KR101254843B1 - 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템용 광 인터그레이터 - Google Patents
마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템용 광 인터그레이터 Download PDFInfo
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Abstract
마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 다수의 2차 광원들을 형성하는 광 인터그레이터는, 제 1 평면에 나란하게 배치되어 있으며 제 1 정점 라인(V)들을 갖는, 길게 연장되고 볼록하게 만곡된 제 1 마이크로 렌즈(112X)들의 제 1 어레이를 포함한다. 상기 광 인터그레이터는, 제 2 평면에 나란하게 배치되어 있으며 제 2 정점 라인(V1 내지 V4)들을 갖는, 길게 연장되고 볼록하게 만곡된 제 2 마이크로 렌즈(114X; 214X)들의 제 2 어레이를 더 포함한다. 적어도 하나의 제 2 정점 라인 또는 그의 일부는, 광 인터그레이터의 광축을 따른 투영에서, 제 1 정점 라인(V)들 중 어느 하나와도 또는 그들의 일부와도 일치하지 않는다.
Description
본 발명은 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 다수의 2차 광원들을 형성하기 위한 광 인터그레이터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 조명 시스템에서 사용되는 길게 연장된 마이크로 렌즈들의 어레이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 길게 연장된 마이크로 렌즈들의 어레이는 그러한 조명 시스템의 광 인터그레이터 또는 산란판에 종종 포함되어 있다.
마이크로리소그래피(포토리소그래피 또는 단순히 리소그래피로도 불린다)는 집적회로, 액정 디스플레이 및 다른 미세 구조화된 소자들의 제조를 위한 기술이다. 에칭 공정과 함께, 마이크로리소그래피 공정은, 기판, 예컨대 실리콘 웨이퍼 위에 형성되어 있는 박막 스택(stack)들에 형태를 패터닝하는데 사용된다. 각각의 층의 제조에 있어서, 웨이퍼는 먼저 심자외선(DUV) 광과 같은 방사광(radiation)에 민감한 재료인 포토레지스트로 코팅된다. 다음으로, 상부에 포토레지스트를 갖는 상기 웨이퍼는 투영 노광 장치 내의 마스크를 통해 투영 광에 노광된다. 마스크는 포토레지스트 위로 투영될 회로 패턴을 담고 있다. 노광 후에, 포토레지스트는 마 스크에 담겨진 회로 패턴에 대응하는 이미지를 형성하도록 현상된다. 그런 다음, 에칭 공정은 상기 회로 패턴을 웨이퍼 위의 박막 스택들에 전사한다. 최종적으로, 포토레지스트는 제거된다. 상이한 마스크들을 갖는 이러한 공정을 반복한 결과, 복층의 미세 구조화된 소자를 가져온다.
투영 노광 장치는 통상적으로 조명 시스템, 마스크를 정렬시키기 위한 마스크 스테이지, 투영 렌즈 및 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼를 정렬시키기 위한 웨이퍼 정렬 스테이지를 포함한다. 조명 시스템은, (길게 연장된) 직사각형 또는 링의 일부분의 형태를 종종 갖는 마스크 상의 필드를 조명한다.
현재의 투영 노광 장치에 있어서, 두 개의 상이한 타입의 장치 사이에 구별이 이루어질 수 있다. 한 타입에 있어서, 웨이퍼 상의 각각의 타겟 부분은 한번 진행할 때 전체 마스크 패턴을 그 타겟 부분 위로 노광함으로써 조사되며; 그러한 장치는 통상적으로 웨이퍼 스텝퍼로 불린다. 통상적으로 스텝 앤드 스캔(step-and-scan) 장치로 불리는 다른 타입의 장치에 있어서, 각각의 타겟 부분은 주어진 기준 방향에 평행 또는 반평행하게 기판을 동기하여 스캐닝하는 동안 그 기준 방향으로 투영 광빔 하의 마스크 패턴을 점진적으로 스캐닝함으로써 조사된다. 웨이퍼의 속도와 마스크의 속도의 비율은 투영 렌즈의 배율과 같은데, 예컨대 1:4 정도로 통상적으로 1보다 작다.
미세 구조화된 소자들을 제조하는 기술이 진보함에 따라, 조명 시스템에 대한 요구도 또한 더욱 증가하고 있다. 이상적으로, 조명 시스템은 잘 정의된 각도 분포와 조도를 갖는 투영 광으로 마스크 상의 조명 필드의 각각의 부분을 조명한 다. 통상적으로 투영 광의 각도 분포는 조명 필드 내의 모든 점들에 대해 동일하여야 한다. 스텝퍼 타입의 장치에서, 이는 조도(irradiance)에도 적용된다. 왜냐하면, 조명 필드에 있어서의 단지 약간의 조도 변화들도, 포토레지스트의 예리한 노광 문턱으로 인해 웨이퍼 상의 실질적인 크기 변화들로 전환되기 때문이다.
스캐너 타입의 노광 장치에서, 조명 필드 내의 조도는 스캐닝 방향을 따라 변할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 스캐닝 이동에 의해 얻어지는 집적 효과의 결과, 포토레지스트 상의 각각의 점은 동일한 양의 광 에너지를 받는다. 예컨대, 조명 필드의 긴쪽 에지(edge)에서 만곡된 또는 기울어진 경사를 갖는, 스캐닝 방향으로의 조도 함수가 펄스 양자화 효과(pulse quantization effect)를 억제하는데 유용하다는 것이 발견되었다. 상기 펄스 양자화 효과는 본 출원인에게 양수된 국제 출원 WO 2005/078522에 더욱 상세하게 설명되어 있다.
마스크 상에 입사하는 투영 광의 각도 분포는 통상적으로 포토레지스트 상에 투영될 패턴의 종류에 적합화되어 있다. 예컨대, 상대적으로 큰 크기의 형태는 작은 크기의 형태들과는 다른 각도 분포를 요구할 수 있다. 투영 광의 가장 공통적으로 사용되는 각도 분포들은, 통상적인, 환형(annular), 이중극(dipole) 및 사중극 조명 설정으로 불린다. 이들 용어들은 조명 시스템의 동공 평면에서의 조도 분포를 참조한다. 예컨대, 환형 조명 설정의 경우, 동공 평면 내의 단지 하나의 환형 영역만이 조명되며, 따라서 투영 광의 각도 분포에는 단지 작은 범위의 각도들만이 존재하여 모든 광빔들은 마스크 상에 유사한 각도들로 경사지게 입사한다.
200nm 이하의 파장용으로 설계된 조명 시스템에서, 광원으로서 레이저가 통 상적으로 사용된다. 레이저에 의해 방출된 투영 광속은 작은 단면과 낮은 발산을 가지며, 따라서 기하학적인 광 플럭스(optical flux)도 역시 작다. 라그랑지 불변량(Lagrange invariant)으로도 불리는 기하학적인 광 플럭스는, 최대 광 각도와 조명 필드의 크기의 곱에 비례하는, 적어도 어느 특정한 구성들에 대한 양이다. 레이저 광원의 작은 기하학적 광 플럭스는, 단지 통상적인 렌즈들이 사용된다면, 작은 조명 각도로 조명되는 큰 필드 또는 큰 조명 각도로 조명되는 작은 필드를 얻는 것이 가능하다는 것을 암시한다.
두 가지 모두, 즉 큰 조명 각도로 조명되는 큰 필드를 얻기 위해서, 대부분의 조명 시스템들은 광학 소자 상의 각각의 점에 대해 그 점을 지나는 광의 발산을 증가시키는 광학 소자들을 포함한다. 이러한 특성을 가지는 광학 소자들은 이하에서 광학적 래스터 소자(optical raster element)라고 불릴 것이다. 그러한 광학적 래스터 소자들은 복수의 - 통상적으로 주기적으로 배치된 - 서브소자들, 예컨대 회절 구조들 또는 마이크로 렌즈들을 포함한다.
유리 막대 또는 이와 유사한 광 혼합 소자를 포함하는 조명 시스템은 마스크 평면에서 매우 우수한 조도 균일성을 달성한다. 그러나, 이러한 광 혼합 소자들은 투영 광의 편광 상태를 심각한 정도로 파괴한다. 이는 때때로 바람직하지 않은 효과인데, 왜냐하면 주의 깊게 선택된 편광 상태를 갖는 투영 광으로 마스크를 조명하는 것은 포토레지스트 위로의 마스크 패턴의 이미지를 크게 향상시킬 수 있다는 점이 발견되었기 때문이다.
유리 막대 또는 이와 유사한 광 혼합 소자 없이 우수한 조도 분포를 달성하 는 통상적인 조명 시스템은 미국 특허 제6,583,937 B1호에 개시되어 있다. 조명 시스템 내에 있는 대물렌즈의 물체 평면에 제 1 광학적 래스터 소자가 위치한다. 상기 대물렌즈는 줌 광학기기 및 액시콘(axicon) 렌즈 쌍을 포함하는데, 이들은 사출동공(exit pupil) 내의 조도 분포를 변형하여 마스크에 입사하는 투영 광속의 각도 분포를 변형하는 것을 가능하게 한다. 대물렌즈의 사출동공 평면 가까이에는 플라이-아이 광 인터그레이터가 배치된다. 실린드리컬 마이크로 렌즈들의 어레이들을 각각 포함하는 두 개의 인터그레이터 부재들을 포함하는 상기 광 인터그레이터는 기하학적 광 플럭스를 증가시키고 마스크 상의 조명 필드의 크기 및 기하학적 형태를 변형한다. 상기 조명 시스템은 마스크 상에 있는 조명 필드의 예리한 에지들을 보장하는 필드 조리개의 바로 전방에 배치되어 있는 산란 구조를 더 포함한다.
그러나, 그러한 정교한 조명 시스템으로도, 마스크에 입사하는 투영 광의 소망하는 조도 및 각도 분포에 관하여 조명 시스템에 추가적으로 적용되는 엄격한 상세 사항들을 만족시키기는 어렵다.
조도 분포에 추가적으로 영향을 주는 한 가지 접근법은 EP 0 952 491 A2에 개시된 것과 같은 조절 가능한 조리개 장치를 사용하는 것이다. 상기 장치는, 스캐닝 방향에 평행하게 배치된 약간 인접해 있는 블레이드(blade)들의 두 개의 대향하는 열(row)을 포함한다. 각각의 블레이드는 투영 광속 내에 선택적으로 삽입될 수 있다. 대향하는 블레이드들 사이의 거리를 조절함으로써, 포토레지스트를 노광시키는 총 광 에너지(노광량)가 스캐닝 방향에 수직한 방향으로 조절될 수 있다. 그러나, 조리개의 사용은 종종, 투영 광의 상당한 양이 투영 목적을 위해 손실된다는 효과를 갖는다. 그 외에도, 이들 조절 가능한 조리개 장치들은 기계적으로 복잡하고 따라서 값 비싼 구성요소들이다. 따라서, 이러한 종류의 더 간단하고 더 값싼 장치들을 사용하거나, 단지 정밀한 조정을 위해서만 이들 장치들을 사용하거나 또는 이들 장치들을 전혀 사용하지 않는 것이 요구된다.
조도 분포를 향상시키기 위한 또 다른 접근법은, 조명 필드의 기하학적 형태를 결정할 뿐만 아니라 마스크 평면에서의 조도 분포에도 크게 영향을 주는 광 인터그레이터를 향상시키는 것이다. 그러한 광 인터그레이터에서 사용되는 마이크로 렌즈 어레이들은 넓고 연속적인 각도 분포를 형성한다. 마이크로 어레이들의 단점은 멀리 있는 필드에 즉 마스크 평면에 형성되는 조도 분포가 종종 충분히 균일하지 않다는 사실에 있다. 상기 조도 분포는, 평평하게 되는 대신에, 때때로 허용될 수 없는 다수의 리플(ripple)들로 특징지워 진다.
국제 출원 WO 2005/078522 A는, 산란 구조가 마이크로 렌즈 어레이의 직근방에 배치되어 있는 조명 시스템을 개시한다. 상기 산란 구조는 스캐닝 방향 및 그에 수직한 방향으로의 기하학적 광 플럭스를 증가시키고 마이크로 렌즈 어레이에 의해 생성된 조명 분포의 리플들을 제거한다. 상기 문헌은 또한, 마이크로 렌즈 또는 상기 마이크로 렌즈를 지지하는 기판 내의 매우 높은 광 조도들이 적어도 어느 정도로 회피될 수 있는 광 인터그레이터를 위한 유리한 배치를 개시한다. 그러한 높은 광 세기는 마이크로 렌즈 또는 기판을 매우 빠르게 손상시킬 수 있다.
미국 특허 출원 제2004/0036977 A1호는 개별적으로 조절될 수 있는 두 개의 인터그레이터 부재를 포함하는 조명 시스템용 광 인터그레이터를 개시하고 있다. 이를 위하여, 적어도 하나의 인터그레이터 부재는 광축(Z 축)을 따라 또는 스캐닝 방향에 수직하게(X 축) 이동되거나, 또는 Z 축, X 축 또는 Z 및 X 축에 수직한 스캐닝 방향(Y 축)을 중심으로 회전될 수도 있다. 마스크 상에서 원하지 않는 조도 변동을 감소시키기 위한 보정 필터가 각각의 인터그레이터 부재의 정면에 배치된다. 보정 필터 각각은, 각각의 인터그레이터 부재의 실린더 렌즈들의 피치와 동일한 피치를 갖는 랜덤하게 패터닝된 스트라이프들을 포함한다. 상기 보정 필터들은, 랜덤하게 패터닝된 스트라이프들의 경계선이 실린더 렌즈들의 경계선과 정확하게 일치하도록, 현미경을 이용하여 정렬된다. 상기 실린더 렌즈들은 마스크 상에서의 조도 분포를 더욱 향상시키도록 원형이 아닌 단면을 가질 수 있다.
