KR102509137B1 - 톱니형 공간 필터를 사용한 고효율 라인-형성 광학시스템 및 방법 - Google Patents

톱니형 공간 필터를 사용한 고효율 라인-형성 광학시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

톱니형 애퍼처를 채용하는 고효율의 라인-형성 광학시스템 및 방법이 개시된다. 이 라인-형성 광학시스템은 레이저 소스, 빔 조절 광학시스템, 제1 애퍼처 장치, 및 톱니형 애퍼처를 가진 제2 애퍼처 장치를 포함하는 릴레이 광학시스템을 포함한다. 톱니형 애퍼처는 직선-엣지 블레이드를 가진 애퍼처를 사용하는 것에 비해 이미지 평면에 형성되는 라인 이미지에서의 강도 편차를 감소시키도록 구성된 톱니형 블레이드들을 대향시킴으로써 형성된다.

Description

톱니형 공간 필터를 사용한 고효율 라인-형성 광학시스템 및 방법{HIGH-EFFICIENCY LINE-FORMING OPTICAL SYSTEMS AND METHODS USING A SERRATED SPATIAL FILTER}
본 출원은 2014년 7월 29일자로 출원된 미국 임시특허출원 제62/030,391호(발명의 명칭: "High-efficiency line-forming optical systems and methods")에 관련된 것이며, 이 문헌은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 또한, 본 출원은 2014년 11월 24일자로 출원된 미국 임시특허출원 제62/083,537호(발명의 명칭: "High-efficiency line-forming optical systems and methods for defect annealing and dopant activation")에 관련된 것이며, 이 문헌도 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 개시는 라인 이미지를 형성하는 광학시스템에 관한 것이며, 더 구체적으로는 결함 어닐링 및 도펀트 활성화를 위한 고효율 라인-형성 광학시스템 및 방법에 관한 것이다.
여기서 언급된 모든 간행물 또는 특허 문헌의 전체 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함되며, 미국 특허 제8,014,427호; US 2012/0111838; US 2007/0072400; 미국 특허 제7,148,159호; 미국 특허 제8,546,805호; 미국 특허 제8,865,603호; 미국 특허 제8,309,474호; 및 미국 특허출원번호 14/497,006을 포함한다.
다양한 응용들이 고출력 레이저 빔으로부터 형성된 균일한 라인 이미지의 사용을 필요로 한다. 그러한 한 가지 응용은 레이저 열처리(LTP: laser thermal processing)이며, 이것은 당해 기술분야에서 레이저 스파이크 어닐링(LSA: laser spike annealing) 또는 그냥 "레이저 어닐링"으로 지칭되며, 트랜지스터와 같은 능동 마이크로회로 장치들을 형성할 때 반도체 웨이퍼의 선택된 영역 내 도펀트를 활성화시키기 위해 반도체 제조에서 사용된다.
레이저 어닐링의 한 가지 유형은, 도펀트를 활성화하기에 충분히 길지만 도펀트 확산을 최소화하기에는 충분히 짧은 시간 동안 반도체 웨이퍼의 표면을 소정 온도("어닐링 온도")까지 가열하기 위해, 레이저 빔으로부터 형성되는 주사된 라인 이미지를 사용한다. 반도체 웨이퍼의 표면이 상기 어닐링 온도에 있는 시간은 라인 이미지의 파워밀도 외에, 라인 이미지가 주사되는 속도("주사 속도")로 나눈 라인 이미지 폭에 의해 결정된다.
레이저 어닐링 응용을 위해 사용되는 고출력 레이저의 한 가지 유형은 단일의 공간 모드 방식으로 동작하는 CO2 레이저이다. CO2 레이저를 가지고 레이저 어닐링을 수행하는 종래의 방법들은 평행한(collimated) CO2 레이저 빔에 의해 한 쌍의 칼날-엣지(knife-edges)를 조명한 다음 그것을 통해 광을 통과시켜 이미지 평면에 전달하여 라인 이미지를 형성하는 것을 포함한다(칼날-엣지를 반도체 웨이퍼 위에 이미징함).
도 1은 라인-형성 광학시스템의 이미지 평면에서 측정된 라인 이미지에 대한 x(mm)와 강도 프로파일 I(x) 및 열 방출 프로파일 E(x)의 그래프이다. x 방향은 라인 이미지의 긴 방향이다. 열 방출 프로파일 E(x)은 강도 프로파일 I(x)을 가진 라인 이미지로 조사될 때 이미지 평면에 위치된 반도체 웨이퍼로부터의 측정된 열 방출이다. 열 방출 프로파일 E(x)에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 라인 이미지의 강도 프로파일 I(x)에서 리플(ripple)로서 나타나는 강도 불균일은 반도체 웨이퍼의 가열에서 불균일을 초래한다. 강도 프로파일 I(x)에서의 강도 불균일은 라인-형성 광학시스템의 거울들의 제한된 애퍼처들에 의해 초래된 회절 효과에 기인한다.
필요한 것은 이미지 평면에 전달되는 강도의 전체적인 양에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 강도 리플들을 매끈하게 제거하는(smooth out) 방법이다.
푸리에(Fourier) 평면 내에 톱니형 애퍼처를 채용하는 고효율의 라인-형성 광학시스템 및 방법이 개시된다. 상기 라인-형성 광학시스템은 레이저 소스, 빔 조절 광학시스템, 제1 애퍼처 장치, 및 릴레이 광학시스템을 포함하며, 상기 릴레이 광학시스템은 상기 푸리에 평면과, 톱니형 애퍼처를 가진 상기 푸리에 평면 내의 제2 애퍼처 장치를 포함한다. 상기 톱니형 애퍼처는 직선-엣지 블레이드를 가진 애퍼처를 사용하는 것에 비해 이미지 평면에 형성된 라인 이미지 내의 강도 편차를 감소시키도록 구성된 톱니형 블레이드들에 의해 형성된다.
본 개시의 일 측면은 패턴을 포함하는 표면을 가진 반도체 웨이퍼의 결함 어닐링 온도(TD)에서 결함 어닐링을 수행하는 방법이다. 상기 방법은: 명목상 10.6 마이크론의 파장(λ)을 가지며, 적어도 제1 방향에서에서 가우시안 분포를 가진 제1 강도 프로파일을 가지는 광빔을 CO2 레이저로부터 형성하는 단계; 제1 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향으로 상기 광빔의 50% 이상을 통과시키는 단계; 중심 피크 및 상기 중심 피크에 바로 인접한 제1 사이드 피크들을 가진 제2 강도 프로파일을 형성하기 위해 푸리에 평면에 상기 제1 투과 광을 집속하는 단계; 1000W 내지 3000W의 광 출력 및 5mm 내지 100mm의 범위의 제1 라인 길이에 대하여 +/-5% 이내의 강도 균일을 가진 제1 라인 이미지를 상기 반도체 웨이퍼의 표면상에 형성하는 제2 투과 광을 형성하기 위해 상기 푸리에 평면에 배치된 톱니형 애퍼처로 각각의 상기 제1 사이트 피크들 내에서 상기 제2 강도 프로파일을 절단하는 단계; 및 상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 상기 결함 어닐링 온도(TD)까지 국소적으로 상승시키기 위해 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 대하여 상기 제1 라인 이미지를 주사하는 단계;를 포함하는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제1 투과 광의 집속 단계가 상기 푸리에 평면을 형성하는 초점 길이(f)를 가지는 광학 부품을 가진 릴레이 광학시스템으로 수행되고, 상기 톱니형 애퍼처는 폭(d2)을 가지며, 상기 톱니형 애퍼처는 0.1·(λ/(d2))·f≤l≤(λ/(d2))·f 범위의 길이(l)를 가진 톱니들을 포함하는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 톱니들이 (0.9)·l≤p≤(1.1)·l 범위 내의 피치(p)를 가진 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 결함 어닐링 온도(TD)가 650℃ ≤TD≤ 1100℃ 범위에 있는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 제2 파장을 가진 제2 광빔을 사용하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면에서 제2 라인 이미지를 형성하는 단계; 및 상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 상기 결함 어닐링 온도(TD)로부터 스파이크 어닐링 온도(TA)까지 국소적으로 상승시키기 위해 상기 제2 라인 이미지를 주사하는 단계;에 의해, 상기 스파이크 어닐링 온도(TA)에서 스파이크 어닐링을 수행하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 제2 라인 이미지는 상기 제1 라인 이미지와 적어도 부분적으로 중첩하는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 스파이크 어닐링 온도(TA)가 1100℃ ≤TA≤ 1350℃ 범위에 있는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제1 라인 이미지는 제1 폭을 가지며, 상기 제2 라인 이미지는 상기 제1 폭의 5% 내지 25% 사이의 제2 폭을 가지는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제1 폭이 50 마이크론 내지 5mm 범위에 있는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 레이저 다이오드 광원 및 상기 레이저 다이오드 광원에 대해 조작 가능하게 배열된 라인-형성 광학기기를 사용하여 상기 제2 광빔을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제2 파장이 500nm 내지 1000nm 사이에 있는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제2 라인 이미지가 5mm 내지 100mm 범위의 제2 라인 길이와 +/-5% 이내의 강도 균일을 가지는 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도는 패턴효과로 인해 상기 스파이크 어닐링 온도(TA)로부터 편차를 가지며, 상기 편차는 60℃ 이하인 결함 어닐링 수행 방법이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 패턴이 구비된 표면을 가진 반도체 웨이퍼의 결함 어닐링을 수행하는 시스템이다. 