KR102351675B1

KR102351675B1 - 모놀리식 대역폭 협소화 장치를 사용한 레이저 어셈블리 및 검사 시스템

Info

Publication number: KR102351675B1
Application number: KR1020177010932A
Authority: KR
Inventors: 유준 뎅; 영-호 알렉스 추앙; 존 필든; 조셉 제이. 암스트롱; 블라디미르 드리빈스키
Original assignee: 케이엘에이 코포레이션
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2022-01-13
Also published as: CN106688151B; JP2017530403A; IL250237A0; WO2016049074A1; JP6775494B2; US20160094011A1; US9419407B2; TWI665840B; DE112015004394T5; DE112015004394B4; IL250237B; CN106688151A; KR20170060097A; TW201618402A

Abstract

펄스화된 UV 레이저 어셈블리는, 양 서브펄스가 연신되고 반대의(포지티브 및 네거티브) 주파수 처프를 수신하도록, 각각의 기본 펄스를 두 개의 서브펄스로 분할하고 하나의 서브펄스를 브래그 격자의 일단으로 그리고 다른 펄스를 브래그 격자(또는 다른 브래그 격자)의 타단으로 지향시키는 부분 반사기 또는 빔 스플리터를 포함한다. 두 개의 연신된 서브펄스는, 기본파로부터 직접적으로 제2 고조파 생성에 의해 획득될 수 있는 것보다 더 좁은 대역폭을 갖는 합 주파수 광을 생성하도록 결합된다. UV 파장은 합 주파수 광으로부터 직접적으로 또는 합 주파수 광을 통합하는 고조파 변환 스킴으로부터 생성될 수도 있다. UV 레이저는 또한, 다른 대역폭 감소 스킴을 통합할 수도 있다. 펄스화된 UV 레이저는 검사 또는 계측 시스템에서 사용될 수도 있다.

Description

모놀리식 대역폭 협소화 장치를 사용한 레이저 어셈블리 및 검사 시스템{LASER ASSEMBLY AND INSPECTION SYSTEM USING MONOLITHIC BANDWIDTH NARROWING APPARATUS}

우선권 출원

본 출원은 2014년 9월 25일자로 Deng 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "Method for Reducing the Bandwidth of an Ultra-violet Laser and an Inspection System and Method Using an Ultra-violet Laser"인 미국 특허 가출원 제62/055,605호에 대한 우선권을 주장하고, 또한 2015년 3월 20일자로 Deng 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "Method for Reducing the Bandwidth of an Ultraviolet Laser and an Inspection System and Method Using an Ultra-violet Laser"인 미국 특허 가출원 제62/136,403호에 대한 우선권을 주장한다.

관련 기술

집적 회로 산업은, 그 사이즈가 약 100 나노미터(nm) 이하일 수도 있는 점점 더 작아지는 결함 및 파티클을 검출하기 위해 점점 더 높은 감도를 갖는 검사 툴을 필요로 한다. 게다가, 포토마스크, 레티클 또는 웨이퍼의 영역의 큰 부분, 또는 심지어 100%를 시간의 짧은 기간에, 예를 들면 한 시간 미만에 검사하기 위해서는, 이들 검사 툴은 고속으로 동작해야만 한다.

일반적으로 DUV 및 VUV 파장과 같은 짧은 파장은, 더 긴 파장과 비교하여 더 작은 결함을 검출하기 위해 더 높은 감도를 갖는다. 포토마스크 또는 레티클의 검사는, 바람직하게는, 포토마스크 또는 레티클로부터의 인쇄시에 사용되는 리소그래피에서 사용되는 것과 동일한 파장을 사용하여 행해진다. 현재로서는, 대부분의 중요한 리소그래피 단계에 대해 실질적으로 193.4 nm의 파장이 사용되고 덜 중요한 리소그래피 단계에 대해 실질적으로 248 nm의 파장이 사용된다. 본원에서 파장 값이 제한 없이 언급되는 경우, 그 값은 광 또는 방사선의 진공 파장을 가리킨다는 것이 가정되어야 한다.

작은 입자 또는 결함으로부터 산란되는 적은 양의 광을 검출하기 위해 또는 패턴에서의 결함으로 인해 반사율에서의 작은 변화의 검출을 허용하기 위해서, 고속 검사는, 검사되고 있는 샘플을 높은 강도로 조명하도록, 높은 파워의 레이저를 필요로 한다. 필요로 되는 레이저 파워 레벨은, 포토마스크 및 레티클의 검사를 위한 대략 100mW로부터, 베어 실리콘 웨이퍼(bare silicon wafer) 상의 작은 입자 및 결함의 검출을 위한 10W를 초과하는 것까지의 범위에 이를 수도 있다.

통상적으로, 반도체 산업계에서의 검사는 폭이 아주 좁은 대역폭을 갖는 레이저를 필요로 한다. 이러한 검사 시스템은, 큰 영역의 이미징이 높은 검사 속도를 달성하는 것을 허용하기 위해, 보통은, (통상적으로는, 치수에서 수 백 미크론에서부터 수 mm까지의) 큰 시야를 갖는 대물렌즈(objective lens)를 사용한다. 낮은 왜곡 및 큰 시야를 갖는 대물렌즈는 고가이고 복잡하다. 큰 대역폭(예컨대 수 십 pm보다 더 큼)에 걸쳐 동작하는 대물렌즈를 요구하는 것은, 비용 및 복잡성을 상당히 증가시킨다. 반도체 산업계에서의 검사 애플리케이션에 대해서는, 대략 20 pm 또는 그 미만의 대역폭을 갖는 DUV 레이저가 아주 바람직하다.

DUV 레이저는 기술 분야에서 공지되어 있다. 1992년 9월 1일자로 Lin에게 발행된 발명의 명칭이 "Multiwave Solid State Laser Using Frequency Conversion Techniques"인 미국 특허 제5,144,630호 및 1998년 4월 21일자로 Mead 등등에게 발행된 발명의 명칭이 "Ultraviolet Solid State Laser Method Of Using Same And Laser Surgery Apparatus"인 미국 특허 제5,742,626호는 예시적인 DUV 레이저를 설명한다. 1064 nm 근처의 파장에서 동작하는 펄스화된 기본 적외선 레이저(pulsed fundamental infra-red laser)로부터 제4 및 제5 고조파(harmonic)가 생성되고, 그에 의해 대략 266 nm 및 213 nm의 파장으로 나타나게 된다. Lin 및 Mead는 또한, 광 파라메트릭 발진기(optical parametric oscillator; OPO)를 사용하여 기본 레이저(fundamental laser)로부터 1064 nm보다 더 긴 적외선 파장을 생성하는 것을 교시한다.

레이저 발진기의 출력(output) 대역폭은 자신의 캐비티 내부 동역학(intra-cavity dynamics)에 의해 결정된다. 종래 기술의 펄스화된 레이저에서, 레이저 대역폭을 더 감소시키기 위해, 에탈론(etalon), 복굴절 필터(birefringent filter), 또는 광학적 격자와 같은 다양한 대역폭 제한 디바이스가 레이저 캐비티 안으로 통합되었다. 이들 접근 방식(approach) 모두가 침습성이기 때문에, 이들은 불가피하게 레이저에 대해 유해한 영향을 끼쳤다. 이들 유해한 영향은, 추가적인 파워 손실 및 더 큰 복잡성을 포함하는데, 이것은 종종 더 낮은 레이저 효율성, 열악한 열 안정성, 더 엄격한 오정렬 감도, 및 더 긴 레이저 시스템 웜업 시간으로 이어졌다. 또한, 캐비티 내부 빔 사이즈가 종종 작고 레이저 캐비티 설계에 의해 결정되기 때문에, 그리고 캐비티 내부 레이저 파워 밀도가 보통은 레이저 출력 파워보다 훨씬 더 높기 때문에, 이들 캐비티 내부 컴포넌트는 손상에 훨씬 취약하다.

종래 기술의 펄스화된 DUV 레이저에서, DUV 출력의 대역폭은 기본 적외선 레이저의 대역폭에 직접적으로 의존한다. 즉, 기본 레이저의 대역폭이 더 넓을수록, DUV 출력 대역폭은 더 넓다. 레이저의 대역폭을 감소시키는 것은 레이저 발진기 캐비티를 재설계하는 것을 필요로 한다. 캐비티가, 대역폭, 반복율뿐만 아니라 평균 및 피크 파워를 비롯한 레이저의 많은 특성을 제어할 수도 있기 때문에, 다른 레이저 파라미터를 유지하면서 대역폭을 감소시키기 위해 캐비티를 재설계하는 것은 복잡하고 시간이 많이 걸리는 작업일 수도 있다. 게다가, 손쉽게 이용가능한 적외선 기본 레이저를 사용하여 특정 DUV 레이저 대역폭 명세(specification)를 달성하는 것은 가능하지 않을 수도 있다.

반대 처프(opposite chirp)를 갖는 두 개의 펨토초 펄스(femtosecond pulse)를 결합하는 것에 의한 주파수 배가(frequency doubling)에 의해 대역폭을 감소시키는 것이 기술 분야에서 공지되어 있다(Raoult 등등의 Opt. Lett. 23, 1117-1119 (1998) 참조). 격자쌍 연신기(grating-pair stretcher)를 사용하여 펨토초 펄스가 먼저 처핑되어(chirped) 약 1 ns로 연신되었고(stretched), 그 다음, 증폭 이후, 두 개의 펄스로 분할되었다. 두 개의 펄스는 두 개의 격자쌍 디스펜서(grating-pair disperser)를 사용하는 것에 의해 반대 처프를 갖는 수십 피코초 펄스로 불완전하게 압축되었다. 이들 두 펄스의 합 주파수 생성(sum frequency generation)은 훨씬 더 좁은 대역폭으로 나타났다. 그러나, 이 접근 방식은 격자 기반의 연신기 및 압축기에 의존하는데, 이들은 부피가 크고 까다로운 상업적 산업용 애플리케이션에 대해 필요로 되는 기계적 안정성이 부족하다. 게다가, 펨토초 펄스는, 넓은 대역폭(수 nm)이 시스템 광학장치(optic)의 설계를 아주 복잡하게 하고, 높은 피크 파워가 검사되고 있는 물품을 쉽게 손상시킬 수 있기 때문에, 반도체 검사 애플리케이션에서 사용하기에는 일반적으로 적합하지 않다.

따라서, 상기 단점 중 일부 또는 전체를 극복하는 DUV 레이저에 대한 필요성이 발생한다. 특히, 수 피코초와 수백 피코초의 펄스 길이를 갖는 DUV 레이저를 비롯한, DUV 레이저의 대역폭을 감소 또는 제어하는 수단에 대한 필요성이 발생한다.

