KR20010014242A - 레이저 스캐너용 왜상 스캔 렌즈 - Google Patents

레이저 스캐너용 왜상 스캔 렌즈 Download PDF

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KR20010014242A
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Abstract

본 발명은 레이저 스캐너용 스캔 렌즈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 왜상, 카타디옵트릭 스캔 렌즈는 왜곡, 다각형 거울 흔들림 및 상기 다각형 거울로 시상 주입된 다색 레이저 빛의 플랫-필드 텔레센트릭 스캐닝을 동시에 수정하며, 본 시스템은 또한 다중 빔을 비출 수 있고 차분 왜곡을 위해 수정되고, 상기 스캔 렌즈는 포토리소그래피 이미지 스캐너내에 통합되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 스캐너용 왜상 스캔 렌즈{ANAMORPHIC SCAN LENS FOR LASER SCANNER}
집적회로, 평판 디스플레이 및 프린트된 회로 보드 등과 같은 디바이스상에 반복가능한 패턴을 만들기 위해 포토리소그래피가 흔히 사용되고 있다. 종래의 포토리소그래피 절차는 포토레지스트층으로 디바이스를 코우팅하는 것으로 시작된다. 예를들어, 오브젝트 레티클 또는 연속 스캐닝을 사용하는 이미지 투사 시스템은 조사된 영역의 성질을 변화시키는 빛으로 상기 포토레지스트의 선택된 영역을 조사한다. 이 변화된 성질을 사용하여, 상기 포토레지스트는 상기 조사된 또는 조사되지 않은 영역(포토레지스트의 타입에 따라 달라짐)을 제거하여 전개시킴으로서, 디바이스의 처리를 위한 패턴된 마스크를 생성한다. 이미지 투사를 위한 다양한 또는 다른 포토리소그래피 디바이스가 개발되어왔다.
레이저 래스터 스캐너(래스터 출력 스캐너, 플라잉 스폿 스캐너 또는 플랫-비드 스캐너로도 알려져 있음)는 패턴된 표면을 커버하고 있는 일련의 스캔라인내의 하나 또는 그 이상의 촛점이 맞추어진 및 부분적으로 변조된 레이저 빔을 스캔하는 포토리소그래피 디바이스이다. 이 레이저 래스터 스캐닝 시스템은 래티클의 제조 및 사용과 관련된 단계들을 제거하여, 레티클 제조 툴 또는 다이렉트-이미지 디바이스로서 사용될 수 있다. 레이저 래스터 스캐너가 상기 빔이 어느 영역을 조사하는냐는 상기 빔이 그 영역을 통과함에 따른 상기 레이저 빔의 강도에 따라 달라진다. 그러한 레이저 래스터 스캐너는 포토레지스트가 높은 감도를 가지는 파장을 가지는 빛에 채택되는 이미징 시스템을 사용한다. 이것은 일반적으로 스펙트럼의 자외선 영역에서 발생한다.
레이저 래스터 스캐너를 위한 기본적 아키텍처에는 상기 빔을 스윕하기 위한 회전하는 다각형 거울 및/또는 프리다각형 광학 시스템이 포함되거나 포함되지 않는 ｆ-θ 렌즈 시스템이 포함되어 있다. 스캐너 아키텍처의 특징을 이루는 특성들이 아래에 설명되어 있다.
첫번째 특징적인 특성은 스펙트럼 성능, 특히 스펙트럼 중심 라인 및 스펙트럼 대역폭이다. 대부분의 레이저 스캐너들은 단색성(monochromatic) 빛을 위해 디자인되지만, 일부 스캐너들은 3-컬러 가시 애플리케이션을 위해 수정된 색을 위해 디자인된다. 래스터 스캐너용 반사 시스템을 무색화(archromatizing)하는 것은 그러한 시스템이 일반적으로 수차 제어를 돕기위한 높은-인덱스 유리를 사용하기 때문에 어렵다. 이러한 유리들은 스캐너의 스펙트럼 영역이 가시영역 및 적외선 파장 근처로 제한되는 경향이 있다. 자외선에서 유용한 디자인은 일반적으로, 완전히 융해된 광학 소자를 사용하여 반사적이며 매우 좁은 스펙트럼 대역폭을 가진다. 미국 특허 제4,832,429호에는 다각형 거울 다음에 세 개의 원통형 거울을 사용하는 스캐너 광학렌즈가 설명되어 있다. 그러나, 이 시스템은 아래 언급된 회전성-대칭, 비-텔레센트릭 시스템(non-telecentric system)에서의 일반적인 문제들로 어려움이 있다.
스캐너 광학렌즈의 두번째 특징적인 특성은 수동적 움직임 보상(PMC)을 사용하는 것이다. PMC 를 통해, 스캔 렌즈는 왜상 아키텍처를 가지게 되어 교차-스캔(시상(sagittal)) 방향내의 다각형 각면을 다시 형상화하게 된다. 제로그래픽 레이저 프린터용의 대부분의 스캐너들에서는 가격이 싼 볼-베어링 다각형 거울의 각면 흔들림을 제거하기 위해 PMC 를 사용하고 있다. PMC 가 없으면, 스캔 렌즈를 대안적으로 광학적으로 대칭적인 회전을 사용하고, 다각형 거울은 4-접힘의 대칭적인 입력 빔 클리어 개구(예를들어, 둥근 또는 사각형)의 높이를 수용할 수 있도록 높이가 커야 한다. 따라서 상기 다각형 거울은 부피가 더 커지고 회전을 위한 구동 전력이 더 필요하게 된다. 또한, PMC 가 없으면, 각면 증세를 제거하는데는 공기 베어링 스핀들, 능동 컴퍼넌트 수정(음향-광 또는 능동 거울 서보 시스템), 또는 미국 특허 제4,662,709호에 설명된 바와 같은 다각형 거울에서의 여러 반사들을 포함하는 제한된-사용 아키텍처 등을 가지고 비용이 많이 드는 정밀한 다각형 거울이 필요하게 된다.
