KR20120041774A

KR20120041774A - 기판 처리를 위해 광 빔을 생성하는 광학 시스템

Info

Publication number: KR20120041774A
Application number: KR1020127005459A
Authority: KR
Inventors: 홀거 뮈엔쯔; 볼프강 메르켈; 다미안 피올카; 요하네스 뱅글러
Original assignee: 칼 짜이스 레이저 옵틱스 게엠베하
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2012-05-02
Also published as: CN102576152A; US20120154895A1; WO2011012485A1; DE102009037141A1; DE102009037141B4; JP2013501351A

Abstract

기판 면(14)에 배치된 기판을 처리하기 위해 광 빔을 생성하는 광학 시스템이, 이 때 광 빔이 광 빔의 전파 방향(Z)에 수직인 제1 디멘젼(X)에서 빔 길이(L)를 갖고, 제1 디멘젼(X) 및 광 전파 방향(Z)에 수직인 제2 디멘젼(Y)에서 빔 폭(B)을 갖는데, 적어도 하나의 혼합 광학 장치(18)을 포함하고, 이는 광 빔을 제1 및 2 디멘젼들 중 적어도 하나에서, 서로에 중첩된 방식으로 기판 면(14)에서 입사하는 복수의 광 경로들(24a-c)로 분할한다. 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 배열이 광 빔의 빔 경로에 존재하고, 하나의 광 경로에서 적어도 하나의 다른 광 경로(24a-c)까지의 적어도 하나의 광 경로 거리에 대해 광의 코히어런스의 정도를 적어도 감소시키기 위한 방식으로 광 빔 상에 작용한다.

Description

기판 처리를 위해 광 빔을 생성하는 광학 시스템{OPTICAL SYSTEM FOR GENERATING A LIGHT BEAM FOR TREATING A SUBSTRATE}

본 발명은 기판 면(substrate plane)에 배치된 기판을 처리하기 위한 광 빔을 생성하기 위한 광학 시스템에 관한 것으로서, 상기 광 빔이 광 빔의 전파 방향에 수직인 제1 디멘젼에서 빔 길이를 갖고 제1 디멘젼 및 광 전파 방향과 수직인 제2 디멘젼에서 빔 폭을 갖고, 제1 디멘젼 및 제2 디멘젼의 적어도 하나에 있는 광 빔을 서로 중첩되는 방식으로 기판 면에 입사하는 복수의 광 경로(light path)들로 분할하는, 적어도 하나의 혼합 광학 장치(mixing optical arrangement)를 포함한다.

그러한 광학 시스템은 WO 2007/141185 A2에서 알려져 있다.

도입부에서 언급한 타입의 광학 시스템은 예를 들면, 재료를 용해시키기 위해 특히, 실리콘의 광 유도 결정화의 분야에서 사용된다. 하나의 특정 애플리케이션이 평면 스크린 제조이며, 여기에서 비정질 실리콘층을 구비한 기판이 실리콘을 결정화하기 위해 광 빔을 사용하여 처리된다. 이 경우에, 사용된 기판은 예를 들면, 30 ㎝ 초과 × 50 ㎝ 초과의 범위의 비교적 큰 치수를 갖는다. 도입부에서 언급한 타입의 광학 시스템으로, (이하 X로 표기되는) 제1 디멘젼의 빔 길이를 갖는 광 빔이 그에 따라 생성되고, 상기 빔 길이는 기판의 폭(예컨대, 대략 30 ㎝)에 근사적으로 대응한다. X-디멘젼에 수직인 (이하 Y로 표기되는) 디멘젼에서, 광 빔은 가능한 한 가는 것으로 되도록 의도되고, 여기에서 기판의 처리를 위한 가능한 한 높은 에너지 밀도를 얻기 위해서는 수 마이크로미터의 Y-디멘젼의 빔 폭이 바람직하다.

그에 따라 기판에 인가되는 광 빔은 빔 길이에 따라 5000보다 더 커질 수 있고 10000보다도 더 커질 수 있는 X-디멘젼의 빔 길이와 Y-디멘젼의 빔 길이의 큰 비를 갖는다.

이 경우에, 기판을 처리하기 위해 사용되는 광 빔은 광 빔의 강도 분포가 적어도 (긴) X-디멘젼에서 가능한 한 균일할 뿐 아니라, 짧은 Y-디멘젼에서도 가능한 한 많아야 하는 요건을 만족시켜야 한다.

상기 언급한 문서 WO 2007/141185 A2호로부터 알려진 광학 시스템은 2개의 렌즈 어레이를 갖는 혼합 광학 장치를 갖고, 상기 각 렌즈 어레이는 X-디멘젼에서 서로의 옆에 배치되는 복수의 렌즈들 예컨대, 원통형 렌즈(cylindrical lenses), 및 콘덴서 광학 유닛(condenser optical unit)을 갖는다. 일반적으로, 혼합 광학 장치는 혼합함으로써, 즉 광 빔을 부분 레이들로 분할하고 그것들을 중첩함으로써 기판 면 내의 광 빔의 광을 균일화하는 역할을 한다.

이해를 간단히 하기 위해, 혼합 광학 장치가 오직 (긴) X-디멘젼에서 광 빔의 균일화를 초래하는 경우가 이하에서 고려된다.

도 1은 더욱 간략화된 방식 및 전체 참조 부호 1이 제공된, 알려진 광학 시스템을 도시한 도면이다.

광학 시스템(1)은 광학 혼합 장치(2)를 갖고, 도면을 간략화하기 위해, 상기 광학 혼합 배열은 오직 3개의 개별 렌즈들(2a, 2b, 2c) 및 콘덴서 광학 유닛(3)을 포함하는 렌즈 어레이를 갖고, 그것의 초점 거리는 fc로 표기된다. 참조 부호 4는 콘덴서 광학 유닛(3)이 초점을 맞추는 기판 면을 나타낸다.

전파 방향 Z로 전파하는 입사 광 빔(5)이 혼합 광학 장치(2)에 의해 복수의 부분 레이들로 분할되고, 혼합 광학 장치(2)가 3개의 개별 렌즈들(2a, 2b, 2c)을 갖는 간략화된 예에서, 상기 광 빔(5)은 3개의 광 경로들(6a, 6b, 6c)을 따라 상응하게 전파하는 3개의 부분 레이들로 나누어진다. 각기 인접한 광 경로들(6a, 6b, 6c) 간의 거리는 도 1에서 L로 표기된다. 개별 부분 레이들 또는 광 경로들(6a, 6b, 6c)은 콘덴서 광학 유닛(3)에 의해 기판 면(4)에서 서로 중첩된다. 따라서, 광은 3개의 광 경로들(6a, 6b, 6c) 상에서 기판 면의 필드 포인트(field point)를 통과하게 된다.

광 빔(5)의 복수 개의 광 경로들(6a, 6b, 6c)로의 분할 및 기판 면(4)에서 그것의 중첩 때문에, 상이한 광 경로들(6a, 6b, 6c)로부터의 광 간의 간섭의 결과로서 생기는 강도 콘트라스트(intensity contrast)가 기판 면(4)에서 생길 수 있다. 도 1의, 우측 도면에서, 강도 I는 기판 면(4)에 있는 x-좌표에 반대하여 그려진다. 간섭 현상 때문에, 강도 I는 이에 따라 균일하지 않다.

서로에 대해 기울어진 각기 두 개의 부분 레이들의 간섭 시, 각 경우에 주기적인 간섭 패턴이 발생하고, 이는 그 다음에 중첩된다. 상기 제시된, 인접한 렌즈들간의 동일한 길이(L)를 갖는 렌즈 어레이의 경우, 발생하는 간섭 주기들이 서로의 배수이다. 거리 n?L, 파장 λ, 및 콘덴서 광학 유닛(3)의 초점거리 fc를 갖는, 두 광 경로들로부터의 광 간섭에 대한 간섭 주기pn 간에 다음의 관계가 성립한다:

(1)

일반적으로, 광 경로 거리(L)의 상이한 배수들n L과 관련된 상이한 간섭 주기pn는 기판 면(4)에서 중첩된 방식으로 발생한다.

주목할 것은, 본 발명이, 광학 시스템의 하나 이상의 혼합 광학 배열이 광도 간의 일정한 광 경로 거리(L)를 갖는 광 경로들을 생성해내는 광학 시스템에 제한되는 것이 아니라, 광 경로 거리(L)가 광 경로에 따라 달라질 수 있는 광학 시스템 또한 포함한다는 것이다. 후자의 경우에, 간섭 패턴이, 중첩되어 불규칙적 패턴을 형성하는 복수의 상이한 간섭 주기(interference periods)를 갖는다.