본 발명은 일반적으로, 기본 레이저 광 펄스를 두 개의 서브펄스로 분할하는 것, 하나 이상의 모놀리식 광학 디바이스(예를 들면, 하나 이상의 처핑된 볼륨 브래그 격자(chirped volume Bragg grating) 또는 처핑된 광섬유 브래그 격자(chirped fiber Bragg grating))를 사용하여 두 개의 서브펄스를 연신하고 반대 처프를 두 개의 서브펄스에 추가하는 것, 그 다음, 연신된/처핑된 서브펄스를 재결합하여(혼합하여) 기본 주파수(fundamental frequency)의 두 배와 동일한(즉, 이 경우 펄스는 기본 레이저 광 펄스의 기본 파장의 절반과 동일한 파장을 갖는다) 주파수를 갖는 펄스로 이루어지는 합 주파수(출력) 광을 생성하는 것을 통해 출력 레이저 광의 대역폭의 감소 및/또는 제어를 가능하게 하는 대역폭 협소화(bandwidth narrowing) 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 한 양태에 따르면, 두 개의 서브펄스의 혼합은, 두 개의 연신된/처핑된 서브펄스의 반대(포지티브 및 네거티브) 처프가 합 주파수 혼합 프로세스 동안 상쇄되고, 그에 의해 직접적인 제2 고조파 생성에 의해 생성되는 것보다 훨씬 더 좁은 대역폭을 갖는 합 주파수 출력 광을 생성하도록 구성되는 합 주파수 모듈(sum frequency module)을 사용하여 수행된다. 이 방식으로 합 주파수 출력 광을 생성하는 이점은, 원치 않는 파장을 제거하기 위해 필터 또는 에탈론을 단순히 사용하는 방법과 비교하여, 이 접근 방식이 기본 레이저 파워를 거의 낭비하지 않는다는 것이다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따르면, 레이저 어셈블리는, 펄스 분할 엘리먼트, 단일의 모놀리식 디바이스(예를 들면, 모놀리식의 처핑된 볼륨 브래그 격자(모놀리식 CBG(chirped volume Bragg grating))), 주파수 혼합 모듈, 및 펄스 분할 엘리먼트와 모놀리식 디바이스 사이에 그리고 모놀리식 디바이스와 주파수 혼합 모듈 사이에 서브펄스 광 경로를 제공하도록 동작가능하게 정렬되는 추가적인 광학 엘리먼트(예를 들면, 미러, 편광 빔 스플리터, 1/4 파장판(quarter-wave plate; QWP) 및 폴드 미러(fold mirror))로 일반적으로 이루어지는 대역폭 협소화 장치 및 기본 레이저를 포함한다. 기본 레이저(예를 들면, 하나의 실시형태에서 제2 고조파 변환 모듈을 포함하는 Nd:YAG 또는 Nd 도핑된 바나듐산염 레이저)는 기본 주파수 대역폭 내에 배치되는 주파수를 갖는 펄스로 이루어지는 기본 광을 생성한다. 대역폭 협소화 장치는, 캐비티 내 대역폭 제어 디바이스의 유해한 영향을 방지하기 위해, 그리고 또한 레이저 발진기 캐비티를 재설계하지 않고도 다른 레이저 파라미터(즉, 대역폭 이외의 것)를 유지하는 것을 가능하게 하기 위해, 기본 레이저의 하류(downstream)에(즉, 레이저 캐비티 외부에) 배치된다. 구체적으로는, 펄스 분할 엘리먼트(예를 들면, 부분 반사기 또는 빔 스플리터)는 기본 레이저 광을 수신하도록 배치되고, 각각의 기본 레이저 광 펄스를, 대략 동일한 에너지를 갖는 대응하는(제1 및 제2) 서브펄스의 쌍으로 분할하도록 구성된다. 현재의 바람직한 실시형태에서, 두 개의 서브펄스는 별개의 광 경로를 따라 모놀리식 디바이스의 대향 표면 상으로의 각각 지향되는데, 그에 의해, 서로의 미러 이미지인 두 개의 반대로 처핑되고 연신된 서브펄스가 생성된다(즉, 그 결과 두 개의 연신된 서브펄스는, 크기에서 대략 동일하지만 그러나 부호에서 반대인 시간에 따른 주파수에서 변화를 가지게 된다.) 이러한 방식으로 단일의 모놀리식 디바이스를 사용하는 것은, 우수한 광학적 그리고 기계적 안정성을 제공하고, 격자 기반의 연신기 및 압축기 접근 방식과 비교하여 공간의 일부만을 점유하고, 두 개의 연신된 서브펄스가 실질적으로 미러 이미지 펄스 주파수 패턴을 가지고 처핑되는 것을 보장한다. 또한, 적절히 설계된 CBG는 격자 기반의 연신기 및 압축기보다 훨씬 더 높은 분산도를 가지며, 격자에서의 각도 분산의 부족으로 인해 격자와 관련하여 매우 어려운 도전과제인 좁은 대역폭의 피코초 펄스를 연신하기 위해 사용될 수 있다. 그 다음, 두 개의 연신되고 반대로 처핑된 서브펄스는 별개의 광 경로를 따라 주파수 혼합 모듈로 지향된다. 펄스 분할 엘리먼트와 주파수 혼합 모듈 사이의 두 개의 서브펄스 광 경로는 펄스 길이의 약 10% 이내로 정렬 매칭되는 것이 바람직하고, 광 경로를 형성하는 광학 엘리먼트(예를 들면, 미러)는 주파수 혼합 모듈에 도달하는 두 개의 연신된 서브펄스 사이의 도달 시간 지연을 변경하도록 쉽게 재배치될 수 있고, 그에 의해, 합 주파수 출력 펄스의 중심 파장의 미세 조정을 가능하게 하는데, 이것은, 광마스크 검사를 위한 193 nm와 같은 정확한 특정 파장을 필요로 하는 몇몇 애플리케이션에 대해 유익하다. 합 주파수 모듈(예를 들면, 타입 I 또는 타입 II 주파수 혼합 중 어느 하나를 위해 구성되는 BBO, LBO 또는 CLBO 결정(crystal), 또는 리튬 니오브산염(lithium niobate) 또는 화학량론적 리튬 탄탈산염(stoichiometric lithium tantalate; SLT)과 같은 주기적 분극반전 비선형 결정(periodically poled non-linear crystal))은, 결과적으로 나타나는 합 주파수 펄스(sum frequency pulse)가 기본 주파수의 두 배와 동일한 중심 주파수를 갖도록(예를 들면, 합 주파수 펄스가 대략 532 nm 및 대략 266 nm 중 하나와 동일한 중심 파장을 갖도록) 대응하는 포지티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스 및 네거티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스를 혼합하도록 구성된다.

대안적인 특정 실시형태에 따르면, 다양한 레이저 어셈블리의 대역폭 협소화 장치는, 상이한 이점을 달성하기 위해, 상이한 광학 엘리먼트 배열체(optical element arrangement)를 활용한다. 예를 들면, 하나의 접근 방식에서, 두 개의 서브펄스 광 경로를 형성하는 광학 엘리먼트는, 두 개의 연신된 서브펄스가 실질적으로 직교하는 편광을 가지며 동일 직선 경로(collinear path)를 따라 주파수 혼합 모듈로 진입하도록 구성되며, 그리고 주파수 혼합 모듈은 타입 II 주파수 혼합 기술을 사용하여 두 개의 연신된 서브펄스를 혼합하도록 구성된다. 이 직교 편광 동일 직선 경로 접근 방식(orthogonal-polarization-collinear-path approach)은 광학 배열체를 단순화하고 연신된 서브펄스로 하여금 주파수 혼합 모듈을 통과하는 동안 중첩하게 하는데, 이것은 기본 레이저 광의 제2 고조파로서의 합 주파수 광(sum frequency light)의 효율적인 생성으로 나타난다. 대안적인 접근 방식에서, 두 개의 서브펄스 광 경로를 형성하는 광학 엘리먼트는, 두 개의 연신된 서브펄스가 실질적으로 평행한 편광을 가지며 예각인 상대 각도(acute relative angle)(예를 들면, 약 4°미만)에서 주파수 혼합 모듈에 진입하도록 구성된다. 이 평행 편광 비동일 직선 경로 접근 방식(parallel-polarization-non-collinear-path approach)은, 타입 II보다 더 효율적인 타입 I 혼합의 이점을 제공하고, 따라서 (주어진 입력 파워 및 경로 길이에 대해) 더 많은 출력 파워의 생성 또는 더 짧은 길이의 격자의 사용 중 어느 하나를 가능하게 한다. 평행 편광 비동일 직선 경로 접근 방식은, 주기적 분극반전 리튬 니오브산염(periodically poled lithium niobate; PPLN) 또는 주기적 분극반전 SLT(periodically poled SLT; PPSLT)와 같은 주기적 분극반전 결정에서 주파수 혼합을 수행할 수도 있다. 주기적 분극반전 결정은, LBO, BBO 및 CLBO와 같은 재료보다 더 높은 비선형 계수를 가질 수도 있고, 제2 고조파로의 제1 고조파의 더 효율적인 변환을 허용하는 더 긴 결정에서 사용될 수도 있다.

추가적이고 대안적인 특정 실시형태에 따르면, 본 발명의 레이저 어셈블리는, 상기에서 설명되는 감소된 및/또는 제어된 대역폭을 나타내는 레이저 출력 광을 달성하기 위해, 고조파 변환 모듈, 광학적 대역폭 필터링 디바이스 및 추가적인 주파수 혼합 모듈 중 적어도 하나와 결합하는 상기에서 언급된 CGB 기반의 대역폭 협소화 장치를 활용하는데, 이 경우, 추가적인 구조체는, 기본 광 주파수의 더 높은(즉, 2배를 넘는) 고조파에서(즉, 기본 주파수의 제2 고조파를 넘는) 레이저 출력 광을 생성하는 것을 가능하게 한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, DUV 레이저 어셈블리는, 기본 광의 제2 고조파에서 합 주파수를 생성하기 위해 상기에서 설명되는 CGB 기반의 대역폭 협소화 장치 중 하나를 활용하고, 그 다음, 기본 광의 더 높은(예를 들면, 제4) 고조파에서 레이저 출력 광을 생성하기 위해, 합 주파수 광을 고조파 변환 모듈을 통해 전달한다. 다른 예시적인 실시형태에서, DUV 레이저 어셈블리는 기본 광을, 좁은 대역폭 외부에 있는 주파수를 갖는 각각의 기본 광 펄스의 제1(거부된) 부분을 반사하고, 좁은 대역폭 이내의 주파수를 포함하는 각각의 기본 광 펄스의 제2 부분을 통과시키는 광학적 대역폭 필터링 디바이스(예를 들면, 에탈론)로 지향시킨다. 종래의 시스템에서는 무시되고 따라서 버려질, 각각의 기본 광 펄스의 거부된 제1 부분은 상기에서 설명되는 CGB 기반의 대역폭 협소화 장치 중 하나를 통과하고, 이에 의해, 제1 부분의 이전에 사용불가능한 대역외 주파수는, 좁은 대역폭 이내의 주파수를 갖는 사용가능한 합 주파수 광으로 변환된다. 그 다음, 합 주파수 광은, 옵션적인(optional) 고조파 변환 모듈을 통과하고, 그 다음 옵션적인 고조파 변환 모듈을 빠져나오는 (제1) 고조파 광 또는 합 주파수 광 중 어느 하나는 제2 주파수 혼합 모듈로 전달된다. 제2 주파수 혼합 모듈은, CGB 기반의 대역폭 협소화 장치를 사용하지 않고 생성될 수 있는 것보다 더 높은 고조파 및 더 높은 에너지를 갖는 레이저 출력 광을 생성하기 위해, 합 주파수 광(또는 옵션적인 제1 고조파)을 제2 기본 광 부분(즉, 광학적 대역폭 필터링 디바이스에 의해 통과된 좁은 대역폭 부분) 또는 그 고조파와 혼합하도록 구성된다.

예시적인 검사 시스템이 설명된다. 이 검사 시스템은 조명원(illumination source), 광학장치, 및 검출기를 포함한다. 조명원은, 소망하는 파장 및 대역폭의 DUV 방사선을 생성하기 위해, 상기에서 언급되는 CGB 기반의 대역폭 협소화 장치(즉, 펄스 분할 엘리먼트, 하나 이상의 모놀리식 디바이스, 주파수 혼합 모듈, 및 관련된 광학 엘리먼트)를 활용하는 DUV 레이저 어셈블리를 포함한다. 광학장치는, 조명원으로부터의 DUV 방사선을 샘플 상으로 지향시키고 집속시키도록 구성된다. 샘플은, 검사 동안 광학장치를 기준으로 이동하는 스테이지에 의해 지지된다. 검출기는 샘플로부터 반사된 또는 산란된 광을 수신하도록 구성되는데, 광학장치는 또한, 반사된 또는 산란된 광을 검출기 상으로 수집, 지향, 및 집속하도록 구성된다. 검출기는 하나 이상의 이미지 센서를 포함한다. 적어도 하나의 이미지 센서는 시간 지연 통합(time-delay integration; TDI) 센서일 수도 있다.

