KR100228975B1

KR100228975B1 - 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 교정하기 위한 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100228975B1
Application number: KR1019950013799A
Authority: KR
Inventors: 몬로 코브 죠슈아; 죠이 플래터리-프리든버그 캔더스; 엑스. 토폴로벡 프란즈; 아티스 지민스 얼디스
Original assignee: 포만 제프리 엘; 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 1999-11-01
Also published as: JP3147282B2; TW314666B; KR950033946A; JPH07333540A; US5754328A; US5828481A; EP0686864A1

Abstract

본 발명은 전반적으로 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 교정하기 위한 새로운 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비점수차식으로 교정된 카타디옵트릭 레이저 스캐너 또는 중간 대물 렌즈 레이저 스캐너에 관한 것이다.

Description

비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 교정하기 위한 장치 및 그 방법

제1a 및 1b는 전형적인 종래 기술의 두 대물 렌즈 스캐너(two Objective Scanner)를 도시.

제2도는 전형적인 종래 기술의 전치-대물 렌즈 스캐너(Pre-Objective Scanner)를 도시.

제3a 및 3b도는 전형적인 종래 기술의 후치-대물 렌즈 스캐너(Post-Objective Scanner)에 대한 측면도 및 상부도.

제4도는 제1a 및 1b도에서 도시된 바와 같은 종래 기술의 후치-대물 렌즈 스캐너의 필드 곡률(field curvature)을 교정하기 위한 방법을 도시.

제5a도는 전형적인 종래 기술의 후치-대물 렌즈 스캐너에 의해 유발되어진 필드 곡률 및 보우 왜곡(bow distortion)을 도시.

제5b도는 X-Z 평면 중에서 제5A도의 후치-대물 렌즈 스캐너에 대한 상부도.

제6도는 렌즈에 의해 유발되어진 비점수차(astigmatism)를 도시.

제7도는 본 발명의 바람직한 실시예도.

제8도는 토릭 렌즈(toric rens)를 사용한 본 발명의 다른 실시예도.

* 도면에 주요부분에 대한 부호의 설명

50 : 검류계 70 : 대물 렌즈

79,89 : 중간-대물 렌즈 스캐너 80 : 토릭 렌즈

[발명의 분야]

본 발명은 전체적으로 비점수차(astignatism), 보우 왜곡(bow distortion) 및 필드 곡률(field curvature)을 교정하기 위한 새로운 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비점수차식으로 교정된 카타디옵트릭 레이저 스캐너 또는 중간-대물 렌즈 레이저 스캐너(astigmatically corrected catadioptric laser scanner or Mid-Objective Laser Scanner)에 관한 것이다.

[발명의 배경]

레이저(Lasers)를 이용하는 스캐닝 시스템(scanning system)들이 여러 응용분야에서 사용되고 있다. 따라서, 레이저 스캐너들은 급성장하는 수십억 달러 산업중 일부가 되고 있다. 몇 가지만 예를 들자면, 마이크로 회로들(micro-circuitry)을 제조하기 위해서 레이저 광을 주사하여 반도체 기판에 구멍을 뚫거나, 또는 레이저 광을 사용하여 부품(a part) 상에 영숫자(alpha-numerics)를 기입하거나 바코드(barcodes)를 판독하거나 레이저 프린터(laser printers)에 레이저 광을 사용할 수 있다.

레이저 스캐닝 시스템들은 기본적으로 3종류로 분류될 수 있는데, 즉 대물 렌즈 스캐너(Objective Scanners), 전치-대물 렌즈 스캐너(Pre-Objective Scanners)및 후치-대물 렌즈 스캐너(Post-Objective Scanners)로 분류될 수 있다.

제1A 및 1B도에서 도시된 바와 같은 대물 렌즈 스캐너들(19)은 단일 렌즈(10)를 사용하여 레이저 빔(25)과 같은 광빔(25)을 작업편(workpiece) 즉 부품(12) 상으로 집속시키는 형태의 스캐너들로서, 집속된 레이저 빔(25)을 제1A도에서 도시된 바와 같이 렌즈(10)를 이동시키거나, 또는 제1B도에서 도시된 바와 같이 부품(12)을 이동시킴으로써 부품(12) 상에 주사시킨다. 대물 렌즈 스캐너들의 주된 단점은 그들의 주사 속도가 느리고, 렌즈나 부품을 이동시킴에 있어서 복잡한 방법 요건을 필요로 한다는 것이다.

