KR100992471B1 - 자외 광원, 자외 광원을 이용한 레이저 치료 장치 및 자외 광원을 이용한 노광 장치 - Google Patents

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Abstract

적외 영역의 신호광을 발생시키는 레이저 광원(10)과, 광섬유 증폭기(21, 22)를 지니며 레이저 광원(10)에서 발생된 신호광을 증폭하는 광 증폭기(20)와, 광 증폭기(20)에서 증폭된 신호광을 자외광으로 파장 변환하여 출력하는 파장 변환 광학계(30)를 구비하고, 광 증폭기(20)에 있어서의 적어도 1단의 광섬유 증폭기(22)의 여기 광원으로서 싱글 모드 섬유 레이저(26)를 이용하여 자외 광원(1)을 구성한다.

Description

자외 광원, 자외 광원을 이용한 레이저 치료 장치 및 자외 광원을 이용한 노광 장치{ULTRAVIOLET LIGHT SOURCE, LASER TREATMENT APPARATUS USING ULTRAVIOLET LIGHT SOURCE, AND EXPOSURE SYSTEM USING ULTRAVIOLET LIGHT SOURCE}
본 발명은 적외영역에서 가시 영역까지의 신호광을 광섬유 증폭기로 증폭하여, 파장 변환 광학계로 자외광으로 변환하여 출력하는 자외 광원에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 자외 광원을 이용한 레이저 치료 장치 및 노광 장치에 관한 것이다.
파장이 짧고 시간적 코히런스(coherence)가 높은 자외 레이저광은 최근에 여러 가지 용도로 이용되고 있으며, 예컨대 반도체 디바이스 제조 장치에 있어서의 노광 장치나, 외과, 안과, 치과 등의 수술 및 치료 장치, 각종 계측·분석 장치, 가공 장치 등에 이용되고 있다. 이들 장치에 이용되는 자외 광원으로서는, 발진 파장(λ)=248 nm의 KrF 엑시머 레이저나, 발진 파장(λ)=193 nm의 ArF 엑시머 레이저 등이 있으며, 이미 이들 엑시머 레이저를 광원으로 한 각종 장치가 실용화되고 있다. 그런데, 이러한 자외 광원에서는, 레이저 장치 자체가 대형이며 비싼 데다, 불소 가스를 작동 매체로서 이용하기 때문에 메인터넌스가 번잡하고 운전 비용도 고액이 되는 문제가 있었다.
이 때문에, 적외영역에서 가시광 영역에 걸쳐 발진하는 고체 레이저를 신호 광원으로서 이용하여, 그 출력광을 광섬유 증폭기로 증폭하고, 파장 변환 광학계를 이용하여 소정 파장의 자외광으로 파장 변환하여 출력하는 전고체형(全固體型)의 자외 광원에 대한 검토가 예의 진행되고 있다. 이러한 고체형 자외 광원으로서, 예컨대, 파장(λ)=1.55 μm 대에서 안정하게 발진하는 DFB 반도체 레이저를 신호 광원으로서 이용하고, 그 출력광을 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(이하, 약어 「EDFA」로 표기함)로 원하는 광 강도로 증폭하고, 또한 파장 변환 결정을 이용한 파장 변환 광학계로 8배 고조파의 파장(λ)=193 nm의 자외광으로 변환하여 출력하는 자외 광원이 제안되어 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제2000-200747호 공보, 일본 특허 공개 제2001-353176호 공보를 참조).
그리고, 이러한 고체형 자외 광원에 이용되는 EDFA로서, 싱글 클래드·싱글 모드의 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDF)를 싱글 모드 발진 반도체 레이저로 여기하는 싱글 클래드 EDFA 및 더블 클래드 EDF를 멀티 모드 발진 반도체 레이저로 여기하는 더블 클래드 EDFA가 알려져 있다(예컨대, 일본 특허 공개 2제000-200747호 공보, 일본 특허 공개 제2001-353176호 공보 참조).
그러나, 상기와 같은 종래의 EDFA에서는 다음과 같은 문제가 있었다. 우선, 싱글 클래드 EDFA에서는, 이것을 여기하는 싱글 모드 발진 반도체 레이저의 광 출력이 수백 mW 정도의 저출력으로 한정되어 있기 때문에, 10 kW 이상의 하이 피크 파워(펄스 폭∼1 ns)를 발생시키기 위해서는, 수 kHz 정도의 낮은 반복 주파수, 또한 낮은 듀티의 신호광으로 증폭 동작시키지 않을 수가 없었다. 이 때문에, EDFA에서 출력되는 광은 하이 피크 파워를 얻을 수 있더라도 평균 출력으로서는 기껏해야 100 mW 정도의 저출력밖에 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다. 이것은 광섬유 증폭기로서 원래 갖추고 있는 증폭 능력을 충분히 발휘할 수 없음을 의미하는 것이었다.
또한, 상기와 같은 광섬유 증폭기에서는, 소정의 피크 파워를 얻기 위해서, 복수의 EDFA를 직렬로 접속한 다단 구성으로 하는 것이 일반적이다. 그런데, 신호광의 펄스와 펄스 사이의 무신호 부분에서는, EDFA에 있어서의 ASE(Amplified Spontaneous Emission : 자연 방출광의 광 증폭)에 의해 펄스 사이에 ASE 노이즈(DC 성분)가 발생하여 증폭되어, 출력광의 SN비를 현저히 저하시킨다. 이 때문에, 다단 구성의 EDFA에서는, 후단의 EDFA에 SN비가 높은 신호광을 공급하기 위해서, 각 단 사이에 전기 광학 변조 소자 또는 음향 광학 변조 소자를 배치하여, 이들 변조 소자를 신호 광원과 동기 제어함으로써 DC 노이즈 성분을 제거하는 구성을 취하고 있었다. 이 때문에, EDFA의 구성이 복잡하고 또 비싸게 되는 데다, 변조 소자의 삽입에 의해서 신호광의 손실이 생긴다고 하는 문제가 있었다.
