KR20210113944A

KR20210113944A - 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 장치의 조정 방법

Info

Publication number: KR20210113944A
Application number: KR1020210024055A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 우에키; 노부유키 기무라
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2021-09-17
Also published as: US11752574B2; US20210276123A1; CN113441833A; JP7450413B2; JP2021137870A; DE102021202160A1; TW202135157A

Abstract

본 발명은 저비용이며 장치간 기차(機差)를 억제할 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 장치의 조정 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
레이저 가공 장치의 레이저 빔 조사 유닛은, 레이저 발진기와, 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와, 레이저 발진기와 집광 렌즈 사이에 설치되는 위상 변조 소자를 포함한다. 집광 렌즈의 실제 형상과 설계치의 차를 보정하기 위한 형상 보정 패턴과, 레이저 빔의 가공점에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 조정 패턴을 합한 합산 패턴에 따른 전압을 위상 변조 소자에 인가함으로써, 집광 렌즈의 고체차를 억제한다.

Description

레이저 가공 장치 및 레이저 가공 장치의 조정 방법{LASER MACHINING APPARATUS AND METHOD OF ADJUSTING LASER MACHINING APPARATUS}

본 발명은 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 장치의 조정 방법에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼와 같은 피가공물을 분할하는 방법으로서, 피가공물의 내부에 레이저 빔을 조사하여 취성 영역이 되는 개질층을 형성하고, 외력을 가하여 개개의 칩으로 분할하는 기술이 알려져 있다(특허문헌 1 참조). 레이저 빔을 조사하는 레이저 가공 장치에서는, 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 여러가지 광학 부품을 이용하여 전파하고, 집광 렌즈에 의해 집광하여 피가공물에 조사하고 있다. 그러나, 레이저 빔의 광로상에서는 여러가지 광학적 왜곡이 생기는 경우가 있고, 이 광학적인 왜곡에 기인하여 레이저 가공 장치 사이에서 가공 결과가 달라지는, 소위 장치간 기차(機差)가 생긴다고 하는 문제가 있었다.

따라서, 본 출원인들이 이 장치간 기차의 원인을 조사한 바, 집광 렌즈의 개체차에 기인하고 있는 경우가 많은 것을 알게 되었다. 이러한 장치간 기차를 해소하기 위해, 기차의 주요인이 되는 집광 렌즈를 교환하거나, 파면 센서를 사용하여 가공점의 스폿 형상을 보정하는 기술(특허문헌 2 참조)을 이용하고 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제3408805호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 출원 2019-207274호

그런데, 장치간 기차를 해소하기 위해서는 개체차가 작은, 즉 유사한 형상을 갖는 집광 렌즈를 선정할 필요가 있어, 비용이 들 뿐만 아니라, 교환 작업에는 공정수가 소요된다는 과제가 있다. 또한, 스폿 형상을 보정하기 위해 이용하는 파면 센서는 고액이기 때문에, 장치 비용이 비싸져 버린다고 하는 과제도 생겼다.

따라서, 본 발명의 목적은, 저비용이며 장치간 기차를 억제할 수 있는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 장치의 조정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 측면에 의하면, 레이저 가공 장치로서, 피가공물을 유지하는 척테이블과, 상기 척테이블에 유지된 피가공물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 유닛과, 상기 척테이블과 상기 레이저 빔 조사 유닛을 상대적으로 이동시키는 이동 유닛과, 적어도 상기 레이저 빔 조사 유닛 및 상기 이동 유닛을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 레이저 빔 조사 유닛은, 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 레이저 발진기와 상기 집광 렌즈 사이에 설치되는 위상 변조 소자를 포함하고, 상기 레이저 가공 장치는, 상기 위상 변조 소자에 인가하는 전압을 맵화한 패턴을 입력하는 입력 유닛을 더 구비하고, 상기 집광 렌즈의 실제 형상과 설계치의 차를 보정하기 위한 형상 보정 패턴과, 상기 레이저 빔의 가공점에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 조정 패턴을 합한 합산 패턴을 상기 입력 유닛으로부터 입력하고, 상기 제어부가 상기 합산 패턴에 따른 전압을 상기 위상 변조 소자에 인가함으로써, 상기 집광 렌즈의 고체차를 억제하는 레이저 가공 장치가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 피가공물을 유지하는 척테이블과, 상기 척테이블에 유지된 피가공물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 유닛과, 상기 척테이블과 상기 레이저 빔 조사 유닛을 상대적으로 이동시키는 이동 유닛과, 적어도 상기 레이저 빔 조사 유닛 및 상기 이동 유닛을 제어하는 제어부와, 여러가지 정보를 입력하는 입력 유닛을 포함하고, 상기 레이저 빔 조사 유닛은, 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 레이저 발진기와 상기 집광 렌즈 사이에 설치되는 위상 변조 소자를 포함한 레이저 가공 장치에 있어서, 피가공물에 조사되는 레이저 빔의 집광 상태를 조정하는 조정 방법으로서, 상기 위상 변조 소자에 인가하는 전압을 맵화한 패턴을 작성하는 패턴 작성 단계와, 상기 패턴 작성 단계에서 작성한 패턴을 상기 입력 유닛으로부터 입력하는 입력 단계와, 상기 입력 단계에서 입력된 패턴에 따른 전압을 상기 위상 변조 소자에 인가하는 전압 인가 단계와, 상기 전압 인가 단계의 후, 상기 레이저 빔을 출사하면서 상기 피가공물과 상기 레이저 빔을 상대적으로 이동시켜, 상기 피가공물에 가공을 행하는 레이저 빔 조사 단계를 구비하고, 상기 패턴 작성 단계에서 작성하는 패턴은, 상기 집광 렌즈의 실제 형상과 설계치의 차를 보정하기 위한 형상 보정 패턴과, 상기 레이저 빔의 가공점에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 조정 패턴을 합한 패턴인 레이저 가공 장치의 조정 방법이 제공된다.

