KR101000675B1 - Optical nanometer scale gap sensing device based on Surface Plasmon Resonance and optical nanometer scale gap sensing method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치 및 이를 이용한 나노 스케일 간극 측정방법에 관한 것으로, 프리즘(10); 빛의 투과성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되어 상기 프리즘(10)에 증착되는 제1금속박막(20); 및 이미징대상물(50)과 0nm이상 수십nm이하에 해당되는 간극을 두고 이격되며, 상기 제1금속박막(20)에 비해 화학적 안정성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되어 상기 제1금속박막(20)에 증착되고, 상기 제1금속박막(20)과 함께 30nm이상 60nm이하의 두께를 가지는 금속층을 형성하는 제2금속박막(30);을 포함하여 구성되어, 빛이 특정한 조사각도로 상기 프리즘(10)을 투과하여 상기 제1금속박막(20) 및 제2금속박막(30)에 조사되어 발생되는 표면 전자기파의 상태에 따라 상기 이미징대상물(50)과 제2금속박막(30)간의 간극을 측정하는 것을 기술적 요지로 하여, 표면 플라즈몬 공명을 확대 이미징 기술로서 실질적으로 적용함에 있어서, 이미징대상물의 표면형상을 nm에서 수십nm단위로 정밀하게 이미징 가능하도록 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치 및 이를 이용한 나노 스케일 간극 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nano-scale gap measuring device using the surface plasmon resonance and a nano-scale gap measuring method using the same, Prism (10); A first metal thin film 20 composed of a material having relatively high light transmittance and deposited on the prism 10; And spaced apart from the imaging object 50 with a gap corresponding to 0 nm or more and several tens of nm or less, and is composed of a material having relatively superior chemical stability to the first metal thin film 20. And a second metal thin film 30 which is deposited and forms a metal layer having a thickness of 30 nm or more and 60 nm or less together with the first metal thin film 20, wherein the prism 10 includes light at a specific irradiation angle. Measuring the gap between the imaging object 50 and the second metal thin film 30 according to the state of the surface electromagnetic wave generated by being irradiated to the first metal thin film 20 and the second metal thin film 30 by passing through the As a technical point, in the practical application of surface plasmon resonance as an expanded imaging technique, nanoscale cross-scale using surface plasmon resonance that enables precise imaging of the surface shape of an imaging object in nm to tens of nm units. Measuring device and to a nano-scale gap measurement method using the same.
표면 플라즈몬 공명, 프리즘, 다중박막, 이미징 Surface Plasmon Resonance, Prism, Multi-Layer, Imaging
Description
본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치 및 이를 이용한 나노 스케일 간극 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛의 입사각에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상의 발생조건을 이용하여 이미징대상물과의 미소 거리를 0nm에서 수십nm 단위로 확대 이미징(microscopy) 가능하도록 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치 및 이를 이용한 나노 스케일 간극 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nano-scale gap measuring device using the surface plasmon resonance, and to a nano-scale gap measuring method using the same, and more specifically, the micro-distance with the imaging object using the generation conditions of the surface plasmon resonance phenomenon according to the incident angle of light The present invention relates to a nano-scale gap measuring device using surface plasmon resonance and to a nano-scale gap measuring method using the same, which enables to enlarge imaging (microscopy) in units of 0 nm to several tens of nm.
표면 플라즈몬 (surface plasmon)은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동 (collective charge density oscillation)이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다.Surface plasmons are collective charge density oscillations of electrons occurring on the surface of a metal thin film, and the surface plasmon waves generated are surface electromagnetic waves propagating along the interface between the metal and the dielectric.
표면 플라즈몬의 여기(excitation)는 외부에서 서로 다른 유전함수를 갖는 두 매질 경계면 즉, 금속과 유전체의 경계면에 전기장을 인가하면 두 매질 경계면 에서 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 표면전하가 유도되고 이러한 표면전하들의 진동이 표면 플라즈몬 파로 나타난다.Excitation of surface plasmons is caused by the application of an electric field to two medium interfaces with different dielectric functions from the outside, that is, the interface between metal and dielectric, leading to surface charges due to the discontinuity of the electric component perpendicular to the two medium interfaces. Oscillations appear as surface plasmon waves.
특정한 입사각과 박막의 두께에서는 경계면에 평행한 방향의 입사파와 금속박막과 공기의 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 파의 위상이 일치할 경우 공명이 일어나게 되며, 입사파의 에너지는 모두 금속박막에 흡수 되어 반사파는 없어지고, 경계면에 수직한 방향의 전기장의 분포는 지수 함수적으로 경계면에서 가장 크고 금속박막 속으로 갈수록 급격히 감소하는 현상이 발생하게 되는데 이를 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)이라고 한다.At a certain incident angle and thickness of the film, resonance occurs when the incident wave in the direction parallel to the interface and the phase of the surface plasmon wave propagating along the metal thin film and air interface coincide, and the energy of the incident wave is absorbed by the metal thin film. The reflected wave disappears, and the electric field distribution in the direction perpendicular to the interface is exponentially largest and rapidly decreases toward the metal thin film. This is called surface plasmon resonance.
그리고, 입사한 광의 반사도가 급격하게 감소하는 각도를 표면 플라즈몬 공명각(surface plasmon resonance angle)이라고 한다. The angle at which the reflectance of the incident light is drastically reduced is called a surface plasmon resonance angle.
종래에는 이러한 표면 플라즈몬 공명 현상의 발생 조건을 이용하여 물질을 검출하거나, 대상물의 농도, 두께, 굴절률의 변화를 정량적이나 정성적으로 분석하기 위한 다양한 센서형의 표면 플라즈몬 시스템들이 연구되어 왔으나, 근래에는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 대상물을 촬영하는 기법에 관한 연구도 이루어지고 있다.Conventionally, various sensor-type surface plasmon systems have been studied to detect substances by using the conditions for generating surface plasmon resonance, or to quantitatively or qualitatively analyze changes in concentration, thickness, and refractive index of an object. Research has also been made on techniques for photographing objects using surface plasmon resonance.
