KR102231517B1 - 결정 격자 내의 공격자점을 트랩하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면 타깃의 결정 격자 내에 트랩된 공격자점을 제작하는 방법이 제공되고, 이 방법은: 결정 격자 내의 공격자점 트랩 원소를 포함하는 타깃을 레이저 시스템에 위치시키는 단계; 레이저를 이용해 타깃 내의 결정 격자를 수정시켜 격자 공격자점을 생성하는 단계; 및 격자 공격자점이 이동해 공격자점 트랩 원소에 의해 포착되게 하도록 타깃을 어닐링하여 결정 격자 내에 트랩된 공격자점을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

결정 격자 내의 공격자점을 트랩하는 방법
본 발명은 결정 결함에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 결정 격자를 수정하는 방법에 관한 것이다.
선택적으로 결정 내의 활성점 결함(착색 중심으로도 알려짐)은 감지로부터 통신 및 정보 저장/가공에 이르는 디바이스 애플리케이션의 범위에 대해 사용될 수 있다.
예를 들어, 다이아몬드 내의 점 결함은 정보 기술의 다수의 잠재적인 응용을 가진다. 이들은 극도로 낮은 검출 제한 및 나노미터 스케일에서의 공간 해상도를 모두 제공하는 자기장, 전기장 및 온도의 센서로서; 계산을 수행하기에 충분한 지속시간에 대한 양자 중첩으로서 정보가 저장되는 양자 메모리 레지스터; 및 서브-푸아송 잡음(sub-Poissonian noise) 수준이 요구되는 양자 통신 및 응용에서의 사용을 위한 단일 광자의 소스로서 사용될 수 있다.
전술된 응용이 식별된 결함들 중 하나는, 다이아몬드 내의 거면체 결정의 [111] 결합 축을 따라 치환 질소 원자 및 인접한 공격자점을 구성하는 질소-공격자점 중심이다.
이러한 결함의 다수의 속성은 일반적이며 그 외의 결함은 유사한 응용에 있어서 잠재적으로 흥미있고 유용하다. 다이아몬드에 일반적인 이러한 속성은 다음을 포함한다:
(i) 환경 안정성-다이아몬드는 안정적이고 내구성 있는 디바이스가 제조될 수 있게 하는 단단한 불활성 재료이다.
(ii) 생체 적합성-다이아몬드는 전적으로 탄소로 이루어졌기 때문에 완전히 생체 적합성이다.
(iii) 낮은 열적 잡음-다수의 응용은 격자 진동의 형태로 열적 잡음에 민감하다. 다이아몬드는 열적 유도된 격자 진동이 실온에 있는 다른 재료보다 훨씬 더 낮도록 대략 2200K의 디바이 온도(Debye Temperature)를 가진다.
(iv) 낮은 자기 잡음-다수의 응용은 격자 내의 전자 및 핵 스핀의 임의의 재배향에 의해 야기되는 자기 잡음에 민감하다. 주변 온도에서의 자유 캐리어 밀도를 무시할 수 있도록 다이아몬드는 5.5 eV의 매우 넓은 대역 간격을 가진다. 자연 발생 다이아몬드는 또한 주로(약 99%) 스핀 0인 핵을 가지는 12C 동위원소이기 때문에 매우 작은 핵 스핀을 가진다. 이 재료는 격자 내의 자기 잡음을 추가로 감소시키도록 증가된 동위 순도로 성장될 수 있다. 높은 화학적 순도 및 낮은 결함 수준은 자신의 스핀을 통해서 자기장을 생성하는 홑전자에 대한 자리(site)를 제공하기 때문에 또한 중요하다.
(v) 점 결함은 잔류 격자 교란으로부터 비교적 분리되는 원자와 같은 양상을 제공하는 대역 간격 내의 깊은 곳에 매우 국부화된 전자 상태를 가진다.
대부분의 점 결함은 격자 공격자점을 포함한다. 질소-공격자점, 규소-공격자점 및 게르마늄-공격자점 결함 각각은 자신의 구조의 부분으로서 단일 (온전한 또는 분할) 공격자점을 가진다. 다른 결함은 다수의 공격자점을 포함하거나 또는 형성 중에 불순물 확산을 가능하게 하도록 공격자점의 존재를 필요로 한다. 따라서 격자 내의 공격자점의 제어된 생성은, 특히 다이아몬드 격자 내의 다른 불순물의 존재와 결합하여, 제어된 방식으로 광범위한 결함을 생성하도록 큰 값을 가진다.
탄화규소, 규소 및 가닛 결정과 같은 다른 재료 또한 착색 중심을 나타내며, 이는 개발의 초기 단계에서 정보 응용에서 유사하게 유용할 수 있다.
기술적 가능성을 갖는 착색 중심의 예는 질소-공격자점(NV) 중심이다. NV 중심은 두 개의 알려진 충전 상태, 중립 상태 NV0 및 단일의 음으로 충전된 상태 NV-를 가진다. NV- 결함은 스핀 삼중 접지 상태 및 스펙트럼의 가시범위 내의 강한 스핀-보존 전자 다이폴 전이를 제공하는 전자 구조를 가지며, 이는 결함의 스핀 상태의 선택적인 펌핑 및 측정 모두를 가능하게 한다. 지난 10년간 양자 광학, 양자 센서 및 양자 계산 응용에서 NV- 결함의 사용 주변의 증가하는 문헌이 개발되어왔다.
NV 중심은 천연 다이아몬드에서 발견되며 또한 결정 성장 공정 중에 합성 재료 내에 형성될 수 있거나 또는 결정 성장이 완료된 후에 생성될 수 있다. 다수의 전술된 응용에 있어서 결정 내의 NV 중심의 위치, (종종 용해 가능한 볼륨 내의 개별적인 NV 중심을 요구하는) 형성된 NV 중심의 개수 및 NV 중심의 속성에 걸친 정확한 제어가 바람직할 수 있다. 이러한 이유로 NV 중심을 결정 성장 후에 생성하는 것이 바람직할 수 있다.
NV 중심이 일반적으로 다이아몬드 격자 내에 생성되는 단계는 첫 번째로 이미 존재하거나 또는 이온 주입에 의해 추가되어야 하는 충분한 치환 질소 원자의 존재를 보장하고; 두 번째로 (예컨대 이온 주입에 의해 생성된) 공격자점의 존재를 보장한 다음, 공격자점이 이동성이고 격자를 통해 확산하게 되도록 800℃보다 큰 온도에서 다이아몬드를 어닐링하는 것이다. 확산하는 공격자점이 치환 질소 원자를 만날 때 이것은 에너지적으로 안정적인 NV 중심을 형성할 수 있다. 유사한 공정이 다른 공격자점 관련 결함 중심에 적용되며, 그에 따라 적절한 이온 또는 이온들의 조합의 주입이 격자 내의 안정적인 복합체를 생성하도록 공격자점 생성 및 어닐링과 결합된다.
이전에, 공격자점 생성은 전자 조사 또는 이온 주입 공정에 의해 수행되었다. 격자 원자와 입자들의 충돌을 통해 손상이 발생하며 입자들이 격자에 침투하면서 점진적으로 에너지를 잃기 때문에 이러한 방법은 진입점으로부터 표면 아래 최대 깊이까지 격자 손상을 생성한다. 이러한 충돌은 또한 입자들을 자신의 경로로부터 분산시키며 그 결과 공격자점이 의도된 위치가 아닌 위치에 생성될 수 있다. 무거운 주입 이온이 침투함에 따라 운동 에너지를 잃기 때문에 무거운 주입 이온의 평균 궤적으로 인해 일반적으로 이온 주입에서 대부분의 격자 손상이 최대 침투 깊이에 근접하게 발생함이 발견된다. 이것은 유도된 공격자점의 위치에 걸쳐 소정의 정도의 제어를 제공하지만, 대부분의 경우에 (특히 마이크로미터보다 크거나 그 정도 크기의 NV 중심을 표면 아래에 생성할 때) 공정은 착색 중심의 형성에 대해 공격자점을 생성하기 위한 바람직한 것보다 훨씬 더 큰 격자 손상을 생성한다. 높은 온도 어닐링은 일부 잔류 격자 손상을 제거할 수 있지만 전부를 제거할 수는 없으며-NV 중심은 약 1450℃까지 안정적이며, 주입 공정에 의해 생성된 최대로 확장된 공격자점 결함은 약 1000℃보다 높은 온도에서 파괴된다. 그러나 생성된 임의의 착색 중심이 전형적으로 강한 격자 손상에 의해 둘러싸이며, 그 결과 착색 중심의 속성에 원치 않는 영향을 미친다. 따라서 결정 성장 공정 동안 발생하는 것과 동일한 속성을 가진 NV 중심의 생성은 종래 기술의 방법을 이용하여 획득될 수 없다.
