KR100534039B1

KR100534039B1 - 주사형근접장광학현미경

Info

Publication number: KR100534039B1
Application number: KR1019980008370A
Authority: KR
Inventors: 에이스케 도미타
Original assignee: 에스아이아이 나노 테크놀로지 가부시키가이샤
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2006-03-07
Also published as: TW376448B; JPH10253643A; DE69817239T2; EP0864899B1; EP0864899A3; EP0864899A2; KR19980080196A; DE69817239D1; JP3249419B2; US6194711B1; CA2229221A1

Abstract

본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경은, 그 선단에 파장보다 적은 직경을 가지는 극 미세 개구부가 제공된 광 도파 프로브(1)와, 압전 진동체(2) 및 AC 전압-발생 수단(3)으로 이루어진 진동 적용부와, 수정 진동자(4)와 전류/전압 증폭회로(5)로 이루어진 진동-검출부와, 샘플의 표면에 근접하게 광 도파 프로브를 이끌기 위한 조동수단(coarse displacement means)(6)과, 렌즈(7)와 광 검출기(9)로 이루어진 광학 검출수단과, Z-축 이동 미세 조정장치와 Z 서보회로(12)로 이루어진 샘플과 프로브간의 거리 제어수단과, XY 미세 조정장치(13)와 XY 스캐닝 회로(14)로 이루어진 2-차원 스캐닝 수단과, 측정 신호를 3-차원 이미지로 변환하기 위한 데이타 처리수단(15)을 구비 한다. 이 광 도파 프로브(1)는 탄성체(16)의 스프링압에 의해 수정 진동자(4)에 지지된다.

Description

주사형 근접장 광학 현미경{Scanning near-field optical microscope}

본 발명은 광 분해능이 파장보다 더 짧은 주사형 근접장(近界) 광학 현미경에 관한 것으로서, 특히, 저온 환경에서 반도체 장치 등으로부터의 국부적인 여기(勵起) 발광을 관측하기 위한 주사형 근접장 광학 현미경에 관한 것이다.

소위 주사형 근접장 광학 현미경은 파장 이하의 광학 분해능을 가지는 광학 현미경로서 알려져 있다. 이러한 종류의 현미경의 일예가 베트지그, 로버트 에릭의 발명의 명칭이 " 근거리장 주사 광학 현미경 및 그의 용도"인 특개평 제 291310/1992호와, 상기 발명자의 발명이 명칭이 " 힘-검출수단을 포함하는 주사형 현미경 "인 특개평 제 50750/1994호에 개시되어 있다. 샘플을 냉각할 수 있는 저온 근접장 광학 현미경의 일예가 그로버, 로버트 디이.에 의해 1994년의 Rev. Sci. Instrum. 65(3), 제 626 ~ 631쪽에 개시되어 있다. 수정 진동자를 사용하는 근접장 광학 현미경의 일예는 카레이 케일드 등에 의해 1995년의 Appl. phys. lett. 66(14), 제 1842 ~ 1844쪽에 개시되어 있다. 이들 기구들을 이하 개설한다.

근거리장 주사 광학 현미경은 NSOM으로 알려져 있다. 도 2는 종래의 근거리장 주사 광학 현미경의 개략도이다. 광 화이버(310)의 선단은 테이퍼형(70)으로 가공된다. 파장 이하의 개구가 프로브의 테이퍼진 선단에 형성된다. 샘플 스테이지(20)는 XYZ 스테이지(50)상에 배치된다. 샘플(30)은 샘플 스테이지상에 설치된다. 이것은 XYZ 미세이동장치(40)을 이용하여 샘플 표면에 가깝게 유지되고, 일정 영역이 래스터-스캔(raster-scan)된다. 광 화이버 프로브(70)는 미세이동장치(40)를 이용하여 샘플 표면에 평행하게 이동된다. 샘플 표면으로부터의 수평방향의 힘(horisontal force) 또는 전단력(shear force)이 프로브의 선단에 작용한다. 따라서, 프로브의 진동 상태가 변화한다. 프로브(70)의 진동 상태를 측정하기 위해, 위치 제어용 레이저 광(도시되지 않음)은 프로브의 선단으로 향하게 되고, 프로브(70)의 섀도(shadow)는 렌즈(90) 및 광검출기(30)에 의해 검출된다. 샘플 표면과 프로브 선단 사이의 거리는 그 전단력이 일정하게 유지 즉, 진폭 변화율 또는 위상 변화율이 일정하게 유지되도록 미세이동장치(40)를 이용하여 제어된다. 전단력은 샘플로부터의 거리에 따라 급속 강하한다. 이를 활용하면, 샘플 표면과 프로브의 선단 사이의 거리는 대략 나노미터로 일정하게 유지된다. 이러한 조건하에서, 레이저 광(60)은 선단의 개구로부터 샘플 표면을 조사하도록 렌즈(150)를 사용하여 화이버(310)내로 도입된다. 반사 또는 전송된 광의 일부는 종래의 광학계(미도시)에 의해 검출된다. 상술한 바와 같이, NSOM의 분해능은 프로브의 선단에서의 개구 크기에 좌우된다. 파장(일예로, 100㎚ 이하)보다 더 작은 개구를 형성하는 것이 용이하므로, 파장이하의 높은 분해능이 실현될 수 있다.

