KR20060119464A - 개구부와 나노 스케일의 팁을 구비하는 다기능 주사 탐침 - Google Patents

개구부와 나노 스케일의 팁을 구비하는 다기능 주사 탐침 Download PDF

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KR20060119464A
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Abstract

본 발명은 탐침에 관한 것으로서, 특히 주사형 탐침 현미경(SPM; Scanning Probe Microscope)에 사용되는 주사 탐침에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 빔이 통과할 수 있으며 그 직경이 통과하는 빔의 파장보다 작은 개구부가 형성된 몸체와, 상기 개구부를 통과한 빔이 증폭되도록 상기 개구부 근처의 몸체로부터 돌출되어 있으며 끝단이 뾰족한 미세팁을 포함하는 주사 탐침이 제공된다. 상기 주사 탐침에 있어서, 상기 주사 탐침은 캔틸레버형으로서 끝부분에 상기 개구부와 미세팁이 마련되는 아암을 포함할 수 있다. 상기 주사 탐침에 있어서, 상기 주사 탐침은 광화이버형으로서 선단에 상기 개구부와 미세팁이 마련될 수 있다.
탐침, 개구부, 팁, 패터닝, 근접장, 캔틸레버, 광화이버

Description

개구부와 나노 스케일의 팁을 구비하는 다기능 주사 탐침{MULTIFUNCTIONAL SCANNING PROBE WITH APERTURE AND TIP OF NANO SCALE}
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 캔틸레버형 탐침을 구비하는 주사형 탐침 현미경의 개략적인 구성을 도시한 도면
도2는 도1에 도시한 탐침에서 개구부가 마련된 부분을 확대하여 도시한 사시도
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광화이버형 탐침을 구비하는 주사형 탐침 현미경의 개략적인 구성을 도시한 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50 : 탐침 51 : 아암
52 : 개구부 53 : 몸체
54 : 미세팁 60 : 탐침변위 측정부
80 : 미세이동장치 100 : 전압인가부
본 발명은 탐침('프로브'라고도 한다)에 관한 것으로서, 특히 주사형 탐침 현미경(SPM; Scanning Probe Microscope)에 사용되는 주사 탐침에 관한 것이다.
주사형 탐침 현미경 중 근접장 주사 광학 현미경(NSOM; Near-field Scanning Optical Microscope)은 빔의 파장보다 작은 개구를 갖는 탐침을 구비함으로써 근접장(near-field) 현상을 이용하여 빔의 파장보다 더 짧은 광분해능을 가지게 된다. 이러한 근접장 주사 광학 현미경은 뛰어난 광학정보를 제공하나 이에 비해 형상(topology)정보의 정밀도가 낮다는 단점을 가지고 있다. 이를 개선하기 위하여 근접장광을 인가하고 AFM(Atomic Force Microscope) 팁에 레이저를 조사하는 방법으로 팁 끝에서 근접장을 형성시키는 방식이 제안된 바 있으나 조사되는 레이저 빔에 의한 배경신호에 의해 사용에 제한이 있다. 또한, 근접장광의 경우 개구의 크기가 작아지면 광 신호가 급격히 작아져서 정밀도에 한계가 있다.
본 발명의 목적은 고정밀의 광학정보 및 형상정보를 동시에 얻을 수 있도록 해주는 탐침 및 그 탐침을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 광학정보 및 형상정보와 함께 전기적 특성을 함께 얻을 수 있도록 해주는 탐침 및 그 탐침을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 고정밀의 패터닝을 가능하게 하는 탐침을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면,
빔이 통과할 수 있으며 그 직경이 통과하는 빔의 파장보다 작은 개구부가 형성된 몸체와,
상기 개구부를 통과한 빔이 증폭되도록 상기 개구부 근처의 몸체로부터 돌출되어 있으며 끝단이 뾰족한 미세팁을 포함하는 주사 탐침이 제공된다.
상기 주사 탐침은 몸체와 연결되는 아암을 구비하여 캔틸레버형일 수 있다.
상기 주사 탐침에 있어서, 상기 주사 탐침의 몸체는 광화이버로 이루어질 수 있다.
