KR20100017954A - 빔-포인팅 보정을 위한 광 변조기 - Google Patents

Abstract

변조 펄스 방사빔(20)을 제공하기 위한 장치는 일정한 펄스 반복 주파수로 펄스 방사빔(10)을 제공하기 위한 방사원(16) 및 다수의 빔 강도 변조기(18a ~ 18e)를 갖춘다. 펄스 방사빔 경로의 축 회전가능한 빔-편향 요소(12)는 차례로 각각의 다수의 빔 강도 변조기 쪽으로 펄스 방사빔을 사이클적으로 방사한다. 빔-편향 요소와 동기화된 축 회전가능한 빔-재결합 요소는 일정한 펄스 반복 주파수로 변조 펄스 방사빔을 형성하기 위해 각각의 빔 강도 변조기로부터의 변조 광을 결합한다. 적어도 하나의 빔-포인팅 보정장치는 적어도 하나의 축 회전 위치에서 빔-편향 요소 및 빔-재결합 요소를 광학적으로 결합한다.

레이저 변조, 빔 편향기, 재결합기, 방사원, 타이밍 지터, 굴곡 반사면

Description

빔-포인팅 보정을 위한 광 변조기{OPTICAL MODULATOR WITH BEAM-POINTING CORRECTION}

본 발명은 Cobb et al.에 의한 "OPTICAL POWER MODULATION AT HIGH FREQUENCY"로 명칭된 2006년 11월 29일 출원의 특허출원 제60/842306호를 참조한다.

본 발명은 통상 고주파 펄스 광원을 위한 광 파워 변조에 관한 것으로, 특히 변조 펄스 광 출력을 제공하는 시스템에서의 빔-포인팅 보정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

펄스 레이저는 수술장비에서부터 전자 마이크로회로를 형성하기 위한 리소그래피 시스템까지 널리 적용되어 사용되고 있다. 종래 펄스 레이저 변조를 위한 다수 타입의 장치가 사용되고 있다. 이들은 예컨대 음향-광학 변조기(AOM: Acousto-Optical Modulator) 및 전기-광학 변조기(EOM: Electro-Optical Modulator)와 같이 레이저 광의 일부를 편향시키거나 회절시키는 장치를 포함한다. 다른 타입의 변조기는 액정(LC: Liquid Crystal) 변조기와 같이 광 편광상태를 이용하여 동작한다. 또 다른 타입의 펄스 광 변조기는 예컨대 보이스 코일, 압전 액츄에이터, 모터, 및 서보 장치에 의해 작동되는 몇몇 레이저 빔의 가변부를 차단하는 기계적인 동작에 의해 동작한다.

종래의 펄스 레이저 변조를 위해 이용된 각 타입의 변조기는 몇가지 한계가 있다. 예컨대, 기계적인 장치는 속도 범위 내에서만 동작한다. 음향-광학 변조기와 같은 몇몇 타입의 장치는 파장 범위에서만 작동한다.

펄스 변조에 있어서 하나의 특정 관심 분야는 UV 리소그래피이다. 향상된 마이크로회로 제조를 위한 지속적인 해결책의 방안으로 통상 약 250 nm 이하의 깊은 UV 영역의 광을 이용함과 더불어 보다 짧은 단파장을 이용하는데 특히 관심을 갖고 있다. 그러나, 이러한 파장 범위에서의 펄스 레이저 빔의 변조는 종래의 해결책들을 무시하는 다수의 문제들을 갖고 있다. 그 하나의 문제가 AOM 및 EOM 장치와 같은 변조기의 범위를 초과하는 특정 범위에 관한 것이다. 예컨대, KD*P(Potassium Dideuterium Phosphate) 또는 KDP(Potassium Dihydrogen Phosphate)와 같은 통상의 EOM 재료는 이러한 특정 범위에 있어 재료의 낮은 손상 임계치를 야기하는 UV 파장에서 비교적 강한 흡수를 나타낸다. 이는 UV 리소그래피 애플리케이션을 위한 포텐셜 변조기와 같은 장치를 제거한다.

또 다른 문제는 높은 펄스율에 관한 것이다. 5 ~ 6 KHz 또는 이보다 높은 펄스율로 동작할 수 있는 엑시머 레이저에 의해 적절한 파워 레벨의 UV 광이 효과적으로 제공된다. 이것은 깊은 UV 범위에서 동작될 수 있는 기계적인 광 변조기의 응답속도를 크게 초과한다. 따라서, 아주 짧은 파장 및 비교적 높은 펄스 주파수의 조합은 종래의 광 변조 해결책들을 무시한다.

속도 및 유연성으로 제한된 펄스 레이저 변조에 대한 종래의 접근방식은 UV 리소그래피 기술의 성능을 제한한다. 따라서, 비록 높은 펄스 레이저 주파수가 과거 몇년동안 시행되고 있을 지라도, UV 펄스 레이저를 이용하는 리소그래피 시스템은 향상된 정밀도 및 처리 속도를 제공하는 추가의 포텐셜을 이용하는 것이 불가능했다.

