄스를 연속적으로 출사시켜, 이들 2개의 초단 펄스를 실질적으로 동일한 피조사 영역에 조사시킴으로써 실현한다. 이에 의해, 피가공물에 대해 보다 확실하게 벽개/열개를 발생시킬 수 있다.

이후, 이러한 형태에서의 레이저광(LB)의 출사 형태를, 더블 펄스화라고 칭한다. 도 4는 더블 펄스화된 레이저광(LB)의 단위 펄스광(PL)의 프로파일(시간 변화)을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 4에 도시한 경우에 있어서는, 레이저광(LB)이 더블 펄스화됨으로써, 단위 펄스광(PL)이, 어떤 시각 t1에서 출사되는 선행 펄스광(PLα)과, 그 후 어떤 시각 t2에서 출사되는 후속 펄스광(PLβ)으로 구성되어 이루어진다.

예를 들어, 벽개/열개 가공에 있어서의 레이저광(LB)의 반복 주파수 R은 상술한 바와 같이 1㎑ 내지 200㎑이므로, 그 역수인 단위 펄스광(PL)의 본래의 출사 주기 T는 5μsec 내지 1msec 정도이므로, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)의 출사 간격(t2－t1)은, 이에 비해 극히 짧은 수nsec 내지 수십nsec 오더로 되어 있다.

보다 상세하게는, 선행 펄스광(PLα)으로 물질의 변질ㆍ용융ㆍ증발 제거 등을 발생시켜 약강도 부분을 형성하고, 상기 약강도 부분이 순간적인 고온 상태에 있는 타이밍에서 후속 펄스광(PLβ)을 조사시킴으로써 상기 약강도 부분으로부터 벽개/열개를 진전시키도록 한다. 이러한 경우에 있어서, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)을, 각각의 역할에 필요 충분한 펄스 에너지로 조사시킴으로써, 에너지 이용 효율이 높은 벽개/열개 가공이 실현되게 된다. 다시 말하면, 선행 펄스광(PLα)의 펄스 에너지보다도 후속 펄스광(PLβ)의 펄스 에너지를 크게 한 쪽이, 보다 효율적인 벽개/열개 가공이 가능해진다.

또한, 확인적으로 말하면, 본 실시 형태에 있어서는, 상술한 바와 같이, 레이저광을 50㎜/sec 내지 3000㎜/sec 정도의 주사 속도로 상대적으로 주사하면서 가공을 행하므로, 엄밀하게 말하면, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)이 동일한 피조사 영역에 조사되는 일은 있을 수 없게 된다. 왜냐하면, 선행 펄스광(PLα)이 조사된 후, 후속 펄스광(PLβ)이 조사될 때까지의 동안에도, 레이저 광원 SL과 피가공물은 상대 이동하고 있으므로, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)에 의한 피조사 영역의 형성 위치는 달라질 것이기 때문이다. 그러나, 예를 들어, 레이저광(LB)의 주사 속도가 3000㎜/sec(＝3m/sec)이고, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)의 출사 간격이 약간 큰 100nsec인 경우를 상정해도, 양 위치의 계산상의 어긋남은 300㎚에 지나지 않는다. 한편, 레이저광의 빔 직경은 약 1㎛ 내지 10㎛ 정도이고, 벽개/열개 가공 시에 피가공물(10)에 형성되는 피조사 영역끼리의 간격은 4㎛ 내지 50㎛이다. 300㎚라고 하는 값은 후자의 약 1/100 내지 1/1000 정도이며 충분히 오차의 범위 내라고 간주할 수 있다. 따라서, 가공을 행하는 데 있어서 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)은 실질적으로 동일한 피조사 영역에 조사된다고 해도, 전혀 지장은 없다. 이는, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)의 출사를, 사실상, 1개의 단위 펄스광(PL)의 출사로서 취급할 수 있는 것을 의미하고 있다.

<더블 펄스화의 제1 형태>

다음에, 더블 펄스화의 구체적 형태에 대해 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에서는 2가지의 형태를 설명한다.

