KR100808753B1 - 전기장 벡터 측정 기구 및 방법, 그리고 이 측정 기구를포함하는 현미경 - Google Patents

전기장 벡터 측정 기구 및 방법, 그리고 이 측정 기구를포함하는 현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노미터 수준의 분해능으로 시료 주변의 전기장 벡터를 측정하기 위해, 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 수단, 상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 수단; 상기 편광특성 분석된 광신호와 상기 입사광 사이의 간섭특성을 측정하여 위상차를 분석하는 위상차 분석 수단, 및 상기 분석된 편광 특성과 상기 위상차를 기초로 상기 측정 위치에서 크기, 방향축 및 방향을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 수단을 포함하는 전기장 벡터 측정 기구 등을 제공한다.
현미경, 탐침, 전기장, 간섭계

Description

전기장 벡터 측정 기구 및 방법, 그리고 이 측정 기구를 포함하는 현미경{Electric field vector measuring device and method, and microscope including the device}
도 1은 종래의 유공 근접장 현미경을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 무공 근접장 현미경을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 편광 현미경을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무공 탐침을 이용한 전기장 방향축 측정 기구를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유공 탐침을 이용한 전기장 방향축 측정 기구를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 정상파 형태의 분포를 가지는 전기장 벡터를 측정한 도면이다.
도 7은 도 6를 분석 편광판 각도 0도 및 90도에서 가로축으로 자른 단면의 그래프이다.
도 8은 도 6 및 도 7의 결과를 바탕으로 전기장 벡터의 방향축을 화살표로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 간섭계를 이용한 전기장 벡터 측 정기구를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 광학 간섭계 구조를 나타낸 도면이다.
도 11은 전기장 방향 축을 한쪽 방향만 가르키는 벡터 화살표로 바꾸기 위한 방법을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
40: 시료 41: 산란광
42: 무공탐침 43: 대물렌즈
44: 광학 조리개 45: 분석 편광판
46: 전기장 방향축 획득부 51: 유공 탐침
52: 금속 박막 53: 개구
96: 제1 광 분기 부재 97: 제2 광 분기 부재
98: 광학 간섭계 101:제1 분기광
102: 제2 분기광 103: 광 지연 수단
105: 제3 광 분기 부재 107: 간섭 특성 측정기
본 발명은 전기장 벡터 측정에 관한 것으로, 특히 나노미터 수준의 분해능으로 시료 주변의 전기장 벡터를 측정하는 기구 및 방법, 그리고 이 측정 기구를 포 함하는 현미경에 관한 것이다.
우리가 눈을 통해서 혹은 현미경 등 기구의 도움을 받아 볼 수 있는 물체의 상은, 그 크기가 측정하는 빛 파장의 절반 이하가 되면 회절 한계에 부딪쳐 더 이상 볼 수 없게 된다. 이러한 광학적 회절 한계를 극복하고 시료의 형태를 알아내기 위해 가시광선의 빛을 이용하는 대신 가속된 전자를 매개로 하여 시료의 상을 보는 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope) 과 시료의 표면 원자와 탐침 끝 원자 사이의 힘을 직접 나노미터 수준으로 검색 측정하는 원자현미경 (Atomic Force Microscope)이 널리 활용되고 있다. 하지만, 이 두 수단은 시료의 광학적 특성을 전혀 포함하고 있지 않은 것이 한계이다.
광학적 특성을 회절 한계를 넘어서 나노미터 수준으로 측정하기 위해 고안된 것이 근접장 주사 광학 현미경이다 (Near-field Scanning Optical Microscope). 근접장 주사 광학 현미경의 주요 작동 원리는 원자 현미경과 많은 유사점이 있다. 탐침을 시료 표면 위에 서로의 원자간 상호 작용력이 측정될 수 있는 거리까지 접근시키는 것이 그 유사점이다. 하지만 근접장 광학 현미경은 원자간 상호 작용력을 측정하는 것이 아니라, 시료에서 발생되거나 시료를 통과한 측정광을 탐침에 도파시키거나 산란시켜 그 도파광 또는 산란광을 측정하는 것이다. 이러한 근접장 광학 현미경은 보통의 광학 현미경처럼 렌즈를 이용하여 빛을 접속시켜 시료의 상을 만드는 것이 아니라, 시료 표면 위에서 탐침을 이동시키며 측정되는 광학 정보를 도면화시켜 상을 만들기 때문에 근본적으로 광학적 분해능이 회절 한계에 제한되는 것이 아니라 탐침의 구경에 제한받게 된다.