질소 주입은 (MeV 주입 에너지를 이용하여) 오직 수 마이크로미터에 도달할 수 있으며 전자빔 조사는 공격자점 생성을 위한 깊이 제어를 제공하지 않기 때문에, NV 생성을 위해 이전에 사용된 방법의 추가적인 한계는 결정의 깊은 내부의 분리된 NV 중심의 생성이 가능하지 않다는 점이다. 더 높은 에너지 방법은 격자에 대한 부수적인 손상의 증가를 발생시킨다.
유사한 방법이 규소-공격자점 중심과 같은 다른 공격자점-혼입 결함의 생성에서 예상될 수 있다.
결정 내의 공격자점의 존재는 다수의 결함 형성에서의 원소이므로 공격자점의 제어되는 발생은 디바이스 가공을 위한 제어 결함 형성에 대한 열쇠일 수 있다.
Yan Liu 등(옵틱스 익스프레스, 21권, 10호, "펨토초 펄스 레이저 조명에 의한 질소 빈자리 색 중심의 제작", 12843-12848 페이지)은 다이아몬드 샘플 위의 공기 중 산소 및 질소 분자를 이온화하여 전자 빔을 생성하기 위하여 공기 중의 다이아몬드 샘플의 표면 위에 높은 에너지 펨토초 레이저를 포커싱함으로써 다이아몬드 샘플에 질소 공격자점 착색 중심을 제작하는 방법을 개시하고 있다. 각각의 펨토초 레이저 펄스는 4 mJ의 에너지를 전달하였다. 높은 에너지 레이저에 의해 생성된 전자빔은 다이아몬드 샘플의 표면에 공극들을 생성하고, 일부 흑연 이외에도 이러한 방식으로 생성된 공극들에 질소 공격자점이 발견되는 것으로 보고되었다. 질소 공격자점 중심은 다이아몬드 샘플 내의 탄소 원자들의 다중-광자 이온화를 통하는 것이 아니라 다이아몬드 샘플의 표면에 충돌하는 전자들에 의해 생성된다는 것이 개시되어 있다. 또한, 레이저 스폿이 다이아몬드 내부에 포커싱되면, 전자 빔이 발생하지 않기 때문에, 공격자점을 생성할 수 없고, 다이아몬드 샘플의 손상만을 발견 할 수 있는 것이 개시되어있다.
본 발명의 현재 청구된 발명에 따르면, 청구항1에 정의된 바와 같이 타겟의 결정 격자 내에 트랩된 공격자점을 제작하는 방법이 제공된다. 선택적 특징들은 종속 청구항들에 열거된다.
본 명세서에 따르면, 넓은 의미에서, 레이저를 사용하여 타깃 내의 제어된 위치에서 결정 격자를 수정하는 단계; 및 결정 격자를 어닐링하여 결정에서 원하는 피쳐를 형성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
결정 격자의 수정은 결정 격자의 구조가 변경되도록 레이저로부터의 광 펄스의 상호작용을 통해 결정 격자를 국부적으로 손상시키는 것을 포함한다. 이것은 하나 이상의 공격자점이 생겨난 것이다. 어떤 경우에는 손상이 더 커질 수 있으며 격자가 수정된 결정 또는 비정질 구조를 채택하게 된다. 모든 경우에서 손상은 광 펄스의 상호작용 영역에 국한된다는 의미에서 "국부적(local)"이다. 일반적으로, 이는 1 마이크로미터 미만의 폭, 보다 바람직하게는 500 나노미터(nm) 미만, 보다 바람직하게는 250㎚ 미만의 폭에 해당할 것이다. 가장 바람직한 장치에서, 손상은 150nm 미만의 임의의 방향으로 거리를 연장하고 약 100nm 이하일 수도 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 타깃의 결정 격자 내의 트랩된 공격자점을 제작하는 방법으로서, 결정 격자 내의 원소를 트랩하는 공격자점을 포함하는 타깃을 레이저 시스템 내에 위치시키고, 격자 공격자점을 생성하기 위해 레이저를 사용하여 타깃 내의 결정 격자를 수정하는 단계; 및 타깃을 어닐링하여 격자 공격자점이 이동하게 하고 공격자점 트랩 원소에 의해 포획되어 결정 격자 내에 트랩된 공격자점을 형성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
제어된 방식으로 결정 내의 공격자점을 생성하는 것은 착색 중심 생성을 제어를 가능하게 하며, 재료의 격자 변형(strain)을 엔지니어링하여 착색 중심 특성을 수정할 수 있다. 따라서, 본 발명은 착색 중심에 기초한 디바이스의 생산 및 엔지니어링을 위해 격자 결함을 생성하기 위한 레이저 가공의 사용에 관한 것으로 이해될 수 있다. 일 실시예는 다이아몬드의 질소-공격자점 중심(NV)에 초점을 맞추지만(이 방법은 실험적으로 증명되었다), 이 방법은 다른 결함 및 다른 결정질 재료에도 적용 가능하다. 이 방법은 결정 격자, 바람직하게는 다이아몬드 내의 원하는 위치에 단일 NV 센터를 생성하기 위한 어닐링에 뒤따르는 레이저 가공을 포함한다.
이 방법은 비선형 다중 광자 흡수를 통한 결정 격자의 수정을 포함할 수 있다.
이 방법은 펄스 레이저를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 흡수된 광자의 예상 에너지가 타깃의 대역 간격보다 작은 중심 파장에서 레이저를 동작시키는 단계와, 선형 단일 광자에 의해 타깃에 손상을 줄 것으로 예상되지 않는 출력에서 레이저를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 결정 격자에 의한 레이저로부터의 에너지의 흡수는 비선형일 수 있고, 다중 광자의 에너지의 동시 흡수의 결과일 수 있어서, 흡수된 광자의 총 에너지는 대역 간격의 에너지와 대략 동일하다.
따라서, 수정될 타깃의 영역의 크기는 레이저의 강도가 비선형 흡수를 유발하기에 충분한 경우에만 그 영역으로 축소될 수 있다. 비선형 흡수는 전형적으로 선형 흡수보다 더 높은 강도를 필요로 하기 때문에, 수정될 결정 격자의 영역은 레이저의 최고 강도 영역으로 제한될 수 있다. 결정 격자의 수정은 결정 격자에 2차, 3차, 4차 또는 고차 비선형 다중 광자 흡수를 포함할 수 있다.
결정에 진입하는 레이저의 펄스 에너지는 15 nJ보다 작을 수 있다. 이 레벨 이상에서는 펄스 에너지가 결정 격자에 너무 많은 손상을 주게된다.
바람직한 배열에서, 이 방법은 2 nJ보다 큰 결정에 들어가는 레이저의 펄스 에너지를 포함할 수 있다. 결정 격자에 원하는 손상을 확실하게 가하기 위해서는 최소 레벨의 펄스 에너지가 필요할 수 있다.
결정에 들어가는 레이저의 펄스 에너지는 9 nJ 내지 14 nJ 일 수 있으며, 특히 10 nJ 내지 12 nJ 일 수 있다. 이러한 에너지는 결정 격자를 수정하는데 전형적으로 사용되는 에너지보다 실질적으로 작을 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드를 수정하기 위해 사용되는 전형적인 에너지는 100 nJ 일 수 있으며, 예를 들어 다이아몬드 내의 흑연 와이어 제작시에 사용될 수 있다. 따라서, 본 방법은 결정 격자를 수정하는 다른 공지된 방법보다 상당히 낮은 펄스 에너지를 사용하는 것으로 간주될 수 있다. 본 방법의 낮은 펄스 에너지의 결과는 결정 격자에 가시적인 수정이 야기되지 않을 수 있다는 것이며, 예를 들어 다이아몬드 타깃의 경우 흑연 손상의 가시적 표시가 없을 수 있다.
이 방법은 공격자점 트랩 원소가 약 1ppm 미만의 농도로 존재하는 타깃을 사용하는 것을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게 공격자점 트랩 원소가 약 5ppb 미만의 농도로 존재하는 타깃을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 타깃은 입방 미크론당 약 200 개의 공격자점 트랩 원소를 가질 수 있다.
가이드로서, 이 방법은 생성 지점 근처의 어닐링 동안 생성된 공격자점이 포획될 수 있을 만큼 충분히 높은 트랩 원소의 농도를 갖는 타깃을 선택하는 것을 포함할 수 있지만, 결정 격자 자신의 속성은 원하지 않는 방식으로 영향을 받지 않는다.