도 3은 종래의 근접장 광학 현미경을 개략적으로 도시한 도면이다. C는 샘플 및 샘플을 스캔하기 위한 압전 스캐너이다. D는 광 화이버 프로브 및 진동용 압전 소자이다. 이 광 화이버 프로브는 테이퍼형으로 가공되고, 그 선단에 파장보다 더 작은 개구가 형성된다. 이 광 화이버 프로브를, 진동용 압전 소자를 이용하여 샘플 표면에 평행하게 진동시킨다. 샘플 표먼으로부터의 수평방향의 힘 또는 전단력이 프로브의 선단에 작용한다. 따라서, 프로브의 진동 상태가 변화한다. 프로브의 진동 상태를 측정하기 위해, 레이저 광(도시되지 않음)이 사용된다. A는 다이오드 레이저이다. B는 렌즈이고, F는 포토다이오드 검출기이다. 위치 제어용 레이저 광은 광 화이버 프로브의 선단에 보내진다. 프로브의 섀도는 렌즈 및 검출기에 의해 검출된다.

샘플 표면과 프로브 선단과의 거리는 전단력을 일정하게 유지 즉, 진폭 변화율이나 위상 변화율이 일정하게 유지되도록 압전 스캐너(C)를 이용하여 제어된다. 전단력은 샘플로부터의 거리에 따라 급속 강하한다. 이를 활용하면, 샘플 표면과 프로브의 선단과의 거리는 대략 나노미터로 일정하게 유지된다. 이 상태로, 근접장 광학 측정용 레이저 광(도시되지 않음)은 화이버(D)내로 유도되어, 선단의 개구로부터 샘플 표면으로 조사한다. 반사광의 일부는 종래의 광학계(도시되지 않음)에 의해 검출된다. 분해능은 프로브 선단의 개구 크기에 좌우된다. 파장(예컨대, 100㎚ 이하)보다 더 작은 개구를 형성하는 것이 용이하므로, 파장 이하의 높은 분해능이 실현될 수 있다. 저온유지장치(cryostat)는 샘플을 냉각하는 데 사용된다. E는 저온유지장치내 챔버 및 광학 윈도우이다. 저온유지장치 내부에 샘플을 배치하여, 샘플은 액체 헬륨 온도로 냉각될 수 있다. 이러한 구조는 샘플이 냉각된 상태에서 근접장 광학 측정이 행해질 수 있다.

도 4는 종래의 "수정 진동자를 이용한 근접장 광학 현미경"의 주요부에 대한 개략도이다. 부호(400)은 광 화이버 프로브를 나타낸다. 참조부호 410은 수정 진동자를 나타낸다. 광 화이버 프로브를 수정 진동자에 접착하여, 진동용 압전 장치(도시생략)에 의해 공진되게 한다. 수정 진동자의 진동으로 광 화이버 프로브가 진동된다. 프로브의 선단이 샘플에 근접하면, 샘플 표면으로부터의 수평방향의 힘, 즉 전단력이 프로브의 선단에 작용함으로써, 수정 진동자의 진동 상태가 변화하게 된다. 수정 진동자의 진동 상태는 수정의 압전 효과에 의해 발생된 전하를 측정함에 의해 측정된다. 샘플 표면과 프로브의 선단과의 거리는 전단력이 일정하게 유지 즉, 진폭 변화율이나 위상 변화율이 일정하게 유지되도록 압전 스캐너(도시되지 않음)를 사용하여 제어된다. 전단력은 샘플로부터의 거리에 따라 급속 강하한다. 이를 활용하면, 샘플 표면과 프로브의 선단과의 거리는 대략 나노미터로 일정하게 유지될 수 있다.

상술한 종래의 주사형 근접장 현미경은 다음의 문제점이 있다. 근거리장 주사 광학 현미경(NSOM)에 있어서, 레이저 광은 광학 프로브의 선단 가까이의 샘플 표면으로 향하게 되고, 프로브의 선단의 이미지(섀도)는 전단력을 검출하도록 반사광으로부터 검출된다. 이 때문에, 반사된 광량은 샘플 표면의 형세(topography) 및 반사율에 따라 쉽게 영향을 받는다. 따라서, 진동의 진폭을 측정하기가 어렵고, 표면 윤곽을 정밀하게 측정하기가 어렵다. 더욱이, 레이저 광의 위치맞춤이 쉽지 않아, 데이타 재현성에 문제점이 있게 된다. 더욱이, 샘플 표면상에서의 측정 영역을 광학 프로브로부터의 여기광은 물론, 전단력의 검출용으로 사용된 레이저 광으로 조사한다. 이것은 백그라운드 잡음을 증가시킨다. 또한, 이 잡음을 제거하기가 어렵다. 분광분석장치에 의한 측정에 있어서, 전단력을 위해 사용되는 레이저 광의 파장 근방의 파장을 측정하는 것이 불가능하다. 또한, 광 화이버 등이 전단력을 위해 사용된 레이저 광을 제거하는 것이 필요하다. 이것은 검출에 기여하는 발광량의 감소를 유발한다. 그 결과, 데이타의 S/N 비가 악화된다.

