KR20070015369A - 광학 시스템 - Google Patents

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KR20070015369A
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optical
optical axis
uniform
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KR1020067014182A
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로베르트 에프. 엠. 헨드릭스
베르나르두스 에이치. 더블유. 헨드릭스
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 방사 빔의 경로 내의 광학 축 상에 배열된 광학 소자를 구비하는 광학 시스템에 관한 것이다. 광학 소자(2, 116, 202)는 복굴절 재료로 구성되고, 방사 빔이 통과하는 비평면(4)을 갖춘다. 광학 시스템은, 방사 빔이 광학 축에 수직한 단면(21, 24)을 교차하는 비균일한 편광을 갖도록 방사 빔의 편광을 제어하기 위한 편광 제어 시스템을 구비하고, 비균일 편광이 상기 비평면의 형상에 대응하는 분포를 갖는다.
비균일, 편광, 원 편광

Description

광학 시스템{OPTICAL SYSTEM}
본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 광학 기록 매체를 주사하기 위한 광학 시스템에 관한 것이다.
광학 기록 분야에 있어서, 정보는 콤팩트 디스크(CD) 또는 디지털 다기능 디스크(DVD)와 같은 광학 기록 매체의 정보층에 기억될 수 있다. 이러한 광학 디스크 상에 기억될 수 있는 정보 밀도의 증가는, 광학 디스크를 주사하는데 사용된 방사 빔의 포컬 스폿 사이즈를 감소함으로써, 달성될 수 있다. 이러한 스폿 사이즈의 감소는, 짧은 파장의 방사와 큰 개구 수(NA)를 사용함으로써 달성될 수 있다. CD 및 DVD 광학 디스크와, 광학 매체 상에 CD나 DVD보다 고밀도의 데이터를 기억할 수 있는, 소위 Blu-RayTM 기술에 추가해서, 보다 고밀도의 데이터 기억을 달성하기 위해서, 현재 DUV(Deep Ultraviolet) 방사의 사용 기술이 개발되고 있다.
DUV 방사는, 대략 300nm 이하의 파장 영역의 방사이다. DUV 광학 디스크 상에 데이터를 기억하고 마스터링하기 위한 광학 시스템은, 예를 들면 대략 256nm의 DUV 방사 파장에 대해 NA=0.85인 DUV 방사에 대해 적합한 큰 개구 수(NA)를 제공하기 위해서, 광학 시스템의 컴포넌트 광학 소자를 필요로 한다.
DUV 디스크 상의 데이터를 정확하게 주사하기 위해서, DUV 방사가 DUV 광학 디스크 상에 충분한 사이즈와 품질의 스폿을 포커스하도록 높은 NA가 요구된다. 이 높은 NA를 달성하기 위해서, 적합한 재료로 광학 소자를 제작할 필요가 있다. 그런데, DUV 방사 파장을 위한, 바람직한 NA를 달성하기 위해서 충분히 높은 굴절률을 갖고, 색수차를 회피하기 위해서 충분히 다른 광학 분산을 갖는 동시에, 등방성이고 충분한 광학 투명도를 갖는 재료는, 흔하게 이용할 수 없다.
필요한 높은 NA를 달성할 수 있는 현재의 DUV 시스템은, 트로펠(Tropel) 대물 렌즈를 포함하는 다중 구면 소자를 구비하여 구성된다. 이러한 시스템은, 매우 고가이고, 구면 소자의 약간의 변위에 의한 그 동작의 혼란에 취약하다.
DUV 방사 파장에 대한 허용 가능한 광학 투명도를 갖는 다양한 이방성 재료는, 복굴절의 재료이다. 또한, 이러한 복굴절 재료, 예를 들면 사파이어(Al2O3)와 같은 결정질 재료는, DUV 방사를 위한 높은 NA와 적합한 광학 분산을 달성하기 위해서, 적합한 굴절률을 갖는다. 그런데, 복굴절 재료는 복굴절 축(또는, "광학 축"으로 불린다)에 대한 방사 빔의 편광 성분의 배향에 따라, 방사 빔을 다르게 굴절한다. 임의의 편광을 갖는 방사에 대해서는, 빔의 성분 선이 다르게 굴절하고, 결과적으로 다른 타입의 선이 되는데, '정상 선'(o-ray)과 '이상 선'(e-ray)이 얻어진다. 광학 매체 주사 시스템 내에서의 방사 빔 성분 선의 굴절에 있어서의 이 차이의 동시 발생은, 포컬 스폿의 수차가 광학 디스크 상의 스폿의 품질을 감소하고, 결과적으로 부정확한 데이터 주사를 일으키므로, 바람직하지 않다.
본 발명의 목적은, 광학 기록 매체, 특히 복굴절 재료로 형성된 광학 소자를 구비하는 광학 기록 매체에 대해서 DUV 방사를 사용하는 광학 시스템을 개선하는 것이다.
본 발명에 따르면, 방사 빔의 경로 내의 광학 축 상에 배열된 광학 소자를 구비하는 광학 시스템으로서, 광학 소자가 복굴절 재료로 구성되고, 광학 소자가 방사 빔이 통과하는 비평면을 갖추며, 비균일한 편광을 갖는 방사 빔이 광학 축에 수직한 단면을 교차하도록 방사 빔의 편광을 제어하기 위한 편광 제어 시스템을 구비하고, 비균일 편광이 상기 비평면의 형상에 대응하는 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템을 제공한다.
편광 제어 시스템에 의해 제어됨에 따라, 비균일 편광을 갖는 방사 빔으로, 광학 소자의 복굴절 효과가 감소될 수 있다. 이는, 예를 들면 높은 개구 수(NA)를 갖는 광학 소자가 복굴절 재료로 형성되게 하는 한편, 다른 굴절 효과와 같은 복굴절의 바람직하지 않은 광학 효과를 감소시키게 한다.
