KR20030003249A - 근접장 주사 광학 현미경 - Google Patents

Abstract

근접장 주사 광학 현미경은 조사된 샘플(14) 주위에 형성된 소실 필드를 필드와 국부 탐침(20) 사이의 상호작용에 의해 검출한다. 상기 탐침(20)은 완성된 영상을 일련의 주사선으로 수집하기 위하여 샘플 표면을 횡단하여 주사된다. 본 발명의 현미경에서는 공진주파수 또는 공진주파수 근처의 주파수에서 요동할 동안 탐침(20)의 이동에 의해 영상 수집이 신속하게 실행된다. 이러한 방법에 의해 샘플 표면의 영역을 덮고 있는 일련의 주사선이 신속하게 수집되며, 상기 주사선의 길이는 요동 크기에 의해 결정된다.

Description

근접장 주사 광학 현미경{SCANNING NEAR-FIELED OPTICAL MICROSCOPE}

수세기동안 광학 현미경에 의한 공간 해상도는 기본적으로 회절에 의해 제한되는 것으로 알려져 있다. 이러한 제한은 전통적인 모델에 의한 것인데, 이에 따르면 λ/2 이하의 이격거리를 갖는 격자(상기 λ는 조사된 방사선의 파장)는 입사각에 관계없이 현미경 물체에 대해 광을 간단하게 분산시킬 수 없다. 따라서, λ/2 보다 작은 공간변동을 갖는 물체내에서의 그 어떠한 구조적 특징도 종래 현미경에 의해 형성된 영상으로부터 손실될 것이다.

주사형 전자 터널링 현미경(scanning tunnelling microscopy: STM)의 개발에 의해, 해상도는 처음으로 회절한계치 이하로 달성될 수 있게 되었으며, 현미경에 기초한 국부적 탐침군이 탄생되었다. 근접장 주사 광학 현미경(scanning near-field optical microscope: SNOM, 때로는 NSOM 으로도 불리워진다)은 STM의 전자가 아니라 광자(photon)를 검출하는 국부적 탐침 장치이다.

SNOM 작동원리를 이용한 모델은 방사(또는 증식) 전자기장과 비방사(또는 비증식이나 소실) 전자기장 사이의 식별에 기초하고 있다. 방사 전자기장은 종래의옵틱(심지어 샘플로부터 수 파장의 거리만큼 가까운)에 의해 검출되는 것으로서, 샘플로부터 증식되며 서브파장 정보와 통신가능한 필드이다. 소실 필드(evanescent field)는 샘플 표면에 국한되며, 그 존재는 나노구조와 방사장의 인터페이스에서의 경계 조건을 고려하여 유추될 수 있다. 이러한 비방사 필드는 표면구조를 반사하며 증식될 수 없는 높은 공간주파수를 특징으로 한다. 근접장 영역(이러한 용어는 조사된 샘플내에 소실 필드가 존재하는 영역을 의미하는 것으로 사용된다)에서는 증식 성분 및 비증식 성분이 모두 존재한다. 이들은 분리될 수 없으며, 하나의 혼돈은 다른 것의 혼돈을 초래할 것이다. 이것은 J.OPT.Soc.Am 의 886-889페이지(1985), 제2권에서 이 올프 및 엠. 니에토-베스피리나에 의한 "분산된 필드의 각 스펙트럼 크기의 분석과 그 결과"에 개시되어 있는데; 이에 따르면, 한정된 물체(여기서 한정된다는 의미는 재료 구조가 급격한 불연속을 나타낸다는 것을 의미한다)상에 충돌하는 광 비임은 항상 증식 필드 및 소실 필드로 전환된다. 입사 필드는 증식되거나 소실될 수 있다.

모든 탐침기본형 현미경 하부의 물체는 필드와 탐침(그리고 이에 따른 국부 탐침) 사이의 상호작용을 통해, 샘플 주위에 형성된 소실 필드를 검출할 것이다. 이를 실현하기 위해서는 여러 방법이 사용될 수 있다. 이러한 필드는 "표면과학의 진전", 제56(3)권, 133-237페이지, 1997년에서 장자크 그라펫 및 레미 카르미나티에 의한 "근접장 옵틱에서의 영상 형성"에 개시되어 있다. 국부 탐침 SNOM 기법의 예로는 간극형 및 무간극형 방법이 포함되며, 이들은 다시 수집 및 조사 모드로 분류된다. 데이터 수집 기법에 관계없이, 샘플 표면의 완전 영상은 탐침의 주사와일련의 데이터 처리에 의해 형성된다.

SNOM이 발전됨에 따라 여러가지 용도가 발견되었다. 나노미터 크기의 영상 표면과의 명백한 관련성과 함께, SNOM은 나노기입(nanowriting)과 같은 표면특성의 수정 및 광자기 도메인의 수정을 위하여 표면 플라스몬 폴라리톤 및 안내된 파장 및 마이크로캐비티(microcavity) 공진모드 및 국부적 표면분광 등과 같은, 한정된 전자기장의 검출 및 측정에 유용한 것으로 판명되었다. 후자의 용도는 고밀도 데이터 스토리지에서 상당한 진전을 위한 기반을 제공하고 있다.

가장 널리 사용되고 있는 기법인 간극형 SNOM 에서, 수십 나노미터 크기의 간극은 연구될 표면의 수 나노미터로 유지된다. 이러한 간극은 통상적으로 예리한 광파이버의 단부이며, 그 측면은 알루미늄으로 코팅된다(중앙에 간극이 구비된 불투명 "스크린"을 형성하기 위하여). 조사 모드에서, 레이저는 광파이버의 하부로 조사된다. 상기 간극이 서브-파장이기 때문에, 전자기장은 증식될 수 없으며, 거리에 따라 급속히 소멸되는 소실 필드가 탐침 팁 주위에 형성된다. 상기 소실 필드는 연구한 바에 따르면 표면에 의해 분산 및 회절되며, 이러한 필드 혼돈은 증식 필드와 연결된다. 그후 증식파(propagating wave)가 원시야(遠視野)(far field)에서 검출된다. 수집 모드에서, 샘플은 예를 들어, 광학 현미경 물체에 의해 표준방식으로 조사되며; 간극형 탐침은 다시 표면의 근접장 범위내로 이동된다. 이와 같은 조작에 있어서, 탐침은 근접장 영역에 제공된 소실 필드 및 증식 필드와 직접적으로 작용한다. 상기 소실 필드는 탐침을 따라 증식될 수 없으며, 탐침과의 상호작용에 의해 예를 들어 광파이버의 광 가이드(light guide)내로 재방출되는 증식성분을 생성한다.

무간극형 SNOM에서 근접장에는 검출이나 조사가 이루어지지 않는다. 이들은 원시야이며, 상기 탐침은 근접장으로 이동하는 작은 분산팁이다. 상기 탐침은 조사된 샘플 주위에 생성된 소실 필드와 상호작용하여, 이러한 상호작용의 결과가 원시야에 수집된 증식파에 나타나고 있다. 샘플 표면에 가깝게 탐침을 주사하므로써, 근접장에서의 변형이 원시야로 전송된다. 배경으로부터 신호를 식별하기 위하여, 탐침의 수직 떨림과 로크인 검출이 실제 조작에 사용된다.

미세한 조작을 하지 않고서도, 탐침이 소실 필드의 소실 길이내에 지지되도록, 실질적으로 모든 국부 탐침 현미경의 키이는 팁의 조작과 표면분리를 조작하는 방법을 발견한다. 1990년대 초반에는 통상적으로 "전단력" 방법을 사용하여 이러한 조작이 달성될 수 있었다. 이러한 기법은 그 공진주파수에 가까운 주파수로 샘플 표면 및 수직장착된 탐침에 대해 수직으로의 요동단계를 포함한다. 표면에 접근함에 따라, 탐침의 상호작용은 요동 크기의 완화를 초래하게 된다. 주위환경에서의 완화기구는 일반적으로 샘플 표면상의 한정된 워터층(water layer)에 의한 것으로 여겨지지만, 다른 완화작용도 실현될 수 있다. 그후 예를 들어 제2광비임에서 팁의 요동 섀도우(oscillating shadow)의 광전지 측정 등과 같은 방법에 의해, 요동 크기가 측정될 수 있다. 이러한 크기를 모니터링하므로써, 이를 일정한 값으로 유지할 수 있으며, 이에 따라 팁과 샘플 표면을 일정한 거리로 유지할 수 있게 된다.