세번째 특징적인 특성은 다각형 거울상으로 그리고 스캔 렌즈 내로 빔을 주입하는 방법을 사용하는 것이다. 이 우수한 방법은 입력 빔이 스윕 스캔 렌즈의 평면내에 있게되는 접선식 주입이다. 도 1a 및 1b 는 각각 접선식 주입을 사용하는 스캔 렌즈 시스템(100)의 평면도 및 측면도이다. 이 시스템(100)에서, 입력 빔(105)은 접힘 거울(110)에서 반사되어 입력빔(105) 및 반사된 빔(115)이 다각형 거울(120)의 회전축에 수직인 평면에 있게되고 포스트-다각형 렌즈 소자(130,140)의 광학 축이 포함되도록 한다. 비-PMC 스캔 렌즈는 특별한 아키텍처(예를들어 미국 특허 제4,682,842)가 사용되지 않는다면 접선식 주입을 사용하는데, 왜냐하면 시상 입력이 다각형 거울의 접선 정점 위 또는 아래에 있게되고, 그리고 ｆ-θ 선형 수정에 있게되는 왜곡에 기인한 회전적-대칭 광이 스캔 라인 테(bow)에 유도되기 때문이다.
도 2a 및 2b 는 각각 시상 주입을 사용하는 스캔 렌즈 시스템(200)의 정면도 및 측면도를 설명하고 있다. 이 시스템(200)에서, 입력 빔(205)은 접힘 거울(210)에서 반사되어 입력 빔(205) 및 반사된 빔(215)이 다각형 거울(220)의 회전축과 포스트-다각형 렌즈 소자(230,240)의 광축을 포함하는 면에 있도록 한다. 시상 주입은 스캔 라인 "테"를 만들게 되는데, 즉 직선 스캔 라인에서 벗어나 제어가 어렵게 된다. 왜곡이라고 언급되었던 종래의 광 수차는 이미지면(250)에서스캔 라인내에 테를 유도한다. 왜곡은 스캔 렌즈로 유도되어 ｆ-θ 수정을 제공하고, 근본적으로 상기 이미지면의 접선식 정점상에 놓이지 않는 어느 스캔 라인을 위한 논-제로(non-zero) 이다. 이 테는 이미지면이 축 바깥에 있는 시상 주입에는 본질적인 것이다.
도 3a 및 3b는 네번째 특징적인 특성인 텔레센트리시티(telecentricity)를 설명하고 있다. 도 3a에 설명된 바와 같이, 텔레센트릭 스캐너(300)에는 스캔 라인의 길이에 걸쳐 이미지 면(310)의 양 정점 모두에 충분히 수직인 스윕 빔(305)의 주된 선(chief ray)이 있다. 왜상 및 회전하는 동기식 텔레센트릭 디자인 존재 모두 미국 특허 제4,056,307호 및 제4,527,858호 등에 각각 공지되어 있고 설명되어 있다. 텔레센트리시티는 고정밀, 고해상도 스캐닝 시스템에서는 매우 중요한 것이다. 만일 상기 주된 선이 모든 필드 및 스캔 위치에 걸쳐 양 정점 모두내의 최종 이미지 면으로 촛점이 맞추어진 선 다발의 세번째 경계를 이루는 원뿔 각도 내부에서 수직이라면, 시스템은 "텔레센트릭" 한 것으로 여겨질 수 있다.
도 3b 에 도시된 바와 같은 비-텔렉센트릭 스캔 렌즈(350)에는 주된 선이 수직에 충분한 각도에서 이미지 면(360)과 만나는 스캔 빔(355)이 있다. 비-텔렉센트릭 스캐너용 스캔 필드에 걸친 상기 주된 선내의 변동은 두 가지 문제를 일으킨다. 첫째로, 이미지 면상에 촛점맞추어진 스폿의 비스듬한 주입으로 인해, 스캔 라인의 에지에서 이미지 면(360)상의 스폿 크기가 커진다. 두번째로, 초점 면 위치내의 미세한 시프트가 절대적인 픽셀 위치 에러를 일으킨다. 교차-스캔 방향내의 주된 선 각도를 위해, 초점 면의 시프트는 확대된 에러에 흡사한 픽셀 위치 에러가 있게된다. 이 주된 선 각도가 상기 교차 스캔 방향내에 있다면, 촛점을 벗어난 스캔 라인이 테가 된 것으로 보일것이다. (이러한 테 타입은 ｆ-θ 렌즈에 존재하는 왜곡의 광 수차에 기인한 테와 혼동되지 않는다.)
