KR20140039006A

KR20140039006A - 레이저 펄스 증배기를 이용한 반도체 검사 및 계측 시스템

Info

Publication number: KR20140039006A
Application number: KR1020137034733A
Authority: KR
Inventors: 융-호 추앙; 조셉 제이. 암스트롱; 저스틴 디안후안 리우; 블라디미르 드리빈스키; 데이빗 엘. 브라운
Original assignee: 케이엘에이-텐코 코포레이션
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2014-03-31
Also published as: KR102228507B1; JP2019212915A; JP2014519614A; KR20190034349A; US20160285223A1; JP2017201697A; US9972959B2; US20120314286A1; JP6158795B2; JP6545750B2; US10193293B2; KR102046068B1; US9793673B2; US20180233872A1; WO2012173943A3; KR101962460B1; WO2012173943A2; JP6669923B2; KR20190130060A

Abstract

펄스 증배기(pulse multiplier)는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter), 파장판(wave plate), 및 한 세트의 거울들을 포함한다. 상기 편광 빔 스플리터는 입력 레이저 펄스를 받아 들인다. 상기 파장판은 상기 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여 제 1 세트의 파장들 및 제 2 세트의 파장들을 발생시킨다. 상기 제 1 세트의 파장들은 상기 제 2 세트의 파장들과 서로 다른 편광을 가진다. 상기 편광 빔 스플리터, 상기 파장판, 및 상기 한 세트의 거울들은 고리형 공진기(ring cavity)를 생성시킨다. 상기 편광 빔 스플리터는 상기 제 1 세트의 펄스들을 상기 펄스 증배기의 출력으로서 투과시키고, 상기 제 2 세트의 펄스들을 상기 고리형 공진기로 반사시킨다. 이 펄스 증배기는 저렴한 비용으로, 최소한의 총 파워 손실로 초당 펄스들의 수를 증가시키면서 펄스당 피크 파워를 감소시킬 수 있다.

Description

레이저 펄스 증배기를 이용한 반도체 검사 및 계측 시스템{SEMICONDUCTOR INSPECTION AND METROLOGY SYSTEM USING LASER PULSE MULTIPLIER}

<관련 출원>

본 출원은 2011년 6월 13일에 출원되고 "레이저 펄스의 광학적 피크 파워 감소 및 이를 이용한 반도체 검사 및 계측 시스템"으로 명명된 미국 가출원 제 61/496,446호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 반도체 검사 및 계측 시스템을 위해 레이저 펄스의 광학적 피크 파워 감소를 이용하는 것에 관한 것이며, 보다 구체적으로 최적화된 펄스 증배기(pulse multiplier)를 생성하기 위해 편광 빔 스플리터(beam splitter) 및 파장판(wave plate)을 이용하는 것에 관한 것이다.

검사 및 계측을 위한 조명의 요구는 일반적으로 지속파(continuous wave, CW) 광원에 의해서 가장 잘 충족된다. CW 광원은 이미지나 데이터가 지속적으로 획득되도록 하는 일정한 파워 수준을 가진다. 그러나, 관심있는 많은 파장들, 특히 UV 파장들에 있어서, 충분한 방사휘도(radiance)(단위 입체각 당 단위 면적 당 파워)의 CW 광원들이 이용가능하지 못하다.

펄스(pulsed) 광원은 CW 광원의 시간 평균(time-averaged) 파워 수준보다 훨씬 더 높은 순간 피크 파워 수준을 가진다. 그러나, 펄스 레이저가 유일하게 이용가능하거나 또는 비용 효율적인, 관심있는 파장에서 충분한 시간 평균 방사휘도를 갖는 광원이라면, 가능한 최고 반복률(repetition rate) 및 최대 펄스 폭(pulse width)을 갖는 레이저를 사용하는 것이 가장 적합하다. 펄스 반복률이 더 높을수록, 동일한 시간 평균 파워 수준에 대한 펄스 당 순간 피크 파워는 더 낮다. 대부분의 손상 메커니즘들이 비선형적이고, 또한 평균 파워보다는 피크 파워에 더 강하게 의존하므로, 레이저 펄스들의 더 낮은 피크 파워는 광학 장치 및 측정되는 웨이퍼에 더 적은 손상을 준다.

증가된 반복률의 추가적인 이점은 펄스 대 펄스 변화의 더 좋은 평균화 및 더 좋은 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)를 초래하는 데이터 획득 당 또는 픽셀 당 더 많은 펄스들이 취합된다는 것이다. 나아가, 빠르게 이동하는 샘플에 대해, 더 높은 펄스율(pulse rate)은, 각 펄스 간 이동 거리가 더 작으므로, 시간 함수로서 샘플 위치의 더 좋은 샘플링 결과를 가져온다.

레이저 서브시스템(subsystem)의 반복률은 레이저 매질, 펌프 시스템, 및/또는 그 구동 전자장치를 향상시킴으로써 증가될 수 있다. 불행하게도, 미리 결정된 반복률에서 이미 작동 중인 자외선(ultraviolet, UV) 레이저를 변경하는 것은, 단지 반복률을 증가적으로 향상시킬 수 있는 하나 이상의 그 구성 요소들을 향상시키기 위해, 시간 및 비용의 상당한 투자를 필요로 할 수 있다.

그러므로, 레이저의 반복률을 향상시키기 위한 실제적이고 저렴한 기법이 요구되고 있다.

일반적으로, 시스템을 위해 최적화된 펄스를 발생시키는 방법이 설명된다. 이 방법에서, 입력 레이저 펄스는 고리형 공진기(ring cavity)을 이용하여 복수의 펄스들로 분광될 수 있다. 상기 복수의 펄스들은 펄스열(pulse train)들로 그룹화될 수 있으며, 상기 펄스열들은 거의 에너지가 동일하고, 또한 시간에 있어서 거의 간격이 동일하다. 한 세트의 펄스열들은 시스템을 위한 펄스들로서 투과될 수 있지만, 나머지 펄스열들은 상기 고리형 공진기로 반사되어 나올 수 있다.

펄스 증배기(pulse multiplier)는 편광 빔 스플리터(polarizing beam spiltter), 파장판(wave plate), 및 한 세트의 거울들을 포함할 수 있다. 상기 편광 빔 스플리터는 입력 레이저 펄스를 받아 들인다. 상기 파장판은 상기 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여 제 1 및 제 2 세트의 펄스들을 발생시킨다. 일 실시예에서, 상기 파장판은 27.3678 도로 설정될 수 있는 반파장판(half-wave plate)을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 파장판은 사분의 일 파장판(quarter-wave plate)을 포함한다. 특히, 상기 제 1 세트의 펄스들은 상기 제 2 세트의 펄스들과 서로 다른 편광을 가진다. 상기 한 세트의 거울들은 상기 편광 빔 스플리터 및 상기 파장판을 포함하는 상기 고리형 공진기를 생성시킨다. 상기 편광 빔 스플리터는 상기 펄스 증배기의 출력으로서 상기 제 1 세트의 펄스들을 유리하게 투과시키며, 상기 제 2 세트의 펄스들을 상기 고리형 공진기로 되돌려 반사시킨다.

상기 펄스 증배기는 상기 고리형 공진기에서 펄스들을 균일하게 형성시키기 위한 하나 이상의 렌즈를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 렌즈들은 두 개의 이미지 릴레이 관(image relay tube)들을 가지도록 구현될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 거울 세트는 복합 거울(composite mirror)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 거울 세트는 상기 편광 빔 스플리터 및 상기 파장판을 공유하는 두 개의 고리형 공진기들을 생성시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 거울 세트는 직렬로 연결된 두 개의 고리형 공진기들을 생성시킬 수 있으며, 상기 각 고리형 공진기는 그 자신의 편광 빔 스플리터 및 파장판을 포함한다.

고리형 공진기가 없는 펄스 증배기의 다른 예를 설명한다. 이 펄스 증배기에서, 상기 편광 빔 스플리터는 입력 펄스 레이저 펄스를 받아 들이고, 상기 파장판(예를 들면, 사분의 일 파장판)은 상기 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여 제 1 세트의 펄스들 및 제 2 의 펄스들을 생성시키며, 상기 제 1 세트의 펄스들은 제 2 세트의 펄스들과는 서로 다른 편광을 가진다. 한 세트의 다중 표면(multi-surface) 반사 구성요소들(예를 들면, 하나의 거울 및 에탈론(etalon)들)은 상기 제 1 및 제 2 세트의 펄스들을 상기 파장판을 통해 상기 편광 빔 스플리터로 반사시킨다. 상기 편광 빔 스플리터는 상기 제 1 세트의 펄스들을 상기 펄스 증배기의 출력으로서 투과시키고, 상기 제 2 세트의 펄스들을 상기 파장판 및 상기 한 세트의 다중 표면 반사 구성요소들로 반사시킨다. 상기 제 2 세트의 펄스들의 피크 출력 파워는 sin²θ로 조정될 수 있다.

