KR20230092924A - 레이저 조명된 형광체에 기반한 암시야 조명 - Google Patents

레이저 조명된 형광체에 기반한 암시야 조명 Download PDF

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KR20230092924A
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Abstract

원하는 특성을 가진 형광체 재료 위에 원하는 스폿 크기로 동일한 스폿을 조명하기 위해 결합된 적어도 하나의 레이저 다이오드 어레이를 가진, 웨이퍼 검사 및 결함 검출을 위한 암시야 조명 모듈을 생성하기 위해 레이저 다이오드에 의해 조명되는 형광체를 사용하는 시스템, 시스템의 조명 모듈 및 조명 모듈을 작동하는 방법.

Description

레이저 조명된 형광체에 기반한 암시야 조명
본 발명은 레이저 조명된 형광체에 기반한 암시야 조명에 관한 것이다.
웨이퍼 검사 및 결함 감지를 위한 기존의 DF(암시야) 또는 명시야 백색광 조명 시스템은 플래시 전구(제논(Xenon) 또는 외의) 공급원(source)을 사용하는데, 이는 제한된 광 에너지, 광 에너지 불안정성 및 시간에 따른 빠른 방출된 광 플럭스 감소로 인해 어려움을 겪는다. 비-간섭성 고체 상태 LED(Light Emitting Diode) 광원과 같은 다른 전통적인 DF 광원은 고유의 넓은 각도 방출 및/또는 제한된 방사(radiance)와 함께 큰 방출 영역을 특징으로 하는 반면, 간섭성 고체 레이저 광원은 좁은 파장 방출 대역폭(BW)을 특징으로 하며, 이는 이러한 광원으로 탐구할 애플리케이션의 수를 줄일 수 있고 대상 웨이퍼 조명 물체와의 상호작용 평면에서 잠재적인 얼룩 생성을 줄일 수 있으며, 심각한 제한을 이미지화 채널(imaging channel)에 의한 물체 결함 검출에 적용한다.
본 발명은 도면들과 함께 취해진 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 완전하게 이해되고 인지될 것이다:
도 1은 조명 모듈의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 조명 모듈의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 조명 모듈의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 형광체 방사선의 다양한 다각도 조명 유닛 및 형광체 방사선의 다양한 극각과 방위각의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 형광체 조명 유닛의 일 실시예를 도시한다.
도 6은 형광체 조명 유닛의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 대물 렌즈와 다수-형광체 조명 유닛의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 조명 모듈의 일부의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 조명 모듈의 일부의 일 실시예를 도시한다.
도 10은 조명 모듈의 일부의 일 실시예를 도시한다.
도 11은 조명 모듈을 갖는 현미경의 일 실시예를 도시한다.
도 12는 방법의 일 실시예를 도시한다.
본 발명을 구현하는 장치는 대부분 당업자에게 공지된 전자 부품 및 회로로 구성되기 때문에, 회로 세부 사항은 본 발명의 기본 개념을 이해하고 본 발명의 교시를 알기 어렵게 하거나 산만하게 하지 않기 위해, 위에서 예시한 바와 같이 필요하다고 생각되는 정도 이상으로 설명되지는 않을 것이다.
방법에 대한 상세한 설명에서 임의의 언급은 방법을 실행할 수 있는 시스템에 준용하여 적용되어야 하며 컴퓨터에 의해 일단 실행되면 방법의 실행으로 나타나는 명령어드를 저장하는 비-일시적 컴퓨터 프로그램 제품에 준용하여 적용되어야 한다. 비-일시적 컴퓨터 프로그램 제품은 칩, 메모리 유닛, 디스크, 콤팩트 디스크, 비-휘발성 메모리, 휘발성 메모리, 자기 메모리, 멤리스터(memristor), 광 저장 유닛 등일 수 있다.
시스템에 대한 상세한 설명에서의 임의의 언급은 시스템에 의해 실행될 수 있는 방법에 준용하여 적용되어야 하며 컴퓨터에 의해 실행되면 방법의 실행으로 나타나는 명령어들을 저장하는 비-일시적 컴퓨터 프로그램 제품에 준용하여 적용되어야 한다.
비-일시적 컴퓨터 프로그램 제품에 대한 상세한 설명에서의 임의의 언급은 비-일시적 컴퓨터 프로그램 제품에 저장된 명령어들을 적용할 때 실행될 수 있는 방법에 준용하여 적용되어야 하며, 비-일시적 컴퓨터 프로그램 제품에 저장된 명령어들을 실행할 수 있는 시스템에 준용하여 적용되어야 한다.
"포함하는"이라는 용어는 "포괄하는", "함유하는" 또는 "갖는"과 동의어(동일한 것을 의미함)이고 포괄적이거나 개방적이며 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계들을 배제하지 않는다.
"구성하는"이라는 용어는 폐쇄형(정확히 명시된 내용만 포함)이며 언급되지 않은 임의의 추가 요소 또는 방법 단계들을 제외한다.
"본질적으로 구성하는"이라는 용어는 특정 재료 또는 단계들 및 기본적이고 새로운 특성에 실질적으로 영향을 받지 않는 것으로 범위를 제한한다.
