FR2851685A1

FR2851685A1 - Microscope a champ proche comprenant un resonateur en guide d'onde

Info

Publication number: FR2851685A1
Application number: FR0450321A
Authority: FR
Inventors: Kie Jin Lee; Joo Young Kim; Myung Sik Kim; Won Kyun Park
Original assignee: Sogang University Corp
Current assignee: Sogang University Corp
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2004-08-27
Also published as: JP2004251907A; US20040164234A1; KR20040075205A; KR100517294B1

Abstract

Il est proposé un microscope à champ proche qui utilise une bande de fréquence large en combinant une sonde (7) avec un résonateur en guide d'onde (5) et qui offre une sensibilité accrue et un pouvoir de résolution accru. Le microscope à champ proche utilise une source d'ondes (3) qui émet une onde avec une fréquence variable, une résonateur en guide d'onde (5) à travers lequel se propage l'onde émise par la source d'ondes (3), une sonde (7) qui perce une paroi extérieure du résonateur en guide d'onde (5) et grâce à laquelle l'onde qui se propage à travers le résonateur en guide d'onde (5) interagit avec un échantillon (10), et un détecteur (12) qui détecte l'onde qui a interagi avec l'échantillon (10).

Description

MICROSCOPE A CHAMP PROCHE COMPRENANT UN RESONATEUR EN GUIDE D'ONDE

CONTEXTE DE L'INVENTION Cette demande revendique la priorité de la demande de brevet coréenne N0 2003-107 10, déposée le 20 février 2003 à l'institut de la propriété intellectuelle coréen, dont la description est incluse 5 dans les présentes dans sa totalité à titre de référence.

Domaine de l'invention La présente invention concerne un microscope à 10 champ proche et, plus particulièrement, un microscope à champ proche dans lequel une sonde est introduite dans un résonateur en guide d'onde, améliorant ainsi la sensibilité et le pouvoir de résolution et augmentant une bande de fréquences exploitable. 15

Description de l'art connexe

Des microscopes optiques utilisés pour mesurer une forme d'un échantillon fin de la taille du nanomètre, utilisent la lumière pour observer un objet. Ainsi, du 20 fait de la limite de diffraction, on dispose d'une résolution latérale limitée. En d'autres termes, du fait de la limite de diffraction, un objet ayant une dimension inférieure à 1/2 d'une longueur d'onde de la lumière ne peut pas être observé. Afin de résoudre ce 25 problème, des microscopes à champ proche, qui dépassent la limite de diffraction et mesurent les caractéristiques optiques d'un matériau ayant des dimensions beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière, ont été mis au point. Dans les microscopes à champ proche, la lumière qui traverse une ouverture présentant une largeur plus petite que la 5 longueur d'onde de la lumière est irradiée sur un échantillon, lequel est placé à une distance inférieure à la largeur de l'ouverture par rapport à l'ouverture, de telle sorte que la limite de diffraction est dépassée en utilisant le fait que la diffraction ne se 10 produise pas dans un champ proche situé à une distance plus petite que la longueur d'onde de la lumière par rapport à la surface de l'échantillon.

Des recherches portant sur des microscopes sans contact et non destructifs utilisant un effet de champ 15 évanescent ou de champ proche ont été effectuées depuis les réalisations des microscopes à balayage à effet tunnel (STM) et des microscopes à forces atomiques (MFA). Du fait de la mise au point de la technologie des microscopes optiques, des caractéristiques 20 microscopiques d'objets font actuellement l'objet de mesures à l'aide de microscopes optiques. En conséquence, un procédé pour mesurer les caractéristiques microscopiques d'un échantillon est mis en vedette comme nouveau domaine de recherche. Le 25 niveau d'intégration des composants électroniques ayant augmenté, les recherches portant sur les caractéristiques physiques d'une structure fine sont devenues importantes. En particulier, il est essentiel de mettre au point de nouveaux équipements de mesure 30 qui dépassent la limite de diffraction afin de mieux comprendre et de mesurer les caractéristiques physiques d'une structure fine.

Les premiers essais portant sur un champ proche en utilisant des microondes ont été conduits par Ash et 5 Nicholis. Depuis, les microscopes à micro-ondes à champ proche ont été perfectionnés et ont été utilisés dans une variété de domaines. Une image à champ proche par micro-ondes peut être obtenue en utilisant un résonateur de type câble coaxial, un résonateur à ligne 10 triplaque ou une fente de guide d'onde.

La figure 1 représente un microscope optique classique utilisant un résonateur de type câble coaxial décrit dans " APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 75, NUMBER 20 ". Dans le microscope optique à champ proche, 15 une onde émise par une source micro-ondes 100 est transmise par le biais d'un résonateur de type câble coaxial 103 à un échantillon 107 dont les caractéristiques optiques doivent être mesurées par une sonde 105 formée sur une extrémité du résonateur 20 coaxial 103. L'onde émise depuis la sonde 105 *interagit avec l'échantillon 107 et est ensuite introduite dans le résonateur de type câble coaxial 103 via la sonde 105. Une micro- onde modifiée par une interaction avec l'échantillon 107 est détectée par un détecteur à diode 25 110. A ce titre, les caractéristiques microscopiques et optiques de l'échantillon peuvent être mesurées. Le numéro de référence 102 désigne un coupleur directif.

