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[기술기고] 극자외선(EUV) 광학이란?

극단의 스펙트럼 영역까지 광학 용도 확장

극자외선(EUV: Extreme ultraviolet)은 X-ray와 deep UV(DUV) 스펙트럼 영역 사이인 대략 10nm~100nm를 아우르는 파장 대역을 말한다. 최근에는 리소그래피, 나노스케일 이미징 및 분광법과 같이 극자외선 영역을 다루는 수많은 압착 성형 응용 분야를 위해 콤팩트한 극자외선 소스 개발에 많은 노력을 집주(集注)하고 있다.

이 같은 노력의 결과 몇몇 유형의 상용화된 EUV 광원을 이용할 수 있게 됐다. 대다수의 소재가 극자외선에 대한 강력한 흡수력을 갖기 때문에 광학 부품 대부분은 투과성이 아닌 반사성을 띤다. 따라서 파장이 짧은 극자외선 광학 제품들은 가시광 부품보다 더욱 엄격한 표면 품질 요건이 필요하다.

이처럼 까다로운 요건으로 인해 극자외선 광학 제품의 양산이 쉽지는 않지만, 고해상도 이미징, 분광법 및 소재 가공 용도에서 다양한 이점을 보임에 따라 극자외선 광학 제품 양산에 더 많은 노력을 기울일 필요가 있다.

극자외선 광원
최초의 실용 극자외선 광원은 대형 연구실과 리소그래피 업체에서만 사용할 수 있는 거대 장치의 형태였으나 최근에는 극자외선 기술의 발달로 더 작고 사용이 간편한 탁상형 극자외선 시스템을 제작할 수 있는 길이 열렸다.

새로 개발한 고조파 생성(HHG: Hight Harmonic Generation) 시스템과 모세관 방전 레이저(capillary discharge laser)는 전도유망한 탁상용 극자외선 광원을 대표하는 유형으로써 분산이 적은 간섭빔을 생산한다.

극자외선 광원의 응용 분야
소형 타입의 새로운 극자외선 광원은 고해상도 이미징, 전자 분광학, 분자 및 고체 역학 연구, 그리고 나노머시닝과 같은 다양한 극자외선 어플리케이션 창출에 큰 역할을 하고 있다.

극자외선 이미징
극자외선은 최소 0.5nm의 분해능을 달성할 수 있는 영상 처리 기술 중의 하나인 간섭 회절 이미징(CDI: Coherent Diffractive Imaging)에 이상적으로 사용할 수 있다.

나노튜브와 나노결정과 같은 초미세 구조체를 분석하는 데 이와 같은 간섭 회절 이미징이 사용되며, CDI 기술에는 극자외선 빔이 피사체를 향하도록 하기 위해 미러가 활용된다.

표면의 상부 혹은 하부에 있는 특성들은 극자외선을 회절시킨 후 근접한 CCD 디텍터로 이미지를 캡처한다. 기록된 회절 패턴를 소프트웨어로 처리한 후 본래의 피사체를 2D 또는 3D 이미지로 만들어낸다. 투과형 렌즈 대신에 미러와 회절을 사용함으로써 최종 이미지는 광학 수차가 거의 존재하지 않는 근회절 제한의 성능을 보인다.

회절 제한 해상도는 파장에 정비례함에 따라 극자외선의 단파장으로 분해능이 향상된다. 간섭 회절 이미징은 비접촉 이미징 기술로서 1분 이내로 이미지를 캡처하는 원자력 현미경과 같은 동종 기술보다 더욱 빠른 이미징 성능을 나타낸다. 극자외선 간섭 회절 이미징(EUV CDI) 기술로 고해상도 영상 처리가 실현 가능해지면서 이미징 기술이 갖고 있는 현재의 한계를 점차 뛰어넘고 있다.

[기술기고] 극자외선(EUV) 광학이란? - 산업종합저널 동향
전형적인 극자외선 간섭 회절 이미징의 셋업

극자외선 광학 및 광전자 분광법
극자외선 분광법은 다른 분광 기술로는 접근할 수 없는 에너지 수준을 조사할 수 있기 때문에 다양한 연구 분야에 걸쳐 유용하게 사용한다. 극자외선은 광전 효과에 의해 방출하는 전자 에너지 계측을 통해 고체, 액체, 기세 상태의 전자 에너지를 측정하는 광전자 방출 분광법(photoemission spectroscopy)에 사용한다. 이외에도 핵융합 연구에서 발견하는 대부분의 플라즈마 불순물은 1-50nm 사이의 방사선을 방출하기 때문에 핵융합 연구에도 극자외선 분광 기술을 이용할 수 있다.

또한, 극자외선의 단파장을 이용하면 구조화된 피사체의 특정 엘레먼트 위치를 극자외선 분광 시스템으로 정확하게 알아낼 수 있다. 극자외선 분광법으로 실현 가능해진 이러한 연구는 핵융합을 활용하는 소재 과학과 에너지원에 상당한 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 갖고 있다.

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X-ray와 UV 스펙트럼 영역 사이에 존재하는 극자외선

극자외선 나노머시닝
더욱 소형화하는 마이크로구조물과 나노구조물의 기계 가공력은 나노기술 발전에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 극자외선 나노머시닝은 여전히 개발 초기 단계이지만 나노미터 규모의 구조를 생산하고 수정하는 전도유망한 기술 중 하나다.

포커싱 스팟의 크기는 파장에 정비례하므로 극자외선 나노머신 시스템은 더 긴 파장을 이용하는 시스템보다 더 높은 공간 분해능을 갖는다. 대다수의 소재에서 극자외선의 짧은 흡수 깊이는 또한 초미세한 특성의 에칭을 수월하게 만들어주는 에너지의 국지화를 야기시킨다. 이러한 나노기술은 사회에 중대한 영향을 미치면서 의료 장비와 절차, 제조 방식, 에너지 시스템, 전자 기기 및 기타 등을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

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나노머시닝은 나노전자공학, 나노의료학 및 바이오소재를 비롯한 다수의 신흥 응용 분야에서 매우 중요한 부분을 차지한다.

극자외선 응용 분야의 광학 부품
100nm 미만의 파장은 공기를 통해 전달될 수 없기 때문에 극자외선 시스템은 진공 상태로 보관해야 한다. 극자외선은 대다수의 소재에서 극히 높은 흡수율을 보임에 따라 극자외선 용도에서 광학 부품은 거의 반사형이다.

산란은 단파장에서 더 많이 발생함에 따라 극자외선 광학에서는 표면 거칠기, 표면 평탄도 및 기타 표면 허용오차 중요한 역할을 한다. 극자외선 응용 분야에서 주로 사용되는 미러의 타입은 멀티레이어의 브레그 미러(Bragg mirror)다.

이러한 미러는 두 개의 서로 다른 소재가 주기적으로 적층된 구조로 특정 파장의 밴드가 간헐적으로 간섭하고 반사하도록 한다. 입사빔의 일부는 적층의 경계면에서 반사한다. EUV multilayer mirror는 1nm 정도로 대역폭이 매우 좁기 때문에 이러한 유형의 극자외선 광학은 특히 광원의 파장과 반드시 일치해야 한다. [정리=김지성 기자]
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λ/4 multilayer mirror의 구조. EUV mirror는 일반적으로 50쌍의 레이어로 구성한다.

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