KR101604742B1 - 시드 레이저 모드 안정화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 생성 플라즈마(LPP) 극자외선(EUV) 광 시스템 내의 시드 레이저 안정화 방법 및 장치가 개시된다. 하나의 실시예에서, 레이저의 캐비티 길이는 캐비티의 일단을 형성하는 이동 가능한 미러에 의해 조절될 수 있다. 출력 펄스의 방출로부터 다음 레이저 동작 임계치에 도달될 때까지의 시간 지연이 상이한 미러 위치에서 측정되고, 레이저의 이득 피크와 나란한 캐비티 모드를 야기하는 미러 위치가 선택되어, 레이저의 출력 펄스에서부터 다음 레이저 동작 임계치까지의 최소 시간 지연을 산출한다. 레이저 내의 Q-스위치는 프리 레이징 및 출력 펄스의 지터-프리(jitter-free) 타이밍을 가능하게 한다. 피드백 루프는 레이저 출력을 최대 이득 및 효율로, 그리고 감쇠 및 타이밍을 희망의 동작 포인트로 유지한다.

Description

시드 레이저 모드 안정화 시스템 및 방법{SEED LASER MODE STABILIZATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 레이저 생성 플라즈마(laser produced plasma) 극자외선 광원에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 이러한 광원으로서 시드 레이저를 사용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 산업은 훨씬 더 작은 집적회로 크기를 인쇄할 수 있는 리소그래피 기술을 지속적으로 발전시켜 왔다. 극자외선("EUV") 광(종종 소프트 엑스레이라고도 함)은 일반적으로 10 내지 120 나노미터(nm)의 파장을 가진 전자기 방사선으로 정의된다. EUV 리소그래피는 현재 일반적으로 10-14nm 범위의 파장의 EUV 광을 포함하는 것으로 간주되며, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판에 매우 작은 피처(feature), 예컨대, 32nm 미만의 피처를 만들기 위해 사용된다. 상업적으로 이용 가능하려면, 이러한 시스템은 신뢰성이 높고 비용효율적인 처리량 및 합리적인 프로세스 자유도(latitude)를 제공하는 것이 바람직하다.
EUV 광을 산출하는 방법은 재료를 EUV 범위 내의 하나 이상의 방출선을 가진 하나 이상의 원소, 예컨대, 크세논, 리튬, 주석, 인듐, 안티몬, 텔루르, 알루미늄 등을 가진 플라즈마 상태로 변환하는 단계를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 종종 레이저 생성 플라즈마("LLP")라 불리는 이러한 하나의 방법에서, 요구되는 플라즈마는 희망의 라인 방출 원소를 가진 재료의 방울, 스트림, 또는 클러스터와 같은 타겟 재료를 조사 위치에서 레이저 빔으로 조사함으로써 생성될 수 있다. 이러한 라인 방출 원소는 순수한 형태 또는 합금 형태, 예컨대, 희망의 온도에서 액체인 합금일 수도 있고, 또는 액체와 같은 다른 재료와 혼합되거나 산재될(dispersed) 수 있다.
몇몇 종래기술의 LPP 시스템에서, 방울 스트림 내의 방울들은 각각의 방울로부터 플라즈마를 형성하기 위해 개별 레이저 펄스에 의해 조사된다. 대안으로서, 각각의 방울이 하나 이상의 광 펄스에 의해 연속적으로 조사되는 몇몇 종래기술의 시스템이 개시되어 있다. 몇몇 경우에, 각각의 방울은 소위 "프리 펄스"에 노출되어 타겟 재료를 가열, 팽창, 기화, 증발, 및/또는 이온화하고, 그리고/또는 약 플라즈마를 발생시킨 다음, 이어서 소위 "메인 펄스"에 노출되어 강 플라즈마를 발생시키고 프리 펄스의 영향을 받은 재료의 대부분 또는 모두를 플라즈마로 변환하여 EUV 광 방출선을 만들어낸다. 하나 이상의 프리 펄스가 사용될 수 있고, 하나 이상의 메인 펄스가 사용될 수 있으며, 프리 펄스와 메인 펄스의 기능이 어느 정도 중첩될 수도 있음이 이해될 것이다.
LPP 시스템 내의 EUV 출력 파워가 타겟 재료를 조사하는 구동 레이저 파워에 의해 크기 조절되므로, 몇몇 경우에 비교적 낮은 파워의 오실레이터, 또는 "시드 레이저" 및 시드 레이저로부터의 펄스를 증폭시키기 위한 하나 이상의 증폭기를 포함하는 배열을 채용하는 것이 바람직하다고 간주될 수 있다. 큰 증폭기를 사용하면 시드 레이저를 사용하면서도 여전히 LPP 프로세스에서 비교적 높은 파워 펄스를 제공하는 것이 가능해진다.
그러나, 시드 레이저를 사용한다 하더라도, 증폭에 대한 필요성이 제한될 수 있도록 충분히 큰 레이저 펄스를 발생시키는 것이 여전히 바람직할 수 있다. 설계상 시드 레이저로부터 1kW(1,000와트)의 펄스가 요구되며, 이들이 그 후에 증폭되는 것으로 가정한다. 연속 모드로, 즉, 일정한 출력으로 1kW 레이저를 이용하고 초고속 셔터를 통해 최종 빔을 통과시킴으로써, 이러한 1kW 펄스를 발생시킬 수 있다. 이러한 솔루션은 매우 낭비적일 수 있는데, 이는 전형적인 듀티 사이클, 즉, 펄스의 지속시간(duration)과 펄스 사이 시간 간의 비율이 전형적으로 1% 정도로 매우 낮기 때문이다. 그러므로, 레이저의 출력 파워 중 99%가 낭비될 수 있다.
이러한 이유 및 다른 이유로, 레이저가 연속적으로 동작하는 것이 아니라 펄스가 방출될 때까지 파워를 비축(build up)하는, 레이저 출력을 더 잘 이용할 수 있는 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 하나의 공지된 기술은 종종 자이언트 펄스 형성오로도 알려진 Q-스위칭인데, 이를 통해 레이저가 연속 모드로 동작될 때보다 레이저가 훨씬 더 큰 파워의 펄스를 만들어낼 수 있게 된다.
Q-스위칭은 외부적으로 제어되는 레이저 광 캐비티("Q-스위치") 내에 몇몇 타입의 가변 감쇠기를 놓음으로써 달성된다. Q-스위치는 일종의 셔터로서 기능하고, 예컨대, 그것으로 입사되는 광 량을 다르게 통과시키기 위해 제어 신호를 적용함으로써 조절될 수 있는 음향-광 모듈(AOM)일 수 있다. Q-스위치는 최초에 닫혀 있어, 레이저가 레이징하는 것을 방지하여 레이저 매체 내에 저장된 에너지가 증가하게 된다. 그 다음, Q-스위치는 신속하게 개방되어, 모든 비축된 에너지가 비교적 짧은 펄스로 방출될 수 있게 된다.
예를 들어, Q-스위칭을 사용하면, 레이저는 각각 1/2 마이크로초(μs) 길이의 펄스를 초당 50,000 내지 100,000회의 속도로 발생시킬 수 있고, 그러므로 펄스 사이의 10 내지 20μs 동안 파워가 비축될 수 있게 된다. 이러한 방식으로 연속 모드로 50와트를 발생시킬 수 있는 레이저는 500와트 내지 1kW의 펄스를 발생시킬 수 있다.
그러나, CO2 레이저와 같은 적외선 레이저를 통한 Q-스위칭은 다른 문제를 겪고 있다. Q-스위치가 개방되어 레이징 발생이 허용된 때, 첫번째 광자가 캐비티 내로 방출될 시간에 관한 통계적인 불확실성이 존재하여, 펄스가 발생되는 시간에 대한 정확한 타이밍을 예측할 수 없다. 전형적으로, 100 내지 200나노초(ns) 동안, 종종 400nm 동안 아무것도 존재하지 않을 것이다. Q-스위치의 동작은 예측 가능하지만, 레이징의 시작은 예측할 수 없기 때문에, 이러한 "시간 지터"는 셔터 문제가 아니다.
