15. EUV 개발 역사 (15) - 무전극 EUV 광원

 

EQ-10 무전극(Electrodeless) Z-Pinch™ 소스는 무엇일까요? 이 기술은 플라즈마를 이용하며 상대적으로 유지보수가 필요 없는 소스입니다. 양산성에 PM/BM은 중요조건인데 이 기술에 적합하고 딱 좋은 기술임은 바로 알 수 있을 것입니다. (에너제틱 사의 광원 모델 EQ-10에 대한 이야기입니다.)

 

 

EQ-10의 두드러진 특징은 Z 핀치 전류를 생성해서 사용하는 것이죠. 이는 혁신적인 접근 방식입니다. 일반적인 플라즈마 소스는 전극을 통한 전도현상에 의존하죠. 이는 안정성 문제와 전극 침식 문제로 인해 오염이 발생하는 문제로 가득 찬 공정입니다. 그러나 EQ-10은 변압기 코어를 통한 유도를 활용하여 전극이 필요가 없습니다. 이러한 뚜렷한 차이는 뛰어난 공간 안정성과 오염물질 생산의 엄청난(획기적인) 감소를 촉진하는 기술의 핵심입니다.

[EQ-10 기초]

이 장치는 극자외선(EUV)이라고 부르는 빛을 발산하는 특별한 종류의 전구라고 생각하시면 됩니다. 하지만 일반 전구와 달리 필라멘트 대신 가스(제논)를 사용하여 빛을 생성하는 나름 복잡한? 방법으로 진행됩니다..

1. 플라즈마 생성: 가스인 제으로 시작합니다. 이제 끓는 냄비 위의 증기와 같은 가스를 본 적이 있으실겁니다. 이 장치는 가스를 "플라즈마"라는 특별한 상태로 바꿉니다. 이것은 기체에 많은 에너지를 주면 기체에 일어나는 일입니다. 기체는 빛을 발산할 준비가 된 입자 수프로 변합니다.
2. 플라즈마 재핑: 플라즈마가 빛을 내도록 하기 위해 Z-핀치라는 것을 사용하여 플라즈마를 압착(압축..?)합니다. 물풍선을 쥐어짜는 것과 같지만 손을 사용하는 대신 여기서는 자기장을 사용합니다. 이 플라즈마를 더 세게 그리고 더 빨리 압축하면 플라즈마는 엄청 뜨거워지고 결국 EUV 파장의 빛을 방출합니다.
3. 전기 흐름: 일반적으로 전기를 이동시키기 위해서 전봇대의 전깃줄을 사용하는 대신 플라즈마 자체를 사용합니다. 이것은 해수욕장 원형 튜브(도너츠 모양)와 같다고 생각하시면되는데요. 전기는 하나의 플레이트(튜브)로 흐르고 중앙 구멍을 통해 다른 플레이트를 통해 나갑니다. 이러한 과정동안 플라즈마는 압축됩니다.
4. 캐패시터와 스위치의 역할: 이제 가스를 한 번에 대량으로 공급하려면 어떻게 해야 할까요? 우리는 배터리와 같은 커패시터 뱅크를 사용하여 에너지를 매우 빠르게 방출할 수 있습니다. "마그네틱 스위치" 라는 것도 있는데요, 이 스위치를 이용하면 배터리가 가득찰 때 까지 커패시터가 기다렸다가 풀충전되면 한 번에 모든 에너지를 방출합니다. (에너르기파~)
5. 발광: 이렇게 방출된 에너지가 EUV 파장의 빛 입니다.
6. 제어: 보어라고 하는 중앙 튜브의 모양을 변경하여 플라즈마(따라서 나오는 빛)의 크기와 모양을 변경할 수도 있습니다. (참고)

[EQ-10 심화]

Z-pinch Plasma Generation:

이 장치는 Z-pinch로 인해 플라즈마 상태로 변환되는 제 가스를 사용합니다. 이 플라즈마 상태는 결국 EUV 광의 생성으로 이어집니다. Z-핀치는 플라즈마를 통해 흐르는 전류가 플라즈마에 내부(방사형) 힘을 유발하는 자기장을 생성하여 플라즈마를 압축하는 로렌츠 힘의 적용입니다. (Z 핀치의 'Z'는 축을 따라 흐르는 전류의 방향을 나타냅니다.)

