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초고집적 반도체 기술 차세대 기억소자 공동개발사업( )最 終 硏 究 報 告 書
차년도(3 )
엑사이머 레이저 기술개발(ArF)(Development of Excimer Laser (ArF) Technology)
연구수행기관 경희대학교:
한국전자통신연구소
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알 림본 연구보고서는 초고집적 반도체기술 차세대기억소(자 공동개발사업 차년도 최종연구보고서로서 공동개) 3발사업 수행용으로 한정하여 사용되며 총괄연구기관,한국전자 통신연구소 의 사전 승인없이 대외유출 홍( ) ,보 또는 복사할 수 없음을 알려드립니다.
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제 출 문
한국전자통신연구소장 귀하
본 보고서를 초고집적 반도체기술 차세대 기억소자 공동개발사업 엑사이머 레이저( ) (ArF)기술개발과제의 차년도 최종 연구보고서로 제출합니다3 .
년 월 일l992 3 31
연구수행기관 : 경 희 대 학 교과제 책임자 : 이 주 희참여 연구원 : 박득일 류한용
이용우 박홍진박찬봉 박기홍정진안
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요 약 문
제목1.초고집적 반도체기술 차세대 기억소자 공동개발사업 중 엑사이머 레이저 기술개발( ) (ArF )
연구개발의 목적 및 중요성2.가 연구개발의 목적.
이상의 제조공정에 사용할 엑사이머 레이저 스텝퍼의 광원으로 적합16/64 M-bit DRAM한 엑사이머 레이저의 개발을 목표로 한다ArF .
나 연구개발의 중요성.초고집적 반도체의 서브 마이크로 리소그래피의 광원에는 고압 수은등의 선 또는 엑사이머i레이저를 사용할 수 있다 그러나 선은 경제성 면에서 유리하지만 렌즈계의 개구율 제약과. I촛점심도가 얇은 것 또한 한단계 높은 용량의 반도체 리소그래피에는 한계성을 갖고 있다는단점 때문에 이의 대체기술로써 최근 엑사이머 레이저 광원이 주목을 받고있다 광 리소그.래피에 적합한 레이저는 출력의 안정화와 장치의 장수명화 레이저 빔의 협대역화 등의 기,술을 확립함으로써 실현 가능하다 최근 이것을 실용화 하고자 하는 연구가 매우 활발하고.특히 좀더 짧은 파장의 레이저를 개발하여 반도체 초고집적화의 경향과 일치시키고자 하는바의 목표이다 이와같은 측면에서 고반복 엑사이머 레이저의 개발을 선진 각국은 적. ArF극적으로 추진하고 있다.레이저의 고성능화는 레이저 장치와 빔의 품위의 두 측면에서 이의 요소 기술을 확보하는데에 열쇠가 있다 그러나 이와같은 요소기술은 매우 고부가가치이고 복합적이며 진부화가. ,빠른 최첨단 기술이므로 선진국에서 기술이전은 기대할 수 없다 따라서 자체적인 기술개발.만으로 실현 가능하다 우리나라에서도 지금까지 이에 대한 기초연구가 부분적으로 시행된.바 있고 또한 본 연구의 차년도 과제에서는 종합적인 연구가 시행되었다 이와 같은 연구2 .의 실적을 좀더 체계화하고 그 수준을 향상시킬때 고성능 레이저의 국산화는 실현 할 수 있다.따라서 본 연구의 결과는 레이저 및 이에 관련되는 첨단산업에 큰 임펙트를 줄 수 있다는사실때문에 매우 중요한 의미를 갖는다.
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연구의 내용 빚 범위3.본 연구는 고반복 엑사이머 레이저와 이의 여기전원을 개발하고 엑사이머 레이저ArF , ArF빔의 협대역 시스템을 설계하고 방전여기 엑사이머 레이저 시뮬레이션 등에 관한 내용ArF으로 연구범위가 정해져 있다.가 고반복 엑사이머 레이저 개발. ArF
예비전리 방전여기 방식의 고반복 엑사이머 레이저를 설계제작하고 장치의 설계UV - ArF ․파라메터 및 레이저 특성을 분석하고 최적의 설계값을 제시한다.나 고반복 엑사이머 레이저 여기전원의 개발.
엑사이머 레이저의 고반복 여기에 적합한 여기전원을 장수명화 및 출력 안정화를 목표ArF로 개발하고 장치의 설계 파라메터 및 출력특성을 분석하고 최적의 설계값을 제시한다.다 엑사이머 레이저 협대역화 시스템 개발. ArF고집적 반도체의 광 리소그래피에 적합하도록 레이저 빔의 스펙트럼을 협대역화 하는 시스템을 설계하고 예상되는 레이저 빔의 대역폭을 제시한다.라 방전여기 엑사이머 레이저 시뮬레이션. ArF레이저 특성을 수치해석 하기위한 시뮬레이션 프로그램을 개발하고 레이저 매질의 파라메,터 및 레이저 출력을 계산하여 제시한다.
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연구개발 결과 및 활용방안에 관안 건의4.가 연구결과.
차세대의 초고집적 반도체 소자의 제조공정에 적합하도록 고반복 엑사이머 레이저(1) ArF를 개발하였다 이의 출력에너지는 단펄스 때 이고 고반복동작때. 117.7 mJ , 10pps 0.53 W를 얻었으므로 반복주파수 에서는 이상의 평균출력을 기대할 수 있다 이와200 Hz 10 W .같은 결과는 매우 높은 수준의 기술축적을 이루었고 고성능 레이저의 국산화 가능성을 제.시하였다.
고반복 엑사이머 레이저에 적합한 여기전원으로써 전고체소자 자기펄스압축시스템을 개(2)발하였다 최종단 자기펄스 압축모듈에서 출력이득은 펄스폭 에서 배로 증폭. 180 ns 34.4된다 더욱이 반복주파수에서 출력전류의 변동율은 로 매우 안정된 고성능의 펄. 200Hz 3%스여기 장치이므로 실험에서 얻은 제반 파라메터는 기술발전에 크게 기여할 것이다, .
광 리소그래피에 적합하도록 레이저 빔을 협대역화 할 수 있는 시스템을 설계하였다(3) .또한 스펙트럼계측시스템으로 시스템이 설계되Acton Research AM-510 monochrometer었으므로 스펙트럼 측정때 예상되는 최소의 협대역 폭은 이다0.1 pm .
방전여기 엑사이머 레이저 시뮬레이션 본 연구에 의하여 개발된 고반복 레이(4) ArF ArF저 및 이의 주변 장치와 기술들은 제조공정용 엑사이머 스템퍼 광원의 실용화에 직접VLSI활용할 수 있다 또한 실험에서 얻은 설계 파라메타 및 제작기술들은 엑사이머 레이저의 국.산화에 직접 활용할 수 있다.나 활용방안.본 연구에 의하여 개발된 고반복 레이저 및 이의 주변장치와 기술들은 제조 공ArF VLSI정용 엑사이머 레이저 스텝퍼 광원의 실용화에 직접 활용할 수 있다 또한 실험에서 얻은.설계 파라메타 및 제작 기술들은 엑사이머 레이저 국산화에 직접 활용할 수 있다.
기대효과5.본 연구의 결과는 국내의 레이저 개발기술과 펄스파워 기술개발에 크게 활용 될 것으로 기대된다 또한 원 자외 영역 파장의 광학계 개발 초정밀 가공기술에도 기여하고 특히 레이. , ,저 분야의 고급인력양성에도 기여할 것으로 기대된다.
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SUMMARY
1. Project TitleDevelopment of Excimer Laser (ArF) Technology
2. Project and Signification1) Project ObjectWe set a goal of the development of ArF excimer laser which are suitable for alight source of excimer laser stepper.
2) Project significationsExcimer laser or i-line of mercury lamp are used as the light source of submicrolithography for VLSI semiconductor. Thought economic advantage of i-line, theexcimer laser is very interested because of its merit such as the super-intergratedquality by its short wavelength, etc.
3. Contents and ScopeThe Contents of its research are the development high - repetition rate ArFexcimer laser and power source, the design of ArF excimer laser beam narrowingsystem, and the simulation analysis of discharge excited ArF excimer laser.
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4. Result and Discussion1) We have developed the high-repetition rate ArF excimer laser which suitable tothe manufacturing process of supper-intergrated semiconductor device. The outputenergy of ArF laser is 117.5 mJ in pulse and the power is 0.53 W in l0 ppsoperating.2) We have developed the all-solid-state magnetic pulse compression system forpumping high repetition rate excimer laser. In the last module, the compressionratio, current gain, pulse duration, and peak current are 60, 54, 15 ns, and 5.4 kA,respectively3) We designed beam narrowing system for optical lithography The smallestnarrowing bandwidth is expected 0.l pm, when we analyze the spectrum of ourlaser.4) We have developed simulation program of discharge excited ArF laser. Weobtained the successful result in computer simulation. As a result, this is veryuseful for the analysis of laser characteristics which one can't examine througt theexperiment.
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5. ExpectationThe results in this study are applying to the development of laser technology andpulse power technology in the countury, and our results are contributing to ultrafineprocessing and optical science.
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CONTENTS
1. IntroductionReferences
2. Development of high-repetition rate ArF excimer laser
2-1. Characteristics of discharge excited ArF excimer laser2-2. Basic method of laser system2-3. Fabrication drawing and components of laser system2-4. Output characteristics of high repetition rate ArF excimer
laserReferences
3. Development of power source for pumpinghigh-repetition rate excimer laser
3-1. Characteristics of power source for pulse laser3-2. Development of an all-solid-state magnetic pulse coInpression
system3-3. Development of Thyratron switching systemReferences
4. Development of ArF excimer laser beam narrowingsystem
4-1. Design of ArF excimer laser beam narrowing system4-2. Design of spectrum analysising systemReferences
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5. Simulation of discharge excited ArF excimer laser5-1. Background5-2. Kinetics of discharge excited ArF excimer laser5-3. Computer modelinf5-4. Results of simulationReferences
6. Conclusion
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목 차
제 장 서 론1참고문헌
제 장 고반복 엑사이머 레이저의 개발2
제 절 방전여기형 레이저 특징1 ArF제 절 레이저장치의 기본방식2제 절 레이저장치 제작도면 및 제원3제 절 고반복 레이저 출력특성4참고문헌
제 장 고반복 엑사이머 레이저 여기전원3
제 절 펄스 레이저 여기전원 특징1제 절 전고체소자 자기펄스압축시스템 개발2제 절 싸이라트론 스위칭 시스템 개발3참고문헌
제 장 엑사이머 레이저 펄스 협대역화 시스템 개발4 ArF
제 절 협대역화 시스템 설계1제 절 스펙트럼 측정 시스템 설계2참고문헌
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제 장 방전여기 엑사이머 레이저 시뮬레이션5 ArF
제 절 연구배경1제 절 방전여기 의 발진이론2 ArF제 절 모델설정3제 절 프로그램 실행 결과4참고문헌
제 장 결 론6
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제 장 서 론1
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제 장 서 론1
엑사이머 레이저는 자의영역에서 짧은 파장 고효율 및 대출력으로 발진하고 있으므로 실용,화와에 대한 기대는 매우 크다 현재 산업 분야에서 초정밀 가공용으로 급속히 실용화가 진.행되고 있다.종전의 레이저와Nd:YAG CO2 레이저 등은 원적외 영역의 파장에서 열작용을 사용하였으나 광자 에너지가 매우 큰 엑사이머 레이저는 광학화 반응을 사용할 수 있으므로 새로운,응용기술이 점차 개발되고 있어서 매우 기대하는 레이저이다.[1.1]펄스 레이저를 실용화 함에 앞서서 해결되어야 할 중요한 과제는 고속 반복에 의한 평균 전력의 증가 고속 반복을 실현할 수 있는 여기전원 가스 순환장치 및 방전의 안정화 등이다, , .더욱이 생산성과 경제성이 우선되는 실장치에서는 장시간 고반복의 동작 책무가 필수적 조-건이다.펄스 레이저의 반복동작을 시도하기 시작 한 것은 방전여기의 레이저가 발진 되었을 때 부터이다 년대 초에는 레벨의 연구가 시도되어었다 실용적인 고속반복. 1980 KHz .[1.2,1.3],레이저는 년대 후반에 개발되었고 등은 소형의 레이저로 가스유속 를 발1980 , Hotta 40m/s생시켜 를 얻었다XeCl 3KHz .[1.4].최근 고집적반도체 까지의 는 전자빔 및 선 방법보다 원자1 G-bit DRAM Lithography X의 영역 파장의 레이저광 방법이 가장 실용적이라는 전망 에 따라 고반복 동작의 엑사[1.5]이머 레이저는 매우 주목을 받고 있다 이와같은 전망은 에 관련되는. Optical Lithography기술으로서 레이저 광원 및 들이 매우 높은 수준에 이르러 실용화 단계에 도달한, Resists것에 반하여 전자빔 및 선 방법은 크게 발전되지 못한 것에 근거 한다X . Optical
기술로써 주목되는 중요 과제는 높은 신뢰도의 고반복 엑사이머 고감도Lithography Photo대구경 다층 또는resists, Phase shifting masks, Stepper, resists processing, Top
등이다surface imaging .