제2도에서 도시된 바와 같은 전치-대물 렌즈 스캐너들(29)은 레이저 빔(25)을 렌즈(20)로 반사시키는 전형적으로는 검류계(galvanometer) 또는 다각형의 회전 미러(rolating mirrored polygon)인 가동 미러면(22)을 갖고 있는 형태의 스캐너들이다. 렌즈(20)는 레이저 빔(25)을 부품(12) 상의 위치(23)에 집속시킨다. 미러면의 각이 변화될 때, 미러면(22')이 레이저 빔(25)을 다른 각도로 렌즈(20) 상으로 인도한다. 다음에, 렌즈(20)는 제2도에서 명백히 나타나 있는 바와 같이, 빔(25)을 부품(12)상의 다른 지점(27)에 집속시킨다. 일반적으로 전치-대물 렌즈 스캐닝 시스템(29)의 렌즈(20)들은 복잡하며 고가이다. 전치-대물 렌즈 스캐너(29)의 주된 장점은 고속주사(high scan speeds)와 평편한 필드 영상(a flat field image)을 갖는 능력이다. 그러나, 전치-대물 렌즈 스캐너들(29)의 주된 단점은 렌즈가 매우 복잡하며, 렌즈가 극히 대형이 아닌 한 텔레센트릭(telecentric)하지 않으며 (텔레센트릭 렌즈는 주사된 광빔의 중심이 주사동안 작업편에 수직으로 충돌하도록 해준다), 시스템이 복잡하며, 색 보정(color correction)이 매우 곤란하며, 이러한 모든 점들이 시스템을 매우 고가로 만든다는 것이다.

제3A(측면도) 및 3B(상부도)도에서 도시된 바와 같은 후치-대물 렌즈 스캐너들(39)은 통상적으로 초점 대물 렌즈(30)의 후방에 검류계 또는 다각형의 회전 미러인 가동 미러면(22)을 갖는 형태의 스캐너들이다. 광 또는 레이저 빔(25)이 렌즈를 통과한 후에는 광 또는 레이저 빔(125)이라 하겠다. 레이저 빔(25)은 먼저 렌즈(30)를 통과하여 레이저 빔(125)으로서 집속하기 시작한다. 레이저 빔(125)은 검류계 즉 미러면(22)에 의해 차단되고 반사되어 부품(12) 표면의 지점(35)에서 집속하게 된다. 스캐닝 기구(scanning mechanism)의 각도가 변화될 때 제3A도에서 도시된 바와 같이 빔(125)은 가상 곡선 즉 원호(31) 상의 스폿(33) 또는 스폿(37)으로 재집속된다. 빔(125)은 원호(31) 상에 완전하게 집속되지만, 작업편 즉 부품(12)의 평편면(32) 상의 점 또는 스폿(34 및 38)에서는 집속되지 않는다. 제3A도의 후치-대물 렌즈 스캐너(39)의 경우, 레이저 빔(125)은 검류계(22)에 의해 X-Y 평면 중에서 90°폴드(fold)되어, 레이저 빔은 점(35)에서 집속된다. 검류계(22)가 빔(125)을 주사할 때는 검류계(22)의 표면 상에서 초점 빔9125)의 중심과 Z축 방향으로 놓여 있는 축(125)을 중심으로 하여 회전된다. 검류계(22)는 X-Y 평면 중에서 90°가 아닌 각도로 X-Y 평면 중에서 90°가 아닌 각도로 레이저 빔(125)과 교차하도록 이동한다. 이것에 의해 집속된 빔은 원호(31)를 따라 주사하게 된다. 제3B도에서는주사된 원호(31)를 내려다 본 후치-대물 렌즈 스캐너(39)를 도시하고 있다. 비록 주사된 원호(31)가 주사의 엣지에서 집속되지 않더라도, X-Z 평면에서 직선으로 이동된다. 일반적으로, 후치-대물 렌즈 스캐닝 시스템(39)의 렌즈(30)는 단순하고 경제적이다. 후치-대물 렌즈 스캐너들의 주된 장점은 주사 속도와, 대물 렌즈의 단순성과, 색 보정력과 보다 많은 파장을 사용할 수 있도록 설계되어진 능력이다. 이들 스캐너의 주된 단점은 영상 필드가 주사된 필드의 엣지에서 집속되지 않거나 주사된 거리 전체에서 집속되지 않는다는 점이다.

본 발명은 기본적으로 후치-대물 렌즈 스캐너형을 개선시킨 것으로, 이것을 중간-대물 렌즈 스캐너(Mid-Objective Scanner)로서 기술할 제4 형태의 레이저 스캐닝 시스템에 관한 것이다.

