KR20180125470A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20180125470A
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미츠히로 나가오
노리히로 후쿠치
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

레이저광을 대상물에 조사하여 상기 대상물의 레이저 가공을 행하는 레이저 가공 장치로서, 상기 레이저광을 출력하는 레이저 출력부와, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 상기 레이저광을 위상 패턴에 따라 변조하면서 반사하는 공간 광 변조기와, 상기 공간 광 변조기로부터의 상기 레이저광을 상기 대상물을 향해서 집광하는 대물 렌즈를 구비하며, 상기 공간 광 변조기는, 상기 레이저광이 입사하는 입사면과, 상기 입사면으로부터 입사한 상기 레이저광을 상기 입사면을 향해서 반사하는 반사면과, 상기 입사면과 상기 반사면과의 사이에 배치되고, 상기 위상 패턴을 표시하여 상기 레이저광을 변조하는 변조층을 가지며, 상기 반사면에는, 서로 연속하지 않는 복수의 파장대에 고반사율 영역을 가지는 유전체 다층막이 형성되어 있는 레이저 가공 장치이다.

Description

레이저 가공 장치
본 발명의 일측면은, 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는, 워크(work)를 유지하는 유지 기구와, 유지 기구에 유지된 워크에 레이저광을 조사하는 레이저 조사 기구를 구비하는 레이저 가공 장치가 기재되어 있다. 이 레이저 가공 장치의 레이저 조사 기구에서는, 레이저 발진기로부터 집광 렌즈에 이르는 레이저광의 광로 상에 배치된 각 구성이 1개의 케이스 내에 배치되어 있으며, 그 케이스가, 레이저 가공 장치의 베이스대에 세워 마련된 벽부에 고정되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허 제5456510호 공보
상술한 바와 같은 레이저 가공 장치에서는, 가공 대상물의 사양, 가공 조건 등에 따라서, 가공에 바람직한 레이저광의 파장이 다른 경우가 있다.
본 발명의 일측면은, 복수의 파장대에 대응할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 관한 레이저 가공 장치는, 레이저광을 대상물에 조사하여 대상물의 레이저 가공을 행하는 레이저 가공 장치로서, 레이저광을 출력하는 레이저 출력부와, 레이저 출력부로부터 출력된 레이저광을 위상 패턴에 따라 변조하면서 반사하는 공간 광 변조기와, 공간 광 변조기로부터의 레이저광을 대상물을 향해서 집광하는 대물 렌즈를 구비하며, 공간 광 변조기는, 레이저광이 입사하는 입사면과, 입사면으로부터 입사한 레이저광을 입사면을 향해서 반사하는 반사면과, 입사면과 반사면과의 사이에 배치되고, 위상 패턴을 표시하여 레이저광을 변조하는 변조층을 가지며, 반사면에는, 서로 연속하지 않는 복수의 파장대에 고반사율 영역을 가지는 유전체 다층막이 형성되어 있다.
이 레이저 가공 장치에서는, 레이저광은, 공간 광 변조기의 위상 패턴에 따라 변조된 후에, 대물 렌즈에 의해 대상물을 향해서 집광된다. 공간 광 변조기는, 레이저광이 입사하는 입사면과, 입사면으로부터 입사한 레이저광을 반사하는 반사면과, 입사면과 반사면과의 사이에 배치된 변조층을 가진다. 레이저광은, 입사면으로부터 입사하여 변조층을 통과할 때에, 위상 패턴에 따라 변조된다. 또, 레이저광은, 반사면에서 반사되어 다시 변조층을 통과할 때에도 변조되고, 공간 광 변조기로부터 출사된다. 여기서, 반사면에는, 서로 연속하지 않는 복수의 파장대에 고반사율 영역을 가지는 유전체 다층막이 형성되어 있다. 따라서, 이 공간 광 변조기에 의하면, 복수의 파장대의 레이저광의 반사면에서의 로스를 저감하면서, 레이저광을 변조할 수 있다. 따라서, 이 레이저 가공 장치는, 복수의 파장대에 대응할 수 있다.
본 발명의 일측면에 관한 레이저 가공 장치는, 반사면의 평면도(平面度)에 따라 레이저광의 파면에 부여되는 왜곡을 보정하기 위한 위상 패턴인 왜곡 보정 패턴을 유지하는 패턴 유지부를 구비하며, 패턴 유지부는, 파장대마다 다른 왜곡 보정 패턴을 유지하고 있어도 괜찮다. 일반적으로, 공간 광 변조기의 반사면은, 공간 광 변조기 마다 소정의 평면도를 가지고 있다. 그렇지만, 그 평면도에 따라 레이저광의 파면에 부여되는 왜곡을 보정하기 위해서는, 파장에 따라 다른 위상 변조량이 필요하게 된다. 따라서, 이 경우와 같이, 파장대마다 다른 왜곡 보정 패턴을 유지하고 있으면, 용이하게 또한 확실하게 복수의 파장대에 대응할 수 있다.
본 발명의 일측면에 관한 레이저 가공 장치는, 위상 패턴을 변조층에 표시하기 위한 화상 신호의 휘도값과, 위상 패턴의 위상 변조량을 대응지은 테이블을 유지하는 테이블 유지부를 구비하며, 테이블 유지부는, 파장대마다 다른 테이블을 유지하고 있어도 괜찮다. 여기서, 어느 파장의 레이저광에 대해서, 그 1파장분(2π분)의 위상 변조량에 대해서, 예를 들면 화상 신호의 256계조(階調)의 휘도값을 할당한(대응지은) 테이블을 준비하는 것에 의해, 그 파장에 바람직한 위상 변조 패턴을 용이하게 변조층에 표시할 수 있게 된다.
그렇지만, 그 파장보다도 짧은 파장의 레이저광에 대해서는, 동일한 테이블을 이용하면, 1파장분의 위상 변조량에 대해서 보다 적은 계조(階調)의 휘도값이 사용되게 되어, 변조후의 파면의 재현성이 떨어진다. 이것에 대해서, 이 경우에는, 파장대마다 다른 테이블을 유지하고 있다. 이 때문에, 각각의 파장대에 바람직한 테이블을 이용하는 것이 가능하게 되어, 파면의 재현성이 저하되는 것이 억제될 수 있다.
본 발명의 일측면에 관한 레이저 가공 장치에서는, 입사면에는, 복수의 파장대에 고투과율 영역을 가지는 반사 방지막이 형성되어 있어도 괜찮다. 이 경우, 레이저광의 로스를 보다 저감하고, 확실하게 복수의 파장대에 대응할 수 있게 된다.
본 발명의 일측면에 관한 레이저 가공 장치에서는, 복수의 파장대는, 500nm 이상 550nm 이하의 제1 파장대, 및 1000nm 이상 1150nm 이하의 제2 파장대를 포함해도 괜찮다. 혹은, 본 발명의 일측면에 관한 레이저 가공 장치에서는, 복수의 파장대는, 1300nm 이상 1400nm 이하의 제3 파장대를 포함해도 괜찮다. 이들의 경우, 각각의 파장대에 대응할 수 있게 된다. 또, 제1 파장대의 레이저광은, 예를 들면 사파이어로 이루어지는 기판에 대한 내부 흡수형 레이저 가공에 바람직하다. 또, 제2 파장대 및 제3 파장대의 레이저광은, 예를 들면 실리콘으로 이루어지는 기판에 대한 내부 흡수형 레이저 가공에 바람직하다.
본 발명의 일측면에 의하면, 복수의 파장대에 대응 가능한 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
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 관한 레이저 가공 장치의 사시도이다.
도 8은 도 7의 레이저 가공 장치의 지지대에 장착되는 가공 대상물의 사시도이다.
도 9는 도 7의 ZX평면을 따른 레이저 출력부의 단면도이다.
도 10은 도 7의 레이저 가공 장치에서의 레이저 출력부 및 레이저 집광부의 일부의 사시도이다.
도 11은 도 7의 XY평면을 따른 레이저 집광부의 단면도이다.
도 12는 도 11의 XII－XII선을 따른 레이저 집광부의 단면도이다.
도 13은 도 12의 XIII－XIII선을 따른 레이저 집광부의 단면도이다.
도 14는 도 11의 레이저 집광부에서의 반사형 공간 광 변조기, 4f 렌즈 유닛 및 집광 렌즈 유닛의 광학적 배치 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 7의 레이저 가공 장치에서의 반사형 공간 광 변조기의 부분 단면도이다.
도 16은 도 15에 나타내어진 반사막의 반사율 특성을 나타내는 그래프, 및 투명 기판의 표면에 마련된 반사 방지막의 투과율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 도 15에 나타내어진 화소 전극의 표면의 왜곡을 나타내는 그래프이다.
도 18은 도 15에 나타내어진 액정층에 표시되는 왜곡 보정 패턴을 나타내는 도면이다.
도 19는 화상 신호의 휘도값과 위상 변조량을 대응지은 테이블을 나타내는 도면이다.
도 20은 화상 신호의 휘도값과 위상 변조량을 대응지은 테이블을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일측면의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또, 각 도면에서, 서로 동일한 요소, 또는 서로 상당하는 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략하는 경우가 있다.
실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에서는, 가공 대상물에 레이저광을 집광(集光)하는 것에 의해, 절단 예정 라인을 따라서 가공 대상물에 개질 영역을 형성한다. 그래서, 먼저, 개질 영역의 형성에 대해서, 도 1~도 6을 참조하여 설명한다.
도 1에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)는, 레이저광(L)을 펄스 발진하는 레이저 광원(101)과, 레이저광(L)의 광축(광로(光路))의 방향을 90°바꾸도록 배치된 다이크로익 미러(dichroic mirror)(103)와, 레이저광(L)을 집광하기 위한 집광용 렌즈(105)를 구비하고 있다. 또, 레이저 가공 장치(100)는, 집광용 렌즈(105)에서 집광된 레이저광(L)이 조사되는 대상물인 가공 대상물(1)을 지지하기 위한 지지대(107)와, 지지대(107)를 이동시키기 위한 이동 기구인 스테이지(111)와, 레이저광(L)의 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.
