KR101805968B1 - 회절 한계의 성능을 갖는 플랫 필드 텔레센트릭 스캐너 - Google Patents

회절 한계의 성능을 갖는 플랫 필드 텔레센트릭 스캐너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기 복사의 정지 빔(60)을 수신 또는 발산하기 위한 제 1 포트, 전자기 복사의 스캐닝 빔을 발산 또는 수신하기 위한 제2 포트(여기서, 스캐닝 빔은 주 스캐닝 방향으로 스캐닝함), 정지 빔을 스캐닝 빔으로 전달하거나 스캐닝 빔을 정지 빔으로 전달하기 위한 스캐닝 요소(61), 스캐닝 요소(61)와 제2 포트 사이에 위치하는 광학 시스템을 포함하는 스캐닝 시스템(100)을 제공하며, 광학 시스템은 적어도, 자신의 광학 축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 거울 표면(비구면 형태)을 갖는 제 1 거울(63)과 제 2 거울(64)을 포함하며, 제 1 거울 및 제 2 거울(63, 64)은 탈-축 디센터링된 구경을 갖고, 주 스캐닝 방향에 수직인 방향으로 오프셋된 위치를 가진다.

Description

회절 한계의 성능을 갖는 플랫 필드 텔레센트릭 스캐너{FLAT FIELD TELECENTRIC SCANNER WITH DIFFRACTION LIMITED PERFORMANCE}
본 발명은 복사 빔(radiation beam)을 스캐닝 또는 편향시키기 위한 광학 시스템에 관한 것이며, 더 구체적으로, 편향기(deflector), 가령, 회전 이동하는 반사성 스캐닝 요소를 이용하는 빔 스캐너(beam scanner), 가령 갈바노미터 스캐너(galvanometer scanner)(또한 갈보(galvo)라고도 불리움), 발진 거울(oscillating mirror), 회전 폴리곤 또는 정지 투과성(또는 반사성) 스캐닝 요소, 가령, (선택적으로 통합된) 전기-광학 스캐너에 관한 것이다.
레이저 프린터, 레이저 기반 고속 프로토타이핑 설비 및 레이저(마이크로) 가공 센터, 등등이 평면 스캔 표면을 가로질러 직선 경로를 따라 스캐닝되는 정밀 포커싱되는 레이저 빔을 이용한다. 이러한 목적으로 통상적인 광학 스캐닝 시스템이 들어오는(시준되는) 광학 빔을 편향시키기 위해, 회전 또는 발진하는 평면 거울(flat mirror)을 이용한다. 상기 (시준된) 빔이 스캐너 거울의 회전 축으로 조준되어, 편향된 빔이 공간의 한 평면을 스윕(sweep)하도록 한다. 따라서 직선 경로를 따라 스캔하는 빔은 한 점(spot)에서 평면 스캔 표면에 충돌한다. 스캐닝 빔을 평면 스캔 표면으로 포커싱하기 위해, 그리고 포커싱된 스팟 위치가 거울 편향 각도와 선형 관계를 갖기 위해, 편향된 빔은 이른바 에프-쎄타(f-theta) 대물렌즈를 통과한다. 상기 에프-쎄타 대물렌즈는 하나의 (복수의) 렌즈 요소 시스템 또는 렌즈 및 거울 요소 모두를 포함하는 반사굴절 시스템(catadioptric system)일 수 있다.
웨이퍼 결함(wafer defect) 및 문서 스캐너가 또한 스캐닝 요소 및 에프-쎄타 대물렌즈를 포함하며, 이들 시스템 중 어느 것도 조명원에 의해 제공되고 에프-쎄타 렌즈 및 스캐닝 요소를 통해 관심 물체 상의 작은 스팟에 의해 반사(또는 투과)된 광을 정지 상태의 광검출기(photodetector)로 전달하도록 사용된다. 광검출기에 의해 생성된 신호가 특정 관측된 스팟 위치에서의 물체의 상태에 대한 정보를 제공한다. 스캐너가 동작 중일 때, 통제 하에 스팟 위치가 대물렌즈에 대해 이동한다. 이러한 유형의 스캐너는 매우 높은 분해능(라인(line) 당 >10000픽셀)으로 데이터를 제공하도록 사용되고, 여기서 (라인) 카메라는 필요한 성능을 제공하지 않는다.
일부 시스템(이른바 동축(co-axial))에서 조명 빔(illuminating beam)과 반사 빔(reflected light) 모두 스캐너 시스템을 통과한다. 스캔되는 경로의 켤레 측(conjugate side)에서 전용 빔 스플리터가 조명 및 반사 광 빔을 쪼갠다(split).
에프-쎄타 대물렌즈의 설계는 간단하고, 많은 설계안이 상용화되어 있다. 레이저 물질 가고을 위해, 통상적인 에프-쎄타 대물렌즈는 80 내지 256 ㎜의 초점 길이를 가진다. 이들 설계안은 최대 약 18도의 (광학) 빔 편향 각도에 대한 합리적인 성능을 달성한다. 레이저 빔 스캐너의 경우, 얻어질 수 있는 최소 포커싱된 스팟 크기는 입력 시준 빔의 지름과 에프-쎄타 대물렌즈의 초점 길이에 의해 결정된다. 그 후 동일한 초점 길이와 대물렌즈가 다룰 수 있는 최대 편향 각에 의해 스캐닝된 경로의 길이가 결정된다. 상용화된 시스템의 통상적인 동작 파라미터는 예를 들어, 빔 지름 10㎜, 레이저 파장 532㎚, 대물렌즈의 초점 길이 160㎜, 스캐닝된 경로의 길이 110㎜, 및 포커싱된 스팟 TEM00 지름 17㎛이다.
앞서 기재된 바와 같은 상용화된 조밀한 에프-쎄타 렌즈는 레이저 물질 가공(laser material processing)를 위해 사용될 때 큰 단점들을 가진다. 레이저 물질 가공은 종종 절삭 속성을 가지고, 임의의 가공이 시작될 때, 레이저 빔에서 임계 에너지 밀도 레벨(J/㎠)을 필요로 한다. 대부분의 경우, 임계 에너지 밀도 레벨은 스캐닝된 경로를 따라 매우 좁은 마진(margin) 내에서 일정하게 유지된다. 조밀한 에프-쎄타 렌즈를 이용해, 복사광-물질 상호작용이 스캔되는 경로에 걸쳐 상당히 변화한다: 중앙에서 포커싱된 스팟은 원형이지만, 스캔되는 경로의 끝 부분에서는 경로 스팟 형태가 타원형이다. 이는 빔이 평면 스캔 표면에 비-수직적 상태로 충돌한다는 사실 때문에 발생한다. 앞서 언급한 바와 같이, 최대 편향 각도가 보통 약 18도이며, 이로 인해 스팟은 스캔되는 경로의 끝 부분에서 약 5%만큼 성장한다. 총 빔 에너지가 중앙에서와 스캔되는 경로의 끝 부분에서 동일하기 때문에, 스캔되는 경로의 끝 부분에서 빔의 크기가 더 크기 때문에, 빔의 피크 에너지 밀도가 하강할 것이다. 필연적으로 이는 처리된 표면 상에서 나타날 것이다.
이러한 부정적인 효과를 극복하기 위해, 텔레센트릭 에프-쎄타 대물렌즈가 사용될 수 있다. 텔레센트릭 대물렌즈에서, 포커스된 레이저 빔의 주 광선(chief ray)이 완전한 스캔 동안 평면 스캔 표면에 항상 수직이다. 텔레센트릭 에프-쎄타 대물렌즈는 예를 들어 US4863250 및 US4880299로 기재되며, 상용화되어 있지만, 불행히도, 이들은 광학 요소를 더 가져야 하고 마지막 광학 요소는 스캔되는 경로보다 더 큰 지름을 가져야 하기 때문에 표준 에프-쎄타 대물렌즈보다 훨씬 더 비싸다. 왜냐하면 이들 상용화된 텔레센트릭 에프-쎄타 대물렌즈가 50㎜ 스캔되는 경로로 한정되기 때문이다.
