KR100648406B1

KR100648406B1 - 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계

Info

Publication number: KR100648406B1
Application number: KR1020040024446A
Authority: KR
Inventors: 유장훈; 임상엽; 박승한
Original assignee: 학교법인연세대학교
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2006-11-24
Also published as: KR20050099218A

Abstract

나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계가 개시되어 있다.

이 개시된 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계는, 피검 물질에 광을 조사하는 광원; 상기 광원으로부터 조사된 광을 분할하는 빔스프리터; 상기 광원에서 조사된 후 상기 피검 물질을 통과한 광을 반사시키는 광학 탐침; 상기 피검 물질로부터 반사된 광과 상기 광학 탐침에서 반사된 광을 간섭시켜 간섭 무늬를 촬영하고, 위상 천이된 간섭 무늬를 촬영하는 고체촬상소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의해, 본 발명에서는 반사형 광학 탐침을 구비하여 피검 물질에서 반사된 광과 광학 탐침에서 반사된 광의 간섭 무늬를 얻고, 이 간섭 무늬를 위상 천이시켜 피검 물질의 광학적 특성을 측정할 수 있다.

Description

나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계{Nearfield interferometer for measuring wave front using nano probe reflection}

도 1은 종래의 광학 측정 장치의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주사 광학 측정 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계에서 촬영한 간섭 무늬를 나타낸 것이다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계의 근접장 내에서 위상천이에 의해 얻은 간섭 무늬를 나타낸 것이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 설명>

10...광원, 13...빔스프리터

15...반사미러, 17...대물렌즈

20...피검 물질, 25...광학 탐침

30...고체촬상소자

본 발명은 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피검 물질의 표면에서 반사된 광과 나노 광학 탐침으로부터 반사된 광의 간섭 무늬를 위상 천이시켜 피검 물질의 광학적 특성을 측정할 수 있는 근접장 파면 측정 간섭계에 관한 것이다.

생체나 나노미터 단위의 미세 소자 구조 또는 표면의 형상을 관측하기 위한 도구로 사용되는 광학 현미경은 빛으로 물체를 관측하기 때문에 회절한계현상으로 인해 분해능에 한계가 있다. 즉, 크기가 빛의 파장의 1/2 이하인 물체는 광학적으로 관측할 수 없게 된다. 이러한 회절한계를 극복하고 광학적 특성의 측정을 파장보다 매우 작은 수준에서 행할 수 있는 근접장 광학 현미경이 등장하게 되었다. 근접장 광학 현미경에서는 빛의 파장보다 작은 개구를 통과한 빛이 이 개구의 크기와 비슷한 거리에 있는 피검 물질을 조사하도록 하는데, 피검 물질 표면에서부터 빛의 파장보다 작은 거리 내에 있는 근접장은 회절을 일으키지 않는 현상을 이용한 것이다. 따라서, 근접장 광학 현미경의 분해능을 향상시키기 위해서는 개구의 크기를 줄이고, 개구와 피검물질의 표면 사이의 거리를 줄이는 노력을 하여야 한다.

이러한 근접장 광학 현미경에 사용되는 근접장 광학 탐침으로 가장 널리 알려진 것은 도 1에 도시된 바와 같은 광섬유 근접장 광학 탐침(100)이다. 광섬유 근접장 광학 탐침(100)은 광섬유(102)에 열을 가하여 가늘게 늘리거나 화학 약품으로 식각하여 한쪽 단부를 수십 내지 수백 나노미터의 크기를 갖도록 만든다. 그리고, 상기 광섬유(102)의 외부면에 빛이 새어나가는 것을 방지하기 위해 금속막(104)을 증착하고 끝부분에 수십 내지 수백 나노미터의 직경을 갖는 개구(105)를 형성한다. 미설명부호 103은 근접장을 나타낸다.

이러한 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 나노구조의 피검 물질(106)의 광학적 특성을 측정하기 위하여, 상기 광섬유 근접장 광학 탐침(100)을 상기 피검 물질(106)로부터 수내지 수십 나노미터 범위까지 근접시킨 뒤 피검 물질 표면에 대해 광을 주사하면서 각 주사 포인트에서의 반사된 광신호를 측정하고 이들 광신호를 종합하여 전체 영상을 얻는다.