레이저 가공 장치(100)에서는, 레이저 광원(101)으로부터 출사된 레이저광(L)은, 다이크로익 미러(103)에 의해서 그 광축의 방향이 90°바뀌어지고, 지지대(107) 상에 재치된 가공 대상물(1)의 내부에 집광용 렌즈(105)에 의해서 집광된다. 이것과 함께, 스테이지(111)가 이동시켜지고, 가공 대상물(1)이 레이저광(L)에 대해서 절단 예정 라인(5)을 따라서 상대 이동시켜진다. 이것에 의해, 절단 예정 라인(5)을 따른 개질 영역이 가공 대상물(1)에 형성된다. 또, 여기에서는, 레이저광(L)을 상대적으로 이동시키기 위해서 스테이지(111)를 이동시켰지만, 집광용 렌즈(105)를 이동시켜도 괜찮고, 혹은 이들 양쪽 모두를 이동시켜도 괜찮다.
가공 대상물(1)로서는, 반도체 재료로 형성된 반도체 기판이나 압전 재료로 형성된 압전 기판 등을 포함하는 판 모양의 부재(예를 들면, 기판, 웨이퍼 등)가 이용된다. 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 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 가상선이다. 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역을 형성하는 경우, 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 가공 대상물(1)의 내부에 집광점(집광 위치)(P)을 맞춘 상태에서, 레이저광(L)을 절단 예정 라인(5)을 따라서(즉, 도 2의 화살표 A방향으로) 상대적으로 이동시킨다. 이것에 의해, 도 4, 도 5 및 도 6에 나타내어지는 바와 같이, 개질 영역(7)이 절단 예정 라인(5)을 따라서 가공 대상물(1)에 형성되고, 절단 예정 라인(5)을 따라서 형성된 개질 영역(7)이 절단 기점 영역(8)이 된다. 절단 예정 라인(5)은, 조사 예정 라인에 대응한다.
집광점(P)은, 레이저광(L)이 집광하는 개소이다. 절단 예정 라인(5)은, 직선 모양에 한정하지 않고 곡선 모양이라도 좋고, 이들이 조합된 3차원 모양이라도 좋고, 좌표 지정된 것이라도 괜찮다. 절단 예정 라인(5)은, 가상선에 한정하지 않고 가공 대상물(1)의 표면(3)에 실제로 그은 선이라도 좋다. 개질 영역(7)은, 연속적으로 형성되는 경우도 있고, 단속적으로 형성되는 경우도 있다. 개질 영역(7)은 열(列) 모양이라도 점 모양이라도 좋고, 요점은, 개질 영역(7)은 적어도 가공 대상물(1)의 내부, 표면(3) 또는 이면에 형성되어 있으면 된다. 개질 영역(7)을 기점(起点)으로 균열이 형성되는 경우가 있고, 균열 및 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)의 외표면(표면(3), 이면, 혹은 외주면)에 노출하고 있어도 괜찮다. 개질 영역(7)을 형성할 때의 레이저광 입사면은, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 한정되는 것이 아니고, 가공 대상물(1)의 이면이라도 괜찮다.
덧붙여서, 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광(L)은, 가공 대상물(1)을 투과함과 아울러, 가공 대상물(1)의 내부에 위치하는 집광점(P) 근방에서 특히 흡수된다. 이것에 의해, 가공 대상물(1)에 개질 영역(7)이 형성된다(즉, 내부 흡수형 레이저 가공). 이 경우, 가공 대상물(1)의 표면(3)에서는 레이저광(L)이 대부분 흡수되지 않으므로, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융하지는 않는다. 한편, 가공 대상물(1)의 표면(3) 또는 이면에 개질 영역(7)을 형성하는 경우에는, 레이저광(L)은, 표면(3) 또는 이면에 위치하는 집광점(P) 근방에서 특히 흡수되고, 표면(3) 또는 이면으로부터 용융되고 제거되어, 구멍이나 홈 등의 제거부가 형성된다(표면 흡수형 레이저 가공).
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 재고체화한 영역, 용융 상태중의 영역 및 용융으로부터 재고체화하는 상태중의 영역 중 적어도 어느 하나를 의미함), 크랙 영역, 절연 파괴 영역, 굴절률 변화 영역 등이 있으며, 이들이 혼재한 영역도 있다. 게다가, 개질 영역(7)으로서는, 가공 대상물(1)의 재료에서 개질 영역(7)의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교하여 변화한 영역이나, 격자 결함이 형성된 영역이 있다. 가공 대상물(1)의 재료가 단결정 실리콘인 경우, 개질 영역(7)은, 고전위밀도 영역이라고도 할 수 있다.
용융 처리 영역, 굴절률 변화 영역, 개질 영역(7)의 밀도가 비개질 영역의 밀도와 비교하여 변화한 영역, 및 격자 결함이 형성된 영역은, 그들 영역의 내부나 개질 영역(7)과 비개질 영역과의 계면에 균열(갈라짐, 마이크로 크랙)을 더 내포하고 있는 경우가 있다. 내포되는 균열은, 개질 영역(7)의 전면(全面)에 걸치는 경우나 일부분만이나 복수 부분에 형성되는 경우가 있다. 가공 대상물(1)은, 결정 구조를 가지는 결정 재료로 이루어지는 기판을 포함한다. 예를 들면 가공 대상물(1)은, 질화 갈륨(GaN), 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), LiTaO3, 및 사파이어(Al2O3) 중 적어도 어느 하나로 형성된 기판을 포함한다. 환언하면, 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 질화 갈륨 기판, 실리콘 기판, SiC 기판, LiTaO3 기판, 또는 사파이어 기판을 포함한다. 결정 재료는, 이방성 결정 및 등방성 결정 중 어느 하나라도 괜찮다. 또, 가공 대상물(1)은, 비결정 구조(비정질 구조)를 가지는 비결정 재료로 이루어지는 기판을 포함하고 있어도 좋고, 예를 들면 유리 기판을 포함하고 있어도 괜찮다.
실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)을 따라서 개질 스폿(가공 흔적)을 복수 형성하는 것에 의해, 개질 영역(7)을 형성할 수 있다. 이 경우, 복수의 개질 스폿이 모이는 것에 의해서 개질 영역(7)이 된다. 개질 스폿이란, 펄스 레이저광의 1펄스의 쇼트(즉 1펄스의 레이저 조사：레이저 쇼트)로 형성되는 개질 부분이다. 개질 스폿으로서는, 크랙 스폿, 용융 처리 스폿 혹은 굴절률 변화 스폿, 또는 이들 중 적어도 1개가 혼재하는 것 등을 들 수 있다. 개질 스폿에 대해서는, 요구되는 절단 정밀도, 요구되는 절단면의 평탄성, 가공 대상물(1)의 두께, 종류, 결정 방위 등을 고려하여, 그 크기나 발생하는 균열의 길이를 적절히 제어할 수 있다. 또, 실시 형태에서는, 절단 예정 라인(5)을 따라서, 개질 스폿을 개질 영역(7)으로서 형성할 수 있다.
[실시 형태에 관한 레이저 가공 장치]
다음으로, 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치에 대해 설명한다. 이하의 설명에서는, 수평면내에서 서로 직교하는 방향을 X축방향 및 Y축방향으로 하고, 연직 방향을 Z축방향으로 한다.
[레이저 가공 장치의 전체 구성]
도 7에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 가공 장치(200)는, 장치 프레임(210)과, 제1 이동 기구(이동 기구)(220)와, 지지대(230)와, 제2 이동 기구(240)를 구비하고 있다. 게다가, 레이저 가공 장치(200)는, 레이저 출력부(300)와, 레이저 집광부(400)와, 제어부(500)를 구비하고 있다.
제1 이동 기구(220)는, 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 제1 이동 기구(220)는, 제1 레일 유닛(221)과, 제2 레일 유닛(222)과, 가동 베이스(223)를 가지고 있다. 제1 레일 유닛(221)은, 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 제1 레일 유닛(221)에는, Y축방향을 따라서 연장되는 한 쌍의 레일(221a, 221b)이 마련되어 있다. 제2 레일 유닛(222)은, Y축방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 제1 레일 유닛(221)의 한 쌍의 레일(221a, 221b)에 장착되어 있다. 제2 레일 유닛(222)에는, X축방향을 따라서 연장되는 한 쌍의 레일(222a, 222b)이 마련되어 있다. 가동 베이스(223)는, X축방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 제2 레일 유닛(222)의 한 쌍의 레일(222a, 222b)에 장착되어 있다. 가동 베이스(223)는, Z축방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전할 수 있다.
지지대(230)는, 가동 베이스(223)에 장착되어 있다. 지지대(230)는, 가공 대상물(1)을 지지한다. 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 실리콘 등의 반도체 재료로 이루어지는 기판의 표면측에 복수의 기능 소자(포토 다이오드 등의 수광 소자, 레이저 다이오드 등의 발광 소자, 또는 회로로서 형성된 회로 소자 등)가 매트릭스 모양으로 형성된 것이다. 가공 대상물(1)이 지지대(230)에 의해 지지될 때에는, 도 8에 나타내어지는 바와 같이, 고리 모양의 프레임(11)에 펼쳐진 필름(12) 상에, 예를 들면 가공 대상물(1)의 표면(1a)(복수의 기능 소자측의 면)이 붙여진다. 지지대(230)는, 클램프에 의해서 프레임(11)을 유지함과 아울러 진공 척(chuck) 테이블에 의해서 필름(12)을 흡착함으로써, 가공 대상물(1)을 지지한다. 지지대(230) 상에서, 가공 대상물(1)에는, 서로 평행한 복수의 절단 예정 라인(5a), 및 서로 평행한 복수의 절단 예정 라인(5b)이, 서로 이웃하는 기능 소자의 사이를 통과하도록 격자 모양으로 설정된다.
