KR20170045949A - 플라즈마 광원 장치 및 그 광원 장치를 구비한 광원 시스템 - Google Patents

플라즈마 광원 장치 및 그 광원 장치를 구비한 광원 시스템 Download PDF

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KR20170045949A
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박영규
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전병환
조성휘
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안진우
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 레이저가 효율적으로 집광하여 입력되고, 플라즈마 광을 효율적으로 집광하여 출력하며, 광원 장치를 효율적으로 냉각할 수 있는 고효율 및 고휘도의 플라즈마 광원 장치를 제공한다. 그 플라즈마 광원 장치는 제1 레이저를 발생시키는 제1 레이저 발생기; 제2 레이저를 발생시키는 제2 레이저 발생기; 및 플라즈마 점화(ignition)용 매체 물질을 수용하여 밀폐시키고, 상기 제1 레이저에 의해 플라즈마가 점화되며 상기 제2 레이저에 의해 상기 플라즈마가 유지되며, 내부면이 곡면 거울(curved mirror)로 이루어지되 2개의 곡면 거울이 서로 마주보는 구조를 갖는 챔버;를 포함한다.

Description

플라즈마 광원 장치 및 그 광원 장치를 구비한 광원 시스템{Plasma light source apparatus and light source system comprising the same apparatus}
본 발명의 기술적 사상은 광원 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 제조공정에서, 노광, 검사, 또는 계측 등에 이용되는 레이저 유도 플라즈마 광원 장치에 관한 것이다.
노광 장치나 분석 장치 등에 사용되는 광원 장치는 원하는 파장 대역의 발광 강도 및 장시간의 수명이 요구된다. 이러한 광원 장치의 하나로 레이저 구동 또는 유도 플라즈마 광원 장치가 알려져 있다. 레이저 유도 플라즈마 광원 장치는 석영 벌브(bulb) 내에 봉입된 가스에 고전압/고전류를 인가하여 플라즈마를 생성시키고 또한 외부로부터 레이저 광선을 벌브 내에 집광하여 플라즈마를 유지시킴으로써, 봉입 가스의 성분 조성에 따른 스펙트럼 분포 및 발광 강도를 갖는 플라즈마 광을 제공한다. 이러한 기존의 플라즈마 광원 장치는, 벌브 내부에 고전압/고전류 인가를 위한 전극 설치, 효율적인 발광을 위한 고비용의 타원경 사용, 벌브 구조 및 재질에 따른 플라즈마 온도 고온화 한계 등으로 인하여 고휘도 광을 제공하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 레이저가 효율적으로 집광하여 입력되고, 플라즈마 광을 효율적으로 집광 및 출력하며, 광원 장치를 효율적으로 냉각할 수 있는 고효율 및 고휘도의 플라즈마 광원 장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치로부터의 플라즈마 광을 복합함으로써, 고효율 및 고휘도의 플라즈마 광을 제공할 수 있는 광원 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 제1 레이저를 발생시키는 제1 레이저 발생기; 제2 레이저를 발생시키는 제2 레이저 발생기; 및 플라즈마 점화(ignition)용 매체 물질을 수용하여 밀폐시키고, 상기 제1 레이저에 의해 플라즈마가 점화되며 상기 제2 레이저에 의해 상기 플라즈마가 유지되며, 내부면이 곡면 거울(curved mirror)로 이루어지되 2개의 곡면 거울이 서로 마주보는 구조를 갖는 챔버;를 포함하는 플라즈마 광원 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2개의 곡면 거울은 구면 거울과 타원 거울이고, 상기 구면 거울의 구심(또는 곡률 중심)은 상기 타원 거울의 2개의 초점 중 상기 타원 거울에 가까운 초점과 일치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 레이저 및 제2 레이저는 상기 챔버 전방으로 배치된 제1 렌즈 어레이를 통해 상기 초점에 직접 입력되거나, 또는 상기 제1 레이저 및 제2 레이저는 상기 챔버 전방으로 배치된 제2 렌즈 어레이를 통해 구면 거울과 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 초점에 입력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마에 의해 발생한 플라즈마 광은 구면 거울과 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 챔버 외부로 출력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2개의 곡면 거울은 제1 타원 거울과 제2 타원 거울이고, 상기 제1 타원 거울의 2개의 초점들 중 상기 제1 타원 거울에 가까운 초점을 제1 초점이라 하고 상기 제1 타원 거울에서 먼 초점을 제2 초점이라 하며, 상기 제2 타원 거울의 2개의 초점들 중 상기 제2 타원 거울에 가까운 초점을 제3 초점이라 하고 상기 제2 타원 거울에서 먼 초점을 제4 초점이라 할 때, 상기 제1 타원 거울의 제1 초점은 상기 제2 타원 거울의 제4 초점과 일치하고, 상기 제1 타원 거울의 제2 초점은 상기 제2 타원 거울의 제3 초점과 일치하며, 상기 제1 레이저 및 제2 레이저는 상기 제1 초점 및 제2 초점 중 적어도 하나에 직접 입력되거나, 또는 상기 제1 타원 거울과 제2 타원 거울 중 어느 하나에 의한 반사를 통해 상기 제1 초점 및 제2 초점 중 적어도 하나에 입력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마에 의해 발생한 플라즈마 광은 상기 제1 타원 거울과 제2 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 챔버 외부로 출력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 레이저가 상기 챔버로 입력되는 입구, 상기 제2 레이저가 상기 챔버로 입력되는 입구 및 상기 플라즈마 광이 상기 챔버로부터 출력되는 출구 중 적어도 하나는 상기 챔버의 다른 곳에 위치하며, 상기 2개의 곡면 거울 중 적어도 하나는 다이크로익 미러로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버 외부를 감싸면서 냉각 가스가 흐르는 통로가 구비된 냉각 장치를 더 포함하고, 상기 냉각 장치는 상기 냉각 가스가 상기 챔버의 상부에서 하부로 흐르도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 챔버의 상부 부분으로 냉각 가스를 주입하는 에어 건(air gun) 및 상기 냉각 가스가 상기 챔버에 인접하여 흐르도록 하는 에어 가이드(air guide) 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치; 및 상기 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치로부터 출력된 플라즈마 광들을 합치는 광복합 광학 소자;를 포함하고, 상기 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치 각각은, 플라즈마 점화(ignition)용 매체 물질을 수용하여 밀폐시키고, 제1 레이저에 의해 플라즈마가 점화되며 제2 레이저에 의해 상기 플라즈마가 유지되며, 내부면이 곡면 거울로 이루어지되 2개의 곡면 거울이 서로 마주보는 구조를 갖는 챔버를 구비하는, 광원 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광복합 광학 소자는 적어도 2개의 경사면을 구비한 로드 렌즈(rod lens), 다이크로익 미러 및 빔 스플리터(Beam Splitter) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2개의 곡면 거울은 구면 거울과 타원 거울이고, 상기 구면 거울의 구심은 상기 타원 거울의 2개의 초점 중 상기 타원 거울에 가까운 초점과 일치하며, 상기 제1 레이저 및 제2 레이저는 상기 초점에 직접 입력되거나, 또는 상기 구면 거울과 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 초점에 입력되며, 상기 플라즈마에 의해 발생한 플라즈마 광은 구면 거울과 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 챔버 외부로 출력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2개의 곡면 거울은 제1 타원 거울과 제2 타원 거울이고, 상기 제1 타원 거울과 제2 타원 거울은 각각 2개의 초점을 가지며, 상기 제1 레이저 및 제2 레이저는 상기 2개의 초점 중 적어도 하나에 직접 입력되거나, 또는 상기 제1 타원 거울과 제2 타원 거울 중 어느 하나에 의한 반사를 통해 상기 2개의 초점 중 적어도 하나에 입력되며, 상기 플라즈마에 의해 발생한 플라즈마 광은 상기 제1 타원 거울과 제2 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 챔버 외부로 출력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치 각각은,
상기 챔버 외부를 감싸면서 냉각 가스가 흐르는 통로가 구비된 냉각 장치를 더 포함하고, 상기 냉각 장치는 상기 냉각 가스가 상기 챔버의 상부에서 하부로 흐르도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 검사 대상체가 배치되고 이동가능한 검사 스테이지; 상기 광복합 광학 소자로부터의 광을 반사 또는 투과하고 상기 검사 대상체로부터의 광을 투과 또는 반사하는 빔 스플리터(Beam Splitter); 상기 광복합 광학 소자로부터 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제1 광학계; 상기 빔 스플리터로부터의 반사된 광을 상기 검사 대상체로 전달하고 상기 검사 대상체로 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제2 광학계; 및 상기 빔 스플리터를 투과하여 전달된 광을 수용하는 검출기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 플라즈마 광원 장치는 비교적 넓은 공간을 갖는 챔버 내에서 제1 레이저 및 제2 레이저를 이용하여 플라즈마를 점화시키고, 또한 플라즈마를 유지하고 세기를 증가시킬 수 있다. 그에 따라, 기존의 석영 재질의 좁은 벌브형 램프에서 플라즈마를 형성시킴에 따른 문제점들을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 플라즈마 광원 장치는 2개의 곡면 거울이 서로 마주보면서 결합한 구조의 챔버를 채용함으로써, 플라즈마 발생 및 유지를 위한 레이저를 챔버로 효율적으로 입력 및 집광시킬 수 있고, 또한 챔버 내의 플라즈마로부터의 고휘도 플라즈마 광을 효율적으로 집광하여 배출할 수 있다. 따라서, 극대화된 플라즈마 광의 집광 효율에 기인하여, 고효율 및 고휘도의 플라즈마 광원 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 개략적으로 보여주는 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 플라즈마 광원 장치에서 플라즈마 광의 출력 과정을 보여주는 구조도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 개략적으로 보여주는 구조도이다.
