JP2009524109A - 光のビームステアリングおよびサンプリング装置ならびに方法 - Google Patents

Abstract

光（光学）ビームステアリング／サンプリングシステムにおいて、マトリックス反転制御技術が、ステアリングミラーを駆動するアクチュエータの動作をデカップリングするために用いられる。制御技術は、２つの仮想の変数を用い、その各々は非クロス結合の状態で動作する関連する独立のフィードバックループを有し、各変数は２つのステアリングミラーのうちの１つに関係する。本装置は、ステアリング反射器、ビームスプリッタ、検出器を備えている。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、２００６年１月２０日出願の米国仮特許出願第６０／７６０，５２１号に対する優先権を主張し、該仮特許出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。

（発明の分野）
本開示は、概して、光学の分野、特に光学システムの制御のための方法および装置に関する。

（背景）
電磁ビーム、特に光ビームを制御することは光学分野において周知である。後の制御目的のために光ビームの一部をサンプリングすることは、しばしば必要である。これは、典型的には、ある種の検出器およびフィードバックループを含む。ビームは、典型的には、その変位および角度に関して検出される。先行技術において、例えば、ビームを制御するために、そのようなシステムの中にあるレンズは時々、ステアリングミラーと結合して用いられる。典型的には、例えば、システムの中に２つのステアリングミラーおよび２つの検出器がある。１つの公知のシステムにおいて、１つの検出器が第１のステアリングミラーの傾きによるビームの変化のみを観測するように、システムが配置される。しかし次いで、第２の検出器出力信号を第２のステアリングミラーの傾きにのみに依存させることは不可能であることが知られている。換言すると、この配置は、フィードバックの点から望ましくなく、フィードバックを複雑にし、すべてのクロス結合を除去することをほとんど不可能にする。例えば、第１の検出器からノンゼロ読取り（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ ｒｅａｄｉｎｇ）によって捕獲され、第２の検出器の読取りが変化しない状態で入力光ビームに対して位置または角度の変化が起こったとき、第１のステアリングミラーは、ノンゼロ読取りを除去するように動かされなければならない。このことは、出力ビームにおける角度の変化を引き起こし、それは、第２の検出器において検出され第２のミラーに印加される訂正信号を導く。システムが安定するように注意深く調整されるとしても、ステアリングミラーおよび検出器の相対的な位置における変化は、完全な再調整を必要とし、いかなる安定した調整も不可能な構成という結果にさえなり得る。特に、１つの検出器のみが１つのステアリングミラーの傾きによる変化を観測する配置は、挿入されたレンズの焦点距離に基づいた、ステアリングミラーと検出器との間の１つの固有の距離においてのみ可能である。これは、一般的に複雑なシステムであり、その誤差のすべてを除去すること、または、光学的なレイアウトの変更を必要とする使用現場での再構成は、残念ながら、ほとんど不可能であることが判明している。

（概要）
本発明に従って、ビームステアリング／サンプリングシステムにおいてステアリングミラーを駆動するアクチュエータの動作をデカップリングするために、マトリックス反転制御技術が用いられる。ステアリングミラーアクチュエータのデカップリングはさらに、物理的な構成および再構成可能な方法を識別するための較正技術を可能にする。較正はさらに、アクチュエータに対して任意に位置を定められた場所において光ビームの位置をサンプリングする固定のサンプリングモジュールを可能にする。従って、マトリックス反転を用いて制御をデカップリングすることによって、ほとんどすべての誤差を除去する可能性を有するシステムが、工場での調整によって、および後の必要な場合には、現場での較正によって、両方で提供される。

本発明に従って、２つの仮想の変数がフィードバック制御の目的のために構成され、各変数は、非クロス結合の状態で動作する、関連する独立のフィードバックループを有する。従って、これらの変数の各々は、１つのステアリングミラーの状態（例えば、傾き）の変化が他の変数に影響しないように、複数のステアリングミラーのうちの１つのみによってそれぞれ識別される。従って、各フィードバックループは独立して動作し得る。仮想の変数は一般に、ビーム指向および変位に対応しない。しかし仮想の変数は指向および変位を計算するために用いられ得る。

このシステムは、例えば、典型的にはウェファ上にレジストを露光させるために紫外線の形態で光を提供する半導体製造リソグラフィ装置に適用可能である。これは単なる例示的な用途にすぎない。本システムおよび方法は、例えば、レーザ（コヒーレントな）光を含むがそれに限定されない任意のタイプのコリメートされた光の操作に適用可能である。本方法および装置は一般的に、連続またはパルスのビーム、紫外域から赤外域までの波長、大径または小径の光ビームおよび様々なシステム構成を有する光学システムに有用である。例示的な用途は、波長多重化および分離、出力分割および監視、ビーム測定および監視、レーザ切断、機械加工または手術、干渉測定、およびマルチポート光管理を含む。

