KR20200099614A - 저 잡음, 높은 안정성, 심 자외선, 연속파 레이저 - Google Patents

저 잡음, 높은 안정성, 심 자외선, 연속파 레이저 Download PDF

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Abstract

심 자외선(DUV) 연속파(CW) 광을 발생시키기 위한 레이저는 제2 고조파 생성기 및 제4 고조파 생성기를 포함한다. 제4 고조파 생성기는 복수의 미러 뿐만 아니라 제1 및 2 비선형 광학(NLO) 크리스탈을 포함한다. 제1 NLO 크리스탈은 제4 고조파 파장을 가진 광을 생성하고, 복수의 미러와 동작적으로 관련되도록 배치된다. 제2 NLO 크리스탈은 제2 고조파 파장을 갖는 광이 제1 및 2 NLO 크리스탈 모두를 통과하도록 제1 NLO 크리스탈과 동작적으로 관련되도록 배치된다. 특히, 제2 NLO 크리스탈의 제2 광학 축은 제1 NLO 크리스탈의 제1 광학 축에 대해 대략 90도로 제2 NLO 크리스탈 내에서 광의 전파 방향에 대해 회전된다. 제2 NLO 크리스탈은 파장 변환을 제공하지 않는다.

Description

저 잡음, 높은 안정성, 심 자외선, 연속파 레이저{LOW NOISE, HIGH STABILITY, DEEP ULTRA-VIOLET, CONTINUOUS WAVE LASER}
본 출원은 2013년 9월 10일에 출원되고, 명칭이 "안정성을 향상시킨 CW DUV 레이저"인 미국 특허 가출원 제61/876,201호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 저 잡음, 높은 안정성, 심 자외선(deep ultra-violet; DUV), 연속파(continuous wave; CW) 레이저뿐만 아니라 이러한 레이저를 포함하는 검사 및 계측 시스템에 관한 것이다.
반도체 검사 및 계측은 작은 결함을 검출하고/하거나 작은 치수의 매우 정확한 측정을 하기 위해 매우 안정한 저 잡음 광원을 필요로한다. 전형적으로, 짧은 파장이 작은 결함이나 치수에 대해 양호한 감도를 부여하기 때문에 UV 광원은 중요하다.
저 잡음, 높은 안정성 레이저는 현재 가시 및 근 적외선(IR)의 파장에 이용 가능하다. 그러나, DUV의 파장에 이용 가능한 CW 레이저가 매우 적다. 이용 가능할 경우에도, 이러한 레이저는 비싸고 잡음이 있고, 장기(long-term) 안정성이 불량하고, 빈번한 조정 및/또는 서비스를 필요로할 수 있다. 더욱이, 이러한 레이저는 전형적으로 250mW 미만의 전력을 갖는 반면에, 높은 전력은 보다 빠르고 정확한 검사 및 측정을 가능하게 하기 때문에 대부분의 산업 응용에 바람직하다.
알려진 DUV CW 레이저는 전형적으로 IR 기본 레이저의 제4 고조파를 생성함으로써 동작한다. 제1 스테이지는 기본 주파수로부터 제2 고조파 주파수(또한 제2 고조파라고 함)를 생성하고, 제2 스테이지는 제2 고조파 주파수를 이용하여 제4 고조파 주파수(또한 제4 고조파라고 함)를 생성하는 2개의 주파수 변환 스테이지가 전형적으로 이용된다. 각 주파수 더블링(doubling) 스테이지(즉, 제1 및 제2 스테이지)는 비선형 광학(NLO) 크리스탈(nonlinear optical(NLO) crystal)을 이용한다.
주파수 더블링 프로세스는 당업자에게 알려져 있는 전기장 강도의 제곱에 의존한다. 따라서, NLO 크리스탈 내부의 전력 밀도가 낮은 경우, 변환 프로세스는 매우 비효율적이다. 몇 와트 또는 몇십 와트의 전력의 IR 레이저는, NLO 크리스탈에 집중될 경우, 낮은 전력 밀도 때문에 매우 적은 제2 고조파를 생성한다. 이에 반해, 펄스 레이저는 피크 전력 밀도를 평균 전력 밀도보다 여러 배 더 높게 제공할 수 있다. 결과적으로, IR 레이저와 유사한 시간 평균 전력 밀도의 펄스 레이저는 실질적인 양의 제2 고조파를 생성할 수 있다. 예를 들면, 일부 펄스 레이저에서, 펄스 레이저의 입력의 약 50%는 제2 고조파로 변환될 수 있다.
DUV CW 레이저는 NLO 크리스탈에서의 전력 밀도를 증가시켜, 변환 효율을 향상시키기 위해 공진 공동부(cavity)(또한, 공동부라고 함)를 이용할 수 있다. 제2 고조파로 변환되지 않고 NLO 크리스탈을 통과하는 광의 대부분은 전력 밀도를 구축하기 위해 공동부에서 재순환된다. 생성되는 임의의 제2 고조파는 공동부에서 통과할 수 있다. 궁극적으로, 제2 고조파 플러스 공동부 내의 손실(loss)이 입력 전력과 동일하며, 따라서 정상 상태가 도달될 때 전력 밀도는 전력이 공동부에서 끊어지는 레벨로 구축한다. DUV 파장을 생성하기 위해, 전형적으로 2개의 공진 공동부는 직렬로 연결될 수 있다. 제1 공동부는 IR 기본 파장을 재순환하여 제2 고조파(예를 들어, 532nm와 같은 가시 파장)를 생성한다. 제1 공동부에 직렬로 결합되는 제2 공동부는 제2 고조파를 재순환하여 제4 고조파(예를 들어, 266nm와 같은 DUV 파장)를 생성한다. 공동부 및/또는 공동의 구성 요소를 나타내는데 이용되는 바와 같은 용어 "결합(coupled)"는 물리적으로 접촉하는 공동부의 구성 요소를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다는 것을 주목한다.
도 1은 제1 공동부가 제2 고조파 생성기(102A)를 구현하고, 제2 공동부가 제4 고조파 생성기(102B)를 구현하하는 2개의 공동부를 이용하는 예시적인 공지된 레이저 구성을 도시한다. 제2 고조파 생성기(102A)는 제2 고조파를 생성하기 위해 복수의 미러(110, 111, 112, 및 113)와 NLO 크리스탈(115)을 포함한다. 제4 고조파 생성기(102B)는 제4 고조파를 생성하기 위해 복수의 미러(130, 131, 132, 및 133)와 NLO 크리스탈(135)을 포함한다. 제2 고조파 생성기(102A)는 (주파수 f1에서 신호를 생성하는) 발진기(104), 변조기(103), 포토다이오드(105), 및 동기 검출기(106)를 이용하여 능동적으로 제어될 수 있다. 마찬가지로, 제4 고조파 생성기(102B)는 (주파수 f2에서 신호를 생성하는) 발진기(124), 변조기(123), 포토다이오드(125), 및 동기 검출기(126)를 이용하여 능동적으로 제어될 수 있다.
기본 레이저(101)로부터 (예를 들어, 1064nm에서의) IR 광은 미러(110)를 통해 제2 고조파 생성기(102A)에 진입하고, 미러(111, 112)에서 반사한 후, NLO 크리스탈(115)에 진입한다. NLO 크리스탈(115)에 진입한 IR 광의 부분은 제2 고조파(예를 들어, 532nm)로 변환된다. 미러(113)는 IR 광을 반사시키지만, 제2 고조파를 투과시키는 물질로 코팅된다. 결과적으로, 제2 고조파 광은 미러(113)를 통과하고, 제4 고조파 생성기(102B)로 지향된다.
크리스탈(115)을 통과하는 IR 광의 대부분은 변환되지 않고 NLO 크리스탈(115)에서 나와서 미러(113)에 의해 반사되고 미러(110)로 다시 지향된다. 미러(110)는 미러(113)로부터의 광선의 입사각에 도달하는 IR 광에 매우 반사적이지만, 기본 레이저(101)로부터 입사 IR 광에는 매우 투과적인 물질로 코딩된다.
제2 고조파 생성기(102A)에 높은 전력 밀도를 구축하기 위해, 제1 공동부 내에서 순환하는 IR 광은 기본 레이저(101)로부터 입사 광과 동위상으로 미러(110)에 도달해야한다. 이를 위해, 서보 제어부는 미리 정해진 공동부 길이를 달성하기 위해 미러(111)를 기계적으로 미러(111)를 이동하는데 이용될 수 있으며, 이에 의해 원하는 위상을 제공할 수 있다. 도 1에 도시된 구성에서, 제2 고조파 생성기(102A)에 대한 서보 제어부는 발진기(104), 변조기(103), 포토다이오드(105), 동기 검출기(106), 및 액추에이터 제어부(107)를 포함한다. 마찬가지로, 제4 고조파 생성기(102B)에 대한 서보 제어부는 발진기(124), 변조기(123), 포토다이오드(125), 동기 검출기(126), 및 액추에이터 제어부(127)를 포함한다. 예시적인 액추에이터 제어부는 미리 정해진 공동부 길이를 유지하여 공동부의 전력 밀도를 최대화시키기 위해 압전 변환기 또는 음성 코일을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기본 레이저(101)로부터 입력된 IR 광은 시변 신호를 제공하기 위해 (발진기(104)에 의해 제공되는) 주파수 f1에서 변조기(103)에 의해 변조된다. 임의의 미러 상의 코팅은 불완전하며 이에 의해 약간의 누설을 허용한다는 것을 주목한다. 결과적으로, 포토다이오드(105)는 신호를 동기 검출기(106)에 제공하기 위해 제1 공동부 내에서 순환하는 광(즉, 미러(110)를 통해 미러(113)에 의해 반사된 광)의 작은 부분을 수신한다. (믹서 또는 일부 다른 유사한 구성 요소를 포함하는) 동기 검출기(106)는 액추에이터 제어부(107)에 대한 제어 신호를 생성하기 위해 주파수 f1에서 발진기(104)의 출력과 포토다이오드(105)의 출력을 비교한다. 특히, 동기 검출기(106)는 제1 공동부의 길이가 조정될 필요가 있는지를 판단할 수 있으며, 그럴 경우, 길이가 얼마만큼 증가되어야 하는지 감소되어야 하는지를 판단할 수 있다. 예시적인 서보 제어부는 (1998) 블랙에 의한 LIGO Technical Note LIGO-T980045-00-D 뿐만 아니라, 미국 특허 제5,367,531호에 기재되어 있다.
제2 변조기(123)는 다른 시변 신호를 제공하기 위해 주파수 f2에서( 미러(113)에 의해 제공되는) 제4 고조파 생성기(102B)에 대한 입력 광을 변조시킨다. 포토다이오드(125)는 (미러(130)를 통해 미러(133)로부터) 순환하는 광의 작은 부분을 검출한다. 동기 검출기(106)는 액추에이터 제어부(127)에 대한 제어 신호를 생성하기 위해 주파수 f2에서 발진기(124)의 출력과 포토다이오드(125)의 출력을 비교한다. 특히, 동기 검출기(126)는 제4 고조파 생성기(102B)의 길이가 조정될 필요가 있는지를 판단할 수 있으며, 그럴 경우, 길이가 증가되어야 하는지 감소되어야 하는지를 판단할 수 있다. 미러(133)로부터의 반사된 광의 위상이 (미러(113)를 통해) 미러(130)에 제공된 것과 같도록 액추에이터 제어부(127)는 제4 고조파 생성기(102B)의 적당한 길이를 유지하기 위해 미러(131)의 위치를 물리적으로 제어한다.
따라서, 제4 고조파 생성기(102B)에 진입하는 광의 입력 파장이 제2 고조파(예를 들어 532nm)이고, 출력 파장이 제4 고조파(예를 들어 266nm)인 것을 제외하고는 제4 고조파 생성기(102B)는 제2 고조파 생성기(102A)와 실질적으로 유사한 방식으로 동작한다. 제2 및 제4 고조파 생성기의 구성 요소의 코팅 및 물질는 각각 파장에 적절하게 선택되는 것을 주목한다.