도 4 내지 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 광원 장치들을 개략적으로 보여주는 구조도들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 광원 장치들을 개략적으로 보여주는 구조도들이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a의 플라즈마 광원 장치에서 플라즈마 광의 출력 과정을 보여주는 구조도들이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 광원 장치들을 개략적으로 보여주는 구조도들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 구비한 광원 시스템에 대한 구조도이다.
도 13a 및 도 13b는 2개의 플라즈마 광을 복합하는 개념을 보여주는 개념도들이다.
도 14a 및 14b는 3개의 플라즈마 광을 복합하는 개념을 보여주는 개념도들이다.
도 15는 서로 다른 파장을 갖는 플라즈마 광을 복합하는 개념을 보여주는 개념도들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 구비한 광원 시스템으로서, 검사 장치를 개략적으로 보여주는 구조도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 통상의 기술자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소와 바로 연결될 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 유사하게, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 구조나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 개략적으로 보여주는 구조도로서, 레이저의 입력 과정을 함께 보여주며, 도 2a 및 도 2b는 플라즈마 광의 출력 과정을 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)는 챔버(110), 제1 레이저 발생기(120), 제2 레이저 발생기(130), 제1 렌즈 어레이(140), 제1 다이크로익 미러(160, dichroic mirror) 및 제2 다이크로익 미러(170)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 플라즈마 점화(ignition)용 매체 물질을 수용할 수 있다. 즉, 챔버(110)는 고체, 액체 또는 기체 상태의 플라즈마 점화용 매체 물질을 수용하여 밀봉된 상태로 유지할 수 있다. 여기서, 플라즈마 점화용 매체 물질은 이온화 가능 매체 물질로 언급될 수도 있다.
챔버(110)는 예컨대, 유전 물질, 파이렉스(Pyrex), 석영(quartz), 수프라실(Suprasil) 석영, 사파이어, MgF2, 다이아몬드 및 CaF2 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 챔버(110)의 재질은 수용되는 플라즈마 점화용 매체 물질, 챔버(110)로 입력되는 레이저들, 챔버(110) 내에서 생성되는 플라즈마 광을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
챔버(110)는 다양한 플라즈마 점화용 매체 물질을 수용할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 점화용 매체 물질은 희가스(noble gas), Xe, Ar, Ne, Kr, He, D2, H2, O2, F2, 금속 할로겐화물, 할로겐, Hg, Cd, Zn, Sn, Ga, Fe, Li, Na, 엑시머 형성 가스, 공기, 증기, 금속 산화물, 에어로졸, 유동 매체, 및 재생 매체 중 적어도 하나일 수 있다. 한편, 이에 한하지 않고, 챔버(110) 내에 고체 또는 액체 타겟(미도시)이 형성되어 있고, 이러한 타겟을 이용하여 챔버(110) 내에서 플라즈마 점화용 매체 물질이 생성될 수도 있다. 예컨대, 레이저를 챔버(110) 내의 타겟에 조사함으로써, 플라즈마 점화용 매체 물질이 생성되도록 할 수 있다. 타겟은 금속 풀(pool) 또는 금속 필름일 수 있다. 타겟은 챔버(110) 내에서 이동하는 고체 또는 액체(예컨대, 챔버(110) 내에서 이동하는 액체 방울(droplet) 형태)일 수 있다.
이러한 플라즈마 점화용 매체 물질은 챔버(110) 내에 유입 및 밀봉되어 플라즈마 점화(ignition)에 이용되는 물질이며, 제1 레이저(L1)를 이용하여 용이하게 플라즈마를 점화시킬 수 있는 물질일 수 있다. 플라즈마가 점화되면 챔버(110)에 제2 레이저(L2)에 의한 에너지가 공급됨으로써, 플라즈마의 세기가 유지 및 극대화될 수 있다. 여기서, 예컨대, 제1 레이저(L1)는 펄스(pulse) 레이저일 수 있고, 제2 레이저(L2)는 연속파(Continuous Wave: CW) 레이저일 수 있다. 물론, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)의 종류가 그에 한정되는 것은 아니다.
제1 레이저(L1)를 이용한 플라즈마 점화와 제2 레이저(L2)를 이용한 플라즈마 유지에 대해서는 이하의 제1 레이저 발생기(120)와 제2 레이저 발생기(130)에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다. 한편, 본 실시예의 챔버(110)에서, 플라즈마 점화는 제1 레이저(L1)를 이용하여 수행되므로, 챔버(110) 내에 별도의 전극이 존재하지 않는다. 따라서, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)는 무전극 램프 또는 무전극 챔버를 채용한 플라즈마 광원 장치일 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)에서, 챔버(110)의 내면은 곡면 거울로 이루어질 수 있다. 예컨대, 챔버(110)의 내면은 2개의 곡면 거울이 서로 마주보는 구조로 결합한 이중 곡면 거울 구조를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이 이중 곡면 거울 구조 중 하나는 타원 거울(112)이고 다른 하나는 구면 거울(114)일 수 있다. 타원 거울(112)은 계란과 같은 형태의 3차원 타원체가 일부 잘리고 남은 형태를 가지며, 구면 거울(114)은 축구공 같은 형태의 3차원 구가 일부 잘리고 남은 형태를 가질 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)에서, 챔버(110)는 타원 거울(112)과 구면 거울(114)을 포함할 수 있다. 이러한 타원 거울(112)과 구면 거울(114)은 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)의 챔버(110)로의 입력 효율을 증가시키고, 또한 챔버(110)에서 생성된 플라즈마 광(P)의 출력 효율을 증가시킬 수 있다.
참고로, 타원 거울과 구면 거울의 반사 법칙을 간단히 설명하면, 타원 거울의 경우 어느 하나의 초원에서 나온 광은 타원 거울에 반사되어 다른 하나의 초점으로 진행한다. 구면 거울의 경우는 광축에 평행하게 입사한 광은 구면 거울에 반사되어 광축 상에 위치한 초점으로 진행하며, 초점을 지나서 입사하는 광은 구면 거울에 반사되어 광축에 평행하게 진행한다. 또한, 구면 거울의 구심을 지나서 입사된 광은 구면 거울에 반사되어 다시 구심으로 진행한다.
타원 거울(112)과 구면 거울(114)은 전자기파를 반사시킬 수 있는 재질 및 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 타원 거울(112)과 구면 거울(114)은 내부 쪽은 파이렉스나 석영 등과 같은 재질로 형성되고 외부 쪽은 금속 재질로 형성될 수 있다. 경우에 따라, 타원 거울(112)과 구면 거울(114)은 내부 쪽에 광학 코팅이 수행되어 요구되는 파장 대역의 전자기파를 반사하거나 투과할 수 있다. 또한, 타원 거울(112)과 구면 거울(114)은 파장에 따라 광을 반사하거나 투과하는 다이크로익 미러로 형성될 수도 있다.
챔버(110)로의 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)의 입력 효율을 증가시키고, 또한 챔버(110)로부터 플라즈마 광(P)의 출력 효율을 증가시키기 위하여, 전술한 타원 거울 및 구면 거울의 반사 법칙에 기초하여, 타원 거울(112)과 구면 거울(114)이 적절한 곡률을 가지고 결합할 수 있다. 예컨대, 타원 거울(112)의 두 초점들 중 타원 거울(112)에 인접한 초점(F)의 위치는 구면 거울(114)의 구심(또는 곡률 중심)의 위치와 동일할 수 있다.
한편, 구면 거울(114)에는 도시된 바와 같이 평판형 윈도우(115)가 배치될 수 있다. 윈도우(115)를 통과하여 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)가 챔버(110) 내부로 입력되고, 플라즈마 광(P)이 챔버(110)로부터 외부로 출력될 수 있다. 그에 따라, 윈도우(115)는 대부분의 전자기파가 투과될 수 있는 파이렉스나 석영 등과 같은 재질로 형성될 수 있다.
제1 레이저 발생기(120)는 제1 레이저(L1), 예컨대 가시광 펄스 레이저를 생성하여 챔버(110)로 입력할 수 있다. 물론, 제1 레이저 발생기(120)에 의해 생성되는 제1 레이저(L1)가 가시광 펄스 레이저에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 레이저 발생기(120)에 의해 생성되는 제1 레이저(L1)는 적외선, 자외선 등의 다양한 파장을 갖는 펄스 레이저일 수 있다.
한편, 제1 레이저 발생기(120)에 생성된 제1 레이저(L1)의 피크(peak) 파워는 매우 클 수 있다. 예컨대, 제1 레이저(L1)는 챔버(110)로 입력되어 챔버(110) 내에서 플라즈마를 점화(ignition)할 수 있는 정도의 높은 피크 파워를 가질 수 있다. 또한, 제1 레이저(L1)는 플라즈마 점화에만 이용되므로 챔버(110)로 입력되는 시간이 짧고 평균 출력은 낮을 수 있다. 그에 따라, 제1 레이저(L1)에 의해 점화된 플라즈마의 발광은 약할 수 있다. 물론, 플라즈마 점화 후 일정 시간 동안 제1 레이저(L1)가 챔버(110)에 계속 입력될 수도 있다.
