KR20190095505A - 183 nm CW 레이저 및 검사 시스템 - Google Patents

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Abstract

레이저 어셈블리는, 1 ㎛ 내지 1.1 ㎛의 제1 기본 파장을 갖는 제1 기본 CW 광으로부터 제4 고조파 광을 생성하고, 제4 고조파 광을 제1 기본 CW 광과 혼합함으로써 제5 고조파 광을 생성한 다음, 제5 고조파 광을 1.26 ㎛ 내지 1.82 ㎛의 제2 파장을 갖는 제2 기본 또는 신호 CW 광과 혼합함으로써, 대략적으로 181 nm 내지 대략적으로 185 nm의 범위의 연속적(CW) 레이저 출력 광을 생성한다. 제5 고조파 광은, 제1 기본 CW 광을 제1 비선형 결정을 통해 순환시키는 외부 캐비티를 사용하여 그리고 제1 비선형 결정을 통해 제4 고조파 광을 지향시킴으로써 생성된다. 레이저 출력 광은, 제2 비선형 결정을 통해, 순환된 제2 기본 또는 신호 CW 광을 통과시키는 제2 캐비티를 사용하고 제2 비선형 결정을 통해 제5 고조파 광을 지향시킴으로써 생성된다.

Description

183 nm CW 레이저 및 검사 시스템
본 출원은 Chuang 등에 의해 "183 nm CW Laser and Inspection System"이라는 명칭으로 2017년 1월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/441,875호를 우선권으로 주장한다.
본 출원은, 예컨대, 포토마스크들, 레티클들 및 반도체 웨이퍼들을 검사하는 데 사용되는 연속파(CW) 레이저들 및 검사 시스템들에 관한 것이다.
반도체 디바이스들의 치수가 줄어듦에 따라, 소자가 고장나는 것을 야기할 수 있는 가장 큰 입자 또는 패턴 결함의 크기도 또한 줄어든다. 그러므로, 패터닝된 그리고 패터닝되지 않은 반도체 웨이퍼들 및 레티클들 상에서 더 작은 입자들 및 결함들을 검출할 필요성이 발생한다. 광의 파장보다 작은 입자들에 의해 산란되는 광의 강도는 일반적으로 그 입자의 치수들의 높은 거듭제곱수로서 스케일링된다(예컨대, 격리된 작은 구형 입자로부터의 광의 총 산란된 강도 구의 직경의 여섯거듭제곱에 비례하고 파장의 네거듭제곱에 반비례하게 스케일링됨). 산란된 빛의 강도가 증가하기 때문에, 더 짧은 파장들은 일반적으로 더 긴 파장들보다 작은 입자들 및 결함들을 검출하는 데 있어 더 양호한 감도를 제공할 것이다.
작은 입자들 및 결함들로부터 산란된 광의 강도는 일반적으로 매우 낮으므로, 매우 짧은 시간 내에 검출될 수 있는 신호를 생성하기 위해서는 높은 조도가 요구된다. 0.3 W 이상의 평균 광원 전력 레벨들이 요구될 수 있다. 이러한 높은 평균 전력 레벨들에서, 높은 펄스 반복률이 바람직한데, 그 이유는, 반복률이 높을수록 펄스 당 에너지가 낮아지고, 그에 따라, 검사되는 물품 또는 시스템 광학기기에 대한 손상의 위험성이 낮아지기 때문이다. 검사 및 계측을 위한 조명 요구들은 일반적으로 연속파(CW) 광원들에 의해 가장 양호하게 충족된다. CW 광원은 일정한 전력 레벨을 가지며, 이는, 피크 전력 손상 문제들을 회피하고, 또한, 이미지들 또는 데이터가 연속적으로 획득될 수 있게 한다.
따라서, 특히 193 nm보다 짧은 심자외선(DUV; deep ultraviolet) 범위의 방사선을 생성하고 포토마스크들, 레티클들, 및/또는 웨이퍼들의 검사에 사용하기에 적합한 CW 레이저에 대한 필요성이 발생한다. 그러나, 많은 관심 파장들, 특히 자외선(UV) 파장들에서, 충분한 방사 휘도(단위 입체각 당 단위 면적 당 전력)의 CW 광원들은 이용가능하지 않거나, 비용이 많이 들거나, 신뢰가능하지 않다. 더 높은 전력 레벨에서 183 nm 근처의 CW 출력을 가능하게 하는 빔 소스가 실제로 생성될 수 있는 경우, 더 정확하고 빠른 검사/계측을 가능하게 하고 최첨단 반도체 생산에 기여할 수 있다.
심-UV(DUV; Deep UV) 광을 생성하기 위한 펄스형 레이저들이 관련 기술분야에 공지되어 있다. 193 nm의 광을 생성하기 위한 종래 기술 엑시머 레이저들이 잘 공지되어 있다. 불운하게도, 그러한 레이저들은 검사 애플리케이션들에 양호하게 적합하지 않은데, 그 이유는, 그들의 레이저 펄스 반복률들이 낮고, 그들이 그들의 레이징 매질(lasing medium)에서 독성 및 부식성 가스들을 사용하고, 이는 높은 소유 비용(cost of ownership)으로 이어지기 때문이다. 193 nm 출력 근처의 광을 생성하기 위한 소수의 고체 상태 및 섬유 기반 레이저들이 또한 관련 기술분야에 공지되어 있다. 예시적인 레이저들은 2개의 상이한 기본 파장들(예컨대,Lei 등에 의한 US 2014/0111799호) 또는 기본파의 제8 고조파(예컨대, Tokuhisa 등의 미국 특허 제7,623,557호)를 사용하며, 이들은 중 어느 것이든 비싸거나 대량 생산이 가능하지 않은 레이저들 또는 물질들을 요구한다. 또 다른 접근법(Mead 등의 미국 특허 제5,742,626호)은 반도체 검사 애플리케이션들에 대해 요구되는 바와 같이 안정된 출력 및 높은 전력(서비스 이벤트들 간에 3 개월 이상 동안 연속적으로 실행될 수 있는 레이저에서 대략적으로 0.3 W 이상이 전형적으로 요구됨)을 갖는 상업적 제품을 생성하지 못했다. 더욱이, 이러한 레이저들 중 대부분은 매우 낮은 전력 출력을 갖고, 수 MHz 이하의 레이저 펄스 반복률들로 제한된다. 최근, Chuang 등은 183 nm 모드 잠금 레이저 및 관련된 검사 시스템에 대한 특허(미국 특허 출원 제2016/0099540호)를 출원했다.
그러나, 200 nm 이하의 파장을 갖는 CW 레이저들은 충분한 전력 레벨로 상업적으로 이용가능하지 않거나 매우 신뢰가능하지 않다. Sakuma에 의한 미국 특허 제8,503,068호에 설명된 바와 같은 예시적인 레이저는, 상이한 파장들의 3개의 기본 레이저들을 포함하는 복합 장치를 이용하여 약 100 mW에서 193 nm CW 방사선을 생성할 수 있지만, 안정성은 실제로 알려져 있지 않았다. 대략적으로 183 nm까지의 파장 범위의 CW 광을 생성하기 위한 어떠한 종래 기술도 존재하지 않았다.
현재 이용가능한 심-UV(DUV), 즉 300 nm보다 짧은 파장 CW 레이저들은 적외선(IR) 기본 레이저의 제4 고조파를 생성함으로써 동작한다. 2개의 주파수 변환 스테이지들이 요구된다. 제1 스테이지는 제2 고조파를 생성하고, 제2 스테이지는 제4 고조파를 생성한다. 각각의 주파수 배가(frequency doubling) 스테이지는 비선형 광학(NLO; non-linear optical) 결정을 사용한다. 주파수 배가 프로세스는 전기장 강도의 제곱에 의존한다. 결정 내부의 전력 밀도가 낮은 경우, 변환 프로세스는 매우 비효율적이다. 수 와트 또는 수십 와트의 전력의 적외선 레이저는, 비선형 결정으로 포커싱될 때, 낮은 전력 밀도 때문에 매우 작은 제2 고조파를 생성한다. 이는, 유사한 평균 전력 레벨의 펄스형 레이저와 대조적인데, 그러한 펄스형 레이저는, 피크 전력 밀도가 평균 전력 밀도보다 몇 배 더 높기 때문에, 상당한 양의 제2 고조파(가장 양호한 경우들에서는, 입력의 거의 50 %가 제2 고조파로 변환될 수 있음)를 생성할 수 있다.
DUV CW 레이저들은 변환 효율을 개선하기 위해 공진 캐비티를 사용하여 NLO 결정들에서의 전력 밀도를 증가시킨다. 전력 밀도를 구축하기 위해, 제2 고조파로 변환되지 않고 결정을 통과하는 광의 대부분이 공진 캐비티에서 재순환된다. 제2 고조파는 캐비티를 빠져 나가는 것이 허용된다. 결국, 전력 밀도는, 2차 고조파로서 캐비티를 벗어나는 전력과 캐비티에서의 손실들을 더한 것이 입력 전력과 동일한 레벨까지 구축된다. 심-UV 파장들을 생성하기 위해서는, 이러한 캐비티들 중 2개가 직렬로 연결되어야 한다. 제1 캐비티는 IR 기본파를 재순환시킴으로써 제2 고조파(가시 파장, 전형적으로는 532 nm와 같은 녹색 파장)를 생성하고, 제2 캐비티는 제2 고조파를 재순환시킴으로써 제4 고조파(266 nm와 같은 심-UV 파장)를 생성한다.
도 2는 2개의 캐비티들을 포함하는 종래 기술 심-UV CW 레이저의 주요 구성요소들을 도시한다. 이러한 도면에서, 제2 고조파를 생성하는 캐비티는 미러들(110, 111, 112, 및 113) 및 NLO 결정(115)을 포함한다. 제4 고조파를 생성하는 캐비티는 미러들(130, 131, 132, 및 133) 및 NLO 결정(135)을 포함한다. 이 도면은 또한 종래 기술 디바이스들의 다른 중요한 양상을 도시한다. 공진 캐비티들은 능동적으로 제어될 필요가 있다. 제1 캐비티에 대한 제어는 주파수 f1의 신호를 생성하는 발진기(104), 변조기(103), 포토다이오드(105), 및 미러(111)의 위치를 제어하기 위한 액추에이터 제어 신호(107)를 생성하는 동기식 검출기(106)를 포함한다. 제 2 캐비티에 대한 제어는 주파수 f2의 신호를 생성하는 발진기(124), 변조기(123), 포토다이오드(125), 및 미러(131)의 위치를 제어하기 위한 액추에이터 제어 신호(127)를 생성하는 동기식 검출기(126)를 포함한다.
(1064 nm 파장의) IR 광은 미러(110)를 통해 제1 캐비티에 진입하고, 미러들(111 및 112)에서 반사된 후에 NLO 결정(115)에 진입한다. 결정(115)에 진입하는 IR 광의 일부분은 532 nm 파장의 제2 고조파로 변환된다. 532 nm 광은 미러(113)를 통과하여 제2 공진 캐비티로 지향된다. 결정(115)을 통과하는 IR 광의 대부분은 변환되지 않고 결정으로부터 나오고 미러(113)에서 반사되며, 미러(113)는, 532 nm 광을 투과시키면서 1064 nm 광을 반사시키도록 코팅된다. 미러(113)로부터 반사된 광은 입력 미러(110)에 다시 도달한다. 미러(110) 상의 코팅은, 기본 레이저(101)로부터 도달하는 착신 IR 방사선에 대해 고도로 투과성이면서, 미러(113)로부터의 광선의 입사각으로 도달하는 IR에 대해 고도로 반사성이도록 설계된다. 캐비티 내에 높은 전력 밀도를 구축하기 위해, 캐비티 주위로 순환한 IR 방사선이 착신 방사선과 동상으로 미러(110)에 도달하는 것이 중요하다. 이는, 정확한 캐비티 길이를 유지하기 위해 압전 트랜스듀서 또는 보이스 코일에 의해 미러(111)를 기계적으로 이동시키는 서보 제어에 의해 예시된 바와 같이 달성된다. 포토다이오드(105)는 서보 제어에 신호를 제공하기 위해 캐비티에서 순환하는 광의 작은 부분을 모니터링한다. 입력 레이저 빔은, 서보 제어에 의해 사용되는 시변 신호를 제공하여 캐비티가 조정될 필요가 있는지 여부 및 캐비티가 조정되어야 하는 방향을 결정하기 위해 주파수 f1에서 변조기(103)에 의해 변조된다.
위에 설명된 레이저 캐비티 서보 제어 루프가 통상적으로 사용되며, 파운드-드레버-홀(Pound-Drever-Hall) 또는 PDH 제어로 공지되어 있다. 그 이론은, Drever 등에 의해 "Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator"; Appl. Phys. B 31 (2): 97-105, (1983)에서 설명되어 있다. 일부 부가적인 세부사항들은 미국 특허 제5,367,531호 및 Black에 의한 LIGO Technical note LIGO-T980045-00-D(1998)에서 발견될 수 있다.
일부 레이저 서보 제어 루프에서 통상적으로 사용되는 다른 잠금 방식은 HC(Hansch-Couillaud) 기법으로 지칭된다. 이러한 잠금 방식에서는, 캐비티에 진입하기 전에 빔에 대한 변조가 필요하지 않지만, 이러한 잠금 방식은 편광에 민감한 캐비티들에 대해서만 동작한다. 이러한 잠금 방식은, 캐비티가 공진 상태에 있는지 또는 그렇지 않은지를 결정하기 위해, 총 반사된 또는 투과된 빔의 편광 변화를 검출한다. 세부사항들은 Hansch 및 Couillaud에 의한 논문 "Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity", Opt. Commun. 35(3), 441 (1980)에서 발견될 수 있다.
제2 캐비티는, 입력 파장이 532 nm이고 출력 파장이 266 nm인 것을 제외하고는 제1 캐비티와 실질적으로 유사한 방식으로 동작한다. 제2 캐비티 구성요소들의 코팅들 및 물질들은 그 파장들에 대해 적절하게 선택된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 변조기(123)는, 제2 캐비티에 진입하기 전에 주파수 f2에서 광을 변조한다. 포토다이오드(125)는 순환하는 광의 작은 부분을 검출한다. 125로부터의 신호는, 캐비티의 정확한 길이를 유지하기 위해 미러(131)의 위치를 제어하는 제어 신호(127)를 생성하는 데 사용된다.
일부 종래 기술 디바이스들(도시되지 않음)에서, 제2 변조기(123)는 생략되고, 서보 루프들 둘 모두가 동일한 변조 주파수에서 동작한다. 일부 종래 기술 디바이스들(도시되지 않음)에서, 어느 변조기도 존재하지 않는다. 대신, IR 레이저(101)는 2개의 모드들이 생성되도록 레이저를 동작시킴으로써 변조된 출력을 생성하며, 이러한 2개의 모드들은, 적절하게 변조된 출력이 2개의 모드들의 비팅(beating)에 의해 생성되도록 파장 분리 및 상대 진폭들을 갖게 선택된다.
일부 종래 기술 디바이스들에서, 캐비티는 4개 대신 2개 또는 3개의 미러들을 포함할 수 있다.
일부 종래 기술 디바이스들에서, DUV 출력 파장은 NLO 결정(135)과 캐비티 미러(133) 사이에 배치된 빔 분할기(도시되지 않음)에 의해 재순환 가시광으로부터 분리될 수 있다.
검사 및 계측을 위한 조명 요구들은 일반적으로 연속파(CW) 광원들에 의해 가장 양호하게 충족된다. CW 광원은 일정한 전력 레벨을 가지며, 이는, 이미지들 또는 데이터가 연속적으로 획득될 수 있게 한다.
펄스 광원은 CW 광원의 시간-평균 전력 레벨보다 훨씬 더 높은 순간 피크 전력 레벨을 갖는다. 대부분의 손상 메커니즘들이 비선형적이고 평균 전력보다는 피크 전력에 더 강하게 의존하기 때문에, 레이저 펄스들의 매우 높은 피크 전력은 광학기기와 측정되는 샘플 또는 웨이퍼에 대한 손상을 초래한다. 펄스 반복률이 높을수록 동일한 시간-평균 전력 레벨에 대한 펄스 당 순간 피크 전력이 낮아집니다. 따라서, 일부 경우들에서는, 부가적인 펄스 증배기(multiplier)를 사용하여 반복률이 증가될 수 있으며, 이는 시스템 복잡도를 부가한다.
또한, 모드 잠금 레이저는 전형적으로 CW 레이저와 비교하여 상대적으로 넓은 대역폭을 갖는다. 따라서, 검사/계측 툴들의 조명 광학 시스템 설계는, 수차를 최소화하고 감도를 증가시키기 위해 더 복잡해지며, 이는 또한 시스템 비용을 상당히 더 높아지게 한다.
적외선(IR) 기본 레이저의 제4 고조파를 생성하는 종래 기술 DUV CW 레이저들은 230 nm보다 낮은 파장들을 생성할 수 없었다. 많은 더 낮은 관심 파장들, 특히 200 nm 이하 범위의 자외선(UV) 파장들에서, 충분한 방사 휘도(단위 입체각 당 단위 면적 당 전력)의 CW 광원들은 이용가능하지 않거나, 비용이 많이 들거나, 신뢰가능하지 않다. 대략적으로 183 nm까지의 파장 범위의 CW 광을 생성하기 위한 어떠한 종래 기술도 존재하지 않았다.
