KR101909790B1 - 극자외선 고차 조화파 생성 장치 - Google Patents

극자외선 고차 조화파 생성 장치 Download PDF

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Abstract

극자외선 고차 조화파 생성 장치가 개시된다. 일 실시예는 펨토초 레이저 발생기에서 출력되는 빛을 전달하는 광 전달수단과, 상기 광 전달수단을 통해 전달받은 빛이 통과할 때 근접장 증폭이 일어날 수 있는 금속 박막이 포함된 사파이어를 포함한다.

Description

극자외선 고차 조화파 생성 장치{EUV HIGH HARMONIC GENERATION APPARATUS}
아래 실시예들은 극자외선 고차 조화파 생성 장치에 관한 것이다.
극자외선은 10~124 nm 대역의 파장(wavelength)을 갖는 전자기파를 의미하며, 파장 혹은 주파수에 따라 가시광선, 적외선, 자외선 등으로 분류될 수 있다. 사람의 눈을 통하여 볼 수 있는 가시광선(visible)의 파장 대역은 390~700 nm 이며, 가시광선보다 긴 파장을 갖는 대역을 적외선(infra-red, IR)으로, 가시광선보다 짧은 파장을 갖는 대역을 자외선(ultra-violet, UV)으로 구분한다. 자외선보다 짧은 파장대역(10 nm 이하)은 X-ray 로 정의되며, 상대적으로 높은 광자 에너지를 갖는다.
극자외선은 자외선과 X-ray 파장 대역의 사이에 위치하는 전자기파로 짧은 파장에 의한 우수한 회절 한계 특성과 높은 광자 에너지를 갖는 특성으로 인해 많은 산업 분야에서 이용될 수 있다. 극자외선을 구현하는 방법의 일 예로 펨토초 레이저가 고차 조화파를 생성하는 방법이 있을 수 있다.
실시예들은 고차 조화파 생성 장치가 극자외선을 생성하는 효율을 높이는 기술을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들은 고차 조화파 생성 장치가 우수한 가간섭 특성을 갖는 극자외선을 생성하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 고차 조화파 생성 장치는 펨토초 레이저 발생기에서 출력되는 빛을 전달하는 광 전달수단과, 상기 광 전달수단을 통해 전달받은 빛이 통과할 때 근접장 증폭이 일어날 수 있는 금속 박막이 포함된 사파이어를 포함한다.
상기 금속 박막이 포함된 사파이어는, 깔때기(funnel) 형상일 수 있다.
상기 금속 박막은, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 중 하나 이상의 재질로 구성될 수 있다.
상기 장치는 상기 금속 박막이 포함된 사파이어를 진공 환경 내에서 수용하기 위한 진공 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 광 전달수단은, 상기 펨토초 레이저 발생기로부터 출력되는 빛을 상기 금속 박막이 포함된 사파이어에 집광시키는 포커싱 렌즈와, 상기 출력되는 빛의 분산을 보상하기 위한 웨지 프리즘(wedge prism)과 처프 미러(chirped mirror)를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 박막이 포함된 사파이어는, 상기 근접장 증폭의 비율이 최소 20 dB 이상일 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 고차 조화파 생성 장치는 펨토초 레이저 발생기에서 출력되는 빛을 전달하는 광 전달수단과, 상기 광 전달수단을 통해 전달받은 빛이 통과할 때 근접장 증폭이 일어날 수 있는 패턴(pattern) 사파이어와, 상기 전달받은 빛을 사용하여 극자외선 고차 조화파를 생성하는 베어(bare) 사파이어 결정구조를 포함한다.
상기 패턴 사파이어는 깔때기(funnel) 형상일 수 있다.
상기 장치는 상기 패턴 사파이어 및 상기 베어 사파이어 결정구조를 진공 환경 내에서 수용하기 위한 진공 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 광 전달수단은, 상기 펨토초 레이저 발생기로부터 출력되는 빛을 상기 패턴 사파이어에 집광시키는 포커싱 렌즈와, 상기 출력되는 빛의 분산을 보상하기 위한 웨지 프리즘(wedge prism)과 처프 미러(chirped mirror)를 더 포함할 수 있다.
상기 패턴 사파이어는 상기 근접장 증폭의 비율이 최소 20 dB 이상일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 고차 조화파 생성 장치의 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 결정 구조체의 일 예를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 결정 구조체에서의 광 강도 증폭 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 결정 구조체의 전기장 분포의 일 예를 나타낸다.
도 5는 결정 구조체로 입사하는 전기장 및 증폭된 전기장을 비교하기 위한 그래프를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 결정 구조체를 형성하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 극자외선 분광 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 8은 도 7에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 극자외선의 스펙트럼의 예들을 나타낸다.
도 9는 도 7에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 극자외선 대역의 조화파의 에너지 대역폭을 비교하기 위한 그래프를 나타낸다.
도 10은 결정 구조체가 극자외선을 생성한 후의 구조도의 예들을 나타낸다.
도 11은 변형된 결정 구조체의 광 강도 증폭 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 변형된 결정 구조체의 광 강도 증폭 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 극자외선 분광 시스템의 다른 예를 나타낸다.
도 14a는 도 13에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 극자외선의 스펙트럼의 예들을 나타낸다.
도 14b는 도 13에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 극자외선과 입사되는 펨토초 레이저의 세기의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15a는 결정 구조체가 생성하는 극자외선 영역의 조화파들의 특성의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 15b는 펨토초 레이저의 편광 방향과 결정 구조체가 생성하는 고차 조화파의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 사파이어의 결정 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 결정 구조체의 결정면의 방향에 따라 생성된 고차 조화파의 예들을 나타낸 그래프이다.
도 18은 결정 구조체가 이산화규소인 경우 생성되는 극자외선의 스펙트럼을 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 고차 조화파 생성 장치의 블록도의 일 예를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 결정 구조체의 일 예를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 고차 조화파 생성 장치(110)는 극자외선(extreme ultraviolet(EUV)) 영역의 고차 조화파를 생성한다. 고차 조화파 생성 장치(110)는 펨토초 레이저 발생기(600), 광 전달 수단(200), 결정 구조체(310), 및 진공 챔버(500)를 포함한다.
