KR20240073985A - 광대역 레이저 펌핑 플라즈마 광원 - Google Patents

Abstract

플라즈마 방사가 CW 레이저 집속 비임에 의해 가스 충전 챔버에서 지속되는 광원. 상기 가스는 순도가 적어도 99.99%인 불활성 가스이다. 상기 챔버에는 플라즈마 방사를 출력하기 위해 MgF2로 만들어진 적어도 하나의 윈도우를 지니는 금속 하우징이 포함되어 있다. 각각의 윈도우는 슬리브의 단부 상에서 상기 하우징의 구멍 내에 위치하게 되며 유리 시멘트를 사용하여 상기 슬리브에 납땜되고, 각각의 슬리브는 외부 솔기 상에서 상기 금속 하우징의 구멍에 용접된다. 상기 슬리브와 상기 하우징은 선형 열팽창 계수(coefficient of linear thermal expansion; CLTE)가 상기 MgF2의 CLTE와 상기 MgF2 결정의 광축에 수직인 방향으로 매치(match)하게 되는 합금으로 만들어진다. 기술적 성과는 광원의 방사 스펙트럼을 VUV 영역으로 확장하는데 있다.

Description

광대역 레이저 펌핑 플라즈마 광원

관련 특허 및 출원에 대한 상호 참조

본 특허출원은 2021년 2월 19일자 출원되어 현재에는 허여된 미국 특허출원 17/180,063의 일부 계속출원이며, 상기 미국 특허출원 17/180,063은 2020년 3월 5일자 출원된 러시아 특허출원 제RU2020109782호를 기초로 우선권을 주장한 것이고 또한 2020년 8월 6일에 출원되어 현재에는 미국 특허 제10,964,523호로 특허허여된 미국 출원 US 16/986,424의 일부 계속출원이며, 상기 미국 출원 US 16/986,424는 2020년 3월 10일에 출원되어 현재에는 미국 특허 10,770,282로 특허허여된 미국 출원 US 16/814,317의 일부 계속출원이고, 또한 2021년 10월 8일자 출원된 러시아 특허출원 RU2021129398을 기초로 우선권을 주장한 것이며, 이들 특허출원 및 특허 모두는 전체적으로 인용에 의해 여기에 보완된다.

　기술분야

본 발명은 연속 광 방전 기능을 지니는 고휘도 광대역 광원, 여기에 사용되는 가스 충전 챔버 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

사전에 생성된 상대적으로 밀도가 높은 플라즈마에서 레이저 방사에 의해 유지되는 고정 가스 방전은 연속 광 방전(continuous optical discharge; COD)으로서 공지되어 있다.

연속파(continuous wave; CW) 레이저의 집속 비임에 의해 가스 충전 챔버에서 유지되는 COD는 다양한 가스, 특히 최대 200atm인 높은 가스 압력의 Xe에서 구현된다(Carlhoff et al. al., "Continuous Optical Discharges at Very High Pressure", Physica 103C, 1981, pp. 439-447). 플라즈마 온도가 약 20,000K인 COD 기반 광원(Raizer, "Optical discharges" Sov. Phys. Usp. 23(11), Nov. 1980, pp. 789-806)은 진공 자외선(vacuum ultraviolet; VUV)에서부터 근적외선에 이르기까지 넓은 스펙트럼 범위에서 가장 높은 휘도의 연속 광원 중 하나이다.

고휘도 COD 기반 광원 생성에 관련된 과제들 중 하나는 진공 자외선 방사의 출력을 증가시키는 것에 관련되며, 이는 특히 단파 경계 λb 및 상기 챔버로부터 COD 플라즈마 광대역 방사를 출력하기 위해 사용되는 광학 재료의 투명성에 대한 특별한 요구를 초래한다.

2006년 12월 1일자 공개된 특허출원 JP2006010675로부터 공지된 바와 같이, VUV 범위의 높은 광 출력은 상기 챔버 내 불활성 가스의 순도가 적어도 99.99%일 때 광 방전에서 이루어지게 된다. 동시에, 광원 방사 스펙트럼의 단파 경계는 불화리튬(LiF), 불화마그네슘(MgF2), 불화칼슘(CaF2), 사파이어(Al2O3) 또는 석영(SiO2) 이 사용될 수 있는 챔버 출구 윈도우의 재료에 의해 결정된다.

이들 재료 중에서, LiF와 MgF2는 110nm 부근의 가장 짧은 투명파 경계를 지닌다. 또한, 후자 재료들 중에서 MgF2는 기계적 그리고 열적 특성이 더 양호하고, 생산성도 더 양호한 재료이고, 결과적으로는 그의 사용은 VUV 범위에서 방사 스펙트럼을 100 nm에 이르기까지 확장하기 위해 바람직하다.

특허출원 JP2006010675에 개시된 장치는 광 방전의 펄스 모드 여기를 사용한 것이고, 결과적으로는 상기 장치의 단점이 낮은 평균 전력 및 광원 휘도에 있다. 광방전 여기의 펄스 모드에서 상기 챔버의 최적 압력은 약 1atm인 반면에, 챔버 온도는 실온에 가까운데, 이는 위에 언급한 광학 재료 중 어느 하나로 만들어진 출구 윈도우를 밀봉하는 것에 관련된 문제들을 제거한다. 그러나 연속 광 방전 기능을 지니는 고휘도 플라즈마 방사원의 경우 그 상황은 근본적으로 다르다.

예를 들어, 2021년 3월 30일자 공보에 실리고 인용에 의해 여기에 보완된 특허 US 10964523으로부터 공지된 바와 같이, 50mW/(mm2 nm 평균) 이상의 스펙트럼 휘도 및 0.1% 미만의 상대 휘도 불안정도 σ를 특징으로 하는 COD 플라즈마 방사의 최적 연속 생성은 바람직하게는 50atm 이상의 챔버 내 최적 가스 압력에서 600 내지 900K 이상의 챔버 내부 표면의 가능한 최고 작동 온도를 지님과 아울러, 챔버 벽을 플라즈마 방사 영역으로부터 5mm 미만, 바람직하게는 3mm 이하의 거리에 위치시킴으로써 이루어지게 된다. 용융 석영으로 만들어지고 상기 챔버로서 사용되는 밀봉된 전구는 적어도 부분적으로 이러한 기준을 충족한다.