고리형 공진기가 없는 펄스 증배기의 또 다른 예를 설명한다. 이 펄스 증배기에서, 제 1 파장판은 입력 레이저 펄스를 받아 들이고, 편광 빔 스플리터는 상기 제 1 파장판의 출력을 받아 들인다. 제 2 파장판은 상기 편광 빔 스플리터로부터 제 1 세트의 펄스들을 받아 들인다. 제 1 거울은 상기 제 2 파장판으로부터 출력을 다시 상기 제 2 파장판을 통해 상기 편광 빔 스플리터로 반사시킨다. 제 3 파장판은 상기 편광 빔 스플리터로부터 제 2 세트의 펄스들을 받아 들인다. 제 2 거울은 상기 제 3 파장판으로부터 출력을 다시 상기 제 3 파장판을 통해 상기 편광 빔 스플리터로 반사시킨다. 특히, 상기 편광 빔 스플리터는, 상기 펄스 증배기의 출력을 발생시키기 위해, 상기 제 3 파장판으로부터의 제 4 세트의 펄스들과 결합된 상기 제 2 파장판으로부터의 제 3 세트의 펄스들을 투과시킨다. 상기 편광 빔 스플리터는 또한 상기 제 2 파장판으로부터의 제 5 세트의 펄스들을 상기 제 2 파장판 및 상기 제 1 거울로 반사시키며, 제 6 세트의 펄스들을 상기 제 3 파장판 및 상기 제 2 거울로 반사시킨다. 일 실시예에서, 상기 제 1 파장판은 반파장판을 포함하며, 상기 제 2 및 제 3 파장판들은 사분의 일 파장판들을 포함한다.

상기 어떤 펄스 증배기든지 웨이퍼 검사 시스템, 패턴 웨이퍼 검사 시스템, 마스크 검사 시스템, 또는 계측 시스템에 포함될 수 있다. 상기 펄스 증배기는 최소한의 전체 파워 손실로 초당 펄스 수를 증가시키면서 펄스당 피크 파워를 저렴한 비용으로 감소시킬 수 있다. 상기 펄스 증배기는 기성(off-the-shelf) 레이저들로 유리하게 고속의 검사 및 계측을 가능하게 할 수 있다.

도 1은 각 입력 레이저 펄스로부터 펄스열(pulse train)들을 발생시키도록 구성된 예시적인 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 2A는 상기 도 1의 펄스 증배기에 의한 예시적인 에너지 엔벨로프 출력(energy envelopes output)을 도시하고 있다. 각 에너지 엔벨로프는 출력 펄스열을 포함한다.
도 2B는 상기 도 1의 펄스 증배기가 피크 파워를 감소시키고 에너지 균형 출력을 보장하면서 원래의 반복 펄스율을 두 배로 할 수 있음을 도시하고 있다.
도 3A, 도 3B, 및 도 3C는 각각 1 개의 렌즈, 2 개의 렌즈들, 및 4 개의 렌즈들을 위한 펄스 증배기에서의 렌즈 구성들을 도시하고 있다.
도 4 및 도 5는 거울 틸트(tilt)가 어떻게 출력 빔 오프셋(offset)에 영향을 미치는지를 도시하고 있다.
도 6은 렌즈 틸트가 어떻게 출력 빔 오프셋(offset)에 영향을 미치는지를 도시하고 있다.
도 7은 렌즈 디센터(decenter) 정렬 불량(misalignment)이 어떻게 출력 빔 오프셋(offset)에 영향을 미치는지를 도시하고 있다.
도 8은 두 개의 렌즈들을 포함하는 펄스 증배기의 예시적인 실시예를 도시하고 있다.
도 9A는 직렬로 연결된 두 개의 인접한 고리형 공진기(ring cavity)들을 포함하는 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 9B는 반 중첩(semi-nested) 고리형 공진기를 포함함으로써 두 개의 고리형 공진기들 간에 일부 구성요소들을 공유하도록 하는 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 10은 다중 표면 반사 구성요소들을 포함하는 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 11은 펄스 출력을 발생시키기 위해 두 개의 결합된 빔들을 이용하는 예시적인 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 12는 도 1의 펄스 증배기 대비 고리형 공진기에서 거울의 수를 감소시킨 예시적인 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 13은 펄스 증배기를 포함하는 예시적인 웨이퍼 검사 시스템을 도시하고 있다.
도 14는 펄스 증배기를 포함하는 예시적인 패턴 웨이퍼 검사 시스템을 도시하고 있다.
도 15는 다른 예시적인 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 16은 오직 반사 광학 장치들(reflective optics)만을 이용하여 구현될 수 있는 고리형 공진기를 도시하고 있다.
도 17은 다른 예시적인 펄스 증배기를 도시하고 있다.
도 18은 다른 예시적인 펄스 증배기를 도시하고 있다.

향상된 펄스 증배기의 일 측면에 따르면, 각 레이저 펄스는 펄스열(pulse train)들로 그룹화되는 복수의 펄스들로 분광될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 펄스열들은 에너지가 거의 동일할 수 있으며, 시간에 있어서 거의 간격이 동일할 수 있다. 이러한 레이저 펄스의 분광은 최소한의 에너지 손실로 상기한 문제점들에 대한 실제적이고 저렴한 비용의 해결책을 제공할 수 있다.

도 1은 각 입력 펄스(101)로부터 펄스열들을 발생시키도록 구성된 예시적인 펄스 증배기(100)를 도시하고 있다. 입력 펄스(101)는, 입력 펄스(101)의 입력 편광때문에 빛을 모두 렌즈(106)로 투과시키는, 편광 빔 스플리터(102)에 입사한다. 따라서, 상기 투과된 편광은 입력 펄스(101)의 상기 입력 편광에 평행하다. 렌즈(106)는 입력 펄스(101)의 빛을 초점을 맞춰 반파장판(105)으로 향하게 한다. 일반적으로, 파장판은 광파의 수직 편광 구성요소들 간에 위상(phase)들을 이동시킨다(shift). 예를 들면, 선형적으로 편광된 빛을 받아 들이는 반파장판은 두 개의 파들을 발생시키는데, 하나는 광축에 평행한 파이고, 다른 하나는 광축에 수직한 파이다. 반파장판(105)에서, 상기 평행한 파는 상기 수직한 파보다 약간 더 느리게 진행할 수 있다. 반파장판(105)은, 출사하는 광에 대해, 하나의 파는 다른 하나의 파에 대해 상대적으로 정확히 반 파장(180도) 지연된다. 또한, 상기 두 개의 파들의 조합은 상기 판에 입사하는 빛과 비교하여 직각으로 편광된다.

따라서, 반파장판(105)은 각 입력 펄스(101)로부터 펄스열들을 발생시킬 수 있다. 상기 펄스열들의 정규화된 진폭(normalized amplitude)들은 다음과 같다: cos2θ(여기서, θ는 반파장판(105)의 각도이다), sin²2θ, sin²2θcos2θ, sin²2θcos²2θ, sin²2θcos³2θ, sin²2θcos⁴2θ, sin²2θcos⁵2θ, 등. 특히, 레이저 펄스로부터 오는 펄스열들의 총 에너지는 반파장판(105)을 통과하면서 실질적으로 보존될 수 있다.

반파장판(105)에 의해 발생되는 홀수 항(odd term)들로부터의 에너지의 합은 다음과 같다:

(cos2θ)² + (sin²2θcos2θ)² + (sin²2θcos³2θ)² + (sin²2θcos⁵2θ)² + (sin²2θcos⁷2θ)² + (sin²2θcos⁹2θ)² + ...

= cos²2θ + sin⁴2θ(cos²2θ + cos⁶2θ + cos¹⁰2θ + ...)

= 2cos²2θ/(1 + cos²2θ)

반면에, 반파장판(105)에 의해 발생되는 짝수 항(even term)들로부터의 에너지의 합은 다음과 같다:

(sin²2θ)² + (sin²2θcos²2θ)² + (sin²2θcos⁴2θ)² + (sin²2θcos⁶2θ)² + (sin²2θcos⁸2θ)² + (sin²2θcos¹⁰2θ)² + ...

= sin⁴2θ (1 + cos⁴2θ + cos⁸2θ + cos¹²2θ + ...)

= sin²2θ/(1 + cos²2θ)

펄스 증배기(100)의 일 측면에 따르면, 반파장판(105)의 각도 θ는 상기 홀수 항 합이 상기 짝수 항 합과 같도록 (다음에 보는 바와 같이) 결정될 수 있다.

