FR2869695A1 - Microscope a micro-ondes a balayage en champ proche utilisant un resonateur dielectrique - Google Patents
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Abstract
Il s'agit d'un microscope en champ proche comprenant une source d'ondes (20), un résonateur diélectrique (50), une sonde (60), une unité d'ajustement de distance et un détecteur (30). Le résonateur diélectrique (50) propage l'onde à partir de la source d'ondes, et une fréquence de résonance, une impédance, un facteur Q et un mode d'onde électromagnétique de l'onde sont librement ajustables. La sonde balaie l'onde sortie du résonateur diélectrique (50) sur un échantillon (80). L'unité d'ajustement de distance mesure une distance entre la sonde et l'échantillon (80) et maintient la distance à une valeur prédéterminée. Le détecteur détecte une onde qui se propage à travers la sonde, interagit avec l'échantillon (80), puis se propage à travers la sonde et le résonateur diélectrique (50).
Description
MICROSCOPE A MICRO-ONDES A BALAYAGE EN CHAMP PROCHE
UTILISANT UN RESONATEUR DIELECTRIQUE
Contexte de l'invention Domaine de l'invention La présente invention concerne un microscope à micro-ondes à balayage en champ proche et, plus particulièrement, un microscope à micro-ondes à balayage en champ proche, qui peut minimiser la mauvaise influence de la température ou des environnements externes sur lui-même et accroître sa sensibilité et sa résolution en connectant une sonde à un résonateur diélectrique.
Description de l'art connexe
Un microscope optique destiné à mesurer la forme d'un échantillon nanométrique a une résolution limitée en raison d'une limite de diffraction du fait qu'il observe la forme d'un objet en utilisant de la lumière.
A savoir, un objet ayant une taille plus petite que la moitié d'une longueur d'onde de lumière ne peut pas être optiquement mesuré en raison de la limite de diffraction. En conséquence, il a été développé un microscope à micro-ondes à balayage en champ proche qui peut surmonter la limite de diffraction et mesurer ainsi une caractéristique optique d'un objet ayant une taille beaucoup plus petite qu'une longueur d'onde de lumière. Dans le microscope à micro- ondes à balayage en champ proche, de la lumière étant passée à travers une ouverture microscopique plus petite qu'une longueur d'onde de lumière est balayée sur un échantillon espacé de l'ouverture d'une distance égale ou plus petite à un diamètre de l'ouverture, moyennant quoi la limite de diffraction peut être surmontée du fait qu'un champ proche espacé d'une surface de l'échantillon d'une distance plus petite qu'une longueur d'onde de lumière n'est pas diffracté.
Une étude concernant un microscope sans contact ou non destructeur utilisant un effet évanescent ou de champ proche a été introduit comme domaine d'une étude de surface après qu'un microscope à effet tunnel (STM) et qu'un microscope à force atomique (AFM) ont été réalisés. En raison du développement de la technologie du microscope optique, la mesure d'une caractéristique d'un échantillon par le procédé optique existant a été converti d'une vue macroscopique en une vue microscopique. En conséquence, il a été mis en lumière un procédé de mesure d'une caractéristique microscopique d'un échantillon comme nouveau domaine d'étude. Dans le même temps, avec l'intégration de divers composants électroniques, on est en train de mettre en lumière une étude concernant une caractéristique physique d'une structure fine comme projet important. Spécifiquement, le développement d'un nouvel équipement de mesure capable de surmonter une limite de diffraction devient essentiel pour comprendre et mesurer une caractéristique physique d'une structure fine.
Un microscope utilisant un effet de champ proche a été développé comme moyen pour surmonter la limite de diffraction. Spécifiquement, avec l'intégration des composants de communication, le développement d'un microscope en champ proche dans une région d'onde de l'ordre du millimètre ou une région de micro-ondes a été requis en vue d'une étude sur une caractéristique optique d'une structure fine d'un dispositif intégré.
Une expérience concernant un champ proche utilisant une micro-onde a tout d'abord été exécuté par Ash et Nicholls, et un microscope à micro-ondes en champ proche a été développé en continu et est appliqué à présent à divers domaines techniques. Des exemples de procédés d'obtention d'une image micro-ondes en champ proche comprennent un procédé utilisant un résonateur à câble coaxial, un procédé utilisant un résonateur en ligne ruban, et un procédé utilisant une fente de guide d'ondes.
La figure 1 illustre un microscope optique en champ proche classique utilisant un résonateur à câble coaxial, qui est décrit dans APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 75, NUMBER 20 .
Dans le microscope optique en champ proche ci-dessus, une onde sortie d'une source de micro-ondes 100 se propage à travers un résonateur à câble coaxial 103, et est transmise à travers une sonde formée au niveau d'une partie d'extrémité du résonateur 103 vers un échantillon 107 dont la caractéristique optique a besoin d'être mesurée. Une onde sortie de la sonde 105 interagit avec l'échantillon 107, puis est de nouveau envoyée à travers la sonde 105 au résonateur 103. Une micro-onde déformée par une interaction avec l'échantillon 107 est détectée par un détecteur 110. De cette manière, les caractéristiques microscopiques et optiques de l'échantillon 107 peuvent être mesurées. Ici, une référence numérique 102 représente un coupleur directionnel.
Toutefois, lorsque le résonateur à câble coaxial 103 est utilisé dans le microscope, seule une expérience dans une bande de micro-ondes peut être effectuée en raison d'une fréquence de coupure induite par une structure du câble coaxial. En conséquence, une fréquence de résonance du microscope en champ proche doit être limitée à une fréquence spécifique de la bande de micro-ondes, moyennant quoi une limite existe dans l'obtention de la sensibilité maximale. De même, puisque le résonateur à câble coaxial est constitué de deux conducteurs, à savoir des conducteurs cylindriques interne et externe, seule une expérience utilisant une onde TEM (magnétique et électrique transversale) peut être effectuée. En conséquence, divers modes d'onde destinés à mesurer diverses caractéristiques optiques de l'échantillon ne peuvent pas être utilisés dans le microscope ci-dessus. A savoir, puisqu'il existe un mode spécifique dans lequel une caractéristique optique d'un échantillon spécifique est bien mesurée et puisque le câble coaxial ne peut utiliser qu'un mode TEM, le microscope en champ proche utilisant le résonateur à câble coaxial ne peut mesurer que des types limités d'échantillons.
De même, puisque le résonateur à câble coaxial 103 utilise une fréquence d'une bande de micro-ondes ayant une longueur d'onde relativement longue, sa longueur devient inévitablement plus longue. A savoir, le résonateur à câble coaxial 13 a inévitablement une longueur d'environ 2 m. En conséquence, un microscope optique en champ proche utilisant un résonateur à câble coaxial a un très grand volume et est ainsi inapproprié pour une commercialisation.
Comme autre microscope en champ proche classique, il existe un microscope utilisant une fente de guide d'ondes.
La figure 2 illustre un microscope en champ proche classique utilisant une fente de guide d'ondes, qui est décrit dans APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 77, NUMBER 1 . Dans le microscope montré sur la figure 2, une fente 115 est formée à une extrémité d'un guide d'ondes 113, un substrat 120 est disposé sous la fente 115, un échantillon 117 est disposé sur le substrat 120, et de la lumière est irradiée à partir d'une source de lumière 122 positionnée sous le substrat 120. Ici, une référence numérique 123 représente un masque perforé.
