KR20040097119A - 표면 플라즈몬 광학장치 및 포토리소그라피용 빛방출표면플라즈몬 소스 - Google Patents

표면 플라즈몬 광학장치 및 포토리소그라피용 빛방출표면플라즈몬 소스 Download PDF

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김대식
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Abstract

유전체 기판, 유전체 기판상에 형성된 금속 막 및 금속 막 안에 주기적으로 배열된 구멍들의 배열을 포함하며, 금속 회절격자에 광이 조사될 때, 금속-공기 계면상에서 광이 방출되는 표면플라즈몬 광학장치를 개시한다. 표면플라즈몬 광학장치는 표면플라즈몬(surface plasmon) 발생장치, 표면플라즈몬 검출기, 표면플라즈몬 조절장치 (surface plasmon optics), 식각 장치등을 포함한다. 금속 회절격자들을 잘 정의된 경계면을 갖는 금속 막 위에 배치하면 표면플라즈몬의 전파를 효율적으로 반사, 분리 및 제어할 수 있다. 또한, 공기-금속(1,0) 모드에서 만들어지는 격자상수의 반주기를 갖는 빛방출표면플라즈몬(radiating surface plasmon)은 그 형태가 적어도 수 마이크론까지 유지되게 할 수 있다,

Description

표면 플라즈몬 광학장치 및 포토리소그라피용 빛방출 표면플라즈몬 소스{SURFACE PLASMON OPTIC DEVICES AND RADIATING SURFACE PLASMON SOURCES FOR PHOTOLITHOGRAPHY}
일반적으로, 두꺼운 금속막은 입사광에 대하여 불투과의 성질이 있고, 또한, 금속막에 구멍을 형성한 경우에도, 금속막에 형성된 구멍의 크기가 입사광의 파장보다 매우 작게 되면 투과되는 광은 현저히 작아진다. 그러나 파장보다 작은 구멍이라도 금속 막에 그 작은 구멍이 주기적으로 배열되어 있고, 또 그 주기가 입사광의 파장 정도의 크기가 되면, 광은 훨씬 효율적으로 투과된다는 것이 알려져 있다. 또한 최근의 연구 결과에 의하면 이러한 투과 공진 (transmission resonance) 현상의 스펙트럼 위치 및 세기는 기존의 표면플라즈몬 이론으로 훌륭하게 설명된다. 하지만 이 현상의 마이크로-영역의 이해는 부족한 현실이었다.
본 발명은 금속 막에 만들어진 주기적인 배열의 금속 구멍을 이용한 표면플라즈몬(surface plasmon)의 발생과 조절 장치 및 이를 이용한 광식각(photo-lithograpy) 장치에 관한 것이다.
도 1은 표면플라즈몬 발생의 원리를 설명하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 표면플라즈몬 발생기의 사시도.
도 2a는 도 1의 금속막에 형성되는 구멍의 주기적인 배열의 전자 현미경 이미지를 나타내는 도면.
도 2b는 도 1의 표면플라즈몬 발생기에 광을 입사한 경우의 원시야(far-field)투과 스펙트럼을 보여주는 도면.
도 2c는 도 1의 표면플라즈몬 발생기에 광을 입사한 경우의 원자력 현미경(AFM;atomic force microscope) 이미지에 대한 도면.
도 2d는 도 1의 표면플라즈몬 발생기에 광을 입사한 경우의 공기-금 (0,1) 공진에서의 근시야 투과 이미지에 대한 도면.
도 3a는 사파이어-은(1,1) 모드 공진에서의 근시야 투과 이미지에 대한 도면.
도 3b는 공기-은(1,0) 모드 공진에서의 근시야 투과 이미지에 대한 도면.
도 3c는 도 3a에서 금속막의 주기적인 구멍 배열의 에지에서의 이미지에 대한 도면.
도 3d는 도 3b에서 금속막의 주기적인 구멍 배열의 에지에서의 이미지에 대한 도면.
도 3e는 도 3c 및 도 3d에서의 수평 방향에 대한 방출 광의 세기를 나타내는 그래프도.
도 4a는 공기/은(1,0) 모드 표면플라즈몬의 전파 특성 실험의 개략도.
도 4b는 도 4a의 G1의 에지에서의 원자력 현미경 이미지에 대한 도면.
도 4c는 도 4b에 대한 근시야 방출 패턴에 대한 도면.
도 4d는 도 4c에 대하여 입사광의 편광이 90°회전된 경우의 근시야 방출 패턴에 대한 도면.
도 4e는 도 4b 및 도 4c에서의 수평 방향에 대한 방출 광의 세기를 나타내는 그래프.
도 5a는 공기/사파이어(0,1) 모드 표면플라즈몬의 도파(waveguiding) 실험의 개략도.
도 5b는 도 5a의 원자력 현미경 이미지에 대한 도면.
도 5c는 도5b의 원자력 현미경 이미지와 동시에 기록된 근시야 방출 패턴에 대한 도면.
도 6a는 근접장에서의 공기-금 (1,0) 모드의 방출 패턴도.
도 6b는 표면으로부터 0.14 마이크로미터 떨어진 지점에서의 공기-금 (1, 0)모드의 방출 패턴도.
도 6c는 표면으로부터 1.2 마이크로미터 떨어진 지점에서의 공기-금 (1, 0) 모드의 방출 패턴도.
도 6d는 표면으로부터 2.2 마이크론 떨어 진 지점에서의 공기-금 (1, 0) 모드의 방출 패턴도.
도 6e는 표면으로부터의 거리의 함수로 그린, 광방출의 전체 세기를 나타내는 그래프도.
도 6f는 수평방향으로 그림 4c를 잘라서 광방출의 세기를 수평방향의 거리의 함수로 그린 그래프도.
도 7a는 근접장에서의 공기/은 (1,0) 모드의 방출 패턴도.
도 7b는 표면으로부터 2.45 마이크로미터 떨어진 지점에서의 공기-은 (1, 0)모드의 방출 패턴도,
도 7c는 근접장에서의 사파이어-은 (1, 1) 모드의 방출 패턴도.
도 7d는 표면으로부터 0.68 마이크로미터 떨어진 지점에서의 사파이어-은 (1, 1) 모드의 방출 패턴도.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 표면플라즈몬 스플리터의 평면도.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면플라즈몬 스플리터의 평면도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 표면플라즈몬 미러의 평면도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전계를 이용한 표면플라즈몬 제어기의 평면도.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 포토리소그래피 마스크의 사시도.
도 12b는 도 12a의 포토리소그래피 마스크를 사용하여 패턴이 형성된 포토레지스트-적층 기판의 사시도.