상기와 같이 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용해서 대상물질의 미소 형상을 이미징하는 방법에 관해서는, T. Zhang, H. Morgan, A. S. G. Curtis와 M. Riehle의 논문 [표면 플라즈몬 공명 마이크로스코피를 이용한 입자-기판 사이의 거리 측정(Measuring particle-substrate distance with surface plasmon resonance microscopy) JOURNAL OF OPTICS A: PURE AND APPLIED OPTICS, 3, (2001), pp.333 ~ 337)]에 기재되어 있다.As described above, a method of imaging a microstructure of a target material using surface plasmon resonance is described in T. Zhang, H. Morgan, ASG Curtis and M. Riehle's [Particle-substrate using surface plasmon resonance microscopy]. Measuring particle-substrate distance with surface plasmon resonance microscopy (JOURNAL OF OPTICS A: PURE AND APPLIED OPTICS, 3, (2001), pp. 333-337).
상기 논문의 기재는 광원을 사용하여 광원에서 조사된 빛이 프리즘으로 입사될 때, 프리즘에 코팅된 금속 박막에 놓여 있는 입자와 금속 박막 사이의 거리에 따라 반사율이 다르게 나타나는 사실을 토대로 입자를 이미징하는 기법에 대하여 설명하고 있다.This paper describes the imaging of particles based on the fact that when the light irradiated from the light source is incident on the prism using a light source, the reflectance varies according to the distance between the metal thin film coated on the prism and the metal thin film. The technique is described.
그러나, 상기 논문에 기재된 기법을 확대 이미징 기술로서 실질적으로 적용함에 있어서는, 프리즘과 이미징대상물과의 미소거리를 최소 수백 nm단위로만 측정가능하다는 한계가 있으며, 공명각에 해당되는 입사각의 범위가 넓어서 측정감도 또한 낮아 이미징대상물의 표면 형상을 정밀하게 파악할 수 없다는 문제점이 있었다.However, in practical application of the technique described in the paper as an extended imaging technique, there is a limitation that the micro-distance between the prism and the imaging object can be measured at least several hundred nm, and the range of incident angle corresponding to the resonance angle is wide. The sensitivity was also low, there was a problem that can not accurately determine the surface shape of the imaging object.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 표면 플라즈몬 공명을 확대 이미징 기술로서 실질적으로 적용함에 있어서, 0nm에서 수십nm의 범위에 해당되는 간극(gap)도 정확하게 측정가능하고, 측정감도 또한 우수하여, 이미징대상물의 표면형상을 nm에서 수십nm단위로 정밀하게 이미징 가능하도록 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치 및 이를 이용한 나노 스케일 간극 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention devised to solve the problems described above, in the practical application of the surface plasmon resonance as an extended imaging technique, it is possible to accurately measure the gap (gap) in the range of 0nm to several tens of nm, In addition, an object of the present invention is to provide a nano-scale gap measuring device using surface plasmon resonance and a nano-scale gap measuring method using the same, which enables to accurately image the surface shape of an imaging object in nm to tens of nm units.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 프리즘(10); 빛의 투과성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되어 상기 프리즘(10)에 증착되는 제1금속박막(20); 및 이미징대상물(50)과 0nm이상 수십nm이하에 해당되는 간극을 두고 이격되며, 상기 제1금속박막(20)에 비해 화학적 안정성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되어 상기 제1금속박막(20)에 증착되고, 상기 제1금속박막(20)과 함께 30nm이상 60nm이하의 두께를 가지는 금속층을 형성하는 제2금속박막(30);을 포함하여 구성되어, 빛이 특정한 조사각도로 상기 프리즘(10)을 투과하여 상기 제1금속박막(20) 및 제2금속박막(30)에 조사되어 발생되는 표면 전자기파의 상태에 따라 상기 이미징대상물(50)과 제2금속박막(30)간의 간극을 측정하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 기술적 요지로 한다.The present invention for achieving the above object, the
여기서, 상기 제2금속박막(30)과 이미징대상물(50)간의 간극에 해당되는 공 간에 형성되는 매질(40)은 공기, 물, 또는 굴절율 3이하의 용액인 것이 바람직하다.Here, the
또한, 상기 제1금속박막(20)은 은으로 구성되고, 상기 제2금속박막(30)은 금으로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the first metal
그리고, 상기 이미징대상물(50)의 표면이 굴절률 n=1.35인 소재로 구성되는 경우, 상기 프리즘(10)은 굴절률 n=1.515인 소재로 구성되고, 상기 제1금속박막(20)이 증착되지 않는 일측부가 직각을 이루는 직각 삼각형 형상을 가지며, 상기 제1금속박막(20)은 40nm이상 44nm이하의 두께를 가지고, 상기 제2금속박막(30)은 3nm이상 10nm이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다.In addition, when the surface of the
또한, 상기 이미징대상물(50)의 표면이 굴절률 n=1.35인 소재로 구성되는 경우, 상기 프리즘(10)은 굴절률 n=1.515인 소재로 구성되고, 상기 제1금속박막(20)이 증착되지 않는 일측부가 직각을 이루는 직각 삼각형 형상을 가지며, 상기 제1금속박막(20)은 42nm의 두께를 가지고, 상기 제2금속박막(30)은 5nm의 두께를 가지는 것이 보다 바람직하다.In addition, when the surface of the
그리고, 본 발명은, 프리즘(10)과, 빛의 투과성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되어 상기 프리즘(10)에 증착되는 제1금속박막(20)과, 상기 제1금속박막(20)에 비해 화학적 안정성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되어 상기 제1금속박막(20)에 증착되는 제2금속박막(30)으로 구성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 이용해, 상기 제2금속박막(30)과 이미징대상물(50)간의 간극을 0nm이상 수십nm이하의 범위에서 조정하며, 각각의 간극에서 상기 프리즘(10)을 투 과하여 상기 제1금속박막(20) 및 제2금속박막(30)으로 조사된 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 공명각을 도출하는 간극대응 공명각 도출단계; 상기 이미징대상물(50)과 0nm이상 수십nm이하의 범위로 간극을 두고 이격된 상태로 상기 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치에 조사각도를 변경시키면서 빛을 조사하여 상기 이미징대상물(50)의 특정 표면위치에서 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 공명각을 도출하는 지정위치 공명각 검출단계; 및 상기 간극대응 공명각 도출단계에서 도출된 각 간극 대응 공명각의 데이터로부터, 상기 지정위치 공명각 검출단계에서 측정된 공명각에 대응되는 간극을 도출하는 지정위치 간극 도출단계;를 포함하여 구성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정방법을 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, compared with the first metal