도 7에 나타내어지는 바와 같이, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에서 제2 레일 유닛(222)이 동작함으로써, Y축방향을 따라서 이동시켜진다. 또, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에서 가동 베이스(223)가 동작함으로써, X축방향을 따라서 이동시켜진다. 게다가, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에서 가동 베이스(223)가 동작함으로써, Z축방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전시켜진다. 이와 같이, 지지대(230)는, X축방향 및 Y축방향을 따라서 이동 가능하게 되고 또한 Z축방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전 가능하게 되도록, 장치 프레임(210)에 장착되어 있다.
레이저 출력부(300)는, 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 레이저 집광부(400)는, 제2 이동 기구(240)를 매개로 하여 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 레이저 집광부(400)는, 제2 이동 기구(240)가 동작함으로써, Z축방향을 따라서 이동시켜진다. 이와 같이, 레이저 집광부(400)는, 레이저 출력부(300)에 대해서 Z축방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 장치 프레임(210)에 장착되어 있다.
제어부(500)는, CPU(Central　Processing　Unit), ROM(Read　Only　Memory) 및 RAM(Random　Access　Memory) 등에 의해서 구성되어 있다. 제어부(500)는, 레이저 가공 장치(200)의 각 부의 동작을 제어한다.
일 예로서, 레이저 가공 장치(200)에서는, 다음과 같이, 각 절단 예정 라인(5a, 5b)(도 8 참조)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역이 형성된다.
먼저, 가공 대상물(1)의 이면(1b)(도 8 참조)이 레이저광 입사면이 되도록, 가공 대상물(1)이 지지대(230)에 지지되고, 가공 대상물(1)의 각 절단 예정 라인(5a)이 X축방향에 평행한 방향에 맞추어진다. 이어서, 가공 대상물(1)의 내부에서 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면으로부터 소정 거리만큼 이간한 위치에 레이저광(L)의 집광점이 위치하도록, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 이동시켜진다. 이어서, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면과 레이저광(L)의 집광점과의 거리가 일정하게 유지되면서, 각 절단 예정 라인(5a)을 따른 레이저광(L)의 집광점이 상대적으로 이동시켜진다. 이것에 의해, 각 절단 예정 라인(5a)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역이 형성된다.
각 절단 예정 라인(5a)을 따른 개질 영역의 형성이 종료되면, 제1 이동 기구(220)에 의해서 지지대(230)가 회전시켜지고, 가공 대상물(1)의 각 절단 예정 라인(5b)이 X축방향에 평행한 방향에 맞추어진다. 이어서, 가공 대상물(1)의 내부에서 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면으로부터 소정 거리만큼 이간한 위치에 레이저광(L)의 집광점이 위치하도록, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 이동시켜진다. 이어서, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면과 레이저광(L)의 집광점과의 거리가 일정하게 유지되면서, 각 절단 예정 라인(5b)을 따라서 레이저광(L)의 집광점이 상대적으로 이동시켜진다. 이것에 의해, 각 절단 예정 라인(5b)을 따라서 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역이 형성된다.
이와 같이, 레이저 가공 장치(200)에서는, X축방향에 평행한 방향이 가공 방향(레이저광(L)의 스캔 방향)으로 되어 있다. 또, 각 절단 예정 라인(5a)을 따른 레이저광(L)의 집광점의 상대적인 이동, 및 각 절단 예정 라인(5b)을 따른 레이저광(L)의 집광점의 상대적인 이동은, 제1 이동 기구(220)에 의해서 지지대(230)가 X축방향을 따라서 이동시켜짐으로써, 실시된다. 또, 각 절단 예정 라인(5a) 사이에서의 레이저광(L)의 집광점의 상대적인 이동, 및 각 절단 예정 라인(5b) 사이에서의 레이저광(L)의 집광점의 상대적인 이동은, 제1 이동 기구(220)에 의해서 지지대(230)가 Y축방향을 따라서 이동시켜짐으로써, 실시된다.
도 9에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 출력부(300)는, 장착 베이스(301)와, 커버(302)와, 복수의 미러(303, 304)를 가지고 있다. 게다가, 레이저 출력부(300)는, 레이저 발진기(310)와, 셔터(320)와, λ／2 파장판 유닛(330)과, 편광판 유닛(340)과, 빔 익스팬더(350)와, 미러 유닛(360)을 가지고 있다.
장착 베이스(301)는, 복수의 미러(303, 304), 레이저 발진기(310), 셔터(320), λ／2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340), 빔 익스팬더(350) 및 미러 유닛(360)을 지지하고 있다. 복수의 미러(303, 304), 레이저 발진기(310), 셔터(320), λ／2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340), 빔 익스팬더(350) 및 미러 유닛(360)은, 장착 베이스(301)의 주면(主面)(301a)에 장착되어 있다. 장착 베이스(301)는, 판 모양의 부재이며, 장치 프레임(210)(도 7 참조)에 대해서 착탈 가능하다. 레이저 출력부(300)는, 장착 베이스(301)를 매개로 하여 장치 프레임(210)에 장착되어 있다. 즉, 레이저 출력부(300)는, 장치 프레임(210)에 대해서 착탈 가능하다.
커버(302)는, 장착 베이스(301)의 주면(301a) 상에서, 복수의 미러(303, 304), 레이저 발진기(310), 셔터(320), λ／2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340), 빔 익스팬더(350) 및 미러 유닛(360)을 덮고 있다. 커버(302)는, 장착 베이스(301)에 대해서 착탈 가능하다.
레이저 발진기(310)는, 직선 편광의 레이저광(L)을 X축방향을 따라서 펄스 발진한다. 레이저 발진기(310)로부터 출사되는 레이저광(L)의 파장은, 500~550nm, 1000~1150nm 또는 1300~1400nm 중 어느 하나의 파장대에 포함된다. 500~550nm의 파장대의 레이저광(L)은, 예를 들면 사파이어로 이루어지는 기판에 대한 내부 흡수형 레이저 가공에 바람직하다. 1000~1150nm 및 1300~1400nm의 각 파장대의 레이저광(L)은, 예를 들면 실리콘으로 이루어지는 기판에 대한 내부 흡수형 레이저 가공에 바람직하다. 레이저 발진기(310)로부터 출사되는 레이저광(L)의 편광 방향은, 예를 들면, Y축방향에 평행한 방향이다. 레이저 발진기(310)로부터 출사된 레이저광(L)은, 미러(303)에 의해서 반사되고, Y축방향을 따라서 셔터(320)에 입사한다.
레이저 발진기(310)에서는, 다음과 같이, 레이저광(L)의 출력의 ON/OFF가 전환된다. 레이저 발진기(310)가 고체 레이저로 구성되어 있는 경우, 공진기(共振器) 내에 마련된 Q스위치(AOM(음향 광학 변조기), EOM(전기 광학 변조기) 등)의 ON/OFF가 전환됨으로써, 레이저광(L)의 출력의 ON/OFF가 고속으로 전환된다. 레이저 발진기(310)가 파이버 레이저로 구성되어 있는 경우, 시드(seed) 레이저, 앰프(amplifier)(여기용(勵起用)) 레이저를 구성하는 반도체 레이저의 출력의 ON/OFF가 전환됨으로써, 레이저광(L)의 출력의 ON/OFF가 고속으로 전환된다. 레이저 발진기(310)가 외부 변조 소자를 이용하고 있는 경우, 공진기 밖에 마련된 외부 변조 소자(AOM, EOM 등)의 ON/OFF가 전환됨으로써, 레이저광(L)의 출력의 ON/OFF가 고속으로 전환된다.
셔터(320)는, 기계식의 기구에 의해서 레이저광(L)의 광로를 개폐한다. 레이저 출력부(300)로부터의 레이저광(L)의 출력의 ON/OFF의 전환은, 상술한 바와 같이, 레이저 발진기(310)에서의 레이저광(L)의 출력의 ON/OFF의 전환에 의해서 실시되지만, 셔터(320)가 마련되어 있음으로써, 예를 들면 레이저 출력부(300)로부터 레이저광(L)이 갑자기 출사되는 것이 방지된다. 셔터(320)를 통과한 레이저광(L)은, 미러(304)에 의해서 반사되고, X축방향을 따라서 λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)에 순차적으로 입사한다.
λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)은, 레이저광(L)의 출력(광 강도)을 조정하는 출력 조정부로서 기능한다. 또, λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)은, 레이저광(L)의 편광 방향을 조정하는 편광 방향 조정부로서 기능한다. λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)을 순차적으로 통과한 레이저광(L)은, X축방향을 따라서 빔 익스팬더(350)에 입사한다.
빔 익스팬더(350)는, 레이저광(L)의 지름을 조정하면서, 레이저광(L)을 평행화한다. 빔 익스팬더(350)를 통과한 레이저광(L)은, X축방향을 따라서 미러 유닛(360)에 입사한다.
미러 유닛(360)은, 지지 베이스(361)와, 복수의 미러(362, 363)를 가지고 있다. 지지 베이스(361)는, 복수의 미러(362, 363)를 지지하고 있다. 지지 베이스(361)는, X축방향 및 Y축방향을 따라서 위치 조정 가능하게 되도록, 장착 베이스(301)에 장착되어 있다. 미러(제1 미러)(362)는, 빔 익스팬더(350)를 통과한 레이저광(L)을 Y축방향으로 반사한다. 미러(362)는, 그 반사면이 예를 들면 Z축에 평행한 축선을 중심으로 각도 조정 가능하게 되도록, 지지 베이스(361)에 장착되어 있다.
