KR101682171B1 - 오프 축 정렬 시스템 및 정렬 방법 - Google Patents

오프 축 정렬 시스템 및 정렬 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오프 축 정렬 시스템에 관한 것으로서, 광 빔 전파 경로에 따라 순차적으로 조명 모듈(10), 간섭 모듈(20) 및 검출 모듈(30)을 포함하며, 간섭 모듈(20)은 네 개의 측면을 가지며, 조명 모듈(10)과 검출 모듈(30)이 모두 제1측에 위치하는 편광 빔 분리기(21); 제1측과 마주하는 제2측에 순차적으로 위치되는 제1 사분의 일 파장판(22) 및 제1 반사경(23); 편광 빔 분리기(21)의 다른 양측에 각각 제2 사분의 일 파장판(24), 각뿔 프리즘(25)과 제3 사분의 일 파장판(26), 제2 반사경(27) 및 렌즈(28)가 설치되며, 제2 반사경(27)은 렌즈(28)의 후초점면에 위치하고, 각뿔 프리즘(25)의 밑면 중심은 렌즈(28)의 광축에 위치하는 오프 축 정렬 시스템이다. 또한 오프 축 정렬방법을 포함한다.

Description

오프 축 정렬 시스템 및 정렬 방법{OFF-AXIS ALIGNMENT SYSTEM AND ALIGNMENT METHOD}
본 발명은 실리콘 웨이퍼 정렬 처리장치로서, 특히 오프 축 정렬 시스템 및 그 정렬 방법에 관한 것이다.
현재, 포토리소그래피 장비는 흔히 회절격자 간섭을 토대로 하는 정렬 시스템을 사용한다. 해당 유형의 정렬 시스템의 기본적인 특징은 아래와 같다. 단파장 또는 다파장의 조명 광빔은 격자형 정렬마크에 조사되어 회절이 발생되며, 생성된 각 단계의 회절광은 정렬 마크의 위치정보를 가지고 있다; 상이한 단계의 광빔은 상이한 회절각으로 위상 정렬 격자 상으로부터 흩어지며, 정렬 시스템으로 수집된 각 단계의 회절광빔을 통해, 정렬 시스템의 이미지면(像面) 또는 동공면에서 두 개의 대칭되는 플러스 마이너스 회절단계(예를 들어 ±1단계, ±2단계, ±3단계 등)가 중첩 간섭되게 하여, 각 단계의 간섭신호를 형성한다. 정렬 마크에 대해 스캔할 때, 광전 검출기를 이용하여 간섭신호의 강도변화를 기록하며, 신호처리를 통해, 정렬 중심위치를 확정한다.
종래기술에서 대표적인 기술은 네덜란드 ASML회사에서 사용하는 오프 축 정렬 시스템이며, 해당 정렬 시스템은 광원부분에서 적색광, 녹색광의 듀얼 광원 조사를 사용하며; 쐐기 어레이 또는 쐐기판 세트를 사용하여 정렬 마크 다단계 회절광의 중첩 및 코히런트 결상을 실현하며, 이미지면 위에서 결상 공간을 분리시킨다; 적색광 및 녹색광의 정렬신호는 하나의 편광 빔 분리 프리즘을 통해 분리한다; 정렬마크 이미지 기준격자를 투과하는 투사 광 세기를 검출하는 것을 통해, 정현 출력의 정렬신호를 얻는다. 해당 정렬 시스템에는 아래와 같은 결함이 존재한다. 우선, 해당 시스템이 편광 빔 분리 프리즘의 분광 시스템을 사용하므로, 단지 두 개 파장의 색광을 분리할 수 있으며, 두 개 파장 이상의 정렬신호에 대해서는 실현 불가하다; 다음, 해당 정렬 시스템의 다단계 회절광은 이미지면에서 간섭되며, 정렬 마크 반사율이 불균일할 경우, 마크 회전, 배율 오차 등 요소에 의해 정렬 오차가 비교적 크게 된다; 마지막으로, 해당 정렬 시스템이 쐐기 어레이를 사용하는 경우, 굴절하는 플러스, 마이너스의 동일한 단계의 두 개 쐐기의 표면 및 쐐기 각의 일치성에 대한 요구는 매우 높으며, 쐐기판 세트의 가공제조, 조립과 조절에 대한 요구도 매우 높으므로, 구체적인 실시작업의 난이도가 비교적 높으며 원가도 높다.
다른 한 가지 종래 기술도 네덜란드 ASML회사에서 사용하는 오프 축 정렬 시스템이다. 해당 시스템은 하나의 회전 자체 기준간섭계를 통해 두 개의 상대적으로 180°회전된 정렬 마크 이미지를 생성하며, 광 동공면에서 중첩회절단계의 간섭신호를 검출하고, 검출된 각 단계의 간섭신호의 상대적 위상변화에 따라 정렬위치의 신호를 획득할 수 있다. 해당 정렬 시스템은 다수의 주 단면, 공간 복합 프리즘 구조의 회전 자체 기준간섭계를 사용하였으며, 프리즘의 가공 및 공차 조절에 대한 요구도 매우 높으며, 프리즘 세트의 접착 난이도도 비교적 높다. 동시에, 광빔이 상대적으로 180°회전된 중첩간섭이므로, 조명광빔의 공간 간섭성에 대한 요구도 비교적 높고, 실행 난이도도 비교적 높다.
