KR20060130543A - 표면 플라즈몬-강화 나노-광 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
나노구조의 광장치는 복수개의 개방부 어레이를 갖는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드를 포함한다. 상기 개방부의 폭은 상기 필름 또는 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작다. 상기 금속 필름 또는 아일랜드는 입사 방사광이 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상의 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 구성된다.
Description
[0001] 본 발명에는 미국 해군연구소(the Office of Naval Research)의 승인번호 00014-99-0663에 따른 미국정부의 권리가 있을 수 있다.
[0002] 본 발명은 크게 광소자(optical device, 광장치)에 관한 것으로서 더욱 구체적으로는 나노구조의 광소자 및 상기 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
[0003] 고전광학에 따르면, 금속막에서 파장보다 작은(sub-wavelength) 개구부를 통한 빛의 투과도는, 지름 d가 파장 λ보다 현저하게 작은 경우, 매우 작고 베테 한계(Bethe limit) T/f ∼ (d/λ)4에 따라 예측할 수 있다. 여기서, T/f는 개구부 면적에 대하여 정규화된 투과도를 나타낸다. 최근, 본 출원에 인용되어 통합되는 미국특허 제5,973,316호, 제6,236,033호 및 Nature, Vol. 391, pp.667-669에 따르면, 입사광이 금속 필름의 표면 플라즈몬과 공진하게 되는 경우 파장보다 작은 금속 필름의 개구부를 통해서도 매우 높은 투과도를 얻을 수 있음이 보고되었다.
[발명의 요약]
[0004] 본 발명의 일 구현예는 광감지기, 및 복수개의 개방부를 포함하는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드로서 상기 개방부의 폭이 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광 중 적어도 하나의 소정의 제 1 파장보다 짧은 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드를 갖는 2차원 파장 분리 장치를 포함하는 다중 스펙트럼 이미징 시스템에 관한 것이다. 상기 금속 필름 또는 아일랜드는 상기 입사 방사광이 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 형성된다. 상기 금속 필름 또는 아일랜드 상의 개방부의 간격 또는 표면 형태는 다양하다. 상기 금속 필름은 단일 금속 필름을 포함할 수도 있고, 복수개의 적층된 금속 필름을 포함할 수도 있다. 상기 금속 아일랜드는 금속 아일랜드의 단일층을 포함할 수도 있고, 복수개의 적층된 금속 아일랜드를 포함할 수도 있다.
[0005] 도 1, 2d 및 3은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 측단면도이다.
[0006] 도 2a, 2b, 2c 및 2e는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 평면도이다.
[0007] 도 2f, 2g 및 2h는 세 개의 상이한 피크 파장을 갖는 빛의 상이한 투과도를 차분 시간영역(FDTD: finite-difference time-domain) 모사결과를 나타낸 그림이다.
[0008] 도 4a는 본 발명의 바람직한 일구현예의 다중 스펙트럼 이미징 시스 템의 사시도이고, 도 4b 및 4c는 그의 평면도이다.
[0009] 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 일구현예의 분석물 광감지 시스템의 사시도이다.
[0010] 도 6은 본 발명의 바람직한 일구현예의 분석물 광감지 시스템의 사용법의 개념도이다.
[0011] 도 7은 본 발명의 바람직한 일구현예의 장치의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0012] 도 8은 도 7의 장치를 제조하기 위해 사용되는 장치의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0013] 도 9a 및 9b는 본 발명의 바람직한 일구현예의 장치의 제조 방법의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0014] 도 9c는 홀로그래픽 리소그래피 시스템의 개념적 평면도이다.
[0015] 도 9d 내지 9i는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 제조 방법을 나타낸 3차원 개념도이다.
[0016] 도 10a, 10b 및 10c는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 나노기공 어레이의 제조 방법의 현미경 사진이다.
[0017] 도 10d는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0018] 도 10e는 도 10d의 장치의 제조에 사용되는 전기도금조의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0019] 도 11a, 11b, 11c 및 11d는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 제조 방법의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0020] 도 12a 및 12b는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 제조 방법을 나타낸 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0021] 도 13a, 13b 및 13c는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 제조 방법을 나타낸 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0022] 도 14는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 3차원도이다.
[0023] 도 15 및 18은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치를 통한 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
[0024] 도 16a, 16b, 16c 및 17은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 현미경 사진이다.
[0025] 도 19a는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 개념적 평면도이다.
[0026] 도 19b는 도 19a의 A-A' 선을 따른 측단면도이다.
[0027] 도 20a 및 20c는 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 투과 스펙트럼 그래프이다.
[0028] 도 20b는 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 투과/반사 스펙트럼의 그래프이다.
[0029] 도 21은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0030] 도 22는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 측단면을 나타낸 개념도이다.
[0031] 도 23 및 24는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 장치의 개념적 평면도이다.
[0032] 도 25는 실시예 5 내지 12에 사용된 실험 장치의 개념적 평면도이다.
[0033] 도 26은 실시예 5, 6 및 7의 투과 스펙트럼 그래프이다.
[0034] 도 27은 선행 기술의 세 필터의 투과 스펙트럼 그래프이다.
[0035] 도 28, 29 및 30은 각각 실시예 8, 9 및 10의 감지기에 대한 투과도 대 위치 그래프이다.
[0036] 도 31a 및 32a는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 파장 분리 장치의 개념적 평면도이다.
[0037] 도 31b는 도 31a의 장치의 현미경 사진이다.
[0038] 도 32b는 도 32a의 장치의 감지기에 대한 격자 간격 대 위치의 개념적 그래프이다.
[0039] 도 33a는 실시예 11의 장치의 개념도이고, 도 33b는 도 33a의 장치의 감지기에 대한 격자 간격 대 위치의 개념적 그래프이다.
[0040] 도 34a, 34b 및 34c는 실시예 11의 장치의 투과 스펙트럼 그래프이다.
[0041] 도 35a는 실시예 12의 장치의 감지기에 대한 격자 간격 대 위치의 개념적 그래프이고, 도 35b는 실시예 12의 장치의 투과 스펙트럼 그래프이고, 도 36a 및 36b는 실시예 13 및 14의 투과 스펙트럼 그래프이고, 도 36c는 실시예 15의 장치에 대한 투과능(transmission power) 대 위치의 그래프이다.
[0042] 본 발명의 발명자들은 다중 스펙트럼 이미징 시스템(multispectral imaging system) 및 분석물 광감지 시스템(optical analyte detection system) 뿐만 아니라 모노크로메이터(monochromator) 및 스펙트럼 분석기를 포함하는 컴팩트 파장 분리 장치(compact wavelength separation system)과 같은 광학 장치가 방사광의 플라즈몬 공진 강화 효과에 기초할 수 있음을 인식하였다. 금속 필름 또는 금속 아일랜드의 개방부 간격 또는 표면 형태는, 이미징 및 감지 시스템의 2차원 파장 분리 장치 부분을 형성하기 위해 금속 필름 또는 아일랜드의 다른 부분 또는 셀과 달라진다.
[0043] 상기 파장 분리 장치는 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 파장보다 짧은 폭을 갖는 복수개의 개방부의 2차원 어레이를 갖는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드를 포함한다. 상기 금속 필름은 단일 금속 필름을 포함하거나 적층된 복수개의 금속 필름의 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 아일랜드는 단일층의 금속 아일랜드를 포함하거나 적층된 복수개의 금속 아일랜드의 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 필름 또는 아일랜드는 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상에서 입사하는 방사광이 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 동조하도록 형성된다. 개방부를 통해 투과되는 강화 방사광은 두 개의 상이한 피크 파장을 갖는 패스밴드(passband) 범위를 적어도 두 개 가지며, 바람직하게는 상이한 피크 파장을 갖는 상이한 패스밴드 범위를 셋 이상, 예를 들면 열 개 이상 갖는다.
[0044] 도 1은 적층된 1차원(1D) 슬릿 어레이를 마이크론 규모 모노크로메이터 장치(101)로 사용하는 파장 분리의 개념도이다. 도 2a는 상기 장치(101)의 상면을 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, λ1 내지 λn의 파장 범위를 갖는 입사 방사광이 복수개의 개방부(107)를 갖는 금속 필름(105)상에 제공된다. 상기 개방부의 폭은 입사 방사광의 파장 중 적어도 하나의 파장보다 작아서, 상기 입사 방사광이 상기 금속 필름 상에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 동조한다. 투과된 상기 방사광은 상이한 피크 파장 λi, λj, 및 λk를 갖는 복수개의 패스밴드로 동시에 분리될 수 있도록 복수개의 개방부를 통하여 제공된다. 상기 입사 방사광은 상기 필름(105)의 어느 한 면에 제공될 수 있다.
[0045] 바람직하게는, 400 nm 내지 700 nm(즉, 가시광선)와 같이 700 nm 미만의 피크 파장을 갖는 방사광이 입사 방사광으로 사용된다. 이러한 경우, 상기 개방부(7)는 15 내지 200 nm와 같이 700 nm 미만의 폭을 갖고, 바람직하게는 40 내지 60 nm의 폭을 갖는다. 적외선 방사광과 같이 더 긴 파장을 갖는 입사 방사광의 경우에, 상기 개방부는 비례적으로 더 큰 폭을 가질 수 있다.
[0046] 본 장치(101)에서, 금속층 또는 필름(105)이 방사광 투명 기판(103) 위에 형성된다. 그러나, 그 대신에 지지 기판 없이 독립적으로 지지되는(freestanding) 금속 막 필름 또는 기판 상에 형성된 금속 아일랜드를 사용할 수도 있다. 예를 들면, 도 2b는 투명 영역(7)으로 분리된 금속 아일랜드(5)를 포함하는 파장 분리 장치(1)를 나타낸다.
[0047] 상기 금속 필름(105)은 셀 패턴을 이루며 주기적으로 배열된 슬릿형 개방부(107)를 포함한다. 상기 슬릿은 길이가 폭보다 적어도 열 배 이상 크다. 그러나, 상기 개방부(107)은 원형, 타원형, 다각형 또는 불규칙한 모양과 같이 다른 적절한 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 2c는 원형 개방부(207)의 그룹이 셀 208A, 208B 및 208C에 배열된 금속 필름(205)를 포함하는 장치(201)를 나타낸다.
[0048] 상기 금속 필름(105)은, 각 셀 내에서 개방부(107)의 격자 간격이 이 실질적으로 동일한 경우, 적어도 두 개의 셀과 같이, 원하는 수의 셀 또는 영역(108)으로 분할된다. 그러나, 셀 사이에는 상기 개방부(107)의 격자 간격이 상이하다. 다시 말해, 각 셀에서 상기 개방부(107)는 그 셀에서 이웃하는 개방부와 거의 동일한 거리로 이격되어 있다. 그러나, 셀이 다르면 이 거리도 다르다. 예를 들면, 도 1에 108A, 108B 및 108C 세 셀을 나타내었다.
[0049] 각 셀(108)에서 상기 개방부(107)의 격자 간격은 투과 스펙트럼에서 특정 피크 파장에 패스밴드를 만들도록 설계된다. 따라서, 제 1 셀(108A)의 개구부 간격 때문에 하나의 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 강화된다. 제 2 셀(108B)의 상이한 개구부 간격 때문에 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 강화된다.
[0050] 상기 장치(101)은 바람직하게는 적어도 열 개의 셀을 포함하고, 더욱 바람직하게는 30 내지 3,000 셀과 같이 적어도 30 셀, 예를 들면 30 내지 1,000 셀을 포함한다. 각 셀의 개방부 간격은 다른 셀의 개방부 간격과 다르다. 각 셀에서 개방부를 통한, 상이한 피크 파장을 갖는 패스밴드 방사광의 투과는 개별 셀의 개방부의 간격으로 인하여 강화된다. 바람직하게는, 각 셀(108)을 통하여 투과되는 상기 패스밴드 방사광은 다른 셀(108)을 통하여 투과되는 방사광의 피크 파장보다, 적어도 10 nm와 같이, 적어도 10 nm와 같이 적어도 1 nm, 예를 들면 10 내지 100 nm 만큼 차이가 있는 피크 파장을 갖는 것이 바람직하다.
[0051] 표면 플라즈몬의 전파(propagation) 길이는 약 5 내지 약 10 마이크론으로 추정된다. 이러한 값과 비슷하거나 더 큰 값의 셀 크기가 충분한 플라즈몬 상호작용을 할 수 있기 때문에 바람직하다. 예를 들면, 10 μm 셀은 0.5 μm 피크 패스밴드 파장을 가정하면 격자의 약 30 주기에 해당한다. 상기 셀 크기는 10 마이크론 또는 그 이상과 같이, 5 마이크론보다 클 수 있으며, 예를 들면 10 내지 10,000 마이크론일 수 있다. 또, 셀당 격자의 수는 셀 크기 및 피크 패스밴드 파장에 따라 달라진다.
[0052] 상업적으로 입수할 수 있는 CCD 장치의 통상적인 픽셀 사이즈와 일치하기 때문에, 5 내지 20 마이크론과 같이 약 10 마이크론의 셀(108) 크기가 바람직하다. 어레이의 높은 밀도를 위해(즉, 더 나은 공간 해상도를 위해), 가능한한 셀 크기를 작게 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 제조의 편이를 위해 상기 셀 크기는 약 50 내지 500 μm 까지 커질 수 있다. 그러면, N-채널 모노크로메이터 어레이(101)의 전체 크기는 대략 N × (50-500) μm가 될 것이다. 상기 N-채널 모노크로메이터 어레이는 N개의 셀(108)을 갖는 것이 바람직하며, 여기서 N은 10 내지 10,000의 정수이다.
[0053] 바람직하게, 각 셀의 개방부의 간격은 약 250 nm 내지 약 700 nm의 범위에 있고, 각 개방부의 폭은 가시광 입사 방사광에 대하여 약 20 nm 내지 약 80 nm의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 개방부(107)의 폭은 적외선 입사 방사광보다 클 수 있다.
[0054] 상기한 1×N 어레이 패턴의 대안적 디자인은 처프 격자(chirped grating)(즉, 개방부) 패턴을 이용하는 것이다. 다시 말해, 상기 격자 간격(즉, 개방부의 간격)이 거리 L을 따라 연속적으로 처프된다. 만일 방사광 감지기가 파장 분리 장치와 함께 사용된다면, 상기 감지기 픽셀 크기 W가 필터와 같은 파장 분리 장치의 유효 셀 크기를 정의하고, 어레이 채널의 총 수는 L/W가 될 것이다. 본 디자인의 장점은 전체 모노크로메이터 어레이가 후술하는 바와 같이 단일 홀로그래픽 리소그래피 공정에 적용될 수 있다는 점이다.
[0055] 도 2d 및 2e는 본 발명의 바람직한 제 2 구현예에 따른 파장 분리 장치(11)를 나타낸다. 상기 제 2 구현예에서, 금속 필름 또는 금속 아일랜드(15)는 도 2d에 나타낸 바와 같이, 금속 필름 또는 아일랜드(15)의 적어도 한 면에 제공된 주기적인 또는 준주기적인(quasi-periodic) 표면 지형(12)을 갖는다. 원한다면, 상기 금속 필름 또는 아일랜드는 방사광에 투명한 기판(13) 상에 형성될 수 있다. 상기 지형(12)은 상기 개방부(17)에서 방사광의 투과가 향상되도록 형성된다. 상기 주기적인 지형(12)은 입사 방사광과 금속 표면 플라즈몬의 강력한 결합을 제공하는 금속 지형이면 무엇이든 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 지형은 상기 금속 필름 또는 아일랜드(15)의 표면상에, 2차원 격자와 같이 규칙적으로 반복되는(즉, 준주기적이거나 주기적인) 패턴으로 배열되는 적절한 돌출 영역(raised region) 및/또는 함입 영역(depressed region)을 포함할 수 있다. 상기 돌출 영역은 실린더형 돌출부, 반구형 돌출부, 선형 또는 만곡형 리브(rib), 직사각형 리브, 돌출 링 및/또는 돌출 나선을 포함할 수 있다. 상기 함입 영역은 실린더형 함입부, 반구형 함입부, 선형 또는 만곡형 홈(trough), 직사각형 홈, 링 모양 홈 및/또는 나선 모양 홈을 포함할 수 있다. 상기 돌출 또는 함입 영역의 폭 또는 반지름은 이러한 지형의 간격보다 작은 것이 바람직하고, 이 간격과 기판 굴절율의 곱은 투과되는 방사광의 원하는 최대 파장보다 작아야 한다.
[0056] 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드(15)는 적어도 두 개의 셀(18)을 포함하며, 바람직하게는 적어도 10 개의 셀과 같이 복수개의 셀을, 더욱 바람직하게는 적어도 30개의 셀을 포함한다. 각 셀 18a, 18b, 18c, 18d는 복수개의 개방부(17)를 적어도 하나 포함한다. 각 셀에서의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형(12) 형태는 다른 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 형태와 상이하다. 바람직한 제 1 구현예에서처럼, 각 셀은 각기 상이한 피크 파장을 갖는 패스밴드 방사광을 투과시키도록 구성된다.
[0057] 도 2a 내지 2c에 나타낸 선형 격자 패턴은 내재적인 기능으로서 편광 감지능이 있지만 어떤 응용장치에서는 필터의 편광 의존성이 바람직하지 않을 수도 있다. 도 2e에 도시된 모노크로메이터 패턴은 투과에 있어서 편광에 둔감하다. 예를 들면, 도 2e에 보인 바와 같이 원형의 격자 패턴(12)은 각 동심 패턴이 동일한 간격을 갖는 주름(corrugation)을 형성하여 사용될 수 있다. 서브 파장 개구부(17)가 각 패턴의 중심에 형성되고, 입사광이 격자 간격으로 결정되는 특정 파장에서 표면 플라즈몬의 공진 여기를 통해 개구부 내로 집중될 것이다. 상이한 간격을 갖는 원형의 격자 패턴을 도 2e에 나타낸 바와 같이 2×2 어레이와 같은 2차원 어레이로 배열하면 편광에 둔감한 4-채널 스펙트럼 분석기를 얻는다.
[0058] 제 2 구현예의 다른 바람직한 태양에서, 상기 표면 지형(12)는 표면 플라즈몬 결합을 금속에 포함시키는 비금속 물질을 포함하는 지형을 포함한다. 일 실시예에서, 상기 금속 표면에 이웃하는 유전층 또는 주변 매체의 굴절율은 금속 표면의 지형적 변화 없이(즉, 금속 표면의 주름/압입(indentation) 없이) 주기적으로 또는 준주기적으로 변화된다. 예를 들면, 편평한 또는 주름진 금속 표면상에 형성된 유전층의 주기적인 배열은 금속에 표면 플라즈몬 결합을 일으킬 수 있다. 따라서, 도 2d에서 부재(12)는 편평한 금속 필름 또는 아일랜드(15) 표면에 형성되고 주기적으로 또는 준주기적으로 배열된 유전물질 지형을 가리킬 수 있다. 선택적으로, 가변(variable) 굴절율을 갖는 평면 또는 직조형 유전층이 플라즈몬 결합에 사용될 수 있다. 평면 유전층에서 가변 굴절율은 금속 필름 또는 아일랜드에서 층의 폭을 따라 층의 조성을 주기적으로 또는 준주기적으로 변화시킴으로써 이룰 수 있다. 실리카, 석영(quartz), 알루미나, 실리콘 나이트라이드와 같은 적절한 유전 물질이면 무엇이든 사용될 수 있다.
[0059] 바람직한 제 2 구현예에서, 상기 개방부 또는 투명 영역(17)은 개방부(17)의 간격이 방사광의 투과 강화에 실질적으로 기여하지 않도록 제 1 구현예에서의 간격보다 훨씬 큰 간격 a0만큼 분리되어 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 간격 a0는 표면 플라즈몬의 유효 전파 거리와 같은 것이 바람직하고, 가시광선이 조사되는 은(Ag) 아일랜드에 있어서 5 마이크론 이상, 바람직하게는 5 내지 10마이크론인 것이 바람직하다.
[0060] 도 2f, 2g 및 2h는 입사광의 피크 파장보다 작은 폭의 개방부를 복수개 포함하는 금속 아일랜드 또는 금속 필름을 포함하는 동일한 파장 분리 장치를 통과하는 세 개의 상이한 파장을 갖는 빛의 상이한 투과도를 차분 시간영역(FDTD: finite-difference time-domain) 모사결과를 나타낸 그림이다. 구체적으로, 도 2f, 2g 및 2h에 나타낸 모사에서 입사광의 피크 파장은 각각 540 nm, 680 nm 및 1500 nm이었다.
[0061] 모노크로메이터 또는 나노 광필터 어레이와 같은 파장 분리 장치는 매우 컴팩트하게 만들어질 수 있으며, 상기 파장 분리는 매우 컴팩트한 공간에서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 크기가 회절 광학에 의한 제한 없이 방사광 전파 방향을 가로지르는 방향(즉, 길이)을 따라서는 마이크로미터 규모의 면적을 갖고 길이 방향(즉, 방사광 전파 방향)으로는 실질적으로 0의 길이(즉, 0.1 마이크론 미만과 같이 적층체의 두께)를 가질만큼 작게 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 모노크로메이터의 길이, 폭 및 두께는 각각 1 cm보다 작다. 더욱 바람직하게, 상기 모노크로메이터의 길이는 100 마이크론보다 작고 그의 두께는 10 마이크론보다 작다.
[0062] 금속 필름의 또는 금속 아일랜드 사이의 슬릿형 개방부인 경우에서(즉, 1차원 격자 경우), 서브 파장을 통한 광투과는 입사광의 편광에 의존한다. 예를 들면, TE 편광에 있어서(즉, 전기장(E-field)이 격자선에 평행한 경우), 표면 플라즈몬이 종파이므로 전기장 방향으로의 격자 벡터가 없기 때문에 표면 플라즈몬이 여기되지 않는다. 따라서, TE 편광의 투과는 TM 편광보다 훨씬 낮을 것으로 예측된다. 이러한 편광 의존성은 입사광의 편광(및 그의 공간 분포)을 감지하는 데 이용될 수 있다. 선택적으로, 상기 파장 분리 장치는 편광 필터로서 사용될 수도 있다.
[0063] 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 및 구리(Cu)와 같은 적절한 금속이면 무엇이든 금속 필름 또는 금속 아일랜드를 형성하는 데 사용될 수 있다. 은, 알루미늄, 금, 구리 또는 이들의 합금을 포함하여, 9 내지 10 eV 범위에서 벌크 플라즈몬 주파수를 보이는 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 광스펙트럼 범위(가시광선 내지 적외선(Vis-to-IR))에서 관찰할 수 있는 프라즈몬-유발 현상(plasmon-induced phenomena)을 만든다. 알루미늄과 구리는 집적회로 칩 및 광감지기의 배선용 금속으로 흔히 사용된다. 따라서, 상기 파장 분리 장치의 금속 필름 또는 아일랜드는 칩 및 광감지기를 형성할 때 사용되는 것과 같은 동일한 반도체 제조 설비를 이용하여 제조할 수 있다.
[0064] 본 발명의 바람직한 제 3 구현예에서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 앞선 두 구현예의 파장 분리 장치(301)는 스펙트럼 분석 장치(304)를 형성하기 위해 광감지기(302)와 함께 사용된다. 가시광선, 자외선 및/또는 적외선 패스밴드로 투과되는 방사광을 감지할 수 있는 장치면 무엇이든 광감지기(302)로 사용될 수 있다. 상기 광감지기(302)는 파장 분리 장치(301)을 통하여 투과되는 방사광을 감지하도록 조작된다.
