KR102636261B1 - 주파수 확장 장치 및 방법 - Google Patents

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세바스티안 토마스 바우어슈미트
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에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
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Abstract

광대역 출력 방사선(110)을 제공하기 위해 입력 방사선(108)을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치(100)가 제공된다. 장치는 섬유(102)를 포함하고, 섬유(102)는 섬유(102)를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어(104)를 포함할 수 있다. 장치(100)는 중공 코어(104) 내에 가스 혼합물(106)을 제공하기 위한 장치를 더 포함한다. 가스 혼합물(106)은 수소 성분 및 작동 성분을 포함하고, 작동 성분은 광대역 출력 방사선(110)을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선(108)의 주파수 범위를 확장시키기 위한 것이다. 장치는 방사선 소스에 포함될 수도 있다.

Description

주파수 확장 장치 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 3월 25일자로 출원된 EP 출원 제19164997.9호 및 2019년 11월 7일자로 출원된 EP 출원 제19207621.4호에 대해 우선권을 주장하며, 이러한 문헌의 내용은 원용에 의해 전체적으로 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 주파수 확장을 달성하기 위해 가스 혼합물이 중공 코어 내에 배치된 중공 코어 섬유를 이용하는 장치 및 관련 방법에 관한 것일 수 있다.
리소그래피 장치는 기판 상에 원하는 패턴을 적용하도록 구성된 기기이다. 리소그래피 장치는, 예를 들어 집적 회로(IC)의 제조에 사용될 수 있다. 리소그래피 장치는, 예를 들어, 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)에 있는 패턴(또는 "설계 레이아웃" 또는 "설계"로도 지칭됨)을 기판(예를 들어, 웨이퍼) 상에 제공된 방사선-감응 재료(레지스트)의 층 상에 투영할 수 있다.
기판 상에 패턴을 투영하기 위해 리소그래피 장치는 전자기 방사선을 사용할 수 있다. 이러한 방사선의 파장은 기판 상에 형성될 수 있는 피처의 최소 크기를 결정한다. 현재 사용되는 전형적인 파장은 365nm(i-line), 248nm, 193nm 및 13.5nm 이다. 4-20 nm 범위, 예를 들어 6.7 nm 또는 13.5 nm 의 파장을 갖는 극자외(EUV) 방사선을 사용하는 리소그래피 장치는, 예컨대 파장 193 nm의 방사선을 사용하는 리소그래피 장치보다 기판 상에 더 작은 피처를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
리소그래피 장치의 전통적인 분해능 한계보다 작은 치수를 갖는 피처를 처리하기 위해 로우-k1 리소그래피가 사용될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 분해능 식은 CD = k1 × λ/NA로 표현될 수 있으며, 여기서 λ는 채용된 방사선의 파장이고, NA는 리소그래피 장치에서의 투영 광학계의 개구수이고, CD는 "임계 치수"(일반적으로 인쇄되는 최소 피처 크기이지만, 이 경우 1/2 피치)이고, k1은 실험상 분해능 인자이다. 일반적으로, k1이 작을수록, 특별한 전기적 기능 및 성능을 달성하기 위해 회로 설계자가 계획한 형상 및 치수와 유사한 기판 상의 패턴을 재현하는 것이 더 어려워진다. 이러한 어려움을 극복하기 위해, 정교한 미세 조정 단계가 리소그래피 투영 장치 및/또는 설계 레이아웃에 적용될 수 있다. 예를 들어 NA의 최적화, 커스터마이즈 조명 스킴, 위상 시프팅 패터닝 디바이스의 사용, 설계 레이아웃에서의 광학 근접 보정(OPC, 종종 "광학 및 프로세스 보정"이라고도 함)과 같은 설계 레이아웃의 다양한 최적화, 또는 "분해능 향상 기법"(RET)으로 일반적으로 규정되는 기타 다른 방법이 여기에 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 대안적으로, 리소그래피 장치의 안정성을 제어하기 위한 엄격한 제어 루프가 낮은 k1에서 패턴의 재현을 개선하기 위해 사용될 수 있다.
리소그래피 분야에서, 리소그래피 장치 내부 및 리소그래피 장치 외부 양자 모두에서 많은 측정 시스템이 사용될 수 있다. 일반적으로, 그러한 측정 시스템은 타겟에 방사선을 조사하기 위한 방사선 소스, 및 타겟으로부터 산란되는 입사 방사선의 부분의 적어도 하나의 특성을 측정하도록 동작가능한 검출 시스템을 사용할 수 있다. 리소그래피 장치 외부에 있는 측정 시스템의 예는 검사 장치 또는 계측 장치이며, 이는 리소그래피 장치에 의해 기판 상에 이전에 투영된 패턴의 특성을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 검사 장치는 기판 상의 결함 또는 불완전성을 검출할 수 있다. 계측 장치는 기판의 하나 이상의 특성에 관한 데이터를 반환할 수 있으며, 여기서 데이터는 정량적 데이터일 수 있다. 외부 검사 또는 계측 장치는 예를 들어 스캐터로미터를 포함할 수 있다. 리소그래피 장치 내에 제공될 수 있는 측정 시스템의 예는: 토포그래피 측정 시스템(레벨 센서로도 알려짐); 레티클 또는 웨이퍼 스테이지의 위치를 결정하기 위한 위치 측정 시스템(예를 들어, 간섭계 디바이스); 및 정렬 마크의 위치를 결정하기 위한 정렬 센서를 포함한다. 이러한 측정 장치는 측정을 수행하기 위해 전자기 방사선을 사용할 수 있다.
계측 툴에 의한 측정의 품질은, 리소그래피 장치의 성능이 결정 및 개선될 수 있는 정도에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 기판 상의 증착된 패턴을 자세히 이해하는 것이 바람직하다.
패턴의 다른 유형의 특성을 조사하기 위해 다른 유형의 방사선이 사용될 수도 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치가 제공되는데, 섬유를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어를 포함하는 섬유; 및 중공 코어 내에 가스 혼합물을 제공하기 위한 장치를 포함한다. 가스 혼합물은 수소 성분 및 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 작동 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치가 제공되는데, 섬유를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어를 포함하는 섬유; 및 중공 코어 내에 배치된 가스 혼합물을 포함한다. 가스 혼합물은 수소 성분 및 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 작동 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따른 장치는 섬유의 중공 코어 내에 가스 혼합물을 제공함으로써 광대역 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스의 일부로서 사용될 수 있다.
작동 성분이 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 성분이라는 것은, 바꾸어 말하면, 달성되는 스펙트럼 확장이 주로 이러한 작동 성분에 의존할 수 있다는 것임을 이해할 것이다. 이것은 수소 성분이 광대역 출력 방사선의 스펙트럼에 무시할만한 영향을 미친다는 것을 뜻할 수 있음을 추가로 이해할 것이다. 이러한 스펙트럼 확장은 예를 들어 방사선이 작동 가스와 상호작용할 때 비선형 효과를 통해 이루어질 수 있다.
주파수 확장을 달성하기 위해 높은 세기의 방사선이 필요할 수 있다. 섬유에 중공 코어 설계를 갖는 이점은, 섬유를 통해 전파되는 방사선의 강한 공간적 구속을 통해 높은 세기의 방사선을 달성하여 높은 국소화된 방사선 세기를 달성할 수 있다는 점이다. 또한, (예컨대, 중실(solid) 코어 설계와 비교하여) 중공 코어 설계는 더 높은 품질의 전송 모드(예컨대, 더 큰 비율의 단일 모드 전송을 가짐)를 낳을 수 있다.
섬유 내부의 방사선 세기는 예를 들어, 높은 수신 입력 방사선 세기 및/또는 섬유 내부의 방사선의 강한 공간적 구속으로 인해 높아질 수 있다.
중공 코어 섬유를 사용하는 이점은 섬유 내부에서 안내되는 방사선의 대부분이 섬유의 중공 코어에 구속된다는 점이다. 따라서 섬유 내부의 방사선의 상호작용의 대부분은 섬유의 중공 코어 내부에 제공되는 가스 혼합물과의 상호작용이다. 결과적으로 방사선에 대한 작동 성분의 확장 효과가 증가할 수 있다.
본 발명자들은 섬유 내부의 높은 세기의 방사선으로 인해 섬유가 열화를 겪을 수 있고, 이로 인해 수명이 단축될 수 있음을 알게 되었다. 이는, 중공 코어 섬유에서 방사선의 대부분이 중공 코어에 구속되어, 섬유가 형성되는 재료(예컨대, 유리)와 섬유를 통해 전파되는 방사선 사이에 공간적 중첩이 거의 없다는 점을 감안할 때 놀라운 일이다. 예를 들어, 방사선 파워 중 기껏해야 0.5% 미만이 섬유 재료와 공간적으로 중첩될 수 있다. 또한 본 발명자들은, 수소 성분을 갖는 가스 혼합물의 이점으로서 수소 성분의 존재가 섬유의 방사선-유발 열화를 감소시킨다는 것을 알게 되었다. 결과적으로 섬유의 성능은 더 긴 방사선 노출 기간 동안 더 높은 수준으로 유지되어 섬유의 수명을 증가시킨다.
수신된 입력 방사선은 전자기 방사선일 수 있다. 방사선은 펄스형 방사선으로 수신될 수 있다. 예를 들어, 방사선은 초고속 펄스를 포함할 수 있다. 방사선이 작동 가스와 상호작용할 때 스펙트럼 확장을 위한 메커니즘은 솔리톤 형성 또는 솔리톤 분열일 수 있다.
방사선은 코히어런트 방사선일 수 있다. 방사선은 시준된 방사선일 수 있고, 그 이점은 방사선을 섬유에 결합하는 효율성을 촉진하고 향상시킬 수 있다는 점이다. 방사선은 단일 주파수 또는 좁은 범위의 주파수를 포함할 수 있다. 입력 방사선은 레이저에 의해 생성될 수 있다.
선택적으로, 장치의 광대역 출력 방사선은 방사선 주파수의 연속적인 범위를 포함할 수 있다.
광대역 범위는 연속적인 범위일 수 있다. 출력 방사선은 초연속체 방사선을 포함할 수 있다. 연속 방사선은 예를 들어 계측 응용예와 같은 여러 응용예에서 사용하기에 유용할 수 있다. 연속적인 주파수 범위는 다수의 특성을 조사하기 위해 사용될 수 있다. 연속적인 주파수 범위는 예를 들어 측정된 특성의 주파수 종속성을 결정 및/또는 제거하기 위해 사용될 수 있다.
초연속체 출력 방사선은 예를 들어 300 nm - 2000 nm의 파장 범위에 걸친 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 광대역 출력 방사선 주파수 범위는 예를 들어 400 nm - 900 nm 또는 500 nm - 900 nm 범위일 수 있다. 초연속체 출력 방사선은 백색광을 포함할 수 있다.
선택적으로, 가스 혼합물의 수소 성분은 수소 가스, 중수소 가스, 및 삼중수소 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 수소 성분은 수소 라디칼을 포함할 수 있다.
수소 성분은 수소의 임의의 동위원소를 포함할 수 있다. 한 실시예로서 수소 성분은 수소 가스(H2)로 구성된다.
선택적으로, 가스 혼합물의 작동 성분은 희가스를 포함할 수 있다.
희가스는 아르곤, 크립톤, 네온, 헬륨 및 크세논 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 희가스에 대한 대안으로서 또는 추가적으로, 작동 성분은 분자 가스(예를 들어, N2, O2, CH4, SF6)를 포함할 수 있다.
광대역 출력 방사선을 달성하기 위한 방사선의 스펙트럼 확장이 주로 작동 성분에 의해 수행되도록 보장하기 위해, 가스 혼합물 내의 수소 성분의 분율은 임계량보다 작을 수 있다.
선택적으로, 가스 혼합물에서 수소 성분의 분율은 70% 미만일 수 있다.
수소 성분의 분율은, 장치가 수신된 입력 방사선에 의한 열화에 대해 증가된 저항성을 갖도록 충분히 클 수 있다. 동시에, 수소 성분의 분율은 작동 성분의 더 큰 분율을 허용하도록 충분히 작게 유지되어, 방사선에 대한 작동 성분의 확장 효과가 향상될 수 있다. 수소 성분 또한 가스 혼합물과 상호작용하는 방사선에 대한 확장 효과를 제공할 수 있다.
수소 성분의 분율과 작동 성분의 분율은 실질적으로 전체 가스 혼합물을 구성할 수 있다. 대안적으로, 가스 혼합물은 하나 이상의 다른 성분을 포함할 수 있다. 가스 혼합물에서 하나 이상의 다른 성분의 분율은 무시할만할 수 있다.
선택적으로, 가스 혼합물에서 수소 성분의 분율은 50% 미만일 수 있다. 선택적으로, 가스 혼합물에서 수소 성분의 분율은 10% 미만이다. 선택적으로, 가스 혼합물에서 수소 성분의 분율은 2% 미만일 수 있다.
선택적으로, 섬유는 광결정 섬유일 수 있다.
선택적으로, 섬유는 중공 코어를 둘러싸는 링 구조체를 포함할 수 있다.
섬유는 중공 코어를 둘러싸는 링 구조체를 포함할 수 있다. 링 구조체는 실질적으로 섬유 단면의 중앙에 위치할 수 있다. 링 구조체는 중공 코어를 규정할 수 있다. 중공 코어는 링 구조체의 중앙부에 의해 형성될 수 있다. 링 구조체를 포함하는 중공 코어 섬유는 다른 일부 광결정 섬유에 비해 우수한 구속 특성을 갖는다는 점에서 유리할 수 있다.
링 구조체는 섬유의 중공 클래딩 부분을 포함할 수 있다. 중공 클래딩 부분의 외측 경계는 지지 슬리브의 내측 표면에 의해 지지될 수 있다. 중공 클래딩 부분은 섬유의 기다란 치수를 따라 형상이 실질적으로 일정할 수 있다. 중공 클래딩 부분은 예를 들어 형상이 실질적으로 원통형일 수 있으므로, 섬유의 기다란 치수에 수직인 단면에서 중공 클래딩 부분의 형상은 실질적으로 환형이고, 링을 형성하게 된다.
중공 클래딩 부분의 중앙 부분은 섬유의 중공 코어를 형성하거나 규정할 수 있다. 링 구조체 내부의 중공 코어의 직경은 15 내지 85μm 범위일 수 있다. 중공 코어의 직경은 중공 코어 섬유의 모드 필드 파라미터, 충격 손실, 분산, 모드 복수(modal plurality) 및 비선형성 특성에 영향을 미칠 수 있다.
선택적으로, 링 구조체는 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체를 포함할 수 있다.
링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체는 구조체들의 링으로 지칭될 수 있다. 중공으로 남아 있는 중앙 부분은 중공 코어를 규정할 수 있다. 구조체의 배열은 섬유의 중공 코어의 크기와 형상을 규정할 수 있다.
선택적으로, 복수의 구조체는 하나 이상의 반공진 요소를 포함할 수 있다. 선택적으로, 복수의 구조체는 복수의 모세관을 포함할 수 있다.
링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 구조체는 모세관일 수 있으며, 이는 튜브라고도 할 수 있다. 모세관은 중공 코어를 둘러쌀 수 있다. 모세관은 형상이 원형이거나 다른 형상을 가질 수도 있다. 모세관은 중공 모세관 코어를 둘러싸는 벽을 포함할 수 있다. 모세관 벽은 0.1 - 1.0 μm 의 벽 두께를 가질 수 있다.
구조체들의 링은 반공진 요소들의 링일 수 있으며, 여기서 반공진 요소는 모세관일 수 있다.
선택적으로, 복수의 구조체는 구조체들이 나머지 구조체들 중 어느 것과도 접촉하지 않도록 배열될 수 있다.
구조체는 서로 접촉하지 않는 방식으로 배열될 수 있다. 구조체는 섬유의 지지 슬리브의 내측 표면과 물리적으로 접촉할 수 있다.
선택적으로, 섬유는 복수의 링 구조체를 포함할 수 있고, 복수의 링 구조체 중 적어도 하나는 중공 코어를 둘러싼다.
선택적으로, 링 구조체 중 적어도 하나는 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체를 포함할 수 있다.
섬유는 다중-링 구조체로 지칭될 수 있는 복수의 링 구조체를 포함할 수 있다. 복수의 링 구조체 중 적어도 하나는 전술한 링 구조체에 대응하는 특성을 가질 수 있다. 일부 경우에 복수의 링 구조체 각각은 중공 코어를 규정한다. 하나 이상의 링 구조체는 예를 들어 모세관일 수 있는 하나 이상의 반공진 요소를 포함할 수 있다. 복수의 링 구조체는 하나의 링 구조체에 비해 섬유의 안내 및 구속 특성을 더욱 향상시키도록 협력할 수 있다. 그러나 다중-링 구조체의 제작은 단일 링 구조체의 제작보다 더 어려울 수 있다.
