KR100505083B1 - 가스 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4kHz 이상이라는 종래에 없는 높은 반복 주파수에 있어서도 안정된 발진을 가능하게 하는 엑시머 레이저 장치를 제공하는 것으로서, 레이저 가스가 봉입되는 레이저 챔버(1)와, 이 챔버(1)안에 배치된 한쌍의 주 방전 전극(2)과, 이 챔버(1)안에서 레이저 가스가 적어도 주 방전 전극간(2)을 흐르는 순환류를 하기 위한 크로스 플로우 팬(3)으로 이루어지고, 반복 주파수가 4kHz 이상인 엑시머 레이저 장치에 있어서, 상기 크로스 플로우 팬(3)의 직경은 150mm 이하이고, 주속도가 25.0m/s 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

가스 레이저 장치{Gas Laser Apparatus}

본 발명은 가스 레이저 장치의 가스 순환용 크로스 플로우 팬에 관한 것으로, 특히, ArF 엑시머 레이저 장치 및 불소(F₂) 레이저 장치에 사용하는 크로스 플로우 팬에 관한 것이다.

반도체 회로의 미세화, 고 집적화에 따라, 투영 노광장치에서는 해상력의 향상이 요청되고 있다. 이 때문에, 광원으로부터 방출되는 노광광의 단파장화가 진행되고, 반도체 리소그래피용 광원으로는 종래의 수은 램프의 방사파장보다 단파장인 광을 방출하는 엑시머 레이저 장치나 불소 레이저 장치 등의 가스 레이저 장치의 채용이 시작되고 있다.

엑시머 레이저 장치에 대해 기술하면, 레이저 챔버 내부에는 예컨대, 불소(F₂)나 아르곤(Ar) 및 버퍼 가스로서의 네온(Ne) 등의 희가스로 이루어지는 레이저 가스가 수백 kPa로 봉입되고, 또한, 불소 레이저 장치에 대해 기술하면 불소(F₂) 및 버퍼 가스로서 헬륨(He) 등의 희가스로 이루어지는 레이저 가스가 동일하게 수백 kPa로 봉입되어 있다. 또한, 한쌍의 주 방전 전극이 형성되어 있다. 이 주 방전 전극에 고전압 펄스를 인가하여 방전을 발생시킴으로써, 레이저 매질인 상기 레이저 가스가 여기된다.

레이저 챔버의 전후에는 출력 거울과 레이저광의 스펙트럼폭을 협대역화하고, 중심 파장의 파장 안정화를 실현하기 위한 협대역화 광학계가 각각 배치되고, 이 출력 거울과 협대역화 광학계에 의해 레이저 공진기가 구성되어 있다. 그리고, 레이저 가스가 여기되면 챔버로부터 방출되는 광은 레이저 공진기에 의해 증폭되어, 레이저광으로서 출력 거울로부터 얻어진다.

여기서, 노광용 광원으로서의 가스 레이저 장치는 주 방전 전극간에서 1회의 방전을 할 때마다 1회의 발광을 행하고, 1회의 방전을 종료하면 해당 전극간은 레이저 매질이 상태나 밀도라는 점에서 매우 불균일한 상태로 되어 버린다. 이 때문에, 다음 방전을 개시하기 위해서는 새롭게 신선한 레이저 매질을 주 방전 전극간에 배치시키지 않으면 안된다. 즉, 상기와 같은 레이저 매질의 상태가 불균일한 채로 방전을 개시시키면, 아크 방전이 생기기 쉬워지고, 레이저 발진에 필요한 균일한 글로우 방전을 얻을 수 없어, 결과적으로 출력의 불안정이라는 문제가 생긴다.

그리고, 최근, 레이저 장치에 요구되는 레이저 발진의 반복 수, 즉, 단위 시간당 발진 횟수가 높아지고, 장치로서도 상기 가스 교환을 보다 빠르게 행할 수 있는 만큼의 성능이 요구된다.

종래부터, 엑시머 레이저 장치, 불소 레이저 장치 등의 가스 레이저 장치의 가스 순환용 팬으로는 크로스 플로우 팬이 이용되어 왔다. 이들 일례를 들면, 반복 주파수 1kHz인 노광용 엑시머 레이저 장치에서는 레이저 챔버의 내부 구조(전극간 거리, 예비 전리수단의 위치 등)에도 의하지만, 전극간에 흐르지 않으면 안되는 가스 유속은 약 10m/s이고, 그 유속을 얻기 위한 팬의 회전수는 1분당 약 1000회(rpm)였다.

