KR960013806B1 - 배율(magnification) 기능을 갖는 광학 릴레이(relay) 장치 - Google Patents

배율(magnification) 기능을 갖는 광학 릴레이(relay) 장치 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

배율(magnification) 기능을 갖는 광학 릴레이(relay) 장치
제1도는 본 발명에 따른 카톱트릭(catoptric) 광학 장치의 개략도.
제2도는 본 발명에 따라 카타디옵트릭(catadioptric) 광학 장치의 개략도.
제3도는 제2도의 광학 장치에 대한 변형 실시예에 개략도.
기술분야
본 발명은 광학 릴레이 장치에 관한 것으로 특히, 배율 기능을 포함하는 광학 릴레이 장치에 관한 것이다.
그러나 광학 릴레이 장치는 스텝·스캔(step and scan) 마이크로리도그래피 투영 인쇄 기법의 분양에 특히 유용하며 스펙트럼의 가시 공선으로부터 심(deep) 자외선 범위까지 광학적으로 보정한다.
배경기술
본 발명은 한정된 오프 액시스(off-axis) 시야 광학 장치로도 언급되는 환형 링(annular ring) 시야 광학 장치에 기초를 두고 있다. 이와같은 광학 장치의 예는 오프너(offner) 명의의 미합중국 특허 제3,748,015호 및 미합중국 특허 제4,293,186호의 명세서에 기재되어 있다. 상기와 같은 광학 장치의 기본적 기술사상이 본 발명에 사용되지만, 본 발명에는 배율 기능이 부가되어 있다.
본 발명은 2가지 기본적 발명을 제공한다. 그중 한가지는 고품질의 이미지가 한가지 용인을 이루지 않는 경우에 사용될 수 있는 완전한 카톱트럭(catoptiric) 광학 장치이다. 또 한가지는 렌즈가 용융실리카로 이루어져 있으므로써 자외선에서 유용한 카타디옵트릭(catadioptric) 광학 장치이다.
이하에는 카톱트릭 고아학 장치의 한 실시예와 카타디옵트릭 광학 장치의 2가지 특정 실시예가 제공되어 있다.
발명의 개요
본 발명의 광학 장치는 3개의 요(凹) 구면(concave spherical) 거울 및 1개의 철(凸) 구면(convex sphericla) 거울을 포함한다. 각각의 거울은 상기 광학 장치의 광축상에 그의 곡률중심을 지닌다. 배율(magnification)은 상기 철 구면 거울에 의해 적어도 부분적으로 달성된다. 상기 광학 장치는 물체와 최종이미지 사이에 중간 이미지를 형성하도록 배치되어 있다.
본 발명을 구현하기 위한 최선의 형태
특히 제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 광학 릴레이 장치가 예시되어 있다. 상기 광학 릴레이 장치는 물체(0)로부터의 광선을 수광하고 상기 광선을 철 구면 거울(12)에 반사시키도록 배치된 요 구면 거울(10)을 포함한다.
상기 물체(0)는 상기 거울(10)의 곡률중심의 위치에서 광축에 대하여 수직인 면내에 있다. 따라서, 상기 물체는 단위 배율로 결상(結像)된다. 철 구면 거울(12)은 배율을 도입시키고 상기 광선을 제2의 요 구면 거울(14)로 반사시킨다. 이 경우, 배율은, 변경된 단위(unit)를 지니지 않는 경우, 한 공역(conjugate)점에서의 이미지의 사이즈가 타 공역점에서 보다 크거나 작은 이미지를 의미하는데 사용된다. 상기 거울(14)은 중간 이미지 (Ⅰ1)를 형성하고 상기 중간 이미지(Ⅰ1)는 그후 요 구면 거울(16)에 의해 최종 이미지(Ⅰf)로 반사된다. 모든 거울, 즉 요 구면 거울 및 철 구면 거울은, 그들의 곡률중심을 광축(OA)상에 지닌다.