본원발명에 의하면, 저비용이며 장치간 기차를 억제할 수 있다.

도 1은 실시형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 가공 장치의 가공 대상의 피가공물의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 레이저 가공 장치의 레이저 빔 조사 유닛의 구성을 모식적으로 도시하는 모식도이다.
도 4는 집광 렌즈의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 5는 집광 렌즈의 중심으로부터의 직경 방향의 위치와 제1면의 Z 좌표의 관계 일례를 도시하는 그래프이다.
도 6은 형상 보정 패턴의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 조정 패턴의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 합산 패턴의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9는 설계치에 의한 집광 상태의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 10은 실제 형상의 적합 함수에 의한 집광 상태의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 11은 형상 보정후의 집광 상태의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 12는 실시형태에 관한 레이저 가공 장치의 조정 방법의 흐름을 도시하는 플로우차트이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관해 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 이하의 실시형태에 기재한 내용에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하에 기재한 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것이 포함된다. 또한, 이하에 기재한 구성은 적절하게 조합하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성의 여러가지 생략, 치환 또는 변경을 할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 관한 레이저 가공 장치(1)를 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은, 실시형태에 관한 레이저 가공 장치(1)의 구성예를 도시하는 사시도이다. 도 2는, 도 1에 도시된 레이저 가공 장치(1)의 가공 대상의 피가공물(100)의 사시도이다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 레이저 가공 장치(1)는, 척테이블(10)과, 레이저 빔 조사 유닛(20)과, 이동 유닛(30)과, 촬상 유닛(70)과, 입력 유닛(80)과, 제어부(90)를 구비한다. 이동 유닛(30)은, X축 방향 이동 유닛(40)과, Y축 방향 이동 유닛(50)과, Z축 방향 이동 유닛(60)을 포함한다. 이하의 설명에서, X축 방향은 수평면에서의 한 방향이다. Y축 방향은 수평면에서 X축 방향에 직교하는 방향이다. Z축 방향은 X축 방향 및 Y축 방향에 직교하는 방향이다. 실시형태의 레이저 가공 장치(1)는, 가공 이송 방향이 X축 방향이며, 인덱싱 이송 방향이 Y축 방향이다.

실시형태에 관한 레이저 가공 장치(1)는, 가공 대상인 피가공물(100)에 대하여 레이저 빔(21)을 조사하는 것에 의해 피가공물(100)을 가공하는 장치이다. 레이저 가공 장치(1)에 의한 피가공물(100)의 가공은, 예컨대, 스텔스 다이싱에 의해 피가공물(100)의 내부에 개질층(106)(도 3 참조)을 형성하는 개질층 형성 가공, 피가공물(100)의 표면(102)에 홈을 형성하는 홈가공, 또는 분할 예정 라인(103)을 따라 피가공물(100)을 절단하는 절단 가공 등이다. 실시형태에서는, 피가공물(100)에 개질층(106)을 형성하는 구성에 관해 설명한다. 피가공물(100)은, 실리콘(Si), 사파이어(Al₂O₃), 갈륨비소(GaAs) 또는 탄화규소(SiC) 등을 기판(101)으로 하는 원판형의 반도체 웨이퍼, 광디바이스 웨이퍼 등의 웨이퍼이다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 피가공물(100)은, 기판(101)의 표면(102)에 격자형으로 설정된 분할 예정 라인(103)과, 분할 예정 라인(103)에 의해 구획된 영역에 형성된 디바이스(104)를 갖고 있다. 디바이스(104)는, 예컨대, IC(Integrated Circuit), 또는 LSI(Large Scale Integration) 등의 집적 회로, CCD(Charge Coupled Device), 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서이다. 실시형태에 있어서, 피가공물(100)은 분할 예정 라인(103)을 따라 내부에 개질층(106)(도 3 참조)이 형성된다. 피가공물(100)은, 고리형 프레임(110)이 접착되고 또한 피가공물(100)의 외경보다 대직경인 테이프(111)가 표면(102) 뒤쪽의 이면(105)에 접착되어, 고리형 프레임(110)의 개구 내에 지지된다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 척테이블(10)은 피가공물(100)을 유지면(11)에 의해 유지한다. 유지면(11)은 다공질 세라믹 등으로 형성된 원판형상이다. 유지면(11)은, 실시형태에 있어서, 수평 방향과 평행한 평면이다. 유지면(11)은, 예컨대, 진공 흡인 경로를 통해 진공 흡인원과 접속하고 있다. 척테이블(10)은, 유지면(11) 상에 배치된 피가공물(100)을 흡인 유지한다. 척테이블(10)의 주위에는, 피가공물(100)을 지지하는 고리형 프레임(110)을 끼워 지지하는 클램프부(12)가 복수 배치되어 있다. 척테이블(10)은, 회전 유닛(13)에 의해 Z축 방향과 평행한 축심 둘레에 회전된다. 회전 유닛(13)은, X축 방향 이동 플레이트(14)에 지지된다. 회전 유닛(13) 및 척테이블(10)은, X축 방향 이동 플레이트(14)를 통해, X축 방향 이동 유닛(40)에 의해 X축 방향으로 이동된다. 회전 유닛(13) 및 척테이블(10)은, X축 방향 이동 플레이트(14), X축 방향 이동 유닛(40) 및 Y축 방향 이동 플레이트(15)를 통해, Y축 방향 이동 유닛(50)에 의해 Y축 방향으로 이동된다.

