KR100246724B1 - 빔의 질이 개선되고 조업비가 낮아진 레이저 - Google Patents

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도날드 지. 라슨
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아킨스 로버트 피.
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Abstract

예를 들면, 사진 평판술이나 외과에서 유용한 레이저를 개시한다. 일실시예에서는 레이저에 방사실과 종래의 무배플 인클로저보다 인클로저내의 구성요소들을 확실하게 냉각시킬 수 있는 냉각 공기를 더 적게 필요로 하는 배플 인클로저내에 폐쇄되어 있는 열-발생(heat-generating) 전자장치가 포함되어 있다. 조화 공기의 양을 감소시키는 방법도 제공된다. 또다른 실시예에는 레이저에 열교환 시스템이 갖추어져 있고, 이 열교환시스템은 열교환기를 통하는 물의 흐름을 조절하는 유량 배분 밸브를 조정함으로써, 열교환기를 통하여 계속적으로 변하는 열교환율을 제공하여 레이징 가스의 온도를 일정하게 유지한다. 레이저 빔을 제공하는 방법 및 레이저 빔의 균일성을 향상시키는 방법도, 본 발명의 레이저 및 방법을 활용하는 사진평판방법과 함께 깨시한다.

Description

빔의 질이 개선되고 조업비가 낮아진 레이저
레이저는 다년간에 걸쳐 많은 응용에서 이용되어 왔다. 레이저 제조자들은 합리적인 조작비로 정밀한 고에너지빔을 제공할 수 있는 레이저를 제공하기 위하여, 빔의 질과 레이저의 작업 성능을 개선시키고자 계속적으로 시도하였다.
컴퓨터 칩 산업은 빔의 질과 작업 성능에 있어서의 여러 가지 개선들이 어떻게 활용되어 왔는가를 말하여준다. 하나의 응용예에서는 하나의 포토레지스트(photoresist)를 실리콘 웨이퍼와 같은 기판위에 만든 다음에, 깨끗한 실내에서 포토레지스트의 선택된 부분을 자외선(UV) 광선에 노출시킴으로써 형(pattern)을 뜬다. 이와 같이 형이 만들어진 포토레지스트는 실리콘 웨이퍼내에, 결국에는 반도체 소자가 될 구조의 범위를 한정한다. 이러한 구조의 범위를 더 정밀하게 한정할 수 있으면, 구조를 더 작게 만들고, 그 사이의 공간도 더 적게 할 수 있으며, 그 결과 더 남은 구조 또는 반도체 소자를 작은 면적내에 끼워넣을 수 있다. 레이저는 포토레지스트의 형을 만드는 자외선 광을 제공하는데 이용되어 왔다. 웨이퍼상의 포토레지스트이 일부에는 레이저광의 버스트(burst)를 이용하여 형이 만들어지고, 웨이퍼는 빨리 본래의 위치로 되돌아가고, 포토레지스트의 또다른 부분에는 레이저광의 또다른 버스트를 이용하여 형이 만들어진다. 이러한 과정은 웨이퍼 전체에 형이 만들어질 때까지 반복된다. 발산, 동력, 방향 제어 등과 같은 빔의 파라미터들이 개선됨에 따라, 반도체 소자를 더 작고, 더 빠르게 만들 수 있게 되어, 크기는 같으면서도, 종래의 구식 레이저를 사용하여 만든 힘이 약한 칩에 비하여 더 큰 작업 능력과 더 빠른 속도를 제공할 수 있다. 더 빨라진 생산속도와 여과된 냉각 공기, 냉각수 등과 같은 소비성 자원과 동력을 활용함에 있어서의 개선된 효율은 생산 원가를 감소시켜 컴퓨터 칩의 가격을 합리적인 수준으로 유지하는데 도움이 되지만, 레이저가 단위시간당 더 많은 광의 버스트를 제공하는 한편, 분산과 방향 이동을 적게 하면서 초점이 맞추어진 빔을 유지하는 것이 요구된다.
의료업계에서도 저분산, 고출력, 정밀한 방향 제어의 빔을 가진 레이저에 대한 꾸준한 수요을 보여주고 있다. 예를 들면, 각막 또는 망막 절개는 주변 조직에 최소한의 손상을 주면서 정확하고 신속하게 행하여져야 한다. 출력에 대한 제어가 개선된 빔은 조직이 레이저 광선에 노출되는 시간을 최소화하고, 예를 들면, 장치의 진동 등으로 인하여 어긋난 절개가 행하여질 기회를 최소화하면서, 정확한 깊이로 신속한 절개를 행할 수 있게 한다.
사진 평판술이나 의학적 응용에 있어서 특히 유용한 레이저는 가스 방사 레이저(gas descharge laser), 특히 전자기 스펙트럼의 자외선 영역내에서 방사되는 매우 강력한 광자(photon)에 기인되는 엑시머 레이저(excimer laser)이다. 엑시머 레이저에서 나오는 빔은 주변 물질의 온도를 상승시킴이 없이, 유기물내의 화학적 결합을 파괴할 만큼의 에너지를 가진다. 이러한 냉각 광화학적 작용(cold photochemical action)을 수행할 수 있는 엑시머 레이저의 능력에 의하여, 시스템은 사진 평판술이나 의학적 응용에서 이용될 정확한 주파수와 출력을 가진 레이저 광선을 발생시킬 수 있다.
도 1 은 상업용 엑시머 레이저(100)를 도시한 것이다. 인클로저(enclosure) (110)에는 레이저 광선을 생성하는 것에 관련된 장치의 대부분 또는 전부가 들어 있다. 상업용 엑시머 레이저는 빔을 생성하는 방사실(discharge chamber)(120), 방사실에 열을 가하거나, 방사실로부터 열을 제거하는 열교환 시스템(그 일부가 도 1 에서는 120 으로, 도 2 에서는 250 으로 표시되어 있다), 고전압 전원 장치(130), 펄스 전류 모듈(140), 제어 회로(150), 선택적으로 진공 펌프(160)로 이루어지는 레이저 가스 관리 시스템, 레이저가 위치한 실내의 통기관 또는 진공관에 부착되어 있는 환기 스택(170)과 같은 환기 장치를 이용한다. 인클로저에는 전형적으로 인클로저의 여러 측면에, 인클로저 외부의 공기가 내부로 인입되는 다수의 개구(180)가 제공되어 있으나, 이제까지는 인클로저내로 인입되는 공기를 효율적인 방법으로 활용하는 것에 대하여 별로 주의를 기울이지 아니하였다. 레이저 빔을 생성하는데 이용되는 가스에는 플루오린(fluorine: F2)과 같은 생물학적으로 받아들여질 수 없는 가스들이 들어있는 경우가 많았기 때문에, 종래의 생각은 인클로저내로 다량의 공기를 끌어들이고, 레이저 방사실로부터 인클로저내로 누출될 우려가 있는 이러한 가스의 일부를 인클로저로부터 제거하기 위한 시도로서, 공기가 흐를 수 있는 많은 통로를 제공하는 것이었다. 그러나, 칩제조의 복잡성과 정밀성이 증대됨에 따라, 실리콘 웨이퍼와 이러한 웨이퍼를 가공하는데 이용되는 레이저를 둘러싸고 있는 공기는 어떠한 오물이나 오염물로부터도 벗어나야 한다는 것이 요구되었다. 이러한 공기는 고도로 여과되고, 클린룸(clean-room) 시방서의 필요조건이 되어 있고, 따라서 매우 비용이 많이 소요된다. 본 발명의 목적은 인클로저내에 장착되어 있고, 클린룸의 기준에 부합하는 이러한 값비싼 공기를 적게 소비하는 레이저를 제공하는 것이다.