탐침을 피검 물질에 나노미터 거리까지 근접시키기 위해서 수정진동자(110)에 광섬유 탐침(100)을 부착한 후 피에죠 진동자(113)를 이용하여 일정한 주파수로 상기 수정진동자(110)를 진동시킨다. 그리고, 락인(lock-in) 증폭기(115)를 이용하여 피에죠 진동자(113)에 진동 신호를 인가한다. 탐침(100)과 피검 물질(106)간의 거리 변화에 따라 수정진동자(110)로부터 검출되는 신호가 변화된다. 이 신호를 검출하여 탐침(100)과 피검 물질(106) 사이의 거리를 조절한다.

검출된 신호는 락인 증폭기(115)와 비례 적분기(117)를 통하여 피드백 신호로서 피에죠 트랜스레이터(120)에 제공되고, 이 신호를 이용하여 상기 피에죠 트랜스레이터(120)의 이동량을 보정한다.

근접장 주사 광학 탐침이 피검 물질 표면을 주사할 때, 피검 물질 표면의 미소한 변화에 따라 수정 진동자(110)의 검출신호가 변화되고, 이러한 검출신호의 변화를 이용하여 피검 물질 표면의 정밀한 높이 정보를 얻을 수 있다.

하지만, 생물학적 유기물이나 광학적인 위상 정보를 가지고 있는 피검 물질의 분석을 위해서는 피검 물질을 통과하는 광을 분석하는 것이 좋다. 예를 들어, 탐침으로부터 조사된 광을 피검 물질에 통과시킨 후 탐침의 반대 방향에서 광의 강도 분포를 얻을 수 있다.

그러나, 광학 탐침을 통하여 빛을 조사할 때, 탐침의 끝단에 도달한 광의 밀도가 증가하여 탐침 주위에 코팅된 금속막을 녹이게 되고, 그럼으로써 개구가 커지게 되어 수십 나노 크기의 개구로서의 역할을 상실하게 될 수 있다. 한편, 탐침 주위에 코팅된 금속층이 녹는 것을 방지하기 위해 광섬유를 통해 입사시키는 광량을 줄이면 검출되는 신호 대 잡음비가 상대적으로 감소하게 되어 분해능이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 피검 물질의 표면과 나노 탐침으로부터 반사된 광을 간섭시키고, 간섭 무늬를 위상 천이시켜 피검 물질 내부의 광학적 특성을 측정할 수 있는 근접장 파면 측정 간섭계를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계는, 피검 물질에 광을 조사하는 광원; 상기 광원으로부터 조사된 광을 분할하는 빔스프리터; 상기 광원에서 조사된 후 상기 피검 물질을 통과한 광을 반사시키는 광학 탐침; 상기 피검 물질로부터 반사된 광과 상기 광학 탐침에서 반사된 광을 간섭시켜 간섭 무늬를 촬영하고, 위상 천이된 간섭 무늬를 촬영하는 고체촬상소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광학 탐침은 반사형 탐침으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 광학 탐침은 광섬유로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 광학 탐침은 피검 물질의 근접장 내에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 광학 탐침과 피검 물질 사이의 거리를 변화시키면서 위상 천이를 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 피검 물질을 통과한 광이 광학 탐침에서 반사되는 영역은 광원에서 조사되는 광의 파장보다 작은 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계는 도 2를 참조하면, 광원(10)에서 출사된 광이 피검 물질(20)과 광학 탐침(25)에서 반사된 후 간섭되는 광의 간섭 무늬를 촬영하여 피검 물질(20)의 내부 구조와 광학적 특성을 측정할 수 있다.

상기 광원(10)에서 출사된 광은 빔스프리터(13)를 통해 소정 비율로 분할된다. 상기 광원(10)에서 출사된 광의 일부 광이 투과되어 대물렌즈(17)를 향해 진행된다. 상기 빔스프리터(13)와 대물렌즈(17) 사이의 광경로 상에는 광의 경로를 변환하기 위한 반사미러(15)가 더 구비될 수 있다.