이 방법은 공격자점 트랩 원소가 질소인 것을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 생성된 엔지니어링된 질소-공격자점은 특히 다이아몬드 타깃에서, 엔지니어링된 트랩된 공격자점을 갖는 센서 등의 유용한 장치로서 유망한 특성을 갖는다. 공격자점 트랩 원소는 규소 또는 게르마늄과 같은 다른 원소일 수도 있다. 이 방법은 질소-공격자점, 규소-공격자점 또는 게르마늄-공격자점 및 이들의 임의의 조합을 제조하는 단계를 포함할 수 있으며, 질소, 규소 및 게르마늄 이외의 공격자점 트랩 원소를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 공격자점 트랩 원소는 결정 격자에서 자연적으로 발생하거나, 결정 성장 중에 침착, 확산, 주입되거나, 또는 결정 내에 배치되는 임의의 불순물일 수 있다.
일 실시예에서, 타깃은 다이아몬드를 포함할 수 있다. 다이아몬드는 내구성이 있고 상대적으로 화학적으로 불활성이며, 생체 적합성이고 열 및 자기 잡음이 적다는 점과 같이 위에서 언급한 바람직한 특성을 가지고 있다. 이 방법은 다이아몬드, 규소 또는 탄화규소의 타깃 및 이들의 임의의 조합을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 결정 격자를 갖는 다른 타깃이 또한 사용될 수 있다.
이 방법은 타깃의 제조 중에 증착되는 공격자점 트랩 원소를 포함할 수 있으며, 화학 기상 증착(CVD)을 사용하여 제조되는 타깃을 더 포함할 수 있다. 공격자점 트랩 원소의 농도는 고순도 CVD 제조 중에 발생하는 것이므로 어떠한 특별한 제조 단계도 필요로 하지 않을 수 있다. 대안적으로, 농도는 제조 중에 결정 격자의 도핑을 필요로 할 수도 있고, 보다 낮은 순도의 타깃이 사용될 수 있게 할 수도 있다. 공격자점 트랩 원소는 결정의 증착 동안 인쇄될 수 있다.
공격자점 트랩 원소는 타깃 재료 전체에 고르게 분포될 수 있으므로, 타깃의 각 영역은 어닐링 동안 이동하는 공격자점을 포획할 가능성이 거의 동일할 수 있다. 대안적으로, 공격자점 트랩 원소는 다른 것보다 타깃의 일부 영역에 의도적으로 더 농축될 수 있으므로, 공격자점 트랩 원소의 농도가 더 높은 특정 영역은 더 낮은 농도의 공격자점 트랩 원소를 갖는 타깃의 영역과 비교하여 이동하는 공격자점을 트랩할 가능성이 증가한다. 공격자점 트랩 원소를 타깃의 중심 영역, 어레이 위치, 또는 공격자점과 결합될 때 광학 또는 다른 디바이스에 유리한 패턴으로 집중시키는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 타깃 재료의 제조는 특히 바람직한 영역의 공격자점 트랩 원소의 농도를 증가시키거나 감소시키는 특별한 제작을 요구할 수 있다.
이 방법은 착색 중심의 일부를 형성하는 트랩된 공격자점을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 착색 중심이 질소-공격자점 착색 중심(NV)인 것이 바람직할 수 있다. 착색 중심은 규소-공격자점 또는 게르마늄 공격자점일 수 있다. 다른 착색 중심도 고려된다.
이 방법은 타깃 내의 특정 영역에 포커싱된 레이저를 지향시킴으로써 결정 격자를 수정하는 단계를 포함한다. 따라서, 결정 격자의 원하는 영역을 수정할 수 있다. 이러한 원하는 영역은 벌크 재료에 비해 원소 농도를 증가 또는 감소시키는 공격자점을 가질 수 있다. 원하는 영역은 다른 포획된 공격자점, 수정된 결정 격자 영역 또는 타깃 영역에 대한 특정 위치를 가질 수 있다. 이 방법은 결정 격자를 수정하는 단계를 수행하기 위해 트랩된 공격자점에 대한 원하는 위치를 결정하고 그 위치에서 레이저를 포커싱하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 타깃의 굴절률에 의해 야기되는 레이저의 수차를 상쇄시키기 위해 레이저의 파면을 수정하는 단계를 포함할 수 있다. 레이저의 파면의 수정은 공간 광 변조기, 변형 가능한 거울 및 멤브레인 변형 가능한 거울, 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 수행될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 레이저의 파면의 수정은 방법을 수행하기에 적합한 특정 장치에 대해 사전-엔지니어링될 수 있는 위상 마스크를 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 마스크를 사용하여, 제작된 트랩된 공격자점을 갖는 타깃의 벌크-제작을 위한 장치가 구성될 수 있다. 초점의 수차를 제거하기 위해 파면을 수정하는 다른 수단이 사용될 수 있다.
이 방법은 타깃 내의 임의의 위치 또는 임의의 조합의 위치에서 결정 격자의 영역을 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 타깃의 표면에 인접한 결정 격자를 수정하는 단계를 포함할 수 있고 및/또는 타깃의 에지들에 인접한 및/또는 타깃의 후면에 인접한 결정 격자를 수정하는 단계를 포함할 수 있다.
결정 격자를 수정하는 단계는 5 미크론보다 큰 깊이에서 결정 격자를 선택적으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 타깃 표면으로부터 10 미크론보다 큰 깊이 또는 100 미크론보다 큰 깊이에서 결정 격자를 변경하는 단계를 포함하고, 표면으로부터 500 미크론보다 큰 깊이에서 결정 격자를 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 특히 타깃의 표면에 의한 광의 굴절에 의해 발생되는 수차의 영향은 상쇄될 수 있고, 타깃의 표면 아래의 증가된 깊이에서 레이저의 수차-프리 포커싱이 달성될 수 있다.
이 방법은 초점의 위치가 제어되고 타깃의 표면에서의 강도가 낮을 수 있기 때문에 원하는 초점을 제외하고는 타깃의 영역에 영향을 미치지 않거나 수정하지 않을 수 있으며 결정 표면에 영향을 주거나 수정하지 않을 수 있다. 타깃의 광학 특성은 트랩된 공격자점이 제조되는 경우를 제외하고는 타깃을 통틀어 불변으로 유지될 수 있다.
이 방법은 결정 격자를 변경하기 위한 유효 빔 영역을 감소시키기 위해 타깃의 수정 임계치 (MT)에 대해 레이저의 펄스 에너지(PE)를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 이 방법은, 예를 들어 상이한 위치에서 상이한 펄스 에너지 범위를 사용하여, 타깃을 조사하고 결정 격자의 수정이 보이기 시작하는 임계값을 결정함으로써 결정 격자의 수정이 관측될 수 없는 펄스 에너지를 식별하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 수정 임계값(MT)이 결정될 수 있고 0.9 MT<PE<1.3 MT가 되도록 펄스 에너지(PE)가 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 레이저의 가장 높은 세기의 영역만이 원하는 방식으로 결정 격자를 수정시키기에 충분한 에너지를 가질 것이고, 수정된 영역의 공간 범위는 가장 높은 강도 영역으로 한정될 것이다. 따라서, 격자 결함이 증가된 정밀도로 생성될 수 있다.
결정 격자의 수정된 영역은 200nm 미만의 크기를 가질 수 있다. 바람직하게는, 결정 격자의 수정된 영역은 100nm보다 작을 수 있다. 그러므로, 제작된 트랩된 공격자점의 위치는 약 500nm 내로, 보다 바람직하게는 350nm 내로, 또는 심지어 250nm 내로 제어될 수 있다. 일부 경우에 있어서, 제작된 트랩된 공격자점이 수정된 영역의 대략적인 크기에 대응하여 약 200nm, 150nm, 또는 보다 바람직하게는 100nm 내로 제어되는 합리적인 생산 속도를 달성하는 것이 가능할 수 있다.
펄스 지속시간은 타깃 내의 열 확산에 대한 특징적인 시간 스케일보다 짧을 수 있어, 열로서의 에너지 손실이 감소될 수 있다. 레이저 펄스의 지속 시간은 1아토초(attosecond) 내지 1초일 수 있다. 레이저는 피코초 또는 펨토초 레이저일 수 있다. 레이저에 의해 생성된 펄스의 지속시간은 약 80fs일 수 있고, 및/또는 바람직하게는 목표의 펄스 지속 시간은 약 300fs일 수 있다. 다른 펄스 지속시간이 사용될 수 있으며 특정 장치 또는 타깃에 보다 적합할 수 있다.
