KR20150133713A - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 - Google Patents

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 Download PDF

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Abstract

가공 대상물(1)에 레이저광(L)을 집광시킴으로써, 절단 예정 라인(5)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 형성하고, 레이저광을 출사하는 레이저 광원과, 레이저 광원에 의해 출사된 레이저광(L)을 변조하는 공간광 변조기(203)와, 공간광 변조기(203)에 의해 변조된 레이저광을 가공 대상물(1)에 집광시키는 집광 광학계(204)를 구비하고, 공간광 변조기(204)는 액시콘 렌즈 패턴을 변조 패턴으로서 표시함으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광을 집광시킴으로써, 가공 품질을 향상시킨다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법{LASER MACHINING DEVICE AND LASER MACHINING METHOD}
본 발명의 일 측면은 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.
종래의 레이저 가공 장치로서는, 가공 대상물에 레이저광을 집광(集光)시킴으로써, 절단 예정 라인을 따라서 가공 대상물의 내부에 개질(改質) 영역을 형성하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이러한 레이저 가공 장치에서는, 레이저 광원으로부터 가공 대상물에 조사되는 레이저광을 공간광 변조기에 의해서 변조함으로써, 당해 레이저광을 가공 대상물의 복수 위치에 집광하는 것이 도모되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개 2011－51011호 공보
그런데, 상술한 것 같은 종래 기술에서는, 근래에 점점 더 보급이 확대됨에 따라서, 가공 품질을 향상시키는 것이 요구되고 있고, 예를 들어 절단된 가공 대상물에 대해서, 절단면의 직진성(直進性)을 향상시키는 요구나, 항절(抗折) 강도를 향상시키는 요구 등이 높아지고 있다.
본 발명의 일 측면은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 가공 품질을 향상시킬 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명자 등은 열심히 검토를 거듭한 결과, 가공 대상물에 있어서 레이저광의 집광 부분을 레이저광 입사 방향으로 긴 형상(이하, 「종장(縱長)」이라고 함)으로 하고, 종장인 개질 영역을 가공 대상물에 형성하면, 가공 대상물의 내부에서 생기는 균열(크랙)의 양이 저감되어, 절단면의 직진성 및 항절 강도가 향상되고, 그 결과, 가공 품질을 향상시킬 수 있는 가능성을 발견했다.
그러나 이 경우, 당해 레이저광의 집광 부분에서 에너지 밀도가 저하해 버려, 개질 영역 자체가 형성되지 않을 우려나, 가공을 할 때에 많은 에너지가 필요하게 될 우려가 염려된다. 이 점, 본 발명자 등은 추가로 열심히 검토를 거듭하여, 공간광 변조기를 이용하여 레이저광을 적당히 변조함으로써, 이러한 우려에 대응할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 장치는, 가공 대상물에 레이저광을 집광시킴으로써, 절단 예정 라인을 따라서 가공 대상물의 내부에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 장치로서, 레이저광을 출사하는 레이저 광원과, 레이저 광원에 의해 출사된 레이저광을 변조하는 공간광 변조기와, 공간광 변조기에 의해 변조된 레이저광을 가공 대상물에 집광시키는 집광 광학계를 구비하고, 공간광 변조기는, 액시콘 렌즈 패턴을 변조 패턴으로서 표시함으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광을 집광시킨다.
또한, 「액시콘 렌즈 패턴」이란, 액시콘 렌즈의 작용을 실현하도록 생성된 변조 패턴을 의미하고 있다(이하, 같음).
이 레이저 가공 장치에 있어서는, 액시콘 렌즈 패턴을 변조 패턴으로서 공간광 변조기에 표시함으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광을 집광할 수 있다. 이것에 의해, 의사적으로 종장이 되는 집광 부분이 그 에너지 밀도를 충분히 유지한 채 형성되게 되고, 그 결과, 종장의 개질 영역이 가공 대상물에 형성되게 된다. 이러한 개질 영역에 의하면, 상기 지견과 마찬가지로, 가공 대상물의 내부에서 생기는 균열의 양을 저감시킬 수 있고, 따라서 절단면의 직진성 및 항절 강도를 향상시켜, 가공 품질을 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 상기 작용 효과를 달성하기 위해서, 구체적으로는, 레이저 가공 장치는, 절단 예정 라인을 따라서 가공 대상물의 내부에 개질 스팟을 복수 개 형성하고, 복수의 개질 스팟에 의해서 개질 영역을 형성하는 것으로서, 공간광 변조기는, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치의 각각에 개질 도트를 형성시키고, 복수의 개질 도트는, 레이저광 조사 방향으로 긴 형상의 개질 스팟을 구성해도 좋다. 이 경우, 실질적으로 종장의 개질 스팟이 형성되고, 그 결과, 실질적으로 종장의 개질 영역이 형성되게 된다. 따라서 상기 지견과 마찬가지로, 가공 대상물의 내부에서 생기는 균열의 양을 저감시킬 수 있어, 가공 품질을 향상시킬 수 있다.
또, 공간광 변조기의 표시부에 있어서, 액시콘 렌즈 패턴은 입사되는 레이저광에 대해 중심에 위치하는 원 영역과, 원 영역의 주위에 정의(畵設)된 당해 원 영역과 동심(同心)의 복수의 원환(圓環) 영역을 가지고 있고, 원 영역 및 복수의 원환 영역에서는, 지름 방향 외측에서 내측으로 감에 따라서 명도가 서서히 밝아지도록 설정되어 있는 경우가 있다.
또, 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 방법은, 가공 대상물에 레이저광을 집광시킴으로써, 절단 예정 라인을 따라서 가공 대상물의 내부에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 방법으로서, 레이저 광원으로부터 출사된 레이저광을 공간광 변조기에 의해서 변조하고, 공간광 변조기로 변조된 레이저광을 가공 대상물에 집광하는 공정을 구비하고, 레이저광을 집광하는 공정은, 공간광 변조기에 액시콘 렌즈 패턴을 변조 패턴으로서 표시함으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광을 집광시키는 공정을 포함한다.
이 레이저 가공 방법에 있어서도, 의사적으로 종장이 되는 집광 부분이 그 에너지 밀도를 충분히 유지한 채 형성되게 되고, 그 결과, 종장의 개질 영역이 형성되게 된다. 따라서 상기 작용 효과, 즉, 가공 품질을 향상시킬 수 있다고 하는 작용 효과가 달성된다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 가공 품질을 향상시킬 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은 개질 영역의 형성에 이용되는 레이저 가공 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 개질 영역의 형성의 대상이 되는 가공 대상물의 평면도이다.
도 3은 도 2의 가공 대상물의 III－III선을 따른 단면도이다.
도 4는 레이저 가공 후의 가공 대상물의 평면도이다.
도 5는 도 4의 가공 대상물의 V－V선을 따른 단면도이다.
도 6은 도 4의 가공 대상물의 VI－VI선을 따른 단면도이다.
도 7은 실시 형태에 따른 실시하는 레이저 가공 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 8은 반사형 공간광 변조기의 부분 단면도이다.
도 9는 반사형 공간광 변조기의 액정층에 표시된 액시콘 렌즈 패턴을 나타내는 도면이다.
도 10은 레이저 가공의 대상이 되는 가공 대상물을 나타내는 평면도이다.
도 11은 제1 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 12는 제1 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법에 의해 형성된 개질 스팟의 일례를 나타내는 사진도이다.
도 13은 제1 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법의 효과를 설명하기 위한 사진도이다.
도 14는 제1 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법의 효과를 설명하기 위한 다른 사진도이다.
도 15는 제2 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 16은 도 15의 다음을 나타내는 개략 단면도이다.
