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KR100259969B1 - 전필드마스크 조사 강화방법 및 장치 - Google Patents

전필드마스크 조사 강화방법 및 장치 Download PDF

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KR100259969B1
KR100259969B1 KR1019960701665A KR19960701665A KR100259969B1 KR 100259969 B1 KR100259969 B1 KR 100259969B1 KR 1019960701665 A KR1019960701665 A KR 1019960701665A KR 19960701665 A KR19960701665 A KR 19960701665A KR 100259969 B1 KR100259969 B1 KR 100259969B1
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엔. 파트로 윌리엄
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로버트 피. 아킨즈
사이머 인코퍼레이티드
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Publication date
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Abstract

하이 파워 레이저 시스템을 위한 전 필드 마스크 일루미네이션 강화 방법 및 장치, 레이저(20) 방사는 고반사 광파이프(28)의 단부 플레이트(26)의 작은 구멍(24)을 통과하기 위해 작은 영역에 초점을 모은다. 광파이프(28)의 출구 단부는 마스크 또는 레티클(34)에 인접한 텔레센트릭 렌즈(32)에 영사되고, 이 마스크 또는 레티클(34)은 애블레이션을 위한 영역을 정의하는 것을 제외하곤 고반사적이다. 레티클(34)을 통과하는 레이저 방사는 워크피스(40)상에 영사되고 레티클(34)에 의해 반사된 광은 자신의 광경로 또는 레티클(34)의 동일 영역에 부딪치는 또다른 광로를 실질적으로 재투사한다.
광파이프(28)로 되돌려 반사된 광은 일반적으로 광파이프내의 작은 구멍(24)을 빗나가고, 이 광의 대부분은 레이저 방사로 레티클(34)을 반복적으로 쪼임으로서 광을 재사용하기 위해 광파이프(28) 및 단부플레이트(26)에 의해 반복적으로 재반사된다.

Description

[발명의 명칭]
전 필드 마스크 조사 강화 방법 및 장치
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명을 설명하는 블록도.
제2도는 양 직교축에 따른 마스크의 조도의 균일을 나타내는 도.
제3도는 본 발명에 따른 동작 시스템에서 초점경에 인접한 텔리센트릭 렌즈의 광학특성을 나타내는 도.
제4도는 마스크에 도달하기 이전의 광학 시스템을 통한 레이저 방사의 통과시간(TO)과 마스크의 반사부분에 부딪치는 레이저 방사의 실제 부분의 반사광을 나타내는도.
제5도는 본 발명에 사용될 수 있는 유형의 전형적인 레이저의 펄스방사광의 나노초(ns)인 시간 대 정규 강도의 도표.
제6도는 본 발명에 따라 긴 일루미네이터에 의해 생성된 방사 펄스 지속시간을 나타내는 도.
제7도는 본 발명에 따라 짧은 일루미네이터에 의해 생성된 방사 펄스 지속시간을 나타내는 도.
제8도는 본 발명에 따라 제한된 일루미네이터에 의해 생성된 방사 펄스 지속시간을 나타내는 도.
제9도는 제8도에 도시된 바와 같은 제한된 수의 반사광을 얻기 위한 제1도의 시스템의 수정을 나타내는 도.
제10도는 분리된 필드 조사 강화를 얻기 위한 제1도의 시스템의 수정을 나타내는 도.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 노광 및 용융제거용 고전력 레이저 시스템에 관한 것이며, 특히 노광되거나 용융제거에 의해 제거되어야 할 재료의 패턴을 한정하기 위해 마스크를 이용하는 시스템에 관한 것이다.
[종래의 기술]
고전력 레이저 업계는 낮은 듀티 사이클을 갖는 초점경(암 필드 마스크)으로부터 반사된 에너지를 이용하는 조사 시스템에 관한 여러 응용을 행하여 왔다.
자외선(UV) 용융제거(ablation)로 구멍을 뚫는 경우에 초점경상에 패턴된 구멍은 일반적으로 구멍의 직경에 비해 훨씬 이격되어 있어서 초점경의 전체 영역중의 매우 작은 부분의 영역만을 차지한다. 이러한 유형의 초점경 패턴은 초점경에 의해 반사된 에너지가 포획되지 않고 초점경의 개구를 통하여 재방향 설정되기 때문에 거의 모든 입사 조사 에너지가 "낭비"된다. 결과적으로, 해당 재료를 적당한 속도로 제거하기 위해 단위 영역당 충분한 강도의 에너지로 전체 초점경 영역을 쪼이기 위해선 일반적으로 비교적 높은 전력의 레이저가 필요하지만, 재료 제거에 실질적으로 유용하게 사용되는 에너지의 양은 단지 더욱 낮은 전력의 레이저에 의해 용이하게 제공될 수 있었다.
미츠비시 전기회사는 상기 에너지 낭비 또는 손실('Laser Thermal Machining, Workshop, January, 1992'에서 발표된 마사키 다나카씨등의 "Development of a High Efficiency Illuminator for Eximer Laser Machining"를 참조)에 주안을 둔 시스템 개념을 개시하였다. 이 시스템에서, 평판 반사경은 초점경의 전방에 평행하게 위치되어 있다.
레이저는 초점경의 폭과 동일한 폭을 갖는 빔을 공급하지만, 초점경의 높이에 대해 소량의 빔을 공급한다. 초점경과 반사경의 평행 조합체는 레이저의 광축에 수직인 것에서 약간 앞으로 경사지며, 반사경의 최상부는 레이저 빔의 반사경의 배후의 바로 위를 거쳐 초점경의 상부에 투사될 수 있도록 충분히 낮게 위치된다.