여기서, 상기 간극대응 공명각 도출단계 이전에, 상기 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30)이 함께 30nm이상 60nm이하의 두께를 가지는 범위 내에서 각각의 두께를 차별되게 적용하여, 상기 이미징대상물(50)과 0nm이상 수백nm이하의 간극을 두고 상기 프리즘(10)을 투과하여 상기 제1금속박막(20) 및 제2금속박막(30)으로 조사된 빛의 반사율이 최소가 되는 상기 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30)의 두께를 도출하는 최적 박막두께 도출단계;를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.Here, the first metal
또한, 상기 간극대응 공명각 도출단계 이전에, 상기 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30)의 재질을 선정하는 박막재질선정단계;를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In addition, a thin film material selection step of selecting a material of the first metal
그리고, 상기 지정위치 공명각 검출단계는 상기 이미징대상물(50)의 표면을 따라 상기 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 연속적으로 이동시키며 이루어지고, 상기 지정위치 간극 도출단계 또한 연속적으로 이루어지며 상기 이미징대상물(50)의 표면 형상을 0nm이상 수십nm이하의 정밀도로 이미징하는 것이 바람직하다.The predetermined position resonance angle detection step is performed by continuously moving the nanoscale gap measurement apparatus using the plasmon resonance along the surface of the
또한, 상기 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제2금속박막(30)과 이미징대상물(50)간의 간극에 해당되는 공간에 형성되는 매질(40)은 공기, 물, 또는 굴절율 3이하의 용액인 것이 바람직하다.In addition, the
그리고, 상기 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제1금속박막(20)은 은으로 구성되고, 상기 제2금속박막(30)은 금으로 구성되는 것이 바람직하다.The first metal
또한, 상기 이미징대상물(50)의 표면이 굴절률 n=1.35인 소재로 구성되는 경우, 상기 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 프리즘(10)은 굴절률 n=1.515인 소재로 구성되고, 상기 제1금속박막(20)이 증착되지 않는 일측부가 직각을 이루는 직각 삼각형 형상을 가지며, 상기 제1금속박막(20)은 40nm이상 44nm이하의 두께를 가지고, 상기 제2금속박막(30)은 3nm이상 10nm이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다.In addition, when the surface of the
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은, 제1금속박막과 제2금속박막을 포함한 다중 박막 구조를 이용하여, 특정소재의 이미징대상물의 표면을 이미징하기위한 최 적의 소재 및 형상조건을 도출함으로써, 표면 플라즈몬 공명을 확대 이미징 기술로서 실질적으로 적용함에 있어서, 0nm에서 수십nm의 범위에 해당되는 간극도 정밀하게 측정가능할 뿐만 아니라, 단일소재의 박막을 이용함에 따른 측정감도와 신호의 안정성의 한계를 극복하여, 측정감도 및 신호의 안정성이 현격히 우수한 상태로 이미징대상물의 표면 형상을 신뢰성있게 이미징 가능하도록 한다는 효과가 있다.The present invention by the above configuration, by using a multi-layered thin film structure including the first metal film and the second metal film, by deriving the optimal material and shape conditions for imaging the surface of the imaging material of a specific material, In practical application of plasmon resonance as an extended imaging technique, not only can the gap in the range of 0 nm to several tens of nm be precisely measured, but also overcome the limitations of measurement sensitivity and signal stability by using a single thin film. In this case, the surface shape of the imaging object can be reliably imaged with a remarkably excellent measurement sensitivity and signal stability.
또한, 금속 박막과 이미징대상물 사이의 미소 거리 차를 이용하여 이미징대상물의 표면형상을 0nm에서 수십nm 단위까지 실시간으로(real time) 표식자 없이(non-labeling) 측정할 수 있으므로, 기존의 광학 현미경이 회절 한계에 의해 분해능이 제한되고, 기존의 전자 현미경이 초기 설정 조건의 난해함과 대상 물질 제작의 한계가 있고 구조가 복잡하며, 기존의 원자 현미경이 프로브의 미세 진동으로 인해 측정치의 미세 오류 및 측정 시간이 장시간 소요되는 단점을 극복 및 대체가능한 새로운 이미징 기술 및 현미경 수단으로 적용가능하다는 다른 효과가 있다. In addition, by using the micro-distance difference between the metal thin film and the imaging object, the surface shape of the imaging object can be measured from 0 nm to several tens of nm in real time without labeling. The resolution is limited by the diffraction limit, the conventional electron microscope has the difficulty of initial setting conditions, the limitation of the fabrication of the target material, the structure is complicated, and the conventional atomic microscope can measure the minute error and measurement time due to the micro vibration of the probe. There is another effect of being applicable to new imaging techniques and microscopic means that can overcome and replace this long-standing disadvantage.
그리고, 수십nm 이하 단위의 치수정밀도를 가지는 광 리소그래피 시스템에서 마스크와 실리콘 웨이퍼 사이의 접근 거리를 식별하는데 적용하여, 광 리소그래피 시스템의 신뢰도를 개선시키고, 실리콘 웨이퍼 표면의 편평도에 따른 정밀도를 보증할 수 있으며, 더 나아가 바이오 샘플의 표면 형상을 이미징 하거나 표면 형상의 미세한 동작을 감지할 수 있다는 효과가 있다.In addition, in the optical lithography system having a dimensional precision of several tens of nm or less, it is applied to identify the approach distance between the mask and the silicon wafer, thereby improving the reliability of the optical lithography system and guaranteeing the precision according to the flatness of the silicon wafer surface. In addition, there is an effect that can image the surface shape of the bio-sample or detect the fine motion of the surface shape.
또한, 근접장 광 디스크에 대한 pick up head의 서보 제어 시스템에 적용될 수 있으며, 근접장 영역에서 pick up head와 광 디스크 사이의 거리를 감지하거나 제어할 수 있으므로, 이로 인해 reading 과 writing의 정밀도와 신뢰도를 보증할 수 있으며, 차세대 LCD공정에서 액정 층의 간극을 감지하고 제어하는데 사용될 수 있다는 효과가 있다.In addition, it can be applied to the servo control system of the pick up head for the near field optical disk, and can detect or control the distance between the pick up head and the optical disk in the near field area, thereby guaranteeing the accuracy and reliability of reading and writing. In addition, there is an effect that can be used to detect and control the gap of the liquid crystal layer in the next-generation LCD process.