상기 주사 탐침에 있어서, 상기 미세팁의 재료는 금, 은, 알루미늄 또는 카본나노튜브(CNT) 중 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기 주사 탐침의 미세팁을 형성하는 방법으로서,
탐침을 금속 코팅하는 하는 단계와,
집속 이온 빔(FIB) 가공, 에칭하는 단계를 포함하는 미세팁 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
상기 주사 탐침의 미세팁을 형성하는 방법으로서,
탐침에 니켈 코팅하는 단계와,
카본나노튜브를 플라즈마 화학 증착(PECVD)으로 성장시키는 단계를 포함하는 미세팁 형성방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
빔이 통과할 수 있으며 그 직경이 통과하는 빔의 파장보다 작은 개구부가 형성된 몸체와, 상기 개구부를 통과한 빔이 증폭되도록 상기 개구부 근처의 몸체로부 터 돌출되어 있으며 끝단이 뾰족한 미세팁을 포함하는 주사 탐침을 포함하는 측정장치를 이용하여 상기 탐침의 미세팁을 시료에 근접시켜 시료를 측정하는 방법으로서,
상기 탐침의 개구부를 통해 시료로 빔을 조사하고 시료로부터 반사되거나 시료를 통과한 빔을 검출하는 과정과,
상기 탐침과 시료 사이의 원자간력을 측정하여 이 신호를 상기 탐침 또는 시료를 미세하게 이동시키는 미세이동장치로 보내는 과정과,
상기 탐침과 시료 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 시료 측정 방법이 제공된다.
상기 시료 측정 방법은 상기 탐침의 개구부를 통해 가공용 레이저빔을 시료에 조사하는 패터닝 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
레이저빔을 시료에 조사하여 패터닝하는 방법으로서,
레이저빔이 통과할 수 있으며 그 직경이 통과하는 레이저빔의 파장보다 작은 개구부가 형성된 몸체와, 상기 개구부를 통과한 레이저빔이 증폭되도록 상기 개구부 근처의 몸체로부터 돌출되어 있으며 끝단이 뾰족한 미세팁을 포함하는 주사 탐침의 상기 개구부를 통해 레이저빔을 시료로 조사하는 단계와,
상기 탐침의 미세팁과 시료가 근접한 상태를 유지하며 상기 탐침 또는 시료를 상기 미세팁과 시료의 거리방향과 대체로 직각인 방향을 따라 평면이동시켜 시료에 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 레이저 패터닝 방법이 제공된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 캔틸레버형 탐침을 구비하는 주사형 탐침 현미경(SPM; Scanning Probe Microscope)에 대한 도면이다. 도1을 참조하면, 주사형 탐침 현미경(10)은 광원(20)과, 미러(30)와, 렌즈(40)와, 캔틸레버형 탐침(50)과, 탐침변위 측정부(60)와, 스테이지(70)와, 미세이동장치(80)와, 전압 인가부(100)와, 제1 광검출기(90)와, 제2 광검출기(91)를 구비한다. 광원(20)은 레이저 광원으로서 레이저빔을 발생시킨다. 본 실시예에서는 광원(20)으로서 펨토초 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. Nd-YAG 레이저와 같은 다른 가공용 레이저가 레이저 광원으로 사용될 수도 있다. 또한, 광원(20)으로서 가시광선에서 deep-UV 영역의 광을 사용할 수도 있다. 미러(30)는 광원(20)에서 발생한 레이저빔을 렌즈(40)를 향해 반사한다. 렌즈(40)는 미러(30)로부터 전송된 레이저빔을 집속하여 탐침(50)의 끝부분에 형성된 개구부(도2의 52)로 입력시킨다.