상업용 가스 레이저내의 레이저 빔은 방출 튜브, 상자 모양의 하우징 또는 통상적으로 인클로저내에 놓여있는 기타 적당한 형상의 챔버와 같은 방사실내에서 생성된다. 열교환 시스템은 방사실을 거의 상온으로 유지하기 위하여 이용된다.
가스 레이저내에서 레이저 빔을 만들어내기 위하여, 방출실내의 가스는 원자 또는 분자의 전자들을 고도의 또는 여기된 에너지 상태로 만들기에 충분한 에너지의 영향을 받는다. 그 다음에는 강력하게 된 원자 또는 분자가 외부 광자들에 의하여 하나의 광자를 방출할 수 있게 유발된다. 이와 같은 유발 방출(stimulated emission)로 발생되는 광선은 2 개의 거울 사이에서 반사되어, 광자들을 더 유발 방출하게 한다. 더 많은 광자들이 방출됨에 따라, 광선 빔의 힘이 증폭되고, 빔이 힘의 한계 수준에 도달한 때에는 빔의 일부가 거울중 부분적으로만 반사되는 거울을 통과한다.
레이징 상태에서의 가스의 압력 및 온도는 레이저의 효율과 레이저 빔의 질에 영향을 주는 중요한 파라미터이다. 가스의 압력을 조절하는 한편, 온도로 조절하는 방법은 본질적으로 레이저실의 용적에 의하여 정하여지는 가스의 용적을 제공하는 것이다. 레이저의 효율은 특정한 레이징 가스용으로 선택된 가스 온도(통상적으로 35 내지 55℃)에서 최고로 된다. 레이저실은 일정한 출력을 위하여 몇 ℃ 더 높은 가스 온도를 유지하여야 한다. 레이저 빔의 크기, 분산, 출력 및 방향도 가스 온도에 의하여 영향을 받는다. 가스의 온도가 충분히 일정하게 유지되지 아니하는 경우에는 빔이 너무 커져서 빔의 힘이 약화될 수 있다. 빔은 표적에 수렴되기 보다는 오히려 분산되어 그 힘이 더 약화될 수 있다. 그외에도, 빔은 온도가 제대로 조절되지 아니하면, 원하지 아니하는 방향으로 이동하여, 부정확한 위치에 있는 표적을 치거나, 표적을 완전히 벗어날 수 있다. 그러므로, 가스 온도를 신중하게 제어하여야만 레이저의 효율적인 작용과 레이저로부터의 고품질의 광선을 제공할 수 있다.
상업용 레이저, 특히 5W 이상의 고출력에서 작동하는 레이저에 있어서는 레이징 가스의 온도를 정밀하게 조절하는 것은 매우 어렵다. 레이징 가스는 여기된 분자나 원자를 만들어내기 위하여 순간적으로 다량의 에너지의 영향을 받게 된다. 예를 들면, 광대역 크립톤 플루오라이드 엑시머 레이저(Krypton fluoride excimer laser)에 있어서, 에너지의 약 3%가 레이저 광으로 변환되고, 사용되지 아니한 에너지의 대부분이 열을 생성한다. 따라서, 매우 짧은 시간내에 다량의 열이 생성된다. 이로 인하여 생기는 가스 온도의 급속한 상승을 빨리 감지하여야 하고, 가스의 온도를 일정하게 유지하려면, 열을 신속히 제거하여야 한다. 빔을 생성하기 위하여 사용되는 동력이 차단될 때에도, 가스 온도가 급속히 떨어지기 때문에, 다시 온도의 변화를 빨리 감지하여야 하고, 가스 온도를 일정하게 유지하려면, 열이 제거되는 속도를 신속히 조정하여야 한다. 그외에도, 다수의 공업용 레이저들은 버스트 방식으로 작동되며, 여기에서는 빔이 짧은 시간동안에 생성되고, 짧은 유휴 시간(idle period)을 거쳐 빔의 표적이 그 다음 버스트에 앞서 제 위치에 놓이게 된다. 예를 들면, 버스트 방식으로 작동하는 레이저는 몇 초에 한 개씩 하나의 빔을 만들어내고, 그 다음에는 0.1 내지 3 초 정도의 짧은 시간동안 유휴 상태에 있게 되는데, 이 시간에 사이클이 반복된다. 이와 같이, 레이저는 대부분의 시간 동안 순간적인 불평형 상태에 있기 때문에, 가스 온도의 조절이 매우 어렵다.
레이징 가스의 압력을 조절하기 위하여 고안된 시스템들이 많다. 미국 특허 제 5,117,435 호에서는 가스 레이저용 압력조절 시스템을 개시하였는데, 여기에서는 전자들을 더 강력한 상태로 만들기 위한 에너지를 공급하는데 이용되는 양극(anode)의 스템(stem)에 장착되어 있는 열전대가 양극의 온도를 측정하고, 양극의 온도를 조절하고, 이에 따라 솔레노이드 밸브를 개방하여 더 많은 가스가 레이저실로 들어가게 함으로써 레이저내의 압력도 조절한다. 스템에 장착되어 있는 열전대에 의하여 판독되는 온도에 영향을 주는 냉각수의 온도는 스템 장착 열전대의 신호를 정규화시킴으로써 스템 장착 열전대로부터의 신호에 대한 냉각수의 영향을 보상하는데 이용된다. 열교환기는 레이저내의 가스의 온도를 확립하고, 이러한 가스의 압력은 양극 온도에 응하여 새로운 가스를 추가함으로써 유지된다. 이 특허에서는 열교환기를 통하여 흐르는 물이 조절되는지의 여부 또는 그 조절 방법에 관하여는 언급이 없다.
또다른 시스템은 방사실 내에서의 가스의 가열 또는 냉각으로 인하여 생기는 벽 온도의 변화를 감지하기 위하여, 방사실벽에 장착된 열전대를 이용한다. 열전대는 전통적으로 특히, 플루오린(fluorine)과 같은 반응성 가스가 존재하는 경우에는 반응성 가스의 소모와 금속 플루오르화물에 의한 레이징 가스의 오염을 방지하기 위하여, "펌프되는" 뜨거운 레이징 가스로부터 멀리 떨어져 위치한다. 벽에 장착된 열전대로부터의 신호는 솔레노이드 제어식 온/오프 물밸브를 특정 시간 동안 개방하는데 이용되는 전압으로 변환된다. 가스 온도가 상승하는 시간과 열전대이 가스 온도의 상승으로 인하여 일어나는 방사실벽 온도 상승을 감지하는 시간 사이의 지연이 길기 때문에, 레이징 가스의 온도가 변동된다. 그외에도, 온/오프 밸브는 냉각수를 완전히 흐르게 하거나, 전혀 흐르지 못하게 하기 때문에, 레이징 가스의 온도는 거의 사인파 모양으로 변동된다.
미국 특허 제 4,760,583, 4,547,885, 4,661,958, 4,707,837, 4,502,145 호에서는 거울들을 지지하고, 레이저 방출 튜브를 둘러싸는 지지 튜브내에서 가스를 일정한 온도로 유지하기 위한 시스템으로서, 이러한 지지 튜브가 레이저 방출 튜브와 거울이 적절한 동렬 위치를 유지하게 하는 시스템을 개시하였다. 이 특허들은 일관된 질의 레이저 빔을 제공하기 위하여 가스 압력을 일정하게 유지할 수 있는 별개의 시스템도 개시하고 있다. 가스의 온도는 레이저실 외에 위치한 열전대에 의하여 측정된다. 열전대은 열교환기용의 솔레노이드 온/오프 밸브를 조절하고, 가스의 냉각은 물밸브가 개방되는 시간의 길이를 변동시켜서 조절한다. 가스의 일부는 레이저로부터 계속적으로 인출되고, 압력 센서는 가스 압력이 본질적으로 일정하게 남아있도록 신선한 가스가 도입되는 속도를 조절한다. 레이저 자체 내에서의 온도변동은 감지되지 아니하고, 열전대가 레이저의 외측에 위치하고, 레이저로부터 방출되는 가스가 열교환기와 접촉하기 전에, 2 개의 열교환기를 통과하기 때문에, 변동에 대한 보상이 전혀 없다.
