KR101103324B1

KR101103324B1 - 원자력 현미경

Info

Publication number: KR101103324B1
Application number: KR1020100019725A
Authority: KR
Inventors: 한승헌
Original assignee: 에스엔유 프리시젼 주식회사
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2012-01-11
Also published as: KR20110100735A

Abstract

본 발명은 원자력 현미경에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원자력 현미경은 탐침용 레이저 광을 조사하는 제1 레이저 광원(210); 육안으로 식별이 가능한 레이저 광을 조사하는 제2 레이저 광원(220); 상기 제1 레이저 광원(210)에서 조사되는 제1 광의 광 경로와 상기 제2 레이저 광원(220)에서 조사되는 제2 광의 광 경로를 일치시키는 빔 스플리터(230); 상기 제1 광과 상기 제2 광이 복합된 광을 반사시키는 제1 어저스트 미러(20); 상기 제1 어저스트 미러(20)에서 반사된 광을 반사시키는 프리즘(30); 시료의 표면형상에 반응하여 휘어져 상기 프리즘(30)에서 반사된 광을 재반사하는 캔틸레버(40); 상기 캔틸레버(40)에서 반사된 광을 재반사하는 제2 어저스트 미러(50); 및 상기 제2 어저스트 미러(50)에서 반사된 광을 감지하는 포토다이어드(60);를 포함한다.

Description

원자력 현미경{Atomic Force Microscope}

본 발명은 원자력 현미경(AFM)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력 현미경에서 캔틸레버(Cantilever)의 유지보수에 따른 레이저 스폿 정렬의 편의성으로 향상시키도록 하는 원자력 현미경에 관한 것이다.

현미경의 기술발달과 더불어 주사탐침 현미경이 개발되어 원자 단위 또는 분자 단위의 나노미터(㎚) 또는 마이크로미터(㎛)를 관측할 수 있게 되었다.

상술한 주사탐침 현미경의 예로서 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy: AFM)이 있고 원자력 현미경은 AFM으로 약칭될 수 있다.

상술한 원자력 현미경은 기본적인 연구용 장비로서 나노 단위의 측정 또는 관찰을 위해 사용되기도 하지만, 나노 단위에서의 생산을 위한 공정 장비에 이르기 까지 다양한 분야에서 사용되고 있다.

상술한 원자력 현미경은 견본의 상호작용 지도를 획득하기 위해서 시료 또는 견본 표면에 대한 나노미터(nanometer) 탐침의 기계적인 스캔 이론을 기반으로 한다.

이와 같은 경우에 상호 작용력은 시료와 캔틸레버(cantilever) 스프링에 부착된 날카로운 탐침 말단과의 단순한 분자 상호작용이고, 탐침 말단이 견본에 가까워질 때, 상술한 캔틸레버는 상호 작용력에 반응하여 구부려진다.

이미지는 탐침에 대한 견본에 주사 및 측면 위치의 기능으로서 캔틸레버의 굴절 측정에 의해서 수집되고, 광학 지레 기술은 보통 이러한 굽힘을 측정하기 위해서 사용된다.

캔틸레버는 작은 이동에 대해서 후크의 법칙을 따르기 때문에 말단과 견본 사이의 상호 작용력은 추정될 수 있다.

일정 힘 모드(mode)에서는 피드백은 위치 압전 구동기가 측정되는 상호 작용력의 변화에 반응하여 견본(또는 탐침)을 상하로 움직일 수 있게 하고 이러한 방법으로, 상호 작용력은 비교적 지속적으로 보유되며 견본의 알맞고 신뢰할 수 있는 지형적 이미지가 획득될 수 있다.

상술한 원자력 현미경의 구조 개념을 첨부도면 도 1을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 원자력 현미경은 캔틸레버(cantilever: 40)는 튜닝 포크(tuning fork: 42)의 일측에 고정되고, 일측에는 레이저 광원(10)에 광원이 조사되며, 상술한 레이저 광원(10)은 제1 어저스트 미러(adjust mirror: 20)와 프리즘(30)을 통하여 상술한 캔틸레버(40)에 조사된다.

