KR20190020347A - 고품질, 안정적인 출력 빔, 및 긴 수명의 높은 변환 효율의 비­선형 결정을 이용한 레이저 - Google Patents

고품질, 안정적인 출력 빔, 및 긴 수명의 높은 변환 효율의 비­선형 결정을 이용한 레이저 Download PDF

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융-호 알렉스 츄앙
조셉 제이 암스트롱
존 피엘덴
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케이엘에이-텐코 코포레이션
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Abstract

저온에서 동작가능한 모드-록킹형 레이저 시스템이 어닐링된, 주파수-변환 결정 및 저온에서의 표준 동작 중에 상기 결정을 어닐링 조건으로 유지하기 위한 하우징을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 결정이 증가된 길이를 가질 수 있다. 제 1 빔 성형 광학장치가 광원으로부터의 빔을 결정 내에 또는 상기 결정에 근접하여 위치되는 빔 웨이스트에서 타원형 단면으로 포커스하도록 구성될 수 있다. 고조파 분리 블록이 결정으로부터의 출력을 공간 내에서 분리된 상이한 주파수들의 빔들로 분할할 수 있다. 일 실시예에서, 모드-록킹형 레이저 시스템이, 희망하는 주파수 빔의 타원형 단면을, 원형 단면과 같은, 희망 종횡비를 가지는 빔으로 변환하도록 구성된 제 2 빔 성형 광학장치를 추가적으로 포함할 수 있다.

Description

고품질, 안정적인 출력 빔, 및 긴 수명의 높은 변환 효율의 비­선형 결정을 이용한 레이저{LASER WITH HIGH QUALITY, STABLE OUTPUT BEAM, AND LONG LIFE HIGH CONVERSION EFFICIENCY NON­LINEAR CRYSTAL}
관련 출원
2011년 7월 22일자로 출원되고 명칭이 "Mode-Locked UV Laser With High Quality, Stable Output Beam, Long-Life High Conversion Efficiency Non-Linear Crystal And A Wafer Inspection Using A Mode-Locked UV Laser"인 미국 가출원 제 61/510,633 호를 기초로 우선권을 주장한다.
본원 발명은 레이저들에 관한 것이고 그리고 특히 주파수-변환 프로세스에 의해서 보다 긴 파장 방사선으로부터 보다 짧은 파장 방사선을 획득하기 위해서 비-선형 결정(crystal)을 이용하는 레이저들에 관한 것이다.
반도체 제조의 각각의 연속 노드(node)는 웨이퍼 상에서의 작은 결함들 및 입자들의 검출을 필요로 한다. 그에 따라, 웨이퍼 검사를 위해서 여전히 높은 파워 및 짧은 파장 UV(자외선) 레이저들이 항상 요구된다. 결함 또는 입자 크기가 감소되기 때문에, 결함 또는 입자에 의해서 반사되거나 산란되는 광의 분율(fraction)도 또한 전형적으로 감소된다. 결과적으로, 보다 작은 결함들 및 입자들을 검출하기 위해서 개선된 신호 대 노이즈 비율이 요구된다. 만약 결함 또는 입자를 조명하기 위해서 보다 밝은 광원이 사용된다면, 보다 많은 광자들이 산란 또는 반사될 것이고, 다른 노이즈 공급원들이 제어되는 한 신호-대-노이즈 비율이 개선될 수 있을 것이다. 보다 짧은 파장들을 이용하는 것은 보다 작은 결함들에 대한 민감도를 추가적으로 개선할 수 있는데, 이는 파장이 감소됨에 따라 광의 파장보다 작은 입자에 의해서 산란되는 광의 분율이 증가되기 때문이다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼 검사 및 계측(metrology) 수요들은 높은 빔 품질(예를 들어, 1에 근접하는 M2 를 가지며, 이때 M2 는 동일한 파장의 이상적인 가우스(Gaussian) 빔의 빔 매개변수 곱(product)에 대한 빔의 빔 매개변수 곱의 비율이다)을 가지는 연속적인 파동(CW) 레이저들에 의해서 충족될 수 있다. 만약 충분한 파워 및 빔 품질의 연속적인 파동의 레이저들이 이용될 수 없다면, 다음의 최적의 대안은, 예를 들어, 약 50 MHz 또는 그 초과의 반복 레이트(rate)를 가지는, 일반적으로 높은 반복 레이트 레이저가 된다. 그러한 높은 반복 레이트들은 모드-록킹형(mode-locked) 레이저들(펄스형 레이저의 타입이다)을 이용하여 가능해진다. Q-스위치형(switched) 레이저들은 상당히 더 낮은(10 MHz 보다 낮은, 일반적으로 1 MHz 보다 낮은) 반복 레이트들을 가진다. 일반적으로, 모드-록킹형 레이저들은 피코초 또는 심지어 펨토초 단위의 극도로 짧은 펄스들을 방출할 수 있다. 모드-록킹형 레이저는 그 공진 공동(resonant cavity)의 모드들 사이에서 고정된 위상 관계를 가지며, 그에 따라 그러한 모드들 사이의 간섭은 레이저 광이 펄스들로서 생성되도록 유도한다.
빔 품질(예를 들어, M2 에 의해서 측정되는 바와 같음)이 반도체 검사 및 계측 용도들에서 중요한데, 이는 작은 결함들 또는 입자들을 검출하기 위해서 및/또는 작은 지역들을 측정하기 위해서 레이저 빔이 작은 스폿(또는 라인)으로 포커스되어야 하기 때문이다. 만약 빔 품질이 열악하다면, 웨이퍼 상의 포커스된 스폿(또는 라인)이 가우스 프로파일이 되지 않고 그리고 해당 프로파일의 테일들(tails)이 이상적인 것 보다 큰 에너지를 포함하게 된다. 그러한 큰 테일들은, 신호의 적어도 일부가 관심 대상 지역 외부로부터 수집되는 결과를 초래하고, 그에 의해서 관심 대상 지역으로부터의 신호의 콘트라스트를 감소시킨다.
긴 파장 빔의 고조파(harmonic)를 생성함으로써 또는 상이한 주파수들의 2개의 레이저 빔들을 혼합하여 2개의 주파수들의 합(또는 차이)과 같은 주파수를 생성함으로써, UV 레이저 빔을 생성하는데 비-선형 결정들이 이용될 수 있다. 고조파 생성 및 혼합 프로세스가 비-선형적 프로세스들이기 때문에, 통상적으로, 보다 큰 입사 파워 밀도가 보다 효율적인 변환 프로세스 및 보다 큰 출력 파워를 초래한다.
그러나, 비-선형 결정에 대해 입사 레이저 파워를 증가시키는 것은 바람직하지 못한 부작용들을 가질 수 있다. 구체적으로, 높은 파워 레벨이 결정의 굴절률을 변화시킬 수 있을 것이다(사진굴절(photorefraction)). 결정 내의 포커스된 레이저 스폿이 대략적으로 가우스 프로파일을 가지기 때문에, 세기가 결정 내의 상이한 위치들에서 상이하게 된다. 그에 따라, 굴절률의 변화가 결정 내의 위치에 따라서 달라진다. 이러한 결정 내의 굴절률의 구배는 출력 빔을 왜곡시킬 수 있고, 그에 의해서 비점수차(astigmatism)를 초래할 수 있다. 출력 레이저 빔의 품질이 나빠짐에 따라, 해당 빔에 의해서 생성된 웨이퍼 상의 스폿 또는 라인이 더 넓어지기 시작하고 그에 따라 작은 입자들 또는 결함들을 검출하는데 있어서 덜 효율적이 된다. 비록 적은 양의 비점수차가 결정 이후의 빔 경로 내에 배치된 광학장치(optics)에 의해서 대략적으로 교정될 수 있을 것이지만, 그러한 교정은 단지 대략적인 것이고 그리고 초기 비점수차 레벨이 매우 낮은 경우에만 효과적일 것이다.
결정에 대한 보다 높은 입사 파워 레벨의 바람직하지 못한 다른 부작용은, 시간 경과시에 영구적인 손상이 결정 내에서 발생될 수 있다는 것이다. 노출이 축적되면, 이러한 손상은 일반적으로 파워 세기의 감소뿐만 아니라 일반적으로 비점수차의 증가를 초래할 수 있다. 따라서, 광학장치를 이용한 비점수차의 교정은 빈번한 보상 조정들을 필요로 할 수 있을 것이고, 이는 상업적인 적용예들에서 실용적이지 못할 것이다. 또한, 비점수차가 또한, 정확한 보상이 조정으로도 불가능해지는 레벨까지 급속하게 증가될 수 있을 것이다.
보다 짧은 출력 파장을 생성하는 것은 또한 결정의 저하를 가속할 수 있는데, 이는 출력 광자들이 보다 에너지적이고(energetic) 그에 따라 결정의 특성들을 변화시킬 수 있거나, 심지어는 결정을 영구적으로 손상시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 보다 짧은 출력 파장들에서, 비점수차 및 다른 부정적인 빔 품질 그리고 세기 영향들이 또한 점증적으로 발생될 수 있을 것이다.
비-선형 결정에서의 최적의 파워 밀도는, 변환 효율을 최대화하는 것(이는 일반적으로 가능한 한 높은 파워 밀도를 요구한다)과, 양호한 빔 프로파일을 유지하면서 컬러 중심 형성(color center formation), 사진굴절, 및 2-광자(two-photon) 흡수(모두가 파워 밀도를 낮추는 것에 의해서 최소화된다)를 최소화하는 것 사이의 균형이 된다.
현저하게, 사진굴절 및 2-광자 흡수가 광학적 성질들의 일시적인 변화를 유발할 수 있고, 이는 적어도 입사 레이저 펄스의 지속시간 동안 그리고, 전형적으로, 그 후의 짧은 시간 동안 지속된다. Q-스위치형 레이저에서와 같이, 레이저 반복 레이트가 낮을 때, 하나의 펄스와 다음 펄스 사이에서, 결정에 대한 이러한 변화들이 부분적으로 또는 완전히 원래의 상태로 다시 이완(relax)될 수 있는 충분한 시간이 존재할 것이다. 이러한 이완은, 높은 온도(예를 들어, 120-150 ℃, 이러한 온도는 전형적으로 표준 동작 온도 범위이다)에서 결정이 동작하는 경우에, 더 빨라질 수 있을 것이다. 반도체 검사 및 계측에서의 적용예들은, 전형적으로, 모드-록킹형 레이저들에 의해서 달성될 수 있는 바와 같은 매우 높은 반복 레이트들(예를 들어, 50 MHz, 100 MHz, 또는 그 초과)에 의해서 보다 양호하게 서브된다(served). 그러나, 그러한 높은 반복 레이트들은 전형적으로 실질적으로 하나의 펄스로부터 다른 펄스까지 결정 성질들의 변화가 이완될 수 있는 시간을 허용하지 않는다.