제1도의 광학 장치에는 여러 장점이 있다. 예를들면, 상기 광학 장치는 물체와 이미지 단부에 대하여 텔레센트릭(telecentric)이다. 이는 작은 초점 차이를 위해 이미지의 스케일(scale)에서의 변화를 배제시킨다는 점에서 극히 바람직한 특징이다. 철 구면 거울(12)에는 위치가 충분하게 규정된 개구 조리개에 설치되어 있다. 상기 광학 장치는, 해당 광학 장치를 충분히 편향(baffle)시킬 수 있는 Ⅰ1에서 중간 이미지를 갖는다. 이러한 거울들은 모두 구면 거울이여서 극히 높은 정밀도로 제작 및 검사될 수 있다. 요 구면 거울(10, 14, 16)은, 이 요 구면 거울을 경사(titt) 또는 편심(decenter)시킴으로써 어떠한 코마(coma) 수차도 도입되지 않는다는 점에서, 상기 요 구면 거울을 극히 정확하게 정렬(alignment) 시키는 단위 배율로 작용한다. 철 구면 거울(12)은 선행하여 요 구면 거울(10)의 곡률중심의 이미지를 계속된는 요 구면 거울(14)의 곡률중심에 형성함으로써, 모든 요 구면 거울은 광학적으로 동심적이다. 광학적으로 동심적(optically concentric)이라는 곡률의 중심이 동일 위치에 있거나 상기 위치로부터 현저하게 떨어져 있는 곡률중심을 갖는 요소에 의해 상기 위치에 광학적으로 결상(結像)되는 것을 의미한다. 본원에 기재된 총 3개의 장치는 이러한 경우에 포함된다. 이들 조건하에서, 광학 장치가 물체와 이미지측에서 텔레센트릭인(즉, 어포걸(afocal)인) 요건은 결과적으로 제로의 페쯔발 만곡(zero petzval curvature), 제로의 왜곡 및 제로의 수점수차(astigmatism)를 갖는 장치를 초래시킨다.
제1도에 도시된 실시예는, 고도의 이미지 품질이 하나의 요인이지 않은 릴레잉(relaying)용에 적합하다.
이와같은 실시형태는 예를들면 분광 광도계, 링(ring) 형상 영역의 조명기 및 릴레이장치에서 사용될 수 있다. 그러나, 이들 장치 각각에서의 철 구면 거울은 상당 양의 코마 수차 및 약간의 구면 수차를 도입시킨다.
극히 높은 정밀도로 반도체 웨이퍼상에 회로 레이클을 경상시키도록 상기 기술된 장치를 마이크로리도그래피(microlithography)에서 사용가능하게 하기 위하여, 코마 및 구면 수차는 실질적으로 배제되어야 하지만, 유리한 특징은 유지되어야 한다. 후자의 유리한 특징은 텔레센트릭성 및 비점수차, 왜곡 및 페쯔발 만곡의 보정을 포함한다. 그러나, 심(deep) 자외선에서 사용하기 위하여, 한 종류만의 유리, 즉 용융 실리카(석영)만이 유효하다. 제2도는 용융 실리카 렌즈를 합체하고 있는 릴형상 영역의 릴레이 장치의 한 실시예를 예시한 것이다. 상기 릴레이 장치는 3차의 수차, 및 그의 색 변동에 아울러 길이 방향 및 측 방향의 색 수차모두를 보정한다. 이러한 장치는 특히 물체, 또는 마스크면으로부터 이미지 또는 웨이퍼면까지의 분수 배율을 갖는 마이크로리도그래피에서 사용되도록 설계되어 있다. 즉, 물체가 이미지보다 크다. 이하 제2도 및 제3도의 설명에서는, 각각의 요소에 종래의 참조 번호가 제공되어 있다. 그러나, 그 이외에는, 각각의 광학적 표면의 반경은, 문자(R) 다음에 마스크록부터 웨이퍼로 향하여 연속 번호가 제공되고 있다.