도 17은 레이저광의 집광 위치에서 발생하는 수차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 동일 또는 상당 요소에는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법에서는, 가공 대상물에 레이저광을 집광시켜, 개질 영역을 절단 예정 라인을 따라서 형성한다. 여기서, 먼저, 개질 영역의 형성에 대해서, 도 1 ~ 도 6을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시하는 것처럼, 레이저 가공 장치(100)는 레이저광 L을 펄스 발진하는 레이저 광원(101)과, 레이저광 L의 광축(光軸)(광로(光路))의 방향을 90° 바꾸도록 배치된 다이크로익 미러(dichroic mirror)(103)와, 레이저광 L을 집광하기 위한 집광용 렌즈(105)를 구비하고 있다. 또, 레이저 가공 장치(100)는 집광용 렌즈(105)로 집광된 레이저광 L이 조사되는 가공 대상물(1)을 지지하기 위한 지지대(107)와, 지지대(107)를 이동시키기 위한 스테이지(111)와, 레이저광 L의 출력이나 펄스 폭, 펄스 파형 등을 조절하기 위해서 레이저 광원(101)을 제어하는 레이저 광원 제어부(102)와, 스테이지(111)의 이동을 제어하는 스테이지 제어부(115)를 구비하고 있다.
이 레이저 가공 장치(100)에 있어서는, 레이저 광원(101)으로부터 출사된 레이저광 L은, 다이크로익 미러(103)에 의해서 그 광축의 방향이 90° 바뀌어서, 지지대(107)상에 재치된 가공 대상물(1)의 내부에 집광용 렌즈(105)에 의해서 집광된다. 이와 함께, 스테이지(111)가 이동되어, 가공 대상물(1)이 레이저광 L에 대해서 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대(相對) 이동된다. 이것에 의해, 절단 예정 라인(5)을 따른 개질 영역이 가공 대상물(1)에 형성된다. 또한, 여기에서는, 레이저광 L을 상대적으로 이동시키기 위해서 스테이지(111)를 이동시켰지만, 집광용 렌즈(105)를 이동시켜도 좋고, 혹은 이들 양쪽을 이동시켜도 좋다.
가공 대상물(1)로서는, 반도체 재료로 형성된 반도체 기판이나 압전(壓電) 재료로 형성된 압전 기판 등을 포함하는 판 모양의 부재(예를 들면, 기판, 웨이퍼 등)가 이용된다. 도 2에 도시하는 것처럼, 가공 대상물(1)에는, 가공 대상물(1)을 절단하기 위한 절단 예정 라인(5)이 설정되어 있다. 절단 예정 라인(5)은 직선 모양으로 연장된 가상선(假想線)이다. 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역을 형성하는 경우, 도 3에 도시하는 것처럼, 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(집광 위치) P를 맞춘 상태에서, 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따라서(즉, 도 2의 화살표 A 방향으로) 상대적으로 이동시킨다. 이것에 의해, 도 4 ~ 도 6에 도시하는 것처럼, 개질 영역(7)이 절단 예정 라인(5)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 형성되고, 절단 예정 라인(5)을 따라서 형성된 개질 영역(7)이 절단 기점 영역(8)이 된다.
또한, 집광점 P란, 레이저광 L이 집광되는 지점이다. 또, 절단 예정 라인(5)은 직선 모양으로 한정하지 않고 곡선 모양이어도 좋고, 이들이 조합된 3차원 모양이어도 좋고, 좌표 지정된 것이어도 좋다. 또, 절단 예정 라인(5)은 가상선으로 한정하지 않고, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 실제로 그어진 선이어도 좋다. 개질 영역(7)은 연속적으로 형성되는 경우도 있고, 단속적(斷續的)으로 형성되는 경우도 있다. 또, 개질 영역(7)은 열(列) 모양이어도 점(点) 모양이어도 좋고, 요점은, 개질 영역(7)은 적어도 가공 대상물(1)의 내부에 형성되어 있으면 된다. 또, 개질 영역(7)을 기점으로 균열이 형성되는 경우가 있으며, 균열 및 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)의 외표면(표면(3), 이면(裏面)(21), 혹은 외주면(外周面))으로 노출되어 있어도 좋다. 또, 개질 영역(7)을 형성할 때의 레이저광 입사면은, 가공 대상물(1)의 표면(3)으로 한정되는 것이 아니고, 가공 대상물(1)의 이면(21)이어도 좋다.
덧붙여서, 여기서의 레이저광 L은, 가공 대상물(1)을 투과함과 아울러 가공 대상물(1)의 내부의 집광점 근방에서 특히 흡수되고, 이것에 의해, 가공 대상물(1)에 개질 영역(7)이 형성된다(즉, 내부 흡수형 레이저 가공). 따라서 가공 대상물(1)의 표면(3)에서는 레이저광 L이 거의 흡수되지 않기 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융(溶融)되는 일은 없다. 일반적으로, 표면(3)으로부터 용융되어 제거되어서 구멍이나 홈 등의 제거부가 형성되는(표면 흡수형 레이저 가공) 경우, 가공 영역은 표면(3)측으로부터 서서히 이면측으로 진행한다.
그런데, 본 실시 형태에서 형성되는 개질 영역(7)은, 밀도, 굴절률, 기계적 강도나 그 외의 물리적 특성이 주위와는 다른 상태가 된 영역을 말한다. 개질 영역(7)으로서는, 예를 들면, 용융 처리 영역(일단 용융후 재고체화(再固體化)된 영역, 용융 상태 중인 영역 및 용융에서부터 재고체화하는 상태 중인 영역 중 적어도 어느 하나를 의미함), 크랙 영역, 절연 파괴 영역, 굴절률 변화 영역 등이 있으며, 이들이 혼재된 영역도 있다. 추가로, 개질 영역으로서는, 가공 대상물의 재료에 있어서 개질 영역의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교하여 변화한 영역이나, 격자 결함이 형성된 영역이 있다(이것들을 총괄하여 고밀(高密) 전이 영역이라고도 함).
또, 용융 처리 영역이나 굴절률 변화 영역, 개질 영역의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교하여 변화한 영역, 격자 결함이 형성된 영역은, 추가로, 그들 영역의 내부나 개질 영역과 비개질 영역의 계면(界面)에 균열(갈라짐, 마이크로 크랙)을 내포하고 있는 경우가 있다. 내포되는 균열은, 개질 영역의 전면(全面)에 걸치는 경우나 일부분만이거나 복수 부분에 형성되는 경우가 있다. 가공 대상물(1)로서는, 예를 들면 실리콘(Si), 유리, 실리콘 카바이드(SiC), LiTaO3 또는 사파이어(Al2O3)를 포함하는, 또는 이것들로 이루어진 것을 들 수 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 절단 예정 라인(5)을 따라서 개질 스팟(가공 자국)을 복수 개 형성함으로써, 개질 영역(7)을 형성하고 있다. 개질 스팟이란, 펄스 레이저광의 1펄스의 샷(즉 1펄스의 레이저 조사：레이저 샷)으로 형성되는 개질 부분이며, 개질 스팟이 모임으로써 개질 영역(7)이 된다. 개질 스팟으로서는, 크랙 스팟, 용융 처리 스팟 혹은 굴절률 변화 스팟, 또는 이들 중 적어도 1개가 혼재하는 것 등을 들 수 있다. 이 개질 스팟에 대해서는, 요구되는 절단 정밀도, 요구되는 절단면의 평탄성(平坦性), 가공 대상물의 두께, 종류, 결정 방위 등을 고려하여, 그 크기나 발생하는 균열의 길이를 적당히 제어할 수 있다.
