KR101493807B1

KR101493807B1 - 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버 및 엑시머 레이저 기기

Info

Publication number: KR101493807B1
Application number: KR1020137020724A
Authority: KR
Inventors: 위 왕; 이 저우; 진빈 딩; 빈 리우; 리자 장; 장산 자오; 펑페이 사
Original assignee: 아카데미 오브 옵토-일렉트로닉스, 차이니즈 아카데미 오브 사이언시스
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2015-02-16
Also published as: JP2014511036A; RU2013146022A; CN103151679B; US20140023101A1; KR20140019319A; CN103151679A; EP2690723A1; EP2690723B1; US9252557B2; DK2690723T3; CN102810810A; WO2013127111A1; EP2690723A4; RU2592065C2

Abstract

본 발명은 레이저 기기 기술 분야에 관한 것으로, 구체적으로는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버 및 이 방전 챔버를 사용하는 엑시머 레이저 기기에 관한 것으로, 상기 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 챔버체와 2 세트의 메인 방전 전극을 포함하고, 상기 챔버체는 좌,우 두개의 공간을 포함하여 대칭되는 이중 공간 구조 챔버 형상을 형성한다. 매개 공간의 단면 형상은 모두 위부분이 작고 아래 부분이 큰 “배” 형상을 이루며, 상기 좌,우 두개의 공간은 전체 방전 챔버의 대칭면 부분에서 인접하여 연통된다. 상기 2 세트의 메인 방전 전극은 각각 좌,우 두개의 공간의 상측에 위치한다. 본 발명은 하나의 단일 챔버 구조를 이용하여 MOPA, MOPO, MOPRA 구조의 이중 챔버 기능을 실현하였으며 시스템의 복잡성을 감소시킬 뿐만 아니라 방전 챔버의 방전 동기화도 확보한다.

Description

단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버 및 엑시머 레이저 기기{Single-chamber dual-electrode discharge chamber and excimer laser}

본 발명은 레이저 기기 기술 분야에 관한 것으로, 구체적으로는 포토 리소그래피용 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버 및 그 방전 챔버를 포함하는 엑시머 레이저 기기에 관한 것으로，본 발명의 방전 챔버는 기체가 여기되어 에너지 방사를 발생하는 기타 장치에도 사용 가능하다.

엑시머 레이저 기기는 자외 특성의 응용을 대상으로 하는 전통 가스 레이저 기기로서, 현재 포토 리소그래피에 이용되는 최적 광원으로 간주되고 있는 바, 집적 회로판 인쇄 포토 리소그래피 산업에 있어서의 주요한 동작 광원이다.

종래의 방전 여기 엑시머 레이저 기기의 구조는 단일 챔버 단일 전극 디자인을 사용한다. 날로 발전하는 광학 포토 리소그래피 기술에 따라, 광원이 보다 좁은 스펙트럼 선의 폭(선 폭), 보다 높은 중복 주파수, 및 보다 높은 평균 전력을 가지도록 요구한다. 종래의 단일 챔버 구조는 상기 3가지 요구를 동시에 만족시키기가 아주 어려운데 이는 레이저 기기에 대한 연구가 성능과 원가 효과 사이에 높은 제약 관계가 존재하도록 하는 영향을 가져온다. 종래 레이저 기기의 단일 챔버 구조를 개진하는데 있어서 직면한 주요한 문제는 주로 선 폭 축소 모듈의 비교적 큰 전력 손실 문제, 및 고전력 레이저 기기 방사 작용 하에서의 광학 소자의 파손과 수명 문제이다.

선 폭을 축소시키고 레이저 출력 전력을 효과적으로 향상시키기 위하여, 레이저 기기 디자인에 페어 챔버 구조가 도입되었다. 이러한 구조의 기본적인 발상은 선 폭에 대한 축소와 레이저 출력 전력의 향상이 부동한 기체 방전 모듈(씨앗챔버, 증폭 챔버) 내에서 실현되도록 하는 것이다. 그 동작 과정은 다음과 같다. 씨앗챔버에서 일정한 중복적 주파수를 가지는 선 폭이 좁은 씨앗광을 발생시켜 저전력 레이저 발진 방사를 실현하고, 증폭 챔버는 씨앗광 입사 후의 펄스 에너지에 대한 증폭을 실현한다. 페어 챔버 구조에 기초하여 설계된 레이저 기기의 출력은 포토 리소그래피 광원에 필요한 스펙트럼 축소 제어와 비교적 높은 싱글 펄스 에너지 출력 특성을 구비한다.

페어 챔버 구조에 기초하여 설계된 레이저 기기는 주진동과 증폭 모듈을 지속적으로 최적화하고, 시스템 출력 지수를 개선할 수 있다. 예를 들면, 동작 기체 혼합물의 조성과 압력의 세기 및 여기 동작 전압 등을 최적화하여 좁은 선 폭과 대전력을 구비하는 레이저 출력을 얻는다. 이 외에, 증폭 챔버의 전력 증폭 메커니즘에 의하여 메인 발진기 중 상대적으로 비교적 낮은 레이저 출력은 선 폭 축소 모듈 중의 광학 소자의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다. 페어 챔버 구조에 기초하여 설계된 레이저 기기는 상기 이점들을 갖고 있으므로, "시딩-증폭” 메커니즘의 레이저 기기 구조의 설계는 현대 레이저 포토 리소그래피 광원에 대한 연구와 개발에 광범위하게 응용되었다.

