3D 레이저 리소그래피와 정밀 이송 시스템

3D 레이저 리소그래피와 이를 지원하는 정밀 이송 시스템의 특성과 활용 사례

반도체 생산 공정 분야부터 광 계측 및 현미경 분야, 생명공학 분야에 이르는 다양한 애플리케이션에서 정밀 위치 제어의 중요성이 점차 커지고 있다. 이 같은 상황 속에서 피에조 소자로 이뤄진 나노 포지셔닝에 기반을 두고 있는 정밀 이송 시스템은 sub-ms의 반응 속도와 ㎚ 범위의 반복도를 구현하고, 진공 환경 및 온도 변화에서도 작동이 가능해 다양한 분야에 정밀 이송 시스템이 적용될 수 있는 토대를 마련했다.
관련된 예로 생명공학 분야에서 정밀 이송 시스템이 적용된 3D 레이저 리소그래피 시스템이 활용된 것을 들 수 있다.  이에 본지는 3D 레이저 리소그래피와 정밀 이송 시스템의 주요 특성 및 일부 활용 사례에 대해 소개하고자 한다.

3차원 세포 배양법 구현
본래의 조직 세포 유기체는 세포외기질이란 복잡한 구조의 3차원 구조로 구성되어 있는데, 이로 인해 2차원 평면 구조로 표현되는 기존의 Petri dish로 실제 환경을 구축할 수 없는 한계점이 존재해 왔다.
하지만 독일에 위치한 연구소인 KIT(Karlsruhe Institute of Technology) 소속 과학자들이 3D 레이저 리소그래피 기술을 통해 Scaffold라는 3차원 구조물을 만드는 데 성공해 3차원 세포 배양법 구현을 앞당겼다.
이 구조체는 25㎛의 기둥과 각 연결대로 이뤄져 있는데, 연구자는 구조체에 샘플을 붙이는 방법을 통해 3차원 세포 배양을 수행할 수 있다.

레이저 펜을 활용한 3D 리소그래피
마이크로, 나노 크기의 3차원 리소그래피를 구현한 독일의 Nanoscribe의 레이저 리소그래피 시스템은 세포 생명공학 분야나 마이크로 광학 소자 혹은 광결정 분야, 미세 유체 시스템에서 활용되는 Rapid-phototyping 기구 등을 개발하는 분야 등에 적용 가능하다.

PI의 솔루션
3D 리소그래피에 적용되는 정밀 이송 시스템은 대개 고분해능과 빠른 반응 속도를 갖춘 피에조 나노 포지셔닝 기술을 제공하는 PI의 다축 나노 스테이지를 활용한다.
나노 스테이지는 X, Y, Z축으로 각각 수백 ㎛ 움직이는 동시에 수 ㎚의 최소 스텝을 구현해 사용자가 원하는 위치에 레이저 펜을 효과적으로 이송시켜 레이저에 초점이 맞추어질 수 있도록 돕는다.

전기 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 역 압전 효과를 활용하는 피에조 방식의 나노 포지셔닝 기술은 결정립에 직접 적용되는 압전 효과의 특성으로 인해 sub-㎚의 분해능과 kHz에 이르는 고 다이내믹을 구동할 수 있을 뿐만 아니라 높은 허용 하중을 갖추고 있다.

정전 용량 센서와 Parallel kinematics
정전 용량 센서는 스테이지 내에서 움직이는 구동부와 감지부에 장착되어 스테이지가 움직이는 변위를 직접적으로 측정할 수 있는 Direct metrology 방식을 구현한다. 이로 인해 스트레인 게이지 센서나 기타 다른 센서를 이용한 Indirect metrology 방식보다 더 나은 선형성과 분해능이 도출된다. 한편, Parallel kinematics이라고도 불리는 다축 스테이지 시스템은 나노 포지셔닝 기술의 높은 위치 정밀도에 긍정적인 영향을 미친다.

다축 스테이지 시스템은 스테이지 내에서 각 피에조 액추에이터들이 Solid joint와 무 마찰 Parallel kinematics 가이드 시스템에 장착되어 하나의 플랫폼을 통해 움직일 수 있도록 지원하며, 모든 축의 모션이 동일한 동적 특성을 갖도록 작용한다.
이 같은 점은 레이저 3D 리소그래피에서 느린 축의 모션이 다른 축과 동시에 구동을 수행할 때 발생할 수 있는 오차 값을 감소시킨다.
뿐만 아니라 평행 도량형 방식은 각 축의 변위값을 변위 센서를 통해 실시간으로 동시 측정할 수 있어 Cross talk나 Lateral runout과 같은 변위 오차 값을 최소화시킬 수 있다.

자료제공 | PI Korea(www.pikorea.co.kr)