도 5는 출력 증폭기(105)에 있어서의 펄스광의 증폭과 출력 증폭기(105)로부터의 펄스광의 추출에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (a)는 더블 펄스화를 행하지 않은 통상의 경우의 모습을 도시하고 있다. 도 5의 (b)는 더블 펄스화의 제1 형태의 모습을 모식적으로 도시하고 있다. 보다 상세하게는, 도 5의 (a), (b)에 도시하는 프로파일은 제1 증폭 미러(105a)의 측으로부터 포켈스 셀(105d)에 입사하는 제3 펄스광 PL3 혹은 그 증폭광인 제4 펄스광 PL4의 펄스 에너지의 시간 변화를 도시하고 있다.

상술한 바와 같이, 출력 증폭기(105)에는 오실레이터(101)로부터 출력된 제1 펄스광 PL1을 신장 및 편광시켜 이루어지는 제3 펄스광 PL3이, 반복 주파수 R에 의해 정해지는 주기마다 입사한다. 입사한 각각의 제3 펄스광 PL3은 출력 증폭기(105)의 내부에서 증폭된다. 구체적으로는, 포켈스 셀(105d)에 증폭 전압이 부여됨으로써, 제3 펄스광 PL3이, 제3 광로 OP3을 왕복 주기 Y(nsec)로 반복해서 왕복하고, 증폭 매체(105c)를 통과할 때마다 증폭된다. 그로 인해, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 포켈스 셀(105d)에는, Y(nsec)마다 제3 펄스광 PL3 혹은 그 증폭광인 제4 펄스광 PL4가 입사한다.

더블 펄스화를 행하지 않은 경우, 제3 펄스광 PL3이 소정의 펄스 에너지의 제4 펄스광 PL4로 될 때까지 증폭된 시점에서[도 5의 (a)의 경우에는 4차의 증폭을 받은 시점에서], 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 제4 펄스광 PL4가 포켈스 셀(105d)을 통과하는 시간 Δt 동안, 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압이, 증폭 전압으로부터 추출 전압으로 전환된다. 이에 의해, 제4 펄스광 PL4는 제2 편광자(105e)를 투과하여, 출력 증폭기(105)로부터 출사된다.

이러한 형태에서의 제4 펄스광 PL4의 출사는 반복 주파수 R에 의해 정해지는 타이밍에서 제3 펄스광 PL3이 출력 증폭기(105)로 입사할 때마다 행해진다. 출사된 제4 펄스광 PL4는 상술한 바와 같이 압축된 후에 최종적으로는 제6 펄스광 PL6으로 되어 출사되므로, 결과적으로, 레이저 광원 SL로부터는 반복 주파수 R이라고 하는 조사 조건으로 레이저광(LB)이 출사되게 된다.

이에 대해, 더블 펄스화하는 경우에는, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 제3 펄스광 PL3의 증폭은 상술한 경우와 마찬가지로 행해지지만, 포켈스 셀(105d)에 대해 추출 전압이 부여되는 시간 Δt1이, 더블 펄스화를 행하지 않은 경우의 시간 Δt보다도 짧게 정해진다. 그러면, 제4 펄스광 PL4는 그 전체 에너지 성분 중, 이 시간 Δt1 내에 포켈스 셀(105d)을 통과한 만큼에 대해서는 출력 증폭기(105)로부터 추출된다. 이것이, 펄스 압축기(106)를 거친 후, 선행 펄스광(PLα)으로서 레이저 광원 SL로부터 출사된다.

한편, 제4 펄스광 PL4의 전체 에너지 성분 중, 시간 Δt1 내에 포켈스 셀(105d)을 통과하지 않은 나머지에 대해서는, 제2 편광자(105e)를 투과할 수 없으므로, 다시 제3 광로 OP3을 왕복하여 증폭을 받게 된다. 그리고, 이러한 증폭 후, 이 나머지 성분이 증폭분도 포함시켜 다시 포켈스 셀(105d)을 통과하는 시간 Δt2 동안, 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압이 증폭 전압으로부터 추출 전압으로 전환된다. 이에 의해, 나머지 성분에 대해서도 출력 증폭기(105)로부터 출사된다. 이것이, 펄스 압축기(106)를 거친 후, 후속 펄스광(PLβ)으로서 레이저 광원 SL로부터 출사된다.

