KR20210027349A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20210027349A
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laser light
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준지 오쿠마
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

제1 파장의 레이저광을 가공 대상물의 제1 표면측으로부터 상기 가공 대상물에 조사하는 것에 의해, 상기 가공 대상물의 레이저 가공을 행하기 위한 레이저 가공 장치로서, 상기 레이저광을 출력하는 레이저 광원과, 상기 제1 표면을 향해서 상기 레이저광을 집광하여 집광점을 형성하는 집광 유닛과, 상기 제1 표면으로부터의 상기 레이저광의 반사광을 촬상하는 카메라와, 변조 패턴에 따라 상기 레이저광을 변조하기 위한 공간 광 변조기와, 상기 레이저 광원의 제어에 의해서 상기 제1 표면에 상기 레이저광을 조사함과 아울러, 상기 카메라의 제어에 의해 상기 반사광을 촬상하는 것에 의해서, 상기 제1 파장에 대한 상기 제1 표면의 반사율을 취득하는 취득 처리를 실행하는 제어부를 구비하며, 상기 제어부는, 상기 취득 처리를 실행하기 전에, 상기 제1 표면에서의 상기 레이저광의 파워 밀도를 저하시키기 위한 상기 변조 패턴을 상기 공간 광 변조기에 제시시키는 변조 처리를 실행하는 레이저 가공 장치.

Description

레이저 가공 장치
본 개시의 일 측면은, 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는, 레이저 가공 방법이 기재되어 있다. 이 레이저 가공 방법은, 피가공물의 피조사면에서의 레이저 빔의 반사율을 검출하는 반사율 검출 스텝과, 검출한 반사율에 근거하여 피가공물의 피조사면에 반사 방지막을 형성하여 해당 피조사면을 소정의 반사율 이하로 하는 반사 방지막 형성 스텝과, 해당 반사 방지막 형성 스텝을 실시한 후, 레이저 빔을 피가공물의 피조사면에 조사하여 피가공물의 내부에 개질층을 형성하는 레이저 가공 스텝을 구비한다.
특허 문헌 1 : 일본특허 제5902529호
그런데, 반사율 검출을 위해서 피가공물에 레이저 빔을 조사하면, 피가공물에 데미지가 생길 우려가 있다. 이것에 대해서, 상기의 레이저 가공 방법에서는, 구체적으로 어떠한 구성에 의해 실현될지는 불분명하지만, 반사율 검출용의 레이저 빔의 출력이, 개질층을 형성할 때의 출력보다도 작게 되어 있다. 이와 같이, 상기 기술 분야에서는, 가공 대상물에의 데미지를 억제하면서 반사율을 취득하는 것이 원해지고 있다.
본 개시의 일 측면은, 가공 대상물에의 데미지를 억제하면서 반사율을 취득할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 측면에 관한 레이저 가공 장치는, 제1 파장의 레이저광을 가공 대상물의 제1 표면측으로부터 가공 대상물에 조사하는 것에 의해, 가공 대상물의 레이저 가공을 행하기 위한 레이저 가공 장치로서, 레이저광을 출력하는 레이저 광원과, 제1 표면을 향해서 레이저광을 집광하여 집광점을 형성하는 집광 유닛과, 제1 표면으로부터의 레이저광의 반사광을 촬상하는 카메라와, 변조 패턴에 따라 레이저광을 변조하기 위한 공간 광 변조기와, 레이저 광원의 제어에 의해서 제1 표면에 레이저광을 조사함과 아울러, 카메라의 제어에 의해 반사광을 촬상하는 것에 의해서, 제1 파장에 대한 제1 표면의 반사율을 취득하는 취득 처리를 실행하는 제어부를 구비하며, 제어부는, 취득 처리를 실행하기 전에, 제1 표면에서의 레이저광의 파워 밀도를 저하시키기 위한 변조 패턴을 공간 광 변조기에 제시시키는 변조 처리를 실행한다.
이 레이저 가공 장치에서는, 제어부가, 레이저 광원의 제어에 의해 가공 대상물의 제1 표면에 레이저광을 조사함과 아울러, 카메라의 제어에 의해 레이저광의 반사광을 촬상하는 것에 의해서, 레이저광에 대한 제1 표면의 반사율을 취득하는 취득 처리를 실행한다. 이 때, 제어부는, 제1 표면에서의 레이저광의 파워 밀도를 저하시키기 위한 변조 패턴을 공간 광 변조기에 제시시키는 변조 처리를 실행한다. 이와 같이, 이 레이저 가공 장치에 있어서는, 반사율 취득시에, 공간 광 변조기를 이용하여 레이저광의 파워 밀도를 저하시킨다. 이것에 의해, 가공 대상물에의 데미지를 억제하면서 반사율을 취득할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 관한 레이저 가공 장치에서는, 제어부는, 변조 처리로서, 집광점을 제1 표면으로부터 시프트시키기 위한 변조 패턴인 시프트 패턴을 공간 광 변조기에 제시시켜도 괜찮다. 이 때, 본 개시의 일 측면에 관한 레이저 가공 장치는, 가공 대상물을 지지하는 지지대와, 지지대를 이동시키기 위한 이동 기구와, 반사광을 카메라를 향해서 집광하기 위한 집광 렌즈를 더 구비하며, 제어부는, 집광점을 제1 표면으로부터 시프트시켰을 때에 제1 표면으로부터의 반사광이 카메라에 집광하도록, 이동 기구에 의해서 지지대를 이동시켜도 괜찮다. 이 경우, 제1 표면에서의 레이저광의 파워 밀도를 저하시키면서, 카메라 상에서의 반사광의 파워 밀도의 저하를 억제할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 관한 레이저 가공 장치에서는, 제어부는, 변조 처리로서, 레이저광의 제1 표면에서의 스폿 형상을 변화시키기 위한 변조 패턴인 스폿 변형 패턴을 공간 광 변조기에 제시시켜도 괜찮다. 이 경우, 제1 표면에서의 레이저광의 스폿의 상태와, 카메라 상에서의 반사광의 스폿의 상태와의 괴리를 억제하면서, 제1 표면에서의 레이저광의 파워 밀도를 저하시킬 수 있다.
본 개시의 일 측면에 관한 레이저 가공 장치에서는, 제어부는, 취득 처리로서, 카메라의 제어에 의해서 제1 표면으로부터의 반사광을 촬상하는 것에 의해, 제1 표면으로부터의 반사광의 광량(光量)인 제1 광량을 취득하는 제1 처리와, 레이저 광원의 제어에 의해서, 제1 파장에 대한 반사율이 기지(旣知)인 참조 표면을 가지는 참조물에 참조 표면측으로부터 레이저광을 조사함과 아울러, 카메라의 제어에 의해서, 참조 표면으로부터의 반사광을 촬상하는 것에 의해 참조 표면으로부터의 반사광의 광량인 참조 광량을 취득하는 제2 처리와, 제1 파장에 대한 참조 표면의 반사율, 제1 광량, 및 참조 광량에 근거하여, 제1 파장에 대한 제1 표면의 반사율을 산출하는 제3 처리를 실행하며, 제어부는, 변조 처리로서, 제1 처리에서의 제1 표면에서의 레이저광의 스폿 형상이, 제2 처리에서의 참조 표면에서의 레이저광의 스폿 형상과 다르도록, 변조 패턴을 공간 광 변조기에 제시시켜도 괜찮다. 이와 같이, 참조 표면에서의 반사광의 광량을 취득하는 경우(제2 처리)와, 가공 대상물의 제1 표면에서의 반사광의 광량을 취득하는 경우(제1 처리)와의 사이에서, 레이저광의 스폿 형상을 다르게 하는 것에 의해, 각각의 표면의 반사율에 따른 적절한 스폿 형상을 실현할 수 있다. 이 결과, 계측 가능한 반사율의 다이나믹 레인지를 확대할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 가공 대상물에의 데미지를 억제하면서 반사율을 취득할 수 있는 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 9은 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 7에 나타내어진 레이저 가공 장치의 부분적인 모식도이다.
도 17은 레이저광 및 반사광의 스폿을 나타내는 도면이다.
도 18은 도 7에 나타내어진 레이저 가공 장치의 부분적인 모식도로서, 제어부에 의한 포커스 시프트의 모습을 나타내는 도면이다.
도 19는 변조 패턴과 레이저광 및 반사광의 스폿을 나타내는 도면이다.
도 20은 도 7에 나타내어진 레이저 가공 장치의 부분적인 모식도로서, 제어부에 의한 포커스 시프트의 모습을 나타내는 도면이다.
도 21은 레이저광 및 반사광의 스폿을 나타내는 도면이다.
도 22는 변조 패턴 및 레이저광의 스폿을 나타내는 도면이다.
도 23은 레이저광의 스폿을 나타내는 도면이다.
도 24는 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 25는 각 모드에서의 가공의 모습을 나타내는 모식적인 단면도이다.
도 26은 레이저 가공 방법의 제1 공정을 나타내는 플로우차트이다.
도 27은 레이저 가공 방법의 제2 공정을 나타내는 플로우차트이다.