미러(제2 미러)(363)는, 미러(362)에 의해서 반사된 레이저광(L)을 Z축방향으로 반사시킨다. 미러(363)는, 그 반사면이 예를 들면 X축에 평행한 축선을 중심으로 각도 조정 가능하게 되고 또한 Y축방향을 따라서 위치 조정 가능하게 되도록, 지지 베이스(361)에 장착되어 있다. 미러(363)에 의해서 반사된 레이저광(L)은, 지지 베이스(361)에 형성된 개구(361a)를 통과하고, Z축방향을 따라서 레이저 집광부(400)(도 7 참조)에 입사한다. 즉, 레이저 출력부(300)에 의한 레이저광(L)의 출사 방향은, 레이저 집광부(400)의 이동 방향에 일치하고 있다. 상술한 바와 같이, 각 미러(362, 363)는, 반사면의 각도를 조정하기 위한 기구를 가지고 있다.
미러 유닛(360)에서는, 장착 베이스(301)에 대한 지지 베이스(361)의 위치 조정, 지지 베이스(361)에 대한 미러(363)의 위치 조정, 및 각 미러(362, 363)의 반사면의 각도 조정이 실시됨으로써, 레이저 출력부(300)로부터 출사되는 레이저광(L)의 광축의 위치 및 각도가 레이저 집광부(400)에 대해서 맞추어진다. 즉, 복수의 미러(362, 363)는, 레이저 출력부(300)로부터 출사되는 레이저광(L)의 광축을 조정하기 위한 구성이다.
도 10에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 집광부(400)는, 케이스(401)를 가지고 있다. 케이스(401)는, Y축방향을 길이 방향으로 하는 직방체 모양의 형상을 나타내고 있다. 케이스(401)의 일방의 측면(401e)에는, 제2 이동 기구(240)가 장착되어 있다(도 11 및 도 13 참조). 케이스(401)에는, 미러 유닛(360)의 개구(361a)와 Z축방향에서 대향하도록, 원통 모양의 광 입사부(401a)가 마련되어 있다. 광 입사부(401a)는, 레이저 출력부(300)로부터 출사된 레이저광(L)을 케이스(401) 내에 입사시킨다. 미러 유닛(360)와 광 입사부(401a)는, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 Z축방향을 따라서 이동시켜졌을 때에 서로 접촉하지 않을 거리만큼, 서로 이간하고 있다.
도 11 및 도 12에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 집광부(400)는, 미러(402)와, 다이크로익 미러(403)를 가지고 있다. 게다가, 레이저 집광부(400)는, 반사형 공간 광 변조기(410)와, 4f 렌즈 유닛(420)과, 집광 렌즈 유닛(대물 렌즈)(430)과, 구동 기구(440)와, 한 쌍의 측거(測距) 센서(450)를 가지고 있다.
미러(402)는, 광 입사부(401a)와 Z축방향에서 대향하도록, 케이스(401)의 저면(401b)에 장착되어 있다. 미러(402)는, 광 입사부(401a)를 매개로 하여 케이스(401) 내에 입사한 레이저광(L)을 XY평면에 평행한 방향으로 반사한다. 미러(402)에는, 레이저 출력부(300)의 빔 익스팬더(350)에 의해서 평행화된 레이저광(L)이 Z축방향을 따라서 입사한다. 즉, 미러(402)에는, 레이저광(L)이 평행광으로서 Z축방향을 따라서 입사한다. 그 때문에, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 Z축방향을 따라서 이동시켜져도, Z축방향을 따라서 미러(402)에 입사하는 레이저광(L)의 상태는 일정하게 유지된다. 미러(402)에 의해서 반사된 레이저광(L)은, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사한다.
반사형 공간 광 변조기(410)는, 반사면(410a)이 케이스(401) 내에 면한 상태에서, Y축방향에서의 케이스(401)의 단부(401c)에 장착되어 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)는, 예를 들면 반사형 액정(LCOS：Liquid　Crystal　on　Silicon)의 공간 광 변조기(SLM：Spatial　Light　Modulator)이며, 레이저광(L)을 변조하면서, 레이저광(L)을 Y축방향으로 반사시킨다. 반사형 공간 광 변조기(410)에 의해서 변조됨과 아울러 반사된 레이저광(L)은, Y축방향을 따라서 4f 렌즈 유닛(420)에 입사한다. 여기서, XY평면에 평행한 평면내에서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사하는 레이저광(L)의 광축과, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출사되는 레이저광(L)의 광축이 이루는 각도(α)는, 예각(예를 들면, 10~60°)으로 되어 있다. 즉, 레이저광(L)은, 반사형 공간 광 변조기(410)에서 XY평면을 따라서 예각으로 반사된다. 이것은, 레이저광(L)의 입사각 및 반사각을 억제하여 회절 효율의 저하를 억제하여, 반사형 공간 광 변조기(410)의 성능을 충분히 발휘시키기 위해서이다. 또, 반사형 공간 광 변조기(410)에서는, 예를 들면, 액정이 이용된 광 변조층의 두께가 수μm~수십μm 정도로 매우 얇기 때문에, 반사면(410a)은, 광 변조층의 광 입출사면과 실질적으로 동일한 것으로 파악할 수 있다.
4f 렌즈 유닛(420)은, 홀더(421)와, 반사형 공간 광 변조기(410)측의 렌즈(422)와, 집광 렌즈 유닛(430)측의 렌즈(423)와, 슬릿 부재(424)를 가지고 있다. 홀더(421)는, 한 쌍의 렌즈(422, 423) 및 슬릿 부재(424)를 유지하고 있다. 홀더(421)는, 레이저광(L)의 광축을 따른 방향에서의 한 쌍의 렌즈(422, 423) 및 슬릿 부재(424)의 서로의 위치 관계를 일정하게 유지하고 있다. 한 쌍의 렌즈(422, 423)는, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(入射瞳面)(동면)(430a)이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고 있다.
이것에 의해, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광(L)의 상(像)(반사형 공간 광 변조기(410)에서 변조된 레이저광(L)의 상)이, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)에 전상(輾像)(결상)된다. 슬릿 부재(424)에는, 슬릿(424a)이 형성되어 있다. 슬릿(424a)은, 렌즈(422)와 렌즈(423)와의 사이 로서, 렌즈(422)의 초점면 근방에 위치하고 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)에 의해서 변조됨과 아울러 반사된 레이저광(L) 중 불필요한 부분은, 슬릿 부재(424)에 의해서 차단된다. 4f 렌즈 유닛(420)을 통과한 레이저광(L)은, Y축방향을 따라서 다이크로익 미러(403)에 입사한다.
다이크로익 미러(403)는, 레이저광(L)의 대부분(예를 들면, 95~99.5%)을 Z축방향으로 반사하고, 레이저광(L)의 일부(예를 들면, 0.5~5%)를 Y축방향을 따라서 투과시킨다. 레이저광(L)의 대부분은, 다이크로익 미러(403)에서 ZX평면을 따라서 직각으로 반사된다. 다이크로익 미러(403)에 의해서 반사된 레이저광(L)은, Z축방향을 따라서 집광 렌즈 유닛(430)에 입사한다.
집광 렌즈 유닛(430)은, Y축방향에서의 케이스(401)의 단부(401d)(단부(401c)의 반대측의 단부)에, 구동 기구(440)를 매개로 하여 장착되어 있다. 집광 렌즈 유닛(430)은, 홀더(431)와, 복수의 렌즈(432)를 가지고 있다. 홀더(431)는, 복수의 렌즈(432)를 유지하고 있다. 복수의 렌즈(432)는, 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)(도 7 참조)에 대해서 레이저광(L)을 집광한다. 구동 기구(440)는, 압전 소자의 구동력에 의해서, 집광 렌즈 유닛(430)을 Z축방향을 따라서 이동시킨다.
한 쌍의 측거 센서(450)는, X축방향에서 집광 렌즈 유닛(430)의 양측에 위치하도록, 케이스(401)의 단부(401d)에 장착되어 있다. 각 측거 센서(450)는, 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)(도 7 참조)의 레이저광 입사면에 대해서 측거용 광(예를 들면, 레이저광)을 출사하고, 해당 레이저광 입사면에 의해서 반사된 측거용 광을 검출함으로써, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면의 변위 데이터를 취득한다. 또, 측거 센서(450)에는, 삼각 측거 방식, 레이저 공초점(共焦点) 방식, 백색 공초점 방식, 분광 간섭 방식, 비점수차(非点收差) 방식 등의 센서를 이용할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 상술한 바와 같이, X축방향에 평행한 방향이 가공 방향(레이저광(L)의 스캔 방향)으로 되어 있다. 그 때문에, 각 절단 예정 라인(5a, 5b)을 따른 레이저광(L)의 집광점이 상대적으로 이동시켜질 때에, 한 쌍의 측거 센서(450) 중 집광 렌즈 유닛(430)에 대해서 상대적으로 선행하는 측거 센서(450)가, 각 절단 예정 라인(5a, 5b)을 따른 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면의 변위 데이터를 취득한다. 그리고, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면과 레이저광(L)의 집광점과의 거리가 일정하게 유지되도록, 구동 기구(440)가, 측거 센서(450)에 의해서 취득된 변위 데이터에 근거하여 집광 렌즈 유닛(430)을 Z축방향을 따라서 이동시킨다.
레이저 집광부(400)는, 빔 스플리터(461)와, 한 쌍의 렌즈(462, 463)와, 프로파일 취득용 카메라(강도 분포 취득부)(464)를 가지고 있다. 빔 스플리터(461)는, 다이크로익 미러(403)를 투과한 레이저광(L)을 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 빔 스플리터(461)에 의해서 반사된 레이저광(L)은, Z축방향을 따라서 한 쌍의 렌즈(462, 463) 및 프로파일 취득용 카메라(464)에 순차적으로 입사한다. 한 쌍의 렌즈(462, 463)는, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)과 프로파일 취득용 카메라(464)의 촬상면이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고 있다. 이것에 의해, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)에서의 레이저광(L)의 상이, 프로파일 취득용 카메라(464)의 촬상면에 전상(결상)된다. 상술한 바와 같이, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)에서의 레이저광(L)의 상은, 반사형 공간 광 변조기(410)에서 변조된 레이저광(L)의 상이다. 따라서, 레이저 가공 장치(200)에서는, 프로파일 취득용 카메라(464)에 의한 촬상 결과를 감시함으로써, 반사형 공간 광 변조기(410)의 동작 상태를 파악할 수 있다.