 

변압기 코어 유도:

일반적으로 사용되는 전극을 통한 전도 대신 변압기 코어를 통한 유도를 사용하여 Z 핀치를 생성합니다. 이러한 구성은 전극 침식으로 인한 오염물 생성을 방지할 수 있기 때문에 유용합니다.

1차 및 2차 전류:

1차 회로는 중앙에서 전도성 튜브로 연결된 두 개의 구리판으로 구성됩니다. 1차 전류는 하나의 판으로 방사형으로, 중심을 통해 축 방향으로, 두 번째 판을 통해 방사형으로 바깥쪽으로 흐릅니다. 이는 3개의 병렬 경로를 통해 플라즈마에 흐르는 2차 전류를 유도한 다음 중앙 보어에 수렴합니다. 플라즈마 전류는 로컬 자기장을 형성하여 플라즈마를 압축하고 Z-핀치를 발생시킵니다.

 

커패시터 뱅크 및 마그네틱 스위치:

작동 시 커패시터 뱅크가 동판에 대칭적으로 충전되고 전기 펄스가 적용됩니다. 3개의 플라즈마 리턴 구멍을 둘러싸고 있는 자기 스위치는 초기에 높은 임피던스를 나타내어 작은 전류만 흐르게 합니다. 스위치 코어가 포화되면 거의 인덕턴스가 0이 되어 충전된 커패시터 뱅크가 플라즈마에서 큰 전류가 구동됩니다.

 

EUV 방출:

동적 Z-핀치는 플라즈마 채널을 빠르게 붕괴시켜 플라즈마를 빠르고 강렬하게 압축 및 가열합니다. 이 과정을 통해 플라즈마의 여기된 원자가 바닥 상태로 돌아가면서, EUV 광을 방출하도록 유도합니다. Z 핀치 메커니즘을 구동하는 Lorentz 힘의 원리와 플라즈마 및 EUV 발광의 물리학을 이해하는 것이 중요합니다.

 

로렌츠 힘은 F = q(E + v × B)로 지정되며, 여기서 E는 전기장, v는 전하의 속도, B는 자기장입니다.

EUV 발광의 경우 Rydberg 공식을 사용할 수 있습니다. 이는 원자의 에너지 준위 사이를 이동하는 전자에서 발생하는 빛의 파장을 예측하는 데 사용되는 수학 공식입니다.

 

1/λ = RZ^2(1/n1^2 - 1/n2^2)

 

여기서 λ는 방출된 빛의 파장, R은 Rydberg 상수, Z는 원자의 원자번호, n1과 n2는 각각 낮은 에너지 준위와 높은 에너지 준위의 주 양자수입니다. 결론적으로 Z-핀치는 플라즈마를 압축하는 자기장을 생성하기 위해 플라즈마의 전류를 사용하는 일종의 플라즈마 밀폐 시스템이라고 할 수 있습니다.

 

EQ-10의 작동에 대해서 알아보았습니다. 이렇게 출력된 광의 일관된 성능을 보장하기 위해서 성능 보정기, 측정기 등이 추가적으로 에드온 되어있습니다. 이에 대해 약간 디테일하게 알아보겠습니다.

1. 지르코늄(Zr) 호일:접이식 밸브에 장착된 이 포일은 EUV 방사선이 통과할 수 있도록 선택적으로 필터 또는 흡수제로 사용됩니다. 포일은 독립적으로 측정 및 보정되기에, 변속기 차이를 고려하고 시스템의 전반적인 정확도를 향상시킵니다.
2. 삽입 가능한 유리 필터: 지르코늄 포일의 무결성을 확인하는 데 사용합니다.
3. 제논 압력 모니터링: 제논은 진단 빔 라인에서 EUV 방사선이 통과하는 매개체로 사용됩니다.
4. 빔라인 펌핑: 빔 라인의 무거운 펌핑은 거의 진공 상태를 유지하는 역할을 하며, EUV 방사선의 전파에 영향을 미치는 가스 온도 변화로 인한 출력의 불확실성을 줄입니다.
5. X선 핀홀 카메라: 이 카메라는 접이식 45도 다층 미러 및 지르코늄 코팅 핀홀과 결합되어 EUV 소스의 공간 분포를 결정하기 위한 in-band 이미지를 제공합니다.

