KR20160055691A - 레이저 발진 기구 - Google Patents

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KR20160055691A
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게이지 노마루
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Abstract

본 발명은, 장치를 대형화하지 않고 회절 광학 소자(DOE)를 이용하여 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 복수로 분기할 수 있는 레이저 발진 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
레이저 광선을 발진하는 레이저 광선 발진기와, 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 분기하는 분기 수단을 구비하는 레이저 발진 기구로서, 분기 수단은, 상기 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 유효 영역에서 복수로 분기하는 회절 광학 소자(DOE)와, 회절 광학 소자(DOE)에 의해 분기된 레이저 광선 중 배제하고 싶은 레이저 광선을 상기 유효 영역으로부터 굴절시켜 배제하는 체적 회절 격자(VBG)에 의해 구성되어 있다.

Description

레이저 발진 기구{LASER OSCILLATION APPARATUS}
본 발명은, 피가공물에 레이저 가공을 행하는 레이저 가공 장치 등에 장비되는 레이저 발진 기구에 관한 것이다.
반도체 디바이스 제조 공정에 있어서는, 대략 원판 형상인 반도체 웨이퍼의 표면에 격자상으로 배열된 분할 예정 라인에 의해 복수의 영역이 구획되고, 이 구획된 영역에 IC, LSI 등의 디바이스를 형성한다. 그리고, 반도체 웨이퍼를 분할 예정 라인을 따라 절단함으로써 디바이스가 형성된 영역을 분할하여 개개의 반도체 디바이스를 제조하고 있다.
전술한 웨이퍼를 분할하는 방법으로서, 웨이퍼에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선을 이용하여, 분할해야 할 영역의 내부에 집광점을 맞추어 펄스 레이저 광선을 조사하는 레이저 가공 방법이 시도되고 있다. 이 레이저 가공 방법을 이용한 분할 방법은, 웨이퍼의 한쪽 면측으로부터 내부에 집광점을 맞추어 웨이퍼에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선을 조사하고, 피가공물의 내부에 분할 예정 라인을 따라 개질층을 연속적으로 형성하고, 이 개질층이 형성됨으로써 강도가 저하된 분할 예정 라인을 따라 외력을 가함으로써, 웨이퍼를 분할하는 기술이다.
또한, 웨이퍼를 분할 예정 라인을 따라 분할하는 방법으로서, 웨이퍼에 대하여 흡수성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선을 분할 예정 라인을 따라 조사함으로써 어블레이션 가공을 행하여 레이저 가공홈을 형성하고, 이 파단 기점이 되는 레이저 가공홈이 형성된 분할 예정 라인을 따라 외력을 부여함으로써 할단하는 기술이 실용화되고 있다.
전술한 레이저 가공을 행하는 레이저 가공 장치는, 피가공물을 유지하는 피가공물 유지 수단과, 상기 피가공물 유지 수단에 유지된 피가공물을 레이저 가공하는 레이저 광선 조사 수단과, 상기 피가공물 유지 수단과 상기 레이저 광선 조사 수단을 상대적으로 이동하는 이동 수단을 구비하고 있다. 이러한 레이저 가공 장치를 이용하여 전술한 레이저 가공의 가공 효율을 향상시키기 위해서 레이저 광선을 복수로 분기하여 복수의 집광점을 형성하는 방식이 시도되고 있다(예컨대, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2006-95529호 공보 [특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2008-290086호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1 및 2에 개시된 레이저 광선 조사 수단과 같이 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 복수로 분기하여 복수의 집광점을 형성하기 위해서 빔 분할기를 이용하면, p 편광과 s 편광으로 분기되어 1펄스당의 파워 밀도가 절반이 됨과 동시에 편광면이 상이하고, 가공 품질이 안정되지 않는다고 하는 문제가 있다.
또한, 회절 광학 소자(DOE)를 이용하여 레이저 광선을 분기하면, 1펄스당의 파워 밀도는 유지됨과 동시에 p 편광과 s 편광으로 분기되지 않기 때문에 상기 문제는 발생하지 않지만, 회절 광학 소자(DOE)의 분기 각도가 작기 때문에 회절 광학 소자(DOE)를 통과한 0차광을 배제하기 위해서 회절 광학 소자(DOE)로부터 1∼수m 앞의 중앙에 레이저 광선 흡수 수단을 배치해야만 하기 때문에, 장치가 대형화한다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사실을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 주된 기술 과제는, 장치를 대형화하지 않고 회절 광학 소자(DOE)를 이용하여 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 복수로 분기할 수 있는 레이저 발진 기구를 제공하는 것이다.
