KR102304325B1 - 방사선 소스 - Google Patents

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니티쉬 쿠마르
시몬 레이날드 하위스만
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에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
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Abstract

정렬 마크 측정 시스템을 위한 초연속 방사선 소스는: 방사선 소스; 조명 광학기; 복수의 도파관들; 및 수집 광학기를 포함한다. 방사선 소스는 펄스화된 방사선 빔을 생성하도록 작동가능하다. 조명 광학기는 펄스화된 펌프 방사선 빔을 수용하고, 복수의 펄스화된 서브-빔들을 형성하도록 배치되며, 각각의 펄스화된 서브-빔은 펄스화된 펌프 방사선 빔의 일부분을 포함한다. 복수의 도파관들 각각은 복수의 펄스화된 서브-빔들 중 적어도 하나를 수용하고, 그 펄스화된 서브-빔의 스펙트럼을 확장하여 초연속 서브-빔을 생성하도록 배치된다. 수집 광학기는 복수의 도파관들 각각으로부터 초연속 서브-빔을 수용하고, 이들을 조합하여 초연속 방사선 빔을 형성하도록 배치된다.

Description

방사선 소스{Radiation source}
본 출원은 2016년 6월 9일에 출원된 EP 출원 16173625.1의 우선권을 주장하고, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
본 발명은 방사선 소스에 관한 것이다. 특히, 이는 메트롤로지 시스템의 일부를 형성할 수 있는 방사선 소스에 관한 것이다. 방사선 소스는, 예를 들어 리소그래피 장치 내의 정렬 시스템 또는 다른 위치 측정 시스템의 일부를 형성할 수 있다.
리소그래피 장치는 기판 상에, 통상적으로는 기판의 타겟부 상에 원하는 패턴을 적용시키는 기계이다. 리소그래피 장치는, 예를 들어 집적 회로(IC)의 제조 시에 사용될 수 있다. 그 경우, 대안적으로 마스크 또는 레티클이라 칭하는 패터닝 디바이스가 IC의 개별층 상에 형성될 회로 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 패턴은 기판(예컨대, 실리콘 웨이퍼) 상의 (예를 들어, 다이의 부분, 한 개 또는 수 개의 다이를 포함하는) 타겟부 상으로 전사(transfer)될 수 있다. 패턴의 전사는 통상적으로 기판 상에 제공된 방사선-감응재(레지스트)층 상으로의 이미징(imaging)을 통해 수행된다. 일반적으로, 단일 기판은 연속하여 패터닝되는 인접한 타겟부들의 네트워크를 포함할 것이다. 알려진 리소그래피 장치는, 한 번에 타겟부 상으로 전체 패턴을 노광함으로써 각각의 타겟부가 조사(irradiate)되는 소위 스테퍼, 및 방사선 빔을 통해 주어진 방향("스캐닝"-방향)으로 패턴을 스캐닝하는 한편, 이 방향과 평행한 방향(같은 방향으로 평행한 방향) 또는 역-평행 방향(반대 방향으로 평행한 방향)으로 기판을 동기적으로 스캐닝함으로써 각각의 타겟부가 조사되는 소위 스캐너를 포함한다. 또한, 기판 상에 패턴을 임프린트(imprint)함으로써 패터닝 디바이스로부터 기판으로 패턴을 전사할 수도 있다.
기판 상에 디바이스 피처(device feature)들을 정확히 배치하도록 리소그래피 공정을 제어하기 위해, 일반적으로 정렬 마크들이 기판 상에 제공되며, 리소그래피 장치는 1 이상의 정렬 센서를 포함하고, 이에 의해 기판 상의 정렬 마크들의 위치들이 정확히 측정될 수 있다. 이 정렬 센서들은 효과적으로 위치를 측정하는 장치들이다. 상이한 타입들의 정렬 마크들 및 상이한 타입들의 정렬 센서들이 알려져 있으며, 예를 들어 상이한 제조자들에 의해 제공된다.
계속해서 더 정확한 위치 측정들을 제공하고, 특히 제품 피처들이 점점 더 작아짐에 따라 오버레이 오차들을 제어할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 본 명세서에서 확인되든 확인되지 않든 종래의 방사선 소스들과 연계된 1 이상의 문제점에 적어도 부분적으로 대처하는 대안적인 방사선 소스를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 초연속 방사선 소스(supercontinuum radiation source)가 제공되고, 이는: 펄스화된 펌프 방사선 빔(pulsed pump radiation beam)을 수용하고 복수의 펄스화된 서브-빔들을 형성하도록 배치되는 조명 광학기 -각각의 펄스화된 서브-빔은 펄스화된 펌프 방사선 빔의 일부분을 포함함- ; 복수의 펄스화된 서브-빔들 중 적어도 하나를 수용하고 그 펄스화된 서브-빔의 스펙트럼을 확장하여 초연속 서브-빔을 생성하도록 각각 배치되는 복수의 도파관들; 및 복수의 도파관들 각각으로부터 초연속 서브-빔을 수용하고 이들을 조합하여 초연속 방사선 빔을 형성하도록 배치되는 수집 광학기를 포함한다.
초연속광(Supercontinuum) 생성은 비선형 매질을 통한 짧은 고출력 펄스들의 전파를 통해 (약 400 nm 내지 2500 nm의 파장 범위를 갖는) 넓은 연속 스펙트럼의 형성이다. 초연속광이라는 용어는 특정한 현상을 포함하는 것이 아니라, 오히려 광 펄스들의 상당한 스펙트럼 확장을 초래하는 복수의 비선형 효과들을 포함한다. 관련 비선형 효과들은 자기-위상 변조(self-phase modulation), 라만 산란(Raman scattering), 위상 매칭(phase matching) 및 솔리톤(solitons)과 같은 재료 및 카운트 효과(count effect)의 분산에 의존한다. 현재의 초연속 광섬유 레이저는 광섬유에서 비선형 효과들을 효과적으로 개시하는 고-피크-파워 펌프 소스 및 초연속광 생성을 위한 특정 길이의 광자 결정 광섬유(photonic crystal fiber)를 포함한다.
초연속 방사선 소스는 일반적으로 정렬 마크 측정 시스템 또는 반도체 검사 장치와 같은 광학 측정 시스템에 적절할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초연속 방사선 소스는 예를 들어 의학적 토모그래피(medical tomography), 섬유 또는 구성요소 감쇠의 측정, 간섭계법 또는 분광학, 광 간섭성 토모그래피, 공초점 현미경법, 나노기술, 생물의학, 가전제품 등과 같은, 리소그래피 기술 분야 이외의 다른 기술 분야들에 유리하게 적용될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시형태는 넓은 스펙트럼을 갖는 방사선 소스를 제공하며, 이는 정렬 마크 측정 시스템에 특히 유용하다. 초연속광들은 펌프 방사선 빔의 펄스들이 도파관들을 통해 전파함에 따라 다양한 비선형 광학 효과들의 결과로서 형성된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "도파관"이라는 용어는 파(wave), 특히 전자기파를 안내하도록 구성되는 구조체 또는 매체를 의미함을 이해할 것이다. 이러한 도파관은 집적 광학 시스템의 일부를 형성할 수 있으며, 즉 이는 "온칩(on-chip)"으로 제공될 수 있다. 대안적으로, 이러한 도파관은 자유 공간 도파관(free space waveguide)들일 수 있다. 자유 공간 도파관들은, 예를 들어 광자 결정 광섬유를 포함하는 여러 가지 상이한 타입들의 광섬유들을 포함한다.
이 효과들의 고유한 비선형 성질로 인해, 펌프 방사선 소스가 안정적이었던 경우 -그 출력이 실질적으로 펄스 대 펄스 변동들을 갖지 않음- 에도 초연속 방사선 소스는 전형적으로 스펙트럼 잡음, 펄스 대 펄스 변동, 및 불안정한 출력 모드를 겪는다.
본 발명의 제 1 실시형태는 복수의 초연속광들이 (복수의 도파관들 각각에서 하나씩) 생성되고 (수집 광학기에 의해) 중첩되는 구성을 제공한다. 이러한 구성은 상이한 개별적인 초연속광들에서의 잡음 및 펄스 대 펄스 변동이 적어도 부분적으로 서로 상쇄될 것이기 때문에 종래 구성들보다 유리하다. 그러므로, 상기 구성은 종래 구성들보다 더 안정한 출력을 필요로 하는 정렬 마크 측정 시스템들에서 사용하기에 적절한 타입의 넓은 스펙트럼 방사선 소스를 제공하여, 이러한 정렬 마크 측정 시스템들을 사용하여 충분한 정확성의 측정들이 수행되게 한다.
일반적으로, 도파관은 방사선의 세기(즉, 단위 면적당 파워)가 그 도파관에 대한 임계값 이하인 경우에 방사선을 지지할 수 있을 것이다. 임계값을 넘는 세기를 갖는 방사선이 도파관에 커플링되는 경우, 이는 손상될 수 있다. 펄스화된 펌프 방사선 빔을 복수의 펄스화된 서브-빔들로 분할함으로써 -그 각각이 상이한 도파관을 통해 전파하여 초연속광을 발생시킴- , 본 발명의 제 1 실시형태는 펄스화된 펌프 방사선 빔의 파워로 하여금 복수의 도파관들에 걸쳐 퍼지게 한다. 따라서, 복수의 도파관들로의 펄스화된 펌프 방사선 빔의 패시브 커플링(passive coupling)이 [즉, 여하한의 (광학) 증폭을 적용하지 않고] 제공된다. 이는 복수의 도파관들 각각의 단면적이 소스의 주어진 원하는 출력 파워에 대하여 종래 초연속광 소스들에서의 단일 도파관에 비해 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 특히, 몇몇 실시예들에서, (예를 들어, 1 W 급 이상의 파워를 갖는) 비교적 밝은 방사선 소스에 대해서도 도파관들의 치수들이 충분히 감소되어 도파관들이 집적 광학기를 포함할 수 있도록 한다. 즉, 도파관들은 (예를 들어, 집적 광학 시스템으로서) 칩 상에 제공될 수 있고 반도체 제조 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 초연속광 소스의 잡음 및 펄스 대 펄스 변동은 다수 인자들에 의존하며, 주 인자들 중 하나는 초연속광 생성을 유도하는 비선형 공정들이 작용할 수 있는 상호작용 길이이다. 이러한 온칩 도파관들은 초연속광 생성을 유도하는 비선형 공정들이 작용할 수 있는 상호작용 길이들이, 예를 들어 초연속광 생성에 사용되는 자유 공간 도파관들(예를 들어, 광자 결정 광섬유)보다 작을 수 있다. 차례로, 이는 종래 초연속광 소스에서의 단일 도파관에 비해 복수의 도파관들 각각에 의해 생성되는 초연속광의 잡음 및 펄스 대 펄스 변동을 감소시킨다.
그러므로, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 방사선 소스는 방사선 소스의 잡음 및 펄스 대 펄스 변동의 이중 개선을 허용한다. 각각의 개별적인 초연속광은 (주어진 총 출력 파워에 대해) 종래 구성보다 더 안정한 출력으로 생성될 수 있으며, 또한 복수의 초연속광들은 조합되어 적어도 부분적으로 잡음 및 펄스 대 펄스 변동들을 평균한다.
본 발명의 제 1 실시형태의 또 다른 이점은 초연속 방사선 소스가 소정 레벨의 중복(redundancy)을 갖고 복수의 도파관들 중 하나의 고장 시에도 여전히 어느 정도까지 작동할 수 있다는 것이다.
복수의 도파관들은 집적 광학기를 포함할 수 있다. 즉, 도파관들은 (예를 들어, 집적 광학 시스템으로서) 칩 상에 제공될 수 있고, 반도체 제조 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 온칩 도파관들은 일반적으로 초연속광 생성을 유도하는 비선형 공정들이 작용할 수 있는 상호작용 길이들이, 예를 들어 초연속광 생성에 사용되는 자유 공간 도파관들(예를 들어, 광자 결정 광섬유)보다 작다. 차례로, 이는 종래 초연속광 소스들에서의 단일 도파관에 비해 복수의 도파관들 각각에 의해 생성되는 초연속광의 잡음 및 펄스 대 펄스 변동을 감소시킨다. 또한, 집적 광학기의 더 짧은 상호작용 길이, 컴팩트한 크기, 및 성숙한 제작 기술들은 초연속 방사선 소스로 하여금 초연속 방사선 소스에 의해 출력되는 초연속 방사선 빔에 걸친 더 우수한 모드 제어 및 편광 제어로부터 이익을 얻게 한다.
복수의 도파관들은 실리콘 니트라이드(Si3N4)로부터 형성될 수 있고, 클래딩 재료 또는 실리콘 또는 실리콘 디옥사이드(SiO2)에 의해 둘러싸일 수 있다.
복수의 도파관들은 공통 기판 상에 형성될 수 있다.
복수의 도파관들 각각은 약 1 ㎛ 이하의 폭 및 약 500 nm 이하의 높이를 가질 수 있다. 복수의 도파관들 각각은 10 mm 이하의 길이를 가질 수 있다.
초연속 방사선 빔은 적어도 1 W의 파워를 가질 수 있다. 이 정도의 출력 파워를 갖는 알려진 초연속 방사선 소스들은 비선형 광학 매체로서, 예를 들어 광자 결정 광섬유를 사용함으로써 가능하다. 본 발명은 비교적 밝은 초연속 방사선 소스(즉, 적어도 1 W의 출력 파워를 가짐)가 복수의 초연속광 생성 도파관들을 제공함으로써 집적 광학기로부터 형성되게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 초연속 방사선 소스는, 특히 알려진 광자 결정 광섬유 기반의 초연속 방사선 소스들보다 상당히 더 작은 매우 컴팩트한 구성을 제공한다.
초연속 방사선 빔은 400 내지 2600 nm의 파장 범위 내의 방사선을 포함하는 스펙트럼을 가질 수 있다. 이는 가시광으로부터 원적외선까지의 방사선을 포괄한다. 그러므로, 초연속 방사선 빔은 약 500 THz의 대역폭을 가질 수 있다.
초연속 방사선은 100 개 이상의 도파관들을 포함할 수 있다.
조명 광학기 및/또는 수집 광학기는 도파관들의 시스템에 의해 구현될 수 있다.
조명 광학기 및/또는 수집 광학기는 복수의 도파관들의 그룹들을 포함할 수 있으며, 복수의 도파관들의 그룹들은 순차적으로 정렬될 수 있고 도파관의 각 그룹으로부터의 도파관들은 순서대로 도파관들의 다음 그룹에서의 복수의 도파관들에 광학적으로 커플링될 수 있다.
조명 광학기 및/또는 수집 광학기는 복수의 렌즈형 광섬유(lensed fibre)들을 포함할 수 있으며, 렌즈형 광섬유들 각각은 복수의 도파관들 중 적어도 하나에 커플링된다.
조명 광학기 및/또는 수집 광학기는 렌즈들의 시스템에 의해 구현될 수 있다.
조명 광학기는 제 1 광학기 및 포커싱 광학기를 포함할 수 있다. 제 1 광학기는 방사선 소스로부터 방사선 빔을 수용하고 이를 포커싱 광학기 상으로 지향하도록 배치될 수 있다. 포커싱 광학기는 펌프 방사선 빔의 상이한 부분을 복수의 도파관들 중 적어도 2 개에 광학적으로 커플링하도록 배치될 수 있다.
포커싱 광학기는 포커싱 렌즈들의 어레이를 포함할 수 있으며, 그 각각은 펌프 방사선 빔의 상이한 부분을 복수의 도파관들 중 하나에 대한 입구 또는 그 부근의 초점에 포커스하도록 배치된다.
초연속 방사선 빔은 단일 모드를 포함할 수 있다.
조명 광학기 및 수집 광학기는 집적 광학기 및 자유 공간 광학기의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 초연속 방사선 소스를 포함하는 광학 측정 시스템이 제공된다.
본 발명의 제 3 실시형태에 따르면, 정렬 마크 측정 시스템이 제공되고, 이는: 여하한의 앞선 항의 초연속 방사선 소스; 기판 테이블 상에 제공된 기판의 정렬 마크 상으로 초연속 방사선 빔을 투영하도록 작동가능한 광학 시스템; 정렬 마크에 의해 회절/산란된 방사선을 검출하고 정렬 마크의 위치에 관한 정보를 포함한 신호를 출력하도록 작동가능한 센서; 및 센서로부터 신호를 수신하고 그에 따라 기판 테이블에 대한 정렬 마크의 위치를 결정하도록 구성되는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 제 4 실시형태에 따르면, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 정렬 마크 측정 시스템을 포함한 리소그래피 장치가 제공된다.