고출력 모드에서 7kW 전력으로 작동합니다. 따라서 최대 성능에서 변환 효율이 약 0.5%로 추정되죠. 약 60%의 효율을 갖는 것으로 명시된 변조기에 7kW의 전력 입력에서 작동합니다. 이는 약 4.2kW의 입력 전력이 효과적으로 사용됨을 의미합니다. EUV 광으로의 변환 효율은 약 0.5%라고 하는데, 이는 EUV 광의 약 21W가 시스템에서 생성된다는 것을 의미합니다. 그러나 출력 전력은 Z 핀치 메커니즘의 고유한 물리적 트레이드오프로 인해 챔버 제논 압력에 따라 변동할 수 있다고 합니다. 방출되는 EUV의 밝기 및 출력은 챔버 내의 제논 압력에 따라 달라집니다. 측정된 전력과 일치하도록 카메라에서 얻은 공간 프로필의 크기를 조정하는 대역 내 밝기 측정 방식이 사용됩니다.

 

EQ-10의 무전극 디자인은 공간 안정성에 직접적으로 기여합니다. 또 다른 중요한 속성인 시간적 안정성도 기여했는데 둘 다 알아보겠습니다.

공간 안정성:

방사원의 위치와 기하학이 측정 품질에 영향을 미칠 수 있으므로 공간적 안정성은 계측 소스에 매우 중요합니다. 무전극 설계는 핀치 단계 시작 시 경계 조건이 자연적으로 또는 공학적으로 대칭적인 거시적 변수에 의해 결정되기 때문에 우수한 공간 안정성으로 이어집니다. 이 안정성은 전극과 플라즈마 간의 상호 작용으로 인해 예측하기 어려운 동작을 유발할 수 있는 전극이 있는 시스템과 대조됩니다. 공간 안정성의 척도는 x-선 카메라 이미지의 중심 위치 변화입니다. 플라즈마에 대한 400mm의 반치폭(FWHM)에 비해 각 방향에서 5mm의 RMS(Root Mean Square) 변동밖에 없기떄문에, 상대적으로 우수한 공간 안정성을 있다는 것을 시사하죠. 또한 일부 일어나는 변동의 변화는 주로 플라즈마 자체의 불안정성보다는 진단 시스템의 열 드리프트에 기인하기 떄문에 안정적입니다.

 

시간적 안정성:

펄스 에너지의 변동이 결함을 숨기거나 모조할 수 있기 때문에 시간적 안정성은 계측 응용 분야에서도 중요합니다. 여기서 펄스 에너지는 EQ-10에서 생성되는 각 EUV 광 펄스의 에너지 출력을 의미합니다. 이 출력의 안정성은 플라스마 물리학의 변화와 전력 시스템의 변화라는 두 가지 요인의 영향을 받습니다. 플라즈마 물리학 관련 불안정성은 핀치 영역에서 펄스마다 가스 밀도가 달라지는 것과 같은 요인으로 인해 발생할 수 있습니다. 핀치에 공급되는 전력이 펄스마다 다르고 변조기 회로의 커패시터 또는 자기 요소와 같은 요소의 영향을 받는 경우 전원 시스템 관련 불안정성이 발생할 수 있습니다. 전력 관련 불안정성을 완화하기 위해 변조기에 수정이 가해졌는데, 이는 더 높은 압력에서는 상당히 긍정적인 효과가 있었지만 더 낮은 압력에서는 미미한 효과만 있는 것으로 보입니다. 이것은 전력 불안정성이 더 높은 압력에서 더 중요한 요소인 반면 플라즈마 관련 불안정성이 더 낮은 압력에서 지배적임을 시사합니다.

 

2005년에 상업적으로 출시된 이후 EQ-10은 레지스트 개발, 레지스트 가스 제거, 마스크 블랭크 검사, 광학 개발 및 테스트, 기타 독점적 애플리케이션을 포함한 다양한 애플리케이션에 전 세계적으 로 사용되었습니다.이어지는 추후의 포스팅에서는 더 발전한 소스에 대해 다시 한번 더 알아보겠습니다.읽어주셔서 감사합니다.