（詳細な説明）
本ビームステアリングサンプリングシステムが、２つの制御される平面の１つに関して、図１に示される。例えば、これは、ｘ−ｚ平面におけるシステムを描く。ステアリングミラーごとに１つづつの２つの追加のアクチュエータ、および２つの追加の検出器を含む制御ループ（図示されない）が、ｙ−ｚ平面における同様の制御のために提供される。単純化のために、ここでの説明は、１つのそのような平面に限定するが、もう一方の平面への拡張は、日常的手順であり、本明細書において記述される方法と同じ方法で達成される。図１におけるすべての光学素子は、従来のものであり、光学ベンチまたは他の支持に適切に取り付けられる。一実施形態において、検出器Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２は、もう一方の光学素子からの別のサポート上にある。一実施形態において、Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２は、従来の分割四分円光検出器の４分割部分から得られる。位置感知光検出器または他のタイプもまた、用いられ得る。図１に描かれる平面において、適切な精密アクチュエータＡ１、Ａ２によってそれぞれが駆動されるステアリングミラーは、Ｒ１、Ｒ２である。入力光ビーム（そのビーム幅を描くための平行な破線によって示される）は、入力平面にある。ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ２が提供される。主光ビーム（検出器に入射する部分から分割される）は、出力平面に供給される。ミラーＲ３は、検出器Ｄｅｔ２に光を向けるように配置される。図１に定義される距離Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨ（ここで、Ｄは、光軸に沿ったビームスプリッタＢＳ１と焦点レンズＬ１との間の距離であり、Ｄ＋Ｆは、同様に、ビームスプリッタＢＳ１と焦点レンズＬ２との間の距離である）、Ｌ１の焦点距離ｆ_１およびＬ２の焦点距離ｆ_２、ミラー角度対変位結合係数Ｔ≡ｄｚ／ｄθに対するミラー角度、ならびにステアリングミラーＲ１の角度θ_１およびステアリングミラーＲ２の角度θ_２が与えられるとすると、ビーム入力位置ｘ_ｉｎおよびビーム入力角度θ_ｉｎの関数としての、光軸に対するビーム位置ｘ_ｏｕｔおよびビーム角度θ_ｏｕｔは、

によって与えられる。

同様に、２つの検出器の作動素子の各々のおけるビーム位置ｘ_１、ｘ_２は、

によって与えられる。
ここで、

であり、

である。

２つの新しい変数、ｕおよびｖを次のように定義すると、

次いで、

であり、θ_２からの干渉なしにθ_１によってｕを制御し得る。同様に、θ_１からの干渉なしにθ_２によってｖを制御し得る。従って、ｕ、ｖは、２つのステアリングミラーによる制御のためのクロス結合のない２つの仮想変数である。

上記の等式は、図２に示される制御システムのブロック図に対応する。図２の制御システムは、入力としてビームパラメータｘ_ｉｎ、θ_ｉｎを受信する。この制御システムは、アナログ電子回路において、または従来のプログラムマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラによってディジタルで従来の方法で実施され得る。そのようなデバイスをプログラミングすることは、この開示を考慮すると日常的手順である。図２における各ブロックまたはノードは、関数を表し、ノードは加算ノードである。制御出力信号θ_１およびθ_２は、制御システムによって従来的に送信され、ステアリングミラーアクチュエータを駆動し、それによって閉ループのフィードバック制御を提供する。１よりもはるかに大きい制御ループ利得Ｇ_ｕ（ｓ）およびＧ_ｖ（ｓ）に対して、任意のｘ_ｉｎおよびθ_ｉｎに対して、

および

となる。

別の実施形態において、制御ループは、次の方法を用いて実装される。ビーム位置における誤差を訂正するために必要とされる反射ミラー角度の変化は、

によって与えられ、
ここで、オフセット（セットポイント）値は、

によって与えられ、ここで、ｘ_{ｏｆｆｓｅｔ}およびθ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、出力平面における所望のビーム位置および指向である。これらのオフセットの最大値は、検出器の使用可能な感知範囲によって制限される。ミラーＲ１およびＲ２の角度変化（傾き）は、Ｐ＃＝ｋＬΔθ／ｋ＃によって与えられるアクチュエータ駆動パルスの推定パルス数に変換され、ここで、ｋＬはループの速度を上げるかまたは下げるために用いられる大域利得定数、＃は、適切なアクチュエータに対するプレースホルダーであり、ｋ＃は、アクチュエータドライバに印加される信号とアクチュータ位置を関係づける当該アクチュエータの利得定数である。