페어 챔버 구조의 설계는 주로, 메인 발진 챔버-전력 증폭 챔버의 페어 챔버 구조(MOPA, Master Oscillator Power Amplifier), 메인 발진 챔버-전력 발진 챔버의 페어 챔버 구조(MOPO, Master Oscillator Power Oscillator), 및 메인 발진 챔버-전력 증폭 챔버의 페어 챔버 구조를 기초로 하여 발전된 환형 챔버 구조(MOPRA, Master Oscillator Power Regenerative Amplifier)와 같은 세가지 유형으로 나뉜다. 대응되는 구체적인 구조는 도 1, 2, 3에 상세하게 도시된 바와 같다.

도 1은 종래 기술 중의 페어 챔버 MOPA 엑시머 레이저 기기 구조도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 페어 챔버 MOPA 엑시머 레이저 기기는, 메인 발진 챔버(MO 챔버)(101), 전력 증폭 챔버(PA챔버)(102), 선 폭 축소 모듈(LNM)(103), 파장 분석 모듈(LAM)(104), MO 광로 전환 제어 모듈(MO web)(105), PA 광로 전환 제어 모듈(PA web)(106), 광학 펄스폭 연장기(OPS)(107), 선 폭 분석 모듈(BAM)(108), 5각 프리즘(109), 자동 셔터(110) 등을 포함하여 구성된다.

MOPA 구조는 첨단 포토 리소그래피 광원에 대한 연구와 개발에 최초로 응용된 레이저 시스템 디자인으로서, 이 구조에 관하여서는 특허 US2002/0044586A1, US20060126697A1, US6690704B2에서 이미 설명하였다. 문헌

(주: 근래의 포토 리소그래피용 ArF 엑시머 레이저 기술의 발전)》 제 523-524 페이지 MOPA 구조 모델에 의하면, 증폭 챔버를 유한 회수만큼 통과하기 때문에, 레이저 에너지 증폭 능력에 대한 제한은 MO 챔버(메인 발진 챔버)로 하여금 더욱 높은 레이저 에너지 출력 하에서만 광원 시스템 규격 파라미터에 대한 수요를 만족시키도록 한다. 선 폭 축소 처리 후, MO 챔버의 출력은 약 1mJ 정도의 씨앗광을 PA 챔버(전력 증폭 챔버)로 전송할 것을 요구하는데, 선 폭 축소 메커니즘에 의해 도입된 비교적 높은 에너지 소모로 인하여 전환 효율은 상대적으로 비교적 낮고, 에너지가 높은 방전 여기는 MO 챔버의 수명이 선명하게 낮아지도록 한다. 또한, PA 챔버 출력은, MO 챔버와 PA 챔버의 방전 동기화 정확도의 영향을 받는바 레이저 에너지 출력 안정성을 더욱 향상하여야 한다.

사출 로크 기술(Injection Lock Technology)에 기초한 MOPO 구조와 환형 챔버 기술(Recirculating Ring Technology)을 사용한 MOPRA 구조는 상기와 같은 MOPA 구조의 부족한 점을 보완하였다.

도 2는 종래 기술 중의 페어 챔버 MOPO 엑시머 레이저 기기 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 페어 챔버 MOPO 엑시머 레이저 기기는, 전력 발진 챔버(PO 챔버)(201), 전력 증폭 챔버(PA 챔버)(202), 선 폭 축소 모듈(LNM)(203)을 포함하며, 또한 오목 렌즈(204), 및 볼록 렌즈(205)를 비롯한 광학 회로 시스템을 포함한다.

특허 US2008/0285602A1에서는 MOPO 페어 챔버 구조 디자인을 사용하였다.

도 3은 종래 기술 중의 페어 챔버 MOPRA 엑시머 레이저 기기 구조도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 페어 챔버 MOPRA 엑시머 레이저 기기 구조는 MOPA 구조를 개량한 것으로 그 구조적 구성은 MOPA와 동일하다. 다만 PA 광로 전환 제어 모듈(PA web)(306)과 선 폭 분석 모듈(BAM)(308)의 위치를 상호 교환하였을 뿐이다. 이로써 씨앗광은 다중통과 이득을 얻을 수 있다.

특허 US2010098120A1에서는 MOPRA 환형 챔버 구조 디자인을 사용하였다.