도 1에서는 펨토초 레이저 발생기(600)가 고차 조화파 생성 장치(110)의 내부에 구현된 것으로 도시하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 실시예에 따라 펨토초 레이저 발생기(600)는 고차 조화파 생성 장치(110)의 외부에 구현될 수 있다.
펨토초 레이저 발생기(600)는 펨토초(femtosecond) 레이저를 출력할 수 있다. 펨토초 레이저 발생기(600)는 1011 W/cm2 광 강도 정도의 펨토초 레이저를 출력할 수 있다. 펨토초 레이저는 펄스 신호일 수 있다. 예를 들어, 펨토초 레이저는 12 fs 의 펄스 폭(pulse width, τ)과 75 MHz 의 반복률(repetition rate, frep)을 갖고 400 mW 의 세기로 발진하는 펄스 신호일 수 있다.
펨토초 레이저 발생기(600)는 레이저 발진기를 포함할 수 있다. 레이저 발진기는 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)를 레이저 이득 매질로 사용할 수 있다. 예를 들어, 레이저 발진기는 Ti:sapphire 기반 레이저 발진기(Ti:sapphire femtosecond laser oscillator)일 수 있다. 펨토초 레이저 발생기(600)는 Ti:sapphire 기반 레이저 발진기를 사용하여 10 fs 의 펄스 폭을 갖는 펨토초 레이저를 출력할 수 있다. 펨토초 레이저의 펄스 폭, 파장 등의 조건은 사용 목적이나 환경에 따라 광섬유(optical fiber) 기반의 펨토초 레이저 등의 다양한 실시예로 변경할 수 있다.
펨토초 레이저 발생기(600)에서 출력되는 펨토초 레이저는 수 MHz 이상의 레이저 반복률을 갖고, 최대 펄스당 에너지가 수 nJ 이고, 최대 광 강도가 1013 W/cm2 를 넘지 않는 원자시계(atomic clock)에 안정화 가능한 펨토초 레이저일 수 있다.
광 전달 수단(200)은 펨토초 레이저 발생기(600)에서 출력되는 빛을 미세 패턴(300)으로 전달할 수 있다.
광 전달수단(200)은 여러 광학 부품에서 생길 수 있는 분산을 보상하기 위한 웨지 프리즘(wedge prism), 처프 미러(chirped mirror), 및 전달받은 광을 집광시켜주는 포커싱 렌즈(focusing lens)를 포함할 수 있다.
결정 구조체(310)는 근적외선의 펨토초 레이저(IR pulse)가 입사되면 극자외선 영역의 고차 조화파를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 결정 구조체(310)는 유전체(dielectric; 311) 및 금속 박막(313)을 포함할 수 있다. 이때, 유전체(311)는 표 1에 나타난 바와 같이 사파이어(sapphire(Al2O3)), 이산화규소(SiO2), 니오브산리튬(LiNbO3), 또는 다이아몬드(diamond) 등의 성분을 포함할 수 있다.
Figure 112016126195937-pat00001
다른 실시예에 따른 결정 구조체(310)는 패턴(pattern) 사파이어 및 베어(bare) 사파이어 결정구조를 포함할 수 있다. 베어 사파이어는 맨 사파이어 또는 아무것도 덮이지 않은 사파이어를 의미할 수 있다.
패턴 사파이어는 광 전달 수단200)을 통해 전달받은 빛이 통과할 때 근접장 증폭(또는 전기장 증폭)을 일으킬 수 있다. 이때, 패턴 사파이어는 금속 박막(313) 없이 극자외선 고차 조화파를 생성할 수 있다.
베어 사파이어 결정구조는 극자외선 고차 조화파를 생성할 수 있다. 이때, 베어 사파이어 결정구조는 근접장 증폭(또는 전기장 증폭) 없이 극자외선 고차 조화파를 생성할 수 있다.
고차 조화파 생성 장치(110)는 펨토초 레이저 발생기(600)의 빛을 증폭시키는 결정 구조체(310)로서 금속 박막(313)이 포함된 유전체(311) 또는 패턴 사파이어 및 베어 사파이어 결정구조를 사용할 수 있다.
결정 구조체(310)는 높은 원자 밀도를 가져 광전자 방출체(emitter)의 수가 많고, 레이저 장과 반응하는 원자의 수가 많으므로 극자외선(또는 고차 조화파) 생성 효율을 높일 수 있다. 또한, 결정 구조체(310) 내 원자는 일정 간격으로 존재하여 높은 원자 밀도를 유지하고, 생성되는 극자외선(또는 고차 조화파)에 높은 가간섭 특성을 부여할 수 있다.
결정 구조체(310)를 포함하는 고차 조화파 생성 장치(110)는 외부로 방출되는 이온 및 전자가 거의 없고 구성이 간단하여, 새로운 나노 스케일의 극자외선 광원 개발에 적용될 수 있다.
결정 구조체(310)는 광 전달 수단(200)을 통해 전달받은 빛이 통과할 때 근접장(near field) 증폭을 발생시킬 수 있다. 결정 구조체(310)는 근접장 증폭의 비율이 20 dB 이상 일 수 있다.
근접장 증폭은 매질(예를 들어, 결정 구조체(310))의 표면에서 수십 nm이내의 매우 좁은 영역에서 얻을 수 있는 것으로, 기본 이론은 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)과 피뢰침 효과(lightning-rod effect)로 설명될 수 있다.
표면 플라즈몬 공명 효과는, 금속 박막(313)과 유전체(311)의 경계면에 빛(또는 펨토초 레이저)가 입사하는 경우 경계면에서 유도된 표면 전자의 움직임이 입사파와 공진조건을 만족하게 되면 표면파가 발생하는 효과를 의미한다.
피뢰침 효과는, 입사된 빛(또는 펨토초 레이저)에 의해 유도된 표면 전자들이 결정 구조체(310)의 끝이 뾰족한 곳에 모이는 경우 표면 전자 밀도가 급속히 커져 큰 증폭을 얻는 효과를 의미한다.