초점경이 대부분 반사한다고 가정하면, 빔은 초점경으로부터 반사경으로 약간 하향으로 반사하고, 반사경으로부터 반사경과 초점경 사이에서 하향 연속 "Z" 패턴으로 앞뒤로 반사하고, 적용가능한 초점경의 구멍에 조사하고, 초점경의 구멍을 통한 에너지의 손실과 빔 편차와 각각의 반사에 의한 손실로 인하여 강도가 감소한다.
작은 비율 구멍 구역을 갖는 주어진 초점경에 대해, 종래의 직접 조사 시스템에 비해 12 배의 에너지 이용 이득을 제공한다고 주장되어 있다.
상기 시스템 개념은 한계치 또는 한계치 근방에서 동작하는 보다 높은 전력의 레이저로 일반적으로 획득할 수 있는 것보다 더욱 높거나 동일한 재료 제거 속도를 잠재적으로 얻기 위해 최대 출력 미만으로 동작하는 레이저 및 더욱 낮은 전력의 레이저를 사용할 수 있는 이점을 갖는다. 그러나 이것은 한계치 및 타협안 범위에서 이루어진다. 레이저로부터의 빔은 넓고 가늘기 때문에, 빔 조정에서 수평방향의 빔 강도가 비균일하게 되는 문제가 있다. 또한 수직방향의 에너지의 분산은 초점경에 구형 재반사광을 완전히 "저장(stack)"시킬 수 없기 때문에 비균일하게 될 수 없다.
이 시스템은 초기 빔 및 모든 재반사광의 축을 벗어난 입사를 필요로 하기 때문에, 임의의 테이퍼로 된 피가공물에 원추형 구멍을 형성하는 편리한 방법을 가질 수 없다.
이에 대해, 잉크 젯 프린터용 헤드의 제조와 같은 이러한 시스템 응용예는 작은 구멍뿐만 아니라 소정 원추형을 갖는 작은 구멍을 필요로 할 수 있다.
최종적으로, 이러한 시스템은 초점경과 미러 사이의 평행 배열 및 간격에 제한되지 않지만 이것들을 포함하여, 시스템의 정확한 배치에 매우 영향을 받는다.
다음의 설명은 시스템의 구성요소의 배열에 특정하게 영향을 받지 않고 그리고 테이퍼된 구멍을 산출하는 성능을 악화시키지 않고 초점경으로부터 반사된 상당양의 에너지를 재사용하여 레이저 광원의 사용가능 강도를 증가시키면서 일영역 또는 여러 영역에 걸쳐 실질적으로 균일한 조도를 제공하는 단일 조사 시스템을 설명한다.
다음 설명은 또한 본 발명의 다른 태양 및 큰 영역 패널 조사에 대해 방사광의 타임-강도 프로파일을 제어하는 방법 및 장치를 설명한다.
[발명의 요약]
용융제거에 의해 제거되거나 노광될 재료의 패턴을 정의하기 위해 마스크를 이용하는 용융제거 및 노광을 위한 고전력의 레이저 시스템용 전 필드 마스크 조사 강화 방법 및 장치이며 마스크의 투과 영역 비율이 작은 방법 및 장치이다.
레이저 방사광은 광파이프의 내면 및 단부 플레이트가 고반사적이고, 광파이프의 단부 플레이트의 작은 구멍을 통과하기 위해 작은 영역 또는 한점에 초점을 맞춘다.
광파이프의 출구 단부는 마스크 또는 초점경에 인접한 텔리센트릭 렌즈에 영사(image)되고, 마스크 또는 초점경은 용융제거를 위한 한정된 영역을 제외하곤 고반사적이다.
초점경을 통과하는 레이저 방사는 피가공물에 영사되고, 반면에 초점경에 의해 반사된 광은 초점경의 동일 영역에 부딪치는 자신의 광로 또는 다른 광의 공로 중의 하나를 실질적으로 재추적한다. 시스템의 고의적인 이조(detuning) 및/또는 결함은 광파이프로 되돌려 반사된 광이 일반적으로 광파이프내의 작은 구멍을 빗나가고, 여기서 반사광의 대부분은, 초점경의 투과 부분을 통과 하고, 각각의 반사광에 의한 손실만큼 방사하거나 궁극적으로 구멍을 찾아서 레이저 방사 소스로 되돌아 통과할 때까지 초점경을 반복적으로 레이저 방사함으로써 반사광을 재사용하기 위해 광파이프 및 단부 플레이트에 의해 초점경으로 반복적으로 재반사된다. 일루미네이터의 길이는 방사광의 시간-강도 프로파일을 결정하며, 짧은 길이의 일루미네이터는 짧고 고강도인 조도를 나타낸다.
본 발명의 실시예의 다양한 특성 및 성능이 개시되었다.
[발명의 상세한 설명]
제1도를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예의 에너지 강화 조사 시스템에 대한 개략도가 도시되어 있다. 이 시스템은 균일화 구성요소로서 광파이프를 사용하는 다른 조사 시스템과는 두개의 중요한 방식에서 차이가 있다. 가장 중요한 첫번째 차이는 광파이프의 입구에 위치된 반사구성요소이다. 이 반사구성요소는 중앙부분에 작은 구멍을 가지며 광파이프에 면하는 측상에 정규입사의 (Rmax)(고반사) 코딩을 갖는다. 본 조사 시스템의 두번째 특별한 특성은 초점경으로부터 반사된 광성을 포획하여 광파이프로 광선을 재영사하는데 필요한 초점경면에서의 텔리센트릭(telecentric) 이미징이다.
시스템은 다음과 같이 동작한다. 레이저(20)로부터 실질적으로 시준된 방사광은 구멍(24)을 통과하기 위해 한점 또는 작은 구역 바람직하게는 광파이프(28)의 입구의 반사부재(26)의 중심에 초점을 맞춘다. 렌즈(30 및 31)는 광파이프(28)의 출구단부를 필드렌즈(32) 상에 영사하며 필드렌즈는 차례로 광을 초점경(34)로 향하게 한다.