미국 특허 제 5,084,885 호에서는 송풍기가 과열로 인하여 손상되는 것을 방지하기 위하여, 가스 레이저로부터 방출되고, 송풍기의 유입구에서 감지되는 가스의 온도를 이용한다. 방출된 가스는 열전대과 접촉하기 전에, 열교환기를 통과하기 때문에, 가스가 송풍기와 접촉하기 전에, 열이 제거된다. 다른 특허들도 유사하게 다른 목적을 위하여 레이저실상에서 또는 그 안에서 실시하는 온도 측정을 이용한다. 미국 특허 제 4,573,159 호에서는 방출 튜브와 거울을 동렬 위치에 유지하기 위하여, 각 레이저 튜브 마운트를 일정한 온도로 유지할 수 있는 동수의 팬들을 제어하는데, 레이저 튜브 마운트 또는 지지판상에 장착되어 있는 다수의 열전대를 이용한다. 미국 특허 제 5,091,914 호에서는 방출 튜브 주위에서의 거울의 적절한 위치를 유지하기 위하여 레이저가 아이들링(idling)할 때, 레이저 방출 튜브 둘레의 주변 공기 온도를 조절하는데 열전대가 이용된다. 미국 특허 제 5,005,929 호에서는 스캐너 위치 센서 근방의 온도를 주변 온도와 비교하여 위치를 정할 수 있는 거울(positionable mirror)을 조정함으로써 레이저 빔의 위치를 정확히 잡을 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 목적은 가스 온도가 신속하게 정확히 조절되는 레이저를 제공하기 위하여, 방사실내의 가스 온도가 신속히 측정되는 레이저를 제공하는 것이다. 상기 목적 및 또 다른 목적과 잇점이 여기에서 개시되는 것으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 종래의 기술에 의한 레이저 및 인클로저를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 의한 레이저의 적당한 일실시예로서, 배플 인클로저가 제공되어 있는 실시예를 도시한 도면이다.
도 3 은 가스 온도 센서가 달린 레이저 방출실을 도시한 도면이다.
도 4 는 벽 센서와 가스 센서가 레이징(lasing) 가스 온도를 조절하기 위하여 개별적으로 이용될 때, 역 온도 센서에 의하여 측정되는 레이저 방출실 벽 온도를 도시한 도면이다. 세로 좌표는 시간(초)이고, 가로 좌표는 온도(℃)이다.
도 5 는 벽 센서와 가스 센서가 레이징 가스 온도를 조절하기 위하여 개별적으로 이용될 때, 가스 온도 센서에 의하여 측정된 가스 온도를 도시한 도면. 여기에서, 세로좌표는 시간(초)이고, 가로좌표는 온도(℃)이다.
도 6 은 벽 온도와 가스 온도를 동시에 측정하여 도 4 및 도 5 에서 사용되는 데이타를 만들어낼 수 있도록, 벽 온도 센서와 가스 온도 센서가 달려있는 레이저를 도시한 도면이다.
도 7 은 벽 온도 센서와 가스 온도 센서가 레이징 가스 온도를 조절하기 위하여 개별적으로 이용될 때, 레이저 작업중 레이저 전극전압의 분산을 도시한 도면이다.
도 8 은 벽 온도 센서와 가스 온도 센서가 레이징 가스 온도를 조절하기 위하여 개별적으로 이용될 때, 레이저 작업중 레이저 빔 에너지의 분산을 도시한 도면이다.
도 9 는 물이 열교환기를 통하여 흐르게 하기 위한 비례식 밸브를 사용함으로써 열전대(thermocouple) 또는 다른 레이징 가스 온도 센서로부터의 신호에 응답하여 물의 흐름을 변동시키는 고속 가스 온도 제어 시스템을 제공하기 위한 적당한 시스템을 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
130 : 고전압 전원 장치 150 : 제어 전극
170 : 통기관 200 : 공기 유입구
220 : 슬롯 300 : 팬
320 : 열교환기 330 : 온도 센서
일 실시예에서, 배플 인클로저(baffled enclosure)내에 들어있는 레이저의 기능을 조절하는 전자장치(예를 들면, 가스를 레이저 빔을 발생시키기에 충분한 상태로 여기하는 동력 발생 전자장치)과 레이징 가스가 들어있는 하나의 방사실이 포함된 레이저가 제공된다. 배플 인클로저는 클린룸 공기의 적어도 부분 순차 흐름을 제공하고, 인클로저내로 인입되는 공기의 효율적 사용을 증진시키고, 전자장치를 냉각시키는데 필요한 공기의 양을 감소시키고, 인클로저의 내부로 누출되는 생물학적으로 받아들일 수 없는 가스를 제거한다.
본 발명은 레이저 빔을 생성하는데 이용되는 가스용으로 고속 응답 실시간 온도제어 시스템을 활용하는 레이저도 제공한다. 이와 같이 장비된 레이저는 펄스 대 펄스 안정성 뿐만 아니라, 전압 안정성도 향상시키고, 빔의 질과 레이저의 효율도 증대시켰다.
일 실시예에서, 고속 응답 실시간 온도 제어 시스템을 가진 레이저에는 레이징 가스와 열교환기가 들어있는 하나의 밀폐실과 레이징 가스를 레이저 빔을 생성하기에 충분한 상태로 여기시키는 동력원이 포함되어 있고, 효율적인 열전달로를 제공할 수 있게 구성된 온도 센서가 포함되어 있는 고속 응답 온도 제어 시스템은 열교환기를 통하여 흐르는 열교환 유체의 양을 계속적으로 조절하는 유량 조절기와 함께, 가스 흐름대에 장착되어 있다.
본 발명은 다른 여러 가지 요인중에서, 센서에 의하여 공급을 받고, 가스흐름내에 장착되어 있는 고속 응답 실시간 온도 제어 시스템과 연속-조절(continusously-regulated) 열교환 시스템이 제공되어 있는 가스 레이저가 개선된 펄스 대 펄스 에너지 안전성, 개선된 전압 안정성, 고도의 반복률, 개선된 펄스 대 펄스 빔의 질, 그 작용상의 개선된 효율 등을 가질 수 있다는 기술적 조사 결과에 근거한 것이다.
본 발명 실시를 위한 최선의 형태
본 발명을 첨부도면에 의하여 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
상업용 레이저는 통상적으로 레이저 광의 생성과 관련되는 장치의 대부분 또는 전부가 들어있는 인클로저내에 들어있다. 예를 들면, 상업용 엑시머 레이저는 빔을 발생시키는 방사실(discharge chamber), 상기 방사실에 열을 가하거나 방사실로부터 열을 제거하는 열교환 시스템(heat exchange system), AC 전력 시스템(AC power system), 고전압 전원 장치(high-voltage power system), 펄스 전력 회로(pulsed power circuitry), 제어 회로(control circuitry), 선택적인 가스 조절 모듈(gas control module), 정상 작업중 소비되는 F2와 같은 가스를 가하기 위한 관련 진공 펌프(vacuum pump), 상기 진공 펌프 및/또는 환기 스택(ventilation stack)과 같은 환기 장치 및 진공 표시기(vacuum indicator) 및 안전 스위치(safety switch)와 같은 관련 장치를 사용한다.