기판 면(4)에서 간섭 콘트라스트를 줄이기 위해서, WO 2007/141185 A2호는 광 빔이 혼합 광학 배열 상에 입사하기 전에, 광 빔을 수많은 부분 레이들로 분할하는 것, 및 개별적 부분 레이들을 상이한 입사각에서 혼합 광학 배열 상에 입사하도록 만드는 것을 제안한다. 혼합 광학 배열 상에서 개별적 부분 레이들의 상이한 입사각들은, 입사각들에 대한 적합한 선택이 주어졌을 때 기판 면 상에서 서로에 대해 오프셋되는 간섭 패턴 및 개별적 부분 레이들이 서로에 대해 코히어런트하지 않는(incoherent) 경우에, X-디멘젼에서 일정한 강도 I로 전체적으로 이어지는 간섭 패턴이 생기게 한다.

입사하는 광 빔을 복수의 평행하지 않은 부분 레이들(non-parallel partial rays)로 분할하는 것이 알려진 광학 시스템에서 거울에 의해 달성되고, 상기 거울은 펄스 연장 모듈(pulse lengthening module)에 배치된다.

알려진 광학 시스템의 한 가지 약점은, 개별적 부분 레이들 간의 각도 오프셋(angular offset)을, 기판 면에 있는 간섭 콘트라스트가 감소되거나 제거되도록, 간섭 주기의 절반의 홀수 배에 의해, 서로에 대해 개별적 부분 레이들에 의해 생성된 간섭 패턴들이 오프셋될 정도로 충분히 정확하게, 설정하는 것이 어렵다는 사실에 있다. 또한, 알려진 유형의 펄스 연장 모듈은 훨씬 더 높은 입사각을 가진, 복수의 훨씬 더 약한 부분 레이들을 일반적으로 생성해내고, 이는 마찬가지로 어려움을 줄 수 있다.

본 발명은 기판 면에 있는 간섭 콘트라스트가 간단한 방식으로 적어도 감소되는 취지로, 도입부에 언급된 유형의 광학 시스템을 발전시키는 목적에 근거하고 있다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 도입부에서 언급된 광학 시스템에 대하여, 하나 이상의 코히어런스-영향 광학 장치(coherence-influencing optical arrangement)가 광 빔의 광 경로에 존재하고, 하나 이상의 다른 광 경로로부터의 하나의 광 경로의 하나 이상의 광 경로 거리에 대해 광의 코히어런스 정도를 적어도 감소시키는 방식으로 광 빔 상에 작용한다는 사실의 장점에 의해 달성된다.

본 발명은 광학 시스템에서 입사하는 광의 측면의 코히어런스 정도를 감소시킨다는 개념에 근거하는 것으로서, 광학 시스템은 광 레이의 전파방향을 가로지르는 방향으로, 입사하는 광 빔을 복수의 광 경로들로 분할하는, 하나 이상의 혼합 광학 배열을 갖고, 하나 이상의 광 경로 거리에 있어서, 바람직하게는 상기 측면의 코히어런스 정도를 0 값으로 최소화한다. 다시 말하자면, 본 발명은 다른 광 경로들로부터의 광이 덜 방해할 수 있거나, 전혀 방해할 수 없을 정도로, 측면의 코히어런스를 감소시키는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 위해, 상세한 설명이 아래 바람직한 수단(measure)에 제시됐으며, 그에 의해, 간단한 방식으로 및 조정 지출을 증가시키지 않고, 하나 이상의 다른 광 경로로부터 하나의 광 경로의 하나 이상의 광 경로 거리에 대해 광의 코히어런스 정도를 적어도 감소시킬 수 있다.

하나의 수단은, 광 경로들을 가로지르는 방향의 광 빔의 측면의 코히어런스 길이 및 두 개 이상의 인접한 광 경로들 간의 광 경로 거리의 비율을 줄이는 것, 및 바람직하게는 그것을 2 미만이 되게, 더욱 바람직하게는 1 미만이 되게 설정하는 것에 있다.

광 경로들을 가로지르는 방향의 광 빔의 측면의 코히어런스 길이가 두 개의 인접한 광 경로들 간의 광 경로 거리보다 작을 경우, 이러한 두 개의 광 경로들로부터의 부분 레이들이 거의 서로를 간섭할 수 없다. 즉, 기판 면에서의 간섭 현상들이 이 경우에 거의 완전히 회피될 수 있다. 사용되는 광의 미리 정해진 자연적인 측면의 코히어런스 길이, 예컨대 엑시머 레이저(eximer laser)로부터의 광이 주어진다면, 이는 광 경로 거리를 증가시키는 것이 필요하게 만든다, 즉 전파 방향을 가로지르는 광 빔의 미리 정해진 정도에 대해, 적어도 하나의 혼합 광학 배열을 더 적은 혼합 광학 요소들로 만드는 것(fashioning)이 필요하게 만들고, 이는 그러나 혼합 광학 배열의 균일화 효과를 감소시킬 것이다.

추가의 바람직한 수단이, 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 배열이 광 빔을 광 경로를 가로지르는 방향으로, 복수의 측면으로 오프셋된 부분 레이들로 분열시키는 빔 스플리터 배열을 갖도록 제공하고, 그 레이들의 서로에 대한 전파 경로차가 부분 레이들의 광의 일시적인 코히어런스 길이보다 크다.

이 수단의 경우에, 빔 스플리터 배열에 의해 생성된 서로에 대해 측면으로 오프셋된 복수의 부분 레이들이, 광의 일시적인 코히어런스 길이보다 큰 전파 경로차에 의해 서로로부터 분리된다. 측면의 코히어런스 길이가 동일하게 유지될 때, 이 배열은 빔 폭을 네 배가 되게 하고, 측면의 코히어런스 길이 대 광 경로 거리의 비율은 그로써 상응하게 감소될 수 있다. 반투명 거울, 프리즘(내부 전반사를 사용한), 오프셋 판(offset plate) 또는 그밖에 유사한 것들이 빔 스필리터 배열들로서 사용될 수 있다. 알려진 광학 시스템과 달리, 부분 레이들이 서로에 대해 평행할 수 있다.

추가의 바람직한 수단이, 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 배열이 코히어런스 컨버터 배열을 갖도록 제공하고, 이는 두 디멘젼들 중 하나의 디멘젼에서 광 빔을 복수의 부분 레이들로 분열시키는 빔 스플리터 배열, 및 부분 레이들을 서로의 옆에 나머지 다른 디멘젼의 방향으로 배열시키는 빔 리소팅 장치(beam resorting arrangement)를 갖는다.

본 발명에서 사용될 수 있는 그러한 코히어런스 컨버터 배열이 문서 DE 10 2006 018 504 A1에서 기술된다. 그러한 코히어런스 컨버터 배열은, 광 빔의 X-디멘젼에서, 발산(divergence)에서의 증가, 및 코히어런스 정도 및 빔 폭과 관련한 광의 측면의 코히어런스 길이의 상응하는 감소를 야기한다.

추가의 바람직한 구성(configuration)에서, 하나 이상의 코히어런스-영향 광학 배열이, 그것의 광 입사 표면 및 광 출사 표면이 평면이고 서로에 대해 비스듬히 기울어진, 하나 이상의 광학 요소를 갖고, 이 때 하나 이상의 광학 요소가 복굴절이다.

복굴절 웨지(birefringent wedges)의 사용은 그 자체로는 문서 US 5,253,110으로부터 마이크로리소그래피용 투사 노광 장치(projection exposure apparatus)의 조명 시스템(illumination system)으로 알려져 있다. 그러나, 본 발명에서, 그러한 복굴절 광학 요소들, 예컨대 웨지(wedges)가, 측면의 코히어런스 길이 및 두 개의 인접한 광 경로들 간의 광 경로 거리의 비율이 최소한 2 미만이 되는 방식으로 설정되는 상기 언급한 수단과 결합되어 바람직하게 사용된다. 이는 복굴절 광학 요소들이 간섭 크기(interference order)(및 그것의 홀수의 배수들), 특히 제1 간섭 크기를 목표한 방식으로 억제하는 데 사용될 수 있기 때문이고, 그것의 결과로서 측면의 코히어런스 길이 및 광 경로 거리의 비율이 그러한 복굴절 광학 요소들 없이 2배가 되도록 선택될 수 있고, 이는 역으로, 동일한 간섭 비율에 대해 하나 이상의 혼합 광학 배열의 광 경로들의 수가 2배가 되도록 선택될 수 있다는 것을 의미하는데, 이는 하나 이상의 혼합 광학 배열의 균일화 효과를 증진시킨다.

하나 이상의 복굴절 광학 요소의 간섭 억제 효과가, 적어도 하나의 광 경로 거리에 대한 정상 및 이상 부분 레이 간의 위상 차가 - 광학 요소에 의해 도입되는 - 광 파장의 절반의 홀수 배수가 되도록 선택된, 광학 요소의 광 입사 표면 및 광 출구표면 사이의 각도에 의해 개선될 수 있다.

그 결과로서, 정상 및 이상 부분 레이들에 의해 생성된 간섭 패턴들이, 두 간섭 패턴들의 총합이 광 빔의 상응하는 디멘젼에서 일정한 강도 프로파일(intensity profile)을 만들도록, 서로에 대해 파장의 절반으로 오프셋된다.