청구범위 및 상세한 설명에서 "포함하는"(또는 "포괄하는" 또는 "함유하는")이라는 용어에 대한 임의의 언급은 "구성하는"이라는 용어에 준용하여 적용되어야 하며 "본질적으로 이루어진"이라는 어구에 준용하여 적용되어야 한다.
청구범위 및 상세한 설명에서 "구성하는"이라는 용어에 대한 임의의 언급은 "포함하는"이라는 용어에 준용하여 적용되어야 하고 "본질적으로 구성하는"이라는 어구에 준용하여 적용되어야 한다.
청구범위 및 상세한 설명에서 "본질적으로 구성하는"이라는 어구에 대한 임의의 언급은 "포함하는"이라는 용어에 준용하여 적용되어야 하고 "구성하는"이라는 용어에 준용하여 적용되어야 한다.
"다각도 조명 유닛(multiple-angle illumination unit)"라는 용어는 여러 방위각에서 샘플을 조명하는 조명 유닛을 나타낸다. 다각도 조명 유닛은 샘플의 한 영역을 조명할 수 있는 반면, 해당 영역의 많은 픽셀이 동일한 다수의 방위각에서 조명된다. 하기 실시예들은 섬유 링인 다각도 조명 유닛을 도시한다. 다각도 조명 유닛은 형상에 따라 섬유 링과 다를 수 있다. 서로 다른 광선의 극각(설명을 간단히 하기 위해, 조명 각도라고 할 수 있음)은 동일하거나 하나 이상의 광선에서 다른 하나 이상의 광선과 다를 수 있다. 다수의 방위각은 하나 이상의 연속적인 방위각 범위 및/또는 하나 이상의 불-연속 방위각 범위에 걸쳐 퍼질 수 있다.
이하의 상세한 설명에서, 본 발명은 본 발명의 실시형태들의 특정 실시예들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 첨부된 청구범위에 주장된 바와 같이 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 자명할 것이다.
에텐듀(etendue) 및 방사(radiance) 제한된 광원은 하기와 같은 주요 이유로 웨이퍼 검사 및 결함 검출에 심각한 제한을 적용할 수 있음이 밝혀졌다:
a. 광원 크기 및 냉각 요건에 의해 따라 좌우되는 조명 시스템을 호스팅하는데 필요한 비교적 큰 부피 공간. 이는 직접 조명 LED 광원(공급원이 FOV를 직접 조명하는 경우)과 관련하여 주요 한계이다. 서로 다른 프로빙(probing) 목적을 위한 다양한 유형의 검사 장치에 대한 요구로, 검사된 웨이퍼에 바로 근접하고 작은 결함 검출을 위한 고배율 대물 렌즈의 작은 작동 거리를 사용하는 경우 대용량 DF 장치는 실제 단점이다:
b. 단위 면적당 그리고 단위 스테라디안(steradian)당 광 출력(optical power)이 낮아 제한된 방사로 인해 광을 FOV로 방출한다. 이러한 결점은 현미경 시스템에서 다재다능하고 광범위한 DF 조명 각도를 포함하려는 요구에 의해 더욱 강화된다.
검사가 필요한 웨이퍼의 세부사항이 증가하고 이들의 크기가 작아짐에 따라, 하기와 같은 DF 시스템을 개선하는 것이 필요함을 발견하였다:
a. 보다 복잡한 낮은 NA에서 높은 NA 광학 장치를 필요로 하는 더 높은 배율 및 더 높은 해상도의 현미경 시스템. 따라서 현미경 부피가 증가하고 대부분 작동 거리가 감소하므로, 이는 DF 조명 시스템을 호스트할 수 있는 사용 가능한 공간에 심각한 한계를 적용할 수 있다.
b. 더 작은 물체 픽셀 크기로 인해 FOV에서 더 높은 광 조사가 우수한 검출을 위해 필요하다.
c. 더 큰 조명 각도 범위에 대한 요구에 따라, 이미지화 대물렌즈 NA에서 FOV에 대한 법선에 대해 거의 90도의 매우 얕은 조명 각도까지 더 넓은 조명 각도 범위 범위 가능성. 이는 더 넓은 스펙트럼의 결함과 더 작은 크기의 결함을 검출해야 한다는 사실 때문에 필요하다. 결함은 특정 조명 각도 및/또는 특정 조명 각도 범위(특정 조명 각도에서의 각도 범위)를 사용하여 조명함으로써 드러날 수 있지만 다른 조명 각도 및/또는 조명 각도 범위에 의해 드러나지 않을 수 있다.이들 결함은 FOV를 조명하는 광을 제어하기 위한 더 크고 다양한 옵션을 가짐으로써 더 잘 드러날 수 있다.
d. 조명의 다수 극각이 이미지화 현미경 광학 축에 대해 낮은 예각 조명 각도에서 높은 얕은(shallow) 조명 각도까지 전체 DF 조명 각도 공간을 포함하는 한, 각각의 조명 각도는 높은 방출된 방사로 구성되는 좁은 각도 범위를 가지며 전체 이용 가능한 DF 조명 각도 공간이 완전히 실현된다.
낮은 처리량과 낮은 스캔 속도는 항상 단점이었으며 이들 요소들을 지속적으로 증가시키려는 욕구를 고려해야 한다. 그러나 제한된 방사 및 제한된 펄스 응답 시간(상승 및 하강 시간) 광원으로는 처리량 증가를 달성할 수 없었다.