레이저 빔 조사 유닛(20)은, 척테이블(10)에 유지된 피가공물(100)에 대하여 펄스형의 레이저 빔(21)을 조사하는 유닛이다. 레이저 빔 조사 유닛(20) 중 적어도 집광 렌즈(27)(도 3 참조)는, 레이저 가공 장치(1)의 장치 본체(2)로부터 세워진 기둥(3)에 설치되는 Z축 방향 이동 유닛(60)에 지지된다. 레이저 빔 조사 유닛(20)의 상세한 구성에 관해서는, 이후에 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, X축 방향 이동 유닛(40)은, 척테이블(10)과, 레이저 빔 조사 유닛(20)을 가공 이송 방향인 X축 방향으로 상대적으로 이동시키는 유닛이다. X축 방향 이동 유닛(40)은, 실시형태에 있어서, 척테이블(10)을 X축 방향으로 이동시킨다. X축 방향 이동 유닛(40)은, 실시형태에 있어서, 레이저 가공 장치(1)의 장치 본체(2) 상에 설치되어 있다. X축 방향 이동 유닛(40)은, X축 방향 이동 플레이트(14)를 X축 방향으로 이동 가능하게 지지한다. X축 방향 이동 유닛(40)은, 주지의 볼나사(41)와, 주지의 펄스 모터(42)와, 주지의 가이드 레일(43)을 포함한다. 볼나사(41)는, 축심 둘레에 회전 가능하게 설치된다. 펄스 모터(42)는, 볼나사(41)를 축심 둘레에 회전시킨다. 가이드 레일(43)은, X축 방향 이동 플레이트(14)를 X축 방향으로 이동 가능하게 지지한다. 가이드 레일(43)은, Y축 방향 이동 플레이트(15)에 고정하여 설치된다.

Y축 방향 이동 유닛(50)은, 척테이블(10)과, 레이저 빔 조사 유닛(20)을 인덱싱 이송 방향인 Y축 방향으로 상대적으로 이동시키는 유닛이다. Y축 방향 이동 유닛(50)은, 실시형태에 있어서, 척테이블(10)을 Y축 방향으로 이동시킨다. Y축 방향 이동 유닛(50)은, 실시형태에 있어서, 레이저 가공 장치(1)의 장치 본체(2) 상에 설치되어 있다. Y축 방향 이동 유닛(50)은, Y축 방향 이동 플레이트(15)를 Y축 방향으로 이동 가능하게 지지한다. Y축 방향 이동 유닛(50)은, 주지의 볼나사(51)와, 주지의 펄스 모터(52)와, 주지의 가이드 레일(53)을 포함한다. 볼나사(51)는, 축심 둘레에 회전 가능하게 설치된다. 펄스 모터(52)는, 볼나사(51)를 축심 둘레에 회전시킨다. 가이드 레일(53)은, Y축 방향 이동 플레이트(15)를 Y축 방향으로 이동 가능하게 지지한다. 가이드 레일(53)은, 장치 본체(2)에 고정하여 설치된다.

Z축 방향 이동 유닛(60)은, 척테이블(10)과, 레이저 빔 조사 유닛(20)을 집광점 위치 조정 방향인 Z축 방향으로 상대적으로 이동시키는 유닛이다. Z축 방향 이동 유닛(60)은, 실시형태에 있어서, 레이저 빔 조사 유닛(20)을 Z축 방향으로 이동시킨다. Z축 방향 이동 유닛(60)은, 실시형태에 있어서, 레이저 가공 장치(1)의 장치 본체(2)로부터 세운 기둥(3)에 설치되어 있다. Z축 방향 이동 유닛(60)은, 레이저 빔 조사 유닛(20) 중 적어도 집광 렌즈(27)(도 3 참조)를 Z축 방향으로 이동 가능하게 지지한다. Z축 방향 이동 유닛(60)은, 주지의 볼나사(61)와, 주지의 펄스 모터(62)와, 주지의 가이드 레일(63)을 포함한다. 볼나사(61)는, 축심 둘레에 회전 가능하게 설치된다. 펄스 모터(62)는, 볼나사(61)를 축심 둘레에 회전시킨다. 가이드 레일(63)은, 레이저 빔 조사 유닛(20)을 Z축 방향으로 이동 가능하게 지지한다. 가이드 레일(63)은, 기둥(3)에 고정하여 설치된다.

촬상 유닛(70)은, 척테이블(10)에 유지된 피가공물(100)을 촬상한다. 촬상 유닛(70)은, 척테이블(10)에 유지된 피가공물(100)을 촬상하는 CCD 카메라 또는 적외선 카메라를 포함한다. 촬상 유닛(70)은, 예컨대, 레이저 빔 조사 유닛(20)의 집광 렌즈(27)(도 3 참조)에 인접하도록 고정되어 있다. 촬상 유닛(70)은, 피가공물(100)을 촬상하여, 피가공물(100)과 레이저 빔 조사 유닛(20)의 위치 맞춤을 행하는 얼라인먼트를 수행하기 위한 화상을 얻고, 얻은 화상을 제어부(90)에 출력한다.

입력 유닛(80)은, 여러가지 정보를 입력한다. 입력 유닛(80)은, 오퍼레이터가 가공 내용 정보를 등록하는 등의 각종 조작을 접수할 수 있다. 입력 유닛(80)은, 후술하는 형상 보정 패턴(242)(일례로서 도 6을 참조)과 조정 패턴(243)(일례로서 도 7을 참조)을 합한 합산 패턴(244)(일례로서 도 8을 참조)을 입력하는 조작을 접수할 수 있다. 입력 유닛(80)은, 키보드 등의 외부 입력 장치이어도 좋다. 레이저 가공 장치(1)가 터치 패널을 포함하는 표시 장치를 구비하는 경우, 입력 유닛(80)은 표시 장치에 포함되어도 좋다.