이 방법은 타깃의 결정 격자 내에 트랩된 공격자점의 2차원 또는 3차원 어레이 또는 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 2차원 어레이는 서로 주기적으로 이격된 격리된 트랩된 공격자점의 2차원 격자일 수 있다. 3차원 어레이는 서로 주기적으로 이격된 격리된 트랩된 공격자점의 3차원 격자일 수 있다. 어레이 또는 패턴은 2차원 또는 3차원에서 임의의 원하는 어레이 또는 패턴일 수 있고, 트랩된 공격자점들 사이에 규칙적인 또는 불규칙적인 간격을 가질 수 있다. 또한, 어레이는 1차원에서 규칙적인 간격 및 다른 차원에서 불규칙한 간격을 가질 수 있거나, 규칙적 및 불규칙적인 간격의 임의의 조합을 가질 수 있다.
이 방법은, 예를 들어 후술하는 본 발명의 다른 양태에 의해, 트랩된 공격자점의 변형 엔지니어링을 포함할 수 있다. 이 방법은 격자의 특성을 수정하기 위해 적어도 하나의 특정한 포획된 공격자점에 대해 변형 필드를 엔지니어링하도록 격자를 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 격자 변형은 트랩된 공격자점의 속성에 영향을 미칠 수 있으며, 본 명세서에 기술된 기술의 정밀도는 격자의 특정 지점에서의 변형이 소정의 방식으로 제어되어 특정 트랩된 공격자점에서 변형을 엔지니어링할 수 있게 한다.
이 방법은 타깃을 어닐링하여 제작된 공격자점을 이동시키고 공격자 트랩 원소에 의해 포획되게 하는 단계를 포함한다. 어닐링 단계는 진공 중에서 15분 내지 24시간 동안 800℃ 내지 1400℃로 타깃을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 어닐링 단계는 타깃을 진공에서 약 3시간 동안 약 900℃로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
타깃을 어닐링하면 공격자점의 이동이 가능하지만, 트랩되지 않는 공격자점을 치유하여 결정 격자를 재생시키고 제작된 트랩된 공격자점만을 남겨 둘 수 있다. 따라서 타깃을 어닐링하는 목적은 공격자점이 이동하게 하고, 공격자점 트랩 원소에 의해 트랩되지 않는 공격자점을 치유하는 2가지 방법이 될 수 있다.
이 방법은 고립된 트랩된 공격자점을 제작하고, 트랩된 공격자점 둘레의 결정 격자의 손상을 수리하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 타깃이 어닐링 후에 트랩된 공격자점 주변 및/또는 인접 영역에서 손상이 없도록 레이저 동작을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 레이저 동작을 제어하는 단계는 레이저 초점의 위치, 레이저 초점의 크기, 강도, 출력, 위상 및/또는 레이저의 지속시간을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
어닐링 단계는 타깃을 보호 코팅으로 덮는 단계를 포함할 수 있다. 보호 코팅은 다이아몬드 그릿 또는 임의의 다른 적절한 코팅을 포함한다. 코팅은 어닐링 단계 동안 타깃의 표면을 보호 및/또는 수리할 수 있다.
이 방법은 센서 제조의 제조 단계일 수 있다. 바람직하게는, 센서는 자기장 센서, 전기장 센서 및/또는 온도 센서일 수 있다. 이 방법은 양자 메모리 레지스터 또는 단일 광자의 소스와 같은 양자 구성 원소의 제조에서의 제조 단계일 수 있다.
본 발명(본 청구항들에 따르지 않음)의 제2 양태에 따르면, 타깃의 결정 격자 내의 결정 결함의 변형 엔지니어링 방법이 제공되며, 이 방법은: 타깃을 레이저 시스템 내에 위치시키는 단계; 결정 격자 내의 결정 결함의 위치를 결정하는 단계; 결정 결함의 위치에 기초하여 수정될 타깃의 영역을 결정하는 단계; 제어된 광 펄스를 타깃 영역에 인가하여 결정 격자를 국부적으로 손상시키는 단계; 및 타깃을 어닐링하여 결정 격자의 손상 영역으로부터 결정 결함에서 원하는 변형 필드를 유도하는 수정된 결정 또는 비정질 구조를 획득하는 단계를 포함한다.
이 방법은 제1 양태와 관련하여 전술한 비선형 다중 광자 흡수에 의해 결정 격자를 수정하거나 손상시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 양태와 관련하여 상술한 것들과 동일한 펄스 에너지를 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 이 방법은 흑연 손상을 생성하도록 결정 격자를 수정하기 위해 사용되는 예로서 15 nJ보다 크고 약 100 nJ의 보다 일반적인 수준을 향하는 더 높은 펄스 에너지를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 제2 양태에서, 제1 양태에서 원하는 것보다 더 많은 격자의 손상을 생성하는 것이 바람직할 수 있으며, 따라서 더 높은 펄스 에너지가 사용될 수 있다. 대안적으로, 미세 변형 엔지니어링을 위해 더 낮은 펄스 에너지가 사용될 수 있다.
타깃은 전술한 바와 같이 다이아몬드를 포함할 수 있다. 이 방법은 전술한 바와 같이, 포커싱된 레이저 빔을 타깃 내의 특정 영역으로 지향시킴으로써 결정 격자를 수정시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 양태와 관련하여 전술한 바와 같이, 타깃의 굴절률에 의해 야기되는 레이저 빔의 수차를 상쇄시키기 위해 레이저 빔의 파면을 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 결정 격자를 수정하는 단계는 전술한 바와 같이 특정 깊이에서 결정 격자를 선택적으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 전술한 바와 같이 타깃의 수정 임계값(MT)에 대한 레이저의 펄스 에너지(PE)를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 결정 격자의 수정 또는 손상된 영역은 전술한 바와 같이 200nm 미만의 크기를 가질 수 있다. 이 방법은 전술한 바와 같이 타깃의 결정 격자 내에 수정 또는 손상된 영역의 2차원 또는 3차원 어레이 또는 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 타깃은 전술된 방식으로 어닐링될 수 있다. 어닐링 단계는 전술된 바와 같이 타깃을 보호 코팅으로 덮는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 전술된 바와 같이 센서 또는 양자 구성요소의 제작에서의 생산 단계일 수 있다.
이 방법은 본 발명의 제1 양태와 관련하여 전술된 임의의 및 모든 선택적인 특징을 포함할 수 있다. 이 방법은 본 발명의 제1 양태에 따라 공격자점을 포획하고, 이어서 본 발명의 제2 양태에 따라 생성된 결정 결함을 변형 엔지니어링하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 양태는 차례로 또는 동시에 수행될 수 있다.
본 발명은 또한 전술된 방법 중 임의의 것에 따라 수정된 결정으로 확장된다. 자기장, 전기장 또는 온도 센서, 양자 메모리 레지스터, 단일 광자 광 소스, 양자 구성 원소 및 그러한 결정을 포함할 수 있는 다른 디바이스와 같은 결정을 포함하는 디바이스로 확장한다.
따라서, 본 발명은 적어도 바람직한 실시예에서, 결정을 수정하는 방법을 제공하도록 보여질 수 있으며, 다음을 가능하게 한다:
(i) 제어된 수의 공격자점의 생성 또는 격자 변형을 유도하기 위한 원하는 손상 수준의 생성. 레이저 펄스의 출력, 지속시간 및 크기에 대한 제어는 결정 격자의 수정의 정도 및 범위를 제어할 수 있으며, 이는 제작된 공격자점의 수 및 위치를 제어하게 된다.
(ii) 타깃 재료 내에서 3차원에서의 높은 위치 정확성 및 작은 공간 분포. 타깃 재료는 레이저 펄스의 강도가 비선형 다중 광자 흡수를 일으키기에 충분한 경우에만 수정된다. 또한 이 방법은 이온으로 샘플을 충격하는 것에 의존하지 않기 때문에, 예기치 않은 위치로의 이온의 산란 및 샘플 내로의 이온의 진입으로 인한 부수적인 손상의 흔적이 없다.
(iii) 벌크 결정 내 임의의 위치의 공격자점 생성. 폭파 기술은 과도한 손상을 입히지 않고 침투할 수 있는 정도에 따라 제한된다. 대조적으로, 본 방법의 레이저 펄스는 샘플 내 어디에서나 집중될 수 있고, 강도가 수정을 야기할 만큼 충분히 큰 경우를 제외하고 샘플과 상호 작용하지 않는다.