본 발명자들은 이러한 배열의 나노-영역의 방출 특성을 연구하면서, 편광-제어 간섭 패턴의 광이 비-조사면에서 주로 구멍 바깥의 금속 표면으로부터 명확하게 방출되는 현상을 발견하였다. 이러한 발견은 광이 주로 구멍에서만 방출된다는 매크로-영역의 예상 및 이전의 이론적 및 실험적 연구와 완전히 대조되는 것이다.
또한, 입사파의 파장, 편광 및 금속 막에 형성된 구멍의 기하학적 구조의 크기 등을 변경하면서 수행된 나노-영역 실험에 의하여, 이러한 금속 회절격자에서 만들어진 표면플라즈몬이 수십 마이크로미터 이상의 거리를 가간섭성(coherence)을 유지하면서 전파할 수 있다는 것을 발견하였다.
그리고 입사광의 편광과 파장을 조절하면 공기-금속 계면에서 방출되는 광의 패턴을 조절할 수 있음을 발견하였는데 특히 공기-금속 (1, 0) 모드에서 사인함수의 제곱 꼴로 만들 수 있음을 발견하였다. 이 때 방출되는 광의 분포는 표면에서 멀어질수록 그 패턴이 간단하게 되면서 더욱더 사인함수 제곱 꼴의 모양을 하게 된다. 이 사인함수제곱의 주기는 격자상수와 같으며 제곱하기 전 원 사인함수의 주기는 격자상수의 두 배가 된다. 이러한 모드는 격자 상수 = 파장/2의 형태를 지니고 있기 때문에 반파장 모드 (half wavelength mode)라고 흔히 불리 운다. 반파장 표면플라즈몬 모드는 기존에 고려되었던, 표면에 속박된 표면 플라즈몬과는 달리 원시야로의 광 방출이 가능하다. 따라서 이 반파장 표면플라즈몬을 발명자들은 빛방출표면플라즈몬(radiating surface plasmon)이라고 명명한다. 빛방출 표면플라즈몬은 그 패턴이 멀리까지 유지되기 때문에 새로운 개념의 리소그래피(lithography)에 이용될 수 있다.
유전체 기판 위에 길러진 일정한 주기의 구멍 배열을 갖는 금속 회절격자에빛이 비춰졌을 때 금속-공기 계면에서 일어나는 빛의 방출형태에 관한 근접장(Near-field) 연구를 통하여 다음과 같은 발명 아이디어를 얻게 되었다. 첫 째, 이러한 금속 회절격자는 잘 정의된 진행방향을 갖는 표면플라즈몬(surface plasmon) 발생장치일 뿐만아니라 표면플라즈몬 검출기로도 이용될 수 있다. 둘 째, 이러한 금속회절격자들을 잘 정의된 경계면을 갖는 금속 막 위에 배치하면 표면플라즈몬의 전파를 효율적으로 반사, 분리 및 제어할 수 있는 표면플라즈몬 조절장치 (surface plasmon optics)를 만들 수 있다. 셋 째, 금속 회절격자에 비춰지는 빛의 파장과 편광을 조절하면 공기-금속 계면에서 나오는 빛의 방출형태를 조절할 수 있다. 특히 공기-금속(1, 0) 모드에서 만들어지는 격자 상수의 반 주기를 갖는 빛방출표면플라즈몬(radiating surface plasmon)은 그 형태가 적어도 수 마이크론까지 유지되게 할 수 있는데 이는 새로운 개념의 식각 장치에 이용될 수 있다. 이러한 발명들은 광소자의 효율을 높이는 표면플라즈몬의 역할이 주목 받고 있는 현실을 생각할 때 다양한 응용가능성이 있을 것으로 기대된다.
구체적으로는,
이번 발명의 목적은 위에 기술한 현상들을 이용하여 아래와 같은 장치들을 제공하는 것이다.
첫 째, 주기적인 구멍 배열을 가진 금속회절 격자를 이용하여 진행방향을 광학적으로 쉽게 조절할 수 있는 표면플라즈몬 발생기를 제공한다.
둘 째, 주기적인 높이 변화를 갖는 금속회절 격자를 이용하여, 진행하는 표면플라즈몬을 효율적으로 검출할 수 있는 검출기를 제공한다.
셋 째, 이렇게 만들어진 표면플라즈몬의 진행 방향에 또 다른 금속회절격자를 위치시켜 표면플라즈몬의 진행방향을 두 개로 분리시키는 표면플라즈몬 스플리터(surface plasmon splitter)를 제공한다. 이는 표면플라즈몬의 가간섭성(coherence)를 가지고 매크로한 영역을 이동할 수 있다는 성질을 이용한 것이다.
넷 째, 또 다른 형태의 표면플라즈몬 스플리터로서, 서로 분리된 금속막 사이에 형성된 갭에 대한 터널링 효과를 이용한 표면플라즈몬 스플리터를 제공한다.
다섯 째, 표면플라즈몬의 진행방향과 특정한 각을 이루는 금속표면을 이용한 표면플라즈몬 거울 (surface plasmon mirror)를 제공한다. 이는 표면플라즈몬이 금속 표면위만을 진행할 수 있다는 성질을 이용한 것이다.
여섯 째, 전기장을 이용하여 표면플라즈몬의 전파방향과 속도를 제어할 수 있는 표면플라즈몬 제어장치를 제공한다.
일곱 째, 반파장의 빛방출 표면플라즈몬 모드를 이용한 광식각장치를 제공한다. 이는 반파장 빛방출 표면플라즈몬 모드가 표면으로부터 수 마이크로미터 떨어진 거리에서도 그 패턴을 유지한다는 성질을 이용한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 장치들의 구성은 다음과 같다.
첫 째, 본 발명에 따른 표면플라즈몬 발생기는 상부 표면과 하부 표면을 갖는 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 상부표면과 접하는 제 1 표면과 상기 제 1 표면과 마주하는 제 2 표면을 갖는 금속막; 및 상기 금속막에 형성된 격자구조의 주기적인 관통구멍 배열을 포함한다. 광이 상기 유전체 기판의 하부표면쪽에서 상기 구멍 배열에 입사할 경우, 상기 구멍 배열의 상기 금속막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 줄 무늬 모양의 광이 방출된다. 이러한 금속회절격자에 표면플라즈몬 공진조건에 맞는 파장의 광과 편광을 갖는 광을 입사시켜 진행방향이 잘 정의되는 표면플라즈몬을 간단하고 효율적으로 발생시킬 수 있다.
둘 째, 본 발명에 따른 표면플라즈몬 검출기는 표면 플라즈몬의 진행 방향에 위치한 주기적으로 높이가 변화되는 금속표면을 가진 금속회절격자와 국소적인 광측정기를 결합하여 만들어 진다.