웨이퍼 검사 및 결함 검출을 위한 암시야(또는 명시야) 조명 모듈을 생성하기 위해 레이저 다이오드에 의해 조명되는 형광체를 사용하는 시스템, 시스템의 조명 모듈 및 조명 모듈을 작동하는 방법이 제공될 수 있다.
적어도 하나의 레이저 다이오드 어레이가 원하는 특성을 가진 형광체 재료 위에 원하는 스폿 크기(spot size)로 동일한 스폿을 조명할 수 있으며, 추가 광학 장치(optics)는 원하는 광학 특성을 가진 광 섬유(또는 다른 방사선 분배기(radiation distributer))로 광을 효율적으로 집광하여 하나 이상의 원하는 조명 각도, 우수한 각도와 함께 원하는 백색 스펙트럼 범위 및 필드 균일성으로 넓은 FOV를 조명한다.
FOV를 조명하기 위해 조작할 수 있는 광의 양에 대해 심각한 제한을 두는 비교적 큰 영역 방출기(emitter)와 넓은 각도 방출을 갖는 비-레이저 조명 공급원과는 달리, 레이저는 훨씬 더 높은 밝기와 공간적 일관성을 가지며, 이는 플래시 및 LED 기반 시스템에 비해 훨씬 적은 광 손실로 더 많은 양의 광을 FOV로 전달할 수 있다. 또한, 레이저 광원은 FOV로부터 이격된 원격 공간에서 호스팅되어 작은 방사선 분배기(얇은 광 섬유와 같음)를 사용하여 FOV로 광을 전달할 수 있다. 따라서, 직접 FOV 조명 광원에 비해 부피 공간 제한이 감소된다.
형광체 재료의 훨씬 더 높은 광 효율로 만들어진 의미 있는 발전으로(지난 몇 년간) 인해 조명 모듈의 형광체 재료에서 훨씬 더 많은 광을 추출할 수 있다.
다른 DF 조명 시스템에 비해 이점:
a. 추출된 방사선(예를 들어 백색광 또는 다른 방사선) 플럭스가 레이저 다이오드의 이용 가능한 양, 레이저 다이오드 광 출력, 이용 가능한 부피 공간 및 형광체 재료 특성과 형광체 포화 한계에 의해서만 제한될 수 있다.
b. 스폿 크기는 매우 작을 수 있으며 레이저 스폿, 광학 수단 및 광학 품질, 형광체 스폿 및 형광체 손상/조사 임계값에 의해서만 제한될 수 있다.
c. 조명 모듈은 작은 방사선 분배기(예컨대 얇은 섬유 링)를 사용할 수 있으므로 작은 부피 공간이 필요하고, 이는 다수의 방사선 분배기(예컨대 여러 섬유 링)를 사용하여 서로 다른 조명 각도에서 조명할 수 있다.
d. 이 개념은 서로 다른 레이저 여기 및 형광체 재료를 사용하여 서로 다른 파장(WL) 대역에서 그리고 서로 다른(2개 이상) 조명 각도에서 그리고 동일한 스캔된 프레임 내의 서로 다른 DF 이미지를 캡처하기 위해 서로 다른 하위 시스템 간에 매우 짧은 시간 지연(예를 들어 0.1 내지 10 마이크론)으로 조명을 가능하게 한다.
도 1은 단일 레이저 다이오드 어레이(22) 및 단일 섬유 링(46)을 갖는 조명 모듈(10)을 도시한다.
단일 레이저 다이오드 어레이(22)는 히트 싱크(heat sink; 20)에 의해 앞서고 레이저 다이오드 광학 장치(24)가 따른다.
레이저 다이오드 어레이(22)로부터의 광은 조명된 FOV(50)로 기재를 조명하는 섬유 링(46)과 광학적으로 결합하는 광 섬유(40)로 형광체 방사선을 지향하는 적응형 광학 장치(38) 상으로 필터(노치(notch) 또는 고역 필터)(36)를 통과하도록 형광체 재료(30)로부터 방출되는 형광체 방사선이 형광체 광학 장치(34)에 의해 수집될 수 있게 하는 애퍼처(aperture)을 갖는 형광체 냉각 유닛(32)에 열적으로 결합되는 형광체 재료(30) 상에서 스폿을 형성하는 레이저 다이오드 광학 장치에 의해 지향된다.
섬유 입력에서의 조명 NA는 렌즈(38) 스탑 크기(stop size)와 섬유 입력으로부터의 이의 거리(거리에 의해 나눠진 절반 스탑 크기)에 의해 특정 레이저 다이오드 어레이에 대해 고정되며 이의 한계는 적응형 광학 장치 특성에 따라 달라진다(예를 들어 - NA는 근축 근사(paraxial approximation)에서 약 1/2F#임). 조명 NA는 형광체 광학 장치 특성을 수정함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 형광체 광학 장치로부터의 출력이 준-시준된 다음 볼록 렌즈(38)를 적용하고 섬유 입력이 초점에 있는 경우 우리는 볼록 렌즈에 의해 결정된 초점 스폿 및 NA를 얻는다. 볼록 렌즈의 애퍼처를 변경하면(예를 들어, 적응형 셔터에 의해) 초점이 동일하게 유지되는 동안 NA가 변경된다. 또 다른 실시예로 볼록 렌즈와 섬유 광학 장치 사이의 거리를 변경하고 광 섬유 특성을 변경하여 NA를 변경할 수 있다. 적응형 광학 장치는 또한 섬유 입력에서, 발산하는 광으로부터 수렴 광으로 광을 변환할 수 있다.