본 발명은, 광학 기록 매체로부터의 데이터 신호나 광학 기록 매체로의 데이터 기록의 품질 개선을 달성할 수 있도록, 광학 기록 매체를 주사하기 위한 광학 주사 장치 내에서의 복굴절 광학 소자의 사용에 적용할 수 있다.
적어도 몇몇 복굴절을 나타내는 광학 소자는 효과적인 비용으로 제작할 수 있어, 본 발명은 이러한 소자를 사용하면서 복굴절의 유해한 효과를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 형태 및 장점은, 수반되는 도면을 참조로 예로서 나타낸 이하의 본 발명의 바람직한 실시형태로부터 명백하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 광학 소자의 측단면도,
도 2는 본 발명의 광학 소자의 평면도,
도 3은 다른 비균일 편광을 갖는 방사 빔에 작용하는 광학 소자의 측단면도,
도 4는 본 발명에 따른 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면도,
도 5는 다른 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면도,
도 6은 방사 빔의 비균일 편광의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도,
도 7은 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 생성을 위한 방사 빔 소스를 개략적으로 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 편광 제어 시스템의 편광 소자를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 편광 제어 시스템의 다른 편광 소자를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면도,
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 편광 시스템의 구성요소를 개략적으로 나타낸 도면,
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 편광 시스템의 액정 소자의 상대 배향을 개략적으로 나타낸 도면,
도 13 및 도 14는 본 발명의 편광 시스템에 의한 초기 편광의 비균일 편광으로의 변환을 개략적으로 나타낸 도면,
도 15a는 본 발명에 따른 균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면도,
도 15b는 본 발명에 따른 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면도,
도 15c는 본 발명에 따른 비균일 편광 및 위상 변경을 갖는 방사 빔의 단면도,
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 위상 변경 소자를 나타낸 도면,
도 17은 본 발명에 따른 광학 기록 매체를 주사하기 위한 광학 시스템을 개략적으로 나타낸 도면,
도 18은 본 발명에 따른 광학 시스템의 광학 소자의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 광학 시스템의 광학 소자(2)의 측단면을 나타낸다. 광학 소자(2)는 광학 축 OA 상에 배열된다. 이 실시형태에 있어서, 광학 소자는 광학 축 OA에 구면의 중심이 있는 광학 렌즈(2)다. 광학 렌즈(2)는 비평면의 입사면(4)과 평면의 출사면(5)을 갖는다. 입사면(4)은 광학 축 OA에 대해서 회전 대칭인 구면의 만곡을 갖는다. 광학 렌즈(2)는, 대략 200-300nm의 파장을 갖는 깊은 자외(DUV) 방사에 대해 광학적으로 투명한 재료를 구비한다. 이 예에 있어서, 광학 렌즈(2)는 복굴절이고 대략 1.85의 굴절률 n을 갖는 결정질의 사파이어(화학식 Al2O3)로 형성된다. 복굴절의 축 AB(또한, "광학 축"으로 불린다)는 광학 축 OA에 평행이다.
도 2는 광학 축 OA를 따라 진행하는 선형으로 균일하게 편광된 DUV 방사 빔을 갖는 광학 렌즈(2)의 평면도를 나타낸다. 균일하게 편광된 방사 빔의 3개의 전형적인(제1, 제2 및, 제3) 성분 선(6, 7, 8)이 보인다. 방사 빔의 각 성분 선(평면 또는 구면의 파면을 가질 수 있는)은, 성분 선이 때리고 비평면(4)을 통과하는 특정 위치에 따라 다르게 굴절된다.
또한, 도 1을 참조하면, 제1예의 성분 선(6: 빔 내의 대부분의 선)은, 선의 직선 편광이 광학 렌즈(2)의 원형의 주변(3)에 대해서 부분적으로 반경 방향으로, 그리고 부분적으로 탄젠트 방향으로 배향하도록 특정 위치에서 입사면(4)을 때린다. 그러므로, 제1성분 선(6)은 서로 수직한 탄젠트 방향의 편광 성분(9)과 반경 방향의 편광 성분(10)을 모두 갖는다. 탄젠트 방향의 편광 성분(9)은, o-ray(11)를 생성하기 위해서, 제1굴절률 n1에 따라 굴절된다. 반경 방향의 편광 성분(10)은 e-ray(12)를 생성하기 위해서, 제2굴절률 n2에 따라 굴절된다. 그러므로, 제1성분 선(6)은 o-ray와 e-ray의 혼합을 생성한다. e-ray는 스넬의 굴절 법칙에 따르지 않는 굴절로 생성된다.
제2예의 성분 선(7)은, 선의 직선 편광이 광학 렌즈(2)의 원형의 주변(3)에 대해서 반경 방향으로 배향하도록 특정 위치에서 입사면(4)을 때린다. 이 반경 배향은 이상 선(e-ray)을 생성하기 위해서, 광학 렌즈의 제2굴절률 n2에 따라 굴절되는 제2성분 선(7)으로 귀결된다. e-ray는, 이 예에서는 제2성분 선(7)인 생성된 성분 선의 진행 경로로부터 각도 변위된 진행 방향의 경로를 갖는다.
제3예의 성분 선(8)은, 선의 직선 편광이 광학 렌즈(2)의 원형의 주변(3)에 대해서 탄젠트 방향으로 배향하도록 특정 위치에서 입사면(4)을 때린다. 이 탄젠트 방향의 배향은, 정상 선(o-ray)을 생성하기 위해서 광학 렌즈(2)의 제1굴절률 n1에 따라 굴절되는 제3성분 선(8)으로 귀결된다. o-ray는, 이 예에서는 제3성분 선(8)인 생성된 성분 선의 진행 경로와 일치하는 진행 방향 경로를 갖는다.