저온 주사형 근접장 광학 현미경은 상술한 근거리장 주사 광학 현미경(NSOM)과 동일한 방식으로 전단력을 검출기 위해 레이저를 이용한다. 이것은 진폭의 측정을 어렵게 만든다. 또 표면 형세를 정확하게 측정하기가 어렵다. 더욱이, 레이저 광을 정렬하기가 쉽지 않다. 데이타는 충분치 않은 재현성을 가지고 재생된다. 게다가, 샘플 표면상의 측정 영역은 광학 프로브로부터의 여기광은 물론, 전단력을 위해 사용된 레이저 광으로 조사된다. 이것은 백그라운드 노이즈를 증가시킨다. 분광기에 의한 측정에 있어서, 전단력을 위해 사용된 레이저 광의 파장 근방의 파장을 측정하는 것이 불가능하다. 더욱이, 광 화이버 등은 전단력을 위해 사용된 레이저 광을 제거하는 것이 필요하다. 이것은 검출에 기여하는 발광량의 감소를 초래한다. 그 결과, 데이타의 S/N 비가 악화한다. 이 샘플은 저온유지장치 내부에 위치되는 반면, 전단력의 검출용 레이저 광을 포함하는 광학은 저온유지장치의 외부에 배치된다. 따라서, 광학 윈도우는 레이저 광량을 감쇠시키는 경향이 있다. 결과적으로, 그의 측정을 어렵게 한다. 부가적으로, 저온 헬륨 가스 또는 액체 헬륨의 흐름은 레이저 광의 요동을 야기시키는 경향이 있다. 결과적으로, 광학 프로브의 위치를 제어하는 것이 어렵다. 게다가, 반사 미러를 사용하는 집광 시스템이 사용되기 때문에, 그 수차(aberration)를 제거하기가 어렵다. 이 때문에, 이미지의 흐림 현상(blurring)이 발현하는 문제점이 있다.

수정 진동자를 사용하는 근접장 광학 현미경에 있어서, 수정 진동자와 광 화이버가 접착된 부위는 극 미소 영역(일예로, 한변이 약 100㎛의 정방형 부분)으로 되기가 쉬워, 접착작업의 수행이 어렵다. 더욱이, 수정 진동자의 소자 특성은 접착량, 경화도, 이들이 접착된 부위 및 다른 요인에 의해 쉽게 영향을 받는다. 따라서, 높은 재현성을 가지는 진동자 센서(oscillator sensor)를 성취하기가 어렵다. 이러한 이유로, 산업상 응용에 있어서 수단으로 이용하기가 어렵게 된다. 또한, 광학 프로브를 교환할 때에는 수정 진동자 역시 교환되야만 한다. 이것은 코스트를 증가시킨다. 게다가, 높은 분해능을 가지는 근접장 광학 측정을 수행하는 것이 불가능하다.

본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경은 그의 선단에 파장보다 더 작은 직경의 극 미세 개구부가 제공된 광 도파 프로브; 압전 진동체와 AC-전압 발생부로 이루어진 진동 적용부; 샘플의 표면에 근접하게 광 도파 프로브를 이끌어내기 위한 조동수단; 렌즈 및 광검출기로 이루어진 광 검출수단; Z 이동의 미세 조정장치 및 Z 서보회로로 이루어진 샘플과 프로브간의 거리 제어수단; XY 미세 조정장치 및 XY 스캐닝 회로로 이루어진 2차원 스캐닝 수단; 및 측정 신호를 3차원 이미지로 변환하기 위한 데이타 처리수단을 가진다. 이 현미경은 광 도파 프로브가 탄성체의 스프링압에 의해 수정 진동자에 지지되는 특성이 있다. 이러한 구조로 되기 때문에 파장 이하의 높은 분해능을 가지고 국부적으로 여기되는 광 방사에 대한 측정이 가능한 근접장 광학 현미경이 제공된다. 샘플을 냉각하기 위한 수단을 주사형 근접장 광학 현미경에 부가하여, 저온에서 파장 이하의 높은 분해능을 가지고 국부적으로 여기된 광 방사의 측정이 가능한 근접장 광학 현미경이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경은, 광 도파 프로브(1); 압전 진동체(2)와 AC 전압-발생 수단(3)으로 이루어진 진동 적용부; 수정 진동자(4)와 전류/전압 증폭회로(5)로 이루어진 진동-검출부; 광 도파 프로브를 샘플의 표면에 근접하게 가져가기 위한 조동수단(6); 렌즈(7)와 광 검출기(9)로 이루어진 광학 검출수단; Z-축 미세 조정장치(11)와 Z 서보회로(12)로 이루어진 샘플-프로브 간 거리 제어수단; XY 미세 조정장치(13)와 XY 스캐닝 회로(14)로 이루어진 2-차원 스캐닝 수단; 측정 신호를 3-차원 이미지로 변환하기 위한 데이타 처리수단(15)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 프로브(1)는 이의 선단에 파장 이하의 직경을 가지는 극 미세 개구부를 가진다. 탄성체(16)는 광 도파관(1)을 수정 진동자(4)에 지지시키는 스프링압을 제공한다.