상기 시스템은: 명목상 10.6 마이크론의 파장(λ)을 가지는 초기 광빔을 방출하는 CO2 레이저; 상기 초기 광빔을 수광하고 그것으로부터 적어도 제1 방향에서 가우시안 분포를 가진 제1 강도 프로파일을 가지는 조절된 광빔을 형성하는 빔-조절 광학시스템; 오브젝트 평면에 조작 가능하게 배치되고 상기 조절된 광빔의 50% 이상을 구성하는 제1 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 상기 제1 강도 프로파일을 절단하는 제1 슬릿 애퍼처를 형성하는 제1 애퍼처 장치; 상기 오브젝트 평면을 형성하고, 제2 애퍼처 장치가 조작 가능하게 배치되는 중간 푸리에 평면을 또한 형성하며, 중심 피크와 상기 중심 피크에 바로 인접하여 제1 사이드 피크들을 가진 제2 강도 프로파일을 상기 중간 푸리에 평면에 형성하는 릴레이 광학시스템; 상기 반도체 웨이퍼를 조작 가능하게 지지하는 척; 및 상기 척을 조작 가능하게 지지하고, 상기 제1 라인 이미지가 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 대해 주사하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 결함 어닐링 온도(TD)까지 국소적으로 상승시키도록 상기 척과 상기 척 위에 지지된 반도체 웨이퍼를 이동시키는 이동식 웨이퍼 스테이지;를 포함하고, 상기 제2 애퍼처 장치는 제2 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 그리고 각각의 상기 제1 사이드 피크들 내에서 상기 제2 강도 프로파일을 절단하는 톱니형 블레이드로 구성되고, 상기 릴레이 광학시스템은 상기 제2 투과 광으로부터 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 제1 라인 이미지를 형성하고, 상기 제1 라인 이미지는 1000W 내지 3000W의 광출력을 포함하고, 5mm 내지 100mm 범위의 제1 길이를 가지며, +/-5% 이내의 강도 균일을 갖는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 릴레이 광학시스템은 상기 중간 푸리에 평면을 형성하는 초점 길이( f)를 가진 제1 광학 부품을 가지며, 상기 톱니형 블레이드들은 폭(d2)만큼 분리되며, 상기 각각의 톱니형 블레이드들은 0.1·(λ/(d2))·f≤l≤(λ/(d2))·f 범위의 길이(l)를 가진 톱니들을 포함하는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 톱니들이 (0.9)·l≤p≤(1.1)·l 범위 내의 피치(p)를 가진 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 결함 어닐링 온도(TD)가 650℃ ≤TD≤ 1100℃ 범위에 있는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 척이 상기 반도체 웨이퍼를 예열할 수 있도록 가열되는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 상기 결함 어닐링 온도(TD)로부터 스파이크 어닐링 온도(TA)까지 국소적으로 상승시키기기 위해 상기 제1 라인 이미지와 적어도 부분적으로 중첩되고 주사되는 제2 라인 이미지를 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 형성하는 가시광 빔을 생성하는 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템을 추가로 포함하며, 상기 제2 라인 이미지는 +/-5% 이내의 강도 편차를 갖는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 스파이크 어닐링 온도(TA)가 1150℃ 내지 1350℃ 범위에 있는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제1 라인 이미지 및 상기 제2 라인 이미지는 제1 폭 및 제2 폭을 각각 가지며, 상기 제2 폭은 상기 제1 폭의 5% 내지 25%의 범위에 있는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 각각의 상기 제1 사이드 피크들은 최대값(MX), 제1 최소값(m1) 및 제2 최소값(m2)에 의해 정의되며, 상기 제2 애퍼처 장치는 각각의 제1 사이드 피크에서 상기 최대값(MX)과 상기 제2 최소값(m2) 사이의 상기 제2 강도 프로파일을 절단하는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 릴레이 광학시스템이 상기 제1 방향에서 실질적으로 1배의 배율을 가지는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 릴레이 광학시스템이 상기 제1 방향에서만 광출력을 가진 원통형 광학시스템인 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 릴레이 광학시스템이 반사형 광학 부품만으로 이루어지는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제1 애퍼처 장치가 상기 오브젝트 평면 내에 조작 가능하게 배치된 한 쌍의 블레이드를 포함하는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 제2 애퍼처 장치가 상기 중간 푸리에 평면 내에 조작 가능하게 배치된 한 쌍의 블레이드를 포함하는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템이 레이저 다이오드 광원 및 상기 레이저 다이오드 광원에 대해 배열된 라인-형성 광학기기를 포함하는 결함 어닐링 수행 시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 이미지 평면에 라인 이미지를 형성하는 라인-형성 광학시스템이다. 상기 시스템은: 파장(λ)을 가진 초기 광빔을 방출하는 레이저 소스; 상기 초기 광빔을 수광하고 그것으로부터 적어도 제1 방향에서 가우시안 분포를 가진 제1 강도 프로파일을 가지는 조절된 광빔을 형성하는 빔-조절 광학시스템; 상기 조절된 광빔의 50% 이상을 구성하는 제1 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 상기 제1 강도 프로파일을 절단하는 슬릿 애퍼처; 제1 및 제2 광학 부품을 포함하고, 오브젝트 평면, 이미지 평면, 및 상기 오브젝트 평면과 상기 이미지 평면 사이에 푸리에 평면을 형성하는 릴레이 광학시스템; 및 상기 푸리에 평면에 배열되고, 제2 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 그리고 각각의 제1 사이드 피크들 내에서 제2 강도 프로파일을 절단하는 대향하는 톱니형 블레이드들;을 포함하며, 상기 제1 광학 부품은 초점길이(f)를 가지며, 중심 피크 및 상기 중심 피크에 바로 인접한 제1 사이드 피크들을 가진 상기 제2 강도 프로파일을 상기 푸리에 평면에 형성하고, 상기 제2 광학 부품은 상기 제2 투과 광으로부터 상기 이미지 평면에 상기 라인 이미지를 형성하는, 라인-형성 광학시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 레이저 소스가 CO2 레이저를 포함하며, 상기 초기 광빔은 명목상 10.6 마이크론의 파장(λ)을 가지는, 라인-형성 광학시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 대향하는 톱니형 블레이드들이 폭(d2)만큼 분리되며, 상기 각각의 대향하는 톱니형 블레이드들은 0.1·(λ/(d2))·f≤l≤(λ/(d2))·f 범위의 길이(l)를 가진 톱니들을 포함하는, 라인-형성 광학시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 톱니들이 (0.9)·l≤p≤(1.1)·l 범위 내의 피치(p)를 가지는, 라인-형성 광학시스템이다.
본 개시의 또 다른 측면은, 상기 라인 이미지가 1000W 내지 3000W의 광 출력을 포함하며, 5mm 내지 100mm 범위의 길이를 가지며, +/-5% 이내의 강도 균일을 갖는, 라인-형성 광학시스템이다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 다음의 상세한 설명, 청구범위, 첨부된 도면을 포함하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 발명을 실행하는 것에 의해 인식되거나 또는 설명으로부터 당업자에게 용이하게 인식될 것이다. 전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 단지 예시적인 것이고 청구범위의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.
본 발명에 의하면 톱니형 공간 필터를 사용하는 고효율 라인-형성 광학 스템 및 방법이 제공된다.
첨부 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면들은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 여러 실시예들의 동작과 원리를 설명하는 역할을 한다. 따라서, 아래와 같은 첨부된 도면과 함께 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명은 더욱 완전히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 라인-형성 광학시스템에 의해 형성된 라인 이미지의 길이를 따르는 거리 x(mm)와 강도 프로파일 I(x) 및 열 방출 프로파일 E(x) 사이의 관계를 나타내는 그래프로서, 강도 프로파일 및 열 방출 프로파일이, 반도체의 열 처리에 불리하게 영향을 줄 수 있는 리플 형태의 불균일을 얼마나 갖고 있는지 도시한다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적 라인-형성 광학시스템의 모식도이다.
도 3a는 +z 방향에서 본 도 2의 예시적 라인-형성 광학시스템의 제1 애퍼처 장치의 정면도로서, 상기 제1 애퍼처 장치에 입사할 때 조절된 레이저 빔(conditioned laser beam)의 근사 제로-강도 컨투어(zero-intensity contour)[I(x,y)≒0]를 보여준다.
도 3b는 상기 조절된 레이저 빔의 x(mm)에 대한 강도 프로파일 I(x)의 그래프로서, 상기 조절된 레이저 빔에 대한 제1 애퍼처 장치의 대향하는 블레이드들의 위치를 보여준다.
도 4a는 제2 애퍼처 장치가 위치되는 푸리에 평면에서 제1 투과 광의 x'(mm)에 대한 강도 프로파일 I'(x')의 그래프로서, 상기 강도 프로파일에 대한 제2 애퍼처 장치 대향하는 블레이드들의 예시적 위치를 보여준다.
도 4b는 도 2의 +z 방향에서 본 도 4a의 제2 애퍼처 장치의 정면도로서, 그 위에 입사된 제1 투과 광을 보여준다.
도 5a는 제2 투과 광에 의해 이미지 평면에 형성된 라인 이미지의 긴 방향에 대해 기판의 최종 이미지 평면에서 x(mm)에 대한 강도 프로파일 IL(x)의 그래프로서, 도 2의 라인-형성 광학시스템에 의해 형성된 L=10 mm(실선) 및 L=7.5 mm(파선)의 2개의 상이한 예시적 크기를 보여준다.