상기 주된 기술 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따르면, 레이저 광선을 발진하는 레이저 광선 발진기와, 상기 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 분기하는 분기 수단을 구비하는 레이저 발진 기구로서,
상기 분기 수단은, 상기 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 유효 영역에서 복수로 분기하는 회절 광학 소자(DOE)와, 상기 회절 광학 소자에 의해 분기된 레이저 광선 중 배제하고 싶은 레이저 광선을 상기 유효 영역으로부터 굴절시켜 배제하는 체적 회절 격자(VBG)에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 발진 기구가 제공된다.
상기 체적 회절 격자(VBG)는, 0차광을 굴절시켜 상기 유효 영역으로부터 배제한다.
또한, 상기 체적 회절 격자(VBG)를 복수 배치하고, 0차광, 2차광을 굴절시켜 상기 유효 영역으로부터 배제한다.
본 발명에 따른 레이저 발진 기구를 구성하는 분기 수단은, 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 유효 영역에서 복수로 분기하는 회절 광학 소자(DOE)와, 상기 회절 광학 소자(DOE)에 의해 분기된 레이저 광선 중 배제하고 싶은 레이저 광선을 상기 유효 영역으로부터 굴절시켜 배제하는 체적 회절 격자(VBG)에 의해 구성되어 있기 때문에, 회절 광학 소자에 인접하여 체적 회절 격자를 배치하여 유효 영역으로부터 배제하고 싶은 레이저 광선을 확실하게 배제할 수 있고, 장치의 대형화를 회피할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 발진 기구를 구성하는 분기 수단은, 회절 광학 소자를 이용하여 펄스 레이저 광선을 분기하기 때문에, 1펄스당의 파워 밀도가 유지됨과 동시에 p 편광과 s 편광으로 분기하지 않기 때문에 가공 품질이 안정된다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 레이저 발진 기구를 장비한 레이저 가공 장치의 사시도.
도 2는 본 발명에 따라 구성된 레이저 발진 기구를 장비한 레이저 광선 조사 수단의 블록 구성도.
도 3은 본 발명에 따라 구성된 레이저 발진 기구의 다른 실시형태를 나타낸 블록 구성도.
도 4는 도 1에 도시된 레이저 가공 장치를 이용하여 피가공물을 가공한 가공 상태를 나타낸 설명도.
이하, 본 발명에 따라 구성된 레이저 발진 기구의 적합한 실시형태에 대해서, 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는, 본 발명에 따라 구성된 레이저 발진 기구를 장비한 레이저 가공 장치의 사시도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 레이저 가공 장치는, 정지 베이스(2)와, 상기 정지 베이스(2)에 화살표 X로 나타내는 가공 이송 방향(X축 방향)으로 이동 가능하게 배치되어 피가공물을 유지하는 척 테이블 기구(3)와, 베이스(2) 상에 배치된 레이저 광선 조사 수단으로서의 레이저 광선 조사 유닛(4)을 구비하고 있다.
상기 척 테이블 기구(3)는, 정지 베이스(2) 상에 X축 방향을 따라 평행하게 배치된 한 쌍의 안내 레일(31, 31)과, 상기 안내 레일(31, 31) 상에 X축 방향으로 이동 가능하게 배치된 제1 활동 블록(sliding block; 32)과, 상기 제1 활동 블록(32) 상에 X축 방향과 직교하는 화살표 Y로 나타내는 Y축 방향으로 이동 가능하게 배치된 제2 활동 블록(33)과, 상기 제2 활동 블록(33) 상에 원통 부재(34)에 의해 지지된 지지 테이블(35)과, 피가공물 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 피가공물인 예컨대 원 형상의 반도체 웨이퍼를 도시하지 않은 흡인 수단에 의해 유지하도록 되어 있다. 이와 같이 구성된 척 테이블(36)은, 원통 부재(34) 내에 배치된 도시하지 않은 펄스 모터에 의해 회전된다. 또한, 척 테이블(36)에는, 반도체 웨이퍼 등의 피가공물을 보호 테이프를 통해 지지하는 환상의 프레임을 고정하기 위한 클램프(362)가 배치되어 있다.