비용을 절감하기 위해, 적어도 하나의 거울 표면을 이용하는 텔레센트릭 시스템이 설계된 바 있다. 거울은 특정 요소 크기 이상의 렌즈 요소에 비해, 가령, 렌즈 요소가 100㎜보다 커질 때, 비용 면에서 유리하다. 이러한 텔레센트릭 시스템은 예를 들어, US5168386에 기재되어 있다. US5168386는, 도 1에서, 스캔 축(93)을 중심으로 이동 가능하고 입사광 빔(95a)의 경로에 배치되는 평탄한 스캔 편향기(91)를 포함하는 플랫 필드(flat field) 텔레센트릭 스캐너를 기재한다. 스캔 편향기(91)로부터 편향된 스캐닝 광 빔(95b)의 경로에서 직렬 연결된 2개의 탈-축 거울(off-axis mirror)(97, 99)이 이미지 평면(101)의 타깃 표면 상으로 입사하는 광 빔(95c)의 텔레센트릭 스캔을 생성한다. 거울(97)은 약 구면 볼록 거울이고, 거울(99)은 구면 오목 거울이다. 이 설계의 기본 특징은 포커싱 동작의 대부분이 스캔 편향기(91) 앞에서 렌즈(또는 그 밖의 다른 포커싱 시스템)에 의해 이뤄지고, 후-편향기(post-deflector) 광소자(97, 99)가 필드 플래트너(field flattener)로서 기능한다. 스캐닝 및 필드 플래트닝(field flattening) 외에, 광학 시스템은 빔을 충분히 작은 스팟, 바람직하게는, 회절 한계의 스팟(diffraction limited spot)으로 포커스해야 한다. 이는 전체 광소자 설계의 광학 수차(optical aberration)가 낮게 유지되어야 함을 의미한다. 4분의 1 파(quarter wave)보다 낮은 파면 수차를 갖는 또는 에이리 스팟(Airy spot)보다 작은 크기의 계산된 광선 추적 스팟 크기를 갖는 광학 시스템이 보통 회절 한계로 여겨진다. 스캐닝 광 빔(95a, 95b, 95c)의 경로에서 직렬 연결된 2개의 구면 거울을 갖는 개시된 실시예는 모든 수차가 제어되는 플랫-필드 텔레센트릭 스캐너를 생산할 충분한 자유도를 갖지 않음을 알 수 있다. 구체적으로, 비점수차(astigmatism)(즉, 서로 다른 초점을 갖는 2개의 수직하는 평면으로 전파되는 광 빔의 광선)가 이 단순한 시스템에서 무시할만한 수준으로 만들어질 수 없다.
이는 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다. 도 2는 도 1에 도시된 구면 거울 표면을 이용하는 텔레센트릭 시스템의 측방도를 도시하고, 도 3은 이의 정면도를 도시한다. 도시되는 시스템의 시스템 파라미터는 초점 길이=190㎜, 스캔 폭(scan width)=170㎜, 354㎚ 파장에서의 회절 한계의 스팟 1/e2 지름 14 ㎛이다. 도 3의 도시에서, 스캔 편향기(91)의 5개의 서로 다른 위치에 대해 광 경로(90, 92, 94, 96, 98)가 나타난다. 도 4는 이미지 평면(101) 상의 대응하는 스팟 다이어그램이다. 광 경로(90, 92, 94, 96, 98)를 각각 따르는 광 빔에 의해 5개의 스팟(40, 42, 44, 46, 48)이 나타날 수 있다. 각각의 스팟(40, 42, 44, 46, 48)의 상부 상의 백색 원이 20.6㎛의 에어리(Airy) 포커스된 스팟 지름을 나타낸다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 이미지 평면(101)에서실제로 획득된 스팟 지름이 20㎛보다 훨씬 크고, 또한, 이미지 평면(101) 상의 스캔 라인의 폭에 걸친 스팟 크기가 매우 가변적이며, 스캔 라인의 끝 부분에서의 스팟(40, 48)의 크기는 20㎛보다 훨씬 더 크며, 스캔 라인의 중심에서의 스팟(44)의 크기는 20㎛보다 크지만 스캔 라인의 끝 부분에서의 스팟(40, 48)의 크기보다는 작고, 스캔 라인의 끝 부분과 중심 간의 스팟(42, 46)의 크기는 약 20㎛이다.
도 5는 스캔 각도의 함수로 라인 보우(line bow)를 도시한다. 이러한 종래 기술 시스템에서, +25/-20㎛의 유의미한 라인 보우가 존재한다. 스캐너 설계자는 스팟 지름보다 작은 피크 간(peak to peak) 라인 보우를 얻어려 하기 때문에, 이는 일반적으로 평균 이하로 여겨진다. 도 3에서 빔(90, 92, 96 및 98)이 스캔 표면(101) 상에 수직으로 충돌하지 않음을 나타낼 수 있는데, 이는 시스템은 단지 부분적으로 텔레센트릭이며, US5168386에서 언급된 것처럼 진정한 텔레센트릭은 아님을 의미한다. US5168386에서 기재된 시스템은 500㎜ 초점 길이 렌즈 시스템, 200㎜ 스캔 폭 및 20㎛ 1/e2 스팟 지름 크기를 이용해 준 텔레센트릭(near telecentricity)을 달성할 뿐이다. 동일한 작은 포커스된 스팟 크기를 제공하기 위해 스캐너 구경의 크기가 더 커져야 하기 때문에 더 긴 초점 길이를 갖는 시스템을 이용하는 것은 권장되지 않는다. 기계적 결함 및/또는 제어 신호의 노이즈로 인한 스캐너 편향기의 모든 각 위치 오차(angular position error)에 이 거리가 곱해져서, 포커스된 스팟 크기 위치 오차가 초래되기 때문에, 스캐닝 요소와 스캐닝 평면 사이의 더 긴 길이도 스캐너의 정확도에 부정적인 영향을 미친다.
앞서 기재된 바와 같이, 텔레센트릭은 물질 가공을 위한 스캐너 시스템에서 매우 바람직한 특징이다. 일반적인 시스템에서 모든 스캐너의 성능은 텔레센트릭 에프-쎄타 렌즈를 이용할 때 증가한다. 그러나 고도의 반사성 표면을 검사(inspection)할 때 또는 동축 조명/검출 시스템을 이용할 때 이들 시스템은 검사가 표면 수직 상태로 수행될 것을 필요로 하기 때문에, 텔레센트릭은 필수사항이 된다.
펄스화된 레이저 소스를 이용하는 물질 가공은 스캐너 시스템에 매우 엄중한 요건을 요구한다. 이러한 시스템에서, 레이저로부터의 광 펄스가 레이저 발진기 공공동(cavity) 설계안에 의해 결정된 속도(rate)로 발산된다. 대부분의 경우, 외부 트리거 신호의 정확한 타이밍에서 레이저 펄스를 점화하는 것이 가능하지 않다. 외부 트리거 신호를 이용하는 것은 약 1개의 공동 발진기 주기의 타이밍 지터(timing jitter)(즉, 50㎒ 광학 발진기에 대해 20ns)를 초래한다. 덧붙여 모든 광 펄스는 동시에 이러한 기본 광학 발진기 주기로 발산된다. 저속 스캐너(<10 m/sec) 시스템의 경우, 이는 일반적으로 문제가 되지 않는데, 왜냐하면 스캔되는 스팟이 20ns 주기 내에 그다지(불과 0.2㎛) 움직이지 않기 때문이다. 그러나 고속 스캐너 시스템(>100 m/sec)은 20ns 주기 내에 2㎛ 초과의 스팟 이동을 나타낸다. 이는 시스템 분해능(10㎛)의 유의미한 부분이 되는 스팟(또는 픽셀) 배치 오차를 초래한다.
요약하자면, 고성능 펄스 레이저 물질 가공 시스템은 다음의 사항을 필요로 한다:
Figure 112013099100401-pct00001
스캔되는 표면에 걸쳐 작고(< 50㎛) 일정한(< 5%의 변동) 스팟 크기.
Figure 112013099100401-pct00002
스캔되는 표면에 걸쳐 일정한 광/물질 상호작용 파라미터, 가령, 입사각, 빔 프로파일(beam profile), 빔 에너지 레벨 및 빔 피크 강도.
Figure 112013099100401-pct00003
편향기 각과 스팟 위치 간의 고도의 선형 관계로서, 이는 편향 유닛의 제어를 용이하게 한다. 일정한 편향율(deflection rate)(deg/sec)이 일정한 스캐닝 속도(m/sec)를 제공하고, 따라서 펄스화된 레이저를 이용한 일정한 포커스된 스팟 위치 스텝을 제공한다.
Figure 112013099100401-pct00004
거의 완벽한 선형성(linearity)과 함께, 가령, 편향 각에 대한 단순한 선혀 스팟 위치 관계를 제공하기 위한 거의 완벽한 직선 스캔(라인 보우 없음).
