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고순도가스로 CO2, CF4, SiF4 등 유해물질 억제
레이저는 현재까지 인류가 임의로 만들어 낼 수 있는 유일한 인공광선으로 지난 1950년 C.H.Townes가 개발한 ‘메이저(MASER)’가 그 전신이다. Townes는 메이저를 세상에 알린 이후 8년뒤인 1958년에야 A.L.Schawlow와 함께 레이저의 원리를 제시했으며 다시 2년이 흐른 1960년 Hughes Research 연구소의 T.H.Maiman에 의해 세계최초의 펄스형 루비(Ruby) 결정 레이저가 탄생했다.
이러한 레이저는 과학의 비약적인 발전과 함께 연구와 개발이 거듭되면서 이제 과학, 기술, 의료분야에 있어 그 무엇과도 비교할 수 없을 정도로 중요한 존재로 부각되고 있다. 과거 연구소에서 실험을 위해서나 사용됐을법한 다양한 레이저 발진 방식들이 실제 산업에 훌륭하게 적용되고 있으며 그 응용분야도 거의 모든 산업분야로 확산되고 있는 실정이다. 실제로 레이저는 일반적으로 생각할 수 있는 레이저 가공, 의료기기, 거리측정, 광통신, 레이저 스캐너 및 프린터, 군사용 레이저, 반도체 가공 등의 분야 이외에도 21세기 핵심산업으로 떠오른 유전자 조작을 비롯 미래 에너지자원으로 연구가 진행중인 핵융합에너지 그리고 광컴퓨터, 형상인식 등과 같은 최첨달 산업에의 적용이 늘고 있다.
레이저의 원료(매질, medium)로는 <표-1>에서 볼 수 있듯이 가스(기체), 액체, 고체 등이 모두 사용된다.
이러한 매질들은 자외선의 범주에 속하는 단파장의 빛을 방출하게 되는데 이를 활용해 피부과 및 안과에서 각종 시술이 가능하며 특히 미세공학분야의 평판(lithography)제작에 있어서 레이저는 핵심적 역할을 수행한다.
사용하는 가스의 품질과 레이저의 성능과의 상관관계는 'KrF(Krypton-Fluorine)레이저'를 사용했던 오래전부터 이미 많은 연구가 진행되어 오고 있다.
과거에는 레이저 튜브가 좋지 않은 품질의 물질과 디자인을 채용함으로서 가스사용량 증대 및 레이저의 사용시감 감소라는 문제에 절대적인 책임을 져야만했지만 ‘Nova 튜브’와 같은 새로운 튜브의 개발과 함께 괄목할만한 발전이 이뤄진 현재의 레이저에 있어서는 가스의 품질이 무엇보다 중요한 사안으로 부각되고 있다.
아래에서 제시될 연구는 바로 이러한 문제를 해결하기 위한 정량분석(quantitative analysis)을 목적으로 하는데 미래 레이저가스에 대해서도 보다 명확한 정의를 내릴 수 있을 것으로 판단된다.
가스레이저의 작동원리와 엑시머레이저
레이저(LASER:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)는 약자에서도 알수 있듯이 외부에서 가해진 에너지에 의해 발생하는 유도방출로 얻어지는 빛을 증폭시키는 원리로 각 매질에 따라 방출되는 파장이 달라진다.
가스레이저의 경우에도 <그림-1>에서처럼 내부에서 광학적으로 활성화된 가스는 광학공진기(유리공진기)로 보내진다. 충분한 전압을 제공받은 가스는 열(熱) 균형과 대비되는 반전분포(反轉分布) 상태에 놓이게 되는데 높은 에너지 레벨을 갖는 여기상태와 낮은 에너지 레벨의 기저상태를 반복적으로 천이한다. 여기상태에서 기저상태로 천이가 일어날 때 광자를 방출하게 되며 이 광자들은 다시 원자 및 분자들이 기저상태로 돌아가도록 만든다. 공진기는 거울면을 통해 여기서 발생한 빛을 회절시키면서 다시 같은 방식으로 유도방출을 거듭하도록 만든다. 방출이 거듭될수록 빛의 힘은 더욱 증대되고 결국 발진광(光)이 일부투과거울(semi-transparent mirror)을 통과할 정도로 강해지면 레이저가 발진하게 되는 것이다.