예시적인 검사 시스템은, 상이한 입사각 및/또는 상이한 방위각으로부터 및/또는 상이한 파장 및/또는 편광 상태를 가지고 샘플을 조명하는 하나 이상의 조명원을 포함할 수도 있는데, 조명원 중 하나 이상은, 상기에서 설명되는 신규의 대역폭 제어 접근 방식을 통합한다. 예시적인 검사 시스템은, 샘플에 의해 상이한 방향으로 반사되는 또는 산란되는 광을 수집하는 및/또는 상이한 파장에 및/또는 상이한 편광 상태에 민감한 하나 이상의 수집 경로(collection path)를 포함할 수도 있다. 예시적인 검사 시스템은, 두 개의 상이한 신호를 동시에 판독하기 위해 사용되는 판독 회로를 양 측(two sides)에 갖는 TDI 센서를 포함할 수도 있다. 예시적인 검사 시스템은 전자 충돌형 이미지 센서(electron-bombarded image sensor)를 포함할 수도 있다.

샘플을 검사하는 예시적인 방법이 설명된다. 예시적인 방법은, DUV 레이저 조명원으로부터의 방사선을 샘플 상으로 지향 및 집속시키는 것을 포함하는데, DUV 레이저 조명원은 상기에서 설명되는 방식으로 대역폭 제어를 구현하도록 구성된다. 샘플은, 검사 동안 광학장치를 기준으로 이동하는 스테이지에 의해 지지된다. 방법은, 샘플에 의해 반사되는 또는 산란되는 광을 검출기 상으로 수집, 지향, 및 집속시키기 위해 광학장치를 사용하는 것을 더 포함한다. 검출기는 하나 이상의 이미지 센서를 포함한다. 적어도 하나의 이미지 센서는 시간 지연 통합(TDI) 센서일 수도 있다. 방법은, 처핑된 볼륨 브래그 격자(CBG)를 사용하여 DUV 레이저의 대역폭을 제어하는 것을 더 포함한다.

도 1은 DUV 레이저를 포함하는 조명원을 통합하는 예시적인 검사 시스템을 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 하나, 또는 그 이상의 수집 채널을 갖는 선 조명(line illumination) 및 DUV 레이저를 사용하는 예시적인 검사 시스템을 예시한다.
도 3은 수직의 그리고 비스듬한 조명을 갖는 예시적인 검사 시스템을 예시한다.
도 4는 명시야(bright-field) 및 암시야(dark-field) 조명 채널을 갖는 예시적인 검사 시스템을 예시한다.
도 5는 DUV 레이저를 포함하는 조명원 및 분리 판독 이미지 센서(split-readout image sensor)를 통합하는 예시적인 검사 시스템을 예시한다.
도 6a는 레이저 대역폭을 협소화하기 위해 CBG를 통합하는 하나의 예시적인 DUV 레이저를 예시한다.
도 6b는 레이저 대역폭을 협소화하기 위해 CBG를 통합하는 대안적이고 예시적인 DUV 레이저를 예시한다.
도 6c는 레이저 대역폭을 협소화하기 위해 CBG를 통합하는 대안적이고 예시적인 DUV 레이저를 예시한다.
도 7은 레이저 대역폭을 협소화하기 위해 CBG를 통합하는 다른 예시적인 DUV 레이저를 예시한다.
도 8은 레이저 대역폭을 협소화하기 위해 CBG를 통합하는 다른 예시적인 DUV 레이저를 예시한다.
도 9는 두 개의 직교하는 편향된 펄스로부터 합 주파수를 결합 및 생성하기 위한 예시적인 주파수 혼합 모듈을 예시한다.
도 10은 평행 편광을 갖는 두 개의 펄스로부터 합 주파수를 결합 및 생성하기 위한 예시적인 주파수 혼합 모듈을 예시한다.
도 11a 및 도 11b는 예시적인 기본 대역폭 및 관련된 제2 고조파 스펙트럼을 묘사하는 그래프이다.

본 발명은 반도체 검사용 센서에서의 향상에 관한 것이다. 다음의 설명은, 기술 분야에서 숙련된 자가, 특정한 애플리케이션 및 그 요건의 맥락에서 제공되는 대로 본 발명을 행하고 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제시된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 방향성 용어 예컨대 "아래(underneath)", "상방(upward)", "하방(downward)", "수직(vertical)" 및 "수평(horizontal)"은, 설명의 목적을 위한 상대적 위치 또는 방위를 제공하도록 의도된 것이며, 참조의 절대적인 프레임을 지정하도록 의도되지는 않는다. 바람직한 실시형태에 대한 다양한 수정예가 기술 분야의 숙련된 자에게 명백할 것이며, 본원에서 정의되는 일반적인 원칙은 다른 실시형태에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명되는 특정한 실시형태로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본원에서 개시되는 신규의 피쳐 및 원리에 부합하는 최광의의 범위를 부여받아야 한다.

도 1은 웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크와 같은 샘플(108)을 측정하도록 구성되는 예시적인 검사 시스템(100)을 예시한다. 샘플(108)은, 광학장치 아래의 샘플(108)의 상이한 영역의 움직임을 가능하게 하기 위해, 스테이지(112) 상에 배치된다. 스테이지(112)는 X-Y 스테이지 또는 R-θ 스테이지를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 스테이지(112)는 초점을 유지하기 위해 검사 동안 샘플(108)의 높이를 조정할 수 있다. 다른 실시형태에서, 대물렌즈(105)는 초점을 유지하도록 조정될 수 있다.

조명원(102)은 하나 이상의 레이저 및/또는 광대역 광원(broad-band light source)을 포함할 수도 있다. 조명원(102)은 DUV 방사선 및/또는 VUV 방사선(본원에서 총칭하여 "UV 방사선"으로 칭함)을 방출할 수도 있다. 조명원(102)은 UV 방사선을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 기본 레이저를 포함하고, UV 방사선을 광학 시스템(광학장치)(103)을 통과시켜 샘플(108)로 지향시키도록 배치되는데, 기본 레이저는 본원에서 설명되는 대역폭 제어부를 통합한다. 대물렌즈(105)를 포함하는 광학장치(103)는 UV 방사선을 샘플(108)을 향해 지향시키도록, 그리고 샘플(108) 상에 집속시키도록 구성된다. 광학장치(103)는 또한 미러, 렌즈, 및/또는 빔 스플리터를 포함할 수도 있다. 샘플(108)로부터 재지향되는(redirected)(즉, 반사되는 또는 산란되는) UV 방사선(이하, "광"으로 칭함)의 일부는 광학장치(103)에 의해, 검출기 어셈블리(104) 내에 배치되는 검출기(106) 상으로 수집, 지향, 및 집속된다.

검출기 어셈블리(104)는 검출기(106)를 포함한다. 검출기(106)는 이차원 어레이 센서 또는 일차원 라인 센서를 포함할 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 검출기(106)의 출력은, 출력을 분석하는 컴퓨팅 시스템(114)으로 제공된다. 컴퓨팅 시스템(114)은, 반송 매체(carrier medium)(116) 상에 저장될 수 있는 프로그램 명령어(118)에 의해 구성된다.

검사 시스템(100)의 하나의 실시형태는 라인을 샘플(108) 상에 조명하고, 산란되는 및/또는 반사되는 광을 하나 이상의 암시야 및/또는 명시야 수집 채널에서 수집한다. 이 실시형태에서, 검출기(106)는 라인 센서 또는 전자 충돌형 라인 센서를 포함할 수도 있다.

검사 시스템(100)의 다른 실시형태는 다수의 스팟을 샘플(108) 상에 조명하고, 산란되는 및/또는 반사되는 광을 하나 이상의 암시야 및/또는 명시야 수집 채널에서 수집한다. 이 실시형태에서, 검출기(106)는 이차원 어레이 센서 또는 전자 충돌형 이차원 어레이 센서를 포함할 수도 있다.

검사 시스템(100)의 다양한 실시형태의 추가적인 상세는, Romanovsky 등등에 의해 2012년 7월 9일자로 출원된 발명의 명칭이 "WAFER INSPECTION SYSTEM"인 미국 특허 출원 제13/554,954호, Armstrong 등등에 의해 출원되고 2009년 7월 16일자로 공개된 미국 특허 공개 공보 제2009/0180176호, 2007년 1월 4일자로 공개된 Chuang 등등에 의한 미국 특허 공개 공보 제2007/0002465호, 1999년 12월 7일자로 발행된 Shafer 등등에 의한 미국 특허 제5,999,310호, 및 2009년 4월 28일자로 발행된 Leong 등등에 의한 미국 특허 제 7,525,649호에서 발견될 수 있다. 이들 특허 및 특허 출원 모두는 참조에 의해 본원에 통합된다.

도 2a 및 도 2b는, 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 본원에서 설명되는 방법 및/또는 레이저 어셈블리 중 하나를 통합하는 암시야 검사 시스템의 양태를 예시한다. 도 2a에서, 조명 광학장치(201)는, 검사되고 있는 웨이퍼 또는 포토마스크(샘플)(211)의 표면 상의 라인(205)으로 미러 또는 렌즈(203)에 의해 집속되는 광(202)을 생성하는 본원에서 설명되는 바와 같은 대역폭 제어부를 갖는 DUV 레이저 시스템(220)을 포함한다. 수집 광학장치(210)는 라인(205)으로부터 산란되는 광을, 212 및 213과 같은 렌즈 및/또는 미러를 사용하여 센서(215)로 지향시킨다. 수집 광학장치의 광학축(214)은 라인(205)의 조명면 내에 있지 않다. 몇몇 실시형태에서, 축(214)은 라인(205)에 대략 수직이다. 센서(215)는 어레이 센서, 예컨대 라인 어레이 센서를 포함한다.

도 2b는, 각각이 도 2a의 수집 광학장치(210)와 실질적으로 유사한 다수의 암시야 수집 시스템(각각, 231, 232 및 233)의 하나의 실시형태를 예시한다. 수집 시스템(231, 232 및 233)은, 도 2a의 조명 광학장치(201)와 실질적으로 유사한 조명 광학장치와 결합하여 사용된다. 샘플(211)은, 광학장치 아래에서 검사될 영역을 이동시키는 스테이지(221) 상에서 지지된다. 스테이지(221)는 X-Y 스테이지 또는 R-θ 스테이지를 포함할 수도 있는데, X-Y 스테이지 또는 R-θ 스테이지는, 샘플의 큰 영역을 최소의 데드 타임을 가지고 검사하기 위해, 검사 동안 실질적으로 연속적으로 움직이는 것이 바람직하다.

도 2a 및 도 2b에서 예시되는 실시형태에 따른 검사 시스템의 추가적인 상세는, 2009년 4월 28일자로 발행된 발명의 명칭이 "Surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging"인 미국 특허 제7,525,649호, 및 2003년 8월 19일자로 발행된 발명의 명칭이 "System for detecting anomalies and/or features of a surface"인 미국 특허 제6,608,676호에서 발견될 수 있다. 이들 특허 둘 다는 참조에 의해 본원에 통합된다.

도 3은, 수직 및 비스듬한 조명 빔 둘 다를 사용하여 샘플 상의 입자 또는 결함을 검출하도록 구성되는 검사 시스템(300)을 예시한다. 이 구성에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 대역폭 제어부를 통합하는 DUV 레이저 시스템(330)이 레이저 빔(301)을 제공한다. 렌즈(302)는 빔(301)을 공간 필터(303)를 통해 집속한다. 렌즈(304)는 빔을 시준하고(collimate) 그것을 편광 빔 스플리터(305)로 전달한다. 빔 스플리터(305)는 제1 편광된 성분을 수직 조명 채널 쪽으로 그리고 제2 편광된 성분을 비스듬한 조명 채널 쪽으로 통과시키는데, 여기서 제1 및 제2 성분은 수직이다. 수직 조명 채널(306)에서, 제1 편광된 성분은 광학 장치(307)에 의해 집속되고 미러(308)에 의해 샘플(309)의 표면을 향해 반사된다. 샘플(309)(예컨대 웨이퍼 또는 포토마스크)에 의해 산란되는 방사선은 포물경(paraboloidal mirror)(310)에 의해 수집되어 센서(311) 쪽으로 집속된다.