다음으로, 제1 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 7은 본 실시 형태에 따른 레이저 가공 방법을 실시하는 레이저 가공 장치를 나타내는 개략 구성도이다. 도 7에 도시하는 것처럼, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(300)는 레이저 광원(202), 반사형 공간광 변조기(203), 4f 광학계(241) 및 집광 광학계(204)를 케이스(231) 내에 구비하고 있다. 레이저 광원(202)은, 예를 들면 1080nm ~ 1200nm의 파장을 가지는 레이저광 L을 출사하는 것으로, 예를 들면 파이버 레이저가 이용되고 있다. 여기서의 레이저 광원(202)은, 수평 방향으로 레이저광 L을 출사하도록, 케이스(231)의 천판(天板)(236)에 나사 등으로 고정되어 있다.
반사형 공간광 변조기(203)는, 레이저 광원(202)으로부터 출사된 레이저광 L을 변조하는 것으로, 예를 들면 반사형 액정(LCOS：Liquid Crystal on Silicon)의 공간광 변조기(SLM：Spatial Light Modulator)가 이용되고 있다. 여기서의 반사형 공간광 변조기(203)는, 수평 방향으로부터 입사되는 레이저광 L을 변조함과 아울러, 수평 방향에 대해 경사진 상방(上方)으로 반사한다.
도 8은 도 7의 레이저 가공 장치의 반사형 공간광 변조기의 부분 단면도이다. 도 8에 도시하는 것처럼, 반사형 공간광 변조기(203)는 실리콘 기판(213), 구동 회로층(914), 복수의 화소 전극(214), 유전체 다층막 미러 등의 반사막(215), 배향막(配向膜)(999a), 액정층(표시부)(216), 배향막(999b), 투명 도전막(217), 및 유리 기판 등의 투명 기판(218)을 구비하고, 이것들이 이 순으로 적층되어 있다.
투명 기판(218)은 XY 평면에 따른 표면(218a)을 가지고 있고, 그 표면(218a)은 반사형 공간광 변조기(203)의 표면을 구성한다. 투명 기판(218)은, 예를 들면 유리 등의 광투과성 재료를 주로 포함하고 있고, 반사형 공간광 변조기(203)의 표면(218a)으로부터 입사된 소정 파장의 레이저광 L을, 반사형 공간광 변조기(203)의 내부로 투과한다. 투명 도전막(217)은 투명 기판(218)의 이면상에 형성되어 있고, 레이저광 L을 투과하는 도전성 재료(예를 들면 ITO)를 주로 포함하여 구성되어 있다.
복수의 화소 전극(214)은, 복수의 화소의 배열에 따라서 이차원 모양으로 배열되어 있고, 투명 도전막(217)을 따라서 실리콘 기판(213)상에 배열되어 있다. 각 화소 전극(214)은, 예를 들면 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어지고, 이들 표면(214a)은 평탄하면서 또한 매끄럽게 가공되어 있다. 복수의 화소 전극(214)은, 구동 회로층(914)에 마련된 액티브·매트릭스 회로에 의해서 구동된다.
액티브·매트릭스 회로는, 복수의 화소 전극(214)과 실리콘 기판(213)의 사이에 마련되어, 반사형 공간광 변조기(203)로부터 출력하려고 하는 광이미지에 따라 각 화소 전극(214)으로의 인가 전압을 제어한다. 이러한 액티브·매트릭스 회로는, 예를 들면 도시하지 않는 X축 방향으로 늘어선 각 화소열의 인가 전압을 제어하는 제1 드라이버 회로와, Y축 방향으로 늘어선 각 화소열의 인가 전압을 제어하는 제2 드라이버 회로를 가지고 있고, 제어부(250)(후술)에 의해서 양쪽의 드라이버 회로에서 지정된 화소의 화소 전극(214)에 소정 전압이 인가되도록 구성되어 있다.
또한, 배향막(999a, 999b)은 액정층(216)의 양단면에 배치되어 있고, 액정 분자 그룹을 일정 방향으로 배열시킨다. 배향막(999a, 999b)은, 예를 들면 폴리이미드라고 하는 고분자 재로로 이루어지고, 액정층(216)과의 접촉면에 러빙 처리(rubbing processing) 등이 실시된 것이 적용된다.
액정층(216)은 복수의 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)의 사이에 배치되어 있고, 각 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)에 의해 형성되는 전계에 따라 레이저광 L을 변조한다. 즉, 액티브·매트릭스 회로에 의해서 어느 화소 전극(214)에 전압이 인가되면, 투명 도전막(217)과 그 화소 전극(214)의 사이에 전계가 형성된다.
이 전계는 반사막(215) 및 액정층(216)의 각각에 대해, 각각의 두께에 따른 비율로 인가된다. 그리고 액정층(216)에 인가된 전계의 크기에 따라 액정 분자(216a)의 배열 방향이 변화한다. 레이저광 L이 투명 기판(218) 및 투명 도전막(217)을 투과하여 액정층(216)에 입사되면, 이 레이저광 L은 액정층(216)을 통과하는 동안에 액정 분자(216a)에 의해서 변조되고, 반사막(215)에서 반사된 후, 다시 액정층(216)에 의해 변조되고 나서 취출(取出)되게 된다.
이때, 후술하는 제어부(250)에 의해서 투명 도전막(217)과 대향하는 각 화소 전극(214)마다 전압이 인가되고, 그 전압에 따라서, 액정층(216)에 있어서 투명 도전막(217)과 대향하는 각 화소 전극(214)에 낀 부분의 굴절률이 변화된다( 각 화소에 대응한 위치의 액정층(216)의 굴절률이 변화한다). 이러한 굴절률의 변화에 의해, 인가된 전압에 따라서, 레이저광 L의 위상을 액정층(216)의 화소마다 변화시킬 수 있다. 즉, 홀로그램 패턴에 따른 위상 변조를 화소마다 액정층(216)에 의해서 줄(즉, 변조를 부여하는 홀로그램 패턴으로서의 변조 패턴을 반사형 공간광 변조기(203)의 액정층(216)에 표시시킬) 수 있다 .
그 결과, 변조 패턴에 입사되어 투과하는 레이저광 L은, 그 파면(波面)이 조정되어, 그 레이저광 L을 구성하는 각 광선에 있어서 진행 방향에 직교하는 소정 방향의 성분의 위상에 시프트가 생긴다. 따라서 반사형 공간광 변조기(203)에 표시시키는 변조 패턴을 적당히 설정함으로써, 레이저광 L이 변조(예를 들면, 레이저광 L의 강도, 진폭, 위상, 편광 등이 변조) 가능해진다.
본 실시 형태의 반사형 공간광 변조기(203)에서는, 후술하는 것처럼, 액시콘 렌즈 패턴을 변조 패턴으로서 액정층(216)에 표시함으로써, 가공 대상물(1)에 조사되는 레이저광 L에 대해, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 가공 대상물(1)에 집광시키는 변조가 실시된다. 이것에 의해, 도 11에 도시하는 것처럼, 당해 복수 위치의 각각에 개질 도트 d가 형성된다.
이들 복수의 개질 도트 d는, 다점(多点) 세장(細長, 가늘고 긴) 개질 스팟이 되는 1개의 개질 스팟 Sx를 구성한다. 개질 스팟 Sx는 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않고 레이저 가공을 실시한 개질 스팟에 비해, 레이저광 조사 방향으로 긴 형상(종장)으로 된다. 즉, 복수의 개질 도트 d는, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 연속하도록 조밀하게 늘어서 있고, 이들 복수의 개질 도트 d가 한 덩어리로 되어 이루어지는 개질 스팟 Sx는, 레이저광 조사 방향의 치수가 그 교차 방향의 치수보다도 특히 길어지는 세장 형상을 가진다.