또한, 상술한 캔틸레버(40)에 조사된 광은 반사되어 제2 어저스트 미러(50)에 조사되고, 이후 광은 제2 어저스트 미러(50)에서 재반사되어 포토다이오드(Position Sensitive Photodiode: PSPD, 60)에 조사된다.

상술한 캔틸레버(40)는 막대(100㎛ × 10㎛ × 1㎛) 끝에 피라미드 형상의 뾰족한 팁이 형성되어 있고, 이들은 마이크로머시닝으로 만들어질 수 있다.

또한, 상술한 튜닝 포트(42)는 스테이지에 장착될 수 있고, 상술한 캔틸레버(40)의 하측에는 측정대상의 시료(100)가 배치될 수 있으며, 시료(100)는 테이블에 고정될 수 있고, 상술한 테이블은 기계적인 구동에 의해 유동될 수 있다.

상술한 캔틸레버(40)의 팁을 시료(100)의 표면에 근접시키면 팁과 시료(100)의 표면의 원자들 사이에는 상호 작용력(척력 또는 인력)이 발생한다.

이러한 작용력은 주로 반 데르 발스 힘(Van Der Waals Force)이고, 그 크기는 나노 뉴턴(nano newton) 이하 정도이며, 작용력에 의해 캔틸레버(40)는 휘어지거나, 공명진동수에 변화가 있고, 이러한 캔틸레버의 휘어짐과 공명진동수의 변화를 측정하여 샘플의 기하학적 형태를 결정할 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이, 캔틸레버(40)의 휘어짐과 공명진동수의 변화는 레이저 광원(10)과 포토다이오드(60)를 이용하여 측정한다.

이렇게 얻어진 결과를 분석하면 시료(100)의 표면 정보를 얻을 수 있으며, 그 표면 정보는 디스플레이 장치에 이미지 형태의 영상으로 표현될 수 있다.

상술한 캔틸레버(40)는 소모품으로써 원자력 현미경을 이용하여 얻어지는 이미지 품질을 유지하기 위해서는 노후하거나 훼손된 캔틸레버(40)를 교체 장착이 요구된다.

캔틸레버(40)를 교체 장착한 이후에는 광의 광 경로가 변경될 수 있으므로 광 경로를 재설정하여야 하고, 이러한 기본적인 광 경로 설정은 레이저 정렬(laser alignment)로서 관찰하여 획득될 이미지 품질에 지대한 영향을 끼친다.

또한, 상술한 레이저 광원(10)은 초발광다이오드(Superluminescent Diode: SLD)가 이용될 수 있고, 이로써 감도가 우수하여 더욱 향상된 고품질의 이미지를 얻을 수 있게 된다.

그러나 상술한 레이저 광원(10)에서 조사되는 레이저 빔은 육안으로 볼 수 없고, 이로써 캔틸레버(40)에서 반사된 광이 포토다이오드(60)의 레이저 스폿(laser spot)에 정확하게 정렬(alignment)되는지 확인하기 위해서는 CCD(전하결합소자 영상 형성기: charge-coupled device)영상에 의존하거나 적외선 검출기(IR detector)를 이용하여야 한다.