즉, 표면 플라즈몬 공명 효과 및 피뢰침 효과는 매질에 입사되는 빛(또는 펨토초 레이저)과 전자의 상호작용에 의한 현상일 수 있다. 표면 플라즈몬 공명 효과는 결정 구조체(310)의 유전상수와 관계가 있고, 피뢰침 효과는 결정 구조체(310)의 모양과 관계가 있을 수 있다.
결정 구조체(310)는 깔때기(funnel, 또는 원뿔(cone)) 형상을 갖는, 금속 박막(313)의 사파이어(311) 구조일 수 있다. 금속 박막은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 중 하나 이상의 재질로 구성될 수 있다. 결정 구조체(310)로 펨토초 레이저가 입사하는 경우, 펨토초 레이저는 사파이어(311)와 금속 박막(313)의 경계면에서 SPPs(surface plasmon polaritons) 현상을 일으키며 진행할 수 있다.
또한, 결정 구조체(310)에서는 전기장 증폭이 일어날 수 있다. 상술한 근접장 증폭은 전기장 증폭의 일 예를 의미할 수 있다. 이때, 결정 구조체(310)의 크기가 작아지는 출구(exit aperture, 또는 끝 부분)에 가까워질수록 전기장 증폭이 크게 일어날 수 있다. 예를 들어, 결정 구조체(310)의 출구(또는 끝 부분)에서는 수 십 ~ 수 백 배의 전기장 증폭이 일어날 수 있다.
증폭된 전기장은 결정 구조체(310) 표면의 전자를 진동시키고, 전자는 비선형적으로 움직일 수 있다. 결정 구조체(310)는 비선형적으로 움직이는 전자에 기초하여 극자외선 영역의 고차 조화파를 생성할 수 있다.
결정 구조체(310)는 결정 구조가 구조체 전반에서 균일하게 유지될 수 있다. 결정 구조체(310)는 결정 구조와 편광의 방향성에 따라 극자외선의 생성 효율이 다를 수 있다. 예를 들어, 결정 구조체(310)에서 C-plane 방향의 결정 구조가 균일한 경우 극자외선 영역의 고차 조화파를 효율적으로 생성할 수 있다.
결정 구조체(310)의 규격(specification, 또는 치수)을 설계할 때, 깔때기(원뿔)의 지름(D), 높이(h), 깔때기(원뿔)의 각(cone angle(θ)), 출구 지름(exit aperture diameter(d))이 고려될 수 있다.
깔때기(원뿔)의 각(θ)은 시편 제작 가능성을 고려하여 결정될 수 있다. 플라즈마 건식 부식 가공(plasma dry etching)을 사용하여 결정 구조체(310)를 사파이어(311) 결정 구조를 유지시키며 깔때기(원뿔) 모양으로 공정할 경우, 원뿔 각(θ)의 범위는 약 70~100˚ 일 수 있다. 일 실시예에 따른 결정 구조체(310)는 원뿔 각(θ)이 85˚이고, 이에 기초하여 나머지 규격(치수)들을 설계할 수 있다.
결정 구조체(310)는 원뿔의 지름(D)이 2.4 μm 이고, 높이(h)는 1.5 μm 의 값을 가질 수 있다. 결정 구조체(310)의 출구 지름(d)이 작아질수록 높은 전기장 증폭 특성을 보이지만, 너무 작아질 경우 극자외선 생성에 참여하는 결정 구조의 수가 줄어들어 신호 생성 효율이 오히려 감소할 수 있다. 이에, 결정 구조체(310)에서 10 배 이상의 전기장 증폭이 일어나는 영역이 가장 넓게 되도록 출구 지름(d)을 약 230 nm 로 설정할 수 있다.
진공 챔버(500)는 고차 조화파 생성 장치(110)에 진공 환경을 제공할 수 있다. 진공 챔버(500) 내부에는 결정 구조체(310)가 위치할 수 있다. 진공 챔버(500)는 진공 환경을 제공하여 결정 구조체(310)가 생성한 극자외선 영역의 고차 조화파의 감소(또는 소멸)을 방지할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 결정 구조체에서의 광 강도 증폭 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 결정 구조체(310)의 출구 지름(d)이 230 nm 일 때, 결정 구조체(310)서 일어나는 광 강도 증폭을 FDTD 계산한 결과를 알 수 있다. 도 3의 좌측은 결정 구조체(310)의 출구 방향에 수직한 xy-plane의 단면, 우측은 xz-plane의 단면에서의 광 강도 증폭비의 분포를 나타내며, 광 강도 증폭이 최대로 일어난 순간을 기준으로 계산하였다.
결정 구조체(310)로 입사된 펨토초 레이저의 편광 방향은 x 축의 방향과 일치할 수 있다. 펨토초 레이저는 결정 구조체(310) 내부의 사파이어(311)에서 전파(진행)하고, 일부 펨토초 레이저는 금속 박막(313)과 사파이어(311)의 경계면에서 반사되어 중앙 영역에서 중첩되어 높은 광강도 증폭 특성을 보일 수 있다. 이때, 가장 높은 광 강도 증폭은 결정 구조체(310)의 출구(끝부분)의 금속 박막(313)과 사파이어(311)의 경계면에서 나타나고, 최대 광 강도 증폭 값은 약 145 정도 일 수 있다.
금속 박막(313)과 사파이어(311)의 경계면 외에도 결정 구조체(310) 내부에서 높은 광강도 증폭을 가지는 영역이 있을 수 있다. 결정 구조체(310) 내부에서 생성된 높은 전기장에 의해 생성된 극자외선은 생성된 후 바로 다음에 위치한 격자에 대부분 흡수될 수 있다.
즉, 결정 구조체(310)에서 생성 및 측정되는 극자외선은 대부분 표면에 위치한 결정 구조에서 생성되는 것일 수 있다. 이를 바탕으로 FDTD 해석 결과를 분석하면, 표면에 있는 사파이어(311)는 가장자리에서 약 145 배, 중앙에서 약 10 배 정도의 광강도 증폭이 일어남을 알 수 있다. 즉, 결정 구조체(310)는 최소 10 배 이상의 광강도 증폭이 일어나고, 입사된 펨토초 레이저보다 10 배 이상 강한 세기의 레이저 장과 반응하여 높은 생성 효율을 가질 수 있다.
