KR20080110229A - 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부 - Google Patents

원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부 Download PDF

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KR20080110229A
KR20080110229A KR1020070058716A KR20070058716A KR20080110229A KR 20080110229 A KR20080110229 A KR 20080110229A KR 1020070058716 A KR1020070058716 A KR 1020070058716A KR 20070058716 A KR20070058716 A KR 20070058716A KR 20080110229 A KR20080110229 A KR 20080110229A
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강주식
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Abstract

원자 탐침 현미경(AFM)의 헤드 모듈부를 제공한다. 상기 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부는 주사 스캐너에 부착된 모판의 일측 끝단에 위치하는 캔틸레버(cantilever) 및 상기 캔틸레버의 끝에 위치하는 탐침(tip); 상기 캔틸레버 상부에 위치하는 레이저; 상기 레이저에서 발생한 레이저 빔의 경로를 조절하기 위해 상기 탐침의 상부에 끝단이 위치하는 광섬유; 및 상기 캔틸레버에서 반사된 레이저 빔을 검출하는 디텍터를 포함한다.
원자 탐침 현미경(AFM), 광섬유(optical fiber)

Description

원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부{The head module of atomic force microscope}
도 1은 일반적인 원자 탐침 현미경의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 일반적인 원자 탐침 현미경 헤드를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부의 구조를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 *
8, 55 ; 캔틸레버, 9, 57 ; 탐침,
3, 50 ; 모판, 7, 80 ; 디텍터,
6, 66 ; 레이저 빔, 60 ; 광섬유,
70 ; 마이크로 렌즈
본 발명은 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 헤드 모듈부의 광학 소자 및 정렬부를 간소화 및 경량화한 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부에 대한 것이다.
원자 탐침 현미경(atomic force microscope; AFM)은 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope; SPM) 중 하나의 것으로 나노 스케일의 기술 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 원자 탐침 현미경의 구조를 나타낸 도면으로써, 통상적으로 사용되고 있는 원자 탐침 현미경을 나타낸 것이며, 도 2는 일반적인 원자 탐침 현미경 헤드를 나타낸 사시도이다.
도면을 참조하면, 상기 원자 탐침 현미경은 헤드 모듈부(10), 스캔 콘트롤(40) 및 디스플레이(30)로 이루어진다. 상기 헤드 모듈부(10)는 압전튜브로 구성된 스캐너(1), 상기 스캐너(1)와 연결된 모판(3), 상기 모판(3)의 끝단에 위치하는 캔틸레버(8), 상기 캔틸레버(8)의 끝에 위치하는 탐침(9), 레이저(4), 캔틸레버(8) 윗면에서 반사된 레이저 빔을 디텍터(7)에 의해 검출되도록 전달하는 광학기기(5)로 구성된다.
상기 캔틸레버(8)는 일반적으로 길이 100㎛, 폭 10㎛, 두께 1㎛를 가지며, 아주 작아 미세한 힘에 의해서도 상하로 쉽게 휘어지는 특성을 구비한다. 상기 캔틸레버(8) 끝 부분에 위치한 탐침(9)은 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다. 상기 탐침(9)을 시료(20) 표면에 접근시키면 상기 탐침(9) 끝의 원자와 상기 시료(20) 표면의 원자 사이에 인력 또는 척력이 작용하고, 그에 의해 상기 탐침(9)과 연결된 상기 캔틸레버(8)는 휨이 발생한다.
상기 캔틸레버(8)가 하향 또는 상향으로 휘는 것을 측정하기 위하여, 상기 광학기기(5)의 레이저에서 발생한 빔(6)을 상기 캔틸레버(8)에 비추고, 상기 캔틸 레버(8) 윗면에서 상기 레이저 빔(6)이 반사된다. 상기 반사된 레이저 빔(6)의 각도를 디텍터(7)를 사용하여 측정함으로써 상기 캔틸레버(8)의 휨정도를 측정할 수 있다. 상기와 같은 과정으로 탐침의 끝이 0.01nm 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정해낼 수 있다.
