JP2007534969A - 高精度かつ単純なオペレーションを用いる光学系アライメントシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

光学コンポーネントの整合のためのシステムは、干渉計と、第１の回折アライメント素子とを有している。ハウジングは、整合させられる第１の光学素子を位置決めするために使用される。検出器は、第１の光学素子の面における反射によって生ぜしめられるフリンジを検出するために使用される。第１の回折アライメント素子におけるグレーティングパターンは、第１の光学素子が整合している場合に、逆反射された波面、又は所定の方向に透過又は反射された波面を生ぜしめるように設計されている。第１の回折アライメント素子は、干渉計のアライメントのための第１の領域と、第１の光学素子の１つの面のアライメントのための第２の領域と、第１の光学素子の別の面のアライメントのための第２の領域とを有している。第１、第２及び第３の領域は、円形、矩形、三角形等のあらゆる形状であってよい。

Description

本発明は、光学コンポーネントのアライメント、特に、高精度光学系における反射及び屈折光学コンポーネントのアライメントに関する。

ほとんどのマルチプルレンズアセンブリは現在では以下の方法のうちの１つ（又は２つ以上）を使用して整合させられる：
（ａ）外部直径をセンタリングするか又はレンズセルに対するレンズ面の間の明白なウェッジを減じるために、機械的インジケータが使用される
（ｂ）レンズ素子の曲率の中心を共通の光軸に整合させるために、アライメントテレスコープを使用することができる
（ｃ）セルにおける素子の“スリップフィット”が整合した系を生じるように、レンズ素子及びレンズセルを極めて厳しい光学的及び機械的公差に製造する
（ｄ）レンズをおおまかに組み立て、視野に亘ってレンズの波面及びディストーションを測定し、波面エラー及び歪みを減じるためにそれぞれのレンズ素子に必要とされる調整を計算する。

（リソグラフィ光学系に必要とされるような）、回折制限された性能を必要とする光学系のために、これらの技術のうち最初の３つは、所要のアライメント精度を有していない。回折制限された性能にさらに近づくために、最新の機械的及び光学的測定システムが必要とされている。測定された波面及びディストーションデータを使用してアライメントを最適化させることは、出発点として、最初の２つのアライメント方法が行われることを要求する。測定された波面及びディストーションデータを使用するアライメントプロセスは、反復プロセスである。光学系におけるエラーのクロスカップリングにより、系をうまく整合させるために、複数の測定及びアライメント調節が必要とされる。系を整合させるために必要とされる反復の正確な回数は、設計されたクオリティに依存する。

機械的インジケータを使用して光学系を整合させることは、機械的くさびと同じ効果を有することができる均一性エラーを補償しない。機械的インジケータ及びそれに関連するツーリング（空気軸受ロータリテーブル等）は、リソグラフィ光学系等の高クオリティ光学系を整合させるために所要の精度を有していない。機械的プローブ又はエアゲージは、整合させられるレンズ素子に接触するか又は極めて接近しなければならないので、しばしばレンズセル構造との機械的干渉が生じる。プローブは実際にはレンズ面上の極めて小さな領域を測定している。この領域は光学面全体を正確に表さない。

アライメントテレスコープの感度は、光学系の角度分解能と、整合させられるレンズとアライメントテレスコープとの間の距離と、どれだけうまくアライメントテレスコープ光学系が整合させられるかによって制限される。商業的に利用可能なアライメントテレスコープは所要の精度を有していない。カスタムデザインされかつ製造されたアライメントテレスコープは、使用されることができる範囲が制限されている。なぜならば、このアライメントテレスコープは、レンズの曲率半径の制限された範囲でしか働かないからである。これは、少なくとも複数のアライメントテレスコープ（又は既存のアライメントテレスコープに対する付加的な光学素子及び機械的コンポーネント）を形成する必要性を生じ、それぞれのアライメントテレスコープは、リソグラフィレンズのために必要とされるものに近い公差に整合させられなければならない。アライメントテレスコープは、アライメントテレスコープアパーチャによって捕らえられる光量が小さいため、短い曲率半径のレンズ面において使用するのは困難である。アライメントテレスコープは、非球面を有するレンズ及びミラーと使用することもできない。非球面性（asphericity）は、整合させられる面において反射されたイメージに、著しく収差を生ぜしめ、微細なアライメント公差を達成することを不可能にする。

