KR100651636B1 - 복제된 회절 격자용 보호성 오버코트 - Google Patents

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Abstract

오버코트로 보호된 회절격자가 개시되었다. 얇은 알루미늄 반사성 격자 표면을 갖는 복제 격자는 마스터 격자 또는 서브부마스터 격자로 제조된다. 얇은 알루미늄 반사 표면은 균열이 생길 수 있거나 알루미늄의 산화물 또는 수산화물을 함유하는 비교적 두꺼운 결정경계를 가질 수 있으며 전형적으로는 알루미늄 산화물막으로 자연적으로 코팅된다. 상기 격자는 후속하여 얇고, 불순물이 없으며 밀한 오버코트로 진공 챔버에서 재코팅되고 그후 이 진공 챔버에서 MgF2 박막으로 코팅된다. 격자는 약 193nm 파장에서 자외선 레이저 빔을 발생하는 ArF 레이저 동작에서의 파장을 선택하기 위한 사용에 적합하게 된다. 무산소 알루미늄 오버코트는 알루미늄 오버코트 산화물막에서 또는 알루미늄 격자 표면 하부의 격자물질에서의 화학적 반응을 촉진시키므로써 자외선광에 의한 손상이 발생되는 것을 방지한다. MgF2 는 추가적으로 알루미늄 오버코트의 표면상에서의 산화를 방지한다.
Figure 112005069015437-pct00010
오버코트, 회절 격자, 레이저

Description

복제된 회절 격자용 보호성 오버코트{PROTECTIVE OVERCOAT FOR REPLICATED DIFFRACTION GRATINGS}
본 발명은 회절격자에 관한 것으로, 더욱 상세히는 회절격자의 수명을 연장시키는 데 이용되는 기술에 관한 것이다.
회절격자는 특정한 하나의 파장에 집중되는 광의 협대역 파장만을 레이저의 공진 공동내로 반사시키기 위한 레이저에 흔히 사용된다. 이 파장에서 광 에너지는 상기 공동내에서 공진하고 공동의 다른 말단에서 부분반사 거울을 통해 방사된다. 이러한 회절격자와 그 제조방법은 본 명세서에 참조문헌으로서 포함된 미국특허 제 5,080,465호; 5,436,764호 및 5,493,393호에 설명되어 있다.
통상, 마스터 회절격자가 먼저 제조된다. 이 마스터 격자는 그후 많은 복제(replica) 격자를 형성하는 데 사용된다. 이들 복제 격자의 각각은 그후 다른 복제 격자를 형성하기 위한 마스터 격자로서 사용될 수 있다.
상기 미국특허 제 5,080,465호에 설명된 바와 같이, 마스터 격자는 유리와 같은 기판위에 알루미늄을 증착시켜서 형성될 수 있다. 간섭계 제어하에서 다이아몬드날이 있는 공구가 알루미늄층에서 매우 좁은 간격의 홈(groove)을 긋는데 사용될 수 있다. 홈의 이러한 분리는 격자에 의해 반사되어야 할 광의 파장과 반사하기 위해 필요로 되는 파장 범위의 협소함의 정도와 관련된다. 한 실시예에서, 다이아몬드날이 있는 공구는 인치(2.54cm) 당 수만개 정도의 홈을 긋는다. 회절 격자 표면은 10 제곱인치(64.516cm2)이고 이 격자의 두께는 1 인치(2.54cm)일 수 있다. 따라서 물리적인 홈 긋기에 의해 정밀한 마스터 격자를 생성하는 것은 매우 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 공정이다.
