KR100287957B1

KR100287957B1 - Transmission method of Atomic Force Microscope Probe through Optical Fiber

Info

Publication number: KR100287957B1
Application number: KR1019980055279A
Authority: KR
Inventors: 김달현; 구자용; 김영주; 황찬용; 이근섭; 이세경; 김종진
Original assignee: 정명세; 한국표준과학연구원
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2002-05-13
Also published as: KR20000039822A

Abstract

본 발명은 광화이버를 통한 아토믹 포스 마이크로스코프 탐침광 전송방법에 관한 것으로, 광화이버를 통한 아토믹 포스 마이크로스코프 탐침광을 전송하는 방법으로서, AFM 팁(2)의 (10㎛ ∼ 100㎛) 크기보다 더 이 빛이 퍼지기 전에 팁에 광화이버 끝을 (100㎛ ∼ 500㎛)로 근접시키고, 빛이 팁 끝에서 전부 반사되어 4-cell 포토다이오드에서 검출되게 하되 샘플과 팁의 거리가 달라지면 팁과 시편 사이에 작용하는 힘의 크기가 달라져서 팁이 위 또는 아래로 구부러지고, 그러면 팁에서 반사된 레이저 빛의 반사각도가 달라져서 포토다이오드의 상부(2개 cell), 하부(2개 cell )에 입사하는 빛의 양이 달라져 상부가 하부보다 빛의 세기가 더 커지거나 작아진다. 그러면 상부와 하부 사이의 빛의 세기 차이를 측정하여 일정한 차이를 유지하는데 이것은 팁과 시편 사이가 일정한 거리로 유지된다는 것을 의미한다. 팁을 시편의 다른 지점으로 이동시키면 시편 표면의 높이가 다르므로 팁과 시편 사이의 거리가 달라져서 팁이 위로 혹은 아래로 휘어진다. 따라서 거리를 일정하게 유지시켜 주기 위해서 팁 혹은 시편을 움직여서 거리를 일정하게 유지시킨다. 이때 움직인 거리가 결국 그 지점에서의 표면 높낮이가 되는 것이다. 그래서 시편의 측정 지점을 바꾸면서 이 높낮이를 측정하면 시편의 표면 굴곡을 측정하는 것이 아토믹 포스 마이크로스코프의 원리이다. 그런데 우리는 광화이버를 팁에 가깝게 접근시키고 반사된 빛이 포토다이오드의 중앙에 입사하도록 광화이버를 조절하기 위하여 광화이버를 스테인리스스틸 튜브 안에 넣고 접착제로 고정시켜서 광화이버를 미세하게 조절하는 것이다.The present invention relates to a method for transmitting an atomic force microscope probe light through an optical fiber, and a method for transmitting an atomic force microscope probe light through an optical fiber, which is larger than the size of (10 μm to 100 μm) of the AFM tip 2. Further, the optical fiber tip (100 μm to 500 μm) is placed close to the tip before the light spreads, and the light is fully reflected at the tip and detected by the 4-cell photodiode, but if the distance between the sample and the tip changes, the tip and the specimen The amount of force acting between them causes the tip to bend up or down, which in turn changes the angle of reflection of the laser light reflected from the tip, resulting in light incident on the top (two cells) and the bottom (two cells) of the photodiode. The amount of light varies so that the top of the light becomes larger or smaller than the bottom. The difference in light intensity between the top and bottom is then measured to maintain a constant difference, which means that the tip and the specimen are kept at a constant distance. Moving the tip to a different point on the specimen causes different heights of the specimen surface, which results in different distances between the tip and the specimen, causing the tip to bend up or down. Therefore, keep the distance constant by moving the tip or specimen to keep the distance constant. The distance traveled at this point is the surface height at that point. Therefore, if this height is measured while changing the measuring point of the specimen, the principle of atomic force microscopy is to measure the surface curvature of the specimen. However, in order to adjust the optical fiber to approach the optical fiber closer to the tip and to adjust the optical fiber so that the reflected light is incident on the center of the photodiode, the optical fiber is finely controlled by inserting the optical fiber into a stainless steel tube and fixing it with an adhesive.

Description

Atomic Force Microscope Probe Light Transmission Through Optical Fiber

본 발명은 광화이버를 통한 디플렉션(deflection) 타입 아토믹 포스 마이크로스코프(atomic force microscope) 탐침광 전송방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광화이버를 아토믹 포스 마이크로스코프(AFM: Atomic Force Microscopy) 팁에 매우 가깝게 접근시켜서 렌즈 없이 레이저 빛을 팁 끝에 직접 조사하여 탐침광으로 사용하게한 것이다.The present invention relates to a method of transmitting a deflection type atomic force microscope probe through an optical fiber, and more particularly, an optical fiber is attached to an Atomic Force Microscopy (AFM) tip. The approach was so close that the laser light was directly irradiated at the tip of the tip without a lens and used as a probe light.