비스듬한 조명 채널(312)에서, 제2 편광된 성분은 빔 스플리터(305)에 의해, 이러한 빔을 반파 플레이트(half-wave plate; 314)를 통해 반사시키는 미러(313)로 반사되고 광학 장치(315)에 의해 샘플(309)로 집속된다. 비스듬한 채널(312)에서 비스듬한 조명 빔으로부터 나오는 그리고 샘플(309)에 의해 산란되는 방사선은, 포물경(310)에 의해 수집되고 센서(311)로 집속된다. 센서 및 (표면(309) 상에서의 수직인 그리고 비스듬한 조명 채널로부터의) 조명된 영역은 포물경(310)의 초점에 있는 것이 바람직하다.

포물경(310)은 샘플(309)로부터의 산란된 방사선을 시준된 빔(316)으로 시준한다. 그 다음, 시준된 빔(316)은 대물렌즈(317)에 의해 그리고 분석기(318)를 통해 센서(311)로 집속된다. 포물선 형상 이외의 형상을 갖는 곡면의 미러 표면이 또한 사용될 수도 있다는 것을 유의한다. 샘플(309)의 표면에 걸쳐 스팟이 주사되도록, 기구(instrument; 320)가 빔과 샘플(309) 사이의 상대적 모션을 제공할 수 있다. 2001년 3월 13일자로 발행되고 참조에 의해 본원에 통합되는 미국 특허 6,201,601호는 검사 시스템(300)을 더 상세히 설명한다.

도 4는, 명시야 및 암시야 검사 모드를 갖는 검사 시스템으로서 구성되는 예시적인 반사굴절(catadioptric) 이미징 시스템(400)을 예시한다. 시스템(400)은 두 개의 조명원: 레이저 시스템(401), 및 광대역 광 조명 모듈(420)을 통합할 수도 있다.

암시야 모드에서, 적응 광학장치(adaptation optics)(402)는 검사되고 있는 표면 상에서의 레이저 조명 빔 사이즈 및 프로파일을 제어한다. 기계적 하우징(404)은 어퍼쳐 및 윈도우(403), 및 레이저를 입사에 수직인 광학축을 따라 샘플(408)의 표면 쪽으로 재지향시키는 프리즘(405)을 포함한다. 프리즘(405)은 또한 샘플(408)의 표면 피쳐로부터의 거울 반사를 대물렌즈(406) 밖으로 지향시킨다. 대물렌즈(406)는 샘플(408)에 의해 산란되는 광을 수집하고 그것을 센서(409) 상에 집속시킨다. 대물렌즈(406)용의 렌즈는, 반사굴절 대물렌즈(412), 집속 렌즈군(413), 및 튜브 렌즈 섹션(414)의 일반적 형태로 제공될 수 있는데, 튜브 렌즈 섹션(414)은, 옵션적으로 줌 성능을 포함할 수도 있다. 레이저 시스템(401)은 본원에서 설명되는 바와 같은 대역폭 제어부를 통합한다.

명시야 모드에서, 광대역 조명 모듈(420)은 광대역 광을 빔 스플리터(410)로 지향시키는데, 빔 스플리터(410)는, 그 광을 집속 렌즈군(413) 및 반사굴절 대물렌즈(412)를 향해 반사시킨다. 반사굴절 대물렌즈(412)는 샘플(408)을 광대역 광으로 조명한다. 샘플로부터 반사되는 또는 산란되는 광은 대물렌즈(406)에 의해 수집되어 센서(409) 상에 집속된다. 광대역 조명 모듈(420)은, 예를 들면, 레이저 펌프식 플라즈마 광원(laser-pumped plasma light source) 또는 아크 램프를 포함한다. 광대역 조명 모듈(420)은 또한, 반사굴절 대물렌즈(412)에 대한 샘플(408)의 높이를 제어하기 위한 신호를 제공하는 자동 초점 시스템을 포함할 수도 있다.

2007년 1월 4일자로 공개되고 참조에 의해 본원에 통합되는 미국 특허 공개 공보 제2007/0002465호는 시스템(400)을 더 상세히 설명한다.

도 5는, 하나의 센서(570) 상에서 이미지 또는 신호의 두 채널을 동시에 검출하는 레티클, 포토마스크 또는 웨이퍼 검사 시스템(500)을 도시한다. 이미지 센서(570)는 분리 판독 이미지 센서를 포함한다. 조명원(509)은, 본원에서 설명되는 바와 같은 대역폭 제어부를 갖는 DUV 레이저 시스템을 통합한다. DUV 레이저의 동작 파장은, 대략 193 nm의 파장과 같이, 200 nm보다 더 짧을 수도 있다. 두 개의 채널은, 피검사 오브젝트(inspected object)(530)가 투명한 경우(예를 들면, 레티클 또는 포토마스크인 경우) 반사된 그리고 투과된 강도를 포함할 수도 있거나, 또는, 입사각, 편광 상태, 파장 범위 또는 이들의 몇몇 조합과 같은 두 개의 상이한 조명 모드를 포함할 수도 있다. 광은, 채널 1 조명 릴레이(515) 및 채널 2 조명 릴레이(520)를 사용하여 피검사 오브젝트(530)로 지향된다.

피검사 오브젝트(530)는, 검사될 레티클, 포토마스크, 반도체 웨이퍼 또는 다른 물품일 수도 있다. 이미지 릴레이 광학장치(540)는, 피검사 오브젝트(530)에 의해 반사되는 및/또는 투과되는 광을 채널 1 이미지 모드 릴레이(555) 및 채널 2 이미지 모드 릴레이 센서(560)로 지향시킬 수 있다. 채널 1 이미지 모드 릴레이(555)는 채널 1 조명 릴레이(515)에 대응하는 반사 또는 투과를 검출하도록 조정되고, 반면 채널 2 이미지 모드 릴레이 센서(560)는 채널 2 조명 릴레이(520)에 대응하는 반사 또는 투과를 검출하도록 조정된다. 채널 1 이미지 모드 릴레이(555) 및 채널 2 이미지 모드 릴레이 센서(560)는 동조하여 그들의 출력을 센서(570)로 지향시킨다. 두 개의 채널에 대한 검출된 신호 또는 이미지에 대응하는 데이터는 데이터(590)로서 도시되고 프로세싱을 위해 컴퓨터(도시되지 않음)로 송신된다.

레티클 또는 포토마스크로부터의 투과된 그리고 반사된 광을 측정하도록 구성될 수도 있는 레티클 및 포토마스크 검사 시스템 및 방법의 다른 상세는, 2008년 4월 1일자로 Kvamme 등등에게 발행된 미국 특허 제7,352,457호에서 그리고 1996년 10월 8일자로 Emery 등등에게 발행된 미국 특허 제5,563,702호에서 설명되는데, 이들 특허 둘 다는 참조에 의해 본원에 통합된다.

이미지 센서(570)의 예시적인 실시형태에 관한 추가 상세는, 2013년 12월 4일자로 Brown 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR HIGH SPEED ACQUISITION OF MOVING IMAGES USING PULSED ILLUMINATION"인 미국 특허 출원 제14/096,911호에서, 그리고 2009년 5월 9일자로 발행된, Brown 등등에 의한 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR SIMULTANEOUS HIGH-SPEED ACQUISITION OF MULTIPLE IMAGES"인 미국 특허 제7,528,943호에서 제공된다. 이들 특허 및 특허 출원 모두는 참조에 의해 본원에 통합된다.

도 6a는, 기본 레이저(601) 및 대역폭 협소화 장치(610A)를 포함하는 예시적인 펄스화된 레이저 어셈블리(600A)를 도시하는데, 대역폭 협소화 장치(610A)는 일반적으로 펄스 분할 엘리먼트(602A), 모놀리식 디바이스(607), 주파수 혼합 모듈(608A), 및 기본 레이저(601)에 의해 생성되는 기본 레이저 광 펄스(601A-LP)로부터의 직접적인 제2 고조파 생성에 의해 생성될 것보다 더 좁은 대역폭 내에 배치되는 주파수를 갖는 펄스(LSFP)로 이루어지는 합 주파수 광(LSF)(또는 레이저 출력 광(Lout))을 생성하도록 구성되는 다양한 광학 엘리먼트를 포함한다.

도 6a의 좌측을 참조하면, 기본 레이저(601)는 일련의 기본 레이저 광 펄스(LP)로 이루어지는 기본 레이저 광(L)을 생성하도록 구성되는데, 이 경우, 각각의 기본 레이저 광 펄스(LP)는 기본 중심 주파수(νf) 및 기본 주파수 대역폭(Δνf)을 (대응하는 기본 중심 파장(λf) 및 대응하는 기본 파장 대역폭(Δλf)과 함께) 구비한다. 하나의 실제 예에서, 기본 레이저 광 펄스(LP)는, 약 일 피코초보다 더 큰 반치전폭(full width at half maximum; FWHM)(Df)을 특징으로 하는 펄스 길이(지속시간), 예컨대 약 1 피코초와 약 10 나노초 사이의 FWHM 펄스 길이를 갖는다. 이 예에서, 기본 중심 주파수(νf)는 스펙트럼의 근적외선 또는 가시 부분의 주파수, 예컨대 150 THz와 약 750 THz 사이의 주파수(즉, 약 2 ㎛와 400 nm 사이의 파장에 대응하는 주파수)일 수도 있다. 기본 주파수 대역폭은 약 1 THz 이하의 FWHM을 특징으로 할 수도 있다. 통상적으로, 레이저 광 펄스(LP)의 기본 주파수 대역폭은, 동일한 펄스 길이(Df)의 변환 제한된 레이저 펄스의 대역폭의 수 배 내지 약 수십 배일 것이다. 기본 레이저(601)와 펄스 분할 엘리먼트(602) 사이에서 점선의 화살표의 지그재그형 피쳐에 의해 나타내어지는 바와 같이, 순차적으로 생성된 펄스는, 기본 펄스 길이(Df)보다 통상적으로 훨씬 더 긴 시간 기간에 의해 분리된다. 하기에서 설명되는 바와 같이, 레이저 어셈블리(600A) 내에서의 광학적 경로 길이가 약 10% 또는 그 이상으로 매치되기 때문에, 레이저 어셈블리(600A)는 임의의 펄스 반복률을 가지고 기능할 것이다.

펄스 분할 엘리먼트(602)는 기본 레이저 광(L)을 수신하도록 배치되고, 각각의 레이저 광 펄스(LP)를, 하기에서 제1 서브펄스(LSP1) 및 제2 서브펄스(LSP2)로 칭해지는 두 개의 관련된 서브펄스로 분할하도록(나누도록) 구성된다. 도 6a에서 예시되는 실시형태에서, 부분 반사기(602)는, 서브펄스(LSP1 및 LSP2)가 대략 동일한 에너지를 가지도록, 그리고 두 개의 두 개의 서브펄스가 부분 반사기(602)로부터 멀어지게 상이한 방향으로 송신되도록(예를 들면, 도 6a에서 묘사되는 바와 같이, 제1 서브펄스(LSP1)는 부분 반사기(602)를 통과하여 우측으로 수평으로 지향되고, 제2 서브펄스(LSP2)는 부분 반사기(602)로부터 상방으로 재지향된다(반사된다)), 각각의 레이저 광 펄스(LP)를 분할하도록 구성되는 부분 반사기를 사용하여 구현된다. 하나의 실시형태에서, 부분 반사기(602)는, 하나의 편광, 예를 들면, 수직 편광을 반사하고, 수직 편광 상태, 예를 들면, 수평 편광을 송신하는 편광 빔 스플리터에 의해 구현될 수도 있다. 이 실시형태에서, 기본 레이저 펄스(LP)가 부분 반사기(602)에 대해 적절한 각도에서, 예컨대 대략 45°의 각도에서 편광되면, 서브펄스(LSP1 및 LSP2)는 대략 동일한 에너지를 가질 것이다.