[발명의 목적 및 요약]

본 발명은 새로이 비점수차식으로 교정된 카타디옵트릭 레이저 스캐너를 제공하기 위한 새로운 방법 및 장치에 관한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 비점수차식으로 교정된 카타디옵트릭 레이저 스캐너를 제공하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 후치-대물 렌즈 스캐닝 시스템에서 생겨나는 보우 왜곡, 비점수차 및 필드 곡률을 극소화시키는 수단을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 비용면에서 매우 경제적인 렌즈 및 미러를 사용하는 스캐너 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 텔레센트릭한(즉, 초점 빔의 중심이 주사동안 모든 지점에서 부품과 수직을 이루는)빔을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 여러 파장의 광에 비용면에서 경제적으로 적합한 광 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 주사된 선의 길이가 가동 미러면이 각 변화에 정비례하는 광 스캐닝 시스템을 제공하는데 있다. 이것의 결과로 소위 F-쎄타 렌즈(F-theta lens)가 얻어진다.

따라서, 본 발명의 제1실시예에서는 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하기 위한 방법으로서,

(a) 각로 경사진 적어도 하나의 렌즈에 의해 적어도 하나의 입사광빔을 적어도 하나의 작업편으로 집속시키는 단계와,

(b) 적어도 하나의 스캐닝 기구에 의해 상기 적어도 하나의 입사광빔을 차단하여 주사시키는 단계를 포함하며,

상기 적어도 하나의 스캐닝 기구는 상기 적어도 하나의 입사광빔을 오목 원통형 미러(a concave cylindrical mirror)의 반사면 중 적어도 일부분으로 인도하며,

상기 오목 원통형 미러는 상기 적어도 하나의 입사광빔을 상기 작업편으로 인도시켜, 상기 적어도 하나의 입사광빔이 상기 작업편에 집속되어지는 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 교정하기 위한 장치로서,

(a) 적어도 하나의 입사광빔을 적어도 하나의 작업편으로 집속시키기 위해 적어도 렌즈를 각로 기울게 하는 적어도 하나의 수단과,

(b) 상기 적어도 하나의 경사진 렌즈와 상기 적어도 하나의 작업편 사이에 위치하며, 상기 적어도 하나의 입사광빔을 오목 원통형 미러의 반사면 중 적어도 일부분으로 인도하는 적어도 하나의 수단을 갖고 있는 스캐닝 기구와,

(c) 상기 오목 원통형 미러에서 상기 적어도 하나의 입사광빔을 작업편으로 인도하는 수단을 포함하여, 상기 적어도 하나의 입사광빔이 상기 작업편에 집속 되어지는 장치를 제공한다.

본 발명의 또다른 실시예에서는 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률를 교정하기 위한 장치로서,

(a) 적어도 하나의 입사광빔을 적어도 하나의 작업편으로 집속시키는 적어도 하나의 토릭 렌즈(toric lens)와,

(b) 상기 적어도 하나의 토릭 렌즈와 상기 적어도 하나의 작업편 사이에 위치하며, 상기 적어도 하나의 입사광빔을 오목 원통형 미러의 반사면 중 적어도 일부분으로 인도하는 적어도 하나의 수단을 갖고 있는 스캐닝 기구와,

(c) 상기 오목 원통형 미러에서 상기 적어도 하나의 입사광빔을 작업편으로 인도하는 수단을 포함하여, 상기 적어도 하나의 입사광빔이 상기 작업편에 집속되어지는 장치를 제공한다.

본 발명의 또다른 실시예에서는 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 교정하기 위한 방법으로서,

(a) 적어도 하나의 토릭 렌즈에 의해 적어도 하나의 작업편으로 집속시키고,

상기 적어도 하나의 스캐닝 기구는 또한 상기 적어도 하나의 입사광빔을 오목 원통형 미러의 반사면 중 적어도 일부분으로 인도하며,

상기 오목 원통형 미러는 상기 적어도 하나의 입사광빔을 상기 작업편으로 인도시켜, 상기 적어도 하나의 입사광빔이 상기 작업편에서 집속되어지는 방법을 제공한다.

본 발명의 특징들은 새로운 것이며 본 발명의 특징적인 구성 요소들은 첨부된 특허 청구의 범위에서 특징적으로 기술되어있다. 첨부된 도면들은 단지 목적을 위해 예시한 것으로서 실척으로 도시한 것은 아니다. 그러나, 본 발명의 구성 및 동작 방법에 대해서는 첨부한 도면과 함께 다음의 상세한 설명 부분에서 이해할 수 있을 것이다.