光学系の波面及びディストーションを測定し、次いでアライメントエラーを逆算することは、最適なアライメント条件に比較的近い光学系から開始しない限り、極めて時間がかかりかつ困難である。全ての面の間のアライメント収差のクロスカップリングにより、多数のアライメント反復が要求される。

したがって、当該技術分野において、光学面を整合させる迅速かつ単純な方法が必要とされている。

発明の概要
本発明は、関連技術の欠点の１つ又は２つ以上を実質的に排除する、高精度で単純なオペレーションを用いた光学系アライメントシステム及び方法に関する。

特に、本発明の典型的な実施態様において、光学コンポーネントの整合のためのシステムは、干渉計と、第１の回折アライメント素子とを有している。整合される第１の光学素子を位置決めするために、ハウジングが使用される。通常干渉計の一部である検出器は、第１の光学素子の面における反射によって生ぜしめられたフリンジを検出するために使用される。第１の回折アライメント素子におけるグレーティングパターンは、整合させるように設計された素子が、事実上完全に整合させられたならば、干渉計において“ヌル”の（又は所定の）干渉パターンが見られるように、設計されている。ヌルの（又は所定の）干渉パターンは、整合させられる光学系の位置と、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、方位角、高さ及び回転軸における理想的な位置との間に、光路の差がないことを示している。第１の回折アライメント素子は、干渉計のアライメントのための第１の領域と、第１の光学素子の１つの面のアライメントのための第２の領域と、第１の光学素子の別の面のアライメントのための第３の領域とを有している。第１、第２及び第３の領域は、円形、矩形又は任意形状等のあらゆる形状であることができる。グレーティングパターンは、光線を回折させるように設計されており、これにより、これらの光線が、整合させられる面に垂直入射で、又は特定の方向に透過又は反射される光線を生ぜしめる角度で衝突する。第１の回折アライメント素子は、第２の光学コンポーネントのアライメントのための第２の回折光学アライメントと交換されることができる。第１の回折アライメント素子は複数の領域を含むことができ、それぞれの領域は、ハウジング内で整合させられる複数の光学コンポーネントの異なる面のアライメントのために使用される。領域のうちの少なくとも１つは、非球面のアライメントのために使用される。複数の領域は、整合させられるマルチエレメントレンズの複数の面に対応している。第１の光学素子は、反射素子又は屈折素子であることができる。第１の光学素子は、オフアクシスの光学素子であることができる。第２の回折アライメント光学素子は、オフアクシス光学素子における反射を使用して干渉計において干渉フリンジを生ぜしめることができる。第２の回折アライメント光学素子は、透過型グレーティング又は反射型グレーティングであることができる。第１の光学コンポーネントは、球面又は非球面を有することができる。透過フラット、透過球、又はレンズは、干渉計と第１の回折アライメント素子との間に配置されることができる。

アライメントプロセスの間、アライメントプロセスの状態を評価するために、フリンジパターンは、視覚的に、又はインターフェログラム低減プログラムを用いて、評価される。整合させられる素子は、干渉パターンにおける残りの収差レベルが許容できるレベルになるまで、調節される。

本発明の付加的な特徴及び利点は、以下の説明に示され、部分的にその説明から明らかになり、又は発明の実施によって学習されることができる。本発明の利点は、記述された説明及び請求項、並びに添付図面において特に指摘された構造によって実現及び達成される。

