KR100841478B1 - 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치 및 이를구비한 ｘ선 및 극자외선 광원 발생 장치 - Google Patents

다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치 및 이를구비한 ｘ선 및 극자외선 광원 발생 장치 Download PDF

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김진곤
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Abstract

본 발명은 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치 및 이를 구비한 X선 및 극자외선 광원 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 액체 타겟을 제트 형태로 분사하는 모세관; 가스라인을 통해 상기 모세관과 연결되고, 상기 모세관에 공급할 가스를 저장하는 가스저장탱크; 상기 모세관을 복수개 장착할 수 있도록 상기 모세관의 외주면에 위치하고 상기 가스라인을 통해 공급되는 가스를 액화시키는 금속재킷; 열전도 와이어를 통해 상기 금속재킷과 연결되고, 상기 금속재킷을 냉각시키는 극저온 냉동기(cryo-cooler); 및 상기 모세관의 초기위치를 설정하기 위해 상기 금속재킷을 이동시키는 이동수단;을 포함하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치를 제공한다.
X선, 극자외선, 액체 타겟, 극저온 냉동기, 플라즈마

Description

다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치 및 이를 구비한 Ｘ선 및 극자외선 광원 발생 장치{Liquid target producing device being able to use multiple capillary tube and X-ray and EUV light source device with the same}
본 발명은 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치 및 이를 구비한 X선 및 극자외선 광원 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상온에서 액체이거나, 상온에서 기체이지만 액화된 물질, 상기 액체 및 액화기체에 나노입자를 포함시킨 물질, 녹는점이 낮은 금속에 열을 가해 녹인 금속 액체 등의 타겟을 제트 형태로 분사하는 모세관을 복수개 구비할 수 있는 액체 타겟 공급 장치와, 상기 제트 형태의 액체 타겟에 레이저를 조사함으로써 X선(1~10nm) 및 극자외선(EUV,10~20nm) 영역의 파장의 빛을 발생시키는 광원 발생 장치에 관한 것이다.
1 내지 10 나노미터의 파장을 가지는 빛을 연 X선이라 하는데, 상기 연 X선은 살아있는 세포들의 미세구조를 관측하기 위한 현미경에, 10 내지 20 나노미터의 파장을 가지는 극자외(EUV)선은 차세대 리소그래피(Lithography)에 사용된다. 특히, 2 내지 4 나노미터의 파장을 가지는 연 X선은 현미경에 사용되기 매우 적합하다. 이는 2 내지 4 나노미터의 파장영역(이하 "물의 창" 영역)에서는 연 X선이 단 백질과 물에 대해 큰 투과율 차이를 보이기 때문이다. 즉, 물의 창 영역의 연 X선은 물에 대해서는 양호한 투과율을 가지고 있으나, 단백질에 대해서는 투과율이 좋지 않기 때문에 세포 내부 구조를 조사하기에 매우 적당한 광원이다.
연 X선의 대부분은 방사광 가속기를 통해 발생되고 있으나, 방사광 가속기는 매우 거대한 실험 장치로 건설에 많은 시간과 비용이 소비되기 때문에 매우 적은 숫자만이 건설될 수 있다. 따라서, 소규모 실험실에서 사용되기에는 부적합하다.
소규모 실험실에서는 광원 발생 장치로 레이저 플라즈마 광원 발생 장치가 사용된다. 레이저 플라즈마 광원 발생 장치는 진공 용기 내에 배치되는 타겟(target)에 고출력 레이저 빔을 조사하여 빛을 발생시키는 장치이다. 타겟에 고출력 레이저 빔을 집광시키면 고밀도의 플라즈마가 생성되고, 생성된 플라즈마는 진공 용기 내에서 자유 팽창하게 되며, 빛은 상기 팽창한 플라즈마로부터 발생된다.
상기 레이저 플라즈마 광원 발생 장치는 타겟에 따라 X선 및 EUV 영역의 파장의 빛을 발생시킬 수 있다. 예컨대, 엑스트림 울트라바이올렛 리소그래피(extreme ultraviolet lithography)를 위한 13.5 나노미터의 파장의 빛은 크세논(Xe), 리튬(Li), 주석(Sn) 등의 물질을 타겟으로 이용할 경우 발생될 수 있고, 물의 창 영역의 빛은 질소(N)원자나 탄소(C)원자가 포함된 물질을 사용하면 발생될 수 있다.
그러나, 상기와 같은 원자로 구성된 고체 형태의 타겟을 사용하는 경우, 고체 타겟 내의 질소원자나 탄소원자 등의 밀도가 높지 않으면 상대적으로 빛의 세기 가 낮은 문제가 있다.
또한, 고체 타겟의 일정 부분에만 고출력 레이저를 조사시키면 레이저 집적부위는 변형이 야기되어 항상 새로운 부위에 레이저 빛이 입사되도록 상기 고체 타겟을 회전시키거나 상하, 좌우로 이동시킬 필요가 있기 때문에 이를 위한 구동 메커니즘이 필요하고, 한 번 사용한 고체 타겟의 경우 고체 타겟을 교체해 주어야 하므로 사용상의 불편이 따르며, 많은 시간과 비용이 소비되는 문제가 있다.