게다가, 레이저 집광부(400)는, 빔 스플리터(471)와, 렌즈(472)와, 레이저광(L)의 광축 위치 모니터용 카메라(473)를 가지고 있다. 빔 스플리터(471)는, 빔 스플리터(461)를 투과한 레이저광(L)을 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 빔 스플리터(471)에 의해서 반사된 레이저광(L)은, Z축방향을 따라서 렌즈(472) 및 카메라(473)에 순차적으로 입사한다. 렌즈(472)는, 입사한 레이저광(L)을 카메라(473)의 촬상면 상에 집광한다. 레이저 가공 장치(200)에서는, 카메라(464) 및 카메라(473)의 각각에 의한 촬상 결과를 감시하면서, 미러 유닛(360)에서, 장착 베이스(301)에 대한 지지 베이스(361)의 위치 조정, 지지 베이스(361)에 대한 미러(363)의 위치 조정, 및 각 미러(362, 363)의 반사면의 각도 조정을 실시함으로써(도 9 및 도 10 참조), 집광 렌즈 유닛(430)에 입사하는 레이저광(L)의 광축의 어긋남(집광 렌즈 유닛(430)에 대한 레이저광의 강도 분포의 위치 어긋남 및 집광 렌즈 유닛(430)에 대한 레이저광(L)의 광축의 각도 어긋남)를 보정할 수 있다.
복수의 빔 스플리터(461, 471)는, 케이스(401)의 단부(401d)로부터 Y축방향을 따라서 연장되는 통체(筒體)(404) 내에 배치되어 있다. 한 쌍의 렌즈(462, 463)는, Z축방향을 따라서 통체(404) 상에 세워 마련된 통체(405) 내에 배치되어 있고, 프로파일 취득용 카메라(464)는, 통체(405)의 단부에 배치되어 있다. 렌즈(472)는, Z축방향을 따라서 통체(404) 상에 세워 마련된 통체(406) 내에 배치되어 있으며, 카메라(473)는, 통체(406)의 단부에 배치되어 있다. 통체(405)와 통체(406)는, Y축방향에서 서로 병설(竝設)되어 있다. 또, 빔 스플리터(471)를 투과한 레이저광(L)은, 통체(404)의 단부에 마련된 댐퍼 등에 흡수되도록 해도 괜찮고, 혹은, 적절한 용도로 이용되도록 해도 괜찮다.
도 12 및 도 13에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 집광부(400)는, 가시광원(481)과, 복수의 렌즈(482)와, 레티클(reticle)(483)과, 미러(484)와, 하프 미러(485)와, 빔 스플리터(486)와, 렌즈(487)와, 관찰 카메라(488)를 가지고 있다. 가시광원(481)은, Z축방향을 따라서 가시광(V)을 출사한다. 복수의 렌즈(482)는, 가시광원(481)으로부터 출사된 가시광(V)을 평행화한다. 레티클(483)은, 가시광(V)에 눈금선을 부여한다. 미러(484)는, 복수의 렌즈(482)에 의해서 평행화된 가시광(V)을 X축방향으로 반사시킨다. 하프 미러(485)는, 미러(484)에 의해서 반사된 가시광(V)을 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 하프 미러(485)에 의해서 반사된 가시광(V)은, Z축방향을 따라서 빔 스플리터(486) 및 다이크로익 미러(403)를 순차적으로 투과하고, 집광 렌즈 유닛(430)을 통해서, 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)(도 7 참조)에 조사된다.
가공 대상물(1)에 조사된 가시광(V)은, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에 의해서 반사되고, 집광 렌즈 유닛(430)을 통해서 다이크로익 미러(403)에 입사하여, Z축방향을 따라서 다이크로익 미러(403)를 투과한다. 빔 스플리터(486)는, 다이크로익 미러(403)를 투과한 가시광(V)을 반사 성분과 투과 성분으로 나눈다. 빔 스플리터(486)를 투과한 가시광(V)은, 하프 미러(485)를 투과하고, Z축방향을 따라서 렌즈(487) 및 관찰 카메라(488)에 순차적으로 입사한다. 렌즈(487)는, 입사한 가시광(V)을 관찰 카메라(488)의 촬상면 상에 집광한다. 레이저 가공 장치(200)에서는, 관찰 카메라(488)에 의한 촬상 결과를 관찰함으로써, 가공 대상물(1)의 상태를 파악할 수 있다.
미러(484), 하프 미러(485) 및 빔 스플리터(486)는, 케이스(401)의 단부(401d) 상에 장착된 홀더(407) 내에 배치되어 있다. 복수의 렌즈(482) 및 레티클(483)은, Z축방향을 따라서 홀더(407) 상에 세워 마련된 통체(408) 내에 배치되어 있으며, 가시광원(481)은, 통체(408)의 단부에 배치되어 있다. 렌즈(487)는, Z축방향을 따라서 홀더(407) 상에 세워 마련된 통체(409) 내에 배치되어 있으며, 관찰 카메라(488)는, 통체(409)의 단부에 배치되어 있다. 통체(408)와 통체(409)는, X축방향에서 서로 병설되어 있다. 또, X축방향을 따라서 하프 미러(485)를 투과한 가시광(V), 및 빔 스플리터(486)에 의해서 X축방향으로 반사된 가시광(V)은, 각각, 홀더(407)의 벽부에 마련된 댐퍼 등에 흡수되도록 해도 괜찮고, 혹은, 적절한 용도로 이용되도록 해도 괜찮다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 레이저 출력부(300)의 교환이 상정(想定)되어 있다. 이것은, 가공 대상물(1)의 사양, 가공 조건 등에 따라서, 가공에 적절한 레이저광(L)의 파장이 다르기 때문이다. 그 때문에, 출사되는 레이저광(L)의 파장이 서로 다른 복수의 레이저 출력부(300)가 준비된다. 여기에서는, 출사되는 레이저광(L)의 파장이 500~550nm의 파장대에 포함되는 레이저 출력부(300), 출사되는 레이저광(L)의 파장이 1000~1150nm의 파장대에 포함되는 레이저 출력부(300), 및 출사되는 레이저광(L)의 파장이 1300~1400nm의 파장대에 포함되는 레이저 출력부(300)가 준비된다.
한편, 레이저 가공 장치(200)에서는, 레이저 집광부(400)의 교환이 상정되어 있지 않다. 이것은, 레이저 집광부(400)가 멀티 파장에 대응하고 있기(서로 연속하지 않는 복수의 파장대에 대응하고 있기) 때문이다. 구체적으로는, 미러(402), 반사형 공간 광 변조기(410), 4f 렌즈 유닛(420)의 한 쌍의 렌즈(422, 423), 다이크로익 미러(403), 및 집광 렌즈 유닛(430)의 렌즈(432) 등이 멀티 파장에 대응하고 있다.
여기에서는, 레이저 집광부(400)는, 500~550nm, 1000~1150nm 및 1300~1400nm의 파장대에 대응하고 있다. 이것은, 레이저 집광부(400)의 각 구성에 소정의 유전체 다층막을 코팅하는 것 등, 소망의 광학 성능이 만족되도록 레이저 집광부(400)의 각 구성이 설계됨으로써 실현된다. 또, 레이저 출력부(300)에서, λ／2 파장판 유닛(330)은 λ／2 파장판을 가지고 있고, 편광판 유닛(340)은 편광판을 가지고 있다. λ／2 파장판 및 편광판은, 파장 의존성이 높은 광학 소자이다. 그 때문에, λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)은, 파장대마다 다른 구성으로서 레이저 출력부(300)에 마련되어 있다.
[레이저 가공 장치에서의 레이저광의 광로 및 편광 방향]
레이저 가공 장치(200)에서는, 지지대(230)에 의해 지지된 가공 대상물(1)에 대해서 집광되는 레이저광(L)의 편광 방향은, 도 11에 나타내어지는 바와 같이, X축방향에 평행한 방향이며, 가공 방향(레이저광(L)의 스캔 방향)에 일치하고 있다. 여기서, 반사형 공간 광 변조기(410)에서는, 레이저광(L)이 P편광으로서 반사된다. 이것은, 반사형 공간 광 변조기(410)의 광 변조층에 액정이 이용되고 있는 경우에 있어서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 대해서 입출사하는 레이저광(L)의 광축을 포함하는 평면에 평행한 면내에서 액정 분자가 경사지도록, 해당 액정이 배향되어 있을 때에는, 편파면(偏波面)의 회전이 억제된 상태에서 레이저광(L)에 위상 변조가 실시되기 때문이다(예를 들면, 일본특허 제3878758호 공보 참조).
한편, 다이크로익 미러(403)에서는, 레이저광(L)이 S편광으로서 반사된다. 이것은, 레이저광(L)을 P편광으로서 반사시키는 것보다도, 레이저광(L)을 S편광으로서 반사시키는 것이, 다이크로익 미러(403)를 멀티 파장에 대응시키기 위한 유전체 다층막의 코팅수가 감소하는 등, 다이크로익 미러(403)의 설계가 용이해지기 때문이다.
따라서, 레이저 집광부(400)에서는, 미러(402)로부터 반사형 공간 광 변조기(410) 및 4f 렌즈 유닛(420)을 통해서 다이크로익 미러(403)에 이르는 광로가, XY평면을 따르도록 설정되어 있으며, 다이크로익 미러(403)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 광로가, Z축방향을 따르도록 설정되어 있다.