셋 째, 본 발명에 따른 표면플라즈몬의 가간섭성을 이용한 표면플라즈몬 스플리터는 표면 플라즈몬의 진행방향에 위치한 주기적인 구멍 배열이나 원통 배열의 금속 회절 격자로 이루어 진다. 금속회절격자의 각 구멍 또는 원통에서 산란된 표면 플라즈몬들은 보강간섭조건을 만족시키는 특정한 방향으로만 분리되어 진행할 수 있게된다. 이러한 표면플라즈몬의 간섭성을 이용하여 본 발명에 따른 표면플라즈몬 스플리터는 효율적으로 표면플라즈몬을 분리할 수 있다.
넷 째, 표면플라즈몬의 터널링을 이용한 또 다른 표면플라즈몬 스플리터는 표면플라즈몬의 진행방향과 특정한 각을 가지고 위치한 서로 분리된 두개의 금속 경계면과 그 사이에 채워진 유전체를 포함한다. 이 때 두 금속막 사이의 거리와 그 사이에 채워진 유전체의 유전 상수에의해서 분리되는 표면플라즈몬의 비율을 조절할 수 있고 또 표면플라즈몬의 진행방향과 이루는 금속경계면의 각도에 의해서 반사되는 표면플라즈몬의 진행방향을 조절할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 다른 표면플라즈몬 스플리터는 표면플라즈몬의 분리비율과 진행방향을 용이하게 조절할 수 있다.
다섯 째, 본 발명에 따른 표면플라즈몬 거울은 표면플라즈몬 진행방향과 특정한 각을 갖도록 만들어진 금속경계면과 그 밖에 위치한 유전체로 이루어진다. 이는 표면플라즈몬이 금속표면을 따라서만 진행할 수 있다는 성질을 이용한 것으로 유전체의 유전상수에 의해서 반사율이 결정되고 표면플라즈몬의 진행방향과 이르는 금속 경계면의 각에 의해서 반사되는 표면플라즈몬의 진행방향이 결정된다. 이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 표면플라즈몬 거울은 효율적으로 표면플라즈몬의 진행방향을 조절할 수 있다.
여섯 째, 전기장을 이용한 표면플라즈몬 제어기는 표면플라즈몬의 진행방향 양단에 전극을 만들어서 표면플라즈몬의 전파속도와 진행방향을 조절하려는 것이다. 예를 들어 표면플라즈몬 발생기와 검출기를 포함하는 표면플라즈몬 전파로 양단에 전극을 만들어 그 사이에 걸리는 전압을 조절하여 표면플라즈몬의 흐름을 만들거나 없앨 수 있다. 이는 표면플라즈몬의 전파를 전기장을 이용하여 제어할 수 있다는 가설에 기반한 것이다. 이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 표면플라즈몬 제어기는 전계에 의하여 표면플라즈몬을 효율적으로 제어할 수 있다.
일곱 째, 또한, 본 발명에 따른 광식각 장치는, 포토레지스트-적층 기판에 소정의 패턴을 형성하기 위한 것으로 그 구성은 광식각용 광원, 유전체 기판 위에 길러진 금속막 안에 주기적으로 배열된 구멍들 갖는 광식각 마스크 (금속회절격자) 그리고 패턴이 만들어질 포토레지스트-적층 기판 순의 배열이 된다. 이 때 광식각마스크에서 방출되는 빛의 패턴은 입사광의 파장과 편광을 변화시켜 조절할 수 있기 때문에 하나의 광식각 마스크를 가지고도 여러 가지 패턴을 만들 수 있다. 또한 그 패턴이 광식각 마스크로부터 적어도 수 마이크로 이상까지 유지되기 때문에 광식각 마스크와 포토레지스트-적층 기판 사이의 거리를 상당히 떨어지게 할 수 있다는 기술적인 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명자들이 발견한 현상을 설정한 다음, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1 내지 도 5c를 참조하여, 본 발명자들이 실험에 의해 발견한 표면플라즈몬의 생성, 전파 및 간섭 특성을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 격자 구조의 주기적인 구멍 배열을 갖는 표면플라즈몬 발생기(10)의 사시도이고, 이 표면플라즈몬 발생기(10)는 상부표면과 하부표면을 갖는 유전체 기판(12); 유전체 기판(12)의 상부표면상에 형성된 광학적으로 두꺼운 금속막(11); 금속막(11)에 형성된 2차원 나노미터 크기의 구멍(13)의 주기적인 격자구조의 배열을 포함한다. 금속막 (11)은 금 및 은과 같은 금속으로 이루어지고 300㎚두께로 사파이어와 같은 유전체 기판(12)에 증착된다. 원통형 구멍(13)의 배열은 e-빔리소그래피(lithogarphy) 후에 드라이 에칭 방법을 사용하여 형성된다.
도 2a는 구멍 배열 구조를 갖는 전형적인 금속막(11)의 전자 현미경 이미지를 도시한다. 도 2b는 직경이 150㎚이고 구멍(13) 사이 간격의 주기가 800㎚인 구멍(13)이 두께 300㎚인 금으로 이루어진 금속막(11)에 형성된 표면플라즈몬 발생기 (10)의 원시야 (far-field) 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 2b에서 도시된 바와 같이, 양쪽 계면, 즉 공기/금속 및 사파이어/금속의계면에서 표면플라즈몬 공진을 분명히 볼 수 있다. 도 2b에서, 930㎚ 피크는 (m,n) =(1,0) 또는 (0,1)을 갖는 공기/금속 표면플라즈몬 공진에 대응하고, 1200㎚ 피크는 (m,n)=(1,1)을 갖는 사파이어/금속 표면플라즈몬 공진이다.
일반적으로, 빛은 그 분산곡선이 표면플라즈몬의 분산 곡선과 교차되지 않기 때문에, 표면플라즈몬으로 직접 결합될 수 없다. 그러나, 주기가 p인 구멍(13) 배열의 사각형 격자(grating) 구조에서, 광자(photon)는 운동량 보존에 대한 다음 식을 만족시키는 격자 운동량 G=2π/p을 더함으로써 표면플라즈몬으로 여기된다:
여기서, m 및 n은 정수이고, x 및 y는 각 방향에 대한 단위 벡터이며, Ksp 및 Kp는 각각 표면플라즈몬 및 양자 평면 웨이브벡터(wavevector)이다.
수직 입사(normal incidence)에 대하여, 공진 파장은 다음 식으로 근사될 수 있다:
여기서, ε 은 공기 또는 사파이어의 유전 상수이다.