가스레이저중 여기서 다루게될 엑시머레이저(Excimer laser)는 나노초(nano-seconds)의 자외선을 지속적으로 방출하는 흥미로운 방식의 레이저이다. 엑시머는 ‘excited dimer(활성 이합체)'의 약자로 활성화된 상태에서만 안정성을 보이는 두 개의 원자를 함유한 분자를 의미한다. 여타 활성 분자들처럼 활성 이합체 또한 기저상태로 천이될 때 광자를 방출하고 이를 통해 레이저가 발진한다.
엑시머레이저의 매질은 희귀가스인 불소와 수소염화물의 혼합물로 전기적 방출로부터 발생하는 에너지에 의해 이 혼합물에 열이 가해진다. 이같은 활성화 단계에서 희귀가스는 할로겐과 반응해 준안정 단계의 혼합물을 형성하게 되는데 바로 이것이 엑시머이다.
엑시머는 기저상태로 천이되면서 사용하는 가스에 따라 193(ArF)～351(XeF)나노미터 사이의 파장을 지닌 자외선을 방출한다. 특히 엑시머레이저는 사용을 위해 강한 열을 투입하지 않아도 된다는 점에서 의료용으로서 더할 나위없이 중요한 장점을 가지고 있다. 또한 할로겐 혼합물의 투입량을 늘리게 되면 충전된 가스의 수명도 늘어난다.
그러나 할로겐과의 반응과정 속에서 휘발성(폭발성) 할로겐 오염물질이 발생하는데 적외선 분광기를 통해 검출이 가능하지만 이 물질들은 레이저의 성능저하를 일으키는 원인으로 작용한다.
엑시머레이저는 이미 다양한 응용분야가 개발되어 있다. 그러나 미래사회에서 엑시머레이저는 반도체 산업에서의 평판공정 등을 비롯 그 역할이 더욱 증대될 것으로 전망된다. 특히 평판공정의 경우 통합회로의 생산과 관련 매우 중요한 분야이다.
가스의 품질과 레이저의 성능
이번 연구 및 가스분석을 위해 두 개의 ArF 엑시머 레이저가 사용됐으며 두개 레이저의 디자인, 산출량, 사용처 등도 다른 것으로 선택했다.
먼저 1와트 ArF레이저는 오래된 디자인으로 안구수술 등과 같은 의료용으로 사용되는데 매번 가스 충전시마다 약 3만번을 사용할 수 있다.
이와 달리 1백와트의 출력을 지닌 두 번째 레이저는 표면처리와 같은 산업용 용도로 사용되며 새롭게 개발된 가장 적합한 레이저 튜브를 채용했다. 이 튜브는 할로겐 혼합물의 추가적인 투입 없이도 가스 재충전시마다 약 2천만번의 레이저 방출이 가능하다.
사용되는 산업용가스는 아르곤과 네온 그리고 불소와 헬륨의 혼합물 5%로 온사이트방식으로 제공된다.
이번 실험의 첫 번째 단계는 상업적으로 이용할수 있는 레이저 가스의 실린더 내부에 함유된 오염물질의 수준에 따라 어떠한 차이가 발생하는가는 알아내는 것이다.
실험결과 두 개의 레이저 모두 몇차례의 발진이후부터 오염물질 검출량이 증대되기 시작했으며 발진을 거듭할수록 그 량은 더욱 늘어났다. 이러한 오염물질의 증가는 결국 레이저 사용에 상당한 영향을 미치게 된다.
반면 가스공급이전에 가스 정제기를 통과하게 하고 실린더에 사전처리를 행한 제 3의 레이저는 실험에 사용된 2개의 레이저에 비해 상대적으로 높은 성능을 보이는 것으로 나타났다.