또한, 고체 타겟을 사용하면 고체 타겟으로부터 연소 분해물이나 파쇄물 등의 비산 입자(이하 "파편(debris)")가 연 X선 및 극자외선과 동시에 방출된다. 상기 파편은 사방으로 비산하고 부유하며, 특히 레이저 빔이 고출력일 경우 파편의 속도는 매우 커지게 된다. 상기의 파편은 고가인 주변의 여러 광학기기들을 손상시키는 가장 큰 문제점을 발생시키게 된다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 출원인은 2005년 9월 23일자로 액체타겟을 이용한 X선 및 극자외선 광원 발생 장치를 출원하여 등록받은 바 있다(등록특허 제0617603호).
그러나, 상기 등록특허 제0617603호에 개시된 광원 발생 장치에 의하면, 하나의 모세관만을 구비한 액체 타겟 공급 장치가 진공 챔버에 결합되기 때문에 첫째, 상기 모세관이 손상될 경우 모세관 교체 작업에 많은 시간이 요구되는 문제가 발생하고, 둘째, 다른 종류의 액체 타겟을 모세관으로부터 분사시키고자 할 경우 상기 모세관으로 공급되는 가스를 교체하여야 하는 번거로움이 발생한다.
또한, 상기 등록특허 제0617603호에 개시된 광원 발생 장치에 의하면, 공급 되는 가스를 액화시키기 위한 냉각 용매의 온도를 조절할 수 없기 때문에 첫째, 공급되는 가스의 종류가 상기 냉각 용매의 온도보다 더 높은 액화점을 갖는 가스로 제한되는 문제가 발생하고, 둘째, 냉각 용매의 온도보다 더 낮은 액화점을 갖는 가스를 이용하여 액체 타겟을 형성하고자 하는 경우 상기 냉각 용매를 상기 가스의 액화점보다 더 낮은 온도의 냉각 용매로 교체하여야 하는 번거로움이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 모세관의 손상 등으로 인해 모세관을 교체하여야 하는 경우 상기 모세관의 교체 작업이 종래에 비해 더욱 용이하고 신속하게 수행될 수 있고, 다른 종류의 액체 타겟을 모세관으로부터 분사시키고자 할 경우에도 상기 모세관으로 공급되는 가스를 별도로 교체할 필요가 없는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
또한, 본 발명은 냉각 용매의 교체 없이도 액화점이 서로 다른 다양한 종류의 가스를 모두 액체 타겟으로 형성할 수 있는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
또한, 본 발명은 상기 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치를 구비한 X선 및 극자외선 광원 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 액체 타겟을 제트 형태로 분사하는 모세관; 가스라인을 통해 상기 모세관과 연결되고, 상기 모세관에 공급할 가스를 저장하는 가스저장탱크; 상기 모세관을 복수개 장착할 수 있도록 상기 모세관의 외주면에 위치하고 상기 가스라인을 통해 공급되는 가스를 액화시키는 금속재킷; 열전도 와이어를 통해 상기 금속재킷과 연결되고, 상기 금속재킷을 냉각시키는 극저온 냉동기(cryo-cooler); 및 상기 모세관의 초기위치를 설정하기 위해 상기 금속재킷을 이동시키는 이동수단;을 포함하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치를 제공한다.
바람직하게 상기 이동수단은 상기 금속재킷을 고정시키고, 열적 절연 부재로 형성된 지지대; 및 상기 지지대를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 3축 스테이지;를 포함한다.
바람직하게 상기 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 압력을 가하는 가압기(pressure regulator)를 더 포함한다.
바람직하게 상기 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 포함된 불순물을 걸러내는 정화기(purifier)를 더 포함한다.
바람직하게 상기 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스의 양을 일정하게 유지하는 유량조절기(mass flow controller)를 더 포함한다.
바람직하게 상기 금속재킷과 접촉하는 상기 모세관의 표면은 실버 에폭시(silver epoxy)로 도포된 후 인듐포일(indium foil)에 의해 감싸진다.
바람직하게 상기 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치는 상기 금속재킷의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 극저온 냉동기를 자동으로 제어하는 온도조절기를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부의 진공도를 소정 범위 내로 유지시키기 위해 상기 진공 챔버에 장착되는 진공 배기계; 상기 진공 챔버에 장착되어 액체 타겟을 상기 진공 챔버 내부로 공급하는 액체 타겟 공급 장치; 상기 진공 챔버에 장착되어 상기 진공 챔버 내부로 공급된 액체 타겟을 흡입하는 액체 타겟 흡입 장치; 상기 진공 챔버에 장착되어 상기 진공 챔버 내부로 공급된 액체 타겟에 조사될 레이저를 공급하는 레이저 공급 장치;를 포함하되, 상기 액체 타겟 공급 장치는, 상기 액체 타겟을 제트 형태로 분사하는 모세관; 가스라인을 통해 상기 모세관과 연결되고, 상기 모세관에 공급할 가스를 저장하는 가스저장탱크; 상기 모세관을 복수개 장착할 수 있도록 상기 모세관의 외주면에 위치하고 상기 가스라인을 통해 공급되는 가스를 액화시키는 금속재킷; 및 열전도 와이어를 통해 상기 금속재킷과 연결되고, 상기 금속재킷을 냉각시키는 극저온 냉동기(cryo-cooler); 및 상기 모세관의 초기위치를 설정하기 위해 상기 금속재킷을 이동시키는 이동수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치를 제공한다.