도 7로 돌아가, 4f 광학계(241)는 반사형 공간광 변조기(203)에 의해서 변조된 레이저광 L의 파면 형상을 조정하는 것이다. 이 4f 광학계(241)는 제1 렌즈(241a) 및 제2 렌즈(241b)를 가지고 있다. 렌즈(241a, 241b)는 반사형 공간광 변조기(203)와 제1 렌즈(241a)의 거리가 제1 렌즈(241a)의 초점 거리 f1이 되고, 집광 광학계(204)와 렌즈(241b)의 거리가 렌즈(241b)의 초점 거리 f2가 되고, 제1 렌즈(241a)와 제2 렌즈(241b)의 거리가 f1＋f2가 되고, 또한 제1 렌즈(241a)와 제2 렌즈(241b)가 양측 텔레센트릭 광학계가 되도록, 반사형 공간광 변조기(203)와 집광 광학계(204)의 사이에 배치되어 있다. 이 4f 광학계(241)에서는, 반사형 공간광 변조기(203)에서 변조된 레이저광 L이 공간 전파에 의해서 파면 형상이 변화하여 수차가 증대하는 것을 억제할 수 있다.
집광 광학계(204)는 4f 광학계(241)에 의해서 변조된 레이저광 L을 가공 대상물(1)의 내부에 집광하는 것이다. 이 집광 광학계(204)는 복수의 렌즈를 포함하여 구성되어 있고, 압전 소자 등을 포함하여 구성된 구동 유닛(232)을 통해서 케이스(231)의 바닥판(233)에 설치되어 있다.
이상과 같이 구성된 레이저 가공 장치(300)에서는, 레이저 광원(202)으로부터 출사된 레이저광 L은, 케이스(231) 내에서 수평 방향으로 진행한 후, 미러(205a)에 의해서 하방으로 반사되고, 어테뉴에이터(attenuator)(207)에 의해서 광강도가 조정된다. 그리고 미러(205b)에 의해서 수평 방향으로 반사되고, 빔 호모지나이저(beam homogenizer)(260)에 의해서 강도 분포가 균일화되어 반사형 공간광 변조기(203)에 입사된다.
반사형 공간광 변조기(203)에 입사된 레이저광 L은, 액정층(216)에 표시된 변조 패턴을 투과함으로써 당해 변조 패턴에 따라 변조되고, 그 후 미러(206a)에 의해서 상방으로 반사되어, λ/2 파장판(228)에 의해서 편광 방향이 변경되고, 미러(206b)에 의해서 수평 방향으로 반사되어 4f 광학계(241)에 입사된다.
4f 광학계(241)에 입사된 레이저광 L은, 평행광으로 집광 광학계(204)에 입사되도록 파면 형상이 조정된다. 구체적으로는, 레이저광 L은 제1 렌즈(241a)를 투과하여 수렴되고, 미러(219)에 의해서 하방으로 반사되어, 공초점(共焦点) O를 거쳐 발산함과 아울러, 제2 렌즈(241b)를 투과하여, 평행광이 되도록 다시 수렴된다. 그리고 레이저광 L은, 다이크로익 미러(210, 238)를 차례로 투과하여 집광 광학계(204)에 입사되고, 스테이지(111)상에 재치된 가공 대상물(1) 내에 집광 광학계(204)에 의해서 집광된다.
또, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(300)는, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면을 관찰하기 위한 표면 관찰 유닛(211)과, 집광 광학계(204)와 가공 대상물(1)의 거리를 미세 조정하기 위한 AF(Auto Focus) 유닛(212)을 케이스(231) 내에 구비하고 있다.
표면 관찰 유닛(211)은 가시광 VL1을 출사하는 관찰용 광원(211a)과, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에서 반사된 가시광 VL1의 반사광 VL2를 수광하여 검출하는 검출기(211b)를 가지고 있다. 표면 관찰 유닛(211)에서는, 관찰용 광원(211a)으로부터 출사된 가시광 VL1이, 미러(208) 및 다이크로익 미러(209, 210, 238)에서 반사·투과되어, 집광 광학계(204)에서 가공 대상물(1)을 향해서 집광된다. 그리고 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에서 반사된 반사광 VL2가, 집광 광학계(204)에서 집광되어 다이크로익 미러(238, 210)에서 투과·반사된 후, 다이크로익 미러(209)를 투과하여 검출기(211b)에서 수광된다.
AF 유닛(212)은 AF용 레이저광 LB1을 출사하고, 레이저광 입사면에서 반사된 AF용 레이저광 LB1의 반사광 LB2를 수광하여 검출함으로써, 절단 예정 라인(5)을 따른 레이저광 입사면의 변위(變位) 데이터를 취득한다. 그리고 AF 유닛(212)은 개질 영역(7)을 형성할 때, 취득한 변위 데이터에 기초하여 구동 유닛(232)을 구동시켜, 레이저광 입사면의 기복을 따르도록 집광 광학계(204)를 그 광축 방향으로 왕복 이동시킨다.
추가로 또, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(300)는, 당해 레이저 가공 장치(300)를 제어하기 위한 것으로서, CPU, ROM, RAM 등으로 이루어지는 제어부(250)를 구비하고 있다. 이 제어부(250)는 레이저 광원(202)을 제어하여, 레이저 광원(202)으로부터 출사되는 레이저광 L의 출력이나 펄스폭 등을 조절한다. 또, 제어부(250)는 개질 영역(7)을 형성할 때, 레이저광 L의 집광점 P가 가공 대상물(1)의 표면(3)으로부터 소정 거리에 위치하고 또한 레이저광 L의 집광점 P가 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대적으로 이동하도록, 케이스(231), 스테이지(111)의 위치 및 구동 유닛(232)의 구동 중 적어도 1개를 제어한다.
또, 제어부(250)는 개질 영역(7)을 형성할 때, 반사형 공간광 변조기(203)에 있어서의 각 전극(214)에 소정 전압을 인가하여, 액정층(216)에 소정의 변조 패턴을 표시시키고, 이것에 의해, 레이저광 L을 반사형 공간광 변조기(203)에서 원하는 대로 변조시킨다.
여기서, 액정층(216)에 표시되는 변조 패턴은, 예를 들면, 개질 영역(7)을 형성하려고 하는 위치, 조사하는 레이저광 L의 파장, 가공 대상물(1)의 재료, 및 집광 광학계(204)나 가공 대상물(1)의 굴절률 등에 기초하여 미리 도출되어, 제어부(250)에 기억되어 있다. 이 변조 패턴은 레이저 가공 장치(300)에 생기는 개체차(예를 들면, 반사형 공간광 변조기(203)의 액정층(216)에 생기는 왜곡)를 보정하기 위한 개체차 보정 패턴, 및 구면 수차를 보정하기 위한 구면 수차 보정 패턴, 액시콘 렌즈 패턴 중 적어도 1개를 포함하고 있다.
도 9는 액정층에 표시된 액시콘 렌즈 패턴을 나타내는 도면이다. 도면 중에 도시하는 액시콘 렌즈 패턴 Ax는, 액정층(216)의 정면에서 볼 때의 상태를 도시하고 있다. 도 9에 도시하는 것처럼, 액시콘 렌즈 패턴 Ax는 액시콘 렌즈의 작용을 실현하도록 생성된 변조 패턴이다. 액시콘 렌즈 패턴 Ax는 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록, 레이저광 L을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 환언하면, 레이저광 조사 방향으로 복수의 강도 분포를 가지도록 레이저광 L을 변조시킨다. 여기서의 액시콘 렌즈 패턴 Ax는, 역원추(逆圓錐) 모양의 광학 패턴으로 되고, 아래로 볼록한 모양의 것으로 되어 있다.
