KR100289737B1 - 렌즈수차측정장치및이를이용한수차측정방법 - Google Patents

Abstract

렌즈의 수차측정장치 및 이를 이용한 수차측정방법에 관해 개시되어 있다. 수차측정을 하고자 하는 테스트 렌즈의 앞, 뒤로 투광성 제1 및 제2 회절 광학 소자가 구비되어 있고, 제1 회절 광학 소자의 앞에 콘덴서 렌즈와 어퍼쳐(aperture)가 구비되어 있으며, 상기 제2 회절 광학 소자의 뒤에 상기 제2 회절 광학 소자로부터 회절된 광의 간섭무늬를 측정하기 위한 수단으로 고체 촬상 소자(Charge Coupled Device)가 구비되어 있다. 상기 제1 및 제2 회절 광학 소자는 투광성 회절격자이다.

Description

렌즈 수차측정장치 및 이를 이용한 수차측정방법{Apparatus for measuring an aberration of lens and method for measuring an aberration using the same}

본 발명은 반도체 제조장치 및 이를 이용하는 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 렌즈 수차측정장치 및 이를 이용한 렌즈 수차측정방법에 관한 것이다.

스텝퍼(stepper)를 비롯해서 대부분의 광학장치에 복수개의 렌즈가 포함되어 있다. 광학소자로서의 렌즈는 이상적으로 제조하더라도 코마(coma)나 만곡수차 또는 비점수차(astigmatism)와 같은 수차들을 갖는다. 따라서, 렌즈의 수차를 최소화하면 할수록 스텝퍼를 이용하여 더욱 미세한 패턴을 더욱 선명하게 그릴 수 있다.

광학 렌즈의 수차를 최소화하기 위해선 먼저, 렌즈에 어떠한 수차가 포함되어 있고, 어느 정도의 수차를 나타내는지 정확히 측정하는 것이 관건이 된다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 렌즈 수차측정장치는 테스트용 렌즈(10)를 중심으로 그 앞쪽에 광원역할을 하는 핀홀(12)이 구비되어 있다. 핀홀(12)의 홀(12a)은 회절된 광중 1차광이 테스트용 렌즈(10)의 전면에 균일하게 입사될 수 있을 정도의 크기를 갖는다. 테스트용 렌즈(10)의 뒤에 마스크(14)가 구비되어 있다. 마스크(14)는 테스트용 렌즈(10)의 상 평면(image plane)에 위치해 있고, 제1 및 제2 구멍(14a, 14b)을 갖고 있다. 제1 구멍(14a)은 테스트 렌즈(10)의 해상도(λ/NA)도 보다 충분히 커서 테스트 렌즈(10)의 상이 맺힐 수 있을 정도의 직경을 갖는 구멍인 반면, 제2 구멍(14b)은 테스트 렌즈(10)의 해상도보다 작아서 점광원 역할을 할 수 있을 정도로 작은 직경을 갖는 구멍이다. 마스크(14) 뒤에 제1 및 제2 구멍(14a, 14b)을 통과하는 광을 측정하기 위해 고체촬상소자(Charge Coupled Device, 이하 CCD라 함)(16)가 구비되어 있다.

이와 같은 구성의 종래의 수차 측정장치를 이용하여 테스트 렌즈(10)의 수차를 측정하는 과정을 살펴본다.

핀홀(12)에 입사되는 광은 홀(12a)에 의해 회절되고 회절된 광중 1차광이 테스트용 렌즈(10)의 전면에 조사된다. 테스트 렌즈(10)에 입사된 광은 테스트 렌즈(10)의 서로 다른 영역, 예컨대 테스트 렌즈(10)의 두꺼운 영역 또는 얇은 가장자리 영역을 통과하게 된다. 이 결과, 테스트 렌즈(10)을 통과한 광은 테스트 렌즈(10)의 영역별로 서로 다른 초점거리를 갖는 광수차를 포함하는 광이 된다. 도 1에서 테스트 렌즈(10)를 통과한 광이 마스크(14)의 제1 구멍(14a)에 한점으로 모이는 것처럼 도시되어 있으나, 이것은 도식의 편의를 위해 과장된 것이다.