따라서, 당업자들이 시급히 해결하고자 하는 기술적 과제는, 조명광빔의 공간 간섭성에 대한 요구가 없고, 정렬 마크의 경사, 탈초점이 검출결과에 대한 영향을 해소시키는 동시에 광로 구조가 간단하고, 복잡한 광학소자의 사용을 방지하며, 실현이 용이한 오프 축 정렬 시스템 및 정렬 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 기존 오프 축 정렬 시스템 중의 정렬 마크의 경사, 탈초점이 검출결과에 비교적 큰 영향을 미치고, 조명광빔의 간섭성에 대한 요구가 비교적 높으며, 쐐기 어레이 등 복잡한 소자를 사용해야 함으로 인해 실행 난이도가 높게 되는 문제를 해결하도록, 오프 축 정렬 시스템 및 정렬 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 오프 축 정렬 시스템에 관한 것으로서, 광 빔 전파 경로에 따라 순차적으로 조명 모듈, 간섭 모듈 및 검출 모듈을 포함하며, 상기 조명 모듈은 광원, 다파장 입사 광 섬유 및 분광 소자를 포함하고; 상기 검출 모듈은 순차적으로 검출 렌즈 세트, 편광 장치, 검출 광 섬유 및 광전 검출기를 포함하며; 상기 간섭 모듈은 네 개의 측면을 가지며 상기 조명 모듈과 검출 모듈이 모두 제1측에 위치하는 편광 빔 분리기; 상기 제1측과 마주하는 상기 편광 빔 분리기의 제2측에 순차적으로 설치되는 제1 사분의 일 파장판 및 제1 반사경; 상기 편광 빔 분리기의 제3측에 순차적으로 설치되는 제2 사분의 일 파장판 및 각뿔 프리즘; 및 상기 제3측과 마주하는 상기 편광 빔 분리기의 제4측에 순차적으로 설치되는 제3 사분의 일 파장판 및 제2 반사경 및 렌즈를 포함하며, 상기 제2 반사경은 상기 렌즈의 후초점면에 위치하고, 상기 각뿔 프리즘의 밑면 중심은 상기 렌즈의 광축에 위치하는 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템을 제공한다.
상기 조명 모듈은 셔터, 광 격리기 및 위상 변조기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 광원은 레이저인 것이 바람직하다.
상기 광원은 적어도 네 개의 상이한 파장을 포함하며, 그 중의 두 개 파장은 적외선 파장대인 것이 바람직하다.
상기 광원은 단일 주파수 레이저이며, 상기 분광 소자는 격자 빔 분리기 또는 광 섬유 빔 분리기 또는 평면 광도파 출력 분광기인 것이 바람직하다.
상기 광원은 이중 주파수 레이저이며, 상기 분광 소자는 레이저 주파수 분할기인 것이 바람직하다.
상기 레이저 주파수 분할기는 전기 광학 변조기 또는 음향 광학 변조기인 것이 바람직하다.
상기 편광 장치는 이색성 편광기, 다층 코팅을 토대로 하는 정규 편광 분광기, 복굴절 분광기 중의 하나인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 오프 축 정렬 방법에 관한 것으로서, 상술한 오프 축 정렬 시스템을 이용하며, 상기 오프 축 정렬 방법은 아래와 같은 단계 즉,
상기 광원이 레이저 빔을 발사하고, 상기 분광 소자에 의해 다파장 다단계의 조명 광 빔으로 분리되며, 상기 조명 광 빔은 상기 편광 빔 분리기에 입사하여 제1 광 빔 및 제2 광 빔으로 나뉘고, 상기 제1 광 빔 및 제2 광 빔은 각각 상기 반사경 및 각뿔 프리즘의 반사를 거친 후 상기 렌즈의 광축에 대해 대칭되며, 상기 제1 광 빔 및 제2 광 빔은 상기 렌즈에 입사한 후 대칭되는 입사각으로 정렬 마크에 조사되어 제1차 회절이 발생되는 단계;
두 줄기의 회절 광 빔은 상기 렌즈를 통해, 상기 렌즈의 후초점면의 제2 반사경에 의해 반사되며, 반사된 후의 광 빔은 다시 상기 정렬 마크에 입사되어 제2차 회절이 발생되는 단계;
2차 회절 광 빔은 상기 렌즈에 의해 수집된 후, 다시 상기 편광 빔 분리기, 각뿔 프리즘 및 제1 반사경을 거쳐 최종적으로 상기 편광 빔 분리기의 분할면의 동일한 위치에서 중첩되어 간섭신호를 형성하는 단계;
상기 간섭신호는 각각 상기 검출 렌즈 세트 및 편광 장치에 의해 상기 광전 검출기에 입사되며, 상기 광전 검출기는 상기 간섭신호의 위상 변화에 따라 정렬 위치정보를 확정하는 단계를 포함하는 오프 축 정렬 방법을 더 제공한다.
본 발명은 아래와 같은 유리한 효과가 있다.
1. 격자 2차 회절기술을 이용하여, 입사광빔이 상기 정렬 마크를 선후로 2차 경과하며, 제2차 회절광빔의 방향과 원 입사각 방향은 완전히 서로 반대되게 하여, 상기 정렬 마크가 경사 및/또는 탈초점 시에, 검출결과에 영향을 미치지 않도록 확보한다;
2. 각뿔 프리즘을 이용하여, 입사광빔의 대칭반사와 180°회전을 실현하여, 시스템이 조명광빔 공간 간섭성에 대한 요구를 해소시킨다;
3. 광로 구조가 간단하며, 복잡한 광학소자(쐐기 어레이 등)를 사용하지 않으며, 부피가 작아 조절과 통합에 편리하다.