Dans la structure ci-dessus, de la lumière irradiée à partir de la fente 115 interagit avec l'échantillon 117, puis est entrée à travers la fente 115 vers le guide d'ondes 113. Une micro-onde déformée par une interaction avec l'échantillon 117 est détectée par un détecteur, moyennant quoi la forme et la caractéristique de l'échantillon 117 peuvent être mesurées. Toutefois, le microscope en champ proche classique utilisant une fente de guide d'ondes présente des inconvénients du fait qu'une perte de lumière est accrue et sa résolution est dégradée du fait que la lumière ayant passé à travers la fente 115 se disperse.
Même un microscope en champ proche classique utilisant une structure de guide d'ondes améliorée est sensible à des environnements externes, a un grand volume, ne peut pas être facilement assemblé et ne peut pas mesurer divers modes d'onde et divers échantillons du fait qu'un dispositif destiné à ajuster une distance entre un échantillon et une extrémité d'une sonde n'est pas facilement installé.
Résumé de l'invention La présente invention propose un microscope en champ proche utilisant un résonateur diélectrique, qui rend possible de minimiser les mauvaises influences des environnements externes, et d'accroître sa sensibilité, sa résolution et sa fonction en ajustant la distance entre un échantillon et un sommet d'une sonde.
La présente invention propose également un microscope en champ proche utilisant un résonateur diélectrique, qui rend possible d'étendre la gamme d'échantillons pouvant être observés en concevant de manière optimale la forme de la pointe dans un résonateur diélectrique, et d'ajuster une fréquence en installant une vis d'accord sur le résonateur.
La présente invention propose également un microscope en champ proche utilisant un résonateur diélectrique, qui rend possible de minimiser son volume, d'ajuster facilement la distance entre une sonde et un échantillon en utilisant la sonde et un diapason et d'observer l'échantillon dans diverses directions.
Selon un aspect de la présente invention, il est proposé un microscope en champ proche comprenant: une source d'ondes générant une onde, une fréquence de l'onde étant ajustable par la source d'ondes; un résonateur diélectrique propageant l'onde provenant de la source d'ondes, une fréquence de résonance, une impédance, un facteur Q et un mode d'onde électromagnétique de celui-ci étant librement ajustables; une sonde balayant l'onde sortie du résonateur diélectrique sur un échantillon; une unité d'ajustement de distance mesurant une distance entre la sonde et l'échantillon et maintenant la distance à une valeur prédéterminée; et un détecteur détectant une onde qui se propage à travers la sonde, interagit avec l'échantillon puis se propage à travers la sonde et le résonateur diélectrique.
Le microscope en champ proche peut comprendre en outre une unité de déplacement déplaçant une position relative entre l'échantillon et le résonateur diélectrique.
La source d'ondes peut générer une onde ayant une 20 fréquence spécifique, ou peut générer un spectre d'ondes ayant plusieurs fréquences.
Le résonateur diélectrique peut comprendre: un diélectrique; un résonateur métallique entourant le diélectrique, le résonateur métallique étant espacé du diélectrique d'un intervalle prédéterminé ; une ligne d'entrée fournissant l'onde générée par la source d'ondes au résonateur diélectrique; et une ligne de sortie fournissant l'onde qui interagit avec l'échantillon, puis se propage à travers la sonde dans le résonateur diélectrique, vers le détecteur.
La ligne d'entrée et la ligne de sortie peuvent être installées pour pénétrer le résonateur métallique, et une partie d'extrémité de la ligne d'entrée et une partie d'extrémité de la ligne de sortie sont positionnées entre le diélectrique et une paroi interne du résonateur métallique de façon à être en regard du diélectrique. Ici, la partie d'extrémité de la ligne d'entrée et la partie d'extrémité de la ligne de sortie peuvent chacune être de type ligne droite ou peuvent être courbées selon un angle pour former une bouche de couplage. A cet instant, la fréquence de résonance, l'impédance, le facteur Q et le mode d'onde électromagnétique peuvent être ajustés en faisant tourner une première boucle de couplage formée au niveau de la partie d'extrémité de la ligne d'entrée et une seconde boucle de couplage formée au niveau de la partie d'extrémité de la ligne de sortie.
Le microscope en champ proche peut comprendre en outre une unité d'accord ajustant minutieusement la fréquence de résonance et l'impédance du résonateur diélectrique. Ici, l'unité d'accord peut être une vis installée pour pénétrer le résonateur métallique et être en regard du diélectrique. Ici, la vis peut ajuster la fréquence de résonance, l'impédance, le facteur Q et le mode d'onde électromagnétique par ajustement de sa profondeur d'insertion dans le résonateur diélectrique.
L'impédance peut être ajustée pour être maintenue à 50 S. La sonde peut être installée de telle manière qu'une partie d'extrémité de celle-ci est en regard de l'échantillon et une autre partie d'extrémité de celle-ci pénètre le résonateur métallique et est en regard du diélectrique. A cet instant, l'autre partie d'extrémité de la sonde peut être de type ligne droite ou peut être courbée selon un angle pour former une boucle de couplage. La sonde peut être une sonde à pointe hybride fabriquée pour avoir une partie de corps de diamètre constant et une partie de sommet s'effilant rapidement. Ici, la sonde peut être faite d'au moins l'un parmi un matériau métallique, un matériau diélectrique et un matériau magnétique.
L'unité d'ajustement de distance peut comprendre: un diapason sur une surface duquel la sonde est attachée; et un amplificateur synchrone appliquant une tension alternative au diapason et mesurant une valeur d'un courant de sortie provenant du diapason, la tension alternative ayant une fréquence correspondant à une fréquence de résonance du diapason. A cet instant, la distance entre la sonde et l'échantillon peut être mesurée en utilisant la valeur du courant de sortie et une table de conversion dans laquelle une relation entre la distance et la valeur du courant de sortie est pré mémorisée. De même, la distance peut être ajustée à une valeur souhaitée en ajustant la valeur du courant de sortie à une valeur de référence par une rétroaction entre la distance et la valeur du courant de sortie.