수평으로 진동하는 광 도파 프로브를 샘플 표면에 근접시키면, 프로브의 선단에 전단력이 작용한다. 이것은 진동 진폭을 감소시킨다. 이 프로브 및 수정 진동자는 스프링압에 의해 함께 고정되어, 하나의 유닛으로서 작동한다. 따라서, 프로브의 진동 진폭의 감소는 수정 진동자의 진동 진폭의 감소로 된다. 이에 따라 출력전류가 감소하게 되고, 이는 전류/전압 증폭회로에 의해 검출된다. 샘플과 프로브간의 거리는, 수정 진동자로부터의 출력 전류를 일정하게 유지하도록 Z-축 미세 조정장치와 Z 서보 회로로 제어된다. 따라서, 프로브의 선단은 샘플 표면으로부터 일정한 거리로 유지된다. 이러한 상태에서, 샘플을 여기시키기 위한 광이 광 도파 프로브 내로 도입한다. 샘플 표면상의 국부적 영역은 프로브 선단의 개구로부터의 광으로 조사되거나, 또는 샘플로부터의 광이 광학 프로브에 의해 픽업된다. 광 프로브로 샘플 평면을 2차원 스캐닝하여 3-차원 이미지를 생성한다. 또한, 샘플을 냉각하기 위한 수단이 포함된다. 따라서, 주사형 근접장 광학 현미경은 저온에서 작동될 수 있다.

상술한 바와 같이, 광 도파 프로브와 샘플간의 거리는 수정 진동자의 진동진폭을 이용해서 제어된다. 이것은 근거리장 주사 광학 현미경(NSOM) 또는 저온 주사형 근접장 광학 현미경에서와 같이 통상의 위치 제어용 레이저없이 수행한다. 그 결과, 각종의 문제점이 회피될 수 있다. 예를 들어, 만일 레이저 광의 위치 및 반사광량이 변동한다면, 데이타는 부정확해지게 된다. 헬륨가스나 액체헬륨의 요동은 레이저 광을 변동시켜, 데이타가 변질되게 된다. 더욱이, 위치 제어용 레이저가 샘플 표면으로 향하지 않는다. 그러므로, 백그라운드 잡음이 근접장 광학 측정중에 증가되지 않는다. 분광학적 측정중에, 위치 제어용 레이저의 파장을 가지는 광이 제거되어, 어떠한 광 화이버도 필요치 않게 된다. 이것은 분광학적 데이타용 파장의 광범위한 영역을 확보한다. 게다가, 검출된 광량에 있어서의 감소가 방지된다. 만일 그렇지 않다면, 데이타의 S/N 비가 악화되곤 한다. 이 탄성체의 스프링압은 광 도파 프로브를 수정 진동자에 고정시킨다. 수정 진동자를 이용하는 종래의 근접장 광학 현미경에 있어서, 데이타는 이들이 접착되는 방식에 의한 영향을 받곤 한다. 프로브 교환에 있어서, 단지 프로브를 교환하기만 하면 된다. 결과적으로, 동일한 수정 진동자가 사용될 수 있다. 측정 조건의 재현성 및 데이타 재현성이 증대될 수 있다. 더욱이, 프로브만의 교환으로 보다 저렴한 비용을 발생시킨다. 그밖에, 수행하기 어렵던 접착이 불필요해진다. 이 결과, 운용하기에 아주 수월한 기구가 이루어진다. 샘플을 냉각하기 위한 수단의 병합은 저온에서 작동하는 주사형 근접장 광학 현미경을 성취시킨다. 위치 제어용 레이저의 생략은 데이타의 정확성과 재현성을 증대시킬 수 있다. 또한, 저온 조건하에서의 근접장 광학 측정중의 분광학적 데이타의 S/N 비가 개선될 수 있다. 게다가, 측정된 파장의 영역이 확장될 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예들을 기술한다.

제1 실시예

도 5는 본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 실시에는 저온에서 작동하는 투과식(tranmission) 주사형 근접장 광학 현미경을 제시한다.

수정 진동자(4) 및 압전 진동자(2)는 접착제로 수정 진동자 홀더(25)에 접착된다. 압전 진동자로서는 평탄한 플레이트 형식의 PZT 장치가 사용된다. 비휴대용 시계 및 휴대용 시계의 수정 진동자는 상술한 수정 진동자로서 사용된다. AC 전압이 PZT 소자에 인가되어 진동하여, 수정 진동자를 강제 진동시킨다. 만일 진동 주파수가 공진 주파수(일예로, 32.7 kHz)와 일치하면, 수정 진동자가 공진한다. 이때, 압전 효과는 수정 진동자의 전극에 전하를 유기한다. 이때 발생한 전류는 전류 전압 증폭 회로에 의해 검출된다. 수정 진동자의 진동 진폭에 비례하는 전류가 제공되기 때문에, 수정 진동자의 진동 상태는 검출된 전류로부터 측정될 수 있다. 원통형 PZT 스캐너, 적층 PZT 플레이트, PZT 플레이트 또는 다른 구조가 압전 진동자로서 고려될 수도 있다. 이들 모두는 본 발명에 포함된다. 더욱이, 본 발명에 따른 상술한 수정 진동자로서 비휴대용 시계 및 휴대용 시계 이외에 사용된 수정 진동자도 채용될 수 있다.