즉, 더블 펄스화의 제1 형태는, 개략적으로 말하면, 오실레이터(101)로부터 발진된 1개의 펄스광을 신장한 후, 출력 증폭기(105) 내에서 이를 분리하여, 시간 지연을 발생시킴으로써 더블 펄스화를 실현하는 것이라고도 할 수 있다. 또한, 이러한 제1 형태에 있어서, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)의 출사 간격(t2－t1)은 약 Y(nsec)이다.

또한, 도 5의 (b)에 있어서는 도시의 사정상, 포켈스 셀(105d)에 대해 시간 Δt1 동안만큼 추출 전압이 설정되어, 제4 펄스광 PL4의 일부가 추출된 후, 다음 주기로 시간 Δt2 동안 추출 전압이 설정되도록 되어 있지만, 이는 필수의 형태는 아니다. 즉, 선행의 추출이 행해진 후의 증폭은 더 많이 반복되어도 된다.

제1 형태의 경우, Δt1의 값과, 뒤로부터의 추출의 타이밍을 적절하게 정함으로써, 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)의 에너지 배분을 조정할 수 있고, 이러한 조정을 적절하게 행함으로써, 에너지 이용 효율이 높은 벽개/열개 가공을 행하는 것이 가능해진다.

<더블 펄스화의 제2 형태>

상술한 더블 펄스화의 제1 형태는, 오실레이터(101)로부터 발진된 1개의 펄스광을 출력 증폭기(105) 내에서 분리하여, 시간 지연을 발생시킴으로써 더블 펄스화를 실현하는 것이었지만, 이하에 나타내는 제2 형태는 이것과는 다른 원리로 더블 펄스화를 실현하는 것이다.

도 6은 더블 펄스화의 제2 형태에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (a)는 오실레이터(101)에 있어서의 펄스 발진의 모습을 모식적으로 도시하고 있다. 도 6의 (b)는 출력 증폭기(105)에 있어서의 펄스광의 증폭과 출력 증폭기(105)로부터의 펄스광의 추출의 모습을 모식적으로 도시하고 있다. 보다 상세하게는, 도 6의 (b)에 도시하는 프로파일은 제1 증폭 미러(105a)의 측으로부터 포켈스 셀(105d)에 입사하는 제3 펄스광 PL3 혹은 그 증폭광인 제4 펄스광 PL4의 펄스 에너지의 시간 변화를 나타내고 있다.

상술한 바와 같이, 오실레이터(101)의 내부에서는 발진 주기X(nsec)로 펄스가 발진되어 있다. 더블 펄스화를 행하지 않은 경우, 혹은 상술한 제1 형태의 경우, 오실레이터(101)로부터는 반복 주파수 R의 역수인 출사 주기 T마다 제1 펄스광 PL1이 출력된다. 이에 대해, 제2 형태에서는, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 반복 주파수 R의 역수인 출사 주기 T마다 오실레이터(101)에 있어서 시간 간격X(nsec)로 계속해서 발진된 2개의 펄스광을 제1 펄스광 PL1로 간주하여 취출하도록 한다. 이후, 2개의 펄스광 중 시간적으로 먼저 발진된 쪽을 선행 발진광(PL1α)이라고 칭하고, 나중에 발진된 쪽을 후속 발진광(PL1β)이라고도 칭한다.

이러한 형태로 오실레이터(101)로부터 출력된 제1 펄스광 PL1은 제1 광로 OP1 상을 진행하여 신장 등을 받고, 곧 제3 펄스광 PL3으로 되어 출력 증폭기(105)에 입사한다. 보다 상세하게는, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 선행 발진광(PL1α)에 유래하는 선행 입사광(PL3α)과, 후속 발진광(PL1β)에 유래하는 후속 입사광(PL3β)이, X(nsec)의 시간 간격으로 출력 증폭기(105)에 입사한다. 또한, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)에 있어서는, 도시의 사정상, 베이스 라인 및 선행 입사광(PL3α)의 프로파일은 실선으로, 후속 입사광(PL3β)의 프로파일은 파선으로 나타내고 있다.

