KR20220034494A - 근접장 검출용 프로브 및 이를 포함하는 근접장 검출 시스템 - Google Patents

근접장 검출용 프로브 및 이를 포함하는 근접장 검출 시스템 Download PDF

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KR20220034494A
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구남일
나겔 미쉘
박수환
박준범
백인근
이시온
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 근접장 검출 시스템은, 분석용 샘플에 전기장을 인가하는 전기장 발생기, 상기 분석용 샘플을 투과한 근접장을 검출하는 프로브, 상기 프로브에 연결된 전류 검출기, 및 상기 전기장 발생기 및 상기 프로브 각각에 레이저를 조사하는 레이저 시스템을 포함한다. 상기 프로브는, 컨틸레버 기판, 상기 컨틸레버 기판 상의 안테나 전극, 상기 컨틸레버 기판에서 상기 레이저 시스템에 의한 레이저가 조사되는 영역을 노출시키며, 도전성 물질을 포함하는 전자기파 차단층, 및 상기 컨틸레버 기판과 상기 전자기파 차단층의 사이 및 상기 안테나 전극과 상기 전자기파 차단층의 사이에 개재되는 절연층을 포함한다.

Description

근접장 검출용 프로브 및 이를 포함하는 근접장 검출 시스템{PROBE FOR DETECTING NEAR FIELD AND NEAR FIELD DETECTING SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 근접장 검출용 프로브 및 이를 포함하는 근접장 검출 시스템에 관한 것이다.
기술의 고도화, 집적화, 및 소형화 추세에 따라, 다양한 측정 장치에서 높은 민감도와 높은 공간 해상도에 대한 요구가 점점 높아지고 있다. 파필드(far-field) 광학 마이크로스코피(microscopy)와 같은 파필드 시스템에서는, 광의 파장이 짧아질수록 해상도(resolution)가 향상되지만, 광의 회절로 인해 해상도가 파장 길이 이하로 향상될 수 없는 한계가 있다. 이러한 파필드 시스템의 파장에 의한 회절 한계는 근접장(near-field) 시스템에서 극복될 수 있어, 물질 표면의 고해상도 측정장치, 초고밀도 기록장치 등의 제작이 가능하다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 높은 공간 해상도의 구현이 가능한 근접장 검출용 프로브 및 이를 포함하는 근접장 검출 시스템을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브는, 단부에 폭이 감소된 팁(tip) 영역을 갖는 컨틸레버 기판, 상기 컨틸레버 기판의 일 면 상에 배치되며, 상기 팁 영역으로부터 상기 컨틸레버 기판을 따라 연장되며 서로 이격되어 배치되는 제1 및 제2 안테나 전극들, 상기 컨틸레버 기판 및 상기 제1 및 제2 안테나 전극들을 둘러싸는 절연층, 및 상기 팁 영역의 일부인 센싱 영역을 제외한 영역에서 상기 절연층을 둘러싸며, 도전성 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브는, 팁 영역을 갖는 기판, 상기 기판 상의 안테나 전극, 상기 기판의 상기 팁 영역의 일부를 노출시키며, 도전성 물질을 포함하는 전자기파 차단층, 및 상기 기판과 상기 전자기파 차단층의 사이 및 상기 안테나 전극과 상기 전자기파 차단층의 사이에 개재되는 절연층을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출 시스템은, 분석용 샘플에 전기장을 인가하는 전기장 발생기, 상기 분석용 샘플을 투과한 근접장을 검출하는 프로브, 상기 프로브에 연결된 전류 검출기, 및 상기 전기장 발생기 및 상기 프로브 각각에 레이저를 조사하는 레이저 시스템을 포함할 수 있다. 상기 프로브는, 컨틸레버 기판, 상기 컨틸레버 기판 상의 안테나 전극, 상기 컨틸레버 기판에서 상기 레이저 시스템에 의한 레이저가 조사되는 영역을 노출시키며, 도전성 물질을 포함하는 전자기파 차단층, 및 상기 컨틸레버 기판과 상기 전자기파 차단층의 사이 및 상기 안테나 전극과 상기 전자기파 차단층의 사이에 개재되는 절연층을 포함할 수 있다.