[상세한 설명]

본 발명은 특히 비점수차식으로 교정된 카타디옵트릭 레이저 스캐너 또는 중간-대물 렌즈 레이저 스캐너 시스템(an astigmatically corrected catadioptric laser scanner or a Mid-Obijective Laser Scanner System)에 관한 것이다. 카타디옵트릭 시스템은 반사 및 굴절을 모두 이용하여 초점 배율(focal power)을 달성하는 시스템이다. 비록 렌즈와 미러의 상대적인 배율이 시스템마다 변화하더라도, 대부분의 배율이 얻어지는 반사면과 거의 0에 가까운 배율을 갖는 굴절면을 공동으로 사용하면 수차 특성(aberrational characteristics)이 개선되어진 영상(image)을 얻을 수 있다.

본원에서 기술되는 렌즈는 단일 렌즈 소자(a single lens element) 또는 다수의 렌즈 소자를 의미한다.

본 발명은 또한 무색수차 렌즈(achromatic lens)를 사용함으로써 본 발명의 중간-대물 렌즈 스캐닝 시스템에서는 여러 색의 광선 또는 다수의 광 파장을 이용할 수 있다.

제3A 및 3B도를 다시 참조해 보면, 후치-대물 렌즈 스캐너(39)가 가상선 즉 곡선(31) 상에서 집속된 레이저 스폿(35)을 주사할 때, 제3A 및 3B도에서 도시된 바와 같이 초점 즉 스폿(35)을 검류계(22)의 중심에서 초점(35)까지의 거리와 정확히 동일한 곡률 반경을 갖는 원호 즉 곡선(31)에서 스윙(swing)시킨다. 이러한 스윙에 의해 평편한 영상면과의 편차가 발생하는데, 이것을 필드 곡률(field curvature, 36)이라 칭한다. 필드 곡률(36)은 원호(31)와 부품(12)의 평편면(32) 사이의 거리이다. 제3A 및 3B에서 명백히 알 수 있는 바와 같이, 원호(31)는 초점(35)에 완전히 집속되지만, 빔(125)이 양방향으로 스폿(33) 또는 스폿(37)으로 주사될 때는 부품(12) 상의 점(34 및 38)에서 볼 수 있는 바와 같이 부품(12)의 평편면(32) 상에 집속되지 않게 된다. 부품(12)을 적절히 주사하기 위해 초점(35)이 부품(12) 상의 직선 주사선 즉 평편면(32)을 추종하면 완전한 주사가 될 것이다.

필드 곡률(36)은 제4도에서 도시된 후치-대물 렌즈 스캐너(49)를 사용하여 제4도에서 도시된 바와 같이, 주사된 빔(125)을 정확한 곡률 반경(48)을 갖는 만곡형 미러(curved mirror, 42)에서 반사시킴으로써 교정될 수 있다. 이것에 의해 직선의 주사선 즉 평편한 영상 필드(41)가 얻어지며, 초점(43, 45 및 47)을 명확하게 볼 수 있듯이 이들 모두 가상의 영상면 즉 필드(41) 상에 집속되어 진다. 그러나, 이 평편한 영상면(41)은 물리적으로 접근 불가능한데, 이것은 부품(12)이 레이저원(a laser source)과 만곡형 미러(42) 사이에 위치해야 하며 대부분의 응용의 경우에 레이저 빔(125)은 일반적으로 부품(12)을 통과할 수 없기 때문이다.

제5A도(측면도) 및 제5B도(상부도)에서 도시된 바와 같이, 후치-대물 렌즈 스캐너(59)가 가동 미러면(50, 50')을 갖을 경우, 레이저 빔(125)을 X-Y 평면 중에서 90°의 각도로 재전달하지만, 다음에는 검류계(50)를 축(54)을 중심으로 회전시킴으로써 집속된 스폿을 주사한다. 주사된 스폿이 취하는 경로(51)는 평편한 부품 즉 작업편(12)에서 집속이 벗어난 곡선을 이루고 있을 뿐만 아니라, 직선(52)에서도 벗어난 곡선을 이루고 있다. 직선으로부터 벗어나는 실제 주사 경로의 편차를 보우 왜곡이라 칭한다. 이러한 보우 왜곡은 제5B도에서 명확하게 나타나 있으며, 제5B도는 검류계(50)를 통해 작업편(12)을 직접 주시한 스캐닝 시스템(59)을 나타낸 것이다. 집속된 스폿들의 궤적(locus)은 X-Y 평면 내 만곡면 위치해 있을 뿐 아니라(즉, 필드 곡률이 발생), 주사선도 X-Z 평면에서 만곡되어진다(즉, 보우 왜곡이 발생). 이러한 보우 왜곡은 검류계가 제3A 및 3B도에서 도시된 바와 같이 X-Y 평면에서 집속된 스폿 또는 점을 주사할 때는 발생되지 않는다는 것에 주목해야 한다.