상기 제1 활동 블록(32)은, 그 하면에 상기 한 쌍의 안내 레일(31, 31)과 끼워 맞춰지는 한 쌍의 피안내홈(321, 321)이 형성되어 있고, 그 상면에 Y축 방향을 따라 평행하게 형성된 한 쌍의 안내 레일(322, 322)이 설치되어 있다. 이와 같이 구성된 제1 활동 블록(32)은, 피안내홈(321, 321)이 한 쌍의 안내 레일(31, 31)에 끼워 맞춰짐으로써, 한 쌍의 안내 레일(31, 31)을 따라 X축 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 도시된 실시형태에 있어서의 척 테이블 기구(3)는, 제1 활동 블록(32)을 한 쌍의 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 한 쌍의 안내 레일(31)과 안내 레일(31) 사이에 평행하게 배치된 수나사 로드(371)와, 상기 수나사 로드(371)를 회전 구동하기 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 연결되어 있다. 또한, 수나사 로드(371)는, 제1 활동 블록(32)의 중앙부 하면으로 돌출되어 설치된 도시하지 않은 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(372)에 의해 수나사 로드(371)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 제1 활동 블록(32)은 안내 레일(31, 31)을 따라 X축 방향으로 이동된다.
상기 제2 활동 블록(33)은, 그 하면에 상기 제1 활동 블록(32)의 상면에 설치된 한 쌍의 안내 레일(322, 322)과 끼워 맞춰지는 한 쌍의 피안내홈(331, 331)이 형성되어 있고, 이 피안내홈(331, 331)을 한 쌍의 안내 레일(322, 322)에 끼워 맞춤으로써, Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된다. 도시된 실시형태에 있어서의 척 테이블 기구(3)는, 제2 활동 블록(33)을 제1 활동 블록(32)에 설치된 한 쌍의 안내 레일(322, 322)을 따라 Y축 방향으로 이동시키기 위한 Y축 방향 이동 수단(38)을 구비하고 있다. Y축 방향 이동 수단(38)은, 상기 한 쌍의 안내 레일(322)과, 안내 레일(322) 사이에 평행하게 배치된 수나사 로드(381)와, 상기 수나사 로드(381)를 회전 구동하기 위한 펄스 모터(382) 등의 구동원을 포함하고 있다. 수나사 로드(381)는, 그 일단이 상기 제1 활동 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 활동 블록(33)의 중앙부 하면으로 돌출되어 설치된 도시하지 않은 암나사 블록에 형성된 관통 암나사 구멍에 나사 결합되어 있다. 따라서, 펄스 모터(382)에 의해 수나사 로드(381)를 정회전 및 역회전 구동함으로써, 제2 활동 블록(33)은 안내 레일(322, 322)을 따라 Y축 방향으로 이동된다.
상기 레이저 광선 조사 유닛(4)은, 상기 베이스(2) 상에 배치된 지지 부재(41)와, 상기 지지 부재(41)에 의해 지지되어 실질적으로 수평으로 연장되는 케이싱(42)과, 상기 케이싱(42)에 배치된 레이저 광선 조사 수단(5)과, 케이싱(42)의 전단부에 배치되어 레이저 가공해야 할 가공 영역을 검출하는 촬상 수단(6)을 구비하고 있다. 또한, 촬상 수단(6)은, 피가공물을 조명하는 조명 수단과, 상기 조명 수단에 의해 조명된 영역을 포착하는 광학계와, 상기 광학계에 의해 포착된 상을 촬상하는 촬상 소자(CCD) 등을 구비하고 있다.
상기 레이저 광선 조사 수단(5)에 대해서 도 2를 참조하여 설명한다.
레이저 광선 조사 수단(5)은, 레이저 발진 기구(50)와 집광기(55)를 구비하고 있다. 레이저 발진 기구(50)는, 펄스 레이저 광선을 발진하는 펄스 레이저 광선 발진기(51)와, 상기 펄스 레이저 광선 발진기(51)가 발진한 펄스 레이저 광선을 분기하는 분기 수단(52)으로 이루어져 있다. 펄스 레이저 광선 발진기(51)는, 도시된 실시형태에 있어서는 예컨대 실리콘 웨이퍼로 이루어진 피가공물에 대하여 흡수성을 갖는 파장(예컨대 355 ㎚)의 펄스 레이저 광선(LB)을 발진한다.