2cos²2θ = sin²2θ

cos²2θ = 1/3

sin²2θ = 2/3

θ = 27.3678 도(degree)

다시 도 1을 참조하면, 반파장판(105)을 출사하는 빛은 거울들(104, 103)에 의해 편광 빔 스플리터(102)로 반사된다. 따라서, 편광 빔 스플리터(102), 렌즈(106), 반파장판(105), 및 거울들(104, 103)은 고리형 공진기 구성을 형성한다. 상기 고리형 공진기를 통과한 후 편광 빔 스플리터(102)에 입사하는 빛은 반파장판(105)에 의해 발생되는 두 개의 편광들을 가진다. 그러므로, 편광 빔 스플리터(102)는, 화살표들(109)로 표시한 바와 같이, 일부 빛을 투과시키고 다른 빛은 반사한다. 구체적으로, 편광 빔 스플리터(102)는 입력 펄스(101)와 동일한 편광을 갖는 거울(103)로부터의 빛을 투과시킨다. 이 투과광(transmitted light)은 출력 펄스(107)로서 펄스 증배기(100)에서 출사한다. 입력 펄스(101)의 편광에 수직한 편광을 갖는 상기 반사광(reflected light)은 상기 고리형 공진기로 재투입된다(단순화를 위해 펄스들은 미도시함).

특히, 이 재투입된 펄스들은, 반파장판(105)에 의해 부분적으로 더 편광이 전환되고 이어서 편광 빔 스플리터(102)에 의해 분광되면서, 상기한 바와 같은 방식으로 상기 고리를 통과할 수 있다. 따라서, 일반적으로, 상기 고리형 공진기는 일부 빛은 출사하도록 하고 나머지 빛은 (최소한의 손실로) 고리 주위에 지속되도록 구성된다. 상기 고리의 각 통과 시에(및 추가적인 입력 펄스의 투입 없이), 전체 빛의 에너지는 출력 펄스들(107)로서 상기 고리에서 출사하는 빛으로 인해 감소한다.

주기적으로, 새로운 입력 펄스(101)가 펄스 증배기(100)에 제공된다. 일 실시예에서, 125 MHz 레이저 입력에 대해, 0.1 나노초(nanosecond, ns) 레이저 펄스들이 발생된다. 상기 고리의 크기, 및 이에 따른 고리의 시간 지연이 화살표들(108)로 표시된 축을 따라 이동 거울(moving mirror, 104)에 의해 조정될 수 있다는 것에 주의하라.

고리형 공진기 길이는 펄스 간격을 증배 계수(multiplication factor)로 나누어 직접 계산된 공칭 길이(nominal length)보다 약간 더 크거나, 또는 약간 더 작을 수 있다. 이는 상기 편광 빔 스플리터와 정확히 같은 시간에 도착하지 않는 펄스들을 초래하며, 출력 펄스의 폭을 넓힌다. 예를 들면, 입력 펄스 반복률이 125 MHz인 경우, 공진기 지연은 2배의 주파수 증배에 대해 명목상 4 ns가 된다. 일 실시예에서, 4.05 ns에 대응하는 공진기 길이가, 복합적으로(multiply) 반사된 펄스들이 입사 펄스와 정확히 같은 시간에 도착하지 않도록, 이용될 수 있다. 또한, 125 MHz 입력 펄스 반복률에 대한 상기 4.05 ns 공진기 길이는 유리하게 펄스 폭을 넓히고 펄스 높이를 감소시킨다. 서로 다른 입력 펄스율들을 갖는 다른 펄스 증배기들은 서로 다른 공진기 지연들을 가질 수 있다.

특히, 합동으로 작동하는 편광 빔 스플리터(102) 및 반파장판(105)은 상기 고리 내부를 통과하는 매 회마다 약해지는 짝수 및 홀수 펄스들을 발생시킨다. 이러한 짝수 및 홀수 펄스들은 에너지 엔벨로프들을 제공하는 것으로 특징지어질 수 있으며, 상기 에너지 엔벨로프는 짝수 펄스열(즉, 복수의 짝수 펄스들) 또는 홀수 펄스열(즉, 복수의 홀수 펄스들)로 이루어진다. 펄스 증배기(100)의 일 측면에 따르면, 이 에너지 엔벨로프들은 실질적으로 동일하다.

도 2A는 각각 출력 펄스열들(201A, 201B, 201C, 및 201D)로 이루어진 예시적인 에너지 엔벨로프들(202A, 202B, 202C, 및 202D)을 도시하고 있다. 보는 바와 같이, 출력 펄스열들은 상기한 실시예를 예시한다. 즉, 홀수/짝수 펄스들 간의 시간 지연은 0.1 ns이며, 인접한 파워 엔벨로프들의 연관된 펄스들(즉, 1→2, 3→4, 5→6) 간의 시간 지연은 4.050 ns이다. 특히, 상기 홀수/짝수 펄스들 간의 시간은 그것들이 비간섭적으로(incoherently) 첨가될 수 있도록 (및 반대로, 그것들이 서로서로 간섭하지 않도록) 충분히 멀리 떨어져 있다.

원래의 펄스들(200A 및 200B)은 파워 엔벨로프들(202A 및 202C)의 일부가 아니라, 상황을 위해 나타낸 것이다. 구체적으로, 편광 빔 스플리터(102) 및 반파장판(105)은 출력 펄스열들(201A 내지 201D)를 발생시키기 위해 원래의 펄스들(200A 및 200B)를 이용한다. 도 2B는 각각의 펄스열들(201A 및 20B)에서 개별적인 펄스들의 정규화된 합은 1/2이며 펄스열들(201A 및 20B)의 정규화된 합은 1임을 도시하고 있다. 따라서, 펄스 증배기(100)에 대해 설명한 상기 구성은 피크 파워를 감소시키고 에너지 균형 출력을 보장하면서 원래의 반복 펄스율을 두 배로 할 수 있다.

특히, 다시 도 1을 참조하면, 상기 고리의 각 통과 시에, 렌즈(106)는 균일하게 상기 광 펄스들의 모양을 형성한다. 이러한 균일성은 펄스들이 미리 결정된 크기의 엔벨로프들(예를 들면, 도 2A에서 보는 바와 같이)의 일관성 있는 결과들로 합해지도록 한다(예를 들면, 도 2B에서 보는 바와 같이). 따라서, 렌즈(106)는 펄스 증배기(100)를 위한 높은 빔 품질(beam quality)을 유리하게 유지할 수 있다.

오직 하나의 렌즈, 즉, 렌즈(106)만이 펄스 증배기(100)에 나타나 있지만, 다른 실시예들에서는 더 많은 렌즈들을 포함할 수 있음을 주의하라. 상기한 펄스 증배기에서 적어도 하나의 렌즈를 갖는 목적은 빔 릴레이(beam relay)의 특정 지점들에서 균일한 가우시안 빔(Gaussian beam) 형태를 보장하기 위한 것, 즉, 고리형 공진기의 길이를 보상하기 위해 빔 웨이스트(beam waist)의 초점을 다시 맞추기 위한 것이다. 도 3A, 도 3B, 및 도 3C는 각각 1 개의 렌즈, 2 개의 렌즈들, 및 4 개의 렌즈들에 대한 렌즈 구성들을 도시하고 있다. 렌즈의 수는 구체적으로 상기 고리형 공진기에서 렌즈의 수를 말함에 주의하라. 그러므로, 예를 들면, 구성(301)(도 3A)은 상기 고리형 공진기의 일부를 형성하는 하나의 렌즈를 가지지만, 평행한 빔들(collimated beams)을 형성하기 위해 사실상 상기 고리형 공진기 외부에 추가적인 두 개의 렌즈들을 필요로 한다. 도 3A 내지 도 3C에 나타낸 가우시안 빔 릴레이들에서 수평 및 수직 선들은, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자에게 알려져 있는, 이미지 평면들을 표시하며, 반면에 대각선들은 거울들 또는 상기 편광 빔 스플리터를 나타냄에 주의하라. 예를 들면, 구성(302)(도 3B)에서, 세개의 이미지 평면들(304)이 제공된다. 도 3C는 1 배의 배율을 갖는 망원경 쌍(telescopic pair)을 형성하는 4 개의 렌즈들을 갖는 구성(303)을 도시하고 있다. 구성(303)도 (구성(302)처럼) 두 개의 내부 이미지(internal image)들을 발생시킨다. 그러나, 구성(303)은 상기 망원경을 형성하는 렌즈 쌍 사이에 거울들을 필요로 하지 않는다. 그러므로, 구성(303)은 이미지 릴레이 관(image relay tube)들 사이에 조정 거울(adjustment mirror)들을 갖는 두 개의 이미지 릴레이 관들을 이용하여 구축될 수 있으며, 이로써, 예를 들면, 구성(302)에 비해 구성요소 정렬 및 구성요소 조립을 단순화할 수 있다.

일반적으로, 2 렌즈 구성(이중 렌즈(lens doublet)로도 불림)은 1 렌즈 구성보다 재초점이 맞춰진 빔 웨이스트에서 양호한 빔의 품질을 제공할 수 있다. 그러나, 렌즈 구성에서 렌즈의 수는 특정 응용의 요구사항들에 근거하여 달라질 수 있다. 대체적인(alternative) 펄스 증배기 실시예들은 하나 이상의 렌즈들 대신에, 또는 하나 이상의 렌즈들에 추가하여, 하나 이상의 곡면 초점 거울들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 빔 직경은 상기 고리형 공진기에 입사하기 전에 약 10 mm 폭으로 확장되며, 따라서 재초점 맞춤(refocusing)이 필요없다. 넓은 빔으로 특징지을 수 있는 것을 갖는 이 실시예에서, 렌즈들 및 곡면 거울들은 모두 제거될 수 있다.