도 4는 결정 구조체의 전기장 분포의 일 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 결정 구조체(310)의 출구에서 최대 전자장 증폭이 일어날 때 형성되는 전기장 분포를 확인할 수 있다.
금속 박막(313)과 사파이어(311)의 경계면에서 가장 강한 전기장이 형성되고, 시간이 지나면 전기장의 방향은 바뀔 수 있다. 결정 구조체(310)의 내부 경계면에서 형성되는 전기장의 방향을 참조하면, SPPs가 결정 구조체(310) 내부에서 일어나고, 결정 구조체(310) 내부에서 전기장 증폭이 일어남을 알 수 있다.
도 5는 결정 구조체로 입사하는 전기장 및 증폭된 전기장을 비교하기 위한 그래프를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 결정 구조체(310)로 입사된 전기장 및 증폭된 전기장은 유사한 시간 축 분포(temporal profile)를 가질 수 있다. 입사된 전기장 및 증폭된 전기장은 펨토초 레이저의 레이저 장일 수 있다. 입사된 전기장(또는 레이저 장)은 12 fs 의 FWHM 펄스 폭을 갖고, 증폭된 전기장(또는 레이저 장)은 약 13~14 fs 의 펄스 폭을 가질 수 있다. 즉, 전기장(또는 레이저 장)이 증폭된 후 펄스 폭은 증가할 수 있다. 금속 박막(313)과 사파이어(311)의 경계면에서 SPPs 에 의해 전기장(또는 레이저 장)이 증폭될 때, 특정 파장 대역에서 증폭이 크게 일어나 주파수 필터링(spectral filtering) 현상이 일어난 것으로 볼 수 있다. 주파수 필터링 현상에도 증폭된 전기장(또는 레이저 장)의 시간 축 분포(temporal profile)는 잘 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 결정 구조체를 형성하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 결정 구조체를 형성하는 과정을 SEM 이미지로 나타낸 것이다. 결정 구조체(310)는 사파이어(311)에 건식 플라즈마 식각(dry plasma etching) 공정을 이용하여 깔때기(또는 원뿔) 모양으로 형성될 수 있다. 사파이어(311)는 C-plane 의 결정 방향을 갖는 사파이어 웨이퍼(wafer)일 수 있다.
다음으로 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition) 공정을 이용하여 사파이어(311)에 200 nm의 금(Au) 박막(313)을 증착할 수 있다. 이에, 금(Au) 박막(313) 및 사파이어(311) 사이에 전기장 증폭이 일어나는 경계면이 형성될 수 있다. 화학적 증기 증착에는 3 nm 의 크롬층이 접착층으로 사용될 수 있다.
다음으로 집속 이온빔을 이용하여 결정 구조체(310)의 출구(끝 부분)를 가공할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 극자외선 분광 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 극자외선 분광 시스템(50)은 고차 조화파 생성 장치(130), 렌즈(960), 결정 구조체(310), 진공 챔버(500), 재집광거울(refocusing mirror; 1010), 슬릿(1045), 반사형 회절 격자(reflective grating chamber; 1060), 미세 전자 증폭관(micro channel plate(MCP); 1070), 및 카메라(1080)을 포함한다.
극자외선 분광 시스템(50)은 결정 구조체(310)을 이용한 극자외선(또는 고차 조화파) 생성 및 고분해능 스침 입사형(grazing incidence)의 시스템일 수 있다. 100 nm 이하의 파장 대역을 갖는 극자외선은 높은 광자 에너지로 인하여 입사각(angle of incidence(AOI))이 클수록 높은 반사 효율을 갖기 때문에 스침 입사형 구조를 이용하면 생성되는 극자외선(또는 고차 조화파)의 손실을 최소화 할 수 있다. 이에, 재집광거울(1010)은 80°의 입사각을 갖고, 반사형 회절 격자(1060)는 84°의 입사각을 가질 수 있다. 재집광거울(1010)은 도넛형 거울(toroidal mirror)일 수 있다.
결정 구조체(310)로 입사되는 펨토초 레이저는 펄스폭이 12 fs 이고, 펄스 반복률이 75 MHz 일 수 있다. 진공 챔버(500)는 챔버 내부를 10-6 torr 이하 수준으로 유지할 수 있다.
결정 구조체(310)에서 생성되어 발산하며 진행하는 극자외선(또는 고차 조화파)은 재집광 거울(1010)에 의해 다시 집광되며, 집광되는 지점에서 슬릿(1045)을 지나게 된다. 슬릿(1045)은 입사 슬릿(entrance slit)일 수 있다. 슬릿(1045)을 통과한 극자외선(또는 고차 조화파)은 점광원과 같이 진행하게 되며, 반사형 회절 격자(1060)에 의해 각 파장 성분에 따라 회절격자(1060)의 Rowland 원 위에 집광되며 해당 파장 위치를 이동하는 미세 전자 증폭관(1070)을 통해 측정될 수 있다.
재집광 거울(1010)은 각각 1373 mm 와 41 mm 의 좌우, 상하 곡률 반지름(radius of curvature, ROC)값을 가지며, 낮은 비점수차(astigmatism)를 가져 높은 광 수집 효율을 가질 수 있다. 재집광된 극자외선(또는 고차 조화파)은 필터 휠(1020)에 설치된 박막 필터를 통과하여 박막 필터의 특정 투과대역에 해당하는 성분만 슬릿(1045)으로 입사할 수 있다.
슬릿(1045)을 통과한 극자외선(또는 고차 조화파)은 반사형 회절 격자(1060)에 반사한 후 각 파장 성분에 맞는 Rowland 원 상의 위치로 집광된다. 이때, 반사형 회절 격자(1060)는 84°의 입사각과 998.8 mm 의 곡률반지름을 갖고, 격자 간격이 각각 133.6 g/mm 와 600 g/mm인 두 가지를 사용하였다. 133.6 g/mm 회절 격자는 30~ 270 nm 대역에 대하여 0.16 nm 의 분해능(resolution)을 갖고, 600 g/mm 회절 격자는 0.1~60 nm 대역에 대하여 0.036 nm 의 분해능을 가질 수 있다.