도 28은 레이저 가공 방법의 제3 공정 및 제4 공정을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 도면을 참조하여 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치의 일 실시 형태에 대해 설명한다. 또, 도면의 설명에서는, 동일한 요소끼리, 혹은, 상당하는 요소끼리에는, 서로 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(改質) 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(光軸)(광로(光路))의 방향을 90°바꾸도록 배치된 다이크로익 미러(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 A 방향으로) 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)이란, 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 좋다. 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 모양이라도 점 모양이라도 좋고, 요점은, 개질 영역(7)은 적어도 가공 대상물(1)의 내부, 표면(3) 또는 이면에 형성되어 있으면 좋다. 개질 영역(7)을 기점으로 균열이 형성되는 경우가 있고, 균열 및 개질 영역(7)은, 가공 대상물(1)의 외표면(표면(3), 이면, 혹은 외주면)에 노출되어 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 거의 흡수되지 않으므로, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융하지 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 용융되어 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 용융 후 재고체화한 영역, 용융 상태 중의 영역 및 용융으로부터 재고체화하는 상태 중의 영역 중 적어도 어느 하나를 의미함), 크랙 영역, 절연 파괴 영역, 굴절률 변화 영역 등이 있고, 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, 고전위 밀도 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 걸쳐지는 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 좋다. 또, 가공 대상물(1)은, 비결정 구조(비정질 구조)를 가지는 비결정 재료로 이루어지는 기판을 포함하고 있어도 좋고, 예를 들면 글라스 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, 수평면 내에서 서로 직교하는 방향을 X축 방향 및 Y축 방향으로 하고, 연직 방향을 Z축 방향으로 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(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, Y축 방향을 따라서 연장되는 한 쌍의 레일(221a, 221b)이 마련되어 있다. 제2 레일 유닛(222)은, Y축 방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 제1 레일 유닛(221)의 한 쌍의 레일(221a, 221b)에 장착되어 있다. 제2 레일 유닛(222)에는, X축 방향을 따라서 연장되는 한 쌍의 레일(222a, 222b)이 마련되어 있다. 가동 베이스(223)는, X축 방향을 따라서 이동 가능하게 되도록, 제2 레일 유닛(222)의 한 쌍의 레일(222a, 222b)에 장착되어 있다. 가동 베이스(223)는, Z축 방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전 가능하다.
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 지지될 때에, 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 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, Y축 방향을 따라서 이동된다. 또, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에서 가동 베이스(223)가 동작함으로써, X축 방향을 따라서 이동시켜진다. 게다가, 지지대(230)는, 제1 이동 기구(220)에서 가동 베이스(223)가 동작함으로써, Z축 방향에 평행한 축선을 중심선으로 하여 회전시켜진다. 이와 같이, 지지대(230)는, X축 방향 및 Y축 방향을 따라서 이동 가능하게 되고 또한 Z축 방향에 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, Z축 방향을 따라서 이동시켜진다. 이와 같이, 레이저 집광부(400)는, 레이저 출력부(300)에 대해서 Z축 방향을 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 X축 방향에 평행한 방향으로 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 따라서 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 따라서 개질 영역의 형성이 종료하면, 제1 이동 기구(220)에 의해서 지지대(230)가 회전시켜지고, 가공 대상물(1)의 각 절단 예정 라인(5b)이 X축 방향에 평행한 방향으로 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, X축 방향에 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 X축 방향을 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 Y축 방향을 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(레이저 광원)(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(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 X축 방향을 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 적절하다. 1000~1150nm 및 1300~1400nm인 각 파장대의 레이저광(L)은, 예를 들면 실리콘으로 이루어지는 기판에 대한 내부 흡수형 레이저 가공에 적절하다. 레이저 발진기(310)로부터 출사되는 레이저광(L)의 편광 방향은, 예를 들면, Y축 방향에 평행한 방향이다. 레이저 발진기(310)로부터 출사된 레이저광(L)은, 미러(303)에 의해서 반사되고, Y축 방향을 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 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(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, 기계식 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 반사되어, X축 방향을 따라서 λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)에 순차 입사한다.
λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)은, 레이저광(L)의 출력(광 강도)을 조정하는 어테뉴에이터(550)로서 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 순차 통과한 레이저광(L)은, X축 방향을 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, X축 방향을 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, X축 방향 및 Y축 방향을 따라서 위치 조정 가능하게 되도록, 장착 베이스(301)에 장착되어 있다. 미러(제1 미러)(362)는, 빔 익스팬더(350)를 통과한 레이저광(L)을 Y축 방향으로 반사한다. 미러(362)는, 그 반사면이 예를 들면 Z축에 평행한 축선 둘레로 각도 조정 가능하게 되도록, 지지 베이스(361)에 장착되어 있다.
미러(제2 미러)(363)는, 미러(362)에 의해서 반사된 레이저광(L)을 Z축 방향으로 반사한다. 미러(363)는, 그 반사면이 예를 들면 X축에 평행한 축선 둘레로 각도 조정 가능하게 되고 또한 Y축 방향을 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, Z축 방향을 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 방향으로 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, Y축 방향을 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 Z축 방향에서 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)과 광 입사부(401a)는, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 Z축 방향을 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(집광 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 Z축 방향에서 대향하도록, 케이스(401)의 저면(401b)에 장착되어 있다. 미러(402)는, 광 입사부(401a)를 통해서 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 Z축 방향을 따라서 입사한다. 즉, 미러(402)에는, 레이저광(L)이 평행광으로서 Z축 방향을 따라서 입사한다. 그 때문에, 제2 이동 기구(240)에 의해서 레이저 집광부(400)가 Z축 방향을 따라서 이동시켜져도, Z축 방향을 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 면(臨)한 상태에서, Y축 방향에서의 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 Y축 방향으로 반사한다. 반사형 공간 광 변조기(410)에 의해서 변조됨과 아울러 반사된 레이저광(L)은, Y축 방향을 따라서 4f 렌즈 유닛(420)에 입사한다. 여기서, XY평면에 평행한 평면 내에서, 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 억제하고, 반사형 공간 광 변조기(410)의 성능을 충분히 발휘시키기 위함이다. 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 동일하다고 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 입사 동면(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(像))이, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동면(430a)에 전상(轉像)(결상(結像))된다. 슬릿 부재(424)에는, 슬릿(424a)이 형성되어 있다. 슬릿(424a)은, 렌즈(422)와 렌즈(423)와의 사이로서, 렌즈(422)의 초점면 부근에 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, Y축 방향을 따라서 다이크로익 미러(403)에 입사한다.
다이크로익 미러(403)는, 레이저광(L)의 대부분(예를 들면, 95~99.5%)을 Z축 방향으로 반사하고, 레이저광(L)의 일부(예를 들면, 0.5~5%)를 Y축 방향을 따라서 투과시킨다. 레이저광(L)의 대부분은, 다이크로익 미러(403)에서 ZX평면을 따라서 직각으로 반사된다. 다이크로익 미러(403)에 의해서 반사된 레이저광(L)은, Z축 방향을 따라서 집광 렌즈 유닛(430)에 입사한다.
집광 렌즈 유닛(430)은, Y축 방향에서의 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 Z축 방향을 따라서 이동시킨다.
한 쌍의 측거 센서(450)는, X축 방향에서 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 측거용의 광(예를 들면, 레이저광)을 출사하고, 해당 레이저광 입사면에 의해서 반사된 측거용의 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 방식 등의 센서를 이용할 수 있다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 상술한 바와 같이, X축 방향에 평행한 방향이 가공 방향(레이저광(L)의 스캔 방향)으로 되어 있다. 그 때문에, 각 절단 예정 라인(5a, 5b)을 따라서 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 Z축 방향을 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, Z축 방향을 따라서 한 쌍의 렌즈(462, 463) 및 프로파일 취득용 카메라(464)에 순차 입사한다. 한 쌍의 렌즈(462, 463)는, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동면(430a)과 프로파일 취득용 카메라(464)의 촬상면이 결상 관계에 있는 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고 있다. 이것에 의해, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동면(430a)에서의 레이저광(L)의 상(像)이, 프로파일 취득용 카메라(464)의 촬상면에 전상(결상)된다. 상술한 바와 같이, 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동면(430a)에서의 레이저광(L)의 상(像)은, 반사형 공간 광 변조기(410)에서 변조된 레이저광(L)의 상(像)이다. 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 모니터용의 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, Z축 방향을 따라서 렌즈(472) 및 카메라(473)에 순차 입사한다. 렌즈(472)는, 입사한 레이저광(L)을 카메라(473)의 촬상면 상에 집광한다. 레이저 가공 장치(200)에서는, 카메라(464) 및 카메라(473) 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)을 보정할 수 있다.