Cobb et al.에 의한 "OPTICAL POWER MODULATION AT HIGH FREQUENCY"로 명칭된 2006년 11월 29일 출원의 특허출원 제60/842306호에 제안된 한 방법은 각각의 다수의 분리된 광 강도 변조기로 하나 또는 그 이상의 개별 광 펄스를 사이클적으로(cyclically) 재방향 지우는 빔 편향기를 갖춘 장치를 제공하고 있으며, 게다가 단일의 출력 경로 상에 변조 펄스를 조합하기 위한 빔 재결합기를 제공하고 있다. 이러한 방법이 펄스간 변조를 허용하는 반면, 약간의 기계적인 오정렬, 속도 불규칙성, 또는 펄스 타이밍 지터로부터 발생하는 문제들이 이러한 시스템의 출력에서 빔 포인팅 아티팩트(beam pointing artifact)를 야기할 수 있다. 따라서, 이를 위한 빔-포인팅 보정장치 및 광 빔을 재방향지우고 재결합시키는 다른 타입의 장치가 필요하다.

본 발명은 레이저 광 변조 기술을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 위해, 본 발명은 이하의 구성요소를 포함하는 변조 펄스 방사빔을 제공하기 위한 장치를 제공한다:

a) 일정한 펄스 반복 주파수로 펄스 방사빔을 제공하기 위한 방사원;

b) 다수의 빔 강도 변조기;

c) 차례로 각각의 다수의 빔 강도 변조기 쪽으로 펄스 방사빔을 사이클적으로 재방향 지우기 위한 펄스 방사빔 경로의 축 회전가능한 빔-편향 요소;

d) 일정한 펄스 반복 주파수로 변조 펄스 방사빔을 형성하기 위해 각각의 다수의 빔 강도 변조기로부터의 변조 광을 결합하도록 배치되고, 빔-편향 요소와 동기화된 축 회전가능한 빔-재결합 요소; 및

e) 적어도 하나의 축 회전 위치에서 빔-편향 요소와 빔-재결합 요소를 광학적으로 결합하는 적어도 하나의 빔-포인팅 보정장치를 포함한다.

상기와 같은 본 발명의 특징적 구성은 펄스 광 변조기에서의 타이밍 지터 또는 정렬 에러에 대한 수동 광학 보상을 제공한다.

따라서, 상기와 같은 본 발명의 장점은 빔-포인팅 아티팩트(beam-pointing artifact)를 최소화하거나 제거하는데 도움을 준다.

상기한 본 발명 및 본 발명의 또 다른 특징, 목적, 구성 및 장점들은 부가되는 도면을 참조하여 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명 및 수반된 청구항들을 통해 보다 명확히 이해 및 평가될 것이다.

도 1은 본 발명을 이용한 입력 및 변조된 출력 펄스 시퀀스를 나타낸 타이밍도이다.

도 2는 본 발명에 따른 펄스 분배 및 변조의 동기화를 나타낸 개략도 및 타이밍도이다.

도 3a 및 3b는 일실시예에 있어서의 빔 편향기 및 재결합기로서 결합된 회전 모노곤(monogon)을 이용한 광 변조기를 나타낸 사시도이다.

도 4a는 도 3a 및 3b 실시예의 일부를 나타낸 측면도이다.

도 4b는 회전 웨지 반사기를 이용하는 다른 실시예의 측면도이다.

도 5는 빔-포인팅 에러 조건을 나타낸 회전 이중-모노곤 실시예의 측면도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 빔-포인팅 보정 장치가 제공된 회전 이중-모노곤 실시예의 측면도이다.

도 7은 렌즈를 이용한 실시예의 빔-포인팅 보정 요소의 개략도이다.

도 8a, 8b, 8c 및 8d는 본 발명의 장치 및 방법을 이용한 하나의 변조 채널에서의 빔 포지셔닝 에러를 위해 제공된 수동 보상을 나타낸다.

도 9는 빔 포지셔닝 보상을 위한 굴곡 반사면을 이용한 실시예에서의 회전 반사 웨지의 측면도를 나타낸다.

도 10은 빔 포지셔닝 보상을 위한 각 변조 채널에서의 한쌍의 굴곡 반사면의 어레이를 이용한 실시예를 나타낸 사시도이다.

도 11은 빔-포인팅 에러 보상을 위한 단일쌍의 굴곡 반사면의 이용을 나타낸 측면도이다.

도 12는 빔-포인팅 에러 보상을 위한 단일쌍의 굴곡 반사면을 이용한 빔 생 성장치의 사시도이다.

도 1의 타이밍 차트는 본 발명의 전체적인 목표, 즉 비교적 일정한 파워(power) 출력을 갖는 펄스 방사빔(10)으로부터 생성되는 변조된 고주파 펄스 방사빔(20)을 제공하는 것을 나타낸다. 본 발명의 장치 및 방법은 특히 각 개별 변조 구성요소의 응답시간보다 짧은 주기를 포함하는 주기(t1)의 범위에 채용될 수 있다. 기술한 실시예에 있어서, 예컨대 각각의 개별 구성요소가 약 1 KHz만의 최대 응답시간을 갖는 어레이의 변조기 구성요소는 5 KHz의 펄스 반복 주파수를 갖는 펄스 레이저 빔을 변조하는데 이용될 수 있다(0.2 msec의 주기(t1)를 갖는). 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각의 고주파 변조 펄스 방사빔(20)의 각각의 개별 펄스는 펄스마다 출력 파워의 높은 정확한 전송이 가능하게 변조될 수 있다. 다음 도면의 개략도는 펄스 방사빔(10) 입력의 경로를 나타내며, 변조 펄스 방사빔(20)이 여러 실시예에서 어떻게 형성되는지를 나타낸다.