가시적인 레이저 광 입력의 제 2 고조파로부터 단파장(deep) 자외선 광을 생성하기 위해서, CLBO(세슘 리튬 붕산염, cesium lithium borate)과 같은 비-선형 결정들이 이용될 수 있다. 예를 들어, CLBO를 이용하여, 266 nm 파장 광이 532 nm 레이저 빔으로부터 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, 213 nm 파장 근처의 광이, 예를 들어, 266 nm 및 1064 nm 파장들의 혼합에 의해서 생성될 수 있다. 그러한 결정들이 동작될 수 있는 최대 파워 레벨이 결정들 내의 결함들 및 불순물들에 의해서 제한된다.
결정 내의 불순물들 또는 결정 격자 내의 결함들이 결정의 수명을 저하시킬 수 있거나 컬러 중심들을 생성할 수 있고, 상기 컬러 중심들은 결정 내의 나머지 개소(elsewhere) 보다 더 빨리 결정 광학 성질들이 변화되는 위치들이 된다. 따라서, 가능한 범위까지, 가장 높은 순도의 시작 재료가 결정 제조를 위해서 이용되어야 한다.
특히, 시작 재료 내에 존재하지 않은 경우에도, 물과 같은 불순물들이 그 성장 프로세스 중에 또는 심지어 정상 동작 중에(검사 시스템 내에서 이용될 때) 결정 내로 포함될 수 있다. 이러한 불순물들은 높은 파워 밀도들에서 결정 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 불행하게도, 시작 재료의 순도를 개선하는 것은 동작 중에 포함되는 불순물들을 감소시키지 못한다.
결정의 저하를 감소 또는 느리게 하기 위한 하나의 공지된 기술은 높은 온도(전형적으로, 120-150 ℃ 사이)에서 결정을 동작시키는 것이고, 그러한 높은 온도에서의 동작은 결정 내에서 보다 높은 에너지의 전자들을 생성한다. 이러한 높은 에너지 전자들은 보다 용이하게 주위로 이동될 수 있고, 그에 의해서 단기간에서 광-유도된 변화들의 일부를 상쇄시킨다. 이러한 기술은 낮은 반복 레이트 레이저들에서 가장 유용한데, 이는 펄스들 사이에 비교적 긴 시간(이는 하나의 펄스의 영향들로부터의 회복을 허용한다)이 존재하기 때문이다. 이러한 높은 동작 온도는 또한 사용 중에 결정에 의한 물의 흡수를 방지하는데 도움이 될 수 있다.
높은 온도에서 결정을 동작시키는 것이 결정 내의 일부 변화들을 중화시키기 위한 충분히 높은 이동도를 가지는 보다 많은 전자들을 제공할 수 있지만, 이는 또한 결정 내의 결함 상태들(states)의 에너지를 증가시킨다. 따라서, 높은 동작 온도는 일부 결함 메커니즘들을 느리게 하는 한편 다른 결함 메커니즘들을 가속할 수 있다. 특히, 상승된 온도는, 반복 레이트가 높을 때, 결정 내의 단-기간 변화들을 감소시키는데 있어서 덜 효과적이다.
결정 손상을 취급하기 위한 다른 공지된 기술은 소정 시간 기간 동안 결정 내의 하나의 위치를 이용하고, 이어서 출력 빔 품질 및/또는 세기의 저하가 너무 커지기 전에 다른 위치로 이동하는 것이다. 주파수 변환을 위해서 이용되는 결정 내의 위치의 빈번한 조정은, 동작 시간의 상당한 분율 동안, 레이저가 조정되고, 재정렬되거나, 조정 후에 안정화된다는 것을 의미한다. 조장 및 재정렬이 자동화되는 경우에도, 레이저가 조정 후에 안정화되는 동안 레이저가 전체 재원(full specification)으로 동작하지 않는 시간들이 존재할 수 있을 것이다. 제조 설비들이 하루 24시간 동안 작동되는 반도체 산업과 같은 산업들에서의 검사 및 측정 적용예들에서, 동작 시간에 대한 이러한 중단 또는 동작 시간의 감소는 상당히 불리하다. 만약 손상 레이트가 높다면, 결정 내의 변환 위치의 빈번하고 자동적인 조정들의 경우에도, 여전히 결정이 단지 며칠 또는 몇 주만에 교체되어야 할 필요가 있을 수 있을 것이다. 서비스 이벤트들 사이의 그러한 짧은 시간 간격은 반도체 산업에서 수용될 수 없다.
그에 따라, 주파수-변환 결정(즉, 기본적인 레이저 파장의 고조파들을 생성할 수 있는 비-선형 결정)을 포함하고, 여전히 높은 품질의, 안정적 레이저 빔 및 긴 결정 수명을 보장할 수 있는, 높은 파워 레이저 시스템에 대한 수요가 발생되고 있다.
저온에서 동작 가능한 모드-록킹형 레이저 시스템이 설명된다. 여기에서 사용된 바와 같이, "낮은" 온도는 약 50 ℃ 및 그 미만(통상적인 표준 동작 온도는 적어도 100 ℃이고, 그리고 전형적으로 120 ℃-150 ℃이다)이다. 일부 실시예에서, 낮은 온도는 30 ℃ - 10 ℃일 수 있을 것이다. 이러한 레이저 시스템은 어닐링된, 주파수-변환 결정, 및 저온에서의 표준 동작 중에 불순물들로부터 결정을 보호하여 결정을 어닐링된 조건으로 유지하기 위한 하우징을 포함할 수 있다. 일반적으로, 결정은, 비-워크-오프(non-walk-off) 방향을 따른 레일리(Rayleigh) 범위의 2배와 라디안 단위의(in radians) 워크-오프(walk-off) 각도에 의해서 나누어진(divided) 워크-오프 방향의 빔 웨이스트(waist) 반경의 2배의 길이 중에서 보다 작은 것과 대략적으로 동일한 길이를 가진다. 하나의 실시예에서, 결정은 증가된 길이(예를 들어, 532nm를 266nm로 변환하기 위해서 이용되는 전형적인 lOmm-길이 CLBO와 대비되는 12.5mm-길이 또는 15mm-길이 CLBO)를 가질 수 있다. 제 1 빔 성형 광학장치가 광원으로부터의 빔을 결정 내에 또는 결정에 근접하여 위치되는 빔 웨이스트에서 타원형 단면으로 포커스하도록 구성될 수 있다. 고조파 분리 블록이 결정으로부터의 출력을 공간 내에서 분리된 상이한 주파수들의 빔들로 분할할 수 있다. 하나의 실시예에서, 모드-록킹형 레이저 시스템이 희망하는 주파수 빔의 타원형 단면을, 원형 단면과 같은, 희망하는 종횡비의 빔으로 변환하도록 구성된 제 2 빔 성형 광학장치를 추가적으로 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 결정 내의 타원형 단면이 2:1 내지 6:1 사이의 종횡비를 가질 수 있다. 제 1 빔 성형 광학장치가 프리즘, 원통형 곡률 요소, 방사상-대칭적 곡률 요소, 및 회절 요소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 고조파 분리 블럭이, 페린-브로카(Pellin-Broca) 프리즘과 같은, 프리즘을 포함할 수 있다. 결정은 CLBO(세슘 리튬 붕산염) 결정, CBO(세슘 붕산염, cesium borate) 결정, BBO(β 바륨 붕산염, β barium borate) 결정, LBO(삼붕산 리튬, lithium triborate) 결정, 리튬 니오브산염(lithium niobate) 결정, KDP(포타슘 디히드로겐 포스페이트, potassium dihydrogen phosphate) 결정 또는 다른 비선형 광학적 결정일 수 있다.
저온에서 레이저 시스템을 동작시키는 방법이 또한 설명된다. 이러한 방법에서, 광원으로부터의 빔이 어닐링된, 주파수-변환 결정 내의 또는 그에 인접한 빔 웨이스트에서 타원형 단면으로 포커스될 수 있다. 결정의 출력으로부터, 희망하는 주파수 빔이 임의의 희망하는 주파수 빔으로부터 분리될 수 있다. 방법은, 저온에서의 표준 동작 중에 결정의 어닐링된 조건을 유지하는 단계 및/또는 타원형 단면을 원형 단면으로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법이 또한 설명된다. 이러한 방법에서, 결정의 온도가 약 2 시간에 걸쳐서 약 150 ℃까지 상승될 수 있다. 온도는 150 ℃ 근처에서 약 10 시간 동안 유지될 수 있다. 이어서, 온도가 약 1 시간에 걸쳐서 약 200 ℃까지 증가될 수 있다. 이러한 지점에서, 온도가 약 100 시간 동안 150-200 ℃ 사이에서 유지될 수 있다. 최종적으로, 온도가 약 3시간에 걸쳐서 실온으로 감소될 수 있다.
주파수-변환 결정을 어닐링하는 다른 방법이 또한 설명된다. 이러한 방법에서, 전술한 제 1 어닐링 단계 중에, -OH 결합 흡수(bonds absorption)가 제 1 레벨에 있는지의 여부에 대한 결정이 이루어진다. 만약, 그러한 레벨에 있지 않다면, 온도가 150 ℃ 근처에서 계속 유지된다. 만약, 그러한 레벨에 있다면, 온도가 약 1 시간에 걸쳐서 약 200 ℃까지 상승된다. 전술한 제 2 어닐링 단계 중에, -OH 흡수가 제 2 레벨에 있는지의 여부에 대한 결정이 이루어진다. 만약 그러한 레벨에 있지 않다면, 온도가 150-200 ℃ 사이에서 계속 유지된다. 만약, 그러한 레벨에 있다면, 온도가 약 3 시간에 걸쳐서 실온으로 하강된다. 일 실시예에서, 흡수를 결정하는 단계가 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광계)를 이용하여 실시될 수 있다. 예를 들어, FTIR이 적외선(infra-red) 스펙트럼 내의 3580 cm-1 근처의 -OH 결합을 모니터링할 수 있다.