실제로 1와트 레이저는 CO2가 0.08ppm/million이 검출됐고 CF4는 0.25ppm/m, SiF4는 0.05ppm/m이상이 검출됐다. 1백와트 레이저도 CO2 0.14ppm, COF2 0.04ppm, CF4 0.25ppm, CxFy 0.17ppm, SiF4 0.25ppm이상 검출됐다. 그러나 제3의 레이저는 CO2, CF4, SiF4 모두 0.05ppm을 넘지 않았다. <표-3>은 실험에 사용됐던 3가지 레이저에서 측정된 불순물의 종류와 량을 나타낸다.
이는 할로겐과의 활발한 반응 때문에 매질내 가스의 질이 지속적으로 저하되기 때문으로 비록 레이저를 사용하지 않을 경우라해도 이같은 품질저하는 나타나는 것으로 밝혀졌다.
여기에 오염물질의 응집(생성)은 매질의 잔존시간에 의해서도 좌우되는 것으로 나타났으며 잔존시간이 길수록 오염물질 생산은 늘어난다. 그러나 FTIR스펙트럼 분석을 통해서도 정확한 예상 증가량은 알아낼 수 없었다.
이번 실험의 가장 중요한 목적은 일명 역학적으로 가장 합리적인 가스사용기간을 결정하는 것이다. 이는 발진을 거듭할수록 HF, CO2, CF4, SiF4 등의 불순물 수치가 높아지는 것은 물론 결국에는 초기에 검출되지 않았던 NF3까지 생성되기 때문이다.
구체적으로 최초 가스충전시 발진했을 경우 HF, CO2, CF4, SiF4 등이 모두 0.1ppm/million이하였지만 1천번의 발진이후 NF3가 새롭게 검출되며 각각의 수치가 상승하기 시작했고 1만번 발진후에는 CF4가 0.3ppm/m, NF3는 0.4ppm/m에 가까운 수치를 보였다. 또한 10만번 발진후 CF4는 0.8ppm/m에 달했으며 발진이 1천만번에 이르렀을 때에는 SiF4도 0.8에 근접했고 HF 0.2ppm/m, CO2 0.15ppm/m 등의 수치를 보였다. 1천만번 발진 이후에는 COF2도 검출됐다. 그러나 1천번의 발진이후 나타난 NF3는 10만회에서 최고로 높은 검출량을 보인후 갑자기 사라지는데 이는 아마도 다른 혼합물과의 반응에 의한 것으로 추측된다.
예상컨대 1와트 레이저에 있어 레이저 능력의 감소는 2만번의 발진이후 현격하게 발생한다.
레이저의 능력과 분자내부의 불순물 사이의 관계를 고려해볼 때 약 1백50ppm의 N2 또는 NF3가 레이저가스 혼합물에 들어있는데 두 경우 모두에서 가스의 수명단축효과가 나타난다. <표-4>은 이러한 불순물들이 매질에 유입됐을 때 발생하는 레이저효율의 감소를 잘 보여준다.
엑시머레이저 가스혼합물의 카트리지 처리
위에서 살펴보았듯이 엑시머레이저에 사용되는 산업용가스는 정기적인 교환이 필수적이다. 또한 가스가 대기로 방출되기 이전 반응후 생성된 혼합물은 반드시 폐기처리해야만 한다.
일반적으로 불소를 제거하기 위해서는 활성화된 탄소 흡수장치를 활용한다. 하지만 이 경우 온실효과를 유발하는 CF4가 생성된다는 문제점이 있다.
이로인해 최근 새롭게 개발된 방법이 불소와 수소염화물을 각각 처리할 수 있는 2개의 카트리지를 적용하는 것이다.
일례로 메싸의 경우 Excisorb-F를 통해 불소를 함유한 혼합물을 처리하고 Excisorb-C로는 HCl(염화수소)를 함유한 혼합물을 처리한다. 또한 할로겐은 고체 할로겐화물로 변환돼 흡수제에 흡착된다. 흡수제는 상태에 따라 색깔이 바뀌는데 반투명막을 통해 이를 볼 수 있도록 제작해 효용성을 더했으며 사용한 흡수제의 처리에도 특별한 문제가 없는 것으로 알려졌다. |