KR102402424B1 - 전력 확장 가능 비선형 광 파장 변환기 - Google Patents

전력 확장 가능 비선형 광 파장 변환기 Download PDF

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Abstract

시스템은, 레이저 빔의 초점이 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정의 외부에 있도록 배치된 비선형 결정을 포함한다. 비선형 결정은 결정 마운트 어셈블리에 배치된다. 레이저 빔은 파장 변환을 위해 비선형 결정에 지향될 수 있다. 시스템은 심자외선 파장 변환기로서 사용될 수 있다.

Description

전력 확장 가능 비선형 광 파장 변환기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 7월 1일자에 출원되고 미국 특허 출원 번호 제62/187,739호가 부여된 가특허 출원의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 본원에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명개시는 광 파장 변환에 관한 것이다.
웨이퍼 상의 결함들을 검출하여 수율을 증가시키기 위해 반도체 제조 동안 다양한 단계들에서 검사 프로세스가 사용된다. 그러나 반도체 디바이스의 치수가 감소함에 따라, 보다 작은 결함들이 디바이스를 고장 나게 할 수 있기 때문에, 반도체 디바이스의 성공적인 제조를 위해 검사가 더욱 중요해지고 있다. 반도체 제조자들은 웨이퍼 검사 시스템에서 전체 검사 속도(시간당 웨이퍼)를 유지하면서 입자, 이상 및 다른 결함 유형에 대한 향상된 감도를 추구한다.
반도체 제조의 각각의 연속적인 노드는 웨이퍼 상의 보다 작은 결함 및 입자의 검출을 필요로 한다. 그러므로 웨이퍼 검사를 위해 더 높은 전력 및 더 짧은 파장의 UV(ultraviolet, 자외선) 레이저가 필요하다. 결함 또는 입자 크기가 감소되기 때문에, 그 결함 또는 입자에 의해 반사되거나 산란되는 광의 부분이 또한 통상적으로 감소된다. 결과적으로, 더 작은 결함 및 입자를 검출하기 위해 향상된 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 필요할 수 있다. 더 밝은 광원이 결함 또는 입자를 조명하기 위해 사용되면, 더 많은 광자가 산란되거나 반사될 것이고, 다른 잡음원이 제어되는 경우 신호 대 잡음비는 향상될 수 있다. 더 짧은 파장을 사용하면 더 작은 결함에 대한 감도를 더욱 향상시킬 수 있는데, 이는 광의 파장보다 작은 입자에 의해 산란되는 광의 부분이 파장이 감소함에 따라 증가하기 때문이다.
반도체 산업에서 사용되는 웨이퍼 및 레티클 검사를 위한 일부 검사 도구들은 심자외선(deep-ultraviolet, DUV) 방사선에 의존한다. UV 및 DUV 스펙트럼 영역에서의 레이저 방사선의 가장 콤팩트하고 효율적이며 비용 효과적인 소스 중 일부는 비선형 광학 결정(nonlinear optical crystal)에서의 고체 레이저 방사선의 파장 변환에 기초한다. 고전력 DUV 방사선에 노출될 때, 비선형 광학 결정을 비롯한 광학 부품은 광학적으로 유도된 손상을 입기 쉽고, 이는 각 개별 부품 상에 또는 그 내부에 존재하는 최대 전력 밀도를 제한한다. 이러한 전력 밀도 제한은 광학 설계자가 달성 가능한 DUV 전력, 공간 빔 품질, 부품 수명 및 파장 변환기 디바이스의 폼 팩터 사이에 트레이드 오프(trade-off)를 만들게 한다. 고조파 (DUV) 전력, 공간 빔 품질 및 비선형 결정 수명 사이의 트레이드 오프를 활용하기 위해, 비선형 결정에서 빔 크기를 최적화하는 것이 필요할 수 있다. 한편, 원하는 부품 수명을 달성하기 위해, 광학기 상에 낮은 전력 밀도가 필요할 수 있다.
비선형 파장 변환 프로세스에 포함된 파장들 중 하나 또는 여러 개가 DUV 영역에 있으면, DUV 방사선은 비선형 결정뿐만 아니라 빔 성형 광학기 내의 다른 광학 부품들에도 광학적으로 유도된 손상을 일으키는 경향이 있다. 이 경우에, 결정 내에서 그리고 빔 성형 광학기 상에서/내에서 전력 밀도를 제한하는 것이 중요하게 될 수 있다. 빔 성형 광학기 상의 수용 가능한 전력 밀도는 비선형 결정 자체에서보다 훨씬 낮을 수 있다. 이러한 요건은 부분적으로는 물질 특성(예컨대, 용융 실리카의 경우) 때문이고, 부분적으로는 비선형 결정에 일반적으로 사용되는 스폿 시프팅 방식이 빔 경로에 오정렬 및 수차의 도입 없이는 많은 광학 부품들(예컨대, 구형 렌즈)에 적용될 수 없다는 사실 때문이다. 이는 비선형 결정으로부터 멀리 떨어져 빔 성형 광학기를 배치시키는 것을 필요로 하고, 이 경우 빔은 광 전력 밀도를 수용 가능한 레벨로 감소시킬 만큼 충분히 발산한다. 비선형 결정에서의 초점 크기를 증가시키는 것은 빔 발산을 감소시킨다. 비선형 결정으로부터 빔 성형 광학기까지 요구되는 거리가 증가하면, 이에 따라 파장 변환 모듈은 원하는 것보다 커질 수 있다.
비선형 결정은 빔에 수직하여 주기적으로 시프트될 수 있고, 이는 다수의 결정 위치를 사용한다. 비선형 결정의 한 영역이 손상되면, 빔이 상이한 손상되지 않은 영역 상으로 투사되도록 비선형 결정은 빔에 대해 이동된다. 이는 비선형 결정이 교체되기 전의 기간을 연장시킬 수 있지만, 이는 비선형 결정에 대한 어떠한 손상의 원인도 해결하지 못한다.
따라서, 향상된 비선형 광 파장 변환기가 필요하다.
제 1 실시예에서, 시스템이 제공된다. 시스템은 레이저 소스, 비선형 결정 및 결정 마운트 어셈블리를 포함한다. 레이저 소스는 레이저 빔을 발생시키도록 구성된다. 비선형 결정은 파장 변환을 위해 구성된다. 비선형 결정은 레이저 빔의 초점이 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치된다. 비선형 결정은 결정 마운트 어셈블리 상에 배치된다.
빔 성형 광학기는 레이저 소스와 비선형 결정 사이에 배치될 수 있고/있거나 빔 전파 방향에서 비선형 결정의 하류에 배치될 수 있다.
결정 마운트 어셈블리는 비선형 결정의 중심과 초점 사이의 거리를 조정함으로써 비선형 결정에서 레이저 빔의 빔 크기를 조정하도록 구성될 수 있다.
비선형 결정은, 레이저 빔의 초점이 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리(Rayleigh) 범위를 갖는 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다.
레이저 빔은 펄스형 레이저 빔일 수 있다. 비선형 결정은, 펄스형 레이저 빔의 초점이 시스템의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스(optical fluence) 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 펄스형 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다.
결정 마운트 어셈블리는 레이저 소스로부터 상이한 거리에 있는 복수의 장착 피처들을 포함할 수 있다. 결정 마운트 어셈블리는 장착 피처들 중 하나에 배치되도록 구성될 수 있고, 비선형 결정에서의 레이저 빔의 빔 크기가 장착 피처들 중 하나를 선택함으로써 제공될 수 있다.
복수의 장착 피처들을 사용하여, 비선형 결정은, 레이저 빔의 초점이 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다.
복수의 장착 피처들을 사용하여, 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔이 될 수 있다. 비선형 결정은, 펄스형 레이저 빔의 초점이 시스템의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 펄스형 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다.
결정 마운트 어셈블리는 조정 가능할 수 있다. 비선형 결정은, 레이저 빔의 초점이 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다.
레이저 빔은 펄스형 레이저 빔이 될 수 있으며, 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능할 수 있다. 비선형 결정은, 펄스형 레이저 빔의 초점이 시스템의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 펄스형 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다.
초점은 원형, 타원형 또는 비점 수차 중 적어도 하나일 수 있다.
초점은 타원형일 수 있고, 워크 오프(walk-off)에 평행한 평면에서의 초점은 워크 오프에 수직인 평면에서의 초점보다 크다.
초점은 예를 들어, 한 평면에서의 초점은 비선형 결정 내부에 있고 다른 평면에서의 초점은 비선형 결정 외부에 있는 비점 수차일 수 있다.
초점은 비점 수차 및 타원형일 수 있다. 한 평면에서의 초점은 비선형 결정 내부에 있고 다른 평면에서의 초점은 비선형 결정 외부에 있다. 비선형 결정 내부의 초점은 비선형 결정 외부의 초점보다 큰 폭을 갖는다.
시스템은 파장 변환이 제 2 고조파 발생, 합주파수 발생 또는 차주파수 발생 중 하나가 되도록 구성될 수 있다.
시스템은 결정 마운트 어셈블리에 연결된 조정 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 조정 어셈블리는 예를 들어, 잠금 기구를 구비한 나사일 수 있다.
제 2 실시예에서, 방법이 제공된다. 상기 방법은 레이저 빔을 발생시키는 단계; 레이저 빔을 파장 변환을 위해 구성된 비선형 결정에 지향시키는 단계; 및 레이저 빔을 비선형 변환하는 단계를 포함한다. 비선형 결정은 레이저 빔의 초점이 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치된다. 레이저 빔의 비선형 변환은 제 2 고조파 발생, 합주파수 발생, 또는 차주파수 발생 중 하나일 수 있다.