인클로저내로 인입된 공기는 구성 요소들을 냉각시키고, 인클로저내로 누출될 우려가 있는 레이저 가스를 제거하는데 도움이 된다. 인클로저를 차단하는 것은 인클로저내에 있는 장치들을 냉각시키거나, 인클로저내에 축적되는 가스를 제거하는데 이용되어야 하는 공기의 양을 감소시켜서, 더 경제적으로 작동하는 더 안정한 레이저를 제공한다. 본 발명의 일실시예에서는 인클로저내로 인입되는 공기중 적어도 일부가 실질적으로 인클로저 체적의 전체에 걸쳐 이동할 수 있도록 내부에 배출판이 달려있는 인클로저를 가진 레이저가 제공된다.
도 1 은 종래기술에 의한 하나의 레이저를 도시한 것이다. 인클로저에는 인클로저내에 이음매가 있는 다수의 공기 입구(180)가 있으나, 본질적으로 공기를 인클로저내로 안내하거나 보내지는 않는다. 고전압 전원 장치(130) 및 제어용 전자장치(150)와 같은 레이저 구성 요소들이 캐비닛의 구성상 편의를 위하여 인클로저내에 위치하고 있으나, 캐비닛내로 인입되는 냉각용 공기의 최대 활용을 위한 것은 아니다. 그 결과, 열을 효과적으로 제거하고, 누출된 가스를 제거할 수 있을 만큼 폐쇄 용적의 충분히 청소하기 위해서는 1 분당 300 내지 400 평팡피트(cfm)의 공기가 필요하다.
도 2 는 배플 인클로저를 가진 레이저의 적당한 일실시예를 도시한 것이다.이 실시예에는 하나의 공기 입구(air inlet)(200)가 있고, 캐비닛내로 들어가는 공기는 통기관(vent duct)(170)을 거쳐 빠져나가기 전에, 실질적으로 폐쇄된 용적 전체를 통하여 순차적으로 이동된다. 이러한 경우에, 배플링(baffling)은 폐쇄 용적을 3 개 부분으로 분할하는 고형 패널(solid pannel)(210)에 의하여 제공된다. 패널에는 구멍이나 슬릿(slit)(220)이 제공되어 있어서, 공기가 용적의 한 부분으로부터 그 다음 부분으로 이동할 수 있다. 베플판의 구멍이나 슬롯은 공기의 적어도 일부가 폐쇄 용적의 대부분을 순차적으로 계속하여 흐르는 것을 촉진할 수 있는 크기로 되어 있고, 그러한 위치에 제공되어 있으며, 공기는 실질적으로 폐쇄 용적 전체를 통하여 순차적으로 흐른다. 도 2 의 레이저는 도 1 에 도시된 종래 기술에 의한 레이저에 의하여 요구되는 300 내지 400 cfm 에 갈음하여 100 cfm 의 공기만을 필요로 한다. 이러한 감소는 사진 평판술에서 이용되는 경우와 같이, 클린 룸안에 위치하여 있는 때에는 이러한 클린룸내의 고도로 여과된 조절 공기(conditioned air)는 매우 비용이 많이 들고, 가스가 인클로저내로 스며들 가능성이 있어서 재순환시킬 수 없기 때문에, 특히 유리하다.
배플 인클로저를 가진 레이저는 바람직하기로는 가스 레이저이고, 더 바람직하기로는 여기에 참고로 합체시킨 미국 특허 제 5,377,215 호 및 제 4,959,840 호에 개시되어 있는 불활성 가스 할로겐화물(noble gas halide)을 사용하는 엑시머 레이저이다. 시판되는 엑시머 레이저들은 XeCl, KrCl, ArF, KrF, XeF 등과 같은 불활성 가스의 여러 가지 할로겐화물들을 사용한다. 각 기체화합물은 고유 파장의 레이저 광을 생성한다.
그러나, 레이저는 널리 사용되는 가스 레이저 또는 엑시머 레이저일 필요는 없다. 고체 레이저(solid-state laser), 액체 레이저(liquid laser), 자유 전자 레이저(free-electron laser) 등과 같은 어떠한 레이저도 인클로저 내에 위치할 수 있다. 인클로저도 레이저와 관련된 모든 장치를 수용할 필요는 없으나, 적어도 방사실(120), 메이크업 가스 모듈(makeup gas module)(230)(이용되는 경우에 한함), AC 동력 시스템(240), 고전압 전원 장치(130) 등과 같이, 대부분의 열을 발생시키는 구성 요소들은 수용하는 것이 바람직하다. 열에 대하여 가장 민감하거나, 상당한 열을 생성하는 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 최초로 하우징 인클로저내로 인입된 가장 찬 공기속에 장착하고, 더운 공기에 견디는 구성 요소들은 하류쪽에 위치하게 하는 것이 바람직하다. 다량의 냉공기를 주요 위치에 들여보내기 위하여 다수의 공기 입구들을 사용할 수 있고, 공기를 특정한 구성 요소에 안내하거나, 공기의 일부를 폐쇄 용적의 전부를 쏟고 지나감이 없이, 폐쇄 용적의 제 2 부분으로 이동시키기 위하여 다수의 배플을 사용할 수 있다. 공기는 열발생 구성 요소로부터 열을 제거하고, 폐쇄 용적을 쓸고 지나갈 수 있는 냉각 흐름 경로를 설정하는데 필요한 공기의 양이, 배플이 존재하지 아니한 때 필요한 공기의 양보다 감소된 정도로 배플에 의하여 인클로저 내부를 흐를 수 있게 안내되어야 한다. 폐쇄 용적은 인클로저의 내부 압력이 대기압과 같거나, 더 높을지라도, F2와 같은 가스가 유출되지 못하도록 부압(negative pressure)하에서 작동되는 것이 바람직하다. 인클로저는 공기가 원하지 아니하는 위치로 들어가는 것을 제어하기 위하여 이음매에 따라 잘 밀봉되어 있고, 캐비닛의 문들도 실리콘 고무 가스킷을 사용하여 밀봉할 수 있다. 인클로저의 용적을 여러 부분으로 나누는 패널은 장치를 지지하는 한편, 배플로서 작용할 수 있게 이용될 수 있으며, 패널의 가장자리는 실리콘 가스킷으로 밀봉하는 것이 바람직하다.
레이저는 작업 중 여러번 조정할 필요가 있다. 이로 인하여 인클로저의 문을 열어야 하고, 이에 따라 공기순환에 손실이 생길 수 있다. 레이저 조정중에도 공기순환을 계속적으로 제공하기 위하여, 레이저와 인클로저내의 관련 구성 요소들은 실리콘 가스킷(도시없음)을 이용하여 인클로저의 문쪽으로 패널과 인클로저에 고정된 깨끗한 플라스틱 패널뒤에 위치할 수 있다. 플라스틱 패널내의 점검구(access holes)위에는 고무 플랩(rubber flap)을 사용할 수 있고, 이 고무 플랩은 이를 들어올리면, 폐쇄 용적 전체에 걸친 공기의 순환을 실질적으로 손실되게 함이 없이, 폐쇄 용적내에 도달할 수 있다. 힌지문, 슬라이딩 커버 또는 회전 커버와 같은 다른 서비스 점검 폐쇄 부재도 가능하다. 환기관 연결부(ventilation connection) (170)에도 압력을 감시하고, 인클로저내의 압력이 너무 높아지면, 레이저를 차단하기 위한 압력감응 스위치 및 표시기를 제공할 수 있다.
엑시머 레이저와 같은 가스 레이저에 있어서는 인클로저에 전형적으로 가스 레이저 방사실과 열교환 시스템과 같은 장치가 들어있다. 방사실에는 레이저 빔을 만들어내는데 사용되는 가스가 들어있고, 통상적으로 코로나 방전을 생성하는 전극 또는 이-빔(e-beam)이나 마이크로파를 방사실내로 도입하기 위한 가이드 튜브와 같이, 전자들을 고도의 에너지상태로 여기시키는 장치중 적어도 일부도 들어있다.