Du fait d'une fréquence de coupure d'une structure de type câble coaxial, seul un essai dans une bande 30 micro-onde peut être effectué en utilisant le résonateur de type câble coaxial 103. Ainsi, la fréquence de résonance du microscope à champ proche est limitée à une fréquence spécifique d'une bande microonde, limitant la sensibilité. Le résonateur de type câble coaxial 103 comprend un conducteur cylindrique 5 interne et un conducteur externe. Dans une structure comprenant deux conducteurs, un essai doit être effectué en utilisant une onde électromagnétique transversale (TEM). En conséquence, afin d'obtenir les caractéristiques optiques de l'échantillon, il existe 10 des limitations quant aux types d'ondes utilisées. En d'autres termes, lorsque l'onde interagit avec l'échantillon, il existe des modes dans lesquels les caractéristiques optiques de l'échantillon sont révélées de bien meilleure façon. Etant donné que seule 15 une onde électromagnétique transversale doit être utilisée dans le résonateur de type câble coaxial, seule une gamme réduite d'échantillons peut être mesurée en recourant au microscope à champ proche utilisant le résonateur de type câble coaxial.

De plus, étant donné qu'une fréquence d'une bande micro-onde dont la longueur d'onde est longue est utilisée dans le résonateur de type câble coaxial 103, alors la longueur du résonateur de type câble coaxial 103 augmente. Le résonateur de type câble coaxial 103 25 représenté sur la figure 1 présente une longueur d'environ 2 m. Le microscope optique utilisant le résonateur de type câble coaxial 103 a un très grand volume. A ce titre, la commercialisation d'un microscope optique présentant la structure ci-dessus 30 présente des problèmes.

Un microscope à champ proche utilisant une fente de guide d'onde décrit dans " APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 77, NUMBER 1 " est représenté sur la figure 2.

Dans le microscope à champ proche, une fente 115 est 5 formée sur une extrémité d'un guide d'onde 113, un substrat 120, sur lequel est placé un échantillon 117, est disposé sous la fente 115, et une lumière est irradiée depuis une source lumineuse 122 disposée en dessous du substrat 120. Le numéro de référence 123 10 désigne un masque perforé.

Dans la structure ci-dessus, la lumière irradiée depuis la source lumineuse 122 interagit avec l'échantillon 117 et est ensuite introduite dans le guide d'onde 113 à travers la fente 115. Les 15 caractéristiques de la lumière, après l'interaction de la lumière avec l'échantillon 117, sont mesurées par un détecteur de telle sorte que la forme et les caractéristiques de l'échantillon 117 peuvent être mesurées. Cependant, dans cette structure à fente de 20 guide d'onde, étant donné qu'une onde traverse la fente et qu'elle est largement dispersée, la perte d'onde est importante et le pouvoir de résolution est réduit.