광파이프(28)로 입사하는 광중 원추형의 중심부분의 광은 광파이프의 내부 반사벽과 충돌하지 않고 광파이프를 통과할 것이다(원추형의 중심부분의 외부경계를 정의하는 제1도의 광선(36)을 참조). 이러한 광선, 본 명세서에서 주광선으로 참조되는 광선에 대해, 필드렌즈(32)는 의도적으로 텔리센트릭으로 제조되며, 그 결과 필드렌즈를 통과하는 모든 광선은 상호 평행이고 초점경에 대해 수직이다. 따라서, 이들 광선은 초점경의 구멍(초점경의 영역의 매우 작은 부분을 나타냄)을 통과하거나 초점경에 의해 그들이 왔던 곳으로 동일 방향으로 반사된다. 본질적으로, 이들 반사된 광선에 대해, 시스템은 실질적으로 광선을 본래의 경로를 따라 되돌아가게 하거나 역반사(retro-reflective)한다.
광축에 대해 더 큰 각도로 광파이프(28)로 입사하는 광선에 대해, 이들 광선은 광파이프를 빠져나가기 전에 한번 이상의 횟수로 광파이프의 벽과 부딪쳐서 튀면서 진행할 것이다. 렌즈(30)는 광파이프의 단부를 필드렌즈(32)에 영사하므로, 이들 광선도 상기한 중앙부분의 광선과 동일한 필드렌즈의 영역에 부딪칠 것이다.
그러나 이들 광선은 상기한 바와 같이 광축에 평행하게 필드렌즈로부터 나오지 못하는 각도로 필드렌즈에 입사될 것이지만, 대신에 초점경상의 각각 및 모든 지점에 대해 이들 광선은 동일 지점(상기한 바와 같이 광축에 평행인)에서 초점경에 수직인 주광선에 대해 원추형으로 분산된다. 제3도에 도시되고, 축-대칭 렌즈가 사용된다면 모든 방향에서 동일한 원추각도(α)는 광학시스템의 여러 파라미터를 변경함으로써 변경될 수 있고 결정된다. 주광선에 대해 경사진 이들 광선에 대해, 시스템은 역반사하지 않는다. 그러나 주광선(원추의 축)에 대해 경사진 이러한 광선의 각각은 원추내에서 켤레(conjugate)를 가지며 따라서 초점경에 의해 반사되었을때 각각의 광선은 자신의 켤레경로를 실질적으로 재추적하며 또다시 재사용을 위해 광학 시스템에 머문다.
원추각도는 조사 원추를 제어하는 입력렌즈(제1도의 22)의 초점 거리와 조합하여 광파이프의 종횡비 및 길이에 의해 결정되고, 이들 파라미터의 선택을 통하여 바람직하게 제어될 수 있다.
만일 영사 시스템이 완전하다면, 재포획된 광선은 모두 광파이프의 출구단부를 통하여 되돌려 영사되며 그후 광파이프의 입구의 부재(26)의 구멍을 통하여 레이저로 되돌려진다. 그러나 설계상 영사광학렌즈는 초점경으로부터 반사된 광선이 광파이프 입구의 구멍을 통하여 되돌려 재영사되지 않도록 약간 불완전하게(성분의 약간의 축오정렬 성분에 반드시 제한되지 않지만 포함하는) 제조될 수 있다. 작은 입구구멍을 벗어난 광선은 입구 플레이트(26)의 내면에 위치된 Rmax코팅에 의해 반사될 것이다. 입구 플레이트로부터 반사된 광선은 광파이프(28)를 또다시 가로지르고 초점경상에서 또다시 영사될 것이다. 이 시간은 위치에 따라 약간 상이하다.
이 과정은 광이 초점경의 개구를 통과하거나 광파이프 입구구멍을 통과하거나 또는 조사 시스템의 광학렌즈에 의해 흡수될 때까지 반복된다.
제1도에 도시된 시스템은 광파이프로부터 초점경로 3X 확대임을 가정한다.
초점경(34)의 조사 영역은 이미징 시스템(38)에서 5X 축소임을 가정하고 75×75mm의 초점경영역이 주어지면, 피가공물(40)상에서 영사 필드 사이즈는 15×15mm임을 가정한다. 영사 시스템의 NA는 0.07인 것으로 가정되며, 종래기술의 시스템의 NA를 나타낸다. 축소값과 결합된 이미징 시스템의 NA와 0.7의 가정된 부분 코히어런스는 단지 0.0098의 조사 NA를 제공한다. 광파이프(28)로부터 초점경(34)으로의 3X 이미징은 광파이프에서의 NA를 0.029와 동일하게 만든다.
광파이프의 길이는 자신의 횡단(transverse) 크기와 광파이프를 통과하는 원추형 광선에 의해 결정된다. 광파이프(28)로부터 초점경(34)으로의 배율은 3X이고 초점경의 크기는 75×75mm이기 때문에, 광파이프의 횡단 크기는 25×25mm이다. 광파이프의 길이는 자신의 폭 25mm에 의해 결정되며, 0.029인 NA에서 한번의 바운드를 필요로 한다.
광파이프의 길이는로 주어지고 여기서, θ는 광파이프 내부의 NA이고, W는 광파이프 폭이고, L은 광파이프 길이이다. 실시예에서 요구되는 길이는 862mm이다.
또한 광파이프내의 몇몇 광선에 대한 적어도 한번의 바운드의 사용은 제2도에 도시된 바와 같이, 마스크 페이스상의 조도가 실질적으로 균일하도록 균일화 효과를 제공한다.
광파이프 입구 플레이트의 구멍의 크기는 실제와 같이 작아야 한다. 일루미네이터의 강도의 크기는 광파이프의 횡단 영역에 비해 이 구멍의 크기에 매우 의존한다.