복수의 빔 스플리터(461, 471)는, 케이스(401)의 단부(401d)로부터 Y축 방향을 따라서 연장되는 통체(404) 내에 배치되어 있다. 한 쌍의 렌즈(462, 463)는, Z축 방향을 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, Z축 방향을 따라서 통체(404) 상에 세워 마련된 통체(406) 내에 배치되어 있고, 카메라(473)는, 통체(406)의 단부에 배치되어 있다. 통체(405)와 통체(406)는, Y축 방향에서 서로 병설되어 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(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, Z축 방향을 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 X축 방향으로 반사한다. 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, Z축 방향을 따라서 빔 스플리터(486) 및 다이크로익 미러(403)를 순차 투과하고, 집광 렌즈 유닛(430)을 거쳐, 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 거쳐 다이크로익 미러(403)에 입사하여, Z축 방향을 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, Z축 방향을 따라서 렌즈(487) 및 관찰 카메라(488)에 순차 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, Z축 방향을 따라서 홀더(407) 상에 세워 마련된 통체(408) 내에 배치되어 있고, 가시광원(481)은, 통체(408)의 단부에 배치되어 있다. 렌즈(487)는, Z축 방향을 따라서 홀더(407) 상에 세워 마련된 통체(409) 내에 배치되어 있고, 관찰 카메라(488)는, 통체(409)의 단부에 배치되어 있다. 통체(408)와 통체(409)는, X축 방향에서 서로 병설되어 있다. 또, X축 방향을 따라서 하프 미러(485)를 투과한 가시광(V), 및 빔 스플리터(486)에 의해서 X축 방향으로 반사된 가시광(V)은, 각각, 홀더(407)의 벽부에 마련된 댐퍼 등에 흡수되도록 해도 괜찮고, 혹은, 적절한 용도로 이용되도록 해도 괜찮다.
또, 여기에서는, 가공 대상물(1)에 조사된 레이저광(L)은, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에 의해서 반사되고, 집광 렌즈 유닛(430)을 거쳐 다이크로익 미러(403), 빔 스플리터(486), 하프 미러(485)를 순사 투과하고, Z축 방향을 따라서 렌즈(487) 및 관찰 카메라(488)에 순차 입사한다. 렌즈(487)는, 입사한 레이저광(L)을 관찰 카메라(488)의 촬상면 상에 집광한다. 따라서, 레이저 가공 장치(200)에서는, 후술하는 바와 같이, 관찰 카메라(488)에 의한 촬상 결과를 관찰(예를 들면 화상 처리)함으로써, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면에서의 레이저광(L)의 반사광량을 취득할 수 있다.
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, 출사하는 레이저광(L)의 파장이 서로 다른 복수의 레이저 출력부(300)가 준비된다. 여기에서는, 출사하는 레이저광(L)의 파장이 500~550nm인 파장대에 포함되는 레이저 출력부(300), 출사하는 레이저광(L)의 파장이 1000~1150nm인 파장대에 포함되는 레이저 출력부(300), 및 출사하는 레이저광(L)의 파장이 1300~1400nm인 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 않은 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 1300~1400nm인 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 지지된 가공 대상물(1)에 대해서 집광되는 레이저광(L)의 편광 방향은, 도 11에 나타내어지는 바와 같이, X축 방향에 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, 반사형 공간 광 변조기(410)에 대해서 입출사하는 레이저광(L)의 광축을 포함하는 평면에 평행한 면 내에서 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 쪽이, 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 거쳐 다이크로익 미러(403)에 이르는 광로가, XY평면을 따르도록 설정되어 있고, 다이크로익 미러(403)로부터 집광 렌즈 유닛(430)에 이르는 광로가, Z축 방향을 따르도록 설정되어 있다.
도 9에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 출력부(300)에서는, 레이저광(L)의 광로가 X축 방향 또는 Y축 방향을 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 거쳐 미러 유닛(360)에 이르는 광로가, X축 방향을 따르도록 설정되어 있고, 미러(303)로부터 셔터(320)를 거쳐 미러(304)에 이르는 광로, 및 미러 유닛(360)에서 미러(362)로부터 미러(363)에 이르는 광로가, Y축 방향을 따르도록 설정되어 있다.
여기서, Z축 방향을 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 반사되어, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입사한다. 이 때, XY평면에 평행한 평면 내에서, 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 X축 방향 또는 Y축 방향을 따르도록 설정되어 있다.
따라서, 레이저 출력부(300)에서, λ／2 파장판 유닛(330) 및 편광판 유닛(340)을, 레이저광(L)의 출력을 조정하는 어테뉴에이터(550)로서 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 입사 동면(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 f1가 되고, 집광 렌즈 유닛(430)측의 렌즈(423)의 중심과 집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동면(430a)과의 사이의 광로의 거리가 렌즈(423)의 제2 초점 거리 f2가 되고, 렌즈(422)의 중심과 렌즈(423)의 중심과의 사이의 광로의 거리가 제1 초점 거리 f1와 제2 초점 거리 f2와의 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 관점에서, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율 M이, 0.5＜M＜1(축소계)을 만족하고 있다. 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광(L)의 유효 지름이 클수록, 고정밀 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≤0.95인 것이 보다 바람직하다. 여기서, (양측 텔레센트릭 광학계의 배율 M)=(집광 렌즈 유닛(430)의 입사 동면(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 f2가, M=f2/f1를 만족하고 있다.
또, 반사형 공간 광 변조기(410)의 반사면(410a)에서의 레이저광(L)의 유효 지름을 작게 하는 관점에서, 양측 텔레센트릭 광학계의 배율 M이, 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 버려, XY평면에 평행한 평면 내에서, 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≤1.7인 것이 보다 바람직하다.
[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 글라스 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 글라스 등의 광 투과성 재료로 이루어지고, 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 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 이루어지고, 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 반사한다. 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 반사하는 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 있고, 반사형 공간 광 변조기(410)로부터 출력하려고 하는 광상(光像)에 따라 각 화소 전극(214)으로의 인가 전압을 제어한다. 이러한 액티브·매트릭스 회로는, 예를 들면 도시하지 않은 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(500)에 의해서 쌍방의 드라이버 회로에서 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 이루어지고, 액정층(216)과의 접촉면에 러빙 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 전계에 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 끼워진 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 조정되고, 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) 가능해진다.
또 환언하면, 각 화소 전극(214)에 인가하는 전압에 따라서, 화소 전극(214)의 배열 방향을 따라서 액정층(216)에 굴절률 분포가 발생하고, 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.
[레이저 가공 장치의 일 실시 형태]
상기의 레이저 가공 장치(200)는, 레이저광(L)의 파장(이하, 「 제1 파장」이라고 함)에 대해서, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면의 반사율이 미지인 경우라도, 적절한 가공을 행하는 것을 가능하게 한다. 그를 위한 레이저 가공 장치(200)의 구성에 대해서, 모식도를 이용하여 설명한다. 도 16은, 도 7에 나타내어진 레이저 가공 장치의 부분적인 모식도이다. 도 7, 9, 12, 16에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 가공 장치(200)는, 상술한 지지대(230), 제2 이동 기구(이동 기구)(240), 레이저 발진기(레이저 광원)(310), 렌즈(집광 렌즈)(487), 관찰 카메라(카메라)(488), 반사형 공간 광 변조기(공간 광 변조기)(410), 및 제어부(500)를 구비하고 있다.
지지대(230)는, 가공 대상물(1), 및 후술하는 레퍼런스 웨이퍼(참조물)(1R)를 지지한다. 레이저 발진기(310)는, 레이저광(L)을 출력한다. 집광 렌즈 유닛(430)은, 지지대(230)에 지지된 가공 대상물(1)의 이면(제1 표면)(1b), 또는, 지지대(230)에 지지된 레퍼런스 웨이퍼(1R)의 참조 표면(1Rb)을 향해서, 레이저광(L)을 집광하여 집광점(P)을 형성한다. 반사형 공간 광 변조기(410)는, 레이저 발진기(310)와 집광 렌즈 유닛(430)과의 사이에서 레이저광(L)의 광로 상에 배치되고, 변조 패턴에 따라 레이저광(L)을 변조한다.
렌즈(487)는, 레이저광(L)의 이면(1b)으로부터의 반사광(LL), 및 레이저광(L)의 참조 표면(1Rb)으로부터의 반사광(LR)을 관찰 카메라(488)를 향해서 집광한다. 관찰 카메라(488)는, 레이저광(L)의 이면(1b)으로부터의 반사광(LL), 및 레이저광(L)의 참조 표면(1Rb)으로부터의 반사광(LR)을 촬상한다. 제2 이동 기구(240)는, Z축 방향(이면(1b) 및 참조 표면(1Rb)에 교차하는 방향)을 따라서 지지대(230)를 이동시킨다. 제어부(500)는, 레이저 가공 장치(200)의 각 부의 제어, 및 연산 처리 등을 행한다. 제어부(500)는, 예를 들면, 제2 이동 기구(240), 레이저 발진기(310), 반사형 공간 광 변조기(410), 및 관찰 카메라(488)의 제어를 행한다.
레이저 가공 장치(200)에서는, 레이저 발진기(310)로부터 출력된 레이저광(L)은, 반사형 공간 광 변조기(410)에 의해 변조·반사된 후에, 다이크로익 미러(403)에 의해 집광 렌즈 유닛(430)을 향해서 반사된다. 집광 렌즈 유닛(430)에 입사된 레이저광(L)은, 집광 렌즈 유닛(430)에 의해서 지지대(230) 상의 가공 대상물(1)의 이면(1b), 또는 레퍼런스 웨이퍼(1R)의 참조 표면(1Rb)을 향해서 집광되고, 이면(1b) 또는 참조 표면(1Rb)에 조사된다. 이면(1b) 및 참조 표면(1Rb)으로부터의 반사광(LL, LR)은, 집광 렌즈 유닛(430) 및 다이크로익 미러(403)를 거쳐 렌즈(487)에 입사된다. 렌즈(487)에 입사된 반사광(LL, LR)은, 렌즈(487)에 의해서 집광되면서 관찰 카메라(488)에 입사되고, 관찰 카메라(488)에서의 촬상에 제공된다.