바람직하게 상기 이동수단은 상기 금속재킷을 고정시키고 열적 절연 부재로 형성된 지지대; 및 상기 진공 챔버 내부에 설치되어 상기 지지대를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 3축 스테이지;를 포함한다.
바람직하게 상기 X선 및 극자외선 광원 발생장치는 상기 진공 챔버 외부에 설치되어 상기 극저온 냉동기를 지지하는 프레임을 더 포함하되, 상기 프레임과 상기 진공 챔버는 주름관에 의해 상호 연결된다.
바람직하게 상기 진공 배기계와 상기 진공 챔버는 주름관 및 방진고무(vibration-proof rubber)로 제작된 댐퍼(222)에 의해 연결된다.
바람직하게 상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 모세관과 상기 가스라인을 연 결하는 피크(PEEK) 유니온을 더 포함한다.
바람직하게 상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 압력을 가하는 가압기(pressure regulator)를 더 포함한다.
바람직하게 상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 포함된 불순물을 걸러내는 정화기(purifier)를 더 포함한다.
바람직하게 상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스의 양을 일정하게 유지하는 유량조절기(mass flow controller)를 더 포함한다.
바람직하게 상기 금속재킷과 접촉하는 상기 모세관의 표면은 실버 에폭시(silver epoxy)로 도포된 후 인듐포일(indium foil)에 의해 감싸진다.
바람직하게 상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 금속재킷의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 극저온 냉동기를 자동으로 제어하는 온도조절기를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 모세관의 손상 등으로 인해 모세관을 교체하여야 하는 경우 상기 모세관의 교체 작업이 종래에 비해 더욱 용이하고 신속하게 수행될 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 다른 종류의 액체 타겟을 모세관으로부터 분사시키고자 할 경우에도 상기 모세관으로 공급되는 가스를 별도로 교체할 필요가 없기 때문에 액체 타겟의 교체 작업이 종래에 비해 더욱 용이하고 신속하게 수행될 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명은 냉각 용매의 교체 없이도 액화점이 서로 다른 다양한 종류의 가스를 모두 액체 타겟으로 형성할 수 있기 때문에 종래에 비해 더욱 간편하게 사용 가능한 가스의 범위를 확대할 수 있는 효과가 발생한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1의 금속재킷과 모세관을 도시한 부분 분해 사시도이다.
본 발명에 따른 액체 타겟 공급 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 모세관(110), 가스저장탱크(120), 금속재킷(130), 극저온 냉동기(cryo-cooler)(140), 온도조절기(temperature controller)(미도시) 및 이동수단(250, 260)(도 3)을 포함한다. 이하, 상기 구성요소들을 상세하게 설명하되, 상기 이동수단(250, 260)은 본 발명에 따른 X선 및 극자외선 광원 발생 장치의 설명 시 설명한다.
상기 모세관(110)은 상기 액체 타겟 공급 장치에 1개 또는 복수개로 구비될 수 있으나, 복수개로 구비되는 것이 바람직하다. 상기 모세관(110)의 일단에는 직경이 점차 작아지는 노즐이 형성되고, 상기 노즐을 통해 액체 타겟이 제트 형태로 분사된다. 상기 모세관(110)을 제작하기 위해서, 우선, 외경이 360, 내경이 100 내지 150 마이크로미터이고, 외력에 쉽게 파손되지 않도록 외부에 폴리이미드 코팅처리된 단단한 실리카 재질의 상용화된 제품을 300 미리미터 정도의 길이만큼 실리카 모세관 절단도구로 절단면이 매끄럽도록 잘라낸다. 그리고, 마이크로토치를 이용해 상기 모세관(110) 일 단의 코팅을 10 미리미터 정도 태워 벗겨내고 레이저 가공장치를 이용하여 코팅이 벗겨진 모세관(110)의 일 단에 일정 주기로 열과 장력을 가하여 관 끝의 직경이 5 내지 20 마이크로미터인 노즐을 생성한다. 관 끝의 직경이 5 마이크로미터 이하인 경우 막힐 가능성이 높고, 20 마이크로미터 이상인 경우 제트형성이 어렵다.
상기 가스저장탱크(120)는 상기 모세관(110)에 공급할 가스를 저장하기 위한 것으로 상기 모세관(110)의 개수와 동일한 개수로 구비되는 것이 바람직하다. 상기 가스저장탱크(120)에 저장되는 가스의 종류는 발생하고자 하는 빛의 종류에 의해 결정된다. 예컨대, 물의 창 영역에 해당하는 파장의 빛을 발생시키고자 하는 경우에는 상기 가스저장탱크(120)에 질소가스가 저장되나, 극자외선을 발생시키고자 하는 경우에는 상기 가스저장탱크(120)에 크세논(Xe) 또는 크립톤(Kr) 가스가 저장된다. 상기 가스저장탱크(120)가 복수개로 구비되는 경우, 각각의 가스저장탱크(120)에는 동일한 가스가 수용될 수도 있고, 서로 다른 가스가 수용될 수도 있다. 그리고, 상기 액체 타겟 공급 장치의 작동 시에는 액체 타겟을 실제로 분사하는 모세관과 연결된 가스저장탱크 이외의 가스저장탱크는 모두 닫혀 있다.