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 오프 축 정렬 시스템의 구조를 나타내는 도면;
도 2는 실시예1의 광로를 나타내는 도면;
도 3은 각뿔 프리즘의 간략된 광로를 나타내는 도면;
도 4는 도 3의 평면도;
도 5는 정렬 마크의 2차 회절 원리를 나타내는 도면;
도 6은 정렬 마크가 경사진 경우, 2차 회절의 광로를 나타내는 도면;
도 7은 정렬 마크가 탈초점된 경우, 2차 회절의 광로를 나타내는 도면;
도 8은 정렬 마크가 경사지고 탈초점된 경우, 2차 회절의 광로를 나타내는 도면;
도 9는 격자 빔 분리기의 분광 원리는 나타내는 도면;
도 10은 광 섬유 빔 분리기의 분광 원리는 나타내는 도면;
도 11은 평면 광도파 출력 분광기의 분광 원리는 나타내는 도면;
도 12는 두 개의 방향으로 정렬된 경우, 편광 빔 분리기의 입력/출력 단면의 정면도;
도 13은 본 발명의 실시예2에 따른 오프 축 정렬 시스템의 구조를 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 상술한 목적, 특징 및 장점을 보다 분명하고 이해하기 쉽게 도면을 참조하여 본 발명의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대해 보다 상세하게 설명한다.
실시예1
본 발명에서 제공하는 오프 축 정렬 시스템은 도 1에서 도시한 바와 같이, 광 빔 전파 경로에 따라 순차적으로 조명 모듈(10), 간섭 모듈(20) 및 검출 모듈(30)을 포함하며, 상기 조명 모듈(10) 및 검출 모듈(30)은 상기 간섭 모듈(20)의 동일 측에 위치하며, 상기 조명 모듈(10)은 광원(미도시), 다파장 입사 광 섬유(11) 및 분광 소자(12)를 포함하며, 상기 광원은 레이저인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 레이저는 휘도가 높고, 방향성이 뛰어나기 때문이다. 실시예1에서 상기 광원은 단일 주파수 레이저이며, 발사되는 조명광빔은 단일 주파수의 직선편광이고, 상기 조명 모듈(10)은 셔터(미도시), 광 격리기(미도시) 및 위상 변조기(미도시)를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 셔터는 필요 시 조명광빔을 저지하기 위한 것이며, 상기 광 격리기는 광빔이 단일 방향으로만 통과하도록 광빔의 방향에 대해 제한하기 위한 것이고, 상기 위상 변조기는 조명광빔의 위상조절을 위한 것이며, 미광과 신호광의 간섭성을 효과적으로 억제하며, 간섭 패턴의 콘트라스트를 낮추며, 신호대잡음비를 향상시킬 수 있다. 상기 분광 소자(12)는 격자 빔 분리기 또는 광 섬유 빔 분리기 또는 평면 광도파 출력 분광기인 것이 바람직하다; 상기 간섭 모듈(20)은 편광 빔 분리기(21)를 포함하며, 상기 편광 빔 분리기(21)가 조명 모듈(10)과 검출 모듈(30)이 위치하는 일측에 마주하는 일측에는 제1 사분의 일 파장판(22) 및 제1 반사경(23)이 순차적으로 설치되어 있으며, 상기 편광 빔 분리기(21)의 다른 양측에 각각 제2 사분의 일 파장판(24), 각뿔 프리즘(25)과 제3 사분의 일 파장판(26), 제2 반사경(27) 및 렌즈(28)가 설치되어 있으며, 상기 2 반사경(27)은 상기 렌즈(28)의 후초점면에 위치하고, 정렬 마크(40)는 상기 렌즈(28)의 다른 일측에 위치하며, 상기 각뿔 프리즘(25)의 밑면 중심은 상기 렌즈(28)의 광축에 위치한다; 상기 검출 모듈(30)은 순차적으로 검출 렌즈 세트(31), 편광 장치(32), 검출 광 섬유(33) 및 광전 검출기(34)를 포함하며, 상기 편광 장치(32)는 이색성 편광기, 다층 코팅을 토대로 하는 정규 편광 분광기, 복굴절 분광기 중의 하나인 것이 바람직하며, 예를 들어 사바판(Savart plate), 월라스톤 프리즘(Wollaston prism) 등이 있다. 상기 조명 모듈(10)이 발사하는 광빔은 상기 간섭 모듈(20)의 2차 회절을 거쳐, 간섭신호를 형성하며, 상기 간섭신호는 상기 정렬마크(40)의 위치 정보를 가지고 있으며, 상기 검출 모듈(30)에 최종적으로 입사되며, 상기 검출 모듈(30)은 상기 간섭신호의 위상 변화에 따라 정렬 위치정보를 확정한다.
