KR20050105362A

KR20050105362A - 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경

Info

Publication number: KR20050105362A
Application number: KR1020040030469A
Authority: KR
Inventors: 이기진; 김주영; 유현준; 양종일; 김송희
Original assignee: 학교법인 서강대학교
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-04
Also published as: KR100558778B1; JP2005321391A; US20050246129A1; US7130755B2

Abstract

유전체 공진기에 탐침을 결합하여 온도나 외부 환경의 영향을 최소화 하고, 감도와 분해능이 향상된 마이크로파 근접장 현미경을 개시한다. 본 발명에 따르면, 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경은, 웨이브의 주파수를 조절할 수 있는 웨이브 소스; 상기 웨이브 소스로부터 출사된 웨이브가 진행하는 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기를 통해 진행하는 웨이브를 샘플에 조사하기 위한 탐침; 상기 탐침을 통해 전파되어 샘플과 상호작용한 후 상기 탐침과 유전체 공진기를 통해 진행된 웨이브를 검출하는 검출부; 상기 검출부로부터 결과 데이터를 받아 시각적으로 확인할 수 있는 화상 데이터를 생성하는 중앙처리부; 및 상기 중앙처리부에서 생성된 데이터를 디스플레이 하는 화상 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경{A near field scanning microwave microscope using a dielectric resonator}

본 발명은 근접장 현미경에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유전체 공진기에 탐침을 결합하여 온도나 외부 환경의 영향을 최소화 하고, 감도와 분해능이 향상된 마이크로파 근접장 현미경에 관한 것이다.

나노미터 단위의 미세한 샘플의 형상을 관측하기 위한 광학 현미경은 빛으로 물체를 관측하기 때문에 회절한계 현상으로 인해 분해능에 한계가 있다. 회절한계 현상 때문에 크기가 빛의 파장의 1/2 이하인 물체는 광학적으로 관측할 수 없게 된다. 이러한 회절한계를 극복하고 빛의 파장보다 매우 작은 크기를 갖는 물질의 광학적 특성을 측정할 수 있는 근접장 현미경이 등장하게 되었다. 근접장 현미경에서는 빛의 파장보다 작은 개구를 통과한 빛이 이 개구의 크기와 같거나 작은 거리에 있는 샘플에 조사되도록 되어 있다. 이는 샘플 표면에서부터 빛의 파장보다 작은 거리 내에 있는 근접장은 회절을 일으키지 않는 현상을 이용하여 회절한계 현상을 극복하기 위한 것이다.

이러한 근접장(evanescent field and near field) 효과를 이용한 비접촉, 비파괴 현미경에 대한 연구는 STM(scanning tunneling microscope) 및 AFM(atomic force microscope)이 실현된 이래 표면 연구의 한 분야로서 등장하였다. 광학적 현미경 기술의 발전으로 인하여 기존의 광학적 방법에 의한 매질의 특성 측정이 거시적 관점에서 미시적 관점으로 전환되었다. 따라서, 샘플의 미시적 특성을 측정하는 방법이 새로운 연구 분야로 각광을 받기 시작했다. 한편, 산업적 측면에서도 각종 전자부품이 집적화되면서 미세구조에 대한 물리적 특성 연구가 중요한 문제로 부각되고 있다. 특히, 회절 한계를 갖는 고전적인 광학 측정 장비와 달리 회절 한계를 극복하는 새로운 측정 장비의 개발은 미세구조의 물리적 특성을 이해하고, 측정하는데 필수적인 방법이 되었다.

회절 한계를 극복한 방법의 하나로 근접장 효과를 이용한 현미경이 개발되었다. 특히, 통신부품이 집적화되면서 집적화 디바이스의 미세구조에 대한 광학 특성 연구에 마이크로파 및 밀리미터파 영역에서의 근접장 현미경의 개발이 요구되었다.

마이크로파를 이용한 근접장에 대한 실험은 Ash와 Nicholls에 의해 처음 이루어졌고, 현재까지 마이크로파 근접장 현미경은 발전을 거듭하여 다양한 응용분야에 적응되고 있다. 마이크로파 근접장 이미지를 얻는 방법으로 동축선(coaxial cable) 공진기, 스트립라인(stripline) 공진기, 도파관 슬릿(waveguide slit)을 이용한 방법들이 있다.

도 1은 종래의 동축선 공진기를 이용한 광학 현미경을 도시한 것으로, "APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 75, NUMBER 20"에 개시되어 있다.

이 근접장 광학 현미경은, 마이크로웨이브 소스(100)로부터 출사된 웨이브가 동축선 공진기(103)를 통해 진행되고, 상기 동축선 공진기(103)의 단부에 형성된 탐침(105)을 통해 광학적 특성을 조사하고자 하는 샘플(107)에 도달하도록 되어 있다. 상기 탐침(105)을 통해 나온 웨이브가 샘플(107)과 상호작용한 다음, 상기 탐침(105)을 통해 다시 동축선 공진기(103)로 들어간다. 그리고, 샘플(107)과의 상호작용에 의해 변형된 마이크로웨이브가 다이오드 검출기(110)에 의해 검출된다. 이와 같이 하여 샘플의 미시적, 광학적 특성을 측정할 수 있다. 여기서, 미설명 부호 102는 방향성 커플러를 나타낸다.

그런데, 동축선 공진기(103)를 이용하면 동축선 구조로 인한 차단 주파수 때문에 마이크로파 대역에서의 실험만을 수행할 수 있다. 따라서, 근접장 현미경의 공진 주파수를 마이크로파 대역의 특정 주파수에만 국한시켜 사용해야 하므로 최대의 감도(sensitivity)를 얻는데 한계가 있다. 그리고, 동축선 공진기(103)는 원통형의 내부 도체와 외부 도체로 이루어져 있는데, 이와 같이 두 개의 도체로 이루어진 구조에서는 TEM파만을 이용하여 실험을 수행해야 한다. 따라서, 샘플의 광학적 특성을 얻기 위해 웨이브의 다양한 모드를 사용하는데 제한이 따른다. 즉, 샘플이 웨이브와 상호작용하는데 있어서, 샘플마다 광학적 특성이 특히 잘 발현되는 모드가 있는데, 동축선 공진기에서는 TEM 모드만을 사용할 수밖에 없으므로 동축선 공진기를 이용한 근접장 현미경을 이용하여 조사할 수 있는 샘플의 종류나 범위가 좁아질 수밖에 없다.

또한, 상기 동축선 공진기(103)는 마이크로파 대역의 주파수를 사용하기 때문에 파장이 길어져서 동축선 공진기(103)의 길이가 길어진다. 도 1에 사용된 동축선 공진기(103)는 약 2m의 길이를 갖는다. 이와 같이 동축선 공진기(103)를 이용한 광학 현미경은 전체적인 부피가 매우 크고, 이러한 문제로 인해 상품화에 문제가 있다.

종래에 또 다른 근접장 현미경으로서, 도파관 슬릿을 이용한 현미경이 있다. "APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 77, NUMBER 1"에 개시된 도파관 슬릿을 이용한 근접장 현미경은, 도파관(113)의 일단에 슬릿(115)이 형성되고, 이 슬릿(115)의 아래쪽에 샘플(117)이 놓인 기판(120)이 배치되고, 상기 기판(120)의 아래쪽에 있는 광원(122)으로부터 광이 조사되도록 된 구조로 되어 있다. 미설명 부호 123은 쉐도우 마스크를 나타낸다.