그러나, 이러한 보우 왜곡을 교정하기 위한 한 방법에 대해서 Eidolon Corporation의 Victor J. Doherty씨에 의한 International Lens Desing Conference Vol. 554의 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers 페이지 247 내지 251(1985년)의 명칭이 "Correction Scheme for a Post-Objective Optical Scanner"인 논문에서 기술되어 있다. 상기 논문의 저자는 제4도에서 도시된 참조 번호(42)와 동일한 구면 미러의 사용에 대해 기술하였지만, 이 미러를 45°의 각도로 경사시켜 영상면에 대한 접근을 행하였다. 그러나, 이러한 교정으로 인해 비점수차로 칭하는 수차가 영상에 나타나게 되었다.

렌즈에 의해 유발되어진 비점수차의 전형적인 예를 제6도에서 나타내고 있으며, 여기서는 렌즈 수차로 인해 접선 영상면과 새기탈 영상면(tangential and sagittal image planes)이 축상으로 분리되어 있거나, 또는 집속 광빔의 한 축이 다른 축에 앞서 집속하게 된다. 제6도에서 도시된 바와 같이, 물체점(61) 및 광 축(65)을 갖는 광 시스템(60)의 경우, 접선 팬 모양의 광선(62)은 접선 영상 즉 초점선(64)에 집속하게 되고, 반면에 새기탈 팬 모양의 광선(66)을 새기탈 영상 즉 초점선(68)에 집속하게 된다.

아이돌론 교정 구성(Eidolon Correction Scheme)의 경우, 미러를 구형(spherical) 대신에 제4도에서 도시된 미러(42)의 형상과 유사한 환형(toroidal)으로 제조함으로써 두개의 수차를 교정하려고 시도하였다. 즉 폴딩 미러(folding mirror)는 각 축에서 상이한 구면 곡률을 갖는다. 환형 미러는 광 시스템에서의 보우 왜곡을 전부 교정시키는 것은 아니며, 또한 비점수차 전부를 교정시키는 것은 아닌 것으로 알려져 있다. 아이돌론 규정 구성에서는 기본적으로 두개의 수차 즉 보우 왜곡으로 인한 수차와 비점수차로 인한 수차에 대한 교정을 절충하는 것에 대해 제안하고 있다.

그러나, 본 발명의 발명자들은 비점수차 및 보우 왜곡과 또한 필드 곡률 모두를 교정할 수 있는 새로운 방법 및 장치를 발명하였다.

본 발명의 바람직한 실시예는 제7도에서 도시된 중간-대물 렌즈 스캐너 시스템(79)으로서, 이 시스템은 각를 갖는 단순한 굴절 대물 렌즈(70)를 사용하여 입사광빔(25)을 집속하기 시작했다. 빔(125)은 검류계 또는 다각형이 회전 미러와 같은 스캐닝 기구(50)에 의해 차단되어 X-Y 평면 중에서 90°반사되어진다. 검류계(50)는 축(74)를 중심으로 하여 회전함으로써 레이저 빔(125)을 주사시킨다.

레이저 빔(125)이 집속되기 전에 주사의 중심에서 레이저 빔의 중심은 또 다시 곡률 반경(78)을 갖는 오목 원통형 미러(77)에 의해 검류계(50)가 이전에 빔을 폴드(fold)시켰던 평면과 동일 평면 중에서 폴드되지만, 검류계(50)에 의해 폴드되어졌던 이전의 전파 방향과 동일한 전파 방향으로 레이저 빔(125)을 재전달하도록 폴드 되어진다. 오목 원통형 미러(77)의 곡률은 전형적으로 X-Y 평면 중에서 45°각으로 경사져 있으며, 영상 평면(75) 중의 필드 곡율을 교정시키는 곡률 반경(78)을 가진다.

레이저 빔(125)을 또다시 이와 같이 폴드 시킴으로서, 스캐너 시스템에 보우 왜곡이 또다시 부가되지만, 검류계(50)에 의해 부가된 보우 왜곡의 것과는 반대이다. 따라서, 보우 왜곡 자체가 상쇄되어지므로 영상에는 보우 왜곡이 나타나지, 않게 된다.