MOPA 구조에 있어서, 씨앗광은 PA 챔버 내에서 유한 회수의 다중통과 이득만 얻는데, MO 챔버는 PA 챔버로 약 1mJ의 씨앗광을 사출하여야만 약 10mJ의 레이저 출력을 얻을 수 있다. 사출 로크 기술을 사용한 MOPO 구조와 환형 챔버 기술의 MOPRA 구조에 있어서, 증폭 챔버는 다중통과 전력 증폭 기술을 사용하지 MOPA 구조와 같이 유한 회수의 다중통과 증폭 기술을 사용하지 않는다. 그러므로 MOPO 및 MOPRA 구조에 있어서, PO 챔버와 PRA 챔버(전력 재생 챔버)는 발진 증폭 상태 하에서 동작하여 씨앗광이 다중통과 이득을 얻게 되는데, 단 100-200μJ의 씨앗광을 사출하기만 하면 15mJ의 레이저 출력을 얻을 수 있다. 사출 로크 기술과 환형 챔버 기술의 현저한 특징은 바로 씨앗광이 사출된 후 증폭 챔버 내에서 왕복으로 공진을 진행하고, 또한 증폭 챔버는 높은 포화 상태하에서 동작한다는 것이다. MOPA 기술과 비교하면, 이들의 이점은 주로 에너지가 보다 크고 출력이 보다 안정적이라는 점에서 표현된다.

MOPA, MOPO, MOPRA 시스템은 모두 페어 방전 챔버형 구조 디자인을 기초로 한다. 종래의 단일 챔버 구조에 기초한 레이저 기기와 비교하면, 페어 챔버 구조 디자인을 사용한 레이저 기기는 가격이 더 높고 체적이 더 크며 제조 과정과 조작 방법 모두가 더욱 복잡하다. 구체적으로, 우수한 에너지 증폭 특성을 확보하기 위하여, 페어 챔버 구조 디자인에 기초한 레이저 기기는 동기화 방전 성능에 대한 요구가 비교적 높은데 이는 동기화 방전 실현 시의 기술 난이도를 높인다. 이 외에도 페어 챔버 구조 디자인을 기초로 하는 레이저 기기는 구조가 복잡하여, 외부에서의 장착 및 조절 등 조작 상의 난이도를 어느 정도 증가시킨다.

종래의 페어 챔버 엑시머 레이저 기기에서 사용되는 MOPA, MOPRA, MOPO 시스템 구조가 복잡한 결함에 근거하여, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 새로운 단일 챔버 이중 전극 방전 챔버 및 대응되는 레이저 기기를 제안하여 페어 챔버 구조를 기초로 하는 레이저 기기의 가격이 높고 체적이 크며 제조 과정과 조작 방법이 복잡한 결함을 해결하며 또한 좁은 선 폭과 대전력의 품질이 우수한 레이저빔을 출력할 수 있도록 하는 것이다.

좁은 선 폭 및 대전력의 품질이 우수한 레이저빔을 출력하며 동시에 방전 챔버의 방전 동기화를 확보하기 위하여, 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 사용하여 이중 챔버의 MOPA, MOPO, MOPRA 기능을 실현하도록 한다.

본 발명에 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 챔버체와 2 세트의 메인 방전 전극을 포함하고, 상기 챔버체는 좌,우 두개의 공간을 포함하여 대칭되는 이중 공간 구조 챔버 형상을 이룬다. 매개 공간의 단면 형상은 모두 위 부분이 작고 아래 부분이 큰 형상으로 상기 좌,우 두개의 공간은 전체 방전 챔버의 대칭면 부분에서 인접하여 연통된다. 상기 2 세트의 메인 방전 전극은 각각 좌, 우 두개의 공간에 위치하며 또한 그 방전 영역은 각각 좌,우 두개의 공간의 상부에 위치한다.

상기 매 세트의 메인 방전 전극은 각각 하나의 양극과 하나의 음극을 포함한다. 상기 양극과 상기 음극의 방전 표면 사이에 하나의 방전 영역이 형성된다.

상기 매개 음극은 하나의 절연판 상에 장착되고 상기 절연판은 상기 좌,우 두개의 공간의 정상에 인양 장착되며, 상기 매개 양극은 하나의 양극 베이스 프레임 상에 고정되고 상기 양극 베이스 프레임은 상기 챔버체 상에 고정되는데 그 위치는 상기 양극과 상기 음극이 평행되게 마주보도록 한다.

본 발명의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 압착 봉과 피킹 커패시터를 더 포함한다. 상기 피킹 커패시터(10)는 저장된 에너지를 방전하기 위한 것이다. 상기 절연판은 상기 압착 봉에 의하여 방전 챔버에 고정된다. 상기 압착 봉은 상기 절연판의 외측에 위치하고 구리 시트에 의하여 피킹 커패시터의 일단과 연통되며 상기 챔버체와 접지 회로를 구성한다.

상기 피킹 커패시터의 타단은 금속 도전 봉을 통하여 고압 펄스 전원과 연결된다.

본 발명의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 프리 이온화 장치를 더 포함하는데 이 프리 이온화 장치는 상기 메인 방전 전극의 양측에 위치한다.

상기 프리 이온화 장치는 2 세트가 구비되는데, 이들은 각각 상기 매 세트의 메인 방전 전극의 양측에 위치한다.