[0065] 바람직하게는, 반도체 광감지기 어레이와 같은 어레이 고상 광감지기 셀이 광 감지기로서 사용된다. 가장 바람직하게는, 전하결합소자(CCD: charge coupled device), CMOS 활성 픽셀 센서 어레이 또는 초점면(focal plane) 어레이가 광감지기로 사용된다. 도 3에 나타낸 광감지기(302)는 반도체 또는 다른 적절한 기판과 같은 기판(313), 및 복수개의 광감지 픽셀 또는 셀(306)을 포함한다. 바람직하게는, 각 광감지기 셀 또는 픽셀(306)은 파장 분리 장치(301)의 각 개별 셀로부터 주어진 피크 파장을 갖는 패스밴드 방사광을 감지하도록 형성된다. 상기 파장 분리 장치(301)는 금속 필름 또는 아일랜드(305) 및 선택적으로 방사광에 투명한 기판(303)을 포함한다.
[0066] 상기 광감지기(302)는 금속 필름 또는 아일랜드를 통과한 근거리(near-field) 출력을 감지하기 위해 선택적으로 상기 금속 필름 또는 아일랜드(305)의 출력면에 결합될 수 있다(즉, 접촉하거나 근방에). 각 감지기 셀의 출력은 디스플레이 및 가공을 위해 전자적으로 처리된다. 바람직하게는, 컴퓨터 또는 특수 목적의 마이크로프로세서와 같은 프로세서가 광감지기의 각 셀에 의해 감지되는 방사광의 세기를 결정하기 위해 제공된다. 따라서, 상기 광감지기(302)는 바람직하게는, 파장 분리 장치와 광감지기 사이에 회절 광학을 사용하지 않고 금속 필름 또는 금속 아일랜드(305)에 선택적으로 결합된다.
[0067] 본 발명의 바람직한 일구현예에서, 스펙트럼 분석기(304)의 방사광 투과 방향의 두께는 1 cm 미만이고 방사광 투과 방향의 수직방향으로의 스펙트럼 분석기(304) 길이는 1 cm 미만이다.
[0068] 본 발명의 바람직한 제 4 구현예에서, 모노크로메이터가 2차원 어레이 배열로 확장되면 나노광(nanophotonic) 모노크로메이터/스펙트럼 분석기는 다중 스펙트럼 이미징 시스템으로서 사용될 수 있다. 다중 스펙트럼 이미징 시스템은 여러 가지 색채로 구성된 이미지를 형성할 수 있는 시스템이다. 다중 스펙트럼 이미징 시스템의 일예는 물체 또는 풍경의 동적 및/또는 정적 컬러 디지털 이미지를 포착할 수 있는 컬러 디지털 카메라이다. 다중 스펙트럼 이미징 시스템의 다른 예는 야간 투시 카메라와 같이 적외선을 발산하는 물체를 가시 색채의 디지털 이미지로 형성시키는 적외선 카메라다. 상기 카메라는 광감지기에 의해 감지된 방사광에 근거하여 컬러이미지(즉, 시각적으로 관찰할 수 있는 이미지로 변환할 수 있는 데이터 또는 실제로 시각적으로 관찰할 수 있는 이미지)를 형성하는, 컴퓨터와 같은 프로세서, 특수 목적 마이크로프로세서, 또는 논리 회로를 포함한다. 다중 스펙트럼 이미징 시스템은 디지털 형태(즉, 컴퓨터 메모리 또는 CD/DVD ROM과 같은 컴퓨터에서 읽을 수 있는 매체 상에 데이터 형태로), 디지털 디스플레이 형태(즉, 스크린 상에 정적 또는 동적 영상으로) 및/또는 종이에 인쇄된 컬러사진과 같이 시각적으로 관찰할 수 있는 유형의 매체에 인쇄된 인쇄물로 컬러 이미지를 저장할 수 있다.
[0069] 도 4a, 4b 및 4c에 3차원 파장 분리 장치(401) 및 광감지기(402)를 포함하는 다중 스펙트럼 이미징 시스템(404)의 예를 나타내었다. 파장 분리 장치(401)는 금속 필름(405)에 금속 아일랜드 또는 서브 파장 슬릿의 2D 모자이크 배열을 포함하여 공간적으로 해상된(spatially resolved) 편광의 감지능으로 다중 이미징을 가능하게 한다. 상기 시스템(404)은 파장 분리 장치(401)에 2차원으로 배열된 셀(408) 어레이를 포함한다. 바람직하게는, 상기 셀(408)은 직사각형 또는 정사각형 매트릭스 레이아웃으로 배열된다. 그러나, 다른 레이아웃도 사용될 수 있다. 각 셀(408)은 다차원 이미지의 다중 색채 부분을 생성하도록 조절된다.
[0070] 각 셀(408)은 적어도 세 개의 서브셀(418)을 포함한다. 특정 셀(408)에서 각 서브셀(418)은 특정한 한가지 색깔(또는, 좁은 근적외선, 가시광선 또는 자외선 방사광 밴드)을 투과하도록 설계된다. 바람직하게는, 각 서브셀(418)은 주어진 제 1 간격을 갖는 슬릿형 개방부(407)를 갖는 금속 아일랜드 또는 금속 필름(405)을 포함한다. 상기 개방부의 이 제 1 간격은 주어진 셀(408)의 적어도 일부의 다른 서브셀(418)의 간격과 다르다. 이 경우, 특정셀(408)에서 각 서브셀(418)은 특정 편광을 통해 특정한 한가지 색깔(또는, 좁은 근적외선 또는 자외선 방사광 밴드)을 투과하도록 설계된다. 다시 말해, 각 서브셀(418)은 주어진 좁은 밴드의 파장을 갖는 방사광만 통과시킨다. 예를 들면, 좁은 밴드의 파장은 가시 방사광의 특정 색깔에 해당할 수 있다. 2D 어레이(404)의 각 셀(418)은 어레이의 다른 셀과 동일한 것이 바람직한데 이는 각 셀이 서브셀(418)의 동일한 배열을 포함하기 때문이다.
[0071] 예를 들면, 도 4b는 32개의 셀(408)(8×4 어레이의 408A, 408B, 408C 등의 셀)을 파장 분리 장치에 포함하는 시스템(404A)을 보인다. 각 셀(408)은 여섯 개의 서브셀(418)을 포함한다. 각 서브셀은 특정 편광을 갖는 하나의 특정 색채를 감지기(402)에 투과하도록 설계된다. 세 개의 서브셀(418A, 418B, 418C)은 제 1 방향(수평 방향과 같이)을 갖는 슬릿형 개방부(407)를 갖는다. 다른 세 개의 서브셀(418D, 418E 및 418F)은 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향(수직 방향과 같이)을 갖는 슬릿형 개방부를 갖는다. 따라서, 이러한 서브셀 레이아웃을 갖는 각 셀(408)은 TM 및 TE 편광을 모두 투과할 수 있다. 본 구현예의 바람직한 일태양에서, 서브셀의 각 쌍(418A 및 418D, 418B 및 418E, 418C 및 418F)의 개방부(407)의 간격은 동일하다. 서브셀의 각 쌍에서 상기 서브셀은 각 색채의 TE 및 TM 편광을 감지하기 위해 서로 수직 방향의 슬릿형 개방부를 갖는다. 그러나, 개방부(407)의 간격은 서브셀의 각 쌍 사이에 상이하다. 따라서, 서브셀의 각 쌍이 한 색깔을 투과하도록 조절된 경우, 도 4b에 나타낸 시스템(404A)은 3색 이미징 시스템이다.
[0072] 도 4c는 9개의 셀(408)(3×3 어레이 셀)을 파장 분리 장치에 포함하는 시스템(404B)을 보여준다. 각 셀(408)은 12개의 서브셀(418)을 포함한다. 본 구현예의 바람직한 태양에서, 서브셀의 각 쌍의 개방부의 간격은 동일하다. 서브셀의 각 쌍에서 상기 서브셀은 각 색채의 TE 및 TM 편광을 감지하기 위해 서로 수직 방향의 슬릿형 개방부를 갖는다. 그러나, 개방부의 간격은 서브셀의 각 쌍 사이에 상이하다. 따라서, 서브셀의 각 쌍이 한 색깔을 투과하도록 조절된 경우, 도 4c에 나타낸 시스템(404B)은 6색 이미징 시스템이다.
[0073] 각 셀(408)에서 서브셀(418)은 정사각형 또는 직사각형 매트릭스로 배열된다. 그러나, 다른 적절한 배열도 사용될 수 있다. 상기 3색 또는 6색 분리 시스템은 예시적 목적일 뿐이다. 각 셀에서의 서브셀의 수를 증가시킴으로써, 6색 이상의 분리 및 이미징을 갖는 고해상도 다중채널 분석기로 용이하게 확장될 수 있다. 또한, 상기 셀(408)은 도 4b에 나타낸 바와 같이 이웃하는 셀과 접촉하여 위치할 수도 있고, 도 4c에 나타낸 바와 같이 이웃하는 셀과 떨어져 위치할 수도 있다. 하나의 셀(408) 내에서의 서브셀(418)의 모자이크 배열이 다중색채 분리능을 제공하는 한편, 상기 모자이크 셀을 2D 어레이로 반복하면 단일 칩 상에 스펙트럼 분석기의 어레이를 얻을 수 있어 컬러 카메라와 같은 다중 스펙트럼 이미징 시스템을 형성할 수 있다.
[0074] 상기 시스템은 서브 파장 슬릿형 개방부를 갖는 금속 아일랜드 또는 금속 필름을 포함한다. 그러나, 그 대신 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형을 갖는 금속 아일랜드 또는 금속 필름도 사용될 수 있다. 예를 들면, 다중 스펙트럼 이미징 시스템은 도 4a 내지 4c에 나타낸 바와 같이 슬릿형 개방부를 갖는 금속 아일랜드 또는 금속 필름 대신 도 2e에 나타낸 바와 같이 서브셀의 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 따라서, 도 2e는 셀이 네 개의 서브셀(18A, 18B, 18C 및 18D)을 포함하는, 다중셀 어레이의 한 셀을 나타낸다. 각 서브셀은 상이한 간격 및 서브 파장 개방부(17)을 갖는 지형(12)을 갖는다. 따라서, 이것은 4색 이미징 시스템이다. 이러한 서브셀은 편광 의존성이 없으므로 도 4a 내지 4c에 나타낸 시스템에서와 같이 각 색채를 이미징하기 위해 동일한 개방부 간격을 갖지만 개방 방향이 수직인 서브셀의 쌍을 형성할 필요가 없다.
[0075] 또한, 상기 다중 스펙트럼 이미징 시스템은 상기한 바와 같이, 광감지기(402)도 포함한다. 바람직하게는, 상기 광감지기(402)는 금속 필름 또는 금속 아일랜드에 각 셀(408)을 위한 하나의 픽셀 또는 셀(406)을 포함한다. 가장 바람직하게는, 각 광감지기 픽셀(406)이 오직 하나의 셀(408)을 투과하는 방사광을 받도록 각 광감지기 픽셀(406)이 각 셀(408)이 지정되도록 기판(413) 상에 배열한다.
[0076] 본 발명의 바람직한 제 5 구현예에서, 상기 나노광 스펙트럼 분석기 또는 다중 스펙트럼 이미징 시스템은 분석물 광감지 시스템에 사용된다. 분석물 감지 시스템은 분석물로부터 나오는 방사광을 스펙트럼 분석기 또는 다중 스펙트럼 이미징 시스템이 감지하는 시스템이다. 상기 분석물은 생체 물질(즉, 단백질, 항체, 항원 등) 또는 고분자 물질과 같은 유기 물질이거나 금속, 유리, 세라믹 또는 반도체 물질과 같은 무기 물질일 수 있다. 상기 분석물은 고체, 액체 또는 기체 상태의 어느 하나 이상의 상태일 수 있다. 분석물에서 나오는 형광(fluorescence) 또는 발광(luminescence), 분석물을 통과하거나 분석물에 반사된 입사 방사광의 흡수도 또는 투과도, 또는 분석물을 투과하거나 분석물에 반사되는 방사광의 피크 이동과 같은 분석물에 의한 입사 방사광의 변형과 같이 상기 분석물로부터 나오는 적절한 방사광이면 무엇이든 분석물 감지 시스템에 의해 감지될 수 있다.
[0077] 도 5a는 예시적인 분석물 광감지 시스템(500)을 나타낸다. 상기 시스템(500)은 여기원(excitation source)(501), 분석물 홀더(502), 및 상기 1차원 스펙트럼 분석기(304) 또는 2차원 다중 스펙트럼 이미징 시스템(404)을 포함한다.
[0078] 적절한 여기원(501)이면 무엇이든 사용될 수 있다. 바람직하게는, UV, 가시광선 또는 IR 범위에서 발산하는 발광 다이오드, 레이저 또는 램프와 같은 광학적 여기원이 사용된다. 그러나, 형광과 같이 분석물(503)의 광학적 반응(504)을 일으키는 다른 비광학적 여기원도 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 여기원은 분석물이 열에 반응하여 방사광을 발산하도록 하는, 히터 또는 가열로와 같은 열원을 포함할 수 있다. 선택적으로, 만일 X-선, 감마선 또는 전자가 분석물로 하여금 방사광을 발산하도록 할 수 있다면, X-선, 감마선 또는 전자빔 소스를 여기원으로서 사용할 수 있다.
[0079] 상기 분석물 홀더(502)는 광감지를 하는 동안 분석물(503)을 고정할 수 있는 장치이면 무엇이든 가능하다. 예를 들면, 도 4a에 보인 바와 같이, 분석물이 액체, 고체, 또는 장액 샘플과 같은 겔 상의 생체물질이라면, 상기 분석물 홀더(502)는 마이크로슬라이드를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 분석물 홀더(502)는 가스 또는 액체 분석물에 대하여는 방사광에 투명한 가스 또는 액체 용기를 포함할 수 있고, 또는 고체 또는 겔 분석물(503)에 대하여는 적절한 선반(shelf), 수납자(susceptor) 또는 지지체(support)면 무엇이든 포함할 수 있다.
[0080] 만일 분석물의 2차원 분해능이 요구되지 않는다면, 상기 시스템(500)은 분석물(503)로부터 나오는 방사광(504)을 감지하기 위하여 1차원 스펙트럼 분석기(304)(즉, 상기한 모노크로메이터 및 광감지기의 조합)를 포함한다. 분석물(503)의 2차원 분포로부터 나오는 방사광을 감지하는 것이 바람직하다면 상기 시스템(500)은 상기한 2차원 다중 스펙트럼 이미징 시스템(404)를 포함한다. 예를 들면, 다중 스펙트럼 이미징 시스템은 분석물(503)의 상이한 영역에서 발산되는 방사광(504)의 차이를 감지하거나 분석물(503)의 더 큰 부분으로부터 나오는 방사광(504)를 감지하는 데 사용될 수 있다.
[0081] 도 5b는 분석물 광감지 시스템(500)의 바람직한 구현예를 나타낸다. 이 시스템(500)에서, 여기원(501)은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함한다. 상기 여기원(501) 및 분석물 홀더(501) 사이에 나노광 여기 필터(506)를 선택적으로 배치할 수 있다. 상기 필터(506)는 입사 방사광을 편광시키기 위하여 동일한 간격을 갖는 서브 파장 슬릿형 개방부(507)를 포함하는 금속 필름 또는 금속 아일랜드를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 필터는 입사 방사광을 편광시키는 다른 타입의 편광 필터를 포함할 수 있다. 분석물 홀더(502)는 마이크로슬라이드를 포함하며, 상기 분석물(503)은 단백질, 항체 및/또는 형광체를 포함하는 샘플과 같은 생체 물질을 포함한다. 상기 다중 스펙트럼 이미징 시스템(404)은 상기한 광감지기(402) 및 파장 분리 장치(401)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 파장 분리 장치(401)의 개방부(407)는 슬릿형이고 필터(506)의 개방부와 수직 방향으로 배향된다. 따라서, 상기 개방부(407)는 편광된 여기원(501) 방사광이 광감지기(402)에 도달하는 것을 방지하고, 상기 광감지기는 분석물(503)에서 나와 상기 개방부(407)를 통과하는 형광을 감지한다. 다시 말해, 2차원 나노광 모노크로메이터(401)의 격자선은 비흡수된 입사광(즉, 여기 방사광)이 감지기 어레이(402)에 도달하기 전에 대부분 여과되어 제거되도록 여기 필터(506)의 격자선과 수직으로 정렬된다.
[0082] 상기 나노광 필터는 약 ±5 내지 10도의 수용각(acceptance angle)을 보인다. 약 10 내지 약 100 마이크론의 셀 크기를 갖는 파장 분리 장치(즉, 나노광 어레이)(401)에 있어서, 나노광 모노크로메이터 어레이(401)와 분석물 홀더(402) 사이의 거리는 약 200 내지 약 2000 마이크론이 적절한 것으로 예측된다. 이러한 거리는 분석물(503)을 담고 있는 평판형 분석물 홀더(502)를 시스템(500) 안팎으로 슬라이드시킬 충분한 공간을 제공한다.
[0083] 앞서 논의한 바와 같이, 나노광 모노크로메이터 어레이(401)는 앞서 논의한 바와 같이 감지기 칩(402)와 하이브리드 또는 단일칩(monolithic) 방식으로 통합될 수 있다. 하이브리드 형식의 경우에서, 상업적으로 입수 가능한 감지기 칩(CCD 또는 CMOS 활성 픽셀 센서 어레이)가 사용될 수 있다. 나노광 모노크로메이터(401)에서 셀(408)의 수(즉, 채널)는 10 내지 100 셀과 같이 비교적 적은 수로 유지될 수 있다. 그러나, 100 내지 10,000 셀과 같이 더 많은 수의 셀이 사용될 수도 있다. 각 셀의 크기는 약 50 내지 500 마이크론일 수 있으며 상용 광감지기 어레이(CCD의 경우, 통상 약 10 마이크론)보다 5 내지 50배 더 크다. 셀(408)을 통과하는 형광 신호의 특정 파장 성분을 약 5 내지 50 픽셀이 감지한다. 선택적으로, 각 셀(408)은 하나의 광감지 픽셀에 대응되도록 설계될 수 있다. 모노크로메이터(401)와 광감지기(402)를 단일칩 형태로 통합하는 경우, 상기 나노광 모노크로메이터는 CMOS 활성 픽셀 어레이 (또는, CCD) 칩의 금속 배선 부분에 위치할 수 있다.
[0084] 도 6은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따라 분석물 광감지 시스템(500)을 의료 분석에 사용하는 방법을 나타낸다. 그러나, 상기 시스템(500)은 다른 분석물 및/또는 다른 목적에 사용될 수 있다.
[0085] 도 6에 나타낸 바와 같이, 혈액 또는 다른 인체 또는 동물 체액과 같은 생체 분석물(503)을 분석물 홀더(502) 위에 제공한다. 상기 분석물(503)은 단백질, 항체 등과 같이 다양한 관심 성분을 포함한다. 상기 분석물 홀더(502)는 다양한 항체, 항원, 단백질 등과 같은 하나 이상의 유형으로 된 부착 요소(508)의 어레이를 포함한다. 예를 들면, 상기 부착 요소(508)는 인플루엔자, 천연두 및 탄저병 단백질과 같은 다양한 질병 단백질(disease protein)에 대한 특정 항체를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 부착 요소(508)는 다양한 질병 항체에 대한 특정 항원 또는 단백질을 포함할 수 있다.
[0086] 본 구현예의 바람직한 일태양에서 이러한 항체는 유기 염색 분자 또는 반도체 양자점(quantum dot)과 같은 적절한 형광체로 형광 표지된다. 분석물(503)이 항체(508)에 특이 결합하는 항원 또는 단백질을 포함할 때, 이러한 항원 또는 단백질은 상기 항체(508)에 결합한다. 상기 결합은 여기 방사광에 반응하여 형광체가 발산하는 방사광(504)의 특성을 변화시킨다. 예를 들면, 상기 형광체에서 발산되는 방사광(504)의 파장 및/또는 세기가 결합에 의해 변화될 수 있다. 광감지기(402)는 방사광(504)을 감지하고 컴퓨터 또는 다른 프로세서(509)는 광감지기의 감지 결과를 저장하고, 전송하고/하거나 디스플레이한다. 예를 들면, 탄저병 특이항체(508)에 부착된 형광체에서 나오는 방사광(504)이 변화하고, 컴퓨터(509)는 혈액 분석물(503)이 탄저병에 감염된 환자로부터 왔음을 나타낸다.
[0087] 상기 결합은 다음과 같은 하나 이상의 방법에 의해 감지된다. 제 1 방법에서, 상기 분석물 홀더(502)의 상이한 영역에 상이한 부착 요소를 제공하고, 이 레이아웃 정보를 컴퓨터(509)에 제공한다. 부착 요소(508)를 포함하는 분석물 홀더(502)는 여기 또는 입사 방사광(501)이 조사되고, 형광체의 형광 방사광(504)는 광감지기(402)에 의해 바탕 방사광으로서 감지된다. 그런 후, 상기 분석물 홀더(502) 상에 분석물(503)이 제공되고, 상기 분석물 홀더는 여기 방사광(501)로 다시 조사된다. 광감지기는 형광 방사광(504)을 감지하고 컴퓨터(509)는 분석물(503)의 투입 전후에 있어서 상기 형광 방사광(504)이 분석물 홀더의 어느 영역에서 변화하였는지 결정한다. 분석물 홀더(502)의 상이한 영역의 부착 요소(508)가 상이하므로 컴퓨터는 분석물 홀더(502)의 특정 영역에 있는 특정 부착 요소(508)에 대한 결합이 있었는지를 결정할 수 있고, 따라서 분석물(503)의 내용물을 결정할 수 있다. 원한다면, 여기 방사광(501)을 분석물 홀더(502)에 연속적으로 조사하여 분석물(503)의 단백질 또는 항원과 부착 요소(508)의 결합을 실시간으로 감지할 수 있다.
[0088] 결합을 감지하는 다른 방법에서, 상이한 형광 파장을 갖는 형광체를 부착 요소(508)의 각 유형에 부착하고 이 데이터를 컴퓨터(509)에 저장한다. 부착 요소(508)를 포함하는 샘플 홀더(502)에 여기 또는 입사 방사광(501)을 조사하고, 형광체의 형광 방사광(504)이 바탕 방사광으로서 광감지기(402)가 감지한다. 그런 후, 분석물 홀더(502) 상에 분석물(503)을 제공하고 상기 분석물 홀더에 여기 방사광(501)을 다시 조사한다. 광감지기는 형광 방사광(504)을 감지하고 컴퓨터(509)는 분석물(503)의 투입을 전후하여 특정 파장의 형광 방사광(504)이 변화하였는지를 결정한다. 따라서, 컴퓨터는 분석물(503)의 도입 이후에 변화한 형광체 방사광의 파장에 기초하여 특정 부착 요소(508)에 결합이 있었는지 여부를 결정할 수 있다. 원한다면, 여기 방사광(501)을 분석물 홀더(502)에 연속적으로 조사하여 분석물(503)의 단백질 또는 항원과 부착 요소(508)의 결합을 실시간으로 감지할 수 있다. 본 방법에서, 상이한 형광체/부착 요소(508)를 분석물 홀더(502)의 상이한 영역에 위치시키는 것이 바람직하지만 변화된 방사광의 위치보다는 파장이 결합을 감지하는 데 사용되므로 필수적인 것은 아니다. 원한다면, 감지된 방사광의 세기가 분석물 내용물과 부착 요소(508) 사이의 결합도를 결정하는 데 사용될 수 있음을 주의하여야 한다.