미세 전자 증폭관(1070)은 Rowland 원 위를 움직이는 스테이지에 설치되어 원하는 위치에 재집광된 극자외선(또는 고차 조화파) 성분을 측정할 수 있다. 미세 전자 증폭관(1070)의 표면에는 CsI 코팅이 되어 있어 약 270 nm 이하의 파장을 갖는 빛을 전자로 변환시킬 수 있다.
빛에서부터 변환되어 생성된 전자는 미세 전자 증폭관(1070)의 전면과 후면에 가해지는 전압차에 의해 가속되면서 미세 전자 증폭관(1070)의 마이크로 채널(micro channel)의 벽면과 충돌한다. 벽면과 충돌한 하나의 전자는 복수의 전자를 생성하며, 이러한 과정의 반복을 통해 기하급수적으로 늘어난 전자는 측정 가능한 수준까지 그 수가 늘어난다. 전자가 증가하는 비율을 이득(gain)이라 하고, 높은 이득이 일어나도록 하여 작은 극자외선(또는 고차 조화파) 신호를 증폭시켜 측정한다.
미세 전자 증폭관(1070)의 이득 값은 마이크로 채널의 애스펙트 비(aspect ratio)에 의해 결정될 수 있다. 미세 전자 증폭관(1070)의 애스펙트 비는 하나의 마이크로 채널의 단면적과 길이의 비율이다. 단면적에 비해 길이가 길수록 전자가 벽면에 충돌하여 증폭되는 구간이 길어지기 때문에 더 높은 이득값을 가질 수 있다.
예를 들어, 미세 전자 증폭관(1070)은 1:40 의 애스펙트 비를 가질 수 있다. 증폭된 신호는 인광판(phosphor)를 통해 545 nm 의 파장을 갖는 초록색 빛으로 전파되고, 카메라(1080)는 이 빛을 측정할 수 있다. 카메라(1080)는 CCD 카메라일 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 결정 구조체가 생성하는 극자외선의 스펙트럼의 예들을 나타내고, 도 9는 도 7에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 극자외선 대역의 조화파의 에너지 대역폭을 비교하기 위한 그래프를 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 펨토초 레이저의 세기를 조금씩 올릴 때 결정 구조체(310)가 생성하는 극자외선 영역의 고차 조화파의 스펙트럼을 확인할 수 있다.
결정 구조체(310)에 입사된 펨토초 레이저의 광 강도는 각각 0.23, 0.34, 0.42 TW/cm2, 즉 40, 60, 75 mW 이다. 전기장의 세기로 환산하면 각각 0.13, 0.16, 0.18 V/Å 에 해당한다.
결정 구조체(310)로 40 mW 의 펨토초 레이저가 입사 될 때부터 7 차 조화파에 해당하는 극자외선 영역의 고차 조화파의 신호가 생성됨을 알 수 있다. 펨토초 레이저의 세기를 60 mW 로 증가시키면 7 차 조화파의 신호는 증가하고, 9 차 조화파 신호가 측정됐다. 펨토초 레이저의 세기를 75 mW 로 증가시키면 최대 13 차 조화파의 극자외선 신호가 검출되며 전체적인 신호 또한 크게 증가했다.
생성된 극자외선 영역의 고차 조화파의 신호는 입사된 펨토초 레이저의 조화파에 해당하는 대역폭(bandwidth)을 가질 수 있다. 결정 구조체(310) 표면의 사파이어(311) 결정에서 증폭된 레이저 장이 전자를 이온화시키고 진동시켜 해당 고차 조화파 신호를 생성할 수 있다. 사파이어(313)의 밴드갭 에너지는 약 126 nm 의 파장을 가질 수 있다.
펨토초 레이저의 광 강도가 증가함에 따라 생성되는 고차 조화파의 신호 또한 증가할 수 있다. 펨토초 레이저의 광 강도에 따른 7 차, 9 차 조화파의 신호 경향성은 도 8의 inset 그래프에서 확인할 수 있다. Inset 그래프 내 표기된 점선은 광강도의 7 제곱(I7)에 해당하는 선이고, 7 차 조화파의 경우 조금 작은 기울기를, 9 차 조화파의 경우 조금 큰 기울기를 갖는다. 입사된 펨토초 레이저의 크기에 따라 다른 신호 증가 경향을 보였다.
생성된 극자외선 영역의 고차 조화파의 신호의 특성을 확인하기 위해 각 차수에 해당하는 신호의 에너지 대역폭(energy bandwidth)을 비교해 보았다. 고차 조화파의 각 차수 별 에너지 대역폭은 다음 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112016126195937-pat00002
여기서, n은 조화파의 차수이고, ΔEn은 n차 조화파의 에너지 대역폭, ΔE0는 입사된 펨토초 레이저의 에너지 대역폭을 나타낼 수 있다. 즉, 조화파의 차수가 증가하면 조화파의 에너지 대역폭은 증가할 수 있다. 따라서, 각각 측정된 조화파의 에너지 대역폭을 차수로 나누어 보정한 대역폭을 비교하면 생성된 극자외선이 조화파인지 아닌지 여부를 알 수 있고, 이는 도 9에 도시된 바와 같을 수 있다. 생성된 7, 9, 11 차 조화파의 보정된 대역폭이 모두 0.06 eV 로 동일함을 알 수 있다. 즉, 생성된 극자외선은 고차 조화파에 의해 생성된 것임을 확인할 수 있다.
하지만, 0.06 eV 의 에너지 대역폭을 입사된 펨토초 레이저의 대역폭과 비교해보면 차이가 있을 수 있다. 입사 펨토초 레이저가 0.06 eV 의 에너지 대역폭을 가질 경우, 800 nm 를 중심파장으로 약 30 nm 의 대역폭을 가질 수 있다. 이를 펄스 폭으로 환산하면 약 30 fs 이고, 도 5에서의 결과와 차이를 보인다. 실제 고차 조화파 생성 과정에서 이론과 다르게 주파수 필터링 현상이 강하게 일어난 것으로 볼 수 있다.
도 10은 결정 구조체가 극자외선을 생성한 후의 구조도의 예들을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 극자외선을 생성한 결정 구조체(310)의 변화를 전자 주사현미경을 이용하여 SEM 이미지로 확인할 수 있다. 좌측부터 각각 0.23, 0.42, 0.66 TW/cm2 의 펨토초 레이저를 입사한 결정 구조체(310)이다.
