KR102249336B1 - 미러 및/또는 프리즘을 사용하는 레이저 반복률 증배기 및 플랫-탑 빔 프로파일 발생기 - Google Patents

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Abstract

반복률 (펄스) 증배기는 각각의 펄스의 에너지의 부분을 딜레이시키는 상이한 광학 경로 길이를 갖는 하나 이상의 링 공동을 형성하는 하나 이상의 빔 스플리터와 프리즘을 포함한다. 일련의 입력 펄스가 링 공동에서 순환하고 각각의 펄스의 에너지 부분은 더 짧은 공동 경로를 가로지른 후에 시스템에서 빠져나가고, 에너지의 다른 부분은 더 긴 공동 경로를 가로지른 후에 시스템에서 빠져나가며, 및/또는 양쪽 공동 경로의 조합을 가로지른 후에 시스템에서 빠져나간다. 링 공동 광학 경로 길이의 적절한 선택에 의해, 레이저 펄스의 출력 시리즈의 반복률은 입력 반복률의 배수가 될 수 있다. 출력 펄스의 상대 에너지는 빔 스플리터의 투과 및 반사 효율을 선택함으로써 제어될 수 있다. 몇몇 실시예는 한 치수가 실질적으로 평탄한 시간 평균적인 출력 빔 프로파일을 발생시킨다.

Description

미러 및/또는 프리즘을 사용하는 레이저 반복률 증배기 및 플랫-탑 빔 프로파일 발생기{LASER REPETITION RATE MULTIPLIER AND FLAT-TOP BEAM PROFILE GENERATORS USING MIRRORS AND/OR PRISMS}
관련 출원들
본 출원은 2014년 6월 20일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "프리즘을 사용하는 레이저 펄스 증배(Laser Pulse Multiplication Using Prisms)"이며 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 가출원 제62/015,01호에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 또한 2014년 8월 18일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "레이저 반복률 증배기 및 플랫-탑 빔 프로파일 발생기(Laser Repetition Rate Multiplier and Flat-Top Beam Profile Generator)"이며 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 가출원 제62/038,471호에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 Chuang 등에 의해 2012년 6월 1일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "레이저 펄스 증배기를 사용하는 반도체 검사 및 계측 시스템(Semiconductor Inspection And Metrology System Using Laser Pulse Multiplier)"인 미국 특허 출원 제13/487,075호, Chuang 등에 의해 2012년 12월 11일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "레이저 펄스 증배기를 사용하는 반도체 검사 및 계측 시스템(Semiconductor Inspection And Metrology System Using Laser Pulse Multiplier)"인 미국 특허 출원 제13/711,593호, Chuang 등에 의해 2014년 8월 8일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "표면 스캐닝 시스템을 위한 분할된 가우시안 빔 및 다중-스팟 플랫-탑 조명(Split Gaussian Beams and Multi-Spot Flat-Top Illumination for Surface Scanning Systems)"인 미국 특허 출원 제14/455,161호에 관한 것이다. 이들 출원 모두는 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 일시적인 도메인 내에서 레이저 펄스의 광 피크 파워를 감소시키고, 선택적으로 공간 도메인 내에서 빔 파워 분포를 균질화(homogenizing)하는 것에 관한 것이다. 이 피크 파워 감소 및 균질화 시스템은, 플랫-탑 공간 파워 분포 프로파일을 갖는 최적화된 펄스 반복률 증배기를 생성하도록 곡선형(curved) 미러, 빔 스플리터, 파장판(wave plate), 및 프리즘을 사용할 수 있다. 본 발명은 반도체 검사 및 계측 시스템에 특히 유용하다.
검사 및 계측을 위한 조명 요구는 일반적으로 연속파(CW; continuous wave) 광원(light source)에 의해 최상으로 충족된다. CW 광원은 이미지 또는 데이터가 연속적으로 획득되게 하는 일정한 파워 레벨을 갖는다. 그러나, 관심있는 많은 파장, 특히 자외선(UV; ultraviolet) 파장에서, 충분한 복사량(radiance)[단위 입체각(solid angle) 당 단위 면적 당 파워]의 CW 광원은 이용될 수 없거나, 가격이 비싸거나 신뢰할 수 없다. 펄스 레이저가 관심있는 파장에서 충분한 시간 평균적인 복사량을 갖는 유일하게 이용 가능하거나 비용 효율적인 광원이라면, 높은 반복률과 넓은 펄스 폭을 갖는 레이저를 사용하는 것이 최상이다. 펄스 반복률이 높을수록, 동일한 시간 평균적인 파워 레벨에 대한 펄스 당 순간 피크 파워가 낮아진다. 레이저 펄스의 피크 파워가 더 낮으면, 대부분의 손상 메커니즘이 비선형이고 평균 파워보다는 피크 파워에 더 강하게 의존하기 때문에, 광학계(optic) 및 측정되는 샘플 또는 웨이퍼에 대한 손상이 적어진다.
검사 및 계측 응용에서, 증가된 반복률의 추가 이점은, 데이터 획득 당 또는 픽셀 당 더 많은 펄스가 수집되어 펄스 대 펄스 변동(pulse-to-pulse variation)들의 평균화(averaging)가 양호해지고 신호 대 잡음비가 향상된다는 것이다. 더욱이, 빠르게 이동하는 샘플의 경우, 펄스율(pulse rate)이 더 빠르면, 각각의 펄스 사이에 이동되는 거리가 더 작아지기 때문에, 시간의 함수로서 샘플 위치의 샘플링이 양호해질 수 있다.
레이저 서브시스템의 반복률은 레이저 매체, 펌프 시스템, 및/또는 그 구동 전자기기를 향상시킴으로써 증가될 수 있다. 불행하게도, 이미 사전 결정된 반복률로 작동하는 UV 레이저를 수정하는 것은 그 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소를 향상하는 데에 상당한 시간과 자본의 투자를 필요로 할 수 있고, 오직 작은 증분만큼만 반복률을 향상시킬 수 있다. 더욱이, UV 레이저에서 기본 레이저의 반복률을 증가시키는 것은 기본 레이저의 피크 파워를 감소시킨다. 이는 (반드시 비선형 프로세스인) 주파수 변환의 효율을 감소시키고 이에 따라 높은 평균 UV 파워 레벨의 발생을 더 어렵게 만든다.
많은 검사 응용에서, 가우시안보다는 평탄하거나 균일한 조명 프로파일이 요망된다. 샘플 상의 공간적으로 균일한 조명은 불균일한 조명에 비해 조명 면적에 걸쳐서 보다 균일한 신호 잡음비 및 보다 높은 동적 범위를 초래한다. 비간섭성(incoherent) 광원이 레이저의 가우시안 프로파일보다 균일한 조명을 더 쉽게 발생시킬 수 있지만, 그러한 광원은 더 넓은 대역폭(색수차(chromatic aberration) 때문에 광학 설계를 복잡하게 만듬)을 갖고 레이저보다 더 낮은 파워 밀도(신호 대 잡음비를 감소시킴)가 제공될 수 있다. 가우시안 레이저 빔으로부터 대략적으로 평탄한 프로파일을 달성하기 위한 한가지 공지된 방식은 가우시안 꼬리(Gaussian tail)를 잘라내고 빔의 (피크에 가까운) 중앙 영역만을 사용하는 것이다. 이 방법은 적용이 간단하지만; 상당히 평탄한 프로파일이 요구되면, 레이저 파워의 많은 부분이 잘라내어져 낭비된다. 예컨대, 조명에서 최대 강도(intensity) 변동이 약 10%가 되도록 요구되면, 파워의 약 65%가 낭비되고, 20%의 변동은 파워의 대략 50%의 낭비를 요구한다.
따라서, 레이저의 출력 상에서 작동하는 UV 레이저의 반복률을 향상시키기 위해 실용적이고 저렴한 기술에 대한 요구가 발생한다. 더욱이, 반복률을 증가시키는 광학 서브시스템이 많은 공간을 차지하지 않고 시스템에 쉽게 통합될 수 있도록 소형화(compact)될 수 있다면 이로울 것이다. 또한, 반복률 증배기에 추가 구성요소를 전혀 추가하지 않거나 적게 추가하면서 대략적으로 평탄한 출력 프로파일을 발생시킬 수 있는 반복률 증배기에 대한 요구가 존재한다.
샘플을 검사 또는 측정하는 시스템이 설명된다. 이 시스템은 조명원, 광 검출을 수행하도록 구성되는 디바이스, 조명원으로부터 샘플로 광을 지향시키고 광 출력, 반사, 또는 투과를 샘플로부터 센서로 지향시키도록 구성되는 광학계를 포함한다. 특히, 조명기는 자외선(UV; ultra-violet) 파장(즉, 약 400 nm보다 짧은 파장)을 방출하는 펄스형 레이저와, 펄스형 레이저로부터의 펄스의 반복률을 증배시키는 반복률 증배기를 포함한다. 반복률 증배기는 단위 시간 당 레이저 펄스의 갯수를 증가시키고 각각의 레이저 펄스의 피크 출력을 감소시킨다. 감소된 피크 출력은 시스템 광학계 또는 검사 또는 측정되는 샘플에 대한 손상을 감소시키거나 제거하고, 주어진 손상 임계값에 대해 더 높은 평균 레이저 출력 레벨이 사용되게 하여, 검사 또는 측정의 신호 대 잡음비 및/또는 속도를 향상시킨다. UV 고조파의 발생 후에 반복률을 증배시키면, 레이저 펄스의 피크 출력이 고조파 전환 체인에서 감소되지 않기 때문에, UV 고조파 전환 효율이 유지된다.
본원에 설명되는 바와 같이 반복률 증배기를 통합하는 검사 및 측정 시스템은 딥 UV(DUV) 파장, 즉 약 300 nm보다 짧은 파장과, 진공 UV(VUV) 파장, 즉 약 190 nm보다 짧은 파장에 특히 유용한데, 그 이유는 이들 파장에서의 높은 피크 출력 레벨이 많은 상이한 종류의 재료를 빠르게 손상시킬 수 있기 때문이다.
샘플은 검사 또는 측정 중에 광학계에 대해 샘플을 이동시키는 스테이지에 의해 지지될 수 있다.
예시적인 검사 또는 측정 시스템은 샘플을 상이한 입사각 및/또는 상이한 방위각 및/또는 상이한 파장 및/또는 편광 상태로 조명하는 하나 이상의 조명 경로를 포함할 수 있다. 예시적인 검사 또는 측정 시스템은 상이한 방향에서 샘플에 의해 반사된 또는 산란된 광을 수집하고 및/또는 상이한 파장 및/또는 상이한 편광 상태에 민감한 하나 이상의 수집 경로를 포함할 수 있다.
반복률 증배기를 통합하는 검사 및 측정 시스템은 또한 시간 평균적인 공간적으로 균일한 빔 프로파일(즉, 플랫-탑 프로파일)을 발생시키도록 구성될 수 있다. 본원에 설명되는 증배기와 플랫-탑 프로파일 발생기를 통합하는 검사 또는 측정 시스템은 콤팩트한 공간 내에서 작은 갯수의 광학 구성요소를 사용하여 레이저 반복률의 2배 이상의 증배와 보다 균일한 시간 평균적인 빔 프로파일을 제공한다. 본원에 설명되는 검사 및 계측 시스템은 보다 높은 처리량, 보다 우수한 신호 품질, 및 보다 효율적인 레이저 에너지의 사용을 가능하게 하도록 보다 높은 평균의 레이저 출력을 사용할 수 있다.
펄스형 레이저의 반복률을 증배시키는 방법 및 시스템이 설명되어 있다. 이들 방법 및 시스템은 2, 3 또는 4 등의 정수만큼 레이저 반복률을 증배시키도록 입력 레이저 펄스를 적시에 분리되는 다수의 펄스로 분할한다. 유입 펄스는 펄스의 부분이 연속되고 펄스의 부분이 링 공동(cavity)에 진입하도록 2개로 분할된다. 링 공동의 적어도 일 섹션을 가로지른 후에, 펄스는 다시 분할되어 펄스의 부분이 링 공동을 빠져나가고 부분은 링 공동에서 계속된다. 반복률 증배기는 또한 한 치수에서 대략 평탄하고 직교 치수에서 실질적으로 가우시안인 시간 평균적인 출력 프로파일을 발생시키도록 구성될 수 있다. 반복률 증배기는 평탄한 미러, 곡선형 미러, 편광 빔 스플리터, 파장판, 빔 보상기 및/또는 렌즈를 포함할 수 있다.
한가지 바람직한 실시예에서, 입력 레이저 펄스는 파장판과 편광 빔 스플리터에 의해 2개로 분할된다. 입력 레이저 펄스의 한 부분은 짧은 링 공동 루프 둘레로 지향되고 다른 부분은 긴 링 공동 루프 둘레로 지향된다. (편광 빔 스플리터를 포함할 수 있는) 입력/출력 결합기로의 그 경로 도중에, 펄스는 공동을 빠져나가는 펄스 에너지의 부분을 결정하는 다른 파장판과 조우한다. 펄스 에너지의 나머지 부분은 다시 공동을 가로지른다.
한가지 예시적인 실시예에서, 짧은 공동 루프 길이와 긴 공동 루프 길이는 각각, 출력 펄스가 펄스 대 펄스 주기의 1/3, 2/3 또는 1/3의 정수배만큼 적시에 딜레이되도록 입력 레이저 펄스 대 펄스 공간적 분리분(separation)의 1/3 및 2/3이 되도록 설정된다. 이들 딜레이된 펄스는 원래의 입력 레이저 펄스의 반복률의 3배인 반복률을 갖는 펄스 트레인을 형성한다. 2개의 파장판의 배향 및 지연은 출력 펄스가 실질적으로 동일한 펄스 대 펄스 에너지를 갖도록 선택될 수 있다.