(도시되지 않은) 일부 종래 기술의 장치에서, 제2 변조기(123)는 생략되고, 이에 의해 동일한 변조 주파수에서 동작하는 두 서보 제어부를 생성한다. (또한 도시되지 않은) 다른 종래 기술의 장치에서는, 제1 변조기(103)도 제2 변조기(123)도 존재하지 않는다. 예를 들어, IR 레이저(101)는 두 모드가 생성되도록 레이저를 동작함으로써 변조된 출력을 생성시키고, 이러한 두 모드는 적절하게 변조된 출력이 두 모드의 "비팅(beating)"에 의해 생성되도록 파장 분리 및 상대적 진폭을 갖도록 선택된다(예를 들어, Zanger 등에 의한 미국 공개 특허 출원 제2006/0176916호 참조). 레이저를 변조시킬 필요가 없는 본 기술 분야에 공지되어 있는 다른 공진 공동부의 서보 제어 방법은 최초로 공진 공동부 내의 위상 변화를 측정하기 위해 편광을 이용하는 Hansen and Couillaud in Optical Communications, 35, 442-444, (1980)에 의해 설명되어 있다.
또 다른 종래 기술의 장치에서, 하나 이상의 고조파 생성기는 4개 대신에 2개 또는 3개의 미러를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 2개의 공동부는 상이한 수의 미러를 가질 수 있다. 또 다른 종래 기술의 장치에서, DUV 출력 파장은 NLO 크리스탈(135)과 미러(133) 사이에 배치된 (도시되지 않은) 빔 스플리터에 의해 재순환하는 광으로부터 분리될 수 있다(따라서, 미러(133)는 반사할 물질로만 코팅될 수 있다).
특히, 도 1에 도시된 서보 제어부는 예를 들어 온도 변화로 인한 공동부 길이의 느린 변화를 보정하는데 효과적일 수 있다. 이들은 또한 낮은 진폭, 저주파 진동에 의해 발생된 공동부 길이의 변화를 보정하는데 효과적일 수 있다. 불행하게도, 다른 요소는 공동부의 길이를 조정하여 간단하게 보정될 수 없는 공동부의 출력을 저하시킬 수 있다. 이러한 요소는 변환 프로세스의 효율을 감소시키고, 보상되지 않은 효과가 변화하는 경우 시간이 지남에 따라 출력 레이저 전력의 하향 추세로 이어질 수 있다.
보상되지 않은 효과는 NLO 크리스탈의 특성의 공간적 다양한 변화로 인한 초점 길이 및 비점수차(astigmatism)의 변화를 포함할 수 있다. 이러한 변화는 위치에 집속된 빔의 전력 밀도로 인해 위치에서 광 굴절에 의해 발생될 때 가역적일 수 있거나, NLO 크리스탈의 물질에 행해진 손상으로 인해 비가역적일 수 있다.
불행하게도, DUV CW 레이저(100)는 공동부 길이의 변화에 대해서만 보상할 수 있다. 따라서, DUV CW 레이저(100)는 제1 또는 제2 공동부의 NLO 크리스탈의 초점 또는 비점수차의 임의의 변화를 보상할 수 없다. 각 NLO 크리스탈에 상당히 집속된 레이저 광이 전형적으로 NLO 크리스탈의 가역적 및 비가역적 변화의 모두를 유도하기 때문에, DUV CW 레이저(100)는 일반적으로 최적의 강도 아래에서 더욱 짧은 수명으로 동작한다.
그래서, 구성하는 고조파 생성기의 NLO 크리스탈의 초점 또는 비점수차의 임의의 변화를 보상할 수 있는 DUV CW 레이저에 대한 필요성이 생긴다.
심 자외선(DUV) 연속파(CW) 광을 발생시키기 위한 레이저는 제2 고조파 생성기 및 제4 고조파 생성기를 포함한다. 제2 고조파 생성기는 기본 파장을 가진 광을 제2 고조파 파장을 가진 광으로 변환한다. 이러한 변환은 공진 공동부를 이용하거나 다른 수단에 의해 달성될 수 있다. 제4 고조파 생성기는 제2 고조파 파장을 가진 광을 제4 고조파 파장을 가진 광으로 변환한다.
바람직한 실시예에서, 제4 고조파 생성기는 복수의 미러, 제1 비선형 광학(NLO) 크리스탈, 및 제2 NLO 크리스탈을 포함한다. 제1 NLO 크리스탈은 제4 고조파 파장을 가진 광을 생성하고, 복수의 미러와 동작적으로 관련되도록 배치된다. 제2 고조파는 제1 NLO 크리스탈 및 제2 NLO 크리스탈 모두를 통과한다. 특히, 제2 NLO 크리스탈의 제2 광학 축은 제1 NLO 크리스탈의 제1 광학 축에 대해 대략 90도로 제2 NLO 크리스탈 내에서 제2 고조파 파장을 갖는 광의 전파 방향에 대해 회전한다. 제2 NLO 크리스탈은 파장 변환을 제공하지 않는다.
일 실시예에서, 제1 NLO 크리스탈 및 제2 NLO 크리스탈의 각각은 수소 어닐링된다. 다른 실시예에서, 제1 NLO 크리스탈 및 제2 NLO 크리스탈의 각각은 수소 어닐링된 CLBO(세슘 리튬 보레이트) 크리스탈을 포함한다. 제2 고조파를 갖는 광은 실질적으로 제1 e-축을 포함하는 평면에서 타원의 장축을 따라 제1 NLO 크리스탈 내에서나 근처에서 실질적으로 타원형의 빔 웨이스트(beam waist)로 집속될 수 있다. 제2 NLO 크리스탈은 제1 NLO 크리스탈과 실질적으로 동일한 온도로 유지될 수 있다. 제1 NLO 크리스탈의 위상 정합 각도 및 온도는 집속된 빔에 의해 제1 NLO 크리스탈에 생성된 비점수차를 감소시키도록 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 제1 NLO 크리스탈은 집속된 빔에 의해 제1 NLO 크리스탈에 생성된 비점수차를 감소시키도록 온도(예를 들어 약 50℃ 이하에서)로 제어된다.
제4 고조파 생성기는 평행 표면을 가진 박판의 쌍을 더 포함할 수 있다. 박판의 쌍은 비점수차를 보상하면서 광 빔의 임의의 변위를 최소화하기 위해 실질적으로 동일하고 반대의 각도로 기울어질 수 있다. 제4 고조파 생성기에 의해 도입된 비점수차를 실질적으로 취소하도록 제4 고조파 생성기는 비점수차 보상을 자동으로 조정하는 피드백 제어 루프를 더 포함할 수 있다.
웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크를 검사하기 위한 시스템이 또한 설명된다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 이러한 시스템은 제4 고조파 생성기의 제1 및 제2 NLO 크리스탈을 포함하는 DUV CW 레이저를 포함할 수 있다.
레이저에서 심 자외선(DUV) 연속파(CW) 광을 발생시키는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 제1 비선형 광학(NLO) 크리스탈 및 제2 NLO 크리스탈을 이용하여 기본 파장을 가진 광을 제2 고조파 파장을 가진 광으로 변환할 뿐만 아니라 제2 고조파 파장을 가진 광을 제4 고조파 파장을 가진 광으로 변환하는 단계를 포함한다. 제4 고조파 파장을 가진 광을 생성하는 단계는 제2 고조파를 제1 NLO 크리스탈 및 제2 NLO 크리스탈을 통과시키는 단계, 및 제1 NLO 크리스탈의 제1 광학 축에 대해 대략 90도로 제2 NLO 크리스탈 내에서 제2 고조파 파장을 갖는 광의 전파 방향에 대해 제2 NLO 크리스탈의 제2 광학 축을 회전시키는 단계를 포함한다. 특히, 제1 NLO 크리스탈만이 제4 고조파 파장으로의 파장 변환을 제공한다.
도 1은 각각의 공동부가 복수의 미러 및 NLO 크리스탈을 포함하는 복수의 공동부를 포함하는 종래 기술의 DUV CW 레이저를 도시한다.
도 2는 제2 공동부가 서로에 대하여 미리 정해진 방향으로 2개의 NLO 크리스탈을 포함하는 복수의 공동부를 포함하는 개선된 DUV CW 레이저를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 개선된 DUV CW 레이저에 이용될 수 있는 예시적인 NLO 크리스탈의 단면도를 도시한다.
도 4는 도 2에 도시된 개선된 DUV CW 레이저에 이용되는 제1 및 제2 NLO 크리스탈의 상대적 방향을 도시한다.
도 5-12는 설명된 개선된 DUV CW 레이저를 포함할 수 있는 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 포토마스크, 레티클 또는 웨이퍼 검사 응용에 이용될 수 있다.
아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 개선된 DUV CW 레이저는 제4 고조파 생성기에 대한 여러 개선 사항을 포함할 수 있다. 이러한 개선은 조합하여 이용되거나 개별적으로 이용될 수 있다. 도 2는 예시적인 개선된 DUV CW 레이저(200)를 도시한다. 도 1의 대응하는 요소와 동일한 번호로 표시된 도 2의 요소는 도 1을 참조하여 설명된 것과 동일한 기능을 가지며, 이러한 요소는 실질적으로 유사한 방식으로 구현될 수 있다는 것을 주목한다. 예를 들어, 본 실시예에서, DUV CW 레이저(200)는 기본 레이저(101) 및 제2 고조파 생성기(102A)를 포함하며, 이들 모두는 도 1을 참조하여 상세히 설명된다.
도 2를 참조하면, 제2 고조파 생성기(102A)에 의해 생성된 광(201)은 모드 정합 렌즈(224)에 의해 집속되고, 미러(130)를 통해 제4 고조파 생성기(202B)에 진입한다. 일 실시예에서, 광(201)은 대략 532nm의 파장(또는 다른 가시 파장)에 있을 수 있다. 광(201)은 (도 1을 참조하여 설명된) 미러(130, 131, 132, 및 133)로부터 반사하여 제4 고조파 생성기(202B) 주변을 순환한다. 제4 고조파 생성기(202B)의 일부 실시예는 도시된 4개의 미러 대신에 2개 또는 3개의 미러만을 가질 수 있다는 것을 주목한다. 미러(130, 131, 132, 및 133)는 순환하는 광의 입사각에 대한 가시 파장에서 상당히 반사되도록 코팅된다. 미러(130)의 코팅은 또한 순환하는 광과 다른 입사각에 도달하는 광(201)을 송신해야한다.
제4 고조파 생성기(202B)를 구현하는 공동부의 길이는 본 기술 분야에 공지된 로킹 방식(이의 일부는 위에 나열됨) 중 어느 하나에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 제4 고조파 생성기(202B)의 공동부의 길이는 Hansch-Couillaud 로킹 방식을 이용하여 제어될 수 있다(위에 나열된 참조물을 참고). (약 10W 이상과 같은)이 높은 가시광 전력 레벨은 변조기를 손상시킬 수 있거나, 이러한 전력에 견딜 수 있는 변조기는 비용이 많이 들 수 있다. 제4 고조파 생성기(202B)의 Hansch-Couillaud 로킹 방식은 (약 2°미만의 각도와 같은) 작은 각도를 통해 광(201)의 편광을 회전하도록 지향되는 반파장판(half-wave plate)(223)을 이용할 수 있다. 반파장판(223)과 같은 수동 부품은 변조기와 같은 능동 부품보다 높은 가시광 전력을 더 잘 견딜 수 있다. 순환하는 광의 작은 부분은 입력 광의 반사된 성분과 함께 미러(130)를 통해 제4 고조파 생성기(202B)에서 나가고, (반파장판(223)에 의해 생성된) 직교 편광은 공동부의 길이를 제어하는 서보 제어부(260)로 지향된다. 특히, 서보 제어부(260)는 제4 고조파 생성기(202B)의 길이가 조정될 필요가 있는지를 판단할 수 있으며, 그럴 경우, 길이가 얼마만큼 증가되어야 하는지 감소되어야 하는지를 판단할 수 있다. 미러(133)로부터 반사된 광의 위상이 미러(130)에 도달한 가시광(201)과 동일하도록 액추에이터 제어부(127)는 제2 공동부의 적절한 길이를 유지하기 위해 미러(131)의 위치를 물리적으로 제어할 수 있다. 공동부로부터의 광은 선택적으로 필요하다면 빔 스플리터(252) 및 빔 덤프(251)에 의해 감쇠될 수 있다. 임의의 필요한 감쇠 후에, 2개의 직교 편광을 서로 간섭하게 하도록 광은 공동부의 편광 방향에 실질적으로 45°에서 축으로 지향되는 1/4 파장판(253)을 통과한다. 편광 빔 스플리터(254)는 1/4 파장판(253)의 출력을 2개의 포토다이오드(255)에 의해 검출되는 2개의 직교 편광으로 분리한다. 선택적으로, 편광 빔 스플리터(254)가 충분한 편광 식별(polarization discrimination)을 제공할 경우 (도시되지 않은) 선형 편광기는 포토다이오드(255)의 전면에 배치될 수 있다. 서보 제어 회로(259)는 두 포토다이오드로부터의 신호의 차이로부터 액추에이터 제어부(127)를 생성한다.