탐침거리에 대해 샘플을 모니터링하기 위해 전단력을 사용하는 것에 대한 대안으로서, 광자 전류(STM에서 전자전류의 유추에 의한)가 사용될 수도 있다. STM에 있어서, 일정한 전자 전류를 유지하기 위해 높이를 조정하므로써, 탐침은 샘플 표면으로부터 설정거리로 유지될 수 있다. 그러나, 광자 전류의 모니터링은 수월하지 않다. 소실 필드 및 방사 필드는 근접장에 존재하며, 검출된 광자 전류는 샘플의 지형 뿐만 아니라 그 재료 특성 및 분석거리에도 의존한다. 그럼에도 불구하고, 광자 전류는 이러한 특화된 환경에서 효과적으로 사용될 수 있다. 그 한 예로는 입사비임의 내부 반사가 조사되어 전송되는 것을 들 수 있다. 이러한 배치에서, 조사는 소실 필드에 의해서만 이루어지므로, 샘플의 탐침측에는 최소한의 증식파가 있게 된다. 이것은 지형에 따라 광자 전류를 증가시키며, 분리를 유지시키는 광자 전류의 모니터링을 실행가능하게 한다. SNOM의 이러한 모드는 광주사 터널링 현미경으로 언급된다.

이러한 국부 탐침기법의 단점은 데이터 수집시간이며, 필수불가결하게 작은 탐침으로 이루어지는 완전 영상의 주사는 시간을 소모하게 된다. 전형적으로, 영상을 수집하는데 소요되는 시간은 수십초이며, 이것은 과학적으로 그리고 산업적 및 물리적으로 중요한 과정을 모니터링하는 실시간을 배제한 것이다. 또한, 국부 탐침기법은 종래 광학 스토리지 매체 한계값의 λ/2 이하로 데이터를 판독 및 기입하는데 사용되고 있기 때문에, 데이터 처리속도가 정보의 판독속도에 의해 제한된다는 것을 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 근접장 주사기법에서 데이터 수집시간의 개선이 요망되고 있다.

본 발명은 근접장 현미경 사용법에 관한 것으로서, 특히 비방사 전자기장의 검출에 의해 영상을 형성하는 현미경에 관한 것이다.

도1은 광자 주사형 전자 터널링 현미경에서의 본 발명의 개략적인 실행을 도시한 도면.

도2a는 종래 전단력 SNOM을 사용하여 실행된 PHB/V의 구결정(spherulite)의 표면 영상을 도시한 도면.

도2b는 도1의 장치를 사용하여, 도2a에 도시된 영상의 일부에 따른 영상을 도시한 도면.

도3은 무간극형 근접장 주사 광학 현미경(무간극형 SNOM 모드)에서 본 발명의 개략적인 실행을 도시한 도면.

도4는 간극형 조사 SNOM모드에서 실행되는 본 발명의 실행을 개략적으로 도시한 도면.

도5는 제1의 간극형 수집 SNOM모드에서 본 발명의 실행을 개략적으로 도시한 도면.

도6은 제2의 간극형 수집 SNOM모드에서 본 발명의 실행을 개략적으로 도시한 도면.

본 발명의 목적은 근접장 상호작용의 보다 급속한 수집을 가능하게 하므로써 실시간 SNOM 탐색시 정보판독율을 증가시키고 특정의 산업적 및 물리적 처리를 가능하게 하는 시스템을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면 조사된 샘플의 표면을 둘러싸는 근접장 영역으로 이동가능한 탐침과, 상기 탐침과 샘플 표면 사이에 상대이동을 제공하기 위한 구동수단과, 상기 탐침을 표면을 횡단하여 요동시키는 수단과, 근접장 영역에서 탐침과 필드 및 샘플 사이의 상호작용에 의해 영향을 받는 전자기 방사선을 검출하는 검출기를 포함하는, 근접장 주사 광학 현미경에 있어서, 상기 현미경은 작동시 샘플 표면의 주사를 실행하도록 배치되며, 그 주사 영역은 주사선의 배치에 의해 덮이며; 상기 각각의 주사선은 요동 크기에 의해 주사선 길이가 결정되고 그 배치가 구동수단의 동작에 의해 제공될 수 있도록, 공진주파수 또는 공진주파수 근처에서 탐침을 요동시키므로써 수집되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경이 제공된다.

근접 또는 공진 요동에서, 탐침은 샘플 표면위로 매우 급속하게 이동할 것이다. 각각의 주사선은 탐침이 샘플의 표면을 횡단하여 요동할 때 연속적인(아날로그) 영상으로 수집된다. 탐침과 샘플 표면 사이에 상대이동을 동시에 제공하므로써, 일련의 주사선이 표면의 다른 부분으로부터 정보를 수집한다. 표면의 영역을 덮은 후, 주사선 정보는 2차원 주사영역의 영상을 형성하기 위해 적절한 변위와 함께 수집되어 재구성될 수 있다.

탐침 요동 및 탐침/표면 상대이동의 여러 방향은 주사 영역을 덮기 위해 사용될 수 있다. 탐침이 요동하는 평면에 대해 거의 수직인 방향으로 선형 병진이동이 가해질 수 있으며, 이에 따라 거의 장방형 주사 영역을 형성하게 된다. 만일 상대 이동이 연속적이라면, 주사 영역은 단일의 연속한 지그재그선에 의해 신속하게 덮인다. 선택적으로, 탐침이 요동되는 축선과 동일한 축선 주위로 샘플과 탐침의 상대회전을 제공하므로써 원형의 배치가 제공될 수도 있다. 또한, 요동은 회전하는 상대이동과 함께 8개의 통로를 따를 수도 있다.

탐침과 샘플표면 사이의 상대이동은 조정가능한 분리거리로 제공되는 것이 매우 바람직하며; 이러한 거리는 주사중 탐침-표면거리를 특징으로 하는 변수를 모니터링하고 이러한 변수값을 일정하게 유지하기 위해 탐침과 샘플 높이를 조정하도록 배치된 높이조절수단에 의해 제어될 수 있다.

상술한 바와 같이, 의미있는 국부 탐침 측정을 실행하기 위하여, 상기 탐침 자체는 수 나노미터의 샘플 표면내에 존재하여야 한다. 실질적으로 달성가능한 조건하에서도, 설비와 환경의 불안정한 성질로 인해, 어떤 독립적인 조정성을 채택하지 않고 탐침의 높이를 이러한 일치도로 제어하는 것이 매우 어렵다. 따라서, 양호한 국부 탐침 현미경은 샘플 표면 위에서 조정가능한 높이로 탐침을 주사할 것이다.

물리적 높이 조절을 제공하기 위해 탐침이나 샘플을 구동하는 구동수단이 제공되는 것이 바람직하다.

탐침과 표면 사이의 거리는 모니터링된 변수값으로부터의 피드백에 의해 제어될 수 있다. 탐침-표면 거리를 특징으로 하는 상기 모니터링된 변수는 요동 크기이며, 이러한 변수에 연관된 데이터는 주사선 영상수집과 동시에 모여진다. 이러한 측정은 탐침-표면거리를 추정하기 위한 이른바 전단력 방법에서는 기본적인 것이다. 공지된 바와 같이 그리고 본 기술분야에서 자주 이용되는 바와 같이, 탐침 요동은 표면이 접근함에 따라 그리고 이동하는 탐침과 표면 사이의 전단력 강도가 증가함에 따라 더욱 완화될 것이다. 이것은 요동 크기를 모니터링하므로써 탐침 높이를 측정할 수 있음을 의미하는 것이다.