한편, 더블 클래드 EDFA에서는, 레이저 매질이 도핑된 코어의 주위에 여기광이 커플링되는 제1 클래드가 형성되고, 그 외주에 제1 클래드의 도파로를 형성하는 제2 클래드가 마련된다. 제1 클래드는 멀티모드이며 단면적도 크기 때문에 멀티모드 발진 고출력 반도체 레이저를 효율적으로 커플링할 수 있으며, 여기광 파워를 높임으로써 펄스 반복 주파수 및 평균 출력을 높일 수 있다. 그러나, 더블 클래드 EDFA의 경우에는, 코어에 여기광을 직접 투입하는 싱글 클래드 EDFA에 비해서 단위길이당 여기 효율이 낮아, 섬유의 치수를 줄이기가 곤란하다. 그 때문에, 섬유 속 에서 발생하는 파라메트릭 과정이나 유도 라만 산란 등의 비선형 효과에 의해서 신호광의 손실이 증대되어, 싱글 클래드 EDFA와 같은 높은 피크 파워를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 여러 가지 점을 감안하여 이루어진 것으로, 간명한 장치 구성으로, 하이 피크 파워와 높은 평균 출력을 양립시킨 자외 광원을 제공하는 것을 목적으로 하고, 아울러, 이러한 자외 광원을 이용하여 구성되는 노광 장치나, 광 치료 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 적외영역에서 가시 영역까지의 신호광을 발생시키는 레이저 광원과, 적어도 1단의 광섬유 증폭기를 지니며 레이저 광원에서 발생된 신호광을 증폭하는 광 증폭기와, 광 증폭기에서 증폭된 신호광을 자외광으로 파장 변환하여 출력하는 파장 변환 광학계를 구비하는 자외 광원에 있어서, 광 증폭기에 있어서 적어도 1단의 광섬유 증폭기의 여기 광원에 싱글 모드 섬유 레이저를 이용하여 자외 광원을 구성한다.
본 발명의 자외 광원에 있어서, 상기 싱글 모드 섬유 레이저를 여기 광원으로 하는 광섬유 증폭기가, 광 증폭기에 있어서의 종단의 광섬유 증폭기인 것이 바람직하다.
또한, 상기 발명의 자외 광원에 있어서, 상기 싱글 모드 섬유 레이저로서 광섬유 라만(Raman) 레이저를 이용하는 것이 바람직하다.
이 경우의 자외 광원에 있어서, 상기 싱글 모드 섬유 레이저로서 이테르븀(Yb) 도핑 섬유 레이저를 이용할 수 있다.
또한, 상기 자외 광원을, 신호광과 여기 광원으로부터의 여기광을 동축으로 중합시키는 파장 분할 다중화 장치가 섬유 융착형 파장 분할 다중화 장치이며, 이 파장 분할 다중화 장치를 광 증폭기의 입력 측에 배치하여 구성해도 된다.
본 발명의 레이저 치료 장치는 전술한 자외 광원과, 이 자외 광원으로부터 출사되는 자외광을 치료 부위로 유도하여 조사(照射)시키는 조사 광학계를 구비하여 구성된다.
본 발명의 노광 장치는 상술한 자외 광원과, 소정의 노광 패턴이 설치된 포토마스크를 지지하는 마스크 지지부와, 노광 대상물을 지지하는 대상물 지지부와, 상기 자외 광원으로부터 출사되는 자외광을 마스크 지지부에 지지된 포토마스크에 조사시키는 조명 광학계와, 조명 광학계를 통해 상기 포토마스크에 조사되어 그 포토마스크를 통과한 조사광을 상기 대상물 지지부에 지지된 노광 대상물에 조사하게 하는 투영 광학계를 구비하여 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 자외 광원에 있어서 레이저 광원 및 광 증폭기의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자외 광원에 있어서 파장 변환 광학계의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 상기 광 증폭기에 있어서 복합 모듈의 구성을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 자외 광원에 있어서 레이저 광원 및 광 증폭기 의 구성을 도시한 개략도이다.
도 5는 광섬유 라만 레이저로부터의 여기광의 출력과 광 증폭기로부터 출력된 신호광의 출력의 관계를 도시한 도면이다.
도 6은 1547 nm의 기본파 출력과 193 nm의 8배파 출력의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 치료 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 8은 상기 레이저 치료 장치를 구성하는 조사 광학계 및 관찰 광학계의 구성을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 노광 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 마스크 결함 검사 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
자외 광원
우선, 본 발명에 따른 자외 광원의 구성예를 도 1∼도 4의 각 도면에 영역마다 나타내고 있으며, 이들 각 도면을 참조하면서 설명한다. 자외 광원(1)은 적외영역에서 가시 영역까지의 신호광을 발생시키는 레이저 광원(10)과, 전단 및 후단의 광섬유 증폭기(21, 22)를 지니고 레이저 광원(10)에서 발생된 신호광을 증폭하는 광 증폭기(20)와, 광 증폭기로 증폭된 신호광을 자외광으로 파장을 변환하여 출력 하는 파장 변환 광학계(30)를 구비하고 있으며, 광 증폭기(20)에 있어서의 후단의 광섬유 증폭기(22)의 여기 광원(26)으로서 싱글 모드 섬유 레이저를 이용하여 구성하고 있다.
레이저 광원(10)은 고체 레이저(11)와 이 고체 레이저의 작동을 제어하는 제어 장치(12)로 이루어지며, 광 증폭기(20)에 펄스형 신호광을 출력하는 신호 광원이다. 고체 레이저(11)로서는 예컨대, 발진 파장(λ)=1.55 μm 대의 적외 영역에서 발진하는 InGaAsP, DFB(Distributed Feedback : 분포 귀환형) 반도체 레이저를 이용할 수 있다. 상기 DFB 반도체 레이저의 발진 파장은 0.1 nm/℃ 정도의 온도 의존성을 지니고, 따라서 이것을 일정 온도로 온도를 제어하여 발진시킴으로써, 예컨대 발진 파장(λ)=1547 nm에서 협대역화된 단일 파장의 적외광을 출력시킬 수 있다. 제어 장치(12)는 DFB 반도체 레이저(11)의 작동을 제어하는 드라이버이며, 펄스 폭 약 1 ns, 반복 주파수(f)=수십∼수백 kHz의 구동 신호를 DFB 반도체 레이저(11)에 공급하여 펄스 발진 작동시켜, 피크 파워 10 mW 정도의 펄스형의 신호광을 광 증폭기(20)에 출력시킨다.