보우 왜곡이 교정되어진 후 스캐너 시스템에 남아 있는 유일한 수차는 비점수차이다. 이 비점수차는 단순 굴절 대물 렌즈(70)에 상반되는 양의 비점수차를 부가시큼으로써 영상에서 제거되어진다. 이것은 제7도에 명백히 도시된 바와 같이 레이저 빔(125)이 폴드되는 평면(X-Y 평면)에서 렌즈(70)를 각로 기울게 함으로써 달성된다.

경사각의 양은, 예를 들면 다음의 몇 가지 요인들, (a) 개구소(numerical aperture)에 의해 측정된 시스템의 해상도와, (b) 오목 원통형 미러(77)의 반사면에서 작업편(12)까지의 동작 거리와, (C) 가동 미러면(50)과 오목 원통형 미러(77)의 반사면 사이의 거리와, (d) 렌즈(70)와 가동 미러면(50) 사이의 거리와, (e) 사용되어진 렌즈 또는 굴절 대물 렌즈(70)의 초점 길이에 의해 결정된다.

마찬가지로, 오목 원통형 미러(77)의 곡률 반경(78)은, (a) 렌즈(70)와 가동 미러면(50) 사이의 거리와, (b) 가동 미러면(50)와 오목 원통형 미러(77)의 반사면 사이의 거리와, (c) 렌즈(70)의 초점 거리와 같은 요인들에 따라서 정해진다.

렌즈(70)가 그 노달점(nodal point)을 중심으로 경사지면(노달점은 각 렌즈마다 볼 수 있는 가상점이다), 렌즈(70)가 경사질 때 집속된 영상 위치가 이동되지 않을 것이다. 이것에 의해 초점 벗어난 영상이 집속되는 것을 보는 것과 같이 화질이 개선되기 때문에 초점된 스폿을 연속해서 관찰할 수 있다. 대물 렌즈(70)가 경사져 있으므로, 레이저 빔(25)을 관찰하여 비점수차가 극소화되는 지점을 식별할 수 있다.

제8도에서는 토릭 렌즈(toric lens)를 사용하는 본 발명의 중간-대물 렌즈 스캐너(89)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 토릭 렌즈란 어느 한 경선에서는 최대 배율을 갖고 수직 경선에서는 최소 배율을 갖는 면을 갖고 있는 렌즈이다. 토릭 렌즈는 전형적으로 비점수차를 교정하는데 사용된다. 중간-대물 렌즈 스캐너(89)는 토릭 렌즈(80)때문에 중간-대물 렌즈 스캐너(79)보다 제조 비용이 조금 더 들지만, 일부 응용 분야에서는 이러한 렌즈를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 토릭 렌즈(80)의 토릭면(81)은 작업편(12)의 표면에서 평편한 영상 즉 선(75)을 얻기 위해서 부가 또는 보상을 필요로 하는 비점수차를 발생시킨다.

적어도 하나의 입사광빔(25 또는 125)은 레이저 빔 이거나 또는 광 에너지의 시준된 빔(collimated beam of light energy)일 수 있다.

중간-대물 렌즈 스캐너로 지칭되는 본 발명의 장치 및 방법에 의해 비점수차 및 보우 왜곡이 제거된 평편-필드 후치-대물 렌즈 스캐너를 사용할 수 있다. 또한, 생성된 주사 레이저 빔은 현재 이용 가능한 기술에 비해 대단히 개선된 것이다.

본 발명에서는 보우 왜곡, 비점수차 및 필드 곡률을 제거시키며, 비용면에서 매우 경제적인 렌즈와 미러들을 사용한다. 또한 텔레센트릭 빔을, 즉 빔이 주사될 때 빔의중심이 주사동안 모든 지점에서 부품과 수직을 이루는 빔을 제공한다. 본 발명은 또한 주사된 선의 길이가 가동면(50)의 주사각과 정비례하는 주사된 선을 발생시킨다. 이것은 스캐닝 시스템에서 얻고자하는 상태로서, F-쎄타 상태로 알려져 있다.