조명 모듈(10)은 광 섬유(40)가 뒤따르는 레이저 형광체 방사선 유닛(11)을 포함하는 것으로 도시된다. 레이저 형광체 방사선 유닛(11)은 레이저 다이오드 어레이(22), 히트 싱크(20), 레이저 다이오드 광학 장치(24), 형광체 재료(30), 형광체 냉각 유닛(32), 형광체 광학 장치(34), 필터(36) 및 적응형 광학 장치(38)를 포함한다.
형광체 재료(30), 형광체 냉각 유닛(32), 형광체 광학 장치(34), 필터(36) 및 적응형 광학 장치(38)는 형광체 조명 유닛(13)을 형성한다.
도 2는 광 섬유(40 및 41)(중간 광학 장치의 실시예들임 - 각각은 형광체 방사선 유닛(11)을 섬유 링에 광학적으로 결합함)에 의해 두개의 상이한 조명 각도를 제공하고 조명된 FOV(50)로 기판을 조명하기 위한 하기 위한 섬유 링(46 및 47)에 광학적으로 결합된 형광체 방사선 유닛(11)을 포함하는 조명 모듈(10')을 도시한다.
두개 이상의 레이저 다이오드 어레이가 있을 수 있고 두개 이상의 섬유 링이 있을 수 있다. 섬유 링은 기판으로부터의 거리, 반경, 기판으로부터의 반경과 거리 사이의 비율(비율이 조명 각도를 결정함)에 따라 서로 다를 수 있다.
도 3은 조명된 FOV(50)로 기판을 조명하는 단일 섬유 링(46)에 광 섬유(40 및 41)에 의해 광학적으로 결합되는 형광체 방사선 유닛(11)에 대한 상이한 레이저의 상이한 파장의 상이한 레이저 다이오드 어레이(22)를 포함하는 조명 모듈(10")을 도시한다. 레이저 다이오드 어레이 및/또는 방사선 분배기(예를 들어 섬유 링)의 임의의 수 및/또는 조합이 제공될 수 있다.
제1 레이저 형광체 방사선 유닛(laser to phosphor radiation unit)은 레이저 다이오드 어레이, 중간 광학 장치, 형광체 조명 유닛, 및 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 제1 레이저 형광체 방사선 유닛은 형광체 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다.
제2 레이저 형광체 방사선 유닛은 추가 레이저 다이오드 어레이, 추가 중간 광학 장치, 추가 형광체 조명 유닛 및 다른 추가 구성요소를 포함할 수 있다. 제2 레이저 형광체 방사선 유닛은 추가적인 형광체 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다.
도 2에서 형광체 방사선은 제1 섬유 링에 제공되는 반면 추가 형광체 방사선은 제2 섬유 링에 제공된다. 도 3에서 형광체 방사선과 추가 형광체 방사선은 동일한 제1 섬유 링에 제공된다.
도 4는 직경(48)의 스폿으로 기판(400)을 조명하는 섬유 링(46)의 평면도 및 측면도를 포함한다. 섬유 링은 반경(71)을 가지며 기판으로부터 일정 거리(72)에 위치된다. 반경과 거리 사이의 비율은 조명 각도(극각)(74)를 결정한다. 서로 다른 광선은 광선 51, 52, 53 및 54 각각의 서로 다른 방위각 51', 52', 53' 및 54'에 의해 알 수 있는 바와 같이 이들의 방위각에 의해 서로 상이할 수 있다. 광선 51-54은 섬유 링에 의해 방출되는 광선의 일부일 수 있다.
도 4는 또한 원호형일 수 있는 상이한 다각도 조명 유닛(231, 232, 233 및 234)을 도시한다. 다각도 조명 유닛(233 및 234)은 각각 2개의 원호형 요소를 포함한다. 다각도 조명 유닛당 2개 이상의 원호형 요소가 있을 수 있다. 다각도 조명 유닛은 임의의 모양을 가질 수 있고 - 하나 이상의 비-선형 세그먼트 및/또는 하나 이상의 선형 세그먼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다각도 조명 유닛은 다각형(예를 들어 직사각형(235), 삼각형(234)) 또는 나선형(237)일 수 있다. 다각도 조명 유닛은 샘플의 표면에 평행할 수 있고, 샘플로부터 다른 거리에 위치되는 다른 부분을 포함할 수 있으며 - 예를 들어 다각도 조명 유닛은 샘플의 표면(238)으로 배향될 수 있고, 곡선형 단면(239)을 가질 수 있으며, 상승 부분과 하강 부분을 가질 수 있다(239 참조).