본 발명개시의 본질 및 목적의 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 참조해야 한다.
도 1은 본 발명개시에 따른 파장 변환기의 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명개시에 따른 시스템의 제 1 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명개시에 따른 시스템의 제 2 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명개시에 따른 시스템의 제 3 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 5는 예시적인 초점 크기이다.
도 6은 본 발명개시의 실시예에 따른 흐름도이다.
청구된 주제(subject matter)가 특정 실시예에 관하여 설명될 것이지만, 본 명세서에 기재된 모든 이점 및 특징을 제공하지 않는 실시예들을 포함하는 다른 실시예들도 또한 본 발명개시의 범위 내에 있다. 본 발명개시의 범위를 벗어나지 않고 다양한 구조적, 논리적, 프로세스 단계 및 전자적 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명개시의 범위는 오직 첨부된 청구 범위를 참조하여 정의된다.
본 명세서에 개시된 향상된 비선형 광 파장 변환기는 비선형 결정에서 그리고 빔 성형 광학기 상의 인접한 광학 요소 상에서 모두 빔 크기, 따라서 전력 밀도를 독립적으로 최적화하기 위해 자유도를 도입한다. 다른 파장 변환기 디바이스와는 대조적으로, 이러한 최적화는 디바이스의 폼 팩터를 증가시키지 않고 달성될 수 있다. 결정 내부의 비교적 큰 빔 크기의 경우에도, 빔 발산 각도는 하류 광학기 상의 전력 밀도를 감소시키기 위해 크게 만들어질 수 있다. 또한, 비선형 광학 결정 내부의 빔 크기는 광학 설계에 대한 최소한의 변경으로 고조파 전력을 스케일링하기 위해 필요에 따라 조정될 수 있다.
본 발명개시는 광학 성능뿐만 아니라 부품 수명을 향상시키는 비선형 광 파장 변환기를 위한 콤팩트한 설계를 포함한다. 본 발명개시는 광학 설계자가 비선형 결정 및 빔 성형 광학기의 다른 부품에 대해 광 전력 밀도를 독립적으로 최적화할 수 있게 한다. 이것은 비선형 결정을 기본 빔의 초점 외부에 위치시킴으로써 달성된다. 또한, 비선형 결정 내부의 전력 밀도는 비선형 결정의 탈초점(out-of-focus) 위치를 조정함으로써 파장 변환기 광학기 트레인의 재설계 없이 빔 크기를 통해 스케일링 될 수 있다. 이러한 특성으로 인해, 고조파 전력을 증가시킬 때 비선형 결정의 최적 전력 밀도가 유지될 수 있다.
비선형 결정은 긴 파장 빔의 고조파를 발생시키거나 두 주파수의 합(또는 차이)과 동일한 주파수를 생성하기 위해 상이한 주파수의 두 개의 레이저 빔을 혼합함으로써 UV 레이저 빔을 생성하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 비선형 광학 결정에서 합주파수 발생(sum-frequency generation; SFG) 및 제 2 고조파 발생(second harmonic generation; SHG)과 같은 비선형 파장 변환은, 효율적인 고체 레이저 소스의 방출 라인을 통해 직접 접근할 수 없는 파장에서 레이저 방사선을 발생시킬 수 있다. 이 방법은, 예를 들어, 근적외선으로 방출되는 다이오드 펌핑된 고체 상태 레이저의 파장 범위를 가시광선, UV 및 DUV로 확장하기 위해 이용될 수 있다. UV 및 DUV 발생은 통상적으로 두 개 또는 다수의 SHG 및 SFG 단계를 캐스케이딩(cascade)함으로써 달성된다. 제 3 고조파(third harmonic; THG)는, 예를 들어, SHG 프로세스에 이어 SFG 프로세스에 의해 발생되는 반면, 제 4 고조파(the fourth harmonic; FHG)는 두 개의 캐스케이드 SHG 프로세스로 발생된다. 고조파 발생 및 혼합 프로세스는 비선형 프로세스이기 때문에, 더 높은 입사 전력 밀도는 통상적으로 보다 효율적인 변환 프로세스 및 더 높은 출력 전력을 야기한다.
예를 들어, SHG 프로세스에서 효율적인 파장 변환을 달성하기 위해, 기본과 제 2 고조파 간의 분산이 최소화된다. 이는 기본 파장에서의 정상 굴절률(ordinary refractive index)이 제 2 고조파 파장에서의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 일치하거나 그 반대도 가능하도록 복굴절 비선형 결정의 전파 방향(즉, 위상 정합 각도)을 선택함으로써 달성될 수 있다. 대부분의 위상 정합 각도의 경우, 비선형 결정 내부의 제 2 고조파 빔의 포인팅 벡터는 파동 벡터에 평행하지 않다. 이 상태는 일반적으로 임계 위상 정합으로 지칭된다. 포인팅 벡터 워크 오프(워크 오프)는 임의의 비선형 파장 변환기 설계에 고려될 수 있으므로, 공간 빔 품질에 대한 어떠한 해로운 영향도 최소화될 수 있다.
SHG에서 작은 신호 이득은 기본 전력 밀도의 제곱에 비례한다. 결정 전체에 걸쳐 전력 밀도를 최대화하고 최대 변환 효율을 달성하기 위해 가우스 빔(Gaussian beam)이 비선형 결정에 포커싱된다.
최적 초점 크기는 비선형 결정의 길이 및 비선형 결정의 워크 오프 각도 양자 모두에 의존한다. 임계 위상 정합의 경우, 비선형 변환 효율은 워크 오프 평면에서 더 큰 허리를 갖는 타원형 초점을 선택함으로써 더욱 증가될 수 있다. 보다 높은 변환 효율을 달성하는 것 외에도, 타원형 초점을 이용하여 공간 빔 품질에 대한 워크 오프의 영향을 감소시킬 수 있다. 원형 및 타원형 초점 양자 모두에 대한 초점 조건을 최적화하기 위한 소프트웨어 패키지가 이용될 수 있다.
고전력 애플리케이션에서, 제 2 고조파의 전력 및 공간 빔 품질 양자 모두는 고전력 밀도에 의해 도입된 유해한 효과들(예를 들어, 비선형 흡수, 열적 영위상화 및 광 굴절)에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다. 또한, 비선형 물질의 높은 전력 밀도는 결정 결함(예를 들어, 여기자 및 색 중심)의 형성, 광 굴절 손상 및 광학적 유도된 표면 손상을 유도할 수 있다. 이러한 효과들은 시간이 지남에 따라 비선형 결정 품질의 저하를 초래할 수 있다. 이 효과들은 방사선의 광자 에너지가 물질에서 2 광자 흡수를 허용할 만큼 충분히 클 때 특히 두드러진다. 사용되는 비선형 물질에 따라, 이는 가시광선, UV 또는 DUV의 방사선에 대한 경우일 수 있다. 결정 내부의 초점 크기를 증가시키면 전력 밀도를 감소시킬 수 있다. 이 방법은 변환 효율도 감소시키기 때문에, 비선형 변환 효율, 공간 빔 품질 및 비선형 결정의 수명 사이에 트레이드 오프가 이루어져야 한다. 임계 위상 정합의 경우, 타원형 초점은 일반적으로 주어진 전력 밀도에서 증가된 변환 효율 및 향상된 빔 품질을 산출한다.
기본 빔에 대한 초점이 비선형 결정의 중심에 위치하면, 비선형 결정에서의 빔 크기를 증가시키기 위해 기본 빔의 초점 크기가 증가되어야 한다. 따라서, 기본 포커싱 및 고조파 빔 성형 광학기는 재설계될 필요가 있을 것이다. 디바이스의 폼 팩터가 변경되지 않고 유지되면, 포커싱 및 빔 성형 광학기 요소 상의 빔 크기는 감소한다. 이것은 광학기 상의 전력 밀도를 증가시키고, 결과적으로 광학기의 수명을 감소시킨다.
비선형 결정 상의 입사 레이저 전력을 증가시키는 것은, 바람직하지 못한 부작용을 가질 수 있다. 예를 들어, 영구적인 손상이 시간이 지남에 따라 결정에 발생할 수 있다. 축적된 노출로, 이러한 손상은 일반적으로 비점 수차를 증가시킬뿐만 아니라 일반적으로 전력 강도를 감소시키는 것을 초래할 수 있다. 그러므로, 광학기로 비점 수차를 보정하는 것은 빈번한 보상 조정을 필요로 할 수 있으며, 이는 상업적 애플리케이션에서 비실용적일 수 있다. 또한, 비점 수차는 조정으로도 정확한 보상이 불가능한 수준으로 급격히 증가할 수도 있다.
더 짧은 출력 파장을 발생시키는 것은, 또한 출력 광자들이 보다 활동적이어서 결정의 특성을 변경시키거나 심지어 영구적으로 결정을 손상시킬 수도 있기 때문에 결정의 저하를 가속시킬 수 있다. 따라서, 더 짧은 출력 파장에서, 비점 수차 및 다른 불리한 빔 품질 및 강도 효과가 또한 점점 더 발생할 수 있다.