도1과 도2를 참조하면, 탐침(50)은 캔틸레버형으로서, 길게 연장된 아암(51)과, 아암(51)의 끝부분에 위치하는 몸체(53)를 구비한다. 몸체(53)는 미세한 개구부(52)와, 개구부(52)에 근접하여 형성된 나노스케일의 미세팁(54)을 구비한다. 아암(51)은 미세팁(54) 끝의 원자와 시료(110) 표면의 원자 사이의 힘(원자간 력)에 의해 휘어진다. 개구부(52)의 직경은 개구부(52)를 통과하는 레이저빔의 파장보다 작게 형성된다. 미세팁(54)은 시료(110)와 상호작용하는 끝이 뾰족하다. 미세팁(54)은 그 끝단은 직경이 수십 나노미터 이하로서, 부착되거나 가공, 성장 시켜 형 성된다. 미세팁(54)의 재료로는 금, 은, 알루미늄, 카본나노튜브(CNT)를 포함한다. 미세팁(54)은 탐침의 코팅 후 집속 이온 빔(FIB; Focused Ion Beam) 가공, 에칭의 방법으로 형성되거나 탐침의 코팅 후 카본나노튜브(CNT)를 플라즈마 화학 증착(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)의 방법으로 성장시켜 형성된다. 미세팁(54)은 근접장 광에 대해 안테나 효과를 나타내 나노스케일의 광증폭 효과를 얻을 수 있다. 이는 개구부의 크기가 작아짐에 따라 광신호의 급격한 감소로 인한 정밀도의 한계를 극복하게 해줌으로서 보다 정밀한 NSOM 기능의 수행을 가능하게 한다.
탐침변위 측정부(60)는 광조사부(62)와 수광센서(64)를 구비한다. 광조사부(62)는 몸체(53)가 위치하는 탐침(50)의 아암(51) 끝부분 윗면에 레이저빔을 조사한다. 수광센서(64)는 광조사부(62)로부터 조사된 레이저빔이 탐침(50)의 아암(51)에서 반사된 광선의 각도를 측정한다. 이렇게 함으로서 아암(51)의 휘어진 정도를 미세하게 측정할 수 있다. 측정된 아암(51)의 휘어진 정도를 나타내는 전기적 신호는 미세이동장치(80)로 피드백된다. 미세이동장치(80)는 탐침(50)의 미세팁(54) 끝단과 시료(110)의 표면 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 시료(110)가 놓인 스테이지(70)를 이동시킨다. 이 이동값을 기록하여 시료(110)의 형상(topology)정보를 얻게 된다. 또한 미세이동장치(80)는 스테이지(70)를 탐침(50)의 미세팁(54)과 시료의 거리방향과 직각을 이루는 평면 이동시킨다.
전압 인가부(100)는 탐침(50)과 시료(110) 사이에 전압을 인가하여 시료의 전기적 특성을 측정하는 것이 가능하다. 이는 종래의 EFM(Electrostatic Force Microscope)의 구성 및 작용과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1 광검출기(90)와 제2 광검출기(91)는 각각 스테이지(70)를 사이에 두고 양쪽에 배치된다. 제1 광검출기(90)는 시료(110)가 놓여지는 면을 바라도록 배치되고, 제2 광검출기(91)는 시료(110)가 놓여지는 면의 반대편에 배치된다. 제1 광검출기(90)는 시료(110)로부터 반사된 레이저빔(점선으로 도시)을 검출한다. 제2 광검출기(91)는 시료(110)를 통과한 레이저빔(점선으로 도시)을 검출한다. 제1 광검출기(90)와 제2 광검출기(91)에 의해 시료(110)의 표면지형의 광학정보가 추출된다. 본 실시예에서는 제1 광검출기(90)와 제2 광검출기(91)로서 아발란체 포토 다이오드를 사용한다. 제2 광검출기(91)는 시료(100)가 바이오 물질과 같은 투광성 재료일 때 이용된다.