Figure 112013099100401-pct00005
필연적인 편향기 스캔 각 노이즈 및 지터에 의해 전파되는 스팟 위치 오차를 최소화하기 위한 편향기와 스캔된 표면 사이의 짧은 광학 거리. 스캔되는 표면 거리에 대한 스캔되는 폭과 편향기 간의 비(ratio)가 1에 가깝거나 1보다 낮다. 실제로, 이는 최대 편향 각을 최대화하고, 에프-쎄타 렌즈의 초점 길이를 낮출 수 있으며, 이들의 곱이 최대 스캔 폭을 결정한다.
Figure 112013099100401-pct00006
고 반복율 펄스 레이저(>4㎒ 펄스율)가 넓은 표면을 가공하기 위해 고속의 광역 스캐너(>10 m/sec)를 필요로 한다.
Figure 112013099100401-pct00007
초단 펄스(나노초 단위 이하) 레이저가 펄스 분산(pulse dispersion) 없는 광소자를 필요로 한다.
처음 2개의 요건은 회절 한계의 텔레센트릭 스캐너 시스템에 의해 제공된다.
US6022115는 3차원 장치의 측정을 위한 광학 스캔 시스템을 기재한다. 상기 광학 시스템은 텔레센트릭 및 에프-쎄타(f-θ) 요건을 충족시키도록 설계 및 구성된다. 상기 시스템은 피봇(pivot) 상에 장착된 3차 편향기와 함께 동작하는 1차 거울 및 2차 거울을 이용한다. 광원으로부터의 광이 편향기 및 1차 및 2차 거울에서 각각 편향되는 빔을 생산한다. 상기 1차 및 2차 거울은 회전 대칭 비구면일 수 있고, 이로써, 들어오는 광(incoming light), 이동하는 스캔 광, 및 거울의 광학 축이 모두 동일한 평면에 놓인다. 이러한 시스템의 단점은 거울들 중 하나가 광 경로를 차단하여, 평면의 일부분에서만 스캔이 이뤄질 수 있다는 것이다. 거울의 비용은 이의 크기에 의해 대부분 결정되므로, 단지 반만 사용될 수 있는 큰 거울은 매우 비싸다. 이러한 큰 거울을 2개로 절단, 즉 동일한 가격에 2개의 거울을 생성하는 경우라도, 다소 희귀한 많은 기계가공이 필요하다.
US2003/0112485는 광 스팟이 일정한 속력으로 표면을 스캔할 수 있도록 하는 광 스캐닝 시스템을 기재한다. 광 스캐닝 시스템은 광 다발(light bundle)을 복사하는 광원, 광 다발을 편향시키는 편향기, 편향기의 편향 표면 상에 광 다발을 라인 이미지로서 이미징하는 라인 이미지 이미징 광학 시스템, 및 편향된 광 다발을 표면 상에 광 스팟으로서 이미징하는 스캐닝/이미징 광학 시스템을 포함한다. 상기 스캐닝/이미징 광학 시스템은, 회전 축에 대해 대칭이고 광 입구 측(light inlet side)에 배치되는 제 1 비구면 거울 및 아나모픽(anamorphic) 거울이고 광 출구 측 상에 배치되는 제 2 비구면 거울을 포함한다.
준 회절 한계의 시스템에서 매우 높은 제작 비용, 큰(>70㎜) 광학 요소 및 낮은 체적 제작 때문에, 아나모픽(anamorphic) 및 토로이드(toroid)형 거울은 바람직하지 않다.
본 발명의 하나의 목적은, 우수한 텔레센트릭 스캐너(telecentric scanner)를 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예의 하나의 목적은, 회절 한계(diffraction limit)의 성능을 갖는, 단순하고, 저비용의, 높은 선형성의, 플랫-필드(flat-field) 텔레센트릭 스캐너를 제공하는 것이다.
상기의 목적은 본 발명에 따르는 장치 및 방법에 의해 달성된다.
첫 번째 양태에서, 본 발명은 스캐닝 시스템을 제공하며, 상기 스캐닝 시스템은
전자기 복사의 정지 빔을 수신 또는 발산하기 위한 제 1 포트,
전자기 복사의 스캐닝 빔을 발산 또는 수신하기 위한 제 2 포트(상기 스캐닝 빔은 주 스캐닝 방향으로 스캐닝함),
정지 빔을 스캐닝 빔으로 전달(relay)하거나, 스캐닝 빔을 정지 빔으로 전달하기 위한 스캐닝 요소, 및
스캐닝 요소와 제 2 포트 사이에 위치하는 광학 시스템
을 포함하고, 광학 시스템은 적어도, 자신의 광학 축을 중심으로 회전 대칭인 곡면 거울 표면을 갖는 제 1 거울 및 제 2 거울을 포함하고, 제 1 곡면 거울 표면과 제 2 곡면 거울 표면 중 적어도 하나는 비구면 형태를 갖고, 제 1 및 제 2 거울은 탈-축 디센터링된 구경(off-axis decentered aperture)을 가지며, 주 스캐닝 방향에 수직인 방향으로 서로에 대해 오프셋된 위치를 가진다.
제 1 및 제 2 거울의 탈-축 디센터링된 구경은 사용 중에 전자기 복사가 반사되고, 광학 중심점(optical center), 즉, 회전 대칭 축 또는 광학 축이 거울과 교차하는 점에 대칭이 아닌 부분이다. 제 1 및 제 2 거울의 형태는, 이들 거울의 회전 대칭 축이 중앙에 위치하지 않도록, 또는 심지어, 사용 중일 때 전자기 복사가 반사되는 부분 외부에 위치할 수 있도록, 정해진다. 구경의 외부에 광학 중심점을 갖는 거울은 대칭 쌍으로, 한 번에 2개씩 제작될 수 있으며, 이는 다시 비용을 절약시킨다.
아나모픽 또는 토로이드 거울을 이용하는 종래 기술의 솔루션에 비교할 때, 광학 시스템을 회전 대칭 곡면 형태로 제한함으로써, 성능 요건의 수는 더 이상 충족되지 않을 것이다. 일반적으로, 이는 더 많은 표면을 이용함으로써, 보상될 것이다. 본 발명의 실시예에 따라, 덜 복잡한 표면을 사용함에도 불구하고, 주 스캔 방향에 수직인 방향으로 서로에 대해 오프셋된 위치를 갖는 탈-축 회전 대칭 비구면 거울을 이용함으로써, 우수한 속성을 갖는 텔레센트릭 스캐너를 제공하기 위한 솔루션이 발견되었다.
본 발명의 실시예에 따르는 스캐닝 시스템에서, 제 1 및 제 2 거울의 형태는, 5도 미만의 텔레센트리시티, 및 +/- 16도의 기계적 스캔 각도 및 5% 미만의 스팟 크기 변동에 대해 +20/-20 ㎛ 미만의 라인 보우에 대해 최적화될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 적어도 하나의 제 1 및 제 2 곡면 거울 표면 중 다른 하나는 구면 형태를 가진다. 대안적 실시예에서, 적어도 하나의 제 1 및 제 2 곡면 거울 표면은 또한 비구면 형태를 가진다. 이는, 본 발명의 실시예에 따르는 광학 시스템이 비구면 거울과 구면 거울의 조합, 또는 2개의 비구면 거울의 조합을 포함할 수 있음을 의미한다. 본 발명의 구체적 실시예에서, 광학 시스템은 제 1 거울과 제 2 거울로 구성된다. 이는 광학 시스템이 이들 2개의 거울이 아닌 다른 요소를 포함하지 않고, 따라서 최소 요소들만 갖는 솔루션이기 때문에, 바람직한 실시예이다. 이 실시예에 따르는 스캐닝 시스템은 제작하기 용이하다.