일단 마스터 격자가 제조되면, 이 격자의 복제물이 토빈 및 위스킨에 의한 논문 소비에트 광학 기술 저널, 40(3)권(3월,1973):192-196쪽(Soviet Journal of Optical Technology, Vol.40(3)(March,1973):192-196)에 설명된 바와 같은 기술에 의해 만들어 질 수 있다. 그중 한 방법에서, 은, 금, 구리 글리세린, 카르누바 왁스, 디뷰티프탈레이트 또는 저증기압 오일과 같은 이형제(release agent)가 마스터 격자의 표면에 코팅된다. 알루미늄과 같은 얇은(예로서, 1마이크로미터) 반사층이 이형층(release layer)상에 증착된다. 경화되지 않은 폴리에스테르 접합제(에폭시)가 그후 알루미늄층상에 증착되고, 그후 유리 또는 금속 기판이 에폭시의 최상부에 배치된다. 상기 접합제가 경화된 후, 유리층, 에폭시층 및 알루미늄층이 마스터 격자로부터 분리되어, 결과적으로 마스터 격자의 복제물이 된다.
마그네슘 플루오르화물은 공지된 광학적 코팅물이다. 2 인치(5.08cm)의 두께를 갖는 이러한 물질에 의한 코팅은 원치않는 반사를 감소시키는 데 사용된다. 또한 MgF2 코팅은 약 500 내지 600nm 보다 큰 파장에서 동작하는 격자의 효율을 개선시켜왔음을 보여주고 있다.(Maystre,, et al, Applied Optics, Vol. 19(18)(September 15, 1980): 3099-3102를 참조하라.)
복제된 격자의 한 중요한 용도는 248nm 및 193nm의 파장에서 자외선광을 발생하는 협소한 엑시머 레이저를 정렬시키는 것이다. 본 출원인은 종래의 복제 격자가 특히 193nm 파장의 고에너지에서 강한 자외선광에 영향을 받을 때 상당한 성능 저하를 나타냄을 알게 되었다. 필요로 되는 것은 강한 자외 방사선에서 장기간 고성능을 유지할 수 있는 복제 격자이다.
본 발명은 오버코트로 보호된 회절격자를 제공한다. 얇은 알루미늄 반사성 격자 표면을 갖는 복제 격자는 마스터 격자 또는 부마스터 격자로 제조된다. 얇은 알루미늄 반사면은 균열이 생길 수 있거나 알루미늄의 산화물 또는 수산화물을 함유하는 비교적 두꺼운 결정경계를 가질 수 있으며 전형적으로는 알루미늄 산화물막으로 자연적으로 코팅된다. 격자는 후속하여 얇은, 순수하고 밀한 오버코트로 진공 챔버에서 재코팅되고 그후 이 진공 챔버에서 MgF2 박막으로 코팅된다. 격자는 약 193nm 파장에서 자외선 레이저 빔을 발생하는 ArF 레이저 동작에서 파장을 선택하기 위한 사용에 특히 적합하다. 무산소 알루미늄 오버코트는 알루미늄 오버코트 산화물막에서 또는 알루미늄 격자 표면하부에서 격자물질에서의 화학적 반응을 촉진시키므로써 자외선광에 의한 손상이 발생되는 것을 방지한다. MgF2는 추가적으로 알루미늄 오버코트의 표면상에서의 산화를 방지한다.
도 1은 진공 증착 챔버를 나타내는 도,
도 2는 종래 기술의 복제 격자의 단면도,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 오버코트를 갖춘 도 2에 도시된 바와 동일한 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 단면도의 확대도,
도 5는 종래 기술의 격자와 오버코팅된 격자의 성능 비교를 도시하는 테스트 데이터의 그래프,
도 6은 밀하지 않은 알루미늄으로 오버코팅되고 그후 MgF2로 오버코팅된 종래 기술의 격자의 만족스럽지 못한 성능을 나타내는 그래프.
출원인에 의한 실험
본 출원인은 복제 공정 동안 증착된, 통상적으로 두께가 약 1마이크로미터인, 알루미늄 코팅이 복제 공정의 후속하는 분리단계 동안 알루미늄 코팅에 매우 작은 파손을 발생시키는 힘에 영향을 받게되고 또한 결정경계에서 알루미늄의 산화물 또는 수산화물을 함유할 수 있음을 알게 되었다. 이러한 파손 및 결정경계 영역은 격자가 엑시머 레이저에서 사용될 때 에폭시 하부로 자외 방사선의 소량이 누설될 수 있게 한다. 에폭시에 도달하는 자외선광은 에폭시의 광분해를 야기하고, 알루미늄 코팅 상부에서 기포가 생기게하는 가스를 방출한다. 상기 기포생성은 격자의 반사면으로부터의 확산손실을 크게 증대시킨다. 자외선광은 또한 본래의 홈 형태를 왜곡하는, 에폭시의 부피 수축을 야기하며, 소망하는 회절순서에서 반사손실을 일으키다. 이러한 결과는 격자의 유용한 수명을 매우 제한하며, 비교적 빈번한 주기로 사용되는 장비를 사용할 수 없게 한다.