도 5b는 라인 이미지의 y(㎛)에 대한 강도 프로파일 IL(y)의 그래프로서, 라인 이미지의 짧은 방향(즉, y 방향)에서의 강도 프로파일 IL(y)가 약 75㎛의 예시적 폭를 규정하는 가우시안 형상을 가지는 것을 보여준다.
도 6a는 4b와 유사한 도면으로서, 블레이드 엣지들이 톱니들을 포함하는 상기 제2 애퍼처 장치의 실시예를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 제2 애퍼처 장치의 좌측 블레이드의 확대도로서, 2개의 톱니와 톱니들의 치수 파리미터들 중 일부를 보여준다.
도 6c는 블레이드 엣지들이 직선인, 즉 톱니를 갖지 않는 라인-형성 광학시스템의 실시예에 대한 최종 이미지 평면에서 정규화된 강도 프로파일 I(x)의 대수 그래프이다.
도 6d는 블레이드 엣지가 톱니를 포함하는 실시예에 대한 도 6c에 상당하는 그래프이다.
도 6e는 도 1에 유사한 도면으로서, 블레이드가 톱니를 포함하는 경우에 대해서 열 방출 프로파일 E(x)과 최종 이미지 평면에서의 강도 프로파일 I(x)을 보여준다.
도 7은 반사형 릴레이 광학시스템을 포함하는 예시적 라인-형성 광학시스템의 모식도이다.
도 8은 본 명세서에서 개시된 도 2의 라인-형성 광학시스템을 포함하는 예시적 레이저 어닐링 시스템의 모식도이다.
도 9는 도 8과 유사한 도면으로서, 결함 어닐링 및 스파이크 어닐링을 수행하기 위해 사용될 수 있는 레이저 어닐링 시스템의 실시예를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 CO2 기반 라인-형성 광학시스템 및 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템에 의해 형성된 라인 이미지들의 확대도로서, 반도체 웨이퍼의 표면에서 두 개의 라인 이미지의 상대 위치들의 다른 예를 도시한다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 참조 번호와 기호가 동일하거나 유사한 부분을 나타내도록 도면 전체에서 사용된다. 도면에서 축척은 필수적인 것은 아니며, 당해 기술분야의 숙련된 기술자는 본 발명의 주요 측면을 도시하기 위해 도면의 어느 부분이 간략화되었는지 인식할 수 있을 것이다.
첨부된 청구항들은 본 명세서의 일부를 구성하고, 참조에 의해 상세한 설명에 포함된다.
기준을 설정하기 위해 도면들 중 일부에서 직각 좌표가 표시되어 있는데, 이것들은 방향 또는 방위에 대해 제한하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 제2 애퍼처 장치에서의 직각 좌표는 제1 애퍼처 장치 및 이미지 평면에서의 (x,y) 좌표와 구별하기 위해 x' 및 y'로 표시되어 있다.
아래의 설명에서, 용어 "레이저 빔" 및 "광"은 상호 교환적으로 사용된다. 또한, 용어 "마이크론" 및 단위 "㎛"는 상호 교환적으로 사용된다.
용어 "상류" 및 "하류"는 광학시스템 설계의 분야에서 종래 사용되어 온 광의 진행 방향에 대한 물품의 위치를 지칭하기 위해 사용되며, 물품 B가 물품 A의 하류에 있다고 말할 때, 광은 물품 A로부터 물품 B의 방향으로 진행하며, 그 반대의 경우도 같다.
라인-형성 광학시스템
도 2는 본 개시에 따른 예시적 라인-형성 광학시스템(10)의 모식도이다. 라인-형성 광학시스템(10)은 광축(A1), 오브젝트 평면(OP: object plane), 및 전술한 것과 같이 라인 이미지(80)가 형성되는 이미지 평면(IP: image plane)을 포함한다.
라인-형성 광학시스템(10)은, 광축(A1)을 따라 오브젝트 평면(OP)의 상류에, 광축(A1)을 따라 오브젝트 평면(OP)을 향해 초기 레이저 (광) 빔(22)을 방출하는 레이저 소스(20)를 포함한다. 일 실시예에서, 레이저 소스(20)는 10.6㎛의 명목상 파장(nominal wavelength)에서 동작하는 CO2 레이저를 포함한다. 일 실시예에서, 초기 레이저 빔(22)은 적어도 x-방향을 따라, 또한 일 실시예에서 x-방향 및 y-방향 둘 다에서 가우시안 분포(프로파일)를 가진다. 일 실시예에서, 초기 레이저 빔(22)은 원형 대칭일 필요는 없다. 예를 들면, x-방향 및 y-방향에서 가우시안 프로파일들은 다른 크기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 소스(20)는 초기 레이저 빔(22)에서 약 3500W의 광 파워를 출력한다.
라인-형성 광학시스템(10)은 또한 광축(A1)을 따라서 레이저 소스(20)와 오브젝트 평면(OP)사이에 정렬된 빔-조절 광학시스템(beam-conditioning optical system)(30)을 포함한다. 빔-조절 광학시스템(30)은 초기 레이저 빔(22)을 수광하고 그것으로부터 조절된 레이저 빔(24)을 형성한다. 일 실시예에서, 빔-조절 광학시스템(30)은 조절된 레이저 빔(24)이 초기 레이저 빔(22)의 확대형이 되도록 레이저 빔 확대를 수행한다. 일 실시예에서, 빔-조절 광학시스템(30)은 x-방향 및 y-방향에서 선택된 치수들(프로파일들)을 가진 조절된 레이저 빔(24)을 제공한다. 일 실시예에서, 빔-조절 광학시스템(30)은 x-방향 및 y-방향에서 동일한 양만큼 초기 레이저 빔(22)의 치수들을 확대한다.
빔-조절 광학시스템(30)은 거울들, 렌즈들, 애퍼처들(apertures), 및 유사한 광학 부품들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예시적 빔-조절 광학시스템(30)은 둘 이상의 축을 벗어난(off-axis) 거울들을 이용하고, 이것들 각각은 당해 기술분야에서 알려진 광출력을 가지며, 두 개의 예가 미국특허 제2,970,518호 및 제3,674,334호에 기재되어 있다. 다양한 실시예에서, 빔-조절 광학시스템(30)은 아나모픽(anamorphic)이거나, 원통형이거나 원형 대칭일 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 소스(20) 및 빔-조절 광학시스템(30)은 라인 이미지(80)를 형성하기 위한 조절된 레이저 빔(24)에 대해 원하는 강도 프로파일 I(x,y)을 생성하는 레이저 소스 시스템(35)을 형성한다. 레이저 소스(20)가 조절이 필요하지 않은 적당한 초기 레이저 빔(22)을 방출하는 일 실시예에서, 빔-조절 광학시스템(30)은 필요하지 않으며 조절된 레이저 빔(24) 대신에 초기 레이저 빔(22)이 사용될 수 있다. 따라서, 아래의 설명에서, 조절된 레이저 빔(24)은 일 실시예에서 처리되지 않은 초기 레이저 빔(22)에 의해 형성되는 것으로 이해된다.
시스템(10)은 또한, 광축(A1)을 따라서 오브젝트 평면(OP)에, 제1 애퍼처 장치(40)를 포함한다. 일 실시예에서, 제1 애퍼처 장치(40)는 각각 엣지(43)를 가진 한 쌍의 블레이드(42)를 포함한다. 블레이드(42)는, 각각의 엣지(43)가 대향 이격되어 슬릿 애퍼처(slit aperture)(44)를 형성하도록, 오브젝트 평면(OP) 내, 광축(A1)의 각각의 측면에 배치된다. 슬릿 애퍼처(44)는, 제1 애퍼처 장치(40)를 +z 방향에서 광축(A1)을 따라 아래로 본 확대도(IN1)에 도시한 것과 같이, y-방향으로 긴 치수를 가진다. 슬릿 애퍼처(44)는, 아래 설명과 같이, 시스템(10)에 의해 이미지 평면(IP)에 형성된 라인 이미지(80)의 길이(L)를 규정하는 x-방향에서의 폭(d1)을 가진다. 일 실시예에서, 블레이드(42)는 폭(d1) 및 그에 따른 라인 이미지(80)의 길이(L)를 조정하기 위해 이동 가능하다.
시스템(10)은 또한, 광축(A1)을 따라서 제1 애퍼처 장치(40)의 하류에, 릴레이 광학시스템(50)을 포함한다. 도 1에 도시한 릴레이 광학시스템(50)은 도시의 편의상 투과형 광학시스템으로 도시되어 있다. 반사형 릴레이 광학시스템(50)의 실시예는 도 6와 관련하여 이하에서 설명된다. 릴레이 광학시스템(50)은 제1 광학 부품(52A) 및 제2 광학 부품(52B)을 포함한다. 릴레이 광학시스템(50) 내에는 푸리에 필터가 배치될 수 있는 중간 푸리에 평면(IFP: Intermediate Fourier Plane)이 있이다. 여기서, 용어 "중간"은 푸리에 평면(IFP)이 제1 광학 부품(52A)과 제2 광학 부품(52B) 사이에 있다는 것을 표시하기 위해 사용된다. 아래 설명에서, "중간 푸리에 평면"은 그냥 "푸리에 평면"으로도 지칭된다.