다섯번째 특징적인 특성은 스캔 렌즈 시스템으로 입력되는 다중 빔(데이터 채널) 성능이다. 다중 빔은 상당한 전기적 데이터율 및 다각형 거울 회전 속도로 더욱 빠른 기록 속도를 가져오게 한다. 단일 빔 시스템으로는, 고속-스캔 빔 위치의 ｆ-θ 선형화를 제공하기 위한 디자인에 왜곡이 더해질 수 있다. 다중 빔 시스템으로는, 상기 스캔 라인에 걸쳐 고정된 채널간 간격을 충분히 제어하는데 ｆ-θ 선형화는 필요없다. 가장 앞의 채널과 가장 나중의 채널 사이의 배치된 간격(즉, 느린축 및 빠른축 모두내의 고정된 확장)은 시야의 다중 빔 필드 내부의 고정된 픽셀 위치를 지키기위해 스캔 라인에 걸쳐 유지되어야 한다. 상기 고속-스캔 방향의 빔 확장내의 변동을 차분 왜곡(differential distortion)이라 언급한다. 저속 스캔 방향의 확장 내부의 변동은 차분 테(differential bow) 라고 언급한다.
레이저 스캐너 아키텍처의 여섯번째 특징적인 특성은 스캔 라인내의 해결할 수 있는 스폿의 수이다. 일반적으로 정밀한 애플리케이션에서는 25 미크론 이하에서부터 2 미크론 까지의 스폿 지름을 요구하는데, 절대 픽셀 위치 정확도는 그 스폿 지름의 10번째까지 내려간다. 정밀한, 반사 텔레센트릭 렌즈 시스템은 스캔 라인당 20000 개 까지의 해결가능한 스폿을 얻을 수도 있다. 반대로, 통상의 비-텔렉센트릭 제로그래픽 스캐너들은, 그 스캔 라인에 걸쳐 상당한 스폿 크기 변동이 허용되는 경우에는 더 많은 스폿을 얻을 수 있음에도 불구하고, 한 스캔 라인내에 약 9000 개의 해결가능한 스폿이 있기도 하다.
고 해상도, 방사선 효율적인 스캐너에 적합한 특성 및 성능을 제공하는 정밀한 스캔 렌즈가 구해진다.
본 출원은 1997년 7월 8일 미국 가출원 제60/052,800호의 출원을 우선일로 하는 출원이다.
본 발명은 스캔라인을 따라 이미지를 스위핑(sweeping)하는 레이저 스캐너 및 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 정밀한 전기적 이미징 애플리케이션에 사용되는 플라잉 스폿(래스터) 스캐너(flying spot scanner)에 관한 것이다.
도 1a 및 1b 는 다각형 거울로 빔의 접선식 주입을 하는 스캔 렌즈 도면.
도 2a 및 2b 는 다각형 거울로 빔의 시상 주입을 하는 스캔 렌즈 도면.
도 3a 및 3b 는 각각 텔레센트릭 및 비-텔레센트릭 스캔 렌즈 도면.
도 4a 및 4b 는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 스캐너의 평면도 및 측면도.
도 5a 및 5b 는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 스캔 광학렌즈의 측면도 및 평면도.
도 6 은 본 발명의 한 예시적 실시예용 성능 곡선의 개략적 도면.
도 7a, 7b, 7c 및 7d 는 본 발명의 한 예시적 실시예용 성능 곡선이다.
각 도면에서 유사한 또는 동일한 부분을 나타내는 그림에는 같은 참조번호를 사용하였다.
본 발명의 실시예는 포토리소그래픽 애플리케이션에 적합한 성능 범위 내의 상기 특성의 최고를 통합하는 향상된 스캐닝 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명의 한 예시적인 실시예에 따른 광학 시스템에는 시상 주입 및 수동적 움직임 보상이 있는 텔레센트릭 스캔 렌즈가 포함되어 있고 자외선 레이저 빛을 위한 높은 방사효율, 다채널 빔을 위한 스캔 라인당 15000 개 까지의 해결가능한 스폿이 있는 적은 차분 왜곡을 얻을 수 있다. 자외선 레이저 전력이 비싸고, 스캐닝 시스템의 속도가 이미지 면으로 이동하는 전력에 관계되기 때문에 방사 효율은 중요하다. 예시적인 실시예에서는 UV 빛의 높은 전송을 가지는 반사 소자와 함께 반사 광학제품의 조합을 사용하여 전송 효율을 최대로 하는 카타디옵트릭(catadioptric) 아키텍처를 사용한다. 또한, 이 예시적인 시스템은 여러 UV 파장상의 수차를 수정하여 사용가능한 레이저 전력의 사용을 최적화 시킨다.
본 발명의 더 다른 측면에 따르면, 스캐너용 광학 시스템이 왜상의 수동적 움직임 보상을 반영한다. 하이-엔드 스캐닝 애플리케이션을 위해, PMC 가 유용한데 그 이유는, 시스템용 다각형 거울이 더 얇아질 수 있어서 고속에서 회전에 적은 전력을 소비하게 되어 PMC 가 시스템상의 열 부하를 감소시키기 때문이다. 또한, PMC는 덜 정밀한 모터-다각형 조립체를 사용할 수 있어서 시스템 비용도 줄어든다.
접선식(조준된 입력) 면 내의 다각형 거울상의 스폿의 투사된 크기는 상기 다각형 거울로의 제로-각도 접선 오프셋 설정으로 최소화된다. 이것은 더 작은 다각형 거울의 사용을 허용하는데, 이는 다시 더 빠른 이미징 시간을 가져오는 더 큰 회전 속도를 허용한다. 또한, PMC 와 결합된 시상 입력은 이중-측면 대칭적인 광학 시스템을 만드는데, 이 시스템은 스캔 라인 내의 더 많은 해결가능한 스폿을 있게 하면서 접선식 입력 시스템보다 더 큰 계산상의 개구 및 스캔 각도를 위한 수차가 수정되게 한다. 본 발명은 근본적으로 교차-스캔 방향을 최소화하는 고유한 방식으로 시상 입력을 제공한다.