(iv) 표면 품질, 형태 또는 장애물 구조에 대한 공정의 무감각. 펄스의 파면은 샘플 표면의 수차 효과를 상쇄하도록 제어될 수 있다. 이를 통해 수정 내에서 제어된 초점을 생성할 수 있다.
(v) 복잡한 패턴의 신속한 생성. 레이저는 폭파 기술과 비교하여 최소한의 어려움으로 스캔되거나 재초점될 수 있다.
(vi) 최소 잔류 격자 손상. 레이저 펄스를 정밀하게 제어하면 격자에 최소한의 손상만이 발생하도록 보장할 수 있다. 펄스 강도가 비선형 흡수를 일으키기에 충분한 영역만이 수정된다.
본 발명의 특징 및 장점은 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예에는 아래에서 단지 예시로서 그리고 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다:
도 1a는 선형 단일 광자 흡수를 개략적으로 도시하고 이러한 흡수가 발생할 수 있는 레이저 초점의 영역을 도시한다;
도 1b는 비선형 다중-광자 흡수를 개략적으로 도시하고 이러한 흡수가 발생할 수 있는 레이저 초점의 영역을 도시한다-이 영역은 도 1a에 도시된 선형 단일 광자 흡수보다 상대적으로 더 작다;
도 2a는 도 2b의 펄스보다 재료의 수정을 위한 임계값 위의 더 큰 비율을 갖는 레이저 펄스를 도시한다;
도 2b는 도 2a의 펄스보다 재료의 수정을 위한 임계값 위의 더 작은 비율을 갖는 레이저 펄스를 도시한다-타깃 재료의 더 작은 영역은 도 2a 내의 펄스보다도 2b의 펄스에 의해 수정될 수 있다;
도 3a는 렌즈에 의해 포커싱되고 후속하여 상이한 굴절률의 타깃 재료로 진입하는 광선에 의해 발생되는 광선의 수차를 도시한다;
도 3b는 상이한 굴절률의 타깃 재료에 후속하여 진입함으로써 발생되는 수차를 상쇄하기 위해 포커싱 이전에 수정된 파면을 도시한다-특히 깊이 방향으로 타깃 재료의 더 작은 영역은 도 3a 내의 펄스에 의해서보다 도 3b의 펄스에 의해서 수정될 수 있다;
도 4는 결정 격자 내의 트랩된 공격자점을 제작하기 위해 사용될 수 있는 레이저 시스템의 개략도를 도시한다;
도 5a는 도 4의 장치를 사용하여 수정된 예시적인 타깃 재료의 어닐링 이전의 광 발광을 도시한다;
도 5b는 도 5a의 타깃 재료의 어닐링 후의 광 발광을 도시한다-수정된 영역은 점으로서 보여지고 어닐링은 타깃 재료의 일부 수정을 보수하였다;
도 6a는 다이아몬드 내의 제작된 질소-공격자점 중심의 광 발광 강도에 대한 전형적인 포화 곡선을 도시한다;
도 6b는 다이아몬드 내의 본래의 질소-공격자점 중심의 광 발광 강도에 대한 전형적인 포화 곡선을 도시한다;
도 7a는 제1의 제작된 질소-공격자점 중심의 광 발광 스펙트럼을 도시한다;
도 7b는 제2의 제작된 질소-공격자점 중심의 광 발광 스펙트럼을 도시한다;
도 7c는 제3의 제작된 질소-공격자점 중심의 광 발광 스펙트럼을 도시한다;
도 7d는 본래의 질소-공격자점 중심의 광 발광 스펙트럼을 도시한다;
도 8a 내지 8c는 착색 중심이 존재하는지를 확인하기 위해 사용되는, 도 7a-c의 제작된 질소-공격자점 중심에 대한 광자 상관관계의 핸버리-브라운 및 트위스(Hanbury-Brown and Twiss) 측정치를 도시한다.
레이저는 재료의 정밀 절단 및 표면 마킹과 관련된 작업을 갖는 제조에서 사용될 수 있다. 이러한 산업 공정에서, 레이저는 전형적으로 10W를 초과하는 출력 및 나노초 방식의 펄스 지속시간을 갖는다. 레이저는 전형적으로 수십 마이크로미터의 범위에 있는 스팟으로 초점이 맞춰지고 이러한 초점은 작업물을 가로질러 스캔된다. 가장 일반적인 재료 상호작용은 수십 마이크론 범위의 피처 크기를 가진, 종종 금속성인 재료의 표면 용융이다. 짧은 펄스 레이저를 사용하는 레이저 가공 기술은 보다 높은 공간 해상도에서 재료 수정에 대한 보다 정밀한 제어를 제공할 수 있다.
짧은 펄스 지속시간(예를 들어, 피코초 또는 펨토초)을 갖는 레이저는 더 출력에서 더 정밀한 제작을 위한 기회를 생성한다. 이것은 광자 기술 및 투명한 재료 내 제조에서 특히 중요하다. 투명한 재료는 스펙트럼의 가시 부분 내의 광자 에너지보다 큰 광학 대역 간격을 가진다. 그러나 만약 광 세기가 충분히 크다면, 대역 간격을 브릿징하기 위해(즉 다중-광자, 비선형 흡수) 다수의 광자가 동시에 흡수될 수 있는 실현 가능한 가능성이 된다. 도 1b는 도 1a에 도시된 선형 단일 광자 (110) 흡수에 비교한 비선형, 다중-광자 흡수의 개략도를 도시한다. 동일한 에너지 대역 간격은 선형 단일 광자(110) 흡수 또는 저에너지의 다중 광자(120)의 동시 흡수에 의해 브릿지 될 수 있다. 예를 들어 도 1b에서 4개의 광자가 흡수되며, 이는 아래에 논의되는 다이아몬드 타깃의 예에서 사용된 메카니즘으로 생각된다.
비선형 다중 광자 흡수에 필요한 광 강도는 짧은 펄스 레이저 빔의 초점의 최고 강도 영역(122)에서만 획득될 수 있다. 초점 영역 밖에서, 강도는 더 낮고 다중 광자 흡수의 가능성은 충분히 작다. 레이저로부터의 에너지의 다중 광자 흡수는 결정 격자를 수정시킬 수 있고 따라서 흡수 재료의 속성을 수정시킬 수 있다. 따라서, 비선형 다중 광자 흡수에 의존함으로써, 표면 또는 주변 영역을 거의 또는 전혀 수정시키지 않고 초점 영역(122)에 3차원으로 매우 국부화되는 레이저 제조가 획득될 수 있으며, 여기서 다중 광자 흡수 가능성은 무시할 만하다.
대조적으로, 단일 광자(110) 흡수를 이용하여 재료를 수정시킬 때, 선형 단일 광자 흡수 및 이에 따른 결정 격자의 수정을 야기하도록 더 큰 초점의 볼륨(112) 내에 충분한 세기의 더 높은 에너지 광자가 존재할 수 있다. 도 1a는 도 1b에 도시된 비선형 다중 광자 흡수 영역(122)보다 (z-방향에서) 레이저 초점의 더 큰 영역(112)이 결정 격자의 선형 단일 광자 수정을 유발할 수 있음을 보여준다. 따라서, 비선형 다중 광자 흡수는 결정 격자의 보다 정확한 수정을 허용할 수 있다.
(피코초 또는 펨토초 펄스 길이를 갖는) 초고속 레이저를 이용한 제작의 다른 이점은 펄스 지속시간이 열 확산의 특징 시간규모보다 짧다는 것이다. 따라서, 레이저 펄스 에너지의 대부분은 열로 확산되기 전에 초점 볼륨에 전달될 수 있다. 이는 예로서 모든 방향에서 마이크로미터보다 더 작은 크기를 갖는, 집속된 레이저 빔의 초점 볼륨으로 제한되는 피처 크기의 제조를 가능하게 한다. 제작된 피처 크기는 "경계화(thresholding)"가 발생할 때 더 작아질 수 있다. 도 2는 경계화의 예를 나타낸다.
일반적으로 다중 광자 흡수를 따르는 영구 재료 수정에 대한 강도 임계 값이 존재한다. 레이저 펄스의 에너지를 감소시킴으로써 강도가 가장 높은 초점의 중심 영역 내에서 격자를 수정하는 것이 가능하다. 도 2a에서, 더 높은 강도의 펄스(202)는 재료 수정에 대한 임계값(MT)보다 큰 볼륨 비율을 가지며, 따라서 도 2b에 도시된 저 에너지 펄스(204)보다 큰 재료의 볼륨(212)이 수정될 수 있고, 이때 펄스 강도의 더 작은 비율이 재료 수정 임계값(MT)보다 크다. 따라서 도 2b에서, 도 1a에서의 펄스(202)에서보다 재료의 더 작은 볼륨(214)이 수정될 수 있다(음영 영역으로 도시됨). 레이저 펄스 에너지의 철저한 제어를 통해 제작된 피처 크기는 대략 100nm 이하의 범위로 감소될 수 있다.
