미래를 그리는 광전자빔 리소그래피 시스템 조작의 도전

인터뷰 05

노다 스스무 교수
교토대학 공학연구과 및 공학부

광학 칩, 반도체 레이저 혁신, 열 방출 제어 및 고효율 태양 전지 등... 포토닉 크리스탈은 의심할 여지 없이 미래를 잡는 혁신적인 소재입니다. 교토대학 노다 스스무 교수는 초창기부터 이 분야의 연구를 주도해 왔으며 야심찬 꿈을 향해 계속 달려가고 있습니다.

초현대적 소재 – 포토닉 크리스탈

빛을 쪼개고, 구부리고, 저장하고, 강화할 수 있는 능력을 갖춘 "광자 결정체"는 빛을 자유롭게 조작할 수 있는 큰 잠재력을 가진 혁신적인 소재로 전기 및 전자 장치의 가능성을 크게 향상시킵니다. 빛은 전자보다 훨씬 빠르게 이동하고 장거리를 이동해도 감쇠가 거의 없다는 장점이 있어 전자공학과 결합시키려는 다양한 시도가 있어왔다. 그러나 반도체는 전자의 흐름을 자유롭게 조절할 수 있지만 빛의 경우에는 이와 같은 반도체가 존재하지 않았다. 광자 결정은 사실상 전자에 대해 할 수 있는 것처럼 빛을 조작할 수 있는 "빛을 위한 반도체" 역할을 합니다.
광자 결정의 가능한 응용 사례 중 하나는 광자 결정으로 만들어진 내부 기판이 있는 광학 유선 컴퓨터입니다. 기존 기판의 경우 데이터는 CPU 및 메모리와 같은 구성 요소 간에 전자에 의해 전송됩니다. 그러나 전자의 속도는 제한적이며 전자는 필연적으로 열을 발생시키는데, 이는 컴퓨터 처리 속도 향상을 방해하는 주요 요인 중 하나였습니다. 그러나 광자 결정으로 만든 기판을 사용하면 구성 요소 간에 빛을 통해 데이터를 전달할 수 있습니다. 광결정을 이용하여 강렬한 빛을 한 지점에 저장하는 기술은 이미 발명되었습니다. 그러한 기술을 발전시키면 궁극적으로 소비자 크기의 컴퓨터에서 오늘날의 슈퍼컴퓨터 성능을 실현하게 될 것입니다.
광결정은 또한 반도체 레이저의 혁명을 촉발할 것으로 예상됩니다. 반도체 레이저 기술은 파장과 시간 면에서 크게 발전했지만 출력면에서는 고체 레이저, 가스 레이저 등 다른 레이저 기술에 뒤쳐져 있다. 또한, 권력의 발전은 이미 오래 전에 이루어졌습니다. 광결정 레이저로 대면적 가간섭성 작업이 완전히 실현된다면, 일관되게 높은 빔 품질을 가진 고출력 작업이 가능할 것으로 기대되며, 이는 반도체 레이저 분야에 새로운 혁명을 일으킬 것입니다. 가능한 응용 분야는 가공, 자동차 및 감지 산업에서 핵융합을 위한 점화 레이저에 이르기까지 다양합니다. 잠재적인 시장 규모는 매우 큽니다.
광자 결정은 또한 열 방출 기술의 혁신을 촉발할 것으로 예상됩니다. 여기서 열방출이란 가열된 물체에서 빛(전자파)이 발생하는 현상을 말한다. 수년 동안 이 현상은 분석을 위한 램프 및 광원의 기본 원리로 활용되었습니다. 이러한 의미에서 태양은 자외선에서 적외선에 이르기까지 매우 넓은 대역의 빛을 방출하는 열 방사체이기도 합니다. 마찬가지로 일반 열 방출기는 특정 목적에 필요하지 않은 넓은 범위의 빛을 방출하므로 빛의 사용 효율이 크게 저하됩니다. 물체의 열 방출이 에너지 손실 없이 원하는 파장과 원하는 선폭으로 수렴되고 동적으로 초고속으로 제어될 수 있다면 어떨까요? 다양한 분석 목적을 위한 고효율 및 고율 적외선 광원을 구현하고 열태양광 발전 시스템의 효율을 크게 향상시킬 것입니다.

빛을 자유롭게 조작하는 구조

빛은 파동과 같은 성질을 가지고 있으며, 가시광선 영역에서 파장의 차이는 서로 다른 색으로 표현된다. 우리에게 햇빛과 형광등 빛이 하얗게 보이는 이유는 다양한 파장의 빛이 합성되기 때문입니다. 빨간색 기둥은 기둥에서 반사된 빛이 빨간색이고 다른 빛이 흡수되거나 투과되기 때문에 빨간색으로 보입니다. 빛의 반사, 흡수 및 투과는 물체의 분자 및 표면 구조에 의해 결정됩니다. 광자 결정은 빛 반사(즉, 빛 방향 변경)와 빛 공명(즉, 빛 강화)을 자유롭게 제어하기 위해 이러한 미세 구조를 설계하고 생성하기 위한 것입니다.