서브펄스(LSP1 및 LSP2)는, 펄스 분할 엘리먼트(602)와 모놀리식 디바이스(607) 사이에 동작가능하게 배치되는 대응하는 광학 엘리먼트를 통해, 두 개의 상이한 광학적 경로를 따라 모놀리식 디바이스(607)로 지향된다. 펄스 분할 엘리먼트(602)로부터 우측으로 빠져나가는 일점쇄선(single-dot-dashed line)에 의해 묘사되는 바와 같이, 제1 서브펄스(LSP1)는 부분 반사기(602)로부터 제1 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter; PBS)(603)를 통과하고, 그 다음 제1의 1/4 파장판(QWP)(604)을 통과하여 모놀리식 디바이스(607)의 제1 엔드 표면(607-1)까지 나아가는 것을 통해, 제1 원형 편광된(circularly polarized) 서브펄스로 변환된다. 대조적으로, 펄스 분할 엘리먼트(602)로부터 상방으로 연장하는 이점쇄선(double-dot-dashed line)에 의해 묘사되는 바와 같이, 제2 서브펄스(LSP2)는 편평한 폴드 미러(611 및 612)에 의해 제2 편광 빔 스플리터(PBS)(605)로 반사되고, 그 다음 좌측으로 수평으로 재지향되고, 모놀리식 디바이스(607)의 제2 엔드 표면(607-2)에 인접하게 배치되는 제2의 1/4 파장판(QWP)(606)을 통과하는 것을 통해 제2 원형 편광된 서브펄스로 변환된다. 따라서, 제1 및 제2 원형 편광된 서브펄스는 반대 방향에서 모놀리식 디바이스(607)의 대향 표면 상으로 송신된다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 하나 이상의 모놀리식 디바이스는, 관련된 제1 및 제2 원형 편광된 서브펄스가, 반대(즉, 포지티브 및 네거티브) 처프를 각각 구비하는 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)로 변환되도록 구성 및 배치된다. 도 6a에서 도시되는 단일의 모놀리식 디바이스 실시형태에서, 모놀리식 디바이스(607)는, 표면(607-1)으로부터 반사될 때, 제1 원형 편광된 서브펄스가 연신되도록(예를 들면, 도 6a의 좌하(lower left) 부분에 위치되는 버블에서 나타내어지는 바와 같이, 연신된 서브펄스(LSSP1)의 지속시간/길이(Ds)가 기본 레이저 광 펄스(LP)의 지속시간(Df)보다 더 크도록(예를 들면, 2배 이상 더 크도록)), 그리고 포지티브 처프를 포함하게끔 수정되도록(즉, 연신된 서브펄스(LSSP1)의 초기 파장(λsA)이 연신된 서브펄스(LSSP1)의 나중의 파장(λsB)보다 더 길도록 경시적으로 증가하는 주파수를 가짐) 공지의 기술에 따라 구성된다. 마찬가지로, 제2 표면(607-2)으로부터 반사될 때, 제2 원형 편광된 서브펄스는 연신되고 네거티브 처프를 포함하도록 수정된다(예를 들면, 도 6a의 우상(upper right) 부분에 위치되는 버블에서 나타내어지는 바와 같이, 연신된 서브펄스(LSSP2)는, 연신된 서브펄스(LSSP2)의 초기 파장(λsC)이 연신된 서브펄스(LSSP2)의 나중의 파장(λsD)보다 더 짧도록 경시적으로 감소하는 주파수를 가짐). 연신 프로세스는, 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)가 제1 및 제2 원형 편광된 서브펄스와 각각 실질적으로 동일한 에너지를 가지도록 수행되는 것이 바람직하다는 것을 유의한다. 하나의 실시형태에서, 모놀리식 디바이스(607)는 또한, 제1의 포지티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP1) 및 네거티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP2)가, 크기에서 대략적으로 동일하지만 그러나 부호가 반대인, 시간에 따른 주파수에서의 변화를 가지고 생성되도록(즉, 포지티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP1)가 네거티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP2)의 실질적으로 미러 이미지이도록) 구성된다. 단일의 CBG 또는 처핑된 광섬유 브래그 격자의 대향 단으로부터 두 개의 서브펄스를 반사하는 것의 하나의 이점은, 모놀리식 디바이스(607)에 대해 두 개의 별개의 컴포넌트를 사용하는 것과는 대조적으로, 펄스가 대향 단으로부터 브래그 격자에 진입하고 반대 방향에서 그 안으로 통과하기 때문에, 모놀리식 디바이스(607)가 두 개의 서브펄스에 대해 반대 처프를 부과할 것이다는 것이다.

그 다음, 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)는 대응하는 광학 엘리먼트를 통해 모놀리식 디바이스(607)로부터 대응하는 광학 엘리먼트를 거쳐 혼합 모듈(608A)로 지향된다. 제1 표면(607-1)으로부터 수평으로 연장하는 짧은 대시 긴 대시 라인(short-dash-long-dash line)에 의해 묘사되는 바와 같이, 제1 연신된 서브펄스(LSSP1)는 모놀리식 디바이스(607)로부터 QWP(604)를 통해 PBS(603)로 나아가고, 하방으로 PBS(603)로부터 폴드 미러(613)로, 폴드 미러(613)로부터 폴드 미러(614)로, 그리고 폴드 미러(614)로부터 상방으로 제2 편광 빔 스플리터(PBS)(605)로 재지향되는데, 제1 연신된 서브펄스(LSSP1)는, 제2 편광 빔 스플리터(PBS)(605)로부터, 주파수 혼합 모듈(608A)을 향해 우측으로 재지향된다. 대조적으로, 제2 표면(607-1)으로부터 우측으로 수평으로 연장하는 이중의 짧은 대시 긴 대시 라인(double-short-dash-long-dash line)에 의해 묘사되는 바와 같이, 제2 연신된 서브펄스(LSSP2)는 모놀리식 디바이스(607)로부터 QWP(606)를 통해 PBS(605)로 나아가고, PBS(605)를 통해 주파수 혼합 모듈(608A)로 전달된다. 모놀리식 디바이스(607)에 의해 반사되고 처핑된 이후, 각각의 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)는, 대응하는 QWP(604 및 605)에 의해 유입 빔에 직교하는 편광을 갖는 선형 편광된(linearly polarized) 광으로 다시 변환된다는 것을 유의한다. 이들 두 개의 직교 편광된(orthogonally polarized) 펄스는 PBS(605)에서 결합되고, 주파수 혼합 모듈(608A)로 전송되어, 2νf의 중심 주파수를 갖는 합 주파수 광(FSF)를 생성한다. 두 개의 서브펄스가 부분 반사기(602)로부터 그들이 PBS(605)에서 결합되는 곳까지 따르는 광학적 경로 길이는 실질적으로 동일하고, 그 결과 두 개의 서브펄스는 주파수 혼합 모듈(608A)에 실질적으로 중첩되어 도달한다는 것을 유의한다. 바람직한 실시형태에서, 두 개의 서브펄스에 의해 이동되는 광학 서브펄스 광 경로 길이는, 펄스 길이의 약 10% 이내로 매치된다. 하나의 실시형태에서, 기본 광(L)의 편광은, 편광 빔 스플리터를 포함하는 부분 반사기(602A)에 대해 약 45°에서 배향될 수도 있고, 그 결과 기본 광(L)의 실질적으로 동일한 부분이 부분 반사기(602A)에 의해 송신되고 반사된다. 이 실시형태에서, PBS(603)는 부분 반사기(602)와 동일한 편광을 송신해야 하고 직교 편광을 효율적으로 반사해야 한다. 마찬가지로, PBS(605)는 부분 반사기(602A)에 의해 반사되는 편광을 반사하고 그것을, 각각의 펄스를 원형 편광으로 변환하는 QWP(606)로 지향시킨다. 607로부터의 반사 이후, QWP(606)는 원형 편광을, 자신의 초기 편광에 대해 90°회전된 선형 편광으로 변환하고, 그 결과 선형 편광은 PBS(605)를 통과한다. PBS(603)로부터 반사되는 광은 또한 PBS(605)로부터 반사되고, 그 결과 두 개의 직교 편광된 펄스는 실질적으로 동일 직선 상에서 주파수 혼합 모듈(608A) 안으로 함께 이동한다. 두 개의 직교 편광된 펄스를 PBS(605A)에서 결합하는 것은 도 9를 참조로 하기에서 추가로 상세히 설명된다.

도 6a를 참조하면, 주파수 혼합 모듈(608A)은, 두 개의 연신된 서브펄스를 혼합하는 것이, 기본 레이저 광(601-L)의 기본 주파수(νf)의 두 배와 동일한(즉, νsf = 2νf) 중심 주파수(νsf)를 갖는 펄스(LSFP)로 이루어지는 합 주파수 광(LSF)을 생성하도록, 각각의 포지티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP1)를 대응하는 네거티브하게 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP2)와 혼합하도록 구성된다. 즉, 주파수 혼합 모듈(608A)은, 두 개의 직교 편광된 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)의 주파수의 합인 출력 주파수를 갖는 합 주파수 광 펄스(LSFP)를 생성하도록 구성되는데, 그에 의해, 합 주파수 광(LSF)은 기본 레이저 광(L)의 제2 고조파로서 생성된다. 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)가 직교 편광되기 때문에, 주파수 혼합 모듈(608A)은 타입 II 주파수 혼합을 구현하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기에서 그리고 하기의 예에서 설명되는 방식으로 대역폭 협소화 장치(610A)를 활용하면, 그에 따라, 모놀리식 디바이스 기반의 대역폭 협소화 장치(610)를 사용하지 않고(즉, 기본의 주파수를 단순히 배가하는 것을 통해) 생성될 수 있는 것보다 더 좁은 대역폭을 갖는 합 주파수 광 펄스(LSFP)가 생성된다. 예로서, 도 11a는, 1064.5 nm의 기본 중심 파장에서 대략 82 pm의 FWHM 대역폭을 갖는 예시적인 측정된 기본 광 대역폭을 묘사하고, 도 11b는 도 11a의 기본 광의 제2 고조파를 나타내는 실험적으로 측정된 스펙트럼을 묘사하는데, 여기서, 점선은 주파수 배가를 통해 생성되는 제2 고조파(이것은 대략 33 pm의 측정된 FWHM 대역폭을 갖는다)를 묘사하고, 실선은 본 발명에 따른 CBG 기반의 대역폭 협소화 장치를 활용하는 것을 통해 생성되는 제2 고조파(이것은 대략 9 pm의 FWHM 대역폭을 갖는다)를 묘사한다. 도 11b는, 기본의 주파수를 단순히 배가하는 것과 비교하여, 본 발명이 약 3.7배만큼 기본 대역폭을 감소시킨다는 것을 명확하게 나타낸다. 필터링에 의해 레이저의 대역폭을 3.7배만큼 감소시키는 것은, 각각의 레이저 펄스의 에너지의 70% 넘게 버리는 것을 필요로 할 것이고, 따라서 아주 비효율적일 것이다.

도 6a에서 예시되는 예시적인 실시형태의 하나의 이점은, 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)가 실질적으로 동일 직선 상에서 주파수 혼합 모듈(608A) 안으로 이동한다는 것인데, 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)가 실질적으로 동일 직선 상에서 주파수 혼합 모듈(608A) 안으로 이동하는 것은, 연신된 서브펄스가 주파수 혼합 모듈(608A)을 통해 이동할 때 이들이 중첩하게 하고 기본 레이저 광(L)의 제2 고조파로서의 합 주파수 광(LSF)의 효율적인 생성으로 나타난다. 이들 두 개의 광 경로의 정렬 및 주파수 혼합 모듈(608A)에 대한 그들의 정렬은, 도 6a에서 묘사되는 것과 같은 동일 직선 배열에서 상대적으로 간단할 수 있다.