이 액시콘 렌즈 패턴 Ax는, 구체적으로는, 입사되는 레이저광 L에 대해 중심에 위치하는 원 영역(a1)과, 원 영역(a1)의 주위에 정의된 복수의 원환 영역(a2)을 가지고 있다. 원환 영역(2a)는 원 영역(a1)과 동심으로 형성되고, 원환 형상 또는 원환 형상의 일부가 노치되어 이루어지는 형상을 가지고 있다. 원 영역(a1) 및 복수의 원환 영역(a2)에서는, 지름 방향 외측에서 내측으로 감에 따라서 명도가 서서히 밝아지도록 설정되어 있다.
이러한 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 액정층(216)에 표시시켜 레이저 가공을 행하는 경우, 그 원환 영역(a2)의 수(중심으로부터의 명도가 반복되는 수)인 파라미터수가 클수록, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 집광점의 수(개질 도트 d의 수)가 증가하고, 그 결과, 파라미터수에 따른 종장의 개질 스팟 Sx가 형성된다. 여기에서는, 파라미터수가 증감(增減)하면, 레이저광 L의 바로 앞측(상류측)에 있어서 개질 도트 d의 수가 증감하고, 나아가서는, 형성되는 개질 스팟 Sx가 레이저광 L의 바로 앞측에 있어서 신축(伸縮)하는 경향을 가진다.
다음으로, 상기 레이저 가공 장치(300)를 이용한 레이저 가공 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 10은 본 실시 형태에 의한 레이저 가공의 대상이 되는 가공 대상물을 나타내는 평면도이고, 도 11은 본 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시 형태의 레이저 가공 방법은, 가공 대상물(1)을 레이저 가공하여 복수의 칩을 제조하기 위한 칩의 제조 방법으로서 이용된다. 도 10에 도시하는 것처럼, 가공 대상물(1)은 실리콘 기판, 사파이어 기판, SiC 기판, 유리 기판(강화유리 기판), 반도체 기판 또는 투명 절연 기판 등을 포함하고, 판 모양을 나타내고 있다. 가공 대상물(1)의 두께는, 150㎛ ~ 350㎛로 되어 있고, 여기에서는 200㎛ 또는 250㎛로 되어 있다.
이 가공 대상물(1)의 표면(3)에는, 매트릭스 모양으로 늘어서도록 기능 소자 형성 영역(15)이 복수 개 마련되어 있다. 또, 가공 대상물(1)의 표면(3)상에는, 서로 이웃하는 기능 소자 형성 영역(15) 사이를 통과하도록 연장되는 절단 예정 라인(5)이 복수 개 설정되어 있다. 복수의 절단 예정 라인(5)은 격자 모양으로 연재(延在)되어 있고, 가공 대상물(1)의 오리엔테이션 플랫(orientation flat)(6)에 대해서 대략 평행한 방향을 따르는 절단 예정 라인(5a), 및 대략 수직인 방향을 따르는 절단 예정 라인(5b)을 포함하고 있다. 또한, 가공 대상물(1)이 사파이어 기판인 경우에는, 그 C면이 주면(표면(3) 및 이면(21))이 되며, 절단 예정 라인(5)이 사파이어 기판의 R면을 따른 방향으로 연장되도록 설정된다.
이러한 가공 대상물(1)에 대해서 레이저 가공을 실시하는 경우, 먼저, 가공 대상물(1)의 이면(21)에 확장 테이프(expanding tape)를 부착하여, 그 가공 대상물(1)을 스테이지(111)상에 재치한다. 이어서, 도 7, 도 11에 도시하는 것처럼, 제어부(250)에 의해 반사형 공간광 변조기(203)를 제어하여, 액정층(216)에 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 변조 패턴으로서 표시시키고, 이 상태에서, 가공 대상물(1)의 표면(3)을 레이저광 입사면(레이저광 조사면)으로 하여 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 펄스 조사하여, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광 L을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 이와 함께, 가공 대상물(1)과 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대 이동(스캔)시킨다.
이것에 의해, 가공 대상물(1) 내의 두께 방향의 소정 깊이에, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 형성된 개질 도트 d를 가지는 종장의 개질 스팟 Sx를, 절단 예정 라인(5)을 따라서 복수 형성한다. 그리고 이들 복수의 개질 스팟 Sx에 의해서 개질 영역(7)을 형성한다. 그 후, 확장 테이프를 확장함으로써, 개질 영역(7)을 절단의 기점으로 하여 가공 대상물(1)을 절단 예정 라인(5)을 따라서 절단하여, 절단된 복수의 칩을 반도체 장치(예를 들면 메모리, IC, 발광소자, 수광 소자 등)로서 얻는다.
여기서, 개질 스팟 Sx를 형성할 때에는, 다음의 액시콘 렌즈 패턴 작성 공정(액시콘 렌즈 패턴 작성 제어)을 실시해도 좋다. 액시콘 렌즈 패턴 작성 공정에서는, 예를 들면 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않고 레이저 가공을 실시하여 가공 대상물(1) 내에 형성된 통상의 개질 스팟(이하, 간단하게 「통상의 개질 스팟」이라고도 말함)의 상태에 기초하여, 제어부(250)에 의해 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 작성한다.
또, 가공 대상물(1)의 재료나 레이저광 L의 에너지에 기인해 개질 스팟 Sx에 있어서의 레이저광 조사 방향의 길이가 변화하여, 당해 개질 스팟 Sx의 두께 방향 위치가 변화하는 경우가 있다. 여기서, 개질 스팟 Sx를 형성할 때에는, 다음의 집광점 위치 보정 공정(집광점 위치 보정 제어)을 실시해도 좋다.
집광점 위치 보정 공정에서는, 형성하려고 하는 개질 스팟 Sx에 대한 레이저광 L의 가장 안쪽 위치(가장 이면(21) 위치)를 기준으로 하여, 두께 방향에 있어서의 레이저광 L의 집광점 위치(Z하이트)를, 예를 들면 통상의 개질 스팟의 상태에 기초하여 보정한다. 이것은, 상술한 것처럼, 개질 스팟 Sx가 레이저광 L의 바로 앞측에서 파라미터수에 따라 신축하는 경향을 가지는 것에 의한다.
추가로 또, 개질 스팟 Sx를 형성할 때에는, 액시콘 렌즈 패턴 Ax의 파라미터수(원환 영역(a2)의 수)를 조정하는 액시콘 렌즈 패턴 조정 공정(액시콘 렌즈 패턴 조정 제어)을 실시해도 좋다. 액시콘 렌즈 패턴 조정 공정에서는, 형성하려고 하는 개질 스팟 Sx(개질 영역(7))에 있어서의 레이저광 조사 방향의 길이에 따라서, 액시콘 렌즈 패턴 Ax의 파라미터수를, 예를 들면 통상의 개질 스팟의 상태에 기초하여 설정한다. 구체적으로는, 개질 스팟 Sx를 레이저광 조사 방향으로 길게 하고 싶은 경우에는, 파라미터수를 크게 하는 한편, 짧게 하고 싶은 경우에는 파라미터수를 작게 한다.
이상, 본 실시 형태에서는, 개질 영역(7)을 형성하는 경우, 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 변조 패턴으로서 반사형 공간광 변조기(203)에 표시함으로써, 레이저광 조사 방향으로 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광을 집광할 수 있다. 즉, 세로 방향으로 가늘게 다점 분기(分岐)시킨 레이저광 L로 레이저 가공(이른바, 동시 다점 세장 가공)을 실시하고, 분기한 다점 집광점을 연결하도록 구성하여, 의사적인 종장 집광점을 형성할 수 있다. 이것에 의해, 레이저광 조사 방향으로 근접하게 늘어서는 복수의 개질 도트 d를 가지는 개질 스팟 Sx를 형성할 수 있다.