상기 가스저장탱크(120)는 가스라인(122)을 통해 상기 모세관(110)과 연결된다. 상기 가스라인(122)은 전해연마된 스테인리스스틸 튜브(electro-polished stainlesssteel tube)로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 가스라인(122)과 상기 모세관(110)은 피크(PEEK, polyetheretherketon)재질의 유니온(112)으로 연결된다. 상기 가스라인(122)은 직경이 1/16“인 스테인리스스틸 재질이고, 상기 모세 관(110)은 외경이 360 마이크로미터인 실리카 재질인데, 상기 유니온(112)이 직경과 재질이 다른 두 개의 관을 연결시켜 준다. 상기 유니온(112)의 조임과 풀림은 수동으로 조작이 가능하기 때문에 손쉽게 상기 모세관(110)과 상기 가스라인(122)을 연결하거나, 상기 모세관(110)을 상기 가스라인(122)으로부터 분리할 수 있다.
상기 가스라인(122)에는 가압기(pressure regulator)(124)가 장착되는 것이 바람직하다. 상기 가압기(124)는 상기 모세관(110)의 일단에 형성된 노즐로부터 분사되는 액체 타겟이 소정구간, 바람직하게는 상기 노즐과 상기 노즐로부터 약 700 마이크로미터 이상 이격된 지점 사이의 구간에서 안정적인 제트형태를 형성하도록 상기 모세관(110)으로 공급되는 가스에 높은 압력을 가한다. 제트의 안정 구간이 짧으면 레이저의 조사부위가 모세관(110)의 끝과 너무 가까워 플라즈마 발생시 발생하는 고온의 열에 의해 상기 모세관(110)의 끝이 손상될 염려가 있다.
상기 가스라인(122)에는 정화기(purifier)(126)가 장착되는 것이 바람직하다. 상기 정화기(126)는 상기 가스저장탱크(120)에 저장된 99.9999% 이상의 초순도 가스에 포함된 1ppm 정도의 잔여 불순물들을 1ppb 수준까지 정제한다.
상기 가스라인(122)에는 상기 모세관(110)으로 공급되는 가스의 양을 일정하게 유지하는 유량조절기(mass flow controller)(128)가 장착되는 것이 바람직하다. 상기 모세관(110)으로 공급되는 가스의 양이 일정하면, 상기 모세관(110)의 일단에 형성된 노즐로부터 제트 형태로 분사되는 액체 타겟이 더욱 안정적으로 형성될 수 있다.
상기 가스라인(122)에는 상기 가스저장탱크(120)의 초기 설치 시, 또는 상기 가스저장탱크(120)의 교체 시 공기나 먼지 등의 이물질에 의해 오염된 상기 가스라인(122)을 초고순도 가스라인으로 형성하기 위한 진공 펌프(150)가 연결되고, 상기 진공 펌프(150)와 상기 가스라인(122)을 연결하는 배관에는 밸브(152)가 장착되는 것이 바람직하다. 상기 가스라인(122)에 가스저장탱크(120)가 연결되면, 상기 가스라인(122) 내부의 공기나 먼지 등의 이물질을 제거하기 위해 가스저장탱크(120)로부터의 가스공급을 차단한 상태에서 상기 밸브(152)를 개방하고 상기 진공 펌프(150)를 작동시킨다. 이때, 상기 이물질 제거 작업을 더욱 효율적으로 수행하기 위해 상기 가스라인(122) 전체를 100도 이상으로 가열(bake)하는 것이 바람직하다. 이와 같은 상태가 소정 시간 유지되면, 상기 가스라인(122)의 가열을 중단하고 상기 가스저장탱크(120)에 저장된 초고순도 가스를 상기 가스라인(122)으로 5 내지 10회 정도 흘려주게 되고, 이로 인해 초고순도 가스라인이 형성된다. 이때, 상기 밸브(152)는 여전히 개방되어 있기 때문에 상기 가스라인(122)으로 공급된 가스는 상기 진공 펌프(150)로 유입된다. 초고순도 가스라인의 형성이 완료되면, 상기 밸브(152)를 닫고 상기 진공 펌프(150)를 정지시킨다.
상기 금속재킷(130)은 상기 모세관(110)의 외주면을 감싸도록 설치되어 상기 가스라인(122)을 통해 공급되는 가스를 액화시킨다. 상기 금속재킷(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 복수개의 반원기둥이 서로 연결된 것과 같은 형상의 제1재킷(132)과 제2재킷(134)으로 구성되며, 금 또는 은으로 코팅된 무산소동 재질로 제작된다. 상기 제1 및 제2재킷(132)(134)의 양 측단에는 플랜지(133)(135)가 형성되고, 상기 제1 및 제2재킷(132)(134)에는 길이방향으로 연장된 반원기둥 형태의 홈(136)(137)이 복수개 형성된다. 상기 제1 및 제2재킷(132)(124)은 실버 에폭시(silver epoxy) 등의 열전도율이 매우 양호한 접착제와, 상기 플랜지(133)(135)에 형성된 볼트공(138)에 삽입되는 볼트 및 상기 볼트와 결합하는 너트에 의해 결합되고, 상기 제1 및 제2재킷(132)(134)의 결합이 완료되었을 때, 상기 모세관(110)은 상기 홈(136)(137)에 안착된다. 상기 금속재킷(130)의 길이, 두께 등의 기하학적 파라미터들은 상기 모세관(110)으로 유입된 가스가 상기 금속재킷(130)이 설치된 구간을 통과하면서 충분히 액화될 수 있도록 상기 가스의 종류, 가스의 유속 및 유량, 상기 극저온 냉동기(140)의 냉동능력 등을 고려하여 결정된다. 한편, 상기 금속재킷(130)의 표면에는 후술할 진공 챔버(210)에 장착되는 각종 장비로부터 발생하는 열로부터의 영향을 방지하기 위해 열보호필름(heat protection film)(미도시)이 부착될 수 있다.