근접장 현미경은 탐침의 종류에 따라서 크게 두 가지로 나누어질 수 있는데, 첫 번째 장치는 도 1에 도시된, 탐침의 도파로를 통해 광 신호를 수신하는 유공 근접장 현미경 (Apertured Near-field Scanning Optical Microscope)이다.
화학 처리된 광섬유 탐침(16)은 개구(18)의 구경이 100 nm 이하로 만들어지고, 가시광선 파장 이하의 공간 분해능으로 광 신호를 측정하는 것이 가능하게 된다. 광섬유 탐침(16) 주변에는 금속 박막(17)이 코팅되어 개구(18) 이외에서 들어오는 광 신호를 차단하는 역할을 한다. 스테이지(14) 위에 올려진 시료(15) 주변에 형성되는 광 신호(11)는 광 섬유 탐침(16) 끝 부분의 개구(18)에서 커플링 되어서 광 섬유로 도파되어 가게 된다. 도파된 광 신호(13)를 광 검출기(도시안됨)로 검출함으로서 시료(15)의 광 신호를 광섬유 탐침(16) 구경 만큼의 공간 분해능으로 측정하게 된다.
두 번째 장치는 도 2에 도시된, 탐침 끝 부분에서 산란된 광 신호를 측정하는 무공 근접장 현미경 (Apertureless Near-field Scanning Optical Microscope)이다. 화학 처리를 통해 끝 부분이 수십 나노미터로 뾰족해진 금속 탐침(23)을 도 1과 마찬가지로 시료(25) 위에 접근시키면, 시료(25) 표면에 형성되는 광 신호(21)가 탐침(23)의 끝에서 산란되어 산란광(22)이 생성된다. 상기 산란광(22)을 측정하면, 근본적으로 탐침(23)의 끝 부분의 지름 만큼의 광학적 분해능을 얻을 수 있다. 무공 근접장 현미경 탐침은 개구가 없이 탐침 끝 부분의 산란을 측정하기 때문에 유공 근접장 현미경이 도달할 수 없는 분해능을 가질 수 있는 것이 특징이다.
상기된 근접장 광학 현미경을 통해 측정하는 광 신호는 나노미터 수준의 공 간 분해능을 가지고 있지만, 이는 빛의 강도 (intensity)를 나타낼 뿐 빛을 구성하는 성분인 전기장(electric field)의 구성에 대해서는 기술할 수 없다. 왜냐하면, 빛의 강도는 전기장의 제곱에 비례하는 방향이 없는 스칼라 양이기 때문이다. 하지만, 산란된 빛의 편광 특성 (polarization)을 측정하면 전기장의 방향을 측정할 수 있게 된다.
가시광 파장 이상 크기를 가지는 시료의 경우 도 3에 도시된 바와 같이, 기존 현미경을 개조한 편광 현미경 (Polarized Microscope)을 이용해 시료의 편광 특성을 관측할 수 있다. 도 3에 도시된 편광 현미경은 시료에 입사하는 입사광(31)의 편광 특성을 결정해 주는 제1 편광판(32)과; 시료(35)를 올려놓는 스테이지(34)와; 광학적 이방성을 가지는 시료(35)에 입사했을 경우 편광 특성이 바뀐 광(36)의 편광 특성을 분석하는 제 2 편광판(37)으로 구성된다.