前記の一般的な記述及び以下の詳細な記述は、典型的及び説明的であり、請求項に記載された発明をさらに説明するためのものである。

発明のさらなる理解を提供するために含まれかつ本明細書の一部に組み込まれかつ本明細書の一部を構成した添付図面は、発明の実施態様を例示しており、記述と共に、発明の原理を説明するために働く。

発明の詳細な説明
ここで本発明の好適な実施態様を詳細に引用し、実施形態の例が添付図面に例示されている。

提案されたレンズアライメント技術は、レンズ、ミラー及び回折光学系を含む光学系を、サブ円弧秒角度及びサブミクロン変位公差に整合させるために、特別に設計されたアライメントゾーンを備えた、干渉計及び回折光学系を使用する。回折アライメント素子は、好適には基板におけるリソグラフィ技術を使用して描かれる。所要のグレーティングパターンは、商業的に利用可能な光学デザインプログラムを使用して容易に設計される。実際のアライメントプロセス及びデータ分析は、回折光学系を使用して球面光学系、非球面光学系を検査する場合に使用されるものと同じである。

図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、レンズアライメントにおいて使用するための、本発明によるアライメントシステムを示している。図１Ａは、システム全体を示しており、図１Ｂ及び図１Ｃは、このようなアライメントシステムにおいて使用されることができる典型的な回折素子を示している。

図１Ａに示されたように、以下の光学素子が使用される：干渉計１０２、透過フラット、又は透過球又はレンズ１０４、回折アライメント素子１０６、レンズハウジング又はセル１０８、整合されるレンズ１１０。図１は、光学アライメントプロセスにおいて使用される様々なビームも示している。図１には、干渉計から出る試験ビームが示されている：Ａ。ビームＡ２（及び次いでＢ２及びＣ２は干渉計のための光軸、基準光学系（透過球等）及び回折アライメント光学系）。ビームＡの一部は、素子１０４から反射されて干渉計へ戻り、干渉計において、素子１０４を干渉計に整合させるために使用される。反射されないビームの部分は、光学透過フラット１０４を通過し、Ｂになる。回折アライメントエレメント１０６を通過した後、ビームは分割され、Ｃ１になり、ビームはレンズ１１０の前面１１０Ａに対して垂直になり、これにより、ビームは前面において正確に反射される。ビームＣ２は、ビームが垂直入射で面１１０Ｂに衝突するように設計されているのと同じ形式で機能し、これにより、レンズ１１０が適切に整合させられているならばビームは面１１０Ｂにおいて正確に反射する。

図１Ｂは、回折光学素子がどのように見えるかを平面図で示している。１つの実施態様において、回折アライメント素子１０６は、干渉計１０２を整合させるために使用される外環部１０６Ａを有することができる。内環部１０６Ｂは、凹面、すなわち面１１０Ａを整合させるために使用される。内側領域１０６Ｃは、後面１１０Ｂ（この場合、凸面）を整合させるために使用される。

領域は、図１Ｂに示されたように同心的である必要はなく、図１Ｃに示されたように、あらゆる数のこれらの領域の配列が可能である。図１Ｂの場合、グレーティングは、平行なルーリングを使用するグレーティングではなく、円形のグレーティングであることができる。（円が使用されているならば）円は、同心的である必要はなく、全てが同心的でなくてよく、全てが回折アライメント素子１０６の中心とセンタリングされていなくてよい。アライメントゾーンは、左下の図に示されたように同心的な領域である必要はない。右下の図に示されたケースは、種々異なるアライメントゾーンがどのように回折素子１０６上の種々異なる領域に配置されることができるかを例示している。これらの設計タイプはそれぞれ、市販のソフトウェアを使用して発展されることができる。回折光学素子１０６のグレーティングの正確なパターンは、整合されるレンズのパラメータ（寸法、曲率半径、非球面プロフィル等）と、干渉計１０２のパラメータ、透過フラット１０４のパラメータ、及びコンポーネントの間の距離に依存する。当業者は、本明細書に与えられた記述により、どのようにこのような回折光学素子１０６を製造するかを容易に理解するであろう。