[0089] 도 6은 감지하기 위한 제 3 방법을 나타낸다. 본 방법에서, 형광체는 부착 요소(508)에 부착되지 않는다. 대신, 추가적으로 형광 표지된 항체, 항원 또는 단백질과 같이 형광 표지된 요소(510)가 분석물(503)이 가해진 분석물 홀더(502) 상에 제공된다. 이러한 요소(510)는 분석물(503)에서 발견되는 단백질, 항원 또는 항체에 결합하도록 설계된다. 따라서, 만일 분석물(503)을 형성하는 항체, 항원 또는 단백질이 부착 요소(508)와 결합하면, 형광 표지된 요소(510)도 이러한 분석물(503)을 형성하는 항체, 항원 또는 단백질과 결합하게 된다. 결합된 항체, 항원 또는 단백질의 존재는 여기 또는 입사 방사광(501)을 분석물 홀더(502)조사함으로써 결정되고, 상기 요소(510)에서 나오는 형광 방사광(504)은 광감지기(402)가 감지한다. 상이한 유형의 형광 감지 요소(510)는 상이한 파장의 방사광을 발산하는 형광체로 표지될 수 있고 및/또는 상이한 유형의 부착 요소(508)는 상기 부착 요소(508)에 결합하는 단백질, 항체 또는 항원의 유형을 식별하기 위하여 분석물 홀더(502)의 상이한 부분에 위치할 수 있다.
[0090] 본 방법에서, 상기 부착요소(508)를 포함하는 것이 바람직하지만, 이러한 요소(508)는 생략될 수 있다. 대신, 분석물 홀더(502)의 표면을 관심있는 모든 단백질, 항체, 항원 또는 다른 분석물 성분과 결합하도록 처리할 수 있고, 상이한 파장의 방사광을 발산하는 형광체로 표지된 상이한 유형의 형광 표지 요소(510)가 분석물(503) 위에 제공된다. 요소(510)는 분석물의 특정 성분과 결합만 하도록 설계된다. 만일 이러한 분석물 성분이 존재하지 않으면, 요소(510)는 분석물 홀더(502) 상에 잔류되지 않을 것이다. 따라서, 분석물의 특정 성분의 존재는 부착된 표지 요소(510)에서 발산되는 방사광의 파장을 결정함으로써 부착 요소(508) 없이 감지될 수 있다.
[0091] 전체 시스템(500) 성능은 다음 인자들에 의해 결정될 것으로 예상된다. 여기원 및 형광체의 출력 및 스펙트럼 특성, 감지기(402)의 응답성(responsivity), 구성층 사이의 간격 및 여기 필터(506)와 모노크로메이터 어레이(401)의 필터 특성. 유기 염료 형광체를 이용하는 다중 스펙트럼 형광의 경우, 각 염료는 대개 상이한 여기 파장을 요구한다. 각 성분 파장에서 잘 정의된 좁은 스펙트럼 폭을 갖는 파장-다중송신 빔(wavelength-multiplexed beam)을 만들기 위해 도 1 내지 2e에 보인 나노광 여기 필터와 함께 LED가 사용될 수 있다. 양자점 형광체의 경우에서, 상이한 파장을 갖는 형광체는 단일 여기 파장으로 여기될 수 있다. 이는 유기 염료 형광체의 사용에 비하여 여기 광학을 단순화시킨다.
[0092] 상기 시스템(500)의 장점은 나노광 모노크로메이터(401)의 정교한 분해능을 좁은 스펙트럼 폭을 갖는 양자점 또는 나노튜브 프로브와 함께 사용함으로써 형광신호의 다중파장 요소를 동시에 감지하는 능력이다. 이 다중 스펙트럼 감지는 혼합 파장 신호로부터 각 파장 성분을 추출하는 데 있어서 디콘볼루션(deconvolution) 기술의 응용을 가능하게 한다. 이것은 상기 시스템(500)의 스펙트럼 분석 능력을 더욱 정교하게 한다.
[0093] 상기 시스템(500)의 다른 장점은 높은 처리량이다. 예를 들면, 도 4b 및 4c에 나타낸 바와 같이, 4×8 또는 3×3 어레이 구조를 각각 갖는 2차원 모노크로메이터를 사용함으로써 8×4 또는 3×3 분석물 어레이의 분석이 동시에 가능하다. 개별 셀이 다중 스펙트럼 분석 능력을 갖는 2D 어레이는 매우 높은 처리능력을 제공한다.
[0094] 1차원 또는 2차원 스펙트럼 분석기(304, 404)는 적절한 어떤 방법으로든 제조될 수 있다. 예를 들면, 파장 분리 장치(301, 401) 및 광감지기(302, 402)는 별도로 제조된 후 부착되거나 결합되어 상기 분석기를 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 파장 분리 장치(301, 401) 및 광감지기(302, 402)는 방사광에 투명한 층 또는 접착제 및/또는 브라켓(bracket)과 같은 고착 장치를 이용하여 부착될 수 있다. 상기 파장 분리 장치(301, 401) 및 광감지기(302, 402)는 둘레에서만 부착될 수도 있고 이들의 전체 길이를 따라 부착될 수도 있다. 파장 분리 장치(301, 401)는 광감지기(302, 402)에 직접 접촉될 수도 있고, 또는 산화실리콘 또는 유리층과 같이 방사광에 투명한 층 또는 기판(303)이 그 사이에 위치할 수도 있다.
[0095] 제 3 구현예의 다른 바람직한 태양에서, 스펙트럼 분석기 장치는 단일칩으로 형성된다. 다시 말해, 파장 분리 장치(301, 401) 및 광감지기(302, 402)를 별도로 형성하여 이들을 부착하기보다 파장 분리 장치(301, 401) 및 광감지기(302, 402)의 어느 하나의 개별 요소 또는 층이 다른 하나 위에 순서대로 형성된다. 따라서, 개별 요소 또는 층인 파장 분리 장치(301, 401)는 광감지기(302, 402)위에 순서대로 형성될 수 있고, 그 역도 마찬가지다.
[0096] 예를 들면, 고체상 광감지기 어레이(302, 402)가 기판(313) 내에 또는 기판 상에 제공된다. 이 단계는 상기 기판(313) 내에 또는 기판 상에 CCD, CMOS 활성 픽셀 어레이 또는 초점면 어레이를 광리소그래피를 이용하여 형성하는 것을 포함하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 상기 광감지기 어레이(302, 402)는 반도체, 금속 및/또는 절연층 증착, 이온 주입, 포토레지스트 마스킹, 및 마스크되지 않은 층 부분의 식각과 같은 표준적인 미세가공 기술에 의해 형성될 수 있다.
[0097] 그런 후 금속 필름(305, 405)이 단일 결정으로 광감지기 어레이(302, 402) 상에 증착된다(즉, 금속 필름이, 형성된 후 상기 어레이(302, 402)에 부착되기보다 진공증착(evaporation), 스퍼터링 또는 CVD와 같은 박막 증착 방법에 의해 증착된다). 그런 후 상기 금속 필름(305, 405)은 광리소그래피로 패터닝되어 그 안에 다수의 개방부를 형성하게 된다. 상기 개방부는 상기 금속 필름 상에 또는 상기 금속 필름 상의 하드마스크 층 위에 포토레지스트 층을 형성하고, 상기 포토레지스트 층을 노광 및 패터닝한 후, 상기 금속 필름의 개방된 부분을 식각함으로써 개방부가 형성될 수 있다.
[0098] 선택적으로, 복수개의 금속 아일랜드가 상기 광감지기 어레이(302, 402) 상에 단일 결정으로 증착될 수 있다. 수많은 적절한 아일랜드 증착 방법이 아래에 자세히 기재된 바와 같이 사용될 수 있다.
[0099] 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형을 포함하면, 상기 지형은 상기 금속 필름 또는 아일랜드 상에 광리소그래피로 형성될 수 있다.
[0100] 본 발명의 바람직한 태양에서, 파장 분리 장치는 광감지기의 배선(metallization)과 동시에 형성된다. 예를 들어, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드(305, 405)는 광감지기(302, 402)의 금속배선 또는 배선(interconnect) 위에 형성되는 층간절연막 위에 형성될 수 있다. CCD, CMOS 활성 픽셀 어레이 또는 초점면 어레이에서, 반도체 소자 위에 하나 이상의 금속 배선의 층이 형성된다. 파장 분리 장치(301, 401)는 금속 배선층 위에, 금속 배선층 사이에, 금속 배선층의 일부로서(즉, 금속층의 일부가 파장 분리 장치로서 작용하며, 다른 부분은 광감지기를 위한 배선으로 작용한다), 금속 배선층의 아래에, 또는 금속 배선층과 반대쪽의 기판(313) 상에 형성될 수 있다.
[0101] 예를 들면, 상기 파장 분리 장치는 Al 필름 또는 아일랜드를 포함할 수 있으며, 표준 CMOS 공정의 Al 배선부의 일부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 0.13 μm CMOS 공정에서, 대여섯 층의 금속 배선이 사용된다. 이러한 배선은 나노광 모노크로메이터 어레이로 설계될 수 있고 동일한 칩에 CMOS 활성 픽셀 어레이와 단일칩으로 통합될 수 있다. 나노광 필터 어레이는 250 내지 700 nm의 격자 간격을 사용함으로써 약 400 내지 1000 nm의 스펙트럼 범위를 커버하도록 설계될 수 있다. 따라서, 상기 스펙트럼 분석기 칩(304, 404)은 반도체 파운드리 서비스를 이용하여 제조할 수 있다.
[0102] 바람직한 구현예의 장치에서, 원한다면, 패스밴드 폭을 감소시키기 위하여(즉, 부돌출부(sidelobe) 또는 측파대(sideband)의 수를 감소시키기 위하여) 대칭 구조를 사용할 수도 있다. 이 구성에서, 파장 분리 장치는 동일한 유전 매체로 구성되는 방사광에 투명한 두 개의 기판 사이에 끼워진다.
[0103] 금속 아일랜드가 파장 분리 장치로 사용된다면, 이러한 아일랜드는 적절한 어떤 방법에 의해서든 제조될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 바람직한 일 태양에서, 방사광에 투명한 영역 또는 슬릿형 개방부에 의해 이격된 금속 아일랜드는 자기 조립(self assembly)에 의해 형성된다. 다시 말해, 금속 필름을 형성하고 상기 금속 필름을 패터닝하여 금속 아일랜드로 만들기보다는, 이격된 금속 아일랜드가 패터닝되지 않은 금속 필름의 일부로 먼저 되는 단계 없이 동시에 또는 순차적으로 형성된다. 상기 금속 아일랜드는 서로 연결되지 않은 이격 금속 아일랜드(즉, 상기 금속 아일랜드는 서로 직접 접촉하지 않는다) 또는 광소자의 외주 영역에서 서로 연결되는 금속 아일랜드를 포함할 수 있다. 다른 바람직한 태양에서, 금속 아일랜드는 금속 필름을 아일랜드로 패터닝하여 형성된 이격 아일랜드를 포함한다. 바람직하게는, 상기 아일랜드는 리소그래피 방법으로 패터닝된다.
[0104] 금속 아일랜드(5)는, 방사광에 대하여 아일랜드(5) 자신은 불투명하지만 개방부 또는 영역(7)을 통하여 플라즈몬 강화 방사광 투과를 생성하도록 하는 적절한 어떤 두께든 가질 수 있다. 바람직하게는, 금속 아일랜드의 두께는 적어도 금속의 표피(skin) 깊이의 약 2배 또는 3배가 되어야 한다. 입사 방사광을 가시 파장 영역에 갖는 은 아일랜드에서, 상기 표피 깊이는 약 30 nm이고, 금속 아일랜드 두께는 적어도 약 60 내지 90 nm 이상이 되어야 한다. 상기 표피 깊이는 파장이 더 긴 범위에서 증가하고, 금속에 따라 약간 달라진다. 따라서, 예를 들어, 상기 금속 아일랜드(5)는 100 nm 내지 400 nm와 같이 약 50 nm 내지 약 2000 nm의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 120 내지 180 nm이다.
[0105] 제 1 구현예 및 제 2 구현예의 바람직한 태양에서, 금속 아일랜드(5, 15)는 자기 조립에 의해 형성되고 투명 기판(3, 13) 상의 복수개의 융기부(21) 위에 위치한다. 바람직하게는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 복수개의 금속 아일랜드(5, 15) 각각은 복수개의 융기부(21) 중 대응하는 것 위에 위치한다. 상기 금속 아일랜드와 상기 융기부는 앞서 논의한 바와 같이 적절한 어떤 모양이든 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속 아일랜드 및 융기부는 아일랜드 사이의 개방부(7, 17)가 슬릿형이 되도록 모양을 이룬다. 따라서, 각 금속 아일랜드의 길이는 자신의 폭보다 적어도 10배 큰 것이 바람직하고, 각 융기부의 길이는 자신의 폭보다 적어도 10배 큰 것이 바람직하다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 복수개의 융기부(21)는 직사각형 형태를 갖는 것이 바람직하다. 상기 융기부(21)는 방사광에 투명한 기판(3, 13)의 상부에 돌출부를 포함하거나, 방사광에 투명한 기판 또는 광감지기(302, 402) 위에 위치하는 방사광에 투명한 층의 상부에 돌출부를 포함하거나, 또는 방사광에 투명한 기판 또는 광감지기(302, 402) 위에 위치하는 방사광에 투명한 이격 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 기판(3, 13)은 단일 기판(즉, 방사광에 투명한 단층의 소재)을 포함하거나 방사광에 투명한 소재를 2 층 이상 포함할 수 있다. 상기 융기부(21)는 바람직한 제 1 구현예의 장치를 형성하기 위해 가변 간격을 가질 수 있다.
[0106] 바람직하게, 각 금속 아일랜드(5, 15)는 각 융기부(21)의 상면(23) 및 각 융기부(21)의 적어도 한쪽 측면(25)의 적어도 일부분까지 연장된다. 가장 바람직하게는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 금속 아일랜드는 기울임 증착(angled deposition)으로 형성될 수 있다. 이 경우, 더 상세히 후술하는 바와 같이, 각 금속 아일랜드(5, 15)는 각 융기부(21)의 제 1 측면(25) 위로 상기 융기부(21)의 제 2 측면(27) 위보다 더 낮은 곳까지 연장되는데 이는 상기 금속이 제 1 측면(25)부터 기울임 증착되기 때문이다.
[0107] 본 발명의 선택적 태양에서, 상기 기판(3, 13)은 나노기공 어레이를 포함한다. 더 상세히 후술하는 바와 같이, 바람직하게는, 기판(3, 13)은 방사광에 투명한 기판 또는 광감지기 위에 위치하는 애노드 산화알루미늄 나노기공 어레이를 포함한다.
[0108] 본 발명의 바람직한 태양의 광소자(optical device, 광장치)(1, 11)는 방사광에 투명한 기판(3, 13) 상에 복수개의 금속 아일랜드(5, 15)를 형성할 수 있는 적절한 어떤 방법에 의하여든 제조될 수 있다. 상기한 바와 같이, 금속 아일랜드(5, 15)는 금속이 융기부(21) 사이에 증착되지 않도록 복수개의 융기부(21) 상에 선택적으로 증착시키는 것이 바람직하다.
[0109] 도 8은 기울임 증착을 이용하여 자기 조립에 의해 금속 아일랜드(5, 15)를 선택적으로 형성하는 바람직한 방법을 나타낸다. 이 방법에서, 상기 금속은 융기부의 상면에 대하여 수직이 아닌 방향으로 융기부(21)를 향하게 된다. 예를 들면, 융기부가 편평한 상면(23)을 갖는다면, 융기부의 편평한 상면(23)에 대하여 금속은 30 내지 50도와 같이, 20 내지 70 도의 각으로 향하게 된다.
[0110] 바람직하게는, 금속 아일랜드(5, 15)는 도 8에 나타낸 바와 같이 진공증착(열 또는 전자빔)에 의해 융기부(21) 상에 증착된다. 진공증착법에서, 상기 금속은 금속원 또는 타겟(31)으로부터 열적으로 또는 전자빔에 의하여 증발하여 기판(3, 13) 상에 증착된다. 기울임 증착에 있어서, 상기 기판(3, 13)은 타겟(31)에 대하여 30 내지 50도와 같이 20 내지 70도, 바람직하게는 45도 기울인다. 융기부(21) 사이의 공간은 충분히 협소하기 때문에 기울임 증착 동안에 상기 융기부 사이에는 금속이 증착되지 않는다. 따라서, 기판의 경사 각도 세타는 상기 융기부(21) 사이의 금속 증착을 방지하기에 충분하여야 한다. 상기 금속 아일랜드(5, 15)는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD: metal organic chemical vapor deposition), 분자 빔 에피택시, 스퍼터링 및 다른 적절한 방법과 같은 다른 적절한 기울임 또는 비기울임 금속 증착 방법에 의해서도 증착될 수 있다.
[111] 융기부(21)는 적절한 어떤 방법으로든 기판(3, 13) 상에 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 융기부는 리소그래피를 이용하여 만들어질 수 있다. 가장 바람직하게는, 상기 융기부는 상세히 후술하는 바와 같이 광리소그래피를 이용하여 만들어질 수 있다. 그러나, 상기 융기부(21)는 투명한 단일 또는 다층 기판에 융기된 스탬프(stamp)를 각인하여 투명 기판에 복수개의 융기부 및 홈을 형성하는 것과 같이 임프린트 또는 나노압입(nanoindentation) 리소그래피에 의해 제조될 수 있다.
[0112] 도 9a, 9b 및 9c는 광리소그래피를 이용하여 투명 기판(즉, 단일 기판 또는 다층 기판)(3, 13)에 또는 광감지기(203) 위의 층에 융기부를 형성하는 바람직한 방법을 나타낸다. 도 9a에 보인 바와 같이, 포토레지스트층(41)은 기판(3, 13)(또는 광감지기(203))의 제 1 면 위에 형성된다. "포토레지스트층"이라는 용어는 반도체 및 다른 미세소자의 패터닝에 사용되는 적절한 포지티브 또는 네가티브 감광층이면 무엇이든 포함한다. 그런 후 상기 포토레지스트층(41)은 UV 또는 가시광과 같은 방사광 또는 전자빔에 선택적으로 노출된다.
[0113] 선택적 노출은 마스크를 통해 상기 포토레지스트층(41)을 가로질러 또는 홀로그래프적으로 좁은 방사광 또는 전자빔을 선택적으로 스캐닝함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들면, 도 9b 및 9c에 보인 바와 같이, 상기 포토레지스트층은 파장분리 장치의 각 셀에 대하여 분리하여 홀로그래프적으로 노출될 수도 있고, 또는 처프된 격자 패턴을 위하여 전체층이 동시에 노출될 수도 있다.
[0114] 홀로그래프 리소그래피를 수행하기 위하여, 레이저빔을 두 개의 빔으로 가른다. 그런 후 두 빔이 상기 포토레지스트층(41) 상에 함께 수렴하도록 반사시킨다. 상기 두 빔이 수렴하는 곳에서 여러 개의 강한 빛의 평행선을 포함하는 간섭 무늬가 생성된다. 강한 빛의 평행선은, 빔의 입사각을 변화시켜 조정할 수 있는 특정 간격으로 일어난다. 상기 간격의 추가적인 조정은, 예를 들면, 광원의 파장 및/또는 포토레지스트에 이웃하는 주변 유전체의 굴절율의 변화와 같은 광학상의 변화로 이루어질 수 있다. 따라서, 포토레지스트는 두 빔이 수렴하는 곳에서는 노출되고, 두 빔이 수렴하지 않는 곳에서는 노출되지 않는다. 도 9b에 나타낸 길이 Λ는, 갈라진 레이저빔의 피크 파장을 (sinθ1+sinθ2)로 나눈 값과 동일하다. 여기서, θ1 및 θ2는 도 9a에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트 표면의 법선에 대하여 레이저빔이 이루는 각이다.
[0115] 상기 선택적인 노출은 상기 포토레지스트층(41)에 노출 영역과 비노출 영역을 남긴다. 홀로그래프 노출은 포토레지스트층(41)에 슬릿형의 노출 및 비노출 영역을 형성하여 기판에 슬릿형의 융기부 및 홈을 형성하는 데 사용될 수 있기 때문에 선호된다.
[0116] 그런 후 도 9b에 보인 바와 같이, 노출된 상기 포토레지스트층(41)이 패터닝된다. 상기 포토레지스트층(41)이 포지티브 포토레지스트층이면, 도 9b에 보인 바와 같이 노출된 영역이 적절한 용매에 의해 제거되어 기판(3, 13) 상에 비노출 영역을 포토레지스트 패턴(43)으로 남길 것이다. 상기 포토레지스트층(41)이 네가티브 포토레지스트층이면, 비노출된 영역이 적절한 용매에 의해 제거되어 기판(3, 13) 상에 노출 영역을 포토레지스트 패턴(43)으로 남길 것이다.
[0117] 그런 후 기판(3, 13)의 상면을 패터닝된 포토레지스트층(41)을 마스크로 이용하여(즉, 기판 상에 남아 있는 노출 또는 비노출 영역(43)을 마스크로 사용하여) 식각함으로써 융기부를 형성한다. 상기 기판은 건식 및/또는 습식 식각에 의해 패터닝될 수 있다. 포토레지스트 베이킹, 세정 등과 같은 다른 중간 공정 단계 역시 원하는 바에 따라 추가될 수 있음을 주의하여야 한다.
[0118] 또한, 원한다면, 도 9d 내지 9i에 보인 바와 같이, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드, 실리콘 옥시나이트라이드와 같은 하드마스크층 또는 크롬층과 같은 금속층이 포토레지스트층(41) 및 기판(3, 13) 사이에 필요에 따라 추가될 수 있다. 도 9d 및 9e에 보인 바와 같이, 크롬층과 같은 하드마스크층(42)이 기판(3, 13) 위에 형성된다. 그런 후, 상기 하드마스크층(42) 상에 홀로그래프 리소그래피 방법과 같은 적절한 방법에 의해 포토레지스트 패턴(43)을 도 9f에 나타낸 바와 같이 형성한다. 그런 후 도 9g에 나타낸 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(43)을 마스크로 이용하여 하드마스크층(42)을 패터닝함으로써 하드마스크 패턴(44)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(43)을 제거한다. 그런 후 도 9h에 보인 바와 같이 상기 하드마스크 패턴(44)을 마스크로 이용하여 상기 기판(3, 13)을 패터닝하여 융기부(21)를 형성한다. 그런 후 도 9i에 나타낸 바와 같이 기울임 증착과 같은 방법에 의해 상기 융기부(21) 위에 금속 아일랜드(5)를 선택적으로 증착한다.