상기 프리 이온화 장치는 1 세트가 구비되는데, 상류 방전 영역의 메인 방전 전극의 양측에 위치한다.

상기 프리 이온화 장치는 상,하 두개 부분을 포함하는데 매개 부분마다 하나의 세라믹 관과 하나의 프리 이온화 전극을 구비하며, 또한 상기 프리 이온화 전극은 상기 세라믹 관의 내부에 위치한다.

상기 상부 프리 이온화 장치의 세라믹 관은 하나의 절연체에 의하여 상기 음극에 고정되고, 하부 프리 이온화 장치의 세라믹 관은 하나의 절연체에 의하여 상기 양극에 고정된다.

매개 상기 양극은 복수개의 구리 시트에 의하여 방전 챔버의 챔버체에 연결된다.

본 발명의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 상기 방전 챔버 내의 기체를 구동하는 송풍기 시스템을 더 포함한다.

본 발명의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 상기 방전 챔버를 방열시키는 방열 시스템을 더 포함한다.

본 발명의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 상기 방전 챔버 내의 기체에 대하여 먼지를 제거하는 먼지 제거 시스템을 더 포함한다.

본 발명의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 상기 방전 챔버에 대하여 잡음 경감 처리를 실시하는 잡음 경감 시스템을 더 포함한다.

본 발명에서는 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPA 레이저 기기를 더 개시하는데 이는 상술한 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 포함한다.

본 발명에서는 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPO 레이저 기기를 더 개시하는데 이는 상술한 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 포함한다.

본 발명에서는 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPRA 레이저 기기를 더 개시하는데 이는 상술한 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 포함한다.

본 발명에서는 MOPA, MOPRA, 혹은 MOPO 레이저 시스템 중의 두개의 단일 챔버 단일 전극 구조를 하나의 단일 챔버 이중 전극 구조로 변경하였다. 이로써 하나의 단일 챔버 구조로 MOPA (단일 챔버 MOPA) 및 MOPO (단일 챔버 MOPO) 구조의 이중 챔버 기능을 실현할 수 있으며, 시스템의 복잡성을 감소시킬 뿐만 아니라 방전 챔버의 방전 동기성도 확보하였다.

동시에, 단일 챔버 구조를 사용하면 방전 챔버 외부의 광학 소자 및 광학 장치들에 대한 통합, 및 장착과 조절에 유리하며 레이저 시스템을 더욱 간소화 할 수 있다.

단일 챔버 이중 전극 구조의 레이저 기기는 쌍 경로 레이저 출력을 동시에 실현할 수 있다.

이 외에, 단일 챔버 이중 전극 구조는 레이저 기기 시스템의 복잡성을 효과적으로 감소할 수 있으며, 이로써 외부 설비의 장착과 조절 조작의 난이도를 감소할 수 있다.

이와 같이, 단일 챔버 이중 전극 구조의 레이저 기기는 쌍 경로의 선 폭이 좁고 전력이 높은 양호한 레이저빔을 출력할 수 있다.

도 1은 종래 기술 중의 페어 챔버 MOPA 엑시머 레이저 기기 구조도이다.
도 2는 종래 기술 중의 페어 챔버 MOPO 엑시머 레이저 기기 구조도이다.
도 3은 종래 기술 중의 페어 챔버 MOPRA 엑시머 레이저 기기 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 엑시머 레이저 기기 방전 챔버 구조도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 기기 방전 영역의 상세 구조도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 기기 방전 영역의 잡음 경감 구조도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 기기 방전 챔버의 프리 이온화 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 단일 챔버 MOPA 엑시머 레이저 기기 구조도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 단일 챔버 MOPRA 엑시머 레이저 기기 구조도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 단일 챔버 MOPO 엑시머 레이저 기기 구조를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예애 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 엑시머 레이저 기기의 쌍 경로 레이저 출력 시스템도이다.

아래에 도면을 참조하면서 구체적인 실시예들과 결합하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명하여 본 발명의 목적, 기술적 방안, 및 이점이 더욱 선명하게 이해되도록 한다.

1. 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버의 기본 구조

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버 구조도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 방전 챔버는 주로 하나의 방전 챔버체(1), 2 세트의 메인 방전 전극, 2 세트의 기체 순환 시스템, 방열 시스템, 먼지 제거 장치, 및 하나의 고압 펄스 충전 모듈(4)을 포함한다.

상기 방전 챔버체(1)는 하나의 밀페된 기체 용기로서, 이에 대한 디자인은 압력 용기의 관련 기준을 따르며, 이는 3~6atm의 부식성을 가지는 혼합 기체를 저장하기 위한 것이다. 상기 기체는 예를 들면 F₂기체를 비롯한 엑시머를 발생시키는 할로겐 기체 등을 포함한다.