초고속 레이저 빔이 예를 들어 다이아몬드의 표면 아래에 포커싱되면, 강도는 비선형 흡수를 위해 충분히 클 수 있다. 다이아몬드는 대략 5.5eV의 큰 광학 대역간격을 갖는다. (짧은 펄스 레이저가 통상적으로 작동하는) 근적외선 내의 파장을 갖는 레이저를 고려하면, 비선형 흡수는 주로 4차 공정(즉, 4 광자의 동시 흡수)이다. 비선형 흡수는 전형적으로 애벌런치(avalanche) 이온화로 이어지며, 다이아몬드 격자를 파괴하기에 충분한 에너지를 가진 고밀도 플라스마를 발생시킨다. 충분한 펄스 에너지를 이용하여, 다이아몬드는 레이저의 초점 볼륨에 국한되는 흑연 상으로 전환된다. 다이아몬드 스캐닝이나 다이아몬드 샘플의 움직임을 통해 다이아몬드 내의 초점을 병진 이동함으로써, 연속적인 흑연 트랙 또는 점과 같은 흑연 피처의 배열을 3차원으로 생성하는 것이 가능하다. 레이저 펄스 에너지의 신중한 제어를 통해, 다이아몬드의 흑연으로의 전환을 제한할 수 있으며 대신 전체 다이아몬드 격자가 대부분 유지되지만 추가 공격자점이 존재하는 영역을 남겨 둘 수 있다. 따라서 내부에 공격자점을 생성하거나 또는 변형을 엔지니어링하도록 제어된 레이저 펄스가 다이아몬드 격자의 특정 영역을 수정(손상)하도록 사용될 수 있다. 단일 레이저 펄스가 단일 격자 공격자점을 생성하는데 사용될 수 있거나, 단일 펄스가 복수의 공격자점을 생성할 수 있다.
투명한 재료 내에서의 레이저 제조에서 마주칠 수 있는 문제점은 불일치 굴절률을 갖는 계면을 통해 포커싱할 때 광학 수차의 도입이다. 예를 들어, 이것은 포커싱 렌즈의 침지 매질에 대해 굴절률이 일치하지 않는(굴절률이 다른) 샘플의 상부 표면에서 발생할 수 있다. 스넬(Snell)의 법칙을 따르는 계면에서의 굴절은 샘플 내의 원하는 초점에서 더는 중첩되지 않도록 샘플 내에서 광선의 방향을 바꾸게 된다. 도 3a는 광선이 샘플(314)로 진입할 때 광선(316)의 수차가 야기되는 시나리오의 개략도를 도시한다. 그 결과 더는 의도된 초점에서 모두 만나는 것이 아니라 더 낮은 강도의 더 집중적인 영역(318)을 생성하도록 확산된다. 수차된 초점의 강도는 또한 도 3a에 도시된다. 이 구면 수차는 포커싱 깊이 또는 수치 개구(NA)가 증가함에 따라 크기가 증가한다. 이는 제조 공정에 대한 효율성, 분해능 및 제어 면에서 손실을 초래할 수 있다.
다이아몬드의 굴절률이 높기 때문에 구면 수차는 다이아몬드에 포커싱할 때 특히 심각하다. 최고 해상도(고 NA)에서의 정확한 레이저 가공을 위해, 수차는 다이아몬드 표면 아래의 수 마이크로 미터로 제작 깊이를 제한한다.
그러나 본 방법의 일 실시예에서, 레이저 빔을 '사전 수차(pre-aberration)' 함으로써 투명한 재료의 표면 아래에서 포커싱할 때 도입되는 수차를 상쇄하는 것이 가능하다. 제조의 완전한 유연성을 위해, 적응형 광학 소자(AOE)가 샘플 표면에 도입된 수차와 동일하고 반대인 레이저 빔 상에 위상 분포를 부과하는 데 사용될 수 있다.
도 3b는 수정된 파면(324)을 형성하기 위해 AOE (322)에 의해 변경되는 평탄한 파면(320)의 개략도를 도시한다. 수정된 파면(324)의 광선(326)은 도 3a에 도시된 평탄한 파면(310)의 광선(316)과 상이하게 배향된다. 도 3b에서, 수정된 파면의 광선(326)은 렌즈(328)에 의해 초점이 맞추어지고 이어서 시료 내의 원하는 초점(332)에서 만날 수 있도록 시료 표면(330)에 의해 굴절된다. 수정된 초점의 강도는 또한 도 3b에 도시되어 있으며, 도 3a의 것보다 더 국부적이다. 전형적인 AOE는 액정 공간 광 변조기(SLM), 수정 가능한 거울 또는 막(membrane) 수정 가능한 거울을 포함한다. 이러한 원소는 위상 프로파일을 변경하여 입사 파면을 수정하고 샘플 내의 다른 깊이에 레이저 광선의 수차가 없는 집광을 수용할 수 있다.
AOE의 사용을 통해, 다이아몬드 표면에 도입된 수차는 효과적으로 취소될 수 있으며, 정확한 레이저 가공은 적어도 220μm와 같이 깊이가 더 깊다. 다이아몬드 표면 아래에 연속적으로 흑연 트랙을 가공할 때 AOE를 사용하는 수차 수정은 트랙의 저항률을 한 단계 낮추어 다이아몬드에서 흑연 상태로 훨씬 효율적으로 전환할 수 있음을 나타낸다.
본 방법의 일 실시예에서, 적응형 광학기를 사용하는 레이저 기록은 착색 중심 형성을 위한 공격자점을 생성하고 많은 바람직한 특징을 제공하는데 사용될 수 있다. 기술된 방법이 이러한 기능을 제공하는 방식에 대한 설명이 이어진다. 응용의 범위 또한 논의된다.
초단 펄스 레이저 가공로 전달되는 공간적 위치 파악은 제작된 착색 중심의 위치를 정확하게 선택할 수 있는 기능을 제공한다. 예를 들어, 전극을 수용하도록 광학 공동 모드 또는 어레이 내에 착색 중심을 위치시키는 것이 필요하다면, 이것은 디바이스 기능에 있어서 중요할 수 있다. 또한 손상되지 않도록 보호해야 하는 재료의 기존 구조물 근처에 착색 중심을 만들어야 할 수도 있다. 레이저 빔으로 착색 중심을 만들려고 할 때 재료에 집중할 때 수차의 적응 광학 수정이 중요할 수 있다. AOE 수정은 레이저 가공의 정확한 위치를 3D로 제공한다. 또한 초점 볼륨의 크기를 줄여서 생성된 공격자점에 대한 포지셔닝 정확도를 높이고 따라서 제작된 착색 중심에 대한 포지셔닝 정확도를 높인다. 또한, 레이저 펄스 에너지에 대한 정밀한 제어가 착색 중심 생성에 필요하기 때문에 수차 수정을 통해 동일한 레이저 펄스 에너지를 모든 깊이에서 사용할 수 있어 공정 조건을 단순화한다.
제어된 손상의 국부화는 또한 국부적 변형 필드를 통한 착색 중심 특성의 엔지니어링을 허용한다. 국부적인 변형은 색 변환의 광학 전이와 스핀 변환의 에너지와 특성의 변화를 가져올 수 있으므로 결함의 변형 엔지니어링은 특성을 최적화하는 데 강력한 도구가 될 수 있음이 알려졌다. 단일 결함 수준에서의 제어는 예를 들어, 착색 중심이 서로 공진하도록 조정되어 방출된 광자 간의 양자 간섭을 허용할 수 있기 때문에 특히 강력하다. 레이저 가공은 그러한 변형 엔지니어링이 수행될 수 있는 편리한 수단을 제공할 수 있다. 레이저로 인한 손상은 가공된 볼륨의 평균 팽창 또는 수축을 초래할 수 있으며, 주변 재료에 응력을 가하고 손상되지 않은 격자에서 장거리로 연장될 수 있는 변형 필드를 생성할 수 있다. 따라서 손상된 지역의 위치 파악 및 분포에 대한 높은 정밀도는 근처의 착색 중심에서 경험되는 국부적인 변형의 제어에서 높은 정밀도로 직접 변환되며 그 속성에 대해 높은 수준의 제어가 가능하다.