한편, DFB 반도체 레이저(11)를 CW 출력으로 안정 발진시켜 놓고, 그 출력광을 전기 광학 변조 소자나 음향 광학 변조 소자 등의 외부 변조기로 펄스형으로 잘라내어 신호광으로 하여도 좋다. 이러한 구성에 따르면, 주파수 처프(chirp)가 적고, 또한 협대역화시킨 신호광을 광 증폭기(20)에 출력시킬 수 있다.
광 증폭기(20)는 레이저 광원(10)으로부터 출력된 파장(λ)=1547 nm의 신호광을 증폭하는 증폭기이며, 전단, 후단의 광섬유 증폭기(21, 22), 편광 제어 장치 (24), 복합 모듈(25), 후단의 광섬유 증폭기(22)를 여기하는 여기 광원(26) 등으로 구성되고, 전후단의 광섬유 증폭기(21, 22)를 직렬로 접속하여 광 증폭기를 구성한 예를 개시하고 있다.
광 증폭기(20)의 입력부에 설치된 편광 제어 장치(24)는 섬유형 편광 제어기이며, 후단의 광섬유 증폭기(22)에서 발생할 수 있는 4광파 혼합이나, 유도 라만 산란 등의 비선형 과정을 억제하기 위해서 신호광의 편광을 제어하는 것이다.
전단의 광섬유 증폭기(21)는 레이저 광원(10)으로부터 출력된 피크 파워 10 mW 정도의 신호광을 1 kW 정도까지 증폭하는 전치 증폭기이다. 이 전치 증폭기에서는 출력광의 피크 파워가 1 kW 정도이기 때문에, 광섬유 증폭기(21)로서, 싱글 클래드의 EDF(에르븀 도핑 섬유)를 이용하여, 싱글 모드 반도체 레이저의 출력광을 커플링하여 여기할 수 있다. 한편, 도 1에서는 광섬유 증폭기(21)를 구성하는 EDF의 여기 광원 및 여기광을 섬유 코어에 결합하는 파장 분할 다중화 장치(Wavelength Division Multiplexer : WDM) 등을 기재하지 않고 있다.
한편, 피크 파워 10 mW에서 1 kW(이득 50 dB)까지의 광 증폭을 안정적으로 실행시키기 위해서, 전단의 광섬유 증폭기(21)를 2단 정도의 EDFA로 구성하는 것도 바람직하며, 그 때에는, 제1단의 EDFA와 제2단의 EDFA 사이에 제1단에서 발생한 ASE를 제거하는 협대역 필터나, 제1, 제2단에서의 발진을 억제하기 위한 아이솔레이터를 삽입한다.
한편, 피크 파워가 1 kW를 넘는 영역이 되면, 4광파 혼합이나 유도 라만 산란 등의 비선형 효과에 의한 신호 이득 저하가 무시할 수 없게 된다. 따라서, 광섬유 증폭기(21)를 단일한 단으로 구성하는 경우의 섬유나, 2단 구성으로 하는 경우의 제2단 섬유에는 모드 직경이 10 μm 정도이며, 고농도 에르븀을 도핑한(Er 농도>1000 ppm) 싱글 클래드 EDF를 이용하는 것이 바람직하다.
전단의 광섬유 증폭기(21)로부터 출사된 신호광은 복합 모듈(25)에 입사된다. 복합 모듈(25)은 그 내부 구성을 도 3에 도시한 바와 같이, 콜리메이터 렌즈(251), 협대역 필터(252), 아이솔레이터(253), 파장 분할 다중화 장치(Wavelength Division Multiplexer : WDM)(254), 콜리메이터 렌즈(255), 집광 렌즈(256) 등으로 이루어져, 일체의 유닛으로 통합하여 구성된다.
여기서, 협대역 필터(252)는 DFB 반도체 레이저(11)의 출력 파장을 중심으로하여 소정 투과 대역 폭의 신호광만을 투과시키는 필터이며, 예컨대 투과 대역 폭 1 nm 정도의 협대역 필터를 이용함으로써, 전단의 광섬유 증폭기(21)에서 발생하는 ASE 등의 노이즈 성분을 제거하고, 후단의 광섬유 증폭기(22)에 투입하는 신호광의 SN비를 향상시키고 있다. 또한, 아이솔레이터(253)는 전단의 광섬유 증폭기(21)와 후단의 광섬유 증폭기(22)를 분리하기 위해서 설치되어 있으며, 후단의 광섬유 증폭기(22)로부터의 귀환광에 의한 발진 및 ASE의 다중 반사에 의한 이득의 저하를 억제하고 있다.
파장 분할 다중화 장치(이하, 약어「WDM」이라고 표기함)(254)는 전단의 광섬유 증폭기(21)로부터 출사되어 콜리메이터 렌즈(251)로 콜리메이트된 신호광과, 여기 광원(26)으로부터 섬유(268)를 통해서 유도되어 콜리메이터 렌즈(255)로 콜리메이트된 여기광(펌프광)을 합파(合波)하는 장치이며, 도 3에서는, 광섬유 증폭기 (21)로부터 출사된 파장(λ)=1547 nm의 신호광을 투과하고, 여기 광원(광섬유 라만 레이저)(26)으로부터 유도된 파장(λ)=1480 nm의 여기광을 반사하여, 신호광과 여기광을 동축으로 중합시키는 반사형의 WDM을 예시하고 있다.
이와 같이, 각 광학 소자를 하나의 유닛으로 통합하여 섬유형 복합 모듈(25)을 형성함으로써, 커플링 손실이나 융착 손실을 저감시켜 효율을 높일 수 있는 동시에, 섬유의 길이를 줄여 비선형 효과를 피할 수 있다.
