KR101040676B1 - Smith-Purcell Free Electron Laser Device Fabrication Method using Employing Wet Etched Grating - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 비등방적 습식공정과 반도체 가공기술을 적용하여 제작된 금속 격자회로를 적용한 광대역, 고출력, 소형의 전자기파 발진소자인 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 제작 방법에 관한 것이다. 습식공정으로 제작된 회로를 적용한 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 제작을 위하여 실리콘 웨이퍼에 적용되는 비등방적 습식공정을 금속 격자 회로 제작에 적용하면, 선택적인 공정이 수월하고, 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 금속 격자 회로를 빠른 시간 안에 대량으로 제작이 가능하다. 또한, 공진기 형태의 구조를 갖는 격자회로 구조로 인하여 전자빔과의 상호작용 시 중요한 격자 회로 윗면에서의 전기장 세기를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 발진 출력과 효율을 증가 시킬 수 있으며, 후방파 발진에 필요한 최소 전류를 감소시킬 수 있다.The present invention relates to a method for fabricating a Smith-Percell free electron laser device, which is a broadband, high power, small sized electromagnetic wave oscillation device using a metal lattice circuit fabricated by applying an anisotropic wet process of a silicon wafer and semiconductor processing technology. Applying an anisotropic wet process applied to silicon wafers for the fabrication of metal lattice circuits for the fabrication of Smith-Pursel free electron laser devices using circuits fabricated by wet process, the selective process is easy and relatively inexpensive. In addition, large metal grid circuits can be manufactured in large quantities in a short time. In addition, the grating circuit structure having a resonator type structure can increase the electric field strength on the upper surface of the grating circuit, which is important when interacting with the electron beam, thereby increasing the oscillation output and efficiency, which is necessary for the back wave oscillation. The minimum current can be reduced.
스미스-퍼셀 자유전자레이저, 습식공정, 금속 격자 회로, 실리콘 웨이퍼 Smith-Pursel Free Electron Laser, Wet Process, Metal Lattice Circuit, Silicon Wafer
Description
본 발명은 자유전자 레이저 소자에 관한 것으로서, 특히, 실리콘 웨이퍼의 비등방적 습식공정과 반도체 가공기술을 활용하여 제작된 금속 격자회로를 적용한 광대역, 고출력, 소형의 전자기파 발진소자인 스미스-퍼셀(Smith-Purcell) 자유전자레이저의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a free electron laser device. In particular, Smith-Purcell (Smith-), which is a broadband, high-power, compact electromagnetic wave oscillation device employing a metal lattice circuit fabricated using anisotropic wet process and semiconductor processing technology of a silicon wafer. Purcell) relates to a method for manufacturing a free electron laser.
전자기파를 발생시키는 발진소자로써 밀리미터파 대역부터 테라헤르츠파 대역 이상까지의 전자기파를 발생시키는 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자는 금속 격자로 구성된 1차원적인 주기적 구조의 회로와 회로 위를 진행해가는 전자빔과의 상호작용을 통해 전자기파를 발생시킨다. 이와 같이, 스미스-퍼셀 자유전자레이저의 동작을 위해서는 금속 격자 구조의 회로를 제작해야 되는데, 종래에는 DRIE(Deep reactive ion etching) 가공, PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition)에 의한 증착 등의 가공 방식을 통해 회로를 제작하였다. The oscillation element that generates electromagnetic waves is a Smith-Percell free electron laser device that generates electromagnetic waves from the millimeter wave band to the terahertz wave band or more. The one-dimensional periodic structure consisting of a metal lattice and an electron beam traveling through the circuit Interactions generate electromagnetic waves. As described above, in order to operate the Smith-Pursel free electron laser, a circuit having a metal lattice structure must be manufactured. Conventionally, processing methods such as deep reactive ion etching (DRIE) processing and deposition by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) are used. The circuit was produced through.