도 5는 시준된 레이저 방사선(201) 및/또는 비-시준된 레이저 방사선(202)에 의해 조명되어, 형광체 재료(30)가 형광체 방사선을 CPC(compound parabolic concentrator)(34) 상에서 산란하게 하는 형광체 재료(30)를 포함하는 형광체 조명 유닛(13')을 도시한다. 조명되는 형광체 재료의 면(facet)은 CPC를 향하는 면과 동일하며 이러한 조명 모드는 반사 모드 또는 후방 산란 모드라고 할 수 있다. 레이저 방사선(201 또는 202)은 다수 LD 어레이가 축(205)에 대해 상이한 조명 각도에서 형광체 재료(30)를 조명하도록 축(205)(도 6을 3차원으로 회전)을 둘러싸는 링 방식 또는 돔 방식 또는 임의의 다른 방식으로 배치되는 레이저 다이오드 어레이일 수 있다.
CPC(광학 축(205)를 가짐)는 형광체 방사선을 수집하고 시준된 레이저 방사선(201) 및/또는 비-시준된 레이저 방사선(202)으로 조명으로 인한 형광체 방사선(203)을 포함할 수 있는 형광체 방사선(203)을 출력할 수 있다.
시준된 레이저 방사선(201)은 임의의 각도로부터(심지어 도 5가 비-시준된 레이저 방사선을 도시하는 방향으로부터) - 그 반대도) 형광체 재료에 충돌할 수 있다.
도 6은 형광체 재료(30)가 렌즈(210) 상에서 형광체 방사선을 산란하게 하는 시준된 레이저 방사선(201) 및/또는 비-시준된 레이저 방사선(202)에 의해 조명되는 형광체 재료(30)를 포함하는 형광체 조명 유닛(13")을 도시한다. 조명되는 형광체 재료의 면은 렌즈(210)를 향하는 동일한 면이며, 이러한 조명 모드는 반사 모드 또는 후방 산란 모드로 지칭될 수 있다.
렌즈는 시준된 레이저 방사선(201)에 의해 제공되는 형광체 방사선을 수집하고 시준하여 반-시준된 형광체 방사선(207)을 제공한다. 다른 실시예에서, 렌즈는 비-시준된 레이저 방사선(202)에 의해 제공되는 형광체 방사선을 수집하여 비-시준된 형광체 방사선(미도시)을 제공한다.
렌즈 디자인은 예를 들어, 볼록 렌즈, 평면 볼록 렌즈, 양면 볼록 렌즈, 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈 또는 프레넬(Fresnel) 렌즈 또는 렌즈들의 조합 등으로 다양할 수 있다.
도 7은 조명 모듈의 일부에 대한 단면도이다. 도 8은 조명 모듈 부분의 저면도이다. 조명 모듈 부분은 원추형 섬유 링(46), 대물 렌즈가 FOV(50)로부터의 광을 수집할 수 있도록 하는 오프닝(222)을 갖는 하우징(221) 및 섬유 링(46)을 향하는 경사면(tilted facet)을 갖는 환형 광학 요소(223)를 포함한다. 도 7은 또한 대물 렌즈(220), 조명 NA(77) 및 조명 각도(74)를 도시한다.
도 9는 조명 모듈 부분의 저면도이다. 도 8에서 섬유 링은 연속적이며 임의의 방위각으로부터 형광체 방사선을 방출할 수 있는 반면, 도 9의 섬유 링(46")은 이격된 방위각 하위-범위로부터 광선을 출력하기 위한 이격된 조명 요소를 포함하는 스폿 링이다.
도 10은 조명 모듈의 일부에 대한 단면도이다. 조명 모듈 부분은 섬유 링(46), 오프닝(222)을 갖는 하우징(221), 섬유 링(46)을 향하는 경사면을 갖는 환형 광학 요소(223), 및 마이크로-렌즈(229)를 포함한다. 섬유 링은 원추형 섬유 링이다. 경사면에 대한 가상 법선은 FOV 중심 또는 FOV 평면에서의 다른 지점을 가리킨다. 경사면 다음에는 마이크로렌즈(229)가 뒤따른다. 마이크로렌즈는 섬유 링(46)으로부터 형광체 방사선을 수신하고 FOV 평면에 걸쳐 기판을 조명하도록 구성된다.
모든 조명 방식은 하나 이상의 조합된 조명 모듈에서 전송 모드 또는 역-반사 산란 모드 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
레이저 다이오드 어레이는 PC 보드, 링, 3D 반구형 돔 등 임의의 원하는 형태의 2D 어레이로 배치될 수 있다.
어레이의 레이저 다이오드는 연속 또는 펄스/스트로브(strobe) 모드에서 작동될 수 있다. 어레이의 임의의 세그먼트(임의의 형태의) 및/또는 레이저 다이오드의 임의의 수는 별도의 드라이버(선택된 어레이 세그먼트/들을 위한)를 사용하여 작동될 수 있다.
특정 간격 시간(특정 방향 및 조명 각도에서 특정 레이저 다이오드 어레이 집합 조명의 결과임)에서 FOV의 조명 분포는 각 반구형 공간(angular hemispherical space)에서 시간이 지남에 따라 변할 수 있다.