선행 입사광(PL3α)과 후속 입사광(PL3β)은 출력 증폭기(105)에 있어서 각각에 증폭되지만, 증폭이 시작된 후의 거동은 선행 입사광(PL3α)에 대한 후속 입사광(PL3β)의 지연 시간 X(nsec)와 출력 증폭기(105) 내에 있어서의 펄스광의 왕복 주기 Y(nsec)의 대소 관계에 따라서 다른 것으로 된다.

X>Y의 경우에는, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 선행 입사광(PL3α)이 k＋1차의 증폭을 받은 후, 시간 X－Y(nsec)가 경과한 후에, 후속 입사광(PL3β)이 k차의 증폭을 받는다고 하는 관계가 반복된다.

한편, X<Y의 경우에는, 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 선행 입사광(PL3α)이 k차의 증폭을 받은 후, 시간 X(nsec)가 경과한 후에, 후속 입사광(PL3β)이 k차의 증폭을 받는다고 하는 관계가 반복된다(k는 자연수).

제2 형태에서는, 이 관계를 이용하여, 레이저 광원 SL로부터 출사하는 레이저광(LB)의 더블 펄스화를 실현한다. 구체적으로는, X>Y를 만족시키도록 한 후, 선행 입사광(PL3α)의 k＋1차 증폭광과 후속 입사광(PL3β)의 k차 증폭광이 포켈스 셀(105d)을 통과하는 시간 Δt3 동안만큼, 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압을 증폭 전압으로부터 추출 전압으로 전환하도록 한다. 그러면, 출사 간격 X－Y(nsec)로 2개의 펄스광이 연속해서 출사되게 된다. 이들 2개의 펄스광의 전자를 선행 추출광(PL4α)으로 하고, 후자를 후속 추출광(PL4β)으로 하면, 선행 추출광(PL4α)은 펄스 압축기(106)를 거친 후, 선행 펄스광(PLα)으로서 레이저 광원 SL로부터 출사된다. 후속 추출광(PL4β)은 펄스 압축기(106)를 거친 후, 후속 펄스광(PLβ)으로서 레이저 광원 SL로부터 출사된다. 즉, 결과적으로, t2－t1＝X－Y로 이루어지는 출사 간격으로, 더블 펄스화가 실현되어 이루어진다. 한편, X<Y를 만족시키도록 하여, 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 선행 입사광(PL3α)의 k차 증폭광과 후속 입사광(PL3β)의 k차 증폭광이 포켈스 셀(105d)을 통과하는 시간 Δt4 사이만큼, 포켈스 셀(105d)로의 인가 전압을 증폭 전압으로부터 추출 전압으로 전환하도록 한 경우에는, 동일한 펄스 에너지의 선행 추출광(PL4α)과 후속 추출광(PL4β)을 출사 간격 X(nsec)로 출사하는 더블 펄스화가 실현된다.

이상과 같이, 더블 펄스화의 제2 형태는, 개략적으로 말하면, 오실레이터(101)로부터 발진된 2개의 펄스광을 각각에 증폭한 후, 출력 증폭기(105)로부터의 추출 타이밍을 조정함으로써, 더블 펄스화를 실현하는 것이라고 할 수 있다.

또한, 오실레이터(101)로부터 발진하는 선행 발진광(PL1α)과 후속 발진광(PL1β)의 펄스 에너지비를 다르게 한 경우, X>Y인지 X<Y인지에 상관없이, 선행 추출광(PL4α)과 후속 추출광(PL4β)의 펄스 에너지비를 임의로 바꾸는 것이 가능해진다. 이에 의해, 선행 추출광(PL4α)의 펄스 에너지와 후속 추출광(PL4β)의 펄스 에너지의 비율을 원하는 값으로 조정하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 선행 발진광(PL1α)의 펄스 에너지보다도 후속 발진광(PL1β)의 펄스 에너지를 크게 한 경우, X<Y의 경우여도, 선행 추출광(PL4α)의 펄스 에너지보다도 후속 추출광(PL4β)의 펄스 에너지를 크게 할 수 있다.