플라즈마를 형성하여 생긴 이온의 충돌과 반응을 이용하는 DRIE 가공방식은 방향성을 가지면서 실리콘 웨이퍼의 공정이 가능하고, 3차원 구조물의 제작이 가능하며, 수 마이크로미터 크기의 구조물을 제작하는 공정에는 적합하지만, 플라즈마를 생성시키기 위해 고가의 장비가 필요하고 이로 인해 공정 비용이 많이 들며, 밀리미터파 대역부터 테라헤르츠파(THz) 대역의 전자기파 영역에 필요한 금속 격자 회로를 만들기 위해 수백 마이크로미터 크기의 구조를 제작하는데 있어 낮은 식각(etching) 공정 비율로 인하여 많은 시간이 소요되고, 높이가 큰 구조를 제작할 때 측벽 제거 공정(Sidewall Scalping)이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 또한, 플라즈마를 발생시키는 챔버의 크기 제한으로 인하여 빠른 시간 안에 대량으로 구조를 생산하는데 어려움이 발생한다. The DRIE processing method, which uses the collision and reaction of ions generated by plasma formation, can be used to process silicon wafers with directionality, to produce 3D structures, and to produce structures of several micrometers in size. In addition, expensive equipment is required to generate the plasma, which is expensive to process and fabricates a structure of several hundred micrometers in order to make the metal lattice circuit required in the electromagnetic region from the millimeter wave band to the terahertz wave (THz) band. It takes a lot of time due to the low etching (rate) process ratio, there is a problem that the sidewall removal process (Sidewall Scalping) occurs when manufacturing a tall structure. In addition, due to the size limitation of the chamber generating the plasma, it is difficult to produce the structure in large quantities in a short time.
플라즈마를 이용한 증착방식인 PECVD는 수 마이크로미터 크기의 회로를 제작하는데 적합하지만, 증착 높이의 한계로 인하여 다양한 전자기파 대역의 금속 격자 회로를 제작하는 공정에는 적합하지 않다. PECVD, which is a deposition method using plasma, is suitable for manufacturing circuits of several micrometers in size, but is not suitable for manufacturing metal lattice circuits of various electromagnetic bands due to the limitation of the deposition height.
이와 같이 다양한 전자기파 대역에 적용될 수 있는 금속 격자 회로를 제작하기 위하여, 선택적인 공정이 수월하고, 상대적으로 가격이 저렴하며, 빠른 시간 안에 대량으로 제작할 수 있는 공정 기술이 미흡한 상태이다. 또한, 종래에 가장 많이 사용되고 있는 직사각형 형태의 격자 회로는, 후방파 발진을 위해 필요한 최소 발진 전류가 높고, 출력이 적어 효율이 낮은 회로의 형태를 가지고 있다. In order to manufacture a metal grid circuit that can be applied to a variety of electromagnetic wave bands as described above, there is a lack of a process technology that can be easily produced in a selective process, relatively inexpensive, mass production in a short time. In addition, the rectangular lattice circuit most commonly used in the related art has a form of a circuit having high efficiency and low output since the minimum oscillation current required for back wave oscillation is low.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 실리콘 웨이퍼의 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정과 반도체 가공기술을 이용하여 금속 격자 회로를 제작하여, 선택적인 공정이 수월하고, 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 금속 격자 회로를 빠른 시간 안에 대량으로 제작이 가능한, 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to fabricate a metal lattice circuit using an anisotropic wet process in the direction of the (100) direction of a silicon wafer and a semiconductor processing technique, thereby providing a selective process. The present invention provides a method for manufacturing a Smith-Pursel free electron laser device, which enables easy, relatively inexpensive, and large-scale fabrication of a large metal lattice circuit in a short time.
그리고, 본 발명의 다른 목적은, 위와 같은 금속 격자 회로가 공진기 형태의 구조를 갖도록 하여, 전자빔과의 상호작용 시 일반적으로 사용되고 있는 직사각형 형태의 격자회로에 비하여 격자회로 윗면에서의 전기장 세기가 증가하여 후방파 발진을 위해 필요한 최소 발진 전류를 낮출 수 있고, 이를 통해 발진 출력과 효율을 향상 시킬 수 있는, 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to have the above-described metal lattice circuit has a structure of the resonator type, the electric field strength on the upper surface of the lattice circuit is increased compared to the rectangular lattice circuit generally used when interacting with the electron beam It is possible to reduce the minimum oscillation current required for back wave oscillation, thereby improving the oscillation output and efficiency, and to provide a method for manufacturing a Smith-Percell free electron laser device.