상이한 레이저 다이오드 어레이/레이저 다이오드 세그먼트의 조명은 동일한 스캐닝 시간 프레임 하에서 상이한 조명 각도에서 FOV 조명을 제공하는 원하는 스트로빙(strobing) 지연 시간을 가질 수 있다. 예를 들어 제1 레이저 다이오드 어레이(LDA1)은 2 microSec 펄스 지속 시간 동안 TO에서 트리거(trigger)된 다음 제2 레이저 다이오드 어레이(LDA2)는 "T0+2microSec"에서 트리거된다. 0.1 microSec의 응답 시간 후, LDA2는 2microSec의 펄스 지속 시간 동안 광을 방출하고, LDA2는 TO+4ImicroSec 등 후에 광 방출을 중단한다. LDA1 및 LDA 2는 카메라 셔터 개방 시간 동안 광을 방출한다(스캔 속도 및 포착 간격 시간 및 시퀀스에 따라 다름). 다른 옵션에서는 LDA1과 LDA2 모두는 TO에서 트리거된다. 이러한 경우 샘플링된 애플리케이션은 서로 다른 조명 각도 및 각도 범위 또는 여러 조명 각도 또는 서로 다른 파장 스펙트럼(서로 다른 조명 방식에 따라)에서 동시에 나오는 광을 경험하게 된다.
동일한 보드 또는 다른 보드 위의 여러 레이저 다이오드 어레이는 서로 다른 유형의 형광체를 동시에 조명할 수 있거나 필요한 지연 시간만큼 위상(phase)이 이동될 수 있는 다른 유형의 파장일 수 있다.
각각의 냉각된 레이저 다이오드에서 나오는 광은 광학 장치 어레이(몰드 어레이 또는 이외)에 의해 조작되어 원형(또는 반원형) 시준 또는 반시준 또는 형광체에서 집중된 빔(beam)을 생성한다.
레이저 다이오드 어레이의 앙상블(ensemble)에 의해 생성된 공통 스폿 크기는 원하는 애플리케이션과 형광체(사용 중) 방사 손상 임계값(irradiance damage threshold)의 한계에 따라 따라 달라질 수 있다. 형광체에서 방출되는 방사선(예를 들어 가시광 스펙트럼 내의 협대역)은 원하는 NA에 따라, 또는 예를 들어 높거나 낮은 NA 수집 렌즈 또는 임의의 다른 거울 광학 장치의 임의의 종류(중공, 고체, TIR, 2차 렌즈와의 결합 등)의 넓은 컬렉터인 복합 포물선형 컬렉터와 같은 광학 장치에 의해 수집되어 형광 물질로부터 광을 효율적으로 수집하고 이를 효율적으로 조작하여 목표 FOV를 조명할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
노치 필터(또는 고역 통과 필터)는 조명된 FOV가 형광체 재료와의 레이저 일관성 또는 레이저 상호 작용의 결과로 얼룩(speckle) 효과를 나타내지 않도록 레이저 방사선을 필터링하여 얼룩 감소를 수행할 수 있다.
적응형 2차 광학 장치와 같은 추가 광학 장치는 광을 원하는 광 섬유로 결합할 수 있다. 일반적인 NA는 0.01에서 0.6 사이의 범위일 수 있다. 섬유 링에서 방출되는 광은 광학 설계 방식에 따라 원하는 조명 각도에서 원하는 FOV 크기를 조명할 수 있다. 몇몇 이러한 섬유 링은 임의의 형태, 크기일 수 있고, 섬유 링의 출력 면이 수평선 또는 다른 각도에서 FOV를 조명하도록 배향되는 원추형 폴리시드(polished) 링과 같은 임의의 형상으로 절단될 수 있다. 섬유 링은 목표 조명된 FOV 크기를 효율적으로 제어하기 위해 원하는 바와 같이 마이크로렌즈와 같은 추가 마이크로-광학 장치를 포함할 수 있다.
섬유 링은 FOV에 대한 대물 렌즈 특성에 의해 생성된 광추(light cone) 외부에서, 대물 렌즈 아래 또는 대물 렌즈를 둘러싸는 주변 부피 공간에 배치될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면 - 레이저 다이오드 어레이(링 또는 다른 형상)가 형광체를 조명할 수 있다. 형광체로부터 후방 반사된/산란된 또는 확산된 광은 형광체 광학 장치(예를 들어, 상기에서 도시된 광학 장치 및/또는 도 1 및 2 중 하나에 도시된 광학 장치 또는 CPC와 다른 광학 장치)에 의해 그리고 일부 광학 한계에 따라 수집되고 유사한 경로를 겪는다.
형광체 광학 장치과 관련하여 CPC를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어 - 형광체 특성에 따라 표준 렌즈가 더 효율적인 것이 발견될 수 있다. CPC에서 형광체 거리가 증가함에 따라 광 처리량이 작아질 것이다. CPC의 이점은 형광체 재료에서 수집되는 이의 넓은 각도의 광이다. 따라서 사용 중인 형광체 광학 장치는 형광체 재료 방출 특성 및 섬유(40 또는 41) 입력에 결합된 원하는 광으로 간주될 수 있다.
도 11은 광학 축(100), 터렛(turret; 106), 대물 렌즈(108, 109, 110), 상이한 조명 각도를 제공하고 조명된 FOV(48)로 기판(60)을 조명하기 위한 섬유 링(46, 47)을 갖는 광학 현미경(104) 및 카메라(102)의 일 실시예이다.