Le détecteur peut comprendre: un wattmètre mesurant l'intensité de l'onde qui interagit avec l'échantillon, puis se propage à travers la sonde et le résonateur diélectrique; et un analyseur de spectre mesurant une fréquence de l'onde qui interagit avec l'échantillon, puis se propage à travers la sonde et le résonateur diélectrique. A cet instant, le détecteur peut comprendre en outre un analyseur de réseau mesurant une perte d'insertion et un état d'adaptation du résonateur diélectrique.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faites en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un diagramme illustrant un microscope en champ proche classique utilisant un câble coaxial; la figure 2 est un diagramme schématique illustrant un microscope en champ proche classique utilisant un guide d'ondes comportant une fente formée à une première extrémité de celui-ci; la figure 3 est un schéma de principe schématique 20 d'un microscope en champ proche utilisant un résonateur diélectrique selon la présente invention; les figures 4A à 4C illustrent une structure d'un résonateur diélectrique utilisé dans le microscope en champ proche montré sur la figure 3; les figures 5A à 5D illustrent respectivement une vue en perspective, un graphique de réponse en fréquence et des diagrammes de distribution de champ électrique/magnétique d'un résonateur diélectrique auquel une boucle de couplage est horizontalement couplée; les figures 6A à 6D illustrent respectivement une vue en perspective, un graphique de réponse en fréquence et des diagrammes de distribution de champ électrique/magnétique d'un résonateur diélectrique auquel une boucle de couplage est verticalement couplée; les figures 7A à 7F illustrent respectivement une vue en perspective, un graphique de réponse en fréquence et des diagrammes de distribution de champ électrique/magnétique d'un résonateur diélectrique auquel une boucle de couplage est couplée à 45 en diagonale; les figures 8A à 8C illustrent respectivement des graphiques de réponse en fréquence d'un résonateur diélectrique auquel une boucle de couplage est couplée horizontalement, verticalement, ou à 45 en diagonale; la figure 9A illustre une distance L entre une vis d'accord et un diélectrique; la figure 9B est un graphique illustrant un changement de fréquence de résonance ou d'un facteur Q d'un résonateur diélectrique selon un changement de distance L entre une vis d'accord et un diélectrique; la figure 10A est une abaque de Smith sur laquelle l'impédance d'un résonateur diélectrique est ajustée à 50 S2 en utilisant une vis d'accord lorsque aucun échantillon n'est présent; la figure 10B est une abaque de Smith sur laquelle une sonde est approchée d'un échantillon; la figure 10C est une abaque de Smith sur laquelle 30 l'impédance d'un résonateur diélectrique est réajustée à 50 S2; la figure 10D est un graphique illustrant des changements des fréquences de résonance correspondant aux figures 10A à 10C; la figure 11 est un diagramme illustrant une 5 interaction entre un échantillon et le sommet d'une sonde; les figures 12A à 12F illustrent la sensibilité et la résolution spatiale d'un microscope à micro-ondes à balayage en champ proche selon la forme d'une sonde; la figure 13 illustre une unité d'ajustement de distance destinée à ajuster une distance entre une sonde et un échantillon selon la présente invention; la figure 14 est un graphique illustrant une caractéristique de résonance d'un courant de sortie provenant d'un diapason sur lequel une sonde est attachée, par rapport à une fréquence d'un courant d'entrée au diapason; la figure 15 est un graphique illustrant les caractéristiques de résonance d'un diapason lorsqu'une sonde est progressivement approchée de la surface d'un échantillon par pas de 20 nanomètres; la figure 16 est une courbe d'approche sur laquelle une sonde est progressivement approchée d'un échantillon d'un intervalle, un diapason étant mis en vibration avec une fréquence de résonance; la figure 17A est une image optique d'un échantillon, et la figure 17B est une image bidimensionnelle de l'échantillon, qui est obtenue par un microscope à micro-ondes à balayage en champ proche selon la présente invention; et la figure 17C est une vue en coupe de l'échantillon pris suivant la ligne a-a' de la figure 17A, et la figure 17D est une vue en coupe de l'échantillon pris suivant la ligne b-b' de la figure 17A.
Description détaillée de l'invention
La présente invention sera à présent décrite plus pleinement en référence aux dessins annexés, dans lesquels des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple sont montrés.
La figure 3 est un schéma de principe d'un microscope en champ proche utilisant un résonateur diélectrique selon un mode de réalisation de la présente invention.
En se référant à la figure 3, le microscope en champ proche inventif comprend une unité centrale 10, une source d'ondes 20, un détecteur 30, une unité de déplacement de résonateur diélectrique 40, un résonateur diélectrique 50, une sonde 60 et une unité de traitement d'image 70.
Comme précité, le microscope en champ proche classique utilisant un résonateur à câble coaxial présente un problème qui est que des échantillons pouvant être observés sont limités en type ou portée, du fait qu'il ne peut utiliser qu'un mode TEM. De même, le microscope en champ proche classique utilisant une fente de guide d'ondes présente un problème qui est que sa résolution est dégradée. En conséquence, le microscope en champ proche inventif utilise un résonateur diélectrique pour résoudre les problèmes ci-dessus de l'art classique.
Les figures 4A à 4C illustrent une structure du résonateur diélectrique 50 utilisé dans le microscope 5 en champ proche montré sur la figure 3.
La figure 4A est une vue en perspective du résonateur diélectrique 50 selon un mode de réalisation de la présente invention.
En se référant à la figure 4A, le résonateur diélectrique 50 comprend un diélectrique 57, un résonateur métallique 51 entourant le diélectrique 57, une ligne d'entrée 54 destinée à fournir une onde générée par la source d'ondes à l'intérieur du résonateur diélectrique 50, une ligne de sortie 56 destinée à transmettre une onde, qui interagit avec l'échantillon 80, puis se propage à travers la sonde 60 dans le résonateur diélectrique 50, vers le détecteur 30 et un vis d'accord 52 installée pour pénétrer une surface supérieure du résonateur métallique 51 et être en regard d'une surface supérieure du diélectrique 57. Ici, le diélectrique 57 peut être tout type de diélectrique. Une cavité cylindrique interne 59 est formée dans le résonateur métallique 51 et le diélectrique 57 est disposé dans la cavité 59. Le résonateur métallique 51 est de préférence fait d'un métal hautement conducteur tel que l'argent (Ag), ou peut être constitué en revêtant un cadre métallique par de l'argent.
La figure 4B est une vue en coupe horizontale du 30 résonateur diélectrique 50 montré sur la figure 4A.
En se référant à la figure 4B, un diélectrique cylindrique 57 est fixé dans la cavité 59 du résonateur métallique 51. A cet instant, un intervalle prédéterminé doit être formé entre une paroi interne du résonateur métallique 51 et le diélectrique cylindrique 57 de sorte que des parties d'extrémité de la ligne d'entrée 54 et la ligne de sortie 56 et la sonde 60 peuvent être positionnées dans l'intervalle prédéterminé. Comme montré sur la figure 4B, la ligne d'entrée 54, la ligne de sortie 56 et la sonde 60 sont installées pour pénétrer le résonateur métallique 51, et leurs parties d'extrémité sont positionnées dans l'intervalle prédéterminé pour être en regard du diélectrique cylindrique 57. Ici, les parties d'extrémité peuvent être un type de ligne droite, ou être de préférence courbées selon un angle pour former une boucle de couplage de sorte qu'une caractéristique du résonateur diélectrique 50 peut être ajustée de manière appropriée en ajustant un angle relatif de la boucle de couplage.
La figure 4C est une vue en coupe verticale du résonateur diélectrique 50 montré sur la figure 4A.
En se référant à la figure 4C, la vis d'accord 52 pénètre une surface supérieure du résonateur métallique 51 et est installée pour être en regard d'une surface supérieure du diélectrique 57. Une caractéristique du résonateur diélectrique 50 peut également être ajustée de manière appropriée en ajustant un intervalle entre la vis d'accord 52 et le diélectrique 57.
Un champ électromagnétique dans le résonateur diélectrique 50 est changé selon des modes de résonance, et ainsi une caractéristique de transmission de puissance et une fréquence de résonance du résonateur diélectrique 50 sont également changées. En conséquence, il est important de classer les modes de la fréquence de résonance. A cette fin, une caractéristique du résonateur diélectrique 50 a été constatée par la simulation suivante. La simulation a été effectuée en utilisant un HFSS (simulateur de structure haute fréquence) de Ansoft. La simulation a été réalisée dans une gamme de 4 à 6 GHz par l'intermédiaire d'une solution de balayage en fréquence rapide de façon à constater un changement de la fréquence de résonance et du mode de résonance selon les angles relatifs de la boucle de couplage. Dans cette simulation, le diélectrique 57 a une constante diélectrique relative de 29, un diamètre de 14 mm et une hauteur de 5,8 mm. Les résultats de la simulation sont illustrés sur les figures 5 à 7.
Les figures 5A à 5D illustrent respectivement une vue en perspective, un graphique de réponse en fréquence et des diagrammes de distribution de champ électrique/magnétique d'un résonateur diélectrique auquel une boucle de couplage est horizontalement couplée.