입사광(31)은 제1 편광판(32)를 지나면서 한쪽 방향으로 선형 편광되게 되고 선형 편광된 빔(33)은 스테이지(34) 위의 시료(35)에 입사하게 된다. 시료(35)가 광학적 이방성을 가지고 있을 경우 선형 편광된 빔(33)의 편광 특성을 변한 광(36)을 생성한다. 여기서 변한 정도는 분석 편광판인 제2 편광판(37)을 통과하면서 분석되게 되고 이러한 정보를 가진 빛(38)을 측정함으로써 시료(35)의 광학적 이방성의 특성을 결정지을 수 있다.
상기와 같은 종래의 편광 현미경의 경우 시료를 통과해 나오는 광의 편광 특성을 통해 시료(35)의 광축을 결정할 수 있지만, 이는 시료(35)의 특성일 뿐 시료 주변에 형성되는 전기장은 아니다. 즉, 기존의 기술들로는 나노미터 수준에서 형성 되는 전기장의 방향을 측정할 수 없다.
따라서, 상기한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여,
본 발명의 목적은 나노미터 수준의 분해능으로 시료 주변에 형성되는 전기장 벡터의 크기 및 방향축을 측정할 수 있는 전기장 벡터 측정 기구 및 방법, 그리고 이 측정 기구를 포함하는 현미경을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노미터 수준의 분해능으로 시료 주변에 형성되는 전기장 벡터의 크기 및 방향축 뿐만 아니라 전기장 벡터의 방향을 측정할 수 있는 전기장 벡터 측정 기구 및 방법, 그리고 이 측정 기구를 포함하는 현미경을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기장 벡터 측정 기구는, 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 수단; 상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 수단;및 상기 분석된 편광 특성을 기초로 상기 측정 위치에서 크기와 방향축을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기장 벡터 측정 기구는, 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 수단; 상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 수단; 상기 편광특성 분석된 광신호와 상기 입사광 사이의 간섭특성을 측정하여 위상차를 분석하는 위상차 분석 수단; 및 상기 분석된 편광 특성과 상기 위상차를 기초로 상기 측정 위치에서 크기, 방향축 및 방향을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상차 분석 수단은, 상기 입사광으로부터 제 1분기광을 분기시키는 제 1광분기 부재; 상기 편광특성이 분석된 광으로부터 제 2분기광을 분기시키는 제 2광분기 부재; 및 상기 제 1분기광과 상기 제 2분기광의 간섭특성을 측정하여 상기 제 1분기광에 대한 상기 제 2분기광의 상대적 위상차를 분석하는 광학 간섭계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 광 추출 수단은 나노미터 수준의 구경을 갖는 개구가 길이방향으로 형성된 탐침, 나노미터 수준의 직경을 갖는 팁이 형성된 탐침 및 나노미터 수준의 직경을 가지는 입자가 부착된 탐침으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나이다.
바람직하게는, 상기 편광 특성 분석 수단은 상기 추출된 광신호를 편광 특성에 따라 선택적으로 통과시키는 편광판이다.
바람직하게는, 상기 전기장 벡터 획득 수단은 광검출기이다.
바람직하게는, 상기 전기장 벡터 측정 기구는, 상기 추출된 광신호를 집속하는 광 집속 수단;및 상기 집속된 광신호를 다른 광신호로부터 걸러내는 광 필터링 수단을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 전기장 벡터 측정 기구는, 상기 검사 영역 내의 전기장 벡터의 분포를 2차원 또는 3차원으로 도면화 하기 위하여, 상기 검사 영역 내에서 상기 측정위치를 달리함에 따른 상기 획득된 전기장 벡터를 연속적으로 기록하는 기록 수단을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 편광 특성 분석 수단은 2개의 편광판으로 구성되며, 상기 추출된 광신호에 대한 상기 2개의 편광판 각각의 상대적 위치 및 방향을 조절함에 따라 상기 추출된 광신호의 3차원적 편광 특성을 분석한다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기장 벡터 측정 방법은, 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 단계;상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 단계; 및 상기 분석된 편광 특성을 기초로 상기 측정 위치에서 크기와 방향축을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기장 벡터 측정 방법은, 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 단계;상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 단계;상기 편광특성 분석된 광신호와 상기 입사광 사이의 간섭특성을 측정하여 위상차를 분석하는 위상차 특성 분석 단계; 및 상기 분석된 편광 특성과 상기 위상차를 기초로 상기 측정 위치에서 크기, 방향축 및 방향을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상차 특성 분석 단계는, 상기 입사광으로부터 제 1분기광을 분기시키는 단계; 상기 편광특성이 분석된 광으로부터 제 2분기광을 분기시 키는 단계;및 상기 제 1분기광과 상기 제 2분기광의 간섭특성을 측정하여 상기 제 1분기광에 대한 상기 제 2분기광의 상대적 위상차를 분석하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 광 추출 단계는 나노미터 수준의 구경을 갖는 개구가 길이방향으로 형성된 탐침, 나노미터 수준의 직경을 갖는 팁이 형성된 탐침 및 나노미터 수준의 직경을 가지는 입자가 부착된 탐침으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나에 의해서 수행된다.