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더욱이 실용화에 적합한 고반복 엑사이머를 개발하는데 필요한기반기술은 레이저 가스 및장치의 장수명화 전고체소자 방식의 여기전원 개발 레이저 빔의 대구경화 및 균일화 레이, , ,저 빔의 협대역화 등이다.전술한 바와 같이 이와 같은 기술들은 빠른 속도로 발전되어 차세대의 Optical
광원으로써 레이저 에 이어 레이저 가 실용화 단Lithography ArF (193nm) F2 (157 nm)계에 있다 물론 이와같은 광원들은 이상의 제조 공정에[1.6]. 256 M-bit ~ G-bit DRAM서 연 선 방법과 경합할 것으로 기대된다 그림 은X [1.5]. ( 1.1) Rose Associates, Los
에서 예측한 수요의 도표이다Alfos, California U.S.A Submicrometer Optical Stepper주목되는 것은 수은등 로 년에 의 생산을 시작하여[1.5]. g line Stepper 1989 1 M-bit IC
년에는 로 의 최대 생산에 도달하는 것에 있다 즉 장기간에1994 i line Stepper 16 M-bit .걸쳐 축적된 기술은 차세대 의 기반기술이 되고 또한 차세대 고집적Stepper LW Stepper ,반도체 제조긍정의 중요한 흐름을 형성할 수 있다.본 보고서는 차세대 기억소자 공동개발사업의 차년도 연구과제 엑사이머 레이저 기3 (ArF)술개발의 결과에 대하여 서술한다 연구는 이의 목적에 부합되게끔 용 노광장. Lithography치 광원으로써 엑사이머 레이저와 이의 주변장치에 대하여 연구 되었으며 본 보고서의ArF기술순서는 고반복 레이저 개발 고반복 여기전원 개발 펄스 협대역 시스. ArF , . , .① ② ③템 개발 레이저 시뮬레이션의 순으로 한다, . ArF .④
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그림 서브마이크로 의 수요예측( 1.1) ICs
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참 고 문 헌
[1.1] Ch.K.Rhodes,ExcimerLasers,Springer-Ver lag N.Y.(1983), Page 87.[1.2] C.P.Wang and D.L.Gibb, IEEE J.Buantum Electron. QE-15, 318 (1979)[1.3] T.S.Fahlen, lEEE J.Quantum Electron, QE-16, 1260 (1980)[1.4] K.Hotta, S.I to and M.Arai, Tech. Dig. Conf. Lasers and Electro-Optics (CLEO'90). Anaheim(1990), P.346[1.5] G.E.Flores and B.Kirkpatrix, Optical Lithography, Stalls X-rays, IEEESpectrum, 28(10), 24(1991)[1.6] Lambda Highlights No.33 (Feb.1992), page 3
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제 장 고반복 엑사이머 레이저의 개발2
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제 장 고반복 엑사이머 레이저의 개발2
제 절 엑사이머 레이저 특징1 ArF방전여기 엑사이머 레이저는 년에 이 처음으로 발진에 성공한 이래 가장 실1975 Burnham용적인 레이저로 발달되었으며 현재 일본과 구라파는 산업용을 목표로 급에, KW - KHz대해 계획 및 계획으로 개발중에 있다 이와같이 발달된AMTRA EURO LASER [2.1,2.2].것은 엑사이머 레이저가 자외 및 진공자의 영역에서 가장 고효율 대출력이라는 특징 때문,이다 따라서 이의 응용은 신소재의 창성 동위원소 분리 원격탐사 의용 등의 광범위한 분. , , ,야에 걸쳐 발전하고 있다 더우기 레이저는 이상의 광 리소그래피 광원. ArF 64 M DRAM으로 주목을 받고 있다.그런데 희가스 할로겐 엑사이머 레이저 중에서 레이저는 다른 레이저에 비하면 진공자- ArF의 영역의 단파장 레이저 로서 높은 여기준위( 193 nm ) ( Ar* 에 있고 상: 11.5 eV ) ,준위 엑사이머 수명은 짧고 가장 적은 유도방출 단면적( 4.2 ns ), ( 4 x 10-16 의 특징을)가지고 있다 이와같은 특징은 레이저 여기 전원이 십 급의 빠른 펄스 상승시간과[2.3]. ns수 MW/cm2 의 높은 여기강도의 조건을 갖추어야 한다 또한 레이저 용기내의 레이저 헤드.에서의 전기 방전은 매우 안정된 그로우방전을 유지할 수 있어야 하고 레이저 헤드의 루우,프 인덕턴스는 짧고 레이저 용기의 내부는 불화성 반응이 거의 없는 내불성 자재로 구성해,야 한다.더우기 레이저광은 래이저 헤드내에 있는 잔류 공기등의 불순물 또는 염산기에 대한ArF흡수력이 다른 엑사이머 레이저에 비해 매우 크기 때문에 발진 조건도 매우 까다로운 조건을 가지고 있다.반도체의 광 리소그래피에 적합하도록 장수명 안정출력의 고반복 동작을 달성 하려면 전술- ,한 바의 전기 화학적인 특성 이외에 전기방전 상태하에서 레이저 매질의 유동 즉 유체의- , ,동력학적 안정성을 이룩하여야 한다 현재까지 많은 연구가 발표되지는 않았으나[2.4]. ,
급의 고반복 동작을 해야 하는 엑사이머 레이저의 경우 유체의 동력학은 출력에 대한KHz중요한 매개변수가 된다.본 장에서는 연구 목적에 적합하도록 고집적 반도체의 광리소그래피용으로 개발된 레ArF․이저 장치에 대하여 연구 개발된 내용과 이의 레이저 출력특성을 보고한다.
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제 절 레이저 장치의 기본 방식2레이저 공진기 및 스위치1. Thyratron엑사이머 레이저 장치의 기본방식은 고반복 동작에서 출력의 안정과 및 고효율화를 달ArF
성할 수 있는 급의 개발을 목표로 두고 이에 적합하도록 광 예비전리 용량이10 Watt UV -행형의 방전여기방식을 택하였다 그림 은 기본방식에 대한 이다. ( 2.1) Schematic diagram .광의 예비전리는 콘덴서에 직렬 연결된 아아크 핀에서 발광하는 광에 의해UV peaking UV
이루어지고 아아크 핀의 전기방전은 충전 콘덴서의 전하가 콘덴서에 이동할 때 발, peaking생한다 따라서 아아크 핀의 음 양극은 침봉형으로 하여 전의경도를 극대와 하였다 아아크. , .핀은 주방전 전극의 양쪽에 균일하게 간격으로 각각 개를 배열하였다20 mm 31 .주전극은 영으로 제작하고 음극의 폭을 양극의 폭보다 넓게 하여 균일방전을Ernst profile달성할수 있도록 하였고 또한 전극모서리에 전위 경도가 집중되지 않도록 하였다 설계된, .의 값은K K0 = 0.15, K1 = 2.81 x 10-3, K2 = 3.75 x 10-5 이다 음양의 주 전극간격은. ․
로 조정되어 방전 유효체적은20 mm 96 cm3 이다(20 x 8 x 600) .콘덴서는 레이저 용기내에 내장함으로서 주방전의로의 인덕턴스를 최소화 하였다Peaking .
이것은 충전 콘덴서의 전하가 콘덴서에 빠른 시간내에 이승할 수 있도록 즉 빠른peaking펄스 상승시간을 갖도록 하는데 있다 솔레노이드 방정식으로 계산된 주방전. Single turn회로의 인덕턴스는 이다 또한 충전 콘덴서를 포함하는 충전회로의 인덕턴스는6nH . 170 nH으로 주전극에서 최대전력을 공급할 때 형성되는 전기저항은 으로 각각 예측하고 장, 0.2 Ω치가 설계되었다 또한 콘덴서는 레이저가스의 순환 유로에 장해가 되지 않도록. Peaking유로 반대 방향에 설치하였다.레이저를 고반복동작 시키기 위하여 여기전원의 반복구동용 스위치는 을 사Thyratron[2.5]용하였으며 스위치회로는 에 의한 직접제어방식이다 본 보고서의 제 장에서는, Thyratron . 3자기펄스압축 방식과 스위치의 두 방식이 연구되(Magnetic Pulse Compression) Thyratron었으나 자기펄스압축방식은 용량부족으로 레이저 장지의 여기전원으로 사용되지 못하고 실,제 사용된 것은 여기방식이다Thyratron .레이저 공진기의 광학계는 레이저 용기의 양단에 부착된 레이저 창과 레이저 창의 전면에설치된 전반사거울 과 레이저출력거울 로 구성하였다 광학계의 재질은(97%) (18%) . CaF2이고 직경은 이다 또한 공진기의 길이는 이다, 50 mm . 90 cm .본 연구에서 사용된 레이저가스의 조작시스템은 그림 와 같으며 본 연구의 차년도 보( 2.9) 2고서에 상세히 보고 되었으므로 본 보고서에서는 생략한다.
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레이저 가스 순환 장치2.레이저 가스의 고속 순환 장치는 레이저의 고반복동작으로 레이저헤드에서 가열된 가스를순환냉각하기 위한 것이며 수냉식 열교환기와 가스 순환용의 으로 구성하였Line Flow Fan다 이것은 레이저헤드의 양극의 하부에 설치하였으며 단면도는 그림 와 같다. , ( 2.2) .고반복 동작을 하는 방전 여기 방식의 레이저 헤드에는 첫번째 레이저 동작때의 펄스 방전때문에 발생된 잔류물질 즉 할로겐 부이온 금속 증기 이온 절연체 유리물질 또는 충격파, , ,등이 두번째 레이저 동작때의 펄스 방전때 까지 잔류한다 이와 같은 잔류물질은 레이저 광.을 흡수하고 레이저 가스를 오염시키는 주원인이 되어 레이저 출력의 감소 작용을 안다, .일반적으로 이에 대한 대책으로 을 부설하여 가스순환을 한다 가스 순환의Line Flow Fan .기준은 다음과 같은 값으로 정의한다 가스의 이동거리와 방전 분위기내CR(Clearing Ratio) .의 가스폭 즉 방전폭과 동작 주파수의 곱셈 의 비로 실명한다( ) .
방전부의 가스 유속 방전폭 방전주파수CR = (m/s) / ×
은 레이저 용기 내의 고압가스를 순환하고 레이저용기의 외부에 설치된 모Line Flow Fan ,터로 구동하여야 하므로 레이저 옹기의 양쪽 압력을 지탱하고 회전을 할 수 있는 회전자, ,가 필요하다 본 연구에서는 자성유체 형 회전자 를 사용하였. seal (Ferro Fluidic Seal)[2.6]다.
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본 연구에서 설계된 레이저 가스 순환 장지는 방전폭 를 기준하고 반복 동10 mm 200 Hz작할 때 평균출력이 포화점에 도달하도록 설계하였다 따라서 가스유속은. 10 m/s, CR =이다 만약 를 기준하면 평균출력 포화점에서 가스유속 이10 . 125 Hz = 10 m/s, CR = 8
다.전술한 바와 같이 고반복 동작을 할 때 필연적으로 레이저 헤드에는 전기입력이 증가하여발열하고 레이저 가스는 가열된다 따라서 레이저 가스의 변성 가열 전극에서 불순가스의, . ,발생 글로우방전이 아아크 방전에의 이승 등이 발생하여 레이저 출력 특성을 저하시킨다, .이와 같은 가열 가스의 냉각은 일반적으로 가열가스 분위기속에 냉각매질을 순환하는 바의열교환 방법을 사용한다 본 연구의 장치에서는 가스순환 팬의 곁에 냉각수 순환용 배관을.설치하여 열교환 하는 방식을 사용하였다.
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제 절 레이저 장치 설계도면 및 제원3설계도면 및 외형사진1.