제2 레이저 발생기(130)는 제2 레이저(L2), 예컨대 적외선(Infrared Ray: IR) CW 레이저를 생성하여 챔버(110)로 입력할 수 있다. 물론, 제2 레이저 발생기(130)에 의해 생성되는 제2 레이저(L2)가 적외선 CW 레이저에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제2 레이저(L2)는 적외선 이외의 다른 파장의 CW 레이저일 수 있다.
제2 레이저 발생기(130)에 의해 생성된 제2 레이저(L2)는 점화된 플라즈마를 유지하고 고출력으로 증가시키기 위해 챔버(110)로 입력될 수 있다. 그에 따라, 상기 제2 레이저(L2)는 예컨대, 점화된 플라즈마를 유지하고 플라즈마의 세기를 증가시킬 수 있을 정도의 에너지를 갖는 고출력 CW 레이저일 수 있다.
제1 렌즈 어레이(140)는 입력되는 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 도너츠 와 같은 링 형태의 빔으로 변환시키는 기능을 한다. 제1 렌즈 어레이(140)는 예컨대, 한 쌍의 엑시콘(axicon) 렌즈(142)와 오목 렌즈(144)를 포함할 수 있다. 여기서, 오목 렌즈(144)는 타원 거울(112)의 두 초점들 중 먼 곳의 초점에서 링 형태의 빔이 입력된 것으로 보이도록 하는 기능을 할 수 있다. 한편, 엑시콘 렌즈(142) 이외의 다른 소자들, 예컨대 SLM(Spatial Light Modulator)를 이용하여 링 형태의 빔을 형성할 수도 있다.
제1 렌즈 어레이(140)는 엑시콘 렌즈(142) 및 오목 렌즈(144)의 조합에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)의 빔의 성형 및 입력 효율을 증가시키기 위하여, 다양한 종류의 렌즈들의 조합을 통해 제1 렌즈 어레이(140)가 구현될 수 있다.
제1 다이크로익 미러(160)는 제1 레이저 발생기(120)로부터 입력된 제1 레이저(L1)를 반사하여 챔버(110) 방향으로 향하게 하고, 제2 레이저 발생기(130)로부터 입력된 제2 레이저(L2)를 투과시켜 챔버(110) 방향으로 향하게 할 수 있다. 이러한 제1 다이크로익 미러(160)는 제1 레이저 발생기(120)와 제2 레이저 발생기(130)의 레이저들이 출사하는 방향으로 배치되되, 반사와 투과의 특성에 따라 제1 레이저 발생기(120)와 제2 레이저 발생기(130)가 소정의 각도를 유지하도록 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 레이저 발생기(120)와 제2 레이저 발생기(130)는 제1 다이크로익 미러(160)를 꼭짓점으로 하여 거의 90°각도를 유지하도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 다이크로익 미러(160)는 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)의 진행 방향 각각에 대하여 거의 45°의 기울기를 가지고 배치될 수 있다. 한편, 제1 레이저 발생기(120)와 제2 레이저 발생기(130)의 배치 각도는 달라질 수 있고, 그러한 경우, 제1 다이크로익 미러(160)의 기울기가 달라질 수 있다.
덧붙여, 제1 다이크로익 미러(160)의 반사 및 투과 특성을 변경함으로써, 제1 레이저(L1)는 투과하고 제2 레이저(L2)가 반사되도록 할 수도 있다. 그러한 경우, 제1 레이저 발생기(120)와 제2 레이저 발생기(130)의 배치 위치가 서로 바뀔 수 있다.
제2 다이크로익 미러(170)는 제1 렌즈 어레이(140)와 챔버(110) 사이에 배치되고, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2) 둘 다를 투과시켜 챔버(110) 방향, 구체적으로 구면 거울(114)의 윈도우(115)로 향하게 할 수 있다. 또한, 제2 다이크로익 미러(170)는 챔버(110)로부터 방출된 플라즈마 광(P)을 반사시켜 로드 렌즈(rod lens) 또는 호모지나이저(homogenizer)와 같은 타겟 광학계로 향하게 할 수 있다. 좀더 구체적으로, UV에 해당하는 플라즈마 광(P)은 챔버(110)로부터 방출되어 바로 제2 다이크로익 미러(170)의 반사에 의해 호모지나이저로 향할 수 있다. 참고로, 호모지나이저는 광을 공간적으로 균일화하는 광학 기구일 수 있고, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)의 구성요소들의 일부로 포함될 수 있고 포함되지 않을 수도 있다. 예컨대, 호모지나이저를 구성요소로서 포함하는 않는 경우에는 제2 다이크로익 미러(170)를 통해 반사된 플라즈마 광(P)을 플라즈마 광원 장치(100)의 출력으로 볼 수도 있다. 그와 달리, 호모지나이저를 구성요소로서 포함하는 경우에는 호모지나이저를 통과하여 나온 플라즈마 광(P)을 플라즈마 광원 장치(100)의 출력으로 볼 수 있다.
한편, 호모지나이저는 제2 다이크로익 미러(170)를 꼭지점으로 하여 챔버(110)에 대해 거의 90°각도를 가지도록 배치될 수 있다. 제2 다이크로익 미러(170)는 반사와 투과의 특성에 기초하여, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2), 그리고 플라즈마 광(P)의 진행방향 각각에 대하여 거의 45°의 기울기를 가지고 배치될 수 있다. 물론, 상기 호모지나이저의 배치 각도가 달라질 수 있고, 그러한 경우, 제2 다이크로익 미러(170)의 기울기가 달라질 수 있다.
덧붙여, 제2 다이크로익 미러(170)의 반사 및 투과 특성을 변경함으로써, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)는 반사하고 플라즈마 광(P)은 투과되도록 할 수 있다. 그러한 경우, 제1 레이저 발생기(120), 제2 레이저 발생기(130), 호모지나이저의 배치 위치가 변경될 수 있다.
참고로, 다이크로익 미러는 굴절률이 다른 다수의 물질 박막들의 결합으로 이루어지는 거울로서, 어떤 파장의 광은 반사하고, 다른 파장의 광은 모두 투과하는 성질을 가질 수 있다. 보통의 색 필터에 비해서 흡수에 의한 손실이 매우 적고, 선택 반사하는 광의 파장 범위를 재료의 두께나 구조에 의해 가감할 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)에서, 타원 거울(112)과 구면 거울(114)을 이용한 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)의 입력 및 집광 과정에 간단히 설명하면 다음과 같다.
제1 레이저(L1)는 제1 다이크로익 미러(160)에 의한 반사와 제2 다이크로익 미러(170)의 투과를 통해 챔버(110)로 입력되되, 제1 렌즈 어레이(140)를 통해 링 형태의 빔으로 변환되어 챔버(110)로 입력될 수 있다. 제1 레이저(L1)는 챔버(110) 내부로 입력 후, 타원 거울(112)의 반사에 의해 타원 거울(112)의 초점(F)에 집광함으로써, 플라즈마를 점화시킬 수 있다. 좀더 구체적으로, 타원 거울(112)의 입장에서 제1 렌즈 어레이(140)를 통과하면서 제1 레이저(L1)는 타원 거울(112)의 먼 초점에서 입력되는 것으로 보일 수 있다. 또한, 타원 거울의 반사 법칙에 의해, 먼 초점을 지나서 입력된 제1 레이저(L1)는 타원 거울(112)의 반사에 의해 가까운 초점(F)으로 입력 및 집광할 수 있다.
한편, 제2 레이저(L2)는 제1 다이크로익 미러(160)와 제2 다이크로익 미러(170)를 투과하여 챔버(110)로 입력되되, 제1 렌즈 어레이(140)를 통해 링 형태의 빔으로 변환되어 챔버(110)로 입력될 수 있다. 제2 레이저(L2) 역시 챔버(110) 내부로 입력 후, 타원 거울(112)의 반사에 의해 타원 거울(112)의 초점(F)에 집광함으로써, 플라즈마를 유지시키고 세기를 증가시킬 수 있다.
제1 레이저(L1), 예컨대 펄스 레이저와 제2 레이저(L2), 예컨대 CW 레이저는 타원 거울(112)에 의한 반사를 통해 챔버(110) 내부의 동일한 집광점, 예컨대 타원 거울(112)의 가까운 초점(F)으로 집광하여 중첩됨으로써, 고출력의 플라즈마가 생성 및 유지될 수 있다. 또한, 고출력의 플라즈마가 생성된 이후에 상기 펄스 레이저를 중단해도 상기 CW 레이저를 통해 에너지가 공급됨으로써, 플라즈마가 유지되고 세기가 증가할 수 있다.