다단(multi-stage) 램프-업(ramp-up; 상승) 어닐링 프로세스가 또한 설명된다. 이러한 프로세스에서, 제 1 램프-업 스테이지가 제 1 미리 결정된 온도까지 온도를 상승시킬 수 있다. 온도가 제 1 미리 결정된 기간 동안 제 1 미리 결정된 온도에서 유지될 수 있다. 이어서, 제 2 램프-업 스테이지가 온도를 제 2 미리 결정된 온도까지 상승시킬 수 있고, 제 2 미리 결정된 온도가 제 1 미리 결정된 온도 보다 높다. 온도가 제 2 미리 결정된 기간 동안 제 2 미리 결정된 온도에서 유지될 수 있다. 마지막으로, 온도가 실온까지 하강될 수 있다.
다른 다단 램프-업 어닐링 프로세스가 또한 설명된다. 이러한 프로세스에서, 제 1 램프-업 스테이지가 제 1 미리 결정된 온도까지 온도를 상승시킬 수 있다. 온도가, -OH 결합 흡수가 제 1 레벨에 있을 때까지, 제 1 미리 결정된 온도에서 유지될 수 있다. 이어서, 제 2 램프-업 스테이지가 온도를 제 2 미리 결정된 온도까지 상승시킬 수 있고, 그러한 제 2 미리 결정된 온도는 제 1 미리 결정된 온도 보다 높다. 온도가, -OH 결합 흡수가 제 2 레벨에 있을 때까지, 제 2 미리 결정된 온도에서 유지될 수 있다. 마지막으로, 온도가 실온으로 하강될 수 있다.
테스트 표면 상의 오염물들 및 결함들을 검출하기 위한 광학적 시스템이 또한 설명된다. 이러한 광학적 시스템은 레이저 빔을 생성하기 위한 개선된 레이저 시스템 및 레이저 빔을 경로를 따라서 테스트 표면 상으로 지향시키고 조명된 스폿을 상기 표면 상에 생성하는 광학장치를 포함할 수 있다. 검출기 및 타원형의 경면이 또한 제공된다. 경면 및 검출기가 테스트 표면에 수직인 라인에 대한 대칭 축을 가진다. 상기 경면은, 상기 테스트 표면으로부터 산란된 광을 관통 수광하기 위해서 상기 테스트 표면에 인접하여 배치된 입력 애퍼쳐, 및 출력 애퍼쳐를 형성한다. 상기 경면은 상기 대칭 축에 대해 실질적으로 회전 대칭적이고, 그에 따라 상기 경면이 상기 입력 애퍼쳐를 통해서 상기 검출기로 통과되는 광을 상기 대칭 축에 대해 회전 대칭적으로 반사 및 포커스한다. 상기 출구 애퍼쳐는 상기 입력 애퍼쳐에 대향하여 위치된다.
샘플의 이형들(anomalies)을 검출하기 위한 광학적 시스템이 또한 설명된다. 이러한 광학적 시스템은 제 1 및 제 2 빔들을 생성하기 위한 개선된 레이저 시스템을 포함할 수 있다. 제 1 광학장치가 방사선의 제 1 빔을 제 1 경로를 따라서 샘플의 표면 상의 제 1 스폿 상으로 지향시킬 수 있다. 제 2 광학장치는 방사선의 제 2 빔을 제 2 경로를 따라서 샘플의 표면 상의 제 2 스폿 상으로 지향시킬 수 있다. 제 1 및 제 2 경로들은 상기 샘플의 상기 표면에 대한 상이한 입사각들을 가진다. 집광(collection) 광학장치가 상기 제 1 또는 제 2 빔으로부터 기원하고 상기 샘플 표면 상의 제 1 또는 제 2 스폿으로부터 산란된 방사선을 수신하고 그리고 상기 산란된 방사선을 제 1 검출기로 포커스하기 위한 만곡된 경면을 포함할 수 있다. 제 1 검출기가 상기 만곡된 경면에 의해서 상기 제 1 검출기 상으로 포커스된 방사선에 응답하여 단일 출력 값을 제공할 수 있다. 기구가 2개의 빔들과 샘플 사이의 상대적인 이동을 유발할 수 있고, 그에 따라 스폿들이 샘플의 표면을 가로질러 주사될 수 있다.
표면 검사 장치가 또한 설명된다. 이러한 장치는 방사선의 빔을 생성하기 위한 개선된 레이저 시스템을 포함할 수 있다. 조명 시스템이, 실질적으로 포커스된 빔의 입사의 평면 내에서 표면 상의 조명 라인을 형성하기 위해서 표면에 대해서 비-직각(non-normal) 입사각으로 방사선의 빔을 포커스하도록 구성될 수 있다. 입사의 평면이 포커스된 빔 및 상기 포커스된 빔이 표면을 통과하고 상기 표면에 대해서 직각인 방향에 의해서 규정된다. 집광 시스템이 조명 라인을 이미지화(image)하도록 구성될 수 있을 것이다. 집광 시스템이 조명 라인을 포함하는 표면의 영역으로부터 산란된 광을 집광하기 위한 이미징 렌즈, 집광된 광을 포커스하기 위한 포커싱 렌즈, 및 감광성 요소들의 어레이를 포함하는 디바이스를 포함할 수 있다. 감광성 요소들의 어레이의 각각의 감광성 요소가 조명 라인의 확대된 이미지의 상응하는 부분을 검출하도록 구성될 수 있다.
입력 레이저 펄스를 생성하기 위한 개선된 레이저 시스템을 포함하는 펄스 멀티플라이어(multiplier)가 또한 설명된다. 이러한 펄스 멀티플라이어가 입력 레이저 펄스를 수신하는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)를 더 포함할 수 있다. 파동 플레이트가 편광 빔 스플리터로부터 광을 수신하고 제 1 세트의 펄스들 및 제 2 세트의 펄스들을 생성할 수 있고, 상기 제 1 세트의 펄스들은 상기 제 2 세트의 펄스들과 상이한 편광을 가진다. 거울들의 세트가 편광 빔 스플리터 및 파동 플레이트를 포함하는 링 공동을 생성할 수 있다. 편광 빔 스플리터가 제 1 세트의 펄스들을 펄스 멀티플라이어의 출력으로서 전달할 수 있고 그리고 제 2 세트의 펄스들을 상기 링 공동으로 반사할 수 있다.
도 1a는 본원 발명에 따른 단순화된 레이저 시스템을 도시한다.
도 1b는 빔 웨이스트가 표시된, 예시적인 가우스 레이저 빔을 도시한다.
도 1c, 1d 및 1e는, 불순물들로부터 주파수-변환 결정을 보호하기 위한 하우징을 구현할 수 있고, 그에 따라 레이저가 동작되는지 또는 동작되지 않는지의 여부와 관계없이 결정의 어닐링된 조건을 유지할 수 있는 예시적인 하우징들을 도시한다.
도 1f는 예시적인 다단계 주파수 변환을 도시한다.
도 2a, 2b, 및 2c는 광원 출력의 타원형 단면을 생성하기 위한 예시적인 아나모픽(anamorphic) 광학장치를 도시한다.
도 3a 및 3b는 주파수-변환 결정에서 이용될 수 있는 예시적인 어닐링 프로세스들을 도시한다.
도 4, 5, 6 및 7은 개선된 레이저 시스템을 포함하는 예시적인 검사 시스템들을 도시한다.
도 8은 개선된 레이저 시스템에 의해서 생성된 각각의 입력 레이저 펄스로부터 펄스 트레인들(trains)을 생성하도록 구성된 예시적인 펄스 멀티플라이어를 도시한다.
개선된 레이저 시스템 및 동작에 따라서, 모드-록킹형 레이저 시스템이 어닐링된, 주파수-변환 결정 및 정상 동작 중에 결정 내에 또는 결정에 근접하여 위치되는 타원형 단면 빔 웨이스트를 생성하는 입력 광원을 포함한다. 일부 실시예들에서, 주파수-변환 결정이 저온에서 유지된다. 여기에서 사용된 바와 같이, "낮은" 온도는 약 50 ℃ 및 그 미만이다. 하나의 실시예에서, 저온이 30 ℃ 내지 - 10 ℃ 사이일 수 있다. 성분들의 이러한 조합 및 동작이 빔 품질, 빔 안정성, 및 결정 수명을 보장할 수 있다.
레이저 시스템의 일부 실시예들에 따라서, "긴" 결정(이하에서 설명됨)이 포함될 수 있다. 레이저에서의 전형적인 주파수 변환 스테이지에서, 입력 레이저 빔이 주파수-변환 결정 내에 또는 그에 근접하여 대략적으로 원형인 단면 빔 웨이스트로 포커스된다. 결정이 길수록, 보다 많은 입력 파장(들)이 출력 파장으로 변환될 것인데, 이는 입력 레이저 빔이 결정 내부에서 보다 많은 시간을 소비하기 때문이다. 그러나, 너무 긴 결정은 빔 품질을 저하시키는데, 이는 입력 파장과 출력 파장 사이의 워크-오프 때문이다. 최대 가용 변환 결정 길이를 결정하는 하나의 인자는 워크-오프 각도(결정 재료 그리고 입력 파장 및 출력 파장에 의존한다) 및 빔 직경이다. 반도체들의 검사 및 측정을 위한 적용예들에서, 양호한 빔 품질이 요구되고, 그에 따라 전형적으로 최대 가용 결정 길이가 라디안 단위의 워크-오프 각도로 나눈 레이저 빔-웨이스트 직경과 대략적으로 동일하게 된다. 식으로서 표현하면, 만약 빔 웨이스트의 반경이 w0 이고, 라디안 단위의 워크-오프 각도가 αwo이며, 그리고 결정 길이가 L 이라면, 최대 가용 결정 길이기 이하에 의해서 대략적으로 주어진다:
Figure pat00001
예를 들어, CLBO 결정 내에서 532 nm 입력 레이저 빔을 266 nm로 변환하는 경우에, 워크-오프 각도가 약 33 mrad(동작 온도에 약하게 의존한다)가 된다. 만약 빔 웨이스트 반경이 약 175 ㎛ 라면, 최대 결정 길이가 약 11 mm가 될 수 있을 것이다. 전형적으로, 10 mm CLBO 결정 길이가 그러한 적용예에서 이용될 수 있을 것이다. 비록 빔 웨이스트 반경을 증가시키는 것이 보다 긴 결정의 이용을 가능하게 할 수 있을 것이나, 전체적인 변환 효율은 감소될 것인데, 이는 단위 길이 당 변환 효율이 w0 의 제곱에 반대로 스케일링되는(scale) 파워 밀도에 의존하기 때문이다.