본 발명의 실시예에 따르는 스캐닝 시스템에서, 광학 시스템은 적어도 하나의 추가 거울, 예를 들어, 광학 시스템에서 광학 경로를 접기(folding) 위한 추가 거울을 더 포함할 수 있다. 선택 사항으로서 이러한 추가 거울은 평면 거울일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르는 스캐닝 시스템은 제 1 포트에 의해 수신되기 위한 전자기 복사의 정지 빔을 생성하기 위한 복사 소스를 더 포함할 수 있다. 이러한 복사 소스는 스캐닝 요소로 전송될 복사의 빔, 가령, 광 빔을 생성하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예가 미세기계가공 적용예에서 사용되기 위해 단 펄스화(가령, 나노, 피코, 및 펨토 초) 복사 소스를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르는 스캐닝 시스템은, 제 2 포트에서 발산되는 스캐닝 빔이 스캔되는 표면 상에서 원하는 스팟 크기로 포커스되도록, 제 1 포트로 들어가는 전자기 복사의 정지 빔의 지름 및 발산각을 적응시키기 위한 적어도 하나의 광학 요소 광학 서브시스템을 제 1 포트 근방에서 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르는 복사 소스에 의해 발산되는 복사 빔의 사전-포커스(pre-focus)와, 본 발명의 실시예에 따르는 광학 시스템의 조합이 스캔 표면 상에 원하는 포커스를 제공한다.
제 1 거울과 제 2 거울 중 적어도 하나의 비구면 표면은 원뿔 및 비구면 항으로 기술될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예에 따르는 스캐닝 시스템에서, 스캐닝 시스템 내 거울의 위치 및 곡률, 비구면 거울 표면(들)의 기술의 원뿔 및 비구면 항, 및 상기 광학 시스템의 제 1 포트에서의 복사 빔의 발산각이, 스캔되는 표면 에서 실질적으로 직선의 스캔되는 경로 상에서 회절 한계의 포커스된 스팟 품질을 제공하고, 스캐닝 요소 편향 각(<0.01%)에 대해 준 완벽 선형 비를 갖는 스캔되는 경로를 따르는 스팟 위치를 제공하도록 최적화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르는 스캐닝 시스템에서, 제 2 포트에 가까이 위치하는 거울이 오목형일 수 있고, 스캔되는 경로의 길이에 대응하는 갈이를 가질 수 있다. 거울의 위치 및 곡률, 비구면 거울 표면(들)의 기술에서 원뿔 및 비구면 항, 및 제 1 포트에서의 복사 빔의 발산각이, 스캔되는 표면 상의 스캔되는 경로의 실질적으로 텔레센트릭인 스캐닝을 제공하도록 더 최적화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르는 스캐닝 시스템은, 제 2 포트를 향해 스캐닝 빔으로서 전자기 복사를 반사, 투과, 또는 발산을 하는 복수의 포인트를 갖는 기판과, 제 1 포트에서의 전자기 복사의 정지 빔으로서 발산되는 복사를 검출하기 위한 검출기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 스캐닝 요소는 반사형 시스템일 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 요소는 투과형 시스템일 수 있다.
구체적 실시예에서, 스캐닝 요소는 2차원 편향기를 포함할 수 있다. 상기 2차원 편향기는 2개의 교차 지향되는 편향기를 포함할 수 있다. 이들 2개의 교차 지향되는 편향기는, 예를 들어, 하나 뒤에 다른 하나가 위치하는 2개의 1차원 편향기이거나, 물리적으로 하나의 장치로 결합될 수 있다.
두 번째 실시예에서, 본 발명은 소스, 가령, 레이저 소스 또는 LED 소스로부터의 복사에 의해 표면을 스캐닝하거나, 스캔되는 기판으로부터 반사, 투과, 또는 발산되는 복사를 수신하기 위한, 본 발명의 첫 번째 실시예에 따르는 스캐닝 시스템의 용도를 제공한다. 소스로부터의 복사를 이용해 표면을 스캐닝하는 것은, 가령, 물질 가공 또는 복사(가령, 광)의 영향 하에서 속성이 변경되는 필름의 조명을 위해 사용될 수 있다. 기판으로부터 복사를 수신하는 것은 기판의 속성, 가령, 기판의 투과 속성, 기판의 반사 속성, 기판의 결정 구조, 웨이퍼 결함, 등등을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 특정하고 선호되는 양태는 첨부된 독립 청구항 및 종속 청구항에서 설정된다. 청구항에 명백하게 기재되어 있지 않아도, 종속 청구항의 특징은 독립 청구항의 특징 및 그 밖의 다른 종속 청구항의 특징과 적절하게 조합될 수 있다.
본 발명 및 종래 기술에 대해 얻어지는 이점을 요약하기 위한 목적으로, 지금까지 본 발명의 특정 목적 및 이점이 기재되었다. 물론, 반드시 모든 목적 또는 이점이 본 발명의 임의의 특정 실시예에 따라서만 얻어질 수 있는 것은 아님을 이해해야 한다. 따라서, 해당 분야의 통상의 기술자라면, 본원에서 설명되거나 제안될 수 있는 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 얻거나 최적화하는 방식으로 본 발명이 구현 또는 실행될 수 있음을 알 것이다.
도 1은 종래 기술의 반사성의 준 텔레센트릭(almost telecentric) 스캐너의 아키텍처를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 반사성의 준 텔레센트릭 스캐너의 아키텍처의 측방도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 종래 기술에 따르는 반사성의 준 텔레센트릭 스캐너 아키텍처의 정면도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 종래 기술에 따르는 반사성의 주 텔레센트릭 스캐너의 아키텍처의 스팟 다이어그램이다.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 종래 기술에 따르는 스캐너의 아키텍처에 대한 라인 보우 대 스캔 각도를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따르는 1D 편향기를 갖는 반사성 텔레센트릭 스캐너의 3D 뷰이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따르는 반사성 텔레센트릭 스캐너의 측방도이며, 여기서 편향기와 스캔될 표면 사이의 광학 시스템은 2개의 거울로 구성되며, 상기 거울들 중 적어도 하나가 비구면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 반사성 텔레센트릭 스캐너의 정면도이며, 여기서 제 1 거울은 구면이고 제 2 거울은 비구면이다.
도 9는 도 8에 도시된 반사성 텔레센트릭 스캐너 아키텍처의 스팟 다이어그램을 도시한다.
도 10은 도 8에 도시된 반사성 텔레센트릭 스캐너에 대한 라인 보우 대 스캔 각도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따르는 반사성 텔레센트릭 스캐너의 정면도이며, 여기서 제 1 거울은 비구면이고, 제 2 거울은 구면이다.
도 12는 도 11에 도시된 반사성 텔레센트릭 스캐너의 아키텍처의 스팟 다이어그램을 도시한다.
도 13은 도 11에 도시된 반사성 텔레센트릭 스캐너에 대한 라인 보우 대 스캔 각도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따르는 반사성 텔레센트릭 스캐너의 정면도이며, 제 1 거울과 제 2 거울 모두 비구면이다.
도 15는 도 14에 도시된 반사성 텔레센트릭 스캐너의 아키텍처의 스팟 다이어그램이다.
도 16은 도 14에 도시된 반사성 텔레센트릭 스캐너에 대한 라인 보우 대 스캔 각도를 나타내는 그래프이다.
도 17은 2D 편향기를 갖는 본 발명의 실시예에 따르는 반사성 텔레센트릭 스캐너의 3D 뷰이다.
도면은 단지 예에 불과하며 이에 한정되지 않는다. 도면에서, 설명을 위해, 일부 요소들의 크기는 과장될 수 있으며, 실측 비율로 그려지지 않았다.
청구항의 어떠한 도면 부호도 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
서로 다른 도면에서, 동일한 도면 부호가 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.
본 발명은 전자기 복사의 빔, 비-제한적 예를 들면, 광 빔을 스캐닝 또는 편향시키기 위한 광학 스캐너에 관한 것이다. 본 발명에서 "광(light)"은 250 내지 11000㎚의 파장을 갖는 전자기 복사, 즉, 가시광, IR 복사, 근 IR 및 UV 복사를 의미한다. 본 발명을 제한하지 않는 예를 들면, 본 발명의 실시예와 함께 사용되기 위한, 광 빔을 생성하기 위한 광원은 266㎚ 4중 UV 레이저(quadrupled UV laser) 또는 10600㎚ CO2 레이저일 수 있다. 본 발명은 특히, 하나 이상의 주기적으로 이동하는 반사성 스캐닝 요소, 가령, 갈바노미터 스캐너(galvanometer scanner)(갈보(galvo)라고도 일컬어짐), 발진 거울(oscillating mirror), 회전 폴리곤 또는 정지 투과성(반사성) 스캐닝 요소, 가령, (선택사항으로서 일체 구성된) 전기-광학 스캐너, 또는 2D 스캐너를 형성하기 위해 이들의 조합을 이용하는 빔 스캐너와 관련된다. 개시된 광학 스캐너는 특히 레이저 물질 가공(laser material processing)용으로, 가령, 전자기 복사의 소스, 예를 들면, 단 펄스 레이저(나노초 펄스 지속시간)에서 초 단 펄스 레이저(펨토초 펄스 지속시간)까지 이용되기에 유용하다. 그러나 본 발명의 실시예는 전자기 복사의 펄스화된 소스를 이용하는 스캐너에 국한되지 않고, 광학 시스템은 고품질의 비용 효율적인 스캐너 솔루션을 제공하기 위해 전자기 복사의 연속 소스(continuous source), 가령, CW 레이저(및 가능한 외부 변조와 함께), 심지어 저전력 레이저, 또는 그 밖의 다른 광원(LED, 아크 램프(arc lamp))와 조합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, "광학 축(optical axis)"은 광학 시스템에서 약간의 회전 대칭도(degree of rotational symmetry)가 존재하는 라인을 의미한다. "광학 축"을 다른 말로 "회전 대칭 축(axis of rotational sy㎜etry)"이라고 한다.