반복률을 또한 3배로 만들 수 있는 다른 예시적인 실시예에서, 2개의 미러가 링 공동을 형성하고 2개의 빔 스플리터가 그 사이에 배치된다. 펄스가 빔 스플리터를 통과할 때마다, 펄스는 2개의 펄스로 분할되는데, 펄스들 중 하나의 펄스는 직선으로 진행하고 다른 하나는 편향된다. 이들 2개의 빔 스플리터의 경우, 몇몇 펄스는 긴 공동 루프를 가로지르고 다른 펄스는 짧은 공동 루프를 가로지른다. 한가지 예시적인 실시예에서, 짧은 루프는 원래의 입력 펄스 대 펄스 분리분의 약 1/3과 대략 동일한 경로 길이를 갖고, 긴 루프의 경로 길이는 펄스 대 펄스 분리분의 대략 2/3이다. 이 실시예에서, 출력 펄스는 원래의 입력 펄스의 반복률의 3배인 반복률을 갖는 펄스 트레인을 형성한다. 미러 곡률, 미러 분리, 및 빔 스플리터 반사도의 적절한 선택에 의해, 출력 펄스는 실질적으로 동일한 펄스 대 펄스 에너지를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 평판을 포함하는 2개의 빔 보상기는 빔 스플리터에 의해 야기되는 빔 경로에서 이동을 실질적으로 보상하도록 공동 내에 배치되어, 빔은 공동 축선을 중심으로 실질적으로 대칭적인 패턴으로 미러로부터 반사된다. 다른 실시예에서, 한쪽(또는 양쪽)의 빔 보상기는 한쪽(또는 양쪽)의 빔 스플리터의 빔 경로에서의 이동을 실질적으로 보상하는 프리즘(또는 프리즘들)에 의해 대체된다. 또 다른 실시예에서, 프리즘 또는 빔 보상기가 사용되지 않고 빔 스플리터는 다른 빔 스플리터에 의해 야기되는 빔 이동을 각각 보상하는 방식으로 위치 설정된다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 평탄한 미러와 프리즘이 공동 내의 광 경로에 삽입되어 동일한 쌍의 곡선형 미러들 사이에서 일차(primary) 공동 루프의 대략 절반인 루프 길이를 갖는 이차(secondary) 공동 루프를 형성한다. 일차 공동 루프 길이가 원래의 입력 펄스 대 펄스 분리분의 약 절반으로 설정되면, 일차 공동 루프는 펄스 반복률을 2배로 만들 수 있다. 일차 공동 루프를 빠져나가는 펄스가 일차 공동 루프의 대략 절반인 길이를 갖는 이차 공동 루프에 진입하므로, 펄스 반복률을 다시 2배로 만들어, 입력 레이저의 4배인 출력 펄스 반복률을 초래한다.
몇몇 실시예는 빔이 공동 내에 만드는 라운드 트립의 갯수를 2배로 만들도록 이등변삼각형 프리즘 또는 도브 프리즘 등의 프리즘을 사용한다. 2개의 공동 경로는 2개의 평행한 출력 빔을 발생시킨다. 이들 2개의 빔들 사이의 편차는 빔들이 중첩하여 시간 평균적인 공간적으로 대략 플랫-탑 빔 프로파일을 형성하도록 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 2x 펄스 증배기 기법(scheme)이 플랫-탑 프로파일 발생을 위한 기초로서 사용된다. 다른 실시예에서, 3x 펄스 증배기가 플랫-탑 프로파일 발생기를 위한 기초로서 사용된다. 또 다른 실시예에서, 전술한 4x 펄스 증배기 기법이 플랫-탑 프로파일 발생을 위한 기초로서 사용된다. 이 실시예는 빔들 사이에 사전 결정된 출력비를 갖는 4개의 평행한 빔들을 발생시킬 수 있다. 빔들 사이의 분리분과 빔들 사이의 출력비를 선택함으로써, 더 넓고 평탄한 시간 평균적인 빔 프로파일이 달성될 수 있다. 대략 플랫-탑 프로파일을 발생시키는 이들 반복률 증배기들 중 임의의 증배기는 빔 보상기 및/또는 프리즘을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 링 공동은 직각(right angle) 미러 쌍을 포함한다. 다른 실시예에서, 링 공동은 높은 반사도를 달성하기 위해 총 내부 반사를 사용하는 프리즘을 포함한다. 적절한 프리즘 설계에 의해, 프리즘을 사용하는 링 공동은 높은 반사도 코팅을 사용하는 일 없이 낮은 손실을 달성할 수 있다. 높은 반사도 코팅은 특히 짧은 파장의 높은 강도의 레이저 펄스에 의해 쉽게 손상될 수 있으므로, 본원에 설명된 많은 방법 및 시스템은, 특히 DUV 및 VUV 레이저의 반복률을 증배시키도록 사용될 때에 다른 링 공동과 비교하여 더 긴 작동 수명 및/또는 더 낮은 유지 보수 비용을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 링 공동 내의 하나 이상의 프리즘은 프리즘에 진입하고 빠져나가는 레이저 빔의 입사각이 브루스터(brewster)의 각에 가깝고 레이저 빔이 프리즘 진입 및 배출 표면에 대해 실질적으로 P-편광되므로, 반사로 인한 손실은 어떠한 반사 방지(AR; anti-reflection) 코팅을 사용하는 일 없이 작게 유지된다. AR 코팅은 특히 짧은 파장의 높은 강도의 레이저 펄스에 의해 쉽게 손상될 수 있으므로, 본 실시예는, 특히 DUV 및 VUV 레이저의 반복률을 증배시키도록 사용될 때에 AR 코팅을 사용하는 링 공동과 비교하여 더 긴 작동 수명 및/또는 더 낮은 유지 보수 비용을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 프리즘(들)의 브루스터 커팅은 동일한 링 공동 평면에 놓이는 빔 편광을 위해 배향되고, 다른 실시예에서, 프리즘(들)의 브루스터 커팅은 링 공동 평면에 수직인 빔 편광을 위해 배향된다.
일 실시예에서, 빔은 적절한 설계의 단일 프리즘에서 2배가 전체적으로 내부 반사된다. 그러한 프리즘은 링 공동에서 2개의 폴딩 미러를 대체할 수 있으므로, 전체 구성요소의 갯수를 감소시키고 링 공동을 정렬시키는 프로세스를 간소화시킨다.
일 실시예에서, 직각 프리즘이 링 공동에 사용된다. 직각 프리즘은 빔을 2배로 반사하고 빔을 적절한 방향으로 다시 보내는 동시에 또한 빔을 공간 내에서 변위시킨다. 직각 프리즘의 이러한 특정한 피처(feature)는 직각 프리즘을 특정한 각도로 간단하게 회전시킴으로써 유효 공동 길이를 증배시키는 융통성을 생기게 한다. 예컨대, 2개의 링 공동은 유사한 물리적 길이를 갖도록 구성될 수 있지만, 하나의 공동은 다른 공동의 광학 경로 길이의 정수배(예컨대, 2배)인 광학 경로 길이를 가지므로, 2개의 링 공동은 종래에 단일 링 공동에서 달성될 수 있는 것보다 큰 팩터만큼 펄스 반복률을 증배시키도록 캐스케이드될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 링 공동으로 지향되는 각각의 입력 레이저 펄스의 에너지의 부분은 원하는 반사율 및 투과율을 달성하도록 표면에 대해 입사각 및 편광을 선택함으로써 제어된다. 이는 표면 상에 임의의 코팅에 대한 필요성을 피하고 이에 따라 레이저 펄스의 피크 출력 밀도에 의해 야기되는 코팅 손상 가능성을 회피하는 이점을 갖는데, 코팅 손상 가능성은 특히 레이저 반복률 증배기가 수백 mW 이상의 평균 출력을 갖는 딥 UV 또는 진공 UV 레이저와 함께 사용될 때에 문제가 될 수 있다. 그러한 레이저는 약 100 nm 이하의 치수를 갖는 피처를 검사 또는 측정할 때에 원하는 민감도와 신호 잡음비를 달성하기 위해 반도체 검사 및 계측 시스템에서 점점 더 요구되고 있다.
바람직한 실시예에서, 레이저 펄스가 공동을 가로지를 때마다 대략 동일한 형상 및 크기를 유지하도록 각각의 레이저 펄스를 재이미징하기 위해 하나 이상의 렌즈가 링 공동 내에 사용된다. 한가지 실시예는 각각의 레이저 펄스를 재집속하기 위해 코팅 없이 브루스터의 각을 사용하므로, 코팅 손상 우려가 회피된다.
바람직한 실시예에서, 전술한 특징들 중 2개 이상이 하나의 레이저 반복률 증배기에 결합된다. 예컨대, 한가지 바람직한 실시예에서, 레이저 반복률 증배기는 3개의 비코팅된 프리즘을 포함하는 링 공동을 포함하는데, 공동 내의 레이저 빔은 이들 프리즘의 표면에 대해 실질적으로 p 편광된다. 프리즘들 중 2개가 링 공동 내에서 레이저 빔을 효율적으로 순환시키기 위해 총 내부 반사를 사용한다. 제3 프리즘은 레이저 빔이 해당 표면에 대해 대략 s 편광되도록 배향되고, 입력 펄스는 각각의 입력 펄스의 원하는 부분이 링 공동 내로 지향되도록 선택된 각도로 입사된다.
레이저 펄스 증배기를 통합한 웨이퍼 검사 시스템, 패터닝된 웨이퍼 검사 시스템, 포토마스크 검사 시스템, 및 계측 시스템이 설명된다. 본원에 설명된 레이저 펄스 증배기의 콤팩트한 크기는 검사 및 계측 시스템에 통합하는 것을 비교적 쉽게 만든다. 레이저 펄스 증배기에서 비코팅된 광학계의 사용은 코팅 손상으로 인한 성능 열화 또는 유지 보수 문제 없이 검사 및 계측 시스템이 높은 출력의 딥 UV 레이저와 함께 작동하게 한다.
도 1은 펄스형 레이저 및 플랫-탑 프로파일 발생기로서 또한 구성될 수 있는 레이저 펄스 반복률 증배기를 통합하는 예시적인 검사 또는 측정 시스템을 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 플랫-탑 프로파일 발생기로서 또한 구성될 수 있는 반복률 증배기를 통합하는 암시야 검사 시스템을 예시한다.
도 3은 플랫-탑 프로파일 발생기로서 또한 구성될 수 있는 반복률 증배기를 통합하는 것으로부터 이점이 있을 수 있는 수직 및 경사 조명 빔 모두를 사용하여 샘플 상의 파티클 또는 결함을 검출하도록 구성되는 검사 시스템을 예시한다.
도 4는 또한 플랫-탑 프로파일 발생기로서 구성될 수 있는 반복률 증배기를 유리하게 통합할 수 있는 명시야(bright-field) 및 암시야(dark-field) 검사 모드를 갖는 검사 시스템으로서 구성되는 예시적인 반사 굴절 이미징 시스템을 예시한다.
도 5는 입력 펄스의 3배인 펄스 반복률을 갖는 출력 펄스 트레인을 발생시키는 예시적인 반복률 증배기를 예시한다.
도 6은 입력 펄스의 3배인 반복률을 갖는 출력 펄스 트레인을 또한 발생시키는 다른 예시적인 반복률 증배기 실시예를 예시한다.
도 7a 및 도 7b는 빔 보상기가 사용되지 않는다는 점을 제외하고 도 6에 도시된 것과 유사한 예시적인 반복률 증배기를 예시한다.
도 8은 입력 펄스의 4배인 반복률을 갖는 출력 펄스 트레인을 발생시키는 예시적인 반복률 증배기를 예시한다.
도 9는 플레이트 빔 보상기 대신에 이등변 삼각형 프리즘을 사용하는 예시적인 2x 펄스 반복률 증배기를 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 빔을 이동시키고 빔들의 공간적 순서를 역전시키는 것을 포함하는 이등변 삼각형 프리즘의 피처를 예시한다.
도 11a는 도 9에 예시된 입력 빔을 이동시킴으로써 플랫-탑 출력 빔 프로파일을 발생시키는 예시적인 실시예를 예시한다.
도 11b는 프리즘을 공동 축선을 향해 이동시킴으로써 플랫-탑 프로파일을 발생시키는 다른 예시적인 실시예를 예시한다.
도 12는 2개의 부분적으로 중첩된 가우시안 빔들에 의해 형성되는 플랫-탑 프로파일을 예시한다.
도 13은 도 6에 도시된 3x 펄스 반복률 증배기 기법을 기초로 한 예시적인 플랫-탑 프로파일 발생기를 예시하는데, 적어도 하나의 플레이트 보상기가 프리즘으로 대체된다.
도 14a는 도 7a에 도시된 3x 펄스 반복률 증배기 기법을 기초로 한 예시적인 플랫-탑 프로파일 발생기를 예시한다.
도 14b는 도 7b에 도시된 3x 펄스 반복률 증배기 기법을 기초로 한 다른 예시적인 플랫-탑 프로파일 발생기를 예시한다.
도 15a는 도 8에 도시된 4x 펄스 반복률 증배기 기법을 기초로 한 다른 예시적인 플랫-탑 프로파일 발생기를 예시한다.
도 15b는 도 15a에 도시된 설계에 의해 발생되는 예시적인 플랫-탑 프로파일을 예시한다.
도 16a 및 도 16b는 다른 실시예에 따른 2x 펄스 반복률 증배기를 기초로 한 발생기를 도시하는 정면도 및 측면도이다.
도 16c 및 도 16d는 다른 실시예에 따른 2x/4x 펄스 반복률 증배기를 기초로 한 발생기를 도시하는 정면도 및 평면도이다.
도 17은 2개의 직각 프리즘과 빔 스플리터를 갖는 예시적인 반복률 증배기를 예시한다.
도 18은 프리즘들 중 하나의 프리즘이 90°회전되어 프리즘들 사이의 주어진 거리에 대해 레이저 펄스의 딜레이 시간을 2배로 하는 것을 제외하고는 도 17과 유사한 다른 예시적인 반복률 증배기를 예시한다.
도 19a, 19b 및 19c는 일 실시예에 따라 직각 미러 쌍들 또는 프리즘들 중 하나의 프리즘을 회전시킴으로써 링 공동 길이가 어떻게 물리적 공동 길이의 상이한 정수배로 변화될 수 있는지를 예시하는 간소화된 다이어그램이다.
도 20은 유사한 외부 치수의 2개의 공동을 사용하여 입력 펄스 트레인의 반복률의 4배인 반복률을 갖는 펄스 트레인은 발생시키는 한가지 가능한 실시예를 예시한다.
도 21은 링 공동 둘레에서 이동할 때에 각각의 펄스의 레이저 빔 품질을 유지하도록 펄스 반복률 증배기에 사용되는 한가지 예시적인 렌즈 구성을 예시한다.