바람직하게, 상기 광원은 적어도 네 개의 상이한 파장을 포함하며, 그 중의 두 개 파장은 적외선 파장대에 있으며, 예를 들어: λ1 = 532nm, λ2 = 632.8nm, λ3 = 780nm, λ4 = 850nm이며, 다파장 광원 조명을 이용하는 경우, 상쇄 간섭 효과의 영향을 효과적으로 억제할 수 있으며, 공정 적응성을 향상시킨다; 근적외선 및 원적외선 파장의 광원 조명을 사용하는 경우, 낮은 K값의 매체 재료가 가시 스펙트럼 범위에서의 흡수 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 다결정 실리콘 공정의 마크 검출에 사용할 수 있어, 정렬신호의 세기를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 오프 축 정렬방법을 추가적으로 제공하며, 도 1 및 도 2를 참조하여, 상기와 같은 오프 축 정렬 시스템을 이용하며, 상기 오프 축 정렬방법은 다음과 같은 단계를 포함한다. 상기 광원이 레이저 빔을 발사하고, 상기 다파장 입사광 섬유(11)를 통하여 전송되며, 상기 분광 소자(12)에 의해 다파장 다단계의 조명 광 빔으로 분리된다. 조명광빔(100)은 그 중의 어느 파장 λ의 광빔이며, 편광 방향은 편광 빔 분리기(21)의 광축방향과 45°의 협각을 이루고, 상기 조명 광 빔(100)은 상기 편광 빔 분리기(21)에 입사하여 편광방향이 서로 수직되는 제1 광 빔(101a) 및 제2 광 빔(102a)으로 나뉘고, 상기 제1 광 빔(101a)은 P편광이며, 도 2에서 실선으로 표시하며, 상기 제2 광 빔(102a)은 S편광이며, 도 2에서 점선으로 표시한다. 상기 제1 광 빔(101a)은 제1 사분의 일 파장판 (22)을 거치면서 아크로매틱(Achromatic) 처리를 진행한 후, 상기 제1 반사경(23)에 입사되어, 상기 제1 반사경(23)에 의해 반사된 후 다시 상기 편광 빔 분리기(21)를 통과한다. 이 때 광빔의 편광 회전 방향은 90°회전하여, S편광(101b)으로 변하며, 광 빔(101b)은 상기 편광 빔 분리기(21)에 의해 반사되어 상기 제3 사분의 일 파장판 (26)을 거쳐, 원편광(101c)으로 변환된다; 상기 제2 광 빔(102a)은 제2 사분의 일 파장판 (24)을 거쳐 P편광(102b)로 변하며, 해당 P편광(102b)은 상기 편광 빔 분리기(21)를 투과하여, 제3 사분의 일 파장판 (26)을 거쳐 원편광(102c)으로 변환되며, 상기 광빔 (101c)과 광빔(102c)은 상기 렌즈(28)의 광축에 의해 대칭된다.
상기 정렬마크(40)가 상기 렌즈(28)의 앞 초점면에 위치하며, 상기 렌즈(28)의 광축에 수직될 때, 광빔 (101c)과 광빔(102c)은 상기 렌즈(28)를 통과하여, 각각 광빔(101d)과 광빔(102d)으로 변하며, 상기 정렬마크(40)에 집결된다. 광빔(101d)과 광빔(102d)의 입사각은 대칭되며 크기는 같고, 상기 정렬마크(40)의 어느 한 단계의 회절각θ와 같으며, 해당 단계의 회절광빔(101e)와 회절광빔(102e)을 각각 생성하며, 방향은 상기 정렬마크(40)에 수직된다. 상기 회절광빔(101e)과 회절광빔(102e)은 렌즈(28)의 후초점면(29)에 위치하는 반사경 (27)에 의해 반사된 후, 다시 상기 정렬마크(40)에 입사되어 다시 한번 회절되어 2차 회절광빔(101f)과 회절광빔(102f)이 생성된다. 이상적인 경우, 상기 2차 회절광빔(101f)과 회절광빔(102f)은 각각 원래의 입사광빔(101d) 및 입사광빔(102d)의 광로와 완벽히 겹쳐지며 방향은 반대된다. 도 2에서, 전송 광로를 뚜렷하게 나타내기 위해, 위치가 겹쳐져 있으나, 방향이 반대되는 광빔을 분리하여 표시하였다.
이렇게, 상기 정렬마크(40)에 조사되는 광빔(101c)과 광빔(102c)은 모두 원편광이며, 정렬마크(40)의 주기가 조명파장에 비해 훨씬 클 경우, 편광 선택은 중요하지 않지만, 상기 정렬마크(40)의 격자의 주기가 조명파장과 동일한 등급일 경우, 격자의 회절효율은 조명광의 편광 특성에 관련이 있으며, 만약 직선편광입사를 이용할 경우, 격자의 회절효율이 해당 편광방향에서 급격히 떨어지는 리스크에 봉착할 수 있다. 여기서 원편광 조명을 이용하면, 해당 리스크를 효과적으로 방지할 수 있으며, 원편광은 두 개 방향의 서로 수직되는 직선편광을 포함하며, 일 편광방향에서 고효율의 회절광이 생성되는 것을 확보한다. 따라서, 원편광을 이용하여 정렬마크에 조사하는 것은 상기 정렬 시스템이 작은 주기의 정렬마크에 대한 적응성을 향상시킬 수 있다.