시스템이 인공적인 환경에 있지 않다고 가정하면, 구멍의 최소의 크기는 고 UV 강도에 의해 야기되는 에어 브레이크다운에 의해 제한된다. 최대 허용 가능 강도는 약 16J/㎠로 여겨지며, 따라서 이 값 보다 5배 이하, 즉 3.2J/㎠에 의한 동작은 매우 일정하게 유지(conservative)되어야 한다. 본 발명의 양수인인 사이머 레이저 테크놀로지(Cymer Lacer Technologies)사이에 의해 제조된 특정 레이저는 그 모델 HPL-100K로서 펄스당 0.5J을 산출하며, 따라서 이 레이저에 대한 최소 구멍 영역은 0.16㎠ 즉 4.4mm 직경이다. 이 영역은 광파이프 횡단 영역의 약 2.5%이다.
구멍 크기는 예시적인 레이저의 전체 입력 에너지를 사용하여 설계되었다.
본 조사 시스템의 목적은 필요한 입력펄스 에너지를 감소시키는 것이다.
예시의 목적으로 상기와 같이 결정된 구멍의 크기가 유지 값으로 사용될지라도, 입구구멍 크기는 요구되는 입력에너지가 본 예시의 레이저가 산출하는 것보다 5-10배 낮은 에너지를 필요로 하기 때문에 상기 값보다 훨씬 작을 수 있다.
본 조사 시스템의 배율 인수는 초점경의 듀티 사이클, 광파이프 및 일루미네이터 광학렌즈의 당일 경로 손실, 광파이프의 횡단 영역에 대한 입구구멍 영역의 비율과 같은 3개의 인수에 의존한다. 이들 3개의 인수는 하나의 인수인 Rtoral로 결합될 수 있으며, 이 인수는 광파이프 입구로부터 초점경으로의 왕복 손실 및 그 반대경로에 의한 손실을 나타낸다. 이 "광자 재순환(photon recycling)" 프로세스는 반복되어 기하급수를 생성한다. 따라서 배율 인수, M은로 주어진다.
Rtotal의 값은, Rtotal= Rdc* T2 loss* Rarea로 주어지며, 여기서 Rdc는 초점경에서의 듀티 사이클 손실이고, Tloss는 광학렌즈의 단일 경로 전송 손실이며 Rarea는 입구 구멍으로 부터 되돌려지는 누설에 의한 손실이다.
듀티 사이클 손실은 매우 작을 수 있다. 본 명세서의 앞절에서 참조되고 대안 기술로 설명된 미치비시 논문은 0.04%의 듀티 사이클을 예시한다.
단일 경로 전송 손실인 Tloss는 광파이프의 반사율과, 렌즈상의 불완전한 AR(반-반사(anti-reflective)) 코팅으로 인한 손실에 영향을 받는다. 유전체 미러는 광파이프 내부에 존재하는 빗각에서 열등한 성능을 나타내기 때문에 광파이프에 사용된 반사재료는 UV 알루미늄이 가장 적합할 것이다. 뉴포트(Newport)의 UV 알루미늄 미러의 정규 입사 반사율은 예를들면 248mm에서 95%로 지정된다. 이 반사율은 광파이프에 사용된 입사각(정규로부터 88-89°)에 대해 더 높을 것이다.
유지 평가값으로서 98% 값을 가정한다. 또한 렌즈상의 AR-코팅은 각각 0.5% 손실을 갖는 것으로 가정한다. 3개의 렌즈(어떤 구성의 광파이프의 출구에서 우측에 추가 렌즈를 사용할 수 있다) 및 하나의 AR-코팅된 초점경 표면이 있을 수 있기 때문에, 35%의 전체 손실에 대해 7AR-코팅이 있다. 미러 손실 및 렌즈 손실이 더해져서 Tloss= 0.946인 단일 경로 통과 손실이 된다. 제 3 손실 메커니즘인 Rarea는 일에서 광파이프 횡단 영역에 대한 입구 구멍 영역의 비율을 뺀 것이다.
상기한 바와 같이, 입구구멍은 광파이프 횡단영역의 2.5%이고, Rarea= 0.975를 산출한다.
상기한 값들은 0.872인 Rtotal까지 더해진다. Rtotal에 대한 값은 7.8의 배율인수를 산출한다. 에너지의 배율은 이들 각각의 손실 인수에 매우 의존한다. 가장 큰 손실 인수는 이 값의 제곱이 Rtotal의 공식에 사용되기 때문에 단일경로 통과이다. AR 코팅을 개선시킴으로써 단일 경로 통과 손실을 0.97까지 개선시키면 예를 들면 배율인수를 12까지 증가된다. 일리미네이터의 여러 부분에 입사하는 에너지 밀도를 계산하기 위해 영사 평면(피가공물)에서의 에너지 밀도는 300mj/㎠인 것으로 가정한다. 5X 영사 렌즈는 거의 100% 통과율을 가져야 하며 따라서 초점경 평면에서의 강도는 영상 평면에서 보다 25배 이하 즉 12mj/㎠이다(이 12mj/㎠ 값은 일루미네이터의 강도 강화로 인한 배율값이다).
광파이프의 출구의 강도는 3X 배율로 인한 초점경의 강도의 9배 즉 108mj/㎠가 될 것이다. 광파이프 입구의 Rmax미러상의 강도는 광파이프의 출구에서의 강도와 거의 동일 즉 108mj/㎠가 될 것이다. 이 유전체 미러는 바람직하게는 200mj/㎠ 범위의 손상 한계치를 가져야 한다.
추가의 임계 손상 한계치는 광파이프의 알루미늄 미러이어야 한다. 다행히, UV 에너지는 코사인 효과에 기인하여 광역 알루미늄 미러에 입사한다. 에너지의 약 1/2이 광파이프의 4개 측면에 대해 벗어나서 반사되고 광파이프의 길이의 단지 1/2 만이 조사된다. 이러한 상태에서, 상기 에너지는 431㎠ 영역에 걸쳐 퍼지며, 1.56mj/㎠인 에너지 밀도를 산출한다. UV 알루미늄 미러에 대해 뉴포트에 의해 지정된 손상 한계치는 10mj/㎠이고, 따라서 이것은 안전레벨 보다 충분히 낮다.