또, 집광 렌즈 유닛(430) 및 렌즈(487)는, 이면(1b) 및 참조 표면(1Rb)과 관찰 카메라(488)의 촬상면이 공역면(共役面)이 되도록 조정되어 있다. 따라서, 이면(1b) 및 참조 표면(1Rb)이 집광 렌즈 유닛(430)의 초점 위치(Pf)에 배치되어 있는 경우, 도 17에 나타내어지는 바와 같이, 레이저광(L)의 이면(1b) 및 참조 표면(1Rb) 상의 스폿(S1)과, 반사광(LL, LR)의 관찰 카메라(488) 상의 스폿(Sc)은 서로 동일 형상이 된다.
제어부(500)는, 이상과 같은 레이저 가공 장치(200)에서, 레이저 발진기(310)의 제어에 의해 이면(1b)에 레이저광(L)을 조사함과 아울러, 관찰 카메라(488)의 제어에 의해 반사광(LL)을 촬상하는 것에 의해서, 제1 파장에 대한 이면(1b)의 반사율을 취득하는 취득 처리를 실행한다. 특히, 제어부(500)는, 취득 처리를 실행하기 전에, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시키기 위한 변조 패턴을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시키는 변조 처리를 실행한다.
이 점에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 제어부(500)는, 취득 처리에서, 이면(1b)으로부터의 반사광(LL)을 촬상하는 것에 의해, 이면(1b)으로부터의 반사광(LL)의 광량인 제1 광량을 취득하는 제1 처리를 실행한다. 또, 제어부(500)는, 취득 처리에서, 레이저 발진기(310)의 제어에 의해서, 제1 파장에 대한 반사율이 기지인 참조 표면(1Rb)을 가지는 레퍼런스 웨이퍼(1R)에 참조 표면(1Rb)측으로부터 레이저광(L)을 조사함과 아울러, 관찰 카메라(488)의 제어에 의해서, 참조 표면(1Rb)으로부터의 반사광(LR)을 촬상하는 것에 의해 반사광(LR)의 광량인 참조 광량을 취득하는 제2 처리를 실행한다. 이들 제1 처리 및 제2 처리의 순서는 반대라도 좋다. 그리고, 제어부(500)는, 제1 파장에 대한 참조 표면(1Rb)의 반사율, 제1 광량, 및 참조 광량에 근거하여, 제1 파장에 대한 이면(1b)의 반사율을 산출하는 제3 처리를 실행한다.
이와 같이, 제어부(500)가 취득 처리에 의해서 가공 대상물(1)의 이면(1b)의 반사율을 취득할 때에는, 이면(1b)에 레이저광(L)이 조사된다. 이 때, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도가 가공 대상물(1)의 가공 문턱값을 초과하면, 이면(1b)에 데미지가 생길 우려가 있다. 이 때문에, 제어부(500)는, 이면(1b)에 데미지가 생기지 않도록, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시키기 위한 변조 패턴을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시키는 변조 처리를 실행한다. 계속해서, 변조 처리의 구체적인 예에 대해 설명한다.
제어부(500)는, 변조 처리의 하나의 예로서, 레이저광(L)의 집광점(P)을 이면(1b)으로부터 시프트시키는 포커스 시프트를 실행할 수 있다. 포커스 시프트에서는, 제어부(500)는, 레이저광(L)의 집광점(P)을 이면(1b)으로부터 시프트시키기 위한 변조 패턴인 시프트 패턴(SP)(도 19의 (a) 참조)을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시킨다.
도 18에 나타내어지는 바와 같이, 여기에서는, 시프트 패턴(SP)은, 반사형 공간 광 변조기(410)에 의해 변조·반사된 레이저광(L)을 수렴시키는 것에 의해, 다이크로익 미러(403)를 거쳐 발산하면서 집광 렌즈 유닛(430)에 입사하는 렌즈 패턴이다. 이것에 의해, 집광점(P)이, 집광 렌즈 유닛(430)의 초점 위치(Pf)로부터 Z축 방향을 따라서 집광 렌즈 유닛(430)과 반대측에 시프트량(Zf)만큼 시프트된다. 이 결과, 도 19의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 이면(1b) 상에서, 레이저광(L)의 스폿(S1)이 확대되어(디포커스되어), 파워 밀도가 저하된다. 여기에서는, 시프트 패턴(SP)은, X축 방향(XZ면 내) 및 Y축 방향(YZ면 내) 양쪽 모두에서 동일한 시프트량(Zf)을 도입하는 패턴이다.
여기서, 제어부(500)는, 시프트 패턴(SP)을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시켜 집광점(P)을 이면(1b)으로부터 시프트시켰을 때에, 이면(1b)으로부터의 반사광(LL)이 관찰 카메라(488)에 집광하도록, 제2 이동 기구(240)에 의해서 지지대(230)를 이동시킨다. 보다 구체적으로는, 제어부(500)는, 도 18에 나타내어지는 바와 같이, 제2 이동 기구(240)에 의해서, 집광점(P)의 시프트량(Zf)에 대해서, Zf/2만큼 지지대(230)를 Z축 방향을 따라서 집광 렌즈 유닛(430)과 반대측으로 이동시킨다. 이것에 의해, 도 19의 (c)에 나타내어지는 바와 같이, 반사광(LL)이 관찰 카메라(488) 상에 집광되게 되고, 관찰 카메라(488) 상의 스폿(Sc)의 형상이 포커스 시프트 처리 전과 동일하게 유지된다. 이 결과, 이면(1b) 상에서 레이저광의 파워 밀도를 저하시키면서, 관찰 카메라(488) 상에서 반사광의 파워 밀도의 저하를 억제하여 충분한 휘도가 확보된다.
또, 제어부(500)는, 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시하는 시프트 패턴의 제어에 의해서, X축 방향(XZ면 내) 및 Y축 방향(YZ면 내)의 각각에서 서로 다른 시프트량을 도입할 수도 있다. 보다 구체적으로는, 제어부(500)는, 시프트 패턴의 제어에 의해서, 예를 들면, YZ면 내에서, 도 18에 나타내어지는 바와 같이 시프트량(Zf)을 도입함과 아울러, XZ면 내에서, 도 20에 나타내어지는 바와 같이 시프트량(Zf)의 절반의 시프트량(Zf/2)을 도입할 수 있다.
이것에 의해, 도 21에 나타내어지는 바와 같이, 이면(1b) 상의 레이저광(L)의 스폿(S1)은, Y축 방향으로 장척(長尺) 모양의 타원 형상으로 형성되고, 관찰 카메라(488) 상의 반사광(LL)의 스폿(Sc)은, X축 방향으로 장척 모양의 타원 형상으로 형성된다. 이 결과, 이면(1b) 상에서 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시키면서, 이면(1b)에서의 레이저광의 입사 에어리어가 제한되는 경우에 대응 가능하다. 또, 입사 에어리어가 제한되는 경우란, 예를 들면, 이면(1b) 상에 복수의 디바이스가 형성되어 있고, 레이저광(L)을 입사시킬 수 있는 에어리어가, 서로 인접하는 디바이스 사이의 장척 모양의 에어리어에 제한되는 경우 등이다.
계속해서, 제어부(500)가 실행하는 변조 처리의 다른 예에 대해 설명한다. 제어부(500)는, 변조 처리의 다른 예로서, 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 스폿 형상을 변화시키기 위한 변조 패턴인 스폿 변형 패턴(SD)(도 22의 (a) 참조)을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시키는 스폿 변형을 행할 수 있다. 도 22의 (a)의 예에서는, 스폿 변형 패턴(SD)은, 나선 모양의 위상 분포를 가지는 패턴으로서, 라게르·가우스 빔을 생성한다.
이 경우, 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 스폿(S1)은, 도 22의 (b)에 나타내어지는 통상 집광의 경우(가우시안 빔의 경우)와 비교하여, 도 23의 (a)~(c)에 나타내어지는 바와 같이, 확대됨과 아울러 중심의 파워 밀도가 저하된다. 또, 도 23의 (a)~(c)에 나타내어지는 스폿(S1)은, 그 스폿(S1)을 형성하는 스폿 변형 패턴(SD)의 위상 분포의 나선의 수가 다르다. 도 23의 (a)는, 나선의 수가 1인 경우이고, (b)는 나선의 수가 2인 경우(도 22의 (a)의 경우)이고, (c)는 나선의 수가 5인 경우이다.
또, 도 21에서도 스폿(S1)이 변형되어 있지만, 이 경우에는 집광점(P)의 시프트(포커스 시프트)가 수반된다. 여기서의 스폿 변형 패턴(SD)은, 포커스 시프트를 수반하지 않는다. 이 때문에, 지지대(230)를 이동시키지 않고, 관찰 카메라(488) 상에 반사광(LL)이 집광된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 스폿(S1)의 상태와, 관찰 카메라(488) 상에서의 반사광(LL)의 스폿(Sc)의 상태와의 괴리를 억제하면서, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시킬 수 있다. 다만, 제어부(500)는, 예를 들면 시프트 패턴(SP)과 스폿 변형 패턴(SD)을 중첩시킨 패턴을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시하는 것에 의해, 포커스 시프트와 스폿 변형을 동시에 행해도 괜찮다.