그러나, 석영의 투명 경계 λb

170 nm는 위에 언급한 다른 광학 재료, 특히 MgF2(λb110 nm)에 비해 열등하다. 동시에 전구 재료를 MgF2로 대체하는 옵션은 그의 기계적 특성으로 인해 어려운 반면에, MgF2 윈도우를 사용하는 것 또한 고온 및 고압에서 그 윈도우의 밀봉이 어렵기 때문에 문제가 된다.

챔버의 작동 온도를 높이기 위해, 2018년 10월 23일자 공보에 실린 특허 US 10109473에서는 강철과 같은 탄성 금속으로 만들어진 C-링을 사용하여 챔버 윈도우를 기계적으로 밀봉하는 것이 제안되었다.

그러나, 이러한 해결수법은 주로 λb145nm의 사파이어 윈도우를 사용하는 것과 관련이 있다. 이러한 타입의 밀봉에 MgF2 윈도우를 적용하는 것은 그 윈도우의 기계적 강도가 불충분하기 때문에 문제가 된다.

2020년 5월 31일자 공보에 실린 미국 특허 10609804에서는 레이저 펌핑 플라즈마 광원이 2개의 하우징 부분으로 구성된 금속 기둥 형상의 하우징과 하우징 단부들 상에 밀봉 방식으로 설치된 동축 입구 및 출구 윈도우를 구비한 가스 충전 챔버를 포함한다. 원통 측면이 니켈 도금된 각각의 윈도우는 원형 니켈 도금 코바 슬리브 내부에 위치하며 Ag 땜납을 사용하여 슬리브 내부 표면에 납땜된다. 나아가 각각의 윈도우가 납땜되어 있는 각각의 원형 슬리브는 외부 솔기(outside seam) 상에서 상기 하우징 부분들 중 하나에 납땜되거나 용접된다. 내부 챔버 부분들(타원면 미러 및 레이저 방사 차단기)이 설치된 후에 장착된 윈도우와 함께 상기 하우징 부분이 용접된다. 용접 후에 하우징은 진공 처리되고 압력 하에서 용접 또는 밀봉된 노즐을 통해 가스가 충전된다. 각각의 윈도우가 납땜되어 있는 코바 슬리브의 선형 열팽창 계수(coefficient of linear thermal expansion; CLTE)는 사파이어의 CLTE와 매치(match)하게 되고, 그 결과 상기 챔버에서 사파이어 윈도우를 사용하는 것이 제안된다.

일반적으로 사용되는 석영 전구(λb170 nm)와 비교해 볼 때, 상기 광원은 사파이어 윈도우가 사용되는 경우(λb145 nm), VUV 범위에서 더 넓은 방사 스펙트럼을 특징으로 한다. 게다가 이는 레이저 펌핑의 출력을 높이고 결과적으로는 UV 및 VUV 범위에서 모두 출력 방사의 전력을 높일 수 있는 더 강력한 챔버를 구비하고 있다.

그러나, 이러한 타입의 플라즈마 광원에서는 MgF2 윈도우를 적용하기 어렵기 때문에 VUV 스펙트럼의 추가 확장이 제한된다. MgF2 결정의 CLTE는 광축 방향과 광축에 수직인 방향에서 상당히 다르며, 이에 따라 13.7×10-6/К 및 8.48×10-6/К와 동일하다. 결과적으로, 등방성 금속 원형 슬리브와 이에 납땜된 이방성 MgF2 결정 간 연결 밀봉은 챔버가 연속 광 방전 플라즈마로부터의 방사를 최적으로 생성하는 데 필요한 600-900K로 가열될 때 신뢰할 수 없다. 이러한 밀봉의 비신뢰성은 금속 땜납의 CLTE(~20×10-6/К)도 MgF2의 CLTE와 상당히 다르다는 사실로부터 비롯된다. 또한, 윈도우 상에 가해지는 가스 압력으로 인해 밀봉된 조인트가 이동하고 파열되고 그럼으로써 그의 신뢰성이 떨어지게 된다. VUV 범위에서 유사한 플라즈마 광원의 스펙트럼을 확장하면 플라즈마 방사 비임이 챔버 내부의 금속 미러에 의한 플라즈마 방사의 반사에 의해서만 형성된다는 사실 때문에 효과가 거의 없다. 금속 미러의 반사 계수는 VUV 범위에서 낮다(알루미늄의 경우 110nm 파장에서 20% 미만이다). 챔버 내 미러가 있으면 CW 레이저 비임을 집속시키는 렌즈의 위치를 챔버 하우징 외부에 특정하는 결과가 초래된다. 이는 CW 레이저 비임의 집속 선예도(focusing sharpness)를 제한하고 광원 휘도를 감소시킨다. 또한, 미러의 존재는 대류(convective flow)를 억제하기 위해 챔버 내 공간의 치수를 최소화하는 것을 허용하지 않으며, 이는 기존 방사 전력의 불안정성을 초래한다. 상기 설계의 단점은 또한 레이저 방사 비임이 출구 윈도우 방향으로 전파되는데 있고, 이로인해 그의 차단을 위한 특별한 조치가 취해져야 한다.

따라서, 위에 언급한 단점들이 없는, VUV 범위에서 더 넓은 방사 스펙트럼을 지니는 더 높은 휘도 및 안정성이 높은 광원을 생성할 필요가 있다.

본 발명의 기술적 문제와 기술적 결과는 레이저 펌핑 플라즈마 광원의 방사 스펙트럼을 VUV 범위에서 확장함과 동시에 레이저 펌핑 플라즈마 광원의 광대역 방사의 높은 휘도와 안정성을 제공하는 데 있다.