Claims

RESUME DE L'INVENTION La présente invention propose un microscope à champ proche ayant un faible volume et une sensibilité et un pouvoir de résolution excellents, lequel mesure de façon précise les caractéristiques optiques d'un échantillon. La présente invention propose également un microscope à champ proche qui étend la gamme de fréquences d'une onde de la bande micro-onde à la bande d'ondes millimétriques et étend la gamme d'un échantillon dont les caractéristiques optiques peuvent être mesurées en utilisant un mode transversal 5 électrique (mode TE) et un mode transversal magnétique (mode TM). La présente invention propose également un microscope à champ proche qui fait varier la fréquence de résonance d'un résonateur en guide d'onde de telle 10 sorte que les caractéristiques d'une variété d'échantillons peuvent être mesurées en utilisant un résonateur en guide d'onde, permettant ainsi de réduire les cots de fabrication. Selon un aspect de la présente invention, il est 15 proposé un microscope à champ proche, le microscope à champ proche comprenant une source d'ondes, qui émet une onde avec une fréquence variable; un résonateur en guide d'onde par le biais duquel se propage l'onde émise depuis la source d'ondes; une sonde qui perce 20 une paroi extérieure du résonateur en guide d'onde et au moyen de laquelle l'onde qui se propage à travers le résonateur en guide d'onde, interagit avec un échantillon; et un détecteur qui détecte l'onde qui a interagi avec l'échantillon. Le microscope à champ proche peut en outre comprendre un syntoniseur, qui est connecté de façon mobile à une extrémité du résonateur en guide d'onde et ajuste une longueur du résonateur en guide d'onde. Une partie de la sonde à l'intérieur du résonateur 30 en guide d'onde peut présenter une forme linéaire ou une forme en boucle. Lorsque Ho est une valeur maximale d'une champ magnétique perçant la partie de la sonde à l'intérieur du résonateur en guide d'onde, p est une valeur selon p dans un mode TE1op, zi est une position d'une extrémité 5 avant de la partie de la sonde à l'intérieur du résonateur en guide d'onde, Zf est la position d'une extrémité arrière de la partie de la sonde à l'intérieur du résonateur en guide d'onde et d est une longueur du résonateur en guide d'onde, une grandeur 10 d'une force électromotrice générée dans la sonde est donnée par: V=/0cyH [2 cos' {-(Zf +Z)} sin d La sonde peut être disposée dans une position qui satisfait Zf = 3d/2p, zi = d/2p. Une fente peut être formée dans le résonateur en guide d'onde et la sonde peut être déplacée le long de la fente. La source d'ondes peut émettre des micro-ondes ou des ondes millimétriques. Lorsqu'une longueur d'onde de l'onde émise par la source d'ondes est A, la longueur du résonateur en guide d'onde peut varier par incréments de X/4. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les aspects ci-dessus et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée d'exemples de modes de réalisation de celle-ci, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente un microscope à champ proche classique utilisant un résonateur de type câble coaxial; la figure 2 représente un microscope à champ 5 proche classique utilisant un guide d'onde dans lequel est formée une fente; la figure 3 représente un microscope à champ proche classique utilisant un résonateur en guide d'onde selon un mode de réalisation de la présente 10 invention; la figure 4A est une vue en perspective du résonateur en guide d'onde de la figure 3; la figure 4B est une vue en coupe le long d'une ligne IV-IV de la figure 4A; la figure 4C représente une sonde hybride introduite dans le résonateur en guide d'onde utilisé dans le microscope à champ proche de la figure 3; la figure 5 est une vue en coupe d'un autre exemple d'une sonde magnétique introduite dans le 20 résonateur en guide d'onde utilisé dans le microscope à champ proche de la figure 3; la figure 6A est une vue en perspective d'encore un autre exemple d'un résonateur en guide d'onde utilisé dans le microscope à champ proche; la figure 6B est une vue en coupe le long d'une ligne VI-VI de la figure 6A; et la figure 7 représente une vue en coupe d'une sonde magnétique introduite dans le résonateur en guide d'onde de la figure 6A. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Si l'on se réfère à la figure 3, un microscope à champ proche selon un mode de réalisation de la présente invention comprend une source d'ondes 3, un résonateur en guide d'onde 5 à travers lequel est 5 transmise une onde émise par la source d'ondes 3 et une sonde 7 qui perce le résonateur en guide d'onde 5 et est introduite dans celui-ci. Un syntoniseur 9 est placé sur un côté du résonateur en guide d'onde 5 et est déplaçable dans le sens de la longueur le long du 10 résonateur en guide d'onde 5 de manière à modifier le volume du résonateur en guide d'onde 5. La source d'ondes 3 produit des micro-ondes et des ondes millimétriques. Le résonateur en guide d'onde 5 présente une 15 partie creuse et une section transversale de la partie creuse est formée d'un conducteur présentant une forme rectangulaire, comme représenté sur la figure 4A. Dans la structure ci-dessus formée d'un conducteur, on a seulement un mode TM et un mode TE mais on n'a pas de 20 mode transversal électromagnétique (mode TEM). Si l'on considère que la largeur et la hauteur de la section transversale du résonateur en guide d'onde 5 sont a et b, respectivement, le mode TE selon a et b est donné par l'équation 1. Dans le mode TE, une 25 composante selon z d'un champ électrique satisfait Ez=0, et une composante selon z Hz d'un champ magnétique est donnée par l'équation 1. Hz(x,yz)= 4cos -cos-ei (1) a b Ici, z est une coordonnée dans une direction 5 de progression d'une onde, x et y sont des coordonnées perpendiculaires à z, tandis que n et m sont des nombres entiers. Amn est l'amplitude de l'onde qui circule à travers le résonateur en guide d'onde 5 lorsque la sonde 7 n'est pas introduite dans le 10 résonateur en guide d'onde 5, et fi est la constante de propagation. Ensuite, dans