여기에 나타내고 도시한 도면들은 본 발명에 따른 그들 각각의 광학 경로에 걸친 기본적인 동작의 개념 및 구성요소간 연관관계를 기술하기 위해 제공되며, 실제 크기 또는 규모를 나타내려는 것은 아니다. 기본적인 구조적 관계 또는 동작의 개념을 강조하기 위해 약간의 과장을 필요로 한다. 예컨대, 회전식 액츄에이터 또는 광학 마운트와 같이 기술된 실시예들의 실시에 필요한 몇몇 종래의 구성요소들은 발명의 설명의 간략화를 위해 도면에 도시하지 않는다. 이하의 도면 및 문장에 있어서, 동일한 구성요소는 동일한 참조부호로 표시하고, 이미 기술한 구성요소와 관련한 설명 및 구성요소의 배열 또는 상호작용은 생략한다.

도 2의 개략도는 통상 레이저(16)로부터의 펄스 방사빔(10)이 어떻게 빔 편향기(12) 및 2개 또는 그 이상의 저속 광 변조기를 이용하여 고속으로 변조될 수 있는지를 나타낸다. 설명을 위해, 비록 다수의 변조기가 사용될 수 있을 지라도, 도 2의 예에서는 5개의 변조기(18a, 18b, 18c, 18d, 18e)를 나타낸다. 본 예의 경우, 주기(t1)가 0.2 msec가 되도록 펄스 방사빔(10)이 5 KHz의 주파수로 제공된다. 또한, 변조기 1 내지 5(변조기 18a 내지 18e에 대응하는)에 대한 예시의 변조 레벨 그래프가 각각의 변조기의 우측에 나타나 있다. 따라서, 예컨대 변조기 18a는 변조 펄스 방사빔(20)의 제1펄스의 레벨로 설정되고, 변조기 18b는 제2펄스의 레벨로 설정되고, 변조기 18c는 제3펄스의 레벨 등으로 설정된다. 예컨대, 제1펄스를 제공하는데 필요한 감쇄 레벨과 제6펄스를 제공하는데 필요한 감쇄 레벨간 일시적 변이로 변조기(18a)에서 약간의 시간(time)이 걸린다는 것에 주목하자. 펄스 레이저 출력의 0.2 msec 주기(t1)에 비해, 변조기 18a 내지 18e는 1 KHz 주파수 범위에서 통상 응답시간, 예컨대 1.0 msec의 주기로 느리게 응답한다. 따라서, 예컨대 단일의 변조기(18a)가 너무나 느리게 동작하여 5 KHz 시퀀스의 펄스로 각각의 개별 펄스를 변조하는 것을 조절할 수 없다. 그러나, 도 2의 개략도에 나타낸 바와 같이, 빔 편향기(12)는 변조기 응답시간보다 짧은 주기(t1)를 갖는 펄스 레이저 빔의 각 펄스마다의 변조를 제공하기 위해 2개 또는 그 이상의 이들 저속 변조기에 펄스를 재방향 지우도록 빔-편향 요소로 이용된다. 다음에, 변조 펄스 는 다음에 기술하는 바와 같이 단일의 경로 상에서 재결합된다.

이러한 다중화 구성에 사용된 빔 편향기(12)가 동시에 변조기(18a, 18b, 18c, 18d, 18e)들 중 어느 하나에 단일 펄스 또는 2개 또는 그 이상의 연속 펄스를 방향 지울 수 있다는 것을 알았다. 출력 파워의 정확한 제어를 위해, 정확한 타이밍으로 소정 단일의 변조기 채널에 정수의 순차 펄스(즉, 자연수 또는 계수: 0, 1, 2, 3, 등)를 방향 지우는 것이 바람직하다. 도 2에 나타낸 실시예는 주어진 감쇄 레벨로 동시에 단일 펄스를 변조하는 각각의 변조기(18a, 18b, 18c, 18d, 18e)를 갖춘다. 그러나, 2개 또는 그 이상의 순차 펄스는 예컨대 동일한 레벨로 감쇄를 위해 차례로 각각의 변조기로 보내질 것이다.

도 3a 및 3b에 있어서,빔 편향의 함수, 펄스 변조, 및 빔 재결합이 다수의 가능한 결합 구성요소를 이용하여 실시될 수 있다. 도 3a 및 3b의 사시도에 나타낸 실시예의 빔 생성장치(30)는 회전 이중 모노곤(62; monogon)을 채용한다. 또한, 도 4a의 측면도에 나타낸 회전 이중 모노곤(62)은 회전가능 샤프트(44)의 각각의 대향 단부 상의 2개의 모노곤(50, 52)으로 이루어진다. 동작에 있어서, 회전 이중 모노곤(62)은 2개의 기본적인 기능, 즉 (i) 도 2의 빔 편향기(12)와 관련하여 기술한 바와 같은 빔-편향 요소, 및 (ii) 변조 펄스 방사빔(20)을 형성하기 위해 단일의 광학 경로로 변조 출력 빔을 편향시킴으로써 변조 출력 광 빔을 재결합기 위한 빔-재결합 요소로서 빔 결합기(40)의 기능을 수행한다. 도 3a 및 3b에 나타낸 빔 생성장치(30)는 4개의 변조 채널(60a, 60b, 60c, 60d)을 갖춘다. 각각의 변조 채널(60a, 60b, 60c, 60d)은 비변조 광 입력 및 변조 광 출력을 방향 지우기 위한 한쌍의 서포팅 터닝 미러(48; surpporting turning mirror)와 함께 대응하는 변조기(18a, 18b, 18c, 18d)를 갖춘다.