바람직하게는, 상기 편광 특성 분석 단계는 상기 추출된 광신호를 편광 특성에 따라 선택적으로 통과시키는 편광판에 의해서 수행된다.
바람직하게는, 상기 전기장 벡터 획득 단계는 광검출기에 의해서 수행된다.
바람직하게는, 상기 전기장 벡터 측정 방법은, 상기 추출된 광신호를 집속하는 단계; 및 상기 집속된 광신호를 다른 광신호로부터 걸러내는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 전기장 벡터 측정 방법은, 상기 검사 영역 내의 전기장 벡터의 분포를 2차원 또는 3차원으로 도면화 하기 위하여, 상기 검사 영역 내에서 상기 측정위치를 달리함에 따른 상기 획득된 전기장 벡터를 연속적으로 기록하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 편광 특성 분석 단계는 2개의 편광판을 이용하여 상기 추출된 광신호에 대하여 상기 2개의 편광판 각각의 상대적 위치 및 방향을 조절함에 따라 상기 추출된 광신호의 3차원적 편광 특성을 분석한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기장 벡터 측정 현미경은 전술 한 본 발명에 따른 전기장 벡터 측정 기구를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 전기장 벡터 측정 기구를 도 4 내지 도 11을 참조하여 설명한다.
실시예 1(전기장 벡터의 크기 및 방향축 결정)
도 4는 본 발명에 따른 무공탐침을 이용한 전기장 벡터 측정 기구를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 전기장 측정 기구는 광 추출 수단(무공 탐침, 42), 광 집속 수단(대물 렌즈, 43), 광 필터링 수단(광학 조리개, 44), 편광 특성 분석 수단(편광판, 45) 및 전기장 벡터 획득 수단(광검출기, 46)를 포함한다.
무공 탐침(42)은 나노미터 수준의 직경을 갖는 팁을 가지며, 측정 위치에서 산란광을 발생시킨다. 상기 무공 탐침(42)은 재질이 Au, Ag, W, Al, Cr, 및 Cu로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인 금속선을 화학적 방법으로 식각하거나, Au, Ag, W, Al, Cr, 및 Cu로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나를 화학적 방법으로 식각한 광섬유 표면에 코팅하거나, 화학적으로 식각된 광섬유 끝에 Au을 재질로 하는 나노입자를 부착한 것일 수 있다.
대물 렌즈(43)는 상기 산란광을 집속시킨다. 광학 조리개(44)는 상기 대물 렌즈에 의해 집속된 산란광을 다른 빛들로부터 걸러준다. 편광판(45)은 상기 광학 조리개(44)로부터의 상기 산란광의 편광 특성을 분석한다. 상기 편광판(45)은 상기 산란광을 편광 특성에 따라 선택적으로 투과한다. 전기장 벡터 획득부(46)는 상기 편광판(45)에 의해 분석한 상기 산란광의 편광 특성에 기초로 하여 측정 위치에 존재하는 전기장의 방향축, 크기, 및 분포를 획득한다.