스캔 렌즈의 텔레센트리시티(이미지 면에대한 두 정점 모두내의 주된 선의 수직성)는 이미지 초점흐림의 함수로서 스폿 위치내의 변동을 제거한다. 이것은 노출된 매체와의 작업량 맞춤 및 초점 면 정열 요구를 없애준다.
본 발명의 한 실시예에서, 스캔 렌즈의 회전 다각형 거울로부터의 광학 경로는 구형 렌즈, 원통형 렌즈 소자; 제1 회전타원체-원통형 렌즈 소자; 오목한 구형 거울; 볼록한 원통형 거울; 및 제2 회전타원체-원통형 렌즈소자와 만나게 된다. 상기 스캔 렌즈에는 상기 다각형 거울로의 빔을 위한 주입 광학렌즈도 포함되어 있다. 이 주입 광학렌즈는, 포스트-다각형 광학렌즈 등과 같은, 왜상일 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 상기 주입 광학렌즈에는 상기 오목한 원통형 거울; 원통형 렌즈 및 접힘 거울의 곡률 반지름을 가지는 논-제로 각도에서 조준된 빛의 빔을 수신하는 위치에 있는 오목한 원통형 거울이 포함되어 있다. 스캐너의 상기 광학 물질 및 코우팅은 광에 민감한 매체 및 포토레지스트 노출의 스펙트럼 민감성에 매치되고, 약 340 내지 390mm 파장을 가지는 자외선 빛에 적합하다.
본 발명에 따른 광학 시스템의 한 실시에에는: 교차-스캔 원통 거울, 교차-스캔 원통 렌즈, 빔의 시상 입력을 회전 다각형 거울에 제공하는 접힘 거울, 구형 요철 렌즈, 평-원통 렌즈, 제1 구-원통 렌즈, 1차 구형 거울, 2차 원통형 거울, 및 제2 구-원통 렌즈가 포함되어 있다.
본 발명의 한 예시적 실시예에 따른 스캔 렌즈 시스템은 수동적 움직임 보상을 구현하기 위해 왜상 소자를 통합하고 있는 흐리지 않은 카타디옵트릭 광학 시스템이다. 또한, 상기 반사 광학 소자 모두는 UV 빛의 높은 전송도를 가지고 있고 가시 빛이 있는 향상된 성능을 위해 깊은 UV 빛 또는 높은-인덱스의 유리를 위한 플루오르화 칼슘 등과 같은 다른 물질를 사용하기 위해 변경되기도 한다. 더욱이, 이 시스템은 흐리지 않은 카타디옵트릭 디자인과 일치하는, 그러나 이것으로 제한되는 것은 아닌 디자인 방식으로 시상 입력을 구현한다. 또한, 이 시스템은 이미지 면에서 텔렉센트릭 하며, 여러개의 자외선 파장을 위해 색-수정된다. 또한 상기 시스템은 ｆ-θ 수정을 구현한다. 마지막으로, 이 시스템은 언급된 성능 기준을 유지하는 동안, 12 개의 독립 채널까지 이미지 작업을 할 수 있고, 반 최대(fwhm) 스폿 지름에서 전체 폭과 일치하는 픽셀 공간을 가지고 라인당 1500 이상의 픽셀을 해결할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 래스터 스캐너(400)가 도 4a 및 4b 에 도시되어 있는데, 요구된 빔 형태 광학렌즈가 있는 레이저(410), 다중-채널 모듈레이터(420), 스캔 광학렌즈(430) 및 작업부품을 유지하는 정밀 스테이지(490)가 포함되어 있다. 레이저(410)가 조준된 빛 빔(415)을 발생하고 모듈레이터(420)가 분리 조준된 서브-빔을 포함하고 있는 변조된 빔(425)으로 변환한다. 한 예시적 실시예에서, 레이저(410)는 UV 아르곤 이온 레이저이고, 빔(425)은 파장이 363.8nm, 351.4nm 및 351.1nm 의 자외선 빛을 포함하고 있고 둘 또는 그 이상의 서브-빔으로 분할된다. 빔(425)의 변조는 보통 서브-빔을 온/오프 시키는 개개의 서브-빔의 강도를 변화시키지만, 그레이 스케일 강도 제어도 사용될 수 있어서 감광성 매체로 기록되는 빔으로의 최적의 발광 프로파일을 제공한다. 공동 출원된 미국 분할 특허출원인 "ACOUSTO-OPTIC MODULATOR ARRAY WITH REDUCED RF CROSSTALK", 대리인 참조번호 P-4296-US 에 본 발명의 상기 예시적 실시예를 위한 모듈레이터가 설명되어 있다.