상기 디텍터(7)로 측정된 상기 탐침(9)의 움직임을 상기 스캐너(1)에 피드백하고, 상기 스캔 콘트롤(40)에 의해 상기 캔틸레버(8)가 일정하게 휘도록 유지시킨다. 따라서, 상기 탐침(9)과 상기 시료(20) 사이의 간격은 일정해지고, 각 지점(x, y)에서 상기 스캐너(1)의 수직위치(z)를 저장하여 상기 샘플(20) 표면의 삼차원 디스플레이(30)를 얻을 수 있다. 이때, 상기 탐침(9)과 상기 시료(20) 사이의 원자 간에 상호 작용하는 힘은 시료의 전기적 성질에 관계없이 항상 존재하므로, 도체나 부도체 모두 높은 분해능으로 관찰할 수 있게 된다.
상기에서 설명한 바와 같이 캔틸레버의 휨을 측정하기 위해서는 캔틸레버 상면에서 반사된 레이저 빔의 위치 변화를 이용한다. 상기 레이저 빔을 캔틸레버 상에 위치시키기 위해서는 레이저는 물론 거울 또는 프리즘과 같은 광 경로를 변화 시킬 수 있는 광학 소자들과 상기 광학 소자들을 미세하게 조절하기 위한 정렬부가 필요하며, 원자 탐침 현미경의 정확도를 위해 보다 정밀한 광학 소자들과 정렬부의 개발이 요구된다. 이에 대해 특허 제 1996-0013676 '미소 변위 검출 방법', 특허 제 0646441호'주사탐침 현미경'및 특허 제 0496457호 '원자 현미경 헤드'에서 제시한 바 있다.
그러나 레이저 빔의 정확한 전달을 위해 필요한 상기의 광학 소자들과 미세 정렬부는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부와 결합되어 광학 현미경의 시야를 방해하여 측정 범위를 제한할 뿐만 아니라 헤드 모듈부의 설계를 어렵게 한다. 또한 상기 광학 소자들과 미세 정렬부는 상당한 질량을 가지므로 원자 탐침 현미경이 주사의 정밀도를 유지하면서 구비할 수 있는 속도의 한계를 가져올 수 있다.
상기한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 광학 소자들과 미세 정렬부를 간소화하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광학현미경을 사용하여 AFM과 결합된 복합적인 3차원 형상 측정기(예를 들어 광학 현미경 구조를 이용한 백색광 주사 간섭계(white light scanning interferometer, WSI)나 위상 천이 간섭계 (phase shifting interferometer, PSI))를 구성하고자 할 때 광학 현미경의 넓은 시야를 확보할 수 있도록 하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 주사 스캐너에 부착된 모판의 일측 끝단에 위치하는 캔틸레버(cantilever) 및 상기 캔틸레버의 끝에 위치하는 탐침(tip); 상기 캔틸레버 상부에 위치하는 레이저; 상기 레이저에서 발생한 레이저 빔의 경로를 조절하기 위해 상기 탐침의 상부에 끝단이 위치하는 광섬유; 및 상기 캔틸레버에서 반사된 레이저 빔을 검출하는 디텍터를 포함하는 원자 탐침 현미경(AFM)의 헤드 모듈부를 제공한다.
상기 광섬유의 끝단은 경사면으로 형성된 것일 수 있으며, 나아가서, 상기 경사면 상에는 반사코팅이 형성될 수 있다.
또한, 상기 경사면 하부에 대응되고, 상기 레이저 빔의 경로에 위치하는 상기 광섬유의 일면에는 마이크로 렌즈가 위치할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부의 구조를 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 주사 스캐너에 부착된 모판(50)의 일측 끝단에 캔틸레버(cantilever; 55)가 위치한다. 상기 캔틸레버(55)는 마이크로 머시닝(micro machining)으로 제조된 것일 수 있다. 상기 캔틸레버(55)의 끝에는 탐침(tip; 57)이 위치한다. 이때, 상기 원자 탐침 현미경은 접촉 모드(contact mode), 비접촉 모드(non contact mode) 또는 간헐적 접촉 모드(intermittent-contact mode)일 수 있다.
상기 캔틸레버(55)의 상부에는 레이저가 위치하고, 레이저 빔(66)을 방출한다. 상기 레이저 빔(66)은 광섬유(optical fiber; 60) 내부로 입사하게 된다. 상기 광섬유(60)는 수 내지 수십 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 상기 광섬유(60)는 상기 레이저 빔(66)의 경로를 조절하기 위해 끝단이 상기 탐침(57)의 상부에 위치하게 된다.