광학 렌즈(2)를 때리는 방사 빔은 방사 필드를 갖는다. 이 필드는 다음과 같이 표현되는데:
Figure 112006050305283-PCT00001
(1),
여기서,
Figure 112006050305283-PCT00002
는 방사 필드이고, Eo는 방사 필드의 진폭이고,
Figure 112006050305283-PCT00003
는 방사 필드의 편광과 일치하는 방향의 단위 벡터이다.
도 3은 광학 축 OA을 따라 진행하는 다른 DUV 방사 빔의 제4예의 성분 선(13)과 제5예의 성분 선(14)에 작용하는 광학 소자(2)의 측단면을 개략적으로 나타낸다. 편의상, 제4 및 제5성분 선(13, 14)은 동일하게 도시된다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 비균일 편광을 갖는 DUV 방사 빔의 단면을 나타낸다. 이 예에 있어서, 비균일 편광은 실질적으로 탄젠트 방향의 편광이다. 광학 축 OA를 따라 진행하는 방사 빔은, 광학 축 OA에 수직한 원형의 단면(21)을 갖는다. 편광의 탄젠트 방향의 분포는 비균일이며, 단면(21)을 교차하고, 단면 렌즈(2)의 구면 형상에 대응한다. 단면(21)은, 도 4에 나타낸 복수의 섹터(22)로 분할될 수 있다. 방사 빔의 탄젠트 방향의 편광은, 각각의 이러한 섹터(22) 내에서 탄젠트 방향의 편광 성분(23)을 구비한다. 다른 탄젠트 방향의 편광 성분(23)은, 상기 적어도 몇몇 섹터(22) 내에서 다른 방향으로 정렬된다. 광학 축 OA에 대한 완전한 회전에서, 방사 빔은 광학 축 OA에 대해서 실질적으로 회전 대칭인 실질적으로 탄젠트의 형태를 갖는다. 실질적으로 탄젠트 방향의 편광은, 각 탄젠트 방향의 편광 성분(23)이 광학 축 OA에 중심이 있는 원에 대해서 대략적으로 탄젠트 방향인 것을 의미한다.
도 3을 참조하면, 광학 축 OA를 따라 진행하고, 도 4를 사용해서 도시한 것과 유사한 실질적으로 탄젠트 방향의 편광을 갖는 방사 빔은, 제4예의 성분 선(13)을 구비한다. 제4예의 성분 선(13)은 입사면(4)에 수직하지 않는 각도에서 광학 소자(2)의 입사면(4)을 때린다. 광학 소자(2)는, 방사 빔의 탄젠트 방향의 편광에 기인해서, 제1굴절 각도 α에 의한 제1굴절률 n1에 따른 제4예의 성분 선(13)을 굴절한다. 제4예의 성분 선(13)의 편광(17)의 탄젠트 방향은, 광학 축 AB에 수직한 평면에 놓인다. 이는, 굴절된 제4예의 성분 선(13)이 실질적으로 순수하게 o-ray이거나, 생성된 적어도 감소된 량의 e-ray 성분이 없는 것을 결정한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면을 나타낸다. 이 예에 있어서, 비균일 편광은 실질적으로 반경 방향의 편광이다. 광학 축 OA를 따라 진행하는 방사 빔은 광학 축 OA에 수진한 원형의 단면(24)을 갖는다. 편광의 반경 분포는 단면(24)을 교차하고, 광학 렌즈(2)의 구면 형상에 대응한다. 단면(24)은 도 5에 나타낸 복수의 섹션(26)으로 분리될 수 있다. 방사 빔의 반경 방향의 편광은, 이러한 각각의 섹터(26) 내에서, 반경 방향의 편광 성분(28)을 구비한다. 다른 반경 방향의 편광 성분(28)이 적어도 몇몇 상기 섹터(26) 내에서 다른 방향으로 정렬된다. 광학 축 OA에 대한 완전한 회전 시에, 방사 빔은 광학 축 OA에 대한 회전 대칭인 실질적으로 완전한 반경 방향의 형태를 갖는다. 실질적으로 반경 방향의 편광은, 각 반경 방향의 편광 성분(28)이 광학 축 OA에 중심이 있는 원의 반경과 대략적으로 일치하는 것을 의미한다.
다시 도 3을 참조하면, 광학 축 OA를 따라 진행하고, 도 5를 사용해서 도시한 것과 유사한 실질적으로 반경 방향의 편광을 갖는 다른 방사 빔은, 제5예의 성분 선(14)을 구비한다. 제5예의 성분 선(14)은 입사면(4)에 수직하지 않은 각도에서 광학 소자(2)의 입사면(4)을 때린다. 광학 소자(2)는, 반경 방향의 편광에 기인해서, 제2굴절 각도 β에 의한 제2굴절률 n2에 따른 제5예의 성분 선(14)을 굴절한다. 제5예의 성분 선(14)의 반경 방향의 편광(20)은, 광학 축 AB와 광학 소 자(2) 내에서의 선의 진행 방향과 실질적으로 일치하는 평면 내에 놓인다. 이는, 굴절된 제5예의 성분 선(14)이 실질적으로 순수하게 e-ray이고, o-ray 성분의 적어도 감소된 양이 생성되지 않은 것을 결정한다. 이 e-ray는 스넬의 굴절 법칙에 따르지 않는 굴절에 의해 생성된다.