상기 모세관(110)의 표면부위 중, 상기 금속재킷(130)과 접촉하는 부위는 실버 에폭시(silver epoxy)로 도포된 후 인듐포일(indium foil)에 의해 감싸지는 것이 바람직하다. 상기 모세관(110)의 표면을 이와 같이 처리함으로써 상기 모세관(110)과 금속재킷(130) 간에 열전달 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 극저온 냉동기(cryo-cooer)(140)는 상기 금속재킷(130)을 매우 낮은 온도로 냉각시킨다. 일반적으로 극저온 냉동기는 120K 이하의 온도를 생성하는 냉동 시스템을 의미하고, 열교환기의 형태에 따라 열교환형(recuparative type)과 재생형(regenerative type)으로 나누어진다. 본 실시예에서는 소용량이고 10K 이상의 온도를 생성하는 재생형(regenerative type)을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한 정되지는 않는다. 일반적으로 극저온 냉동기는 축냉재를 수납함과 동시에 팽창실을 내부에 가지는 냉동기 유닛과, 압축기 본체를 수납한 압축기 유닛을 구비하고 있으며, 상기 냉동기 유닛이 극저온으로 냉각되어야 할 장치나 용기 등에 설치된다. 한편, 상기 극저온 냉동기(140)의 표면에는 후술할 진공 챔버(210)에 장착되는 각종 장비로부터 발생하는 열로부터의 영향을 방지하기 위해 열보호필름(heat protection film)(미도시)이 부착될 수 있다.
상기 극저온 냉동기(140)의 냉동기 유닛(미도시)과 상기 금속재킷(130)은 열전도 와이어 다발(142)에 의해 서로 연결된다. 상기 열전도 와이어 다발(142)은 금 또는 은으로 코팅된 무산소동 재질로 형성된 복수개의 열전도 와이어를 꼬아서 제작한다. 그리고, 상기 열전도 와이어 다발(142)과 상기 냉동기 유닛, 상기 열전도 와이어 다발(142)과 상기 금속재킷(130)은 실버에폭시(silver epoxy)로 접착된다. 상기 극저온 냉동기(140)의 냉동기 유닛에 의해 생성된 극저온의 열은 상기 열전도 와이어 다발(142)을 통해 상기 금속재킷(130)으로 전달되고, 이로 인해 상기 금속재킷(130)이 매우 낮은 온도, 바람직하게는 상기 가스저장탱크(120)로부터 공급되는 다양한 가스를 충분히 액화시킬 수 있는 온도로 냉각된다.
상기 열전도 와이어 다발(142)의 길이, 상기 열전도 와이어 다발(142)의 다발수 등의 기하학적 파라미터는 상기 극저온 냉동기(140)의 압축기 유닛에 의해 발생하는 진동이 상기 금속재킷(130)에 전달되지 않도록 결정되어야함과 동시에, 상기 냉동기 유닛에 의해 생성된 극저온 열이 상기 금속재킷(130)으로 효율적으로 전달될 수 있도록 결정되어야 한다.
한편, 상기 열전도 와이어 다발(142)의 표면에는 후술할 진공 챔버(210)에 장착되는 각종 장비로부터 발생하는 열로부터의 영향을 방지하기 위해 열보호필름(heat protection film)(미도시)이 부착될 수 있다.
상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 금속재킷(130)의 온도를 자동으로 일정하게 유지시키는 온도조절기(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우, 상기 모세관(110) 일단에 형성된 노즐로부터 분사되는 액체 타겟이 더욱 안정적으로 형성될 수 있다.
상기 온도조절기(미도시)는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 일예로, 상기 온도조절기는 상기 금속재킷(130)에 장착되어 상기 금속재킷(130)의 온도를 실시간으로 감지하는 온도센서(미도시)와, 상기 극저온 냉동기(140)의 냉동기 유닛에 설치되는 카트리지 히터(미도시)와, 상기 온도센서가 감지한 온도와 미리 설정된 기준온도를 비교하고, 이들이 상이한 경우 상기 카트리지 히터에 전압을 인가하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 다른 대안으로 상기 온도조절기는 앞서 설명한 바와 같은 온도센서(미도시)와, 상기 온도센서가 감지한 온도와 미리 설정된 기준온도를 비교하고, 이들이 상이한 경우 상기 극저온 냉동기(140)의 압축기 유닛에 장착된 모터의 회전수를 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수도 있다. 상기 미리 설정된 기준온도는 상기 가스저장탱크(120)로부터 공급되는 가스의 종류에 따라 상이하게 설정된다.
이하, 본 발명에 따른 X선 및 극자외선 광원 발생 장치의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 도 1의 액체 타겟 공급 장치를 구비한 X선 및 극자외선 광원 발생 장치를 도시한 개략도이다. 도 3의 도면부호 중 도 1의 도면부호와 동일한 것은 동일한 구성요소를 의미한다.