도 9에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 출력부(300)에서는, 레이저광(L)의 광로가 X축방향 또는 Y축방향을 따르도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 레이저 발진기(310)로부터 미러(303)에 이르는 광로, 그리고 미러(304)로부터 λ／2 파장판 유닛(330), 편광판 유닛(340) 및 빔 익스팬더(350)를 통해서 미러 유닛(360)에 이르는 광로가, X축방향을 따르도록 설정되어 있으며, 미러(303)로부터 셔터(320)를 통해서 미러(304)에 이르는 광로, 및 미러 유닛(360)에서 미러(362)로부터 미러(363)에 이르는 광로가, Y축방향을 따르도록 설정되어 있다.
여기서, Z축방향을 따라서 레이저 출력부(300)로부터 레이저 집광부(400)로 진행한 레이저광(L)은, 도 11에 나타내어지는 바와 같이, 미러(402)에 의해서 XY평면에 평행한 방향으로 반사되고, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사한다. 이 때, XY평면에 평행한 평면내에서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사하는 레이저광(L)의 광축과, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출사되는 레이저광(L)의 광축은, 예각인 각도(α)를 이루고 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 레이저 출력부(300)에서는, 레이저광(L)의 광로가 X축방향 또는 Y축방향을 따르도록 설정되어 있다.
따라서, 레이저 출력부(300)에서, λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)을, 레이저광(L)의 출력을 조정하는 출력 조정부로서 뿐만 아니라, 레이저광(L)의 편광 방향을 조정하는 편광 방향 조정부로서도 기능시킬 필요가 있다.
[4f 렌즈 유닛]
상술한 바와 같이, 4f 렌즈 유닛(420)의 한 쌍의 렌즈(422, 423)는, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고 있다. 구체적으로는, 도 14에 나타내어지는 바와 같이, 반사형 공간 광 변조기(410)측의 렌즈(422)의 중심과 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)과의 사이의 광로의 거리가 렌즈(422)의 제1 초점 거리(f1)가 되고, 집광 렌즈 유닛(430)측의 렌즈(423)의 중심과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)과의 사이의 광로의 거리가 렌즈(423)의 제2 초점 거리(f2)가 되며, 렌즈(422)의 중심과 렌즈(423)의 중심과의 사이의 광로의 거리가 제1 초점 거리(f1)와 제2 초점 거리(f2)와의 합(즉, f1＋f2)으로 되어 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 광로 중 한 쌍의 렌즈(422, 423) 사이의 광로는, 일직선이다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광(L)의 유효 지름을 크게 하는 관점으로부터, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율(M)이, 0.5＜M＜1(축소계)을 만족하고 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광(L)의 유효 지름이 클수록, 고정밀한 위상 패턴으로 레이저광(L)이 변조된다. 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 레이저광(L)의 광로가 길어지는 것을 억제한다고 하는 관점에서는, 0.6≤M≤0.95로 할 수 있다. 여기서, (양측 텔레센트릭 광학계의 배율(M))=(집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)에서의 상의 크기)/(반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 물체의 크기)이다. 레이저 가공 장치(200)의 경우, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율(M), 렌즈(422)의 제1 초점 거리(f1) 및 렌즈(423)의 제2 초점 거리(f2)가, M=f2/f1를 만족하고 있다.
또, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광(L)의 유효 지름을 작게 하는 관점으로부터, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율(M)이, 1＜M＜2(확대계)를 만족하고 있어도 괜찮다. 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광(L)의 유효 지름이 작을수록, 빔 익스팬더(350)(도 9 참조)의 배율이 작아져, XY평면에 평행한 평면내에서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사하는 레이저광(L)의 광축과, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출사되는 레이저광(L)의 광축이 이루는 각도(α)(도 11 참조)가 작아진다. 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 레이저광(L)의 광로가 길어지는 것을 억제한다고 하는 관점에서는, 1.05≤M≤1.7로 할 수 있다.
[반사형 공간 광 변조기]
도 15에 나타내어지는 바와 같이, 반사형 공간 광 변조기(410)는, 실리콘 기판(213), 구동 회로층(914), 복수의 화소 전극(214), 유전체 다층막 미러 등의 반사막(215), 배향막(999a), 액정층(변조층)(216), 배향막(999b), 투명 도전막(217), 및 유리 기판 등의 투명 기판(218)이 이 순서로 적층됨으로써 구성되어 있다.
투명 기판(218)은, 표면(218a)을 가지고 있다. 표면(218a)은, 상술한 바와 같이, 실질적으로 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)을 구성하고 있다고도 파악되지만, 보다 구체적으로는, 레이저광(L)이 입사되는 입사면이다. 즉, 투명 기판(218)은, 예를 들면 유리 등의 광 투과성 재료로 이루어지며, 반사형 공간 광 변조기(410)의 표면(218a)으로부터 입사한 레이저광(L)을, 반사형 공간 광 변조기(410)의 내부로 투과시킨다. 투명 도전막(217)은, 투명 기판(218)의 이면(裏面) 상에 형성되어 있고, 레이저광(L)을 투과하는 도전성 재료(예를 들면 ITO)로 이루어진다.
복수의 화소 전극(214)은, 투명 도전막(217)을 따라서 실리콘 기판(213) 상에 매트릭스 모양으로 배열되어 있다. 각 화소 전극(214)은, 예를 들면 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어지며, 이들 표면(214a)은, 평탄하게 또한 매끄럽게 가공되어 있다. 표면(214a)은, 투명 기판(218)의 표면(218a)으로부터 입사한 레이저광(L)을, 표면(218a)을 향해서 반사시킨다. 즉, 반사형 공간 광 변조기(410)는, 레이저광(L)이 입사되는 표면(218a)과, 표면(218a)으로부터 입사한 레이저광(L)을 표면(218a)을 향해서 반사시키는 표면(214a)을 포함한다. 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)과의 사이에 마련되어 있으며, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출력하려고 하는 광 상(光像)에 따라 각 화소 전극(214)으로의 인가 전압을 제어한다. 이러한 액티브·매트릭스 회로는, 예를 들면 도시하지 않은 X축방향으로 늘어선 각 화소열의 인가 전압을 제어하는 제1 드라이버 회로와, Y축방향으로 늘어선 각 화소열의 인가 전압을 제어하는 제2 드라이버 회로를 가지고 있으며, 제어부(500)에 의해서 쌍방의 드라이버 회로에 의해 지정된 화소의 화소 전극(214)에 소정 전압이 인가되도록 구성되어 있다.
배향막(999a, 999b)은, 액정층(216)의 양단면에 배치되어 있고, 액정 분자군을 일정 방향으로 배열시킨다. 배향막(999a, 999b)은, 예를 들면 폴리이미드 등의 고분자 재료로 이루어지며, 액정층(216)과의 접촉면에 러빙(rubbing) 처리 등이 실시되어 있다.
액정층(216)은, 복수의 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)과의 사이에 배치되어 있고, 각 화소 전극(214)과 투명 도전막(217)에 의해 형성되는 전계(電界)에 따라 레이저광(L)을 변조한다. 즉, 구동 회로층(914)의 액티브·매트릭스 회로에 의해서 각 화소 전극(214)에 전압이 인가되면, 투명 도전막(217)과 각 화소 전극(214)과의 사이에 전계가 형성되고, 액정층(216)에 형성된 전계의 크기에 따라 액정 분자(216a)의 배열 방향이 변화한다. 그리고, 레이저광(L)이 투명 기판(218)및 투명 도전막(217)을 투과하여 액정층(216)에 입사하면, 이 레이저광(L)은, 액정층(216)을 통과하는 동안에 액정 분자(216a)에 의해서 변조되고, 반사막(215)에서 반사한 후, 다시 액정층(216)에 의해 변조되어, 출사한다.
이 때, 제어부(500)에 의해 각 화소 전극(214)에 인가되는 전압이 제어되고, 그 전압에 따라서, 액정층(216)에서 투명 도전막(217)과 각 화소 전극(214) 사이에 있는 부분의 굴절률이 변화한다(각 화소에 대응한 위치의 액정층(216)의 굴절률이 변화한다). 이 굴절률의 변화에 의해, 인가한 전압에 따라서, 레이저광(L)의 위상을 액정층(216)의 화소마다 변화시킬 수 있다. 즉, 홀로그램 패턴에 따른 위상 변조를 화소마다 액정층(216)에 의해서 부여할 수 있다.
환언하면, 변조를 부여하는 홀로그램 패턴으로서의 변조 패턴을, 반사형 공간 광 변조기(410)의 액정층(216)에 표시시킬 수 있다. 변조 패턴에 입사하고 투과하는 레이저광(L)은, 그 파면이 조정되며, 그 레이저광(L)을 구성하는 각 광선에서 진행 방향에 직교하는 소정 방향의 성분의 위상에 어긋남이 생긴다. 따라서, 반사형 공간 광 변조기(410)에 표시시키는 변조 패턴을 적절히 설정하는 것에 의해, 레이저광(L)이 변조(예를 들면, 레이저광(L)의 강도, 진폭, 위상, 편광 등이 변조)가능하게 된다.
또 환언하면, 각 화소 전극(214)에 인가하는 전압에 따라서, 화소 전극(214)의 배열 방향을 따라서 액정층(216)에 굴절률 분포가 발생하며, 레이저광(L)에 위상 변조를 부여할 수 있는 위상 패턴이 액정층(216)에 표시된다. 즉, 반사형 공간 광 변조기(410)는, 표면(218a)과 표면(214a)과의 사이에 배치되고, 위상 패턴을 표시하여 레이저광(L)을 변조하는 액정층(변조층)(216)을 포함한다.