본 발명의 중간-대물 렌즈 스캐너의 적절한 이용이나 응용은 본 명세서에 참고가 되는 IBM Corporation의 미국 특허 제5,168,454호(LaPlante 씨와 그외 공동인)에서 기술된 교정 시스템인 MLDS[마스크리스 레이저 천공 시스템(Maskless Laser Drilling System)] 교정 구성에서 광 스캐닝 시스템을 대체하는 것이다. MLDS는 미국, 뉴욕, 아몬크에 소재하는 IBM사의 등록 상표이다. 본 발명의 중간-대물 렌즈 스캐너는 상기 미국 특허 제5,168,454호에서 기재된 마스크리스 레이저 천공시스템(MLDS)에 의해 천공되어져 주사 전체동안 균일하게 되는 구멍들(holes), 즉 천공된 구멍들은 주사 중심으로부터의 거리가 변화할 때 각진 또는 경사진 엣지벽들을 갖지 않게 됨을 갖는 텔레센트릭 렌즈 시스템을 제공한다.

지금까지는 비록 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서만 기술하였지만, 상기한 기술로부터 본 기술 분야에 숙련자들에게는 여러가지의 변형 및 변화 실시예와 대체 실시예가 가능하다는 것은 주지의 사실이다. 따라서 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 한 첨부된 특허 청구 범위는 이와 같은 여러 변형 실시예들을 포함하는 것으로 여겨진다.

Claims

중간-대물 렌즈 스캐너 시스템(Mid-Objective scanner system)을 이용하여 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률(astigmatism, bow distortion and field curvature)을 보정하기 위한 방법에 있어서,

상반되는 양의 비점수차를 발생시켜서 비점수차를 보정하기 위하여 하나 이상의 입사 광빔을 상기 하나 이상의 입사 광빔이 폴드되는 평면에서의 각도로 기울어진 하나 이상의 렌즈에 의하여 하나 이상의 스캐닝 기구 상에 집속시키는 단계;

상기 하나 이상의 스캐닝 기구에 의하여 상기 하나 이상의 입사 광빔을 차단하고 주사시키는 단계;

상기 하나 이상의 스캐닝 기구에 의하여 상기 하나 이상의 입사 광빔을 오목원통형 미러(a concave cylindrical mirror)의 반사면 중 적어도 일부분 상으로 인도하는 단계; 및

상기 오목 원통형 미러에 의하여 상기 하나 이상의 입사 광빔을 하나 이상의 작업편(workpiece) 상으로 인도하여 상기 작업편에서 집속되도록 하는 단계를 포함하되,

상기 오목 원통형 미러는 상기 작업편의 이미지 면에서의 필드 곡률을 보정하는 곡률 반경을 가지는,

중간-대물렌즈 스캐너 시스템을 이용하여 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 하나 이상의 광빔은 레이저 빔(a laser beam)인 방법.
제1항에 있어서,

상기 하나 이상의 광빔은 광 에너지 시준된 빔(a collimated beam of light energy)인 방법.
제1항에 있어서,

상기 스캐닝 기구는 검류계(a galvanometer)인 방법.
제1항에 있어서,

상기 스캐닝 기구는 다각형의 회전 미러(a rotating mirrored polygon)인 방법.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 무색수차 렌즈(achromatic lens)인 방법.
제1항에 있어서,

상기 렌즈는 그 노달점(nodal point)을 중심으로 기울어진 방법.
제1항에 있어서,

상기 오목 원통형 미러의 곡률 반경은, (a) 상기 렌즈와 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면(the scanning surface) 사이의 거리와, (b) 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면과 상기 오목 원통형 미러의 상기 반사면 사이의 거리와, (c) 상기 렌즈의 초점 거리에 따라서 선택되는 방법.
제1항에 있어서,

상기 기울어진 렌즈의 상기 각도는 (a) 개구수(the numerical aperture)에 의해 측정된 시스템의 해상도(the resolution)와, (b) 상기 오목 원통형 미러의 상기 반사면에서 상기 작업편까지의 동작 거리(working distance)와, (c) 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면과 상기 오목 원통형 미러의 상기 반사면 사이의 거리와, (d) 상기 렌즈와 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면 사이의 거리와, (e) 상기 렌즈의 초점 거리에 의해 정해지는 방법.
비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하기 위한 중간-대물렌즈 스캐너 시스템을 포함하는 장치에 있어서,

(a) 하나 이상의 입사 광빔을 하나 이상의 스캐닝 기구 상으로 집속시키기 위해 하나 이상의 렌즈를 상반되는 양의 비점수차를 발생시켜서 비점수차를 보정하기 위하여 상기 하나 이상의 입사 광빔이 폴드되는 평면에서의 각도로 기울게 하는 하나 이상의 수단을 포함하고,