le mode TM, une composante de direction z d'un champ magnétique satisfait Hz=0, et Ez est donné par l'équation 2. mtxc. nhty _ 2 Ez(x, y, z) = A,,,,sin si - e(2) a b Des bandes de fréquence de la source d'ondes 3 allant de 1 GHz à 220 GHz peuvent être utilisées selon la largeur a et la hauteur b de la section transversale 20 du résonateur en guide d'onde 5. En d'autres termes, la fréquence de coupure du résonateur en guide d'onde 5 est déterminée selon a et b, et une fréquence inférieure à la fréquence de coupure ne peut pas se propager à travers le résonateur en guide d'onde 5. La 25 fréquence de coupure fcmn du résonateur en guide d'onde est la même tant pour le mode TE que pour le mode TM et elle est donnée par l'équation 3. t_= kC = 1 t(mz2 + 2 (3) 27cJI2 - a b Ici, fcmn est la fréquence de coupure de chacun des modes selon une combinaison de m et de n, et on considère que le résonateur en guide d'onde 5 est 5 rempli d'un matériau ayant une constante diélectrique p et une perméabilité ZL. Selon l'équation 3, la fréquence de coupure est déterminée par la dimension de section transversale du résonateur en guide d'onde 5. Un mode ayant la fréquence de coupure la plus basse est un mode 10 dominant. Si l'on considère que a > b, la fréquence de coupure est la plus basse dans un mode TEIo. Etant donné qu'une onde avec une fréquence plus basse que la fréquence de coupure ne peut pas progresser dans le résonateur en guide d'onde 5, au fur et à mesure que 15 décroît la fréquence de coupure, la bande de fréquences exploitable de l'onde s'étend. Etant donné l'utilisation du résonateur en guide d'onde 5 à la place d'un résonateur sur câble coaxial dans lequel seule l'onde transversale électromagnétique 20 (TEM) est générée, tant le mode TE que le mode TM sont générés de telle sorte que la région d'un échantillon mesuré en utilisant une plus grande variété de modes peut être augmentée. De plus, à la différence de la ligne triplaque dans laquelle seule une fréquence 25 spécifique est générée, on peut utiliser toutes les bandes de fréquence avec des fréquences supérieures à la fréquence de coupure. En d'autres termes, la largeur et la longueur d'une ligne triplaque sont déterminées et fabriquées de telle manière que seule une fréquence spécifique se propage. De cette manière, la perte d'une onde avec une fréquence autre que la fréquence spécifique est très importante et, même si l'onde se propage, elle se dissipe rapidement. D'autre part, dans 5 les résonateurs en guide d'onde, une onde avec une fréquence inférieure à la fréquence de coupure est dissipée tandis qu'une onde avec une fréquence supérieure à la fréquence de coupure passe. Comme décrit plus haut, la source d'ondes 3 peut 10 réaliser de la modulation de fréquence, à la fois les ondes millimétriques et les microondes sont alors utilisés dans le résonateur en guide d'onde 5. De cette manière, la source d'ondes 3 réalise de la modulation de fréquence et produit des ondes avec une fréquence 15 appropriée. Par ailleurs, comme représenté sur la figure 4B, le résonateur en guide d'onde 5 présente un trou 8. La sonde 7 est introduite dans le trou 8 et le trou 8 est rendu hermétique en utilisant du polytétrafluoroéthylène (nom commercial Téflon) 11 de sorte que la sonde 7 soit fixée en position. La sonde 7 n'est pas complètement introduite dans le résonateur en guide d'onde 5, une partie 7a de la sonde 7 étant introduite dans le résonateur en guide d'onde 5 et une 25 partie 7b de la sonde 7 se trouvant à l'extérieur du résonateur en guide d'onde 5. Si l'on se réfère à la figure 3, un échantillon 10, dont les caractéristiques optiques doivent être mesurées, est disposé adjacent à la partie 7b de la sonde 7 à l'extérieur du résonateur 30 en guide d'onde 5. L'échantillon 10 est placé sur un support mobile 2. En même temps que le support 2 se déplace, l'échantillon 10 est balayé. La sonde 7 peut être formée à base d'un métal, 5 d'un matériau métallique ou d'une substance magnétique. La sonde 7 modifie le pouvoir de résolution d'un microscope, elle est gravée selon un procédé électrochimique en utilisant une solution de KOH et elle est fabriquée de telle manière qu'une extrémité de 10 la sonde 7 présente un diamètre inférieur à 10 pm. Au fur et à mesure que décroît le diamètre de l'extrémité de la sonde 7, le pouvoir de résolution du microscope est augmenté. De plus, afin d'améliorer la sensibilité ainsi que le pouvoir de résolution, comme représenté 15 sur la figure 4C, une sonde hybride 7' fabriquée en effectuant une gravure partielle en deux étapes, peut être utilisée. Comme représenté sur la figure 4B, la partie 7a de la sonde à l'intérieur du résonateur en guide d'onde 5 20 présente une forme linéaire et la partie 7b à l'extérieur du résonateur en guide d'onde 5 présente une forme linéaire. En variante, comme représenté sur la figure 5, la sonde 7 peut être une sonde magnétique 7'' composée d'une partie 7''a présentant une forme 25 linéaire à l'intérieur du résonateur en guide d'onde 5 et d'une partie 7''b présentant une forme en boucle à l'extérieur du résonateur en guide d'onde 5. La sonde électrique a une impédance supérieure à la sonde magnétique, ce qui fait qu'elle convient pour la mesure 30 des caractéristiques d'un échantillon ayant une impédance relativement importante. La sonde magnétique a une impédance inférieure à celle de la sonde électrique, ce qui fait qu'elle convient pour la mesure des caractéristiques d'un échantillon ayant une impédance relativement faible. Nous allons décrire ci-après un courant traversant la sonde 7. Si l'on se réfère à la figure 4B, si x mesure une position dans le sens de la largeur du résonateur en guide d'onde 5 de la sonde 7 et h mesure une position de la partie 7a de la sonde à l'intérieur 10 du résonateur en guide d'onde 5 dans une direction y, une valeur de courant I et une densité de courant J se propageant à travers la sonde 7 sont données par l'équation 4. Dans ce cas, la sonde 7 est disposée dans une direction y. De cette manière, la densité de 15 courant J circulant à travers la sonde 7 a un seule composante y. I(y) =10 sin[-(h-y)] c (4) J = I sin[- (h - y)]S(z)8(x - X) Y c Dans l'équation 4, Io est un courant maximal se propageant dans la sonde 7, w=2f, et C est la vitesse 20 de la lumière. De plus, l'amplitude Ay d'une onde se propageant dans la sonde 7 est donnée par l'équation 5. A≥- -2z Z i. Ed'x (5) c Ici, Zx est une impédance d'onde dans le résonateur en guide d'onde 5. Lorsque la sonde 7 est 25 introduite dans le résonateur en guide d'onde 5, seule la composante y de l'onde reste à la fois dans les modes TE et TM. Ainsi, une composante y du champ électrique est donnée par l'équation 6. 