전단력에 의존하는 종래의 시스템에서, 영상 수집을 위한 주사는 2차원으로 되어 있으며, 각각의 정지점에서 탐침이 요동하여 높이 조절을 위한 데이터를 제공한다. 이러한 동작은 탐침 높이를 조정할 수 있고 이에 따라 영상 해상도도 개선시킬 수 있지만, 여러가지 단점이 있다. 첫째로, 주사는 2차원으로 이루어져야 한다는 점이다. 이것은 주사를 실행하는데 필요로 하는 설비를 복잡하게 하며, 처리단계 사이의 여러번의 정지는 주사를 완료하는데 필요로 하는 시간을 증가시킨다. 둘째로, 만일 종래 기술에서 주사 속도가 중요하다면, 크기 정보는 영상 수집과 동시에 모여진다. 그러나, 각각의 픽셀 위로의 탐침 요동은 해상도에서 미세한 손실을 초래하게 될 뿐이다. 이러한 이유로 인하여, 요동 크기는 전형적으로 수 나노미터 크기로 가능한한 작게 유지되어야만 한다.

이와는 달리, 탐침 요동을 이중으로 사용하므로써, 장치의 설비가 상당히 간단해진다. 본 발명의 실시예에서는 전체 주사선과 높이 표시를 제공하기 위해 탐침 요동이 사용된다. 따라서, 주사 영역을 덮기 위하여 여러 차원의 스테핑 이동을 제공하는 구동설비를 제공할 필요가 없다. 또한, 요동 크기를 확장시키므로써, 신호는 각각의 주사선을 따라 연속적으로 판독되며, 디지털화 또는 탐침 요동에 따른 해상도 손실이 없게 된다. 필연적으로, 정밀도를 손상시키는 불연속 주사점에서 얻은 신호를 집적할 수 있는 능력이 손실된다. 이에 따르면, 집적화는 본 발명의 장치에 의해 실행될 수 없다고 할지라도, 속도를 이용하여 달성될 수는 있다. 예를 들어, 동일한 주사선에 효과적인 정보를 수집할 동안, 다수의 탐침 요동이 실행될 수 있다. 여러가지 용도에 있어서, 해상도에서의 전체적으로 미세한 손실은 영상이 수집될 수 있는 속도에서의 이득에 의해 보상될 수 있다.

샘플 표면을 횡단하여 탐침을 요동시키는 수단은 주사선 수집중 배치되어 탐침을 그 공진주파수 근처에서 요동시킨다. 공진시 주파수가 주사선 길이를 최대로 함에도 불구하고, 공진주파수 근처에서의 요동은 탐침-표면 분리를 표시하기 위해 전단력에 의존할 때 감도가 증가된다는 장점을 제공한다. 상기 전단력 방법은 요동 크기가 측정될 것을 요하며, 공진주파수 근처에서 작동시켰을 때 그 크기의 변화에 따라 양호한 응답으로 공진 정점의 위치를 이동시킨다.

현미경은 레이저원과, 분기 광검출기와, 레이저에서의 광이 입사된 후 요동시 분기 검출기를 향하여 탐침으로부터 반사되도록 배치된 분기 검출기 신호처리수단을 포함한다. 상기 처리수단은 분기 검출기의 다른 부분에서 수신된 신호의 비율에 기초하여, 탐침 요동크기에 대한 값을 생성하도록 배치된다.

이것은 탐침 요동크기가 측정될 수 있는 양호한 수단을 제공한다. 다른 방법도 있지만, 매우 정밀하면서도 간섭에 의존하는 방법은 비임 정렬시 매우 중요한사항을 필요로 하게 되며, 기계적 드리프트(drift)를 유발하기 쉽다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예는 필요로 하는 요동을 허용가능한 정밀도로 측정할 수 있게 하는 매우 간단한 장치를 제공한다. 또한, 주사 크기를 형성하는 탐침 변위의 절대측정도 제공한다.

선택적으로, 상기 탐침은 튜닝 포크(tuning fork)의 갈퀴(prong)에 부착될 수 있으며, 탐침 요동크기는 상기 갈퀴상의 피에조저항 코팅에 의해 측정된다. 어플라이드 피직스 레트. 66(14), 1995년, 1842-1844페이지의 케이.카라이 및 알.디. 그로버에 의한 "근접장 광학 현미경을 위한 압전 팁-샘플 거리제어"에 개시된 이러한 기법은 다른 대안들 보다 설정이 다소 간단하다는 장점을 갖고 있다.

선택적으로, 만일 전자기장이 소실 필드인 경우라면, 탐침-표면 거리를 특징으로 하는 변수는 광자 전류이다. 이러한 배치는 광자 주사형 전자 터널링 현미경을 이용하여 실행되었다. 이론적으로는 간극형 조사 방법도 적용될 수 있지만, 간극형 조사에서 생성된 광자 전류를 모니터링하므로써 실질적인 높이 제어가 실행되지 않았다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 탐침 요동은 단지 주사선을 횡단하기 위해서만 사용되며, 신호 세기는 하나의 요동 사이클로 일체화된다. 이것은 탐침 높이를 지지하는 다른 수단을 제공하는데, 이러한 수단은 요동 크기를 측정하기 위해 사용되는 부가의 설비를 필요로 하지 않는다. 광자 전류가 영상을 수집하여 실질적으로 이미 측정됨에 따라, 오직 데이터 처리만을 필요로 하게 된다. 불행하게도, 이러한 기법은 그 용도가 제한되어 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 스토리지 매체의 광학 특성의 변화에 따라데이터가 기입되는 데이터 저장 매체를 주사하기 위해, 상술한 바와 같은 현미경을 포함하는 디지탈 데이터 판독시스템이 제공된다. 데이터는 연소될 오목부(pit)로서 기입된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 탐침이 주사 영역 위로 주사가능하도록 배치된 근접장 현미경에 사용하기 위한 국부 탐침에서 상기 주사 영역을 덮을 때, 탐침은 그 공진주파수에서 또는 공진주파수 근처에서 샘플의 표면을 횡단하여 요동하므로써, 표면에 대해 상대이동할 동안 주사선의 크기가 요동크기에 의해 결정되는 일련의 주사선을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징에 따르면, 샘플의 주사 영역으로부터 영상 데이터를 나노미터 크기로 신속하게 수집하는 방법에 있어서, 샘플을 전자기장으로 조사하는 단계와, 서브파장 크기의 탐침을 샘플의 근처에서 근접장 영역으로 이동하는 단계와, 탐침과 샘플 표면 사이에 상대이동을 제공할동안, 요동 크기에 대응하는 길이를 갖는 주사선이 주사 영역을 덮도록 공진주파수 또는 공진주파수 근처의 주파수로 샘플 표면을 횡단하여 탐침을 요동시키는 단계와, 근접장 영역에 연결되어 있으며 탐침과 필드 및 샘플 사이의 상호작용에 관한 정보를 함유하고 있는 방사선을 검출기에서 검출하는 단계와, 나노미터 구조의 샘플에 관한 정보를 추출하기 위하여 검출기로부터 신호를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 데이터 수집 방법이 제공된다.

본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도1에는 본 발명의 PSTM모드 조작이 도시되어 있다. 제1레이저원(12)으로부터의 광은 샘플(14)을 지지하는 도브 프리즘(도시않음)에 집중된다. 프리즘-샘플의 인터페이스에서, 광은 완전히 내부반사되어 증식파(16)를 반사하고, 소실 필드에서 샘플(14)을 조사한다. 탐침팁(20)이 구비된 경사진 광파이버(18)는 샘플 표면에 거의 수직으로 장착되어 근접장 영역(22)으로 이동할 수 있다. 광다이오드 검출기(24)는 파이버(18)를 따라 증식되는 옵티칼 신호(26)를 수집하도록 배치된다. 압전변환기(도시않음)는 화살표(28)로 도시된 바와 같이 측방향으로 탐침팀(20)의 공진주파수 근처의 요동을 실행하기 위하여 파이버(18)에 연결된다. 샘플(14)을 지지하는 프리즘은 요동축을 포함하는 요동면에 수직한 평면에서 그 운동을 제어하는 주사 튜브(도시않음)상에 장착된다. 탐침 요동은 제2레이저(30)로부터 축을 벗어난 광다이오드 검출기(32)를 향하여 집중된 광비임의 파이버(18)에 의한 반사에 의해 모니터링된다. 분기 검출기(32)는 제1광검출기 성분과 제2광검출기 성분을 포함한다.