도 3 은 본 발명의 또다른 적당한 실시예를 도시한 것으로서, 여기에서는 고속 반응 가스 온도 제어 시스템(fast-reacting gas temperature control system)의 일실시예가 이용된다. 하나의 팬(300)이 방사실내의 가스를 전극(315)에 의하여 만들어지고, 전자들을 그 고에너지 상태로 여기시킴으로써 방사실내로 도입되는 열을 제거하는 열교환기(320)을 통과하는 전기 또는 글로우 방전 용적(310)내로 순환시킨다. 가스의 온도는 온도 센서에 의하여 측정되고, 여기에 함께 실린 미국 특허 제 5,377,215 호에 개시된 바와 같은 마이크로 프로세서에 근거한 제어기에 의하여 감시되며, 이러한 제어기는 가스의 주된 부분이나 양의 온도를 판독하기 위하여 방사실내의 이동 가스 흐름내로 충분한 거리에 걸쳐 뻗어있는 온도 센서(330)로부터의 온도 신호를 수신한다. 도 3 에서는 온도 센서가 팬 근방에 위치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 온도 센서가 이 기술분야의 전문가는 작업 조건에 따라 달라진다는 것을 알고 있는 경계층 효과를 피할 수 있을 만큼 충분히 벽으로부터 떨어져 배치되어 있는 경우에, 온도가 펌핑 에너지원의 영향을 받는 다량의 이동 가스의 온도를 대표하는 때에는, 온도 센서는 가스 흐름중 머물러 있지 아니하는 부분내에 위치할 수 있다. 이러한 방법에 있어서는 여기된 가스 분자에서 가장 가까운 가스의 온도 변화가 직접으로 측정된다. 방사실에는 방사실 내에서의 가스 흐름이 전반적으로 원형 패턴을 가지도록 도와주는 배플(340)이 포함될 수 있다. 온도 센서는 하나의 열전대, 바람직하기로는 아날로그 디바이시즈(Analog Devices) 회사에서 만든 모델 AD590 반도체 소자와 같이, 감지된 온도를 신호로 표시하는 반도체 온도 센서로 할 수 있고, 304 또는 316 형 스테인레스강 써멀 웰(thermal well)과 같은 할로겐화물 저항성 써멀 웰(350)내에 배치할 수 있다. 이러한 써멀 웰의 두께는 열을 효과적으로 신속하게 전달할 수 있도록 최소화하여야 하나, 조직상의 제약에 근거하여, 조잡한 방사실 환경속에서 센서를 보호할 수 있을 정도의 충분한 두께로 하여야 한다. 열전대나 반도체 소자는 엑시머 레이저 시스템내에 사용하기 위하여, 열전도성 에폭시 접착제(thermally-conductive epoxy glue)을 사용하여 써멀 웰에 부착시키는 것이 바람직하다. 신속한 열전달을 촉진하고, 전술한 바와 같이, 가스 흐름내에 효율적인 열유동로를 설정할 수 있게 개조된 온도 센서는 폐쇄된 가스의 온도가 변동됨에 따라 신속히 반응하는 실시간 온도 표시 신호를 제공한다. 본 발명은 바람직하기로는 5 초 이하의 신속한 반응 시간을 제공하고, 종래의 기술에서 이용되는 비교적 두꺼운 센서 하우징 재료를 통하는 열전파(thermal propagation)로 인한 시간 지연(time lag)을 보상할 필요없이 직접으로 온도를 측정하기 위하여, 작은 열 시간 상수(thermal time constant)를 가진 써멀 웰 재료를 열전도성 에폭시 풀과 결합시켜서 종래의 센서 디자인을 개조하였다. 가스 흐름내에 배치된 종래의 센서를 이용하면, 챔버 벽에 배치된 센서보다 더 양호한 온도 측정을 제공하나, 가스의 온도를 실시간으로 신속히 측정하는데에는 본 발명의 결합에 의하여 제공되는 것보다 아직도 불충분하다. 종래 디자인의 고유한 열 지연(thermal lag)없이 가스의 온도를 실시간으로 측정할 수 있게 하는 효율적인 열통로를 제공하는 것이 고려되어야 한다. 효율적인 열통로에 대한 필요를 예상하지 아니한 종래의 센서에 비하여, 본 디자인의 온도 센서 결합의 효과를 보여주는 일예는 서로 다른 온도 센서들이 반응하는 속도와 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이, 인클로저내의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 그 능력이다.
도 4 및 도 5 는 도 6 에 도시된 장치에 의하여 만들어진 것이다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 2 개의 온도 센서가 방사실에 부착되어 있다. 하나의 온도 센서(600)("벽 센서(wall sensor)")는 방사실벽 온도가 실내가스 온도의 표시척도로서 이용되는 종래기술에 의한 레이저 디자인에서 발견되는 열지연시간을 제공하기 위하여 방사실벽내로 움푹 들어가 있으나 벽을 관통하지는 아니하였다. 이러한 센싱배치내에서 측정된 온도는 여기에 도시된 바와 같이, 열이 방사실벽을 통하여 전파되는 전달시간으로 인하여 진정한 실내가스 온도를 늦어지게 한다. 본 발명에 의하여 설계된 또 다른 온도 센서(330)("가스 센서(gas sensor)")는 방사실을 통하여 레이저 방사실내의 이동 가스내로 뻗어있다. 선택된 온도 센서로부터 출력은 마이크로 프로세서에 근거한 제어기로 전달되고, 이 제어기는 레이저실내의 열교환기에 냉각수를 공급하는 솔레노이드 제어수 밸브를 개폐하는 시간을 제어한다.
도 4 는 벽 센서에 의하여 측정된 방사실벽 온도를 도시한 것이다. 선 A는 벽 센서가 가스 온도를 제어하기 위하여 사용되었을 때, 벽 온도를 나타낸 것이다. 선 B는 가스 센서가 가스 온도를 제어할 때, 벽 온도를 나타낸 것이다. 선 A는 레이저가 작동되고, 매우 짧은 시간동안 원하는 온도로 유지되었을 때, 벽 온도가 점진적으로 원하는 온도까지 상승한 다음에, 벽 센서가 가스 온도를 제어하기 위하여 사용되었을 때에는 원하는 유휴 온도(idle temperature)로 점진적으로 감소된 것을 보여준다. 선 B는 레이저가 작동되는 때에는 벽 온도가 느리게 상승하지만, 본질적으로는 긴 시간동안 일정하게 유지된 후, 레이저가 차단된 후, 서서히 감소되는 것을 보여준다.
도 5 는 가스 센서에 의하여 측정된 가스 온도를 나타낸 것이다. 선 A는 벽 센서가 가스 온도를 제어하기 위하여 사용되었을 때, 가스 온도를 나타낸 것이다. 가스 온도는 벽 온도(도 4 에서는 선 A로 표시된)가 벽 센서에 의하여 온도상승이 감지될 정도로 충분히 상승될 때까지 신속히, 본질적으로는 제어할 수 없게 상승하고, 벽 센서가 온도상승을 감지하는 시점에서는 급속한 온도 상승이 보류된 다음에, 급속한 온도 하강이 뒤따랐다. 가스는 본질적으로 레이저가 차단되기 전에 형평 온도에 도달하지 못하였다. 선 B는 본 발명에 의한 디자인의 가스 센서가 가스 온도를 제어하기 위하여 사용되었을 때, 실시간 가스 온도를 나타낸다. 가스 온도는 빨리 상승하여 형평값에 도달하였다. 가스 온도는 레이저 작동중에는 제어가 잘 되었다.