레이저 용기의 중요 부품별 설계도면은 그림 과 같다 또한 레이저 가스 순환장치( 2.3~2.6) .의 설계도면은 그림 과 같고 의 회전자가 되는 자속유체 의 구조( 2.7) , Line Flow Fan seal는 그림 과 같다 제작된 장치의 외형 의 외형 구동 스위치( 2.8) . , Line Flow Fan , Thyratron외형은 사진 과 같다( 2-1),(2-2),(2-3) .
장치제원 및 중요 부품들2.레이저 용기①
내부용적 : 260 mm(W) × 275 mm(H) × 720 mm(L)재 료 : SUS-304내압기밀 내불소: O-ring ( )주전극②
형상 및 크기 : Ernst Profile : (K0=0.15, K1=2.8×10-3, K2 =3.75 ×10-5 )음 극 크 기 : 50 mm(W) × 30 mm(H) × 640 mm(L)양 극 크 기 : 30 mm(W) × 30 mm(H) × 640 mm(L)전 극 간 격 : 20 mm(H)재 료 : SUS-304예비전리 핀③
형상 및 개수 침봉형: (3 mmφ 조 열), 31 × 2재 료 : SUS-304핀 간 격 : 20 mm콘덴서④
충전 콘덴서 C1 : 91 nF,( 50 kV, 1.7 nF, TDK Co.)큰덴서Peaking C2 : 64 nF,( 45 kV, 2.0 nF, Murata Co.)
광학계⑤레이저창 : CaF2 인치 직경, 2 , 5 mm(t) (Acton Reserch Co.)레이저거울 : MgF2 인치 직경, 2 , 5 mm(t) (Acton Reserch Co.)T/R = 97 %, P/R = 18 %Thyratron (HY 3202, EG & G)⑥
동 작 전 압 : 32 kV피 크 전 류 : 20 kA전류상승시간: 7ns
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가스순환 및 냉각장치⑦가스순환 fanㆍ
형상 및 크기 : Line flow fan, 630 mm(L)×73 mm(φ)재 료 : Poly Vinyl Chloride (PVC)
회전자Fan (Ferro fluidic Seal)ㆍ방 식 자성 유체 방식: seal최대회전속도 : 3000 rpm최대허용압력 : 5 atm
구동 모터 단상유도 전동기Fan : , 400 W, 1800 r.p.m.ㆍ냉각장치방 식 수냉열 교환 방식:재 료 : SUS-304냉 각 용 적 : 12.7 mm(φ 개) × 720 mm × 5( )
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제 절 고반복 엑사이머 레이저 출력 특성4 ArF실험장치 및 출력파형1.
레이저의 출력특성을 실험하기위한 측정회로는 그림 특성실험에 사용된 엑사이( 2.10), ArF머 레이저 장치의 단면도는 그림 와 같다( 2.2) .회로에서 충전 콘덴서 C1과 콘덴서peaking C2의 비는 C1/C2 이다 또한= 91 nF/64 nF .음극과 양극간 거리는 전극폭은 최소 길이는 이다20 mm, 30 mm, 640 mm .여기전원을 고속으로 반복동작하기 위한 스위치는 전류상승시간 최대 동Thyratron 7 ns,작 전압 이므로 본 연구에서 목표하는 바의 최대 동작 회수 에서는 충분히32 kV 200 Hz안정된 동작을 할 수 있다 레이저 가스는 단일 원통 구조의. Line F1ow Fan, 630mmL×73mmφ을 사용하여 충분히 순환을 하고 가열된 레이저 가스는 수돗물을 개의 냉각5수 배관에 순환시켜 균일하게 상온을 유지할 수 있도록 열교환을 한다.두 전극간의 방전전압은 무유도저항 분압기로 측정하고 레이저출력의 에너지는 단일 펄스,의 경우 고반복의 다중펄스는 로 또한 레이저 펄스Gentec ED-500, Molectron J3 [2.7] ,파형은 로 각각 측정하였다Hamamatsu Biplanar phototube Rl193U .
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레이저 광의 확산각은 구경 의 과 를0.8 mm pin hole Sensor Physics Laser Card[2.8]출력 레이저창의 전면과 레이저창에서 떨어진 거리에 놓고 빔의 공간 분포를 각각 측정1m하여 계산하였다 두 전극간 방전전압의 대표적인 펄스파형은 사진 와 같다. ( 2.4) .사진 는 단일 펄스의 파형이며 충전전압 와 레이저 출력 때이( 2.4(a)) 24 kV 50 mJ/pulse다 사진에서 두번째 펄스는 주전극간의 방전전류에 대응되는 전압 펄스의 파형이고 펄스. ,의 감쇄시간은 이다 또한 사진에서 첫째 펄스는 예비전리용 아아크 핀간의 전압이므65ns .로 광의 방출에 기여 된다 그런데 첫째 펄스의 에너지는 불필요하게 큰 소모를 하고 있UV .는데 이것은 아아크 핀간의 간격을 적절하게 조정하지 않은 것에 원인이 있다 사진.( 2.4(b))는 반복펄스의 파형이며 충전전압 와 레이저 출력 때의 연속펄스이다24 kV 48 mJ/pulse .반복동작때 주전극 방전전압의 각 진폭값은 큰 차이 없이 일정한 값으로 유지되고 있다.레이저 출력의 펄스파형은 사진 와 같다 사진 는 단일 펄스파형이며 충전전압( 2.5) . ( 2.5(a)) ,
레이저 출력 때의 값이다 이때 펄스폭은 이다 또한24 kV, 52 mJ/pulse . 18 ns[FWHM] .사진 는 반복동작때 출력에너지의 펄스파형이며 충전전압 레이저 출력에너( 2.5(b)) 24 kV,지 때 이다 반복동작때 출력에너지의 진폭은 약 로 변동을 하고 있다52 mJ/pulse . ±10% .
레이저 출력 및 여기밀도의 가스농도 의존성2.레이저 출력의 가스농도 의존성을 파악하기 위하여 그림( 2.11) F2농도에 대한 레이저 출력 그림 전체가스농도에 대한 레이저 출력 그림 전체가스농도에 대한 여기. ( 2.12) . ( 2.13)밀도와 같이 각각을 분석하였다.농도에 대한 출력의 변화는F2 F2 농도 에서 최대 출력이 발생되고 이상에서0.3% . 0.3%
는 출력은 감소한다 이것은. ArF* 엑사이머 형성에서 제외된 바의 과잉 F2가 생성하는 와FF-가 생성된 엑사이머를 흡수하기 때문이다 이것들의 흡수단면적은 각각. 1.2 × 10-21cm2,5.6 × 10-18cm2이 되어 매우 큰 값이다. ArF*의 흡수 및 탈여기 작용은 레이저 출력의 감소현상에 이르는 것으로 설명하고 있다 또한 다른 이유를 찾으면 과잉[2.9]. F2는 부성가스이고, 1.0 × 10-l 의 낮은 직류 절연파괴 특성을 갖고 있으므로kV/cm Torr , F2 농도의증가와 함께 주전극간의 방전을 불균일하게 하는 것으로 설명된다.가스의 총 압력에 대한 레이저 출력의 변화는 가스압력 기압에서 최대출력ArF 4 117.5
에 이르고 그 이상의 기압에서는 레이저 출력은 포화상태에 이른다 동일한 레이mJ/pulse , .저 헤드를 사용하여 레이저를 발진 하였을 때 최대출력은 이다 이것은KrF 174 mJ/pulse .
레이저의 최대출력 때 보다 의 증가가 된다ArF 48% .이와같은 증가는 레이저 출력을 결정하는 바의 레이저 매질의 소신호 이득으로 설명할 수있다 일반적으로 소신호 이득은. g0 = σ τη․ ․ (P/E0 의 관계에서 를 일정히 할 때) P στ 에 비례한다. στ 의 값은 레이저는KrF 17 (Å2 레이저는-ns) ArF 12 (Å2 이므로-ns)[2.3] KrF레이저의 경우가 레이저 보다 크므로 이값은 레이저 출력 의 증가에 대응ArF 42% , 48%된다.
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이와같은 관계에서 보면 여기밀도 를 일정히 유지할 때 출력이 증가되는 주원인은 소신호P이득에 있고 레이저 용기의 영향은 적다고 할 수 있다.가스의 총 압력에 대한 여기밀도의 변화는 최대출력 때 가스압력 기압을 기준하면4 ArF레이저는 4.02 MW/cm3 이다 또한 레이저는. KrF 1.6 MW/cm3 이 되어 이값은 레이ArF저 여기밀도보다 정도로 매우 적다 이와같이 레이저에 따라 높은 여기밀도를 필요로40% .하게되는 원인은 방전 여기방식으로 엑사이머를 생성할때 주요 은 이온 에channel channel의존하므로 희가스 엑사이머 레이저에서는 이온화 에너지의 크기에 의존하는 것에 있다 즉.이온화 에너지는 이 이 이므로 여기밀도는 레이저의 여Ar 1.5 eV, Kr 14.0 eV [2.10] ArF기밀도가 레이저보다 매우 커야된다KrF .
레이저 출력의 여기전압 의존성3.레이저 출력에 대한 여기전압 의존성을 파악하기 위하여 측정된 바를 그림 전체가스( 2.14)압력에서 충전전압에 대한 레이저 출력 그림 전체가스압력 기압에 대한 레이저, ( 2.15) 3출력 그림 전체가스압력에 대한 절연 파괴전압 그림 에 대한 레이저 출력. ( 2.16) , ( 2.17) E/P과 같이 각각에 대하여 분석하였다.전체가스압력을 변화 시켰을 때 충전전압에 대한 레이저 출력은 기압까지 선형적으로3.5증가한다 만약 전체가스압력을 기압 이상으로 증가시키면 레이저 출력은 더욱 증가할. 4것으로 기대된다 이와 같은 관계는 전체 가스압력 기압 때 충전전압에 대한 레이저출력. 3의 관계에서도 동일하게 설명된다 즉 충전전압 까지 레이저 출력은 거의 선형적으. 36 kV로 변화한다.충전전압에 대한 절연 파괴전압의 관계는 전술한 경우보다 매우 완만한 증가의 추세를 이루고 있지만 포화상태에 이르지는 안고 있다 전체가스압력에 대한 절연 파괴전압의 관계에서.도 레이저는 레이저는 까지 선형적인 변화가 되는 것을 보이고 있ArF 27 kV, KrF 25 kV다.에 대한 레이저 출력의 관계에서도 전술한 바와같이 충전전압을 증가시킬 때 레이저 출E/P ,
력의 증가가능성을 설명하고 있다 의 최대값은 때 이며 실험. E/P 4 kV/cm atm 104 mJ ,ㆍ장치의 제약으로 최대값의 변곡점은 제시되지 못했다 만약 레이저 장치의 절연 파괴전압.레벨을 한단계 더욱 높게 설계하면 레이저 출력은 더욱 증가되고 또한 효율은 향상할 것으로 예견된다.
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에너지 효율의 레이저가스압력 의존성4.레이저 효율의 전체가스압력에 대한 의존성을 파악하기 위하여 그림 과 같이 총효율( 2.18)ηt 에너지 이승율. η% 실효율, ηa 의 관계를 살펴본다 여기서 각 효율은 다음과 같이 정의.한다.총효율 (ηt 출력 차입력) = ( mJ) / (1 C1V12)실효율 (ηa 출력 차입력) = ( mJ) / (2 C2V2)이승율 (η%) = ηt / ηa레이저 주전극의 방전회로에서 실효율은 이며 이때 주전극간 전압은 전체0.61% . 24 kV,가스압력은 기압3 (F2 이다 차측 입력에 대한 레이저 출력의 비로 정/Ar/He=0.3/6/93.7) . 1의되는 총효율은 전체가스압력 기압에서 를 표시하고 있으나 완만한 증가 추세4.0 0.2% ,를 보이고 있다.충전 콘덴서에서 콘덴서로 에너지가 이승되는 비율은 총 효율의 변화에 크게 의존Peaking되어 전체가스압력 기압에서 이며 계속 증가 경향으로 변화하고 있다4 37% .레이저의 최대출력 은 레이저 헤드의 총 용적117.5 mJ 96 cm3에 대하여 이다1.22 J/ .ℓ
실험에서는 총 용적Miyazaki 116cm3 에 대하여 실험에서는 총 용적3.6 J/ [2.11], Szeℓ76 cm3 에 대하여 을 각각 보고하고 있다 이와같은 보고에 비하여 본 연1.38 J/ [2.12] .ℓ구에서 개발된 장치는 출력의 최적화가 실현되지 않은 관계로 실효율이 낮은 것처럼 도J/ℓ적은값을 나타낸다.