도 4 및 도 5는 거울 틸트(tilt)가 어떻게 출력 빔 오프셋(offset)에 (밀리미터 단위로) 영향을 미칠 수 있는지를 도시하고 있다. 다시 도 1을 참조하면, 거울(104)에 의해 제공되는 기능은 또한 두 개의 거울들(104A 및 104B)을 사용하여 수행될 수 있으며, 상기 거울(104A)은 제 1 코너 거울(corner mirror)(상기 고리형 공진기 통과시)로 표현할 수 있고, 상기 거울(104B)은 제 2 코너 거울로 표현할 수 있다. 도 4 및 도 5는 거울 틸트에 근거한 제 1 및 제 2 코너 거울들의 감도(sensitivity)를 각각 도시하고 있다. 세 가지의 렌즈 구성들이 나타나 있다: 1 렌즈 구성(401, 501), 2 렌즈 구성(402, 502), 및 4 렌즈 구성(403, 503). 도 4는 상기 1 렌즈 구성이 (감도에 있어서 상대적으로 근접한) 상기 2 또는 4 렌즈 구성보다 거울 틸트에 대해 현저히 더 높은 감도를 가진다는 것을 나타내고 있다. 도 5는 상기 4 렌즈 구성이 상기 1 또는 2 렌즈 구성에 비해 거울 틸트에 대한 감도를 현저히 감소시킨다는 것을 나타내고 있다.

별도의 거울들(104A 및 104B)보다 복합 거울(104)을 사용함으로써 몇 가지 유리한 점이 실현될 수 있음에 주의하라. 예를 들면, 정확한 90도 각도를 제공하는 복합 거울(104)의 사전 조립(pre-assembly)은 개별적인 거울들(104A 및 104B)을 정렬하는 것보다 더 쉬운 현장 조립을 가능하게 할 수 있다. 또한, 복합 거울(104)은 상기 두 개의 거울들의 각도에 독립적인 반환 방향(return direction)을 제공할 수 있다. 그러므로, 복합 거울(104)은, 여전히 빛이 항상 입력광에 평행하게 반사되는 것을 보장하면서, 회전될 수 있다. 결과적으로, 복합 거울(104)은 별도의 거울들(104A 및 104B)에 대해 몇 가지 성능상의 유리한 점을 제공할 수 있다. 복합 거울(104)은 반사 프리즘들, 유리 블록(glass block)들, 기계가공된 거울(machined mirror)들, 또는 다른 적합한 물질들을 이용하여 구현될 수 있다.

도 6은 렌즈 틸트가 어떻게 출력 빔 오프셋에 (밀리미터 단위로) 영향을 미칠 수 있는지를 도시하고 있다. 네 개의 서로 다른 렌즈들의 감도들이 도 6에 나타나 있다: 1 렌즈(601), 2 개의 렌즈들 중 제 1 렌즈(602), 4 개의 렌즈들 중 제 1 렌즈(603), 및 4 개의 렌즈들 중 제 2 렌즈(604). 보는 바와 같이, 1 렌즈 구성은, 틸트 각도가 증가함에 따라, 다른 어떤 구성보다 틸트에 대해 중간 정도로 더 높은 감도를 나타낸다.

도 7은 렌즈 디센터 정렬 불량(decenter misalignment)이 어떻게 출력 빔 오프셋에 (밀리미터 단위로) 영향을 미칠 수 있는지를 도시하고 있다. 네 개의 서로 다른 렌즈들의 감도들이 도 7에 나타나 있다: 1 렌즈(701), 2 개의 렌즈들 중 제 1 렌즈(702), 4 개의 렌즈들 중 제 1 렌즈(703), 및 4 개의 렌즈들 중 제 2 렌즈(704). 보는 바와 같이, 1 렌즈 구성은 상기 4 렌즈 구성(제 1 또는 제 2 렌즈)보다 디센터 정렬 불량에 대해 현저하게 더 높은 감도를 나타내며, 2 렌즈 구성보다 디센터 정렬 불량에 대해 중간 정도로 더 높은 감도를 나타낸다.

표 1 및 표 2는 상기 빔 스플리터 소광비(extinction ratio) 및 편광이 2 개 또는 4 개의 렌즈들에 대한 에너지 효율에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 예시적인 데이터를 제공한다. 표 1 및 표 2는 (1) 입력 빔은 완전 P-편광이고, (2) 고반사(high-reflector, HR) 코팅 거울들은 Rp: 99.89%, Rs: 99.95%이고, (3) 반사 방지(anti-reflective, AR) 렌즈들은 R: 0.2%이고 4 개의 렌즈들(8 개의 면들)이며, (4) 제 1 반사는 계산에 포함되고, 및 (5) 상기 반파장판은 27.36도로 고정되지 않았다는 것을 가정하고 있음을 주의하라.

상기 빌 스플리터 소광비는 원치 않는 성분에 대한 원하는 성분의 투과비(즉, 편광판에 대해, 반사광에 대한 투과광의 비)이다. 특히, 편광 순도(polarization purity)는 주로 상기 빔 스플리터 소광비의 함수이다. 일 실시예에서, 적은 손실로 편광 효율을 향상시키기 위해 추가적인 편광판(polarizer)이 상기 펄스 증배기의 출력에서 첨가될 수 있다.

상기 반파장판이 동일한 펄스 대 펄스(pulse-to-pulse) 에너지에 도달하기 위한 최선의 각도는 소광비 및 다른 공진기 손실들에 의존한다. 표 1 및 표 2는 유한한 소광비의 편광판 및 투과 및 반사율에 있어서 비이상적(non-ideal)인 구성요소를 이용한 예들을 고려한 것이며, 최적의 파장판 각도 요건을 추산한 것이다.

빔 스플리터 소광비 Tp/Ts	에너지 효율 %	편광 순도 P/S	반파장판 각도
100:1	96.21	99.73	26.85
150:1	97.3	150.27	26.29
200:1	97.6	200.4	26.15
500:1	98.0	500.07	26.45

표 1: 2 개의 렌즈들에 대한 소광비들

빔 스플리터 소광비 Tp/Ts	에너지 효율 %	편광 순도 P/S	반파장판 각도
100:1	95.16	99.93	26.35
150:1	95.12	148.68	27.45
200:1	96.4	200.6	26.05
500:1	96.5	498.75	26.45

표 2: 4 개의 렌즈들에 대한 소광비들

바람직한 일 실시예에서, 상기 펄스 증배기에서 구성요소들의 수는 최소화될 수 있다. 구체적으로, 상기 표 1에 나타난 것들과 같은, 각 구성요소와 연관된 적은 손실들에 대해서 조차도, 빛이 상기 고리형 공진기를 통과할 때마다 미리 결정된 양만큼 최소한으로 성능을 저하시킬 수 있다. 그러므로, 상기 고리형 공진기에서 구서요소들을 최소화하는 것은 성능 저하를 최소화하는 하나의 방법을 제공할 수 있다. 예를 들면, 각 렌즈는 두 개의 표면을 가지고, 상기 각 표면은 미리 결정된 손실을 가진다. 그러므로, 1 또는 2 렌즈 구성(각각 2 개 및 4 개의 표면들을 가짐)은 4 렌즈 구성(8 개의 표면을 가짐)보다 더 좋은 성능을 제공할 수 있다(동등한 품질의 렌즈들을 가정할 때).

도 8은 두 개의 렌즈들(801A 및 801B)을 포함하는 펄스 증배기(900)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 거울(104)(도 1)은 이제 별도의 거울들(104A 및 104B)임을 또한 주의하라. 이 실시예에서, 렌즈(801A)는 편광 빔 스플리터(102)와 거울(104) 사이에 위치되며, 반면에 렌즈(801B), 반파장판(105), 및 거울(103)은 거울(104B)와 편광 빔 스플리터(102) 사이에 위치된다. 하나의 고리형 공진기 및 얼마든지 렌즈들을 갖는 이 구성 및 다른 모든 구성들은, 입력 펄스(101)의 펄스율에 비해, 출력 펄스들(107)에서 2 배율의 증가를 제공할 수 있다.

일 실시예에서, 서로 다른 길이를 갖는 두 개의 공진기들이, 펄스율을 4 배 이상으로 증배시키기 위해, 직렬로 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 9A는 직렬의 두 개의 고리형 공진기들(900A 및 900B)(고리형 공진기들(900A 및 900B)은, 보는 바와 같이, 동일 평면 상에서 인접할 수 있거나, 또는 하나가 다른 하나의 맨 위에 놓일 수 있음에 주의하라)을 포함하는 펄스 증배기를 도시하고 있으며, 상기 각 고리형 증배기는 편광 빔 스플리터(901), 반파장판(902), 및 거울들(903)을 포함한다(단순화를 위해 렌즈 또는 렌즈들은 미도시).