본 발명의 방전 챔버는 좌,우 두개의 공간을 포함하여 대칭되는 이중 공간 구조의 챔버 형상을 형성하는데, 매개 공간의 단면 형상은 모두 위 부분이 작고 아래 부분이 큰 형상을 이룬다. 예를 들면, 도 4에서 도시된 “배” 모양의 형상이다. 더블 공간은 전체적인 방전 챔버의 대칭면 부분에서 인접하여 연통된다.

본 발명의 방전 챔버는 2 세트의 메인 방전 전극을 포함하는데 이들은 각각 좌,우 두개 공간에 위치한다. 상기 메인 방전 전극은, 그 위치가 방전 영역(2)이 좌,우 두개 공간의 상부에 놓이게 확보하도록 설치된다. 매 세트의 메인 방전 전극마다 하나의 양극(6)과 하나의 음극(3)을 포함한다. 음극은 볼트를 통하여 절연판(5) 상에 장착되고, 절연판(5)은 좌,우 두개 공간의 정상에 인양 장착되며, 양극(6)은 스크류를 통하여 양극 베이스 프레임(14) 상에 고정된다. 상기 양극 베이스 프레임은 방전 챔버의 챔버체(1) 상에 고정되는데 그 위치는 양극(6)과 음극(3)이 평행 마주보게 장착되도록 한다. 2 세트의 메인 방전 전극 사이의 간격은, 방전 영역(2)의 기체가 충분한 에너지 밀도를 가지며 또한 레이저의 출력 크기의 요구를 만족시킬 수 있도록 설치되는데, 일반적으로 10~30mm로 설치된다.

본 발명의 방전 챔버는 하나의 고압 펄스 충전 모듈(4)을 더 포함한다. 고압 전원으로서, 방전 챔버의 방전 영역(2)에 충분한 에너지를 주입하기 위하여, 이 고압 펄스 충전 모듈(4)은 메인 방전 전극의 상측에 위치되고, 피킹 커패시터(10)를 통하여 에너지를 2 세트의 메인 방전 전극의 음극으로 주입시킴으로써, 방전 영역의 동작 기체를 충분히 항복시킬 수 있는 방전 전압을 제공한다. 고압 펄스 충전 모듈(4)은 올 고체(solid state)의 펄스 전원 기술을 기초로 하는 관련 디자인을 사용한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 기기 방전 영역의 상세 구조도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 방전 영역(2)은 양극과 음극의 방전 표면 사이의 공간 영역을 가르키는데, 그 길이는 전극 길이와 대체적으로 동일하고, 높이는 음극과 양극의 동작 표면의 간격과 동일하고, 그 넓이는 전극의 방전 표면 넓이보다 조금 넓다.

계속하여 도 5를 참조하면, 매개 메인 방전 전극은 음극(3)과 양극(6)을 포함하고, 음극(3)은 고압 펄스 충전 모듈(4)에 연결된다. 상기 매개 음극(3)은 볼트를 통하여 절연판(5) 상에 고정되며 그 절연판(5)에 지지된다. 이 절연판(5)은 F₂ 등의 부식에 대한 내식성을 가지는, 예를 들면 순도가 높은 Al₂O₃ 세라믹과 같은 재료로 제조된다. 매개 양극(6)은 복수개의 구리 시트(13)를 통하여 방전 챔버의 챔버체(1)에 연결됨과 동시에 방전 챔버는 접지된다. 동시에 구리 시트(13)는 흐름장을 균일화 시키고 양극(6)과 접지 사이의 임피던스를 감소시키는 역할도 가진다.

본 발명의 방전 챔버는 압착 봉(9)과 피킹 커패시터(10)를 더 포함한다. 상기 매개 절연판(5)은 두개의 압착 봉(9)을 통하여 방전 챔버에 고정되고 O형 링을 통하여 밀봉된다. 압착 봉(9)은 절연판의 외측에 위치하고, 또한 구리 시트에 의하여 피킹 커패시터(10)의 일단과 연통되며 방전 챔버체와 함께 접지 회로를 구성한다. 피킹 커패시터(10)는 저장된 에너지를 방전하기 위한 것으로 그 타단은 금속 도전 봉(21)에 의하여 고압 펄스 전원(4)에 연결된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방전 챔버는 프리 이온화 장치를 더 포함한다. 프리 이온화 장치는 상기 매 세트의 메인 방전 전극의 양측에 위치한다. 프리 이온화 장치는 상,하 2개 부분을 포함하는데, 매개 부분마다 하나의 세라믹 관(7)과 하나의 프리 이온화 전극(8)을 포함한다. 상기 세라믹 관(7)은 절연체 재료로 이루어지고 상기 프리 이온화 전극(8)은 상기 세라믹 관(7)의 내부에 위치한다. 상부 프리 이온화 장치의 세라믹 관(7)은 하나의 절연체(17)에 의하여 음극(3)에 고정되어 장착 위치의 정확도를 확보한다. 하부 프리 이온화 장치의 세라믹 관(7)은 하나의 절연체(20)에 의하여 양극(6)에 고정되어 장착 위치의 정확도를 확보한다.