상술한 바와 같이, DUV CW 레이저(200)는 제4 고조파 생성기 내의 2개의 NLO 크리스탈: 주파수 변환을 제공하는 제1 NLO 크리스탈(235)과 주파수 변환을 제공하지 않는 제2 NLO 크리스탈(236)을 포함한다. 일 실시예에서, NLO 크리스탈(235)은 제4 고조파를 생성시킬 수 있다(예를 들어, 266nm의 파장은 532nm의 입력 파장에서 생성된다). 바람직한 일 실시예에서, NLO 크리스탈(235)은 수소 어닐링된 NLO 크리스탈에 의해 구현될 수 있다. 예시적인 수소 어닐링된 CLBO(세슘 리튬 보레이트) NLO은 2012년 6월 5일에 출원된 미국 특허 출원 제13/544,425호에 기재되어 있으며, 이 출원은 2011년 10월 7일에 출원된 미국 가출원 제61/544,425로 대한 우선권을 주장하며, 이의 모두는 본 명세서에서 참조로 통합된다. 종래의 NLO 크리스탈에 비해 수소 어닐링된 NLO 크리스탈을 이용하는 하나의 장점은 수소 어닐링된 NLO 크리스탈이 손상이 적거나 느린 높은 DUV 전력 밀도에서 동작할 수 있다는 것이다. 따라서, 적어도 하나의 수소 어닐링된 NLO 크리스탈을 포함하는 DUV CW 레이저는 서비스 또는 수리 사이의 시간 간격의 증대로 인한 긴 수명 및 낮은 동작 비용으로 더욱 안정적인 출력을 제공할 수 있다.
일부 바람직한 실시예에서, DUV CW 레이저(200)는 NLO 크리스탈의 e-축(이상 축(extraordinary axis))을 포함하는 평면에 실질적으로 평행하게 지향되는 타원의 장축을 갖는 타원형 초점으로 NLO 크리스탈(235) 내에 광(201)을 집속시킬 수 있다. 이러한 방향은 NLO 크리스탈(235)의 단면도를 도시하는 도 3에 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광은 NLO 크리스탈(235) 내 또는 근처의 타원형 스폿(303)에 집속된다. 특히, 타원형 스폿(303)의 장축은 NLO 크리스탈(235)의 e-축을 포함하는 평면(즉, 도 3에 도시된 바와 같은 수평면)과 실질적으로 평행하게 정렬된다. 일부 바람직한 실시예에서, 타원형 스폿(303)의 단축의 초점은 장축의 초점이 전력 밀도 및 변환 효율을 대략 유지하기 위해 증가될 때 거의 동일한 인수만큼 감소된다. 타원형 집속은 원통형으로 만곡되거나 2개의 상이한 방향으로 상이한 곡률 반경을 갖는 모드 정합 렌즈 또는 미러(224) 중 하나 이상에 의해 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 고조파 생성기(102A)는 타원형 빔을 출력하지만, 제4 고조파 생성기(202B)에 대해 정확한 축을 따라 원하는 편심으로 반드시 연장되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 원통형 망원경 또는 다른 광학 장치는 원하는 형상 및 치수를 갖는 제4 고조파 생성기(202B)로 타원형 스폿을 재형상하고 재집속하기 위해 모드 정합 렌즈 또는 미러(224)에 이용될 수 있다.
NLO 크리스탈(235) 내부의 집속된 레이저 방사선의 강한 전기장은 (광굴절(photorefraction)이라 하는) 크리스탈의 물질의 굴절률의 변화를 초래한다. 전기장 강도가 타원형 스폿(303)의 중심에서 이의 가장자리로 감소하기 때문에, 굴절률의 변화는 타원형 스폿(303)의 가장자리에서보다 이의 중심에서 더 크다. 더욱이, 광굴절 효과는 e-축을 포함하는 방향으로 더 강하다.
e-축을 포함하는 평면과 장축이 평행한 타원형 집속을 이용하는 하나의 장점은 출력 빔의 워크 오프(walk-off)가 이러한 방향으로 일어난다는 것이다. 이러한 방향으로의 연장된 타원은 빔 품질을 유지하면서 더욱 긴 NLO 크리스탈이 이용되도록 한다. Dribinski 등에 의해 2012년 3월 2일에 출원되고, 본 명세서에서 참고로 통합된 미국 특허 출원 제13/412,564호는 NLO 크리스탈에서 광의 예시적인 타원형 집속을 설명한다.
특히, 광굴절은 제4 고조파 생성기의 공동부에 비점수차를 도입한다. 미러 사이의 거리에 의해 측정되는 바와 같은 공동부의 길이를 제어하는 종래의 서보 제어부는 평균 지수 변화로부터의 평균 경로 길이 변화에 대해서만 보정할 수 있고, 집속된 빔 내의 상이한 위치에서 상이한 지수 변화에 의해 초래된 임의의 비점수차에 대해서는 보정할 수 없다. 크리스탈 축이 광(201)의 전파의 방향과 평행한 축에 대해 90°회전되고, 그래서 제2 크리스탈(236)이 주파수 변환을 수행하지 않는 것을 제외하고는 제2 크리스탈(236)은 주파수 변환 크리스탈, 즉 제1 크리스탈(235)에 대한 물질 조성물에서 실질적으로 유사하다. (도시된) 일 실시예에서, 제4 고조파 광과 잔류 제2 고조파 광이 제2 크리스탈을 통과하도록 제2 NLO 크리스탈(236)은 제1 NLO 크리스탈(235)의 바로 다운스트림에 배치된다. 제2 및 제4 고조파는 모두 NLO 크리스탈에서 광굴절 및 다른 비이상적인 효과에 기여하기 때문에, 제2 NLO 크리스탈(236)을 제1 NLO 크리스탈(235)의 다운스트림에 배치하는 것은 제2 NLO 크리스탈(236)에 의해 생성된 비점수차가 90°를 통해 회전되는 것을 제외하고 제1 NLO 크리스탈(235)에 의해 생성된 것과 실질적으로 유사하다는 것을 보장한다. 다른 실시예에서, 제2 NLO 크리스탈(236)이 제4 고조파(UV) 광을 받지 않도록 제2 NLO 크리스탈(236)은 제1 NLO 크리스탈(235)의 바로 업스트림(도시되지 않음)에 배치된다. 공진 공동부의 제2 고조파의 전력 밀도는 제4 고조파보다 훨씬 치수 때문에, 굴절 효과의 대부분은 제2 고조파에 의해 생성되고, 따라서 제2 NLO 크리스탈(236)의 비점수차는 제1 NLO 크리스탈(235)에 생성된 비점수차를 실질적으로 취소하도록 (90°회전과 다른) 제1 NLO 크리스탈(235)의 것과 매우 유사할 수 있다. 제2 NLO 크리스탈(236)을 제1 NLO 크리스탈(235)의 업스트림에 배치하는 장점은 NLO 크리스탈을 저하시킬 수 있는 제4 고조파 UV 방사선에 노출되지 않을 경우에 제2 NLO 크리스탈이 더욱 긴 수명을 가질 것이라는 것이다. 이러한 경우에, 제2 NLO 크리스탈(236)은 덜 빈번하게 교체할 필요가 있으며(또는 전혀 교체할 필요가 없으며), 따라서 여러 해에 걸쳐 레이저에 대한 보수의 비용이 낮아진다. 일부 실시예에서, 제4 고조파 생성기(202B)에서 순환하는 광이 공동부의 특정 지점에서 재집속되는 경우, 제1 NLO 크리스탈(235)은 제2 NLO 크리스탈(236)에 바로 인접하는 대신에 그 위치에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 제4 고조파 생성기(202B)의 제1 및 제2 NLO 크리스탈은 입사 가시광이 표면에 대해 실질적으로 p 편광되도록 표면이 지향되는 입사 가시광에 대한 대략 브루스터 각(Brewster's angle)에서 절단된 입력 및 출력 표면을 갖는다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 브루스터 절단면(Brewster-cut surface)은 실질적으로 p 편광된 광에 대한 제로 반사율을 갖는다. 브루스터 절단면의 이용은 NLO 크리스탈의 표면에 반사 방지 코팅에 대한 필요성을 제거한다. 제4 고조파 생성기의 공동부 내부의 높은 전력 밀도에 견딜 수 있는 반사 방지 코팅은 이용할 수 없다. 제4 고조파가 가시광의 편광에 수직한 편광을 갖기 때문에, 제4 고조파는 가시적을 위해 브루스터 절단되는 표면에서 낮은 반사율을 갖지 않을 것이다. 따라서, 브루스터 절단 크리스탈이 이용되는 경우, 제4 고조파 방사선의 손실을 피하기 위해 제2 NLO 크리스탈(236)을 제1 NLO 크리스탈(235)의 업스트림에 배치하는 것이 바람직하다.
제2 NLO 크리스탈(236)의 목적은 제1 NLO 크리스탈(235)에 의해 야기되는 비점수차를 실질적으로 취소하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 일 실시예에서, 제2 NLO 크리스탈(236)은 이의 광학 축이 제1 NLO 크리스탈(235)의 광학 축에 대해 광의 전파 방향에 대해 실질적으로 90°회전되도록 지향된다. 제2 NLO 크리스탈(236)에 의해 도입되는 비점수차가 제1 NLO 크리스탈(235)에 대해 실질적으로 90°회전되기 때문에, 2개의 비점수차는 실질적으로 서로를 상쇄한다. 제2 NLO 크리스탈(236)을 포함하는 것이 DUV CW 레이저(200)의 비용을 증가시킬지라도, 제4 고조파 생성기의 단일 크리스탈을 이용하는 레이저에 비해 더 높은 성능, 더 긴 수명, 서비스의 감소된 빈도에 의해 상쇄할 수 있다(예를 들어 도 1 참조). NLO 크리스탈(235 및 236)의 광학 축의 상대적 방향은 도 4에 도시되어 있다. 제1 NLO 크리스탈(235)의 e-축은 원하는 크리스탈 온도에서 제2 고조파로부터 제4 고조파의 생성을 위한 위상 정합을 달성하기 위해 입사 광(incoming light)(410)의 전파 및 편광(즉, 제2 고조파)의 방향에 대해 정렬된다. 예를 들어, NLO 크리스탈이 CLBO를 포함하면, CLBO의 원하는 동작 온도는 약 50℃이고, 제2 고조파는 532nm의 파장이며, 크리스탈의 e-축은 입사 광의 전파 방향에 대해 실질적으로 61.6°이어야 하고, 입사 광의 편광 방향에 수직이어야 한다. 예시를 위해, 도 4는 광의 전파 방향에 대하여 비스듬히 실질적으로 수평 방향으로 놓인 e-축을 도시한다. 도시된 바와 같이, 제2 NLO 크리스탈(236)은 제1 NLO 크리스탈(235)의 e-축 및 광의 전파 방향(e-축은 방향(405)에 있음)을 포함하는 평면의 방향에 실질적으로 수직인 e-축 및 광의 전파 방향(e-축은 방향(408)에 있음)을 포함하는 평면으로 지향된다. 제2 NLO 크리스탈(236)에서 e-축의 방향(408)과 광의 전파 방향 사이의 각도는 제1 NLO 크리스탈(235)에서 e-축의 방향(405)과 광의 방향 사이의 각도와 실질적으로 값이 동일하지만, 두 크리스탈의 크리스탈 축의 방향은 입사 광(410)의 전파 방향에 대해 서로 90°회전된다.