상기 대물렌즈(17)에 의해 광이 스테이지(19) 위에 놓인 피검 물질(20)에 집속된다. 광학 탐침(25)이 상기 대물렌즈(17)에 대해 마주보게 배치되고, 상기 광학 탐침(25)과 대물렌즈(17) 사이에 피검 물질(20)이 놓이게 된다.

상기 피검 물질(20)의 표면에서 반사된 제1광(I₁)과 광학 탐침(25)에서 반사된 제2광(I₂)이 상기 대물렌즈(17)와 반사미러(15)를 경유하여 빔스프리터(13)에 의해 반사되어 고체촬상소자(30)에 수광된다. 도 3은 상기 고체촬상소자(30)를 통해 간섭 무늬 영상을 나타낸 것이다.

한편, 도 2에 도시된 구조에서 상기 반사미러(15) 없이 빔스프리터(13)에서 반사된 광을 대물렌즈(17)로 향하도록 하고, 피검 물질(20)과 광학 탐침(25)에서 반사된 광이 빔스프리터(13)를 통해 투과되도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 고체촬상소자(30)가 빔스프리터(13)를 투과한 광이 진행하는 경로 상에 배치한다.

상기 광학 탐침(25)은 피검 물질(20)을 통과한 광을 반사시키는 반사형 탐침으로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 광학 탐침(25)은 광섬유로 구성될 수 있다. 광학 탐침(25)은 광섬유를 수십 나노미터의 직경을 갖도록 제작하거나 미소한 반사 미러를 구비하여 제작할 수 있다.

또한, 광학 탐침(25)은 피검 물질(20)에 대해 근접장 범위 내에 위치시킨다. 더 나아가, 광학 탐침(25)의 반사 영역(A)이 광원(10)으로부터 출사되는 광의 파장보다 작은 크기를 갖는 것이 바람직하다. 광학 탐침(25)의 반사 영역(A)이 사용되는 광의 파장보다 작은 크기를 가질 때, 광학 탐침(25)에서 반사된 광은 점광원으로서의 기능을 할 수 있다. 새로운 점광원으로 작용하기 때문에 반사 영역(A)에서 반사된 광에서 발생될 수 있는 수차 문제가 해소되는 이점이 있다. 또한, 광학 탐 침(25)쪽에는 별도의 광원을 구비할 필요가 없기 때문에 비용이 절감될 뿐만 아니라 장비가 간단해진다.

본 발명에 따른 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계의 작용에 대해 살펴보면, 상기 광원(10)에서 출사된 광이 빔스프리터(13)와 반사미러(15)를 통해 대물렌즈(17)로 입사된다. 그런 다음, 피검 물질(20)에서 반사된 제1광(I₁)과 광학 탐침(25)에서 반사된 제2광(I₂)이 간섭을 일으키고, 이 간섭광은 반사미러(15)를 경유하여 빔스프리터(13)에서 반사되어 고체촬상소자(30)에 입사된다. 상기 고체촬상소자(30)에 의해 간섭 무늬를 얻을 수 있다.

상기 광학 탐침(25)과 피검 물질(20)과의 거리를 변화시킴으로써 간섭 무늬를 위상 천이시킨다. 상기 광학 탐침(25)이 근접장 범위 내에 접근되면 도 4a에 도시된 바와 같은 간섭 무늬가 형성된다. 이 간섭 무늬에 의해 파면 분석 알고리즘을 이용하여 피검 물질의 내부 구조와 광학적인 위상 변화에 따른 파면을 측정한다. 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 위상 천이시키면서 얻은 간섭 무늬를 나타낸 것이다.