[0119] 상기 방법의 파라미터의 바람직한 실시예는 다음과 같다. 석영 기판 상에 열 진공증착을 이용하여 크롬 하드마스크층을 약 40 nm 두께로 증착한다. 이어서 HMDS를 적용하고 포토레지스트를 상기 하드마스크층 상에 약 100 nm의 두께로 스핀코팅한다. Microposit Photoresist 1805 및 Microposit Type P Thinner를 1 : 1의 부피비로 하여 회전 속도 5000 rpm으로 사용하였다. 그런 후 상기 포토레지스트층을 95 ℃에서 30분 동안 소프트베이크(softbake)한다. 상기 포토레지스트는 홀로그래프 리소그래피에 노출된다. 상기 노출에는 UV He-Cd 레이저(파장 325 nm, 15 mW CW 출력)가 사용된다. 그런 후 Microposit 351 및 탈이온수를 1 : 4의 부피비로 혼합한 용액을 이용하여 상기 포토레지스트층을 현상한다. 현상된(즉, 패터닝된) 포토레지스트는 120 ℃에서 30분 동안 하드베이크시킨다.
[0120] 그런 후 상기 크롬 하드마스크층은 상기 패터닝된 포토레지스트층을 마스크로 이용하여 식각한다. 상기 크롬층은 반응성 이온 에칭(RIE) 시스템(PlasmaTherm 790 ICP/RIE)을 이용하여 2단계 식각 공정으로 식각한다. 1단계에서, 10 mTorr 압력의 Cl2(20 sccm) + O2(10 sccm)로 30초간 RIE 출력 25 W, ICP 출력 100 W의 조건이었다. 2단계에서, 10 mTorr 압력의 Cl2(24 sccm) + O2(6 sccm)로 7분간 RIE 출력 10 W, ICP 출력 100 W의 조건이었다.
[0121] 그런 후, 패터닝된 하드마스크층은 석영 기판을 패터닝하기 위한 마스크로 사용된다. 상기 석영 기판은 15 mTorr 압력의 CF4(37 sccm) + O2(4 sccm)로 12분간 RIE 출력 100 W, ICP 출력 150 W의 조건을 사용하여 RIE로 식각한다. 그런 후 잔존하는 크롬 하드마스크는 NaOH + K3Fe(CN)6 + H2O 용액으로 화학식각하여 제거한다. 그런 후 메사 식각된 기판 상에 기울임 증착을 이용하여 은 아일랜드를 증착한다. 상기 은 아일랜드는 45도의 경사각으로 10-5 Torr의 베이스 압력으로 은 공급원을 열 진공증착시켜 다양한 두께로 증착시킨다. 홀로그래프적으로 패터닝되고 메사 식각된 기판은 패턴 정의나 전사때마다 별도의 광학적 또는 전자 리소그래피 공정을 수반할 필요 없이 한번 만들어지면 기판 상에 어레이 패턴을 나노임프린트하는 데 마스터 몰드(master mold)로서 사용될 수 있다.
[0122] 도 10a 및 10b는 투명 기판(즉, 단일 기판 또는 다층 기판)(3, 13)에 또는 광감지기(203) 위에 포토리소그래피를 이용하여 융기부와 나노기공 어레이를 형성시키는 다른 바람직한 방법을 나타낸다. 나노기공 어레이를 형성하는 예시적인 방법은 Z. Sun and H. K. Kim, Appl. Phys. Lett., 81(18) (2002) 3458에 기재되어 있다.
[0123] 먼저, 도 10a에 보인 바와 같이, 격자 모양의 포토레지스트 패턴(43)이 기판(3, 13) 위에 또는 광감지기(203) 위에 앞서 기술한 바 및 도 9a 내지 9b에 나타낸 바와 동일한 방법으로 형성된다. 상기 포토레지스트 패턴은 홀로그래프적인 또는 비홀로그래프적인 리소그래피에 의해 형성될 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(43)을 형성한 후, 상기 기판(3, 13)은 격자 패턴을 기판에 전사함으로써 도 7에 나타낸 융기부(21)를 형성하기 위하여 식각될 수 있다. 그런 후 상기 포토레지스트 패턴(43)은 제거된다. 선택적으로, 기판 식각 및 포토레지스트 패턴의 제거 단계는 생략될 수 있다.
[0124] 도 10b에 보인 바와 같이, 양극(anodic) 산화될 수 있는 금속층(51)이 융기부가 있으면 상기 융기부(21) 상에 또는 포토레지스트 패턴이 아직 제거되지 않았으면 상기 포토레지스트 패턴(43) 상에 등각적으로 증착된다. 도 10b에 보인 바와 같이, 등각적으로 증착된 상기 금속층(51)은 그 아래의 기판 또는 포토레지스트 패턴의 격자 패턴을 띤다. 다시 말해, 상기 금속층(51)은 격자 패턴의 투명 기판(즉, 융기부가 형성된 기판 또는 패터닝된 포토레지스트(43)로 덮여진 기판) 위에 상기 기판(3, 13)의 격자 패턴이 제 1 금속층(51)의 상부 표면에 옮겨지도록 형성된다.
[0125] 상기 금속층(51)은 양극 산화될 수 있는 알루미늄, 탄탈륨, 티타늄, 니오븀 및 이들의 합금과 같은 적절한 금속이면 무엇이든 포함할 수 있다. 상기 금속층(51)은 스퍼터링, MOCVD, 진공증착(열 또는 전자빔), MBE 등과 같은 적절한 어떤 방법에 의해서든 증착될 수 있다. 상기 금속층(51)은 100 내지 1000 nm와 같이 적절한 어떤 두께이든 가질 수 있고, 350 내지 400 nm가 바람직하다. 상기 금속층(51)의 상부 표면의 주름 깊이는 기판 또는 포토레지스트 패턴의 주름 깊이와 거의 같은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 금속층(51)의 주름 깊이는 80 내지 100 nm와 같이 약 20 내지 약 300 nm이다.
[0126] 그런 후 상기 금속층(51)은 적절한 어떤 방법에 의해서든 양극 산화된다. 예를 들면, 실리카 기판(3, 13) 상의 알루미늄 층(51)은 실온의 묽은 전해질(1 H3PO4 + 800 H2O의 부피비)에서 백금선을 상대전극으로 사용하여 양극산화될 수 있다. 상기 양극처리(anodization)는 바람직하게는 일정한 전압 모드에서 약 40 분 동안 수행된다. 양극 전압은 예상되는 기공 거리가 격자 간격과 일치하도록 선택되며, 예를 들면 350 나노미터의 격자 간격에 대하여 140 볼트이다. 자연적으로 형성된 알루미나 기공 어레이에서 기공간 거리(interpore distance)는 양극처리 전압에 비례한다. 즉, 약 2.5 나노미터/볼트이다. 가변 간격을 갖는 기공을 형성하기 위해 상기 전압은 금속층의 다른 부분을 양극처리하는 데 있어서 변화할 수 있다. 양극처리를 한 후, 샘플을 인산(1 : 3의 부피비로 물로 희석시킨)으로 1 내지 2분 처리하는 것이 바람직하다. 도 10c는 알루미늄층(51)이 양극 산화에 의해 산화 알루미늄으로 전환될 때 격자 패터닝된 알루미늄층(51)에 성장한 나노기공 어레이(53)의 전자현미경 사진이다. 생성되는 알루미나 기공은 약 100 내지 2000 nm와 같은 균일한 깊이를 보이고, 약 300 내지 400 nm인 것이 바람직하다. 기공 바닥은 반구형으로 오목하고 150 내지 200 nm와 같이 약 100 내지 300 nm의 장벽 두께를 갖는다. 바람직한 기공 지름은 5 내지 10 nm와 같이 약 5 내지 100 nm이다. 양극 산화된 금속층(51)의 상부 표면 격자 패턴의 홈에 나노기공이 선택적으로 형성된다.
[0127] 도 10c에 보인 어레이와 같은 나노기공 어레이(53)을 형성한 후, 도 10d에 보인 바와 같이 상기 나노기공에 금속 아일랜드(5, 15)를 선택적으로 성장시킨다. 금속 산화물층의 나노기공 내부에 금속 아일랜드를 선택적으로 성장시키는 바람직한 한가지 방법은 도 10e에 나타낸 전기도금 방법이다. 상기 나노기공 어레이(53)는 전도성 또는 반도체 기판(63) 상에 형성된다. 상기 기판(63)은 양극산화되지 않은 금속층과 같은 금속층, 또는 실리콘, 비소화 갈륨, 또는 질화갈륨과 같은 도핑된 반도체층을 포함한다. 상기 기판(63)은 장치(1, 11)에서 사용된 방사광에 투명한 기판(3, 13)을 포함하거나 또는 상기 기판(63)은 방사광에 투명하거나 투명하지 않은 임시 기판(temporary substrate)을 포함할 수 있다. 그런 후 상기 기판(63) 및 어레이(53)는 액체 금속(37)을 포함하고 있는 전기도금조(65) 안으로 제공된다. 상기 기판(63)과 어레이(53) 사이에 전위차(즉, 전압)가 가해진다. 상기 어레이(53)는 나노기공(57) 아래의 영역(55)보다 얇으므로 이들 영역(55)에 전압 기울기가 존재한다. 이는 금속(67)이 도금조(65)로부터 나노기공(57)에 선택적으로 침착하도록 한다. 원한다면, 상기 금속도금 방법은 나노기공(57)을 도금조(65)의 금속(67)으로 선택적으로 채우기 위해 사용될 수 있다. 상기 금속(67)은 니켈, 금, 백금 및 이들의 합금과 같이 앞서 기재한 플라즈몬 강화 효과를 보이고 전해석출(electrodeposition)에 의해 금속 산화물 기공 내부에 침착할 수 있는 금속이면 무엇이든 가능하다. 따라서, 상기 아일랜드(5, 15)는 전기도금된 금속(67)으로 상기 나노기공(57)을 채움으로써 형성된다. 모노크로메이터 및 이미지 분석 응용에 적합하고 도 2c에 나타낸 구조와 상보적인 구조를 갖는 금속 아일랜드 어레이는 전기도금된 금속으로 나노기공을 채움으로써 형성될 수 있다.
[0128] 바람직한 본 발명의 선택적인 태양에서, 상기 나노기공(57)은 전기도금 단계동안 일부만 금속(67)으로 채워진다. 이 경우, 상기 금속(67)은 선택적인 금속 기상 증착에 촉매로 작용할 수 있는 금속이면 무엇이든 가능하다. 예를 들면, 상기 금속(67)은 금일 수 있다. 그런 후, 나노기공(57)의 바닥에 형성된 촉매 금속(67)을 포함하는 어레이(53)는 화학 기상 증착 챔버와 같은 금속 기상 증착 챔버로 보내어진다. 선택적인 기상 증착을 통해 금속 아일랜드(5, 15)가 촉매 금속(67) 위에 선택적으로 성장한다. 상기 금속 아일랜드(5, 15)는 앞서 기재한 플라즈몬 강화 효과를 보이고 촉매 금속(67) 위에 선택적으로 증착될 수 있지만 나노기공 어레이(53)의 금속 산화물 벽에는 증착되지 않는 금속이면 무엇이든 포함할 수 있다. 예를 들면, 이 금속은 알루미늄 또는 은을 포함할 수 있다.
[0129] 만일 나노기공 어레이(53)가 임시 기판(63) 상에 형성되면, 상기 임시 기판은 상기 어레이(53) 상에 금속 아일랜드(5, 15)가 형성되는 것을 전후하여 어레이(63)로부터 제거될 것이다. 상기 임시 기판은 기판의 선택적인 식각, 연마 또는 화학 기계 연마에 의하거나, 임시 기판(63)과 어레이(53) 사이에 위치하는 이형층(release layer)(명확성을 위해 미도시)의 선택적 식각에 의하거나, 기판(63)을 어레이(53)로부터 박리함(peeling)으로써 제거될 수 있다. 박리하는 경우, 기판(63)과 어레이(53) 사이에 하나 이상의 박리 이탈층(peel apart layer)이 위치할 수 있다. 상기 박리 이탈층은 상호간에 또는 어레이로부터 및/또는 기판으로부터 기계적으로 분리될 수 있도록 낮은 접착력 및/또는 강도를 갖는다. 그런 후, 투명 기판(3, 13) 또는 광감지기(203)는 어레이 상에 금속 아일랜드를 형성하는 것을 전후하여 어레이(53)에 임시 기판(63)이 위치하는 측으로부터 어레이(53)의 같은 쪽 및/또는 반대쪽에 부착된다.
[0130] 선택적으로, 본 발명의 바람직한 태양에서, 도 2c에 보인 금속 필름과 같이 복수개의 개방부를 갖는 금속 필름이 나노기공 어레이의 융기부 위에 금속의 기울임 증착으로 형성된다. 상기 기울임 증착은 도 8에 나타내고 위에서 설명한 바와 같다. 본 발명의 다른 선택적인 태양에서, 금속이 기공 내부로 연장되도록 금속 어레이가 나노기공 어레이 위에 증착되고, 그런 후 상기 금속 어레이를 화학 기계 연마하거나 에치백하여 나노기공 어레이의 상부를 노출시킨다. 연마 또는 에치백 단계는 나노기공에 금속 산화물 나노기공 어레이 투명 영역으로 분리되어 이격된 금속 아일랜드를 남긴다.
[0131] 본 발명의 다른 선택적인 태양에서, 나노기공 어레이는 기판(3, 13)을 먼저 패터닝하거나 포토레지스트 패턴(43)을 형성하는 것 없이 형성될 수 있다. 본 태양에서, 알루미늄, 탄탈륨, 티타늄 또는 니오븀과 같은 금속층(51)이 패터닝되지 않은 기판 위에 또는 광감지기(203) 위에 증착된다. 그런 후, 상기 금속층(51)에 적절한 방법으로 주름이 형성된다. 예를 들면, 상기 주름은 상기 금속층의 선택적인 레이저 어블레이션(ablation), 나노압입 또는 나노임프린팅, 또는 광리소그래피에 의해(즉, 상기 금속층 위에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 패턴을 마스크로 이용하여 상기 금속층을 식각하고, 상기 포토레지스트 패턴을 제거함으로써) 형성될 수 있다. 바람직하게는, 홀로그래프 광리소그래피가 금속층(51)을 패터닝하기 위해 사용되고, 임시적인 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드 또는 실리콘 옥시나이트라이드 하드 마스크가 포토레지스트와 금속층(51) 사이에 사용된다. 그런 후, 상기 금속층(51)은 앞서 기재한 바와 같이 양극 산화된다.
[0132] 도 11a 내지 11d는 주형 나노기공 어레이를 이용하여 금속 아일랜드를 형성하는 선택적인 방법을 나타낸다. 도 11a에 보인 바와 같이, 기판(63) 위에 앞서 기재한 방법 및 도 10a 내지 10c에 나타낸 방법으로 금속 산화물 나노기공 어레이(53)가 형성된다. 그런 후, 도 11b에 보인 바와 같이, 등각적 주형 물질(71)을 상기 어레이(63) 위에 증착한다. 상기 등각적 주형 물질(71)은 어레이(53)의 나노기공(57)을 등각적으로 채울 수 있는 물질이면 무엇이든 가능하다. 예를 들면, 상기 등각적 주형 물질(71)은 실리콘 산화물, 실리콘 나이트라이드, 유리전이온도 이상으로 가열된 유리, CVD 포스포실리케이트 글래스 또는 CVD 보로포스포실리케이트 글래스(각각 PSG 또는 BPSG), 스핀 온 글래스 또는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 원한다면, 상기 등각적 주형 물질은 투명 기판(3, 13)의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다.
[0133] 그런 후, 도 11c에 나타낸 바와 같이, 상기 등각적 주형 물질(71)은 나노기공 어레이(53)으로부터 제거된다. 상기 등각적 주형 물질(71)은 어레이의 나노기공(57) 속으로 연장되었던 융기부(73)를 포함한다. 그런 후, 금속 아일랜드(5, 15)를 등각적 주형 물질(71)의 융기부(73) 사이의 기공(75) 내부에 전기도금법을 이용하여 선택적으로 증착시키거나 앞서 설명한 바와 같이 기울임 증착법을 이용하여 상기 융기부(73) 위에 증착시킨다. 상기 등각적 주형 물질(71)이 투명한 기판(3, 13) 물질이라면, 공정은 여기서 종결된다. 상기 등각적 주형 물질(71)이 투명한 기판(3, 13) 물질이 아니라면, 상기 등각적 주형 물질(71)은 선택적 에칭, 연마 또는 화학 기계 연마와 같은 적절한 방법에 의해 금속 아일랜드(5, 15)로부터 분리된다. 상기 금속 아일랜드(5, 15)는 물질(71)을 제거하는 것을 전후하여 투명 기판(3, 13)에 부착된다.
[0134] 도 12a 및 12b는 기판 상에 또는 광감지기(203) 위에 융기부를 사용하지 않고, 또한 나노기공 어레이를 사용하지 않고 금속 아일랜드(5, 15)를 형성하는 선택적인 방법을 나타낸다. 본 방법에서, 금속층(81)이 도 12a에 보인 바와 같이 기판(3, 13) 상에 형성된다. 상기 기판(3, 13)은 자신의 상부 표면에 지형을 가질 수 있고 또는 편평한 상부 표면을 가질 수도 있다. 그런 후 상기 금속층(81)은 도 12b에 보인 바와 같이 복수개의 금속 아일랜드(5, 15)로 패터닝된다. 상기 금속층(81)은 앞서 설명한 바와 같이 리소그래피적으로 패터닝될 수 있다. 따라서, 포토레지스트층(41)이 금속층(81)의 제 1 표면 위에 형성된다. 상기 포토레지스트층은 선택적으로 노출되어 노출 및 비노출 영역을 형성한다. 노광된 포토레지스트층을 패터닝하여 패턴(43)으로 형성하고, 패터닝된 포토레지스트층을 마스크로 이용하여 금속층을 식각함으로써 복수개의 아일랜드(5, 15)를 얻는다.
[0135] 포토레지스트층은 홀로그래프적으로 또는 비홀로그래프적으로 노광될 수 있다. 원한다면, 앞서 설명한 임시 하드마스크층이 선택적으로 금속층(81) 및 포토레지스트 사이에 형성될 수 있다. 선택적으로, 금속층은 광리소그래피에 의하는 대신 선택적 레이저 어블레이션 또는 다른 비-광리소그래피 방법에 의해 패터닝될 수 있다.
[0136] 도 13a, 13b 및 13c는 금속 아일랜드(5, 15)를 형성하는 선택적인 리프트 오프(lift off) 방법을 나타낸다. 본 방법은 기판 또는 나노기공 어레이 위에 융기부를 이용할 필요가 없다. 본 방법에서, 포토레지스트층(41)은 도 13a에 보인 바와 같이 기판(3, 13) 상에 또는 광감지기(203) 상에 형성된다. 상기 기판(3, 13)은 자신의 상부 표면에 지형을 가질 수 있고 또는 편평한 상부 표면을 가질 수도 있다. 상기 포토레지스트층은 선택적으로 노출되어 노출 및 비노출 영역을 형성한다. 포토레지스트층은 홀로그래프적으로 또는 비홀로그래프적으로 노광될 수 있다.
[0137] 그런 후, 노광된 포토레지스트층(41)을 패터닝하여 포토레지스트 패턴(43)을 형성하고 기판(3, 13)의 상부 표면의 부분을 노출시킨다. 도 13b에 보인 바와 같이, 금속층(81)이 상기 포토레지스트 패턴(43) 위에 또한 기판의 상부표면의 노출된 부분 위에 형성된다.
[0138] 도 13c에 보인 바와 같이, 선택적 식각에 의하거나 다른 적절한 리프트 오프 기술에 의하여 포토레지스트 패턴(43)이 리프트 오프된다. 포토레지스트 패턴(43) 위에 위치하는 금속층(81)의 부분이 패턴(43)과 함께 리프트 오프되어 기판(3, 13)의 상부 표면 위에 복수개의 금속 아일랜드(5, 15)를 남긴다.
[0139] 광소자(1, 11)의 패스밴드 특성을 더욱 향상시키기 위하여, 도 14에 보인 바와 같이 3차원 적층구조의 금속 필름 또는 금속 아일랜드 층(91, 93)이 사용될 수 있다. 단일층 1D 광소자들(91, 93)의 두 조각들은 마주하여 실질적으로 서로 평행한 격자 라인들(97) (즉, 슬릿 형태의 투명 영역들) 과 함께 그리고 먼 필드 영역 내의 면들의 간격으로 수직으로 적층된다. 여기에서, 먼 필드 영역은 입사광 또는 방사광 파장의 약 3 내지 5 배의 큰 간격을 갖는다. 투명 영역들(97)은 두 층들을 통한 방사 투과를 여전히 허용하는 양만큼 서로 약간 이동된다. 두 금속 필름 또는 아일랜드 층들은 이어서 먼-필드 영역에서 상호 작용할 것으로 기대되고, 그리고 따라서 전체적인 투과는 기본적으로 두 투과 프로파일의 부산물일 될 것이다. 이것은 낮은 강도측 피크 및 배경 투과를 억제하고 또한 주요 피크의 폭을 좁게 할 것이다. 전체적으로, 금속 필름 또는 금속 아일랜드 층들의 3-차원 스택 구조는 광 필터 어레이들의 밴드 패스 특징을 증가시킬 것이다.
[0140] 본 발명자들은 국부화된 표면 플라즈몬(SP) 공명이 금속 필름 내의 비-슬릿 형태의 개구(aperture) 내의 어레이를 제외한, 금속 아일랜드들 또는 금속 아일랜드들 사이 또는 금속 필름 내의 한 방향으로 배열된 슬릿 형태의 투명 영역들의 어레이 내의 금속 필름 내에서 일어난다는 것을 또한 발견하였다. 방사광의 투과는 금속 필름 내의 비-슬릿 형태의 개구들의 어레이를 통한 것보다는 금속 아일랜드들 사이의 또는 금속 필름 내의 슬릿 형태의 투과 영역들의 어레이를 통하여 더 높게 일어난다.
[0141] 게다가, 본 발명자들은, 금속 아일랜드들 사이의 슬릿 형태의 투과 영역들의 어레이 내에서, 슬릿 형태의 투과 영역들의 폭 및 금속 아일랜드 높이 (즉, 두께)가 이러한 어레이들의 투과 특성을 결정한다는 것을 발견하였다. 특정 이론에 구속되지 않기를 원하면서, 본 발명자들은 국부화된 SP 공명이 이러한 효과에 책임이 있다고 믿는다. 투명 영역 폭이 바람직한 범위 내에 있는 경우, 주요 패스밴드 파장에서 높은 투과 및 장파장 범위에서 낮은 투과가 달성될 수 있다. 바람직한 범위는 금속 아일랜드들 내의 SP 필드들의 투과 깊이의 약 한 배 및 세 배 사이이다. 가장 바람직하게, 폭은 30 nm 보다 크고 100 nm보다 작다. 이러한 범위는 가시 광선에 바람직하고, 바람직한 슬릿 폭은 장파장 영역으로 갈수록 비례하여 증가한다. 1D 금속 아일랜드/슬릿 형태의 투명 영역 어레이들의 이러한 특징은 파장 분리 장치들의 스펙트럼 특징의 설계 및/또는 개발에 이용될 것이다. 대조적으로, 투과 영역 폭이 이러한 바람직한 범위보다 클 때, 주요 패스밴드 파장에서 그리고 장파장 범위에서 투과가 높다. 투과 영역 폭이 이러한 바람직한 범위보다 작을 때, 그것은 주요 패스밴드 파장 및 장파장 범위에서 극도로 낮은 투과를 초래한다.