광 도파 프로브(1)는 탄성체(16)의 스프링압에 의해 수정 진동자에 지지된다. 사용된 광 도파 프로브는 단일-모드의 광 화이버의 선단을 화학적으로 에칭함에 따라 마련되며, 테이퍼형으로 가공한 후 선탄의 개구부를 제외하고는 얇은 알루미늄 필름을 테어퍼 부분에 형성한 것을 이용하였다. 테어퍼형으로 가공된 멀티-모드 광 화이버 또는 글래스 피펫(pipette)이 광 도파 프로브로서 사용되도록 고려될 수 있다. 이것은 본 발명에 포함된다. 화이버나 피벳을 테이퍼형으로 가공하는 방법은 화학적 에칭 뿐만 아니라, 기계적 연마 및 가열-연신 가공처리를 포함할 수 있다. 얇은 금속 코팅으로서는 알루미늄 외, 귀금속(금이나 백금), 다층 필름, 얇은 합금 등도 고려해 볼 수 있다. 이들 모두는 본 발명에 포함된다. 개구는 측정에 사용되는 광의 파장 이하가 되도록 형성된다. 본 발명에 있어서, 100㎚보다 더 작은 개구가 형성된다. 대량의 광이 필요할 경우, 그 개구는 대략 150 내지 200 ㎚로 크게 하는 것이 바람직하다. 한편, 높은 분해능이 필요할 경우에는, 20 내지 50 ㎚가 바람직하다. 20 내지 300 ㎚의 크기를 사용하는 것을 고려할 수 있다. 이들 모두는 본 발명에 포함된다. 스테인레스 스틸로 이루어진 판 스프링이 탄성체로서 사용된다. 수정 진동자는 힘 검출 감도가 높기 때문에, 탄성체의 스프링 상수를 작게함이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 100 ㎛의 두께, 1 ㎜의 너비, 10 ㎜의 길이를 가지는 캔틸레버 스프링이 사용된다. 그밖에, 탄성체는 인청동의 판 스프링, 코일 스프링 및 실리콘 고무와 같은 각종 고무로 될 수 있다. 이들 모두 본 발명에 포함된다. 더욱이, 이 탄성체는 광 도파 프로브 자신의 탄성을 이용함으로써 유지될 수 있다. 또 이것도 본 발명에 포함된다. 탄성체가 스프링압에 의해 유지되는 경우, 이 압력은 수정 진동자 진동 특성(즉, Q-값)을 이용하여 측정된다. 이 광 도파 프로브가 지지되지 않은 경우, 수정 진동자의 Q-값은, 예컨대 대략 3000 정도이다. 광 도파 프로브가 스프링을 사용하여 지지되면, 그 Q-값은 500 이하가 된다. 주사형 근접장 광학 현미경에 바람직한 Q-값은 100 내지 400 정도이다. 이 스프링압은 Q-값이 이러한 범역 이내로 되도록 조정된다.

수정 진동자 홀더(25)는 XYZ 미세 조정장치(11, 13)에 지지된다. X-축, Y-축 및 Z-축 스캐너들은 일체로 한 원통형 압전 장치를 각각의 미세 조정장치로서 이용하였다. 그밖에, Z-축이 X-축 및 Y-축으로부터 분리된 압전 스케너가 미세 조정장치로서 고려될 수 있다. 이들은 본 발명에 포함된다. 다른 고려가능한 구조는 압전 스테이, 평행 스프링을 사용한 스테이지, 1-축 압전장치를 X-축, Y-축 및 Z-축상에 개별적으로 장착한 트라이포드형 압전장치, 및 적층 압전 스캐너를 포함한다.

조동(coarce displacement) 수단(6)은 광 도파 프로브를 샘플(17)에 근접하게 하는 데 사용된다. 포토루미네선스를 제공하는 반도체 박막이 샘플로서 이용된다. 이외 다른 샘플은 광이 투과(transmitting)하는, 무기 박막, 생물학적 샘플, 및 유기 박막이 될 수 있다. 이 샘플은 (i)진공 증착, (ⅱ) 휘발성 용매내에서 미립자 형태의 샘플을 분산하여 글래스 표면상에서 샘플을 전개하거나, (ⅲ) CVD에 의해 마련된다. 조동수단으로서는 스테핑 모터, 감속 기어, 조동 스크류, 리니어 가이드로 이루어진 조동수단이 사용된다. 조동수단의 다른 실시예는 스테핑 모터가 첨설된 Z 스테이지로 이루어질 수 있다. 추가의 실시예는 압전 장치를 이용하는 스테이지를 포함한다. 이를테면, 인치웜 기구(inchworm mechanism) 또는 Z 스테이지가 압전장치와 조합되는 스테이지를 말한다. 이들 모두 본 발명에 포함된다.