레이저 빔의 공간분포 특성5.레이저 빔의 공간분포 특성을 측정한바 그림 와 같다 빔의 발산각은 축 방향ArF ( 2.19) . X
에서는 축 방양에서는 이다3 mrad. Y 5 mrad .축 방향의 패턴은 근거리와 원거리에서 모두 비슷한 가우시안 형태를 나타내고 있다 이것X .은 레이저 주전극 음양극 간격은 일정하고 전극형태는 빔의 축 방향의 공간 분포를 가우( , ) X시안으로 만드는데 적합할 정도로 제작된 것으로 설명할 수 있다.그러나 축 방향의 패턴은 레이저 창의 근처에서는 빔의 중심부가 약간 패여 있는 형태이Y나 원거리에서 빔의 중심부는 자기접속효과에 의해 약간 평탄해져 있다 이것은 주전극의, .형태가 축 방향에서는 대칭적인 에 미달되고 있는 것을 설명한다Y Ernst Profile .
로 측정된 빔의 공간 분포는 그림 의 및 와 같다Laser Card(Sensor Physics) ( 2.19) (c) (d) .그림 는 종방향 음 양극 으로 두개의 모드가 형성되어 있는데 이것은 전술한 바의 축(c) ( , ) Y방향의 레이저빔 패턴과 같은 형태의 것으로 설명할 수 있다 레이저 창의 바로위에서 측정.한 레이저빔의 공간분포는 이므로 이것은 빔의 유효 단면적8 mm(w) × 2.0 mm(h) 16mm2 이다.
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고반복 동작시 평균전력6.고반복 동작시의 주전극간 방전전압 파형과 레이저 출력파형은 사진 및 에 표시( 2.4) (2.5)하였다 그림 에는 고반복 동작할때 레이저 출력의 가스순환 의존성을 표시하였다. ( 2.20) .그림에서 가스순환하지 않을때 레이저 출력은 가스순환을 함으로써 레이저 출력은 증가하여
에서는 배 에서는 배의 증가를 달성한다 반복률6.4 pps 1.33 , 10 pps 1.67 1.8 . 6.4 pps～와 에 대응되는 가스유속은 각각 이고 또한 평균출력은 각10 pps 1.8 m/s, 5.4 8.9 m/s ,～각 이다 또한 가 보고한 바의 반복주파수에 대6.4 P.U,8 7.9 P.U . K.Haruta and H.Nagai～한 평균 출력의 관계와 비교하면 낮은 반복 주파수 영역에 거의 일치 된다, .이와 같은 실험결과는 때 의 평균 출력으로 대응된다10 pps 0.53 W .본 연구에서는 장치의 체약으로 때 의 평균출력을 얻었으나 반복 주파수10 pps 0.53 W .를 실제목표의 수준으로 증가하면 레이저 출력은 이상으로 증가될 것으로200 Hz 10 W예상한다.
그림 광 예비전리 용량이행형 반전여기회로( 2.1) UV -
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그림 고속반복 레이저장치 단면도( 2.2) ArF
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그림 레이저장치 설계도면( 2.3) (1)
그림 레이저장치 설계도면( 2.4) (2)
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그림 레이저장치 설계도면( 2.5) (3)
그림 레이저 주전극 설계도면( 2.6)
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그림 레이저장치 전체 구성도( 2.7)
그림 자성유체 형 회전자( 2.8) Seal
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그림 가스배관계( 2.9)
그림 전체 시스템( 2.10)
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그림( 2.11) F2농도에 대한 레이저 출력 변화
(Ar concentration 6%, Total pressure 2.5atm)
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그림 및 레이저의 전체가스압력에 대한 레이저 출력 에너지( 2.12) KrF ArF충전전압 가스혼합비( 36kV, F2/Kr/He=0.2/3/96.8(%), F2/Ar/He=0.3/6/93.7(%))
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그림 및 레이저의 전체가스압력에 대한 여기밀도( 2.13) KrF ArF충전전압 가스혼합비( 36kV, F2/Kr/He=0.2/3/96.8(%), F2/Ar/He=0.3/6/93.7(%))
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그림 각 압력에서의 충전전압에 대한 레이저 출력( 2.14)
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그림 전체 가스압력 에서 충전전압에 대한 레이저( 2.15) 3atm출력과 방전관 절연파괴전압................(Gas Mixture F2/Ar/He=0.3/6/93.7(%))
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그림 및 레이저의 전체가스압력에 대한 절연파괴 전압( 2.16) KrF ArF충전전압 가스혼합비( 36kV, F2/Kr/He=0.2/3/96.8(%), F2/Ar/He=0.3/6/93.7(%))
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그림 에 대한 레이저 출력 변화( 2.17) E/P
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그림 전체 가스압력에 대한 총효율( 2.18) ηtC1/C2의 에너지 이승효율 η%레이저헤드 실효율 η 의 의존성a
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그림 레이저창과 창에서 거리에서 레이저빔의 공간분포( 2.19) 100cm는 레이저빔의 축방향 는 레이저빔의 축방향(a) X , (b) Y
는 레이저 창에서의 빔 패턴 거리에서 빔 패턴(c) , (d) 100cm
그림 레이저 출력의 반복 주파수 의존성( 2.20)
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표 레이저 중요 부품표< 2.1 > ArF chamber부품번호 품 명 재 질 수 량1 레이저관 본체 SUS-304 12 캐소드 지지판 〃 13 덮 개 〃 14 아노드 지지판 〃 15 가스 순환통 〃 16 콘덴서 지지판 〃 17 콘덴서 연결판 〃 28 캐소드 전극 〃 19 아노드 전극 〃 110 전극 지지봉 Teflon 811 예비전리핀 덮개 〃 64
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12 예비전리핀 A SUS-304 64
13 예비전리핀 B 〃 64
14 레이저창 용 프렌지 〃 2
15 고전앞 절연봉 Teflon 5
16 고전앞 연결봉 SUS-304 5
17 콘덴서storage TDK UHV-12 A 54
18 콘덴서peaking 〃 38
19 싸이라이트론 HY-3202 1
20 레이저창 및 거울 CaF2 2
21 충전저항 권선형 1 kΩ 1
22 구동 모터Fan 단상 유도 전송기 1
23 자성유체 seal SUS-316 1
24 Line cross flow fan PVC 1
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사진 고속반복 레이저 장치의 외형( 2.1) ArF
사진 외형( 2.2) Line cross fan
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사진 구동스위치 외형( 2.3) Thyratron
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사진 주 전극간 방전 전압의 펄스파형( 2.4)
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사진 레이저 출력 에너지 펄스파형( 2.5)
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참 고 문 헌
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제 장 고반복 엑사이머 레이저 여기전원3
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제 장 고반복 엑사이머 레이저 여기전윈3
제 절 펄스 여기전원의 특징1원자외 영역에서 발진하는 엑사이머 레이저는 펄스 에너지가 크고 파장이 짧기 때문에 반,도체 미세가공 동위체 분리 재료 및 표면 가공 분광학 등 여러 분야에서 주목을 받고 있, , ,다 그러나 엑사이머 레이저의 실용화와 광범위한 응용을 위해서는 장치의 고성능화가[3.1].필요하다 특히 고반복 동작을 할 수 있는 레이저 여기전원의 개발과 이의 장수명화가 중요.한 과제이다 여기전원의 수명을 결정하는 요소는 스위칭 소자에 있으므로 이것을 전[3.2].고체 방식으로 대체하여 반영구적인 것으로 하고자 하는 연구가 최근의 경향이다.레이저 여기전원의 제어에 사용하는 스위치의 종류는 스파크 갭 싸이라트론과 같은 방전관,형 마그네틱 스위치 같은 자기형 그리고 싸이리스터 와 같은 반도체형 등이 있다, , (SCR) .방전관영 스위치는 전극의 부식 및 봉입가스의 열화로 인해 수명이 최대 107 10～ 9 동작으로 제한된다[3.3].마그네틱 스위치는 강자성체의 비선형 포화시에 발생하는 특성을 이용한 것으로 고반복 동,작과 장수명의 특징이 알려져 있다 마그네틱 스위치는 년 이 레이다 시스템의. 1951 Melville제어에 처음 사용하였고 그 후 싸이라트론과 반도체소자의 개발로 인해 그 사용분야는 제,한되었다 최근 펄스 레이저장치의 장수명화 문제가 제기되면서 반복동작 및 장수명화의 측.면에서 특성이 우수한 자기스위치가 새로운 레이저 여기전원으로 관심의 대상이 되고 있다.최초로 마그네틱 스위치가 레이저장치에 사용된 것은 싸이라트론 보조 스위치의 형태이다
자기스위치는 싸이라트론의 아노드전압이 낮은 값으로 떨어질 때까지 싸이라트론에[3.4].흐르는 전류를 지연시킴으로써 싸이라트론의 손실을 감소시키는 역할을 하게된다 이러한.기술은 싸이라트론의 수명을 연장시키고 또한 싸이라트론의 사용 영역을 확장시켜 주었다, .이와 같은 방식을 엑사이머 레이저에 응용한 예는 등의 레이저 여기회로Smilanski XeCl
등의 청록색 레이저 여기회로이다[3.5], Chu HgBr [3.6]고체 자기스위치 방식으로 엑사이머 레이저를 여기한 예는 의 보고 와Butcher [3.7]
의 보고 를 들수 있다 등은 레이저 여기용으로 단의 자기펄스Shimada [3.8] . Shimada KrF 3압축회로를 개발하였다.따라서 본 연구에서는 고반복 엑사이머 레이저의 여기에 적합한 전원으로서 반영구적, ArF이고 펄스 상승시간이 빠른 전고체소자 자기펄스압축 시스템과 대용량의 싸이라트론 스위,칭 시스템을 설계 제작하고 각 시스템의 특성을 다음과 같이 보고한다, .
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제 절 전고체소자 자기펄스압축 시스템의 개발2전원장치 설계 제작1. ,
가 기본방식 및 제원.고반복 엑사이머 레이저의 여기전원장치는 고전압 대전류를 고반복 제어하기 때문에 스위,치 소자의 수명이 여기전원장치의 신뢰도를 결정하게 된다 따라서 장수명의 여기전원을. ,설계하기 위해서는 먼저 스위치 소자에 대한 특성을 검토해야 한다 일반적으로 레이저장치.에 사용될 수 있는 스위치 소자의 전기적 특성은 표 과 같으며 표 에서 알 수< .3.1> , < .3.1>있는 바와 같이 가동접점 부분을 갖고 있지 안은 마그네틱 스위치와 반도체 스위치가 가장수명이 길다 더우기 자기특성이 우수한 자성재료의 개발은 엑사이머 레이저의 고반복 여기.전원의 개발을 가능하게 하였다.본 연구에서는 전고체소자로 구성된 단의 자기펄스압축 시스템 을 개발하기 위하여3 (ASSE)그림 과 같은 장치를 구성하였다( 3.1) .전고체소자 여기전원은 고전압 직류전원 펄스변압기 고반복제어 스위칭 회로 자기펄스압, , ,축 모듈 그리고 회로로 구성되고 전원 용량과 반복률은, Reset current , 12.5 J, 200 Hz이다 펄스변압기와 포화인덕터의 자성재료는 코아 포화특성이 우수한 아몰퍼. SiFe (Z-11),스코아 를 각각 사용하였다(METGLAS 2605SC) .
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본 연구에서 제작한 전고체소자 전원장치의 제원은 다음과 같다.펄스변압기*
코 아 형 태 도너츠형:크 기 : [10 cm(W)×5 cm(H)×38 cm(L)]×2재 료 : Z-11 (SiFe), t = 0.35 mm펄스변압기 제어 스위치* (SCR)
제 조 회 사 : TOSHIBA, SF1500GX21최 대 전 압 : 4000 V평 균 전 류 : l500 A
시 간Turn off : 400 sμ전류 상승률 : 250A/ sμ전압 상승률 : 1500V/ sμ중 량 : 1350 g콘덴서*
용 량 : C0 = 4 F, Cμ 1 C～ 3 = l7 nF정 격 : C0 = 4 kV, C1 C～ 3 = 50 kV제 조 회 사 : C0 - Sprague, C1 ,C～ 3 - TDK포화 인덕터*
코 아 형 태 도너츠형:크 기 : 5 cm(w)×5 cm(H)×34.5 cm(L)재 료 : METGLAS 2605 SC코아 단면적 : 5 cm(W)×5 cm(H)=25 cm2코 아 체 적 : 5cm(W)×5cm(H)×34.5cm(L)=863cm3나 펄스변압기.전고체소자 자기펄스압축시스템 의 등가회로는 그림 과 같이 직류전원 펄스변(ASSE) ( .3.2) ,압기 스위칭소자 그리고 개의 포화인덕터, , 3 (SI1.SI2.SI3 모듈로 구성된다) .