당업자라면 쉽게 이해하는 바와 같이, 앞서 설명된 또는 아래에서 설명되는 본 발명의 다양한 실시형태들 및 특징들은 본 발명의 다양한 다른 실시형태들 및 특징들과 조합될 수 있다.
이제 대응하는 참조 부호들이 대응하는 부분들을 나타내는 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여, 단지 예시의 방식으로만 본 발명의 실시예들을 설명할 것이다:
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬 시스템을 포함하는 리소그래피 시스템을 개략적으로 도시하는 도면;
도 1b는 도 1a의 두 기판들 중 어느 하나를 나타낼 수 있는 기판(W)의 평면도;
도 1c는 도 1a의 리소그래피 시스템에 의해 사용될 수 있는 패터닝 디바이스의 평면도;
도 2a 및 도 2b를 포함한 도 2는 도 1의 장치 내의 기판 상에 제공될 수 있는 정렬 마크의 다양한 형태들을 개략적으로 도시하는 도면;
도 3은 도 1의 장치 내의 정렬 마크를 스캐닝하는 제 1 정렬 센서의 개략적인 블록 다이어그램;
도 4는 오프-액시스(off-axis) 조명 및 선택적인 비대칭 측정 구성부(상세히 도시되지 않음)를 포함하고 다수 파장들 및 편광의 특징들을 더 나타내는, 도 1의 장치 내의 정렬 센서로서 사용될 수 있는 제 2 정렬 센서의 개략적인 다이어그램;
도 5는 도 3 및 도 4의 정렬 센서들의 일부를 형성할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 초연속 방사선 소스를 개략적으로 나타내는 도면;
도 6a는 사용 시 도파관을 통해 방사선이 전파하는 도파관의 광학 축선(z 방향)에 수직인 평면(x-y 평면)에서 집적 광학 시스템의 일부로서 제공되는 도파관의 일부분의 단면도;
도 6b는 클래딩 재료가 도시되지 않은, 도 6a에 나타낸 도파관(650)의 일부분의 부분 단면 사시도;
도 7은 도 5의 초연속 방사선 소스의 제 1 실시예를 나타내는 도면;
도 8a 및 도 8b는 도 5의 초연속 방사선 소스의 제 2 실시예의 두 가지 변형예들을 나타내는 도면; 및
도 9a 및 도 9b는 도 5의 초연속 방사선 소스의 제 3 실시예의 두 가지 변형예들을 나타내는 도면이다.
본 명세서에서는, IC 제조에 있어서 리소그래피 장치의 특정 사용예에 대하여 언급되지만, 본 명세서에 서술된 리소그래피 장치는 집적 광학 시스템, 자기 도메인 메모리용 안내 및 검출 패턴, 액정 디스플레이(LCD), 박막 자기 헤드 등의 제조와 같이 다른 적용예들을 가질 수도 있음을 이해하여야 한다. 당업자라면, 이러한 대안적인 적용예와 관련하여, 본 명세서의 "웨이퍼" 또는 "다이"라는 용어의 어떠한 사용도 각각 "기판" 또는 "타겟부"라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수도 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에서 언급되는 기판은 노광 전후에, 예를 들어 트랙(전형적으로, 기판에 레지스트 층을 도포하고 노광된 레지스트를 현상하는 툴) 또는 메트롤로지 또는 검사 툴에서 처리될 수 있다. 적용가능하다면, 이러한 기판 처리 툴과 다른 기판 처리 툴에 본 명세서의 기재내용이 적용될 수 있다. 또한, 예를 들어 다층 IC를 생성하기 위하여 기판이 한 번 이상 처리될 수 있으므로, 본 명세서에 사용되는 기판이라는 용어는 이미 여러 번 처리된 층들을 포함하는 기판을 칭할 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 "패터닝 디바이스"라는 용어는, 기판의 타겟부에 패턴을 생성하기 위해서, 방사선 빔의 단면에 패턴을 부여하는 데 사용될 수 있는 디바이스를 언급하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 방사선 빔에 부여된 패턴은 기판의 타겟부 내의 원하는 패턴과 정확히 일치하지 않을 수도 있다는 것을 유의하여야 한다. 일반적으로, 방사선 빔에 부여된 패턴은 집적 회로와 같이 타겟부에 생성될 디바이스 내의 특정 기능 층에 해당할 것이다.
패터닝 디바이스는 투과형 또는 반사형일 수 있다. 패터닝 디바이스의 예로는 마스크, 프로그램가능한 거울 어레이, 및 프로그램가능한 LCD 패널을 포함한다. 마스크는 리소그래피 분야에서 잘 알려져 있으며, 바이너리(binary)형, 교번 위상-시프트형 및 감쇠 위상-시프트형과 같은 마스크 타입, 및 다양한 하이브리드(hybrid) 마스크 타입들을 포함한다. 프로그램가능한 거울 어레이의 일 예시는 작은 거울들의 매트릭스 구성을 채택하며, 그 각각은 입사하는 방사선 빔을 상이한 방향으로 반사시키도록 개별적으로 기울어질 수 있다; 이 방식으로, 반사된 빔이 패터닝된다.
지지 구조체는 패터닝 디바이스를 유지한다. 이는 패터닝 디바이스의 방위, 리소그래피 장치의 디자인, 및 예를 들어 패터닝 디바이스가 진공 환경에서 유지되는지의 여부와 같은 다른 조건들에 의존하는 방식으로 패터닝 디바이스를 유지한다. 지지체는 기계적 클램핑, 진공, 또는 다른 클램핑 기술들, 예를 들어 진공 조건들 하의 정전기 클램핑을 이용할 수 있다. 지지 구조체는, 예를 들어 필요에 따라 고정되거나 이동가능할 수 있는 프레임 또는 테이블일 수 있으며, 이는 패터닝 디바이스가 예를 들어 투영 시스템에 대해 원하는 위치에 있을 것을 보장할 수 있다. 본 명세서의 "레티클" 또는 "마스크"라는 용어의 어떠한 사용도 "패터닝 디바이스"라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "투영 시스템"이라는 용어는, 예를 들어 사용되는 노광 방사선에 대하여, 또는 침지 유체의 사용 또는 진공의 사용과 같은 다른 인자들에 대하여 적절하다면, 굴절 광학 시스템, 반사 광학 시스템, 및 카타디옵트릭(catadioptric) 광학 시스템을 포함하는 다양한 타입들의 투영 시스템을 내포하는 것으로서 폭넓게 해석되어야 한다. 본 명세서의 "투영 렌즈"라는 용어의 어떠한 사용도 "투영 시스템"이라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "조명 시스템"이라는 용어는, 방사선 빔을 지향, 성형 또는 제어하기 위해 굴절, 반사, 및 카타디옵트릭 광학 구성요소들을 포함하는 다양한 타입들의 광학 구성요소들을 포괄할 수 있으며, 이러한 구성요소들은 아래에서 집합적으로 또는 개별적으로 "렌즈"라고 칭해질 수도 있다.
또한, 리소그래피 장치는 투영 시스템의 최종 요소와 기판 사이의 공간을 채우기 위해서, 기판이 비교적 높은 굴절률을 갖는 액체, 예컨대 물에 침지되는 형태로도 구성될 수 있다. 침지 기술은 투영 시스템의 개구수(numerical aperture)를 증가시키는 기술로 당업계에 잘 알려져 있다.
도 1a는 본 발명의 특정 실시예에 따른 리소그래피 장치를 개략적으로 도시한다. 상기 장치는:
- 방사선 빔(PB)(예를 들어, UV 방사선 또는 DUV 방사선)을 컨디셔닝(condition)하는 조명 시스템(일루미네이터)(IL);
- 프레임(MF);
- 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 지지하는 지지 구조체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT);
- 기판(예를 들어, 레지스트-코팅된 웨이퍼)(각각 W1, W2)을 각각 유지하는 2 개의 기판 테이블(예를 들어, 웨이퍼 테이블)(WT1, WT2); 및
- 2 개의 기판 테이블들(WT1, WT2) 중 하나에 의해 유지되는 기판(W)의 (예를 들어, 1 이상의 다이를 포함하는) 타겟부(C) 상으로 패터닝 디바이스(MA)에 의해 방사선 빔(PB)에 부여된 패턴을 이미징하도록 구성되는 투영 시스템(예를 들어, 굴절 투영 렌즈)(PL)을 포함한다.
프레임(MF)은 진동들과 같은 외부 영향들들로부터 실질적으로 격리되는 진동 격리된 프레임(vibration isolated frame)이다. 예를 들어, 프레임(MF)은 음향 댐핑 마운트(acoustically damping mounts: 도시되지 않음)를 통해 지상에서 베이스 프레임(도시되지 않음)에 의해 지지되어, 베이스 프레임의 진동들로부터 프레임(MF)을 격리시킬 수 있다. 이 음향 댐핑 마운트는 격리된 프레임(MF) 자체에 의해 및/또는 베이스 프레임에 의해 도입되는 진동들을 격리시키도록 능동적으로 제어될 수 있다.
도 1a에 도시된 듀얼 스테이지 리소그래피 장치에서, 정렬 시스템(AS) 및 토포그래피 측정 시스템(TMS)이 좌측에 제공되고, 투영 시스템(PL)은 우측에 제공된다. 투영 시스템(PL), 정렬 시스템(AS) 및 토포그래피 측정 시스템(TMS)은 격리된 프레임(MF)에 연결된다.
지지 구조체(MT)는 제 1 위치설정 디바이스(PM)를 통해 프레임(MF)에 이동가능하게 장착된다. 제 1 위치설정 디바이스(PM)는 프레임(MF)[및 프레임(MF)에 연결되는 투영 시스템(PL)]에 대해 패터닝 디바이스(MA)를 이동시키고, 이를 정확히 위치시키는 데 사용될 수 있다.
기판 테이블들(WT1, WT2)은 제 1 및 제 2 기판 위치설정 디바이스들(PW1, PW2) 각각을 통해 프레임(MF)에 이동가능하게 장착된다. 제 1 및 제 2 기판 위치설정 디바이스들(PW1, PW2)은 프레임(MF)[및 프레임(MF)에 연결되는 투영 시스템(PL), 정렬 시스템(AS) 및 토포그래피 측정 시스템(TMS)]에 대해 기판 테이블들(WT1, WT2) 각각에 의해 유지되는 기판들(W1, W2)을 이동시키고, 기판들(W1, W2)을 정확히 위치시키는 데 사용될 수 있다. 지지 구조체(MT) 및 기판 테이블들(WT1, WT2)은 집합적으로 대상물 테이블이라고 칭해질 수 있다. 제 1 및 제 2 기판 위치설정 디바이스들(PW1, PW2)은 각각 방사선 빔이 기판(W)의 타겟부(C)를 가로질러 스캐닝하도록 방사선 빔에 대해 스캐닝 경로를 따라 기판 테이블(WT1, WT2)을 이동시키도록 작동가능한 스캐닝 메카니즘인 것으로 간주될 수 있다.
그러므로, 도 1a에 나타낸 리소그래피 장치는 2 개의 기판 테이블들(WT1, WT2)을 갖는 형태로 구성되고, 이는 듀얼 스테이지 장치라고 칭해질 수 있다. 이러한 "다수 스테이지" 기계에서는 2 개의 기판 테이블들(WT1, WT2)이 병행하여 사용되며, 기판 테이블들 중 하나가 노광에 사용되고 있는 동안 다른 기판 테이블에서는 준비작업 단계들이 수행된다. 준비작업 단계들은 레벨 센서(LS)를 이용하여 기판의 표면을 매핑하는 단계 및 정렬 센서(AS)를 이용하여 기판 상의 정렬 마커들의 위치를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 장치의 스루풋의 실질적인 증가를 가능하게 한다. 위치 센서(IF)가 노광 스테이션뿐 아니라 측정 스테이션에서도 기판 테이블의 위치를 측정할 수 없는 경우, 두 스테이션들에서 기판 테이블의 위치들이 추적될 수 있도록 제 2 위치 센서가 제공될 수 있다.
도 1a에서, 기판 테이블(WT1)은 좌측에 배치되고 기판 테이블(WT2)은 우측에 배치된다. 이 구성에서, 기판 테이블(WT1)은 이에 의해 유지되는 기판(W1)에 관하여, 그 기판(W1)의 노광에 앞서 (아래에서 더 충분히 설명되는 바와 같은) 정렬 시스템(AS) 및 토포그래피 측정 시스템(TMS)을 이용하여 다양한 준비작업 단계들을 수행하는 데 사용될 수 있다. 동시에, 기판 테이블(WT2)은 기판 테이블(WT2)에 의해 유지되는 또 다른 기판(W2)의 노광을 위해 사용될 수 있다. 일단 기판 테이블(WT2)에 의해 유지된 기판(W2)이 노광되고 기판 테이블(WT1)에 의해 유지된 기판(W2)에 관한 준비작업 단계들이 수행되었으면, 2 개의 기판 테이블들(WT1, WT2)은 장소를 교환(swap)한다. 후속하여, 기판 테이블(WT1)에 의해 유지된 기판(W1)은 방사선에 노광되며, 앞서 방사선에 노광되었던 기판 테이블(WT2)에 의해 유지된 기판(W2)은 새로운 기판으로 교체되고 새로운 기판에 관하여 다양한 준비작업 단계들이 수행된다.
그러므로, 2 개의 기판 테이블들(WT1, WT2) 각각이 도 1a의 좌측 또는 우측 어느 하나에 배치될 수 있다. 달리 명시되지 않는 한, 다음에서 기판 테이블(WT1)은 일반적으로 그 시간에 좌측에 배치되는 기판 테이블을 지칭할 것이고 기판 테이블(WT2)은 일반적으로 그 시간에 우측에 배치되는 기판 테이블을 지칭할 것이다.
도 1b는 도 1a의 2 개의 기판들(W1, W2) 중 어느 하나를 나타낼 수 있는 기판(W)의 평면도를 나타낸다. 다음에서, 달리 명시되지 않는 한, 리소그래피 장치의 좌측 및 우측의 기판들은 기판(W)이라고 칭해질 것이다. 도 1c는 패터닝 디바이스 정렬 마크들[개략적으로 박스들(M1, M2)로서 도시됨]이 제공되는 패터닝 디바이스(MA)의 평면도를 나타낸다.
본 명세서에 도시된 바와 같이, 상기 장치는 (예를 들어, 투과 마스크를 채택하는) 투과형으로 구성된다. 대안적으로, 상기 장치는 (예를 들어, 앞서 언급된 바와 같은 타입의 프로그램가능한 거울 어레이를 채택하는) 반사형으로 구성될 수 있다.
일루미네이터(IL)는 방사선 소스(SO)로부터 방사선 빔을 수용한다. 예를 들어, 소스(SO)가 엑시머 레이저(excimer laser)인 경우, 소스(SO) 및 리소그래피 장치는 별도의 개체일 수 있다. 이러한 경우, 소스(SO)는 리소그래피 장치의 일부분을 형성하는 것으로 간주되지 않으며, 방사선 빔은 예를 들어 적절한 지향 거울 및/또는 빔 익스팬더(beam expander)를 포함하는 빔 전달 시스템(BD)의 도움으로, 소스(SO)로부터 일루미네이터(IL)로 통과된다. 다른 경우, 예를 들어 소스가 수은 램프인 경우, 소스는 상기 장치의 통합부일 수 있다. 일루미네이터(IL)는 방사선 시스템이라고 칭해질 수 있다. 대안적으로, 소스(SO) 및 일루미네이터(IL)는 필요에 따라 빔 전달 시스템(BD)과 함께 집합적으로 방사선 시스템이라고 칭해질 수 있다.
일루미네이터(IL)는 빔의 세기 분포를 변경할 수 있다. 일루미네이터는 세기 분포가 일루미네이터(IL)의 퓨필 평면 내의 환형 구역에서 0이 아니도록 방사선 빔의 반경 크기를 제한하도록 배치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 일루미네이터(IL)는 세기 분포가 퓨필 평면 내의 복수의 균등하게 이격된 섹터(equally spaced sector)들에서 0이 아니도록 퓨필 평면에서 빔의 분포를 제한하도록 작동가능할 수도 있다. 일루미네이터(IL)의 퓨필 평면에서의 방사선 빔의 세기 분포는 조명 모드라고 칭해질 수 있다.