한편, 지금까지 플라즈마 점화와 관련하여 제1 레이저(L1), 예컨대 펄스 레이저를 이용하는 것을 위주로 설명하였다. 그러나 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)에서, 플라즈마 점화를 위해 이용되는 점화원(ignition source)이 펄스 레이저에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 펄스 레이저 점화원 이외에도, 마이크로파 점화원, 자외선 점화원, 용량성 방전 점화원, 유도성 방전 점화원, 고주파 점화원, 플래시 램프 점화원, 펄스 램프 점화원 등 다양한 점화원들이 플라즈마 점화를 위해 이용될 수 있다. 덧붙여, 방전 점화원이 이용되는 경우에는 챔버 내에 전극이 구비될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 1의 플라즈마 광원 장치(100)에서, 전술한 바와 같이 제1 레이저(L1)에 의해 타원 거울(112)의 초점(F) 부분에서 플라즈마가 발생하고 또한 제2 레이저(L2)에 의해 플라즈마가 유지될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 타원 거울(112)의 초점(F)에서 발생한 플라즈마에 의한 플라즈마 광(P1)은 타원 거울(112) 방향으로 향하고 타원 거울(112)에 반사되어 윈도우(115)를 통과하여 챔버(110) 외부로 방출될 수 있다. 챔버(110) 외부로 방출된 플라즈마 광(P1)은 제2 다이크로익 미러(170)에 의해 반사되어 호모지나이저로 향할 수 있다. 한편, P와 P1은 동일한 플라즈마 광을 지칭하나 P은 플라즈마 광원 장치로부터 출력되는 최종적인 플라즈마 광을 지칭하고, P1은 최종적인 플라즈마 광 이전의 플라즈마 광을 지칭할 수 있다. 이러한 개념은 이하에서도 동일할 수 있다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 타원 거울(112)의 초점(F)에서 발생한 플라즈마에 의한 플라즈마 광(P2)은 구면 거울(114) 방향으로 향할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 구면 거울(114)의 구심과 타원 거울(112)의 초점(F)은 위치가 동일할 수 있다. 그에 따라, 구면 거울(114)을 통해 반사된 플라즈마 광(P2)은 다시 구면 거울(114)의 구심, 즉 타원 거울(112)의 초점(F)으로 향하고, 초점(F)을 지나 타원 거울(112)에 의해 반사될 수 있다. 타원 거울(112)에 의해 반사된 플라즈마 광(P2)은 윈도우(115)를 통과하여 챔버(110) 외부로 방출되고, 제2 다이크로익 미러(170)에 의해 반사되어 호모지나이저로 향할 수 있다.
기존의 플라즈마 광원 장치의 경우 타원 거울 또는 구면 거울 어느 하나만 이용하여 플라즈마 광을 출력시켰는데, 후방으로 향하는 플라즈마 광은 예컨대 타원 거울로 집광할 수 있으나 전방으로 향하는 플라즈마 광은 집광하지 못함에 따라 출력 효율이 현저히 떨어지는 문제가 있었다. 그러나 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)에서, 챔버(110)는 타원 거울(112)과 구면 거울(114)이 서로 마주보면서 결합한 구조를 가지고, 후방 및 전방으로 향하는 플라즈마 광 모두를 집광하여 출력시킴으로써, 플라즈마 광(P)의 출력 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)는 비교적 넓은 공간을 갖는 챔버(110) 내에서 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 이용하여 플라즈마를 점화시키고, 또한 플라즈마를 유지하고 세기를 증가시킬 수 있다. 그에 따라, 기존의 석영 재질의 좁은 벌브형 램프에서 플라즈마를 형성시킴에 따른 문제점들을 해결할 수 있다. 예컨대, 기존의 경우, 고압 및 고온 환경에서 석영 재질의 벌브형 램프의 파손 및 수명 단축의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위하여 벌브의 두께를 두껍게 하는 경우 투과율 저하에 따른 레이저의 집광 효율이 저하되고, 그에 따라 플라즈마의 생성과 플라즈마 광의 집광 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)는 벌브 형태가 아닌 넓은 공간의 챔버(110)가 고압의 램프로서 사용되고, 또한 챔버(110) 자체가 광학계로서 플라즈마에서 발생한 플라즈마 광을 집광함으로써, 기존 벌브의 파손 및 수명 단축의 문제가 해결될 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)는 파손 등의 위험이 현저히 낮아 기대수명이 수만 시간에 이를 수 있고, 또한, 벌브의 교체가 불필요하여 반 영구적으로 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)는, 타원 거울(112)과 구면 거울(114)이 서로 마주보면서 결합한 구조의 챔버(110)를 채용함으로써, 플라즈마 발생 및 유지를 위한 레이저를 챔버(110)로 효율적으로 입력 및 집광시킬 수 있고, 또한 챔버(110) 내의 플라즈마로부터의 고휘도 플라즈마 광을 효율적으로 집광하여 배출할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100)는 극대화된 플라즈마 광의 집광 효율에 기인하여, 고휘도의 광원 장치를 구현할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 개략적으로 보여주는 구조도로서, 레이저의 입력 과정을 함께 보여준다. 도 1 내지 도 2b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용을 간단히 설명하거나 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100a)는 제2 렌즈 어레이(150)의 구조에 있어서, 도 1의 플라즈마 광원 장치(100)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100a)에서, 제2 렌즈 어레이(150)는 컬리메이션(collimation) 렌즈(152) 및 포커싱 렌즈(154)를 포함할 수 있다.
컬리메이션 렌즈(152)는 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 평행 광으로 변환시킬 수 있다. 이러한 컬리메이션 렌즈(152)는 2개 이상의 렌즈를 이용하여 구현될 수도 있다. 포커싱 렌즈(154)는 입사광을 정해진 초점으로 포커싱할 수 있다. 포커싱 렌즈(154)는 예컨대 볼록 렌즈일 수 있고, 볼록 렌즈의 곡률을 변경시킴으로써, 초점 위치가 달라지도록 할 수 있다. 예컨대, 포커싱 렌즈(154)의 초점은 타원 거울(112)의 초점(F)의 위치와 동일할 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100a)에서는 제1 렌즈 어레이(150)를 이용하여, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 타원 거울(112)의 초점(F)에 바로 집광시킬 수 있다. 구체적으로, 제1 레이저(L1)는 제1 다이크로익 미러(160)에 의한 반사 및 제2 다이크로익 미러(170)의 투과를 통해 챔버(110)로 입력되되, 제1 렌즈 어레이(150)에 의해 타원 거울(112)의 초점(F)으로 집광함으로써, 플라즈마를 점화시킬 수 있다. 또한, 제2 레이저(L2)는 제1 다이크로익 미러(160) 및 제2 다이크로익 미러(170) 둘 다를 투과하여 챔버(110)로 입력되되, 제1 렌즈 어레이(150)에 의해 타원 거울(112)의 초점(F)으로 집광함으로써, 플라즈마를 유지시키고 세기를 증가시킬 수 있다.
한편, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100a)에서의 플라즈마 광의 출력 과정은 도 2a 및 도 2b의 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
도 4 내지 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 광원 장치들을 개략적으로 보여주는 구조도들로서, 레이저의 입력 과정을 함께 보여준다. 도 1 내지 도 3의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100b)는 윈도우(115a)의 구조에서 도 1의 플라즈마 광원 장치(100)와 다를 수 있다. 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100b)에서 윈도우(115a)는 평판형이 아니라 곡면 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 윈도우(115a)는 구면 거울(114)과 동일한 곡률을 가지도록 형성될 수 있다.
윈도우(115a)는 광을 반사하는 거울이 아니고, 광을 투과시키는 일종의 통로이므로 어느 정도의 곡률을 갖더라도 크게 문제가 되지 않을 수 있다. 따라서, 곡면 구조의 윈도우(115a)는 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)의 챔버(110)의 입력과 플라즈마 광(P)의 출력에 크게 영향을 미치지 않을 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치들(100c, 100d)은, 플라즈마 광(P)이 타원 거울(112)의 후방으로 출력되는 구조를 가질 수 있다. 그에 따라, 타원 거울(112)에는 플라즈마 광(P)이 출력될 수 있는 윈도우(117)가 배치될 수 있다.
한편, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)는 도 1의 플라즈마 광원 장치(100)와 같이 구면 거울(114)의 윈도우(115)를 통해 전방에서 챔버(110)로 입력될 수 있다. 이와 같이, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)가 입력되는 윈도우(115)와 플라즈마 광(P)이 출력되는 윈도우(117)가 서로 다른 위치에 배치됨에 따라, 제2 다이크로익 미러가 생략될 수 있다. 경우에 따라, 플라즈마 광(P)의 출력 방향을 바꾸기 위해 윈도우(117)의 후방으로 거울이 배치될 수 있으나 다이크로익 미러일 필요는 없다.
도 5a의 플라즈마 광원 장치(100c)는 도 1의 플라즈마 광원 장치(100)에 대응할 수 있다. 그에 따라, 도 5a의 플라즈마 광원 장치(100c)는 제1 렌즈 어레이(140)를 포함하여 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 링 형태로 챔버(110)에 입력시킬 수 있다. 한편, 도 1의 플라즈마 광원 장치(100)와 달리, 타원 거울(112)에 윈도우(117)가 배치되므로 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)는 윈도우(117) 외곽의 타원 거울(112) 부분에 입사 및 반사되어 초점(F)에 집광할 수 있다.
도 5b의 플라즈마 광원 장치(100d)는 도 3의 플라즈마 광원 장치(100a)에 대응할 수 있다. 그에 따라, 도 5b의 플라즈마 광원 장치(100d)는 제2 렌즈 어레이(150)를 포함하여, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 타원 거울(112)의 초점(F)에 바로 입력 및 집광시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b의 플라즈마 광원 장치(100c, 100d)의 플라즈마 광(P)의 출력 원리는 도 2a 및 도 2b에서 설명한 바와 같이 타원 거울과 구면 거울의 반사 법칙을 따를 수 있다. 다만, 플라즈마 광(P)은 타원 거울(112)의 윈도우(117)를 통해 후방으로 출력될 수 있다.