여기 광원(26)은 싱글 모드 섬유 레이저이며, 도 1에서는 광섬유 라만 레이저를 이용한 예를 도시하고 있다. 광섬유 라만 레이저(26)는 후단의 광섬유 증폭기(22)의 여기 광원이며, 파장(λ)=1480 nm, 싱글 모드 CW 출력 10 W의 여기광을, 섬유(268)를 통해서 WDM(254)에 공급한다. 여기서, 광섬유 라만 레이저에 관해서 간결하게 설명하면, 이 광섬유 레이저는 이테르븀 도핑 광섬유 레이저의 출력단에 FBG를 이용한 캐스케이드 라만 공진기를 접속하여 구성된 레이저이며, 출력 파장(λ)=1480 nm, 싱글 모드로 CW 출력 20 W 정도까지 레이저광을 출력할 수 있다.
한편, 광섬유 라만 레이저(26)로부터 출력되는 여기광이 CW 출력으로 5 W를 넘는 영역에서 동작시키는 경우에는, 전술한 복합 모듈(25)에 내장되는 반사형 WDM 대신에, 도 4와 같이, 아이솔레이터와 밴드 버스 필터로 이루어지는 복합 모듈(28) 외에, 섬유 융착형 WDM(29)을 별도 설치하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 평균 출력 5 W를 넘는 고출력의 여기 광원을 이용하는 경우라도 내구성이 우수한 광 증폭기로 할 수 있다.
반사형 WDM(254)을 이용하는 경우는, 도 1에 도시한 바와 같이 전방 여기(신 호광과 여기광의 진행 방향이 동일한)에 한하지 않고, 후방 여기(신호광과 여기광의 진행 방향이 반대)에 의해서 커플링을 할 수 있지만, 도 4에 도시한 바와 같은 섬유 융착형 WDM(29)을 이용하는 경우는 전방 여기(신호광과 여기광의 진행 방향이 동일함)를 행하는 것이 바람직하다.
섬유 융착형 WDM(29)을 이용하여 후방 여기를 하는 경우는 증폭한 후의 하이 피크 파워의 신호광이 WDM(29)을 통과하게 되기 때문에, 비선형 과정을 유발하여, 결과적으로 하이 피크 파워를 출력할 수 없다.
이에 대하여, 전방 여기를 하는 경우는, 증폭하기 전의 로우 피크 파워의 신호광이 WDM을 통과하게 되기 때문에, 비선형 과정을 유발하는 일이 없어, 하이 피크 파워를 출력할 수 있다.
또한, 고출력의 신호광이 통과하는 EDF의 출구 부근에서는, 여기광의 출력은 EDF를 전파하는 과정에서 저하되지만, 광섬유 라만 레이저는 고출력이기 때문에, 신호광에 대해서는 상대적으로 충분한 고출력이 유지되고 있으며, 출구 부근에서의 신호광의 증폭을 방해하는 일도 없다.
이렇게 해서 WDM(254)으로 동축에 중합된 전단의 광섬유 증폭기(21)로부터의 신호광과, 광섬유 라만 레이저(26)로부터의 여기광은 집광 렌즈(256)에 의해서 집광되어, 후단의 광섬유 증폭기(22)에 투입된다.
후단의 광섬유 증폭기(22)는 전단의 광섬유 증폭기(21)에서 증폭된 피크 파워 1 kW의 신호광을 피크 파워 20 kW 정도까지 증폭하는 최종단 증폭기이다. 이 광섬유 증폭기(22)는 싱글 클래드 EDF를 이용하여, 광섬유 라만 레이저(26)로부터 유 도한 싱글 모드 고출력의 여기광으로 여기한다.
후단의 광섬유 증폭기(22)에서는, 신호광의 피크 파워가 이미 1 kW 정도 이며, 또한, 출력되는 피크 파워가 20 kW 정도로 매우 높아진다. 그래서 EDF는 섬유 중에서 비선형 과정을 피하기 위해서, 모드 직경이 10 μm 정도 이상이며, 고농도 에르븀(Er>1000 ppm)을 도핑한 싱글 클래드 EDF를 사용한다.
도 5는 광섬유 라만 레이저로부터 여기광 출력과 광 증폭기로부터 출력된 신호광 출력(1547 nm의 기본파 출력)과의 관계를 도시한 도면이다. 광섬유 라만 레이저로부터 여기광의 출력을 변화시킴으로써, 광 증폭기로부터 출력되는 신호광을 제어하고 있다. 신호광의 반복 주파수가 100 kHz는 (…■…), 200 kHz는 (━◆━), LD 여기는 (―◆―)로 나타내고 있다.
이러한 구성에 의해, 예컨대, 광섬유 라만 레이저(26)로부터의 여기광 출력을 10 W로 했을 때에, 전단의 광섬유 증폭기(21)로부터 입력된 반복 주파수(f)=200 kHz, 펄스 폭 1 ns, 피크 파워 10 mW의 신호광이, 피크 파워 15 kW, 평균 출력 3 W 이상의 고출력의 적외광에 증폭되어 출력된다.
이와 같이, 최종단의 광섬유 증폭기의 여기 광원에 고출력 싱글 모드 섬유 레이저를 이용함으로써, 20 kW 이상의 하이 피크 파워와, 2 W 이상의 높은 평균 출력을 양립시킨 광 증폭기를 얻을 수 있다. 또한, EDF로서 단위길이당 여기 효율이 높은 싱글 클래드·싱글 모드의 EDF를 사용할 수 있으며, 이에 따라, EDFA의 섬유 길이를 짧게 해 장치를 소형·경량으로 구성하면서, 하이 피크 파워와 고평균 출력을 양립시킨 광 증폭기를 실현할 수 있다.