도 3a는 변조 채널(60b)에 대한 광 경로를 나타낸다. 제1모노곤(50)은 변조 채널(60b)에 대한 위치로 회전하고 터닝 미러(48)를 통해 변조기(18b)로 하나 또는 그 이상의 펄스를 방향 지운다. 다음에, 변조 채널(60b)로부터의 변조 출력은, 빔 결합기(40)로서 작용할 경우 변조 펄스 방사빔(20)의 일부로서 변조 광을 그 출력으로 방향 지우는 제2회전 모노곤(52)으로 제2터닝 미러(48)를 통해 방향 지워진다.

계속해서, 샤프트(44)가 회전하여 도 3b에 나타낸 바와 같이 광을 변조 채널(60c)로 방향 지운다. 여기서, 광은 변조기(18c)에서 변조되고 유사하게 빔 결합기(40)로서 작용하는 제2회전 모노곤(52)으로 재방향 지워진다. 유사한 방식으로, 샤프트(44)가 회전함에 따라, 펄스 광이 차례로 각각의 변조 채널(60a, 60b, 60c, 60d)로 그리고 그로부터 사이클적으로 방향 지워진다.

도 4a는 도 3a 및 3b의 기본 배열의 측면도를 나타낸다. 명확성을 위해, 2개의 변조기(18a, 18b)만을 이러한 도면으로 나타냈다. 추가의 변조기들은 도 3a 및 3b의 예로 나타낸 바와 같이 회전축(R)의 적절한 각도 위치로 분배될 것이다. 빔 생성장치(30)의 이중 모노곤(62)은 빔 편향기 구성요소로서 제공되는 모노곤(50) 및 빔 재결합기 구성요소로 제공되는 모노곤(52)을 갖는 빔-편향 요소 및 빔-재결합 요소 모두를 제공한다. 도 4a의 특정 예에 있어서, 감소된 입사각은 편광된 광의 처리를 향상시킨다. 보다 높은 입사각에서의 반사가 반대로 편광에 영향을 줄 수 있기 때문에, 예각으로, 바람직하게는 45도 이하의 예각으로 편광된 광을 반사시키는 장점이 있다. 도 4a에서의 이중 모노곤(62) 및 미러(48)의 각도 배열의 경우, 편광 상태에 따른 반사의 영향을 최소화하여 입사 및 반사각(A1, A2, A3, A4)이 감소된다.

도 4b는 단일의 굴절 구성요소가 빔-편향 요소로 빔 편향을 그리고 빔-재결합 요소로 빔 재결합을 모두 제공하는 또 다른 배열을 나타낸다. 도 4b의 측면도는 회전 빔 편향기 및 빔 재결합기로서 굴절 회전 프리즘(66)을 이용하는 빔 생성장치(30)의 실시예를 나타낸다. 굴절 회전 프리즘(66)은 R축(페이지의 평면에 있는)에 대해 회전한다. 도 4b에 나타낸 회전 위치에서, 굴절 회전 프리즘(66)은 예각의 입사 및 반사각(A3)으로 입사 펄스 방사빔(22)의 하나 또는 그 이상의 펄스를 미러(48)로 재방향 지운다. 미러(48)는 광을 변조기(18a) 쪽으로 반사한다. 다음에, 변조기(18a)로부터 출력된 변조 광 펄스는 제2미러(48)로부터 굴절 회전 프리즘(66)으로 반사된다. 입사 및 반사각(A2, A3)은 본 실시예에서는 감소된다. 또한, 도 4a와 같이, 2개의 변조기(18a, 18b)만을 나타낸다. 추가의 변조기는 회전축(R)에 대해 적절한 각도 위치로 분배될 것이다.

도 3a, 3b, 4a 및 4b에 나타낸 실시예에서 잘 동작하는 반면, 약간의 펄스 타이밍 지터에 대한 민감성, 회전 불규칙성, 및 전체 기계적인 공차가 있다는 것을 알 수 있다. 이상적인 경우, 바람직하게 변조 펄스 방사빔(20)을 형성하는 재결합 펄스는 도 3a ~ 4b의 회전축(R)과 직선인 출력 광학축을 따라 정렬될 것이다. 그러나, 실제로 어느 정도의 타이밍, 회전, 또는 기계적인 정렬 에러는 변조 펄스 방사빔(20)의 유효성 및 조준 정밀도를 감소시키는 빔 포인팅 아티팩트를 야기할 수 있다.

도 5의 측면도는 빔-포인팅 아티팩트가 어떻게 발생하는지를 나타낸다. 이 도면에서, 실선은 펄스 방사빔에 대한 의도된 광 경로를 나타낸다. 점선은 빔-포인팅 아티팩트를 야기하는 실제 광 경로를 나타낸다. 신호 지터, 회전 지터, 또는 약간의 기계적인 오정렬은 펄스 방사빔(22)이 제1회전 모노곤(50)의 반사면에 도달할 경우 약간의 각도 에러를 야기한다. 이러한 빔은 제1터닝 미러(48) 쪽으로 편향되고 의도된 광 경로에 대해 중심에서 약간 벗어난 각도로 광 변조기(18a)를 통해 방향 지워진다. 다음에, 변조기(18a)로부터의 변조 광은 다시 각도 에러 성분에 의해 제2터닝 미러(48)로부터 반사된다. 그러나, 빔-재결합 요소로 작용하는 회전 모노곤(52)의 경우, 이러한 재방향 지워진 광은 의도된 변조 펄스 회전 빔(20)과 같은 동일한 각도가 아니라 변조 펄스 회전 빔(20')과 같이 약간 기준에서 벗어난다. 몇몇의 경우, 각도 에러는 광학 시스템의 다른 구성요소들에 의해 출력 펄스가 적절히 처리되는 것을 막는데 충분하거나 표면 상의 부정확한 목표 또는 위치로 그 출력 빔을 방향 지우기에 충분하다.