このビームサンプリングシステムにおける誤差の主たる原因は、例えば、位置感知検出器Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２のショットアンドジョンソンノイズ、検出器の出力信号をディジタル化するために用いられる従来のアナログ−ディジタル変換器（図示されていない）における量子化誤差、温度の変化によるビームサンプリングシステムの物理的な位置合せ整列不良、およびミラーＲ１、Ｒ２を駆動するアクチュエータＡ１、Ａ２の最小増加運動である。これらの誤差原因のすべては、容易にｘ_１およびｘ_２に戻って参照され得、それらは、ｕおよびｖの加算ノードに以下の利得を用いて導入される。すなわち、

である。

ｘ_１およびｘ_２における等しくかつ独立した変動δｘを仮定すると、出力ビーム位置および角度における変動δｘ_ｏｕｔおよびδθ_ｏｕｔは、

によって与えられる。

アクチュエータＡ１、Ａ２の最小ステップサイズδｚ_ｐｉｃｏは、

によって与えられる出力誤差を導く。ここで、ｄ_ＭＭは、アクチュエータのねじと光学系の中心との間のレバーアームである。アクチュエータは、例えば、Ｎｅｗ Ｆｏｃｕｓ Ｉｎｃ．によって販売される圧電アクチュエータＰｉｃｏｍｏｔｏｒ^ＴＭのようにねじ駆動である。最後に、出力は、コンポーネントＢＳ１、ＢＳ２、Ｒ３、Ｌ１、Ｌ２、Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２のねじりおよび並進運動に対して敏感である。ビームサンプリングシステムの均一な温度を仮定することで、これらの誤差は無視される。しかしながら、ビームは、ビームスプリッタＢＳ１およびＢＳ２の各々を通過することによって、

によって与えられる距離ｄ_ＢＳを移動する。ここで、ｔ_ＢＳは、各ビームスプリッタの厚さであり、φはビームの入射角であり、ｎ_ＦＳはビームスプリッタの材料の屈折率である。この移動距離は、周囲温度が変化すると、

によって、変化し、ここで、α_ＦＳは、ビームスプリッタの材料の熱膨張係数であり、システム温度変化のピーク値ΔＴに対して、

の誤差を導く。

ｘ_１およびｘ_２をｕおよびｖに関係づけるマトリックス変換は、システムの製造時に設定され得るが、アセンブリにおける小さい変動でさえフィードバックループ間の大きなクロス結合をひき起こす。従って、現場での較正手順が用いられ得るが、要求はされない。ｘ_１およびｘ_２の両方をゼロにすること（または、少なくとも、ビームが位置検出器Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２の直線範囲内にあることを検証すること）、および、各ステアリングミラーＲ１、Ｒ２にそれぞれ所定の角度変化Δθ_１およびΔθ_２を適用することによって、較正は始まる。制御システムは、４つの量、すなわち、θ_１における変化によるｘ_１における変化Δｘ_１１、θ_１における変化によるｘ_２における変化Δｘ_２１、θ_２における変化によるｘ_１における変化Δｘ_１２、θ_２における変化によるｘ_２における変化Δｘ_２２、を記録する。ここで、較正マトリックスは、

であること、および上記のように、

であることを考慮することによって計算され得る。

較正プロセスは、フィルタリング、すなわち、角度を複数回変化させ、結果を平均すること、および、帰納、すなわち、較正の試みの間にｕおよびｖをゼロにするフィードバックループを用いることを含み得る。

一旦システムがインスストールされ位置合せされ、位置オフセットおよび角度オフセットがゼロに設定されると、出力ビームは、光軸に向かって駆動される。すなわち、ｘ_ｏｕｔ＝θ_ｏｕｔ＝０である。図３において示されるように、光軸は、レンズＬ１、Ｌ２によって画像化されるように、検出器Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２の物理的な位置によって定義される。図３は、光軸が２つの検出器の中心Ｉ_１およびＩ_２の各々の画像を通って走る線として定義されることを示す。レンズおよび検出器の相対位置における位置合せ許容誤差Δｘ_{ａｌｉｇｎ}が与えられるとすると、ビーム画像の位置は、ΔＩ_１＝Δｘ_{ａｌｉｇｎ}／ＭおよびΔＩ_２＝Δｘ_{ａｌｉｇｎ}／Ｍだけ変位し、ここで、倍率はＭ＝Ｍ_１＝Ｍ_２であると仮定される。これらの変位は、

によって与えられる出力平面における最大の位置および角度の変化Δｘ_ａｘｉｓおよびΔθ_ａｘｉｓを導く。

本システムおよび制御信号処理は、高性能要求を満足する２つの独立したフィードバックループをもたらす。上記の現場での較正はインストール後におよびその後定期的に実行され得る。