한편, 구면 거울(114)의 윈도우(115)가 매우 작은 경우에는 크게 문제되지 않으나, 윈도우(115)가 비교적 큰 경우에는 챔버(110) 내의 플라즈마 광(P)의 집광에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 윈도우(115) 부분으로 진행하는 플라즈마 광은 윈도우(115)를 투과하여 방출되므로 집광할 수 없다. 따라서, 플라즈마 광의 집광 효율을 증가시키기 위하여 윈도우(115)는 다이크로익 미러로 형성될 수 있다. 예컨대, 윈도우(115)는 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)는 투과시키고, 플라즈마 광(P)은 반사시키는 다이크로익 미러로 형성될 수 있다. 또한, 구면 거울(114)의 특성을 유지할 수 있도록 윈도우(115)는 구면 거울(114)과 동일한 곡률을 가질 수 있다. 덧붙여, 윈도우(115)를 다이크로익 미러로 형성하는 대신에, 윈도우(115)의 후방에 별도의 다이크로익 미러를 배치하고, 그러한 다이크로익 미러를 이용하여 플라즈마 광을 반사시킴으로써, 집광 효율을 증가시킬 수도 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치들(100e, 100f)은, 플라즈마 광(P)이 타원 거울(112)의 후방으로 출력되는 구조를 갖는다는 점에서, 도 5a 및 도 5b의 플라즈마 광원 장치들(100c, 100d)과 유사할 수 있다. 그러나 본 실시예의 플라즈마 광원 장치들(100e, 100f)은 구면 거울(114a)에 별도의 윈도우가 존재하지 않을 수 있다. 좀더 구체적으로, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치들(100e, 100f)에서, 구면 거울(114a)은 다이크로익 미러로 형성될 수 있다. 예컨대, 구면 거울(114a)은 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)는 투과하고, 플라즈마 광(P)은 반사시키는 다이크로익 미러로 형성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도 6a의 플라즈마 광원 장치(100e)는 도 5a의 플라즈마 광원 장치(100c)에 대응할 수 있다. 그에 따라, 도 6a의 플라즈마 광원 장치(100e)는 제1 렌즈 어레이(140)를 포함하여 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 링 형태로 챔버(110a)에 입력시킬 수 있다. 또한, 도 6b의 플라즈마 광원 장치(100f)는 도 5b의 플라즈마 광원 장치(100d)에 대응할 수 있고, 제2 렌즈 어레이(150)를 포함하여 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)를 타원 거울(112)의 초점(F)에 바로 입력 및 집광시킬 수 있다.
한편, 도 6a 및 도 6b의 플라즈마 광원 장치(100e, 100f)의 플라즈마 광(P)의 출력 원리는 도 2a 및 도 2b에서 설명한 바와 같이 타원 거울과 구면 거울의 반사 법칙을 따를 수 있다. 다만, 플라즈마 광(P)은 타원 거울(112)의 윈도우(117)를 통해 후방으로 출력될 수 있다.
도 5a 내지 도 6b에서 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)가 구면 거울(114, 114a)의 전방에서 입력되고 플라즈마 광(P)이 타원 거울(112)의 후방으로 출력되는 구조의 플라즈마 광원 장치에 대해서 설명하였다. 그러나 본 실시예의 플라즈마 광원 장치의 구조가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 구면 거울과 타원 거울의 투과 및 반사 특성을 적절히 조절하고 또한 윈도우를 적절히 배치함으로써, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)가 타원 거울의 후방에서 입력되고 플라즈마 광(P)이 구면 거울의 전방으로 출력되는 구조로 플라즈마 광원 장치가 구현될 수도 있다. 또한, 제1 레이저(L1) 및 제2 레이저(L2)가 타원 거울의 후방에서 입력되고 플라즈마 광(P)도 타원 거울의 후방으로 출력되는 구조로 플라즈마 광원 장치가 구현될 수도 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 광원 장치들을 개략적으로 보여주는 구조도들로서, 레이저의 입력 과정을 함께 보여준다. 도 1 내지 도 6b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 7a를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100g)는 2개의 타원 거울(112-1, 112-2)이 결합한 구조의 챔버(110b)를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100g)에서, 챔버(110b)는 제1 타원 거울(112-1)과 제2 타원 거울(112-2)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 타원 거울(112-1)과 제2 타원 거울(112-2)은 윈도우(115) 부분을 제외하면 센터 면(CP)에 의한 결합을 통해 3차원 타원체를 구성할 수 있다.
한편, 제1 타원 거울(112-1)은 2개의 초점을 가지는데, 2개의 초점 중 제1 타원 거울(112-1)에서 가까운 초점을 제1 초점(F1)이라 하고 제1 타원 거울(112-1)에서 먼 초점을 제2 초점(F2)이라 한다. 또한, 제2 타원 거울(112-2) 역시 2개의 초점을 가지는데, 2개의 초점 중 제2 타원 거울(112-2)에서 가까운 초점을 제3 초점(F3)이라 하고 제2 타원 거울(112-2)에서 먼 초점을 제4 초점(F4)이라 한다. 도시된 바와 같이, 제1 초점(F1)과 제3 초점(F3)의 위치가 동일하고 제2 초점(F2)과 제4 초점(F4)의 위치가 동일할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 제1 타원 거울(112-1)과 제2 타원 거울(112-2)이 함께 3차원 타원체를 구성하기 때문이다. 그에 따라, 챔버(110b)는 2개의 타원 거울들(112-1, 112-2)의 결합 구조로 설명하는 대신 하나의 3차원 타원체 거울로도 설명될 수도 있다.
한편, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100g)는 제1 렌즈 어레이(140a)의 구조가 도 1의 플라즈마 광원 장치(100)의 제1 렌즈 어레이(140)의 구조와 다를 수 있다. 예컨대, 제1 렌즈 어레이(140a)는 오목 렌즈 대신 포커싱 렌즈(144a)를 포함할 수 있다. 그에 따라, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)는 제1 타원 거울(112-1)의 제2 초점(F2)에 집광하고 다시 제1 타원 거울(112-1)로 진행하여 제1 초점(F1)에 집광할 수 있다. 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)에 의한 플라즈마의 점화와 유지는 제1 초점(F1)과 제2 초점(F2) 중 적어도 하나에서 이루어질 수 있다.
도 7b를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100h)는 2개의 타원 거울(112-1, 112-2)이 결합한 구조의 챔버(110b)를 포함한다는 점에서, 도 7a의 플라즈마 광원 장치(100g)와 유사할 수 있다. 그러나 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100h)는 제2 렌즈 어레이(150)를 포함함으로써, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)를 제1 타원 거울(112-1)의 제1 초점(F1)으로 집광시킬 수 있다. 물론, 포커싱 렌즈(154)를 조절하여, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)를 제1 타원 거울(112-1)의 제2 초점(F2)으로 집광시킬 수도 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 5a 및 도 5b같이 플라즈마 광(P)이 제1 타원 거울(112-1)의 후방으로 출력되는 구조로 플라즈마 광원 장치가 구현될 수도 있다. 또한, 도 6a 및 도 6b같이 플라즈마 광(P)이 제1 타원 거울(112-1)의 후방으로 출력되는 구조로 플라즈마 광원 장치가 구현되되, 제2 타원 거울(112-2)이 다이크로익 미러로 형성될 수도 있다. 더 나아가, 제1 타원 거울(112-1)과 제2 타원 거울(112-2)의 반사와 투과 특성을 적절히 조절하고 또한 윈도우를 적절히 배치함으로써, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)의 입력 방향과 플라즈마 광(P)의 출력 방향을 다양하게 변경시킬 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a의 플라즈마 광원 장치에서 플라즈마 광의 출력 과정을 보여주는 구조도들이다. 도 1 내지 도 7b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도 7a의 플라즈마 광원 장치(100g)에서, 전술한 바와 같이 제1 레이저(L1)에 의해 제1 타원 거울(112-1)의 제1 초점(F1) 및/또는 제2 초점(F2)부분에서 플라즈마가 발생하고 또한 제2 레이저(L2)에 의해 플라즈마가 유지될 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1 타원 거울(112-1)의 제1 초점(F1)에서 플라즈마가 발생하고 또한 플라즈마에 의한 플라즈마 광(P3)이 제1 타원 거울(112-1) 방향으로 향한다고 하자. 이러한 경우, 플라즈마 광(P3)은 제1 타원 거울(112-1)에 반사되어 제2 초점(F2)을 거쳐 윈도우(115)를 통과하여 챔버(110b) 외부로 방출될 수 있다(①-->②). 챔버(110b) 외부로 방출된 플라즈마 광(P3)은 제2 다이크로익 미러(170)에 의해 반사되어(③) 호모지나이저로 향할 수 있다.
한편, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 타원 거울(112-1)의 제1 초점(F1)에서 플라즈마가 발생하고 또한 플라즈마에 의한 플라즈마 광(P4)이 제2 타원 거울(112-2) 방향으로 향한다고 하자. 이러한 경우, 타원 거울의 반사 법칙에 의해 플라즈마 광(P4)은 제2 타원 거울(112-2)의 반사에 의해 제2 초점(F2), 즉 제2 타원 거울(112-2)의 제3 초점(F3)으로 진행하고(①-->②), 다시 제2 타원 거울(112-2)에 반사되어 제2 타원 거울(112-2)의 제4 초점(F4), 즉 제1 타원 거울(112-1)의 제1 초점(F1)으로 향하게 된다(③). 이후, 플라즈마 광(P4)은 제1 타원 거울(112-1)에 의해 반사되어 제2 초점(F2)을 거쳐 윈도우(115)를 통과하여 챔버(110b) 외부로 방출될 수 있다(④). 챔버(110b) 외부로 방출된 플라즈마 광(P4)은 제2 다이크로익 미러(170)에 의해 반사되어(⑤) 호모지나이저로 향할 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 광원 장치들(100g, 100h)에서, 챔버(110b)는 2개의 타원 거울(112-1, 112-2)이 서로 마주보면서 결합한 구조를 가지고, 후방 및 전방으로 향하는 플라즈마 광 모두를 집광하여 출력시킴으로써, 플라즈마 광(P)의 출력 효율을 극대화시킬 수 있다.