본 출원인은 복제 격자가 마스터 격자로부터 제거되고 세정된 후 복제 격자의 표면상에 또다른 약 100nm의 알루미늄으로 된 얇은 반사성 오버코트를 증착시키므로써 복제 격자의 본래의 알루미늄층의 균열에 의해 야기된 문제들을 부분적으로 해결할 수 있게 되었다. 오버코팅은 스퍼터링 또는 증발에 의해 진공 챔버에서 수행되었다. 이 오버코트는 특히 약 248nm의 파장에서 동작하는 KrF 엑시머 레이저에서의 파장 선택을 위해 격자가 사용될 때 격자 성능에서 커다란 개선을 나타내었다. 그러나 본 출원인은 193nm의 파장에서 동작하는 ArF 엑시머 레이저에서의 파장 선택을 위해 격자가 사용될 때 알루미늄 오버코트가 있는 경우에도 격자 성능의 저하가 발생함도 알게되었다.
본 출원인은 성능저하가 알루미늄 코팅물이 격자상에 증착된 후 알루미늄면이 공기에 노출될 때 알루미늄면상에 자연적으로 형성되어지는 산화물층의 경계에서; 또는 증착된 알루미늄 막에서 산소와 고에너지 UV광의 상호작용을 수반하는 양자 광화학적 및 광물리적 매커니즘에 기인한다고 믿고 있다. 이러한 저하는 알루미늄면의 UV 방사선이 공기와 같은 산소를 함유하는 환경에서 발생한다면 더욱 두드러질 수 있다. 그러나 알루미늄면 위의 공간이 UV 조사 주기 동안 질소로 정화되는 경우에도, 결정경계 영역 또는 Al2O3 표면 막에서 산소와의 반응은 성능을 저하시킬 수 있다.
제 1 바람직한 실시예
본 발명의 바람직한 실시예가 도 1을 참조하여 설명된다. 도 1은 고강도 자외선 환경에서 장기간 사용하는 데 적절한　격자를 제공하기 위해 종래기술의 격자를 코팅하는 방법을 설명한다.
본 출원인은 길이가 약 250mm, 두께 35mm 및 폭 35mm인 치수를 갖는 종래기술의 격자로 코팅 동작을 수행하였다. 이 격자의 홈은 mm 당 약 84.77개 홈으로 간격을 이루었다. 도 2는 격자 표면의 단면을 도시한다. 격자 기판(40)은 1 마이크로미터 알루미늄층(44)으로 피복된 두께가 약 15 마이크로미터인 에폭시층(42)에 의해 피복된 유리이다. 홈은 11.7966 마이크로미터로 간격을 이루고 삼각형상이고 각각의 홈의 깊은 단부에서 약 3.5 마이크로미터 깊이이다. 홈의 3.5 마이크로미터 면은 격자의 정상적인 면에 대해 11.3°의 각도를 이룬다. 레이저에서 파장 선택을 위해 리트로우(Littrow) 구성에 사용될 때, 격자는 입사 빔이 약 90도로 짧은 면과 만나도록 입사 빔에 대해 11.3°로 경사지게 된다. 3.5 마이크로미터 면은 반사면이다. 193.38nm의 파장에서의 ArF 레이저 동작에서, 연속적인 짧은 면간의 거리를 두 배로 하는 것은 정확히 193.38nm ArF 광의 122개 파장과 정확히 동일하다. 짧은 면 사이의 간격의 두 배는 248.35nm KrF 광의 95개 파장과 정확히 동일하다. 그러므로, 동일한 격자가 KrF 레이저 또는 ArF 레이저의 파장 선택에 사용될 수 있다.