기존의 아토믹 포스 마이크로스코프에서는 렌즈를 이용하여 100㎛ 정도의 작은 팁 위에 레이저 빛을 집속하여 팁의 움직임을 측정하는 탐침광으로 사용하였는데 본 발명은 광화이버를 팁에 매우 가깝게 접근시켜서 렌즈 없이 레이저 빛을 팁 끝에 조사하여 탐침광으로 사용하였다.In the conventional Atomic Force Microscope, the lens is used as a probe light to measure the movement of the tip by focusing the laser light on a small tip of about 100 μm. The present invention approaches the optical fiber very close to the tip, thereby eliminating the laser light without the lens. Was irradiated to the tip end and used as a probe light.

그러나 본 발명은 렌즈를 사용하지 않고, 헤드에 장착되는 레이저를 분리할 수 있어서 헤드를 작고 견고하게 만들 수 있다. 레이저가 헤드에 장착되지 않기에레이저에서 발생되는 열에 의한 문제점을 제거할 수 있다. 기존에 장착하여 쓰는 레이저 다이오드보다 성능이 좋은 레이저를 사용할 수 있어서 신호 특성을 향상시킬 수 있다.However, the present invention can separate the laser mounted on the head without using a lens, thereby making the head small and robust. Since the laser is not mounted on the head, the problem caused by the heat generated in the laser can be eliminated. Signal performance can be improved by using a laser that performs better than conventional laser diodes.

상기의 헤드는 카세트 테이프 등에서 측정에 사용되는 모든 측정요소(팁, 광화이버, 광검출기 등)를 포함하고, 움직여서 테이프에 접촉하는 성질을 갖는 자기 헤드를 원용하여 사용한 것이다.The head includes all the measuring elements (tips, optical fibers, photodetectors, etc.) used for the measurement in a cassette tape or the like, and uses the magnetic head having the property of moving and contacting the tape.

다시 말하자면 종래 기술은 렌즈를 사용하고 레이저를 헤드에 장착하기 때문에 헤드의 부피가 커져서 사용에 제한이 있다. 시편을 움직일수 없기 때문에 웨이퍼 등의 큰 시편을 측정하기 위해서는 팁, 광화이버, 광검출기를 모두 포함하는 측정 헤드를 PZT(압전물질) 스캐너로 움직이는 방식을 사용해야 하는데 헤드가 크면 기계적인 견고성이 떨어지고 스캐너에 무리를 주므로 분해능이 감소하고 스캔 속도를 줄여야 하고 스캐너가 커져야 한다.In other words, the prior art uses a lens and mounts a laser to the head, so that the volume of the head becomes large, thereby limiting its use. In order to measure large specimens such as wafers, the measuring head including the tip, the optical fiber, and the photodetector must be moved with a PZT (piezoelectric material) scanner to measure large specimens such as wafers. This will reduce the resolution, reduce the scanning speed and make the scanner larger.

그러므로 PZT 스캐너로 빠르고 정확하게 움직이기 위해서는 작고 가벼운 헤드가 요구되고 있다.Therefore, small and light heads are required to move quickly and accurately with PZT scanners.

또 레이저에서 발생하는 열에 의해서 열표류(thermal drift)가 발생하여 시편과 팁의 상대적 위치가 고정되지 않고 움직여서 팁의 이미지가 왜곡되고 위치 정보를 잃기 쉽다.In addition, thermal drift occurs due to the heat generated by the laser, and the relative position of the specimen and the tip is not fixed, and thus the tip image is distorted and the position information is easily lost.

또 레이저다이오드의 특성에 원자간력현미경(AFM) 성능이 의존한다. 더 좋은 특성의 부피가 큰 레이저를 사용할 수 없다.Atomic force microscope (AFM) performance also depends on the characteristics of the laser diode. Bulky lasers with better characteristics cannot be used.

또 부피가 커서 좁은 곳, 진공 등의 환경에서 사용할 수 없는 결점 등이 있다.In addition, there are drawbacks that cannot be used in an environment such as a large space, a narrow space, or a vacuum.

본 발명은 렌즈 없이 광화이버를 이용하여 빛을 팁에 전달하면 헤드를 즉 팁, 광화이버, 광검출기(포토다이오드)등의 모든 측정요소를 포함하는 측정헤드를 소형화 할 수 있어서 기계적 견고성이 향상되고 사용하기가 편리하고, 적용 환경에 제한을 없애서 진공, 좁은 공간 등의 특수한 환경에서도 사용 가능하고 아울러 특성이 좋은 레이저를 사용하여 신호 특성을 향상시킬 수 있게 완성하였다.When the light is transmitted to the tip using an optical fiber without a lens, the present invention can miniaturize the head, that is, a measuring head including all measuring elements such as a tip, an optical fiber, and a photodetector (photodiode), thereby improving mechanical robustness. It is easy to use and removes restrictions on the application environment, so it can be used in special environments such as vacuum and narrow spaces, and it has been completed to improve the signal characteristics by using the laser with good characteristics.