고조파 전력을 스케일링할 때 (예를 들어, 고전력 기본 레이저 소스가 이용 가능하게 됨에 따라 기본 전력을 증가시킴으로써), 광 전력, 공간 빔 품질 및 결정 수명 간의 트레이드 오프가 최적화되지 않을 수 있으므로, 비선형 결정에서의 빔 크기는 재최적화되어야 한다. 비선형 결정에서의 초점 크기는 재최적화를 위해 변경될 필요가 있을 수 있다. 이것은 비선형 파장 변환기 모듈의 주요 광학 및 광기계 재설계를 필요로 할 수 있다.
도 1은 파장 변환기(100)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 파장 변환기(100)는 비선형 결정(101)과 빔 성형 광학기(102)를 포함한다. 빔 성형 광학기(102)는 하나 이상의 렌즈, 거울 또는 다른 광학 부품을 포함할 수 있다. 또한 하나 이상의 렌즈, 거울 또는 다른 광학 부품을 포함할 수 있는 추가의 빔 성형 광학기(도시하지 않음)가 빔 성형 광학기(102)으로부터 비선형 결정(101)의 대향 측면 상에 배치될 수 있다.
레이저 빔(103)이 비선형 결정(101)에 투사된다. 레이저 빔(103)은 레이저 빔(103)의 빔 전파 방향(109)에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정(101)의 외부에 있는 초점(104)을 갖는다. 예를 들어, 이 평면은 빔 크기(108)를 나타내는 점선에 평행할 수 있다. 비선형 결정(101)의 중심과 초점(104) 사이의 거리는 설정되거나 조정될 수 있다.
레이저 빔(103)의 초점(104)은 충분히 작게 되도록, 따라서 빔 발산을 충분히 크게 하도록 선택되어, 초점(104)의 하류 또는 상류의 하나 또는 다수의 광학 요소들 상의 기본 및/또는 고조파 전력 밀도는 의도된 애플리케이션에 대해 충분한 부품 수명(예컨대, 1년 또는 다른 기간보다 더 김)을 보장할 만큼 충분히 낮게 유지되도록 한다. 기본 및 고조파 방사선의 파장 및 부품의 물질 특성에 따라, 최대 허용 가능한 전력 밀도는 1.0 W/㎠에 대한 모든 값 및 그 사이의 범위를 비롯한, 100 W/㎠ 내지 1 MW/㎠ 의 범위일 수 있다.
임의의 주어진 가우스 빔 또는 근접-가우스 빔(near-Gaussian beam)에 대해, 두 개의 상호 수직인 축 x 및 축 y를 따라 측정되는 빔 직경은 수학식 1 및 수학식 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 초점 위치에 대한 거리의 함수(z-zO)이고, 여기서, 축 x 및 축 y 모두는 빔 전파 방향(109)에 수직이다.
Figure 112018011753695-pct00001
Figure 112018011753695-pct00002
2*w(z)는 위치 z에서의 빔 직경으로, 빔 프로파일에 걸친 전력 분포의 표준 편차 4x로 정의되며, 2*w0는 빔 허리 직경이고, z0는 빔 전파 방향에서의 빔 허리 위치이고, λ는 방사선의 파장이며, M2는 빔 전파 파라미터이다. 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 전력 밀도 DF는 수학식 3에서 볼 수 있는 바와 같이 빔 반경의 함수로서 계산될 수 있다.
Figure 112018011753695-pct00003
PF는 시간 평균 기본 전력이다. 예를 들어, 비선형 광학 프로세스가 제 2 고조파 발생이면, 주어진 결정 위치의 변환 효율, 고조파 빔의 전력 밀도 및 빔 크기는 수학식 1 및 2에서 설명된 기본 빔 크기에 기초하여 계산될 수 있다. 워크 오프가 있는 경우, 이것은 포커싱된 가우스 빔에 대한 고조파 발생의 수치 시뮬레이션을 이용하여 달성될 수 있다. 유사한 수치 모델이 다른 비선형 광 파장 변환 프로세스에 이용 가능하다. 결정 위치 z, 따라서 빔 크기는 기본 전력 밀도가 원하는 변환 효율 및 고조파 출력을 달성할 만큼 충분히 높게 유지되도록 선택될 수 있는 반면, 이 경계 조건의 한계 내에서 기본 및 고조파 전력 밀도 모두는 최소화되어 비선형 결정(101)의 스폿 수명이 최대화되도록 한다. 초점(104)의 위치 및 비선형 결정(101)의 위치 사이의 통상적인 거리는 밀리미터 내지 수십 센티미터의 범위이다. 그러나 다른 거리도 가능하다.
일 예에서, BBO와 같은 비선형 결정(101)에서 발생되는 266nm의 파장을 갖는 고조파 방사선의 전력은 두 배가 되지만, 비선형 결정(101)에서의 기본 및 고조파 전력 밀도는 변경되지 않고 유지된다. 이러한 조건하에서, 결정 스폿 수명도 또한 변경되지 않고 유지된다. 이것은 비선형 결정(101) 내부의 빔 영역뿐만 아니라 기본 레이저(들)의 전력을 두 배로 함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 450㎛ × 200㎛의 타원형 기본 빔 크기는 450㎛ × 400㎛로 증가될 수 있다. 이 예에서, 타원의 장축(major axis)은 워크 오프에 평행하다. 비선형 결정(101)에서의 빔 크기는 비선형 결정(101) 내에 위치하는 초점의 크기를 증가시킴으로써 증가 될 수 있다. 결과적으로, 예를 들어 0.5m의 거리에 있는 하류 광학기 상의 빔 영역은 1.8배만큼 감소하여, 그 광학기 상의 또는 내부의 고조파 전력 밀도는 3.6배만큼 증가한다. 하류 광학기가 DUV 전력 밀도의 제곱으로 스케일링되는 손상 메커니즘을 경험하면, 광학기 수명은 10배 이상만큼 감소한다.
본 명세서에 개시된 실시예를 사용할 때, 원래의 초점 크기 및 위치를 유지하고 초점(104)의 하류로 비선형 결정(101)을 0.1m만큼 이동시킴으로써, 비선형 결정(101)에서 동일한 DUV 전력 및 DUV 전력 밀도는 달성될 수 있다. 초점 크기에 대해 어떠한 변경도 없으므로, (열 렌싱과 같은 2차 효과의 부재시) 하류 거울 상의 기본 및 고조파 빔 크기는 동일하게 유지되어 거울 상의 DUV 전력 밀도는 2배 만큼만 증가하여 광학기 수명에 미치는 영향을 줄인다. 이것은 이전 시스템에 비해 상당한 개선이다. 비선형 결정(101)이 초점(104)의 상류 또는 하류로 이동하는 거리는 변할 수 있고, 초점(104)의 하류로 비선형 결정(101)을 0.1m만큼 이동시키는 것은 단지 하나의 예시이다.
비선형 결정(101)은 매체에서 효율적인 비선형 상호 작용을 달성하기 위해 위상 정합을 제공하도록 구성될 수 있다. 비선형 결정(101)은 임계 위상 정합, 비 임계 위상 정합, 준-비임계 위상 정합 또는 준-위상 정합을 이용할 수 있다.
비선형 결정(101)은 DUV 적용을 위해 BBO 또는 CsLiB6O10(CLBO) 일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 그러나 LiIO3, KNbO3, 인산 칼륨(KH2PO4), 삼붕산리튬(LBO), GaSe, KTP(potassium titanyl phosphate), 니오브산 리튬(LiNbO3), LiIO3, 또는 ADP(ammonium dihvdrogen phosphate) 이거나 이를 포함하는 것과 같은 다른 유형의 비선형 결정이 사용될 수 있다.
비선형 결정(101)과 같은 비선형 결정은 통상적으로 불(boule)로 성장하고, 그런 다음 개별적인 결정 소자로 절단된다. 절단 이후에 입출력 표면은 연마된다. 사용 가능한 결정 소자의 치수는 선택된 비선형 광학 물질의 특성, 예컨대 불 크기 및 불 품질에 의존한다. 비선형 광학 결정은 1mm 내지 50mm의 길이 치수, 3㎜ 내지 20㎜의 폭 치수, 및 0.5mm 내지 10mm의 높이 치수를 가질 수 있고, 0.01mm에 대한 모든 값 및 그 사이의 범위를 포함한다. 빔 전파 방향(109)과 같은 빔 전파의 방향은 통상적으로 "길이"로 지칭된다. 상이한 애플리케이션들에 대해 다른 비선형 결정 치수가 가능하다. 원하는 애플리케이션에 적합한 임의의 크기의 비선형 결정(101)이 본 명세서에 개시된 실시예들에 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 비선형 결정(101)에서의 또는 비선형 결정(101) 내의 빔 크기(107)(점선으로 표시됨)는 비선형 결정(101)이 초점(104)의 하류에 배치되기 때문에, 초점(104)에서의 빔 크기(108)(점선으로 표시됨)보다 크다. 빔 크기(107)에서의 전력 밀도는 빔 크기(108)에서의 밀도보다 작다. 따라서, 비선형 결정(101)은 낮은 전력 밀도를 갖는 레이저 빔(103)의 일부에 의해 영향을 받는다.
비선형 결정(101) 내부의 빔 크기(107)는 초점(104) 외부에서 비선형 결정(101)의 위치를 조정함으로써 최적화될 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술을 사용할 때, 레이저 빔(103)의 초점(104)의 크기 및 위치에 대한 변경을 피할 수 있다. 초점(104)의 위치 및 허리 크기는 변경되지 않고 유지될 수 있으므로, 비선형 결정(101)의 하류의 빔 성형 광학기(102) 상의 빔 크기는 변경되지 않고 유지될 수 있다. 보다 상세하게는, 비선형 결정(101)의 하류의 빔 성형 광학기(102) 상의 빔 크기는 감소하지 않을 수 있다.