상기 구조에서 광원(122)으로부터 조사된 광이 샘플(117)과 상호작용한 후 상기 슬릿(115)을 통해 상기 도파관(113)으로 들어간다. 그리고, 샘플과 상호작용(interaction)한 후의 광에 대한 특성을 검출기에 의해 측정함으로써 샘플의 형상과 특성을 알아낼 수 있다. 그런데, 상기와 같은 도파관 슬릿 구조에서는 웨이브가 슬릿을 통과하여 넓게 퍼지게 되기 때문에 웨이브 손실이 크고, 분해능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 보안된 구조의 도파관 공진기라 할지라도 외부의 환경에 민감하게 영향을 받고, 웨이브의 다양한 모드를 관찰할 수 없으며, 부피가 크고 설치 및 결합에 제약을 받을 뿐만 아니라, 탐침 끝단과 샘플 사이의 거리조절 장치를 장착하는데 어려움이 있어 다양한 샘플을 측정하는데는 한계가 있다.

본 발명은 상술한 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 도파관 공진기를 사용한 것보다 외부 환경에 의한 영향을 최소화 하여 감도와 분해능을 향상시키고, 탐침 끝단과 샘플 사이의 거리조절을 통하여 근접장 현미경의 기능을 향상시키는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 공진기 내 팁의 모양을 최적으로 설계함으로써 다양한 모드의 광학적 특성에 따른 샘플의 범위를 확장시킬 수 있고, 공진기 위에 조절 나사를 설치함으로써 주파수를 조절할 수 있는 근접장 현미경을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 부피를 최소화 하면서, 튜닝폭을 이용한 거리조절 센서를 장착하여 샘플과의 거리 조절이 쉽고, 수직 또는 수평에 관계 없이 다양한 방향에서 샘플을 관찰 할 수 있도록 설치할 수 있는 근접장 현미경을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 유형에 따르면, 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경은, 웨이브의 주파수를 조절할 수 있는 웨이브 소스; 상기 웨이브 소스로부터 출사된 웨이브가 진행하는 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기를 통해 진행하는 웨이브를 샘플에 조사하기 위한 탐침; 상기 탐침을 통해 전파되어 샘플과 상호작용한 후 상기 탐침과 유전체 공진기를 통해 진행된 웨이브를 검출하는 검출부; 상기 검출부로부터 결과 데이터를 받아 시각적으로 확인할 수 있는 화상 데이터를 생성하는 중앙처리부; 및 상기 중앙처리부에서 생성된 데이터를 디스플레이 하는 화상 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 근접장 현미경은 상기 중앙처리부의 제어에 따라 샘플과 유전체 공진기 사이의 상대적 위치를 이동시키기 위한 이동장치를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 웨이브 소스는 상기 중앙처리부의 제어에 따라 특정 주파수의 웨이브를 발생시키거나, 복수의 주파수를 갖는 웨이브 스펙트럼을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 유전체 공진기는, 유전체; 상기 유전체를 둘러싸는 금속 공진기; 상기 웨이브 소스에 의해 발생한 웨이브를 상기 유전체 공진기 내에 인가하기 위한 입력선; 및 샘플과 상호작용한 후 상기 탐침을 통해 유전체 공진기로 진행된 웨이브를 상기 검출부로 인가하기 위한 출력선;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 금속 공진기의 내벽과 상기 유전체 사이에 공간이 형성되어 있다.

그리고, 상기 입력선 및 출력선은 상기 금속 공진기를 관통하여 설치되며, 상기 입력선 및 출력선의 일측 단부가 상기 유전체와 대향하도록 상기 금속 공진기의 내벽과 유전체 사이의 공간 내에 위치하는데, 상기 유전체 공진기 내부에 있는 입력선 및 출력선의 일측 단부는 직선 형태이거나 또는 소정의 각도로 휘어진 커플링 루프의 형태이다. 여기서, 상기 입력선 및 출력선의 일측 단부가 커플링 루프의 형태인 경우, 입력선의 단부에 형성된 제 1 커플링 루프와 출력선의 단부의 형성된 제 2 커플링 루프를 회전시킴으로써 상기 유전체 공진기의 공진주파수, 임피던스 및 전자기파 모드를 조절할 수 있다.

또한, 상기 근접장 현미경은 상기 유전체 공진기의 공진주파수 및 임피던스를 미세하게 조절하는 튜닝장치를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 튜닝장치는 상기 금속 공진기를 관통하여 상기 유전체와 대향하도록 삽입된 스크류일 수 있는데, 상기 스크류는 상기 유전체 공진기 내에 삽입된 깊이를 조절함으로써 상기 유전체 공진기의 공진주파수 및 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 한다.

이러한 제 1 및 제 2 커플링 루프 및 튜닝장치는 상기 중앙처리부에 의해 제어되며, 유전체 공진기의 임피던스가 50Ω을 유지하도록 조절한다.

한편, 상기 탐침의 일측 단부는 샘플과 대향하며, 타측 단부는 상기 유전체 공진기의 금속 공진기를 관통하여 상기 유전체와 대향하도록 설치된 것을 특징으로 한다. 이때, 유전체 공진기 내부에 있는 탐침의 타측 단부 부분은 직선 형태이거나 또는 커플링 루프의 형태일 수 있다. 상기 탐침의 몸통은 일정한 직경을 유지하며, 상기 탐침의 끝단은 급격하게 직경이 감소하도록 제작된 하이브리드 탐침인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 탐침은 금속, 유전체 또는 자성체 중 적어도 하나의 물질로 이루어진다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 근접장 현미경은 상기 중앙처리부의 제어에 따라 상기 탐침과 샘플 사이의 거리를 미세하게 조절하는 거리 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 거리 조절부는, 한 쪽면에 상기 탐침이 부착되는 튜닝 포크; 및 상기 탐침이 부착된 상태에서의 튜닝 포크의 공명 진동수에 해당하는 주파수의 교류 전압을 상기 튜닝 포크에 인가하고, 상기 튜닝 포크로부터의 출력 전류값을 측정하는 락-인 증폭기(Lock-in amplifier);를 포함한다. 이때, 상기 중앙처리부는, 상기 탐침과 샘플 사이의 거리와 상기 출력 전류값 사이의 관계가 미리 기록된 룩업테이블을 참조하여, 상기 출력 전류값으로부터 상기 탐침과 샘플 사이의 거리를 측정한다. 또한, 상기 중앙처리부는, 상기 탐침과 샘플 사이의 거리와 상기 출력 전류값 사이의 피드백을 통해 상기 출력 전류값을 기준값에 맞춤으로써 상기 탐침과 샘플 사이의 거리를 소망하는 거리로 조절하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에서 상기 검출부는, 샘플과 상호작용한 후 상기 탐침과 유전체 공진기를 통해 진행된 웨이브의 크기를 측정하는 파워 미터; 및 샘플과 상호작용한 후 상기 탐침과 유전체 공진기를 통해 진행된 웨이브의 주파수를 측정하는 스펙트럼 분석기;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 검출부는 유전체 공진기의 삽입손실 및 정합 여부를 측정하기 위한 회로망 분석기를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경의 개략적인 구성을 나타내고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경은, 중앙처리부(10), 웨이브 소스(20), 검출부(30), 유전체 공진기 이동장치(40), 유전체 공진기(50), 탐침(60), 및 화상처리부(70)를 구비한다.

