‘3D 레이저 리소그래피’에 사용되는 PI 정밀 스테이지
3D 레이저 리소그래피에 사용되는 정밀 이송 시스템
반도체 생산 공정부터 시작해 광 계측 및 현미경, 심지어 생 명공학 분야까지 다양한 애플리케이션에서 정밀 위치 제어의 중요성은 점차 커지고 있으며 필수적인 요소가 되었다. 피에 조 소자로 이루어진 나노포지셔닝 기반의 정밀 이송 시스템 은 sub-ms의 반응속도와 nm범위의 반복도를 구현하며 진공 환경 및 온도변화에도 작동해 다양한 분야에 적용되었다. 그 특별한 예로 레이저 리소그래피 시스템에 사용되어 생명공학 분야에 한 획을 남기기도 하였다.
.
3차원 세포 배양법의 구현
본래의 조직 세포의 유기체는 세포외기질이라 불리는 복잡 한 3차원 구조로 구성되어 있으며 2차원 평면구조로 표현되 는 기존의 Petri dish로는 실제 환경을 구현할 수 없기 때문에 항상 한계점에 부딪혀 왔다. 하지만 독일 연구소인 Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 과학자들이 3D 레이저 리소그래피 기술을 사용해 Scaffold라 불리우는 3차원 구조물을 만들어 3차원 세포 배양법의 구현을 가능케 하였다. 25µm의 기둥과 각 연결대로 이루어진 이 구조체에 세포 샘플을 붙여 3차원의 세포 배양을 할 수 있다. 이러한 세포 배양법은 상처 치료용 제약 분야나 조직 복구술과 같은 생명공학분야의 성장을 기대하게 해주었다.
레이저 펜을 이용한 3D 리소그래피
이러한 마이크로 및 나노 스케일의 3차원 리소그래피를 구 현한 독일 Nanoscribe사의 레이저 리소그래피 시스템은 앞 서 설명한 세포 생명공학 분야나 마이크로 광학소자 혹은 광 결정 분야, 미세유체 시스템에서의 Rapid-phototyping 기 구 개발 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 강력한 단파장 의 레이저를 감광성 물질이나 생체 적합용 폴리머에 조사하여 구조물을 만들어내는 원리로 구동하며 펜으로 3차원의 선 을 긋는 것과 같이 레이저 펜이 3차원의 길을 따라 구조물을 만들어 낸다. 또한 수 µm부터 150nm 굵기의 굉장히 얇은 레이저를 사용하여 다양한 디자인의 구조물을 구현할 수 있다. 하지만 이러한 3차원 리소그래피를 구현하기 위해서는 레이 저 펜의 정밀한 위치 제어를 통한 리소그래피 과정이 실현되 어야 하기 때문에 고정밀 이송 시스템이 적용된다.
정밀 이송 기술을 이용한 레이저 포커스
3D 리소그래피에 사용되는 정밀 이송 시스템은 고분해능과 빠른 반응속도의 피에조 나노포지셔닝 기술을 전 세계 과학 기술 분야에 제공하고 있는 독일 PI(Physik Instrumente)사 의 다축 나노 스테이지를 사용한다. XYZ축으로 각각 수백 µm 움직일 수 있으며 수 nm의 최소 스텝을 구현하는 나노스테이 지는 레이저 펜을 효과적으로 원하는 위치에 정확하게 이송 을 시켜 레이저를 포커스 할 수 있게 해준다. 전기적인 에너지를 받아 기계적인 에너지로 변환해주는 역 압전 효과를 이용한 피에조 방식의 나노포지셔닝 기술은 결 정립에 직접 적용되는 압전 효과의 특성상 sub-nm의 분해능, kHz에 이르는 High dynamic 구동이 가능하며 굉장히 무거운 허용하중을 갖고 있다.
Capacitive sensor(정전용량 센서)와 Parallel kinematics
정전용량센서라 불리는 Capacitive sensor는 스테이지내 움직이는 구동부와 감지부에 장착되어 스테이지가 움직이는 변 위를 직접적으로 측정할 수 있는 Direct metrology 방식을 구현한다. 따라서 Strain gauge sensor나 기타 다른 Sensor 를 이용한 Indirect metrology 방식보다 더욱 좋은 선형성 및 분해능을 갖는다.
Parallel kinematics라 불리는 다축 스테이지 시스템 또한 나노포지셔닝 기술의 높은 위치정밀도에 한 몫을 한다. 스 테이지 내 각 피에조 엑추에이터들이 Solid joint와 무 마찰 Parallel kinematics guide system에 장착되어 하나의 플랫 폼을 통해 움직일 수 있게 해주며 모든 축의 모션이 동일한 동 적 특성을 가질 수 있게 해 준다. 이러한 점은 레이저 3D 리소 그래피에서 느린 축의 모션이 다른 축과 동시에 구동 시 나올 수 있는 오차 값을 줄여주는 역할을 한다. 게다가 이러한 Parallel metrology 방식의 사용으로 각 축 의 변위 값을 변위 센서를 통해 실시간으로 동시에 측정이 가 능하기 때문에 Cross talk이나 Lateral runout과 같은 변위 오차 값을 최소화 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
자료제공: PI코리아(www.pikorea.co.kr)