또한, 반복 주파수가 2∼3kHz인 엑시머 레이저 장치에 있어서는, 전극간에 흐르지 않으면 안되는 가스유속은 약 20∼30m/s이고, 그 유속을 얻기 위한 팬의 회전수는 약 2000∼3000rpm이 필요했다.

이러한 종래 장치는 요구되는 반복 주파수에 대해 단순히 팬 회전수를 올리는 수단으로 대응한 것이다. 그런데, 최근에는 4kHz라는 보다 높은 주파수가 요구되어, 단순히 종래 기술의 연장으로서, 팬 회전수를 올리는 것만으로는 대응할 수 없게 되었다.

그리고, 이러한 요구에 충분히 응할 수 있는 노광용 가스 레이저 장치의 개발이 강하게 요구되고 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 4kHz 이상이라는 종래에 없는 높은 반복 주파수가 요구되는 가스 레이저 장치에 있어서도 안정된 발진을 가능하게 하는 구조를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 가스 레이저 장치는, 레이저 가스가 봉입되는 레이저 챔버와, 이 챔버내에 배치된 한쌍의 주 방전 전극과, 이 챔버내에서, 레이저 가스를 적어도 주 방전 전극간을 흐르는 순환류로 하기 위한 크로스 플로우 팬과, 이 크로스 플로우 팬을 회전 지지하는 베어링 구조로 이루어지고, 반복 주파수가 4kHz 이상인 엑시머 레이저 장치에 있어서, 상기 크로스 플로우 팬의 직경은 150mm 이하이고, 주속도가 25.0m/s 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주속도는 바람직하게는 27.0m/s 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베어링 구조는 회전 베어링으로 이루어지고, 회전수가 4500rpm 이하인 것을 특징으로 하며, 상기 베어링 구조가 자기 베어링으로 이루어지는 경우는 회전수가 5000rpm 이하인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 높은 반복 주파수에 있어서 안정된 레이저 발진을 행하기 위해서는 1회의 방전이 종료하면 전극에 잔존하는 오래된 가스를 빠르게 전극외로 내보내고, 빠르게 새로운 가스를 전극간에 배치시키는 능력이 필요하게 된다.

이 능력을 높히는 방법의 하나로서, 전극폭(가스를 순환시키는 방향의 폭)을 좁게 하는 것을 생각할 수 있다. 전극폭을 짧게 한다는 것은, 결국 전극간에 발생하는 글로우 방전의 방전폭을 좁게 한다는 것인데, 이 경우는 잔존 가스를 흘려 보내는 거리가 짧아지므로, 그만큼 고반복이 가능해지기 때문이다. 그러나, 글로우 방전 폭은 광원으로서 필요한 광 출력, 수명에 의해 원래 제약을 받는 것으로, 반도체 집적회로 노광장치 광원의 경우는 무턱대고 짧게 할 수 없다. 이 수치는 일반적으로는 3∼4mm가 하한이라고 한다.

또 하나의 방법은 전극간의 가스 순환속도(풍속)를 높히는 것이다.

이 기술과 관련된 것에 일본국 특개평 10-223955호에 개시된 것이 있다. 여기에는 방전 영역을 우회하는 가스량을 최대한 억제하고, 가스 순환류중에 흐름을 방해하는 물질을 최대한 배제하고, 가스의 불필요한 흐트러짐을 없애 자연스러운 흐름을 만드는 것이 제안되고 있다. 이러한 기술은 물론 필요하지만, 유속을 떨어트리는 원인을 배제하는 것으로서, 적극적으로 유속을 높힌다는 것이 아니다. 그리고, 해당 기술은 1kHz 정도를 대상으로 한 것으로서, 본 발명의 대상인 4kHz 이상이라는 고반복에 있어서는 유속 그 자체를 높힌다고 하는 새로운 기술이 필요하게 되었다.

그래서, 순환 가스의 유속을 적극적으로 높히는 방법으로서 생각할 수 있는 것이 크로스 플로우 팬(횡류 팬)의 특성을 향상시키는 것이다. 이 크로스 플로우 팬은 통상 실내의 공기 조화기(에어콘) 등과 같이 오픈 에어에 대해 사용되는 것이고, 본 발명이 대상으로 하는 엑시머 레이저 장치 등의 가스 레이저 장치와 같이 고압력의 밀폐 용기에 있어서, 가스 유속을 높힌다는 특성의 연구는 충분히 이루어지지 않고 있다.