장치의 동작은 먼저 직류 전원장치로부터 의 전압이 충전콘덴서ASSE ~3kV , C0 에(=4 F)μ인가된다 이 때 충전콘덴서. C0에 인가되는 입력에너지는 펄스변압기의 차 코일과 을1 SCR통하여 방전하게 되고 펄스변압기의 차측에 전압이 유기되어 콘덴서, 2 C1에 에너지가 전달된다. C1의 용량은 (1/2)C0V02 = (1/2)C1V12, C0 = n2C1의 관계식으로 계산되므로 C1 = 4
일때F, n = 14 Cμ 1 이 된다 그런데 본 시스템에서는 펄스변압기의 손실을 고려= 20 nF .하여 C1의 용량을 감소시킨8.5 % C1 로 결정하였다= 17 nF .그림 은 펄스변압기의 회로도를 보인 것이다 펄스변압기는 충전콘덴서( .3.3) . C0에 충전된 전하가 을 통하여 방전됨으로써 동작을 하는데 이 때 충전콘덴서의 방전시간과 방전에너SCR ,지는 펄스변압기의 설계에 있어서 중요한 파라메타가 된다.
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특히 방전시간은 펄스변압기에 사용되는 자성재료의 선택과 자기펄스압축 모듈의 단수를 결정하는데 중요한 요소이며 방전에너지는 스위치 소자의 전류 상승률에 적합하도록 선택해,야 한다 또한 펄스변압기의 코아 체적은 다음과 같이 계산된다. [3.9].
A =ㆍℓ 4 π ․1 0 7 ․μ e ․V ․t d ․Im( Δ B ) 2
(3.1)
여기서 코아의 평균 자속 밀도의 변화량, B = (Gauss)Δ코아의 단면적A = (cm2 코아의 자로) = (cm)코아의 실효 투자율e =μ펄스 전압V =
td 펄스 폭=Im 자화전류=다음 코일의 권선수에 대한 전압비는 다음식으로 계산된다, .
V/T = ΔB ․A108 ․td [V] (3.2)
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이상의 회로특성과 식 및 펄스변압기의 원리 에 의해 설계된 펄스변압기의(3.1).(3.2) [3.10]설계 파라메타는 표 와 같다< .3.2> .코 아 단 면 적 : 50 cm◇ 2 × 2 = 100 cm2코 아 체 적 : 1900 cm◇ 3 × 2 = 3800 cm3코 아 창 면 적 : 38.5 cm◇ 2
코 일 권 선 수 차측: 1 - 2 Turns◇차측2 - 28 Turns입 력 전 압 : 2.5 kV◇입 력 전 류 : 1.5 kA◇차측 인덕턴스1 : 66 Hμ◇차측 인덕턴스2 : 13 mH◇누설 인덕턴스 : 2 Hμ◇결합 계수 : 0.985◇
다 포학 인덕터.자기펄스압축시스템은 스위칭 역할을 하는 포화 인덕터와 에너지를 충전하기 위한 콘덴서로한 개의 모듈을 형성하고 이 모듈을 단으로 직렬 연결하여 시스템을 구성한다 포화 인, 3 .덕터의 스위칭은 곡선의 특성으로 인해 일어나는데 미포화상태에서 인덕턴스 값은 크B-H ,게 되어 스위치 의 역할을 하고 포화되면 인덕턴스의 값이 적어지므로 스위치 의 역off , on할을 한다.매우 큰 펄스 압축비를 얻기 위해서는 포화 인덕턴스 값을 적게해야 한다 따라서 포화자속.밀도 Bs가 큰 자성재료를 사용하여 자성체의 단면적을 작게 해야한다.코아의 단면적 At는 식 과 같이 계산된다(3.3) .
At = VToΔBNt
(3.3)
이와 같은 설계 파라메타를 고려하여 시스템을 설계할 때 레이저의 여기밀도와 전류MPC의 펄스폭 등을 만족시킬 수 있도록 모듈의 단수와 포화 인덕터의 명상 콘덴서의 용MPC ,량을 설계해야 한다 특히 단 시스템의 경우 제 단가 단의 모듈에서는 에너지 전. 3 MPC 1 2송 효율과 펄스압축비를 극대화해야 하고 레이저 헤드에 연결되는 최종단 모듈은 빠른 상,승률을 갖는 전류가 공급되도록 코일길이를 짧게 하여 포화 인덕터의 인덕턴스를 극소화하는데 중점을 두어야 한다.포화인덕터는 히스테리시스 곡선이 구형에 가까운 자성재료를 선택해야 한다 본 연구에서.는 폭이 두께가 인 코아를 두께 폭 인 마일러 필름 절연재를 겹5 cm, 25 m 12 m, 6 cmμ μ쳐서 그림 와 같이 내경 외경 인 트로이드 형태로 제작하였다( .3.4) 6 cm, 18 cm .
시스템 각 모듈의 에너지 전송효율과 펄스압축비를 최대로 하기 위해서는 우선MPC SI1의단면적과 코일권수를 선택한 다음 SI2의 최적조건을 찾는다. SI3는 SI1과 SI2의 최적조건 하에서 레이저 헤드에 충분히 압축된 전류를 공급할 수 있도록 포화 인덕턴스를 극소화 하는,조건으로 결정한다 이와 같은 방법에 따라서 최적화된 포화 인덕터의 설계 파라메타는.표 과 같다< .3.3> .
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출력특성2.가 펄스변압기.그림 는 과 코아를 각각 사용하여 제작한 펄스변압기( .3.5) Z-11(SiFe) METGLAS 2605 SC의 전압특성을 비교한 것이다.방전시간이 짧을수록 코아로 제작한 펄스변압기의 전압이 감소하는 것을 볼 수 있었Z-11으며 코아의 응답시간은 약 정도로 제한되었다 그러므로 펄스변압기의 특성을, Z-11 7 s .μ개선하기 위해서는 또는 와 같은 우수한 자성재료를 사용해야METGLAS 2605S2 2605SC한다 그러나 본 연구에서는 충전 콘덴서의 방전시간이 가 되도록 설계하여 가격이 비. 9 sμ교적 싼 코아로 펄스변압기를 제작하였다Z-11 .사진 은 펄스변압기에 사용된 코아의 특성을 조사하기 위해 측정한 히스테리시스( .3.1) Z-11곡선이다.그림 은 펄스변압기의 코일 권수에 대한 출력 펄스의 특성을 보인 것으로 코일 권수가( .3.6)증가함에 따라 출력 진압의 펄스폭이 증가하는 것을 볼 수 있다 이것은 코일 권수가 증가.함에 따라 누설 인덕턴스가 증가하기 때문이다.이상의 펄스변압기 특성실험을 통하여 얻은 결과를 기초로하여 제작한 펄스변압기는 의SCR정격과 시스템의 펄스 압축비를 고려하여 의 펄스폭을 갖도록 제작하였고MPC 9 s , 2.5 kVμ의 충전전압을 인가했을 때 최대 전압 전류는 각각 이었다, 33 kV, 100 A .이 때의 효율은 약 가 되어 코아를 사용하여도 충분히 목적을 달성할 수 있음이74% , Z-11확인 되었다 펄스변압기의 특성은 표 와 같다. < .3.4> .
나 포화 인덕터.자기펄스압축 시스템의 등가회로 그림 와 같이 펄스변압기를 통하여( .3.2) C1에 층전된 에너지는 포화 인덕터의 스위칭 동작으로 다음 단의 C2, C3 콘덴서로 지연전송을 한다 따라서.각 단에서 전송되는 펄스폭은 순차적으로 압축되고 펄스압축비는 각 단을 구성하는 포화인,덕터의 코아 특성에 따라 결정된다 본 연구에서 사용된 의 특성은. METGLAS 2605SC표 에 보인 바와 같이 주파수 특성이 우수하고 저항률이 높다 측정된 코아의 히스테< .3.5> .리시스 곡선은 사진 와 같다( .3.2) .그림 은 코아와 의 펄스압축 특성을 비교한 것이다 의( .3.7) Z-11 METGLAS 2605SC . Z-11압축특성은 에 비해 뒤떨어지는데 이것은 코아의 특성 때문이다METGLAS 2605SC B-H .따라서 펄스폭이 수 이상에서는 코아를 사용할 수 있으나 그 이하의 펄스폭에서s Z-11 ,μ는 를 사용해야 한다METGLAS 2605SC .사진 는 시스템의 각 모듈에서 얻은 전압 전류파형을 보인 것이다( .3.3~4) MPC , .
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각 모듈에서 압축되는 전류는 전류 변압기 와(PERSON ELECTRONIC, INC) Tektronics오실로스코프를 이용하여 측정하였다2465 .
사진 는 펄스변압기에서 인가된( .3.3-a) C1 의 충전 전류의 펄스파형이며 최대 전류와 펄스,폭 은 각각 이다(FWHM) 100 A, 6.2 s .μ사진 는( .3.3-b) SI1이 포화된 후 C1에서 C2로 전송되는 전류의 펄스 파형으로서 최대전류,와 펄스폭 은 로 되어(FWHM) 450 A, 1.2 s Cμ 1의 충전전류의 펄스보다 약 배 압축되4.5었다.사진 는( .3.3-c) SI2가 포화될 때 흐르는 전류의 펄스파형이며 최대전류와 펄스폭, (FWHM)은 각각 이었다 사진 는 포화인덕터1.6 kA, 320 ns . ( .3.3-d) SI3를 통해 흐르는 C3의 방전전류의 펄스파형이며 펄스폭이 최대전류는 로 압축되므로 이것을, 180 ns, 4.5 kA , C1의 충전전류의 펄스파형과 비교하여 각각 이득을 계산하면 펄스폭은 배로 압축되고 전류는50배로 증폭된다45 .
그리고 사진 는 펄스변압기에서 콘덴서( .3.4-a) C1에 인가되는 전압 파형이며 최대, 31 kV이다 사진 는. ( .3.4-b) SI2가 포화될 때까지 콘덴서 C2에 의 전압이 인가되는 것을 보29 kV여준다 사진 는 콘덴서. ( .3.4-C) C3에 인가되는 전압 파형을 보인 것으로 최대전압은 27 kV이다.한편 모듈을 고반복 동작할 때 강자성체의 잔류자속밀도로 인해 시스템 출력전, MPC MPC류의 이 발생한다 이것을 감소시키기 위해서는 포화인덕터의 전류 방행에 반대 방Jittering .향으로 적망한 리세트 직류전류를 홀려주어야 한다 본 시스템에서는 의 리세. MPC 0~2 A트전류를 홀려 줌으로써 시스템의 출력을 안정화하였다MPC .그림 은 의 부하저항을 연결했을 때 리세트 전류에대한 출력전류의 변동률율 보인( .3.8) 1 ,Ω것으로 반복률 리세트 전류 에서 전류 변동률은 약 이었다200 Hz. 1.5 A 3% .사진 는 로 시스템을 반복 동작시켰을 때 출력전류의 펄스파형 이다( .3.5) 200 Hz MPC .표 은 본 연구에서 고반복 엑사이머 레이저의 여기전원으로 개발된 전고체소자 자기< .3.6>펄스압축시스템의 특성을 종합한 표이며 시스템의 효율은 이다, 49.6% .
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제 절 싸이라트론 스위칭 시스템 개발3기본방식 및 제원1.