미국 특허 출원 제2005/0018294 A1호는, 직교하는 X 및 Y 방향으로 연장되는 실린더 렌즈 어레이들을 각각 포함하는 제 1 및 제 2 인터그레이터 부재를 포함하는 조명 시스템용 광 인터그레이터를 개시하고 있다. 각각의 실린더 렌즈 어레이는 다수의 평행한, 볼록하게 만곡된 실린드리컬 마이크로 렌즈들을 포함한다. 인접하는 볼록한 마이크로 렌즈들 사이에는, 광선들의 굴절이 완전하게 제어되지 않으며 광 산란을 초래하는 전이 구역(transition zone)들이 형성된다. 그러한 구역들을 피하기 위하여, 상기 볼록한 마이크로 렌즈들은 약간 오목하게 만곡된 실린드리컬 마이크로 렌즈들에 의해 분리되어 있어서, 전체적인 표면 프로파일은 주름이 있는 판형 지붕과 닮았다. 좁은 오목한 실린드리컬 마이크로 렌즈들은 정의된 방식으로 광선들을 굴절시켜 상술한 문제들을 회피한다. 그러나, 만약 이러한 종류의 두 개의 동일한 마이크로 렌즈들이 서로 줄지어 있다면, 먼 필드 강도 분포의 측면들에 서 강도 피크(intensity peak)들이 발생한다. 이러한 피크들을 피하기 위하여, 하나의 마이크로 렌즈 어레이에서, 변화하는 피치(pitch)를 갖는 볼록하게 만곡된 마이크로 렌즈들을 가질 것이 제안된다. 상기 피치 변화는, 볼록한 마이크로 렌즈들의 정점 라인들이 다른 마이크로 렌즈 어레이에 배치된 대응하는 마이크로 렌즈들의 정점 라인들과 여전히 정확하게 겹치도록 결정된다.
마이크로 렌즈 피치의 이러한 변화는 먼 필드에서의 원하지 않는 강도 피크들을 감소시킨다. 그러나, 마이크로 렌즈들의 피치가 매우 작아서 종종 1mm 이하이기 때문에, 심지어 정교하게 연마된 굴절 표면들도, 정밀한 조명 시스템에서 허용될 수 없는 리플들을 먼 필드의 강도 분포에서 발생시킨다.
현재, 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 사용하는 마이크로 렌즈 어레이들은, 미국 특허 제6,416,237호에 개시된 바와 같은, 초음파 진동 래핑(ultrasound vibration lapping) 방법들을 사용하여 주로 제조된다. 래핑 주형(lapping mould)에는, 형성될 마이크로 렌즈들과 상보적인 홈(groove)들의 음각 임프린트(negative imprint)가 제공된다. 상기 래핑 주형은, 기판과 대향하는 쪽에서, 그라인딩 파우더(grinding powder)와 같은 연마제(abrasive)들로 구성된 코팅으로 코팅된다. 그런 후, 상기 래핑 주형은 초음파 범위에 있는 기계적 진동으로 자극되며 기판을 향해 압착된다. 그럼으로써, 한쪽 방향의 절삭에 의해 기판 재료의 일부가 제거되는데, 여기서 연마제는 절삭 재료로서 역할을 한다. 래핑 단계 후에는, 고에너지 전자빔으로 표면이 매끄럽게 연마된다. 전자들의 폭격은 표면을 살짝 용융시키며 그럼으로써 표면의 거칠기(roughness)가 감소한다.
"The Science of Ceramic Machining and Surface Finishing II, B. J. Hockey and R. W. Rice, Editors, National Bureau of Standard Special Publications (U.S. Government Printing Office, Washington D.C., 1979), pages 293 to 304"에 게재된, D. L. Decker 등에 의한 "Optical and Surface Physical Characteristics of Diamond-machined Infrared Windows"라는 제목의 논문으로부터, CaF2 또는 다른 단결정 재료들로 이루어진 적외선 윈도우들을 형성하기 위하여 다이아몬드 가공 공정을 적용하는 것이 공지되어 있다. 상기 간행물은, 결정 방향들의 배향이 다이아몬드 가공 공정으로 제조된 표면 거칠기에 영향을 준다고 기술하였다.
J. B. Arnold 등의 "Machinability Studies of Infrared Window Materials and Metals"(SPIE Vol. 93, Advances in Precision Machining of Optics (1976), pages 96-103)라는 제목의 논문에 이와 유사한 결과들이 기술되어 있다.
높은 정밀도의 비구면 및 회절 표면들의 제조를 위한, CaF2를 포함하는 다양한 기판들의 다이아몬드 플라이커팅(fly-cutting)용 장치는 Temmek Optics Ltd.에서 제공된다.
미세한 홈들의 플라이커팅 형성에 있어서 얼룩들의 형성에 관한 문제는 2007년 1월 29일 www.simtech.a-star.edu.sg/research/technicalreports/tr0311.pdf에서 입수한 F. Z. FANG 등의 "Burr Formation and Fly-cutting"라는 제목의 논문에 개시되어 있다.
마이크로 렌즈 어레이들을 제조하기 위한 또 다른 방법은 D. Flamm 등의 "Fabrication of Microlens Arrays in CaF2 by Ion Milling"(Micro-machining Technologies for Micro Optics, Proceeding SPIE Vol. 4179 (2000))라는 제목의 논문에 개시되어 있다. 이 방법에 따르면, 레지스트가 용융되고 표면 장력에 의해 비-이진(non-binary) 레지스트 구조들로 변형된다. 그러나, 이 방법은 제한된 정확도로만 재현될 수 있는 다수의 노광 및 에칭 단계들을 포함한다. 그 결과, 그러한 방법에 의해 제조된 마이크로 렌즈 어레이들은 종종 설계 명세를 벗어나는 공차들을 갖는 표면 프로파일들을 갖는다.
본 발명의 목적은 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 다수의 2차 광원들을 형성하기 위한 광 인터그레이터를 제공하는 것이다. 상기 광 인터그레이터는 마스크 평면에서 소망하는 먼 필드 조도 및 각도 분포를 달성하는 것을 가능하게 한다. 더욱 상세하게는, 원하지 않는 리플들이 감소된, 균일하거나 또는 소망하는 비균일한 조도 분포가 달성될 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 사용하기 위한 길게 연장된 마이크로 렌즈들의 어레이를 매우 정밀하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 광 인터그레이터에 있어서, 이러한 목적은 본 발명의 제 1 유형에 따라, 제 1 평면에 나란하게 배치되어 있으며 제 1 정점 라인들을 갖는, 길게 연장되고 볼록하게 만곡된 제 1 마이크로 렌즈들의 제 1 어레이를 포함하는 광 인터그레이터에 의해 달성된다. 상기 광 인터그레이터는, 제 2 평면에 나란하게 배치되어 있으며 제 2 정점 라인들을 갖는, 길게 연장되고 볼록하게 만곡된 제 2 마이크로 렌즈들의 제 2 어레이를 더 포함한다. 적어도 하나의 제 2 정점 라인 또는 그의 일부는, 광 인터그레이터의 광축을 따른 투영에서, 제 1 정점 라인들 중 어느 하나와도 또는 그들의 일부와도 일치하지 않는다.
대응하는 마이크로 렌즈들을 측방으로 변위시킴으로써, 먼 필드에서의 강도 분포도 또한 측방으로 시프트시킬 수 있다는 것이 발견되었다. 만약 다수의 대응하는 마이크로 렌즈들의 정점 라인들이 광축을 따른 투영과 일치하지 않는다면, 측방으로 변위된 먼 필드에서의 강도 분포들은, 단일한 마이크로 렌즈에 의해 형성된 각각의 강도 분포 내에 존재하는 리플들이 평균화 효과의 결과로 감소되는 총 강도 분포로 중첩된다.
대응하는 마이크로 렌즈들의 전체 또는 몇몇 쌍들의 정점 라인들의 완전한 일치가 회피될 수 있는 방법에 관한 다양한 접근법들이 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 제 2 정점 라인이 지그재그의 또는 구불구불한 S자 라인을 형성할 수 있다. 지그재그 라인의 경우에 있어서, 적어도 하나의 제 2 정점 라인의 인접한 곧은 부분은 기준 방향에 대하여 공통 각도 δ만큼 경사질 수도 있다. 이는, 먼 필드에서의 강도 분포들이 측방으로 변위되는 거리들이 최적의 평균화 효과를 보장하는 등분배 함수(equipartition function)를 따르는 것을 보장한다.
물론, 제 1 및 제 2 마이크로 렌즈들 모두의 정점 라인들이 지그재그의 또는 구불구불한 S자 라인들을 형성할 수도 있으며, 또는 제 1 및/또는 제 2 마이크로 렌즈들 내의 단지 일부분만이 다른 어레이 내의 대응하는 마이크로 렌즈의 정점 라인과 일치하지 않는 정점 라인들을 가질 수도 있다. 광은 제 1 마이크로 렌즈로부터 제 2 마이크로 렌즈로의 방향을 따라서도 또는 그 반대 방향을 따라서도 상기 광 인터그레이터를 통과하여 진행할 수 있다는 점을 유의하여야 한다.
대응하는 마이크로 렌즈들의 정점 라인들 사이의 경사각의 도입 대신에 또는 그에 추가하여, 변화하는 피치들을 갖는 제 2 마이크로 렌즈들을 제공하는 것도 역시 고려될 수 있다. 그러면, 심지어 제 1 및 제 2 정점 라인들이 모두 곧은 경우에도, 대응하는 정점 라인들 사이의 완전한 일치가 회피된다.
본 발명의 다른 유형에 따르면, 제 1 평면에서 나란하게 배치되어 있는, 길게 연장된 제 1 마이크로 렌즈들의 제 1 어레이를 포함하는 광 인터그레이터에 의해 상술한 목적이 달성된다. 상기 광 인터그레이터는 제 2 평면에서 나란하게 배치되어 있는, 길게 연장된 제 2 마이크로 렌즈들의 제 2 어레이를 더 포함한다. 적어도 하나의 제 2 마이크로 렌즈는 상기 적어도 하나의 제 2 마이크로 렌즈의 종축을 따라 변화하는 만곡된 표면 프로파일을 갖는다.
마이크로 렌즈들의 만곡된 표면 프로파일의 그러한 변화는 광 인터그레이터의 출사면에 걸쳐 분포된 특정 영역들 내의 마이크로 렌즈들에 의해 형성된 각도 분포를 변화시키는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 마스크 평면에 입사하는 투영 광의 텔레센트릭 특성 및 평편도(ellipticity) 특성들의 필드 의존적인 변화를 도입하는 것이 가능하다.
만곡된 표면 프로파일의 국소적인 변화는 또한 먼 필드의 강도 분포에서 리플들을 감소시키는데 유리할 수도 있는데, 왜냐하면 상이한 만곡된 표면 프로파일들은, 마스크 평면에서 중첩된다면 더 매끄러운 전체적인 강도 분포를 가져오는 상이한 먼 필드의 강도 분포들을 형성하기 때문이다. 이 경우에, 개별적인 마이크로 렌즈들에 대한 표면 프로파일 변화를 제한하는 것이 바람직할 수도 있다.
먼 필드에서의 텔레센트릭 특성 및 평편도 특성들을 변형하기 위하여, 다수의 제 2 마이크로 렌즈들의 종축을 따라 변화하는 만곡된 표면 프로파일들을 갖는 다수의 인접한 제 2 마이크로 렌즈들을 제공하는 것이 통상적으로 바람직하다. 예를 들어, 제 2 마이크로 렌즈들의 제 2 어레이는, 상기 제 2 마이크로 렌즈들이 제 1 만곡된 표면 프로파일들을 갖는 적어도 하나의 제 1 영역을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제 2 영역에서, 제 2 마이크로 렌즈들은 재료가 국소적으로 제거되었다는 점에서 상기 제 1 만곡된 표면 프로파일과 다른 제 2 만곡된 표면 프로파일들을 갖는다. 만약 재료가, 예를 들어 연마(polishing) 또는 이온 빔 에칭에 의해 상기 적어도 하나의 제 2 영역에서만 제거되어 있다면, 만곡된 표면 프로파일들은 국소적으로 변형되며, 이는 조명 시스템의 텔레센트릭 특성 및 평편도 특성들의 필드 의존적인 변화를 가져온다. 재료가 제거되기 전에, 예를 들어 곡률 반경 또는 마이크로 렌즈 피치에 관하여, 상기 제 2 만곡된 표면 프로파일들은 모두 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다.
조명 시스템의 텔레센트릭 특성 및 평편도 특성을 변형하기 위하여, 적어도 두 개의 제 2 영역들이 제 1 방향을 따라 배치될 수 있으며, 적어도 두 개의 추가적인 제 2 영역들이 상기 제 1 방향에 대해 적어도 실질적으로 수직한 제 2 방향을 따라 배치될 수 있다. 그러면, 제 1 방향을 따라 배치된 제 2 영역들 내의 제 2 마이크로 렌즈들은, 제 2 방향을 따라 배치된 추가적인 제 2 영역들 내의 제 2 마이크로 렌즈들의 만곡된 표면 프로파일들과 다른 만곡된 표면 프로파일들을 갖는다.
마이크로 렌즈 어레이들을 제조하기 위한 방법에 관련된 목적은 기판 및 절삭날(cutting edge)을 포함하는 절삭 공구를 제공함으로써 달성된다. 절삭 공구는 플라이커팅 공정에서 기판에 대하여 반복적으로 이동하며, 그럼으로써 절삭을 위하여 절삭날을 기판으로 향하게 할 수 있다. 이러한 단계를 수행하는 동안, 기판은 마이크로 렌즈들의 종축에 평행한 종방향을 따라 이동한다. 그런 후, 기판은 종방향에 적어도 실질적으로 수직한 방향으로 이동한다. 그런 후, 모든 마이크로 렌즈들이 기판 위에 형성될 때까지 절삭 공구를 이동시키고 동시에 기판을 이동시키는 단계들이 반복된다.
원리적으로는, 만곡된 표면들 위에서 마이크로 렌즈 어레이들을 형성하는 것도 역시 가능하다. 그러나, 공작 평면(machining plane)에 평행하게 기판을 이동시키는 것이 통상적으로 바람직할 것이다. 만약 플라이커팅 공정 동안 기판이 곧은 평행 라인들을 따라 이동한다면, 모두 평행하게 배치되어 있는 실린드리컬 마이크로 렌즈들이 형성된다. 만약 기판이 지그재그의 또는 구불구불한 S자 라인들을 따라 이동한다면, 마이크로 렌즈들의 종축들도 역시 지그재그의 또는 구불구불한 S자 라인의 모양을 가질 것이다.
플라이커팅 공정 동안, 바람직하게는 절삭 공구가 회전 축을 중심으로 회전한다. 이러한 회전 축은 마이크로 렌즈들이 형성될 기판 표면에 적어도 실질적으로 평행하게 연장될 수 있다. 플라이커팅 공정에서, 절삭날은 회전 축으로부터 멀어지는 방향을 가리키며 회전 축으로부터 적어도 5mm만큼, 바람직하게는 9mm 보다 크고 11mm 보다 작게 이격되어 있을 수 있다. 그러한 거리들에서, 절삭 공구의 회전 주파수는 5000 1/min을 초과할 수 있으며, 바람직하게는 8000 1/min과 10000 1/min 사이에 있을 수 있다.