레이저 광선 조사 수단(5)을 구성하는 분기 수단(52)은, 펄스 레이저 광선 발진기(51)가 발진한 펄스 레이저 광선(LB)을 유효 영역에서 복수로 분기하는 회절 광학 소자(DOE)(521)와, 상기 회절 광학 소자(DOE)(521)에 의해 분기된 펄스 레이저 광선 중 배제하고 싶은 펄스 레이저 광선을 상기 유효 영역으로부터 굴절시켜 배제하는 체적 회절 격자(VBG)(522)로 이루어져 있다. 회절 광학 소자(DOE)(521)는, 도 2에 도시된 바와 같이 펄스 레이저 광선(LB)을 광축 상의 0차광(LB0)과, 상기 0차광(LB0)에 대하여 등각도로 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)으로 분기한다. 또한, 양 1차광(LB1a)과 1차광(LB1b) 사이의 분기 각도(θ)는 0.1∼0.2도이다.
분기 수단(52)을 구성하는 체적 회절 격자(VBG)(522)는, 도시된 실시형태에 있어서는 회절 광학 소자(DOE)(521)에 의해 분기된 0차광(LB0)과 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b) 중 0차광(LB0)을 파선으로 나타낸 바와 같이 유효 영역으로부터 떨어진 위치에 배치된 레이저 광선 흡수 수단(523)을 향해 굴절된다. 그리고, 체적 회절 격자(VBG)(522)는, 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)을 집광기(55)로 유도한다. 이와 같이, 체적 회절 격자(VBG)(522)에 의해 배제하고 싶은 0차광(LB0)을 유효 영역으로부터 떨어진 위치에 배치된 레이저 광선 흡수 수단(523)을 향해 굴절시키기 때문에, 체적 회절 격자(VBG)(522)를 회절 광학 소자(DOE)(521)에 인접하여 배치할 수 있어, 장치의 대형화를 회피할 수 있다.
집광기(55)는, 체적 회절 격자(VBG)(522)에 의해 유도된 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)을 아래쪽을 향해 방향 변환하는 방향 변환 미러(551)와, 상기 방향 변환 미러(551)에 의해 방향 변환된 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)을 집광하여 척 테이블(36)에 유지된 피가공물(W)에 조사하는 집광 렌즈(552)로 이루어져 있다. 이 집광 렌즈(552)에 의해 집광된 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)은 도 2에 도시된 바와 같이 Y축 방향으로 소정의 간격(L)을 두고 집광된다.
전술한 바와 같이 집광 렌즈(552)에 의해 집광된 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)을 Y축 방향으로 소정의 간격(L)을 두고 피가공물(W)에 조사하고, 척 테이블(36)을 X축 방향으로 소정의 가공 속도로 가공 이송함으로써, 피가공물(W)에 도 4에 도시된 바와 같이 2줄의 레이저 가공홈(Wa, Wb)이 형성된다. 또한, 도시된 실시형태에 있어서의 레이저 발진 기구(50)의 분기 수단(52)은, 회절 광학 소자(DOE)(521)를 이용하여 펄스 레이저 광선을 분기하기 때문에, 1펄스당의 파워 밀도가 유지됨과 동시에 p 편광과 s 편광으로 분기하지 않기 때문에 가공 품질이 안정된다.
다음에, 본 발명에 따른 레이저 발진 기구의 다른 실시형태에 대해서, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3에 도시된 레이저 발진 기구(50a)는, 펄스 레이저 광선을 발진하는 레이저 광선 발진기(51a)와, 상기 레이저 광선 발진기(51a)가 발진한 펄스 레이저 광선을 분기하는 분기 수단(52a)으로 이루어져 있다. 펄스 레이저 광선 발진기(51a)는, 상기 도 2에서 도시하는 펄스 레이저 광선 발진기(51)와 동일한 것이어도 좋다.
레이저 광선 조사 수단(5)을 구성하는 분기 수단(52a)은, 펄스 레이저 광선 발진기(51a)가 발진한 펄스 레이저 광선(LB)을 유효 영역에서 복수로 분기하는 회절 광학 소자(DOE)(521a)와, 상기 회절 광학 소자(DOE)(521a)에 의해 분기된 펄스 레이저 광선 중 배제하고 싶은 펄스 레이저 광선을 상기 유효 영역으로부터 굴절시켜 배제하는 제1 체적 회절 격자(VBG)(522a) 및 제2 체적 회절 격자(VBG)(522b)로 이루어져 있다. 회절 광학 소자(DOE)(521a)는, 도 3에 도시된 바와 같이 펄스 레이저 광선(LB)을 광축 상의 0차광(LB0)과, 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)과, 2차광(LB2a) 및 2차광(LB2b)으로 분기한다.