이 개질 스팟 Sx에 의하면, 의사적(및 실질적)으로 종장이 되는 집광 부분이 그 에너지 밀도를 충분히 유지한 채 형성되게 되고, 나아가서는, 종장의 개질 영역(7)이 형성되게 된다. 따라서 가공 대상물(1)의 내부에서 생기는 균열의 양을 저감시키고, 또 당해 균열이 신장되기 어렵게 할 수 있어, 그 결과, 절단면의 직진성을 향상 및 항절 강도를 향상시킬 수 있어, 가공 품질을 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 개질 영역(7)이 종장으로 되기 때문에, 스루풋(throughput)을 향상시킬 수도 있다. 또, 본 실시 형태는, 균열의 양을 저감시킬 수 있기 때문에, 가공 대상물(1) 내의 균열을 제어하고 싶은 경우(예를 들면, 절단 예정 라인(5)이 결정 방위를 따르지 않는 경우, 유리 재료에 대한 가공의 경우)에 특히 유효하다고 말할 수 있다.
또한, 균열의 양을 저감시킬 수 있는 상기 작용 효과는, 가공 대상물(1)이 SiC 기판 또는 사파이어 기판인 경우, C면 방향으로의 균열을 저감시키는 효과로서 현저해진다. 또, 통상, 액시콘 렌즈를 이용한 광학계에 의해 집광점을 종장으로 하려고 하면, 에너지의 밀도가 저하되어 정상적인 가공이 곤란, 또는 가공에 많은 에너지를 필요로 하는데 비해, 본 실시 형태에서는, 상기와 같이, 에너지 밀도를 충분히 유지하여 레이저광 L을 집광할 수 있다. 또, 공간 위상 변조기(203)를 이용하여 종장의 개질 스팟 Sx를 형성하기 때문에, 임의의 위치에 임의의 피치의 개질 영역(7)을 순간적으로 형성 가능해진다.
덧붙여서, 일반적으로, 가공 대상물(1)이 C면을 주면으로 하는 사파이어 기판인 경우, 사파이어 기판에 있어서 균열은 R면을 따라서 연장되기 어렵기 때문에, R면을 따르는 절단 예정 라인(5)을 따라서 개질 영역(7)을 형성했을 경우, 생기는 균열이 절단 예정 라인(5)의 교차 방향으로 연장되기 쉽고, 그 결과, 절단 예정 라인(5)의 교차 방향을 따라서 갈라질 우려가 염려된다. 이것에 비해, 본 실시 형태는, 균열의 양을 저감시킬 수 있기 때문에 당해 우려를 억제할 수 있기 때문에, 절단 예정 라인(5)이 사파이어 기판의 R면을 따른 방향으로 연장되도록 설정되는 경우에, 특히 유효한 것이 된다. 또, 가공 대상물(1)이 비정질 유리인 경우, 가공 품질을 향상시키는 상기 작용 효과는 현저해진다.
도 12는 본 실시 형태의 레이저 가공 방법에 의해 형성된 개질 스팟의 일례를 나타내는 사진도이다. 도 12에서는, 가공 대상물(1)을 측방(側方)에서 본 상태를 나타내고 있고, 도시 상하 방향이 두께 방향에 대응한다. 도 12에 나타나는 것처럼, 본 실시 형태에 의하면, 레이저광 조사 방향으로 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되고, 이것에 의해, 레이저광 조사 방향으로 근접하게 늘어서는 복수의 개질 도트 d를 가지는 종장의 개질 스팟 Sx가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 실시 형태의 레이저 가공 방법의 효과를 설명하기 위한 사진도이다. 도 13 (a)는 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않는 상태에서 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 조사하여, 가공 대상물(1) 내에 개질 스팟 Sy를 형성한 도면이다. 도 13 (b)는 액정층(216)에 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 표시시킨 상태에서 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 조사하여, 가공 대상물(1) 내에 개질 스팟 Sx를 형성한 도면이다. 도 13 중의 사진도는, 개질 스팟이 형성된 가공 대상물(1)의 내부를, 레이저광 입사면에서 본 상태를 나타내고 있다.
도 13에 나타나는 것처럼, 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 액정층(216)에 표시시켜 형성한 종장의 개질 스팟 Sx에 의하면, 변조 패턴을 액정층(216)에 표시시키지 않고 형성한 개질 스팟 Sy에 비해, 가공 대상물(1)의 내부에서 생기는 균열의 양이 저감되는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 실시 형태의 레이저 가공 방법의 효과를 설명하기 위한 다른 사진도이다. 도 14 (a)는 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않는 상태에서 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 조사했을 때의 절단면(25y)을 나타내고 있다. 도 14 (b)는 액정층(216)에 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 표시시킨 상태에서 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 조사했을 때의 절단면(25x)을 나타내고 있다. 도 14에서는, 가공 대상물(1)을 측방에서 본 상태를 나타내고 있고, 도시 상하 방향이 두께 방향에 대응한다.
도 14에 나타나는 것처럼, 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 이용하여 레이저 가공을 실시함으로써, 예를 들면 두께 방향의 교차 방향으로 연장되는 균열이 특히 저감되는 경향에 있으며, 절단면(25x)에서는, 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않고 레이저 가공을 실시해서 이루어지는 절단면(25y)에 비해, 칩 단면의 직진성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또, 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않고 가공 대상물(1)에 레이저 가공을 실시해서 이루어지는 칩과, 액정층(216)에 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 표시시켜 가공 대상물(1)에 레이저 가공을 실시해서 이루어지는 칩에 대해서, 항절 강도를 측정한 결과를 이하에 나타낸다. 또한, 여기에서는, 하중(荷重) 방향을 레이저광 입사면측으로 하고 있다.
변조 패턴의 표시 없음 ： 항절 강도 75.3MPa
액시콘 렌즈 패턴을 표시 ： 항절 강도 109.6MPa
상기의 항절 강도 측정 결과에 나타나는 것처럼, 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 이용하여 레이저 가공을 실시함으로써, 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않고 레이저 가공을 실시했을 경우에 비해, 칩의 항절 강도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 광축 방향으로 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되기 (종장의 다점 집광점이 형성되기) 때문에, 이하의 작용 효과를 달성한다. 개질 영역(7)이 절취선(切取線) 모양으로 형성되기 때문에, 개질 영역(7)을 따라서 가공 대상물(1)을 절단하기 쉬워진다. 이것에 의해, 벽개성(劈開性)이나 결정 방위에 의존하지 않는 레이저 가공이 용이하게 가능해진다. 또, 1개의 종장 집광점으로 레이저광 L을 집광시켜 개질 영역(7)을 형성했을 경우에 비해, 적은 에너지로 레이저 가공이 가능해져, 가공 대상물(1) 내에 있어서의 레이저광 입사면에서부터 깊은 위치에 개질 영역(7)을 형성하는 경우더라도, 충분한 에너지 밀도를 확보하기 쉬워지고, 그 결과, 충분한 크기(광폭)의 개질 영역(7)을 형성할 수 있다.
또, 하나의 집광점에 대해서 광축 방향의 가장 가까운 위치에 다른 집광점이 존재하기 때문에, 가공 대상물(1)에 있어서 절단시의 파괴력이 강해지고, 이것에 의해, 가공 대상물(1)을 용이하게 절단 가능해진다. 하나의 집광점에 대해서 다른 집광점이 가열 유인(誘引) 효과를 가져오게 되고, 이것에 의해, 가공 대상물(1)을 용이하게 절단 가능해진다. 레이저광 L에 의한 가공 대상물(1)의 개질시에 있어서 응력(應力) 해방 효과를 높일 수 있고, 이것에 의해, 가공 대상물(1)을 용이하게 절단 가능해진다.