본 발명에 따른 X선 및 극자외선 광원 발생 장치는 진공 챔버(210)와, 진공 배기계(220)와, 액체 타겟 공급 장치와, 액체 타겟 흡입 장치(230)와, 레이저 공급 장치(미도시)를 포함한다. 상기 액체 타겟 공급 장치는 앞서 설명한 바와 동일하므로 이하에서는 상기 액체 타겟 공급 장치에 대한 설명을 생략한다.
상기 진공 챔버(210)의 일 측면에는 진공 배기계(220)가 장착되어 있다. 상기 진공 배기계(220)는 액체 타겟이 진공 챔버(210) 내부로 공급되기 이전의 상기 진공 챔버(210) 내부의 진공도를 약
Figure 112007062520725-pat00001
Torr로 유지한다.
상기 진공 배기계(220)는 자체적으로 진동을 발생시킨다. 그런데, 이와 같은 진동이 상기 진공 챔버(210)에 전달될 경우, 액체 타겟이 모세관(110)으로부터 안정적으로 분사될 수 없으므로 진공 배기계(220)의 자체 진동이 상기 진공 챔버(210)에 전달되는 현상을 방지할 필요가 있다. 본 실시예에서는 상기 진공 배기계(220)의 자체 진동이 상기 진공 챔버(210)에 전달되는 현상을 방지하기 위해 상기 진공 배기계(220)와 상기 진공 챔버(210)를 주름관 및 방진고무(vibration-proof rubber)로 제작된 댐퍼(222)로 연결하였다.
상기 레이저 공급 장치(미도시)는 상기 진공 챔버(210)에 장착되어 상기 모 세관(110)으로부터 분사되는 액체 타겟에 조사될 레이저를 발생시킨다. 상기 레이저 공급장치로부터 공급되는 고출력 레이저는 상기 진공 챔버(210)의 내부에서 상기 액체 타겟과 함께 플라즈마를 형성한다. 상기 고출력 레이저가 액체 타겟에 집중적으로 조사될 수 있도록 하기 위해 상기 레이저의 이동경로에 집속 렌즈(미도시)를 위치시킬 수 있다.
상기 액체 타겟 흡입 장치(230)는 상기 액체 타겟 공급 장치의 맞은편, 더욱 구체적으로는 상기 액체 타겟 공급 장치에 구비된 복수개의 모세관(110) 중 실제로 사용하고자 하는 모세관의 맞은편에 위치하도록 상기 진공 챔버(210)에 장착된다. 액체 타겟은 상기 복수개의 모세관(110) 중 실제로 사용하고자 하는 모세관으로부터 상기 진공 챔버(210)내부로 지속적으로 공급되고, 상기 액체 타겟 흡입 장치(230)에 의해 상기 진공 챔버(210)의 외부로 배출된다.
세기가 강한 X선 및 극자외선을 지속적으로 발생시키려면 액체 타겟이 상기 진공 챔버(210) 내부에 지속적으로 공급되는 상황에서 상기 진공 챔버(210) 내부의 진공도가
Figure 112007062520725-pat00002
Torr 이하로 유지되어야 한다. 그러나, 상기 액체 타겟이 지속적으로 진공 챔버(210) 내부로 공급되면
Figure 112007062520725-pat00003
Torr이하의 진공상태를 유지하기 어렵기 때문에 진공 챔버(210) 내부로 유입되는 액체 타겟 배출하여 주어야 하는데, 상기 진공 펌프(220)를 이용하여 배출시키는 것만으로는 상기와 같은 진공상태를 유지하기 어렵다. 따라서, 액체 타겟 흡입 장치(230)를 이용하여 액체 타겟을 상기 진공 챔버(210)의 외부로 배출시켜 진공 챔버(210) 내부의 진공도를 상기와 같이 유지시 킨다.
상기 모세관(110)의 일 단과 상기 액체 타겟 흡입 장치(230)의 일 단과의 거리(d)는 약 5 내지 10 미리미터인 것이 바람직하다. 상기 거리(d)가 너무 멀면 상기 액체 타겟 흡입 장치(230)의 액체 타겟 흡입률이 낮아져 상기 진공 챔버(210)의 진공률이 낮아지고, 너무 가까우면 플라즈마가 발생되는 부위가 상기 모세관(110)의 단부가 플라즈마가 발생되는 부위와 너무 근접하여 플라즈마 발생에 의한 열에 의해 상기 모세관(110)이 손상될 가능성이 높다.
상기 진공 챔버(102)의 내부에는 포토 다이오드(photo diode)(미도시)가 장착되는 것이 바람직하다. 상기 포토 다이오드는 상기 진공 챔버(210) 내부에서 발생되는 X선 또는 극자외선의 세기를 측정하는데 사용된다. 고출력 레이저의 조건이나 액체 타겟의 상태가 변하게 되는 경우, 발생되는 X선 또는 극자외선의 세기가 불안정하게 되므로 지속적으로 X선 및 극자외선의 세기를 측정할 필요가 있다.
상기 진공 챔버(210)의 일 측면에는 텔레 줌 마이크로스코프(telezoom microscope)(미도시)가 장착되는 것이 바람직하다. 적절한 세기의 X선 또는 극자외선을 발생시키기 위해서는 고출력 레이저가 액체 타겟에 정확하게 조사되어야 한다. 상기 텔레 줌 마이크로스코프를 통해 고출력 레이저가 액체 타겟에 정확하게 조사되는지 여부를 모니터할 수 있다.