제2도에 있어서, 마스크(26)은 아치형 물체 슬릿(28)을 한정하며, 상기 슬릿으로부터 광선은 프리즘(32, 34)을 포함하는 비임 스플리터 조립체(30)를 통고한다. 비임 스플리터의 기능은 웨이펴에 대한 마스크의 초기의 시각적 정렬을 허용하는 것이다. 다음에는, 조명광선은 높은 차수 왜곡 및 비점수차를 제어하는데 도움을 주는 두꺼운 셀(shell ; 36) 렌즈를 통과한다. 그후, 광선은 평면 거울(38)에 의해 요 구면 마스크 거울(40)을 향해 반사된다. 이어서, 마스크 거울(40)로부터 나온 광선은 얇은 쉘 렌즈(42)를 통과하고 2차 철 구면 거울(44)상에 입사하면 쉐 렌즈(42)를 통해 되돌아간다.
얇은 쉘 렌즈(42)로부터 나온 광선은 중간 요 구면 거울(46)로부터, 네가티브(negative) 렌즈(48), 포지티브 렌즈(50), 및 네가티브 렌즈(52)를 포함하는 중간 렌즈 그룹(47)을 통해 반사된다. 중간 이미지(Ⅰ1)는 렌즈(48)와 렌즈(50) 사이의 공간에 형성된다는 점에 유념하기로 한다. 이는, 상기 이미지로부터의 산란된 광선을 배제시키도록 시야 조리개(도시되지 않음)를 상기 위치에 배치시키는 것이 가능하기 때문에 중요한 특징이다. 이는 또한 필요한 렌즈를 물체 또는 이미지 부근에 배치시키는 것보다는 오히려 상기중간 이미지에서 시야 만곡을 보정하는 것이 가능한다.
네가티브 렌즈(52)로부터 나온 광선은 평면 거울(54)에 의해 웨이퍼 요 구면 거울(56)을 향해 편향된다.
상기 웨이퍼 요 구면 거울(56)로부터의 광선은 네가티브 렌즈(58), 포지티브 렌즈(60), 및 얇은 쉘 렌즈(62)를 포함하는 최종 렌즈 그룹(57)을 통해 웨이퍼면(66)내의 아치형 슬릿(64)에 이른다.
상기 렌즈(60)의 주기능은 철 구면 거울(44)에 의해 도입되는 코마 수차를 보정하는 것이다. 상기 렌즈는 이러한 결과를 달성하지만, 길이 방향 및 측면 방향의 색 수차, 및 페쯔발 만곡을 도입시킨다. 이는 또한 주광선을 편향시킴으로써, 상기 장치의 한측 단부의 텔레센트릭성을 파괴시킨다. 렌즈(48)의 기능은 상기 렌즈(60)에 의해 야기된 상기 바람직스럽지 못한 결과를 수정하는 것이다. 상기 거울(56)에 의해 형성된 렌즈(60)의 이미지는 대략 렌즈948)의 위치에서 결상된다. 렌즈(48)의 굴절력은 렌즈(60)의 굴절력과 거의 동일하거나 상기 렌즈(60)의 굴절력에 대하여 반대이다. 이러한 방식으로, 쌍을 이루는 페즈발 만곡과 길이 방향 및 측면 방향의 색 수차 모두는 제로(zero)로 된 수 있다. 제2도 장치의 각각의 거울은 제1도의 장치의 해당 거울과 극히 유사하게 기능한다. 즉, 요 구면 거울(40, 46, 56)은 실질적으로는 단위 배율(unit magnification)로 작동하고, 철 구면 거울(44)은 배율로 도입시킨다.
다만 렌즈(48, 60)만이 존재하는 경우, 물체 및 이미지 공역(conjugate)이 색을 포함하지는 않지만, 주광선은 색에 관하여 보정되지 않는다. 그 결과로서, 주광선은 상이한 색에 관하여는 상이한 높이로 철 구면 거울(44)에 입사된다. 그 효과는 작지만 코마 수차와 비점 수차에서의 허용되지 않는 양의 색 수자를 초래시킨다. 그 결과 수단은 모든 파장이 동일한 위치에서 철 구면 거울(44)에 입사되도록 주광선의 색을 보정하는 것이다. 이는 포지티브 렌즈(50)를 부가함으로써 달성된다. 그의 굴절력 및 형상은 상기 장치의 비점 수차의 색 변동이 주광선의 색을 제어함으로써 보정되는 것을 허용한다. 또한, 상기 렌즈는 여러 높은 차수의 수차, 예를들면 경사진 구면 수차 및 높은 차수의 코마 수차에도 영향을 준다.