만약 단일 마이크로 렌즈들을 형성하는 사이에 기판이 실질적으로 마이크로 렌즈들의 피치의 복수배만큼 측방으로 이동한다면, 번갈은(interleaved) 마이크로 렌즈들의 제조 순서가 얻어질 수 있다. 이는 유리할 수 있는데, 왜냐하면 통상적으로 절삭날이 마모되어 결과적으로 플라이커팅 공정 동안 제조되는 마이크로 렌즈들이 약간씩의 표면 프로파일의 변화를 가질 것이기 때문이다. 번갈은 제조 순서의 적용에 의해, 그러한 변화들이 기판의 전체 표면에 걸쳐 분산되며, 이는 먼 필드의 강도 분포의 균일성에 긍정적인 영향을 준다.
적어도 하나의 마이크로 렌즈의 표면 프로파일을 변화시키기 위하여, 상기 마이크로 렌즈의 표면의 적어도 일부가 재가공될 수 있다. 이는, 예를 들어, 상이한 절삭날을 갖는 절삭 공구로 플라이커팅 공정을 반복함으로써 달성될 수 있다. 상이한 절삭 특성을 갖는 절삭날은 상기 절삭날 및 상기 동일한 절삭 공구를 단순히 180°로 돌림으로써 얻어질 수 있다.
상기 표면은 적어도 하나의 마이크로 렌즈를 연마함으로써 또는 적어도 하나의 마이크로 렌즈 또는 적어도 그 일부를 이온 빔에 노출시킴으로써도 재가공될 수 있다. 이온 빔은 상기 적어도 하나의 마이크로 렌즈의 피치보다 큰 최대 크기의 단면을 가져야 한다. 그러면 마이크로 렌즈의 표면에 평행하게 입사하는 동일한 흐름의 이온들에 다수의 마이크로 렌즈들이 노출된다. 이온 빔 방향과 상기 표면 사이에 형성되는 각도가 상기 마이크로 렌즈들의 종방향에 수직한 단면들 내에서 크게 변화하기 때문에, 에칭 속도도 역시 단면들 내에서 크게 변화한다. 이는, 단일 마이크로 렌즈의 일부에 매우 가는 이온 빔을 안내할 필요 없이, 균질한 이온 빔으로 마이크로 렌즈들의 만곡된 표면 프로파일들을 변형하는 것을 가능하게 하며, 에칭 시간을 조절함으로써 에칭 속도를 변화시키는 것을 가능하게 한다. 에칭 속도에 영향을 주기 위하여, 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이를 갖는 기판이 부착되어 있는 경사 테이블을 사용함으로써, 적어도 하나의 마이크로 렌즈들 또는 그 일부와 이온 빔 사이의 배향이 변화될 수 있다.
그 대신에 또는 그에 추가하여, 신중하게 선택된 재료로 구성된 또는 상이한 재료들의 층들을 포함하는 코팅이 마이크로 렌즈들 상에 적층될 수 있다. 그러면 상기 코팅 재료는, 소망하는 표면 조작을 얻기 위하여 필요한 공정 파라미터들이 결정될 때 이용될 수 있는 추가적인 설계 자유도를 제공한다. 만약 재료가 CaF2와 같은 이방성 결정이라면, 에칭 속도 R은 또한 결정 배향에도 의존한다.
본 발명의 다양한 특징 및 이점들은 다음과 같은 첨부한 도면들과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하여 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 광 인터그레이터의 사시도를 도시한다;
도 2는 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템의 광 인터그레이터의 몇몇 마이크로 렌즈들, 콘덴서 렌즈 및 마스크 평면에 대한 개략적인 자오선 단면도이다;
도 3은 플라이커팅 공정을 이용하여 도 1에 도시된 광 인터그레이터를 제조하기 위한 장치의 개략적인 측면도이다;
도 4는 플라이커팅 공정에 사용되는 공구를 위한 홀더의 측면도이다;
도 5는 상기 공구의 사시도이다;
도 6은 상기 공구의 상면도이다;
도 7은 (111) CaF2 기판에 대한 상면도이다;
도 8은 기판의 양쪽 면들에 있는 마이크로 렌즈 어레이들을 위한 도 7에 도시된 기판의 결정 배향을 도시한다;
도 10은 원들 내에 표시된 강도 분포를 가져오는, 마이크로 렌즈들의 표면 프로파일들이 다른 영역들을 갖는 마이크로 렌즈 어레이에 대한 상면도이다;
도 11은 이온 빔 에칭을 위한 입사각에 대한 에칭 속도의 의존성을 보이는 그래프이다;
도 12는 마이크로 렌즈들의 이온 빔 에칭을 위한 일반적인 설정을 개략적으로 나타내는 사시도이다;
도 13은 용어 방위각과 개구각을 설명한다;
도 14는 도 11과 유사하지만, 방위각 β = 0°인 이온 빔 에칭을 위한 다른 설정을 도시한다;
도 15는 마이크로 렌즈들의 정점 라인으로부터의 거리 및 개구각에 대한 에칭 속도 R의 의존성을 보이는 그래프를 도시한다;
도 16은 도 12와 유사하지만, 방위각 β = 0°인 이온 빔 에칭을 위한 다른 설정을 도시한다;
도 17은 도 16에 도시된 설정에 대한 도 15와 유사한 그래프이다;
도 18은 도 17과 유사하지만, 이온 빔이 마이크로 렌즈들의 양쪽에 대칭적으로 인가되는 경우의 그래프이다;
도 19는 두 개의 대향하는 마이크로 렌즈 어레이들의 측면도로서, 여기서 한 어레이의 마이크로 렌즈들은 변화하는 피치들을 갖는다;
도 20은 단일한 마이크로 렌즈에 의해 형성된 마스크 평면에서의 강도 분포를 도시하는 그래프이다;
도 21은 도 19에 도시된 마이크로 렌즈 어레이의 모든 마이크로 렌즈들의 강도 분포들의 중첩에 의해 얻은 마스크 평면에서의 총 강도 분포를 도시하는 그래프이다;
도 22a 내지 도 22l은 단일한 절삭 공구로 변화하는 피치를 갖는 마이크로 렌즈들을 제조하는 것을 도시한다;
도 23은 마이크로 렌즈들의 종축들이 지그재그 라인에 평행한 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 상면도이다;
도 24는 도 23에 도시된 마이크로 렌즈의 측면도이다;
도 25a 내지 도 25e는 번갈은 마이크로 렌즈의 형성으로 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 것을 도시한다;
도 26은 제 1 실시예에 따른 재가공 공정을 나타내는 마이크로 렌즈 어레이의 측면도이다;
도 27은 제 2 실시예에 따른 도 26과 유사한 측면도이다;
도 28은 마이크로 렌즈들이 상이한 원형 곡률을 갖는 표면 프로파일들을 갖는 마이크로 렌즈 어레이에 대한 단면도이다;
도 29는 제 1 실시예에 따른 다중-날 절삭 공구의 개략적인 전면도이다;
도 30은 제 2 실시예에 따른 다중-날 절삭 공구의 전면도이다;
도 31은 도 1에 도시된 광 인터그레이터와 두 개의 산란판들을 포함하는 광학 장치의 사시도이다.
1. 광 인터그레이터
이하에서는, 본 발명에 따른 광 인터그레이터(optical integrator)의 일반적인 구조 및 기능이 설명된다.
1.1 일반적인 구조
도 1은 도면 부호 10으로 그 전체가 표시된 광 인터그레이터의 간략화된 사시도이다. 본 실시예의 광 인터그레이터(10)는 제 1 인터그레이터 부재(12) 및 제 2 인터그레이터 부재(14)로 이루어진다. 상기 제 1 인터그레이터 부재(12)는 X 방 향을 따라 정렬된 평행한 종축(longitudinal axis)들을 갖는 제 1 실린드리컬 마이크로 렌즈(12Y)들의 어레이를 포함한다. 제 1 인터그레이터 부재(12)는 또한 X 방향에 수직한 Y 방향을 따라 정렬된 평행한 종축들을 갖는 제 2 실린드리컬 마이크로 렌즈(12X)들의 어레이를 포함한다. 상기 마이크로 렌즈(12Y, 12X)들의 종축들이 일직선이기 때문에, 제 1 마이크로 렌즈(12Y)들은 Y 방향을 따라서만 굴절력을 가지며, 제 2 마이크로 렌즈(12X)들은 X 방향으로만 굴절력을 갖는다.
상기 제 2 인터그레이터 부재(14)는 제 1 인터그레이터 부재(12)의 동일한 사본이지만, X 또는 Y 축을 중심으로 180°만큼 회전된 후에 장착되어 있다. 따라서 제 3 마이크로 렌즈(14X)들은 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 대향하며, 제 4 마이크로 렌즈(14Y)들은 제 1 인터그레이터 부재(12)로부터 멀어지는 방향으로 대향하고 있다.
도시된 실시예에서, 마이크로 렌즈(12X, 12Y, 14X, 14Y)들의 초점 길이 및 광축(OA)을 따른 인터그레이터 부재(12, 14)들 사이의 거리는, 제 2 마이크로 렌즈(12X)들에 의해 형성된 초점 라인들이 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 정점 위에 위치하도록 선택된다. 제 3 마이크로 렌즈(14X)들이 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 동일한 초점 길이를 갖기 때문에, 이는 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 초점 라인들이 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 정점 위에 위치한다는 것을 암시한다. 필요한 변경을 가하여, 동일한 조건들이 제 1 및 제 4 마이크로 렌즈(12Y 및 14Y)들에도 각각 적용된다.
대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 상기 제 2 및 제 3 마이크로 렌즈(12X 및 14X)들은 각각 상이하다. 더욱 상세하게는, 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 초점 길이는 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 초점 길이보다 크다. 그러면, 인터그레이터 부재(12, 14)들 사이의 거리는 바람직하게는, 제 3 마이크로 렌즈(14)들의 초점 라인들이 제 2 마이크로 렌즈(14X)들의 정점 위에 또는 그와 가까운 부근에 여전히 위치하도록 선택된다. 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 초점 라인들은 제 4 마이크로 렌즈(14Y)들 내에 또는 심지어 더 멀리, 즉 제 2 인터그레이터 부재(14)의 바깥쪽에 위치한다.
각각의 마이크로 렌즈(12X, 12Y, 14X, 14Y)는 그의 종축, 그의 피치(pitch), 즉 상기 종축에 수직한 방향의 폭, 및 굴절 표면의 만곡된 표면 프로파일에 의해 기하학적으로 정의된다. 용어 "프로파일"은 마이크로 렌즈들의 종축에 수직한 단면에서 표면의 모양에 관련된 것이다.
표면 프로파일은 주로 마이크로 렌즈들의 광학적 특성들을 결정한다. 예를 들어, 만약 제 2 마이크로 렌즈(12X)들이 원형인 만곡된 표면 프로파일을 갖는다면, 상기 제 2 마이크로 렌즈(12X)들은 XZ 평면에서 구면 렌즈의 효과를 갖는다. 만약 상기 만곡된 표면 프로파일들이 원형이 아니라면, 제 2 마이크로 렌즈(12X)들은 상기 평면에서 비구면 렌즈의 효과를 갖는다.
마이크로 렌즈(12X, 12Y, 14X, 14Y)들의 피치들은 5mm 이하 또는 더 우수하게는 2mm 이하이어야 한다. 도시된 실시예에서, 상기 피치들은 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터까지 사이의 범위(예를 들어 500㎛)에 있다. 통상적으로, 광 인터그레이터(10)를 통과하여 진행하는 광의 파장보다, 예를 들어 3배 더 큰 피치 를 갖는 것이 바람직하다.
광 인터그레이터들의 다양한 다른 대안적인 구조들은, 본 출원에 의해 주장된 것과 같이, 2006년 2월 17일에 출원된 미국 가출원 제60/774,850호에 대해 동일하게 우선권 주장된, 국제 특허 출원 PCT/EP2007/001267에 개시되어 있다. 예를 들어, 제 1, 제 2, 제3 및 제 4 마이크로 렌즈(12Y, 12X, 14Y, 14X)들은 두 개 이상의 인터그레이터 부재들에 분산되어 있을 수 있으며, 또한 상기 마이크로 렌즈들의 순서가 바뀔 수도 있다.
1.2 기능
광 인터그레이터(10)는 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 다수의 2차 광원들을 형성하기 위한 것이다. 각각의 2차 광원은 마스크 상의 조명 필드를 완전하게 조명한다. 이는 도2를 참조하여 설명될 것인데, 상기 기능의 더욱 상세한 설명은 상술한 국제 특허 출원 PCT/EP2007/001267에서 찾을 수 있다.
도 2는 세 개의 제 3 마이크로 렌즈(14X)들, 조명 시스템의 콘덴서 렌즈(16) 및 상기 광 인터그레이터(10)에 의해 조명될 마스크 평면(mask plane)(18)(또는 중간 필드 평면)을 도시하고 있다. 각각의 마이크로 렌즈(14X)는 대응하는 제 2 마이크로 렌즈(12X)에 의해 조명되며, 발산 광속(divergent light bundle)을 형성한다. 광속들의 각도 강도 분포는 마이크로 렌즈(14X)들의 만곡된 표면 프로파일에 의해 결정된다. 콘덴서 렌즈(16)는 상기 각도 분포를 마스크 평면(18) 내의 강도 분포로 변환한다.
스캐닝 타입의 투영 노광 장치에서, 마스크 상의 조명 필드는 통상적으로 X 방향을 따라서는 큰 크기를 가지며 Y 방향을 따라서는 훨씬 작은 크기를 갖는다. 이는 또한 마이크로 렌즈(12Y, 12X, 14X 및 14Y)들의 굴절력에 대한 암시를 준다. 조명 필드가 Y 방향을 따라서는 작은 크기를 갖기 때문에, 상기 제 1 마이크로 렌즈(12Y) 및 제 4 마이크로 렌즈(14Y)들은 단지 작은 굴절력을 요구한다. 제 2 마이크로 렌즈(12X) 및 특히 제 3 마이크로 렌즈(14X)들은, 더 큰 최대 발산 각도를 갖는 광속들을 형성하여야 하기 때문에, 더 큰 굴절력을 가져야 한다.