본 발명은 본질적으로 최소 투과 경계(λb110nm)를 지니는 첨단기술 광학 재료, 다시 말하면 MgF2를 챔버로부터 플라즈마 방사 비임을 출력하기 위한 윈도우의 재료로서 사용하는데 있다. 이를 통해 VUV 범위에서 레이저 펌핑 플라즈마 광원의 방사 스펙트럼이 확장할 수 있게 된다.

챔버 내 가스는 불순물에 의한 VUV 방사의 자기흡수(self-absorption)를 제거하기 위해 순도가 적어도 99.99%인 불활성 가스에 속한다.

결정 불화마그네슘은 이방성이며 약한 복굴절(double refraction)을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 플라즈마 방사 비임의 복굴절을 제거하기 위해, 축대칭 슬리브의 단부 표면과 이에 인접한 MgF2 출구 윈도우 표면은 본질적으로 MgF2 결정의 광축에 수직이다.

광원의 높은 휘도와 안정성을 제공하기 위해 적어도 600K의 고온 및 약 50atm 이상의 압력에서 작동할 가능성은 챔버 윈도우를 유리 시멘트(glass cement)로 납땜하여 이를 밀봉함으로써 달성된다. 본 발명에 의하면, 유리 시멘트 납땜 공정은 적어도 400℃ 온도에서의 조인트의 단일 단계 어닐링 적용을 포함하며, 이는 최대 900K 온도에서의 조인트의 작동 가능성이 생기는 결과를 초래한다. 상기 윈도우는 슬리브로서 설계된 하우징의 별도의 금속 부분에 납땜된다. 어닐링 후에, 챔버 하우징의 금속 부분은 밀봉된 조인트가 밀봉 조인트 신뢰성을 감소시킬 수 있는 다른 어닐링에 노출되지 않게 하는 방식으로 용접으로 접합된다.

MgF2 출구 윈도우의 신뢰성 높은 밀봉을 제공하기 위해, 슬리브와 하우징은 사전에 정의된 CLTE를 지니는 철-니켈 합금으로 만들어지며, 이는 47ND 합금과 같은 결정의 광축에 수직인 방향으로 결정 불화마그네슘의 CLTE와 매치(match)하게 된다.

그들의 불규칙한 냉각으로 인해 발생하게 되는 윈도우 균열을 방지하기 위해, 챔버의 복잡한 형상의 하우징 부분 상에 납땜하는 대신에, 약 1cm 길이 이상의 축 대칭 금속 슬리브 단부 상에서 윈도우가 납땜된다. 납땜은 중력 측면에서 최적의 방식으로 배치된 선형 열팽창 계수(CLTE)가 매치되는 밀봉된 조인트 구성요소를 사용하여 수행된다. 그 후에 납땜된 윈도우를 지니는 슬리브는 상기 외부 솔기 상에서 상기 하우징에 용접한다. 다른 일 실시 예에서 상기 납땜된 윈도우를 지니는 슬리브는 하우징 부분에 용접되고, 내부 챔버 요소가 장착된 후에 상기 하우징은 영구적으로 함께 용접된다. 동시에 축대칭 슬리브를 통해 조립된 챔버 구조의 가열 및 냉각의 불규칙성이 상쇄된다.

본 발명에 의하면, 윈도우는 가스 충전 챔버 내부에 설치된다. 한편으로는 밀봉 요소를 압축하는 챔버 내 가스의 높은 압력으로 인해 밀봉 신뢰성이 향상된다. 다른 한편으로는, 챔버의 광학 요소를 포함해 챔버 벽이 플라즈마 방사 영역으로부터 5mm 미만의 거리에 위치해 있을 때 최적으로 최소화된 치수로 챔버를 제조할 가능성이 실현된다. 이는 챔버 내 대류(convective flow)의 난류(turbulence)를 억제하고 방사원의 높은 안정성을 제공한다.

내부 챔버 요소는 CW 레이저 비임을 집속시키는 렌즈를 포함한다. 그러한 집속 렌즈는 비구면 설계를 지니는 것이 바람직하며, CW 레이저 비임의 가능한 가장 선예한 집속으로 인해 광원의 휘도를 향상시키는 플라즈마 방사 영역과 입구 윈도우 사이에 위치하게 된다. 동일한 목적으로, 예를 들어 플라즈마 방사 영역에 중심이 있는 구면 미러 형태의 적어도 하나의 재귀 반사기(retroreflector)는 챔버 내에 배치될 수 있으며, 출구 윈도우 반대편에 그리고/또는 집속된 레이저 비임의 축 상에 위치할 수 있게 된다. 상기 출구 윈도우는 또한 상기 출구 윈도우를 통과하는 플라즈마 방사 비임의 경로를 왜곡하는 수차(aberration)를 줄이는 기능, 및/또는 진출하는 플라즈마 방사 비임의 개구 각도(angular aperture)를 줄이는 기능을 지니도록 설계된 렌즈일 수 있다.

오존의 발생 및 플라즈마 방사 비임의 흡수를 방지하기 위해, 110nm 이상의 파장을 지니는 VUV 방사를 흡수하지 않는 진공 또는 가스 환경이 MgF2 출구 윈도우 외부에 위치할 수 있게 된다. 이러한 목적으로, 본 발명의 일 실시 예에서, 챔버는, 플라즈마 방사 비임이 반송(搬送)되고 MgF2 윈도우를 통해 챔버에서 진출하는 플라즈마 방사를 흡수하지 않는 진공 또는 가스 환경이 충전되는 물체를 가지고 외부 챔버에 밀봉 방식으로 접속될 수 있다. 최적의 온도가 600K 이상으로 높을 수 있으므로, 챔버와 외부 챔버 간 열교(thermal bridge)의 기능을 갖춘 분기관(branch pipe)을 통해 챔버가 외부 챔버에 밀봉 방식으로 접속될 수 있다. 또 분기관에는 냉각 라디에이터가 장착되어 있어서 외부 챔버의 가열이 방지될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태들은 레이저 펌핑 플라즈마 방사원의 휘도 및 안정성을 더 증가시킬 뿐만 아니라 그의 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다.