w0 의 매우 작은 값들은 일반적으로 바람직하지 않은데, 이는 너무 높은 전력 밀도가 결정을 급속히 손상시키기 때문이다. 또한, w0 의 작은 값들은 포커스된 빔의 레일리 범위를 감소시키고 그에 따라 시스템이 오정렬에 대해서 더 민감해지게 만들고, 그리고, 만약 결정 길이가 레일리 범위의 약 2배 보다 더 크다면, 결정 길이의 일부만이 주파수 변환을 위해서 효과적으로 이용되는 결과를 초래한다. 대략적인 단면 빔 및 양호한 빔 품질(즉, 이하에서 설명하는 바와 같이, M2 가 1.0 에 근접한다)을 가지는 레이저 빔의 레일리 범위가 이하에 의해서 주어진다:
Figure pat00002
만약 충분히 양호한 품질의 충분히 큰 결정들이 합리적인 비용으로 이용될 수 있다면, 레일리 범위의 2배와 Lmax 중에서 더 작은 것과 대략적으로 동일하도록 결정 길이가 선택된다. 따라서, 일반적으로, 결정은 레일리 범위의 2배와 라디안 단위의 워크-오프 각도로 나눈 빔 웨이스트 반경의 2배의 길이 중에서 보다 작은 것과 대략적으로 동일한 길이를 가진다.
발명의 일부 실시예들에서, 이하에서 설명하는 바와 같이, 빔은 결정 내의 또는 결정에 근접한 빔 웨이스트에서 타원형 단면으로 포커스된다. 타원은 비-워크-오프 방향에 대비하여 워크-오프 방향으로 길다. 워크-오프 방향을 따른 증가된 빔 웨이스트 반경은 보다 긴 결정이 사용될 수 있게 하는데, 이는 Lmax 가 워크-오프 방향을 따른 w0 의 값에만 의존하기 때문이다.
타원형 포커스에서의 파워 밀도는 빔 웨이스트 반경들의 곱에 반비례한다(또는 원형 단면 빔 웨이스트의 경우에 제곱된 빔 웨이스트 반경에 반비례한다). 원형 포커스 대신에, 파워 밀도가 원형 포커스의 파워 밀도와 실질적으로 동일하도록 선택된 2개의 빔 웨이스트 반경들을 가지는 타원형 포커스를 이용할 수 있을 것이고, 결과적으로 단위 길이 당 변환 효율이 원형 포커스 경우와 타원형 포커스 경우 사이에 실질적으로 유사하게 된다. 그러나, 타원형 포커스가 워크-오프 방향을 따라 보다 큰 빔 웨이스트 반경을 가지기 때문에, 결정 길이가 더 길 수 있고, 결과적으로 전체적인 변환 효율이 증가될 수 있을 것이다. 대안적으로, 실질적으로 동일한 전체적인 변환 효율을 초래하기 위해서 충분히 긴(이러한 예에서, 2배 긴) 결정을 이용하면서, 결정에 대한 손상 레이트를 줄이기 위해서 파워 밀도를 약간 감소(예를 들어, 원형 빔 웨이스트의 파워 밀도의 약 70%)시키도록, 타원형 포커스 빔 웨이스트 반경들이 선택될 수 있다. 또한, 만약 타원이 너무 큰 종횡비를 가진다면, 보다 타이트하게(tightly) 포커스된 방향을 따른 보다 작은 w0 값이 해당 방향으로 보다 작은 레일리 범위를 초래할 것이고 그리고 최대 가용 결정 길이를 제한할 것임을 주목하여야 할 것이다. 당업자는, 전체적인 변환 효율, 손상 레이트, 결정 길이 및 비용 사이의 이러한 그리고 다른 상쇄효과(trade-offs)를 이해할 수 있을 것이고, 그리고 적절한 빔 웨이스트 프로파일을 선택할 수 있다.
본원 발명의 실시예들에 따라서 타원형 포커스가 이용될 때, 비-워크-오프 방향을 따른 빔 웨이스트 반경이 워크-오프 빔 웨이스트 반경 보다 작기 때문에, 비-워크-오프 방향을 따른 레일리 범위가 워크-오프 방향을 따른 레일리 범위 보다 짧다. 그에 따라, 최대 유용 결정 길이는, 비-워크-오프 방향을 따른 레일리 범위의 2배와 라디안 단위의 워크-오프 각도로 나눈 워크-오프 방향을 따른 빔 웨이스트 반경의 2배에 의해서 규정된 길이 중에서 작은 것에 의해서 대략적으로 결정된다.
예를 들어, CLBO 결정을 이용하여 532nm를 266nm로 변환하는 주파수 변환 스테이지에서, 약 175 ㎛ 반경의 원형 빔 웨이스트 대신에, 약 125 ㎛ 반경(비-워크-오프 방향) 곱하기(by) 250 ㎛ 반경(워크-오프 방향)의 타원형 빔 웨이스트가 이용될 수 있다. 이러한 두 가지 경우들에서 파워 밀도가 실질적으로 유사하나, 타원형 포커스가 약 15 mm의 최대 결정 길이를 허용할 수 있는데 대비하여, 원형 포커스가 약 11 mm의 최대 결정 길이를 허용할 수 있을 것이다. 보다 긴 결정과 함께 이용되는 경우에, 전체적인 변환 효율이 타원형 포커스의 경우에 약 50% 더 클 수 있을 것이다.
도 1a는 단순화된, 개선된 레이저 시스템(100)을 도시한다. 레이저 시스템(100)에서, 광원(101)의 출력이 빔 성형 광학장치(102)를 이용하여 주파수-변환 결정(103)(또한, 용이한 인용을 위해서 결정(103)이라고 지칭된다) 내에 또는 그에 근접하여 타원형 단면 가우스 빔 웨이스트로 포커스될 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, "~에 근접하여" 라는 용어는 바람직하게 결정(103)의 중심으로부터 레일리 범위의 절반 미만이다. 결정(103)이, 전술한 바와 같이, 긴 결정일 수 있고, 또는 표준-크기의 결정일 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 하나의 바람직한 실시예에서 타원의 주요 축들의 가우스 폭들 사이의 종횡비가 약 2:1 내지 약 6:1 일 수 있을 것이다. 타원(104)의 주요 축들(104A 및 104B)이 서로에 대해서 수직이고 그리고 타원(104)의 가장 긴 길이와 가장 넓은 폭을 규정한다는 것을 주목하여야 할 것이다. 다른 바람직한 실시예들에서, 타원의 주요 축들 사이의 비율이 약 2:1 내지 약 10:1이 될 수 있을 것이다. 하나의 실시예에서, 보다 넓은 가우스 폭이 주파수-변환 결정의 워크-오프 방향과 실질적으로 정렬된다(예를 들어, 정렬의 약 10°이내).
도 1b는 예시적인 가우스 레이저 빔(108)(명료함을 위해서 테일들을 과장하였다)을 도시하고, 여기에서 라인(104C)은 2x 빔 웨이스트(또한 포커스 영역이라고 지칭된다)를 나타낸다. 도 1c, 1d 및 1e는 하우징(107)을 구현할 수 있는 예시적인 하우징들을 도시하고, 그러한 하우징은 표준 동작 중에 주파수-변환 결정(103)을 보호할 수 있다. 일 실시예에서, 하우징(107)은 불순물들로부터 결정(103)을 보호할 수 있고, 그에 의해서 낮은 표준 동작 온도 즉, 약 50 ℃ 미만의 온도에서도 어닐링된 조건을 유지하는 것을 돕는다. 시간에 걸쳐 불순물들에 대해서 노출되는 결정은 저하되기 시작할 것이고 그리고 실질적으로 어닐링되지 않은 조건으로 다시 되돌아갈 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 2008년 5월 6일자로 출원된, 미국 특허출원 제 12/154,337 호로서, 명칭이 "Enclosure For Controlling The Environment of Optical Crystals"라는 명칭의 출원이 이러한 하우징들을 보다 구체적으로 개시하고 있고, 그리고 여기에서 참조로서 포함된다. 다른 실시예들에서, 하우징(107)이 결정(103) 및 레이저 시스템의 다른 성분들을 포함하는 보다 큰 구조물일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 하우징(107)이 레이저 시스템의 모든 성분들을 수용할 수 있을 정도로 충분히 크다. 하우징이 클수록, (결정(103)을 저하로부터 보호하고 그리고 그 어닐링된 조건을 유지하기 위해서) 레이저 시스템의 유지 및 보수를 위해서 보다 많은 주의들이 필요하다는 것을 주목하여야 할 것이다. 그에 따라, 일 실시예에서, 하우징(107)이 크지 않고 작은 것이 바람직하다.
빔 성형 광학장치(102)가 아나모픽 광학장치를 포함할 수 있고, 그러한 아나모픽 광학장치는 광원(101)으로부터의 출력의 단면을 변화시킬 수 있다. 아나모픽 광학장치는, 예를 들어, 프리즘, 원통형 곡률 요소, 방사상-대칭적 곡률 요소, 및 회절 요소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광원(101)이, 결정(103) 내부에서 배가되는(doubled), 가시 범위의 주파수, 예를 들어, 532 nm의 주파수를 생성하는 레이저를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 광원(101)이 합계 또는 차이(sum or difference) 주파수를 생성하기 위해서 결정(103) 내부에서 조합되는 둘 이상의 주파수들을 생성하는 레이저 공급원을 포함할 수 있다.