비선형 결정(101)의 하류에서, 레이저 빔(103)은 기본 빔(105)과 고조파 빔(106)을 포함한다. 고조파 빔(106)이 도 1에 특정 방식으로 도시되어 있지만, 고조파 빔(106)의 빔 크기는 기본 빔(105)의 크기보다 1.41(즉,
Figure 112018011753695-pct00004
) 배만큼 작을 수 있다.
파장 변환기(100)는 비선형 결정(101) 내부에서 발산 또는 수렴 빔을 이용할 수 있다. 하나의 평면(워크 오프에 평행하거나 수직)에서 또는 두 개의 평면에서, 기본 빔(105)은 도 1에 도시된 바와 같이 결정 외부에 포커싱된다. 초점(104)의 크기는 빔 성형 광학기(102) 상의 전력 밀도를 원하는 광학기 수명을 제공하는 레벨로 감소시키기에 충분히 짧은 레일리 범위, 따라서 충분히 큰 빔 발산을 제공하도록 선택될 수 있다. 이 경우, 레일리 범위는 허리로부터 빔 폭이
Figure 112018011753695-pct00005
배만큼 증가되는 위치까지의 빔 전파 방향(109)을 따른 거리이다. 전력 확장성이 파장 변환기(100)에 대해 의도되는 경우, 빔 성형 광학기(102) 상의 빔 크기는 빔 성형 광학기(102) 상의 요구되는 최대 전력 밀도가 파장 변환기의 전력 스케일링된 버전에 존재할 가장 높은 의도된 기본 및 고조파 전력에 대해 초과되지 않도록 충분히 크도록 선택된다. 임계 위상 정합의 경우에 임의의 전력 및/또는 빔 품질 패널티를 피하기 위해, 워크 오프에 평행한 평면에 있는 비선형 결정(101) 내의 빔 발산(또는 수렴)은 결정 각도 수용에 의해 설정된 한계 이하로 유지될 수 있다. 마진은 애플리케이션의 특정 빔 품질 요구 사항에 의존한다.
레이저 빔의 발산 또는 수렴은 가우스 빔 전파에 의해 설명될 수 있다. 빔 전파 방향을 따라 주어진 위치 z에서 주어진 측방향 축에 평행한 빔 발산은 수학식 1 및 수학식 2의 제 1 미분의 아크탄젠트이다. 그러므로, 허리 크기를 증가시킴으로써 주어진 위치에서의 발산 각도는 감소될 수 있다. 비선형 프로세스의 수용 각도는 위상 정합의 임계 방향에서 최적 위상 정합 각도로부터의 각도 오프셋으로 정의되며, 이 경우 비선형 변환 효율은 최적 위상 정합 조건에서의 변환 효율의 50%로 감소된다. 수용 각도의 통상적인 값은 본 명세서에서 반각으로 정의되며, DUV로의 고조파 발생의 경우 대략 결정 길이의 0.05 내지 0.5 mrad*cm이다. 수용 각도는 비선형 프로세스, 사용되는 비선형 결정 물질 및 비선형 결정의 길이에 의존할 수 있다. 수용 각도는 비선형 결정 물질에 대한 셀마이어(Sellmeier) 방정식에 기초하여 계산될 수 있다. 대안적으로, 소프트웨어 패키지가 각도 수용을 계산하기 위해 이용될 수 있다. 빔 발산 각도로 인한 변환 효율 손실을 4% 미만으로 감소시키기 위해, 각도 레이저 전력 분포에 대한 표준 편차 2x로 정의된 빔 발산 각도는 위상 정합의 임계 방향에서 앞서 정의된 바와 같이 수용 각도의 50% 미만으로 제한될 수 있다.
빔 전파 방향(109)의 축을 따른 비선형 결정(101) 위치는, 비선형 결정(101)에서의 전력 밀도가 변환 효율, 공간 빔 품질, 결정 수명 또는 결정 스폿 수명 중 하나 이상 사이에 또는 이들 중 두 개 이상 사이에 원하는 트레이드 오프를 달성하기 위해 필요한 요건을 충족시키도록 선택될 수 있다.
비선형 파장 변환에 있어서, 변환 효율은 전력 밀도가 증가함에 따라 증가하므로, 변환 효율을 최대화하기 위해 비선형 결정(101)에서의 빔 크기가 가능한 한 작은 것이 바람직할 수 있다. 한편, 비선형 결정(101)은 발생된 고조파에 의해 또는 심지어 기본 방사선에 의해서도 유도되는 손상을 경험할 수 있으므로, 파장 변환을 위해 사용되는 결정 스폿은 제한된 수명을 갖는다. 정확한 스케일링 법칙은 결정이 경함하는 특정 손상 메커니즘에 달려 있다. 그러나, 결정 수명은 전력 밀도가 증가함에 따라 감소하므로, 스폿 수명을 최대화하기 위해 결정에서의 빔 크기는 가능한 한 큰 것이 바람직할 수 있다.
비선형 결정 스폿 시프트는 파장 변환기에 서비스 이벤트를 트리거할 수 있으므로, 충분히 큰 스폿 수명(예를 들어, 수백 시간 또는 그 이상의 범위)을 유지함으로써 원하는 서비스 간격을 달성할 수 있다. 전체적으로, 결정 수명은 모든 결정 스폿들에 대한 스폿 수명의 합이다. 스폿 수명이 스폿 크기가 감소함에 따라 선형적으로 감소하는 경우(즉, 전력 밀도가 증가하는 경우), 개별 스폿 수명이 감소하는 것과 동일한 비율로 이용 가능한 스폿의 수가 증가함에 따라 결정 수명은 스폿 크기와 독립적으로 된다. 스케일링 법칙을 따르는 손상 메커니즘의 경우, 선형보다 빠르며(예를 들어, 전력 밀도의 제곱에 반비례하여 감소하는 스폿 수명), 이용 가능한 스폿의 수는 빔 영역이 증가함에 따라 선형적으로 감소하기 때문에 빔 크기를 증가시키는 것은 결정 수명을 향상시키는 반면, 개별 결정 스폿의 수명은 스폿 크기가 증가함에 따라 선형보다 빠르게 증가한다(예를 들어, 위의 예에서 빔 영역의 제곱에 비례).
비선형 결정(101)은 레이저 빔(103)의 파장 변환을 제공한다. 비선형 결정(101)에서의 최적 빔 크기는 달성 가능한 변환 효율을 최대화하고, 따라서 고조파 파장에서의 전력을 최대화하도록 선택될 수 있으면서, 요구되는 스폿 수명 및/또는 결정 수명을 유지할 수 있다. 대안적으로, 비선형 결정(101)에서의 최적 빔 크기는 달성 가능한 스폿 수명 및/또는 결정 수명을 최대화하도록 선택될 수 있으면서, 변환 효율 따라서 애플리케이션에 요구되는 고조파 파장에서의 전력을 달성할 수 있다.
파장 변환기(100)는 레이저 빔(103)을 발생시키기 위해 사용되는 1차 레이저 소스로부터 기본 전력을 증가시킴으로써 제 2 고조파 전력의 스케일링을 가능하게 한다. 최적 전력 밀도는 초점(104)으로부터 더 멀리 비선형 결정(101)을 이동시킴으로써 유지될 수 있다. 기본 포커싱 광학 설계에 대한 변경은 필요하지 않을 수 있다. 비선형 결정(101)의 상이한 위치 및 비선형 결정(101)에서의 빔 크기에 의해 유도되는 가능한 효과를 보상하기 위해, 고조파 빔 성형 광학기에서 작은 변경이 여전히 수행될 수 있다. 예를 들어, 결정 내부의 가능한 열 렌즈의 변경된 위치 및 전력이 보상될 수 있다. 그러나 이러한 변경은 파장 변환기 광학 트레인의 완전한 재설계와 비교하면 사소한 것이다. 이러한 변경은 하류 빔 성형 광학기(102)에서 조정 가능한 빔 확장 망원경 또는 쿠크 트리플릿(Cooke triplet)과 같은 고조파 빔을 위한 조정 가능한 빔 성형 부품을 사용함으로써 수용될 수 있다.
예를 들어, 비선형 결정(101)을 초점(104) 외부에 위치시키고 원하는 파라미터를 갖는 레이저 빔(103)을 제공하는 특정 비선형 결정(101)에 대한 초점(104)은 2 단계 프로세스로 결정될 수 있다. 첫째, 비선형 결정(101) 위치의 함수로서의 비선형 결정(101)에서의 기본 빔 크기는 본 명세서에 개시된 기술을 이용하여 결정될 수 있다. 둘째, 기본 빔 크기에 기초하여 고조파 빔 크기를 계산할 수 있다. 이러한 계산을 이용하여, 초점(104)과 비선형 결정(101) 사이의 거리는 기본 및 고조파 전력 밀도가 특정 애플리케이션에 대한 사양을 충족시키도록 선택될 수 있다.
도 2는 시스템(200)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 레이저 활성 매체를 포함하는 레이저 소스(201)가 빔 전파 방향(206)으로 레이저 빔(103)과 같은 기본 방사선을 발생시킨다. 레이저 소스(201)는 예를 들어, 고체 레이저, 반도체 레이저, 가스 레이저, 광섬유 레이저, CW 레이저, 모드-락 레이저, Q-스위치 레이저, 이득-스위치 레이저, 내장 비선형 파장 변환기을 갖는 레이저 또는 다른 유형의 레이저일 수 있다. 레이저 소스(201)에 의해 방출된 레이저 빔(103)은 회절 제한 또는 근접 회절 제한 가우스 빔일 수 있다. 다른 유형의 레이저 빔(103)이 가능하다.