상술한 바와 같이, 동축선 공진기를 사용하는 종래의 근접장 현미경은 TEM 모드만을 사용할 수밖에 없어 조사할 수 있는 샘플의 종류나 범위가 좁고, 도파관 슬릿을 사용하는 종래의 근접장 현미경은 분해능이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 개선하기 위해 유전체 공진기를 사용한다. 본 발명에 따른 근접장 현미경에서 사용하는 유전체 공진기의 구조는 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있다. 도 4a는 유전체 공진기(50)의 사시도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(50)는 유전체(57), 상기 유전체(57)를 둘러싸는 금속 공진기(51), 웨이브 소스(20)에 의해 발생한 웨이브를 유전체 공진기 내부로 인가하기 위한 입력선(54), 샘플(80)과 상호작용한 후 탐침(60)을 통해 유전체 공진기(50) 내부로 진행된 웨이브를 검출부(30)로 전달하기 위한 출력선(56), 및 상기 금속 공진기(51)의 상면을 관통하여 상기 유전체(57)의 상면과 대향하도록 설치된 튜닝 스크류(tuning screw)(52)로 구성된다. 여기서, 유전체(57)의 종류에는 특별한 제한이 없다. 금속 공진기(51)의 내부에는 원통형 중공(inner cavity)(59)이 형성되어 있으며, 상기 중공 내에 유전체(57)가 마련되어 있다. 금속 공진기(51)은 은(Ag)와 같이 도전성이 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 금속 프레임 표면에 은(Ag)을 도금하여 제작할 수도 있다.

도 4b는 이러한 유전체 공진기(50)의 횡단면도를 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 금속 공진기(51) 내에 형성된 중공(59) 내에 원통형 유전체(57)가 고정되어 있다. 이때, 상기 금속 공진기(51)의 내벽과 원통형 유전체(57) 사이에는, 입력선(54), 출력선(56) 및 탐침(60)의 단부가 위치하도록 소정의 거리만큼 간격이 형성되어 있어야 한다. 도시된 바와 같이, 상기 입력선(54), 출력선(56) 및 탐침(60)은 금속 공진기(51)을 관통하여 설치되는데, 상기 입력선(54), 출력선(56) 및 탐침(60)의 일측 단부는 각각 상기 유전체(57)와 대향하도록 상기 금속 공진기(51)의 내벽과 유전체(57) 사이의 공간(59) 내에 위치한다. 또한, 금속 공진기(51)과 유전체(57) 사이에 위치하는 입력선(54), 출력선(56) 및 탐침(60)의 단부 부분은 직선의 형태를 할 수도 있지만, 바람직하게는, 도시된 바와 같이, 소정의 각도로 휘어진 커플링 루프를 형성하는 것이 좋다. 왜냐하면, 상기 커플링 루프의 상대적인 각도를 조절함으로써, 유전체 공진기(50)의 특성을 적절히 조절할 수 있기 때문이다.

한편, 도 4c는 유전체 공진기(50)의 종단면도로서, 금속 공진기(51)의 상면을 관통하여 상기 유전체(57)의 상면과 대향하도록 설치된 튜닝 스크류(52)가 도시되어 있다. 상기 튜닝 스크류(52)와 유전체(57) 사이의 간격을 조절함으로써, 커플링 루프와 마찬가지로 유전체 공진기(50)의 특성을 적절히 조절할 수 있다.

이러한 유전체 공진기(50)에서 공진모드에 따라 유전체 공진기(50) 내부의 전자계가 바뀌어 공진기 내의 전력 전달 특성과 공진주파수가 변화하므로, 공진주파수의 모드를 구분하는 것이 중요하다. 이를 위하여, 다음과 같은 모의 실험을 통해 상술한 구조를 갖는 유전체 공진기(50)의 특성을 확인하였다. 모의 실험은 Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하였다. 시뮬레이션은 4~6GHz 영역에서 fast frequency sweep solution 방법으로 이루어 졌으며, 입력선(54)과 출력선(56)의 단부에 형성된 커플링 루프(coupling loop)의 각도에 따른 공진주파수와 공진모드의 변화를 알아 보았다. 여기에서 사용한 유전체의 비유전율은 29 이고, 유전체의 직경은 14mm, 높이는 5.8mm 이다.

도5a는 커플링 루프의 각도가 수평일 때의 상태를 도시하고 있다. 이렇게 커플링 루프의 각도가 수평인 경우, 유전체 공진기(50)의 공진주파수는 도 5b에 도시된 것처럼 4.5GHz였다. 도 5c 및 도 5d는 공진주파수인 4.5GHz에서 유전체 공진기 내부의 전계와 자계의 필드(field) 분포를 각각 도시하고 있다. 따라서, 상기 HFSS의 시뮬레이션을 통하여, 커플링 루프가 수평으로 유전체 공진기와 커플링 되었을 때 4.5GHz에서 공진이 일어나고, 이때의 전계와 자계의 필드 분포 해석을 통하여 TE₀₁ 모드가 여기되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 6a는 커플링 루프의 각도가 수직일 때의 상태를 도시하고 있다. 커플링 루프의 각도가 수직인 경우, 유전체 공진기(50)의 공진주파수는 도 6b에 도시된 것처럼 5.6GHz였다. 도 6c 및 도 6d는 공진주파수에서 자계와 전계의 필드 분포를 각각 도시하고 있다. 상기 모의실험을 통해, 커플링 루프가 수직으로 유전체 공진기와 커플링 되었을 때는 5.6GHz에서 공진이 일어나고, 이때 여기되는 모드는 마찬가지로 전계와 자계의 필드 분포 해석을 통하여 TM₀₁ 모드인 것을 확인할 수 있다.

마지막으로, 도 7a는 커플링 루프의 각도가 45°일 때의 상태를 도시하고 있다. 커플링 루프의 각도가 45°인 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이, 4.5GHz와 5.6GHz에서 모두 공진이 일어 났다. 도 7c 및 도 7d는 유전체 공진기의 공진주파수가 4.5GHz일 때의 전계와 자계의 필드 분포를 각각 나타내고 있고, 도 7e 및 도 7f는 유전체 공진기의 공진주파수가 5.6GHz일 때의 자계와 전계의 필드 분포를 각각 도시하고 있다. 상기 도 7c 내지 도 7f를 통해 알 수 있듯이, 4.5GHZ에서는 TE₀₁ 모드가 여기 되었고, 5.6GHz에서 TM₀₁ 모드가 여기 되었다.