또한, 신호광의 펄스 반복 주파수를 수백 kHz까지 상승시킬 수 있게 되어, 단위시간당 펄스 신호의 ON 시간이 증대되고 펄스 신호 OFF 시간이 감소함으로써, 신호광에 있어서의 DC 노이즈 성분이 상대적으로 감소하여, SN비가 현저히 향상된다. 이 때문에, 종래 다단 EDFA의 단수 사이에 DC 노이즈 성분을 컷트하기 위해서 설치하고 있었던 전기 광학 변조 소자나 음향 광학 변조 소자 등의 능동적인 변조소자 및 이들 변조 소자를 신호광 펄스에 동기시켜 작동 제어하고 있었던 제어 장치 등이 불필요하게 되고, 이에 따라 광 증폭기의 대폭적인 간소화, 저가격화, 고안정화를 실현할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 후단의 광섬유 증폭기(22)의 섬유로서, 코어에 에르븀 단일체를 도핑한 EDF를 이용한 예를 개시했지만, 에르븀에 더하여 이테르븀(Yb)을 함께 첨가한 Yb 코도핑 EDF를 이용할 수도 있으며, 이 경우에는, 여기 광원(26)의 싱글 모드 섬유 레이저로서, 이테르븀 도핑 섬유 레이저를 이용하여 광섬유 증폭기(22)를 구성한다. 이테르븀 도핑 파이버 레이저는 싱글 모드로 CW 출력이 10 W 이상 얻어지고 있으며, 상기 광섬유 라만 레이저를 여기 광원으로서 이용한 EDFA와 마찬가지로, 2 W 이상의 평균 출력을 출력할 수 있는 광섬유 증폭기를 구성할 수 있다.
도 1, 도 4에서는 전단의 광섬유 증폭기(21)를 구성하는 EDF의 여기 광원으로서 LD(23)를 이용한 예를 개시했지만, 전단의 광섬유 증폭기(21)를 구성하는 EDF의 여기 광원으로서도 광섬유 라만 레이저를 이용할 수 있다. 그 경우, 광섬유 라만 레이저(26)와는 다른 광섬유 라만 레이저를 별도 준비하여 이용하는 방법과, 광 섬유 라만 레이저(26)에 설치된 광섬유(268)를 분기하여 도시하지 않은 복합 모듈로 향해 배치하는 방법이 있다.
광 증폭기(20)에서 증폭된 파장(λ)=1547 nm의 신호광은 일단 콜리메이터 렌즈(27)로 콜리메이트되어, 파장 변환 광학계(30)에 출력된다. 파장 변환 광학계(30)는 광 증폭기(20)로부터 입력된 적외 영역의 신호광을 자외광으로 변환하여 출력하는 광학계이다. 도 2에는 이러한 기능을 갖는 파장 변환 광학계의 일례로서, 광 증폭기(20)로부터 입력된 파장(λ)=1547 nm의 신호광(기본파 레이저광(Lr))을, 기본파의 8배파에 상당하는 파장(λ)=193.4 nm의 자외 레이저광(Lv)으로 변환하여 출력하는 구성을 예시하고 있으며, 이하 이 도면을 참조하면서 설명한다.
파장 변환 광학계(30)는 파장 변환 결정(31∼35), 이들 파장 변환 결정 사이에 배치되어 전단의 파장 변환 결정으로부터 출사되는 레이저광을 다음 단의 파장 변환 결정에 집광 입사시키는 렌즈(41∼47), 고차 고조파를 분리하거나 혹은 합성하기 위한 미러(51∼58), 편광 방향을 조정하는 파장판(48, 49) 등으로 구성된다.
도면에서 좌측의 광 증폭기(20)로부터 입력된 파장(λ)=1547 nm(주파수ω)의 기본파 레이저광(Lr)은 파장 선택성이 있는 다이크로익 미러(dichroic mirror)로 분리·합성되면서 파장 변환 결정(31, 32, 33, 34, 35)을 도면의 좌측에서 우측을 향해 투과한다. 이 과정에서 기본파(λ=1547 nm)는 2배파(λ=773.5 nm)→3배파(λ=515.6 nm)→6배파(λ=257.8 nm)→7배파(λ=221 nm)→8배파(λ=193.4 nm)의 순으로 파장 변환되어, 최종적으로 도면 우단측에서 기본파의 8배파(제8 고조파)에 상당하는 파장(λ)=194.3 nm의 자외 레이저광(Lv)으로 변환되어 출력된다.
기본파를 2배파로 변환하는 제1단의 파장 변환부에서는, 파장 변환 결정(31)으로서 LBO 결정(LiB3O5 결정)을 이용하여, 위상 정합에 LBO 결정의 온도 조절에 의한 방법, Non-Critical Phase Matching : NCPM을 사용한다. LBO 결정(31)에서는 제2 고조파 발생(SHG)이 이루어져, 기본파의 2배의 광 주파수(광 주파수 2ω, 파장(λ)=773.5 nm)를 갖는 2배파를 발생시킨다.
LBO 결정(31)에서 파장 변환되어 발생한 2배파와, 이 결정(31)을 파장 변환되지 않고서 투과한 기본파(ω)는 파장판(48)에 입사시켜 각각 1파장, 반파장의 지연을 부여하여, 기본파만 편광 방향을 90도 회전시킨 후, 집광 렌즈(색지움 렌즈)(42)를 통해서 제2단의 파장 변환 결정(32)의 동일점에 집광 입사시킨다.
2단째의 파장 변환부에서는, 파장 변환 결정(32)으로서 LBO 결정을 이용하며, 1단째의 파장 변환부에 있어서 LBO 결정(31)과 다른 온도의 NCPM에서 사용한다. 이 LBO 결정(32)에서는 1단째의 파장 변환부에서 발생시킨 2배파(2ω)와, 파장 변환되지 않고서 투과한 기본파(ω)로부터 합주파 발생(SFG, ω+2ω=3ω)에 의해 3배파(3ω, λ=515.6 nm)를 발생시킨다.
LBO 결정(32)에서 파장 변환된 3배파와 이 결정(32)을 파장 변환되지 않고서 투과한 기본파는 다이크로익 미러(51)에 의해 분리한다. 3배파(3ω)는 다이크로익 미러(51)를 투과시키고, 집광 렌즈(43)로 3단째의 파장 변환 결정(33)에 집광 입사시킨다. 기본파(ω)는 다이크로익 미러(51)로 반사시켜, 미러(52), 집광 렌즈(44) 및 다이크로익 미러(54)를 통해 4단째의 파장 변환 결정(34)에 입사시킨다.