0.23 TW/cm2 의 펨토초 레이저를 결정 구조체(310)에 입사하면, 광 강도 증폭이 가장 강하게 일어나는 금(Au) 박막(313)과 사파이어(311)의 경계면에서 금(Au) 박막(313)의 융해(melting) 현상이 두드러지게 나타난다. 금(Au) 박막(313)이 융해되고 다시 굳으면서 표면 장력에 의해 둥근 모양을 형성할 수 있다.
결정 구조체(310)로 입사되는 펨토초 레이저의 세기가 증가할수록 결정 구조체(310)의 출구(끝 부분)를 중심으로 금(Au) 박막(313)이 제거되면서 사파이어(311)가 드러나는 변형이 일어날 수 있다. 예를 들어, 0.66 TW/cm2 의 세기를 갖는 펨토초 레이저를 결정 구조체(310)로 입사하였을 때, 드러나는 사파이어(311)의 반경은 약 400 nm 정도일 수 있다.
도 11은 변형된 결정 구조체의 광 강도 증폭 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 변형된 결정 구조체의 광 강도 증폭 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 금(Au) 박막(313)의 변형에 의해 드러난 사파이어(311)의 반경을 400 nm 로 가정하였고, 사파이어(311)의 원래 형태는 유지되도록 계산하였다. 이때 생성되는 광 강도는 금(Au) 박막(313)과 사파이어(311)의 경계면에서 53 배, 사파이어(311)의 중앙 부분에서 8 배의 값으로 계산된다. 즉, 결정 구조체(310)에 변형이 생겨도 광 강도 증폭이 유지되어 극자외선이 지속적으로 생성되었음을 알 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 극자외선 분광 시스템의 다른 예를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 극자외선 분광 시스템(70)은 고차 조화파 생성 장치(110), 재집광거울(1010), 필터 휠(filter wheel; 1020), 게이트 밸브(gate valve; 1030), 복수의 슬릿(1040 및 1050), 반사형 회절 격자(1060), 미세 전자 증폭관(1070), 카메라(1080), 및 스텝 모터(stepped motor; 1090)를 포함할 수 있다.
극자외선 분광 시스템(70)은 결정 구조체(310)을 이용한 극자외선(또는 고차 조화파) 생성 및 고분해능 스침 입사형의 시스템일 수 있다. 100 nm 이하의 파장 대역을 갖는 극자외선(또는 고차 조화파)은 높은 광자 에너지로 인하여 입사각(AOI)이 클수록 높은 반사 효율을 갖기 때문에 스침 입사형 구조를 이용하면 생성되는 극자외선(또는 고차 조화파)의 손실을 최소화 할 수 있다. 이에, 재집광거울(1010)은 80°의 입사각을 갖고, 반사형 회절 격자(1060)는 84°의 입사각을 가질 수 있다. 재집광거울(1010)은 도넛형 거울일 수 있다.
미세 패턴(300)에서 생성되어 발산하며 진행하는 극자외선은 재집광 거울(1010)에 의해 다시 집광되며, 집광되는 지점에서 복수의 슬릿(1040 및 1050)을 지나게 된다. 복수의 슬릿(1040 및 1050)은 입사 슬릿(entrance slit)일 수 있다. 복수의 슬릿(1040 및 1050)을 통과한 극자외선은 점광원과 같이 진행하게 되며, 반사형 회절 격자(1060)에 의해 각 파장 성분에 따라 회절격자(1060)의 Rowland 원 위에 집광되며 해당 파장 위치를 이동하는 미세 전자 증폭관(1070)을 통해 측정될 수 있다.
재집광 거울(1010)은 각각 1373 mm 와 41 mm 의 좌우, 상하 곡률 반지름(radius of curvature, ROC)값을 가지며, 낮은 비점수차(astigmatism)를 가져 높은 광 수집 효율을 가질 수 있다. 재집광된 극자외선은 필터 휠(1020)에 설치된 박막 필터를 통과하여 박막 필터의 특정 투과대역에 해당하는 성분만 복수의 슬릿(1040 및 1050)으로 입사한다.
제1 슬릿(1040)은 극자외선 생성에서 사용되는 가스에 의한 압력 상승 효과가 분광 시스템 측정기에 주는 영향을 최소화 하기 위해 설치되었다. 제1 슬릿(1040)은 1 x 5 mm2 의 너비와 12 mm 의 길이를 가지고, 이러한 길이 대비 좁은 단면적을 갖는 슬릿은 차동 펌핑(differential pumping)을 가능하게 하여 극자외선 분광 시스템(30)의 측정기 부분의 압력을 낮게 유지시켜 준다. 제2 슬릿(1050)은 Rowland 원의 점광원(point light source) 위치에 있으며, 약 0.1x4 mm2 의 너비를 갖고 있으며 그 너비는 조절 가능하다.
복수의 슬릿(1040 및 1050)을 통과한 극자외선은 반사형 회절 격자(1060)에 반사한 후 각 파장 성분에 맞는 Rowland 원 상의 위치로 집광된다. 이때, 반사형 회절 격자(1060)는 84°의 입사각과 998.8 mm 의 곡률반지름을 갖고, 격자 간격이 각각 133.6 g/mm 와 600 g/mm인 두 가지를 사용하였다. 133.6 g/mm 회절 격자는 30~ 270 nm 대역에 대하여 0.16 nm 의 분해능(resolution)을 갖고, 600 g/mm 회절 격자는 0.1~60 nm 대역에 대하여 0.036 nm 의 분해능을 가질 수 있다.
미세 전자 증폭관(1070)은 Rowland 원 위를 움직이는 스테이지에 설치되어 원하는 위치에 재집광된 극자외선 성분을 측정할 수 있다. 미세 전자 증폭관(1070)의 표면에는 CsI 코팅이 되어 있어 약 270 nm 이하의 파장을 갖는 빛을 전자로 변환시킬 수 있다.
