[논문]펨토초 레이저를 이용한 금속 나노패턴 형성 연구

최성철; 이영락; 노영철; 이종민; 고도경; 이정훈; 김강윤; 김창종; 이웅상; 허명구

doi:10.3807/kjop.2006.17.2.203

펨토초 레이저를 이용한 금속 나노패턴 형성 연구
Formation of nano-pattern on metal using femtosecond laser pulses 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.17 no.2, 2006년, pp.203 - 206

최성철 (광주과학기술원 고등광기술연구소) , 이영락 (광주과학기술원 고등광기술연구소) , 노영철 (광주과학기술원 고등광기술연구소) , 이종민 (광주과학기술원 고등광기술연구소) , 고도경 (광주과학기술원 고등광기술연구소) , 이정훈 ((주)LG전자 RMC사업부) , 김강윤 ((주)LG전자 RMC사업부) , 김창종 ((주)LG전자 RMC사업부) , 이웅상 ((주)LG전자 RMC사업부) , 허명구 ((주)LG전자 RMC사업부)

초록
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펨토초 레이저 펄스를 이용하여 Slide glass 위에 코팅된 Al 박막표면에 나노패턴 구조를 생성하였다. 생성된 나노패턴 구조의 공간적 주기는 레이저 강도와 펄스 수에 의존함을 확인하였고, 레이저 강도와 펄스 수를 미세하게 조절함으로써 Al 샘플 표면에 균일한 나노패턴을 형성 시킬 수 있다. 이와 같은 현상은 레이저 입사빔과 샘플 표면에서 산란되는 빛의 광학적 간섭에서 야기 된다. 또한, Al 박막표면 위에 형성된 산화막이 짧은 주기의 나노패턴을 형성하는데 중요한 역할을 수행하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Femtosecond laser-induced nano-patterning of an Al surface coated on a slide glass is reported in this paper. It was found that the period of the laser-induced nano-patterning was much dependent on the incident laser power and pulse number. Through finely adjusting the laser power and pulse number, uniform nano-patterns could be formed on the Al surface. It is based on the interference of the incident laser beam with some form of a surface scatted electromagnetic wave. It was also found that an Al oxide layer played an important role in forming the nano-patterning on the Al surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 알루미늄 박막 표면에 펨토초 레이저를 조 사하여 생성되는 나노패턴을 실험적으로 관측하였레이저 출력과 펄스 수를 미세하게 조절하여 생성된 나노패턴의 특성을 확인하였다.
입사광의 강도는 형성되는 나노패턴의 특성을 결정하는 주요한 요소로 알려져 있다. 본 연구에서도 A1 박막에 형성되는 나노패턴의 공간적 주기의 강도 의존성을 확인하기 위해 여러 레이저 강도에서 A1 박막을 노출 시켜 형성되는 주기 특성을 관측하였다. 그림 3은 레이저 펄스 수를 200으로 고 정하고 레이저 강도(100, 110, 120, 130 #)를 조절하여 A1 박막 표면에 형성된 나노패턴 구조의 AFM 이미지를 나타내고 있다.

제안 방법

레이저 강도가 융해 문턱값보다 약하면 샘플 표면에 아무런 물리적 현상이 발행하지 않고 그보다 더 높으면 A1 박막이 완전히 사라진다. 따라서 융해 문턱값 근처에서 적당한 강도를 찾기 위해 펄스 수를 고정하고 강도를 조절하면서 실험을 수행하였다.
레이저 펄스 수가 나노패턴 형성에 미치는 영향을 확인하기 위해 펄스 수를 변화 시키면서 실험을 수행하였다. 그림 5는 A1 빅막에 조사되는 레이저 강도를 100 #로 고정하고 레이저 펄스 수를 조절하면서 관측한 결과이다.
펄스 반복률은 1 kHz이고 regeneration amplifier에서 방출된 레이저빔 profilee 거의 Gaussian 형태를 가진다 평균 출력에너지는 500 mW 정도이고 선형 편광된 레이저빔은 초점거리 100 mm인 cylindrical lens를 통해 샘플에 조사되었다. 샘플 효면에서의 레이저 강도를 조절하기 위해 Neutral Density filter를 사용하였으며, 샘플에 조사되는 레이저 펄스 수는 X-Y Linear stage 속도를 변화시 키면서 조절하였다. 빔 크기는 21 nmx4.
이는 A1 박막위에 균일한 산화막이 짧은 주기의 나노패턴을 형성하는데 중요한 역할을 수행하는 것으로 예측된다. 이를 확인하기 위해 A1 산화막 샘플과 같은 레이저 상태에서 산화막이 없는 순수한 A1 박막 위에 직접 레이저를 조사하였다. 그 결과 단지 700 nm 대의 나노패턴만이 생성되었고 낮은 레이저 강도에서는 어떠한 나노 패턴도 형성되지 않았다.
레이저 빔의 펄스폭은 781 nm 파장에서 130 fs였다. 펄스 반복률은 1 kHz이고 regeneration amplifier에서 방출된 레이저빔 profilee 거의 Gaussian 형태를 가진다 평균 출력에너지는 500 mW 정도이고 선형 편광된 레이저빔은 초점거리 100 mm인 cylindrical lens를 통해 샘플에 조사되었다. 샘플 효면에서의 레이저 강도를 조절하기 위해 Neutral Density filter를 사용하였으며, 샘플에 조사되는 레이저 펄스 수는 X-Y Linear stage 속도를 변화시 키면서 조절하였다.
펨토초 레이저를 조사하여 A1 박막 표면 나노패턴의 공간적 구조를 분석하였다. 나노패턴의 공간적 주기는 입사빔의 강도와 펄스 수에 의존함을 확인하였고, 이를 조절함으로써 보다 짧은 주기의 나노패턴을 생성할 수 있다.