섬유는 하나 이상의 링 구조체 외부에 다른 구조체를 포함할 수 있다.
선택적으로, 가스 혼합물의 수소 성분은 복수의 구조체의 수명을 증가시킬 수 있다.
수명의 증가량은 섬유에 도입되는 방사선 파워의 양에 의존할 수 있다. 수명의 증가량은 또한 복수의 구조체의 특성, 예를 들어 벽 두께에 의존할 수 있다.
선택적으로, 1000시간 작동 후 성능의 열화는 2%를 초과하지 않는다.
가스 혼합물의 수소 성분으로 인한 수명의 증가는 장치의 성능 열화를 줄일 수 있다. 1000시간 작동 후 장치의 성능의 열화가 20%, 10%, 5% 또는 2%를 초과하지 않도록 가스 혼합물 내의 수소 성분과 이러한 수소 성분의 분율이 선택될 수 있다.
장치는 가스 혼합물로부터 라디칼을 형성하기 위한 라디칼 생성 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치가 제공되는데, 챔버; 섬유 - 섬유를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어를 포함하고, 섬유의 중공 코어는 챔버와 유체 연통함 -; 챔버 내부에 가스를 제공하기 위한 가스 생성 장치; 및 챔버 내에 라디칼을 제공하기 위한 라디칼 생성 장치를 포함한다.
본 발명의 이러한 양태에 따른 장치는 섬유의 중공 코어 내에 가스를 제공함으로써 광대역 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스의 일부로서 사용될 수 있다. 섬유의 중공 코어가 가스 챔버와 유체 연통하기 때문에, 챔버 내에 제공된 가스 및 라디칼은 섬유의 중공 코어에도 존재할 것이다. 유리하게도, 라디칼이 오염 물질과 반응하여, 이러한 오염 물질을 보다 쉽게 제거되는 더 작은 분자로 분해할 수 있다. 이것은 섬유에 대한 손상을 줄이고 장치의 수명을 증가시킬 수 있다.
챔버는 또한 가스 챔버 또는 가스 셀로 지칭될 수 있다.
섬유의 중공 코어가 가스 챔버와 유체 연통하는 한 가지 방법은 섬유가 가스 챔버 내에 완전히 배치되는 것일 수 있음을 이해할 것이다. 대안적으로, 섬유의 일 단부가 가스 챔버 내에 배치될 수 있고 섬유의 적어도 제2 단부는 가스 챔버 밖으로 연장될 수 있다. 그러한 실시예에서, 섬유의 적어도 제2 단부는 시일(seal)을 통해 가스 챔버 밖으로 연장될 수 있고, 제2 단부는 마찬가지로 제2 가스 챔버와 유체 연통될 수 있음을 이해할 것이다.
라디칼 생성 장치는: 분자 가스의 공급; 및 가스 분자가 해리되어 자유 라디칼을 형성하도록 하기 위해 가스의 공급에 에너지를 공급하도록 작동가능한 에너지 증착 메커니즘을 포함할 수 있다. 분자 가스의 공급은 예를 들어 가스 생성 장치에 의해 또는 또다른 별도의 소스로부터 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광대역 출력 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스가 제공되는데, 방사선 소스는 전술한 바와 같은 장치, 및 입력 방사선을 장치에 제공하도록 구성된 입력 방사선 소스를 포함한다. 장치는 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 확장시키도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 입력 방사선은 펄스형일 수 있다.
선택적으로, 광대역 출력 방사선은 적어도 1W의 평균 파워를 가질 수 있다.
선택적으로, 광대역 출력 방사선은 적어도 5W의 평균 파워를 가질 수 있다.
선택적으로, 광대역 출력 방사선은 적어도 10W의 평균 파워를 가질 수 있다.
광대역 출력 방사선은 출력 방사선의 전체 파장 대역에서 적어도 0.1 mW/nm의 파워 스펙트럼 밀도를 가질 수 있다. 출력 방사선의 전체 파장 대역에서 파워 스펙트럼 밀도는 적어도 1mW/nm일 수 있다. 출력 방사선의 전체 파장 대역에서 파워 스펙트럼 밀도는 적어도 3mW/nm일 수 있다.
선택적으로, 장치의 가스 혼합물에서 수소 성분의 분율은 섬유가 100시간 이상의 작동 동안 적어도 95%의 평균 출력 파워 안정성을 갖도록 충분히 높을 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 방사선 주파수 범위를 확장시키는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 위에서 기술한 장치를 제공하는 단계, 및 중공 코어 섬유를 통해 입력 방사선을 전파하는 단계를 포함할 수 있고, 중공 코어 섬유 내부의 가스와 입력 방사선의 상호 작용에 의해 광대역 출력 방사선을 생성하도록 입력 방사선의 주파수 범위의 확장이 유발된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판 상의 구조체의 관심 파라미터를 결정하기 위한 계측 배열체가 제공된다. 계측 배열체는 위에서 기술한 바와 같은 방사선 소스, 광대역 출력 방사선을 사용하여 기판 상의 구조체를 조명하기 위한 조명 서브시스템; 및 구조체에 의해 산란 및/또는 반사된 방사선의 일부분을 검출하고, 방사선의 상기 일부분으로부터 관심 파라미터를 결정하기 위한 검출 서브시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 위에서 기술한 바와 같은 계측 배열체를 포함하는 계측 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 위에서 기술한 바와 같은 계측 배열체를 포함하는 검사 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 위에서 기술한 바와 같은 계측 배열체를 포함하는 리소그래피 장치가 제공된다.
이제 본 발명의 실시예에 관해, 첨부된 도면을 참조로 하여 단지 예시의 목적으로 설명할 것이다.
도 1은 리소그래피 장치의 개략도이다.
도 2는 리소그래피 셀의 개략도이다.
도 3은 반도체 제조를 최적화하기 위한 세 가지 핵심 기술 간의 협력을 나타내는 홀리스틱 리소그래피의 개략적인 도면을 나타낸다.
도 4는 스캐터로미터 계측 툴의 개략도이다.
도 5은 레벨 센서 계측 툴의 개략도이다.
도 6은 정렬 센서 계측 툴의 개략도이다.
도 7은 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치를 나타낸다.
도 8은 도 7에 도시된 유형의 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치가 저장소를 더 포함하는 것을 나타낸다.
도 9(a), 9(b) 및 9(c)는 단일 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체의 배열을 도시한다.
도 10은 광대역 출력 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스의 개략도이다.
도 11은 방사선 주파수를 확장시키는 방법의 단계들의 흐름도이다.
도 12은 일 실시예에 따라 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치를 나타낸다.
도 13은 광대역 출력 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스의 개략도이며, 방사선 소스는 도 12에 도시된 바와 같이 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치를 포함한다.
도 14는 도 12에 도시된 바와 같이 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치의 일부를 형성할 수 있는 예시적인 라디칼 생성 장치의 일 실시예를 도시한다.
도 15a는 도 14에 도시된 예시적인 라디칼 생성 장치와 도 12에 도시된 바와 같은 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치의 가스 챔버를 조합하기 위한 제1 배열을 나타낸다.
도 15b는 도 14에 도시된 예시적인 라디칼 생성 장치와 도 12에 도시된 바와 같은 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치의 가스 챔버를 조합하기 위한 제2 배열을 나타낸다.
본 개시내용에서, 용어 "방사선" 및 "빔"은 자외선(예를 들어, 365, 248, 193, 157 또는 126 nm의 파장을 갖는 방사선) 및 EUV(예를 들어 약 5-100 nm 범위의 파장을 갖는 극 자외선)를 포함하는 모든 타입의 전자기 방사선을 포괄하기 위해 사용된다.
본 명세서에 사용되는 용어 "레티클", "마스크" 또는 "패터닝 디바이스"는, 기판의 타겟부에 생성될 패턴에 대응하여, 입사 방사선 빔에 패터닝된 단면을 부여하는 데 사용될 수 있는 일반적인 패터닝 디바이스를 지칭하는 것으로 넓게 해석될 수 있다. "광 밸브"라는 용어 또한 이와 관련하여 사용될 수 있다. 전통적인 마스크(투과형 또는 반사형, 바이너리, 위상 시프팅, 하이브리드 등) 이외에 다른 패터닝 디바이스의 예는, 프로그래밍 가능한 미러 어레이 및 프로그래밍 가능한 LCD 어레이를 포함한다.
도 1은 리소그래피 장치(LA)를 개략적으로 나타낸다. 리소그래피 장치(LA)는 방사선 빔(B)(예를 들어, UV 방사선, DUV 방사선 또는 EUV 방사선)을 컨디셔닝하도록 구성된 조명 시스템(조명기로도 지칭됨)(IL), 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 지지하도록 구성되고 소정 파라미터들에 따라 패터닝 디바이스(MA)를 정확히 위치설정하도록 구성된 제1 위치 설정기(PM)에 연결되는 마스크 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(T), 기판(예를 들어, 레지스트 코팅된 웨이퍼)(W)을 유지하도록 구성되고 소정 파라미터들에 따라 기판 지지체를 정확히 위치설정하도록 구성된 제2 위치 설정기(PW)에 연결되는 기판 지지체(예를 들어, 웨이퍼 테이블)(WT); 및 기판(W)의 타겟부(C)(예를 들어, 하나 이상의 다이를 포함함) 상에 패터닝 디바이스(MA)에 의해 방사선 빔(B)에 부여된 패턴을 투영하도록 구성된 투영 시스템(예를 들어, 굴절형 투영 렌즈 시스템)(PS)을 포함한다.
동작 시에 조명 시스템(IL)은, 예컨대 빔 전달 시스템(BD)을 통해 방사선 소스(SO)로부터 방사선 빔을 수광한다. 조명 시스템(IL)은 방사선을 지향, 성형 및/또는 제어하기 위해 굴절형, 반사형, 자기형, 전자기형, 정전형 및/또는 기타 다른 유형의 광학 컴포넌트 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다양한 유형의 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 조명기(IL)는 패터닝 디바이스(MA)의 평면에서 방사선 빔(B)의 단면에 원하는 공간 및 각도 세기 분포를 갖도록 방사선 빔(B)을 컨디셔닝하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "투영 시스템"(PS)이라는 용어는, 사용되는 노광 방사선에 적합하고 및/또는 액침액의 사용 또는 진공의 사용과 같은 다른 요인들에 대해 적합한 것으로서, 굴절형, 반사형, 반사굴절형, 애너모픽, 자기형, 전자기형 및/또는 정전형 광학 시스템 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다양한 유형의 투영 시스템을 포괄하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 본 명세서에서 "투영 렌즈"라는 용어의 어떠한 사용도 "투영 시스템"(PS)이라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
리소그래피 장치(LA)는 투영 시스템(PS)과 기판(W) 사이의 공간을 채우도록, 비교적 높은 굴절률을 갖는 액체, 예를 들어 물로 기판의 적어도 일부가 덮일 수 있는 유형일 수도 있고, 이는 또한 액침 리소그래피라 불린다. 액침 기술에 대한 추가 정보는 US6952253에 제공되어 있으며, 이는 본 명세서에 원용에 의해 통합된다.
리소그래피 장치(LA)는 또한 2개 이상의 기판 지지체(WT)(또한 "이중 스테이지"라고도 함)를 갖는 유형일 수도 있다. 이러한 "다중 스테이지" 기기에서는, 기판 지지체(WT)가 병렬적으로 사용될 수 있고, 및/또는 기판(W)의 후속 노광을 준비하는 단계가 기판 지지체(WT) 중 하나에 위치된 기판(W) 상에서 수행되면서, 나머지 기판 지지체(WT) 상의 또 다른 기판(W)은 이러한 다른 기판(W) 상에 패턴을 노광하기 위해 이용될 수 있다.
기판 지지체(WT) 이외에, 리소그래피 장치(LA)는 측정 스테이지를 포함할 수 있다. 측정 스테이지는 센서 및/또는 세정 디바이스를 유지하도록 배열된다. 센서는 투영 시스템(PS)의 특성 또는 방사선 빔(B)의 특성을 측정하도록 배열될 수 있다. 측정 스테이지는 다수의 센서를 보유할 수 있다. 세정 디바이스는 리소그래피 장치의 일부, 예를 들어 투영 시스템(PS)의 일부 또는 액침액을 제공하는 시스템의 일부를 세정하도록 배열될 수 있다. 기판 지지체(WT)가 투영 시스템(PS)으로부터 떨어져 있을 때 측정 스테이지는 투영 시스템(PS) 아래로 이동할 수 있다.
동작 시에, 방사선 빔(B)은 마스크 지지체(T) 상에 유지되는 패터닝 디바이스, 예컨대 마스크(MA) 상에 입사되고, 패터닝 디바이스(MA) 상에 존재하는 패턴(설계 레이아웃)에 의해 패터닝된다. 마스크(MA)를 거친 후에, 방사선 빔(B)은 투영 시스템(PS)을 통과하게 되며, 투영 시스템(PS)은 기판(W)의 타겟부(C) 상으로 빔을 포커싱한다. 제2 위치설정기(PW) 및 위치 측정 시스템(IF)의 도움으로, 기판 지지체(WT)는 예를 들어, 방사선 빔(B)의 경로 내에서 포커싱되고 및 정렬된 위치에 다양한 타겟부(C)를 위치설정하기 위해 정확하게 이동될 수 있다. 마찬가지로, 제1 위치 설정기(PM) 및 가능하게는 또 다른 위치 센서(도 1에는 명확히 도시되지는 않음)가 방사선 빔(B)의 경로에 대해 패터닝 디바이스(MA)를 정확히 위치설정하기 위해 사용될 수 있다. 패터닝 디바이스(MA) 및 기판(W)은 마스크 정렬 마크(M1, M2) 및 기판 정렬 마크(P1, P2)를 사용하여 정렬될 수 있다. 도시된 바와 같이 기판 정렬 마크(P1, P2)는 전용화된 타겟부를 점유하지만, 이들은 타겟부 사이의 공간에 위치할 수도 있다. 기판 정렬 마크(P1, P2)는 이들이 타겟부(C) 사이에 위치될 때 스크라이브-레인 정렬 마크로 알려져 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 리소그래피 장치(LA)는 리소그래피 셀(LC)의 일부를 형성할 수 있는데, 이는 때때로 리소셀 또는 (리소) 클러스터라고도 하며, 종종 기판(W)에 노광 전 및 노광 후 프로세스를 수행하는 장치를 포함한다. 통상적으로 이들은 레지스트 층을 증착하기 위한 스핀 코터(SC), 노광된 레지스트를 현상하기 위한 현상기(DE), 냉각 플레이트(CH) 및 베이크 플레이트(BK)를 포함하며, 이들은 예를 들어 기판(W)의 온도를 컨디셔닝하기 위한 것이며, 예컨대 레지스트 층에서 용매를 컨디셔닝하기 위한 것이다. 기판 핸들러 또는 로봇(RO)이 입력/출력 포트(I/O1, I/O2)로부터 기판(W)을 픽업하여, 이를 상이한 프로세스 장치 간에 이동시키며, 리소그래피 장치(LA)의 로딩 베이(LB)에 기판(W)을 전달한다. 통칭하여 트랙으로도 지칭되는 리소셀 내의 이들 디바이스는 통상적으로 감독 제어 시스템(SCS)에 의해 제어될 수 있는 트랙 제어 유닛(TCU)의 제어 하에 있게 되며, 감독 제어 시스템은 또한 예컨대 리소그래피 제어 유닛(LACU)을 통해 리소그래피 장치를 제어할 수 있다.
리소그래피 장치(LA)에 의해 노광되는 기판(W)이 정확하고 일관되게 노광되도록, 기판을 검사하여 후속하는 층들 간의 오버레이 오차, 라인 두께, 임계 치수(CD) 등의 패터닝된 구조체의 속성을 측정하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 검사 툴(미도시)이 리소 셀(LC)에 포함될 수 있다. 오차가 검출되는 경우, 특히 동일한 배치(batch) 또는 로트의 다른 기판(W)이 노광되거나 처리되기 전에 검사가 수행된다면, 예를 들어 후속 기판의 노광에 대해 또는 기판(W) 상에서 수행될 다른 처리 단계에 대해 조정이 이루어질 수 있다.