도 6은 탄젠트 방향의 편광(30)을 갖는 방사 빔의 구성을 개략적으로 나타낸다.
비균일 편광을 갖는 방사 빔은, 방사 빔의 다른 횡모드(TEM)를 사용해서 형성할 수 있다. 표현 식 (2)는, 수평으로 편광된 TEM01 모드(34)와 수직하게 편광된 TEM10 허미트-가우시안 모드(36)의 합으로 고려될 수 있는 TEM01 라귀에르-가우시안 모드를 나타낸다.
도 7 내지 도 14는 본 발명의 실시형태에 따른 편광 분포를 생성하기 위한 다양한 대안적인 편광 제어 시스템을 나타낸다. 각각의 경우, 편광 제어 시스템은, 방사 빔이 탄젠트 방향의 편광을 갖도록 방사 빔의 편광을 제어한다. 기재된 본 발명의 모든 실시형태에 대해서, 방사 빔은 대략 200-300nm 범위의 파장을 갖는다.
도 7은, 비균일 편광을 갖는 방사 빔을 생성하기 위해서 도 6에 도시한 방안을 사용하는 본 발명의 실시형태에서 사용될 수 있는 방사 빔 소스(37)를 개략적으로 나타낸다. 도면 및 이하의 상세한 설명은, "The formation of laser beams with pure azimuthal or radial polarisation," R. Oron, S. Blit, N, Davidson, A.A Friesem, Appl. Phys. Lett. 77(21)(2000)의 참조 문헌에 근거한다.
방사 빔 소스(37)는 방사 빔을 위한 출력 커플러인 후방 미러(38) 및 전방 미러(39)를 갖는 레이저 공동을 구비한다. 전방 미러(39)는 방사의 특정 파장을 위한 미리 설정된 광학 투명도를 갖는다. 이득 매체(40)는 특정 파장의 방사를 생성한다. 이 방사는 전방 미러(39)에 의해 반사되고, 광학 축 OA를 따라 진행하며, 정렬된 빔의 방사를 생성하는 개구(42)를 통과한다. 정렬된 빔의 방사는, 복굴절 빔 디스플레이서(43)에 의해 변경된 임의의 편광을 갖는다.
복굴절 빔 디스플레이서(43)는, 정렬된 방사 빔을 수직한 직선 편광(44)을 갖는 방사 빔과 수평한 직선 편광(45)을 갖는 방사 빔으로 분할한다. 수직한 직선 편광(44)을 갖는 방사 빔의 진행 방향은, 광학 축 OA로부터 각도 변위된다. 결합된 불연속 위상 소자(46)는 수평 및 수직하게 직선 편광된 방사 빔(44, 45)을 변경한다.
결합된 위상 소자(46)는, 수직하게 편광된 TEM10 허미트-가우시안 모드(47)를 수직한 편광을 갖는 방사 빔에 도입하는 제1의 불연속 위상 소자를 구비한다. 결합된 위상 소자(46)는 수평하게 편광된 TEM01 모드(48)를 수평한 편광을 갖는 방사 빔에 도입하는 제2의 불연속 위상 소자를 더 구비한다. 도입된 TEM 모드(47, 48)는 탄젠트 방향으로 편광된 방사 빔의 구성에 대해 도 6을 사용해서 기재한 모드와 동일하다.
후방 미러(38)는, 실질적으로 탄젠트 방향의 편광(49)을 갖는 방사 빔을 형 성하기 위해서, 수직하게 편광된 TEM10 허미트-가우시안 모드(47)를 갖는 방사 빔과 수평하게 편광된 TEM01 모드(48)를 갖는 방사 빔 모두를, 편광된 방사 빔(47, 48)을 재결합하는 복굴절 빔 디스플레이서(43)를 향해 후방으로 반사한다. 수직하게 편광된 TEM10 허미트-가우시안 모드(47)를 갖는 방사 빔과 수평하게 편광된 TEM01 모드(48)를 갖는 방사 빔의 복굴절 빔 디스플레이서 내의 광학 경로 길이 사이의 차이가 있음에 따라, 정렬판(50)이 광학 경로 길이의 이 차이를 보상하는 후방 미러(38)와 복굴절 빔 디스플레이서(43) 사이에 위치된다. 그러면, 실질적으로 탄젠트 방향으로 편광된 빔(49)이, 전방 미러(39)를 통해 진행함으로써, 방사 빔 소스(37)에 의해 광학 축 OA을 따라 방출된다.
도 8은 본 발명의 제4실시형태에 따른 대안적인 편광 제어 시스템을 나타낸다. 이 실시형태에 있어서, 편광 제어 시스템은 1/2파장판(54)이고 광학 축 OA을 따라 배열된 제1편광 소자를 구비한다. 1/2파장판(54)은 광학 축 OA에 중심이 있고, 복수의 다른 부분(55)을 구비한다. 각 부분(55)은 대략 광학 축 OA에 대해서 섹터(55) 형태이고, 광학 축 OA를 따라 진행하는 방사 빔의 편광을 다르게 변경하도록 배열된다. 바람직하게는, 적어도 4개의 반경 방향의 섹터(55)가 있고, 각 섹터는 1/2파장판(54)과 동일 비율로 된다. 각 섹터(55)는 다른 배향의 편광(53) 축을 갖는다. 이 실시형태에 있어서는, 4개의 섹터(55)가 있다.