제어부(90)는, 레이저 가공 장치(1)의 전술한 각 구성 요소를 각각 제어하여, 피가공물(100)에 대한 가공 동작을 레이저 가공 장치(1)에 실행시킨다. 제어부(90)는, 레이저 빔 조사 유닛(20), 이동 유닛(30) 및 촬상 유닛(70)을 제어한다. 제어부(90)는, 연산 수단으로서의 연산 처리 장치와, 기억 수단으로서의 기억 장치와, 통신 수단으로서의 입출력 인터페이스 장치를 포함하는 컴퓨터이다. 연산 처리 장치는, 예컨대 CPU(Central Processing Unit) 등의 마이크로 프로세서를 포함한다. 기억 장치는, ROM(Read Only Memory) 또는 RAM(Random Access Memory) 등의 메모리를 갖는다. 연산 처리 장치는, 기억 장치에 저장된 소정의 프로그램에 기초하여 각종 연산을 행한다. 연산 처리 장치는, 연산 결과에 따라서, 입출력 인터페이스 장치를 통해 각종 제어 신호를 전술한 각 구성 요소에 출력하고, 레이저 가공 장치(1)의 제어를 행한다.

제어부(90)는, 예컨대, 입력 유닛(80)으로부터 입력된 패턴에 따른 전압을 후술하는 위상 변조 소자(24)에 인가한다. 제어부(90)는, 예컨대, 촬상 유닛(70)에 피가공물(100)을 촬상시킨다. 제어부(90)는, 예컨대, 촬상 유닛(70)에 의해 촬상한 화상의 화상 처리를 행한다. 제어부(90)는, 예컨대, 화상 처리에 의해 피가공물(100)의 가공 라인을 검출한다. 제어부(90)는, 예컨대, 레이저 빔(21)의 집광점인 가공점(28)이 가공 라인을 따라 이동하도록 X축 방향 이동 유닛(40)을 구동시킴과 더불어, 레이저 빔 조사 유닛(20)에 레이저 빔(21)을 조사시킨다.

다음으로, 레이저 빔 조사 유닛(20)에 관해 상세히 설명한다. 도 3은, 도 1에 도시된 레이저 가공 장치(1)의 레이저 빔 조사 유닛(20)의 구성을 모식적으로 도시하는 모식도이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 레이저 빔 조사 유닛(20)은, 레이저 발진기(22)와, 편광판(23)과, 위상 변조 소자(24)와, 렌즈군(25)과, 미러(26)와, 집광 렌즈(27)를 포함한다.

또, 도 3의 화살표는, 가공 이송시의 척테이블(10)의 이동 방향을 나타낸다. 또한, 실시형태에 있어서, 레이저 빔(21)의 집광점인 가공점(28)은 피가공물(100)의 내부에 설정된다. 레이저 빔(21)을 가공점(28)에 조사하면서 척테이블(10)을 가공 이송함으로써, 피가공물(100)의 내부에 분할 예정 라인(103)(도 2 참조)을 따르는 개질층(106)이 형성된다.

개질층(106)이란, 밀도, 굴절율, 기계적 강도 또는 그 밖의 물리적 특성이 주위의 그것과는 상이한 상태가 된 영역을 의미한다. 개질층(106)는, 예컨대, 용융 처리 영역, 크랙 영역, 절연 파괴 영역, 굴절율 변화 영역 및 이들 영역이 혼재한 영역 등이다. 개질층(106)는, 피가공물(100)의 다른 부분보다 기계적인 강도 등이 낮다.

레이저 발진기(22)는, 피가공물(100)을 가공하기 위한 소정의 파장을 갖는 레이저를 발진하고, 레이저 빔(21)을 출사한다. 레이저 빔 조사 유닛(20)이 조사하는 레이저 빔(21)은, 실시형태에 있어서, 피가공물(100)에 대하여 투과성을 갖는 파장이다.

편광판(23)은, 레이저 발진기(22)와 위상 변조 소자(24) 사이에 설치된다. 편광판(23)은, 레이저 발진기(22)로부터 출사된 레이저 빔(21)을 특정 방향의 광에 편광시킨다.

위상 변조 소자(24)는, 레이저 발진기(22)와 집광 렌즈(27) 사이에 설치된다. 위상 변조 소자(24)는, 입사한 레이저 빔(21)의 위상 변조를 행한다. 위상 변조 소자(24)는, 레이저 발진기(22)로부터 출사된 레이저 빔(21)의 진폭, 위상 등의 공간적인 분포를 전기적으로 제어함으로써, 레이저 빔(21)의 위상을 변조시킨다. 위상 변조 소자(24)는, 입력 유닛(80)으로부터 입력된 패턴에 따른 전압이 제어부(90)로부터 인가되는 것에 의해, 레이저 빔(21)을 원하는 빔형상으로 성형한다. 이것에 의해, 레이저 빔(21)은, 가공점(28)에서의 출력 및 스폿 형상이 조정된다.

패턴이란, 위상 변조 소자(24)에 인가하는 전압을 맵화한 것이다. 실시형태의 위상 변조 소자(24)에 적용하는 패턴은, 형상 보정 패턴(242)(도 6 참조)과 조정 패턴(243)(도 7 참조)을 합한 합산 패턴(244)(도 8 참조)이다. 형상 보정 패턴(242)은, 집광 렌즈(27)의 수차를 보정하기 위한 패턴이다. 조정 패턴(243)은, 레이저 빔(21)의 가공점(28)에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 패턴이다. 광학적 특성의 조정은, 예컨대, 레이저 빔(21)의 형상의 변경 및 강도의 감쇠 등을 포함한다. 레이저 가공 장치(1)는, 위상 변조 소자(24)에 인가하는 전압에 관해, 형상 보정 패턴(242) 및 조정 패턴(243)의 적어도 어느 것을 변경함으로써, 가공점(28)에서의 출력 및 스폿 형상을 조정할 수 있다.