분기 수단(52a)을 구성하는 제1 체적 회절 격자(VBG)(522a)는, 도시된 실시형태에 있어서는 회절 광학 소자(DOE)(521a)에 의해 분기된 0차광(LB0)과 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)과 2차광(LB2a) 및 2차광(LB2b) 중 2차광(LB2a) 및 2차광(LB2b)을 1점 쇄선으로 나타낸 바와 같이 유효 영역으로부터 떨어진 위치에 배치된 레이저 광선 흡수 수단(523a 및 523a)을 향해 굴절된다. 그리고, 제1 체적 회절 격자(VBG)(522a)는, 0차광(LB0)과 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)을 제2 체적 회절 격자(VBG)(522b)로 유도한다.
분기 수단(52a)을 구성하는 제2 체적 회절 격자(VBG)(522b)는, 도시된 실시형태에 있어서는 제1 체적 회절 격자(VBG)(522a)에 의해 분기된 0차광(LB0)과 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b) 중 0차광(LB0)을 파선으로 나타낸 바와 같이 유효 영역으로부터 떨어진 위치에 배치된 레이저 광선 흡수 수단(523a)을 향해 굴절된다. 그리고, 제2 체적 회절 격자(VBG)(522b)는, 1차광(LB1a) 및 1차광(LB1b)을 상기 도 2에 도시된 레이저 광선 조사 수단(5)과 마찬가지로 집광기(55)로 유도한다.
이상과 같이, 제1 체적 회절 격자(VBG)(522a)에 의해 배제하고 싶은 2차광(LB2a) 및 2차광(LB2b) 및 제2 체적 회절 격자(VBG)(522b)에 의해 배제하고 싶은 0차광(LB0)을 각각 유효 영역으로부터 떨어진 위치에 배치된 레이저 광선 흡수 수단(523a)을 향해 굴절시키기 때문에, 제1 체적 회절 격자(VBG)(522a) 및 제2 체적 회절 격자(VBG)(522b)를 회절 광학 소자(DOE)(521a)에 인접하여 배치할 수 있어, 장치의 대형화를 회피할 수 있다.
이상, 본 발명을 도시된 실시형태에 기초하여 설명하였으나, 본 발명은 실시형태만으로 한정되지 않고 본 발명의 취지에 따라 여러 가지 변형은 가능하다. 예컨대, 전술한 실시형태에 있어서는, 본 발명에 의한 레이저 발진 기구를 레이저 가공 장치에 장비하여 피가공물에 대하여 흡수성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선을 조사하여 2줄의 레이저 가공홈을 형성하는 예를 나타내었지만, 피가공물에 대하여 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 광선의 집광점을 피가공물의 내부에 위치시켜 조사함으로써 피가공물의 내부에 2줄의 개질층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 발진 기구는, 레이저 가공 장치 이외의 레이저 기기에 적용하는 것이 가능하다.
2 : 정지 베이스
3 : 척 테이블 기구
36 : 척 테이블
37 : X축 방향 이동 수단
38 : Y축 방향 이동 수단
4 : 레이저 광선 조사 유닛
5 : 레이저 광선 조사 수단
50 : 레이저 발진 기구
51 : 펄스 레이저 광선 발진기
52 : 분기 수단
521 : 회절 광학 소자(DOE)
522 : 체적 회절 격자(VBG)
523 : 레이저 광선 흡수 수단
55 : 집광기
6 : 촬상 수단

Claims (3)

  1. 레이저 광선을 발진하는 레이저 광선 발진기와, 상기 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 분기하는 분기 수단을 구비하는 레이저 발진 기구로서,
    상기 분기 수단은, 상기 레이저 광선 발진기가 발진한 레이저 광선을 유효 영역으로부터 복수로 분기하는 회절 광학 소자(DOE)와, 상기 회절 광학 소자(DOE)에 의해 분기된 레이저 광선 중 배제하고 싶은 레이저 광선을 상기 유효 영역으로부터 굴절시켜 배제하는 체적 회절 격자(VBG)에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 발진 기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 체적 회절 격자(VBG)는, 0차광을 굴절시켜 상기 유효 영역으로부터 배제하는 것인 레이저 발진 기구.
  3. 제1항에 있어서, 상기 체적 회절 격자(VBG)를 복수 배치하고, 0차광, 2차광을 굴절시켜 상기 유효 영역으로부터 배제하는 것인 레이저 발진 기구.
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