본 발명은 고압력의 밀폐용기라는 엑시머 레이저 장치 및 불소 레이저 장치 등의 가스 레이저 장치 특유의 환경에서, 고반복 4kHz 이상이라는 조건에 응답할 수 있는 팬 특성을 찾아낸 것으로, 구체적으로는 팬의 직경과 회전수의 관계를 예의 검토하여 찾아낸 것이다.

<발명의 실시형태>

도1은 엑시머 레이저 장치의 단면도를 도시한다. 레이저 챔버(1)는 전체로서 하우징으로 되어 있고, 그 속에 양극과 음극으로 이루어지는 주 방전 전극(2)이 간격을 가지고 배치된다. 이 주 방전 전극(2)에 있어서 글로우 방전이 반복 행해지고, 도시 생략의 창부(窓部)에서 레이저광이 출력된다.

또한, 챔버(1) 내에는 크로스 플로우 팬(3)이 배치된다. 이 크로스 플로우 팬은 원형의 측판 사이에 다수의 블레이드를 원주방향으로 배치한 중공의 원통 형상을 하고 있고, 주 방전 전극(2)이 연장되는 방향으로 거의 같은 길이만큼 동일하게 연장되어 있다. 그리고, 도면에서 시계방향으로 팬이 회전함으로써 도면에서 화살표로 표시하는 방향으로 가스가 순환한다. 이 크로스 플로우 팬은 도시 생략의 베어링 구조, 특히 회전 베어링에 의해 회전 지지된다.

레이저 챔버(1)의 내부에는 불소(F₂), 아르곤 가스(Ar) 및 버퍼 가스로서 네온(Ne) 등이 봉입되어 있다. 이들 가스가 팬(3)에 의해 순환하는 것인데, 주 방전 전극(2)에서 해당 전극에 고전압 펄스가 인가되면, 이들 가스가 여기하여 방전 발광을 행하고, 다음 고전압 펄스의 인가에 따른 방전 발광까지 새로운 가스가 순환에 의해 다시 전극간에 세팅된다.

4는 예비 전리부로서 주 방전 전극(2)에 고전압 펄스가 인가되기 전에 전극간에 세팅된 새로운 레이저 가스에 대해 자외선을 조사하는 것으로, 이 자외선 조사에 의해 상기 새로운 레이저 가스를 미리 예비 전리시켜 두고, 이들에 의해 주 방전이 일어나면, 가늘고 긴 전극에서 균일하게 글로우 방전이 발생한다.

다음에, 이 챔버(1)에서 크로스 플로우 팬(3)의 외경을 바꿈으로써 주 방전 전극(2)에 발생하는 방전의 안정성을 실험해 보았다. 실험은 외경이 95, 100, 110, 120, 130, 140, 150(mm)인 7개의 크로스 플로우 팬에 대해, 하류 아크가 발생하지 않는 한도의 팬 회전수와, 매우 안정된 방전을 하였을 때의 팬 회전수를 각각 측정했다.

여기서 하류 아크란, 전극간에서 방전이 발생한 후에 잔류 가스가 충분히 전극간에서 배출되지 않는 경우에, 다음 방전에서 전극의 하류측(가스의 순환방향에 대해)에서 잔류 가스의 영향으로 발생하는 레이저 발진에 있어서 원하지 않는 방전을 말한다.

그리고, 하류 아크가 발생하지 않는 한도의 팬 회전수와, 그 때의 팬 외경으로부터 주속도(도1의 30을 나타내고, 둘레 가장자리의 접선방향 속도)를 산출하고, 동일하게 안정 방전을 행하였을 때의 팬 회전수와, 그 때의 팬 외경으로부터 주속도를 산출했다. 도2에 이 실험 결과를 나타낸다.

또한, 크로스 플로우 팬의 외경은 무턱대고 크게 할 수 없다. 4kHz의 엑시머 레이저 장치는 반도체 제조 프로세스용의 클린 룸에 설치되는데다, 설치면적을 현저하게 제한시키기 때문이다. 그리고, 레이저 챔버의 용량 등에서 규제되어 팬 외경은 최대라도 150mm가 한계로 되어 있다. 또한, 방전폭도 4 kHz 엑시머 레이저 장치의 필요 출력, 출력의 안정도, 수명 등의 관점에서 3∼4mm로 제한되어 있고, 또한 전극간 거리도 동일한 이유에서 15∼17mm로 제한되어 버린다. 본 발명은 이러한 4kHz 엑시머 레이저 장치로서 요구되는 조건의 범위에서 팬 회전수와 팬 외경의 관계를 검토한 것이다.