주광선의 구면 수차 또한, 상기 주광선이 물체 높이의 함수로서 철 구면 거울(44)에서의 위치를 변화시키게 한다. 이는 높은 차수의 차수를 야기시킨다. 포지티브 렌즈(50)는 주광선의 구면 차수에 영향을 주어서 이와같은 높은 차수의 수차에 영향을 준다. 두꺼운 쉘 렌즈(36) 및 얇은 쉘 렌즈(62)는 높은 차수의 왜곡 및 비점 수차를 제어하는데 사용되며 다른 수차에는 거의 영향을 주지 않는다.
얇은 쉘 렌즈(42)를 제외하고 존재하는 상기한 모든 렌즈를 사용하는 경우, 양호한 모노크로매틱(monochromatic)성능을 지니면서, 코마 수차, 비점 수차, 및 페즈발 만곡의 색 변동을 보정하는 설계를 당성하는 것이 가능한다. 그러나, 구면 색 수차는 보정될 수 없다. 그러한 것은 얇은 쉐 렌즈(42)의 기능이다. 상기 쉘 렌즈가 상기 장치에 존재하는 경우, 상기 쉘 렌즈는 높은 차수의 코마 수차(타원형의 코마 수차)에 강력한 영향을 준다. 이는 또한 코마 수차의 색 변동에도 영향을 준다.
접는 방향 및 사지탈(sagittal)의 동곡(pupil) 광선에 관하여 양호하게 수차 보정하는 설계를 달성하는 것이 비교적 용이하다. 그러나, 동공내의 45°의 배향 광선은 제어하기가 어렵다. 이러한 45°배향 수차의 유효한 제어는 제2도 장치의 우수한 성능에 의해 달성된다. 이러한 성공의 원인은 직접적으로 3가지 기본적 특징에서 알 수 있다.
첫 번째 특징은 요 구면 거울(56)상의 주광선의 높이가 부호에 있어서 반대이고 웨이퍼와 유사한 배율을 지닌다는 것이다. 이는 포지티브 렌즈(60)에 의해 도입되는 텔레센트릭성으로부터의 큰 편차에 기인한다.
두 번째로서 긴밀한 관계에 있는 특징은, 포지티브 렌즈(60)가 약 1.5×의 배율을 지닌다는 것이다. 따라서, 중간 이미지(Ⅰ1)는 대략 동일 양만큼 최종 이미지(Ⅰf)보다 크게 된다. 이는 얇은 쉘 렌즈(42) 근방의 여공 공간 상태(clearance situation)를 개선시킴으로써, 보다 높은 f 넘버(f number) 입력이 여유 공간 문제를 수반하지 않고 주어진 물체 높이용으로 사용될 수 있게 한다. 이는 또한 포지티브 렌즈(60) 전방의 모든 광학기기가 보다 낮은 f 넘버로 작동하고 있다는 것을 의미한다.
세 번째 특징은 얇은 쉐 렌즈(42)에 있다. 비록 그의 주기능이 구면 색 수차의 보정에 있지만, 이는 또한 45°배향 동공 광선에 큰 영향을 준다.
제2도 장치에 대한 완전한 광학적 데이터는 이하의 표에 제공되어 있다. 모든 치수 단위는 밀리미터이다.
Figure kpo00001
주 : 표면(13, 20, 28, 29)은 가상표면이며 제2도에는 도시되어 있지 않다.