종래 기술의 복제 격자(2)가 알루미늄 금속 및 마그네슘 플루오르화물의 증기 공급원 상부의 물리적 증기 증착 진공 챔버(4)에 장착된다. 알루미늄은 알루미늄 도가니(6)에 함유되고 마그네슘 플루오르화물은 마그네슘 플루오르화물 도가니(8)에 함유되고 이들 두 도가니는 알루미늄에 의한 제 1 코팅과 MgF2된 제 2 코팅을 제공하기 위해 회전될 수 있는 회전 지지부(10)에 장착된다. 진공 펌프(12)는 약 1.33×10-4 Pa 이하의 진공압력을 제공하며, 이것은 공급원와 격자 사이의 간격 보다 수배 더 긴 평균 자유 경로를 보장하는 데 충분하다. 이것은 본질적으로 무충돌 원자 및 분자 증착을 제공한다. 또한, 이 압력에서 코팅되어야 할 표면과, 산소 또는 수소와 같은 배경 가스와의 충돌 비율은 알루미늄 원자 또는 마그네슘 플루오르화물의 도달율 보다 실질적으로 작다. 이것은 격자 표면상에서 순수하고, 밀한 알루미늄 및 마그네슘 플루오르화물이 증착되는 결과로 된다. 따라서 대량의 코팅 물질 내부에 존재하는 어떠한 산소 또는 수소 원자도 없다. 공급원은 종래 방법에서 전자 빔 공급원(14)으로부터 전자 빔(16)으로 가열되고, 이 빔은 자기 공급원(도시되지 않음)으로부터 자기장을 가진 도가니 위치로 휘어진다.
제 2 알루미늄 코팅 및 MgF2 오버코팅을 제공하기 위해, 격자(2)는 코팅 원자가 수직 상태에 비해 50도 각도로 격자 표면에 충돌하는 각도로 진공챔버(4)에 장착된다. 이것은 원자가 66도에서 짧은 면상에 충돌하고 약 45도의 각도에서 긴 면에 충돌함을 의미한다. 코팅 공정은 약 100nm의 밀한 알루미늄 두께가 될 때 까지 계속되어야 한다. 진공챔버(4)에서 진공을 파괴하지 않고, 지지부(10)는 MgF2 공급원을 적소에 회전시키기 위해 사용되고, 약 10nm의 MgF2 오버코트는 격자의 짧은 면상의 알루미늄 코팅 위에 위치된다. 긴 면상에서의 양쪽 코팅의 두께는 짧은 면상의 대응 두께의 약 75%가 될 것이다. 이중 코팅의 경과가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.
테스트 결과
본 발명에 따라 오버코팅된 격자는 ArF 레이저상의 파장 선택 모듈에서 본 출원인에 의해 테스트되었고 종래기술의 밀하지 않은 오버코팅되지 않은 격자와 비교되었다.
도 5에는 ArF 실험에 의한 데이터가 도시되었다. 193nm에서 펄스 당 10mJ로 약 20 백만 펄스후에 종래기술의 격자는 그 반사도가 초기치의 약 75%로 감소되었고; 반면에 본 발명에 따라 오버코팅된 격자는 초기치의 95% 이상의 반사도를 나타내었다.