빔-포인팅 아티팩트를 방지하기 위한 기존의 접근방식은 빔-편향 요소 및 빔-재결합 요소의 신호 지터, 회전 지터, 또는 소정의 기계적인 오정렬을 최소화하거나 제거하는 것이다. 그러나, 이는 이러한 결과를 달성하는데 필요한 구성요소 제조, 조립, 및 테스팅에 있어 지나치게 높은 비용이 든다는 것이다. 더욱이, 그와 같은 에러 소스가 제거된다 해도, 거기에는 본질적으로 펄스 폭과 관련된 많은 미묘한 복잡성이 있다는 것이다. 심지어 몇몇 엑시머 레이저 타입에 있어 겨우 50 ~ 100 nsec 이하의 통상의 펄스 폭으로 레이저 펄스가 매우 좁다 하더라도, 거기에는 펄스의 선행 엣지 및 후행 엣지가 제때에 분리되고 이때 발생하는 모노곤 또는 다른 빔 편향기(12)의 연속적인 회전으로 인해 쉽게 발생하는 어느 정도의 "발산 확대"가 존재한다. 즉, 도 5의 구성요소 배열에 있어서, 모노곤(50)이 제1회전각도일 경우 레이저 펄스의 선행 엣지가 제1터닝 미러(48)로 반사된다. 모노곤(50)이 제1회전각도에서 약간만 회전된 제2회전각도일 경우 상기 그 동일한 레이저 펄스의 후행 엣지가 반사된다. 결과적으로, 입력 펄스 방사빔(22)에 대해 출력 변조 펄스 방사빔(20)을 증가적으로 확장하는 이러한 효과로 인해 약간의 발산이 나타날 수 있다.

본 발명은 회전 빔-편향 요소의 광-재방향 지움면을 회전 빔-재결합 요소의 대응하는 광-재방향 지움면과 결합하는 광학 시스템을 이용하여, 수동 방식으로, 발산 확대를 포함하는 빔-포인팅 아티팩트의 문제를 처리한다. 도 6의 측면도는 본 발명에 따른 빔 포인팅 보정장치(100)를 이용하는 일실시예의 빔 생성장치(30)를 나타낸다. 여기서, 빔-포인팅 보정장치(100)는 변조 채널(60a) 내에 있으며, 광을 변조기(18a)로 그리고 그로부터 방향 지운다. 이러한 타입의 배열에 있어서, 각각의 변조 채널은 자신의 빔-포인팅 보정장치(100)를 갖춘다.

도 7의 개략도는 광학적으로 전개된 도 6에 사용된 바와 같은 빔-포인팅 보정장치(100)의 배열을 나타낸다. 시스템으로서, 렌즈 102 및 104로 이루어지는 빔-포인팅 보정장치(100)는 1X 텔레스코프의 광학 구성과 유사점이 있다. 모노 곤(50)의 광-재방향 지움면은 렌즈(102)의 전방 초점면에 있다. 이 광-재방향 지움면은 렌즈(104)의 후방 초점면에서 모노곤(52)의 광-재방향 지움면과 광학적으로 결합한다. 렌즈 102와 104간 중심의 변조기(18)의 상대적인 위치는, 렌즈 102와 104간 소정의 적절한 위치가 적합할 지라도, 참조를 위해 가상선으로 나타냈다. 변조기(18)에 입사하는 광은 비변조 펄스 방사빔(22)이다. 변조기(18)에서 출사하는 광은 변조 펄스 방사빔(20)이다.

빔-포인팅 보정장치(100)는 1X 확대로 이들 2개의 광 재방향 지움면을 광학적으로 결합하고 입력 및 출력 빔의 시준(collimation)을 유지함으로써 동작한다. 도 8a 내지 8d에 나타낸 시퀀스는 빔-포인팅 아티팩트를 야기하는 오프-각(off-angle)의 광을 이러한 배열이 어떻게 처리하는지를 나타낸다. 도 8a는 단일의 변조 채널(60)에 있어서, 빔-포인팅 보정 구성이 없는 시스템의 이상적인 정렬을 나타낸다. 이 경우, 바람직하게 레이저 펄스가 제1모노곤(50)을 스트라이크(strike)할 경우 빔-편향 요소 및 빔-재결합 요소로 작용하는 모노곤 미러(50, 52)가 배열된다. 다음에, 변조 펄스 방사빔(20)의 결과의 변조 출력 펄스는 보정 위치에서 십자선으로 표시된 타겟 T로 방향 지워진다. 비교에 의해, 도 8b는 입력 레이저 펄스와 모노곤 미러(50, 52)들간 오정렬이 언제 발생했는지를 나타낸다. 이 경우, 제1모노곤 미러(50)는 도 8a의 이상적인 광학 경로로부터 약간 벗어나는 각도로 펄스를 방향 지운다. 변조기(18)에서의 변조 후, 다시 제2모노곤 미러(52)는 변조 펄스 방사빔(20)이 점선으로 나타낸 바와 같이 오프-타겟(off-target)되도록 벗어난 각도로 펄스를 방향 지운다. 도 8c는 빔-포인팅 보정장 치(100)가 어떻게 동작하는지를 나타낸다. 여기서 렌즈(102, 104)를 통해, 제1모노곤(50)의 반사면을 제2모노곤(52)의 반사면과 광학적으로 결합하거나 또는 이미징함으로써 빔-포인팅 보정장치(100)는 빔 방향의 약간의 각도 에러를 보정한다. 결과적으로, 변조 펄스 방사빔(20)은 온-타겟(on-target)을 유지한다.