도 9B는 반중첩(semi-nested) 고리형 공진기를 포함하며, 이로써 두 개의 고리형 공진기들 간에 일부 구성요소들을 공유하도록 하는 펄스 증배기를 도시하고 있다. 예를 들면, 이 실시예에서, 편광 빔 스플리터(911), 반파장판(912), 및 거울(913')은 두 개의 고리형 공진기들(910A 및 910B)에 의해 공유될 수 있다(고리형 공진기(910B)는 두 부분들을 가지며, 여기서 한 부분은 고리형 공진기(910A) 내에 중첩되고 다른 한 부분은 고리형 공진기(910A)의 외부에 있음). 거울들(913)은 그들의 각 고리형 공진기들의 일부를 형성한다(관례에 따라 배치될 수 있는 렌즈 또는 렌즈들은 단순화를 위해 미도시). 도 9B에서 보는 바와 같이, 빛이 고리형 공진기(910A)를 떠난 후, 상기 빛은 먼저 고리형 공진기(910A) 외부에 있는 고리형 공진기(910B)의 부분을 통과하고, 다음에 고리형 공진기(910A)에서 중첩된 고리형 공진기(910A)의 부분을 통과한다. 일 실시예에서, 상기 제 2 고리형 공진기(900B/910B)는, 4 배로 증배된 펄스 반복률을 제공하기 위해, 실질적으로 상기 고리형 공진기(900A/910A)의 공진기 길이의 반의 길이를 가질 수 있다.

특히, 도 9A 및 도 9B에서의 펄스 증배기들은 입력 펄스에 비해 4 배율의 증가를 제공할 수 있다. 다른 실시예들은 더 많은 고리형 공진기들을 포함할 수 있으며, 상기 각 고리는 상기 비율을 증가시킨다(예를 들면, 3 개의 고리형 공진기들이 8 배율을 제공하거나, 4 개의 고리형 공진기들이 16 배율을 제공하거나, 등등).

반파장판이 상기한 펄스 증배기 실시예들에 포함되지만, 다른 파장판들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다는 것에 주의하라. 즉, 서로 다른 위상지연(retardance)을 갖는 하나 이상의 파장판들이 단일의 반파장판 대신에 사용될 수 있다. 예를 들면, 반파장판은, 원하는 증배 계수(multiplication factor) 및 일련의 동일한 강도의 펄스들이 요구되는지 여부 또는 일련의 감쇠하는 펄스 진폭들이 요구되는지에 따라, 사분의 일 파장판(quarter-wave plate) 또는 반파장판과 사분의 일 파장판의 조합으로 대체될 수 있다.

펄스 증배기의 일 실시예에서, 적어도 하나의 고리형 공진기는 2 개의 파장판들을 포함할 수 있다. 이 경우에, 제 1 파장판은 각도 θ1에서 δ1의 위상 지연을 제공할 수 있고, 제 2 파장판은 각도 θ2에서 δ2의 위상 지연을 제공할 수 있다. 입력 레이저 펄스 (E_x, E_y)의 전기장은 다음에 의해 결정될 수 있다:

일 실시예에서, 다음에 표시한 바와 같이, 제 1 위상판(phase plate)은 사분의 일 파장판으로 설정될 수 있고, 제 2 위상판은 반파장판으로 설정될 수 있다:

일 실시예에서, 상기 고리형 공진기는 하기와 같이 정렬될 수 있다. 초기에, 펄스 모양 및 시간이, 공진기 길이를 조정하기 위하여, 광다이오드 및 오실로스코프를 이용하여 관찰될 수 있다. 다음에, 고리형 공진기 출구로부터 1 m 내지 2 m 떨어진 곳에 위치한 카메라가, 레이저 빔의 프로파일 및 위치를 검출하기 위해, 이용될 수 있다. 이 때, 상기 파장판의 θ는 0도로 설정될 수 있다. 이 구성에서, 펄스는 상기 고리형 공진기 주위를 한 번 돌아서, 상기 고리형 공진기로 다시 향해지는 편광 빔 스플리터로부터 현저한 반사광없이 출사한다(따라서, 아무런 비율(rate) 증가도 발생해서는 안 된다). 다음에, 상기 파장판의 θ는 45도로 설정될 수 있다. 이 구성에서, 펄스는 상기 고리형 공진기를 두 번 통과한 다음에 출사해야 한다. 구체적으로, 첫 번째 통과 후 상기 편광 빔 스플리터를 통해 미미한 투과가 발생하지만, 두 번째 통과 후 실질적으로 완전한 투과가 발생한다. 최종적으로, 상기 파장판의 θ는, 상기 공진기로부터 출사시 짝수 및 홀수 펄스 에너지들이 공간적으로 균형잡힌 평균 파워에 도달하도록, 27.3678도로 설정될 수 있다. 다음에, 광학적 구성요소들은 이러한 두 개의 자취(trace)의 광 경로들이 실질적으로 동일한 크기가 되고 동일한 위치에 도착하도록 보장하기 위해 조정될 수 있다.

또한, 고리형 공진기들을 갖는 펄스 증배기들은 서로 다른 진폭들을 갖는 펄스열들을 발생시킬 수 있으며, 그러한 특징이 요구되어야 한다. 예를 들면, 적절한 파장판 방향을 이용하여, 제 2 펄스는 제 1 펄스보다 더 강할 수 있다. 구체적으로, 반파장판의 축이 약 27.4도보다 큰 x-축에 대한 각도로 (입사 레이저의 편광 벡터를 포함하는 평면) 방향이 잡혀 있다면, 제 1 펄스는 제 2 펄스보다 더 약할 것이다. 대체적인 구성들은 하나의 펄스를 일 열(train)의 감소하는 진폭의 펄스들로 나누어지게 할 수 있다. 다음에, 그러한 열(train)이 각 입사 레이저 펄스에 대해 반복될 수 있다.

상기에서 고리형 공진기들을 포함하는 펄스 증배기들이 설명되었지만, 다른 펄스 증배기는 펄스 발생을 위한 고리형 공진기 없이 다중 표면(multi-surface) 반사 방식들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 10은 편광 빔 스플리터(1001), 사분의 일 파장판(1002), 거울(1003), 및 두 개의 에탈론형(etalon-like) 표면들(1004)을 포함하는 펄스 증배기(1000)를 도시하고 있다. 에탈론은 일반적으로 두 개의 고반사 표면들을 갖는 투명한 판으로 형성된다. 이 실시예에서, 에탈론형 표면들(1004)은 부분적인 반사 표면들을 갖도록 형성될 수 있다. 펄스 증배기(1000)에서, 간섭계(interferometer)는 정확한 정렬이 필요할 수 있지만, 광학적 구성요소들 (및 연관된 다수의 표면들)의 정렬은 상대적으로 간단하다는 것을 주의하라. 하기의 표 3은 표면들의 다양한 수(n)에 대한 예시적인 반사율(reflectance)을 표시하고 있다. 일반적으로, 최적화된 결과들은 (1-R)²ⁿ = R 일 때 발생되며, 여기서 R은 반사율이다.

n	R
1	0.382
2	0.276
3	0.222
4	0.188

표 3: 표면들의 수 대(vs.) 반사율

도 11은 펄스 출력을 발생시키기 위해 두 개의 결합된 빔들을 이용하는 예시적인 펄스 증배기(1100)를 도시하고 있다. 펄스 증배기(1100)는 편광 빔 스플리터(1101), 두 개의 거울들(1103 및 1106), 두 개의 사분의 일 파장판들(1102 및 1105), 및 반파장판(1104)을 포함한다. 이 구성에서, 편광 빔 스플리터(1101)는 빛을 각각 사분의 일 파장판들(1102 및 1105)을 통해 두 개의 거울들(1103 및 1106)로 향하도록 할 수 있다. 동일한 편광을 갖는(다시 사분의 일 파장판들(1105 및 1102)을 통과하는), 거울들(1103 및 1106)로부터 반사된 반사광은 편광 빔 스플리터(1101)를 이용하여 결합될 수 있다. 펄스 증배기(1100)는, 보는 바와 같이, 오직 입력 펄스의 두 배의 반복률을 제공할 수 있다. 이 구성에 대해, 간섭계는 펄스 증배기(1100)를 정렬하기 위해 이용될 수 있다는 것에 주의하라.

도 12는 상기 고리형 공진기에서 (예를 들면, 도 1에 비해) 거울들의 수를 감소시키는 예시적인 펄스 증배기(1200)를 도시하고 있다. 펄스 증배기(1200)는 편광 빔 스플리터(1201), 두 개의 거울들(1203 및 1204), 및 반파장판(1202)를 갖는 삼각 고리형 공진기(triangular ring cavity)를 포함한다. 도 12에 나타난 구성에서, 제 1 펄스는 편광 빔 스플리터(1201)에서 반사되어 제 1 편광을 가지며, 반면에 제 2 펄스는 투과되어 상기 제 1 편광과 서로 다른 제 2 편광을 가진다. 피크 출력 파워는 sin²θ로 조정될 수 있다. 이 구성에 대해, 간섭계는 펄스 증배기(1200)를 정렬하기 위해 이용될 수 있다는 것에 주의하라.