2차 회절광빔(101f)과 회절광빔(102f)은 상기 렌즈(28)에 의해 수집된 후, 각각 상기 제3 사분의 일 파장판(26)을 거쳐 P편광(101g)과 S편광(102g)으로 변하며, 상기 P편광(101g)은 상기 편광 빔 분리기(21)를 통하여, 상기 제2 사분의 일 파장판(24)을 거쳐, 상기 각뿔 프리즘(25)에 의해 반사된 후 다시 상기 제2 사분의 일 파장판(24)을 거쳐, S편광(101h)으로 변한다; 동시에, 상기 S편광(102g)은 상기 편광 빔 분리기(21)에 의해 반사되어, 상기 제1 사분의 일 파장판 (22)을 거친 후, 상기 제1 반사경(23)에 의해 반사되어, 다시 상기 제1 사분의 일 파장판 (22)을 거쳐 P편광(101h)로 변한다. 상기 광빔(101h)과 광빔(102h)은 각각 상기 편광 빔 분리기(21)의 동일한 위치에서 반사 및 투사되고, 동시에 상기 편광 빔 분리기(21)의 좌단면으로부터 발사되며, 출력광빔(I101) 및 출력광빔 (I102)으로 변한다. 상기 출력광빔(I101) 및 출력광빔(I102)은 상기 검출 렌즈 세트(31)를 거치며, 상기 출력광빔(I101) 및 출력광빔(I102)의 편광방향은 서로 수직되고, 간섭이 발생되지 않으며, 상기 편광장치(32)를 거친 후, 상기 출력광빔(I101) 및 출력광빔(I102)은 동일한 편광방향을 가지며, 따라서 간섭신호(Ii)를 생성한다.
상기 간섭신호(Ii)는 상기 검출 광 섬유(33)를 거쳐 상기 광전 검출기(34)에 입사되며, 상기 광전 검출기(34)는 상기 간섭신호(Ii)의 위상 변화에 따라, 정렬위치 정보를 확정한다.
구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 각뿔 프리즘(25)은 세 개의 서로 수직되는 반사면을 가지며, 해당 밑면은 등변삼각형을 이루며, 밑면으로부터 임의의 방향으로 입사된 광선은, 세 개의 반사면에 의해 순차적으로 반사된 후, 입사광선과 반대되는 방향으로 밑면에서부터 발사된다 (도면에서 각뿔 프리즘(25)의 내부 광로는 간략화된 등가 도면이다). 상기 시스템에서 상기 각뿔 프리즘(25)은 아래와 같은 두 가지 작용이 있다. 하나는 광빔의 대칭반사를 실현하는 것으로, 광빔(102a)이 상기 각뿔 프리즘(25)을 거친 후, 반사광빔(102b)를 생성하며, 광빔(102a)과 광빔(102b)의 방향은 서로 반대되며, 위치는 각뿔 프리즘(25)의 밑면 중심에 의해 대칭된다. 상기 각뿔 프리즘(25)의 밑면 중심이 상기 렌즈(28)의 광축에 위치하므로, 상기 광빔(102a)과 광빔(102b)은 렌즈(28)의 광축에 대해 대칭되며, 따라서 상기 정렬마크(40)에서 광빔(101d)과 광빔(102d)의 입사각의 크기가 서로 같은 것을 보장한다; 다른 하나는, 상기 각뿔 프리즘(25)이 광빔의 180° 회전을 실현하는 것으로, 먼저 광빔(102a)을 180° 회전시켜 광빔(102b)으로 변하며; 다음 상기 정렬마크(40)의 2차회절을 거친 후, 광빔(101g)을 180° 회전시켜 광빔(101h)으로 변한다. 광빔(102b)은 상기 정렬마크(40)의 2차회절을 거친 후, 광빔(102g)을 생성하지만, 회전하지 않으며, 최종적으로 상기 편광 빔 분리기(21)의 좌단면에서 출력되는 두 개의 광빔(101h) 및 광빔(102h)은 서로 회전하지 않으므로, 초기에 입력한 조명광빔(100)에 대해 엄밀한 공간 간섭성은 필요되지 않는다.
도 5를 참조하여, 입사광빔(102c)의 상기 렌즈의 후초점면(29)에서의 좌표를 k0으로, 주파수 대역폭을 2Δk으로, 렌즈(28)의 초점거리를 f로, 광빔(102c)의 중심으로부터 상기 렌즈(28)의 광축의 거리를 d로 가정할 경우, 광빔(102d)의 입사각도(θ)의 계산공식은 아래와 같다.
Figure 112015040834706-pct00001
이로부터 알 수 있는 바, 조정 파라미터d를 통해, 상기 광빔(102d)의 입사각을 상기 정렬마크(40)의 어느 한 단계의 회절각과 같게 하며, 즉 아래와 같은 격자 방정식을 만족시킨다.
Figure 112015040834706-pct00002
여기서, p는 정렬마크의 주기이며, n은 양의 정수이며, λ는 해당 조명광빔(102c)의 파장이다. 이 경우, 상기 광빔(102d)은 상기 정렬마크(40)의 회절을 거쳐, 광축에 평행에 가까운 n단계(또는 -n단계) 회절광(102e)을 생성하며, 상기 렌즈(28)를 거쳐, 상기 반사경(27)에 집결되며, 반사광빔은 상기 렌즈(28)를 거친 후, 회절광(102e)과 서로 반대되는 방향으로 상기 정렬마크(40)에 입사되어, 2차 회절을 발생하며, 광빔(102f)를 생성한다. 이상적인 경우, 2차 회절광빔(102f)은 입사광빔(102d)과 완벽히 겹쳐진다. 2차 회절광빔(102f)은 정렬마크(40)의 위치정보x를 가지고 있으며, 광빔(102f)의 광 필드 E2(k0)는 아래와 같다.
Figure 112015040834706-pct00003
여기서, A0은 광 필드 정규화 파라미터이며, k0은 광빔(102f)의 광 필드의 중심 점이 동공면(주파수 스펙트럼 면)에서의 좌표이며, 해당 좌표는 입사광빔(102c)이 렌즈 후초점면(29)에서의 좌표와 같고, 관련 해석은 아래에서 기재할 것이다. 광빔(102f)과 유사하게, 다른 한 검출광(101f)의 광 필드 E1(-k0)는 아래와 같이 표시할 수 있다.