この開示は、２つの軸（２つのステアリングミラーの各々に１つの軸がある）における制御を扱う。ビーム指向および移動システムの第３および第４の軸（２つのステアリングミラーの各々に第２の軸がある）の基礎となる処理は同一である。全体の効果は、ステアリングミラーの先端傾斜軸の両方に対するｕ１、ｖ１およびｕ２、ｖ２に対する２つの連立の制御ループを生成することである。この開示において、アクチュエータＡ１、Ａ２は、平列に配置されるように示されるが、これは限定するものではない。上記の較正プロセスおよび／またはアクチュエータのソフトウェア制御は、アクチュエータ（２つか、またはステアリングミラーの第２の軸のためのアクチュエータを含む４つ）を４つの制御変数ｕ１、ｖ１およびｕ２、ｖ２の各々にマッピングするために用いられ得る。

この開示は例示的であり、限定的ではなく、さらなる修正は、この開示を考慮して当業者にとって明らかであり、添付の請求項の範囲内に入ることが意図される。

図１は、本光学システムの例をブロック図にて示す。 図２は、２つのフィードバックループのフィードバック制御方法をブロック図にて示す。 図３は、図１のシステムの光軸を示す。

Claims (20)

1. 光のビームが入射する第１のステアリング反射器と、
   該第１のステアリング反射器から反射された光が入射する第２のステアリング反射器と、
   該第２のステアリング反射器から反射された光が入射する第１のビームスプリッタと、
   該第１のビームスプリッタから反射された光が入射する第２のビームスプリッタと、
   該第２のビームスプリッタから反射された光が入射する第１の検出器と、
   該第２のビームスプリッタによって透過された光が入射する第２の検出器と
   を備える装置であって、
   両検出器の出力信号の関数である第１の値は該第１のステアリング反射器の状態を示し、両検出器の出力信号の関数である第２の値は該第２のステアリング反射器の状態を示す、装置。
2. 前記検出器と前記ステアリング反射器との間に連結された制御器をさらに備える請求項１に記載の装置であって、該制御器は、前記第１の値および前記第２の値のそれぞれに応答して、前記第１のステアリング反射器および前記第２のステアリング反射器の状態を変化させる、装置。
3. 各ステアリング反射器は、アクチュエータに連結された反射器を含む、請求項１に記載の装置。
4. 各ステアリング反射器は、前記第１のアクチュータがその反射器を傾ける方向に対して実質的に直交する方向に該反射器を傾けるための、該反射器に連結された第２のアクチュエータを有する、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１のビームスプリッタによって透過される光は、前記装置の外に向けられる、請求項１に記載の装置。
6. 前記第２のビームスプリッタによって前記第２の検出器に透過される光を反射するように位置を定められた第３の反射器をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
7. 前記制御器は、２つの制御ループを含み、１つの制御ループは前記第１の値および第２の値の各々に関係している、請求項２に記載の装置。
8. 前記第１の値および第２の値の各々は、前記装置に入射する前記光ビームの変位および角度の関数である、請求項１に記載の装置。
9. 前記制御器は、前記装置を較正する手段を含む、請求項２に記載の装置。
10. 前記第１の検出器に光をフォーカスするように配置される第１のレンズと前記第２の検出器に光をフォーカスするように配置される第２のレンズとをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
11. ２つのステアリング反射器を有する光学装置を操作する方法であって、
    該２つのステアリング反射器から直列に反射される光を分割する動作と、
    該分割された光を２つの部分に分割する動作と、
    該２回分割された光の第１の部分を検出する動作と、
    該２回分割された光の第２の部分を検出する動作と、
    両方の検出する動作からの出力信号の関数である第１の値を得る動作であって、該第１の値は、該第１のステアリング反射器の状態を示す、動作と、
    両方の検出する動作からの出力信号の関数である第２の値を得る動作であって、該第２の値は、該第２のステアリング反射器の状態を示す、動作と
    を包含する、方法。
12. 前記第１の値および前記第２の値のそれぞれに応答して、前記第１のステアリング反射器および前記第２のステアリング反射器の状態を制御する動作、をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
13. アクチュエータによって各ステアリング反射器の状態を変化させる動作をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
14. 前記第１のアクチュータがその反射器を傾ける方向に対して直交する方向に前記ステアリング反射器を傾けるために、各ステアリング反射器に関係する第２のアクチュータを提供する動作をさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記最初の分割する動作から分割された光の一部分を外に向ける動作をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
16. 前記２回分割された光の第２の部分を検出する動作の前に、該２回分割された光の第２の部分を反射する動作、をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
17. 前記制御は、２つの制御ループを提供することを含み、１つの制御ループは前記第１の値および第２の値の各々に関係している、請求項１２に記載の方法。
18. 前記第１の値および第２の値の各々は、前記ステアリング反射器の第１に入射する光の変位および角度の関数である、請求項１１に記載の方法。
19. 前記光学装置を較正する動作をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
20. 前記光を検出する前に、該光をフォーカスする動作、をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。

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