[0142] 특정 이론에 구속되길 원하지 않고, 본 발명자들은 두 형태의 표면 플라즈몬 여기가 금속 아일랜드들 사이 또는 금속 필름 내에서의 슬릿 형태의 투명 영역들을 통하여 투과된 방사광의 특성에 책임이 있다고 믿는다: 1) 금속/공기 또는 금속 기판 계면들을 포함하는 평면들을 따른 SP 공진, 및 2) 슬릿 형태의 투명 영역에 의해 분리된 각 금속 아일랜드를 둘러싸는 표면 (즉, 금속 필름 내 금속 아일랜드 측벽들 또는 투명 영역 측벽들)을 따라 국부화된 SP 공명.
[0143] 본 발명자들은 피크 투과가 국부화된 SP 공명이 금속/기판 표면에서 플라즈몬 공명으로부터 약간 벗어나게 조절된 소자 내에서 일어난다고 또한 믿는다. 이어서, 그러한 소자들 내에서, 장파장 투과는 낮게 하면서 주요 패스밴드 투과는 높게 유지될 것으로 기대된다. 게다가, 금속 아일랜들 또는 금속 필름의 높이 (즉, 두께)는 주요 패스밴드 피크의 폭에 영향을 미친다. 일반적으로, 주요 패스밴드 피크의 폭은 금속 아일랜드 또는 필름 두께의 감소와 더불어 감소한다. 소자는 이상적으로 하나의 피크 파장에서 하나의 패스밴드를 포함하는 것에 주의해야 한다. 그러나, 소자들은 하나 이상의 피크 파장을 갖는 하나 이상의 패스밴드를 포함할 수 있다.
[0144] 본 발명의 어떤 측면에서, 서브-파장 방사 투명 영역에 의해 분리된 금속 아일랜드들은 금속 필름 내에서 서브-파장 개구(들) 대신에 방사광의 플라즈몬 강화(enhanced) 투과용으로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 금속 아일랜드들은 광소자의 정밀도를 높이고 공정을 단순화하기 위해, 리소그래피 및/또는 자기 조립을 이용하여 형성된다.
[0145] 본 발명의 하나의 바람직한 측면에서, 방사 투명 영역들에 의해 따로 분리된 금속 아일랜드들은 자기 조립에 의해 형성된다. 즉, 금속 필름을 형성하고 그 금속 필름을 금속 아일랜드들 내로 패터닝하기보다는, 따로 분리된 금속 아일랜드들이, 먼저 패턴되지 않은 금속 필름의 일부분이 되지 않고 동시에 또는 연속적으로 형성된다. 금속 아일랜드들은 서로 연결되지 않고 분리된 금속 아일랜드들(즉, 금속 아일랜드들은 서로 직접 접촉하지 않는다)을 포함할 수 있고, 또는 금속 아일랜드들은 광소자의 주변 영역에서 서로 연결된다.
[0146] 또 다른 측면에서, 금속 아일랜드들은 아일랜드들 내로 금속 필름을 패터닝하여 형성된 분리된 아일랜드들을 포함한다. 바람직하게는, 아일랜드들은 리소그래피법을 이용하여 패턴된다.
[0147] 도 19a는 방사 투명 기판(3) 및 기판(3) 상의 복수의 금속 아일랜드들(5)을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 광소자(1)를 나타낸다. 금속 아일랜드들(5)은 복수의 방사 투명 영역들(7)에 의해 분리된다. 도 19b는 A-A'선을 따른 소자(1)의 측단면을 도시한다.
[0148] 모든 적당한 물질들이 기판(3) 및 금속 아일랜드들(5)용으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 모든 방사 투명 물질 (즉, 가시광선, UV 및 IR 투명 물질)이 기판 물질로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 기판(3)은 유리, 석영, 세라믹, 플라스틱 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 기판(3)은 복수의 필름들 또는 층들을 포함할 수 있고, 또는 단일체를 포함할 수 있다.
[0149] 표면 플라즈몬 공명 효과를 나타내는 모든 금속(즉, 음의 엡실론 물질)은 금속 아일랜드(5) 물질로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 약 9-10 eV의 벌크 플라즈몬 주파수를 나타내는 금속들, 예컨대 은, 금, 구리 및 알루미늄 및 그 합금들이 금속 아일랜드 물질로서 선호된다.
[0150] 인접한 금속 아일랜드들(5)은 소자(1) 상으로 제공되는 입사 방사광의 적어도 제 1 소정의 파장보다 작은 거리(9)에 의해 분리된다. 바람직하게는, 그 거리는 100 nm 이하, 예컨대 40-60 nm이다. 이러한 범위는 빛의 가시 스펙트럼에 바람직하고, 바람직한 거리는 장파장 영역으로 갈수록 비례하여 증가할 것이다. 금속 아일랜드들(5)은 입사 방사광이 금속 아일랜드들 상의 표면 플라즈몬 모드와 공명하도록 배치되고, 그에 따라 복수의 금속 아일랜드들 사이의 방사광의 투과가 높아진다. 바람직하게는, 투과된 방사광은 적어도 하나의 피크 파장을 갖고, 그 피크 파장의 투과는 표면 플라즈몬 공명에 의해 증대된다.
[0151] 여하의 적당한 방사광이 입사 방사광으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 입사 방사광은 가시 광선, UV 또는 IR 방사광을 포함할 수 있다. 입사 방사광은 좁은 파장 분포를 갖는 방사광, 예컨대 피크 파장 및 피크 파장 주위에서 좁은 밴드 폭을 갖는 방사광 또는 넓은 분포의 파장을 갖는 방사광, 예컨대 백색광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 아일랜드의 플라즈몬 파장보다 큰 파장을 갖는 방사광이 이용될 수 있다. 예를 들어, 은 아일랜드용으로, 플라즈몬 파장은 약 350 nm이다. 따라서, 약 350 nm에서 마이크로파 파장 범위의 파장을 갖는 방사광이 이용될 수 있다. 만일 실리콘 광검출기가 방사광을 검출하기 위해 이용된다면, 바람직한 입사 방사광 파장 범위는 약 350 nm 내지 약 1100 nm이다.
[0152] 바람직하게는, 700 nm 이하, 예컨대 400 nm 내지 700 nm (즉, 가시 광선)의 피크 파장을 갖는 방사광은 입사 방사광으로 이용될 수 있다. 이러한 경우, 금속 아일랜드들(5)은 700 nm 또는 그 이하, 예컨대 15 내지 200 nm, 바람직하게는 40 내지 60 nm의 거리(9)만큼 분리된다.
[0153] 금속 아일랜드들(5)은 아일랜드들(5) 그 자신들이 방사광에 불투명하고 영역들(7)을 통해서 플라즈몬 강화 방사 투과광을 생성하는 여하의 적당한 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는, 금속 아일랜드 두께는 금속의 스킨 깊이의 적어도 약 두 배 또는 세 배이어야 한다. 가시 파장 범위 내의 입사 방사광을 갖는 은 아일랜드에서, 스킨 깊이는 30 nm 부근이고, 그리고 금속 아일랜드 두께는 적어도 약 60 내지 90 nm 사이 또는 그 이상이어야 한다. 스킨 깊이는 장파장의 범위로 갈수록 증가하고, 금속이 달라지면 다소 달라진다. 따라서, 예를 들어, 금속 아일랜드(5)는 약 50 nm 내지 약 2000 nm, 예컨대 100 nm 내지 400 nm, 바람직하게는 120 내지 180 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
[0154] 본 발명의 일 실시예에서, 투광된 방사광의 플라즈몬 강화는 금속 아일랜드들 사이의 투명 영역들(7)의 주기 또는 간격으로 인해 발생한다. 예를 들어, 도 19a에 도시된 바와 같이, 복수의 금속 아일랜드들은 폭(10)을 갖고, 그에 따라 아일랜드들(5)의 폭(10)에 투명 영역들의 폭(9)을 더한 것과 같은 간격(a0)을 갖는 복수의 금속 아일랜드들 사이에 투명 영역들의 어레이를 형성한다. 투명 영역들(7)의 간격(a0)은 플라즈몬 공명에 의한 방사광의 투과를 증대하기 위해 소자(1)를 조사하기 위해 이용될 입사 방사광의 파장에 기초하여 선택된다. 바람직하게는, 투명 영역들의 간격(a0)은 약 투명 영역들(7)의 폭의 약 3 내지 10, 예컨대 5 내지 6 배만큼 크다. 따라서, 입사 가시 광선용 투명 영역들(7)의 약 30 내지 100 nm의 바람직한 폭(9)을 위해, 간격(a0)은 약 200 nm 내지 약 780 nm, 예를 들어, 200 nm 내지 700 nm, 예컨대 약 370 nm 내지 약 700 nm 범위이다. 그러나, 간격(a0)은 약 60 nm 내지 약 2 마이크론, 예컨대 0.1 내지 1.8 마이크론의 범위일 수 있다.
[0155] 도 19a에 도시된 바와 같이, 투명 영역들(7)은 슬릿 형태이다. 이러한 슬릿들은 폭(9)보다는 훨씬 큰 길이를 갖는다. 바람직하게, 길이는 폭(9)의 적어도 열 배 이상 크다. 그러나, 투명 영역들(7)은 슬릿 형태 대신에 방사광의 플라즈몬 강화 투과를 초래하는 여하의 다른 적당한 형태를 가질 수도 있다.
[0156] 특정 이론에 구속되길 원하지 않고, 본 발명자들은 투 형태의 표면 플라즈몬 여기가 금속 아일랜드들 사이의 슬릿 형태의 투명 영역들을 통하여 투과된 방사광의 특성에 책임이 있다고 믿는다: 1) 금속/공기 또는 금속 기판 계면들을 포함하는 평면들을 따른 SP 공진, 및 2) 슬릿 형태의 투명 영역에 의해 분리된 각 금속 아일랜드를 둘러싸는 표면 (즉, 금속 아일랜드 측벽들)을 따라 국부화된 SP 공명.
[0157] 도 20a는 하기에 보다 상세하게 설명될 예 1 및 2에 따라 만들어진 소자들의 투과 스펙트라를 보여준다. 소자는 370 nm의 격자 간격을 갖는 금속 아일랜드들을 포함한다. 예 1의 소자는 약 50 내지 100 nm의 최소투명 영역(7) 폭 (즉, 가장 좁은 포인트에서의 폭)을 갖는 120 nm 두께의 Ag 아일랜드를 포함한다. 예 2의 소자는 약 30 nm의 최소 투명 영역(7) 폭을 갖는 120 nm 두께의 Ag 아일랜드들을 포함한다. 소자들을 통한 광 투과는 350-1750 nm의 스펙트럼의 범위에서 측정된다. 편광되지 않은 백색광 소스에 연결된 멀티모드 섬유(코어 직경이 62.5 ㎛이고, 개구수가 0.2)로부터의 빔은 통상적으로 기판측으로부터 금속 아일랜드에 입사한다. 그 어레이를 통한 영차 투과광은 (3-5 ㎛ 갭을 갖는) Ag층 표면에 인접한 다른 멀티모드 섬유에 집속되고, 그리고 이어서 광 스펙트럼 분석기에 의해 특성화된다. 투과 측정은 같은 메사-식각된 석영 구조를 가지나 Ag층이 없는 더미 샘플로 반복된다. 이어서, 이러한 어레이를 통한 투과는 실제 샘플로부터 얻어진 스펙트럼을 더미 샘플, 메사-식각된 석영 기판 구조를 포함하는 효과를 없애기 위해 (또는 경감시키기 위해) 설계된 프로세스 샘플 그리고 측정된 투과 스펙트라 상의 광섬유로부터의 하나로 나눔으로써 계산된다.
[0158] 도 20에 도시된 바와 같이, 약 30 및 15%의 피크 투과가 120 nm 및 200 nm 두께의 금속 아일랜드 어레이로부터 각각 관찰된다. 입사 빔이 편광되지 않고 TE 편광 성분이 슬릿 형태의 투광 영역을 갖는 어레이를 통하여 전송되지 않는다는 것을 고려하면, TM 편광에 대한 최대 투과는 60 % 부근으로 예상된다. 이것은 약 500 % 투과 효율에 해당하고, 이것은 슬릿 영역에 충돌하는 입사 파워에 나누어진, 슬릿을 통해 투과된 광 파워로서 정의된다.
[0159] 도 20a에 도시된 바와 같이, Ag 아일랜드 두께가 120에서 200 nm로 증가함에 따라, 주된 피크(즉, 메인 패스밴드 파장 범위에 대응하는 피크)는 660에서 690 nm로 이동된다. 투과 스펙트라의 이러한 특성, 즉 주된 피크의 적색-이동 및 피크 폭이 증가하는 것은, 금속 필름 내의 개구의 2D 어레이 내의 투과 스펙트라의 특징에 반대된다. 후자의 투과 스펙트라에 있어서, 주된 피크는 초기에 감소된 피크 폭으로 청색-이동하고 이어서 금속 두께가 더 증가하여도 그 피크 위치 및 폭이 고정된다.
[0160] 2D 개구 어레이를 통한 광 투과의 분석에 있어서, 청색-이동을 보이는 초기 부분은 금속층의 정상 및 바닥 표면에서 두 표면 플라즈몬들의 순간의 커플링에 의해 모델링되고, 제 2 부분은 디커플된 SP들에 의해 모델링된다.
[0161] 반대로, 슬릿 형태의 투과 영역 내의 전파 모델들은 슬릿 형태의 투과 영역들의 어레이를 통한 광 투과에 대해서 적어도 부분적으로 책임이 있다. 1D 및 2D 어레이 광 투과 특징 사이의 뚜렷한 차이는, 다른 기구들이 필름 내의 개구를 통한 것보다는 슬릿 형태의 투과 영역을 통해 광이 투과하는 데에 관여한다는 것을 강하게 암시한다.
[0162] 도 20a의 투과 스펙트라는 세 개의 주요한 하락을 보여준다. 인접 피크와의 중첩 때문에 정확한 위치가 정해질 수는 없지만, 580 nm 부근의 최소 투과는 다른 금속 아일랜드 두께에 대해서 동일한 위치에 머문다. 금속 두께에 대한 이러한 강도는, 이러한 최소 투과 포인트에서 일어나는 현상이 금속 아일랜드들의 측벽들이 아닌 금속의 정상 또는 바닥 표면들이 일차적으로 빛의 상호작용에 관계한다는 것을 암시한다. 각 금속 아일랜드의 금속/기판 계면을 포함하는 평면을 통한 SP 공명은 아래의 공식을 이용하여 계산된 것에 의하면 600 nm 파장의 빛에서 일어날 것으로 기대된다:
[0163] 여기에서, L은 격자 간격, m은 SP 커플링에 관계된 격자 벡터의 차수이고, εm 및 εd는 금속 및 인접한 유전물(즉, 이 경우, 석영 기판)의 유전 상수이다. m = 1인 경우 계산된 수는 도 20a에서 관찰된 최소값과 합리적으로 잘 맞는다. 유사하게, 430 nm 부근의 투과 최소는 공기/금속 계면에서의 SP 공명에 잘 대응하고, 금속 아일랜드들이 확실히 투명한 곳에서 벌크 플라즈몬 파장 (약 360 nm)과 중첩 때문에 정확한 위치가 분명하게 정해질 수 없음에도 불구하고 이것은 위 공식에 의하면 430 nm에서 일어날 것으로 기대된다.
[0164] 120 nm 두께의 Ag 금속 아일랜드를 갖는 샘플은, 금속/기판 계면에 관계된 투과 최소의 파장보다 훨씬 긴 파장에 해당하는 80 nm 부근에서 뚜렷하고 잘-정의된 주요 하락(major dip)을 보여준다는 것에 또한 유념해야 한다. 슬릿 형태의 투명 영역 구조는 전파 모드 (또는 금속 아일랜드 측벽을 따른 수직 SP)를 허용함을 고려하면, 금속 아일랜드의 정상 및 바닥 표면들 상의 SP 파들은 이러한 아일랜드 측벽들을 통해서 서로 커플된다. 폐쇄 루프를 따라서 다음의 조건이 만족되면, SP들은 이어서 아일랜드 표면, 즉 금속 단면의 주변을 따라서 공명할 것으로 기대된다:
[0165] 여기에서, m은 정수이고 Ksp는 SP 파 벡터이고 다음과 같이
표현된다.
[0166] 여기에서, λ는 입사광의 자유-공간 파장이다. 금속 단면의 주변을 따라서, SP 파 벡터 Ksp의 크기는 금속과 상호 작용하는 유전 물질, 즉, 이 경우의 공기 또는 석영에 의존하여 변한다. 금속 단면의 비정규적인 형태 때문에, 근사법이 금속 아일랜드들의 주변을 따른 총 위상 변화를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 동질의 유전물에 둘러싸인 직경 ro를 갖는 원형 단면의 단순 형태를 가정하면, 식 2에서 공명 조건은 Kspro = m으로 감소된다. 근사의 경우 즉, ro = 110 nm 이고 금속 주변 계면의 30 %는 실리카와 접하고 그 나머지는 공기에 접하는 경우, 공명 파장은 다이폴라 공명의 경우 820 nm, 즉 m =1로 계산된다. 이 수는 120 nm 두께의 Ag 아일랜드를 갖는 샘플의 투과 하락 (800 nm)의 위치와, 도 20a에 도시된 바와 같이, 정확하게 일치한다. 금속 아일랜드 두께가 증가됨에 따라, 최소 투과 포인트는 보다 긴 파장으로 이동된다. 이러한 거동은 전술한 공명 조건과 일관된다. 이러한 표면 플라즈몬 공명은 각 금속 아일랜드에 고도로 국부화된 현상이고 금속 아일랜드들의 정상 또는 바닥 표면들을 포함하는 평면들을 따라 일어나는 SP 공명에 따라 다르다는 것에 유념하는 것은 중요하다.
[0167] 고정된 파장 (633 nm)에서 He-Ne 레이저를 이용한 투과 및 반사의 각(angular) 의존성이 도 20b에 도시된다. 투과 및 반사는 120 nm 두께의 Ag 아일랜드들을 갖는 1D 어레이 샘플에 대한 (TM 편광된) 633 nm 파장에서 입사각의 함수로 측정된다. 도 20a 및 도 20b에 도시된 결과들은, 도 20a의 세 개의 주요한 투과 최소는 금속 표면들의 다른 부분들에 관여하는 SP 공명에 기인한다는 것을 암시한다. 이러한 파장에서 TM 편광된 빛에 대해서, 투과 스펙트라는 입사각이 45도일 때 최소(도 20b의 점선 곡선)를 보인다. 이러한 각 위치는 금속/기판 계면을 포함하는 평면에서 SP 여기에 대한 조건으로부터 계산된다. 즉, ksp = kosinθ ± mKg이고, ko는 입사빔의 파장 벡터, θ는 기판의 수직으로부터 측정된 입사각이고, Kg는 격자 벡터이다. 반사 스펙트라(솔리드 곡선)는 동일한 입사각에서 날카로운 (2-3도의 최대한-폭-반-최대를 갖는) 피크 프로파일을 갖는 최대를 보인다. 입사 파워 및 투과된 더하기 반사된 파워의 차이로부터 계산된 파워 손실은, SP 공명 포인트에서 최소이다. 이러한 결과는 SP 공명 포인트에 근접한 곳에서 일어나는 회절에-관계된 Wood의 변칙(anomaly)에 기인할 수도 있지만, SP 공명이 이러한 투과/반사 변칙에서 주요한 역할을 할 가능성이 더 높은 것으로 이해된다.
[0168] 따라서, 특정 이론에 구성되지 않길 원하면서, 본 발명자는 표면 플라즈몬 공명이 금속 아일랜드 어레이들과의 두 가지 다른 모드의 상호 작용을 수반하여, 관찰된 투과 최소에 책임이 있다고 믿는다: 1) 금속/공기 또는 금속/기판 계면들을 포함하는 평면을 따라서 있는 SP 공명 및 2) 슬릿 형태의 투명 영역들에 의해 분리된 각 금속 아일랜드를 감싸는 표면 (즉, 금속 아일랜드 측벽들)을 따라서 국부화된 SP 공명. 이러한 공명 포인트에서, 순수한(net)-파워는 금속 표면들을 따라서 거의 또는 아예 흐르지 않고, 따라서 슬릿 형태의 투명 영역으로의 입사 파워의 통로는 거의 또는 아예 없다. 이어서, 입사 파워는 어떠한 주요한 파워 손실 없이, 금속 표면으로부터 강하게 반사된다. 비교적 얇은 금속 아일랜드들에 대해서, 어레이를 통한 피크 (즉, 패스밴드) 투과는, SP 여기가 공명 포인트로부터 꺼지도록 조절되고 그 결과 금속 표면 통로를 통하여 순수 파워가 슬릿 영역으로 흘러가고 이어서 전파 투과 빔을 형성하는 방사광 모드(radiation mode)로 디커플된 것 때문이라고 믿어진다. 따라서, 금속 아일랜드들에 국부화된 SP들의 공명 포인트들은 금속 아일랜드 두께 및/또는 투명 영역 폭을 선택함으로써 격자 간격에 무관하게 조절될 수 있고, 후술하는 바와 같이, 어레이들의 투과 특징을 맞추기 위해 사용될 수 있다.
[0169] 금속 아일랜드 어레이를 통한 방사광의 투과 특성에 미치는 투명 영역들(7)의 폭(9)의 효과가 이제 설명된다. 본 발명자들은, 높은 선택비를 갖는 밴드 패스 필터들을 위해, 입사 방사광이 공기/금속 아일랜드 계면으로부터 금속 아일랜들 상으로 인도될 때, 투명 영역 폭은 금속 아일랜드들 내의 SP 필드의 투과 또는 스킨 깊이의 약 한 배 또는 세 배의 사이에서 변해야 한다고 결정했다.
[0170] 본 발명자들은 피크 투과가 SP 공진이 금속/기판 표면에서의 그것으로부터 경미하게 비동조(off-tune)되는 상황에 해당한다고 믿는다.각 금속 아일랜드에 국부화된 표면 플라즈몬은 투명 영역의 폭이 감소함에 따라 터널링 과정에 의해 서로 결합할 것으로 기대된다. 인접하는 아일랜드들 내의 표면 플라즈몬들 사이의 커플링은 슬릿 형태의 투명 영역을 가로지르는 SP 필드의 중첩 정도에 의존하는 것으로 기대된다. 그러한 중첩 정도는 투명 영역 폭(즉, 갭 크기)에 대한 SP 필드의 공간 신장 비에 의해 결정된다.
[0171] SP 필드의 스킨 또는 투과 깊이는 H. Raether, Surface Plasmons (Springer-Verlag, New York, NY, 1988), 페이지 6에서 다음과 같이 표현된다:
유전물(εd)에서, 
금속에서, 
[0172] 여기에서, λ는 빛의 자유 공간 파장, ε'm은 금속의 유전 상수의 실수부, 그리고 εd는 금속에 인접한 매체의 유전 상수이다. 필드 강도는 표면에서 피크 값의 1/e로 감소한다. 따라서, 투과 깊이는 파장 및 물질 둘 다에 의존한다. 방사광은 그 물질을 통하여 투과된다.