따라서, 선행 발진광(PL1α)과 후속 발진광(PL1β)의 펄스 에너지비의 조정을 적절하게 행함으로써, 제1 형태와 마찬가지로, 제2 형태에 있어서도, 에너지 이용 효율이 높은 벽개/열개 가공이 가능해진다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 더블 펄스화된 레이저광으로 피가공물에 대해 가공 예정선을 따른 벽개/열개 가공을 행하도록 함으로써, 에너지 이용 효율이 높은 벽개/열개 가공이 가능해진다. 즉, 벽개/열개에 의한 분할 기점의 형성을 보다 확실하게 행할 수 있게 된다.

[실시예]

실시예로서, 제1 형태에서 더블 펄스화한 레이저광(LB)을 사용하여 C면 사파이어 기판의 표면에 벽개/열개 가공을 행하였다. 또한, 비교예로서, 더블 펄스화를 행하지 않는 점을 제외하고 실시예와 동일한 조건으로 벽개/열개 가공을 행하였다.

구체적으로는, 레이저광(LB)의 개개의 단위 펄스광의 조사 피치 Δ가 15㎛로 되도록, 반복 주파수 R을 13.3㎑, 주사 속도 V를 200㎜/sec로 설정하였다. 또한, 실시예에 있어서의 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)의 펄스 에너지의 합을 5μJ로 하고, 비교예에 있어서는, 1개의 펄스광의 펄스 에너지가 이것과 동일해지도록 하였다. 또한, 실시예에 있어서의 선행 펄스광(PLα)과 후속 펄스광(PLβ)의 파워비가 1:2로 되도록, Δt1 및 Δt2를 설정하였다.

도 7은 실시예와 비교예에 대한, 가공 후의 C면 사파이어 기판 표면의 낙사 조명과 투과 조명에 의한 광학 현미경상이다. 낙사 조명에 의한 상에서는 실시예와 비교예에 차이가 없는 것처럼 보이고, 투과 조명에 의한 상으로부터는, 실시예의 경우만, 도 1의 (e)에 도시한 도면에서 볼 때 직선 형상의 벽개/열개면(C11a, C11b, C12a, C12b, C13a, C13b, C14a, C14b…)과 동일한 가공흔이 명료하게 관찰된다. 이러한 결과는 더블 펄스화가, 벽개/열개 가공에 있어서 벽개/열개를 보다 확실하게 발생시키는 효과가 있는 것을 나타내고 있다.

1 : 컨트롤러
7 : 스테이지
7m : 이동 기구
10 : 피가공물
50 : 레이저 가공 장치
51 : 다이클로익 미러
52 : 집광 렌즈
101 : 오실레이터
102 : 펄스 신장기
103 : 제1 편광자
104 : 패러데이 회전자
105 : 출력 증폭기
105a : 제1 증폭 미러
105b : 제2 증폭 미러
105c : 증폭 매체
105d : 포켈스 셀
105e : 제2 편광자
105f : 중간 미러
106 : 펄스 압축기
C11a, C11b, C12a, C12b, C13a, C13b, C14a, C14b : 벽개/열개면
L : 가공 예정선
LB : 레이저광
PLα : 선행 펄스광
PLβ : 후속 펄스광
PL : 단위 펄스광
PL1α : 후속 발진광
PL1β : 선행 발진광
PL3α : 후속 입사광
PL3β : 선행 입사광
PL4α : 선행 추출광
PL4β : 후속 추출광
RE11, RE12, RE13, RE14 : 피조사 영역