레이저 챔버 내의 동작 기체는 고부식성을 가지는 기체이므로, 기체와 접촉하는 모든 챔버체, 절연 부재, 전극 등은 모두 내부식성 재료를 사용한다. 여기서, 챔버체(1)는 알루미늄 합금 재료를 사용할 수 있고, 전극(3, 6, 8)은 황동 혹은 알루미늄 청동 합금재료를 사용할 수 있으며, 이들은 전부 고부식성 기체와 반응하여 표면에 한층의 치밀한 산화막을 생성함으로써 진일보 고부식성 기체와 반응하는 것을 방지하며, 이로부터 보호의 목적을 실현한다. 이러한 재료의 특성에 따라, 새로 생산된 레이저 챔버는 모두 방전 챔버의 챔버체(1)에 대하여 일정 시간의 패시베이션, 예를 들면 불소 패시베이션 등을 진행하여야 한다.

2. 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버의 프리 이온화 장치의 설치

아래, 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 레이저 기기 방전 챔버의 프리 이온화 장치의 설치에 대하여 설명한다. 메인 방전이 형성되기 전, 프리 이온화를 통하여 일정 수량의 초기 전자 분포가 발생하여 전자사태가 방전 공간 내에 균일하게 중첩 분포되도록 촉진한다. 프리 이온화의 목적은 스트림이 형성되는 것을 방지하여, 균일한 방전을 실현하기 위한데 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 기류의 방전 영역에서의 동작 기체의 흐름 방향을 상,하류로 정의하면, 도 7의 (A)에 있어서, 상류 방전 영역(2)과 하류 방전 영역(2)에는 모두 한 세트의 프리 이온화 장치가 설치되어 있다. 소위 말하는 상류와 하류는 각각 동작 기체가 유동 과정 중에서 방전 영역을 통과하는 선후 순서에 따라 명명한 위치를 말한다. 도 7의 (A)에 도시된 프리 이온화 장치의 이점은 동작 기체에 대하여 충분히 이온화를 진행하여 더욱 균일화된 방전을 확보하는 것이다. 실험을 진행할 때, 하류 방전 영역에서 더욱 쉽게 열 저장이 되는 것을 발견하였다. 따라서, 도 7의 (B)에 도시된 프리 이온화 장치를 사용할 수도 있다. 즉, 상류 방전 영역에만 프리 이온화 장치를 설치한다. 이렇게 되면 하류 방전 영역의 열 저장이 확대되는 것을 방지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 프리 이온화 장치는 절연된 세라믹 관(7) 내에 프리 이온화 전극(8)이 설치된 구조를 사용한다.

3. 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버의 송풍기 시스템

본 발명에 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버는 송풍기 시스템을 더 포함한다. 레이저 기기는 펄스 형식으로 방전하므로, 방전 영역 사이의 기체가 방전 시에 신선한 기체로 끊임없이 갱신되도록 확보하기 위하여, 본 발명의 실시예에서는 방전 챔버의 챔버체(1) 내에 2 세트의 송풍기 임펠러(15)를 설치하여 기체(16)를 구동한다. 이로써, 매번 방전 영역(2)을 통과하는 기체가 신선한 기체로 되게끔 확보한다.

매개 임펠러(15)에 대한 구동은 전부 싱글 모터(single motor) 혹은 더블 모터(double motor)를 사용하여 구동하는 동시에 능동/피동 자기결합기를 사용하여 비접촉식으로 동력 전달함으로써, 방전 챔버 내의 부식성 유해 기체가 외부로 노출되지 않도록 확보한다.

송풍기 임펠러(15)는 횡류 송풍기 임펠러를 사용한다. 횡류 송풍기 임펠러는 아주 성숙된 제품으로서 선택 시에 바람직하게 선택하는 배치 형식으로는 순연식 혹은 대칭식 구조를 사용하여 흐름장의 균일성을 향상시키도록 한다.

4. 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버의 방열 시스템

방전 챔버 내에 주입된 에너지는 비교적 높다. 그러므로 이를 주동적으로 냉각시켜야 한다. 본 발명에서는 수냉(water cooling) 방식을 사용하는데 방열기(11)를 포함한다. 이 방열기(11)는 구리를 가공하여 제조된다. 방열기(11)의 수량은 방열 수요를 만족시키는 것을 목표로 하는데, 이는 하나일 수도 있고 여러 개 일수도 있다. 방열기는 임펠러(15)의 입구측에 장착될 수도 있고 방전 영역 흐름장 통로의 하류에 장착될 수도 있다. 이로써, 방열이 양호하게 되도록 확보한다. 도 4에 도시된 실시예에서는 5개의 방열기(11)에 대한 대체적인 배치 위치가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

5. 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버의 먼제 제거 시스템

방전 챔버 내에 축적된 기체는 방전 과정에서 챔버체 및 전극 재료의 소모물을 산생하는데 이러한 불순물들은 비 가역적인 것이며 또한 입자 형식으로 존재한다. 방전 기체의 수명을 늘리기 위하여 방전 챔버 내에 정전기 먼제 제거 장치(12)를 설치하여야 한다. 이로 부터 방전 산물이 전극, 브루스터 (Brewster) 창 등 광학 소자에 오염을 조성하지 않도록 확보한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 먼지 제거 장치(12)는 방전 영역 흐름 통로의 하류 측에 설치된다.