도2에 도시하는 실험결과와 그 결과에서 산출한 주속도에 의해, 이 주속도가 25.0m/s 이상이 하류 아크와의 관계에서 최저한 필요하고, 안정된 방전을 유지하기 위해서는 27.0m/s 이상이 필요한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 엑시머 레이저 장치의 현실적인 적용범위에서, 안정된 글로우 방전이라는 관점에서 팬의 외경과 회전 속도의 관계를 주속도라는 팩터로 규정하고, 이 수치 범위를 최저 25.0m/s로 한 것이다.

다음에, 팬의 최대 회전수(1분간당)에 대해 검토했다. 팬 회전수를 높히면, 전술과 같이 가스 유속을 높힐 수 있으므로, 고반복에 대응이 가능해진다. 그러나, 회전수가 필요 이상으로 크게 되면, 팬에 의한 진동이 커지고, 전술과 같이 레이저광의 선폭을 좁히기 위한 협대역화 유닛의 진동이 커지며, 결과적으로 파장 안정도가 악화되어 버린다. 또한, 챔버 내부의 봉입 가스를 순환시키기 위해, 가스 순도와의 관계로 회전 팬의 구동용에 베어링 구조를 채용하는 것이 일반적이다. 그러나, 이 베어링도 회전수가 높아지면 양호하게 작동하지 않게 된다.

이러한 원인에 주목하여, 본 발명은 두번째로 레이저광의 파장 안정도, 베어링의 작동성이라는 관점에서 팬의 최대 회전수를 검토했다.

우선, 레이저광의 파장 안정성에 대해, 팬의 1분당 회전수를 3000, 3300, 3700, 3900, 4200, 4500, 4800rpm으로 변화시키고, 각각의 회전수로 발진되는 레이저광의 파장을 측정하고, 그 실험결과를 도3에 도시한다. 세로축은 레이저광의 파장 안정도, 즉 요구되는 발진파장에서의 파장의 최대 편차를 나타내고, 가로축은 팬 회전수를 나타낸다. 또한, 이 실험에서의 팬은 회전 베어링에 의해 회전 지지된 것이다. 도면에서 팬 회전수, 즉 회전 속도의 증대에 의해, 파장의 편차가 크지 않은 진동이 발생한 것이 원인이라고 생각된다. 여기서, 노광장치의 특성으로는 파장 안정도 0.1pm 이하로 하는 것이 요청되고, 즉, 0.1pm을 넘으면 문제가 있는 것을 의미한다.

이러한 관점에서, 구체적으로 검토하면, 팬 회전수가 4800rpm일 때는 파장 안정도가 0.1pm을 넘고, 팬 회전수가 4500rpm까지 파장을 안정시켜 작동시킬 수 있는 것을 이해할 수 있다. 또한, 실험은 팬 외경 95∼150mm인 것에 대해 행하고, 전체에 있어서 거의 같은 결과를 얻고 있다.

다음에, 베어링 구조의 관점에서 검토한다.

우선, 베어링 구조로서 회전 베어링을 사용한 경우의 팬 회전수와 베어링 수명에 대해 검토했다. 그리고, 팬 회전수 4500prm인 경우는 1회의 방전을 1펄스로 하면, 5 × 10⁹ 펄스까지 양호한 작동을 유지할 수 있었는데, 회전수 4800rpm 이상에서는 2 × 10⁹ 펄스 이하의 회전수로 밖에 양호한 작동을 할 수 없었다. 이는 회전 베어링의 그리스량의 소모량이 많아졌기 때문이고, 2 × 10⁹ 펄스에서는 반도체 공정에서는 받아들여지지 않는다.

이상의 결과에서 회전 베어링을 사용한 크로스 플로우 팬의 최대 회전수는 적어도 4500rpm까지는 허용할 수 있는 것이 나타난다.

또한, 회전 베어링은 지르코니아, 질화 규소, 알루미나 등의 세라믹스로 구성하는 것이 바람직하다. 이는 불소와 반응하지 않는 것과 방전의 결과 발생하는 입자(파티클)가 베어링의 내부에 혼입했다고 해도, 재료 자체가 단단하므로 마모됨이 적기 때문이다. 이 때문에, 상기 수명 실험에 나타난 바와 같이 그리스량이 소모되었다고 해도 보다 한층 마모에 견디는 것이 가능하다.