일 실시예에서, 광학부품(52A, 52B) 각각은 렌즈, 거울 등과 같은 하나 이상의 광학 요소들로 구성될 수 있다. 릴레이 광학시스템(50)은 제1 애퍼처 장치(40)에서 오브젝트 평면(OP)을 규정하고 또한 라인 이미지(80)가 형성되는 이미지 평면(IP)을 규정한다. 푸리에 평면(IFP)은 제1 광학 부품(52A)으로부터 떨어진 거리(f)에 있고, 또한, 도시된 실시예에서, 제2 광학 부품(52B)으로부터 떨어진 거리(f)에 있으며, 거리(f)는 제1 광학 부품(52A)(및 제2 광학 부품(52B)의 초점길이이다. 따라서, 제1 광학 부품(52A)은 푸리에 평면(IFP)을 규정한다.
릴레이 광학시스템(50)은 제1 광학부품(52A)에 의해 형성된 푸리에 평면(IFP)에 제1 광학부품(52A) 및 제2 광학부품(52B) 사이에 정렬된 제2 애퍼처 장치(60)를 추가로 포함한다. 제2 확대도(IN2)를 참조하면, 일 실시예에서, 제2 애퍼처 장치(60)는 각각 엣지(63)를 가진 한 쌍의 블레이드(62)를 포함한다. 블레이드(62)는 각각의 엣지(63)가 대향 이격되어 슬릿 애퍼처(64)를 형성하도록, 푸리에 평면(IFP) 내, 광축(A1)의 각각의 측면에 배치된다. 슬릿 애퍼처(64)는 y'-방향으로 즉, 제1 애퍼처 장치(40)의 슬릿 애퍼처(44)와 같은 방향으로 긴 치수를 가진다. 슬릿 애퍼처(64)는 x'-방향에서 폭(d2)을 가진다. 일 실시예에서, 블레이드(62)는 폭(d2)을 조정하기 위해 이동 가능하다.
또한, 일 실시예에서, 블레이드(62)의 엣지들(63)은 톱니들을 가질 수 있다. 이 실시예는 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
일 실시예에서, 릴레이 광학시스템(50)은 x-z 평면에서 실질적으로 단위 배율을 가진다(즉, 실질적으로 1X 시스템이다). 또한 실시예들에서, 릴레이 광학시스템(50)은 원통형 또는 아나모픽일 수 있다. 제1 애퍼처 장치(40)의 슬릿 애퍼처(44)의 폭(d1)은 x-방향에서 조절된 레이저 빔(24)의 크기를 규정하며, 1X 배율의 경우 x-z 평면에서, d1=L이다(확대도 IN3 참조).
시스템(10)의 일반적인 동작에서, 이 조절된 레이저 빔(24) 중에서 비교적 많은 양의 광이 슬릿 애퍼처(44)를 통과하도록, 조절된 레이저 빔(24)이 형성되고 제1 애퍼처 장치(40)가 구성된다. 도 3a는 (+z 방향에서 본) 제1 애퍼처 장치(40)의 정면도로서, 조절된 레이저 빔(24)의 근사 제로-강도 컨투어[I(x,y)≒0]를 보여준다. 일 실시예에서, 조절된 레이저 빔(24)은 x-방향 및 y-방향에서 가우시안 프로파일을 가지며, 상기 프로파일은 x-방향에서 더 길다(즉, 강도 프로파일 I(x,y)이 x-방향으로 길쭉하다).
전술한 바와 같이, y-방향에서 상기 가우시안 프로파일의 폭(w1)은 라인 이미지(80)의 폭(w)(짧은 치수)을 규정한다. 일 실시예에서, 폭(w1)은 빔-조절 광학시스템(30)에 의해 규정되며, 릴레이 광학시스템(50)은 y-z 평면 내에 광출력을 갖지 않는다(즉, 릴레이 광학시스템(50)은 원통형으로 x-z 평면에서만 광출력을 가진다). 이것은 빔-조절 광학시스템(30)을 사용하는 한 가지 이점이며, 이는 아나모픽 요소들을 사용하여 제1 및 제2 광학부품들(52A, 52B)을 형성할 필요를 제거하기 때문이다.
도 3b는 상기 조절된 레이저 빔(24)의 x(mm)에 대한 강도 프로파일 I(x)의 그래프로서, 조절된 레이저 빔(24)에 대한 제1 애퍼처 장치(40)의 블레이드들(42)의 예시적 위치를 보여준다. 도 3a에서 조절된 레이저 빔(24)의 빗금 부분(24B)은 각각의 블레이드(42)에 의해 차단되는 조절된 레이저 빔(24)의 부분들을 도시하는 반면, 슬릿 애퍼처(44)를 통과하는 부분은 '24P'로 표시되어 있으며, 이 부분은 아래에서 "제1 투과 광"으로 지칭된다. 이것은 또한 도 3b에 도시되어 있으며, 도면에서 강도 프로파일 I(x)의 파선 부분은 각각의 블레이드(42)에 의해 차단되는 조절된 레이저 빔(24)의 부분을 도시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시한 실시예에서, 조절된 레이저 빔(24) 내 광의 약 90%는 제1 투과 광으로서 슬릿 애퍼처(44)를 통과하지만, 강도 프로파일 I(x)의 날개에 있는 조절된 레이저 빔(24)의 광의 약 10%는 블레이드(42)에 의해 차단된다. 일 실시예에서, 제1 애퍼처 장치(40)는 조절된 레이저 빔(24)의 적어도 50%를 통과시키도록 구성된다.
제1 애퍼처 장치(40)가 조절된 레이저 빔(24)의 상당한 부분을 통과시키도록 구성되기 때문에, 슬릿 애퍼처 내 강도 프로파일 I(x)의 변화는 비교적 크다. 일 실시예에서, 이 변화는 50%를 초과하고 다른 실시예에서는 65%를 초과하며 또 다른 실시예서는 70%를 초과한다. 이것은 도 3b에서 가장 명확히 도시하고 있으며, (정규화) 피크 강도는 슬릿 애퍼처(44)의 중심에서(즉, x=0에서) 1이지만 상기 강도는 엣지들(43)에 의해 형성된 제1 슬릿 애퍼처(44)의 엣지들(43)에서 강도 프로파일 I(x)의 최대값의 약 0.28까지, 즉 약 28%까지 떨어진다. 만일 이 강도 프로파일 I(x)이 종래의 릴레이 수단을 사용하여 이미지 평면(IP)에 중계되면, 라인 이미지(80)는 긴 방향에서 강도 균일성의 대응하는 변화를 가질 것이다(약 72%). 이것은 라인 이미지(80)의 길이(L)에 대해서 +/-5% 또는 어떤 경우들에서는 +/-2% 이내의 바람직한 강도 균일보다 훨씬 더 크다.
도 2를 다시 참조하면, 슬릿 애퍼처(44)를 통과하는 제1 투과 광(24P)은 릴레이 광학시스템(50)의 제1 광학부품(52A)에 의해 제2 애퍼처 장치(60) 위 푸리에 평면(IFP)에 집속된다. 푸리에 평면(IFP)은 제1 애퍼처 장치(40)에서의 좌표 (x,y)와 구별하기 위해 좌표 (x',y')를 가진다. 이 집속은 제2 강도 프로파일 I'(x',y')을 생성하며, 이것은 오브젝트 평면(OP)에서 강도 프로파일 I(x,y)의 1차원 푸리에 변환에 의해 (x'-방향에서) 정의된다.
엣지들(43)에 있는 톱니들이 무시된 간략한 접근에서, 오브젝트 평면(OP)에서의 강도 프로파일 I(x)는 다음 식으로 정의될 수 있다[(d1)/2=a인 경우];
I(x)=G(x)·rect(x/a)
여기서 rect(x/a)는 ｜x｜> a인 경우 0이고, x=a인 경우 1/2이고, ｜x｜< a인 경우 1이며; G(x)=exp(-x2)이다. 따라서, I'(x')는 다음으로 주어진다:
I'(x')=F{I(x)}=F{rect(x/a)·exp(-x2)}=[a·sinc(x'·a/2)]¤[(π)1/ 2exp{-π2x'2}] 여기서, ¤ 기호는 컨볼루션(convolution) 연산을 나타낸다.
도 4a는 제2 애퍼처 장치(60)에서 제1 투과 광(24P)의 x'(mm)에 대한 강도 분포 I'(x')의 그래프이다. 도 4b는 +z 방향에서 본 도 3b의 제2 애퍼처 장치(60)의 정면도이다. 도 4b를 참조하면, 제2 애퍼처 장치(60)의 블레이드들(62)은, 제2 애퍼처 장치(60)에 입사하는 제1 투과 광(24P)의 일부(24P')는 제2 애퍼처 장치(60)의 슬릿 애퍼처(64)를 통과하지만 제1 투과 광(24P)의 각각의 부분들(24B')은 블레이드들(62)에 의해 차단되도록, 정렬된다. 따라서 광(24P')은 "제2 투과 광"으로 지칭되며, 제2 투과 광(24P')은 라인 이미지(80)를 형성하기 위해 릴레이 광학시스템(50)의 하류 부분에 의해 사용된다.
도 4a는 제2 투과 광(24P')의 선택된 양을 통과시키는 선택된 폭(d2)을 갖도록 하기 위해 블레이드들(62)이 어디에 설정될 수 있는지에 대한 상세를 도시한다. 강도 프로파일 I'(x')은 강도 프로파일 I'(x')의 중심으로부터 크기가 감소하는 다수의 더 작은 피크들에 의해 둘러싸인 강한 중심피크(PO)를 도시한다. 중심피크(P0)의 양측에 있는 제1 피크들은 'P1'으로 표시되어 있으며, 제1 최소값 및 제2 최소값(m1, m2)에 의해 둘러싸인 최대값(MX)에 의해 규정된다. 일 실시예에서, 슬릿 애퍼처(64)는 폭(d2)을 갖도록 형성되며 각각의 블레이드 엣지(63)는, 슬릿 애퍼처(64)가 제1 피크들(P1)과 관련된 제1 투과 광(24P)의 적어도 일부(24P')를 투과하도록, 대응하는 제1 피크(P1) 내에 위치한다.