도 22는 프리즘들 중 하나의 프리즘이 다른 프리즘에 대해 회전된 링 공동 내에서 레이저 빔 품질을 유지하는, 도 21과 유사한 렌즈 구성을 예시한다.
도 23은 링 공동 둘레에서 이동할 때에 각각의 펄스의 레이저 빔 품질을 유지하도록 펄스 반복률 증배기에 사용되는 다른 예시적인 렌즈 구성을 예시한다.
도 24는 브루스터의 각(Brewster's angle)과 대략 동일한 각도로 각각의 렌즈에 입사하는 레이저를 갖는 원통형(cylindrical) 렌즈를 사용하여 레이저 빔 품질을 유지하도록 펄스 반복률 증배기에 사용되는 다른 예시적인 렌즈 구성을 예시한다.
도 25a 및 도 25b는 빔 스플리터 기능을 프리즘들 중 하나의 프리즘에 결합한 특별한 프리즘 설계를 갖는 2개의 예시적인 펄스 반복률 증배기를 예시한다. 반복률 증배기 모두는 공동 내에서 광을 재순환시키도록 브루스터 각도 프리즘을 사용할 수 있다. 도 25b의 반복률 증배기는 고강도의 딥 UV 레이저 펄스에 의한 코팅 손상 가능성을 피하기 위해 모두 비코팅된 광학계를 사용할 수 있다.
도 26a 및 도 26b는 도 25a의 증배기와 유사한 예시적인 반복률 증배기를 예시하는데, 프리즘들 중 하나의 프리즘이 90°로 회전되어 펄스 딜레이 시간을 2배로 만든다.
도 27a 및 도 27b는 코팅 없이 그리고 별개의 빔 스플리터 없이 3개의 프리즘을 사용하는 예시적인 반복률 증배기를 예시한다. 모두 비코팅된 광학계를 사용하는 다른 실시예에 관하여 말하자면, 이 반복률 증배기는 레이저 펄스에 의한 코팅 손상 가능성을 피하기 때문에 딥 UV에 사용하기에 특히 적합하다.
도 28, 도 28a, 도 28b 및 도 28c는 도 27a의 제1 프리즘의 설계의 상세를 예시한다.
도 29a 및 도 29b는 외부 반사와 내부 반사 모두에 대한 입사각의 함수로서 프레넬 반사를 예시하는 그래프이다. 도 27a의 제1 프리즘의 일 실시예에 사용되는 입사각이 도시되어 있다.
도 30, 도 30a 및 도 30b는 도 27a의 제2 프리즘의 설계의 상세를 예시한다.
도 31, 도 31a, 도 31b 및 도 31c는 도 27a의 제3 프리즘의 설계의 상세를 예시한다.
도 32a 및 도 32b는 2개의 프리즘과 빔 스플리터, 또는 1개의 프리즘, 1개의 미러 및 1개의 빔 스플리터를 사용하는 다른 예시적인 반복률 증배기를 예시한다.
도 33은 도 32a에 도시된 것과 유사한 2개의 링 공동을 포함하는 예시적인 4x 반복률 증배기를 예시하는데, 링 공동들 중 하나의 링 공동은 그 유효 공동 길이를 2배로 하도록 90°를 통해 회전된 프리즘을 갖는다.
반도체 검사 및 측정 시스템을 위한 향상된 조명 시스템이 본원에서 설명된다. 아래의 설명은 특별한 응용 및 그 요건의 관점에서 제공될 때에 당분야의 숙련자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있게 하도록 제시된다. 설명된 실시예에 대한 다양한 수정이 당분야의 숙련자에게 명백하고, 본원에서 정의된 일반적인 원리는 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시 및 설명된 특별한 실시예로 제한되도록 의도되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규한 피처와 일치하는 가장 넓은 범위에 부합하도록 의도된다.
도 1은 웨이퍼, 레티클, 또는 포토마스크와 같은 샘플(108)을 검사 또는 측정하도록 구성되는 예시적인 검사 시스템(100)을 예시한다. 샘플(108)은 광학계 아래에서 샘플(108)의 상이한 영역들의 이동을 용이하게 하도록 스테이지(112) 상에 위치된다. 스테이지(112)는 X-Y 스테이지 또는 R-θ 스테이지를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스테이지(112)는 초점을 유지하도록 검사 동안 샘플(108)의 높이를 조절할 수 있다. 다른 실시예에서, 대물 렌즈(105)가 초점을 유지하도록 조절될 수 있다.
조명원(102)은 전술한 바와 같이 하나 이상의 펄스형 레이저와 반복률 증배기를 포함한다. 조명원(102)은 DUV 및/또는 VUV 복사선을 방출할 수 있다. 대물 렌즈(105)를 포함하는 광학계(103)는 그 복사선을 샘플(108)을 향해 지향시키고 복사선을 샘플(108) 상에 집속시킨다. 광학계(103)는 또한 미러, 렌즈, 및/또는 빔 스플리터(간소화를 위해 상세하게 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 샘플(108)로부터 반사되거나 또는 산란된 광은 검출기 조립체(104) 내에 있는 검출기(106) 상으로 광학계(103)에 의해 수집, 지향 및 집속된다.
검출기(106)는 2차원 어레이 센서 또는 1차원 라인 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 검출기(106)의 출력은 출력을 분석하는 컴퓨팅 시스템(114)에 제공된다. 컴퓨팅 시스템(114)은 캐리어 매체(116)에 저장될 수 있는 프로그램 명령어(118)에 의해 구성된다.
조명원(102)은 펄스형 레이저(119) 및 반복률 증배기(120)를 포함한다. 일 실시예에서, 조명원(102)은 아크 램프, 레이저 펌프형 플라즈마 광원, 또는 CW 레이저와 같은 연속적인 소스를 더 포함할 수 있다.
검사 시스템(100)의 일 실시예는 샘플(108) 상의 라인을 조명하고, 산란된 및/또는 반사된 광을 하나 이상의 암시야 및/또는 명시야 수집 채널에서 수집한다. 이 실시예에서, 검출기(106)는 라인 센서 또는 전자 충격형(electron-bombarded) 라인 센서를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 조명원(102) 내의 반복률 증배기(120)는 플랫-탑 프로파일을 발생시켜 실질적으로 균일한 라인 조명을 효율적으로 발생시키도록 구성될 수 있다.
검사 시스템(100)의 다른 실시예는 샘플(108) 상의 다중 스팟을 조명하고, 산란된 및/또는 반사된 광을 하나 이상의 암시야 및/또는 명시야 수집 채널에서 수집한다. 이 실시예에서, 검출기(106)는 2차원 어레이 센서 또는 전자 충격형 2차원 어레이 센서를 포함할 수 있다.
검사 시스템(100)의 다양한 실시예들의 추가적인 상세는, 2012년 7월 9일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "웨이퍼 검사 시스템(Wafer inspection system)"인 미국 특허 출원 제13/554,954호, 2011년 7월 6일자로 허여되었고 발명의 명칭이 "소형 반사 굴절 대물 렌즈를 사용하는 분할 필드 검사 시스템(Split Field Inspection System Using Small Catadioptric Objectives)"인 미국 특허 제7,957,066호, 2008년 3월 18일자로 허여되었고 발명의 명칭이 "반사 굴절 광학 시스템에서 레이저 암시야 조명을 위한 빔 전달 시스템(Beam Delivery System For Laser Dark-field Illumination in a Catadioptric Optical System)"인 미국 특허 제7,345,825호, 1999년 12월 7일자로 허여되었고 발명의 명칭이 "광역 줌 능력을 갖는 초광대역 UV 현미경 이미징 시스템(Ultra-Broadband UV Microscope Imaging System With Wide Range Zoom Capability)", 및 2009년 4월 28일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "2차원 이미징을 갖는 레이저 라인 조명을 사용하는 표면 검사 시스템(Surface Inspection System Using Laser Line Illumination With Two Dimensional Imaging)"인 미국 특허 제7,525,649호에 설명되어 있다. 이들 특허 모두는 본원에 참조로 포함된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 본원에서 설명되는 반복률 증배기 및/또는 반복률 증배 방법을 통합한 암시야 검사 시스템(200)의 양태를 예시한다. 도 2a에서, 조명 광학계(201)는 검사되는 웨이퍼 또는 포토마스크(샘플)(211)의 표면 상의 라인(205)으로 미러 또는 렌즈(203)에 의해 집속되는 광(202)을 발생시키는 레이저 시스템(220)을 포함한다. 수집 광학계(210)는 라인(205)으로부터 산란된 광을 렌즈 및/또는 미러(212, 213)를 사용하여 센서(215)로 지향시킨다. 수집 광학계(210)의 광학 축선(214)은 라인(205)의 조명 평면 내에 있지 않다. 몇몇 실시예에서, 광학 축선(214)은 라인(205)에 대략 수직이다. 센서(215)는 선형 어레이 센서와 같은 어레이 센서를 포함한다. 레이저 시스템(220)은 본원에 설명되는 반복률 증배기 및/또는 반복률 증배 방법 중 하나 이상을 통합한다. 레이저 시스템(220)은 라인(205)을 따르는 시간 평균적인 광 강도가 실질적으로 균일할 수 있도록 본 발명의 실시예에 따라 플랫-탑 프로파일을 효율적으로 발생시키도록 구성될 수 있다.
도 2b는 다중 암시야 수집 시스템(231, 232 및 233)의 일 실시예를 예시하는데, 각각의 수집 시스템은 도 2a의 수집 광학계(210)와 실질적으로 유사하다. 수집 시스템(231, 232 및 233)은 도 2a의 조명 광학계(201)와 실질적으로 유사한 조명 광학계와 결합하여 사용될 수 있다. 샘플(211)은 광학계 아래에서 검사될 영역을 이동시키는 스테이지(221) 상에 지지된다. 스테이지(221)는 큰 면적의 샘플을 최소의 소요 시간(dead time) 내에 검사하도록 바람직하게는 검사 동안 실질적으로 연속하여 이동하는 X-Y 스테이지 또는 R-θ 스테이지를 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 예시된 실시예에 따른 검사 시스템의 더 많은 상세는, 2009년 4월 28일자로 허여되었고 발명의 명칭이 "2차원 이미징을 갖는 레이저 라인 조명을 사용하는 표면 검사 시스템(Surface Inspection System Using Laser Line Illumination With Two Dimensional Imaging)"인 미국 특허 제7,525,649호, 및 2003년 8월 19일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "표면의 이상 및/또는 피처를 검출하는 시스템(System for detecting anomalies and/or features of a surface)"인 미국 특허 제6,608,676호에 설명되어 있다. 이들 특허 모두는 본원에 참조로 포함된다.
도 3은 수직 조명 빔 및 경사(oblique) 조명 빔 모두를 사용하여 샘플 상의 파티클 또는 결함을 검출하도록 구성되는 검사 시스템(300)을 예시한다. 이 구성에서, 레이저 시스템(330)은 레이저 빔(301)을 제공한다. 레이저 시스템(330)은 본원에 설명된 바와 같이 펄스형 레이저 및 반복률 증배기를 포함한다. 렌즈(302)는 공간 필터(303)를 통해 빔(301)을 집속한다. 렌즈(304)는 빔을 시준하고 빔을 편광 빔 스플리터(305)로 전달한다. 빔 스플리터(305)는 제1 편광 성분을 수직 조명 채널로 보내고 제2 편광 성분을 경사 조명 채널로 보내는데, 제1 및 제2 성분들은 직교한다. 수직 조명 채널(306)에서, 제1 편광 성분은 광학계(307)에 의해 집속되고 미러(308)에 의해 샘플(309)의 표면을 향해 반사된다. (웨이퍼 또는 포토마스크와 같은) 샘플(309)에 의해 산란된 복사선은 포물면(paraboloidal) 미러(310)에 의해 센서(311)로 수집되고 집속된다.
경사 조명 채널(312)에서, 제2 편광 성분은 빔 스플리터(305)에 의해 미러(313)로 반사되고, 미러는 그러한 빔을 반파장판(314; half wave plate)을 통해 반사하며, 광학계(315)에 의해 샘플(309)로 집속된다. 경사 채널(312)에서 경사 조명 빔으로부터 비롯되고 샘플(309)에 의해 산란된 복사선은 포물면 미러(310)에 의해 수집되고 센서(311)로 집속된다. 센서(311)와 [샘플(309) 상의 수직 및 경사 조명 채널들로부터의] 조명되는 영역은, 바람직하게 포물면 미러(310)의 초점에 있다.
포물면 미러(310)는 샘플(309)로부터 산란된 복사선을 시준 빔(316)으로 시준시킨다. 이어서, 시준 빔(316)은 대물 렌즈(317)에 의해 그리고 분석기(318)를 통해 센서(311)로 집속된다. 포물면 형상 이외의 형상을 갖는 곡선형 미러 표면이 또한 사용될 수 있다는 점이 유념된다. 기구(320)는 스팟이 샘플(309)의 표면을 가로질러 스캐닝되도록 빔들과 샘플(309) 사이에서 상대 이동을 제공할 수 있다.
2001년 3월 13일자로 허여되었고 발명의 명칭이 "샘플 검사 시스템(Sample Inspection System)"인 미국 특허 제6,201,60호, 및 Romanovsky 등에 의해 2012년 7월 9일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "웨이퍼 검사 시스템(Wafer Inspection System)"인 미국 특허 출원 제13/554,054호(이들 모두는 본원에 참조로 포함됨)는 검사 시스템(300)을 더 상세하게 설명한다.
도 4는 명시야 및 암시야 검사 모드를 갖는 검사 시스템으로서 구성되는 예시적인 반사 굴절(catadioptric) 이미징 시스템(400)을 예시한다. 시스템(400)은 2개의 조명원: 레이저(401) 및 광대역(broad-band) 광 조명 모듈(420)을 통합한다. 레이저(401)는 본원에 설명된 바와 같은 펄스형 레이저와 반복률 증배기를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 레이저(401)는 본원에 설명된 바와 같이 DUV 또는 VUV 레이저, 펄스 반복률 증배기 및/또는 플랫-탑 프로파일 발생기를 포함한다.