このように、上述のように、回折光学素子１０６（図１Ｂに示されたもの、図１Ｃに示されたもの、又はその他の構成）は、複数の異なるアライメントゾーン若しくは領域１０６Ａ〜１０６Ｃを有している。１つのゾーン（１０６Ａ）はアライメント素子１０６を干渉計１０２に整合させるために使用される。このアライメントステップは必要ならば６つの軸までについて行われることができる。干渉計のアライメントゾーン１０６Ａからの波面は、回折アライメント素子１０６を、干渉計１０２に対して、傾斜及び／又は位置において整合させるために使用される。第２のアライメントゾーン１０６Ｂは、レンズの前面１１０Ａの湾曲の中心において集束し、レンズ１１０湾曲及びレンズ１１０材料厚さを考慮する。第３のアライメントゾーンは、面１１０ＡによってビームＣ２に導入される収差と、レンズ材料の屈折率とを考慮する。異なるアライメントゾーン１０６Ａ〜１０６Ｃの形状及び面積は、レンズ１１０の曲率半径（反射素子が整合させられるならば、ミラー面）と、達成される必要があるアライメント精度とに基づき、選択される。干渉計検出器システムを使用して観察されたフリンジパターンは、種々異なる面のアライメントの状態に応じて異なって見える。不整合により生じるフリンジパターンの外観の例は、光学の教科書に見られることができる。

レンズ及び／又はミラーから成るマルチ素子光学系も、回折アライメント素子を使用して整合されることができる。図２Ａは、マルチ素子レンズを整合させるために使用される１つの配列を示している。図２Ａに示されたように、レンズ素子２１２、この場合は第２のレンズ素子が、図１のシステムに加えられている。この場合、異なる回折アライメント素子２０６が使用されており、これは、第２のレンズ素子２１２を整合させるように最適化されており、システムの他の光学コンポーネントに対する所望の光学特性及び位置が与えられている。

図２Ｂに示されたように、第１の素子を整合させる場合に使用される回折アライメント素子１０６は、第２のレンズ２１２を整合させるように設計された異なるもの（アライメントゾーン２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃを備えた素子２０６）と交換されることができる。択一的に、第２の回折素子（図示せず）が加えられることができる。第２の（又は異なる）回折アライメント素子は、第１のエレメント１０６と同じように、干渉計に対して整合させられており、このように、両方の回折アライメント素子に共通のデータを与える。

図３は、１つの回折アライメント素子１０６が多数のレンズを整合させるためにどのように使用されるかを示している。回折アライメント素子１０６は種々異なる領域に分割されることができ、それぞれの領域は特定のレンズのために使用される。例えば、図３に示されたように、幾つかの領域は、球面及び非球面コンポーネントの整合のために、及びオンアクシス対オフアクシスコンポーネントの整合のために使用される。干渉計フリンジを解釈する対応するソフトウェアは、その瞬間に整合させられる特定のレンズに関するフリンジパターンの部分のみを認識するように容易に変更されることができる。図３は、多数のレンズ素子のためのアライメントゾーンを備えた回折アライメント素子１０６を示している。これは、設計されるそれぞれの素子のために回折アライメント素子を交換する必要性を排除する。１つの回折アライメント素子がどれだけ多くのレンズを整合させることができるかは、光学的アセンブリのアライメント公差に依存する。

回折アライメント素子がミラー式システムと共にどのように使用されるかの例が図４Ａに示されている。図４Ｂは、この実施態様において使用される典型的な回折アライメント素子を示している。ミラーのためのアライメント構成は、１つ及び２つの回折アライメント素子を使用して存在する。選択される構成は、精度要求と、整合させられる光学系における素子の数とに依存する。