레이저 광원(19)으로부터 방사된 레이저 광은 렌즈(21)에 의해 집광되어 광도파관 프로브(1) 내로 도입된다. 레이저 광은 프로브(1) 선단의 개구로부터 나와 샘플(17)을 조사한다. 파장이 488 ㎚인 아르곤 이온 레이저가 레이저 광원으로 사용된다. 이 샘플은 레이저 광에 의해 여기되고, 포토루미네선스에 의해 방사된다. 이러한 방사는 프로브의 선단의 개구 주변부에만 일어난다. 이 광은 렌즈(7), 미러(22), 렌즈(8)에 의해 집광된다. 이 렌즈는 단일 렌즈 외, 조합 렌즈로 고려할 수 있다. 이들 모두 본 발명에 포함된다. 광전자 증배관(photomultiplier)이 광 검출기로서 이용된다. 다른 고려가능한 실시예는 CCD 장치, 실리콘 포토다이오드, 실리콘 애벌런치 포토다이오드, 및 게르마늄 검출기를 포함한다. 이들 모두 본 발명에 포함된다. 광검출기(9)로부터의 신호는 XY 스캐닝 신호와 더불어 데이타 처리수단(15)으로 입력되어, 3차원 이미지가 발생된다. 컴퓨터 및 CRT 디스플레이가 데이타 처리수단으로서 사용된다. 각종의 다른 방법이 착상가능하다. 예를 들면, 스토리지 오실로스코우프, 컴퓨터 및 액정 디스플레이의 조합 등으로 될 수 있다. 이들 모두 본 발명에 포함된다.

샘플 온도는 저온유지장치(cryostat)(18)를 이용하여 액체 헬륨 온도(예를 들면, 5K)에 가깝게 냉각된다. 광학 측정은 저온유지장치의 광학 윈도우(24)를 통해 수행된다. 사용된 저온유지장치는 헬륨 가스 흐름을 채용하는 냉각 기구를 가진다. 따라서, 이 샘플 온도는 단기간(약 30분)에 실온에서 액체 헬륨 온도로 냉각될 수 있다. 샘플을 냉각하기 위한 다른 착상가능한 수단은 (ⅰ) 구리와 같은 금속을 냉각하여, 진공상태의 샘플에 접촉시켜 샘플을 냉각하는 방법이나. (ⅱ) 액체 헬륨의 단열 팽창을 이용한 기계식 냉동기, 등이 포함되며, 어느 것이나 본 발명에 포함된다. 상술한 구조를 이용하면, 샘플 온도는 액체 헬륨 온도에 가깝게 냉각된다. 이러한 조건하에서, 레이저 광은 포토루미네선스에 의해 광 방사를 유도하도록 파장 이하의 광 도파 프로브의 개구로부터 샘플표면에 조사한다. 이 광은 렌즈에 의해 집광되고 광검출기에 의해 검출된다. 샘플 평면내에서 광 방사의 분포는 파장 이하의 높은 분해능으로 측정될 수 있다.

제 2실시예

도 6은 본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경의 제2 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 실시예는 저온에서 작동되는 반사형 주사형 근접장 광학 현미경이다.

레이저 광원(19)은 커플링(21)에 의해 광 도파 프로브(1) 내로 도입된다. 광은 광 도파 선단의 개구로부터 샘플(17)로 조사된다. 샘플로부터의 루미네슨트 광은 렌즈(7), 미러(23, 22), 및 광학 윈도우(24)를 경유하여 렌즈(8)에 의해 집광된다. 이 광은 광검출기(9)에 의해 검출된다. 데이타 처리수단(15)는 3차원 이미지를 발생한다. 샘플 표면상의 측정 영역은 샘플을 위한 XY 스테이지(26)를 사용하여 이동된다. 피에조 피동 XY 스테이지가 이 XY 스테이지로서 사용된다. 다른 고려가능한 XY 스테이지는 스테핑 모터 및 XY 스테이지의 조합으로 이루어지는 스테이지이다. 이들 모두 본 발명에 포함된다. 다른 구조는 제1 실시예의 내용과 동일하다. 상술한 본 구성에 있어서, 액체 헬륨 온도 정도로 샘플 온도로 냉각된 상태에서, 레이저 광은 파장 이하의 광 도파의 개구에서 조사된다. 광 방사는 포토루미네선스에 의해 유도된다. 이 광은 렌즈에 의해 집광되고, 광 검출기에 의해 검출된다. 샘플 평면내에서의 발광 분포는 파장 이하의 높은 분해능으로 측정될 수 있다.

제 3실시예

도 7은 본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경의 제3 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 예시된 실시예는 저온에서 작동되는 반사식 주사형 근접장 광학 현미경이다.