상기 경사진 파이버(18)는 종래 여러 수단 예를 들어 서터(Sutter) 탄소 이산화물 레이저 파이버 풀러를 사용하여 생산될 수 있다. 레이저(12, 30)는 그 용도에 따라 여러가지 형태를 취할 수 있다. 초기 실험에 따르면, 제1레이저(12)는 20mW He-Ne 레이저이고, 제2레이저(30)는 1mW 정도의 다이오드 레이저이다. 분광분석을 위하여, 제1레이저(12)는 다색상일 수 있으며, 파장이 다른 여러 레이저가 필요할 수도 있다.

본 발명의 작동을 위하여 시스템에는 x, y, z 직각축선을 형성할 필요가 있다. y방향은 도1에 도시된 페이지방향이며, z축은 수직방향에 대응하며, x축은 도면의 평면에 평행한 방향이다. 따라서, 샘플은 xy평면을 점유하며, 파이버의 요동은 x방향으로의 팁 운동으로 나타나며(z축에 평행하게 작동하는 요동축), 주사 튜브는 샘플 운동을 y 및 z방향으로 제어한다.

도1을 참조하여 PSTM모드(10)에서의 본 발명의 동작에 대해 설명하기로 한다. 제1레이저(12)는 서술한 바와 같이 소실 필드에서 샘플(14)을 조사한다. 샘플(14)의 나노미터 특징부를 주사하기 위하여, 탐침팁(20)은 상기 소실 필드로 이동되고, 최대 수마이크론 정도의 상당히 큰 크기로 공진주파수 근처에서 xz평면에서 요동한다. 이와 동시에, 상기 주사 튜브는 프리즘을 y방향으로 연속적으로 이동시킨다. 이러한 방식에 있어서, 탐침(20)과 샘플(14)의 상대이동으로 인하여, 탐침은 샘플 표면에 대해 지그재그 래스터 주사를 실행한다. 따라서, 주사 영역은 전체 주사 튜브 변위(길이)에 의해 요동 크기(폭)에 대응하게 된다. 탐침은 주어진 구동력에 대해 최대값 근처의 주사폭을 얻기 위하여 공진 근처에서 요동한다. 샘플-필드-탐침팁 상호작용에 의해, 파이버를 따라 검출기(24)에 증식되는 방사 필드(26)가 생성된다. 본 기술분야의 표준 기법에 따라 샘플 표면의 영상을 유도하기 위해, 검출기 신호가 추출되어 처리된다.

이러한 방법에 의해 추출된 영상은 옵티칼 표면을 갖는다. 즉, 이것은 표면 영역 근처의 옵티칼 및 지형 특징의 회선(convolution)이다. 필요로 하는 정보에 따라 처리가 실행될 수 있다. 예를 들어, 옵티칼 정보를 추출하기 위하여, 표면에 대해 여러 높이에서 주사가 여러번 반복된다. 낮은 층에 대해서는 지형적 영향이 심해지며, 이것은 층 영상에 대한 변화에 의해 제거될 수 있다. 그러나 본 발명의 PSTM 실시예에 의해서는 옵티칼 정보가 이상적으로 수집되지 않으며, 지형에 대해서는 다른 기법에 비해 SNOM 조작이 훨씬 민감하다.

PSTM 영상에 대해 옵티칼 영향 및 지형적 영향을 어떻게 분리할 것인가에 대한 서술은 시.이. 죠단 등에 의한 "3차원 주사 모드를 사용하여 근접장 주사 광학 현미경에서 옵티칼 인공물의 제거"[J.Appl.Phys., 86(3), 2785페이지, 1999년]에 개시되어 있다.

탐침(20)의 높이를 샘플(14) 위로 유지시키기 위하여, 도1에 도시된 본 발명의 실시예는 전단력 방법을 이용하고 있다. 즉, 탐침 요동이 모니터링되며, 그 크기가 주사를 통해 일정하게 되도록 조정이 이루어진다. 이러한 방법에서는 탐침 요동이 이중으로 사용되는데; 첫째로, 탐침 요동은 탐침(20)에 의한 샘플 표면의 보다 신속한 주사의 실행에 기여하며; 둘째로, 탐침 요동은 샘플 표면위의 탐침 높이의 중요한 요소가 유지되게 한다.

따라서, 탐침 요동의 크기를 측정할 수 있는 것이 매우 중요하다. 이를 실행하기 위하여, 제2레이저(∼1mW)(30)로부터의 광은 파이버(18)의 표면상의 촛점에 집중된다. 이로부터 분기 광다이오드 검출기(32)를 향하여 약 90°로 반사된다. 파이버(18)가 요동함에 따라, 촛점은 파이버의 (굴곡된)표면에 대해 이동한다. 이러한 변화되는 곡률은 반사각을 변화시키고, 이에 따라 반사 비임은 분기 검출기(32)를 횡단하여 이동한다. 상기 검출기(32)는 요동에 대해서는 대칭이 아니지만, 스윙의 일부, 또는 최대 절반을 검출한다. 반사 비임이 검출기(32)를 횡단할 때, 각각의 광검출기 성분(34, 36)은 신호를 생성하며, 2개의 신호 크기의 비율은 파이버 요동 크기를 나타낸다. 이러한 응답은 파이버(18)를 알려진 양만큼 변위시키고 압전변환기에 직류를 인가하여 광검출기 신호의 변화를 관찰하므로써 보정된다. 레이저 편향 검출의 이러한 기법은 Rev. Sci. Instr. 71(4), 1689-1694페이지(2000년)에서 엠.안톡노찌가 저술한 내용에 개시되어 있다.

탐침(12)이 근접장 영역으로 이동될 때, 필요로 하는 요동 크기는 탐침(20)의 자유(표면으로 멀리 떨어진) 요동 크기의 비율로 설정된다. 이러한 설정크기에 도달되었을 때, 주사가 시작된다. 만일 어떤 점에서 주사시 요동크기의 감소가 관찰되었다면, 이것은 댐핑이 증가되었다는 것을 나타내며, 이로부터 탐침-표면 분리가 감소된 것으로 결론지어진다. 따라서, 샘플(14)은 탐침팁(20)(z방향)으로부터 이동되어야만 한다. 역으로, 요동 크기가 상당히 크다면 이것은 탐침-표면 분리가 증가되었다는 것을 의미하며, 샘플(14)은 상승해야만 한다. 따라서, 피드백 기법은 주사선 위로의 평균적인 탐침-표면 분리가 거의 일정하게 유지하는 것을 보장할 수 있도록, 설정된 요동 크기를 유지하는데 사용된다. 실제로, 그 크기는 설정 크기 근처에서 변화될 것이다. 이러한 변화에는 여러가지 변수 즉, 과잉의 높이 조절과, 피드백 루프의 시간상수는 탐침의 요동주기 보다 커야 한다는 사실과, 탐침이 상호작용의 변화를 조절하는데 소요되는 시간(설정 시간) 등을 포함된다.

탐침 요동 주기 보다 길어야만 하는 피드백루프를 위한 시간 상수와 나머지 탐침 시간은 전체 주사를 완료하는데 소요되는 시간 보다 짧아야 한다는 것이 중요하다. 그렇지 않을 경우, 만일 탐침-샘플 분리에 상당한 변화가 있다면, 탐침은 이를 조정할 시간을 갖지 못하게 된다.