NLO 크리스탈이 이전의 예에서와 같이 단축 복굴절(uniaxially birefringent) 대신에 이축 복굴절인 경우, 동일한 원리가 여전히 유지된다. 제1 NLO 크리스탈(235)의 광학 축은 원하는 크리스탈 온도에서 제2 고조파로부터 제4 고조파의 생성을 위한 위상 정합을 달성하기 위해 입사 광(410)의 전파 및 편광(즉, 제2 고조파)의 방향에 대해 정렬되어 지향되어야 한다. 제2 NLO 크리스탈(236)은 입사 광(410)의 전파 방향에 대해 90°회전된 광학 축으로 지향되어야 한다.
도 2를 다시 참조하면, 일부 실시예에서, 미러(130, 131, 132 및 133) 중 하나 이상은 제4 고조파 생성기(202B)에서 순환하는 광을 실질적으로 제1 NLO 크리스탈(235) 내부에서나 근처의 빔 웨이스트로 재집속하기 위한 구면 미러이다. 일부 실시예에서, 미러(130, 131, 132 및 133) 중 하나 이상은 제1 NLO 크리스탈(235)의 비점수차를 대략 보상하기 위해 원통형이다. 이러한 원통형 미러는 경사판(tilted plate)(245) 또는 제2 NLO 크리스탈(236) 대신에 또는 추가하여 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, (도시되지 않은) 액추에이터는 비점수차 보상을 조정하기 위해 원통형 미러의 곡률을 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, (도시되지 않은) 액추에이터는 비점수차를 보상하기 위해 구면 미러의 한 방향의 곡률을 변경할 수 있다. 당업자는 순환하는 광을 원형 또는 타원형의 초점으로 집속할뿐만 아니라 비점수차를 보정하기 위해 미러 곡률을 선택하는 방법을 이해할 것이다.
당업자는 다른 비점수차 제어 장치 및 방법이 상술한 것에 대체될 수 있고, 본 발명의 범위 내에 있을 것이라는 것을 이해할 것이다.
일부 바람직한 실시예에서, 적어도 NLO 크리스탈(235)의 동작 온도는 비점수차를 최소화하도록 제어된다. CLBO의 경우, 이것은 저온, 바람직하게는 약 100℃ 미만, 또는 일부 실시예에서는, 약 50℃ 미만, 또는 약 30℃ 미만에서 NLO 크리스탈(235)을 동작시킨다는 것을 의미한다. CLBO와, 집속된 광에 의한 야기된 일부 다른 NLO 크리스탈 물질의 지수의 변화는 고온에서보다 저온에서 더 적다.
실질적으로 100℃ 미만의 온도에서 NLO 크리스탈(235)을 동작시키기 위해, 일 실시예에서, (구성 미러 및 NLO 크리스탈을 포함하는) 제4 고조파 생성기(202B)는 보호된 저습 환경에 포함될 수 있다. 이러한 환경은 습기가 NLO 크리스탈(235) 및 NLO 크리스탈(236)에 의해 흡수되는 것을 방지할 수 있다. 습기는 특히 DUV 파장을 생성할 때 대부분의 NLO 크리스탈 물질의 성능 및 수명을 저하시킨다. 따라서, NLO 크리스탈(235 및 236)은 거의 유사한 양의 비점수차가 각 크리스탈에 생성되도록 거의 동일한 온도로 유지되어야 한다.
일부 실시예에서, DUV CW 레이저(200)는 평행한 표면을 가진 2개의 경사 박판(245)을 포함할 수 있다. 광 경로에 배치된 단일 경사 박판은 비점수차를 도입하고, 또한 광 빔을 변위시킨다. 그러나, 동일하지만 반대로 경사진 2개의 판(245)은 거의 평행한 축이 되고, 빔을 변위시키지 않고 비점수차를 도입한다. 따라서, 제2 NLO 크리스탈(236)이 이용되지 않거나 제2 NLO 크리스탈(236)에 의해 보정(또는 과보정)되지 않은 임의의 잔여 비점수차를 보정할 수 있을 때 경사진 판(245)은 제1 NLO 크리스탈(235)에 의해 도입된 비점수차를 실질적으로 보정하도록 조정될 수 있다. 따라서, 경사진 판(245)은 제2 NLO 크리스탈(236) 대신에 또는 추가하여 이용될 수 있다.
일 실시예에서, (적어도 제1 NLO 크리스탈(235)에 대한) 브루스터 절단 NLO 크리스탈은 2개의 경사진 판(245)에 이용된다. NLO 크리스탈의 어느 하나의 표면에서 가시광의 반사가 최소이도록 NLO 크리스털의 입력 및 출력 표면은 입력 광이 표면에 대해 실질적으로 p 편광되는 입력 광의 편광에 따른 브루스터 각도에 근접하여 입사하도록 절단된다.
일부 실시예에서, 경사진 판(245)는 레이저의 동작 동안 미리정해진 경사각으로 고정되어 있다. 다른 실시예에서, 경사각은 제1 NLO 크리스탈(235)에 의해 야기되는 가역 비점수차를 보상하기 위해 조정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제4 고조파 생성기(202B)에서의 비점수차는 실질적으로 비점수차를 취소하도록 경사진 판(245)을 조정하는 신호를 생성시키는 (도시되지 않은) 센서에 의해 모니터링된다.
일 실시예에서, 제2 공동부의 DUV 출력은 (도 2에 도시된 바와 같은) 빔 스플리터(237), 또는 미러(133) 상의 적절한 코팅에 의해 광(201)으로부터 분리될 수 있다. DUV 및 가시광이 실질적으로 서로에 직교 편광을 갖기 때문에, 빔 스플리터(237)는, 예를 들어, 광(201)에 대한 브루스터 각도로 지향되는 것과 같은 편광 빔 스플리터일 수 있다. 대안적으로, 빔 스플리터(237)는 가시 파장을 전송하면서 우선적으로 DUV 파장을 반사시키는 코팅을 가질 수 있다.
도 5-12는 상술한 개선된 DUV CW 레이저(또한 시스템 레벨에서 조명 또는 광원이라 함)를 포함할 수 있는 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 포토마스크, 레티클 또는 웨이퍼 검사 응용에 이용될 수 있다.
도 5는 기판(512)의 표면을 검사하기 위한 예시적인 광학 검사 시스템(500)을 도시한다. 시스템(500)은 일반적으로 제1 광학 장치(551) 및 제2 광학 장치(557)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 광학 장치(551)는 적어도 광원(552), 검사 광학계(554), 및 기준 광학계(556)를 포함하지만, 제2 광학 장치(557)는 적어도 송신된 광 광학계(558), 송신된 광 검출기(560)는, 반사된 광 광학계(562), 및 반사된 광 검출기(564)를 포함한다. 하나의 바람직한 구성에서, 광원(552)은 상술한 개선된 DUV CW 조명 소스를 포함한다.
광원(552)은 광 빔의 편향 및 집속을 위해 배치되는 음향 광학 장치(570)를 통과하는 광 빔을 방출하도록 구성된다. 음향 광학 장치(570)는 한쌍의 음향 광학 요소, 예를 들어, 음향 광학 예비 스캐너와 음향 광학 스캐너를 포함할 수 있으며, 이는 Y 방향으로 광 빔을 편향시켜, Z 방향으로 집속시킨다. 예로서, 대부분의 음향 광학 장치는 RF 신호를 석영 또는 Te02와 같은 크리스탈로 송신함으로써 동작한다. 이러한 RF 신호는 음파가 크리스탈을 통해 진행하도록 한다. 진행(travelling) 음파 때문에, 크리스탈은 비대칭이 되어, 굴절률이 크리스탈 전부를 변화시키도록 한다. 이러한 변화는 입사 빔이 진동 방식으로 편향되는 집속된 진행 스폿을 형성하도록 한다.
광 빔이 음향 광학 장치(570)로부터 나올 때, 그것은 한쌍의 1/4 파장 판(572) 및 릴레이 렌즈(574)를 통과한다. 릴레이 렌즈(574)는 광빔을 시준하도록 배치된다. 그 후, 시준된(collimated) 광 빔은 회절 격자(576)에 도달할 때까지 경로 상에서 계속한다. 회절 격자(576)는 광 빔을 플레어(flare)하고, 특히 서로 공간적으로 구별할 수 있는(즉 공간적으로 별개의) 3개의 별개의 빔으로 광 빔을 분리하기 위해 배치된다. 대부분의 경우에, 공간적으로 별개의 빔은 또한 동일하게 이격되도록 배치되고, 실질적으로 동일한 광 강도를 갖는다.
회절 격자(576)를 이탈하면, 3개의 빔은 개구(580)를 통과하여, 빔 스플리터 큐브(582)에 도달할 때까지 계속한다. (1/4 파장 판(572)과 함께) 빔 스플리터 큐브(582)는 빔을 2개의 경로, 즉 (도 5에 도시된 구성에서) 하향으로 지향된 하나의 경로와 우측으로 지향된 다른 하나의 경로로 분할하도록 배치된다. 하향으로 지향된 경로는 빔의 제1 광 부분을 기판(512)으로 분배하는데 이용되는 반면에, 우측으로 지향된 경로는 빔의 제2 광 부분을 기준 광학계(556)로 분배하는데 이용된다. 대부분의 실시예에서, 백분율 비율이 각 광학 검사 시스템의 특정 설계에 따라 달라질 수 있지만, 광의 대부분은 기판(512)으로 분배되고, 광의 작은 백분율은 기준 광학계(556)로 분배된다. 일 실시예에서, 기준 광학계(556)는 기준 수집 렌즈(514) 및 기준 검출기(516)를 포함할 수 있다. 기준 수집 렌즈(514)는 빔의 부분을 수집하여 광의 강도를 측정하도록 배치되는 기준 검출기(516)에 지향시키도록 배치된다. 기준 광학계는 일반적으로 본 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 간결함을 위해 상세하게 논의되지 않을 것이다.
빔 스플리터(582)로부터 하향으로 지향되는 3개의 빔은 광을 재지향시키고 확장하는 여러 렌즈 요소를 포함하는 망원경(588)에 의해 수신된다. 일 실시예에서, 망원경(588)은 터릿(turret) 상에서 회전하는 복수의 망원경을 포함하는 망원경 시스템의 부분이다. 예를 들어, 3개의 망원경이 이용될 수 있다. 이러한 망원경의 목적은 기판상의 스캐닝 스폿의 치수를 변경하여, 최소 검출 가능한 결함의 치수를 선택할 수 있도록 하는 것이다. 특히, 망원경의 각각은 일반적으로 상이한 픽셀 치수를 나타낸다. 이와 같이, 하나의 망원경은 검사를 더 빠르고 덜 민감하게 하는 더욱 큰 스폿 치수(예를 들어, 낮은 해상도)를 생성할 수 있지만, 다른 망원경은 검사를 더 느리고 더욱 민감하게 하는 더욱 작은 스폿 치수(예를 들어, 높은 해상도)를 생성할 수 있다.