Figure 112015040834706-pct00004
광빔(101f), 광빔(102f)이 편광장치(32)를 통과한 후, 생성된 간섭신호 세기 (Ii)는 아래와 같다.
Figure 112015040834706-pct00005
식 (5)에서 알 수 있는 바, 상기 간섭신호 세기(Ii)의 주기는 정렬마크의 주기의 1/4n이며, 즉 광출력은 4n이며, 종래의 정렬기술의 광출력에 비해 배로 향상되었으며, 동일한 검출단계를 사용하는 경우에는, 해상도도 배로 증가된다.
상기 정렬마크(40)의 x방향에서의 이동을 통해, 검출신호(Ii)의 x방향에서의 스캔 곡선을 얻을 수 있으며, 컴퓨터를 이용하여 피팅처리를 진행하여, Ii의 위상
Figure 112015040834706-pct00006
을 얻을 수 있으며, 따라서 아래와 같은 정렬마크의 위치정보를 얻을 수 있다.
Figure 112015040834706-pct00007
상기 정렬마크(40)의 대칭중심이 상기 렌즈(28)의 광축과 겹쳐질 경우, 즉 x=0일 때, 상기 정렬마크(40)는 정렬위치에 있다.
도 6를 참조하여, 정렬마크의 경사각도가 β일 경우, 광빔(102d)은 상기 정렬마크(40)의 법선 협각은 θ - β으로 변하며, 이 경우, 회절광빔(102e)은 도면에서와 같이 점선으로 표시하며, 정렬마크와의 법선 협각α은 아래와 같다.
Figure 112015040834706-pct00008
회절광빔(102e)은 상기 반사경(27)에 의해 반사되며, 상기 렌즈(28)를 거친 후, 원래의 입사방향과 서로 반대되지만, 위치는 겹쳐지며, 2차 회절광빔(102f)과 정렬마크의 법선 협각α '을 형성하며, 아래와 같은 격자 방정식으로 구할 수 있다.
Figure 112015040834706-pct00009
식 (8)에서 알 수 있는 바, 2차 회절광빔(102f)은 입사광빔(102d)과 완벽히 겹쳐지며, 상기 렌즈(28)를 거친 후, 상기 렌즈 후초점면(29)에서 광반을 검출하여도 변화가 발생하지 않으며, 이로부터 알 수 있는 바, 상기 정렬마크(40)의 경사는 검출결과에 영향을 미치지 않는다.
계속하여 도 7을 참조하면, 상기 정렬마크(40)가 탈초점Δz 될 경우, 즉 상기 정렬마크(40)가 상기 렌즈(28) 앞 초점면에 없을 경우, 입사광빔(102d)은 상기 정렬마크(40)에서 Δz tanθ의 수평 오프셋이 발생되며, 회절광빔(102e)은 도면에서 점선으로 표시한 바와 같이, 2차 회절광빔(102f)은 원래의 입사광빔(102d)과 ΔL1 = 2Δz tan θ의 수평 오프셋이 발생되지만, 방향은 서로 반대된다. 상기 렌즈(28)의 수집을 거친 후, 상기 렌즈 후초점면(29)에서 검출한 결과, 광반 위치에 변화가 없어, 탈초점도 정렬오차를 발생하지 않는다.
계속하여 도 8을 참조하면, 상기 정렬마크(40)가 각도 β만큼 경사지고, 동시에 탈초점Δz 될 경우, 격자 방정식과 기하학적 관계를 통해, 입사광빔(102d)에 상대적인 2차 회절광빔(102f)의 수평방향에서의 오프셋 ΔL2 = 2Δz(tan θ tanδ)을 산출해낼 수 있으며, 여기서 δ = arcsin[nλ/ p - sin(θ - β)] +β는 광빔(102e)과 렌즈(28) 광축의 협각이다. 2차 회절광빔(102f)과 입사광빔(102d)의 방향이 서로 반대되므로, 상기 렌즈(28)의 수집을 거친 후, 상기 렌즈 후초점면(29)에서 검출한 결과, 광반 위치에 변화가 없어 경사-탈초점은 동일하게 정렬오차가 발생하지 않는다.
상기 해석으로부터 알 수 있는 바, 검출광빔을 이용한 2차회절은 정렬마크가 경사 및/또는 탈초점의 경우에도, 2차 회절광빔을 원래의 입사광빔과 서로 반대되는 방향을 따라 리턴하게 할 수 있다. 렌즈의 특성에 따라 알 수 있는바, 2차 회절광빔의 방향이 원래의 입사광빔의 방향과 서로 반대되기만 하면, 수평방향으로의 오프셋이 있더라도, 해당 2차 회절광빔은 렌즈를 통과한 후, 렌즈의 후초점면의 광반위치는 변하지 않는다. 따라서, 최종적으로 정렬결과는 정렬마크의 경사 및/또는 탈초점의 영향을 받지 않는다.
분광 소자(12)는 격자 빔 분리기 또는 광 섬유 빔 분리기 또는 평면 광도파 출력 분광기인 것이 바람직하며, 구체적으로, 다단계 검출을 실현하기 위해, 입사단면에서 다광빔 조사를 이용할 수 있으며, 분광 소자(12)를 통해 복수개의 입사광빔을 분리해낼 수 있으며, 다단계 검출을 실현할 수 있다.