도 1f는, 예를 들어, 1064 nm 기본 파장으로부터 제 4 고조파 생성을 발생시키는 예시적인 주파수 변환을 도시한다. 레이저(190)에 의해서 발생되는 기본적인 파장이, 제 2 고조파 발생 기술(191) 및 주파수 분리 기술(192)을 이용하여, 제 2 고조파(196)(즉, 532 nm 파장)로 변환될 수 있다. 주파수 분리 기술(192)이 원치 않는 기본적인 것(fundamental)(즉, 소비되지 않은(unconsumed) 기본적인 것(197))을 제 2 고조파(196)로부터 분리할 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 고조파 발생 기술(191) 및 주파수 분리 기술(192)이 전술한 빔 성형 광학장치(102), 주파수 변환 결정(103), 및 고조파 분리 블록(105)을 이용하여 구현될 수 있다.
다시, 제 2 고조파(196)가 제 4 고조파(198)(즉, 266 nm 파장)를 위한 공급원이 될 수 있고, 상기 제 4 고조파는 제 4 고조파 발생 기술(193) 및 주파수 분리 기술(194)을 이용하여 생성될 수 있다. 주파수 분리 기술(194)은 원치 않는 제 2 고조파 즉, 소비되지 않은 제 2 고조파(199)를 제 4 고조파(198)로부터 분리한다. 일 실시예에서, 제 4 고조파 발생 기술(193) 및 주파수 분리 기술(194)이 전술한 빔 성형 광학장치(102), 주파수 변환 결정(103), 및 고조파 분리 블록(105)을 이용하여 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 초과의 주파수 변환 및 분리 스테이지들(예를 들어, 상기 예에서 제 2 및 제 4 고조파 변환 스테이지들)이 전술한 빔 성형 광학장치(102), 주파수 변환 결정(103), 및 고조파 분리 블록(105)을 이용하여 구현될 수 있다.
도 1f의 예시적인 주파수 변환이 단지 예시적인 것이고 그리고 제한적이 아니라는 것을 주목하여야 할 것이다. 다른 고조파들이, 예를 들어, 기본적인 것을 제 2 고조파와 혼합하여 제 3 고조파를 생성하는 것, 또는 기본적인 것을 제 4 고조파와 혼합하여(또는 제 2 및 제 3 고조파들을 혼합하여) 제 5 고조파를 생성하는 것에 의해서 생성될 수 있을 것이다. 자외선(UV) 파장들을 생성하는 변환 스테이지들 중의 임의의 스테이지 또는 모든 스테이지가 빔 성형 광학장치, 주파수 변환 결정, 및 고조파 분리 블록을 이용할 수 있다. 비록 고조파 분리 블록들이 원치않는 주파수들 및 원하는 주파수들을 실질적으로 이탈되지 않은 이동경로로 반사시키는 것과 같이 도 1f가 도시되어 있지만, 이는 단지 해당 고조파 분리 블록들이 주파수들을 분리하는 것을 설명하는 것이고 그리고 어떠한 주파수들이 반사 또는 투과되는지를 제한하는 것을 의미하는 것이 아니다.
도 2a, 2b, 및 2c는 예시적인 아나모픽 광학장치를 도시한다. 도 2a는, 브루스터 각도(Brewster's angle) 근처에서 동작하도록 구성될 수 있는 2개의 프리즘들(201 및 202)을 도시한다. 일 실시예에서, 시스템 내로 어떠한 파워도 도입하지 않은 상태로 빔의 타원성(ellipticity)을 조정하기 위해서 프리즘들(201 및 202)이 튜닝될 수 있다. 도 2b는 2개의 렌즈들(203 및 204)로 구현되는 원통형 망원경을 도시한다. 원통형 망원경에서, 대부분의 비점수차를 보상하도록 시준(collimation)이 셋팅될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 도 2c는 3개의 렌즈들(205, 206 및 207)로 구현된 아포칼(afocal) 원통형 줌 망원경을 도시한다. 아포칼 원통형 줌 망원경은 빔 직경을 튜닝하기 위해서 그리고 포커싱을 셋팅하기 위해서 이용될 수 있다. 비록 도 2a, 2b, 및 2c의 아나모픽 광학장치가 2 또는 3개의 성분들을 포함하고 있지만, 다른 실시예들이 임의 수의 성분들을 포함할 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 사실상, 도 2a-2c의 광학장치 구성들은 단지 설명을 위한 것이고 그리고 제한적인 것은 아니다. 도 1을 다시 참조하면, 빔 성형 광학장치(102)가 타원형 단면 빔 출력을 생성하고, 그러한 타원형 단면 빔 출력은 이어서 공지된 구형 또는 원통형 광학장치(미도시)를 이용하여 결정(103) 내에서 또는 결정에 근접하여 빔 웨이스트에서 포커스될 수 있다.
고조파 분리 블록(105)은 빔 분리를 위한 프리즘을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 코팅되지 않은 페린-브로카 프리즘이 2개의 빔들을 생성할 수 있고, 그에 따라 하나의 빔(즉, 희망하는 주파수를 가지는 빔)이 프레넬(Fresnel) 반사들로 인해서 최소 손실들을 가지고 그리고 다른 빔(즉, 희망되지 않는 주파수를 가지는 빔)은 프레넬 반사들로 인해서 상당한 손실들을 가지게 된다. 특히, 페린-브로카 프리즘에 의해서 발생된 출력 빔이 입력 빔에 대해서 90 도가 되고, 이는 편리한 셋-업 및 원치 않는 빔(즉, 원치 않는 주파수)의 제거를 허용한다. 다른 실시예들이 희망하는 파장들을 가지는 복수 빔들을 생성하는 것 및/또는 원치 않는 주파수들을 가지는 하나 이상의 원치 않는 빔들을 제거하기 위한 다른 수단을 포함할 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 또한, 고조파 분리 블록(105)이 임의 수의 고조파들, 예를 들어, 제 2, 제 3, 제 4, 또는 제 5 고조파들, 및/또는 그러한 고조파들 및/또는 기본적인 것의 합 또는 차이 주파수들을 생성할 수 있을 것이다.
특히, 빔 성형 광학장치(106)가 결정(103) 이후에 배치되어 레이저 시스템(100)의 출력 빔을 위한 실질적으로 원형 대칭적 빔 프로파일을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 빔 성형 광학장치(102)(원형 빔 대 타원형 빔)와 유사한 광학장치를 이용하여 출력 빔을 타원형 단면으로부터 원형 단면으로 변환할 수 있을 것이다. 그러나, 워크-오프 평면(일반적인(ordinary) 축에 수직이고 그리고 빔에 대한 왜곡을 유발한다) 내에서, 출력 빔의 발산이 입력 빔의 발산과 실질적으로 유사하나, 결정(103)에 의해서 유발되는 빔 프로파일의 왜곡으로 인해서 약간 더 클 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 대조적으로, 비-워크-오프 방향(즉, 일반적인 축)으로, 출력 빔의 폭이 약
Figure pat00003
의 인자만큼 감소될 것인데, 이는 비-선형(대략적으로, 이차방정식적(quadratic)) 변환 프로세스 때문이다. 부가적으로, 빔 성형 광학장치(106)를 구현하기 위한 광학장치가 또한 출력 빔의 보다 짧은 파장을 담당하여야 한다(account for). 특히, 보다 높은 레이저 파워들 및/또는 보다 짧은 레이저 파장들이 더 작은 결합들을 더 빠른 속도로 검출할 수 있게 한다. M2 = 1.0 에 근접한 고품질 빔이 작은 스폿 또는 좁은 라인으로 타이트하게 포커스될 수 있고, 그에 의해서 작은 결함들의 검출을 돕는다. 1.0의 M2 값이 이상적인 가우스 단면을 가지는 레이저 빔에 상응한다는 것을 주목하여야 할 것이다. 하나의 바람직한 실시예에서, 빔 성형 광학장치(106)가 약 1.2 미만의 M2 값을 가지는 출력 빔을 생성할 수 있다.
비록 M2 가 빔 품질의 하나의 측정이지만, 빔 품질이 그 비점수차에 의해서 추가적으로 품질평가될 수 있을 것이다. 레이저 시스템(100)의 다른 양태에 따라서, 빔 성형 광학장치(102)(및, 사용되는 경우에, 빔 성형 광학장치(106))가, 2개의 축들에 대한 상대적인 웨이스트 위치에서 10% 이하의 레일리 범위 천이를 유발하는 비점수차를 가지는 UV 출력 레이저 빔을 생성할 수 있다.
일부 적용예들에서, 타원형 출력 빔이 레이저 시스템(100)을 위한 적용예에 보다 잘 매칭될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 예를 들어, UV 조명 빔이 비스듬한 각도로 웨이퍼 상으로 입사되는 경우에, 타원형 레이저 빔이 원형 스폿을 허용할 수 있을 것이다. 그러한 적용예에서, 아나모픽 광학장치가 빔 성형 광학장치(106)를 위해서 불필요하게 될 수 있을 것이다. 그 대신에, 다른 실시예들에서, 빔 성형 광학장치(106)의 아나모픽 광학장치가 출력 타원형 단면을 빔 성형 광학장치(102)에 의해서 출력된 것과 상이한 타원형 단면으로 변화시킬 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 빔 품질이 Mx 2 및 My 2 에 의해서 측정될 수 있고, 이때 x 및 y는 타원의 주요 축들(즉, 도 1의 104A 및 104B)을 나타낸다. 이러한 경우에, Mx 2 및 My 2 가 1.2 미만이 되어야 한다.
일 실시예에서, 결정(103) 내의 결함들 또는 불순물들(예를 들어, H2O 및/또는 OH)을 줄이기 위해서, 개선된 어닐링 프로세스가 실시될 수 있다. 일반적으로, 어닐링이 약 20 ppm 물 미만의 분위기 내에서 실시될 수 있다. 일 실시예에서, 그러한 분위기가 청정한, 건성 공기 또는 건성의, 불활성 가스(예를 들어, N2 또는 Ar)를 포함할 수 있다.