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 제작 방법에서는, 습식공정을 사용하여 실리콘 격자 구조를 제작하기 위하여 SiO2 혹은 SiN을 이용하여 식각 마스크(Etching Mask)를 PECVD 장비를 이용하여 증착시킨 후, 자외선을 이용한 패터닝 과정을 위하여 PR(Photoresist)를 SiO2 혹은 SiN 위에 코팅시킨다. 그 후 자외선을 이용한 패터닝 과정 및 현상공정을 통해 PR 에 원하는 전자기파 주파수 대역의 격자회로 구조를 형성시킨다. 그 다음에 식각 마스크에 RIE(Reactive ion etching)를 이용하여 회로 구조를 형성하고, 남아있는 PR를 애셔(Asher) 장비를 이용하여 제거한다. 다음에, 습식공정을 위해 준비된 실리콘 웨이퍼를 우선 클리닝(Cleaning)하고 습식공정에 사용되는 KOH 혹은 HF를 이용하여 원하는 회로 구조를 제작하기 위하여 용액(solution)의 혼합 질량을 정확히 조절하여 만들고, 습식 공정시간, 온도를 정확히 조절하여 원하는 형태의 스미스-퍼셀 자유전자레이저를 위한 금속 격자 회로를 제조한다. 이와 같은 공정을 통해 수 마이크로미터 크기에서 수백 마이크로미터 크기의 금속 격자 회로를 제작할 수 있다.In the manufacturing method of the Smith-Percell free electron laser device according to the present invention for achieving the above object, to produce a silicon lattice structure using a wet process using an etching mask using SiO 2 or SiN. After deposition using a PECVD equipment, PR (Photoresist) is coated on SiO 2 or SiN for patterning using ultraviolet light. After that, a lattice circuit structure of a desired electromagnetic wave frequency band is formed in PR through a patterning process and a developing process using ultraviolet rays. Then, a circuit structure is formed by using reactive ion etching (RIE) in the etching mask, and the remaining PR is removed using an Asher device. Next, the silicon wafer prepared for the wet process is first cleaned and the mixed mass of the solution is precisely adjusted to produce a desired circuit structure using KOH or HF used in the wet process, and the wet process is performed. By precisely controlling time and temperature, a metal lattice circuit for the Smith-Pursel free electron laser of the desired shape is produced. This process enables the fabrication of metal grid circuits from several micrometers to hundreds of micrometers in size.
본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자, 즉, 전자기파 발생용 소자의 제작 방법은, 실리콘 웨이퍼에 비등방적 습식공정을 이용하여 격자 구조의 격자 회로를 형성하는 단계를 포함한다.In summary, a method of fabricating a Smith-Pursel free electron laser device, that is, an electromagnetic wave generating device, according to an aspect of the present invention, comprises using a lattice circuit of a lattice structure using an anisotropic wet process on a silicon wafer. Forming a step.
상기 격자 회로는 1차원적으로 주기적 배열된 격자들을 포함한다.The grating circuit comprises gratings arranged in one dimension periodically.
상기 비등방적 습식공정은, 상기 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100) 방향으로의 습식공정이다.The anisotropic wet process is a wet process in the crystal direction (100) direction of the silicon wafer.
위와 같은 방법에 따라 제조된 전자기파 발생용 소자는 격자 구조가 형성된 실리콘 웨이퍼를 포함한다.The electromagnetic wave generating device manufactured according to the above method includes a silicon wafer in which a lattice structure is formed.
상기 비등방적 습식공정을 이용하여 경사지게 식각된 격자 구조의 격자들 위를 금속 물질로 코팅하여 금속 격자 구조 회로를 형성할 수 있다. 상기 금속 물질은 금등 전도성이 높은 물질이다.By using the anisotropic wet process, a metal lattice structure circuit may be formed by coating a lattice of an obliquely etched lattice structure with a metal material. The metal material is a gold-high conductive material.
상기 비등방적 습식공정을 이용하여 경사지게 식각된 격자 구조의 격자들 사이의 실리콘 웨이퍼의 바닥면을 제외한 상기 격자들의 상면과 좌우 측벽들을 금속 물질로 코팅하여 금속 격자 구조 회로를 형성할 수도 있다.By using the anisotropic wet process, the metal lattice structure circuit may be formed by coating the upper and left and right sidewalls of the lattice except the bottom surface of the silicon wafer between the lattice of the inclined lattice structure with a metal material.
상기 비등방적 습식공정을 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼의 반대면까지 완전히 식각하여 형성한 격자 구조의 격자들의 상하면 및 좌우측벽들을 금속 물질로 코팅하여 금속 격자 구조 회로를 형성할 수도 있다.The metal lattice structure circuit may be formed by coating the upper and lower surfaces and the left and right side walls of the lattice structures formed by completely etching to the opposite side of the silicon wafer by using the anisotropic wet process.