망원경(588)에서, 3개의 빔은 빔을 빔을 기판(512)의 표면상에 집속하기 위해 배치되는 대물 렌즈(590)를 통과한다. 빔이 3개의 별개의 스폿으로서 표면을 교차하는 바와 같이, 반사된 광 빔 및 투과된 광 빔 모두가 생성될 수 있다. 투과된 광 빔은 기판(512)을 통해 통과할 수 있지만, 반사된 광 빔은 표면을 반사시킨다. 예로서, 반사된 광 빔은 기판의 불투명한 표면을 반사시킬 수 있고, 투과된 광 빔은 기판의 투명한 영역을 투과시킬 수 있다. 투과된 광 빔은 투과된 광 광학계(558)에 의해 수집되고, 반사된 광 빔은 반사된 광 광학계(562)에 의해 수집된다.
투과된 광 광학계(558)에 관해서, 투과된 광 빔은, 기판(512)을 통과한 후, 제1 투과된 렌즈(596)에 의해 수집되고, 구면 수차 보정기(aberration corrector) 렌즈(598)의 도움으로 투과된 프리즘(510) 상에 집속된다. 프리즘(510)은 투과된 광 빔을 재위치하고 벤딩(bending)하기 위해 배치되는 투과된 광 빔의 각각에 대한 패싯(facet)을 갖도록 구성될 수 있다. 대부분의 경우에, 프리즘(510)은 각각 (3개의 별개의 검출기를 갖는 것으로 도시되는) 투과된 광 검출기 장치(560)에서의 하나의 검출기에 떨어지도록 빔을 분리하는데 이용된다. 따라서, 빔이 프리즘(510)을 떠날 때, 빔은 분리된 빔의 각각을 3개의 검출기 중 하나로 개별적으로 집속하는 제2 투과된 렌즈(502)를 통과하며, 검출기의 각각은 투과된 광의 강도를 측정하기 위해 배치된다.
반사된 광 광학계(562)에 관해서, 기판(512)의 반사 후에 반사된 광 빔은 빔을 망원경(588)으로 지향시키는 대물 렌즈(590)에 의해 수집된다. 망원경(588)에 도달하기 전에, 빔은 또한 1/4 파장 판(504)을 통과한다. 대체적으로, 대물 렌즈(590) 및 망원경(588)은 입사 빔이 조작되는 방법과 관련하여 광학적으로 역전되는 방식으로 수집된 빔을 조작한다. 즉, 대물 렌즈(590)는 빔을 재시준하고, 망원경(888)은 치수를 감소시킨다. 빔이 망원경(588)을 떠나면, 빔은 빔 스플리터 큐브(582)에 도달할 때까지 (후향으로) 계속한다. 빔 스플리터(582)는 빔을 중앙 경로(506) 상으로 지향시키기 위해 1/4 파장 판(504)와 함께 작동하도록 구성된다.
그 다음, 경로(506) 상에서 계속하는 빔은 반사된 광 빔의 각각에 대한 패싯을 포함하는 반사된 프리즘(509) 상으로 각 빔을 집속하는 제1 반사된 렌즈(508)에 의해 수집된다. 반사된 프리즘(509)은 반사된 광 빔을 재위치하고 벤딩하기 위해 배치된다. 투과된 프리즘(510)과 유사하게, 반사된 프리즘(509)은 각각 반사된 광 검출기 장치(564)에서의 하나의 검출기에 떨어지도록 빔을 분리하는데 이용된다. 도시된 바와 같이, 반사된 광 검출기 장치(564)는 개별적으로 3개의 별개의 검출기를 포함한다. 빔이 반사된 프리즘(509)을 떠날 때, 빔은 분리된 빔의 각각을 이러한 검출기 중 하나로 개별적으로 집속하는 제2 반사된 렌즈(511)를 통과하며, 이러한 검출기의 각각은 반사된 광의 강도를 측정하기 위해 배치된다.
상술한 광학 어셈블리에 의해 용이하게 될 수 있는 다수의 검사 모드가 있다. 예로서, 광학 어셈블리는 투과된 광 검사 모드, 반사된 광 검사 모드, 및 동시 검사 모드를 용이하게 할 수 있다. 투과된 광 검사 모드에 관해서, 투과 모드 검출은 전형적으로 투명한 영역과 불투명한 영역을 갖는 종래의 광학 마스크와 같은 기판상의 결함 검출을 위해 이용된다. 광 빔이 마스크(또는 기판(512))를 스캐닝할 때, 광은 투명한 지점에서의 마스크를 관통하고, 투과된 광 검출기(560)에 의해 검출되며, 이러한 투과된 광 검출기(560)는 마스크 뒤에 위치되고, 제1 투과된 렌즈(596), 제2 투과된 렌즈(502), 구면 수차 렌즈(598) 및 프리즘(510)을 포함하는 투과된 광 광학계(558)에 의해 수집된 광 빔의 각각의 강도를 측정한다.
반사된 광 검사 모드에 관해서, 반사된 광 검사는 크롬의 형태의 이미지 정보, 현상된 포토레지스트 또는 다른 특징을 포함하는 투명 또는 불투명한 기판 상에 수행될 수 있다. 기판(512)에 의해 반사된 광은 검사 광학계(554)와 동일한 광학 경로를 따라 뒤쪽으로 통과하지만, 편광 빔 스플리터(582)에 의해 검출기(564)로 전환된다. 특히, 제1 반사된 렌즈(508), 프리즘(509) 및 제2 반사된 렌즈(511)는 전환된 광 빔으로부터의 광을 검출기(564)로 투사한다. 반사된 광 검사는 또한 불투명 기판 표면의 상부의 오염을 검출하는데 이용될 수 있다.
동시 검사 모드에 관해서, 투과된 광 및 반사된 광 모두는 결함의 존재 및/또는 타입을 결정하는데 이용된다. 시스템의 두 측정된 값은 투과된 광 검출기(860)에 의해 감지되는 바와 같이 기판(512)을 통해 투과되는 광 빔의 강도와, 반사된 광 검출기(564)에 의해 검출되는 바와 같은 반사된 광 빔의 강도이다. 그 다음, 이러한 두 측정된 값은 있다면 기판(512) 상의 대응하는 지점에 있는 결함의 타입을 결정하도록 처리될 수 있다.
특히, 동시에 투과 및 반사된 검출은 투과된 검출기에 의해 감지된 불투명한 결함의 존재를 개시할 수 있지만, 반사된 검출기의 출력은 결함의 타입을 개시하는데 이용될 수 있다. 일례로서, 크롬 도트 또는 기판상의 입자 중 어느 하나는 투과 검출기로부터 낮은 투과된 광 표시를 생설할 수 있지만, 반사 크롬 결함은 높은 반사된 광 표시를 생성할 수 있고, 입자는 동일한 반사된 광 검출기로부터 더욱 낮은 반사된 광 표시를 생성할 수 있다. 따라서, 반사 또는 투과된 검출 모두를 이용함으로써, 결함의 반사 또는 투과된 특성만이 조사된 경우에 수행될 수 없는 크롬 기하학적 형상의 최상부에 입자를 위치시킬 수 있다. 게다가, 반사 또는 투과된 광 강도의 비율과 같은 결함의 특정 타입에 대한 서명(signature)을 결정할 수 있다. 그 후, 이러한 정보는 결함을 자동으로 분류하는데 이용될 수 있다. 1996년 10월 8일에 허여되고, 본 명세서에 참고로 통합되는 미국 특허 제5,563,702호는 시스템(500)에 관한 추가적인 세부 사항을 설명한다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 레이저 시스템을 포함하는 검사 시스템은 단일 검출기 상에서 2개의 데이터 채널을 동시에 검출할 수 있다. 이러한 검사 시스템은 레티클, 포토마스크 또는 웨이퍼와 같은 기판을 검사하는데 이용될 수 있고, Brown 등에 의해 2009년 5월 5일에 허여되고, 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제7,528,943호에 설명된 바와 같이 동작할 수 있다.
도 6은 하나의 센서(670) 상에서 이미지 또는 신호의 2개의 채널을 동시에 검출하는 레티클, 포토마스크 또는 웨이퍼 검사 시스템(600)을 도시한다. 조명 소스(609)는 본 명세서에 설명되는 바와 같이 개선된 DUV CW 레이저를 포함하고, 코히어런스 저감 방식(coherence reducing scheme)을 더 포함할 수 있다. 두 채널은 피검사체(630)가 (예를 들어, 레티클 또는 포토마스크) 투명할 때 반사 및 투과된 강도를 포함할 수 있거나, 입사각, 편광 상태, 파장 범위 또는 이들의 일부 조합과 같은 2개의 상이한 조명 모드를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 조명 릴레이 광학계(615 및 620)는 소스(609)로부터의 조명을 피검사체(630)로 릴레이한다. 피검사체(630)는 레티클, 포토마스크, 반도체 웨이퍼 또는 검사될 다른 레티클일 수 있다. 이미지 릴레이 광학계(640, 655 및 660)는 피검사체(630)에 의해 반사 및/또는 투과되는 광을 센서(670)로 릴레이한다. 두 채널에 대해 검출된 신호 또는 이미지에 대응하는 데이터는 데이터(680)로서 도시되고, 처리를 위해 (도시되지 않은) 컴퓨터로 전송된다.
도 7은 다중 목표(multiple objectives) 및 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나를 포함하는 예시적인 검사 시스템(700)을 도시한다. 시스템(700)에서, 본 명세서에 설명된 UV 레이저 중 하나를 포함하는 레이저(701)로부터의 조명은 조명 서브시스템의 다수의 섹션으로 전송된다. 조명 서브시스템의 제1 섹션은 요소(702a 내지 706a)를 포함한다. 렌즈(702a)는 레이저(701)로부터 광을 집속한다. 그 다음, 렌즈(702a)로부터의 광은 미러(703a)로부터 반사한다. 미러(703a)는 예시를 위해 이러한 위치에 배치되고, 다른 곳에 위치될 수 있다. 그 후, 미러(703a)로부터의 광은 조명 동공면(illumination pupil plane)(705a)을 형성하는 렌즈(704a)에 의해 수집된다. 광을 수정하기 위한 개구, 필터 또는 다른 장치는 검사 모드의 요구 사항에 따라 동공면(705a)에 배치될 수 있다. 그 후, 동공면(705a)으로부터의 광은 렌즈(706a)를 통과하여 조명 시야면(illumination field plane)(707)을 형성한다.
조명 서브시스템의 제2 섹션은 요소(702b 내지 706b)를 포함한다. 렌즈(702b)는 레이저(701)로부터 광을 집속한다. 그 다음, 렌즈(702b)로부터의 광은 미러(703b)로부터 반사한다. 그 다음, 미러(703b)로부터의 광은 조명 동공면(705b)을 형성하는 렌즈(704b)에 의해 수집된다. 광을 수정하기 위한 개구, 필터 또는 다른 장치는 검사 모드의 요구 사항에 따라 동공면(705b)에 배치될 수 있다. 그 후, 동공면(705b)으로부터의 광은 렌즈(706b)를 통과하여 조명 시야면(707)을 형성한다. 그 다음, 제2 섹션으로부터의 광은 조명 시야면(707)에서의 조명 시야의 광 에너지가 결합된 조명 섹션으로 구성되도록 미러 또는 반사 표면에 의해 재지향된다.
그 다음, 시야면의 광은 빔스플리터(710)를 반사시키기 전에 렌즈(709)에 의해 수집된다. 렌즈(706a 및 709)는 대물 동공면(711)에 제1 조명 동공면(1005a)의 이미지를 형성한다. 마찬가지로, 렌즈(706b 및 709)는 대물 동공면(711)에 제2 조명 동공면(705b)의 이미지를 형성한다. 그 다음, 대물 렌즈(712)(또는 대안적으로 713)는 동공 광을 받고, 샘플(714)에서 조명 시야(707)의 이미지를 형성한다. 대물 렌즈(712) 또는 대물 렌즈(713)는 샘플(714)에 근접하여 배치될 수 있다. 샘플(714)은 샘플을 원하는 위치에 배치하는 (도시되지 않은) 스테이지를 이동시킬 수 있다. 샘플(714)에서 반사되고 산란되는 광은 높은 NA 반사 굴절 대물 렌즈(712) 또는 대물 렌즈(713)에 의해 수집된다. 대물 동공면(711)에 반사된 광 동공을 형성한 후, 광 에너지는 이미징 서브시스템 내에 내부 시야(716)를 형성하기 전에 빔스플리터(710)와 렌즈(715)를 통과시킨다. 이러한 내부 이미징 시야는 샘플(714) 및 이에 대응하는 조명 시야(707)의 이미지이다. 이러한 시야는 조명 시야에 대응하는 다수의 시야로 공간적으로 분리될 수 있다. 이러한 시야의 각각은 별도의 이미징 모드를 지원할 수 있다.