이러한 스폿 변형을 행하는 것에 의해, 다른 효과도 얻어진다. 도 24는, 효과를 설명하기 위한 그래프이다. 도 24의 (a)는, 가우시안 빔(G), 위상 분포의 나선의 수가 2인 스폿 변형 패턴(SD)에 의해서 생성되는 라게르·가우스 빔(LG2), 및 위상 분포의 나선의 수가 4인 스폿 변형 패턴(SD)에 의해서 생성되는 라게르·가우스 빔(LG4)의 디포커스값과 파워 밀도의 피크값과의 관계를 나타낸다. 도 24의 (b)는, 가우시안 빔(G), 라게르·가우스 빔(LG2), 및 라게르·가우스 빔(LG4)의 디포커스값과 휘도값과의 총합과의 관계를 나타내는 도면이다. 디포커스값은, 집광 렌즈의 초점 위치로부터의 각 빔의 집광점의 시프트량이다. 또, 휘도값 총합이란, 관찰 카메라(488)의 카메라 중앙에 설정된 휘도 범위를 구하는 원(애퍼처) 내의 휘도값의 총합이다.
도 24의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 라게르·가우스 빔(LG2, LG4)은, 가우시안 빔(G)과 비교하여, 디포커스값의 변화에 대한 피크값의 변화가 완만하다. 이 때문에, 도 24의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 라게르·가우스 빔(LG2, LG4)은, 가우시안 빔(G)과 비교하여, 디포커스값의 변화에 대해서 휘도값 총합이 안정되어 있다. 따라서, 스폿 변형 패턴(SD)을 이용하여 레이저광(L)을 라게르·가우스 빔(LG2, LG4)으로 하는 것에 의해, 측정 정밀도의 악화를 막을 수 있다. 또, 스폿 변형 패턴(SD)을 이용하여 레이저광(L)을 라게르·가우스 빔(LG2, LG4)으로 하는 것에 의해, 디포커스값의 변화에 대해서 관찰 카메라(488)에서의 휘도값 부족이 생기기 어렵고, 관찰 카메라(488)의 다이나믹 레인지의 부족이 생기기 어렵다.
또, 이상의 예에서는, 스폿 변형 패턴(SD)은, 라게르·가우스 빔을 생성하기 위한 패턴이었지만, 스폿 변형 패턴(SD)은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면, 톱 하트 빔을 생성하기 위한 패턴이라도 좋고, 다른 패턴이라도 좋다.
[레이저 가공 방법의 일 실시 형태]
계속해서, 이상의 레이저 가공 장치(200)를 이용한 레이저 가공 방법을 설명하는 것에 의해, 레이저 가공 장치(200)의 동작의 상세에 대하여 설명한다. 먼저, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 개요에 대해 설명한다. 이 레이저 가공 방법에서는, 먼저, 제1 파장에 대한 반사율이 기지인 참조 표면(1Rb)을 가지는 레퍼런스 웨이퍼(1R)에 참조 표면(1Rb)측으로부터 제1 파장의 레이저광(L)을 조사하는 것에 의해, 레이저광(L)의 참조 표면(1Rb)에서의 반사광량으로서 참조 광량을 취득한다(제1 공정).
이어서, 동일한 레이저광(L)을, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면인 이면(1b)측으로부터 가공 대상물(1)에 조사하는 것에 의해, 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 반사광량으로서 제1 광량을 취득한다(제2 공정). 또, 제1 공정 및 제2 공정의 순서는 반대라도 좋다. 이어서, 제1 공정 및 상기 제2 공정 후에, 레퍼런스 웨이퍼(1R)의 기지의 반사율, 참조 광량, 및 제1 광량에 근거하여, 제1 파장에 대한 이면(1b)의 반사율을 산출한다(제3 공정).
그리고, 제3 공정 후에, 제3 공정에서 산출된 이면(1b)의 반사율에 따라서, 가공용 레이저광(L)의 조사 조건을 조정함과 아울러, 조정된 조사 조건 하에서 가공용 레이저광(L)을 이면(1b)측으로부터 가공 대상물(1)에 조사하는 것에 의해, 가공 대상물(1)의 적어도 내부에 개질 영역(7)을 형성하는 레이저 가공을 행한다(제4 공정).
또, 도 25에 나타내어지는 바와 같이, 또 상술한 바와 같이, 이 레이저 가공 방법에서는, 가공 대상물(1)의 이면(1b)을 레이저광 입사면으로 한다. 또, 일 예로서, 제4 공정에서는, 가공 대상물(1)의 두께 방향(표면(1a)으로부터 이면(1b)을 향하는 방향(Z축 방향))으로 다른 2개의 위치에 각각 개질 영역(7a, 7b)을 형성한다.
도 25의 (a)의 경우에는, 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시하는 화상 패턴(변조 패턴)의 제어에 의해서, 레이저광(L)을 레이저광(L1, L2)으로 분기함과 아울러, 레이저광(L1, L2) 각각을 가공 대상물(1)의 두께 방향의 서로 다른 위치에 집광시킨다. 즉, 레이저광(L1)의 집광점(P1)과 레이저광(L2)의 집광점(P2)의 집광점(P2)을 Z축 방향으로 다른 위치에 생기게 한다. 이것에 의해, 한 번의 스캔에 의해 2열의 개질 영역(7a, 7b)을 형성하는 것이 가능하다. 이하에서는, 이 경우를, 2초점 가공 모드라고 칭하는 경우가 있다. 또, 여기에서는, 집광점(P1)과 집광점(P2)은, 스캔 방향(X축 방향)에 대해서도 서로 다른 위치로 되어 있다. Z축 방향에서의 집광점(P1)과 집광점(P2)와의 사이의 거리를 거리 Dｖ로 하고, X축 방향에서의 집광점(P1)과 집광점(P2)와의 사이의 거리를 Dh로 한다.
한편, 도 25의 (b)의 경우에는, 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시하는 변조 패턴의 제어에 의해서, 레이저광(L)을 복수로 분기하지 않고, Z축 방향의 위치를 바꾸어 2회의 스캔을 행하는 것에 의해, Z축 방향으로 서로 다른 위치에 2열의 개질 영역(7a, 7b)을 형성한다. 즉, 레이저광(L)의 1개의 집광점(P)의 상대 이동에 의해, 복수열의 개질 영역(7a, 7b)을 형성한다. 이하에서는, 이 경우를, 단초점 가공 모드라고 칭하는 경우가 있다. 이들 2개의 경우(모드)는, 후술하는 바와 같이, 레이저광(L)의 출력값의 상한이나 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면(여기에서는 이면(1b))의 반사율 등에 따라 선택될 수 있다.
계속해서, 각 공정의 상세에 대하여 설명한다. 또, 이하의 각 공정에서, 각부의 제어, 화상 처리를 포함하는 각종 처리, 및 수치 계산을 포함하는 각 연산 처리 등은, 제어부(500)가 행할 수 있다. 도 26은, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 제1 공정을 나타내는 플로우차트이다. 도 26에 나타내어지는 바와 같이, 제1 공정에서는, 먼저, 레이저 가공 장치(200)에 레퍼런스 웨이퍼(1R)를 셋팅한다(공정 S101). 보다 구체적으로는, 이 공정 S101에서는, 레퍼런스 웨이퍼(1R)를, 도 8에서의 가공 대상물(1)과 동일하게 하여, 고리 모양의 프레임(11) 및 필름(12) 등을 이용하여 지지대(230)에 의해 지지한다. 레퍼런스 웨이퍼(1R)는, 제1 파장에 대한 반사율이 기지인 참조 표면(1Rb)을 가진다. 제1 파장은, 가공 대상물(1)의 가공에 적절한 파장이다. 또, 레퍼런스 웨이퍼(1R)는, 예를 들면 Si웨이퍼이다.
이어서, 관찰 조명을 온으로 한다(공정 S102). 보다 구체적으로는, 이 공정 S102에서는, 가시광원(481)으로부터 가시광(V)을 출사하는 것에 의해, 가시광(V)에 의해 참조 표면(1Rb)을 조명한다. 이 때, 상술한 바와 같이, 가시광(V)에는 레티클(483)에 의해 눈금선이 부여된다.
이어서, 레티클(483)을 검출한다(공정 S103). 보다 구체적으로는, 예를 들면, 관찰 카메라(488)에 의해 취득된 가시광(V)의 반사광의 화상으로부터 레티클(483)에 의한 눈금선을 검출한다. 이어서, 그 검출 결과에 근거하여, 레이저 집광부(400)의 Z축 방향의 위치를 조정하는 것에 의해, 집광 렌즈 유닛(430)의 Z축 방향에서의 초점 위치를 보정한다(공정 S104). 이어서, 레이저광(L)의 집광점(P)이 Z축 방향에 대해서 참조 표면(1Rb)에 일치하도록, 공정 S104에서의 초점 위치 보정분(分)만큼, 레이저 집광부(400)를 Z축 방향으로 시프트시킨다(공정 S105). 이어서, 관찰 조명을 오프로 한다(공정 S106). 보다 구체적으로는, 이 공정 S106에서는, 가시광원(481)으로부터의 가시광(V)의 출사를 정지한다.