Q-스위칭의 공지된 변형은 시드 레이저를 "프리 레이징(pre-lase)" 시키는 것이다. 즉, 시드 레이저 내에 비축하는데 모든 파워를 사용하지 않을 정도의 낮은 레벨에서 레이징 한다. 이러한 경우에, Q-스위치는 상기와 같이 "완전히 닫히지" 않고, 레이저 에너지의 부분적인 감쇠를 제공한다. Q-스위치가 개방되기 전에 존재하는 감쇠의 양이, 프리 펄스가 생성되고 레이저 오실레이션이 소멸되지 않고 비축되는 레벨인 "레이저 동작 임계치(lasing threshold)"를 결정하는데, Q-스위치에 의한 감쇠가 적을수록("Q-스위치 드라이브를 감소시킬수록), 레이저 동작 임계치가 작아지고, 프리 펄스 스타트가 빨라진다. 이러한 Q-스위치는 더 많은 파워를 사용하여 시드 레이저 내에 파워가 비축되지 않도록 하는 레벨로 설정되는 것이 이상적이다. 그 다음, Q-스위치는 완전히 개방되어, 시드 레이저 내에 비축된 모든 파워가 큰 펄스를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
프리 레이징도 시간 지터에 시달리지만, 프리 레이징이 발생하는 한, 셔터가 개방될 때 더 큰 펄스가 발생할 것이다. 그러므로, 이러한 큰 펄스의 타이밍은 보통의 Q-스위칭보다 훨씬 더 예측 가능하다. 이것의 대가는 감소된 파워이다. 레이저가 보통의 Q-스위칭을 통해 1kW의 펄스를 만들어낼 수 있다면, 프리 레이징을 사용한 때 단지 500와트를 만들어낼 것이다.
그러나, 프리 레이징은 시간차 문제에 시달린다. 프리 레이징이 너무 빨리 발생하면, 시드 레이저의 이득이 감소될 것이다. 프리 레이징이 너무 늦게 발생하면, 이것은 Q-스위치가 개방되기 전에 발생하지 못할 수 있고, 시드 레이저 내에 레이징이 전혀 발생하지 않을 것이다.
Q-스위칭 또는 프리 레이징과 별개이거나, 이들에 의해 해소되지 않는 다른 문제점도 존재한다. 공지된 바와 같이, 레이저는 레이저 캐비티의 길이에 의존하는 특정 주파수에서 다수의 가능한 "캐비티 모드"를 가진다. 레이저 이득에 대한 이러한 주파수의 관계가 캐비티 길이의 변화로 인해, 예컨대, 온도 영향에 의해 변한다면, 레이저의 사용가능한 파워는 상당히 감소될 수 있다. 수 마이크로미터의 캐비티 길이 변화 조차도 시드 레이저 출력 파워에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 캐비티 길이와 프리 레이징을 모두 제어하면서도 여전히 주기적인 펄스를 산출하여 EUV 광원 등에 사용하기 위한 시드 레이저 출력 파워가 최대화될 수 있는, 시드 레이저를 안정화하는 향상된 시스템 및 방법을 가지는 것이 바람직하다.
레이저 생성 플라즈마(LPP) 극자외선(EUV) 광 시스템 내의 시드 레이저를 안정화시키는 방법 및 장치가 여기 개시된다.
하나의 실시예로서, 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템이 개시되는데, 이 시스템은: 일단에 광 컴포넌트를 포함하는 광 캐비티를 가진 레이저로서, 광 컴포넌트를 이동시키는 것이 광 캐비티의 길이를 변경시키고, 광 캐비티 내의 파워가 레이저 동작 임계치에 도달한 때 레이징하는 상기 레이저; 광 컴포넌트를 사전 결정된 범위 내에서 위치 조절하는 액추에이터; 레이저 내의 파워가 증가하는 속도를 제한하고 그것을 통해 레이저 동작 임계치에 도달되는 시간 및 출력 펄스가 방출되는 시간을 제어하는, 광 캐비티 내의 가변 감쇠기; 정해진 순간에 레이저의 출력 파워를 측정하기 위한 센서; 출력 펄스의 방출로부터 레이저 동작 임계치에 다시 도달되는 시간까지의 시간 지연을 계산하는 컴퓨팅 장치; 출력 펄스의 방출로부터 레이저 동작 임계치에 다시 도달되는 시간까지의 시간 지연이 최소가 되도록, 액추에이터가 광 컴포넌트를 위치 조절하게 만드는 제1 컨트롤러를 가진 제1 피드백 루프; 및 출력 펄스의 방출로부터 레이저 동작 임계치에 다시 도달되는 시간까지의 시간 지연을 희망의 값으로 유지하기 위해 계산된 시간 지연을 기초로 가변 감쇠기의 조절을 일으키는 제2 컨트롤러를 가진 제2 피드백 루프를 포함한다.
다른 실시예는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력을 최대화하는 방법을 개시하는데, 이 레이저는 하나의 거리를 가지는 광 캐비티로서, 광 컴포넌트를 이동시키는 것이 광 캐비티의 길이를 변경시키도록, 사전 결정된 범위에 걸쳐 이동 가능한 광 컴포넌트를 일단에 포함하는 상기 광 캐비티를 포함하고, 상기 광 캐비티 내에 파워가 레이저 동작 임계치에 도달한 때 레이징이 발생하고, 상기 광 캐비티 내에는 레이저 내의 파워가 증가하는 속도를 제한하고, 그것을 통해 레이저 동작 임계치에 도달되는 시간 및 출력 펄스가 방출되는 시간을 제어하는 가변 감쇠기가 포함되어 있고, 상기 방법은: 광 컴포넌트를 사전 결정된 이동 범위에 걸쳐 이동시키는 동안 컴퓨팅 장치에 의해 레이저를 작동시키는 단계; 광 컴포넌트의 이동 동안 복수의 시간에 레이저의 출력 에너지를 센서를 통해 측정하는 단계; 출력 펄스의 방출로부터 다음 레이저 동작 임계치에 도달되는 때까지의 시간 지연을 컴퓨팅 장치에 의해 계산하는 단계; 시간 지연이 최소인, 광 컴포넌트의 위치를 컴퓨팅 장치에 의해 선택하는 단계; 선택된 위치를 기초로 액추에이션에 의해 광 컴포넌트를 선택된 위치로 이동시키는 단계; 및 시간 지연을 희망의 값으로 유지하기 위해 측정된 시간 지연을 기초로 컨트롤러에 의해 가변 감쇠기를 조절하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예로서, 프로그램을 내장하고 있는 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능한 매체가 개시되는데, 이 프로그램은 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법을 수행하도록 프로세서에 의해 실행 가능하고, 이 레이저는 하나의 길이를 가지는 광 캐비티로서, 광 컴포넌트를 이동시키는 것이 광 캐비티의 길이를 변경시키도록, 사전 결정된 범위에 걸쳐 이동 가능한 광 컴포넌트를 일단에 포함하는 상기 광 캐비티를 가지고, 광 캐비티 내의 파워가 레이저 동작 임계치에 도달한 대 레이징이 발생하고, 상기 광 캐비티에는 레이저 내의 파워가 증가되는 속도를 제한하고 그것을 통해 레이저 동작 임계치에 도달되는 시간 및 출력 펄스가 방출되는 시간을 제어하는 가변 감쇄기가 포함되어 있고, 상기 방법은: 광 컴포넌트를 사전 결정된 이동 범위에 걸쳐 이동시키는 동안 컴퓨팅 장치에 의해 레이저를 작동시키는 단계; 광 컴포넌트의 이동 동안 복수의 시간에 레이저의 출력 에너지를 센서를 통해 측정하는 단계; 출력 펄스의 방출에서부터 다음 레이저 동작 임계치에 도달되는 때까지의 시간 지연을 컴퓨팅 장치에 의해 계산하는 단계; 시간 지연이 최소인, 광 컴포넌트의 위치를 컴퓨팅 장치에 의해 선택하는 단계; 선택된 위치를 기초로 액추에이터에 의해 광 컴포넌트를 선택된 위치로 이동시키는 단계; 및 시간 지연을 희망의 값으로 유지하기 위해 측정된 시간 지연을 기초로 컨트롤러에 의해 가변 감쇠기를 조절하는 단계를 포함한다.
도 1은 하나의 실시예의 LPP EUV 시스템 중 일부 컴포넌트의 도면이다.
도 2는 LPP EUV 시스템에서 사용될 수 있는 시드 레이저 모듈의 일부 컴포넌트의 도면이다.
도 3은 이득 피크와 나란한 캐비티 모드를 가진 샘플 시드 레이저에서의 이득 대역폭 곡선 및 캐비티 모드의 그래프이다.
도 4는 이득 피크로부터 어긋난 캐비티 모드를 가진 샘플 시드 레이저에서의 이득 대역폭 곡선 및 캐비티 모드의 그래프이다.