상기 언급한 하나 이상의 빔 스플리터 배열, 하나 이상의 복굴절 요소, 및 측면의 코히어런스 길이 및 광 경로 거리의 비율을 2 미만, 바람직하게는 1 미만이 되도록 설정하는, 상기 언급한 수단의 결합이 특히 바람직하다. 이와 마찬가지로, 상기 언급한 적어도 하나의 코히어런스 컨버터가 추가적으로 이러한 수단들과 함께 결합될 수 있다.

이러한 수단들의 결합은 기판 면에서 간섭 콘트라스트를 회피하기 위한, 훨씬 더 효과적인 코히어런스의 정도의 감소 또는 코히어런스 함수의 최소화를 야기한다.

하나 이상의 복굴절 광학 요소는 하나 이상의 혼합 광학배열의 다운스트림(downstream)에서 광 빔의 전파 방향으로 바람직하게 배치된다.

추가의 바람직한 수단이 연속으로 배치된 복수의 혼합 광학배열이 하나의 혼합 배열 대신 제시되도록 제공한다.

이 경우에, 기판 면에서 간섭 패턴의 공간적 주기(spatial period)가 감소되고 복굴절 요소의 사용이 용이하게 되는 것이 유리하다.

코히어런스의 정도를 감소시키는 추가의 수단이 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 배열이 적어도 하나의 음향-광학 변조기(AOM)를 갖도록 제공한다.

음향-광학 변조기(AOM)는 광학 요소를 갖는데, 여기서 음파가 광학 요소의 일단에 배치된 예컨대 피에조요소(piezoelement)에 의해 생성된다. 이 경우에, 음파의 전파 방향이 입사하는 광 빔에 수직으로 향한다. AOM에서, 음파가 음파의 속도에 따라 달라지는 굴절률의 공간적 변조(spatial modulation)을 생성한다. AOM을 통과하는 광은 위치 및 시간에 의존적인 위상변이(phase shift) δ 를 그로써 겪고, 이는 파장의 분수(fractions)로 구체화된, 하기 형태를 갖는다:

δ(x,t)= a sin [2π (x/Λ-f_st)]

이 경우에, a는 음성 진폭 및 광학적 축의 방향으로 음장(sound field)의 정도에 의존한다. Λ는 음파의 파장이고, f_s는 음파의 주파수이다. AOM의 물질에 의해 정의된 음성 속도로, 여기 요소, 예컨대 피에조 요소에 의한 음파의 여기 주파수 f_s에 의해 파장 Λ를 변화시킬 수 있다.

시간-의존적인 위상 변이는 상이한 위치들로부터 광의 비상관성(decorrelation)을 초래하고, 그것의 결과로서 측면의 코히어런스가 감소된다. 코히어런스의 정도의 감소 및 그에 따른 광 경로 거리 L에 대한 간섭 콘트라스트의 감소는 AOM(72)의 파장 Λ 및 진폭 a 및 광 경로 거리 L에 의존적이다.

상기 언급한 수단의 추가 구성에서, AOM의 음향 진폭 a 및 음향 파장 Λ는 적어도 하나의 광 경로 거리에 다음 조건

J0[|2a sin(π L/Λ)|]<<1이 만족되는 식으로 설정되고, 여기서 J0은 0차 베셀 함수(Bessel function)이다.

음향 파장 Λ가 광 경로 거리 L과 동일한 경우를 제외하고, 상기 언급한 조건은 적합한 음성 진폭 a에 의해 항상 충족될 수 있다. 베셀 함수의 독립변수(argument)의 주기성(periodicity) 때문에, 그 조건은 L+mΛ 값에 대해 또한 유효하고, 대칭성(symmetry) 때문에 (Λ-L)+mΛ 값에 대해 또한 유효하고, 이 때 m은 정수이다.

따라서, 하나의 AOM은 복수의 광 경로 거리들에 대해 측면의 코히어런스를 이미 상당하게 감소시킨다. 광 경로 거리들을 방해하기 위해, 또한, AOM은 동일한 정도의 감소가 달성되지 않을지라도, 비효과적이지 않다.

복수의 AOM들이 존재할 경우 특히 바람직하고, 여기서 복수의 광 경로 거리들에 대해 코히어런스의 정도를 적어도 감소시키기 위해 음향 파장 및/또는 음향 진폭이 AOM에 따라 상이하게 설정된다.

다른 대안으로, 제공되는 광학 어셈블리들의 수를 감소시키기 위해, 오직 하나의 AOM이 존재하도록 제공될 수 있고, 여기서 복수의 광 경로 거리들에 대해 코히어런스의 정도를 적어도 감소시키기 위해 복수의 상이한 음향 파장들과 아마도 상이한 음향 진폭들이 동시에 생성된다.

추가의 바람직한 구성에서, 광 빔이 펄스되는 경우에, 최소한 하나의 AOM에 더해, 적어도 하나의 펄스 연장 모듈이 빔 경로에 배열되도록 제공된다.

상술한 바와 같이, 동적인 위상 차이 때문에 AOM은 상이한 위치에서 광의 비상관성을 야기한다. 이 비상관성은, 평균화(averaging)가 단일한 강도를 갖는 가능하면 많은 음성 주기들에 대해 초래될 수 있을 때에만 완전하고, 이는 특히 연속적인 파 동작의 경우와 같다. 대조적으로, 엑시머 레이저와 같은 짧은-펄스 레이저에 대해, 이는 예컨대 20ns의 펄스 지속 기간이 예컨대 20-100 ㎒ (주기 지속 기간 10-50ns)의 전형적인 AOM 주파수의 범위 안에 있는데, 이 조건이 만족되지 않고 따라서 잔여 간섭 콘트라스트가 기판 면에서 발생한다. 적어도 하나의 펄스 연장 모듈을 광 레이의 광 경로에 배열하는 상기 언급한 수단은, AOM과 결합하여, 상기 언급한 난점을 회피한다. 펄스 연장모듈은 광 레이의 개별적 광 펄스들을 연장시킨다. 이것은 예컨대 펄스 연장 모듈에 입사하는 광 빔이 두 개의 부분 레이들로 분열되는 것, 및 두 개의 부분 레이들 중 하나가 펄스 연장 모듈의 지연 라인을 통과하여, 지연 라인을 통과하지 않은 다른 부분 레이에 더해지는 것에 의해 행해진다. 이는 더 긴 펄스를 초래하고, 그것의 엔벨로프(envelope)는 입력 펄스의 펄스 지속 기간으로 변조된다.

기판 면에서 간섭 콘트라스트를 감소시키는 데 유용하다면, 복수의 펄스 연장 모듈들이 광 펄스들을 더 길게 연장하기 위해 제공될 수 있다는 것은 말할 것도 없다.

이 경우에, AOM의 음향 음성 주파수가, 이미지 평면에서 간섭 콘트라스트가 10%미만, 바람직하게는 5% 미만, 추가적으로 바람직하게는 1% 미만이 되는 방식으로, 연장된 펄스들과 조정될 경우 더욱 바람직하다.

유발하는 AOM의 음향 주파수 범위들이 있다는 사실을 유리하게 고려한다. 이러한 음향 주파수 범위들은, 가능하면 음성 주파수와 일치하지 않게 의도된 주기적인 강도 변조(periodic intensity modulation)를 생성하는 펄스 연장 모듈에서 펄스들의 순환 지속 기간(circulation duration)에 상응한다.

상기 언급한 수단의 추가의 바람직한 구성에서, AOM의 음성 주파수 f_s가 적어도 하나의 펄스 연장 모듈에서 펄스들의 순환 주파수와 동일하지 않고, 순환 주파수의 정수배들(integral multiples)과 동일하지 않다.

"동일하지 않음(not equal)"은 음성 주파수와 순환 주파수의 일치의 결과로서 발생하는 기판평면에서의 잔여 콘트라스트들이 가능한 한 회피되도록 AOM의 음성 주파수가 하나 또는 복수의 펄스 연장 모듈(들)에서 순환 주파수와 충분히 다르다(그리고 상응하게 상기 순환 주파수 또는 순환 주파수들의 정수배들과 또한 충분히 다르다)는 것을 여기서 의미한다. 바람직하게는, AOM의 음성 주파수가 순환 주파수들 및 그것의 정수배들과 각 경우에 10% 이상 다르다.

음향 음성 주파수를 조정하는 상기 수단에 의해 달성되는 것은 기판평면에서 펄스 연장 모듈과 AOM의 결합 시, 간섭 콘트라스트들이 가능한 한 감소되는 것이다.

여기서 또한, 기판평면에서 광 빔의 간섭 현상들이 가능한 한 감소되거나 완전히 제거되기 위해, 적어도 하나의 AOM 및/또는 펄스 연장 모듈의 존재의 수단이 상기 언급한 수단들(측면의 코히어런스 길이 및 광 경로 거리의 비율, 복굴절 광학 요소들, 코히어런스 컨버터 등)과 결합될 수 있다는 것은 다시 말할 것도 없다.

추가의 이점들 및 특징들이 하기 상술 및 그에 따른 도면으로부터 분명해질 것이다.