2mo me: n =) TMmode:E.,,= 2- sin(-)cos(-) rivab a b TEmode E,,,,r=mn sin(ML cos(-).iz (6) aj4-f 2 m n Dans l'équation 6, Ymn = (a2 + 2) Les amplitudes a b respectives ATM et ATE des modes TM et TE se propageant à travers la sonde 7 en utilisant l'équation 6 sont données par l'équation 7. 42Z cosE- h-cos z h TMmode' Am= 4:Zo sin(mmc) c b n 4cin*i' a (n)2_()2 b (n -) -(b C cos h - cos nz h(7) 4zt'2zlo.mAX b m TE mode: = Sin(-") C b cXm-..Iab a 9(2 - 2 a b C Une fréquence f1 d'une onde électromagnétique se propageant dans la sonde 7 est donnée par l'équation 8. fi _ - zI0 a (8) Ici, Zi = k0ol0o /P1est une impédance d'onde du mode TE10, k0 est une profondeur selon laquelle la sonde 7 15 est introduite dans le résonateur en guide d'onde 5, B0 est une impédance caractéristique du milieu à l'intérieur du résonateur en guide d'onde 5, par exemple, 377 Q et fl est la constante de propagation. En outre, Io est un courant d'entrée traversant la sonde 7 le long du résonateur en guide d'onde 5. Ici, la résistance d'entrée Rm appliquée au courant d'entrée circulant à travers la sonde 7 est donnée par l'équation 9. 2P =bZ( R. = (9> i2 a Concernant Z, dans l'équation 9, si la sonde 7 est à proximité d'un échantillon ayant une résistance électrique, c'est-à- dire une région à champ proche, il existe une capacité électrique entre la sonde 7 et l'échantillon 10. La capacité sert à réduire la résistance d'entrée appliquée dans l'échantillon 10, on a alors une variété de variations de la résistance d'entrée appliquée à différents 15 échantillons. En partant de ce principe, une variation dans la résistance, se produisant lorsque l'échantillon 10 est rapproché dans la région à champ proche, est mesurée de telle sorte qu'un échantillon puisse être représenté en image. En raison d'un effet de type champ proche, l'échantillon 10 interagit avec la sonde 7 dans le mode TE1O de telle sorte que la résistance d'entrée appliquée à la sonde 7 varie selon l'équation 9 et que l'amplitude du mode TE10 varie selon l'équation 7. Ceci 25 peut être expliqué par la théorie des perturbations de la matière appliquée à un résonateur en guide d'onde présentant une section transversale rectangulaire. De plus, une onde est transférée à l'échantillon depuis la sonde 7, ainsi une fréquence de résonance 30 varie du fait des interactions entre l'onde et l'échantillon 10. En d'autres termes, si la sonde 7 est à proximité de l'échantillon 10, un nouveau résonateur comprenant l'échantillon 10 est formé, la fréquence de résonance du nouveau résonateur varie alors selon les 5 caractéristiques physiques de l'échantillon 10. En conséquence, la fréquence de résonance qui varie par l'interaction entre l'onde et l'échantillon 10 est mesurée de telle sorte que les caractéristiques de l'échantillon 10 puissent être mesurées. De cette manière, on peut obtenir, dans le microscope à champ proche selon la présente invention, une image dans le champ proche ayant une sensibilité élevée et un pouvoir de résolution élevé grâce à l'interaction électrique entre la sonde 7 et 15 l'échantillon 10. Par ailleurs, sur la base de la théorie des perturbations de la forme de la distribution électromagnétique, la variation de la fréquence de résonance du résonateur en guide d'onde 5 peut être 20 donnée par l'équation 10. f-f 10- tHgo 12 + Eo 12)dv (10) bO IQ UIH0I2 8E012|)dv Ici, Eo et Ho sont respectivement des champs non perturbés électrique et magnétique et p et p sont respectivement la constante électrique et la 25 susceptibilité magnétique dans un état non perturbé, Vo est le volume d'une région dans laquelle le champ électromagnétique est formé, f est une fréquence de résonance qui a subi une variation et, enfin, fo est une fréquence de résonance avant la variation. Toutefois, lorsque l'épaisseur de la sonde 7 est très faible, on considère qu'un champ électromagnétique dans le résonateur en guide d'onde 5 est uniforme. A partir de cette hypothèse, lorsqu'on utilise l'équation 10, le 5 trou 8 présentant un rayon de ro aux positions de a/2, b/2 et d/2 du résonateur en guide d'onde 5 est formé et la sonde 7 est placée dans le trou 8, on obtient alors l'équation 11. f -fo0 2dmo 2Av (11) fA abd vO Ici, Av est une modification de volume de la sonde 7 par rapport au résonateur en guide d'onde 5 et vo est le volume du résonateur en guide d'onde 5 lorsque le résonateur en guide d'onde n'est pas perturbé. Selon l'équation 11, en même temps que la sonde 7 est 15 introduite plus profondément dans le résonateur en guide d'onde 5, la fréquence de résonance du résonateur en guide d'onde 5 est réduite. La variation de la fréquence de résonance du résonateur en guide d'onde 5 est mesurée et l'équation 11 est utilisée pour 20 déterminer la profondeur à laquelle est introduite la sonde 7 dans le résonateur en guide d'onde 5. La profondeur d'introduction de la sonde 7 dans le résonateur en guide d'onde 5 est ajustée pour ajuster la fréquence de résonance du résonateur en guide d'onde 25 5. Etant donné que la fréquence de résonance du résonateur en guide d'onde 5 peut être ajustée en utilisant une variété de procédés, la plage de la fréquence de résonance du résonateur en guide d'onde 5 est agrandie. Afin d'introduire la sonde 7 dans le résonateur en guide d'onde 5 dans le mode TE10, le trou 8 est formé dans le résonateur en guide d'onde 5, le champ électrique est polarisé via le trou 8 et la 5 polarisation électrique ae est donnée par l'équation 12.