대상 데이터

샘플은 일본 ULVAC 사의 DC Magnetron Sputter를 사용하여 제작하였고, 작동 압력(operating pressure)은 1.7x10’ Pa, target과 샘플의 거리는 14 cm, target size는 8", DC power는 100 W였다. 균일한 산화막을 형성시키기 위해 Ar과 Ch의 비를 9:1로 흔합하여 10시간 정도 산화시켰다
본 연구에서 250 nm 주기의 짧은 나노패턴 주기가 형성되 었다(그림 3, (a)-(c) 참조). 이는 A1 박막위에 균일한 산화막이 짧은 주기의 나노패턴을 형성하는데 중요한 역할을 수행하는 것으로 예측된다.
본 연구에서 사용된 샘플의 구조는 slide glass 위에 Al을 50 nm 두께로 코팅된 샘플과 A1 위에 균일한 알루미늄 산화 막(AI2O3)이 형성된 샘플로써 사용된 샘플의 구조는 그림 1에 나타내었다.
사용된 펨토초 레이저는 Chirped pulsed amplification 기술을 이용한 regenerative amplifier 시스템(IFRIT, Cyber Laser Inc) 으로써 전체적인 사양은 표 1과 같다. 레이저 빔의 펄스폭은 781 nm 파장에서 130 fs였다.
실험을 통하여 30 nm 의 생성깊이를 갖는 주기 격자를 얻기 위해서는 최소 200개 이상의 펄스가 필요함을 알 수 있었다.

이론/모형

7 TW였다. 레이저 조사 후 샘플 표면의 결정성을 확인하기 위해 AFM(Atomic Force Microscope)을 사용하여 분석하였다. 전체 가공시스템의 개략도는 그림 2에 나타내었다.

성능/효과

이를 확인하기 위해 A1 산화막 샘플과 같은 레이저 상태에서 산화막이 없는 순수한 A1 박막 위에 직접 레이저를 조사하였다. 그 결과 단지 700 nm 대의 나노패턴만이 생성되었고 낮은 레이저 강도에서는 어떠한 나노 패턴도 형성되지 않았다. 이와 같은 결과는 A1 박막 위에 산화막이 있는 경우와 없는 경우 표면 플라즈몬(Surface Plas- mon)의 공명 주파수가 달라지기 때문에 발생한다.
펨토초 레이저를 조사하여 A1 박막 표면 나노패턴의 공간적 구조를 분석하였다. 나노패턴의 공간적 주기는 입사빔의 강도와 펄스 수에 의존함을 확인하였고, 이를 조절함으로써 보다 짧은 주기의 나노패턴을 생성할 수 있다. 또한, 생성 깊이는 레이저 펄스 수가 증가할수록 증가함을 확인하였다.
나노패턴의 공간적 주기는 입사빔의 강도와 펄스 수에 의존함을 확인하였고, 이를 조절함으로써 보다 짧은 주기의 나노패턴을 생성할 수 있다. 또한, 생성 깊이는 레이저 펄스 수가 증가할수록 증가함을 확인하였다. A1 박막 위에 균일한 산화막이 형성된 샘플은 짧은 주기의 나노패턴을 형성하는데 중요한 역할을 수행하는 것을 확인 하였다.

후속연구

이와 같이 측정값이 이론값보다 작은 이유는 이론값에 사용되는 유효 굴절률이 단순히 A1 산화막의 굴절률이 아니라 산화막과 A1 과의 유전율에 의해 결정되는 상대적인 값이기 때문이다. 그러므로 짧은 주기의 나노패턴이 형성되는 보다 명확한 메커니즘을 규명하기 위해서는 상세한 이론적 분석과 실험적 연구가 수행되어야 하고 또한, 넓은 영역의 레이저 파라 미터와 다른 물질들에 대한 체계적인 조사가 수행되어야 할 것으로 여겨진다.

참고문헌 (9)

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F. Costache, M. Henyk, J. Reif, Appl. Surf. Sci. 208-209, 486-491, 2003
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D. V. Tran, H. Y. Zheng, Y. C. Lam, V. M. Murukeshan, J. C. Chai, D. E. Hardt, Optics & Laser Eng. 43, 977-986, 2005

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R. L. Harzic, H. Schuck, D. Sauer, T. Anhut, I. Riemann, K. Konig, Optics Express, 13, 6651-6656, 2005

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D. Bauerle, Laser Processing and Chemistry, 3rd ed., Springer, Berlin, p. 574, 2000

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