다음으로, 제2 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시 형태의 설명에서는, 상기 실시 형태와 다른 점에 대해 주로 설명한다.
도 15, 도 16은, 본 실시 형태에 있어서의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시 형태에서는, 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 집광시킴으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 복수 열(여기에서는, 3열)의 개질 영역(7)을, 가공 대상물(1) 내에 절단 예정 라인(5)을 따라서 형성한다. 본 실시 형태에서는, 두꺼운 가공 대상물(1)을 대상으로 할 수 있고, 가공 대상물(1)의 두께는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 5000μm와 같이 두꺼운 것이라도 적용 가능하며, 여기에서는 30㎛~2000㎛로 되어 있다.
도 15 (a)에 도시하는 것처럼, 본 실시 형태에서는, 먼저, 제어부(250)에 의해 반사형 공간광 변조기(203)를 제어하여, 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않는 상태로 한다. 이 상태에서, 가공 대상물(1) 내의 이면(21)측에 집광점을 맞춰서, 표면(3)으로부터 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 펄스 조사함과 아울러, 가공 대상물(1)과 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대 이동시킨다. 그 결과, 가공 대상물(1) 내의 이면(21)측에서, 통상의 개질 스팟 Sy가 절단 예정 라인(5)을 따라서 복수 개 형성되고, 이들 복수의 개질 스팟 Sy에 의해 이면측 개질 영역(71)이 일렬(一列) 형성된다.
이어서, 도 15 (b)에 도시하는 것처럼, 제어부(250)에 의해 반사형 공간광 변조기(203)를 제어하여, 액정층(216)에 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 표시시킨 상태로 한다. 이 상태에서, 가공 대상물(1) 내에 있어서의 표면(3)측과 이면(21)측의 사이(이면측 개질 영역(71)과 후술하는 표면측 개질 영역(73)의 사이, 여기에서는 두께 방향 중앙)에 집광점을 맞춰서, 표면(3)으로부터 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 펄스 조사한다. 이것에 의해, 가공 대상물(1) 내에 있어서의 표면(3)측과 이면(21)측의 사이에 있어서, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광 L을 가공 대상물(1)에 집광시킨다. 이와 함께, 가공 대상물(1)과 당해 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대 이동시킨다.
그 결과, 가공 대상물(1) 내의 표면(3)측과 이면(21)측의 사이에서, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 형성된 개질 도트 d를 가지는 종장의 개질 스팟 Sx가, 절단 예정 라인(5)을 따라서 복수 개 형성되고, 이들 복수의 개질 스팟 Sx에 의해서 중간 개질 영역(72)이 일렬 형성된다.
마지막으로, 도 16에 도시하는 것처럼, 제어부(250)에 의해 반사형 공간광 변조기(203)를 제어하여, 다시 액정층(216)에 변조 패턴을 표시시키지 않는 상태로 한다. 이 상태에서, 가공 대상물(1) 내의 표면(3)측에 집광점을 맞춰서, 표면(3)으로부터 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 펄스 조사함과 아울러, 가공 대상물(1)과 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대 이동시킨다. 이것에 의해, 가공 대상물(1) 내의 표면(3)측에서, 통상의 개질 스팟 Sy가 절단 예정 라인(5)을 따라서 복수 개 형성되고, 이들 복수의 개질 스팟 Sy에 의해 표면측 개질 영역(73)이 일렬 형성되게 된다.
이상, 본 실시 형태에서는, 중간 개질 영역(72)을 형성하는 경우, 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 변조 패턴으로서 반사형 공간광 변조기(203)에 표시함으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 레이저광을 집광할 수 있다. 이것에 의해, 의사적으로 종장이 되는 개질 스팟 Sx가 그 에너지 밀도를 충분히 유지한 채 형성되게 되고, 그 결과, 종장의 중간 개질 영역(72)이 형성되게 된다. 이 중간 개질 영역(72)에 의하면, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 가공 대상물(1)의 내부에서 생기는 균열의 양을 저감시킬 수 있고, 절단면의 직진성 및 항절 강도를 향상시킬 수 있어, 가공 품질을 향상시키는 것이 가능해진다.
한편, 본 실시 형태에서는, 상술한 것처럼, 이면측 개질 영역(71) 및 표면측 개질 영역(73)을 형성하는 경우, 액시콘 렌즈 패턴 Ax를 변조 패턴으로서 반사형 공간광 변조기(203)에 표시시키지 않고, 여기에서는, 변조 패턴을 없음으로 하고 있다. 그 때문에, 이면측 개질 영역(71) 및 표면측 개질 영역(73)이 종장으로 되어서 이면(21) 및 표면(3)에 데미지(스크레치 등)가 생기기 쉬워지는 것을 억제할 수 있다.
즉, 본 실시 형태에 있어서는, 복수 열의 개질 영역(7)을 형성하여 두꺼운 가공 대상물(1)을 레이저 가공하는 경우, 표면(2) 및 이면(21)에 가까운 영역에서는, 이른바 동시 다점 세장 가공(개질 스팟 Sx의 형성)을 실시하지 않고, 가공 대상물(1)의 분할 능력을 높이면서 표면(3) 및 이면(21)의 데미지 발생을 억제하면서, 중앙 영역에서는, 이른바 동시 다점 세장 가공을 실시하여, 칩의 직진성 및 항절 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 가공 대상물(1)의 분할 능력은 유지하면서, 가공 품질을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 전술과 같이, 가공 대상물(1)의 표면(2)측 및 이면(21)측에 있어서, 통상의 개질 스팟 Sy를 복수 개 형성하고, 이들 복수의 개질 스팟 Sy에 의해 개질 영역(71, 73)을 형성했지만, 이것을 대신하여, 다점 세장 개질 스팟인 개질 스팟 Sx를 형성하고, 이들 복수의 개질 스팟 Sx에 의해 개질 영역(71, 73)을 형성해도 좋다. 즉, 두께 방향으로 복수 열의 개질 영역(7)을 가공 대상물(1)에 형성하는 경우, 적어도 1열의 개질 영역(7)을, 다점 세장 개질 스팟의 개질 스팟 Sx로 형성하면 좋다.
이상, 본 발명의 일 측면에 따른 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 각 청구항에 기재한 요지를 변경하지 않는 범위에서 변형하거나, 또는 다른 것에 적용해도 좋다.
예를 들면, 상기 제2 실시 형태에서는, 개질 영역(71~73)을 이 순으로 형성했지만, 이것으로 한정되지 않고, 가공 대상물(1)에 형성되는 복수 열의 개질 영역(7)의 형성 순서는 정해져 있지 않다. 또, 상기 제2 실시 형태에서는, 가공 대상물(1)의 내부에 있어서 두께 방향의 위치가 서로 다른 개질 영역(7)을 4열 이상 형성하는 경우도 있다. 예를 들면, 이면측 개질 영역(71)을 복수 열 형성해도 좋고, 중간 개질 영역(72)을 복수 열 형성해도 좋고, 표면측 개질 영역(73)을 복수 열 형성해도 좋다.