15×15mm 영사 평면에 걸치는 소망의 300mj/㎠를 달성하기 위해, 임의의 배율 효과없이 675mj/펄스를 필요로 할 것이다. 상기와 같이 유도된 7.8인 본 발명의 바람직한 실시예의 배율인수로, 이 이미지 강도는 87mj/펄스 레이지로 달성될 수 있다.
앞 단락의 목표를 달성하는 일 예비광학 설계는 17, 8.2 및 7.2 인 f 수를 갖는 3개의 렌즈를 사용한다. 이들 렌즈는 어느 것도 제조하는 것이 어렵지 않으며 가장 두꺼운 부분은 자신의 정점(vertex)에서 10mm이다. 초점경에서부터 반사되어 광파이프 입구 플레이트로 재영사된 후에 광파이프 입구구멍에 위치된 포인트 소스에 대한 이미지 흐림은 2mm 직경이다. 이 시스템의 영사는 실제적으로 지나치게 양호하며 광학렌즈에 대한 약간의 "이조"는 바람직하게 입구 플레이트에서 소망의 커다란 이미지 흐림을 생성하기 위해 사용된다.
본 발명의 요점은 초점경으로부터 반사된 모든 광선이 재포획될 수 있고 광선의 출발 지점으로 되돌려 보내질 수 있다는 것이다. 렌즈 구경 외부 또는 광파이프 외부에서 굴절하는 광선에 의한 에너지 손실은 극히 작다.
상기 시스템에 대한 대안으로서, 광파이프 입구단부의 단부의 구멍의 에너지 밀도 제한은 진공에서 광학경로의 적어도 그 부분에서 동작함으로써 제거될 수 있다.
이로서 시스템 기계적 정렬, 안정성 및 접속 점 성능에 제한되는 단부 플레이트(26)에서 더 작은 구멍을 사용할 수 있다. 이로서 또한 광파이프로 역으로 반사된 보다 적은 방사광을 단부 플레이트내의 구멍을 통해, 레이저 광원으로 역으로 통과시킬 수 있고, 작은 시스템 이조 및 이들 모두에 대해서도 허용할 것이다. 이것을 성취하기 위해, 진공 밀폐부는 단부 플레이트(26) 및 바람직하게는 광파이프(28)를 포함할 수 있지만 소망하는 다른 구성요소도 포함될 수 있다.
예로써, 렌즈(22 및 30) 또는 대안으로 렌즈(22 및 32)는 진공 밀폐부의 윈도우를 형성할 수 있다. 특히 초점경과 광파이프 사이의 잠재적 반사표면의 수가 최소화되는 것이 바람직할지라도 각각의 편평 플레이트 진공 밀폐부 윈도우가 사용될 수 있다.
또한 허용가능한 에너지 강도는 압력이 내려감에 따라 증가하는 것이 예상되며, 따라서 허용가능한 에너지 강도의 실질적인 이득을 얻기 위해서는 견고한 진공이 요구되지 않을 수 있다. 결과적으로, 윈도우상에 정밀하게 기밀(fused)된 시일은 여러 응용예에서 요구되지 않을 수 있다.
제4도를 참조하면, 본 발명의 또다른 태양이 도시되어 있다. 제4도에 도시된 바와 같이, 레이저의 초기 방사는 마스크에 도달하기 이전에 그리고, 마스크의 투과 부분에 닿는 방사 부분에 대하여, 피가공물에 도달하기 이전에 광학 시스템을 통과하는 투가 시간(TO)을 갖는다. 마스크의 반사부분에 부딪치고 광파이프로 역으로 반사되어 마스크로 역으로 반사되는 방사광의 실질적인 부분에 대해 제 1 재순환(recycled) 방사광은 초기 방사광이 마스크에 도달된 후 약간의 지연시간 주기로 마스크에 도달한다.
이 지연시간 주기는 마스크(34)의 반사면으로부터 광파이프의 입구 단부의 반사내면으로 및 역으로 또다시 마스크로의 투과시간과 동일하다.
또다시, 마스크의 투과 영역에 도달하지 않는 제 1 재순환 방사광의 일부분에 대해 동일 방사부분이 두번째 재순환되고, 제 1 재순환 방사광에 대해 동일 지연 또는 초기 방사로부터 2 지연시간 후에 마스크에 도달한다. 이것은 물론 각각의 재순환에서의 약간의 손실에도 불구하고 계속 진행될 것이다.
상기 사항의 중요성이 제 5도에 대해 예시될 수 있다.
제5도는 본 발명의 양수인인 사이머 레이저 테크놀로지사에 의해 제조된 전형적인 레이저의 펄스방사에 대해 나노초(ns)의 시간 대 정규강도의 좌표도를 나타낸다.
도면에서 알 수 있는 바와 같이, 방사광의 피크 강도는 약 12ns에서 도달하고, 또다른 약 18ns 동안 매우 높게 잔존한 후 또다른 30ns에서 피크의 약 5%로 강하한다.