이 실시형태에 있어서, 방사 빔은 초기에 균일하게 편광되고, 수평 배향의 직선 편광을 갖는다. 실질적으로 탄젠트 방향인 비균일 편광된 방사 빔을 형성하 기 위해서, 편광 축(53)이 방사 빔의 수평 및 직선의 균일 편광의 영역을 다르게 변경하도록, 1/2파장판(54)이 광학 시스템 내에 배열된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 대안적인 편광 제어 시스템을 나타낸다. 이 실시형태에 있어서, 편광 소자는 서브 파장 격자(56)를 포함하는 것이 사용된다. 격자(56)는, 광학 축 OA에 대해서 대략적으로 반경 방향으로 배열된 복수의 교대로 만곡된 금속 스트립(57)과 슬릿(58)을 구비한다. 금속 스트립(57) 및 스롯(58)은, 광학 축 OA에 수직한 서브 파장 격자(56)의 평면 내에서 만곡된다. 각 금속 스트립(57) 및 각 슬롯(58)의 폭은 방사 빔의 파장 미만이고, 폭은 광학 축 OA로부터의 반경에 수직한 방향이 된다. 이 실시형태에 있어서, 방사 빔은 서브 파장 격자(56)에 의한 실질적으로 탄젠트 방향의 비균일 편광으로 변경되는 원형의 균일한 편광을 초기에 갖는다.
도 10은 탄젠트 방향의 비균일 편광을 갖는 도 9의 편광 소자를 사용해서 생성된 변경된 방사 빔의 단면을 나타낸다. 탄젠트 방향 편광의 탄젠트 편광 성분의 배향은 도 10에서 광학 축 OA에 대해서 화살표 59로 가리켜진다. 또한, 비균일 편광된 방사 빔을 생성하기 위한 이러한 서브 파장 격자의 사용에 관한 정보는,"Pancharatnam-Berry phase in space-variant polarisation-state manipulations with subwavelength gratings," Ze'ev Bomzon, V. Kleiner, E. Hasman, Opt. Lett. 26(18)(2001)을 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 편광 제어 시스템은 제1편광 소자와 제2편광 소자를 구비한다. 제1편광 소자는 이전 실시형태의 1/2파장판(54)과 유사 한 1/2파장판이고, 제2편광 소자는 이전 실시형태의 서브 파장 격자(56)와 유사한 서브 파장 격자이며; 이 유사한 1/2파장판 및 격자 형태의 대응하는 상세한 설명도 본 명세서에 적용되도록 취해진다. 이 실시형태에 있어서, 1/2파장판은, 원형의 균일한 편광을 중간 편광으로 변경하도록 배열된다. 방사 빔의 중간 편광은, 실질적으로 탄젠트의 비균일 편광의 방사 빔의 탄젠트 방향의 편광 성분의 분포와 대략 유사한 분포를 갖는 수직 및 수평 편광 성분 모두를 구비한다. 서브 파장 격자는 중간 편광을 방사 빔의 실질적으로 탄젠트의 비균일 편광으로 변경하도록 배열된다. 탄젠트 방향의 편광을 갖는 이 방사 빔의 강도는, 이전 실시형태의 서브 파장 격자(56)에 의해 생성된 탄젠트 방향으로 편광된 방사 빔의 강도 보다 대략 50% 크다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 편광 제어 시스템의 개략적인 구성요소를 나타낸다. 이 실시형태에 있어서, 편광 제어 시스템은 선형의 액정 소자의 어레이를 구비한다. 편광 시스템은 저항성이고, 특히 예를 들면 방사 빔의 자외선 방사에 대해서 광학적으로 투명한 액정 셀(72)이다. 액정 셀(72)은 제1 및 제2의 다른 정렬판(60, 62)을 각각 구비한다. 제1 및 제2정렬판(60, 62)은 광학 축 OA를 따라 서로 정렬하고, 미리 설정된 공간(63)으로 서로 이격된다. 액정 소자의 어레이가 이 공간(63)을 채워서, 제1판(60)의 내부 표면(65)과 제2판(62)의 내부 표면(66)과 접촉하도록 놓인다. 제1정렬판은, 그 내측 표면(65)과 접촉하는 선형 액정 소자가 일련의 동심 원(64)을 형성하도록 정렬되게 배열된다. 제2정렬판(62)은, 그 내측 표면(66)과 접촉하는 선형 액정 소자가 일련의 평행 선(68)을 형성하도록 정렬되게 배열된다.
도 12는 액정 셀(72)의 액정 소자의 상대 배향을 개략적으로 나타낸다. 액정 소자는 다른 반경 및/또는 축 배향의 구성을 갖는다. 액정 셀은, 제1 및 제2정렬판(60, 62)의 중심을 통해 진행하는 광학 축 OA 상에 배열된다. 도 12는 제1정렬판(60)의 내측 표면(65)으로부터 제2정렬판(62)의 내측 표면(66)으로 광학 축 OA을 따라서 본 개략적인 시야이다. 제2정렬판(62)은, 평행 선(68)이 수평하게 배열된다. 기재된 바와 같이, 동심원(64)을 형성하기 위해서, 액정 소자는 제1정렬판(60)의 내측 표면(65) 상에 배열되는데, 최 외각의 하나가 도 12에 보인다. 광학 축 OA에 평행한 방향을 따라서, 동심 원(64)의 정렬로부터 평행 선(8)의 정렬로 액정 소자의 매끄러운 회전 변환(70)이 있도록, 액정 소자는 다른 반경 방향의 배향을 갖는다.
도 13 및 도 14는, 초기에 기재된 바와 같이 배열된 액정 셀(72)에 의해 수행된 방사 빔의 초기 편광의 비균일 편광으로의 변화를 개략적으로 나타낸다.