이상적으로는, 각도 분포는 완전히 매끄러우며, 각각의 마이크로 렌즈(14X)는 완전히 균질한 또는 균일한 강도 분포로 마스크 평면(18)을 조명한다. 만약 마이크로 렌즈들의 표면 프로파일이 그의 이상적인 형태에 대응하지 않는다면, 예를 들어 심각한 표면 거칠기의 결과로, 각도 분포는 완전히 매끄럽지는 않을 것이며, 결과적으로 리플(ripple)들이 마스크 평면(18)에서 관찰될 것이다. 모든 마이크로 렌즈(14X)들에 의해 형성된 강도 분포들이 마스크 평면(18)에서 중첩되기 때문에, 많은 수의 강도 분포들의 중첩과 관련된 평균화 효과의 결과로 상기 리플들은 매끄럽게 될 수 있다. 그러나, 이는 각각의 마이크로 렌즈(14X)에 의해 형성된 강도 분포가 완전히 이상적이지 않을 것을 요구한다. 통상적으로, 마이크로 렌즈(14X)들의 제조 공정은 마이크로 렌즈들 사이에 소정의 변화들이 있을 것을 보장한다. 그러나, 이들 변화들은 충분하지 않을 수 있다.
광 인터그레이터(10)는 설계된 변화들의 도입, 즉 의도적으로 도입된 변화들에 의해 특징지워 진다. 즉, 제 3 마이크로 렌즈(14X)들 또는 상기 제 3 마이크로 렌즈들 내의 상이한 부분들이 피치에 있어서 및/또는 종축에 있어서 및/또는 만곡된 표면 프로파일에 있어서 서로 다르다. 이는 이하의 섹션 3.3에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
2. 광 인터그레이터의 제조
이하에서는, 도 3 내지 도 16을 참조하여 광 인터그레이터(10)를 제조하는 방법이 설명될 것이다. 양호한 방법은 플라이커팅 장치 상에서 수행되는 플라이커팅 공정을 포함한다.
2.1 플라이커팅 장치(fly-cut machine)의 일반적인 개요
도 3은 그 전체가 도면 부호 20으로 표시된 플라이커팅 장치의 개략적인 측면도이다. 명료함을 위하여, 도 3은 축척대로 도시되지 않았다.
상기 장치(20)는 플라이커팅 공정의 방식에 의해 적절한 기판 위에 마이크로 렌즈(12Y, 12X, 14X, 14Y)들을 형성하는데 사용된다. 플라이커팅 공정은, 작업 대상물이 천천히 이동하고 공구(tool)가 다른 방식으로 빠르게 이동하거나 회전한다는 점에서, 천천히 이동하는 공구에 대해 작업 대상물이 상대적으로 회전하는 통상적인 선삭 가공(turning process)과 다르다.
플라이커팅 공정을 실현하기 위하여, 플라이커팅 장치(20)는 절삭날(24)을 갖는 절삭 공구(22)를 포함한다. 상기 절삭 공구(22)는, 도시된 실시예에서, 회전 축(28)을 중심으로 회전하는 스핀들(26)에 조절 가능하게 장착되어 있는 홀더(25) 에 부착되어 있다. 절삭날(cutting edge)(24)은 회전 축(28)으로부터, 바람직하게는 적어도 5mm, 통상적으로는 9mm 이상 11mm 이하로 떨어져 있다. 5000 1/min을 초과하는, 바람직하게는 8000 1/min 내지 10000 1/min 사이의 회전 주파수로, 상기 절삭날(24)은 도면 부호 30으로 표시된 기판에 대해 상대적으로 매우 높은 속도로 이동한다. 이는 천천히 이동하는 기판(30) 위에 매우 매끄럽고 정확한 표면 프로파일을 형성하는 것을 가능하게 한다.
상기 가공될 기판은, 어댑터 부재(34)를 통해 리프트 테이블(36)에 부착되는 작업 대상물 홀더(32)에 수용된다. 상기 리프트 테이블(36)은, 상기 기판(30)이 수직 방향과 통상적으로 일치하는 Z 방향을 따라 절삭날(24)에 대해 상대적으로 조절되는 것을 가능하게 한다.
상기 리프트 테이블(36)은, 도 3에서 화살표(40 및 42)들로 표시된 바와 같이, 두 개의 직교하는 X 및 Y 방향들을 중심으로 기판(30)을 기울이는 것을 가능하게 하는 경사 테이블(38)에 장착된다. 상기 경사 테이블(38)은, 바람직하게는 스핀들(26)의 회전 축(28)과 교차하는 회전축(46)을 중심으로 기판(30)을 회전시키는 것(이중 화살표(48) 참조)을 가능하게 하는 턴테이블(44) 위에 설치되어 있다. 상기 턴테이블(44)은, Z 방향에 수직한 평면 내에서 직교하는 X 및 Y 방향을 따라 기판(30)을 변위시키는 것을 가능하게 하는 위치 설정 테이블(50) 위에 설치되어 있다. 상기 위치 설정 테이블(50)은 스핀들(26)에 대해, 따라서 회전하는 절삭날(24)에 대해 10nm 또는 그 보다 우수한 위치 설정 정확도를 갖는다.
상기 리프트 테이블(36), 경사 테이블(38), 턴테이블(44) 및 위치 설정 테이 블(50)에 의해 형성되는 다양한 이동들의 중첩은, 빠르게 회전하는 절삭날(24)에 대한 기판의 어떠한 임의의 이동도 실질적으로 가능하게 한다. 따라서, 이는 심지어 불규칙한 모양들을 가질 수도 있는, 기판 상의 구조들의 폭 넓은 다양성을 제공하는 것을 가능하게 한다.
도 4는, 예를 들어 납땜에 의해 절삭 공구(22)가 부착되어 있는 샤프트(52)를 포함하는 홀더(25)의 개략적인 측면도이다. 상기 샤프트(52)는, 스핀들(26)의 회전 축(28)에 대한 공구(22)의 정확한 배향을 달성하기 위하여, 스핀들(26)에 대해 정확하게 조절 가능한 것이 바람직하다. 대신에 또는 그에 추가하여, 조절 장치가 상기 공구(22)와 샤프트(52) 사이에 제공될 수도 있다.
도 5 및 도 6은 각각 상기 공구(22)를 사시도와 상면도로 도시하고 있다. 상기 공구(22)는 기본적으로 초승달 모양이며, 초승달 모양의 안쪽으로 절삭날(24)이 형성되어 있다.
도 6의 상면도로부터 명확하게 되어 있듯이, 공구(22)는 절삭날(24)이 형성되어 있는 더 큰 전방 표면(54)과 더 작은 후방 표면(56)을 가지므로, 상기 공구(22)는 절삭날(24)의 뒤로 작아진다. 형성될 마이크로 렌즈들의 표면 프로파일을 결정하는 절삭날(24)의 곡률은 후방 표면(56)의 인접하는 만곡된 에지(58)의 곡률보다 작다. 플라이커팅 공정 동안, 스핀들(26)의 회전 방향(화살표(50) 참조)은, 절삭날(24)을 갖는 전방 표면(54)이 기판을 향해 이동하고 상기 절삭날(24)이 기판의 표면을 먼저 절삭하도록 선택된다. 인접하는 만곡된 에지(58)는 통상적으로 플라이커팅 공정 동안 기판과 접촉하지 않게 된다.
도시된 실시예에서, 절삭날(24)은 원형의 오목한 아치(arch)를 정의한다. 그러한 절삭날(24)을 이용하여, 마이크로 렌즈들의 종축에 수직한 평면에서 구면 렌즈들의 효과를 갖는 볼록하게 만곡된 실린드리컬 마이크로 렌즈들이 플라이커팅 공정으로 형성될 수 있다. 상기 절삭날(24)의 양단 사이의 폭 W는 공구(22)로 형성될 수 있는 마이크로 렌즈들의 최대 피치를 정의한다. 도시된 실시예에서, 상기 폭 W는 0.001mm의 정확도로 1.500mm와 같다.
상기 공구(22)는 바람직하게는 단결정 다이아몬드로 이루어진다. 기판의 재료에 따라, 통상적인 다이아몬드, 초경합금(hard metal) 또는 세라믹과 같은 다른 재료들도 역시 고려될 수도 있다.
2.2 제조 공정
이하에서는, 플라이커팅 장치(20)를 사용한 플라이커팅 공정이 간략하게 설명될 것이다.
먼저, 바람직하게는 평면-평행판의 모양을 갖는 기판이 상기 작업 대상물 홀더(32)에 장착되고 스핀들(26)을 향해 지시하고 있는 기판의 상면이 정확하게 Z 방향에 수직하도록 경사 테이블(38)를 사용하여 조절된다. 리프트 테이블(36)은, 절삭날(24)이 기판(30)의 표면을 완전하게 절삭하도록 Z 방향을 따라 기판(30)을 변위시키는데 사용된다. 스핀들(26)이 회전하는 동안, 상기 기판(30)은 위치 설정 테이블(50)의 도움으로, 제조될 마이크로 렌즈들의 종축을 정의하는 제 1 방향을 따라 천천히 이동한다. 이러한 플라이커팅 공정은, 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같은 공구를 이용하여, 일직선의 종축을 갖는 볼록한 모양의 제 1 실린드리컬 마이크로 렌즈를 제조한다.
소망하는 길이의 마이크로 렌즈가 달성되면, 리프트 테이블(36)은 기판(30)을 아래로 내리고, 위치 설정 테이블(50)은 상기 리프트 테이블(36)이 기판(30)을 다시 올리기 전에 횡방향으로 상기 기판(30)을 변위시킨다. 이제 제 1 방향에 반대 방향으로 기판(30)을 다시 천천히 이동시킴으로써, 이전에 형성된 제 1 마이크로 렌즈에 평행하게 연장된 제 2 마이크로 렌즈가 제조된다. 만약 마이크로 렌즈들의 더욱 균질한 표면이 요구된다면, 플라이커팅 공정 동안 상기 기판(30)의 이동은 평행할 뿐만 아니라 동일한 방향을 향하게 될 수도 있다. 이는 절삭날(24)과 동일한 방향으로 또는 그 반대 방향으로 이동하는 기판(30)에서 절삭날(24)이 절삭하는 것이 차이를 만들 수도 있기 때문이다.
이러한 공정은 소망하는 개수의 평행한 마이크로 렌즈들이 기판(30) 위에 제조될 때까지 반복된다. 만약, 광 인터그레이터(12 및 14)의 경우와 같이, 마이크로 렌즈들이 기판(30)의 반대쪽 면에도 제조되어야 한다면, 상기 기판은 작업 대상물 홀더(32)로부터 풀어져서 뒤집혀 진후 상기 작업 대상물 홀더(32)에 그 뒤집혀진 배향으로 고정된다. 그런 후 상기 공정이 반복된다. 기판(30)의 반대쪽 면들에 두 개의 직교하는 마이크로 렌즈들의 어레이들을 형성하기 위해서는, 양쪽 면들에 대한 플라이커팅 공정 동안 기판의 느린 이동들이 직교한다.
리프트 테이블(36)의 도움으로 Z 축을 따라 기판(30)을 이동시키는 대신에, 스핀들(26)을, 따라서 절삭날(24)을 Z 방향을 따라 조금씩 그러나 매우 정확하게 제어 가능한 거리로 이동 가능하게 하는 조절 유닛에 상기 스핀들(26)이 연결될 수도 있다.
2.3 플라이커팅 공정의 일반적인 특성
플라이커팅 공정은 마이크로 렌즈들을 형성하는 통상적인 방법 중 몇몇의 경우에서와 같은 에칭 단계를 포함하지 않기 때문에, CaF2로 이루어지는 마이크로 렌즈들이 제조될 수 있다. 이는, CaF2가 200nm 이하의 파장에서 사용되는 광 인터그레이터를 위한 매우 중요한 광학 재료이기 때문에 매우 유리하다.
플라이커팅 공정은 또한 매우 우수한 에지 선예도를 갖는 마이크로 렌즈들을 형성 가능하게 한다. 이는 인접한 마이크로 렌즈들이 바로 접하고 있는 마이크로 렌즈 어레이에서 특히 중요하다. 도 12의 확대된 절단도에서 알 수 있는 바와 같이, 인접한 마이크로 렌즈들은, 이상적으로는 곡률이 영(0)인 일직선의 에지(62)들을 따라 접한다. 그러나, 플라이커팅 공정으로 달성될 수 있는 우수한 에지 선예도로 인해, 매우 우수한 정도로 에지(62)들을 따라 이상적인 모양에 접근하는 것이 가능하다. 따라서, 광학적으로 사용할 수 없는, 또는 원하지 않은 방향으로 광을 굴절시키는 어레이 영역들이 매우 작게 유지될 수 있다.
에지 선예도는 공정으로 달성될 수 있는 최소 반경에 의해 정의될 수 있다. 도 12에서, 상기 반경은 Rmin으로 표시되어 있다. CaF2로 이루어진 기판들에 대해 200nm 이하의 에지 반경 Rmin이 플라이커팅 공정으로 달성될 수 있다는 것을 실험은 보여주었다.
절삭날(24)과 기판(30) 사이의 높은 상대 속도의 결과, 마이크로 렌즈들의 매우 매끄러운 표면이 달성된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 표면은 종종 완전하게 매끄럽지 않고, 미세한 거칠기를 보여준다. 이러한 미세한 거칠기는 기판(30)의 재료 특성들 및 공구(22)의 질과 마모 조건들에도 의존할 수 있다. 예를 들어, CaF2 기판의 결정 결함은 직경에 있어서 수 마이크로미터 그리고 깊이에 있어서 수 나노미터의 재료 붕괴를 일으킬 수 있다.
그러한 미세한 거칠기 또는 국소적인 붕괴를 줄이기 위하여, 플라이커팅 장치(20)로 제조된 표면은 추가적인 연마(polishing) 단계에서 연마될 수 있다. 다양한 연마 방법들이 이러한 목적에 적절한데, 예를 들어, 연마천(polishing cloth) 또는 연마액(polishing suspension)을 사용하는 방법이 있다. 또한, 로봇을 이용하거나 또는 자기유변 유체(magnetorheologic fluid)나 유체 분류(fluid jet)를 적용함으로써 연마 단계를 수행하는 것도 고려된다. 대신에 또는 그에 추가하여, 음의 어레이 표면 프로파일인 표면 프로파일을 외측에 갖는 회전 연마 실린더로도 연마가 달성될 수 있다. 그러한 연마 실린더는 플라이커팅 장치(20)의 스핀들(26)에 장착될 수 있다. 이는, 연마 단계에 의해 초래되는 마이크로 렌즈들의 표면 모양에 있어서의 결함들이 최소화된다는 이점을 갖는다.