광원(19)로부터 방사된 광은 음파-광학(AO) 변조기로 이루어진 광 변조기(27)에 의해 주기적으로 진폭-변조된다. 다른 고려가능한 광 변조기는 전계에 의한 광 변조기(EO modulator)와, 광 초퍼가 전기 모터에 의해 회전되는 기계적 변조기를 포함한다. 이들 모두 본 발명에 포함된다. 변조된 레이저 광은 커플링(21)에 의해 광 도파 프로브(1)내로 도입된다. 이 광은 광 도파 프로브 선단의 개구로부터 샘플(17)로 조사한다. 샘플로부터의 루미네선트 광(luminescent light)은 렌즈(7), 미러(23, 22), 및 광학 윈도우(24)를 경유하여 렌즈(8)에 의해 집광된다. 이때, 이 광은 하프-미러(31)에 의해 2 방향으로 이동하는 2개의 빔으로 분기된다. 이들 분기된 광 빔들은 광검출기(9) 및 분광분석장치(29)에 의해 측정된다. 몇몇 경우에 있어서, 하프-미러는 다이크로익 미러(dichroic mirror)로 대체될 수 있다. 분광학적 적용을 위한 충분한 광량을 확보하기 위해, 미러를 사용하지 않는 것이 가능할 수도 있다. 광검출기(9)에 의해 검출된 광은 로크-인 증폭기(lock-in amplifier)를 이용하여 높은 S/N을 가지고 측정된다. 이 신호는 데이타 처리수단(15)에 의해 3차원 이미지로 변환된다. 샘플 표면상의 측정 영역은 샘플을 위한 XY 스테이지(26)를 이용하여 이동된다. 피에조 구동형 스테이지는 이러한 XY 스테이지로서 이용된다. 다른 고려가능한 XY 스테이지는 스테핑 모터가 XY 스테이지와 조합된 XY 스테이지로 될 수도 있다. 이것도 본 발명에 포함된다. 본 실시예는 다른 면에서는 제1 실시예의 경우와 유사하다.

상술한 구조에 있어서, 레이저 광은 파장 이하의 광학 파장의 개구로부터 샘플 표면에 조사하고, 샘플 온도는 액체 헬륨 온도 정도로 냉각된다. 광의 방사는 포토루미네선스에 의해 유도된다. 이 광은 렌즈에 의해 집광되고, 광검출기에 의해 검출된다. 샘플 평면내에서의 광 방사의 분배는 샘플 평면 전반에 걸쳐 광 도파 프로브를 스캐닝함에 의해 파장 이하의 높은 분해능으로 측정될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 선단에 파장 이하의 직경의 미세 개구부가 제공된 광 도파 프로브와, 압전 진동체(2)와 AC 전압-발생부(3)로 이루어진 진동 적용부와, 수정 진동자(4)와 전류/전압 증폭회로(5)로 이루어진 진동-검출수단과, 광도파 프로브를 샘플의 표면에 근접하게 가져가기 위한 조동수단(6)과, 렌즈(7,8) 와 광 검출기(9)로 구성된 광학 검출 수단, Z 이동 미세 조정장치(11)와 Z 서보회로(12)로 이루어진 샘플과 프로브간의 거리 제어수단과, XY 미세 조정장치(31)과 XY 스캐닝 회로(14)로 이루어진 2차원 스캐닝 수단과, 측정 신호를 3 차원 이미지로 변환하기 위한 데이타 처리수단(15)를 구비한다. 상기 광 도파 프로브(1)은 탄성체(16)의 스프링압에 의해 수정 진동자(4)에 지지된다.

상술한 바와 같이, 광 도파 프로브와 샘플간의 거리는 수정 진동자의 진동 진폭을 이용하여 제어된다. 따라서, 근거리장 주사 전자 현미경(NSOM) 및 저온 주사형 근접장 광학 현미경에서 사용되는 것인, 위치 제어를 위해 사용되는 레이저가 불요하게 된다. 이것은 레이저 광의 위치 변동 및 반사된 광량의 변동에 기인하는 데이타의 부정확성, 헬륨 가스나 액체 헬륨의 요동으로 인한 레이저 광의 변동에 기인하는 데이타의 변질 등과 같은 각종 문제점을 회피할 수 있다. 더욱이, 샘플 표면에 위치 제어용 레이저가 조사되지 않기 때문에, 근접장 광학 측정 중에 백그라운드 잡은은 증가되지 않는다. 분광학적 측정중에, 위치 제어 레이저의 파장의 광을 제거하기 위한 어떠한 광 화이버도 필요로 하지 않으므로. 분광학적 데이타의 파장영역을 넓게 할 수 있다. 게다가, 검출된 광량에 감소에 의해, 데이타의 S/N 비가 저하되는 문제가 회피된다. 탄성체의 스프링압은 수정 진동자에 광 도파 프로브를 지지시킨다. 수정 진동자를 사용하는 종래의 근접장 광학 현미경에 있어서, 데이타는 이들이 접합되는 방식에 의해 영향을 받는다. 프로브의 교환시, 프로브만 교환하면 된다. 결과적으로, 동일한 수정 진동자가 사용될 수 있다. 측정 조건의 재현성 및 데이타의 재현성이 향상될 수 있다. 더욱이, 단지 프로브만 교환하므로 저 비용이 도고, 게다가, 수행하기 어려운 접착이 불필요하게 된다. 결과적으로, 이 기구는 운용하기가 매우 용이해진다. 샘플을 냉각하기 위한 수단이 포함되어 있어, 저온에서 동작하는 주사형 근접장 광학 현미경을 달성한다. 위치 제어용 레이저가 불필요하므로 데이타의 정확도 및 그 재현성을 증대시킬 수 있다. 또한, 저온 조건하에서의 근거리장 광학 측정중의 분광학적 데이타의 S/N 비가 증대될 수 있다. 게다가, 측정되는 파장의 영역이 확장될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 주사형 근접장(Scanning near-field) 광학 현미경을 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 종래의 근거리장 주사 광학 현미경을 개략적으로 도시한 도면,