간섭 무늬를 위상 천이시키기 위해서 간섭하는 두 파면 사이 즉, 피검 물질(20)과 광학 탐침(25) 사이에, 사용하는 광의 파장의 1/4씩 경로차를 만들어준다. 그런데, 여기서는 피검 물질(20)을 통과한 광이 상기 광학 탐침(25)에서 반사된 후 다시 피검 물질(20)을 통과하기 때문에 경로차는 피검 물질(20)과 광학 탐침(25) 사이의 거리의 2 배가 된다. 따라서, 4장의 위상 천이된 간섭 무늬를 얻기 위해서 광학 탐침의 이동거리는 사용하는 광의 파장의 1/8씩 이동시키면 된다. 예를 들어, 사용하는 광의 파장이 650nm일 때, 대략 81nm씩 광학 탐침(25)을 이동시킨다. 따라서, 처음에 광학 탐침(25)이 피검 물질(20)로부터 10nm 정도 떨어져 있었다고 하면, 피검 물질(20)로부터 차례로 91nm, 172nm, 253nm 거리를 유지하도록 광학 탐침(25)을 이동시키면서 간섭 무늬를 촬영한다. 이렇게 촬영된 간섭 무늬가 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있다.

이와 같이 해서 얻은 4장의 간섭 무늬로부터 위상 천이 알고리즘을 이용하여 피검 물질을 통과한 광의 파면의 변화를 측정할 수 있다. 피검 물질의 파면을 분석하면 나노 단위의 근접장에서 일어나는 물질의 특성 변화를 관측 및 측정할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 광학 장치에 채용되는 광학 탐침(25)은 입사광을 반사뿐만 아니라 투과시킬 수도 있다. 따라서, 상기 피검 물질(20)을 통과한 광이 광학 탐침(25)을 통해 투과될 수 있다. 광학 탐침(25)을 통해 투과된 광의 광량을 검출함으로써 피검 물질(20)의 투과율의 변화 및 광학적 스펙트럼을 측정할 수 있다. 그럼으로써, 피검 물질(20)의 흡수율 변화를 분석할 수 있다.

또한, 광학 탐침(25)을 피검 물질(20)에 대해 근접장 범위 내에 위치시켜 근접장 주사 현미경의 원리에 따라 피검 물질(20)의 표면 형상을 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계는, 반사형 나노 광학 탐침을 구비하여 피검 물질에서 반사된 광과 광학 탐침에서 반사된 광의 간섭 무늬를 위상 천이시키고, 이 간섭 무늬의 변화를 이용한 위상 천이 알고리즘에 의해 피검 물질의 광학적 특성 예를 들어, 피검 물질의 광학 수차를 측정할 수 있다.

뿐만 아니라, 광학 탐침은 피검 물질을 통과한 광을 투과시킬 수 있고 이 투과된 광을 이용하여 피검 물질의 투과율 변화 또는 흡수율 변화를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 광학 탐침을 통해 광을 조사하지 않기 때문에 탐침에 의한 광의 조사로 인해 탐침이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 신호대잡음비를 향상시켜 높은 분해능을 얻을 수 있다. 고분해능의 기술로 분자, 세포, 반도체 양자 구조, 금속 입자 또는 폴리머와 같은 나노 단위의 물질들에 대한 표면 분석뿐만 아니라 광학적 특성을 정밀하게 측정할 수 있다.

Claims

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피검 물질에 광을 조사하는 광원;

상기 광원으로부터 조사된 광을 분할하는 빔스프리터;

상기 광원에서 조사된 후 상기 피검 물질을 통과한 광을 반사시키는 것으로, 광섬유로 이루어진 광학 탐침;

상기 피검 물질로부터 반사된 광과 상기 광학 탐침에서 반사된 광을 간섭시켜 간섭 무늬를 촬영하고, 위상 천이된 간섭 무늬를 촬영하는 고체촬상소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계.
제 3항에 있어서,

상기 광학 탐침은 피검 물질의 근접장 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계.
제 3항에 있어서,

상기 광학 탐침과 피검 물질 사이의 거리를 변화시키면서 위상 천이를 수행하는 것을 특징으로 하는 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계.
제 3항에 있어서,

상기 피검 물질을 통과한 광이 광학 탐침에서 반사되는 영역은 광원에서 조사되는 광의 파장보다 작은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 나노 탐침 반사를 이용한 근접장 파면 측정 간섭계.