Lorsque la boucle de couplage est horizontalement couplée au résonateur diélectrique 50 comme montré sur la figure 5A, une fréquence de résonance du résonateur diélectrique 50 vaut 4,5 GHz comme montré sur la figure 5B. La distribution de champ électrique et la distribution de champ magnétique dans le résonateur diélectrique 50 dans le cas où la fréquence de résonance vaut 4,5 GHz sont respectivement illustrées sur les figures 5C et 5D. On peut savoir à partir de la simulation HFSS que la fréquence de résonance du résonateur diélectrique 50 vaut 4,5 GHz et qu'un mode TE01 est excité lorsque la boucle de couplage est horizontalement couplée au résonateur diélectrique 50.
Les figures 6A à 6D illustrent respectivement une vue en perspective, un graphique de réponse en fréquence et des diagrammes de distribution de champ électrique/magnétique d'un résonateur diélectrique auquel une boucle de couplage est verticalement couplée.
Lorsque la boucle de couplage est verticalement couplée au résonateur diélectrique 50 comme montré sur la figure 6A, une fréquence de résonance du résonateur diélectrique 50 vaut 5,6 GHz comme montré sur la figure 6B. La distribution de champ électrique et la distribution de champ magnétique dans le résonateur diélectrique 50 dans le cas où la fréquence de résonance vaut 5,6 GHz sont respectivement illustrées sur les figures 6C et 6D. On peut savoir à partir de la simulation HFSS que la fréquence de résonance du résonateur diélectrique 50 vaut 5,6 GHz et qu'un mode TM01 est excité lorsque la boucle de couplage est verticalement couplée au résonateur diélectrique 50.
Les figures 7A à 7F illustrent respectivement une vue en perspective, un graphique de réponse en fréquence et des diagrammes de distribution de champ électrique/magnétique d'un résonateur diélectrique auquel une boucle de couplage est couplée à 45 en diagonale.
Lorsque la boucle de couplage est couplée à 45 en diagonale au résonateur diélectrique 50 comme montré sur la figure 7A, le résonateur diélectrique 50 résonne à 4,5 GHz et à 5,6 GHz comme montré sur la figure 7B.
La distribution de champ électrique et la distribution de champ magnétique dans le résonateur diélectrique 50 dans le cas où la fréquence de résonance vaut 4,5 GHz sont respectivement illustrées sur les figures 7C et 7D, et la distribution de champ électrique et la distribution de champ magnétique dans le résonateur diélectrique 50 dans le cas où la fréquence de résonance vaut 5,6 GHz sont respectivement illustrées sur les figures 7E et 7F. On peut savoir à partir des figures 7C et 7F qu'un mode TE01 est excité dans le cas où la fréquence de résonance vaut 4,5 GHz et qu'un mode TM01 est excité dans le cas où la fréquence de résonance vaut 5,6 GHz.
Comme on le sait à partir de la simulation précédente, un mode TE et un mode TM peuvent être sélectivement excités selon les angles relatifs de la boucle de couplage. Ceci provient du fait qu'un mode spécifique est fortement ou faiblement excité en raison de changements de flux électriques et magnétiques croisant une section de la boucle de couplage selon les angles relatifs de la boucle de couplage. En conséquence, contrairement au microscope en champ proche classique, le microscope en champ proche inventif rend possible de sélectionner un mode souhaité, augmentant ainsi le type et la portée des échantillons pouvant être observés.
Pour identifier le résultat de la simulation ci-dessus, on a effectué une expérience utilisant un résonateur diélectrique fait de Ba(ZrTa)03 ayant une constante diélectrique relative de 29. Dans l'expérience, le résonateur diélectrique est fabriqué pour avoir un diamètre interne de 2 mm, un diamètre externe de 14 mm et une hauteur de 5,8 mm, et le résonateur métallique entourant le résonateur diélectrique est fabriqué pour avoir un rayon de 32 mm et une hauteur de 14 mm. Le résultat de l'expérience est illustré sur la figure 8. La figure 8A illustre un graphique de réponse en fréquence du résonateur diélectrique auquel la boucle de couplage est horizontalement couplée. Lorsque la boucle decouplage est horizontalement couplée au résonateur diélectrique, un mode TE01 a une fréquence de résonance de 4,5 GHz comme montré sur la figure 8A, qui est presque identique à la fréquence de résonance dans la simulation HFSS. A cet instant, un facteur Q non en charge Qu du résonateur diélectrique à la fréquence résonance est de 24 000. Un facteur Q en charge QL du résonateur diélectrique peut être obtenu en prenant une largeur (Af) d'une courbe de fréquence 3dB au-dessous d'une fréquence de résonance obtenue par l'analyseur de réseau 32. Le facteur Q non en charge Qu du résonateur diélectrique peut être exprimé par l'équation 1 ci-dessous.
(1 _ 10 perte/20 [Equation 1] Qu = QL où perte est une perte d'insertion du résonateur.
Ici, la perte d'insertion peut être mesurée au niveau de l'analyseur de réseau tel qu'un Agilent 8753ES . De plus, les figures 8B et 8C illustrent respectivement des graphiques de réponse en fréquence du résonateur diélectrique auquel la boucle de couplage est couplée verticalement ou à 45 en diagonale.
Dans le même temps, comme précité, les caractéristiques du résonateur diélectrique 50 telles qu'une fréquence de résonance, un facteur Q et une impédance peuvent être ajustés en ajustant l'intervalle entre la vis d'accord 52 et le diélectrique 57.
La figure 9A illustre un intervalle L entre la vis d'accord et le diélectrique, et la figure 9B est un graphique illustrant un changement de fréquence de résonance ou d'un facteur Q du résonateur diélectrique selon un changement de distance L entre la vis d'accord et le diélectrique.
En se référant à la figure 9B, au fur et à mesure que la vis d'accord 52 est extraite du résonateur métallique 51, la fréquence de résonance est diminuée de 4,7 GHz à 4,6 GHz et le facteur Q est augmenté de 10 000 à 35 000. Ceci provient du fait que les champs électrique et magnétique emmagasinés dans le résonateur sont changés en raison d'un changement du volume interne du résonateur selon la théorie de perturbation lorsque la vis d'accord est extraite du résonateur. Spécifiquement, la fréquence de résonance est diminuée du fait que l'énergie du champ électrique est générée plus que l'énergie du champ magnétique, dans un espace généré lorsque la vis d'accord 52 est extraite du résonateur diélectrique 50.
En conséquence, la performance du microscope en champ proche inventif peut être optimisée en ajustant la caractéristique du résonateur diélectrique 50 plus minutieusement en utilisant la vis d'accord 52. En général, la performance d'un résonateur en champ proche dépend de la manière avec laquelle un circuit externe est couplé à un résonateur. Le circuit externe est couplé au résonateur à travers la boucle de couplage, et la performance du résonateur en champ proche est déterminée à partir d'une distance entre la boucle de couplage et le résonateur diélectrique et une section transversale de la boucle de couplage. Ceci provient du fait que la performance du résonateur en champ proche dépend de la quantité de flux électrique et magnétique croisant une section de la boucle de couplage. Ici, le résonateur doit être en accord avec le circuit externe en fréquence de résonance de façon à être capable de transmettre de manière maximale la puissance du circuit externe au résonateur. On rappelle que le résonateur est couplé de manière critique au circuit externe lorsque le résonateur est adapté avec le circuit externe.
Un coefficient de couplage entre le résonateur et une ligne de transmission doit valoir 1 de sorte que le résonateur peut être couplé de manière critique au circuit externe. Le coefficient de couplage peut être exprimé comme l'équation 2 ci-dessous.
[Equation 2] Zr K = Zp où Zo est l'impédance du résonateur et Zr est l'impédance de la ligne de transmission.