지속파(continuous wave) 티타늄:사파이어 레이저가 사파이어/금속 측으로 입사되고, 직경 100㎚의 구멍을 갖는 금속-피복된 광섬유-팁이 공기/금속 측에서 광을 수집하는 투과 모드의 근시야 주사 광학 현미경 (Near-field Scanning Optical Microscope: 이하 NSOM)을 사용한 결과가 도 2c와 도 2d에 나타나 있다. 도 2c는 NSOM을 이용하여 얻어진 원자력 현미경(AFM; atomic force microscope) 이미지이고 도 2d는 수직 편광된 광(화살표 방향)과 함께 공기/금속(0,1) 모드 표면플라즈몬의 공진 여기에 대한 근시야 이미지를 도시한다. 광이 주로 구멍에서만 방출될 것이라는 예상과는 다르게, 대부분의 방출 광은 평평한 금속 표면에서 입사광의 편광 방향에 수직한 줄 무늬로 발견된다. 수평 편광된 광이 입사되는 경우, 투과 광의 줄 무늬는 입사광의 편광 방향에 대하여 수직이 된다. 대개의 경우, 구멍 바깥의 현저한 방출이 줄 무늬와 유사한 패턴의 형태로 발견된다.
위의 실험에서, 사파이어/금속 모드의 근시야 이미지를 공기/금속 모드의 근시야 이미지와 비교하면, 사파이어/금속(1,1) 모드는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 주로 구멍(13) 주변에서 국한되고, 도 3a에서 화살표 방향으로 나타나는 (1,1) 방향을 따른 격자 브래그(Bragg) 벡터에 의한 대칭성이 나타나지만, 어떠한 방출 광의 줄 무늬도 보이지 않는다. 이에 반하여, 공기/금속(1,0) 모드는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 도 3b의 화살표 방향에 대하여 수직한 줄 무늬가 나타난다.
또한, 구멍(13) 배열에 의한 격자 패턴의 가장자리에서, 이미지는 사파이어 금속 (1,1) 모드와 공기/금속(1,0) 모드에서 현저하게 다르다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 사파이어/금속 모드의 세기는 격자의 가장자리에서 급격히 감소되는 반면, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이, 공기/금속(1,0) 모드에 대한 방출 세기의 간섭성의 발진은 수 마이크로미터의 거리보다 더 멀리 지속된다.
도 2a 내지 도 3e에 도시된 이미지를 이해하기 위하여, 표면플라즈몬과 광 사이의 결합에 관한 운동량 보존을 고려하는 것이 중요하다. 작은 구멍 크기의 제한에서, 공기와 사파이어의 다른 유전 상수때문에, 한쪽 계면에서 현저히 나타나는 모드가 다른 계면에서 잘 나타나지 않는다. 따라서, 공기/금속 모드 플라즈몬은,조사된 사파이어/금속 측에서의 생성 과정에서 단지 약하게 여기되지만, 공기/금속 측에서는 현저히 발생되고, 일단 공기/금속 모드 플라즈몬이 주기적인 구멍(13) 배열에 의해 여기되어 금속 표면을 따라 전파되고 간섭 패턴을 형성하면, 효율적으로 광으로 변환될 수 있다.
따라서, 이러한 모드의 방출 패턴은, 도 3b 및 도 2d에 도시된 바와 같이, Kx= ±2π m/p 또는 Ky= ±2π n/p를 갖는 표면플라즈몬의 정재파 간섭에 의해 결정된다. 95 ％ 이상의 근시야 이미지에서 콘트라스트는 광자 밴드갭 구조에서 관찰된 효과와 유사한 매우 효율적인 웨이브벡터-선택을 나타낸다.
한편, 사파이어/금속 모드는 그것이 공기/금속 계면에서 일단 노출되면 운동량 보존을 만족하지 못한다. 또한, 이러한 두 계면 사이의 속도("임피던스")의 불일치가 크기 때문에, 사파이어/금속(1,1) 모드의 국한된 방출 패턴으로부터 명확한 바와 같이, 사파이어/금속 모드는 공기/금속 계면에서 보다 짧은 공간적 코히어런스 길이를 갖는 경향이 있다. 따라서, 한 계면에서 강하게 여기된 모드는 다른 계면에서 효과적으로 광을 결합할 수 없다.
도 3e(청색 선)에 의해 추론되는 '감쇠 길이'는 1㎛ 정도이지만 이 거리는 표면플라즈몬의 전파 길이로서 취급될 수 없다. 이것은 단지 방사 손실에 크게 영향받는 이러한 표면플라즈몬 패턴의 감쇠 길이를 나타낸다. 비-방사 표면플라즈몬은 훨씬 긴 거리에 걸쳐 전파될 수 있다.
이상의 결과와 같이, 공기/금속 계면에서, 사파이어/금속 모드 및 공기/금속모드 모두가 나타나고, 이 두 모드의 차이는 분산 커브의 차이에 의한 것으로 표면플라즈몬의 전파는 공기/금속 계면에서 더 잘 전파된다. 따라서, 구멍 배열에 의해 여기되는 표면플라즈몬의 전파 특성을 활용하기 위해서는 사파이어/금속 모드보다 공기/금속 모드의 사용이 더 적합하다는 것을 알 수 있다.
다음 실험은 표면플라즈몬 전파 특성, 특히, 전파 길이에 대한 평가를 위한 실험이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 입사광이 제 1 격자 구조(G2)에 입사되어 플라즈몬을 여기하고, 25 ㎛ 정도 떨어진 제 2 격자 구조(G1)에서 근시야 방출 패턴을 검출한다. 제 1 및 제 2 격자 구조는 주기적인 구멍 배열에 의해 형성된다. 도 4b는 제 2 격자 구조(G1)의 가장자리에서의 AFM 이미지를 도시한다.
또한, 도 4c는 제 2 격자 구조(G1)의 가장자리에서의 근시야 방출 패턴을 나타내고, 도 4d는 도 4c에 대하여 입사광의 편광이 90°회전된 경우의 근시야 방출 패턴을 나타낸다. 입사광의 편광이 제 2 격자 구조(G1)와 제 1 격자 구조(G2)를 연결하는 선에 평행한 경우, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제 2 격자 구조(G1)에서 강한 신호가 검출된다. 입사광의 편광 방향을 90°회전한 경우, 도 4d에 도시된 바와 같이, 어떤 신호도 제 2 격자 구조(G1)에서 검출되지 않는다.
이러한 사실에 의하여, 제 1 격자 구조(G2)에서 생성된 표면플라즈몬 전파 방향은 입사광의 편광에 평행하고, 표면플라즈몬의 전파 길이는 수 10 ㎛ 정도라는 것이 명백히 설명된다. 상기 전파 길이의 값은 은으로 이루어진 금속막 평면에서의 전파 길이와 유사하다. 또한 도 4c에 보이는 명확한 간섭 패턴은 제 1 격자구조 (G2)에서 만들어진 표면플라즈몬이 가간섭성을 유지하면서 제 2 격자 구조(G1)에까지 전파한다는 사실을 보여준다.
도 4e는 도 4b 및 도 4c에서의 수평 방향에 대한 단면도이다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 제 2 격자 구조(G1) 패턴의 구멍은 본질적으로 어둡게 나타난다. 이것은, 도 3a에서와 같이, 사파이어/금속 모드 표면플라즈몬이 공기/금속 계면에서 나타나는 것과 유사하게, 격자 구조(G1)에서의 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 구멍의 표면을 따라 사파이어/금속 계면으로 흐른다는 것을 암시한다.