이러한 점에서 때로는 PSTM 이라는 용어는 샘플 위로의 탐침 높이가 광자 전류를 통하여 모니터링되는 근접장 현미경기법으로 언급되는 것은 바람직하지 않다. 이러한 해석은 본 발명의 실시예에서 탐침 높이가 전단력을 통해 모니터링될 때 본발명의 서술에는 적합하지 않다. 본 발명에 사용되고 있는 PSTM의 주요한 특징은 전체적인 내부반사에 의해 생성된 소실 필드에 의해 조사가 실행된다는 점이다.

이러한 레이저-탐침-분기 광다이오드 시스템은 탐침 요동크기가 측정될 수 있는 단 한가지 방법은 결코 아니다. 또 다른 방법은 요동하는 파이버(18)를 조사하여, 그 섀도우를 관찰하는 것이다. 상기 섀도우가 분기 광검출기를 횡단할 때, 각각의 성분으로부터의 신호비율은 다시 새로운 요동크기를 나타낼 것이다. 또 다른 방법으로는 파이버를 튜닝 포크의 하나의 갈퀴에 부착하는 것이다. 상기 튜닝 포크가 여자되었을 때, 갈퀴는 굴곡될 것이다. 이러한 굴곡은 갈퀴상의 피에조저항 코팅에 의해 측정된다. 통상적으로, 갈퀴의 내외측은 코팅되며, 발생된 전압편차는 측정된다. 또 다른 방법은 상이한 간섭에 기초하는 것이다. 상이한 간섭에 따른 방법의 단점으로는, 이들은 탐침상에 충돌하여 그 경로를 되돌아가기 위해 쌍둥이 비임을 요구한다는 점이다. 이것은 정렬이 매우 어려운 것으로 판명되었다. 두번째 단점으로는, 이러한 시스템은 탐침변위에 대한 절대측정을 제공할 수 없다는 점으로서, 단지 요동 크기가 상승 또는 하강에 대한 여부만을 제공할 뿐이며, 특히 기계적 드리프트에 취약하다는 점이다.

상기 탐침(20)은 주사선의 길이를 최대로 하는 공진에서 보다는 공진 근처에서 요동하는데, 그 이유는 요동 크기의 변화에 의해 공진주파수 근처가 되었을 때 공진 정점 위치의 이동에 상당한 응답이 있기 때문이다. 이러한 크기 변화는 탐침-샘플 상호작용의 그 어떠한 변화를 나타내기 위해 측정되는 것이기 때문에, 이러한 위치조정은 신호 대 노이즈 비율을 효과적으로 개선한다.

주사 속도를 최대로 하기 위하여, 각각의 주사선은 탐침의 단일 요동에 수집된다. 다수의 주사선 횡단을 제공하기 위해 주사 튜브의 스테핑 및 정지에 의해 탐침이 울린다 하더라도, 각각의 주사선상에서 다수의 요동에 의해 양호한 영상을 얻을 수 있다. 이것은 주사 속도를 감소시키게 된다. 그러나, 주사 튜브의 속도는 샘플을 주사 사이클당 1Å 정도의 낮은 속도로 이동시키도록 설정될 수 있다. 이러한 속도에 의해, 연속한 선을 부가하므로써 집적에 가까운 조작을 실행할 수 있으므로, 처리된 영상에서의 각각의 선은 예를 들어 평균적으로 5개의 요동선으로 된다. 이러한 "집적화"에 의해 얻어진 신호 대 노이즈 비율의 증가는 여러 경우에 있어서 해상도의 손실을 보상하게 된다.

본 발명의 실시예는 y방향으로 선형이동을 제공하는 주사 튜브를 포함하고 있지만, 다른 주사 형태도 사용될 수 있다. 영역을 영상화할 때의 필요로 하는 것은 샘플(또는 이와 등가인 탐침)의 병진운동과 탐침 요동의 조합은 영상화될 영역을 덮어야 한다는 점이다. 따라서, 샘플은 탐침이 요동될 동안 회전하게 되므로써, 중앙점을 통과하는 일련의 원형 주사선을 포함하는 주사가 실행된다. 선택적으로, 상기 탐침은 2개의 수직 방향으로 요동하도록 설정될 수 있다. 만일 요동이 양방향으로 구동된다면, 8개의 형태와 같은 비선형 요동이 나타나게 된다. 만일 8개 요동축선이 회전할 경우, 탐침 이동은 중앙점을 통과하는 일련의 8개의 형태에서 주사 영역을 덮을 것이다.

만일 주사시 탐침의 요동크기에 의해 덮이기 보다는 x방향으로 보다 큰 샘플 영역을 덮을 것이 요구된다면, 그러한 방향으로의 제2주사가 실행된다. x방향으로의 각각의 단계후, 샘플의 영역이 주사되고, 주사된 각각의 영역은 정렬되어, 영상화될 샘플 영역을 덮게 된다.

탐침-샘플 거리를 유지하기 위해 전단력에 의존하는 종래 시스템에서, 주사는 2차원으로 이루어져 있으며, 각각의 정지점에서 탐침은 영상 데이터를 수집함에 따라 요동하게 된다. 따라서, 각각의 점에서 수집된 영상은 요동 크기보다 큰 평균값이므로, 해상도의 손실을 유발하게 된다. 이와는 달리, 본 발명의 요동은 아날로그선 주사를 실행하므로 해상도는 디지털화에 의해 한정되지 않는다. 종래의 스텝 및 요동형 시스템에 존재하는 해상도 손실을 극복하기 위한 한가지 방법은 탐침이 샘플 표면에 가장 가깝게 되었을 때, 전단력 탐침의 스윙의 일부에만 옵티칼 데이터를 수십하는 것이다[S.K. Sekatskii, Appl. Phys, Lett, 77(4), 2089-2091(2000)]. 그러나 이러한 방법은 근접장 영상을 수집하는 방법으로는 시간이 많이 소요된다.

본 발명의 실시예에서, 광다이오드(24)로부터의 출력신호는 데이터 수집 및 처리와 그 디스플레이를 위하여 증폭기(도시않음)를 통해 처리시스템(도시않음)에 공급된다. 디지탈 데이터 처리가 가능하도록, 주사선은 상기 처리시스템에 의해 인위적으로 픽셀화된다.

이러한 PSTM 작동모드에 있어서, 샘플-탐침 거리를 유지하기 위한 다른 방법으로는 광전류를 모닝터링하는 것이다. 이러한 실시예에서, 전체적인 옵티칼 세기는 탐침 요동 사이클동안 집적화되며, 피드백을 통해 탐침 높이가 조정되어 일정한 전류를 유지하게 된다. 이러한 실시예는 탐침 요동을 이중으로 사용하지 않을 뿐만 아니라, 데이터 수집에 대한 포텐셜 속도는 종래기술 보다 개선되는 것을 인식해야 한다.

도2a는 종래의 SNOM 시스템을 사용하는 폴리하이드록시부티레이트-코-발러레이트(polyhydroxybutyrate-co-valerate: PHB/V)의 폴리머 구결정의 일반적인 주사형 전단력 지형적인 영상(40)을 도시하고 있다. 도2b는 도1의 고속 PSTM을 사용하여 얻은 영상(44)을 도시하고 있으며, 신호처리는 LabView™시스템을 사용하여 실행된다. 이러한 영상(44)은 도2a의 영상(40)에서 박스형 영역(42)으로 도시된, 동일한 폴리머 구결정 샘플의 일부를 포함한다. 상기 LabView™시스템은 실험실형 환경에서 추출된 영상정보를 처리하는데 편리한 방법을 제공한다. 보다 정교한 데이터 처리시스템일 경우에는 개선된 영상을 생성할 수 있음을 인식해야 한다.