본 연구에서 개발된 고반복 레이저의 여기전원을 스위칭 하기위해 설계된 싸이라트론ArF스위칭 시스템의 회로는 그림 와 같다 여기방식은 용량이행행으로서 고전압 직류전원( .3.9) . ,싸이라트론 레이저 방전회로 둥으로 구성된다, .회로동작은 직류전원으로부터 고전압을 충전저앙 Rc를 통해 먼저 콘덴서 C1에 충전한다 충.전된 전하는 싸이라트론의 고속 스위칭에 의해 콘덴서peaking C2에 자동적으로 이송되고,이때 콘덴서 C2에 저장된 에너지는 다시 레이저헤드에 전달된다 전원회로는 고출력 고반. ,복 레이저의 개발을 목표로 제작된 것이므로 대용량의 에너지를 스위칭 할 수 있도록ArF ,설계 되었다.싸이라트론 스의칭 여기전원의 제원은 다음과 같다.고압 트랜스*
용 량 : 20 kW정격 전압 : 40kV정격 전류 : 500 mA코일 권수 차 회 차 회: 1 : 55 , 2 : 10,800코아 재료 : Z-11(300 /μm, Nippon Ferrite)코아 규격 : 56x52x49 cm3창 크 기 : 20×15 cm2코일 재료 동선 차: , 1 : 2×4 cm2 차, 2 : 1 mmΦ* RC Filter콘 덴 서, C : 4 μF (20 kV) × 2 = 2 μF (40 kV)충 전 저 항 : 40 k (10 kW)Ω싸이라트론* ( HY-3202 )
제작 회사 : EG&G정격 전압 : 32kV정격 전류 : 20kA히터 전압 : 6v히터 전류 : 13A트리거 게이트 전압 : 0.45 2.5 kV～Switching time : 7 ns
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전원장치의 설계2.가 고전압 직류전원.싸이라트론 스위칭에 의한 고반복 엑사이머 레이저 회로는 그림 와 같고 충전콘덴ArF ( .3.9)서 의 용량은 최대전압 로서 충전 에너지는 약 이다 따라서 회로를C1 90 nF, 30 kV , 40 J . ,
의 반복률로 연속동작시킬 때 전원의 총 소비전력은 가 소요된다 회로에서200 Hz , 8 kW .직류전원은 방전회로에서 소비되는 전력을 충분히 공급할 수 있도록 정격을 20 kW ( 40
로 설계하였다kV, 500 mA ) .레이저 출력의 안정도는 특히 전원장치에 따라 좌우되므로 직류전원의 출력전압은 매우 안정되어야 한다 따라서 본 연구에서는 리플전압을 줄이기 위하여 브리지 전파정류와 필. RC터를 이용하였다.나 충전 회로.고반복 여기전원을 설계할 때 고려해야 할 것은 콘덴서 C1의 충전시간으로서 충전시간은,전원의 용량과 반복률에 의해 결정된다.본 연구에서는 반복률이 이므로 충전시간은 이하가 되어야 한다 회로에서200 Hz , 5 ms .사용된 충전 콘덴서 C1의 용량은 이므로 충전시간90 nF , τ = RcC1 의 조건을 만5 ms≤족하기 위하여 충전저항은 보다 작아야 한다 따라서 본 실험장치에서는55 k . 40 kΩ Ω
의 고저항을 선택하였다(10kW) .다 싸이라트론 구동회로.싸이라트론 스위칭 여기전원을 이용하여 안정된 고반복 엑사이머 레이저를 여기시키기 위해서는 직류 전압이 일정하게 인가되도록 전원을 설계해야 하고 싸이라트론이 정확한 스위칭,동작을 할 수 있도록 싸이라트론 구동회로를 설계해야 한다.그림 은 실험장치에 사용한 싸이라트론 의 구동회로를 보인 것이다( .3.10) (HY-3202, EG&G) .회로에서 Th는 히터 전류를 공급하는 트랜스로서 전압 전류는 이고 인덕터, 6 V, 11 A , Lh와 콘덴서 Ch를 이용하여 펄스 필터 회로를 구성하였다 이 때 사용한 히터 트랜스의 정격.은 이었고 펄스 필터100 W , Lh, Ch의 용량은 이었다 싸이라트론의 게이트100 H, 5 F .μ μ신호를 공급하는 트리거 장치는 싸이라트론이 정확한 스위칭을 할 수 있도록 안정된 동작을해야한다 따라서 트리거 장치의 전원을 구성할 때에는 트리거 신호가 싸이라트론의 정격에.적합한지를 확인해야 한다.
출력특성3.출력특성을 실험한 결과 싸이라트론 구동회로에 사용된 트리거회로는 의 반복률에, 200 Hz서도 안정된 동작을 보였으며 이 때의 출력 전압 전류는 각각 이고 펄스, , -500 V, -1.2 A ,폭은 3 μ 이었다s .본 연구에서 제작한 싸이라트론 스위칭 여기전원은 전압변동율이 약 로서 사진 과5% ( 3.6)같이 비교적 안정된 출력특성을 보였으며 용량이행형 레이저를 동작시킨 결과 효과적, ArF인 레이저 여기 장치임을 확인하였다.
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그림 전고체소자 자기펄스압축 시스템( 3.1)
그림 전고체소자 자기펄스압축 시스템의 등가회로( 3.2)
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그림 펄스변압기의 회로도( 3.3)
그림 포화 인덕터의 구조도( 3.4)
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그림 펄스변압기의 전압특성( 3.5)
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그림 코일권수에 대한 출력 펄스의 특성( 3.6)
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그림 코아와 의 펄스압축 특성( 3.7) Z-11 METGLAS 2605SC
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그림 전류에 대한 출력전류의 변동율( 3.8) Reset
그림 싸이라트론 스위칭 시스템의 등가회로( 3.9)
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그림 싸이라트론 구동회로( 3.10)
표 스위치 소자의 종류와 전기적 특성< .3.1>Advantages Problems
Spark Gaps
Small, Cheap,High di/dt,High hold-offvoltage,High current
Recovery, Life,Jitter, Repetitionrate
ThyratronLong life, Lowjitter,Highrepetition rate,Easy triggering
lmax,di/dt,Voltage
MagneticSwitch
Very long life,High di/dt,High repetitionrate
Energy/Pulse,Efficiency,Triggering,Weight
Solid -stateSwitch
Very long life,High repetition
Energy/Pulse,lmax , d i /d t ,Thermal management
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표 펄스 변압기의 설계 파라메타< 3.2>
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표 포화인덕터의 설계파라메타< 3.3>
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표 펄스변압기의 출력특성< 3.4>
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표 의 자기특성< 3.5> METGLAS 2605SC
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표 전고체소자 자기펄스압축 시스템의 특성< 3.6>
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사진 코아의 히스테리시스 곡선( 3.1) Z-11
사진 의 히스테리시스 곡선( 3.2) METGLAS 2605SC
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사진 콘덴서( 3.3) (a) : C1의 충전전류파형콘덴서(b) : C2의 충전전류파형
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사진 콘덴서( 3.3) (c) : C3의 충전전류파형콘덴서(d) : C3의 방전전류파형
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사진 콘덴서( 3.4) (a) : C1의 충전전압파형콘덴서(b) : C2의 충전전압파형
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사진 콘덴서( 3.4) (c) : C3의 충전전압파형
사진 전고체소자 시스템의 반복펄스파형( 3.5) MPC
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사진 싸이라트론 스위칭 여기전원의 출력전압펄스( 3.6)
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참 고 문 헌
[3.1]. T.Shimada, K.Noda, M.Obara, and K.Midorikawa, "Pulsed CO2 Laser Pumpedby an All-Solid-State Magnetic Exciter" Japaness Journal of Appl. Phys, vol. 24,No. 11, L855-867, Nov.(1985)[3.2]. M.Obara, K. Midorikawa, and H. Tashito, "Pulsed Power Technology forpumping High-repetition-rated TEA CO2 Lasers", - " , No. 8. 39 (1986)料學硏究レ サ[3.3]. Masataka Murahara et al., " - " ", 56 (1986)最先端 應用技術エキシマ レ サ[3.4]. Pacala T J,McDermid I S and Laudenslager J B 1984 Ultra-narrow linewidth,magnetically switched, long pulse, xenon chloride Laser, Appl. Phys. Lett 44.658-660[3.5]. I. Smilanski, S.R.Byron & T.R.Burkes, Appl. Phys. Lett. 40,547 (1982)[3.6]. E.Y.Chu, G.Hofman, H.Kent and T.Bernhardt, IEEE Conf. Record of 15thPower Modulator Symposium 32 (1982)[3.7]. R.R.Butcher and T.S.Fahlen, CLEO'84 Anaheim, CA, THP1. 202 (June, 1984)[3.8]. T.Shimada , M.Obara and T.Fujioka, IEEE Conf. Record of 16th PowerModulator Symposium. 255 (1985)[3.9]. Frank B.A. Früngel, High Speed Pulse Technology, vol. 1, Academic PressInc., page 196 ~ 291, (1965)[3.10]. Manlio Matera. Roberto Buffa, Giuliano Conforti, Lorenzo Fini, and RenzoSalimbeni "Resonant transforme command charging system for high repetition raterare gas halide lasers". Rev. Sci. Instrum., vol. 54, No.6,June (1983)
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제 장 엑사이머 레이저 펄스 협대역화 시스템 개발4 ArF
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제 장 엑사이머 레이저 펄스 협대역화 시스템 개발4 ArF
제 절 협대역화 시스템 설계1엑사이머 레이저에 대한 협대역화 기술은 과거에 개발된 바의 색소레이저계의 협대역화 기술에서 유래된 것으로 이해할 수 있다 그런데 엑사이머 레이저의 파장은 원자외 영역에 있.으므로 사용가능한 광학재료가 한정되고 소재 자체의 흡수율 다광자 흡수에 의한 광학재, ,기반의 손상 등의 문제가 있는 관계상 색소 레이저계의 협대역화 기술은 그대로 이전될 수없다.[4.1]
레이저와 레이저에 대해 처음으로 협대역화 실업을 보고한 것은 등이다KrF ArF Loree기본적인 방식은[4.2]. .grazing incidence grating, .Littrow grating with a beamⓛ ②
을 들 수 있으나 일반적으로 목적에 따라 각 방식을 조합expander, .prisms, .etalon ,③ ④선택하고 있다.본 연구에서 시도하고자하는 바의 협대역화 방식은 타방식에 비하여 빔의 확산각etalon .①이 적어서 어느 정도 넓은 빔 단면적을 유지할 수 있으므로 공간적 코헤런스를 유지하면서협대역화를 할 수 있고 투과 특성은 와 의 두, . Free Spectral Range [FSR] Finesse [F]②값을 개략 계산 하므로서 얻을 수 있는 장점이 있다[4.3] .
FSR = λ2 / (2 x n x d x cos ) (4.1)θF = [ (FR-2) + (Fd-2) ]-1/2 (4.2)
여기서 FR = Rπ 1/2 / (1-R) , Fd = N / 2 ,면사이의 물질굴절률 면사이의 거리n : etalon , d : etalon의 입사각: etalon , Fθ R 반사율: Finesse ,
Fd 평면도 면의 반사율: Finesse , R : etalon ,으로 표시되는 면의 평면도N : / N etalon ,λ
파장:λ식과 식의 조합으로 유도되는 스떽트럼선폭은(4.1) (4.2)
= FSR / F (4.3)Δλ
본 연구에서는 개와 개를 조합하여 협대역시스템을 구성coarse etalon 1 Fine eta1on 2하였으며 설계된 의 제원은 다음과 같다etalon .
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coarse etalon ; air gap etalon : 100 m(t)μfinesse : 20reflectance : 85 % at 193 nmFine etalon #1 : solid etalon : 2 mm(t)finesse : 10reflectance : 75 % at 193 nmFine etalon #2 : solid etalon : 15 mm(t)finesse: 15reflectance : 80 % at 193 nm협대역 시스템의 광학계와 측정장치의 배치도는 그림 와 같고 예상되는 협대역 폭은( 4.l) ,그림 와 같다 그림에서 대역폭을 으로 기준할 때 최종( 4.2) . free running = 0.5 nmΔλ ～단에서 얻어지는 헙대역폭은 을 예상한다0.1 pm .
제 절 스펙트럼 측정 시스템 설계2레이저의 협대역화된 스펙트럼의 측정은 일반적으로 으로 빛ArF monochrometer system
을 분산한 후 이것을 또는 의 를 조합한 계측장치CCD camera PMT Boxcar Integrator로 한다Display .본 연구에서는 의 시스템을 도입하여 측정을Acton Research AM-510 monochrometer시도했으나 장치의 성능 미흡으로 실현되지 못하였다 그림 은 계측 시스템Display . ( 4.3)의 이고 표 은 도입된 시스템의 사양이다Layout < -4.1> .