도 1 은 광화이버를 통한 아토믹 포스 마이크로스코프 탐침광 전송장치 개략도1 is a schematic diagram of an atomic force microscope probe light transmission through an optical fiber

광화이버는 광통신 등에 널리 쓰이는 빛을 전송하는 가느다란 섬유이다. He-Ne 레이저의 빛을 렌즈를 이용하여 광화이버 한 쪽 끝에 집속하면 이 빛은 반대쪽 끝까지 거의 손실 없이 전달되어 끝에서 일정한 각도로 퍼져서 나온다. 원자간력현미경(AFM) 팁(2)의 크기 보다 더 이 빛이 퍼지기 전에 팁(2)에 광화이버 끝을 도 1 에서와 같이 아주 가깝게 접근시키면, 빛이 팁 끝에서 전부 반사되어 4-셀(cell) 포토다이오드(3)에서 검출된다. 샘플(4)과 팁(2)의 거리가 달라지면 팁(2)이 위 또는 아래로 구부러 지는데, 그러면 팁(2)에서 반사된 레이저 빛의 반사각도가 달라져서 포토다이오드(3)의 상하 두 셀(cell)에 입사하는 빛의 양이 달라진다. 이 차이를 측정하면 시편의 표면 굴곡을 측정할 수 있는데 이것이 원자간력현미경(AFM)의 원리이다. 광화이버(1)를 팁(2)에 가깝게 접근시키고 반사된 빛이 포토다이오드(3)의 중앙에 입사하도록 하려면 광화이버(1)를 정밀하게 조절할 수 있어야 한다. 이를 위해서 본 발명은 광화이버(1)를 스테인리스스틸 튜브(5) 안에넣고 접착제로 고정시켜서 광화이버를 미세하게 조절할 수 있도록 하였다. 스테인리스스틸 튜브는 6개의 조절나사를 이용하여 쉽게 조절할 수 있다.Optical fibers are thin fibers that transmit light widely used in optical communication. When the light of the He-Ne laser is focused on one end of the optical fiber by using a lens, the light is transmitted almost without loss to the other end and spreads out at an angle from the end. If the optical fiber tip approaches the tip 2 very closely as shown in FIG. 1 before this light spreads more than the size of an AFM tip (2), the light is fully reflected at the tip tip, resulting in a 4-cell (cell) It is detected by the photodiode 3. When the distance between the sample 4 and the tip 2 is different, the tip 2 bends up or down, and the angle of reflection of the laser light reflected from the tip 2 is changed so that the top and bottom two cells of the photodiode 3 ( The amount of light incident on the cell varies. By measuring this difference, the surface curvature of the specimen can be measured, which is the principle of an atomic force microscope (AFM). In order to bring the optical fiber 1 close to the tip 2 and allow the reflected light to enter the center of the photodiode 3, the optical fiber 1 must be precisely controlled. To this end, the present invention is to put the optical fiber (1) in the stainless steel tube (5) and fixed with an adhesive to finely control the optical fiber. The stainless steel tube can be easily adjusted using six adjustment screws.

또한, 본 발명에서 팁의 반사 작동과 팁을 구부려 샘플에 접근시키며 샘플에 이동하는 작동은 모든 AFM에 사용되는 방법임으로 그 상세한 도시와 설명은 생략한다.In addition, in the present invention, the reflective operation of the tip and the operation of bending the tip to approach the sample and moving the sample are methods used in all AFMs, and thus detailed illustration and description thereof will be omitted.

본 발명은 렌즈 없이 광화이버를 이용하여 빛을 팁에 전달하면 헤드를 소형화 할 수 있어서 기계적 견고성이 향상되고 사용하기가 편리하고, 적용 환경에 제한을 없애서 진공, 좁은 공간 등의 특수한 환경에서도 사용 가능하고 아울러 특성이 좋은 레이저를 사용하여 신호 특성을 향상시킬 수 있어 해당산업분야에 실용화보급시킬수 있는 것이다.The present invention can be used in a special environment, such as vacuum, narrow space by eliminating the restriction of the application environment by improving the mechanical robustness and convenient to use, by miniaturizing the head by transmitting light to the tip using the optical fiber without a lens In addition, the signal characteristics can be improved by using a laser having good characteristics, so that it can be applied to the industrial field.

Claims

A method of transmitting deflection type atomic force microscopy (AFM) probe light through an optical fiber, the tip before the light spreads more than the (10 μm to 100 μm) size of the AFM tip (2). (2) to the end of the optical fiber (100㎛ ~ 500㎛), the light is totally reflected at the end of the tip (2) to be detected in the 4-cell photodiode (3), but the sample (4) and When the distance of the tip 2 is changed, the tip 2 is bent up and down, and then the angle of reflection of the laser light reflected from the tip 2 is changed, so that the light incident on the upper and lower cells of the photodiode 3 is incident. Measure the difference by measuring this difference to measure the surface curvature of the specimen, bring the optical fiber 1 closer to the tip 2, and move the optical fiber 1 so that the reflected light enters the center of the photodiode 3 Optical fiber (1) is inserted into the stainless steel tube (5) for adjustment and fixed by adhesive Member (1) atomic force microscope probe light transmission method using an optical fiber, characterized in that to enable the adjustment.