또한, 플라이커팅 공정을 이용하여, 코팅된 기판 위에 마이크로 렌즈들을 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어, CaF2는 레지스트와 같은 좀더 부드러운 재료, 다 른 유약(varnish) 또는 Al 이나 Ni과 같은 금속으로 코팅될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들은 상기 코팅만으로 절삭되거나 또는 상기 코팅과 기판 재료 모두로 직접 절삭된다. 그런 후, 남아 있는 코팅을 제거하기 위하여 가공된 표면은 에칭 단계에서, 바람직하게는 일정한 제거 속도로 에칭된다.
상기 플라이커팅 공정은, 동일한 공구로 형성된 모든 마이크로 렌즈들이 실질적으로 동일하다는 추가적인 이점을 갖는다. 이는, 단일한 마이크로 렌즈 어레이의 제조 공정 동안 절삭날(24)의 재료 마모가 무시될 수 있는 경우에 대해서는 적어도 진실을 유지한다. 비록 절삭날(24)이 이상적인 형태로부터 약간 벗어날 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 모든 마이크로 렌즈들은 동일한(이상적이지는 않은) 형태를 갖는다. 많은 경우에 있어서, 이는 마스크 평면에서 얻은 강도 분포의 체계적인 오차를 가져오기 때문에 유리하다. 그러한 체계적인 오차들은, 다른 제조 기술로 제조된 마이크로 렌즈 어레이들의 경우에 통상적으로 존재하는 상관성 없는 오차들에 비하여, 보통 더 쉽게 보정될 수 있다.
한편, 마이크로 렌즈들이 개별적으로 제조되기 때문에(또는 아래에서 더 설명되듯이 작은 그룹들로 제조되기 때문에), 플라이커팅 공정은 단일한 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈들 사이에 또는 심지어 단일한 마이크로 렌즈 내에 기하학적인 편차들을 선택적으로 도입하는 것을 가능하게 한다. 이들 편차들을 신중하게 설계함으로써, 마스크 평면 내에 더욱 매끄러운 강도 분포를 가져오는 평균화 효과를 달성하는 것이 가능하다. 이는 아래의 섹션 3에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
플라이커팅 공정은, 예를 들어 광 인터그레이터에서 또는 산란판에서 사용되는 마이크로 렌즈들과 같은, 모든 종류의 길게 연장된 마이크로 렌즈들을 제조하는데 적당하다. 원리적으로, 기판의 동일 면 위에 두 개의 직교하는 세트의 실린드리컬 마이크로 렌즈들을 절삭함으로써 원환체(toric) 마이크로 렌즈들의 어레이들을 제조하는데 상기 플라이커팅 공정을 사용하는 것도 고려할 수 있다.
이하에서는, 플라이커팅 공정의 어느 정도의 개선을 더욱 상세하게 설명한다.
2.4 기판 배향
표면의 미세한 거칠기는 산란을 초래하고 표면을 연마하기 위하여 증가된 지출을 요구한다. 산란광은 일반적으로 시스템 성능의 저하를 가져온다.
비등방성(unisotropic) 광학 재료들, 예컨대 CaF2에서, 표면 거칠기는 절삭날이 기판을 절삭하는 방향에도 의존한다. 이러한 절삭 방향은 플라이커팅 공정 동안 기판이 천천히 이동하는 방향과 구별되어야 한다.
CaF2의 경우에 있어서, 결정축은 주로, {111} 결정 평면이 광축에 수직하게 배치되도록 광축에 대하여 배향된다. 여기서, 표현 {111}은 밀러 지수 형식을 사용하여 한 세트의 등가 결정면들을 나타내는 것이다. CaF2와 같은 입방 결정에서, 각각의 {111} 평면은 등가 결정 방향들 (111) 중에 하나에 대해 수직하다. (111)에서 둥근 괄호는 모든 등가 결정 방향들 <111>, <-1-1-1>, <-1-11>, <1-1-1>, <11-1>, <-111>, <1-11> 및 <11-1>의 세트를 나타낸다. 밀러 지수, 결정 방향 및 결정면들에 대한 더 자세한 내용은 본 출원인에게 양수된 US 2004/0105170 A1에 있다.
만약 {111} 결정면이 광학 표면에 수직하게, 즉 마이크로 렌즈들이 형성될 기판의 가공 표면에 평행하게 배향되도록 CaF2 결정이 배향되어 있다면, 상기 결정은 표면 거칠기에 있어서 최적의 결과들이 달성되는 절삭 방향들에 대하여 삼면 대칭(three-fold symmetry)을 보인다.
도 7은 {111} 결정면에 평행한 가공 표면을 갖는 기판(30)에 대한 상면도를 도시하고 있다. 파선(60)들은 상기 기판(30)의 가공 표면에 평행한 {111} 결정면과 세 개의 등가인 {100} 결정면들의 교차점을 나타낸다. 상기 파선(66)은 꼭지점(68)들을 갖는 삼각형을 형성한다. 화살표(70)는 세 개의 {100} 결정면들에 수직한 이상적인 절삭 방향들을 나타낸다. 놀랍게도, 상기 이상적인 절삭 방향들은 단순한 배향이 아니며, 만약 절삭날(24)이 화살표(70)의 방향을 따라 기판을 절삭한다면, 최적의 결과들을 유일하게 얻을 수 있는 방향이다. 파선 화살표(72)들에 의해 도 7에 표시된 다른 절삭 방향들 중에서 어느 것으로도, 가공된 표면이 크게 거칠게 될 것이다.
만약 마이크로 렌즈들이 {111} CaF2 결정 상의 한면 위에서만 제조될 것이라면, 결정 기판(30)은 단순히, 화살표(70)에 의해 표시된 세 개의 이상적인 절삭 방향들 중 어느 하나를 따라 절삭날이 상기 기판(30)을 절삭하도록, 상기 회전하는 절삭날(24)에 대해 배향되어야 한다. 턴테이블(44)은 이상적인 각도 위치에 도달할 때까지 기판(30)을 회전시키는데 사용될 수 있다.
만약, 인터그레이터 부재(12 및 14)의 경우에서와 같이, 마이크로 렌즈들의 두 개의 직교하는 어레이들이 {111} CaF2 결정의 양쪽 면들 위에 제조되어야 한다면, 두 개의 어레이들을 모두 상기 이상적인 절삭 방향으로 제조하는 것이 불가능하다. 이 경우에, 두 개의 실제 절단 방향들이 이상적인 절삭 방향에 가능한 가깝게 되는 타협을 이루는 것이 가능하다.
인터그레이터 부재(12)의 상부면과 하부면 각각에 대한 상면도를 도시하고 있는 도 8 및 도 9에 이러한 상황이 도시되어 있다. 양쪽 면에서의 실제 절삭 방향은 마이크로 렌즈(12Y, 12X)들의 연장을 따른 종축들에 대응한다. 도 8 및 도 9에 표시된 바와 같이, 모든 표면들에 대하여 실제 절삭 방향과 이상적인 절삭 방향 사이에 15°의 편차를 얻는 것이 가능하다. 이상적인 절삭 방향과 실제 절삭 방향 사이에 20°까지의 편차는 통상적으로 허용 가능하므로, 상기 마이크로 렌즈들 중 어느 것도 이상적인 절삭 방향으로 제조되지 않았음에도 불구하고, 상기 마이크로 렌즈(12Y 및 12X)들은 여전히 작은 표면 거칠기를 갖도록 제조될 수 있다.
스캐닝 타입의 투영 노광 장치에 있어서, 마스크 상의 조명 필드는 통상적으로 X 방향을 따른 더 큰 크기와 Y 방향을 따른 훨씬 더 작은 크기를 갖는다. 이는 마이크로 렌즈(12Y, 12X, 14X 및 14Y)들의 굴절력에 대한 암시를 또한 갖는다. 제 1 마이크로 렌즈(12Y)와 제 4 마이크로 렌즈(14Y)들은, 조명 필드가 Y 방향을 따라 작은 크기를 갖기 때문에 작은 굴절력만을 요구한다. 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 특히 제 3 마이크로 렌즈(14X)들은 더 큰 최대 발산 각도를 갖는 광속들을 형성해야만 하기 때문에 더 큰 굴절력을 가져야 한다.
위에서 설명한 바와 같이, 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 제 3 마이크로 렌즈(14X)들은 제 1 마이크로 렌즈(12Y)들과 제 4 마이크로 렌즈(14Y)들보다 더 큰 굴절력을 갖는다. 이는, 제조 공차 및 표면 미세 거칠기에 대해 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 증가된 민감도를 가져온다. 따라서, 이상적인 절삭 방향(70)으로 또는 이상적인 절삭 방향(70)으로부터 단지 약간의 편차로 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 제 3 마이크로 렌즈(14X)들을 제조하는 반면, 보다 조금 민감한 제 1 마이크로 렌즈(12Y)들과 제 4 마이크로 렌즈(14Y)들은 이상적인 절삭 방향(70)으로부터 더 큰 편차로 제조되는 것이 유리할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 20°를 초과하는 이상적인 절삭 방향(70)으로부터의 편차는 통상적으로 표면 거칠기에 있어서 심각한 악화를 초래한다. 그러나, 많은 경우에 있어서, 단지 약간만 만곡된 제 1 마이크로 렌즈(12Y)들과 제 4 마이크로 렌즈(14Y)들에 대해서는 증가된 표면 거칠기가 허용될 수 있다.
2.5 표면 프로파일 조작
플라이커팅 공정으로 제조된 마이크로 렌즈들의 만곡된 표면 프로파일을 변형할 수 있도록 하는 것이 종종 요구될 수 있다. 하나의 동기는, 비원형 표면 프로파일을 갖는 마이크로 렌즈들을 제조하는 것이 어렵다는 것일 수 있다. 이는, 비원형인 절삭날(24)의 제조가 매우 복잡한 공정이고, 예를 들어, 10nm의 스케일로 날 의 곡률과 골(corrugation)을 결정할 수 있는 측정 장비의 사용을 포함할 수도 있기 때문이다. 반면에, 원형의 절삭날(24)을 갖는 공구(22)의 제조는 훨씬 간단하고 저렴하다. 따라서 플라이커팅 공정에서는 원형의 표면 프로파일을 갖는 마이크로 렌즈들을 제조하고, 그 후에 다른 수단으로 상기 프로파일을 변형하는 것이 종종 유리할 수 있다.
표면 프로파일들을 변형하는 또 다른 동기는 마스크 평면(18)에 입사하는 광의 각도 분포를 선택적으로 변화시키기 위한 것이다. 상기 각도 분포는 조명 시스템의 텔레센트릭 특성들을 결정하며, 또한 예를 들어, 제 2 인터그레이터 부재(14)의 표면 상의 특정 영역들에서만 제 3 마이크로 렌즈(14)들의 만곡된 표면 프로파일을 변화시킴으로써 변형될 수 있다.
이는, 제 2 인터그레이터 부재(14)의 상면도를 도시하고 있는 도 10을 참조하여 설명된다. 명료함으로 위하여, 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 단지 몇 개만이 좌상부 구석에 도시되어 있다. 상기 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 만곡된 표면 프로파일은, 영역(72)들에 있는 마이크로 렌즈(14X)들에 의해 방출된 광속들의 중심에 더 많은 광에너지가 집중되도록, 상기 영역(72)들에서 변형된다. 그 결과, 상기 영역(72)들 내의 실선들에 의해 도 10에 표시된 바와 같이, 마스크 평면(18)의 중심에 더 많은 광 에너지가 집중된다. 그러한 변형된 각도 분포는 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 정점 구역(vertex zone)들을 평평하게 함으로써 형성될 수 있다.
제 2 영역(74)들에서는, 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 만곡된 표면 프로파일들이 다른 방법으로 변형된다. 여기서는, 더 많은 광 에너지가 더 큰 각도로 굴절 되도록 변형이 실행되는데, 이는 조명 필드의 중심으로부터 가장자리를 향해 X 방향으로 광 에너지가 시프트된(영역(74)들 내의 실선 참조) 마스크 평면(18) 내의 강도 분포를 초래한다. 그러한 변형은 제 3 마이크로 렌즈(14X)의 측면을 향해 곡률이 감소되도록 재료를 제거함으로써 실행될 수 있다.
제 1 영역(72)들과 제 2 영역(74)들이 서로 수직하게 배치되는 두 쌍의 반대되는 극(pole)들을 형성하기 때문에, 마스크 평면(18)의 중심 내의 한 점은 상기 제 1 영역(72)들과 관련된 방향으로부터 더 많은 광을 받으며 상기 제 2 영역(74)들과 관련된 방향으로부터 더 작은 광 에너지을 받는다. 조명 필드의 (X 방향을 따른) 가장자리에서의 한 점에 대해도, 동일한 점이 위와 역으로 적용된다. 이는, 각각의 광선에 대해, 한편으로 마스크 평면(18) 상의 입사각과 다른 한편으로 제 2 인터그레이터 부재(14)를 통과하여 광선이 진행하는 광축(OA)(도 2 참조)으로부터의 거리 사이에 관계가 존재한다는 사실을 이용한다. 그럼에도 불구하고, 상기 영역(72) 및 영역(74)들 내의 마이크로 렌즈들에 의해 형성된 상보적인 강도 분포들의 결과, 마스크 평면 내의 각각의 점은 동일한 양의 광 에너지를 받는다.
물론, 도 10에 도시된 특정 변형은 단지 예시적인 것이다. 제 2 인터그레이터 부재(14) 상의 특정한 영역에 제한되는, 마이크로 렌즈들의 표면 프로파일의 다양한 다른 변형들이 각도 분포의 필드 의존적인 변형을 위해 가능하다. 예를 들어, 영역(72, 74)들 내의 마이크로 렌즈들은 상이한 각도 강도 분포를 형성할 수도 있으며, 또는 상기 영역들의 개수 및/또는 위치가 변할 수도 있다. 물론, 모든 마이크로 렌즈(14X)들의 표면 프로파일이 상이한 정도로 변경될 수도 있다. 따라서 마 이크로 렌즈(14X)들의 전체 표면 중 특정 영역들에 제한된, 또는 전체 표면에 걸쳐 변화하는 표면 프로파일 변형은 각도 분포의 필드 의존적인 변형들을 선택적으로 형성하기 위한 매우 우수한 수단이다. 상기 각도 분포는 조명 시스템의 동공 평편도(pupil ellipticity)라고 통상 불리는 것 및 텔레센트릭성을 직접 결정한다.