실시예
본 발명에 따른 광학 장치의 다른 한 실시예가 제3도에 예시되어 있다. 이러한 장치는 제2도의 실시예와 매우 유사하다. 따라서, 유사한 요소에는 프라임(')이 붙은 동일한 참조 번호가 제공되어 있다. 따라서, 마스크(26')으로 개시하여, 상기 장치는 비임 스플리터 조립체(30'), 두꺼운 쉘 렌즈(36'), 평면 거울(38'), 및 요 구면 마스크 거울(40')을 포함한다. 이러한 장치는 또한 제2의 철 구면 거울(44')에 인접한 얇은 쉘 렌즈(42')를 사용하고 있으며, 상기 렌즈를 중간 요 구면 거울(46')에 향하게 편향시킨다.
상기 렌즈들은 제2도의 렌즈들과는 다소 다르지만, 실질적으로 동일한 결과를 이룬다. 상기 렌즈들은 5개의 렌즈, 즉 순차적으로 평요면(planoconcave)의 네가티브 렌즈(70), 포지티브 렌즈(72), 포지티브 렌즈(74), 네가티브 렌즈(76) 및 쉘 렌즈(78)로 구성된 중간 그룹(68)을 포함한다. 중간 이미지(Ⅰ1)는 렌즈(74, 76)사이에 형성되어 있다. 그후, 광선은 거울(54')에 의해 웨이퍼 요 구면 거울(56')로 편향되고, 그로부터 두꺼운 네가티브 쉘 렌즈(58'), 포지티브(60') 및 얇은 쉐 렌즈(62')를 투과하여 웨이퍼면(66')에 도달된다.
제3도의 장치와 제2도의 장치 사이의 한가지 상이점은, 비록 전체력 배율이 양자 모두의 장치에 있어서 동일할지라도, 제3도의 장치에 있어서, 중간 이미지 제2도의 장치에서 보다 물체와 비교하여 크다는 것이다. 제3도의 장치에 대한 광학적 데이터는 이하 표 Ⅱ에 제공되어 있다.
Figure kpo00002
주 : 표면(34)은 가상표면이다.
본 발명은 의하면, 배율 철 구면 거울과 조합된 1 : 1 (one-to-one)요 구면 거울 광선의 신규한 적용예가 제공되었다. 부가적으로 보정 렌즈를 가함으로써, 고품질의 실질적을 수차가 없는 이미지를 제공하는 것이 가능하였다. 부가적인 이점은 광학 장치내에 중간 이미지를 형성함으로써 달성된다. 이는 중간 이미지에서의 수차 보정을 허용하며 또한 상기 장치의 적합한 편향(baffling)을 허용함과 동시에 물체와 이미지에 상당한 물질적 작동거리(working distance)를 제공한다.
본 발명의 기타 여러 이점은 당업자에게 자명하리라고 생각된다. 또한, 본 발명의 사상 및 범위에서 이탈하지 않고서도 다수의 변경 및 수정이 본 발명의 범위내에서 가능하다는 것이 자명할 것이다. 따라서, 상기 실시예는 본 발명의 단순한 설명일 뿐이다. 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 이하 특허 청구의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims (21)

  1. 광학 장치의 광축과 동심(concentric)이 sghks형 링 사야내에 물체의 배율된 이미지를 형성하는 광학 장치에 있어서, 제1, 제2 및 제3의 요 구면(concave spherical) 거울, 및 하나의 철 구면(convex spherical)거울을 포함하며, 상기 거울들 각각의 그의 곡율중심을 상기 광학 장치의 광축상에 지니고상기 요 구면 거울들이 광학적으로 동심이며, 상기 제1의 요 구면 거울이 물체 영역으로부터 광선을 수광하도록 배치되어 있고, 상기 철 구면 거울이 상기 제1의 요 구면 거울로부터 광선을 수광하도록 배치되어 있으며, 상기 제2의 요 구면 거울이 상기 철 구면 거울로부터의 광선을 수광하도록 배치되어 있고, 상기 제3의 요 구면 거울이 상기 제2의 요 구면 거울로부터의 광선을 최종 이미지 영역에 결상(結像)시키도록 배치되어 있으며, 상기 제2의 요 구면 거울은 상기 제2 및 제3의 요 구면 거울 사이의 중간 이미지 영역에 광선을 결상시키는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 실질적으로 모든 배율이 상기 철 구면 