도 5는 모드 비팅을 받고 있는 시드 레이저로부터의 펄스의 그래프이다.
도 6은 하나의 실시예의 시드 레이저의 캐비티 길이를 조절하는 시스템의 간단한 블록 다이어그램이다.
도 7은 시드 레이저의 완전 펄스 출력에서부터 다음 펄스에 대한 프리 레이징의 시작까지의 시간 지연과, 캐비티 모드 위치의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8은 시드 레이저의 완전 펄스 출력에서부터 다음 펄스에 대한 프리 레이징의 시작까지의 시간 지연과, 시드 레이저의 캐비티 길이를 형성하는 미러의 이동과의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 9는 하나의 실시예의 시드 레이저 안정화 시스템의 간단한 블록 다이어그램이다.
도 10은 본 명세서에 서술된 시드 레이저 안정화 방법의 하나의 실시예의 흐름도이다.
본 출원은 레이저 생성 플라즈마(LPP) 극자외선(EUV) 광 시스템에서 사용될 수 있는 시드 레이저원 등을 안정화하는 방법 및 장치를 설명한다.
하나의 실시예에서, 시드 레이저원을 안정화하는 방법은 캐비티의 일단을 형성하는 이동 가능한 미러를 이용하여 레이저의 캐비티 길이를 조절하는 단계를 포함한다. 레이저의 평균 출력 에너지는 상이한 미러 위치에서 측정되는데, 이러한 미러 위치는 레이저의 이득 피크와 나란한 캐비티 모드를 야기하여, 이전 펄스의 종료에서부터 다음 출력 펄스에 대한 프리 레이징의 재개까지의 최소 프리 레이징 지연 및 출력 펄스의 지터 프리(jitter-free) 타이밍을 산출하도록 선택된다. 피드백 루프는 레이저 출력을 최대 이득 및 효율로 유지하고, 감쇠 및 타이밍을 원하는 동작 포인트로 유지한다.
도 1은 하나의 실시예의 LPP EUV 광원(20)의 일부 컴포넌트의 간단하고 개략적인 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, EUV 광원(10)은 조사 영역(16)에 있는, 방울과 같은, 각각의 타겟을 조사하기 위해, 레이저 펄스의 빔을 발생시키고 그 빔을 레이저원(12)으로부터 하나 이상의 경로를 따라 챔버(14)내로 전달하는 레이저원(12)을 포함한다. 도 1에 도시된 시스템(12)에 사용하기에 적합할 수 있는 레이저 배열의 예가 아래에 더 상세하게 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, EUV 광원(10)은 또한, 예컨대, 타겟 재료의 방울들을 챔버(14) 내부로 그리고 방울들이 하나 이상의 레이저 펄스와 상호작용하여 궁극적으로 플라즈마를 산출하고 EUV 방출선을 발생시키는 위치인 조사 영역(16)으로 전달하는 타겟 재료 운반 시스템(26)을 포함할 수 있다. 다양한 타겟 재료 전달 시스템들이 종래기술에 제공되었고, 그 각각의 장점은 당업자들에게 명백할 것이다.
상기와 같이, 타겟 재료는 주석, 리튬, 크세논, 또는 이들의 조합을 포함하는 재료를 포함할 수 있는 EUV 방출 원소이지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 타겟 재료는 액체 방울 형태일 수도 있고, 또는 대안으로서 액체 방울 내에 포함된 고체 입자일 수도 있다. 예를 들어, 타겟 재료로서 주석 원소는 순수한 주석으로, SnBr4, SnBr2, SnH4와 같은 주석 화합물로, 주석-갈륨 합금, 주석-인듐 합금, 또는 주석-인듐-갈륨 합금과 같은 주석 합금으로, 또는 이들의 조합으로 제공될 수 있다. 사용되는 재료에 따라, 타겟 재료는 상온 또는 거의 상온(예컨대, 주석 합금 또는 SnBr4), 상온보다 높은 온도(예컨대, 순수한 주석), 또는 상온보다 낮은 온도(예컨대, SnH4)를 포함하는 다양한 온도로 조사 영역(16)에 제공될 수 있다. 몇몇 경우에, 이러한 화합물들은 SnBr4와 같이 비교적 휘발성일 수 있다. 주석 이외의 EUV 방출 원소의 유사한 합금 및 화합물, 및 그러한 재료의 상대적인 장점 및 상술된 내용들은 당업자들에게 명백할 것이다.
이제 도 1을 참조하면, EUV 광원(10)은 광학 부재(18)가 조사 영역(16) 또는 그 부근에 제1 초점을 가지고 소위 중간 영역(20)에 제2 초점을 가지도록 하는, 장축 타원체(prolate spheroid)(즉, 그 장축을 중심으로 회전한 타원) 형태의 반사면을 가진 근수직 입사 수집 미러와 같은 광학 부재(18)를 포함할 수 있는데, 여기서 EUV 광은 EUV 광원(10)으로부터 출력되고 (도시되지 않은) 집적회로 리소그래피 툴과 같은 EUV 광을 이용하는 장치로 입력될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 부재(18)에는 애퍼어처가 형성되어 있어, 레이저원(12)에 의해 발생된 레이저 광 펄스가 그것을 통과하여 조사 영역(16)에 도달하게 된다.
광학 부재(18)는 EUV 광을 수집하고 그것을 EUV 광을 이용하는 장치로의 후속 전달을 위해 조사 영역(20)으로 보내는 적절한 표면을 가져야 한다. 예를 들어, 광학 부재(18)는 몰리브덴과 실리콘의 교대 층, 및 몇몇 경우에, 하나 이상의 고온 확산 장벽 층, 평탄 층, 캐핑 층(capping layer), 및/또는 식각 저지 층(etch stop layer)을 포함하는 등급화된(graded) 다층 코팅을 가질 수 있다.
당업자들은 장축 타원체 미러 이외의 광학 부재가 광학 부재(18)로서 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 광학 부재(18)는 대안으로서 장축에 대하여 회전된 포물선일 수 있고, 또는 링 형상의 단면을 가진 빔을 중간 위치로 전달하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 부재(18)는 여기 서술된 것과 더불어, 또는 그와 다른 코팅 및 층을 사용할 수 있다. 당업자들은 특정한 상황에서 광학 부재(18)에 대한 적절한 형상 및 구성을 선택할 수 있을 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, EUV 광원(10)은 레이저 빔을 조사 위치에 있는 초점으로 포커싱하기 위한 하나 이상의 광학 엘리먼트를 구비한 포커싱 유닛(22)을 포함할 수 있다. EUV 광원(10)은 또한 레이저 원(12)과 포커싱 유닛(22) 사이에, 하나 이상의 광학 엘리먼트를 가지고, 레이저 빔을 확대, 스티어링, 및/또는 성형 및/또는 레이저 펄스를 성형하기 위한 빔 조절 유닛(24)을 포함할 수 있다. 다양한 포커싱 유닛 및 빔 조절 유닛은 당업계에 공지되어 있으며, 당업자들에 의해 적절하게 선택될 수 있다.
상술한 바와 같이, 몇몇 경우에, LPP EUV 시스템은 하나 이상의 시드 레이저를 이용하여, EUV 방출선을 만들어내는 플라즈마를 형성하기 위해 조사 위치(16)에 있는 타겟 재료를 조사하는 레이저 빔이 되도록 증폭될 수 있는 레이저 펄스를 발생시킨다. 도 2는 LPP EUV 시스템 내의 레이저 광원의 일부분으로서 사용될 수 있는 시드 레이저 모듈(30)의 하나의 실시예의 간단한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 시드 레이저 모듈(30)은 2개의 시드 레이저, 프리 펄스 시드 레이저(32) 및 메인 펄스 시드 레이저(34)를 포함한다. 당업자들은 이러한 2개의 시드 레이저를 포함하는 실시예가 사용되는 경우에, 타겟 재료가 프리 펄스 시드 레이저(32)로부터의 하나 이상의 펄스에 의해 먼저 조사된 후, 메인 펄스 시드 레이저(34)로부터의 하나 이상의 펄스에 의해 조사될 수 있음을 이해할 것이다.