상기 언급한 특징들 및 아래에서 상술되어야 할 것들이 각각 명시된 결합에서뿐만 아니라, 다른 결합들에서 또는 그들 스스로, 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 사용될 수 있다는 것은 말할 것도 없다.

본 발명의 예시적인 구체예는 도면에서 도시되고 거기에 참고하여 이하에 더 상세히 상술된다. 도에서:

도 1은 광학 시스템에서 일어나는 간섭 효과를 설명하는 종래 기술에 따른 광학 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 시스템의 기본 도식적인 도해를 나타낸다.
도 3a) 및 3b)는 코히어런스 길이(coherence length)가 긴 경우(도 3a)) 및 코히어런스 길이가 짧은 경우(도 3b))의 경우에 상이한 간섭 크기의 비율을 보여주는 두 막대그래프를 나타낸다.
도 4는 복굴절 요소를 제공함으로써 도 2의 광학 시스템의 간섭 효과를 억제하는 수단의 예시적인 구체예를 나타낸다.
도 5a) 내지 c)는 도 4의 복굴절 광학 요소의 존재 여부에 따라 측면의 코히어런스 길이 및 혼합 광학 배열의 광 경로 거리의 비율에 대한 영향을 나타내는 3개의 막대 그래프를 나타낸다.
도 6은 도 4의 예시적인 구체예의 수정을 나타낸다.
도 7은 도 2의 광학 시스템의 간섭 효과를 감소시키는 수단의 추가의 예시적인 구체예를 나타낸다.
도 8은 도 2의 광학 시스템의 간섭 효과를 감소시키는 수단을 나타낸 도7과 유사한, 또다른 예시적인 구체예를 나타낸다.
도 9는 도 2의 광학 시스템의 간섭 효과를 감소시키는 수단의 추가의 예시적인 구체예를 나타낸다.
도 10은 3개의 광 펄스 형상(light pulse shape)을 나타내는 도표를 나타낸다.
도 11은 도 10의 펄스 형상에 대해 도 9에 따른 음향-광학 변조기의 음향 주파수의 함수로서 간섭효과의 의존성(dependence)을 도시하는 도표를 나타낸다.
도 12는 도 11의 도표의 확대된 발췌부분을 나타낸다.
도 13은 간섭을 감소시키기 위한 수단이 제공되지 않을 경우 도 2의 광학 시스템의 코히어런스 함수의 예를 나타낸다.
도 14 내지 21은 상이한 코히어런스 함수를 나타내며, 이 때 도 13에 따른 코히어런스 함수가 점선들로 도시되고, 도 13에 따른 코히어런스 함수와 대조적으로 간섭을 감소시키는 상이한 수단들에 영향을 받는 것과 같은 코히어런스 함수들이 실선으로 도시된다.

도 2는 기판을 처리하기 위한 광 빔을 생성하기 위한 광학 시스템을 도식적으로 도시하며, 상기 광학 시스템은 전체 참조부호 10이 제공된다.

시스템(10)이, 특히, 광 레이에 의해 기판들 상의 층들을 영역적으로 용해하기 위한 장치(apparatus)에 사용된다. 더 상세하게, 광학 시스템(10)이 평면 스크린 제조를 위한 비정질 실리콘으로 만들어진 실리콘 층들을 결정화하기 위한 장치(apparatus)에 사용된다.

기판들 상의 층들을 영역적으로 용해하기 위한 그러한 장치에서, 광학 시스템(10)은 광학 시스템(10)과 함께, 추가의 광학 유닛(도시되지 않은), 예컨대 광원, 특히 레이저, 및 빔 확장 광학 유닛 기타 등을 포함하는 전반적인 광학 시스템의 구성 부분이다. 그러한 전반적인 광학 시스템에서, 도 2에 따른 광학 시스템(10)은, 광 전파 방향에서 보여지듯, 여기 도시된 바와 같이, 기판의 최후의 광학적 활성 유닛의 업스트림(upstream)가 될 수 있다. 시스템(10)은 광 입구의 가상의 광 입사 평면(12)에서부터 기판(도시되지 않은)이 위치한 기판 면(14)만큼 먼 광학 시스템(10)으로 가는 광 확장 방향에서 보여지듯이, 상응하게 도시된다.

광학 시스템(10)은 기판 면(14)에서 광 빔을 생성하도록 고안되었고, 상기 광 빔은 제1 디멘젼에서 빔 길이 Ls를 갖는데, 이는 이하 X-디멘젼으로 지칭되고, 제2 디멘젼에서 빔 폭을 갖는데, 이는 이하 Y-디멘젼으로 지칭되고, 여기서 Y-디멘젼은 도 2의 도면의 평면과 수직을 이룬다. 이 경우에, 빔 길이 Ls는 빔 폭보다 훨씬 더 크다. 빔 길이는 100mm 이상, 예컨대 약 300mm이고, 빔 폭은 50㎛ 미만이다.

도 2에서, 광 전파 방향이, X-디멘젼과 Y-디멘젼 모두의 수직으로 가는데, Z로 지칭된다. XZ 평면에서 광학 시스템(10)을 나타내는 도 2에서, 좌표계(16)가 또한 도시 목적으로 그려진다.

광학 시스템(10)이 제1 혼합 광학 장치(18)를 갖는다. 혼합 광학 장치(18)는 광학 요소(20)를 갖는다. 광학 요소(20)는 X-디멘젼에서 입사하는 광 빔을 복수의 광 채널들(light channels) 또는 서로의 측면에 배치된 광 경로들(24a-c)로 분할하고, 거기서 오직 3개의 그러한 광 경로들(24a-c)만이 도해를 간단히 하기 위해서, 예시적인 구체예에 도시된다.

광학 요소(20)는 원기둥 렌즈 어레이(cylindrical lens array)의 형태로 구현되고, 거기서 개별 원기둥 렌즈들의 각각의 원기둥의 중심축이 Y-디멘젼에서 연장되고, 다시 말해서 도 2의 도면의 평면과 수직을 이룬다. 개별 원기둥 렌즈 어레이 대신에, 두 원기둥 렌즈 어레이들로부터 구성된 플라이 아이 콘덴서(fly’s eye condenser)를 사용할 수 있다.

도 2에서, 개별 렌즈는 양면이 볼록한 원기둥렌즈로서 도시되었지만, 렌즈가 예컨대 평면볼록렌즈와 같은 다른 형상 또한 가질 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

광학 요소(20)의 광 경로들(24a-c)은 X-디멘젼에서 광학 요소(20)에 입사하는 광 빔을 복수의 부분적 필드들로 분할하고, 거기서 3개의 부분적 필드들(28a, 28b, 및 28c)이 도 2에서 예로서 도시되었다.

제1 광학 장치(18)가 원기둥 렌즈 어레이 외에, 추가적인 콘덴서 광학 유닛(30)을 또한 갖는다.

광학 시스템(10)은 추가의 혼합 광학 장치(36)을 갖고, 이는 혼합 광학 장치(18)의 업스트림에 배치되고 회절성의 또는 분산하는 광학 요소(38) 및 콘덴서 광학 유닛(40)을 갖고, 이 때 광학 장치(36)는 입사하는 광 빔을, 이미 미리-혼합되었던 후자와 함께, 혼합 광학 장치(18) 상으로 향하도록 한다.

더욱이, 광학 시스템(10)은, 광 빔을 기판 면(14)에 작은 빔 폭으로 초점을 맞추기 위해 오직 Y-디멘젼에서 광 빔에 작용하는 광학 장치(46)를 갖는다.

혼합 광학 장치(18)에 대해, 도 1을 참고로 하여 이미 상기에 설명한 바와 같이, 혼합 광학 장치(18) 상에 입사한 광 빔이 X-디멘젼에서 기판 면(14)에서 광 경로들(24a-c)에 따른 복수의 부분 레이들로 분할될 때, 간섭 효과가 발생할 수 있고, 이는 기판 면(14)에서 선형 광 빔에서 간섭 콘트라스트를 초래한다는 것이 진실이다.

기판 면(14)에서의 그러한 간섭 현상 또는 간섭 콘트라스트를, 제거하지 않는다면, 적어도 감소시키기 위한 다양한 장치들이 이하 기술되었다.

본 발명은 광 빔의 빔 경로에서 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 배열을 제공하는 개념에 근거하고, 이는 하나 이상의 다른 광 경로로부터 하나의 광 경로의 하나 이상의 광 경로 거리에 대해 광의 코히어런스 정도를 적어도 줄이기 위한 방식으로 광 빔 상에 작용한다.

간섭 콘트라스트를 줄이기 위한 다양한 장치들이 상세히 기술되기 이전에, “측면의 코히어런스 길이(lateral coherence length)” 및 “코히어런스 함수(coherence function)”라는 용어가 이하 설명될 것이다.

도 13은 전형적 코히어런스 함수의 프로파일을 도시한다. 거리 L이 가로좌표 상에 임의의 단위로 그래프에 표시된다. 한 예로서, 도 2의 혼합 광학 장치(18)의 광경로들(24a-c) 중에서 개별적 광 경로들 간의 광 경로 거리가 단위로 선택될 수 있다. 그 때 L=2의 거리는 한 광 경로에서 다음 광 경로까지의 거리 플러스 한 광 경로에서 고려중인 그 광 경로의 일 측면까지의 거리를 의미한다.