지금까지의 플라즈마 광원 장치들의 효과 및 특징을 다음으로 간단히 요약될 수 있다. 첫 번째 고압 가스를 봉입하는 구조가 램프/챔버/반사경의 일체형 구조를 가짐으로써, 콤팩트 한 광원 장치가 구현될 수 있다. 두 번째, 챔버 내부 면이 이중 곡면 거울의 조합으로 구성됨으로써, 플라즈마 생성과 동시에 발생한 플라즈마 광을 효율적으로 집광 및 출력하는 구조로서 광학계가 심플하게 구현될 수 있다. 세 번째, 챔버 내부에 벌브형 램프와 같은 별도의 램프가 없으므로 반영구적으로 수명유지가 가능하여 비용을 절감할 수 있다. 네 번째, 통상의 유리 또는 석영 재질의 벌브형 램프와 비교할 때 고압 가스의 봉입이 가능하고 파손의 우려가 현저히 낮아 역시 반영구적인 수명유지 및 그에 따른 비용 절감을 구현할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 광원 장치를 개략적으로 보여주는 구조도들이다. 도 1 내지 도 8b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100i)는 냉각 장치(180)를 더 포함할 수 있다. 냉각 장치(180)는 챔버(110)와 제2 다이크로익 미러(170)를 둘러싸는 구조로 배치될 수 있다. 경우에 따라 제2 다이크로익 미러(170)는 냉각 장치(180)의 외부에 배치될 수 있다.
본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100i)에서, 냉각 장치(180)는 냉각 가스가 화살표로 도시된 바와 같이 탑-다운(top-down) 방식으로 흐르고, 그에 따라, 챔버(110)의 냉각 효율이 극대화될 수 있다. 여기서, 냉각 가스는 실내 온도 정도의 CDA(Clean Dry Air), 일반 공기, 또는 질소 가스 등일 수 있다. 물론, 냉각 가스의 종류와 온도가 상기 내용에 한정되는 것은 아니다.
참고로, 기존의 플라즈마 광원 장치의 경우, 램프의 최고온도가 램프의 파열 온도이상으로 올라가면 레이저의 파워를 더 이상 높일 수 없는 상황이 되고, 그에 따라, 플라즈마에 의해 발생하는 플라즈마 광, 예컨대 UV 광의 출력상승의 제약으로 작용할 수 있다. 한편, 기존의 플라즈마 광원 장치에서, 램프 내부에서 플라즈마가 형성되면 대류에 의해 상부 부분의 온도가 상대적으로 더 높게 된다. 그러나 기존의 경우, 다운-탑(down-top) 방식의 냉각이 이루어지고, 램프의 냉각을 위해 기류속도를 증가시키면 일정수준의 온도 하락 이후 램프 상하부 온도차가 줄어들지 않아, 램프의 스트레스가 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 램프 하우징 내의 기류 및 열이 외부 기기에 영향을 주어 설비 전체의 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다. 예컨대, 램프 하우징 내의 기류 및 열은 검사기 스테이지의 떨림을 유발시켜, 검사기의 성능을 약화시킬 수 있다.
그에 반해, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100i)의 경우, 냉각 가스의 기류방향을 탑-다운 방식으로 변경 설계함으로써, 냉각 장치의 내부에서 기류속도가 증가할수록 챔버(110)의 표면 온도가 낮아져 냉각 효율이 증가할 수 있다. 또한, 중력의 반대방향으로 냉각 가스의 기류가 형성되므로, 대류에 의한 챔버(110) 상하부의 온도편차가 줄어들 수 있고, 그에 따라 챔버(110)의 열스트레스를 감소시킬 수 있다. 좀더 구체적으로, 냉각 장치(180)의 구조를 설명하면, 냉각 장치(180)는 상부 도어(Du)를 제외한 부분에서 기류 및 온도 변화가 발생하지 않도록, 상부 항온조로부터 상부 도어(Du)를 통해서만 냉각 가스가 주입되도록 설계되고, 또한 하부 도어(Dd)를 통해 냉각 가스들이 원활이 배출되도록 배기장치가 연결될 수 있다. 더 나아가, 측면 도어 부분들을 밀폐하고 단열재를 삽입하여 외부로 전달되는 열이 차단되도록 설계함으로써, 냉각 장치(180)의 내부의 기류나 열이 외부 환경에 영향을 주지 않도록 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100j)는 냉각 장치(180) 내부에 에어 건들(182, air guns)이 설치될 수 있다. 에어 건(182)은 냉각 가스를 특정 부분으로 강제로 주입하는 장치로서, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100j)에서, 에어 건들(182)은 4개 구비되며, 챔버(110)의 상부 부분으로 냉각 가스를 강제로 발사할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 물론, 에어 건들(182)의 개수가 4개에 한정되는 것은 아니다. 참고로, 도 10에서, 에어 건들(182)의 구조가 명확하게 보이도록 냉각 장치(180)는 생략되어 도시되고 있다.
에어 건들(182)로부터의 냉각 가스는 챔버(110) 상부 부분을 냉각 한 후, 상부 도어를 통해 주입된 냉각 가스와 함께 하부 도어를 통해 배출될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100j)는 에어 건들(182)을 냉각 장치(180) 내에 배치함으로써, 냉각 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100k)는 냉각 장치(180) 내부에 에어 가이드들(184, air guides)이 설치될 수 있다. 에어 가이드(184)는 냉각 가스의 흐름을 특정 부분으로 유도하는 기능을 할 수 있다. 예컨대, 에어 가이드들(184)은 상부 도어(Du)를 통해 주입된 냉각 가스가 챔버(110)의 상부 부분을 지나도록 유도할 수 있다. 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100j)에서, 냉각 장치(180)의 상부 도어(Du) 및 측면 부분에 2개의 에어 가이드들(184)이 예시되고 있지만, 에어 가이드들(184)의 개수와 설치 위치가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 에어 가이드들(184)은 냉각 가스가 요구되는 부분으로 최적화하여 흐르도록 적정 위치에 적정 개수로 배치될 수 있다. 본 실시예의 플라즈마 광원 장치(100k)는 에어 가이드들(184)을 냉각 장치(180) 내에 배치함으로써, 냉각 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 냉각 장치(180) 내부에 에어 건과 에어 가이드를 함께 설치할 수도 있다. 그와 같이 에어 건과 에어 가이드를 함께 설치하여 냉각 장치(180)의 냉각 효율을 더욱 극대화할 수 있다.
하기 표 1은 다운-탑 방식의 냉각 장치를 채용한 기존의 플라즈마 광원 장치와 그리고 탑-다운 방식의 냉각 장치를 채용한 본 실시예의 플라즈마 광원 장치에 대하여 냉각 효율을 비교하여 보여주는 표로서, 본 실시예의 플라즈마 광원 장치의 경우는 에어 건과 에어 가이드 설치 여부를 좀더 세분하여 냉각 효율을 보여주고 있다.
A B C D E F
기류 방향 down-top down-top top-down top-down top-down top-down
에어 건 유 무 유 무 유 무
에어 가이드 - - 무 무 유 유
최대온도(℃) 604.5 659.6 534.2 538.7 436.5 427.0
평균온도(℃) 399.2 407.7 389.7 382.3 301.8 302.8
상단/하단
온도차(℃)		 320.8 369.3 157.5 159.2 152.7 171.3
표 1에서, A와 B는 기존 플라즈마 광원 장치에 해당하고, C 내지 F는 본 실시예의 플라즈마 광원 장치에 해당할 수 있다. 표 1의 결과를 통해, 냉각 장치가 탑-다운 방식으로 설계되고, 또한 냉각 장치 내에 에어 건과 에어 가이드가 둘 다 배치된 E의 플라즈마 광원 장치가 최적의 냉각 효율을 가짐을 알 수 있다. 예컨대, E의 플라즈마 광원 장치에서, 평균 온도가 가장 낮고 또한 상단과 하단의 온도 차가 가장 작을 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 구비한 광원 시스템에 대한 구조도이다. 도 1 내지 도 11의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 광원 시스템(1000)은 2개의 플라즈마 광원 장치들(100-1, 100-2) 및 광복합 광학 소자(200)를 포함할 수 있다. 2개의 플라즈마 광원 장치들(100-1, 100-2)은 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2)를 포함할 수 있다. 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2) 각각은 도 1 내지 도 11의 플라즈마 광원 장치들(100, 100a ~ 100k) 중 어느 하나일 수 있다.
제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2)는 도시된 바와 같이 동일 구조를 가질 수도 있다. 그러나 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2)는 서로 다른 구조를 가질 수도 있다. 한편, 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2)는 동일 파장의 플라즈마 광을 출력할 수도 있고 서로 다른 파장의 플라즈마 광을 출력할 수도 있다.
도 12에서, 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2) 각각은 예컨대, 도 6b의 플라즈마 광원 장치(100f)와 같은 구조를 가질 수 있다. 그에 따라, 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2) 각각은 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)는 구면 거울 전방에서 윈도우(115)를 통해 입력되고 플라즈마 광(P)은 타원 거울 후방으로 출력되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 레이저(L1)와 제2 레이저(L2)는 다이크로익 미러인 구면 거울을 통해 입력되고, 플라즈마 광(P)은 타원 거울의 윈도우(117)를 통과하여 챔버 외부로 출력될 수 있다. 한편, 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2) 각각에서, 제1 레이저 발생기와 제1 다이크로익 미러는 생략되어 도시되고 있다.