섬유 링(46, 47)은 레이저에 의해 형광체 방사선 유닛 및 설명의 단순화를 위해 도시되지 않은 광 섬유에 공급된다. 레이저 형광체 방사선 유닛은 섬유 링으로부터 이격될 수 있다(예를 들어, 적어도 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 150 센티미터 등의 거리에서).
도 11은 또한 광학 현미경 및 임의의 레이저 형광체 방사선 유닛을 제어하기 위한 컨트롤러(controller; 103)를 도시한다. 컨트롤러는 도 1-10에 도시된 조명 유닛 중 임의의 것을 제어할 수 있다. 컨트롤러는 조명의 발생 타이밍 및 순서, 조명 강도 등을 제어할 수 있다.
도 12는 형광체 방사선으로 샘플을 조명하기 위한 방법(200)의 일 실시예를 도시한다.
방법 200은 레이저 다이오드 어레이에 의해 레이저 방사선을 방출하는 단계(210)에 의해 시작할 수 있다.
단계 210 다음에는 형광체 조명 유닛에 의해 형광체 방사선을 방출하는 단계 220가 뒤따를 수 있고, 레이저 방사선에 대한 노출이 뒤따른다(및 이에 반응하여).
단계 220 다음에는 중간 광학 장치에 의해, 형광체 방사선을 다각도 조명 유닛으로 전달하는 단계 230가 뒤따를 수 있다.
단계 230 다음에는 형광체 방사선으로 다각도에서 샘플 영역을 조명하는 단계 240가 뒤따를 수 있다.
방법 200은 상기 언급된 조명 모듈 중 임의의 것에 의해 실행될 수 있다.
여러 레이저 어레이 및/또는 하나 이상의 중간 광학 장치 및/또는 하나 이상의 다각도 조명 유닛(예를 들어, 도 2-3 참조)이 있을 수 있다.
단계 210은 여러 레이저 다이오드 어레이에 의해 실행될 수 있다(동시적으로, 부분적으로 중첩되는 방식으로 또는 중첩되지 않는 방식으로 - 타이밍 도메인에서 - 예를 들어 중첩되지 않는다는 것은 하나의 레이저 다이오드 어레이가 한번에 하나씩 작동됨을 의미하고, 동시에 여러 레이저 다이오드가 동시에 방사선을 출력함을 의미한다).
단계 220는 여러 형광체 조명 유닛에 의해 실행될 수 있다(동시에, 부분 중첩 방식 또는 중첩되지 않는 방식으로).
단계 230는 하나 이상의 다각도 조명 유닛에 광학적으로 결합될 수 있는 다수의 중간 광학 장치(동시에, 부분적으로 중첩되는 방식 또는 중첩되지 않는 방식으로)에 의해 실행될 수 있다.
단계 240는 하나 이상의 다각도 조명 유닛에 의해 실행될 수 있다. 2개 이상의 다각도 조명 유닛이 존재하는 경우 조명은 동시에, 부분적으로 중첩되는 방식 또는 중첩되지 않는 방식으로 실행될 수 있다.
전술한 명세서에서, 본 발명은 본 발명의 실시형태들의 특정 실시예들을 참조하여 설명하였다. 그러나, 첨부된 특허 청구범위에서 주장된 바와 같이 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.
당업자는 전술한 작동의 기능 사이의 경계가 단지 예시임을 인지할 것이다. 여러 작동의 기능은 단일 작동으로 결합될 수 있으며 및/또는 단일 작동의 기능은 추가 작동으로 분산될 수 있다. 더욱이, 대안적인 실시형태들은 특정 작동의 다수의 경우를 포함할 수 있고, 작동의 순서는 다양한 다른 실시형태들에서 변경될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기술된 아키텍처는 단지 예시일 뿐이며, 사실상 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 아키텍처가 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 추상적이지만, 여전히 명확한 의미에서, 동일한 기능을 달성하기 위한 구성 요소의 임의의 배치는 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "관련"된다. 따라서, 특정 기능을 달성하기 위해 여기에서 결합된 임의의 두개의 구성 요소는 아키텍처 또는 중간 구성 요소에 관계없이, 원하는 기능이 달성되도록 서로 "관련된" 것으로 볼 수 있다. 마찬가지로, 이와 같이 관련된 임의의 두 구성 요소는 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "작동 가능하게 연결된" 또는 "작동 가능하게 결합된" 것으로 볼 수도 있다.
그러나 다른 수정, 변형 및 대안도 가능하다. 따라서 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
"포함하는(comprising)"이라는 단어는 청구범위에 나열된 것들보다 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 이렇게 사용된 용어는 본 발명에서 설명된 본 발명의 실시형태들이 예를 들어 본 발명에서 예시되거나 달리 설명된 것들과 다른 방향으로 작동할 수 있도록 적절한 상황에서 상호 교환 가능하다는 것을 이해할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "하나" 또는 "하나의"는 하나 또는 하나 이상으로 정의된다. 또한, 청구범위에서 "적어도 하나" 및 "하나 이상"과 같은 도입 문구의 사용은 부정관사 "하나" 또는 "하나의"에 의한 다른 청구범위 요소의 도입이 이러한 도입된 청구항 요소를 함유하는 임의의 특정한 청구항을 이러한 하나의 요소만을 함유하는 발명으로 제한하는 것을 암시하는 것으로 해석되어서는 안되며, 이는 동일한 청구항이 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"의 도입 문구와 "하나" 또는 "하나의"와 같은 부정 관사를 포함하는 경우에도 마찬가지이다. 정관사의 사용도 마찬가지이다. 달리 명시되지 않는 한, "제1" 및 "제2"와 같은 용어는 이러한 용어가 설명하는 요소들을 임의로 구별하기 위해 사용된다.