상기 금속 물질로 코팅된 격자 구조의 상기 비등방적 습식공정으로 실리콘 웨이퍼가 식각되는 면 쪽에 접촉하여 결합시킨, 금속 물질로 코팅하거나 하지 않은 다른 실리콘 웨이퍼, 또는 다른 유전체를 더 포함할 수 있다.The anisotropic wet process of the lattice structure coated with the metal material may further include other silicon wafers or other dielectrics coated or not coated with the metal material by contacting and bonding to the side where the silicon wafer is etched.
이때, 냉음극 또는 열음극의 전자총을 이용하여 상기 금속 격자 구조 회로 위로 전자빔을 방사하여 상기 금속 격자 구조 회로 위로 전자기파를 발생할 수 있다.In this case, electromagnetic waves may be generated on the metal lattice structure circuit by radiating an electron beam onto the metal lattice structure circuit using an electron gun of a cold cathode or a hot cathode.
상기 금속 격자 구조 회로를 제1 금속 격자 구조 회로로 하고, 상기 제1 금속 격자 구조 회로와 동일한 제2 금속 격자 구조 회로를 더 포함하고, 상기 제1 금속 격자 구조 회로의 각 격자가 상기 제2 금속 격자 구조 회로의 각 격자와 마주보도록 배치할 수 있다.The metal lattice structure circuit is a first metal lattice structure circuit, and further includes a second metal lattice structure circuit that is the same as the first metal lattice structure circuit, wherein each lattice of the first metal lattice structure circuit is the second metal. It may be arranged to face each lattice of the lattice structure circuit.
이때, 상기 제1 금속 격자 구조 회로의 각 격자가 상기 제2 금속 격자 구조 회로의 각 격자와 서로 정렬된 위치에 배치될 수도 있고, 상기 제1 금속 격자 구조 회로의 각 격자가 상기 제2 금속 격자 구조 회로의 각 격자와 엇갈려 어느 한쪽 회로의 각 격자가 반대편 회로의 격자들 사이의 식각 공간 위에 배치될 수도 있다. In this case, each grating of the first metal grating structure circuit may be disposed at a position aligned with each grating of the second metal grating structure circuit, and each grating of the first metal grating structure circuit is the second metal grating. Staggered with each grating of the structural circuit, each grating of one circuit may be disposed above the etch space between the gratings of the opposite circuit.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자 및 그 제조 방법에서는, 실리콘 웨이퍼에 적용되는 비등방적 습식공정으로 금속 격자 구조 회로를 제작함으로써, 선택적인 공정이 수월하고, 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 금속 격자 구조를 빠른 시간 안에 대량으로 제조가 가능하다. As described above, in the Smith-Pursel free electron laser device and the manufacturing method thereof according to the present invention, by producing a metal lattice structure circuit by an anisotropic wet process applied to a silicon wafer, the selective process is easy, and relatively expensive This inexpensive, tall metal grid structure can be manufactured in large quantities in a short time.
그리고, 본 발명에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자 및 그 제조 방법에서는, 공진기 형태의 구조를 갖는 금속 격자 구조 회로로 인하여 전자빔과의 상호작용 시 중요한 격자 윗면에서의 전기장 세기를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 발진 출력과 효율을 증가시키고, 발진에 필요한 최소 전류를 감소시킬 수 있다.In addition, in the Smith-Percell free electron laser device and the manufacturing method thereof according to the present invention, due to the metal lattice structure circuit having the structure of the resonator type, it is possible to increase the electric field strength on the upper surface of the lattice important when interacting with the electron beam, This can increase the oscillation output and efficiency and reduce the minimum current required for oscillation.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼(11)의 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하였을 경우의 식각(etching) 단면을 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a view showing an etching section when an anisotropic wet process in the direction of (100) of a silicon wafer 11 is used according to an embodiment of the present invention.
도 1에서 12가 나타내는 실리콘 웨이퍼(11)의 결정 방향 (100)으로 비등방적 습식공정을 진행하여 식각할 때, 13과 같이 결정구조의 (111)축과 (110)축 사이의 각도가 54.74도를 이루는 결정 구조를 얻을 수 있다. 이와 같은 비등방적 습식공정 을 이용한 결정 구조를 보이는 금속 격자 구조의 회로를 제작하여 본 발명에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자를 제조할 수 있다.When the anisotropic wet process is performed in the crystal direction 100 of the silicon wafer 11 shown in FIGS. 1 to 12 by etching, the angle between the (111) and (110) axes of the crystal structure is 54.74 degrees as shown in FIG. It is possible to obtain a crystal structure forming a. The Smith-Pursel free electron laser device according to the present invention can be manufactured by fabricating a circuit having a metal lattice structure showing a crystal structure using such an anisotropic wet process.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a Smith-Percell free electron laser device according to an embodiment of the present invention.