상기 광섬유의 끝단은 절단면이 경사면(65)으로 형성된 것일 수 있다. 상기 광섬유(60)의 절단면을 임의의 각도로 경사면(65)으로 가공함으로써, 거울이나 프리즘 같은 광학 기기들을 구성하지 않더라도 레이저 빔의 진행 방향을 조절할 수 있다. 이에 따라, 광학현미경을 사용하여 AFM과 결합된 복합적인 3차원 형상 측정기(예를 들어 광학 현미경 구조를 이용한 백색광 주사 간섭계(white light scanning interferometer, WSI)나 위상 천이 간섭계 (phase shifting interferometer, PSI))를 구성하고자 할 때 광학 현미경의 넓은 시야를 확보할 수 있도록 하여 광학 소자들에 의해 시야 공간이 사라짐으로써 측정범위를 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 헤드 모듈부의 설계를 용이하게 할 수 있다. 또한 상당한 질량을 가지는 거울이나 프리즘 같은 광학 기기들보다 가벼운 광섬유를 사용함으로써, 원자 탐침 현미경이 주사의 정밀도를 유지하면서 주사 속도를 개선시킬 수 있다.
상기 경사면(65) 상에는 반사코팅이 형성될 수 있다. 또한, 상기 경사면(65) 상에 반사 코팅을 형성함으로써 상기 레이저 빔(66)의 반사를 더욱 용이하게 할 수 있다.
상기 경사면(65) 하부로써 상기 광섬유(60)의 일면에는 마이크로 렌즈(70)가 위치한다. 상기 마이크로 렌즈(70)는 상기 레이저 빔(66)의 경로에 위치하며, 상기 광섬유(60)에서 나아가는 레이저 빔의 퍼짐을 조절하여 상기 캔틸레버(55)의 표면에 포커싱된 레이저 빔이 입사되도록 한다. 상기 마이크로 렌즈(70)는 상기 광섬유(60) 상에 직접 가공하거나 부착함으로써 구비할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(70)에서 포커싱된 레이저 빔은 상기 캔틸레버(55)에서 반사되고, 상기 반사된 레이저 빔은 디텍터(80)로 인해 검출된다. 상기 디텍터(80)는 포토 다이오드일 수 있다.
본 발명에 따른 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부는 레이저 빔의 경로 상에 광섬유를 이용함으로써 거울이나 프리즘 같은 부가적인 광학 소자 없이 레이저 빔의 발생 위치와 전달 방향을 조절할 수 있는 장점이 있다. 그로 인해, 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈을 구성하는 요소들과의 간섭을 최소화 할 수 있으며 그 구성을 간소화할 수 있다.
또한, 광학현미경을 사용하여 AFM과 결합된 복합적인 3차원 형상 측정기(예를 들어 광학 현미경 구조를 이용한 백색광 주사 간섭계(white light scanning interferometer, WSI)나 위상 천이 간섭계 (phase shifting interferometer, PSI))를 구성하고자 할 때 광학 현미경의 넓은 시야를 확보할 수 있도록 하여 광학 소자들에 의해 시야 공간이 사라짐으로써 측정범위를 개선시킬 수 있으며, 헤드 모듈부의 설계를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다. 또한 상당한 질량을 가지는 광학 소자들보다 가벼운 광섬유를 사용함으로써, 원자 탐침 현미경이 주사의 정밀도를 유지하면서 주사 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 주사 스캐너에 부착된 모판(50)의 일측 끝단에 위치하는 캔틸레버(cantilever)(55) 및 상기 캔틸레버(55)의 끝에 위치하는 탐침(tip)(57);
    상기 캔틸레버(55) 상부에 위치하는 레이저;
    상기 레이저에서 발생한 레이저 빔(66)의 경로를 조절하기 위해 상기 탐침(57)의 상부에 끝단이 위치하는 광섬유(60); 및
    상기 캔틸레버(55)에서 반사된 레이저 빔(66)을 검출하는 디텍터(80)를 포함하는 원자 탐침 현미경(AFM)의 헤드 모듈부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유(60)의 끝단은 경사면(65)으로 형성된 것을 특징으로 하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 경사면(65) 상에 반사코팅이 형성된 것을 특징으로 하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 경사면(65) 하부에 대응되고, 상기 레이저 빔(66)의 경로에 위치하는 상기 광섬유(60)의 일면에는 마이크로 렌즈(70)가 위치하는 것을 특징으로 하는 원자 탐침 현미경의 헤드 모듈부.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8925111B1 (en) 2013-06-20 2014-12-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Scanning probe microscope and method of operating the same
JP2018526686A (ja) * 2015-06-25 2018-09-13 ブルカー ナノ， インコーポレイテッド 走査型プローブ顕微鏡用試料容器保持

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