일루미네이터(IL)는 빔의 세기 분포를 조정하는 조정 수단(AM)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 일루미네이터의 퓨필 평면 내의 세기 분포의 적어도 외반경 및/또는 내반경 크기(통상적으로, 각각 외측-σ 및 내측-σ라 함)가 조정될 수 있다. 또한, 일루미네이터(IL)는 일루미네이터의 퓨필 평면에서의 빔의 각도 분포를 변동시키도록 작동가능할 수 있다. 예를 들어, 일루미네이터(IL)는 세기 분포가 0이 아닌 퓨필 평면에서의 섹터들의 수 및 각도 크기를 변경하도록 작동가능할 수 있다. 일루미네이터의 퓨필 평면에서의 빔의 세기 분포를 조정함으로써, 상이한 조명 모드들이 달성될 수 있다. 예를 들어, 일루미네이터(IL)의 퓨필 평면에서의 세기 분포의 반경 및 각도 크기를 제한함으로써, 세기 분포는 당업계에 알려진 바와 같이, 예를 들어 다이폴(dipole), 쿼드러폴(quadrupole) 또는 헥사폴(hexapole) 분포와 같은 다중극(multi-pole) 분포를 가질 수 있다. 그 조명 모드를 일루미네이터(IL)로 제공하는 광학기를 삽입함으로써 원하는 조명 모드가 얻어질 수 있다.
일루미네이터(IL)는 빔의 편광을 변경하도록 작동가능할 수 있고, 조정 수단(AM)을 이용하여 편광을 조정하도록 작동가능할 수 있다. 일루미네이터(IL)의 퓨필 평면에 걸친 방사선 빔의 편광 상태는 편광 모드라고 칭해질 수 있다. 상이한 편광 모드들의 사용은 기판(W) 상에 형성되는 이미지에서 더 큰 콘트라스트(contrast)가 달성되게 할 수 있다. 방사선 빔은 편광되지 않을 수 있다. 대안적으로, 일루미네이터(IL)는 방사선 빔을 선형 편광시키도록 배치될 수 있다. 방사선 빔의 편광 방향은 일루미네이터(IL)의 퓨필 평면에 걸쳐 변동할 수 있으며, 즉 방사선의 편광 방향은 일루미네이터(IL)의 퓨필 평면 내의 상이한 구역들에서 상이할 수 있다. 방사선의 편광 상태는 조명 모드에 의존하여 선택될 수 있다.
또한, 일루미네이터(IL)는 일반적으로 인티그레이터(IN) 및 콘덴서(CO)와 같이, 다양한 다른 구성요소들을 포함한다. 일루미네이터(IL)는 방사선 빔의 단면에 원하는 균일성(uniformity) 및 세기 분포를 갖는 컨디셔닝된 방사선 빔(PB)을 제공한다.
컨디셔닝된 방사선 빔(PB)의 형상 및 (공간) 세기 분포는 일루미네이터(IL)의 광학기들에 의해 정의된다. 스캔 모드에서, 컨디셔닝된 방사선 빔(PB)은 패터닝 디바이스(MA) 상에 일반적으로 직사각형 밴드의 방사선을 형성하도록 이루어질 수 있다. 방사선의 밴드는 노광 슬릿(또는 슬릿)이라고 칭해질 수 있다. 슬릿은 더 긴 치수(이는 그 길이라고 칭해질 수 있음) 및 더 짧은 치수(이는 그 폭이라고 칭해질 수 있음)를 가질 수 있다. 슬릿의 폭은 스캐닝 방향(도 1에서 y 방향)에 대응할 수 있고, 슬릿의 길이는 비-스캐닝 방향(도 1에서 x 방향)에 대응할 수 있다. 스캔 모드에서, 슬릿의 길이는 단일 동적 노광 시 노광될 수 있는 타겟부(C)의 비-스캐닝 방향에서의 크기를 제한한다. 대조적으로, 단일 동적 노광 시 노광될 수 있는 타겟부(C)의 스캐닝 방향에서의 크기는 스캐닝 동작의 길이에 의해 결정된다.
"슬릿", "노광 슬릿" 또는 "방사선 밴드"라는 용어들은 리소그래피 장치의 광학 축선에 수직인 평면에서 일루미네이터(IL)에 의해 생성되는 방사선의 밴드를 지칭하기 위해 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 이 평면은 패터닝 디바이스(MA) 또는 기판(W)에, 또는 그 부근에 있을 수 있다. "슬릿 프로파일", "방사선 빔의 프로파일", "세기 프로파일" 및 "프로파일"이라는 용어들은 특히 스캐닝 방향에서 슬릿의 (공간) 세기 분포의 형상을 지칭하기 위해 상호교환하게 사용될 수 있다.
일루미네이터(IL)는 (도 1a에 B로서 개략적으로 나타낸) 2 개의 마스킹 블레이드(masking blade)들을 포함한다. 2 개의 마스킹 블레이드들 각각은 일반적으로 슬릿의 길이에 평행하고, 2 개의 마스킹 블레이드들은 슬릿의 양쪽에 배치된다. 각각의 마스킹 블레이드는 방사선 빔(PB)의 경로에 배치되지 않는 회수 위치(retracted position)와 방사선 빔(PB)을 차단하는 삽입 위치(inserted position) 사이에서 독립적으로 이동가능하다. 마스킹 블레이드들은 일루미네이터(IL)의 필드 평면에 배치된다. 그러므로, 방사선 빔의 경로로 마스킹 블레이드들을 이동시킴으로써, 방사선 빔(PB)의 프로파일은 예리하게 잘리고, 이에 따라 스캐닝 방향에서 방사선 빔(PB)의 필드의 크기를 제한할 수 있다. 마스킹 블레이드들은 노광 구역의 어느 부분들이 방사선을 수용할지를 제어하는 데 사용될 수 있다.
또한, 패터닝 디바이스(MA)는 리소그래피 장치의 필드 평면에 배치된다. 일 실시예에서, 마스킹 블레이드들은 마스킹 블레이드들 및 패터닝 디바이스(MA)가 둘 다 실질적으로 동일한 평면에 놓이도록 패터닝 디바이스(MA)에 인접하여 배치될 수 있다. 대안적으로, 마스킹 블레이드들은 이들이 각각 리소그래피 장치의 상이한 필드 평면에 놓이도록 패터닝 디바이스(MA)로부터 분리될 수 있고, 마스킹 블레이드들과 패터닝 디바이스(MA) 사이에 적절한 포커싱 광학기들(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
일루미네이터(IL)는 세기 조정기(IA)(도 1a에 개략적으로 나타냄)를 포함한다. 세기 조정기(IA)는 이제 설명되는 바와 같이, 방사선 빔의 양쪽에서 방사선 빔을 감쇠하도록 작동가능하다. 세기 조정기(IA)는 쌍을 이루어 배치되는 복수의 이동가능한 핑거(finger)들을 포함하고, 각각의 쌍은 슬릿의 각 측면에 하나의 핑거를 포함한다(즉, 핑거들의 각 쌍은 y-방향에서 분리됨). 핑거들의 쌍들은 슬릿의 길이를 따라 배치된다(즉, x-방향으로 연장됨). 각각의 이동가능한 핑거는 스캐닝 방향(y-방향)으로 독립적으로 이동가능하다. 즉, 핑거들은 슬릿의 길이에 수직인 방향으로 이동가능하다. 사용 시, 각각의 이동가능한 핑거는 스캐닝 방향으로 독립적으로 이동가능하다. 예를 들어, 각각의 이동가능한 핑거는 적어도 방사선 빔의 경로에 배치되지 않는 회수 위치와 방사선 빔을 부분적으로 차단하는 삽입 위치 사이에서 이동가능할 수 있다. 핑거들을 이동시킴으로써, 슬릿의 형상 및/또는 세기 분포가 조정될 수 있다.
필드는 핑거들이 방사선 빔(PB)을 예리하게 절단하지 않도록 핑거들의 반음영(penumbra)에 있을 수 있다. 핑거들의 쌍들은 슬릿의 길이를 따라 방사선 빔(PB)의 상이한 레벨의 감쇠를 적용하기 위해 사용될 수 있다.
핑거들은, 예를 들어 슬릿의 폭에 걸친 방사선 빔(PB)의 세기 프로파일의 적분이 슬릿의 길이를 따라 실질적으로 일정할 것을 보장하기 위해 사용될 수 있다.
일루미네이터(IL)를 나가는 방사선 빔(PB)은 지지 구조체(MT) 상에 유지되어 있는 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA) 상에 입사한다. 패터닝 디바이스(MA)를 가로질렀으면, 빔(PB)은 투영 시스템(PL)을 통과하며, 이는 기판(W)의 타겟부(C) 상으로 상기 빔을 포커스한다. 제 2 기판 위치설정 디바이스(PW2) 및 위치 센서(IF)(예를 들어, 간섭계 디바이스)의 도움으로, 기판 테이블(WT2)은 예를 들어 빔(PB)의 경로 내에 상이한 타겟부(C)들을 위치시키도록 프레임(MF)에 대해 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 위치설정 디바이스(PM) 및 또 다른 위치 센서(도 1a에 명확히 도시되지 않음)는, 예를 들어 마스크 라이브러리(mask library)로부터의 기계적 회수 후 또는 스캔 중에 프레임(MF)에 대해 패터닝 디바이스(MA)를 정확히 이동시키는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 대상물 테이블들(MT 및 WT1, WT2)의 이동은 장-행정 모듈(long-stroke module: 개략 위치설정) 및 단-행정 모듈(short-stroke module: 미세 위치설정)의 도움으로 실현될 것이며, 이는 위치설정 디바이스들(PM, PW1 및 PW2)의 일부를 형성한다. 패터닝 디바이스(MA) 및 기판(W)은 패터닝 디바이스 정렬 마크들(M1, M2) 및 기판 정렬 마크들(P1, P2)을 이용하여 정렬될 수 있다.
투영 시스템(PL)은 방사선 빔(PB)에 축소 인자를 적용하여, 패터닝 디바이스(MA) 상의 대응하는 피처들보다 작은 피처들을 갖는 이미지를 형성할 수 있다. 예를 들어, 4의 축소 인자가 적용될 수 있다.
스캔 모드에서, 제 1 위치설정 디바이스(PM)는 스캐닝 경로를 따라 일루미네이터(IL)에 의해 컨디셔닝된 방사선 빔(PB)에 대해 지지 구조체(MT)를 이동시키도록 작동가능하다. 일 실시예에서, 지지 구조체(MT)는 일정한 스캔 속도(vMT)에서 스캐닝 방향으로 선형 이동된다. 앞서 설명된 바와 같이, 슬릿은 그 폭이 스캐닝 방향(이는 도 1의 y-방향과 일치함)으로 연장되도록 방위지정된다. 여하한의 경우, 슬릿에 의해 조명되는 패터닝 디바이스(MA) 상의 각 지점은 투영 시스템(PL)에 의해 기판(W)의 평면 내의 단일 켤레 지점(conjugate point)으로 이미징될 것이다. 지지 구조체(MT)가 스캐닝 방향으로 이동함에 따라, 패터닝 디바이스(MA) 상의 패턴이 지지 구조체(MT)와 동일한 속도로 슬릿의 폭을 가로질러 이동한다. 특히, 패터닝 디바이스(MA) 상의 각 지점은 속도 vMT에서 스캐닝 방향으로 슬릿의 폭을 가로질러 이동한다. 이 지지 구조체(MT)의 동작의 결과로서, 패터닝 디바이스(MA) 상의 각 지점에 대응하는 기판(W)의 평면 내의 켤레 지점이 기판 테이블(WT2)의 평면에서 슬릿에 대해 이동할 것이다.
기판(W) 상에 패터닝 디바이스(MA)의 이미지를 형성하기 위해, 기판 테이블(WT2)은 패터닝 디바이스(MA) 상의 각 지점의 기판(W)의 평면 내 켤레 지점이 기판(W)에 대해 정지상태로 있도록 이동된다. 투영 시스템(PL)에 대한 기판 테이블(WT2)의 속력(크기 및 방향 둘 다)은 (스캐닝 방향에서의) 투영 시스템(PL)의 축소 및 이미지 반전 특성에 의해 결정된다. 특히, 기판(W)의 평면에 형성되는 패터닝 디바이스(MA)의 이미지가 스캐닝 방향에서 반전되도록 투영 시스템(PL)의 특성이 이루어지는 경우, 기판 테이블(WT2)은 지지 구조체(MT)와 반대 방향으로 이동되어야 한다. 즉, 기판 테이블(WT2)의 움직임은 지지 구조체(MT)의 움직임에 역-평행(anti-parallel)이어야 한다. 또한, 투영 시스템(PL)이 방사선 빔(PB)에 축소 인자(α)를 적용하는 경우, 주어진 시간 주기에 각각의 켤레 지점에 의해 진행되는 거리는 패터닝 디바이스 상의 대응하는 지점에 의해 진행되는 것보다 α배 작을 것이다. 그러므로, 기판 테이블(WT2)의 속도의 크기 |vMT|는 |vMT|/α이어야 한다.
타겟부(C)의 노광 동안, 일루미네이터(IL)의 마스킹 블레이드들은 방사선 빔(PB)의 슬릿의 폭을 제어하는 데 사용될 수 있고, 이는 차례로 패터닝 디바이스(MA) 및 기판(W)의 평면들 각각에서 노광 구역들의 크기를 제한한다. 즉, 일루미네이터의 마스킹 블레이드들은 리소그래피 장치에 대한 필드 스톱(field stop)의 역할을 한다.
스캔 모드를 이용하여, 리소그래피 장치는 방사선으로 실질적으로 고정된 영역을 갖는 기판(W)의 타겟부(C)를 노광하도록 작동가능하다. 예를 들어, 타겟부(C)는 다이의 부분, 하나 또는 수 개의 다이들을 포함할 수 있다. 단일 웨이퍼가 복수의 단계들에서 방사선에 노광될 수 있고, 각각의 단계는 타겟부(C)의 노광 후 기판(W)의 이동을 수반한다. 제 1 타겟부(C)의 노광 후, 리소그래피 장치는 또 다른 타겟부(C)가 방사선에 노광될 수 있도록 투영 시스템(PL)에 대해 기판(W)을 이동시키도록 작동가능할 수 있다. 예를 들어, 기판(W) 상의 2 개의 상이한 타겟부(C)들의 노광들 사이에서, 기판 테이블(WT2)은 다음 타겟부가 노광 구역을 통해 스캐닝될 준비가 되도록 다음 타겟부를 위치시키기 위해 기판(W)을 이동시키도록 작동가능할 수 있다.
대안적으로, 도시된 장치는 또 다른 모드에서 사용될 수 있고, 이때 지지 구조체(MT)는 프로그램가능한 패터닝 디바이스를 유지하여 기본적으로 정지된 상태로 유지되며, 빔(PB)에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영되는 동안 기판 테이블(WT2)이 이동되거나 스캐닝된다. 이 모드에서는, 일반적으로 펄스화된 방사선 소스(pulsed radiation source)가 채택되며, 프로그램가능한 패터닝 디바이스는 기판 테이블(WT2)의 매 이동 후, 또는 스캔 중에 계속되는 방사선 펄스 사이사이에 필요에 따라 업데이트된다. 이 작동 모드는 앞서 언급된 바와 같은 타입의 프로그램가능한 거울 어레이와 같은 프로그램가능한 패터닝 디바이스를 이용하는 마스크없는 리소그래피(maskless lithography)에 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 상술된 사용 모드들의 조합 및/또는 변형, 또는 완전히 다른 사용 모드들이 채택될 수도 있다.
아래에서 더 설명되는 바와 같이, 정렬 시스템(AS)은 좌측 기판 테이블(WT1) 상에 유지되는 기판(W) 상에 제공된 정렬 마크들[도 1b에서 박스들(P1, P2)에 의해 개략적으로 도시됨]의 위치들을 측정한다. 또한, 토포그래피 측정 시스템(TMS)은 좌측 기판 테이블(WT1) 상에 유지된 기판(W)의 표면의 토포그래피를 측정하는 데 사용된다. 제 1 기판 위치설정 디바이스(PW1) 및 위치 센서(도 1a에 명확히 도시되지 않음)는 프레임(MF)[및 이에 연결된 정렬 시스템(AS) 및 토포그래피 측정 시스템(TMS)]에 대해 기판 테이블(WT1)을 정확히 위치시키는 데 사용될 수 있다.
토포그래피 측정 시스템(TMS)은 기판(W1)의 높이를 나타내는 신호(s1)를 출력하도록 작동가능할 수 있다. 정렬 센서(AS)는 기판 테이블(WT1) 또는 기판(W1) 상의 1 이상의 정렬 마크의 위치를 나타내는 신호(s2)를 출력하도록 작동가능할 수 있다. 출력 신호들(s1, s2)은 프로세서(PR)에 의해 수신된다.