[0173] 일단, 금속 아일랜드들 사이에 강한 커플링이 일어나면, 금속 아일랜드들은 플라즈몬 오실레이션의 관점에서 실질적으로 표면으로부터 (갭에도 불구하고) 연결된다. 투명 영역을 통한 SP들의 전파는 궁극적으로 차단되고, 투과 스펙트라는 투명 영역이 없는 금속의 그것들과 유사한 프로파일을 보일 것이다. 따라서, 투명 영역 폭이 금속 아일랜들 내의 SP 필드의 투과 깊이의 약 한 배 또는 약 세 배의 범위 내에 있을 때, 금속 아일랜드 어레이는 장-파장 투과를 억제하면서 주요 (패스밴드) 투과를 높게 함으로써 좁은 밴드 패스 필터로서 작용할 것이다.
[0174] 금속 아일랜드 두께의 금속 아일랜드 어레이를 통한 방사광의 투과 특징들에 대한 영향이 이제 설명된다. 주요 패스밴드 피크의 폭은 금속 아일랜드 두께의 감소와 더불어 감소한다.
[0175] 주요 패스밴드 피크 폭은 기본적으로 피크 주변의 두 투과 하락들, 즉, 금속/유전물 계면에서 SP의 공명 파장 및 금속 아일랜드들에서 국부화된 SP의 공명 파장의 분리에 의해 결정된다. 전자의 파장이 대부분 격자 간격, 그 자체에 의해서 결정됨에 반해, 후자는 기본적으로 금속 아일랜드의 단면의 주변에 관여하는 다른 기구에 의해 지배된다. 격자 간격에 근접한 금속 아일랜드의 잠재적인 치수를 (좋은 밴드패스 특징들을 달성하기 위해, 격자 간격보다 좁은 스킨 깊이의 약 한 배 또는 약 세 배로) 유지하면서, 금속 아일랜드의 수직 치수 (즉, 두께)는 총 주변(periphery)을 조절하기 위해 변화될 수 있다. 아일랜드들의 두께에 있어서 변화는 국부화된 SP들의 공명 파장 및 그에 따른 패스밴드 폭을 변화시킨다. 금속 아일랜드의 보다 작은 두께의 사용은 따라서 패스밴드 폭을 감소시킨다.
[0176] 본 발명의 실시예에서 금속 아일랜드 어레이의 밴드패스 특징의 예가 도 20a 및 도 20c에 도시된다. 도 20c는 그 두께가 180 nm (즉, 도 20a에 도시된 120 및 200 nm 두께의 은 아일랜드들의 중간)인 은 금속 아일랜드의 투과 스펙트라를 도시한다. 이러한 소자의 최소 투과 영역 폭은 약 50 nm로 측정된다. 대조적으로, 200 nm 및 120 nm 두께의 아일랜드들을 갖는 소자들의 투과 영역의 최소 폭들은 각각 약 30 nm 및 50-100 nm이다. 예 1-3의 소자들에서, 금속 아일랜드들은 융기(ridged) 기판 상으로 각도 증착에 의해 증착된다. 따라서, 증가된 금속 아일랜드 두께는 감소된 투명 영역 폭으로 이어진다. 그러나, 다른 방법에 의해서 만들어진 금속 아일랜드들에 대해서, 투명 영역들의 폭은 금속 아일랜드들의 두께 증가에 따라서 반드시 감소하지는 않는다.
[0177] 도 20c에 도시된 바와 같이, (TM 편광에 대해) 70 % 이상의 피크 투과가 관찰되고, 20 % 부근에서 장-파장 투과를 낮게 유지하면서 120 nm 두께의 아일랜드들을 갖는 소자의 그것보다 심지어 높다. 따라서, (I장-파장/I주요부) < 0.4, 바람직하게는 0.3보다 작거나 같다. 여기에서 I주요부는 주요 패스밴드 피크의 강도이고, I장-파장는 주요 패스밴드 피크보다 긴 파장에서 투과된 방사광의 강도이다. 도 20a에 도시된 바와 같이, 장파장 범위 (950 nm 이상)에서 매우 높은 투과 (거의 650 nm에서 주요 패스밴드의 피크 투과와 같은 레벨)가 120 nm 두께 아일랜드들 및 30 nm 폭의 투명 영역들을 갖는 소자에서 관찰된다. 장파장 범위에서 투과는, 그러나, 200 nm 두께의 아일랜드들 및 50-100 nm 폭의 투명 영역들을 갖는 소자에 대해서 (TM 편과에 대한 60 % 레벨에서 10 % 레벨의 투과로) 극적으로 감소한다. 그러나, 이러한 소자에 대한 피크 (패스밴드) 투과 또한 심각하게 감소한다.
[0178] λ = 600 nm에서, Ag/공기 계면의 경우에, 투과 깊이는 공기에서 390 nm로 또는 금속에서 25 nm로 계산된다. λ = 600 nm에서, Au/공기 계면의 경우, 투과 깊이는 공기에서 280 nm 그리고 금속에서 30 nm로 계산된다. 도 20a 및 도 20c는 주요 피크의 높은 투과를 유지하면서 좁은 밴드 패스 특징을 달성하기 위한 바람직한 투과 영역 폭이 40 및 50 nm 사이임을 보여준다. 대조적으로, 30 nm 폭의 투과 영역들을 갖는 소자는 좁은 밴드 패스 특징을 보여주었으나, 낮은 주요 피크 투과 강도를 보였다. 100 nm 폭까지의 투명 영역들을 갖는 소자는 장파장에서 투과의 높은 강도에 비추어 좁은 패스밴드 특징을 보여주지 못했다.
[0179] 따라서, 도 20a 및 도 20c에 제공된 최소 투과 영역 폭의 바람직한 범위는 (요구되는 밴드 패스 특징에 대해서 40-50 nm 부근) 금속에서 SP 필드의 투과 깊이 (또는 공기-측 투과 깊이의 약 1/10)에 근접하여 일치함을 보여준다. 좁은 밴드패스 필터들을 위한 투명 영역 폭의 바람직한 범위는 금속 측에서 SP 필드의 투과 깊이 (또는 공기에서 투과 깊이의 약 1/10 내지 3/10의 약 한 배 또는 세 배이다.
[0180] 비편광 빛에 대한 피크 방사광 투과는 약 50 %까지로 예측되고, 그것은 비편광 빛에 대한 이론적인 최대값이다. 이것은 TM-편광 빛에 대한 100 % 투과에 근접한다. 투명 영역 필-팩터(fill-factor)를 고려하면, 투과 효율은 100 % 이상, 예컨대 각 투명 영역을 통하여 100 % 내지 500 %이다. 상한은 그것이 필 팩터의 역 (즉, 간격/슬릿 폭)에 의해 결정되기 때문에, 또한 500 % 보다 클 수 있다.
[0181] 다른 바람직한 실시예에서, 광학 소자(11)의 금속 아일랜드들(15)은 방사광 투명 기판(13) 상에 또한 위치된다. 이러한 실시예의 하나의 바람직한 측면에서, 금속 아일랜드들(15)은 적어도 금속 아일랜드들(15)의 적어도 하나의 표면상에 제공된 주기적인 표면 지형(12)을 도 21에 도시된 바와 같이 갖는다. 지형(12)은 복수의 금속 아일랜드들 사이에서 방사광의 투과를 촉진하도록 배치된다. 주기적인 지형(12)은 입사 방사광과 금속 표면 플라즈몬들의 강한 커플링을 제공하는 여하의 금속 특징들을 포함한다. 예를 들어, 지형은 정규적으로 반복하는 (즉, 주기적인) 패턴, 예컨대 2차원 격자로 배열된 금속 아일랜드들(15)의 표면상의 여하의 적당한 상승된 및/또는 함몰된 영역들을 포함한다. 상승된 영역들은 실린더형 돌출, 반-구형 돌출, 선형 또는 구형의 언덕(rib), 상승된 링 및/또는 상승된 나선을 포함한다. 함몰된 영역들은 실린더형 함몰, 반-구형 함몰, 선형 또는 구형 홈(trough), 사각 홈, 링 형태의 홈 및/또는 나선 형태의 홈을 포함할 수 있다. 상승된 또는 함몰된 영역의 폭 또는 지름은 이러한 형태의 간격보다 작은 것이 바라직하고, 이러한 간격과 기판의 굴절율의 곱은 투과되는 방사광의 원하는 최대 파장보다 작아야 한다.
[0182] 이 구현예의 다른 바람직한 측면에서, 표면 지형(12)은 금속과의 표면 플라즈몬 커플링을 포함하는 금속 이외의 물질을 포함하여 구성되는 형태로 이루어 진다. 한 예에서, 금속 표면에 인접한 유전층 또는 주변 매질의 굴절율은 금속 표면의 지형 변조 없이(즉, 금속 표면의 골 형성/톱니 형성 없이), 주기적으로 또는 준주기적으로 변조된다. 예를 들면, 편평하거나 골진 금속 표면 위에 형성된 유전층 또는 유전층들의 주기적인 배열은 금속과 커플링하는 표면 플라즈몬을 유도할 수 있다. 따라서, 도 21의 구성요소 (12)는 편평한 금속 아일랜드(15) 표면 위에 주기적으로 또는 준주기적으로 배열되어 형성된 유전물질 구조(features)로 불리워질 수 있다. 다르게는(alternatively), 편평하거나 무늬가 형성된(textured) 유전층 또는 유전층들에서의 가변의 굴절율이 플라즈몬 커플링을 위해 사용될 수 있다. 편평하거나 무늬가 형성된(textured) 유전층 또는 유전층들에서의 가변의 굴절율은 금속 아일랜드 위의 층 또는 층들의 조성을 그들의 폭을 따라 주기적으로 또는 준주기적으로 변조함으로써 얻어질 수 있다. 실리카, 석영, 알루미나, 실리콘 나이트라이드, 폴리머 물질 등과 같은 모든 적절한 유전물질이 사용될 수 있다. (금속 표면 골 형성 대신 또는 그에 더하여) 유전체(dielectric) 변조가 파장을 조율할 수 있는 구조체(wavelength tunable structures)에 사용될 수 있다. 비금속 지형이 또한 하나 또는 그 이상의 개구부(apertures)를 갖는 금속 필름 위에 사용될 수 있다.
[0183] 본 구현예에서, 투명 영역(17)의 간격이 방사광(radiation)의 투과도의 향상에 실질적으로 기여하지 않도록, 투명 영역(17)은 이전의 구현예의 간격보다 훨씬 넓은 간격(period) a0 으로 분리되어 있다. 따라서, 본 구현예의 금속 아일랜드(15)의 폭은 이전 구현예의 아일랜드(5)의 폭보다 훨씬 넓다. 예를 들면, 간격(period) a0와 따라서 아일랜드(15)의 대략적인 폭은 가시광선으로 조사되는(irradiated) 은(Ag) 아일랜드에 대하여 5 마이크론 또는 그보다 더 크거나, 바람직하게는 약 5-10 마이크론과 같이 바람직하게는 표면 플라즈몬(SPs)의 유효 전파 거리와 동등하다.
[0184] 도 21에 보이는 바와 같이, 투명 영역(17)은 슬릿 형태이다. 이 슬릿들은 그 폭보다 상당히 큰 길이를 갖는다. 바람직하게는, 길이가 폭보다 적어도 10배 더 크다. 그러나 투명 영역(17)은 슬릿 형태 대신 플라즈몬에 의해 방사광의 투과를 향상시키는 결과를 낳는 어떠한 다른 적절한 형태도 가질 수 있다.
[0185] 원하는 경우 패스밴드의 폭을 줄이기 위하여 (즉, 사이드로브(sidelobe)의 수 또는 사이드밴드를 줄이기 위하여) 소자(1, 11)에서 대칭 형태(configuration)가 사용될 수 있다. 이 형태에서는 도 22에 나타난 바와 같이, 금속 아일랜드(5, 15)가 그 양쪽 면에 동일한 유전 매체와의 경계면을 갖도록, 제1 기판(3, 13)과 동일한 유전 매체(media)로 구성된 제2 기판이 금속 아일랜드(5, 15)의 상부 위에 부착(attach)된다.
[0186] 위에서 논의된 바와 같이, 금속 아일랜드(5, 15)는 서로 연결되지 않고 분리된 금속 아일랜드 (즉, 금속 아일랜드들이 서로 직접 접촉하지 않는다) 또는 광소자의 주변 영역에서 서로 연결된 금속 아일랜드이다. 예를 들면, 도 23에 보이는 바와 같이, 금속 아일랜드(5, 15)는 분리된 금속 아일랜드이다. 반면에, 도 24에 보이는 바와 같이, 금속 아일랜드(5, 15)는 광소자(1, 11)의 주변에서 서로 연결되어 있다.
[0187] 도 14의 3차원 은(Ag) 금속 아일랜드 배열에서 투명 영역을 통과한 투과 스펙트럼(transmission spectra)이 도 15에 도시되어 있다. 수직축은 투과율, Pout/Pin에 해당한다. 도 15에 보이는 측정 결과는 사이드 피크들이 잘 억제된 것을 확인해 준다. 주 피크 역시 FWHM 값이 170 nm에서 140 nm로 좁아졌다. 3차원 구조(structures)는 단지 2층으로 제한되지 아니하며, 2보다 큰 어떤 수이든 적절한 수의 층과 여러 가지 다른 층 패턴과 층간 간격을 가질 수 있다.
[0188] 원하는 경우, 여기서 기술된 광소자들은 입사 방사광을 방출하는, 레이저, LED 또는 램프와 같은 통합된 방사광 광원(integrated radiation source) 및/또는 전하결합소자(CCD) 배열 또는 CMOS 활성 화소 배열과 같은, 기판 및 복수의 금속 아일랜드 사이를 통하여 투과된 방사광을 검출하기 위하여 채용된, 통합 방사광 검출기(detector)를 포함할 수 있다. 다르게는, 분리된 방사광 광원 및/또는 방사광 검출기가 소자들과 같이 사용될 수 있다.
[0189] 광소자들은 어떠한 적절한 응용에도 사용될 수 있다. 따라서, 소자들은 좁은 패스밴드 폭을 갖는 나노-광 필터 또는 편광기로서 사용될 수 있다. 소자들은 또한 입사광의 파장을 분리하는데 사용될 수 있다. 소자들은 또한 집광기(集光器), 광섬유 용 시준기(視準器:collimator) 또는 커플러, 근접장 광주사현미경(near field optical scanning microscope) 및 포토리소그래피 마스크와 같은 다른 응용분야에 사용될 수 있다.
구체적인 예들(specific examples)
[0190] 다음의 구체적인 예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
[0191] 예 1, 2, 3의 소자들은 금속 아일랜드 두께가 예 1에서는 200 nm, 예 2에서는 120nm, 예 3에서는 180nm인 것을 제외하고는 동일한 공정에 의해서 만들어진다. 금속 아일랜드는 기울임 증착(angled deposition)에 의하여 증착되므로, 투명 영역의 폭은 금속 아일랜드의 두께가 감소할수록 증가한다. 따라서, 예 1에서 투명 영역의 최소 폭은 약 50에서 100 nm이고(폭은 금속 아일랜드의 약간의 불균일도(non-uniformity) 때문에 변한다), 예 2에서 투명 영역의 최소 폭은 약 30 nm이며, 예 3에서 투명 영역의 최소 폭은 약 50nm이다. 각각 120nm 및 200nm 두께의 금속 아일랜드를 갖는 예 1 및 예 2의 소자들의 투과 스펙트럼이 도 20a에 보이고, 180nm 아일랜드를 갖는 예 3의 소자의 투과 스펙트럼이 도 20b에 보인다. 도 16a, 16b 및 16c는 예 1-3의 것과 유사한 금속 아일랜드 두께를 갖는 금속 아일랜드 배열의 SEM 사진을 보여준다. 금속 아일랜드의 두께는 도 16a에서 400nm이고, 도 16b에서 250nm이며, 도 16c에서 180 nm이다. 예 1, 2, 3의 소자들은 도 9d-9i에 도시한 방법에 의하여 만들어진다.
[0192] 도 17은 좁은 슬릿 형태의 투명 영역을 가진 예 4의 1차원(1D) 은(silver) 금속 아일랜드 배열 소자의 현미경 사진을 보여준다. 소자는 1D-격자(grating)-식각 쿼츠 기판 위의 200nm 두께의 은을 증착하여 형성된다. 격자 패턴은 홀로그래픽 공정으로 생성되며 격자 간격은 750nm가 되도록 설계되었다. 슬릿 폭은 가장 좁은 부분에서 150nm 정도가 되는 것으로 측정되었다. 이것은 수직 입사파에 대하여 투명 영역/금속 아일랜드 표면의 비가 약 20% 비율에 해당한다.
[0193] 도 18은 Ag 금속 아일랜드 배열에서 투명 영역을 통과한 투과 스펙트럼을 도시한다. 수직축은 편광되지 않은 광에 대한 투과율, Pout/Pin에 해당한다. TM 편광에 대하여, 피크 투과는 90% 이상이다. 입사광의 입사각에 대한 투과 스펙트럼의 의존도가 도 18에 보인다. 입사각이 변할수록, 투과 피크는 이동하고 분할된다. 주 패스밴드 피크는 약 170nm의 반치전폭(full width half maximum) 값을 보여준다. 약 10nm에서 약 160nm의 훨씬 좁은 패스밴드 폭과 장파장에서 잘 억제된 투과도가 전달 매트릭스와 준분석(quasi-analytical) 모델에 기초한 투과 스펙트럼의 산술 분석(numerical analysis)을 사용하여 다른 투명 영역 디자인 및 향상된 균일도, 최적화된 금속 아일랜드 두께 및 슬릿폭과 함께 가능하다.
[0194] 도 25는 예 5-12에 대한 실험적인 장치 조립의 상면도이다. 도 25에 보이는 바와 같이, 복수의 개구부(opening)를 포함하는 금속 아일랜드 또는 금속 필름을 포함하여 구성된 단일층 또는 이중층의 파장 분리 소자(301)가 복수의 화소(306)를 포함하는 라인 카메라(302) 위에 배치되어 있다. 입사광(315)의 일부가 파장 분리 소자를 통과하지 않고 카메라(302)의 화소(306)에 의해 검출되도록, 입사광 또는 입력광 빔(315) 영역은 파장 분리 소자(301)의 영역보다 더 넓다.
[0195] 도 26은 예 5, 6 및 7의 투과 스펙트럼을 보여준다. 도 26은 방사광의 파장에 대한 입사 방사광의 투과율의 도면(plot)이다. 예 5에서는 백색광이 약 2100Å 두께의 은(Ag) 아일랜드를 갖는 금속 아일랜드 배열을 통하여 투과되었다. 아일랜드 사이의 개구부들(openings)은 약 401nm의 격자 간격(dg)을 갖는다. 격자 간격은 또한 여기서 투명 영역의 간격, a0으로 불린다. 도 26의 왼쪽의 피크 (a)에서 보이는 바와 같이 이 배열을 통해 투과한 방사광은 약 676.2nm의 피크 파장을 갖는다. 예 6에서는 백색광이 약 2100Å 두께의 은(Ag) 아일랜드를 갖는 금속 아일랜드 배열을 통하여 투과되었다. 아일랜드 사이의 개구부들(openings)은 약 478nm의 격자 간격(dg)을 갖는다. 도 26의 가운데의 피크 (b)에서 보이는 바와 같이 이 배열을 통해 투과한 방사광은 약 789.6nm의 피크 파장을 갖는다. 예 7에서는 백색광이 약 2100Å 두께의 은(Ag) 아일랜드를 갖는 금속 아일랜드 배열을 통하여 투과되었다. 아일랜드 사이의 개구부들(openings)은 약 552nm의 격자 간격(dg)을 갖는다. 도 26의 오른쪽의 피크 (c)에서 보이는 바와 같이 이 배열을 통해 투과한 방사광은 약 912.8nm의 피크 파장을 갖는다. 따라서, 도 26에 도시된 바와 같이, 배열에서 개구부들의 격자 주기에 따라 다른 피크 파장의 방사광이 배열을 통과하여 투과된다.
[0196] 도 27은 종래의 450nm, 650nm, 880nm 필터를 통하여 투과된 백색광에 대한 투과 스펙트럼을 보여준다. 도 28은 예 8의 결과를 보여준다. 예 8에서는 예 5의 파장 분리 장치가 예 7의 파장 분리 장치 옆에 배치되었다. 다르게 표현하면, 약 401㎚의 격자 간격(dg)을 갖는 금속 아일랜드 배열이 카메라(302) 위의 제 1의 임의의 위치(즉, 기준점(reference point)으로부터 8000과 10,000 마이크론 사이의 위치)에 놓여있고, 약 552nm의 격자 간격(dg)을 갖는 금속 아일랜드 배열이 카메라(302) 위의 제 2의 임의의 위치(즉, 기준점으로부터 10,000과 12,000 마이크론 사이의 위치)에 놓여있다. 그런 후 백색광이 도 27에 도시된 450nm의 종래의 필터를 통과하고 나서 예 5와 예 7의 배열들을 통과한다. 그런 후 투과된 빛은 카메라(302)에 의해 감지된다. 도 28에 보이는 바와 같이, 약 7,000과 약 13,000 마이크론에서의 큰 피크들은 배열들을 통하여 투과되지 않은 빛에 해당한다. 더욱이, 도 28에 보이는 바와 같이, 예 5와 예 7의 배열들은 450nm 피크 파장의 빛을 필터링하는데 효과적이다. 이것은 예 5와 예 7의 배열들의 피크 투과도가 각각 676.2nm와 912.8nm이므로 예상될 수 있다.
[0197] 도 29는 예 9의 결과를 보여준다. 예 9의 조건들은 백색광이 450nm 종래 필터 대신 도 27의 650nm 종래 필터를 통하여 지나가는 것을 제외하고는 예 8의 조건들과 동일하다. 도 29에 보이는 바와 같이, 예 7의 배열은 그 피크 투과도가 912.8nm이므로 650nm 피크 파장의 빛을 필터링하는데 효과적이다. 반면에, 예 5의 배열은 그 피크 투과도가 676.2nm이므로 650nm 부분의 빛을 투과하였다.
[0198] 도 30은 예 10의 결과를 보여준다. 예 10의 조건들은 백색광이 450nm 종래 필터 대신 도 27의 880nm 종래 필터를 통하여 지나가는 것을 제외하고는 예 8의 조건들과 동일하다. 도 30에 보이는 바와 같이, 예 5의 배열은 그 피크 투과도가 676.2nm이므로 880nm 피크 파장의 빛을 필터링하는데 효과적이다. 반면에, 예 7의 배열은 그 피크 투과도가 912.8nm이므로 880nm 부분의 빛을 투과하였다.
[0199] 위에서 논의된 바와 같이, 파장 분리 소자들(101, 301)은 각 셀에서 고정된(constant) 격자 간격(dg)을 가질 수 있고, 또는 소자의 길이에 따라 처프(chirp)된 격자 간격을 가질 수 있다. 도 31a는 각 셀이 다른 격자 간격 d1, d2, d3 및 d4를 포함하는 파장 분리 소자의 예를 보여준다. 도 31b는 그러한 소자의 현미경사진이다. 도 32a는 격자 간격이 변하는(chirped된) 파장 분리 소자의 예를 보여준다. 도 32b는 파장 분리 소자에서 격자 간격 대 위치(x)의 예시적인 도면을 보여준다.