3단째의 파장 변환부는 파장 변환 결정(33)으로서 CLBO 결정(CsLiB6O10 결정)을 이용하여 각도 위상 정합으로 사용한다. 이 CLBO 결정(33) 속에서는 3배파의 제2 고조파 발생을 하게 하여, 3배파(3ω)의 2배의 주파수를 갖는 6배파(6ω, λ=257.8 nm)를 발생시킨다. CLBO 결정(33)에서 발생된 6배파는 미러(53), 집광 렌즈(45)를 통해 다이크로익 미러(54)에서 기본파(ω)와 동축에 합파되어, 제4단째의 파장 변환 결정(34)에 집광 입사된다. 한편, CLBO 결정 대신에 BBO 결정(β-BaB2O4 결정)을 이용하더라도 좋다.
4단째의 파장 변환부에서는, 파장 변환 결정(34)으로서 CBO 결정(CsB3O5 결정)을 각도 위상 정합으로 사용하여, 기본파(ω)와 6배파(6ω)로부터 합주파 발생(ω+6ω=7ω)에 의해 7배파(7ω, λ=221 nm)를 발생시킨다. CBO 결정(34)에서 파장 변환된 7배파와, 이 결정(34)을 파장 변환하지 않고서 투과한 기본파(ω)는 다이크로익 미러(55)에 의해 분리된다. 7배파(7ω)는 다이크로익 미러(55)로 반사시키고, 미러(57), 집광 렌즈(47) 및 다이크로익 미러(58)를 통해 5단째의 파장 변환 결정(35)에 입사시킨다. 기본파(ω)는 다이크로익 미러(55)를 투과시켜, 파장판(49)으로 편광면을 90 도 회전시킨 후 집광 렌즈(46)를 통과시키고, 다이크로익 미러(58)로 7배파와 동축에 합파시켜 5단째의 파장 변환부의 파장 변환 결정(35)에 집광 입사시킨다. 한편, CBO 결정 대신에 CLBO 결정 또는 BBO 결정을 이용할 수도 있다.
5단째의 파장 변환부는 파장 변환 결정(35)으로서 CLBO 결정을 각도 위상 정합으로 사용하여, 기본파(ω)와 7배파(7ω)로부터 합주파 발생(ω+7ω=8ω)에 의해 8배파(8ω, λ=193.4 nm)를 발생시킨다. 한편, CLBO 결정 대신에 LBO 결정을 이용하더라도 좋다.
이와 같이 하여, 광 증폭기(20)로부터 파장 변환 광학계(30)에 입사된 파장(λ)=1547 nm의 기본파 레이저광(증폭된 신호광)(Lr)은 5단의 파장 변환부를 투과하는 과정에서 순차 파장 변환되어, 최종적으로 기본파에 대하여 8배파에 상당하는 파장(λ)=193 nm의 자외 레이저광(Lv)이 출력된다. 이러한 파장 변환 광학계(30)에서는 입력되는 신호광의 특성을 그대로 살려 파장을 변환하는 것이 가능하기 때문에, 하이 피크 파워 또한 고평균 출력 자외광을 출력시킬 수 있다.
도 6은 1547 nm 기본파 출력과, 193 nm 8배파 출력의 관계를 도시한 도면이다. 1547 nm 기본파에서 193 nm 8배파로의 변환 효율은 약 4.5%로, 변환 효율이 높다. 이것은 기본파의 빔 품질이 높음을 나타내고 있다.
따라서, 이상 설명한 것과 같은 자외 광원(1)에 따르면, 번잡한 보수 유지가 필요하지 않고, 간명하며 컴팩트한 구성으로, 하이 피크 파워 또 고평균 출력의 자외광을 출력할 수 있는 전고체 자외 광원을 얻을 수 있다.
한편, 상술한 실시예에서는, 신호광을 발생시키는 레이저 광원(10)의 일례로서 발진 파장(λ)=1547 nm의 적외 영역에서 동작하는 DFB 반도체 레이저를 이용하고, 또한 파장 변환 광학계(30)에서는 5단의 파장 변환 결정을 이용하여 ArF 엑시머 레이저와 동등한 파장(λ)=193.4 nm의 8배파로 변환하는 구성을 예시했지만, 레이저 광원(10)은 Er-YAG 레이저나 가시광 영역의 레이저 등이라도 좋으며, 파장 변환 광학계 구성은 다른 공지의 결정 배열(예컨대, 기본파ω→ 2ω→ 4ω→ 8ω 등) 이나 섬유형인 것이라도 좋다. 또한 자외 광원으로부터 출사시키는 자외광의 파장은 193 nm 대에 한하는 것이 아니라, 예컨대, KrF 엑시머 레이저와 동등한 248 nm 대나, F2 레이저와 동등한 157 nm 대 등이라도 좋다.
광 치료 장치(레이저 치료 장치)
이어서, 이상 설명한 본 발명에 따른 자외 광원(1)을 이용하여 구성되는 광 치료 장치에 관해서, 도 7 및 도 8을 참조하여 이하에 설명한다. 이 광 치료 장치(5)는 자외 레이저광을 각막에 조사하여 각막 표면의 박리(PRK : Photorefractive Keratectomy) 혹은 절개한 각막 내부의 박리(LASIK : Laser Intrastromal Keratomileusis)를 실시하여, 각막의 곡율 혹은 요철을 교정하여 근시, 난시 등을 치료하는 장치이다.
광 치료 장치(5)는 도 7에 도시한 바와 같이 기본적으로는, 장치 몸체(60) 내에, 상술한 자외 광원(1)과, 이 자외 광원(1)으로부터 출력된 자외 레이저광(Lv)을 안구(EY)의 각막(HC)의 표면(치료 부위)으로 유도하여 조사시키는 조사 광학계(70)와, 치료 부위 관찰을 하는 관찰 광학계(80)를 구비하여 구성된다.
장치 몸체(60)는 X-Y 이동 테이블(62)을 통해 베이스부(61) 상에 배치되어 있으며, 안구(EY)에 대하여 장치 몸체(60) 전체가, 도 7에 있어서의 화살표 X 방향 즉 도면 좌우 방향과, 지면에 수직인 Y 방향으로 이동할 수 있게 구성되어 있다.