동작에 있어서, 측정하려는 시료(40)의 표면 위에 무공 탐침(42)을 위치시키고 그 끝으로부터 산란광(41)을 대물렌즈(43)로 집속시킨다. 상기 대물렌즈(43)에 의해 집속된 빛이 광학 조리개(44)가 위치한 곳에 상을 맺으면서, 상기 광학 조리개(44) 위에 맺힌 상의 초점 크기가 광학 조리개(44)로 조절 가능한 크기가 될 수 있도록 대물렌즈(43)와 광학 조리개(44)의 위치를 조절해야 한다.
광학 조리개(44) 위에 맺힌 산란광(41)의 상은 광학 조리개(44)의 크기를 조절하면서 다른 상들과 구분하여 자를 수 있고, 결과적으로 광학 조리개(44)를 지나는 빛에서 탐침(42) 끝의 산란광(41)을 제외한 다른 빛들은 걸러지는 효과를 얻게 된다. 상기 광학 조리개(44)에 의한 작용은 도 2에 도시된 종래의 무공 근접장 현미경에서 얻어지는 광 신호가 매우 약하여 주변의 다른 광 신호에 묻혀 측정되지 않을 수 있는 약점을 극복할 수 있게 해 준다.
광학 조리개(44)에서 걸러진 산란광(41)은 분석 편광판(45)을 통과하면서 편광의 방향이 정해지게 된다. 여기서 정해진 편광 방향은 무공 탐침(42)이 위치하고 있는 곳의 전기장 방향 축과 같게 된다. 탐침이나 시료를 움직이며 상기된 방법을 동일하게 적용하면 탐색 영역에서의 전기장 분포, 크기 그리고 방향 축을 그릴 수 있게 된다. 더 나아가, 상기 편광 특성 분석 수단을 2개의 편광판(제1 편광판, 제2 편광판)으로 구성하여, 상기 광학 조리개(44)에서 걸러진 산란광에 대한 상기 2개의 편광판 각각의 상대적 위치 및 방향을 조절함에 따라 상기 산란광의 3차원적 편광 특성을 분석할 수 있다. 즉, 제1 편광판이 x, y 평면의 벡터 성분을 분석하고, 제2 편광판이 y, z 평면의 벡터 성분을 분석한 뒤 이들을 결합함으로써 x, y, z 공간 좌표 상의 전기장 벡터를 얻을 수 있다.
도 5는 광 추출 수단으로 유공 탐침을 이용한 경우의 전기장 벡터 측정 기구를 나타낸 것으로, 광 추출 수단을 제외한 나머지 부분들은 전술한 도 4와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 여기서 유공 탐침은, 개구 구경이 100nm 이하의 화학 처리된 광섬유 탐침(51)으로 만들어지고, 가시광선 파장 이하의 공간 분해능으로 광 신호를 측정하는 것이 가능하게 된다. 광섬유 탐침(51) 주변에는 금속 박막(52)이 코팅되어 개구(53) 이외에서 들어오는 광 신호를 차단하는 역할을 한다. 스테이지 위에 올려진 시료(50) 주변에 형성되는 광 신호는 광 섬유 탐침 끝 부분의 개구(53)에서 커플링 되어서 광 섬유(51)로 도파되어 가게 된다. 도파된 광신호는 대물렌즈(54)에 의해 광학 조리개(55) 상에 집속 되며 광학 조리개(55)에 의해서 다른 빛들로부터 걸러져 분석 편광판(57)에 의해 편광 특성이 결정된후 획득부(59)를 통해 전기장 벡터의 분포, 크기 및 방향축이 얻어진다.
도 6는 정상파 형태의 분포를 가지는 전기장을 측정한 그림이다. 도 6의 세로축은 분석 편광판(45)의 각도를, 가로축은 탐침의 좌표를 의미한다. 즉, 도 6는 분석편광판이 일정한 각도로 고정된 채 탐침이 가로축 방향으로 이동하면서 탐침끝 부분의 산란광의 세기를 측정한 그림이다. 도 7은 도 6을 분석편광판 각도 0도, 90 도에서 가로축으로 자른 단면의 그래프이다. 탐침이 같은 영역을 탐색하였다 하더라도 분석편광판의 각도에 따라 측정되는 산란광의 분포가 차이가 난다. 이는 시료표면 위에 존재하는 전기장들이 발생시킨 탐침 끝의 산란광이 편광되어 있다는 사실을 보여준다. 이러한 측정결과와 산란광의 편광방향이 이를 여기시킨 전기장 방향 축과 같다는 사실로부터 탐침이 위치한 곳의 전기장 방향 축을 결정할 수 있다.