이하, 도 2를 참조하여, 실리콘 웨이퍼(11)의 (100) 결정 방향으로의 비등방적 습식공정과 반도체 가공기술을 적용한 실리콘 1차원 금속 격자 구조 회로의 제작 공정을 설명한다. 금속 격자 구조 회로는 격자가 1차원적으로 주기적으로 배열되는 구조이며, 격자 구조의 표면은 도전성 물질(251)로 코팅되고, 밑면은 도전성 물질이 코팅된 실리콘 웨이퍼와 접착되는 구조로 제조된다.Hereinafter, with reference to FIG. 2, the anisotropic wet process to the (100) crystal direction of the silicon wafer 11, and the manufacturing process of the silicon 1-dimensional metal lattice structure circuit which applied the semiconductor processing technique are demonstrated. The metal lattice structure circuit is a structure in which the lattice is periodically arranged in one dimension, the surface of the lattice structure is coated with the
먼저, (a) 실리콘 웨이퍼(210)를 준비하고 세정한다. First, (a) the
(b) 실리콘 웨이퍼(210)에 1차원 실리콘 격자 구조를 제작하기 위하여 식각 마스크(etching mask)로 사용될 절연층(221)으로서 SiO2 혹은 SiN를 PECVD 장비를 이용하여 증착시킨다. 다음, 포토(Photo) 공정을 진행하기 위해 절연층(221)이 증착된 웨이퍼를 클리닝 한 후 PR(Photo-Resist)(222)을 스핀 코터(Spin Coater)를 이용하여 절연층(221) 위에 코팅한다. PR(222) 코팅 후에는 용매(solvent)를 제거하고 PR의 접착력을 향상시키기 위해 적절한 일정 온도에서 소프트 베이크(soft bake) 공정을 진행하고, 마스크 얼라이너(maskaligner)를 이용하여 일정 격자 구조가 패터닝 되어 있는 포토 마스크(photomask)와 PR(222)이 형성된 웨이퍼와 정렬하여 적절한 광원에 노출시킨 후 현상 공정을 통해 일정 격자 구조로 PR(222)이 남아 있도록 패터닝할 수 있다. (b) SiO 2 or SiN is deposited using PECVD as the
(c) 절연층(221) 위의 PR(222)이 일정 격자 모양으로 패터닝되면, RIE(Reactive Ion Etching) 공정으로 PR(222)이 남아 있지 않은 부분의 절연층(221)을 식각함으로써, 231과 같이 일정 결정 격자 구조로 절연층(221)이 패터닝될 수 있다. (c) When the
(d) 절연층(221)이 일정 결정 격자 구조로 식각된 후에는, 실리콘 웨이퍼 위에 남아있는 PR(232)를 애셔(asher) 장비를 이용한 공정을 통해 제거한다. 실리콘 웨이퍼 위에 남아있는 PR(232)이 제거되면 패터닝된 절연층(241)을 식각 마스크로 이용하여 도 1과 같은 실리콘 웨이퍼의 (100) 결정 방향으로의 비등방적 습식공정를 진행하여 실리콘 격자 구조를 만든다. 이때 실리콘 격자 구조는 KOH 혹은 HF등의 식각 용액에 의하여 실리콘 웨이퍼의 하면까지 식각되어 도 1과 같이 (111) 결정 방향과 (110) 결정 방향 사이의 각도 54.74 도의 경사를 가지도록 형성될 수 있다. (d) After the
(e) 다음에, 이와 같이 실리콘 격자 구조가 형성되면, 식각 마스크로 사용된 패터닝된 절연층(241)을 RIE 공정을 통해 제거한 후, Au(금)과 같은 도전성이 있는 금속 물질(251)로 실리콘 격자들의 상하면 및 좌우 측벽을 모두 코팅하여 1차원 금속 격자 구조 회로를 형성한 다음에, Au(금)과 같은 도전성이 있는 금속 물질로 윗면이 코팅된 다른 실리콘 웨이퍼(250)를 그 코팅면이 위의 금속 격자 구조 회로의 상면(식각되는 면)과 접촉하도록 서로 결합시킨다.(e) Next, when the silicon lattice structure is formed as described above, the patterned
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 1차원 금속 격자 회로의 단면 도이다.3 is a cross-sectional view of a silicon one-dimensional metal lattice circuit in accordance with another embodiment of the present invention.