도 7 및 도 8 은 이러한 가스 온도 제어 방식이 주요 레이저 성능 파라미터에 주는 영향을 도시한 것이다. 도 7 에서는, 선 A는 벽 센서로부터의 출력이 가스 온도를 제어하기 위하여 이용되었을 때, 전극전압을 나타낸 것이다. 전압은 레이저가 작동하고 있는 기간의 대부분에 걸쳐 불안정하였다. 선 B는 가스 센서로부터의 출력이 가스 온도를 제어하기 위하여 이용되었을 때, 전극 전압을 나타낸 것이다. 전극전압은 레이저의 작동 중 본질적으로 일정하였다. 레이저 작동 중 일정한 전압은 레이저내의 가스가 레이저 작동시간 중 본질적으로 균일하게 여기되어 있다는 것을 표시한다. 균일한 여기는 정밀 사진 평판술에 있어서 중요한 더 일관된 레이저 빔을 제공한다.
도 8 은 레이저 작동 중 레이저 빔 에너지의 분산을 도시한 것이다. 큰 피크는 레이저 빔 전력내의 더 큰 분산을 나타내기 때문에, 큰 피크들은 피하여야 한다. 선 A는 벽 센서를 이용하는 가스 온도의 제어가 빔 전력내의 상당한 피크 분산을 생기게 하였음을 보여주고, 선 B는 가스 센서를 이용하는 가스 온도의 제어가 빔 전력내의 피크 분산을 감소시켜서 더 일관된 레이저 빔을 제공하는 것을 보여준다.
효율적인 열전달로를 제공하고, 가스 흐름 온도의 실시간 측정을 제공할 수 있게 구성된 온도 센서의 위치가 가스의 온도를 제어할 수 있는 마이크로 프로세서 제어 시스템의 능력과 이에 따른 빔의 질을 향상시킨다. 이것은 또한 레이저의 작동 중 소비된 가스를 추가하는 것에 대한 제어도 향상시킨다. 작업중 소비된 가스를 보충하기 위한 시스템은 미국 특허 제 5,450,207 호에 개시되어 있고, 본 양수인에게 양도되어 있고, 그 전체가 참고로 여기에 함께 실려있다.
전극 전압내의 증감은 레이저 실내에 추가 반응 가스가 언제 필요한가를 결정하기 위하여 계속적으로 감시할 수 있다. 가스 온도 제어시스템이 가스 온도를 제어하는데 벽 센서로부터의 신호를 이용하는 때에는 전극 전압 변화를 더 많은 가스를 추가하여야 할 때를 결정하기 위한 근거로서 이용하기가 어렵다. F2와 같은 소비성 가스는 온도가 상승할 때, 높은 비율로 재료와 반응한다. 가스 온도를 측정하고, 이에 의하여 가스 온도를 제어하는데 벽 센서가 이용되는 때에는 가스 온도가 원하는 동작온도보다 훨씬 높아지고, 반응성 가스는 더 높은 비율로 소비된다. 레이저가 평형에 접근하면, 반응성 가스가 필요량보다 더 많이 소비되어 레이저의 안정된 작동을 해치고 도 7 의 선(A)에서 보는 바와 같이, 전극 전압이 온도 변동으로 인하여 레이저의 작동 중 대부분에 걸쳐 불안정하게 된다. 특히, 레이저는 상업용 세팅내에서는 작동 중 진정한 평형에 결코 도달할 수 없기 때문에, 제어 시스템으로 하여금 반응성 가스의 추가 시기를 결정하기 위하여 계속적으로 전극 전압내의 변화를 이용할 수 있게 하려면, 복잡한 제어 전략과 알고리즘(algorithm)이 필요하다.
가스 온도를 측정하는데 가스 센서가 이용되는 때에는 제어시스템은 가스 온도를 레이저의 작동중 필요 온도에 매우 가깝게 유지할 수 있다. 가스는 일관된 비율로 소비되고, 도 7 의 선 B에서 보는 바와 같이, 전극 전압은 레이저의 작동 중 본질적으로 일정하다. 레이저실내에 들어있는 가스에 언제 가스를 추가할 필요가 있는가를 표시하기 위하여, 장시간에 걸친 전극 전압의 변화를 이용할 수 있다. 그러므로, 가스 센서의 사용은 레이저실 내에서의 가스의 수명에 걸쳐 레이저 빔을 더 일관성있게 할 수 있다.
가스 센서가 이용되는 경우에도, 가스 온도에 대한 제어는 제어시스템이 온/오프 밸브를 개폐함으로써 펄스식으로 냉각수 흐름을 변동시키는 대신에, 온도 센서의 신호에 응답하여 계속적으로 냉각수 흐름을 변동시킬 수 있게 열교환 시스템을 재설계하여 더 개선시킬 수 있다. 도 9는 온도 센서로부터의 신호에 응답하여 물의 흐름을 변동시킬 수 있는 제어 시스템으로서 적당한 시스템을 도시한 것이다.
도 9 에서는 온도 센서로부터의 신호가 마이크로 프로세서에 근거한 조절기로 보내지고, 이 조절기는 필요한 고정점으로부터 가스 온도의 변화를 계속적으로 감시할 수 있고, 신호를 비례 밸브(proportioning valve)(900)에 송신하며, 이 비례 밸브는 열교환기내로의 물의 흐름을 변동시키고, 필요한 고정점에서의 가스 온도를 유지한다. 도 9 에 도시된 비례 밸브는 유입되는 물을 열교환기(320)를 관류하는 것과 바이패스(bypass)(910)를 관류하는 것 등 2 개의 흐름으로 분할하는 3 방향 비례 밸브이다. 물을 물공급 탱크로 되돌아가거나, 재순환용으로 방출된다. 비례 밸브를 통하는 물의 흐름은 시스템의 조작 요건에 근거하여 필요한 통수 속도(water-flow rate)로 변동시킬 수 있다.
비례 밸브에 의하여 열교환기내로의 물의 흐름을 계속적으로 조정할 수 있다. 레이저 빔을 개폐하는 것과 같은 과도적 조건(transient condition)은 가스 온도가 일정하게 유지되도록 통수속도를 크게 변화시키고, 가스의 온도를 정상상태하에서 일정하게 유지하기 위하여 통수 속도를 경미하게 변화시키는 방법으로 처리할 수 있다. 종래의 기술에 의한 개폐 밸브는 냉각수를 완전히 흐르게 하거나, 전혀 흐르지 못하게 하여, 전술한 바와 같이, 가스의 온도를 사인파 모양으로 변동하게 하고, 이에 따라 레이저의 성능을 비효율적, 비효과적으로 만든다. 열교환 시스템내에 비례 밸브를 사용함으로써 물의 흐름을 파동치게 하는 가스 온도의 상하 변동이 제거된다. 비례 밸브의 사용은 특히 가스 센서가 사용될 때, 더 신뢰할 만한 작동을 제공한다. 가스 센서에 의하여 판독되는 온도의 순간적인 변화는 제어 시스템으로 하여금 개폐 밸브를 너무 빈번하게 파동치게 함으로써 밸브가 조기에 고장나거나, 밸브의 개폐 성질에 의하여 요구되는 밸브의 사용율(duty cycle)내의 시간 지연으로 인하여 더 많은 온도 변동이 유발될 수 있다.