위상 변조 소자(24)는, 실시형태에 있어서, 하마마쯔 포토닉스 주식회사 제조의 공간 광변조기(LCOS; Liquid Crystal On Silicon)이다. 실시형태의 위상 변조 소자(24)는 표시부(241)를 갖는다. 표시부(241)는 액정의 소자를 포함한다. 표시부(241)는 패턴을 표시시킨다. 위상 변조 소자(24)는, 입력 유닛(80)으로부터 입력된 합산 패턴(244)에 따른 전압이 제어부(90)로부터 인가되면, 표시부(241)에 합산 패턴(244)을 표시시킨다. 이것에 의해, 위상 변조 소자(24)를 반사 또는 통과하는 레이저 빔(21)은, 합산 패턴(244)에 따라서 위상 변조되고 또한 빔형상이 성형되어, 가공점(28)에서의 출력 및 스폿 형상이 조정된다.

위상 변조 소자(24)는, 실시형태에서는 레이저 빔(21)을 반사시켜 출력하지만, 본 발명에서는 레이저 빔(21)을 투과시켜 출력시켜도 좋다. 또한, 위상 변조 소자(24)는, 공간 광변조기에 한정되지 않고, 디포머블 미러이어도 좋다. 위상 변조 소자(24)가 디포머블 미러인 경우, 위상 변조 소자(24)는, 합산 패턴(244)에 따른 전압이 인가되면, 합산 패턴(244)에 따라서 미러막을 변형시킨다. LCOS의 사용 파장이 405 nm 이상인 그린, IR(적외선)인 데 비해, 디포머블 미러는 355 nm에서도 사용 가능하기 때문에, UV(자외선)에 의한 어블레이션 가공에도 이용할 수 있다.

렌즈군(25)은, 위상 변조 소자(24)와 집광 렌즈(27) 사이에 설치된다. 렌즈군(25)은, 렌즈(251) 및 렌즈(252)의 2장의 렌즈로 구성되는 4f 광학계이다. 4f 광학계란, 렌즈(251)의 후측 초점면과 렌즈(252)의 전측 초점면이 일치하고, 렌즈(251)의 전측 초점면의 이미지가 렌즈(252)의 후측 초점면에 결상하는 광학계이다. 렌즈군(25)은, 위상 변조 소자(24)로부터 출력되는 레이저 빔(21)의 빔 직경을 확대 또는 축소시킨다.

미러(26)는, 레이저 빔(21)을 반사하여, 척테이블(10)의 유지면(11)에 유지한 피가공물(100)을 향해 반사한다. 실시형태에 있어서, 미러(26)는, 렌즈군(25)을 통과한 레이저 빔(21)을 집광 렌즈(27)를 향해 반사한다.

집광 렌즈(27)는, 레이저 발진기(22)로부터 출사된 레이저 빔(21)을, 척테이블(10)의 유지면(11)에 유지된 피가공물(100)에 집광하여 조사시킨다. 집광 렌즈(27)는, 실시형태에 있어서 단(單)렌즈이다. 집광 렌즈(27)는, 실시형태에 있어서, 미러(26)에 의해 반사된 레이저 빔(21)을 가공점(28)에 집광한다.

다음으로, 패턴의 작성 방법에 관해 설명한다. 도 4는, 집광 렌즈(27)의 일례를 도시하는 도면이다. 도 5는, 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향의 위치와 제1면(271)의 Z 좌표의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 도 5의 횡축은, 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향의 위치를 나타내고, 도 5의 종축은, 제1면(271)의 Z 좌표를 나타낸다. 또, 도 5에서, Z축 방향의 원점(0)은, 제1면(271)의 직경 방향의 중심에서의 Z축 방향의 위치를 나타낸다. 즉, 도 5는, 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향의 위치마다의 제1면(271)의 중심에 대한 Z축 방향의 차분을 도시한다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 실시형태의 집광 렌즈(27)는, 볼록형 구면인 제1면(271)과, 오목형 구면인 제2면(272)을 포함한다. 메이커로부터 구입한 렌즈는, 렌즈 표면의 설계치에 대한 어긋남을 공차의 범위 내에서 허용된 것이다. 예컨대, 메이커는, 렌즈 표면의 설계치에 대한 어긋남에 관해, 예컨대 접촉식의 측정기로 렌즈마다 렌즈 형상의 측정을 행하여, 렌즈의 중심으로부터의 직경 방향의 위치에 대한 형상의 측정치의 분포를 구입자에게 개시하고 있다.

형상 보정 패턴(242)의 작성 방법에서는, 우선, 도 5에 도시하는 바와 같이, 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향의 위치에 대한 제1면(271)의 Z 좌표의 실제 형상(2711)(도 5 중에 실선으로 도시)을 피팅하여, 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향의 위치에 대한 제1면(271)의 Z 좌표의 적합 함수(2712)(도 5에 일례를 점선으로 도시)를 작성한다. 집광 렌즈(27)의 실제 형상(2711)은, 상기와 같이, 메이커로부터 제공된 측정치를 사용해도 좋고, 메이커 이외가 측정한 측정치를 사용해도 좋다. 또, 적합 함수(2712)는, R 언어나 수치 해석 소프트 등을 이용한 기지의 방법으로 작성된다. 적합 함수(2712)는, 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향 위치마다의 제1면(271)의 Z 좌표를 나타내는 함수이다.

다음으로, 집광 렌즈(27)의 제1면(271)의 형상이 적합 함수(2712)로 표시되는 것으로서, 기지의 광선 추적 소프트 등으로, 집광 렌즈(27) 투과후의 수차를 산출한다. 이 산출한 수차의 차에 기초하여 이상적인 파면이 되는 보정치를 산출함으로써, 이 보정치에 의한 형상 보정 패턴(242)을 작성한다. 이상적인 파면이란, 설계치대로의 제1면(271)의 형상을 갖는 집광 렌즈(27) 투과후의 레이저 빔(21)의 파면이다. 즉, 이상적인 파면이란, 레이저 가공 장치(1)에 설정된 가공 조건에 대응하는 원하는 가공 결과가 얻어지는 레이저 빔(21)의 위상의 공간 분포이다.