시드 레이저 모듈(30)은 컴포넌트들이 직선으로 배열되는 것이 아니라, "접힌" 배열을 가지는 것으로 도시되어 있다. 실제로, 이러한 배열은 모듈의 크기를 제한하기 위해 전형적인 것이다. 이를 달성하기 위해, 프리 펄스 시드 레이저(32) 및 메인 펄스 시드 레이저(34)의 레이저 펄스에 의해 만들어지는 빔은 복수의 광 컴포넌트(36)에 의해 희망의 빔 경로 상으로 지향된다. 희망의 특정 구성에 따라, 광 컴포넌트(36)는 렌즈, 필터, 프리즘, 미러, 또는 빔을 원하는 방향으로 지향시키기 위해 사용될 수 있는 임의의 다른 엘리먼트와 같은 엘리먼트일 수 있다. 몇몇 경우에, 광 컴포넌트(36)는 통과하는 빔의 편광을 바꾸는 것과 같은 다른 기능도 수행할 수 있다.
당업자들에게 공지된 바와 같이, 시드 레이저(32 및 34)는 그들 내부에 출력 커플러, 편광기, 후방 미러, 격자, 음향-광 변조(AOM: acousto-optical modulation) 또는 전기-광 변조(EOM: electro-optical modulation) 스위치 등 과 같은 비교적 부서지기 쉬운 광 컴포넌트를 포함한다(시드 레이저(32 및 34) 내의 이러한 엘리먼트들은 도시되어 있지 않다). 그러므로, 조사 위치에 있는 타겟 재료로부터 반사될 수 있는 임의의 광이 이러한 컴포넌트에 도달하고 손상시키거나, 또는 시드 레이저의 안정적인 동작을 간섭하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
도 2의 실시예에서, 각각의 시드 레이저로부터의 빔은 먼저 전기-광 변조기(EOM)(38)를 통과한다. EOM(38)은 시드 레이저에 의해 발생된 펄스를 더 짧은 지속시간 및 더 빠른 상승 시간 및 하강 시간을 가진 펄스로 다듬기(trim) 위한 펄스 성형 유닛으로서 시드 레이저와 함께 사용된다. 더 짧은 펄스 지속시간 및 비교적 빠른 상승 시간은 펄스와 타겟 사이의 짧은 상호작용 시간으로 인해 그리고 펄스의 불필요한 부분이 증폭기 이득을 소모하지 않기 때문에 EUV 출력 및 광원 효율을 증가시킬 수 있다. 2개의 별도의 펄스 성형 유닛(EOM(38))이 도시되어 있으나, 대안으로서 공통의 펄스 성형 유닛이 프리 펄스와 메인 펄스 시드를 모두 다듬기 위해 사용될 수 있다.
그 다음, 시드 레이저로부터의 빔은 음향-광 변조기(AOM)(40 및 42)를 통과한다. 아래에 서술한 바와 같이, AOM(40 및 42)은 타겟 재료로부터의 레이저 펄스의 임의의 반사가 시드 레이저에 도달하지 못하게 방향 전환시키도록(divert) 동작하는 "스위치" 및 "셔터"로서 역할 한다. 상술한 바와 같이, 시드 레이저는 전형적으로 민감한 광학부재를 포함하므로, AOM(40 및 42)은 임의의 반사가 시드 레이저 엘리먼트에 대한 손상을 일으키는 것을 방지한다. 여기 도시된 실시예에서, 각각의 시드 레이저로부터의 빔은 2개의 AOM을 통과하는데, 각각의 AOM은 통과하는 빔의 주파수 및 파장 시프트를 일으키고, 각각의 빔 경로 상의 제2 AOM은 이러한 시프트가 제1 AOM과 반대가 되도록 방향 조절되어, 제1 AOM의 시프트를 역전시킨다(reverse). 당업자들은 몇몇 실시예에서, 각각의 시드 레이저로부터의 빔을 각각의 경로 상에 오직 하나의 AOM만 통과시키는 것이 어떻게 가능할 것인지 그리고 이러한 구성의 효과가 무엇인지 이해할 것이다.
AOM(40 및 42)을 통과한 후, 두 빔은 빔 결합기(44)에 의해 "결합"된다. 하나의 실시예에서, 프리 펄스 시드 레이저 및 메인 펄스 시드 레이저가 약간 상이한 파장을 가지기 때문에, 빔 결합기(44)은 이색성(dichroic) 빔 스플리터일 수 있고, 당업자들은 이를 달성하는 다른 방법을 이해할 것이다. 각각의 시드 레이저로부터의 펄스가 상이한 시간에 발생되기 때문에, 이는 사실상 2개의 시간적으로 분리된 빔이 추가적인 프로세싱 및 사용을 위해 공통의 빔 경로(46) 상에 놓여짐을 의미한다.
공통의 빔 경로 상에 놓여진 후, 하나의 시드 레이저로부터의 빔(다시 말해, 한번에 하나만 존재할 것이다)은 당업계에 공지되고 아래에 더 설명된 바와 같은 빔 지연 유닛(48)을 통과한다. 그 다음, 이 빔은 프리 증폭기(50) 및 빔 확장기(52)를 통과하여 나아간다. 그 다음, 이 빔은 필름 편광기(54)를 통과한 후, 광 컴포넌트(56)에 의해 앞으로 나아가는데, 이 광 컴포넌트(56)는 다시 말하자면 빔을 LPP EUV 시스템 내의 다음 단계로 보내고 다른 기능도 수행할 수 있는 엘리먼트이다. 광 컴포넌트(56)로부터, 이 빔은 전형적으로 아래에 서술되어 있는 하나 이상의 광 증폭기 및 다른 컴포넌트로 지나간다.
프리 펄스 및 메인 펄스 시드 레이저 이 둘 모두로서 사용하기에 적합한 다양한 파장 조절 가능한 시드 레이저가 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 시드 레이저는 1미만의 기압(sub-atmosphere), 예컨대, 0.05 내지 0.2기압의 CO2를 포함하는 밀봉된 충진 가스를 가지고, 무선 주파수 방전에 의해 펌핑되는 CO2 레이저일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시드 레이저의 광 캐비티 형성을 돕기 위해 격자가 사용될 수 있고, 이 격자는 시드 레이저를 선택된 회전 라인으로 튜닝(tune)하기 위해 회전될 수 있다.
시드 레이저가 타겟 재료를 조사하기 위해 증폭될 수 있는 유효한 펄스를 제공하는 것이라면, 특정한 조건이 바람직하다. 먼저, 시드 레이저는 요구되는 증폭 량을 제한하기 위해 특정 량의 파워를 제공해야 한다. 또한, 펄스의 타이밍은 펄스가 조사 위치에 있는 타겟 재료의 존재와 동등해 지도록(coordinated) 하기 위해, 몇몇 범위 내에서 제어 가능해야 한다. 이러한 문제에 대해서는 당업자들이 잘 이해할 것이다.
레이저에서, 광은 전형적으로 그 사이에서 광을 반사시키는 2 이상의 미러를 포함하는 공진 광 캐비티 내에서 증폭된다. 모든 레이저는 "이득 대역폭" 또는 "소신호 이득"이라 불리는, 일 범위의 주파수 또는 대역폭에 걸친 광을 산출한다. 광 캐비티 내에 포함된 이득 매체에 의해 주로 결정되는 이득 대역폭은 전형적으로 신호 피크를 가진 로렌츠(Lorentzian) 함수이고, 그러므로 중심 파장 및 중심 주파수에서 이득 피크를 가진다. 예를 들어, CO2 레이저는 60hPa의 가스 압력에서 잘 알려진 대역폭 측정값인 반치폭(FWHM)에 의해 측정된 대략 270MHz의 이득 대역폭을 가지며, 중심 파장 중 하나는 10.59마이크로미터에 있다.
광이 파형이기 때문에, 캐비티의 양끝에서 있는 미러 사이에서 바운스하는 광은 구조적으로 및 파괴적으로 스스로 간섭하고, 미러 사이에 정상파의 형성을 이끈다. 이러한 정상파는 불연속 주파수 세트를 형성하고 이는 "세로 캐비티 모드"로 알려져 있다. 세로 캐비티 모드는 자기 재생적(self-regenerating)이고, 캐비티에 의해 진동하도록 허용된 유일한 주파수의 광이고, 레이저의 캐비티의 길이에 의존한다.
일반적으로, 세로 캐비티 모드는 캐비티 왕복 광 거리가 정확히 그 파장의 배수인 파장만큼 이격된다. 광의 파장보다 충분히 긴 캐비티에 대하여, 모드간의 간격(프리 스펙트럼 범위 또는 FSR 이라고도 알려진)은 c/2L로 정해진 주파수 차일 것인데, 여기서, c는 광의 속도이고 L은 공진 캐비티의 길이이다. 1.6미터의 캐비티의 경우에, 모드간 간격 주파수는 대략 93MHz일 것이다.