표면 프로파일을 선택적으로 변형하는 또 다른 동기는 마스크 평면 내의 강도 균일성을 향상시키는 것이다. 이는 아래의 섹션 3.3에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
이하에서는, 플라이커팅 공정으로 제조된 마이크로 렌즈들의 만곡된 표면 프로파일을 선택적으로 변형 가능하게 하는 다양한 방법들이 설명된다.
2.5.1 연마(Polishing)
위의 섹션 2.3에 기재된 연마 방법들은, 예를 들어, 마이크로 렌즈들의 종축에 수직한 평면 내에서 비구면 렌즈의 효과를 달성하기 위하여 한 어레이의 모든 마이크로 렌즈들의 만곡된 표면 프로파일을 변형하는데, 또는 상기 어레이의 특정 영역들 내에서만 만곡된 표면 프로파일을 변형하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 연마천으로 마이크로 렌즈들의 정점 구역들을 평평하게 하는 것이 가능하다. 다른 연마 방법들, 예를 들어 자기유변 유체로, 마이크로 렌즈들의 측면들로부터 선택적으로 재료를 침식시키는 것도 역시 가능하다.
2.5.2 이온 빔
만약 마이크로 렌즈들이 균질한 이온 빔에 노출된다면, 다수의 이온들이 마이크로 렌즈들의 표면 또는 그 일부에 부딪친다. 이온들은, 다른 양들 중에서도, 렌즈들의 재료와 이온들의 에너지 및 전류 밀도에 의존하는 침식 또는 에칭 속도 R로 마이크로 렌즈들의 표면으로부터 원자들을 제거한다. 또한, 에칭 속도 R은 국소적인 입사각의 강력한 함수이다.
도 11에 도시된 그래프는, 500eV의 이온 에너지의 경우에 대해, CaF2(실선) 및 비교예로서 레지스트(파선)에 대한 국소 입사각 φ에 관한 에칭 속도 R의 의존성을 나타낸다.
이온 빔의 단면은, 그 최대 크기가 마이크로 렌즈들의 피치보다 크도록, 바람직하게는 5배 또는 그 이상 크도록 선택된다. 이온들이 공통적인 이온 빔 방향에 (적어도 실질적으로) 모두 평행하게 이동하기 때문에, 이러한 조건은 상기 이온들이 표면에 부딪치는 국소적인 입사각 φ가 마이크로 렌즈들의 종축에 수직한 방향을 따라 변화하는 것을 보장한다. 이는 다수의 제 3 마이크로 렌즈(14X)들을 사시도로 도시하고 있는 도 12로부터 명확하게 된다. 본 실시예에서, 이온 빔 소스(76)는 이온 빔 방향(78)을 갖는 균질한 이온 빔을 발생시킨다. 여기서 상기 용어 "균질한(homogeneous)"은, 이온 빔의 이온 전류 밀도가 상기 빔의 단면에 걸쳐서 (적어도 실질적으로) 일정하다는 사실을 나타낸다. 만약 이온 빔 소스(76)에 의해 발생한 이온 빔의 이온 전류 밀도가 상기 빔의 외곽 부분을 향해 매우 크게 떨어진다면, 그러한 부분들을 차단하는 이온 조리개로서 다이오프램(diaphram)이 사용될 수 있다. 이온 빔 소스(76)는 두 개의 직교하는 축(80, 82)들을 중심으로 회전될 수 있어서, 이온 빔이 어떠한 임의의 각도로도 제 3 마이크로 렌즈(14X)들 위로 안내될 수 있다. 만약 공통 평면 내에서 연장된 마이크로 렌즈들만이 에칭되어야 한다면, 이온 빔 소스(76)를 회전시키는 대신에, 기판(30)을 고정하고 있는 경사 테이블을 사용하여 기판(30)을 회전시키는 것이 통상적으로 더 간단하다.
상면 위에 형성된 제 3 마이크로 렌즈(14X)들을 갖는 기판(30)은, 이중 화살표(84 및 86)들로 각각 나타낸 바와 같이, 직교하는 X 및 Y 방향들을 따라 마이크로 렌즈(14X)들을 변위시키는 것을 가능하게 하는 위치 설정 테이블에 고정된다. 이 방법에서, 이온 빔에 노출된 제 3 마이크로 렌즈(14X) 상의 영역(87)은 변화될 수 있다. 물론, 상기 노출 영역(87)은 어떠한 기하학적 형태도 가질 수 있으며, 도 12에 개략적으로 도시되어 있는 것보다 더 작을 수도 있고 더 클 수도 있다. 예를 들어, 만약 이온 빔의 직경이 제 2 인터그레이터 부재(14)의 전체 표면보다 크다면, 모든 제 3 마이크로 렌즈(14X)들이 주어진 시간에 이온 빔에 동시에 노출된다. 만약 이온 빔의 단면이 상기 제 2 인터그레이터 부재의 전체 표면보다 작은 최대 크기를 갖는다면, 상기 표면의 단지 일부만이 이온 빔에 동시에 노출된다. 이는, 도 10을 참조하여 위의 섹션 2.5에서 설명된 바와 같이, 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 상이한 영역들이 상이하게 재가공되어야 한다면 유리할 수 있다. 이는, 아래에서 더욱 상세하게 설명하듯이, 평균화 효과를 이용함으로써 마스크 평면에서의 강도 분포에 있는 리플들을 제거하는데 사용될 수 있다.
만약 α가 이온 빔 방향과 Z 방향 사이에 형성된 개구각(aperture angle)을 나타내고, β가 이온 빔 방향(78)과 Y 방향 사이의 방위각(azimuth angle)을 나타낸다면(도 13 참조), 마이크로 렌즈(14X)들의 만곡된 표면에 대한 국소 입사각 φ은 다음의 수학식 1에 의해 주어진다.
상기 함수 f(x)는 마이크로 렌즈들의 만곡된 표면 프로파일을 정의한다.
만약 이온 빔이 하나 또는 다수의 마이크로 렌즈들 위로 안내된다면, 국소 입사각 φ에 대한 에칭 속도 R의 의존성 및 표면 프로파일 f(x)에 대한 상기 입사각 φ의 의존성은 에칭 속도 R이 마이크로 렌즈들의 표면에 걸쳐 변화하는 것을 보장한다. 따라서, 이는 마이크로 렌즈들의 표면 프로파일을 한번에 변경하는 것을 가능하게 한다. 특히, 단일한 마이크로 렌즈의 일부 위에 매우 가는 이온 빔을 안내하고 에칭 시간을 제어하여 에칭 속도를 변화시킬 필요가 없다. 대신에, 표면 프로파일 변형은 마이크로 렌즈(14X)들 위로 이온 빔이 안내되는 각도 α와 β에 의해 주로 결정된다.
에칭 속도 R은 이온이 부딪치는 재료에도 의존하기 때문에(도 11 참조), 신중하게 선택된 재료로 이루어지거나 또는 상이한 재료들의 층들을 포함하는 코팅이 상기 제 3 마이크로 렌즈(14X)들 위에 적층될 수 있다. 그러면 코팅의 재료는 소망하는 표면 조작을 얻는데 필요한 공정 파라미터들이 결정될 때 이용될 수 있는 추 가적인 설계의 자유도를 제공한다. 만약 재료가 CaF2와 같은 이방성 결정이라면, 에칭 속도 R은 또한 결정 배향에도 의존한다. 이온 에칭 공정을 위한 파라미터들을 결정할 때 이 점이 고려되어야 한다.
도 14는 방위각이 β=0°인 제 1 예시적인 설정을 도시하고 있다. 그러면 이온 빔 방향(78)은 Y 방향에 평행하고 제 3 마이크로 렌즈(14X)들이 연장되어 있는 XY 평면에 수직한 입사 평면에 놓이게 된다. 그러한 설정은 이온 빔에 의해 초래된 침식이 각각의 제 3 마이크로 렌즈(14X)의 양쪽 면에 대해 대칭적인 것을 보장한다. 그러나, 그러한 설정으로는, 큰 개구각 α를 갖는 경우에도, 각각의 마이크로 렌즈의 정점 구역에 대해 상당한 침식을 얻기가 어렵다. 상이한 개구각 α에 대해 단일 마이크로 렌즈의 피치에 걸친 에칭 속도 R의 의존성을 보이는 도 15의 그래프에서 이 점이 설명된다. 개구각 α=75°인 경우를 제외하고, 에칭 속도 R은 마이크로 렌즈의 정점 라인으로부터 X 방향으로의 거리 X가 증가함에 따라 증가한다.
따라서 방위각 β=0°를 갖는 이러한 설정은, 마이크로 렌즈들의 측면들로부터 재료가 주로 제거되어야 하는 표면 프로파일 변형에 대해 주로 적당하다. 통상적으로 그러한 변형은 더욱 삼각형 모양을 프로파일에 준다.
그러나 종종, 더욱 직사각형 모양을 표면 프로파일에 주기 위하여 정점 라인을 평평하게 할 것이 요구된다. 이러한 경우에, 방위각이 β=90°인 도 16에 도시된 제 2 예시적인 설정을 사용하는 것이 더 좋다. 그러면 이온 빔 방향(78)은 Y 방향에 수직한 입사 평면에 있다.
도 17의 그래프에 도시된 바와 같이, 에칭 속도 R은 이제 더욱 강력하게 변화하며, 큰 개구각 α=75°로는 마이크로 렌즈의 거의 정점 라인에서(x=0) 최대의 에칭 속도 R이 달성된다. 그러나, 개구각 α≠0°인 경우에, 에칭 속도 R은 정점 라인(x=0)에 대해 대칭적이지 않다. 이는 제 3 마이크로 렌즈(14X)들의 표면 프로파일이 정점 라인들에 대해 비대칭적으로 변형될 것이라는 점을 의미한다. 적어도 일반적으로 이러한 것은 바람직하지 않기 때문에, 동일한 방위각 β=90°를 갖지만 개구각은 -α인 이온 빔으로 추가적인 이온 빔 에칭 공정이 수행되어야 한다. 도 16에서, 반대되는 개구각 α를 갖는 그러한 이온 빔들의 이온 빔 방향(78a, 78b)들이 점선으로 표시되어 있다.
상이한 이온 빔 방향(78a, 78b)들을 갖는 두 개의 이온 빔들에 대한 마이크로 렌즈들의 노출은, 두 개의 에칭 공정들 사이에 기울어지거나 또는 조절되는 단일한 이온 빔 소스(76)로 연달아 수행될 수 있다. 제 3 마이크로 렌즈(14X)들 위에 적절하게 배치되어 있는 추가적인 이온 빔 소스의 도움으로 동일한 효과가 얻어진다. 두 개의 이온 빔 소스들의 제공은 가공 시간을 두 배로 절감하는 것을 달성 가능하게 한다.
도 18의 그래프는, 두 개의 이온 빔들이 양쪽으로부터 상기 제 3 마이크로 렌즈(14X)들 위로 안내되는 경우에 얻어지는 총 에칭 속도 R을 도시하고 있다. 총 에칭 속도 R은 이제 개구각 α≠0°에 대해서도 대칭적이며, 큰 개구각 α> 50°에 대해 에칭 속도 R은 마이크로 렌즈들의 정점 라인들로부터 더 먼 쪽보다 정점 라인들에서 더 크다. 따라서 마이크로 렌즈들이 그 정점 라인들에서 평평하게 되어야 한다면 방위각 β=90°를 갖는 이러한 설정이 통상적으로 선호될 것이다.
마이크로 렌즈들을 노출시키는 동안 개구각 α를 변화시키는 것도 역시 가능하다. 이는 소망하는 표면 조작을 얻는데 필요한 공정 파라미터들이 결정될 때 이용될 수 있는 추가적인 설계의 자유도를 제공한다.
이온 빔 에칭 공정의 전술한 설명은 예시적으로 제 3 마이크로 렌즈(14X)에 관한 것임을 유의하여야 한다. 물론, 다른 마이크로 렌즈들, 특히 제 2 마이크로 렌즈(12X)들이 상술한 것과 동일한 방식으로 이온 빔을 이용하여 재가공될 수 있다.
3. 기하학적 형태의 변화
이하에서는, 마이크로 렌즈들의 기하학적 형태의 소정의 변화들이 설명된다. 플라이커팅 공정을 이용하여 형성될 수도 있는 상기 변화들은 제 2 및 제 3 마이크로 렌즈(12X, 14X)들 사이의 엄격한 기하학적 상관 관계를 부분적으로 파괴하기 위하여 의도된다. 만약 모든 제 2 마이크로 렌즈(12X)들이 대응하는 제 3 마이크로 렌즈(14X)들을 정확하게 동일한 방식으로 조명하는 것은 아니라면, 제 3 마이크로 렌즈(14X)들에 의해 마스크 평면(18)에 형성된 강도 분포는 X 방향을 따라 약간씩 시프트 될 것이다. 이는, 이하에서 설명되는 바와 같이, 마스크 평면에서의 강도 분포의 향상된 균일성을 가져온다.
물론, 필요한 변경을 가하여, 제 1 및 제 4 마이크로 렌즈(12Y, 14Y)들에 대해서도 동일한 접근법이 적용될 수도 있다. 그러나, 마스크의 스캐닝 이동이 어쨌 거나 평균화 효과를 제공하기 때문에, Y 방향을 따른 강도 분포의 균일성은 대개 관심이 적다. 그러한 이유로, 이하의 설명은 항상, X 방향을 따른 강도 분포를 형성하는 제 2 및 제 3 마이크로 렌즈(12X, 14X)들에 관한 것이다.
3.1 피치 변형
도 19는 다른 실시예에 따른 제 1 및 제 2 인터그레이터 부재(112, 114)들에 대한 확대된 단면도를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 상기 제 1 인터그레이터 부재(112)의 제 2 마이크로 렌즈(112X)들이 동일한 피치 p1으로 규칙적으로 배치되어 있으며 모두 동일한 표면 프로파일을 갖는다고 가정한다. 상기 제 2 인터그레이터 부재(114)에 배치된 제 3 마이크로 렌즈(114X)들은 동일한 곡률 반경를 갖는 원형의 표면 프로파일들을 갖는다. 그러나, 제 3 마이크로 렌즈(114X)들의 피치들 p21, p22, ..., p2n은 변화한다. 본 실시예에서, 상기 피치들 p21, p22, ..., p2n의 변화는 등분배 함수를 따르며, 따라서 특정한 범위 내의 피치들 p21, p22, ..., p2n은 동일한 빈도로 발생한다. 그럼에도 불구하고, 상기 피치들 p21, p22, ..., p2n의 평균값이 제 1 인터그레이터 부재(12)의 피치 p1과 동일하기 때문에, 대향하는 제 2 및 제 3 마이크로 렌즈(112X, 114X)들 사이에는 일대일 대응이 존재한다. 피치 변화의 결과, 제 2 마이크로 렌즈(112X)들의 정점 라인(V)들은 일반적으로, 대응하는 제 3 마이크로 렌즈(114)들의 정점 라인(V1, V2, ..., Vn)들과 더 이상 일치하지 않는다. 대 신에, 대응하는 정점 라인들 사이의 거리도 또한 등분배 함수에 따라 변화한다.