전자기파 차단층을 포함으로써, 높은 공간해상도의 구현이 가능한 근접장 검출용 프로브 및 이를 포함하는 근접장 검출 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 센싱부를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 도시하는 개략적인 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 도시하는 개략적인 정면도 및 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 이용하여 분석용 샘플의 표면을 측정한 결과를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 이용하여 내부 반사에 의한 영향을 분석한 결과를 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 센싱부를 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 근접장 검출 시스템(10)은, 분석용 샘플(TS) 상에서 분석용 샘플(TS)을 투과한 전기장을 검출하는 센싱부(100), 분석용 샘플(TS)에 전기장을 인가하는 전기장 발생기(200), 센싱부(100)에 연결된 전류 검출기(300), 및 전기장 발생기(200) 및 센싱부(100) 각각에 레이저를 조사하는 레이저 시스템(400)을 포함할 수 있다. 근접장 검출 시스템(10)은, 전기장 발생기(200)로부터 전기장을 출력하고, 이를 이용하여 분석용 샘플(TS)을 분석하는 분석 시스템일 수 있다. 예를 들어, 근접장 검출 시스템(10)은, 광전도성 안테나 기반 검출기(photoconductive antenna based detector)일 수 있다.
전기장 발생기(200)는 분석용 샘플(TS)의 일측에 위치하여 분석용 샘플(TS)에 전자기파, 예를 들어, 테라헤르츠 대역의 전자기장인 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 전기장 발생기(200)는 레이저 시스템(400)으로부터의 레이저에 의해 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 전기장 발생기(200)는, 도 1에 도시된 것과 같이, 분석용 샘플(TS)을 기준으로 센싱부(100)의 반대편인 분석용 샘플(TS)의 하부에 위치할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 전기장 발생기(200)는 분석용 샘플(TS)의 상부에서 센싱부(100)의 일 측에 위치하는 것도 가능할 것이다.
센싱부(100)는 전기장 발생기(200)로부터 출력되어 분석용 샘플(TS)을 투과한 근접장을 센싱할 수 있다. 센싱부(100)는 안테나 전극을 포함할 수 있으며, 레이저 시스템(400)으로부터의 레이저에 의해 유도된 캐리어가 분석용 샘플(TS)을 투과한 전자기파에 의해 가속되어 상기 안테나 전극을 따라 전류가 흐를 수 있으며, 이를 환산하여 근접장이 검출될 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 센싱부(100)는 근접장 검출용 프로브(110), 근접장 검출용 프로브(110)에 연결되는 지지부(120), 및 홀딩부(130)를 포함할 수 있다. 근접장 검출용 프로브(110)는 지지부(120)에 의해 지지되어 홀딩부(130)에 연결되고, 홀딩부(130)에 연결된 커넥터를 통해 전류 검출기(300)와 연결될 수 있다. 근접장 검출용 프로브(110)는 팁 영역(PT)의 일부를 노출시키는 전자기파 차단층을 포함할 수 있다. 근접장 검출용 프로브(110)에 대해서는, 하기에 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 지지부(120)는 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)으로 이루어질 수 있다. 홀딩부(130)는 PET, 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC) 등으로 이루어질 수 있다.
전류 검출기(300)는, 센싱부(100)가 테라헤르츠파에 반응하여 생성한 전류를 검출하고 분석할 수 있다. 센싱부(100)에 의해 테라헤르츠파의 크기가 전류의 크기로 변경되고, 전류 검출기(300)는 상기 전류를 검출하여 센싱된 테라헤르츠파의 크기를 정량화할 수 있다. 테라헤르츠파는 상대적으로 주파수가 크므로, 오실로스코프와 같은 전기적인 계측기로는 검출을 할 수 없으며, 예를 들어, 전기-광학적인 방법을 이용하여 검출할 수 있다. 예를 들어, 상기 전기-광학적인 방법은 광전도 샘플링(photoconductive sampling)일 수 있으며, 이는 안테나를 이용한 추출법일 수 있다. 예를 들어, 전류 검출기(300)는, 상술한 것과 같은 센싱부(100)의 안테나 전극을 따른 전류와, 전기장 발생기(200)로부터의 테라헤르츠파 사이의 상호작용에 의한 샘플링 직류 전류의 변화를 측정할 수 있다. 이를 위하여, 레이저 시스템(400)의 지연기를 이용하여, 센싱부(100) 및 전기장 발생기(200) 각각에 도달하는 레이저의 시간 지연(time delay)을 유도하여 테라헤르츠파의 샘플링 시점을 변경할 수 있다. 전류 검출기(300)는 이러한 검출 결과를 분석히고, 이를 이용하여 분석용 샘플(TS)의 표면 구조, 두께, 물성 등을 분석할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 근접장 검출 시스템(10)은 분석용 샘플(TS)의 분석 작업을 수행하기 위하여, 전류 검출기(300)와 별도로 분석부와 같은 컴퓨팅 시스템을 더 포함할 수 있다.