60hPa 충진 압력의 CO2 레이저의 이득 대역폭이 270MHz이고, 1.6미터 캐비티인 경우에, 모드는 대략 93MHz 떨어져 있으므로, 이득 대역폭 곡선 내에 수개의 모드가 존재할 것이다. (이득 대역폭 곡선 내에 수개의 모드가 존재하는 것은 대부분의 레이저에 대하여 전형적이다.) 이러한 상황에서, 최대 이득을 가지는 모드, 즉, 이득 대역폭 곡선 중 가장 높은 부분 아래에 있는 모드는 레이저의 오실레이션을 주도할 것이고, 레이저의 모든 사용가능한 파워는 이 모드로부터 사용 가능할 것이다(하나의 모드가 충분한 이득을 가진다면, 그것은 다른 모드들을 꺼버릴(extinguish) 것이다).
그러므로, 이득 피크, 즉, 이득 대역폭 곡선 내의 가장 높은 포인트와 나란한 하나의 캐비티 모드를 가지는 것이 바람직하다. 도 3은 이득 대역폭 곡선(302) 및 CO2 레이저의 캐비티 모드(304 및 306)을 도시하는데, 하나의 캐비티 모드(304)가 이득 대역폭 곡선(302) 내의 최고점(308), "이득 피크"와 나란하다. 모드(304)는 다른 모드(306)보다 큰 이득을 가지기 때문에(이득 대역폭 곡선이 모드(306)에 대한 것보다 모드(304)의 주파수에서 더 높기 때문에), 그리고 모드(304)가 이득 피크(308)와 나란하기 때문에, 근본적으로 모든 사용 가능한 파워는 그 모드 내에 있을 것이고 레이저의 출력 파워가 최대화된다.
이와 유사하게, 이득이 중심 파장에서 먼 파장에서 감소되기 때문에, 중심을 벗어난 모드에서 동작하는 것은 시드 레이저의 출력 파워 감소를 야기할 것이다. 심지어, 중심 파장에서 30MHz 벗어난 주파수는 소신호 이득 및 출력 파워의 대략 5%의 감소를 야기할 것이다. 더욱이, 시드 레이저 출력이 조사 위치에 도달하기 전에 증폭되므로, 시드 레이저의 이러한 출력 파워 감소도 마찬가지로 증폭될 것이고, 증폭기가 최적의 중심 파장에서 가장 효율적으로 동작한다는 사실에 의해 이러한 영향은 증가된다. 최적이 아닌 시드 레이저 주파수가 시드 레이저 출력 파워의 단지 5% 하락을 일으키는 경우에, 그것은 또한 증폭기의 소신호 이득을 감소시킬 것이다. 그러므로, 고출력 파워가 소신호 이득에 지수적으로 의존하기 때문에, 증폭된 출력은 증폭기에 대한 전체 이득-길이 프로덕트에 의존하여, 훨씬 더 많이, 아마도 25%를 초과하는 정도만큼 낮아질 것이다.
이득 피크와 나란하지 않은 모드("오프셋 모드")는 다른 문제도 일으킬 수 있다. 도 4는 이득 대역폭 곡선(404)의 이득 피크(408)로부터 대략 등거리만큼 떨어져 있는 두 모드(406)를 도시한다. 이러한 상황에서, 두 모드 모두 상당히 더 큰 이득을 가지지 않기 때문에, 두 모드(406) 모두는 오실레이션할 것이고, 이는 대략 93MHz의 주파수를 가진 출력 펄스에 인공물(artifact)을 만들어낼 것이다. 이는 "모드 비팅(mode beating)"이라 알려져 있는데, 이러한 펄스의 예가 도 5에 도시되어 있다. 이는 도 5에 도시된 바와 같이 펄스 형상의 원치 않는 혼란(disruption)을 일으키고, 뿐만 아니라 두 모드(406) 모두 이득 피크(408)에 대응하지 않는다는 사실로 인해 파워가 감소된다. 이 모드들이 이득 피크로부터 등거리가 아닌 경우, 비팅의 크기는 감소될 것이지만 이것도 여전히 바람직하지 않다.
다른 상황에서, 캐비티 길이가 변하면, 캐비티 모드는 이득 대역폭 전체에서 느리게 드리프트(drift)할 것이다. 이러한 경우에, 상이한 모드들이 이득 피크를 통과하면, 출력 파장은 하나의 모드에 다른 모드로 불연속적으로 점프할 수 있는데, 이러한 현상을 "모드 호핑(mode hopping)"이라 한다.
캐비티 길이의 변동이 캐비티의 중심 파장의 변경과 모드 간의 차이의 변경을 모두 일으키기 때문에, 캐비티의 길이가 캐비티 모드를 형성함에 있어서 중요하다는 것이 이해될 것이다. 캐비티 길이는 여러 가지 이유로 변할 수 있는데, 주된 이유는 미러를 잡고 있는 구조의 열 팽창이지만, 캐비티 길이는 아마도 창문 또는 레이저 이득 매체 등과 같은 캐비티 내의 엘리먼트들의 굴절률의 변화로 인해 변할 수 있다.
이러한 이유로, 시드 레이저의 모드를 안정화시키기 위한 핵심은 일정한 캐비티 길이를 유지하는 것이다. 이는, CO2 레이저의 경우에 5 마이크로미터의 길이 변화 조차도 하나의 모드에서 다른 모드로의 전환을 야기할 것이고, 레이저의 주기성에도 매우 작은 변화가 존재하기 때문에, 미세한 허용범위(tolerance)로 행해져야 한다. 그러므로, 캐비티 길이를 1마이크로미터 이내에서 일정하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
이렇게 하기 위한 한 방법은 낮은 열 팽창 계수를 가진 재료를 사용하고 그리고/또는 캐비티의 온도를 주의 깊게 제어하여 캐비티 길이가 열 팽창으로 인해 유의미하게 변하지 않도록 캐비티 길이를 제어하고자 시도하는 것이다.
그러나, 이러한 "수동적" 기술은 한계를 가진다. 일정한 온도를 유지하기 위해, 레이저는 전형적으로 몇몇 방식으로 냉각될 필요가 있을 것이며, 그렇다 하더라도 정교한 제어가 매우 어렵다. 예를 들어, 물 냉각기가 레이저를 냉각시키기 위해 사용된다 하더라도, 물이 순환함에 따라 "안정적인" 온도가 변할 수 있다.
대안으로서, 캐비티의 길이는 적절한 피드백 신호의 제어 하에서 캐비티 미러 중 하나를 이동시킴으로써 또는 몇몇 경우에 캐비티 내의 격자를 이동시킴으로써 능동적으로 제어될 수 있다. 이러한 능동 제어는 적절한 제어 신호가 사용된다면 수동 기술보다 더 정밀하게 캐비티 길이를 일정하게 유지할 수 있다.
도 6은 시드 레이저(602)의 캐비티 길이를 조절하기 위한 시스템(600)의 간단한 블록도이다. Q-스위치(604)는 상술한 바와 같이 시드 레이저(602) 내에 파워가 축적되는 것을 가능하게 한다. 이동 가능한 미러(606)는 시드 레이저 캐비티의 일단을 형성한다. 센서(608)는 출력 빔의 하나 이상의 파라미터를 측정한다. 제어 모듈(610)은 측정된 파라미터를 이용하여 레이저 캐비티 길이에 대한 적절한 조절값을 판정하고, 판정된 조절값에 따라 미러(606)을 이동시키기 위해 액추에이터(612)에 명령을 전송한다.
미러(606) 및 액추에이터(612)는 그들을 시드 레이저(602)와 함께 사용하기에 적합하게 만드는 특정한 특성을 가지는 것이 바람직하다. 미러(606)는 광 캐비티를 오배열시킬 수 있는 기울어짐(tilt)을 유발하지 않으면서(그러므로, 미러(606)는 필요하다면 자신이 기울어질 수 있어야 한다), 적어도 시드 레이저(602)로부터 출력될 광의 몇몇 파장과 동등한 거리에 걸쳐 이동 가능한 것이 바람직하다. 액추에이터(612)는 적어도 3개의 캐비티 모드를 포함하는 조절 범위(서술된 경우에서는, 적어도 15마이크로미터의 구동범위)에 걸쳐 미러(606)를 이동시킬 수 있고, 미러(606)를 특정한 범위 내에서 기울일 수 있는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 이러한 액추에이터는 압전 변환기(PZT)에 의해 구동될 수 있다. 당업자들은 상기 내용과 고려사항들을 고려하여 적절한 액추에이터를 선택할 수 있을 것이다.