모듈레이터(420)로부터의 빔(425)은 스캔 광학렌즈(430)를 위한 정지 크기를 한정하는 지름을 가지고 있다. 스캔 광학렌즈(430)는 빔(425)의 이미지를 형성하고 이미지가 한 이미지 면내의 스캔 라인를 가로지르는 것을 스윕한다. 선택적인 광학 릴레이(480)는 스테이지(490)에 의해 유지된 작업부분상에서 스캔 광학렌즈(430)으로부터 이미지를 재형성하여 변조된 빔의 최종 이미지가 상기 작어부분의 표면에서 스캔 방향을 따라 스윕하도록 한다. 정밀 스테이지(490)는 스캔 라인 방향과 수직인 작업부분을 이동시킨다. 상기 작업부분의 이동은 스캐닝이 진행되는 동안 계속될 수 있거나 또는 각각의 시간 스캔 광학렌즈(430)가 스캔 라인을 완성시키는 경우에만 발생하기도 한다. 이미지가 상기 스캔 라인에 걸쳐 스윕하기 때문에, 빔(425) 내의 서브-빔을 턴 온 및 턴 오프하여 상기 작업부분의 표면에서 상기 스캔 라인내의 영역이 조사되는 것을 제어한다. 상기 예시적 실시예에서, 상기 서브-빔은 약 5㎛ 의 서브-빔 라인 폭을 가진다.
스캔 광학렌즈(430)에는 수신 광학렌즈(440), 접힘 거울(450), 다각형 거울(460), 및 포스트-다각형 광학렌즈(470)가 포함되어 있다. 수신 광학렌즈(440)는 빔(425)의 초기 형태를 허용하여 접함 거울(450)이 다각형 거울(460)을 지시하는 수렴 빔(445)을 발생한다. 수신 광학렌즈(440) 및 접힘 거울(450)은 때때로 이들이 변조된 빔을 다각형 거울(460)로 주입하기 때문에 주입 광학렌즈로 언급된다. 상기 스캔 방향을 따라 이미지를 제거하기 위해서는, 다각형 거울(460)의 회전이 접힘 거울(450)로부터의 빔(455)의 접선 주입 각도와 다각형 거울(460)에서 반사된 빔(465)의 접선 반사 각도를 변화시킨다. 스캔 렌즈(470)가 빔(465)의 초점을 맞추어 분리 서브-빔 및 각각의 초점 서브-빔 사이의 분리를 감소시킨다. 스캔 렌즈(470)는 회전하는 다각형 거울의 각면 증세 또는 흔들림에 기인한 원하는 스캔 라인으로부터의 이미지의 수직한 오프셋을 감소 또는 제거하는 왜상 포커싱을 가지고 있다.
도 5a 및 5b 는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 스캔 광학렌즈(430)의 측면도 및 평면도를 보여주고 있다. 도 5a 를 참고하면, 조준된 다중-채널 빛 빔 다발이 스캔 렌즈(430)로 들어가고 접힘 거울(510)에 의해 반사되어 원통형 거울(520) 및 이중-원통형 반사 소자(530)로 구성된 프리-다각형 광학렌즈로 들어간다. 상기 프리-다각형 원통형 광학렌즈의 목적은 다중-소자 포커싱 시스템의 사용을 통해 움직임 보상을 제공하여 상대적으로 큰 계산상의 개구를 수용하는 것이다. 다음으로 초점이 맞추어진 빔 다발(535)은 종종 주입 거울로 언급되는 제2 접힘 거울(450)에 부딪히고, 빔 다발(455)을 시상 각도에서 다각형 거울(460)로 보낸다. 테를 최소화 하기 위해서, 시스템(430)에서는 스캔 렌즈의 광학 축과 수직인 다각형 회전축(462)을 가진 광학 시스템을 사용하는데, 다각형 각면을 통해 상기 광학축상에 초점이 맞추어진 빔 다발을 중심을 놓고, 스캔 라인도 상기 광학 축상에 중심이 놓이도록 스캔 라인으로 비춘다.
예시적인 실시예에서 사용된 클래스의 시상 입력 시스템(600)이 개략적으로 도 6에 설명되어 있다. 이 시스템(600)에서, 프리-다각형 광학렌즈(610)가 입력 빔(605)의 초점을 맞추고 접힘 거울(620)이 다각형 거울의 각면(630)으로 향하게 한다. 포스트-다각형 광학렌즈(640)가 접선식 입력 시스템과 같이 스캐너의 초점면에서 다각형 각면(630)을 다시 비춘다. 그러나, 시스템(600)은 광학축에 관한 대칭적으로 중심이 놓인 레이저 빔을 사용하는 것보다 상기 시스템의 수정된 클리어 개구의 축 외의 섹션을 사용하여 주입 및 재비춤을 완성한다. 상기 다각형 거울로부터의 초점이 맞추어진 빛에 경계를 이룬 각도 β를 부여한다. 상기 교차-스캔 광학 시스템의 수차-교정된 채용 원뿔은 2β+2δ가 되도록 디자인되는데, 여기서 δ는 접힘 거울(620)을 클리어하기 위해 빔(635)에서 요구되는바와 같은 변위 각도이다. 빔(625)은 중심라인 아래의 각도에서 β/2+δ에 의해 주입 거울(620)을 사용하여 상기 다각형 각면(630)으로 주입될 수 있다. 상기 수렴 빔은 상기 다각형 각면(630)에서 포스트-다각형 광학렌즈(640)의 광학 중심라인상에서 충분히 초점이 맞추어지고, 그 광학 중심라인 위의 각도 β/2+δ에서 반사되어, 반사된 빔(635)이 주입 거울(620)의 맨 위쪽을 클리어하고 포스트-다각형 스캔 광학렌즈(640)으로 들어가도록 한다.