레이저 시스템(400)은 센싱부(100) 및 전기장 발생기(200) 각각에 레이저를 조사할 수 있다. 센싱부(100)에서는 조사된 레이저에 의해 캐리어가 발생할 수 있다. 전기장 발생기(200)에서는 조사된 레이저에 의해 분석용 샘플(TS)을 향하여 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 전기장 발생기(200)에서, 테라헤르츠파는 광전도성 안테나법(photoconductive antenna, PCA), 광정류 방법(optical rectification), 또는 반도체 표면 전계법(semiconductor surface field)에 의해 발생될 수 있다. 상기 광전도성 안테나법은, 바이어스 전압이 걸려있는 안테나 전극이 설치된 반도체 표면에 밴드갭(bandgap) 에너지 보다 큰 에너지를 갖는 레이저를 조사했을 때 전자-홀 쌍(electron-hole pair)이 형성되어 안테나 전극 사이에 짧은 순간 전류가 흐르는데, 이 전류의 시간미분에 비례하는 전자기파인 테라헤르츠파가 발생되는 원리를 이용한 것이다. 상기 광정류 방법은, 강한 광 신호에 의해 발생하는 비선형 광학 특성을 이용한 것으로 광 신호를 받아들일 때 생기는 시간 의존적인 분극(time-dependent polarization)현상을 이용하는 방식이다. 상기 반도체 표면 전계법은, 특수한 반도체 표면에 레이저를 조사했을 때 반도체 표면에 형성된 전자-홀 쌍이 반도체 표면에 내재하는 전계에 의해서 가속될 때 테라헤르츠파가 발생하는 원리를 이용하는 방법이다.
레이저 시스템(400)은 레이저 발진기(410), 빔 스플리터(bean splitter)(420), 미러들(430), 및 지연기(440)를 포함할 수 있다. 레이저 발진기(410)로부터 발진된 레이저는 빔 스플리터(420)에 의해 두 개의 경로로 나누어질 수 있으며, 각각 미러들(430)에 의해 경로가 변경되어 하나는 센싱부(100)로 조사되고 다른 하나는 전기장 발생기(200)로 조사될 수 있다. 또한, 테라헤르츠파의 파형을 얻기 위하여, 상기 두 개의 경로 중 어느 하나에 지연기(440)를 두어 시간 지연을 유도할 수 있다. 도 1에서, 지연기(440)는 센싱부(100)로 조사되는 레이저의 경로에 위치하는 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 전기장 발생기(200)로 조사되는 레이저의 경로에 위치하는 것도 가능할 것이다. 예시적인 실시예들에서, 레이저 시스템(400)의 구성들의 개수 및 배치는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 레이저 시스템(400)은 센싱부(100) 및 전기장 발생기(200) 각각에 조사되는 레이저를 발진하는 두 개의 레이저 발진기들을 포함할 수도 있을 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 도시하는 개략적인 도면들이다. 도 3a는 근접장 검출용 프로브의 정면도이고, 도 3b 및 도 3c는 각각 도 3a의 절단선 I-I' 및 Ⅱ-Ⅱ'를 따른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 근접장 검출용 프로브(110)에서 단부인 팁 영역(PT)을 포함하는 일부가 도시된다. 근접장 검출용 프로브(110)는, 단부에 폭이 감소된 팁 영역(PT)을 갖는 컨틸레버 기판(111), 컨틸레버 기판(111)의 일 면 상의 안테나 전극들(112), 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)을 둘러싸는 절연층(114), 및 센싱 영역(DR)을 제외한 영역에서 절연층(114)을 덮도록 배치되는 전자기파 차단층(116)을 포함할 수 있다.