방사광의 속도(광속(c))는 ns당 약 1피트이고, 각각의 반사에서 왕복 통과 거리는 광학 시스템의 관련 부분의 길이의 2배이기 때문에, 제4도에 예시된 지연시간 주기는 광합 시스템의 관련 부분의 각각의 피트에 대해 약 2ns가 될 것이다. 상대적 긴 광학 시스템에 대해, 즉 약 10피트의 일루미네이터에 대해, 제4도의 시간 지연은 약 20ns일 것이다. 따라서, 초기 입사 조도는 실질적으로 강하하고, 마스크에 의해 반사된 입사 조도의 초기 상승은 광파이프 반사 단부에 의해 재반사될 것이고 또다시 마스크에 입사할 것이다. 이것이 제6도에 도시되어 있으며, 여기서 제5도의 단일 레이저 펄스는 재생되고 그것의 반복 펄스와 합쳐지고, 각각은 이전 펄스로부터 약 20ns 지연되고 광로상의 관련 부분에 대한 각각의 2중통과에 의한 반사 손실의 결과로서 진폭이 약간 감소된다. 제6도에 정규 피크 강도가 재반사에 의해 50% 이상 증가되는 반면에 방사시간 길이는 더욱 확대된다. 물론, 전체적으로 마스크 및 피가공물상에 입사하는 방사광의 전체 에너지는 매우 확대되어 왔다.
제6도의 긴 일루미네이터에 대한 시간 연장(stretched) 펄스 특성을 비교하기 위해 길이가 약 3피트인 상대적으로 짧은 일루미네이터로 동일한 효과를 나타내는 제7도로 주의를 돌린다. 여기서 제5도의 단일 레이저 펄스가 또다시 재생된다.
광로의 각각의 부분의 3피트 길이인 상태에서, 마스크로부터 이전에 반사되었던 마스크에서의 방사광의 연속 도달 사이의 지연시간은 단지 약 6ns이다. 단일 레이저 펄스의 피크 폭은 20ns 정도이기 때문에 거의 피트 강도인 다수의 반사광이 추가될 것이고, 실질적으로 더욱 짧은 시간주기를 갖더라도 이전 보다 훨씬 높은 피크 강도로 되는 결과가 된다. 이에 대해, 개별 레이저 펄스의 반사 개별 펄스의 피크 진폭보다 3배의 진폭을 제공하는 범위로 추가되며, 펄스형태는 제6도의 다중-피크 파형보다 더욱 고에너지 단일 펄스, 고 진폭, 약간 느린 펄스형태에 근접한다.
제6도 및 제7도의 다중펄스 파형의 에너지는 실질적으로 동일하다. 그러나 일반적으로 일루미네이터 길이는 다양한 면의 반사율 또는 지연된 방사 도달 사이에 부딪치는 반사파의 수에 영향을 주지 않으므로, 일루미네이터 길이에 의한 순효과는 각각의 펄스의 에너지를 제어하는 것이라기 보다 유효 파형을 제어하는 것이고, 제6도의 긴 일루미네터의 경우엔 더욱 크게 증가된 피크 에너지로 유효 에너지를 시간에 따라 스트레치하는 것이고, 제7도의 짧은 일루미네이터의 경우엔 더욱 짧은 펄스 시간의 더욱 고 피크 에너지를 제공하는 것이다. 이들 두개의 일루미네이터 길이는 일루미네이터의 펄스 특성의 제어 상세히는 일루미네이터 길이에 대한 제어의 두 개 특정 예에 불과하다.
강화된 에너지 펄스의 특성을 제어할 수 있는 능력은 레이저의 상이한 응용이 상이한 펄스 필요 조건을 가지므로 중요하다. 예로써, 반도체 제조등과 같은 포토리소그래픽 공정에서 사용되는 노광의 경우에 감광재료는 일반적으로 전체 에너지에 응답하며 조사광의 피크강도에 응답하지 않는다. 결과적으로 피크 강도를 감소시키고 따라서 반사면상에 가해지는 압력을 감소시키는 등을 위해 긴 일루미네이터가 일반적으로 바람직하다. 이에 대해, 제6도는 길이가 10피트인 일루미네이터를 나타내는 반면에, 이 길이는 광파이프의 입구의 반사측으로부터 마스크의 반사면 까지의 광로의 길이이고 광로는 소망하는대로 유지되는 반면에 실제 크기를 작게하기 위해 광로상에서 겹쳐질 수 있으므로 일루미네이터의 실제 크기는 반드시 필요한 것은 아니다.
회로기판, 잉크 젯 프린터 헤드 등에 구멍을 뚫기 위해 용융제거에 의해 재료를 제거하는 경우에 피크 강도는 중요한 파라미터이고, 피크 강도가 더욱 높아짐에 따라 재료 제거는 더욱 빨라지고 방사광에 의해 가열되는 피가공물은 더욱 작아진다.
그러나 보다 낮은 강도는 재료 제거로 보다 낮은 비율의 반사광을 가지며, 피가공물의 가열로 임의 한계치 이하의 반사광으로 가열하면 더 높은 비율의 반사광을 갖는다. 보다 높은 재료 제거율은 작업 완성 시간을 단축시키며, 가열은 피가공물 및 홀더의 왜곡 때문에 바람직하지 않고, 재료 제거 패턴의 부정확 결과로 되기 때문에, 피크 강도 근방 영역의 전방 및 후방 에지가 가능한 한 예각을 이루는 상태에서, 고피크 강도를 제공하는 것이 이러한 응용예에 매우 바람직하다. 따라서, 이러한 응용에서 제7도에서와 같은 짧은 일루미네이터의 펄스 형태 특성은 제6도에서와 같은 긴 일루미네이터 펄스형태 특성에 비해 더욱 바람직하다.