제1 플라즈마 광원 장치(100-1)의 플라즈마 광(P-1)은 제2 다이크로익 미러(170-1)에 의해 반사되어 광복합 광학 소자(200)로 입력되고, 제2 플라즈마 광원 장치(100-2)의 플라즈마 광(P-2)은 제2 다이크로익 미러(170-2)에 의해 반사되어 역시 광복합 광학 소자(200)로 입력될 수 있다. 한편, 도 6b의 플라즈마 광원 장치(100f)를 제1 플라즈마 광원 장치(100-1)와 제2 플라즈마 광원 장치(100-2)로 채용하는 경우에는 제2 다이크로익 미러(170-1, 170-2) 대신 일반적인 거울이 이용될 수 있다.
광복합 광학 소자(200)는 2개의 플라즈마 광원 장치(100-1, 100-2)로부터 출력된 플라즈마 광들(P-1, P-2)을 복합하여 하나의 전체 플라즈마 광(Pt)으로 출력하는 광학 소자일 수 있다. 광복합 광학 소자(200)는 예컨대, 경사면을 구비한 로드 렌즈(rod lens), 다이크로익 미러, 및 빔 스플리터(Beam Splitter) 중 적어도 하나일 수 있다. 물론, 광복합 광학 소자(200)가 상기 예시된 광학 소자들에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 2개의 광을 복합할 수 있는 모든 종류의 광학 소자가 광복합 광학 소자(200)로서 채용될 수 있다.
한편, 본 실시예의 광원 시스템(1000)은 3개 이상의 플라즈마 광원 장치를 구비할 수 있다. 그러한 경우, 광복합 광학 소자(200)는 3개 이상의 플라즈마 광을 복합하는 구조를 가질 수 있다. 또한, 광복합 광학 소자(200)는 동일한 파장의 플라즈마 광을 복합할 뿐만 아니라 서로 다른 파자의 플라즈마 광을 복합할 수도 있다. 광복합 광학 소자(200)의 구조와 적어도 2개의 플라즈마 광들의 복합 원리에 대해서는 도 13a 내지 도 15의 설명 분에서 좀더 상세히 설명한다.
본 실시예의 광원 시스템(1000)은 2개 이상의 복수 개의 플라즈마 광원 장치로부터의 플라즈마 광을 광복합 광학 소자(200)를 통해 복합하여 로드 렌즈나 호모지나이저와 같은 타겟 광학계로 집속 및 출력함으로써, 고출력 및 고휘도의 플라즈마 광을 제공할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 2개의 플라즈마 광을 복합하는 개념을 보여주는 개념도들로서, 도 13a는 로드 렌즈 구조의 광복합 광학 소자(200)를 사시도로 보여주고 있고, 도 13b는 평면도로 보여주고 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 광복합 광학 소자(200)는 2개의 경사면(S1, S2)을 구비한 로드 렌즈(rod lens) 구조를 가질 수 있다. 로드 렌즈는, 예컨대 제1 방향으로 길쭉한 사각 기둥 구조를 가질 수 있다. 2개의 플라즈마 광(P-1, P-2)은 2개의 경사면(S1, S2)으로 입사되어 서로 합쳐질 수 있다. 구체적으로, 제1 플라즈마 광(P-1)이 제1 경사면(S1)으로 입사되고 반사되어 제1 방향으로 진행하고, 또한 제2 플라즈마 광(P-2)이 제2 경사면(S2)으로 입사되고 반사되어 제1 방향으로 진행함으로써, 제1 플라즈마 광(P-1)과 제2 플라즈마 광(P-2)이 하나의 전체 플라즈마 광(Pt)으로 합쳐질 수 있다. 또한, 전체 플라즈마 광(Pt)의 출력은 2개의 플라즈마 광(P-1, P-2) 각각의 출력을 합한 출력만큼 증가할 수 있다.
도 14a 및 14b는 3개의 플라즈마 광을 복합하는 개념을 보여주는 개념도들이다.
도 14a를 참조하면, 광복합 광학 소자(200a)는 3개의 경사면(S1, S2, S3)을 구비한 로드 렌즈(rod lens) 구조를 가질 수 있다. 로드 렌즈는, 예컨대 제1 방향으로 길쭉한 삼각 기둥 구조를 가질 수 있다. 한편, 3개의 경사면(S1, S2, S3)은 예컨대 삼각뿔의 세 측면을 구성할 수 있고, 이러한 3개의 경사면(S1, S2, S3) 각각으로 플라즈마 광이 입사되어 서로 합쳐질 수 있다. 구체적으로, 제1 플라즈마 광(P-1)이 제1 경사면(S1)으로 입사되고 반사되어 제1 방향으로 진행하고, 제2 플라즈마 광(P-2)이 제2 경사면(S2)으로 입사되고 반사되어 제1 방향으로 진행하며, 제3 플라즈마 광(P-3)이 제3 경사면(S3)으로 입사되고 반사되어 제1 방향으로 진행으로써, 제1 플라즈마 광(P-1), 제2 플라즈마 광(P-2), 및 제3 플라즈마 광(P-3)이 하나의 전체 플라즈마 광(Pt)으로 합쳐질 수 있다.
도 14b를 참조하면, 광복합 광학 소자(200b)는 2개의 경사면(S1, S3)과 하나의 수평면(S2)을 구비한 로드 렌즈(rod lens) 구조를 가질 수 있다. 로드 렌즈는, 예컨대, 제12a의 광복합 광학 소자(200)와 같이 제1 방향으로 길쭉한 사각 기둥 구조를 가질 수 있다. 3개의 플라즈마 광(P-1, P-2, P-3)은 2개의 경사면(S1, S3)과 하나의 수평면(S2)으로 입사되어 서로 합쳐질 수 있다. 구체적으로, 제1 플라즈마 광(P-1)이 제1 경사면(S1)으로 입사되고 반사되어 제1 방향으로 진행하고, 또한 제2 플라즈마 광(P-2)은 수평면(S2)으로 입사되어 제1 방향으로 진행하며, 제3 플라즈마 광(P-2)은 제2 경사면(S3)으로 입사되고 반사되어 제1 방향으로 진행함으로써, 제1 플라즈마 광(P-1), 제2 플라즈마 광(P-2), 및 제3 플라즈마 광(P-3)이 하나의 전체 플라즈마 광(Pt)으로 합쳐질 수 있다.
지금까지, 2개의 플라즈마 광(P-1, P-2) 또는 3개의 플라즈마 광(P-1, P-2, P3)을 복합하는 광복합 광학 소자로서의 로드 렌즈의 구조에 대해서 설명하였지만, 광복합 광학 소자의 구조가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 광복합 광학 소자는 로드 렌즈의 구조를 변형함으로써, 4개의 이상의 플라즈마 광들을 복합할 수도 있다. 또한, 광복합 광학 소자는 하나의 로드 렌즈 대신에 2개 이상의 로드 렌즈를 이용하여 플라즈마 광들을 복합할 수 있다. 또한, 광복합 광학 소자는 로드 렌즈에 한하지 않고 다른 광학 소자를 이용하여 플라즈마 광을 복합할 수도 있다.
도 15는 서로 다른 파장을 갖는 플라즈마 광을 복합하는 개념을 보여주는 개념도들이다.
도 15를 참조하면, 본 실시예의 광원 시스템은, 다수의 광복합 광학 소자들(300-1, 300-2,.., 300-n)을 이용하여 서로 다른 파장의 다수의 플라즈마 광들(Pf1, Pf2, ...Pfn)을 복합할 수 있다. 광복합 광학 소자들(300-1, 300-2,.., 300-n)은 예컨대, 파장에 따라 광을 투과시키거나 반사시키는 다이크로익 미러로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 광복합 광학 소자(300-1)는 제1 파장의 플라즈마 광(Pf1)을 반사시키고 다른 파장의 광은 투과시키며, 제2 광복합 광학 소자(300-2)는 제2 파장의 플라즈마 광(Pf2)을 반사시키고 다른 파장의 광은 투과시키며, 또한 제n 광복합 광학 소자(300-n)는 제n 파장의 플라즈마 광(Pfn)을 반사시키고 다른 파장의 광은 투과시킬 수 있다. 그에 따라, 제1 내지 제n 파장의 플라즈마 광들(Pf1, Pf2, ...Pfn)이 제1 내지 제n 광복합 광학 소자(300-1, 300-2,.., 300-n)를 통해 복합되어 하나의 전체 플라즈마 광(Pt)으로 출력될 수 있다.
한편, 어느 하나의 파장의 플라즈마 광이 제1 광복합 광학 소자(300-1) 전방에서 제1 광복합 광학 소자(300-1)를 투과하여 입력될 수 있고, 그러한 경우에 n+1개의 플라즈마 광들이 n개의 광복합 광학 소자를 통해 복합될 수 있다. 본 실시예의 광원 시스템도 다수의 플라즈마 광들을 복합함으로써, 고출력 및 고휘도의 플라즈마 광을 제공하는 이점을 제공할 수 있다. 다만, 일반적으로 노광 공정이나 검사 공정과 같은 반도체 공정에서, 특정 파장의 플라즈마 광이 요구될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광원 시스템을 통해 출력된 다양한 파장이 복합된 플라즈마 광은 다이크로익 미러나 빔 스플리터 등의 광학 소자를 통해 특정 파장의 플라즈마 광으로 분리된 후, 해당 반도체 공정에 이용될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광원 장치를 구비한 광원 시스템으로서, 검사 장치에 대한 구조도이다. 도 1 내지 도 15의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 16을 참조하면, 본 실시예의 검사 장치(1000a)는 플라즈마 광원 장치(100), 제1 광학계(400), 빔 스플리터(500, Beam Splitter), 제2 광학계(600), 검사 스테이지(700), 제3 광학계(800) 및 검출기(900)를 포함할 수 있다.