본 발명의 맥락에서, "거울 구경(mirror aperture)"은 실제로 사용되는 거울의 일부분을 의미한다. "탈-축 디센터링된 구경(off-axis decentered aperture)"은, 회전 대칭 축이 거울 표면과 교차하는 곳에서 존재하는데, 구경의 중심과 일치하지 않는, 예를 들면, 구경 내에 위치하지 않는, 즉, 거울의 사용되는 부분 내에 위치하지 않는 거울의 광학 중심을 의미한다.
복사 빔, 가령, 광 빔을 스캐닝하기 위한 본 발명의 실시예에 따르는 광학 스캐너는 전자기 복사의 들어오는 수렴하는 빔, 가령, 들어오는 광 빔을 스캐닝하기 위한 광학 편향기 시스템, 및 상기 광학 편향기 시스템과 스캔되는 표면 사이에 배치되며 전자기 복사의 들어오는 빔을, 실질적으로 텔레센트릭 방식 및 보우(bow) 없는 방식으로 스캔될 실질적으로 평면인 표면으로 포커싱하기 위한 광학 시스템을 포함하며, 스캐닝 동작은 편향 각도에 대해 실질적으로 선형 위치 종속성을 가진다. 스캐닝 동작이 주 스캐닝 방향에서 발생한다. 광학 편향기 시스템과 스캔되는 표면 사이의 광학 시스템은, 그들의 광학 축을 중심으로 하는 제 1 및 제 2 회전 대칭 곡면 거울 표면을 갖는 적어도 제 1 및 제 2 거울을 포함함으로써, 각각 제 1 및 제 2 곡면 거울 표면 중 적어도 하나가, 그리고 선택사항으로, 제 1 및 제 2 곡면 거울 표면 모두가 비구면 형태(aspheric shape)를 가진다. 비구면 형태를 갖는 거울 표면은 표면의 광학 축을 중심으로 회전 대칭형이지만, 구(sphere)의 형태를 따르지 않는다. 회전 대칭 비구면 표면은 원뿔면(conic surface)으로부터의 편차의 다항식 확장(polynomial expansion)에 의해 기술(descript)될 수 있다. 제 1 및 제 2 거울은 탈-축 디센터링된 구경을 가지며, 메인 스캐닝 방향에 수직인 방향으로 서로에 대해 오프셋(offset)인 위치이다. "메인 스캐닝 방향에 대해 수직"은 오프셋의 방향이 메인 스캐닝 방향에 수직인 구성요소를 가짐을 의미한다. 또한 오프셋의 방향이 또 다른 구성요소를 갖는 경우, 메인 스캐닝 방향에서의 구성요소는 다른 구성요소보다 크다.
본 발명의 실시예에 따르는 스캐너의 광학 시스템은 단지 거울로만 이뤄진다. 거울 표면만 이용하는 것이 비색수차 광학 설계(achromatic optical design)를 야기한다, 즉, 스캐너 광소자가 광범위한 파장 범위에 대해 동작한다. 본 발명의 실시예에 따르는 스캐너가 250㎚ 내지 1500㎚의 파장에 대해, 그리고 심지어 10㎛ 범위에서도 동작한다.
도 6 및 도 7에서, 본 발명에 따르는 광학 스캐너의 하나의 실시예가 제공된다. 도 6은 스캐너의 3D 도시이고, 도 7은 측방도이다. 들어오는 수렴하는 복사 빔, 가령, 광 빔, 가령 레이저 빔(60)이 편향기의 표면 법선에 대해 입력 각
Figure 112013099100401-pct00008
로(간결성을 이유로 도 6에 도시되지 않음) 편향기 시스템, 가령, 발진 거울 또는 회전 폴리곤(rotating polygon)의 평면 편향기 표면(61)으로 지향된다. 반사/편향된 빔의 스캐닝 동작을 생성하기 위해, 평면 편향기 표면(61)이 편향기 표면(61)의 평면에 평행인 축(62)에 대해 기울어질 수 있다. 입력 각
Figure 112013099100401-pct00009
이 0이 아니기 때문에, 편향된 빔은 공간에서 상부가 편향기 표면(61)에 가까이 위치하는 원뿔면을 기술한다. 수렴하는 빔의 초점이 편향기 표면(61) 너머 고정된 거리에 위치하고, 상기 고정 거리는 수렴 광소자의 후 초점 거리(back focal distance)에서 마지막 수렴 요소와 편향기 시스템(61) 간의 광학 거리를 뺀 값에 의해 결정된다. 따라서 추가 측정 없이, 포커싱된 스팟이 거의 원형 아크(arc)(이는 편향기의 중간점과 원뿔 및 구의 교차영역이며, 상기 고정 거리가 반지름이다)를 따라 이동할 것이다. 본 발명의 실시예에 따라, 후-편향기(post-deflector) 2 거울 스트립 에프-쎄타(f-theta) 광학 시스템이 이 원형 아크 경로를 직선 경로(65)로 변환하도록 사용된다. 상기 후-편향기 2 거울 스트립 에프-쎄타 광학 시스템은 그들의 광학 축을 중심으로 회전 대칭인 2개의 곡면 거울(63, 64)로 구성된다. 상기 2개의 거울(63, 64)은 사각형 형태를 가질 수 있는 탈-축 디센터링된 구경(off-axis decentered aperture)을 가진다. 이들은 탈-축 요소이며, 이들의 광학 중심(optical center)이 사용되는 표면의 중앙에 위치하지 않거나, 사용되는 표면 외부에 위치할 수도 있음을 의미한다. 상기 거울(63, 64)은 메인 스캐닝 방향에 수직인 방향으로 서로 오프셋인 위치를 가진다. 실질적으로 텔레센트릭 방식으로 이미지 평면(101) 상에서 직선 경로(65)가 스캐닝되도록 상기 2개의 거울(63, 64)의 조합이 형성될 수 있고, 이로써, 텔레센트리시티로부터의 편차는 많아야 수 도(a few degree) 미만, 가령, 5도 미만, 가령, 2도 미만이다. 텔레센트릭은 전체 스캔 라인에 걸쳐 포커스된 레이저 빔의 주광선(chief ray)이 항상 평면 스캔 표면에 수직임을 의미한다. 텔레센트리시티를 획득하는 것은 광학 요소 중 적어도 하나가 크기 면에서 스캔되는 경로(65)와 동등할 것을 필요로 한다. 스캔되는 경로(65)의 길이와 거의 동일한 길이를 갖는 오목 거울을 상기 스캔되는 경로와 가장 가까운 요소로서 이용하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 이는 나머지 모든 요소가 스캔되는 경로보다 훨씬 작은 치수를 갖는 솔루션을 도출하기 때문이다. 본 발명의 실시예에 따라, 거울(63, 64) 중 하나 또는 둘 모두는 비구면 유형, 가령, 우 비구면 유형(even aspheric type)이어서, 충분한 수차(aberration) 최소화, 회절 한계의 성능이 획득되도록 한다. 비구면 유형 거울은 비구면의 반사성 표면을 갖는 거울이고, 비구면 표면은 회전 대칭형이지만, 구(sphere)의 형태를 따르지는 않는다. 회전 대칭 비구면 표면이 원뿔면으로부터의 편차의 다항식 확장(polynomial expansion)에 의해 기술될 수 있다. 우 비구면(even aspheric) 표면 모델은 비구면성(asphericity)을 기술하기 위해 방사상 좌표(radial coordinate)의 짝수승만 이용한다. 비구면 표면은 구면이 아니지만(non-spherical), 원통, 환상면체(toroid), 또는 자유형(freeform)과 달리 합리적인 비용에 고품질로 제작될 수 있는 회전 형성된 표면이다. 구면으로부터의 편차의 다항식 확장에서 상위 차수의 보정 항목이 사용되는 것이 바람직하며, 따라서 비구면 거울 표면이 비-원뿔(non-conic) 비구면 표면인 것이 바람직하다. 상위 차수 보정 항목의 개수는 목표 규격에 따라 달라진다.