A savoir, l'impédance du résonateur doit être identique à celle de la ligne de transmission de sorte que le résonateur peut être couplé de manière critique au circuit externe. Dans le microscope en champ proche inventif, la ligne d'entrée 54, la ligne de sortie 56 et la sonde 60 correspondent à la ligne de transmission. En général, l'impédance de la ligne de transmission est établie à 50 S. En conséquence, le microscope en champ proche inventif a une performance optimale lorsque l'impédance Zr du résonateur diélectrique 50 est également de 50 Q. Lorsque l'impédance Zr du résonateur diélectrique 50 ne vaut pas 50 Q, la puissance ne peut pas être transmise de manière maximale du circuit externe au résonateur diélectrique 50 du fait qu'un signal est réfléchi entre le résonateur diélectrique 50 et la ligne de transmission.
Comme précité, la présente invention peut ajuster l'impédance du résonateur diélectrique 50 à 50 Q en utilisant la vis d'accord 52. A cet instant, afin de maintenir de manière optimale la performance du microscope en champ proche, l'impédance du résonateur diélectrique 50 doit être maintenue à 50 Q non seulement lorsque l'échantillon n'est pas présent mais également lorsque la sonde 60 approche de l'échantillon 80.
La figure 10A est une abaque de Smith sur laquelle l'impédance du résonateur diélectrique 50 est ajustée à Q en utilisant la vis d'accord 52 lorsque aucun échantillon n'est présent, et la figure 10B est une abaque de Smith sur laquelle la sonde 60 est approchée à une distance de 1 pm de l'échantillon 80. Comme montré sur les figures 10A et 10B, lorsque la sonde 60 est approchée de l'échantillon 80, la fréquence de résonance et le facteur Q sont tous diminués en raison d'une interaction entre la sonde 60 et l'échantillon 80. A cet instant, la fréquence de résonance devient 4,557 GHz, le facteur Q devient 980 et l'impédance du résonateur devient 70,2 Q. En conséquence, la caractéristique du résonateur a besoin d'être ajustée pour augmenter la sensibilité du résonateur.
La figure 10C est une abaque de Smith sur laquelle l'impédance du résonateur diélectrique est réajustée à Q en utilisant la vis d'accord 52. Comme montré sur la figure 10C, le facteur Q du résonateur peut être de nouveau augmenté à 22 000 en utilisant la vis d'accord 52. A cet instant, la fréquence de résonance est de 4,5208 GHz.
La figure 10D est un graphique caractéristique de fréquence de résonance correspondant aux abaques de Smith des figures 10A à 10C. Ici, les caractéristiques du résonateur diélectrique 50 telles que l'impédance et la fréquence de résonance, peuvent être mesurées en utilisant l'analyseur de réseau 32 du détecteur 30.
Dans le même temps, la sensibilité du microscope à micro-ondes à balayage en champ proche inventif est influencée non seulement par le facteur Q du résonateur mais également par la forme géométrique de la sonde 60. De même, la résolution spatiale du microscope en champ proche est directement influencée par un rayon de courbure d'une partie d'extrémité de la sonde 60. En conséquence, une recherche sur une sonde est essentielle pour accroître la sensibilité et la résolution spatiale du microscope en champ proche. En général, une interaction entre le sommet de la sonde 60 et l'échantillon 80 peut être connue à partir de la théorie des dipôles électriques.
La figure 11 est un diagramme illustrant une interaction entre l'échantillon et le sommet d'une sonde. Sur la figure 11, on suppose que le sommet de la sonde 60 et l'échantillon 80 sont respectivement des sphères ayant respectivement des rayons de as et as. Lorsque deux dipôles ont respectivement des polarisabilités de as et as en raison d'un champ électrique externe, la polarisabilité après perturbation due à un couplage dipôle-dipôle peut être exprimée comme l'équation 3 ci-dessous.
[Equation 3] da = Uaas R3 où R est une distance entre deux sphères de dipôle.
A cet instant, la polarisabilité peut être exprimée comme l'équation 4 cidessous.
[Equation 4] a1 = où i peut être a ou s , a indique le sommet de la sonde et s indique l'échantillon. Ici, l'intensité d'un champ électrique peut être exprimée comme l'équation 5 ci-dessous.
[Equation 5] Er +4Es 2 a [(aa +4a)+(as +4a)]2I EI2 ES 2 oc (aa + as)2 E 2 où ES + 4ES et E5 indiquent respectivement 10 les champs électriques après et avant la perturbation.
De même, un changement en fréquence de résonance peut être exprimé comme l'équation 6 en utilisant une différence entre l'énergie du champ électrique avant la perturbation et l'énergie du champ électrique après la 15 perturbation.
[Equation 6] Ace IEs+AEsI2 - f-EsI2 Ii s2 [ ( a+ A )+(as+ A aA 24 2-aa+as)2 EI 2 (aa+as)2[EI2 4Aa (aa+as) Ceci peut être résumé dans l'équation 7 ci- dessous. [Equation 7] R a a+a,s Comme on le sait à partir des équations, dans le microscope à micro-ondes à balayage en champ proche utilisant une interaction dipôle-dipôle, la résolution est accrue au fur et à mesure que le rayon de courbure du sommet de la sonde est diminuée. Toutefois, la A CO 4 Qaas sensibilité est accrue au fur et à mesure qu'une distance entre la sonde et l'échantillon est diminuée et que la polarisabilité est augmentée. Puisque la polarisabilité est augmentée lorsque l'aire efficace de la sonde et de l'échantillon est grande, la sensibilité est accrue lorsque le rayon de courbure du sommet de la sonde est grand. En conséquence, lorsque le sommet de la sonde est petit, la résolution est accrue mais la sensibilité est dégradée. En conséquence, la sonde doit être sélectionnée de manière appropriée de façon à obtenir, de manière appropriée, de bonnes résolution et sensibilité. Si cela est possible, il est avantageux d'augmenter l'aire efficace de la sonde tout en réduisant le rayon de courbure du sommet de la sonde.
Les figures 12A à 12F illustrent la sensibilité et la résolution spatiale du microscope à micro-ondes à balayage en champ proche selon les formes de la sonde. La figure 12A illustre la forme d'une sonde à pointe fine, et la figure 12B est un graphique illustrant un cas où une ligne en chrome ayant une largeur de 27 pm est balayée en utilisant la sonde à pointe fine. Sur la figure 12B, un axe vertical correspond à la sensibilité et l'axe horizontal correspond à la résolution. La figure 12C illustre la forme d'une sonde à pointe épaisse, et la figure 12D est un graphique illustrant un cas où une ligne en chrome ayant une largeur de 27 pm est balayée en utilisant la sonde à pointe épaisse. La figure 12E illustre la forme d'une sonde à pointe hybride inventive, et la figure 12F est un graphique illustrant un cas où une ligne en chrome ayant une largeur de 27 pm est balayée en utilisant la sonde à pointe hybride. Les sondes ci-dessus sont fabriquées par gravure chimique. Ici, une solution de gravure est une solution où du KOH à 10 % en poids est dissous dans de l'eau distillée. Une sonde métallique achevée est nettoyée en utilisant de l'eau distillée et de l'alcool absolu. La sonde à pointe épaisse et la sonde à pointe fine sont fabriquées en ajustant leur temps de gravure. La sonde à pointe hybride est fabriquée en enroulant la partie centrale d'une sonde avec du polytétrafluoroéthylène et en gravant la sonde enroulée. Ici, la sonde peut être faite d'un matériau métallique, diélectrique ou magnétique.