상기 모의실험을 통해 확인할 수 있듯이, 커플링 루프의 각도에 따라 TE모드와 TM모드를 선택적으로 여기시킬 수 있다. 이는 커플링 루프의 각도에 따라 루프의 단면적을 가로지르는 전계와 자계의 선속의 양이 달라져서 특정 모드가 강하게 여기되거나 약하게 여기되기 때문이다. 따라서, 종래의 근접장 현미경과는 달리, 본 발명에 따른 유전체 공진기를 사용하는 근접장 현미경에서는 모드의 선택이 가능하게 되어, 근접장 현미경이 조사할 수 있는 샘플의 종류나 범위가 넓어지게 된다.

상기 모의 실험 결과를 확인하기 위하여, 비유전율이 29인 Ba(ZrTa)O₃로 구성된 유전체 공진기를 사용하여 실험을 하였다. 상기 유전체의 내경은 2mm이고, 외경은 14mm, 높이는 5.8mm이었다. 또한, 유전체 공진기를 싸고 있는 금속 공진기의 반경은 32mm이고 높이는 14mm로 제작되었다. 이렇게 제작한 유전체 공진기의 특성을 실험한 결과, 도 8a에 도시된 바와 같이, 커플링 루프가 수평인 경우 TE₀₁ 모드가 4.5GHz에서 공진이 일어나 HFSS 시뮬레이션의 공진주파수와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 상기 공진 주파수에서 유전체 공진기의 무부하 Q인자는 24000였다. 회로망 분석기(network analyzer)로 얻은 공진주파수에서 3dB 아래의 주파수 곡선의 너비(△f)를 잡으면 부하가 걸린 Q_L인자를 얻을 수 있는데, 공진기의 무부하 Q_U인자는 다음의 식을 통해서 얻을 수 있다.

여기서 loss는 공진기의 삽입 손실이다. 상기 삽입손실은, 예컨대, Agilent 8753ES와 같은 회로망 분석기에서 측정될 수 있다. 그 밖에, 커플링 루프가 수직인 경우와 45°인 경우에 대해서도 도 8b 및 도 8c에 도시되어 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 금속 공진기(51)의 상면을 관통하여 상기 유전체(57)의 상면과 대향하도록 설치된 튜닝 스크류(52)와 상기 유전체(57) 사이의 간격을 조절함으로써, 유전체 공진기(50)의 공진주파수와 Q인자, 임피던스 등의 특성을 조절할 수 있다. 도 8a는 상기 튜닝 스크류(52)와 유전체(57) 사이의 거리(L)을 나타내는 도면이다. 도 8b의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 튜닝 스크류(52)를 금속 공진기(51)의 안에서 밖으로 뺄수록 공진주파수가 4.7GHz에서 4.6GHz로 내려가는 것을 볼 수 있다. 반면, 유전체 공진기의 Q인자는 10000에서 35000으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는, 공진기 안에서 삽입되었던 금속이 없어졌을 때, 섭동이론에 따라 공진기 내부의 부피가 변하면서 공진기 안에 저장된 전기장과 자기장의 변화에 의한 것이다. 특히, 공진주파수가 내려가는 이유는, 튜닝 스크류(52)가 유전체 공진기(50)에서 뒤로 빠지면서 그 부피에 전기장의 에너지가 자기장의 에너지보다 더 많이 생겼기 때문이다.

상기와 같은 튜닝 스크류(52)를 이용하면, 상기 유전체 공진기(50)의 특성을 더욱 정교하게 조절하여 본 발명에 따른 근접장 현미경의 성능이 최적이 되도록 할 수 있다. 일반적으로, 공진기와 공진기 외부회로가 어떻게 결합되는가에 따라 근접장 마이크로파 현미경의 성능이 좌우된다. 공진기와 공진기 외부회로와의 결합은 커플링 루프로 이루어지는데, 커플링 루프와 유전체 공진기 사이의 거리, 커플링 루프의 단면적 크기에 의해 결정되어진다. 이것은 커플링 루프의 단면적을 가로지르는 자계와 전계의 선속(flux)의 크기에 좌우되기 때문이다. 여기서, 공진기의 외부회로에서 공진기에 최대의 전력전달이 가능하려면 공진기는 공진주파수에서 정합되어야 한다. 이때, 공진기가 임계결합(critical coupling)되었다고 한다.

공진기가 외부회로와 임계결합되기 위해서는 전송선로와 공진기의 결합계수가 1 이 되어야 한다. 전송선로와 공진기의 결합계수는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서, Z₀은 전송선로의 임피던스이고, Z_r은 공진기의 임피던스이다. 즉, 공진기가 외부회로와 임계결합되기 위해서는 공진기의 임피던스가 전송선로의 임피던스와 같아야 한다. 본 발명에 따른 근접장 현미경에서 입력선(54)과 출력선(56) 및 탐침(60)이 전송선로에 해당한다. 일반적으로 전송선로의 임피던스는 50Ω을 갖도록 정해져 있다. 따라서, 유전체 공진기(50)의 임피던스(Z_r) 역시 50Ω이 될 경우, 근접장 현미경이 최적의 성능을 갖는다. 그렇지 않으면, 유전체 공진기(50)와 전송선로 사이에 신호의 반사가 발생하여 최대 전력 전달이 불가능하기 때문이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 튜닝 스크류(52)를 이용하여 유전체 공진기(50)의 임피던스를 50Ω으로 조절할 수 있다. 이때, 근접장 현미경의 성능을 최적의 상태로 유지하기 위해서는, 샘플(80)이 없을 때 뿐만 아니라, 탐침(60)이 샘플(80)에 접근할 때에도 유전체 공진기(50)의 임피던스를 50Ω으로 유지하여야 한다. 도 10a는 샘플이 없을 경우, 튜닝 스크류(52)를 이용하여 유전체 공진기(50)의 임피던스를 50Ω으로 조절했을 때의 스미스 도표를 도시하는 것이다. 한편, 도 10b는 탐침(60)을 샘플(80)에 1㎛의 거리까지 접근시켰을 때의 스미스 도표를 도시하는 것이다. 도시되 바와 같이, 탐침(60)이 샘플(80)에 접근하게 되면, 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 상호작용에 의해 공진주파수와 Q인자 모두 감소하게 된다. 이때, 공진주파수는 4.557GHz이고, Q인자는 980이며, 공진기의 임피던스는 70.2Ω이 되었다. 따라서, 공진기의 감도(sensitivity)를 높이기 위하여 공진기의 특성을 조절할 필요가 있다. 도 10c는 상기 튜닝 스크류(52)를 이용하여 공진기의 특성을 다시 조절한 후의 스미스 도표를 도시한다. 도시된 바와 같이, 튜닝 스크류(52)를 이용하여 공진기의 Q인자를 다시 22000으로 높일 수 있었는데, 이때의 공진주파수는 4.5208GHz였다. 도 10d는 상기 도 10a, 도 10b 및 도 10c의 스미스 도표를 주파수 특성 그래프로 그린 것이다. 여기서, 유전체 공진기(50)의 임피던스, 공진주파수 등과 같은 특성은 검출부(30)의 회로망 분석기(network analyzer)(32)를 통해 측정하고 확인할 수 있다.