6. 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버의 잡음 경감 처리

고주파수 운행 하에서, 레이저 동작 기체가 곧 방전 여기 시작 할 시, 방전 챔버 내의 기체의 국부적 온도 변화는 음향 충격파를 발생시킨다. 이 음향 충격파는 방전 챔버 내에서 전파되며 방전 챔버의 내벽을 경유하여 반사가 발생하는데 이는 챔버 내 동작 기체 밀도가 불균일한 분포를 일으켜 방전 불균일성을 초래하며, 나아가서는 레이저 출력 품질을 저하시킨다.

도 6에 도시된 바와 같이, 방전 영역(2)에서 발생하는 충격파가 다음 방전에 대한 영향을 저하시키기 위하여, 본 발명에서는 그 방전 챔버에 대하여 잡음 경감 처리를 진행한다. 방전 영역(2) 주위의 챔버체 구조 부재에 대하여 요철 구조의 면(18)으로 처리하여 방전으로 인하여 산생되는 충격파가 반사되어 방전 영역으로 되돌아가는 것을 방지한다. 또한 방전 영역(2)의 전후 방향 모두에 이와 대응되는 흡음 장치(19), 예를 들면 흡음공 판넬 혹은 음향망을 설치하여 방전으로 인하여 산생되는 충격파를 흡수하도록 한다.

7. 단일 챔버 이중 전극 형태의 레이저 기기의 광학 시스템

종래의 MOPA, MOPO 등 이중 챔버 구조의 광학 시스템에 적용되는 방안은 모두 본 발명 중의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버에 적용된다. 이 방전 챔버를 이용하면 MOPA 및 MOPO의 모든 기능을 실현할 수 있으며 동시에 방전 챔버의 구조 시스템도 간소화되고 시스템의 신뢰성을 향상시킨다.

도 8은 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPA 레이저 기기의 구조도이고, 도 9는 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPRA 레이저 기기의 구조도이며, 도 10은 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPO 레이저 기기의 구조도이다. 이 3가지 종류의 단일 챔버 이중 전극 형태의 레이저 기기는 모두 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 도입하여 종래 기술 중의 이중 챔버 구조를 대체한다.

도 8은 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 도입한 단일 챔버 MOPA 엑시머 레이저 기기 구조도로서 그 시스템은, 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버(DDC)(801), 선 폭 축소 모듈(LNM)(802), 파장 분석 모듈(LAM)(803), MO 광로 전환 제어 모듈(MO web)(804), PA 광로 전환 제어 모듈(PA web)(805), 광학 펄스폭 연장기(OPS)(806), 선 폭 분석 모듈(BAM)(807), 5각 프리즘(808), 자동 셔터(809), 등을 포함하여 이루어진다. 여기서, 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버(DDC)(801)는 주로 하나의 방전 챔버체, 2 세트의 메인 방전 전극, 2 세트의 기체 순환 시스템, 방열 시스템, 먼지 제거 장치, 및 고압 펄스 충전 모듈을 포함한다.

도 9는 단일 챔버 이중 전극 형태의 레이저 기기를 도입한 이중 챔버 MOPO 엑시머 레이저 기기 구조도로서 그 시스템은, 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버(901), 전력 발진 챔버(PO 챔버), 전력 증폭 챔버(PA 챔버), 선 폭 축소 모듈(LNM)(902), 오목 렌즈(903), 볼록 렌즈(904)를 포함한다. 여기서, 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버(901)는 주로 하나의 방전 챔버체, 2 세트의 메인 방전 전극, 2 세트의 기체 순환 시스템, 방열 시스템, 먼지 제거 장치, 및 고압 펄스 충전 모듈을 포함한다.

도 10은 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 도입한 단일 챔버 MOPRA 엑시머 레이저 기기 구조도로서, 그 시스템 구성은 MOPA와 동일하다. 다만 PA 광로 전환 제어 모듈(PA web)(1005)과 선 폭 분석 모듈(BAM)(1007)의 위치만 바꿔놓았을 뿐이다. 이로써 씨앗광은 다중통과 이득을 얻을 수 있다.

상술한 세가지 시스템 구조는 모두 단일 챔버 이중 전극 구조의 엑시머 레이저 기기 방전 챔버를 사용하여 시스템 구조를 간소화 하였다.

또한, 본 단일 챔버 이중 전극 형태의 레이저 기기는 쌍 경로 레이저 출력을 실현하였다. 도 11에 도시된 바와 같이, 시스템은 두개의 하이 반사경(HR1102, 1103), 두개의 출력 렌즈(1104, 1105), 및 하나의 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버(1101)를 포함한다.