또한, 시준은 본 실시예의 빔-포인팅 보정장치(100)의 내부 포커스를 갖는 1X 텔레스코프 배열에 의해 유지된다. 도 8d에 나타낸 바와 같이, 시준된 광은 펄스 방사빔(22)으로 입력되어, 변조된 후, 변조 펄스 방사빔(20)의 시준 광으로 출력된다.

도 6의 굴절 실시예로 사용된 렌즈 102 및 104에 교대로 굴곡 반사 광학 구성요소를 사용하는 또 다른 실시예의 빔-포인팅 보정장치(100)가 도 9에 나타나 있다. 변조 채널(60)은 구면 릴레이 미러(110, 112)를 이용하는 비-포인팅 보정장치(100) 및 변조기(18)를 갖춘다. 회전 반사 웨지(108), 또는 그와 동등한 구성요소는 각각 빔-편광 요소 및 빔-재결합 요소로 제공되는 반사면(114, 116)을 갖춘다. 여기서 두께로 나타낸 반사면 114와 116간 거리는 구면 릴레이 미러(110, 112)의 초점 길이 및 미러의 접힘각에 의해 결정된다. 제1반사면(114)은 제1구면 릴레이 미러(110)로부터의 하나의 초점 길이이다. 유사하게, 제2반사면(116)은 제2구면 릴레이 미러(112)로부터의 하나의 초점 길이이다. 변조기(18)는 각각의 구면 릴레이 미러(110, 112)로부터의 하나의 초점 길이의 거리로 제1 및 제2구면 릴레이 미러(110, 112)간 거의 중심에 나타나 있다. 그러나, 이것은 릴레이 미러 110과 112간 광학 경로를 따라 몇몇 다른 지점으로 변조기(18)를 위치시키는 장점 이 될 수 있다.

도 10의 사시도는 각각의 10개의 변조 채널(60)에 반사 빔-포인팅 보정장치(100)를 제공하는 빔 생성장치(30)의 실시예를 나타낸다. 어느 하나의 변조 채널(60)에 걸친 광 경로가 점선으로 나타나 있다. 이러한 배열에 있어서, 여기서 갈바노미터-작동 요소로 나타낸 각각의 변조 채널(60)의 변조기(18)는 최단 거리에 제1구면 릴레이 미러(110)가 위치된다. 터닝 미러(48)는 펄스 방사빔(22)을 빔 생성장치(30) 내로 방향 지우고, 변조 펄스 방사빔(20)을 빔 생성장치(30) 외로 방향 지운다. 반사 웨지(108)는 방향 지워지는 펄스 방사빔(22)을 연속으로 각각의 릴레이 미러(110)로 그리고 거기로부터 각각의 대응하는 변조기(18)를 통해 회전시킨다. 이러한 실시예에 있어서, 보상기 플레이트(120)는 변조기(18)로부터의 출력 광을 변조 펄스 방사빔(20)으로 제공한다. 빔(20)은 적절한 굴곡 릴레이 미러(112)에 의해 반사 웨지(108) 쪽으로 다시 방향 지워진다. 여기에서, 그 광은 출력 광으로 재방향 지우기 위해 터닝 미러(48)로 진행한다.

각각의 변조 채널(60)에서 한쌍의 릴레이 미러(110, 112)를 이용하는 대안이 도 11 및 12에 각각 측면도 및 사시도로 나타나 있다. 여기서, 동일한 2개의 굴곡 반사면(124, 126)이 각각의 변조 채널(60)에서 릴레이 미러로 이용된다. 일실시예에 있어서, 굴곡 반사면(124, 126)은 구면 미러면이고, 굴곡 반사면(124)의 굴곡 중심은 굴곡 반사면(126)의 정점에 있다. 유사하게, 굴곡 반사면(126)의 굴곡 중심은 굴곡 반사면(124)의 정점에 있다. 각각의 반사면(124, 126)은 레이저 빔이 빔 생성장치(30)로 입수하거나 빔 생성장치로부터 출수하게 하는 개구(122)를 갖춘다. 선택적으로, 터닝 미러는 본 실시예의 빔 생성장치(30) 내로 그리고 그로부터 광을 방향 지우는데 이용될 것이다. 도 12에는, 변조기(18b)를 갖춘 변조 채널(60b)을 통한 광 경로가 나타나 있다. 반사 웨지(108)는 앞서 기술한 바와 같이 연속으로 각각의 변조 채널로 사이클적으로 방향 지워지는 광을 축(R) 회전시킨다. 변조 채널 구성요소는 거의 동일한 각도 증가로 축(R)에 분배된다.