토포그래피 측정 시스템(TMS)에 의해 출력되는 신호(s1)는 기판(W1)의 높이를 결정하도록 프로세서(PR)에 의해 분석될 수 있다. 프로세서(PR)는 기판(W1)의 토포그래피의 맵을 생성하는 데 사용될 수 있다. 프로세서(PR)는 메모리를 포함할 수 있고, 전체 기판(W1)의 토포그래피에 관한 정보를 저장하도록 작동가능할 수 있다. 기판(W1)의 표면의 토포그래피는 높이 맵이라고 칭해질 수 있다. (도 1a의 우측에서의) 기판(W)의 노광 동안, 투영 시스템(PL)의 초점면에 기판(W)을 유지하는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 기판 테이블(WT2)은 z 방향으로 이동될 수 있고, 기판 테이블(WT2)의 상기 이동은 [토포그래피 측정 시스템(TMS)에 의해 앞서 결정된 바와 같은] 기판(W)의 표면의 토포그래피에 의존하여 결정된다.
정렬 센서(AS)에 의해 출력되는 신호(s2)는 기판 테이블(WT1) 및 기판(W1) 상의 1 이상의 정렬 마크의 위치들을 결정하도록 프로세서(PR)에 의해 분석될 수 있다. 제 1 기판 위치설정 디바이스(PW1)는 정렬 센서(AS) 아래에 각각의 정렬 마크를 위치시키기 위해 기판 테이블(WT1)을 이동시키도록 작동가능할 수 있는 한편, 차례로 위치 센서(IF)[위치 센서(IF) 또는 측정 스테이션에 지정된 또 다른 위치 센서]가 기판 테이블(WT1)을 측정한다. 초기 단계로서, 제 1 기판 위치설정 디바이스(PW1)는 정렬 센서(AS) 아래에 기판 테이블(WT1) 상의 1 이상의 정렬 마크를 위치시키는 데 사용될 수 있고, 정렬 마크들 각각의 위치가 결정된다. 후속하여, 제 1 기판 위치설정 디바이스(PW1)는 정렬 센서(AS) 아래에 기판(W1) 상의 1 이상의 정렬 마크를 위치시키는 데 사용될 수 있고, 정렬 마크들 각각의 위치가 결정된다. 예를 들어, 각각의 정렬 마크가 정렬 센서(AS) 바로 아래에 있는 동안에 위치 센서에 의해 결정되는 바와 같은 기판 테이블(WT1)의 위치가 기록될 수 있다. 효과적으로, 기판 테이블(WT1) 상의 정렬 마크들의 위치 측정은 위치 센서[예를 들어, 센서(IF)]에 의해 결정되는 바와 같은 기판 테이블(WT1)의 위치로 하여금 [정렬 시스템(AS)이 연결되는 프레임(MF)에 대해] 캘리브레이션되게 한다. 기판(W1) 상의 정렬 마크들의 위치 측정은 기판 테이블(WT1)에 대한 기판(W1)의 위치가 결정되게 한다.
프로세서(PR)는 디지털 신호 처리 시스템인 것으로 간주될 수 있다. 프로세서(PR)는, 예를 들어 1 이상의 마이크로프로세서 또는 1 이상의 FPGA(Field-Programmable Gate Arrays) 등을 포함할 수 있다.
정렬 시스템(AS) 및 토포그래피 측정 시스템(TMS)으로부터의 데이터에 추가하여, 프로세서(PR)는 또한 제 1 기판 위치설정 디바이스(PW1) 및/또는 위치 센서[예를 들어, 센서(IF)]로부터 기판 테이블(WT1) 위치 정보(도 1a의 s3 신호 참조)를 수신한다. 기판이 (통상적으로 클램프를 통해) 기판 테이블(WT1)에 고정되기 때문에, 정렬 센서(AS)로부터의 정보는 기판 테이블(WT1)에 관한 위치 정보를 기판(W)에 관한 위치 정보로 전환하는 데 사용될 수 있다.
상기 장치는 설명된 다양한 액추에이터들 및 센서들의 이동들 및 측정들을 모두 제어하는 리소그래피 장치 제어 유닛(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 리소그래피 장치 제어 유닛은 상기 장치의 작동에 관련된 바람직한 계산들을 실행하기 위한 신호 처리 및 데이터 처리 능력을 포함할 수 있다. 프로세서(PR)는 리소그래피 장치 제어 유닛의 일부를 형성할 수 있다. 실제로, 리소그래피 장치 제어 유닛은 각각 장치 내의 서브시스템 또는 구성요소의 실시간 데이터 수집, 처리, 및 제어를 다루는 많은 서브-유닛들의 시스템으로서 실현될 수 있다. 예를 들어, 하나의 처리 서브시스템이 제 1 및 제 2 기판 위치설정 디바이스들(PW1, PW2)의 서보 제어(servo control)에 지정될 수 있다. 별도의 유닛들이 개략 및 미세 액추에이터들, 또는 상이한 축선들을 다룰 수도 있다. 또 다른 유닛은 위치 센서(IF)(및 사용되는 경우, 측정 스테이션을 위한 또 다른 위치 센서)의 판독(readout)에 지정될 수 있다. 상기 장치의 전체 제어는 이 서브-시스템들의 처리 유닛들, 조작자들, 및 리소그래피 제조 공정에 관련된 다른 장치들과 통신하는 중앙 처리 유닛에 의해 제어될 수 있다.
도 2a는 각각 X-위치 및 Y-위치의 측정을 위해 기판(W) 상에 제공되는 정렬 마크들(202, 204)의 예시들을 나타낸다. 이 예시에서의 각각의 정렬 마크는 기판에 적용되거나 기판으로 에칭되는 제품 층 또는 다른 층에 형성된 일련의 바아(bar)들을 포함한다. 바아들은 규칙적으로 이격되고, 정렬 마크가 충분히 잘 알려진 공간 주기(피치)를 갖는 회절 격자로서 간주될 수 있도록 격자 라인들로서 작용한다. X-방향 정렬 마크(202) 상의 바아들은 Y-축에 평행하여 X 방향으로 주기성을 제공하는 한편, Y-방향 정렬 마크(204) 상의 바아들은 X-축에 평행하여 Y 방향으로 주기성을 제공한다. 정렬 센서(AS)(도 1에 도시됨)는 방사선의 스폿[206(X 방향), 208(Y 방향)]으로 각각의 정렬 마크를 광학적으로 스캐닝하여, 사인파(sine wave)와 같은 주기적으로 변하는 신호를 얻는다. 이 신호의 위상은, 상기 장치의 프레임(MF)에 대해 고정되는 정렬 센서에 대해 정렬 마크의 위치, 및 이에 따른 기판(W)의 위치를 측정하도록 분석된다. 스캐닝 이동은 굵은 화살표에 의해 개략적으로 도시되며, 스폿(206 또는 208)의 진행 위치들이 점선 윤곽으로 도시된다. 정렬 패턴에서의 바아들(격자 라인들)의 피치는 통상적으로 기판 상에 형성될 제품 피처들의 피치보다 훨씬 더 크며, 정렬 센서(AS)는 기판에 패턴들을 적용하는 데 사용될 노광 방사선보다 훨씬 더 긴 방사선의 파장(또는 일반적으로 복수의 파장들)을 사용한다. 하지만, 다수의 바아들이 반복 신호의 위상으로 하여금 정확히 측정되게 하기 때문에, 미세 위치 정보가 얻어질 수 있다.
개략 및 미세 마크들이 제공되어, 정렬 센서가 주기적 신호의 상이한 사이클들, 및 사이클 내의 정확한 위치(위상)를 구별할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상이한 피치들의 정렬 마크들이 사용될 수도 있다. 이 기술들도 당업자에게 잘 알려져 있으며, 본 명세서에서 상세히 설명되지 않을 것이다. 이러한 센서들의 디자인 및 작동은 당업계에 잘 알려져 있으며, 각각의 리소그래피 장치가 그 자체의 센서 디자인을 가질 수 있다. 정렬 센서(AS)는 일반적으로 US 6961116(den Boef 외)에 설명된 형태로 이루어질 수 있다. 도 2b는 유사한 정렬 시스템과 사용되는 변형된 정렬 마크를 나타내며, 이 X-위치 및 Y-위치는 조명 스폿(206 또는 208)으로의 단일 광학 스캔을 통해 얻어질 수 있다. 정렬 마크(210)는 X-축 및 Y-축 모두에 대해 45 도로 배치된 바아들을 갖는다. 이 조합된 X- 및 Y-측정은 공개된 특허 출원 US 2009/195768 A(Bijnen 외)에 설명된 기술들을 이용하여 수행될 수 있다.
도 3은 알려진 정렬 센서(AS)의 개략적인 블록 다이어그램이다. 조명 소스(220)가 1 이상의 파장의 방사선 빔(222)을 제공하고, 이는 스폿 거울(spot mirror: 223)에 의하여 대물 렌즈(224)를 통해 기판(W) 상에 위치된 정렬 마크(202)와 같은 정렬 마크 상으로 방향전환된다. 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 앞서 언급된 US 6961116에 기초한 본 발명의 정렬 센서의 예시에서, 정렬 마크(202)가 조명되는 조명 스폿(206)은 정렬 마크 자체의 폭보다 직경이 약간 더 작을 수 있다.
정렬 마크(202)에 의해 회절된 방사선이 대물 렌즈(224)에 의해 수집(pick up)되고, 정보-전달 빔(information-carrying beam: 226)으로 시준(collimate)된다. 자기-참조 간섭계(228)가 앞서 언급된 US 6961116에 기재된 형태로 이루어지며, 빔(226)을 처리하고 센서 어레이(230) 상으로 (각각의 파장에 대한) 개별적인 빔들을 출력한다. 이 시점에, 정보-전달 빔(226)이 정렬 마크(202)로부터의 고차 회절 방사선만을 포함하도록, 편리하게는 스폿 거울(223)이 0차 차단부(zero order stop)의 역할을 한다(이는 측정에 필수적인 것이 아니라, 신호 대 잡음비를 개선한다). 센서 그리드(230)의 개별적인 센서들로부터의 세기 신호들(232)이 처리 유닛(PU)에 제공되고, 이는 도 1의 프로세서(PR)의 일부를 형성할 수 있다. 블록(228)에서의 광학 처리 및 유닛(PU)에서의 전산 처리(computational processing)의 조합에 의해, 기준 프레임(RF)에 대한 기판 상의 X- 및 Y-위치에 대한 값들이 출력된다. 처리 유닛(PU)은 도 1에 나타낸 제어 유닛(LACU)과 별개일 수 있으며, 또는 이들은 디자인 선택 및 편의상 동일한 처리 하드웨어를 공유할 수 있다. 유닛 PU가 별개인 경우, 신호 처리의 일부분은 유닛 PU에서 수행되고 또 다른 부분은 유닛 LACU에서 수행될 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 예시된 형태의 신호 측정은 단지 정렬 마크의 한 피치에 대응하는 소정 범위 내에서 정렬 마크의 위치를 고정한다. 이와 함께 더 개략적인 측정 기술들이 사용되어, 사인파의 어느 주기가 마크 위치를 포함한 주기인지를 식별한다. 정렬 마크를 이루는 재료 및 정렬 마크가 놓이는 재료에 관계없이 정렬 마크의 견실(robust)한 검출을 위해, 및/또는 증가된 정확성을 위해, 개략 및/또는 미세 레벨에서의 동일한 과정이 상이한 파장들로 반복될 수 있다. 파장들은 동시에 처리되도록 광학적으로 다중화(multiplex) 및 역다중화(demultiplex)될 수 있으며, 및/또는 이들은 시간 분할 또는 주파수 분할에 의해 다중화될 수 있다. 본 기재내용의 예시들은 수 개의 파장들에서의 측정을 이용하여, 실용적이고 견고한 측정 장치(정렬 센서)에 정렬 마크 비대칭에 대한 감소된 민감도를 제공할 것이다.
측정 공정을 더 상세히 언급하면, 도 3에서 VW로 표시된 화살표는 스폿(206)이 정렬 마크(202)의 길이(L)를 가로지르는 스캐닝 속도를 예시한다. 이 예시에서, 정렬 센서(AS) 및 스폿(206)은 실제로는 정지상태로 유지되는 한편, 기판(W)이 속도 VW로 이동한다. 따라서, 정렬 센서는 기준 프레임(RF)(도 1)에 견고하고 정확하게 장착되는 한편, 기판(W)의 이동 방향의 반대 방향으로 정렬 마크(202)를 효과적으로 스캐닝할 수 있다. 기판(W)은 이 이동에 있어서 기판 테이블(WT) 및 기판 위치설정 시스템(PW) 상에 장착됨으로써 제어된다. 나타낸 모든 이동들은 X 축에 평행하다. Y 방향으로 스폿(208)을 갖는 정렬 마크(204)를 스캐닝하기 위해 유사한 동작들이 적용된다.
공개된 특허 출원 US 2012-0212749 A1에 설명된 바와 같이, 리소그래피 장치에 요구되는 높은 생산성 요건들은 기판 상의 다수 위치들에서 정렬 마크들의 측정이 가능한 한 신속하게 수행될 것을 요구하며, 이는 스캐닝 속도(VW)가 빠르고 대응하여 각각의 정렬 마크 위치의 취득에 이용가능한 시간(TACQ)이 짧다는 것을 함축한다. 단순히 말하면, 공식 TACQ = L/VW가 적용된다. 앞선 출원 US 2012-0212749 A1은 취득 시간을 연장하기 위해 상반되는 스폿의 스캐닝 동작을 부여하는 기술을 설명한다. 동일한 스캐닝 스폿 기술들이 필요에 따라 본 명세서에 기재된 형태의 센서들 및 방법들에 적용될 수 있다.
도 4는 앞서 언급된 공개공보 US 6,961,116 및 US 2009/195768에 설명된 것의 변형된 버전인 정렬 센서의 광학 시스템을 예시한다. 이는 오프-액시스 조명 모드들의 옵션을 도입하고, 이는 특히 더 큰 정확성을 위해 정렬 마크의 감소된 피치를 허용한다. 또한, 광학 시스템은 별도의 스케터로미터 기구보다는 정렬 센서로 스케터로메트리 타입 측정들이 수행되게 할 수 있다. 도 4에서, 간명함을 위해 오프-액시스 및 온-액시스 모드들의 조명을 제공하는 것의 세부내용들은 생략된다. 본 기재내용에 대해, 다수 파장들 및 편광들의 세부내용들을 나타내는 것이 더 관심을 끈다.
도 4에 나타낸 광학 시스템 전체에 걸친 점선에 의해 수 개의 브랜치들을 갖는 광학 축선(O)이 도시된다. 도 3의 개략적인 다이어그램과 비교하기 쉽도록, 도 4에 나타낸 광학 시스템의 몇몇 부분들은 도 3에서 사용된 것들과 유사한, 맨앞자리가 "2" 대신에 "4"인 참조 부호들로 표시된다. 이에 따라, 광 소스(420), 조명 빔(422), 대물 렌즈(424), 정보 전달 빔(426), 자기-참조 간섭계(428) 및 검출기 구성부(detector arrangement: 430)를 참조한다. 검출기 구성부로부터의 신호들은 처리 유닛(PU)에 의해 처리되며, 이는 아래에서 설명되는 신규한 특징들을 구현하고 각각의 정렬 마크에 대해 (개선된) 위치 측정(POS)을 출력하도록 변형된다.
이 더 상세한 개략적인 다이어그램에 나타낸 추가적인 구성요소들은 다음과 같다. 조명 서브시스템(440)에서, 소스(420)로부터의 방사선이 광섬유(442)를 통해 조명 프로파일링 광학기(illumination profiling optics: 446)에 전달된다. 이는 빔 스플리터(454)를 통해 퓨필 평면(P)을 갖는 대물 렌즈(424)로 입력 빔(422)을 전달한다. 대물 렌즈(424)는 웨이퍼(W) 상의 정렬 마크(202/204/210)에 스폿(406)을 형성한다. 정렬 마크에 의해 회절된 정보-전달 빔(426)이 빔 스플리터(454)를 통해 간섭계(428)로 건네진다. 간섭계(428)는 정보 전달 빔을 직교 편광을 갖는 두 부분으로 분할하며, 이 부분들을 광학 축선을 중심으로 서로에 대해 180 °회전시키고 이들을 나가는 빔(482)으로 조합한다. 나가는 빔(482)은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 검출기 구성부(430)에 들어간다.
비대칭 측정 구성부(460)가 본 예시에 포함된다. 구성부(460)는 간섭계에 앞서 위치된 제 2 빔 스플리터(462)를 통해 정보 전달 빔(426)의 일부분(464)을 수용한다. 또 다른 특허 출원 US 20125227061이 검출기(430)를 통해 얻어진 위치 정보를 이용한 비대칭의 측정을 위한 기술들을 설명한다. 비대칭 측정 구성부(460)는 선택적이고, 이에 따라 다른 실시예들에서 생략될 수 있음을 이해할 것이다.