즉, 상술한 바와 같이 종래에는 레이저 광원(10)을 정렬할 때에 제1, 제2 어저스트 미러(20)(50)를 조절하고 이때 CCD 영상 또는 적외선 검출기를 이용하여 간접적으로 확인하면서 정렬하여야 하므로 고도의 숙련도가 요구되고 레이저 광원(10)을 정렬하는 데에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 캔틸레버를 교정하거나 교체한 후에 사전 작업(Set-up)을 할 때에 레이저 광원을 육안으로 보면서 정렬할 수 있도록 하고 시료를 관찰할 때에는 고품질의 이미지를 얻을 수 있도록 하는 원자력 현미경을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 원자력 현미경은 탐침용 레이저 광을 조사하는 제1 레이저 광원(210); 육안으로 식별이 가능한 레이저 광을 조사하는 제2 레이저 광원(220); 상기 제1 레이저 광원(210)에서 조사되는 제1 광의 광 경로와 상기 제2 레이저 광원(220)에서 조사되는 제2 광의 광 경로를 일치시키는 빔 스플리터(230); 상기 제1 광과 상기 제2 광이 복합된 광을 반사시키는 제1 어저스트 미러(20); 상기 제1 어저스트 미러(20)에서 반사된 광을 반사시키는 프리즘(30); 시료의 표면형상에 반응하여 휘어져 상기 프리즘(30)에서 반사된 광을 재반사하는 캔틸레버(40); 상기 캔틸레버(40)에서 반사된 광을 재반사하는 제2 어저스트 미러(50); 및 상기 제2 어저스트 미러(50)에서 반사된 광을 감지하는 포토다이어드(60);를 포함한다.

또한, 상기 제1 레이저 광원은 파장(λ)이 830nm인 레이저 광원이고, 상기 제2 레이저 광원은 파장(λ)이 630nm인 레이저 광원인 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 어저스트 미러 또는 상기 제2 어저스트 미러는 알루미늄(Al: visible~NIR 영역의 반사계수: 0.85 ~ 0.95)이 코팅되는 것일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 원자력 현미경은 육안으로 볼 수 있는 가시적인 레이저 광원과 고품질의 이미지를 얻을 수 있도록 하는 초발광다이오드를 이용한 레이저 광원을 구비함으로써 캔틸레버를 교체하거나 교정할 때에는 육안으로 볼 수 있는 레이저 빔을 이용하여 좀 더 쉽게 신속하게 레이저 스폿을 정렬할 수 있고, 시료를 관찰할 때에는 초발광다이오드를 이용한 레이저 광원을 이용하여 고품질의 관찰이미지를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 원자력 현미경을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고, 종래의 기술과 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호를 부여하며 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경에 대해서 설명한다.

첨부도면 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 현미경을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 원자력 현미경은 레이저 광원을 복수 개로 구비된다.

상술한 복수 개의 레이저 광원 중에 어느 하나는 적외선 레이저 광원(IR laser source)인 제1 레이저 광원(210)일 수 있고, 다른 하나는 육안으로 식별이 가능한 제2 레이저 광원(220)일 수 있다.

상술한 제1 레이저 광원(210)은 탐침용으로 이용될 수 있는 레이저 광원일 수 있고 파장(λ)은 830nm일 수 있다.

또한, 상술한 제2 레이저 광원(220)은 파장(λ)이 630nm일 수 있다.

또한, 상술한 제1, 제2 레이저 광원(210)의 일측에는 상술한 제1, 제2 레이저 광원(210)에서 조사되는 광의 광 경로를 일치시키도록 하는 빔 스플리터(beam splitter: 230)가 구비된다.

상술한 빔 스플리터(230)에서 출광되는 광은 복합광이 될 수 있고, 상술한 복합된 광은 제1 어저스트 미러(20)와 프리즘(30)을 통하여 캔틸레버(40)에 조사되며, 이후 상술한 광은 캔틸레버(40)에서 반사되며 반사된 광은 제2 어저스트 미러(50)에서 재 반사되어 포토다이오드(60)에 조사된다.

캔틸레버(40)를 교체하거나 교정하였을 때에는 포토다이오드(60)에 레이저 스폿이 정확하게 정렬시켜야 하고, 이와 같이 레이저 스폿을 정렬할 때에는 상술한 육안으로 볼 수 있는 레이저 광원을 이용하게 된다.

즉, 제1, 제2 레이저 광원(210)(220)을 모두 "On"하거나 육안으로 확인이 가능한 제2 레이저 광원(220)만을 "On"한 상태에서 레이저 스폿의 정렬이 이루어질 수 있다.