다음으로, 메소(meso)-영역 거리에 걸쳐 전파하는 표면플라즈몬의 효율적인 생성은 공기/금속 계면에서의 플라즈몬-계를 조작하는 새로운 방법을 제시한다. 이것은, 도 5a에 도시된 바와 같이, 검출부와 여기부 위치가 100㎛ 떨어진 두개의 인접한 구멍 배열로 구성된 도파관 구조에서, 표면플라즈몬의 방출 특성을 분석함으로써 설명된다. 여기되는 파장은 수직 방향에 평행한 입사 편광을 갖는 공기/은(0,1) 모드 공진에 의해 결정된다. 강한 광 방출은 도파로(waveguide) 영역 내부에서 검출되고, 사각형 도파로의 여기 모드와 유사한 방출 패턴을 갖는다. 구멍 배열의 중앙에서는 방출이 검출되지 않는 반면, 약한 방출 성분은(구멍 부근의 중앙) 배열 에지에서 발견되며, 이것은 배열의 내부로 갈수록 급격히 감쇠된다. 물론, 여기 지점 부근에서, 두격자 영역으로부터의 광 방출은 두 격자 영역 사이에서의 평평한 금속 표면으로부터 방출된 것보다 훨씬 크다. 그러나, 여기 위치로부터의 거리가 멀어질수록, 격자배열 내부로 전파하는 파에 대한 방사 손실이 크고, 이러한 파는 크게 감쇠된다. 반대로, 연결된 금속 스트립을 따라 유도된 파에 대한 방사 손실은 도파로 구조 내부에서 상당히 감소된다. 따라서, 구멍 배열에 의하여플라즈몬의 전파 경로를 형성하는 결과로 전파 길이가 보다 크게 될 수 있다.
이상의 실험 결과에 따르면, 금속막이 관통 깊이 보다 훨씬 두꺼운 경우에도, 광이 불투과 금속 표면으로부터 강하게 방출된다. 이러한 놀라운 현상은 광으로 강하게 전환되는 표면플라즈몬의 생성, 전파 및 간섭에 기인한다. 원시야 투과에서 공기/금속 모드와 사파이어/금속 모드 공진의 강도는 거의 동일하다는 것은 여기와 방출 과정 사이의 균형에 관해서 이해될 수 있다. 표면플라즈몬 전파 방향은 광 편광에 의해 제어되고, 전파 거리는 수 10 ㎛ 보다 크게 할 수 있다. 이러한 결과는 표면플라즈몬 소스 및 나노-광학의 표면플라즈몬 검출기와 같은 금속 격자의 새로운 응용을 통하여 광 소자 및 광 장치의 효율을 개선을 제시한다.
도 6은 공기/금 (1, 0) 모드에서의 금속표면과 팁 거리에 따른 빛 방출 패턴의변화를 보여준다. 도 6a -6d 가 보여 주듯이 빛 방출 패턴은 2.2 마이크로미터 이상까지 잘 유지됨을 알 수 있고 이러한 신호의 대부분은 표면근처에 한정된 파(evanescent wave)가 아니라 원거리까지 방출되는 빛이라는 것을 알 수 있다. 정량적인 분석 또한 이 사실을 확증해준다. 도 6e는 xy-평면에 대해 적분한 총신호의 양을 팁과 샘플사이의 거리 z의 함수로 나타낸 것인데 근접장 신호의 반이상이 원거리까지 방출되는 빛이라는 것을 알 수 있다. 또한 에버네슨트파는 수백 나노미터 거리이내에서 모두 사라지기 때문에 도 6f가 보여주듯이 거리가 멀어지면서 빛 방출형태는 단순해져서 작은 상수형태가 더해진형태로 된다. 여기서 aO는 격자 상수를 나타낸다. 이러한 사실은 Ex의 x-방향 주기가 2aO인 빛방출표면플라즈몬(radiating surface plasmon) 모드의 존재를 말해준다. 또 이모드의 패턴이 잘 유지된다는 특성은 새로운 광식각장치에 응용될 수 있다.]
하지만 빛방출표면플라즈몬이 모든 표면플라즈몬 공진 조건에서 만들어지는 것은 아니라는 것을 도 7이 보여주고 있다. 도 7은 공기/은 (1, 0) 모드와 사파이어/은 (1, 1) 모드의 팁-샘플 사이의 거리에 따른 빛방출 패턴의 변화를 비교한 것이다. 도 6에서와 마찬가지로 공기/은 (1, 0) 모드는 그 패턴이 먼 거리까지 잘 유지되지만 사파이어/은 (1, 1) 모드는 그 패턴이 수백 나노미터 이내에서 사라짐을 알 수 있다.
이하, 도 1 및 도 6 내지 도 12b를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 표면플라즈몬 장치의 응용예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면플라즈몬 발생기(10)의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속막(11)은 사파이어와 같은 유전체 기판(12) 위에 형성되고, 격자 구조를 이루는 주기적인 구멍(13) 배열이 금속막(11)에 형성된다.
광이 유전체 기판(12)쪽에서 구멍(13) 배열에 입사되는 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 격자 구조의 구멍(13) 배열에 의해 표면플라즈몬이 여기되어 표면플라즈몬 발생기(10)는 효율적이고 용이하게 표면플라즈몬을 생성한다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 가간섭성을 이용한 표면플라즈몬 스플리터(20)의 응용 예를 나타내는 평면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 금속막(21)은 사파이어와 같은 유전체 기판(22) 위에 가지 형상으로 형성되고, 표면플라즈몬 발생기 역할을 하는 주기적인 구멍(23a) 배열의 제 1 격자구조(24)가금속막(21)의 일단에 형성된다. 금속막(21)의 중앙부는, 예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같은 적어도 둘 이상의 가지 모양으로 분리된 형상을 갖고, 표면플라즈몬 스플리터 역할을 하는 주기적인 구멍 배열이나 원통 배열(23b)을 갖는 제 2 격자 구조(25)가 형성된다. 금속막(21)의 중앙부로부터 가지 모양으로 분리된 각각의 단부에는 표면플라즈몬 검출기 역할을 하는 주기적인 구멍 배열 또는 원통 배열(23c 및 23d)을 갖는 제 3 격자 구조(26)및 제 4 격자 구조(27)가 각각 형성된다.