도 3은, 도 2의 (d) 단계에서 실리콘 웨이퍼의 (100) 결정 방향으로의 비등방적 습식공정 시에 실리콘 웨이퍼의 하면까지 식각하지 않고, 일정 깊이까지만 식각한 후, 적절한 도금 방식 등을 적용하여 실리콘 격자들 사이의 바닥면을 제외하고 실리콘 격자들의 상면과 좌우 측벽에 금속 물질로 코팅한 1차원 금속 격자 구조 회로를 보여준다. 3, in the step (d) of FIG. 2, in the anisotropic wet process of the silicon wafer in the (100) crystal direction, the wafer is etched only to a certain depth without etching to the lower surface of the silicon wafer, and then an appropriate plating method is applied. 1 shows a one-dimensional metal lattice structure circuit coated with a metal material on the top and left and right sidewalls of the silicon lattice except for the bottom surface between the silicon lattice.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 1차원 금속 격자 회로의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a silicon one-dimensional metal lattice circuit according to another embodiment of the present invention.
도 4는, 도 2의 (e) 단계에서 금속 격자 구조 회로의 상면에 접촉하여 결합하는 다른 실리콘 웨이퍼를 금속 물질의 코팅 없이 바로 금속 격자 구조 회로의 상면에 결합시킨 구조를 보여준다. 여기서, 금속 격자 구조 회로의 상면에 접촉하여 결합하는 다른 실리콘 웨이퍼 대신에 수지계, 또는 산화막 등 유전체층을 사용할 수도 있다. FIG. 4 shows a structure in which another silicon wafer bonded to the top surface of the metal lattice structure circuit in step (e) of FIG. 2 is directly bonded to the top surface of the metal lattice structure circuit without coating of the metal material. Here, a dielectric layer such as a resin or an oxide film may be used instead of another silicon wafer which is brought into contact with and bonded to the upper surface of the metal lattice structure circuit.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자에서의 전자기파를 발생을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the generation of electromagnetic waves in the Smith-Percell free electron laser device according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 2내지 도 4와 같은 구조로 제조된 금속 격자 구조 회로(510)를 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자로 이용하기 위하여, 전자빔(522)을 이용하여 전자기파를 발생하는 과정을 설명한다. 예를 들어, 냉음극 또는 열음극의 전자총(521)에서 금속 격자 구조 회로(510) 위로 전자빔(522)을 방사하는 경우에, 스미스-퍼셀의 원리에 따라 전자빔(522)과 금속 격자 구조 회로(510)의 상호 작용으로 전자기 파를 발생할 수 있다. 전자총(521)에서 방사된 전자빔(522)은 반대편의 콜렉터(collector)(523)에서 흡수될 수 있다. 이때, 필요한 주파수를 갖는 전자기파를 발생시키기 위해서 금속 격자 구조 회로(510)의 격자들의 폭, 높이, 주기성 등을 조절하여 이룰 수 있다.5 illustrates a process of generating an electromagnetic wave using the
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 2차원 PIC(Particle-In-Cell) 시뮬레이션 구조를 설명하기 위한 도면이다. 610의 그 일부를 확대하여 620에 나타내었다.FIG. 6 is a view for explaining a two-dimensional PIC simulation structure of a Smith-Percell free electron laser device according to an embodiment of the present invention. A portion of 610 is enlarged and shown at 620.