이때, 제1 레이저 광원(210)에서 조사되는 제1 광의 광 경로는 상술한 빔 스플리터(230)에 의해 제2 레이저 광원(220)에서 조사되는 제2 광의 광 경로와 일치되므로 결국 육안으로 확인할 수 있는 제2 레이저 광원(220)을 이용하여 레이저 스폿이 포토다이오드(60)에 정렬되도록 제1, 제2 어저스트 미러(20)(50) 또는 프리즘(30)을 조절하는 것이다.

다른 한편으로, 상술한 제1 어저스트 미러(20) 또는 제2 어저스트 미러(50)는 상술한 빔 스플리터(230)를 통해 조사되는 복합된 광을 반사시킬 수 있고, 좀 더 상세하게는 알루미늄(Al: visible~NIR 영역의 반사계수: 0.85 ~ 0.95)이 코팅된 것일 수 있으며 이러한 알루미늄 코팅은 상술한 복합된 광을 반사시킬 수 있는 것이다.

즉, 제2 레이저 광원(220)에서 조사되는 레이저 빔을 육안으로 확인하면서 레이저 스폿이 포토다이오드(60)에 맺히도록 정렬할 수 있고, 다른 한편으로 제1 레이저 광원(210)에서 조사되는 레이저 빔은 CCD 영상을 통하여 확인할 수 있으므로 좀 더 정확 정렬이 가능해지는 것이다.

상술한 바와 같이 레이저 광원의 정렬이 완료된 이후에는 제2 레이저 광원(220)은 "Off"하고 제1 레이저 광원(210)을 이용하여 시료 관찰 이미지를 취득한다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 원자력 현미경은 레이저 스폿 정렬을 육안으로 확인하면서 정렬하는 것으로 좀 더 쉽고 신속하게 정렬할 수 있으므로 사용자의 편의성이 향상되는 것이다.

또한, 비숙련자일지라도 레이저 스폿 정렬일 비교적 쉽게 실시할 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 원자력 현미경은 시료를 분자단위로 관찰할 수 있고 이로써 과학 분야, 산업분야, 바이오(생물학, 의학. 약학) 분야 등에 필요한 데이터를 얻을 수 있어 광범위의 산업분야에서 이용될 수 있다.

10: 레이저 광원
20: 제1 어저스트 미러(adjust mirror)
30: 프리즘
40: 캔틸레버(cantilever)
50: 제2 어저스트 미러(adjust mirror)
60: 포토다이오드(Position Sensitive Photodiode: PSPD)
100: 시료
210: 제1 레이저 광원
220: 제2 레이저 광원
230: 빔 스플리터(beam splitter)

Claims

탐침용 레이저 광을 조사하는 제1 레이저 광원(210);
육안으로 식별이 가능한 레이저 광을 조사하는 제2 레이저 광원(220);
상기 제1 레이저 광원(210)에서 조사되는 제1 광의 광 경로와 상기 제2 레이저 광원(220)에서 조사되는 제2 광의 광 경로를 일치시키는 빔 스플리터(230);
상기 제1 광과 상기 제2 광이 복합된 광을 반사시키는 제1 어저스트 미러(20);
상기 제1 어저스트 미러(20)에서 반사된 광을 반사시키는 프리즘(30);
시료의 표면형상에 반응하여 휘어져 상기 프리즘(30)에서 반사된 광을 재반사하는 캔틸레버(40);
상기 캔틸레버(40)에서 반사된 광을 재반사하는 제2 어저스트 미러(50); 및
상기 제2 어저스트 미러(50)에서 반사된 광을 감지하는 포토다이어드(60);
를 포함하는 원자력 현미경.
제 1항에 있어서,
상기 제1 레이저 광원(210)은 파장(λ)이 830nm인 레이저 광원이고, 상기 제2 레이저 광원(220)은 파장(λ)이 630nm인 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제 1항에 있어서,
상기 제1 어저스트 미러(20) 또는 상기 제2 어저스트 미러(50)는
알루미늄(Al: visible~NIR 영역의 반사계수: 0.85 ~ 0.95)이 코팅되는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.