도 13에 있어서, 방사 빔은 수평한 직선의 균일한 편광(74)인 초기의 편광을 갖는다. 방사 빔은 광학 축 OA를 따라 진행하고, 액정 셀(72)은 수평한 직선 편광(74)을 비균일한 편광, 이 예에 있어서는 실질적으로 반경 방향의 편광(76)으로 변경한다. 액정 셀(72)은, 평행 선(78)에 수직이도록 배열되고, 방사 빔이 제1정렬 시트(60)의 동심원(64)을 때리기 전에 제2정렬판(66)의 평행 선(78)을 때리도록 배열된다. 제1 및 제2정렬판(60, 62) 사이의 매끄러운 회전 변환을 갖는 액정 소자의 어레이는, 회전하는 방사 빔의 다른 영역의 직선 편광의 수평 배향을 일으킨 다.
도 14에 있어서, 방사 빔은 수직한 직선의 균일한 편광(78)을 갖는다. 방사 빔은 광학 축 OA를 따라 진행하고, 액정 셀(72)은 수직한 직선 편광(78)을 비균일 편광, 이 예에 있어서는 실질적으로 탄젠트인 편광(80)으로 변경한다. 액정 셀(72)은, 평행 선(78)에 수직이도록 배열되고, 방사 빔이 제1정렬 시트(60)의 동심 원(64)을 때리기 전에 제2정렬판(66)의 평행 선(78)을 때리도록 배열된다. 제1 및 제2정렬판(60, 62) 사이의 매끄러운 회전 변환을 갖는 액정 소자의 어레이는, 회전하는 방사 빔의 다른 영역의 직선 편광의 수직 배향을 일으킨다. 또한, 액정 어레이에 의한 방사 빔의 편광의 변경에 관한 정보는, "Linearly polarised light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarisation converters," M. Stalder, M. Schadt, Opt. Lett. 21(23)(1996)을 참조로 본 명세서에 포함된다.
도 15a는 본 발명에 다른 균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면을 나타낸다.
도 15b는 본 발명에 따른 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면을 나타낸다.
도 15c는 본 발명에 따른 위상 변경된 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면을 나타낸다.
도 15a 내지 도 15c 모두에 대해서, 방사 빔은 방사 빔의 단면의 중앙에 놓인 광학 축 OA를 따라 진행한다. 도시의 목적을 위해서, 단면은 한 쌍의 수직 축(82, 84) 상에 보인다. 단면의 빔은 원형의 회전 대칭이고, 광학 축 OA에 수직하다.
도 15a를 참조하면, 예를 들면 본 발명의 실시형태의 초기 편광인 균일한 편 광을 갖는 이전에 기재된 바와 같은 방사 빔(86)의 단면은 단면(86)의 중앙에서 높은 방사 강도(88)의 영역을 갖는다.
도 15b를 참조하면, 예를 들면 이전 실시형태의 1/2파장판(54)이나 서브 파장 격자(56) 또는 액정 셀(72)로 생성된 탄젠트의 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면(90)은, 단면(90)의 중심에서 낮은 방사 강도(92)의 영역을 갖는다. 이 낮은 강도 영역(92)은 높은 방사 강도(94)의 환상 영역으로 둘러싸인다. 낮은 방사 강도(92)의 이 영역은, 광학 축 OA에 대한 방사 빔의 하나의 완전한 회전으로 위상 특이점을 도입하는 것에 기인한다. 본 발명의 광학 시스템 내에서 이 위상 특이점을 갖는 탄젠트 방향으로 편광된 방사 빔의 사용은, 방사 빔을 포커싱함에 따라 생성된 포컬 스폿의 수차로 귀결된다.
도 15c는 위상 특이점이 제거된 탄젠트의 비균일 편광을 갖는 방사 빔의 단면(96)을 나타낸다. 단면(96)의 중심에, 도 15a의 균일하게 편광된 방사 빔의 단면의 높은 방사 강도(88)의 영역과 유사한 높은 방사 강도(98)의 영역이 있다. 위상 특이점을 제거하기 위해서, 위상 변경이 방사 빔에 도입된다. 이하, 도입된 위상 변경을 갖는 방사 빔을 표현한다.
Figure 112006050305283-PCT00004
(2)
여기서,
Figure 112006050305283-PCT00005
는 제1축(82)을 따른 단위 벡터이고,
Figure 112006050305283-PCT00006
는 수직한 제2축을 따른 단위 벡터이며, φ는 각도 극좌표이다.
도 16은 본 발명의 실시형태에 따른 위상 변경 소자를 개략적으로 나타낸다. 위상 변경 소자는, 위상 특이점을 갖는 방사 빔에 위상 변경을 도입하도록 배열된다. 이 실시형태에 있어서의 위상 변경 소자는, 위상 특이점을 제거하기 위해서, 위상 팩토 ei φ를 방사 빔에 부가한다. 위상판(99)은 원형이고, 광학 축 OA 상의 중앙에 배열된다. 위상판(99)은 광학 축 OA에 평행한 방향으로 반경 방향의 두께를 갖는다. 반경 방향의 두께는 최소 두께(101)로부터 최대 두께(104)로 광학 축 OA에 대해서 일정한 두께로 회전하면서 증가한다. 최소 두께(101)와 최대 두께(104)는 방사 빔 각각의 최소 및 최대 광학 경로 길이에 대응한다. 최소 두께(101)와 최대 두께(104)는 광학 축 OA에 평행한 방향으로 높이를 갖는 반경 방향의 단차에 의해 연결된다. 높이 h는, 최소 광학 경로 길이와 최대 광학 경로 길이 사이의 광학 경로 차이가 방사 빔의 한 파장, 이 예에서는, 바람직하게는 대략 256nm이도록 결정된다. 이는, 방사 빔의 하나의 위상 사이클, 예를 들면 방사 빔의 2π 위상 단차에 대응한다.