광원(20)으로부터 탐침(50)의 개구부(52)를 통과하여 시료(110)에 조사된 빔은 패터닝을 수행하며, 시료(110)로부터 반사된 빔과 시료(110)를 통과한 빔은 각각 제1 광검출기(90)와 제2 광검출기(91)에 의해 각각 검출되어 시료(110)의 광학정보를 얻는다. 이때 탐침(50)의 개구부(52)에 인접한 미세팁(54)에 의한 근접장 광의 안테나 효과가 나타나 광증폭 효과를 얻게 되어 고정밀의 패터닝 및 측정이 이루어진다. 즉, 패터닝과 고정밀의 NSOM 기능이 수행된다. 또한 이와 함께 AFM 기능과 EFM 기능이 동시에 수행된다. AFM 기능은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다. 탐침변위 측정부(50)의 광조사부(62)는 탐침(50)의 아암(51) 끝부분 윗면에 레이저빔을 조사한다. 수광센서(64)는 광조사부(62)로부터 조사된 레이저빔이 탐침(50)의 아암(51)에서 반사된 광선의 각도를 측정한다. 이렇게 함으로서 아암(51)의 휘어진 정도를 미세하게 측정할 수 있다. 측정된 아암(51)의 휘어진 정도를 나타내는 전기적 신호는 미세이동장치(80)로 피드백된다. 미세이동장치(80)는 탐침(50)의 미세팁(54) 끝단과 시료(110)의 표면 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 시료(110)가 놓인 스테이지(70)를 이동시킨다. 이 이동값을 기록하여 시료(110)의 형상(topology)정보를 얻어 AFM 기능이 수행된다. EFM 기능은 전압 인가부(100)가 탐침(50)과 시료(110) 사이에 전압을 인가하여 시료의 전기적 특성을 측정함으로서 수행된다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광화이버형 탐침을 구비하는 주사형 탐침 현미경에 대한 도면이다. 도3을 참조하면, 주사형 탐침 현미경(10a)은 광원(20a)과, 렌즈(40a)와, 광화이버형 탐침(50a)과, 진동감지기(60a)와, 스테이지(70a)와, 미세이동장치(80a)와, 광검출기(91a)를 구비한다. 광원(20a), 렌즈(40a), 스테이지(70a), 미세이동장치(80a) 및 광검출기(91a)는 도1에 도시한 실시예의 광원(20), 렌즈(40), 스테이지(70), 미세이동장치(80) 및 제2 광검출기(91)의 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
탐침(50a)은 몸체(53a)가 광화이버로 이루어지는 광화이버형으로서, 선단이 뾰족하게 테이퍼진 형태이다. 상세히 도시되지는 않았으나, 탐침(50a)의 선단에는 도2에 도시된 바와 같은 구성의 개구와 미세팁이 마련된다. 광화이버형 탐침(50a)에 미세팁을 형성하는 방법은 앞서 설명한 캔틸레버형 탐침(도1의 50)에 미세팁을 형성하는 방법과 동일하다. 탐침(50a)은 진동감지기(60a)에 장착된다. 본 실시예에서는 진동감지기(60a)로서 튜닝포크를 사용하는 것으로 한다. 튜닝포크는 탐침을 진동시킴과 동시에 그 진폭의 변화를 측정하는 장치로서, 한국공개특허공보 2001-68003호에 개시된 것과 같은 구성인 것을 사용할 수 있으며 상기 공보에 기재된 사항은 본 명세서의 일부로 참조한다. 진동감지기(60a)에 의해 탐침(50a)과 시료(110a) 사이의 거리에 따른 원자간력이 측정되고 이 신호가 미세이동장치(80a)에 전달된다. 미세이동장치(80a)는 탐침(50a)과 시료(110a)의 표면 사이의 거리가 일정하도록 스테이지(70a)를 이동시키고 그 이동값을 기록하여 시료(110a)의 형상정보를 얻게 된다. 이와 같은 구성에 의해 패터닝 및 NSOM, AFM 기능이 동시에 수행된다.
상기 실시예에서는 미세이동장치에 의해 시료가 이동하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 탐침이 이동하도록 구성될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 구성을 따르면 앞서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는 미세한 개구부를 통과한 레이저빔에 의한 근접장을 이용하여 시료에 대한 측정 및 패터닝이 가능하므로 종래의 원격장(Far-Field) 및 일반 레이저 가공을 이용할 때보다 고정밀의 패터닝이 가능하므로, 고밀도의 광기록기술의 개발이 가능하다. 또한 미세팁을 구비하므로 종래의 개구부를 갖는 탐침보다 시편과의 거리를 더욱 정밀하게 조절할 수 있어 고 해상의 AFM, NSOM, EFM의 기능을 동시에 수행할 수 있다. 그리고 AFM 탐침의 끝단에 레이저빔을 조사하여 근접장을 형성하는 방법보다 배경신호를 감소시킬 수 있어 근접장 측정 및 패터닝이 용이하다.