조명 프로파일링 광학기(446)는 다양한 형태들을 취할 수 있으며, 그 일부가 선특허 출원 US 2015109624에 더 상세히 설명된다. 그에 기재된 예시들에서는, 검출기 측에서 공간 분해능을 필요로 하지 않고 감소된 격자 피치들의 사용을 허용하는 정렬 센서들(더 일반적으로는, 위치 측정 장치들)이 도시된다. 조명 모드들의 사용에 의해, 이 장치들이 현재 검출기 디자인을 변화시키지 않고 폭넓은 범위의 상이한 피치들, 예를 들어 1 ㎛ 미만으로부터 20 ㎛까지의 피치들을 갖는 정렬 마크들의 위치들을 측정할 수 있다. 선출원 US 2015109624에 설명된 예시들에 대해 공통인 특정한 특징은 제한된 범위의 입사각들(퓨필 평면에서 제한된 반경방향 크기)에서의 오프-액시스 조명의 사용에 대한 옵션이다. 오프-액시스 조명은 방사선의 소스 구역들이 퓨필의 주변부에 한정되는 것, 즉 광학 축선으로부터 약간 떨어지는 것을 의미한다. 조명을 퓨필의 극단적인 주변에 한정하는 것은 실질적으로 λ/NA로부터 실질적으로 λ/2NA로 정렬 마크의 가능한 최소 피치를 감소시키며, 이때 λ는 사용되는 방사선의 파장이고 NA는 기구(예를 들어, 정렬 센서 또는 더 일반적으로는 위치 측정 장치)의 대물 렌즈의 개구수이다. 또한, 선출원 US 2015109624에 설명된 예시들은 장치의 빔 스플리터에서 특정한 분포의 스폿 거울들을 사용하며, 이는 원하는 조명을 제공할 수도 있고 0차 회절 방사선에 대한 필드 스톱으로서 작용할 수도 있다. 조명 모드를 변화시키지 않고 여하한의 X, Y 및 XY 정렬 마크들 상에서의 정렬을 허용하는 '보편적(universal)' 조명 프로파일이 디자인될 수 있지만, 이는 불가피하게 약간의 장치의 복잡함 및/또는 약간의 성능 약화를 가져온다. 대안적으로, 전용 모드(dedicated mode)들이 디자인될 수 있으며, 상이한 정렬 마크 타입들과 사용하기 위해 선택가능하도록 이루어질 수 있다. 또한, 상이한 조명 편광들이 선택될 수 있다.
전체로서 장치는 이 특정한 오프-액시스 조명 프로파일들을 제공하는 것에 제한될 필요는 없다. 이는 알려지거나 아직 개발중인 다른 사용 모드들을 가질 수 있고, 이는 상이한 프로파일들의 사용을 선호한다. 예를 들어, 장치는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 상이한 정렬 마크 타입들에 대해 온- 및 오프-액시스 조명 모드들의 선택을 제공할 수 있다. 오프-액시스 조명이 더 미세한 격자들과의 사용에 관심이 있는 한편, 온-액시스 조명 프로파일은 기존 정렬 마크들 및 측정 방법들과의 호환성을 위해 유용할 수 있다. 첫째로, 도 3의 알려진 센서에서 사용되는 바와 같은 온-액시스 모드의 예시를 참조하면, 기판에 수직인 조명이 어두운 퓨필 내에서 중심의 밝은 스폿을 갖는 온-액시스 조명 프로파일에 의해 제공된다. 이 프로파일은 장치의 조명 빔(422)에서의 선택적인 세팅이다. 이 예시에서, 광학 축선을 따라 되돌아가는 0차 빔은 간섭계(428)로의 진입 전에 차단되고, 또한 (제공되는 경우) 비대칭 측정 구성부(460)에 전달되는 것이 바람직하다. 간섭계(428) 전에 0차를 차단하는 것은 필수적이지 않지만, 위치 신호의 신호 대 잡음비를 개선한다. 따라서, 이 실시예에서, 스폿 거울이 제 2 빔 스플리터(462)에 포함될 수 있다. 제 1 스플리터(454)는 은도금(silver)되지 않고, 중심 스폿의 세기의 50 % 정도만이 정렬 마크에 전달될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 구성부(460)가 생략되는 경우, 이 프로파일은 조명 프로파일러(446)에 의해 직접 생성되고, 제 1 빔 스플리터(454) 내의 스폿 거울에 의해 완전한 세기에서 대물렌즈(424)에 전달될 수 있다. 원하는 프로파일을 얻기 위해 다양한 대안예들이 생각될 수 있다.
오프-액시스 조명 프로파일들은 실용적인 기구를 형성하도록 다수 방식들에서 생성될 수 있으며, 반대되는 세그먼트들은 원하는 신호를 생성하기 위해 간섭계(428)에 대해 가간섭성(coherent)이어야 한다는 것을 명심한다. 특히, 광대역 소스가 수반되는 경우, 소스 방사선의 가간섭성 길이/시간은 매우 짧을 것이다. 단색 레이저 소스로도, US 6961116은 예를 들어 바람직하지 않은 다수 반사들로부터의 간섭을 제거하기 위해 짧은 가간섭성 시간이 바람직하다고 교시한다. 결과적으로, 소스로부터 각각의 세그먼트까지의 광학 경로 길이들은 매우 가깝게 매칭되어야 한다. 원하는 프로파일에 직접 대응하는 어퍼처가 넓어진 평행 빔에 배치될 수 있지만, 이는 비교적 큰 광 손실을 유도할 것이다. 광 손실을 피하기 위해, 앞서 언급된 선출원 US 2015109624에서 다양한 대안적인 해결책들이 제공된다.
조명 소스(442)로부터 나오는 조명은 단색일 수 있지만, 통상적으로 사실상 광대역, 예를 들어 백색광, 또는 다색이다. 조명 소스(442)는 전자기 방사선을 방출하도록 작동가능한 소스임을 이해할 것이다. 이 방사선은 가시광 및/또는 가시 스펙트럼 외부의 전자기 방사선, 예를 들어 적외 방사선을 포함할 수 있다. 다음에서, "방사선"이라는 용어는 "광"이라는 용어와 동의어이고, 상호교환가능하게 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 유사하게, 이러한 방사선의 파장(또는 파장들의 범위)은 방사선이 가시 스펙트럼으로부터든 아니든 방사선의 "색깔"로 언급될 수 있다. 빔의 파장들의 다양성(diversity)은 알려진 바와 같이 측정의 견고함을 증가시킨다. 한가지 알려진 센서는, 예를 들어 4 개의 파장들의 세트를 사용하고, 4 개의 파장들 각각은 500 nm 내지 900 nm의 범위 내에 있다. 이 4 개의 파장들은 그 색깔명에 의해 언급될 수 있고, 이는: 녹색(녹색광을 포함함), 적색(적색광을 포함함), 근적외(근적외에서의 방사선을 포함함), 및 원적외(원적외에서의 방사선을 포함함)일 수 있다. 본 발명을 구현하는 센서에서, 동일한 4 개의 파장들이 사용될 수 있으며, 또는 상이한 4 개 또는 4 개보다 많거나 적은 파장들이 사용될 수 있다.
다시 도 4를 참조하여, 이제 다수 파장들의 방사선을 이용한 측정과 관련된, 및 편광 효과들의 관리와 관련된 장치의 실시형태들이 설명될 것이다. 조명 서브시스템(440)에서, 소스(420)는 4 개의 개별적인 광 소스들을 포함하고, 이들은 녹색(G로 표시됨), 적색(R), 근적외(N) 및 원적외(F)라고 명명된 4 개의 파장들의 방사선을 생성하도록 제공된다. 편의상, 다음 설명에서, 이 4 개의 상이한 파장들에서의 방사선은 광의 4 개의 색깔이라고 할 것이고, 이들이 전자기 스펙트럼의 가시 부분인지 비-가시 부분인지는 본 목적을 위해 중요하지 않다. 광 소스들은 선형 편광되며, G 및 N 방사선이 서로 동일하게 방위지정되고, R 및 F 방사선은 G 및 N 방사선의 편광에 직교로 편광된다.
4 개의 색깔들은 편광 유지 섬유들에 의해 멀티플렉서(502)로 전송되고, 여기에서 이들은 단일의 4-색 빔으로 조합된다. 멀티플렉서는 화살표들(504)에 의해 나타낸 바와 같이 선형 편광을 유지한다. 화살표들(504) 및 다이어그램에 걸친 유사한 화살표들은 G 및 R로 표시되어 녹색 및 적색 성분들의 편광을 나타낸다. N 및 F 성분들은 각각 G 및 R 성분들과 동일하게 방위지정된다.
이 조합된 빔은 적절한 전달 광학기(506)를 통해 빔 스플리터(454)로 들어간다. 이미 설명된 바와 같이, 그 후 이는 빔 스플리터 내부에 있는 부분 또는 완전 반사 표면(예를 들어, 0.5 mm 직경의 스폿 거울)으로부터 반사된다. 대물 렌즈(424)는 빔을 좁은 빔으로 포커스하고, 이는 웨이퍼(W) 상의 정렬 마크(202)에 의해 형성된 격자에 의해 반사되고 회절된다. 예를 들어, 개구수 NA = 0.6인 대물 렌즈(424)에 의해 광이 수집된다. 이 NA 값은 색깔들 각각에 대해 16 ㎛ 피치를 갖는 격자로부터 적어도 10차 회절이 수집되게 한다.
그 후, 정보 전달 빔(426)을 형성하는 반사되고 회절된 광은 자기-참조 간섭계(428)로 안내된다. 이 예시에서, 이미 설명된 바와 같이, 빔은 빔 스플리터(462)에 의해 분할되어 정보 전달 빔의 일부분(464)을, 제공되는 경우 비대칭 측정 구성부(460)에 공급한다. 비대칭 측정 정보를 전달하는 신호들(466)은 구성부(460)로부터 처리 유닛(PU)으로 건네진다. 간섭계 바로 전에, 반파장판(510)에 의해 편광이 45 °회전된다. 이 시점부터는, 명확함을 위해 편광 화살표들이 하나의 색깔에 대해서만 도시된다. 앞서 및 특허 US 6961116에서 이미 설명된 바와 같이, 간섭계는 편광 빔 스플리터를 포함하고, 여기에서 각각의 색의 절반이 전달되고 각각의 색의 절반이 반사된다. 그 후, 각각의 절반은 간섭계 내부에서 3 번 반사되어, +90 ° 및 -90 °만큼 방사선 필드를 회전시키고, 180 °의 상대 회전을 제공한다. 2 개의 필드들은 그 후 서로 중첩되고 간섭하게 된다. -90 ° 및 90 ° 이미지의 경로 차들을 보상하기 위해 위상 보상기(512)가 존재한다. 그 후, 편광은 (X 또는 Y 축에 대해 22.5 °로 그 주축이 설정되는) 또 다른 반파장판(514)에 의해 45 °회전된다. 반파장판들(510, 514)은 파장에 민감하지 않아, 4 개의 파장들 모두의 편광들이 45 °만큼 회전되도록 한다.
또 다른 빔 스플리터(516)가 A 및 B로 지정된 2 개의 경로들로 광학 신호를 분할한다. 하나의 경로가 2 개의 회전된 필드들의 합을 포함하고, 다른 경로가 차이를 포함한다. 초기 편광 방향에 의존하여, 합은 경로 A 또는 경로 B에 있게 된다. 따라서, 이 예시에서는 녹색 및 NIR 신호들에 대한 합 신호들이 하나의 경로에 있게 되고, 적색 및 FIR이 다른 경로에 있게 된다. 각각의 색깔에 대해, 대응하는 차이 신호는 다른 경로에 있게 된다. 방사선 소스는 방사선, 예를 들어 전자기 방사선을 방출하도록 작동가능한 소스임을 이해할 것이다. 방사선은 가시광을 포함할 수 있다. 대안적으로, 방사선은 가시 스펙트럼 외부의 전자기 방사선, 예를 들어 적외 방사선을 포함할 수 있다. 앞선 설명에서, "방사선"이라는 용어는 "광"이라는 용어와 동의어임을 이해할 것이다. 그러므로, 광에 대한 어떠한 언급도 가시 스펙트럼 외부의 전자기 방사선을 포괄할 수 있다.
이 구성은 각각의 색깔에서 조명을 위해 하나의 편광을 사용하도록 선택된다는 것을 유의한다. 판독들 사이에서 편광을 변화시킴으로써(또는 판독 내에서의 시분할 다중화에 의해), 색깔마다 2 개의 편광들로의 측정들이 수행될 수 있다. 하지만, 색깔 및 편광의 몇몇 다양성으로부터 이익을 얻으면서 높은 스루풋을 유지하기 위해, 각각의 색깔이 선형 편광되며, 색깔들의 하나의 서브세트가 하나의 편광 방향을 갖고 색깔들의 또 다른 서브세트가 상이한 편광 방향을 갖는 상이한 색깔들의 세트가 다양성과 측정 스루풋 간의 우수한 절충을 나타낸다. 스루풋에 영향을 주지 않고 다양성을 증가시키기 위해, 본 명세서에 제시된 4-색 기법과 유사하지만, 혼합된 편광들과 함께 더 많은 색깔, 예를 들어 8 개 또는 16 개를 이용하는 구현을 생각할 수 있다.
각각의 경로(A 및 B)에 대한 광은 각각의 컬렉터 렌즈 조립체(484A 및 484B)에 의해 수집된다. 그 후, 이는 기판 상의 스폿 외부로부터의 광 대부분을 제거하는 어퍼처(518A 또는 518B)를 통해 지나간다. 2 개의 다모드 섬유들(520A 및 520B)이 각각의 경로의 수집된 광을 각각의 디멀티플렉서들(522A 및 522B)로 전송한다. 디멀티플렉서들(522A, 522B)은 각각 원래의 4 개의 색깔들로 경로를 분할하여, 총 8 개의 광학 신호들이 검출기 구성부(430) 내의 검출기들(430A 및 430B)로 전달되도록 한다. 한가지 실제 실시예에서, 디멀티플렉서들과 검출기 회로 기판 상의 8 개의 검출기 요소들 사이에 섬유들이 배치된다. 이 예시에서 검출기들은 공간 분해능을 제공하지 않지만, 장치가 기판(W) 상의 정렬 마크(202)를 스캐닝할 때 각각의 색깔에 대한 시변 세기 신호들(IA 및 IB)을 전달한다. 신호들은 실제로 위치-의존적 신호들이며, 장치와 정렬 마크 간의 물리적 스캐닝 이동(도 3 참조)과 동기화되는 시변 신호들(파형들)로서 수신된다.
처리 유닛(PU)은 8 개의 검출기들로부터 세기 파형들을 수신하고, 알려진 장치에서와 같이 이들을 처리하여 위치 측정(POS)을 제공한다. 상이한 파장들 및 입사 편광들에 기초하여 선택될 8 개의 신호들이 존재하기 때문에, 장치는 다양한 상황들에서 이용가능한 측정들을 얻을 수 있다. 이 점에서, 정렬 마크(202)는 상이한 재료들 및 구조들의 다수 층들 아래에 묻힐 수 있다는 것을 기억하여야 한다. 몇몇 파장들이 다른 것들보다 우수하게 상이한 재료들 및 구조들을 관통할 것이다. 처리 유닛(PU)은 통상적으로 파형들을 처리하고, 가장 강한 위치 신호를 제공하고 있는 것에 기초하여 위치 측정을 제공한다. 나머지 파형들은 버려질 수 있다. 간단한 구현에서, 각각의 측정 작업을 위한 '레시피'는 타겟 구조체의 사전 지식 및 실험 조사들에 기초하여 어느 신호가 사용될지를 명시할 수 있다. 더 진보된 시스템들에서는, 사전 지식 없이 최적 신호들을 식별하는 "컬러 다이나믹(Color Dynamic)" 또는 "스무스 컬러 다이나믹(Smooth Color Dynamic)" 알고리즘들을 이용하여 자동 선택이 수행될 수 있다. 이는 Jeroen Huijbregtse 외의 "Overlay Performance with Advanced ATHENATM Alignment Strategies"(Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XⅦ, Daniel J. Herr, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 5038, 2003)에서 설명된다.
각각의 렌즈(484A, 484B)는 각각의 검출기(430A, 430B)의 각 요소 상으로 전체 필드를 포커스하고, 이는 도 3의 알려진 정렬 센서와 유사한 구성이다. 이 예시 및 알려진 정렬 센서에서의 검출기들은 효과적으로 단일 포토다이오드들이고, 이미 설명된 스캐닝 동작에 의한 것 외에는 어떠한 공간 정보도 제공하지 않는다. 필요에 따라, 켤레 퓨필 평면에서 공간 분해능을 갖는 검출기가 추가될 수 있다. 이는, 예를 들어 각도-분해 스케터로메트리 방법들로 하여금 정렬 센서 하드웨어를 이용하여 수행되게 할 수 있다.