암 시야 모드에서, 적응(adaptation) 광학계(402)는 검사되는 표면 상의 레이저 조명 빔 크기와 프로파일을 제어한다. 기계적 하우징(404)은 어퍼쳐(aperture)와 윈도우(403), 및 샘플(408)의 표면에 대해 수직 입사각으로 광학 축선을 따라 레이저를 재지향시키는 프리즘(405)을 포함한다. 프리즘(405)은 또한 샘플(408)의 표면 피처로부터 대물 렌즈(406) 밖으로 정반사(specular reflection)를 지향시킨다. 대물 렌즈(406)는 샘플(408)에 의해 산란된 광을 수집하고 광을 센서(409) 상에 집속시킨다. 대물 렌즈(406)를 위한 렌즈들은 선택적으로 줌 능력을 포함할 수 있는 반사 굴절 대물 렌즈(412), 집속 렌즈 그룹(413), 및 튜브 렌즈 섹션(414)의 일반적인 형태로 제공될 수 있다.
명시야 모드에서, 광대역 조명 모듈(420)은 광대역 광을 빔 스플리터(410)로 지향시키고, 빔 스플리터는 그 광을 집속 렌즈 그룹(413) 및 반사 굴절 대물 렌즈(412)로 지향시킨다. 반사 굴절 대물 렌즈(412)는 광대역 광으로 샘플(408)을 조명한다. 샘플로부터 반사되거나 또는 산란된 광은 대물 렌즈(406)에 의해 수집되고 센서(409) 상에 집속된다. 광대역 조명 모듈(420)은, 예컨대 레이저 펌프형 플라즈마 광원 또는 아크 램프를 포함한다. 광대역 조명 모듈(420)은 또한 반사 굴절 대물 렌즈(412)에 대해 샘플(408)의 높이를 제어하도록 신호를 제공하는 자동 초점 시스템을 포함할 수 있다.
2008년 3월 18일자로 허여되었고 발명의 명칭이 "반사 굴절 광학 시스템에서 레이저 암시야 조명을 위한 빔 전달 시스템(Beam Delivery System For Laser Dark-Field Illlumination in a Catadioptric optical system)"인 미국 특허 제7,245,825호는 시스템(400)을 더 상세하게 설명하고 있다.
도 5는 입력 레이저 펄스(입력)를 수신하고, 입력 레이저 펄스의 3배인 반복률을 갖는 펄스 트레인(출력)을 발생시키도록 구성되는 예시적인 펄스 반복률 증배기(120A)를 예시한다. 전술한 '075 미국 특허 출원에서 설명된 기법과 유사하게, 편광 빔 스플리터(PBS; polarized beam splitter)(A01)가 링 공동의 입력 및 출력 결합기로서 역할한다. 입력 레이저는 PBS(A01)에 대해 p 편광된다. PBS(A01)는 입력 레이저 펄스를 수신하고, p 편광을 보내고 s 편광을 반사하도록 설계 및 배향된다. 2개의 추가 PBS(A02 및 A03)와 3개의 폴딩 미러(A04, A05, A06)가 이중(dual) 공동을 형성한다. 이중 공동은 또한 2개의 반파장판을 포함하는데: 하나의 반파장판은 A01과 A02 사이에 배치되는 한편, 다른 하나는 A03과 A06 사이에 배치된다. 레이저 펄스가 PBS(A01)를 통해 이중 공동에 진입할 때, PBS(A02)에 의해 2개의 펄스로 분할될 것이다. 펄스의 한 부분은 PBS(A02)로부터 PBS(A03)으로 반사되고, PBS(A03)로부터 미러(A06)로 지향되고, 이어서 미러(A06)로부터 다시 PBS(A01)로 반사된다(루프 A로서 도시됨). 펄스의 다른 부분은 PBS(A02)로부터 미러(A04)로 투과되고, 미러(A04)로부터 미러(A05)로 반사되며, 미러(A05)로부터 A03을 통해 미러(A06)로 반사되고, 이어서 미러(A06)로부터 다시 PBS(A01)로 반사된다(루프 B로서 도시됨). 반복률 증배기(120A)는 또한 PBS(A01)로부터 PBS(A02)로 보내지는 입력 레이저 펄스 부분의 편광을 변화시키는 제1 파장판(A07)과, PBS(A03)로부터 미러(A06)로 보내지는 입력 레니저 펄스 부분의 편광을 변화시키는 제2 파장판(A08)을 포함한다. 루프 A와 루프 B 사이의 레이저 펄스 에너지 분포는 입력 레이저 펄스의 편광에 대한 반파장판(A07)의 주축(principle axis)의 각도에 의해 제어될 수 있다. 반파장판(A08)의 주축의 각도를 선택함으로써, PBS(A01)를 통해 이중 공동에서 방출되는 에너지에 대한 이중 공동으로 재순환되는 펄스 에너지의 비율을 제어할 수 있다.
하나의 바람직한 실시예에서, 루프 A의 광학 경로 길이는 입력 레이저 펄스의 펄스 대 펄스 거리의 대략 1/3로 설정되고, 루프 B의 광학 경로 길이는 루프 A의 광학 경로 길이의 대략 2배로 설정된다. 이는 입력 레이저 펄스들 사이의 시간 간격의 대략 1/3과 2/3에서의 그리고 입력 펄스와 대략 일치하는 출력 펄스를 초래하고, 이에 따라 레이저의 반복률을 3배로 만든다. 이 실시예에서, 바람직하게는 각 파장판(A07, A08)의 주축의 각도(α 및 β)는 각각 대략 α=29°와 β=16°이거나, 각각 대략 α=16°와 β=29°이므로, 각각의 출력 펄스에서 대략 동일한 에너지를 생성한다. 각각의 펄스의 에너지에 있어서의 작은 차이(가령, 몇 퍼센트)가 특정한 응용에서 허용 가능하다면, 이들 값과 1도 또는 2도만큼 상이한 각도가 허용 가능할 수 있다. 렌즈(도시 생략)가 이중 공동에 통합될 수 있고/있거나, 각각의 펄스의 가우시안 빔 허리(waist) 및 크기가 동일한 위치로 복귀할 때에 동일한 조건으로 재이미징되도록 미러(A04, A05 및 A06) 중 하나 이상의 미러가 곡선형일 수 있다.
3배 이외의 반복률이 이러한 이중 공동으로 가능하다. 예컨대, 루프 A는 입력 펄스들의 분리분의 대략 1/4과 동일한 광학 경로 길이를 갖도록 설정될 수 있고, 루프 B는 루프 A의 길이의 대략 2배가 되도록 설정될 수 있다. 이는 입력 레이저 펄스의 반복률을 4배로 만들 수 있다. 그러나, 그러한 기법은 동일한 출력 펄스 에너지를 발생시킬 수 없고, 이에 따라 동일한 출력 펄스 에너지가 요구되지 않을 때에만 유용할 수 있다.
도 6은 반복률을 3배로 만들 수 있는 다른 펄스 반복률 증배기(120B)를 예시한다. 위에서 인용된 '594 미국 특허 출원에 설명된 헤리옷 셀 기법(Herriott cell scheme)과 유사하게, 이 펄스 반복률 트리플러(tripler)는 한 쌍의 곡선형 미러(B01 및 B02)에 의해 형성되는 광학 공동을 포함한다. 곡선형 미러(B01 및 B02)는 바람직하게는 구면(spherical) 미러이다. 펄스 반복률 트리플러(120B)는 2개의 빔 스플리터(B03, B04)와 2개의 빔 보상기(B05, B06)를 더 포함한다. 2개의 곡선형 미러(B01 및 B02)의 곡률 반경은, 바람직하게는 모두 이들 미러 사이의 거리에 실질적으로 동일해야 한다(즉, 공동은 공초점(confocal)이어야 한다).
레이저 입력 펄스(입력)는 빔 스플리터(B03)에 도달한다. 각각의 펄스의 에너지의 부분은 빔 스플리터(B03)로부터 곡선형 미러(B01) 상의 포인트(B07)로, 이어서 곡선형 미러(B02) 상의 포인트(B08)로, 이어서 빔 스플리터(B04)를 통해 곡선형 미러(B01) 상의 포인트(B09)로, 이어서 곡선형 미러(B02) 상의 포인트(B10)로, 그리고 다시 빔 스플리터(B03)로 반사된다. 각각의 펄스의 에너지의 다른 부분은 빔 스플리터(B03)를 통해 빔 스플리터(B04)로 투과되고, 곡선형 미러(B01) 상의 포인트(B09)로, 이어서 곡선형 미러(02) 상의 포인트(B10)로, 그리고 다시 빔 스플리터(B03)로 반사된다. 바람직한 실시예에서, 더 짧은 루프(B03-B04-B90-B10-B03)의 광학 경로 길이는 더 긴 루프(B03-B07-B08-B04-B09-B10-B03)의 광학 경로 길이의 대략 절반이다. 2개의 곡선형 미러들(B01 및 B02) 사이의 거리가 입력 레이저 빔의 원래 펄스 대 펄스 공간적 분리분의 대략 1/6일 때, 출력 펄스 트레인은 입력 펄스의 반복률을 3배로 만들 것이다. 빔 보상기(B05 및 B06)는 빔 스플리터(B03 및 B04) 각각에 의해 야기되는 공동 내의 레이저 빔의 변위를 실질적으로 보상하도록 선택되는 광학 두께 및 배향을 갖는다.
위에서 인용된 '593 출원에 설명되고 본 출원의 도 2a 및 도 2b에 예시된 2x 반복률 증배기의 출력과 유사하게, 펄스 반복률 트리플러(120B)의 출력은 일련의 펄스 트레인으로 이루어지고, 각각의 펄스 트레인은 공동들 중 한쪽 또는 양쪽을 1회 이상 가로지르는 일련의 펄스를 포함한다. 펄스 반복률 트리플러(120B)는 2x 반복률 증배기에 대해 입력 펄스 당 2개의 출력 펄스에 비해 입력 펄스 당 3개의 출력 펄스 트레인을 갖는다. 펄스 반복률 트리플러의 바람직한 실시예에서, 각각의 출력 펄스 트레인에서의 총 에너지는, 빔 스플리터(B03과 B04)의 반사도를 대략
Figure 112016126710468-pct00001
및
Figure 112016126710468-pct00002
, 즉 대략 0.28 및 대략 0.72와 동일해지도록 설정함으로써 서로 대략 동일하게 된다. B03가 대략 0.28의 반사도를 가질 수 있고 B04가 대략 0.72의 반사도를 가질 수 있거나, B04가 대략 0.28의 반사도를 가질 수 있고 B03이 대략 0.72의 반사도를 가질 수 있다는 점이 유념된다. 양쪽 구성은 실질적으로 동일한 출력 펄스 에너지를 생성한다. 많은 검사 응용에서 몇 퍼센트의 펄스 대 펄스 에너지 변동이 허용 가능할 수 있기 때문에, 빔 스플리터 반사도는 0.28 및 0.72로부터 몇 퍼센트 정도 상이한 값을 갖도록 선택될 수 있다. 관련 분야의 숙련자라면 이해하겠지만, 빔 스플리터의 반사도는 빔 스플리터 재료, 표면 상에 코팅된 임의의 층 또는 층들의 두께(들) 및 재료(들), 그리고 빔 스플리터 상으로의 입사각의 선택에 의해 제어될 수 있다.
도 7a는 도 6에 예시된 것과 유사하지만 2개의 빔 보상기(B05 및 B06; 도 6 참조)가 제거된 점이 상이한 방식으로 곡선형 미러(B01 및 B02)와 빔 스플리터를 이용하는, 다른 실시예에 따른 반복률 증배기(120B-1)를 예시한다. 도 7a는 빔 스플리터(B03-1 및 B04)의 위치의 적절한 조절로, 빔 스플리터들 중 하나의 빔 스플리터에 의해 야기되는 빔 변위가 다른 빔 스플리터에 의해 보상될 수 있고, 그 반대로도 보상될 수 있다는 것을 보여준다. 바람직하게는, 2개의 빔 스플리터(B04 및 B03-1)는 실질적으로 동일한 광학 두께를 갖는다. 도 7b는 다른 실시예에 따른 반복률 증배기(120B-2)를 예시하는데, 여기서 빔 스플리터(B03-2)는 그 코팅된 면이 도 7a의 빔 스플리터(B03-1)에 대해 다른 방향으로 플립된 상태로 위치된다. 다른 실시예에서, 폐루프가 존재할 수 있어 빔 보상기가 요구되지 않는다.
도 8은 반복률을 4배로 만들 수 있는 다른 반복률 증배기(120D)를 예시한다. 반복률 증배기(120D)는 도 6을 참조하여 위에서 설명된 것들과 유사한 2개의 곡선형 미러(B01 및 B02)에 의해 형성되는 광학 공동, 2개의 빔 스플리터(D01 및 D06), 및 2개의 폴드 미러(D05 및 D07)를 포함한다. 입력 레이저 반복률은 먼저 (바람직하게는 대략 2/3의 반사도를 갖는) 1개의 빔 스플리터(D01)와, 1개의 빔 보상기 또는 프리즘(D02)을 사용함으로써, 위에서 인용한 '593 미국 특허 출원에서 설명된 것과 유사한 방식으로 2배로 된다(일차 공동 루프). 그 후에, 출력 빔(D03)은 직각 프리즘(D04)과 미러(D05)에 의해 공동으로 다시 전환(divert)된다. 이어서, 빔은 점선으로서 도시된 경로를 따라 (바람직하게는 대략 1/3의 반사도를 갖는) 다른 빔 스플리터에 도달하고, D06으로부터 구면 미러(B01), 구면 미러(B02), 이어서 다른 평탄한 미러(D07), 그리고 다시 빔 스플리터(D06)로 이차 공동 루프(점선)를 시작한다. 이 이차 공동 경로 루프의 길이는 제1 루프의 대략 절반이므로, 반복률을 재차 2배로 하고 출력 펄스 트레인을 초기 입력 펄스 반복률의 4배로 만든다.
이 기법의 특별한 피처는 반복률을 재차 추가로 증배시키는 이 이차 공동 루프가 제1 공동 루프와 동일한 세트의 곡선형 미러(B01 및 B02)를 이용한다는 점이다. 게다가, 평탄한 미러(D05 및 D07)는 양면에 높은 반사도(HR; high reflectivity) 코팅을 갖는 하나의 광학 소자로 결합될 수 있다. 이들 피처는 함께 캐스케이드되는 2개의 개별적인 2x 펄스 증배기를 포함하는 설정과 비교하여 보다 콤팩트한 풋프린트로 되게 한다. 미러(D07 및 D05)를 결합하는 것이 편리하지만 필수는 아니고, 빔(D03)이 빔 스플리터(D06)에 도달하도록 도시된 것과 상이한 경로를 따라 지향될 수 있다는 점이 유념된다. 대안적인 레이아웃이 가능하고 본 실시예의 범위 내에 있다.