계속하여, 반사형 공간 광 변조기(410)에 대해 보다 상세하게 설명한다. 반사형 공간 광 변조기(410)는, 500nm 이상 550nm 이하의 제1 파장대, 1000nm 이상 1150nm 이하의 제2 파장대, 및 1300nm 이상 1400nm 이하의 제3 파장대 등의 서로 연속하지 않는 복수의 파장대에 대응 가능하게 구성되어 있다(다파장(多波長) 대응임). 그 때문에, 화소 전극(214)의 표면(214a)에는, 복수의 파장대에 고반사율 영역을 가지는 유전체 다층막인 반사막(215)이 형성되어 있다. 도 16의 (a)는, 반사막(215)의 반사율 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 16의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 여기에서는, 반사막(215)은, 제1 파장대에 대응하는 고반사율 영역(RR1), 제2 파장대에 대응하는 고반사율 영역(RR2), 및 제3 파장대에 대응하는 고반사율 영역(RR3)을 가진다.
고반사율 영역(RR1~RR3)의 각각의 사이에는, 저반사율 영역이 형성되어 있다. 이것에 의해, 고반사율 영역(RR1~RR3)은, 고반사율의 범위에서 서로 불연속으로 되어 있다. 여기서의 고반사율 영역이란, 반사율이 95% 이상의 영역이다. 따라서, 여기에서는, 저반사율 영역이란, 95%보다도 반사율이 낮은 영역이다. 또, 이와 같이, 반사막(215)은, (고반사율의 범위에서) 서로 연속하지 않는 복수의 고반사율 영역(RR1~RR3)을 포함하지만, 고반사율 영역(RR1)~고반사율 영역(RR3)을 고반사율의 범위에서 연속시키는 것도 가능하다. 즉, 일 예로서, 제1 파장대의 하한인 500nm로부터 제3 파장대의 상한인 1400nm까지의 파장대의 전체에 걸쳐서 고반사율이 되도록 반사막(215)을 구성하는 것도 가능하다. 그렇지만, 이 경우에는, 유전체 다층막의 막수(膜수)가 증가되어, 반사막(215)의 막 두께가 증대된다. 그 결과, 액정층(216)에 소정의 위상 패턴을 표시하기 위해서 큰 전압이 필요하게 된다. 따라서, 상기와 같이, 대상이 되는 파장대(제1 파장대~ 제3 파장대)의 각각만을 고반사율로 하여 유전체 다층막의 막 두께의 증대를 억제하는 것이 유리하다.
또, 투명 기판(218)의 표면(218a)에는, 복수의 파장대에 고투과율 영역을 가지는 반사 방지막(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 도 16의 (b)는, 반사 방지막의 투과율 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 16의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 표면(218a)에 마련된 반사 방지막은, 제1 파장대에 대응하는 고투과율 영역(TR1), 제2 파장대에 대응하는 고투과율 영역(TR2), 및 제3 파장대에 대응하는 고투과율 영역(TR3)을 가진다. 또, 도 16의 (b)에서는, 실선에 의해 0%~100%의 투과율의 범위(좌측의 세로축)를 나타내고, 파선에 의해 90%~100%의 투과율의 범위(우측의 세로축)를 나타내고 있다. 또, 여기서의 고투과율 영역이란, 투과율이 대체로 98% 이상의 영역이다.
여기서, 화소 전극(214)의 표면(214a)은, 소정의 평면도를 가진다. 즉, 표면(214a)은, 소정의 왜곡(변형)을 가지고 있는 경우가 있다. 표면(214a)에 왜곡이 생기면, 표면(214a)에서 반사된 레이저광(L)의 파면에도 왜곡이 부여된다. 이 때문에, 레이저 가공 장치(200)는, 파면의 왜곡을 보정하기 위한 위상 패턴인 왜곡 보정 패턴을 가지고 있다. 도 17의 (a)는, 왜곡의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 17의 (a)의 예에서는, 예를 들면 실리콘 기판(213)의 휨에 따라서, 복수의 화소 전극(214)의 표면(214a)에 걸쳐서 왜곡이 생기는 경우를 나타내고 있다.
도 17의 (b)는, 도 17의 (a)의 왜곡량을 레이저광(L)의 파장으로 나누는 것에 의해, 파장 환산의 왜곡량으로 한 그래프이다. 또, 도 17의 (b)에서는, 가로축이 화소 전극(214)의 픽셀 번호(픽셀 위치)로 전환되어 있다. 도 17의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 파장 환산의 왜곡량은, 1파장(2π)마다 되접힘(S1, S2)이 형성된다. 이 때문에, 파장 환산의 경우, 예를 들면, 레이저광(L)의 파장이 1064nm일 때(실선)와, 레이저광(L)의 파장이 532nm일 때(파선)에서, 각 픽셀에서의 왜곡량이 다르다. 즉, 레이저광(L)의 파장에 따라 다른 위상 변조량(즉, 왜곡 보정 패턴)이 필요하게 된다.
도 18의 (a)는, 1064nm의 파장에 대한 왜곡 보정 패턴이며, 도 18의 (b)는, 532nm의 파장에 대한 왜곡 보정 패턴이다. 또, 도 18은, 실제로는, 왜곡 보정 패턴을 액정층(216)에 표시하기 위한 화상 신호를 나타내고 있다. 화상 신호에서는, 그 휘도값의 분포가 전압을 매개로 하여 액정층(216)의 굴절률의 분포에 상당한다. 따라서, 도 18의 화상 신호는 위상 패턴(왜곡 보정 패턴)과 등가(等價)이다. 도 18에 나타내어지는 바와 같이, 1064nm의 파장에 대한 왜곡 보정 패턴은, 되접힘(S1)에 대응하는 패턴을 포함하는 것에 대해서, 532nm의 파장에 대한 왜곡 보정 패턴은, 되접힘(S1)과 되접힘(S2)에 대응하는 패턴을 포함한다(되접힘의 주기가 절반이다).
레이저 가공 장치(200)는, 이와 같이, 복수의 파장대마다 다른 왜곡 보정 패턴을 유지하고 있다(즉, 패턴 유지부를 가지고 있다). 패턴 유지부는, 제어부(500)에 구성되어도 괜찮고, 반사형 공간 광 변조기(410)에 구성되어도 괜찮다. 여기에서는, 적어도, 제1 파장대, 제2 파장대, 및 제3 파장대인 3개의 파장대에 따른 왜곡 보정 패턴이 유지되어 있다. 그리고, 각각의 왜곡 보정 패턴은, 왜곡 보정량을 각각의 파장으로 환산하여 얻어지는 패턴, 즉, 파장에 따른 주기로 왜곡 보정량(위상 변조량)의 되접힘(S1, S2)이 형성된 패턴으로 되어 있다.
여기서, 레이저 가공 장치(200)는, 위상 패턴을 액정층(216)에 형성하기 위한 화상 신호의 휘도값과, 위상 패턴의 위상 변조량을 대응지은 테이블(이하, 「LUT(Look-Up table)」라고 함)을 가지고 있다. 계속하여, 이 LUT에 대해 설명한다. 도 19의 (a)는, 액정층(216)에 부가하는 전압과, 액정층(216)에 의해 레이저광(L)에 부여되는 위상 변조량(파장 표시)과의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 도 19의 (b)는, LUT의 일례를 나타내는 도면이다. 도 19의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 예를 들면, 1064nm의 파장의 레이저광(L)에 대해서 1파장(1064nm)분의 위상 변조를 부여하기 위해서는, 대체로 2V의 전압을 액정층(216)에 부여하면 좋다.
따라서, 도 19의 (b)의 실선으로 나타내어지는 바와 같이, 0~2V의 전압을, 화상 신호의 256계조의 휘도값에 할당하는 것에 의해, 1064nm의 레이저광(L)의 0~2π(1파장분)의 위상 변조량과, 256계조의 휘도값을 대응지을 수 있다. 한편으로, 도 19의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 532nm의 파장의 레이저광(L)에 대해서 1파장(532nm)분의 위상 변조를 부여하기 위해서는, 2V보다도 작은 전압(예를 들면 1.2 V 정도)를 액정층(216)에 부여하면 충분하다. 또, 위상 변조량은 절대량이 아니라, 차분(差分)이 된다. 그 때문에, 예를 들면 LUT로서, 532nm의 레이저광에서, 2.4 V~3.5V 정도의 영역을 사용하는 것도 가능하다. 사용하는 전압 범위에서, 액정의 응답 속도 등의 특성이 변화하므로, 용도에 따라서, 최적인 전압 범위를 사용하는 것이 가능하다.
따라서, 상기와 같이, 0~2V의 전압을 화상 신호의 256계조의 휘도값에 할당하고 있으면, 도 19의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 532nm의 레이저광(L)에 대해서는, 2π(1파장분)보다도 큰 위상 변조량(예를 들면 4π)이, 256계조의 휘도값에 대응지어진다. 따라서, 실효적인 532nm의 레이저광(L)의 2π분(1파장분)의 위상 변조량에 대해서, 256계조보다도 적은 계조(예를 들면 128계조)의 휘도값이 사용되게 된다. 이 때문에, 이와 같이 복수의 파장으로 동일한 LUT를 이용하면, 복수의 파장 중 상대적으로 짧은 파장의 레이저광(L)의 변조후의 파면의 재현성이 열화된다.
이것에 대해서, 레이저 가공 장치(200)는, 파장대마다 다른 LUT를 유지하고 있다. 일 예로서, 레이저 가공 장치(200)는, 상기와 같이, 0~2V의 전압을, 화상 신호의 256계조의 휘도값에 할당하는 것에 의해, 1064nm의 레이저광(L)의 0~2π(1파장분)의 위상 변조량과, 256계조의 휘도값을 대응지은 LUT(도 20의 (a) 참조)와, 0~1.2V의 전압을, 화상 신호의 256계조의 휘도값에 할당하는 것에 의해, 532nm의 레이저광(L)의 0~2π(1파장분)의 위상 변조량과, 256계조의 휘도값을 대응지은 LUT(도 20의 (b) 참조)를 유지하고 있다. 또, 도 20의 (a)와 (b)의 LUT는, 세로축을 파장 표시하는 것에 의해, 서로 다르도록 표기될 수 있다.