거울(63, 64) 중 하나만 비구면 유형, 가령, 우 비구면 유형인 경우, 나머지 거울은 표준 구면 형태를 갖는 것이 충분하다. 포커스되는 스팟 크기(시스템 분해능) 및 사용되는 파장에 따라, 회절 한계의 성능을 얻기 위해 단 하나의 비구면 거울을 갖는 것이 충분하다.
레이저 스캐닝 시스템 설정에서, 빔 확장기(beam expander)가 보통 레이저 소스와 스캐너 입력 포트 사이에 위치하는 것으로 발견된다. 시스템에서 빔 확장기를 갖는 목적은 레이저 소스 출력 빔의 지름을 스캐너 입력 포트에서 요구되는 빔 지름으로 변환하는 것인데, 이는 입력 포트에서의 빔 지름이 초점 평면 내 포커스된 스팟 크기를 결정하기 때문이다. 일반적으로 스캐너 입력에서의 빔 지름은 레이저의 출력 레벨에서의 지름(<2㎜)보다 크기(>8㎜) 때문에, 용어가 '빔 확장기'이다. 기본적인 갈보 에프-쎄타(galvo f-theta) 설정에서, 스캐너 입력 포트에서 요구되는 빔 지름의 시준된 빔을 제공하도록 빔 확장기가 정렬된다. 본 발명에 따르는 시스템에서, 이 빔 확장기는 요구되는 지름 및 발산각(divergence)을 갖는 수렴하는 빔(converging beam)을 스캐너 입력 포트로 제공하도록 정렬될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 복사 빔, 가령, 광 빔을 스캐닝하기 위한 광학 스캐너를 이용해 얻어지는 성능 강화를 설명하기 위해, 광학 시스템 설계에 대한 ZEMAX 소프트웨어를 이용한 컴퓨터 분석의 결과가 본 발명의 몇 가지 실시예에 대해 제공된다. 획득된 결과가 도 2 내지 도 5에서 도시된 바와 같이 US5168386에 개시된 구면 거울을 이용하는 2-거울 설계에 비교된다. 설명 목적으로, 동작 파장(354㎚), 스캔 폭(170㎜), 편향기 광학 구경(8㎜) 및 광학 스캔 각도(-32, -16, 0, 16 및 32도)가 모든 고려된 스캐너에서 동일하게 유지되었다. 도면에 나타나지 않더라도, 스캔 각도와 스캔되는 평면 내 스팟 위치 간의 선형 상태(스캔 선형성(scan linearity))로부터의 편차가 10㎛ 미만으로 유지되거나 스캔되는 폭에 걸쳐 0.006%로 유지되었다.
다음의 실시예에서의 스캐너의 성능은, 준 텔레센트릭, 준 완벽 선형, 회절 한계의 스팟 크기 품질의 스캐너 시스템을 획득하기 위해, 거울 표면의 위치 및 곡률(curvature), 비구면 표면의 다향식 기술에서 원뿔 및 비구면 항목, 및 입력 빔 발산각을 변수로서 이용한 컴퓨터 최적화의 결과이다. 도시된 바와 같이, 시스템 최대 편향 각도, 요구되는 포커스된 스팟 크기, 및 완벽한 텔레센트리시티로부터의 허용 가능한 편차에 따라, 시스템에서 더 비구면의 표면을 이용하는 것이 요구된다.
도 8은 제 1 후-편향기 거울(63)이 구면(sphere)이고, 제 2 후기-편향기 거울(64)이 회전 대칭 비구면인 본 발명의 실시예에 따르는 광학 스캐너의 정면도이다. 도 8의 도시에서, 복사 경로(80, 82, 84, 86, 88)가 스캔 편향기(61)의 5개의 서로 다른 위치에 대해 나타난다. 이 스캐너의 성능은 도 9(이미지 평면(101) 상의 스팟 다이어그램) 및 도 10(라인 보우(line bow) 대(vs) 스캔 각도) 내 관련 도표로 나타난다. 복사 경로(80, 82, 84, 86, 88)를 각각 따라 전자기 복사의 빔에 의해 생성되는 5개의 스팟(81, 83, 85, 87, 89)이 도 9에 나타날 수 있다. 각각의 스팟(81, 83, 85, 87, 89)의 상면의 백색 원은 에어리 스팟(Airy spot) 지름 20.6㎛을 나타낸다. 도 9에서, 이미지 평면(101)에서 실제 획득된 스팟 지름은, 특히 중심 스팟(85) 및 중간 스팟(83, 87)에서, 약 20㎛임이 나타날 수 있다. 20㎛ 원과 끝 부분 스팟(81, 89)의 지름 편차는 최소이다. 도 10에 도시된 것과 같은, 라인 보우가 (도 5에 비교해서) +15/-20㎛로 다소 개선됐다. 도 8로부터, 본 발명의 실시예에 따르는 스캐너가 우수한 텔레센트릭 동작을 이룰 수 있고, 합리적으로 작은 스캔 각도(+/-16도)에 대해 이 스캐너가 회절 한계 이하의 실질적으로 모든 수차를 정정한다고 결론 내려질 수 있다. 대안적으로, 이 스캐너는 354㎚에서 50㎛ 1/e2 스팟 지름을 갖는 회절 한계의 성능을 도출하는 4㎜ 시스템 구경을 이용해 전체 +/- 32도(deg) 광학 스캔 각도에서 동작할 수 있다.
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 복사 빔을 스캐닝하기 위한 광학 스캐너의 정면도를 도시하며, 여기서, 제 1 후-편향기(61) 거울(63)이 회전 대칭 비구면(rotationally sy㎜etric asphere), 더 구체적으로, 이 실시예에서는 우 비구면(even asphere)이고, 제 2 후-편향기 거울(64)은 구면이다. 도 1의 도시에서, 복사 경로(80, 82, 84, 86, 88)가 스캔 편향기(61)의 5개의 서로 다른 위치에 대해 나타난다. 이 스캐너의 성능은 도 12(이미지 평면(101) 상의 스팟 다이어그램) 및 도 13(라인 보우 대 스캔 각도의 그래프)의 관련 도표에서 나타난다. 복사 경로(80, 82, 84, 86, 88)를 따르는 전자기 복사의 빔에 의해 생성되는, 5개의 스팟(81, 83, 85, 87, 89)을 도 12에서 볼 수 있다. 각각의 스팟(81, 83, 85, 87, 89) 주변의 흑색 원이 에어리 스팟(Airy spot) 지름 20㎛을 나타낸다. 도 12에서, 이미지 평면(101)에서 실제 획득된 스팟 지름이 20㎛보다 작음을 알 수 있다. 라인 보우는, 도 13에 도시된 것처럼, 많이 개선됐으며(도 5에 비교할 때 5배만큼), +/- 3㎛까지 상당히 감소된다. 도 11에서, 본 발명의 실시예에 따르는 이러한 스캐너가 거의 텔레센트릭 동작을 이룰 수 있다. 이 스캐너는 전체 광학 +/- 32도(deg) 스캔 범위에 걸쳐 회절 한계의 성능을 얻는다.
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전자기 복사의 빔, 가령, 광 빔을 스캐닝하기 위한 광학 스캐너의 정면도를 도시하며, 여기서 제 1 후-편향기 거울과 제 2 후-편향기 거울(63 및 64) 모두가 회전 대칭 비구면이며, 더 구체적으로, 도시된 실시예에서, 우 비구면(even asphere)이다. 도 14에 도시되지 않은 본 발명의 대안적 실시예에서, 제 1 후-편향기 및 제 2 후-편향기 거울 모두가 회전 대칭 비구면이며, 이들 중 적어도 하나는 우 비구면(even asphere)이 아니다. 추가적인 자유를 주는 것, 가령, 비구면을 기술하는 다항식 확장에 짝수 항(odd term)을 추가하는 것이 이론적으로 더 우수한 성능을 달성할 수 있지만, 시스템의 제작 동안 구성요소 제작 비용 및/또는 정렬 복잡도를 희생한다.