도 9는 이미 논의된 바와 같이 반복률을 2배로 만드는 다른 반복률 증배기(120E)를 예시한다. 반복률 증배기(120E)는 도 6을 참조하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 곡선형 미러(B01 및 B02) 및 빔 스플리터(B03)에 의해 형성되는 광학 공동을 포함한다. 여기에 이등변삼각형 프리즘(E01)이 사용되어 이전 실시예로부터의 보상기(B05)를 대체한다.
도 10a 및 도 10b는 이등변삼각형 프리즘(E01)의 유용한 피처를 예시한다: (1)이등변삼각형 프리즘은 빔을 이동시키고 이동량은 프리즘을 측방향으로(laterally) 이동시킴으로써 조절될 수 있으며, (2)다중 빔들이 프리즘으로 평행하게 진행하면, 출력 빔들의 공간적 순서가 역전되게 될 것이다. 이 이등변삼각형 프리즘은 또한 이등변 사다리꼴(isosceles trapezoid)로서 또는 도브 프리즘(dove prism)으로서 구현될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는, 반복률 증배기(120E-1 및 120E-2)를 각각 사용하여 레이저(119E-1 및 119E-2)로부터 수신된 입력 레이저 펄스(입력)를 2개의 측방향으로 변위된 (별개의 라운드-트립 광학) 출력 빔 경로로 분할함으로써, 입력 레이저 펄스의 펄스 반복률의 갑절(2배)인 펄스 반복률을 갖는 시간 평균적인 플랫-탑 프로파일을 구비한 출력 레이저 펄스(출력)를 생성하는, 예시적인 실시예에 따른 2개의 유사한 플랫-탑 빔 발생기(102E-1 및 102E-2)를 예시한다. 반복률 증배기(120E-1 및 120-E)는, 2개의 구면/공동 (곡선형) 미러(B01 및 B02), 빔 스플리터(B03), 및 도 9를 참조하여 전술한 실시예와 유사한 방식으로 배치되는 이등변삼각형 프리즘(E01)을 포함한다. 도 11a는 점선으로서 도 9의 공칭 광학 경로를 도시한다. 도 11a에 도시된 실시예에서, 공동 내의 빔은 (예컨대, 레이저(119E-1)를 도 11a의 바닥에서 두꺼운 화살표로 나타내는 방향으로 변위시킴으로써) 입력 빔의 작은 변위량만큼 경로(E02)로 이동된다. 레이저 펄스가 경로(E02)에서 공동 둘레의 1회 트립을 완료한 후에, 프리즘(E01)은 레이저 펄스를 공칭 경로의 반대쪽에서 경로(E03)를 향해 측방향으로 변위시킨다. 경로(E03) 상의 펄스는 다시 프리즘(E01)에 도달할 때에 경로(E02)로 재차 전환된다. 따라서, 따라서, 레이저 펄스는 경로(E02 및 E03)들 사이에서 번갈아 생기게 된다.
레이저 펄스가 빔 스플리터(B03)를 조우할 때마다, 펄스의 에너지의 일부가 반사되어 시스템에서 배출된다. 경로(E02)에서 이동하는 펄스는 배출 경로(E04) 상에 펄스를 발생시키고, 경로(E03) 상이 펄스는 배출 경로(E05) 상에 펄스를 발생시킨다. 이 설정에 의해, 1개의 가우시안 빔이 공간적으로 2개로 분할된다. E04와 E05 간의 분리를 제어함으로써, 이들 2개의 레이저 빔들의 중첩도가 제어될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 출력 빔 프로파일은 도 12에 예시된 바와 같이 시간 평균적인 대략 플랫-탑 강도를 갖는다. 대략 플랫-탑 출력 빔 프로파일은 1개의 가우시안을 다른 가우시안에 관하여 빔 허리 반경(즉, 빔 진폭이 그 피크값의 1/e2인 반경, 또는 동등하게 빔 출력 강도가 그 피크값의 1/e인 반경)의 대략 0.5배만큼 변위시킴으로써 생성될 수 있다. 이 플랫-탑 프로파일은 균질화된 공간 출력 분포가 요구되는 많은 응용에서 매우 바람직하다. 경로(E04 및 E05) 상의 레이저 펄스들은 때때로 개별적인 펄스의 기간보다 훨씬 길게 분리된 상태로(예컨대, 입력 레이저 펄스들 사이의 시간 간격의 대략 절반만큼 적시에 분리된 상태로) 공동을 떠나기 때문에, 하나의 펄스와 다른 펄스의 간섭이 없어서 원하는 비교적 플랫-탑 프로파일을 초래한다. 펄스들 사이에 충분히 긴 시간 딜레이가 없이 일어날 수 있는 2개의 변위된 가우시안들 사이의 간섭은 비-플랫 탑의 프로파일을 야기할 수 있다.
도 11b는 플랫-탑 빔 프로파일을 갖는 레이저 펄스(출력)를 발생시키도록 다른 예시적인 실시예에 따라 구성되는 반복률 증배기(120E-2)를 갖는 플랫-탑 발생기(102E-2)를 예시한다. 레이저(119E-2)의 위치를 이동시킴으로써 입력 빔을 오프셋시키는 대신에, 프리즘(E01)은 (도면의 바닥에서 두꺼운 화살표로 나타낸) 공동 축선을 향해 이동되고 이에 따라 펄스를 공칭 경로(E06; 실선)로부터 새로운 경로(E07; 점선)로 전환시킨다. 이어서, 각각의 펄스는 공동 라운드 트립 후에 프리즘(E01)을 통해 이동할 때마다 경로(E06 및 E07) 사이에서 오락가락하게 된다(즉, 측방향으로 변위된다). 도 11a의 실시예와 유사하게, 펄스가 2개의 상이한 경로 하에서 빔 스플리터(B03)를 통과할 때에 2개의 출력 빔이 발생되고 시간 평균적인 플랫-탑 빔 프로파일이 빔 분리의 적절한 조절에 의해 형성될 수 있다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 플랫-탑 기법을 용이하게 하는 전술한 반복률 증배기(120E-1 및 120E-2)는 반복률을 2배로 만드는 기법(예컨대, 도 9를 참조하여 전술한 구조)을 기초로 한다. 따라서, 하나의 광학 공동이 시간 도메인에서 레이저 펄스 에너지 분포를 확산시킬 뿐만 아니라 공간 도메인에서 에너지 분포를 균질화시킨다는 이점을 갖는다.
도 13은 레이저(119F)에 의해 발생되는 입력 레이저 펄스를 수신하고, 전술하고 도 6에 예시된 것과 유사한 3x 펄스 반복률 증배 시스템을 사용하여 시간 평균적인 플랫-탑 빔 프로파일을 갖는 출력 레이저 펄스(F03 및 F04)를 발생시키도록 반복률 증배기(120F)를 사용하는 다른 실시예에 따른 다른 플랫-탑 빔 발생기(102F)를 예시한다. 이 실시예에서, 빔 스플리터(B04)는 그 공칭 위치로부터 하방으로 변위되고(도 6과 비교) 이등변삼각형 또는 도브 프리즘(F06)이 빔 보상기(B06) 대신에 사용되어 전술한 방식으로 빔을 측방향으로 변위시키며, 이에 따라 2개의 빔 경로를 발생시킨다. 펄스가 (공동 축선에 수직인) 빔 스플리터(B03과 B04) 사이의 경로를 통과할 때마다 그리고 프리즘(F06)을 통과할 때마다 외측 경로(F01; 실선)와 내측 경로(F02; 점선) 사이에서 전환된다. 레이저 펄스가 빔 스플리터(B04)와 조우하는 경우, 펄스의 에너지의 일부가 시스템 밖으로 나가게 된다. 바람직한 실시예에서, 빔 스플리터의 반사도는 F03의 평균 출력이 F04의 평균 출력과 대략 동일하도록 선택된다. 한가지 바람직한 실시예에서, 빔 스플리터 손실이 최소인 경우, 빔 스플리터 반사도는 대략
Figure 112016126710468-pct00003
이 되도록 선택되고, 여기서 RB03과 RB04는 각각 빔 스플리터(B03 및 B04)의 반사도이다. 바람직하게는, 양쪽 빔 스플리터와 빔 보상기의 두께는 모두 동일함으로써, 광학계를 정렬하여 광학 공동 내에 2개의 폐루프를 달성하기가 간단하다.
대안으로, 도 14a 및 도 14b는, 도 13과 유사한 구성을 갖지만, 레이저(119G-1 및 119G-2)에 의해 각각 발생되는 입력 레이저 펄스를 수신하는 임의의 빔 보상기 또는 프리즘을 사용하는 일 없이 반복률 증배기(120G-1 및 120G-2)를 각각 사용하여 플랫-탑 빔 프로파일을 갖는 출력 레이저 펄스(출력)를 발생시키는 다른 실시예에 따른 예시적인 플랫-탑 빔 발생기(102G-1 및 102G-2)를 예시한다. 빔 스플리터 위치의 적절한 배열에 의해(예컨대, 도 14a에 나타낸 바와 같이 빔 스플리터(B04-1)를 우측으로 이동시킴으로써, 또는 도 14b에 나타낸 바와 같이 빔 스플리터(B04-2)를 좌측으로 이동시킴으로써), 임의의 보상기 또는 프리즘을 사용하는 일 없이 플랫-탑 빔 프로파일의 발생이 3x 증배기 기반 기법에서 가능하다. 게다가, 빔 스플리터의 코팅은 상이한 방향(도 14a)을 향하거나 동일한 방향(도 14b)을 향할 수 있다. 빔 스플리터들 중 하나의 빔 스플리터의 위치가 오프셋되어 있는 상태로 도 7a 및 도 7b에 도시된 구조들의 편차로서 도 14a 및 도 14b의 실시예를 볼 수 있는데, 이는 빔이 2개로 분할되게 하고, 이에 따라 적절한 오프셋에 의해 시간 평균적인 플랫-탑 출력 프로파일을 발생시킨다.
도 15a는 도 8(여기서, '공칭'으로 지칭됨)에 도시된 것과 유사한 기법을 갖는 4x 반복률 증배기(120H)를 사용하는 다른 예시적인 플랫-탑 빔 발생기(102H)를 예시한다. 이 실시예는 3x 반복률 증배기보다 더 넓고 평탄한 프로파일을 발생시킬 수 있다. 도 11b에 예시된 메커니즘을 사용함으로써, 프리즘(D02)을 하방으로 이동시키면 2개의 빔(D03 및 H01)로 분할하도록 제1단 출력 빔(D03)이 유도된다. 또한, 프리즘(D04)을 좌측을 향해 이동시키면 분할된 빔(D03과 H01)이 공칭 경로(점선)의 일측부로 이동된다. 이들 2개의 빔은 빔 스플리터(D06), 미러(B01), 미러(B02), 및 미러(D07)에 의해 형성되는 제2 공동에 진입한 후에 공칭의 타측부로 증배된다. 따라서, 빔 스플리터(D06)를 통해 시스템을 빠져나가는 4개의 빔(H02, H03, H04, H05)이 존재하게 된다. 도면의 점선은 직각 프리즘이 이동되지 않은 경우에만 존재하는 공칭 빔 경로이고, 여기서는 단지 참조를 위한 것이라는 점이 유념된다. 빔은 이 시나리오에서 사실상 이 공칭 경로를 통과한다.
플랫-탑 빔 앙상블을 발생시키기 위해, 3개의 파라미터가 적절한 관계로 배치되는 것이 요구된다. 프리즘(D02)의 이동 거리를 적절하게 조절함으로써, D03과 H01 사이의 공간(a), 이에 따라 H02와 H03 사이의 공간, 및 H04와 H05 사이의 공간도 조정할 수 있다. 프리즘(D04)의 변위를 조절함으로써, H03과 H04 사이의 공간(b)을 조정할 수 있다. 마지막으로, 빔(D03 및 H01)이 원하는 비율로 상이한 출력을 갖도록 빔 스플리터(D01)의 반사도를 선택할 수 있다.
도 15b는 도 15a의 이 설정으로부터 발생되는 예시적인 출력 빔 프로파일을 예시한다. 이 예시적인 실시예에서, 입력 가우시안 빔 반경(w)(정의: 1/e2)을 위해, a~0.9w, b~0.86w, 빔 스플리터(D01)의 반사도(RD01~0.65), 및 빔 스플리터(D06)의 반사도(RD06~0.33)에 의해 발생된다. 이 예는 약 2.3w의 폭의 사실상 플랫 탑을 갖는 시간 평균적인 출력 프로파일을 발생시킨다. 플랫 프로파일이 어떻게 요구되는 지에 따라 다른 조합이 또한 생길 수 있다.
본원에서 참조로 포함되는, 위에서 인용한 '075 및 '593 출원에서, 레이저 펄스 반복률 증배기의 변형예가 설명되어 있다. 이들 출원은 각각의 펄스의 에너지의 대략 1/3을 출력으로 지향시키면서, 각각의 입력 펄스의 에너지의 대략 2/3를 공동 내로 지향시키도록 빔 스플리터를 사용함으로써 펄스형 레이저의 반복률이 적절한 길이의 링 공동을 사용하여 어떻게 2배로 될 수 있는지를 설명한다. 입력 레이저 펄스들 사이의 시간 간격의 대략 절반에 대응하는 공동 광학 경로 길이를 사용하여, 출력 펄스 트레인은 원래의 레이저 펄스의 반복률의 2배인 반복률로 반복하는 실질적으로 유사한 에너지의 엔빌로프를 형성한다. '593 출원은 또한 실질적으로 동일한 출력 펄스 에너지들을 유지하여 빔 스플리터와 링 공동에서의 손실을 보상하도록 빔 스플리터의 투과도와 반사도를 어떻게 조절하는 지에 대해 설명한다. '075 및 '593에 설명된 원리들 중 어느 것도 본원에 설명되는 펄스 반복률 증배기의 다양한 실시예에 적절하게 적용될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 설명이 본 발명의 원리를 예시하는 첨부 도면과 함께 위에 제공되어 있다. 본 발명은 그러한 실시예와 함께 설명되지만, 본 발명은 임의의 실시예로 제한되지 않는다.