도 8은 도 6 및 도 7에 나타낸 결과를 바탕으로 전기장 방향 축을 화살표로 나타내어 도면화한 그림이다. 이 경우 탐침을 시료표면에서 멀어지는 방향으로 가져가며 측정하여서 시료 주변의 전기장을 가로축과 세로축으로 2차원 도면화 하였다. 이처럼 본 발명에 의한 광학측정 기기를 이용하면 시료표면의 관심영역에 탐침을 보내어 전기장의 방향축, 크기, 분포를 측정, 도면화하는 것이 가능하다.
여기서 강조되어야 하는 것은 편광판 분석은 전기장이 180도 위상차이, 예를 들면 0도와 180도를 가질 경우, 같은 편광특성을 가지기 때문에 이 두 경우를 분류해 낼 수 없다는 것이다. 결국 편광판 분석은 전기장을 하나의 화살표인 벡터로 나타내는 것이 아니라 방향축으로 나타낼 수 밖에 없다.
실시예 2(전기장 벡터의 크기, 방향축 및 방향 결정)
도 9는 본 발명에 따른 광학 간섭계를 이용한 전기장 벡터 측정 기구를 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9의 광학 간섭계의 구성을 나타낸 개략도이다.
먼저, 본 실시예에 따른 전기장 벡터 측정 기구는, 광 추출 수단(무공탐침,92), 광 집속 수단(대물렌즈, 93), 광 필터링 수단(광학 조리개, 94), 편광 특 성 분석 수단(편광판, 95), 위상차 분석 수단(제1광 분기 부재(96), 제2광 분기 부재(97) 및 광학 간섭계(98));및 전기장 벡터 획득 수단(99)을 포함한다. 본 실시예의 위상차 분석 수단을 제외한 나머지 부분은 실시예 1과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
제1광 분기 부재(제1 빛가르개, 96)는 시료에 입사하는 입사광에서 제1분기광을 분기시킨다. 제 2광 분기 부재(제2 빛가르개, 97)는, 시료(90), 광 추출 수단(92), 광 집속 수단(93), 광 필터링 수단(94) 및 편광판(95)을 차례로 거치면서 편광 특성이 결정된 광으로부터 제2분기광을 분기시킨다. 광학 간섭계(93)는 제 1분기광과 제 2분기광의 간섭특성을 측정하여 상기 제 1분기광에 대한 상기 제 2분기광의 상대적 위상차를 결정한다.
보다 상세하게는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 광학 간섭계에 들어간 제 1분기광(101)은 광학적 지연시간(optical delay)를 변화시키는 거울(103)에서 반사하고 제3광 분기 부재(제3 빛가르개, 105)를 통하여 제 2분기광(102)과 간섭현상을 일으키게 된다. 상기 간섭현상을 지연시간 변화거울(103)의 위치를 이동시키며 간섭특성 측정기(107)에 의해서 분석하면 시료에 입사하는 입사광을 기준으로 한 편광 특성 결정된 빛의 위상차를 결정할 수 있게 된다. 상기 두 빛의 위상차를 이용하여 전기장의 방향을 정하는 방법을 수식으로 설명하면 다음과 같다. 시료에 입사하는 빛을
Figure 112007032067177-pat00001
, 편광특성 결정된 광신호 중 광학적 지연시간 kd를 가지면서 0도 위상을 가지는 경우를
Figure 112007032067177-pat00002
, 180도 위상을 가지는 경우를
Figure 112007032067177-pat00003
라 하자. 편광특성 결정된 광신호의 위상이 0도 일 경우 시료에 입사하는 빛과의 간섭특성은
Figure 112007032067177-pat00004
(도 11의 111)로 나타나는 반면, 편광특성 결정된 광신호의 위상이 180도 일 경우 간섭특성은
Figure 112007032067177-pat00005
(도 11의 112)로 나타난다. 즉, 위상차이가 180도가 날 경우 편광판으로 분석한 편광특성으로는 분류 할 수 없는 E1과 E2의 위상 차이가 간섭특성에서는 180도의 위상차를 가짐을 나타낸다. 상기 결정된 위상차(50)를 상기 결정된 편광방향과 조합하면 전기장의 방향을 축이 아닌 벡터로 표현할 수 있다.