정렬 마크는, 예를 들어 2 개의 상이한 편광들을 이용하여 위치를 측정하는 것이 바람직한 경우에 한 번보다 많이 스캐닝되어야 할 수 있다. 또한, XY 정렬 마크를 스캐닝하는 중간에 조명 모드를 스위칭할 필요가 있을 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서는, 2 개의 측정들이 동시에 수행될 수 있도록 광학 신호들의 다중화가 사용될 수 있다. 유사하게, 조명 모드를 스위칭하지 않고 XY 정렬 마크의 상이한 부분들이 스캐닝되고 측정될 수 있도록 다중화가 적용될 수 있다. 이러한 다중화를 수행하는 간단한 방식은 주파수 분할 다중화에 의한 것이다. 이 기술에서는, 위치 정보를 전달하는 시변 신호의 주파수보다 훨씬 더 높게 선택되는 특성 주파수로 각 쌍의 스폿들 및/또는 편광으로부터의 방사선이 변조된다. 각각의 검출기(430A, 430B)에 도달한 회절되고 처리된 광학 신호들은 두 신호들의 혼합일 것이지만, 이들은 소스 방사선의 각 주파수들로 튜닝된 필터들을 이용하여 전자적으로 분리될 수 있다. 또한, 시분할 다중화가 사용될 수 있지만, 이는 소스와 검출기 간의 정확한 동기화를 필요로 할 것이다. 각각의 주파수에서의 변조는, 예를 들어 간단한 사인파 또는 구형파일 수 있다.
위치 감지를 위한 것이든 몇몇 다른 형태의 메트롤로지를 위한 것이든, 정렬 마크를 원형 편광으로 조명하는 것이 바람직한 경우, 빔 스플리터(454)와 대물렌즈(424) 사이에 1/4 파장판(도시되지 않음)이 삽입될 수 있다. 이는 선형 편광을 원형 편광으로 바꾸는(및 정렬 마크에 의한 회절 후에 이를 다시 되돌리는) 효과를 갖는다. 스폿 위치들은 정렬 마크 방향에 따라 앞서와 같이 선택된다. 원형 편광의 방향(시계방향/반시계방향)은 조명 소스(420), 광섬유(442) 또는 조명 프로파일링 광학기(446)에서 상이한 선형 편광을 선택함으로써 변화될 수 있다.
또한, Huijbregtse 외의 논문에서 복합 타겟에서의 다수 격자들의 사용이 설명된다. 각각의 격자가 상이한 프로파일을 가져, 예를 들어 더 높은 회절 차수들(3차, 5차, 7차)을 향상시킨다. 이 격자들 중 상이한 것들로부터, 및 개별적인 격자 상의 상이한 색 신호들로부터 위치 측정들이 도출될 수 있다. 본 기재내용에서는, 단순한 바아 패턴이지만 세그먼트 피처(segmented feature)들을 갖는 단일 격자가 존재하는 것으로 가정된다. 당업자라면, 상이한 패턴들로 다수 격자들을 갖는 실시예들을 생각하도록 기재내용을 쉽게 확장시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초연속 방사선 소스(600)를 개략적으로 나타낸다. 초연속 방사선 소스(600)는 방사선 소스(610), 조명 광학기(620), 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 및 수집 광학기(640)를 포함한다.
방사선 소스(610)는 펄스화된 방사선 빔을 생성하도록 작동가능하다. 다음에서, 방사선 소스(610)는 펌프 방사선 소스(610)라고 칭해질 수 있고, 펄스화된 방사선 빔(612)은 펌프 방사선 빔(612)이라고 칭해질 수 있다. 펄스화된 방사선 빔(612)이 복수의 순차적, 이산적 및 시간적으로 분리된 방사선 펄스들을 포함한다는 것을 이해할 것이다. 펄스화된 방사선 빔은, 통상적으로 20 내지 80 MHz 정도일 수 있는 일반적으로 일정한 펄스 주파수를 가질 수 있다. 펌프 방사선 소스(610)는 레이저를 포함할 수 있다. 레이저는, 예를 들어 모드-잠금 레이저(mode-locked laser)를 포함할 수 있다. 적절한 레이저들은, 예를 들어 이터븀-도핑(Yb-도핑) 광섬유 레이저와 같은 광섬유 레이저들을 포함할 수 있다. 다른 적절한 레이저들은 티타늄-사파이어(Ti:Sapphire) 레이저를 포함할 수 있다. 개별적인 방사선 펄스들은 약 0.1 내지 1 피코초의 지속시간을 가질 수 있다.
조명 광학기(620)는 펄스화된 펌프 방사선 빔(612)을 수용하고 복수의 펄스화된 서브-빔들(622a 내지 622n)을 형성하도록 배치된다. 각각의 펄스화된 서브-빔(622a 내지 622n)은 펄스화된 펌프 방사선 빔(612)의 일부분을 포함한다. 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각이 복수의 펄스화된 서브-빔들(622a 내지 622n) 중 적어도 하나를 수용하도록 배치된다. 도 5에 나타낸 실시예에서, 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각은 복수의 펄스화된 서브-빔들(622a 내지 622n) 중 상이한 것을 수용하도록 배치된다. 예를 들어, 복수의 도파관들 중 제 1 도파관(630a)이 복수의 펄스화된 서브-빔들 중 제 1 펄스화된 서브-빔(622a)을 수용하고, 복수의 도파관들 중 제 2 도파관(630b)이 복수의 펄스화된 서브-빔들 중 제 2 펄스화된 서브-빔(622b)을 수용하는 등이다. 이 방식에서, 펄스화된 펌프 방사선 빔(612)은 패시브 방식으로 복수의 부분들로 분할되고, 이들 각각이 복수의 도파관들 중 하나에 의해 수용되며, 펄스화된 펌프 방사선 빔(612)의 파워는 복수의 도파관들에 걸쳐 퍼진다.
복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각은, 그 대응하는 펄스화된 서브-빔(622a 내지 622n)이 도파관(630a 내지 630n)을 통해 전파함에 따라 그 펄스화된 서브-빔(622a 내지 622n)의 스펙트럼이 넓어져 초연속 서브-빔(632a 내지 632n)을 발생시키도록 배치된다. 그러므로, 초연속 방사선 소스(600)는 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각에서 초연속광의 생성을 허용하도록 적절한 비선형 광학 속성들을 갖는 복수의 도파관들(630a 내지 630n)을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "도파관"이라는 용어는 파, 특히 전자기파를 안내하도록 구성되는 구조체를 의미함을 이해할 것이다. 이러한 도파관은 집적 광학 시스템의 일부를 형성할 수 있으며, 즉 이는 "온칩"으로 제공될 수 있다. 대안적으로, 이러한 도파관은 자유 공간 도파관들일 수 있다. 자유 공간 도파관들은, 예를 들어 광자 결정 광섬유를 포함하는 여러 가지 상이한 타입들의 광섬유들을 포함한다.
수집 광학기(640)는 복수의 도파관들(630a 내지 630n)로부터 초연속 서브-빔들(632a 내지 632n)을 수용하고 이들을 조합하여, 초연속 방사선 소스(600)에 의해 출력되는 초연속 방사선 빔(Bout)을 형성하도록 배치된다.
초연속 방사선 소스(600)는 특히 정렬 마크 측정 시스템 내에서 사용하기에 적절할 수 있다. 예를 들어, 초연속 방사선 소스(600)는 도 2 및 도 4에 각각 나타낸 조명 소스(220, 420)에 대응할 수 있고, 초연속 방사선 빔(Bout)은 방사선 빔들(222, 422)에 대응할 수 있다. 하지만, 초연속 방사선 소스(600)는 다른 광학 측정 시스템들, 예를 들어 반도체 검사 장치에서 사용하기에 적절할 수도 있다. 초연속 방사선 소스(600)의 적용들의 또 다른 예시들은 광섬유 검사, 간섭계법 또는 분광학, 의학적 적용, 예컨대 광 간섭성 토모그래피, 공초점 현미경법 등이다.
초연속 방사선 소스(600)는 비교적 넓은 스펙트럼을 갖는 초연속 방사선 빔(Bout)을 생성하도록 작동가능하다. 예를 들어, 초연속 방사선 빔(Bout)은 가시 범위로부터 원적외까지 연장되는 스펙트럼을 가질 수 있고, 예를 들어 스펙트럼은 400 nm로부터 2500 nm까지 연장될 수 있다. 이러한 방사선 빔(Bout)은 특히 정렬 마크 측정 시스템들, 예를 들어 도 3 및 도 4에 나타낸 정렬 센서들에 유용하다.
초연속광 생성을 위해 복수의 도파관들(630a 내지 630n)을 이용하는 것의 한가지 이점은, 초연속 방사선 소스(600)가 소정 레벨의 중복을 갖고 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 중 하나의 고장 시에도 여전히 어느 정도까지 작동할 수 있다는 것이다.
초연속광들은 방사선 펄스들이 도파관을 통해 전파함에 따라 다양한 비선형 광학 효과들의 결과로서 형성된다. 이 효과들의 고유한 비선형 성질로 인해, 이 펄스들을 생성하는 그 펌프 방사선 소스가 안정적이었던 경우 -그 출력 방사선 빔이 실질적으로 펄스 대 펄스 변동들을 갖지 않음- 에도 초연속 방사선 소스들은 전형적으로 스펙트럼 잡음, 펄스 대 펄스 변동, 및 출력 모드의 변동을 겪는다.
초연속 방사선 소스(600)는 복수의 초연속광들(632a 내지 632n)이 [복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각에서 하나씩] 생성되고 [수집 광학기(640)에 의해] 중첩되는 구성을 제공한다. 이러한 구성은 상이한 개별적인 초연속광들(632a 내지 632n)에서의 잡음 및 펄스 대 펄스 변동이 적어도 부분적으로 서로 상쇄될 것이기 때문에 종래 구성들보다 유리하다. 그러므로, 상기 구성은 종래 구성들보다 더 안정한 출력을 갖는 정렬 마크 측정 시스템들에서 사용하기에 적절한 타입의 넓은 스펙트럼 방사선 소스를 제공한다.
일반적으로, 도파관은 방사선의 세기(즉, 단위 면적당 파워)가 그 도파관에 대한 임계값 이하인 경우에 방사선을 지지할 수 있을 것이다. 임계값을 넘는 세기를 갖는 방사선이 도파관에 커플링되는 경우, 이는 손상될 수 있다. 펄스화된 펌프 방사선 빔(612)을 복수의 서브-빔들(622a 내지 622n)로 분할함으로써 -그 각각이 상이한 도파관을 통해 전파하여 초연속광을 발생시킴- , 초연속 방사선 소스(600)는 펄스화된 펌프 방사선 빔(612)의 파워로 하여금 복수의 도파관들(630a 내지 630n)에 걸쳐 퍼지게 한다. 이는 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각의 단면적이 소스의 주어진 원하는 출력 파워에 대하여 종래 초연속광 소스들에서의 단일 도파관에 비해 감소될 수 있다는 것을 의미한다.
예를 들어, 1 W 급의 비교적 높은 출력 파워를 갖는 광대역 방사선 소스를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이 정도의 출력 파워를 갖는 알려진 초연속 방사선 소스들은 비선형 광학 매체로서, 예를 들어 광자 결정 광섬유를 사용함으로써 가능하다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, (예를 들어, 1 W 급 이상의 파워를 갖는) 비교적 밝은 초연속 방사선 소스(600)에 대해서도 도파관들의 치수들이 충분히 감소되어 도파관들이 집적 광학기를 포함할 수 있도록 한다. 즉, 도파관들은 (예를 들어, 집적 광학 시스템으로서) 칩 상에 제공될 수 있고 반도체 제작 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 초연속 방사선 소스(600)는 1 W 급의 출력 파워를 가질 수 있다. 이를 달성하기 위해, 펌프 방사선 소스(610)는 초연속 방사선 소스(600)를 통한 파워 손실들을 설명하도록 약 2 내지 10 W 또는 약간 더 큰 입력 파워를 제공할 수 있다. 초연속 방사선 소스(600)는 약 1000 개의 도파관들(630a 내지 630n)을 포함하여, 각각의 도파관(630a 내지 630n)이 (예를 들어, 2 내지 10 mW의 범위에서) 약 1 mW의 파워를 갖는 서브-빔(622a 내지 622n)을 지지하도록 할 수 있다. 1 mW 급의 파워를 갖는 방사선 빔들은 도파관들(630a 내지 630n)의 치수들로 하여금, 도파관들(630a 내지 630n)이 집적 광학기를 포함할 수 있을 정도로 충분히 감소되게 할 수 있다.
도 6a는 도파관(650)의 광학 축선에 수직인 평면(x-y 평면)에서[즉, 사용 시 방사선이 도파관(650)을 통해 전파하는 방향에 수직인 평면에서] 집적 광학 시스템(651)의 일부로서 제공되는 도파관(650)의 부분의 단면도를 나타낸다. 도 5에 나타낸 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 중 어느 하나 또는 모두가 일반적으로 도파관(650)의 형태로 이루어질 수 있다.
도파관(650)은 예를 들어 실리콘 니트라이드(Si3N4)와 같은 적절한 비선형 광학 재료로부터 형성되고, 예를 들어 실리콘 또는 실리콘 디옥사이드(SiO2)와 같은 클래딩 재료(652)에 의해 둘러싸인다.
도파관(650)은 일반적으로 도 6a의 평면에 수직인 방향(즉, z 방향)으로 연장됨을 이해할 것이다. 도파관(650)의 단면 형상 및 크기는 일반적으로 z 방향으로의 그 연장을 따라 일정할 수 있다. 이를 예시하기 위해, 도 6b가 도 6a에 나타낸 도파관(650)의 부분의 부분 단면도를 나타내며, 클래딩 재료(652)는 도시되지 않는다.
도파관(650)은 약 1 ㎛ 이하의 폭(653)을 가질 수 있고, 수 100 nm 정도의 높이(654)를 가질 수 있다. 도파관은 수 밀리미터 정도의 거리에 걸쳐 z 방향으로 연장될 수 있다.
도파관(650)은 적어도 부분적으로 반도체 제작 기술들을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 클래딩 재료(652)로부터 형성되는 기판에 레지스트 층이 적용될 수 있으며, 레지스트는 리소그래피 기술들을 이용하여 패터닝될 수 있다. 그 후, 이는 도파관(650)의 수용을 위한 클래딩 재료(652)에서의 트렌치를 선택적으로 에칭하는 데 사용될 수 있다. 레지스트는 (각각 상이한 도파관의 수용을 위한) 복수의 트렌치들이 에칭 공정 동안 동시에 형성될 수 있도록 패터닝될 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, 초연속 방사선 소스의 복수의 도파관들(630a 내지 630n)은 공통 기판 상에 형성될 수 있다. 도파관(650)은 에칭 공정 동안 형성된 트렌치들로 재료(예를 들어, 실리콘 니트라이드)를 증착함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 니트라이드는 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 기술들을 이용하여 증착되어, 예를 들어 실리콘 니트라이드로부터 고품질 고체 도파관(650)을 형성할 수 있다. 최종적으로, 클래딩 재료(652)의 층이 도파관(650) 위에 적용되고 클래딩 재료(652)를 둘러싸서, 클래딩 재료(652) 내의 도파관들(650)을 완전히 에워쌀 수 있다.
예를 들어, 도 6a 및 도 6b에 나타낸 도파관(650)의 형태인 온칩 도파관들은, 일반적으로 초연속광 생성을 유도하는 비선형 공정들이 작용할 수 있는 상호작용 길이들이, 예를 들어 초연속광 생성에 사용되는 자유 공간 도파관들(예를 들어, 광자 결정 광섬유)보다 작다. 예를 들어, [예를 들어, 도 6a 및 도 6b에 나타낸 도파관(650)의 형태인] 온칩 도파관들은 10 mm 이하의 길이를 가질 수 있다.
차례로, 이는 종래 초연속광 소스들에서의 단일 도파관에 비해 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각에 의해 생성되는 초연속광(632a 내지 632n)의 잡음 및 펄스 대 펄스 변동을 감소시킨다.
그러므로, 초연속 방사선 소스(600)는 출력 잡음 및 펄스 대 펄스 변동의 이중 개선을 허용한다. 각각의 개별적인 초연속광(632a 내지 632n)은 (주어진 총 출력 파워에 대해) 종래 구성보다 더 안정한 출력으로 생성될 수 있으며, 또한 복수의 초연속광들(632a 내지 632n)은 조합되어 적어도 부분적으로 잡음 및 펄스 대 펄스 변동들을 평균한다.