수평으로 편광된 광이 유전체 기판(22)쪽에서 금속막(21)의 제 1 격자 구조(24)에 입사되는 경우, 제 1 격자 구조(24)에 의해 표면플라즈몬이 여기되기 때문에, 제 1 격자 구조(24)는 표면플라즈몬의 소스로서 작용한다. 제 1 격자 구조(24)에서 생성된 표면플라즈몬은 금속막(21)의 표면을 따라 금속막(21)의 중앙부에 형성된 제 2 격자 구조(25)까지 전파된다. 표면플라즈몬의 전파 특성은 직진성을 갖기 때문에, 제 1 격자 구조(24)로부터 생성된 표면플라즈몬은 제 2 격자 구조(25)까지 전파할 수 있고, 제 2 격자 구조(25)에 의해 다시 제 3 격자 구조(26) 및 제 4 격자 구조(27) 방향으로 각각 분리되어 전파된다. 여기서, 표면플라즈몬의 각각 분리되는 비율은 제 2 격자 구조(25)의 형상에 따라 변화될 수 있다. 표면플라즈몬은 제 3 격자 구조(26)및 제 4 격자 구조(27)까지 전파되어 각각의 격자 구조(26,27)에 의해 광으로 변환되므로, 제 3 격자 구조(26) 및 제 4 격자 구조(27)는 각각 제 1 검출기 및 제 2 검출기로서 작용한다. 본 실시예에서는 두개로 분리된 표면플라즈몬 스플리터를 도시하고 있지만, 본 발명은 그것에 제한되지 않는다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 표면플라즈몬 스플리터(30)의 평면도이다.도 9에 도시된 바와 같이, 금속막(31)은 사파이어와 같은 유전체 기판(32) 위에 T자 형상으로 형성된다. 플라즈몬 발생기 역할을 하는 주기적인 구멍(33a) 배열의 제 1 격자 구조(34)가 금속막(31)의 일단부에 형성되고, 제 2 격자 구조(35)를 이루는 주기적인 구멍(33b) 배열이나 원통 배열이 금속막(31)의 일단부에 대향하는 금속막(31)의 타단부에 형성되며, 제 3 격자 구조(36)를 이루는 주기적인 구멍(33c) 배열이나 원통배열이 제 1 격자구조(34)와 제 2 격자 구조(35)를 연결하는 금속막(31)의 중간부에서 연장된 중간 단부에 형성된다. 제 1 격자 구조(24)와 제 2 격자 구조(25) 사이를 연장하는 금속막(31)의 중간부에, 예를 들면, 200㎚ 이하의 갭(37)이 대각선 형상으로 형성된다. 이 갭에는 소정의 유전율을 갖는 유전체가 채워지게 된다.
수평으로 편광된 광이, 도 8의 표면플라즈몬 스플리터(20)와 마찬가지로, 유전체 기판(32)쪽에서 금속막(31)의 제 1 격자 구조 (34)에 입사되는 경우, 제 1 격자 구조(34)에 의해 표면플라즈몬이 여기되기 때문에, 제 1 격자 구조(34)는 표면플라즈몬의 발생기로서 작용한다. 제 1 격자 구조 (34)에서 생성된 표면플라즈몬은 금속막(31)의 표면을 따라 금속막(31)의 중간부근에 형성된 갭(37)까지 전파된다. 제 1격자구조(34)로부터 전파된 표면플라즈몬의 일부는, 갭을 형성하기 위하여 대각선 형상으로 형성된 면에 의해 반사되어 제 3 격자 구조(36)로 전파 방향이 바뀌게 되지만, 다른 일부는 터널링 효과에 의해 상기 갭(37)을 통과하여 제 2 격자 구조(35)로 전파되다. 따라서, 표면플라즈몬은 제 2 격자 구조 (35) 및 제 3 격자 구조(36)까지 전파되어 각각의 격자 구조(35,36)에 의해 표면플라즈몬이 광으로 변환되므로, 제 2 격자구조(35) 및 제 3 격자 구조(36)는 각각 제 1 검출기 및 제 2 검출기로서 작용한다. 이 때 두 금속막 사이의 갭 크기와 그 속에 채워지는 유전체의 유전율을 조절하여 분할비율을 조절할 수 있고, 또한 갭을 이루는 금속 경계면의 각도를 조절하여 반사되는 표면플라즈몬의 진행방향을 바꿀 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 표면플라즈몬 거울(40)의 평면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 금속막(41)은 사파이어와 같은 유전체 기판(42) 위에 "ㄱ"자 형상으로 형성된다. 제 1 격자 구조(44)를 이루는 주기적인 구멍(43a) 배열이 금속막(41)의 일 단부에 형성되고, 제 2 격자 구조(45)를 이루는 주기적인 구멍(43b) 배열이 제 1 격자 구조(44)와 직각을 이루는 금속막(41)의 타 단부에 형성되며, 제 1 격자 구조(44)와 제 2 격자 구조(45)와 교차되는 부분은 대각선으로 절단된 형상을 갖는다.
도 10의 표면플라즈몬 거울(40)은, 도 9의 표면플라즈몬 스플리터(30)에서 제 2 격자 구조 (35)가 형성된 금속막을 제외하면, 도 9의 표면플라즈몬 스플리터(30)와 동일한 모양을 갖는다. 수평으로 편광된 광이 유전체 기판(42)쪽에서 제 1 격자 구조(44)에 입사되는 경우, 제 1 격자 구조(44)에 의해 표면플라즈몬이 여기되기 때문에, 제 1 격자 구조(44)는 표면플라즈몬의 발생기로서 작용한다. 제 1 격자 구조 (44)에서 생성된 표면플라즈몬은 금속막(41)의 표면을 따라 금속막(41)의 중간부에 형성된 대각선으로 절단된 형상에 이르게 되면, 금속막(41)의 대각선 형상에 의해 반사되어 전파 방향이 제 2 격자 구조(45)로 바뀐다. 제 2 격자 구조(45)까지 전파된 표면플라즈몬은 격자 구조(45)에 의해 광으로 변환되고,따라서, 제 2 격자 구조(45)는 검출기로서 작용한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 표면플라즈몬 제어기(50)의 평면도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 표면플라즈몬 제어기(50)는 사파이어와 같은 유전체 기판(52); 유전체 기판(52)상에 형성된 막대 모양의 금속막(51); 및 금속막(51)의 양 단부에 형성된 한 쌍의 전극(56 및 57)을 포함한다. 제 1 격자 구조(54)를 이루는 주기적인 구멍(53a) 배열이 금속막(51)의 일단에 형성되고, 제 2 격자 구조(55)를 이루는 주기적인 구멍(53b) 배열이 제 1 격자 구조(54)에 대향하는 금속막(51)의 타 단부에 형성된다.
수평으로 편광된 광이 유전체(52)쪽에서 제 1 격자 구조(54)에 입사되는 경우, 제 1 격자 구조(54)에 의해 표면플라즈몬이 여기되기 때문에, 제 1 격자 구조(54)는 표면플라즈몬의 소스로서 작용한다. 제 1 격자 구조(54)에서 생성된 표면플라즈몬은 금속막(51)의 표면을 따라 제 2 격자 구조(55)로 전파된다. 제 2 격자 구조(55)까지 전파된 표면플라즈몬은 제 2 격자 구조(55)에 의해 입사광의 편광 방향에 수직한 줄무늬 모양의 광으로 변환되고, 따라서, 제 2 격자 구조(55)는 검출기로서 작용한다.