유리하게, 검사 시스템들은 상기한 펄스 증배기들을 포함할 수 있다. 상기 검사 시스템은 명시야(bright-field) 검사 시스템, 암시야(dark-field) 검사 시스템, 또는 명시야 및 암시야를 모두 갖는 시스템일 수 있다. 상기 검사 시스템은 반도체 웨이퍼들 또는 포토 리소그래피(photo-lithography) 마스크들을 검사하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 검사 시스템은 패턴된 샘플 상의 패터닝 결함들을 검출하도록 구성될 수 있거나, 또는 패턴된 또는 패턴되지 않은 표면 상의 파티클(particle)들, 피트(pit)들, 또는 범프(bump)들을 검출하도록 구성될 수 있다.

예를 들면, 상기 펄스 증배기들에 의해 발생된 고반복률의 레이저 펄스들은 플래쉬 온 더 플라이(flash-on-the-fly) 검사 시스템에 사용될 수 있으며, 상기에서 단일의 레이저 펄스는 검사되어야 할 (웨이퍼 또는 레티클과 같은) 이동하는 샘플의 부분을 비추고, 카메라에 의해서 이미지가 획득된다. 각 레이저 펄스의 지속 시간은 짧기 때문에, 상기 운동은 효과적으로 정지되고, 희미하지 않은(un-blurred) 이미지가 얻어진다. 유리하게, 상기한 펄스 증배기들에 의해 제공되는 바와 같은, 더 높은 반복률은 단위 시간당 더 많은 이미지들을 획득하도록 할 수 있으며, 이로써 더 빠른 운동을 가능하게 한다.

도 13은 펄스 증배기(1300)를 포함하는 예시적인 웨이퍼 검사 시스템(1300)을 도시하고 있다. 시스템(1300)에서, 웨이퍼(1301)는, 상기 웨이퍼의 전체 표면이 스캔될 수 있도록 보장하기 위하여, 메커니즘(1302)을 이용하여 회전되고 이동될 수 있다. 펄스 증배기(1302)는 웨이퍼(1301) 상으로 향하는 정상 빔(normal beam, 1303) 및 경사 빔(oblique beam, 1304)을 위한 펄스들을 유리하게 발생시킬 수 있다. 웨이퍼(1301)로부터 반사된 입사광은 다음에, 예를 들면, 코블렌츠 구(Coblenz sphere, 1308) 및 광학 장치들(optics, 1309)을 이용하여, 검출기들(단순화를 위해 미도시) 상으로 향할 수 있다. 시스템(1300)은, 예를 들면, 좁은 광전 증배관(photo multiplier tube, PMT, 1305) 및 넓은 PMT(1306)를 포함하여, 좁고 넓은 검출 경로들 모두를 제공할 수 있다. 1993년 2월 23일에 Jann 등에게 발급된 미국 특허 제 5,189,481호는 시스템(1300)을 더 자세히 설명하고 있으며, 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다. 특히, 펄스 증배기(1320)는 UV, DUV, 또는 VUV 레이저로부터 오는 펄스들을 증배시킬 수 있다. 펄스 증배기(1320)는 사용되는 레이저가 무엇이든지 그 피크 파워를 감소시키면서 반복률을 유리하게 증가시킬 수 있다.

도 14는 정상에 가까운(near-normal) 조명 및 경사 조명(명확성을 위해 경사 조명(1402)만 도시함) 둘 모두를 제공할 수 있는 펄스 증배기(1401)를 포함하는, 예시적인 패턴 웨이퍼 검사 시스템(1400)을 도시하고 있다. 펄스 증배기(1401)는 UV, DUV, 또는 VUV 레이저로부터 오는 펄스들을 증배시킬 수 있다. 유리하게, 펄스 증배기(1401)는, 사용되는 레이저의 피크 파워를 감소시키면서, 상기 레이저의 반복률을 증가시킬 수 있다. 시스템(1400)에서, 다중 채널 취합(multi-channel collection, 1403)은 넓은 취합 영역, 비닝(binning), 및 증가된 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)를 갖는 채널 융합(channel fusion)을 제공할 수 있다. 펄스 증배기(1401)에 의해 발생된 것과 같은, 조명 편광은 이전 층 억제(previous layer suppression) 및 결함 선택성(defect selectivity)을 제공할 수 있다. 다중 채널 취합(1403)을 용이하게 하는 조명 채널들은 웨이퍼(1404) 상의 하나 이상의 지점(spot)들, 하나 이상의 얇은 선들, 또는 직사각형 영역에 조명을 비출 수 있다. 검출 채널들은 (패턴 억제(pattern suppression)를 위한) 푸리에 필터링(Fourier filtering), 편광 선택, 각도 범위, 및/또는 개구수(numerical aperture, NA) 제어를 포함할 수 있다.

유리하게, 계측 시스템들도 또한 상기한 펄스 증배기들을 포함할 수 있다. 예시적인 계측 시스템들은 엘립소미터(ellipsometer)(예를 들면, 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제 6,734,968호를 보라), 각 분해 반사계(angle-resolved reflectometer)(예를 들면, 둘 모두 본 명세서에 참조로서 포함된, 미국 특허 제 4,999,014호 또는 미국 특허 제 7,667,841호 를 보라), 또는 광음향 측정 시스템(photo-acoustic measurement system)(예를 들면, 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제 4,710,030호를 보라)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

펄스 증배기를 포함하는 어떤 검사 및 계측 시스템이든지 펄스 성형 장치(pulse-shaping device)와 함께 사용될 수 있음에 주의하라. 예시적인 펄스 성형 장치들은, 미국 가출원 제 61/1000,990호의 우선권을 주장하는, PCT 공개된 출원 제 WO2010/037106호의 국내 단계 출원인, 2011년 3월 2일 출원된 미국 특허 출원 제 13/061,936호에 설명된 장치들을 포함하나 이에 제한되지 않으며, 상기 모든 출원들은 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다. 그러한 펄스 성형 장치들은 각 레이저 펄스의 간섭(coherence)을 감소시키기 위해, 또는 이와 달리 펄스의 형태를 변경하기 위해 이용될 수 있다.

도 15는 거울들 및 적어도 하나의 반파장판을 포함하는 예시적인 펄스 증배기(1500)를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 펄스 증배기(1500)는, 입사광을 평면 거울(1502)로 향하게 하는, 편광 빔 스플리터(1501)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반파장판(단순화를 위해 미도시)은 편광 빔 스플리터(1501)와 거울(1502) 사이에 위치한다. 다른 실시예들에서, 하나 이상의 반파장판들은 상기에서 설명한 다른 펄스 증배기 실시예들에서 나타낸 바와 같이 위치될 수 있다.

평면 거울(1502)는 빛을 제 1 구면 거울(1503)으로 반사시키며, 상기 구면 거울(1503)은 차례로 상기 빛을 제 2 구면 거울(1504)로 향하게 한다. 제 2 구면 거울(1504)은 다음에 상기 빛을 다시 제 1 구면 거울(1503)로 향하게 하며, 상기 제 1 구면 거울(1503)은 차례로 상기 빛을 편광 빔 스플리터(1501)를 통과하도록 향하게 한다. 일 실시예에서, 제 1 구면 거울(1503)은 제 2 구면 거울(1504) 반경의 두 배의 반경을 가질 수 있다. 제 1 구면 거울(1503) 및 제 2 구면 거울(1504)은 평행한 위치들로 위치될 수 있으며, 상기 제 1 구면 거울(1503)의 디센터(decenter)는 제 2 구면 거울(1504)의 상대적인 위치를 결정할 수 있다. 도 15에서 보는 바와 같이, 편광 빔 스플리터(1501)는 브루스터 각(Brewster angle)을 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서, 편광 빔 스플리터(1501)는 45도 각도를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 펄스 증배기(1500)에 사용되는 상기 거울들은 레일 위에, 또는 컴팩트(compact)하고 안정적인 설계를 위해 관(tube) 내에 장착될 수 있다. 이 구현예의 실제적인 편의성이 주목할 만한 특징이다. 기하학적인 수차(geometric aberration)들은, 레이저 빔 품질의 요구 조건들에 따라, 광 빔 직경(light beam diameter)을, 예를 들면, 수 mm 정도 미만으로 제한함으로써 회절 한계(diffraction limit)보다 훨씬 더 낮게 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 광학적 편광 빔 스플리터(1505)는, 편광 대비(polarization contrast)를 향상시키기 위해, 펄스 증배기(1500)의 출력에 포함될 수 있다.