이러한 시야 중 하나는 미러(717)를 이용하여 재지향될 수 있다. 그 다음, 재지향된 광은 다른 이미징 동공(719b)을 형성하기 전에 렌즈(718b)를 통과한다. 이러한 이미징 동공은 동공(711) 및 이에 대응하는 조명 동공(705b)의 이미지이다. 광을 수정하기 위한 개구, 필터 또는 다른 장치는 검사 모드의 요구 사항에 따라 동공면(719b)에 배치될 수 있다. 그 후, 동공면(719b)으로부터의 광은 렌즈(720b)를 통과하여 센서(721b)에 이미지를 형성한다. 유사한 방식으로, 미러 또는 반사 표면(717)에 의해 통과하는 광은 렌즈(718a)에 의해 수집되고, 이미징 동공(719a)을 형성한다. 그 다음, 이미징 동공(719a)으로부터의 광은 검출기(721a)에 이미지를 형성하기 전에 렌즈(720a)에 의해 수집된다. 검출기(721a) 상에 이미징된 광은 센서(721b) 상에 이미징된 광과 상이한 이미징 모드에 이용될 수 있다.
시스템(700)에서 이용되는 조명 서브시스템은 레이저 소스(701), 수집 광학계(702-704), 동공면(705)에 근접하여 배치된 빔 성형 구성 요소, 및 릴레이 광학계(706 및 709)로 구성된다. 내부 시야면(707)은 렌즈(706 및 709) 사이에 위치된다. 바람직한 일 구성에서, 레이저(701)는 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나를 포함할 수 있다.
레이저(701)에 대하여, 두 투과 포인트 또는 각도를 가진 하나의 균일한 블록으로 도시되지만, 실제로 이것은, 두 조명 채널, 예를 들어 요소(702a-706a)를 통과하는 제1 주파수에서의 레이저 광 에너지와 같은 광 에너지의 제1 채널, 및 요소(702b-706b)를 통과하는 제2 주파수에서의 레이저 광 에너지와 같은 광 에너지의 제2 채널을 제공할 수 있는 레이저 소스를 나타낸다. 하나의 채널에서의 밝은 시야 에너지 및 다른 채널에서의 어두운 시야 모드와 같은 상이한 광 에너지 모드가 사용될 수 있다.
레이저 소스(701)로부터의 광 에너지가 90° 떨어져 방출되는 것으로 도시되고, 요소(702a-706a 및 702b-706b)는 90도 각도로 지향되지만, 실제로 광은 반드시 두 치수인 것은 아닌 여러 방향으로 방출될 수 있고, 구성 요소는 도시된 바와 같이 서로 다른 방식으로 지향될 수 있다. 따라서, 도 7은 사용된 구성 요소를 단순히 나타내고, 도시된 각도 또는 거리는 확장하지 않고 특히 설계에 필요한 것도 아니다.
동공면(705) 근방에 배치된 요소는 개구 형상의 개념을 이용하는 현재의 시스템에 사용될 수 있다. 이러한 설계를 이용하여, 균일한 조명 또는 거의 균일한 조명뿐만 아니라 개별 포인트 조명, 링 조명, 사극자(quadrapole) 조명, 또는 다른 바람직한 패턴이 실현될 수 있다.
대물 렌즈에 대한 다양한 구현이 일반적인 이미징 서브시스템에 사용될 수 있다. 하나의 고정된 대물 렌즈가 이용될 수 있다. 하나의 대물 렌즈는 모두 원하는 이미징 및 검사 모드를 지원할 수 있다. 이러한 설계는 이미징 시스템이 비교적 큰 시야 치수 및 비교적 높은 개구수를 지원하는 경우에 달성할 수 있다. 개구수는 동공면(705a, 705b, 719a 및 719b)에 배치된 내부 개구를 이용함으로써 원하는 값으로 감소될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 대물 렌즈가 또한 이용될 수 있다. 예를 들면, 두 대물 렌즈(712 및 713)가 도시되어 있지만, 임의의 수가 가능하다. 이러한 설계의 각 대물 렌즈는 레이저(701)에 의해 생성된 각각의 파장에 대해 최적화될 수 있다. 이러한 대물 렌즈(712 및 713)는 고정된 위치를 가질 수 있거나 샘플(714) 근방의 위치로 이동될 수 있다. 다수의 대물 렌즈를 샘플 근방으로 이동하기 위해, 회전 터릿(rotary turret)은 표준 현미경에 공통적으로 이용될 수 있다. 대물 렌즈를 샘플 근방으로 이동하기 위한 다른 설계가 이용 가능하며, 이는 스테이지 상에서 대물 렌즈를 횡방향으로 변환하고, 고니오미터(goniometer)를 이용하여 아크 상에서 대물 렌즈를 변환하는 것을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 게다가, 터릿 상에서 고정된 대물 렌즈 및 다수의 대물 렌즈의 임의의 조합은 본 시스템에 따라 달성될 수 있다.
이러한 구성의 최대 개구수는 0.97에 근접하거나 초과할 수 있지만, 어떤 경우에는 더 높을 수 있다. 이러한 높은 NA 반사 굴절(catadioptric) 이미징 시스템으로 가능하고, 큰 시야 치수와 조합되는 광범위한 조명 및 수집 각도는 시스템이 다수의 검사 모드를 동시에 지원하도록 한다. 이전의 단락에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 이미징 모드는 조명 장치와 관련하여 단일 광학 시스템 또는 기계를 이용하여 구현될 수 있다. 조명 및 수집을 위해 개시된 높은 NA는 동일한 광학 시스템을 이용하여 이미징 모드의 구현을 허용함으로써 상이한 타입의 결함 또는 샘플에 대한 이미징의 최적화를 허용한다.
이미징 서브시스템은 또한 중간 이미지 형성 광학계(715)를 포함한다. 이미지 형성 광학계(715)의 목적은 샘플(714)의 내부 이미지(716)를 형성하기 위한 것이다. 이러한 내부 이미지(716)에서, 미러(717)는 검사 모드 중 하나에 대응하는 광을 재지향하도록 배치될 수 있다. 이미징 모드에 대한 광이 공간적으로 분리되기 때문에, 이러한 위치에서 광을 재지향시킬 수 있다. 이미지 형성 광학계(718(718a 및 718b) 및 720(720a 및 720b))는 가변 초점 줌, 집속 광학계를 가진 다수의 이미지 무한 초점 튜브(afocal tube) 렌즈, 또는 다수의 이미지 형성 매그(mag) 튜브를 포함하는 여러 상이한 형태로 구현될 수 있다. 2009년 7월 16일에 공개되고, 본 명세서에서 참고로 통합되는 미국 공개 출원 제2009/0180176호는 시스템(700)에 관한 추가적인 상세 사항을 설명한다.
도 8은 조정 가능한 배율을 가진 예시적인 초 광대역 UV 현미경 이미징 시스템(800)을 도시한다. 도 8은 현미경의 3개의 상이한 배율: 801A로서 도시된 바와 같이 구성된 광학계의 36X, 801B로서 도시된 바와 같이 구성된 광학계의 64X, 및 801C로서 도시된 바와 같이 구성된 광학계의 80X를 도시한다. 801C에 도시된 바와 같이, 광학계는 반사 굴절 대물 렌즈 섹션(802) 및 줌 튜브 렌즈(803)를 포함한다. 반사 굴절 대물 렌즈 섹션(802)은 반사 굴절 렌즈 그룹(804), 시야 렌즈 그룹(805), 및 집속 렌즈 그룹(806)을 포함한다. 시스템(800)은 이미지 평면(812)에 대한 물체/샘플(809)(예를 들어 검사되는 웨이퍼)을 이미징할 수 있다.
반사 굴절 렌즈 그룹(804)은 (반사적 코팅된 렌즈 요소인) 거의 평면(또는 완전 평면) 반사기, (굴절 표면인) 메니스커스 렌즈, 및 오목 구면 반사기를 포함한다. 중간 이미지 평면으로부터의 광이 오목 구면 반사기를 통과하고, 거의 평면(또는 완전 평면) 반사기에 의해 오목 구면 반사기로 반사되며, 거의 평면(또는 완전 평면) 반사기를 다시 통과하여 도중에 관련된 렌즈 요소를 횡단하도록 하기 위해 두 반사 요소는 반사 물질 없이 중앙 광학적 개구를 가질 수 있다. 반사 굴절 렌즈 그룹(804)은 줌 튜브 렌즈(803)와 조합하여 시스템의 기본 길이 색상(primary longitudinal color)이 실질적으로 파장 대역에 걸쳐 보정되도록 중간 이미지의 실제이미지를 형성하기 위해 배치된다.
시야 렌즈 그룹(805)은 용융 실리카 및 불화 유리, 또는 회절면과 같은 둘 이상의 서로 다른 굴절 물질로 제조될 수 있다. 시야 렌즈 그룹(805)은 서로 광학적으로 결합될 수 있거나 대안적으로 공중에서 약간 떨어져 이격될 수 있다. 용융 실리카 및 불화 유리가 원자외선 범위에서 분산 시에 실질적으로 차이가 없기 때문에, 시야 렌즈 그룹의 여러 구성 요소의 개별적인 힘은 서로 다른 분산을 제공하기 위해 높은 치수를 가질 필요가 있다. 시야 렌즈 그룹(805)은 중간 이미지에 가장 가까운 광학 경로를 따라 정렬된 순 긍정적인 힘을 갖는다. 이러한 색지움 시야 렌즈의 이용은 매우 넓은 스펙트럼 범위에 걸친 기본 및 보조 측면 색상뿐만 아니라 적어도 보조 길이 색상을 포함하는 색 수차의 완전한 보정을 허용한다. 일 실시예에서, 하나의 시야 렌즈 구성 요소만이 시스템의 다른 렌즈와 상이한 굴절 물질의 구성 요소일 필요가 있다.
집속 렌즈 그룹(806)은 바람직하게는 모두 단일 타입의 물질로부터 형성되는 다수의 렌즈 요소를 포함하며, 이러한 요소는 단색 수차와 수차의 색 변동 모두를 보정하고, 광을 중간 이미지에 집속하도록 선택된 곡률 및 위치를 갖는 굴절 표면을 갖는다. 렌즈 그룹(806)을 집속하는 일 실시예에서, 낮은 전력과 렌즈(813)의 조합은 구면 수차, 코마, 및 비점수차의 색 변동을 보정한다. 빔 스플리터(807)는 UV 광원(808)을 위한 입구를 제공한다. UV 광원(808)은 바람직하게는 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나에 의해 구현될 수 있다.
줌 튜브 렌즈(803)는 모두 용융 실리카와 같이 동일한 굴절 물질일 수 있고, 기본 길이 및 기본 측면 색상이 줌 동안 변화하지 않도록 설계된다. 이러한 기본 색수차는 0으로 보정될 필요가 없고, 하나의 유리 타입만이 이용되는 경우일 수 없지만, 가능한 고정적일 필요가 있다. 그 다음, 반사 굴절 대물 렌즈 섹션(802)의 설계는 줌 튜브 렌즈(803)의 이들 보정되지 않지만 고정적인 색수차를 보상하도록 수정되어야 한다. 고차 색수차의 변화없이 배율을 줌하거나 변화시킬 수 있는 줌 튜브 렌즈(803)는 시스템의 광학 경로를 따라 배치된 렌즈면을 포함한다.