이상 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 빔이 통과할 수 있으며 그 직경이 통과하는 빔의 파장보다 작은 개구부가 형성된 몸체와,
    상기 개구부를 통과한 빔이 증폭되도록 상기 개구부 근처의 몸체로부터 돌출되어 있으며 끝단이 뾰족한 미세팁을 포함하는 주사 탐침.
  2. 제1항의 주사 탐침에 있어서, 상기 주사 탐침은 몸체와 연결되는 아암을 구비하여 캔틸레버형인 주사 탐침.
  3. 제1항의 주사 탐침에 있어서, 상기 주사 탐침의 몸체는 광화이버로 이루어지는 주사 탐침.
  4. 제1항의 주사 탐침에 있어서, 상기 미세팁의 재료는 금, 은, 알루미늄 또는 카본나노튜브(CNT) 중 하나인 주사 탐침.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 청구항의 주사 탐침의 미세팁을 형성하는 방법으로서,
    탐침을 금속 코팅하는 하는 단계와,
    집속 이온 빔(FIB) 가공, 에칭하는 단계를 포함하는 미세팁 형성 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 청구항의 주사 탐침의 미세팁을 형성하는 방법으로서,
    탐침에 니켈 코팅하는 단계와,
    카본나노튜브를 플라즈마 화학 증착(PECVD)으로 성장시키는 단계를 포함하는 미세팁 형성방법.
  7. 빔이 통과할 수 있으며 그 직경이 통과하는 빔의 파장보다 작은 개구부가 형성된 몸체와, 상기 개구부를 통과한 빔이 증폭되도록 상기 개구부 근처의 몸체로부터 돌출되어 있으며 끝단이 뾰족한 미세팁을 포함하는 주사 탐침을 포함하는 측정장치를 이용하여 상기 탐침의 미세팁을 시료에 근접시켜 시료를 측정하는 방법으로서,
    상기 탐침의 개구부를 통해 시료로 빔을 조사하고 시료로부터 반사되거나 시료를 통과한 빔을 검출하는 단계와,
    상기 탐침과 시료 사이의 원자간력을 측정하여 이 신호를 상기 탐침 또는 시료를 미세하게 이동시키는 미세이동장치로 보내는 단계와,
    상기 탐침과 시료 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 시료 측정 방법.
  8. 제7항의 시료 측정 방법에 있어서, 상기 탐침의 개구부를 통해 가공용 레이저빔을 시료에 조사하는 패터닝 단계를 더 포함하는 시료 측정 방법.
  9. 레이저빔을 시료에 조사하여 패터닝하는 방법으로서,
    레이저빔이 통과할 수 있으며 그 직경이 통과하는 레이저빔의 파장보다 작은 개구부가 형성된 몸체와, 상기 개구부를 통과한 레이저빔이 증폭되도록 상기 개구부 근처의 몸체로부터 돌출되어 있으며 끝단이 뾰족한 미세팁을 포함하는 주사 탐침의 상기 개구부를 통해 레이저빔을 시료로 조사하는 단계와,
    상기 탐침의 미세팁과 시료가 근접한 상태를 유지하며 상기 탐침 또는 시료를 상기 미세팁과 시료의 거리방향과 대체로 직각인 방향을 따라 평면이동시켜 시료에 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 레이저 패터닝 방법.
KR1020050042518A 2005-05-20 2005-05-20 개구부와 나노 스케일의 팁을 구비하는 다기능 주사 탐침 KR20060119464A (ko)

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KR1020050042518A KR20060119464A (ko) 2005-05-20 2005-05-20 개구부와 나노 스케일의 팁을 구비하는 다기능 주사 탐침

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KR100936114B1 (ko) * 2008-02-18 2010-01-11 연세대학교 산학협력단 집속이온빔-화학기상증착법을 통해 형성된 공중부유형 나노와이어를 이용하는 나노센서의 제조방법
US11579167B2 (en) 2020-09-11 2023-02-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Probe for detecting near field and near-field detection system including the same

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