특히, 상기 펄스 증배기는 저렴한 비용으로 최소한의 총 파워 손실로, 초당 펄스들의 수를 증가시키면서, 펄스당 피크 파워를 감소시킬 수 있다. 상기 펄스 증배기는 기성(off-the-shelf) 레이저들로 유리하게 고속 검사 및 계측을 가능하게 할 수 있다. 암시야 검사 시스템들은 레이저 광원들에 의존한다. 상기 펄스 증배기는 그러한 시스템들이 그렇지 않으면 너무 낮은 펄스 반복률을 갖게 되는 레이저들을 이용할 수 있게 하고, 이용가능한 적절한 레이저가 없거나, 또는 이용가능한 레이저들이 너무 비용이 많이 들거나 신뢰할 수 없는 경우, 매우 높은 반복률의 UV 레이저들 또는 CW 레이저들에 잠재적인 대안을 제공한다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들의 상세한 설명이 본 발명의 원리를 도시하는 첨부 도면들과 함께 상기에서 제공된다. 본 발명은 그러한 실시예들과 관련하여 설명되지만, 본 발명은 어떠한 실시예에도 제한되지 않는다.

예를 들면, 일 실시예에서, 광학적 구성요소들은 레이저 파장에 대해 적절한 코팅 재료로 코팅될 수 있다. 투과 요소들, 즉, 렌즈(들), 및 파장판(들)의 각 표면도 또한 각 표면에서 반사되는 레이저 에너지의 양을 최소화하는 반사 방지(anti-reflection) 코팅을 가질 수 있다. 상기 거울들은 폴리싱될(polished) 수 있으며, 반사를 최소화하고 상기 레이저 파장에서 산란(scattering)을 최소화하도록 설계된 코팅 재료로 코팅될 수 있다.

고리형 공진기도 또한, 도 16에 도시된, 고리형 공진기(1600)에 의해 나타난 바와 같이 반사 광학 장치들(reflective optics)을 이용하여 구현될 수 있다. 이 실시예에서, 이미지 릴레이(image relay)는 빔스플리터(1601), 거울(1602), 구면 렌즈(1603), 및 구면 렌즈(1604)에 의해 원활하게 될 수 있다. 상기 원리는 상기한 렌즈 시스템들과 거의 비슷하지만, 더 적은 상호작용하는 표면들 및 잠재적으로 더 적은 손실을 가진다.

도 17은 각 입력 펄스로부터 펄스열들을 발생시키도록 구성된 다른 예시적인 펄스 증배기(1700)를 도시하고 있다. 입력 펄스는 비편광 빔 스플리터(1701)로 입사하고, 상기 비편광 빔 스플리터(1701)는 그 빛의 반을 비편광 빔 스플리터(1702)로 투과시키며 그 빛의 나머지 반을 거울(1703)로 반사시킨다. 거울(1703)은 상기 빛을 거울(1704)로 반사시키고, 상기 거울(1704)은 차례로 상기 빛을 비편광 빔 스플리터(1702)로 반사시킨다. 빔 스플리터(1701)에 의해 반사된 빛이 빔 스플리터(1702)에 도착하기 전에 이동한 총 거리는, 그것이 상기 입사광의 반복률의 두 배의 역(inverse)과 같은 지연(delay)을 도입하도록, 선택된다. 차례로, 비편광 빔 스플리터(1702)는 비편광 빔 스플리터(1701) 및 거울(1704) 각각으로부터 받아들인 그 빛의 반을 투과시키고 반을 반사시키며, 따라서 두 배의 펄스 반복률을 갖는 두 개의 빔들을 생성시킨다. 반파장판(1705) 및 거울(1707)은 비편광 빔 스플리터(1702)에 의해 투과 및 반사된 빛을 받아들인다. 거울(1706)은 반파장판(1705)에 의해 발생된 두 개의 파(wave)들을 받아들인다. 편광 빔 스플리터(1708)는 두 개의 거울들(1706 및 1707)로부터 반사된 반사광을 받아들인다. 편광 빔 스플리터(1708)는 상기 동위상(in-phase) 광을 결합하며, 상기 펄스열에 대한 45도 각도의 출력 편광을 발생시킨다(즉, 반복률을 두 배로 하는 방식).

도 18은 각 입력 펄스로부터 펄스열들을 발생시키도록 구성된 다른 예시적인 펄스 증배기(1800)를 도시하고 있다. 입력 펄스는 비편광 빔 스플리터(1801)로 입사하고, 상기 비편광 빔 스플리터(1801)는 그 빛의 반을 비편광 빔 스플리터(1803)로 투과시키며 그 빛의 나머지 반을 거울(1802)로 반사시킨다. 거울(1802)은 상기 빛을 거울(1804)로 반사시키고, 상기 거울(1804)은 차례로 상기 빛을 비편광 빔 스플리터(1803)로 반사시킨다. 비편광 빔 스플리터(1803)는 상기 받은 빛을 거울(1805)과 비편광 빔 스플리터(1807) 사이에서 분광시킨다. 거울(1805)은 그 빛을 거울(1806)로 반사시키고, 상기 거울(1806)은 차례로 상기 빛을 비편광 빔 스플리터(1807)로 반사시킨다. 특히, 펄스 증배기(1800)는 N 단계들을 포함하며, 상기 각 단계는 상기한 비편광 빔 스플리터들 및 거울들을 포함하고, 펄스 반복률에 있어서 2 배율의 증가 결과를 초래하여 N 단계들 이후에 총 2^N 배율로 증가한다. 비편광 빔 스플리터(1808)는 마지막 단계에서 투과광을 받아서, 거울(1809)과 반파장판(1810) 사이에서 상기 빛을 분광시킨다. 거울(1811)은 반파장판(1810)에 의한 광 출력을 편광 빔 스플리터(1812)로 반사시키고, 상기 편광 빔 스플리터(1812)도 또한 거울(1809)로부터 반사광을 받아 들인다. 편광 빔 스플리터(1812)는 45도 출력 편광으로 빛을 발생시킨다.

본 발명의 범위는 오직 청구항들에 의해서만 제한되며, 본 발명은 많은 대체들, 변경들 및 동등한 것들을 포괄한다. 많은 특정 세부 사항들이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 상기 설명에서 제시되었다. 이러한 세부 사항들은 예시 목적으로 제공되며, 본 발명은 이러한 특정 세부 사항들의 일부 또는 전부를 포함하지 않고 청구항들에 따라 실시될 수 있다. 명확성을 기하기 위해, 본 발명과 관련된 기술분야들에 알려진 기술 자료는 본 발명이 불필요하게 혼란되지 않도록 상세히 설명되지 않았다.