전기적으로 또는 자기적으로 작동되는 밸브가 밸브의 전행정에 걸쳐 원활한 비례 제어 반응을 제공하고, 0.5초 이하의 록-투-록 활성화(lock-to-lock activatgion)를 제공할 수 있는 것을 조건으로, 이러한 밸브로 사용될 수 있으나, 비례 밸브는 존슨 콘트롤(Johnson Control)사에서 제조하는 것과 같은 압축 공기에 의하여 작동되는 밸브와 같은 급동 밸브(quick-acting valve)가 바람직하다. 도 9 는 도시된 밸브는 레이저에 대한 물의 일정한 유속을 이용하는 3 방향 밸브이며, 이는 레이저가 들어있는 사진 평판 클린룸의 설계와 같은 레이저를 수용하는 시설과 제공되어야 할 물의 최대 유량과 같은 관련 유틸리티(tuilities)를 간소화한다. 밸브는 도시된 바와 같이, 시스템 전체가 일정한 압력하에 놓일 수 있고, 이에 의하여 라인으로부터 가스 등을 깨끗이 씻어낼 수 있도록 하류쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 압력을 공급하기 위하여, 라인들은 고온(약 400℉)과 적당한 압력(약 300 psi)을 수용할 수 있는 스테인레스강 편조(braiding)가 달린 테플론(Teflon)ⓡ으로 되어 있다. 그러나, 비례 밸브는 예를 들면, 핀치 밸브, 볼 밸브, 니들 밸브 또는 기타 스로틀링 밸브로 할 수 있다. 변동하는 물의 흐름은 펌핑속도가 온도 센서 또는 제어기로부터의 출력 신호에 의하여 제어되는 가변 속도 펌프에 의하여 제공될 수 있다. 열교환기용으로 이용되는 유체는 열교환 매질로서 사용될 수 있는 열용량과 비등점과 같은 필요특성을 가진 유체이면 어느 것이라도 된다. 사용될 수 있는 다른 유체는 오일, 합성열교환유체 등과 같은 액체와 공기, 질소 등과 같은 기체상 유체이다. 열교환기는 액체 대 기체 열교환기가 바람직하고, 열교환 유체는 구하기가 쉽고, 열교환 특성이 양호한 물이 유리하다. 온도 센서는 전술한 바와 같이, 반도체 온도 센서(또는 열전대)으로 하고, 온도 센서는 레이저 빔을 만들어낼 수 있도록 "펌핑"되는 가스의 온도를 표시하는데 이용될 수 있는 다른 위치에 놓일 수 있으나, 흘러가는 레이저 가스 흐름내에 위치하는 것이 바람직하다. 그러나, 온도는 장치에 의하여 판독되는 온도를 나타내는 신호를 생성하는 적외선 탐지기와 같은 다른 원격 온도 센서를 이용하여 판독할 수 있다.
다른 적당한 실시예에서는 열교환 시스템에 레이저 가스를 냉각시키기 위하여 이용되는 열교환기를 관류하는 물의 유동율(920)과 온도(930)를 감시하는 추가구성요소가 들어있다. 물의 유동율과 온도는 더 빠르고 정확한 제어를 제공할 수 있도록 3 방향 밸브, 기타 냉각수유동 조절장치의 위치를 조정할 수 있는 가스 온도 신호와 함께 이용할 수 있다. 예를 들면, 냉각수의 온도와 레이징 가스의 온도는 센서(920)에서 측정되는 시스템을 통하는 유동율을 조정하기 위하여, 페이칠드(Fairchild)사에서 제조한 것과 같은 E/P 변환기와 같은 제어기를 할성화시키는데 이용될 수 있고, 3 방향 밸브를 조정하여, 온도를 일정하게 유지하면서, 나머지 흐름이 시스템내의 폐쇄루프를 따라갈 수 있게 하는데 필요한 냉각수의 유동량을 제공하는데도 이용된다. 이러한 방법으로, 흐름의 조절이 전술한 바와 같은 변동 스파이크보다는 오히려 선형증가에 의하여 더 정밀하게 제어되고, 이에 의하여 시스템의 온도변조가 제거된다. 냉각수 온도 또는 유동율과 같은 적당한 센서에 의하여 생성되는 다른 제어신호에 의하여 가스 온도의 변동에 더 빠르고, 더 정확하게 반응할 수 있게 된다.
또다른 적당한 실시예에서는 방사실 밖에 있는 냉각수흐름내의 모든 구성요소들이 레이저를 수용하고 있는 인클로저의 내부 또는 외부에 배치될 수 있는 하나의 서브 어셈블리(도 9 에 박스(940)로서 도시되어 있음)내에 들어있다. 냉각수온도 센서, 흐름센서, 3 방향 밸브와 같은 장치는 서브어셈블리내에 함께 집어넣어서, 레이저의 구성을 간소화하고, 구성요소들을 전기요소들로부터 떨어져 있게 하고, 누출되는 흐름센서 도는 3 방향 밸브와 같은 결함있는 구성요소의 위치를 판별할 수 있는 신속한 방법을 제공하고, 개선된 신뢰성과 안전성을 제공하고, 신속한 정비 회송시간을 단축할 수 있다. 이러한 서브 어셈블리는 그 안의 장치들을 위한 단일 또는 다중 지지물을 가진 폐쇄된 또는 개방된 서브어셈블리로 할 수 있다. 배관은 서브 어셈블리의 장치의 일부 또는 전부를 지지할 수 있다.
전술한 적당한 실시예들에서는 가스열교환기가 레이저 가스를 냉각시키기 위하여 물을 사용하고, 가스는 처음에는 이 기술분야의 전물가들에게 잘 알려져 있고, 방사실 외측에 위치한 발열체에 의하여 거의 레이저의 동작온도로 가열되거나 유지된다. 필요한 경우에는 가온 냉각수를 열교환기에 제공하고, 각 흐름을 제어밸브에 의하여 제어함으로써 열교환 시스템의 발열체를 제거할 수 있다. 유휴 기간중의 가스 온도는 레이저 빔을 생성하기 위하여 가스를 "펌핑"함으로써 가스를 거의 순간적으로 필요한 온도까지 가열시킬 수 있을 정도의 충분한 열이 생성되기 때문에, 레이저 빔을 만들어낼 필요한 가스 온도보다 약간 낮게 할 수 있다.
또다른 실시예에서는, 레이저가 작동하지 아니할 때, 외부발열체의 열효과보다 더 빨리 가스에 작용하는 잔류수의 냉각효과에서 생기는 도 7 에서 C 로 표시된 초기 온도 강하는 직접으로 방사실내에 합체되어 있는 발열체를 이용하여 상쇄시킬 수 있다. 막대발열체와 같은 이러한 발열체는 비작동기간중 가스를 신속히 가열시키기 위하여 레이저 방출을 개시하게 하는데 사용되는 것과 동일한 전력용량을 이용하여야 한다. 발열체는 엑시머 레이저 시스템의 경우의 플루오린과 같은, 특정한 레이저 시스템내에 사용되는 챔버가스와 양립할 수 있는 물질로 만들어야 한다.
이상에서, 현재 적당한 실시예라고 생각되는 것과 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 여기에 개시된 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 반대로 다음의 특허청구범위의 취지와 범위안에서 포함되는 여러 가지의 변경 등도 그 대상이 된다. 그러므로, 이 기술분야의 통상적인 전문가들은 이러한 모든 변경등이 특허청구의 범위안에 포함된다는 것을 이해할 것이다.

Claims (48)

  1. 하나의 인클로저(enclosure), 하나의 방사실, 열을 방사실에 가하거나 방사실로부터 제거하는 하나의 열교환 시스템, 하나의 AC 동력 시스템 및 고전압 전원장치로 구성되는 레이저 장치를 가지는 레이저에 있어서, 상기 레이저는 레이저 장치의 적어도 일부를 수용하는 배플(baffle) 인클로저로 이루어지고, 인클로저내의 배플의 위치 및 수가 폐쇄된 레이저 장치를 냉각시키는데 필요한 공기의 양을 참조 레이저에 의하여 요구되는 공기량에 비하여 감소시키기에 충분하고, 참조 레이저도 동일한 폐쇄된 레이저 장치와 인클로저를 갖추고 있으나 인클로저에 배플이 제공되지 않는 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인클로저내의 배플의 위치 및 수는 공기의 적어도 일부가 실질적으로 폐쇄 용적의 전부에 걸쳐 순차적으로 계속하여 이동할 수 있게 하기에 충분한 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는 엑시머 레이저인 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저내의 하나의 배플는 하나의 분할기로 이루어지고, 상기 분할기는 분할기내에 공기가 분할기의 한쪽에서 다른 쪽으로 통과할 수 있게 하는 적어도 하나의 개구를 가지는 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄 용적은 적어도 3 개의 부분으로 분할되어 있고, 하나의 부분으로 들어가는 공기가 그 반대측단부의 부분으로 나가는 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 인클로저는 공기유입관을 하나 이하로 가지는 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 인클로저는 배기관을 하나 이하로 가지는 레이저.