본 발명의 위에서 언급한 목적 및 다른 목적, 이점 및 특징은 첨부도면을 참조하여 예로서 제공된 본 발명의 실시 예들의 이하 비-제한적인 설명에서 더 명백해질 것이다.

본 발명의 본질은 도면들에 의해 설명된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 광대역 레이저 펌핑 광원의 단면도들이다.
도 3은 광대역 레이저 펌핑 광원의 외관을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 광대역 레이저 펌핑 광원을 보여주는 도면들이다.

동일한 장치 요소는 도면들 상에서 동일한 참조번호로 지정된다.

이러한 도면들은 이러한 기술적 해결수법의 실시 예들의 전체 범위를 포괄하거나 제한하지 않고, 단지 본 발명의 특정 구현 사례의 예시일 뿐이다.

도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 의하면, 광대역 레이저 펌핑 광원은 고압 가스로 충전된 챔버(1)와 연속파(continuous wave; CW) 레이저(4)의 집속 비임(3)에 의해 상기 챔버에서 유지되는 플라즈마 방사 영역(2)을 포함한다. 챔버(1)는 CW 레이저 비임을 챔버 내로 도입하기 위한 윈도우(6a)와 상기 챔버로부터 후속 사용을 목적으로 의도된 플라즈마 방사 비임(8)을 출력하기 위한 적어도 하나의 윈도우(6b)를 포함하는 금속 하우징(5)을 포함한다.

상기 광원은 또한 플라즈마 점화를 시작하기 위한 수단을 포함한다. 플라즈마 점화 수단으로서 펄스 레이저 시스템(9)이 플라즈마 방사(2)의 유지를 위해 설계된 챔버 영역에 집속되는 적어도 하나의 펄스 레이저 비임(10)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예들에서, 점화 전극들은 플라즈마 점화를 위한 수단으로 사용될 수 있다.

본 발명에 의하면, CW 레이저 비임은 다이크로익 미러(dichroic mirror)(11)에 의해 상기 챔버 내로 안내될 수 있고 상기 윈도우(6a)와 상기 플라즈마 방사 영역(2) 사이에서 상기 챔버 내 배치된 렌즈(12)에 의해 집속될 수 있는데, 이러한 렌즈(12)는 CW 레이저 비임의 선예한 집속을 제공하고 그럼으로서 광원 휘도를 증가시킨다. 동시에 상기 렌즈(12)는 플라즈마 점화 시작 시 펄스 레이저 비임(10)을 집속시키는데 사용될 수 있다.

광원 휘도는 상기 윈도우(6a)와 상기 집속 렌즈(12), 바람직하게는 비구면 설계를 지니는 집속 렌즈(12)를 포함하는 광학 시스템을 사용하여 CW 레이저 비임의 가능한 가장 선예한 집속을 보장하여 상기 광학 시스템의 전체 수차를 최소화함으로써 증가하게 된다. 상기 집속 렌즈(12)는 바람직하게는 플라즈마 방사 영역(2)으로부터 가능한 가장 작은 거리에 위치하게 되며, 그 거리는 5mm를 초과하지 않는다. 챔버 설계를 용이하게 하기 위해, 상기 윈도우(6a)는 간단한 제조 기술을 사용하여 예를 들어 구면을 갖는 플레이트 또는 렌즈 형상으로 만들어질 수 있다. 상기 비구면 렌즈(12)는 그의 제작이 용이하도록 유리나 석영으로 만들어질 수 있다.

상기 챔버로부터 플라즈마 방사 비임(8)을 출력하기 위한 적어도 하나의 윈도우(6b)는 결정 불화마그네슘(MgF2)으로 만들어진다. MgF2는 높은 생산성을 특징으로 하며 동시에 광학 재료들 중 가장 짧은 파장의 투과 경계를 지닌다. 따라서, 챔버에서 진출하는 플라즈마 방사 비임의 스펙트럼의 단파 경계는 약 110nm인 진공 자외선(VUV) 영역의 MgF2 투과 한도에 의해 결정된다. 또한 상기 가스는 순도가 적어도 99.99%인 불활성 가스들에 속하거나 또는 가스 불순물에 의한 VUV 방사의 자체 흡수를 제거하기 위해 이들의 혼합물이다. 이를 통해 광원의 방사 스펙트럼이 진공 자외선 영역으로 확장할 수 있게 된다.

도 1에서, 플라즈마 방사 비임(8)은 플라즈마 방사 영역(2)으로부터 반사 없이 직선으로 MgF2로 만들어진 윈도우(6b)로 안내된다. 플라즈마 방사 비임이 반사 계수가 VUV 범위에서 낮은 (λ = 110 nm에서 20% 미만인) 챔버 내 금속 미러에 의해 형성되는 소스들과는 대조적으로, 이는 플라즈마 방사 비임의 스펙트럼에서 VUV 성분의 차단 또는 억제가 없음을 보장한다.

상기 윈도우들(6a, 6b) 각각은 상기 플라즈마 방사 영역(2)에 가장 가까운 슬리브들(7a, 7b) 중 하나의 단부 상에서 챔버 내부 상에 위치하게 된다. 상기 윈도우들(6a, 6b) 각각은 유리 시멘트(13)를 사용하여 상기 슬리브들(7a, 7b) 중 하나에 납땜된다. 어닐링 공정에서 수행되는 윈도우 납땜은 광원의 높은 휘도와 안정성을 달성하는 데 최적인 최대 900K의 온도에서 밀봉된 조인트와 챔버 조립체를 작동할 수 있는 가능성을 보장한다.

납땜된 윈도우들(6a, 6b)을 지니는 슬리브들(7a, 7b) 각각은 상기 하우징(5) 내 구멍들 중 하나에 위치하게 되고 외부 용접 솔기들(14) 상에서 상기 하우징(5)의 구멍 내에 용접된다. 또한, 축대칭 슬리브들(6a, 6b)의 내부 부분들은 상기 챔버가 충전되는 가스와 접촉하지 않는 상기 챔버의 외부 부분이다. 챔버 내부에 윈도우들을 배치함과 함께, 이는 밀봉 재료(유리 시멘트(13))를 압축하고 광학 요소들의 밀봉을 용이하게 하는 챔버 내 가스의 고압으로 인해 밀봉 조인트의 신뢰성을 향상시킨다.