Claims

펄스 증배기(pulse multiplier)에 있어서,
입력 레이저 펄스를 받아 들이기 위한 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter);
상기 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여, 제 1 세트의 펄스들 및 제 2 세트의 펄스들을 생성시키기 위한 파장판(wave plate)에 있어서, 상기 제 1 세트의 펄스들은 상기 제 2 세트의 펄스들과 서로 다른 편광을 갖는 상기 파장판; 및
상기 편광 빔 스플리터 및 상기 파장판을 포함하는 고리형 공진기(ring cavity)를 생성시키기 위한 한 세트의 거울들
을 포함하고,
상기 편광 빔 스플리터는 상기 제 1 세트의 펄스들을 상기 펄스 증배기의 출력으로서 투과시키고, 상기 제 2 세트의 펄스들을 상기 고리형 공진기로 반사시키는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 1 항에 있어서, 상기 파장판은 반파장판(half-wave plate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 2 항에 있어서, 상기 반파장판은 27.3678도(degree)로 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 1 항에 있어서, 상기 파장판은 사분의 일 파장판(quarter-wave plate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 1 항에 있어서, 상기 고리형 공진기에서 균일하게 펄스들의 형태를 형성하기 위한 렌즈를 더 포함하는 펄스 증배기.
제 1 항에 있어서, 상기 고리형 공진기에서 균일하게 펄스들의 형태를 형성하기 위한 복수의 렌즈들을 더 포함하는 펄스 증배기.
제 6 항에 있어서, 상기 복수의 렌즈들은 두 개의 이미지 릴레이 관(image relay tube)들과 함께 구현되는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 6 항에 있어서, 상기 복수의 렌즈들은 두 개 또는 네 개의 렌즈들로 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 1 항에 있어서, 상기 거울 세트는 복합 거울(composite mirror)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 1 항에 있어서, 상기 거울 세트는 상기 편광 빔 스플리터 및 상기 파장판을 공유하는 두 개의 고리형 공진기들을 생성시키는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
펄스 증배기에 있어서,
제 1 고리형 공진기 및 제 2 고리형 공진기를 포함하고,
상기 제1 고리형 공진기는,
제 1 편광 빔 스플리터;
상기 제 1 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여, 제 1 세트의 펄스들 및 제 2 세트의 펄스들을 생성시키기 위한 제 1 파장판에 있어서, 상기 제 1 세트의 펄스들은 상기 제 2 세트의 펄스들과 서로 다른 편광을 갖는 상기 제 1 파장판; 및
상기 제 1 편광 빔 스플리터 및 상기 제 1 파장판을 포함하는 상기 제 1 고리형 공진기를 생성시키기 위한 제 1 세트의 거울들을 포함하고,
상기 제 2 고리형 공진기는,
제 2 편광 빔 스플리터;
상기 제 1 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여, 제 3 세트의 펄스들 및 제 4 세트의 펄스들을 생성시키기 위한 제 2 파장판에 있어서, 상기 제 3 세트의 펄스들은 상기 제 4 세트의 펄스들과 서로 다른 편광을 갖는 상기 제 1 파장판; 및
상기 제 2 편광 빔 스플리터 및 상기 제 2 파장판을 포함하는 상기 제 2 고리형 공진기를 생성시키기 위한 제 2 세트의 거울들을 포함하고,
상기 제 1 편광 빔 스플리터는, 입력 레이저 펄스를 상기 제 1 고리형 공진기로 투과시키고, 상기 제 1 세트의 펄스들을 상기 제 2 고리형 공진기로 투과시키고, 상기 제 2 세트의 펄스들을 상기 제 1 고리형 공진기로 반사시키며,
상기 제 2 편광 빔 스플리터는, 상기 제 2 세트의 펄스들을 상기 제 2 고리형 공진기로 투과시키고, 상기 제 3 세트의 펄스들을 상기 펄스 증배기의 출력으로서 투과시키고, 상기 제 4 세트의 펄스들을 상기 제 2 고리형 공진기로 반사시키는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
펄스 증배기에 있어서,
입력 레이저 펄스를 받아 들이기 위한 편광 빔 스플리터;
상기 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여, 제 1 세트의 펄스들 및 제 2 세트의 펄스들을 생성시키기 위한 파장판에 있어서, 상기 제 1 세트의 펄스들은 상기 제 2 세트의 펄스들과 서로 다른 편광을 갖는 상기 파장판; 및
상기 제 1 및 제 2 세트의 펄스들을 다시 상기 파장판을 통해 상기 편광 빔 스플리터로 반사시키기 위한 한 세트의 다중 표면(multi-surface) 반사 구성요소들
을 포함하고,
상기 편광 빔 스플리터는 상기 제 1 세트의 펄스들을 상기 펄스 증배기의 출력으로서 투과시키고, 상기 제 2 세트의 펄스들을 다시 상기 파장판 및 상기 한 세트의 다중 표면 반사 구성요소들로 반사시키는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 12 항에 있어서, 상기 파장판은 사분의 일 파장판(quarter-wave plate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 12 항에 있어서, 상기 다중 표면 반사 구성요소들은 거울 및 두 개의 에탈론(etalon)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 12 항에 있어서, 상기 제 2 세트의 펄스들의 피크 출력 파워(peak output power)는 sin²θ로 조정가능한(tunable) 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
펄스 증배기에 있어서,
입력 레이저 펄스를 받아 들이기 위한 제 1 파장판;
상기 제 1 파장판의 출력을 받아 들이기 위한 편광 빔 스플리터;
상기 편광 빔 스플리터로부터 제 1 세트의 펄스들을 받아 들이기 위한 제 2 파장판;
상기 제 2 파장판으로부터의 출력을 다시 상기 제 2 파장판을 통해 상기 편광 빔 스플리터로 반사시키기 위한 제 1 거울;
상기 편광 빔 스플리터로부터 제 2 세트의 펄스들을 받아 들이기 위한 제 3 파장판; 및
상기 제 3 파장판으로부터의 출력을 다시 상기 제 3 파장판을 통해 상기 편광 빔 스플리터로 반사시키기 위한 제 2 거울
을 포함하고,
상기 편광 빔 스플리터는 상기 제 3 파장판으로부터의 제 4 세트의 펄스들과 결합된 상기 제 2 파장판으로부터의 제 3 세트의 펄스들을 투과시켜 상기 펄스 증배기의 출력을 발생시키고, 상기 제 2 파장판으로부터의 제 5 세트의 펄스들을 다시 상기 제 2 파장판 및 상기 제 1 거울로 반사시키며, 제 6 세트의 펄스들을 다시 상기 제 3 파장판 및 상기 제 2 거울로 반사시키는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 16 항에 있어서, 상기 제 1 파장판은 반파장판(half-wave plate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 16 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 파장판들은 사분의 일 파장판(quarter-wave plate)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
시스템에 있어서,
펄스 증배기를 포함하고,
상기 펄스 증배기는,
입력 레이저 펄스를 받아 들이기 위한 편광 빔 스플리터;
상기 편광 빔 스플리터로부터 빛을 받아 들여, 제 1 세트의 펄스들 및 제 2 세트의 펄스들을 생성시키기 위한 파장판에 있어서, 상기 제 1 세트의 펄스들은 상기 제 2 세트의 펄스들과 서로 다른 편광을 갖는 상기 파장판; 및
상기 편광 빔 스플리터 및 상기 파장판을 포함하는 고리형 공진기를 생성시키기 위한 한 세트의 거울들
을 포함하고,
상기 편광 빔 스플리터는 상기 제 1 세트의 펄스들을 상기 펄스 증배기의 출력으로서 투과시키고, 상기 제 2 세트의 펄스들을 상기 고리형 공진기로 반사시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 19 항에 있어서, 상기 시스템은 패턴되지 않은(unpatterned) 웨이퍼 검사 시스템, 패턴된(patterned) 웨이퍼 검사 시스템, 마스크 검사 시스템, 및 계측 시스템 중 하나를 구현하는 것을 특징으로 하는 시스템.
시스템을 위한 펄스들을 발생시키는 방법에 있어서,
편광 빔 스플리터 및 파장판을 포함하는 고리형 공진기를 이용하여 입력 레이저 펄스를 복수의 펄스들로 분광하는 단계;
상기 복수의 펄스들을 펄스열(pulse train)들 - 상기 펄스열들은 에너지가 거의 동일하고, 시간에 있어서 간격이 거의 동일함 - 로 그룹화하는 단계; 및
한 세트의 상기 펄스열들을 상기 시스템을 위한 펄스들로서 투과시키고, 나머지 상기 펄스열들을 상기 고리형 공진기로 반사시키는 단계
를 포함하는 시스템을 위한 펄스들을 발생시키는 방법.
펄스 증배기에 있어서,
입사광을 받아 들이기 위한 제 1 편광 빔 스플리터;
상기 제 1 편광 빔 스플리터로부터 편광된 빛을 받아 들이기 위한 반파장판;
상기 반파장판으로부터의 펄스 광(pulsed light)을 반사시키기 위한 평면 거울(flat mirror);
상기 평면 거울로부터의 반사광을 받아 들이기 위한 제 1 구면 거울(spherical mirror); 및
상기 제 1 구면 거울로부터의 제 1 지향광(directed light)을 받아 들이기 위한 제 2 구면 거울
을 포함하고,
상기 제 1 구면 거울은 또한 상기 제 2 구면 거울로부터의 제 2 지향광(directed light)을 받아들이기 위한 것이고,
상기 제 1 빔 스플리터는 또한 상기 제 1 구면 거울로부터의 제 3 지향광(directed light)을 받아들여 출력 펄스 광을 발생시키기 위한 것인, 펄스 증배기.
제 22 항에 있어서, 상기 제 1 구면 거울은 제 2 구면 거울의 반경(radius)의 2 배의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 22 항에 있어서, 상기 제 1 구면 거울 및 상기 제 2 구면 거울은 평행한 위치들에 있으며, 상기 제 1 구면 거울의 디센터(decenter)는 상기 제 2 구면 거울의 상대적인 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 펄스 증배기.
제 22 항에 있어서, 상기 제 1 편광 빔 스플리터로부터의 상기 출력 펄스 광을 받아 들여 편광 대비(polarization contrast)를 향상시키기 위한 제 2 편광 빔 스플리터를 더 포함하는, 펄스 증배기.
펄스 증배기에 있어서,
입사광을 받아 들이기 위한 제 1 비편광(non-polarizing) 빔 스플리터;
상기 제 1 비편광 빔 스플리터로부터의 광의 제 1 절반을 받아 들이기 위한 제 2 비편광 빔 스플리터;
상기 제 1 비편광 빔 스플리터로부터의 광의 제 2 절반을 받아 들이기 위한 제 1 거울;
상기 제 1 거울로부터의 반사광을 받아 들이기 위한 제 2 거울;
상기 제 2 비편광 빔 스플리터로부터의 출력광의 제 1 절반을 받아 들이기 위한 반파장판;
상기 제 2 비편광 빔 스플리터로부터의 출력광의 제 2 절반을 받아 들이기 위한 제 3 거울;
상기 반파장판에 의해서 발생된 파(wave)들을 받아 들이기 위한 제 4 거울; 및
상기 제 3 및 제 4 거울들로부터의 반사광을 받아 들여, 펄스열에 대해 45도 각도의 출력 편광을 발생시키기 위한 편광 빔 스플리터
를 포함하고,
상기 제 2 비편광 빔 스플리터는 또한 상기 제 2 거울로부터의 반사광을 받아 들이기 위한 것이고, 상기 제 1 비편광 빔 스플리터 및 상기 제 1 및 제 2 거울들에 의해 상기 제 2 비편광 빔 스플리터로 반사된 빛에 의해 이동된 총 거리는 상기 입사광의 반복률(repetition rate)의 두 배의 역(inverse)과 같은 지연(delay)을 도입하는 것인, 펄스 증배기.