코히어런스의 정도는, 0 내지 1의 값(0% 내지 100%)을 상정할 수 있는데, 세로좌표에 나타난다. 값 1은 완전한 코히어런스를 의미하고, 값 0은 완전한 비-코히어런스(interference)를 의미한다.

상기 일반성을 제한하지 않고, X-디멘젼에서 측면의 코히어런스가 여기서 고려되고, 거기서 혼합 광학 시스템(18)이 Y-디멘젼에서 혼합을 또한 수행하거나 상응하는 혼합 광학 배열이 장치(18)에 더하여 제공되는 경우에, 같은 것이 진실이다.

도 13에 따른 예시적 코히어런스 함수는 대략 가우스 프로파일(Gaussian profile)을 갖는다. 이하 모든 설명은 다른 코히어런스 함수들, 특히 비-가우스 코히어런스 함수(non-Gaussian coherence functions), 단조롭게 떨어지지 않는 코히어런스 함수, 또는 이미 최저치 또는 0을 갖는 다른 코히어런스 함수에도 동일하게 적용될 수 있다.

코히어런스 길이는 코히어런스의 정도 K가 미리 정해진 값으로 떨어지는 거리 L을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 상기 일반성을 제한하지 않고, 본 기술에서 코히어런스 길이는 코히어런스의 정도 K가 10%(0.1)의 값으로 떨어졌던 거리 L인 것으로 고려된다. 도 13에서, 이는 거리 L=3인 경우이다.

이하 기술되는 장치들은 측면의 코히어런스 길이를 감소시키는 것을 목적으로 한다.

제1 장치는 그 비율이 2 미만, 바람직하게는 1 미만이 되는 방식으로, 광빔의 측면의 코히어런스 길이 및 광 경로 거리(거리 L)의 비율을 설정하는 것에 있다.

광 경로들(24a-c)을 가로지르는 방향의 광 빔의 측면의 코히어런스 길이 및 두 인접한 광 경로들 간의 광 경로 거리(L)의 비율이 1 미만으로 설정될 경우에, 간섭 현상이 거의 완전히 회피될 수 있다. 이 경우에, 이는 광 경로들(24a-c) 중으로부터 인접한 광 경로들이 서로 간섭할 수 없거나, 기껏해야 작은 정도로 서로를 간섭할 수 있기 때문이다.

도 3a)는 큰 코히어런스 길이의 경우에, 광 경로 n의 함수로서, 상이한 간섭 주기 Pn에 의한, 전체 간섭 콘트라스트에의 기여(contribution)를 도시한다. 반면, 도 3 b)는 작은 코히어런스의 경우에 다양한 간섭 주기 Pn의 기여를 도시한다. 측면의 코히어런스 길이를 감소시킴으로써, 따라서 간섭의 비율을 크게 감소시키는 것이 가능하다.

도 4는 코히어런스-영향 광학 장치(50)를 도시한다. 여기서 광학 장치(50)는 복굴절 광학 장치(52)를 갖는데, 이것의 광 입사 표면(50) 및 광 출사 표면(56)이 평면이고 서로에 대해 비스듬히 기울어져 있다.

복굴절 광학 장치(52)는 광 입사 표면(54)에 입사하는 광 빔을 정상 광 레이(ordinary light ray) 및 이상 광 레이(extraordinary light ray)으로 분열시키고, 여기서 정상 광 레이는 실선으로 도시되었고 이상 광 레이는 점선으로 도시되었다. 광 입사 표면(54) 및 광 출사 표면(56) 사이의 각도가 적어도 하나의 광 경로 거리에 대해, 정상 광 레이 및 이상 광 레이 간의 광학 장치(52)에 의해 도입되는 위상 차가 광 빔의 광의 파장의 절반의 홀수 배수인 방식으로 선택된다. 이러한 방식으로, 정상 부분 레이에 의해 생성된 간섭 줄무늬 및 이상 부분 레이에 의해 생성된 간섭 줄무늬는 서로에 대해 간섭 주기의 절반만큼 오프셋되므로, 기판 면(14)의 X-디멘젼에서의 광 레이의 강도는, 서로에 대한 그들의 인코히어런스(incoherence) 때문에, 균일한 강도 분포 I가 된다.

이 경우에, 서로에 대한 간섭 패턴 오프셋이 서로를 정확하게 오프셋하기 위해서, 복굴절 요소(52)의 결정(crystal)의 공간적 배향을, 정상 및 이상 레이의 강도가 가능한 한 동일하게 되는 방식으로 선택하는 것이 바람직하다. 이는 XY 평면의 결정 축들이 광 편광 평면에 대해 45 °의 각도가 될 때 충족된다.

도 5 a)는 측면의 코히어런스 길이가 혼합 광학 장치(18')의 인접한 광 경로들(24')간의 광 경로 길이보다 짧거나 같은 경우에, 상이한 간섭 차수(interference order) n의 비율 P_n을 도시하는 막대 그래프를 나타낸다. 간섭 현상들이 측면의 코히어런스 길이가 짧은 것을 선택함으로써 잘 억제된다. 도 5 b)는 측면의 코히어런스 길이가 인접한 광 경로들 간의 광 경로 길이보다 오직 짧거나, 또는 그의 2와 같을 경우를 도시한다. 이 경우에, 1차의 간섭 차수 P₁의 기여(contribution)가 여전히 크고, 단지 P₂ 및 n>2인 모든 추가의 간섭 차수 P_n의 기여만이 억제된다. 그 후, 도 5 c)는 측면의 코히어런스 길이가 인접한 광 경로 간의 광 경로 거리보다 작거나 그의 2배와 같은 경우를 도시하고, 굴절 광학 요소(52)가 추가적으로 빔 경로에 존재한다. 도 5 b)에 따른 P₁의 기여는 도 5 c)에서 점선으로 표시되고, 굴절 광학 요소(52)를 사용할 때 P₁의 기여는 실선으로 표시된다.

도 5 c)로부터, 평면에 평행하지 않은 광 입사 및 광 출사 표면을 갖는 적어도 하나의 복굴절 광학 요소(52)를 사용함으로써, 간섭 차수(및 그것의 홀수 배들), 특히 1차(P₁)가 목표된 방식으로 억제될 수 있다는 것이 명백하다. 이는 광 경로 거리 또는 역으로 광 경로들의 수와 관련하여 측면의 코히어런스 길이가 그러한 복굴절 광학 요소들이 없는 경우에 비해 더 길도록 선택되는 것을 가능하게 한다.

도 6은 도 4에 비해 수정된, 및 코히어런스-영향 광학 장치(50')가 평면에 평행하지 않은 광 입사 표면(54') 및 광 출사 표면(56')을 갖는 복굴절 광학 요소(52')를 갖는 예시적인 구체예를 도시한다. 도 4에 따른 예시적인 구체예와 대조적으로, 도 2와 비슷한 2개의 혼합 광학 장치들(18" 및 36")이 제시되었다.

복수의 혼합 광학 장치들을 사용하는 것은 특히, 광 빔의 전파 방향에서 제2 혼합 광학 장치(20")의 경우 광 경로 거리 L이 더 길도록 선택될 수 있다는 이점을 갖고, 그것의 결과로서 기판 면(14")의 간섭 주기들이 상응하게 더 짧아지고 복굴절 광학 요소(52')의 광 입사 표면(54') 및 광 출사 표면(56') 사이의 각도가 이와 마찬가지로 더 작도록 선택될 수 있다. 더 큰 광 경로 거리 L에 불구하고, 더 높은 혼합 효과가 다단계 혼합에 의해 달성될 수 있고, 정상 및 이상 부분 레이들의 간섭 패턴들이 서로에 대해 기판 면(14")에서 더 작은 정도로 오프셋된다. 또한, 색수차(chromatic aberrations)가 감소되고 광학 시스템의 조정 정확성(adjustment accuracies)이 감소된다.

도 4의 복굴절 광학 요소(52) 및 도 6의 복굴절 광학 요소(52')가 각각 원기둥 렌즈 어레이(20' 및 22") 및 다운스트림 콘덴서 광학 유닛(40' 및 40") 사이에 배치되는 반면, 각각, 복굴절 광학 요소들이 또한 광 빔의 빔 경로에 있는 다른 위치, 예컨대 각각의 혼합 광학 장치(18' 및 18")의 업스트림 또는 그 밖에 그것의 완전히 다운스트림, 다시 말하면 콘덴서 광학 유닛들(40' 및 40")의 다운스트림에도 배치될 수 있다.

더욱이, 기판 면(14)에서의 간섭 콘트라스트의 감소에 유리할 경우, 두개 이상의 그러한 복굴절 광학 요소들(52 또는 52')이 도 2의 광학 시스템(10)에서 사용될 수 있다.