이 때, 한 쌍의 전극(56,57)에 전계를 인가함으로써, 제 1 격자 구조(54)에서 금속막(51)의 표면을 따라 제 2 격자 구조(55)로 전파되는 표면플라즈몬을 제어할 수 있다. 예를 들면, 전극(56)에 양의 전압을 인가하고, 전극(57)에 음의 전압을 인가하는 경우, 한 쌍의 전극(56,57)에 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 표면플라즈몬의 전파 방향과 동일하기 때문에, 제 2 격자 구조(55)로 더 많은 표면플라즈몬이 전파되어 입사광의 편광 방향에 수직한 줄 무늬 모양의 광이 방출된다. 이와 반대로, 전극(56)에 음의 전압을 인가하고, 전극(57)에 양의 전압을 인가하는 경우, 한 쌍의 전극(56 및 57)에 인가된 전압에 의한 전계의 방향이 표면플라즈몬의 전파 방향과 반대가 되어 플라즈몬의 전파를 방해하기 때문에, 제 2 격자 구조(55)에서는 광이 방출되지 않는다.
본 실시예에서는 전계를 사용한 제어에 대하여 설명하였지만, 전극을 사용하는 대신에, 위에서 설명된 바와 같이, 표면플라즈몬의 전파 방향은 입사광의 편광방향과 평행하기 때문에, 입사광의 편광 방향을 변경함으로써 표면플라즈몬을 제어할 수도 있다.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 광식각 마스크의 사시도이고, 도 12b는 도 12a의 광식각 마스크를 사용하여 패턴이 형성된 포토레지스트-적층 기판의 사시도이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 금속막(62)은 사파이어와 같은 유전체 기판(61)위에 형성되고, 그 금속막(62)에는 주기적인 배열을 갖는 구멍들이 형성되어 있다. 이 때 포토레지스트-적층 기판(64)에 형성하고자 하는 패턴은 입사광의 파장과 편광에 따라 결정되어진다. 특히 광이 유전체 기판(61)쪽에서 입사되고 파장이 공기/금속표면플라즈몬 공진조건에 맞춰져 있을 경우, 광의 편광을 조절하면 줄 무늬 모양의 광이 방출된다. 상기 방출된 광은 금속 격자 근처에서는 복잡한 패턴을 보이다가 수백 ㎚ 정도 거리가 떨어지면 간단한 사인파의 형태를 띠게 되고 이러한 사인파는 수십 ㎛까지 유지된다. 따라서, 금속막(62)으로부터 수 ㎛ 떨어진 위치에 포토레지스트-적층 기판(64)이 배치되는 경우, 상기 사인파 형태의 방출광이 포토레지스트-적층기판(64)에 조사되어 깨끗한 모양의 선들이 형성된다.
본 발명은 표면플라즈몬 장치에 대한 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였지만, 상술한 실시예에만 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 표면플라즈몬 장치를 이용하여 광 소자 및 광 장치의 효율을 높일 수 있음은 당업자에 의해 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 유전체 기판위에 금속막을 형성하고, 금속막에 격자 구조를 이루는 주기적인 구멍 배열을 형성하여, 광이 유전체 기판쪽에서 구멍 배열에 입사되는 경우, 구멍 배열의 금속막쪽에서 표면플라즈몬이 여기됨으로써, 용이하고 효과적으로 특정한 방향으로 진행하는 표면플라즈몬을 생성할 수 있다. 또한 금속막에 만들어지는 주기적인 구멍 배열 또는 원통배열은 국소적인 광검출기와 결합되어 표면플라즈몬 검출기로서 역할을 하게 된다. 그리고 본 발명에 따르면 표면플라즈몬 스플리터와 표면플라즈몬 거울을 제공하여 효과적으로 표면플라즈몬의 전파를 조절할 수 있다. 이러한 발명들은 광소자의 효율을 높이기 위해 표면플라즈몬이 사용되는 소자들에 중요한 역할을 할 것이다. 그뿐 아니라 본 발명에서는 표면플라즈몬 발생기에서 만들어지는 빛이 특정한 조건에서는 그 패턴을 수 마이크로미터까지 유지한다는 특성과 또 그 패턴을 입사과의 파장과 편광을 조절하여 변화시킬 수 있다는 특성을 이용하여 새로운 개념의 광식각 장치를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 유전체 기판;
    제 1 표면과 제 2 표면을 가지는 금속 막으로서, 상기 금속 막의 제 1 표면이 상기 유전체의 제 2 표면에 실질적으로 접하는 광학적으로 두꺼운 금속 막; 및
    상기 금속 막의 제 1 표면과 상기 금속 막의 제 2 표면을 관통하는 나노미터크기의 구멍들의 주기적인 배열을 포함하며,
    광이 상기 유전체 기판의 제 1 표면측에서 상기 주기적인 구멍 배열에 입사되고, 상기 금속 막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 줄무늬 모양의 광이 방출되는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 발생기.
  3. 제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 유전체 기판;
    제 1 표면과 제 2 표면을 가지는 광학적으로 두꺼운 금속 막으로서, 상기 금속 막의 제 1 표면이 상기 유전체의 제 2 표면에 실질적으로 접하며, 또한, 일 측부, 중간부 및 타 측부로 이루어지며, 상기 타 측부는 상기 중간부로부터 연장되며, 적어도 2 이상의 부분으로 분할되는 금속 막;
    상기 금속 막의 일 측부에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을관통하는 나노미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 1 배열;
    상기 금속 막의 중간부에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 2 배열; 및
    상기 타 측부의 적어도 2 이상의 분할부분에 각각 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 3 배열들을 포함하며,
    상기 제 1 구멍 배열에서 상기 제 2 구멍 배열로 향하는 방향과 동일한 방향으로 편광된 광이 상기 유전체 기판의 제 1 표면측에서 상기 금속 막의 제 1 구멍배열에 입사되고, 상기 금속 막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 상기 금속 막을 따라 상기 제 2 구멍 배열로 전파되며, 상기 전파된 표면플라즈몬이 상기 제 2 구멍 배열로 전파된 표면플라즈몬이 상기 제 2 구멍 배열에서 분할되어, 상기 제 3 배열체들로 각각 전파되고, 상기 제 3 배열체들의 각각에서 광이 방출되는 표면플라즈몬 스플리터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유전체 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 스플리터.