레이저 캐비티의 길이를 제어하는 것과 더불어, 시드 레이저로부터 최대 출력을 얻기 위해 Q 스위칭이 사용될 때 프리 레이징의 타이밍을 동시에 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 상기와 같이, 프리 레이징이 시작하는 시간에 영향을 미치는 2개의 요인이 존재한다. 첫째, 상기와 같이, 스위치가 개방되기 전에 Q-스위치 감쇠가 더 낮을수록, 레이저 동작 임계치에 도달되고 프리 레이징이 발생하는 것이 더 빨라진다.
둘째, 캐비티 모드가 이득 대역폭의 피크에 위치한 때, 이득 피크로부터 떨어진 오프셋 모드만 존재할 때보다 파워가 더 빠르게 축적될 것이다. 그러므로, 상술한 바와 같이 부분 개방 Q-스위치가 사용된 때, 캐비티 모드가 이득 피크에 위치할 때 오프셋 모드만 존재할 때보다 더 빠르게 레이저 동작 임계치에 도달되고 프리 레이징이 발생할 것으로 예상된다. 이득 피크에 위치하는 캐비티 모드를 가지는 것은 또한 시드 레이저로부터 최대 출력 파워를 야기한다.
쟁점은 캐비티 길이와 레이저 펄스의 타이밍을 모두 제어하는 것이 가능한 적절한 파라미터를 찾는 것이다.
도 7은 시간, T1에서의 하나의 펄스의 방출에서부터 시간, T2에서의 다음 펄스의 방출까지 시드 레이저의 출력 파워의 3가지 플롯(701 내지 703)을 도시한다. 출력 파워는 센서에 의해 측정된다. 하나의 실시예에서, 이것은 광 전자기("PEM") 센서인데, 광전도성(photoconductive) 또는 광기전력(photovoltaic) 센서와 같이, 출력 파워를 측정하는데 적합한 다른 타입의 고속 광 센서들은 당업자들에게 명백할 것이다. 상술한 바와 같이, 레이저 내의 파워가 특정 포인트에 도달한 때 시드 레이저가 프리 레이징을 시작하기 때문에, 출력 파워의 그래프는 또한 시간, T1에서의 전체 펄스 출력에서부터 다음 펄스에 대한 프리 레이징의 시작까지 시간 지연을 나타낸다.
중앙 곡선(701)에서, 캐비티 모드는 이득 피크에 중심을 가지고, 위 및 아래의 곡선(702 및 703)에서는, 이득 피크에 위치하지 않는 오프셋 모드만 존재한다. 곡선(702 및 703)에 대하여, 시간, T1에서의 펄스로부터 프리 레이징까지의 시간 지연은 Tdelay로 표시되고, 곡선(701)에 대하여, 이 시간 지연은 더 짧은 시간, Tmindelay임을 알 수 있다. 이는 예상한 바와 같은데, 상술한 바와 같이 캐비티 모드가 이득 피크와 나란한 경우에 레이저 내의 파워가 더 빠르게 축적될 것이기 때문이다. 그러므로, 곡선(701)에서, 전체 펄스에서부터 프리 레이징의 시작까지의 시간 지연, Tmindelay이 최소이고, 곡선(702 및 703)에서처럼 오프셋 모드만 존재할 때보다 더 짧다.
최적의 모드 정렬을 찾기 위해, 액추에이터는 매우 작은 이동 범위, 예컨대, 캐비티 프리 스펙트럼 범위(FSR)의 5%만큼 이동되어, 미러를 이동시키고, 캐비티 길이를 변경시키고, 이전 펄스의 끝에서부터 프리 레이징의 시간까지의 지연 시간, Tdelay가 측정된다. FSR이, 예컨대, 5마이크로미터라면, 액추에이터 및 미러는 FSR의 대략 5%, 또는 0.25마이크로미터만큼 이동된다. 이는 미러의 위치와 함께 변하는 프리레이징 지연을 야기한다. 레이저 캐비티 내의 모드의 주파수는 변할 것이고, 모드는 이득 대역폭 곡선을 가로질러 이동하여 나타날 것이고, 이것이 발생하면, 지연 시간, Tdelay는 미러 이동의 범위 상에서 측정된다.
도 8은 이러한 타입의 테스트 플롯을 도시하고(액추에이터 이동, 및 미러 위치는 수평축 상의 PZT로의 전압에 의해 표현된다), 시드 레이저의 출력과 미러 액추에이터로의 신호 사이의 전달 함수를 나타낸다. 도 8의 3개의 곡선(801, 802 및 803)은 그것이 개방되기 전 Q-스위치에 의한 상이한 감쇠를 나타낸다. 상술한 바와 같이, Q-스위치 감쇠가 낮을수록, 프리 레이징이 빨리 발생할 것이고, Tdelay가 짧아진다. 그러므로, 도 8의 최저 곡선(801)은 다른 두 곡선보다 낮은 감쇠를 가진 Q-스위치를 나타내고, 중간 곡선(802)은 제일 위쪽의 곡선(803) 보다 낮은 감쇠의 Q-스위치를 나타낸다.
Q-스위치 감쇠의 각각의 주어진 값, 즉, 도 8의 각각의 곡선에 대하여, 최적의 모드 정렬은 곡선에서의 각각의 극소값에서 발생한다. 즉, 곡선 상의 각각의 극소값은 이득 피크와 나란한 캐비티 모드를 나타낸다. 캐비티 길이의 대략 5마이크로미터의 시프트(shift)가 다른 극소값 및 대안의 최적 정렬 포인트를 야기할 것임을 이해해야 한다. 이것은, 상술한 바와 같이 이것이 시드 레이저의 이득 피크에 위치하고 있는 다음 캐비티 모드를 야기할 것이므로 예상한 바와 같다.
상술한 바와 같이, 본 예에서, 미러는 15마이크로미터를 이동할 수 있고, 3개의 캐비티 모드를 커버할 수 있다. 3개의 캐비티 모드 각각과 이득 피크의 정렬은 극소값을 야기하기 때문에, 곡선(801)에 대하여 3개의 극소값(804), 곡선(802)에 대하여 3개의 극소값(805), 및 곡선(803)에 대하여 3개의 극소값(806)이 존재할 것이다. (3개의 곡선 간의 최소값의 수평 시프트는 스캔 간 캐비티 길이의 드리프트를 반영하는데, 캐비티 길이가 길어지거나 짧아지지 않는다면, 이 최소값은 동일한 위치에 있을 것이다.) 이러한 곡선의 극소값을 찾는 알고리즘은 당업계에 공지되어 있다.
당업자들은 몇몇 경우에, 시드 레이저가 3개 이상의 모드에 걸쳐 시프트할 것이고, 실제로 몇몇 레이저는 스타트업 시 30개 초과의 모드를 겪을 수 있음을 이해할 것이다. 오직 수개의 모드에 걸쳐 미러를 이동시킬 수 있는 액추에이터가 당연히 범위를 벗어나 작동할 것이므로, "레인지 랩핑(range wrapping)" 또는 "액추에이터 디세츄레이션(actuator de-saturation)"의 주지된 기술이 액추에이터(및 미러)를 그 동작 범위의 중간으로 주기적으로 되돌아가게 하기 위해 채용될 수 있다.
도 9는 시드 레이저(902)를 안정화시키는 장치(900)의 하나의 실시예의 블록 다이어그램이다. (이 장치는 오직 시드 레이저 상에서만 동작하고, 레이저 펄스를 처리하고 사용하는 상술된 다른 컴포넌트와는 독립적이다. 그러므로, 이것은, 예컨대, 도 2에 도시된 시드 레이저(32 및 34) 내에 포함될 수 있다.) 2개의 제어 루프(904 및 934)가 존재한다. 제어 루프(904)는 PZT 액추에이터(906)가 시드 레이저(902)의 캐비티 길이를 제어하기 위해 미러(908)를 이동시키게 한다. 한편, 상기 도 6의 장치와 유사하게, 제어 루프(934)는 시드 레이저(902) 내의 Q-스위치(926)의 감쇠를 제어한다.