도 3a에 도시된 하나의 다단 램프-업 어닐링 프로세스(300)에서, 단계(301)에서, 온도가 실온으로부터 약 150 ℃까지 약 2시간의 시간 간격에 걸쳐서 서서히 상승될 수 있다. 단계(302)는 온도를 약 10-20 시간 동안 150 ℃ 근처에서 유지될 수 있다. 이어서, 단계(303)는 다른 약 1 시간의 기간에 걸쳐서 약 200 ℃로 온도를 상승시킬 수 있다. 만약 초기 결정이 특별하게 높은 물 함량을 가진다면, 단계(303)가 이러한 온도 램핑(ramping)을 보다 서서히 실시할 수 있을 것이다. 이어서, 단계(304)가 적어도 100 시간 동안(일부 실시예들에서, 약 200 또는 300 시간 동안) 약 150-200 ℃ 사이의 온도를 유지할 수 있을 것이다. 다른 한편으로, 만약 초기 물 함량이 그보다 낮다면, 보다 신속한 온도 램프(단계(303)) 및, 예를 들어, 48 시간의 보다 짧은 어닐링 시간(단계(304))이 이용될 수 있다. 단계(305)는 약 3 시간에 걸쳐 온도를 실온까지 하강시킬 수 있다. 단계들(301-305)과 연관된 시간들이 약 5-15 mm 범위의 선형 치수들을 가지는 결정들에 대한 것임을 주목하여야 할 것이다. 결정의 벌크로부터 물을 제거하는 프로세스가 본질적으로 확산 프로세스이고, 보다 큰 치수의(그리고 그에 따라 작은 표면적 대 부피 비율들의) 결정들은 보다 긴 어닐링 시간들을 필요로 할 수 있다. 대조적으로, 작은 치수들의(그리고 그에 따라 큰 표면적 대 부피 비율들의) 결정들이 보다 짧은 시간에 적절히 어닐링될 수 있을 것이다.
또한, 물이 초기에 너무 빨리 인출되는 것으로 인한 것인지 또는 온도 변화들에 의해서 유도되는 기계적인 응력들로 인한 것인지의 여부에 관계없이, 결정에 대한 기계적 손상이 발생되지 않도록 보장하기 위해서 온도 램프 레이트가 조정될 수 있다. 일반적으로, 높은 레벨들의 물을 가지는 또는 큰 기계적 치수들을 가지는 결정들이, 더 작은 또는 더 건성인 결정들에서 보다, 더 느린 온도 램프들 및/또는 150 ℃ 근처에서의 보다 긴 유지 시간들을 필요로 할 수 있을 것이다.
도 3b에 도시된 다른 다단 램프-업 어닐링 프로세스(310)에서, 적외선 스펙트럼 내의 3580 cm-1 근처의 -OH 결합(H2O 포함)의 흡수를 모니터링하기 위해서 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광계)가 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, FTIR 모니터링은 단계(302A)에서 결정이 어닐링되는 동안(즉, 150 ℃ 근처의 온도에서 유지되는 동안) 결정에 대해서 이루어질 수 있다. 단계(302B)는, 흡수가, -OH 흡수 피크가 그 초기 값으로부터 약 20% 만큼 감소된 것과 같이, 제 1 레벨에 있는지의 여부를 결정할 수 있다. 만약 제 1 레벨이 있지 않다면, 프로세스가 단계(302A)로 계속된다. 만약 제 1 레벨에 있다면, 프로세스가 단계(302A)의 어닐링으로 진행한다. 부가적으로, FTIR 측정이 단계(304A)에서 어닐링 중에(즉, 약 150-200 ℃ 사이의 온도에서 유지되는 동안) 결정에 대해서 이루어질 수 있다. 단계(304B)는, 흡수가, -OH 흡수 피크가 그 원래의 값으로부터 약 5% 만큼 감소된 것과 같이, 제 2 레벨에 있는지의 여부를 결정할 수 있다. 만약 제 2 레벨이 있지 않다면, 프로세스가 단계(304A)로 계속된다. 만약 제 2 레벨에 있다면, 프로세스가 단계(305)의 램프-다운으로 진행한다.
어닐링 프로세스들(300 및 310)이, 예를 들어, CLBO, CBO, BBO, LBO(삼붕산 리튬), 리튬 니오브산염, KDP 또는 다른 비선형 재료들을 포함하는, 여러 가지 주파수-변환 결정들을 위해서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 결정들의 재료들이 도펀트들과 같은 다른 원소들을 포함할 수 있을 것이다. 어닐링 프로세스들(300 및 310)이, CBO 및 CLBO와 같은, 흡습성(hygroscopic) 재료들에 대해서 특히 유용할 수 있을 것이다. 일부 비-흡습성 재료들의 어닐링의 경우에도 표면 또는 벌크 오염물들을 감소시키는데 유용할 수 있을 것이다.
매우 적은 결합들 또는 불순물들을 가지는 높은 등급 주파수-변환 결정과 함께 이용될 때, 150 ℃ 보다 상당히(well) 낮은 레이저 동작 온도가 특히 유용하다. 특히, 최소 결함들/불순물들을 가지는 결정이 정상 동작 보다 상당히 낮은 온도들에서 이용될 수 있고, 그에 의해서 결정 수명을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 결정(103)(전술한 프로세스들 중 하나를 이용하여 어닐링되었다)이, 약 10 ℃ 내지 약 50 ℃ 사이의 동작 온도와 같이, 실온에 근접한, 또는 실온 보다도 낮은 온도에서 이용될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 결정의 동작 온도가 약 30 ℃이다. 다른 바람직한 실시예에서, 결정이 수증기 없는 제어된 분위기 내에서 유지될 수 있고 그리고 이어서, 약 0 ℃, -10 ℃ 또는 그 보다 낮은 온도와 같은, 매우 낮은 온도들에서 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 열-전기(또는 펠티에(Peltier)) 냉각기를 이용하여 결정(103)의 온도를 유지 및 제어할 수 있다.
변환 결정의 수명을 증가시키는 것은, 유리하게, 레이저 시스템의 유지보수 빈도수를 감소시키고 그리고 레이저 시스템을 포함하는 검사 또는 계측 툴(tool)이 생산적으로 동작되는 시간의 백분율을 증가시킨다. 결정의 증가된 수명은 또한 레이저 시스템에 대한 낮은 동작 비용을 의미하는데, 이는 레이저 시스템에 대한 각각의 서비스 이벤트들 사이의 시간 간격이 증가될 수 있기 때문이다.
여기에서 개시된 레이저 시스템이 2011년 3월 8일자로 출원되고 현재 US20110228263로서 공개된 미국 특허출원 제 13/073,986 호('986 출원)에 개시된 결맞음성(coherence) 감소 방식들(scheme)을 유리하게 포함할 수 있고, 상기 출원은 여기에서 참조에 의해서 포함된다. '986 출원에 기술된 바와 같이, 하나 이상의 분산성(dispersive) 요소들의 하나 이상의 전기-광학적(electro-optic) 변조기들과의 조합을 이용하여, 광을 변조함으로써 그리고 광의 공간적 및 시간적(temporal) 특성들을 혼합함으로써 결맞음성을 감소시킬 수 있다.
도 4는 표면(401) 상의 이형들을 검사하기 위해서 이용될 수 있는 표면 검사 시스템(400)을 도시한다. 이러한 실시예에서, 표면(401)은, 레이저 시스템(100)(도 1 참조)에 의해서 생성된 레이저 빔을 포함하는 시스템(400)의 실질적으로 정지적인(stationary) 조명 디바이스 부분에 의해서 조명될 수 있다. 빔의 확장 및 포커스를 위해서, 레이저 시스템(100)의 출력이 편광 광학장치(421), 빔 확장기 및 애퍼쳐(422), 그리고 빔-형성 광학장치(423)를 연속적으로 통과할 수 있다.
이어서, 포커스된 레이저 빔(402)이 빔 폴딩(folding) 성분(403) 및 빔 편향기(404)에 의해서 반사되어, 표면 조명을 위해서 빔(405)을 표면(401)으로 지향시킨다. 바람직한 실시예에서, 빔(405)이 표면(401)에 대해서 실질적으로 직각 또는 수직이나, 다른 실시예들에서 빔(405)이 표면(401)에 대해서 기울어진 각도가 될 수 있을 것이다.
하나의 실시예에서, 빔(405)이 표면(401)에 대해서 실질적으로 수직 또는 직각이고 그리고 빔 편향기(404)가 빔의 스펙트럼 반사를 표면(401)으로부터 빔 전환(turning) 성분(403)을 향하여 반사시키고, 그에 의해서 스펙트럼 반사가 검출기들에 도달하는 것을 방지하기 위한 차폐부로서 작용한다. 스펙트럼 반사의 방향이 라인(SR)을 따르고, 그러한 라인은 표면(401)에 대해서 직각이다. 빔(405)이 표면(401)에 대해서 직각인 일 실시예에서, 이러한 라인(SR)은 조명 빔(405)의 방향과 일치되고, 이러한 공통 기준 라인 또는 방향이 여기에서 검사 시스템(400)의 축으로서 지칭된다. 빔(405)이 표면(401)에 대해서 기울어진 각도가 되는 경우에, 스펙트럼 반사의 방향(SR)이 빔(405)의 유입 방향과 일치하지 않을 것이고; 그러한 경우에, 표면 직각의 방향을 나타내는 라인(SR)이 검사 시스템(400)의 집광 부분의 주요 축으로서 지칭된다.
작은 입자들에 의해서 산란된 광이 거울(406)에 의해서 집광되고 그리고 애퍼쳐(407) 및 검출기(408)를 향해서 지향된다. 큰 입자들에 의해서 산란된 광이 렌즈들(409)에 의해서 집광되고 그리고 애퍼쳐(410) 및 검출기(411)를 향해서 지향된다. 일부 큰 입자들이 광을 산란시킬 것이고, 그러한 산란된 광이 또한 집광되고 검출기(407)로 지향되고, 그리고 유사하게 일부 작은 입자들이 광을 산란시킬 것이고, 그러한 산란된 광이 또한 집광되고 검출기(411)로 지향되나, 그러한 광은 각각의 검출기가 검출하도록 디자인된 산란된 광의 세기에 비교하여 상대적으로 낮은 세기를 가진다는 것을 주목하여야 할 것이다. 일 실시예에서, 검사 시스템이 패터닝되지 않은 웨이퍼들 상에서 결함들을 검출하기 위해서 이용되도록 구성될 수 있다.