  5. 제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 유전체 기판;
    제 1 표면과 제 2 표면을 가지는 광학적으로 두꺼운 금속 막으로서, 상기 금속 막의 제 1 표면이 상기 유전체의 제 2 표면에 실질적으로 접하며, 또한 일 측과타 측으로 분할된 수평부와 수직부로 이루어지고, 상기 수평부의 일 측으로부터 상기 수직부로 연장되어 있는 "T" 자 형상의 금속 막;
    상기 금속 막의 수평부의 일 측부에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 1 구멍 배열;
    상기 금속 막의 수평부의 타 측에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 2 구멍 배열;
    상기 금속 막의 수직부에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 3 구멍 배열; 및
    상기 제 1 구멍 배열을 포함하는 상기 금속 막의 일 측의 수평부와 상기 제 2 구멍 배열을 포함하는 상기 금속 막의 타 측의 수평부 사이에 형성된 소정 간격의 대각선 형상의 갭을 포함하며,
    상기 제 1 구멍 배열에서 상기 제 2 구멍 배열로 향하는 방향과 동일한 방향으로 편광된 광이 상기 유전체 기판의 제 1 표면측에서 상기 금속 막의 제 1 구멍 배열로 입사되고, 상기 제 1 구멍 배열의 상기 금속 막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 상기 금속 막을 따라 전파되고, 상기 전파된 표면 플라즈몬의 일부는 상기 갭을 이루는 금속 막에 의해 반사되어 상기 제 3 구멍 배열에서 광이 방출되며, 상기 전파된 표면플라즈몬의 다른 일부는 상기 갭을 터널링하여 상기 제 2 구멍 배열에서 광이 방출되는 표면플라즈몬 스플리터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유전체 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는표면플라즈몬 스플리터.
  7. 제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 유전체 기판;
    제 1 표면과 제 2 표면을 가지는 광학적으로 두꺼운 금속 막으로서, 상기 금속 막의 제 1 표면이 상기 유전체의 제 2 표면에 실질적으로 접하며, 또한 양 단을 갖는 수평부와 상기 수평부의 상기 양 단 중 일 단으로부터 연장되는 수직부를 포함하며, 상기 금속 막의 수평부와 수직부의 연결부분은 대각선 형상을 이루는 금속막;
    상기 금속 막의 수평부에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노 미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 1 구멍 배열;
    상기 제 1 구멍 배열과 직각을 이루며, 상기 금속 막의 수직부에 형성되는 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노 미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 2 구멍 배열; 및
    상기 금속 막의 수평부의 수평방향과 동일한 방향으로 편광 된 광이 상기 유전체 기판의 제 1 표면측에서 상기 제 1 구멍 배열에 입사되고, 상기 제 1 구멍 배열의 상기 금속 막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 상기 금속 막의 수평방향을 따라 전파되며, 상기 전파된 표면플라즈몬이 상기 대각선 형상 부분에서 반사되어 상기 제 2 구멍 배열에서 광이 방출되는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 거울.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유전체 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 거울.
  9. 제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 유전체 기판;
    제 1 표면과 제 2 표면을 가지는 광학적으로 두꺼운 금속 막으로서, 상기 금속 막의 제 1 표면이 상기 유전체의 제 2 표면에 실질적으로 접하며, 막대 형상으로 형성된 금속 막;
    상기 금속 막의 일 측부에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노 미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 1 구멍 배열;
    상기 제 1 구멍 배열에 대향하는 상기 금속 막의 타 측부에 형성되는 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노 미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 2 구멍 배열을 포함하며,
    상기 제 1 구멍 배열에서 상기 제 2 구멍 배열로 향하는 방향과 동일한 방향으로 편광된 광이 상기 유전체 기판의 제 1 표면쪽에서 상기 제 1 구멍 배열에 입사되는 경우에, 상기 제 1 구멍 배열의 상기 금속 막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 상기 금속막을 따라 상기 제 2 구멍배열로 전파되고, 상기 제 2 구멍 배열에서 줄 무늬 모양의 광이 방출되고, 상기 편광에 90°회전된 방향으로 편광된 광이 입사되는 경우, 상기 제 2 구멍 배열에서 광이 방출되지 않는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 제어기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유전체 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 제어기.
  11. 제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 유전체 기판;
    제 1 표면과 제 2 표면을 가지는 광학적으로 두꺼운 금속 막으로서, 상기 금속 막의 제 1 표면이 상기 유전체의 제 2 표면에 실질적으로 접하며, 막대 형상으로 형성된 금속 막;
    상기 금속 막의 일 측부에 형성된, 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노 미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 1 구멍 배열;
    상기 제 1 구멍 배열에 대향하는 상기 금속 막의 타 측부에 형성되는 상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노 미터 크기의 구멍들의 주기적인 제 2 구멍 배열,
    상기 제 1 구멍 배열을 포함하는 상기 금속 막의 단부에 형성된 제 1 전극; 및
    상기 제 2 구멍 배열을 포함하는 상기 금속 막의 단부에 형성된 제 2 전극을 포함하며,
    상기 제 1 구멍 배열에서 상기 제 2 구멍 배열로 향하는 방향과 동일한 방향으로 편광된 광이 상기 유전체 기판의 제 1 표면쪽에서 상기 제 1 구멍 배열에 입사되는 경우에, 상기 제 1 구멍 배열의 상기 금속 막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 상기 금속막을 따라 전파되고, 상기 제 1 전극에 양의 전극이 인가되고, 제 2 전극에 음의 전압이 인가되는 경우, 상기 제 2 구멍 배열에서 광이 방출되며, 상기 제 1 전극에 음의 전압이 인가되고, 제 2 전극에 양의 전압이 인가된 경우, 상기 제 2 구멍 배열에서 광이 방출되지 않는 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 제어기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 유전체 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 표면플라즈몬 제어기.
  13. 포토레지스트-적층 기판에 소정의 패턴을 형성하기 위한 포토리소그라피 마스크로서,
    제 1 표면과 제 2 표면을 갖는 유전체 기판;
    제 1 표면과 제 2 표면을 가지는 광학적으로 두꺼운 금속 막으로서, 상기 금속 막의 제 1 표면이 상기 유전체의 제 2 표면에 실질적으로 접하는 금속 막; 및
    상기 금속 막의 제 1 표면과 제 2 표면을 관통하는 나노 미터 크기의 구멍들의 주기적인 구멍 배열을 포함하며,
    광이 상기 유전체 기판의 제 1 표면쪽에서 상기 구멍 배열에 입사되는 경우, 상기 구멍 배열의 상기 금속 막의 제 2 표면상에서 공기/금속 모드 표면플라즈몬이 여기되어 입사광의 파장과 편광에 의해서 조절될 수 있는 패턴의 광이 방출되며, 상기 방출된 광이 상기 포토레지스트-적층 기판에 이에 대응하는 패턴이 형성되도록 조사되는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 마스크.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 유전체 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 포토리소그래피 마스크.
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