PEM 센서(910)는 Q-스위치 펄스의 파워를 측정하고, 결과적인 신호는 증폭기(912)에 의해 증폭된다. 평균 프리 레이징 지연은 엘리먼트(914)신호를 스레쏠딩(thresholding)한 후, 평균화기(916)에 의해 평균을 구함으로써 추출된다. 이로부터, 도 8의 곡선에 도시된 것과 같은, 미러 위치와 전체 펄스에서부터 프리 레이징까지의 지연 시간, T의 비교가 계산될 수 있다.
미러(908)의 위치는 미러를 원하는 범위에 걸쳐 이동시키기 위한 변조기(918)에 의해, 저주파수로, 예컨대, 1 내지 2Hz로 디더링(dither)된다. 평균 듀티 사이클(duty cycle)의 진폭 및 위상이 어느 측의 최소값에 현재 동작 포인트가 위치하는지에 의존하기 때문에, 위상 검출기(920)는 평균 듀티 사이클 값 및 현재 미러 위치를 수신하고, 평균 듀티 사이클 내의 결과적인 변조의 부호를 가진(signed) 진폭을 복구한다. 미러 위치가 도 8의 곡선의 희망의 최소값에 있을 때, 이 신호의 진폭은 0에 접근한다.
이 신호는 적분기(922)에 의해 적분되고, 디더 신호에 더해지고, PZT 증폭기(924)에 의해 증폭되고, 이는 필요하다면, 미러(908)를 이동시키기 위해 PZT 액추에이터(906)를 구동시킨다. 당업자들은 제어 루프(904)가 PZT 액추에이터(906)의 위치를 따라가는 전형적인 "언덕을 오르는" 루프이고, 듀티 사이클 내의 변조 및 지연 시간, T가 최소값인 포인트를 찾고, 그 포인트에 미러(908)를 고정시키기 위해 피드백 신호를 발생시킴을 이해할 것이다. 몇몇 실시예에서, 다양한 수학적 함수들이 아날로그 회로에 의해 수행될 수 있으나, 다른 실시예에서, 컴퓨터 프로세서가 사용될 수도 있다.
제어 루프(906)는 Q-스위치(926)로부터의 감쇠를 제어하도록 동작하는 전형적인 적분 수렴 루프이다. 상기와 같이, 프리레이징이 너무 빠르거나 너무 늦지 않은 시간에 발생하는 것이 바람직하다. 제어 루프(906)에서, 평균화기(916)로부터의 평균 듀티 사이클 값은 비교기(928)에 의해 목표값과 비교된다. 그 차이는 적분기(930)에 의해 적분되고, 그 결과는 Q-스위치 구동기(932)에 의해 Q-스위치(926)에 의한 감쇠를 제어하는 신호로 변환되어, 평균 듀티 사이클 값이 목표값과 상이하다면, 적절하게 감쇠를 증가 또는 감쇠시킨다. 이것은 Q-스위치 내의 감쇠를 희망의 목표값이 되게 하고 프리 레이징의 시간을 조절하여, 시드 레이저의 효율을 높게 유지시킬 것이다.
도 10은 하나의 실시예에 따른 시드 레이저 안정화 방법의 흐름도이다. 단계(1001)에서, 레이저의 광 캐비티의 일단을 형성하는 이동 가능한 미러는 사전 결정된 범위의 이동 범위에 걸쳐, 전형적으로 컴퓨터 제어식 액추에이터에 의해 이동된다. 상기와 같이, 이 이동 범위는 캐비티 FSR의 대략 5%인 것이 바람직하다.
단계(1002)에서, 펄스의 출력에서부터 다음 레이저 동작 임계치 및 프리 레이징의 시작까지의 시간 지연은 미러가 이러한 이동 범위에 걸쳐 이동되는 동안 계산된다.
상기 서술한 바와 같이, 캐비티 모드가 레이저의 이득 피크에 위치할 때, 평균 출력 에너지는 최대일 것이고, 펄스 출력에서부터 다음 레이저 동작 임계치 및 프리 레이징의 시작까지의 시간 지연은 레이저 내의 Q-스위치(가변 감쇠기)에 의해 주어진 감쇠에 대하여 최소일 것이다. 미러의 이동 범위가 3개의 캐비티 모드에 걸쳐 뻗어 있다면, 이러한 결과를 만들어내는 3개의 가능한 미러 위치가 존재할 것이다.
단계(1003)에서, 이러한 미러 위치 중 하나가 무작위로 선택되고, 단계(1004)에서 미러가 선택된 위치로 이동된다. 캐비티가 확장될 때, 도 8의 곡선은 우측 또는 좌측으로 드리프트할 것이고, 제어 루프는 미러가 미러의 이동 범위의 한계에 도달할 때까지 선택된 최소 위치를 따라가도록 이동시킬 것이다. 그 다음 제어 루프는 미러의 범위 내로 되돌아가기 위해 제어 포인트를 "둘러싸고", 바람직하게는 이러한 범위의 중심 부근의 다른 최소 포인트를 선택할 것이다.
단계(1005)에서, Q-스위치에 의한 감쇠는 감쇠 및 지연 시간을 희망의 값으로 유지하기 위해 필요하다면 조절된다. 상기와 같이, 지연 시간이 너무 짧은 경우에는, Q-스위치가 개방된 때 출력 펄스가 발생되도록 하기 위해 시간 내에 프리 레이징이 발생할 수 없을 수 있고, 너무 긴 경우에는, 프리 레이징에서 파워가 낭비될 것이므로, 지연 시간은 너무 짧지도 너무 길지도 않은 것이 바람직하다.
이러한 단계들은 레이저가 동작하는 동안 반복되고, 레이저 동작을 원하는 포인트로 유지하기 위해 피드백 신호를 제공한다. 이러한 방식으로, 시드 레이저는 안정화되어, 최대 효율에 근접하게 동작한다. 예컨대, 열 팽창에 의해 캐비티 길이가 변한다면, 미러 위치는 레이저의 이득 피크에 캐비티 모드를 유지하도록 조절될 것이다. 이와 더불어, 시간 지연은 Q-스위치가 개방된 때 시간 지터 없이 레이저 펄스가 방출되도록 희망의 값으로 유지될 것이다. 또한, 출력 주파수를 제어하는 것은 레이저 펄스의 후속한 증폭에서의 손실을 방지한다.
개시된 방법 및 장치들은 몇몇 실시예를 참조하여 앞서 서술되었다. 다른 실시예들도 본 명세서를 읽은 당업자들에게 명백할 것이다. 서술된 방법 및 장치의 특정한 형태가 상기 실시예에 서술된 것과 다른 구성을 이용하여 또는 상기 서술된 것과 다른 엘리먼트들과 결합하여 용이하게 구현될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 아마도 여기 서술된 것보다 더 복잡한 상이한 알고리즘 및/또는 로직 회로가 사용될 수 있고, 가능하다면 상이한 타입의 구동 레이저 및/또는 포커스 렌즈가 사용될 수도 있다.
여기 언급된 바와 같이, 다양한 변형들이 가능하다. 몇몇 경우에 단일 시드 레이저가 사용될 수 있고, 다른 경우에 2개의 시드 레이저, 프리 펄스 시드 레이저 및 메인 펄스 시드 레이저가 사용될 수도 있다. 2개의 시드 레이저가 사용된 경우, 그 둘 모두 여기 서술된 바와 같이 독립적으로 안정화될 수 있다.
또한, 서술된 방법 및 장치가 프로세스, 장치, 또는 시스템을 포함한 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 여기 서술된 방법은 그러한 방법을 수행하도록 프로세서에 명령하는 프로그램 명령어로 구현될 수도 있는데, 이러한 명령어는 하드 디스크 드라이브, 플로피 디스크, 컴팩트 디스크(CD) 또는 디지털 다기능 디스크(DVD)와 같은 광 디스크, 플래시 메모리 등과 같은 컴퓨터 판독가능한 저장 매체 또는 광 또는 전자 통신 링크를 통해 프로그램 명령어가 전송되는 컴퓨터 네트워크에 기록된다. 이러한 프로그램 명령어는 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 실행될 수 있고, 또는 고정된 로직 엘리먼트에 통합될 수 있다. 여기 서술된 방법의 단계들의 순서가 변경될 수 있고, 그 또한 본 발명의 범위에 속함을 이해해야 한다.
실시예에 대한 이러한 및 다른 변형은 본 발명에 의해 커버되도록 의도되었고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 제한된다.