테스트 렌즈(10)를 통과한 광중 마스크(14)의 제1 구멍(14a)을 통과하는 광은 수렴광에서 발산광으로 반전되어 CCD(16)에 입사된다. 그리고 제2 구멍(14b)에 입사되는 광은 제2 구멍(14b)을 통과하면서 점 광원으로 작용한다. 따라서, 제2 구멍(14b)을 통과하는 광은 제2 구멍(14b)을 정점으로 하는 발산광으로 CCD(16)에 입사된다. 제1 및 제2 구멍(14a, 14b)으로부터 CCD(16)로 입사되는 두 광은 각 광이 포함하고 있는 수차에 따라 간섭하게 되고 이 결과로서 나타나는 간섭무늬가 CCD(16)에서 기록되거나 관찰된다. 이 간섭무늬를 관찰함으로써 테스테 렌즈(10)의 수차를 측정할 수 있는데, 여기서 관건이 되는 것은 기준광(reference beam)으로 사용되는 마스크(14)의 제2 구멍(14b)을 통과하는 광이다. 제2 구멍(14b)을 통과하는 광은 점광원으로 작용한다고 기술하였으나, 실상 제2 구멍(14b)에 입사되는 광도 테스트 렌즈(10)의 수차를 포함하는 광의 일부이다. 따라서, 제2 구멍(14b)을 통과한 광이라도 테스트 렌즈(10)의 수차에 대한 정보가 완전히 제거된 광은 되지 않는다. 결국, CCD(16)에서 측정되는 광은 수차를 포함하는 두 광의 간섭무늬를 측정하는 것이 되므로, 테스트 렌즈(10)에 의해 나타나는 수차를 정확히 측정할 수 없게된다. 이러한 결과는 현재의 핀홀을 이용한 회절 간섭계의 수차 측정정밀도가 사용되는 파장의 0.05배정도이지만, 제작되는 렌즈의 수차는 통상 파장의 0.03배인 점을 감안하면 쉽게 이해된다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술이 갖는 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 기준광원으로 완전한 구면파를 이용하는 것이 가능하여 파장의 소숫점이하 세자리까지 수차 측정이 가능한 렌즈 수차측정장치를 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 상기 렌즈 수차측정장치를 이용한 렌즈 수차 측정방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 렌즈 수차측정장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 렌즈 수차측정장치의 개략도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

40:테스트 렌즈. 42, 44:제1 및 제2 광학계.

42a, 44a:제1 및 제2 회절광학소자.

42b:콘덴서 렌즈. 42c:어퍼쳐(aperture).

44b:광 측정수단.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 테스트 렌즈; 상기 테스트 렌즈의 앞에 설치된 제1 회절 광학 소자; 상기 제1 회절 광학 소자 앞에 설치되어 있는 콘덴서 렌즈; 상기 콘덴서 렌즈 앞에 설치되어 상기 콘덴서 렌즈에 입사되는 광량을 제한하는 어퍼쳐(aperture); 상기 테스트 렌즈의 뒤에 설치된 제2 회절 광학 소자; 및 상기 제2 회절 광학 소자 뒤에 설치된 광 측정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정장치를 제공한다.

여기서, 상기 제1 회절 광학 소자 또는 제2 회절 광학 소자는 입사광의 일부가 회절없이 통과되고 나머지가 회절되는 투광성 회절격자인 것이 바람직하다.

그리고 상기 광 측정수단은 CCD인 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 테스트 렌즈의 앞, 뒤에 각각 제1 광학계와 제2 광학계가 구비되어 있는 렌즈 수차측정장치에 있어서,

상기 제1 광학계에 상기 테스트 렌즈의 앞에서 상기 테스트 렌즈에 입사되는 광을 회절시키는 제1 회절 광학 소자가 구비되어 있고, 상기 제2 광학계에 상기 테스트 렌즈 바로 뒤에서 상기 테스트 렌즈를 통과한 광을 회절시키는 제2 회절 광학 소자가 구비되어 있는 렌즈 수차측정장치를 제공할 수도 있다.

여기서, 상기 제1 및 제2 회절 광학 소자는 각각 회절격자이지만, 입사되는 광의 일부에 대해 투명한 투광성 회절격자인 것이 바람직하다.

상기 제1 광학계에 상기 제1 회절 광학 수단외에 상기 제1 회절 광학 수단의 앞에 있는 콘덴서 렌즈와 그 앞에서 입사되는 광량을 제한하는 어퍼쳐(aperture)가 구비되어 있다.