도 11는 도 8에 나타난 전기장 방향 축을 한쪽 방향만 가르키는 벡터 화살표로 바꾸기 위한 방법을 도면화한 그림이다. 같은 편광 특성을 가지고 위상이 180도 차이가 나는 산란광의 경우 편광특성 분석만으로 전기장의 방향을 결정할 수 없으나, 시료에 입사하는 빛과 편광특성 결정된 광신호 사이의 간섭현상을 분석할 경우 간섭특성의 위상이 180도 차이가 나게 되므로 이를 통해 전기장의 방향을 한쪽으로 결정 할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
본 발명의 전기장 측정 기구, 방법 및 현미경은 상기한 바와 같이 기존의 기술로는 불가능한 나노미터 분해능으로 2차원적 또는 3차원적 전기장 벡터의 측정(크기, 방향축 및 방향) 이 가능하다. 또한 이를 바탕으로 시료의 검사 영역에 걸쳐 전기장 벡터 분포를 2차원으로 또는 3차원으로 맵화 할 수 있다. 본 발명에 따라, 나노미터 수준에서 전기장의 방향을 측정하면 나노입자, 나노 구멍, 광도파로 등 수백 나노 미터 이하 크기의 구조물에서 일어나는 광학적 현상을 더욱 이해가능하고 정밀하게 측정할 수 있고, 생명과학연구에 널리 쓰이고 있는 양자점, 형광체에서 발생하는 빛의 성질과 양자점, 형광체 간의 상호작용 등을 정밀하게 측정, 연구할 수 있다.

Claims (19)

  1. 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 수단;
    상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 수단;및
    상기 분석된 편광 특성을 기초로 상기 측정 위치에서 크기, 방향축을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 수단을 포함하는 전기장 벡터 측정 기구.
  2. 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 수단;
    상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 수단;
    상기 편광특성 분석된 광신호와 상기 입사광 사이의 간섭특성을 측정하여 위상차를 분석하는 위상차 분석 수단; 및
    상기 분석된 편광 특성과 상기 위상차를 기초로 상기 측정 위치에서 크기, 방향축 및 방향을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 수단을 포함하는 전기장 벡터 측정 기구.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 위상차 분석 수단은,
    상기 입사광으로부터 제 1분기광을 분기시키는 제 1광분기 부재;
    상기 편광특성이 분석된 광신호로부터 제 2분기광을 분기시키는 제 2광분기 부재; 및
    상기 제 1분기광과 상기 제 2분기광의 간섭특성을 측정하여 상기 제 1분기광에 대한 상기 제 2분기광의 상대적 위상차를 분석하는 광학 간섭계를 포함하는 전기장 벡터 측정 기구.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 광 추출 수단은 나노미터 수준의 구경을 갖는 개구가 길이방향으로 형성된 탐침, 나노미터 수준의 직경을 갖는 팁이 형성된 탐침 및 나노미터 수준의 직경을 가지는 입자가 부착된 탐침으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나인 전기장 벡터 측정 기구.