또 다른 실시예에서, 제2 애퍼처 장치(60)는, 엣지들(63)이 상기 최대값(MX)과 상기 제2 최소값(m2) 사이의 대응하는 제1 피크(P1) 내에 위치하도록, 구성된다. 예를 들어, 만일 +x 축 위의 x-값들이 최대값(MX)에 대해 xMX로 정의되고, 제2 최소값(m2)에 대해 xm2로 정의되며, 엣지(63)의 x-위치가 x63으로 정의된다면, +측 블레이드(62)의 엣지(63)의 위치에 대한 조건은 xMX ≤ x63 ≤ xm2와 같이 표현될 수 있다. -측 블레이드(62)의 엣지(63)에 대한 대응하는 조건은 -xm2 ≤ -x63 ≤ -xMX와 같이 표현될 수 있다. 이러한 공간 필터링 조건은 허용 가능한 강도 불균일 레벨(예컨대, 길이(L)에 대해서 긴 방향에서 측정된 경우 +/-5% 이내까지)을 가진 라인 이미지(80)를 형성하는 최상의 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다.
일 실시예에서, 제2 애퍼처 장치(60)에 의해 푸리에 평면(IFP)에서 차단된 제1 투과 광(24P)의 양은 약 5~8% 이므로 제1 투과 광(24P)의 약 92~95%는 투과되어 제2 투과 광(24P')을 형성한다. 이것은, 약 15%의 종래 기술 효율과 비교하여, 오브젝트 평면(OP)에 제공된 입력 파워 또는 강도에 대해 최대 약 75%의 효율로 릴레이 광학시스템(50)이 이미지 평면(IP)에 라인 이미지(80)를 형성하는 것을 가능하게 한다.
또한, 긴 방향에서(즉, x-방향에서) 라인 이미지(80)의 강도 균일은 일 실시예에서 길이(L)에 대하여 긴 방향에서 +/-5%의 공차를 만족시키며 또 다른 실시예에서 +/-2%의 공차를 만족시킬 수 있다.
라인 이미지(80)는 제2 투과 광(24P')을 사용하여 이미지 평면(IP)에 형성된다. x-방향에서의 이러한 제2 투과 광(24P')은 강도 프로파일 I'(x')의 절두형(truncation version)으로 정의되고 다음과 같이 표시될 수 있으며, 여기서 F{·}는 푸리에 변환 연산을 나타낸다.
I'(x') = F{I(x)}·rect(x'/b), 여기서 b=(d2)/2.
= [a·sinc(x'·a/2)]¤[(π)1/2exp{-π2x'2}]·rect(x'/b).
따라서 라인 이미지(80)의 강도 프로파일 IL(x)는 I'(x')의 1차원(1D) 역 푸리에 변환이다. 즉,
IL(x) = F-1{I'(x')}.
도 4a로부터, 제2 애퍼처 장치(60)는 상기 I'(x')에 대한 식에서 1D "rect" 함수를 정의하고 x' 축을 따르는 더 높은 공간-주파수 성분들의 선택된 양을 제거하는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 이들 더 높은 공간-주파수 성분들은 제1 애퍼처 장치(40)에서 입력(조절된) 레이저 빔(24)의 강도 편차(variation)를 포함하는 고선명 라인 이미지를 형성하기 위해 필요하기 때문에, 제2 애퍼처 장치(60)에 의한 그것들의 필터링은 라인 이미지(80)의 긴 방향에서 강도의 편차를 매끈하게 제거하는 작용을 한다. 한편, 이들 더 높은 공간-주파수 성분들은 상대적으로 낮은 강도를 갖기 때문에, 제1 투과 광(24P)의 대부분은 슬릿 애퍼처(64)를 통과하여 제2 투과 광(24P')을 형성한다.
도 5a는 이미지 평면(IP)에 있는 라인 이미지의 긴 방향에 대해 x(mm)에 대한 강도 프로파일 I(x)의 그래프로서, 라인-형성 광학시스템(10)에 의해 형성된 L=10 mm(실선) 및 L=7.5 mm(파선)의 2개의 상이한 크기를 예를 들어 도시한다. 일 실시예에서, 라인 이미지(80)의 길이(L)는 5 mm ≤ L ≤ 100 mm 범위에 있을 수 있다.
도 5b는 라인 이미지의 y(㎛)에 대한 강도 프로파일 IL(y)의 그래프로서, 라인 이미지(80)의 짧은 방향(즉, y 방향)에서의 강도 프로파일이 약 75㎛의 예시적인 폭(w)을 형성하는 가우시안 형상을 가지는 것을 도시한다. 일 실시예에서, 폭(w)은 25㎛ ≤ w ≤ 1000㎛, 25㎛ ≤ w ≤ 500㎛, 또는 25㎛ ≤ w ≤250 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 폭(w)은, 릴레이 광학시스템(50)이 y-z 평면에서 광출력을 갖지 않는 원통형일 수 있도록, 빔-조절 광학시스템(30)에 의해 형성될 수 있다.
주목할 것은 라인 이미지(80)에 대한 짧은 치수에서의 강도 프로파일 IL(y)는, 라인 이미지(80)가 짧은 방향, 즉 y-방향으로 주사되는 경우에 긴 치수에서의 강도 프로파일 IL(x)과 동일한 균일 공차를 만족시킬 필요가 없다는 것이다. 그와 같은 경우에, y-방향에서의 강도 편차는 주사 동안에 평균에 도달한다. 도 5b의 강도 프로파일 IL(y)의 그래프에서, 라인 이미지(80)는 y-방향에서 약 +/-10%의 강도 편차를 가진다.
톱니형 제2 애퍼처 장치
도 6a는 도 4b와 유사하며, 제2 애퍼처 장치(60)의 블레이드(62)가 엣지(63)에 톱니들(67)을 포함하는 예시적 실시예를 도시한다. 도 6b는 좌측 블레이드(62)와 그것의 두 개의 톱니(67)의 확대도이다. 일 실시예에서, 톱니들(67)은 길이(l), 폭(w) 및 피치(p)를 가진다. 일 실시예에서, 길이(l)는 0.1·(λ/(d2))·f≤l≤(λ/(d2))·f의 범위에 있으며, 여기서 f는 반사형 릴레이 광학시스템(50)의 제1 및 제2 광학 부품(52A, 52B)의 초점길이이다. 또한, 일 실시예에서, 톱니들(67)의 피치(p)는 실질적으로 길이(l)와 같으며, 예를 들면 (0.9)·l≤p≤(1.1)·l이다.
톱니형 블레이드(62)를 가진 제2 애퍼처 장치(60)의 구성은 라인-형성 광학시스템(10)의 하류 광학 요소들의 엣지(63)에서 광의 강도를 감소시키는 역할을 한다. 도 6c는 엣지(63)가 직선형인, 즉 톱니들(67)이 없는 라인-형성 광학시스템(10)의 실시예에서 릴레이 광학시스템(50)의 제2 광학 부품(52B)에서의 정규화 강도 프로파일 I(x)의 대수 그래프이다. 도 6d는 엣지(63)가 톱니(67)를 포함하는 실시예에 대한 도 6c에 상당하는 도면이다.
지름이 25mm인 하류 광학 부품에 관한 도 6c 및 도 6d에 도시한 두 그래프의 비교는, 상기 하류 광학 부품의 엣지에서의 강도가 엣지(63)가 톱니를 포함하는 경우에 얼마나 많이 감소하는지를 보여준다. 그 결과는 광학 부품들의 엣지들에 의해 회절이 더 약화하는 것이며, 이것에 의해 이미지 평면(IP)에서 라인 이미지(80)의 강도 프로파일 I(x)의 변동 또는 리플(ripples)의 양이 감소한다.
도 6e는 이미지 평면(IP)에서 x(mm)와 강도 프로파일 I(x)의 관계를 도시하는 도 1의 그래프와 유사한 그래프로서, 강도 프로파일 I(x)의 균일성과 열 방출 프로파일 E(x)에서의 현저한 개선을 보여주며, 특히 열 방출 프로파일 E(x)에서의 리플이 거의 제거되는 것을 보여준다.
반사형 릴레이 광학시스템
도 7은 이미지 평면(IP)에 정렬된 웨이퍼(W)의 표면(WS)에 라인 이미지(80)를 조향하기 위해 사용되는 폴드-미러 광학시스템(90)과 반사형 릴레이 광학시스템(50)을 포함하는 예시적 라인-형성 광학시스템(10)의 모식도이다. 반사형 릴레이 광학시스템(50)은 축을 벗어난 구성으로 정렬된 오목 거울 형태의 제1 및 제2 광학 부품들(52A, 52B)을 포함한다. 또한, 반사형 릴레이 광학시스템(50)은 오브젝트 평면(OP)에서 제1 애퍼처 장치(40)를 통과하는 제1 투과 광(24P)의 광 경로를 접는 역할을 하는 폴드 미러(fold mirror)(F1, F2, F3)를 포함한다. 이 특정한 실시예에서, 폴드 미러(F2)는 푸리에 평면(IFP)에 배치되어 있다. 폴드 미러(F2)는, 제2 애퍼처 장치(60)에 입사한 제1 투과 광(24P)이 중심 부분(제2 투과 광)(24P')만 폴드 미러(F2)에 의해 반사되어 릴레이 광학시스템(50)의 나머지를 통과하여 진행하도록, 제2 애퍼처 장치(60)의 후방에 정렬된다. 따라서, 예시적 반사형 릴레이 광학시스템(50)은 반사형 광학 부품들로 구성된다. 즉, 굴절성 광학 부품을 갖지 않는다. 이와 같은 구성은 레이저 소스(20)가 명목상 10.6㎛의 CO2 레이저 파장과 같은 적외선 파장에서 동작할 때 바람직하다.