(b) 상기 스캐닝 기구를 포함하되, 상기 스캐닝 기구는 상기 기울어진 하나 이상의 렌즈와 하나 이상의 작업편 사이에 배치되고, 상기 스캐닝 기구는 상기 하나 이상의 입사 광빔을 오목 원통형 미러의 반사면의 적어도 일부분 상으로 인도하는 하나 이상의 수단을 가지며,

(c) 상기 하나 이상의 입사 광빔을 작업편 상으로 인도하여 상기 작업편에서 집속되도록 하는 상기 오목 원통형 미러 내의 수단을 포함하며, 상기 오목 원통형 미러는 상기 작업편의 이미지 면에서의 필드 곡률을 보정하는 곡률 반사경을 가지는, 중간-대물렌즈 스캐너 시스템을 이용하여 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하는 장치.
제10항에 있어서,

상기 하나 이상의 광빔은 레이저 빔인 장치.
제10항에 있어서,

상기 하나 이상의 광빔은 광 에너지의 시준된 빔인 장치.
제10항에 있어서,

상기 스캐닝 기구는 검류계인 장치.
제10항에 있어서,

상기 스캐닝 기구는 다각형의 회전 미러인 장치.
제10항에 있어서,

상기 렌즈는 무색수차 렌즈인 장치.
제10항에 있어서,

상기 렌즈는 그 노달점을 중심으로 기울어진 장치.
제10항에 있어서,

상기 오목 원통형 미러의 곡률 반경은, (a) 상기 렌즈와 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면 사이의 거리와, (b) 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면과 상기 오목 원통형 미러의 상기 반사면 사이의 거리와, (c) 상기 렌즈의 초점 거리에 따라서 선택되는 장치.
제10항에 있어서,

상기 기울어진 렌즈의 상기 각도는 (a) 개구수에 의해 측정된 시스템의 해상도와, (b) 상기 오목 원통형 미러의 상기 반사면에서 상기 작업편까지의 동작거리와, (c) 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면과 상기 오목 원통형 미러의 상기 반사면 사이의 거리와, (d) 상기 렌즈와 상기 스캐닝 기구의 스캐닝면 사이의 거리와, (e) 상기 렌즈의 초점 거리에 의해 정해지는 장치.
비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하기 위한 중간-대물렌즈 스캐너 시스템을 포함하는 장치에 있어서,

(a) 상반되는 양의 비점수차를 발생시켜서 비점수차를 보정하고, 하나 이상의 입사 광빔을 하나 이상의 스캐닝 기구 상으로 집속시키기 위한 하나 이상의 토릭 렌즈(toric lens)를 포함하고,

(b) 상기 스캐닝 기구를 포함하되, 상기 스캐닝 기구는 상기 하나 이상의 토릭 렌즈와 하나 이상의 작업편 사이에 배치되고, 상기 스캐닝 기구는 상기 하나 이상의 입사 광빔을 오목 원통형 미러의 반사면의 적어도 일부분 상으로 인도하는 하나 이상의 수단을 가지며,

(c) 상기 하나 이상의 입사 광빔을 작업편 상으로 인도하여 상기 작업편에서 집속되도록 하는 상기 오목 원통형 미러 내의 수단을 포함하며, 상기 오목 원통형 미러는 상기 작업편의 이미지 면에서의 필드 곡률을 보정하는 곡률 반경을 가지는,

중간-대물렌즈 스캐너 시스템을 이용하여 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하는 장치.
중간-대물렌즈 스캐너 시스템을 이용하여 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하기 위한 방법에 있어서,

상반되는 양의 비점수차를 발생시켜 비점수차를 보정하는 토릭 렌즈를 사용하여 하나 이상의 입사 광빔을 하나 이상의 스캐닝 기구 상에 접속시키는 단계;

상기 하나 이상의 스캐닝 기구에 의하여 상기 하나 이상의 입사 광빔을 차단하고 주사시키는 단계;

상기 하나 이상의 스캐닝 기구에 의하여 상기 하나 이상의 입사 광빔을 오목 원통형 미러의 반사면 중 적어도 일부분 상으로 인도하는 단계; 및

상기 오목 원통형 미러에 의하여 상기 하나 이상의 입사 광빔을 하나 이상의 작업편 상으로 인도하여 상기 작업편에서 집속되도록 하는 단계를 포함하되,

상기 오목 원통형 미러는 상기 작업편의 이미지 면에서의 필드 곡률을 보정하는 곡률 반경을 가지는,

중간-대물렌즈 스캐너 시스템을 이용하여 비점수차, 보우 왜곡 및 필드 곡률을 보정하는 방법.