그림 레이저빔 협대역화 광학계( 4.1)
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그림 시스템의 스펙트럼 대역폭( 4.2)
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그림 계측 시스템( 4.3) LAY-OUT
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표 시스템의 사양< 4.1>1. AM-510 MONOCHROMATOR SYSTEM (ARC)A) Main Body# Focal length : 1.0 meter# Wavelength range : 185nm to Far IR# Wavelength accuracy : 0.1nm with 1200gr/mm grating# Aperture ratio : f/8.7# Despersoin : 0.555nm/mm with 1800gr/mm grating# Resolution : 0.009nm/mm with 1800gr/mm and 100m slitsB) Two Slits (entrance and exit slit)Bilaterally adjustable from 5 m to 30mm.μHeight adjustable from 0 to 20mm.C) Side exit port for Diode Array Detectorincludes manul beam diverter mirror and mounting flange.2. holographic Gratings (Milton Roy)# 1800gr/mm,185-800nm, 110 × 110nm size# 2400gr/nm,185-600nm, 110 × 110nm size3. DA-780-UV PMT assemby (ARC)# Includes PMT housing and mounting flange# Detection range : 180 to 700nmPS-445 Computer Interface & Detector read-out system (ARC)A) Computer Interface :# Convenient computer control of monochromator scanning# Includes 4 standard serial port for control of accessories
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B) Progammable High-Voltage Power Supply# High-Voltage power supply for PMT# Fixed low voltage supply for solid state detector# PreamplifierC) Detector Read-out System# Accepts signals from PMTs, solid state detectors and Lock-In amplifier# Seperate connectors for PMT and Lock-ln amplifier signal# A/D converter for digital data acquisitionD) RS-232 and IEEE-488 communication ports5. SW-414 Data Acquisition Software Package (ARC)# Complete data acquisition with PS-445# Monochromator scan control software# plotter control# File import/export, communications, display, complete arithmatic and Array Basicapplications language.6. 748 Scan Controller (ARC)# Remote key-pad control of monochromator scanning# Computer interface included with RS-232 and IEEE-488 ports# Large backlit LCD display# Built-in menu driven software7. Fiber optic light guide (ARC)3 meter UV-VIS fiber optic light guide, 190nm to > 1.0 m (LC-455) with couplingμunit for entrace slit.8. Reference Light Source Assembly (ARC)# 30 watt deutrium lamp and 30 watt tungsten lamp and mounting flange (TDS-429)# Band-Pass filters (193/248/308nm), 1" dia meter (3 ea) Nominal bandwidth of25nm9. X-y plotter with RS-232 input, HP-7485 (Hewlett Packard)
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참 고 문 헌
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제 장 방전여기 엑사이머 레이저 시뮬레이션5 ArF
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제 장 방전여기 엑사이머 레이저 시뮬레이션5 ArF
제 절 연구배경1
희가스 할라이드계 레이저 가운데 단파장의 동작특성으로 반도체 리소그래피 등의 응용에유리한 레이저를 개발함에 있어 최적화된 장치 파라메타의 도출 및 정성적 분석을 위ArF하여 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 해석은 필수적이다 이는 레이저 실험시 경비의 절감은.물론 실험에서 관측 및 분석이 불가능한 부분들의 해석에 도움을 준다, .
년대 후반부터 컴퓨터를 이용한 희가스 할라이드 레이저의 시뮬레이션 연구가 활발히1970진행되기 시작하였고 각국 연구소와 대학 등에서 심도있는 연구를 통하여 알고리즘의 개선,과 고신뢰도의 계산에 발전을 가져오게 되었다.본 연구에서는 장치구조의 간단함과 고반복에 유리한 방전여기형 레이저를 대상으로ArF삼아 실험적으로 규명하기 어려운 부분들을 해석하는데 필요한 프로그램을 구성하기 위하여정상상태 볼쯔만 방정식을 도입하였고 비교적 최근에 발표된 반응정수들을 엄선하였다,장에서는 프로그램을 위한 이론적 배경 즉 레이저의 발진원리에 대하여 간단히 논하2 , ArF고 장에서는 모델 설정의 기법에 대해 논하겠다, 3 .
제 절 레이저의 발진이론2 ArF러 이저의 분광학적 특성1.ArF I
가 친이. Bound-Free그림 은 희가스 할라이드 엑사이머 레이저의 전형적인 포텐셜 곡선을 나타낸다( 5.1) [5,1]엑사이머의 여기상태는 이온결합상태이고 강한 결합 인 것에 비하여 기저상태는 공(Bound) ,유결합상태이고 해리적 이다 이들 준위 사이에는 천이로 불리우며 넓은(Free) . Bound-Free스펙트럼 폭을 가지는 광학적 천이가 일어난다 의 원리에 의하면 상의결합. Frank-Condon ,형 포텐셜 곡선의 극소점 절편의 경우 하위반발형 포텐셜 곡선의 경사가 급한 만큼 스펙트럼 폭이 넓어진다 또한 이와같은 천이를 이용하여 엑사이머 레이저는 준위. , Bound-Free 1레이저로 보여지고 고효율 발진이 기대된다 의 포텐셜 곡선은 그림 와 같다, [5.2]. ArF ( 5.2)[5.3].이온에서는 개의 저위 여기상태가 있다 이온은 구형적으로 대칭인3 . F- 1 상태이고S Ar+이온은 2P3/2,1/2의 각운동량을 가지므로 이들 상태는 B2 ( =1/2), CΩ∑ 2 및( =3/2) DП Ω 2 (П Ω
이다 여기서 는 전자궤도와 스핀 각운동량을 분자축을 따라 투사했을 때의 합이다=1/2) . .Ω희가스 할라이드의 방출대역은 및 에 대응된다 레이저에서는B X, C A D X . ArF B(→ → → 2
)-<(∑ 2 천이대역이 가장 강한 자의방출을 한다 그림 은 의) Bound-Free . ( 5.3) ArF∑스펙트럼을 나타낸다 중심파장 의 천이가 주된 반면Fluorescence [5.4]. 193 nm B X ,→
부근에285 nm Ar2F*의 넓은 방출 파장대역이 부가적으로 형성됨을 알 수 있다 이와같은.원자 엑사이머의 생성은 곧 손실반응 포화흡수인자 이고 희가스 압력의 한계를 가져오게3 ( )한다.
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나 유도방출 단면적.희가스 할라이드 레이저의 이득 스펙트럼 곡선개형이 의사 이면 중심선에서 유Gaussian ,도방출 단면적은 다음과 같이 표현된다 [5.5].
여기서 는 광속C (2.998 × 1010 는 중심파장 는 상위준위 의 수명 는 대cm/sec), , (B) ,λ τ Δλ역폭이다 전술한 바와 같이 의 원리에 의하면 엑사이머 방출의 대역폭은. , Frank-Condon하위준위 포텐셜 곡선의 급격한 반발의 특성을 가지는 희가스 할라이드 레이저의
천이는 작은 값 전형적으로Bound-FRee ( 10-18 10～ -16 cm2 의 유도방출 단면적을 보인다) .이는 천이 엑사이머의 경우Bound-Bound (10-17 ~ 10-14 cm2 와 비교된다) .본 연구에서는 의 상위준위 수명을 로 사용하였기 때문에 유도방출 단면적ArF 4.2 ns[5.6]은 2.86 × 10-16cm2이 된다.
방전여기 레이저의 반응기구2. ArF가 엑사이머의 생성 및 탈여기.일반적으로 레이저에는ArF Ne/Ar/F2 및 He/Ar/F2의 기체혼합을 사용한다 혼합비율은.
미만의1% F2와 수 의 에 완충기체를 그나머지로 하는 것이 보통이다 우선 완충% Ar . Ne기체의 레이저를 고려해 보면 완충기체의 레이저를 유추할 수 있으며 그림ArF , He ArF (에서 나타낸 것과 같은 북잡한 반응기구를 가진다2.4) .
방전에 의하여 일어나는 현상은 먼저 이온화와 여기를 들 수 있다 즉.Ne + e Ne→ + + e (5.2)Ar + e Ar→ + + e (5.3)Ne + e Ne→ * + e (5.4)Ar + e Ar→ * + e (5.5)Ne+:Ne* 및 Af+:Ar*의 이온화 대 여기의 구분비율은 가 제시한 방법 에 의하Lorents [5.7]여 정도인 것으로 알려져 있다1:0.3 .혼합기체에 이 풍부한 경우 이온형성에 사용된Ne , Ar+ 이온채널은 다음의 과정을 거쳐 형성된다.첫째 체 충돌반응은, 3Ne+ + 2Ne Ne2→ + + Ne (5.6)Ne+ + Ar + M NeAr→ + + M (5.7)단 은 또는( , M Ar Ne)
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둘째 에 의한 이온화는, Ne* PenningNe* + Ar NeAr→ + + e (5.8)Ne* + Ar Ar→ + + Ne + e (5.9)또안 Ne2+와 NeAr+ 혹은 Ar+을 직접 형성하기도 한다.그외에 Ar+는 전하이송반응을 통해서도 형성된다.Ne2+ + Ar + Ne Ar→ + + 3Ne (5.10)Ne2+ + 2Ar Ar→ + + Ar + 2Ne (5.11)Ne2+ + Ar Ar→ + + Ne (5.12)NeAr+ + Ar Ar→ + + Ar + Ne (5.13)의 상위 레이저준위는 이온 및 준안정 채널 모두에 의해 빠른 속도로 형성된다ArF .
Ar+ + F- + M ArF→ * + M (5.14)Ar2+ + F- + M ArF→ * + 2Ar (5.15)Ar2+ + F- + M ArF→ * + Ar + Ne (5.16)Ar* + F2 ArF→ * + F (5.17)Ar2* + F2 ArF→ * + F (5.18)자연 및 유도방출을 제외한 ArF*의 형성을 감소시킬 주된 ArF* 탈여기 과정은 체 반응3및 전자충돌에 기인한다.ArF* + 2Ar Ar→ 2F* + Ar (5.19)ArF* + e Ar + F + e (5.20)→또한 분자에 의한 탈여기는 반응정수가 크기 때문에 무시할 수 없다F2 .ArF* + F2 Ar + 3F (5.21)→만일 과 기체만을 혼합한다면 체 탈여기가 심해진다 이와 같은 현상은 고압일수록Ar F2 3 .현저해지기 때문에 많은 제약을 가져오고 완충기체를 더욱 필요로 하게 되는 것이다, .나 흡수반응.레이저 공진기 내에서 흡수효과는 발진시 경계값 을 높이고 최대 응축(threshold) ,
강도를 제한시키기도 한다 레이저의 지배적인 흡수인자들은 다음과 같다(extraction) . ArF[5.8].F-①Ne② 2+, Ar2+ 등의 희가스 원자분자 이온2Ne③ 2*, Ar2* 등의 여기된 희가스 원자분자2Ar④ *, Ar** 등의 여기된 희가스 원자기저상태의 F⑤ 2Ar⑥ 2F*의 광해리는 레이저의 주된 흡수과정이다 일반적으로 음성이온의 광해리는 희가스F- ArF . ,
할라이드에서 매우 중요하다 형성된 음성이온은 급속히 레이저 광자와 희가스 할라이드.엑사이머의 들을 흡수하기 때문이다 이들 이온은 짧은 파장대역일수록 흡수 단면precusor .적이 크다 여기된 원자분자 이온들의 광흡수 단면적은 이론실험적으로 잘 연구되어 왔다. 2 .․희가스 이온과의 체 충돌반응에 의해 여기된 이합체 이온들이 생성되므로 이들 이온의 효3 ,과는 레이저 가스압력의 증가에 비례하는 것이다.
와 는 희가스 엑사이머의 광이온화 단면적을 이론적으로 계산하였Rescino Sauerbrey[5.9]다 의 계산에 의하면 스펙트럼 상에서 흡수가 가장 큰 파장은. Sauerbrey , Ne2*와 Ar2* 모두
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이다 단면적은 근사값으로200nm . 6 × 10-19 cm2과 1 x 10-18 cm2 사이에 놓여있을 때와유사하다 높은 광자 에너지에 대해 단면적은 급격히 감소한다 와 은 여. . Duzy Hyman [5.9]기된 희가스 원자의 광이온화에 대한 단면적을 계산하였다.이들 단면적은 짧은 파장일 때 원자의 높은 여기준위에서 더 커진다 기저상태의 흡수는 전.형적으로 레이저 매질에서 비포화적이다 는 분포반전에 대한 연소성분의 하나이므로 대. F2 ,응되는 일시적인 동작특성은 레이저 파장영역에서 명백해질 것으로 기대된다 그러나 높은. ,여기율로 펌핑된 레이저에서ArF F2 흡수는 완전히 무시될 수 없다 이는 혼합기에서 흡수.단면적이 작을지라도 높은 수밀도를 갖기 때문이다.Ar2F*와 같은 희가스 할라이드 원자분자는 엑사이머 레이저 매질에서 중요한 종류이다3 .ArF*의 체 탈여기 반응은 흡수종을 생성시키는데 식 와 같은 반응을 거치게 된다3 , (5.19) .Ar2F*로 부터의 자연방출은 ArF*의 방출과 비교하여 의 압력증가의 영양을 많이 받는Ar다 그러나 에서. , 193 nm Ar2F*의 흡수 단면적에 대한 보고는 아직 미흡한 실정이다.