한편, 마이크로파 근접장 현미경의 감도(sensitivity)는 공진기의 Q인자에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라, 탐침(60)의 기하학적 모양에 의해서도 영향을 받는다. 또한, 마이크로파 근접장 현미경의 공간분해능(resolution)은 탐칩(60) 끝단의 곡률반경에 직접적인 영향을 받는다. 따라서, 마이크로파 근접장 현미경의 감도와 공간분해능을 향상시키기 위해서는 탐침의 연구는 필수적이다. 일반적으로, 전기쌍극자 이론을 바탕으로 탐침(60)의 끝단(Apex)과 샘플(80)과의 상호작용을 알 수 있다. 이를 위해, 도 11과 같이, 탐침의 끝단과 샘플을 각각 a_a 와 a_s 의 반지름을 가지는 구라고 가정하였다. 외부 전기장에 의해 두 쌍극자가 각각 α_a 와 α_s의 편극률 가지고 있다면 dipole-dipole 커플링에 의해 섭동이 주어진 편극률은 다음과 같다.

여기서, R은 두 쌍극자 구 사이의 거리이다. 이때, 편극률는 다음과 같다.

여기서 i는 a 또는 s가 될 수 있다. a는 탐침의 끝단을 나타내고 s는 샘플을 나타낸다. 여기서, 전기장의 크기는

이고, E_s + ΔE_s 와 E_s 는 쌍극자 커플링에 의한 섭동후의 전기장과 섭동전의 전기장을 각가 나타낸다. 또, 공진 주파수의 변화는 섭동전 전기장 에너지와 섭동후 에너지변화의 차이로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이것을 다시 정리하면 다음과 같다.

따라서, dipole-dipole 상호작용에 의한 마이크로파 근접장 현미경에서 탐침 끝단의 곡률반경이 작을수록 분해능은 좋아지겠지만, 상기 수학식 7에서 알 수 있는 바와 같이, 탐침과 샘플 사이의 거리가 가까울수록 그리고 편극률이 클수록 감도가 좋아진다. 편극률은 탐침과 샘플의 유효 넓이(effective area)가 넓으면 커지기 때문에, 탐침 끝단의 곡률반경이 커야 좋은 감도를 가진다. 따라서, 탐침의 끝단이 작으면 분해능은 좋아지지만 감도가 떨어지기 때문에, 적정선에서 분해능과 감도가 모두 좋은 탐침을 선택하여야 한다. 가능하면, 탐침 끝단의 곡률반경을 작게 하면서 탐침의 유효 넓이를 넓게 하는 것이 좋다.

도 12a 내지 도 12f는 각각 탐침의 모양에 따른 마이크로파 근접장 현미경의 감도와 공간분해능을 설명하기 위한 것이다. 도 12a는 thin-tip 탐침의 형태를 도시한 것이고, 도 12b는 상기 thin-tip 탐침을 이용하여 폭이 27㎛인 크롬(Cr)의 라인을 스캐닝한 그림으로서, 세로축은 감도에 해당하고 수평축은 분해능에 해당한다. 그리고, 도 12c 및 도 12d는 thick-tip 탐침의 형태 및 상기 thick-tip 탐침을 이용하여 폭이 27㎛인 크롬의 라인을 스캐닝한 그림이며, 도 12e 및 도 12f는 본 발명에 따른 hybrid-tip 탐침의 형태 및 상기 hybrib-tip 탐침을 이용하여 폭이 27㎛인 크롬의 라인을 스캐닝한 그림이다. 각각의 탐침은 화학식각 방법을 이용하여 제조하였다. 식각 용액은 증류수에 KOH를 무게비로 10% 녹인 용액을 사용하였고, 완성된 금속탐침은 증류수와 무수 알코올을 사용하여 세척 후 사용하였다. thick-tip 탐침과 thin-tip 탐침은 식각하는 시간을 조정하여 제조하였고, 본 발명에 따라 thick-tip과 thin-tip을 합친 hybrid-tip 탐침은 탐침중간을 테프론으로 감싸서 탐침 끝단만 식각되고 윗부분은 식각되는 것을 막았다. 여기서, 상기 탐침은 금속, 유전체 또는 자성체와 같은 재료를 이용하여 제조될 수 있다.

앞서 설명하였듯이, 근접장 현미경에서 탐침 끝단의 곡률반경이 커지면 샘플과의 상호작용 면적이 넓어지면서 감도가 증가하게 된다. 또한, 탐침이 두꺼울수록 공진기에서 탐침으로 나오는 전자기장도 많이 전달되게 된다. 그러나, 마이크로파 근접장 현미경의 분해능은 탐침의 곡률반경이 작을수록 증가하기 때문에 탐침의 크기는 작아야 한다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, thin-tip 탐침은 공간분해능은 좋아졌으나 감도는 떨어지는 것을 알 수 있다. 반면, 도 12c 및 도 12d에 도시된 바와 같이, thick-tip 탐침은 공간분해능은 떨어지지만 감도는 증가하는 것을 알 수있다. 따라서, thin-tip 탐침과 thick-tip 탐침의 장점을 모두 살려 마이크로파 근접장 현미경의 공간분해능과 감도를 모두 증가시키기 위하여, 본 발명에서는 hybrid-tip 탐침을 개발하였다. 도 12e에 도시된 바와 같이, 상기 hybrid-tip 탐침의 끝단은 thin-tip 탐침과 같이 곡률반경이 1 내지 10㎛ 정도로 작고, 몸통 부분은 thick-tip 탐침처럼 1mm 정도로 굵게 만들었다. 이 경우, 도 12f에 도시된 바와 같이, 마이크로파 근접장 현미경의 공간분해능과 감도를 적정한 선에서 맞출 수 있었고, 콘트라스트(contrast)가 가장 좋은 이미지를 얻을 수 있었다.

다음으로, 탐침과 샘플 사이의 거리를 미세하게 조절하는 방법에 대해 설명한다. 탐침(60)은 유전체 공진기(50)와 함께 이동장치(40)에 의해 샘플(80)의 상하좌우로 접근한다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이, 탐침(60)이 샘플(80)과 직접 접촉하지 않는 한도 내에서 샘플(80)에 최대한 접근할수록 높은 감도를 얻을 수 있다. 이를 위하여, 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 거리를 측정하고, 상기 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 거리를 소망하는 거리로 일정하게 유지시키기 위한 미세한 거리 조절부가 요구된다. 도 13은 이러한 거리 조절부의 예를 도시하는 것이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 상기 거리 조절부는, 한 쪽면에 탐침(60)이 부착되는 튜닝 포크(tuning fork)(62) 및 상기 튜닝 포크(62)의 고유진동수에 해당하는 주파수를 갖는 교류 전압을 상기 튜닝 포크(62)에 인가하고, 상기 튜닝 포크(62)로부터의 출력 전류값을 측정하는 락-인 증폭기(Lock-in amplifier)(65)를 포함한다. 본 발명에 따른 거리 조절부는, 탐침(60)이 부착된 튜닝 포크(62)가 샘플(80)에 접근할 때, 탐침(62)과 샘플(80) 사이의 상호작용에 의해 튜닝 포크(62)의 진동수가 변하는 것을 이용하는 것이다. 즉, 고유의 진동수를 가지고 진동하는 튜닝 포크(62)에 탐침(60)을 부착한 다음, 탐침(60)이 샘플(80)의 표면에 가까워지면 탐침(60)과 샘플(80)의 표면에서 작용하는 Shear force 때문에 튜닝 포크(62)의 공명 진동수가 증가하게 되는데, 피드백을 통해 튜닝 포크(62)의 공명 진동수를 일정하게 만들면 탐침(60)과 샘플(80)의 사이의 거리를 수 nm로 유지시킬 수 있다.