조사 광학계(70) 및 관찰 광학계(80)의 구성을 도 8에 나타내고 있다. 조사 광학계(70)는 자외 광원(1)으로부터 출사된 파장 193 nm의 자외 레이저광(Lv)을, 안구(EY) 상에 있어서 소정의 스폿 직경을 형성하도록 집광시키는 집광 렌즈(71)와, 집광 렌즈(71)로부터 자외 레이저광을 반사시켜, 치료 대상이 되는 안구(EY)의 각막(HC) 표면에 조사시키는 다이크로익 미러(72)를 구비하여 구성된다. 다이크로익 미러(72)는 자외 영역의 빛을 반사시키고 가시 영역의 빛을 투과시키도록 설정되어, 다음에 설명하는 관찰 광학계(80)의 광축과 동축 상에 자외 레이저광(Lv)을 반사시켜 각막(HC) 표면에 조사할 수 있게 되어 있다.
한편, 관찰 광학계(80)는 치료 대상이 되는 안구(EY)의 각막(HC) 표면을 조명하는 조명 램프(85)와, 조명 램프(85)에 의해 조명되어 각막(HC)에서 반사되어 다이크로익 미러(72)를 투과한 가시 영역 빛을 받는 대물 렌즈(81)와, 대물 렌즈(81)로부터 빛을 반사시키는 프리즘(82)과, 프리즘으로부터 반사광을 받아 결상시키는 접안 렌즈(83)로 구성되며, 접안 렌즈(83)를 통해서 각막(HC)의 확대상을 관찰할 수 있게 되어 있다.
이에 따라, 안과 의사 등의 시술자가 관찰 광학계(80)를 통해 눈으로 보아 관찰하면서 광 치료를 할 수 있다. 예컨대, 안구(EY)를 눈으로 보아 관찰하면서 장치 몸체(60)를 X 방향 및 Y 방향으로 이동시켜, 치료 대상이 되는 각막(HC) 표면에 자외 레이저광을 스폿광으로서 조사시켜, 조사 영역의 증발 비산을 하게 한다. 또한, 도시하지 않는 작동 제어 장치에 의해 X-Y 이동 테이블(62)의 작동을 제어하여, 장치 몸체(60)를 X 방향 및 Y 방향으로 이동시켜 각막(HC) 표면 상에 조사되는 스폿광을 주사 이동시켜, 각막 표면의 박리를 실시하여 근시, 난시, 원시 등 교정 치료를 할 수 있다.
한편, 광 치료에 있어서 박리의 크기는 각막(HC)에 조사되는 자외 레이저광(Lv)의 출력에 따라 크게 변화되는데, 자외 레이저 광원(1)의 출력 제어는 예컨대, 레이저 광원(10)에 있어서의 펄스 주파수 제어, 광 증폭기(20)에 있어서 여기광의 출력 제어 등에 의해 용이하게 행할 수 있다. 또한, 자외 레이저광의 ON-OFF 제어는 레이저 광원(10)에 있어서의 DFB 반도체 레이저를 ON-OFF 제어함으로써 행할 수 있는 것 외에 광로 상의 어딘가에 전기 광학 변조 소자나 음향 광학 변조 소자 등 변조 소자를 배치하거나, 혹은 메카니컬 셔터를 배치하는 등에 의해 용이하게 행하여질 수 있다.
따라서, 상기와 같은 광 치료 장치에 따르면, 소형 경량이며, 보수 유지성, 조작성이 양호한 치료 장치를 얻을 수 있다.
노광 장치
이어서, 상술한 자외 광원(1)을 이용하여 구성되며, 반도체 제조 공정의 하나인 포토리소그래피 공정에서 사용되는 노광 장치(100)에 대해서, 도 9를 참조하여 설명한다. 광리소그래피 공정에서 사용되는 노광 장치는 원리적으로는 사진제판과 동일하며, 포토마스크(레티클) 상에 정밀하게 그려진 디바이스 패턴을, 포토레지스트를 도포한 반도체 웨이퍼나 유리 기판 등의 위에 광학적으로 투영하여 전사한다. 이 노광 장치(100)는 상술한 자외 광원(1)과, 조명 광학계(102)와, 포토마스크(레티클)(110)를 지지하는 마스크 지지대(103)와, 투영 광학계(104)와, 노광 대상물인 반도체 웨이퍼(115)를 적재 유지하는 적재대(105)와, 적재대(105)를 수평 이동시키는 구동 장치(106)를 구비하여 구성된다.
이 노광 장치(100)에 있어서는, 상술한 자외 광원(1)으로부터 출력되는 자외 레이저광(Lv)이, 복수의 렌즈로 구성되는 조명 광학계(102)에 입력되고, 조명 광학계(102)를 통과하여 마스크 지지대(103)에 지지된 포토마스크(110)의 전면에 조사된다. 이와 같이 조사된 포토마스크(110)를 통과한 광은 포토마스크(110)에 그려진 디바이스 패턴의 상을 갖고 있으며, 이 광이 투영 광학계(104)를 통해 적재대(105)에 적재된 반도체 웨이퍼(115)의 소정위치에 조사된다. 이 때, 투영 광학계(104)에 의해 포토마스크(110)의 디바이스 패턴의 상이 반도체 웨이퍼(115) 위에 축소되어 결상 노광된다.
한편, 노광 장치에 있어서의 조사 광량의 제어는 예컨대, 레이저 광원(10)에 있어서 펄스 주파수 제어, 광 증폭기(20)에 있어서 여기광 출력 제어 등에 의해 용이하게 행하여질 수 있다. 또한, 자외 레이저광의 ON-OFF 제어는 레이저 광원(10)에 있어서 DFB 반도체 레이저를 ON-OFF 제어함으로써 행해지는 외에 광로 상의 어딘가에 전기 광학 변조 소자나 음향 광학 변조 소자 등의 변조 소자를 배치하거나, 혹은 메카니컬 셔터를 배치하는 등에 의해 용이하게 행하여질 수 있다.
따라서, 상기와 같은 노광 장치에 따르면, 소형 경량이며 배치의 자유도가 높은 자외 광원의 특성을 살려 소형으로 보수 유지성, 조작성이 양호한 노광 장치를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자외 광원에서는 광섬유 증폭기 여기 광원으로서 싱글 모드 광섬유 레이저를 이용하고 있기 때문에, 간명한 장치 구 성으로, 하이 피크 파워와 높은 평균 출력을 양립시킨 자외 광원을 제공할 수 있다.