또한, 온칩 도파관들의 속성들은 초연속 방사선 소스(600)로 하여금 초연속 방사선 소스(600)에 의해 출력되는 초연속 방사선 빔(Bout)에 걸친 더 우수한 모드 제어 및 편광 제어로부터 이익을 얻게 한다. 이 이득들을 제공하는 온칩 도파관들의 속성들은: 온칩 도파관의 비교적 짧은 상호작용 길이, (도파관 재료와 클래딩 재료 간의) 집적 광학기의 비굴절률차, 및 온칩 도파관들에 대한 제작 기술들을 포함한다.
조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)는, 이제 도 7, 도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명되는 바와 같이 복수의 상이한 형태들 중 어느 하나를 취할 수 있다.
도 7은 도 5의 초연속 방사선 소스(600)의 제 1 실시예(700)를 나타낸다. 도 7에 나타낸 실시예에서는, 일 예시로서 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시된다. 이 제 1 실시예에서, 조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)는 둘 다 (집적 광학기 또는 광섬유일 수 있는) 도파관들의 시스템에 의해 구현된다.
조명 광학기(620)는 일차 도파관(721), 2 개의 이차 도파관들(722, 723), 및 4 개의 삼차 도파관들(724 내지 727)을 포함한다. 일차 도파관(721)은 펌프 방사선 빔(612)을 수용하고, 예를 들어 2 개의 이차 도파관들(722, 723) 각각이 펌프 방사선 빔(612)의 파워의 절반을 수용하도록 2 개의 이차 도파관들(722, 723)에 커플링된다. 차례로, 2 개의 이차 도파관들(722, 723) 각각은, 예를 들어 4 개의 삼차 도파관들(724 내지 727) 각각이 펌프 방사선 빔(612)의 파워의 1/4을 수신하도록 삼차 도파관들 중 2 개(각각 724, 725 및 726, 727)에 커플링된다. 4 개의 삼차 도파관들(724 내지 727) 각각은 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 중 상이한 하나에 커플링된다.
도 7에 나타낸 조명 광학기(620)는 각각의 레벨 또는 스테이지에서 이전 레벨과 비교하여 2 배 많은 도파관들을 갖는, 복수의 레벨들 또는 스테이지들의 도파관들을 포함한다. 예를 들어, 일차 도파관(721)은 제 1 레벨인 것으로 간주될 수 있고, 이차 도파관들(722, 723)은 제 2 레벨인 것으로 간주될 수 있으며, 삼차 도파관들(724 내지 727)은 제 3 레벨인 것으로 간주될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 도 7에 나타낸 실시예에서는, 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시되어 있고, 이에 따라 조명 광학기는 3 개의 레벨을 포함한다.
이 예시적인 실시예에서, 조명 광학기(620)의 주어진 레벨의 각 도파관 내에서의 방사선은 다음 레벨에서 2 개의 도파관에 커플링되어, 다음 레벨의 2 개의 도파관들 각각이 방사선의 파워의 절반을 수용하도록 한다. 방사선은 여러 가지 상이한 방식으로 다음 레벨의 2 개의 도파관들 사이에서 분할될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 특정 레벨의 도파관으로부터의 방사선 파워의 상이한 부분이 다음 레벨의 도파관들 각각으로 커플링될 수 있다. 또한, 대안적인 실시예들에서, 주어진 레벨의 각각의 도파관 내에서의 방사선은 다음 레벨의 2보다 많은 도파관들 각각이 방사선 파워의 원하는 분율을 수용하도록 다음 레벨의 2보다 많은 도파관들에 커플링될 수 있다.
수집 광학기(640)는 4 개의 일차 도파관들(741 내지 744), 2 개의 이차 도파관들(745, 746), 및 하나의 삼차 도파관(747)을 포함한다. 일차 도파관들(741 내지 744)은 각각 도파관들(630a 내지 630d) 중 하나에 의해 출력되는 초연속 서브-빔들(632a 내지 632d) 중 상이한 하나를 수용한다. 2 개의 이차 도파관들(745, 746) 각각은 2 개의 이차 도파관들(745, 746) 각각이 초연속 서브-빔들(632a 내지 632d) 중 2 개를 수용하고 조합하도록 일차 도파관들 중 2 개(각각 741, 742 및 743, 744)에 커플링된다. 삼차 도파관(747)은 초연속 서브-빔들(632a 내지 632d) 4 개 모두를 수용하고 조합하도록 2 개의 이차 도파관들(745, 746)에 커플링된다.
도 7에 나타낸 수집 광학기(640)는 복수의 레벨들의 도파관들을 포함하며, 각각의 레벨은 이전 레벨의 절반의 도파관을 갖는다. 예를 들어, 일차 도파관들(741 내지 744)은 제 1 레벨인 것으로 간주될 수 있고, 이차 도파관들(745, 746)은 제 2 레벨인 것으로 간주될 수 있으며, 삼차 도파관(747)은 제 3 레벨인 것으로 간주될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 도 7에 나타낸 실시예에서는, 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시되며, 이에 따라 수집 광학기는 3 개의 레벨을 포함한다.
이 예시적인 실시예에서, 수집 광학기(640)의 주어진 레벨의 각 도파관 내에서의 방사선은 다음 레벨에서 2 개의 도파관에 커플링되어, 다음 레벨의 2 개의 도파관들 각각이 방사선의 파워의 절반을 수용하도록 한다. 방사선은 여러 가지 상이한 방식으로 다음 레벨의 2 개의 도파관들 사이에서 분할될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 특정 레벨의 도파관으로부터의 방사선 파워의 상이한 부분이 다음 레벨의 도파관들 각각으로 커플링될 수 있다. 또한, 대안적인 실시예들에서, 주어진 레벨의 각각의 도파관 내에서의 방사선은 다음 레벨의 2보다 많은 도파관들 각각이 방사선 파워의 원하는 분율을 수용하도록 다음 레벨의 2보다 많은 도파관들에 커플링될 수 있다.
도 7에 나타낸 실시예에서, 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시되어 있다. 물론, 이 구성은 4보다 많은 초연속광 생성 도파관들을 포함하도록 확장될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자라면, 도 7에 나타낸 것과 동일한 일반적인 형태이지만, 각각 3보다 많은 레벨들의 도파관들을 갖는 조명 광학기 및 수집 광학기의 제공에 의해 이러한 확장이 달성될 수 있음을 분명히 알 것이다.
조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)를 형성하는 도파관들(721 내지 727 및 741 내지 747)은 단일 모드 또는 다중 모드 도파관들일 수 있다.
또한, 조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)를 형성하는 도파관들(721 내지 727 및 741 내지 747)은 집적 광학기, 자유 공간 광학기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 몇몇 실시예들에서, 초연속 방사선 소스(600)는 약 1000 개의 도파관들(630a 내지 630n)을 포함할 수 있다. 이 도파관들(630a 내지 630n) 각각은, 예를 들어 약 1 mW의 파워를 갖는 서브-빔(622a 내지 622n)을 지지할 수 있다. 이러한 실시예들에 대해, 도 7에 나타낸 조명 광학기 및 수집 광학기의 일반적인 형태는 3보다 많은 레벨들의 도파관들이 존재하도록 확장될 수 있다. 예를 들어, 조명 및 수집 광학기들 각각이 11 개의 레벨들의 도파관들을 포함할 수 있으며, 각각의 레벨은 이전 레벨과 2 배로 수가 상이하다. 이러한 구성은 1024(210) 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630n)이 존재하게 한다. 일반적으로, 충분히 낮은 파워를 갖는 조명 및 수집 광학기들(620, 640) 내의 레벨들의 도파관들은 집적 광학기로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630n)에 가장 가까운 레벨들의 도파관들이 집적 광학기로서 구현될 수 있다. 일반적으로, 집적 광학기로서 그 구현을 비실용적으로 만들기에 충분히 높은 파워를 갖는 조명 및 수집 광학기들(620, 640) 내의 레벨들의 도파관들은 자유 공간 광학기들로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630n)로부터 가장 먼 레벨들의 도파관들이 집적 광학기들로서 구현될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 대안적인 실시예들에서, 주어진 레벨의 각 도파관 내에서의 방사선은 다음 레벨의 2보다 많은 도파관들 각각이 방사선 파워의 원하는 분율을 수용하도록 다음 레벨의 2보다 많은 도파관들에 커플링될 수 있다. 일 실시예에서, 조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)는 단일 도파관이 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630n) 각각에 직접 커플링되도록 구현될 수 있다. 하지만, 조명 및 수집 광학기(620, 640) 각각이 복수의 상이한 레벨들을 포함하는 앞서 설명된 구성은, 특히 많은 수의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630n)(예를 들어, 약 1000 개)을 포함하는 실시예들에 대해 구현하기가 더 쉬울 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 5의 초연속 방사선 소스(600)의 제 2 실시예(800)의 두 변형예를 나타낸다.
도 8a, 도 8b에 나타낸 실시예(800)에서, 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시된다. 도 7에 나타낸 실시예(700)에서와 같이, 이는 이 실시예(800)의 구체적인 예시를 제공하기 위한 것일 뿐이며, 당업자라면 도 8a, 도 8b의 실시예(800)가 4보다 많은(또는 그보다 적은) 초연속광 생성 도파관들을 갖는 실시예들로 확장될 수 있는 방식을 분명히 알 것이다. 이 제 2 실시예에서, 조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)는 둘 다 렌즈들의 시스템에 의해 구현된다.
도 8a 및 도 8b의 조명 광학기(620)는 시준 광학기(821) 및 포커싱 광학기(822)를 포함한다.
시준 광학기(821)는 펌프 방사선 소스(610)로부터 펌프 방사선 빔(612)을 수용하여 펌프 방사선 빔(612)을 시준하고 이를 포커싱 광학기(822) 상으로 지향하도록 배치되는 포커싱 렌즈(예를 들어, 볼록 렌즈)를 포함한다. 특히, 시준 광학기(821)는 포커싱 광학기(822)를 실질적으로 균일하게 조명하도록 배치될 수 있다.
포커싱 광학기(822)는 펌프 방사선 빔(612)의 상이한 부분을 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 각각에 광학적으로 커플링하도록 배치된다. 특히, 포커싱 광학기(822)는 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 각각의 입구 또는 그 부근의 초점에 펌프 방사선 빔(612)의 상이한 부분을 포커스하도록 배치된다. 이를 달성하기 위해, 포커싱 광학기(822)는 포커싱 렌즈들(822a 내지 822d)의 어레이를 포함하며, 이 각각은 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 각각의 입구 또는 그 부근의 초점에 펌프 방사선 빔(612)의 상이한 부분을 포커스하도록 배치된다. 포커싱 렌즈들의 어레이(822)는 1차원 어레이 또는 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 포커싱 렌즈(822a 내지 822d)는, 예를 들어 구면 렌즈를 포함할 수 있다. 개별적인 포커싱 렌즈들(822a 내지 822d) 각각은 마이크로-렌즈를 포함할 수 있다. 마이크로-렌즈는 직경이 1 mm 미만인 렌즈일 수 있다.
일반적으로, 포커싱 광학기(822)는 집적 광학기 또는 자유 공간 광학기를 이용하여 구현될 수 있다. 포커싱 광학기(822)가 포커싱 마이크로-렌즈들(822a 내지 822d)의 어레이를 포함하는 앞서 설명된 실시예는 적절한 포커싱 광학기(822)의 일 예시일 뿐임을 이해할 것이다. 이 포커싱 마이크로-렌즈들(822a 내지 822d)의 어레이는 구현하기가 비교적 간단할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 펌프 방사선 빔(612)이 단색일 수 있기 때문에, 포커싱 광학기(822)는 최대값들의 어레이를 포함하는 회절 패턴을 생성하도록 배치되는 광학 시스템을 포함할 수 있으며, 각각의 최대값은 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 중 하나와 일치한다. 이 최대값들은 각각 펌프 방사선 빔(612)의 상이한 부분을 포함할 수 있고, 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 각각의 입구 또는 그 부근의 초점에 포커스될 수 있다. 이러한 포커싱 광학기(822)를 구현하기 위한 적절한 광학 시스템들은 다음: 회절 격자, 공간 광 변조기(SLM), 또는 프레넬 렌즈들의 어레이 중 1 이상을 포함할 수 있다.
도 8a 및 도 8b의 수집 광학기들(640)은 시준 광학기(841) 및 포커싱 광학기(842)를 포함한다.
시준 광학기(841)는 복수의 도파관들(630a 내지 630n) 각각으로부터 초연속 서브-빔들(632a 내지 632n)을 수용하고 이들을 시준하도록 배치되는 포커싱 렌즈(예를 들어, 볼록 렌즈)를 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 시준 광학기(841)는 오목 거울을 포함하는 여하한의 다색 포커싱 광학기를 포함할 수 있다. 시준 광학기(841)는 이렇게 시준된 초연속 서브-빔들(632a 내지 632n)이 효과적으로 조합되어 초연속 방사선 소스(800)에 의해 출력되는 초연속 방사선 빔(Bout)을 형성하도록 공간적으로 인접하도록 배치된다.
시준 광학기(841)는 초연속 방사선 빔(Bout)을 포커싱 광학기(842) 상으로 지향하도록 배치된다. 차례로, 포커싱 광학기(842)는 초연속 방사선 빔(Bout)을 광섬유(850)에 광학적으로 커플링하도록 배치되며, 이는 초연속 방사선 빔(Bout)을 사용하는 장치(예를 들어, 정렬 센서)로 초연속 방사선 빔(Bout)을 지향할 수 있다. 포커싱 광학기(842)는 포커싱 렌즈, 예를 들어 볼록 렌즈를 포함한다.
도 8a 및 도 8b에 나타낸 실시예(800)에서는, 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시된다. 물론, 이 구성은 4보다 많은 초연속광 생성 도파관들을 포함하도록 확장될 수 있음을 이해할 것이다.
광섬유(850)는 단일 모드 또는 다중 모드 도파관일 수 있다. 도 8a에 나타낸 구성에서, 포커싱 광학기(842)는 광섬유(850)에 직접 커플링된다. 이러한 구성은 초연속 방사선 빔(Bout)의 다중 모드 출력에 적절할 수 있다. 도 8b에 나타낸 구성에서, 포커싱 광학기(842)는 핀홀 어퍼처(851)를 통해 광섬유(850)에 커플링된다. 이러한 구성은 초연속 방사선 빔(Bout)의 단일 모드 출력에 적절할 수 있다. 핀홀 어퍼처(851)는 공간 필터로서 작용한다. 이러한 핀홀 어퍼처 또는 단일 모드 도파관은 파면 필터로서 사용될 수 있다. 핀홀 어퍼처(851)는 포커스된 파의 높은 공간 주파수 파면 결함들을 제거하도록 배치될 수 있다. 유리하게는, 이러한 핀홀 어퍼처(851)의 감쇠는 핀홀 어퍼처(851)가 초연속 방사선 빔(Bout)의 스펙트럼의 전체 형상에 크게 영향을 주지 않도록 방사선의 파장과 비교적 독립적이다.
도 9a 및 도 9b는 도 5의 초연속 방사선 소스(600)의 제 3 실시예(900)의 두 변형예를 나타낸다.
도 9a, 도 9b에 나타낸 실시예(900)에서, 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시된다. 도 7에 나타낸 실시예(700)에서와 같이, 이는 이 실시예(900)의 구체적인 예시를 제공하기 위한 것일 뿐이며, 당업자라면 도 9a, 도 9b의 실시예(900)가 4보다 많은(또는 그보다 적은) 초연속광 생성 도파관들을 갖는 실시예들로 확장될 수 있는 방식을 분명히 알 것이다. 이 제 2 실시예에서, 조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)는 둘 다 광섬유들 또는 도파관들의 시스템에 의해 구현된다.
조명 광학기(620)는 일반적으로 도 7에 나타내고 앞서 설명된 형태로 이루어지며, 여기에서는 더 설명되지 않을 것이다.
수집 광학기(640)는 4 개의 렌즈형 광섬유들(941 내지 944)을 포함한다. 렌즈형 광섬유들(941 내지 944)[테이퍼 광섬유(tapered fibres)라고도 알려짐] 각각은 그 도파관(630a 내지 630d)에 의해 출력되는 초연속 서브-빔(632a 내지 632d)을 수용하도록 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 중 상이한 하나에 커플링된다. 이러한 구성은, 이러한 렌즈형 광섬유들(941 내지 944)과 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d) 간의 커플링이 특히 효율적이기 때문에 유익하다. 렌즈형 광섬유들(941 내지 944)은 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)의 기본 모드에 매칭될 수 있다.
4 개의 렌즈형 광섬유들(941 내지 944)은 모두 초연속 서브-빔(632a 내지 632d) 각각이 4 개의 렌즈형 광섬유들(941 내지 944) 중 하나로부터 출력 광섬유(950)로 전파하도록 출력 광섬유(950)에 광학적으로 커플링된다. 이는, 예를 들어 1 이상의 융합된 섬유 광학기 커플링을 포함할 수 있는 커플링(945)을 사용하여 달성될 수 있다.