図４Ａは、オフアクシス反射系の場合の例である。これは、当該技術分野において特に困難な問題であると見なされる。図４Ａに示されたように、オフアクシス非球面４０２を整合させるために、２つの回折アライメント素子が使用され、第１の素子１０６は、図１Ａに示されたものと同様であり、第２の回折アライメント素子４０４は、図４Ａに示されたように位置決めされている。これらの回折素子１０６，４０４の動作に関する概略的な原理は、図１Ａ及び図２Ａに関して上に説明されている。この場合、干渉計１０２からのビームは透過フラット１０４を通過する。ビームが回折アライメント素子１０６に達すると、ビームの一部はオフアクシス非球面４０２に向かって回折され、一部は第２の回折アライメント素子４０４に向かって回折（又は透過）される。オフアクシス非球面ミラー４０２に向かって回折されたビームの一部は、第２の回折アライメント素子４０４の方向にミラー面から反射される。次いで、このビームは、第２の回折素子４０４によって回折され、オフアクシス非球面４０２へ戻るか、又は第１の回折アライメント素子１０６に向かって透過される。すなわち、回折素子４０４は、反射型又は透過型であることができ、通常はグレーティングである。

１つの回折アライメント光学素子が種々異なるコンポーネントのアライメントのために使用される多数のゾーンを有することができるような図２及び図３の場合のように、同様に多数のオフアクシスのコンポーネントは、マルチ素子レンズに関して上述したのと同じ形式で、図４に示されたように、同じ２つの回折素子１０６，４０４を使用して整合されることができる。

本発明は多数の利点を有する。光学アセンブリ（レンズ又はミラー）は、機械的及びアライメントテレスコープ式プロセスを使用して現在達成可能であるよりも、優れた精度で整合させられることができる。また、その結果、個々の素子は、典型的なアセンブリレベルアライメント最適化の間に使用される標準的な技術と比較して、レンズアセンブリ一体化プロセスの間により正確に整合させられることができる。

アライメントプロセスは、機械的表示又はアライメントテレスコーププロセスよりも著しく迅速である。面又は素子におけるアライメントチェックは、標準的な干渉計測定にかかる時間で行われることができ、これは１０秒未満である。また、回折アライメント素子におけるアライメントゾーン上の干渉パターンを分析するために、既製のインターフェログラム低減ソフトウェアを使用することができる。インターフェログラム低減ソフトウェアは、収差コンテントを決定するために使用されることができ、この収差コンテント自体は、光学系を完全に整合させるために光学系の所要の運動を計算するために使用されることができる。

オンアクシス及びオフアクシスの非球面は、球面のように容易に整合させられることができる。非球面の場合、アライメントゾーンはヌル・コレクタの同等物であるように設計されることができるので、球状の波面、歪められていないものが、アライメントプロセスの間に使用される。

アライメントプロセスは、レンズを介してアライメント測定を形成することによってレンズ材料不均一の効果を考慮することができる。光学面の軸方向間隔は、整合される面において反射される又は整合される面を透過させられる波面におけるパワーを測定することによって決定されることができる。

回折アライメント素子を製造するために必要な技術は、よく発展されており、容易に利用できる。アライメント−グレーティングパターンが書き込まれた基板は、ＭＲＦ（Magnetorheologica Finishing）又はＣＣＯＣ（Computer Controlled Optical Surfacing）研磨プロセスを使用して例外的に高い品質に製造されることができる。あらゆる数の集積回路レチクル製造者は、回折アライメント素子にグレーティングパターンを製造することができる。回折アライメントゾーンは、最も商業的に利用できる光学的デザインプログラムを使用して設計されることができる。光学的デザインプログラムは、グレーティング製造者に適したフォーマットで容易にデザインを出力することができる。

システム及び方法の好適な実施形態をこのように記述したが、記述された方法及び装置のある利点が達成されたことが当業者に明らかになるべきである。本発明の範囲及び精神の範囲で、実施形態の様々な変更、適応、択一的な実施形態が形成されることができることが認められるべきである。本発明はさらに請求項によって定義される。