이어서, 어테뉴에이터(550)를 설정한다(공정 S107). 여기에서는, 참조 표면(1Rb)에서의 레이저광(L)의 반사광이 관찰 카메라(488)에 입사했을 때에, 관찰 카메라(488)의 휘도가 포화하지 않도록, 또한, 레퍼런스 웨이퍼(1R)의 참조 표면(1Rb)에 손상을 주지 않도록, 어테뉴에이터(550)에 의해 레이저광(L)의 출력을 조정한다. 이와 같이, 이 제1 공정에서는, 레이저광(L)을 레퍼런스 웨이퍼(1R)에 조사하기 전에, 어테뉴에이터(550)에 의해 측정용 레이저광(L)의 출력을 조정한다. 이어서, 가공 모드를 단초점(單焦点) 가공 모드로 한다(공정 S108). 여기에서는, 반사형 공간 광 변조기(410)에 입력하는 화상 패턴을 단초점용 패턴(레이저광(L)의 분기가 생기지 않는 패턴)으로 한다.
이어서, 레이저 출력부(300)를 온으로 하고, 레퍼런스 웨이퍼(1R)의 참조 표면(1Rb)에 대해서 레이저광(L)의 조사를 개시한다(공정 S109). 이 상태에서, 애퍼처, 레이저 발진 모드, 및 노광 시간 등의 조건 설정을 행한다(공정 S110). 애퍼처의 설정에서는, 관찰 카메라(488)의 카메라 중앙에 휘도 범위를 구하는 원(애퍼처)을 설정한다. 레이저 발진 모드의 설정에서는, 레이저 발진기(310)의 발진 모드를 펄스로부터 CW(연속파)로 변경한다. 다만, 펄스 발진된 레이저광의 출력값이, 레퍼런스 웨이퍼(1R)의 가공 문턱값을 초과하지 않는 경우에는, 발진 모드는 펄스라도 좋다. 또, 발진 모드를 CW로 하는 경우에는, 의사(疑似) CW라도 좋다.
이와 같이, 여기에서는, 공정 S107에서의 어테뉴에이터(550)에서의 출력의 조정, 및 공정 S110에서의 발진 모드의 변경 등에 의해서, 가공용 레이저광(L)과 공통의 광원으로부터 측정용 레이저광(L)이 생성되고, 또한, 가공용 레이저광(L)과 동일한 광축에 의해 측정용 레이저광(L)을 레퍼런스 웨이퍼(1R)에 조사한다.
이어서, 레이저 출력부(300)를 오프로 하고, 참조 표면(1Rb)에 대한 레이저광(L)의 조사를 정지한다(공정 S111). 이것에 의해, 레이저광(L)의 반사광이 관찰 카메라(488)에 입사하지 않는 상태가 된다. 이어서, 이와 같이, 레이저광(L)의 반사광이 관찰 카메라(488)에 입력되어 있지 않을 때의 관찰 카메라(488)의 화상에 근거하여, 백그라운드를 취득한다(공정 S112).
그리고, 레이저 출력부(300)를 다시 온으로 하고, 참조 표면(1Rb)에 대한 레이저광(L)의 조사를 개시한다(공정 S113). 이것에 의해, 레이저광(L)의 참조 표면(1Rb)에서의 반사광이 관찰 카메라(488)에 입사하게 된다. 그 상태에서, 레이저광(L)의 참조 표면(1Rb)에서의 반사광을 관찰 카메라(488)에 의해 촬상하는 것에 의해, 제1 화상을 취득한다(공정 S114). 그리고, 제1 화상의 화상 처리에 의해, 레이저광(L)의 참조 표면(1Rb)에서의 반사광의 휘도값을 취득한다(공정 S115). 이 때, 공정 S112에서 취득된 백그라운드에 의해서 백그라운드 보정을 행해도 괜찮다.
여기에서는, 제1 화상에서의 애퍼처(일부의 영역) 내의 휘도값의 총합을 취득함과 아울러, 노광 시간에 의해 규격화하는 것에 의해, 레이저광(L)의 참조 표면(1Rb)에서의 반사광량으로서 참조 광량을 취득한다. 즉, 여기에서는, 참조 광량 Iref=(애퍼처 내의 휘도값의 총합)/(노광 시간)의 계산에 의해, 참조 광량 Iref를 취득한다. 일 예로서, 애퍼처 내의 휘도값의 총합이 6.93×103이며, 노광 시간이 0.5[ms]인 경우, 참조 광량 Iref는 1.39×104[1/ms]가 된다.
도 27은, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 제2 공정을 나타내는 플로우차트이다. 도 18에 나타내어지는 바와 같이, 제2 공정에서는, 먼저, 레이저 가공 장치(200)에 샘플 웨이퍼(가공 대상물(1))를 셋팅한다(공정 S201). 보다 구체적으로는, 이 공정 S201에서는, 도 8에 나타내어지는 바와 같이, 고리 모양의 프레임(11) 및 필름(12) 등을 이용하여 지지대(230)에 의해 가공 대상물(1)을 지지한다. 가공 대상물(1)은, 예를 들면, 다이싱 라인을 포함하는 웨이퍼 표면에 박막이 형성된 Si 등의 반도체 웨이퍼나 글라스 웨이퍼이다.
이어서, 관찰 조명을 온으로 한다(공정 S202). 보다 구체적으로는, 이 공정 S202에서는, 상술한 공정 S102와 마찬가지로, 가시광원(481)으로부터 가시광(V)을 출사하는 것에 의해, 가시광(V)에 의해 이면(1b)을 조명한다. 이어서, 상술한 공정 S103과 마찬가지로, 레티클(483)을 검출한다(공정 S203). 이어서, 그 검출 결과에 근거하여, 레이저 집광부(400)의 Z축 방향의 위치를 조정하는 것에 의해, 집광 렌즈 유닛(430)의 Z축 방향에서의 초점 위치를 보정한다(공정 S204). 이어서, 레이저광(L)의 집광점(P)이 Z축 방향에 대해 이면(1b)에 일치하도록, 공정 S204에서의 초점 위치 보정의 분만큼, 레이저 집광부(400)를 Z축 방향으로 시프트시킨다(공정 S205). 이어서, 공정 S106과 마찬가지로, 관찰 조명을 오프로 한다(공정 S206).
이어서, 어테뉴에이터(550)를 설정한다(공정 S207). 여기에서는, 제1 공정에 관한 상기의 공정 S107과 동일한 설정값에서, 어테뉴에이터(550)에 의해 레이저광(L)의 출력을 조정한다. 이와 같이, 이 제2 공정에서도, 레이저광(L)을 가공 대상물(1)에 조사하기 전에, 어테뉴에이터(550)에 의해 레이저광(L)의 출력을 조정한다. 이어서, 상술한 공정 S108와 마찬가지로, 가공 모드를 단초점 가공 모드로 한다(공정 S208).
이어서, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시키기 위한 변조 패턴을 제시하도록 반사형 공간 광 변조기(410)의 설정을 행한다(공정 S209). 이 공정 S209에서는, 제어부(500)가, 상술한 변조 처리를 실행하는 것에 의해, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시킨다.
이어서, 상술한 공정 S109와 마찬가지로, 레이저 출력부(300)를 온으로 하고, 가공 대상물(1)의 이면(1b)에 대해서 레이저광(L)의 조사를 개시한다(공정 S210). 이 상태에서, 애퍼처, 레이저 발진 모드, 및 노광 시간 등의 조건 설정을 행한다(공정 S211). 이들 조건 설정은, 상술한 공정 S110과 동일하게 행할 수 있다. 이와 같이, 여기에서도, 공정 S207에서의 어테뉴에이터(550)에서의 출력의 조정, 공정 S209에서의 반사형 공간 광 변조기(410)의 설정, 및 공정 S211에서의 발진 모드의 변경 등에 의해서, 가공용 레이저광(L)과 공통의 광원으로부터 측정용 레이저광(L)이 생성되고, 또한, 가공용 레이저광(L)과 동일한 광축에 의해 측정용 레이저광(L)을 가공 대상물(1)에 조사한다.
이어서, 레이저 출력부(300)를 오프로 하고, 이면(1b)에 대한 측정용 레이저광(L)의 조사를 정지한다(공정 S212). 이것에 의해, 측정용 레이저광(L)의 반사광이 관찰 카메라(488)에 입사하지 않은 상태가 된다. 이어서, 이와 같이, 측정용 레이저광(L)의 반사광이 관찰 카메라(488)에 입력되어 있지 않을 때의 관찰 카메라(488)의 화상에 근거하여, 백그라운드를 취득한다(공정 S213).
그리고, 레이저 출력부(300)를 다시 온으로 하고, 이면(1b)에 대한 레이저광(L)의 조사를 개시한다(공정 S214). 이것에 의해, 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 반사광이 관찰 카메라(488)에 입사하게 된다. 그 상태에서, 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 반사광을 관찰 카메라(488)에 의해 촬상하는 것에 의해, 제2 화상을 취득한다(공정 S215). 그리고, 제2 화상의 화상 처리에 의해, 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 반사광의 휘도값을 취득한다(공정 S216). 이 때, 공정 S213에서 취득된 백그라운드를 이용하여 백그라운드 보정을 행해도 괜찮다.
여기에서는, 상술한 공정 S115와 마찬가지로, 제2 화상에서의 애퍼처(제1 화상의 일부의 영역에 대응하는 제2 화상의 영역) 내의 휘도값의 총합을 취득함과 아울러, 노광 시간에 의해 규격화하는 것에 의해, 측정용 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 반사광량으로서 제1 광량을 취득한다. 즉, 여기에서는, 제1 광량 Is=(애퍼처 내의 휘도값의 총합)/(노광 시간)의 계산에 의해, 제1 광량 Is를 취득한다. 일 예로서, 애퍼처 내의 휘도값의 총합이 9.06×103이며, 노광 시간이 5[ms]인 경우, 제1 광량 Is는 1.81×103[1/ms]가 된다.