컨틸레버 기판(111)은 도 2의 지지부(120)에 부착되도록 길게 연장되는 형태를 가질 수 있다. 다만, 컨틸레버 기판(111)의 연장 길이, 형상 등은 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있으며, 본 명세서에서 기판으로 지칭될 수도 있다. 컨틸레버 기판(111)에서, 팁 영역(PT)은 전자기장 발생 또는 회절 지점에 인접하여 근접장의 전자기파, 예를 들어 테라헤르츠파를 검출하기 위하여, 도 1의 분석용 샘플(TS)에 인접하게 위치하는 영역일 수 있다. 예를 들어, 근접장 검출용 프로브(110)와 분석용 샘플(TS) 사이의 거리는 약 10 ㎛ 이하일 수 있으며, 예를 들어, 약 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 범위일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
컨틸레버 기판(111)은 레이저 시스템(400)(도 1 참조)으로부터의 레이저에 반응하는 물질을 포함할 수 있다. 컨틸레버 기판(111)은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨틸레버 기판(111)은 갈륨 비소(GaAs), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs), 인듐 알루미늄 갈륨 비소(InAlGaAs), 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN), 인듐 갈륨 질화물(InGaN), 및 인듐 알루미늄 갈륨 질화물(InAlGaN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨틸레버 기판(111)은 저온 성장된 LT-갈륨 비소(GaAs)를 포함할 수 있다. 컨틸레버 기판(111)은 적어도 팁 영역(PT)을 포함하는 영역에서 상술한 물질들을 포함할 수 있으며, 지지부(120)와 연결되는 영역은 다른 물질, 예를 들어, PET를 포함할 수 있다.
안테나 전극들(112)은 컨틸레버 기판(111)의 일 면 상에 배치되어 컨틸레버 기판(111)을 따라 연장되어 지지부(120)의 회로 패턴에 연결될 수 있다. 안테나 전극들(112)은 서로 이격된 두 개의 라인 형태로 연장될 수 있다. 안테나 전극들(112) 각각은 단부로부터 컨틸레버 기판(111)을 따라 연장되면서 폭이 증가하는 형태를 가질 수 있다. 다만, 안테나 전극들(112)의 패턴 형태는 실시예들에서 안테나의 구성에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 안테나 전극들(112)은 도전성 물질, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 및 플래티늄(Pt) 중 적어도 하나 등의 금속 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 근접장 검출용 프로브(110)가 사용되는 근접장 검출 시스템에 따라, 안테나 전극들(112)은 생략될 수도 있을 것이다.
절연층(114)은, 도 3b에 도시된 것과 같이, 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 절연층(114)은, 도 3b에 도시된 방향을 기준으로, 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)의 상면, 하면, 및 측면들 전체를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 또한, 절연층(114)은, 도 3a를 기준으로, 컨틸레버 기판(111)의 단부에서 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)의 하단을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 즉, 도 1에서, 분석용 샘플(TS) 방향에서 근접장 검출용 프로브(110)를 봤을 때의 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)의 하면은 절연층(114)으로 덮일 수 있다. 절연층(114)은 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)을, 전자기파 차단층(116)과 전기적으로 분리하기 위한 층일 수 있다. 절연층(114)은 컨틸레버 기판(111)과 전자기파 차단층(116)의 사이 및 안테나 전극들(112)과 전자기파 차단층(116)의 사이에 개재될 수 있다.
절연층(114)은 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 레이저를 투과시킬 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 절연층(114)은 예를 들어, 광경화성 수지를 포함할 수 있으며, 특히 수황화물 기반의 광경화성 수지를 포함할 수 있다. 절연층(114)은 예를 들어, Norland사의 NOA65(Norland Optical Adhesive 65)를 포함할 수 있다. 이 경우, 절연층(114)은 예를 들어, 마이크로 피펫을 이용하여 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112) 상에 코팅되고 UV 광으로 경화시켜 형성할 수 있다.