추가적은 자유를 주는 것은 구면이든 비구면이든 더 많은 거울 표면을 추가함으로써, 이뤄질 수 있다. 더 많은 거울 표면을 추가하는 것이 광학 경로를 복잡하게 하는데, 반사성 시스템에서, 구성요소는 시스템을 횡단하는 광학 빔을 차단하지 않도록 배열될 필요가 있기 때문이다. 하나 이상의 구면 거울을 추가하는 것은 비구면을 '약화(weaken)'시킨다고 여겨질 수 있다. 약 비구면(weak aspheric)은 구면 형태의 몇 개의 파장 내에 있는 비구면이다. 약 비구면은 구면 표면에서부터 시작하여 지정 위치에서 미량의 물질을 선택적으로 연마하여, 유리로 비용 효율적인 방식으로 생산될 수 있고, 여기서 비 약 비구면(non weak aspheric)은 일반적으로 다이아몬드 선삭(diamond turing) 생산 가공을 필요로 한다. 다이아몬드 선삭된 표면은 다이아몬드 툴의 미량 자취('레이(ray)')를 보이며, 연마된 표면보다 더 높은 표면 거칠기(surface roughness)(5 내지 12㎚)를 초래한다. 연마된 표면은 더 짧은 파장의 적용예에서 선호된다.
셋 이상의 거울을 이용하는 시스템에서, 거울들 중 하나(또는 그 이상)는 평면 표면(flat surface)을 가질 수 있임이 자명하다. 이들 거울 표면은 광학 시스템을 접는(folding) 것, 기계적으로 말하면, 더 유용한(가령, 조밀한(compact)) 형태보다 광학 기능은 갖지 않는다. 따라서 에프-쎄타 시스템에서 거울의 수를 결정할 때 평면 거울 표면은 고려되지 않는다.
도 14에 도시되는 바와 같이, 스캔 편향기(61)의 서로 다른 5개의 위치에 대해 복사 경로(80, 82, 84, 86, 88)가 나타난다. 이 스캐너의 성능은 도 15(이미지 평면(101) 상의 스팟 다이어그램)와 도 16(라인 보우 대 스캔 각)에서 관련 도표로 나타난다. 도 15에, 복사 경로(80, 82, 84, 86, 88)를 각각 따르는 복사 빔, 가령, 광 빔에 의해 생성되는 바와 같은 5개의 스팟(81, 83, 85, 87, 89)이 나타날 수 있다. 각각의 스팟(81, 83, 85, 87, 89) 주위의 흑색 원은 20㎛의 에어리 스팟(Airy spot) 지름을 나타낸다. 도 16에 도시된 것과 같이, (도 5에 비교할 때) 라인 보우는 많이 개선됐으며, 실질적으로 +5/-5㎛ 까지로 감소되었다. 도 14로부터, 본 발명의 실시예에 따르는 이 스캐너는 완전 텔레센트릭 동작을 달성할 수 있음을 알 수 있다 이 스캐너는 더 높은 시스템 구경에서 전체 광학 +/- 32도의 스캔 범위에 걸쳐 회절 한계의 성능을 달성한다. 이는 스팟 다이어그램으로부터 알 수 있는데, 모든 광선이 에어리 스팟 원(Airy spot circle) 내에 잘 위치하고, 이 것이 '회절 제한된(diffraction limited)' 성능의 정의이다. 에어리 스팟 원은 이 경우 축소될 수 있으며, 여전히 모든 광선이 원 내에 있어서, 회절 한계의 성능을 더 작은 에어리 원에서 달성한다. 시스템 구경이 증가할 때(입력 빔이 두꺼워질 때) 에어리 원은 더 작아진다(포커스가 더 미세해 진다).
여기서, 본 발명의 실시예는 반사 유형의 편향기(61)에 대해 기재되었다. 이러한 반사 유형의 편향기는 가령, 갈보(galvo) 또는 폴리곤(polygon) 유형일 수 있다. 그러나 본 발명은 반사 유형의 편향기(61)로 국한되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따르는 2-거울 광학 스캐너를 투과 유형의 편향기, 가령, 음향-광학(acousto-optic) 또는 전기-광학(electro-optic) 유형의 편향기와 함께 이용하는 것도 가능하다.
본 발명의 특정 실시예에 따르는 스캐너는 1차원 스캐닝 동작에 국한되지 않는다. 2D 유형의 스캐너를 이용해, 이 유닛은 합리적인 사각형 영역에서 우수한 성능을 전달할 수 있다. 이는 2개의 교차 지향되는 편향기, 가령, (도 17에 도시된 것과 같은) 2개의 갈보 유형 편향기, 또는 갈보 및 폴리곤 조합을 포함하는 스캐너를 도출한다. 후자의 솔루션은 폴리곤이 가장 빠르고 가장 긴 스캐닝 동작을 제공할 수 있고, 갈보는 더 작고 더 느린 교차 지향되는 스캐닝 경로를 제공할 수 있다는 점에서 유리하다. 대안적으로, 교차 스캔 편향기의 경우 단지 작은 각도 편향 범위만 필요하기 때문에 갈보(그리고 폴리곤과 결합된 형태)를 대신하여 음향-광학, 전기-광학 또는 압전(piezo) 편향기가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 예를 들어, 반사 거울이 포커싱 기능을 제공하기 위해 비 평면 형태를 가질 수 있는 갈보 거울(또는 폴리곤 거울)의 경우, 입력 빔의 약 포커싱이 반사 유형의 편향기(61)에 포함될 수 있다. 이 시점에서, 이는 높은 시스템 비용 때문에 이뤄지지 않는 것이 일반적이다.
특히, 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따르는 스캐너가 물질 가공, 가령, 레이저 물질 가공, 가령, 레이저 절삭(laser ablation)을 위해 사용될 수 있다. 레이저 물질 가공에서, 절삭될 물질의 흡광도 피크(absorbance peak)와 정합되는 파장을 갖는 레이저를 이용하는 것이 선호된다. 본 발명의 실시예에 따르는 스캐너의 이점은, 광학 시스템에서 거울만 사용하기 때문에, 이의 광학 시스템은 비색수차성(achromatic)(스캐닝 성능이 사용되는 성능에 따라 좌우되지 않음) 및 동초점성(parfocal)(초점 평면이 모든 파장에 대해 동일한 위치에 있음)이다. 본 발명의 실시예에 따르는 스캐너는 완전 텔레센트릭(스캔 라인의 완전한 폭에 걸쳐 비-수직 상태로부터의 편차가 실질적으로 0도임)이며, 이는 포커스된 복사 빔, 가령, 레이저 빔이 항상 스캔되는 표면에 수직으로 배향됨을 의미한다. 완전 텔레센트릭 스캔의 이점은 물질과 복사의 상호작용이 스캔 경로를 따르는 어느 곳에서도 동일하며, 따라서 스캔 위치에 따라 좌우되지 않는다는 것이다.
원하는 표면 효과(절삭)을 달성하기 위해, 고 에너지 밀도 레벨을 이용하는 것외에, 물질 가공은 또한 단 펄스화된 레이저에서 초단 펄스화된 레이저를 이용하는 추세이다. 이들 레이저는 펄스화 모드에서 동작할 수 있으며, 따라서 광은 매우 짧은 시간 주기(나노 초 내지 펨토 초 범위)에서 '온(on)' 상태이다. 이러한 매우 짧은 주기 동안 완전히 높은 에너지 레벨이 이용 가능하나, 일반적으로 평균 레이저 파워는 100와트보다 높아지지 않는다. 레이저 물질 가공 전문가는 더 짧은 단 펄스화된 레이저로 이동하는 추세이다(적어도 펄스 당 필요한 에너지 레벨이 이용가능해지자마자). 왜냐하면, '열 영향 존(heat affected zone)'이 감소하기 때문이다. 초단 레이저 펄스를 이용할 때, 열은 기판의 측방으로 흘러나갈 수 없고, 이는 매우 깨끗한 가공된 변부를 도출한다. 펨토 초 펄스화된 레이저는 현재 시장에 진입 중이며, 또 다른 광학 효과가 스캐닝 시스템에서 사용되는 것을 막는다: 이 효과는, 빔이 광학 매체를 통과할 때 펄스 폭(시간 영역에서)이 넓어지기 때문에(펄스가 넓어지는 크기는 이 매체를 통과하는 경로 길이와 직접 관련됨) 발생하는 이른바 '펄스 형태 왜곡(pulse shape distortion)'이다. 이는 본 발명의 실시예에 따르는 스캐너에 의해 완화된다. 특정 실시예에서, 단 레이저 펄스화된 소스, 가령, 펌토초 펄스화된 레이저와 함께 사용될 수 있도록, 낮은 GVD(group velocity dispersion) 코팅이 광학 시스템의 거울의 표면에 도포될 수 있다.