レンズアライメントにおいて使用するための、本発明によるアライメントシステムを示している。 レンズアライメントにおいて使用するための、本発明によるアライメントシステムを示している。 レンズアライメントにおいて使用するための、本発明によるアライメントシステムを示している。 マルチ素子レンズを整合させるために使用される、本発明によるアライメントシステムを示している。 マルチ素子レンズを整合させるために使用される、本発明によるアライメントシステムを示している。 １つの回折アライメント素子が、どのように多数のレンズを整合させるために使用されるかを示している。 オフアクシスの反射システムを用いた、本発明の使用を示している。 オフアクシスの反射システムを用いた、本発明の使用を示している。

符号の説明

１０２ 干渉計、 １０４ レンズ、 １０６ 回折アライメント素子、 １０６Ａ 外環部、 １０６Ｂ 内環部、 １０６Ｃ 内側領域、 １０８ ハウジング、 １１０ レンズ、 １１０Ａ 前面、 １１０Ｂ 後面、 ２０６ 素子、 ２１２ 第２のレンズ、 ４０２ オフアクシス非球面、 ４０４ 第２の回折アライメント素子

Claims (18)

1. 光学コンポーネントのアライメントのためのシステムにおいて、
   干渉計と、
   基準光学系と、
   グレーティングパターンを有する第１の回折アライメント素子と、
   整合される第１の光学素子を位置決めするハウジングと、
   該第１の光学素子の表面における反射によって生ぜしめられるフリンジを検出する検出器とが設けられており、
   グレーティングパターンが、回折された波面を生ぜしめ、該波面が、第１の回折アライメント素子を基準光学系に対して整合させかつ第１の光学素子を整合させるようになっていることを特徴とする、光学コンポーネントのアライメントのためのシステム。
2. 前記第１の回折アライメント素子が、
   干渉計を整合させる第１の領域と、
   第１の光学素子の１つの面を整合させる第２の領域と、
   第１の光学素子の別の面を整合させる第３の領域とを有する、請求項１記載のシステム。
3. 前記第１、第２及び第３の領域が概して円形である、請求項２記載のシステム。
4. 前記円形の領域が互いに同心的ではない、請求項３記載のシステム。
5. 前記円形の領域の中心がシステムの光軸からずらされている、請求項３記載のシステム。
6. 第１の回折アライメント素子が、第２の光学コンポーネントを整合させる第２の回折光学アライメントと交換されることができる、請求項１記載のシステム。
7. 第１の回折アライメント素子が複数の領域を有しており、それぞれの領域が、ハウジング内に整合させられた複数の光学コンポーネントの異なる面のアライメントのために使用される、請求項１記載のシステム。
8. 前記領域の少なくとも１つが、球面のアライメントのために使用される、請求項７記載のシステム。
9. 前記複数の領域が、整合されるマルチ素子レンズの複数の面に対応している、請求項１記載のシステム。
10. 第１の光学素子が反射素子である、請求項１記載のシステム。
11. 第１の光学素子が屈折素子である、請求項１記載のシステム。
12. 第１の光学素子がオフアクシス光学素子である、請求項１記載のシステム。
13. オフアクシス光学素子における反射を使用する干渉計において干渉フリンジを生ぜしめる第２の回折アライメント光学素子が設けられている、請求項１２記載のシステム。
14. 第２の回折アライメント光学素子が透過性グレーティングである、請求項１３記載のシステム。
15. 第２の回折アライメント光学素子が反射性グレーティングである、請求項１３記載のシステム。
16. 第１の光学コンポーネントが球面を有する、請求項１記載のシステム。
17. 第１の光学コンポーネントが非球面を有する、請求項１記載のシステム。
18. 干渉計と第１の回折アライメント素子との間に、透過フラット、透過球又はレンズのうちのいずれか１つが設けられている、請求項１記載のシステム。

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