바람직한 일 실시예에서, 줌 튜브 렌즈(803)는 먼저 (용융 실리카 및 불화 칼슘과 같은) 2개의 굴절 물질을 이용한 반사 굴절 대물 렌즈 섹션(802)과 무관하게 보정된다. 그 다음, 줌 튜브 렌즈(803)는 반사 굴절 대물 렌즈 섹션(802)과 조합되며, 이 때에 반사 굴절 대물 렌즈 섹션(802)은 시스템(800)의 잔류 고차 색수차를 보상하도록 수정될 수 있다. 이러한 보상은 시야 렌즈 그룹(805) 및 저전력 렌즈 그룹(813) 때문에 가능하다. 그 후, 조합된 시스템은 최상의 성능을 달성하기 위해 변화되 모든 파라미터로 최적화된다.
시스템(800)은 36X에서 100X까지 줌을 허용하는 선형 줌 움직임을 제공하기 위한 폴딩(folding) 미러 그룹(811)을 포함한다. 폴딩 미러 그룹의 3개의 상이한 위치는 3개의 상이한 배율 36X, 64X 및 80X에 대응하는 것으로 도시된다. 넓은 범위의 줌은 연속 배율 변경을 제공하는 반면에, 미세한 줌은 반복 이미지 어레이를 위한 셀 간 감산(cell-to-cell subtraction)과 같이 에일리어싱(aliasing)을 감소시키고, 전자 이미지 처리를 허용한다. 폴딩 미러 그룹(811)은 반사 요소의 "트롬본(trombone)" 시스템으로 특징으로 한다. 유닛으로서 줌 튜브 렌즈(803)의 그룹을 이동시키고, 또한 도 8에 도시된 바와 같이 트롬본 슬라이드의 아암을 이동시킴으로써 줌은 수행된다. 트롬본 움직임만이 집속에 영향을 주고, 이의 위치에서의 f# 속도가 매우 느리기 때문에, 이러한 움직임의 정확도는 매우 느슨할 수 있다. 이러한 트롬본 구성의 하나의 장점은 시스템을 상당히 단축한다는 것이다. 다른 장점은 능동적(평평하지 않은) 광학 요소를 포함하는 단지 하나의 줌 움직임이 있다는 것이다. 트롬본 슬라이드에 의한 다른 줌 움직임은 오류에 민감하다. 1999년 12월 7일에 허여되고, 본 명세서에서 참고로 통합되는 미국 특허 제5,999,310호는 시스템(800)을 더욱 상세히 설명한다.
도 9는 반사 굴절 이미징 시스템(900)에 대한 보통의 입사 레이저 조명(암시야 또는 명시야)의 추가를 도시한다. 시스템(900)의 조명 블록은 레이저(901), 검사되는 표면 상의 조명 빔의 치수 및 프로파일을 제어하기 위한 적응 광학계(902), 기계적 하우징(904)에서의 개구 및 윈도우(903), 및 샘플(908)의 표면에 대한 법선(normal) 입사에서의 광학 축을 따라 레이저를 재지향시키기 위한 프리즘(905)을 포함한다. 프리즘(905)은 또한 샘플(908)의 표면 특징(surface features)으로부터의 정반사(specular reflection)와, 광학 경로를 따른 대물 렌즈(906)의 광학 표면으로부터의 반사를 이미지 면(909)으로 지향시킨다. 대물 렌즈(906)용 렌즈는 반사 굴절 대물 렌즈, 집속 렌즈 그룹, 및 줌 튜브 렌즈 섹션의 일반적인 형태로 제공될 수 있다(예를 들어 도 8 참조). 바람직한 실시예에서, 레이저(901)는 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나에 의해 구현될 수 있다. 2007년 1월 4일에 공개되고, 본 명세서에서 참고로 통합되는 공개 특허 출원 제2007/0002465호는 시스템(900)을 더욱 상세히 설명한다.
도 10a는 조명 시스템(1001)과 표면(1011)의 영역을 검사하기 위한 수집 시스템(1010)을 포함하는 표면 검사 장치(1000)를 도시한다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(1020)은 렌즈(1003)를 통해 광 빔(1002)을 지향시킨다. 바람직한 실시예에서, 레이저 시스템(1020)은 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나를 포함한다. 제1 빔 정형 광학계는 레이저로부터의 빔을 수신하여, 크리스탈 내에서나 근처의 빔 웨이스트에서 빔을 타원형의 단면에 집속하도록 구성될 수 있다.
렌즈(1003)는 이의 주 평면이 실질적으로 샘플 표면(1011)과 평행하도록 지향디고, 결과적으로, 조명 라인(1005)은 렌즈(1003)의 집속면 내의 표면(1011) 상에 형성된다. 게다가, 광 빔(1002) 및 집속된 빔(1004)은 표면(1011)에 대한 비직교 입사각으로 지향된다. 특히, 광 빔(1002) 및 집속된 빔(1004)은 표면(1011)에 대한 법선 방향으로부터 약 1도와 약 85도 사이의 각도로 지향될 수 있다. 이런 방식으로, 조명 라인(1005)은 실질적으로 집속된 빔(1004)의 입사면 내에 있다.
수집 시스템(1010)은 조명 라인(1005)으로부터 산란되는 광을 수집하기 위한 렌즈(1012)와, 렌즈(1012)에서 나오는 광을 감광성(light sensitive) 검출기의 어레이를 포함하는 전하 결합 장치(CCD)(1014)와 같은 장치로 집속하기 위한 렌즈(1013)를 포함한다. 일 실시예에서, CCD(1014)는 검출기의 선형 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, CCD(1014) 내의 검출기의 선형 어레이는 조명 라인(1015)과 평행하게 지향될 수 있다. 일 실시예에서, 다수의 수집 시스템이 포함될 수 있고, 수집 시스템의 각각은 유사한 구성 요소를 포함하지만, 방향이 다르다.
예를 들어, 도 10b는 표면 검사 장치를 위한 수집 시스템(1031, 1032 및 1033)의 예시적인 어레이를 도시한다(예를 들어 조명 시스템(1001)의 것과 유사한 조명 시스템이 간략화를 위해 도시되지 않는다). 수집 시스템(1031) 내의 제1 광학계는 샘플(1011)의 표면으로부터 제1 방향으로 산란되는 광을 수집한다. 수집 시스템(1032) 내의 제2 광학계는 샘플(1011)의 표면으로부터 제2 방향으로 산란되는 광을 수집한다. 수집 시스템(1033) 내의 제3 광학계는 샘플(1011)의 표면으로부터 제3 방향으로 산란되는 광을 수집한다. 제1, 제2 및 제3 경로는 상기 샘플(1011)의 표면에 대한 상이한 반사각에 있다는 것을 주목한다. 샘플(1011)을 지원하는 플랫폼(1035)은 샘플(1011)의 전체 표면이 스캐닝될 수 있도록 광학계와 샘플(1011) 간의 상대적 움직임을 야기하는데 이용될 수 있다. 2009년 4월 28일에 허여되고, 본 명세서에서 참고로 통합되는 미국 특허 제7,525,649호는 표면 검사 장치(1000) 및 다른 다수의 수집 시스템을 더욱 상세히 설명한다.
도 11은 표면(1101)의 이상(anomaly)을 검사하기 위해 이용될 수 있는 표면 검사 시스템(1100)을 도시한다. 본 실시예에서, 표면(1101)은 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나에 의해 생성된 레이저 빔을 포함하는 레이저 시스템(1130)의 실질적 고정 조명 장치의 부분에 의해 조명될 수 있다. 레이저 시스템(1130)의 출력은 편광 광학계(1121), 빔 익스팬더 및 조리개(1122), 및 빔을 확대하고 집속하기 위한 빔 형성 광학계(1123)를 통해 연속적으로 전달될 수 있다.
그 후, 생성된 집속된 레이저 빔(1102)은 표면을 조명하기 위해 빔(1105)을 표면(1101)으로 지향시키기 위해 빔 폴딩 구성 요소(1103) 및 빔 편향기(1104)에 의해 반사된다. 바람직한 실시예에서, 다른 실시예에서 빔(1105)이 표면(1101)에 대해 사각(oblique angle)에 있을지라도 빔(1105)은 실질적으로 표면(1101)에 법선 또는 수직이다.
일 실시예에서, 빔(1105)은 표면(1101)에 실질적으로 수직 또는 법선이고, 빔 편향기(1104)는 표면(1101)으로부터 빔 회전(turning) 구성 요소(1103)으로 빔의 정반사를 반사시켜, 정반사가 검출기에 도달하는 것을 방지하기 위한 차폐물로서 작용한다. 정반사의 방향은 샘플의 표면(1101)에 법선인 라인 SR을 따른다. 일 실시예에서, 빔(1105)이 표면(1101)에 법선인 경우, 이러한 라인 SR은 조명 빔(1105)의 방향과 일치하고, 이러한 공통 기준 라인 또는 방향은 본 명세서에서 검사 시스템(1100)의 축으로 지칭된다. 빔(1105)이 표면(1101)에 대해 사각에 있는 경우, 정반사 SR의 방향은 빔(1105)의 입사 방향과 일치하지 않으며; 이러한 경우에, 법선인 표면의 방향을 나타내는 라인 SR은 검사 시스템(1100)의 수집 부분의 주축으로 지칭된다.
작은 입자에 의해 산란된 광은 미러(1106)에 의해 수집되고, 조리개(1107) 및 검출기(1108)로 지향된다. 큰 입자에 의해 산란된 광은 미러(1109)에 의해 수집되고, 조리개(1110) 및 검출기(1111)로 지향된다. 일부 큰 입자는 또한 수집되어 검출기(1108)로 지향되는 광을 산란시키고, 마찬가지로 일부 작은 입자는 또한 수집되어 검출기(1111)로 지향되는 광을 산란시키지만, 이러한 광은 각각의 검출기가 검출하기 위해 설계되는 산란된 광의 강도에 비해 비교적 작은 강도을 갖는다는 것을 주목한다. 일 실시예에서, 검출기(1111)는 감광성 요소의 어레이를 포함할 수 있고, 감광성 요소의 어레이의 각각의 감광성 요소는 조명 라인의 확대된 이미지의 대응하는 부분을 검출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 검사 시스템은 패턴화되지 않은 웨이퍼 상의 결함을 검출할 시에 이용하기 위해 구성될 수 있다. 2001년 8월 7일에 허여되고, 본 명세서에서 참고로 통합되는 미국 특허 제6,271,916호는 검사 시스템(1100)을 더욱 상세히 설명한다.
도 12는 법선 및 경사 조명 빔을 모두 이용하여 이상 검출을 구현하도록 구성된 검사 시스템(1200)을 도시한다. 이러한 구성에서, 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나를 포함하는 레이저 블록(1230)은 레이저 빔(1201)을 제공할 수 있다. 렌즈(1202)는 공간 필터(1203)를 통해 빔(1201)을 집속하고, 렌즈(1204)는 빔을 시준하여, 그것을 편광 빔 스플리터(1205)로 전달한다. 빔 스플리터(1205)는 제1 편광된 구성 요소를 법선 조명 채널로 전달하고, 제2 편광된 구성 요소를 경사 조명 채널로 전달하며, 제1 및 제2 구성 요소는 직교한다. 법선 조명 채널(1206)에서, 제1 편광된 구성 요소는 광학계(1207)에 의해 집속되고, 미러(1208)에 의해 샘플(1209)의 표면으로 반사된다. 샘플(1209)에 의해 산란된 방사선은 수집되어, 포물면 미러(1210)에 의해 광전자 증배관(1211)으로 집속된다.