예를 들어, 레이저 소스(201)는 교환 가능한 레이저 소스이다. 비선형 광학 시스템의 일부인 교환 가능한 레이저 소스는 고장 시에 또는 서비스 수명의 끝에 도달하면 필드 교체 가능 유닛으로서 동일한 설계의 레이저 소스로 교환될 수 있다. 비선형 광학 시스템의 일부인 교환 가능한 레이저 소스는 또한 성능(예를 들어, 비선형 광학 시스템의 출력 전력)을 향상시키기 위해, 고전력 레이저 소스와 같은 상이한 설계의 레이저 소스로 교환될 수 있다. 이 경우, 비선형 결정(101)의 수명과 고조파 전력 사이의 최적 트레이드 오프를 달성하기 위해, 비선형 결정(101)의 탈초점 위치는 본 명세서에 설명된 바와 같이 조정될 수 있다.
레이저 빔(103)은 비선형 결정(101)의 상류에서 빔 성형 광학기(202)를 통해 투사된다. 빔 성형 광학기(202)는 하나 이상의 렌즈, 거울 또는 다른 광학 부품을 포함할 수 있다. 빔 성형 광학기(202)는 단일 렌즈 또는 다중 렌즈를 포함할 수 있고, 비점 수차가 있거나 없는 원형 또는 타원형 초점을 발생시킬 수 있다. 빔 성형 광학기(202)는 조정 가능할 수도 조정 가능하지 않을 수도 있다. 빔 성형 광학기(202)는 레이저 소스(201)와 비선형 결정(101) 사이에 위치할 수 있거나, 레이저 소스(201)에 통합될 수 있다. 레이저 빔(103)의 초점(104)은 레이저 빔(103)의 빔 전파 방향(206)에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정(101)의 외부에 있다. 초점(104)의 위치 및 크기는 변할 수 있다. 통상적인 초점 직경은 1㎛의 모든 값 및 그 사이의 범위를 비롯한, 5㎛ 내지 대략 1mm의 범위일 수 있다. 초점(104) 위치 및 비선형 결정(101) 사이의 통상적인 거리는 밀리미터 내지 수십 센티미터의 범위이다. 그러나 이 범위 이외의 비선형 결정(101)에 대한 거리 및 초점(104) 크기가 가능하다.
비선형 결정(101)은 결정 마운트 어셈블리(203)에 배치된다. 따라서, 비선형 결정(101)은 결정 마운트 어셈블리(203) 상에 또는 그 내에 있을 수 있다. 결정 마운트 어셈블리(203)는 알루미늄, 스테인레스 강, 구리, 구리-텅스텐 또는 니켈과 같은 금속으로 제조될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 결정 마운트 어셈블리(203)는 또한 세라믹 또는 다른 물질로 제조될 수 있다.
결정 마운트 어셈블리(203)는 비선형 결정(101)의 위치를, 예를 들어, 수십 미크론 내에서 안정적으로 유지하도록 설계될 수 있고, 입사 레이저 빔에 대한 각도를, 예를 들어, 비선형 파장 변환기의 선적 및 동작 중에 각도 수용 범위의 27% 내에서 안정적으로 유지하도록 설계될 수 있다. 워크 오프 방향에서 각도 수용의 27%의 각도 변화는 최적 위상 정합 각도에 비해 변환 효율의 5% 감소를 초래할 수 있다.
결정 마운트 어셈블리(203)는 스프링 장착 어셈블리(spring-loaded assembly)일 수 있고, 여기서 비선형 결정(101)은 L-브래킷 내에 배치되어 빔 전파 방향(109)에 수직인 하나 또는 다수의 축을 따라 스프링에 의해 제자리에서 유지된다. 스프링은 비선형 결정(101)을 L-브래킷 상으로 또는 반대 방향으로 가압한다.
비선형 광학 상호 작용의 제한된 각도 수용으로 인해, 각도 허용 오차는 0.03 mrad 내지 0.3 mrad의 범위일 수 있다. 그러므로, 결정 마운트 어셈블리(203)는 비선형 상호 작용의 위상 정합 각도를 조정하는 피처를 포함할 수 있다. 이러한 피처는 수동 미세 스레드 나사, 수동 마이크로미터 액추에이터, 수동 차동 마이크로미터 액추에이터 또는 전동식 액추에이터에 의해 작동되는 회전 스테이지를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 결정 위상 정합 각도의 조정 중에 전체 결정 마운트 어셈블리(203)는 회전될 수 있다. 결정 마운트 어셈블리(203)는 일단 정렬이 완료되면 비선형 결정(101)의 회전 각도를 고정시키는 잠금 기구를 포함할 수 있다. 이러한 잠금 기구는 충분히 높은 마찰을 제공하는 표면에 대해 스테이지의 회전 부분을 가압하기 위해 회전 방향에 수직인 방향으로 조여지는 나사를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 전형적인 치수를 갖는 비선형 결정(101)에 있어서, 결정 마운트 어셈블리(203)의 크기는 전형적으로 어느 방향으로든 10mm 내지 150mm의 범위 내에 있다. 결정 마운트 어셈블리(203)의 다른 치수가 가능하고, 이들 범위는 단지 예시적인 것이다.
또한, 결정 마운트 어셈블리는 비선형 결정(101)이 빔 전파 방향(109)에 수직 및/또는 평행하게 이동될 수 있도록 수동 또는 전동 병진 스테이지를 포함할 수 있다.
결정 마운트 어셈블리(203)는 온도 제어될 수 있다. 각도 정렬 이외에도, 위상 정합 조건은 기본 및 고조파 파장에서의 굴절률이 상이한 온도 의존성을 갖기 때문에 비선형 결정(101)의 온도에 민감하다. 온도 허용 범위는 최적 위상 정합 온도 주변의 온도 범위로 정의될 수 있고, 여기서 비선형 광학 변환 효율은 최적 위상 정합 온도에서의 변환 효율의 50 %보다 높다. DUV 방사선을 발생시키기 위해 사용되는 비선형 결정의 일반적인 온도 허용 범위는 결정 길이의 6℃*㎝ 정도이다. 최적 위상 정합 온도에서의 값의 95 %보다 큰 변환 효율을 유지하기 위해, 온도 허용 범위의 25 %미만의 범위(즉, 결정 길이의 1.5℃*㎝ 범위 내)에서 결정 온도를 유지하는 것이 필요할 수 있다. 설명된 최적 범위 내에서 결정 온도를 유지하기 위해, 결정 온도는 능동적으로 제어될 수 있다. 이는 온도를 측정하기 위해 열전대, 서미스터 또는 RTD 온도 센서와 같은 센서를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 온도 제거기를 사용함으로써 달성될 수 있다. 온도 제어기는 또한 온도를 조정하기 위해 센서에 전자적으로 연결된 히터 또는 펠티어(Peltier) 소자를 포함할 수 있다. 센서 및 온도 제어기는 결정 마운트 어셈블리(203)에 통합되거나 부착될 수 있다. 온도 제어기는 또한 온도 제어 루프를 확립하기 위해 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative; PID) 제어기를 포함할 수 있다.
결정 마운트 어셈블리(203)는 결정 인클로저 및/또는 결정 오븐을 포함할 수 있다. LBO, CLBO, LiIO3를 포함하는 몇 개의 비선형 결정 물질은 흡습성이 강하다. 인클로저를 사용하여 환경 습도로부터 비선형 결정을 보호하는 것이 유리할 수 있다. 인클로저는 질소, 아르곤 또는 깨끗한 건조 공기와 같은 건식 퍼지 가스로 허메티컬리 실드되거나 능동적으로 퍼지될 수 있다. 인클로저 본체는 금속 또는 세라믹으로 제조될 수 있다. 인클로저는 기본 레이저 빔의 진입 및 기본 및 고조파 빔 모두의 진출을 허용하기 위해 두 개의 윈도우를 갖는다. 윈도우는 기본 및 고조파 파장 모두를 전하는 기판 물질을 포함할 수 있다. 가능한 윈도우 물질들은 용융 실리카, 불화 칼슘, 불화 마그네슘 또는 결정질 석영을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 인클로저의 본체와 윈도우 사이의 계면은 O-링 실(O-ring seal) 또는 다른 유형의 실과 같은 실을 사용하여 밀봉될 수 있다. 결정 인클로저는 결정 오븐 또는 온도 제어 결정 마운트를 포함할 수 있다.
흡습성 결정의 습도 노출을 최소화하기 위해, 결정은 결정 표면 상의 환경 습도의 응축 위험을 최소화하기 위해 상승된 온도에서 작동될 수 있다. 상승된 온도는 예를 들어, 40℃ 및 200℃일 수 있다. 결정 오븐을 사용하여 결정을 가열할 수 있다. 오븐 본체는 금속(예를 들어, 알루미늄 또는 구리) 또는 세라믹으로 제조될 수 있다. 설계는 본 명세서에서 설명된 온도 제어 결정 마운트와 유사할 수 있다. 고온 작동을 위해 최적화되는 저항성 히터 또는 오븐 내의 온도 분포의 균질성을 향상시키는 단열 피처와 같은, 고온 작동을 위해 오븐을 최적화하는 피처들이 추가될 수 있다. 이러한 단열 피처는 단열층(예를 들어, 세라믹 또는 불소 중합체를 포함하는 층)을 포함할 수 있다.