상기 제2 광학계에 상기 제2 회절 광학 수단외에 상기 제2 회절 광학 수단으로부터 회절되는 광을 측정하는 장치가 구비되어 있다. 상기 광 측정수단은 CCD이다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 렌즈 수차측정방법은 테스트 렌즈의 앞, 뒤에 각각 광학계가 구비되어 있는 렌즈 수차 측정장치를이용한 렌즈 수차측정방법에 있어서,

상기 테스트 렌즈 앞에 있는 광학계와 상기 테스트 렌즈사이에 제1 회절광학소자를 설치하고 상기 테스트 렌즈 뒤에 있는 광학계와 상기 테스트 렌즈사이에 제2 회절광학소자를 설치하여 상기 테스트 렌즈의 수차를 측정한다.

상기 제1 및 제2 회절광학소자로서 각각 투광성 회절격자가 사용된다.

본 발명은 테스트 렌즈의 앞, 뒤에 투광성 회절광학소자를 구비하여 상기 테스트 렌즈의 수차를 측정하기 위한 기준 광으로 상기 테스트 렌즈를 통과하나 그에 포함된 수차에 대한 정보를 포함하지 않는 구면파를 이용한다. 또한, 상기 테스트 렌즈의 앞쪽에 어퍼쳐를 구비하여 광학계에 입사되는 광을 제한함으로써 입사되는 광의 간섭성(coherence)을 좋게 한다. 이에 따라, 상기 기준 광과 상기 테스트 렌즈를 통과한 비교광 사이의 간섭무늬가 더욱 선명해지므로 상기 테스트 렌즈의 수차를 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 즉, 상기 테스트 렌즈의 수차 측정에 사용되는 광 파장의 소숫점이하 세자리수 정도, 예컨대 0.005배 정도의 정밀도로 상기 테스트 렌즈의 수차를 측정할 수 있다.

현재, 제조되는 렌즈의 수차가 파장의 0.03정도인 것을 감안하면, 본 발명에 의한 수차측정장치의 측정 정밀도가 얼마나 높은 것인지 알 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 렌즈 수차측정장치 및 이를 이용한 수차 측정방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 도면에서 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다. 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

첨부된 도면들 중, 도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 렌즈 수차측정장치의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 수차를 측정하기 위한 테스트 렌즈(40)의 앞쪽 즉, 광이 입사되는 방향에 제1 광학계(42)가 구비되어 있고, 뒤쪽에 제2 광학계(44)가 구비되어 있다.

도 2에 수차측정을 위한 대상으로 단일 볼록렌즈가 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 한 실시예를 설명하기 위한 것이다. 따라서, 상기 수차측정을 위한 대상으로 도 2에 도시한 단일 볼록렌즈외에 복수개의 렌즈와 광학소자 등을 포함하는 광학계일 수도 있고, 단일 오목렌즈나 비 대칭 굴절면을 갖는 단일 렌즈일 수도 있다.

상기 제1 광학계(42)는 상기 테스트 렌즈(40)의 앞에 있는 제1 회절 광학 소자(42a)와 상기 제1 회절 광학 소자(42a) 앞에 있는 콘덴서 렌즈(42b) 및 상기 콘덴서 렌즈(42b) 앞에 있는 어퍼쳐(aperture)(42c)로 구성되어 있다. 상기 어퍼쳐(42c)는 상기 콘덴서 렌즈(42b)에 입사되는 광량을 제한하는 것으로서 상기 제1 및 제2 광학계(42, 44)와 상기 테스트 렌즈(40)를 통과한 광이 간섭성을 좋게 하기 위해 상기 어퍼쳐(42c)에서 광이 투과되는 영역을 가능한 좁게 한다. 상기 제1 회절 광학 소자(42a)는 회절 격자이다. 그러나, 상기 제1 회절 광학 소자(42a)는 투광성 회절 격자인 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1 회절 광학 소자(42a)에 입사되는 광의 일부는 회절 없이 그대로 통과되고 나머지는 회절된다.

한편, 상기 제2 광학계(44)는 상기 테스트 렌즈(40)의 뒤에서 상기 테스트 렌즈(40)로부터 굴절된 광을 일부는 투광시키고 일부는 회절시키는 제2 회절 광학 소자(44a)와 상기 제2 회절 광학 소자(44a)에 의해 투광 및 회절된 광을 측정하는 광 측정수단(44b)으로 구성되어 있다. 상기 제2 회절 광학 소자는 상기 제1 회절 광학 소자(42a) 처럼 투광성 회절 격자이다. 상기 광 측정수단(44b)은 고체 촬상 소자이다. 상기 광 측정수단(44b)은 상기 제2 회절 광학 소자(44a)를 회절없이 통과한 광과 회절된 광의 간섭으로 나타나는 간섭무늬를 측정하는 수단이다.