본 발명에 의하면, 슬리브(7b)의 단부 표면과 이에 인접한 MgF2 출구 윈도우(6b)의 표면은 본질적으로 MgF2 결정의 광축에 수직이다. 유리 시멘트(13), 슬리브들(7a, 7b)의 재료 및 하우징(5)의 선형 열팽창 계수(CLTE)는 MgF2 결정의 광축에 수직인 방향으로 결정 불화마그네슘의 CLTE와 매치된다. 위에서 언급한 사항들 모두는 윈도우들과 챔버 조립체의 높은 신뢰성과 긴 수명을 제공한다. 바람직하게는, 상기 슬리브들과 챔버 하우징들은 이러한 요구사항을 충족하는 47 ND 철-니켈 합금으로 만들어진다.

챔버(1)는 납땜 용접된 배관을 통해 또는 챔버 내 가스의 압력 및/또는 조성을 제어하도록 설계된 가스 포트(15)를 통해 고압 가스로 충전된다.

따라서, 본 발명은 고압(약 50atm) 및 온도(약 900°K)에서 작동하는 MgF2 윈도우를 지니는 매우 신뢰성 있는 챔버들을 제조하고 VUV 범위에서 가장 넓은 방사 스펙트럼을 지니는 더 밝고 더 안정적인 COD 기반 광원을 생성하는 방법을 제공한다.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 110nm 이상의 파장을 지니는 VUV 방사를 흡수하지 않는 진공 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 가스 환경이 챔버로부터 플라즈마 방사 비임(8)을 출력하기 위한 MgF2 출구 윈도우(6b)의 외부에 위치하게 된다. 이러한 목적으로, 챔버(1)는 분기관(16)에 의해 플라즈마 방사 비임(8)이 반송(搬送)되는 물체를 가지고 외부 챔버(17)에 밀봉 방식으로 접속될 수 있다.

이 경우, 상기 비임은 오존의 생성 없이 그리고 플라즈마 방사의 VUV 성분의 손실 없이 반송된다.

연속 작동 모드에서 플라즈마 방사의 높은 안정성과 높은 휘도는 챔버 내 가스 압력이 약 50atm 이상이고 챔버 온도가 약 600K 이상일 때 달성된다. 챔버(1)의 높은 온도로 인해 분기관(16)은 챔버(1)와 외부 챔버(17) 간 열교의 기능을 갖도록 설계되어 있다. 이러한 목적으로, 분기관(16) 중 적어도 일부는 낮은 열전도율, 예를 들어 얇은 스테인레스 강으로 스틸로 만들어진다. 윈도우(6b)로부터 제거된 분기관(16) 중 적어도 일부를 냉각하기 위해 이는 외부 챔버(17)의 가열을 방지하는 냉각 라디에이터(18)로서 설계된다. 챔버(1) 및 외부 챔버(17)에 대한 분기관(16)의 밀봉된 조인트는 적어도 가열된 챔버(1)의 측면 상에 구리로 만들어질 수 있는 밀봉 개스킷(gasket; 19)을 사용하여 제공될 수 있다.

도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에서, 윈도우들(6a, 6b)이 납땜되어 있는 모든 축대칭 슬리브들(7a, 7b)은 단일의 공통 하우징 부분(5)에 용접된다. 또한, 플라즈마 방사 영역(2)은 적어도 2개의 구멍의 교차에 형성된 하우징(5)의 캐비티(cavity) 내에 위치하게 되며, 상기 적어도 2개의 구멍 각각 내에는 윈도우들(6a, 6b) 중 하나와 함께 슬리브들(7a, 7b) 중 하나가 위치하게 된다. 슬리브들(7a, 7b)은 가변 외부 직경을 지니고, 윈도우들(6a, 6b)은 외부 직경이 상대적으로 작은 슬리브들의 단부 상에 위치하게 된다.

광대역 레이저 펌핑 광원은 이하에서 설명되는 바와 같이 작동된다. 먼저, 도 1에서 적어도 2개의 윈도우(6a, 6b)을 지니는 금속 하우징(5)을 포함하는 광원의 챔버(1)가 제조된다. 적어도 하나의 윈도우(6b)는 MgF2로 만들어진다. 윈도우들 중 적어도 하나의 윈도우(6a)의 재료는 MgF2의 CLTE와 매치되는 CLTE를 지니는 유리일 수 있다. 챔버 하우징은 MgF2의 CLTE와 매치되는 CLTE를 지니는 47 ND 정밀 합금(precision alloy)으로부터 제조된다. 윈도우들(6a, 6b) 각각은 적어도 400℃ 온도에서 어닐링을 적용하여 유리 시멘트(13)를 사용해 슬리브들(7a, 7b) 중 하나에 납땜된다. 윈도우가 납땜되어 있는 각각의 슬리브는 금속 하우징(5)의 구멍 내에 용접된다. 상기 챔버에는 밀봉된 배관을 통해 또는 가스 포트(15)를 통해 고압의 가스가 충전된다.