밀한 비산화 Al 오버코트의 중요성
알루미늄 오버코팅은 산소가 없는 순수하고 밀한 알루미늄 코팅이어야 할 것이 중요하다. 종래 기술의 격자에 본래의 균열을 가진 및/또는 밀하지 않은 코팅을 MgF2 를 가지고 단순히 코팅하는 것은 어떠한 실질적 개선도 제공하지 못한다. 사실상, 248nm 환경에서 본 출원인에 의한 예비실험은 양호하지 못한 초기 성능 및, MgF2 코팅부를 가지지만 이와 함께 1.33×10-3 Pa 보다 높은 진공압력에서 도포된 알루미늄 오버코팅을 갖춘 격자의 빠른 저하를 나타내었다. 도 6을 참조하라. 상기한 바와 같이 알루미늄 오버코트의 상당한 산화가 있기 이전에 알루미늄 오버코팅상에 MgF2 코팅을 하는 것이 매우 중요하다. 알루미늄상에 산화막이 존재한다면, UV는 MgF2층 아래에서 화학적 변화를 야기하고, 격자표면을 왜곡시키고, 이에따라 반사도를 감소시킨다. 격자가 천문학 작업에서와 같은 UV광 강도가 작은 경우의 환경에서 사용될 때 순수하고 밀한 알루미늄 코트에 대한 필요조건은 일반적으로 중요하지 않음을 이해하여야 한다. 순수하고 밀한 알루미늄 코팅은, 엑시머 레이저에 의해 발생되는 것과 같은 고 UV 레벨에서 매우 중요하다.
본 발명에 대한 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 당업자에게는 본 발명의 광범위한 태양에서 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형 및 수정이 있을 수 있음이 명백할 것이다. 예로서, 당업자는 스퍼터링 이외의 기타 방법이 무산소, 밀한 알루미늄 오버코트를 제조하는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 알루미늄 오버코트와 MgF2 보호 코트의 두께는 약간 변동될 수 있다. 알루미늄 코트의 바람직한 두께는 약 50nm 내지 약 200nm 이다. 50nm 이하이면 알루미늄 오버코트 층이 효과적으로 격자를 보호할 수 없으며, 200nm 이상이면 층 두께의 비균일성이 커지게 된다. MgF2 보호 코트의 바람직한 두께는 약 50nm 미만이며, 더욱 바람직하게는 약 25nm 미만이며, 더더욱 바람직하게는 약 10nm 미만이다. 두께가 50nm 이상이면 격자 반사율이 감소하게 된다. 그러나, 이들 범위 이외의 두께도 특정될 수 있다. 양호한 코팅이 강한 자외선광에 노광될 표면에 도포되어야 함이 이해되어야 한다. 도 2 및 도 3에 도시된 격자에 대해, 그 표면은 짧은 3.5 마이크로미터 표면이다. 상기한 테스트 결과는 리트로우 구성으로 배열된 오버코트 회절 격자를 따라 빔 각도 조정 거울 및 3-프리즘 빔 확대기를 포함하는 파장 선택 모듈을 사용하여 획득되었다. 그러나 당업자는 본 발명에 따라 제조된 격자를 위한 기타 다양한 응용을 인식할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 범위 및 정신에 속하는 모든 변경 및 수정을 포함한다.

Claims (13)

  1. ArF 엑시머 레이저의 ArF 레이저 빔의 라인 협소화 방법에 있어서,
    A) 193nm의 파장에서 광을 선택적으로 반사시키도록 설계된 라인이 있는 알루미늄 표면을 갖는 복제 격자를 준비하는 단계;
    B) 상기 복제 격자를 진공챔버에 위치시키고 이 챔버 압력을 1.33×10-4 Pa 미만으로 감소시키는 단계;
    C) 상기 챔버 압력을 1.33×10-4 Pa 미만으로 유지시키면서, 상기 격자표면에 알루미늄 오버코트층을 증착시키는 단계;
    D) 상기 챔버 압력을 1.33×10-4 Pa 미만으로 유지시키면서, 상기 알루미늄 오버코트층에 MgF2 보호층을 증착시키는 단계; 및
    E) ArF 레이저 빔의 라인 협소화를 하기 위하여 ArF 레이저상에 상기 격자를 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 일부의 격자표면상의 상기 알루미늄 오버코트 층은 두께가 200nm와 50nm 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 일부의 격자표면상의 상기 MgF2 층은 두께가 25nm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    적어도 일부의 격자표면상의 상기 MgF2 층은 두께가 10nm 이고 상기 알루미늄 오버코트 층은 두께가 100nm인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 압력은 상기 A), B) 및 C) 단계 동안 계속하여 1.33×10-4 Pa 미만으로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착단계는 모두 전자 빔 스퍼터링 기술을 이용하여 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착단계는 모두 증기 증착 기술을 이용하여 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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