기판 면(14)에서 간섭 콘트라스트를 감소시키는 추가의 수단이, 상기 도 2의 광학 시스템(10)에서 제시된 수단들의 대안으로서 또는 그에 더하여 제공되었는데, 도 7 및 8에 도시된다.

도 7은 빔 스플리터 장치(62)를 갖는 코히어런스-영향 광학 장치(60)를 도시한다. 빔 스플리터 장치(62)는, 투과성 미러(transmissive mirror)(64)를 갖는데, 예컨대 광 빔을 광 경로들(24 및 26)을 가로지르는 방향으로(즉 X-디멘젼에서) 복수의 측면으로 오프셋된 평행 부분 레이들(66 및 68)로 분리시키고, 이 때 부분 레이들(66 및 68)의 서로에 대한 전파 경로 차이(propagation path difference)가 부분 레이들(66 및 68)의 광의 일시적인 코히어런스 길이보다 크다. 도 7에 따른 예시적인 구체예에서, 빔 스플리터 장치(62)는 광 빔을 두 개의 부분 레이들(66 및 68)로 분리시킨다. 부분 레이(68)은 부분 투과성 미러(64)에서 입사하는 광 빔의 반사 및 완전 투과성 미러(66)에서 반사의 결과로서 생긴다. 부분 레이들(66 및 68)은 X-디멘젼에서 광학 장치(60)의 가까이에 서로의 옆에 측면으로 놓인다. 입사하는 광 빔을 서로의 옆에 측면으로 놓인 복수의 부분 레이들(66 및 68)로 분리시키는 것은 측면의 코히어런스 길이 대 전체 빔의 빔 지름의 비율이 감소되고, 측면의 코히어런스 길이 및 광 경로 거리의 비율이, 광 경로들의 동일한 총 수에 대해, 마찬가지로 감소되는 효과가 있다.

도 8은 도 7과 비교해 변형된 코히어런스-영향 광학 장치(60)를 도시하고, 거기서 입사하는 광 빔이 3개의 부분 레이들(66', 68', 및 70')로 분리되고, 그것의 결과로서 광 경로들(24) 간의 광 경로 거리에 관련하여 측면의 코히어런스 길이가 더욱 감소될 수 있다.

특정한 상황 하에서, 도 8의 장치(63)에 의해 도시된 바와 같이, 광학 장치(60 또는 60')에 의해 도입되는 측면의 빔 오프셋을 정정하는 것이 유리하다.

광학 장치들(60 또는 60')이 광 입사 평면(12)의 업스트림, 예컨대 광학 시스템(10)에 배치될 수 있다.

부분 투과성 미러들 대신에, 그러한 빔 스플리터 배열들이 또한 판(plate), 프리즘(내부전반사를 이용한) 및/또는 빔 스플리터 층들을 사용할 수 있다.

특히, 광학 장치(60 또는 60)가, 빔에 대해 기울어진, 및 그를 통해 부분적 빔(66)이 통과하는 평면에 평행한 판(plane-parallel plate)으로서 또한 구현될 수 있다. 반면에, 부분적 빔(68)이 판 내에서 이중 반사된다. 추가의 부분적 광들이 다중 반사에 의해 생성될 수 있다. 이 경우에, 판의 다른 영역들이, 부분 레이들이 동일한 강도를 가지도록, 상이한, 각각 적응된 반사율을 갖는 코팅들을 가질 경우 유리하다.

측면의 코히어런스 길이를 감소시키는 추가의 수단이 광 빔의 빔 경로에 코히어런스-영향 광학 장치(도시되지 않은)를 배열하는 데 있고, 그 배열이 DE 10 2006 018 504 A1에 따른 코히어런스 컨버터 배열을 갖는다. 마찬가지로 그러한 코히어런스 컨버터 배열이 입사하는 광 빔을 X-디멘젼에서 복수의 부분 레이들로 분리시키는 빔 스플리터 배열을 갖고, 추가적으로 빔 리소팅 배열을 갖는데, 이는 그 다음에 다른 디멘젼(Y-디멘젼)의 방향으로 부분 레이들을 서로의 옆에 배열시킨다. 그 후에, 후자의 디멘젼(Y-디멘젼)에서 광 빔의 압축 및 전자의 디멘젼(X-디멘젼)에서 확장이 일어난다. 그러한 코히어런스 컨버터 배열에 대한 더 상세한 설명을 위해, 상기 언급한 문서를 참조하고, 그 개시 내용은 참고로 본 개시 내용에 통합되어 있다.

도 9를 참조하여, 도 2의 광학 시스템(10)의 기판 면(14)에서 간섭 콘트라스트를 감소시키기 위한 추가의 수단들에 대한 설명이 주어질 것이다. 이하 기술된 수단들은 이미 상기 기술한 수단들에 대한 대안으로서 또는 그것에 더하여 사용될 수 있다.

도 9는 음향-광학 변조기(AOM)(72)를 갖는 코히어런스-영향 광학 장치(70)를 도시한다. AOM(72)은 광학 요소(74), 예컨대 음파(76)가 생성되는 판을 갖고, 이는 화살표(80)에 의해 도시된 바와 같이, 광학 요소(74)에서 입사하는 광 빔(78)을 가로지르는 방향으로 전파한다. 음파(76)는 예컨대 일단(82)에 배치된 피에조 액추에이터(piezoactuator)(도시되지 않음)에 의해 생성될 수 있다. 광학 요소(74)를 통해 전파하는 음파(76)는, 광학 요소(74)가 입사하는 광 빔(78)에 대해 회절 또는 위상 격자(phase grating)로서 작용하는 효과를 갖는다. 음파(76)는 대략 5 ㎒ 내지 1 ㎓의 초음파 범위에서 예컨대 음향 파장(wavelength) f_s를 가질 수 있다.

음파(76)가 광학 요소(74)를 통과할 때, 그것은 주기적 밀도 변조(periodic density modulation) 및 그에 따라 광학 요소(74)에 주기적 굴절률 변조(periodic refractive index modulation)를 야기하고, 이는 상기 언급한 회절 또는 위상 격자(phase grating)의 효과를 만들어낸다. 그렇게 함으로써 AOM(72)을 통과하는 광은 위치 및 시간에 의존하는 위상 시프트(phase shift) δ를 경험하고, 이는 광학 주파수의 분수(fraction)로 구체화된, 아래의 형태를 갖는다:

δ(x,t) = a sin [2π(x/Λ-f_st)] (2)

이 경우에, a는 음성 진폭 및 광학 축의 방향으로 음장의 정도에 의존한다. Λ는 음파의 파장을 지칭하고, f_s는 음파의 주파수를 지칭한다.

시간 의존적인 위상 시프트는 상이한 위치들로부터 광의 비상관성(decorrelation)을 초래하고, 그 결과 측면의 코히어런스가 감소된다. 코히어런스의 정도의 감소 및 그에 따른 광 경로 거리 L에 대한 간섭 콘트라스트의 감소는 AOM(72)의 파장 Λ 및 진폭 a 및 광 경로 거리 L에 의존적이다.

AOM(72)은 그 다음에 도 2의 혼합 광학 장치(18)와 상호작용하여 설계되고, 이는 혼합 광학 장치(18) 상에 입사하는 광 빔을 복수의 부분적 필드들(28a, 28b, 28c)로 분할하고, 필드들은, 광 경로들(24 및 26)에 대해 상기 광 경로들간의 거리에 대한 측면의 코히어런스가 감소되고 간섭들이 상응하게 감소되는 방식으로, 서로에 대해 기판 면(14)에서 중첩된다.

특히, AOM(72)의 음향 진폭 및 음향 파장 Λ는 적어도 하나의 광 경로 거리 L에 대해 다음 조건

J₀[|2a sin(πL/Λ)|]<<1 (3)

을 만족하는 방식으로 설정되거나 설정되고, 여기서 J₀은 0차 베셀 함수(Bessel function)이다.

x₀ = |2a sin(πL/Λ)|라는 정의로, 베셀 함수 J₀의 0값들은 x₀ = 2.40483, 5.52008, 8.65373, 11.7915, ..... 에 있다.

L=Λ가 정확히 참값을 유지하지 않을 경우, 조건 (3)이 음파(76)의 진폭 a의 적절한 선택을 통해 항상 충족될 수 있다. 사인 주기성(sine periodicity) 때문에, 조건이 이와 마찬가지로 L+mΛ 값에 적용되고, 또한 대칭(symmetry) 때문에 그것은 또한 (Λ-L)+mΛ에 적용된다. 조건 (3)이 또한 추가의 광 경로 거리 L에 대해서도 충족되거나 적분이 적어도 <<1의 값을 가질 경우에 특히 선호된다:

조건 (3)의 특별한 경우가 또한 도 17 및 도 18을 참고하여 이후에 기술될 것이다.

비율 L/Λ의 비교적 주요한 배수들(relatively prime multiples) 및 상응하는 AOM(72)의 더 큰 주파수 f_s 및 베셀 함수 J₀의 추가의 0값들 x₀과 관련된 상응하는 더 큰 파장이 또한 같은 효과로 가능하다. 그러나, AOM(72)의 설계(design)는 이러한 경우에 제한된 것이 아니다; 오히려, 기판평면(14)에서 하나 이상의 간섭 크기들(interference orders)을 상당하게 감소시키는 AOM(72)의 주파수 f_s 및 파장 a의 다수의 결합들이 있다.