빛에서부터 변환되어 생성된 전자는 미세 전자 증폭관(1070)의 전면과 후면에 가해지는 전압차에 의해 가속되면서 미세 전자 증폭관(1070)의 마이크로 채널(micro channel)의 벽면과 충돌한다. 벽면과 충돌한 하나의 전자는 복수의 전자를 생성하며, 이러한 과정의 반복을 통해 기하급수적으로 늘어난 전자는 측정 가능한 수준까지 그 수가 늘어난다. 전자가 증가하는 비율을 이득(gain)이라 하고, 높은 이득이 일어나도록 하여 작은 극자외선 신호를 증폭시켜 측정한다. 미세 전자 증폭관(1070)의 이득 값은 마이크로 채널의 애스펙트 비(aspect ratio)에 의해 결정될 수 있다. 미세 전자 증폭관(1070)의 애스펙트 비는 하나의 마이크로 채널의 단면적과 길이의 비율이다. 단면적에 비해 길이가 길수록 전자가 벽면에 충돌하여 증폭되는 구간이 길어지기 때문에 더 높은 이득값을 가질 수 있다.
미세 전자 증폭관(1070)은 1:40 의 애스펙트 비를 가질 수 있다. 증폭된 신호는 인광판(phosphor)를 통해 545 nm 의 파장을 갖는 초록색 빛으로 전파되고, 카메라(1080)는 이 빛을 측정할 수 있다. 카메라(1080)는 CCD 카메라일 수 있다.
이하에서는 극자외선 분광 시스템(70)으로 평가한 고차 조화파 생성 장치(110)의 성능을 설명한다. 결정 구조체(310)의 시편 마다 두께 및 분산 특성이 다르기 때문에 이에 따른 각각의 분산 보상을 진행하고, 집광 위치는 결정 구조체(310)의 표면을 중심으로 신호 생성 효율이 우수한 지점을 기준으로 삼았다.
도 14a는 도 13에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 극자외선의 스펙트럼의 예들을 나타내고, 도 14b는 도 13에 도시된 극자외선 분광 시스템이 측정한 극자외선과 입사되는 펨토초 레이저의 세기의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14a를 참조하면, 결정 구조체(310)는 C-plane 의 결정방향을 갖는 사파이어일 수 있다. 결정 구조체(310)의 사파이어 시편의 두께는 430 μm 이고, 펨토초 레이저는 시편에 수직하게 입사할 수 있다. 즉, 펨토초 레이저는 결정 구조체(310)의 C-plane 에는 수평 방향, A-plane 에는 수직 방향의 선형 편광 상태로 입사할 수 있다. 입사된 펨토초 레이저의 최대 출력은 260 mW 이고, 이는 약 1.5 TW/cm2 와 0.33 V/Å 에 해당한다. 입사되는 레이저의 세기가 증가할수록 생성되는 극자외선 신호의 크기가 증가하고, 생성된 극자외선은 입사된 레이저 장의 고차 조화파 특성을 가질 수 있다.
또한, 펨토초 레이저의 세기가 증가함에 따라 생성되는 극자외선의 조화파 차수도 증가하였다. 최대 11 차 조화파까지 생성되었으며, 이는 약 73 nm 에 해당한다(입사되는 펨토초 레이저의 중심 파장은 800 nm 이다). 또한, 일정 세기 이상의 레이저가 입사되면 사파이어의 밴드갭 에너지에 해당하는 124 nm (9.9 eV) 대역의 신호가 측정되었다.
도 14b를 참조하면, 결정 구조체(310)로 입사되는 펨토초 레이저 장의 세기와 결정 구조체(310)가 생성하는 극자외선의 조화파 차수 관계를 확인할 수 있다. 입사되는 펨토초 레이저의 세기를 레이저 장으로 변환하고, 이때 레이저 장의 세기에 선형적으로 생성되는 극자외선의 조화파의 차수가 증가함을 확인하였다.
도 15a는 결정 구조체가 생성하는 극자외선 영역의 조화파들의 특성의 일 예를 나타내는 그래프이고, 도 15b는 펨토초 레이저의 편광 방향과 결정 구조체가 생성하는 고차 조화파의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15a를 참조하면, 결정 구조체(310)에서 생성된 고차 조화파의 차수는 각각 7, 9, 11 이다. 그래프 내 점선은 세기의 7 제곱 (I7)에 해당하는 직선으로 생성 효율을 비교하기 위해 같이 표기하였다.
결정 구조체(310)로 입사되는 펨토초 레이저의 세기가 증가함에 따라 조화파들의 세기가 각각의 차수에 해당하는 기울기를 갖고 증가함을 알 수 있다. 결정 구조체(310)로 입사되는 펨토초 레이저의 세기가 약 1 TW/cm2 에 도달하면, 7 차와 9 차 조화파의 세기가 거의 동일하게 측정됨을 알 수 있다. 즉, 생성되는 고차 조화파는 perturbation 영역이 아닌 plateau 영역일 수 있다. 결정 구조체(310)로 입사되는 레이저의 세기를 더 증가시켜 1 TW/cm2 이상 입사 될 경우, 9 차 조화파가 더 강하게 측정되었다.
도 15b를 참조하면, 펨토초 레이저 광의 편광을 선형과 원형으로 바꾸고, 결정 구조체(310)에서 생성된 고차 조화파를 비교한 결과를 나타낸다. 결정 구조체(310)로 입사하는 펨토초 레이저의 선형 편광 방향은 C-plane 에 수평하며, A-plane 에 수직하게 입사되었으며, 두 편광 상태 모두 세기가 260 mW 이다. 그 외 실험 조건은 동일하게 진행되었다. 결정 구조체(310)의 격자 방향과 펨토초 레이저의 편광 방향이 일치하는 경우에는 높은 극자외선 영역의 고차 조화파 생성 효율을 보였으나, 원형 편광의 펨토초 레이저가 결정 구조체(310)로 입사한 경우 신호가 생성되지 않았다. 즉, 결정 구조체(310)의 격자 구조의 방향과 펨토초 레이저의 편광 방향이 극자외선 생성 효율에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
도 16은 사파이어의 결정 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 17은 결정 구조체의 결정면의 방향에 따라 생성된 고차 조화파의 예들을 나타낸 그래프이다.