3 3 (12) Ici, ro est un rayon du trou 8 et la polarisation électrique est proportionnelle au rayon du trou 8 au cube. Ainsi, si le rayon du trou augmente, l'intensité 10 d'un courant de polarisation s'écoulant dans le trou augmente. En conséquence, il est préférable que le trou 8 ait le plus petit rayon possible et, afin d'empêcher la polarisation, le trou 8 est rendu hermétique en utilisant le Téflon 11.

Ensuite, si l'on se réfère à la figure 6A, dans le microscope à champ proche selon un second mode de réalisation de la présente invention, une sonde 22 est introduite dans un résonateur en guide d'onde 20 et une partie de sonde 22a à l'intérieur du résonateur en 20 guide d'onde 20 est en forme de boucle. Dans le microscope à champ proche selon le second mode de réalisation de la présente invention, seules la structure du résonateur en guide d'onde 20 et la sonde 22 diffèrent de celles du microscope à champ proche 25 selon le premier mode de réalisation de la présente invention. En conséquence, la structure du microscope à champ proche de la figure 3 peut également être appliquée au microscope à champ proche selon le second mode de réalisation de la présente invention.

Selon la loi de Faraday, une force électromotrice est générée dans la sonde 22 en faisant varier une composante Hx de champ magnétique qui passe à travers la partie de sonde 22a en forme de boucle. Le champ 5 magnétique doit traverser, dans le sens vertical, la partie de sonde 22a en forme de boucle de telle sorte que la force électromotrice maximale soit générée dans la partie de sonde 22a en forme de boucle. Etant donné que le champ magnétique est perpendiculaire à direction 10 de progression de l'onde, il est préférable que la partie de sonde 22a soit disposée parallèlement à la direction de progression de l'onde de telle sorte que la force électromotrice maximale soit générée dans la partie de sonde 22a. Une position à laquelle la force 15 électromotrice maximale V est générée dans la partie de sonde 22a en forme de boucle peut être obtenue à partir de l'équation 13.

V = -payH [2cos2{-'-- (z1 + z1)}sin-{--(zf -zf)}] (13) 9 2 d 2 d Dans l'équation 13, Ho est une valeur maximale 20 d'un champ magnétique traversant la partie de sonde en forme de boucle 22a et p est une valeur selon p dans un mode TE1op. De plus, si l'on se réfère à la figure 6B, zi est la position d'une extrémité avant de la partie de sonde en boucle 22a, et zf est la position d'une 25 extrémité arrière de la partie de sonde 22a et, enfin, d est la longueur du résonateur en guide d'onde 20.

Selon l'équation 13, lorsque la partie de sonde en boucle 22a est disposée dans une position qui satisfait zf = 3d/2p, zi = d/2p, un courant maximal est généré 30 dans la sonde 22. Dans ce cas, une sensibilité maximale est obtenue. Par exemple, lorsque p est 2, la position de la partie de sonde en boucle 22a à laquelle la force électromotrice maximale est générée, satisfait Zf = 3d/4, zi = d/4. De plus, lorsque la position de l'extrémité 5 avant zi de la partie de sonde en boucle 22a et la position de l'extrémité arrière zf de la partie de sonde en boucle 22a sont modifiées, la superficie de la partie de sonde en boucle 22a varie.

Comme décrit plus haut, la sensibilité varie selon 10 la position à laquelle la sonde 22 est introduite dans le résonateur en guide d'onde 20. Ainsi, il est préférable que la position de la sonde 22 puisse être ajustée. Pour cela, comme représenté sur la figure 6A, une fente 25 est formée dans le résonateur en guide 15 d'onde 20 et la sonde 22 est introduite dans la fente 25. La sonde 22 peut être déplacée le long de la fente 25, permettant ainsi d'ajuster la position de la sonde 22. De cette manière, la sonde 22 peut facilement être ajustée dans la position à laquelle la force 20 électromotrice maximale est générée dans la sonde 22.

En d'autres termes, lorsqu'il existe plusieurs modes, la position à laquelle la force électromotrice maximale est générée peut être modifiée selon une valeur de p dans le mode TE1op et peut être influencée par 25 l'environnement (t empérature, humidité, etc.). Ainsi, la position à laquelle la force électromotrice maximale est générée peut varier. La position à laquelle la force électromotrice maximale est générée est recherchée en déplaçant la sonde 22 le long de la fente 30 25 de telle sorte que les caractéristiques d'un échantillon puissent être mesurées dans une variété de modes en utilisant un seul résonateur en guide d'onde 20.

Par ailleurs, la superficie de la partie de sonde en boucle 22a est ajustée de manière à obtenir la 5 sensibilité maximale. Au fur et à mesure que la superficie de la partie de sonde en boucle 22a augmente, un flux magnétique qui traverse la boucle est accru et la force électromotrice est accrue. Plusieurs modes TE sont générés dans le résonateur en guide d'onde 20 et 10 la superficie de la partie de sonde en boucle 22a est ajustée de manière à obtenir la sensibilité maximale.