플라즈마 광원 장치(100)는 도 1 내지 도 2b 등에서 설명한 플라즈마 광원 장치(100)일 수 있다. 그러나 본 실시예의 검사 장치(1000a)에는 도 1 내지 도 2b의 플라즈마 광원 장치(100)뿐만 아니라, 도 3 내지 도 11의 다양한 구조의 플라즈마 광원 장치(100a, 100b, ..., 100j, 100k)가 채용될 수 있다. 또한, 도 12의 광원 시스템(1000)이 플라즈마 광원 장치(100) 대신에 채용될 수도 있다. 예컨대, 도 12의 광원 시스템(1000)의 출력인 전체 플라즈마 광(Pt)이 검사 장치(1000a)의 플라즈마 광(P)으로 이용될 수 있다.
제1 광학계(400)는 플라즈마 광원 장치(100)와 빔 스플리터(500) 사이에 배치되며, 플라즈마 광원 장치(100)로부터의 플라즈마 광(P)을 집광하여 빔 스플리터(500)로 전달할 수 있다. 제1 광학계(400)는 예컨대, 로드 렌즈(410) 및 릴레이 렌즈(420)를 포함할 수 있다. 물론, 제1 광학계(400)는 이에 한하지 않고 다양한 종류 및 개수의 렌즈를 포함하여, 플라즈마 광(P)을 빔 스플리터(500)로 전달할 수 있다.
빔 스플리터(500)는 제1 광학계(400)를 통해 전달된 플라즈마 광(P)을 반사하여 제2 광학계(600)로 전달하고, 또한 제2 광학계(600)를 통해 검사 대상체(2000)로부터 반사된 광을 투과시켜 검출기(900)로 전달할 수 있다. 빔 스플리터(500)는 일종의 다이크로익 미러에 해당할 수 있다.
제2 광학계(600)는 빔 스플리터(500)로 반사된 플라즈마 광을 검사 대상체(2000)로 조사시킬 수 있다. 제2 광학계(600)는 예컨대, 튜브 렌즈(610) 및 대물 렌즈(620)를 포함할 수 있다. 튜브 렌즈(610)는 빔 스플리터(500)로부터의 광을 평행광으로 바꿔주고, 대물 렌즈(620)는 튜브 렌즈(610)부터의 평행광을 집광하여 검사 대상체(2000)에 조사한다.
검사 스테이지(700)는 검사 대상체(2000)가 배치되는 장치로서, x 방향, y 방향 및 z 방향으로 이동할 수 있다. 그에 따라, 검사 스테이지(700)를 XYZ 스테이지라고 부르기고 한다. 검사 대상체(2000)는 웨이퍼, 반도체 패키지, 반도체 칩, 디스플레이 패널 등의 검사의 대상이 되는 다양한 장치들일 수 있다.
플라즈마 광은 검사 대상체(2000)로 조사되어 반사되고, 반사된 광(이하, 반사광)은 제2 광학계(600)를 통과하여 빔 스플리터(500)로 전달되고, 빔 스플리터(500)는 반사광을 통과시켜 제3 광학계(800)로 전달할 수 있다. 제3 광학계(800)는 빔 스플리터(500)로부터 전달받은 반사광을 검출기(900)로 전달할 수 있다. 제3 광학계(800)는 예컨대 릴레이 렌즈일 수 있다.
검출기(900)는 제3 광학계(800)로부터의 반사광을 수용하고, 반사광을 분석하기 위해 반사광을 다른 분석 장치(미도시)로 전달할 수 있다. 경우에 따라 검출기(900)는 분석장치를 포함하거나 분석장치와 연동함으로써, 반사광에 대한 분석을 실시간으로 수행할 수도 있다. 검출기(900)는 예컨대, CCD(charge coupled device) 카메라일 수 있다. 물론, 검출기(900)가 CCD 카메라에 한정되는 것은 아니고, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서와 같이 다양한 센서가 검출기(900)로 채용될 수 있다.
지금까지, 플라즈마 광원 장치(100)가 검사 장치에 포함되어 이용되는 경우에 대해 설명하였지만, 이에 한하지 않고 플라즈마 광원 장치(100)는 반도체 공정, 예컨대 노광 공정에 이용될 수도 있다. 그에 따라, 플라즈마 광원 장치(100)는 노광 장치에 포함될 수도 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 100a ~ 100k, 100-1, 100-2: 플라즈마 광원 장치, 110, 110a, 110b: 챔버, 112, 112a, 112b, 112-1, 112-2: 타원 거울, 114: 구면 거울, 115, 117: 윈도우, 120: 제1 레이저 발생기, 130, 130-1, 130-2: 제2 레이저 발생기, 140, 140a: 제1 렌즈 어레이, 142: 엑시콘 렌즈, 144: 오목 렌즈, 144a, 154: 포커싱 렌즈, 150, 150-1, 150-2: 제2 렌즈 어레이, 160: 제1 다이크로익 미러, 170, 170-1, 170-2: 제2 다이크로익 미러, 180: 냉각 장치, 182: 에어 건, 184: 에어 가이드, 200, 200a, 200b: 광복합 광학 소자, 300-1, 300-2, 300-n: 다이크로익 미러, 400: 제1 광학계, 410: 로드 렌즈, 420: 릴레이 렌즈, 500: 빔 스플리터, 600: 제2 광학계, 610: 튜브 렌즈, 620: 대물 렌즈, 700: 검사 스테이지, 800: 제3 광학계, 900: 검출기, 1000: 광원 시스템, 1000a: 검사 장치

Claims (10)

  1. 제1 레이저를 발생시키는 제1 레이저 발생기;
    제2 레이저를 발생시키는 제2 레이저 발생기; 및
    플라즈마 점화(ignition)용 매체 물질을 수용하여 밀폐시키고, 상기 제1 레이저에 의해 플라즈마가 점화되며 상기 제2 레이저에 의해 상기 플라즈마가 유지되며, 내부면이 곡면 거울(curved mirror)로 이루어지되 2개의 곡면 거울이 서로 마주보는 구조를 갖는 챔버;를 포함하는 플라즈마 광원 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 2개의 곡면 거울은 구면 거울과 타원 거울이고,
    상기 구면 거울의 구심(또는 곡률 중심)은 상기 타원 거울의 2개의 초점 중 상기 타원 거울에 가까운 초점과 일치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 및 제2 레이저는 상기 챔버 전방으로 배치된 제1 렌즈 어레이를 통해 상기 초점에 직접 입력되거나, 또는
    상기 제1 레이저 및 제2 레이저는 상기 챔버 전방으로 배치된 제2 렌즈 어레이를 통해 구면 거울과 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 초점에 입력되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 플라즈마에 의해 발생한 플라즈마 광은 구면 거울과 타원 거울 중 적어도 하나에 의한 반사를 통해 상기 챔버 외부로 출력되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저가 상기 챔버로 입력되는 입구, 상기 제2 레이저가 상기 챔버로 입력되는 입구 및 상기 플라즈마 광이 상기 챔버로부터 출력되는 출구 중 적어도 하나는 상기 챔버의 다른 곳에 위치하며,
    상기 2개의 곡면 거울 중 적어도 하나는 다이크로익 미러로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 챔버 외부를 감싸면서 냉각 가스가 흐르는 통로가 구비된 냉각 장치를 더 포함하고,
    상기 냉각 장치는 상기 냉각 가스가 상기 챔버의 상부에서 하부로 흐르도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 상기 챔버의 상부 부분으로 냉각 가스를 주입하는 에어 건(air gun) 및 상기 냉각 가스가 상기 챔버에 인접하여 흐르도록 하는 에어 가이드(air guide) 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광원 장치.
  8. 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치; 및
    상기 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치로부터 출력된 플라즈마 광들을 합치는 광복합 광학 소자;를 포함하고,
    상기 적어도 2개의 플라즈마 광원 장치 각각은,
    플라즈마 점화(ignition)용 매체 물질을 수용하여 밀폐시키고, 제1 레이저에 의해 플라즈마가 점화되며 제2 레이저에 의해 상기 플라즈마가 유지되며, 내부면이 곡면 거울로 이루어지되 2개의 곡면 거울이 서로 마주보는 구조를 갖는 챔버를 구비하는, 광원 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광복합 광학 소자는 적어도 2개의 경사면을 구비한 로드 렌즈(rod lens), 다이크로익 미러 및 빔 스플리터(Beam Splitter) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광원 시스템.
  10. 제8 항에 있어서,
    검사 대상체가 배치되고 이동가능한 검사 스테이지;
    상기 광복합 광학 소자로부터의 광을 반사 또는 투과하고 상기 검사 대상체로부터의 광을 투과 또는 반사하는 빔 스플리터(Beam Splitter);
    상기 광복합 광학 소자로부터 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제1 광학계;
    상기 빔 스플리터로부터의 반사된 광을 상기 검사 대상체로 전달하고 상기 검사 대상체로 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제2 광학계; 및
    상기 빔 스플리터를 투과하여 전달된 광을 수용하는 검출기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 시스템.
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