도 6 내지 12에 나타낸 실시예에는 빔-포인팅 보상 기능을 제공하기 위한 다수의 가능한 배열을 갖는다. 본 발명은 여러 레이저 파워 레벨, 주어진 적절히 디자인된 빔-형성 옵틱(optic), 빔 편향 장치, 및 변조 장치가 이용될 수 있다. 일실시예에 있어서, 예컨대 소스 펄스는 펄스당 약 10 mJ로 엑시머 레이저로부터 방출된다. 통상 펄스 레이저 소스의 펄스 폭은 보통 50 ns 내지 100 ns 범위의 통상의 펄스 폭을 갖는 시간 주기(도 1의 t1)에 비해 매우 작다.

여기에 나타낸 예시의 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 장치 및 방법은 펄스 방사빔의 펄스마다 수행하기 위한 어레이로 배열된 다수의 비교적 느린 빔 강도 변조기의 사용을 허용한다. 이것은 각각의 개별 펄스의 상대적인 강도를 제어할 수 있게 하여, UV 리소그래피와 같은 애플리케이션에 유효해질 수 있게 한다.

펄스간 변조 외에, 본 발명의 장치 및 방법에 의해 제공되는 또 다른 장점은 개선된 전력소비에 관한 것이다. 사이클적 방식으로 각각의 다수의 변조 채널로 적은 수의 레이저 펄스를 방향 지움으로써, 본 발명이 변조 구성요소 및 이들의 서포팅 옵틱의 수명의 연장을 돕는데 사용될 수 있다.

소정 여러 타입의 빔 강도 변조기는 AOM, EOM, 또는 LC 소자, 압전 또는 서보-작동 구경(aperture), 회전 셔터 또는 이와 다르게 작동하는 셔터를 포함하는 셔터, 또는 압전 액츄에이터나 서보 장치에 의해 작동되는 슬릿 또는 보이스 코일, 갈바노미터-작동 장치나 그 외의 다른 장치를 포함하는 본 발명 장치의 변조기(18)로서 채용될 것이다. 예컨대, 전기 광학 변조기는 포켈 셀 디바이스(Pockels cell device), 가변 간격 페브리 페롯 에탈론(Fabry-perot etalon), 부분적으로 투과하는 메쉬(mesh) 및 구멍 뚫린 판, 부분적으로 투과하거나 반사하는 광학 코팅 또는 표면, 벌크 흡수 광학 재료, 및 이동하는 블레이드(blade) 또는 셔터와 같은 기계적인 메카니즘을 포함할 수 있다. 유전체 필름과 같은 광학 코팅은 펄스 광 경로를 가로지르는 전송 구배를 갖는 평행이동 요소 또는 상호교환 고정 요소 뿐만 아니라 틸팅(tilting) 감쇄 요소에 의해 가변 전송을 얻는데 사용될 수 있다. 순차 감쇄 제어 또는 연속 가변 제어가 사용될 것이다. 불연속 간격의 감쇄가 선형적이거나 대수적일 수 있고, 또 다른 입출력 특성을 가질 수 있다.

빔 편향기(12) 및 빔 재결합기(40)가 반사하는 본 발명 장치의 실시예에 대해 주로 기술했지만, 광을 편향시키기 위한 대체 방식이 채용될 수 있다. 예컨대, 앞서 도 4b에 주어진 예와 관련하여, 굴절 요소가 빔 편향기(12) 및 빔 재결합기(40)에 사용될 수 있다. 빔-포인팅 보정을 제공하기 위해, 굴절 광 편향기는 빔-포인팅 보정장치(100) 옵틱에 의해 결합된 동등의 굴절평면을 가질 것이다. 또한, 광을 편향시키기 위한 또 다른 대체로서, 회절 편향기가 사용될 것이다. 그와 같은 실시예는 회전 프리즘 또는 틸팅 미러에 균형을 맞추기 보다 입사 광에 수직인 축에 대해 회전하는 그레이팅(grating) 또는 회절 편향기에 비교적 쉽게 균형을 맞출 수 있기 때문에 기계적인 장점을 가질 수 있다. 그와 같은 회절 장치에 있어서, 유효한 편향 면은 빔-포인팅 보정장치(100) 옵틱에 의해 광학적으로 결합될 것이다.

본 발명이 특정의 상기 소정의 바람직한 실시예들을 참조하여 상세히 기술했을 지라도, 본 발명은 상술한 바와 같이 그리고 수반되는 청구항들에 기술한 바와 같은 범위 내에서 당업자에 의해 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변형 및 변경될 수 있다. 예컨대, 레이저 소스는 엑시머 레이저이거나 또는 다른 타입의 고주파 소스일 수 있다. 레이저(16)는 큐-스위치(Q-switched) 또는 모드-락(mode-locked)의 주파수 4중 YAG(Yttrium Aluminum Garnet) 레이저와 같은 펄스 고체-상태 레이저일 수 있다. 또한, 본 발명의 장치에 사용된 바와 같은 펄스 방사빔의 사이클적 재방향 지움 및 재결합을 위한 빔-편향 요소로서의 빔 편향기(12) 및 이와 동시에 회전하는 빔-재결합 요소로서의 빔 결합기(40)를 제공하기 위한 다수의 옵션이 있다. 이들은, 예컨대 반사 회전 폴리곤, 회전 모노곤, 또는 다른 타입의 회전가능 반사 요소를 포함한다.

따라서, 펄스간 가변의 파워를 갖는 펄스 광 출력을 얻고, 빔-포인팅 아티팩트에 대한 수동 광학 보상을 포함하는 장치 및 방법이 제공될 수 있다.