도 28은, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 방법의 제3 공정 및 제4 공정을 나타내는 플로우차트이다. 도 28에 나타내어지는 바와 같이, 제3 공정에서는, 먼저, 가공 대상물(1)의 레이저광 입사면인 이면(1b)의 반사율을 산출한다(공정 S301). 보다 구체적으로는, 여기에서는, 제1 공정 및 제2 공정 후에, 레퍼런스 웨이퍼(1R)의 반사율 Rref, 참조 광량 Iref, 및 제1 광량 Is에 근거하여, 제1 파장에 대한 이면(1b)의 반사율 Rs를 산출한다. 즉, 이면(1b)의 반사율 Rs=참조 표면(1Rb)의 반사율 Rref×(제1 광량 Is/참조 광량 Iref)와의 계산을 행한다. 일 예로서, 반사율 Rref가 31.4%이고, 제1 광량 Is가 1.81×103[1/ms]이며, 참조 광량 Iref가 1.39×104[1/ms]인 경우, 반사율 Rs는, 약 4.1%로 상대적으로 구해진다. 이 상대값은, 이면(1b)의 제1 파장에서의 굴절률 1.5로부터 계산한 값인 4.0%과 실질적으로 동일하다.
계속해서, 제4 공정에서는, 상술한 바와 같이, 제3 공정에서 산출된 이면(1b)의 반사율 Rs에 따라서, 가공용 레이저광(L)의 조사 조건을 조정함과 아울러, 조정된 조사 조건 하에서 가공용 레이저광(L)을 이면(1b)측으로부터 가공 대상물(1)에 조사하는 것에 의해, 가공 대상물(1)의 적어도 내부에 개질 영역(7)을 형성한다.
그 때문에, 여기에서는, 먼저, 레이저광(L)의 조사 조건으로서, 레이저광(L)의 출력을 산출한다(공정 S302). 보다 구체적으로는, 2초점 가공 모드에서, 가공 대상물(1)을 가공하는 경우의 어테뉴에이터(550) 후단의 레이저광(L)의 출력 Ls2를, 레퍼런스 웨이퍼(1R)를 가공하는 경우의 어테뉴에이터(550) 후단의 레이저광(L)의 출력 Lref2와, 상기의 반사율 Rs 및 반사율 Rref를 이용하여, 출력 Ls2=Lref2×(1－Rref)/(1－Rs)로 구한다(도 25의 (a) 참조).
이어서, 산출된 출력 Ls2가, 어테뉴에이터(550)의 설정 범위 내인지 여부의 판정을 행한다(공정 S303). 공정 S303의 판정의 결과, 출력 Ls2가 어테뉴에이터(550)의 설정 범위 내이면(공정 S303：YES), 어테뉴에이터(550)의 설정값을 출력 Ls2를 출력할 수 있도록 설정한다(공정 S304). 즉, 가공용 레이저광(L)의 조사 조건을 어테뉴에이터(550)에 의해 조정한다.
이어서, 반사형 공간 광 변조기(410)의 설정에 의해, 2초점 가공 모드를 위해서 레이저광(L)을 레이저광(L1, L2)으로 분기하는 패턴을 반사형 공간 광 변조기(410)에 표시시키도록 한다(공정 S305). 이어서, 제1 공정에서의 공정 S102 및 제2 공정에서의 공정 S202와 마찬가지로, 관찰 조명을 온으로 한다(공정 S306). 이어서, 레이저광(L1)의 집광점(P1) 및 레이저광(L2)의 집광점(P2)이, 각각, 소망하는 가공 깊이가 되도록, 레이저 집광부(400)를 Z축 방향으로 이동시킨다(공정 S307). 그리고, 레이저 출력부(300)를 온으로 하고, 조정된 조사 조건 하에서 레이저광(L1, L2)을 이면(1b)측으로부터 가공 대상물(1)에 조사하는 것에 의해, 가공 대상물(1)의 적어도 내부에 개질 영역(7a, 7b)을 형성하는 레이저 가공을 행하고(S308), 처리를 종료한다.
한편, 공정 S303의 판정의 결과, 출력 Ls2가 어테뉴에이터(550)의 설정 범위 밖인 경우(공정 S303：NO), 즉, 2초점 가공 모드에서, 구해진 출력 Ls2가 어테뉴에이터(550)를 최대로 해도 설정할 수 없는 경우에는, 가공 모드를 단초점 가공 모드(도 25의(b) 참조)로 하여, 이후의 공정을 실시한다.
즉, 먼저, 제1 공정에서의 공정 S102 및 제2 공정에서의 공정 S202와 마찬가지로, 관찰 조명을 온으로 한다(공정 S309). 이어서, 가공용 레이저광(L)의 집광점(P)을, 1열째의 개질 영역(7a)의 가공 깊이(도 25의 (b) 참조)에 위치시킬 수 있도록, 레이저 집광부(400)를 Z축 방향으로 이동시킨다(공정 S310). 이어서, 1열째의 개질 영역(7a)의 가공 깊이에 1개의 집광점(P)이 형성되도록, 반사형 공간 광 변조기(410)에 변조 패턴을 입력한다(공정 S311).
이어서, 1열째의 개질 영역(7a)을 형성할 때의 어테뉴에이터(550)의 설정값을 결정한다(공정 S312). 보다 구체적으로는, 레이저광(L)의 어테뉴에이터(550) 후단의 출력 Ls1이, 레퍼런스 웨이퍼(1R)에 대한 1열째의 개질 영역(7a)의 가공 깊이에서의 레이저광(L)의 출력 Lreflower와, 어테뉴에이터(550)로부터 집광 렌즈 유닛(430)까지의 에너지 손실 Loss1과, 상기의 반사율 Rs 및 반사율 Rref를 이용하여, 출력 Ls1=((Lreflower)/(1－Loss1))×((1－Rref)/(1－Rs))가 되도록(도 16의 (b) 참조), 어테뉴에이터(550)의 설정값을 결정한다. 즉, 여기에서는, 어테뉴에이터(550)를 이용하여, 이면(1b)의 반사율 Rs에 따라서, 레이저광(L)의 조사 조건으로서 출력을 조정한다.
그리고, 조정된 조사 조건 하(출력)에서 레이저광(L)을 이면(1b)측으로부터 가공 대상물(1)에 조사하는 것에 의해, 가공 대상물(1)의 적어도 내부에 개질 영역(7a)을 형성하는 레이저 가공을 행한다(공정 S313).
이어서, 가공용 레이저광(L)의 집광점(P)을, 2열째의 개질 영역(7b)의 가공 깊이(도 25의 (b) 참조)에 위치시킬 수 있도록, 레이저 집광부(400)를 Z축 방향으로 이동시킨다(공정 S314). 이어서, 2열째의 개질 영역(7b)의 가공 깊이에 1개의 집광점(P)이 형성되도록, 반사형 공간 광 변조기(410)에 변조 패턴을 입력한다(공정 S315).
이어서, 2열째의 개질 영역(7b)을 형성할 때의 어테뉴에이터(550)의 설정값을 결정한다(공정 S316). 보다 구체적으로는, 레이저광(L)의 어테뉴에이터(550) 후단의 출력 Ls1가, 레퍼런스 웨이퍼(1R)에 대한 2열째의 개질 영역(7b)의 가공 깊이에서의 레이저광(L)의 출력 Lrefupper와, 어테뉴에이터(550)로부터 집광 렌즈 유닛(430)까지의 에너지 손실 Loss1과, 상기의 반사율 Rs 및 반사율 Rref를 이용하여, 출력 Ls1=((Lrefupper)/(1－Loss1))×((1－Rref)/(1－Rs))가 되도록(도 16의 (b) 참조), 어테뉴에이터(550)의 설정값을 결정한다. 즉, 여기에서는, 어테뉴에이터(550)를 이용하여, 이면(1b)의 반사율 Rs에 따라서, 가공용 레이저광(L)의 조사 조건으로서 출력을 조정한다.
그리고, 조정된 조사 조건 하(출력)에서 레이저광(L)을 이면(1b)측으로부터 가공 대상물(1)에 조사하는 것에 의해, 가공 대상물(1)의 적어도 내부에 개질 영역(7b)을 형성하는 레이저 가공을 행하고(공정 S313), 처리를 종료한다.
[레이저 가공 장치의 작용·효과]
레이저 가공 장치(200)에서는, 제어부(500)가, 레이저 발진기(310)의 제어에 의해 가공 대상물(1)의 이면(1b)에 레이저광(L)을 조사함과 아울러, 관찰 카메라(488)의 제어에 의해 레이저광(L)의 반사광(LL)을 촬상하는 것에 의해서, 레이저광(L)에 대한 이면(1b)의 반사율을 취득하는 취득 처리를 실행한다. 이 때, 제어부(500)는, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시키기 위한 변조 패턴을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시키는 변조 처리를 실행한다. 이와 같이, 레이저 가공 장치(200)에 있어서는, 반사율 취득시에, 반사형 공간 광 변조기(410)을 이용하여 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시킨다. 이것에 의해, 가공 대상물(1)에의 데미지를 억제하면서 반사율을 취득할 수 있다.