도 20은 단일한 제 3 마이크로 렌즈(114X)에 의해 마스크 평면(18)에 형성된 강도 분포 E(x)를 x 좌표의 함수로서 도시하는 그래프이다. x 방향을 따른 마스크 평면(18)에서의 강도 분포가 적어도 조명 필드(즉, -x0과 +x0 사이의 x 좌표) 내에서는 거의 평평하도록, 상기 제 3 마이크로 렌즈(114X)들의 표면 프로파일이 결정된다.
그러나, 마이크로 렌즈(114X)들의 잔여 표면 거칠기와 같은 여러 가지 이유들로, 상기 강도 분포는 완전하게 평평하지 않으며, 도 20에 개략적으로 도시된 바와 같이, 작은 진폭과 높은 주파수를 갖는 다수의 리플(ripple)들을 보인다. 만약 모든 제 3 마이크로 렌즈들이 도 20에 도시된 것과 동일한 강도 분포를 형성하는 것으로 가정된다면, 중첩된 강도 분포는, 그 중첩으로 인하여 리플들이 단일 제 3 마이크로 렌즈에 대해서보다, 절대적으로도, 심지어 더 강한 총 강도 분포를 가져 올 것이다. 그러나, 제조 공차로 인하여, 제 3 마이크로 렌즈들은 전혀 완전하게 동일하지는 않을 것이며, 결과적으로 제 3 마이크로 렌즈들에 의해 마스크 평면(18)에 형성된 강도 분포도 또한 약간 변화한다. 그러한 약간 변화하는 강도 분포들의 중첩은, 각각의 단일 제 3 마이크로 렌즈(114X)의 강도 분포에서 관찰되는 리플들을 부분적으로 제거하는 평균화 효과 또는 번짐 효과(smearing effect)를 가져온다.
그러나, 절삭날(24)의 결함 또는 마모에 의해 형성될 수도 있는 보다 큰 리 플들은, 예를 들어, 모든 제 3 마이크로 렌즈들에 존재할 수도 있으며, 마스크 평면(18)에서의 모든 제 3 마이크로 렌즈들의 총 강도 분포에 있는 결과적인 리플들은 뚜렷하게 검출될 수 있을 것이다. 더 큰 리플들이 없더라도, 평균화 효과는 모든 제 3 마이크로 렌즈들의 총 강도 분포에 있는 리플들을 충분히 제거하기에 충분하지 않을 수 있다.
제 3 마이크로 렌즈(114X)들의 피치들 p21, p22, ..., p2n이 도 19에 도시된 실시예에서 변화하기 때문에, 대응하는 정점들 사이의 거리도 역시 위에서 설명한 바와 같이 변화한다. 그 결과, 상기 제 3 마이크로 렌즈(114X)들은 제 2 마이크로 렌즈(12X)에 의해 상이한 방식으로, 즉 X 방향을 따라 상이한 정도로 측방 변위하는 조명 광속으로 조명된다. 따라서 이는, 각각의 제 3 마이크로 렌즈(114X)에 의해 형성되는 강도 분포들이 X 방향을 따라 약간의 거리만큼 시프트되도록 한다. 이러한 거리는, 제 3 마이크로 렌즈(114X)의 한 정점 라인 V2k이 대응하는 제 2 마이크로 렌즈(112X)의 정점 라인 V에 대하여 측방으로 변위되는 거리에 비례한다.
도 21에는, 도 20에 도시된 것과 같은 다수의 강도 분포들이 점선으로 표시되어 있다. 상기 강도 분포들은 등분배 함수에 의해 주어진 거리만큼 X 방향을 따라 변위되어 있다. 따라서, 각각의 거리는 주어진 범위 내에서 동일한 빈도로 존재한다. 도면 부호 90으로 지시된 굵은 실선은 개별적인 제 3 마이크로 렌즈(114X)들에 의해 형성된 모든 강도 분포들을 중첩함으로써 얻은 총 강도 분포를 나타낸다. 약간 변위된 강도 분포들의 평균화 효과로 인하여, 총 강도 분포(90)가 이제 조명 필드 내(-x0와 +x0 사이의 x 좌표)에서 거의 완전히 평평하다는 것을 알 수 있다. 마스크 평면(18)에서의 강도 분포들의 측방 변위의 결과로, 일부 광이 손실된다. 이는 도 21에서 조명 필드 바깥에 있는 총 강도 분포(90)의 넓은 경사들에 의해 표시되어 있다. 이러한 광 손실은, 예를 들어, 조명 시스템의 광원에 의해 발생하는 단위 시간 당 광 에너지의 약간의 증가에 의해 보상될 수 있다.
물론, 제 3 마이크로 렌즈(114X)들이 아니라 제 2 마이크로 렌즈(112X)들이 변화하는 피치를 갖는 경우에도 동일한 효과가 달성된다. 또한, 제 2 및 제 3 마이크로 렌즈(112X, 114X)들 모두가 변화하는 피치를 갖는 것도 가능하다. 간명함을 위하여, 변화하는 피치를 갖는 마이크로 렌즈들이 제조될 수 있는 방법에 관한 이하의 설명은 제 3 마이크로 렌즈(114X)들만을 언급한다.
이하에서는, 변화하는 피치를 갖는 제 3 마이크로 렌즈(114X)들이 플라이커팅 공정을 이용하여 제조될 수 있는 방법을 설명한다. 도 22a 내지 도 22l은 제 3 마이크로 렌즈(114X)들을 제조하는 동안 다양한 일련의 단계에서의 기판(30)에 대한 단면을 도시하고 있다. 상기 기판(30)은 상기 단계들 동안 절삭날(24)에 수직한 방향을 따라 이동한다고 가정한다.
도 22a에는, 절삭날(24)을 갖는 공구(22)가 기판(30)을 향해 이동하는 방법이 표시되어 있다. 도 22b에서는, 회전 축(28)을 중심으로 회전하는 동안 동구가 기판 내로 들어갈 때 공구(22)가 기판(30)을 절삭하는 방법을 알 수 있다. 도 22c는 상기 공구(22)에 의해 재료가 제거되어 제 1 마이크로 렌즈(114X1)가 형성되는 기판(30)을 도시하고 있다.
제 1 마이크로 렌즈(114X1)가 완전히 형성된 후에는, 상기 기판(30)이 측방으로 변위되어 상기 마이크로 렌즈(114X1)와 나란하게 배치되는 다음의 마이크로 렌즈가 형성될 수 있다.
도 22e 및 도 22f는 도 22b 및 도 22c에 대응한다. 도 22f에서는, 제 1 마이크로 렌즈(114X1)와 동일한 피치를 갖는 제 2 마이크로 렌즈(114X2)가 형성되었다는 것을 알 수 있다.
제 2 마이크로 렌즈(114X2)가 형성된 후에는, 상기 기판(30)이 다시 측방으로, 그러나 이번에는 더 작은 거리로 변위된다. 그 결과, 상기 공구(22)는 제 2 마이크로 렌즈(114X2)를 부분적으로 절삭하여, 제 2 마이크로 렌즈(114X2)와 제 3 마이크로 렌즈(114X3) 사이에 W-모양의 홈(92)이 형성되도록 한다.
제 3 마이크로 렌즈(114X3)의 제조가 완료된 후에, 기판(30)은 다시 측방으로, 그러나 이번에는 이전의 거리들보다 더 큰 거리로 변위된다. 그 결과, 상기 공구(22)에 의해 형성된 제 4 마이크로 렌즈(114X4)는 삼각형 형태의 프로파일을 갖는 리지(ridge)(94)에 의해 제 3 마이크로 렌즈(114X3)로부터 떨어져 있게 된다.
도 22a 내지 도 22l로부터, 변화된 피치들을 갖는 마이크로 렌즈들의 제조가, 원리적으로는 마이크로 렌즈 어레이의 성능을 악화시킬 수도 있는 원하지 않는 홈(92)이나 리지(94)를 인접한 마이크로 렌즈들 사이에 형성한다는 것이 명백해진다. 그러나, 간명함을 위하여 상기 홈(92)과 리지(94)는 크게 확대된 것이다. 실제의 마이크로 렌즈 어레이에서, 피치 변화는 매우 작아서 바람직하게는 평균 피치의 1%를 초과하지 않는다. 결과적으로, 상기 홈(92)과 리지(94)는 너무 작아서, 광학적 특성들에 대한 악영향들은 마스크 평면(18)에서의 약간 변위된 강도 분포들의 중첩에 의해 얻은 향상들에 의해 상쇄된다. 이러한 점에서, 인접한 마이크로 렌즈들이 접하는 에지에서는, 도 12를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 어쨌든 이상적인 형태와는 차이가 있다는 점을 유의하여야 한다.
3.2 종축 변화
도 23 및 도 24는 또 다른 실시예에 따른 제 3 마이크로 렌즈(214X)들의 어레이를 각각 상면도와 측면도로 도시하고 있다. 본 실시예에서, 상기 제 3 마이크로 렌즈(214X)들은 서로에 대해 평행하게 연장되어 있지만, 그들의 종축은 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 종축에 대하여 기울어져 있다. 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 규칙적인 어레이는 인접한 제 2 마이크로 렌즈(12X)들이 접하고 있는 점선의 경계선(96)에 의해 도 24에 표시되어 있다.
상기 제 3 마이크로 렌즈(214X)들은 서로 연달아 정렬되어 있는 다수의 상이한 부분들을 포함하는 것으로서 간주될 수도 있다. 상기 부분들은 지그재그 형태의 라인들을 형성하는 정점 라인과 종축을 갖는다. 모든 제 3 마이크로 렌즈(214X)들이 평행하게 정렬되어 있으며, 이는 그들의 전체 길이를 따라 모든 마이크로 렌즈들에 대하여 피치가 동일하다는 것을 의미하기 때문에, 인접한 제 3 마이크로 렌즈(214X)들이 접하고 있는 경계선(97)들도 역시 지그재그 형태의 라인을 형성한다. 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 제 3 마이크로 렌즈(214X)들의 지그재그 형태의 경계선(97)들은 대응하는 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 곧은 경계선(96)들 주위를 "휘감고" 있다.
제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 정점 라인들에 대한 제 3 마이크로 렌즈(214X)들의 정점 라인들에 관해서도 동일하게 적용된다. 따라서, 도 23에 도시된 경계선(96 및 97)들은 마이크로 렌즈 피치의 절반만큼 측방으로 변위되어 있는 마이크로 렌즈 어레이의 정점 라인들을 동일하게 나타낼 수도 있다. 그러면, 도 23의 상면도는 광 인터그레이터(10)의 광축(즉, Z 방향)을 따른 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 제 3 마이크로 렌즈(214X)들의 정점 라인들의 투영으로서 간주될 수도 있다.
이러한 지그재그형의 구성은 제 2 마이크로 렌즈(12X)들과 제 3 마이크로 렌즈(214X)들 사이에 일대일 대응이 유지되는 것을 보장한다. 지그재그 형태의 라인이 δ의 경사각으로 일정하기 때문에, 대응하는 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 정점 라인들에 대한 제 3 마이크로 렌즈(214X)들의 정점 라인들의 측방 시프트도 역시 등분배 함수를 따른다. 상기 제 2 마이크로 렌즈(12X)들에 대한 제 3 마이크로 렌즈(214X)들의 측방 변위로 인해, 상기 제 3 마이크로 렌즈(214X)들은 제 2 마이크로 렌즈(12X)들에 의해 상이한 방식으로, 즉 X 방향을 따라 상이한 정도로 측방 변위된 조명 광속으로 조명된다. 변위의 정도는 대응하는 마이크로 렌즈들의 각각의 단일한 쌍마다 Y 방향을 따라 연속적으로 변화한다. 따라서, 이는 각각의 제 3 마이크로 렌즈(214X)에 의해 형성된 강도 분포가 X 방향을 따라 약간의 거리만큼 시프트 되도록 할 것이다. 따라서 본질적으로, 도 19에 도시된 실시예의 제 3 마이크로 렌즈(114X)들에 대해 도 21에 도시된 것과 동일한 효과가 달성된다.
물론, 제 3 마이크로 렌즈들의 축이 지그재그 형태의 라인을 형성하지 않고, 도 23에 도시된 것보다 더 복잡한 형태를 갖는 지그재그 형태의 라인들 또는 구불구불한 S자 라인들(즉, 연속적으로 만곡된 라인들)을 형성한다면, 유사한 효과가 달성된다. 또한, 본 실시예에서, 제 2 마이크로 렌즈(12X)들만, 또는 제 2 및 제 3 마이크로 렌즈(12X, 214X)들 모두가 다양한 형태의 지그재그형 라인들 또는 구불구불한 S자 라인들을 형성하는 종축들과 인접하는 부분들을 가질 수도 있다는 점을 유의하여야 한다.
그러한 마이크로 렌즈들을 제조하기 위하여, 플라이커팅 공정이 역시 이용될 수 있다. 예를 들어, 구불구불한 S자 종축을 갖는 마이크로 렌즈를 제조하기 위해서는, 플라이커팅 공정 동안 회전 축(46)을 중심으로 턴테이블(44)을 천천히 회전시키는 것만이 필요하다.
3.3 표면 프로파일 변형
마스크 평면(18) 내의 강도 분포의 균일성을 향상시키기 위하여 위의 섹션 2.5에서 설명한 프로파일 형태 변형이 유리하게 이용될 수 있다는 것은 이미 위에서 언급하였다. 개별적인 마이크로 렌즈들 또는 그의 일부를 연마하거나 또는 이온 빔 에칭함으로써, 제조 공차로 인해 이미 존재하는 변형들을 증가시키는 표면 프로파일 변형들을 선택적으로 형성하는 것이 가능하다. 이들 변형들을 신중하게 설계함으로써, 거의 완전하게 균일한 강도 분포를 달성할 정도로, 마스크 평면(18)에서의 상이한 강도 분포들의 중첩에 의해 얻은 평균화 효과를 증가시키는 것이 가능하 다.