따라서, 대략적으로 181 nm 내지 대략적으로 185 nm 범위의 출력 파장을 갖는 CW 레이저 광을 생성할 수 있고 위의 문제들 및 단점들 중 일부 또는 전부를 회피하는 검사 시스템 및 연관된 레이저 시스템들을 제공할 필요성이 발생한다.
본 발명은 반도체 제조 산업에서 활용되는 검사 시스템의 개선에 관한 것으로, 특히, 대략적으로 181 nm 내지 대략적으로 185 nm의 범위(예컨대, 대략적으로 183 nm)의 출력 파장을 갖고 0.3 W 이상의 광원 전력 레벨을 갖는 CW 레이저 광을 생성할 수 있는 그러한 검사 시스템들을 위한 레이저 어셈블리들에 관한 것이다. 다음의 설명에서, 무조건부로 파장이 언급되는 경우, 그 파장은 진공에서의 파장인 것으로 가정될 수 있다.
본원에 설명된 레이저 어셈블리들 및 연관된 방법들에 따르면, 대략적으로 183 nm의 CW 레이저 출력 광은, 대략적으로 1000 nm 내지 대략적으로 1100 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는 제1 기본 주파수를 갖는 제1 기본 광을 생성하고, 제1 기본 광을 활용하여 제1 기본 광의 제4 고조파 및 제1 기본 광의 제5 고조파 둘 모두를 생성하고, 그런 다음, 제5 고조파 광을 대략적으로 1260 nm 내지 대략적으로 1820 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는 제2 기본 주파수를 갖는 제2 기본 광과 혼합함으로써 CW 레이저 출력 광을 생성함으로써 생성될 수 있다. 본 발명의 양상에 따르면, 제5 고조파 광은, 제1 기본 주파수에서 공진하도록 구성되는 (제1) 캐비티에서, 순환된 제1 기본 광이 제1 비선형 결정을 통과하도록 제1 기본 광을 순환시키고, 제4 고조파 광과 순환된 제1 기본 광을 결합하여 제5 고조파를 생성하는 방식으로 (즉, 제1 캐비티에서 순환됨이 없이) 제4 고조파 광이 또한 제1 비선형 결정을 통과하도록 제4 고조파 광을 지향시켜, 제1 기본 광과 제4 고조파 광을 혼합함으로써 생성된다. 유사한 방식으로, CW 레이저 출력 광은, 제2 기본 주파수에서 공진하고, 제2 비선형 결정을 통해, 순환된 제2 기본 광을 지향시키도록 구성되는 (제2) 캐비티에서 순화되는 제2 기본 광을, 제5 고조파 광과 순환된 제2 기본 광을 결합하는 방식으로 (즉, 제2 캐비티에서 순환됨이 없이) 제2 비선형 결정을 통과하도록 지향되는 제5 고조파 광과 혼합함으로써 생성된다. 제1 및 제2 캐비티들을 제1 및 제2 기본 주파수들에서 각각 공진하도록 구성하고, 제1 및 제2 비선형 결정들을 활용하여, 순환된 기본 광을 제4 및 제5 고조파들과 각각 결합하는 것은, 잡음 생성을 감소시키고, 제4 고조파 및 제5 고조파 광을 개개의 제1 및 제2 캐비티들 내에서 순환시킬 필요성을 회피함으로써 전반적인 시스템 안정성 및 광학기기 수명을 증가시킨다.
본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 어셈블리는 제1 기본 레이저, 제4 고조파 생성 모듈, 제5 고조파 생성 모듈, 제2 기본 레이저 및 주파수 혼합 모듈을 포함한다. 제1 기본 레이저는, 기본 파장(예컨대, 대략적으로 1070 nm, 대략적으로 1064 nm, 대략적으로 1053 nm, 대략적으로 1047 nm, 또는 대략적으로 1030 nm 중 하나와 동일함) 및 대응하는 제1 기본 주파수를 갖는 기본 광을 생성하도록 구성된다. 제4 고조파 생성 모듈은 2개의 캐스케이드된 주파수 배가 캐비티들을 포함하며, 제1 주파수 배가 캐비티는, 기본 광의 제1 부분을 수신하고, 제2 주파수 배가 캐비티가 후속되고, 제4 고조파 광(즉, 제1 기본 주파수의 4배와 동일한 제4 고조파 주파수(4ω)를 가짐)을 생성하도록 구성된다. 제5 고조파 생성 모듈은 제1 기본 광의 제2 부분을 수신하고 제4 고조파 생성 모듈로부터 제4 고조파 광을 또한 수신하고, 제1 기본 광이 순환하는 외부 캐비티에서 제5 고조파 광(즉, 제1 기본 주파수의 5배와 동일한 제5 고조파 주파수(4ω)를 가짐)을 생성하도록 구성된다. 제2 기본 레이저는 대략적으로 1260 nm 내지 대략적으로 1820 nm 범위의 파장 및 대응하는 제2 기본 주파수를 갖는 제2 광을 생성하도록 구성된다. 주파수 혼합 모듈은 제5 고조파 생성 모듈로부터 제5 고조파 광을 수신하도록 광학적으로 결합되고, 제2 기본 광과 제5 고조파 광을 혼합하는 것을 통해 제5 고조파 주파수와 제2 기본 주파수의 합과 동일한 주파수를 갖는 183 nm CW 레이저 출력을 생성하도록 구성되며, 여기서, 주파수 혼합 결정이 제2 기본 광에 대한 외부 향상 캐비티에 배치된다. 제5 고조파 광과 제2 기본 광을 혼합하기 위해 외부 향상 캐비티를 활용하는 이점은, 제2 기본 레이저가 주문형 디바이스 대신에 기성품 레이저 일 수 있다는 것이다.
본 발명의 대안적인 실시예에서, 레이저 어셈블리는 기본 레이저, 제4 고조파 생성 모듈, 제5 고조파 생성 모듈, 펌프 레이저, 및 캐비티-내(intra-cavity) 주파수 혼합 모듈을 포함한다. 제1 기본 광의 제5 고조파는 위에 설명된 것과 유사한 방식으로 생성되지만, 이러한 경우에서, 183 nm 광을 생성하기 위한 마지막 주파수 혼합 스테이지는, 제2 기본 레이저, 및 제2 기본 광을 향상시키기 위한 외부 공진 캐비티를 사용하는 대신, 캐비티-내 주파수 혼합 모듈을 활용한다. 캐비티-내 주파수 혼합 모듈은 이득 매질 및 NLO 결정을 포함하는 레이저 캐비티를 포함한다. 이득 매질은 적절한 파장을 갖는 펌프 레이저에 의해 펌핑되어 1260 nm 내지 1820 nm의 대응하는 파장을 갖는 제2 기본 주파수를 갖는 제2 기본 CW 광을 생성한다. NLO 결정은 제5 고조파 생성 모듈로부터 제5 고조파 CW 광을 수신하도록 결합되고, 상기 제5 고조파 광과 제2 기본 광을 혼합함으로써, 제1 기본 주파수의 제5 고조파와 제2 기본 주파수의 합과 동일한 주파수를 갖는 상기 183 nm CW 레이저 출력을 생성하도록 구성된다. 캐비티-내 주파수 혼합 접근법을 활용하는 이점은, 외부 캐비티를 사용하는 것과 비교하여 이러한 접근법을 구현하는 데 필요한 광학 구성요소들이 더 적다는 것이다.
본 발명의 다른 대안적인 실시예에서, 레이저 어셈블리는 기본 레이저, 제4 고조파 생성 모듈, 제5 고조파 생성 모듈, 펌프 레이저, 및 CW 광학 파라메트릭 발진기(OPO; optical parametric oscillator) 캐비티-내 주파수 혼합 모듈을 포함한다. 제1 기본 광의 제5 고조파는 위에 설명된 것과 유사한 방식으로 생성되지만, 이러한 경우에서, 183 nm 광을 생성하기 위한 마지막 주파수 혼합 스테이지는, 제2 기본 레이저를 사용하는 대신, OPO 캐비티-내 주파수 혼합 모듈을 활용한다. OPO 캐비티-내 주파수 혼합 모듈은, 주기적으로 폴링된(poled) 비선형 광학 결정 및 NLO 결정을 포함하는, 신호 주파수에서 공진하는 CW 캐비티를 포함한다. 주기적으로 폴링된 비선형 광학 결정은 적절한 파장을 갖는 펌프 레이저에 의해 펌핑되어 1260 nm 내지 1820 nm의 대응하는 파장을 갖는 신호 주파수를 갖는 CW 신호 광을 생성한다. NLO 결정은 제5 고조파 생성 모듈로부터 제5 고조파 CW 광을 수신하도록 결합되고, 상기 제5 고조파 광과 신호 광을 혼합함으로써, 제1 기본 주파수의 제5 고조파와 제2 기본 주파수의 합과 동일한 주파수를 갖는 상기 183 nm CW 레이저 출력을 생성하도록 구성된다. CW OPO 캐비티-내 주파수 혼합 접근법을 활용하는 이점은, 신호 주파수가 펌프 레이저의 주파수와 독립적으로 선택되거나 조정되어 출력 광의 주파수의 정밀한 선택이 허용된다는 것이다.
일 실시예에서, 제5 고조파 생성 모듈 및 주파수 혼합 모듈 중 적어도 하나는, 약 206 nm 내지 약 214 nm의 파장을 대략적으로 1260 nm 내지 대략적으로 1820 nm의 적외선 파장과 혼합함으로써 183 nm 근처의 파장을 생성하도록 거의 비-임계적으로(non-critically) 위상 매칭되도록 구성되는 어닐링된, 수소-처리된, 또는 중수소-처리된 세슘 리튬 보레이트(CLBO)를 포함한다. 거의 비-임계적인 위상 매칭 때문에, 주파수 혼합 매우 효율적이고(예컨대, 비선형 계수가 대략적으로 1 pm V-1이거나 이보다 약간 더 클 수 있음) 워크-오프(walk-off) 각이 작다(예컨대, 약 30 mrad 미만). 바람직한 실시예에서, 제5 고조파 생성 모듈에 대한 어닐링된 CLBO 결정은 대략적으로 80 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지되고, 주파수 혼합 모듈에 대한 어닐링된 CLBO 결정은 약 30 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지된다.
도 1은 종래 기술 심-UV CW 레이저를 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 CW 레이저 어셈블리들을 도시하는 간략화된 블록도들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들에서 활용되는 예시적인 제5 고조파 생성 모듈을 도시하는 간략화된 도면이다.
도 4는 본 발명의 대안적인 실시예들에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리에 의해 생성되고 그들 내에서 혼합된 예시적인 파장들의 표이다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명의 대안적인 특정 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리에서 활용되는 예시적인 주파수 혼합 모듈들을 도시하는 간략화된 블록도들이다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들을 활용하는 예시적인 레티클 또는 포토마스크 검사 시스템을 도시하는 간략화된 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 특정 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들을 활용하는 예시적인 다중 대물 검사 검사 시스템을 도시하는 간략화된 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 특정 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들을 활용하는, 암시야(dark-field) 및 명시야(bright field) 검사 모드들을 갖는 예시적인 검사 시스템을 도시하는 간략화된 도면이다.
도 9A 및 도 9B는 본 발명의 다른 특정 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들을 활용하는 암시야 검사 시스템들을 예시한다.
도 10은 본 발명의 다른 특정 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들을 활용하는, 패터닝되지 않은 웨이퍼들을 위한 예시적인 표면 검사 시스템을 도시하는 간략화된 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 특정 실시예에 따른, 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들을 활용하는, 법선 및 사선 조명 빔들 둘 모두를 사용하여 이상 검출을 구현하도록 구성되는 예시적인 검사 시스템을 도시하는 간략화된 도면이다.
본 발명은 반도체 검사 시스템들을 위한 센서들의 개선에 관한 것이다. 다음의 설명은 관련 기술분야의 통상의 기술자가 특정 응용들 그의 요건들의 맥락에서 제공되는 바와 같이 본 발명을 실시하고 사용하는 것을 가능하게 하도록 제시된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "상부", "좌측", "우측", "수평" 및 "하향"과 같은 방향성 용어들은 설명의 목적들을 위해 상대적인 위치들을 제공하도록 의도되며, 절대적인 기준 구성을 지정하도록 의도되지 않는다. 설명된 실시예들에 대한 다양한 수정들이 관련 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백 할 것이며, 본원에서 정의된 일반적인 원리들은 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 실시예들로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본원에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합할 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 대략적으로 181 nm 내지 대략적으로 185 nm(예컨대, 대략적으로 183 nm)의 범위의 파장을 갖는 예시적인 CW 레이저 어셈블리들을 도시하는 간략화된 블록도들이다. 레이저 어셈블리(200A 및 200B)는 최종 주파수 혼합 모듈의 설계가 상이하지만, 이들은 실질적으로 동일한 핵심 광학 구성요소 세트, 즉, 제1 기본 레이저(201), 제4 고조파 생성 모듈(240), 제5 고조파 생성 모듈(250), 및 대략적으로 181 nm 내지 대략적으로 185 nm의 범위의 파장을 갖는 레이저 출력 광을 생성하도록 배열되고 구성되는 주파수 혼합 모듈을 활용한다. 동일한 핵심 구성요소들은, 이러한 핵심 구성요소들이 2개의 예시적인 실시예들에 각각에서 동일하거나 유사한 방식으로 구성되고 기능함을 표시하기 위해 도 2a 및 도 2b 각각에서 동일한 참조 번호들에 의해 식별된다. 구체적으로, 각각의 실시예에서, 제1 기본 레이저(201)는 대략적으로 1000 ㎚ 내지 대략적으로 1100 ㎚(즉, 약 1 ㎛ 내지 1.1 ㎛)의 범위의 제1 기본 파장 및 대응하는 제1 기본 주파수 ω1을 갖는 기본 광(211)을 생성하도록 구성된다. 제4 고조파 생성 모듈(240)은 2개의 주파수 배가 캐비티들을 포함하며, 여기서, 제1 주파수 배가 캐비티(220)는 제1 기본 광의 적어도 일부분(212)을 수신하고 제1 기본 주파수 ω1의 2배와 동일한 제2 고조파 주파수 2ω1을 갖는 제2 고조파 광(221)을 생성하고, 제2 주파수 배가 캐비티(230)는 제2 기본 광(221) 수신하고 제1 기본 주파수 ω1의 4배와 동일한 제4 고조파 주파수 4ω1을 갖는 제4 고조파 광(241)을 생성한다. 제5 고조파 생성 모듈(250)은 제 1 기본 광(211)의 제2 부분(213) 및 제4 고조파 광을 수신하고, 도 3을 참조하여 아래에 설명되는 것과 같은 공진 캐비티에서 주파수 혼합을 구현하며, 여기서, 전력을 향상시키기 위해 제1 기본 광(251)만이 순환되어, 제1 기본 주파수 ω1의 5배와 동일한 제5 고조파 주파수 5ω1의 제5 고조파 광(251)을 생성한다. 레이저 어셈블리(200A 및 200B)에서의 각각의 주파수 혼합 모듈은 제 5 고조파 광(251)을 수신하도록 광학적으로 결합되고, 제5 고조파 광을 주파수 ω2를 갖는 제2 기본 광과 혼합함으로써 주파수 5ω1 + ω2를 갖는 레이저 출력 광을 생성하도록 구성된다. 그러나, 도 2a의 레이저 어셈블리(200A)는, 제2 기본 레이저(202)가, 예컨대, 도 5a를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, 제2 기본 광 ω2의 전력이 향상되고 제5 고조파 5ω1과 혼합되도록 구성되는 주파수 혼합 모듈(260A)에 형성된 제2 외부 공진 캐비티에 광학적으로 결합되는 제2 기본 광(231)을 제2 기본 레이저(202)가 생성하도록 구성된다는 점에서 구별된다. 대조적으로, 도 2b의 레이저 어셈블리(200B)에서, 제5 고조파 광(251)과 제2 기본 광의 주파수 혼합은 레이저 캐비티 내에서 발생하며, 레이저 캐비티에서, 제2 기본 광은 펌프 레이저(204)로부터의 빔(234)으로 펌핑되면서 이득 매질을 통해 생성된다. 위에 언급된 핵심 구성요소들 각각의 기능적 배열 및 동작은 레이저 어셈블리(200A(도 2a) 및 200B(도 2b))의 상세한 설명을 참조하여 아래에서 부가적으로 상세히 설명된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 위에 언급된 핵심 구성요소들 이외에, 레이저 어셈블리(200A 및 200B)는, 제1 기본 레이저(211)와 제4 고조파 생성 모듈(240) 및 제5 고조파 생성 모듈(250) 둘 모두 사이에 광학적으로 결합되는 빔 분할기(210)를 활용한다. 구체적으로, 제1 기본 레이저(201)는 빔 분할기(210) 상으로 지향되는 제1 기본 광(211)을 생성하며, 빔 분할기(210)는, 기본 광(211)을 2개의 부분들, 즉, 제4 고조파 생성 모듈(220)로 제1(예컨대, 수평) 방향으로 지향되는 제1 부분(212) 및 제5 고조파 생성기(250)로 제2(예컨대, 하향) 방향으로 지향되는 제2 부분(213)으로 분할하도록 기능한다. 제5 고조파 생성 모듈(250)은 기본 광 부분(213)과 제4 고조파 광을 혼합하여 제5 고조파(251)를 생성하고, 그런 다음, 그 제5 고조파를 주파수 혼합 모듈(260A(도 2a) 또는 260B(도 2b))로 송신한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제1 기본 CW 레이저(201)는 기본 주파수 ω1의 제1 기본 CW 광(211)(산업분야에서는 단순히 "기본파"로 지칭됨)을 생성하도록 공지된 기법들을 사용하여 구성된다. 일 실시예에서, 제1 기본 레이저(201)는 대략적으로 1064 nm 또는 1070 nm의 적외선 파장에 대응하는 제1 기본 주파수 ω1의 제1 기본 광(211)이 생성되도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 제1 기본 레이저(201)는 Nd:YAG(네오디뮴-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷) 레이저 매질, Nd-도핑된 이트륨 오르토바나데이트(Nd:YVO4) 레이저 매질 중 하나를 사용하여 또는 이테르븀-도핑된 광섬유 레이저에 의해 구현된다. 적합한 기본 CW 레이저들은 Coherent Inc., IPG Photonics 및 다른 제조업자들로부터 상업적으로 입수가능하다. 그러한 기본 레이저들의 레이저 출력 레벨들은 그 범위가 밀리와트 내지 수십 와트 또는 그 초과일 수 있다. 대안적인 예시적인 실시예에서, 제1 기본 레이저(201)는, 1053 nm 또는 1047 nm 근처의 기본 파장의 기본 레이저 광을 생성하는 Nd:YLF(네오디뮴-도핑된 이트륨 리튬 플루오라이드) 레이징 매질을 사용하는 레이저에 의해 구현된다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 기본 레이저(201)는 Yb:YAG(이테르븀-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷) 레이징 매질을 사용하여 또는 1030 nm 근처의 기본 파장에서 기본 레이저 광을 생성하는 이테르븀-도핑된 광섬유 레이저에 의해 구현될 수 있다.