검사 장치(계측 장치라고도 칭할 수도 있음)가 기판(W)의 속성을 결정하는 데 사용되며, 특히 동일한 기판(W)의 상이한 층들과 연관되는 속성이 층마다 어떻게 달라지는지 또는 상이한 기판들(W)의 속성이 어떻게 달라지는지를 결정하는 데 사용된다. 검사 장치는 대안적으로 기판(W) 상의 결함을 식별하도록 구성될 수 있고, 예를 들어 리소 셀(LC)의 일부일 수 있거나, 리소그래피 장치(LA)에 통합될 수 있거나, 심지어 독립형 디바이스일 수도 있다. 검사 장치는 잠상(노광 후 레지스트 층 내의 이미지) 또는 반잠상 이미지(노광후 베이크 단계(PEB) 이후 레지스트 층 내의 이미지), 또는 현상된 레지스트 이미지(레지스트의 노광된 부분 또는 노광되지 않은 부분이 제거됨), 또는 심지어 에칭된 이미지(에칭 등의 패턴 전사 단계 이후)에 대해 속성을 측정할 수 있다.
일반적으로 리소그래피 장치(LA)에서의 패터닝 프로세스는 기판(W) 상의 구조체의 치수설정 및 배치의 높은 정확도를 요하는 처리에 있어서 가장 중요한 단계 중 하나이다. 이러한 높은 정확도를 보장하기 위해 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 3개의 시스템이 소위 "홀리스틱" 제어 환경으로 조합될 수 있다. 이들 시스템 중 하나는 계측 툴(MT)(제2 시스템) 및 컴퓨터 시스템(CL)(제3 시스템)에 (가상으로) 연결된 리소그래피 장치(LA)이다. 이러한 "홀리스틱" 환경의 핵심은 이들 3개의 시스템 사이의 협력을 최적화하여 전체적인 프로세스 윈도우를 향상시키고 리소그래피 장치(LA)에 의해 수행된 패터닝이 프로세스 윈도우 내에 유지되도록 엄격한 제어 루프를 제공하는 것이다. 프로세스 윈도우는 특정 제조 프로세스가 규정된 결과(예를 들어, 기능 반도체 디바이스)를 생성하게 되는 프로세스 파라미터(예를 들어, 선량, 포커스, 오버레이)의 범위를 규정한다 - 일반적으로 이러한 윈도우 내에서 리소그래피 프로세스 또는 패터닝 프로세스의 프로세스 파라미터가 변화하도록 허용된다.
컴퓨터 시스템(CL)은, 어떤 분해능 향상 기법을 사용할지를 예측하고 어느 마스크 레이아웃 및 리소그래피 장치 설정이 패터닝 프로세스의 가장 큰 전체 프로세스 윈도우를 달성하는지를 결정하도록 컴퓨테이션 리소그래피 시뮬레이션 및 계산을 수행하기 위해 패터닝될 설계 레이아웃(의 일부)을 사용할 수 있다(도 3에서 첫 번째 스케일 SC1에 양방향 화살표로 표시됨). 전형적으로, 분해능 향상 기법은 리소그래피 장치(LA)의 패터닝 가능성과 매칭되도록 구성된다. 컴퓨터 시스템(CL)은 또한, 예컨대 최적이 아닌 처리로 인해 결함이 존재할 수 있는지를 예측하기 위해, (예를 들어, 계측 툴(MT)으로부터의 입력을 사용하여) 프로세스 윈도우 내의 어느 곳에서 리소그래피 장치(LA)가 현재 작동하는 중인지를 검출하기 위해 사용될 수도 있다(예를 들어, 도 3에서 두 번째 스케일 SC2에 "0"을 가리키는 화살표로 도시됨).
계측 툴(MT)은 정확한 시뮬레이션 및 예측을 가능하게 하도록 컴퓨터 시스템(CL)에 입력을 제공할 수 있고, 예를 들면 리소그래피 장치(LA)의 교정 상태에 있어서, 가능한 드리프트를 식별하기 위해 리소그래피 장치(LA)에 피드백을 제공할 수 있다(도 3에서 세 번째 스케일 SC3에 다수의 화살표로 도시됨). 리소그래피 장치 및/또는 패터닝될 기판에 관한 하나 이상의 특성을 측정하기 위한 상이한 유형의 계측 툴(MT)에 관해 이제 설명할 것이다.
리소그래피 프로세스에서는, 예를 들어 프로세스 제어 및 검증을 위해 생성된 구조체를 자주 측정하는 것이 바람직하다. 이러한 측정을 수행하는 툴은 일반적으로 계측 툴(MT)이라고 한다. 주사 전자 현미경 또는 다양한 형태의 스케터로미터 계측 툴(MT)을 포함하여, 이러한 측정을 수행하기 위한 다양한 유형의 계측 툴(MT)이 알려져 있다. 스캐터로미터는, 이러한 스캐터로미터의 대물계의 퓨필 평면 또는 퓨필 평면과 공액인 평면에 센서를 구비함으로써(이 경우 측정은 일반적으로 퓨필 기반 측정이라 함) 또는 이미지 평면 또는 이러한 이미지 평면에 공액인 평면에 센서를 구비함으로써(이 경우 측정은 이미지 또는 필드 기반 측정이라 함) 리소그래피 프로세스의 파라미터의 측정을 가능하게 하는 다목적 기구이다. 이러한 스캐터로미터 및 관련 측정 기법은 특허 출원 US20100328655, US2011102753A1, US20120044470A, US20110249244, US20110026032 또는 EP1,628,164A에 추가로 설명되어 있으며, 이러한 문헌의 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 전술한 스캐터로미터는 연질 x-선 및 가시광선에서부터 근적외선에 이르는 파장 범위의 광을 사용하여 격자를 측정할 수 있다.
제1 실시예에서, 스캐터로미터(MT)는 각도 분해 스캐터로미터이다. 이러한 스캐터로미터에서 격자의 특성을 재구성하거나 계산하기 위해 측정된 신호에 재구성 방법이 적용될 수 있다. 이러한 재구성은, 예를 들어 산란된 방사선과 타겟 구조체의 수학적 모델과의 상호 작용을 시뮬레이션하고 그 시뮬레이션 결과와 측정의 결과를 비교한 결과일 수 있다. 수학적 모델의 파라미터는 시뮬레이션된 상호 작용이 실제 타겟으로부터 관측된 것과 유사한 회절 패턴을 생성할 때까지 조정된다.
제2 실시예에서, 스캐터로미터(MT)는 분광 스캐터로미터이다. 이러한 분광 스캐터로미터(MT)에서, 방사선 소스에 의해 방출된 방사선은 타겟으로 지향되고 타겟으로부터 반사 또는 산란된 방사선은 분광계 검출기로 지향되어, 정반사된 방사선의 스펙트럼(즉, 파장의 함수로서의 세기 측정)을 측정하게 된다. 이러한 데이터로부터, 검출된 스펙트럼을 생성하는 타겟의 구조 또는 프로파일이 예를 들어 엄격 결합파 분석 및 비선형 회귀에 의해 또는 시뮬레이션된 스펙트럼의 라이브러리와의 비교에 의해 재구성될 수 있다.
제3 실시예에서, 스캐터로미터(MT)는 타원계측 스캐터로미터이다. 타원계측 스캐터로미터는 각각의 편광 상태에 대해 산란된 방사선을 측정함으로써 리소그래피 프로세스의 파라미터를 결정할 수 있게 한다. 이러한 계측 장치는 예를 들어 계측 장치의 조명 섹션에서 적절한 편광 필터를 사용함으로써 편광된 광(예를 들어, 선형, 원형 또는 타원형 편광된 광)을 방출한다. 계측 장치에 적합한 소스는 또한 편광된 방사선을 제공할 수 있다. 기존의 타원계측 스캐터로미터의 다양한 실시예가 미국 특허 출원 11/451,599, 11/708,678, 12/256,780, 12/486,449, 12/920,968, 12/922,587, 13/000,229, 13/033,135, 13/533,110 및 13/891,410 등에 개시되어 있으며, 이들 문헌은 원용에 의해 전체로서 본원에 포함된다.
스캐터로미터(MT)의 일 실시예에서, 스캐터로미터(MT)는 반사 스펙트럼 및/또는 검출 구성에서 비대칭을 측정함으로써 2개의 오정렬된 격자 또는 주기적 구조체의 오버레이를 측정하도록 적응되며, 비대칭은 오버레이의 정도와 관련된다. 2개의 (전형적으로 중첩되는) 격자 구조체가 2개의 상이한 층(반드시 연속된 층일 필요는 없음)에 적용될 수 있고, 웨이퍼 상의 실질적으로 동일한 위치에 형성될 수 있다. 스캐터로미터는 예를 들어 공동 특허 출원 EP1,628,164A에 기술된 바와 같은 대칭적인 검출 구성을 가질 수 있고, 따라서 임의의 비대칭이 명확하게 구별될 수 있다. 이는 격자의 오정렬을 측정하는 간단한 방법을 제공하게 된다. 주기적 구조체의 비대칭을 통해 타겟이 측정될 때 주기적 구조체를 함유하는 2개의 층 사이의 오버레이 오차를 측정하기 위한 추가의 예는 PCT 특허 출원 공보 WO 2011/012624 또는 미국 특허 출원 US 20160161863에서 찾을 수 있고, 이러한 문헌은 원용에 의해 전체 내용이 본원에 통합된다.
관심 있는 다른 파라미터는 초점과 선량일 수 있다. 초점 및 선량은 미국 특허 출원 US2011-0249244에 기재된 바와 같이 산란계측에 의해(또는 대안적으로 주사 전자 현미경에 의해) 동시에 결정될 수도 있으며, 이러한 문헌의 내용은 원용에 의해 전체로서 본원에 통합된다. 초점 에너지 매트릭스(FEM - 초점 노출 매트릭스라고도 함)에서 각각의 포인트에 대한 임계 치수 및 측벽 각도 측정치의 고유한 조합을 갖는 단일 구조체가 사용될 수도 있다. 임계 치수와 측벽 각도의 이러한 고유한 조합을 사용할 수 있는 경우 초점 및 선량 값은 이러한 측정치로부터 고유하게 결정될 수 있다.
계측 타겟은, 주로 레지스트에, 하지만 예컨대 에칭 프로세스 이후에도, 리소그래피 프로세스에 의해 형성된 복합 격자의 앙상블일 수 있다. 전형적으로 격자 내의 구조체의 피치 및 라인폭은 계측 타겟으로부터 기인한 회절 차수를 캡처할 수 있도록 하는 측정 광학계(특히 광학계의 NA)에 크게 의존한다. 앞서 언급한 바와 같이, 회절된 신호는 두 개의 층들 사이의 시프트('오버레이'라고도 함)를 결정하는 데 사용되거나 리소그래피 프로세스에 의해 생성된 원래 격자의 적어도 일부를 재구성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 재구성은 리소그래피 프로세스의 품질에 대한 안내를 제공하는 데 사용될 수 있으며 리소그래피 프로세스의 적어도 일부를 제어하는 데 사용될 수 있다. 타겟은 더 작은 하위 세그먼트들을 가질 수 있고, 이들은 타겟에서 설계 레이아웃의 기능적 부분의 치수를 모방하도록 구성된다. 이러한 하위 세그먼트화로 인해, 전체 프로세스 파라미터 측정이 설계 레이아웃의 기능적 부분에 더 유사하게 되도록 타겟은 설계 레이아웃의 기능적 부분과 더 유사하게 거동할 것이다. 타겟은 언더필 모드 또는 오버필 모드로 측정될 수 있다. 언더필 모드에서는 측정 빔이 전체 타겟보다 작은 스폿을 생성한다. 오버필 모드에서는 측정 빔이 전체 타겟보다 큰 스폿을 생성한다. 이러한 오버필 모드에서는, 상이한 타겟을 동시에 측정하여 상이한 프로세싱 파라미터를 동시에 결정할 수도 있다.
특정 타겟을 사용하는 리소그래피 파라미터의 전체적인 측정 품질은 이러한 리소그래피 파라미터를 측정하는 데에 사용되는 측정 레시피에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. "기판 측정 레시피"라는 용어는 측정 자체의 하나 이상의 파라미터, 측정된 하나 이상의 패턴의 하나 이상의 파라미터, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 측정 레시피에 사용된 측정이 회절 기반 광학 측정인 경우, 측정의 하나 이상의 파라미터는 방사선의 파장, 방사선의 편광, 기판에 대한 방사선의 입사각, 기판 상의 패턴에 대한 방사선의 배향 등을 포함할 수 있다. 측정 레시피를 선택하는 기준 중 하나는 예를 들어, 프로세싱 변동에 대한 측정 파라미터 중 하나의 감도일 수 있다. 추가적인 예가 미국 특허 출원 US2016-0161863 및 공개된 미국 출원 US 2016/0370717A1에 기술되어 있으며, 이들은 원용에 의해 전체로서 본원에 포함된다.
스캐터로미터(SM1) 등의 계측 장치가 도 4에 도시되어 있다. 이는 기판(6) 상에 방사선을 투영하는 광대역(백색광) 방사선 투영기(2)를 포함한다. 반사 또는 산란 방사선은 정반사된 방사선의 스펙트럼(10)(즉, 파장(λ)의 함수로서의 세기(In1)의 측정치)을 측정하는 분광계 검출기(4)로 전달된다. 이 데이터로부터, 검출된 스펙트럼을 발생시키는 구조체 또는 프로파일이 처리 유닛(PU)에 의해 재구성될 수 있으며, 이는 예를 들어, 정밀 결합파 분석 및 비선형 회귀 분석에 의해 또는 도 4의 하단에 표시된 바와 같은 시뮬레이션된 스펙트럼 라이브러리와의 비교를 통해 이루어진다. 일반적으로, 이러한 재구성을 위해, 구조체의 일반적인 형태가 알려져 있으며, 일부 파라미터는 구조체가 만들어진 프로세스에 대한 지식으로부터 추정되고, 산란계측 데이터로부터 결정되어야 하는 구조체의 몇 가지 파라미터만이 남게 된다. 이러한 스캐터로미터는 수직 입사 스캐터로미터 또는 경사 입사 스캐터로미터로 구성될 수 있다.
리소그래피 프로세스에서는, 예를 들어 프로세스 제어 및 검증을 위해 생성된 구조체를 자주 측정하는 것이 바람직하다. 주사 전자 현미경 또는 다양한 형태의 계측 장치, 예컨대 스캐터로미터를 포함하여, 이러한 측정을 수행하기 위한 다양한 툴이 알려져 있다. 알려진 스캐터로미터의 예는 종종, 언더필된 타겟(측정 빔이 격자보다 작은 스폿을 생성할 수 있을 정도로 큰 타겟 - 단순한 격자 또는 상이한 층들에서의 중첩되는 격자들의 형태임) 또는 오버필된 타겟(조명 스폿이 타겟을 부분적으로 또는 완전히 포함하게 됨)과 같은 전용화된 계측 타겟의 제공에 의존한다. 또한, 계측 툴, 예를 들어 언더필된 타겟, 예컨대 격자를 조명하는 각도 분해 스캐터로미터의 사용은, 산란 방사선과 타겟 구조체의 수학적 모델과의 상호작용을 시뮬레이션하고 시뮬레이션 결과를 측정 결과와 비교함으로써 격자의 속성이 계산될 수 있는 소위 재구성 방법의 사용을 가능하게 한다. 모델의 파라미터는 시뮬레이션된 상호 작용이 실제 타겟으로부터 관측된 것과 유사한 회절 패턴을 생성할 때까지 조정된다.
스캐터로미터는, 이러한 스캐터로미터의 대물계의 퓨필 평면 또는 퓨필 평면과 공액인 평면에 센서를 구비함으로써(이 경우 측정은 일반적으로 퓨필 기반 측정이라 함) 또는 이미지 평면 또는 이러한 이미지 평면에 공액인 평면에 센서를 구비함으로써(이 경우 측정은 이미지 또는 필드 기반 측정이라 함) 리소그래피 프로세스의 파라미터의 측정을 가능하게 하는 다목적 기구이다. 이러한 스캐터로미터 및 관련 측정 기법은 특허 출원 US20100328655, US2011102753A1, US20120044470A, US20110249244, US20110026032 또는 EP1,628,164A에 추가로 설명되어 있으며, 이러한 문헌의 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 전술한 스캐터로미터는 연질 x-선 및 가시광선 내지 근적외선에 이르는 범위의 광을 사용하여 다수의 격자로부터 다수의 타겟을 하나의 이미지로 측정할 수 있다.