레이저 가공 장치(200)는, 이와 같이, 파장대마다 다른 LUT를 유지하고 있다(즉, 테이블 유지부를 가지고 있다). 테이블 유지부는, 제어부(500)에 구성되어도 괜찮고, 반사형 공간 광 변조기(410)에 구성되어도 괜찮다. 여기에서는, 적어도, 제1 파장대, 제2 파장대, 및 제3 파장대의 3개의 파장대에 따른 LUT가 유지되어 있다. 그리고, 각각의 LUT에서는, 짧은 파장대일수록, 파장 환산으로 적은 위상 변조량을 일정한 계조(여기에서는 256계조)의 휘도값에 대응지어져 있다.
이상 설명한 바와 같이, 레이저 가공 장치(200)에서는, 레이저광(L)은, 반사형 공간 광 변조기(410)의 위상 패턴에 따라 변조된 후에, 집광 렌즈 유닛(430)에 의해 가공 대상물(1)을 향해서 집광된다. 반사형 공간 광 변조기(410)는, 레이저광(L)이 입사하는 투명 기판(218)의 표면(218a)과, 표면(218a)으로부터 입사한 레이저광(L)을 반사하는 화소 전극(214)의 표면(214a)과, 표면(218a)과 표면(214a)과의 사이에 배치된 액정층(216)을 가진다.
레이저광(L)은, 표면(218a)으로부터 입사하여 액정층(216)을 통과할 때에, 위상 패턴에 따라 변조된다. 또, 레이저광(L)은, 표면(214a)에서 반사되어 다시 액정층(216)을 통과할 때에도 변조되고, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출사된다. 여기서, 표면(214a)에는, 서로 연속하지 않는 복수의 파장대에 고반사율 영역(RR1~RR3)을 가지는 유전체 다층막인 반사막(215)이 형성되어 있다. 따라서, 이 반사형 공간 광 변조기(410)에 의하면, 복수의 파장대의 레이저광(L)의 표면(214a)에서의 로스를 저감하면서, 레이저광(L)을 변조할 수 있다. 따라서, 이 레이저 가공 장치(200)는, 복수의 파장대에 대응할 수 있다.
또, 레이저 가공 장치(200)는, 화소 전극(214)의 표면(214a)의 평면도(平面度)에 따라 레이저광(L)의 파면에 부여되는 왜곡을 보정하기 위한 위상 패턴인 왜곡 보정 패턴을 유지하는 패턴 유지부(예를 들면 제어부(500))를 구비하고 있다. 그리고, 패턴 유지부는, 파장대마다 다른 왜곡 보정 패턴을 유지하고 있다. 상술한 바와 같이, 화소 전극(214)의 표면(214a)은, 반사형 공간 광 변조기(410)마다 소정의 평면도를 가지고 있다. 그렇지만, 그 평면도에 따라 레이저광(L)의 파면에 부여되는 왜곡을 보정하기 위해서는, 파장에 따라 다른 위상 변조량이 필요하게 된다. 따라서, 이와 같이, 파장대마다 다른 왜곡 보정 패턴을 유지하고 있으면, 용이하게 또한 확실하게 복수의 파장대에 대응할 수 있다.
또, 레이저 가공 장치(200)는, 위상 패턴을 액정층(216)에 표시하기 위한 화상 신호의 휘도값과, 위상 패턴의 위상 변조량을 대응지은 LUT를 유지하는 테이블 유지부(예를 들면 제어부(500))를 구비하고 있다. 그리고, 테이블 유지부는, 파장대마다 다른 LUT를 유지하고 있다. 상술한 바와 같이, 어느 파장의 레이저광(L)에 대해서, 그 1파장분(2π분)의 위상 변조량에 대해서, 예를 들면 화상 신호의 256계조의 휘도값을 할당한(대응지은) LUT를 준비하는 것에 의해, 그 파장에 적절한 위상 변조 패턴을 용이하게 액정층(216)에 표시 가능하게 된다.
그렇지만, 그 파장보다도 짧은 파장의 레이저광(L)에 대해서는, 동일한 LUT를 이용하면, 1파장분의 위상 변조량에 대해서 보다 적은 계조의 휘도값이 사용되게 되어, 변조후의 파면의 재현성이 떨어진다. 이것에 대해서, 레이저 가공 장치(200)는, 파장대마다 다른 LUT를 유지하고 있다. 이 때문에, 각각의 파장대에 바람직한 LUT를 이용하는 것이 가능하게 되어, 파면의 재현성이 저하되는 것이 억제된다.
게다가, 레이저 가공 장치(200)에서는, 투명 기판(218)의 표면(218a)에는, 복수의 파장대에 고투과율 영역(TR1~TR3)을 가지는 반사 방지막이 형성되어 있다. 이 때문에, 레이저광(L)의 로스를 보다 저감하고, 확실히 복수의 파장대에 대응할 수 있게 된다.
이상은, 본 발명의 일측면의 일 실시 형태이다. 본 발명의 일측면은, 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 각 청구항의 요지를 변경하지 않는 범위에서 변형하거나, 또는 다른 것에 적용해도 괜찮다.
예를 들면, 상기 실시 형태는, 가공 대상물(1)의 내부에 개질 영역(7)을 형성하는 것에 한정되지 않고, 어블레이션(ablation) 등, 다른 레이저 가공을 실시하는 것이라도 좋다. 상기 실시 형태는, 가공 대상물(1)의 내부에 레이저광(L)을 집광시키는 레이저 가공에 이용되는 레이저 가공 장치에 한정되지 않고, 가공 대상물(1)의 표면(1a, 3) 또는 이면(1b)에 레이저광(L)을 집광시키는 레이저 가공에 이용되는 레이저 가공 장치라도도 좋다.
또, 상기 실시 형태에서, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사동면(430a)이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하는 결상 광학계는, 한 쌍의 렌즈(422, 423)에 한정되지 않고, 반사형 공간 광 변조기(410)측의 제1 렌즈계(예를 들면, 접합 렌즈, 3개 이상의 렌즈 등) 및 집광 렌즈 유닛(430)측의 제2 렌즈계(예를 들면, 접합 렌즈, 3개 이상의 렌즈 등)를 포함하는 것 등이라도 좋다.
또, 레이저 집광부(400)에서는, 한 쌍의 렌즈(422, 423)를 통과한 레이저광(L)을 집광 렌즈 유닛(430)을 향해서 반사하는 미러가, 다이크로익 미러(403)이었지만, 해당 미러는, 전반사(全反射) 미러라도 좋다.
또, 집광 렌즈 유닛(430) 및 한 쌍의 측거 센서(450)는, Y축방향에서의 케이스(401)의 단부(401d)에 장착되어 있었지만, Y축방향에서의 케이스(401)의 중심 위치보다도 단부(401d)측으로 치우쳐져 장착되어 있으면 된다. 반사형 공간 광 변조기(410)는, Y축방향에서의 케이스(401)의 단부(401c)에 장착되어 있었지만, Y축방향에서의 케이스(401)의 중심 위치보다도 단부(401c)측으로 치우쳐져 장착되어 있으면 된다. 또, 측거 센서(450)는, X축방향에서 집광 렌즈 유닛(430)의 편측에만 배치되어 있어도 괜찮다.
[산업상의 이용 가능성]
복수의 파장대에 대응할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
1 - 가공 대상물
100, 200 - 레이저 가공 장치
214a - 표면(반사면)
215 - 반사막(유전체 다층막)
216 - 액정층(변조층)
218a - 표면(입사면)
300 - 레이저 출력부
410 - 반사형 공간 광 변조기(공간 광 변조기)
430 - 집광 렌즈 유닛(대물 렌즈)
500 - 제어부(패턴 유지부, 테이블 유지부)
L - 레이저광

Claims (6)

  1. 레이저광을 대상물에 조사하여 상기 대상물의 레이저 가공을 행하는 레이저 가공 장치로서,
    상기 레이저광을 출력하는 레이저 출력부와,
    상기 레이저 출력부로부터 출력된 상기 레이저광을 위상 패턴에 따라 변조(變調)하면서 반사하는 공간 광 변조기와,
    상기 공간 광 변조기로부터의 상기 레이저광을 상기 대상물을 향해서 집광(集光)하는 대물 렌즈를 구비하며,
    상기 공간 광 변조기는, 상기 레이저광이 입사하는 입사면과, 상기 입사면으로부터 입사한 상기 레이저광을 상기 입사면을 향해서 반사하는 반사면과, 상기 입사면과 상기 반사면과의 사이에 배치되고, 상기 위상 패턴을 표시하여 상기 레이저광을 변조하는 변조층을 가지며,
    상기 반사면에는, 서로 연속하지 않는 복수의 파장대(波長帶)에 고반사율 영역을 가지는 유전체 다층막이 형성되어 있는 레이저 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사면의 평면도(平面度)에 따라 상기 레이저광의 파면(波面)에 부여되는 왜곡을 보정하기 위한 상기 위상 패턴인 왜곡 보정 패턴을 유지하는 패턴 유지부를 구비하며,
    상기 패턴 유지부는, 상기 파장대마다 다른 상기 왜곡 보정 패턴을 유지하고 있는 레이저 가공 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 위상 패턴을 상기 변조층에 표시하기 위한 화상 신호의 휘도값과, 상기 위상 패턴의 위상 변조량을 대응지은 테이블을 유지하는 테이블 유지부를 구비하며,
    상기 테이블 유지부는, 상기 파장대마다 다른 상기 테이블을 유지하고 있는 레이저 가공 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사면에는, 상기 복수의 파장대에 고투과율 영역을 가지는 반사 방지막이 형성되어 있는 레이저 가공 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 파장대는, 500nm 이상 550nm 이하의 제1 파장대, 및 1000nm 이상 1150nm 이하의 제2 파장대를 포함하는 레이저 가공 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 파장대는, 1300nm 이상 1400nm 이하의 제3 파장대를 포함하는 레이저 가공 장치.
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