또, 상기 실시 형태에서는, 「레이저광 입사면」을 표면(3)으로 하고, 「레이저광 입사면의 반대면」을 이면(21)으로 했지만, 이면(21)이 「레이저광 입사면」이 되는 경우, 표면(3)이 「레이저광 입사면의 반대면」이 된다. 또, 상기 실시 형태에서는, 표면(3) 및 이면(21) 중 적어도 한쪽에 이르는 균열을 개질 영역(7)으로부터 발생시켜도 좋다. 또한, 본 발명의 일 측면은, 상기 레이저 가공 장치 또는 방법에 의해 제조된 칩으로서 파악할 수도 있다.
도 17은 레이저광의 집광 위치에서 발생하는 수차를 설명하기 위한 도면이다. 레이저광 L은 평면파(평면인 파면(위상))일 때, 기하학적으로 1점에 수렴한다. 한편, 통상, 평면파의 레이저광 L은 다양한 영향에 의해서 파면이 변화하는 바, 가공 대상물(1) 내에 집광되는 레이저광 L이 1점에 수렴하지 않는 것, 즉 수차가 자연적으로 발생하는 경우가 있다. 수차는, 예를 들면 자이델(Seidel) 수차(비점 수차, 코마(coma) 수차, 구면 수차, 이미지면 만곡 및 왜곡 수차)를 포함하고, 또, 세로 방향(광축 방향을 따르는 방향)의 수차인 세로 수차, 및 세로 방향과 교차하는 방향의 수차인 가로 수차를 포함한다.
예를 들면 도 17에 도시하는 것처럼, 레이저광 L이 집광 광학계(204)(도 11 참조) 등에 의해 가공 대상물(1)에 집광되는 경우, 집광 과정에서 가공 대상물(1)에 입사되면, 다른 입사각의 광선이 굴절(스넬의 법칙)에 의해서 다른 위치에 수렴하는 구면 수차가 자연적으로 발생한다. 즉, 도시하는 것처럼, 가공 대상물(1)에 레이저광 L이 집광되는 것에 기인해, 당해 집광 위치에서 수차가 자연 발생하여, 광축 방향을 따르는 수차의 범위(당해 레이저광 L의 강도가 가공 임계치 이상이 되는 범위)가 기준 수차 범위 H로서 존재한다.
여기서, 이러한 레이저광 L의 집광에 기인해 발생하는 구면 수차 등을 포함하는 수차(이하, 「집광 발생 수차」라고 함)에 대해서 새로운 수차를 더함으로써, 가공 품질을 제어할 수 있는 것이 발견된다. 새로운 수차를 더하는 수법으로서는, 상기 실시 형태와 같이, 수차를 부여하는 수차 부여부로서 반사형 공간광 변조기(203) 등의 공간광 변조기를 이용하여, 이 공간광 변조기에 의해 레이저광 L을 위상 변조하는 것을 들 수 있다. 위상 변조란, 레이저광 L이 가지는 파면(위상)을 임의 형상으로 변조하는 것이다.
위상 변조의 예로서는, 예를 들면, 액시콘 렌즈의 작용을 실현하는 위상 변조, 회절 격자의 작용을 실현하는 위상 변조, 소정의 구면 수차를 발생시키는 위상 변조 등을 들 수 있다. 당해 위상 변조의 예의 각각은, 예를 들면, 반사형 공간광 변조기(203)에 대해서, 액시콘 렌즈 패턴, 회절 격자 패턴, 소정의 구면 수차 패턴의 각각을 변조 패턴으로서 표시시킴으로써 실시할 수 있다. 덧붙여서, 새로운 수차를 더하는 수법으로서, 수차를 주는 렌즈를 이용하는 경우나, 집광 과정에 매질(媒質)을 삽입하는 경우도 있으며, 이들 경우, 당해 렌즈 및 당해 매질의 각각이 수차 부여부를 구성한다.
따라서 상기 실시 형태에 있어서 레이저광 L의 집광 위치에서는, 액시콘 렌즈 패턴 Ax에 의한 위상 변조로 부여된 수차뿐만이 아니라, 집광 발생 수차를 포함하는 경우가 있다. 또, 이면측 개질 영역(71) 및 표면측 개질 영역(73)을 형성할 때에 있어서 반사형 공간광 변조기(203)의 액정층(216)에 표시하는 변조 패턴을 없음으로 했을 때에도, 레이저광 L의 집광 위치에서는, 집광 발생 수차를 포함하는 경우가 있다. 또한, 액시콘 렌즈 패턴 Ax에 의한 위상 변조에 대해, 다른 위상 변조를 더해도 좋다(다른 패턴의 표시를 액정층(216)에 더해도 좋음).
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 일 측면에 의하면, 가공 품질을 향상시킬 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
1 … 가공 대상물,
5, 5a, 5b … 절단 예정 라인,
7 … 개질 영역,
71 … 이면측 개질 영역(개질 영역),
72 … 중간 개질 영역,
73 … 표면측 개질 영역(개질 영역),
100,300 … 레이저 가공 장치,
101, 202 … 레이저 광원,
203 … 반사형 공간광 변조기(공간광 변조기),
204 … 집광 광학계,
216 … 액정층(표시부),
a1 … 원 영역,
a2 … 원환 영역,
Ax … 액시콘 렌즈 패턴,
d … 개질 도트,
Sx … 개질 스팟,
L … 레이저광.

Claims (4)

  1. 가공 대상물에 레이저광을 집광시킴으로써, 절단 예정 라인을 따라서 상기 가공 대상물의 내부에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 장치로서,
    상기 레이저광을 출사하는 레이저 광원과,
    상기 레이저 광원에 의해 출사된 상기 레이저광을 변조하는 공간광 변조기와,
    상기 공간광 변조기에 의해 변조된 상기 레이저광을 상기 가공 대상물에 집광시키는 집광 광학계를 구비하고,
    상기 공간광 변조기는, 액시콘 렌즈 패턴(Axicon lens pattern)을 변조 패턴으로서 표시함으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점(集光点)이 형성되도록 상기 레이저광을 집광시키는 레이저 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 가공 장치는, 상기 절단 예정 라인을 따라서 상기 가공 대상물의 내부에 개질 스팟을 복수 개 형성하고, 복수의 상기 개질 스팟에 의해서 상기 개질 영역을 형성하는 것으로서,
    상기 공간광 변조기는, 상기 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 상기 복수 위치의 각각에 개질 도트를 형성시키고,
    복수의 상기 개질 도트는, 상기 레이저광 조사 방향으로 긴 형상의 상기 개질 스팟을 구성하는 레이저 가공 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 공간광 변조기의 표시부에 있어서,
    상기 액시콘 렌즈 패턴은, 입사하는 상기 레이저광에 대해 중심에 위치하는 원 영역과, 상기 원 영역의 주위에 정의(畵設)된 당해 원 영역과 동심(同心)의 복수의 원환(圓環) 영역을 가지고 있고,
    상기 원 영역 및 복수의 상기 원환 영역에서는, 지름 방향 외측에서 내측으로 감에 따라서 명도가 서서히 밝아지도록 설정되어 있는 레이저 가공 장치.
  4. 가공 대상물에 레이저광을 집광시킴으로써, 절단 예정 라인을 따라서 상기 가공 대상물의 내부에 개질 영역을 형성하는 레이저 가공 방법으로서,
    레이저 광원으로부터 출사된 상기 레이저광을 공간광 변조기에 의해서 변조하고, 상기 공간광 변조기로 변조된 상기 레이저광을 상기 가공 대상물에 집광하는 공정을 구비하고,
    상기 레이저광을 집광하는 공정은,
    상기 공간광 변조기에 액시콘 렌즈 패턴을 변조 패턴으로서 표시함으로써, 레이저광 조사 방향을 따라서 근접하게 늘어서는 복수 위치에 집광점이 형성되도록 상기 레이저광을 집광시키는 공정을 포함하는 레이저 가공 방법.
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