리소그래피 장치에 통합될 수 있는 토포그래피 측정 시스템, 레벨 센서 또는 높이 센서는 기판(또는 웨이퍼)의 상면의 토포그래피를 측정하도록 배열된다. 높이 맵이라고도 하는 기판의 토포그래피 맵은 기판 상의 위치의 함수로서 기판의 높이를 나타내도록 이들 측정치로부터 생성될 수 있다. 이러한 높이 맵은 기판 상의 적절한 초점 위치에 패터닝 디바이스의 공간상을 제공하기 위해 기판 상의 패턴의 전사 동안에 기판의 위치를 수정하는 데에 후속적으로 사용될 수도 있다. 이러한 문맥에서 "높이"는 광범위하게 기판에 대해 평면으로부터 벗어난 치수(Z-축으로도 지칭됨)를 지칭하는 것으로 이해될 것이다. 일반적으로, 레벨 또는 높이 센서는 (자체 광학 시스템에 대해) 고정된 위치에서 측정을 수행하고, 기판과 레벨 또는 높이 센서의 광학 시스템 사이의 상대 이동을 통해 기판을 가로지르는 위치에서 높이 측정이 일어나게 된다.
당업계에 공지된 바와 같은 레벨 또는 높이 센서(LS)의 예가 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며, 이는 작동 원리만을 예시한다. 이러한 예에서, 레벨 센서는 투영 유닛(LSP) 및 검출 유닛(LSD)을 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 투영 유닛(LSP)은 투영 유닛(LSP)의 투영 격자(PGR)에 의해 부여되는 방사선 빔(LSB)을 제공하는 방사선 소스(LSO)를 포함한다. 방사선 소스(LSO)는, 예를 들어 초연속체 광원과 같은 협대역 또는 광대역 방사선 소스, 편광 또는 비편광, 펄스형 또는 연속형, 예를 들어 편광 또는 비편광 레이저 빔일 수 있다. 방사선 소스(LSO)는 복수의 LED와 같이 서로 다른 색상 또는 파장 범위를 갖는 복수의 방사선 소스를 포함할 수 있다. 레벨 센서(LS)의 방사선 소스(LSO)는 가시 방사선으로 제한되지 않고, 추가적으로 또는 대안적으로 UV 및/또는 IR 방사선 및 기판의 표면으로부터 반사되기에 적합한 임의의 범위의 파장을 포괄할 수 있다.
투영 격자(PGR)는 주기적으로 변화하는 세기를 갖는 방사선 빔(BE1)을 생성하는 주기적 구조를 포함하는 주기적 격자이다. 주기적으로 변화하는 세기를 갖는 방사선 빔(BE1)은, 0도 내지 90도로, 통상적으로 70도 내지 80도로, 입사 기판 표면에 수직인 축(Z축)에 대해 입사각(ANG)을 갖고 기판(W) 상의 측정 위치(MLO)를 향해 지향된다. 측정 위치(MLO)에서, 패터닝된 방사선 빔(BE1)은 기판(W)에 의해 반사되고(화살표 BE2로 표시됨) 검출 유닛(LSD)을 향해 지향된다.
측정 위치(MLO)에서의 높이 레벨을 결정하기 위해, 레벨 센서는 검출 격자(DGR), 검출기(DET) 및 검출기(DET)의 출력 신호를 처리하기 위한 처리 유닛(미도시)을 포함하는 검출 시스템을 더 포함한다. 검출 격자(DGR)는 투영 격자(PGR)와 동일할 수도 있다. 검출기(DET)는, 광검출기와 같이, 수신된 광을 나타내거나(예컨대 수신된 광의 세기를 나타내거나) 카메라와 같이 수신된 세기의 공간적 분포를 나타내는 검출기 출력 신호를 생성한다. 검출기(DET)는 하나 이상의 검출기 유형의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
삼각 측량 기법을 사용하여 측정 위치(MLO)에서의 높이 레벨을 결정할 수 있다. 검출된 높이 레벨은 일반적으로 검출기(DET)에 의해 측정된 신호 강도와 관련되며, 이러한 신호 강도는 특히 투영 격자(PGR)의 설계 및 (비스듬한) 입사각(ANG)에 의존하는 주기성을 갖는다.
투영 유닛(LSP) 및/또는 검출 유닛(LSD)은 투영 격자(PGR)와 검출 격자(DGR) 사이의 패터닝된 방사선 빔의 경로를 따라 렌즈 및/또는 거울과 같은 추가 광학 요소를 포함할 수 있다(도시되지 않음).
일 실시예에서, 검출 격자(DGR)는 생략될 수 있고, 검출 격자(DGR)가 배치된 위치에 검출기(DET)가 배치될 수도 있다. 이러한 구성은 투영 격자(PGR)의 이미지에 대한 보다 직접적인 감지를 제공한다.
기판(W)의 표면을 효과적으로 커버하기 위해, 레벨 센서(LS)는 기판(W)의 표면 상에 측정 빔(BE1)의 어레이를 투영하도록 구성될 수 있고, 이로써 더 큰 측정 범위를 커버하는 측정 영역(MLO) 또는 스폿의 어레이를 생성할 수 있다.
일반적인 유형의 다양한 높이 센서가 예를 들어 US7265364 및 US7646471에 개시되어 있으며, 이러한 문헌 모두 원용에 의해 포함된다. 가시광선 또는 적외선 대신 UV 방사선을 사용하는 높이 센서가 US2010233600A1에 개시되어 있으며, 이러한 문헌은 원용에 의해 포함된다. 원용에 의해 포함되는 WO2016102127A1에서는 검출 격자를 필요로 하지 않으면서 격자 이미지의 위치를 검출하고 인식하기 위해 다중-요소 검출기를 사용하는 컴팩트한 높이 센서에 관해 설명하고 있다.
위치 측정 시스템(PMS)은 기판 지지체(WT)의 위치를 결정하기에 적합한 임의의 유형의 센서를 포함할 수 있다. 위치 측정 시스템(PMS)은 마스크 지지체(MT)의 위치를 결정하기에 적합한 임의의 유형의 센서를 포함할 수 있다. 센서는 간섭계 또는 인코더와 같은 광학 센서일 수 있다. 위치 측정 시스템(PMS)은 간섭계와 인코더의 결합된 시스템을 포함할 수 있다. 센서는 자기 센서, 용량성 센서 또는 유도성 센서와 같은 다른 유형의 센서일 수 있다. 위치 측정 시스템(PMS)은 기준, 예를 들어 계측 프레임(MF) 또는 투영 시스템(PS)에 대한 위치를 결정할 수 있다. 위치 측정 시스템(PMS)은 위치를 측정함으로써 또는 속도 또는 가속도와 같은 위치의 시간 도함수를 측정함으로써 기판 테이블(WT) 및/또는 마스크 지지체(MT)의 위치를 결정할 수 있다.
위치 측정 시스템(PMS)은 인코더 시스템을 포함할 수 있다. 인코더 시스템은 예를 들어, 2006년 9월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 US2007/0058173A1로부터 알려져 있으며, 이러한 문헌의 내용은 원용에 의해 본원에 통합된다. 인코더 시스템은 인코더 헤드, 격자 및 센서를 포함한다. 인코더 시스템은 1차 방사선 빔 및 2차 방사선 빔을 수신할 수 있다. 1차 방사선 빔과 2차 방사선 빔 모두 동일한 방사선 빔, 즉 원래의 방사선 빔에서 유래한 것이다. 1차 방사선 빔과 2차 방사선 빔 중 적어도 하나는 원래의 방사선 빔을 격자로 회절시킴으로써 생성된다. 1차 방사선 빔과 2차 방사선 빔 양자 모두가 원래 방사선 빔을 격자로 회절시킴으로써 생성되는 경우, 1차 방사선 빔은 2차 방사선 빔과 상이한 회절 차수를 가질 필요가 있다. 상이한 회절 차수는 예를 들어 +1차, -1차, +2차 및 -2차이다. 인코더 시스템은 1차 방사선 빔과 2차 방사선 빔을 광학적으로 결합하여 결합된 방사선 빔이 되게 한다. 인코더 헤드 내의 센서는 결합된 방사선 빔의 위상 또는 위상차를 결정한다. 센서는 위상 또는 위상차를 기반으로 신호를 생성한다. 신호는 격자에 대한 인코더 헤드의 위치를 나타낸다. 인코더 헤드 및 격자 중 하나는 기판 지지체(WT) 상에 배열될 수 있다. 인코더 헤드 및 격자 중 다른 하나는 계측 프레임(MF) 또는 베이스 프레임(BF) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 인코더 헤드가 계측 프레임(MF) 상에 배열되는 한편, 격자는 기판 지지체(WT)의 상부 표면에 배열된다. 다른 예로서, 격자는 기판 지지체(WT)의 바닥 표면에 배열되고 인코더 헤드는 기판 지지체(WT) 아래에 배열된다.
위치 측정 시스템(PMS)은 간섭계 시스템을 포함할 수 있다. 간섭계 시스템은 예를 들어, 1998년 7월 13일자로 출원된 미국 특허 US6,020,964로부터 알려져 있으며, 이러한 문헌의 내용은 원용에 의해 본원에 통합된다. 간섭계 시스템은 빔 스플리터, 미러, 기준 미러 및 센서를 포함할 수 있다. 방사선 빔은 빔 스플리터에 의해 기준 빔과 측정 빔으로 분할된다. 측정 빔은 미러로 전파되고 미러에 의해 빔 스플리터로 다시 반사된다. 기준 빔은 기준 미러로 전파되고 기준 미러에 의해 다시 빔 스플리터로 반사된다. 빔 스플리터에서, 측정 빔과 기준 빔은 결합된 방사선 빔으로 결합된다. 결합된 방사선 빔이 센서 상에 입사된다. 센서는 결합된 방사선 빔의 위상 또는 주파수를 결정한다. 센서는 위상 또는 주파수를 기반으로 신호를 생성한다. 신호는 미러의 변위를 나타낸다. 일 실시예에서, 미러는 기판 지지체(WT)에 연결된다. 기준 미러는 계측 프레임(MF)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 측정 빔 및 기준 빔은 빔 스플리터 대신에 추가적인 광학 컴포넌트에 의해 결합된 방사선 빔으로 결합된다.
복잡한 디바이스의 제조에 있어서, 전형적으로 수많은 리소그래피 패터닝 단계가 수행되어, 기판 상의 연속된 층들에 기능 피처들을 형성하게 된다. 따라서, 리소그래피 장치의 성능의 중요한 양상은 이전 층에 (동일한 장치 또는 상이한 리소그래피 장치에 의해) 레이아웃된 피처들과 관련하여 적용된 패턴을 올바르고 정확하게 배치할 수 있는 능력이다. 이러한 목적을 위해, 기판에는 하나 이상의 마크 세트가 제공된다. 각각의 마크는 나중에 위치 센서, 일반적으로 광학 위치 센서를 사용하여 위치를 측정할 수 있는 구조체이다. 위치 센서는 "정렬 센서"로 지칭될 수 있고 마크는 "정렬 마크"로 지칭될 수 있다. 마크는 계측 타겟이라고도 할 수 있다.
리소그래피 장치는 기판 상에 제공된 정렬 마크들의 위치들이 정확하게 측정될 수 있는 하나 이상의(예컨대, 복수의) 정렬 센서들을 포함할 수 있다. 정렬(또는 위치) 센서는 회절 및 간섭과 같은 광학적 현상을 이용하여 기판에 형성된 정렬 마크로부터 위치 정보를 얻을 수 있다. 현재 리소그래피 장치에서 널리 사용되는 정렬 센서의 일례는 미국 특허 제6,961,116 호에 기재된 자기-참조 간섭계에 기초한다. 예를 들어 US2015261097A1에 개시된 바와 같이 위치 센서의 다양한 개선 및 수정사항이 발전되어 왔다. 이들 문헌 모두의 내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.
마크 또는 정렬 마크는 기판 상에 제공된 층 상에 또는 층 내에 형성되거나 기판 내에 (직접) 형성된 일련의 바아를 포함할 수 있다. 이들 바아는, 마크가 잘 알려진 공간 주기(피치)를 갖는 회절 격자로 간주될 수 있도록, 규칙적으로 이격되어 있고 격자 라인으로서 기능할 수 있다. 이러한 격자 라인의 방향에 따라, X축을 따라 또는 Y축(X축에 실질적으로 수직 배향됨)을 따라 위치의 측정을 가능하게 할 수 있도록 마크가 설계될 수 있다. X축 및 Y축 양자 모두에 대해 +45도 및/또는 -45도로 배열되는 바아를 포함하는 마크는 US2009/195768A에 설명한 바와 같은 기술을 사용하여 조합된 X- 및 Y- 측정을 허용하며, 이러한 문헌의 내용은 원용에 의해 본원에 통합된다.
정렬 센서는 방사선 스폿을 이용해 광학적으로 각 마크를 스캔하여, 정현파와 같이 주기적으로 변하는 신호를 얻게 된다. 이러한 신호의 위상을 분석하여 정렬 센서에 대해 상대적인 마크의 위치와 따라서 기판의 위치를 결정하게 되고, 정렬 센서는 리소그래피 장치의 기준 프레임에 대해 고정된다. 정렬 센서가 주기적인 신호의 서로 상이한 사이클들 뿐만 아니라 한 사이클 내의 정확한 위치(위상)를 구별할 수 있도록, 상이한 (개략적 및 미세) 마크 치수와 관련된 소위 개략적 마크와 미세 마크가 제공될 수 있다. 서로 상이한 피치의 마크도 이러한 목적으로 사용할 수 있다.
마크의 위치를 측정하는 것은, 마크가 예컨대 웨이퍼 그리드의 형태로 제공되는 기판의 변형에 대한 정보도 제공할 수 있다. 기판의 변형은, 예를 들어 기판이 방사선에 노출될 때 기판 테이블에 대한 기판의 정전기적 클램핑 및/또는 기판의 가열에 의해 발생할 수 있다.
도 6은 원용에 의해 포함되는 예를 들어 US6961116에 설명되어 있는 것과 같은 공지된 정렬 센서(AS)의 실시예의 개략적인 블록도이다. 방사선 소스(RSO)는, 조명 스폿(SP)으로서, 기판(W) 상에 위치된 마크(AM)와 같은 마크 상으로 방향전환 광학계에 의해 방향전환되는 하나 이상의 파장의 방사선 빔(RB)을 제공한다. 이러한 예에서 방향전환 광학계는 스폿 미러(SM)와 대물 렌즈(OL)를 포함한다. 마크(AM)가 조명되는 조명 스폿(SP)은 마크 자체의 폭보다 직경이 약간 작을 수 있다.
마크(AM)에 의해 회절된 방사선은 정보 전달 빔(IB)으로 시준된다(이러한 예에서는 대물 렌즈(OL)를 통해). "회절된"이라는 용어는 마크로부터의 0차 회절(반사라고 할 수 있음)을 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 위에서 언급된 US6961116에 개시된 유형의 자기-참조 간섭계(SRI)는 빔이 광검출기(PD)에 의해 수광된 후에 빔(IB)과 자체적으로 간섭한다. 방사선 소스(RSO)에 의해 둘 이상의 파장이 생성되는 경우 별도의 빔들을 제공하기 위해 추가의 광학계(도시되지 않음)가 포함될 수 있다. 광검출기는 단일 요소일 수 있거나 필요한 경우 다수의 픽셀을 포함할 수도 있다. 광검출기는 센서 어레이를 포함할 수 있다.
이러한 예에서 스폿 미러(SM)를 포함하는 방향전환 광학계는, 정보 전달 빔(IB)이 마크(AM)로부터의 고차 회절 방사선만을 포함하도록, 마크로부터 반사된 0차 방사선을 차단하는 역할을 할 수도 있다(이는 측정에 필수적인 것은 아니고, 신호 대 잡음비를 향상시킴).
세기 신호(SI)가 처리 유닛(PU)에 공급된다. 블록(SRI) 내의 광학 처리와 유닛(PU) 내의 계산 처리의 조합에 의해 기준 프레임에 대한 기판 상의 X 및 Y-위치의 값들이 출력된다.
도시된 유형의 단일 측정은 단지 마크의 한 피치에 해당하는 특정 범위 내에서 마크의 위치를 고정한다. 정현파의 어느 주기가 마크된 위치를 포함하는 주기인지를 식별하기 위해 이와 함께 좀 더 개략적인 측정 기술이 사용된다. 마크가 제조되는 재료와 마크가 제공되는 위치의 아래 및/또는 위의 재료에 관계없이 향상된 정확도 및/또는 마크의 강건한 검출을 위해 더 개략적인 및/또는 더 미세한 수준에서의 동일한 프로세스가 서로 다른 파장에서 반복될 수도 있다. 파장은 광학적으로 다중화 및 역다중화되어 동시에 처리될 수 있고/있거나 시분할 또는 주파수 분할에 의해 다중화될 수 있다.