왜곡-유발 테는 상기 스캔 라인이 광학렌즈(640)의 접선 정점을 방해하지 못하는 경우 스캔 라인내에서 유도된다. 상기 다각형 각면이 상기 교차-스캔 면내의 스캔 라인에서 다시 비추어 광학축을 방해하고, 상기 다각형 축이 상기 광학 축과 수직이기 때문에, 왜곡을 유발하는 스캔라인내의 테는 없게된다. 다중-채널 시스템을 위해서는, 채널이 상기 광학축에 가깝게 되지 못하고 왜곡-유발 테가 최소화되므로, 이것은 최소-테 구성이 되는 것이다. 상기 언급한 내용은 상기 최적화된 개구의 축 바깥의 자연현상은 중심이 되어있는, 카타디옵트릭 아키텍처를 구현하는데 중요한 것으로 이루어져야 한다. 상기 다각형 거울에 대한 주입 각도를 계속 더 증가함에 의해, 레이저 빔의 사용된 개구를 설명하는 상기 선 다발은 광학 중심라인에서 점점 더 멀어져서 2차 거울을 위한 클리어런스(clearance)가 그러한 구성으로 되도록 한다.
다시 도 5a 및 5b 를 참고하면, 빔 다발(455)은 회전하는 다중-각면 다각형 거울(460)에 떨어져 반사된다. 접선 방향내의 빔 다발(455)은 다각형 거울(460)의 각면을 불충분하게 채운다. 시상 오프셋을 사용했기 때문에, 상기 접선 방향내의 다각형 각면상의 투사된 빔 다발 크기는 최소화 되고, 그에따라 다각형 거울(460)의 지름도 감소될 수 있다. 이 예시적 실시예에서, 다각형 지름은 5.33 인치이고, 12 개의 각면이 있는 다각형 거울에서 85% 의 스캔 효율을 가져왔다. 본 발명의 상기 시상 입력 방법이 능동 각면-트래킹 구조에서도 다각형 지름을 더 줄여줄 수 있도록 사용될 수 있다는 것에 주목하여야 한다. 능동 각면 트래킹은 빔 다발을 시프트시켜 다각형 거울이 회전하는 동안 다각형 각면의 중심에서 빔 다발의 위치를 유지시킨다.
상기 예시적인 실시예에서, 다각형 거울(460)에는 약 7500rpm 의 회전축(462)에 대해 회전을 하는 12개의 각면이 있다. 도 5b 는 다각형 거울(460)의 각면(461) 및 각각의 반사된 빔 다발(465)를 위한 결과 방향을 설명하고 있다. 각면(461)이 도 5b 에 도시된 위치에 있게되면, 이미지는 스캔 라인의 첫 번째 끝(596) 근처의 이미지 면에서 형성된다. 다각형 거울(460)이 회전하여 빔 다발이 각면의 15 개의 대향하는 끝에서 반사된 후(즉, 상기 예시적 실시예에서 30°를 약간 밑돌면서 회전함), 최종 이미지가 상기 스캔 라인의 대향 끝(597)에서 형성된다. 다각형 거울(460)을 회전하는 동안 흔들림을 최소화 하기위해 정밀 공기 베어링상에 장착하기도 한다. 그러나, 수동 움직임 보상은 흔들림에서 나오는 효과를 감소시키고 이미지가 원하는 스캔 라인에서 벗어나 형성되지 않게 해준다. 따라서, 다각형 거울(460)은 롤러 베어링 또는 다른 비용이 적게드는 베어링을 사용할 수 있으며 높은 성능을 얻을 수 있다. 또한, 상기 수동 움직임 보상은 원하는 각면 높이를 감소시켜서 공기 저항을 줄여주고 다각형 거울(460)을 구동시키는데 모터의 열 부하를 낮추게 한다.
주입 거울(450)을 통과한 다음, 빔 다발(465)는 포스트-다각형 스캔 광학렌즈로 들어간다. 포스트-다각형 광학렌즈 모두는 광학축상에 중심이 맞추어져 있어서 이중측면의 대칭 아키텍처를 생성한다. 이러한 대칭적 디자인은 최종 스캔 라인내에 원하지 않는 테를 막는데 중요하다. 첫 번째 포스트-다각형 광학 소자인, 한 쌍을 형성하는 구형 요철 렌즈(540) 및 평-원통 렌즈(550), 그리고 회전타원체-원통 렌즈(560)은 융해된 실리카 또는 BK7 의 반사 소자들인데, 이들은 모두 350nm 이하의 파장을 가지는 빛을 효과적으로 전송한다. 가시 파장을 위해, 부가된 성능 능력이 있는 다른 유리들이 사용될 수 있는데, 특히 높은 인덱스 유리가 사용될 수 있다. 시스템(400)은 플루오르화 칼슘을 BK7에 대체한 경우 더 짧은 파장(최소 190nm 이하)에서 효율적으로 작업을 할 수도 있다.
렌즈(560)에서 나온 빔 다발(564)은 2차 원통형 거울(570)을 통과하는 동안, 1차 구형 거울(570)을 벗어나 반사한다. 거울(570)에서 나온 빔 다발(575)은 원통 거울(570)에서 벗어나 반사하여 빔 다발(585)가 회전타원체-원통 렌즈(590)을 통과하게 하는데, 이것은 클리어 개구가 빔 다발(575)내로 침입하지 않도록 디자인된다. 렌즈(590)는 스캔 렌즈의 초점 면에서 빔 다발(595)의 초점을 맞춘다. 중심 렌즈(590)의 축 밖의 부분이 사용되기 때문에 주입 다발(595)의 주된 선은 포스트-다각 렌즈 소자의 광학추과 수직이 되지 않는다. 그러나, 초점 면을 상기 다발(595)의 주된 선에 표준이 되도록 다시 한정함으로서, 아키텍처의 텔레센트리시티 요구가 만족된다.