덧붙여, 본 발명의 실시예에 따르는 스캐너는 '펄스 폭 보존(pulse width preserving)' 광학 시스템으로서 동작한다.
상기의 기재가 '출력' 스캐너 시스템을 의미하지만, 일부 형태의 정보가 플랫 필드 내 물체에 적용되고, 본 발명의 실시예는 또한 '입력' 스캐너 시스템으로서 사용될 수도 있다. 이러한 시스템에서, 관측된 객체에 의해 투과되거나 반사되는 복사(radiation), 가령, 광이 스캐너를 통해 투과되어 정지 상태의 광 검출기에 도달한다. 본 발명의 실시예에 따르는 텔레센트릭 스트립 렌즈 광학 시스템을 이용해 하나의 스캐너의 '출력' 기능과 '입력' 기능을 조합하여 물체의 반사 속성을 검사하는 것도 가능하다. 한 가지 예시적 적용예는 예를 들어 웨이퍼 결함(wafer defect)을 검출하는 것이며, 이 경우, 웨이퍼를 조명하기 위해 입력 광 빔이 사용될 수 있고, 스캐너가 스캔 경로(출력 스캐너 시스템)를 따르는 서로 다른 위치에서 웨이퍼를 조명하기 위해 사용되고, 웨이퍼에 의해 반사된 광이 동일한 스캐너를 통해 투과되어 정지 상태 광검출기(입력 스캐너)에 도달한다. 이 경우, 고도의 반사성 물질은 표면의 수직 방향 가까이에서 반사하는 경향이 있고 그 밖의 다른 물질은 높은 각도 종속성을 갖는 반사성 속성을 갖기 때문에, 텔레센트릭 속성이 매우 유리하다.
상기의 기재 상세사항은 본 발명의 특정 실시예이다. 그러나 이러한 내용이 어떠한 식이든 기재되었지만, 본 발명은 다양한 방식으로 실시될 수 있다. 본 발명은 도면 및 상기의 기재에서 나타난 세부사항을 도시하고 기재했지만, 이러한 도시 및 기재는 예에 불과하며 한정하려는 것이 아니다. 본 발명의 특정 특징 또는 양태를 설명할 때 특정 용어를 사용하는 것이, 상기 용어가 연관된 본 발명의 특징 또는 양태의 임의의 특정 특징을 반드시 포함하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면, 본 명세서, 및 특허청구범위를 이해하면, 실시예의 그 밖의 다른 변형예가, 청구되는 발명을 실시할 때 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 특허청구범위에서, 단어 "포함하는"은 그 밖의 다른 요소 또는 단계를 배제하는 것은 아니고, 단수형 부정관사가 복수형을 배제하는 것도 아니다. 특정 수단이 서로 다른 종속 청구항에서 언급된다는 사실이 이들 수단의 조합이 사용될 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 청구항 내 어떠한 도면부호도 범위를 제한하는 것으로 해석되어선느 안 된다.

Claims (17)

  1. 스캐닝 시스템(100)으로서, 상기 스캐닝 시스템은
    전자기 복사의 정지 빔(stationary beam)(60)을 수신 또는 발산하기 위한 제1 포트(P1),
    전자기 복사의 스캐닝 빔(80, 82, 84, 86, 88)을 발산 또는 수신하기 위한 제2 포트(P2) - 상기 스캐닝 빔은 주 스캐닝 방향(main scanning direction)으로 스캐닝함 - ,
    상기 정지 빔(60)을 스캐닝 빔(80, 82, 84, 86, 88)으로 전달(relay)하거나 상기 스캐닝 빔을 상기 정지 빔으로 전달하기 위한 스캐닝 요소(61),
    스캐닝 요소(61)와 제2 포트 사이에 위치하는 광학 시스템
    을 포함하며, 상기 광학 시스템은 적어도 제1 거울(63)과 제2 거울(64)을 포함하며, 제1 거울(63) 및 제2 거울(64)은 거울의 광학 축을 중심으로 회전 대칭형 곡면 거울 표면을 가지며, 상기 제1 거울 및 제2 거울 중 적어도 하나의 곡면 표면이 비구면 형태(aspheric shape)를 가지며,
    제1 거울(63) 및 제2 거울(64)은 탈-축 디센터링된 구경(off-axis decentered aperture)을 가지며 주 스캐닝 방향(main scanning direction)에 수직인 방향으로 서로에 대해 오프셋된 위치를 갖는, 스캐닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 거울 및 제2 거울의 형태는 +/- 16도(deg)의 기계적 스캔 각도 및 5% 미만의 스팟 크기 변동에 대해 5도(deg) 미만의 텔레센트리시티(telecentricity), 및 +20/-20㎛ 미만의 라인 보우(line bow)를 위해 최적화되는, 스캐닝 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 거울 및 제2 거울 중 나머지 하나의 곡면 표면은 구면 형태(spherical shape)인, 스캐닝 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 거울 및 제2 거울 중 나머지 하나의 곡면 표면도 비구면 형태(spherical shape)인, 스캐닝 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 시스템은 제1 거울(63)과 제2 거울(64)로 구성된, 스캐닝 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 시스템은 적어도 하나의 추가 거울을 더 포함하는, 스캐닝 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 포트(P1)에 의해 수신되기 위한 전자기 복사의 정지 빔(60)을 생성하기 위한 복사 소스를 더 포함하는, 스캐닝 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 제2 포트(P2)에서 발산되는 스캐닝 빔(80, 82, 84, 86, 88)이 스캔되는 표면(101) 상에서 원하는 스팟 크기로 포커싱되도록, 제1 포트(P1)로 들어가는 전자기 복사의 정지 빔(60)의 지름 및 발산각(divergence)을 적응시키기 위한 적어도 하나의 광학 요소를 포함하는 광학 서브시스템을 제1 포트(P1) 근방에 더 포함하는, 스캐닝 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 제1 거울(63)과 제2 거울(64) 중 적어도 하나의 거울의 비구면 표면이 원뿔 및 비구면 항목(term)으로 기술되며,
    스캐닝 시스템(100) 내에서의 거울(63, 64)의 위치와 곡률, 비구면 거울 표면의 기술(description)에서의 원뿔 및 비구면 항목, 및 상기 광학 시스템의 제1 포트(P1)에서의 복사 빔의 발산각이, 스캔되는 표면(101) 상의 직선인 스캔되는 경로(65)에 회절 제한된 포커스된 스팟 품질을 제공하고, 스캐닝 요소 편향 각도에 대해 준-완벽 선형 비를 갖는 스캔되는 경로를 따르는 스팟 위치를 제공하도록 최적화되는, 스캐닝 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제2 포트(P2)에 가장 가까이 위치하는 거울은 오목형이고 스캔되는 경로의 길이에 대응하는 길이를 가지며, 거울의 위치 및 곡률, 비구면 거울 표면의 기술에서의 원뿔 및 비구면 항목, 및 제1 포트(P1)에서의 복사 빔의 발산각이, 스캔되는 표면(101) 상의 스캔되는 경로(65)의 텔레센트릭인 스캐닝을 제공하도록 추가로 최적화되는, 스캐닝 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전자기 복사를, 제2 포트(P2)를 향한 스캐닝 빔으로서, 각각 반사, 전송, 또는 발산시키는 복수의 포인트를 갖는 기판(102), 및 제1 포트(P1)에서 전자기 복사의 정지 빔으로서 발산된 복사를 검출하기 위한 검출기를 더 포함하는, 스캐닝 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스캐닝 요소(61)는 방사성 시스템인, 스캐닝 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스캐닝 요소(61)는 투과성 시스템인, 스캐닝 시스템.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스캐닝 요소(61)는 2차원 편향기를 포함하는 스캐닝 시스템.
  15. 제6항에 있어서, 상기 추가 거울은 평면 거울인, 스캐닝 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 2차원 편향기는 2개의 교차 지향(cross-directed)되는 편향기를 포함하는, 스캐닝 시스템.
  17. 삭제
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