이러한 예에서 정렬 센서와 스폿(SP)은 고정된 채로 유지되는 한편 이동하는 것은 기판(W)이다. 따라서 정렬 센서는, 기판(W)의 이동 방향과 반대 방향으로 마크(AM)를 효과적으로 스캔하면서, 기준 프레임에 견고하고 정확하게 장착될 수 있다. 기판(W)이 기판 지지체 상에 장착되고 기판 위치설정 시스템이 기판 지지체의 움직임을 제어함으로써 기판(W)의 움직임이 제어된다. 기판 지지체 위치 센서(예를 들어, 간섭계)는 기판 지지체의 위치를 측정한다(미도시). 일 실시예에서, 하나 이상의 (정렬) 마크가 기판 지지체 상에 제공된다. 기판 지지체 상에 제공된 마크의 위치를 측정하면 위치 센서에 의해 결정된 바와 같은 기판 지지체의 위치가 교정될 수 있다(예컨대, 정렬 시스템이 연결된 프레임에 대해 상대적으로) . 기판 상에 제공된 정렬 마크의 위치의 측정에 의해 기판 지지체에 대한 기판의 위치가 결정될 수 있다.
위에서 언급된 스캐터로미터, 토포그래피 측정 시스템 또는 위치 측정 시스템과 같은 계측 툴(MT)은 측정을 수행하기 위해 방사선 소스로부터 발생하는 방사선을 사용할 수 있다. 계측 툴에 의해 사용되는 방사선의 특성은 수행될 수 있는 측정의 유형과 품질에 영향을 미칠 수 있다. 일부 응용예의 경우, 기판을 측정하기 위해 다수의 방사선 주파수를 사용하는 것이 유리할 수 있고, 예를 들어 광대역 방사선이 사용될 수 있다. 다수의 서로 다른 주파수는 다른 주파수와의 간섭이 없거나 간섭을 최소화하면서 계측 타겟으로부터 전파, 조사 및 산란될 수도 있다. 따라서, 예를 들어 더 많은 계측 데이터를 동시에 획득하기 위해 서로 상이한 주파수가 사용될 수 있다. 서로 상이한 방사선 주파수는 또한 계측 타겟의 다른 특성을 조사하고 발견할 수도 있다. 광대역 방사선은 예를 들어 레벨 센서, 정렬 마크 측정 시스템, 산란계측 툴 또는 검사 툴과 계측 시스템(MT)에서 유용할 수 있다. 광대역 방사선 소스는 초연속체 소스일 수 있다.
초연속체 방사선과 같은 고품질 광대역 방사선은 생성하기 어려울 수 있다. 광대역 방사선을 생성하기 위한 한 가지 방법은, 예를 들어 비선형의 고차 효과를 이용하여, 고출력 협대역 또는 단일 주파수 입력 방사선을 확장시키는 것일 수 있다. (레이저를 사용하여 생성될 수 있는) 입력 방사선은 펌프 방사선으로 지칭될 수 있다. 확장 효과를 위한 고출력 방사선을 얻기 위해, 방사선은 작은 영역으로 구속되어 강하게 국소화된 높은 세기의 방사선이 달성된다. 그러한 영역에서, 방사선은 광대역 출력 방사선을 생성하기 위해 비선형 매질을 형성하는 확장 구조 및/또는 재료와 상호작용할 수 있다. 높은 세기의 방사선 영역에서, 적절한 비선형 매질을 제공함으로써 방사선 확장을 가능하게 하고 및/또는 개선하기 위해 상이한 재료들 및/또는 구조들이 사용될 수 있다. 높은 세기의 방사선 영역이 달성됨에 따라 이러한 영역은 상당한 스트레인(strain)을 겪을 수 있고 방사선의 결과로 손상될 수도 있다. 특히, 방사선이 재료들 및/또는 구조들과 상호작용함에 따라 방사선의 일부가 흡수되거나 산란될 수 있으며, 이 경우 에너지가 섬유로 전달될 수 있다. 높은 세기의 방사선이 있는 영역의 경우, 결과적인 에너지로 인해 재료들 및/또는 구조들이 손상될 수 있다. 결과적인 에너지는 높은 방사선 세기의 영역에서 구조적 변화, 예를 들어 구조체의 형상 및/또는 위치의 변형을 유발할 수 있다. 재료들 및/또는 구조들의 손상 및/또는 변형은 섬유 내의 방사선의 안내에 영향을 미치게 될 것이고, 결과적으로 확장 효과의 효율성을 감소시킬 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 입력 방사선을 확장시키기 위한 방법 및 장치는, 입력 방사선을 구속하고 입력 방사선을 출력 광대역 방사선으로 확장시키기 위한 섬유를 사용하여 제시된다. 섬유는 중공 코어 섬유일 수 있고, 섬유 내에서 방사선의 효과적인 안내 및 구속을 달성하기 위한 내부 구조를 포함할 수 있다. 섬유는 중공 코어 광결정 섬유(HC-PCF)일 수 있으며, 이는 주로 섬유의 중공 코어 내부에서 강한 방사선 구속에 특히 적합하여, 높은 방사선 세기를 달성한다. 섬유의 중공 코어는 입력 방사선을 확장시키기 위한 확장 매질로 작용하는 가스 혼합물로 채워질 수 있다. 이러한 섬유 및 가스 혼합물 배열은 초연속체 방사선 소스를 생성하는 데 사용될 수 있다. 섬유에 입력되는 방사선은 전자기 방사선, 예를 들어 적외선, 가시광선, UV 및 극자외선 스펙트럼 중 하나 이상의 방사선일 수 있다. 출력 방사선은 본 명세서에서 백색광으로 지칭될 수 있는 광대역 방사선으로 구성되거나 이를 포함할 수 있다.
도 7은 광대역 출력 방사선(110)을 제공하기 위해 입력 방사선(108)을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치(100)를 나타낸다. 장치(100)는 섬유(102)를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어(104)를 갖는 섬유(102)를 포함한다. 장치(100)는 중공 코어(104) 내에 배치된 가스 혼합물(106)을 포함한다. 가스 혼합물(106)은 적어도 수소 성분 및 작동 성분을 포함한다. 작동 성분은 광대역 출력 방사선(110)을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선(108)의 주파수 범위의 확장을 가능하게 할 수 있다. 섬유(102)는 단일 모드 섬유일 수 있다. 섬유(102)는 임의의 길이를 가질 수 있고, 섬유(102)의 길이는 응용예(예를 들어, 장치(100)를 이용해 달성하고자 하는 스펙트럼 확장의 양)에 따라 달라질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 섬유(102)는 1 cm 내지 10 m의 길이를 가질 수도 있고, 예를 들어 섬유(102)는 10 cm 내지 100 cm의 길이를 가질 수 있다.
일 구현예로서, 가스 혼합물(106)은 광대역 출력 방사선(110)을 생성하기 위해 적어도 입력 방사선(108)을 수신하는 동안 중공 코어 내에 배치될 수 있다. 장치(100)가 광대역 출력 방사선을 생성하기 위해 입력 방사선(108)을 수신하지 않는 동안, 가스 혼합물(106)은 중공 코어에 전체적으로 또는 부분적으로 부재(absent)할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 일반적으로, 장치(100)는 섬유(102)의 중공 코어(104) 내에 가스 혼합물(106)을 제공하기 위한 장치를 포함한다. 섬유(102)의 중공 코어(104) 내에 가스 혼합물(106)을 제공하기 위한 이러한 장치는 저장소를 포함할 수 있으며, 이제 도 8을 참조로 하여 논의할 것이다.
도 8은 중공 코어(104)를 갖는 섬유(102)가 저장소(112) 내부에 배치된 장치(100)를 도시한다. 저장소(112)는 또한 하우징 또는 컨테이너로 지칭될 수 있다. 저장소(112)는 가스 혼합물(106)을 함유하도록 구성된다. 저장소(112)는 저장소(112) 내부의 가스 혼합물(106)의 조성을 제어, 조절 및/또는 모니터링하기 위해 당업계에 공지된 하나 이상의 특징을 포함할 수도 있다. 적절한 압력 하에서 저장소(112) 내부의 가스 혼합물(106)의 조성을 제어함으로써, 가스 혼합물(106)은 섬유(102)의 중공 코어(104) 내에 제공될 수 있다. 저장소는 제1 투명 창(114)을 포함할 수 있다. 사용 시에, 섬유는 제1 투명 창(114)이 섬유(102)의 입력 단부에 근접하여 위치되도록 저장소(112) 내부에 배치된다. 제1 투명 창(114)은 저장소(112)의 벽의 일부를 형성할 수 있다. 제1 투명 창(114)은 적어도 수신된 입력 방사선 주파수에 대해 투명할 수 있고, 이로써 수신된 입력 방사선(108)(또는 그것 중 적어도 많은 부분)은 저장소(112) 내부에 위치한 섬유(102)에 결합될 수 있게 된다. 저장소(112)는 저장소(112)의 벽의 일부를 형성하는 제2 투명 창(116)을 포함할 수 있다. 사용 시에, 섬유가 저장소(112) 내부에 배치될 때, 제2 투명 창(116)이 섬유(102)의 출력 단부에 근접하여 위치된다. 제2 투명 창(116)은 적어도 장치(100)의 광대역 출력 방사선(110)의 주파수들에 대해 투명할 수 있다.
대안적으로, 섬유(102)의 2개의 반대측 단부가 서로 상이한 저장소 내부에 배치될 수 있다. 섬유(102)는 입력 방사선(108)을 수신하도록 구성된 제1 단부 섹션, 및 광대역 출력 방사선(110)을 출력하기 위한 제2 단부 섹션을 포함할 수 있다. 제1 단부 섹션은 가스 혼합물(106)을 포함하는 제1 저장소 내부에 배치될 수 있다. 제2 단부 섹션은 제2 저장소 내부에 배치될 수 있고, 제2 저장소 또한 가스 혼합물(106)을 포함할 수 있다. 저장소의 기능은 위에서 도 8과 관련하여 설명한 것과 같을 수 있다. 제1 저장소는 입력 방사선(108)에 대해 투명하도록 구성된 제1 투명 창(114)을 포함할 수 있다. 제2 저장소는 광대역 출력 광대역 방사선(110)에 대해 투명하도록 구성된 제2 투명 창(116)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 저장소는 또한 섬유(102)가 부분적으로 저장소 내부에 그리고 부분적으로 외부에 배치되도록 허용하는 밀봉가능한 개구를 포함할 수 있어, 가스 혼합물이 저장소 내부에 밀봉된다. 섬유(102)는 저장소 내부에 포함되지 않은 중간 섹션을 더 포함할 수 있다. 2개의 개별 가스 저장소를 사용하는 이러한 배열은 섬유(102)의 길이가 비교적 긴(예를 들어, 길이가 1m를 넘어서는 경우) 실시예에 특히 편리할 수 있다. 2개의 개별 가스 저장소를 사용하는 그러한 배열의 경우, 2개의 저장소(이는 2개의 저장소 내부의 가스 혼합물의 조성을 제어, 조절 및/또는 모니터링하기 위해 당업계에 공지된 하나 이상의 특징을 포함할 수 있음)는 섬유(102)의 중공 코어(104) 내에 가스 혼합물(106)을 제공하기 위한 장치를 제공하는 것으로 여겨질 수 있음을 이해할 것이다.
이러한 맥락에서, 창에 입사되는 해당 주파수의 방사선의 적어도 50%, 75%, 85%, 90%, 95%, 또는 99%가 창을 통해 투과되는 경우 창은 그 주파수에 대해 투명할 수 있다.
제1 투명 창(114) 및 제2 투명 창(116) 모두는 가스 혼합물(106)이 저장소(112) 내에 포함될 수 있도록 저장소(112)의 벽 내에 기밀 시일을 형성할 수 있다. 가스 혼합물(106)은 저장소(112)의 주변 압력과 상이한 압력으로 저장소(112) 내에 함유될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
장치(100)는 섬유의 중공 코어 내에 가스 혼합물을 제공함으로써 광대역 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스의 일부로서 사용될 수 있다. 작동 성분이 광대역 출력 방사선(110)을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선(108)의 주파수 범위를 확장시키기 위한 성분이라는 것은, 바꾸어 말하면, 달성되는 스펙트럼 확장이 주로 이러한 작동 성분에 의존할 수 있다는 것임을 이해할 것이다. 이것은 수소 성분이 광대역 출력 방사선(110)의 스펙트럼에 무시할만한 영향을 미친다는 것을 뜻할 수 있음을 추가로 이해할 것이다. 이러한 스펙트럼 확장은 예를 들어 방사선이 작동 가스(106)와 상호작용할 때 비선형 효과를 통해 이루어질 수 있다.
주파수 확장을 달성하기 위해 높은 세기의 방사선이 필요할 수 있다. 중공 코어 섬유(102)를 갖는 이점은, 섬유(102)를 통해 전파되는 방사선의 강한 공간적 구속을 통해 높은 세기의 방사선을 달성하여 높은 국소화된 방사선 세기를 달성할 수 있다는 점이다. 또한, (예컨대, 중실 코어 설계와 비교하여) 중공 코어 설계는 더 높은 품질의 전송 모드(예컨대, 더 큰 비율의 단일 모드 전송을 가짐)를 낳을 수 있다. 섬유(102) 내부의 방사선 세기는 예를 들어, 높은 수신 입력 방사선 세기 및/또는 섬유(102) 내부의 방사선의 강한 공간적 구속으로 인해 높아질 수 있다. 중공 코어 섬유(102)는 횡방향 모드로 방사선을 안내할 수 있으며, 여기서 섬유 재료와 중공 횡방향 모드의 중첩은 매우 낮다. 이는 중실 코어 섬유에 비해 높은 손상 임계값을 낳을 수 있다.
중공 코어 섬유를 사용하는 이점은 섬유(102) 내부로 안내되는 방사선의 대부분이 섬유(102)의 중공 코어(104)에 구속된다는 점이다. 따라서 섬유 내부의 방사선의 상호작용의 대부분은 섬유(102)의 중공 코어(104) 내부에 제공되는 가스 혼합물(106)과의 상호작용이다. 결과적으로 방사선에 대한 작동 성분의 확장 효과가 증가할 수 있다.
본 발명자들은 섬유(102) 내부의 높은 세기 방사선으로 인해 섬유(102)가 열화를 겪을 수 있고, 이로 인해 수명이 단축될 수 있음을 알게 되었다. 이는, 중공 코어 섬유에서 방사선의 대부분이 중공 코어(104)에 구속되어 섬유(102)가 형성되는 재료(예컨대, 유리)와 섬유(102)를 통해 전파되는 방사선 사이에 공간적 중첩이 거의 없다는 점을 감안할 때 놀라운 일이다. 섬유(102)의 재료와 방사선의 중첩의 양은 방사선의 파장뿐만 아니라 중공 코어 섬유(102)의 설계에 의존할 수 있다. 그러나, 적어도 일부 실시예에서 중공 코어 섬유(102) 내의 입력 방사선 파워의 0.5% 미만이 섬유(102)의 재료와 중첩된다. 한 가지 예로서, 섬유(102)가 190 nm의 모세관 벽 두께를 갖는 7-모세관 단일 링 설계를 포함하는 경우, 중공 코어 섬유(102) 내의 입력 방사선 파워의 0.1% 미만이 섬유(102)의 재료와 중첩된다. 또한 본 발명자들은, 수소 성분을 갖는 가스 혼합물의 이점으로서 수소 성분의 존재가 섬유(102)의 방사선-유발 열화를 감소시킨다는 것을 알게 되었다. 결과적으로 섬유의 성능은 더 긴 방사선 노출 기간 동안 더 높은 수준으로 유지되어 섬유(102)의 수명을 증가시킨다.
수신된 입력 방사선(108)은 전자기 방사선일 수 있다. 입력 방사선(108)은 펄스형 방사선으로 수신될 수 있다. 예를 들어, 입력 방사선(108)은 초고속 펄스를 포함할 수 있다. 방사선이 작동 가스와 상호 작용함에 따라 스펙트럼 확장을 위한 메커니즘은, 예를 들어 4-파 혼합(four-wave mixing), 변조 불안정성, 작동 가스의 이온화, 라만 효과, 커(Kerr) 비선형성, 솔리톤 형성 또는 솔리톤 분열 중 하나 이상일 수 있다. 특히, 스펙트럼 확장은 솔리톤 형성 또는 솔리톤 분열 중 하나 또는 둘 다를 통해 달성될 수 있다.