이에 따라, 이미징대상물과의 간극, 이미징대상물의 표면형상, 변위 이동, 상대 위치 등의 기하학적인 값을 측정하거나 정밀한 거리 제어를 요하는 다양한 기술분야에 연구 및 생산 목적으로 실질적으로 적용됨에 있어서, 높은 정밀도, 미소 분해능 및 실시간 측정에 있어서 월등한 개선 효과를 얻을 수 있다는 효과가 있다.Accordingly, the present invention can be applied to a variety of technical fields that require precise distance control or to measure geometric values such as gaps with an imaging object, surface shape of an imaging object, displacement movement, relative position, and the like. There is an effect that a superior improvement effect can be obtained in precision, micro resolution and real time measurement.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치 및 이를 이용한 나노 스케일 간극 측정방법을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.The nanoscale gap measuring device using the surface plasmon resonance and the nanoscale gap measuring method using the same according to the present invention having the above configuration will be described in more detail with reference to the following drawings.
도 1은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제1실시예를 도시한 개략도이고, 도 2는 단일 소재로 구성된 박막층과 다중 금속 박막의 반사율 및 공명각을 비교하고자 도시한 그래프이며, 도 3은 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 두지 않은 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프이고, 도 4는 도 3에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프이다.1 is a schematic view showing a first embodiment of a nano-scale gap measuring device using the surface plasmon resonance according to the present invention, Figure 2 is a comparison of the reflectance and the resonance angle of a thin film layer composed of a single material and a multi-metal thin film 3 is a graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is not provided in an example in which a thickness of 42 nm of silver is applied to a first metal thin film and a thickness of 5 nm of gold is applied to a second metal thin film. 4 is a graph showing two-dimensional relationship between the gap and the resonance angle in FIG. 3.
도 5는 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프이고, 도 6은 도 5에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프이며, 도 7은 도 5에서 간극이 0nm이상 50nm이하에 해당되는 영역에서의 반 사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프이고, 도 8은 도 7에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 42 nm of silver is applied to the first metal thin film and 5 nm of gold is applied to the second metal thin film. 6 is a two-dimensional graph illustrating the relationship between the gap and the resonance angle in FIG. 5, and FIG. 7 illustrates changes in reflectance, gap, and resonance angle in a region where the gap corresponds to 0 nm or more and 50 nm or less in FIG. 5. FIG. 8 is a graph showing dimensionally, and FIG. 8 is a graph showing two-dimensional relationship between the gap and the resonance angle in FIG. 7.
도 9는 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 간극의 크기에 따른 반사율 및 공명각의 변화를 도시한 그래프이고, 도 10은 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 공명각에 따른 반사율 및 간극의 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing changes in reflectance and resonance angle depending on the size of a gap when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 42 nm of silver is applied to the first metal thin film and 5 nm of gold is applied to the second metal thin film. In the example in which 42 nm silver is applied to the first metal thin film and 5 nm thickness of gold is applied to the second metal thin film, the graph shows the change in reflectance and the gap according to the resonance angle.
도 11은 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 두지 않은 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프이고, 도 12는 도 11에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is not provided in an example in which a thickness of 40 nm of silver is applied to the first metal thin film and 10 nm of gold is applied to the second metal thin film. FIG. 12 is a graph two-dimensionally illustrating the relationship between the gap and the resonance angle in FIG. 11.
도 13은 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프이고, 도 14는 도 13에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프이며, 도 15는 도 13에서 간극이 0nm이상 50nm이하에 해당되는 영역에서의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프이고, 도 16은 도 15에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프이다.FIG. 13 is a graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 40 nm of silver is applied to the first metal thin film and 10 nm of gold is applied to the second metal thin film. 14 is a two-dimensional graph showing the relationship between the gap and the resonance angle in FIG. 13, and FIG. 15 shows a three-dimensional change in the reflectance, the gap, and the resonance angle in a region where the gap corresponds to 0 nm or more and 50 nm or less in FIG. 16 is a graph illustrating two-dimensional relationship between the gap and the resonance angle in FIG. 15.
도 17은 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 간극의 크기에 따른 반사율 및 공명각의 변화를 도시한 그래프이고, 도 18은 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 공명각에 따른 반사율 및 간극의 변화를 도시한 그래프이며, 도 19는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정방법의 제1실시예를 도시한 흐름도이다.FIG. 17 is a graph illustrating changes in reflectance and resonance angle depending on the size of a gap when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 40 nm of silver is applied to the first metal thin film and 10 nm of gold is applied to the second metal thin film. In the embodiment in which 40 nm silver is applied to the first metal thin film and 10 nm thickness of gold is applied to the second metal thin film, the graph shows a change in reflectance and gap according to a resonance angle, and FIG. 1 is a flowchart illustrating a first embodiment of a method for measuring nanoscale gaps using surface plasmon resonance.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치는, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 이미징대상물과의 간극 및 이미징대상물의 표면형상, 변위 이동, 상대 위치 등의 기하학적인 값을 측정하기 위한 장치로, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제1실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 프리즘(10), 제1금속박막(20), 제2금속박막(30)으로 이루어진다.The nanoscale gap measuring apparatus using the surface plasmon resonance according to the present invention is a device for measuring geometric values such as the gap with the imaging object and the surface shape, displacement movement, and relative position of the imaging object using the surface plasmon resonance. The first embodiment of the nano-scale gap measuring apparatus using the surface plasmon resonance according to the present invention, as shown in Figure 1, largely the
상기 제1금속박막(20)은 상기 제2금속박막(30)에 비해 빛의 투과성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되어 상기 프리즘(10)에 증착되며, 상기 제2금속박막(30)은 상기 제1금속박막(20)에 비해 화학적 안정성이 상대적으로 우수한 소재로 구성되고 상기 제1금속박막(20)과 함께 30nm이상 60nm이하의 두께를 가지는 금속층을 형성하면서 상기 제1금속박막(20)에 증착된다.The first metal
상기 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30)은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 용이하고 음의 유전상수를 갖는 금(gold, Au), 은(silver, Ag), 구리(copper, Cu), 알루미늄(aluminium, Al)와 같은 금속재 중에서 측정조건을 고려하여 보다 적정한 것을 선택하여 적용하는 것이 바람직하다.The first metal
상기와 같은 구성을 가지는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 상기 제2금속박막(30)이 이미징대상물(50)과 0nm이상 수십nm이하에 해당되는 간극을 가지도록 설치한 상태에서, 상기 프리즘(10)을 투과하여 상기 제1금속박막(20) 및 제2금속박막(30)에 도달되도록 빛을 조사하여, 특정한 조사각도와 이격거리에서 표면 플라즈몬 공명이 발생되면, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 해당 조사각도를 공명각으로, 해당 이격거리를 간극으로써 도출하게 된다.In the state where the nano-scale gap measuring device using the surface plasmon resonance having the configuration described above is installed such that the second metal
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 상기 이미징대상물(50) 표면의 지정위치로부터 0nm이상 수십nm이하의 간극으로 이격시킨 상태로 빛을 입사시켜 특정한 공명각을 검출하게 되면, 상기와 같이 도출된 공명각과 간극의 관계를 토대로, 상기 이미징대상물(50) 표면의 지정위치와 제2금속박막(30)간의 미소 간극을 도출할 수 있다.When the nanoscale gap measuring apparatus using the surface plasmon resonance according to the present invention detects a specific resonance angle by injecting light in a state spaced apart from a predetermined position on the surface of the
상기 제2금속박막(30)과 이미징대상물(50)간의 간극에 해당되는 공간에는 공기, 물, 또는 굴절율 3이하의 용액이 매질(40)로 위치하게 되며, 상기 프리즘(10)측에 위치하게 되는 상기 제1금속박막(20)은 빛의 투과성이 우수하여 공명각의 범위가 좁고 금속재 중에서 최저반사율을 가지는 은으로 구성되고, 상기 제2금속박막(30)은 금속재 중에서 화학적 안정성이 가장 우수한 금으로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 화학적 안정성이란, 일반적으로 공기중의 산소로 인한 금속의 산화반응에 대한 저항성 및 산(Acid)에 대한 내산성, 금속표면과 바이오 물질사이에 결합(binding)의 안정성 등을 의미한다.