거울에서 행해지는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 물체는 상기 제1의 요 구면 거울의 곡률중심에 있으며, 상기 이미지는 상기 제3의 요 구면 거울의 곡률중심에 있는 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모든 요 구면 거울은 단위 배율로 작동하는 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 물체와 이미지 공간 모두에 있어서 실질적으로 텔레센트릭(telecentric)인 광학장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 철 구면 거울의 존재에 의해 야기되는 수차를 보정하도록 상기 공학 장치의 광학적 경로 전체에 걸쳐 배치되어 있는 복수개의 굴절 렌즈 수단을 부가적으로 포함하는 광학 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수개의 렌즈 수단은, 상기 물체와상기 제1의 요 구면 거울 사이에 배치되어 있는 제1의 렌즈 구룹, 상기 철 구면 거울에 근접 배치되어 있는 렌즈 그룹, 상기 제2의 요 구면 거울 및 상기 제3의 요 구면 거울 사이에 배치되어 있는 중간 렌즈 구룹, 및 상기 제3의 요 구면 겅루과 최종 이미지 영역 사이에 배치되어 있는 최종 렌즈 그룹을 포함하는 광학 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 최종 렌즈 그룹은 상기 철 구면 거울에 의해 도입되는 코마(coma) 수차를 보정하는 적어도 한 개의 렌즈 수단을 포함하는 광학 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 중간 렌즈 그룹은 상기 최종 렌즈 그룹의 코마 수차 보정 렌즈에 의해 도입되는 길이 방향 및 측 방향의 색 수차를 보정하는 적어도 한개의 렌즈 수단을 포함하는 광학 장치
  10. 제9항에 있어서, 상기 중간 렌즈 그룹은 페즈발(petzval) 만곡을 보정하는 적어도 한 개의 렌즈 수단을 포함하는 광학 장치.
  11. 제9항에 있어서, a) 길이방향 및 측 방향의 색 수차를 보정하도록 상기 중간 렌즈 그룹내에 포함된 렌즈 수단; 및 b) 상기 최종 렌즈 그룹의 코마 수차 정보 렌즈 수단의 굴절력이 거의 동일하고 반대 부호를 갖는 광학 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 중간 렌즈 그룹은 페쯔발 만곡을 보정하는 적어도 하나의 렌즈 수단을 포함하는 광학장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 광학 장치내에 형성된 중간 이미지는 최종 이미지보다 크며 상기 최종 렌즈 그룹의 코마 보정 렌즈 수단은 배율을 도입시키는 광학 장치.
  14. 제7항에 있어서, 상기 철 구면 거울과 인접한 렌즈 수단은 구면 색 수차를 보정하는 얇은 쉘(shell) 렌즈를 포함하는 광학 장치.
  15. 제7항에 있어서, 실질적으로 모든 배율이 상기 철 구면 거울에서 행해지는 광학 장치.
  16. 제7항에 있어서, 부가적인 배율이 상기 최종 렌즈 그룹에서 행해지는 광학 장치.
  17. 제7항에 있어서, 모든 렌즈 수단이 동일 소재로 이루어진 광학 장치.
  18. 제17항에 있어서, 모든 렌즈 수단이 용율 실리카로 이루어진 광학 장치.
  19. 제7항에 있어서, 모든 요 구면 거울을 실질적으로 단위 배율로 작동하는 광학 장치.
  20. 제7항에 있어서, 상기 물체와 이미지 공간 모두에 있어서 실질적으로 텔레센트릭인 광학 징치.
  21. 제7항에 잇어서, 상기 최종 렌즈 그룹은 이 그룹과 상기 제3의 요 구면 거울 사이의 거리보다 상당히 작은 초점 거리를 지니는 광학 장치.
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