전자기파 차단층(116)은 센싱 영역(DR)을 제외한 영역에서 절연층(114) 상에 배치될 수 있다. 센싱 영역(DR)은 팁 영역(PT) 중에서 근접장 검출용 프로브(110)의 단부를 포함하는 일부에 대응될 수 있다. 센싱 영역(DR)은 전자기파 차단층(116)이 배치되지 않은 영역으로 정의될 수 있다. 센싱 영역(DR)은 전자기파가 센싱되는 영역을 포함할 수 있으며, 레이저 타겟 영역(LT)을 포함할 수 있다. 레이저 타겟 영역(LT)은 레이저 시스템(400)(도 1 참조)으로부터 레이저가 조사되는 영역일 수 있다. 레이저 타겟 영역(LT)은 안테나 전극들(112)의 단부에 인접한 영역에서 안테나 전극들(112)의 사이에 위치할 수 있다. 전자기파 차단층(116)은, 센싱 영역(DR) 이외의 영역에서 근접장 검출용 프로브(110)에 도달한 전기장을 차단할 수 있다. 전자기파 차단층(116)에 의해, 근접장 검출용 프로브(110)에서 전기장이 센싱되는 영역이 한정되어, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 전자기파 차단층(116)에 의해, 불필요한 영역에서 전기장이 검출되어 공간 해상도를 저하시키는 것이 방지될 수 있다.
전자기파 차단층(116)은, 센싱 영역(DR)을 제외한 영역에서, 도 3c에 도시된 방향을 기준으로, 절연층(114)의 상면, 하면, 및 측면들을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 센싱 영역(DR)은, 도 3a을 기준으로, 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)의 전면으로부터 하면까지 연장되는 영역일 수 있다. 이에 따라, 도 1에서, 분석용 샘플(TS) 방향에서 근접장 검출용 프로브(110)를 봤을 때의 센싱 영역(DR) 내의 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)의 하면은, 절연층(114)으로 덮여 있으나 전자기파 차단층(116)으로 덮이지 않을 수 있다. 전자기파 차단층(116)은 센싱 영역(DR)에서 안테나 전극들(112)의 사이의 레이저 타겟 영역(LT)을 덮지 않도록 배치될 수 있다. 센싱 영역(DR)은 안테나 전극들(112)의 단부들의 적어도 일부를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예시적인 실시예들에서, 센싱 영역(DR)의 범위는 다양하게 변경될 수 있다. 이에 따라, 실시예들에서, 안테나 전극들(112)의 양측에서 컨틸레버 기판(111)이 노출되는 범위도 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
전자기파 차단층(116)은 전자기파를 차단하기 위하여 도전성 물질을 포함할 수 있으며 임계 두께 이상의 두께를 가질 수 있다. 상기 임계 두께는 표피 효과(skin effect)에 따른 침투 깊이(skin depth)에 해당할 수 있으며, 상기 침투 깊이는 전자기파의 주파수, 전자기파 차단층(116)의 비저항(resistivity), 및 전자기파 차단층(116)의 투자율(permeability)에 의해 계산될 수 있다. 예를 들어, 전자기파 차단층(116)은 약 100 nm 내지 약 3 ㎛의 범위의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 전자기파 차단층(116)은 예를 들어, 금속 물질, 흑연 등을 포함할 수 있다. 전자기파 차단층(116)은 예를 들어, 광경화성 수지를 포함할 수 있으며, 금속 파우더 또는 흑연 파우더와 같은 도전성 파우더를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 수지는 접착성이 우수하고, 경화 시에 체적 수축 및 응력 발생이 적은 물질이 선택될 수 있으며, 상기 도전성 파우더는 열팽창율이 낮은 물질이 선택될 수 있다. 전자기파 차단층(116)은 예를 들어, 수황화물 기반의 광경화성 수지인 NOA65 및 흑연 파우더를 포함할 수 있다. 이 경우, 전자기파 차단층(116)은 예를 들어, 마이크로 피펫을 이용하여 절연층(114)의 일부 상에 코팅되고 UV 광으로 경화시켜 형성할 수 있다.
