펨토초 ($10^{-15} s$) 는 빛이 약 수십 마이크로 미터 즉 머리카락 굵기 만큼의 길이를 통과하는 시간 밖에 되지 않을 정도로 매우 작은 시간이다. 펨토초 펄스 레이저는 90년대 초에 미시건 대학의 Mourou 교수에 의해 개발된 이래로 초기에는 분광학 영역에서 분자 내의 전자들의 움직임을 관찰하는데 응용되었다. 이후 펨토초 레이저는 여러 분야에 응용되기 시작하였는데 특히 95년 이후로 마이크로 혹은 나노 머시닝 분야의 연구가 활발히 진행되고 있다. 무엇보다도 1998년 IBM T. J. Watson 연구소에서 포토 마스크의 절단된 크롬선을 펨토초 레이저로 연결시켜 복구(repair) 시키는 기술이 소개되어 펨토초 레이저 머시닝(machining) 에 대한 관심이 증대되었다.
펨토초 레이저가 고체에 입사하게 되면 용융과 기화가 폭발적으로 발생하며 발생한 플라즈마에 의해 고체 표면의 원자 및 전자들이 외부로 제거되게 되는데 이를 가르켜 어블레이션(ablation) 현상이라고 한다. 어블레이션을 이용해 물질을 미세하게 제거 혹은 에칭(etching)하여 표면에 구멍 뚫기 (drilling), 절단(cutting), 미세관(microchannel) 형성 등을 할 수 있다. 펨토초 레이저 가공 원리는 에너지 밴드갭(bandgap) 이 높은 세라믹 물질과 에너지 밴드갭이 낮은 반도체와 금속이 다르며 그 차이를 다음에서 설명하려 한다.
게르마늄과 같은 반도체에서는 에너지 밴드 갭이 작기 때문에 단광자(onephoton)에 의해서도 고체내에 흡수가 발생한다. 일반적으로 전자가 격자 이온보다는 가볍기 때문에 먼저 에너지를 받아 들뜬 상태로 여기된 후 에너지를 격자 진동(phonon) 형태로 격자에 전달하며 진동에 의한 에너지는 열의 형태로 격자주변부에 전달되게 된다. 이때 전자와 격자간의 에너지 전달 (electron-phonon relaxation)에 걸리는 시간은 피코초 (10-12 s)이다. 에너지가 인가되는 시간이 펨토초인 경우에는 전자가 격자 이온에 에너지를 전달하는 시간보다 짧기 때문에 격자로의 에너지 전달이 최소화된다. 따라서 주변부로의 열확산 (heat diffusion) 을 최소화시켜 열영향부를 최소화시켜 나노사이즈의 구조물 형성도 가능하다.
기존의 펨토초 레이저를 이용한 연구들은 주로 어블레이션 현상을 이용한 마이크로 혹은 나노머시닝에 집중된 반면 어블레이션된 표면의 결정구조와 미세조직에 대한 관심이 상대적으로 미약하였다.
펨토초 레이저 어블레이션의 가장 큰 특징 중에 하나가 열효과를 최소화시키는 데 있다. 하지만 어블레이션된 게르마늄의 표면을 XRD 분석한 결과 상대적 높은 출력에서 열효과에 의한 재결정화(recrystallization)이 발생한 것을 관찰하였다. 뿐만 아니라 HRXRD 을 이용해 단결정의 결정성을 측정한 결과 높은 출력 영역에서는 tilt boundary 와 같은 결함을 발견하였다. 따라서 낮은 출력 영역에서만 펨토초 레이저 가공의 고유한 장점을 얻을 수 있다.
펨토초 레이저를 이용하면 어블레이션을 통해 열영향부를 최소화시킬 수는 있지만, 플라즈마를 이용한 건식 에칭과 같이 깨끗한 표면을 얻는 것은 불가능하다. 이것은 Coulomb explosion 이라는 현상으로 이해될 수 있다. 입사된 레이저 에너지를 흡수한 전자는 고체 표면을 탈출하고 레이저 흡수 영역에는 이온들만 존재하게 된다. 이때 형성된 탈출된 전자와 고체내에 존재하게 되는 이온들간의 형성된 전기장에 의해 이온들은 결합에너지 이상으로 가속되어 고체내를 탈출하게 된다. 따라서 어블레이션이 이루어진 표면에는 구형의 마이크로 혹은 나노 크기의 구조체가 남게 된다. 이런 것들은 $SF_6/Cl_2$ 등의 반응성 기체들을 이용해 스퍼터링 효과를 극대화시키면 점차 극복되리라 생각된다.
반면 펨토초 레이저를 이용해 게르마늄을 어블레이션시킨 표면에 325 nm 레이저를 인가하면 상온에서 주파장이 500 nm 영역이 가시광선이 발생하는 현상이 관찰되었다. 게르마늄은 실리콘과 같이 대표적인 간접 밴드갭 물질로 본래 빛을 발산할 수 없는 물질이다. 이것은 펨토초 레이저 어블레이션으로 인해 표면의 밴드갭 구조에 변화가 온 것으로 설명할 수 있다. 어블레이션에 의해 형성된 표면의 구조체의 크기가 대략 100 nm 이하로 quantum confinement 효과에 의해 밴드갭이 본래의 0.6 eV 에서 3-4 eV 로 증가한다. 그리고 조성 분석 결과 구조체의 표면에 $GeO_2$ 산화막이 형성되어 있음을 확인하였다. 따라서 구조체는 3-4 eV 에너지갭의 게르마늄 핵, 2.25 eV 의 GeO$_x$ 계면, 그리고 7-8 eV 의 $GeO_2$ 산화막으로 구성된다. 핵에서 발생한 excitons 은 GeO$_x$ 계면에서 핵과 산화막의 높은 에너지갭에 의해 confine 되기 때문에 주파장이 500 nm 영역이 가시광선이 발생하게 된다. 이런 현상을 응용하면 게르마늄뿐만 아니라 실리콘 같은 물질을 광전자소자로 제조할 수 있을 것으로 기대된다.
요약해보면, 펨토초 펄스 레이저는 짧은 펄스폭으로 인해 강력한 출력과 전자와 격자간의 에너지 전달 시간을 최소화 하는 장점을 갖고 있다. 이런 특성을 바탕으로 거의 모든 재료들을 열효과를 극소화시키면서 미세하게 가공하여 레이저 가공 분야에 새로운 영역을 형성하였다. 하지만 높은 에너지 밀도의 펨토초 레이저 가공의 경우에는 열효과에 의한 결함들이 발견되었으므로 가공 시 이를 주의해야 할 것이다. 또한 펨토초 레이저에 의해 가공된 표면에 형성된 나노 구조체들에서 가시광선이 관찰되는 등 아직까지 그 현상에 대한 완벽한 이해가 이루어진 것은 아니므로 향후 이에 대한 심도 있는 연구가 수행될 필요가 있다고 생각한다.