상기 진공 챔버(210)의 일 측면에는 진공 게이지(240)가 장착되는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이 상기 진공 챔버(210) 내부의 진공도는 액체 타겟이 공급 되기 전에는
Figure 112007062520725-pat00004
Torr 이하로, 액체 타겟이 공급되는 경우에는
Figure 112007062520725-pat00005
Torr 이하로 유지되어야 하는데, 상기 진공 게이지(240)를 통해 상기 진공 챔버(210) 내부의 진공도가 상기와 같이 유지되는지 실시간으로 모니터할 수 있다.
상기 액체 타겟 공급 장치의 금속재킷(130)은 이동수단(250, 260)에 의해 이동하도록 구비된다. 상기 금속재킷(130)은 열적 절연 부재로 형성된 지지대(250)에 안착되어 고정되고, 상기 지지대(250)는 X축, Y축 및 Z축 방향으로 변위 조절이 가능하며 상기 진공 챔버(210) 내부 바닥에 설치되는 3축 스테이지(260)에 부착된다. 상기 모세관(110)의 초시 설치 시, 복수개의 모세관(110)중 실제로 사용하고자 하는 모세관과 상기 액체 타겟 흡입 장치(230)가 소정 간격 이격되어 일직선 상에 위치하도록 상기 3축 스테이지(260)를 사용하여 상기 금속재킷(130)의 위치를 정교하게 조절할 수 있다. 또한, 현재 사용하고 있는 모세관이 손상되어 타 모세관을 사용하여야 할 경우, 또는 현재 형성되는 액체 타겟과 다른 종류의 액체 타겟을 형성하기 위해 타 모세관을 사용하여야 할 경우에 사용하고자 하는 상기 타 모세관이 상기 액체 타겟 흡입 장치(230)와 일직선 상에 위치하도록 상기 3축 스테이지(260)를 사용하여 상기 금속재킷(130)의 위치를 정교하게 조절할 수 있다.
한편, 앞서서는 상기 지지대(250)를 3축 스테이지(260)에 부착하였으나, 이에 대한 대안으로 상기 지지대(250)는 2축 스테이지 또는 1축 스테이지에 부착될 수 있다. 이때, 상기 2축 스테이지는 X축, Y축 및 Z축 방향 중 어느 두 방향으로 변위 조절이 가능하도록 구비되고, 상기 1축 스테이지는 X축, Y축 및 Z축 방향 중 어느 한 방향으로 변위 조절이 가능하도록 구비된다.
상기 액체 타겟 공급 장치의 극저온 냉동기(140)는 상기 진공 챔버(210) 외부 바닥에 설치되는 프레임(270)에 부착된다. 이와 같이 상기 극저온 냉동기(140)를 상기 프레임(270)에 부착하는 경우 상기 극저온 냉동기(140)의 압축기 유닛에 의해 자체적으로 발생하는 진동이 상기 진공 챔버(210)로 직접 전달되는 것을 방지할 수 있다.
상기 프레임(270)은 상기 극저온 냉동기(140)의 외부에 위치하는 주름관(280)에 의해 상기 진공 챔버(210)와 연결된다. 상기 극저온 냉동기(140)를 상기 프레임(270)에 부착하는 경우 상기 극저온 냉동기(140)의 자체 진동은 상기 프레임(270)에 전달된다. 상기 프레임(270)은 진공 챔버(210) 외부 바닥에 견고하게 고정되어 있기 때문에 상기 극저온 냉동기(140)로부터 전달된 진동을 흡수할 수 있으나, 완전하게 흡수하지는 못한다. 따라서, 상기 극저온 냉동기(140)가 작동하면 상기 프레임(270)도 미약하게 진동하게 된다. 상기 주름관(280)은 이와 같은 프레임(270)의 미약한 진동을 완전하게 흡수하여 상기 극저온 냉동기(140)가 작동하는 경우에도 상기 극저온 냉동기(140)의 자체 진동이 상기 진공 챔버(210)로 전달되는 현상을 방지한다.
이하, 상기 X선 및 극자외선 광원 발생 장치의 설치과정 및 작동과정을 설명한다.
우선, 서로 다른 가스 또는 서로 동일한 가스를 저장한 복수개의 가스저장탱크(120)와 가스라인(122)으로 각각 연결된 복수개의 모세관(110)을 상기 금속재킷(130)에 장착하고, 상기 금속재킷(130)을 상기 지지대(250) 상에 고정시킨다. 그 후, 상기 3축 스테이지(260)를 조작하여 상기 복수개의 모세관(110) 중 실제 사용하고자 하는 모세관과 상기 액체 타겟 흡입 장치(230)가 일직선 상에 위치시킨다. 이때, 상기 실제 사용하고자 하는 모세관과 연결된 가스저장탱크 이외의 가스저장탱크는 모두 닫혀있다.