마스크 결함 검사 장치
다음으로, 전술한 본 발명에 따른 자외 광원(1)을 이용하여 구성되는 마스크 결함 검사 장치에 대해서, 도 10을 참조하여 이하에 설명한다.
마스크 결함 검사 장치는 포토마스크 상에 정밀하게 그려진 디바이스 패턴을 TDI 센서(Time Delay and Integration) 상에 광학적으로 투영하여, 센서 화상과 소정의 참조 화상을 비교하여, 그 차로부터 패턴 결함을 추출한다.
마스크 결함 검사 장치(120)는 상술한 자외 광원(1)과, 조명 광학계(112)와, 포토마스크(110)를 지지하는 마스크 지지대(113)와, 마스크 지지대를 수평 이동시키는 구동 장치(116)와, 투영 광학계(114)와, TDI 센서(125)를 구비하여 구성된다.
이 마스크 결함 검사 장치(120)에 있어서는, 상술한 자외 광원(1)으로부터 출력되는 자외 레이저광(Lv)이, 복수의 렌즈로 구성되는 조명 광학계(112)에 입력되어, 조명 광학계(112)를 지나 마스크 지지대(113)에 지지된 포토마스크(110)의 소정 영역에 조사된다. 이와 같이 조사되어 포토마스크(110)를 통과한 광은 포토마스크(110)에 그려진 디바이스 패턴의 상을 갖고 있으며, 이 광이 투영 광학계(114)를 통해 TDI 센서(125)의 소정의 위치에 결상된다. 한편, 마스크 지지대(113)의 수평 이동 속도와, TDI(125)의 전송 클록은 동기하고 있다.

Claims (12)

  1. 적외영역에서 가시 영역까지의 광을 발생시키는 레이저 광원과,
    상기 레이저 광원에서 발생된 광을 순차적으로 증폭하기 위하여 복수 단의 광섬유 증폭기를 포함하는 광 증폭기와,
    적어도 하나의 파장 변환 결정을 포함하고, 상기 광 증폭기에 의해 증폭된 광을 출력으로서 자외광으로 변환하는 파장 변환 광학계
    를 포함하고,
    상기 복수 단의 광섬유 증폭기는 싱글 모드 섬유 레이저에 의한 여기 광원을 갖는 종단 광섬유 증폭기를 포함하고, 상기 광섬유 증폭기의 업스트림 단에 의해 증폭된 종단 광섬유 증폭기로의 입력 광은 상기 종단 광섬유 증폭기의 입력부에서 제공된 파장 분할 다중화 장치(Wavelength Division Multiplexer : WDM)에 의해 상기 싱글 모드 섬유 레이저로부터의 여기 광과 동축으로 결합되는 것인 자외 광원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 싱글 모드 섬유 레이저는 광섬유 라만(Raman) 레이저를 포함하는 것인 자외 광원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 싱글 모드 섬유 레이저는 이테르븀 도핑 섬유 레이저를 포함하는 것인 자외 광원.
  4. 제1항에 있어서, 상기 파장 분할 다중화 장치는 섬유 융착형(fiber-fused type) 파장 분할 다중화 장치를 포함하는 것인 자외 광원.
  5. 제1항에 있어서, 상기 종단 광섬유 증폭기는 고농도 에르븀을 갖고 모드 직경이 10 ㎛ 이상인 싱글 클래드 섬유 증폭기를 포함하는 것인 자외 광원.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광원은 DFB(Distributed Feedback : 분포 귀환형) 반도체 레이저를 포함하는 것인 자외 광원.
  7. 제1항에 있어서, 상기 WDM을 통과하는 광은 1 KW이상의 피크 파워를 갖는 것인 자외 광원.
  8. 제1항에 기재된 자외 광원과,
    조사하기 위해 상기 자외 광원으로부터 출사되는 자외광을 치료 부위로 유도하는 조사 광학계
    를 포함하는 레이저 치료 장치.
  9. 제1항에 기재된 자외 광원과,
    소정의 노광 패턴이 설치된 포토마스크를 지지하는 마스크 지지부와,
    노광 대상물을 지지하는 대상물 지지부와,
    상기 자외 광원으로부터 출사되는 자외광을 유도하여, 상기 마스크 지지부에 의해 지지된 상기 포토마스크에 조사시키는 조명 광학계와,
    상기 조명 광학계를 통해 조명으로 상기 포토마스크를 통과한 광을 유도하여, 상기 대상물 지지부에 의해 지지된 노광 대상물에 투영시키는 투영 광학계
    를 포함하는 노광 장치.
  10. 제1항에 기재된 자외 광원과,
    소정의 패턴이 설치된 포토마스크를 지지하는 마스크 지지부와,
    상기 소정의 패턴의 상을 검출하는 검출기와,
    상기 자외 광원으로부터 출사되는 자외광을 유도하여, 상기 마스크 지지부에 의해 지지된 포토마스크에 조사시키는 조명 광학계와,
    상기 조명 광학계를 통해 조명으로 상기 포토마스크를 통과한 광을 유도하여, 상기 소정의 패턴의 상을 상기 검출기 상으로 투영시키는 투영 광학계
    를 포함하는 마스크 결함 검사 장치.
  11. 제1항에 기재된 자외 광원과,
    소정의 노광 패턴이 설치된 포토마스크를 지지하는 마스크 지지부와,
    노광 대상물을 지지하는 대상물 지지부와,
    상기 자외 광원으로부터 출사되는 자외광을 유도하여, 상기 포토마스크에 조사시키는 조명 광학계와,
    상기 포토마스크로부터의 광을 상기 노광 대상물 상으로 유도하는 투영 광학계
    를 포함하는 노광 장치.
  12. 제1항에 기재된 자외 광원과,
    검사 대상물을 지지하는 대상물 지지부와,
    상기 대상물의 상을 검출하는 검출기와,
    상기 자외 광원으로부터 출사되는 자외광을 유도하여 상기 대상물에 조사시키는 조명 광학계와,
    상기 대상물로부터의 자외광을 상기 검출기 상으로 유도하는 투영 광학계
    를 포함하는 검사 장치.
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