본 발명에 따른 거리 조절부의 동작 원리를 실험 결과를 통해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 12e에 도시된 형상으로 식각한 금속 탐침을 튜닝 포크의 한쪽 면에 부착시킨 다음, Eg&G사의 7265 DSP 락-인 증폭기의 OSC out 단자를 통해 0.05V의 교류 전압을 가하고, Line in 단자를 통해 상기 튜닝 포크로부터 출력되는 전류의 값을 측정하였다. 여기서 사용한 튜닝 포크의 고유진동수는 32768Hz 였으며, 탐침은 nilaco사의 0.05mm SUS 선을 식각하여 제조하였다.

이때, 각각의 주파수에 대해 튜닝 포크로부터의 신호값을 측정하면 공명진동수에서 최대 전류를 갖는 로렌찌안 함수꼴을 가진다. 일반적으로 튜닝 포크에 탐침을 부착하면 튜닝 포크의 유효 질량이 증가하므로 튜닝 포크의 고유 진동수인 32758Hz보다 작은 고유 진동수를 보이고, Q인자 또한 감소하게 된다. 탐침을 부착한 튜닝 포크에 입력되는 전압의 주파수에 대한 출력 전류의 공진 특성 그래프는 도 14와 같다. 도 14의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 탐침을 부착하면서 튜닝 포크의 무게 조건의 변화에 따라 공진 주파수는 554Hz 만큼 감소하여 32214Hz가 되었고, Q인자는 약 1/4로 감소하여 3700이 되었다. 따라서, 본 발명에 따른 거리 조절부는 튜닝 포크에 탐침을 부착한 상태에서의 고유 진동수(즉, 상술한 실험 예에서는 32214Hz)에 해당하는 주파수를 튜닝 포크에 인가한다.

한편, 이렇게 탐침이 부착된 튜닝 포크의 공명 진동수와 같은 주파수의 교류 전압을 튜닝 포크에 인가하면서 탐침을 샘플 표면으로 접근하면, 탐침과 샘플 표면이 상호작용하게 되는 shear force 영역에 들어서게 되면서 튜닝 포크의 공진 주파수와 Q인자가 변하게 되어 출력 전류값이 변하게 된다. 도 15는 탐침이 샘플 표면으로 20nm씩 다가감에 따른 튜닝 포크의 공명 특성 그래프를 나타낸다. 도 15의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 탐침과 샘플 표면 사이의 거리가 가까워짐에 따라 공명 진동수가 증가하고, 공명 진동수에서의 출력 전류의 값은 점차 감소한다.

따라서, 공명 진동수로 튜닝 포크를 진동시키면서 일정한 거리 간격으로 탐침을 샘플에 접근시키면 도 16과 같은 접근 곡선을 얻을 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 출력신호의 크기는 샘플과 탐침 사이의 거리가 줄어듦에 따라 대략 60nm 정도에서부터 급격히 감소한다. 이보다 먼 거리에서는 거리의 변화에 무관하게 일정 크기의 출력신호를 나타낸다. 이는 샘플과 탐침 사이에 상호 작용이 없음을 의미한다. 출력신호의 크기가 감소하기 시작하는 영역에서부터 상호 작용이 시작되고, 거리가 더욱 가까워질수록 출력신호의 크기는 더욱 더 감소한다. 이 결과로부터 샘플과 탐침과의 상호작용의 크기는 샘플와 탐침 사이의 거리에 의존한다는 것을 알 수 있다.

이러한 결과를 이용하여, 위치의 전류값을 정하고 샘플과 탐침 사이의 상호작용을 통해 출력되는 전류값을 기준 전류값에 맞추는 과정을 통해 샘플과 탐침 사이의 거리를 수~수십nm로 일정하게 유지할 수 있다. 예컨대, 튜닝 포크의 공명진동수에서 탐침과 샘플 사이의 거리와 출력 전류값과의 관계에 대한 상기와 같은 실험데이터를 룩업테이블(look-up table)의 형태로 중앙처리부(10)에 미리 저장하여 둘 수 있다. 그런 후, 탐침(60)이 샘플(80)에 접근할 때 측정된 출력 전류값을 상기 중앙처리부(10)로 전달하면, 중앙처리부(10)는 상기 룩업테이블을 기초로 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 거리를 확인할 수 있다. 또한, 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 거리를 소정의 거리로 유지하고자 할 경우, 상기 룩업테이블을 기초로 소망하는 거리에 대응하는 전류값을 기준 전류값으로 정하고, 락-인 증폭기(65)로부터 전달되는 출력 전류값을 기준 전류값과 비교한다. 비교 결과, 출력 전류값이 기준 전류값 보다 클 경우에는 이동장치(40)를 통해 탐침(60)을 샘플(80)에 더 접근시키고, 기준 전류값이 더 클 경우에는 탐침(60)을 샘플(80)로부터 더 멀어지게 한다.

지금까지 본 발명에 따른 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경의 각 부분의 구조에 대해 상세히 설명하였다. 다음으로, 상술한 구조의 근접장 현미경의 동작 및 기능에 대해 간단하게 설명하도록 한다.

먼저, 중앙처리부(10)는 사용자의 조작에 따라 유전체 공진기(50)의 공진주파수, 임피던스, 전자기파 모드 등을 제어하고, 검출부(30)으로부터 얻은 결과 데이터를 분석하여 샘플(80)의 표면 형상에 대한 시각적인 데이터를 생성하는 것이다. 화상처리부(70)는 이렇게 생성된 데이터를 기초로 샘플(80)의 미세한 표면 형상을 디스플레이 하는 역할을 한다. 웨이브 소스(20)는 마이크로파 웨이브를 발생시켜 유전체 공진기(50)에 인가하는 역할을 한다. 이때, 상기 웨이브 소스(20)는 중앙처리부(10)의 제어에 따라 특정 주파수만을 갖는 웨이브를 발생시켜 유전체 공진기(50)에 인가할 수도 있고, 복수의 주파수 분포를 갖는 웨이브 스펙트럼을 발생시켜 유전체 공진기(50)에 인가할 수도 있다. 예컨대, 상기 웨이브 소스(20)는 대략 10MHz 내지 20GHz 범위에서 안정된 마이크로파를 제공하는 HP83620A일 수 있다.