특히, 표면 플라즈몬 공명 센서 분야에서는, 여타의 금속에 비해 산화반응이 잘 일어나지 않고, 질산 등에 내산성을 가지며, 바이오물질과의 월등한 결합력을 가지는 금(Gold)이, 화학적 안정성이 가장 우수한 소재로 알려져 널리 적용되고 있다.In the space corresponding to the gap between the second metal
Here, the chemical stability generally means resistance to oxidation of metals due to oxygen in the air, acid resistance to acid, stability of binding between the metal surface and the biomaterial, and the like.
In particular, in the field of surface plasmon resonance sensor, gold is less oxidized than other metals, has acid resistance to nitric acid, and has excellent bonding strength with biomaterials. It is widely applied.
도 2는 이미징대상물이 없을 때, 프리즘-금속박막-공기의 순으로 배열시킨 상태에서, 50nm두께의 금 박막 단일층, 50nm 두께의 은 박막 단일층, 42nm 두께의 은 박막과 5nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층, 40nm 두께의 은 박막과 10nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층 각각의 반사율 및 입사각, 공명각 을 비교하고자 도시한 것이다.FIG. 2 shows a 50 nm thick gold thin film layer, a 50 nm thick silver thin film layer, a 42 nm silver thin film, and a 5 nm thick gold film, in a state of arranging prism-metal thin film-air when there is no imaging object. It is shown to compare the reflectance, incidence angle and resonance angle of each of the multilayered thin film layer formed by stacking the multilayered thin film, the silver thin film having a thickness of 40 nm and the gold thin film formed by stacking the 10 nm thick.
입광부의 광원으로부터 조사되어 금속 표면에서 수광부측으로 반사되는 빛의 반사율(reflectivity)이 낮을수록 측정 감도가 뛰어난데, 50nm두께의 금 박막 단일층의 경우, 최소 반사율(minimum reflectivity)은 0.01446, 공명각(resonance angle)은 43.99°이며, 50nm 두께의 은 박막 단일층의 경우, 최소 반사율은 0.0002, 공명각은 42.85°이다.The lower the reflectivity of the light irradiated from the light source of the light incident part and reflected from the metal surface to the light receiving part side, the better the measurement sensitivity is. In the case of a 50 nm thick gold thin film single layer, the minimum reflectivity is 0.01446, the resonance angle (resonance angle) is 43.99 °, for a 50 nm thick silver thin film single layer, the minimum reflectance is 0.0002, the resonance angle is 42.85 °.
2nm 두께의 은 박막과 5nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층의 경우, 최소 반사율 0.002, 공명각 43.13°로 50nm두께의 금 박막 단일층과 비교해 측정감도가 13.82%만큼 증가하는 반면, 40nm 두께의 은 박막과 10nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층의 경우, 최소 반사율 0.062, 공명각 43.32°로 50nm두께의 금 박막 단일층과 비교해 오히려 최소 반사율이 30배 증가한다.In the case of a multi-layered thin film formed by stacking a 2 nm thick silver film and a 5 nm thick gold film, the measurement sensitivity was increased by 13.82% compared to a 50 nm thick gold thin film with a minimum reflectance of 0.002 and a resonance angle of 43.13 °. In the case of the multilayered thin film layer formed by stacking a silver thin film and a gold thin film having a thickness of 10 nm, the minimum reflectance is increased by 30 times compared to a 50 nm thick single layer of gold with a minimum reflectance of 0.062 and a resonance angle of 43.32 °.
은 박막만으로 구성하는 경우, 최소 반사율을 가지는 입사각의 범위(이하 '신호의 선폭'이라 한다)가 좁고 최소 반사율도 가장 낮지만, 화학적 안정성이 낮아 매질에 노출시키는 것이 바람직하지 않으므로, 미소 간극의 측정을 위한 최적의 다층 금속박막 구조는 50nm두께의 금 박막 단일층에 비해 신호의 선폭과 최소 반사율이 현저히 감소되어 안정적이면서도 높은 측정 감도를 구현할 수 있는 2nm 두께의 은 박막과 5nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중구조임을 알 수 있다.In the case of the silver thin film alone, the measurement of the micro-gap is not preferable because the range of the incident angle having the smallest reflectance (hereinafter referred to as 'signal line width') is narrow and the minimum reflectance is low, but it is not preferable to expose the medium due to its low chemical stability. The optimal multilayer metal thin film structure for the film stacks the 2nm thick thin film and the 5nm thick thin film, which can achieve stable and high measurement sensitivity because the signal line width and the minimum reflectance of the signal are significantly reduced compared to the 50nm thick gold thin film single layer. It can be seen that the multistructure.