구체적으로는, 우선, 집광 렌즈(27)의 제1면(271)의 형상이 적합 함수(2712)로 표시되는 것으로서, 기지의 광선 추적 소프트 등으로, 집광 렌즈(27)의 수차에 대응한 제르니케 계수를 산출한다. 제르니케 계수란, 기지의 광선 추적 소프트 등으로 산출된 집광 렌즈(27) 투과후의 레이저 빔(21)의 파면을 제르니케 다항식 근사하여 산출된 값이며, 집광 렌즈(27)의 수차와 대응하는 것이다. 또, 제르니케 다항식이란, 단위원 상에서 정의된 직교 다항식이다.

다음으로, 산출한 제르니케 계수로부터, 집광 렌즈(27) 투과후의 레이저 빔(21)의 이상적인 파면의 제르니케 계수가 되기 위한 보정치(이하, 제르니케 계수의 보정치로 기재)를 구한다. 또한, 제르니케 계수의 보정치를 이용하여 위상 변조 소자(24)에 인가하는 전압을 맵화한 패턴을 생성하여, 생성한 패턴을 형상 보정 패턴(242)으로 한다.

여기서, 산출한 제르니케 계수는, 집광 렌즈(27)의 제1면(271)의 형상이 적합 함수(2712)로 표시되는 것으로서, 기지의 광선 추적 소프트 등으로 산출된 집광 렌즈(27) 투과후의 레이저 빔(21)의 파면을, 제르니케 다항식 근사하여 산출된 값이다. 따라서, 산출한 제르니케 계수는, 집광 렌즈(27)의 제1면(271)의 형상의 설계치로부터의 어긋남에 대응한 값이다. 또한, 제르니케 계수의 보정치는, 집광 렌즈(27) 투과후의 레이저 빔(21)의 파면을, 이상적인 파면에 가깝게 하기 위한 값이다. 따라서, 형상 보정 패턴(242)은, 집광 렌즈(27) 투과후의 레이저 빔(21)의 파면을, 이상적인 파면에 가깝게 하기 위한 패턴이다.

도 6은, 형상 보정 패턴(242)의 일례를 도시하는 도면이다. 도 7은, 조정 패턴(243)의 일례를 도시하는 도면이다. 도 8은, 합산 패턴(244)의 일례를 도시하는 도면이다. 도 6에 도시하는 형상 보정 패턴(242), 도 7에 도시하는 조정 패턴(243), 및 도 8에 도시하는 합산 패턴(244)에서, 흑색 부분은 레이저 빔(21)을 투과하는 개소를 나타내고, 백색 부분은 레이저 빔(21)을 차광하는 개소를 나타낸다. 또한, 회색 부분은 농담, 즉 계조가 위상 변조량의 차이를 나타낸다.

형상 보정 패턴(242)과 조정 패턴(243)은, 합해져서 합산 패턴(244)을 이룬다. 합산 패턴(244)은, 오퍼레이터에 의해 입력 유닛(80)으로부터 입력된다. 합산 패턴(244)은, 제어부(90)에 의해 작성되어도 좋다. 즉, 입력 유닛(80)에는, 합산 패턴(244)에 합해지기 전의 형상 보정 패턴(242) 및 조정 패턴(243)이 입력되어도 좋다. 또한, 형상 보정 패턴(242)은, 오퍼레이터로부터 입력된 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향의 위치에 대한 제1면(271)의 Z 좌표의 실제 형상(2711)에 기초하여, 제어부(90)에 의해 작성되어도 좋다. 또한, 조정 패턴(243)은, 오퍼레이터로부터 입력된 광학적 특성을 조정하는 설정치 등에 기초하여, 제어부(90)에 의해 작성되어도 좋다.

다음으로, 형상 보정 패턴(242)을 적용하는 것에 의한 효과를 검증한다. 도 9는, 설계치에 의한 집광 상태의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 도 10은, 실제 형상(2711)의 적합 함수(2712)에 의한 집광 상태의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 도 11은, 형상 보정후의 집광 상태의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 도 9 내지 도 11은, 레이저 빔(21)의 에너지 분포를 도시한다. 또, 도 9 내지 도 11에서, 상측 도면은 피가공물(100)의 단면 방향의 스폿 형상을 도시하고, Z축 방향의 원점(0)은 가공점(28)의 높이를 나타낸다. 도 9 내지 도 11에서, 하측 도면은 Z축 방향의 원점(0)에서의 직경 방향의 에너지 분포를 도시한다. 실시형태에 있어서, 집광 렌즈(27)의 개구수는 0.8인 것으로 한다. 또한, 레이저 빔(21)의 파장은 1342 nm이고, 주파수는 100 kHz인 것으로 한다. 또한, 집광 렌즈(27)에 입사하는 레이저 빔(21)의 빔 직경은 10 mm인 것으로 한다. 또한, 시뮬레이션에 사용하는 평가 소프트는, 실시형태에 있어서, 주식회사 T·E·M 제조의 Virtual Lab이다.

도 9에 도시하는 바와 같이, 이상적인 파면이 되는 설계치의 집광 렌즈(27)에서는, 가공점(28)에 집광된 레이저 빔(21)의 빔 직경이 약 2 μm이다. 또한, 레이저 빔(21)의 에너지 분포는 가우시안 분포이다. 이것에 대하여, 도 10에 도시하는 바와 같이, 실제 형상(2711)의 적합 함수(2712)에 의해 표시되는 집광 렌즈(27)에서는, 가공점(28)에 집광된 레이저 빔(21)의 에너지 분포가 가우시안의 저변 부분에서 흐려져 있고, 빔 직경이 약 4 μm이다. 이와 같이, 가공점(28)에서의 스폿 형상은, 집광 렌즈(27)의 구면 형상의 설계치로부터의 어긋남에 의해, 원하는 스폿 형상으로부터 왜곡되어 버렸다.