다음에, 베어링 구조로서, 회전 베어링이 아니라, 자기 베어링을 이용한 경우에 관해 설명한다. 상기 도3에 도시한 팬 회전수(rpm)와 파장 안정도에 관한 실험을 베어링 구조에 대해서만, 회전 베어링이 아니라 자기 베어링을 사용하여, 회전수를 3100, 3400, 3700, 4000, 4350, 4600, 5000rpm 및 5000rpm을 넘는 회전수로 변화시켰다.

또한, 여기서 말하는 자기 베어링이란, 팬의 회전축이 베어링으로부터 자기에 의해 부상되어 있고 비접촉 구조인 것을 의미한다. 실험결과를 도4에 도시한다.

도4에서 팬의 1분당 회전수를 5000rpm까지 상승시켜도, 파장 안정도는 0.06pm으로 매우 높은 안정도를 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 회전 베어링을 사용하는 경우에 비교해, 자기 베어링을 사용하면 회전축이 베어링과 비접촉으로 되므로 진동이라는 영향이 미치지 않기 때문이라고 생각된다. 그러나, 회전수가 5000rpm을 넘으면, 회전축과 베어링의 접촉이 발생되고, 파장 안정이라는 점에서 문제를 발생시킨다.

또한, 자기 베어링은 회전 베어링과 같이 그리스를 필요로 하지 않으므로, 수명의 점에서도 5000rpm까지는 5 × 10⁹ 펄스 이상을 사용할 수 있는 것을 확인했다.

즉, 베어링 구조로서 자기 베어링을 채용하면, 레이저광의 파장 안정성, 수명이라는 점을 고려해도, 최대 회전수 5000rpm까지 가능한 것을 이해할 수 있다.

이상 설명한 바와같이, 본 발명의 가스 레이저 장치는 팬 외경이 150mm 이하이고, 팬의 주속도를 25m/s 이상으로 하였으므로, 4kHz 이상이라는 고반복 조건에 충분히 견딜 수 있는 만큼의 레이저 장치를 제공할 수 있었다. 특히, 종래, 공기 조화기(에어콘) 등의 오픈 에어에 대해 사용되었던 크로스 플로우 팬에 대해 고압력 밀폐용기라는 가스 레이저 특유의 환경에서 적용할 수 있는 만큼의 성능을 다시 발견하고, 그 성능을 이용함으로써 종래 불가능하다고 했던 4kHz 이상 고반복이라는 조건에 적합시킨 것이다.

또한, 실시예의 설명은 모두 ArF 엑시머 레이저 장치를 대상으로 설명했는데, 불소 레이저 장치에 대해서도 동일하게 적용시킬 수 있다.

도1은 엑시머 레이저 장치의 개략적 내부구조를 도시한다.

도2는 팬 외경(外徑)과 팬 회전수의 관계를 나타낸다.

도3은 회전 베어링을 사용한 경우의 팬 회전수와 파장 안정도를 나타낸다.

도4는 자기 베어링을 사용한 경우의 팬 회전수와 파장 안정도를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레이저 챔버 2 : 방전 전극

3 : 크로스 플로우 팬 4 : 예비 전리부

Claims (4)

1. 레이저 가스가 봉입되는 레이저 챔버와, 이 챔버내에 배치된 소정 간격만큼 이간하여 대향된 한쌍의 주 방전 전극과, 이 챔버내에서, 레이저 가스를 적어도 주 방전 전극 사이를 흐르는 순환류로 하기 위한 크로스 플로우 팬과, 이 크로스 플로우 팬을 회전 지지하는 베어링 구조로 이루어지고, 반복 주파수가 4kHz 이상인 가스 레이저 장치에 있어서,

   상기 크로스 플로우 팬의 직경은 150mm 이하이고, 주속도가 25.0m/s 이상인 것을 특징으로 하는 가스 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 크로스 플로우 팬의 주속도가 27.0m/s 이상인 것을 특징으로 하는 가스 레이저 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 베어링 구조는 회전 베어링으로 이루어지고, 회전수 4500rpm 이하인 것을 특징으로 하는 가스 레이저 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 베어링 구조는 자기 베어링으로 이루어지고, 회전수 5000rpm 이하인 것을 특징으로 하는 가스 레이저 장치.