도 2내지 도 4와 같은 구조로 제조된 금속 격자 구조 회로(600)에 의한 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 동작 특성을 검증하기 위하여 2차원 PIC(Particle-In-Cell) 코드를 활용하여 시뮬레이션 하였다. 여기서, Z 방향으로 동일 구조의 격자 길이가 1m 크기로 형성되어 있음을 가정한다.In order to verify the operation characteristics of the Smith-Pursel free electron laser device by the metal
도 5와 유사하게 전자빔(622)이 회로 왼쪽에 위치하는 전자총(621)에서 발생되고, 회로 위를 진행한 후 오른쪽 끝에 위치하는 컬렉터(611)에 입사되는 구조로 되어있다. 여기서, 시뮬레이션을 위한 전자빔 에너지는 50 KeV이며, 전자빔 전류 세기는 600 A/m, 전자빔의 두께는 20 마이크로미터, 전자빔(622)과 금속 격자 구조 회로(600) 사이의 거리는 20 마이크로미터로 하였다. 금속 격자 구조 회로의 격자 주기는 200 마이크로미터이며, 1개의 금속 격자(623) 윗면의 거리는 폭은 125 마이크로미터, 총 금속 격자의 수는 35개로 구성되어 있는 격자 회로를 예로 들어 시뮬레이션 하였다. 금속 격자 구조 회로(600) 위를 진행해가는 전자빔(622)은 회로와의 상호작용을 통해 Y 방향으로 전자기파를 발생시킨다. 이와 같은 회로(600)는 표 면모드인 0.41 THz와 전파모드 0.82 THz를 발진시키는 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자로 이용될 수 있음이 확인되었다. Similar to FIG. 5, the
도 7은, 도 6과 같은 시뮬레이션에서, 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 회로(600) 위를 진행해가는 전자빔이 회로와의 상호작용 후 공간적으로 변조된 모습을 보기 위하여 2.9 ns에서 X 축 변화에 따라 에너지(PX)을 측정한 결과이다. 도 7과 같이 전자빔(622)이 금속 격자 구조 회로(600)와의 상호작용을 통해 스미스-퍼셀 자유전자레이저의 전자기파가 발진되고 있음을 알 수 있다.FIG. 7 shows the X-axis change at 2.9 ns to see how the electron beam traveling over the
도 8은, 도 6과 같은 시뮬레이션에서, 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 금속 격자 회로(600) 위로 방사되는 전자기파의 자기장 Z 성분(tesla)과 자기장 Z 성분의 주파수 성분(tesla/GHz)을 보여주고 있다. 회로(600)와 전자빔(622)과의 상호작용으로 발생된 전자기파는 회로(600) 위쪽으로 방사되고, 발생된 전자기파의 주파수 성분은 격자회로의 표면모드인 0.41 THz와 전파 모드인 0.82 THz로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.FIG. 8 shows the magnetic field Z component (tesla) and the frequency component of the magnetic field Z component (tesla / GHz) of electromagnetic waves radiated over the
도 9는 직사각형 형태의 격자회로를 갖는 종래의 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자에 대한 2차원 PIC(Particle-In-Cell) 시뮬레이션 구조를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 9 is a diagram for describing a two-dimensional PIC simulation structure of a conventional Smith-Percell free electron laser device having a rectangular lattice circuit.
도 6의 회로(600)와 동일 주파수 성분을 갖는 회로 구조를 위해서 직사각형 형태의 격자 회로는 두께 72 마이크로미터, 격자 주기 193 마이크로미터, 총 금속 격자의 수는 35개로 구성되어 있고, 전자빔의 에너지, 전류세기, 두께, 회로 사이와의 거리는 도6 시뮬레이션과 동일한 조건을 사용하였다. For the circuit structure having the same frequency component as that of the
도 10은 도 9의 구조에서 금속 격자 회로 위로 방사되는 전자기파의 세기(Power)를 Y축 6 mm에서 시간 변화에 따라 측정한 결과이다. 여기서, 출력 결과는 2차원 PIC 시뮬레이션 결과로써 회로의 격자 길이가 Z 방향으로 1 m라고 가정했을 때 발생된 전자기파의 1m당 출력 세기를 보여주고 있다.FIG. 10 is a result of measuring the intensity of electromagnetic waves radiated onto the metal lattice circuit in the structure of FIG. 9 with time variation in 6 mm of the Y axis. Here, the output result is a two-dimensional PIC simulation showing the output intensity per 1m of electromagnetic waves generated when the grating length of the circuit is assumed to be 1 m in the Z direction.