도 5는 직각 조명 빔 및 기울어진 조명 빔 모두를 이용하여 이형 검출을 구현하도록 구성된 검사 시스템(500)을 도시한다. 이러한 구성에서, 레이저 시스템(100)(도 1)이 레이저 빔(501)을 제공할 수 있다. 렌즈(502)가 공간 필터(503)를 통해서 빔(501)을 포커스하고 그리고 렌즈(504)는 빔을 시준하고 그 시준된 빔을 편광 빔 스플리터(505)로 이송한다. 빔 스플리터(505)는 제 1 편광화된 성분을 직각 조명 채널로 통과시키고 그리고 제 2 편광화된 성분을 기울어진 조명 채널로 통과시키며, 상기 제 1 및 제 2 성분들은 직교한다(orthogonal). 수직 조명 채널(506)에서, 제 1 편광화된 성분이 광학장치(507)에 의해서 포커스되고 그리고 거울(508)에 의해서 샘플(509)의 표면을 향해서 반사된다. 샘플(509)에 의해서 산란된 방사선이 포물면경(paraboloidal mirror)(510)에 의해서 집광되고 그리고 포토멀티플라이어 튜브(511)로 포커스된다.
기울어진 조명 채널(512) 내에서, 제 2 편광화된 성분이, 빔 스플리터(505)에 의해서, 빔을 절반-파동 플레이트(514)를 통해서 반사시키는 거울(513)로 반사되고, 그리고 광학장치(515)에 의해서 샘플(509)로 포커스된다. 기울어진 채널(512) 내의 기울어진 조명 빔으로부터 기원하고 샘플(509)에 의해서 산란된 방사선이 포물면경(510)에 의해서 집광되고 그리고 포토멀티플라이어 튜브(511)로 포커스된다. 포토멀티플라이어 튜브(511)가 핀홀 진입구를 가진다. 핀홀 및 (수직 및 기울어진 조명 채널들로부터 표면(509) 상에서의) 조명된 스폿이 바람직하게 포물면경(510)의 포커스들에 위치된다.
포물면경(510)이 샘플(509)로부터의 산란된 방사선을 시준된 빔(516)으로 시준한다. 이어서, 시준된 빔(516)이 대물렌즈(objective)(517)에 의해서 그리고 분석기(518)를 통해서 포토멀티플라이어 튜브(511)까지 포커스된다. 포물면 형상들 이외의 다른 형상들을 가지는 만곡된 경면들이 또한 이용될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 기구(520)가 빔들과 샘플(509) 사이의 상대적인 이동을 제공할 수 있고, 그에 따라 스폿들이 샘플(509)의 표면에 걸쳐서 스캐닝될 수 있다.
도 6은 표면(20)의 지역들을 검사하기 위한 조명 시스템(601) 및 집광 시스템(610)을 포함하는 다른 표면 검사 장치(600)를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(100)(도 1)이 광 빔(602)을 렌즈(603)를 통해서 지향시키도록 구성된다. 렌즈(603)의 주요 평면이 표면(611)에 대해서 실질적으로 평행하도록 그리고, 결과적으로, 조명 라인(605)이 렌즈(603)의 포커스 평면 내에서 표면(611) 상에 형성되도록, 렌즈(603)가 배향된다. 또한, 광 빔(602) 및 포커스된 빔(604)이 표면(611)에 대해서 비-직교형 입사각으로 지향된다. 특히, 광 빔(602) 및 포커스된 빔(604)이 표면(611)에 대한 수직 방향으로부터 약 1 도 내지 약 85 도 사이의 각도로 지향될 수 있을 것이다. 이러한 방식에서, 조명 라인(605)이 실질적으로 포커스된 빔(604)의 입사면 내에 있게 된다.
집광 시스템(610)은 조명 라인(605)으로부터 산란된 광을 집광하기 위한 렌즈(612) 및 상기 렌즈(612)로부터 나오는 광을, 감광성 검출기들의 어레이를 포함하는, 전하 결합 소자(DDC)(614)와 같은, 디바이스 상으로 포커스하기 위한 렌즈(613)를 포함한다. 일 실시예에서, CCD(614)가 검출기들의 선형 어레이를 포함할 수 있을 것이다. 그러한 경우들에서, CCD(614) 내의 검출기들의 선형 어레이가 조명 라인(615)에 대해서 평행하게 배향될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 집광 시스템들이 포함될 수 있고, 상기 집광 시스템들의 각각이 유사하나 배향이 상이한 성분들을 포함한다. 예를 들어, 도 7은 표면 검사 장치를 위한 집광 시스템들(701, 702, 및 703)의 예시적인 어레이를 도시한다(그 조명 시스템, 예를 들어, 조명 시스템(601)과 유사한 것은 간결함을 위해서 도시하지 않았다).
미국 특허들 제 5,108,176, 5,377,001, 5,377,002, 5,189,481, 5,712,701, 6,118,525, 6,201,601, 6,271,916, 6,608,676, 7,088,443, 7,492,451, 7,525,649, 및 7,957,066 호뿐만 아니라 공개된 미국 출원들 제 2009/0180176, 및 2011/0073982 호(이들 모두가 여기에서 참조에 의해서 포함된다)는 레이저 시스템(100)을 포함할 수 있는 다른 검사 시스템들의 실시예들을 개시하고 있다. 레이저 시스템(100)은 또한 2011년 6월 13일자로 출원되고 여기에서 참조로서 통합되는 미국 가특허출원 제 61/496,446 호에 개시된 펄스 연신 및 펄스 레이트 배수화 방식들 중 하나 이상과 조합될 수 있다.
도 8은 레이저 시스템(100)(도 1)에 의해서 출력된 각각이 입력 펄스(801)로부터 펄스 트레인들을 생성하도록 구성된 예시적인 펄스 멀티플라이어(800)를 도시한다. 입력 펄스(801)가 편광 빔 스플리터(802) 상에 충돌하고, 그러한 충돌은, 입력 펄스(801)의 입력 편광으로 인해서, 그 모든 광을 렌즈(806)로 전달한다. 그에 따라, 전달된 편광이 입력 펄스(801)의 입력 편광에 평행하다. 렌즈(806)가 입력 펄스(801)의 광을 포커스하고 그리고 절반-파동 플레이트(805)로 지향시킨다. 일반적으로, 파동 플레이트가 광 파동의 수직하는 편광 성분들 사이에서 상들을 천이시킬 수 있고 그에 따라 통과하는 광의 편광 상태를 변화시킬 수 있다. 파동 플레이트에서, 하나의 편광 성분이 수직 성분 보다 약간 느리게 전파된다. 광 탈출(exiting)을 위해서, 하나의 편광 성분이 다른 편광 성분에 대해서 지연된(180 도) 파장의 실질적으로 절반이 되도록, 절반-파동 플레이트(805)가 제조된다. 일부 바람직한 실시예들에서, 절반-파동 플레이트(805)의 광학적 축이 입력 편광의 평면에 대해서 실질적으로 27.4°가 되도록, 절반-파동 플레이트(805)가 배향된다. 따라서, 이러한 바람직한 실시예들에서, 입력 편광을 가지는 광이 절반-파동 플레이트(805)를 타격할 때, 그 편광이 실질적으로 54.8°만큼 회전된다.
절반-파동 플레이트(805)를 빠져나오는 광이 거울(804 및 803)에 의해서 편광 빔 스플리터(802)로 반사된다. 따라서, 편광 빔 스플리터(802), 렌즈(806), 절반-파동 플레이트(805), 및 거울들(804 및 803)이 링 공동 구성을 형성한다. 편광 빔 스플리터(802) 상에 충돌한 광은, 링 공동을 이동한 후에, 절반-파동 플레이트(805)로 인해서, 입력 편광에 대해서 각도(일부 바람직한 실시예들에서 실질적으로 54.8°의 각도)로 편광화된다. 그에 따라, 편광 빔 스플리터(802)가, 화살표(809)로 표시한 바와 같이, 일부 광을 전달하고 다른 광을 반사시킨다. 구체적으로, 편광 빔 스플리터(802)가 입력 펄스(801)와 동일한 편광을 가지는 거울(803)로부터 광을 전달한다. 이러한 전달된 광은 출력 펄스들(807)로서 펄스 멀티플라이어(800)를 빠져나간다. 입력 펄스(810)의 편광에 대해서 수직인 편광을 가지는 반사된 광이 링 공동 내로 재-도입된다(간결함을 위해서 펄스들은 도시하지 않았다). 입력 편광에 대해서 실질적으로 27.4°로 배향된 절반-파동 플레이트(805) 축을 가지는 그러한 바람직한 실시예들에서, 단일 입사 펄스의 에너지의 실질적으로 2/3가 링 공동 내로 다시 반사될 것이고 그리고 단일 펄스의 입사 에너지의 실질적으로 1/3이 전달될 것이다.
특히, 이러한 재-도입된 펄스들이 전술한 방식으로 상기 링을 횡단할 수 있고, 이때 절반-파동 플레이트(805)에 의한 추가적인 편광 회전 및 이어지는 편광 빔 스플리터(802)에 의한 분광이 이루어진다. 따라서, 일반적으로, 일부 광이 빠져나갈 수 있게 허용하고 그리고 광의 나머지가 (일부 최소 손실들을 가지고) 링 주위로 계속되게 허용하도록, 전술한 링 공동이 구성된다. 링의 각각의 횡단 중에, 부가적인 입력 펄스들이 도입되지 않는다면, 출력 펄스들(807)로서 링을 빠져나가는 광으로 인해서, 전체 광의 에너지가 감소될 것이다.
주기적으로, 새로운 입력 펄스(801)가 펄스 멀티플라이어(800)로 제공된다. 링의 크기, 및 그에 따른 링의 시간 지연이, 화살표들(808)로 표시된 축을 따라 거울(804)을 이동시키는 것에 의해서, 조정될 수 있다. 만약 링의 시간 지연이 레이저(100)로부터의 펄스들 사이의 반복 시간의 대략 절반이 되도록 조정된다면, 출력 펄스들의 절반이 입력 펄스들 사이의 대략적 중간(halfway)에 있게 될 것이고 그리고 링으로부터의 펄스들의 다른 절반이 입력 펄스들과 대략적으로 일치될 것이다.