Comme précité, lorsque le rayon de courbure du sommet de la sonde est augmenté, la sensibilité est augmentée en raison d'une aire d'interaction augmentée entre la sonde et l'échantillon. De même, à mesure que la sonde est plus épaisse, davantage de champs électriques sont transmis du résonateur à la sonde.
Toutefois, puisque la résolution du microscope à micro- ondes à balayage en champ proche est augmentée à mesure que le rayon de courbure de la sonde est diminué, la sonde doit être réduite en taille. La sonde à pointe fine a une résolution spatiale accrue mais a une sensibilité dégradée comme montré sur les figures 12A et 12B. Au contraire, la sonde à pointe épaisse a une résolution spatiale dégradée mais une sensibilité accrue comme montré sur les figures 12C et 12D. En conséquence, la présente invention développe la sonde à pointe hybride présentant les avantages des sondes à pointe fine et à pointe épaisse de façon à accroître la résolution spatiale et la sensibilité du microscope à micro-ondes à balayage en champ proche. Comme montré sur la figure 12E, la sonde à pointe hybride est fabriquée pour avoir une partie de sommet de rayon de courbure de 1 à 10 pm (comme la sonde à pointe fine) et une partie de corps d'une épaisseur de 1 mm (comme la sonde à pointe épaisse). Dans ce cas, la résolution spatiale et la sensibilité du microscope à micro-ondes à balayage en champ proche peuvent être ajustées à des niveaux (compromis) appropriés et une image du meilleur contraste peut être obtenue comme montré sur la figure 12F.
Un procédé destiné à ajuster minutieusement une distance entre la sonde et l'échantillon sera à présent décrit en détail.
La sonde 60 conjointement avec le résonateur diélectrique 50 est approchée verticalement ou horizontalement d'une partie souhaitée de l'échantillon 80 par l'unité de déplacement 40. A cet instant, la sensibilité la plus élevée peut être atteinte lorsque la sonde 60 est approchée au maximum de l'échantillon 80 sans être amenée en contact de l'échantillon 80. A cette fin, une unité d'ajustement de distance destinée à maintenir une distance souhaitée entre la sonde 60 et l'échantillon 80 est requise.
La figure 13 illustre une unité d'ajustement de distance destinée à ajuster une distance entre une sonde et un échantillon selon un mode de réalisation de la présente invention.
En se référant à la figure 13, l'unité d'ajustement de distance comprend un diapason 62 sur une surface latérale duquel la sonde 60 est attachée, et un amplificateur synchrone 65 destiné à appliquer une tension alternative, qui a une fréquence correspondant à une fréquence naturelle du diapason 62, au diapason 62 et à mesurer un courant de sortie du diapason 62. L'unité d'ajustement de distance utilise un phénomène dans lequel une fréquence du diapason 62 est changée en raison d'une interaction entre la sonde 62 et l'échantillon 80 lorsque le diapason 62 ayant la sonde 60 est approché de l'échantillon 80. A savoir, lorsque la sonde 60 attachée au diapason 62 ayant une fréquence naturelle est approchée d'une surface de l'échantillon 80, une fréquence de résonance du diapason 62 est accrue en raison d'une force de cisaillement entre la sonde 60 et la surface de l'échantillon 80. Dans ce cas, lorsque la fréquence de résonance du diapason 62 est rendue constante par une opération de rétroaction, la distance entre la sonde 60 et l'échantillon 80 peut être maintenue à plusieurs nanomètres.
Un principe opérationnel de l'unité d'ajustement de distance sera à présent décrit en détail par le résultat d'une expérience.
Dans l'expérience, une sonde métallique gravée dans la forme montrée sur la figure 12E est attachée sur une surface latérale du diapason 62. Par la suite, une tension alternative de 0,05 V est appliquée au diapason 62 à travers un accès de sortie OSC d'un amplificateur synchrone 7265 DSP (Eg&G Corporation), et un courant de sortie provenant du diapason 62 est mesuré à travers un accès en ligne. Ici, une fréquence naturelle du diapason 62 est de 32,768 Hz, et la sonde métallique est fabriquée en gravant une ligne d'acier inoxydable SUS (norme japonaise) de 0,05 mm (Nilaco Corporation).
A cet instant, les valeurs mesurées des signaux sortis du diapason 62 par rapport aux fréquences respectives sont exprimées par une fonction lorenzienne ayant un courant maximal à une fréquence de résonance. En général, lorsqu'une sonde est attachée à un diapason, une fréquence naturelle du diapason est diminuée en dessous de 32 758 Hz et le facteur Q est également diminué du fait que la masse efficace du diapason est accrue.
La figure 14 est un graphique illustrant une caractéristique de résonance d'un courant de sortie provenant d'un diapason ayant la sonde qui lui est attachée, par rapport à une fréquence d'une tension d'entrée au diapason.
Comme cela est connu à partir du graphique montré sur la figure 14, lorsque la sonde est attachée au diapason, une fréquence de résonance du diapason est diminuée de 554 Hz à 32 214 Hz et un facteur Q est diminué d'environ un quart à 3 700 du fait que la masse efficace du diapason est accrue. En conséquence, l'unité d'ajustement de distance inventive applique une fréquence, qui correspond à la fréquence naturelle du diapason sur lequel est attachée la sonde (à savoir 32 214 Hz) au diapason.
Dans le même temps, lorsque la sonde est approchée d'une surface de l'échantillon tandis qu'un courant alternatif ayant une fréquence identique à une fréquence de résonance du diapason sur lequel est attachée la sonde est appliqué au diapason, la fréquence de résonance et le facteur Q du diapason commencent à changer dans une région de force de cisaillement où la sonde et la surface de l'échantillon interagissent l'une avec l'autre et ainsi le courant de sortie provenant du diapason change également.
La figure 15 est un graphique illustrant les caractéristiques de résonance du diapason lorsque la sonde est progressivement approchée de la surface de l'échantillon par pas de 20 nanomètres. Comme cela est connu à partir du graphique montré sur la figure 15, au fur et à mesure que la distance entre la sonde et la surface de l'échantillon est diminuée, une fréquence de résonance est accrue et un courant de sortie à la fréquence de résonance est progressivement diminué.
La figure 16 est une courbe d'approche sur laquelle la sonde est progressivement approchée de l'échantillon d'un intervalle prédéterminé, le diapason vibrant avec la fréquence de résonance. Comme montré sur la figure 16, au fur et à mesure que la distance entre la sonde et l'échantillon est diminuée, la valeur d'un signal de sortie est rapidement diminuée d'environ 60 nanomètres. A une position plus distante, un signal de sortie constant est généré indépendamment d'un changement de distance. Ceci signifie qu'il n'existe aucune interaction entre l'échantillon et la sonde. L'interaction commence à partir d'une région pour laquelle la valeur du signal de sortie commence à diminuer, et la valeur de signal de sortie est en outre diminuée au fur et à mesure que la distance entre la sonde et l'échantillon est diminuée. Il peut à présent être connu à partir du résultat ci-dessus que l'interaction entre la sonde et l'échantillon dépend de la distance entre la sonde et l'échantillon.