예컨대, 일 실시예에서, 광학 구성요소는 레이저 파장을 위해 적절한 코팅으로 코팅될 수 있다. 파장판 등의 임의의 투과성 요소의 각각의 표면은 또한 각각의 표면에서 반사되는 레이저 에너지의 양을 최소화시키는 반사 방지 코팅을 가질 수 있다. 미러는 반사를 최대화시키고 레이저 파장에서의 산란을 최소화시키도록 설계되는 코팅으로 코팅될 수 있다.
다른 예에서, 일 실시예로, 헤리옷 셀형 공동은 위에서 제공된 예와 상이한 형상 또는 상이한 갯수의 미러를 가질 수 있다.
위에서 예시한 실시예는 한 평면에 묘사되어 있지만, 변형예는, 여전히 동일한 세트의 미러를 사용하면서, 도 8 또는 도 15a의 이차 공동 루프와 같은 공동 루프들 중 하나의 루프를 일차 공동 루프와 같은 다른 공동 루프의 평면에 대략 수직이거나 그 평면에 대해 회전된 평면에 배치할 수 있다. 예컨대, 도 16a 및 도 16b는 입력 펄스와 출력 펄스가 빔 스플리터(D01), 빔 보상기 또는 프리즘(D02), 및 곡선형 미러(B01 및 B02)에 의해 형성되는 공동 루프의 평면에 수직인 평면에서 지향되는 2x 펄스 반복률 증배기 구조를 보여주는 정면도 및 측면도이다. 도 16c 및 도 16d는 하나 이상의 미러 또는 프리즘이 공동의 외측에 사용되어 프리즘(D04)으로부터 이차 루프의 평면에 놓인 미러(D05)로 광을 지향시키거나 반사시키는 4x 구조를 보여주는 정면도 및 평면도이다. 도 16d에서, 입력 및 출력 빔, 2x 공동 루프의 평면, 빔 스플리터(D01) 및 빔 보상기 또는 프리즘(D02)은 참조를 위해 점선에 의해 위쪽에서 보이는 것으로 도시되어 있다는 점이 유념된다. 하나의 공동 루프의 광학 구성요소들은 다른 공동 루프를 차단하지 않도록 위치 설정된다. 상이한 공동 루프를 상이한 평면에 배치하는 이점은, 각각의 공동 루프가 미러(B01 및 B02) 등의 곡선형 미러로부터 이들 미러의 중앙에서 실질적으로 유사한 거리에서 반사되게 하여(도 16c에 도시된 바와 같이, 점선은 입력과 출력 광 경로와 전방에서 본 2x 루프의 평면을 보여줌), 공동 루프들이 동시에 초점에 있게 하고, 레이저 빔이 공동 루프를 수회 가로지를 때에 레이저 빔의 수차를 최소화시킨다는 점이다. 프리즘(D02 및 D04)을 도 15a에 예시된 것과 유사한 방식으로 적절한 방향으로 배향하고 배치함으로써, 도 16c 및 도 16d에 도시된 4x 레이저 펄스 반복률 증배기는 도 15a에 도시된 것과 유사한 시간 평균적인 사실상 플랫-탑 프로파일을 갖는 출력을 발생시킬 수 있다.
도 17은 전술한 방식과 같이 레이저(도시 생략)에 의해 발생되는 입력 레이저 펄스의 반복률의 2배인 반복률을 갖는 펄스 트레인을 발생시키도록 구성되는 예시적인 레이저 펄스 반복률 증배기(120I)를 예시한다. 위에서 인용된 '593 미국 특허 출원에 설명된 개념과 유사하게, 빔 스플리터(I01)은 2개의 연속적인 입력 레이저 펄스들 사이의 시간 간격의 절반에 대략 동등한 광학 경로 길이를 갖는 링 공동에 배치된다. 링 공동은 레이저 펄스를 총 내부 반사(TIR; total internal reflection)에 의해 반사하는 프리즘(I02 및 I03) 등의 2개의 직각 반사쌍 광학 요소를 포함한다. 직각 반사쌍 광학 요소(I02, I03)는 레이저 반복률 증배기(120I)의 링 공동에 사용될 때에 미러에 비해 여러 이점을 갖는다. 미러의 한가지 단점은 레이저 펄스가 링 공동에서 순환할 때에 손실을 최소화하기 위하여 미러가 고반사도 코팅을 필요로 한다는 점이다. 고반사도 코팅은 특히 수백 mW 이상의 출력을 갖는 딥 UV 레이저를 위한 레이저 펄스의 피크 출력에 의해 손상을 받을 수 있다. 고반도 코팅 대신에 TIR의 사용은 이들 코팅이 높은 레이저 출력에 의한 장기간의 작동 하에 손상되는 우려를 제거한다. 미러가 아닌 프리즘을 사용하는 두번째 이점은 2개의 미러 기반 직각 반사쌍 요소를 형성하는 데에 필요한 4개의 미러가 2개의 프리즘에 의해 대체되어, 광학 구성요소들의 갯수를 감소시킨다는 점이다. 프리즘을 사용하는 세번째 이점은 1개의 프리즘의 2개의 TIR 표면들 사이의 직각이 고정되고 고정밀도로 제조될 수 있다는 점이다. 프리즘의 타이트한 각도 공차 및 광학 구성요소의 감소된 갯수는 도 17의 링 공동의 정렬을 간소화시킨다.
'593 출원에 설명된 바와 같이, 레이저 펄스 반복률 더블러에서, 각각의 출력 펄스가 실질적으로 동등한 총 에너지로 되는 것이 요망되면, 빔 스플리터(I01)는 각각의 입력 레이저 펄스의 에너지의 실질적으로 2/3(제2) 부분을 링 공동으로 반사하고, 각각의 입력 레이저 펄스의 실질적으로 1/3(제1) 부분을 투과시킴으로써, 1/3 부분이 첫번째로 반복률 증배기(120I)를 빠져나가고, 반사 요소(I02, I03) 사이에서 반사된 후에 2/3 부분이 두번째로 반복률 증배기(120I)를 빠져나간다. 이는, 예컨대 빔 스플리터(I01) 상의 적절한 코팅의 사용에 의해 달성될 수 있다. 실질적으로 동일한 출력 펄스 에너지가 요구되지 않으면, 빔 스플리터(I01)는 2/3이 아니라 각각의 레이저 펄스의 약간의 부분을 반사하도록 설계될 수 있다. 예컨대, 검사 시스템에 사용될 때에, 각각의 출력 펄스는 검사되는 물품의 손상 임계값에 가깝게 작동하게 하도록 실질적으로 동일한 피크 출력을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 출력 펄스의 실질적으로 동일한 피크 출력은 각각의 레이저 펄스의 약 62%를 링 공동으로 반사하는 빔 스플리터를 사용하여 달성될 수 있다.
'593 출원에서 설명된 바와 같이, 링 공동의 광학 경로 길이는 입력 레이저 펄스들 사이의 시간 간격의 절반과 동등한 거리보다 약간 길거나 약간 짧게 되도록 설정되어, 출력 펄스를 넓히거나 각각의 출력 펄스의 피크 출력을 감소시켜 하류측 광학계에 대한 또는 레이저 반복률 증배기를 통합한 시스템에 의해 검사되거나 측정되는 물품에 대한 손상 가능성을 감소시킬 수 있다.
예컨대, 입력 레이저 펄스가 120 MHz의 반복률을 가지면, 약 1.249 m의 링 공동 광학 경로 길이로 인해 적시에 대략 동일하게 이격되는 출력 펄스에 의해 반복률이 2배로 된다. 이러한 링 공동 경로 길이를 달성하기 위하여, 프리즘들 사이의 물리적 거리는 약 0.625 m가 될 필요가 있다. 관련 분야의 숙련자라면 이해하겠지만, 레이저 펄스는 각각의 프리즘(I01, I02) 내에서 짧은 거리를 이동하고 프리즘 재료의 굴절률은 1보다 크며, 프리즘 내의 광학 경로 길이는 프리즘 내에서 레이저 펄스에 의해 이동되는 물리적 거리보다 약간 길다. 이를 보상하여 원하는 링 공동 광학 경로 길이를 달성하기 위하여 프리즘들 사이의 물리적 거리에 대해 적절한 작은 조절이 이루어질 수 있다. 각각의 펄스의 피크 출력을 감소시키기 위해 출력 펄스가 입력 펄스보다 더 넓게 되기를 바란다면, 링 공동 광학 경로 길이는 1.25 m의 링 공동 광학 경로 길이와 같이 1.249 m보다 약간 길거나 약간 짧게 되도록 설정됨으로써, 링 공동 둘레에서 두 번 이동한 펄스는 다음 입력 펄스보다 약 6 ps(picosecond) 뒤에 도달할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 반복률 증배기(120I)의 링 공동은 바람직하게는 빔 스플리터(I01)를 통과하는 레이저 펄스에 의해 야기되는 레이저 빔 위치에서 오프셋을 실질적으로 보상하는 광판(I04; optical plate)을 포함한다. 광판(I04)은 바람직하게는 빔 스플리터(I01)의 광 두께와 실질적으로 동일한 광 두께를 가져야 한다. 광판(I04)은 바람직하게는 그 표면으로부터 레이저 광의 반사를 최소화하도록 반사 방지 코팅으로 코팅되어야 한다. 광판(I04)이 링 공동(도시 생략)의 동일한 아암에 배치되면, 바람직하게는 광판(I04)은 빔 스플리터(I01)에 의해 야기되는 빔 변위를 실질적으로 보상하도록 빔 스플리터(I01)의 레이저 빔에 대한 각도의 실질적으로 미러 이미지인 입력 레이저 빔(펄스)에 대한 일정 각도로 배향되어야 한다. 광판(I04)이 링 공동(도시 생략)의 다른 아암에 배치되면, 바람직하게는 빔 스플리터(I01)에 실질적으로 평행하게 배향되어야 한다.
도 18은 도 17과 유사하지만 그 직각 프리즘(J02) 중 하나의 직각 프리즘이 다른 직각 프리즘(J03)에 대해 90°회전된 다른 레이저 펄스 반복률 증배기(120J)를 예시한다. 도 17의 구성과 비교하면, 도 18의 레이저 펄스 반복률 증배기(120J)는 2개의 프리즘들 사이의 물리적 분리의 실질적으로 절반과 동일한 링 공동 광학 경로 길이를 달성할 수 있다. 빔 스플리터(J01)와 광판(J04)은 도 17의 빔 스플리터(101) 및 광판(104)과 동일한 기능을 수행한다. 광판(J04)은 판의 배향의 적절한 선택에 의해 링 공동의 4개의 아암들 중 어느 하나에 배치될 수 있다.
도 19a, 도 19b 및 도 19c는, 도시된 직각 프리즘들(또는 동등한 직각 미러 쌍들) 중 하나의 직각 프리즘을 다른 프리즘/미러 쌍에 대해 적절한 각도로 회전시킴으로써 링 공동 광학 경로 길이가 프리즘들의 물리적 분리를 2배(도 19a), 4배(도 19b), 6배(도 19c) 또는 심지어는 다른 정수배가 되게 하도록 실질적으로 동일하게 되는 예시적인 실시예를 예시한다. 각각의 펄스가 그 원래의 시작 위치(예컨대, 도 19a-19c에 도시되지 않은 빔 스플리터)로 복귀하기 전에 취해야 하는 링 공동 둘레에 루프의 갯수는 m = 180°/θ이고, 여기서 θ는 2개의 프리즘들(또는 미러 쌍들) 사이에서의 상대 각도이다. 도 19a를 참조하면, θ = 0이거나 동등하게 180°인 경우, m = 1이고 빔은 하나의 평면에 머무르며 그 원래의 위치로 복귀하기 전에 링 공동 둘레에 단하나의 루프를 만든다. 도 19b를 참조하면, θ = 90°인 경우, m = 2이고 각각의 레이저 펄스는 그 원래 위치로 복귀하기 위해 링 공동 둘레에 2개의 루프를 만든다. 도 19c를 참조하면, θ = 60°인 경우, m = 3이고 빔은 링 공동 둘레에 3개의 루프 후에 원래의 시작 위치로 복귀한다. 빔이 그 원래 위치로 복귀될 때에 편광이 항상 보존된다.
이 설계의 주요한 이점은 프리즘들 중 하나의 프리즘을 간단히 회전시킴으로써 링 공동 광학 경로를 변화시키면서 실질적으로 동일한 공동 풋프린트를 유지한다는 것이다.
도 20은 상이한 광학 경로 길이의 2개의 링 공동이 펄스형 레이저의 반복률을 2배로 만들도록 캐스케이드되는 예시적인 실시예에 따른 다른 반복률 증배기(120K)를 예시한다. 2개의 링 공동은 하나의 링 공동이 다른 링 공동의 광학 경로 길이의 2배를 가짐에도 불구하고 실질적으로 유사한 외부 치수를 갖는다. 제1 링 공동은 빔 스플리터(K01), 프리즘(K03, K02), 및 광판(K04)을 포함한다. 제1 공동은 원하는 광학 경로 길이를 달성하도록 링 공동 둘레에 2개의 루프를 사용함으로써 반복률을 2배로 만든다. 제2 링 공동은 빔 스플리터(K11), 프리즘(K12, K13) 및 광판(K14)을 포함한다. 제2 링 공동은 링 공동 둘레에 단일 루프를 사용하여 반복률을 재차 2배로 만든다. 연속적인 펄스들 사이의 공간적 거리는 반복률이 2배로 된 후에 절반이 되기 때문에, 제2 링 공동은 바람직하게는 제1 링 공동의 광학 경로 길이의 실질적으로 절반을 가져야 한다.
2개의 링 공동은 동일한 광학 구성요소로 제조될 수 있다. 2개의 공동이 실질적으로 유사한 외부 치수를 가질 수 있기 때문에, 대부분의 장착 하드웨어 및 기계적 설계가 동일할 수 있다. 하나의 링 공동이 다른 링 공동의 물리적 길이의 대략 2배를 갖는 설계에 비해 공간이 더 효율적으로 사용될 수 있다.