도 6a의 실시형태에 의해 구현되는 접근 방식은, 기본 광 펄스(LP)가 변환 제한되는 것에 가깝다는 것을 가정한다. 모놀리식 디바이스(607)의 실질적으로 선형 처핑된 구조는 각각의 서브펄스를, 실질적으로 선형의 처프로 연신한다. 한 측으로부터 모놀리식 디바이스(607)에 도달하는 펄스는, 낮은 주파수(더 큰 격자 피치)로부터 더 높은 주파수(더 작은 격자 피치)로 처핑되는 격자를 보게 된다. 모놀리식 디바이스(607)의 반대 측으로부터 도달하는 펄스는 반대 처프를 보게 된다. 업처프(up-chirp) 및 다운처프(down-chirp)의 경사가 거의 매치하기 때문에, 이들 펄스 사이의 합 주파수 생성은, 더 좁은 대역폭을 갖는 더 길고 변환 제한된 펄스를 생성한다. 기본 광(L)의 펄스가 변환 제한되는 것과는 먼 경우, 반사된 펄스가 매치된 반대 처프를 획득하는 것을 보장하기 위해, 상이한 처프를 갖는 두 개의 별개의 CBG 또는 광섬유 브래그 격자가 사용될 수 있다. 심지어 실질적으로 변환 제한된 기본 레이저 펄스에서도, 단일의 CBG 대신, 두 개의 밀접하게 매칭된 CBG가 사용될 수 있는데, 하나의 CBG는 하이 투 로우 처프(high-to-low chirp)에 대해 배향되고 다른 하나는 로우 투 하이 처프에 대한 것이다. 단일의 CBG의 대향 측을 사용하는 바람직한 실시형태는 광학장치를 더 컴팩트하게 그리고 더 저렴하게 만드는, 그리고 두 개의 펄스가 실질적으로 유사한 경사의 처프를 가지지만, 그러나 반대 부호를 가지고 처핑되는 것을 보장하는 이점을 갖는다.

예시적인 실시형태에서, 기본 레이저(601)는, 제2 고조파 변환 모듈을 갖는 Nd:YAG 또는 Nd 도핑된 바나듐산염 레이저이고, 수 피코초와 수십 피코초 사이의 펄스 길이(지속시간)(Df), 예를 들면, 약 20 ps의 FWHM 펄스 길이(Df)를 갖는 대략 532 nm의 기본 파장(λf)에서 기본 광(L)을 생성한다. CBG를 포함하는 모놀리식 디바이스(607)는 532 nm 기본 펄스를, 약 10 피코초와 약 100 피코초 사이의 연신된 FWHM 펄스 길이(지속 시간)(예를 들면, 약 80 ps의 FWHM 펄스 길이)로 연신하도록 구성된다. 이 경우, 주파수 혼합 모듈(608A)은, 대략 266 nm의 파장(λsf)을 갖는, 그리고, 기본 광(L)의 주파수를 단순히 배가하는 것으로부터 유래할 것보다 더 좁은 대역폭 및 더 긴 펄스 길이(Dsf)를 갖는 합 주파수(출력) 광(LSF)를 생성하도록 구성된다. 특정한 예시적인 실시형태에서, 주파수 혼합 모듈(608A)은, 약 100 ℃의 온도 및 약 82°의 위상 매칭 각도에서 532 nm의 광의 타입 II 혼합에 대해 임계적으로 위상 매칭되는 베타 바륨 보레이트(beta barium borate; BBO) 결정을 사용하여 구현된다. 위상 매칭 각도에서의 적절한 조정과 함께 다른 온도가 사용될 수 있다. 적절한 온도 및 위상 매칭 각도와 함께, 다른 적절한 비선형 광학 결정이 BBO 결정을 대신할 수 있다. 적절한 분극반전 주기(poling period)를 갖는 주기적 분극반전 비선형 결정이 BBO 결정을 또한 대신할 수 있다.

도 6b는, 어셈블리(600A)(도 6a)와 유사한 대안적이고 예시적인 레이저 어셈블리(600B)를 도시하지만, 그러나, 모놀리식 디바이스(607)의 대응하는 표면에 대해 각각의 서브펄스를 두 번 지향시키는 것을 통해 서브펄스를 더 연신시키도록 수정되는 대역폭 협소화 장치(610B)를 포함한다. 도 6b의 실시형태는, 이 경사진 CBG 구성을 제외하면 도 6a의 것과 유사하고, 따라서, 어셈블리(600A)(도 6a)의 대응하는 엘리먼트/컴포넌트와 동일한 배치를 갖는 그리고 동일한 기능을 수행하는 레이저 어셈블리(600B)의 모든 다른 광학 엘리먼트 및 컴포넌트는 동일한 도면 부호를 사용하여 나타내어지고, 불필요한 중복을 방지하기 위해 추가적으로 상세히 설명되지 않을 것이다.

도 6b의 중앙 영역을 참조하면, 모놀리식 디바이스(607)가 경사진 CBG 구성으로 정렬되고, 레이저 어셈블리(600B)가 두 개의 추가적인 미러(615 및 616)를 활용한다는 점에서, 레이저 어셈블리(600B)는 어셈블리(600A)와는 상이하다. 구체적으로는, 모놀리식 디바이스(607)는, 나타내어진 바와 같이, 반사된 서브펄스 광이 각각 미러(615 및 616) 상으로 지향되도록, 입사하는 서브펄스(LSP1 및 LSP2)의 (수평의) 진입 경로에 대해 어떤 각만큼 회전되는데, 미러(615 및 616)는, 결과적으로 나타나는 두 번 반사된 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)로 하여금 각각 (수평의) 진입 경로를 따라 다시 PBS(603 및 605)로 진행하게 하는 대응하는 각도에서, 반사된 입사하는 서브펄스가 모놀리식 디바이스(607)로 다시 재지향되도록, 배치되며, 각각의 연신된 서브펄스는, PBS(603 및 605)로부터, 주파수 혼합 모듈(608A)로 지향되고 상기에서 설명되는 바와 실질적으로 동일한 방식으로 합 주파수 출력 광(LSF)으로 변환된다. 이 경사진 CBG 구성을 활용하는 것은, 도 6a의 실시형태에 의해 생성되는 것보다 더 긴 펄스 길이(지속시간)를 갖는, 그리고 모놀리식 디바이스(607)의 대향 표면(607-1 및 607-2)으로부터의 두 번 반사를 통해 두 배의 처프의 양을 획득하는 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)를 생성한다. 따라서, 이 구성은, 합 주파수 생성 이후에, 동일한 모놀리식 디바이스(607)로부터의 단일의 반사에 의해 생성될 수 있는 것보다 더 좁은 대역폭을 갖는 합 주파수 광(LSF)을 생성한다. 모놀리식 디바이스(607)로부터의 단일의 반사로부터 두 배의 처프 및 두 배의 펄스 연신을 생성하는 것은, 약 두 배 길이의 모놀리식 디바이스(607)를 필요로 할 것인데, 약 두 배 길이의 모놀리식 디바이스(607)는, 제조에 실용적이지 않을 수도 있거나, 또는 상당히 더 고가일 수도 있을 것이다.

도 6c는 어셈블리(600A)(도 6a)와 또한 유사한, 그러나, 서브펄스가 (예를 들면, 상기에서 활용되는 직교 편광과는 대조적으로) 평행 편광을 겪게 되도록 구성되는 대역폭 협소화 장치(610C)를 활용한다는 점에서 상기 설명된 실시형태와는 상이한 다른 대안적이고 예시적인 레이저 어셈블리(600C)를 도시한다. 구체적으로는, 대역폭 협소화 장치(610C)는, 상이한 부분 반사기(펄스 분할 엘리먼트)(602C)를 포함한다는 점에서, 제1 연신된 서브펄스(LSSP1)를 주파수 혼합 모듈(608C) 상으로 직접적으로 반사하는 단일의 미러(617)를 포함한다는 점에서, 그리고 주파수 혼합 모듈(608C)이 (타입 II 혼합과는 대조적으로) 타입 I 주파수 혼합을 구현하도록 구성된다는 점에서, 두 개의 이전의 실시형태와는 상이하다. 다르게는, 동일한 배치를 갖는 그리고 어셈블리(600A)(도 6a)의 대응하는 엘리먼트/컴포넌트와 동일한 기능을 수행하는 레이저 어셈블리(600C)의 모든 다른 광학 엘리먼트 및 컴포넌트는 동일한 도면 부호를 사용하여 나타내어지고, 불필요한 중복을 방지하기 위해 추가적으로 상세히 설명되지 않을 것이다.

도 6c의 중앙을 참조하면, 레이저 어셈블리(600C)는, 기본 광 펄스(LP)가 상기에서 설명되는 것과 유사한 방식으로 부분 반사기(602C) 상으로 지향되도록 구성되고, 부분 반사기(602C)는, 기본 레이저(601)에 의해 생성되는 각각의 레이저 펄스(LP)를, 도 6a를 참조로 상기에서 설명되는 것과 유사한 방식으로 모놀리식 디바이스(607)의 대향 표면(607-1 및 607-2) 상으로 후속하여 지향되는 대략 동일한 에너지의 두 개의 서브펄스(LSP1 및 LSP2)로 분할하도록(나누도록) 구성된다. 그러나, 이 경우, 부분 반사기(602C)에 의해 각각 송신되고 반사되는 서브펄스(LSP1 및 LSP2)의 편광이 (직교 편광되는 것과는 대조적으로) 실질적으로 서로에 대해 평행하도록, 부분 반사기(602C)가 공지의 기술을 사용하여 구성되는 점에서, 부분 반사기(602C)는 이전의 실시형태와는 상이하다. 상기에서 설명된 실시형태에서와 같이, 단일의 모놀리식 디바이스(607)는 두 개의 서브펄스에 대해 반대 처프를 부여하고, QWP(604 및 606)는 서브펄스를 선형으로부터 원형의 편광으로 변환하고, 각각의 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)의 편광 방향이 그것의 원래의 편광 방향에 대해 90°회전되도록 다시 선형 편광으로 되돌린다. 상기에서 설명되는 실시형태와 유사하게, 모놀리식 디바이스(607)의 제2 표면(607-2)으로부터 반사된 이후, 제2 연신된 서브펄스(LSSP2)는 제1(예를 들면, 수평) 방향을 따라, PBS(605)를 통해 그리고 주파수 혼합 모듈(608C) 안으로 지향된다. 또한 상기에서 설명되는 실시형태와 유사하게, 제1 연신된 서브펄스(LSSP1)는 모놀리식 디바이스(607)의 제1 표면(607-1)을 떠나 수평 방향으로 이동하고, 그 다음 PBS(603)에 의해 하방으로 반사되지만, 그러나, 제1 연신된 서브펄스(LSSP1)의 경로는, 이 때에는, 하나 이상의 미러 또는 프리즘을 포함하는 광학장치(617)가 제1 연신된 서브펄스(LSSP1)를, 제2 연신된 서브펄스(LSSP2)가 주파수 혼합 모듈(608C)에 진입할 때의 제2 연신된 서브펄스(LSSP2)의 경로 방향에 대해(즉, 도 6c의 수평에 대해) 0°와 4°미만 사이의 각도(β)에서, 주파수 혼합 모듈(608) 상으로 직접적으로 반사하도록 배치되는 점에서, 이전의 실시형태와는 상이하다. 이전의 실시형태에서와 같이, 두 개의 서브펄스 광 경로 길이를 형성하는 광학 엘리먼트는, 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)가 서로 실질적으로 중첩되어 주파수 혼합 모듈(608C)에 도달하도록, 실질적으로 유사해야 한다. 바람직한 실시형태에서, 두 개의 펄스에 의해 이동되는 광학적 경로 길이는 펄스 길이의 약 10% 이내로 매치된다. 두 개의 펄스를 주파수 혼합 모듈(608C)에서 평행 편광과 결합하는 것이 도 10에서 더 상세하게 도시된다. 또한 이전의 실시형태와 유사하게, 주파수 혼합 모듈(608C)은, 두 개의 연신된 서브펄스의 주파수의 합인 합 주파수 출력 광(LSF)을 생성하기 위해, 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)를 혼합한다. 그러나, 두 개의 펄스가 평행 편광을 가지기 때문에, 주파수 혼합 모듈(608C)은, 타입 I 주파수 혼합을 구현하는 공지의 기술을 사용하여 구성되거나, 또는 주기적 분극반전 비선형 광학 결정에서 준 위상 매칭(quasi phase matching)을 사용하도록 구성되는 것이 바람직하다.