영상에서 각각의 주사선은 탐침(20)의 하나의 요동주기에 수집된다. 따라서, 영상(44)은 거울 대칭의 선(46)을 갖는데, 한쪽은 제1트레이스이고, 다른쪽은 요동의 리트레이스 부분이다. 디지탈화는 시간 도메인에서 이루어지는데, 즉 영상의 각각의 픽셀은 그 인접한 것으로부터 동일한 시간간격으로 이격되어 있다. 탐침의 속도는 스윙중 변화되기 때문에, 영상(44)은 측부에서는 왜곡되며, 중앙에서는 약간 "펼쳐져" 있다. 이러한 왜곡은 다음과 같은 함수를 적용하면 제거될 수 있다.

x = 크기 ×sin[n ×(ω/s)]

여기서, x는 주사선에 위치된 픽셀의 위치이고, 크기는 요동크기를 나타내며, 탐침의 제로변위로부터 트리거된 n은 픽셀수, s는 초당 샘플링된 픽셀수, ω은탐침(20)의 각속도 이다.

이러한 영상(44)에 있어서, 탐침의 공진주파수는 ∼4KHz이고, 요동크기는 ∼150nm 이다. 따라서, 약 1초에 영상(44)에서 4000주사선이 수집된다. 이것은 도2a의 영상(40)을 기록하는데 소요되는 시간 보다 거의 2000배 빠르다. 고속 영상에서 얻어진 해상도는 약 30nm이다. 이것은 기본적으로 한계치가 아니며, 탐침크기, 탐침-샘플 분리, 필드의 소멸길이 및 환경상의 제약과 같은 다양한 변수가 고려될 수 있다. 표준형 PSTM 장치에 사용된 설비는 해상도를 개선하기 위해서는 용이하게 업그레이드될 수 있다. 예를 들어, 광다이오드 증폭기의 대역폭과 특정의 LabView™시스템의 디지탈화 주파수는 매우 중요한 변수이다. 현존의 설비에 의해 1nm의 해상도 업그레이드 정도는 용이하게 달성될 수 있음을 인식해야 한다. 이것은 종래의 느린 PSTM 영상기(1∼3 nm)를 사용하여 현존의 해상도레벨에도 필적할 수 있다.

필요할 경우, 영상(44)으로부터 변위된 다수의 유사한 영상을 이용하여 도2a에 도시된 바와 같은 전체 영상 영역(40)을 재생할 수 있다.

도3은 무간극형 근접장 주사 광학 현미경(무간극형 SNOM모드)에서 실행되는 본 발명의 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 도1에 도시된 바와 동일한 기능을 제공하는 요소에 대해서는 동일한 도면부호가 부여되었다. 도3에 있어서, 제1레이저원(12)으로부터의 광은 샘플(14)을 직접 조사한다. 따라서, 샘플(14) 주위의 근접장 영역(22)에는 소실 필드와 방사 필드가 형성된다. 경사진 텅스텐 탐침(52)은 샘플 표면에 거의 수직한 주사 튜브(도시않음)상에 장착된다. 상기 주사 튜브에의해 탐침(52)은 도1과 동일한 표기를 사용하여, y방향 및 z방향으로 즉, 샘플 표면 및 도면의 페이지로 이동할 수 있다. 상기 탐침(52)은 압전변환기(도시않음)에 의해 화살표(28)로 도시된 바와 같이 측방향으로 요동될 수 있다. 탐침-필드-샘플 상호작용에 관한 정보를 포함하고 있는 분산된 광(54)은 검출기(56)에 의해 수집된다. PSTM장치에 있어서, 탐침의 요동은 제2레이저(30)로부터 축선을 벗어난 분기 광다이오드 검출기(34)의 제1성분(36) 및 제2성분(38)을 향해, 집중된 광비임의 반사에 의해 모니터링된다.

작동시, 무간극형 SNOM의 원리는 PSTM의 원리와 유사하다. 샘플이 조사될 때, 탐침은 근접장 영역(22)으로 이동되어, xz평면에서 공진에 가깝게 요동된다. 따라서, 이러한 하나의 요동주기에서 2개의 주사선이 얻어지며, 주사 튜브는 샘플 표면에 대한 주사를 완료하기 위하여 y방향으로의 이동을 제어한다. 이와 동시에, 탐침 요동크기는 제2레이저(30) 및 분기 광검출기(32) 시스템에 의해 모니터링된다. 처리회로는 광검출기 신호로부터 필요로 하는 크기 정보를 추출한 후, z방향으로의 탐침 이동을 제어하는 주사 튜브로 상기 정보를 전송한다. z방향으로의 이동은 일정한 전단력을 유지하여 일정한 요동 크기가 유지되도록 실행된다. 이러한 모드와 PSTM 사이의 주요한 차이점은 샘플-필드-탐침 상호작용이 어떻게 여자되고어떻게 측정되는지에 따른다. 도3의 실시예에서, 전체적인 내부반사가 없다는 것은 샘플이 방사 필드에 의해 직접 조사된다는 것을 의미한다. 이것은 근접장 영역(22)에서 방사 필드 및 소실 필드에 상승을 제공한다. 탐침(52)이 근접장으로 이동하였을 때, 소실 및 방사 필드-탐침 상호작용은 어느 정도는 방사 필드에 연결되며, 이것은 검출기(56)에 의해 원시야에서 검출된다. 검출된 신호는 증폭된 후, 영상을 형성하도록 처리된다. 이러한 방법으로 형성된 영상은 PSTM장치를 사용하여 얻은 영상과 마찬가지로 동일한 방법으로 처리된다. 차이점으로는 그 해석에 있다.

다양한 SNOM 모드의 각각은 그 특별한 장점과 단점을 갖고 있으며, 이것은 필요로 하는 용도의 선택에 의존한다. 그러나, 통상적으로 사용되는 그 어느 국부 탐침이라도 높은 요동비에 견딜 수 있으므로, 본 발명은 필요로 하는 모든 SNOM 형태에 사용될 수 있다.

조사를 위하여 전체적인 내부반사에 의존하는 PSTM모드 장치는 여러가지 장점을 갖고 있다. 조사 비임의 편광은 제어될 수 있으며, 소실 필드로의 샘플 투입은 이탈된 광이 강하게 억제된다는 것을 의미한다. PSTM기법은 샘플의 형상에 매우 민감하며, 이것은 높은 해상도를 제공한다.

PSTM기법은 탐침팁 위치를 제어하기 위해 지금까지 광자 전류의 모니터링을 이용하여 실행되는 SNOM 설비이다. 이것은 미세한 폴리머 및 생물학적 표본을 파괴시킬 수도 있는 샘플과 탐침 사이의 상호작용력(상당히 미약한 힘인 전단력과 같은)을 생성할 필요성을 제거한다. 도1 및 도3의 실시예를 참조하여 서술한 바와 같은 거리 제어의 전단력방법은 샘플과 탐침 사이의 한정된 유체층(표준조건하에서는 물)을 통해 작동된다. 이러한 환경에서의 상호작용력은 매우 복잡하며, 이것은 탐침-샘플 분리 및 샘플 자체의 재료특성에 의존한다. 이것은 재료의 변화가 위상 변화와는 구분할 수 없기 때문에 영상 해석을 복잡하게 한다.

PSTM의 한가지 단점으로는 전송시 영상이 관찰되어야 한다는 즉, 샘플이 투명해야 한다는 점이다. 또 다른 단점으로는 필요로 하는 경사진 조사는 수백 나노미터의 위상변화를 갖는 샘플인 경우에 강한 이방성을 유도한다는 점이다. 또한, 다른 관점에서는 장점이 될 수도 있지만, 편광된 광에 의한 조사는 항상 바람직한 것이 아니며, PSTM 기법은 비편광된 조사에 익숙하지 않다는 점이다.

무간극형 SNOM 모드의 장점으로는 탐침은 광파이버가 필요없다는 점이다. 실제로, 투명할 필요조차 없다. 텅스텐의 제조는 빈틈없는 기법이고 상당히 작은 조각도 가능하기 때문에, 텅스텐은 양호한 재료에 속한다. 또한, 텅스텐팁은 매우 높은 스캐터링 단면을 가지며, 재료 자체는 탄성율이 높기 때문에 탐침에 대해 높은 공진주파수를 가질 수 있다. 또한, 상기 탐침은 전송된 또는 반사된 필드에 효과적으로 동일하게 일체화될 수 있으므로, 샘플의 투명도는 문제가 되지 않는다.