이 제2 투과 광(24P')은 폴드 미러(F3)에 의해 반사되어 제2 광학 부품(52B)으로 향하며, 이것은 제2 투과 광(24P')을, 적어도 하나의 폴드 미러(F4)를 포함하는 폴드-미러 광학시스템(90)으로 향하게 한다. 일 실시예에서, 폴드-미러 광학시스템(90)은, 라인 이미지(80)가 웨이퍼(W)의 표면(WS) 위에 적절히 이미징되도록, 평행하지 않은 오브젝트 평면(OP)과 이미지 평면(IP)을 보완하도록 구성된다.
레이저 어닐링 시스템
도 8은 본 명세서에서 개시된 라인-형성 광학시스템(10)을 포함하는 예시적 레이저 어닐링 시스템(100)의 모식도이다. 라인-형성 광학시스템(10)이 사용에 적합한 예시적 레이저 어닐링 시스템은 예를 들면, 미국 특허번호 7,612,372; 7,514,305; 7,494,942; 7,399,945; 7,154,066; 6,747,245; 6,366,308에 기재되어 있다.
도 8의 레이저 어닐링 시스템(100)은, 광축(A1)을 따라, 전술한 라인-형성 광학시스템(10)을 포함하며, 레이저 소스(20)(도 2 참조)에 의해 방출된 초기 레이저 빔(22)은, 선택된 조건하에서 웨이퍼(W)에 의해 흡수되어 그것을 가열할 수 있는 파장(예컨대, CO2 레이저로부터의 명목상 10.6㎛)을 가진다. 그러한 조건은 예를 들면, 웨이퍼(W)를 가열하거나, 웨이퍼(W)의 반도체 밴드갭 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 가진 제2 방사선 빔(미도시)으로 웨이퍼(W)를 조사하여, 웨이퍼(W)를 어닐링 온도(TA)까지 가열하기에 충분한 정도까지 초기 레이저 빔(22)을 웨이퍼(W)에 흡수시키는 것을 포함한다. 웨이퍼(W)가 초기 레이저 빔(22)을 흡수하도록 하기 위해 제2 레이저 소스로 웨이퍼(W)를 조사하는 실시예가 미국 특허번호 7,098,155; 7,148,159; 7,482,254에 기재되어 있다.
웨이퍼(W)는 상부면(112)을 가진 척(110)에 의해 지지된다. 일 실시예에서, 척(110)은 웨이퍼(W)를 가열하도록 설정된다. 척(110)은 이어서 스테이지(120)에 의해 지지되고, 스테이지(120)는 이어서 플래튼(platen)(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 일 실시예에서, 척(100)은 스테이지(120) 내에 병합된다. 또 다른 실시예에서, 스테이지(120)는 움직일 수 있으며, 병진 이동 및 회전을 포함한다. 일 실시예에서, 척(110)은 예컨대 수백 도 정도까지 웨이퍼(W)를 예열하기 위해 사용된다.
웨이퍼(W)는 웨이퍼(W) 내에 형성된 회로(예컨대, 트랜지스터)(156)의 일부로서 웨이퍼(W)의 표면(WS)에 또는 근처에 형성된 소스 및 드레인 영역(150S, 150D) 형태의 디바이스 피처(DF)를 가진 것으로 예시되어 있다. 주목할 것은 회로(156) 내 소스 및 드레인 영역(150S, 150D)의 웨이퍼(W)에 대한 상대적인 크기는 도시의 편의상 크게 과장되어 있다. 실제로는, 소스 및 드레인 영역(150S, 150D)은 매우 얇으며, 웨이퍼(W) 내에서 대략 1 마이크론 이하의 깊이를 가진다. 일 실시예에서, 웨이퍼(W)의 표면(WS)은 디바이스 제조 공정의 일부로서 웨이퍼(W) 내에 형성된 디바이스 구조체에 의해 형성된 패턴들을 포함한다. 이 패턴들은 전술한 불리한 패턴 효과를 일으키며, 그 결과 웨이퍼(W)의 표면(WS)을 조사하는 광의 파장(λ)이 패턴들의 크기(δ)의 약 50배 미만일 때 온도 불균일을 초래할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 어닐링 시스템(100)은 라인-형성 광학시스템(10) 및 스테이지 컨트롤러(122)에 전기적으로 접속된 컨트롤러(170)를 추가로 포함한다. 스테이지 컨트롤러(122)는 스테이지(120)에 전기적으로 접속되며, 컨트롤러(170)의 명령에 의해 스테이지(120)의 움직임을 제어하도록 구성된다. 컨트롤러(170)는 일반적으로 레이저 어닐링 시스템(100), 특히 레이저 소스(20) 및 스테이지 컨트롤러(122)의 동작을 제어하도록 구성된다.
일 실시예에서, 컨트롤러(170)는, 예컨대 미국 텍사스주 오스틴 소재의 델(Dell) 컴퓨터사와 같은 다수의 유명한 컴퓨터 회사들로부터 입수할 수 있는 PC 또는 워크스테이션과 같은 컴퓨터이거나 그것들을 포함한다. 컨트롤러(170)는 바람직하게는 다수의 상용 마이크로프로세서들 중 어느 것, 프로세서를 예컨대 하드디스크 드라이브와 같은 메모리 장치에 연결하는 적당한 버스 아키텍처, 및 적당한 입출력 장치들(예컨대, 각각 키보드 및 디스플레이)을 포함한다.
도 8을 계속 참조하면, 전술한 바와 같이 생성된 제2 투과 광(24P')은 웨이퍼(W)의 표면(WS) 위에 조향되어 그 위에 라인 이미지(80)를 형성한다. 용어 "이미지"는 본 명세서에서 제2 투과 광(24P')에 의해 이미지 평면(IP) 및 그 내부의 웨이퍼(W)의 표면(WS)에 형성된 광의 분포를 일반적으로 지시하기 위해 사용된다.
일 실시예에서, 라인 이미지(80)는, 도 8의 화살표(180)와 같이, 웨이퍼(W)의 표면(WS) 위에 주사되며, 그 결과 소스 영역 및 드레인 영역(150S, 150D) 내 도펀트를 활성화시키는데 충분한 어닐링 온도까지(예컨대, 비용융 프로세스의 경우 1,000℃와 1,300℃ 사이 및 용융 프로세스의 경우 약 1,400℃의 실리콘 용융 온도를 초과하여) 웨이퍼(W)의 표면(WS)을 급속히 가열하는 반면(약 1 ㎛ 이하의 깊이까지), 도펀트가 실질적으로 확산하지 않도록 웨이퍼(W)의 표면(WS)의 급속 냉각을 역시 허용하므로, 소스 영역 및 드레인 영역(150S, 150D)을 얇게 유지한다. 웨이퍼(W) 표면(WS)의 블랭킷(blanket) 도펀트 활성화는 레이저 어닐링시스템(100)을 사용하여 수행되는 것이 역시 가능하다. 웨이퍼(W)의 표면(WS) 위에서 라인 이미지(80)의 전형적인 주사 속도는 25 mm/sec 내지 1,000 mm/sec 범위에 있다. 일 실시예에서, 제2 투과 광(24P')과 웨이퍼(W) 중 적어도 하나는 주사 동안에 움직일 수 있다.
라인-형성 광학시스템(10)은 상대적으로 큰 파워밀도를 가진 상대적으로 긴 라인 이미지(80)를 형성하는 것이 가능하기 때문에, 웨이퍼(W)는 이전의 라인-형성 광학시스템들이 허용할 수 있는 것보다 훨씬 더 빨리 주사될 수 있으므로(예컨대, 3배 스루풋 향상을 위해 3배 더 긴 프로세스 라인을 갖거나 최대 3배 더 빨리), 레이저 어닐링시스템(100)에 의해 처리될 수 있는 시간당 웨이퍼의 개수를 증가시킨다.
결함 및 스파이크 어닐링 시스템 및 방법
본 발명의 측면들은 본 명세서에 개시된 시스템(10)을 사용하여 결함 어닐링, 또는 결함 어닐링 및 스파이크 어닐링을 수행하는 시스템 및 방법을 포함한다. 도 9는 도 8과 유사한 도면으로, 레이저 어닐링 시스템(100)의 또 다른 실시예를 개시하며, 이것은 결함 어닐링을 수행하기 위해 본 명세서에서 개시된 것과 같은 CO2-레이저-기반 라인-형성 광학시스템(10)과, 스파이크 어닐링을 수행하기 위해 사용된 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템(200)을 포함한다. 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템(200)은 컨트롤러(170)에 조작 가능하게 접속되며, 파장(λ2)의 광빔(222)을 방출하는 레이저 다이오드 광원(220)을 포함한다. 또한, 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템(200)은 광빔(222)을 수광하여 광빔(224)을 형성하도록 정렬된 라인-형성 광학기기(223)을 포함하며, 상기 광빔(224)은 웨이퍼(W)의 표면(WS)에서 라인 이미지(280)를 형성한다. 일 실시예에서, 파장(λ2)은 가시범위 및 근적외 범위(예컨대 380 nm ≤ λ2 ≤ 1000 nm) 내에 있으며, 또 다른 실시예에서는 가시 범위(예컨대, 500 nm ≤ λ2 ≤ 900 nm) 내에만 있다. 라인-형성 광학기기(223)는 하나 이상의 광학 부품을 포함할 수 있으며, 그것들은 굴절 부품, 반사 부품, 회절 부품 등일 수 있다. 일 실시예에서, 라인-형성 광학기기(223)는 애너모픽 렌즈일 수 있으며, 또한 일 실시예에서는 원통형 광학시스템이거나 원통형 광학시스템을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 라인 이미지(280)는 그 길이에 대하여 +/-5% 이내의 강도 균일성을 가진다.