레이저 기기의 출력단은 두 쌍의 브루스터(Brewster) 창 및 출력 렌즈 등을 더 포함하는데 이 부분의 구조는 종래 기술을 사용하여 쌍 경로 레이저 출력을 실현한다.

8. 단일 챔버 이중 전극 형태의 레이저 기기의 전원 시스템

이 단일 챔버 이중 전극 형태의 레이저 기기의 전원은 올 고체 펄스 전원 기술을 기초로 하는 관련 디자인을 이용한다.

본 발명의 목적, 기술적 방안 및 효과들은 이상의 구체적인 실시예들을 통하여 더욱 상세하게 설명되었으나 상술한 설명은 본 발명의 구체적인 실시예일 뿐, 본 발명은 이에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 할 것이다. 본 발명의 기술적 사상, 및 범위 내에서 본 발명은 여러가지 변경, 균등물, 및 대체물을 포함할 수 있으며 이 또한 본 발명이 보호하고자 하는 범위 내에 포함되는 것으로 이해하여야 한다.

Claims

챔버체(1)와 2 세트의 메인 방전 전극을 포함하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버에 있어서,
상기 챔버체(1)는 좌,우 두개의 공간을 포함하여 대칭되는 이중 공간 구조 챔버 형상을 이루고, 매개 공간의 단면 형상은 모두 위 부분이 작고 아래 부분이 큰 형상이며, 상기 좌,우 두개의 공간은 전체 방전 챔버의 대칭면 부분에서 인접하여 연통되고,
상기 2 세트의 메인 방전 전극은 각각 좌,우 두개의 공간에 위치하며 또한 그 방전 영역(2)은 각각 상기 좌,우 두개의 공간의 상부에 위치하며,
프리 이온화 장치를 더 포함하는데, 상기 프리 이온화 장치는 상기 메인 방전 전극의 양측에 위치하며,
상기 프리 이온화 장치는 상,하 두개 부분을 포함하는데, 매개 부분마다 하나의 세라믹 관(7)과 하나의 프리 이온화 전극(8)을 구비하며, 또한 상기 프리 이온화 전극(8)은 상기 세라믹 관(7)의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 1 항에 있어서,
상기 매 세트의 메인 방전 전극은 각각 하나의 양극(6)과 하나의 음극(3)을 포함하고, 상기 양극(6)과 상기 음극(3)의 방전 표면 사이에 하나의 방전 영역(2)이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 2 항에 있어서,
상기 음극(3)은 하나의 절연판(5) 상에 장착되고, 상기 절연판(5)은 상기 좌, 우 두개의 공간의 정상에 인양 장착되며,
상기 양극(6)은 하나의 양극 베이스 프레임(14) 상에 고정되고, 상기 양극 베이스 프레임은 상기 챔버체(1) 상에 고정되는데 그 위치가 상기 양극(6)과 상기 음극(3)이 평행되게 마주보도록 하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 3 항에 있어서,
압착 봉(9)과 피킹 커패시터(10)를 더 포함하고, 상기 피킹 커패시터(10)는 저장된 에너지를 방전하기 위한 것이며,
상기 절연판(5)은 상기 압착 봉(9)에 의하여 방전 챔버에 고정되고,
상기 압착 봉(9)은 상기 절연판(5)의 외측에 위치하고 피킹 커패시터(10)의 일단과 연통되며 상기 챔버체(1)와 접지 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 4 항에 있어서,
상기 피킹 커패시터의 타단은 금속 도전 봉(21)을 통하여 고압 펄스 전원(4)과 연결되는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 프리 이온화 장치는 2 세트가 구비되는데, 이들은 각각 상기 매 세트의 메인 방전 전극의 양측에 위치하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 1 항에 있어서,
상기 프리 이온화 장치는 1 세트가 구비되는데, 상류 방전 영역(2)의 메인 방전 전극의 양측에 위치하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
삭제
제 2 항에 있어서,
상기 상부 프리 이온화 장치의 세라믹 관(7)은 하나의 절연체(17)에 의하여 상기 음극(3)에 고정되고, 하부 프리 이온화 장치의 세라믹 관(7)은 하나의 절연체(20)에 의하여 상기 양극(6)에 고정되는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 2 항에 있어서,
매개 상기 양극(6)은 복수개의 구리 시트(13)에 의하여 방전 챔버의 챔버체(1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 1 항에 있어서,
상기 방전 챔버 내의 기체를 구동하는 송풍기 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 1 항에 있어서,
상기 방전 챔버를 방열시키는 방열 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 1 항에 있어서,
상기 방전 챔버 내의 기체에 대하여 먼지를 제거하는 먼지 제거 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
제 1 항에 있어서,
상기 방전 챔버에 대하여 잡음 경감 처리를 실시하는 잡음 경감 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버.
청구항 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 8 항 및 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPA 레이저 기기.
청구항 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 8 항 및 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPO 레이저 기기.
청구항 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 8 항 및 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 단일 챔버 이중 전극 형태의 방전 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 챔버 이중 전극 형태의 MOPRA 레이저 기기.