하나의 예시적인 실시예에서, 레이저가 125 MHz의 반복 레이트 및 약 10 내지 20 ps의 펄스 폭을 가질 수 있을 것이고, 그리고 공동이 4.05 ns의 지연 시간을 가질 수 있고, 그에 따라 공동 주위로 한 번 이동(trip)한 펄스가 2개의 입력 펄스들 사이의 약 절반에 도달하고 그리고 2 바퀴(round) 이동한 제 2 펄스가 다음 입력 레이저 펄스 후 약 100 ps에 도달한다. 그에 따라, 이러한 예시적인 실시예에서 125 MHz의 좁은 입력 펄스들의 일정한(steady) 스트림이 250 MHz의 반복 레이스로 상당히 더 넓은 펄스들의(공동 시간이 입력 펄스들 사이의 시간 간격의 절반에 근접하나 그와 정확하게 같지는 않도록 정교하게 셋팅되기 때문에 넓어진) 스트림으로 전환될 수 있을 것이다. 절반-파동 플레이트의 광학적 축이 입력 펄스의 편광에 대해서 실질적으로 27.4°로 배향되는 바람직한 실시예에서, 출력 펄스들이 전체 에너지 내에서 서로 실질적으로 동일할 것이다.
전술한 본원 발명의 구조들 및 방법들의 여러 가지 실시예들은 단지 본원 발명의 원리들을 설명하는 것이고 그리고 발명의 범위를 설명된 특별한 실시예들로 제한하기 위한 의도를 가지지 않는다. 예를 들어, 전술한 검사 시스템들이 암시야 검사 툴들 또는 명시야 검사 툴들로 통합될 수 있다. 따라서, 발명은 이하의 청구항들 및 그들의 균등물들에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

  1. 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법에 있어서,
    약 2 시간에 걸쳐서 약 150 ℃까지 온도를 상승시키는 단계;
    약 10 시간 동안 150 ℃에 가까이 온도를 유지하는 단계;
    약 1 시간에 걸쳐서 약 200 ℃까지 온도를 상승시키는 단계;
    약 100 시간 또는 그보다 더 긴 시간 동안 150-200 ℃ 사이에 온도를 유지하는 단계; 및
    약 3 시간에 걸쳐서 실온 가까이 온도를 하강시키는 단계를 포함하는, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  2. 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법에 있어서,
    (a) 약 2 시간에 걸쳐서 약 150 ℃까지 온도를 상승시키는 단계;
    (b) 약 10 시간 동안 150 ℃에 가까이 온도를 유지하는 단계;
    (c) 상기 단계 (b) 중에, -OH 결합 흡수(bonds absorption)가 제 1 레벨에 있는지 여부를 결정하는 단계로서, 그렇지 않은 경우, 온도를 150 ℃에 가까이 계속 유지하고, 그러한 경우, 단계 (d)로 진행하는 것인, 단계;
    (d) 약 1 시간에 걸쳐서 약 200 ℃까지 온도를 상승시키는 단계;
    (e) 약 100 시간 동안 150-200 ℃ 사이에 온도를 유지하는 단계;
    (f) 상기 단계 (e) 중에, -OH 결합 흡수가 제 2 레벨에 있는지 여부를 결정하는 단계로서, 그렇지 않은 경우, 온도를 150-200 ℃ 사이에 계속 유지하고, 그러한 경우, 단계 (g)로 진행하는 것인, 단계; 및
    (g) 약 3 시간에 걸쳐서 실질적으로 실온까지 온도를 하강시키는 단계를 포함하는, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광계, Fourier transform infrared spectroscopy)를 이용하는 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 FTIR은 적외선 스펙트럼 내의 3580 cm-1 근처의 -OH 결합을 모니터링하는 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  5. 결정 내의 오염물의 양을 감소시키기 위한 다단(multi-stage) 램프-업(ramp-up) 어닐링 프로세스에 있어서,
    제 1 미리 결정된 온도까지 상기 결정의 온도를 상승시키는 제 1 램프-업 스테이지;
    상기 결정 내의 오염물의 양이 원래의 양으로부터 제 1 레벨까지 감소되도록 상기 제 1 미리 결정된 온도에서 상기 결정을 유지하는 단계;
    제 2 미리 결정된 온도 - 상기 제 2 미리 결정된 온도는 상기 제 1 미리 결정된 온도보다 높음 - 까지 상기 결정의 온도를 상승시키는 제 2 램프-업 스테이지;
    상기 결정 내의 오염물의 양이 상기 제 1 레벨로부터 제 2 레벨까지 감소되도록 상기 제 2 미리 결정된 온도에서 상기 결정을 유지하는 단계; 및
    상기 결정의 온도를 실온 가까이까지 하강시키는 단계를 포함하는, 다단 램프-업 어닐링 프로세스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 프로세스는, 상기 결정 내의 물의 양을 감소시키는 단계를 포함하는 것인, 다단 램프-업 프로세스.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 램프-업 스테이지 동안, 상기 유지하는 단계 동안, 상기 제 2 랩프-업 스테이지 동안 및 상기 온도를 하강시키는 단계 동안, 20 ppm 미만의 물을 갖는 분위기에 상기 결정을 배치하는 단계를 더 포함하는, 다단 램프-업 프로세스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 램프-업 스테이지는, 상기 분위기의 온도를 약 150 ℃까지 점진적으로 상승시키는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 미리 결정된 온도에서 상기 결정을 유지하는 단계는, 상기 분위기를 150 ℃에 유지하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 램프-업 스테이지는 상기 분위기의 온도를 150 ℃로부터 약 200 ℃까지 점진적으로 상승시키는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 미리 결정된 온도에서 상기 결정을 유지하는 단계는, 상기 분위기를 약 200 ℃에 유지하는 단계를 포함하고,
    상기 온도를 하강시키는 단계는, 상기 분위기를 약 200 ℃로부터 실온까지 점진적으로 감소시키는 단계를 포함하는 것인, 다단 램프-업 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분위기의 온도를 약 150 ℃까지 상승시키는 단계는, 약 2 시간에 걸쳐서 상기 결정의 온도를 점진적으로 상승시키는 단계를 포함하고,
    상기 분위기를 150 ℃에서 유지하는 단계는, 약 10 시간 동안 150 ℃에서 상기 결정을 유지하는 단계를 포함하고,
    상기 분위기의 온도를 150 ℃로부터 약 200 ℃까지 상승시키는 단계는, 약 1 시간에 걸쳐서 상기 결정의 온도를 점진적으로 상승시키는 단계를 포함하고,
    상기 분위기를 약 200 ℃에서 유지하는 단계는, 약 100 시간 동안 200 ℃에서 상기 결정을 유지하는 단계를 포함하고,
    상기 분위기를 실온까지 감소시키는 단계는, 약 3 시간에 걸쳐서 실온까지 상기 결정의 온도를 점진적으로 하강시키는 단계를 포함하는 것인, 다단 램프-업 프로세스.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 미리 결정된 온도에서 상기 결정을 유지하는 단계는, -OH 결합 흡수가 제 1 레벨에 있는지 여부를 결정하는 단계로서, 그렇지 않은 경우, 온도를 150 ℃에 가까이 계속 유지하고, 그러한 경우, 상기 분위기의 온도를 150 ℃로부터 약 200 ℃까지 상승시키는 단계를 수행하는 것인, 단계를 더 포함하고,
    상기 제 2 미리 결정된 온도에서 상기 결정을 유지하는 단계는, -OH 결합 흡수가 제 2 레벨에 있는지 여부를 결정하는 단계로서, 그렇지 않은 경우, 온도를 150-200 ℃ 사이에 계속 유지하고, 그러한 경우, 상기 분위기를 실온까지 감소시키는 단계를 수행하는 것인, 단계를 더 포함하는, 다단 램프-업 프로세스.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광계)을 이용하는 것인, 다단 램프-업 프로세스.
  12. 흡습성(hygroscopic) 재료 내의 물의 양을 감소시키기 위한 다단 램프-업 어닐링 프로세스에 있어서,
    20 ppm 미만의 물을 갖는 분위기에 배치된 상기 흡습성 재료의 온도를 제 1 미리 결정된 온도까지 상승시키는 제 1 램프-업 스테이지;
    -OH 결합 흡수가 제 1 레벨에 있을 때까지, 상기 분위기 내의 상기 제 1 미리 결정된 온도에서 상기 흡습성 재료를 유지하는 단계;
    상기 분위기 내에서 제 2 미리 결정된 온도 - 상기 제 2 미리 결정된 온도는 상기 제 1 미리 결정된 온도보다 높음 - 까지 상기 흡습성 재료의 온도를 상승시키는 제 2 램프-업 스테이지;
    -OH 결합 흡수가 제 2 레벨에 있을 때까지, 상기 제 2 미리 결정된 온도에서 상기 분위기 내에 상기 흡습성 재료를 유지하는 단계; 및
    상기 흡습성 재료의 온도를 실온 가까이까지 하강시키는 단계를 포함하는, 다단 램프-업 어닐링 프로세스.
  13. 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법에 있어서,
    상기 주파수-변환 결정의 온도를 제 1 설정점으로 변경하는 단계;
    상기 주파수-변환 결정의 온도를 프리-베이크(pre-bake) 기간 동안 상기 제 1 설정점에 유지하는 단계;
    상기 주파수-변환 결정의 온도를 제 2 설정점으로 변경하는 단계;
    상기 주파수-변환 결정의 온도를 베이킹 기간 동안 상기 제 2 설정점에 유지하는 단계; 및
    상기 주파수 변환 결정의 온도를 실질적으로 실온으로 변경하는 단계를 포함하는, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 설정점은 100 ℃보다 높은 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 프리-베이크 기간은 4 시간보다 긴 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 설정점은 150 ℃보다 높은 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 베이킹 기간은 50 시간보다 긴 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 어닐링이 완료되었는지 여부를 결정하기 위해서 베이킹 프로세스 중에 상기 주파수-변환 결정이 측정되는 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 결정하는 것은 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광계)를 이용하는 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 FTIR은 적외선 스펙트럼 내의 3580 cm-1 근처의 -OH 결합을 모니터링하는 것인, 주파수-변환 결정을 어닐링하는 방법.
KR1020197004336A 2011-07-22 2012-06-28 고품질, 안정적인 출력 빔, 및 긴 수명의 높은 변환 효율의 비­선형 결정을 이용한 레이저 KR102057427B1 (ko)

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