일 실시예에서, 라인 이미지(280)는, 도 9에 도시된 것과 같이 그리고 도 10a의 확대도에 도시한 것과 같이, 라인 이미지(80)와 중첩한다. 또 다른 실시예에서, 라인 이미지(280)는, 도 10b에 도시한 것과 같이, 라인 이미지(80) 내에 들어간다. 또 다른 실시예에서, 라인 이미지(280)의 대부분은 CO2-레이저-기반 라인-형성 광학시스템(10)에 의해 형성된 라인 이미지(80) 내에 들어가지만 라인 이미지(280)의 일부는, 도 10c에 도시한 것과 같이, 라인 이미지(80) 외부로 벗어난다. 일 실시예에서, 라인 이미지(280)는 라인 이미지(80)보다 실질적으로 더 좁으며, 또한 일 실시예에서 25 마이크론 내지 250 마이크론 범위, 또는 50 마이크론 내지 150 마이크론 범위의 폭을 가진다. 일 실시예에서, 라인 이미지(280)의 폭은 라인 이미지(80)의 폭의 5% 내지 25% 사이에 있다. 일 실시예에서, 라인 이미지(80) 및 라인 이미지(280)는 대략 동일한 길이를 가지며, 그것은 일 실시예에서 5mm 내지 100mm의 범위에 있다. 일 실시예에서, 라인 이미지(80)의 폭은 약 1mm이며 라인 이미지(280)의 폭은 50 마이크론 내지 150 마이크론 범위에 있다. 일 실시예에서, 라인 이미지들(80, 280)은 적어도 부분적으로 중첩한다.
일 실시예에서, 제2 투과광(24P')은 라인 이미지(80)를 통해 웨이퍼(W)의 표면(WS)에 2000W 내지 3000W의 광파워를 전달한다. 전술한 바와 같이, 라인 이미지(80)는 최대 약 1mm의 폭을 가질 수 있다. 도 8의 예에서, 제2 투과광(24P')과 라인 이미지(80)는 웨이퍼(W)의 표면(WS) 위에 라인 이미지(280)를 주사하여 결함 어닐링 온도(TD)(일 실시예에서, 1050℃)까지 웨이퍼(W) 표면(WS)의 온도를 국소적으로 상승시킴으로써 결함 어닐링을 수행하기 위해 사용된다. 실제에 있어서, 결함 어닐링 온도(TD)는 어닐링의 지속시간, 즉 라인 이미지(80)의 체류시간에 관련이 있다. 통상적으로, 결함 어닐링 시간이 길수록 더 낮은 온도가 필요하다. 일 실시예에서, 결함 어닐링 시간(TD)은 2 밀리초 내지 15 밀리초의 범위일 수 있으며, 대응하는 결함 어닐링 시간(TD)은, 일 실시예에서 tD=2 밀리초에 대해 약 1000℃ 내지 1150℃ 범위이고, 또 다른 실시예에서 tD=15 밀리초에 대해 700℃ 내지 1000℃ 범위이다. 일 실시예에서, 결함 어닐링 온도(TD)는 650℃ ≤ TD ≤ 1100℃ 범위이다.
다이오드-기반 라인-형성 광학시스템(200)으로부터의 광빔(224) 및 라인 이미지(280)는 웨이퍼(W)의 스파이크 어닐링을 수행하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 레이저 다이오드 광원(220)은 비교적 적은 양의 광 파워(예컨대, 300W 내지 500W)를 발생시킨다. 매우 작은 다이오드 레이저 파워가 요구되는 데에는 2가지 주요 이유가 있다. 첫 번째 이유는 결함 어닐링 온도(TD)로부터 스파이크 어닐링 온도(TA)까지의 온도 점프가 매우 작다(예컨대, 섭씨 수백 도)는 것이다. 두 번째 이유는 CO2 레이저 적외선 파장(λ1)에 비해 다이오드 레이저 가시광 파장(λ2)의 흡수 길이가 통상 100배 더 짧다는 것이다. 그러므로, 실질적으로 더 작은 광파워 출력을 가진 레이저는, 레이저 스파이크 어닐링을 수행하기 위해 CO2 레이저가 사용되는 종래의 방법에 비해서, 레이저 스파이크 어닐링을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 종래의 방법에서보다 훨씬 더 작은 다이오드 레이저 파워가 사용되기 때문에, 웨이퍼(W)의 엣지를 손상시킬 위험이 훨씬 더 적다.
종래의 방법에서, 2 ~ 3 kW의 다이오드 레이저 파워가 광빔(224)과 라인 이미지(280)에 의해 전달될 필요가 있다. 본 명세서에서 개시된 레이저 어닐링 방법 및 시스템으로, 결함 어닐링 온도(TD)로부터 스파이크 어닐링(또는 도펀트 활성화) 온도(TA)까지 온도를 상승시키기 위해 필요한 필요 열량과 라인 이미지(280)의 크기 및 주사 속도에 종속하여, 대략 200 내지 500 와트의 다이오드 레이저 파워가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 라인 이미지(280)는 주사 방향에서 50 마이크론 내지 150 마이크론 사이의 폭을 가진다. 일 실시예에서, 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템(200)은, 전술한 미국 특허출원 제14/497,006호에 예로서 기재된 것과 같이, 광섬유를 기반으로 한다.
다이오드-기반 라인-형성 광학시스템(200)은, 후술하는 바와 같이, 라인 이미지(280)가 라인 이미지(80)와 적어도 부분적으로 중첩하도록, 정렬된다. 광빔(224) 및 라인 이미지(80)에 의해 제공된 광 파워는 웨이퍼(W)의 표면(WS)의 온도를 결함 어닐링 온도(TD)(예컨대, 약 1050℃)로부터 스파이크 어닐링(또는 도펀트 활성화) 온도(TA)(예컨대, 일 실시예에서 대략 1150℃ 내지 1350℃)까지 국소적으로 상승시키기 위해 사용된다.
수백 도 정도의 이러한 온도 상승은 파장(λ2)의 광빔(224)을 사용하여 수행되기 때문에, 패턴 효과에 의한 최대 약 20%의 패턴 온도 불균일(최대 약 60℃)이 있다. 이러한 온도 불균일 양은 패턴 효과에 의한 온도 불균일이 160℃ 정도일 수 있는 종래 기술에 비해 상당한 개선이다. 따라서 레이저 어닐링 시스템(100) 및, 이러한 레이저 어닐링 시스템(100)을 사용하여 어닐링하는 방법은, 스파이크 어닐링 동안 온도 불균일을 개선하는 것이 가능하다. 일 실시예에서, 이러한 개선은 약 25% 이상, 예를 들면 약 25%와 40% 사이일 수 있다. 라인 이미지(280)를 사용하는 스파이크 어닐링을 위한 전형적인 체류시간은 200 내지 800 마이크로초 사이의 범위일 수 있다. 라인 이미지(280)의 폭은 주사 속도(예컨대, 스테이지 속도)를 결정한다.
전술한 바와 같이, 스파이크 어닐링을 수행하기 위해 가시광 파장(λ2)을 사용하는 추가의 이점은, 일 실시예에서 주사 동안 웨이퍼(W)의 측면을 조사하는 광빔(224)이 상대적으로 낮은 출력을 갖고, 이것이 웨이퍼(W)에 대한 손상 가능성을 크게 감소시키켜 특히 웨이퍼 파손의 위험을 감소시킨다는 것이다.