레이저 손상의 비선형 성질은 손상의 제어된 위치 파악에 유용한 도구이다. 특히 다이아몬드 내의 레이저 빔의 초점에만 어떠한 손상도 생성하지 않기에 충분한 광학적 세기가 존재하기 때문에, 더 얕은 재료에 영향을 미치지 않고 다이아몬드 표면 훨씬 아래에 손상을 생성할 수 있다.
따라서 재료의 레이저 초점을 조정하면 수정 또는 손상을 3D로 완벽하게 기록할 수 있다. 이 기능을 통해 착색 중심 또는 복잡한 변형 패턴의 상세한 분포를 생성할 수 있으므로 착색 중심 특성의 엔지니어링을 위한 큰 파라미터 공간을 제공한다.
레이저 강도를 제어하면 수정에서 생성되는 손상의 양을 제어할 수 있다. 공격자점 생성은 확률론적 과정이므로 결정 내의 체적당 생성된 공격자점의 수는 푸아송 확률 분포를 따른다. 이것은 정확한 원하는 개수의 공격자점을 생성할 수 있는 정도에 한계를 두지만, 그럼에도 불구하고 특정 레이저 펄스 강도가 생성할 수 있는 공격자점 및 기타 결함의 수를 평균적으로 파악할 수 있어야 한다. 상당 부분의 이러한 계산은 가공될 결정의 균일성 및 순도에 의존할 수 있다(이미 존재하는 결함은 레이저 복사를 보다 강하게 흡수하며, 그에 따라 강한 열 생성원으로 작용할 수 있기 때문이다). 가장 높은 순도의 재료에서, 대부분의 경우 초점 볼륨 내에 존재하는 결함이 없을 것으로 예상되어 가공 반복 사이에 높은 수준의 재현성을 제공한다.
일 실시예에서, 다이아몬드의 착색 중심의 레이저 기록을 위한 기술된 방법은 신중하게 제어된 에너지의 단일 펄스를 사용하여 다이아몬드 격자에서 구조적 붕괴를 생성한다. 상호 작용의 비선형 특성은 이러한 구조적 수정이 3차원으로 고도로 국한됨을 나타낸다.
도 4는 재생식으로 증폭된 Ti:사파이어 레이저(410)를 사용하는 일 실시예에 따른 기술된 방법을 수행하기 위한 시스템(400)을 도시한다. 파장 790nm의 펄스는 레이저를 떠나는 약 80fs의 지속시간을 가질 수 있다. 초점에서의 펄스 지속시간은 광학 시스템 내의 분산 때문에 약 300fs에 더 가깝다. 레이저 빔은 그 위상을 제어하기 위해 액정 상 공간 광 변조기(SLM) 상으로 확장될 수 있으며, 그 후 60×1.4NA 오일 침지 대물렌즈의 후방 구경 상으로 이미징될 수 있다. 전술한 바와 같이, SLM 상에 표시된 위상 패턴은 시스템 및 표본 유도 수차를 제거하도록 제어될 수 있다. SLM 위상 패턴은 다이아몬드 격자의 가시적 수정에 필요한 레이저 펄스 에너지를 최소화함으로써 실험적으로 결정될 수 있다.
그 다음에, 레이저는 다이아몬드의 타깃(420)으로 지향될 수 있고, 레이저로부터의 단일 펄스는 예를 들어 다이아몬드 내로 50㎛의 깊이에 포커싱될 수 있다. 대물렌즈 이전의 펄스 에너지는 2 nJ와 13 nJ 사이에서 변화하여 격자에 대한 수정의 정도를 변화시킬 수 있다. 일부 수정은 시각적으로 볼 수 있지만 대다수는 볼 수 없을 수 있다. 수정된 피처의 크기는 검사에 사용된 현미경의 회절 한계 내에 있을 수 있으며, 측 방향 치수가 약 400nm 이하일 수 있다.
레이저 제조는 5ppb 미만의 질소 밀도를 갖는 상용 고순도 CVD 다이아몬드로 수행될 수 있다. 레이저 가공 전에 스캐닝 공초점 현미경을 사용하여 NV 중심 밀도를 조사할 수 있다. 평균적으로 100x100㎛2 이내의 2-3 개의 기본 단일 NV 중심이 있을 수 있다. 결과적으로 본래의 NV 중심은 사전에 라벨링될 수 있으며 비교를 위한 벤치 마크로 사용될 수 있다.
타깃 재료의 레이저 수정 후, 제조된 다이아몬드 샘플은 고순도 질소 가스로 약 900℃에서 약 3시간 동안 어닐링될 수 있다. 약 900℃의 온도는 안정적인 NV 중심을 형성하기에 충분히 높다. 순수 질소 환경은 다이아몬드 샘플 표면의 산화를 방지할 수 있다. 어닐링은 레이저 제조 단계 동안 생성된 공격자점이 결정 격자 내에서 이동하도록 허용한다. 이 이동은 무작위적이며, 안정적인 질소-공격자점 및 착색 중심을 형성하기 위해서 공격자점은 결정 격자 내에서 공격자점 트랩 원소(이 경우에 질소)를 가로지를 기회를 필요로 한다. 이 단계에서, 제조된 공격자점 중 일부는 보수될 수 있고 결정 격자는 실질적으로 수정되지 않은 상태로 회복될 수 있다. 그러나 일부 공격자점은 질소 불순물 근처로 이동하여 안정적인 착색 중심을 형성할 수 있다. 이러한 착색 중심을 형성할 확률은 타깃 재료의 수정된 영역당 오직 하나만이 형성될 수 있다.
공격자점의 이동은 또한 결정 격자 내의 다른 불순물의 이동을 허용할 수 있다. 따라서, 다른 불순물들이 조합되어 공격자점의 이동에 의해 촉진되는 결정 결함을 형성할 수 있다.
트랩된 공격자점을 제작하기 위해 기술된 방법을 시험하기 위해, 샘플은 전술한 방법의 실시예에 따라 제조되었다. 어닐링 전과 후에 공초점 현미경을 사용하여 제작된 피처의 광 발광(photoluminescence, PL) 강도를 조사하였다. 도 5a는 어닐링 전의 일부 제작된 피처의 PL을 도시한다. 어닐링 이전에 PL 이미지에서 약 9 nJ보다 큰 레이저 에너지에 의해 생성된 피처만이 관찰될 수 있으며, 9 nJ는 적어도 예시적인 장치 및 테스트된 타깃에 대해 광학적으로 검출 가능한 손상을 생성하는 최저 레이저 에너지일 수 있음을 나타낸다. 도 5b는 어닐링 후의 동일한 제작된 피처의 PL을 도시한다. 도 5a 및 5b의 가장 왼쪽의 열은 약 13.6 nJ의 레이저 에너지에 의해 생성된 피처를 도시한다. 어닐링 후 제작된 형상은 더 어두워지고 도 5b와 같이 9.1 nJ(왼쪽에서 여섯 번째 열) 및 9.8 nJ(왼쪽에서 일곱 번째 열)의 레이저 에너지로 생성된 형상이 사라지고 어닐링 공정에 의해 어느 정도까지 손상이 치유되었다.
도 6은 도 5의 샘플에서 수행된 출력 의존적인 PL 강도와 스펙트럼 측정을 나타내며 그 내부의 손상 피처가 NV 중심로 수정되었음을 입증한다. NV- 중심에 대한 여기(excitation) 출력에 대한 방출 강도의 의존성은 약 1mW의 출력에서의 명확한 포화 양상을 나타낸다. 대조적으로, 손상 결함의 여기 출력 의존 곡선은 전형적으로 선형이다. 따라서 출력 의존성 측정은 재료의 손상된 영역이 착색 중심로 변환되는지를 검사하는데 사용될 수 있다.
(ZPL이 없다는 것이 NV-이 아니라는 사실을 확인하지는 않지만) 특성이 실제로 NV- 중심임을 확인하기 위해 637nm에서의 특징 제로 포논 라인(ZPL; characteristic zero phonon line) 방출이 스펙트럼에서 관찰되어야 한다(도 7 참조). 본 실시예의 모든 본래의 NV-중심은 어닐링 전에 라벨링되었고 제작 특성에 근접하지 않았기 때문에, 손상 피처에서 발견된 NV- 중심은 개시된 레이저 제조 방법에 의해 생성되었다. 일단 NV 중심이 발견되면 핸버리-브라운 및 트위스(HBT) 측정이 사용되어 자동상관 함수를 측정하여 생성된 NV-중심의 수를 식별한다. 소스가 단일 NV-중심이라면, 정규화된 자동상관 계수는 δt = 0에서 0.5보다 낮다.