Claims (20)

1. 변조 펄스 방사빔을 제공하기 위한 장치에 있어서,

   a) 일정한 펄스 반복 주파수로 펄스 방사빔을 제공하기 위한 방사원;

   b) 다수의 빔 강도 변조기;

   c) 차례로 각각의 다수의 빔 강도 변조기 쪽으로 펄스 방사빔을 사이클적으로 재방향 지우기 위한 펄스 방사빔 경로의 축 회전가능한 빔-편향 요소;

   d) 일정한 펄스 반복 주파수로 변조 펄스 방사빔을 형성하기 위해 각각의 다수의 빔 강도 변조기로부터의 변조 광을 결합하도록 배치되고, 빔-편향 요소와 동기화된 축 회전가능한 빔-재결합 요소; 및

   e) 적어도 하나의 축 회전 위치에서 빔-편향 요소와 빔-재결합 요소를 광학적으로 결합하는 적어도 하나의 빔-포인팅 보정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   빔-편향 요소는 차례로 각각의 다수의 빔 강도 변조기 중 하나로 동시에 펄스 방사빔의 단일 펄스를 재방향 지우도록 작동하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   적어도 하나의 빔 강도 변조기는 셔터, 압전 작동장치, 보이스-코일 작동장 치, 서보-작동장치, 및 갈바노미터-작동장치를 포함하는 그룹으로부터 취해지는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   적어도 하나의 빔-포인팅 보정장치는 1X 텔레스코프의 광학 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   빔-편향 요소는 회전 모노곤(monogon)인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   방사원은 엑시머 레이저 및 펄스 고체-상태 레이저를 포함하는 그룹으로부터 취해지는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   적어도 하나의 빔 강도 변조기는 다이크로익 면(dichroic surface)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 청구항 1에 있어서,

   빔 강도 변조기는 빔-편향 요소의 회전축에 대해 동일한 각도 증가로 배치되 는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 청구항 1에 있어서,

   빔-편향 요소는 45도 이하의 각도로 입사 펄스 방사빔을 편향시키는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 청구항 1에 있어서,

    빔-편향 요소 및 빔-재결합 요소는 회전가능 샤프트에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 청구항 1에 있어서,

    적어도 하나의 빔-포인팅 보정장치는 2개 또는 그 이상의 렌즈 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 청구항 1에 있어서,

    적어도 하나의 빔-포인팅 보정장치는 2개 또는 그 이상의 굴곡 반사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 청구항 1에 있어서,

    빔-편향 요소는 반사성인 것을 특징으로 하는 장치.
14. 청구항 1에 있어서,

    빔-편향 요소는 굴절성인 것을 특징으로 하는 장치.
15. 청구항 1에 있어서,

    빔-편향 요소는 회절성인 것을 특징으로 하는 장치.
16. 변조 펄스 방사빔을 제공하기 위한 장치에 있어서,

    a) 일정한 펄스 반복 주파수로 펄스 방사빔을 제공하기 위한 방사원;

    b) 동시에 다수의 빔 강도 변조 채널 중 하나로 펄스 방사빔을 사이클적으로 재방향 지우도록 작동하는 펄스 방사빔 경로의 회전가능 샤프트 상의 빔 편향기; 및

    c) 일정한 펄스 반복 주파수로 변조 펄스 방사빔을 형성하기 위해 각각의 다수의 빔 강도 변조기로부터의 변조 광을 결합하기 위한 회전가능 샤프트 상의 빔 재결합기를 포함하며,

    상기 각 빔 강도 변조 채널은 회전가능 샤프트의 회전축에 대해 동일한 각도 증가로 배치되고,

    상기 적어도 하나의 빔 강도 변조 채널은:

    (i) 입사 펄스 방사의 가변 감쇄를 제공하기 위한 빔 강도 변조기; 및

    (ii) 빔 강도 변조기로 광을 방향 지우기 위해 빔 편향기 및 빔 재결합기를 광학적으로 결합하는 빔-포인팅 보정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 변조 펄스 방사빔을 제공하기 위한 방법에 있어서,

    a) 일정한 펄스 반복 주파수로 펄스 방사빔을 제공하는 단계;

    b) 변조 광을 형성하기 위해, 제1빔-편향 요소로부터의 편향에 의해, 차례로 각각의 다수의 빔 강도 변조기 쪽으로 펄스 방사빔을 사이클적으로 재방향 지우는 단계;

    c) 일정한 펄스 반복 주파수로 변조 펄스 방사빔을 형성하기 위해, 제2빔-편향 요소로부터의 편향에 의해, 각각의 다수의 빔 강도 변조기로부터의 변조 광을 결합하는 단계; 및

    d) 다수의 빔 강도 변조기 중 적어도 하나에 의해 광을 변조하기 위해 제1빔-편향 요소를 제2빔-편향 요소에 이미징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 청구항 17에 있어서,

    펄스 방사 빔을 재방향 지우는 단계는 각각의 빔 강도 변조기로 동시에 펄스 방사빔의 단일 펄스를 사이클적으로 재방향 지우는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 청구항 17에 있어서,

    제1빔-편향 요소를 제2-빔 편향 요소에 이미징하는 단계는 2개 또는 그 이상 의 렌즈를 통해 광을 방향 지우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 청구항 17에 있어서,

    제1빔-편향 요소를 제2-빔 편향 요소에 이미징하는 단계는 2개 또는 그 이상의 오목 반사면으로 광을 방향 지우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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