[0200] 도 33a는 2층 파장 분리 장치를 갖는 실시예 11을 개념적으로 나타낸다. 상기 장치는 일정한 격자 간격(93)을 갖는 어레이 위에 적층된, 처프(chirp)된 격자 간격(91)을 갖는 어레이를 포함한다. 원한다면 어레이(93)을 어레이(91) 위에 적층할 수 있다. 적절한 어떤 격자 간격이든지 선택될 수 있다. 바람직하게, 어레이(91)의 처프된 격자 간격은 파장 분리 장치의 적어도 한 지점 x1에서 어레이(93)의 일정한 격자 간격 d1과 중첩된다. 이것이 상기 장치에서의 위치 x에 대한 격자 간격의 그래프인 도 33b에 나타나있다. 감지기 픽셀(306)의 하나가 카메라(302)에서 x1 위치에 자리한다. 어레이(91) 및 (93)을 통과하는 백색광의 전체 투과도 T(도 34c에 도시)는 상기 제 1 어레이(91)을 통한 투과도 T1(도 34b에 도시)과 상기 제 2 어레이(93)을 통한 투과도 T2(도 34a에 도시)의 곱이다. 도 34a 내지 34c에서 볼 수 있는 바와 같이, 두 어레이를 모두 통과한 방사광(즉, T)는 각 어레이(91, 93)만을 거쳐 투과된 방사광(즉, T1 또는 T2)보다 더 좁은 피크 폭을 갖는다. 따라서, 두 개의 어레이를 적층하면 주된 피크의 세기에 대한 사이드 피크 또는 사이드밴드의 세기를 감소시킬 뿐만 아니라 투과된 방사광의 피크 폭도 감소시킨다.
[0201] 도 35a는 처프된 격자 간격을 갖는 두 어레이(91, 93)이 서로의 위에 적층되는 실시예 12를 개념적으로 나타낸다. 감지기 픽셀(306)은 카메라(302) 웨의 상이한 위치를 따라 자리한다. 따라서, 각 픽셀(306) 윈도우(예를 들면, 7 마이크론 윈도우)는 처프 격자 간격의 상이한 격자 간격을 갖는 파장 분리 장치의 다른 부분을 지나는 상이한 피크 파장의 방사광을 캡춰한다. 예를 들면, 도 35a는 어레이(91) 및 (93)이 동일하게 처프된 격자 간격을 갖는 경우를 나타낸다. 상기 어레이(91, 93)는 각 어레이의 투명 영역이 이웃하는 어레이의 투명 영역과 정렬되도록 적층될 수 있고, 상기 어레이(91, 93)는 한 어레이의 투명영역이 다른 어레이의 투영 영역으로부터 픽셀(306)의 방향을 따라 수평(즉, x) 방향으로 소정 양만큼 오프셋(offset)되도록 적층될 수도 있다. 도 35b는 처프된 어레이의 다양한 배열에 대한 투과도 스펙트럼을 나타낸다. "오프셋 없음"으로 표시된 피크는, 처프된 어레이(91, 93)의 투명 영역 사이에 오프셋이 없는 경우에 감지기의 소정 위치(x=290 마이크론)에 위치하는 두 어레이(91, 93) 모두를 투과한 백색광의 투과도에 해당한다. 상기 어레이의 격자 간격은 이 위치에서 340 nm이다(x=290 마이크론). "40마이크론 오프셋"이라고 표시된 피크는, 처프된 어레이(91, 93)의 투명 영역 사이에 40마이크론의 오프셋이 있는 경우에 감지기의 소정 위치(x=330 마이크론)에 위치하는 두 어레이(91, 93) 모두를 투과한 백색광의 투과도에 해당한다. 이 위치에서 격자 간격은 400 nm이다. 이들 두 피크에서 볼 수 있는 바와 같이, 어레이 사이에 오프셋을 도입함으로써, 피크 폭은 좁아졌지만 피크의 전체적인 세기는 감소하였다.
[0202] 도 36a는 처프된 격자 간격을 장치의 길이를 따라 갖는 실시예 13의 단층 파장 분리 장치(도 32a 참조)의 투과 스펙트럼을 나타낸다. 상기 장치는 800 마이크론의 폭을 갖고(길이 방향을 따라), 아홉 개의 셀과 필터를 포함한다. 각 필터는 98 마이크론의 폭을 갖고 상이한(그러나 일정한) 격자 간격, 이웃하는 셀 사이에서 30 nm 단위로 390 nm에서 630 nm까지 선형적으로 처프된 격자 간격을 갖는다. 각 셀에서 측정된 투과 스펙트럼은 약 750 nm에서 약 1100nm까지 주된 패스밴드 위치의 점진적이며 선형적인 이동을 보인다. 도 36a의 범례에 열거된 피크는 도면에 오른쪽부터 왼쪽으로 보였다(즉, dg=630 nm "black" 피크는 가장 오른쪽에 있는 피크이고 dg=390 nm "violet" 피크는 가장 왼쪽 피크이다).
[0203] 도 36b는 도 36a에 보인 동일한 장치를 2 개 포함하는 실시예 14의 2층 적층된 파장 분리 장치의 투과 스펙트럼을 나타낸다. 적층 구조의 밴드패스 특성의 향상이 명확히 보인다. 도 36은 단파장 영역에서 낮은 세기의 사이드 피크를 억제하고, 장파장 영역에서 투과를 감소시키며 도 36a에 비하여 주된 패스밴드 폭이 약 150 내지 200 nm 내지 약 100 내지 150 nm 감소함을 보인다. 금속 두께, 즉 금속 슬릿 폭을 최적으로 제어함으로써 밴드패스 특성의 정교화, 특히 장파장 투과의 억제를 기대할 수 있다. 도 36a에 보인 예에서, 메사-식각된 석영 기판이 120 nm의 슬릿폭을 갖도록 설계되었다. Ag 층을 150 nm 두께로 기울임 증착한 후, 상기 슬릿폭은 50 내지 80 nm로 감소하였다. 금속 두께의 제어는 슬릿폭을 조절할 수 있다.
[0204] 도 36c는 선형 어레이 CCD 감지기로 측정한 실시예 15의 2층 적층 장치를 이용한 파장 분리를 나타낸다(실험 구성은 도 25 참조). 상기 파장 분리 장치는 28 셀(필터)을 포함하는 390 마이크론 폭의 어레이고 각 셀이 14 마이크론의 폭을 갖는다. 격자 간격은 어레이 방향을 따라 10 nm 단위로 360 nm에서 630 nm까지 처프된다. 980 nm 파장의 빛이 파장 분리 장치(2층 적층)에 입사한다. 상기 빛은 CCD 어레이의 약 10850 nm 위치의 픽셀에 나타났다. 동일한 장치에 700 nm의 빛이 입사하면 이 빛은 CCD 어레이의 약 10600 nm 위치에 나타났다. CCD 상의 이러한 공간적 분리는 두 입력광의 스펙트럼 분리와 일치한다. 다시 말해, 상이한 파장의 빛은 CCD 어레이의 상이한 부분에 의해 감지되어 파장 분리 장치의 그 특정 파장의 빛을 투과하기 위해 설계된 부분에 위치하게 된다.
[0205] 본 발명의 다양한 구현예 및 바람직한 태양을 이상에서 별도로 기재하였다. 그러나, 각 단계 또는 어느 바람직한 구현예 또는 태양의 특징은 어떤 적절한 방법으로 다른 구현예 및 태양에 사용될 수 있다.
[0206] 본 발명의 이상의 기재는 예시와 설명의 목적으로 제공된다. 상세한 형태로 개시한 것이 본 발명의 전부이거나 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니며, 상기 교시에 기초하여 변형과 변용이 가능하다. 또는 발명의 응용으로부터 변형과 변용을 얻을 수 있다. 본 발명의 원리와 그 실용적 응용을 설명하기 위해 도면과 설명을 선택하였다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그들의 균등 범위에 의해 정의하는 의도이다.
Claims (133)
- 광감지기; 및금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드를 포함하는 파장 분리 장치로서 상기 금속 필름 또는 상기 아일랜드가 상기 금속 필름 또는 상기 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 복수개의 개방부의 2차원 어레이를 포함하는 파장 분리 장치를 포함하고,입사 방사광이 상기 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 위에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 상기 금속 필름 또는 아일랜드가 구성되고, 또한금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드에 있는 복수개의 개방부를 통하여 제 2 피크 파장 및 상기 제 2 피크 파장과 상이한 제 3 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 상기 적어도 하나의 플라즈몬 모드와의 공진으로 인하여 강화되는 것을 특징으로 하는 다중 스펙트럼 이미징 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 또는 금속 아일랜드가 단일 필름 또는 금속 아일랜드의 층을 포함하거나, 상기 금속 또는 금속 아일랜드가 복수개의 적층된 금속 필름 또는 금속 아일랜드층 중 하나를 포함하고;상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드는 셀의 2차원 어레이를 포함하고;각 셀은 복수개의 서브셀을 포함하고;제 1 셀의 제 1 서브셀에 있는 제 1 개방부의 제 1 간격이 제 1 셀의 제 2 서브셀에 있는 제 2 개방부의 제 2 간격과 상이하고;상기 제 1 서브셀에 있는 제 1 개방부를 통한 제 2 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 제 1 간격으로 인하여 강화되고, 또한상기 제 2 서브셀에 있는 제 2 개방부를 통하여 제 3 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 제 2 간격으로 인하여 강화되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 적어도 열 개의 셀을 포함하고;각 셀의 각 서브셀에 있는 개방부의 간격이 각 셀의 적어도 다른 일부 서브셀의 개방부의 간격과 상이하고; 및상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 각 서브셀을 통한 투과가 각 서브셀에 있는 개방부의 간격으로 인하여 강화되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 3 항에 있어서, 각 서브셀에 있는 상기 개방부가 동일한 방향으로 배향된 슬릿형 개방부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 각 셀이 적어도 세 쌍의 서브셀을 포함하고;각 쌍의 서브셀의 각 서브셀에 있는 개방부의 간격이 동일하고;주어진 셀의 각 쌍의 서브셀에 있는 개방부의 간격이 동일한 셀의 다른 쌍의 서브셀에 있는 개방부의 간격과 상이하고; 및각 쌍의 서브셀의 각 서브셀에 있는 개방부가 서로 수직으로 배향된 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 5 항에 있어서, 각 서브셀이, 상이한 색깔의 가시광선을 광감지기로 투과하도록 조절된 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 5 항에 있어서, 각 서브셀이, 상이한 좁은 밴드의 UV 또는 IR 방사광을 광감지기로 투과하도록 조절된 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 파장 분리 장치가 방사광에 투명한 기판 위에 위치하는 자기 조립되는 금속 아일랜드를 복수개 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 8 항에 있어서, 상기 기판이 복수개의 융기부를 포함하고 상기 금속 아일랜드가 상기 복수개의 융기부 위에 비대칭적으로 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광감지기가 회절광학을 이용하지 않고 금속 필름 또는 금속 아일랜드와 광학적으로 결합된 CCD 어레이, CMOS 활성 픽셀 어레이 또는 초점면 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광감지기가 상기 파장 분리 장치와 광학적으로 결합되고, 상기 파장 분리 장치를 통하여 투과된 방사광을 감지하도록 조절되며, 상기 투과된 방사광은 상기 파장 분리 장치의 금속 필름 또는 금속 아일랜드 위에서 플라즈몬 모르와 공진하여 강화되는 복수개의 상이한 피크 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 11 항에 있어서, 상기 광감지기의 각 픽셀이 상기 파장 분리 장치의 셀에 대응하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 상기 광감지기의 각 셀에 의하여 감지된 방사광의 세기를 결정하도록 조절된 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 시스템이 디지털 컬러 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 광감지기;금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드를 포함하는 파장 분리 장치로서 상기 금속 필름 또는 상기 아일랜드가 상기 금속 필름 또는 상기 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 복수개의 개방부를 포함하는 파장 분리 장치;입사 방사광이 상기 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 위에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 상기 금속 필름 또는 아일랜드가 구성되고, 또한 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드에 있는 복수개의 개방부를 통하여 제 2 피크 파장 및 상기 제 2 피크 파장과 상이한 제 3 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 상기 적어도 하나의 플라즈몬 모드와의 공진으로 인하여 강화되고;분석물이 방사광을 발산하도록 야기하게끔 조절된 여기원; 및분석물로부터 발산되고 이미징 시스템에 의해 감지되는 방사광으로부터 분석물에 관한 정보를 결정하도록 조절된 프로세서를 포함하는 분석물 광감지 시스템.
- 제 15 항에 있어서, 상기 여기원이 광학적 여기원을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 16 항에 있어서, 상기 광학적 여기원과 상기 파장 분리 장치 사이에 편광 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 15 항에 있어서, 상기 파장 분리 장치가, 복수개의 개방부의 2차원 어레이를 갖는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드로서, 상기 개방부가 상기 필름 또는 상기 아일랜드 위에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 입사 방사광을 복수개의 피크 파장을 갖는 투과 방사광으로 분리하기 위한 제 1 수단으로서, 상기 피크 파장이 상기 제 1 수단 위에서 플라즈몬 모드와 공진하여 강화되는 제 1 수단;상기 투과 방사광을 감지하기 위한 제 2 수단; 및상기 입사 방사광의 컬러 이미지를 형성하기 위한 제 3 수단을 포함하는 다중 스펙트럼 이미징 시스템.
- 제 19 항에 있어서, 상기 투과 방사광이 색채에 의하여 분리된 가시광선을 포함하고; 또한상기 제 3 수단이 상기 컬러 이미지를 컴퓨터 가독 매체에, 디스플레이에 또는 시각적으로 관찰할 수 있는 유형의 매체에 형성시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 분석물이 제 1 방사광을 발산하도록 야기하기 위한 제 1 수단;제 1 방사광을 복수개의 상이한 피크 파장을 갖는 투과 방사광으로 분리하기 위한 제 2 수단으로서, 상기 피크 파장이 상기 제 2 수단 위에서 플라즈몬 모드와 공진하여 강화되는 제 2 수단;상기 투과 방사광을 감지하기 위한 제 3 수단; 및감지된 투과 방사광으로부터 상기 분석물에 관한 정보를 결정하기 위한 제 4 수단을 포함하는 분석물 광감지 시스템.
- 제 21 항에 있어서, 분석물 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제 22 항에 있어서, 상기 제 4 수단이 상기 분석물 홀더 상에 위치한 분석물에 관한 의학적 또는 생물학적 정보를 제 1 방사광을 발산하는 분석물의 분석물 홀더 상에서의 위치에 근거하여 결정하기 위한 수단인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 고체상 광감지기 어레이를 기판 내에 또는 기판 상에 제공하는 단계;상기 광감지기 어레이 위에 금속 필름을 단일하게(monolithically) 증착하는 단계; 및상기 금속 필름을 광리소그래피적으로 패터닝하여 상기 필름 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 복수개의 개방부의 2차원 어레이를 형성하되, 상기 패터닝이 상기 복수개의 개방부를 통한 투과 방사광이 상기 금속 필름 상에서 플라즈몬 모드와 공진하여 강화되는 복수개의 상이한 피크 파장을 갖게 되도록 패터닝하는 단계를 포함하는 다중 스펙트럼 이미징 시스템의 제조 방법.
- 고체상 광감지기 어레이를 기판 내에 또는 기판 상에 제공하는 단계; 및상기 광감지기 어레이 상에 복수개의 금속 아일랜드를 단일하게 (monolithically) 증착하는 단계로서, 상기 복수개의 금속 아일랜드가 상기 금속 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 개방부의 2차원 어레이에 의해, 상기 복수개의 개방부를 통한 투과 방사광이 상기 금속 필름 상에서 플라즈몬 모드와 공진하여 강화되는 복수개의 상이한 피크 파장을 갖게 되도록 분리되는 것을 특징으로 하는 다중 스펙트럼 이미징 시스템의 제조 방법.
- 파장 범위를 갖는 입사 방사광을, 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 복수개의 개방부의 2차원 어레이를 갖는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드 상에, 상기 입사 방사광이 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 제공하는 단계;상기 복수개의 개방부를 통하여 투과된 방사광을, 상기 투과된 방사광이 상이한 피크 파장을 갖는 복수개의 패스밴드로 동시에 분리되도록 제공하는 단계;상기 투과된 방사광을 감지하는 단계; 및감지한 상기 투과 방사광에 기초하여 컬러 이미지를 형성하는 단계를 포함하는 컬러 이미지의 형성 방법.
- 분석물이 제 1 방사광을 발산하도록 야기하는 단계;상기 제 1 방사광을, 파장 분리 장치 위에서 플라즈몬 모드와의 공진에 의해 강화된 복수개의 상이한 파장을 갖는 투과 방사광으로 분리하는 단계;상기 투과 방사광을 감지하는 단계; 및감지된 상기 투과 방사광으로부터 분석물에 관한 정보를 결정하는 단계를 포함하는 분석물에 관한 정보의 결정 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 분석물이 형광체에 부착된 생체 물질을 포함하고; 또한 상기 제 1 방사광이 상기 형광체에 의해 발산되는 방사광을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 28 항에 있어서, 정보를 결정하는 단계가 제 1 방사광을 발산하는 상기 분석물의 위치에 근거하여 분석물에 관한 의학적 또는 생물학적 정보를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 금속 필름을 제공하는 단계; 및복수개의 개방부를 상기 금속 필름에 형성하기 위하여, 상기 복수개의 개방부가 상기 필름 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖고, 상기 금속 위에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와의 공진으로 인하여 상기 금속 필름에 있는 복수개의 개방부를 통한 방사광의 투과가 강화되도록 광리소그래피적으로 상기 금속 필름을 패터닝하는 단계를 포함하는 나노구조 소자의 제조 방법.
- 제 30 항에 있어서, 광리소그래피적으로 상기 금속 필름을 패터닝하는 단계가금속 필름 상이 포토레지스트를 형성하는 단계;상기 포토레지스트를 홀로그래프적으로 노광하는 단계;상기 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 및패터닝된 포토레지스트를 이용하여 상기 금속 필름에 복수개의 서브 파장 슬릿형 개방부를 형성하기 위해 상기 금속 필름을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 복수개의 개방부를 포함하는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드로서, 상기 개방부가 상기 금속 필름 또는 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드를 포함하고,상기 금속 필름 또는 아일랜드는 상기 입사 방사광이 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 위의 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 구성되고, 및적어도 제 2 피크 파장과 상기 제 2 피크 파장과 상이한 제 3 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가, 적어도 하나의 플라즈몬 모드와의 공진으로 인해 상기 금속 필름 또는 상기 복수개의 금속 아일랜드에 있는 복수개의 개방부를 통하여 강화되는 것을 특징으로 하는 파장 분리 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 적어도 두 개의 셀을 포함하고;제 1 셀에 있는 제 1 개방부의 제 1 간격이 제 2 셀에 있는 제 2 개방부의 제 2 간격과 상이하고;제 1 셀에 있는 제 1 개방부를 통한 제 2 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 상기 제 1 간격으로 인하여 강화되고; 또한제 2 셀에 있는 제 2 개방부를 통한 제 3 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 상기 제 2 간격으로 인하여 강화되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 33 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 적어도 열 개의 셀을 포함하고;각 셀에 있는 개방부의 간격이 다른 각 셀에 있는 개방부의 간격과 다르고; 또한각 셀에 있는 개방부를 통한 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀에 있는 개방부의 간격으로 인하여 강화되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 34 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 적어도 30 개의 셀을 포함하고;각 셀에 있는 개방부의 간격이 다른 각 셀에 있는 개방부의 간격과 다르고;각 셀에 있는 개방부를 통한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀에 있 는 개방부의 간격으로 인하여 강화되고; 또한각 셀을 통하여 투과되는 방사광이 다른 셀을 통하여 투과되는 방사광의 피크 파장과 적어도 10 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 33 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드를 가로지르는 상기 개방부의 간격이 처프(chirp)된 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 35 항에 있어서, 각 셀의 개방부의 간격이 약 250 nm 내지 약 700 nm이고, 각 개방부의 폭이 약 20 nm 내지 약 80 nm인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 적어도 두 개의 셀을 포함하고;각 셀이 적어도 하나의 복수의 개방부를 포함하고;제 1 셀에 있는 금속 필름 또는 금속 아일랜드의 적어도 한 표면이 제 2 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 제 1 표면 지형의 지형으로 인하여 강화되도록 상기 제 1 셀의 개방부에 이웃하여 제공되는 제 1 주기적 또는 준주기적 표면 지형을 포함하고; 또한제 2 셀에 있는 금속 필름 또는 금속 아일랜드의 적어도 한 표면이 제 3 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 상기 제 1 표면 지형과는 다른 제 2 표면 지형의 지형으로 인하여 강화되도록 상기 제 2 셀의 개방부에 이웃하여 제공되는 제 2 주 기적 또는 준주기적 표면 지형을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 38 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 적어도 열 개의 셀을 포함하고;각 셀의 주기적 또는 준주기적 표면 지형 구성이 다른 각 셀의 주기적 또는 준주기적 표면 지형 구성과 상이하고; 또한각 셀의 개방부를 통하여 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형의 구성으로 인하여 강화되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 39 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 적어도 열 개의 셀을 포함하고;각 셀의 주기적 또는 준주기적 표면 지형 구성이 다른 각 셀의 주기적 또는 준주기적 표면 지형 구성과 상이하고;각 셀의 개방부를 통하여 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형의 표면 지형 간격으로 인하여 강화되고; 또한각 셀을 통하여 투과되는 방사광이 다른 셀을 통하여 투과되는 방사광의 피크 파장과 적어도 1 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 개방부가 상기 금속 필름에 위치하는 슬릿을 포함 하고, 상기 슬릿은 길이가 폭의 적어도 10배인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 개방부가 상기 금속 필름 상에 원형, 타원형 또는 다각형 개방부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 장치가 방사광에 투명한 기판 상에 위치하는 복수개의 자기조립되는 금속 아일랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 43 항에 있어서, 상기 기판이 복수개의 융기부를 포함하고 상기 금속 아일랜드가 상기 복수개의 융기부 위에 비대칭적으로 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 32 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드가 나노기공 어레이 기판의 나노기공에 위치하고, 상기 개방부가 상기 나노기공 어레이의 융기부 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 36 항에 있어서, 상기 장치가 N개의 셀을 갖는 N 채널 모노크로메이터를 포함하고 N은 10 내지 10,000의 정수이고;각 셀 크기는 약 50 내지 약 500 마이크론이고;각 셀은 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드에 적어도 하나의 개방부를 포함 하고; 및각 셀은 다른 셀을 통하여 투과된 방사광의 피크 파장과 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과를 강화하도록 조절된 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 46 항에 있어서, 상기 모노크로메이터 길이, 폭 및 두께가 각각 1cm 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 32 항의 장치; 및 광감지기를 포함하는 스펙트럼 분석기.
- 제 48 항에 있어서, 상기 광감지기가 회절광학을 이용하지 않고 상기 금속 필름 또는 상기 금속 아일랜드와 광학적으로 결합된 CCD 어레이, CMOS 활성 픽셀 어레이 또는 초점면 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석기.
- 복수개의 개방부를 갖는 금속 필름 또는 금속 아일랜드를 포함하는 파장 분리 장치로서, 상기 개방부가 상기 금속 필름 또는 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 파장 분리 장치; 및상기 파장 분리 장치와 광학적으로 결합되고 상기 파장 분리 장치를 통하여 투과되는 방사광을 감지하도록 조절된 광감지기로서, 상기 투과 방사광이 상기 파장 분리 장치의 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상에서 플라즈몬 모드와 공진함으로써 강화되는 피크 파장의 범위를 갖는 광감지기를 포함하는 스펙트럼 분석 장치.