도 2a 및 도 2b의 예시적인 실시예들에 따르면, 제4 고조파 생성 모듈(240)은 2개의 주파수 배가 모듈들(220 및 230)을 직렬로 갖도록 구성되고, 주파수 배가 모듈 각각은, 내부에 배열되는 적어도 3개의 광학 미러들 및 비선형 결정을 포함하는 외부 공진 캐비티를 포함한다. 종래 기술 CW 레이저들에서와 같이, 캐비티들은 표준 PDH 또는 HC 잠금 기법들로 안정화될 수 있다. 캐비티 길이는 제어 신호를 통해 미러 또는 프리즘의 위치를 조정함으로써 공진을 유지하도록 조정됩니다. 제1 주파수 배가 모듈(220)은 기본 주파수 ω1의 기본파 부분(212)을 수신 및 변환하여, 제1 기본 주파수의 2배(2ω1)의 제2 고조파 광(221)를 생성한다. 제2 주파수 배가 모듈(230)은 제2 고조파 광(221)을 수신 및 변환하여, 제1 기본 주파수의 4배(4ω1)의 제4 고조파 광(241)을 생성한다.
일부 다른 실시예들(도시되지 않음)에서, 제1 주파수 배가 모듈은 기본 고체 상태 레이저 캐비티 내부에 배치된 NLO 결정으로 캐비티-내 주파수 배가를 갖도록 기본 레이저와 결합될 수 있고, 다른 외부 공진 캐비티는 주파수를 추가로 배가하여 제4 고조파 광을 생성하도록 구성되며, 이러한 경우에, 다른 기본 레이저가 사용되어 제1 기본 주파수 ω1을 갖는 제1 기본 광 부분(213)을 생성하고 그 제1 기본 광 부분을 제5 고조파 생성 모듈(250)에 광학적으로 결합시킨다.
바람직한 실시예에서, 제2 고조파 광(221)을 생성하는 도 2a 및 도 2b의 제1 주파수 배가 모듈(220)은, 약 515 nm 내지 약 535 nm의 파장 범위의 제2 고조파를 생성하기 위해 실온 내지 약 200 ℃의 온도들에서 (적절한 결정 평면 선택에 대해) 실질적으로 비-임계적으로 위상 매칭될 수 있는 리튬 트리보레이트(LBO) 결정을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 주파수 배가 모듈(220)은 세슘 리튬 보레이트(CLBO) 결정 또는 베타-바륨 보레이트(BBO) 결정을 포함할 수 있으며, 이들 중 어느 것이든, 약 515 nm 내지 약 535 nm의 파장 범위의 제2 고조파를 생성하도록 임계적으로 위상 매칭될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 제1 주파수 배가 모듈(202)은 KTiOPO4(KTP), 주기적으로 폴링된 리튬 니오베이트(PPLN) 결정 또는 주파수 변환을 위한 다른 비선형 결정을 포함할 수 있다. 제4 고조파를 생성하는 제2 주파수 배가 모듈(230)은 CLBO, BBO 또는 다른 비선형 결정에서 임계 위상 매칭을 사용할 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 제2 주파수 배가 모듈(230)은 수소-처리된 또는 중수소-처리된 CLBO 결정을 포함한다.
CW 기본 IR 레이저의 제4 고조파가 고전력, 저잡음 및 양호한 안정성으로 생성될 수 있는 방식의 추가적인 세부사항들은 Chuang에 의한 미국 특허 제9,293,882호에서 발견될 수 있다. 이 특허는 인용에 의해 본원에 포함된다. 일부 대안적인 실시예들은 CW 기본 IR 레이저의 제4 또는 제5 고조파에 대응하는 주파수를 갖는 DUV CW 레이저들을 생성하도록 구현될 수 있다. 더 적은 공진 캐비티들 또는 더 안정된 캐비티들을 갖는 CW 기본 IR 레이저의 더 안정된 제4 또는 제5 고조파를 생성하는 방식의 추가적인 세부사항들은 Chuang 등에 의해 2014년 6월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 US 20140362880 A1(대리인 관리 번호 KLA-059 P4218)에서 발견될 수 있다. 이 특허 출원은 또한 인용에 의해 본원에 포함된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도 2a 및 도 2b의 183 nm 레이저 어셈블리들에서 활용되는 예시적인 제5 고조파 생성 모듈(250)을 도시하는 간략화된 도면이다. 제1 기본(ω1) 부분(213)은 입력 커플러(303)를 통해 평면 미러들(303, 304), 곡면 미러들(305, 306) 및 NLO 결정(309)(입력 표면(321) 및 대향하는 출력 표면(322)을 포함함)을 포함하는 보우-타이형(bow-tie) 링 캐비티에 진입하고, 전력을 향상시키기 위해 재순환된다. 도 3에 예시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 결정(309)의 입력 표면 (321)과 출력 표면(322)은 둘 모두는 제1 기본 광(313)의 편광에 대해 대략적으로 브루스터 각이도록, 즉, 도 3의 캐비티 평면 상에 화살표(329)로 표시된 방향으로 컷팅 및 위치된다. 제5 고조파 생성이 바람직하게는 CLBO 또는 BBO와 같은 비선형 광학 결정을 사용하는 유형 1 주파수 혼합에 의해 행해지므로, 제4 고조파 광의 편광은 제1 기본 광의 편광과 실질적으로 평행할 것이어서, 결정(309)의 입력 및 출력 표면들은 또한 전형적으로 제4 고조파 광(241)의 브루스터 각에 가깝다. 이러한 각은 제1 기본파 및 제4 고조파 광 둘 모두의 반사를 최소화하고, 따라서, 일부 실시예들에서는, NLO 결정(309)의 입력 표면(321) 및 출력 표면(322) 둘 모두 상에서의 반사 방지 코팅에 대한 필요성을 회피하는 것을 가능하게 한다. 결정 표면들을 코팅하지 않는 이점은 강한 UV 방사선에 노출 될 때 코팅들이 짧은 수명을 가질 수 있다는 것이다. NLO 결정(309)은 입력 표면(321)에서 제4 고조파 광(241)(즉, 제4 고조파 생성 모듈(240)로부터) 및 캐비티 내부에서 순환하는 기본 광(313) 둘 모두를, 제4 고조파 광(241) 및 제1 기본 광(313) 둘 모두가 대략적으로 공선으로(collinearly)(예컨대, 결정에 진입한 후에, 제4 고조파 광(241) 및 기본 광(313)은 결정 표면(223)에 대략적으로 평행한 방향으로 이동함) NLO 결정(309)에 들어가게 수신하도록 위치된다. 이를 달성하기 위해, 입력된 제4 고조파 광(214)은, NLO 결정의 색 분산으로 인해, 캐비티 내부에서 순환하는 제1 기본 광(313)으로부터 약간 벗어난 각으로 들어와야 한다. 생성된 제5 고조파(5ω1) 광(251) 및 소모되지 않은 제4 고조파(4ω1) 광(311)은 또한 제1 기본 광으로부터 약간 벗어난 각에서 브루스터-컷 결정을 통해 퇴장한다. (도 3에 예시된 바와 같은) 바람직한 실시예들에서, 제4 고조파 광(241/311) 및 생성된 제5 고조파 광(251)은, 미러(305)가 착신 제4 고조파(241)의 빔 경로 내에 있지 않고 미러(306)가 생성된 제5 고조파 광(251) 또는 소모되지 않은 제4 고조파 광(311)의 빔 경로 내에 있지 않도록 충분히 멀게 기본파(313)로부터 분리되며, 따라서, 미러(305/306)는 제1 기본 파장에 대한 높은 반사를 위해서만 코팅된다. 이러한 실시예에서, 캐비티 내에 DUV 코팅들이 존재하지 않으므로, DUV 방사선에 노출될 때의 코팅 손상은 문제가 되지 않는다.
도 3에 따르면, 제1 기본 광(213)은, 캐비티에 진입하기 전에, NLO 결정(309) 내부 또는 그에 근접한 빔 웨이스트(beam waist)를 갖는 공진 캐비티의 고유 모드에 매칭하도록 렌즈 세트(302)에 의해 포커싱되는 한편, 제4 고조파 광(241)은, 작은 각만큼(이를테면, 수 도만큼) 제1 기본 빔(313)으로부터 벗어난 각으로 미러들 또는 프리즘들(도시되지 않음)에 의해 지향되고 NLO 결정(309) 내부 또는 그에 근접하게 배치된 대응하는 빔 웨이스트로 렌즈 또는 렌즈 세트(308)에 의해 포커싱된다(빔 웨이스트들은 도시되지 않음). 소모되지 않은 제1 기본(ω1) 광(314)은 309를 통과하고, 미러(306)에 의해 반사되어 캐비티 내부에서 순환됨으로써 강도를 구축한다. 향상된 기본(ω1) 전력 밀도가 충분히 강하면, 제4 고조파 광(4ω1)으로부터 제5 고조파 광(5ω1)으로의 변환 효율이 매우 높은데, 최대 50 % 또는 심지어 그보다 높다. 이러한 실시예에서, 제5 고조파 주파수는 제1 기본 주파수 ω1에서 공진하는 캐비티들만을 사용하여 생성된다.
대안적인 실시예에서, 제4 고조파 광(241) 및 제1 기본 광(313)을 비선형 결정에 공선으로 진입시키기 위한 그들 사이의 편차각이 매우 작을 수 있어서, 미러(305)는 입력된 제4 고조파 광(241)의 빔 경로 내에 있고, 유사하게, 미러(306)는 소모되지 않은 제4 고조파 광(311) 및 생성된 제5 고조파 광(251)의 빔 경로 내에 있다. 다른 실시예에서, 제1 기본파(313) 및 제4 고조파(241)는 실질적으로 법선 입사로 NLO 결정(309) 상에 입사될 수 있다(즉, 제1 기본파 및 제4 고조파가 실질적으로 서로 공선으로 이동함). NLO 결정(309)의 입력 표면은 적절한 반사 방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 제1 기본파 및 제4 고조파가 NLO 결정(309)에 실질적으로 공선으로 진입하는 임의의 실시예에서, 제5 고조파 광은 NLO 결정(309)을 제1 기본파와 거의 공선으로(제1 기본파에 대한 매우 작은 워크-오프 각으로) 퇴장할 것이다. 그러한 경우들에서, 곡면 미러들(305 및 306)은, 고효율로 기본파를 반사시키면서 제4 및/또는 제5 고조파가 효율적으로 통과할 수 있게 하는 이색성 코팅들을 가질 수 있다. 대안적으로, 빔 분할기들 또는 이색성 미러들(도시되지 않음)이 NLO 결정(309)의 업스트림 및/또는 다운스트림에 삽입되어 상이한 고조파들을 적절하게 결합하고, 분리하고, 지향시킬 수 있다.
선택적 빔 분할기 또는 파장 분리기가 캐비티 외부에서 활용되어, 제5 고조파 광(251)으로부터 임의의 소모되지 않은 제4 고조파 광(311)(및 필요한 경우, 캐비티로부터 누출된 제1 기본 광(314)의 임의의 광)을 추가로 분리시킬 수 있다. 빔 분할기 또는 파장 분리기는 프리즘, 편광 빔 분할기, 이색성 빔 분할기 또는 광학 요소들의 조합을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, NLO 결정(309)은 어닐링된(중수소-처리된 또는 수소-처리된) 세슘 리튬 보레이트(CLBO) 결정을 포함하고, 어닐링된 CLBO 결정은, 적합한 가열 또는 냉각 시스템(330)(예컨대, 전기 가열기 또는 열전기 가열기 또는 냉각기)에 의해 대략적으로 80 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지된다. 다른 실시예에서, 제5 고조파 생성 모듈(250)은 주파수 합산을 위해 구성되는 BBO 또는 다른 비선형 결정을 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 제5 고조파 생성기는, 보우-타이 캐비티 대신 델타 캐비티, 정상파 캐비티, 또는 다른 형상 캐비티를 포함할 수 있다. 정상파 캐비티가 사용되는 경우, 제5 고조파는 주입된 제4 고조파 광과 동일한 방향으로 생성된다. 종래 기술 CW 레이저들에서와 같이, 이러한 캐비티들 중 임의의 캐비티는 표준 PDH 또는 HC 잠금 기법들로 안정화될 수 있다. 캐비티 길이는, 제어 신호(도시되지 않음)를 통해, 압전 트랜스듀서(PZT), 보이스 코일, 또는 다른 액추에이터에 연결된 미러들 중 하나(이를테면, 도 3에 도시된 미러(304))의 포지션 또는 프리즘의 포지션을 조정함으로써 공진을 유지하도록 조정된다.
도 4는 본 발명의 대안적인 실시예들에 따른, 대략적으로 181 nm 내지 185 nm 범위 내의 파장(예컨대, 대략적으로 183 nm)을 갖는 레이저 출력 광(270)을 생성하도록 도 2a 및 도 2b의 레이저 어셈블리들에 의해 생성되고 그들 내에서 혼합된 예시적인 파장들의 표를 도시한다. 각각의 제1 기본 레이저 유형에 대해, 예시적인 제1 기본 파장이 고조파들에 대응하는 파장과 함께 도시되며, 예시적인 제2 기본 레이저 유형(레이징 매질)이 원하는 출력 파장(표에 도시된 예에서는 181 nm 내지 185 nm)에 요구되는 생성된 제2 파장과 함께 도시된다. 기본 레이저의 정확한 파장은 레이저 매질의 정확한 조성, 레이징 매질의 동작 온도, 및 광학 캐비티의 설계를 포함하는 많은 요소들에 의존한다. 주어진 레이징 매질의 동일한 레이저 라인을 사용하는 2개의 레이저들은 전술한 및 다른 요인들로 인해 1 nm 또는 수 nm의 수십 분의 1만큼 상이한 파장들에서 동작할 수 있다. 적절한 기술분야의 통상의 기술자는 표에 열거된 것들에 가까운 임의의 제1 기본 파장으로부터 원하는 출력 파장을 생성하기 위해 적절한 제2 기본 파장을 선택하는 방식을 이해할 것이다. 유사하게, 원하는 출력 파장이 181 nm 내지 185 nm와 수 nm만큼 상이한 경우, 원하는 출력 파장은 또한 제1 또는 제2 기본 파장에 대한 파장의 적절한 조정에 의해 달성될 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 기본 레이저(201)는, 대략적으로 1070 nm, 대략적으로 1064 nm, 대략적으로 1053 nm, 대략적으로 1047 nm 및 대략적으로 1030 nm 중 하나와 동일한 대응하는 파장을 갖는 기본 주파수 ω의 기본 광(211)을 생성하도록 구성되고, 제2 기본 광은, 제1 기본 주파수의 제5 고조파(예컨대, 대략적으로 1064 nm 또는 대략적으로 1070 nm의 기본 파장에 대해 대략적으로 1260 nm 내지 1420 nm)와 혼합될 때 대략적으로 183 nm의 레이저 출력 광을 생성하는 제2 주파수 및 대응하는 파장을 갖도록 구성된다. 추적적인 예로서, 기본 파장이 대략적으로 1030 nm일 때, 제2 기본 광은 대략적으로 1490 nm 내지 1820 nm의 파장으로 생성되고; 대략적으로 1047 nm 또는 대략적으로 1053 nm 파장의 기본 레이저들에 대해, 제2 기본 광은 약 1290 nm 내지 1590 nm의 파장으로 생성된다. 이러한 제2 기본 주파수들 중 적어도 하나를 생성할 수 있는 기본 레이저들은 전형적으로 다양한 전력 레벨들에서 합리적인 가격들로 쉽게 이용가능하다. 예컨대, 1319 nm의 파장으로 레이저 광을 생성하는 Nd:YAG 레이저 및 1342 nm의 파장으로 레이저 광을 생성하는 Nd:바나데이트 레이저는 최대 수십 W의 전력 레벨들로 이용가능하고, 1064 nm의 파장을 갖는 제1 기본 레이저의 제5 고조파와 혼합될 때, 각각 183.2 및 183.7 nm의 레이저 출력이 생성될 것이다. 유사하게, 대략적으로 1645 nm의 파장을 생성하는 Er:YAG(에르븀-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷) 레이저가 1030 nm의 파장을 갖는 제1 기본 레이저의 제5 고조파와 혼합되는 경우, 183.1 nm의 레이저 출력이 생성된다. 다른 예에서, 대략적으로 1535 nm의 파장을 생성하는 에르븀(Er)-도핑된 광섬유 레이저가 1047 nm의 파장을 갖는 제1 기본 레이저의 제5 고조파와 혼합되는 경우, 184.3 nm의 레이저 출력이 생성된다. 제2 기본 광이 외부 공진 캐비티에서 또는 고체 상태 레이저 캐비티 내부에서 순환함에 따라, 제2 기본 광의 캐비티-내 전력 레벨은 수 kW 또는 심지어 그보다 높게 부스팅될 수 있다. 거의 비-임계적인 위상 매칭이 최종 주파수 혼합 모듈에서 사용되기 때문에, 최종 변환 스테이지는 효율적으로 약 수백 mW 내지 수 W 이상의 범위의 전력 레벨들에서의 안정적인 출력을 허용한다.