전자기파 차단층(116)의 물질로, 금속 스프레이 코팅법을 이용하여 구리(Cu), 아연(Zn)/알루미늄(Al) 복합 물질, 및 흑연을 각각 적용한 결과, 프로브에 뒤틀림 또는 파손이 발생하거나 코팅이 유지되지 못하는 결과를 얻었다. NOA 65와 은(Ag) 파우더를 혼합하여 사용한 경우, 광 경화 중에 코팅이 일부 떨어졌고, NOA 65와 알루미늄(Al) 파우더를 혼합하여 사용한 경우, 프로브 신호의 외란이 발생하였다. NOA 65와 흑연 파우더를 혼합하여 사용한 경우, 흑연이 금속과 유사한 도전성을 가지면서 금속에 비하여 낮은 열팽창율 특성을 가지므로, 물리적 변형 없이 코팅이 가능하면서, 신호의 외란도 발생하지 않았다. 예를 들어, NOA 65와 흑연 파우더는 약 3:1 내지 약 5:1의 비율, 예를 들어, 4:1의 비율로 혼합하여 사용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 도시하는 개략적인 정면도 및 단면도이다. 도 4b는 도 4a의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'를 따른 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 근접장 검출용 프로브(110a)는, 도 3a 내지 도 3c의 실시예에서와 달리, 센싱 영역(DR)에 절연층(114)이 잔존하지 않는 구조를 가질 수 있다. 절연층(114)은 센싱 영역(DR)을 제외한 영역에서 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 절연층(114)은, 센싱 영역(DR)을 제외한 영역에서, 도 4b에 도시된 방향을 기준으로, 컨틸레버 기판(111) 및 안테나 전극들(112)의 상면, 하면, 및 측면들을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 본 실시예의 절연층(114)은 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 레이저를 투과시키는 지 여부와 무관하게 선택될 수 있다.
전자기파 차단층(116)은 센싱 영역(DR)을 제외한 영역에서 절연층(114) 상에 배치될 수 있다. 도 4b에서는, 절연층(114)과 전자기파 차단층(116)의 단부들이 서로 공면인 측면을 갖는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 전자기파 차단층(116)은 절연층(114)의 단부를 일부 노출시키도록 단부들이 서로 쉬프트되어 위치할 수도 있을 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 이용하여 분석용 샘플의 표면을 측정한 결과를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a는 분석용 샘플의 평면도 및 절단선 Ⅲ-Ⅲ'를 따른 단면도를 도시하며, 도 5b는 비교예의 프로브를 이용한 측정 결과이고, 도 5c는 실시예의 프로브를 이용한 측정 결과를 도시한다. 도 5d는 도 5c의 점선으로 표시한 영역을 따른 근접장의 세기를 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 근접장 검출용 프로브의 공간 해상도를 확인하기 위하여, 3 ㎛ 간격의 금속 슬릿들이 형성된 금속 패턴들을 포함하는 분석용 샘플을 사용하였다. 상기 분석용 샘플은, 언도프된 500 ㎛의 실리콘(Si)층 및 실리콘층 상에 적층된 10 nm의 티타늄(Ti)층 및 50 nm의 금(Au)층의 금속 구조물을 포함한다. 슬릿 영역들(SL)은 3 ㎛의 폭 및 간격으로 상기 금속 구조물에 형성되었다.
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 각각 비교예 및 실시예의 프로브를 사용하여 분석용 샘플에 대하여 0.9 THz 주파수의 전자기파 투과 이미징 테스트를 수행한 결과가 도시된다. 비교예의 프로브는, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상술한 전자기파 차단층(116)이 없으며, 이에 따라 절연층(114)도 없는 프로브이다. 실시예의 프로브는, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상술한 실시예의 프로브이다. 도 5b에 도시된 것과 같이, 비교예의 프로브를 이용한 결과, 슬릿 영역(SL)이 구분되지 않았다. 하지만, 실시예의 프로브를 이용하면, 도 5c에 도시된 것과 같이, 슬릿 영역들(SL)이 구분되었다.