도 17은 본 발명에 따른 광학 기록 매체를 주사하기 위한 광학 주사 장치를 개략적으로 나타낸다. 광학 주사 장치는 본 발명의 광학 시스템의 실시형태를 포함한다. 이 광학 주사 장치의 소자 및 시스템은 본 발명의 실시형태에 따라서 초기에 기재된 소자 및 시스템과 유사하다. 이러한 소자 또는 시스템에 대해서, 연관된 참조 번호는 200번대로 나타내고, 이러한 소자 또는 시스템의 대응하는 이전의 설명을 여기에 적용한다.
광학 축 OA를 따라서, 바람직하게는 대략 256nm의 파장을 갖고 원형의 균일 한 편광을 갖는 방사 빔(103)을 생성하는 방사 빔 소스(102)를 배열한다. 이 예에 있어서, 방사 빔 소스(102)는 레이저이다. 편광 시스템은 원형의 편광을 실질적으로 탄젠트의 비균일 편광으로 변경한다. 편광 시스템은, 방사 빔(103)의 원형 편광을 탄젠트로 편광된 방사 빔의 탄젠트 방향의 편광 성분에 대한 분포와 대략 유사한 편광 성분을 구비하는 중간 편광으로 변경하는 도 8을 사용해서 기재한 것과 유사한 1/2파장판(254)을 구비한다. 또한, 편광 시스템은 중간 편광을 실질적으로 탄젠트의 비균일 편광으로 변경하는 도 9를 사용해서 기재한 것과 유사한 서브 파장 격자(256)를 구비한다. 위상 변경 소자는, 방사 빔의 위상 특이점을 제거하기 위해서, 위상 팩토를 탄젠트로 편광된 방사 빔에 부가하는 도 16을 사용해서 기재한 것과 유사한 위상판(299)이다. 포커싱 시스템(105)은 반사 굴절의 설계를 사용하고 구면 미러(107)를 포함하는 BSO(Burried Schwarzschild Objective) 렌즈(106)를 구비한다. BSO 렌즈(106)는 석영으로 형성되고, 이 예에서는 대략 0.65의 NA를 갖는다. 또한, 포커싱 시스템은, 도 1을 사용해서 기재한 것과 유사한 광학 렌즈(202)를 구비한다. 이 실시형태에 있어서, 광학 렌즈는 복굴절의 하프볼 렌즈이다. 포커싱 시스템(105)은 광학 기록 매체, 예를 들면 광학 디스크의 정보층(108) 상에, 포컬 스폿(109)에 대해서 탄젠트로 편광된 방사 빔을 포커스한다. 방사 빔의 탄젠트 방향의 편광의 광학 축 OA에 대한 완전한 회전은, 광학 축 OA에 대한 광학 렌즈(202)의 원형에 대응한다. 이는, 이 경우에 있어서, 탄젠트로 편광된 방사 빔의 성분 선이, 초기에 기재된 바와 같이 e-ray가 아닌 o-ray만을 생성하는 것을 보장한다. 포컬 스폿(109)은 광학 렌즈(202)의 복굴절에 기인하는 수차에 영향을 받지 않으므로, 고품질이 된다. 광학 디스크의 정보 층(108) 상으로의 방사 빔의 포커싱에 수반해서, 방사 빔은 광학 축 OA를 따라 후방으로 반사되고, 선택 미러(111)에 의해 검출 및 추적 시스템(112)으로 반사된다. 검출 및 추적 시스템(112)은 반사된 방사 빔을 수신하고, 반사된 방사 빔에 의해 운반된 정보 층(108)의 데이터를 해석한다. 추가적으로, 검출 및 추적 시스템(112)은 포컬 스폿(109)과 정보 층(108)의 트랙의 소정의 정렬 에러를 식별한다.
도 18은 본 발명의 광학 시스템의 다른 실시형태에 따른 광학 소자의 동작을 개략적으로 나타낸다. 복굴절의 대물 렌즈(114)와 이전 실시형태의 복굴절의 하프볼 렌즈와 유사한 복굴절의 하프볼 렌즈(116)가 광학 축 OA를 따라 배열되어, 광학 기록 매체, 예를 들면 광학 디스크를 주사하기 위한 광학 주사 장치의 포커싱 시스템을 형성한다. 복굴절 대물 렌즈(114)는 사파이어(Al2O3)로 형성되며, 광학 축 OA에 대해 회전 대칭이며, 구면의 만곡된 면(115)을 갖는다. 만곡된 면(115)의 만곡률은, 제작 품질의 허용 공차를 달성하기 위해서 충분히 낮은 값으로 된다. 만곡된 면(115)은 대략 1.513의 높은 굴절률을 갖는 실리콘 러버(118)로 형성된 구면 층으로 덮인다. 복굴절 대물 렌즈(114)는 대략 1.1의 NA를 갖고, 대략 1.6mm의 입사동 직경을 갖는다. 실질적으로 탄젠트 방향의 편광을 갖는 방사 빔은 복굴절 대물 렌즈(114)와 복굴절 하프볼 렌즈(116)에 의해 포컬 스폿(122)에 포커스된 광학 축 OA을 따라 진행하는 복수의 성분 선(120)을 구비한다. 포컬 스폿(122)은 탄젠트 방향으로 편광된 방사 빔의 성분 선(120)이 복굴절 하프볼 렌즈(116) 내의 o- ray만을 생성함에 따라 이전 실시형태에서와 같이 고품질이다. 광학 렌즈(116)와 광학 디스크의 기판 층(도시 생략) 사이의 광학 축 OA를 따른 거리는, 최대로는 방사 빔의 거의 한 파장, 이 예에서는 대략 256nm로 결정된다.