도4는 간극형 조사 SNOM모드에서 실행되는 본 발명을 개략적으로 도시하고 있다. 본 발명의 이러한 실시예를 작동시키는 장치(60)는 광원(62)과, 서브파장 간극(68)으로 탐침(69)에 광파이버(도시않음)를 증식시키도록 배치되는 방사선(64)을 포함한다. 샘플(14)과 상호작용한 후, 분산된 광(70)은 원시야에서 렌즈(72)에 의해 수집되어, 광검출기(74)에 집중된다. 또한, 탐침(66) 또는 샘플은 y방향(연속한 스캔) 및 z방향(높이 조절)으로 주사될 수 있는 주사 튜브상에 장착되며, 화살표(28)로 도시된 바와 같이 x방향으로 탐침 요동을 구동시킬 수 있는 압전변환기에 연결된다. 상술한 실시예에서처럼, 레이저(30)와 분기 광검출기(32)는 탐침 요동의 크기를 모니터링하도록 배치된다.

주사 단계는 이전의 실시예와 동일하며, 탐침은 공진 근처에서 요동되며; 각각의 요동주기에서는 2개의 주사선이 수집되어, 샘플 표면(14) 위의 근접장에서 샘플로 전송된다. 분기 검출기 신호로부터의 피드백을 통해 높이 조절이 제어되며, 샘플 표면-탐침 분리가 거의 일정하게 유지되도록 설정된다.

그러나, 이러한 실시예에서, 샘플은 그 표면을 횡단하여 주사되는 서브파장 간극(68)을 통해 조사된다. 서브파장 크기의 간극(68)으로 인하여, 방사선은 파이버로부터 샘플로 증식될 수 없으며, 샘플은 소실 필드에 의해 조사된다. 이러한 필드는 샘플과 상호작용하며, 샘플의 효과는 소실 필드 및 방사 필드에 연결된다. 상기 방사 필드는 렌즈(72)와 검출기(74)에 의해 수집된다. 데이터 처리 및 영상 형성은 수집후 실행된다.

검출기(74)는 통상적으로 사용되는 다수의 옵티칼 검출기중 하나일 수 있으며, 예를 들어 아발란치 광다이오드(avalanche photodiode), 채널 광전배증관 또는 표준형 광전배증관 튜브일 수도 있다. 간극형 조사 모드에 사용하기 위한 탐침(66)은 무간극형 및 PSTM모드에 사용된 것과는 달리 굴곡되지 않는다. 샘플을 조사하기 위해서는 광파이버이어야만 하며, 간극은 파이버를 광학적으로 불투명한 기질로 코팅하여 형성되어야 한다. 이러한 실시예에서, 파이버는 알루미늄으로 코팅된다. 알루미늄은 옵티칼 주파수 전기장에 대해 침투깊이가 작아서 작은 간극이 형성될 수 있기 때문에 양호한 재료가 될 수 있다. 그러나, 다른 재료가 사용될 수도 있다.

간극형 조사 SNOM을 이용하여 수집된 영상은 다른 기법을 사용하여 수집된영상 보다 해석이 용이하다. 이탈된 광에 대해서는 몇가지 문제점이 있으며, 표면으로 일정한 거리에서 조사를 유지하는 것은 표면의 인공물을 제거하는데 도움을 준다. SNOM 영상분석은 S.H.Simpson, S.Hanna, Opt. Comms. 196(1-6), 17-31페이지, 2001년 9월에 개시된 바와 같이, 막스웰 방정식의 유한편차 시간-도메인 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 실행될 수 있다. 간극형 조사 SNOM은 결정화 처리의 연구에 매우 중요한 쌍굴절 영상화에도 적용될 수 있으며, 디지탈 데이터 스토리지에 유용한 것으로 판명되었다.

한편, 금속화된 파이버를 이용하는 SNOM은 다른 국부 탐침 현미경 보다 노이즈에 의해 더욱 한정된다. 금속 코팅의 레이저 손상한계치는 단순히 샘플을 조사하기 위해 보다 강력한 레이저를 사용하므로써 신호 대 노이즈 비율에 대해 이루어질 수 있는 개선을 제한하는 요소이다. 5mW 이상의 세기는 알루미늄 코팅의 부분적인 기화를 유발한다. 신호 노이즈로 인하여, 해상되는 PSTM 및 기타 다른 무간극형 모드에 비해 50nm 이하로 상당히 악화시킬 것으로 여겨진다.

도5 및 도6은 간극형 수집 SNOM 모드에서 본 발명을 실행하는 장치(80, 90)를 개략적으로 도시하고 있다. 레이저원(12)로부터의 광은 원시야로부터 샘플(14)에 입사된다. 샘플(14)과의 상호작용은 근접장 영역(22)에서 소실 필드 및 방사 필드로 나타난다. 이러한 영역은 간극형 탐침(82)에 의해 주사되며, 상기 주사는 본 발명의 상술의 실시예와 동일한 방법으로 달성 및 관찰된다. 이러한 실시예에서 간극형 탐침(82)은 알루미늄 코팅된 경사진 광파이버로서, 그 팁은 간극(84)을 형성하기 위해 좌측이 코팅되어 있지 않다. 이러한 탐침은 나노콜렉터로서 작용하며, 즉, 그 서브파장 팁은 샘플 주위에서 근접장 영역(22)에서의 필드와 상호작용하며, 이러한 상호작용은 파이버를 따라 간극(84)의 다른쪽을 증식시키는 방사 필드와 연결되어 있다. 상기 증식 필드는 검출기(86)에 의해 검출되며, 검출기 신호는 영상을 형성하기 위해 처리된다. 상기 두 장치(80, 90) 사이의 차이점은 도5에서의 SNOM(80)은 전송시의 영상을 관찰하기 위한 것과, 도6의 장치는 반사시의 영상을 관찰하기 위한 것이다. 즉, 소스(86)는 샘플의 상이한 쪽에 위치되며, 도6의 장치(90)는 불투명 재료를 영상화하기에 적합한 것이다.

조사 및 수집을 위해 다른 장치도 가능하며, 이에 대한 기본적인 요구사항으로는 탐침-소실 필드-샘플 상호작용 이다. PSTM의 장점을 무간극형 SNOM에 접목시켜 전체적인 내부 반사광을 수집하는 것도 하나의 방법이 될 수도 있다. 이러한 장치에서는 수집된 광으로부터 소실 필드 상호작용이 제거된다. 예상된 낮은 신호 대 노이즈 비율은 극복할 필요가 있는 문제점을 제공하지만, 파이버 수집기에 의한 분배능에 의해 탐침은 예리한 많은 점을 갖도록 제조될 수 있어 해상도를 개선할 수 있다.

이러한 신속주사형 SNOM의 중요한 용도로는 디지털 데이터 판독을 들 수 있다. 현존의 한가지 처리에 있어서, 스토리지 매체에서 약 10nm의 오목부를 연소시키는 원자력 마이크로스코우프(atomic force microscope: AFM)의 가열팁을 사용하여, 고밀도 데이터가 기입된다. 데이터는 온도를 달리하여 표면 주사를 실행하므로써 판독된다. 그러나, 상기 오목부는 상술한 바와 같은 SNOM 모드중 하나에서 실행된 본 발명을 사용하여 판독하는데 이상적인 지형적 변화를 제공한다. 그러나, 그 고유의 높은 해상도로 인하여 무간극형 모드중 한가지가 바람직한 것을 인식해야 한다.

현재, 고밀도 데이터 스토리지를 달성하기 위해 여러 방법들이 연구되고 있다. 예를 들어 폴리머 재배열 및 자기 도메인 스토리지 등이 상술한 바와 같은 SNOM 모드중 하나에 따른 신속한 판독에 적합한 것으로 알려져 있다.

본 발명의 다른 용도로는 국부 표면 분광 뿐만 아니라 안내파(guided wave), 분광, 마이크로캐비티 모드 및 기타 다른 한정된 전자기장의 검출 및 측정을 들 수 있다.