도 6c에서 예시되는 예시적인 실시형태의 하나의 이점은, 두 개의 펄스가 실질적으로 평행한 편광을 가지기 때문에 타입 I 주파수 혼합이 사용될 수 있다는 것이다. 많은 비선형 결정에서, 타입 I 주파수 변환은 타입 II보다 더 효율적이고, 주어진 입력 및 출력 파워에 대해 주파수 혼합을 위해 더 짧은 길이의 결정이 사용되는 것을 허용하거나, 또는 대안적으로 주어진 입력 파워 및 결정 길이에 대해 더 많은 출력 파워가 생성되는 것을 허용한다.

대안적으로, 도 6c에서 예시되는 예시적인 실시형태는 주기적 분극반전 비선형 광학 결정에서 준 위상 매칭을 사용하여 주파수 혼합을 사용할 수 있는데, 이것은 비분극반전(non-poled) 비선형 광학 결정에서의 타입 1 또는 타입 2 주파수 혼합 중 어느 것보다도 더 효율적일 수 있다. PPLN 및 PPSLT와 같은 주기적 분극반전 재료는, LBO, BBO 및 CLBO와 같은 재료보다 더 높은 비선형 계수를 갖는다. 또한, 준 위상 매칭의 사용은 워크 오프(walk-off)를 제거하고 더 긴 길이의 결정이 주파수 혼합을 위해 사용되는 것을 허용할 수도 있다.

또 다른 예시적인 실시형태(도시되지 않음)에서, 실질적으로 평행한 편광을 갖는 두 개의 펄스는, 도 6b에서 예시되는 것과 유사한 방식으로 처핑된 볼륨 브래그 격자 또는 처핑된 광섬유 브래그 격자로부터 두 번 반사되고, 그 다음, 도 6c 및 도 10에서 예시되는 것과 유사한 방식으로 주파수 혼합 모듈(608C)에서 결합된다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른, 기본 레이저(601), CBG 기반의 대역폭 협소화 장치(610) 및 고조파 변환 모듈(703)을 포함하는 예시적인 DUV 레이저 어셈블리(700)를 도시한다. 상기에서 설명되는 실시형태와 유사하게, 대역폭 협소화 장치(610)는, 감소된 대역폭을 갖는 (즉, 종래의 주파수 배가에 의해 획득될 것과 비교하여 감소된 대역폭을 갖는) 합 주파수 광(LSF)을 생성하도록 구성되는, 펄스 분할 엘리먼트(602), 모놀리식 디바이스(607) 및 합 주파수 생성(혼합) 모듈(608)을 포함한다. 고조파 변환 모듈(703)은 합 주파수 광(LSF)을 수신하도록 배치되고, 공지의 기술을 사용하여 합 주파수 광(LSF)을, 합 주파수 광(LSF)보다 더 짧은 파장에서 더 높은 고조파를 갖는 레이저 출력 광(Lout)으로 변환하도록 구성된다.

예시적인 실시형태에서, 기본 레이저(601) 및 대역폭 협소화 장치(610)의 구성은 상기 설명된 레이저 어셈블리(600A, 600B 및 600C) 중 임의의 하나와 유사하다. 하나의 실시형태에서, 기본 레이저(601)는 Nd:YAG 또는 Nd 도핑된 바나듐산염 레이저이고, 수 피코초와 수십 피코초 사이의, 예를 들면, 약 20 ps의 펄스 길이의 펄스 폭을 갖는 대략 1064 nm의 파장에서 기본 광(L)을 생성한다.

상기 설명된 실시형태에서와 같이, 모놀리식 디바이스(607)는 기본(예를 들면, 1064 nm) 펄스를, 수십 피코초와 수백 피코초 사이의 펄스 길이로, 예를 들면, 약 80 ps의 길이로 연신하도록 기능하고, 주파수 혼합 모듈(608)은 대략 532 nm의 파장에서 합 주파수 광(LSF)를 생성하도록 기능한다. 주파수 혼합 모듈(608)은 리튬 트리보레이트(lithium triborate; LBO) 또는 세슘 리튬 보레이트(cesium lithium borate; CLBO)에서 타입 II 주파수 혼합을 사용할 수 있다. 예를 들면, LBO는 약 50℃의 온도와 대략 θ=23°및 φ=90°의 위상 매칭 각도에서 YZ 평면을 사용하여 약 532 nm의 파장의 광을 생성하기 위해, 약 1064 nm의 파장의 광의 타입 II 주파수 혼합에 대해 사용될 수 있다. 대안적으로, 주파수 혼합 모듈(608)은 주기적 분극반전 SLT 결정을 사용할 수 있다.

하나의 실시형태에서, 고조파 변환 모듈(703)은 합 주파수 광(LSF)을, 기본 광(L)의 제4 고조파(예를 들면, 대략 266 nm의 파장을 가짐)에서 펄스(LoutP)를 포함하는 레이저 출력 광(Lout)으로 변환하도록 구성된다. 고조파 변환 모듈(703)은, 약 100℃의 온도와 약 61.8°의 위상 매칭 각도에서 532 nm의 제2 고조파의 타입 I 생성을 위해 임계적으로 위상 매칭될 수 있는 CLBO 결정을 포함할 수도 있다. 위상 매칭 각도에서의 적절한 조정과 함께 다른 온도가 사용될 수 있다. CLBO가 DUV 파장에서 다른 재료보다 더 큰 손상 임계치를 가질 수 있기 때문에, 266 nm에서 높은 파워(예컨대 500 mW 또는 그 이상)의 출력 광이 필요로 될 때 CLBO는 특히 유용하다. DUV 파장에서 약 1 W 또는 그 이상의 파워 레벨에 대해, 어닐링되고, 중수소 처리된 또는 수소 처리된 CLBO 결정이 바람직하다. 어닐링되고, 중수소 처리된 그리고 수소 처리된 CLBO에 대한 추가 정보는, 2010년 9월 3일자로 Dribinski에 의해 출원된 발명의 명칭이 "CLBO Crystal Growth"인 미국 특허 출원 제12/875,233호, Dribinski 등등에 의해 2012년 3월 5일자로 출원된 발명의 명칭이 "Laser With High Quality, Stable Output Beam, And Long Life High Conversion Efficiency Non-Linear Crystal"인 미국 특허 출원 제13/412,564호, Chuang 등등에 의해 2012년 6월 5일자로 출원된 발명의 명칭이 "Hydrogen Passivation of Nonlinear Optical Crystals"인 미국 특허 출원 제13/488,635호, 및 Chuang 등등에 의해 2014년 4월 8일자로 출원된 발명의 명칭이 "Passivation of Nonlinear Optical Crystals"인 미국 특허 출원 제14/248,045호에서 발견될 수 있다. 모든 이들 출원은 참조에 의해 본원에 통합된다.

도 8은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른, UV 출력 광을 생성하도록 구성되는, 기본 레이저(601), CBG 기반의 대역폭 협소화 장치(610), 고조파 변환 모듈(806) 및 제2 주파수 혼합 모듈(808)을 포함하는 다른 예시적인 DUV 레이저 어셈블리(800)를 도시한다. 기본 광(L)의 대역폭은, 예를 들면, 레이저 대역폭 내에서 좁은 범위의 파장을 송신하는 에탈론(또는 다른 광학적 대역폭 필터링 디바이스)(803)을 통과하는 것에 의해 협소화된다. 협소화된 기본 광(LN)은 주파수 혼합 모듈(808)로의 입력 중 하나로서 사용된다. 예를 들면, 에탈론(803)에 의해 반사되는 대역외의 거부된 기본 광(LR)은 협소화된 기본 광(LN)과 비교하여 자신의 스펙트럼의 중간에서 급강하(dip) 및 더 넓은 대역폭을 갖는다. 다르게는 버려질 거부된 광(LR)은, CBG 기반의 대역폭 협소화 장치(610)에 대한 입력 기본 광으로서 사용되는데, CBG 기반의 대역폭 협소화 장치(610)는, 도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조로 상기에서 설명되는 것 중 임의의 것과 유사한 구성의 펄스 분할 엘리먼트(602), 모놀리식 디바이스(607) 및 혼합 모듈(608)을 포함한다. 생성된 합 주파수 광(LSF)은, 모놀리식 디바이스(607) 없이 직접적인 합 주파수 생성으로부터 유래할 것보다 더 좁은 대역폭을 갖는데, 이것은 계속해서 고조파 변환 모듈(806)에 의해 생성되는 더 좁은 대역폭의 고조파 광(Lhar)으로 이어진다. 레이저 출력 광(Lout)은, 협소화된 기본 광(LN) 및 협소화된 고조파 광(Lhar)을 주파수 혼합 모듈(808)에서 혼합하는 것에 의해 생성된다.

예시적인 실시형태에서, 기본 레이저(601)는, 예를 들면, Nd:YAG 또는 Nd 도핑된 바나듐산염 레이저를 사용하여, 대략 1064 nm의 기본 파장을 갖는 기본 광 펄스(LP)를 생성한다. 대역폭 협소화 장치(610)를 사용하여 생성되는 대략 532 nm의 파장을 갖는 펄스(LSFP)를 갖는 합 주파수 광(LSF)이 생성된다. 고조파 변환 모듈(806)은 대략 266 nm의 파장에서 합 주파수 광(LSF)을 고조파 광(Lhar)으로 변환한다. 주파수 혼합 모듈(808)은, 대략 1064 nm의 파장의 협소화된 기본 광(LN)과 대략 266 nm의 파장의 협소화된 고조파 광(Lhar)을 혼합하는 것에 의해 대략 213 nm의 파장의 레이저 출력 광(Lout)을 생성한다. 바람직한 실시형태에서, 고조파 변환 모듈(806) 및 주파수 혼합 모듈(808) 중 하나 또는 둘 다는, CLBO 결정, 어닐링된 CLBO 결정, 중수소 처리된 CLBO 결정 또는 수소 처리된 CLBO 결정을 포함한다.

도 9는, 직교 편광을 갖는 반대로 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)를 결합하도록(혼합하도록), 그리고 도 6a 및 도 6b를 참조로 상기에서 소개되는 방식으로 이들 두 펄스로부터 합 주파수 광(LSF)을 생성하도록 구성되는 예시적인 주파수 혼합 모듈(608A)을 예시한다. PBS(605)는, 반대 처프를 갖는 두 개의 직교 편광된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)가 주파수 혼합 모듈(608A) 안으로 실질적으로 동일 직선 상에서 이동하도록, 이들을 결합한다. 주파수 혼합 모듈(608A)은, 바람직하게는, 타입 II 주파수 변환을 사용하여 비선형 결정에서 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)의 주파수를 합산하는 것에 의해 제2 고조파를 생성한다. 기본 광의 파장 및 파워 레벨에 따라, 타입 II 주파수 혼합을 위한 적절한 비선형 결정은, BBO, 리튬 트리보레이트(LBO), 세슘 리튬 보레이트(CLBO), 및 주기적 분극반전 재료 예컨대 리튬 니오브산염, 화학량론적 리튬 탄탈산염, 및 Mg 도핑된 화학량론적 리튬 탄탈산염을 포함할 수도 있다.