도 21은 레이저 빔이 링 공동 둘레의 1개의 루프 후에 그 원래의 복귀할 때에 그 원래의 빔 조건(허리 위치 및 크기)로 다시 실질적으로 재집속(이미징)되도록 프리즘(L02, L03)에 의해 형성되는 링 공동 내에 삽입되는 예시적인 렌즈 구성에 따른 반복률 증배기(1210L)의 링 공동 부분을 예시한다. 렌즈(L05, L06)는 바람직하게는 동일한 초점 길이를 가져야 하고, 그 초점 길이는 공동의 중앙에 빔 허리를 형성하도록 선택되며, 렌즈는 바람직하게는 빔 허리 근처에서 높은 레이저 출력 밀도를 피하는 데에 실현 가능한 한 빔 허리로부터 멀리 떨어져 배치된다. 레이저펄스 반복률 증배기의 다른 구성요소들(빔 스플리터 및 광판)은 이 도면에서 명확화를 위해 생략된다.
도 22는 레이저 빔이 그 원래의 위치로 복귀될 때에 2-루프 공동에 삽입된 동일한 렌즈 구성[즉, 프리즘(L02, L03)과 렌즈(L05, L06); 도 21 참조]이 레이저 빔을 그 원래의 빔 조건(허리 위치 및 크기)에 대해 이미징하는 반복률 증배기(120M)의 다른 링 공동 부분을 예시한다. 유사하게, 이 렌즈 구성은 링 공동 둘레에서 임의의 갯수의 루프들을 위해 레이저 빔을 정확하게 재이미징한다.
도 23은 레이저 빔이 그 원래의 위치로 복귀할 때에 레이저 빔이 그 원래의 빔 위치(허리 위치 및 크기)에 대해 이미징되도록 배치되는 2개의 프리즘(N02, N03)과 2개의 렌즈(N05, N06)을 사용하는 다른 예시적인 렌즈 구성을 활용하는 반복률 증배기(120N)의 다른 링 공동 부분을 예시한다. 이 실시예에서, 렌즈(N05, N06)는 바람직하게는 공동 길이에 대략 동일한 초점 길이를 갖고, 빔 허리가 프리즘 또는 렌즈 표면 중 임의의 것에 너무 가깝지 않고 공동의 중앙 근처에 형성되도록 프리즘에 가깝게 배치되어야 한다.
도 24는 각각의 구면 렌즈가 한 쌍의 원통형 렌즈로 대체된다는[즉, 구면 렌즈(N05)가 원통형 렌즈(O051, O052)에 의해 대체되고, 구면 렌즈(N06)가 원통형 렌즈(O061, O062)에 의해 대체됨] 점을 제외하고 도 23과 유사한 다른 예시적인 렌즈 구성을 사용하는 반복률 증배기(120O)의 다른 링 공동 부분을 예시한다. 각각의 원통형 렌즈는 바람직하게는 전파 방향 및 레이저 빔의 편광에 대해 브루스터의 각에 가깝게 배향된다. 렌즈를 p-편광을 위한 브루스터의 각에 또는 그 근처에 배향하는 이점은 각각의 렌즈 표면의 반사도가 임의의 코팅을 사용하지 않으면서 매우 낮게 되고, 이에 따라 코팅의 비용을 절감하고 레이저에 의한 임의의 코팅 손상을 피한다는 점이다. 각각의 쌍에서 하나의 원통형 렌즈의 곡률은 도 23에 도시된 구면 렌즈들 중 하나의 구면 렌즈와 실질적으로 유사한 방식으로 함께 빔을 재이미징하도록 동일한 쌍에서 다른 원통형 렌즈의 곡률에 대해 수직으로 배향된다(즉, 곡률은 정중앙에 있고 접선 방향이다).
도 25a는 변형된 직각 프리즘 쌍(P01, P02)을 갖는 레이저 펄스 반복률 증배기(120P)의 다른 예시적인 실시예를 예시한다. 프리즘(P01)은, 입사각이 레이저 빔의 p-편광을 위한 브루스터의 각에 가깝도록 프리즘(P01)이 절단 및 위치 설정된다는 점을 제외하고 도 17의 프리즘(I02)과 동일한 기능을 한다. 그러므로, 프리즘에서 AR 코팅이 요구되지 않고 높은 레이저 출력 하에 잠재적인 코팅 손상이 회피된다. 프리즘(P02)은 프리즘(P01)과 동일한 형상을 갖고 또한 레이저 빔의 p-편광에 대해 브루스터의 각에 가깝게 배향된다. 프리즘(P02)은 (전체 표면이 아니라) 포인트(P) 둘레에서만 추가 코팅을 갖고, 이는 광을 공동 내외에서 결합하는 빔 스플리터의 역할을 한다. 이는 별개의 빔 스플리터 구성요소에 대한 요구를 제거하므로, 광학 구성요소의 갯수를 감소시키고 링 공동의 정렬을 간소화시킨다. 전술한 바와 같이, 한가지 바람직한 실시예에서, 코팅은 각각의 입사 레이저 펄스의 에너지의 대략 2/3를 반사하여 각각의 출력 레이저 펄스에서 실질적으로 동일한 에너지를 생성하도록 설계된다.
도 25b는 동일한 프리즘(P01)을 사용하지만 도 25a의 프리즘(P02)이 변경된 형상을 갖는 프리즘(Q02)에 의해 대체된, 도 25a와 유사한 레이저 펄스 반복률 증배기(120Q)의 다른 예시적인 실시예를 예시한다. 이 형상은 출력 빔들이 서로 평행하게 되도록 할 수 있고, 이는 레이저 펄스 반복률 증배기를 시스템에 통합하는 것을 간단하게 만들기 때문에 일반적으로 바람직하다. 프리즘(Q02)은 프리즘의 TIR 면들 사이에 직각을 유지하고 링 공동에서 레이저 빔을 위한 브루스터의 각에 가까운 입사각을 사용한다. 프리즘(P02)에 대해 전술한 바와 같이, 프리즘이 빔 스플리터 기능을 수행하기 위하여 위치(P) 둘레에 코팅이 요구된다.
도 26a 및 도 26b는 브루스터 각각의 커팅이 있든지 없든지 간에 2개의 직각 프리즘(R01, R02) 중 하나의 직각 프리즘을 회전시킴으로써 주어진 물리적 링 공동 길이에 대해 효과적인 빔 경로 길이가 2배(또는 3배 등)로 될 수 있는 예시적인 실시예에 따른 반복률 증배기(120R)를 예시한다. 이들 도면에서, 브루스터 각각의 커팅면을 갖는 프리즘(R02)은 빔 편광 상태와 입사각(즉, 브루스터 조건)이 회전 후에 동이랗게 유지되도록 브루스터 각각의 입사면에 직교하는 축선에 대하여 회전되어야 한다.
도 27a 및 도 27b는, 코팅이 어떠한 표면에도 요구되지 않도록, 상이한 형상을 각각 갖는 3개의 프리즘(S01, S02 및 S03)을 갖춘 다른 증배기 설계에 따른 반복률 증배기(120S)를 각각 예시하는 평면도 및 측면도이다. 프리즘(S01)은 링 공동 내의 리플렉터 및 약 R = 1/3의 반사도와 같은 원하는 반사도로 빔을 공동 내외에서 결합하는 빔 스플리터의 이중 기능을 수행한다. 도 28b에 도시된 측면도에서, 프리즘(S02)은 프리즘(S01)의 후방에 숨겨져 있다는 점이 유념된다. 다양한 프리즘들의 표면들 사이의 다양한 각도가 도면에 표기되어 있다.
프리즘(S01)의 기하학적 형태가 도 28, 도 28a, 도 28b 및 도 28c에 도시되어 있다. 프리즘은 도 29a 및 도 29b에 도시된 프레넬 반사도 특성을 사용한다. 융합 실리카(또는 유사한 굴절률을 갖는 임의의 재료)의 표면에 충돌하는 S 편광된 광의 경우, 반사도는 입사각이 대략 73°일 때에 당연히 대략 33.3%가 된다. 입력 레이저 빔(b1)과 출력 레이저 빔(b2)은 표면(S1)에 대해 S-편광된다. 그러나, 굴절된 빔이 표면(S2 또는 S3)을 통과할 때에, 빔은 P-편광된다. 이들 표면(S2, S3) 상의 입사각이 브루스터의 각에 가까우면, 레이저 빔은 임의의 코팅을 사용하지 않으면서 출력이 최소 손실인 상태로 통과할 수 있고 이에 따라 코팅에 대한 레이저 손상의 임의의 가능성을 회피한다.
반복률 증배기(120S; 도 27a 참조)의 프리즘(S02)이 도 30, 도 30a 및 도 30b에 예시되어 있다. 이 프리즘은 표면(S6)에서 총 내부 반사를 사용하면서 표면(S4, S5)에서 브루스터의 각의 반사를 사용한다.
반복률 증배기(120S; 도 27a 참조)의 프리즘(S03)이 도 31, 도 31a, 도 31b 및 도 31c에 예시되어 있다. 프리즘은 브루스터의 각으로 커팅된 2개의 표면을 갖는 직각 프리즘의 역할을 한다. 이들 브루스터의 각각의 커팅은 링 공동 평면에 직교하는 빔 편광을 위해 배향되는데, 이는 링 공동 평면에 평행한 편광을 위한 도 25a의 프리즘 설계(P01)와 상이하다.
도 32a는 링 공동 평면에 평행한 편광을 갖는 다른 예시적인 레이저 펄스 반복률 증배기 구성에 따른 반복률 증배기(120T)를 예시한다. 이 구성은 기구에 대한 통합을 더 편리하게 할 수 있는 직사각형 레이아웃 및 90°빔 커플링(내/외)을 형성한다. 이 구성은 3개의 요소를 포함한다. 빔 스플리터(T01)는 하나의 표면 상에 45°의 입사각으로 R = 1/3의 반사도와 같은 선택된 반사도를 갖는 코팅을 갖고 다른 표면에 반사 방지(AR; antireflective) 코팅을 갖는다. 도 32b에 나타낸 바와 같이, 한가지 바람직한 실시예에서, 프리즘(T02)은 링 공동에서 빔에 대해 브루스터의 각으로 입력 및 출력 표면과 총 90°로 빔을 편향시키는 미러의 기능을 하는 펠린 브로카(Pellin Broca) 프리즘이다. 프리즘(T02)은 프리즘 내측에 총 내부 반사를 사용한다. 이 방식에서는, 임의의 코팅을 사용하지 않으면서 p-편광된 빔에 대한 에너지 손실이 거의 없다. 변형예에서, 고반사도 코팅을 갖는 미러가 프리즘(T02) 대신에 사용된다. 요소(T03)는 직각 프리즘으로서 상징적으로 묘사되어 있다. 바람직한 실시예에서, 프리즘(T03)은 링 공동의 평면에 평행한 편광을 갖는 편광된 광을 위해 도 25a에 도시된 설계(P01) 등의 브루스터 컷팅 표면을 갖는 기하학적 형태를 사용한다.
전술한 것과 유사한 방식으로, 직각 프리즘(T03)은 입사면에 직각인 방향을 중심으로 90°회전되어 공동 내에 빔 경로 길이를 2배로 만들 수 있다.
도 33은 도 32a의 실시예와 유사한 2개의 링 공동이 반복률을 4만큼 증배시키도록 캐스케이드되는 예시적인 실시예에 따른 반복률 증배기(120U)를 예시한다. 제1 링 공동(U01)은 심지어는 양쪽 공동이 유사한 물리적 치수를 갖더라도 제2 공동(U02)의 광학 경로 길이의 대략 2배가 되도록 90°회전된 하나의 프리즘을 갖는다. 이들 2개의 링 공동은 함께 반복률을 4배로 만드는 증배기를 형성한다.
본원에 참조로 포함되는 위에서 인용된 '075 및 '593 출원에서, 레이저 펄스 반복률 증배기의 변형예가 설명되어 있다. 이들 출원은 각각의 펄스의 에너지의 대략 1/3을 출력으로 지향시키면서 각각의 입력 펄스의 에너지의 대략 2/3를 공동으로 지향시키도록 빔 스플리터를 사용함으로써 적절한 길이의 링 공동을 사용하여 펄스형 레이저의 반복률이 어떻게 2배로 될 수 있는지를 설명한다. 입력 레이저 펄스들 사이의 시간 간격의 대략 절반에 대응하는 공동 광학 경로 길이의 경우, 출력 펄스 트레인은 원래의 레이저 펄스의 2배인 반복률로 반복하는 실질적으로 유사한 에너지의 엔빌로프를 형성한다. '593 출원은 또한 빔 스플리터와 링 공동에서 손실을 보상하기 위해 실질적으로 동일한 출력 펄스 에너지를 유지하도록 빔 스플리터의 투과도 및 반사도를 어떻게 조절하는지를 설명한다. '075 및 '593 출원에 설명된 원리들 중 임의의 원리가 본원에 설명되는 펄스 반복률 증배기의 다양한 실시예에 적절하게 적용될 수 있다.
더욱 더 높은 반복률에 도달하기 위하여, 전술한 레이저 펄스 반복률 증배기들 중 임의의 증배기의 다수의 유닛을 캐스케이드할 수 있는데, 각각의 유닛은 상이한 공동 길이를 갖는다. 출력 반복률은 입력 반복률의 2x, 4x,...또는 2nx와 동일하게 될 수 있고, 여기서 n은 레이저 펄스 반복률 증배기 공동의 갯수이며, 각각의 캐비티의 광학 경로 길이는 원래의 펄스들 사이의 거리의 1/2, 1/4,...1/2n이다.
위에서의 예시적인 실시예는 펄스형 레이저의 반복률을 증배시키기 위해 상이한 길이의 광학 공동이 평탄한 미러, 곡선형 미러, 프리즘 및 렌즈의 다양한 조합으로 어떻게 형성될 수 있지를 예시한다. 반복률 증배기 또는 시간 평균적인 사실상 플랫-탑 프로파일을 갖는 출력을 발생시키는 반복률 증배기가 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 조합으로 구성될 수 있다. 예컨대, 평탄한 미러는 평탄한 미러와 하나 또는 그 이상의 렌즈의 조합(또는 그 반대도 가능)에 의해 프리즘(또는, 많은 경우에, 그 반대도 가능), 또는 곡선형 미러에 의해 대체될 수 있다. 사용할 구성요소의 선택은, 레이저 파장, 광학 구성요소의 위치에서 레이저 출력 밀도, 구성요소에 적절한 광학 코팅의 유효성, 물리적 공간 및 중량을 비롯하여 많은 실제적인 고려사항에 의해 좌우된다. 전술한 바와 같이, 브루스터 각각의 표면을 갖는 프리즘 및 구성요소는 출력 밀도가 광학 코팅에 잠재적으로 손상을 주기에 충분히 높은 경우에 일반적으로 바람직하다.