커플링(945)은 출력 광섬유(950)를 통해 초연속 방사선 소스(900)에 의해 출력되는 초연속 방사선 빔(Bout)을 형성하기 위해 초연속 서브-빔들(632a 내지 632d)이 효과적으로 조합되도록 배치된다.
도 9a 및 도 9b에 나타낸 실시예(900)에서는, 단지 4 개의 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630d)만이 도시된다. 물론, 이 구성은 4보다 많은 초연속광 생성 도파관들을 포함하도록 확장될 수 있음을 이해할 것이다.
광섬유(950)는 단일 모드 또는 다중 모드 도파관일 수 있다. 도 9a에 나타낸 구성에서, 출력 광섬유(950)는 다중 모드 초연속 방사선 빔(Bout)을 출력하기에 적절한 다중 모드 광섬유이다. 도 9b에 나타낸 구성에서, 커플링(945) 이후, 출력 광섬유(950)에는 핀홀 어퍼처(951)가 제공된다. 이러한 방식으로, (다중 모드) 광섬유(950)로부터의 출력은 핀홀 어퍼처(951)에 의해 공간 필터링될 수 있다. 핀홀 어퍼처(951)는 광섬유(950)의 단부에 근접하게 배치될 수 있고, 4 개의 렌즈형 광섬유들(941 내지 944)로부터 전파하는 초연속 서브-빔들(632a 내지 632d)은 핀홀 어퍼처(951) 또는 그 부근에 포커스될 수 있다. 이는, 예를 들어 광을 광섬유(950)에 커플링하기 위해 렌즈형 광섬유들(941 내지 944)와 핀홀 어퍼처(951) 사이에 배치되는 포커싱 광학기(예를 들어, 렌즈)를 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 구성은 초연속 방사선 빔(Bout)의 단일 모드 출력에 적절할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 수집 광학기(640)는 1 이상의 광 혼합 로드(light mixing rod)를 포함할 수 있다. 광 혼합 로드는, 예를 들어 일반적으로 공개된 특허 출원 WO2013/088295 및 WO2013/114259에 개시된 형태로 이루어질 수 있다. 광 혼합 로드는, 예를 들어 Synopsys' Optical Solution Group, Barrington USA의 Edmund Optics Inc. 또는 Mainz Germany의 SCHOTT AG Lighting and Imaging이 판매하는 제품들 중 하나를 포함할 수 있다. 광 혼합 로드는 광 빔을 균질화하기 위해 다중 내부 반사를 이용하는 압출 로드이다. 통상적인 광 혼합 막대는 직경 1 cm, 길이 10 cm 정도의 투명 플라스틱으로 만들어진다. 불균질한 광 빔이 단부들 중 하나에서 혼합 로드에 들어가고, 혼합 로드의 길이를 따라 (여러 번) 완전히 내부 반사되며, 혼합 로드의 반대쪽 단부에서 나온다. 방출된 광 빔은 전형적으로 입사 빔보다 균질하다. 혼합 성능은 혼합 로드의 단면 형상에 크게 의존한다. 통상적인 혼합 로드는, 예를 들어 원형, 정사각형 또는 육각형이며, 적당한 혼합을 유도한다. 광 혼합 로드는, 예를 들어 원이나 규칙적인 다각형이 아닌 (그 길이에 대해 가로방향인) 단면 형상을 포함하는 세장형 요소(elongate element)일 수 있고, 혼란스러운 당구 단면 형상(chaotic billiard cross-sectional shape)일 수 있다. 이 혼합 로드들은 공개된 특허 출원 WO2013/088295 및 WO2013/114259에 개시된 바와 같이 비간섭성 광 빔들의 강하게 향상된 균질화를 유도한다.
광 혼합 로드는 광 빔을 균질화하기 위해 다중 내부 반사들을 이용하는 압출 로드이다. 이 알려진 광학 요소들은 다수의 입력 빔들을 조합 및/또는 혼합하고 균질한 출력 빔을 형성하는 데 적절하다. 광 혼합 로드가 산란 재료를 포함하기 때문에, 이들은 초연속 방사선 소스(600)에 의해 출력되는 방사선 펄스들의 시간적 확장(temporal broadening)을 유도할 수 있다. 전형적인 광 혼합 로드는 직경 1 cm 및 길이 10 cm 정도의 투명 플라스틱으로 만들어진다. 그 단부들 중 하나에서 혼합 로드에 들어가는 불균질한 광 빔은 혼합 로드를 따라 여러 번 완전히 내부 반사되고, 광 혼합 로드의 반대쪽 단부에서 혼합 로드를 나간다. 광 혼합 로드를 나가는 광 빔 프로파일은 통상적으로 입사 광보다 균질하다. 혼합 성능은 혼합 로드의 단면 형상에 의존한다. 광 혼합 로드는, 예를 들어 단면이 원형, 정사각형 또는 육각형일 수 있다. 이러한 구성들은 적당한 혼합을 초래할 수 있다. 예를 들어, 혼란스러운 당구 단면 형상을 사용하여 더 큰 레벨의 광 혼합이 달성될 수 있다. (혼란스러운 당구 단면 형상을 사용하는) 이러한 혼합 로드는 비간섭성 광 빔들의 강하게 향상된 균질화를 유도한다.
도 7, 도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b에 나타낸 구성들(700, 800, 900)은 펌프 방사선 소스(610)로부터 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630n)로의 패시브 커플링을 제공하는 조명 광학기(620) 및 초연속광 생성 도파관들(630a 내지 630n)과 초연속 방사선 소스(600)의 출력부 간의 커플링을 제공하는 수집 광학기(640)의 예시들을 나타낸다. 조명 광학기(620) 및 수집 광학기(640)는 이 실시예들에 제한되지 않으며, 어느 하나 또는 둘 모두가 대안적인 광 커플링에 의해 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 도 7, 도 8a, 도 8b, 도 9a 및 도 9b에서 앞서 설명된 광 커플링들 중 2 이상이 필요에 따라 조합될 수 있다.
방사선 소스는 방사선, 예를 들어 전자기 방사선을 방출하도록 작동가능한 소스임을 이해할 것이다. 방사선은 가시광을 포함할 수 있다. 그러므로, "방사선"이라는 용어는 "광"이라는 용어와 동의어일 수 있음을 이해할 것이다.
위치 측정 장치와 사용되는 정렬 방법에 대하여 특히 언급되었지만, 본 명세서에 설명된 비대칭을 측정하는 방법은 기판의 다수 층들 간의 오버레이를 측정하는 데 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 상기 방법은 기판의 상이한 층들의 거친 피처와 미세 피처 간의 오버레이를 측정하는 경우에 적용될 수 있다.
본 명세서에서는 정렬 측정 시스템과 관련하여 본 발명에 따른 방사선 소스의 특정 실시예들을 언급하지만, 방사선 소스의 실시예들은 다른 광학 측정 시스템, 예를 들어 일반적으로 반도체 검사 장치에서도 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 비교적 낮은 잡음을 갖는 넓은 스펙트럼을 생성하는 초연속광 소스인 본 발명에 따른 방사선 소스는, 예를 들어 의학적 토모그래피, 섬유 또는 구성요소 감쇠의 측정, 간섭계법 또는 분광학, 광 간섭성 토모그래피, 공초점 현미경법, 나노기술, 생물의학, 가전제품 등과 같은, 리소그래피 이외의 다른 기술 분야들에 유리하게 적용될 수 있다.
본 명세서에서는 리소그래피 장치와 관련하여 본 발명의 특정 실시예들이 언급되지만, 본 발명의 실시예들은 다른 장치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스는 의학적 적용들을 위해, 예를 들어 의료 디바이스 내의 메트롤로지 시스템의 일부로서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 마스크 검사 장치, 메트롤로지 장치, 또는 웨이퍼(또는 다른 기판) 또는 마스크(또는 다른 패터닝 디바이스)와 같은 대상물을 측정하거나 처리하는 여하한의 장치의 일부를 형성할 수 있다. 이 장치는 일반적으로 리소그래피 툴이라고 칭해질 수 있다. 이러한 리소그래피 툴은 진공 조건들 또는 주변(비-진공) 조건들을 이용할 수 있다.
정렬 센서를 제어하고, 이에 의해 검출된 신호들을 처리하고, 이 신호들로부터 리소그래피 패터닝 공정을 제어하는 데 사용하기에 적절한 위치 측정들을 계산하는 처리 유닛(PU)은, 통상적으로 상세히 설명되지 않은 어떠한 종류의 컴퓨터 조립체를 수반할 것임을 이해하여야 한다. 컴퓨터 조립체는 리소그래피 장치 외부의 전용 컴퓨터일 수 있으며, 정렬 센서 전용의 처리 유닛 또는 유닛들일 수 있고, 또는 대안적으로 전체로서 리소그래피 장치를 제어하는 중앙 제어 유닛(LACU)일 수 있다. 컴퓨터 조립체는 컴퓨터 실행가능한 코드를 포함한 컴퓨터 프로그램 제품을 로딩하기 위해 배치될 수 있다. 이는 컴퓨터 프로그램 제품이 다운로딩되는 경우, 컴퓨터 조립체가 정렬 센서(AS)를 갖는 리소그래피 장치의 앞서 언급된 사용들을 제어할 수 있게 한다.
본 명세서에서는, IC 제조에 있어서 리소그래피 장치의 특정 사용예에 대하여 언급되지만, 본 명세서에 서술된 리소그래피 장치는 집적 광학 시스템, 자기 도메인 메모리용 안내 및 검출 패턴, 평판 디스플레이(flat-panel display), 액정 디스플레이(LCD), 박막 자기 헤드 등의 제조와 같이 다른 적용예들을 가질 수도 있음을 이해하여야 한다. 당업자라면, 이러한 대안적인 적용예와 관련하여, 본 명세서의 "웨이퍼" 또는 "다이"라는 용어의 어떠한 사용도 각각 "기판" 또는 "타겟부"라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수도 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에서 언급되는 기판은 노광 전후에, 예를 들어 트랙(전형적으로, 기판에 레지스트 층을 도포하고 노광된 레지스트를 현상하는 툴), 메트롤로지 툴 및/또는 검사 툴에서 처리될 수 있다. 적용가능하다면, 이러한 기판 처리 툴과 다른 기판 처리 툴에 본 명세서의 기재내용이 적용될 수 있다. 또한, 예를 들어 다층 IC를 생성하기 위하여 기판이 한 번 이상 처리될 수 있으므로, 본 명세서에 사용되는 기판이라는 용어는 이미 여러 번 처리된 층들을 포함한 기판을 칭할 수도 있다.
이상, 광학 리소그래피와 관련하여 본 발명의 실시예들의 특정 사용예를 언급하였지만, 본 발명은 다른 적용예들, 예를 들어 임프린트 리소그래피에 사용될 수 있으며, 본 명세서가 허용한다면 광학 리소그래피로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 임프린트 리소그래피에서, 패터닝 디바이스 내의 토포그래피(topography)는 기판 상에 생성된 패턴을 정의한다. 패터닝 디바이스의 토포그래피는 기판에 공급된 레지스트 층으로 가압될 수 있고, 레지스트는 전자기 방사선, 열, 압력 또는 그 조합을 인가함으로써 경화된다. 패터닝 디바이스는 레지스트가 경화된 후에 레지스트로부터 이동되어 그 안에 패턴을 남긴다.
본 명세서에서 사용된 "방사선" 및 "빔"이라는 용어는, (예를 들어, 800 nm 내지 2.5 ㎛의 파장을 갖는) 적외 방사선, (예를 들어, 380 nm 내지 800 nm의 파장을 갖는) 가시광선, (예를 들어, 365, 248, 193, 157 또는 126 nm의 파장을 갖는) 자외(UV) 방사선 및 (예를 들어, 5 내지 20 nm 범위 내의 파장을 갖는) 극자외(EUV) 방사선을 포함하는 모든 형태의 전자기 방사선을 포괄한다. 예를 들어, 도 1a에 나타낸 리소그래피 장치를 이용한 기판의 노광과 관련하여, "방사선" 및 "빔"이라는 용어들은: 이온 빔 또는 전자 빔과 같은 입자 빔들, 및 (예를 들어, 365, 248, 193, 157 또는 126 nm의 파장을 갖는) 자외(UV) 방사선 및 (예를 들어, 5 내지 20 nm 범위 내의 파장을 갖는) 극자외(EUV) 방사선을 포함할 수 있다. 도 5에 나타낸 초연속 방사선 소스(600)에 의해 출력되는 초연속 방사선 빔(Bout)과 관련하여, "방사선" 및 "빔"이라는 용어들은: (예를 들어, 800 nm 내지 2.5 ㎛의 파장을 갖는) 적외 방사선 및 (예를 들어, 380 nm 내지 800 nm의 파장을 갖는) 가시광선을 포함할 수 있다.
본 명세서가 허용하는 "렌즈"라는 용어는, 굴절, 반사, 자기, 전자기 및 정전기 광학 구성요소들을 포함하는 다양한 형태의 광학 구성요소들 중 어느 하나 또는 그 조합으로 언급될 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예가 설명되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 앞서 개시된 바와 같은 방법을 구현하는 기계-판독가능한 명령어의 1 이상의 시퀀스를 포함하는 컴퓨터 프로그램, 또는 이러한 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 데이터 저장 매체(예를 들어, 반도체 메모리, 자기 또는 광학 디스크)의 형태를 취할 수 있다.
앞선 서술내용은 예시를 위한 것이지, 제한하려는 것이 아니다. 따라서, 당업자라면 아래에 설명되는 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 서술된 본 발명에 대한 변형예가 행해질 수 있다는 것을 분명히 알 것이다.

Claims (14)

  1. 리소그래피 제조 공정에서 사용하기 위한 메트롤로지 장치로서,
    레이저를 포함하는 방사선 소스 - 상기 레이저는 복수의 광학 경로로 분할되는 출력을 가지며, 각각의 광학 경로는 개별적인 광대역 광 생성기를 포함하고, 각각의 광대역 광 생성기는 광대역 방사선을 생성하도록 구성된 광자 결정 광섬유를 포함함 -;
    상기 방사선 소스로부터의 방사선으로 기판 상의 구조체를 조명하도록 구성된 광학 시스템;
    상기 구조체에 의하여 산란된 산란 방사선을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 검출 시스템; 및
    상기 산란 방사선으로부터 상기 구조체의 관심 파라미터를 결정하도록 구성된 프로세서를 포함하고,
    상기 출력은 상기 복수의 광학 경로 내로 패시브 커플링(passively coupled)되고 여하한의 증폭을 적용하지 않고 상기 복수의 광학 경로를 통과하는,
    메트롤로지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 각각의 광대역 광 생성기는 초연속 생성기를 포함하는,
    메트롤로지 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 광대역 광 생성기 중 적어도 두 개는 각각 서로 다른 출력 특성을 포함하여 생성된 방사선의 스펙트럼들이 서로 상이한,
    메트롤로지 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 광대역 광 생성기 중 적어도 두 개는 유사하여 생성된 방사선의 스펙트럼들이 유사한,
    메트롤로지 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저의 출력은 조명 광학계를 사용하여 평행하게 분할되는,
    메트롤로지 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저는 펄스화된 레이저를 포함하고, 상기 레이저의 출력은 조명 광학계를 사용하여 분할됨에 따라 상기 펄스화된 레이저보다 더 낮은 펄스 주파수에서의 평행한 출력을 제공하는,
    메트롤로지 장치.
  7. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 조명 광학계는 회절 격자, 공간 광 변조기(SLM), 또는 프레넬 렌즈들의 어레이를 포함하는,
    메트롤로지 장치.
  8. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 조명 광학계는 상기 레이저를 다섯개의 광학 경로들보다 작은 수로 분할하고, 각각은 개별적인 광대역 광 생성기를 포함하는,
    메트롤로지 장치.
  9. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 조명 광학계는 상기 레이저를 100 개 이상의 광학 경로들로 분할하고, 각각은 개별적인 광대역 광 생성기를 포함하는,
    메트롤로지 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    각각의 광학 경로에 대해, 별도의 검출기가 상기 검출 시스템 내에 제공되거나, 개별적인 검출 시스템이 제공되는,
    메트롤로지 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    광학 경로들 중 적어도 일부 내의 방사선은 공통 검출기 또는 검출 시스템에 의하여 검출되는,
    메트롤로지 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    각각의 광학 경로에 대해 별도의 광학 시스템이 제공되는,
    메트롤로지 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 메트롤로지 장치는, 산란계 메트롤로지 장치(scatterometer metrology apparatus), 레벨 센서 또는 정렬 센서를 포함하는,
    메트롤로지 장치.
  14. 삭제
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