도 16을 참조하면, 결정 구조체(310)는 Hexagonal/rhombohedral 구조의 사파이어이고, 4 개의 결정면(C, A, R, 및 M)을 포함할 수 있다. 격자 상수는 C-plane 에 수직한 방향으로 12.991 Å, A-plane 에 수직한 방향으로 4.758 Å 의 값을 갖는다. 4 개의 결정면(C, A, R, 및 M)의 단면에 수직 또는 수평 방향의 편광을 갖는 펨토초 레이저를 입사시켜 생성된 극자외선 영역의 고차 조화파는 도 17에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 17을 참조하면, 최대 15 차에 해당하는 신호까지 측정되었다. 이는 파장으로 약 53 nm 에 해당한다. 생성 효율이 가장 높은 경우는, R-plane 과 C-plane 시편에 수직한 편광의 레이저를 입사시킨 경우이며, 생성 효율이 가장 낮을 때는 R-plane 과 C-plane 시편에 수평한 편광의 레이저가 입사되었을 때이다. 상대적으로 A-plane 과 M-plane 시편은 편광 방향에 크게 영향을 받지 않았다.
즉, R-plane 과 C-plane 에서 결정 구조 방향과 편광 방향의 관계에 따라 극자외선의 생성 효율이 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 전반적으로 편광 방향의 격자 상수에 비례하여 극자외선 생성 효율이 증가하는 경향이 보였다. 또한, M-plane 과 A-plane 샘플의 수직한 편광 방향은 격자 구조 외에 다른 결정 구조의 특성들이 극자외선 생성 효율에 영향을 미침을 알 수 있다.
결정 구조체(310)의 방향과 레이저 편광 방향의 관계가 극자외선 생성 효율에 미치는 영향을 좀 더 명확히 알기 위해서는 좀 더 세밀한 각도 차이에 따른 생성 효율 비교가 필요할 수 있다.
결정 구조체(310)가 C-plane 사파이어의 경우, 반도체 공정 등에서 널리 쓰이고 있어 집적 회로에서 극자외선을 생성시켜 ultrafast optical modulator 및 극자외선 광자의 높은 에너지를 이용하여 ultrashort electron pulse 등으로 응용 분야를 넓혀 나갈 수 있다.
도 18은 결정 구조체가 이산화규소인 경우 생성되는 극자외선의 스펙트럼을 나타낸다.
도 18을 참조하면, 결정 구조체(310)는 이산화규소(SiO2)로 구성되고 극자외선을 생성할 수 있다. 결정 구조체(310)의 시편은 250 nm 의 두께를 갖는 SiO2 박막이고, 다결정 구조(poly-crystalline structure)일 수 있다. 결정 구조체(310)의 박막의 용발 문턱 값을 고려하여 최대 250 mW (~1.4 TW/cm2) 의 레이저를 입사시켰다.
7 차 조화파 신호가 매우 강하게 생성되었으며, 9 차 조화파는 매우 약하게 생성되었다. 5차 조화파의 경우, 극자외선 영역에 해당하지 않지만 신호 생성 효율 비교를 위해 같이 측정하였다. 측정된 신호 값은 5 차 조화파가 7 차에 비해 작게 측정되었는데, 변환 효율을 고려하면 5 차 조화파가 7 차 보다 강하게 생성되었음을 알 수 있다.
또한, 결정 구조체(310)는 니오브산리튬(LiNbO3)으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 결정 구조체(310)의 시편은 500 μm 의 두께를 갖는 니오브산리튬(LiNbO3)이고, 3 가지 결정 방향을 가질 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 펨토초 레이저 발생기에서 출력되는 근적외선 영역의 빛을 전달하는 광 전달수단;
    상기 광 전달수단을 통해 전달받은 빛을 통과시키고, 근접장 증폭에 따라 비선형적으로 움직이는 전자에 기초하여 극자외선 영역의 고차 조화파를 생성하는 사파이어; 및
    상기 사파이어의 겉부분에 형성되고, 상기 사파이어와의 경계면에서 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 및 피뢰침 효과(lightning-rod effect)를 사용하여 상기 근접장 증폭을 발생시키는 금속 박막
    을 포함하는 고차 조화파 생성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어는,
    깔때기(funnel) 형상인 고차 조화파 생성장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막은,
    금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 중 하나 이상의 재질로 구성된 고차 조화파 생성장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막 및 상기 사파이어를 진공 환경 내에서 수용하기 위한 진공 챔버
    를 더 포함하는 고차 조화파 생성장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 전달수단은,
    상기 펨토초 레이저 발생기로부터 출력되는 빛을 상기 사파이어에 집광시키는 포커싱 렌즈; 및
    상기 출력되는 빛의 분산을 보상하기 위한 웨지 프리즘(wedge prism)과 처프 미러(chirped mirror)
    를 더 포함하는 고차 조화파 생성장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어는,
    상기 근접장 증폭의 비율이 최소 20 dB 이상인 고차 조화파 생성장치.
  7. 펨토초 레이저 발생기에서 출력되는 근적외선 영역의 빛을 전달하는 광 전달수단;
    상기 광 전달수단을 통해 전달받은 빛을 통과시키고, 근접장 증폭에 따라 비선형적으로 움직이는 전자에 기초하여 극자외선 영역의 고차 조화파를 생성하는 베어(bare) 사파이어 결정구조; 및
    상기 빛이 통과할 때 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 및 피뢰침 효과(lightning-rod effect)를 사용하여 상기 근접장 증폭을 발생시키는 패턴(pattern) 사파이어
    를 포함하는 고차 조화파 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 패턴 사파이어는,
    깔때기(funnel) 형상인 고차 조화파 생성 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 패턴 사파이어 및 상기 베어 사파이어 결정구조를 진공 환경 내에서 수용하기 위한 진공 챔버
    를 더 포함하는 고차 조화파 생성 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 광 전달수단은,
    상기 펨토초 레이저 발생기로부터 출력되는 빛을 상기 패턴 사파이어에 집광시키는 포커싱 렌즈; 및
    상기 출력되는 빛의 분산을 보상하기 위한 웨지 프리즘(wedge prism)과 처프 미러(chirped mirror)
    를 더 포함하는 고차 조화파 생성 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 패턴 사파이어는,
    상기 근접장 증폭의 비율이 최소 20 dB 이상인 고차 조화파 생성 장치.
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