도 3, 도 4에 도시된 그래프는, 상기 프리즘(10)을 상기 제1금속박막(20)이 증착되지 않는 일측부가 직각을 이루는 직각 삼각형 형상을 가지고 굴절률 n=1.515인 소재로 구성하고, 상기 제1금속박막(20)을 42nm의 두께를 가지는 은으로 구성하 며, 상기 제2금속박막(30)을 5nm의 두께를 가지는 금으로 구성하여, 상기 이미징대상물(50) 없이 도출된 반사율, 간극, 공명각의 변화를 도시한 것이다.3 and 4, the
도 5, 도 6에 도시된 그래프는, 상기 프리즘(10)을 상기 제1금속박막(20)이 증착되지 않는 일측부가 직각을 이루는 직각 삼각형 형상을 가지고 굴절률 n=1.515인 소재로 구성하고, 상기 제1금속박막(20)을 42nm의 두께를 가지는 은으로 구성하며, 상기 제2금속박막(30)을 5nm의 두께를 가지는 금으로 구성하여, 표면이 굴절률 n=1.35인 소재로 구성되는 상기 이미징대상물(50)에 대하여 도출된 반사율, 간극, 공명각의 변화를 도시한 것이다.5 and 6, the
도 3 내지 도 6에 도시된 그래프로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 이미징대상물(50)이 없을 경우에는 표면 플라즈몬이 여기되는 공명각이 43.5°로 매질(공기)의 두께와 관련없이 항상 일정하지만, 상기 이미징대상물(50)이 있는 경우에는 간극이 9nm에서 400nm까지 변할 때, 공명각은 43.5°에서 75°까지 변한다.As can be seen from the graphs shown in FIGS. 3 to 6, in the absence of the
따라서, 미소 간극과 공명각의 상관관계를 파악할 수 있고, 이를 이용하여 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치와 이미징대상물(50)간의 간극을 도출할 수 있게 되며, 은 박막과 금 박막의 두께를 조정하면 공명각과 반사율을 또한 조정할 수 있으므로, 측정조건에 따라 은 박막과 금 박막의 두께를 조정 적용하여 간극의 측정폭을 수십nm에서 수백nm까지로 확장시킬 수도 있다. Therefore, the correlation between the micro-gap and the resonance angle can be grasped, and the gap between the nano-scale gap measuring device using the surface plasmon resonance according to the present invention and the
도 5, 도 6에 도시된 그래프상에서 50nm 이하의 간극에서 반사율이 급변하는 것을 확인할 수 있는데, 도 7, 도 8은 반사율이 급변하는 50nm 이하의 간극에서의 반사율, 간극, 공명각을 확대하여 도시한 그래프로, 미소 간극이 0nm에서 50nm까지 변할 때, 공명각은 63°에서 75°까지 변하는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 수백nm의 범위에 해당되는 간극 뿐만이 아니라, 수nm에서 수십nm의 미소 간극 또한 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 측정 및 이미징 가능하다는 것을 확인할 수 있다.On the graphs shown in FIGS. 5 and 6, it can be seen that the reflectance is suddenly changed in the gap of 50 nm or less. FIGS. 7 and 8 are enlarged views of the reflectance, the gap, and the resonance angle in the gap of 50 nm or less in which the reflectance rapidly changes. As a graph, it can be seen that when the microgap varies from 0 nm to 50 nm, the resonance angle varies from 63 ° to 75 °, and not only a gap in the range of several hundred nm, but also a micro gap of several nm to several tens of nm. It can also be seen that surface plasmon resonance can be measured and imaged.
도 9, 도 10은 상기와 같이 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 수nm에서 수십nm의 미소 간극을 측정 및 이미징 가능하다는 것을 증명하기 위해, 0nm에서 30nm이하의 미소 간극에 대한 공명각의 변화와, 63°에서 71°이하의 공명각에 대한 0nm에서 50nm이하의 미소 간극의 변화를 도시한 그래프이다.9 and 10 show the change in the resonance angle for the micro-gap of 0 nm to 30 nm or less, to prove that the micro-gap of several nm to several tens of nm can be measured and imaged using the surface plasmon resonance phenomenon as described above. It is a graph showing the change of the micro-gap from 0 nm to 50 nm for the resonance angle of 63 ° to 71 °.
도 9에 도시된 그래프로부터 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치와 이미징대상물이 접촉되어 있는 경우, 즉, 미소 간극이 0nm일 때 공명각은 71.56°이고, 미소 간극이 30nm 일 때의 공명각은 63.13°로, 미소 간극이 0nm에서 30nm에 이르기까지 미소 간극의 크기에 따라서 공명각이 변하는 것을 확인할 수 있으며, 도 10에 도시된 그래프로부터 공명각이 63°에서 71°이하에 이르기까지 공명각에 따라서 미소 간극 또한 변하는 것을 확인할 수 있다.In the graph shown in FIG. 9, when the nanoscale gap measuring device using the surface plasmon resonance according to the present invention is in contact with the imaging object, that is, when the micro gap is 0 nm, the resonance angle is 71.56 ° and the micro gap is 30 nm. When the resonance angle is 63.13 °, it can be seen that the resonance angle changes depending on the size of the micro gap from 0 nm to 30 nm, and the resonance angle is 63 ° to 71 ° or less from the graph shown in FIG. 10. It can be seen that the minute gap also changes with the resonance angle.