도 5a는, 도 2a의 183 nm CW 레이저(200A)에서 활용되는 예시적인 주파수 혼합 모듈(260A)을 도시하는 간략화된 블록도이다. 도 5b 및 도 5c는, 도 2b에 도시된 캐비티-내 주파수 혼합 모듈(260B)의 대안적인 예시적인 실시예들을 도시하는 간략화된 블록도들이다.
도 2a의 레이저 어셈블리에 따른 일 실시예에서, 주파수 혼합 모듈(260A)은 제2 기본 레이저로부터 생성된 제2 기본 광과 제5 고조파 생성 모듈(250)로부터의 제5 고조파 광을, 제2 기본 주파수에서만 공진하는 외부 캐비티에서 NLO 결정을 이용하여 결합하여 합산된 주파수 5ω1 + ω2를 갖는 183 nm 광을 생성하도록 구성된다.
주파수 혼합 모듈(260A)은 도 5a에 예시되며, 도 3에 도시된 제5 고조파 생성 모듈(250)과 유사한 방식으로 동작한다. 미러들(503, 504, 505, 506)을 포함하는 캐비티는 제2 기본 주파수 ω2에서 공진한다. 제5 고조파 생성 모듈(250)로부터 생성된 제1 기본 주파수의 제5 고조파(5ω1)(251)는, 대략적으로 NLO 결정(509)에서 또는 그 근처에서의 빔 웨이스트들로, NLO 결정(509) 내부에서 제2 기본 광(ω2)과 중첩된다. 렌즈(또는 렌즈 세트)(502)는, 착신 빔을, NLO 결정(509)의 중심 근처에서 자신의 웨이스트들 중 적어도 하나를 갖는 캐비티의 기본 모드로 모드-매칭하도록 구성된다. 렌즈 또는 렌즈 세트(508)는 제5 고조파 광(5ω1)을 NLO 결정(509)의 중심 근처로 포커싱한다. NLO 결정(509)은 제2 기본 주파수(ω2)와 제1 기본 주파수의 제5 고조파(5ω1)를 합산하여, 181 nm 내지 185 nm의 범위 내의 대응하는 파장, 즉, 대략적으로 183 nm를 갖는 합산된 주파수(5ω1 + ω2)를 생성한다. 미러(506)는 임의의 소모되지 않은 제2 기본 광(ω2)(514A)을 입력 커플러(503)에 반사시키므로, 그러한 광은 캐비티 내부의 전력을 향상시키도록 캐비티 내부에서 순환한다. 바람직한 실시예들에서, NLO 결정(509)의 2개의 표면들(521 및 522)은 화살표(529)의 방향으로 도시된 제2 기본 광(ω2)(513A)의 편광에 대해 브루스터 각 근처의 각으로 컷팅된다. 표면들(521 및 522)이 브루스터 각 근처의 각으로 컷팅되는 것의 하나의 이점은, NLO(509) 표면들(521 및 522) 상에 반사 방지 코팅들이 필요하지 않다는 것이다. 또 다른 이점은, 착신 제5 고조파 광(251), 소모되지 않은 제5 고조파 광(512A), 및 생성된 183 nm 광(270A)이 NLO 결정의 색 분산으로 인해 NLO 결정(509) 외부의 제2 기본 광(513A)으로부터 분리된다는 것이다. 또한, 제2 기본파(513A)로부터의 제5 고조파(251)의 분리 및 소모되지 않은 제2 기본파(514A)로부터의 소모되지 않은 제5 고조파(512A)의 분리가, 미러들(505 및 506)이 빔들(251, 512A 및 270A)의 빔 경로 내에 있지 않도록 충분히 큰 경우에는, 그에 따라서, 그 미러들은 제2 기본 주파수(ω2)에 대해서만 높은 반사율로 코팅될 필요가 있다. 이는, 고전력 DUV 광에 노출 될 때의 코팅 열화 또는 손상을 최소화한다. 그렇지 않으면, 다른 실시예에서 법선 입사를 갖는 NLO 결정(509)이 구현될 수 있다. 빔(251)이 제2 기본 빔(513A)으로부터 충분히 멀리 분리되지 않은 경우, 빔 분할기, 이색성 미러 또는 프리즘(도시되지 않음)이 NLO 결정(509)과 미러(505) 사이에서 사용되어(또는 이색성 코팅이 미러(505) 상에 사용될 수 있음), 제2 기본 광(ω2)(513A)을 통과시키고 착신 제5 고조파 광(5ω1)(251)을 NOL 결정(509) 내로 지향시킬 수 있다. 빔들(512A 및 270A)이 소모되지 않은 제2 기본파(514A)로부터 충분히 멀리 분리되지 않은 경우, NLO 결정(509)과 미러(505) 사이의 빔 분할기, 이색성 미러 또는 프리즘(도시되지 않음)(또는 미러(506) 상의 이색성 코팅)이 사용되어, 소모되지 않은 제2 기본 광(ω2)(514A)을 통과시키고 합산된 주파수(5ω1 + ω2)의 생성된 183 nm 광(270A) 및 소모되지 않은 제5 고조파(5ω1)(512A)를 캐비티 밖으로 방향전환시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 보우-타이 캐비티를 갖는 대신, 다른 형상들의 캐비티, 이를테면 델타 형상 또는 정상파 캐비티가 사용된다. 정상파 캐비티가 사용되는 경우, 합산된 주파수는 주입된 제5 고조파 광과 동일한 방향으로 생성된다. 종래 기술 CW 레이저들에서와 같이, 캐비티는 표준 PDH 또는 HC 잠금 기법들로 안정화될 수 있다. 캐비티 길이는, 제어 신호(도시되지 않음)를 통해, 압전 트랜스듀서(PZT), 보이스 코일, 또는 다른 액추에이터에 연결된 미러(이를테면, 도 5a의 미러(504)) 또는 프리즘의 포지션을 조정함으로써 공진을 유지하도록 조정된다.
도 2b를 참조하면, 다른 실시예에서, 레이저(200B)는 합산된 주파수(5ω1 + ω2)의 183 nm 광을 생성하기 위해 캐비티-내 주파수 혼합 모듈(260B)을 활용한다. 도 5b 및 도 5c는 혼합 모듈(260B)(도 2b)의 (제2) 캐비티가 고체 상태 레이저 캐비티(도 5b) 또는 광학 파라메트릭 발진기 캐비티(도 5c)를 사용하여 구현되는 2개의 대안적인 실시예들을 도시한다. 각각의 경우에서, (제2) 캐비티는 (제2) 광(즉, 고체 상태 레이저 캐비티(도 5b)의 경우에서의 제2 기본 광 또는 광학 파라메트릭 발진기 캐비티(도 5c) 경우에서의 신호 광)을 순환시키도록 구성된다. 두 예시들 모두에서, 순환된 광은 대략적으로 1260 nm 내지 대략적으로 1420 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는 주파수 범위를 가지며, 따라서, 도 5b에서의 순환된 광의 제2 기본 주파수 및 도 5c에서의 순환된 신호 광의 신호 주파수 둘 모두가 편의상 "ω2"를 사용하여 참조된다.
고체 상태 레이저 캐비티를 사용하는 캐비티-내 주파수 혼합 모듈(260B1)을 도시하는 간략화된 도면이 도 5b에 예시된다. 제2 기본 주파수를 향상시키고 주파수 혼합을 수행하여 183 nm 광을 생성하기 위해 외부 공진 캐비티를 사용하는 대신, 합산 주파수 생성을 위한 NLO 결정(509)이 제2 기본 주파수 ω2의 광을 생성하는 고체 상태 레이저 캐비티 내부에 배치된다. 도 5b에 예시된 바와 같이, 제2 기본 주파수를 생성하는 레이저 캐비티는 입력 커플러(553), 미러들(554, 555, 566), 이득 매질(560), 및 부가적인 요소들, 이를테면, 광학 다이오드(561), 에탈론(562)을 포함한다. 펌프 주파수(ωp)를 갖는 펌프 레이저(234)는 펌프 레이저(204)(도 2b 참조)로부터 생성되고, 하나 이상의 렌즈(552)에 의해 대략적으로 이득 매질(560)의 중심으로 포커싱되어 흡수되게 된다. 제2 번째 기본 주파수(ω2)는 두 방향 모두로의 분포 반전(population inversion)을 통해 생성된다. 제2 기본 광의 단일 방향 이동을 보장하기 위해, 일부 예시적인 실시예들에서 파장판 및 페러데이 회전자(Faraday rotator)를 포함할 수 있는 광학 다이오드(562)가 캐비티에 삽입되어서, 반대 방향으로의 초기 광 생성이 통과 및 증폭될 수 없다. 에탈론 및/또는 복굴절 필터(562)가 생성된 제2 기본 광의 빔 경로 내에 배치되어 우측 대역폭이 선택되고 캐비티 내에서의 모드 호핑(mode hopping)이 회피될 수 있다. 미러들(553, 554, 555 및 556)은 제2 기본 주파수에 대한 높은 반사율로 코팅되어서, 제2 기본 주파수가 캐비티 내부에서 순화하고 누출되지 않는데, 이는, 레이저 파장의 부분 투과를 위해 코팅된 출력 커플러가 구현되어 빔을 빠져나가게 하는 전형적인 레이저 캐비티와는 대조적이다.
도 5b에 예시된 바와 같이, NLO 결정(509)은, 제2 기본 주파수(ω2)와, 제5 고조파 생성 모듈(250)로부터 생성된 제5 고조파(251)(주파수 5ω1)로부터의 합산 주파수 생성에 의해 183 nm 광을 생성하기 위해, 제2 기본 광(513B)의 빔 경로의 웨이스트 위치에 삽입된다. 렌즈 또는 렌즈 세트(508)는 제5 고조파(251)를 NLO 결정(509)의 중심 근처로 포커싱한다. 미러(506)는 임의의 소모되지 않은 제2 기본 광(514B)을 입력 커플러(553)에 반사시키므로, 그러한 광은 캐비티 내부에서 순환하여 전력을 향상시킨다. 바람직한 실시예에서, NLO 결정(509)의 2개의 표면들(521 및 522)은 화살표(529)로 표시된 제2 기본 광(513B)의 편광에 대해 브루스터 각 근처로 컷팅된다. 표면들(521 및 522)이 브루스터 각 근처의 각으로 컷팅되는 것의 하나의 이점은, NLO 결정(509)의 2개의 표면들(521 및 522) 상에 반사 방지 코팅들이 필요하지 않다는 것이다. 또 다른 이점은, 착신 제5 고조파 광(251), 소모되지 않은 제5 고조파(512B), 및 생성된 183 nm 광(270B)이 NLO 결정의 색 분산으로 인해 제2 기본 광(513B)으로부터 분리된다는 것이다. 또한, 제2 기본파(513B)로부터의 제5 고조파(251)의 분리 및 소모되지 않은 제2 기본파(514B)로부터의 소모되지 않은 제5 고조파(512B)의 분리가, 미러들(555 및 556)이 빔(251, 512B 및 270B)의 빔 경로 내에 있지 않도록 충분히 큰 경우에는, 그에 따라서, 그 미러들은 제2 기본 주파수(ω2)에서만 높은 반사율을 위해 코팅될 필요가 있다. 이는, 고전력 DUV 광에 노출 될 때의 코팅 열화 또는 손상을 최소화한다. 그렇지 않으면, 다른 실시예에서, NLO 결정(509)은 법선 입사로 구현될 수 있다. 빔(251)이 제2 기본 빔(513B)으로부터 충분히 멀리 분리되지 않은 경우, 빔 분할기, 이색성 미러 또는 프리즘(도시되지 않음)이 NLO 결정(509)과 미러(555) 사이에서 사용되어(또는 이색성 코팅이 미러(555) 상에 사용될 수 있음), 제2 기본 광(513B)을 통과시키고 착신 제5 고조파 광(251)을 NOL 결정(509) 내로 지향시킬 수 있다. 빔들(512B 및 270B)이 소모되지 않은 제2 기본파(514B)로부터 충분히 멀리 분리되지 않은 경우, NLO 결정(509)과 미러(505) 사이의 빔 분할기, 이색성 미러 또는 프리즘(도시되지 않음)(또는 미러(556) 상의 이색성 코팅)이 사용되어, 소모되지 않은 제2 기본 광(ω2)(514B)을 통과시키고 합산된 주파수(5ω1 + ω2)의 생성된 183 nm 광(270B) 및 소모되지 않은 제5 고조파(512B)를 캐비티 밖으로 방향전환시킬 수 있다. 이러한 실시예에서, 주파수 혼합 모듈은 제2 기본 주파수에서 공진하는 외부 캐비티를 포함하지 않지만, 제2 기본 주파수를 생성하는 고체 상태 레이저 캐비티를 포함하므로, 캐비티가 덜 민감하고 캐비티 길이를 제어하기 위한 능동 피드백 제어 루프들이 필요하지 않을 수도 있다.
대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 펌프 광은 다른 측으로부터 이득 매질(560)로 포커싱되어 미러(554)를 통과하거나 동시에 양 방향 모두로부터 들어올 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, Nd:YAG 또는 Nd:바나데이트 레이저에 대한 펌핑은 대략적으로 808 nm 파장 또는 대략적으로 888 nm 파장에서 동작하는 하나 이상의 다이오드 레이저를 사용하여 행해질 수 있는 반면, Er:YAG 레이저에 대한 펌핑은 대략적으로 1532 nm에서 동작하는 Er-도핑된 광섬유 레이저로 행해질 수 있다.
합산된 주파수(5ω1 + ω2)의 183 nm 광의 캐비티-내 생성을 위해 도 2b의 260B1 대신 사용될 수 있는 대안적인 실시예(260B2)가 도 5C에 예시된다. 도 5b에 도시되고 위에서 설명된 바와 같이 제2 기본 주파수 ω2의 광을 생성하는 고체 상태 레이저 캐비티 내부에 NLO 결정(509)을 배치하는 대신, NLO 결정(509)은 신호 주파수 ω2에서 공진하는 OPO 캐비티 내에 배치되고, 도 5c에 예시된 바와 같이, 미러들(573, 574, 575 및 576) 및 NLO 물질(570)을 포함한다. 펌프 주파수(ωp)를 갖는 펌프 빔(234)은 도 2b의 펌프 레이저(204)로부터 생성되고, 하나 이상의 렌즈(572)에 의해 NLO 물질(570)의 중심에 가까운 초점으로 포커싱되고, 여기서, 신호 주파수 ω2 및 아이들러(idler) 주파수(ωp - ω2와 동일함)로 하향 변환된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 신호 주파수 ω2는, (신호 주파수가 아이들러 주파수보다 높은 통상적인 관례와는 대조적으로) 신호가 더 높은 주파수를 갖는지 또는 아이들러가 더 높은 주파수를 갖는지에 관계없이, 183 nm 광(270B)을 생성하는 데 요구되는 주파수를 나타낸다는 것을 유의한다. 미러들(573, 574, 575 및 576)이 신호 주파수 ω2에 대한 높은 반사율로 코팅되어, 변환되지 않은 신호가 캐비티 내부에서 순환하여 캐비티 내부의 신호 주파수의 높은 전력 밀도를 구축한다. 일 실시예에서, 신호 주파수 ω2의 정밀한 주파수 제어는 미러(576)에 부착된 압전 트랜스듀서(PZT) 또는 보이스 코일과 같은, 미러들 중 하나에 부착된 액추에이터에 의해 캐비티의 광학 경로 길이를 능동적으로 제어함으로써 구현된다. 다른 실시예에서, 신호 주파수 ω2의 주파수 제어는 미러 표면들 중 하나 이상 상에 배치된 협대역 반사성 코팅에 의해 또는 캐비티 내에 배치된 협대역 투과 또는 반사 요소(도시되지 않음)에 의해 달성된다. 펌프 광은 예컨대, 미러(573) 상의 적절한 코팅들에 의해 또는 캐비티 내의 별개의 입력 커플러(도시되지 않음)에 의해 입력 커플러를 통해 캐비티 내로 지향된다. 소모되지 않은 펌프 및 아이들러(578C로 함께 라벨링됨)는, 도시된 바와 같은 미러(574)와 같은 하나의 미러 상의 파장 선택적 코팅을 통해 캐비티를 퇴장할 수 있거나, 이색성 미러 또는 빔 분할기(도시되지 않음)와 같은 하나 이상의 광학 요소들에 의해 캐비티 밖으로 방향전환될 수 있다.