도 3은 종래의 저온 주사형 근접장 광학 현미경을 개략적으로 도시한 도면,

도 4는 수정 진동자를 이용하는 종래의 근접장 광학 현미경을 개략적으로 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경의 제2 실시예를 개략적으로 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 주사형 근접장 광학 현미경의 제3 실시예를 개략적으로 도시한 도면.

Claims

선단에 파장 보다 짧은 직경의 극 미세 개구부가 제공된 광 도파 프로브와, 압전 진동체와 AC 전압-발생부로 이루어진 진동 적용부와, 광 도파 프로브를 샘플의 표면에 근접하게 하기 위한 조동수단과, 렌즈와 광 검출기로 이루어진 광학 검출수단과, Z 이동 미세 조정장치와 Z 서보회로로 이루어진 샘플과 프로브간의 거리 제어수단과, XY 미세 조정장치와 XY 스캐닝 회로로 이루어진 2-차원 스캐닝 수단과, 측정 신호를 3-차원 이미지로 변환하기 위한 데이타 처리수단을 가지는 주사형 근접장 광학 현미경에 있어서, 상기 광 도파 프로브는 탄성체의 스프링압에 의해 수정 진동자에 지지되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 1 항에 있어서,

상기 샘플을 냉각하기 위한 수단이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 2 항에 있어서,

상기 샘플을 냉각하기 위한 수단은 냉매로서 액체 헬륨을 이용하는 저온유지장치인 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 3 항에 있어서,

상기 광 도파 프로브내로 도입되고 상기 광 도파 프로브의 선단으로부터 샘플 표면을 국부적으로 조사하도록 작용하는 레이저 광원이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 4 항에 있어서,

레이저 광을 주기적으로 변조하기 위한 수단과 로크-인 검출수단이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 4 항에 있어서,

상기 샘플 표면상에서 측정 위치를 이동시킬 수 있는 샘플 스테이지가 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 4 항에 있어서,

상기 샘플을 투과한 광, 또는 상기 샘플 표면의 반사 광을 집광하기 위한 렌즈들이 더 제공되며, 상기 렌즈들은 상기 저온유지장치내의 샘플 쳄버내에 도입되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 4 항에 있어서,

상기 샘플로부터 방사된 광을 분광 분석하기 위한 수단이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
선단에 파장보다 더 짧은 직경의 미세 개구부가 제공된 광 도파 프로브와, 압전 진동체와 AC 전압-발생부로 이루어진 진동 적용부와, 상기 광 도파 프로브를 샘플의 표면에 근접하게 하기 위한 조동수단과, 렌즈와 광 검출기로 이루어진 광 검출수단과, Z 이동 미세 조정장치와 Z 서보회로로 이루어진 샘플과 프로브간의 거리 제어수단과, XY 미세 조정장치와 XY 스캐닝 회로로 이루어진 2-차원 스캐닝 수단과, 측정 신호를 3-차원 이미지로 변환하기 위한 데이타 처리수단을 가지는 주사형 근접장 광학 현미경에 있어서,

상기 압전 진동체에 상기 수정 진동자를 고착함과 아울러 상기 수정 진동자에 상기 광도파 프로브를 접착 고정하고,

상기 샘플과 광도파 프로브를 냉각하지 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 9 항에 있어서,

상기 샘플을 냉각하기 위한 수단은 냉매로서 액체 헬륨을 이용하는 저온유지장치인 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 10 항에 있어서,

상기 광 도파 프로브내로 도입되고, 상기 광 도파 프로브의 선단으로부터 상기 샘플을 국부적으로 조사하도록 작용하는 레이저 광원이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 11 항에 있어서,

레이저 광의 주기적 변조수단과 로크-인 검출 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 11 항에 있어서,

상기 샘플 표면상에서 측정 위치를 이동시킬 수 있는 샘플 스테이지가 더 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 11 항에 있어서,

상기 샘플을 투과한 광 또는 상기 샘플의 반사 광을 집광하기 위한 렌즈들이 더 제공되고, 상기 렌즈들은 상기 저온유지장치내의 샘플 쳄버에 도입되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.
제 11 항에 있어서,

상기 샘플로부터 방사된 광을 분광 분석하기 위한 수단이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 주사형 근접장 광학 현미경.