여기서 최적의 것(optimum)을 찾기 위해, AOM(72)의 음향 파장 Λ 및/또는 음향 진폭 a가 상기 언급한 조건(3)을 가능하면 만족시킬 수 있도록 조정 가능하다.

그러나, 특히, 아래의 조건

a sin (πL/Λ) > 0.75 (4)

이 특정한 또는 전형적인 광 경로 거리 L에 대해 만족되는 전체 범위가 유용하다.

상기 언급한 조건이 만족될 경우, 베셀 함수 J₀은 <0.5이다.

다시 도 9를 참조하면, 광원(도시되지 않음)에 의해 생성된 광 빔(84), 예컨대 하나의 레이저가 펄스되는(pulsed), 즉 연속적인 개별 광 펄스들로 구성되는 경우에 대해, 광학 시스템(10)의 또 다른 양태가 이제 기술될 것이다. 도 9는 그러한 광 펄스(86)를 개략적으로 도시한다.

상술한 바와 같이, 동적 위상 차 때문에, AOM(72)이 상이한 위치에서 광의 비상관성(decorrelation)을 야기한다. 이 비상관성은, 특히 연속적인 파 동작에서 하나의 레이저에 대한 경우와 같이, 균일한 강도를 갖는 가능한 많은 음성 주기에 대해 평균화(averaging)가 초래될 수 있을 때에만 완전하다. 대조적으로, 엑시머 레이저와 같은 짧은-펄스 레이저에 대해, 이는 예컨대 20ns의 펄스 지속 시간(pulse duration)이 예컨대 20-100㎒ (주기 지속시간 10-50ns)의 전형적인 AOM 주파수의 범위 안에 있는데, 이 조건이 충족되지 않고 따라서 잔여 간섭 콘트라스트가 기판 면(14)에서 발생한다.

따라서, 기판 면(14)에서 그러한 간섭 콘트라스트를 회피하기 위해서, 도 9에 따른 AOM(72)이 펄스 연장 모듈(pulse lengthening module)(88)과 결합된다. 펄스 연장 모듈(88)은 여기에서 도식적으로 및 네 개의 거울들(90, 92. 94, 96)의 배열의 예로서 도시된다. 펄스 연장 모듈(88)의 다른 설계가, 특히 그 자체로 알려진 것과 같은 그것들이 여기에서 사용될 수 있다. 펄스 연장 모듈(88)은 입력 측에서 빔 스플리터(98), 예컨대 반투명 거울을 갖고, 그것은 입사하는 광 빔(84)을 제1(반사된) 부분 레이(100) 및 (투과된) 제2 부분 레이(102)으로 분열시킨다. 부분 레이(102)이 짧은 경로에서 펄스 연장 모듈(88)을 통과하는 반면, 부분 레이(100)은 거울들(90, 92, 94, 96)에 의해 형성된 지연 섹션(delay section)을 통과하고, 다시 한번 빔 스플리터(98)에 충돌한 후에, 다른 부분 레이(102)과 함께 펄스 지연 모듈(88)로부터 분리된다. 거울들(90, 92. 94, 96)에 의해 정의된 지연 섹션의 상응하는 디멘져닝(dimensioning)을 통해, 지연 섹션을 통과한 광 펄스가 지연 섹션을 통과하지 않은 광 펄스에 직접 붙고, 따라서 광 펄스(86)의 길이의 대략 2배를 갖는 광 펄스(104)를 생기게 한다.

도 10에서, 광 펄스(104)의 강도 I가 시간 t에 대하여 그려진다. 펄스(104)의 강도가 광 펄스(86)에 비해 천천히 감퇴한다. 더욱이, 광 펄스(104)의 강도가 펄스 연장 모듈(88)에서 펄스(100)의 순환 지속 기간(circulation duration)에 상응하는 특징적인 시간 척도(time scale)를 갖는 변조를 갖는다.

연속적으로 배치된 복수의 펄스 연장 모듈이 오직 하나의 펄스 연장 모듈(88)을 대신하여 제공될 수 있다는 것은 말할 것도 없다. 도 10은 차례로 배치된 3개의 펄스 연장 모듈들을 통과한 이후에 원래의 광 펄스(86)로부터 형성된 광 펄스(106)의 강도를 도시한다. 여기서 또한, 변조가 강도의 엔벨로프(envelope)에서 나타난다.

적어도 하나의 펄스 연장 모듈(88) 및 AOM(72)의 결합이 그 다음에 기판 면(14)에서의 간섭들에 의해 유발된 콘트라스트를 감소시키는데 유리하게 사용된다. 이 목적을 위해, 음향 주파수 f_s 또는 그것의 필수적인 정수배(integral multiple) n?f_s가, 이미지 평면에서의 간섭들에 의해 유발된 이미지 콘트라스트가 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만이고, 추가적으로 바람직하게는 1% 미만이 되는 방식으로, 연장된 펄스들과 조정된다.

기판 면(14)에서 간섭 콘트라스트에 대한 펄스 연장의 효과를 도시하기 위해, 도 11이 도 10에서 3개의 펄스 형상(86, 104, 106)에 대해 AOM이 사용될 때 가로좌표에 음향 주파수 f_s 및 세로 좌표에 잔여 간섭 콘트라스트가 그려진 도표를 나타낸다.

도 11에서, 곡선(108)이 음향 주파수 f_s의 함수로서, 도 10의 펄스(86)의 펄스 형상에 대해, 즉 원래의 (짧은) 광 펄스(86)에 대해, 기판 면(14)에서의 간섭 콘트라스트의 프로파일을 나타낸다. 음향 주파수 f_s가 높을수록, 음향 주기 기간 및 레이저 광의 펄스 기간의 비율이 작아지고, 잔여 간섭 콘트라스트가 작아지는데, 이는 많은 수의 음성 주기들에 대해 평균화가 초래될 수 있기 때문이다. 곡선(110)은 펄스(104)(펄스 연장 모듈(88)을 통과하는 광 빔의 통로)에 대해 음향 주파수 f_s에 대한 간섭 콘트라스트의 의존성을 나타내고, 곡선(112)은 도 10의 펄스(106)에 대해 음향 주파수f_s에 대한 간섭 콘트라스트의 의존성을 나타내고, 이는 차례로 배치된 3개의 펄스 연장 모듈들을 통한 광 빔의 통로에 상응한다.

도 11로부터 드러난 바와 같이, 상응하는 많은 펄스 연장 모듈에 의한 광 펄스의 펄스 지속 기간의 연장에 의해, 기판 면(14)에서의 간섭 콘트라스트가 실질적으로 넓은 범위의 음향 주파수 f_s를 초과하여 감소된다. 결과적으로, 펄스된 광 빔의 펄스 기간이 연장이 간섭 콘트라스트의 감소를 야기하고 따라서 기판 면(14)의 광 빔의 균질성의 개선을 야기한다.

세로 좌표의 연장에 관하여 도 11의 도면의 정교한 묘사인, 도 12에서 나타나 바와 같이, 곡선 112에 따른 3배 연장된 광 펄스의 경우에, 그러나, 간섭 콘트라스트가 남아있는 음향 주파수 범위 f_s보다 훨씬 상당히 높은 주파수 범위가 있다. 본 경우에, 그러한 증가된 간섭 콘트라스트가 예를 들어, f_s

40㎒의 범위에 놓인다. 간섭 콘트라스트가 여전히 증가되는 주파수 범위 fs는 각각의 펄스 연장 모듈에서 순환 주파수들(순환 지속 기간의 역수들(reciprocals))에 상응한다. 또한, 추가의 최고치들이 이러한 순환 주기들의 배수에서 발생한다.

따라서 음향 주파수 f_s가 최소의 간섭 콘트라스트를 갖는 주파수 범위가 발견될 수 있도록 선택되어야 한다. 음파(76)의 음향 주파수 f_s는 AOM(72)에서 상응하게 설정되어야 한다.

특히, 도 12에서 명백한 바와 같이, 음향 주파수 f_s가 펄스 지연 모듈들 및 그것의 정수배의 순환 주파수와 다르도록 선택되어야 한다.

도 14 내지 21을 참고하여, 도 13의 예시적인 코히어런스 함수에 근거하여, 광 경로들(24 및 26)간의 거리에 대한 광의 측면의 코히어런스 길이에 대해 상기 언급한 다양한 수단들의 영향에 대한 설명이 주어진다.

도 14는 도 7에서 예로서 도시된 바와 같이, 빔 스플리터 배열이 빔 경로에 존재하는 수단의 경우에 코히어런스 함수의 프로파일(실선으로)을 나타낸다. 두 개의 부분 레이들(도 7의 부분 레이들 66, 68)로의 빔 분열은, 도 14에서 명백한 바와 같이, 2의 인수(factor)에 의한 동일한 빔 크로스 섹션에 대한 코히어런스 길이의 감소를 야기한다. 코히어런스의 정도 K의 10% 값이 이미 1.5의 거리 L에서 달성된다.