Claims

피가공물에 분할 기점을 형성하기 위한 가공 방법이며,
광원에 구비되는 오실레이터가 발진하는 발진 펄스광을 상기 광원 내에 구비되는 증폭기에 있어서 증폭하여, 증폭광인 펄스 레이저광을 상기 광원으로부터 출사시키는 출사 공정과,
상기 펄스 레이저광의 개개의 단위 펄스광마다의 피조사 영역이 상기 피가공물의 피가공면에 있어서 이산적으로 형성되도록 상기 펄스 레이저광을 상기 피가공물에 조사함으로써, 상기 피조사 영역끼리의 사이에서 상기 피가공물의 벽개 혹은 열개를 발생시킴으로써, 상기 피가공물에 분할을 위한 기점을 형성하는 조사 공정을 구비하고,
상기 출사 공정에 있어서 상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써, 하나의 상기 단위 펄스광을, 상기 단위 펄스광의 출사 주기에 비해 짧은 시간 간격으로 지연하는 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 한편, 상기 2개의 펄스광이 상기 조사 공정에 있어서 실질적으로 동일한 상기 피조사 영역에 조사되도록 하는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 출사 공정에 있어서는, 상기 증폭기로부터의 상기 증폭광의 취출을, 상기 증폭광의 일부만이 상기 증폭기로부터 추출되는 제1 시간과, 상기 제1 시간의 경과 후, 상기 증폭광의 나머지가 상기 증폭기에 있어서 증폭을 받은 후의 제2 시간으로 나누어 행함으로써, 상기 2개의 펄스광을 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 출사 공정에 있어서는, 상기 오실레이터로부터 2개의 상기 발진 펄스광을 발진시켜, k를 자연수로 할 때에, 앞서 발진된 상기 발진 펄스광의 k차 또는 k＋1차의 증폭광과, 나중에 발진된 상기 펄스광의 k차의 증폭광을 이 순서대로 상기 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 가공 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 항 항에 있어서, 상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써 상기 2개의 펄스광의 펄스 에너지의 비를 조정하는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 가공 방법.
레이저광을 출사하는 광원과,
기판 상에 피가공물을 고정하는 스테이지를 구비하여, 상기 출사원과 상기 스테이지를 상대적으로 이동시킴으로써 상기 레이저광을 소정의 가공 예정선을 따라서 주사하면서 상기 피가공물에 조사 가능한 레이저 가공 장치이며,
상기 출사원이,
펄스광을 발진하는 오실레이터와,
상기 오실레이터가 발진하는 발진 펄스광을 증폭하는 증폭기를 구비하여, 상기 증폭기에 의한 증폭광인 펄스 레이저광을 출사하도록 되어 있고,
상기 펄스 레이저광의 개개의 단위 펄스광마다의 피조사 영역이 상기 피가공물의 피가공면에 있어서 이산적으로 형성되도록 상기 펄스 레이저광을 상기 피가공물에 조사함으로써, 상기 피조사 영역끼리의 사이에서 상기 피가공물의 벽개 혹은 열개를 발생시킴으로써, 상기 피가공물에 분할을 위한 기점을 형성하는 것이고,
상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써, 하나의 상기 단위 펄스광을, 상기 단위 펄스광의 출사 주기에 비해 짧은 시간 간격으로 지연하는 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 한편, 상기 2개의 펄스광을 실질적으로 동일한 상기 피조사 영역에 조사시키는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
제5항에 있어서, 상기 증폭기로부터의 상기 증폭광의 취출을, 상기 증폭광의 일부만이 상기 증폭기로부터 추출되는 제1 시간과, 상기 제1 시간의 경과 후, 상기 증폭광의 나머지가 상기 증폭기에 있어서 증폭을 받은 후의 제2 시간으로 나누어 행함으로써, 상기 2개의 펄스광을 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
제5항에 있어서, 상기 오실레이터로부터 2개의 상기 발진 펄스광을 발진시켜, k를 자연수로 할 때에, 앞서 발진된 상기 발진 펄스광의 k차 또는 k＋1차의 증폭광과, 나중에 발진된 상기 펄스광의 k차의 증폭광을 이 순서대로 상기 2개의 펄스광으로서 상기 광원으로부터 출사시키는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증폭기로부터의 상기 펄스 레이저광의 취출 타이밍을 조정함으로써 상기 2개의 펄스광의 펄스 에너지의 비를 조정하는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.