부록은 본 발명의 상기 예시적인 실시예의 광학 리스트를 제공하고 있다. 도 7a, 7b, 7c 및 7d 는 이 예시적 실시예의 성능 곡선을 보여주고 있다. 특히, 도 7a 는 스캔 라인에 대응하는 스캔 각도 범위에 걸쳐 1/e2로 스폿이 떨어지는 강도의 지름을 나타내고 있다. 도 7a 에 나타난 바와 같이, 이 예시적인 실시예는 스폿에 스폿 지름의 1/10 이하의 변동을 제공한다. 도 7b 는 각각 상위-왼쪽, 상위-오른쪽, 하위-오른쪽 및 하위-왼쪽에 서브-빔(2,3,4,5)용 스폿의 주축과 보조축의 비를 나타내고 있다. 각각의 서브-빔을 위해, 상기 스폿은 다각형 각도의 범위에 걸쳐 거의 원형이다. 도 7c 는 상부-왼쪽과 하부-왼쪽내의 서브-빔 간의 차분 왜곡 및 빔 다발의 상부-오른쪽과 하부-오른쪽내의 서브-빔 간의 차분 왜곡을 나타내고 있다. 표시된 바와 같이, 차이는 약 0.5% 이하이다. 도 7d 는 스캔 라인에 해당하는 다각형 각도의 범위에 걸친 서브-빔(2,3,4,5)의 교차-스캔 위치를 나타내고 있다. 비스듬하게 위치한 서브-빔(2,4 또는 3,5)의 위치는 서로 트랙하여 상기 서브-빔들이 빔 다발을 위한 제곱 교차-섹션(즉, 개구)의 최상부-왼쪽에서부터 바닥-오른쪽까지 비스듬한 진행을 따라 향하게 된다.
비록 본 발명을 특정 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이 설명은 단지 본 발명의 적용의 예에 불과한 것으로서 이것으로 제한되어서는 않된다. 개시된 실시예의 특성들의 다양한 적용 및 조합은 첨부한 청구항에 정의된 본 발명의 정신 내부에 있는 것이다.
첨부된 부록은 본 발명의 상기 예시적인 실시예의 광학 리스팅을 포함하고 있다. 이 리스팅은 Optical Reserch Associates 로부터 사용가능한 "Code V" 광학 디자인 소프트웨어와 같은 파라미터로 포멧 및 정의된다.

Claims (28)

  1. 변조된 레이저 빔을 움직임 보상된 스캔 렌즈로 시상 주입하는 방법에 있어서:
    시상면내의 다각형 표면에서 광학적 중심라인상에 충분히 상기 빔을 원통형으로 촛점을 맞추는 단계;
    상기 빔을 포스트-다각형 광의 광학축과 수직인 회전축을 가지는 다각형 거울로 주입하여 반사된 빔이 중심 스캔라인 소자의 축 밖의 개구를 통해 확실히 이동하도록 하는 단계; 및
    이미지 면이 상기 광학축과 충분히 교차하는 교차-스캔 방향내의 상기 이미지 면에서 상기 빔의 촛점을 맞추는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 회전축에 대해 회전하도록 장착된 다각형 거울;
    움직임-보상된 포스트-다각형 렌즈 시스템으로 사용을 위한 빔의 조건을 설정하는 원통형으로 촛점을 맞추는 프리-다각형 광학 시스템;
    상기 다각형 렌즈의 회전축의 시상각에서 상기 다각형 거울로 상기 빔을 주입하는 주입 거울; 및
    상기 다각형 거울에서 빠져나가는 빔이 분명해지고 상기 포스트-다각형 광학렌즈의 광학적 중심라인과 충분히 교차하는 촛점을 가지는 스캔라인이 되게 하는 축 밖의 수차 제어를 위해 성능이 최적화된, 중심이있고, 이중측면으로 대칭적이며, 왜상인 카타디옵트릭 포스트-다각형 광학 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 왜상 카타디옵트릭 스캔 렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    초점 면이 교차-스캔 텔레센트리시티 요구를 가장 만족하도록 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    적용가능한 감광성 물질을 가지고 사용에 적절한 스펙트럼 범위내의 70% 이상의 전체 전송에 적합한 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    중심 스펙트럼 파장의 적어도 1/10 번째와 동일한 스펙트럼 파장 범위에 걸쳐 무색이 되도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  6. 제 2 항에 있어서,
    각 채널이 서로 적어도 3 가우시안 빔 지름으로 떨어져 있는 12 채널까지 및 12 채널을 포함하는 스캔 라인을 가로지르는 적어도 1/2 픽셀 이하의 절대 픽셀 등록 에러가 나오도록 차분 왜곡이 수정되는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 스캔 광학렌즈에 의해 나오는 이미지 품질은 모든 필드 및 스캔 위치에 걸쳐 75% 이상의 스트렐비로 회절에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 이미지 해상도는 6 미크론 fwhm 가우시안 스폿 아래까지 해소될 수 있는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 왜상 스캔 렌즈와 통합되는 것을 특징으로 하는 완전한 포토리소그래픽 이미지 스캐너.