Claims (25)

1. 조사된 샘플(14)의 표면을 둘러싸는 근접장 영역(22)으로 이동가능한 탐침(20)과, 상기 탐침(20)과 샘플 표면 사이에 상대이동을 제공하기 위한 구동수단과, 상기 탐침(20)을 표면을 횡단하여 요동시키는 수단과, 근접장 영역(22)에서 탐침(20)과 필드 및 샘플(14) 사이의 상호작용에 의해 영향을 받는 전자기 방사선을 검출하는 검출기(24)를 포함하는, 근접장 주사 광학 현미경에 있어서,

   상기 현미경은 작동시 샘플 표면의 주사를 실행하도록 배치되며; 그 주사 영역은 주사선의 배치에 의해 덮이며; 상기 각각의 주사선은 요동 크기에 의해 주사선 길이가 결정되고 그 배치가 구동수단의 동작에 의해 제공될 수 있도록, 공진주파수 또는 공진주파수 근처에서 탐침(20)을 요동시키므로써 수집되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
2. 제1항에 있어서, 탐침(20)과 샘플 표면 사이의 상대이동은 적절한 분리 거리에 제공되며, 이러한 거리는 주사중 탐침-표면 거리를 특징으로 하는 변수를 관찰하고 이러한 변수값을 거의 일정하게 유지하도록 배치된 높이 조절수단에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
3. 제2항에 있어서, 상기 구동수단은 높이 조절을 제공하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
4. 제3항에 있어서, 상기 구동수단은 탐침(20)을 이동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
5. 제3항에 있어서, 상기 구동수단은 샘플(14)을 이동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
6. 제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 탐침(20)과 샘플 표면 사이의 거리는 모니터링된 변수값으로부터의 피드백에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
7. 제6항에 있어서, 탐침-표면 거리를 특징으로 하는 변수는 요동 크기이며, 이러한 변수에 관련된 데이터는 주사선 영상 수집과 동시에 모여지는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
8. 제7항에 있어서, 샘플(14)을 표면을 횡단하여 탐침(20)을 요동시키는 수단은 주사선 수집중 탐침(20)을 그 공진주파수 근처에서 요동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 현미경은 레이저원(30)과, 광검출기(32)와, 상기 레이저로부터의 광이 탐침(20)에 입사된 후 작동시 분기 검출기(32)를 향하여 반사되도록 배치되는 분기 검출기 신호 처리수단을 포함하며, 상기 처리수단은 분기 검출기(32)의 성분(34, 36)에 수시된 신호 비율에 기초한 탐침 요동 크기에 대한 값을 생성하는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
10. 제7항에 있어서, 상기 탐침(20)은 튜닝 포크의 갈퀴에 부착되며, 탐침 요동 크기는 갈퀴상의 피에조저항 코팅에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
11. 제2항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 전자기장은 소실 필드이며, 탐침-표면 거리를 특징으로 하는 변수는 광자 전류인 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
12. 상술한 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동수단은 거의 장방향 주사 영역을 형성하도록 탐침이 요동하는 평면에 수직한 방향으로 상기 탐침(20) 및 샘플(14)의 상대적 선형 이동을 제공하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
13. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동수단은 원형의 주사선에 의해 주사 영역을 덮도록 탐침(20)이 요동되는 축선과 일치하는 축선 주위로 탐침(20) 및 샘플(14)의 상대회전을 제공하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
14. 제7항 또는 제8항에 있어서, 피드백은 탐침의 하나의 요동사이클 보다 크지만 주사 실행에 소요되는 시간보다는 작은 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
15. 상술한 항중 어느 한 항에 있어서, 현미경은 샘플(14)을 조사하는 광원과 연결된 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
16. 제15항에 있어서, 전자기장은 소실 필드인 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
17. 제16항에 있어서, 샘플(14)은 프리즘상에 장착되고; 광원(12)은 작동시 광원으로부터의 광이 샘플한 인접한 영역에서 프리즘내로 완전히 내부반사되어 소실 필드에서 샘플(14)을 조사하도록 배치되며; 탐침은 샘플 주위에서 소실 필드와 팁과의 상호작용시 팁(20)으로부터 이격된 파이버에 방사선이 생성되도록, 서브파장 팁(20)을 포함하는 경사진 광파이버(18)이며; 검출기(24)는 파이버에 증식되는 방사파를 검출하도록 배치되며; 현미경은 검출기(24)에 수신된 신호로부터 샘플 영상을 추출 및 디스플레이하도록 배치된 신호 처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
18. 제16항에 있어서, 탐침(66)은 광원(62)으로부터의 광이 파이버(66)를 따라 증식되고 소실 필드에서 샘플(14)을 조사하도록 파이버 팁에서 서브파장 간극(68)과 연결되며; 현미경(60)은 샘플(14)로부터 분산된 방사선을 수집하여 이를 검출기(74)에 집중시키는 수집 옵틱(72)을 포함하며; 영상 신호 처리수단은 검출기(74)에 수신된 신호로부터 샘플의 영상을 추출 및 디스플레이하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
19. 제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 탐침(82)은 조사된 샘플(14)의 근접장 영역(22)으로 탐침(82)을 이동할 때 탐침-필드 연결에 의해 간극(84)으로부터 이격된 파이버내에 증식파가 제공되고 파이버 출력이 검출기(86)에 연결되도록, 그 팁에서 서브파장 간극(84)을 갖는 경사진 광파이버인 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 탐침은 그 팁에 간극(68, 84)이 형성되도록 팁을 제외하고는 알루미늄으로 코팅된 경사진 광파이버인 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
21. 제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 탐침(52)은 금속제이고 예리한포인트가 형성되도록 경사져 있으며; 레이저원(12)과 검출기(56)는 작동시 레이저원(12)으로부터 샘플(14) 까지 방사선이 증식되어, 탐침(52)과 검출기(56)가 유도되는 근접장 영역에 필드를 형성하고, 이에 의해 근접장 영역(22)으로부터 방출되는 방사파에서 탐침(52)과 필드와 샘플(14) 사이의 상호작용이 검출되도록 원시야 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 근접장 주사 광학 현미경.
22. 상술한 항중 어느 한 항에 따른 디지털 데이터 판독 시스템에 있어서,

    데이터 스토리지 매체를 주사하고, 이러한 매체상에 데이터가 스토리지 매체의 옵티칼 부분의 변화로서 기입되는 것을 특징으로 하는 디지탈 데이터 판독 시스템.
23. 제20항에 있어서, 데이터는 연소된 나노미터 오목부로서 기입되는 것을 특징으로 하는 디지탈 데이터 판독 시스템.
24. 주사 영역위에서 주사할 수 있는, 근접장 현미경검사에 사용하기 위한 국부 탐침(20)에 있어서,

    상기 탐침(20)은 공진주파수나 공진주파수 근처에서 샘플(14)의 표면을 횡단하여 요동될 수 있으며, 표면과의 상대이동시 상기 탐침의 요동 크기에 의해 일련의 주사선의 길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 탐침.
25. 샘플(14)의 주사 영역으로부터 영상 데이터를 나노미터 크기로 신속하게 수집하는 방법에 있어서,

    샘플(14)을 전자기장으로 조사하는 단계와,

    서브파장 크기의 탐침(20)을 샘플(14)의 근처에서 근접장 영역(22)으로 이동하는 단계와,

    탐침(20)과 샘플 표면 사이에 상대이동을 제공할동안, 요동 크기에 대응하는 길이를 갖는 주사선이 주사 영역을 덮도록 공진주파수 또는 공진주파수 근처의 주파수로 샘플 표면을 횡단하여 탐침(20)을 요동시키는 단계와,

    근접장 영역(22)에 연결되어 있으며 탐침(20)과 필드 및 샘플(14) 사이의 상호작용에 관한 정보를 함유하고 있는 방사선을 검출기(24)에서 검출하는 단계와,

    나노미터 구조의 샘플에 관한 정보를 추출하기 위하여 검출기(24)로부터 신호를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 데이터 수집 방법.