도 5a 및 5b에 도시된 피처 중 적어도 세 개는 개시된 방법에 의한 어닐링 후에 NV 중심로 수정되었다. 하나의 특성은 약 11.3 nJ의 레이저 펄스로 만들어졌으며 4P1R로 표시된다. 두 개의 특성이 10.6 nJ로 생성되었으며, 5P7R 및 5P10R로 라벨링된다. 생성된 NV-중심의 형광 광자 카운트 속도는 1mW 532nm 여기에서 약 17,000 카운트/초였고, PL 강도의 포화 작용은 도 6a에서 명확하게 관찰될 수 있다. 도 6b는 본래의 NV-중심의 여기 출력 의존성을 도시한다. 생성된 NV-중심의 카운트 속도는 1mW 여기에서 10000 카운트/초인 본래의 NV-중심의 것보다 높았으며, 이는 여전히 완전히 어닐링되지 않은 약간의 잔류 결함이 있을 수 있기 때문이다.
도 7a 내지 7c는 생성된 NV-중심의 PL 스펙트럼을 나타내며 도 7d는 300K 및 532nm 여기 하에서의 본래의 NV-중심의 모습을 나타낸다. 도 7a는 생성된 NV-중심 4P1R의 스펙트럼이다. 도 7b 및 7c는 각각 5P7R 및 5P10R의 스펙트럼을 도시한다. 도 7d는 본래의 NV-중심의 스펙트럼이다. 637nm ZPL은 3개의 생성된 NV-중심의 스펙트럼에서 분명하게 관찰되지만, 5P7R 및 5P10R 모두의 PL 강도는 잔류 공격자점 착물로 인해 740nm 부근에서 더욱 천천히 감소한다.
생성된 NV-중심에 대한 광자 자동상관 함수의 HBT 측정은 1mW의 532nm 여기에서 기록되었으며 그 결과는 도 8에서 산포 그래프로 도시되었다. 4P1R의 번칭 방지 딥(anti-bunching dip)은 약 60.7 %이며(도 8a), 이는 초점 내에 두 개의 NV-중심이 있음을 나타낼 수 있다. 5P7R의 특징 딥은 약 48.4 %이며(도 8b), 이는 단일 NV-중심임을 나타낼 수 있다. 5P7R의 특징 딥은 아마도 잔여 공격자점으로 인해 δt = 0에서 0에 근접하지 않음을 인지해야 한다. 5P10R의 번칭 방지 딥은 약 54.6%이다. 잔여 공격자점 방출을 고려한다면 5P10R은 단일-NV 중심일 수 있다.
본 방법의 실시예를 사용하여, 청구범위 제1항에 따른 레이저 가공 및 어닐링을 이용한 단일 질소-공격자점 결함의 생성이 기술되고 설명되었다. 타깃은 내부의 공격자점을 제작하기 위해서 비선형 다중 광자 흡수를 이용하여 먼저 수정되었다. 이어서, 이 공격자점을 이동시켜 질소 원자와 결합시킴으로써 타깃 내의 원하는 위치에 착색 중심을 형성하도록 타깃을 어닐링하였다. 이 방법은 또한 결정의 영역이 수정될 수 있으며, 이것이 청구범위 제30항에 따른 주변 결정에서의 변형을 유도할 수 있음을 나타낸다. 전술되고 도면에 도시된 바와 같은 본 개시내용의 방법, 디바이스 및 시스템은 결정 격자 내의 트랩된 공격자점의 제작을 가능하게 한다. 본 명세서에 개시된 장치 및 방법이 예시적인 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 변경 및/또는 수정이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (36)

  1. 타깃(420)의 결정 격자 내에 트랩된 공격자점(trapped vacancy)을 제작하는 방법으로서,
    결정 격자 내의 공격자점 트랩 원소를 포함하는 타깃(420)을 레이저 시스템(400) 내에 위치시키는 단계;
    격자 공격자점을 생성하도록 레이저 빔을 생성하는 레이저(410)를 이용하여 타깃(420) 내의 결정 격자를 수정하는 단계; 및
    상기 격자 공격자점이 이동해 공격자점 트랩 원소에 의해서 포획되게 하도록 타깃(420)을 어닐링하여 결정 격자 내에 트랩된 공격자점을 형성하는 단계로서, 상기 트랩된 공격자점은 착색 중심(colour centre)의 부분을 형성하는, 상기 공격자점을 형성하는 단계를 포함하는, 방법에 있어서,
    상기 결정 격자를 수정하는 단계는 타깃(420)의 결정 격자 내의 특정 지역에 레이저 빔을 포커싱하는 단계를 포함하고, 상기 레이저(410)는, 충분히 낮은 에너지에서 작동되어,
    타깃(420)이 어닐링 후에 트랩된 공격자점 주위의 영역에서 손상이 없으며.
    타깃(420)의 표면은 영향을 받지 않거나 수정되지 않으며;
    타깃(420)의 광학 특성이 트랩된 공격자점이 제작되는 경우를 제외하고 변하지 않고 유지되며;
    타깃(420)의 결정 격자에 가시적인 손상이 야기되지 않으며;
    어닐링 후에 하나 이상의 격리된 트랩된 공격자점을 형성하는 레이저 빔에 의해 하나 이상의 격리된 공격자점이 결정 격자 내에 생성되는 것 중 하나 이상이 달성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정 격자의 수정은 결정 격자에 의한 비선형 다중 광자 흡수를 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저(410)는 흡수된 광자의 에너지가 타깃(420)의 대역간격보다 작도록 하는 중심 파장에서 작동되는, 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타깃(420)에 진입하는 레이저 빔의 펄스 에너지는 5 nJ 내지 15 nJ인, 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공격자점 트랩 원소는 질소이거나; 또는 상기 공격자점 트랩 원소는 규소이거나; 또는 상기 공격자점 트랩 원소는 게르마늄인, 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타깃(420)의 굴절률에 의해 발생되는 레이저 빔 내의 수차를 상쇄하도록 레이저 빔의 파면을 수정하는 단계를 더 포함하고, 상기 레이저 빔의 파면은 공간 광 변조기, 변형 가능한 거울, 또는 멤브레인 변형 가능한 거울을 이용하여 수정되는, 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 결정 격자를 수정하기 위한 유효 빔 영역을 감소시키도록 타깃(420)의 수정 임계값(MT)에 대한 레이저(410)의 펄스 에너지(PE)를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 수정 임계값(MT)이 결정되고, 상기 펄스 에너지(PE)가 MT＜PE＜1.3MT이도록 선택되는, 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 격자의 수정된 영역은 200nm 미만의 크기를 갖는, 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타깃(420)은 다이아몬드, 탄화규소, 또는 규소인, 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 어닐링은 15분 내지 24시간의 기간동안 800 내지 1400℃로 타깃(420)을 가열하는 것을 포함하는, 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타깃(420)의 결정 격자 내의 트랩된 공격자점의 2차원 또는 3차원 어레이 또는 패턴을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 어레이가 서로 주기적으로 이격되는, 분리된 트랩된 공격자점의 격자인, 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 펄스 지속시간은 타깃(420) 내의 열 확산에 대한 특징적인 시간 스케일보다 짧고, 상기 레이저에 의해 발생된 펄스의 지속시간은 80fs이고, 타깃(420) 내의 펄스 지속시간은 300fs인, 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저(410)는 피코초 또는 펨토초 레이저인, 방법.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 격자의 수정은 결정 격자 내의 4차 또는 더 높은 비선형 다중 광자 흡수를 포함하는, 방법.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 격자를 수정하는 단계는 타깃(420)의 표면으로부터 5 미크론보다 큰 깊이에서 결정 격자를 수정하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타깃(420)에 진입하는 레이저 빔의 펄스 에너지는 9 nJ 내지 14 nJ인, 방법.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타깃(420)에 진입하는 레이저 빔의 펄스 에너지는 10 nJ 내지 12 nJ인, 방법.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 격자의 수정된 영역은 100nm 미만의 크기를 갖는, 방법.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 어닐링은 3시간 동안 900℃로 타깃(420)을 가열하는 것을 포함하는, 방법.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 격자를 수정하는 단계는 선택적으로 타깃(420)의 표면으로부터 100 미크론보다 큰 깊이에서 결정 격자를 수정하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결정 격자를 수정하는 단계는 선택적으로 타깃(420)의 표면으로부터 500 미크론보다 큰 깊이에서 결정 격자를 수정하는 단계를 포함하는, 방법.
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