도 15는 코히어런스 함수에 대한 복굴절 요소의 효과를 나타낸다. 여기서 적어도 하나의 복굴절 웨지모양의 요소의 사용이 주어지고, 이것의 광 입사 표면 및 광 출사 표면 사이의 각도가 두 개의 인접한 광 경로들 간의 코히어런스 정도가, 즉 L=1에 대한 코히어런스 함수가 0이 되도록 선택된다. 도 15에서 명백한 바와 같이, 코히어런스 함수의 추가의 0값들은 L=3, L=5일 때 발생한다.

도 16은 코히어런스 함수 상에서, 그 효과가 거리 L=1로 조정된 복굴절 웨지모양의 요소들의 결합의 효과 및 두 개의 부분 레이들로의 빔 분열의 결합의 효과를 나타낸다. 인접한 광 경로들 간의 광 경로 거리 L=1일 경우, 개별 광 경로들 간의 간섭들이 사실상 완전히 억제된다는 것이 도 20으로부터 명백하다. 심지어 직접 인접한 광 경로의 광과 하나의 광 경로의 광의 코히어런스가 10% 미만으로 감소한다.

도 17은 a=1.20241인 음파(76)의 진폭 a 및 Λ=2인 음성 파장 Λ를 갖는(도 17의 가로 좌표 단위들에서) 음향-광학 변조기(72)의 효과를 나타낸다.

코히어런스 함수의 0값들은 음성 파장 Λ의 절반(L=1) 및 그것의 홀수 배(L=3, 5)에서 발생한다.

도 18은 a=1.38843인 음파(76)의 진폭 및 음성 파장 Λ=3을 갖는 음향-광학 변조기(72)의 효과를 나타낸다.

이 경우에, 코히어런스 함수의 0값들은 Λ/3의 배수들, 즉 L=1, L=2, L=4에서 발생한다.

도 19는 도 18과 동일한 파라미터들을 갖는, 그러나 입사하는 광 빔을 2개의 부분 레이들로 분열시키는 도 7에 따른 빔 스플리터 배열과 결합된 음향-광학 변조기의 효과를 나타낸다.

이 경우에, 혼합 광학 장치의 인접한 광 경로들 간의 간섭 효과들은 이러한 간섭-억제 수단들(interference-suppressing)의 결합에 의해 거의 완전하게 제거된다.

도 21에서 코히어런스 함수의 추가의 0값들은 L=2에서 발생하는데, 이는 AOM으로부터 비롯되고, L=3에서 발생하는데, 이는 복굴절 요소들로부터 비롯되고, L=4에서 발생하는데, 이는 AOM 등으로부터 비롯된다.

도 14 내지 21에 따른 코히어런스 함수들은 단순히 예로서 이해되어야 한다. 도 13의 코히어런스 함수 외의 코히어런스 함수들은 상상할 수 있는 것이고, 이는 따라서 비-가우스(non-Gaussian)이다. 요건들에 따라서, 간섭을 감소시키기 위한 상기-상술한 수단들이 그들이 상응하게 코히어런스 함수에 대한 상이한 효과들을 갖도록 또한 설계될 수 있다; 예로서, 도 14 내지 21에 도시된 예들과 달리, 코히어런스 함수의 0값들이 같지 않은 거리에(non-equidistantly) 분포될 수 있다.

Claims

기판 면(14)에 배치된 기판을 처리하기 위해 광 빔을 생성하는 광학 시스템으로서,
상기 광 빔은 상기 광 빔의 전파 방향(Z)에 수직인 제1 디멘젼(X)에서의 빔 길이(L)와 상기 제1 디멘젼(X)에 및 상기 광 전파 방향(Z)에 수직인 제2 디멘젼(Y)에서의 빔 폭(B)을 갖고,
제1 및 제2 디멘젼들 중 적어도 하나에서의 상기 광 빔을 서로에 중첩되는 방식으로 기판 면(14)에 입사하는 복수의 광 경로들(24a-c)로 분할하는 적어도 하나의 혼합 광학 장치(18; 18'; 18")를 포함하며,
적어도 하나의 코히어런스-영향(coherence-influencing) 광학 장치(50; 50'; 60; 60'; 70)가 상기 광 빔의 빔 경로에 존재하여, 하나의 광 경로(24a-c)에서 적어도 하나의 다른 광 경로(24a-c)까지의 적어도 하나의 광 경로 거리에 대해 상기 광의 코히어런스의 정도를 적어도 감소시키기 위한 방식으로 상기 광 빔 상에 작용하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 광 경로들(24a-c)에 대해 가로지르는 방향으로의 상기 광 빔의 측면의 코히어런스 길이와 적어도 두 개의 인접한 광 경로들(24a-c) 간의 광 경로 거리의 비는 2 미만, 바람직하게는 1 미만인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 장치(60; 60')는, 상기 광 경로들(24a-c)에 대해 가로지르는 방향으로의 상기 광 빔을, 서로에 대한 그 전파 경로 차이가 부분 레이들의 광의 시간적인 코히어런스 길이보다 더 큰, 복수의 측면 오프셋 부분 레이들(66, 68; 66', 68'; 70')로 분할하는, 적어도 하나의 빔 스플리터 장치(62; 62')를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 장치는 코히어런스 컨버터 장치를 갖고, 상기 코히어런스 컨버터 장치는 상기 2개의 디멘젼들 중 하나에서의 상기 광 빔을 복수의 부분 레이들로 분할하는 빔 스플리터 장치, 및 상기 부분 레이들을 나머지 디멘젼의 방향으로 서로의 옆에 배열시키는 빔 리소팅 장치(beam resorting arrangement)를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 장치(50; 50')는 적어도 하나의 광학 요소(52; 52')를 갖고, 그 광학 요소의 광 입사 표면(54; 54') 및 광 출사 표면(56; 56')이 평평하고 서로에 대해 일정 각도로 경사져 있으며,
상기 적어도 하나의 광학 요소(52; 52')는 복굴절인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 광 입사 표면(54; 54')과 상기 광 출사 표면(56; 56') 사이의 각도는, 상기 적어도 하나의 광 경로 거리에 대한 정상 및 이상 부분 레이들 사이의 - 광학 요소(52; 52')에 의해 도입된 - 위상 차가 광 파장의 절반의 홀수 배가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 광학 요소(52; 52')는 적어도 하나의 혼합 광학 장치(18; 18'; 18")의 다운스트림에 상기 광 빔의 전파 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 혼합 광학 장치들(18, 36; 18", 36")이 존재하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 코히어런스-영향 광학 장치(70)는 적어도 하나의 음향-광학 변조기(AOM)(72)를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 AOM(72)의 음향 파장 λ 및/또는 음향 진폭 a는 조정 가능한 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 AOM(72)의 음향 진폭 a 및 음향 파장 Λ는 상기 적어도 하나의 광 경로 거리(L)에 대해 조건 J₀[|2a sin(πL/Λ)|]<<1이 만족되도록 선택되거나 설정되고, 여기에서 J₀은 0차 베셀 함수인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 AOM(72)의 음향 진폭 a 및 음향 파장 Λ는 상기 적어도 하나의 광 경로 거리 L에 대해 a sin(πL/Λ)<0.75가 만족되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 AOM(72)들이 존재하고, 상기 음향 파장 및/또는 음향 진폭은 복수의 광 경로 거리들에 대해 코히어런스의 정도를 적어도 감소시키기 위해 AOM마다 상이하게 설정되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
오직 하나의 AOM(72)이 존재하고, 복수의 상이한 음향 파장 및/또는 음향 진폭들이 복수의 광 경로 거리들에 대해 코히어런스의 정도를 적어도 감소시키기 위해 동시에 설정되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 빔은 펄스화(pulsed)되고,
적어도 하나의 펄스 연장 모듈(88)이 상기 빔 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 AOM의 음향 파장 Λ는 또는 그것의 정수 배들은, 상기 기판 면(14)에서의 간섭 콘트라스트가 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 더욱 바람직하게는 1% 미만이 되는 방식으로 상기 연장된 펄스들과 조화되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
상기 AOM(72)의 음성 주파수 f_s는 상기 적어도 하나의 펄스 연장 모듈(88)에서의 펄스들의 순환 주파수와 동일하지 않고 상기 순환 주파수의 정수 배와 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 17에 있어서,
상기 AOM(72)의 음성 주파수 f_s는 적어도 하나의 펄스 연장 모듈(88)에서의 상기 펄스들의 순환 주파수 및 모든 정수 배들과 5% 이상, 바람직하게는 10% 이상만큼 상이한 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
청구항 18에 있어서,
상기 AOM(72)의 음성 주파수 f_s는 사용되는 모든 펄스 연장 모듈들(88)에서의 상기 펄스들의 각각의 순환 주파수 및 그것의 모든 정수 배들과 5% 이상, 바람직하게는 10% 이상만큼 상이한 것을 특징으로 하는 광학 시스템.