도 11에 도시하는 바와 같이, 형상 보정 패턴(242)을 적용한 집광 렌즈(27)에서는, 가공점(28)에 집광된 레이저 빔(21)의 빔 직경이 약 2 μm이다. 또한, 레이저 빔(21)의 에너지 분포는, 가우시안의 저변 부분에서 흐려지지 않았다. 이와 같이, 형상 보정 패턴(242)을 적용한 집광 렌즈(27)는, 도 9에 도시하는 설계치의 집광 렌즈(27)와 유사한 집광 상태를 형성할 수 있다.

다음으로, 레이저 가공 장치(1)에 의한 레이저 가공 방법에 관해 설명한다. 도 12는, 실시형태에 관한 레이저 가공 방법의 흐름을 도시하는 플로우차트이다. 레이저 가공 방법은, 패턴 작성 단계(501)와, 입력 단계(502)와, 전압 인가 단계(503)와, 레이저 빔 조사 단계(504)를 포함한다.

패턴 작성 단계(501)는, 위상 변조 소자(24)에 인가하는 전압을 맵화한 패턴을 작성하는 단계이다. 패턴은, 형상 보정 패턴(242)과 조정 패턴(243)을 합한 합산 패턴(244)이다. 실시형태에 있어서, 패턴 작성 단계(501)에서는, 위상 변조 소자(24)의 표시부(241)에 표시시키는 합산 패턴(244)을 작성한다.

보다 자세하게는, 패턴 작성 단계(501)에서는, 우선, 집광 렌즈(27)의 중심으로부터의 직경 방향의 위치에 대한 제1면(271)의 Z 좌표의 실제 형상(2711)을 피팅하여, 집광 렌즈(27)의 제1면(271)의 Z 좌표의 적합 함수(2712)를 작성한다. 다음으로, 집광 렌즈(27)의 제1면(271)의 형상이 적합 함수(2712)로 표시되는 것으로서, 집광 렌즈(27) 투과후의 수차를 산출하고, 산출한 수차에 기초하여, 이상적인 파면이 되는 보정치에 의한 형상 보정 패턴(242)을 작성한다. 패턴 작성 단계(501)에서는, 다음으로, 형상 보정 패턴(242)과 조정 패턴(243)을 합하여 합산 패턴(244)을 작성한다.

입력 단계(502)는, 패턴 작성 단계(501)에서 작성한 패턴, 즉 합산 패턴(244)을 입력 유닛(80)으로부터 입력한다. 구체적으로는, 예컨대, 오퍼레이터가, 패턴의 작성 소프트를 갖춘 외부 장치 등에서 작성한 합산 패턴(244)의 데이터를 입력 유닛(80)으로부터 입력한다. 또, 패턴의 작성 소프트는, 전용 소프트이어도 좋고, Excel(등록상표) 등이어도 좋다.

전압 인가 단계(503)는, 입력 단계(502)에서 입력된 패턴에, 즉 합산 패턴(244)에 따른 전압을, 위상 변조 소자(24)에 인가하는 단계이다. 보다 자세하게는, 전압 인가 단계(503)에서는, 제어부(90)가 입력 유닛(80)으로부터 입력된 합산 패턴(244)을 취득한다. 제어부(90)는, 합산 패턴(244)에 따른 전압을 인가하도록, 위상 변조 소자(24)에 제어 신호를 출력한다. 실시형태에 있어서, 위상 변조 소자(24)는, 합산 패턴(244)에 따른 전압이 제어부(90)로부터 인가되면, 표시부(241)에 합산 패턴(244)을 표시시킨다.

레이저 빔 조사 단계(504)는, 전압 인가 단계(503)의 후, 레이저 빔(21)을 출사하면서 피가공물(100)과 척테이블(10)을 상대적으로 이동시켜, 피가공물(100)에 가공을 행하는 단계이다. 구체적으로는, 레이저 빔 조사 단계(504)에서는, 이동 유닛(30)을 레이저 가공 장치(1)의 가공 위치까지 이동시킨다. 다음으로, 촬상 유닛(70)으로 피가공물(100)을 촬상함으로써, 분할 예정 라인(103)을 검출한다. 분할 예정 라인(103)이 검출되면, 피가공물(100)의 분할 예정 라인(103)과, 레이저 가공 장치(1)의 집광점의 위치 맞춤을 행하는 얼라인먼트를 수행한다.

레이저 빔 조사 단계(504)에서는, 다음으로, 레이저 빔(21)을 피가공물(100)에 대하여 조사한다. 이 때, 이동 유닛(30)은, 오퍼레이터로부터 등록된 가공 내용 정보에 기초하여, X축 방향과 Y축 방향으로 이동함과 더불어 Z축 방향과 평행한 축심 둘레에 회전한다.

레이저 빔 조사 단계(504)에서는, 피가공물(100)의 표면(102)측으로부터 피가공물(100)에 대하여 투과성을 갖는 파장이자 펄스형의 레이저 빔(21)을, 피가공물(100)의 내부에 집광점인 가공점(28)을 위치 부여하여 조사한다. 레이저 가공 장치(1)가 피가공물(100)에 대하여 투과성을 갖는 파장의 레이저 빔(21)을 조사하기때문에, 기판(101)의 내부에 분할 예정 라인(103)을 따르는 개질층(106)이 형성된다.