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제 절 모델설정3
그림 는 프로그램을 위한 개략적인 계통도이다 프로그램의 핵심이 되는 부분은 의( 5.5) . E/N변화를 계산하기 위한 회로방정식 전자충돌에 의한 이온화 여기 탈여기 등의 반응정수를, , ,계산하기 위한 볼쯔만 방정식 방전으로 생성되는 각 입자들의 수밀도의 변화를 나타내는,카이네턱스 방정식 공진기에서 광자의 수밀도를 계산하는 광자 방정식 등이다 이들, Rate .의 계산은 계 법을 이용한 수치해석법을 따라 행하여지고 시간변좌에4 Runge-Kutta Gill ,따라 레이저 출력 및 반응정수 둥을 출력하는 것으로 하였다 본 연구에서 레이저 장치 및.실험조건은 의 연구와 같다K.Miyazaki[5.10] .
회로방정식1.모델로 사용된 방전여기 레이저 장치의 등가회로는 그림 와 같다ArF ( 5.6) . C1은 충전용 콘덴서로서 59.4 nF, C2는 방전용 콘덴서로서 으로 하였다 또한54 nF . L1과 은R C1의 전하가 C2로 옮겨갈 때의 루프인덕턴스 및 고유저항으로서 각각 으로 하였다200 nH, 0.17 .ΩL2 와(=3nH) RD는 방전루프의 인덕턴스 및 방전저항이다. RD는 다음과 같은 시간의 함수로서 비선형적으로 변화한다.
RD = deAμ(t)no(t)
[ ] (5.22)Ω
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여기서 는 방전전극 사이의 거리 는 방전유효 단면적 는 전자의 이동도 는 전자 수d , A , , n8μ밀도이다 본 연구에서는. d = 1.8 cm, A = 1.2cm(W) × 54 cm(L) = 64.8 cm2의 값을 사용하였다 그러므로 방전체적은. 1.8 cm(H) × 1.2 cm(W) × 54 cm(L) = 116.6 cm3이다.회로의 구동원리는 스파크 갭스위치가 폐루프를 구성하면서 고전압으로 충전되었던, C1의전하가 C2로 이송되고 절연파괴전압에 이르면 C2에 축적된 에너지가 방전의 형태로 전달되는 것이다 주방전을 용이하게 하기 위하여 아크 방전에 의한 자외선 예비전리를 통해. ,108/cm3의 전자를 초기에 공급하는 깃으로 하였다.
볼쯔만 방정식2.플라즈마의 특성을 기술하는 방법 가운데 가장 정밀한 방법은 각각의 모든 입자에 대한 방정식을 세워 해를 구하는 것이지만 실질적으로 이와 같은 방법은 거의 불가능하다 방전여, .기 레이저의 여기과정과 방전특성은 매우 밀접한 관계를 가진다 이들 특성은 두가지를 동.시에 취급해 줄 필요가 있다 과 은 제 여기준위가 각각 이고 의. He Ne 1 19.8eV, 16.5eV Ar
보다 높으며 의 생성에 기여하는 바가 크다 완충기체는 주로 방전상태 전자11.5eV , ArF . (의 분포함수 방전저항 등 를 결정한다 레이저의 특성에서 결정적인 역활을 하는 것은 전자, ) .여기과정 으로서 이를 해석하기 위해서는 볼쯔만 방정식과 같은 통계적인 방법(Boltzmann)을 도입해야 하는데 이는 확률적 처리를 하는 몬테칼로법보다 간단하여 계산시간을 단축할,수 있는 장점을 가지고 있다.정상상태의 볼쯔만 방정식은 다음과 같다.
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여기서 전계강도, E :전자 에녀지u :전자기체 임자수 밀도N :전자의 전하e :전자의 질량m :볼쯔만 상수k :분자 온도T :
Qj 번째 과정의 비탄성 충돌 단면적: jQ-j 번째 과정의 초탄성 충돌 단면적: jM = M∑ ngnQ1(u) = Q∑ mn(u)gQ2(u) = (MQ∑ mn(u)gn/Mn)Mn 성분 의 입자의 질량: ngn 성분 의 임자의 몰분율: nQmn 성분 의 입자에 대안 운동량 전달 단면적이며 는 다음과 같이 정규화된다: n , f(u) .
⌠⌡
∞
0u1/2 f(u) du = 1
볼쯔만 방정식에서 각 항의 의미는 제 항은 전계에서 전자 에너지 증가를 나타내고 제 항, 1 , 2은 무질서 운동을 하는 기체분자 충돌시 전자 에너지 증가이며 제 항은 기체입자의 이온, 3화 여기 등의 비탄성 충돌에서의 에너지 손실 제 항은 기체입자의 초탄성, , 4 (Superelastic)충돌에서의 에너지 이득이다 방정식의 초기치는 와 충돌 및 운동량 전달 단면적 등이다. E .그림 은 의 이온화 여기 및 운동량 전달 단면적이다( 5.7) Ar , .이온화 및 여기 반응속도상수 kj는 다음과 같다.kj = (2e/m)1/2 Q∫ j(u)uf(u) du
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카이네틱스 방정식3.방전관 내부에서 진행되는 각 입자의 수밀도 변화는 다원 일차연립방정식의 해를 구함으로써 알 수 있다 고려해 주는 성분의 갯수가 카이네틱스 방정식의 미지수의 갯수이며 시간. ,변화에 따라 수밀도를 출력하도록 하였다.이를 일반적으로 정의하면 생성되는 성분항과 감소되는 성분항과의 차를 나타내는 방정식이라 할 수 있다 즉.
dNidt
= ∑ Fji - ∑ Dik
여기서 는 특정성분의 수밀도 는 생성항 는 감소항이다 반응속도 로 특정지워지는Ni , F , D . k형태의 반응을 고려해보면 형성항은 와 를 정의하며A + B C + D , C D F = k [A][B]→
동시에 감소항은 와 를 정의하며 로 표현된다A B D = k [A][B] .본 연구에서 고려한 입자의 종류는 Ne, Ne*, Ne+, Ne2*, Ne2+, Ar, Ar*, Ar+. Ar2*, Ar2+,NeAr+, F2, F-, F, F*, F2*, ArF*, Ar2F* 및 광자 등 종이다 이때, e 20 . Ne, Ar, F2의 수밀도는 일정한 것으로 하였다.
광자 방정식4. Rate광자 방정식은 시간변화에 따른 광자 수밀도를 나타내는 식으로서 보통 다음과 같다Rate .
여기서 nph 공진기내의 광자 수밀도:Nm 엑사이머 분자의 수밀도:엑사이머 분자의 자연방출 수명:τ
레이저 광을 흡수하는 입자의 수밀도 흡수Ni, i : ,σ단면적1g 이득 매질 길이: 1c 공진기 길이:
입체각:ΔΩ자연방출시 레이저 매질의 입체각에 입사되어 증폭되는 부분/4 : ( 10ΔΩ π ～ -5)
R1, R2 반사경의 반사율:
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제 절 프로그램 실행 및 검토4방전특성1.그림 은 충전전압 기압 일때 방전전압전류 및 이저 방전관 입력 를( 5.8) 40 kV, 4 fp Power․나타낸다 이때 가스의 혼합비는. Ne/Ar/F2 이다= 98.3/1.6/0.1(%) .그림 는 위의 조건에서 계산된 시간변화에 따른 전자수밀도 방전저항의 변화를( 5.9) E/N, ,나타낸다 값이 최대에 이르렀을 때. E/N (t1 방전저항의 급격한 감소가 있었고 진자 수밀도) ,가 가장 커질 때 (t2 방전저항이 최소값을 가짐을 알 수 있다 이는 전자의 수밀도가 증가함) .에 따라 방전 전극간에 도전 채널이 증가하기 때문이다.그림 은 시간변화에 따른 방전광 내부의 입자의 수밀도변화를 나타낸다( 5.10) . F-와 ArF*가광자의 수밀도에 미치는 영향을 알 수 있다.
레이저 출력2.그림 는 등의 실험에서 얻은 레이저 출력과 본 시뮬레이션을 통해 얻은( 5.11) K.Miyazaki출력을 비교한 것이다 실험에서 사용된 레이저 장치의 파라메타는 모두 동일하고 시뮬레. ,이션과는 약 내외의 차이를 보였다 이는 실험적으로 발생되는 손실과 완벽하지 않100mJ .은 반응정수 값들에서 기인하는 오차로 생각되나 출력의 증가유형은 거의 유사하여 본 연,구를 통해 정성적 분석을 했을 때 타당한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
그림 희가스 할라이드 레이저의 에너지 포텐셜( 5.1) -
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그림 익 에너지 포텐셜 곡선( 5.2) ArF
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그림 의 스펙트럼( 5.3) ArF Flourescence
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그림( 5.4) Ne/Ar/F2의 레이저 반응경로ArF
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그림 시뮬레이션을 위한 블록도( 5.5)
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그림 레이저 시스템의 등가회로도( 5.6) ArF
그림 의 전자충돌반응으로 인한 단면적( 5.7) Ar
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그림 계산된 전압 전류 방전관 인가( 5.8) , , POWER
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그림 시간변화에 따른 전자수밀도 방전저항( 5.9) E/N, ,
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그림 시간변화에 따른 입자 수밀도 변화( 5,10)
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그림 실험값과의 출력비교( 5.11)
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참 고 문 헌
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제 장 결 론6
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제 장 결 론6본 연구는 차세대 기억소자의 공동개발사업의 일환으로써 엑사이머 레이저 스텝퍼용 광원으로 적합한 엑사이머 레이저 시스템의 개발을 목표로 하였다ArF .따라서 본 연구에서는 고반복 엑사이머 레이저와 이에 적합한 전고체소자 자기펄스압ArF축 시스템의 여기전원을 개발하고 레이저 펄스의 협대역화 시스템을 설계하고 또한, ArF ,방전여기 레이저의 특성을 해석하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션 등의 각 연구를 수행하였ArF다 연구에서 얻어진 중요 내용은 다음과 같다. .가 고반복 엑사이머 레이저는 레이저 방식을 용량이행형으로 하여 레이저헤드. ArF ( 30 ×20 × 640 mm3 와 의 가스순환장치) Line Flow Fan ( 630 × 73 mmΦ 3 수냉식 열).교환으로 구성하여 제작하였고 이의 제반 설계 파라메타와 레이저 특성을 분 하였다, .나 단펄스에서 최대출력은 레이저헤드전압 전체가스압력 기압 때. 27 kV, 4 117.5 ml/Pulse를 얻었으며 이때 레이저헤드에서 실효율은 이다, 0.61%, 1.22/ .ℓ또한 고반복 동작 때 를 얻었으며 반복 주파수 까지 증가하면10 pps 0.53 W , 200Hz 10이상의 평균 출력을 예상할 수 있다W .
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다 고반복 엑사이머 레이저에 적합한 여기전원으로써 전고체소자 자기압축방식과 싸이라트.론 직접제어 방식의 두가지 시스템을 개발하였다 전자는 단의 자기펄스압축 모듈으로 구. 3성하여 전원용량은 이고 후자는 용량 이다12.5 J 20 kW .라 전 고체소자 자기 펄스 압축 시스템의 특성은 최종단의 자기 펄스 압축 모듈에서 출력. ,은 펄스폭 최대전류 펄스폭은 배로 압축 전류진폭은 배로 증폭된180 ns, 4.5 kA, 34.4 , 45다 또한 시스템의 총 효율은 이다 반복 주파수에서 추력 전류의 변동율은. 49.6% . 200 Hz로 매우 안정된 값을 유지하고 있다3% .
마 엑사이머 레이저 펄스의 협대역 시스템의 설계는 개로 구성하. ArF Intracavity etalon 2였다 최종단의 스펙트럼 대역폭은 을 예상한다 스펙트럼의 측정 시스템은. 0.1 pm . Acton
의 와 의 를 조합한 계측 장비Research AM-510 Monochrometer PMT Boxcar Intergrator이다.바 방전여기 엑사이머 레이저의 시뮬레이션은 실험적으로 규명하기 곤란한 레이저의 특성.파라미터를 해석 하였으며 프로그램을 실행한 바 레이저헤드에서 시간변화에 따른 입자의,수밀도 변화와 레이저 출력특성을 얻었다 이것은 실험값과 매우 흡사하여 개발된 시뮬레이.션 프로그램은 매우 고도화 되었다고 할 수 있다.