결정 마운트 어셈블리(203)는 비선형 결정(101)이 수명의 끝에 도달할 때 비선형 결정(101)의 교환을 허용하도록 구성될 수 있다.
빔 전파 축(206)에 수직인 평면들 중 적어도 하나의 평면에서의 초점(104)이 비선형 결정(101)의 외부에 있도록 결정 마운트 어셈블리(203)는 빔 전파 축(206)을 따르는 위치에 있다. 결정 마운트 어셈블리(203)는 고정될 수 있거나 빔 전파 방향(206)에 수직 및/또는 평행하게 이동 가능할 수 있다. 도 2의 실시 예에서, 결정 마운트 어셈블리(203)는 원하는 위치에서 시스템(200)의 벽에 부착되거나 고정된다.
레이저 빔(103)은 비선형 결정(101)의 하류에서 빔 성형 광학기(102)를 통과한다. 빔 성형 광학기(102)는 하나 이상의 렌즈, 거울 또는 다른 광학 부품을 포함할 수 있다. 빔 성형 광학기(102)는 조정 가능할 수도 조정 가능하지 않을 수도 있다.
예를 들어, 빔 성형 광학기(102)는 비선형 결정(101)에서 발생된 고조파 빔에 대한 빔 성형 광학기이거나 이를 포함한다. 이러한 고조파 빔 성형 광학기는 조정 가능한 광학 요소 및/또는 조정 가능한 광기계 요소를 포함할 수 있다.
예를 들어, 레이저 빔(103)은 스테이지(205) 상에 배치된 웨이퍼(204)를 이미징하기 위해 사용된다. 그러나 레이저 빔(103)은 다른 애플리케이션에 또는 다른 워크피스와 함께 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "웨이퍼"는 일반적으로 반도체 또는 비반도체 물질로 형성된 기판을 지칭한다. 이러한 반도체 또는 비반도체 물질의 예는 단결정 실리콘, 갈륨 질화물, 갈륨 비화물, 인듐 인화물, 사파이어 및 유리를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 이러한 기판은 일반적으로 반도체 제조 설비에서 발견 및/또는 처리될 수 있다.
웨이퍼는 기판 상에 형성된 하나 이상의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 층들은 포토레지스트, 유전체 물질, 전도성 물질 및 반전도성 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 다수의 상이한 유형의 이러한 층들이 당업계에 공지되어 있으며, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 웨이퍼는 모든 유형의 이러한 층들을 포함하는 웨이퍼를 포함하도록 의도된다.
웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 층들은 패턴화되거나 패터화되지 않을 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 복수의 다이를 포함할 수 있으며, 각각은 반복 가능한 패턴화된 피처 또는 주기적 구조물을 갖는다. 이러한 물질 층들의 형성 및 처리는 궁극적으로 완성된 디바이스를 야기할 수 있다. 다수의 상이한 유형의 디바이스들이 웨이퍼 상에 형성될 수 있으며, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 웨이퍼는 당업계에 공지된 임의의 유형의 디바이스가 제조되는 웨이퍼를 포함하도록 의도된다.
도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 결정 마운트 어셈블리(203)는 결정 마운트 어셈블리(203)가 기본 초점 외부의 하나 또는 다수의 위치에 배치될 수 있도록 구성될 수 있어, 기본 빔 크기가 빔 성형 광학기(102, 202)의 정렬을 변경시킬 필요 없이 변환 효율, 공간 빔 품질, 결정 수명 또는 결정 스폿 수명 사이의 최적의 트레이드 오프를 달성하도록 조정될 수 있다. 따라서, 결정 마운트 어셈블리(203)는 초점(104)과 비선형 결정(101)의 중심 사이의 거리를 조정하도록 구성될 수 있다.
도 3은 시스템(300)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 시스템은 하나 이상의 장착 피처(301)를 포함한다. 4개의 장착 피처(301)가 도 3에 도시되어 있지만, 더 많거나 적은 장착 피처(301)가 가능하다. 이들 장착 피처(301)는 어레이로 배열될 수 있다. 장착 피처(301)는 레이저 소스(201)로부터 또는 빔 성형 광학기(102, 202) 사이에 상이한 거리에 배열된다. 결정 마운트 어셈블리(203)는 장착 피처(301) 중 하나의 장착 피처 상에 또는 그 안에 배치되도록 구성된다. 비선형 결정(101)에서 레이저 빔(103)의 빔 크기는 초점(104)에 더 가깝거나 초점(104)으로부터 더 멀리 있는 장착 피처(301) 중 하나를 선택함으로써 제공된다. 따라서, 장착 피처(301)는 비선형 결정(101)의 중심과 초점(104) 사이의 거리 조정을 허용함으로써 비선형 결정(101)에서 레이저 빔(103)의 빔 크기를 조정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 장착 피처(301) 각각은 결정 마운트 어셈블리(203)의 부품을 수용하도록 구성된 하나 이상의 슬롯 또는 홀을 포함한다. 예를 들어, 장착 피처(301)는 결정 마운트 어셈블리(203)가 고정되는 패스너 홀일 수 있다. 결정 마운트 어셈블리(203)는 예를 들어 장착 피처에 나사로 고정될 수 있다.
비선형 결정(101)에서의 상이한 빔 크기는 결정 마운트 어셈블리(203)를 비 워크 오프 방향에서 더 작은 초점의 하류 또는 상류의 상이한 위치로 이동시킴으로써 발생될 수 있다. 시스템(300)을 이용하면, 향상된 물질 품질을 갖는 비선형 결정(101) 및/또는 고전력 레이저 소스(201)가 사용 가능한 경우에서와 같이, 비선형 결정(101)에서의 빔 크기를 조정하는 능력은 DUV 광원을 스케일링하는 전력을 단순화한다. 초점(104)은 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 그 내부의 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도를 제한하도록 및/또는 비선형 결정(101) 내부의 빔 크기를 최적화하도록 구성된 레일리 범위를 갖는 비선형 결정(101) 외부에 있을 수 있다.
도 4는 시스템(400)의 실시예를 나타내는 개략도이다. 결정 마운트 어셈블리(203)는 조정 어셈블리(401)를 사용하여 비선형 결정(101)의 중심과 초점(104) 사이의 거리를 조정함으로써 비선형 결정(101)에서 레이저 빔(103)의 빔 크기를 조정하도록 구성될 수 있다. 조정 어셈블리(401)는 결정 마운트 어셈블리(203)에 연결된다. 조정 어셈블리(401)는 도 2 또는 도 3의 구성에 대해 추가적인 자유도, 정확도 및/또는 정밀도를 제공할 수 있다. 조정 어셈블리(401)는 결정 마운트 어셈블리(203)를 하나, 두 개 또는 세 개의 축으로 이동시킬 수 있다.
조정 어셈블리(401)는 예를 들어, 잠금 기구를 갖는 미세 스레드 나사, 잠금 기구를 갖는 마이크로 미터 나사, 액추에이터, 또는 로봇 시스템일 수 있다. 미세 스레드 나사 또는 마이크로미터 나사는 손으로 작동되거나 자동화될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 전력 센서 및 고조파 전력용 제어 루프를 구현하기 위한 부품을 포함할 수 있다. 이것은 예를 들어, 광 루프(light loop)일 수 있다. 이러한 제어 루프는 기본 또는 고조파 빔의 경로 내에 편광자, 파장판, 음향-광학 변조기, 전기-광학 변조기와 같은 하나 이상의 부품 또는 레이저 소스(201)에 대한 전자 피드백을 사용하여 기본 또는 고조파 전력을 제어할 수 있다.
제어 루프는 고조파 출력 전력을 일정하게 유지할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 고조파 전력은 포토 다이오드, 서모파일 센서 또는 다른 유형의 센서와 같은 센서를 사용하여 빔 출력 근처에서 측정될 수 있다. 제어 루프는 측정된 고조파 출력을 전력 타겟과 비교하여 그에 따라 고조파 출력을 조정한다. 이 조정은 상이한 방식으로 달성될 수 있다.
고조파 전력은 비선형 결정(101) 하류에서 고조파 빔 경로 내에 변조기를 사용함으로써 직접 조정될 수 있다. 적합한 변조기는 회전 가능한 반파장판 및 편광자의 조합을 포함하는 가변 감쇠기뿐만 아니라 음향-광학 변조기, 전기-광학 변조기를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
대안적으로, 변조기는 비선형 결정(101)의 상류에서 기본 빔 경로 내에 위치할 수 있다.
비선형 결정(101)의 온도는 위상 정합을 동조(tune) 또는 이조(detune)시키기 위해 조정될 수 있고, 따라서 비선형 변환 효율 및 출력 전력을 조정할 수 있다.
제어 신호는 레이저 소스에 다시 전달될 수 있어, 레이저 출력 전력은 발생된 고조파 전력을 조정하기 위해 조정될 수 있도록 한다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 비선형 결정(101)은 결정 마운트 어셈블리(203) 내에서 재배치 또는 조정될 수 있고/조정될 수 있거나, 비선형 결정(101)이 손상되면 비선형 결정(101)의 비손상 부분이 레이저 빔(103)을 수신하도록 결정 마운트 어셈블리(203)는 레이저 빔(103)에 대해 재배치될 수 있다. 예를 들어, 결정 마운트 어셈블리(203) 및/또는 비선형 결정(101)은 빔 전파 방향(206)에 수직인 하나 또는 두 개의 방향으로 이동될 수 있다. 초점(104)은 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 그 내부의 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도를 제한하도록 및/또는 비선형 결정(101) 내부의 빔 크기를 최적화하도록 구성된 레일리 범위를 갖는 비선형 결정(101) 외부에 있을 수 있다.