입력 방사선(108)은 코히어런트 방사선일 수 있다. 입력 방사선(108)은 시준된 방사선일 수 있고, 그 이점은 입력 방사선(108)을 섬유(102)에 결합하는 효율성을 촉진하고 향상시킬 수 있다는 점이다. 입력 방사선(108)은 단일 주파수 또는 좁은 범위의 주파수를 포함할 수 있다. 입력 방사선(108)은 레이저에 의해 생성될 수 있다. 유사하게, 출력 방사선(110)은 시준되고 및/또는 코히어런트할 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 섬유(102)는 광섬유일 수 있다. 섬유(102)는 기다란 몸체를 가질 수 있고, 섬유(102)의 나머지 두 치수에 비해 한 치수에서 더 길 수 있다. 섬유(102)의 기다란 치수의 중심을 따라 섬유 축이 이어진다. 이러한 축에 수직인 섬유(102)의 단면이 횡단면으로 지칭될 수 있다. 횡단면은 섬유 축을 따라 실질적으로 일정할 수 있다. 섬유의 중공 코어(104)는 섬유의 기다란 치수를 따라 연장될 수 있다. 중공 코어(104)는, 섬유(102)의 축이 또한 섬유(102)의 중공 코어(104)의 축으로서 작용할 수 있도록, 섬유(102)의 중앙 영역에 실질적으로 위치될 수 있다. 섬유(102)는 임의의 재료, 예를 들어 유리 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유(102)는 다음 중 임의의 것으로 구성되거나 이를 포함할 수 있다: 고순도 실리카(SiO2) (예를 들어, 독일의 Heraeus Holding GmbH에 의해 판매되는 F300 재료); 예를 들어 납-규산염 유리와 같은 연질 유리(예를 들어, 독일의 Schott AG에 의해 판매되는 SF6 유리); 또는 예를 들어 칼코겐화물 유리 또는 중금속 불화물 유리(ZBLAN 유리라고도 함)와 같은 기타 특수 유리.
출력 방사선(110)의 광대역 범위는 방사선 주파수의 연속적인 범위를 포함하는 연속적인 범위일 수 있다. 출력 방사선(110)은 초연속체 방사선을 포함할 수 있다. 연속 방사선은 예를 들어 계측 응용예와 같은 여러 응용예에서 사용하기에 유용할 수 있다. 예컨대, 연속적인 주파수 범위는 다수의 특성을 조사하기 위해 사용될 수 있다. 연속적인 주파수 범위는 예를 들어 측정된 특성의 주파수 종속성을 결정 및/또는 제거하기 위해 사용될 수 있다. 초연속체 출력 방사선(110)은 예를 들어 100 nm - 4000 nm의 파장 범위에 걸친 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 광대역 출력 방사선(110) 주파수 범위는 예를 들어 400 nm - 900 nm, 500 nm - 900 nm, 또는 200 nm - 2000 nm일 수 있다. 초연속체 출력 방사선(110)은 백색광을 포함할 수 있다.
가스 혼합물(106)의 수소 성분은 수소 가스(H2), 중수소 가스, 및 삼중수소 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 수소 성분은 수소의 임의의 동위원소를 포함할 수 있다. 한 실시예로서 수소 성분은 수소 가스(H2)로 구성된다.
가스 혼합물(106)의 작동 성분은 희가스일 수 있다. 작동 성분은 아르곤, 크립톤, 네온, 헬륨 및 크세논 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 희가스에 대한 대안으로서 또는 추가적으로, 작동 성분은 분자 가스(예를 들어, N2, O2, CH4, SF6)를 포함할 수 있다.
광대역 출력 방사선(110)을 달성하기 위한 방사선의 스펙트럼 확장이 주로 작동 성분에 의해 수행되도록 보장하기 위해, 가스 혼합물 내의 수소 성분의 분율은 임계량보다 작을 수 있다. 가스에서 수소 성분의 분율은 70% 미만일 수 있다. 가스에서 수소 성분의 분율은 50% 미만일 수 있다. 가스에서 수소 성분의 분율은 10% 미만일 수 있다. 가스에서 수소 성분의 분율은 2% 미만일 수 있다. 달리 언급되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 가스의 성분의 분율이 이러한 가스의 분율 또는 백분율로 표현될 때, 이는 가스의 부피 분율 또는 백분율을 의미하는 것으로 의도된다. 수소 성분의 분율은, 장치(100)가 수신된 입력 방사선(108)에 의한 열화에 대해 증가된 저항성을 갖도록 충분히 클 수 있다. 동시에, 수소 성분의 분율은 작동 성분의 더 큰 분율을 허용하도록 충분히 작게 유지되어, 방사선에 대한 작동 성분의 확장 효과가 향상될 수 있다. 수소 성분 또한 가스 혼합물과 상호작용하는 방사선에 대한 확장 효과를 제공할 수 있음을 이해할 것이다. 수소 성분의 분율은, 수소로부터의 방사선에 대한 그러한 임의의 확장 효과가 방사선에 대한 작동 성분의 확장 효과보다 훨씬 더 작도록 충분히 작게 유지될 수 있다. 수소 성분의 분율과 작동 가스 성분의 분율은 실질적으로 전체 가스 혼합물을 구성할 수 있고, 다시 말하면 수소 성분의 분율과 작동 성분의 분율의 합이 실질적으로 100%에 이를 수 있다(다만 100%를 초과하지 않음).
장치(100)의 섬유(102)는 광결정 섬유일 수 있다. 중공 코어 광결정 섬유(HC-PCF)는 주로 중공 코어(104) 내에 방사선을 구속할 수 있다. 방사선은 섬유 축을 따라 전파되는 횡방향 모드의 형태로 구속될 수 있다. 클래딩이 섬유(102)의 중공 코어(104)를 둘러쌀 수 있으며, 여기서 클래딩은 얇은 벽 요소들(모세관으로 지칭될 수 있음)를 포함할 수 있다. 이러한 요소들의 재료는 섬유(102)의 벌크 재료의 재료와 동일할 수 있다. HC-PCF는 중공 코어(104)를 둘러싸는 복수의 중공 채널을 포함할 수 있다. 가스는 HC-PCF의 중공 채널 중 하나 이상을 채울 수 있다.
섬유(102)는 중공 코어(104)를 둘러싸는 중공 모세관의 링 구조체를 포함할 수 있다. 링 구조체는 섬유(102)의 기다란 치수를 따라 연장되어 섬유(102)의 축을 둘러쌀 수 있다. 링 구조체는 실질적으로 섬유 단면의 중앙에 위치할 수 있다. 링 구조체는 적어도 부분적으로 중공 코어(104)를 규정할 수 있다. 예컨대, 중공 코어(104) 중 적어도 일부는 링 구조체의 중앙부에 의해 형성될 수 있다. 링 구조체를 포함하는 중공 코어 섬유는 다른 일부 광결정 섬유에 비해 우수한 구속 특성을 갖는다는 점에서 유리할 수 있다. 섬유가 하나의 링 구조체만을 포함하는 경우, 링 구조체는 단일 링 구조체로 지칭될 수 있다.
도 9는 섬유(102) 내의 3개의 상이한 예시적인 링 구조체(122, 123, 124)를 도시한다. 링 구조체(122, 123, 124)의 중앙 부분은 섬유(102)의 중공 코어(104)를 적어도 부분적으로 형성하거나 규정할 수 있다. 링 구조체(122, 123, 124)는 링 구조체(122, 123, 124) 내에 하나 이상의 구조체(118)(예를 들어, 중공 모세관)를 포함할 수 있다. 링 구조체(122, 123, 124)는 섬유의 중공 클래딩 부분을 형성할 수 있다. 하나 이상의 구조체(118)는 섬유(102)의 클래딩 부분의 일부를 형성한다. 중공 코어(104)는 어떠한 구조체도 존재하지 않는 링 구조체 내의 중앙 부분에 의해 형성된다. 중공 클래딩 부분의 외측 경계는 지지 슬리브(126)의 내측 표면에 의해 지지될 수 있다. 중공 클래딩 부분은 섬유의 기다란 치수를 따라 형상이 실질적으로 일정할 수 있다. 중공 클래딩 부분은 예를 들어 형상이 실질적으로 원통형일 수 있으므로, 섬유(102)의 기다란 치수에 수직인 단면에서 중공 클래딩 부분의 형상은 실질적으로 환형이고, 링을 형성하게 된다. 중공 클래딩 부분의 중앙 부분은 섬유(102)의 중공 코어(104)를 형성하거나 규정할 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 중공 코어(104)는 어떠한 구조체도 포함하지 않는다. 중공 코어(104)를 둘러싸는 구조체들은 섬유(102)의 클래딩 부분의 일부를 형성한다. 링 구조체 내부의 중공 코어(104)의 직경은 10 내지 100μm일 수 있다. 중공 코어 섬유(102)의 모드 필드 파라미터, 충격 손실, 분산, 모드 복수, 및 비선형성 특성은 중공 코어(104)의 직경에 의존할 수 있다.
링 구조체(122, 123, 124)는 링 구조체(122, 123, 124)의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체(118)를 포함할 수 있다. 복수의 구조체(118)는 링 구조체(122, 123, 124) 내에 위치할 수 있다. 링 구조체는 링 구조체(122, 123, 124) 내에 위치된 복수의 구조체(118)를 제외하고는 중공일 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 구조체(118)는 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배치될 수 있고 링 구조체의 중앙 부분은 중공으로 유지될 수 있다. 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체(118)는 구조체들의 링으로 지칭될 수 있다. 중공으로 남아 있는 중앙 부분은 중공 코어(104)를 규정할 수 있다. 구조체(118)의 배열은 섬유(102)의 중공 코어(104)의 크기와 형상을 규정할 수 있다. 복수의 구조체(118)의 상이한 배열이 상이한 방사선 안내 및 구속 특성을 얻기 위해 사용될 수 있다.
복수의 구조체(118)는 하나 이상의 반공진 요소를 포함할 수 있다. 일례에서, 구조체(118) 각각은 반공진 요소일 수 있다. 반공진 구조체를 포함하는 그러한 섬유는 반공진 섬유, 음의 곡률 섬유 또는 억제된 결합(inhibited coupling) 섬유로서 당업계에 알려져 있다. 이러한 섬유의 다양한 상이한 설계가 당업계에 공지되어 있다. 복수의 구조체(118) 각각은 모세관을 포함할 수 있다. 링 구조체(122, 123, 124)의 중앙 부분 주위에 배열된 구조체(118)는 모세관을 포함할 수 있다. 모세관은 중공 코어(104)를 둘러쌀 수 있다. 단면에 있어서, 모세관은 형상이 실질적으로 원형이거나 다른 형상을 가질 수도 있다. 모세관은 중공 모세관 코어를 둘러싸는 벽을 포함할 수 있다. 모세관 벽 두께는 0.1μm 내지 1.0μm 일 수 있다. 일례로서, 복수의 구조체(118)는 반공진 요소들의 링을 포함할 수 있으며, 여기서 반공진 요소는 모세관일 수 있다. 복수의 구조체는, 예를 들어 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10개의 모세관을 포함할 수 있다. 일례로서, 섬유는 6개의 모세관(118)이 있는 단일 링 구조체를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 구조체(118)는 다양한 배열로 링 구조체(122, 123, 124) 내에 배치할 수 있다. 도 9(a)는 중공 코어(104) 주위에 구조들의 다수의 링을 형성하는 복수의 반공진 모세관(118)을 도시한다. 모세관(118)의 일부(특히 모세관의 외측 링)는 섬유(102)의 지지 슬리브(126)와 접촉하고 이에 의해 직접 지지된다. 모세관(118)의 일부(특히 모세관의 내측 링)는 지지 슬리브(126)와 직접 접촉하지 않고, 대신에 적어도 하나의 다른 구조체(118)와 접촉하여 지지된다. 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 모세관일 수 있는 복수의 구조체(118)는 구조체(118)가 복수의 구조체(118) 중 어떠한 나머지 구조체와도 접촉하지 않도록 링 구조체(123) 내에 배열될 수 있다. 복수의 구조체(118)는 서로 분리될 수 있지만, 섬유(102)의 지지 슬리브(126)와 접촉하고 그에 의해 지지된다. 도 9(c)에 도시된 다른 예시적인 배열에서, 각각의 구조체(118)는 섬유(102)의 지지 슬리브(126) 뿐만 아니라 복수의 구조체(118) 중 적어도 하나와 접촉할 수도 있다. 일반적으로, 링 구조체 내의 배열은 위에서 기술한 것의 조합일 수 있고, 복수의 구조체(118) 각각이 적어도 다른 하나의 구조체와 접촉하고, 즉 링 구조체 내에서 독립(free-standing)되어 있지 않다. 접촉하는 구조체는 섬유(102)의 또다른 구조체(118) 또는 지지 슬리브(126)일 수 있다.
일부 실시예에서, 섬유(102)는 복수의 링 구조체를 포함할 수 있고, 복수의 링 구조체 중 하나가 섬유(102)의 중공 코어(104)를 둘러싼다. 섬유(102)는 하나 이상의 코어 주위에 방사선을 안내하고 구속하기 위한 다수의 코어를 포함할 수 있다. 제1 예에서는, 복수의 링 구조체가 방사선을 안내 및 구속하기 위한 단일 코어(104)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 복수의 링 구조체 중 하나(특히 최내측 링 구조체)는 방사선을 안내 및 구속하기 위한 중공 코어를 규정할 수 있고, 다른 외측 링 구조체가 이러한 하나의 링 구조체에 대한 지지 구조를 제공할 수 있다. 코어 중 적어도 하나는 중공 코어(104)이다. 제3 예에서 섬유(102)는, 방사선을 안내 및 구속하기 위한 중공 코어(104)를 규정하는 다중 링 구조체 뿐만 아니라 방사선을 구속 및 안내하는 링 구조체를 지지하기 위한 링 구조체를 포함할 수 있다. 하나 이상의 링 구조체는 중실(solid) 코어를 포함할 수 있다(다만 섬유는 일반적으로 가스 혼합물(106)로 채워진 적어도 하나의 중공 코어(104)를 포함할 것이라는 점을 이해할 것이다). 단일 섬유(102) 내에 포함된 복수의 링 구조체는 다중-링 구조체로 지칭될 수 있다.
링 구조체 중 적어도 하나는 중공 코어(104)를 형성 또는 규정하기 위해 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체(118)를 포함할 수 있다. 복수의 링 구조체 중 적어도 하나는 앞서 단일 링 구조체로 기술한 링 구조체에 대응하는 특성을 가질 수 있다. 일부 경우에 복수의 링 구조체 각각은 중공 코어(104)를 규정한다. 하나 이상의 링 구조체는 예를 들어 모세관일 수 있는 하나 이상의 반공진 요소를 포함할 수 있다. 모세관의 벽은 반공진 요소로 작용할 수 있도록 적절한 두께를 가질 수 있다. 복수의 링 구조체는 단일 링 구조체에 비해 섬유(102)의 안내 및 구속 특성을 더욱 향상시키도록 협력할 수 있다(즉, 섬유(102) 내에서의 손실을 줄일 수 있음). 그러나 다중-링 구조체의 제작은 단일 링 구조체(122)를 포함하는 섬유(102)의 제작보다 요건이 까다롭고 및/또는 엄격할 수 있다. 섬유(102)는 링 구조체가 아닌 하나 이상의 구조체를 포함할 수 있다.
장치(100)의 가스 혼합물(106)은 수소 성분을 포함한다. 가스 혼합물(106)은 하나 이상의 링 구조체 내부의 중공 공간 내부에 배치될 수 있다. 이러한 중공 공간은 중공 코어를 포함하고, 구조체(118) 내부 및/또는 주위에 하나 이상의 중공 공간, 예를 들어 모세관(118)의 중공 중심 및/또는 모세관(118) 사이의 공간을 추가로 포함할 수 있다. 가스 혼합물(106)의 수소 성분은 복수의 구조체(118)의 수명을 증가시킬 수 있다. 수명의 증가량은 섬유(102)에 도입되는 방사선 파워의 양에 의존할 수 있다. 수명의 증가량은 또한 복수의 구조체(118)의 특성, 예를 들어 구조체(118)의 벽 두께에 의존할 수 있다. 수소 성분은 예를 들어, 조사(irradiation) 중인 구조체(118)의 얇은 벽의 기계적 안정성을 개선함으로써 구조체(118)의 수명을 증가시킬 수 있다. 수명의 증가는 1000시간 작동 후 장치의 성능의 열화가 20%, 10%, 5% 또는 2%를 초과하지 않는 정도일 수 있다. 일례에서, 장치(100)의 성능의 열화는 대략 20W의 평균 입력 파워로 1000시간의 작동 후에 2%를 초과하지 않았다.