Claims (19)

  1. 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템으로서,
    이동 가능한 광 컴포넌트를 포함하는 광 캐비티를 가진 레이저로서,
    상기 광 컴포넌트를 이동시키는 것이 상기 광 캐비티의 길이를 변경시키고, 상기 광 캐비티 내의 파워가 프리 레이저 동작 임계치에 도달한 때 프리 레이징하고, 상기 광 캐비티 내의 파워가 레이저 동작 임계치에 도달한 때 레이징하는 상기 레이저;
    상기 광 컴포넌트를 사전 결정된 범위 내에서 위치 조절하는 액추에이터;
    상기 레이저 내의 파워가 증가하는 속도를 제한하고, 그것을 통해 상기 프리 레이저 동작 임계치 및 레이저 동작 임계치에 도달되는 시간들 및 상기 출력 펄스가 방출되는 시간을 제어하기 위한, 상기 광 캐비티 내의 가변 감쇠기;
    정해진 순간에 상기 레이저의 출력 파워를 측정하는 센서;
    출력 펄스의 방출부터 상기 프리 레이저 동작 임계치에 다시 도달되는 시간까지의 시간 지연을 계산하기 위한 컴퓨팅 장치; 및
    출력 펄스의 방출부터 상기 프리 레이저 동작 임계치에 다시 도달되는 시간까지의 상기 계산된 시간 지연이 최소가 되도록, 상기 액추에이터가 상기 광 컴포넌트를 위치 조절하게 만드는 제1 컨트롤러를 구비한 제1 피드백 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 출력 펄스의 방출부터 상기 프리 레이저 동작 임계치에 다시 도달되는 시간까지의 시간 지연을 희망의 값으로 유지하기 위해, 상기 계산된 시간 지연을 기초로 상기 가변 감쇠기의 조절을 야기하는 제2 컨트롤러를 가진 제2 피드백 루프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 감쇠기는 음향-광 모듈인 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 감쇠는 전기-광 모듈인 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광 컴포넌트는 상기 광 캐비티의 일단에 있는 미러인 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광 컴포넌트는 상기 광 캐비티 내의 격자인 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 컴퓨팅 장치는 프로세서인 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 컴퓨팅 장치는 아날로그 회로인 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광 컴포넌트를 위치 조절하기 위한 상기 사전 결정된 범위는 적어도 두 개의 캐비티 모드가 상기 캐비티의 피크 이득 대역폭을 통과할 수 있는 거리와 동등한 거리이거나 더 큰 거리인 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 피드백 루프는:
    상기 가변 감쇠기가 고정된 감쇠 값을 유지하는 동안, 상기 액추에이터가 상기 사전 결정된 범위에 걸쳐 상기 광 컴포넌트를 이동시키게 하고;
    상기 사전 결정된 범위에 걸친 광 컴포넌트의 위치에 따라 상기 계산된 시간 지연을 비교하고, 비교의 결과에 기초하여, 캐비티 모드 간의 간격 내에서 시간 지연이 극소가 되는 광 컴포넌트의 하나 이상의 위치를 찾아내고; 및
    상기 액추에이터로 하여금 상기 광 컴포넌트를 시간 지연이 극소가 되는 찾아낸 위치 중 하나로 위치 조절하게 하는; 컴퓨팅 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 레이저 펄스를 산출하는 시스템.
  11. 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법으로서,
    상기 레이저는 하나의 길이를 가지는 광 캐비티로서, 광 컴포넌트를 이동시키는 것이 상기 광 캐비티의 상기 길이를 변경하도록 사전 결정된 범위에 걸쳐 이동 가능한 상기 광 컴포넌트를 포함하는 상기 광 캐비티를 가지고, 상기 광 캐비티 내의 파워가 프리 레이저 동작 임계치에 도달한 때 프리 레이징을 발생시키고, 상기 광 캐비티 내의 파워가 레이저 동작 임계치에 도달한 때 레이징을 발생시키고, 상기 광 캐비티 내에 상기 레이저 내에서 파워가 증가하는 속도를 제한하고, 그것을 통해 상기 프리 레이징 및 레이저 동작 임계치에 도달되는 시간 및 출력 펄스가 방출되는 시간을 제어하기 위한 가변 감쇠기를 가지고, 상기 방법은:
    상기 광 컴포넌트를 상기 사전 결정된 이동 범위에 걸쳐 이동시키는 동안 컴퓨팅 장치에 의해 상기 레이저를 작동시키는 단계;
    상기 광 컴포넌트의 이동 동안 복수의 시간에 상기 레이저의 출력 에너지를 센서를 통해 측정하는 단계;
    출력 펄스의 방출에서부터 다음번 프리 레이저 동작 임계치에 도달될 때까지의 시간 지연을 상기 컴퓨팅 장치에 의해 계산하는 단계;
    상기 계산된 시간 지연이 최소인 상기 광 컴포넌트의 위치를 상기 컴퓨팅 장치에 의해 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 위치를 기초로 상기 광 컴포넌트를 액추에이터에 의해 상기 선택된 위치로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 시간 지연을 희망의 값으로 유지하기 위해 상기 계산된 시간 지연을 기초로 컨트롤러에 의해 상기 가변 감쇠기를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 사전 결정된 이동 범위는 적어도 두 개의 캐비티 모드가 상기 캐비티의 피크 이득 대역폭을 통과할 수 있는 거리와 동등한 거리이거나 더 큰 거리인 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 광 컴포넌트를 상기 사전 결정된 이동 범위에 걸쳐 이동시키는 동안 제어 장치에 의해 상기 레이저를 작동시키는 단계는 상기 광 컴포넌트의 이동 동안 가변 감쇠기를 고정된 감쇠로 유지하는 단계를 더 포함하고, 상기 출력 펄스의 방출로부터 다음 레이저 동작 임계치에 도달되는 때까지의 상기 계산된 시간 지연이 최소인, 상기 광 컴포넌트의 위치를 상기 컴퓨팅 장치에 의해 선택하는 단계는:
    상기 사전 결정된 범위에 걸쳐 상기 광 컴포넌트의 위치에 대한 시간 지연을 상기 컴퓨팅 장치에 의해 계산하는 단계;
    캐비티 모드 간의 간격 내에서 상기 시간 지연이 극소가 되는 상기 광 컴포넌트의 하나 이상의 위치를 상기 컴퓨팅 장치에 의해 찾아내는 단계; 및
    상기 시간 지연이 극소가 되는 상기 광 컴포넌트의 찾아낸 위치 중 하나를 상기 컴퓨팅 장치에 의해 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 컴퓨팅 장치는 프로세서인 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 컴퓨팅 장치는 아날로그 회로인 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 광 컴포넌트는 상기 광 캐비티의 일단에 있는 미러인 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  18. 제 11 항에 있어서, 상기 광 컴포넌트는 상기 광 캐비티 내의 격자인 것을 특징으로 하는 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법.
  19. 프로그램을 내장하고 있는 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서, 상기 프로그램은 출력 펄스를 산출하는 레이저의 출력 최대화 방법을 수행하도록 프로세서에 의해 실행 가능하고, 상기 레이저는 하나의 길이를 가지는 광 캐비티로서, 광 컴포넌트를 이동시키는 것이 상기 광 캐비티의 상기 길이를 변경하도록 사전 결정된 범위에 걸쳐 이동 가능한 상기 광 컴포넌트를 포함하는 상기 광 캐비티를 가지고, 상기 광 캐비티 내의 파워가 프리 레이저 동작 임계치에 도달한 때 프리 레이징을 발생시키고, 상기 광 캐비티 내의 파워가 레이저 동작 임계치에 도달한 때 레이징을 발생시키고, 상기 광 캐비티 내에 상기 레이저 내의 파워가 증가하는 속도를 제한하고 그것을 통해 상기 프리 레이징 및 레이저 동작 임계치에 도달되는 시간 및 출력 펄스가 방출되는 시간을 제어하는 가변 감쇠기를 가지고, 상기 방법은:
    상기 광 컴포넌트를 상기 사전 결정된 이동 범위에 걸쳐 이동시키는 동안 제어 장치에 의해 상기 레이저를 작동시키는 단계;
    상기 광 컴포넌트의 이동 동안 복수의 시간에 상기 레이저의 출력 에너지를 센서를 통해 측정하는 단계;
    출력 펄스의 방출에서부터 다음번 프리 레이저 동작 임계치에 도달될 때까지의 시간 지연을 상기 제어 장치에 의해 계산하는 단계;
    상기 계산된 시간 지연이 최소인, 상기 광 컴포넌트의 위치를 상기 제어 장치에 의해 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 위치를 기초로 상기 광 컴포넌트를 액추에이터에 의해 상기 선택된 위치로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로그램을 내장하고 있는 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.

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