제7도를 다시 참조하면, 제7도의 조사광 펄스형태의 후방 에지는 연속적으로 지연되고 감소하는 진폭 펄스의 반본적인 합에 의해 정의된다. 광로에 대한 임의의 횟수의 통과 후에 조도는 추가로 지연된 펄스의 합이 펄스의 피크 강도 또는 피크 근방 강도 보단 단지 펄스의 후방 에지에 기여하는 포인트로 감소된다. 따라서, 합해져야 할 지연된 펄스의 수가 명확히 한정될 수 있다면, 획득된 피크 강도는 상당히 변화되지 않을 수 있지만, 펄스의 후방에지의 강하시간은 상당히 단축될 수 있다. 이러한 것이 제8도에 예시되어 있으며, 단일 레이저 펄스에 있어서, 결합된 펄스는, 여기서 제7도에서와 같은 짧은 3피트 일루미네이터에서 단펄스와 3타임 지연펄스의 합을 나타낸다. 마스크에 의해 반사된 방사광의 모든 재반사광이 수행하는 왕복의 횟수를 명확히 제한하는 성능으로 제7도에서의 진폭과 실질적으로 동일한 진폭을 갖는 펄스로 될 수 있지만 제7도에서 보다 실질적으로 더 짧은 강하시간 및 후방 에지를 갖는 것을 제8도로부터 알 수 있다.
제8도에 도시된 바와 같이 제한된 수의 반사는 제9도에 도시된 방법으로 제1도의 시스템을 수정함으로써 달성될 수 있다. 특히, 제1도의 광학 시스템이 거의 완전하다면, 마스크의 반사면에 의해 반사된 누락된 방사광은 레이저로 되돌려지기 위해 광파이프의 입구 단부의 개구에서 또다시 초점을 맞추게 된다. 반면에, 광학 시스템의 이조동작 텔리센트릭 렌즈(32) 및 마스크(34)를 약간의 각도(도시하기엔 너무 작은)를 이루게 함으로써 달성될 수 있다면, 가장 주된 효과는, 제9도에 도시된 바와 같이, 입사 조사광(50)의 반사 부분이 실질적으로 반사부재(26)의 개구(24)로부터 오프셋 위치에 초점을 맞출수 있도록, 동일한 것을 다소 역반사하고 오프셋할 수 있었던 마스크에 의해 반사된 조사광의 일부를 취할 수 있다는 것이다. 각각의 다음 반사광은 거의 역반사적인 시스템에서 조사광의 4번째 왕복후에 현재 조사광이 광파이프(28)의 단부(26)의 추가의 개구(52)와 정렬하도록 여전히 더욱 오프셋된다.
따라서 4번째 왕복 후에 방사광(54)은 무해하게 소산되도록 광학 시스템의 외부로 진행한다. 이에 대하여, 바람직하게, 광 파이프의 외부로 진행하는 반사광(54)은 광학 시스템의 축에 거의 수직인 방향으로 반사되고, 무해하게 종료하도록 상당히 큰 영역의 흡수면에 걸쳐 발산될 수 있다.
제9도에서, 연속적으로 반사된 광선은 1, 2, 3 및 4로 표기되어 있고, 각각은 주 조사광(50)으로부터 및 서로간 동일하게 오프셋되는 것으로 개략적으로 도시되어 있다.
이것은 연속적인 반사광선 사이의 간격이 증가하여, 예를 들면 제 3 및 제 4 광선 세트 사이의 거리가 주 조사광(50)과 이것의 제 1 반사광 사이의 거리 보다 커진다는 것을 예상될 수 있다는 점에서 단지 개략적이다. 더우기, 주 광선의 초점도가 비교적 양호하고 지역(region)의 에어 브레이크다운 없이 허용가능한 초점도로 제한되는 반면에, 초점도는 조사광의 각각의 왕복에서 감소되는 것이 예상될 수 있다. 따라서, 광학 시스템으로부터 통과 하는 광선(54)을 위한 개구(52)는 바람직하게 초기 조사광(50)이 통과하는 개구보다 크게 될 수 있다. 이에 대해, 제9도에서 광파이프의 단부(26)의 개구(52) 위의 지역은 맨처음 4번 왕복하는 조사광의 반사에 해당되지 않으며, 따라서 제9도의 개략도의 광파이프 단부의 상부 전체는 원한다면 개방된 상태로 남겨질 수 있다. 또한, 이 예에서 초점 흐림 및/또는 다른 영향으로 인해, 상기한 4번째 왕복에 의한 조사광의 일부가 반사되고 광학 시스템으로 부터 일부가 통과하더라도, 일반적으로 반사된 반사파의 일부는 다음 왕복에서 광학 시스템으로부터 통과할 것이며, 따라서 마스크 및 피가공물에 의해 알수 있는 조사광의 후부를 절단하는 목적이 달성된다.
제10도를 참조하면, 분리된 필드 조도 강화를 획득하기 위한 제1도의 시스템의 추가 수정이 도시되어 있다. 여기서 광파이프(28)를 나가는 방사광은 분리되고 프리즘(50)에 의해 미러(52a 및 52b)로 방향이 새롭게 정해지며, 이것은 또한 평행한 2개의 이격 광축을 따라 초점경(34)으로 광을 새롭게 방향 설정한다.
렌즈(30a, 30b, 32a 및 32b)는 제1도 렌즈(30 및 32)와 동일한 기능을 수행하며 초점경상에 방사광의 텔리센트릭 이미징을 제공하지만, 이때, 방사는 하나의 연속 지역 보다 서로 간격을 이룬 두개의 지역을 걸쳐 실질적으로 동일하게 분산되고 집중된다.
이러한 배열은 용융제거에 의해 복수의 구멍을 형성하는 것과 동일 용도로 많이 이용가능하고, 그 구멍은 두 개의 평행 행에서와 같이 분리 영역에 배열되어 있다.
이러한 배열은 집적회로를 위한 리드 접속이 흔히 평행인 행으로 배열되는 전자산업 특히 멀티-칩 모듈 패키징에서 흔히 볼 수 있다.
전자산업에서 사용되는 그 밖의 일반적인 패키징 배열은 정방형 및 구형 레이아웃으로 배열된다.