따라서 이들 용어들은 이러한 요소들의 시간적 또는 다른 우선 순위를 나타내기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 특정 조치가 서로 다른 청구범위에 인용되어 있다는 단순한 사실이 이들 조치의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.

Claims (17)

  1. 레이저 방사선을 방출하도록 구성되는 레이저 다이오드 어레이;
    상기 레이저 방사선에 대한 노출 후에 형광체 방사선을 방출하도록 구성되는 형광체 조명 유닛;
    다각도 조명 유닛; 및
    상기 형광체 방사선을 상기 다각도 조명 유닛으로 전달하도록 구성되는 중간 광학 장치;를 포함하고,
    상기 다각도 조명 유닛은 상기 형광체 방사선을 수신하고 다각도에서 샘플 영역을 조명하도록 구성되는 조명 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다각도 조명 유닛은 조명 링인 조명 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다각도 조명 유닛은 링형 광 섬유인 조명 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다각도 조명 유닛은 원호형 조명 유닛인 조명 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다각도 조명과 상기 레이저 다이오드 어레이 사이의 거리는 50 센티미터를 초과하는 조명 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중간 광학 장치는 복합 포물선형 컬렉터를 포함하는 조명 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 추가 레이저 다이오드 어레이, 추가 형광체 조명 유닛, 및 추가 중간 광학 장치를 포함하고; 상기 추가 레이저 다이오드 어레이는 추가 레이저 방사선을 방출하도록 구성되며; 상기 추가 형광체 조명 유닛은 상기 추가 레이저 방사선에 대한 노출 후에 추가 형광체 방사선을 방출하도록 구성되는 조명 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 추가 형광체 방사선을 상기 다각도 조명 유닛으로 전달하도록 구성되는 추가 중간 광학 장치를 포함하고; 상기 다각도 조명 유닛은 상기 추가 형광체 방사선을 수신하며 다각도에서 상기 추가 형광체 방사선으로 샘플 영역을 조명하도록 구성되는 조명 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 추가 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이는 중첩되지 않는 방식으로 방사선을 방출하도록 구성되는 조명 모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 추가 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이는 중첩 방식으로 방사선을 방출하도록 구성되는 조명 모듈.
  11. 제7항에 있어서, 추가 다각도 조명 유닛과 상기 추가 형광체 방사선을 상기 추가 다각도 조명 유닛으로 전달하도록 구성되는 추가 중간 광학 장치를 포함하고; 상기 추가 다각도 조명 유닛은 상기 추가 형광체 방사선을 수신하며 다각도에서 상기 추가 형광체 방사선으로 샘플 영역을 조명하도록 구성되는 조명 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 추가 다각도 조명 유닛과 상기 다각도 조명 유닛은 샘플로부터 서로 다른 거리에 위치되는 조명 모듈.
  13. 제11항에 있어서,상기 추가 다각도 조명 유닛과 상기 다각도 조명 유닛은 샘플로부터 반경과 거리 사이의 비율에 의해 서로 상이한 조명 모듈.
  14. 제7항에 있어서, 상기 형광체 방사선의 스펙트럼 시그니처(signature)는 상기 추가 형광체 방사선의 스펙트럼 시그니처와 상이한 조명 모듈.
  15. 형광체 방사선으로 샘플을 조명하기 위한 방법으로서,
    레이저 다이오드 어레이에 의해 레이저 방사선을 방출하는 단계;
    상기 레이저 방사선에 대한 노출 후에, 형광체 조명 유닛에 의해 형광체 방사선을 방출하는 단계;
    중간 광학 장치에 의해, 상기 형광체 방사선을 다각도 조명 유닛으로 전달하는 단계; 및
    상기 형광체 방사선으로 다각도에서 샘플 영역을 조명하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 추가 레이저 다이오드 어레이에 의해 추가 레이저 방사선을 방출하는 단계;
    상기 레이저 방사선에 대한 노출 후에, 추가 형광체 조명 유닛에 의해 추가 형광체 방사선을 방출하는 단계;
    추가 중간 광학 장치에 의해, 상기 추가 형광체 방사선을 상기 다각도 조명 유닛으로 전달하는 단계; 및
    상기 추가 형광체 방사선으로, 다각도에서 샘플 영역을 조명하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 추가 레이저 다이오드 어레이에 의해 추가 레이저 방사선을 방출하는 단계;
    상기 레이저 방사선에 대한 노출 후에, 추가 형광체 조명 유닛에 의해 추가 형광체 방사선을 방출하는 단계;
    추가 중간 광학 장치에 의해, 추가 형광체 방사선을 추가 다각도 조명 유닛으로 전달하는 단계; 및
    상기 추가 형광체 방사선으로, 다각도에서 샘플 영역을 조명하는 단계를 더 포함하는 방법.
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