따라서, 상기와 같이 최적화된 소재와 두께를 가지는 다중 금속박막 구조를 적용하면, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 상기 이미징대상물(50)과의 간극을 0nm이상 30nm이하에서도 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있다. 즉, 실시간으로 수 nm단위의 분해능을 구현가능한 현미경 시스템에 적용할 수 있다.Therefore, by applying the multi-metal thin film structure having the optimized material and thickness as described above, it is possible to accurately measure the gap with the
도 11, 도 12에 도시된 그래프는, 상기 프리즘(10)을 상기 제1금속박막(20)이 증착되지 않는 일측부가 직각을 이루는 직각 삼각형 형상을 가지고 굴절률 n=1.515인 소재로 구성하고, 상기 제1금속박막(20)을 40nm의 두께를 가지는 은으로 구성하며, 상기 제2금속박막(30)을 10nm의 두께를 가지는 금으로 구성하여, 상기 이미징대상물(50) 없이 도출된 반사율, 간극, 공명각의 변화를 도시한 것이다.11 and 12, the
그리고, 도 13, 도 14에 도시된 그래프는, 상기 프리즘(10)을 상기 제1금속박막(20)이 증착되지 않는 일측부가 직각을 이루는 직각 삼각형 형상을 가지고 굴절률 n=1.515인 소재로 구성하고, 상기 제1금속박막(20)을 42nm의 두께를 가지는 은으로 구성하며, 상기 제2금속박막(30)을 5nm의 두께를 가지는 금으로 구성하여, 표면이 굴절률 n=1.35인 소재로 구성되는 상기 이미징대상물(50)에 대하여 도출된 반사율, 간극, 공명각의 변화를 도시한 것이다.13 and 14, the
도 13, 도 14에 도시된 그래프상에서 50nm 이하의 간극에서 반사율이 급변하는 것을 확인할 수 있는데, 도 15, 도 16은 반사율이 급변하는 50nm 이하의 간극에서의 반사율, 간극, 공명각을 확대하여 도시한 그래프로, 미소 간극이 0nm에서 50nm까지 변할 때, 공명각은 63°에서 78°까지 변하는 것을 확인할 수 있으며, 42nm 두께의 은 박막과 5nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층의 경우와 마찬가지로, 수백nm의 범위에 해당되는 간극 뿐만이 아니라, 수nm에서 수십nm의 미소 간극 또한 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 측정 및 이미징 가능하다는 것을 확인할 수 있다.On the graphs shown in FIGS. 13 and 14, it can be seen that the reflectance suddenly changes in the gap of 50 nm or less. FIGS. 15 and 16 are enlarged views of the reflectance, the gap, and the resonance angle in the gap of 50 nm or less in which the reflectance rapidly changes. As a graph, it can be seen that when the micro-gap changes from 0 nm to 50 nm, the resonance angle varies from 63 ° to 78 °, and as in the case of a multilayer film in which a 42 nm silver thin film and a 5 nm gold thin film are laminated. It can be seen that not only the gap in the range of several hundred nm, but also the micro-gap of several nm to several tens of nm can be measured and imaged using surface plasmon resonance.
도 15, 도 16은 40nm 두께의 은 박막과 10nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층의 경우에도, 상기와 같이 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 수nm에서 수십nm의 미소 간극을 측정 및 이미징 가능하다는 것을 증명하기 위해, 0nm에서 30nm이하의 미소 간극에 대한 공명각의 변화와, 63°에서 71°이하의 공명각에 대한 0nm에서 50nm이하의 미소 간극의 변화를 도시한 그래프이다.15 and 16 show that even in the case of a multi-layered layer formed by stacking a 40 nm silver thin film and a 10 nm thick gold thin film, it is possible to measure and image the micro-gap of several nm to several tens of nm using the surface plasmon resonance phenomenon as described above. In order to prove that, it is a graph showing the change of the resonance angle for the micro gap of 0 nm to 30 nm or less and the change of the micro gap of 0 nm to 50 nm or less for the resonance angle of 63 ° to 71 ° or less.
상기 서술한 내용으로부터 상기 이미징대상물(50)의 표면이 굴절률 n=1.35인 소재로 구성되는 경우, 상기 프리즘(10)을 굴절률 n=1.515인 소재로 구성하고, 상기 제1금속박막(20)을 40nm이상 44nm이하의 두께로 형성하고, 상기 제2금속박막(30)은 3nm이상 10nm이하의 두께로 형성하면, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 수nm에서 수십nm의 미소 간극을 측정 및 이미징 가능하다는 것을 확인할 수 있다.From the above description, when the surface of the
그러나, 40nm 두께의 은 박막과 10nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층의 경우는, 42nm 두께의 은 박막과 5nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막층의 경우와 비교해 최소 반사율이 높아 측정감도가 상대적으로 낮으므로, 42nm 두께의 은 박막과 5nm 두께의 금박막을 적층형성시킨 다중박막 구조를 적용하는 것이 가장 바람직하다는 것을 확인할 수 있다. However, in the case of the multilayer thin film layer in which a 40 nm silver thin film and a 10 nm thick gold thin film were laminated, the measurement sensitivity was relatively high because the minimum reflectance was higher than that in the case of a multilayer thin film formed by laminating a 42 nm silver thin film and a gold thin film 5 nm thick. Since it is low, it can be confirmed that it is most preferable to apply a multi-layered structure in which a 42 nm thick silver thin film and a 5 nm thick gold thin film are laminated.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정방법은, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 이용하여 나노 스케일 간극을 측정 및 이미징하는 방법으로, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정방법의 제1실 시예는, 도 19에 도시된 바와 같이, 크게 박막재질 선정단계, 최적 박막두께 도출단계, 간극대응 공명각 도출단계, 지정위치 공명각 검출단계, 지정위치 간극 도출단계로 이루어진다.The nanoscale gap measuring method using the surface plasmon resonance according to the present invention is a method of measuring and imaging the nanoscale gap using the nanoscale gap measuring apparatus using the surface plasmon resonance according to the present invention having the above configuration, First embodiment of the nano-scale gap measuring method using the surface plasmon resonance according to the present invention, as shown in Fig. 19, the thin film material selection step, the optimum thin film thickness derivation step, the gap response resonance angle derivation step, designation position Resonance angle detection step, and the specified position gap derivation step.
상기 박막재질 선정단계에서는, 상기 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30)의 재질을 선정하고, 상기 최적 박막두께 도출단계에서는, 상기 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30) 각각의 두께를 차별되게 적용하여, 상기 이미징대상물(50)과 0nm이상 수백nm이하의 간극을 두고 상기 프리즘(10)을 투과하여 반사율이 최소가 되는 상기 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30)의 최적 두께를 도출한다.In the step of selecting the thin film material, the material of the first metal
상기 간극대응 공명각 도출단계에서는, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 이용해, 상기 제2금속박막(30)과 이미징대상물(50)간의 간극을 0nm이상 수십nm이하의 범위에서 조정하며, 각각의 간극에서 상기 프리즘(10)을 투과하여 상기 제1금속박막(20) 및 제2금속박막(30)으로 조사된 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 공명각을 도출한다.In the gap-corresponding resonance angle derivation step, a gap between the second metal
상기 지정위치 공명각 검출단계에서는, 상기 이미징대상물(50)과 0nm이상 수십nm이하의 범위로 간극을 두고 이격된 상태로, 상기 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치에 조사각도를 변경시키면서 빛을 조사하여, 상기 이미징대상물(50)의 특정 표면위치에 대해 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 공명각을 도출한다.In the predetermined position resonance angle detection step, the light is emitted while changing the irradiation angle to the nanoscale gap measuring device using the plasmon resonance in a state spaced apart from the
상기 지정위치 간극 도출단계에서는, 상기 간극대응 공명각 도출단계에서 도출된 각각의 간극 대응 공명각의 데이터로부터 검출하거나, 각각의 간극 대응 공명각을 정밀하게 유추가능하도록 만들어진 상관식에 대입, 연산하여, 상기 지정위치 공명각 검출단계에서 측정된 공명각에 대응되는 간극을 최종적으로 도출하게 된다.In the designation position gap derivation step, by detecting from the data of each gap corresponding resonance angle derived in the gap corresponding resonance angle derivation step, or by substituting and calculating the correlation equation made to accurately infer each gap corresponding resonance angle Finally, the gap corresponding to the resonance angle measured in the designated position resonance angle detection step is finally derived.