이상 설명한 바와 같이, 실시형태에 관한 레이저 가공 장치(1)는, 레이저 빔 조사 유닛(20)이 위상 변조 소자(24)를 포함하고, 소정의 패턴에 따른 전압을 위상 변조 소자(24)에 인가함으로써, 집광 렌즈(27)의 고체차를 억제하는 것이 가능한 위상 변조 소자(24)는, 레이저 발진기(22)와, 레이저 발진기(22)로부터 출사된 레이저 빔(21)을 집광하는 집광 렌즈(27)의 사이에 설치된다. 소정의 패턴은, 집광 렌즈(27)의 실제 형상과 설계치의 차를 보정하기 위한 형상 보정 패턴(242)과, 레이저 빔(21)의 가공점(28)에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 조정 패턴(243)을 합한 합산 패턴(244)이다.

종래의 레이저 가공 장치는, 레이저 빔(21)의 가공점(28)에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 조정 패턴(243)에 따른 전압이 인가되는 LCOS, 디포머블 미러 등의 위상 변조 소자(24)를 탑재하고 있다. 따라서, 종래의 조정 패턴(243)에 더하여, 집광 렌즈(27)의 실제 형상과 설계치의 차를 보정하기 위한 형상 보정 패턴(242)을 합한 합산 패턴(244)을 입력함으로써, 집광 렌즈(27)의 개체차를 보정한 레이저 빔(21)을 조사할 수 있다. 이것에 의해, 실시형태의 레이저 가공 장치(1)는 장치간 기차(機差)를 억제할 수 있다. 또한, 위상 변조 소자(24)는, 종래의 레이저 가공 장치에 이미 탑재되어 있는 것을 사용할 수 있기 때문에, 부품의 추가나 장치의 변경 등의 여분의 비용을 들일 필요는 없다. 따라서, 실시형태의 레이저 가공 장치(1)는 저비용으로 실현 가능하다.

또, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명의 골자를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. 예컨대, 실시형태에서는, 집광 렌즈(27)의 제1면(271)의 형상의 개체차를 보정하지만, 제2면(272)의 형상의 개체차를 보정해도 좋고, 제1면(271) 및 제2면(272)의 양쪽의 형상을 보정해도 좋다.

1 : 레이저 가공 장치 10 : 척테이블
20 : 레이저 빔 조사 유닛 21 : 레이저 빔
22 : 레이저 발진기 23 : 편광판
24 : 위상 변조 소자 241 : 표시부
242 : 형상 보정 패턴 243 : 조정 패턴
244 : 합산 패턴 25 : 렌즈군
251, 252 : 렌즈 26 : 미러
27 : 집광 렌즈 271 : 제1면
2711 : 실제 형상 2712 : 적합 함수
272 : 제2면 28 : 가공점
30 : 이동 유닛 70 : 촬상 유닛
80 : 입력 유닛 90 : 제어부
100 : 피가공물

Claims

레이저 가공 장치로서,
피가공물을 유지하는 척테이블과,
상기 척테이블에 유지된 피가공물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 유닛과,
상기 척테이블과 상기 레이저 빔 조사 유닛을 상대적으로 이동시키는 이동 유닛과,
적어도 상기 레이저 빔 조사 유닛 및 상기 이동 유닛을 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 레이저 빔 조사 유닛은,
레이저 발진기와,
상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와,
상기 레이저 발진기와 상기 집광 렌즈 사이에 설치되는 위상 변조 소자를 포함하고,
상기 레이저 가공 장치는, 상기 위상 변조 소자에 인가하는 전압을 맵화한 패턴을 입력하는 입력 유닛을 더 구비하고,
상기 집광 렌즈의 실제 형상과 설계치의 차를 보정하기 위한 형상 보정 패턴과, 상기 레이저 빔의 가공점에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 조정 패턴을 합한 합산 패턴을 상기 입력 유닛으로부터 입력하고, 상기 제어부가 상기 합산 패턴에 따른 전압을 상기 위상 변조 소자에 인가함으로써, 상기 집광 렌즈의 고체차를 억제하는 것인 레이저 가공 장치.
피가공물을 유지하는 척테이블과,
상기 척테이블에 유지된 피가공물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 유닛과,
상기 척테이블과 상기 레이저 빔 조사 유닛을 상대적으로 이동시키는 이동 유닛과,
적어도 상기 레이저 빔 조사 유닛 및 상기 이동 유닛을 제어하는 제어부와,
여러가지 정보를 입력하는 입력 유닛을 포함하고,
상기 레이저 빔 조사 유닛은,
레이저 발진기와,
상기 레이저 발진기로부터 출사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈와,
상기 레이저 발진기와 상기 집광 렌즈 사이에 설치되는 위상 변조 소자
를 포함한 레이저 가공 장치에 있어서, 피가공물에 조사되는 레이저 빔의 집광 상태를 조정하는 조정 방법으로서,
상기 위상 변조 소자에 인가하는 전압을 맵화한 패턴을 작성하는 패턴 작성 단계와,
상기 패턴 작성 단계에서 작성한 패턴을 상기 입력 유닛으로부터 입력하는 입력 단계와,
상기 입력 단계에서 입력된 패턴에 따른 전압을 상기 위상 변조 소자에 인가하는 전압 인가 단계와,
상기 전압 인가 단계의 후, 상기 레이저 빔을 출사하면서 상기 피가공물과 상기 레이저 빔을 상대적으로 이동시켜, 상기 피가공물에 가공을 행하는 레이저 빔 조사 단계를 포함하고,
상기 패턴 작성 단계에서 작성하는 패턴은, 상기 집광 렌즈의 실제 형상과 설계치의 차를 보정하기 위한 형상 보정 패턴과, 상기 레이저 빔의 가공점에서의 광학적 특성을 조정하기 위한 조정 패턴을 합한 패턴인 것인 레이저 가공 장치의 조정 방법.