복굴절 대물 렌즈(114)가 대안적으로 석영으로 형성되면, 대물 렌즈는 대략 0.9의 낮은 NA를 갖게 되고, 이 실시형태의 광학 주사 장치에서 사용되는 충분히 높은 NA를 갖지 않게 된다.
도 7 내지 도 10 및 도 15 내지 도 18을 참조로 기재된 본 발명의 소자 및 실시형태는, 실질적으로 탄젠트 방향의 편광인 방사 빔의 비균일 편광으로 기능하도록 배열된다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서는, 도 7 내지 도 10과 도 15 내지 도 18을 참조로 기재된 소자 및 실시형태는 실질적으로 반경 방향의 편광인 방사 빔의 비균일 편광으로 기능하도록 다르게 적합하게 배열된다. 상기 실시형태는 본 발명의 예를 나타내는 것으로 이해된다. 본 발명의 다른 실시형태가 고려될 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 시스템의 소자가 대안적인 재료로 형성될 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들면, 복굴절의 대물 렌즈와 복굴절의 하프볼 렌즈는 사파이어보다 높은 다른 굴절률 재료로 형성될 수 있다.
추가로, 광학 시스템은, 예를 들면 탄젠트 방향의 편광이나 반경 방향의 편광을 갖는 비균일하게 편광된 방사 빔을 생성하기 위한 다른 편광 제어 시스템을 구비할 수 있는 것으로 고려된다.
또한, 일실시형태의 액정 소자 어레이의 액정 소자는, 방사 빔의 편광을 변 경하기 위해서, 다른 축 및/또는 반경 방향의 배향을 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 대해서 기재된 위상판은, 대안적으로 방사 빔 내로 위상 변경을 도입하기 위한 다른 위상 변경 소자일 수 있다.
본 발명의 실시형태의 포커싱 시스템은, 하나 이상의 복굴절 대물 렌즈와, 복굴절 하프볼 렌즈 및 BSO 렌즈를 포함하는 광학 소자를 구비한다. 대안적인 광학 소자는, 본 발명에 따른 광학 시스템의 이러한 포커싱 시스템에 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
상기된 실시형태에 있어서는, 본 발명의 실시형태의 광학 시스템의 소자가, 200nm 및 300nm 사이의 파장을 갖는 DUV 방사 빔을 위해 정확하게 기능하도록 설계된다. 그런데, 본 발명은 복굴절 소자, 특히 렌즈 소자가 방사 빔이 통과하는 비평면의 굴절 표면을 갖는 소정의 광학 시스템에 적용할 수 있는 것으로 고려된다.
적어도 하나의 실시형태와 연관된 소정의 형태가 독자적으로 사용되거나, 기재된 다른 형태와 조합해서 사용될 수 있고, 소정의 다른 실시형태의 하나 이상의 형태와의 조합 또는 소정의 다른 실시형태의 소정의 조합으로 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 수반되는 청구항에서 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 상기되지 않은 등가 및 변형이 채용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 방사 빔의 경로 내의 광학 축 상에 배열된 광학 소자를 구비하는 광학 시스템으로서, 광학 소자(2, 116, 202)가 복굴절 재료로 구성되고, 방사 빔이 통과하는 비평면(4)을 갖추며, 비균일한 편광을 갖는 방사 빔이 광학 축에 수직한 단면(21, 24)을 교차하도록 방사 빔의 편광을 제어하기 위한 편광 제어 시스템을 구비하고, 비균일 편광이 상기 비평면의 형상에 대응하는 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단면의 복수의 섹터(22)에 있어서, 빔의 편광이, 적어도 몇몇 상기 섹터(22) 내에서 다른 방향으로 정렬된 실질적으로 탄젠트 방향의 편광을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단면의 복수의 섹터(26)에 있어서, 빔의 편광이, 적어도 몇몇 상기 섹터(26) 내에서 다른 방향으로 정렬된 실질적으로 반경 방향의 편광을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 비평면의 형상이, 광학 축(OA)에 대해서 회전 대칭인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  5. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 시스템이 광학 축(OA)에 실질적으로 평행한 광학 축(AB)을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  6. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    편광 제어 시스템이, 복수의 다른 부분(55)을 구비하는 제1편광 소자(54, 254)를 구비하고, 각 부분이 방사 빔의 편광을 다르게 변경하도록 배열된 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    제1편광 소자가 상기 광학 축 주변의 섹터 내에 배열된 적어도 4개의 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  8. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    편광 제어 시스템은 액정 소자의 어레이를 구비하고, 액정 소자는 다른 반경 및/또는 축 배향의 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  9. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    편광 제어 시스템이, 초기의 방사 빔의 실질적으로 균일한 편광을 상기 비균일 편광으로 변경하기 위해 배열된 편광 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    초기 편광은 직선 편광인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    초기 편광이 원 편광이고, 편광 제어 시스템이,
    상기 원 편광을 중간 편광으로 변경하도록 배열된 제1편광 소자(54, 254)와,
    상기 중간 편광을 상기 비균일 편광으로 변경하도록 배열된 제2편광 소자(56, 256)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    제2편광 소자가 격자인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  13. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 시스템은 위상 변경 소자(99, 299)를 구비하고, 상기 위상 변경 소자는 위상 변경을 방사 빔 내에 도입하도록 배열된 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    방사 빔은 실질적으로 한 파장이고, 위상 변경은 파장의 실질적으로 하나의 위상 사이클인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  15. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    방사 빔은 자외선 방사 빔인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  16. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 소자는 렌즈 소자인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  17. 광학 기록 매체를 주사하기 위한 광학 주사 장치로서, 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 광학 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 주사 장치.
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