NLO 물질(570)은 바람직하게는, 주기적으로 폴링된 비선형 광학 결정, 이를테면, 주기적으로 폴링된 MgO-도핑된 화학량적(stoichiometric) 리튬 탄탈레이트(MgO:SLT) 또는 주기적으로 폴링된 MgO-도핑된 리튬 니오베이트(MgO:LN)이다. 폴링 주기는 펌프 주파수와 신호 주파수의 준-위상 매칭을 위해 선택된다. 펌프 레이저는 하향 변환에 의해 신호 주파수를 생성하는 데 적합한 펌프 주파수를 생성하는 임의의 편리한 레이저일 수 있다. 일 실시예에서, 펌프 레이저 주파수 ωp는 제1 기본 주파수 ω1과 동일하다. 일 실시예에서, 도 2b의 제1 기본 레이저(201)는, 제1 기본 광(211) 및 펌프 광(234)의 주파수들이 동일할 때 그들 둘 모두를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, OPO 캐비티-내 주파수 혼합 모듈(260B2)로부터의 소모되지 않음 펌프 광(즉, 578C 내의 펌프 주파수의 광)은, 제1 기본파 및 펌프 주파수들이 동일할 때 제4 고조파 생성 모듈 또는 제5 고조파 생성 모듈과 같은 다른 모듈들로 지향될 수 있다.
도 5c에 예시된 바와 같이, NLO 결정(509)은, 신호 주파수(ω2)와, 제5 고조파 생성 모듈(250)로부터 생성된 제5 고조파(5ω1)(251)로부터의 합산 주파수 생성에 의해 183 nm 광(270B)을 생성하기 위해, 신호 광(513B)의 빔 경로의 웨이스트 위치에 삽입된다. 렌즈 또는 렌즈 세트(508)는 제5 고조파(5ω1)를 NLO 결정(509)의 중심 근처로 포커싱한다. 미러(576)는 임의의 소모되지 않은 신호 광(514C)을 미러(입력 커플러)(573)에 반사시키므로, 그러한 광은 캐비티 내부에서 순환하여 전력을 향상시킨다. 바람직한 실시예에서, NLO 결정(509)의 2개의 표면들(521 및 522)은 화살표(529C)로 표시된 신호 광(513C)의 편광에 대해 브루스터 각 근처로 컷팅된다. 표면들(521 및 522)이 브루스터 각 근처의 각으로 컷딩되는 것의 이점들은 위에 설명되어 있다. 소모되지 않은 신호(514C) 및 소모되지 않은 제5 고조파(512C)는 도 2a 및 도 2b와 관련하여 위에 설명된 광학 구성들 중 임의의 구성에 의해 183 nm 광(270B)으로부터 분리될 수 있다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c를 다시 참조하면, 바람직한 실시예에서, 결정(509)의 출력 표면의 각 및 워크 오프의 조합은 다른 파장들로부터의 레이저 출력(270A/270B)의 충분한 분리를 달성할 수 있어서, 다른 원치 않는 파장들(예컨대, 제5 고조파 광(512A/512B/512C)의 소모되지 않은 부분들 및/또는 제2 기존파 또는 신호 광의 누출)로부터 원하는 출력 파장, 즉, 대략적으로 183 nm의 레이저 출력 광(270A/270B)을 추가적으로 분리시키는 데 있어 어떠한 다른 광학기기도 요구되지 않게 한다. 일부 실시예들에서, 다른 원치 않는 파장으로부터 원하는 출력 파장을 추가적으로 분리시키기 위해 캐비티 외부의 하나 이상의 광학 요소를 사용할 수 있다. 이러한 광학기기는 빔 분할기, 프리즘, 격자, 또는 다른 광학 요소들을 포함할 수 있다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c의 바람직한 실시예들에서, 비선형 결정(509)은 어닐링된(중수소-처리된 또는 수소-처리된) 세슘 리튬 보레이트(CLBO) 결정을 포함하고, 어닐링된 CLBO 결정은, 적합한 온도 제어 시스템(330)(예컨대, 열전기 냉각기)에 의해 대략적으로 30 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지된다. 일 실시예에서, 비선형 결정(509)의 온도는 0 ℃보다 낮을 수 있으며, 예컨대, 대략적으로 -5 ℃ 또는 -10 ℃일 수 있다. 다른 실시예들에서, 주파수 혼합 모듈(260A/260B)은 주파수 합산을 위해 BBO 또는 다른 비선형 결정을 포함할 수 있다.
1342 nm 근처의 제2 기본 또는 신호 파장 및 209.4 nm 근처의 파장을 갖는 제5 고조파로 대략적으로 30 ℃의 온도에서의 CLBO의 유형-I 매칭의 경우, 위상-매칭 각은 대략적으로 79°이다. 1300 nm 근처의 제2 기본 파장 및 213 nm 근처의 파장을 갖는 제5 고조파로 대략적으로 30 ℃의 온도에서의 CLBO의 유형-I 매칭의 경우, 위상-매칭 각은 대략적으로 81°이다. 이러한 예들 둘 모두는, 183 nm 근처의 파장을 생성하는 데 있어 높은 효율성 및 낮은 워크-오프로 거의 비-임계적인 위상 매칭이 달성될 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 파장의 조합들은 단지 예들이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 적절한 기술분야의 통상의 기술자는 위상 매칭을 달성하기 위해 파장들, 온도 및 각의 상이한 조합들을 선택하는 방식을 이해한다.
위의 설명 및 연관된 도면들은 대략적으로 183 nm의 파장을 갖는 광을 생성하기 위한 다양한 레이저들을 예시한다. 실시예들을 예시하기 위해 일부 특정 파장들 및 파장 범위들이 설명되었다. 183 nm보다 수 nm 더 짧거나 더 긴 상이한 파장을 생성하는 위에 설명된 것들과 유사한 다른 레이저 실시예들이 가능하며, 본 발명의 범위 내에 있다.
실시예들 중 임의의 실시예에서, 미러들, 프리즘들, 페리스코프(periscope)들 등이 필요에 따라 기본 또는 다른 파장들을 지향시키는 데 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 예컨대, 프리즘들, 빔 분할기들, 빔 결합기들 및 이색성-코팅된 미러들이 필요에 따라 빔들을 분리 및 결합시키는 데 사용될 수 있다. 미러들과 빔 분할기들의 다양한 조합들이 사용되어 임의의 적절한 순서로 상이한 주파수 변환 스테이지들 사이에서 다양한 파장들을 분리하고 라우팅할 수 있다. 주파수 변환 결정들, 프리즘들, 빔 분할기들 또는 렌즈들의 면들은, 반사 방지 코팅을 사용함이 없이 반사를 최소화하거나 제어하기 위해, 입사 파장에 대해 브루스터 각과 대략적으로 동일한 각으로 컷팅될 수 있다. 이러한 컷팅은 UV 방사선이 입사되는 그 표면들에 대해 특히 유리할 수 있는데, 그 이유는, 반사 방지 코팅들이 UV에 노출될 때 열화될 수 있고, 그에 따라, 그러한 표면들 상에 사용되는 경우 레이저의 신뢰성을 열화시킬 수 있기 때문이다. 파장판들(브루스터 각 파장판들 또는 리타더(retarder)들을 포함함) 또는 다른 광학 요소들이 사용되어, 필요에 따라 파장들 중 임의의 파장의 편광을 회전시킴으로써, 다음 주파수 변환 또는 주파수 혼합 스테이지의 적절한 결정 축과 편광을 정렬시킬 수 있다. DUV 레이저들에서 브루스터 각 광학기기를 사용하는 것은 Armstrong의 "High Damage Threshold Frequency Conversion System"이라는 명칭의 미국 특허 제8,711,470호에서 더 상세히 설명되어 있다. 이 특허는 인용에 의해 본원에 포함된다.
주파수 변환 스테이지들 중 임의의 스테이지는 Armstrong에 의한 "Enclosure for controlling the environment of optical crystals"이라는 명칭의 미국 특허 제8,298,335호에서 설명된 것들과 같은 하나 이상의 보호 환경을 포함할 수 있다. 이 특허는 인용에 의해 본원에 포함된다. 단일 보호 환경이 다수의 스테이지들 또는 단일 스테이지를 인클로징할 수 있다는 것을 유의한다.
주파수 변환 스테이지들 중 임의의 스테이지는, Dribinski 등의 둘 모두가 명칭이 "Alleviation of laser-induced damage in optical materials by suppression of transient color centers formation and control of phonon population"인 미국 특허들 제9,461,435호 및 제9,059,560호에서 설명된 방법들 또는 시스템들 중 임의의 것, Armstrong에 의하나 "Measuring crystal site lifetime in a non-linear optical crystal"이라는 명칭의 미국 특허 제8,824,514호에서 설명된 장치 또는 방법들 중 임의의 것, Genis에 의한 "Laser crystal degradation compensation"이라는 명칭의 미국 특허 제8,976,343호에서 설명된 장치 또는 방법들 중 임의의 것, Genis에 의해 2013년 6월 19일자로 출원된 "Preferential shift direction to prolong the life and minimize perturbations of a scanning nonlinear optical crystal"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제61/837,053호에서 설명된 시스템들 및 방법들 중 임의의 것, 및 Armstrong 등에 의해 각각 2012년 6월 29일자 및 2013년 2월 7일자로 출원된 둘 모두가 명칭이 "Scan rate for continuous motion of a crystal in a frequency converted laser"인 미국 가특허 출원들 제61/666,675호 및 제61/762,269호에 설명된 시스템들 및 방법들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 이러한 특허들, 출원들, 및 가출원들 모두는 인용에 의해 본원에 포함된다.
추가로, 주파수 변환 스테이지들 중 임의의 스테이지는 유리하게는, 중수소, 수소 및/또는 플루오린 도핑된 또는 처리된 비선형 결정들을 사용할 수 있다는 것을 유의한다. 그러한 결정들은, Dribinski 등에 의해 2010년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 제9,023,152호 또는 Chuang 등에 의해 2012년 6월 5일자로 출원된 출원된 미국 특허 제9,250,178호 또는 Dribinski 등에 의해 2014년 4월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/248,045호에서 설명된 프로세스들 또는 방법들 중 임의의 것에 의해 생성, 프로세싱, 또는 처리될 수 있다. 이러한 특허들 및 출원들은 인용에 의해 본원에 포함된다. 도핑된 또는 처리된 결정들은 특히, 제2 주파수 배가 모듈(230), 제5 고조파 생성 모듈(250), 및 주파수 혼합 모듈들(260A, 260B1 및 260B2)을 포함하는 심-UV 파장들을 수반하는 그 스테이지들에서 유용할 수 있다.
위에 설명된 도면들은 구성요소들의 실제 물리적 레이아웃을 표현하는 것으로 의도되지 않는다. 위에 설명된 도면들은 프로세스에 수반되는 주요 광학 모듈들을 도시하지만, 모든 각각의 광학 요소를 도시하는 것은 아니다. 적절한 기술분야의 통상의 기술자는 위에 설명된 도면들 및 그들의 연관된 설명들로부터 183 nm 레이저를 구축하는 방식을 이해할 것이다. 필요에 따라 광을 지향시키기 위해 더 많거나 더 적은 광학 구성요소들이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 렌즈들 및/또는 곡면 미러들은, 적절한 경우 비선형 결정들 내부 또는 그에 근접한 실질적으로 원형 또는 타원형 단면들의 초점들로 빔 웨이스트를 포커싱하는 데 사용될 수 있다. 프리즘, 빔-분할기들, 격자들 또는 회절 광학 요소들은 필요할 때 각각의 주파수 변환 모듈 또는 혼합 모듈의 출력들에서 상이한 파장을 조종하거나 분리시키는 데 사용될 수 있다. 프리즘, 코팅된 미러들, 또는 다른 요소들은 주파수 변환 및 혼합 모듈들의 입력들에서 상이한 파장들을 적절하게 결합하는 데 사용될 수 있다. 빔 분할기들 또는 코팅된 미러들은 하나의 파장을 두 개의 빔들로 분할하기 위해 적절하게 사용될 수 있다. 필터들은 임의의 스테이지의 출력에서 원치 않는 파장들을 차단하거나 분리시키는 데 사용될 수 있다. 파장판들은 필요한 경우 편광을 회전시키는 데 사용될 수 있다. 다른 광학 요소들이 적절하게 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 후속 스테이지에서 그 광이 필요하지 않더라도, 하나의 주파수 변환 스테이지로부터 소모되지 않은 광을 다음 스테이지로 전달할 수 있게 하는 것이 수용가능할 수 있다. 이는, 전력 밀도가 손상을 야기하지 않도록 충분히 낮은 경우 그리고 원하는 주파수 변환 프로세스에 대한 간섭이 거의 없는 경우 (예컨대, 결정 각에서 어떠한 위상 매칭도 없기 때문에 또는 광의 편광으로 인해) 수용가능할 수 있다. 적절한 기술분야의 통상의 기술자는, 183 nm 레이저의 구현에서 가능한 다양한 절충들 및 대안들을 이해할 것이다.
본 발명은 181 nm 내지 185 nm의 원하는 파장의 레이저 출력 광(270)을 생성하는 것을 가능하게 하는 다양한 기본 파장들을 사용하여 본원에서 설명되었지만, 상이한 기본 파장들을 사용하여 수 나노미터 내의 다른 파장들이 생성될 수 있다. 첨부된 청구항들에서 달리 명시되지 않는 한, 그러한 레이저들 및 그러한 레이저들을 활용하는 시스템들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
펄스형 레이저들과 비교하여, CW 광원은 일정한 전력 레벨을 가지며, 이는, 피크 전력 손상 문제들을 회피하고, 또한, 이미지들 또는 데이터가 연속적으로 획득될 수 있게 한다. 또한, 생성된 CW 광의 대역폭은 전형적인 모드 잠금된 레이저들보다 수십 배 더 좁기 때문에, 대응하는 조명 또는 검출 광학 시스템의 설계는 더 양호한 성능으로 훨씬 덜 복잡할 수 있고 시스템 비용이 감소될 수 있다.
200 nm 이하의 파장을 갖는 CW 레이저들은 충분한 전력 레벨로 상업적으로 이용가능하지 않거나 매우 신뢰가능하지 않다. 대략적으로 183 nm까지의 파장 범위의 CW 광을 생성하기 위한 어떠한 종래 기술도 존재하지 않았다. 본 발명의 실시예들은 대략적으로 183 nm까지의 더 짧은 파장을 생성하고, 따라서, 더 긴 파장들보다 작은 입자들 및 결함들을 검출하기 위해 더 양호한 감도를 제공한다.
그들의 더 짧은 파장 이외에, 본 발명의 183 nm CW 레이저는 193 nm CW 레이저들과 비교하여 몇몇 이점들을 갖는다. 제6 또는 제8 고조파로써 193 nm를 생성하는 레이저들과 비교하여, 본 발명의 183 nm 레이저는 수십 W의 전력 레벨들에서 용이하게 이용가능한 기본 파장들을 사용하는 이점을 갖는다. 제1 기본 주파수의 제5 고조파를 제2 주파수와 혼합함으로써 193 nm를 생성하는 레이저들과 비교되는 이점은, CLBO가 대략적으로 206 nm 내지 대략적으로 214 nm의 범위의 제5 고조파 파장으로부터 183 nm를 생성하는 데 있어 거의 비-임계적으로 위상 매칭되기 때문에, 183 nm 레이저의 주파수 혼합 모듈이 더 효율적이라는 것이다. 이는, 제2 기본 주파수와 제1 기본 주파수의 제5 고조파를 최종 출력으로 더 효율적으로 변환할 수 있게 하며, 또한, 주파수 혼합 모듈을 더 안정적이게 만든다.
또한, 전체 시스템이 훨씬 적은 잡음으로 더 안정적이다. 본 발명에서 설명된 바와 같이, 제5 고조파 생성 모듈의 캐비티는 제4 고조파 주파수가 아닌 제1 기본 주파수에 대해서만 공진하므로, 제4 고조파 생성 모듈의 캐비티로부터의 잡음이 제5 고조파 생성 모듈의 캐비티에 결합되지 않는다. 유사하게, 일 예시적인 실시예에서, 주파수 혼합 모듈의 캐비티는 제1 기본 주파수의 제5 고조파가 아닌 제2 기본 주파수에 대해서만 공진하므로, 제5 고조파 발생기의 캐비티로부터의 잡음이 주파수 혼합 모듈의 캐비티에 결합되지 않는다. 주파수 혼합 모듈의 다른 실시예는, 제2 기본 주파수에서 공진하는 외부 캐비티를 포함하지 않지만, 제2 기본 주파수를 생성하는 고체 상태 레이저 캐비티를 포함하므로, 캐비티가 덜 민감하고 캐비티 길이를 위한 능동 피드백 제어 루프들이 필요하지 않을 수도 있다.