COD 플라즈마의 광대역 방사는 이하에 설명되어 있는 바와 같이 생성된다. CW 레이저(4)의 집속 비임(3)은 플라즈마 방사를 유지하도록 의도된 챔버 영역(2) 내로 안내된다. 바람직하게는, 고순도의 불활성 가스들 및 이들의 혼합물이 가스로서 사용된다. 펄스 레이저 시스템(9)에 의해 적어도 하나의 펄스 레이저 비임(10)이 생성된다. CW 레이저 비임과 펄스 레이저 비임은 윈도우(6a)를 통해 챔버(1) 내부로 유입된다. 동시에, 윈도우(6a)와 집속 렌즈(12)를 포함하는 광학 시스템은 레이저 비임의 선예한 집속을 제공한다. 펄스 레이저 시스템(9)은 광학적 절연파괴(optical breakdown)을 제공하고 약 1018 전자/cm3 값을 지니는 COD 플라즈마의 문턱 밀도(threshold density)를 초과하는 밀도를 지니는 출발 플라즈마(starting plasma)를 생성하는 데 사용된다. 출발 플라즈마의 농도와 부피는 300W를 초과하지 않는 상대적으로 낮은 전력을 가지고 CW 레이저 집속 비임(3)에 의한 연속 광 방전을 신뢰성 있게 유지하는 데 충분하다. 고정 모드에서 광대역 고휘도 방사는 적어도 하나의 플라즈마 방사 비임(8)을 사용하여 연속 광 방전의 플라즈마 방사 영역(2)으로부터 출력된다. 상기 챔버에서 진출하는 플라즈마 방사 스펙트럼의 단파 경계는 대략 110nm인 MgF2 투과 한도에 의해 결정된다. 상기 챔버에서 MgF2 출구 창(7b)을 통해 진출하는 비임(8)은 예를 들어 외부 챔버(17)에서 후속 사용을 위한 것이다. 챔버(1)는 챔버(1)에서 진출하는 VUV 방사를 흡수하지 않는 진공 또는 가스 환경이 충전되는 외부 챔버(17)에 밀봉 방식으로 접속될 수 있다. 작업 모드에서 챔버(1)의 온도는 약 600K 이상인 것이 바람직하다. 또한, 챔버(1)와 외부 챔버(17) 간 열 격리(thermal isolation)는 열교 기능으로 설계되고 냉각 라디에이터(19)가 장착된 분기관(17)에 의해 제공된다.

도 2에 도시된 본 발명의 실시 예에서, 챔버(1)는 적어도 2개의 하우징 부분(5a, 5b)을 포함하는 용접된 금속 하우징(5)을 포함하며, 적어도 2개의 하우징 부분 각각에는 슬리브(7a, 7b)가 슬리브(7a, 7b)에 납땜된 윈도우(6a, 6b)와 함께 용접되어 있다.

마운팅 또는 케이싱(20) 및 인서트(21)와 함께 집속 렌즈(12)를 포함하는 내부 챔버 요소들이 설치된 후에, 윈도우들(6a, 6b)을 지니는 하우징 부분들(5a, 5b)은 용접 솔기(22)와 함께 용접된다. 하우징 부분들(5a, 5b)의 용접 시, 윈도우들(6a, 6b)과 함께 하우징 부분들에 용접된 축대칭 슬리브들(7a, 7b)은 조립된 챔버(1)의 불규칙한 가열 및 냉각을 상쇄시켜 준다.

광원의 용접 하우징의 외관이 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.

챔버 설계를 단순화하기 위해, 용접부들(14, 22)은 하우징(5)의 외부 표면 상에 위치하게 된다.

도 4에는 챔버로부터 플라즈마 방사 비임(8)을 출력하기 위한 MgF2 윈도우(6b)가 플라즈마 방사 비임의 개구 각도를 감소시키거나 플라즈마 방사선들이 윈도우(6b)을 통과할 때 플라즈마 방사선의 경로를 왜곡하는 수차를 감소시키는 기능을 지니도록 설계된 렌즈인 다른 일 실시 예가 개략적으로 도시되어 있다. 일반적으로, 윈도우(6b)는 메니스커스(meniscus) 또는 다른 유형의 매칭 렌즈(matching lens)로서 설계된다. 이는 광원의 휘도를 증가시키고 광원의 치수를 최소화하며 광원의 작동 편이성을 향상시켜준다.

광원 휘도를 증가시키는 유사한 목적으로, 플라즈마 방사 영역(2)에 중심이 있는 구면 미러들로서 설계된 재귀 반사기(retroreflector)들(23, 24)은 도 4에 도시된 바와 같이 광원 챔버 내에 배치될 수 있다. 재귀 반사기들(23, 24)은 MgF2 윈도우 반대편에 그리고/또는 집속된 레이저 비임(3)의 축 상에 위치하게 된다.

플라즈마 방사 비임에서 바람직하지 않은 CW 레이저 방사의 존재를 제거하기 위해, 플라즈마 방사 비임(8)의 방향은 플라즈마 방사 영역(2)을 통과한 CW 레이저 비임(3)의 방향과는 다르다. 이러한 전제조건은 도 1, 도 2, 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이 하우징이 정육면체 또는 직사각형 프리즘으로서 설계된 챔버(1)의 설계에서 쉽게 구현되며, 이 경우에 CW 레이저 집속 비임(3)과 각각의 플라즈마 방사 비임(8)은 플라즈마 방사 영역(2)에서 교차하는 상호 직교 축 상에 위치하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서, CW 레이저 집속 비임(3)의 축은 상방 수직으로, 다시 말하면 도 1, 도 2, 도 4에 도시된 바와 같이 중력에 대항하여 또는 수직에 가깝게 안내된다. 제안된 설계는 레이저 펌핑 광원 방사 출력에 대해 최고의 안정성을 달성한다. 이는 일반적으로 플라즈마 방사 영역(2)이 CW 레이저 집속 비임(3)을 향한 초점에서부터 CW 레이저 집속 비임(3)의 강도가 플라즈마 방사 영역(2)을 유지하는데 여전히 충분한 집속된 레이저 비임의 단면에 이르기까지 약간 이동한다는 사실에 기인한다. CW 레이저 집속 비임(3)이 바닥으로부터 상방으로 안내될 때, 가장 낮은 질량 밀도를 지니는 가장 뜨거운 플라즈마를 포함하는 플라즈마 방사 영역(2)은 부력(buoyant force)의 영향을 받아 부유하는 경향이 있다. 플라즈마 방사 영역(2)의 상승은 CW 레이저 집속 비임(3)의 단면이 상대적으로 작고 레이저 방사 강도가 상대적으로 높은 초점에 가장 가까운 위치에서 끝나게 된다. 한편으로 이는 플라즈마 방사의 휘도를 증가시키고 다른 한편으로 이는 플라즈마 방사 영역 상에 작용하는 힘을 균등화하는데, 이러한 균등화는 고휘도 레이저 펌핑 광원의 방사 출력의 높은 안정성을 보장한다.