- 제 50 항에 있어서, 상기 파장 분리 장치가 적어도 서른 개의 셀을 포함하고;각 셀의 개방부의 간격이 다른 셀의 개방부의 간격과 상이하고;각 셀의 개방부를 통한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀의 개방부의 간격으로 인하여 강화되고;각 셀을 통하여 투과된 방사광이 다른 셀을 통하여 투과된 방사광의 피크 파장과 적어도 1 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖고;상기 광감지기가 고체상 광감지기 셀을 포함하고; 및각 광감지기 셀이 상기 파장 분리 장치의 각 개별 셀에서 나오는 소정의 피크 파장을 갖는 방사광을 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 51 항에 있어서, 상기 광감지기가 CCD 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 51 항에 있어서, 상기 광감지기가 CMOS 활성 픽셀 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 50 항에 있어서, 상기 파장 분리 장치가 적어도 서른 개의 셀을 포함하고;각 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조가 다른 각 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조와 상이하고;각 셀의 개방부를 통하여 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀에서 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형의 표면 지형의 간격으로 인하여 강화되고;각 셀을 통하여 투과된 방사광이 다른 셀을 통하여 투과된 방사광의 피크 파장과 적어도 1 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖고;상기 광감지기가 고체상 광감지기 셀을 포함하고; 및각 광감지기 셀이 상기 파장 분리 장치의 각 개별 셀에서 나오는 소정의 피크 파장을 갖는 방사광을 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 50 항에 있어서, 상기 분석기가 상기 파장 분리 장치와 상기 광감지기 사이에 회절광학(diffractive optics)을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 50 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 아일랜드를 가로지르는 개방부의 간격이 처프(chirp)된 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 50 항에 있어서, 광감지기의 각 셀에 의하여 감지된 방사광의 세기를 결정하도록 조절된 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 50 항에 있어서, 상기 스펙트럼 분석기 두께가 방사광 투과 방향으로 1 cm 미만이고, 상기 스펙트럼 분석기 길이가 상기 방사광 투과 방향의 수직 방향으로 1 cm 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
- 입사 방사광을 피크 파장 범위를 갖는 투과 방사광으로 분리하기 위한 제 1 수단으로서, 상기 피크 파장이 상기 제 1 수단 위에서 플라즈몬 모드와 공진하여 강화되는 제 1 수단; 및상기 투과 방사광을 감지하기 위한 제 2 수단을 포함하는 스펙트럼 분석기 장치.
- 지지체; 및입사 방사광이 자신 위에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 입사 방사광을 수용하기 위한, 그리고 적어도 제 2 피크 파장과 상기 제 2 피크 파장과 상이한 제 3 피크 파장을 갖는 방사광이 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진함으로써 강화되도록 상기 방사광을 투과시키기 위한 제 1 수단을 포함하는 파장 분리 장치.
- 고체상 광감지기 어레이를 기판 내에 또는 기판 위에 제공하는 단계;상기 광감지기 어레이 위에 금속 필름을 단일하게(monolithically) 증착하는 단계; 및상기 금속 필름을 광리소그래피적으로 패터닝하여 상기 필름 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 복수개의 개방부를 형성하되, 상기 패터닝이 상기 복수개의 개방부를 통한 투과 방사광이 상기 금속 필름 상에서 플라즈몬 모드와 공진하여 강화되는 피크 파장의 범위를 갖게 되도록 패터닝하는 단계를 포함하는 스펙트럼 분석기 장치의 제조 방법.
- 제 61 항에 있어서, 상기 금속 필름이 적어도 서른 개의 셀을 포함하고;각 셀의 개방부의 간격이 다른 각 셀의 개방부의 간격과 상이하고;각 셀에서 개방부를 통한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀에서 개방부의 간격으로 인하여 강화되고;각 셀을 통하여 투과되는 방사광이 다른 셀을 통하여 투과되는 방사광의 피크 파장과 적어도 1 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖고;상기 광감지기 어레이가 고체상 광감지기 셀의 어레이를 포함하고; 및각 광감지기 셀이 상기 금속 필름의 각 개별 셀로부터 소정의 피크 파장을 갖는 방사광을 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 62 항에 있어서, 고체상 광감지기 어레이를 제공하는 단계가 상기 기판 내에 또는 상기 기판 상에 CCD 어레이를 광리소그래피적으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 62 항에 있어서, 고체상 광감지기 어레이를 제공하는 단계가 상기 기판 내에 또는 상기 기판 상에 CMOS 활성 픽셀 어레이를 광리소그래피적으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 61 항에 있어서, 상기 금속 필름 위에 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조를 광리소그래피적으로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 61 항에 있어서, 상기 금속 필름이 적어도 서른 개의 셀을 포함하고;각 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조가 다른 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조와 상이하고;각 셀의 개방부를 통한 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀에서 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형의 표면 지형 주기로 인하여 강화되고;각 셀을 통하여 투과되는 방사광이 다른 셀을 통하여 투과되는 방사광의 피크 파장과 적어도 1 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖고;상기 광감지기가 고체상 광감지기 셀의 어레이를 포함하고; 및각 광감지기 셀이 상기 파장 분리 장치의 각 개별 셀로부터 소정의 피크 파장을 갖는 방사광을 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
- 고체상 광감지기 어레이를 기판 내에 또는 기판 상에 제공하는 단계; 및상기 광감지기 어레이 상에 복수개의 금속 아일랜드를 단일하게 (monolithically) 증착하는 단계로서, 상기 복수개의 금속 아일랜드가 상기 금속 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 개방부에 의해, 상기 복수개의 개방부를 통한 투과 방사광이 상기 금속 필름 상에서 플라즈몬 모드와 공진하여 강화되는 피크 파장의 범위를 갖게 되도록 분리되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석기 장치의 제조 방법.
- 제 67 항에 있어서, 상기 금속 아일랜드가 적어도 서른 개의 셀을 포함하고;각 셀의 개방부의 간격이 다른 각 셀의 개방부의 간격과 상이하고;각 셀에서 개방부를 통한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀에서 개방부의 간격으로 인하여 강화되고;각 셀을 통하여 투과되는 방사광이 다른 셀을 통하여 투과되는 방사광의 피크 파장과 적어도 1 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖고;상기 광감지기 어레이가 고체상 광감지기 셀의 어레이를 포함하고; 및각 광감지기 셀이 상기 금속 필름의 각 개별 셀로부터 소정의 피크 파장을 갖는 방사광을 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 68 항에 있어서, 고체상 광감지기 어레이를 제공하는 단계가 상기 기판 내에 또는 상기 기판 상에 CCD 어레이를 광리소그래피적으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 68 항에 있어서, 고체상 광감지기 어레이를 제공하는 단계가 상기 기판 내에 또는 상기 기판 상에 CMOS 활성 픽셀 어레이를 광리소그래피적으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 67 항에 있어서, 상기 금속 아일랜드 상에 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조를 광리소그래피적으로 형성하는 단계;상기 금속 아일랜드가 적어도 서른 개의 셀을 포함하고;각 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조가 다른 셀의 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형 구조와 상이하고;각 셀의 개방부를 통한 상이한 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 각 셀에서 주기적인 또는 준주기적인 표면 지형의 표면 지형 주기로 인하여 강화되고;각 셀을 통하여 투과되는 방사광이 다른 셀을 통하여 투과되는 방사광의 피크 파장과 적어도 1 nm 차이가 나는 피크 파장을 갖고;상기 광감지기가 고체상 광감지기 셀의 어레이를 포함하고; 및각 광감지기 셀이 상기 파장 분리 장치의 각 개별 셀로부터 소정의 피크 파장을 갖는 방사광을 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
- 파장 범위를 갖는 입사 방사광을, 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 복수개의 개방부를 갖는 금속 필름 또는 복수개의 금속 아일랜드 상에, 상기 입사 방사광이 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 상에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 제공하는 단계; 및상기 복수개의 개방부를 통하여 투과된 방사광을, 상기 투과된 방사광이 상이한 피크 파장을 갖는 복수개의 패스밴드로 동시에 분리되도록 제공하는 단계를 포함하는 파장 분리 방법.
- 제 72 항에 있어서, 각 투과된 방사광 패스밴드를 개별적으로 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 방사광에 투명한 기판; 및상기 기판 위에 복수개의 금속 아일랜드를 포함하는 표면 플라즈몬 공진 광장치로서,이웃하는 금속 아일랜드가 상기 장치 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 거리만큼 이격되고, 상기 입사 방사광이 상기 금속 아일랜드 상의 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진함으로써 복수개의 금속 아일랜드 사이에 적어도 하나의 제 2 피크 파장을 갖는 방사광의 투과를 향상시키도록 상기 금속 아일랜드가 구성되는 장치.
- 제 74 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 파장이 700 nm 이하이고 상기 이웃하는 아일랜드 사이의 거리가 100 nm 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 74 항에 있어서, 복수개의 금속 아일랜드 사이의 투명 영역의 어레이가, 복수개의 금속 아일랜드 사이에서의 방사광의 투과가 투명 영역의 어레이의 간격으로 인하여 강화되도록 간격 a0를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 76 항에 있어서, 상기 투명 영역이 길이가 폭보다 적어도 10 배 이상인 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 74 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드가 복수개의 금속 아일랜드 사이의 방사광의 투과가 주기적인 표면 지형으로 인하여 강화되도록 상기 금속 아일랜드의 적어도 한 표면 위에 제공된 주기적 표면 지형을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 78 항에 있어서, 금속 아일랜드 사이의 투명 영역이 길이가 폭보다 적어도 10 배 이상인 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 76 항에 있어서, 상기 간격 a0가 가시광 입사 방사광에 대하여 약 200 내지 약 700 nm인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 74 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드가 상기 투명 기판상의 복 수개의 융기부 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 81 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드의 각각이 복수개의 융기부의 대응하는 것 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 82 항에 있어서, 각 개별 금속 아일랜드가 각 융기부의 상부 표면 위 및 각 개별 융기부의 하나의 측표면의 적어도 일부 위로 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 83 항에 있어서, 각 금속 아일랜드의 길이는 폭보다 적어도 10배 더 크고;각 융기부의 길이는 폭보다 적어도 10배 더 크고; 및각 금속 아일랜드는 각 융기부의 제 1 측표면 위로, 낮게 연장되고 상기 각 융기부의 제 2 측표면 위보다 더 낮게 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 84 항에 있어서, 상기 복수개의 융기부가 복수개의 직사각형 융기부를 포함하고, 상기 기판이 방사광에 투명한 물질의 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 74 항에 있어서, 상기 기판이 나노기공 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 86 항에 있어서, 상기 기판이 방사광에 투명한 기판 물질 위에 위치하는 애노드 알루미늄 옥사이드 나노기공 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 74 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드가 서로 연결되지 않은 복수개의 이격된 금속 아일랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 74 항에 있어서, 적어도 하나의 소정 제 1 파장을 갖는 입사 방사광을 방출하도록 조절된 방사광원; 및상기 기판을 통하여 그리고 상기 복수개의 금속 아일랜드 사이로 투과되는 방사광을 감지하도록 조절된 방사광 감지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 방사광에 투명한 기판을 제공하는 단계; 및상기 투명 기판 위에 복수개의 금속 아일랜드를 형성하는 단계를 포함하고,이웃하는 금속 아일랜드가 상기 장치 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 거리만큼 이격되고, 상기 입사 방사광이 상기 금속 아일랜드 상의 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진함으로써 복수개의 금속 아일랜드 사이에 적어도 하나의 제 2 피크 파장을 갖는 방사광의 투과를 향상시키도록 상기 금속 아일랜드가 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공진 광장 치의 제조 방법.
- 제 90 항에 있어서, 상기 기판이 제 1 표면 위에 복수개의 융기부를 포함하고; 및복수개의 금속 아일랜드를 형성하는 단계가 상기 융기부 사이에 금속이 증착되지 않도록 상기 복수개의 융기부 위에 금속 아일랜드를 선택적으로 증착하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 91 항에 있어서, 선택적으로 증착하는 단계가 융기부 위로 오는 금속을 상기 융기부의 상부 표면에 대하여 수직이 아닌 방향으로 배향함으로써 상기 금속 아일랜드를 기울임-증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 92 항에 있어서, 상기 융기부가 편평한 상부 표면을 포함하고 상기 금속이 상기 편평한 상부 표면에 대하여 20 내지 70 도 각도의 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 91 항에 있어서, 선택적으로 증착하는 단계가 금속을 타겟으로부터 기판 위로, 상기 기판이 타겟에 대하여 20 내지 70도 기울어지도록 하여 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 91 항에 있어서, 리소그래피를 이용하여 복수개의 융기층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 95 항에 있어서, 상기 복수개의 융기층을 형성하는 단계가상기 기판의 제 1 표면 위에 포토레지스트층을 형성하는 단계;상기 포토레지스트층을 선택적으로 노광하는 단계;노광된 상기 포토레지스트층을 패터닝하는 단계; 및상기 융기층을 형성하기 위하여 패터닝된 상기 포토레지스트층을 마스크로 이용하여 상기 기판의 제 1 표면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 96 항에 있어서, 상기 포토레지스트층을 선택적으로 노광하는 단계가 상기 포토레지스트층을 홀로그래프적으로 노광하는 단계를 포함하고; 및선택적으로 증착하는 단계가 융기부 위로 오는 금속을 상기 융기부의 상부 표면에 대하여 수직이 아닌 방향으로 배향함으로써 상기 금속 아일랜드를 기울임-증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 95 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드를 형성하는 단계가격자 패터닝된 투명 기판 위에 제 1 금속층을, 기판의 상기 격자패턴이 제 1 금속층의 상측 표면까지 전달되도록 형성하는 단계;상기 제 1 금속층의 상부 표면의 격자 패턴 홈에 나노기공이 선택적으로 형성되도록 상기 제 1 금속층을 양극 산화하는 단계; 및상기 나노기공 내의 금속 아일랜드를 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 95 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드를 형성하는 단계가격자 패턴된 물질 위에 제 1 금속층을, 상기 물질의 격자 패턴이 상기 제 1 금속층의 상부 표면까지 전달되도록 형성하는 단계;상기 제 1 금속층의 상부 표면의 격자 패턴 홈에 나노기공이 선택적으로 형성되도록 상기 제 1 금속층을 양극 산화하는 단계;상기 양극산화된 제 1 금속층 위에 주형 물질을, 주형 물질 융기부가 상기 나노기공 내부로 연장되도록 증착시키는 단계;상기 주형 물질을 양극 산화된 제 1 금속층으로부터 분리하는 단계; 및상기 금속 아일랜드를 주형 물질 상에 형성시계는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 90 항에 있어서, 복수개의 금속 아일랜드를 형성하는 단계가상기 기판 상에 금속층을 형성시키는 단계; 및상기 금속층을 패터닝하여 복수개의 금속 아일랜드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 100 항에 있어서, 상기 패터닝하는 단계가상기 금속층의 제 1 표면 위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 층을 선택적으로 노광하는 단계;노광된 포토레지스트 층을 패터닝하는 단계; 및상기 패터닝된 포토레지스트 층을 마스크로 이용하여 상기 금속층을 식각함으로써 복수개의 아일랜드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 101 항에 있어서, 상기 포토레지스트 층을 선택적으로 노광하는 단계가 상기 포토레지스트 층을 홀로그래프 적으로 노광시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 90 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드를 형성하는 단계가상기 기판의 제 1 표면 위에 포토레지스트 층을 형성시키는 단계;상기 포토레지스트 층을 선택적으로 노광시키는 단계;상기 노광된 포토레지스트층을 패터닝하여 상기 기판의 제 1 표면의 일부를 노출시키는 단계;패터닝된 상기 포토레지스트층 및 상기 기판의 제 1 표면의 노출된 부분 위에 금속층을 형성하는 단계; 및패터닝된 포토레지스트층 및 상기 패터닝된 포토레지스트층 위에 위치하는 금속층의 부분을 리프트 오프하여 상기 기판의 제 1 표면 위에 복수개의 금속 아일랜드를 남기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 103 항에 있어서, 상기 포토레지스트 층을 선택적으로 노광시키는 단계가 상기 포토레지스트 층을 홀로그래프 적으로 노광시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 방사광에 투명한 기판 및 상기 기판의 적어도 하나의 표면 위에 위치하는 복수개의 금속 아일랜드를 포함하는 파장 분리 장치를 제공하는 단계;입사 방사광을 상기 파장 분리 장치 위에 제공하는 단계; 및적어도 하나의 제 1 피크 파장을 갖는 방사광을 상기 파장 분리 장치를 통해 투과시키는 단계를 포함하고상기 입사 방사광이 상기 금속 아일랜드 상에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하여 상기 파장 분리 장치를 통해 투과되는 방사광을 강화시키는 것을 특징으로 하는 방사광 투과 방법.
- 제 105 항에 있어서, 상기 입사 방사광 및 상기 투과된 방사광이 가시광을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 106 항에 있어서, 이웃하는 금속 아일랜드 사이의 거리가 100 nm 미만이 고, 상기 금속 아일랜드 사이로 가시광선이 투과되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 107 항에 있어서, 적어도 하나의 플라즈몬 모드가 금속 아일랜드/이웃 유전체 계면을 포함하는 평면을 따르는 표면 플라즈몬 공진 및 상기 금속 아일랜드 측벽을 따라 국부화(localized)된 표면 플라즈몬 공진을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 108 항에 있어서, 상기 금속 아일랜드 사이의 투명 영역이 길이가 폭보다 10배 이상 큰 슬릿을 포함하고; 및알짜 출력이 상기 금속 표면 통로(funnel)를 따라 상기 투명 영역 내부로 흐른 후 전파되는 투과 빔을 형성하는 방사광 모드로 디커플되어 표면 플라즈몬 여기가 공진점으로부터 비동조(off-tune)되도록 상기 슬릿 폭이 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 109 항에 있어서, 상기 슬릿폭이 상기 입사 방사광의 상기 금속 아일랜드로의 침투 깊이의 약 1배 내지 약 3배인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 109 항에 있어서, 높은 파장(higher wavelength)에서 투과된 방사광의 세기와 주된 패스밴드 방사광의 피크 투과(peak transmission)의 세기의 비가 0.4 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 105 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드 사이의 방사광의 투과가 투명 영역 어레이의 간격으로 인하여 강화되도록 상기 복수개의 금속 아일랜드 사이의 투명 영역 어레이가 간격 a0를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 112 항에 있어서, 상기 투명 영역이 길이가 폭보다 적어도 10배 큰 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 105 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드 사이의 방사광의 투과가 주기적인 표면지형으로 인하여 강화되도록 상기 복수개의 금속 아일랜드가 상기 금속 아일랜드의 적어도 한 표면 위에 제공되는 주기적인 표면 지형을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 113 항에 있어서, 상기 간격 a0가 약 200 내지 약 700 nm인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 105 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드가 상기 투명 기판 위의 복수개의 융기부위에 위치하고; 및상기 복수개의 금속 아일랜드의 하나가 복수개의 융기부의 대응하는 하나 위 에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 105 항에 있어서, 상기 복수개의 금속 아일랜드가 서로 연결되지 않은 복수개의 이격된 금속 아일랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 105 항에 있어서, 투과된 방사광을 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 방사광에 투명한 기판; 및입사 방사광을 수용하기 위한, 그리고 적어도 하나의 제 1 피크 파장을 갖는 방사광을 투과하기 위한 제 1 수단으로서, 상기 제 1 수단을 통하여 투과되는 상기 적어도 하나의 제 1 피크 파장을 갖는 방사광을 강화시키기 위하여 상기 입사 방사광이 상기 제 1 수단 위에서 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공진 광장치.
- 방사광에 투명한 기판;상기 기판 위의 복수개의 금속 아일랜드; 및상기 금속 아일랜드를 분리하는 복수개의 슬릿형 투명 영역을 포함하고,상기 투명영역의 가장 좁은 지점에서의 폭이, 입사 방사광이 상기 금속 아일랜드 위에 제공될 때 금속 아일랜드에서 표면 플라즈몬 필드의 침투 깊이의 약 1배 내지 약 3배의 범위인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공진 광장치.
- 제 120 항에 있어서, 상기 아일랜드 사이의 거리가 100 nm 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 121 항에 있어서, 상기 아일랜드 사이의 거리가 약 40nm 내지 약 60 nm인 것을 특징으로 하는 장치.
- 금속 아일랜드 사이에 적어도 하나의 투명 영역을 갖는 복수개의 금속 아일랜드와, 상기 금속 아일랜드 상에, 입사 방사광이 상기 금속 아일랜드 상의 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하여 상기 복수개의 금속 아일랜드 사이에서 적어도 하나의 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 강화되도록 구성되는 비금속 지형을 포함하는 표면 플라즈몬 공진 광장치.
- 제 123 항에 있어서, 상기 비금속 지형이 상기 금속 아일랜드 상에 주기적으로 또는 준주기적으로 배열된 유전체 지형을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 123 항에 있어서, 상기 비금속 지형이 상기 금속 아일랜드 위에 가변 굴절율을 갖는 적어도 하나의 유전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 적어도 하나의 개구(aperture)를 갖는 금속 필름, 및 입사 방사광이 상기 금속 필름 위의 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하여 적어도 하나의 상기 개구를 통하여 적어도 하나의 피크 파장을 갖는 방사광의 투과가 강화되도록 구성된 상기 금속 필름 위의 비금속 지형을 포함하는 표면 플라즈몬 공진 광장치.
- 제 126 항에 있어서, 상기 비금속 지형이 상기 금속 필름 상에 주기적으로 또는 준주기적으로 배열된 유전체 지형을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 126 항에 있어서, 상기 비금속 지형이 상기 금속 필름 위에 가변 굴절율을 갖는 적어도 하나의 유전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 2 이상 적층된 금속 필름 또는 2 이상의 층의 금속 아일랜드를 포함하고,각 금속 필름 또는 금속 아일랜드의 층이 상기 필름 또는 아일랜드 상에 제공되는 입사 방사광의 소정의 제 1 파장 중 적어도 하나보다 작은 폭을 갖는 복수개의 개방부의 2차원 어레이를 포함하며, 상기 입사 방사광이 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드 위의 적어도 하나의 플라즈몬 모드와 공진하도록 상기 금속 필름 또는 아일랜드가 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공진 광장치.
- 제 129 항에 있어서, 상기 금속 필름 또는 금속 아일랜드의 층이 상기 장치 상에 제공되는 입사 방사광에 대하여 실질적으로 수직으로 적층되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 129 항에 있어서, 상기 장치가상기 장치를 통하여 투과되는 방사광이 단일 금속 필름 또는 금속 아일랜드 단일층 만을 포함하는 장치를 통하여 투과된 방사광과 비교하였을 때 더 낮은 세기를 갖는 사이드 피크, 더 낮은 백그라운드 투과 및 감소된 주된 패스밴드폭을 포함하도록 구성된 장치.
- 제 129 항에 있어서, 상기 제 1 금속 필름 또는 금속 아일랜드의 제 1 층에 있는 개방부가 제 2 금속 필름 또는 금속 아일랜드의 제 2 층에 있는 대응하는 개방부로부터 오프셋(offset)되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 132 항에 있어서, 제 1 및 제 2 필름 또는 층의 스펙트럼 프로파일의 겹침을 조정함으로써 상기 장치의 밴드패스 특성을 개량하기 위해 상기 오프셋이 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
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