도 9에서 도시한 바와 같이, 상기 분광 소자(12)는 격자 빔 분리기이며, 투과형 회절격자(121) 및 콜리메이팅 렌즈(122)를 포함하며, 격자 주기, 홈 깊이 등의 파라미터의 배치에 따라 출력광빔(ai1), (ai2), (ai3)의 세기비를 조절한다.
도 10에서 도시한 바와 같이, 상기 분광 소자(12)는 섬유 빔 분리기이며, 도면에서의 용융테이퍼링식 분광기(123)는, 즉 다수개의 광 섬유를 같이 묶은 후, 테이퍼링 기기에서 용융 연장하며, 연장하는 과정에서 각각의 광 섬유 커플링의 분광비를 모니터링하여, 분광비가 요구에 도달되면 용융 연장을 완료한다. 그 중의 일단은 하나의 광 섬유(나머지는 잘라낸다)를 남겨 입력단으로 하며, 타단은 다통로 출력단으로 한다.
도 11에서 도시한 바와 같이, 상기의 분광 소자(12)는 평면 광도파 출력 분광기이며, 분광기능은 칩(124)에서 완성한다. 공식 (1)과 (2)에 따라 알 수 있는 바, 각 입사광빔은 상기 렌즈 후초점면(29)에서의 위치와 상기 렌즈(28) 광축의 거리는 하기 공식
Figure 112015040834706-pct00010
을 만족시켜야 한다.
계속하여 도 12를 참조하면, X, Y 두 방향에서의 정렬을 실현하고자 할 때, 상기 편광 빔 분리기(21)의 입력/출력 단면은 도면에 도시된 바와 같이, X방향에는 입력광빔(ax1), (ax2), (ax3)으로 다파장 다단계의 검출을 실현하며, 출력광빔(Ix1), (Ix2), (ax3)과 180° 회전 대칭된다; Y방향에는 입력광빔(ay1), (ax2), (ax3)이 있으며, 출력광빔(Iy1), (Iy2), (ay3)과 180° 회전 대칭된다.
실시예2
본 실시예와 실시예1의 차이점은 다음과 같다. 즉, 상기 광원은 이중 주파수 레이저를 이용하고, 상기 분광 소자(52)는 레이저 주파수 분할기이며, 바람직하게, 상기 레이저 주파수 분할기는 전기 광학 변조기 또는 음향 광학 변조기이다.
본 발명이 제공하는 오프축 정렬 시스템은 도 13에서 도시한 바와 같이, 조명 모듈(50), 간섭 모듈(60) 및 검출 모듈(70)을 포함하며, 상기 조명 모듈(50) 및 검출 모듈(70)은 상기 간섭 모듈(60)의 동일 측에 위치하며, 상기 조명 모듈(50)은 광원(미도시), 다파장 입사 광 섬유(51) 및 분광 소자(52)를 포함하며, 실시예2에서의 상기 광원은 이중 주파수 레이저이며, 상기 분광 소자(52)는 레이저 주파수 분할기이며, 구체적으로, 상기 레이저 주파수 분할기는 전기 광학 변조기 또는 음향 광학 변조기이다; 상기 간섭 모듈(60)은 편광 빔 분리기(61)를 포함하며, 상기 편광 빔 분리기(61)가 상기 조명 모듈(50)과 검출 모듈(70)이 위치하는 일측에 마주하는 일측에는 제1 사분의 일 파장판(62) 및 제1 반사경(63)이 순차적으로 설치되며, 상기 편광 빔 분리기(61)의 다른 양측에 각각 제2 사분의 일 파장판(64), 각뿔 프리즘(65)과 제3 사분의 일 파장판(66), 제2 반사경(67) 및 렌즈(68)가 순차적으로 설치되며, 상기 2 반사경(67)은 상기 렌즈(68)의 후초점면에 위치하고, 정렬 마크(80)는 상기 렌즈(68)의 다른 일측에 위치하며, 상기 각뿔 프리즘(65)의 밑면 중심은 상기 렌즈(68)의 광축에 위치한다; 상기 검출 모듈(70)은 순차적으로 검출 렌즈 세트(71), 편광 장치(72), 검출 광 섬유(73) 및 광전 검출기(74)를 포함하며, 상기 조명 모듈(50)이 발사하는 광빔은 상기 간섭 모듈(60)의 2차 회절을 거쳐, 간섭신호를 형성하며, 상기 간섭신호는 상기 정렬마크(50)의 위치 정보를 가지고 있으며, 상기 검출 모듈(70)에 최종적으로 입사되고, 상기 검출 모듈(70)은 상기 간섭신호의 위상 변화에 따라 정렬 위치정보를 확정한다.
상기 레이저 주파수 분할기는 레이저를 주파수의 차이가 ω이며 편광이 서로 수직되는 두 개의 광빔으로 분할시킬 수 있다. 상기 레이저 주파수 분할기가 전기 광학 변조기(영문 정식 명칭:electro-optic modulator, EOM)일 경우, 해당 작동원리는 다음과 같다: 광원의 출력광빔이 상기 EOM의 고속 축방향과 45°각을 이루는 직선편광 Ein이며, EOM는 각주파수가 ω인 반파장 전압Vλ / 2을 실행하여, 출력된 광 필드 Eout는 존즈 벡터（Jones vectors)의 관계식을 가지며, 즉 두 개의 직교 성분으로 구성된 열 행렬로 하나의 평면 벡터를 표시한다.