레이저 펌핑 광원의 출력 특성의 안정성은 또한 플라즈마 방사 영역(2)에서 가열된 가스에 의한 부력의 작용 하에서 획득된 펄스의 크기에 의해 영향을 받는다. 상기 가스에 의해 획득된 펄스와 대류의 난류가 적을수록 플라즈마 방사 영역(2)이 챔버 상단 벽에 더 가까워진다. 결과적으로, 광원의 더 안정적인 출력 특성을 보장하기 위해 챔버 하우징의 상단 벽은 플라즈마 방사 영역(2)으로부터 5mm 이하의 거리에 위치하게 된다.

챔버 내 대류 난류의 억제 및 광원 출력 특성의 안정성 향상은 챔버의 내부 용적을 감소시킴으로써 달성된다. 이러한 목적으로, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 플라즈마 방사 비임을 출력하기 위한 집속 렌즈(13) 및 각각의 윈도우(6b) 뿐만 아니라 챔버 벽들은 플라즈마 방사 영역으로부터 5mm 이하의 거리에 위치하게 된다.

본 발명에 따른 광원의 다른 한 실시 예가 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시 예에서, 챔버 하우징은 광원의 특정 애플리케이션들에 필요한 챔버(1)로부터 여러 플라즈마 방사 비임(8)을 출력하기 위한 여러 윈도우(6b, 6c)를 포함한다.

CW 레이저(4)로서는 광섬유(25)에 방사를 출력하는 고효율 다이오드 근적외선 레이저가 사용되는 것이 바람직하다. 광섬유(25)의 출구에서, 확대되는 레이저 비임은 예를 들어 집광 렌즈 형태의 콜리메이터(collimator; 26)로 안내된다. 콜리메이터(26)와 다이크로익 편향 미러(11) 이후에 CW 레이저 확장 비임이 챔버(1) 내로 안내된다. 광학 시스템, 윈도우(6a) 및 집속 렌즈(12)는 광원의 높은 휘도를 달성하는 데 필요한 CW 레이저 비임(3)의 선예한 집속을 보장한다.

도 5에 도시된 본 발명의 실시 예에서, 출발 플라즈마의 점화는 Q-스위칭 모드에서 제1 레이저 비임(28)을 생성하기 위한 제1 레이저(27)와 자유 실행 모드(free-running mode)에서 제2 레이저 비임(30)을 생성하기 위한 제2 레이저(29)를 포함하는 고체 레이저 시스템(solid-state laser system)에 의해 제공된다. 능동 요소(31)를 지니는 펄스 레이저에는 예를 들어 플래시 램프(flash lamp; 32) 형태의 광학 펌핑 소스가 장착되어 있으며 상기 펄스 레이저는 캐비티의 공통 미러들(33, 34)을 지니는 것이 바람직하다. 제1 레이저(27)에는 Q-스위치(35)가 장착되어 있다.

2개의 펄스 레이저 비임(28, 30)은 도 5에 도시된 바와 같이 챔버 내로 안내되고 플라즈마 방사의 유지를 위한 영역(2)에 집속된다. 제1 레이저 비임(28)은 출발 플라즈마 점화를 위한 것이거나 광학적 절연파괴를 위한 것이다. 제2 레이저 비임(30)은 CW 레이저 집속 비임(3)에 의해 플라즈마 방사 영역(2)의 고정 유지를 위해 충분히 높은 부피 및 밀도를 지니는 플라즈마를 생성하기 위한 것이다.

바람직하게는, CW 레이저 파장(λCW)은 제1 및 제2 펄스 레이저 비임(28, 30)의 파장들(λ1, λ2)과는 다르다. 예를 들어 CW 레이저 파장은 λCW = 0.808 ㎛ 또는 0.976 ㎛이고 펄스 레이저는 λ1 = λ2 = 1.064㎛인 방사 파장을 지닐 수 있다. 이는 CW 레이저(4)의 레이저 비임(36) 및 펄스 레이저 비임들(28, 30)을 유입하기 위해 다이크로익 미러(11)를 사용할 수 있게 한다. 추가로, 틸트 미러(tilt mirror; 37)는 도 5에 도시된 바와 같이 펄스 레이저 비임(28, 30)을 전달하는데 사용될 수 있다.

이러한 본 발명의 실시 예는 레이저 점화의 신뢰성과 광원의 사용자 친근성(user-friendliness)을 제공한다. 출발 플라즈마 점화를 위한 전극을 사용하는 소스와 달리, 챔버 형상을 최적화하고 챔버 내 대류의 난류를 줄이며 광학 수차를 최소화할 수 있는 가능성이 있다.

그 밖에, 본 실시 예의 장치 부분들은 위에서 설명한 실시 예들의 장치 부분들과 동일하고, 도 5에서 동일한 항목 번호들을 지니며, 그들의 상세한 설명은 생략한다.

일반적으로, 제안된 발명은 VUV 스펙트럼 영역에서 방사선 스펙트럼을 확장하고 레이저 펌핑 플라즈마 방사 소스의 높은 휘도와 안정성을 보장할 수 있게 해 준다.

산업상 이용가능성

본 발명에 따라 설계된 고휘도, 고안정성의 레이저 펌프 광원은 분광화학 분석, 생물학 및 의학 분야의 생체 물체의 스펙트럼 미세분석, 미세모세관 액체 크로마토그래피, 광학 리소그래피 공정의 검사, 분광 광도 측정 및 기타 목적을 위한 검사를 위해 다양한 투사 시스템(projection system)에 사용될 수 있다.