도 5d를 참조하면, 도 5c의 점선을 따른 투과 근접장의 세기를 나타낸다. 근접장인 전기장의 세기가 20 %인 지점과 80 %인 지점 사이의 거리를 공간 해상도로 정의하면, 실시예의 프로브를 이용한 결과, 약 1.7 ㎛의 공간 해상도가 얻어졌다. 이로부터, 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 이용하여 약 3 ㎛ 이하의 공간 해상도, 특히 약 2 ㎛ 이하의 공간 해상도가 구현됨을 알 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 이용하면 약 1.5 ㎛ 내지 약 1.9 ㎛의 공간 해상도가 얻어질 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 예시적인 실시예들에 따른 근접장 검출용 프로브를 이용하여 내부 반사에 의한 영향을 분석한 결과를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 각각 비교예 및 실시예의 프로브를 사용하여 분석용 샘플을 투과한 시간 도메인 펄스를 측정한 결과가 도시된다. 분석용 샘플은 실리콘(Si) 웨이퍼를 사용하였다. 비교예의 프로브를 사용한 경우, 전자기파가, 도 3a의 컨틸레버 기판(111) 내의 이종 계면, 예를 들어, 반도체 물질과 PET 물질의 계면에서 센싱 영역(DR)으로 반사되어 센싱된다. 이에 의해, 도 6a에 도시된 것과 같이, 펄스 왜곡에 의한 파형(NS)이 발생한다. 하지만, 실시예의 프로브를 사용한 경우, 도 6b에 도시된 것과 같이, 이와 같은 내부의 이종 물질 사이의 계면에서 반사된 전자기파에 의한 노이즈가 감소될 수 있으며, 이에 의해 2차 투과 신호(DS)가 용이하게 인식될 수 있다. 2차 투과 신호(DS)는 분석용 샘플의 상면 및 하면에서 각각 반사되어 투과된 파로, 분석용 샘플의 분석을 위한 정상 파형에 해당한다. 따라서, 실시예의 프로브에 의하면, 불필요한 내부 반사에 의한 노이즈를 감소시키고, 2차 투과파의 가시화가 가능하다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 센싱부
200: 전기장 발생기
300: 전류 검출기
400: 레이저 시스템
110: 근접장 검출용 프로브
111: 컨틸레버 기판
112: 안테나 전극
114: 절연층
116: 전자기파 차단층

Claims (10)

  1. 단부에 폭이 감소된 팁(tip) 영역을 갖는 컨틸레버 기판;
    상기 컨틸레버 기판의 일 면 상에 배치되며, 상기 팁 영역으로부터 상기 컨틸레버 기판을 따라 연장되며 서로 이격되어 배치되는 제1 및 제2 안테나 전극들;
    상기 컨틸레버 기판 및 상기 제1 및 제2 안테나 전극들을 둘러싸는 절연층; 및
    상기 팁 영역의 일부인 센싱 영역을 제외한 영역에서 상기 절연층을 둘러싸며, 도전성 물질을 포함하는 전자기파 차단층을 포함하는 근접장 검출용 프로브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 센싱 영역은 상기 제1 및 제2 안테나 전극들 사이의 영역을 포함하는 근접장 검출용 프로브.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전자기파 차단층은, 상기 센싱 영역에서 상기 절연층을 노출시키는 근접장 검출용 프로브.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전자기파 차단층은, 상기 센싱 영역에서 상기 컨틸레버 기판을 노출시키는 근접장 검출용 프로브.
  5. 팁 영역을 갖는 기판;
    상기 기판 상의 안테나 전극;
    상기 기판의 상기 팁 영역의 일부를 노출시키며, 도전성 물질을 포함하는 전자기파 차단층; 및
    상기 기판과 상기 전자기파 차단층의 사이 및 상기 안테나 전극과 상기 전자기파 차단층의 사이에 개재되는 절연층을 포함하는 근접장 검출용 프로브.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 기판은 반도체 물질을 포함하고, 상기 전자기파 차단층은 금속 파우더 또는 흑연 파우더를 포함하는 근접장 검출용 프로브.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 절연층 및 상기 전자기파 차단층은 광경화성 수지를 포함하는 근접장 검출용 프로브.
  8. 분석용 샘플에 전기장을 인가하는 전기장 발생기;
    상기 분석용 샘플을 투과한 근접장을 검출하는 프로브;
    상기 프로브에 연결된 전류 검출기; 및
    상기 전기장 발생기 및 상기 프로브 각각에 레이저를 조사하는 레이저 시스템을 포함하고,
    상기 프로브는,
    컨틸레버 기판;
    상기 컨틸레버 기판 상의 안테나 전극;
    상기 컨틸레버 기판에서 상기 레이저 시스템에 의한 레이저가 조사되는 영역을 노출시키며, 도전성 물질을 포함하는 전자기파 차단층; 및
    상기 컨틸레버 기판과 상기 전자기파 차단층의 사이 및 상기 안테나 전극과 상기 전자기파 차단층의 사이에 개재되는 절연층을 포함하는 근접장 검출 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 안테나 전극은 서로 이격되어 연장되는 제1 및 제2 안테나 전극들을 포함하고,
    상기 레이저 시스템은 상기 제1 및 제2 안테나 전극들의 사이의 영역에 레이저를 조사하는 근접장 검출 시스템.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 프로브에 의한 측정된 근접장의 공간 해상도가 3 ㎛보다 작은 근접장 검출 시스템.
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