더욱이, 본원에 개시된 본 발명의 레이저들의 일부 실시예들은 제5 고조파 생성 모듈 및 주파수 혼합 모듈의 캐비티 내부의 임의의 광학 요소들 상에 DUV 코팅을 요구하지 않는다. 코팅은 강한 DUV 방사선에 노출 될 때 짧은 수명을 가질 수 있다. 그러므로, 코팅이 없는 것의 이점은, 코팅들로 인한 손상들을 최소화하고 고전력 DUV 출력을 더 안정적이게 만든다는 것이다.
본 발명의 또 다른 양상은, 본 발명의 183 nm CW 레이저들을 포함하는 웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크 검사 또는 계측 시스템이다. 그러한 시스템들의 양상들이 도 6 내지 도 11에 예시된다.
레티클 또는 포토마스크 검사 시스템(600)은, 도 6에 도시되고 본원에 완전히 기재된 것처럼 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제7,352,457호에 설명된 바와 같이 레티클 또는 포토마스크와 같은 기판(612)으로부터의 투과 및 반사된 광을 측정하도록 구성될 수 있다. 본 개시내용의 본 발명의 레이저를 사용할 수 있는 레티클 및 포토마스크 검사 시스템들에 대한 더 많은 세부사항들에 대해서는 본원에 완전히 기재된 것처럼 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제5,563,702호를 또한 참조한다. 본 개시내용의 본 발명의 레이저를 활용하는 레티클 또는 포토마스크 검사 시스템은 Brown 등에 의한 미국 특허 제7,528,943호에 설명된 바와 같이 단일 검출기 상의 레티클 또는 포토마스크로부터의 반사 및 투과된 이미지들을 동시에 검출할 수 있다. 이 특허는 본원에 완전히 기재된 것처럼 인용에 의해 포함된다.
시스템(600)은 일반적으로 제1 광학 배열(651) 및 제2 광학 배열(657)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 광학 배열(651)은 적어도 하나의 광원(652), 검사 광학기기(654), 및 기준 광학기기(656)를 포함하는 한편, 제2 광학 배열(657)은 적어도 투과된 광 광학기기(658), 투과된 광 검출기들(660), 반사된 광 광학기기(662) 및 반사된 광 검출기들(664)을 포함한다. 일 바람직한 구성에서, 광원(652)은 위에 설명된 개선된 레이저들 중 하나를 포함한다.
광원(652)은 광 빔을 편향시키고 포커싱하기 위해 배열된 음향 광학(acousto-optic) 디바이스(670)를 통과하는 광 빔을 방출하도록 구성된다. 음향 광학 디바이스(670)는, 광 빔을 Y 방향으로 편향시키고 그것을 Z 방향으로 포커싱하는 한 쌍의 음향 광학 요소들, 예컨대, 음향 광학 사전-스캐너 및 음향 광학 스캐너를 포함할 수 있다. 예로서, 대부분의 음향 광학디바이스들은 석영 또는 TeO2와 같은 결정에 RF 신호를 전송함으로써 동작한다. 이러한 RF 신호는 음파로 하여금 결정을 통해 이동하게 한다. 이동하는 음파 때문에, 결정은 비대칭이 되며, 이는 결정 전체에 걸쳐 굴절률이 변하는 것을 야기한다. 이러한 변화는, 입사 빔들로 하여금, 진동 방식으로 편향되는, 포커싱된 이동 스폿을 형성하게 한다.
광 빔이 음향 광학 디바이스(670)로부터 나올 때, 광 빔은 이어서 한 쌍의 1/4 파장판들(672) 및 릴레이(relay) 렌즈(674)를 통과한다. 릴레이 렌즈(674)는 광 빔을 시준(collimate)하도록 배열된다. 시준된 광 빔은 이어서, 회절 격자(676)에 도달할 때까지 자신의 경로 상에서 계속된다. 회절 격자(676)는 광 빔을 플레어 아웃(flaring out)시키도록 배열되는데, 더 상세하게는, 광 빔을, 서로 공간적으로 구별가능한(즉, 공간적으로 별개인) 3개의 별개의 빔들로 분리시키도록 배열된다. 대부분의 경우들에서, 공간적으로 별개인 빔들은 또한 동일하게 이격되도록 배열되고, 실질적으로 동일한 광 강도들을 갖는다.
회절 격자(676)를 벗어날 때, 3개의 빔들은 개구(aperture)(680)를 통과하고, 이어서, 빔 분할기 큐브(682)에 도달할 때까지 계속된다. (1/4 파장판들(672)과 조합된) 빔 분할기 큐브(682)는 빔을 2개의 경로들, 즉, (도 6에 도시된 구성에서) 하향으로 지향되는 하나의 경로 및 우측으로 지향되는 다른 경로로 분할하도록 배열된다. 하향으로 지향되는 경로는 빔들의 제1 광 부분을 기판(612)에 분배하는 데 사용되는 반면, 우측으로 지향되는 경로는 빔들의 제2 광 부분을 기준 광학기기(656)에 분배하는 데 사용된다. 대부분의 실시예들에서, 광의 대부분이 기판에 분배되고 광의 작은 퍼센티지가 기준 광학기기(656)에 분배되지만, 퍼센티지 비들은 각각의 광학 검사 시스템의 특정 설계에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에서, 기준 광학기기(656)는 기준 수집 렌즈(614) 및 기준 검출기(616)를 포함할 수 있다. 기준 수집 렌즈(614)는, 빔들의 부분을 수집하여, 그 빔들의 부분을 광의 강도를 측정하도록 배치되는 기준 검출기(616) 상으로 지향시키도록 배열된다. 기준 광학기기는 일반적으로 관련 기술분야에 잘 공지되어 있으며, 간략화를 위해 상세히 논의되지 않을 것이다.
빔 분할기(682)로부터 하향으로 지향되는 3개의 빔들은, 광을 재지향시키고 확장시키는 수 개의 렌즈 요소들을 포함하는 텔레스코프(telescope)(688)에 의해 수신된다. 일 실시예에서, 텔레스코프(688)는 터렛(turret) 상에서 회전하는 복수의 텔레스코프들을 포함하는 텔레스코프 시스템의 일부이다. 예컨대, 3개의 텔레스코프들이 사용될 수 있다. 이러한 텔레스코프들의 목적은, 기판 상의 스캐닝 스폿의 크기를 변화시킴으로써 검출가능한 최소 결함 크기를 선택을 허용하는 것이다. 더 상세하게는, 텔레스코프들 각각이 일반적으로 상이한 픽셀 크기를 나타낸다. 그러므로, 하나의 텔레스코프는 더 큰 스폿 크기를 생성하여 검사를 더 빠르고 덜 민감하게 만드는 한편(예컨대, 저 분해능), 다른 텔레스코프는 더 작은 스폿 크기를 생성하여 검사를 더 느리고 더 민감하게 만든다(예컨대, 고 분해능).
텔레스코프(688)로부터, 3개의 빔들은, 기판(612)의 표면 상에 빔들을 포커싱하도록 배열된 대물 렌즈(690)를 통과한다. 빔들이 3개의 별개의 스폿들로서 표면과 교차하기 때문에, 반사된 광 빔들 및 투과된 광 빔들 둘 모두가 생성될 수 있다. 투과된 광 빔들은 기판(612)을 통과하는 반면, 반사된 광 빔들은 표면에서 반사된다. 예로서, 반사된 광 빔들은 기판의 불투명 표면에서 반사될 수 있고, 투과된 광 빔들은 기판의 투명 영역들을 통해 투과될 수 있다. 투과된 광 빔들은 투과된 광 광학기기(658)에 의해 수집되고, 반사된 광 빔들은 반사된 광 광학기기(662)에 의해 수집된다.
투과된 광 광학기기(658)와 관련하여, 투과된 광 빔들은, 기판(612)을 통과한 후에, 제1 투과 렌즈(696)에 의해 수집되고, 구면 수차 보정기 렌즈(698)의 도움으로 투과 프리즘(610) 상에 포커싱된다. 프리즘(610)은, 투과된 광 빔들을 재위치(reposition)시키고 굴곡시키도록 배열되는, 투과된 광 빔들 각각에 대한 패싯(facet)을 갖도록 구성될 수 있다. 대부분의 경우들에서, 프리즘(610)은, 빔들 각각이 투과된 광 검출기 배열(660)(3개의 별개의 검출기들을 갖는 것으로 도시됨) 내의 단일 검출기 상에 놓이도록 빔들을 분리시키는 데 사용된다. 따라서, 빔들이 프리즘(610)을 벗어날 때, 빔들은 제2 투과 렌즈(602)를 통과하고, 제2 투과 렌즈(602)는 분리된 빔들 각각을 3개의 검출기들 중 하나 상으로 포커싱하며, 그러한 검출기들 각각은 투과된 광의 강도를 측정하도록 배열된다.
반사된 광 광학기기(662)와 관련하여, 기판(612)에서 반사된 후의 반사된 광 빔들은 대물 렌즈(690)에 의해 수집되며, 대물 렌즈(690)는 이어서, 빔들을 텔레스코프(688)를 향해 지향시킨다. 텔레스코프(688)에 도달하기 전에, 빔들은 또한 1/4 파장판(604)을 통과한다. 일반적인 용어들로, 대물 렌즈(690) 및 텔레스코프(688)는, 수집된 빔들을, 입사 빔들이 조작되는 방식과 관련하여 광학적으로 반대인 방식으로 조작한다. 즉, 대물 렌즈(690)는 빔들을 재-시준하고, 텔레스코프(688)는 그들의 크기를 감소시킨다. 빔들이 텔레스코프(688)를 벗어날 때, 빔들은 빔 분할기 큐브(682)에 도달 할 때까지 (역방향으로) 계속된다. 빔 분할기(682)는, 1/4 파장판(604)과 함께 작동하여 빔들을 중앙 경로(606) 상으로 지향시키도록 구성된다.
경로(606) 상에서 계속되는 빔들은 이어서, 제1 반사 렌즈(608)에 의해 수집되고, 제1 반사 렌즈(608)는 빔들 각각을 반사 프리즘(609) 상에 포커싱하며, 반사 프리즘(609)은 반사된 광 빔들 각각에 대한 패싯을 포함한다. 반사 프리즘(609)은 반사된 광 빔들을 재위치시키고 및 굴곡시키도록 배열된다. 투과 프리즘(610)과 유사하게, 반사 프리즘(609)은, 빔들 각각이 반사된 광 검출기 배열(664) 내의 단일 검출기 상에 놓이도록 빔들을 분리시키는 데 사용된다. 도시된 바와 같이, 반사된 광 검출기 배열(664)은 3개의 개별적으로 별개인 검출기들을 포함한다. 빔들이 반사 프리즘(609)을 벗어날 때, 빔들은 제2 반사 렌즈(611)를 통과하고, 제2 반사 렌즈(611)는 분리된 빔들 각각을 이러한 검출기들 중 하나 상으로 포커싱하며, 그러한 검출기들 각각은 반사된 광의 강도를 측정하도록 배열된다.
전술된 광학 어셈블리에 의해 가능해질 수 있는 다수의 검사 모드들이 존재한다. 예로서, 광학 어셈블리는 투과된 광 검사 모드, 반사된 광 검사 모드, 및 동시 검사 모드를 가능하게 할 수 있다. 투과된 광 검사 모드와 관련하여, 투과 모드 검출은 전형적으로, 투명 영역들 및 불투명 영역들을 갖는 종래의 광학 마스크들과 같은 기판들 상에서의 결함 검출에 사용된다. 광 빔들이 마스크(또는 기판(612))을 스캐닝함에 따라, 광은 투명한 포인트들에서 마스크를 관통하여, 투과된 광 검출기들(660)에 의해 검출되며, 투과된 광 검출기들(660)은 마스크 뒤에 위치되고, 제1 투과 렌즈(696), 제2 투과 렌즈(602), 구면 수차 렌즈(698), 및 프리즘(610)을 포함하는 투과된 광 광학기기(658)에 의해 수집되는 광 빔들 각각의 강도를 측정한다.
반사된 광 검사 모드와 관련하여, 반사된 광 검사는, 크롬, 현상된 포토레지스트 또는 다른 피쳐들의 형태로 이미지 정보를 포함하는 투명 또는 불투명 기판들 상에서 수행될 수 있다. 기판(612)에 의해 반사된 광은 검사 광학기기(654)와 동일한 광학 경로를 따라 역방향으로 지나가지만, 이후, 편광 빔 분할기(682)에 의해 검출기들(664)로 방향전환된다. 더 상세하게는, 제1 반사 렌즈(608), 프리즘(609) 및 제2 반사 렌즈가 방향전환된 광 빔들로부터의 광을 검출기들(664) 상에 투사한다. 반사된 광 검사는 또한 불투명 기판 표면들의 상부에서의 오염을 검출하는 데 사용될 수 있다.
동시 검사 모드와 관련하여, 투과된 광 및 반사된 광 둘 모두가 결함의 존재 및/또는 유형을 결정하는 데 활용된다. 시스템의 2개의 측정된 값들은 투과된 광 검출기들(660)에 의해 감지되는 바와 같은 기판(612)을 통해 투과된 광 빔들의 강도, 및 반사된 광 검출기들(664)에 의해 검출되는 바와 같은 반사된 광 빔들의 강도이다. 그러한 2개의 측정된 값들은 이어서, 존재하는 경우, 기판(612) 상의 대응하는 포인트에서의 결함의 유형을 결정하도기 위해 프로세싱될 수 있다.
더 상세하게는, 동시적인 투과 및 반사 검출은 투과 검출기들에 의해 감지된 불투명 결함의 존재를 밝힐 수 있는 한편, 반사된 검출기들의 출력은 결함의 유형을 밝히는 데 사용될 수 있다. 예로서, 기판 상의 크롬 도트 또는 입자 둘 모두는 투과 검출기들로부터의 낮은 투과된 광 표시를 초래할 수 있지만, 반사성 크롬 결함은 높은 반사된 광 표시를 초래할 수 있고, 입자는 동일한 반사된 광 검출기들로부터의 더 낮은 반사된 광 표시를 초래할 수 있다. 따라서, 반사 및 투과 검출 모드 둘 모두를 사용함으로써, 결함의 반사된 특성 또는 투과된 특성만이 조사되는 경우에는 이루어질 수 없는 크롬 기하학적 구조의 상부 상의 입자를 로케이팅(locate)할 수 있다. 게다가, 결함들의 반사된 및 투과된 광 강도들의 비와 같은, 특정 유형의 결함들에 대한 시그니처들이 결정될 수 있다. 이러한 정보는 결함들을 자동으로 분류하는 데 사용될 수 있다.
이러한 레이저는 도 7에 도시된 시스템(700)과 같은 상이한 파장 범위들에 대해 최적화된 상이한 대물부(objective)들과 함께 상이한 파장들 또는 파장 범위들을 커버하는 다수의 광원들을 갖는 검사 시스템에서 광원들 중 하나로서 사용될 수 있다. 그러한 검사 시스템은 미국 공개 출원 제2009/0180176호에 설명되어 있으며, 이는 본원에 완전히 기재된 것처럼 인용에 의해 포함된다.
시스템(700)에서, 레이저 소스(701)로부터의 조명이 조명 서브시스템의 다수의 섹션들로 전송된다. 조명 서브 시스템의 제1 섹션은 요소들(702a 내지 706a)을 포함한다. 렌즈(702a)는 레이저(701)로부터의 광을 포커싱한다. 렌즈(702a)로부터의 광은 이어서 미러(703a)에서 반사된다. 미러(703a)는 예시의 목적들을 위해 이러한 위치에 배치되며, 다른 곳에 위치될 수 있다. 미러(703a)로부터의 광은 이어서, 조명 퓨필 평면(pupil plane)(705a)을 형성하는 렌즈(704a)에 의해 수집된다. 검사 모드의 요건들에 따라, 광을 수정하기 위한 개구, 필터, 또는 다른 디바이스가 퓨필 평면(705a)에 배치될 수 있다. 퓨필 평면(705a)으로부터의 광은 이어서 렌즈(706a)를 통과하여 조명 필드 평면(707)을 형성한다.
조명 서브 시스템의 제2 섹션은 요소들(702b 내지 706b)을 포함한다. 렌즈(702b)는 레이저(701)로부터의 광을 포커싱한다. 렌즈(702b)로부터의 광은 이어서 미러(703b)에서 반사된다. 미러(703b)로부터의 광은 이어서, 조명 퓨필 평면(705b)을 형성하는 렌즈(704b)에 의해 수집된다. 검사 모드의 요건들에 따라, 광을 수정하기 위한 개구, 필터, 또는 다른 디바이스가 퓨필 평면(705b)에 배치될 수 있다. 퓨필 평면(705b)으로부터의 광은 이어서 렌즈(706b)를 통과하여 조명 필드 평면(707)을 형성한다. 제2 섹션으로부터의 광은 이어서, 조명 필드 명형(707)에서의 조명 필드 광 에너지가 조합된 조명 섹션들로 구성되도록 미러 또는 반사성 표면에 의해 재지향된다.