Claims (20)

1. 레이저 펌핑 플라즈마 광원으로서,
   상기 레이저 펌핑 플라즈마 광원은,
   고압 가스가 충전된 챔버; 플라즈마 점화 수단; 연속파(continuous wave; CW) 레이저 집속 비임에 의해 상기 챔버 내 유지되는 플라즈마 방사 영역; 상기 CW 레이저 집속 비임을 상기 챔버 내로 유입하기 위한 윈도우와 상기 챔버로부터 플라즈마 방사 비임을 출력하기 위한 적어도 하나의 윈도우를 지니는 금속 하우징을 포함하는 상기 챔버에서 진출하는 적어도 하나의 플라즈마 방사 비임을 포함하며, 상기 CW 레이저 집속 비임은 상기 윈도우와 상기 플라즈마 방사 영역 간 상기 챔버 내에 설치된 렌즈에 의해 집속되고,
   상기 가스는 순도가 적어도 99.99%인 불활성 가스들에 속하거나 이들의 혼합물이며,
   상기 플라즈마 방사 비임을 출력하기 위한 하나 이상의 윈도우는 결정 불화마그네슘(MgF2)으로 만들어지고,
   각각의 윈도우는 상기 플라즈마 방사 영역에 가장 가까운 슬리브의 단부 상에서 상기 챔버 내부 상에 위치하게 되며, 상기 슬리브는 상기 금속 하우징의 구멍 내에 위치하게 되고,
   각각의 윈도우는 유리 시멘트를 사용해 상기 슬리브에 납땜되며 상기 슬리브는 상기 슬리브에 납땜된 윈도우와 함께 상기 금속 하우징의 구멍에 용접되고,
   상기 챔버는 분기관을 사용해 상기 MgF2 윈도우 를 통해 플라즈마 방사에 의해 조사되는 물체를 가지고 외부 챔버에 밀봉 방식으로 접속되며, 상기 분기관은 열교(thermal bridge)로서 만들어지는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬리브의 단면부의 표면과 상기 MgF2 윈도우의 인접 표면은 상기 MgF2 결정의 광축에 실질적으로 수직인, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
3. 제1항에 있어서,
   각각의 슬리브와 하우징은 선형 열팽창 계수(coefficient of linear thermal expansion; CLTE)가 상기 결정 불화마그네슘(MgF2)의 CLTE와 상기 MgF2 결정의 광축에 수직인 방향으로 매치(match)하게 되는 니켈-철 합금으로 만들어지는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
4. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 방사 비임 스펙트럼의 단파 경계는 110nm인 진공 자외선(VUV) 영역의 MgF2 투과 경계에 의해 결정되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
5. 제1항에 있어서,
   110 nm 이상의 파장을 지니는 진공 자외선(VUV) 방사를 흡수하지 않는 진공 또는 가스 환경은 상기 MgF2 윈도우 외부에 위치하게 되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
6. 제5항에 있어서,
   분기관에는 냉각 라디에이터가 장착되어 있는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
7. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 방사 비임은 반사 없이 상기 플라즈마 방사 영역으로부터 직접 상기 MgF2 윈도우으로 안내되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
8. 제1항에 있어서,
   상기 슬리브들 모두는 상기 윈도우들이 납땜되어 있는 축대칭 슬리브들이고, 상기 축대칭 슬리브들은 일체형으로 만들어진 하우징에 용접되어 있는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
9. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 방사 영역은 적어도 2개의 구멍의 교차에 형성된 하우징 캐비티 내에 위치하게 되며, 상기 적어도 2개의 구멍 각각 내에는 윈도우와 함께 슬리브가 존재하는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
10. 제1항에 있어서,
    상기 슬리브들 중 적어도 하나의 슬리브는 상기 하우징의 구멍 내에 위치하게 되고, 상기 슬리브는 가변 외부 직경을 지니며 상기 윈도우는 외부 직경이 상대적으로 작은 슬리브의 단부에 위치하게 되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
11. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 윈도우들을 지니는 적어도 2개의 하우징 부분을 포함하고, 상기 하우징 부분은 내부 챔버 부분이 설치된 후에 서로 용접되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
12. 제11항에 있어서,
    상기 챔버 내에는 적어도 하나의 재귀 반사기(retroreflector)가 예를 들어 상기 플라즈마 방사 영역에 중심이 있는 구면 미러 형태로 배치되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
13. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 외부에는 용접부들이 있는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
14. 제1항에 있어서, 플라즈마 점화 수단은, 연속 작동 모드에서 상기 챔버 내 가스 압력이 약 50bar 이상이며 상기 챔버의 내부 표면 온도가 적어도 600K인 동안, Q-스위칭 모드에서 그리고 자유 실행 모드(free-running mode)에서 2개의 펄스 레이저 비임을 생성하는 고체 레이저 시스템인, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
15. 제1항에 있어서,
    상기 CW 레이저 집속 비임은 상방 수직으로 상기 챔버 내로 안내되고 상기 하우징의 상단 벽은 상기 플라즈마 방사 영역으로부터 5mm 이하의 거리에 위치하게 되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
16. 제1항에 있어서,
    상기 CW 레이저 비임을 집속시키는 렌즈와 플라즈마 방사 비임을 출력하는 윈도우는 플라즈마 방사 영역으로부터 5mm 이하의 거리에 위치하게 되는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
17. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우는 상기 윈도우를 통과하는 플라즈마 방사 비임의 광선 경로를 왜곡하는 수차(aberration)를 줄이고 상기 챔버에서 진출하는 플라즈마 방사 비임의 개구 각도(angular aperture)를 줄이도록 구성된 렌즈인, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
18. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방사 비임의 방향은 상기 플라즈마 방사 영역을 통과한 연속파(CW) 레이저 비임의 방향과는 다른, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
19. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 하우징은 직사각형 프리즘으로서 설계되고, 상기 CW 레이저 집속 비임과 상기 플라즈마 방사 비임은 플라즈마 방사 영역에서 교차하는 상호 직교 축을 지니는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.
20. 제1항에 있어서,
    상기 하우징에는 상기 챔버에 가스를 채우고 상기 챔버 내 가스의 압력 및 조성을 제어하도록 설계된 밀봉된 가스 입구 또는 가스 포트가 포함되어 있는, 레이저 펌핑 플라즈마 광원.