En conséquence, la distance entre la sonde et l'échantillon peut être maintenue constante de plusieurs à plusieurs dizaines de nanomètres. A titre d'exemple, les données expérimentales sur la relation entre la distance (entre la sonde et l'échantillon) et le courant de sortie à la fréquence de résonance du diapason peuvent être préstockées dans une table de conversion dans l'unité centrale 10. Par la suite, lorsque la valeur d'un courant de sortie, qui est mesurée lorsque la sonde 60 approche de l'échantillon 80, est envoyée à l'unité centrale 10, l'unité centrale 10 peut certifier la distance entre la sonde et l'échantillon sur la base de la table de conversion. De même, lorsqu'il est souhaité que la distance entre la sonde et l'échantillon soit maintenue à une valeur constante, un courant correspondant à la distance souhaitée est déterminé en tant que courant de référence sur la base de la table de conversion, puis un courant de sortie provenant de l'amplificateur synchrone 65 est comparé au courant de référence. Si le courant de sortie est déterminé comme étant plus grand que le courant de référence, la sonde 60 est davantage approchée de l'échantillon 80 par l'unité de déplacement 40. Autrement, s'il ne l'est pas, la sonde 60 est davantage écartée de l'échantillon 80.
Une opération et une fonction du microscope en 30 champ proche inventif seront à présent brièvement décrites en référence à la figure 3.
En se référant de nouveau à la figure 3, l'unité centrale 10 commande tout d'abord une fréquence de résonance, une impédance et un mode d'onde électromagnétique du résonateur diélectrique 50 selon la manipulation de l'utilisateur, et génère des données visuelles sur une forme de surface de l'échantillon 80 en analysant les données de résultat obtenues à partir du détecteur 30. L'unité de traitement d'image 70 affiche une image de surface minuscule de l'échantillon 80 sur la base des données visuelles générées. La source d'ondes 20 génère une micro-onde et fournit la micro-onde au résonateur diélectrique 50. A cet instant, sous la commande de l'unité centrale 10, la source d'ondes 20 peut générer une micro-onde n'ayant qu'une fréquence spécifique ou peut générer un spectre de micro-onde ayant plusieurs fréquences. A titre d'exemple, la source d'ondes 20 peut être un HP 83620A fournissant une micro-onde stable dans la gamme de 10 MHz à 20 GHz.
La micro-onde générée à partir de la source d'ondes 20 est délivrée à travers la ligne d'entrée 54 dans le résonateur diélectrique 50. Ensuite, un spectre de micro-onde ayant une forme de distribution ayant la valeur maximale à la fréquence de résonance du résonateur diélectrique 50 est appliqué à travers la sonde 60 à l'échantillon 80. Une micro-onde déformée par une interaction entre la sonde 60 et l'échantillon 80 est réappliquée à travers la sonde 60 au résonateur diélectrique 50, et le détecteur 30 détecte la micro-onde déformée et appliquée et transmet les données résultantes à l'unité centrale 10. Le détecteur 30 peut comprendre un wattmètre 31 destiné à mesurer l'intensité de la micro-onde déformée, et un analyseur de spectre 34 destiné à mesurer une fréquence de la micro-onde déformée. L'unité centrale 10 calcule une forme de surface de l'échantillon 80 en comparant l'intensité et la fréquence de la micro-onde déformée avec celle de la micro-onde d'entrée, et transmet les données d'image résultantes à l'unité de traitement d'image 70. Ici, un procédé de traitement d'image comprenant un algorithme destiné à générer des données d'image est bien connu de l'homme du métier, et ainsi une description de celui-ci sera omise à des fins de simplicité.
Lorsqu'un procédé de mesure pour une partie de l'échantillon 80 est achevé de la manière ci-dessus, le même procédé de mesure pour une autre partie de l'échantillon 80 est effectué en déplaçant le résonateur diélectrique 50 vers une autre partie par l'unité de déplacement 40 sous la commande de l'unité centrale 10. A cet instant, il est préférable de déplacer le résonateur diélectrique 50 de sorte qu'un intervalle entre les parties voisines à mesurer puisse être de 0,02 pm. De même, puisqu'une surface visuellement lisse de l'échantillon peut être rugueuse microscopiquement, la distance entre la sonde 60 et l'échantillon 80 peut être minutieusement changée pendant le déplacement du résonateur diélectrique 50. En conséquence, la distance entre la sonde 60 et l'échantillon 80 doit être maintenue constante par l'unité d'ajustement de distance pendant le déplacement du résonateur diélectrique 50.
Dans le même temps, comme prémentionné, le résonateur diélectrique doit être adapté à des dispositifs périphériques de sorte que la puissance peut être transmise de manière maximale entre le résonateur diélectrique et les dispositifs périphériques. A cette fin, le détecteur peut en outre comprendre un analyseur de réseau 32 destiné à détecter les caractéristiques du résonateur diélectrique 50, telles que l'impédance et la fréquence de résonance. A savoir, selon la présente invention, tout en observant le résultat d'analyse provenant de l'analyseur de réseau 32, un utilisateur adapte le résonateur diélectrique 50 aux dispositifs externes en faisant tourner les boucles de couplage des lignes d'entrée et de sortie et la vis d'accord 52. Les boucles de couplage et la vis d'accord 52 peuvent être commandées en rotation d'un angle prédéterminé par la manipulation de l'unité centrale 10. Ce procédé d'adaptation peut être effectué avant la mesure de l'échantillon 80, ou peut être effectué pendant la mesure de l'échantillon 80 du fait qu'une condition d'adaptation peut être changée en raison d'une interaction entre la sonde 60 et l'échantillon 80.
La figure 17A est une image optique de l'échantillon, et la figure 17B est une image bidimensionnelle de l'échantillon, qui est obtenue par le microscope à micro-ondes à balayage en champ proche. Dans l'expérience, l'intensité du signal sorti du résonateur diélectrique 50 est mesurée par le wattmètre 31. A cet instant, une fréquence de 4,46 GHz est utilisée. Bien entendu, une adaptation d'impédance est effectuée sur le résonateur diélectrique 50 avant l'expérience.
La figure 17C est une vue en coupe de l'échantillon prise le long de la ligne a-a' sur la figure 17A, et la figure 17D est une vue en coupe de l'échantillon prise le long de la ligne b-b' sur la figure 17A. La résolution spatiale de la section a-a' peut être calculée comme suit: en se référant à la figure 17C, une largeur mesurée au niveau d'un demipoint de la ligne de puissance de sortie maximale est de 7,6 pm. Une largeur d'un motif de ligne en chrome effectivement utilisée est de 6,6 pm. En conséquence, la différence 1 um entre la largeur mesurée et la largeur de la ligne en chrome correspond à la résolution spatiale du microscope en champ proche inventif.
Comme établi ci-dessus, le microscope en champ proche inventif mesure un changement de résistance d'entrée et une fréquence de résonance en raison d'une interaction entre l'échantillon et une micro-onde transmise à travers la sonde attachée au résonateur diélectrique, rendant ainsi possible de découvrir une caractéristique optique de l'échantillon. Le microscope en champ proche inventif a les avantages suivants en raison d'une caractéristique structurelle du résonateur diélectrique.
Premièrement, le microscope en champ proche peut être miniaturisé du fait qu'il utilise un diélectrique d'une haute constante diélectrique.
Deuxièmement, le microscope en champ proche inventif est moins influencé par les environnements externes tels que la température non seulement du fait qu'il utilise un diélectrique stable mais également du fait que son diélectrique est scellé au résonateur métallique.
Troisièmement, le microscope en champ proche inventif rend possible d'ajuster facilement la distance entre la sonde et l'échantillon en utilisant la sonde et le diapason et d'observer l'échantillon dans diverses directions.
Quatrièmement, le microscope en champ proche inventif utilisant le résonateur diélectrique rend possible d'observer l'échantillon dans un mode optimal choisi de manière appropriée selon les types de l'échantillon du fait qu'il peut utiliser divers modes tels que TE, TM et TEM.