비선형 결정(101)은 워크 오프에 수직인 축에서 또는 양 축 모두에서 발산하는 레이저 빔(103) 내에 배치될 수 있다. 비선형 결정(101)의 중심에서 주어진 빔 크기에 대해, 이는 결정 출력면 상의 전력 밀도를 감소시키고, 결정 스폿 수명을 증가시킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들에서의 초점은 원형 또는 타원형일 수 있다. 타원형 초점은 다른 방향에서보다 한 방향으로 더 긴 레일리 범위를 가질 수 있는데, 이는 초점(104)으로부터 비선형 결정(101) 거리의 함수를 짧은 레일리 범위의 방향에서보다 긴 레일리 범위의 방향에서 덜 민감하게 빔 크기를 변경시킨다. 타원형 초점을 이용하면, 타원형 초점의 더 작은 허리가 비선형 결정(101) 외부에 위치할 수 있다. 임계 위상 정합을 갖는 비선형 결정(101)의 경우, 워크 오프에 평행한 평면에서의 초점은 워크 오프에 수직인 평면에서의 초점보다 클 수 있도록 워크 오프 방향에 평행한 평면에서 더 큰 허리 직경을 갖는 타원형 초점이 이용될 수 있다.
초점은 또한 비점 수차일 수 있다. 비점 수차 초점을 이용하면, 한 평면에서의 초점은 비선형 결정(101) 내부에 있을 수 있고, 다른 평면에서의 초점은 비선형 결정(101) 외부에 있다.
예를 들어, 초점은 비점 수차 및 타원형이다. 이 예에서, 한 평면에서의 초점은 비선형 결정(101) 내부에 있고, 다른 평면에서의 초점은 비선형 결정(101) 외부에 있다. 비선형 결정(101) 내부의 초점은 비선형 결정(101) 외부의 초점보다 큰 폭을 갖는다.
일 예시에서, 레이저 빔(103)은 회절 제한되거나 거의 회절 제한되고, 임계 위상 정합을 갖는 비선형 결정(101)이 사용된다. 이 예에서, 워크 오프에 평행한 방향에서의 초점 크기는 비선형 결정(101)의 원하는 탈초점 위치 모두에서 충분히 커서 빔 품질에 대한 워크 오프의 영향은 최소화될 수 있다. 큰 발산을 갖는 타이트하게 포커싱된 빔의 경우, 워크 오프는 이상적인 가우스 빔 형상으로부터의 편차를 야기하는 빔의 사이드 로브를 워크 오프 방향에서 생성할 수 있고, 따라서 워크 오프 방향에서 공간 빔 품질에 대해 부정적인 영향을 미친다. 이것은 이상적인 가우스 빔 형상에 의존하는 애플리케이션들(예를 들어, 웨이퍼 검사에서)에 대해 불리할 수 있다. 주어진 결정 길이, 빔 크기 및 워크 오프 각도에 대해 발생된 고조파 빔의 원거리 빔 형상을 시뮬레이션할 수 있다. 시뮬레이션에 기초하여, 이상적인 가우스 프로파일로부터 원거리 프로파일의 편차는 빔 프로파일을 가로지르는 임의의 측방향 위치에서 결정될 수 있다. 이러한 계산에 기초하여, 가우스 프로파일로부터 측방향 원거리 프로파일의 최대 편차가 지정된 값보다 작게 되도록 허리 크기가 선택될 수 있다. 이 지정된 값은 예를 들어, 4%일 수 있다.
다른 예시에서, 레이저 빔(103)은 회절 제한되거나 거의 회절 제한되고, 임계 위상 정합을 갖는 비선형 결정(101)이 사용된다. 비선형 결정(101) 위치는 조정 가능하다. 워크 오프에 평행한 방향에서의 레이저 빔(103)의 발산이 비선형 결정(101)의 원하는 탈초점 위치 모두에 대해 충분히 작게 유지되도록 워크 오프에 평행한 방향에서의 레일리 범위는 충분히 커서, 공간 빔 품질에 대한 결정 각도 수용의 영향은 최소화될 수 있다.
도 5는 예시적인 초점(104) 크기이다. 워크 오프에 평행한 평면(점선)에서의 레이저 빔(103)의 초점(104)의 크기는 워크 오프에 수직인 평면(실선)에서의 것보다 크다. 양자 모두의 평면에서의 초점은 비선형 결정(101) 외부에 위치한다. 워크 오프 방향에서의 초점은 비 워크 오프 방향에서의 초점보다 크다. 워크 오프 방향에서의 빔 전파는 더 작은 곡률을 갖는 선으로 설명되는 반면, 비 워크 오프 방향에서의 전파는 더 작고 더 명확한 빔 허리를 나타낸다.
일 예시에서, 비선형 결정은, 레이저 빔의 초점이 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다. 이 예에서, 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능할 수 있거나, 레이저 소스로부터 상이한 거리에 있는 복수의 장착 피처들을 포함할 수 있다.
다른 예시에서, 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔이다. 비선형 결정은, 펄스형 레이저 빔의 초점이 시스템의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 펄스형 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 배치될 수 있다. 기본 광 플루언스 또는 고조파 광 플루언스의 다른 값들이 가능하다. 예를 들어, 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 또는 고조파 광 플루언스는 0.5 J/㎠에 대한 모든 값 및 그 사이의 범위를 비롯한, 1 J/㎠ 내지 20 J/㎠일 수 있다. 이 예에서, 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능할 수 있거나, 레이저 소스로부터 상이한 거리에 있는 복수의 장착 피처들을 포함할 수 있다.
도 6은 방법(500)의 흐름도이다. 방법(500)은 레이저 빔을 발생시키는 단계(501)를 포함한다. 레이저 빔은 비선형 결정에 지향된다(502). 이것은 예를 들어, 빔 성형 광학기를 통해 이루어질 수 있다. 레이저 빔은 비선형 결정을 통과한다(503). 레이저 빔의 초점은 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있다. 레이저 빔은 비선형 변환된다(504). 레이저 빔의 비선형 변환은 SHG, SFG 또는 차주파수 발생(difference frequency generation; DFG)일 수 있다. 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능할 수 있거나, 레이저 소스로부터 상이한 거리에 있는 복수의 장착 피처들을 포함할 수 있다.
초점(104)은 또한 비선형 결정(101)의 하류에 위치할 수 있고, 본 명세서에 개시된 많은 장점을 제공할 수 있다. 결정 출력면 상의 빔 크기는 상류 초점의 경우에서보다 하류 초점에서 더 작다. 따라서, 출력면 상의 전력 밀도는 더 높고, 결정 수명은 더 짧아질 수 있다. 이러한 효과는 일반적으로 최소이므로, 상류 초점 또는 하류 초점 중 어느 하나가 본 명세서에 개시된 실시예들과 함께 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 비선형 파장 변환 프로세스 및 실시예들은 SHG, SFG 또는 차주파수 발생일 수 있다. 따라서, 파장 변환 프로세스는 하나 이상의 입력 레이저 빔을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 다수의 장점 또는 이점을 제공한다. 첫째, 빔 크기는 독립적으로 최적화될 수 있다. 따라서, 비선형 결정에서 그리고 빔 성형 광학기의 부품 상에서 광 전력 밀도는 최적화될 수 있다. (적어도 하나의 평면에 있는) 작은 초점은 파장 변환기(100)와 같은 파장 변환기 내부에서 고조파 레이저 빔의 발산 및 수렴을 증가시킨다. 그러므로, 빔 성형 광학기 상의 전력 밀도는 파장 변환기의 치수를 증가시키지 않고 감소될 수 있다. 이것은 광학기 수명을 증가시킨다. 가우스 빔 전파에 의해 설명되는 레이저 빔은 허리 직경(d0)과 원거리 발산 각도(θFF)의 일정한 곱, d0*θFF = Μ2*λ/(2*π)을 갖고, 여기서 M2≥1은 빔 전파 파라미터이며, λ는 방사선의 파장이다. 주어진 레이저 빔에 대해, 각 축에 평행하고 빔 전파 방향에 수직인 d0와 θFF의 곱은 상수이므로, 허리 직경이 감소함에 따라 원거리 발산 각도는 증가하게 된다. 그러므로, 허리 크기가 감소될 때 기본 빔의 발산은 증가한다.
기본 빔의 발산이 증가함에 따라, 고조파 빔의 발산도 역시 증가한다. SHG의 예에서, 기본 및 고조파 빔의 발산은 비 워크 오프 방향에서 동일하다. 워크 오프 방향에서, 기본 및 고조파 빔의 발산은 워크 오프의 존재로 인해 동일하지 않다. 그러나 기본 빔의 증가된 발산은 여전히 고조파 빔의 증가된 발산을 초래한다.
둘째, 비선형 결정을 초점 바깥에 위치시킴으로써, 비선형 결정 내부의 전력 밀도는 감소한다. 이것은 비선형 결정 수명을 증가시키고, 고조파 방사선의 공간 빔 품질을 향상시킨다. 비선형 결정 내부와 빔 성형 광학기 상의 전력 밀도는 모두 파장 변환기의 폼 팩터를 증가시키지 않고 서로 독립적으로 최적화될 수 있다.