필드 평면 광은 이어서 빔 분할기(710)에서 반사되기 전에 렌즈(709)에 의해 수집된다. 렌즈들(706a 및 709)은 대물 퓨필 평면(711)에서 제1 조명 퓨필 평면(705a)의 이미지를 형성한다. 마찬가지로, 렌즈들(706b 및 709)는 대물 퓨필 평면(711)에서 제2 조명 퓨필 평면(705b)의 이미지를 형성한다. 대물부(712)(또는 대안적으로는 713)는 퓨필 광을 취하여 샘플(714)에서 조명 필드(707)의 이미지를 형성한다. 대물부(712) 또는 대물부(713)는 샘플(714)에 근접하게 위치될 수 있다. 샘플(714)은 샘플을 원하는 위치에 위치시키는 스테이지(도시되지 않음) 상에서 이동할 수 있다. 샘플(714)에서 반사되고 산란된 광은 높은 NA 반사굴절(catadioptric) 대물부(712) 또는 대물부(713)에 의해 수집된다. 대물 퓨필 평면(711)에서 반사된 광 퓨필을 형성한 후에, 광 에너지는 이미징 서브시스템에서 내부 필드 (716)를 형성하기 전에 빔 분할기(710) 및 렌즈(715)를 통과한다. 이러한 내부 이미징 필드는 샘플(714)의 이미지이고 대응하게는 조명 필드(707)이다. 이러한 필드는 조명 필드들에 대응하는 다수의 필드들로 공간적으로 분리될 수 있다. 이러한 필드들 각각은 별개의 이미징 모드를 지원할 수 있다.
이러한 필드 중 하나는 미러(717)를 사용하여 재지향될 수 있다. 재지향된 광은 이어서, 다른 이미징 퓨필(719b)을 형성하기 전에 렌즈(1018b)를 통과한다. 이러한 이미징 퓨필은 퓨필(711)의 이미지이고 대응하게는 조명 퓨필(705b)이다. 검사 모드의 요건들에 따라, 광을 수정하기 위한 개구, 필터, 또는 다른 디바이스가 퓨필 평면(719b)에 배치될 수 있다. 퓨필 평면(719b)으로부터의 광은 이어서 렌즈(1020b)를 통과하여 센서(721b) 상에 이미지를 형성한다. 유사한 방식으로, 미러 또는 반사 표면(717)을 지나가는 광은 렌즈(718a)에 의해 수집되어 이미징 퓨필(719a)을 형성한다. 이미징 퓨필(719a)로부터의 광은 이어서, 검출기(721a) 상에 이미지를 형성하기 전에 렌즈(720a)에 의해 수집된다. 검출기(721a) 상에 이미징된 광은 센서(721b) 상에 이미징된 광과 상이한 이미징 모드를 위해 사용될 수 있다.
시스템(700)에서 이용되는 조명 서브시스템은, 레이저 소스(701), 수집 광학기기(702-704), 퓨필 평면(705)에 근접하게 배치된 빔 성형 구성요소들 및 릴레이 광학기기(706 및 709)로 구성된다. 내부 필드 평면(707)은 렌즈들(706 및 709) 사이에 위치된다. 일 바람직한 구성에서, 레이저 소스(701)는 위에 설명된 개선된 레이저들 중 하나를 포함할 수 있다.
레이저 소스(701)와 관련하여, 투과의 2개의 포인트들 또는 각들을 갖는 단일의 균일한 블록으로 예시되지만, 실제로, 이는 2개의 조명 채널들, 예컨대, 요소들(702a-706a)을 통과하는 제1 주파수의 레이저 광 에너지와 같은 광 에너지의 제1 채널, 및 요소들(702b-706b)을 통과하는 제2 주파수의 레이저 광 에너지와 같은 광 에너지의 제2 채널을 제공할 수 있는 레이저 소스를 표현한다. 하나의 채널에서의 명시야 조명 및 다른 채널에서의 암시야 모드와 같은 상이한 광 조명 모드들이 이용될 수 있다.
레이저 소스(701)로부터의 광 에너지가 90도 떨어져 방출되고, 요소들(702a-706a 및 702b-706b)이 90도 각들로 배향된 것으로 도시되어 있지만, 실제로, 광은 반드시 2차원들로 방출되는게 아니라 다양한 배향들로 방출될 수 있으며, 구성요소들은 도시된 것과 상이하게 배향될 수 있다. 따라서, 도 7은 이용되는 구성요소들의 단순한 표현이며, 도시된 각들 또는 거리들은 실척으로 도시되지도 않고 특별히 설계에 요구되지도 않는다.
퓨필 평면(705)에 근접하게 배치된 요소들은 개구 성형의 개념을 사용하여 현재 시스템에서 이용될 수 있다. 이러한 설계를 사용하여, 균일한 조명 또는 거의 균일한 조명이 실현될 수 있을뿐만 아니라, 개별적인 포인트 조명, 링 조명, 4중극(quadrupole) 조명, 또는 다른 바람직한 패턴들이 실현될 수 있다.
대물부들을 위한 다양한 구현들이 일반적인 이미징 서브시스템에서 이용될 수 있다. 단일의 고정된 대물부가 사용될 수 있다. 단일 대물부는 모든 원하는 이미징 및 검사 모드들을 지원할 수 있다. 그러한 설계는, 이미징 시스템이 비교적 큰 필드 크기 및 비교적 높은 개구수를 지원하는 경우에 달성가능하다. 퓨필 평면들(705a, 705b, 719a, 및 719b)에 배치된 내부 개구들을 사용함으로써 개구수가 원하는 값으로 감소될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 다수의 대물부들이 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 2개의 대물부들(712 및 713)이 도시되지만, 임의의 수가 가능하다. 그러한 설계에서의 각각의 대물부는 레이저 소스(701)에 의해 생성되는 각각의 파장에 대해 최적화될 수 있다. 이러한 대물부들(712 및 713)은 고정된 위치들을 가질 수 있거나 샘플(714)에 근접한 위치로 이동될 수 있다. 샘플에 근접하게 다수의 대물부들을 이동시키기 위해, 표준 현미경들에서 통상적인 바와 같이, 회전식 터렛들이 사용될 수 있다. 샘플에 근접하게 대물부들을 이동시키기 위한 다른 설계들이 이용가능한데, 스테이지 상에서 측방향으로 대물부들을 병진이동시키는 것 및 고니오미터(goniometer)를 사용하여 원호 상에서 대물부들을 병진이동시키는 것을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 게다가, 터렛 상의 고정된 대물부들 및 다수의 대물부들의 임의의 조합이 본 시스템에 따라 달성될 수 있다.
이러한 구성의 최대 개구수는 0.97에 근접하거나 그를 초과할 수 있지만, 특정 예시들에서는 더 높을 수도 있다. 이러한 높은 NA 반사굴절 이미징 시스템으로 가능한 광범위한 조명 및 수집 각들은 그의 큰 필드 크기와 조합되어 시스템이 다수의 검사 모드들을 동시에 지원할 수 있게 한다. 이전 단락들로부터 인식될 수 있는 바와 같이, 조명 디바이스와 관련된 단일 광학 시스템 또는 기계를 사용하여 다수의 이미징 모드들이 구현될 수 있다. 조명 및 수집에 대해 개시된 높은 NA는 동일한 광학 시스템을 사용하는 이미징 모드들의 구현을 허용하며, 그에 의해, 상이한 유형들의 결함들 또는 샘플들에 대한 이미징의 최적화가 허용된다.
이미징 서브시스템은 또한 중간 이미지 형성 광학기기(715)를 포함한다. 이미지 형성 광학기기(715)의 목적은 샘플(714)의 내부 이미지(716)를 형성하는 것이다. 이러한 내부 이미지(716)에서, 미러(717)는 검사 모드들 중 하나에 대응하는 광을 재지향시키도록 배치될 수 있다. 이미징 모드들에 대한 광이 공간적으로 분리되기 때문에, 이러한 위치에서 광을 재지향시키는 것이 가능하다. 이미지 형성 광학기기(718(718a 및 718b) 및 720(720a 및 720b))는, 가변초점 줌, 포커싱 광학기기를 갖는 다중 무한초점(afocal) 튜브 렌즈들 또는 다중 이미지 형성 마그(mag) 튜브들을 포함하는 여러 상이한 형태들로 구현될 수 있다.
이러한 레이저는 도 8에 도시된 바와 같이 암시야 및 명시야 검사 모드들을 갖는 검사 시스템에서 사용될 수 있다. 이러한 도면 및 시스템은 공개된 미국 출원 제2007/0002465호에 설명되어 있으며, 이는 본원에 완전히 기재된 것처럼 인용에 의해 포함된다. 도 8은 법선 입사 레이저 조명을 포함하는 반사굴절 이미징 시스템(800)을 예시한다. 시스템(800)의 조명 블록은 레이저(801), 검사되는 표면 상의 조명 빔 크기 및 프로파일을 제어하기 위한 적응 광학기기(802), 기계적 하우징(804) 내의 개구 및 윈도우, 및 샘플(808)의 표면으로의 법선 입사에서 광학 축을 따라 광을 재지향시키기 위한 프리즘(805)을 포함한다. 프리즘(805)은 또한 샘플(808)의 표면 피쳐들에서의 정반사(specular reflection) 및 대물부(806)의 광학 표면들로부터의 반사들을 광학 경로를 따라 이미지 평면(809)으로 지향시킨다. 대물부(806)에 대한 렌즈들은 반사굴절 대물부, 포커싱 렌즈 그룹, 및 줌 튜브 렌즈 섹션(807)의 일반적인 형태로 제공될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 레이저(801)는 위에 설명된 개선된 레이저들 중 하나에 의해 구현될 수 있다.
이러한 레이저는 도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이 사선 라인 조명을 이용하는 암시야 검사 시스템에서 사용될 수 있다. 이러한 검사 시스템은 도시된 바와 같이 축을 벗어나 법선에 가까운 수집을 포함하는 2개 또는 3개의 상이한 수집 시스템을 가질 수 있다. 이러한 암시야 검사 시스템은 또한 법선 입사 라인 조명(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 시스템의 설명을 포함하는 더 많은 세부사항들은 미국 특허 제7,525,649호에서 발견될 수 있으며, 상기 특허는 본원에 완전히 기재된 것처럼 인용에 의해 포함된다.
도 9a는 표면(911)의 영역들을 검사하기 위한 조명 시스템(901) 및 수집 시스템(910)을 포함하는 표면 검사 장치(900)를 예시한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(920)은 빔 성형 광학기기(903)를 통해 광 빔(902)을 지향시킨다. 바람직한 실시예에서, 레이저 시스템(920)은 위에 설명된 레이저들 중 하나를 포함한다. 제1 빔 성형 광학기기(903)는 표면(911) 상에 포커싱되는 레이저 시스템으로부터의 빔을 수신하도록 구성될 수 있다.
빔 성형 광학기기(903)는 자신의 주 평면이 샘플 표면(911)에 실질적으로 평행하도록 배향되고, 결과적으로, 조명 라인(905)이 빔 성형 광학기기(903)의 초점 평면에서 표면(911) 상에 형성된다. 게다가, 광 빔(902) 및 포커싱된 빔(904)은 표면(911)에 대해 비-직교 입사각으로 지향된다. 특히, 광 빔(902) 및 포커싱된 빔(904)은 표면(911)에 대해 법선 방향으로부터 약 1° 내지 약 85°의 각으로 지향될 수 있다. 이러한 방식으로, 조명 라인(905)은 실질적으로 포커싱된 빔(904)의 입사 평면 내에 있다.
수집 시스템(910)은, 조명 라인(905)으로부터 산란된 광을 수집하기 위한 렌즈(912) 및 렌즈(912)로부터 나오는 광을 감광성 검출기들의 어레이를 포함하는 디바이스, 이를테면 전하 결합 디바이스(CCD; charge coupled device)(914) 상으로 포커싱하기 위한 렌즈(913)를 포함한다. 일 실시예에서, CCD(914)는 검출기들의 선형 어레이를 포함할 수 있다. 그러한 경우들에서, CCD(914) 내의 검출기들의 선형 어레이는 조명 라인(905)과 평행하게 배향될 수 있다. 일 실시예에서, 다수의 수집 시스템들이 포함될 수 있으며, 수집 시스템들 각각은 유사한 구성요소들을 포함하지만 배향이 상이하다.
예컨대, 도 9b는 표면 검사 장치에 대한 수집 시스템들(931, 932 및 933)의 예시적인 어레이를 예시한다(여기서, 표면 검사 장치의, 예컨대 조명 시스템(901)의 것과 유사한 조명 시스템은 간략화를 위해 도시되지 않음). 수집 시스템(931)의 제1 광학기기는 샘플(911)의 표면으로부터 제1 방향으로 산란된 광을 수집한다. 수집 시스템(932)의 제2 광학기기는 샘플(911)의 표면으로부터 제2 방향으로 산란된 광을 수집한다. 수집 시스템(933)의 제3 광학기기는 샘플(911)의 표면으로부터 제3 방향으로 산란된 광을 수집한다. 제1 경로, 제2 경로, 및 제3 경로는 샘플(911)의 상기 표면에 대한 상이한 반사각들에 있다는 것을 유의한다. 샘플 (911)을 지지하는 플랫폼(912)은, 샘플(911)의 전체 표면이 스캐닝될 수 있도록 광학기기와 샘플 (911) 사이의 상대적인 움직임을 일으키는 데 사용될 수 있다.
이러한 레이저는 도 10 및 도 11에 도시된 것들과 같은 패터닝되지 않은 웨이퍼들에 대한 검사 시스템들에서 또한 사용될 수 있다. 그러한 검사 시스템은, 이러한 도면들에 도시된 바와 같이, 사선 및/또는 법선 입사 조명 및 산란된 광에 대한 큰 수집 입체각을 포함할 수 있다. 패터닝되지 않은 웨이퍼 검사 시스템들에 대한 더 많은 세부사항들 및 도 10 및 도 11의 요소들의 설명은, 미국 특허들 제6,201,601호 및 제6,271,916호에서 발견될 수 있으며, 이 특허들 둘 모두는 본원에 완전히 기재된 것처럼 인용에 의해 포함된다.
도 10은 표면(1001) 상의 이상들을 검사하는 데 사용될 수 있는 표면 검사 시스템(1000)을 예시한다. 이러한 실시예에서, 표면(1001)은, 위에 설명된 개선된 레이저들 중 하나에 의해 생성되는 레이저 빔을 포함하는 레이저 시스템(1030)의 실질적으로 정지상태인 조명 디바이스 부분에 의해 조명될 수 있다. 레이저 시스템(1030)의 출력은 편광 광학기기(1021), 빔 확장기 및 개구(1022), 및 빔-포밍(beam-forming) 광학기기(1023)를 연속적으로 통과하여 빔을 확장시키고 포커싱할 수 있다.
결과적인 포커싱된 레이저 빔(1002)은 이어서, 빔(1005)을 표면(1001)을 향해 지향시켜 표면을 조명하기 위해, 빔 폴딩 구성요소(1003) 및 빔 편향기(1004)에 의해 반사된다. 바람직한 실시예에서, 빔(1005)은 표면(1001)에 대해 실질적으로 법선 또는 수직이지만, 다른 실시예들에서는, 빔(1005)은 표면(1001)에 대해 사선 각으로 있을 수 있다.
일 실시예에서, 빔(1005)은 표면(1001)에 대해 실질적으로 수직 또는 법선이며, 빔 편향기(1004)는 표면(1001)으로부터 빔 선회(turning) 구성요소(1003)를 향한 빔의 정반사를 반사함으로써, 정반사가 검출기들에 도달하는 것을 방지하는 차폐부로서 작용한다. 정반사의 방향은 샘플의 표면(1001)에 법선인 라인(SR)을 따른다. 빔(1005)이 표면(1001)에 법선인 일 실시예에서, 이러한 라인(SR)은 조명 빔(1005)의 방향과 일치하며, 이러한 공통 기준선 또는 방향은 본원에서 검사 시스템(1000)의 축으로 지칭된다. 빔(1005)이 표면(1001)에 대해 사선 각으로 있는 경우, 정반사(SR)의 방향은 빔(1005)의 착신 방향과 일치하지 않을 것이며; 그러한 예시에서, 표면 법선의 방향을 나타내는 라인(SR)은 검사 시스템(1000)의 수집 부분의 주축으로 지칭된다.
작은 입자들에 의해 산란된 광은 미러(1006)에 의해 수집되어 개구(1007) 및 검출기(1008)를 향해 지향된다. 큰 입자들에 의해 산란된 광은 렌즈들(1009)에 의해 수집되어 개구(1010) 및 검출기(1011)를 향해 지향된다. 일부 큰 입자들은, 또한 수집되어 검출기(1008)로 지향되는 광을 산란시킬 것이고, 유사하게, 일부 작은 입자들이, 또한 수집되어 검출기(1011)로 지향되는 광을 산란시킬 것이지만, 그러한 광은 개개의 검출기가 검출하도록 설계된 산란된 광의 강도와 비교하여 상대적으로 낮은 강도를 갖다는 것을 유의한다. 일 실시예에서, 검출기(1011)는 감광 요소들의 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서, 감광 요소들의 어레이의 각각의 감광 요소는 조명 라인의 확대된 이미지의 대응 부분을 검출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 검사 시스템은 패터닝되지 않은 웨이퍼들 상의 결함들을 검출하는 데 사용하도록 구성될 수 있다.