En dernier, le microscope en champ proche inventif peut accroître sa sensibilité et sa résolution du fait qu'il utilise la sonde à pointe hybride.
Tandis que la présente invention a été particulièrement montrée et décrite en référence aux modes de réalisation exemplaires de celle-ci, il sera compris de l'homme du métier que divers changements en forme et détails peuvent être réalisés dans celle-ci sans sortir de l'esprit et de la portée de la présente invention telle que définie par les revendications suivantes.
Claims (23)
1. Microscope en champ proche comprenant: une source d'ondes (20) générant une onde, une fréquence de l'onde étant ajustable par la source 5 d'ondes; un résonateur diélectrique (50) propageant l'onde provenant de la source d'ondes, une fréquence de résonance, une impédance, un facteur Q et un mode d'onde électromagnétique de celui-ci étant librement
ajustables;
une sonde (60) balayant l'onde sortie du résonateur diélectrique (50) sur un échantillon (80) ; une unité d'ajustement de distance mesurant une distance entre la sonde et l'échantillon (80) et maintenant la distance à une valeur prédéterminée; et un détecteur (30) détectant une onde qui se propage à travers la sonde, interagit avec l'échantillon (80), puis se propage à travers la sonde et le résonateur diélectrique (50).
2. Microscope en champ proche selon la revendication 1, comprenant en outre une unité de déplacement (40) déplaçant une position relative entre l'échantillon (80) et le résonateur diélectrique (50).
3. Microscope en champ proche selon la revendication 1, dans lequel la source d'ondes (20) génère une onde ayant une fréquence spécifique.
4. Microscope en champ proche selon la revendication 1, dans lequel la source d'ondes génère un spectre d'onde ayant une pluralité de fréquences.
5. Microscope en champ proche selon la revendication 1, dans lequel le résonateur diélectrique (50) comprend: un diélectrique (57) ; un résonateur métallique (51) entourant le diélectrique (57), le résonateur métallique étant espacé du diélectrique d'un intervalle prédéterminé ; une ligne d'entrée (54) fournissant l'onde générée par la source d'ondes (20) au résonateur diélectrique (50) ; et une ligne de sortie (56) fournissant l'onde qui interagit avec l'échantillon (80), puis se propage à travers la sonde (60) dans le résonateur diélectrique (50), vers le détecteur (30).
6. Microscope en champ proche selon la revendication 5, dans lequel la ligne d'entrée (54) et la ligne de sortie (56) sont installées pour pénétrer le résonateur métallique (51), et une partie d'extrémité de la ligne d'entrée (54) et une partie d'extrémité de la ligne de sortie (56) sont positionnées entre le diélectrique (57) et une paroi interne du résonateur métallique (51) de façon à être en regard du diélectrique (57).
7. Microscope en champ proche selon la revendication 6, dans lequel la partie d'extrémité de la ligne d'entrée (54) et la partie d'extrémité de la ligne de sortie (56) sont chacune de type ligne droite ou sont courbées selon un angle pour former une boucle de couplage.
8. Microscope en champ proche selon la revendication 7, dans lequel la fréquence de résonance, l'impédance, le facteur Q et le mode d'onde électromagnétique sont ajustés en mettant en rotation une première boucle de couplage formée au niveau de la partie d'extrémité de la ligne d'entrée (54) et une seconde boucle de couplage formée au niveau de la partie d'extrémité de la ligne de sortie (56).
9. Microscope en champ proche selon la revendication 5, comprenant en outre une unité d'accord (52) ajustant minutieusement la fréquence de résonance et l'impédance du résonateur diélectrique (50).
10. Microscope en champ proche selon la revendication 9, dans lequel l'unité d'accord est une vis d'accord (52) installée pour pénétrer le résonateur métallique (51) et être en regard du diélectrique (57).
11. Microscope en champ proche selon la revendication 10, dans lequel la vis (52) ajuste la fréquence de résonance, l'impédance, le facteur Q et le mode d'onde électromagnétique par ajustement de sa profondeur d'insertion dans le résonateur diélectrique (50).
12. Microscope en champ proche selon la revendication 8, dans lequel l'impédance est ajustée pour être maintenue à 50 S-à.
13. Microscope en champ proche selon la revendication 5, dans lequel la sonde (60)est installée de telle manière qu'une partie d'extrémité de celle-ci est en regard de l'échantillon (80) et une autre partie d'extrémité de celle-ci pénètre le résonateur métallique (51) et est en regard du diélectrique (57).
14. Microscope en champ proche selon la revendication 13, dans lequel l'autre partie d'extrémité de la sonde (60) est de type ligne droite ou est courbée selon un angle pour former une boucle de couplage.
15. Microscope en champ proche selon la revendication 13, dans lequel la sonde (60) est une sonde à pointe hybride fabriquée pour avoir une partie de corps de diamètre constant et une partie de sommet s'effilant rapidement.
16. Microscope en champ proche selon la revendication 15, dans lequel la partie de corps a un diamètre d'environ 1 mm et la partie de sommet s'effilant rapidement a des diamètres allant d'environ 1 à 10 pm.
17. Microscope en champ proche selon la revendication 13, dans lequel la sonde (60) est faite d'au moins l'un parmi un matériau métallique, un matériau diélectrique et un matériau magnétique.
18. Microscope en champ proche selon la 5 revendication 1, dans lequel l'unité d'ajustement de distance comprend: un diapason (62) sur une surface duquel la sonde (60) est attachée; et un amplificateur synchrone appliquant une tension alternative au diapason (62) et mesurant une valeur d'un courant de sortie provenant du diapason (62), la tension alternative ayant une fréquence correspondant à une fréquence de résonance du diapason sur une surface duquel la sonde (60) est attachée.
19. Microscope en champ proche selon la revendication 18, dans lequel la distance entre la sonde (60) et l'échantillon (80) est mesurée en utilisant la valeur du courant de sortie et une table de conversion dans laquelle une relation entre la distance et la valeur du courant de sortie est préstockée.
20. Microscope en champ proche selon la revendication 18, dans lequel la distance est ajustée à une valeur souhaitée en ajustant la valeur du courant de sortie à une valeur de référence par une rétroaction entre la distance et la valeur du courant de sortie.
21. Microscope en champ proche selon la revendication 1, dans lequel le détecteur comprend: un wattmètre (31) mesurant l'intensité de l'onde qui interagit avec l'échantillon (80), puis se propage à travers la sonde (60) et le résonateur diélectrique (50) ; et un analyseur de spectre (34) mesurant une fréquence de l'onde qui interagit avec l'échantillon (80), puis se propage à travers la sonde (60) et le résonateur diélectrique (50) .
22. Microscope en champ proche selon la revendication 21, dans lequel le détecteur (30) comprend en outre un analyseur de réseau (32) mesurant une perte d'insertion et un état d'adaptation du résonateur diélectrique (50).
23. Microscope en champ proche selon la revendication 1, comprenant en outre: une unité centrale générant des données d'image visible en analysant des données de résultat sorties du 20 détecteur; et une unité de traitement d'image (70) affichant les données d'image générées par l'unité centrale. 10
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2005
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Patent Citations (3)
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| DATABASE INSPEC [online] THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, STEVENAGE, GB; 20 June 1997 (1997-06-20), YINCHAO CHEN ET AL: "Tuning effect analysis of cylindrical dielectric-loaded resonators", XP002386716, Database accession no. 5634378 * |
| MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS WILEY USA, vol. 15, no. 3, 20 June 1197 (1197-06-20), pages 127 - 132, ISSN: 0895-2477 * |
Also Published As
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