이하에서는, 표면 프로파일이 매우 간단한 수단으로 선택적으로 변화될 수 있는 대안적인 방법을 설명한다.
3.3.1 번갈은(interleaved) 마이크로 렌즈의 제조 순서
마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 동안, 통상적으로 절삭 공구(22)는 절삭날(24)의 기하학적 형태 및 절삭 품질에 영향을 주는 마모를 겪게 된다. 보통, 마이크로 렌즈들은 하나씩 차례로 제조되어, 새로운 마이크로 렌즈는 이미 존재하는 렌즈에 바로 인접하여 제조된다. 그러면 인접한 마이크로 렌즈들의 표면 프로파일들은 거의 동일하지만, 절삭 공구(22)의 증가하는 마모로 인해 어레이의 전체 표면에 걸쳐 조금씩 변화할 것이다. 이는 다른 수단들에 의해 쉽게 보정될 수 없는 균일성 분포에 있어서의 계통 오차를 도입한다.
이러한 악영향은 번갈은 제조 순서로 마이크로 렌즈들을 제조하는 제조 공정을 이용함으로써 회피될 수 있다. 이것이 의미하는 것은, 제조 공정 동안의 다양한 연속적인 단계들에서 기판(30)과 공구(22)를 단면도로 도시하고 있는 도 25a 내지 도 25e에 나타나 있다.
제 1 마이크로 렌즈(314X11)가 형성된 후(도 25a), 제 2 마이크로 렌즈(314X12)를 형성하기 전에, 기판(30)은 마이크로 렌즈 피치들의 배수만큼 측방으로 이동한다(도 25b). 제 2 마이크로 렌즈(314X12)의 제조가 완료된 후(도 25c)에, 제 3 마이크로 렌즈(314X13)에 대해서도 동일하게 적용된다.
기판의 전체 표면이 마이크로 렌즈 피치의 배수만큼 떨어져 있는 마이크로 렌즈(314X11, 314X12, 314X13, ..., 314X1n)들로 덮힌 후에, 동일하게 떨어져 있는 마이크로 렌즈(314X21, 314X22, 314X23, ..., 314X2n)들의 2차 어레이가, 도 25d 및 도 25e에 도시된 바와 같이, 동일한 방식으로 제조된다.
이러한 번갈은 제조 순서는, 인접한 마이크로 렌즈들의 표면 프로파일들 사이의 차이가 위의 섹션 3.1 및 3.2에서 설명되었던 것과 유사한 평균화 효과를 달성하기에 매우 충부할 수 있다는 것을 보장한다. 그럼에도 불구하고, 마이크로 렌즈들의 종방향에 수직한 방향으로의 표면 프로파일의 계통적 변화는 존재하지 않는다.
3.3.2 절삭 공구로의 재가공
마이크로 렌즈들의 완전한 어레이가 기판(30) 위에 제조된 후에는, 몇몇의 마이크로 렌즈들, 예를 들어 두 개의 마이크로 렌즈마다 하나 또는 세 개의 마이크로 렌즈마다 하나가 몇 개의 또는 바람직하게는 약간씩 상이한 절삭 공구(22)를 사용하여 재가공되어, 표면 프로파일 변화를 형성할 수 있다.
도 26은 두 개의 제 3 마이크로 렌즈(412X)마다 하나가, 제 1 작업으로 상기 제 3 마이크로 렌즈(412X)를 형성했던 공구와 상이한 공구(122)로 재성형(reshape)되는 방법을 도시하고 있다. 물론, 상기 마이크로 렌즈(412X)는 하나 이상의 추가적인 공구(122)로도 재가공될 수 있다.
도 27은 마이크로 렌즈(512X)들 전체 또는 그 중 단지 몇 개만이, 제 1 작업 으로 상기 마이크로 렌즈(512X)를 제조하는데 사용했던 동일한 공구(22)로 재가공되는 대안적인 방법을 도시하고 있다. 그러나, 재가공될 마이크로 렌즈가 공구(22)에 대해 약간 측방으로 오프셋되도록, 기판(28)이 스핀들(26)에 대해 위치한다. 이는 도 19를 참조하여 위에서 설명된 것과 유사한 피치 변화들을 가져온다.
3.3.3 상이한 공구들
상이한 표면 프로파일 또는 피치들을 갖는 마이크로 렌즈들을 제조하기 위한 매우 간단한 방법은 원하는 표면 프로파일 및/또는 피치에 특별하게 적합화된 상이한 절삭 공구들을 사용하는 것이다. 도 29는, 제 3 마이크로 렌즈(614X)들이 모두 동일한 피치를 갖지만 r1 내지 r4로 표시된 상이한 곡률 반경을 갖는 마이크로 렌즈 어레이에 대한 단면도를 도시하고 있다. 명료함을 위하여, 도 29에서는 상이한 곡률들이 상당히 과장되어 있다. 실제의 마이크로 렌즈 어레이에서 곡률 반경 변화는 1% 정도로 작을 수 있다. 만약 그러한 마이크로 렌즈(614X)들의 어레이가 제 2 마이크로 렌즈(12X)들의 규칙적인 어레이에 의해 조명된다면, 상이한 폭들을 갖는 네 개의 강도 분포들이 마스크 평면(18)에서 중첩될 것이다. 이는 전체 강도 분포에 있어서 원하지 않는 리플들을 크게 줄일 것이다.
제 3 마이크로 렌즈(614X)들을 제조하기 위하여, 도 25a 내지 도 25e를 참조하여 위의 섹션 3.3.1에서 설명된 번갈은 제조 순서가 적용될 수 있으며, 여기서 평행하며 떨어져 있는 마이크로 렌즈들의 각각의 어레이는 상이한 절삭 공구(22)로 형성된다.
3.3.2 다중날 공구(multi-edge tool)
단지 하나의 절삭날만을 갖는 공구를 사용하는 대신에, 다수의 절삭날들이 나란히 배치되어 있는 공구를 사용할 수도 있다. 다중날 공구에 더 많은 절삭날들이 제공될수록, 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 총 가공 시간도 더 짧아질 것이다.
다중날 공구의 제공은 상이한 표면 프로파일 및/또는 피치들을 갖는 다수의 마이크로 렌즈들을 한번의 플라이커팅 공정으로 제조하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 28에 도시된 제 3 마이크로 렌즈(614X)들을 제조하기 위하여, 한 번의 플라이커팅 공정으로 네 개의 인접한 마이크로 렌즈(614X)들을 형성하는 사중날 절삭 공구가 사용될 수도 있다.
도 29는 두 개의 상이한 절삭날(224a, 224b)들을 포함하는 공구(222)의 개략적인 정면도를 도시하고 있다. 여기서, 절삭날(24a, 24b)들은 하나의 마이크로 렌즈 피치만큼 떨어져 있다. 그러한 배치는 도 27에 도시된 것과 유사한 방식으로 마이크로 렌즈들의 어레이를 재가공하는데 유리할 수 있다.
도 30은 세 개의 인접하는 절삭날(324a, 324b, 324c)들을 갖는 다중날 공구(322)의 정면도이다. 상기 다중날 공구(322)는 인접한 마이크로 렌즈들의 그룹들의 주기적인 어레이를 제조하는데 최적화되어 있으며, 여기서 하나의 그룹 내의 마이크로 렌즈들은 상이한 표면 프로파일들을 갖는다. 상기 공구(322)를 사용하면, 제조 공정 동안 도구의 교체가 필요 없다.
4. 산란판
위에서 언급한 바와 같이, 섹션 2 및 섹션 3에서 기술된 상이한 실시예들을 갖는 플라이커팅 공정은 다른 종류의 길게 연장된 마이크로 렌즈들의 제조에도 유리하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 여기서 그 내용 전체가 참조에 의해 통합되는 국제 특허 출원 PCT/EP2007/001267은 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 마이크로 렌즈들의 평행한 어레이들을 갖는 산란판들을 사용하는 것을 제안하고 있다.
도 31은 도 1과 유사한 표현의 광 인터그레이터(10)의 사시도이다. 본 실시예에서, 두 개의 산란판(98 및 100)들이 광 인터그레이터(10)의 전방과 후방에 각각 배치되어 있다. 상기 산란판(98, 100)들도 역시, 위에서 설명했던 마이크로 렌즈들과 유사하게 변화하는 기하학적 형태들을 갖는 마이크로 렌즈들의 어레이를 포함하고 있다.
바람직한 실시예들에 대한 위의 설명이 예시의 방식으로 주어졌다. 주어진 개시로부터, 본 기술분야의 당업자는 본 발명 및 그에 부수하는 이점들을 이해할 뿐만 아니라, 개시된 구조 및 방법들에 대한 명백히 다양한 변화 및 변형들을 발견할 수도 있을 것이다. 따라서 본 출원인은, 첨부된 특허청구범위 및 그의 등가물에 의해 정의된 것과 같이, 그러한 모든 변화와 변형들을 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 것으로서 포함할 것을 추구한다.
Claims (53)
- 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 다수의 2차 광원들을 형성하기 위한 광 인터그레이터에 있어서,a) 제 1 평면 내에서 나란히 배치되어 있으며 제 1 정점 라인(V)들을 갖는, 길게 연장되고 볼록하게 만곡된 제 1 마이크로 렌즈(112X)들의 제 1 어레이,b) 제 2 평면 내에서 나란히 배치되어 있으며 제 2 정점 라인(V1 내지 V4)들을 갖는, 길게 연장되고 볼록하게 만곡된 제 2 마이크로 렌즈(114X, 214X)들의 제 2 어레이를 포함하며,적어도 하나의 제 2 정점 라인 또는 그의 일부가, 상기 광 인터그레이터의 광축을 따른 투영에서, 제 1 정점 라인(V)들 중 어느 하나 또는 그의 일부와 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항에 있어서,적어도 하나의 제 2 정점 라인(V1 내지 V4) 또는 그의 일부가 지그재그 형태의 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 2 항에 있어서,상기 적어도 하나의 제 2 정점 라인(V1 내지 V4) 또는 그의 일부의 일직선 부분들은 기준 방향에 대하여 각도 δ로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항에 있어서,상기 적어도 하나의 제 2 정점 라인 또는 그의 일부는 구불구불한 S자 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈(112X)들은 상기 제 2 마이크로 렌즈(114X; 214X)들의 종축에 평행한 제 1 종방향에 평행하게 연장되는 종축을 갖는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 마이크로 렌즈(114X)들은 변화하는 피치들을 갖는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 1 정점 라인(V)들과 제 2 정점 라인(V1 내지 V4)들은 일직선인 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 2 마이크로 렌즈(114X)들은 동일한 표면 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈(12X; 112X)들과 상기 제 2 마이크로 렌즈(14X; 114; 214)들 사이에 일대일 대응이 존재하는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2 마이크로 렌즈(14X; 114; 214)들의 초점 평면은 상기 제 1 평면과 일치하는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈(12X; 112X)들과 제 2 마이크로 렌즈(14X; 114; 214)들은 5mm보다 작은 피치들을 갖는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 1 마이크로 렌즈(12X; 112X)들과 제 2 마이크로 렌즈(14X; 114; 214)들은 2mm보다 작은 피치들을 갖는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 광 인터그레이터(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템.
- 제 13 항에 있어서,상기 2차 광원들의 전방 또는 후방에 배치되어 있는 다수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 적어도 하나의 산란 구조(98, 100)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
- 제 14 항에 있어서,상기 광 인터그레이터(10)의 마이크로 렌즈들과 상기 산란 구조(98, 100)들의 마이크로 렌즈들은, 동일한 조도 분포로 조명되는 마이크로 렌즈들이 5mm보다 더 떨어져 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
- a) 제 1 평면 내에서 나란히 배치되어 있으며 제 1 정점 라인들을 갖는 길게 연장된 제 1 마이크로 렌즈들의 제 1 어레이,b) 제 2 평면 내에서 나란히 배치되어 있으며 제 2 정점 라인들을 갖는 길게 연장된 제 2 마이크로 렌즈(214X)들의 제 2 어레이를 포함하며, 적어도 하나의 제 2 정점 라인은 지그재그 형태의 라인 또는 구불구불한 S자 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는, 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 다수의 2차 광원들을 형성하기 위한 광 인터그레이터.
- a) 제 1 평면 내에서 나란히 배치되어 있는 길게 연장된 제 1 마이크로 렌즈들의 제 1 어레이,b) 제 2 평면 내에서 나란히 배치되어 있는 길게 연장된 제 2 마이크로 렌즈들의 제 2 어레이를 포함하며, 적어도 하나의 제 2 마이크로 렌즈는 상기 적어도 하나의 제 2 마이크로 렌즈의 종축을 따라 변화하는 만곡된 표면 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로리소그래피 투영 노광 장치의 조명 시스템에서 다수의 2차 광원들을 형성하기 위한 광 인터그레이터.
- 제 17 항에 있어서,다수의 인접한 제 2 마이크로 렌즈(14X)들은 상기 다수의 제 2 마이크로 렌즈들의 종축을 따라 변화하는 만곡된 표면 프로파일들을 갖는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 18 항에 있어서,상기 제 2 마이크로 렌즈들의 제 2 어레이는,a) 상기 제 2 마이크로 렌즈(14X)들이 제 1 만곡된 표면 프로파일들을 갖는 적어도 하나의 제 1 영역, 및b) 상기 제 2 마이크로 렌즈(14X)들이, 재료가 국소적으로 제거되었다는 점 에서 상기 제 1 만곡된 표면 프로파일들과 상이한 제 2 만곡된 표면 프로파일들을 갖는 적어도 하나의 제 2 영역(72, 74)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
- 제 19 항에 있어서,적어도 두 개의 제 2 영역(72)들이 제 1 방향(Y)을 따라 배치되어 있으며 적어도 두 개의 추가적인 제 2 영역(74)들이 상기 제 1 방향(Y)에 수직한 제 2 방향(X)을 따라 배치되어 있고, 제 1 방향(Y)을 따라 배치되어 있는 상기 적어도 두 개의 제 2 영역(72)들 내의 제 2 마이크로 렌즈(14X)들은 제 2 방향(X)을 따라 배치되어 있는 상기 추가적인 제 2 영역(74)들 내의 적어도 두 개의 제 2 마이크로 렌즈(14X)들의 만곡된 표면 프로파일들과 상이한 만곡된 표면 프로파일들을 갖는 것을 특징으로 하는 광 인터그레이터.
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