중공 코어 섬유(102) 내부의 구조는, 대부분의 방사선이 섬유(102)의 중공 코어(104) 내에서 구속되고 안내될 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 중공 코어(104) 주위에 복수의 반공진 요소(118)를 포함하는 단일 링 구조체(122)는 중공 코어(104) 내부에 강한 방사선 구속을 유발할 수 있다. 이러한 구성의 또 다른 장점은 강력한 구속으로 인한 효율성 향상일 수 있다. 방사선은 하나 이상의 횡방향 모드로서 중공 코어(104) 내부에 구속될 수 있다. 중공 코어(104) 내에 구속된 방사선은 중공 코어(104) 내부의 가스 혼합물(106)과 상호작용할 수 있다. 중공 코어(104) 내부의 방사선은 섬유(102)가 형성되는 재료와의 상호작용을 피할 수 있다. 중공 코어(104) 내의 강한 구속의 이점은, 작동 성분을 포함하는 가스 혼합물(106)과 방사선 사이의 상호작용이 증가되어 방사선의 개선된 확장을 초래할 수 있다는 점일 수 있다.
예를 들어 1시간 이상, 2시간 이상, 또는 5시간 이상의 높은 세기의 방사선에 장시간 노출되면, 링 구조체 내부에 복수의 반공진 요소(118)가 있는 중공 코어 섬유(102)의 성능이 악화된다고 밝혀졌다. 섬유 재료는, 예를 들어 방사선에 의해 제공되는 많은 양의 에너지가 재료 내부의 결합을 끊을 수 있기 때문에 높은 세기의 방사선에 의해 손상될 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 대부분의 방사선이 중공 코어(104) 내에 구속되고 섬유 재료와의 상호작용을 피하는 상태에서, 성능 악화가 발견되었다는 것은 놀라운 일이다. 추가 연구에서, 중공 코어(104) 내부의 방사선의 강한 구속에도 불구하고, 얇은 벽의 구조체(118)가 높은 세기의 방사선에 노출된 결과 기계적 손상을 입었다는 것이 밝혀졌다. 가스 혼합물에 수소 성분을 첨가하는 것은 구조체의 기계적 붕괴를 방지할 수 있고 링 구조체 내부의 구조체(118)의 기계적 탄성을 개선할 수 있다. 이는, 수소 성분이 얇은 벽의 구조체(118)의 (유리) 재료와 반응할 수 있어, 이러한 재료를 화학적으로 더 안정하게 하고 방사선 손상에 덜 민감하게 하기 때문일 수 있다(예를 들어, 색 중심과 같은 결함의 형성에 덜 민감함).
도 10은 광대역 출력 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스(200)의 개략도이다. 방사선 소스는 전술한 바와 같은 장치(100)를 포함한다. 방사선 소스는 입력 방사선(108)을 장치(100)에 제공하도록 구성된 입력 방사선 소스(120)를 더 포함한다. 장치는 입력 방사선 소스(120)로부터 입력 방사선(108)을 수신하고, 이를 확장시켜 출력 방사선(110)을 제공할 수 있다.
방사선 소스(120)에 의해 제공되는 입력 방사선(108)은 펄스형일 수 있다. 입력 방사선(108)은 200 nm 내지 2 μm 범위의 하나 이상의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 입력 방사선은 예를 들어 1.03 μm 의 파장을 갖는 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 펄스형 방사선의 반복률은 대략 1kHz 내지 10MHz의 크기일 수 있다. 펄스 에너지는 대략 0.1μJ 내지 100μJ, 예를 들어 5 ~ 10μJ의 크기를 가질 수 있다. 입력 방사선(108)에 대한 펄스 지속기간은 10fs 내지 10ps, 예를 들어 300fs일 수 있다. 입력 방사선(108)의 평균 파워는 100mW 내지 수 100W 일 수 있다. 입력 방사선(108)의 평균 파워는 예를 들어 20 - 50W 일 수 있다.
방사선 소스(200)에 의해 제공되는 광대역 출력 방사선(110)은 적어도 1W의 평균 출력 파워를 가질 수 있다. 평균 출력 파워는 적어도 5W일 수 있다. 평균 출력 파워는 적어도 10W일 수 있다. 광대역 출력 방사선(110)은 펄스형 광대역 출력 방사선(110)일 수 있다. 광대역 출력 방사선(110)은 출력 방사선의 전체 파장 대역에서 적어도 0.1mW/nm의 파워 스펙트럼 밀도를 가질 수 있다. 광대역 출력 방사선의 전체 파장 대역에서 파워 스펙트럼 밀도는 적어도 3mW/nm일 수 있다.
방사선 소스(200)의 장치(100)의 가스 혼합물(106)에서 수소 성분의 분율은 섬유(102)가 100시간 이상의 작동 동안 적어도 95%의 평균 출력 파워 안정성을 갖도록 충분히 높을 수 있다.
도 11은 방사선 주파수 범위를 확장시키는 방법(300)의 흐름도이다. 방법은 전술한 바와 같은 장치(100)를 제공하는 단계(302)를 포함한다. 단계(304)에서 입력 방사선은 장치(100)의 중공 코어 섬유(102)를 통해 전파된다. 중공 코어 섬유를 통한 전파 동안, 입력 방사선(108)은 중공 코어 섬유(104) 내부의 가스 혼합물(106)과 상호작용한다(306). 입력 방사선(108)과 가스 혼합물(106)의 작동 성분의 상호작용은 입력 방사선의 주파수 범위의 확장(308)을 야기하여 광대역 출력 방사선(110)을 생성한다(310).
도 12은 광대역 출력 방사선(404)을 제공하기 위해 입력 방사선(402)을 수신하고 입력 방사선(402)의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치(400)의 일반적인 셋업을 개략적으로 나타낸다.
장치(400)는 가스 챔버(406), 가스 챔버(406) 내부에 배치된 광섬유(408), 가스 챔버(406) 내에 가스(412)를 제공하기 위한 가스 생성 장치(410), 및 가스 챔버(406) 내의 가스로부터 라디칼을 형성하기 위한 라디칼 생성 장치(414)를 포함한다.
가스 챔버(406)는 또한 하우징 또는 컨테이너로 지칭될 수 있다. 가스 챔버(406)는 가스(412)를 함유하도록 구성된다. 가스 챔버(406)는 가스 챔버(406) 내부의 가스(412)의 조성을 제어, 조절 및/또는 모니터링하기 위해 당업계에 공지된 하나 이상의 특징을 포함할 수도 있다.
광섬유(408)는 광섬유(408)를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어(416)를 포함한다. 도면의 명확화를 위해, 광섬유(408)의 중공 코어(416)가 도 12에 다소 개략적으로 도시되어 있고 중공 코어(416)를 둘러싸는 클래딩 및 지지 부분이 상세하게 도시되어 있지 않음을 이해할 것이다. 광섬유(408)는 임의의 중공 코어 광결정 섬유의 형태일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광섬유(408)는 일반적으로 도 7 내지 도 10을 참조하여 위에서 설명한 광섬유(102)의 형태일 수 있다.
가스 생성 장치(410)는 가스 챔버(406) 내에 가스(412)를 제공하고, 따라서 중공 코어(416) 내에 가스(412)의 적어도 일부를 제공하도록 구성된다. 가스(412)는 작동 성분을 포함하는데, 작동 성분은 광대역 출력 방사선(404)을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선(402)의 주파수 범위의 확장을 가능하게 한다.
가스 챔버(406)는 제1 투명 창(418)을 포함할 수 있다. 사용 시에, 광섬유(408)는 제1 투명 창(418)이 광섬유(408)의 입력 단부에 근접하여 위치되도록 가스 챔버(406) 내부에 배치된다. 제1 투명 창(418)은 가스 챔버(406)의 벽의 일부를 형성할 수 있다. 제1 투명 창(418)은 적어도 수신된 입력 방사선 주파수에 대해 투명할 수 있고, 이로써 수신된 입력 방사선(402)(또는 그것 중 적어도 많은 부분)은 가스 챔버(406) 내부에 위치한 광섬유(408)에 결합될 수 있게 된다. 가스 챔버(406)는 가스 챔버(406)의 벽의 일부를 형성하는 제2 투명 창(420)을 포함할 수 있다. 사용 시에, 광섬유(408)가 가스 챔버(406) 내부에 배치될 때, 제2 투명 창(420)이 광섬유(408)의 출력 단부에 근접하여 위치된다. 제2 투명 창(420)은 적어도 장치(400)의 광대역 출력 방사선(404)의 주파수들에 대해 투명할 수 있다.
대안적으로, 다른 실시예로서, 광섬유(408)의 2개의 반대측 단부가 서로 상이한 가스 챔버들 내부에 배치될 수 있다. 광섬유(408)는 입력 방사선(402)을 수신하도록 구성된 제1 단부 섹션, 및 광대역 출력 방사선(404)을 출력하기 위한 제2 단부 섹션을 포함할 수 있다. 제1 단부 섹션은 가스(412)를 포함하는 제1 챔버 내부에 배치될 수 있다. 제2 단부 섹션은 제2 챔버 내부에 배치될 수 있고, 제2 챔버 또한 가스(412)를 포함할 수 있다. 챔버의 기능은 위에서 도 12과 관련하여 설명한 것과 같을 수 있다. 제1 챔버는 입력 방사선(402)에 대해 투명하도록 구성된 제1 투명 창을 포함할 수 있다. 제2 챔버는 광대역 출력 광대역 방사선(404)에 대해 투명하도록 구성된 제2 투명 창을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 챔버는 또한 광섬유(408)가 부분적으로 챔버 내부에 그리고 부분적으로 외부에 배치되도록 허용하는 밀봉가능한 개구를 포함할 수 있어, 가스가 챔버 내부에 밀봉된다. 광섬유(408)는 챔버 내부에 포함되지 않은 중간 섹션을 더 포함할 수 있다. 2개의 개별 챔버를 사용하는 이러한 배열은 광섬유(408)가 비교적 긴(예를 들어, 길이가 1m를 넘어서는 경우) 실시예에 특히 편리할 수 있다. 2개의 개별 챔버를 사용하는 그러한 배열의 경우, 2개의 챔버(이는 2개의 챔버 내부의 가스(412)의 조성을 제어, 조절 및/또는 모니터링하기 위해 당업계에 공지된 하나 이상의 특징을 포함할 수 있음)는 광섬유(408)의 중공 코어(416) 내에 가스(412)를 제공하기 위한 장치를 제공하는 것으로 여겨질 수 있음을 이해할 것이다.
일반적으로, 광섬유(408)는 중공 코어(412)가 일반적으로 가스 챔버(406) 형태인 적어도 하나의 가스 챔버와 유체 연통하도록 배치될 수 있다.
이러한 맥락에서, 창에 입사되는 해당 주파수의 방사선의 적어도 50%, 75%, 85%, 90%, 95%, 또는 99%가 창을 통해 투과되는 경우 창은 그 주파수에 대해 투명할 수 있다.
제1 투명 창(418) 및 제2 투명 창(420) 모두는 가스(412)가 가스 챔버(406) 내에 함유될 수 있도록 챔버(406)의 벽 내에 기밀 시일을 형성할 수 있다. 가스(412)는 가스 챔버(406)의 주변 압력과 상이한 압력으로 가스 챔버(406) 내에 함유될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
가스(412)의 작동 성분은 희가스일 수 있다. 작동 성분은 아르곤, 크립톤, 네온, 헬륨 및 크세논 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 희가스에 대한 대안으로서 또는 추가적으로, 작동 성분은 분자 가스(예를 들어, N2, O2, CH4, SF6)를 포함할 수 있다.
주파수 확장을 달성하기 위해 높은 세기의 방사선이 필요할 수 있다. 중공 코어 광섬유(408)를 갖는 이점은, 광섬유(408)를 통해 전파되는 방사선의 강한 공간적 구속을 통해 높은 세기의 방사선을 달성하여 높은 국소화된 방사선 세기를 달성할 수 있다는 점이다. 또한, (예컨대, 중실 코어 설계와 비교하여) 중공 코어 설계는 더 높은 품질의 전송 모드(예컨대, 더 큰 비율의 단일 모드 전송을 가짐)를 낳을 수 있다. 광섬유(408) 내부의 방사선 세기는 예를 들어, 높은 수신 입력 방사선 세기 및/또는 광섬유(408) 내부의 방사선의 강한 공간적 구속으로 인해 높아질 수 있다.
중공 코어 광섬유(408)를 사용하는 이점은 광섬유(408) 내부로 안내되는 방사선의 대부분이 중공 코어(416)에 구속된다는 점이다. 따라서 광섬유(408) 내부의 방사선의 상호작용의 대부분은 광섬유(408)의 중공 코어(416) 내부에 제공되는 가스(412)와의 상호작용이다. 결과적으로 방사선에 대한 가스(412)의 작동 성분의 확장 효과가 증가할 수 있다.
수신된 입력 방사선(402)은 도 7 내지 10을 참조로 하여 전술한 입력 방사선(108)의 임의의 특징을 가질 수 있다.
방사선이 가스(412)와 상호 작용함에 따라 스펙트럼 확장을 위한 메커니즘은, 예를 들어 4-파 혼합(four-wave mixing), 변조 불안정성, 작동 가스의 이온화, 라만 효과, 커(Kerr) 비선형성, 솔리톤 형성 또는 솔리톤 분열 중 하나 이상일 수 있다. 특히, 스펙트럼 확장은 솔리톤 형성 또는 솔리톤 분열 중 하나 또는 둘 다를 통해 달성될 수 있다.
도 13은 광대역 출력 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스(422)의 개략도이다. 방사선 소스(422)는 도 12를 참조로 하여 전술한 바와 같은 장치(400)를 포함한다. 방사선 소스(422)는 입력 방사선(402)을 장치(400)에 제공하도록 구성된 입력 방사선 소스(424)를 더 포함한다. 장치(400)는 입력 방사선 소스(424)로부터 입력 방사선(402)을 수신하고, 이를 확장시켜 출력 방사선(404)을 제공할 수 있다.
사용 시에, 가스 챔버(406)에 제공되는 탄화수소와 같은 오염물이 있을 수도 있다. 이러한 오염물은 광섬유(408)를 오염시키고 특히 중공 코어(416) 내에서 광섬유(408)의 무결성을 손상시켜, 국소적인 가열로 인한 손상을 일으킬 수 있는 국소적인 광학적 결함을 유발할 수 있다. 라디칼 생성 장치(414)는 가스 챔버(406) 내에 자유 라디칼을 제공하도록 구성된다. 유리하게도, 가스 챔버(406) 내의 이러한 라디칼은 복합 탄화수소 분자와 반응할 수 있고 이들을 더 작은 사슬의 탄화수소로 능동적으로 분해할 수 있다. 이러한 더 작은 사슬의 탄화수소는 퍼징, 펌핑 및/또는 확산에 의해 표면으로부터 더 쉽게 제거될 수 있다.
원칙적으로, 라디칼 생성 장치(414)에 의해 임의의 종(species)의 라디칼이 제공될 수 있으며, 특히 복합 탄화수소 분자와 반응하여 이들을 더 작은 사슬의 탄화수소로 분해할 수 있는 임의의 종의 라디칼이 제공될 수 있다. 실제로, 라디칼은 수소 라디칼 H*를 포함할 수 있다. 수소 라디칼을 사용하는 구성은 이제 논의하는 바와 같이 수많은 이점을 가지고 있다. 첫째로, 수소 라디칼은 분자 수소(H2)로부터 형성되기에 비교적 용이하다. 둘째로, 수소 라디칼은 복합 탄화수소 분자와 반응하여 이들을 더 작은 사슬의 탄화수소로 분해한다(가스 챔버(406) 내부로부터 쉽게 제거되지 않을 수도 있는, 더 문제가 되는 화합물을 형성하는 것과 대조적으로). 셋째로, 수소 라디칼을 생성하기 위한 공지된 장치를 사용하여 라디칼 생성 장치(414)를 형성할 수 있다.
일반적으로, 라디칼 생성 장치(414)는 분자 가스의 공급 및 에너지 증착 메커니즘을 포함할 수 있다. 분자 가스의 공급은 예를 들어 가스 생성 장치(410)에 의해 또는 또다른 별도의 소스로부터 제공될 수 있다. 에너지 증착 메커니즘은 가스 분자가 해리되어 자유 라디칼을 형성하도록 하기 위해 가스의 공급에 에너지를 공급하도록 작동가능할 수 있다.
예시적인 라디칼 생성 장치(414)의 일 실시예에 관해 이제 도 14를 참조로 하여 설명할 것이다.