Ainsi, des caractéristiques physiques diverses de l'échantillon sont représentées en image de différentes façons selon une variété de modes.

Comme représenté sur la figure 6B, la sonde 22 peut être une sonde électrique avec une partie 22b à l'extérieur du résonateur en guide d'onde 20 qui a une forme linéaire. En variante, comme représenté sur la figure 7, la sonde 22 peut être une sonde magnétique 20 22' dont la partie de sonde 22'b à l'extérieur du résonateur en guide d'onde 20 est une boucle. Dans ce cas, la partie de sonde 22'a à l'intérieur du résonateur en guide d'onde 20 est également une boucle.

Par ailleurs, la résistance d'entrée appliquée à 25 un courant s'écoulant à travers une sonde varie en fonction du type de matériau utilisé pour les sondes 22 et 22' et, de ce fait, les caractéristiques d'un échantillon sont différentes dans chaque mode. Par exemple, la résistance d'entrée varie selon qu'un 30 matériau utilisé pour la sonde est une substance magnétique, un matériau diélectrique ou un conducteur.

Il est préférable, par exemple, qu'une sonde métallique soit formée à base d'acier présentant une bonne conductivité.

Nous allons décrire ci-après un procédé pour 5 mesurer les caractéristiques optiques d'un échantillon utilisant le microscope à champ proche selon le premier mode de réalisation de la présente invention. Cette description peut également s'appliquer au microscope à champ proche selon le second mode de réalisation de la 10 présente invention.

Si l'on se réfère à figure 3, une onde émise par une source d'ondes 3 est transmise à travers le résonateur en guide d'onde 5 via un isolateur 4. L'onde est transmise à l'échantillon 10 à travers la sonde 7, 15 et la résistance d'entrée et la fréquence de résonance varient du fait des interactions entre l'onde et l'échantillon 10. Les variations dans la résistance d'entrée et celles de la fréquence de résonance sont mesurées de manière à pouvoir mesurer les 20 caractéristiques de l'échantillon.

Afin d'obtenir une image en trois dimensions de l'échantillon 10, l'échantillon 10 est placé sur un support 2 qui peut être entraîné par un ordinateur (non représenté) ayant un pouvoir de résolution de 100 nm. 25 Le support 2 est connecté à l'ordinateur via une interface et est ajusté automatiquement. Le support 2 est déplacé et l'échantillon 10 est balayé sous la sonde 7 de sorte à obtenir l'image en trois dimensions de l'échantillon.

La variation de la fréquence de résonance dans les régions de micro-ondes et d'ondes millimétriques provoquée par une interaction entre la sonde 7 et l'échantillon 10 est détectée par un détecteur à diode 12. Un signal qui est modulé en KHz (de l'ordre de quelques KHz) par un multimètre numérique 13 est 5 amplifié par un amplificateur synchrone 14.

L'amplificateur synchrone 14 réduit au minimum le bruit en améliorant le rapport signal-bruit dans la source d'ondes 3 et dans le résonateur en guide d'onde 5. Le signal amplifié est traité par un ordinateur 15 et 10 l'échantillon 10 est représenté en image.

Par ailleurs, la résistance d'entrée entre la source d'ondes 3 et le résonateur en guide d'onde 5 peut être modulée en utilisant un modulateur à diode PIN 6.

En outre, afin d'augmenter le degré de combinaison d'un champ électromagnétique excité par le résonateur en guide d'onde 4, la longueur du résonateur en guide d'onde 5 est ajustée en utilisant le syntoniseur 9. En particulier, lorsque la longueur d'onde de l'onde émise 20 par la source d'ondes 3 est A, il est préférable que la longueur du résonateur en guide d'onde 5 soit ajustée de X/4. Ceci vient du fait qu'une onde normale est générée dans le résonateur en guide d'onde 5 et qu'il se produit une résonance. Lorsque l'onde normale est 25 générée dans le résonateur en guide d'onde 5 par ajustement de la longueur du résonateur en guide d'onde 5, une interférence renforcée maximale se produit et, de ce fait, une énergie maximale est générée. Comme décrit plus haut, dans le microscope à champ 30 proche selon la

présente invention, une sonde électrique ou une sonde magnétique est introduite dans un résonateur en guide d'onde de telle sorte que les caractéristiques optiques d'un échantillon soient mesurées avec une haute résolution et une sensibilité élevée.

En outre, une variation de la résistance d'entrée et de la fréquence de résonance est mesurée par une interaction entre une onde transférée à travers la sonde introduite dans le résonateur en guide d'onde et l'échantillon de telle sorte que les caractéristiques 10 optiques de l'échantillon puissent être mesurées. De cette manière, une image en champ proche d'une bande micro-ondes à une bande d'ondes millimétriques est obtenue en utilisant la sonde introduite dans le résonateur en guide d'onde et le pouvoir de résolution 15 est amélioré. De plus, en utilisant le résonateur en guide d'onde et la sonde, le volume du microscope à champ proche est réduit au minimum et les propriétés électromagnétiques de l'échantillon sont étudiées en utilisant des ondes TE et TM. De plus, la profondeur 20 d'introduction de la sonde dans le résonateur en guide d'onde varie, permettant ainsi d'ajuster la fréquence de résonance, et accroissant aussi la plage d'une fréquence de fonctionnement et le nombre de champs applicables pour le microscope.