셋째, 빔 전파 방향을 따라 비선형 결정을 이동시킴으로써, 광학 재설계 없이 비선형 결정에서의 전력 밀도를 조정할 수 있다. 이것은 두 개의 전력 스케일링 옵션을 단순화한다. 예를 들어, 동일한 전력 밀도를 유지하면서 기본 전력을 증가시킴으로써 고조파 전력을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 보다 강력한 레이저를 사용함으로써 기본 전력을 증가시킬 수 있다. 이것은 비선형 결정을 초점으로부터 멀리 이동시킴으로써, 따라서 비선형 결정 내부의 빔 크기를 증가시킴으로써 달성된다. 다른 예에서, 결정 내의 전력 밀도를 증가시킴으로써, 따라서 높은 손상 임계치를 갖는 비선형 결정이 사용 가능하게 될 때 변환 효율을 증가시킴으로써, 고조파 전력은 증가될 수 있다. 이것은 비선형 결정을 초점 쪽으로 이동시킴으로써, 따라서 비선형 결정 내의 빔 크기를 감소시킴으로써 달성된다.
넷째, 빔 성형 광학기에 대한 최소한의 변경이 필요하기 때문에, 기존 도구를 개조하는 것이 이용될 수 있다. 시스템의 일부인 파장 변환기(100)와 같은 파장 변환기는 광학 설계에 대한 최소한의 변경으로 또는 어떠한 변경도 없이 필드 업그레이드의 일부로서 수정되거나 재구성될 수 있다.
다섯째, 비선형 결정의 위치는 레이저 빔의 전력 밀도 또는 비선형 결정의 물질에 따라 이동될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 유형 또는 특성이 변경되면, 비선형 결정의 위치는 조정되거나 최적화될 수 있다.
여섯째, 본 명세서에 개시된 실시예들은 펄스형 레이저 빔에 향상된 성능 또는 수명을 제공할 수 있다. 펄스형 레이저는 높은 전력 밀도에서 비선형 결정에 상당한 손상을 야기할 수 있다. 비선형 결정에서 전력 밀도를 변경하는 것은, 비선형 결정에 대해 더 적은 손상을 갖는 펄스형 레이저 빔의 사용을 가능하게 할 수 있다.
본 발명개시가 하나 이상의 특정 실시예들에 관하여 설명되었지만, 본 발명개시의 범위를 벗어나지 않고 본 발명개시의 다른 실시예들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명개시는 첨부된 청구 범위 및 그것의 합리적인 해석에 의해서만 제한되는 것으로 간주된다.

Claims (27)

  1. 시스템에 있어서,
    레이저 빔을 발생시키도록 구성된 레이저 소스;
    상기 레이저 빔의 초점이 상기 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 상기 비선형 결정 - 상기 레이저 빔은 상기 비선형 결정에 의해 제 1 파장으로부터 제 2 파장으로 변환됨 - ; 및
    결정 마운트 어셈블리 - 상기 비선형 결정이 상기 결정 마운트 어셈블리 상에 배치되고, 상기 결정 마운트 어셈블리는 상기 빔 전파 방향에서 상기 레이저 소스로부터 상이한 거리에 있는 복수의 장착 피처를 포함하고, 상기 장착 피처 각각은 상기 결정 마운트 어셈블리가 패스너 고정되는(fastened) 홀을 포함하고, 상기 비선형 결정에서의 상기 레이저 빔의 빔 크기는 상기 장착 피처 중 하나를 선택함으로써 제공되고, 상기 결정 마운트 어셈블리는 동작 중에 각도 수용 범위의 0%보다 크고 27%보다 작거나 같은 각도 안정성을 제공함 -
    를 포함하는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 소스와 상기 비선형 결정 사이에 배치되고, 상기 빔 전파 방향에서 상기 비선형 결정의 하류에 배치되는 빔 성형 광학기
    를 더 포함하는, 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정 마운트 어셈블리는, 상기 비선형 결정의 중심과 상기 초점 사이의 거리를 조정함으로써 상기 비선형 결정에서의 상기 레이저 빔의 빔 크기를 조정하도록 구성되는 것인, 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비선형 결정은, 상기 레이저 빔의 초점이, 상기 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리(Rayleigh) 범위를 갖는 상기 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔이고, 상기 비선형 결정은, 상기 펄스형 레이저 빔의 초점이, 상기 시스템의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 전력 밀도 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 상기 펄스형 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능하고, 상기 비선형 결정은, 상기 레이저 빔의 초점이, 상기 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 상기 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔이고, 상기 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능하며, 상기 비선형 결정은, 상기 펄스형 레이저 빔의 초점이, 상기 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 상기 펄스형 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 초점은 원형, 타원형 또는 비점 수차 중 적어도 하나인 것인, 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초점은 타원형이고, 워크 오프(walk-off)에 평행한 평면에서의 초점은 워크 오프에 수직인 평면에서의 초점보다 큰 것인, 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 초점은 비점 수차이고, 한 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 내부에 있고 다른 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 외부에 있는 것인, 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 초점은 비점 수차 및 타원형이고, 한 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 내부에 있고 다른 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 외부에 있으며, 상기 비선형 결정 내부의 초점은 상기 비선형 결정 외부의 초점보다 큰 폭을 갖는 것인, 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 파장 변환이 제 2 고조파 발생, 합주파수(sum-frequency) 발생 또는 차주파수(difference frequenc) 발생 중 하나가 되도록 구성되는 것인, 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정 마운트 어셈블리는 상기 장착 피처 중 하나에 나사 고정되는(screwed) 것인, 시스템.
  14. 레이저 소스, 비선형 결정 및 빔 성형 광학기를 포함하는 시스템에 의해 수행되는 방법에 있어서,
    상기 레이저 소스에 의해, 레이저 빔을 발생시키는 단계;
    상기 빔 성형 광학기에 의해, 상기 레이저 빔을 파장 변환을 위해 구성된 상기 비선형 결정에 지향시키는 단계 - 상기 비선형 결정은, 상기 레이저 빔의 초점이 상기 레이저 빔의 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되고, 상기 비선형 결정은 결정 마운트 어셈블리 상에 배치되고, 상기 결정 마운트 어셈블리는 동작 중에 각도 수용 범위의 0%보다 크고 27%보다 작거나 같은 각도 안정성을 제공하고, 상기 결정 마운트 어셈블리는 상기 빔 전파 방향에서 상기 레이저 소스로부터 상이한 거리에 있는 복수의 장착 피처를 포함하고, 상기 장착 피처 각각은 상기 결정 마운트 어셈블리가 패스너 고정되는 홀을 포함하고, 상기 비선형 결정에서의 상기 레이저 빔의 빔 크기는 상기 장착 피처 중 하나를 선택함으로써 제공됨 - ; 및
    상기 레이저 빔을 상기 비선형 결정에 의해 제 1 파장으로부터 제 2 파장으로 비선형 변환하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 비선형 변환은 제 2 고조파 발생, 합주파수(sum-frequency) 발생, 또는 차주파수(difference frequency) 발생 중 하나인 것인, 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저 소스와 상기 비선형 결정 사이에 배치되고, 상기 빔 전파 방향에서 상기 비선형 결정의 하류에 배치되는 상기 빔 성형 광학기를 통해 상기 레이저 빔을 지향시키는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 비선형 결정의 중심과 상기 초점 사이의 거리를 조정함으로써 상기 결정 마운트 어셈블리에 의해 상기 비선형 결정에서의 상기 레이저 빔의 빔 크기를 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 비선형 결정은, 상기 레이저 빔의 초점이, 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리(Rayleigh) 범위를 갖는 상기 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔이고, 상기 비선형 결정은, 상기 펄스형 레이저 빔의 초점이, 시스템의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 전력 밀도 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 상기 펄스형 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능하고, 상기 비선형 결정은, 상기 레이저 빔의 초점이, 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 빔 프로파일의 공간 피크에서 시간 평균 기본 광 전력 밀도 또는 고조파 광 전력 밀도가 1 ㎿/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 상기 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 방법.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔이고, 상기 결정 마운트 어셈블리는 조정 가능하며, 상기 비선형 결정은, 상기 펄스형 레이저 빔의 초점이, 시스템 내의 적어도 하나의 광학 부품 상의 또는 내부의 기본 광 플루언스 또는 고조파 광 플루언스가 10 J/㎠ 미만으로 제한되도록 구성된 레일리 범위를 갖는 상기 펄스형 레이저 빔의 상기 빔 전파 방향에 수직인 적어도 하나의 평면에서 상기 비선형 결정 외부에 있도록 위치되는 것인, 방법.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 초점은 원형, 타원형 또는 비점 수차 중 적어도 하나인 것인, 방법.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 초점은 타원형이고, 워크 오프에 평행한 평면에서의 초점은 워크 오프에 수직인 평면에서의 초점보다 큰 것인, 방법.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 초점은 비점 수차이고, 한 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 내부에 있고 다른 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 외부에 있는 것인, 방법.
  25. 제 14 항에 있어서,
    상기 초점은 비점 수차 및 타원형이고, 한 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 내부에 있고 다른 평면에서의 초점은 상기 비선형 결정 외부에 있으며, 상기 비선형 결정 내부의 초점은 상기 비선형 결정 외부의 초점보다 큰 폭을 갖는 것인, 방법.
  26. 제 14 항에 있어서,
    상기 결정 마운트 어셈블리를 상기 장착 피처 중 하나에 패스너 고정하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 패스너 고정하는 단계는, 상기 결정 마운트 어셈블리를 상기 장착 피처 중 하나에 나사 고정하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
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