이와 같은 작업이 완료되면, 진공 챔버(210) 내부의 진공도를 진공 배기 계(220)를 이용하여
Figure 112007062520725-pat00006
Torr 이하로 형성하고, 상기 가스라인(122)을 초고순도의 가스라인으로 형성한다. 그 후, 상기 금속재킷(130)을 냉각시키기 위해 상기 극저온 냉동기(140)를 작동시키고, 상기 금속재킷(130)이 소정 온도 이하로 냉각되면 상기 가스저장탱크(120)에 저장된 가스를 공급한다. 공급된 가스는 상기 금속재킷(130)이 장착된 모세관(110)을 통과하면서 액화된 후, 제트형태로 상기 진공 챔버(210) 내부로 분사되고, 분사된 액체 타겟은 액체 타겟 흡입 장치(230)를 통해 진공 챔버(210) 외부로 배출된다. 이 과정에서 액체 타겟이 상기 레이저 공급 장치로부터 공급된 고출력 레이저와 상호작용을 하고, 이로 인해 플라즈마가 형성되며, 상기 플라즈마 내부의 이온화 상태의 질소 원자들이 들뜬 상태의 준위에서 바닥 상태의 준위로 전이하는 과정에서 X선 또는 극자외선이 발생한다.
상기 광원 발생 장치의 작동 도중, 현재 사용하고 있는 모세관이 손상되거나 다른 종류의 액체 타겟을 발생시키기 위해 타 모세관을 이용하고자 하는 경우, 작업자는 현재 사용하고 있는 모세관과 연결된 가스저장탱크를 닫고 상기 3축 스테이지(260)를 이용하여 상기 타 모세관과 상기 액체 타겟 흡입 장치(230)를 일직선 상에 위치시킨 후, 상기 타 모세관과 연결된 가스저장탱크(120)를 개방한다.
도 1은 본 발명에 따른 액체 타겟 공급 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 금속재킷과 모세관을 도시한 부분 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 액체 타겟 공급 장치를 구비한 X선 및 극자외선 광원 발생 장치를 도시한 개략도이다.

Claims (17)

  1. 액체 타겟을 제트 형태로 분사하는 모세관;
    가스라인을 통해 상기 모세관과 연결되고, 상기 모세관에 공급할 가스를 저장하는 가스저장탱크;
    상기 모세관을 복수개 장착할 수 있도록 상기 모세관의 외주면에 위치하고, 상기 가스라인을 통해 공급되는 가스를 액화시키는 금속재킷;
    열전도 와이어를 통해 상기 금속재킷과 연결되고, 상기 금속재킷을 냉각시키는 극저온 냉동기(cryo-cooler); 및
    상기 모세관의 초기위치를 설정하기 위해 상기 금속재킷을 이동시키는 이동수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동수단은,
    상기 금속재킷을 고정시키고, 열적 절연 부재로 형성된 지지대; 및
    상기 지지대를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 3축 스테이지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 압력을 가하는 가압기(pressure regulator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 포함된 불순물을 걸러내는 정화기(purifier)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스의 양을 일정하게 유지하는 유량조절기(mass flow controller)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속재킷과 접촉하는 상기 모세관의 표면은 실버 에폭시(silver epoxy)로 도포된 후 인듐포일(indium foil)에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속재킷의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 극저온 냉동기를 자동으로 제어하는 온도조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 모세관의 장착이 가능한 액체 타겟 공급 장치.
  8. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내부의 진공도를 소정 범위 내로 유지시키기 위해 상기 진공 챔버에 장착되는 진공 배기계;
    상기 진공 챔버에 장착되어 액체 타겟을 상기 진공 챔버 내부로 공급하는 액체 타겟 공급 장치;
    상기 진공 챔버에 장착되어 상기 진공 챔버 내부로 공급된 액체 타겟을 흡입하는 액체 타겟 흡입 장치;
    상기 진공 챔버에 장착되어 상기 진공 챔버 내부로 공급된 액체 타겟에 조사될 레이저를 공급하는 레이저 공급 장치;를 포함하되,
    상기 액체 타겟 공급 장치는,
    상기 액체 타겟을 제트 형태로 분사하는 모세관;
    가스라인을 통해 상기 모세관과 연결되고, 상기 모세관에 공급할 가스를 저장하는 가스저장탱크;
    상기 모세관을 복수개 장착할 수 있도록 상기 모세관의 외주면에 위치하고, 상기 가스라인을 통해 공급되는 가스를 액화시키는 금속재킷;
    열전도 와이어 다발을 통해 상기 금속재킷과 연결되고, 상기 금속재킷을 냉각시키는 극저온 냉동기(cryo-cooler); 및
    상기 모세관의 초기위치를 설정하기 위해 상기 금속재킷을 이동시키는 이동수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이동수단은,
    상기 금속재킷을 고정시키고, 열적 절연 부재로 형성된 지지대; 및
    상기 진공 챔버 내부에 설치되어 상기 지지대를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 3축 스테이지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 진공 챔버 외부에 설치되어 상기 극저온 냉동기를 지지하는 프레임을 더 포함하되,
    상기 프레임과 상기 진공 챔버는 주름관에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 진공 배기계와 상기 진공 챔버는 주름관 및 방진고무(vibration-proof rubber)로 제작된 댐퍼(222)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 모세관과 상기 가스라인을 연결하는 피크(PEEK) 유니온을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장 치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 압력을 가하는 가압기(pressure regulator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스에 포함된 불순물을 걸러내는 정화기(purifier)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 가스라인 상에 장착되어 상기 모세관으로 공급되는 가스의 양을 일정하게 유지하는 유량조절기(mass flow controller)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 금속재킷과 접촉하는 상기 모세관의 표면은 실버 에폭시(silver epoxy)로 도포된 후 인듐포일(indium foil)에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 액체 타겟 공급 장치는 상기 금속재킷의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 극저온 냉동기를 자동으로 제어하는 온도조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 및 극자외선 광원 발생장치.
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