Figure 112015040834706-pct00011
출력 광 필드 Eout는 수평편광 및 수직편광 두 방향의 광 필드 Eox 및 Eoy을 포함하며, 상기 편광 빔 분리기(61)에 진입된 후, 반사광빔 및 투과광빔을 각각 생성하며, 이어 진행되는 상기 반사광빔 및 투과광빔의 전송, 회절, 간섭 과정은 실시예1과 동일하다. 최종적으로 출력되는 검출신호 형식은 아래와 같다.
Figure 112015040834706-pct00012
각주파수 ω을 이미 알고 있는 상황에서, 식(11)에서의 검출신호에 대해 복조를 진행하여, 해당 위상 φi=2π·4nx/p을 획득할 수 있으며, 따라서 정렬위치를 산출해낼 수 있다.
결론적으로, 본 발명이 제공하는 오프축 정렬 시스템 및 방법은 조명 모듈, 간섭 모듈 및 검출 모듈을 포함하며, 상기 조명 모듈 및 검출 모듈은 상기 간섭 모듈의 동일 측에 위치하며, 상기 조명 모듈은 광원, 다파장 입사 광 섬유 및 분광 소자를 포함하며; 상기 간섭 모듈은 편광 빔 분리기를 포함하며, 상기 편광 빔 분리기가 상기 조명 모듈과 검출 모듈이 위치하는 일측에 마주하는 일측에는 제1 사분의 일 파장판 및 제1 반사경이 순차적으로 설치되며, 상기 편광 빔 분리기의 다른 양측에 각각 제2 사분의 일 파장판, 각뿔 프리즘과 제3 사분의 일 파장판, 제2 반사경 및 렌즈가 순차적으로 설치되며, 상기 2 반사경은 상기 렌즈의 후초점면에 위치하고, 정렬 마크는 상기 렌즈의 다른 일측에 위치하며, 상기 각뿔 프리즘의 밑면 중심은 상기 렌즈의 광축에 위치한다; 상기 검출 모듈은 순차적으로 검출 렌즈 세트, 편광 장치, 검출 광 섬유 및 광전 검출기를 포함하며 상기 조명 모듈이 발사하는 광빔은 상기 간섭 모듈의 2차 회절을 거쳐, 간섭신호를 형성하며, 상기 간섭신호는 상기 정렬마크의 위치 정보를 가지고 있다. 최종적으로, 상기 검출 모듈에 입사되며, 상기 검출 모듈은 상기 간섭신호의 위상변화에 따라 정렬위치정보를 확정한다. 종래의 오프 축 정렬 시스템에는 정렬마크 경사, 탈초점이 검출결과에 대한 영향이 비교적 크며, 조명광빔 간섭성에 대한 요구가 비교적 높거나 또는 쐐기 어레이 등 복잡한 소자를 사용해야 함으로 인해 실행 난이도를 높게 하는 문제가 있었으나, 본 발명은 상기 문제들을 잘 해결하였다.
따라서, 당업자들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한에서 본 발명에 대해 다양한 수정 및 변형을 진행할 수 있다. 만약 본 발명의 이러한 수정 및 변형이 본 발명의 청구항 및 해당 균등한 기술 범위 내에 있다면, 본 발명은 이러한 수정 및 변형도 포함한다.

Claims (9)

  1. 오프 축 정렬 시스템으로서,
    광 빔 전파 경로에 따라 순차적으로 조명 모듈, 간섭 모듈 및 검출 모듈을 포함하며,
    상기 조명 모듈은 광원, 다파장 입사 광 섬유 및 분광 소자를 포함하고;
    상기 검출 모듈은 순차적으로 검출 렌즈 세트, 편광 장치, 검출 광 섬유 및 광전 검출기를 포함하며;
    상기 간섭 모듈은,
    네 개의 측면을 가지며, 상기 조명 모듈과 검출 모듈이 모두 제1측에 위치하는 편광 빔 분리기;
    상기 제1측과 마주하는 상기 편광 빔 분리기의 제2측에 순차적으로 설치되는 제1 사분의 일 파장판 및 제1 반사경;
    상기 편광 빔 분리기의 제3측에 순차적으로 설치되는 제2 사분의 일 파장판 및 각뿔 프리즘; 및
    상기 제3측과 마주하는 상기 편광 빔 분리기의 제4측에 순차적으로 설치되는 제3 사분의 일 파장판 및 제2 반사경 및 렌즈를 포함하며, 상기 제2 반사경은 상기 렌즈의 후초점면에 위치하고, 상기 각뿔 프리즘의 밑면 중심은 상기 렌즈의 광축에 위치하는
    것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조명 모듈은 셔터, 광 격리기 및 위상 변조기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 레이저인 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광원은 적어도 네 개의 상이한 파장을 포함하며, 그 중의 두 개 파장은 적외선 파장대인 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광원은 단일 주파수 레이저이며, 상기 분광 소자는 격자 빔 분리기 또는 광 섬유 빔 분리기 또는 평면 광도파 출력 분광기인 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광원은 이중 주파수 레이저이며, 상기 분광 소자는 레이저 주파수 분할기인 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 레이저 주파수 분할기는 전기 광학 변조기 또는 음향 광학 변조기인 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 편광 장치는 이색성편광기, 다층 코팅을 토대로 하는 정규 편광 분광기, 복굴절 분광기 중의 하나인 것을 특징으로 하는 오프 축 정렬 시스템.
  9. 삭제
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