웨이브 소스(20)에서 발생된 마이크로파 웨이브는 입력선(54)을 통해 유전체 공진기(50) 내에 공급된다. 그러면, 유전체 공진기(50)의 공진주파수에서 최대값을 갖는 분포 형태를 하는 스펙트럼이 탐침(60)을 통해 샘플(80)에 인가된다. 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 상호작용에 의해 변형된 마이크로파 웨이브는 다시 상기 탐침(60)을 통해 유전체 공진기(50)로 인가되고, 검출부(30)는 이를 검출하여 결과 데이터를 중앙처리부(10)에 전달한다. 검출부(30)는 변형된 웨이브의 크기를 측정하는 파워 미터(31) 및 변형된 웨이브의 주파수를 측정하는 스펙트럼 분석기(34)를 포함할 수 있다. 중앙처리부(10)는 변형된 웨이브의 크기 및 주파수를 입력된 웨이브의 크기 및 주파수와 비교하여 샘플(80)의 표면 형상을 계산하고 그 결과를 화상 처리부(70)에 전달한다. 여기서, 화상 데이터 생성 알고리즘을 포함하는 화상 처리 방법은 이미 공지된 것이고 본 발명의 범위를 벗어나는 것이므로 그 설명을 생략한다.

이렇게 해서 샘플(80)의 한 지점에 대한 조사가 완료되면, 중앙처리부(10)의 제어에 따라 이동장치(40)를 통해 유전체 공진기(50)의 위치를 샘플(80)의 다른 지점으로 이동시켜 동일한 조사 작업을 수행한다. 이때, 샘플(80)의 각 지점을 대략 0.02㎛ 단위로 이동하여 조사하는 것이 적당하다. 또한, 육안으로는 매우 매끄러운 표면도 미시적으로는 매우 거칠기 때문에, 이동하는 동안 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 거리가 미세하게 변하게 된다. 따라서, 이동하는 동안 거리 조절부를 통해 탐침(60)과 샘플(80) 사이의 거리를 일정하게 유지하여야 한다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 유전체 공진기(50)와 외부 장치들 사이에 최대 출력을 주고 받기 위해서는 유전체 공진기(50)와 외부 장치가 서로 정합되어야 한다. 이를 위해서 상기 검출부(30)는 유전체 공진기(50)의 임피던스, 공진주파수 등과 같은 제반 특성을 확인할 수 있는 회로망 분석기(32)를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 사용자는 상기 회로망 분석기(32)의 분석 결과를 보면서, 입력선(54)과 출력선(56)의 커플링 루프 및 튜닝 스크류(52)를 회전시켜 상기 유전체 공진기(50)가 정합되도록 한다. 바람직하게는, 중앙처리부(10)의 조작에 따라 상기 커플링 루프 및 튜닝 스크류(52)가 소정의 각도로 회전하도록 제어할 수 있다. 이러한 정합 작업은 샘플(80)을 조사하기 전에도 이루어져야 하지만, 탐침(60)과 샘플(80) 사이에 상호작용으로 정합 조건이 변경될 수 있으므로 샘플(80)을 조사하고 있는 동안에도 수행될 필요가 있다.

도 17a 내지 도 17d는 이러한 본 발명에 따라 유전체 공진기를 사용하는 근접장 현미경의 분해능을 확인하기 위한 도면이다. 먼저, 도 17a 및 도 17b는 각각 크롬(Cr) 라인 패턴 샘플의 광학 사진 및 마이크로파 근접장 현미경으로 얻은 2차원 이미지이다. 실험은 유전체 공진기(50)에서 투과되서 나오는 신호의 크기를 파워 미터(power meter)로 측정하여 수행되었다. 이때 사용한 주파수는 4.46GHz이다. 물론, 실험에 앞서 유전체 공진기의 임피던스 매칭을 하였다. 도 17c 및 도 17d는 각각 도 17a에서 a-a'와 b-b' 단면을 나타낸다. a-a' 단면에서의 공간분해능은 다음과 같이 계산될 수 있다. 도 17c를 참조하여, 파워 미터에서 측정된 최대 출력 파워 크기의 절반이 되는 지점에서의 폭은 7.6㎛ 이었다. 실제 사용된 크롬 라인 패턴의 폭은 6.6㎛이다. 따라서, 측정한 폭에서 크롬 라인의 폭을 뺀 1㎛가 본 발명에 따른 유전체 공진기를 사용하는 근접장 현미경의 공간분해능에 해당한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 근접장 현미경은 유전체 공진기에 결합된 탐침을 통해 전달된 웨이브와 샘플 사이의 상호 작용에 의해 입력 저항과 공진 주파수가 변하는 것을 측정함으로써 샘플의 광학적 특성을 알아 낼 수 있다. 이와 같이 유전체 공진기를 사용할 경우 유전체 공진기의 구조적 특징에 의해 다음과 같은 여러 가지 장점이 있다.

첫째, 본 발명에 따른 근접장 현미경은 유전율이 높은 유전체를 사용하므로 소형화가 가능하다.

둘째, 본 발명에서 유전체 공진기는 안정성이 강한 유전체를 사용할 뿐만 아니라, 유전체가 금속 공진기에 의해 밀폐되어 있으므로 온도 등의 외부 영향을 상대적으로 적게 받는다.

세째, 유전체 공진기의 탐침과 튜닝 포크를 이용하여 샘플과 탐침 사이의 거리 조절이 용이하며 수직, 수평에 관계없이 다양한 방향에서 샘플을 관찰 할 수 있다.

네째, 유전체 공진기를 사용하는 본 발명에 따른 근접장 현미경은, 종래의 근접장 현미경과는 달리, TE, TM, HEM 등의 다양한 모드의 사용이 가능하기 때문에 시료에 따라 적당한 모드를 선택하여 관찰하는 것이 가능하다.

마지막으로, 본 발명에 따른 근접장 현미경은 하이브리드형 탐침을 사용하므로 감도와 분해능이 증가한다.

도 1은 종래의 동축선을 이용한 근접장 현미경을 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 슬릿이 형성된 도파관을 이용한 근접장 현미경을 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 근접장 현미경에서 사용하는 유전체 공진기의 구조를 도시한다.

도 5a 내지 도 5d는 커플링 루프가 수평으로 유전체 공진기와 결합하고 있을 때의 사시도, 주파수 특성 그래프, 자계와 전계의 필드 분포를 각각 도시한다.

도 6a 내지 도 6d는 커플링 루프가 수직으로 유전체 공진기와 결합하고 있을 때의 사시도, 주파수 특성 그래프, 자계와 전계의 필드 분포를 각각 도시한다.

도 7a 내지 도 7f는 커플링 루프가 45°로 유전체 공진기와 결합하고 있을 때의 사시도, 주파수 특성 그래프, 자계와 전계의 필드 분포를 각각 도시한다.

도 8a 내지 도 8c는 커플링 루프가 각각 수평, 수직, 45°로 유전체 공진기와 결합하고 있을 때의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.

도 9a는 튜닝 스크류와 유전체 사이의 거리(L)을 나타내는 도면이다.

도 9b는 튜닝 스크류와 유전체 사이의 거리의 변화에 따른 유전체 공진기의 공진주파수 및 Q인자의 변화를 도시하는 그래프이다.

도 10a는 샘플이 없을 경우, 튜닝 스크류를 이용하여 유전체 공진기의 임피던스를 50Ω으로 조절했을 때의 스미스 도표를 도시한다.

도 10b는 샘플이 탐침에 근접하였을 경우의 스미스 도표를 도시한다.

도 10c는 유전체 공진기의 임피던스를 다시 50Ω으로 조절했을 때의 스미스 도표를 도시한다.