  5. 제 1항에 또는 제 2항에 있어서, 상기 편광 특성 분석 수단은 상기 추출된 광신호를 편광 특성에 따라 선택적으로 통과시키는 편광판인 전기장 벡터 측정 기구.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전기장 벡터 획득 수단은 광검출기인 전기장 벡터 측정 기구.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 추출된 광신호를 집속하는 광 집속 수단;및
    상기 집속된 광신호를 다른 광신호로부터 걸러내는 광 필터링 수단을 더 포함하는 전기장 벡터 측정 기구.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 검사 영역 내의 전기장 벡터의 분포를 2차원 또는 3차원으로 도면화 하기 위하여, 상기 검사 영역 내에서 상기 측정위치를 달리함에 따른 상기 획득된 전기장 벡터를 연속적으로 기록하는 기록 수단을 더 포함하는 전기장 벡터 측정 기구.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 편광 특성 분석 수단은 2개의 편광판으로 구성되며, 상기 추출된 광신호에 대한 상기 2개의 편광판 각각의 상대적 위치 및 방향을 조절함에 따라 상기 추출된 광신호의 3차원적 편광 특성을 분석하는 전기장 벡터 측정 기구.
  10. 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 단계;
    상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 단계;및
    상기 분석된 편광 특성을 기초로 상기 측정 위치에서 크기, 방향축을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 단계를 포함하는 전기장 벡터 측정 방법.
  11. 시료 표면의 검사 영역내의 측정 위치에서 입사광에 의해 형성되는 광신호를 나노미터 수준의 공간 분해능으로 추출하는 광 추출 단계;
    상기 추출된 광신호의 편광 특성을 분석하는 편광 특성 분석 단계;
    상기 편광특성 분석된 광신호와 상기 입사광 사이의 간섭특성을 측정하여 위상차를 분석하는 위상차 특성 분석 단계;및
    상기 분석된 편광 특성과 상기 위상차를 기초로 상기 측정 위치에서 크기, 방향축 및 방향을 갖는 전기장 벡터를 획득하는 전기장 벡터 획득 단계를 포함하는 전기장 벡터 측정 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 위상차 특성 분석 단계는,
    상기 입사광으로부터 제 1분기광을 분기시키는 단계;
    상기 편광특성이 분석된 광신호로부터 제 2분기광을 분기시키는 단계;및
    상기 제 1분기광과 상기 제 2분기광의 간섭특성을 측정하여 상기 제 1분기광에 대한 상기 제 2분기광의 상대적 위상차를 분석하는 단계를 포함하는 전기장 벡터 측정 방법.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 광 추출 단계는 나노미터 수준의 구경을 갖는 개구가 길이방향으로 형성된 탐침, 나노미터 수준의 직경을 갖는 팁이 형성된 탐침 및 나노미터 수준의 직경을 가지는 입자가 부착된 탐침으로 구성된 그룹 에서 선택된 어느 하나에 의해서 수행되는 전기장 벡터 측정 방법.
  14. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 편광 특성 분석 단계는 상기 추출된 광신호를 편광 특성에 따라 선택적으로 통과시키는 편광판에 의해서 수행되는 전기장 벡터 측정 방법.
  15. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 전기장 벡터 획득 단계는 광검출기에 의해서 수행되는 전기장 벡터 측정 방법.
  16. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 추출된 광신호를 집속하는 단계;및
    상기 집속된 광신호를 다른 광신호로부터 걸러내는 단계를 더 포함하는 전기장 벡터 측정 방법.
  17. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 검사 영역 내의 전기장 벡터의 분포를 2차원 또는 3차원으로 도면화 하기 위하여, 상기 검사 영역 내에서 상기 측정위치를 달리함에 따른 상기 획득된 전기장 벡터를 연속적으로 기록하는 단계를 더 포함하는 전기장 벡터 측정 방법.
  18. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 편광 특성 분석 단계는 2개의 편광판 을 이용하여 상기 추출된 광신호에 대하여 상기 2개의 편광판 각각의 상대적 위치 및 방향을 조절함에 따라 상기 추출된 광신호의 3차원적 편광 특성을 분석하는 전기장 벡터 측정 기구.
  19. 제 1항 또는 제 2항에 따른 전기장 벡터 측정 기구를 포함한 전기장 벡터 측정 현미경.
KR1020060130091A 2006-12-19 2006-12-19 전기장 벡터 측정 기구 및 방법, 그리고 이 측정 기구를포함하는 현미경 KR100808753B1 (ko)

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