도 10과 같이, 본 발명의 일실시예에 따라 습식공정으로 제조한 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 회로(600)(wet etched circuit)에서는 전자빔을 발생시킨 후 약 0.5 ns가 지나면 회로의 발진이 시작되고 1.5 ns이 지나면 안정적으로 전자기파를 발진시키며, 스미스-퍼셀 자유전자레이저의 동작이 안정화 되고 있음을 보여주고 있다. 하지만, 종래의 직사각형 형태의 격자회로(rectangular circuit)를 적용할 경우에는 후방파 발진이 일어나지 않아 매우 적은 출력을 발생시키고 있다. 이를 통해, 습식 공정된 격자회로를 사용할 경우 공진기 형태의 격자회로 구조로 인하여 격자회로 윗면에서의 전기장 세기가 증가하여 후방파 발진을 위해 필요한 최소 발진 전류를 낮출 수 있고, 발진 출력과 효율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 10, in the
도 11은 본 발명에 따른 금속 격자 회로 2개를 상하로 배치한 구조의 실시예이다. 도 11과 같이, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 금속 격자 회로 2개를 상하로 격자가 서로 마주보도록 배치하되, 어느 한쪽 회로의 격자가 반대편 회로의 격자 위에 정렬하여 놓이도록 하고, 회로 사이로 전자빔을 방사하여 전자기파를 발생시킬 수도 있다.11 is an embodiment of a structure in which two metal lattice circuits are arranged up and down according to the present invention. As shown in FIG. 11, two metal lattice circuits manufactured according to embodiments of the present invention are disposed so that the lattices face each other up and down, so that the lattice of one circuit is aligned and arranged on the lattice of the opposite circuit, and between the circuits. The electromagnetic beam may be emitted by emitting an electron beam.
도 12는 본 발명에 따른 금속 격자 회로 2개를 상하로 서로 엇갈리게 배치한 구조의 실시예이다. 도 12과 같이, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 금속 격자 회로 2개를 상하로 격자가 서로 마주보도록 배치하되, 어느 한쪽 회로의 격자가 반대편 회로의 격자들 사이의 식각 공간 위에 놓이도록 하고, 회로 사이로 전자빔을 방사하여 전자기파를 발생시킬 수도 있다.12 is an embodiment of a structure in which two metal lattice circuits are alternately arranged up and down according to the present invention. As shown in FIG. 12, two metal lattice circuits manufactured according to embodiments of the present invention are disposed so that the lattices face each other up and down, so that the lattice of one circuit is placed on the etching space between the lattices of the opposite circuit. In addition, electromagnetic waves may be generated by radiating an electron beam between circuits.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하였을 경우의 식각 단면을 보여주는 도면이다.1 is a view showing an etched cross section when an anisotropic wet process in the direction of (100) of a silicon wafer is used according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a Smith-Percell free electron laser device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 1차원 금속 격자 회로의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a silicon one-dimensional metal lattice circuit according to another embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 1차원 금속 격자 회로의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a silicon one-dimensional metal lattice circuit according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자에서의 전자기파를 발생을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the generation of electromagnetic waves in the Smith-Percell free electron laser device according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 2차원 PIC(Particle-In-Cell) 시뮬레이션 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a view for explaining a two-dimensional PIC simulation structure of a Smith-Percell free electron laser device according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 회로 위를 진행해가는 전자빔이 회로와의 상호작용 후 공간적으로 변조된 모습을 2.9 ns에서 X 축 변화에 따라 측정한 결과이다.7 is a result of measuring the spatially modulated state of the electron beam traveling over the circuit of the Smith-Percell free electron laser device according to an embodiment of the present invention after interaction with the circuit at 2.9 ns according to the X-axis change. .
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스미스-퍼셀 자유전자레이저 소자의 금속 격자 회로 위로 방사되는 전자기파의 자기장 Z 성분과 자기장 Z 성분의 주파수 성분을 보여주고 있다.FIG. 8 shows the frequency components of the magnetic field Z component and the magnetic field Z component of electromagnetic waves radiated over the metal lattice circuit of the Smith-Percell free electron laser device according to the embodiment of the present invention.
도 9는 직사각형 형태의 격자회로를 갖는 종래의 스미스-퍼셀 자유전자레이 저 소자에 대한 2차원 PIC(Particle-In-Cell) 시뮬레이션 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 9 is a view for explaining a two-dimensional PIC simulation structure of a conventional Smith-Purse free electron laser device having a rectangular lattice circuit.
도 10은 도 9의 구조에서 금속 격자 회로 위로 방사되는 전자기파의 세기를 Y축 6 mm에서 시간 변화에 따라 측정한 결과이다.FIG. 10 is a result of measuring the intensity of electromagnetic waves radiated onto the metal lattice circuit in the structure of FIG.
도 11은 본 발명에 따른 금속 격자 회로 2개를 상하로 배치한 구조의 실시예이다.11 is an embodiment of a structure in which two metal lattice circuits are arranged up and down according to the present invention.
도 12는 본 발명에 따른 금속 격자 회로 2개를 상하로 서로 엇갈리게 배치한 구조의 실시예이다.12 is an embodiment of a structure in which two metal lattice circuits are alternately arranged up and down according to the present invention.
Claims (13)
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