En outre, une partie de la sonde introduite dans le résonateur en guide d'onde est en forme de boucle de telle sorte qu'une sensibilité maximale est obtenue selon la superficie et la position de la boucle et qu'une image en champ proche éventuelle est obtenue 30 pour chaque mode. 2 6

Alors que cette invention a été illustrée et décrite, en particulier, en faisant référence à ses modes de réalisation préférés, l'homme du métier comprendra que différentes modifications dans la forme 5 et les détails peuvent être apportées sans s 'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention tels que

définis dans les revendications annexées.

REVENDICATIONS

1. Microscope à champ proche caractérisé en ce qu'il comprend: une source d'ondes (3), qui émet une onde avec une fréquence variable; un résonateur en guide d'onde (5, 20) à travers lequel se propage l'onde émise par la source d'ondes (3) ; une sonde (7, 22), qui perce une paroi extérieure du résonateur en guide d'onde (5, 20) et par laquelle 10 l'onde qui se propage à travers le résonateur en guide d'onde (5, 20), interagit avec un échantillon (10) ; et un détecteur (12, 14), qui détecte l'onde qui a interagi avec l'échantillon (10).

2. Microscope à champ proche selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un syntoniseur (9) , qui est connecté de façon mobile à une extrémité du résonateur en guide d'onde (5, 20) et ajuste une longueur du résonateur en guide 20 d'onde (5, 20).

3. Microscope à champ proche selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie de la sonde (7, 22) à l'intérieur du résonateur en guide 25 d'onde (5, 20) a une forme linéaire.

4. Microscope à champ proche selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie de la sonde (7, 22) à l'intérieur du résonateur en guide d'onde (5, 20) a une forme en boucle.

5. Microscope à champ proche selon l'une 5 quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une partie de sonde (7, 22) à l'extérieur du résonateur en guide d'onde (5, 20) a une forme linéaire ou une forme en boucle.

6. Microscope à champ proche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la sonde (7, 22) est formée d'un métal, d'un matériau diélectrique ou d'une substance magnétique.

7. Microscope à champ proche selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque Ho est une valeur maximale d'un champ magnétique perçant la partie de la sonde (7, 22) à l'intérieur du résonateur en guide d'onde (5, 20), p est une valeur selon p dans 20 un mode TE1op, zi est une position d'une extrémité avant de la partie de la sonde (7, 22) à l'intérieur du résonateur en guide d'onde (5, 20), Zf est la position de l'extrémité arrière de la partie de la sonde (7, 22) à l'intérieur du résonateur en guide d'onde (5, 20), et 25 d est une longueur du résonateur en guide d'onde (5, 20), une grandeur d'une force électromotrice générée dans la sonde (7, 22) est donnée par: V - o j ay [2cos-{-P- (zf + zi)}sin2{pz (zf - z)}].
9 2 d 2 d 8. Microscope à champ proche selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sonde (7, 22) est placée dans une position qui satisfait Zf = 3d/2p, zi = d/2p.

9. Microscope à champ proche selon l'une quelconque des revendications 5, 7 et 8, caractérisé en ce qu'une fente (25) est formée dans le résonateur en guide d'onde (5, 20), et la sonde (7, 22) est 10 déplaçable le long de la fente.

10. Microscope à champ proche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, lorsqu'une largeur d'une section transversale du 15 résonateur en guide d'onde (5, 20) est a, une hauteur du résonateur en guide d'onde (5, 20) est b, et m et n sont des nombres entiers, une fréquence de coupure fcmn du résonateur en guide d'onde (5, 20) est donnée par: = 1 | mz 2 n 72 22zi#ú Va b et une onde ayant une fréquence supérieure à la fréquence de coupure est utilisée.

11. Microscope à champ proche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 25 que, lorsqu'une fréquence de résonance et un volume préalablement à l'introduction de la sonde (7, 22) dans le résonateur en guide d'onde (5, 20) sont f0 et vo0, respectivement, et un changement de volume de la sonde (7, 22) après l'introduction de la sonde (7, 22) dans le résonateur en guide d'onde (5, 20) est Av, un changement de fréquence de résonance f du résonateur en guide d'onde (5, 20) est donné par f -f0 2Av fo 0o 12. Microscope à champ proche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la sonde (7, 22) est une sonde (7, 22) hybride fabriquée en effectuant une gravure partielle en deux étapes.

13. Microscope à champ proche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un amplificateur synchrone (14), qui réduit au minimum le bruit en améliorant un rapport 15 signalbruit entre la source d'ondes (3) et le résonateur en guide d'onde (5, 20) .

14. Microscope à champ proche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 20 que la source d'ondes (3) émet des micro-ondes ou des ondes millimétriques.

15. Microscope à champ proche selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lorsqu'une 25 longueur d'onde de l'onde émise par la source d'ondes (3) est A, la longueur du résonateur en guide d'onde (5, 20) varie par incréments de X/4.

16. Microscope à champ proche selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie de sonde (7, 22) en forme de boucle est disposée parallèlement à la direction de progression de l'onde.