이런 경우에, 하나의 연속 지역 보단 중첩하는 4개 영역에 걸쳐 구멍 패턴을 실질적으로 고르게 분산되고 방사를 초점에 맞추도록 하기 위해 프리즘(50) 및 관련 미러 대신에 피라미드 및 4개 미러가 사용될 수 있다. 명백히 또다른 장치 및 형태가 방사가 연속적이거나 그렇지 않은 복수개의 영역 내부로 이루어지도록 구성하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 임의의 바람직한 실시예에 대해 설명되고 개시된 반면에, 당업자에게는 본 발명의 범위 및 정신으로 부터 벗어남이 없이 본 발명의 다양한 변화가 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (10)

  1. 하나의 패턴을 정의하기 위해 투과시키고, 또한 반사시키는 부분을 가진 마스크(34)를 이용한 전 필드 마스크 조사 시스템에 있어서, 레이지 방사광을 제공하는 레이저(20); 레이저 방사광을 접속하는 제 1 렌즈 수단(22); 반사면과 제 1 투과 영역(24)을 구비하며, 방사광이 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)을 통해 투사하도록 방사광의 초점 위치에서 레이저 방사광의 축에 수직으로 위치된 플레이트(26); 출구 단부를 구비하며, 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)을 통과하는 방사광을 수광하도록 플레이트(26)에 인접하게 위치된 입구 단부를 구비하며, 반사 내벽을 구비한 광파이프(28); 반사 부분과 투과 부분을 구비한 마스크(34); 및 광 파이프(28)를 통과하는 레이저 방사광을 수광하도록, 그리고 그 레이저 방사광을 콘내의 마스크(34)로 향하도록 배치된 텔리센트릭 필드 렌즈(32);를 포함하며, 상기 마스크(34)의 반사 부분을 충돌하는 레이저 방사광은 플레이트(26)내의 투과 영역(24)을 빗나가도록 플레이트(26)로 역으로 반사되고, 상이한 위치에서 반사면에 의해 마스크(34)로 역으로 재반사됨으로써, 마스크(34)의 투과 부분을 이전에 통과하지 않은 레이저 방사광의 일부를 이용할 수 있고, 상기 텔리센트릭 필드 렌즈(32)는 상기 반사 레이저 방사광을 마스크(34)에서 광 파이프(28)로 유도하는 것을 특징으로 하는 전 필드 마스크 조사 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 텔리센트릭 필드 렌즈(32)는 광 파이프(28)의 내벽에서 벗어나 반사되지 않고 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)을 통과한 레이저 방사광을 수광하여 콘 내의 마스크(34)로 향하게 할 것이고, 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)을 통과하고 광 파이프(28)의 내벽에서 벗어나 반사된 레이저 방사광을 수광하여 마스크(34)로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 전 필드 마스크 조사 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 광 파이프(28)의 출구 단부를 텔리센트릭 필드 렌즈(32)상에 이미징하기 위해, 광 파이프(28)과 텔리센트릭 필드 렌즈(32)사이에 렌즈 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전 필드 마스크 조사 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제 1 렌즈 수단(22)과 광 파이프(28)는, 광 파이프(28)의 내벽상에 충돌하지 않고 광 파이프(28)를 통과하는 방사광과, 광 파이프(28)의 내벽중 하나로부터 단일 반사광과 함께 광 파이프(28)를 통과한 방사광을 포함하는 광 파이프(28)의 출구 단부로부터의 방사광을 제공하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 전필드 마스크 조사 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)는 플레이트(26)내의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 전 필드 마스크 조사 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 마스크(34)의 여러 영역에 충돌하는 방사광을 재방향 설정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전 필드 마스크 조사 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 플레이트(26)는, 반사된 방사광이 마스크(34)로부터 및 마스크로의 역 다중 재반사후 통과할 수 있도록 배치되어 있고 제 1 투과 영역(24)으로부터 오프셋되어 있는 제 2 투과 영역을 구비한 것을 특징으로 하는 전 필드 마스크 조사 시스템.
  8. 하나의 패턴을 정의하고 또한 반사하는 투과 영역을 가진 마스크(34)상의 레이저 방사광의 강도를 증가시키는 방법에 있어서,
    (a) (i) 레이저 방사원;
    (ii) 반사면과 제 1 투과 영역(24)을 구비하고 광 파이프(28)에 접하는 측면에서 반사하는 플레이트(26)와, 반사 내벽을 광 파이프(28)의 입구 단부에 구비한 광 파이프(28); 및
    (iii) 텔리센트릭 필드 렌즈(32);를 가진 광학 시스템을 제공하는 단계,
    (b) 텔리센트릭 필드 렌즈(32)가, 광 파이프(28)의 내벽에서 벗어나 반사되지 않고 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)을 통과한 레이저 방사광을 수광하여 콘 내의 마스크(34)로 향하도록, 그리고 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)을 통과하고 광 파이프(28)의 내벽에서 벗어나 반사된 레이저 방사광은 수광하여 마스크(34)로 향하도록 배치된 상태에서, 조사될 마스크(34)의 영역에 대응하는 텔리센트릭 필드 렌즈(32)의 영역을 조사하기 위해 플레이트(26)의 투과 영역을 통해 레이저 방사광을 집속하는 단계;
    (c) 마스크(34)의 반사부분에 충돌하는 레이저 방사광이 플레이트(26)내의 제 1 투과 영역(24)을 빗나가는 방식으로 방사 플레이트(26)로 역으로 반사되고 상이한 위치에저 반사면에 의해 역으로 마스크(34)에 제반사됨으로써, 텔리센트릭 필드 렌즈(32)가 상기 반사된 레이저 방사광을 마스크(34)에서 광 파이프(28)로 유도하는 상태에서, 마스크(34)의 투과 영역을 이전에 통과하지 않은 레이저 방사광의 일부를 사용가능하게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 마스크(34)의 복수의 영역상에 충돌하도록 방사광을 재방향 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 반사된 방사광을 마스크(34)에서 및 마스크로의 복수 재반사후 플레이트(26)의 제 2 투과 영역을 통과할 수 있게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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