광자 결정을 만드는 절차는 간단합니다. 반도체의 경우와 마찬가지로 주요 재료 구성 요소는 실리콘 웨이퍼(또는 III-V 화합물 반도체 웨이퍼)입니다. 절차는 다음과 같습니다. 먼저 전자빔을 사용하여 웨이퍼에 정렬된 공기 구멍을 만듭니다. 이것은 모공으로 공기를 가져옵니다. 그러면 반도체 부품 사이에 굴절률이 서로 다른 다수의 반복 패턴이 생성되고 경계에서 반사가 발생합니다. 결과적으로 특정 방향의 경계에서 반사된 빛은 보강 간섭하고 다른 빛은 상쇄 간섭하여 사라지는 브래그 반사 현상을 일으켜 이른바 '차광체'가 된다.
"인공 결함"이라고 불리는 구조가 더 중요합니다. 기공이 규칙적으로 정렬된 패턴에 크기나 모양이 다른 기공 및/또는 기공이 없는 단면을 만들 때 이러한 단면에 빛의 존재를 허용하여 해당 단면을 통해 빛을 전달하거나 저장할 수 있습니다. . 이러한 "결함"은 빛의 새장 역할을 합니다. 따라서 결함을 적절히 배열하여 빛의 전파 방식을 유연하게 제어할 수 있습니다. (그림 1은 포토닉 크리스탈 웨이퍼의 예시적인 포토닉 회로의 2차원 보기를 보여줍니다.) 또한, 미세 결함(결함 크기의 미세 변화 포함)이 만들어지면 빛은 결함으로 수렴되고 파장의 빛만 (s) 적절한 공기 구멍 크기는 건설적으로 방해합니다. 이러한 구조는 광자 회로 및 마이크로 레이저 장치를 위한 광 저장 메모리를 실현할 것입니다. (그림 200는 광결정 웨이퍼 위에 형성된 광도파로와 나노공진기의 XNUMX차원 전자현미경 사진이다.) 그럼에도 불구하고 기공의 직경은 약 XNUMXnm 정도로 미세하며 바이러스이며, 이는 제조를 위해 nm 단위의 정확도가 필요함을 의미합니다. 원하는 기능을 달성하려면 공기 구멍 위치를 나노미터 미만으로 제어해야 하며 고정밀 기계가 필요합니다.

FIG.1

광결정을 통한 광로의 XNUMX차원 이미지

FIG.2

"인공 결함"이 적용된 규칙적으로 정렬된 공기 구멍의 10차원 패턴입니다. "Nano-resonator"로 표시된 부분(XNUMXmm 더 넓은 기공 간격을 갖는 점선 사이)은 빛을 더 오래 가둘 수 있습니다. 도파로(Waveguide)라고 표시된 부분(나노 공진기의 높이보다 높음)은 외부에서 나노 공진기로 빛을 안내하는 역할을 합니다. 기공의 직경과 간격을 나노미터 단위로 제어해야 하므로 전자빔 리소그래피 시스템에 의한 정밀 드로잉이 요구된다.

광자 결정의 실제 응용 뒤에 있는 주요 인물

미래 표준 장치의 추구

10년이 넘는 기간 동안 저명한 기초 연구에 꾸준히 전념한 후 그가 2000년에 발표한 논문은 Noda 교수를 각광받게 했습니다. 이 기사는 그의 오랜 연구의 풍부한 결실로 광결정 기술의 실현 가능성을 입증했으며, 이는 다수의 연구원을 포함할 만큼 충분했습니다. 오늘날, 가시적 결과를 생성하는 것을 목표로 하는 광결정에 대한 많은 응용 연구가 있습니다.
이 기술의 가장 기대되는 응용 분야 중 하나는 앞서 언급한 대면적 코히어런트 반도체 레이저입니다. 이 글을 쓰는 시점에서 단일 칩으로 고품질 및 고출력 빔 출력의 와트급 작동이 성공적으로 수행되었습니다. 연구원들은 10W 작동이 실행되면 세상이 바뀔 것으로 기대합니다. 또한, 재생에너지원으로서 태양전지에서의 응용이 주목받고 있다. 기존 태양전지는 가시광선의 일부만 흡수해 전력으로 변환할 수 있어 태양광의 상당 부분이 버려진다. 광자 결정(앞에서 언급한)을 사용한 열 방출 제어는 향후 문제를 해결할 것으로 예상됩니다. 즉, 열 방출 제어는 셀이 가장 효율적으로 흡수할 수 있도록 특정 대역에서 빛을 방출하고 대부분의 태양광을 흡수할 수 있도록 하는 태양 전지 설계를 허용함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있습니다.
이러한 새로운 기술의 가능성을 열어준 그의 업적에 감탄하는 많은 연구자들은 노다 교수가 차기 노벨상을 받을 자격이 있다고 생각합니다.
"광결정의 실용화는 이제 막 시작되었습니다. 제 사명은 싹트는 기술을 만개하도록 꾸준히 육성하는 것입니다."라고 그는 말했습니다.

게시일: 2016년 XNUMX월

전자빔 리소그래피 시스템