도 10은, 평행 편광을 갖는 반대로 처핑되고 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)를 결합하도록(혼합하도록), 그리고 도 6c를 참조로 상기에서 소개되는 방식으로 이들 두 펄스로부터 합 주파수 광(LSF)을 생성하도록 구성되는 예시적인 주파수 혼합 모듈(608C)을 예시한다. 상기에서 설명되는 바와 같이, 두 개의 반대로 처핑되고 연신된 서브펄스는, 이들이 수렴하여 주파수 혼합 모듈(608C) 내부에서 중첩하도록 주파수 혼합 모듈(608C)로 지향되는데, 두 개의 반대로 처핑되고 연신된 서브펄스가 수렴하여 주파수 혼합 모듈(608C) 내부에서 중첩하는 것은, 이 실시형태에서, 주파수 합산을 위해 구성되는 비선형 결정에 의해 구현된다. 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2)의 이동의 방향은, 합 주파수 제2 고조파가 최적의 위상 매칭 방향(1001)을 따라 실질적으로 이동하도록, 비선형 결정의 최적의 위상 매칭의 방향(1001)의 맞은 편 상에서 실질적으로 동일한 각도(β1 및 β2)에 있어야 한다. 연신된 서브펄스(LSSP1)의 방향과 최적의 위상 매칭 방향(1001) 사이의 각도(β1)는, 각각의 펄스가 제2 고조파 생성을 위한 허용 각도(acceptance angle) 밖에서 비선형 결정에 도달할 정도로 충분히 커야 하고, 그 결과 개개의 펄스 중 최소 부분만이 제2 고조파로 변환된다. 연신된 서브펄스(LSSP2)의 방향과 최적의 위상 매칭 방향(1001) 사이의 각도(β2)에 대해서도 마찬가지이다. 제2 고조파 생성을 위한 허용 각도는, LSSP1, LSSP2 및 LSF의 결정 재료, 결정 길이 및 파장에 의존한다. 그러나, 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2) 사이의 각도(β)는, 두 개의 펄스가 중첩할 수 있고 합 주파수를 생성할 수 있는 비선형 결정 내의 작은 영역만으로 나타날 만큼 크지 않아야 한다. 532 nm의 파장에서 합 주파수 광을 생성하기 위해 30 mm 길이의 PPSLT 결정을 사용하는 하나의 바람직한 실시형태에서, 연신된 서브펄스(LSSP1)의 방향과 최적의 위상 매칭 방향(1001) 사이의 각도(β1)(및 연신된 서브펄스(LSSP2)의 방향과 최적의 위상 매칭 방향(1001) 사이의 각도(β2))는 약 1°이다, 즉 연신된 서브펄스(LSSP1 및 LSSP2) 사이의 각도(β)는 약 2°이다.

기본 광의 파장 및 파워 레벨에 따라, 타입 I 주파수 혼합을 위한 적절한 비선형 결정은, BBO, LBO, CLBO, 및 주기적 분극반전 재료 예컨대 리튬 니오브산염, 화학량론적 리튬 탄탈산염, 및 Mg 도핑된 화학량론적 리튬 탄탈산염을 포함할 수도 있다. 주기적 분극반전 결정에서는, 사용되는 재료 및 준 위상 매칭에 따라, 합 주파수 광(LSF)의 편광이, 입력 펄스(LSSP1 및 LSSP2)의 편광에 (도시되는 바와 같이) 수직일 수도 있거나 또는 평행할 수도 있다는 것을 유의한다.

상기의 예시적인 실시형태는, 기본파(fundamental)의 정수 고조파(integer harmonic)에 대응하는 출력 파장을 생성하는 레이저를 설명한다. 본원에서 개시되는 대역폭 협소화 장치 및 방법은, 기본파의 정수 고조파가 아닌 출력 주파수를 생성하는 레이저에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 레이저는, 기본 레이저의 고조파를 다른 파장, 예컨대 광 파라메트릭 발진기, 광학 파라메트릭 증폭기, 또는 기본파의 일부에 의해 펌핑되는 라만 레이저에 의해 생성되는 파장과 혼합하는 것에 의해 출력 파장을 생성할 수도 있다. 이러한 레이저에서, 고조파의 대역폭은 본원에서 개시되는 장치 또는 방법을 사용하여 협소화될 수도 있고, 따라서, 더 좁은 출력 대역폭으로 나타나게 된다.

예를 들면, 레이저는, 1064 nm 근처의 기본파의 제5 고조파를, 약 1.1 ㎛와 약 3.3 ㎛ 사이의 적외선 파장과 혼합하는 것에 의해, 약 180 nm와 약 200 nm 사이의 출력 파장, 예컨대 193 nm 근처의 파장을 생성할 수 있다. 본원에서 설명되는 대역폭 제어 장치 및 방법을 통합하는 것으로부터 이익을 얻을 수 있는 193 nm 근처의 파장을 생성하는 레이저의 더 상세한 설명은, Dribinski에 의한 발명의 명칭이 "Coherent light generation below about 200 nm"인 미국 특허 제8,755,417호, 2012년 7월 25일자로 Chuang 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "Solid-State Laser and Inspection System Using 193nm Laser"인 미국 특허 출원 제13/558,318호, 2013년 3월 12일자로 Chuang 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "Solid-state laser and inspection system using 193 nm laser"인 미국 특허 출원 제13/797,939호, 2014년 1월 17일자로 Chuang 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "193 nm laser and inspection system"인 미국 특허 출원 제14/158,615호, 2014년 1월 31일자로 Chuang 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "193 nm Laser And Inspection System"인 미국 특허 출원 제14/170,384호, 2014년 3월 13일자로 Chuang 등등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "A 193nm Laser and an Inspection System Using a 193nm Laser"인 미국 특허 출원 제14/210,355호에서 설명된다. 모든 이들 특허 및 특허 출원은 참조에 의해 본원에 통합된다.

상기 설명된 193 nm 레이저는, 레이저 내에서의 기본 파장, 신호 광의 파장의 적절한 선택, 및 주파수 혼합 모듈에 대한 적절한 변경에 의해 약 200 nm보다 더 짧은 다른 파장에서 동작될 수 있다는 것을 유의한다. 특히, 190 nm 보다 더 짧은 진공 UV 파장이 이러한 레이저에 의해 생성될 수 있다. 약 200 nm보다 더 짧은 파장을 생성할 수 있는 레이저는, 2014년 10월 3일자로 출원된 발명의 명칭이 "183nm laser and inspection system"인 Chuang 등등에 의한 미국 특허 가출원 제62/059,368호에서 또한 설명된다. 이 특허 가출원은 참조에 의해 본원에 통합된다. 본원에서 설명되는 대역폭 감소 장치 및 방법은, 이 특허 가출원에서 설명되는 레이저에서 사용될 수도 있다.

본원에서 설명되는 레이저 중 임의의 것을 통합하는 검사 또는 이미징 시스템에서 사용하기에 적합한 이미지 센서의 예시적인 실시형태는, 2013년 10월 10일자로 공개되고 참조에 의해 본원에 통합되는 Chern 등등에 의한 발명의 명칭이 "Back-Illuminated Sensor with Boron Layer"인 미국 특허 공개 공보 제2013/0264481호에서 발견될 수 있다.

상기에서 설명되는 본 발명의 구조체 및 방법의 다양한 실시형태는 본 발명의 원리만을 예시하는 것이며 설명되는 특정한 실시형태로 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지는 않는다. 예를 들면, 상이한 고조파 변환 스킴(scheme) 및/또는 상이한 비선형 결정이 사용될 수 있다. 다른 예에서, 레이저 어셈블리 내에서 레이저 펄스를 지향시키기 위해 그리고 필요한 곳에서 적절히 매칭되도록 광학적 경로 길이를 조정하기 위해, 추가적인 미러, 프리즘 또는 다른 광학적 컴포넌트가 사용될 수 있다.

Claims

레이저 어셈블리로서,
기본 파장 대역폭 내의 기본 파장을 갖는 광 펄스를 포함하는 기본 광을 생성하도록 구성되는 기본 레이저와,
협소화된 주파수 대역폭(narrowed frequency bandwidth) 외부에 배치되는 주파수를 갖는 각각의 기본 광 펄스의 제1 부분을 재지향시키도록(redirect) 구성되고, 그리고 상기 협소화된 주파수 대역폭 내에 배치되는 각각의 기본 광 펄스로부터의 제2 부분을 통과시키도록 구성되는 광학적 대역폭 필터링 디바이스와,
대역폭 협소화 장치로서,
각각의 레이저 광 펄스의 상기 제1 부분을 제1 서브펄스 및 제2 서브펄스를 포함하는 대응하는 서브펄스의 쌍으로 분할하도록 구성되는 펄스 분할 엘리먼트와,
대응하는 서브펄스의 각각의 쌍 중 상기 제1 서브펄스가, 포지티브 처프를 갖는 제1 연신된 서브펄스로 변환되도록 구성되고, 그리고 대응하는 서브펄스의 각각의 쌍 중 상기 제2 서브펄스가, 네거티브 처프를 갖는 제2 연신된 서브펄스로 변환되도록 구성되는 적어도 하나의 모놀리식 디바이스와,
각각의 제1 연신된 서브펄스를 이에 대응하는 상기 제2 연신된 서브펄스와 혼합하여, 상기 혼합이 기본 주파수의 두 배와 동일한 주파수를 갖는 합 주파수 펄스를 포함하는 합 주파수 광을 생성하도록 구성되는 제1 주파수 혼합 모듈을 포함하는 것인, 상기 대역폭 협소화 장치와,
상기 합 주파수 광 및 상기 합 주파수 광의 고조파 중 하나를, 상기 기본 광의 상기 제2 부분 및 상기 제2 부분의 고조파 중 하나와 혼합하여, 상기 혼합이 자외선(ultraviolet; UV) 레이저 출력 광을 생성하도록 구성되는 제2 주파수 혼합 모듈을 포함하는, 레이저 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 모놀리식 디바이스는 처핑된 볼륨 브래그 격자 및 처핑된 광섬유 브래그 격자 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 레이저 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 펄스 분할 엘리먼트는, 상기 두 개의 서브펄스가 동일한 에너지를 가지도록 각각의 펄스를 분할하도록 구성되는 것인, 레이저 어셈블리.
제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 모놀리식 디바이스는 또한, 상기 제1 연신된 서브펄스 및 상기 제2 연신된 서브펄스가, 크기에서 동일하지만 그러나 부호가 반대인, 시간에 따른 주파수에서의 변화를 가지도록 구성되는 것인, 레이저 어셈블리.
제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 모놀리식 디바이스는 처핑된 볼륨 브래그 격자 및 처핑된 광섬유 브래그 격자 중 하나를 포함하는 단일의 모놀리식 디바이스를 포함하고,
상기 대역폭 협소화 장치는, 상기 펄스 분할 엘리먼트와 상기 단일의 모놀리식 디바이스 사이에 그리고 상기 단일의 모놀리식 디바이스와 상기 주파수 혼합 모듈 사이에 동작 가능하게 배치되는 복수의 광학 엘리먼트 - 상기 복수의 광학 엘리먼트는 상기 제1 및 제2 서브펄스를 상기 단일의 모놀리식 디바이스의 대향 표면 상으로 지향시키도록, 그리고 상기 제1 및 제2 연신된 서브펄스를 상기 단일의 모놀리식 디바이스의 상기 대향 표면으로부터 상기 주파수 혼합 모듈로 지향시키도록 구성됨 - 를 더 포함하는 것인, 레이저 어셈블리.
제5항에 있어서,
상기 기본 레이저는, 상기 기본 광의 상기 광 펄스가 1 피코초보다 더 길도록 구성되는 것인, 레이저 어셈블리.
제6항에 있어서,
상기 기본 레이저는, 광섬유 레이저, Nd:YAG 레이저 또는 Nd 도핑된 바나듐산염 레이저를 포함하는 것인, 레이저 어셈블리.
제6항에 있어서,
상기 레이저 어셈블리는, 각각의 상기 합 주파수 펄스가 213 nm의 파장을 포함하도록 구성되는 것인, 레이저 어셈블리.
제6항에 있어서,
상기 펄스 분할 엘리먼트 및 상기 복수의 광학 엘리먼트는, 상기 제1 및 제2 연신된 서브펄스가 상기 주파수 혼합 모듈에 진입시 실질적으로 직교하는 편광을 가지도록, 그리고 동일 직선 상의 경로를 따라 상기 주파수 혼합 모듈 안으로 지향되도록 구성되고,
상기 주파수 혼합 모듈은 상기 제1 및 제2 연신된 서브펄스에 대해 타입 II 주파수 혼합을 행하도록 구성되는 것인, 레이저 어셈블리.
제6항에 있어서,
상기 펄스 분할 엘리먼트 및 상기 복수의 광학 엘리먼트는, 상기 제1 및 제2 연신된 서브펄스가 상기 주파수 혼합 모듈에 진입시 실질적으로 평행한 편광을 가지도록, 그리고 4°미만의 각도만큼 분리되는 대응하는 비평행 방향에서 상기 주파수 혼합 모듈 안으로 지향되도록 구성되고,
상기 주파수 혼합 모듈은 상기 제1 및 제2 연신된 서브펄스에 대해 타입 I 주파수 혼합을 행하도록 구성되는 것인, 레이저 어셈블리.
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