또, 레이저 가공 장치(200)에서는, 제어부(500)는, 변조 처리로서, 집광점(P)을 이면(1b)으로부터 시프트시키기 위한 변조 패턴인 시프트 패턴(SP)을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시킬 수 있다. 이 때에는, 제어부(500)는, 집광점(P)을 이면(1b)으로부터 시프트시켰을 때에 이면(1b)으로부터의 반사광(LL)이 관찰 카메라(488)에 집광하도록, 제2 이동 기구(240)에 의해서 지지대(230)를 이동시킨다. 이 경우, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시키면서, 관찰 카메라(488) 상에서의 반사광(LL)의 파워 밀도의 저하를 억제할 수 있다.
또, 레이저 가공 장치(200)에서는, 제어부(500)는, 변조 처리로서, 레이저광(L)의 이면(1b)에서의 스폿 형상을 변화시키기 위한 변조 패턴인 스폿 변형 패턴(SD)을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시킬 수 있다. 이 경우, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 스폿(S1)의 상태와, 관찰 카메라(488) 상에서의 반사광(LL)의 스폿(Sc)의 상태와의 괴리를 억제하면서, 이면(1b)에서의 레이저광(L)의 파워 밀도를 저하시킬 수 있다.
이상의 실시 형태는, 본 개시의 일 측면에 관한 레이저 가공 장치의 일 실시 형태에 대해 설명한 것이다. 따라서, 본 개시의 일 측면에 관한 레이저 가공 장치는, 상술한 레이저 가공 장치(200)에 한정되지 않고, 임의로 변경한 것으로 할 수 있다.
예를 들면, 제어부(500)는, 참조 표면(1Rb)에서의 반사광(LR)의 광량을 취득하는 경우(제2 처리)와, 가공 대상물(1)의 이면(1b)에서의 반사광(LL)의 광량을 취득하는 경우(제1 처리)와의 사이에서, 레이저광(L)의 스폿 형상을 다르게 하도록, 변조 패턴을 반사형 공간 광 변조기(410)에 제시시킬 수 있다. 이것에 의해, 각각의 표면의 반사율에 따른 적절한 스폿 형상을 실현할 수 있다. 이 결과, 계측 가능한 반사율의 다이나믹 레인지를 확대할 수 있다.
보다 구체적으로는, 먼저, 카메라(예를 들면 관찰 카메라(488))의 적절한 노광 시간은, 일 예로서 0.1ms~10ms로 제한된다. 이것은, 노광 시간이 너무 짧으면, 전자적인 셔터 스피드의 정밀도의 문제가 염려되고, 노광 시간이 너무 길면 노이즈가 문제가 될 우려가 있기 때문이다. 통상 집광의 경우(가우시안 빔의 경우), 계측 가능한 반사율의 다이나믹 레인지는, 카메라의 다이나믹 레인지에 비례하고, 10ms/0.1ms=1×102가 된다. 한편, 레퍼런스 웨이퍼(1R)에 대해서 통상 집광, 반사율이 상대적으로 높은 가공 대상물(1)에 대해서, 파워 밀도의 피크값이 1/10이 되는 라게르·가우스 빔(LG2)을 이용하면, 계측 가능한 반사율의 다이나믹 레인지는, 10ms/(0.1ms/10)=1×103이 되어, 확대된다.
또, 카메라의 다이나믹 레인지 대책으로서, 다음과 같은 수법도 고려된다. 즉, 상기 실시 형태에서는, 제어부(500)가, 참조 광량 Iref와 제1 광량 Is를 이용하여, 반사율 Rref×(제1 광량 Is/참조 광량 Iref)와의 계산을 행하는 것에 의해, 반사율 Rs를 산출했다. 또, 참조 광량 Iref는, (애퍼처 내의 휘도값의 총합 SVr)/(노광 시간 Tr)이고, 제1 광량 Is는, (애퍼처 내의 휘도값의 총합 SVs)/(노광 시간 Ts)이다.
이것에 대해서, 참조 광량 Iref를 취득할 때의 레이저광(L)의 파워를 계측 파워 Pr로 하고, 제1 광량 Is를 취득할 때의 레이저광(L)의 파워를 계측 파워 Ps로 했을 때, 반사율 Rref×(계측 파워 Pr/계측 파워 Ps)×(제1 광량 Is/참조 광량 Iref)와의 계산에 의해 반사율 Rs를 산출할 수 있다. 이것에 의해, 카메라의 다이나믹 레인지에 율속(律速)되어 있던 계측 가능한 반사율의 다이나믹 레인지가 확대 가능해진다.
또, 이상의 실시 형태에서는, 참조물로서 Si웨이퍼인 레퍼런스 웨이퍼(1R)를 예시했지만, 참조물은 Si에 한정되지 않고, 웨이퍼 모양인 것에도 한정되지 않는다. 또, 카메라로서, 관찰 카메라(488)를 이용했지만, 다른 카메라를 이용할 수도 있다. 게다가 2초점 가공 모드를 예시했지만, 2초점에 한정하지 않고 임의의 다초점 가공 모드에 응용 가능하다.
[산업상의 이용 가능성]
가공 대상물에의 데미지를 억제하면서 반사율을 취득할 수 있는 레이저 가공 장치가 제공된다.
1 - 가공 대상물 1b - 이면(제1 표면)
1R - 레퍼런스 웨이퍼(참조물) 1Rb - 참조 표면
100, 200 - 레이저 가공 장치 230 - 지지대
240 - 제2 이동 기구(이동 기구) 310 - 레이저 발진기(레이저 광원)
410 - 반사형 공간 광 변조기(공간 광 변조기)
430 - 집광 렌즈 유닛 488 - 관찰 카메라(카메라)
500 - 제어부 L - 레이저광
P - 집광점

Claims (5)

  1. 제1 파장의 레이저광을 가공 대상물의 제1 표면측으로부터 상기 가공 대상물에 조사하는 것에 의해, 상기 가공 대상물의 레이저 가공을 행하기 위한 레이저 가공 장치로서,
    상기 레이저광을 출력하는 레이저 광원과,
    상기 제1 표면을 향해서 상기 레이저광을 집광하여 집광점을 형성하는 집광 유닛과,
    상기 제1 표면으로부터의 상기 레이저광의 반사광을 촬상하는 카메라와,
    변조 패턴에 따라 상기 레이저광을 변조하기 위한 공간 광 변조기와,
    상기 레이저 광원의 제어에 의해서 상기 제1 표면에 상기 레이저광을 조사함과 아울러, 상기 카메라의 제어에 의해 상기 반사광을 촬상하는 것에 의해서, 상기 제1 파장에 대한 상기 제1 표면의 반사율을 취득하는 취득 처리를 실행하는 제어부를 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 취득 처리를 실행하기 전에, 상기 제1 표면에서의 상기 레이저광의 파워 밀도를 저하시키기 위한 상기 변조 패턴을 상기 공간 광 변조기에 제시시키는 변조 처리를 실행하는 레이저 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 변조 처리로서, 상기 집광점을 상기 제1 표면으로부터 시프트시키기 위한 상기 변조 패턴인 시프트 패턴을 상기 공간 광 변조기에 제시시키는 레이저 가공 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가공 대상물을 지지하는 지지대와,
    상기 지지대를 이동시키기 위한 이동 기구와,
    상기 반사광을 상기 카메라를 향해서 집광하기 위한 집광 렌즈를 더 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 집광점을 상기 제1 표면으로부터 시프트시켰을 때에 상기 제1 표면으로부터의 반사광이 상기 카메라에 집광하도록, 상기 이동 기구에 의해서 상기 지지대를 이동시키는 레이저 가공 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 변조 처리로서, 상기 레이저광의 상기 제1 표면에서의 스폿 형상을 변화시키기 위한 상기 변조 패턴인 스폿 변형 패턴을 상기 공간 광 변조기에 제시시키는 레이저 가공 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 취득 처리로서,
    상기 카메라의 제어에 의해서 상기 제1 표면으로부터의 반사광을 촬상하는 것에 의해, 상기 제1 표면으로부터의 반사광의 광량(光量)인 제1 광량을 취득하는 제1 처리와,
    상기 레이저 광원의 제어에 의해서, 상기 제1 파장에 대한 반사율이 기지(旣知)인 참조 표면을 가지는 참조물에 상기 참조 표면측으로부터 상기 레이저광을 조사함과 아울러, 상기 카메라의 제어에 의해서, 상기 참조 표면으로부터의 반사광을 촬상하는 것에 의해 상기 참조 표면으로부터의 반사광의 광량인 참조 광량을 취득하는 제2 처리와,
    상기 제1 파장에 대한 상기 참조 표면의 반사율, 상기 제1 광량, 및 상기 참조 광량에 근거하여, 상기 제1 파장에 대한 상기 제1 표면의 반사율을 산출하는 제3 처리를 실행하며,
    상기 제어부는, 상기 변조 처리로서, 상기 제1 처리에서의 상기 제1 표면에서의 상기 레이저광의 스폿 형상이, 상기 제2 처리에서의 상기 참조 표면에서의 상기 레이저광의 스폿 형상과 다르도록, 상기 변조 패턴을 상기 공간 광 변조기에 제시시키는 레이저 가공 장치.
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