Caltech, 레이저 증발법으로 초내열 박막 합성 한계 돌파

박막 합성의 고온 장벽

박막(thin film) 제조의 일반적인 방식은 원료 소재를 충분히 가열해 증기를 발생시킨 뒤, 이를 기판 위에 응결시키는 열증발법이다. 그러나 텅스텐·나이오븀·탄탈럼과 같은 '초내열(ultra-refractory)' 원소를 포함한 소재는 3,000켈빈 이상에서야 용융이 시작된다. 이 온도를 버틸 수 있는 용기 자체가 존재하지 않기 때문에, 기존 열증발법으로는 해당 소재의 고품질 박막을 얻기 어려웠다.

레이저 열증발법(TLE)의 원리

Caltech 기계공학·응용물리학과의 Austin Minnich 교수가 이끄는 연구팀은 금속 절단·용접 산업에서 발전한 고출력 파이버 레이저 기술에서 해법을 찾았다. 이 방법은 목표 소재를 펠릿 형태로 준비한 뒤, 1킬로와트급 레이저를 펠릿 중심에 좁게 집광해 중심부만 국소 용융시키는 방식으로 작동한다. 펠릿 외곽은 고체 상태를 유지하며 사실상 자기 자신이 용기 역할을 한다. 발생한 증기는 진공 챔버 내 상단 기판에 응결·증착된다.

연구팀은 이번 논문에서 니켈(용융점 1,728켈빈)을 대상 소재로 삼아 극박 니켈 박막 증착에 성공했다. 완성된 박막의 전기전도도를 측정한 결과, 기존 다른 증착 방식과 동등하거나 그 이상의 품질임이 확인됐다. 연구팀은 이 장치를 자체 제작했으며, 미국 내에서 해당 방식이 가동된 것은 이번이 처음이다.

양자컴퓨팅 소재로의 연결

초전도 방식의 양자컴퓨터는 큐비트 구현을 위해 나이오븀·탄탈럼 합금 등 초내열 소재를 폭넓게 활용한다. 이들 소재의 박막 품질은 초전도 회로의 결어긋남(decoherence) 특성과 직결되므로, 합성 공정의 정밀도가 소자 성능에 큰 영향을 미친다. 레이저 열증발법(TLE)이 이 소재군에 본격 적용될 경우, 기존 스퍼터링이나 화학기상증착(CVD) 공정 대비 새로운 선택지가 될 수 있다.

한계와 과제

이번 연구는 니켈이라는 상대적으로 낮은 용융점의 소재를 대상으로 한 개념 검증 단계에 머문다. 실제 초내열 소재인 나이오븀(용융점 약 2,750켈빈)이나 탄탈럼(약 3,290켈빈)에 대한 증착 결과는 아직 보고되지 않았다. 레이저 출력 안정성, 증착 균일성, 대면적 확장성 등도 향후 검증이 필요한 변수다. 논문은 Applied Physics Letters에 게재됐다(DOI: 10.1063/5.0309594).