  10. 오목한 원통형 거울의 곡률 반지름이 있는 논-제로 각도에서 조준된 빛의 빔을 수신하기 위해 위치한 오목한 원통형 거울;
    움직임 가능하게 장착된 거울;
    상기 오목한 원통형 거울로부터의 수렴 빛을 상기 움직임 가능하게 장착된 거울상으로 향하게 하는 수단;
    구형 렌즈 소자;
    원통형 렌즈 소자;
    제1 회전타원체-원통형 렌즈 소자;
    오목한 구형 거울;
    볼록한 원통형 거울; 및
    제2 회전타원체-원통형 렌즈 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 카타디옵트릭 왜상 스캔 광학렌즈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    초점 면이 상기 교차-스캔 텔레센트리시티 요구를 가장 만족하도록 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  12. 제 10 항에 있어서,
    적용가능한 감광성 물질로 사용하기에 적절한 스펙트럼 범위내의 70% 이상의 전체 전송에 적합한 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  13. 제 10 항에 있어서,
    중심 스펙트럼 파장의 적어도 1/10 번째와 동일한 스펙트럼 파장 범위에 걸쳐 무색이 되도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  14. 제 10 항에 있어서,
    각 채널이 서로 적어도 3 가우시안 빔 지름으로 떨어져 있는 12 채널까지 및 12 채널을 포함하는 스캔 라인을 가로지르는 적어도 1/2 픽셀 이하의 절대 픽셀 등록 에러가 나오도록 차분 왜곡이 수정되는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 스캔 광학렌즈에 의해 나오는 이미지 품질은 모든 필드 및 스캔 위치에 걸쳐 75% 이상의 스트렐비로 회절에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 이미지 해상도는 6 미크론 fwhm 가우시안 스폿 아래까지 해소될 수 있는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  17. 오브젝트측으로부터 이미지측의 순서가:
    구형 렌즈 소자;
    원통형 렌즈 소자;
    제1 회전타원체-원통형 렌즈 소자;
    오목한 구형 거울;
    볼록한 원통형 거울; 및
    제2 회전타원체-원통형 렌즈 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 왜상 스캔 렌즈.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 구형 렌즈 소자, 상기 원통형 렌즈 소자, 상기 제1 회전타원체-원통형 렌즈 소자, 및 상기 제2 회전타원체-원통형 렌즈 소자 각각은 감광성 물질을 가지고 사용에 적합한 스펙트럼 범위내의 전송에 적합한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 스캔 렌즈는 상기 스펙트럼 영역 전반에 걸쳐 왜상인 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 스캔 렌즈는 다수의 스캔 라인을 동시에 평행하게 스캐닝할 수 있는 충분한 뷰 필드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 스캔 렌즈는 세 개 이상의 스캔 라인을 동시에 평행하게 스캐닝할 수 있는 충분한 뷰 필드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 스캔 렌즈는 상기 다수의 스캔 라인내의 차분 왜곡을 만드는 수차를 수정하는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 스캔 렌즈는 75% 이상의 스트렐비의 회절에 의해 제한되는 이미지 품질을 만드는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  24. 제 17 항에 있어서,
    제2 회전타원체-원통형 렌즈 소자와 광학적으로 결합된 릴레이 광학렌즈를 더 구비하고, 상기 릴레이 광학렌즈는 상기 스캔 렌즈와 이미지 면사이의 추가의 작업 거리를 제공하는 것을 특징으로 하는 스캔 렌즈.
  25. 오목한 원통형 거울의 곡율 반지름으로 논-제로 각도에서 조준된 빛의 빔을 수신하기 위해 위치한 오목한 원통형 거울;
    움직임 가능하게 장착된 거울;
    상기 오목한 원통형 거울로부터의 수렴 빛을 상기 움직임 가능하게 장착된 거울상으로 향하게 하는 수단;
    구형 렌즈 소자;
    원통형 렌즈 소자;
    제1 회전타원체-원통형 렌즈 소자;
    오목한 구형 거울;
    볼록한 원통형 거울; 및
    제2 회전타원체-원통형 렌즈 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 카타디옵트릭 스캔 광학렌즈.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 지시 수단은:
    발산하는 원통형 렌즈 소자; 및
    상기 스캔 라인의 광학적 축 아래에 그러나 상기 스캔 라인의 광학적 중심라인이 있는 동평면에 움직임 가능하게 장착된 거울상으로 상기 빔을 지시하는 접힘 거울을 구비하는 것을 특징으로 하는 스캔 광학렌즈.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 움직임 가능하게 장착된 거울은, 회전가능하게 장착된 거울의 회전축과 평행한 거울 각면을 가지는 회전가능하게 장착된 거울을 구비하는 것을 특징으로 하는 스캔 광학렌즈.
  28. 축에 대해 회전하도록 장착된 다각형 거울;
    상기 다각형 거울상에 변조된 빔을 지시하는 주입 광학렌즈; 및
    상기 다각형 거울로부터의 광 경로내의 카타디옵트릭 스캔 렌즈를 구비하고,
    상기 스캔 렌즈는 중심라인이 상기 다각형 거울의 축과 직교하며 그리고 상기 다각형 거울이 회전하는 동안 상기 다각형 거울의 흔들림에 기인한 이미지의 움직임을 줄이도록 왜상인 것을 특징으로 하는 스캔 광학렌즈.
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