언급하지 않았지만, 상기 테스트 렌즈(40), 제1 및 제2 광학계(42, 44)의 중심은 동일한 광축 상에 위치해 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 광하계(42, 44)를 구성하는 광학소자들은 서로 평행하다.

상기 제1 및 제2 광학계(42, 44)를 이용하여 상기 제1 및 제2 광학계(42, 44) 사이에 위치하는 상기 테스트 렌즈(40)의 수차를 측정하는 방법을 설명한다.

먼저, 상기 제1 및 제2 광학계(42, 44)와 상기 테스트 렌즈(40)로 이루어지는 광학계에 광이 입사되어 상기 광 측정수단(44b)에 까지 도달되는 과정을 살펴본다.

어퍼쳐(42c)의 투광영역을 통과한 광은 상기 콘덴서 렌즈(42b)에 의해 굴절된다. 굴절된 광은 상기 제1 회절 광학 소자(42a)에 입사된다. 이중 일부는 회절없이 통과하고 나머지는 회절된다. 상기 제1 회절 광학 소자(42a)에 의해 회절된 제1 광(L1)은 테스트 렌즈(40)의 전면에 고른 광도로 입사되게 한다. 이렇게 하기 위해 상기 제1 회절 광학 소자(42a)의 특성, 예컨대 격자간의 간격이나 격자의 폭 등을 조절할 필요가 있다. 바람직하게, 상기 제1 회절 광학 소자(42a)로서 1차 회절광이 상기 테스트 렌즈(40)의 전면에 입사되는 투광성 회절격자를 사용한다. 상기 1차 회절 광학 소자(42a)를 회절 없이 통과한 제2 광(L2)은 상기 테스트 렌즈(40)의 광축이 지나는 중심을 통과한다. 상기 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 상기 테스트 렌즈(40)의 상 평면(image plane)에서 만나게 된다. 이때, 상기 제2 광(L2)은 상기 테스트 렌즈(40)의 중심을 통과하므로 상기 테스트 렌즈(40)로부터 비롯되는 수차에 거의 무관하게된다.

반면, 상기 제1 광(L1)은 사정이 다른다. 상기 제1 광(L1)은 상기 테스트 렌즈(40)의 전면을 통해서 굴절되기 때문에, 상기 테스트 렌즈(40)의 각 영역에 따라 다른 굴절 특성을 나타낸다. 즉, 상기 제1 광(L1)은 상기 테스트 렌즈(40)에서 비롯되는 수차를 포함하게 된다.

한편, 상기 제2 광(L2)은 상기 테스트 렌즈(40)의 수차를 측정하는데 있어서 기준광으로 사용된다. 따라서, 상기 테스트 렌즈(40)의 수차에 대한 정보를 포함하지 않는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 제2 광(L2)을 상기 테스트 렌즈(40)의 상 평면에 위치한 상기 제2 회절 광학 소자(44a)를 이용하여 회절시킨다. 이때, 상기 제2 광(L2)은 상기 제2 회절 광학 소자(44a)의 회절점에서 하나의 점 광원으로 작용한다. 따라서, 상기 제2 회절 광학 소자(44a)의 한 점에 의해 회절된 후의 상기 제2 광(L2)은 상기 테스트 렌즈(40)의 수차에 대한 정보를 갖지 않는 한 개의 점 광원으로부터 발산되는 구면파가 된다.

상기 테스트 렌즈(40)의 수차정보를 포함하고 있는 상기 제1 광(L1)도 상기 제2 광(L2)과 함께 상기 제2 회절 광학 소자(44a)통과한다. 상기 제1 광(L1)은 상기 테스트 렌즈(40)의 수차를 측정하기 위한 비교광으로 사용된다. 상기 제1 광(L1)중 비교광으로 사용되는 광은 상기 제2 회절 광학 소자(44a)를 회절없이 그대로 통과하는 광이다. 따라서, 상기 제2 회절 광학 소자(44a)를 통과한 비교광으로 사용되는 상기 제1 광(L1)은 상기 테스트 렌즈(40)의 수차에 대한 정보가 그대로 포함되어 있다. 따라서, 상기 제2 광(L2)과 파면의 상태가 다르다.