도 11은 법사 및 사선 조명 빔들 둘 모두를 사용하여 이상 검출을 구현하도록 구성되는 검사 시스템(1100)을 예시한다. 이러한 구성에서, 위에 설명된 개선된 레이저들 중 하나를 포함하는 레이저 시스템(1130)이 레이저 빔(1101)을 제공할 수 있다. 렌즈(1102)는 공간 필터(1103)를 통해 빔(1101)을 포커싱하고, 렌즈(1104)는 빔을 시준하여 그 빔을 편광 빔 분할기(1105)로 전달한다. 빔 분할기(1105)는 제1 편광 성분을 법선 조명 채널로 그리고 제2 편광 성분을 사선 조명 채널로 통과시키며, 여기서, 제1 성분과 제2 성분은 직교한다. 법선 조명 채널(1106)에서, 제1 편광 성분은 광학기기(1107)에 의해 포커싱되고 미러(1108)에 의해 샘플(1109)의 표면을 향해 반사된다. 샘플(1109)에 의해 산란된 방사선은 포물면 미러(1110)에 의해 수집되어 광전자 증배관(1111)으로 포커싱된다.
사선 조명 채널(1112)에서, 제2 편광 성분은 빔 분할기(1105)에 의해 미러(1113)로 반사되고, 미러(1113)가 그러한 빔을 반파장판(1114)을 통해 반사시키고, 그러한 빔은 광학기기(1115)에 의해 샘플(1109)로 포커싱된다. 사선 채널(1112)에서 사선 조명 빔으로부터 발생하고 샘플(1109)에 의해 산란된 방사선이 또한 포물면 미러(1110)에 의해 수집되어 검출기(1111)로 포커싱된다. 일부 실시예들에서, 검출기(1111)는 광전자 증배관 , 선형 어레이 검출기 및 이미지 강화 선형 어레이 검출기 중 하나를 포함한다. 검출기(1111)는 자신의 입구에 개구를 갖는다. 개구 및 (표면(1109) 상의 법선 및 사선 조명 채널들로부터) 조명된 스폿 또는 라인은 바람직하게는 포물면 미러(1110)의 초점들에 있다.
포물면 미러(1110)는 샘플(1109)로부터의 산란된 방사선을 시준된 빔(1116)으로 시준한다. 시준된 빔(1116)은 이어서, 대물부(1117)에 의해 그리고 분석기(1118)를 통해 검출기(1111)로 포커싱된다. 포물면 형상들 이외의 형상들을 갖는 곡면 미러링된 표면들이 또한 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 기구(1120)는 빔들이 샘플(1109)의 표면에 걸쳐 스캐닝되도록 빔들과 샘플(1109) 사이에 상대적인 움직임을 제공할 수 있다.
본 발명이 소정의 특정 실시예들에 관해 설명되었지만, 본 발명의 발명적 특징들은 다른 실시 예에 또한 적용가능할 것이고, 이들 모두가 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다는 것이 관련 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.

Claims (35)

  1. 대략적으로 181 nm 내지 대략적으로 185 nm의 범위의 파장을 갖는 연속적(CW) 레이저 출력 광을 생성하기 위한 레이저 어셈블리로서,
    약 1 ㎛ 내지 1.1 ㎛의 대응하는 제1 기본 파장을 갖는 제1 기본 주파수를 갖는 제1 기본 CW 광을 생성하도록 구성되는 제1 기본 CW 레이저;
    상기 제1 기본 CW 광의 제1 부분을 수신하도록 결합되고 상기 제1 기본 주파수의 4배와 동일한 제4 고조파 주파수를 갖는 제4 고조파 광을 생성하도록 구성되는 제4 고조파 생성 모듈;
    상기 제1 기본 CW 광의 제2 부분을 수신하고 상기 제4 고조파 생성 모듈로부터 상기 제4 고조파 광을 수신하도록 결합되는 제5 고조파 생성 모듈 ― 상기 제5 고조파 생성 모듈은, 상기 제4 고조파 광을 상기 제1 기본 CW 광의 상기 제2 부분과 혼합함으로써 상기 제1 기본 주파수의 5배와 동일한 제5 고조파 주파수를 갖는 제5 고조파 광을 생성하도록 구성됨 ―; 및
    상기 제5 고조파 광을, 1.26 ㎛ 내지 1.82 ㎛의 대응하는 제2 파장을 갖는 제2 주파수를 갖는 제2 CW 광과 혼합함으로써 상기 레이저 출력 광을 생성하도록 구성되는 주파수 혼합 모듈을 포함하며,
    상기 제5 고조파 생성 모듈은 제1 캐비티 및 제1 비선형 결정을 포함하고, 상기 제1 캐비티는, 순환된 상기 제1 기본 광이 상기 제1 비선형 결정을 통과하도록 상기 제1 기본 CW 광의 상기 제2 부분을 순환시키도록 구성되는 복수의 제1 미러들에 의해 형성되고, 상기 제1 비선형 결정은, 상기 순환된 제1 기본 광을 제4 고조파 생성기로부터 직접 수신된 상기 제4 고조파 광과 혼합함으로써 상기 제5 고조파 광을 생성하도록 구성되고,
    상기 주파수 혼합 모듈은 제2 캐비티 및 제2 비선형 결정을 포함하고, 상기 제2 캐비티는, 순환된 상기 제2 CW 광이 상기 제2 비선형 결정을 통과하도록 상기 제2 CW 광을 순환시키도록 구성되는 복수의 제2 미러들에 의해 형성되고, 상기 제2 비선형 결정은, 상기 제5 고조파 광이 상기 순환된 제2 CW 광과 혼합되어 상기 레이저 출력 광이 생성되도록 제5 고조파 생성기로부터 직접 상기 제5 고조파 광을 수신하도록 구성되고,
    상기 제1 비선형 결정 및 상기 제2 비선형 결정 중 적어도 하나는 어닐링된 세슘 리튬 보레이트(CLBO) 결정, 수소-처리된 CLBO 결정 및 중수소-처리된 CLBO 결정 중 적어도 하나를 포함하는, 레이저 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 전력 레벨의 상기 제2 CW 광을 생성하도록 구성되는 제2 기본 레이저를 더 포함하며,
    상기 주파수 혼합 모듈은, 상기 제2 CW 광이 상기 제2 캐비티에서 순환되도록 상기 제2 기본 레이저로부터 상기 제2 CW 광을 수신하도록 구성되고, 상기 제2 캐비티는, 상기 순환된 제2 CW 광의 제2 전력 레벨이 상기 제1 전력 레벨보다 크도록 상기 제2 CW 광의 제2 기본 주파수에서 공진하도록 구성되는, 레이저 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 주파수의 제2 레이저 광을 생성하도록 구성되는 펌프 레이저를 더 포함하며,
    상기 제2 캐비티는 고체 상태 레이저 캐비티 및 광학 파라메트릭 발진기 캐비티 중 하나를 포함하고, 상기 제2 캐비티는, 상기 순환된 제2 CW 광이 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖도록, 상기 펌프 레이저로부터 수신된 상기 제2 레이저 광을 사용하여 상기 순환된 제2 CW 광을 생성하도록 구성되는, 레이저 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기본 레이저는, 상기 제1 기본 주파수가 대략적으로 1070 nm, 대략적으로 1064 nm, 대략적으로 1053 nm, 대략적으로 1047 nm, 및 대략적으로 1030 nm 중 하나와 동일한 대응하는 파장을 갖도록 구성되는, 레이저 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기본 레이저는, 이테르븀(Yb) 도핑된 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기, 네오디뮴(Nd) 도핑된 고체 상태 레이저 및 Nd 도핑된 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기 중 하나를 포함하는, 레이저 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제4 고조파 생성 모듈은 2개의 주파수 배가 캐비티 모듈들을 포함하는, 레이저 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제5 고조파 생성 모듈은, 상기 제4 고조파 광 및 상기 순환된 제1 기본 광이 상기 제1 비선형 결정을 통해 실질적으로 공선으로(collinearly) 투과되도록 구성되는, 레이저 어셈블리.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 기본 레이저는, Yb 도핑된 광섬유 레이저, Nd 도핑된 고체 상태 레이저, 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기, 및 에르븀(Er) 도핑된 고체 상태 레이저, 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기 중 하나를 포함하는, 레이저 어셈블리.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 주파수 혼합 모듈은 Nd 도핑된 이득 매질 및 에르븀(Er) 도핑된 이득 매질 중 하나를 더 포함하는, 레이저 어셈블리.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 캐비티는 광학 다이오드 및 에탈론을 더 포함하는, 레이저 어셈블리.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 주파수 혼합 모듈은 주기적으로 폴링된 마그네슘-산화물 도핑된 화학량적(stoichiometric) 리튬 탄탈레이트 및 주기적으로 폴링된 마그네슘-산화물 도핑된 리튬 니오베이트 중 하나를 더 포함하는, 레이저 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 혼합 모듈은, 상기 제5 고조파 광을 상기 제2 비선형 결정을 통해 상기 순환된 제2 CW 광과 실질적으로 공선으로 투과하도록 구성되는, 레이저 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비선형 결정을 대략적으로 80 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지하기 위한 수단을 더 포함하는, 레이저 어셈블리.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 비선형 결정을 대략적으로 30 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지하기 위한 수단을 더 포함하는, 레이저 어셈블리.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기본 레이저는, 상기 제1 기본 주파수가 대략적으로 1064 nm 및 대략적으로 1070 nm 중 하나와 동일한 대응하는 파장을 갖도록 구성되고, 상기 제2 주파수는 대략적으로 1260 nm 내지 대략적으로 1420 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는, 레이저 어셈블리.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기본 레이저는, 상기 제1 기본 주파수가 대략적으로 1047 nm 및 대략적으로 1053 nm의 대응하는 파장을 갖도록 구성되고, 상기 제2 주파수는 대략적으로 1290 nm 내지 대략적으로 1590 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는, 레이저 어셈블리.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기본 레이저는, 상기 제1 기본 주파수가 대략적으로 1030 nm의 대응하는 파장을 갖도록 구성되고, 상기 제2 주파수는 대략적으로 1490 nm 내지 대략적으로 1820 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는, 레이저 어셈블리.
  18. 대략적으로 181 nm 내지 대략적으로 185 nm의 범위의 파장을 갖는 연속적(CW) 레이저 출력 광을 생성하는 방법으로서,
    약 1 ㎛ 내지 1.1 ㎛의 대응하는 제1 기본 파장을 갖는 제1 기본 주파수를 갖는 제1 기본 광을 생성하는 단계;
    상기 제1 기본 광의 제1 부분을, 상기 제1 기본 주파수의 4배와 동일한 제4 고조파 주파수를 갖는 제4 고조파 광으로 변환하는 단계;
    상기 제1 기본 광의 제2 부분을 상기 제4 고조파 광과 혼합함으로써 상기 제1 기본 주파수의 5배와 동일한 제5 고조파 주파수를 갖는 제5 고조파 광을 생성하는 단계 ― 상기 혼합하는 것은, 상기 제4 고조파 광을 수신하도록 또한 위치된 제1 비선형 결정을 순환된 상기 제1 기본 광이 통과하도록 상기 제2 부분을 상기 제1 캐비티에서 순환시키는 것을 포함함 ― ; 및
    상기 CW 레이저 출력 광을 생성하기 위해 상기 제5 고조파 광을 1.26 ㎛ 내지 1.82 ㎛의 대응하는 파장을 갖는 제2 주파수를 갖는 제2 CW 광과 혼합하는 단계 - 상기 혼합하는 것은, 상기 제5 고조파 광을 수신하도록 또한 위치된 제2 비선형 결정을 순환된 상기 제2 CW 광이 통과하도록 상기 제2 CW 광을 제2 캐비티에서 순환시키는 것을 포함함 - 를 포함하며,
    상기 제1 비선형 결정 및 상기 제2 비선형 결정 중 적어도 하나는 어닐링된 세슘 리튬 보레이트(CLBO) 결정, 수소-처리된 CLBO 결정 및 중수소-처리된 CLBO 결정 중 적어도 하나를 포함하는, 연속적(CW) 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 CW 광을 제1 전력 레벨의 그리고 제2 기본 주파수를 갖는 제2 기본 광으로서 생성하기 위해 제2 기본 레이저를 활용하는 단계; 및
    상기 제2 기본 광이 상기 제2 캐비티에서 순환되도록 상기 제2 기본 레이저로부터의 상기 제2 기본 광을 상기 제2 캐비티 내로 지향시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 제2 캐비티는, 상기 순환된 제2 기본 광의 제2 전력 레벨이 상기 제1 전력 레벨보다 크도록 상기 제2 기본 주파수에서 공진하도록 구성되는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    제1 주파수의 제2 레이저 광을 생성하기 위해 펌프 레이저를 활용하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제5 고조파 광을 상기 제2 CW 광과 혼합하는 단계는 상기 제2 레이저 광을 상기 제2 캐비티 내로 지향시키는 단계를 포함하고,
    상기 제2 캐비티는, 순환된 제2 CW 광이 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖도록, 상기 펌프 레이저로부터 수신된 상기 제2 레이저 광을 사용하여 상기 순환된 제2 CW 광을 생성하도록 구성되는 고체 상태 레이저 캐비티를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    제1 주파수의 제2 레이저 광을 생성하기 위해 펌프 레이저를 활용하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제5 고조파 광을 상기 제2 CW 광과 혼합하는 단계는 상기 제2 레이저 광을 상기 제2 캐비티 내로 지향시키는 단계를 포함하고,
    상기 제2 캐비티는, 순환된 CW 광이 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖도록, 상기 펌프 레이저로부터 수신된 상기 제2 레이저 광의 하향 변환에 의해 상기 순환된 CW 광을 생성하도록 구성되는 광학 파라메트릭 발진기 캐비티를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 제1 기본 광을 생성하는 단계는, 대략적으로 1070 nm, 대략적으로 1064 nm, 대략적으로 1053 nm, 대략적으로 1047 nm, 및 대략적으로 1030 nm 중 하나와 동일한 파장을 갖는 레이저 광을 생성하는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 제1 기본 광을 생성하는 단계는, 이테르븀(Yb) 도핑된 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기, 네오디뮴(Nd) 도핑된 고체 상태 레이저 및 Nd 도핑된 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기 중 하나를 활용하는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 제1 기본 광의 상기 제1 부분을 상기 제4 고조파 광으로 변환하는 단계는, 2개의 주파수 배가 캐비티들을 통해 상기 제1 기본 광의 상기 제1 부분을 통과시키는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 제5 고조파 광을 생성하는 단계는, 상기 제4 고조파 광 및 상기 제1 기본 광의 상기 제2 부분을 상기 제1 비선형 결정을 통해 실질적으로 공선으로 투과시키는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  26. 제18항에 있어서,
    Yb 도핑된 광섬유 레이저, Nd 도핑된 고체 상태 레이저, 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기, 및 에르븀(Er) 도핑된 고체 상태 레이저, 광섬유 레이저 또는 광섬유 증폭기 중 하나를 활용하여 상기 제2 CW 광을 생성하는 단계를 더 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  27. 제18항에 있어서,
    상기 제5 고조파 광을 상기 제2 CW 광과 혼합하는 단계는, 상기 순환된 제2 CW 광을 Nd 도핑된 이득 매질 및 에르븀(Er) 도핑된 이득 매질 중 하나를 통해 지향시키는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  28. 제18항에 있어서,
    상기 제5 고조파 광을 상기 제2 CW 광과 혼합하는 단계는, 상기 순환된 제2 CW 광을 광학 다이오드 및 에탈론 중 적어도 하나를 통해 지향시키는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 제5 고조파 광을 상기 제2 CW 광과 혼합하는 단계는, 상기 순환된 제2 CW 광을 주기적으로 폴링된 마그네슘-산화물 도핑된 화학량적 리튬 탄탈레이트 및 주기적으로 폴링된 마그네슘-산화물 도핑된 리튬 니오베이트 중 하나를 통해 지향시키는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  30. 제18항에 있어서,
    상기 제5 고조파 광과 상기 제2 CW 광을 혼합하는 단계는, 상기 제5 고조파 광 및 상기 제2 CW 광을 상기 제2 비선형 결정을 통해 실질적으로 공선으로 투과시키는 단계를 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  31. 제18항에 있어서,
    상기 제1 비선형 결정을 대략적으로 80 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지하는 단계, 및 상기 제2 비선형 결정을 대략적으로 30 ℃ 또는 그보다 낮은 일정한 온도로 유지하는 단계를 더 포함하는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  32. 제18항에 있어서,
    상기 제1 기본 주파수는, 대략적으로 1064 nm 또는 대략적으로 1070 nm의 대응하는 파장을 갖고, 상기 제2 주파수는 대략적으로 1260 nm 내지 대략적으로 1420 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  33. 제21항에 있어서,
    상기 제1 기본 주파수는 대략적으로 1064 nm의 대응하는 파장을 갖고, 상기 제2 주파수는 대략적으로 1260 nm 내지 대략적으로 1420 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  34. 제18항에 있어서,
    상기 제1 기본 주파수는, 대략적으로 1047 nm 또는 대략적으로 1053 nm의 대응하는 파장을 갖고, 상기 제2 주파수는 대략적으로 1290 nm 내지 대략적으로 1590 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
  35. 제18항에 있어서,
    상기 제1 기본 주파수는 대략적으로 1030 nm의 대응하는 파장을 갖고, 상기 제2 주파수는 대략적으로 1490 nm 내지 대략적으로 1820 nm의 범위의 대응하는 파장을 갖는, CW 레이저 출력 광을 생성하는 방법.
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