본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 제한되고 본 발명은 다수의 변형, 수정 및 등가물을 포함한다. 많은 특정한 상세가 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 위에서의 설명에 기재되어 있다. 이들 상세는 예를 위해 제공되고 본 발명은 이들 특정한 상세의 일부 또는 전부가 없이 청구범위에 따라 실시될 수 있다. 명확화를 위해, 본 발명과 관련된 기술 분야에 공지된 기술 자료 및 유래는 본 발명이 불필요하게 불명료해지지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.

Claims (40)

  1. 플랫-탑 빔 발생기(flat-top beam generator)로서,
    빔 스플리터(beam splitter), 2개의 구면 미러(spherical mirror)들 및 빔 시프터(beam shifter)를 포함하는 광학 공동을 포함하는 레이저 펄스 반복률 증배기
    를 포함하고, 상기 레이저 펄스 반복률 증배기는 레이저로부터 입력 레이저 펄스들을 수신하도록 위치 설정되어, 상기 입력 레이저 펄스들이, 상기 광학 공동으로 지향되고 상기 입력 레이저 펄스들의 반복률의 적어도 2배인 출력 펄스 반복률을 갖는 출력 레이저 펄스들로서 상기 광학 공동을 빠져나가고,
    상기 광학 공동은, 상기 레이저로부터의 각각의 상기 입력 레이저 펄스가 상기 2개의 구면 미러들에 의해 정의된 복수의 광학 경로들을 따라 지향되도록 구성되고, 상기 복수의 광학 경로들 각각은 상기 빔 시프터 및 상기 빔 스플리터를 통과하고,
    상기 빔 시프터는, 상기 복수의 광학 경로들 중 제1 광학 경로를 따라 지향된 상기 각각의 입력 레이저 펄스를 상기 복수의 광학 경로들 중 제2 광학 경로로 측방향으로(laterally) 변위시키도록 구성되며,
    상기 빔 스플리터는, 상기 제1 광학 경로 및 상기 제2 광학 경로를 통과하는 상기 입력 레이저 펄스들의 부분들을 반사하도록 구성되어, 상기 반사된 부분들이 제1 출력 레이저 펄스들 및 제2 출력 레이저 펄스들을 각각 형성하고, 상기 제1 출력 레이저 펄스들은 상기 제2 출력 레이저 펄스들에 대해 측방향으로 변위되어, 상기 제1 출력 레이저 펄스들 및 상기 제2 출력 레이저 펄스들의 시간 평균적 출력 강도(time averaged output intensity)가 상기 측방향 변위의 방향에서 평탄한 프로파일을 갖는 것인, 플랫-탑 빔 발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔 시프터는, 이등변 삼각형 프리즘 및 도브 프리즘(Dove prism) 중 하나를 포함하는 것인, 플랫-탑 빔 발생기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 빔 시프터는, 상기 측방향 변위가 상기 입력 레이저 펄스들의 빔 허리 반경(beam waist radius)의 0.5(절반)와 동일하도록 구성되는 것인, 플랫-탑 빔 발생기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 빔 시프터는, 상기 광학 공동이 2개의 분리된 라운드-트립 광학 경로(round-trip optical path)들을 포함하도록, 그리고 상기 빔 시프터가 각각의 레이저 펄스의 에너지의 일부를 제1 경로로부터 제2 경로로 전환(divert)시키도록 구성되는 것인, 플랫-탑 빔 발생기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 빔 시프터는 상기 빔 시프터가 또한, 각각의 레이저 펄스의 에너지의 일부를 상기 제2 경로로부터 상기 제1 경로로 전환시키도록 구성되는 것인, 플랫-탑 빔 발생기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저 펄스 반복률 증배기는, 출력 레이저 펄스 반복률이 입력 레이저 펄스 반복률의 적어도 4배이도록 구성되는 것인, 플랫-탑 빔 발생기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 빔 시프터는, 상기 출력 레이저 펄스들이, 상기 시간 평균적 출력 강도가 20% 이하의 변동을 갖고 상기 입력 레이저 펄스들의 빔 허리 반경의 2배 내지 2.5배 사이의 폭을 갖는 평탄한 출력 프로파일을 갖도록 구성되는 것인, 플랫-탑 빔 발생기.
  8. 검사 시스템으로서,
    일련의 레이저 펄스들을 생성하는 DUV(deep UV) 또는 VUV(vacuum UV) 레이저;
    상기 레이저 펄스들의 반복률을 증배시키는 레이저 펄스 반복률 증배기;
    상기 레이저 펄스 반복률 증배기의 출력을 샘플로 지향시키기 위한 대물 렌즈를 포함하는 광학계(optics); 및
    상기 샘플로부터 반사되거나 산란된 광을 수집하고 상기 광을 검출기로 지향시키기 위한 광학계
    를 포함하고,
    상기 레이저 펄스 반복률 증배기는, 하나 이상의 링 공동을 형성하는 2개의 구면 미러들, 각각의 입력 레이저 펄스의 에너지의 제1 부분을 상기 하나 이상의 링 공동으로 지향시키는 빔 스플리터, 및 빔 시프터를 포함하고,
    상기 하나 이상의 링 공동은, 상기 DUV 또는 VUV 레이저로부터 입력된 각각의 상기 레이저 펄스가 상기 2개의 구면 미러들에 의해 정의된 복수의 광학 경로들을 따라 지향되도록 구성되고, 상기 복수의 광학 경로들 각각은 상기 빔 시프터 및 상기 빔 스플리터를 통과하고,
    상기 빔 시프터는, 상기 복수의 광학 경로들 중 제1 광학 경로를 따라 지향된 상기 각각의 레이저 펄스를 상기 복수의 광학 경로들 중 제2 광학 경로로 측방향으로 변위시키도록 구성되며,
    상기 레이저 펄스 반복률 증배기는, 상기 제1 광학 경로 및 상기 제2 광학 경로를 따라 통과하는 상기 레이저 펄스들의 부분들을 반사하도록 구성되어, 상기 반사된 부분들이, 측방향으로 변위되고 서로 부분적으로 중첩된 제1 출력 펄스들 및 제2 출력 펄스들을 각각 형성하여 평탄한 탑을 갖는 시간 평균적 출력 강도 프로파일을 형성하는 것인, 검사 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 검사 시스템은, 패터닝되지 않은 웨이퍼 검사 시스템, 패터닝된 웨이퍼 검사 시스템, 포토마스크 검사 시스템, 및 계측 시스템 중 하나를 구현하는 것인, 검사 시스템.
  10. 입력 레이저 펄스들을 수신하고 상기 입력 레이저 펄스들의 반복률의 2배보다 큰 출력 펄스 반복률을 갖는 출력 펄스들을 생성하기 위한 레이저 펄스 반복률 증배기로서,
    광학 공동을 형성하는 적어도 2개의 폴드 미러(fold mirror)들, 제1 빔 스플리터 및 제2 빔 스플리터, 제1 곡선형 미러(curved mirror) 및 제2 곡선형 미러, 및 상기 광학 공동의 외측에 위치 설정된 직각 프리즘(right-angled prism)을 포함하는 헤리옷 셀(Herriott cell)
    을 포함하고, 상기 헤리옷 셀은, 각각의 상기 입력 레이저 펄스의 부분들이 상기 광학 공동 내측의 일차 공동 루프(primary cavity loop)를 따라 전송되고, 이어서 상기 직각 프리즘에 통과되고, 이어서 상기 생성된 출력 펄스들 중 하나로서 상기 광학 공동을 빠져나가기 전에 상기 광학 공동 내측의 이차 공동 루프(secondary cavity loop)를 따라 전송되도록 구성되고,
    상기 2개의 곡선형 미러들은 상기 입력 레이저 펄스들 간의 공간적 분리분의 1/4의 홀수 정수배와 동일한 곡률 반경을 가지며,
    상기 2개의 곡선형 미러들은, 공통 곡률 반경을 갖고, 상기 곡률 반경과 동일한 거리만큼 분리된 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 헤리옷 셀은, 상기 출력 펄스 반복률이 원래의 상기 입력 레이저 펄스들의 반복률의 4배이도록 구성되는 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 헤리옷 셀은, 각각의 상기 입력 레이저 펄스의 적어도 일 부분이 상기 제1 빔 스플리터에 의해 지향되어 상기 일차 공동 루프에 있는 동안 상기 제1 곡선형 미러 및 상기 제2 곡선형 미러의 제1 부분들에 의해 반사되고, 상기 제2 빔 스플리터에 의해 지향되어 상기 이차 공동 루프에 있는 동안 상기 제1 곡선형 미러 및 상기 제2 곡선형 미러의 제2 부분들에 의해 반사되도록 구성되고,
    상기 헤리옷 셀은 상기 일차 공동 루프에 배치된 프리즘을 더 포함하며,
    상기 프리즘, 상기 적어도 2개의 폴드 미러들, 및 상기 직각 프리즘 중 하나는, 상기 일차 공동 루프로부터 나오는 레이저 펄스들을 상기 이차 공동 루프로 전환시키도록 구성되는 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 헤리옷 셀은, 상기 일차 공동 루프가 상기 이차 공동 루프와는 상이한 평면에 놓이도록 구성되는 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 빔 스플리터는, 상기 입력 레이저 펄스들을 수신하고 각각의 입력 레이저 펄스의 에너지의 2/3를 상기 일차 공동 루프로 반사하는 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제2 빔 스플리터는 1/3의 반사도(reflectivity)를 갖는 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 헤리옷 셀은,
    각각의 상기 입력 레이저 펄스가 상기 제1 빔 스플리터 상에 지향되도록;
    상기 제1 빔 스플리터가 상기 각각의 입력 레이저 펄스의 적어도 제1 부분을, 상기 제1 부분이 상기 일차 공동 루프에 있는 동안 제1 평면에서 상기 제1 곡선형 미러 및 상기 제2 곡선형 미러에 의해 반사되고, 이어서 상기 직각 프리즘을 향해 지향되게 지향시키도록 구성되도록;
    상기 직각 프리즘이 상기 제1 부분을 상기 제2 빔 스플리터에 재지향시키게 구성되도록; 그리고
    상기 제2 빔 스플리터가 각각의 상기 입력 레이저 펄스의 적어도 제2 부분을, 상기 제2 부분이 상기 이차 공동 루프에 있는 동안 제2 평면 - 상기 제2 평면은 상기 제1 평면과는 상이함 - 에서 상기 제1 곡선형 미러 및 상기 제2 곡선형 미러에 의해 반사되게 지향시키도록 구성되도록
    구성되는 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 헤리옷 셀은 제1 평면에 상기 제1 빔 스플리터와 함께 배치된 빔 보상기 및 프리즘 중 하나를 더 포함하고,
    상기 제2 빔 스플리터 및 상기 적어도 2개의 폴드 미러들은 제2 평면에 배치되는 것인, 레이저 펄스 반복률 증배기.
  18. 입력 레이저 펄스들을 수신하고 상기 입력 레이저 펄스들의 반복률의 적어도 2배인 출력 펄스 반복률을 갖는 출력 펄스들을 생성하기 위한 반복률 증배기로서,
    링 공동을 형성하는 2개의 광 반사 요소들 및 적어도 하나의 빔 스플리터
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 빔 스플리터는, 각각의 입력 레이저 펄스의 제1 에너지 부분을, 상기 제1 에너지 부분이 상기 반복률 증배기를 첫번째로 빠져나가게 지향시키도록 구성되고, 상기 입력 레이저 펄스의 제2 에너지 부분을, 상기 제2 에너지 부분이 상기 2개의 광 반사 요소들 사이에서 반사되고 상기 반복률 증배기를 두번째로 빠져나가게 상기 링 공동으로 지향시키도록 구성되고,
    상기 2개의 광 반사 요소들은 제1 곡선형 미러 및 제2 곡선형 미러를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 빔 스플리터는,
    상기 제1 에너지 부분 및 상기 제2 에너지 부분을 상기 링 공동으로 지향시키도록 구성된 제1 빔 스플리터, 및
    상기 제2 에너지 부분이 상기 제1 광 반사 요소와 상기 제2 광 반사 요소 사이를 적어도 1번 가로지른 후에 각각의 상기 입력 레이저 펄스의 제2 에너지 부분을 상기 반복률 증배기 밖으로 지향시키도록 구성된 제2 빔 스플리터
    를 포함하고;
    상기 링 공동에 배치된 프리즘,
    상기 링 공동에 배치된 적어도 2개의 폴드 미러들; 및
    상기 링 공동의 외측에 위치 설정된 직각 프리즘
    을 더 포함하며,
    상기 제1 빔 스플리터 및 상기 프리즘은, 각각의 상기 입력 레이저 펄스의 제1 부분들이 상기 링 공동 내측의 일차 공동 루프를 따라 전송되도록 구성되고,
    상기 제2 빔 스플리터 및 상기 적어도 2개의 폴드 미러들은, 각각의 상기 입력 레이저 펄스의 제2 부분들이 상기 링 공동 내측의 이차 공동 루프를 따라 전송되도록 구성되며,
    상기 직각 프리즘은, 상기 일차 공동 루프에 남아있는 상기 제1 부분들을 상기 이차 공동 루프로 지향시키도록 구성되는 것인, 반복률 증배기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 빔 스플리터는, 상기 각각의 입력 레이저 펄스의 상기 제1 부분들을, 상기 제1 부분들이 상기 일차 공동 루프에 있는 동안 제1 평면에서 상기 제1 곡선형 미러 및 상기 제2 곡선형 미러에 의해 반사되게 지향시키도록 구성되고,
    상기 직각 프리즘은, 상기 일차 공동 루프에 남아있는 상기 제1 부분들을 상기 제2 빔 스플리터로 지향시키도록 구성되며,
    상기 제2 빔 스플리터는, 상기 제2 부분들을, 상기 제2 부분들이 상기 이차 공동 루프에 있는 동안 제2 평면 - 상기 제2 평면은 상기 제1 평면과는 상이함 - 에서 상기 제1 곡선형 미러 및 상기 제2 곡선형 미러에 의해 반사되게 지향시키도록 구성되는 것인, 반복률 증배기.
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