상기 제2 회절 광학 소자(44a)에 의해 회절된 상기 제2 광(L2)과 상기 제2 회절 광학 소자(44a)를 회절없이 통과한 상기 제1 광(L1)은 상기 광 측정수단(44b)에 도달되는 동안에 상호 간섭을 일으키고 그 결과로서 나타나는 간섭무늬가 상기 광 측정수단(44b)에서 측정된다. 상기 광 측정수단(44b)에서 측정된 간섭무늬를 분석하면, 상기 테스트 렌즈(40)의 수차가 어느 정도인지 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 실시 가능함은 명백하다.

이상으로, 본 발명은 수차를 측정하고자 하는 테스트 렌즈(또는 광학계)의 수차를 측정하기 위해 상기 테스트 렌즈 앞, 뒤에 각각 회절 광학 소자, 예컨대 투광성 회절격자를 설치한다. 이렇게 함으로써 상기 테스트 렌즈의 수차에 대한 정보를 갖는 비교광과 상기 테스트 렌즈에 대한 수차 정보를 갖지 않는 기준광을 발생시킬 수 있다. 상기 비교광과 기준광을 간섭시키고 그 결과로서 간섭무늬를 측정하고 분석함으로써 상기 테스트 렌즈에 대한 수차를 높은 정밀도, 예컨대 파장의 소숫점 이하 세자리 정도까지의 정밀도로 측정할 수 있다.

Claims (7)

1. 테스트 렌즈;

   상기 테스트 렌즈의 앞에 설치된 투광성 제1 회절 광학 소자;

   상기 제1 회절 광학 소자 앞에 설치되어 있는 콘덴서 렌즈;

   상기 콘덴서 렌즈 앞에 설치되어 상기 콘덴서 렌즈에 입사되는 광량을 제한하는 어퍼쳐(aperture);

   상기 테스트 렌즈의 뒤에 설치된 투광성 제2 회절 광학 소자; 및

   상기 제2 회절 광학 소자 뒤에 설치된 광 측정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 회절 광학 소자 또는 제2 회절 광학 소자는 입사광의 일부가 회절없이 통과되고 나머지가 회절되는 투광성 회절격자인 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 광 측정수단은 고체 촬상 소자(Charge Coupled Device)인 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정장치.
4. 테스트 렌즈의 앞, 뒤에 각각 제1 광학계와 제2 광학계가 구비되어 있는 렌즈 수차측정장치에 있어서,

   상기 제1 광학계는 상기 테스트 렌즈의 앞에서 상기 테스트 렌즈에 입사되는 광을 회절시키는 투광성 제1 회절 광학 소자와 상기 제1 회절 광학 소자의 앞에 위치한 콘덴서 렌즈와 상기 콘덴서 렌즈에 입사되는 광량을 제한하고 그 앞에 위치한 어퍼쳐(aperture)로 구성되어 있고,

   상기 제2 광학계는 상기 테스트 렌즈 바로 뒤에서 상기 테스트 렌즈를 통과한 광을 회절시키는 투광성 제2 회절 광학 소자와 상기 제2 회절 광학 소자를 통과하는 광을 측정하는 측성 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 회절 광학 소자 또는 제2 회절 광학 소자는 입사광의 일부가 회절없이 통과되고 나머지가 회절되는 투광성 회절격자인 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정장치.
6. 수차 측정을 위한 테스트 렌즈와 상기 테스트 렌즈의 앞에 설치된 투광성 제1 회절 광학 소자와 상기 제1 회절 광학 소자 앞에 설치되어 있는 콘덴서 렌즈와 상기 콘덴서 렌즈 앞에 설치되어 상기 콘덴서 렌즈에 입사되는 광량을 제한하는 어퍼쳐(aperture)와 상기 테스트 렌즈의 뒤에 설치된 투광성 제2 회절 광학 소자 및 상기 제2 회절 광학 소자 뒤에 설치된 광 측정수단을 구비하는 렌즈 수차 측정장치를 이용한 렌즈 수차측정방법에 있어서,

   상기 테스트 렌즈의 전면을 통과한 다음 상기 제2 회절 광학 소자를 회절없이 통과하는 제1 광을 비교광으로 이용하고, 상기 테스트 렌즈의 일부를 통과하고 상기 제2 회절 광학 소자에 의해 회절되는 제2 광을 기준광으로 이용하여 상기 테스트 렌즈의 수차를 측정하는 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 회절 광학 소자 또는 상기 제2 회절 광학 소자로서 입사광의 일부가 회절없이 통과되고 나머지가 회절되는 투광성 회절격자를 이용하는 것을 특징으로 하는 렌즈 수차측정방법.