  8. 인클로저내에 냉공기 유입관과 더운 공기 배출관을 제공하고; 공기를 냉공기 유입관내로 들여보내고 인클로저를 통하여 더운 공기 배출관 밖으로 배출할 수 있는 충분한 구동력을 제공하고; 배플이 없는 인클로저를 가지는 동일 레이저의 폐쇄 용적을 냉각시키는데 요구되는 공기량에 비하여 폐쇄 용적을 냉각하는데 요구되는 공기량을 감소시키기에 충분한 인클로저내의 위치에 다수의 배플을 위치시키는; 것으로 이루어지는 폐쇄 용적을 가지는 인클로저내의 레이저의 구성 요소들을 냉각시키기 위하여 이용되는 조화 공기의 양을 감소시키기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 인클로저내의 배플의 수 및 위치는 인클로저를 통하여 이동하는 공기의 적어도 일부를 실질적으로 인클로저의 폐쇄 용적의 전부에 순차적으로 계속하여 이동시키기에 충분한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 폐쇄 용적의 압력이 인클로저 외부의 압력보다 낮은 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 인클로저 내에서 이동하는 공기의 거의 전부가 하나의 공기유입관을 통하여 공급되는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 인클로저내에서 이동하는 공기의 거의 전부가 하나의 배기관을 통하여 배출되는 방법.
  13. 하나의 레이저로서,
    1) 레이저 빔을 발생시키기 위한 방사실;
    2) 레이징 가스(lasing gas);
    3) 상기 레이징 가스의 온도를 표시하는 실시간 온도 신호를 발생시키기 위하여, 작은 열시간상수(thermal time constant)를 가지는 물질을 이용함으로써 열적으로 최적화되는 온도 센서;
    4) 상기 레이징 가스에 열을 추가하거나, 레이징 가스로부터 열을 제거하기 위한 열교환 시스템으로서, 그 열교환율이 온도 신호에 응답하여 계속적으로 변하고, 온도 센서로부터의 실시간 온도 신호에 응답하여 조정되는 열교환기가 포함되어 있는 열교환 시스템;으로 이루어지는 레이저.
  14. 제 13 항에 있어서, 레이저가 엑시머 레이저인 레이저.
  15. 제 13 항에 있어서, 열교환기가 레이징 가스로부터 열을 제거하기 위하여 액체를 사용하는 레이저.
  16. 제 15 항에 있어서, 방사실 외측에 있으나 레이저 인클로저내에 있는 냉각수 흐름내의 상기 구성 요소들이 서브-어셈블리내에 있는 레이저.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 열교환기로의 액체의 흐름이 유량 배분 밸브에 의하여 제어되는 레이저.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 유량 배분 밸브가 3 방향 밸브인 레이저.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 온도 센서가 방사실내의 레이징 가스내에 위치한 온도 센서인 레이저.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 레이저가 엑시머 레이저인 레이저.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 레이저가 엑시머 레인저인 레이저.
  22. 제 13 항에 있어서, 상기 온도 센서가 레이징 가스내에 위치한 열전대인 레이저.
  23. 제 13 항에 있어서, 상기 온도 센서가 레이징 가스내에 위치한 반도체 온도 센서인 레이저.
  24. 제 13 항에 있어서, 상기 온도 센서가 전자들을 여기 상태로 만드는 에너지의 영향을 받고 있는 다량의 레이징 가스의 온도를 대표하는 레이징 가스 부분 내에 위치하는 레이저.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 온도 센서가 열전대인 레이저.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 온도 센서가 반도체 온도 센서인 레이저.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 열전대가 방사실내의 레이징 가스내에 위치하는 레이저.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 반도체 온도 센서가 방사실내의 레이징 가스내에 위치하는 레이저.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 레이저의 비작동 기간중 레이징 가스의 온도를 유지할 수 있도록 로드형(rod-type) 발열체가 방사실내에 배치되어 있는 레이저.
  30. 하나의 방사실, 레이징 가스의 용적, 레이징 가스 온도를 표시하는 온도 신호를 발생시키는 온도 센서, 레이징 가스에 열을 가하거나 레이징 가스로부터 열을 제거하기 위한 열교환기를 가지는 레이저의 레이저 빔의 균일성을 향상시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 온도 신호에 의하여 표시되는 레이싱 가스 온도를 정해진 값(set-point)과 비교하고, 상기 온도 센서에 의하여 판독되는 방사실내의 레이징 가스의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 열교환기를 통하는 열의 순간적인 추가율 또는 제거율을 조정하는 것으로 이루어지는 레이저의 레이저 빔의 균일성을 향상시키기 위한 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 레이징 가스의 용적이 일정한 방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 레이저가 엑시머 레이저인 레이저.
  33. 제 30 항에 있어서, 상기 열교환기가 레이징 가스로부터 열을 제거하기 위하여 액체를 사용하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 방사실 외측에 있으나 레이저 인클로저내에 있는 냉각수 흐름내의 상기 구성 요소들이 하나의 서브 어셈블리내에 있는 방법.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 열교환기로의 액체의 흐름이 유량 배분 밸브에 의하여 제어되는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 유량 배분 밸브가 3 방향 밸브인 방법.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 온도 센서가 방사실내의 레이징 가스내에 위치한 온도 센서인 방법.
  38. 제 35 항에 있어서, 상기 레이저가 엑시머 레이저인 레이저.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 레이저가 엑시머 레이저인 레이저.
  40. 제 30 항에 있어서, 상기 온도 센서가 레이징 가스내에 위치하는 온도 센서인 방법.
  41. 제 30 항에 있어서, 상기 온도 센서가 전자들을 여기된 상태로 만드는 에너지의 영향을 받고 있는 다량의 레이징 가스의 온도를 대표하는 레이징 가스 부분내에 위치하는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 온도 센서가 열전대인 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 열전대가 방사실내의 레이징 가스내에 위치하여 있는 방법.
  44. 제 41 항에 있어서, 상기 온도 센서가 반도체 온도 센서인 방법.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 반도체 온도 센서가 방사실내의 레이징 가스내에 위치하여 있는 방법.
  46. 방사실, 레이징 가스의 용적, 레이징 가스 온도를 표시하는 온도 신호를 생성하는 온도 센서, 레이징 가스에 열을 추가하거나, 레이징 가스로부터 열을 제거하기 위한 열교환기를 가지는 레이저로부터 개선된 균일성을 가진 레이저 빔을 발생시키기 위한 방법에 있어서,
    1) 레이저의 방사실내의 레이징 가스로부터의 광자방출을 촉진하고,
    2) 온도 신호에 의하여 표시되는 레이징 가스 온도를 정해진 값(set-point)과 비교하고,
    3) 열교환기를 통하는 열의 순간적인 추가율 또는 제거율을 조정하여, 온도 센서에 의하여 판독되는 레이징 가스의 온도를 일정하게 유지하는 것으로 이루어지는 개선된 균일성을 가지는 레이저 빔을 발생시키는 방법.
  47. 1) 포토레지스트(photoresist)를 기판위에 배치하고,
    2) 제 46 항의 방법에 의하여 생성되는 레이저 빔에 의하여 포토레지스트에 패턴을 만드는 것으로 이루어지는 사진 평판 방법.
  48. 1) 포토레지스트를 기판위에 배치하고,
    2) 제 13 항의 레이저에 의하여 생성된 레이저 빔으로 포토레지스트에 패턴을 만드는 것으로 이루어지는 사진 평판 방법.
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