이상에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다양한 변형이 첨부된 청구항들에 정의된 것과 같은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음은 당해 기술분야의 숙련자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등물의 범위 안에 있는 한 본 발명에 대한 변경 및 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (32)

  1. 패턴을 포함하는 표면을 가진 반도체 웨이퍼의 결함 어닐링 온도(TD)에서 결함 어닐링을 수행하는 방법에 있어서,
    명목상 10.6 마이크론의 파장(λ)을 가지며 적어도 제1 방향에서에서 가우시안 분포를 가진 제1 강도 프로파일을 가지는 광빔을 CO2 레이저로부터 형성하는 단계;
    제1 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향으로 상기 광빔의 50% 이상을 통과시키는 단계;
    중심 피크 및 상기 중심 피크에 바로 인접한 제1 사이드 피크들을 가진 제2 강도 프로파일을 형성하기 위해 푸리에 평면에 상기 제1 투과 광을 집속하는 단계;
    1000W 내지 3000W의 광 출력 및 5mm 내지 100mm의 범위의 제1 라인 길이에 대하여 +/-5% 이내의 강도 균일을 가진 제1 라인 이미지를 상기 반도체 웨이퍼의 표면상에 형성하는 제2 투과 광을 형성하기 위해 상기 푸리에 평면에 배치된 톱니형 애퍼처로 각각의 상기 제1 사이드 피크들 내에서 상기 제2 강도 프로파일을 절단하는 단계; 및
    상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 상기 결함 어닐링 온도(TD)까지 국소적으로 상승시키기 위해 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 대하여 상기 제1 라인 이미지를 주사하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 투과 광의 집속 단계는 상기 푸리에 평면을 형성하는 초점 길이(f)를 가진 광학 부품을 가지는 릴레이 광학시스템으로 수행되고,
    상기 톱니형 애퍼처는 폭(d2)을 가지며,
    상기 톱니형 애퍼처는 0.1·(λ/(d2))·f≤l≤(λ/(d2))·f 범위의 길이(l)를 가진 톱니들을 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 톱니들은 (0.9)·l≤p≤(1.1)·l 범위 내의 피치(p)를 가진, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결함 어닐링 온도(TD)는 650℃ ≤TD≤ 1100℃ 범위에 있는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제2 파장을 가진 제2 광빔을 사용하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면에서 제2 라인 이미지를 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 상기 결함 어닐링 온도(TD)로부터 스파이크 어닐링 온도(TA)까지 국소적으로 상승시키기 위해 상기 제2 라인 이미지를 주사하는 단계;에 의해,
    상기 스파이크 어닐링 온도(TA)에서 스파이크 어닐링을 수행하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 제2 라인 이미지는 상기 제1 라인 이미지와 적어도 부분적으로 중첩하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스파이크 어닐링 온도(TA)는 1100℃ ≤TA≤ 1350℃ 범위에 있는, 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 라인 이미지는 제1 폭을 가지며, 상기 제2 라인 이미지는 상기 제1 폭의 5% 내지 25% 사이의 제2 폭을 가지는, 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 폭은 50 마이크론 내지 5mm 범위에 있는, 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    서로 상대적으로 조작 가능하게 배열된 레이저 다이오드 광원 및 라인-형성 광학기기를 사용하여 상기 제2 광빔을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 파장은 500nm 내지 1000nm 사이에 있는, 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 라인 이미지는 5mm 내지 100mm 범위의 제2 라인 길이와 +/-5% 이내의 강도 균일을 가지는, 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도는 패턴효과로 인해 상기 스파이크 어닐링 온도(TA)로부터 편차를 가지며, 상기 편차는 60℃ 이하인, 방법.
  13. 패턴이 구비된 표면을 가진 반도체 웨이퍼의 결함 어닐링을 수행하는 시스템에 있어서,
    명목상 10.6 마이크론의 파장(λ)을 가지는 초기 광빔을 방출하는 CO2 레이저;
    상기 초기 광빔을 수광하고 그것으로부터 적어도 제1 방향에서 가우시안 분포를 가진 제1 강도 프로파일을 가지는 조절된 광빔을 형성하는 빔-조절 광학시스템;
    오브젝트 평면에 조작 가능하게 배치되고 상기 조절된 광빔의 50% 이상을 구성하는 제1 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 상기 제1 강도 프로파일을 절단하는 제1 슬릿 애퍼처를 형성하는 제1 애퍼처 장치;
    상기 오브젝트 평면을 형성하고, 제2 애퍼처 장치가 조작 가능하게 배치되는 중간 푸리에 평면을 또한 형성하며, 중심 피크와 상기 중심 피크에 바로 인접하여 제1 사이드 피크들을 가진 제2 강도 프로파일을 상기 중간 푸리에 평면에 형성하는 릴레이 광학시스템;
    상기 반도체 웨이퍼를 조작 가능하게 지지하는 척; 및
    상기 척을 조작 가능하게 지지하고, 제1 라인 이미지가 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 대해 주사하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 결함 어닐링 온도(TD)까지 국소적으로 상승시키도록 상기 척과 상기 척 위에 지지된 반도체 웨이퍼를 이동시키는 이동식 웨이퍼 스테이지;
    를 포함하고,
    상기 제2 애퍼처 장치는 제2 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 그리고 각각의 상기 제1 사이드 피크들 내에서 상기 제2 강도 프로파일을 절단하는 톱니형 블레이드로 구성되고,
    상기 릴레이 광학시스템은 상기 제2 투과 광으로부터 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 제1 라인 이미지를 형성하고,
    상기 제1 라인 이미지는 1000W 내지 3000W의 광출력을 포함하고, 5mm 내지 100mm 범위의 제1 길이를 가지며, +/-5% 이내의 강도 균일을 갖는, 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학시스템은 상기 중간 푸리에 평면을 형성하는 초점 길이( f)를 가진 제1 광학 부품을 가지며,
    상기 톱니형 블레이드들은 폭(d2)만큼 분리되며,
    상기 각각의 톱니형 블레이드들은 0.1·(λ/(d2))·f≤l≤(λ/(d2))·f 범위의 길이(l)를 가진 톱니들을 포함하는, 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 톱니들은 (0.9)·l≤p≤(1.1)·l 범위 내의 피치(p)를 가진, 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 결함 어닐링 온도(TD)는 650℃ ≤TD≤ 1100℃ 범위에 있는, 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 척은 상기 반도체 웨이퍼를 예열할 수 있도록 가열되는, 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼의 표면의 온도를 상기 결함 어닐링 온도(TD)로부터 스파이크 어닐링 온도(TA)까지 국소적으로 상승시키기기 위해 상기 제1 라인 이미지와 적어도 부분적으로 중첩되고 주사되는 제2 라인 이미지를 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 형성하는 가시광 빔을 생성하는 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템을 추가로 포함하며,
    상기 제2 라인 이미지는 +/-5% 이내의 강도 편차를 갖는, 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 스파이크 어닐링 온도(TA)는 1150℃ 내지 1350℃ 범위에 있는, 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 라인 이미지 및 상기 제2 라인 이미지는 제1 폭 및 제2 폭을 각각 가지며,
    상기 제2 폭은 상기 제1 폭의 5% 내지 25%의 범위에 있는, 시스템.
  21. 제 13 항에 있어서,
    각각의 상기 제1 사이드 피크들은 최대값(MX), 제1 최소값(m1) 및 제2 최소값(m2)에 의해 정의되며,
    상기 제2 애퍼처 장치는 각각의 제1 사이드 피크에서 상기 최대값(MX)과 상기 제2 최소값(m2) 사이의 상기 제2 강도 프로파일을 절단하는, 시스템.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학시스템은 상기 제1 방향에서 실질적으로 1배의 배율을 가지는, 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학시스템은 상기 제1 방향에서만 광출력을 가진 원통형 광학시스템인, 시스템.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학시스템은 반사형 광학 부품만으로 이루어지는, 시스템.
  25. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 애퍼처 장치는 상기 오브젝트 평면 내에 조작 가능하게 배치된 한 쌍의 블레이드를 포함하는, 시스템.
  26. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 애퍼처 장치는 상기 중간 푸리에 평면 내에 조작 가능하게 배치된 한 쌍의 블레이드를 포함하는, 시스템.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 다이오드-기반 라인-형성 광학시스템은 서로 상대적으로 배열된 레이저 다이오드 광원 및 라인-형성 광학기기를 포함하는, 시스템.
  28. 이미지 평면에 라인 이미지를 형성하는 라인-형성 광학시스템에 있어서,
    파장(λ)을 가진 초기 광빔을 방출하는 레이저 소스;
    상기 초기 광빔을 수광하고 그것으로부터 적어도 제1 방향에서 가우시안 분포를 가진 제1 강도 프로파일을 가지는 조절된 광빔을 형성하는 빔-조절 광학시스템;
    상기 조절된 광빔의 50% 이상을 구성하는 제1 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 상기 제1 강도 프로파일을 절단하는 슬릿 애퍼처;
    제1 및 제2 광학 부품을 포함하고, 오브젝트 평면, 이미지 평면, 및 상기 오브젝트 평면과 상기 이미지 평면 사이에 푸리에 평면을 형성하는 릴레이 광학시스템; 및
    상기 푸리에 평면에 배열되고, 제2 투과 광을 형성하기 위해 상기 제1 방향에서 그리고 각각의 제1 사이드 피크들 내에서 제2 강도 프로파일을 절단하는 대향하는 톱니형 블레이드들;
    을 포함하며,
    상기 제1 광학 부품은 초점길이(f)를 가지며, 중심 피크 및 상기 중심 피크에 바로 인접한 제1 사이드 피크들을 가진 상기 제2 강도 프로파일을 상기 푸리에 평면에 형성하고,
    상기 제2 광학 부품은 상기 제2 투과 광으로부터 상기 이미지 평면에 상기 라인 이미지를 형성하는, 라인-형성 광학시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 CO2 레이저를 포함하며,
    상기 초기 광빔은 명목상 10.6 마이크론의 파장(λ)을 가지는, 라인-형성 광학시스템.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 대향하는 톱니형 블레이드들은 폭(d2)만큼 분리되며,
    상기 각각의 대향하는 톱니형 블레이드들은 0.1·(λ/(d2))·f≤l≤(λ/(d2))·f 범위의 길이(l)를 가진 톱니들을 포함하는, 라인-형성 광학시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 톱니들은 (0.9)·l≤p≤(1.1)·l 범위 내의 피치(p)를 가지는, 라인-형성 광학시스템.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 라인 이미지는 1000W 내지 3000W의 광 출력을 포함하고, 5mm 내지 100mm 범위의 길이를 가지며, +/-5% 이내의 강도 균일을 가지는, 라인-형성 광학시스템.
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