라디칼 생성 장치(414)는 유입구(428) 및 유출구(430)를 갖는 하우징(426)을 포함한다. 라디칼 생성 장치(414)는 하우징(426) 내에 배치된 요소(432)를 포함한다. 요소(432)는 예를 들어 전원(434)을 사용하여 고온으로 유지된다. 예를 들어, 요소(432)는 1500℃ 정도의 온도로 유지될 수 있다. 이것을 견디기 위해, 요소(432)는 예를 들어 몰리브덴 또는 텅스텐과 같은 적절한 금속으로 형성될 수 있다.
사용 시에, 유입 가스(436)는 유입구(428) 내로 흐르고; 요소(432)를 지나거나 위로 흐르며; 유출 가스(438)로서 유출구(430) 밖으로 흐른다. 선택적으로, 라디칼 생성 장치(414)에는 유입구(428)에서 유출구(430)까지의 이러한 흐름을 촉진하기 위해 펌프(440)(도 14에 다소 개략적으로 도시됨)가 제공될 수 있다.
유입 가스(예를 들어, 분자 수소를 포함할 수 있음)가 요소(432)를 지나 흐를 때, 가스 분자는 요소(432)에 충돌하고 그로부터 에너지를 받아들인다. 이러한 에너지를 받아들인 결과 가스 분자는 해리되어 자유 라디칼을 형성한다. 요소(432)는 에너지 증착 메커니즘이라 지칭될 수 있다. 그 결과, 유출 가스(438)는 라디칼(예를 들어, 수소 라디칼 H*)을 함유한다. 라디칼 생성 장치(414)에서 유입구(428)에 수소 가스(436)의 흐름이 제공될 때, 수소 라디칼 생성기(HRG)로 지칭될 수도 있다.
이러한 예시적인 실시예에서, 가열된 요소(432)가 에너지 증착 메커니즘을 제공하지만, 대안적인 실시예에서는 다른 에너지 증착 메커니즘이 사용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 에너지 증착 메커니즘의 예에는: 레이저 빔 및 양단에 전압이 유지되는 한 쌍의 전극이 포함된다.
이러한 라디칼 생성 장치(414)는 다수의 상이한 방식으로 가스 챔버(406)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 15a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 라디칼 생성 장치(414)는 유입구(428) 및 유출구(430) 모두가 가스 챔버(406)의 내부와 유체 연통하도록 가스 챔버(406) 내에 배치될 수 있다. 이해의 편의를 위해, 도 15a 및 도 15b에는 가스 챔버(406) 및 라디칼 생성 장치(414)만이 도시되어 있고, 예를 들어 도 12 및 도 13에 도시된 다른 특징부는 생략되었다는 것을 이해할 것이다. 이러한 배열로, 가스 챔버 내의 가스(예를 들어, 가스 생성 장치(410)에 의해 제공됨)는 라디칼 생성 장치(414)를 통과하여 가스 챔버(406)의 내부로 다시 진입하는 라디칼을 생성할 수 있다. 대안적으로, 도 15b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 라디칼 생성 장치(414)는 가스 챔버(406)의 벽 내에 배치될 수 있다. 이러한 배열로, 유입구(428)는 가스 챔버(406) 외부의 가스 소스(미도시)와 유체 연통하고 유출구(430)는 가스 챔버(406)의 내부와 유체 연통한다. 이러한 배열로, 가스가 가스 챔버 내로 도입될 때 라디칼이 생성될 수 있다. 또다른 대안으로서, 라디칼 생성 장치(414)는 유출구(430)가 가스 챔버(406)의 내부와 유체 연통하도록 가스 챔버(406) 밖에 배치될 수도 있다.
유리하게도, 이러한 라디칼 생성 장치(414)를 제공함으로써 가스 챔버(406) 내부의 오염물을 크게 감소시킬 것이라 예상된다. 일부 실시예에서 가스 챔버(406)의 내부는 라디칼과의 반응 후에 형성된 더 작은 사슬의 탄화수소를 제거하기 위해 (연속적으로 또는 간헐적으로) 플러싱될 수 있다. 대안적으로, 이러한 가스-함유 수소-결합된 오염물을 능동적으로 끌어당기는, 가스 챔버(406) 내부의 표면이 제공될 수 있다.
전술한 방사선 소스(200, 422)는, 기판 상의 구조체의 관심 파라미터를 결정하기 위한 계측 배열체의 일부로서 제공될 수 있다. 기판 상의 구조체는 예를 들어 기판에 적용된 리소그래피 패턴일 수 있다. 계측 배열체는 기판 상의 구조체를 조명하기 위한 조명 서브시스템을 더 포함할 수 있다. 계측 배열체는 구조체에 의해 산란 및/또는 반사된 방사선의 일부를 검출하기 위한 검출 서브시스템을 더 포함할 수 있다. 검출 서브시스템은 구조체에 의해 산란 및/또는 반사된 방사선의 부분으로부터 구조체에 대한 관심 파라미터를 추가로 결정할 수 있다. 파라미터는 예를 들어 기판 상의 구조체의 오버레이, 정렬 또는 레벨링 데이터일 수 있다.
위에서 설명한 계측 배열체는 계측 장치(MT)의 일부를 형성할 수 있다. 위에서 설명한 계측 배열체는 검사 장치의 일부를 형성할 수 있다. 위에서 설명한 계측 배열체는 리소그래피 장치(LA) 내부에 포함될 수 있다.
추가의 실시예는 다음의 번호가 매겨진 조항으로 제공된다:
1. 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치로서,
섬유를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어를 포함하는 섬유; 및
중공 코어 내에 가스 혼합물을 제공하기 위한 장치를 포함하고,
상기 가스 혼합물은:
수소 성분; 및
광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 작동 성분을 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
2. 제1조항에 있어서, 광대역 출력 방사선은 방사선 주파수의 연속적인 범위를 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
3. 제1조항 또는 제2조항에 있어서, 상기 수소 성분은 수소 가스, 중수소 가스 및 삼중수소 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
4. 제1조항 내지 제3조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 수소 성분은 수소 라디칼을 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
5. 제1조항 내지 제4조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 작동 성분은 희가스를 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
6. 제1조항 내지 제5조항 중 어느 한 조항에 있어서, 가스 내의 수소 성분의 분율은 70% 미만인 장치.
7. 제6조항에 있어서, 가스 내의 수소 성분의 분율은 50% 미만인 장치.
8. 제7조항에 있어서, 가스 혼합물 내의 수소 성분의 분율은 10% 미만인 장치.
9. 제8조항에 있어서, 가스 혼합물 내의 수소 성분의 분율은 2% 미만인 장치.
10. 제1조항 내지 제9조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 섬유는 광결정 섬유인, 주파수 범위 확장 장치.
11. 제1조항 내지 제10조항 중 어느 한 조항에 있어서, 섬유는 중공 코어를 둘러싸는 링 구조체를 포함하는 장치.
12. 제11조항에 있어서, 링 구조체는 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체를 포함하는 장치.
13. 제12조항에 있어서, 복수의 구조체는 하나 이상의 반공진 요소를 포함하는 장치.
14. 제12조항 또는 제13조항에 있어서, 복수의 구조체는 복수의 모세관을 포함하는 장치.
15. 제13조항 또는 제14조항에 있어서, 상기 복수의 구조체는 구조체들이 나머지 구조체들 중 어느 것과도 접촉하지 않도록 배열되는, 주파수 범위 확장 장치.
16. 제12조항 내지 제15조항 중 어느 한 조항에 있어서, 섬유는 복수의 링 구조체를 포함하고, 복수의 링 구조체 중 적어도 하나는 중공 코어를 둘러싸는 장치.
17. 제16조항에 있어서, 링 구조체 중 적어도 하나는 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체를 포함하는 장치.
18. 제12조항 내지 제16조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 가스 혼합물의 수소 성분이 복수의 구조체의 수명을 증가시키는 장치.
19. 제18조항에 있어서, 1000시간 작동 후 성능 열화가 2%를 초과하지 않는, 장치.
20. 제1조항 내지 제19조항 중 어느 한 조항에 있어서, 가스 혼합물로부터 라디칼을 형성하기 위한 라디칼 생성 장치를 더 포함하는 장치.
21. 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치로서,
챔버;
섬유 - 섬유를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어를 포함하고, 섬유의 중공 코어는 챔버와 유체 연통함 -;
챔버 내부에 가스를 제공하기 위한 가스 생성 장치; 및
챔버 내에 라디칼을 제공하기 위한 라디칼 생성 장치를 포함하는 장치.
22. 제21조항에 있어서, 라디칼 생성 장치는: 분자 가스의 공급; 및 가스 분자가 해리되어 자유 라디칼을 형성하도록 하기 위해 가스의 공급에 에너지를 공급하도록 작동가능한 에너지 증착 메커니즘을 포함하는 장치.
23. 광대역 출력 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스로서,
제1조항 내지 제22조항 중 어느 한 조항에 따른 장치; 및
상기 장치에 입력 방사선을 제공하도록 구성된 입력 방사선 소스를 포함하고,
상기 장치는 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 확장시키도록 구성되는, 방사선 소스.
24. 제23조항에 있어서, 입력 방사선은 펄스형인, 방사선 소스.
25. 제23조항 또는 제24조항에 있어서, 광대역 출력 방사선은 적어도 1W의 평균 파워를 갖는, 방사선 소스.
26. 제25조항에 있어서, 상기 광대역 출력 방사선은 적어도 5W의 평균 파워를 갖는, 방사선 소스.
27. 제26조항에 있어서, 상기 광대역 출력 방사선은 적어도 10W의 평균 파워를 갖는, 방사선 소스.
28. 제23조항 내지 제27조항 중 어느 한 조항에 있어서, 상기 장치의 가스 혼합물에서 수소 성분의 분율은 섬유가 100시간 이상의 작동 동안 적어도 95%의 평균 출력 파워 안정성을 갖도록 충분히 높은, 방사선 소스.
29. 방사선 주파수 범위를 확장시키는 방법으로서,
제1조항 또는 제22조항 중 어느 한 조항에 따른 장치를 제공하는 단계;
중공 코어 섬유를 통해 입력 방사선을 전파하는 단계를 포함하되, 중공 코어 섬유 내부의 가스와 입력 방사선의 상호 작용에 의해 광대역 출력 방사선을 생성하도록 입력 방사선의 주파수 범위의 확장이 유발되는, 방사선 주파수 범위를 확장시키는 방법.
30. 기판 상의 구조체의 관심 파라미터를 결정하기 위한 계측 배열체로서,
제23조항 내지 제28조항 중 어느 한 조항에 따른 방사선 소스;
광대역 출력 방사선을 사용하여 기판 상의 구조체를 조명하기 위한 조명 서브시스템; 및
구조체에 의해 산란 및/또는 반사된 방사선의 일부분을 검출하고, 방사선의 상기 일부분으로부터 관심 파라미터를 결정하기 위한 검출 서브시스템을 포함하는, 계측 배열체.
31. 제30조항에 따른 계측 배열체를 포함하는 계측 장치.
32. 제30조항에 따른 계측 배열체를 포함하는 검사 장치.
33. 제30조항에 따른 계측 배열체를 포함하는 리소그래피 장치.
본 명세서에서는 IC의 제조에 리소그래피 장치를 사용하는 것에 대해 특별히 언급할 수 있지만, 여기에 설명된 리소그래피 장치는 다른 응용예를 가질 수 있음을 이해해야 할 것이다. 가능한 다른 응용예로는, 통합형 광학 시스템, 자기 도메인 메모리를 위한 안내 및 검출 패턴, 평판 디스플레이, 액정 디스플레이(LCD) 및 박막 자기 헤드 등의 제조가 있다.
본 명세서에서는 리소그래피 장치와 관련하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 언급할 수 있지만, 본 발명의 실시예는 다른 장치에서도 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 마스크 검사 장치, 계측 장치, 또는 웨이퍼(또는 기타 다른 기판) 또는 마스크(또는 기타 다른 패터닝 디바이스)와 같은 대상물을 측정 또는 처리하는 임의의 장치의 일부를 형성할 수 있다. 이들 장치는 일반적으로 리소그래피 툴이라 지칭될 수 있다. 이러한 리소그래피 툴은 진공 조건 또는 주변(비-진공) 조건을 이용할 수 있다.
광학 리소그래피의 맥락에서 본 발명의 실시예를 이용하는 것에 대해 특정하게 언급하였지만, 본 발명은 문맥이 허용하는 한 광학 리소그래피로 제한되지 않으며 예를 들어 임프린트 리소그래피 등의 다른 응용예에서도 이용될 수 있음을 이해할 것이다.
"계측 장치/툴/시스템" 또는 "검사 장치/툴/시스템"을 구체적으로 언급하고 있지만, 이러한 용어는 동일하거나 유사한 타입의 툴, 장치 또는 시스템을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예를 포함하는 검사 또는 계측 장치는 기판 또는 웨이퍼 상의 구조체의 특성을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예를 포함하는 검사 장치 또는 계측 장치는 기판의 결함 또는 기판 또는 웨이퍼 상의 구조체의 결함을 검출하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 기판 상의 구조체의 관심 특성은 구조체 내의 결함, 구조체의 특정 부분의 부재, 또는 기판 또는 웨이퍼 상의 원치 않는 구조체의 존재에 관한 것일 수 있다.
이상에서 발명의 특정 실시예들이 설명되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 앞선 설명은 예시적인 것으로 의도되며, 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 이하 제시되는 청구 범위로부터 벗어남이 없이, 기술된 본 발명에 대해 수정이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 수신하고 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 장치로서,
    섬유를 통해 전파되는 방사선을 안내하기 위한 중공 코어를 포함하는 섬유; 및
    중공 코어 내에 가스 혼합물을 제공하기 위한 장치를 포함하고,
    상기 가스 혼합물은:
    수소 성분; 및
    광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 수신된 입력 방사선의 주파수 범위를 확장시키기 위한 작동 성분을 포함하고,
    가스 혼합물 내의 수소 성분의 분율은 70% 미만이 됨으로써, 섬유의 방사선-유발 열화를 감소시키고 섬유의 수명을 증가시키게 되는, 주파수 범위 확장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    광대역 출력 방사선은 방사선 주파수의 연속적인 범위를 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수소 성분은 수소 가스, 중수소 가스 및 삼중수소 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 작동 성분은 희가스를 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가스 혼합물 내의 수소 성분의 분율은 50% 미만, 10% 미만, 또는 2% 미만인, 주파수 범위 확장 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 섬유는 광결정 섬유인, 주파수 범위 확장 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 섬유는 중공 코어를 둘러싸는 링 구조체를 포함하고,
    상기 링 구조체는 링 구조체의 중앙 부분 주위에 배열된 복수의 구조체를 포함하며,
    상기 복수의 구조체는 하나 이상의 반공진 요소를 포함하고,
    상기 복수의 구조체는 복수의 모세관을 포함하는, 주파수 범위 확장 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 혼합물의 수소 성분이 복수의 구조체의 수명을 증가시키는, 주파수 범위 확장 장치.
  9. 광대역 출력 방사선을 제공하기 위한 방사선 소스로서,
    제1항 또는 제2항에 따른 장치; 및
    상기 장치에 입력 방사선을 제공하도록 구성된 입력 방사선 소스를 포함하고,
    상기 장치는 광대역 출력 방사선을 제공하기 위해 입력 방사선을 확장시키도록 구성되는, 방사선 소스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광대역 출력 방사선은 적어도 1W, 적어도 5W, 또는 적어도 10W의 평균 파워를 갖는, 방사선 소스.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 장치의 가스 혼합물에서 수소 성분의 분율은 섬유가 100시간 이상의 작동 동안 적어도 95%의 평균 출력 파워 안정성을 갖도록 충분히 높은, 방사선 소스.
  12. 방사선 주파수 범위를 확장시키는 방법으로서,
    제1항 또는 제2항에 따른 장치를 제공하는 단계;
    중공 코어 섬유를 통해 입력 방사선을 전파하는 단계를 포함하되, 중공 코어 섬유 내부의 가스와 입력 방사선의 상호 작용에 의해 광대역 출력 방사선을 생성하도록 입력 방사선의 주파수 범위의 확장이 유발되는, 방사선 주파수 범위를 확장시키는 방법.
  13. 기판 상의 구조체의 관심 파라미터를 결정하기 위한 계측 배열체로서,
    제9항에 따른 방사선 소스;
    광대역 출력 방사선을 사용하여 기판 상의 구조체를 조명하기 위한 조명 서브시스템; 및
    구조체에 의해 산란 및/또는 반사된 방사선의 일부분을 검출하고, 방사선의 상기 일부분으로부터 관심 파라미터를 결정하기 위한 검출 서브시스템을 포함하는, 계측 배열체.
  14. 제13항에 따른 계측 배열체를 포함하는 계측 장치.
  15. 제13항에 따른 계측 배열체를 포함하는 리소그래피 장치.
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