경사 조명 채널(1212)에서, 제2 편광된 구성 요소는 빔 스플리터(1205)에 의해 반파장판(1214)을 통해 이러한 빔을 반사시키는 미러(1213)로 반사되고, 광학계(1215)에 의해 샘플(1209)로 집속된다. 경사 채널(1212)에서의 경사 조명 빔으로부터 발생되고, 샘플(1209)에 의해 산란되는 방사선은 또한 포물면 미러(1210)에 의해 수집되어, 광전자 증배관(1211)에 집속된다. 광전자 증배관(1211)은 핀홀 입구를 갖는다는 것을 주목한다. 핀홀 및 (표면(1209) 상의 법선 및 경사 조명 채널에서의) 조명된 스폿은 바람직하게는 포물면 미러(1210)이 초점에 있다.
포물면 미러(1210)는 샘플(1209)로부터 산란된 방사선을 시준된 빔(1216)으로 시준한다. 그 다음, 시준된 빔(1216)은 대물 렌즈(1217)에 의해 분석기(1218)를 통해 광전자 증배관(1211)으로 집속된다. 포물면 형상과 다른 형상을 가진 만곡된 미러 표면이 또한 이용될 수 있다는 것을 주목한다. 기구(1220)는 스폿이 샘플(1209)의 표면에 걸쳐 스캐닝되도록 빔과 샘플(1209) 사이에 상대적 움직임을 제공할 수 있다. 2001년 3월 13일에 허여되고, 본 명세서에서 참고로 통합되는 미국 특허 제6,201,601호는 검사 시스템(1200)을 더욱 상세히 설명한다.
다른 레티클, 포토마스크, 또는 웨이퍼 검사 시스템은 이점으로 상술한 개선된 DUV CW 레이저 중 하나를 이용할 수 있다. 예를 들면, 다른 시스템은 다음의 미국 특허: 제5,563,702호, 제5,999,310호, 제6,201,601호, 제6,271,916호, 제7,352,457호, 제7,525,649호, 및 제7,528,943호에 설명된 것을 포함한다. 또 다른 시스템은 미국 공개 공보 제2007/0002465호 및 제2009/0180176호에 설명된 것을 포함한다. 이러한 단락에서 인용된 특허, 특허 공개 공보, 특허 출원은 본 명세서에서 참고로 통합된다.
본 발명의 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에서 상세히 설명되었지만, 본 발명은 이들 정확한 실시예로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이것은 개시된 정확한 형태로 본 발명을 철저히 하거나 제한하는 것은 아니다. 이와 같이, 많은 수정 및 변형이 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구항 및 이의 등가물에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (11)

  1. 심 자외선(deep ultra-violet; DUV) 연속파(continuous wave; CW) 광을 발생시키기 위한 레이저에 있어서,
    기본 파장을 가진 광을 제2 고조파 파장을 가진 광으로 변환하도록 구성된 제2 고조파 생성기; 및
    상기 제2 고조파 파장을 가진 광을 제4 고조파 파장을 가진 광으로 변환하도록 구성된 제4 고조파 생성기
    를 포함하고,
    상기 제4 고조파 생성기는,
    상기 제4 고조파 생성기에서 광을 순환시키도록 구성된 복수의 미러;
    제1 비선형 광학(non-linear optical; NLO) 크리스탈이 상기 제2 고조파 파장을 갖는 광의 일부를 상기 제4 고조파 파장을 갖는 광으로 변환하도록 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광에 대하여 배향되는 제1 광학 축 및 제1 비점수차를 가지며, 상기 복수의 미러와 동작적으로 관련된 상기 제1 NLO 크리스탈; 및
    박판 한 쌍으로서, 각각의 상기 박판은 평행한 평면의 표면을 가지고, 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광이 상기 박판 한 쌍의 평행한 평면의 표면을 통과하도록 상기 제1 NLO 크리스탈과 동작적으로 관련하게 배치된 상기 박판 한 쌍
    을 포함하고,
    상기 박판 한 쌍은 상기 순환되는 광의 변위를 최소화하면서 상기 제1 비점수차를 보정하는 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광에 제2 비점수차를 도입하도록, 각각의 평행한 축에 대하여 실질적으로 동일하고 반대의 각도로 기울어진 배열로 상기 박판 한 쌍이 배치되고,
    상기 제1 NLO 크리스탈은 수소 어닐링된(hydrogen-annealed) 세슘 리튬 보레이트(cesium lithium borate; CLBO) 크리스탈을 포함하는 것인,
    심 자외선 연속파 광을 발생시키기 위한 레이저.
  2. 심 자외선(deep ultra-violet; DUV) 연속파(continuous wave; CW) 광을 발생시키기 위한 레이저에 있어서,
    기본 파장을 가진 광을 제2 고조파 파장을 가진 광으로 변환하도록 구성된 제2 고조파 생성기; 및
    상기 제2 고조파 파장을 가진 광을 제4 고조파 파장을 가진 광으로 변환하도록 구성된 제4 고조파 생성기
    를 포함하고,
    상기 제4 고조파 생성기는,
    상기 제4 고조파 생성기에서 광을 순환시키도록 구성된 복수의 미러;
    제1 비선형 광학(non-linear optical; NLO) 크리스탈이 상기 제2 고조파 파장을 갖는 광의 일부를 상기 제4 고조파 파장을 갖는 광으로 변환하도록 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광에 대하여 배향되는 제1 광학 축 및 제1 비점수차를 가지며, 상기 복수의 미러와 동작적으로 관련된 상기 제1 NLO 크리스탈; 및
    박판 한 쌍으로서, 각각의 상기 박판은 평행한 평면의 표면을 가지고, 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광이 상기 박판 한 쌍의 평행한 평면의 표면을 통과하도록 상기 제1 NLO 크리스탈과 동작적으로 관련하게 배치된 상기 박판 한 쌍
    을 포함하고,
    상기 박판 한 쌍은 제2 비점수차를 상기 순환되는 광의 변위를 최소화하면서 상기 제1 비점수차를 보정하는 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광에 도입하도록, 각각의 평행한 축에 대하여 실질적으로 동일하고 반대의 각도로 기울어진 배열로 상기 박판 한 쌍이 배치되고,
    상기 제4 고조파 생성기에서 광을 순환시키도록 구성된 상기 복수의 미러는, 상기 제2 고조파를 갖는 광이 제1 e-축과 실질적으로 평행한 타원의 장축을 따라, 상기 제1 NLO 크리스탈 내에서 또는 그 근처에서 실질적으로 타원형의 빔 웨이스트(beam waist)로 집속되도록 구성된 구면 미러를 포함하는 것인,
    심 자외선 연속파 광을 발생시키기 위한 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 NLO 크리스탈에 생성된 상기 제1 비점수차를 최소화하기 위해, 적어도 제1 NLO 크리스탈의 온도를 100℃ 미만으로 유지하기 위한 수단을 더 포함하는 것인,
    심 자외선 연속파 광을 발생시키기 위한 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수단은, 상기 온도를 대략 50℃ 이하로 유지하도록 구성되는 것인,
    심 자외선 연속파 광을 발생시키기 위한 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제4 고조파 생성기는, 상기 제1 NLO 크리스탈에 의해 도입된 상기 제1 비점수차를 실질적으로 취소하도록, 상기 박판 한 쌍의 실질적으로 동일하고 반대의 각도를 자동으로 조정하는 피드백 제어 루프를 또한 포함하는 것인,
    심 자외선 연속파 광을 발생시키기 위한 레이저.
  6. 웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크를 검사하기 위한 시스템에 있어서,
    심 자외선(deep ultra-violet; DUV) 연속파(continuous wave; CW) 레이저
    를 포함하고,
    상기 심 자외선 연속파 레이저는,
    기본 파장을 가진 광을 제2 고조파 파장을 가진 광으로 변환하기 위한 제2 고조파 생성기; 및
    상기 제2 고조파 파장을 가진 광을 제4 고조파 파장을 가진 광으로 변환하기 위한 제4 고조파 생성기
    를 포함하고,
    상기 제4 고조파 생성기는,
    상기 제4 고조파 생성기에서 광을 순환시키도록 구성된 복수의 미러;
    상기 제2 고조파 파장을 갖는 광의 변환된 부분을 변환함으로써 상기 제4 고조파 파장을 갖는 광을 생성하도록 구성되고, 상기 제4 고조파 생성기에서 순환하는 광이 단일 광 전파 방향에서만 제1 비선형 광학(non-linear optical; NLO) 크리스탈로 지향되도록 상기 복수의 미러와 동작적으로 관련된 상기 제1 NLO 크리스탈; 및
    박판 한 쌍으로서, 각각의 상기 박판은 평행한 평면의 표면을 가지고, 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광이 상기 박판 한 쌍의 평행한 평면의 표면을 통과하도록 상기 제1 NLO 크리스탈과 동작적으로 관련하게 배치된 상기 박판 한 쌍
    을 포함하고,
    상기 박판 한 쌍은 상기 순환되는 광의 변위를 최소화하면서 상기 제1 비점수차를 보정하는 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광에 제2 비점수차를 도입하도록, 각각의 평행한 축에 대하여 실질적으로 동일하고 반대의 각도로 기울어진 배열로 상기 박판 한 쌍이 배치되고,
    상기 제1 NLO 크리스탈은 수소 어닐링된(hydrogen-annealed) 세슘 리튬 보레이트(cesium lithium borate; CLBO) 크리스탈을 포함하는 것인,
    웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크를 검사하기 위한 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제4 고조파 생성기에서 광을 순환시키도록 구성된 상기 복수의 미러는, 상기 제2 고조파를 갖는 광이 제1 e-축과 실질적으로 평행한 타원의 장축을 따라, 상기 제1 NLO 크리스탈 내에서 또는 그 근처에서 실질적으로 타원형의 빔 웨이스트(beam waist)로 집속되도록 구성된 구면 미러를 포함하는 것인,
    웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크를 검사하기 위한 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 NLO 크리스탈에 생성된 상기 제1 비점수차를 최소화하기 위해, 적어도 제1 NLO 크리스탈의 온도를 100℃ 미만으로 유지하기 위한 수단을 더 포함하는 것인,
    웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크를 검사하기 위한 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수단은, 상기 온도를 대략 50℃ 이하로 유지하도록 구성되는 것인,
    웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크를 검사하기 위한 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제4 고조파 생성기는, 상기 제1 NLO 크리스탈에 의해 도입된 상기 제1 비점수차를 실질적으로 취소하도록, 상기 박판 한 쌍의 실질적으로 동일하고 반대의 각도를 자동으로 조정하는 피드백 제어 루프를 또한 포함하는 것인,
    웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크를 검사하기 위한 시스템.
  11. 레이저에서 심 자외선(deep ultra-violet; DUV) 연속파(continuous wave; CW) 광을 발생시키는 방법에 있어서,
    기본 파장을 가지는 광을 제2 고조파 파장을 가지는 광으로 변환하는 단계;
    상기 광이 단일 광 전파 방향에서만 수소 어닐링된(hydrogen-annealed) 세슘 리튬 보레이트(cesium lithium borate; CLBO) 크리스탈을 통과하도록 구성된 공동부(cavity)에서 상기 제2 고조파 파장을 갖는 광을 순환시킴으로써 상기 제2 고조파 파장을 갖는 광의 일부를 제4 고조파 파장을 갖는 광으로 변환하는 단계; 및
    박판 한 쌍을 사용하여 상기 수소 어닐링된 CLBO 크리스탈에 생성된 제1 비점수차를 취소하는(cancelling) 단계 - 각각의 상기 박판은 평행한 평면의 표면을 갖고, 상기 박판 한 쌍은 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광이 상기 박판 한 쌍의 평행한 평면의 표면을 통과하도록 상기 수소 어닐링된 CLBO 크리스탈에 동작적으로 관련하게 배치됨 - ;
    를 포함하고,
    상기 박판 한 쌍은 상기 순환되는 광의 변위를 최소화하면서 상기 제1 비점수차를 보정하는 상기 제4 고조파 생성기에서 순환되는 광에 제2 비점수차를 도입하도록, 각각의 평행한 축에 대하여 실질적으로 동일하고 반대의 각도로 기울어진 배열로 상기 박판 한 쌍이 배치되는 것인,
    레이저에서 심 자외선 연속파 광을 발생시키는 방법.
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