4. E95의 안정성 개선

고분해능 회절 격자

그림5: 고분해능 회절 격자

E95의 안정화를 위해 기가포톤이 착수한 가장 큰 개발은 E95의 크기를 직접적으로 좌우하는 협대역화 모듈(LNM)의 고성능화입니다. LNM의 모식도를 그림5에 표시합니다. LNM 모듈은 체임버에 인접한 장소에 설치되어 있으며, 프런트 미러와 함께 광공진기를 구성하고 있습니다. 그 역할은 스펙트럼의 필터로, 체임버에서 발생하는 오리지널 빛의 E95가 수백 pm로 넓은 데 비해 LNM을 통하면 수백 분의 1까지 협대역화됩니다. LNM의 구성은 여러 개의 프리즘과 회절 격자로 이루어져 있습니다. 프리즘은 레이저광을 확대하는 역할을 하며, 확대된 레이저광이 회절 격자 전면에 조사됩니다. 레이저광은 회절 격자에 의해 반사되어 체임버로 돌아옵니다만, 이때 파장에 의존하여 반사되는 각도가 미묘하게 변화합니다. 다시 말해 파장 분포를 공간 분포로 변환하는 작용을 하고 있습니다. 슬릿 등을 이용하여 중심 부근의 빛만 체임버로 되돌리면 스펙트럼의 협대역화가 실현됩니다. 이 원리를 이용한 기술은 이용하는 회절 격자를 크게 만들면 보다 좁은 스펙트럼, E95를 실현할 수 있습니다.

기가포톤이 역점을 둔 기술은 세계 최대의 고분해능 회절 격자를 탑재한 LNM을 개발하는 것이었습니다. 그림 속에 기존의 회절 격자 배치와 고분해능 회절 격자의 배치를 나타내고 있습니다만, 양자의 크기 차이는 1.5배 이상입니다. 그 크기로 인해 컴팩트하게 회절 격자를 배치하는 디자인, 균일한 광학파면을 실현하는 마운트 방식이 핵심이라 할 수 있습니다.

E95에 대한 F2 가스의 영향

그림6: E95에 대한 F2 가스의 영향

그림6에 양자의 회절 격자로 실현된 E95의 데이터를 표시합니다. 세로축에 E95를, 가로축에 E95의 변동 요인인 체임버 내의 F2 가스 압력을 나타내고 있습니다. 먼저 E95 자체의 차이는 고분해능 회절 격자를 이용함으로써 기존의 절반을 실현할 수 있었습니다. 전형적인 F2 가스 농도인 300hPa로 비교하면 기존형의 E95가 1.4pm인 데 비해 고분해능형에서는 0.7pm가 실현되었습니다. 다른 F2 가스 농도도 같은 차이를 볼 수 있습니다.

F2 가스의 농도 변화에 대한 E95의 변동도 기존형이 0.4pm/100hPa인 데 비해 0.15pm/100hPa로 약 1/3 이하까지 개선되어 있습니다. 이미 설명한 E95의 첫 번째 변동 요인인 F2 가스 분압의 변화에 대해 큰 개선을 볼 수 있었습니다.

F2 가스 제어 시스템

그림7: F2 가스 제어 시스템

F2 가스 농도 변화에 대해 E95의 변동이 적은 LNM의 개발에 성공한 다음 단계로 체임버 내의 F2 가스 농도를 안정화하는 개발에 착수했습니다. F2 가스 농도를 안정화하여 장기간에 걸친 E95의 안정성을 확보하는 것이 목적입니다.

전술한 바와 같이 F2 가스 농도를 변화(주로 주입에 의한 증가)시켜야 하는 이유는 방전으로 소비된 F2 가스를 보충하여 장기적으로 출력 파워의 저하를 억제하기 위해서입니다. 그러나 F2 가스를 과주입하면 E95가 크게 변동되는 것이 과제입니다.

E95를 안정화하고, 나아가 출력 파워의 저하를 억제하는 유일한 해결책은 항상 체임버 속의 F2 농도를 안정적으로 유지하는 것입니다. 이를 위해 개발한 기술이 정밀한 가스 컨트롤 기술입니다. 정밀 가스 컨트롤 시퀀스에서는 체임버 내에 주입하는 F2 가스의 양을 질량 흐름 제어기로 고도로 정교하게 제어 및 파악하고 있습니다. 또한 체임버 내에서 소비되는 F2 가스의 양을 각 지표에서 읽어낼 수 있도록 했습니다. 이를 통해 항상 체임버 내의 F2 가스 농도를 일정하게 유지할 수 있게 되었습니다. 또한 F2 가스의 과주입을 감시하기 위해, 감시 모듈의 스펙트럼 폭 계측값을 피드백하여, 추정한 F2 가스 농도의 차이를 보정하는 피드백 시스템도 채용했습니다.

이러한 개발을 통해 체임버 내의 F2 가스 농도를 전형값으로 만들어, 항상 300-350hPa로 제어할 수 있으므로, 고분해능 회절 격자와 함께 사용하면 E95의 변동을 0.1pm 정도로 억제할 수 있게 되었습니다.

이상의 기술은 2kHz KrF 레이저 G21K, 4kHz KrF 레이저 G40K, G41K 및 최근의 ArF 레이저에 적용되어, 사용자의 현장에서 CD 컨트롤에 크게 공헌하고 있습니다.