상기 지정위치 공명각 검출단계가 상기 이미징대상물(50)의 표면을 따라 상기 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치를 연속적으로 이동시키며 이루어지면, 상기 지정위치 간극 도출단계 또한 연속적으로 이루어지면서, 상기 이미징대상물(50)의 표면 형상을 0nm이상 수십nm이하의 정밀도로 실시간 이미징할 수 있다.If the predetermined position resonance angle detection step is made to continuously move the nano-scale gap measuring device using the plasmon resonance along the surface of the
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치 및 이를 이용한 나노 스케일 간극 측정방법에 의하면, 상기 제1금속박막(20)과 제2금속박막(30)을 포함한 다중 박막 구조를 이용하여, 특정소재의 이미징대상물의 표면을 이미징하기위한 최적의 소재 및 형상조건을 도출하고, 표면 플라즈몬 공명을 0nm에서 수십nm의 범위의 분해능을 가지는 확대 이미징 기술로서 실질적으로 적용할 수 있다.According to the nanoscale gap measuring apparatus using the surface plasmon resonance and the nanoscale gap measuring method using the same, by using a multi-layer structure including the first metal
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.The present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and the claims and detailed description of the present invention together with the embodiments in which the above embodiments are simply combined with existing known technologies. In the present invention, it can be seen that the technology that can be modified and used by those skilled in the art are naturally included in the technical scope of the present invention.
도 1 - 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측정장치의 제1실시예를 도시한 개략도Figure 1-Schematic diagram showing a first embodiment of the nano-scale gap measuring device using the surface plasmon resonance according to the present invention
도 2 - 단일 소재로 구성된 박막층과 다중 금속 박막의 반사율 및 공명각을 비교하고자 도시한 그래프FIG. 2-A graph for comparing reflectance and resonance angle of a thin film layer composed of a single material and a multi-metal thin film
도 3 - 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 두지 않은 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프FIG. 3-A graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is not provided in an example in which a thickness of 42 nm of silver is applied to the first metal thin film and 5 nm of gold is applied to the second metal thin film.
도 4 - 도 3에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프4 to 3, two-dimensional graph showing the relationship between the gap and the resonance angle
도 5 - 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프FIG. 5 is a graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 42 nm of silver is applied to the first metal thin film and 5 nm of gold is applied to the second metal thin film.
도 6 - 도 5에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프6-5 two-dimensional graph showing the relationship between the gap and the resonance angle
도 7 - 도 5에서 간극이 0nm이상 50nm이하에 해당되는 영역에서의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프7 to 5 are graphs three-dimensionally illustrating changes in reflectance, gap, and resonance angle in a region where the gap is between 0 nm and 50 nm.
도 8 - 도 7에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프8-7 two-dimensional graph showing the relationship between the gap and the resonance angle
도 9 - 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 간극의 크기에 따른 반사율 및 공명각의 변화를 도시한 그래프9-A graph showing changes in reflectance and resonance angle depending on the size of a gap when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 42 nm of silver is applied to the first metal thin film and 5 nm of gold is applied to the second metal thin film.
도 10 - 제1금속박막에 은 42nm두께, 제2금속박막에 금 5nm두께를 적용한 실 시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 공명각에 따른 반사율 및 간극의 변화를 도시한 그래프FIG. 10-Graph showing changes in reflectance and gap according to resonance angle when an imaging object is placed in an example in which 42 nm thickness of silver is applied to the first metal thin film and 5 nm thickness of gold is applied to the second metal thin film.
도 11 - 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 두지 않은 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프FIG. 11 is a graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is not provided in an example in which a thickness of 40 nm of silver is applied to the first metal thin film and 10 nm of gold is applied to the second metal thin film.
도 12 - 도 11에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프12-11 two-dimensional graph showing the relationship between the gap and the resonance angle
도 13 - 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프FIG. 13-Graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 40 nm of silver is applied to the first metal thin film and 10 nm of gold is applied to the second metal thin film.
도 14 - 도 13에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프14-13 two-dimensional graph showing the relationship between the gap and the resonance angle
도 15 - 도 13에서 간극이 0nm이상 50nm이하에 해당되는 영역에서의 반사율, 간극, 공명각의 변화를 3차원적으로 도시한 그래프15-13 is a graph showing three-dimensional changes in reflectance, gap, and resonance angle in a region where the gap corresponds to 0 nm or more and 50 nm or less
도 16 - 도 15에서 간극과 공명각의 관계를 2차원적으로 도시한 그래프16 to 15 are two-dimensional graphs illustrating the relationship between the gap and the resonance angle.
도 17 - 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 간극의 크기에 따른 반사율 및 공명각의 변화를 도시한 그래프17-A graph showing changes in reflectance and resonance angle depending on the size of a gap when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 40 nm of silver is applied to a first metal thin film and a thickness of 10 nm of gold is applied to a second metal thin film.
도 18 - 제1금속박막에 은 40nm두께, 제2금속박막에 금 10nm두께를 적용한 실시예에서 이미징대상물을 둔 경우, 공명각에 따른 반사율 및 간극의 변화를 도시한 그래프FIG. 18-A graph showing changes in reflectance and gap according to a resonance angle when an imaging object is placed in an example in which a thickness of 40 nm of silver is applied to the first metal thin film and 10 nm of gold is applied to the second metal thin film.
도 19 - 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 나노 스케일 간극 측 정방법의 제1실시예를 도시한 흐름도19-Flow chart showing the first embodiment of the nanoscale gap measurement method using the surface plasmon resonance according to the present invention
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명><Description of Major Symbols Used in Drawings>
10 : 프리즘 20 : 제1금속박막 10: prism 20: first metal thin film
30 : 제2금속박막 40 : 매질 30: second metal thin film 40: medium
50 : 이미징대상물50: imaging object
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