도 10d는 상기 도 10a 내지 도 10c에서의 공진주파수의 변화를 도시한다.

도 11은 탐침의 끝단과 샘플과의 상호작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 12a 내지 도 12f는 각각 탐침의 모양에 따른 마이크로파 근접장 현미경의 감도와 공간분해능을 설명하기 위한 도면이다.

도 13은 본 발명에 따른 탐침과 샘플 사이의 거리 조절부의 도시한다.

도 14는 탐침을 부착한 튜닝 포크에 입력되는 전류의 주파수에 대한 출력 전류의 공진 특성 그래프이다.

도 15는 탐침이 샘플 표면으로 20nm씩 다가감에 따른 튜닝 포크의 공명 특성 그래프이다.

도 16은 공명 진동수로 튜닝 포크를 진동시키면서 일정한 거리 간격으로 탐침을 샘플에 접근시켰을 때의 접근 곡선을 나타낸다.

도 17a 및 도 17b는 각각 샘플의 광학 사진 및 마이크로파 근접장 현미경으로 얻은 2차원 이미지이다.

도 17c 및 도 17d는 각각 도 17a의 샘플에 대한 단면을 나타낸다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

10.....중앙처리부 20.....웨이브 소스

30.....검출부 31.....파워 미터

32.....회로망 분석기 33.....스펙트럼 분석기

40.....이동장치 50.....유전체 공진기

51.....금속 공진기 52.....튜닝 스크류

57.....유전체 60.....탐침

62.....튜닝 포크 65.....락-인 증폭기

Claims

웨이브의 주파수를 조절할 수 있는 웨이브 소스;

상기 웨이브 소스로부터 출사된 웨이브가 진행하는 유전체 공진기;

상기 유전체 공진기를 통해 진행하는 웨이브를 샘플에 조사하기 위한 탐침;

상기 탐침을 통해 전파되어 샘플과 상호작용한 후 상기 탐침과 유전체 공진기를 통해 진행된 웨이브를 검출하는 검출부;

상기 검출부로부터 결과 데이터를 받아 시각적으로 확인할 수 있는 화상 데이터를 생성하는 중앙처리부; 및

상기 중앙처리부에서 생성된 데이터를 디스플레이 하는 화상 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 1 항에 있어서,

상기 중앙처리부의 제어에 따라 샘플과 유전체 공진기 사이의 상대적 위치를 이동시키기 위한 이동장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 웨이브 소스는 상기 중앙처리부의 제어에 따라 특정 주파수의 웨이브를 발생시키는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 웨이브 소스는 상기 중앙처리부의 제어에 따라 복수의 주파수를 갖는 웨이브 스펙트럼을 발생시키는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 유전체 공진기는:

유전체;

상기 유전체를 둘러싸는 금속 공진기;

상기 웨이브 소스에 의해 발생한 웨이브를 상기 유전체 공진기 내에 인가하기 위한 입력선; 및

샘플과 상호작용한 후 상기 탐침을 통해 유전체 공진기로 진행된 웨이브를 상기 검출부로 인가하기 위한 출력선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 5 항에 있어서,

상기 금속 공진기의 내벽과 상기 유전체 사이에 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 6 항에 있어서,

상기 입력선 및 출력선은 상기 금속 공진기를 관통하여 설치되며, 상기 입력선 및 출력선의 일측 단부가 상기 유전체와 대향하도록 상기 금속 공진기의 내벽과 유전체 사이의 공간 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 7 항에 있어서,

상기 유전체 공진기 내부에 있는 입력선 및 출력선의 일측 단부는 직선 형태 또는 소정의 각도로 휘어진 커플링 루프(coupling loop)의 형태인 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 8 항에 있어서,

상기 입력선 및 출력선의 일측 단부가 커플링 루프의 형태인 경우, 입력선의 단부에 형성된 제 1 커플링 루프와 출력선의 단부의 형성된 제 2 커플링 루프를 회전시킴으로써 상기 유전체 공진기의 공진주파수, 임피던스 및 전자기파 모드를 조절하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 9 항에 있어서,

상기 유전체 공진기의 공진주파수 및 임피던스를 미세하게 조절하는 튜닝장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 10 항에 있어서,

상기 튜닝장치는 상기 금속 공진기를 관통하여 상기 유전체와 대향하도록 삽입된 스크류(screw)인 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 11 항에 있어서,

상기 스크류는 상기 유전체 공진기 내에 삽입된 깊이를 조절함으로써 상기 유전체 공진기의 공진주파수, Q인자 및 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 커플링 루프 및 튜닝장치는 상기 중앙처리부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유전체 공진기의 임피던스가 50Ω을 유지하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 4 항에 있어서,

상기 탐침의 일측 단부는 샘플과 대향하며, 타측 단부는 상기 유전체 공진기의 금속 공진기를 관통하여 상기 유전체와 대향하도록 설치된 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 15 항에 있어서,

상기 유전체 공진기 내부에 있는 탐침의 타측 단부 부분은 직선 형태 또는 커플링 루프의 형태인 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 15 항에 있어서,

상기 탐침의 몸통은 일정한 직경을 유지하며, 상기 탐침의 끝단은 급격하게 직경이 감소하도록 제작된 하이브리드 탐침인 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 17 항에 있어서,

상기 탐침의 몸통 직경은 실질적으로 1mm이고, 상기 탐침 끝단의 직경은 1 내지 10㎛의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탐침은 금속, 유전체 또는 자성체 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 중앙처리부의 제어에 따라 상기 탐침과 샘플 사이의 거리를 미세하게 조절하는 거리 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 20 항에 있어서,

상기 거리 조절부는:

한 쪽면에 상기 탐침이 부착되는 튜닝 포크(tuning fork); 및

상기 탐침이 부착된 상태에서의 튜닝 포크의 공명 진동수에 해당하는 주파수의 교류 전압을 튜닝 포크에 인가하고, 상기 튜닝 포크로부터의 출력 전류값을 측정하는 락-인 증폭기(Lock-in amplifier);를 포함하는 것을 특징으로 하느 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 21 항에 있어서,

상기 중앙처리부는, 상기 탐침과 샘플 사이의 거리와 상기 출력 전류값 사이의 관계가 미리 기록된 룩업테이블을 참조하여, 상기 출력 전류값으로부터 상기 탐침과 샘플 사이의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 22 항에 있어서,

상기 중앙처리부는, 상기 탐침과 샘플 사이의 거리와 상기 출력 전류값 사이의 피드백을 통해 상기 출력 전류값을 기준값에 맞춤으로써 상기 탐침과 샘플 사이의 거리를 소망하는 거리로 제어하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 검출부는:

샘플과 상호작용한 후 상기 탐침과 유전체 공진기를 통해 진행된 웨이브의 크기를 측정하는 파워 미터; 및

샘플과 상호작용한 후 상기 탐침과 유전체 공진기를 통해 진행된 웨이브의 주파수를 측정하는 스펙트럼 분석기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.
제 24 항에 있어서,

상기 검출부는, 유전체 공진기의 삽입손실 및 정합 여부를 측정하기 위한 회로망 분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기를 이용한 근접장 현미경.