TWI220530B - Near-field scanning optical microscope using a short fiber probe with a small quartz tuning fork - Google Patents

Description

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【^明所屬之技術領域】 G d:種使用短光纖探針與微型石英音叉裝置來提 掃描光：:3:儀的力學感測與回饋機制的新式近場 高*儀 可讓近場掃描光學顯微儀同時取得 工3 析度之樣品表面形貌與近場光學影像。 【先前技術】 = f f物理學Abbe認為在大於一個波長外的 ^ ^ 觀察物體時，必無法避免光波動性質所造成之干 I =、Γ射效應，僅能得到約半波長之空間解析度，稱為繞 、丨:义。到 1 8 96 年Lord Ray leigh 為此寫下了Rayleigh 準 J人△ 1 · 2 2入/ 2 n s i η 0 ，即空間解析極限△的決定因素 包3 ^使用之光波長λ、成像空間折射率η、收集或聚光至 感測裔用之物鏡光孔穴半角0。因此在傳統的遠場光學， 須使用高折射率介質或光孔穴半角大的物鏡來提高空間解 析度但其效果有限，若將使用之光波長縮短至X光以至於 電子束之波長雖可明顯提高解析度，但其缺點是會對樣品 造成破壞與傷害。

1 9 28年英國的ε· Η· Synge提出可超越繞射極限之空 間解析度的方法，即是在遠小於一個波長的近場距離作I光 學债測’可避免因光之波動性質的干涉與繞涉效應以提高 解析度’至1 956年美國的0, Keefe在理論上證實了此一邦^ 法。受限於工程技術，近場光學的概念直到1 972年由E A· Ash與G· Nichols以3公分微波作出1/60波長空間解析 度的實驗才首次得以證實。他們後來想以可見光波長來作

第5頁 1220530 修正

近場顯微觀測的計畫’卻仍受限於無法有效地 =現皮長的距離及製作奈米尺度之光孔穴的技術，、 i 號 9211 ⑽ 03 五、發明說明（2) 當 1 982 年 G. Binning 與 h. R〇hrer 製作出第一 △ 量測導體樣品與金屬探針m電 d 1 面形貌的掃描穿隨式顯微儀（Scanning Tunnei心樣口口表 M1Cr〇SC〇Py，STM)後，同在瑞士 ΙβΜ 中心的d. w. p〇hi :3 r知描穿隧式顯微儀的壓電陶瓷控制技術， 光學顯微儀精密控制樣品與光崎針距 叫緊接著利用與掃描穿随式顯微儀同 樣的控制技術在1 9 86年發明原子力顯微儀（Atomic F〇rce 1二oscopy，AFM)，此種顯微儀利用探針與樣品間之凡德 · der Waa 1 )力變化回饋給壓電陶瓷做訊號處理以 ==品之I面形由於原+力顯微儀沒有樣品和探針 j為導體之限制’此技術現常被配合光纖探針的使用 2光纖k針與樣品間除了凡德瓦力外亦可同時利用光纖探 =尖端鍍上金屬薄膜所形成的約數十奈米之光學孔穴來收 集或送出近場光學訊號，以同時取得樣品之表面形貌與 場光學影像。 在美國公告第4,91 7,462號；第5 894 1 22號；第 5^994,691號；第6，194,711號等專利案揭示有可以獲得 大破繞射極限之空間解析度的近場掃描光學顯微儀（Ne &卜 fleld Scanning Optical Microscope, NS0M)。而中華民 國專利案公告第4241 55號中，亦揭示利用了石英音叉配合 光* «針黏著於其振臂製成剪力槿忐rh f

修正 曰 i號 9211QQn3__车彡 五、發明說明（3) 或敲擊杈式（tapping mode)的 … 置，將其架構於原子力顯微％ π田光學顯微儀探針 形貌與近場光學影像。但其 =:=:取得樣品之表ΐ 3探針裝置因石英音又振臂負！重υ場掃描光學顯微 敏度受到相當之限制，故| ^里k大，使得振臂之愈 機制的近場掃描光學顯微儀f f，力學感測與回； 而承疋極殷切的。 【發明内容】

本發明係為雲於上械夕IU ;石英音又的短光纖探術；用景；=:附著於微 近場光學影像，以及高靈敏度：m空間解析度之 掃描光學顯微儀方法。 又7卩口 &面形貌的新式近場 【實施方式】 本發明之短光纖探針與微型石 顯微儀，其典型短# _ p # rt 、θ又咸置式近％掃描光學 成如『第—圖=纖：：與微型石英音又裝置之結構組 至鉅，因=的Λ Λν μ探針重量影響 探針1，將其附著於石：在使用極為輕小的短光纖 令山而，α扭- α 放型央音叉2非固定於基板4的振臂 ;哭的平靈敏度’同時將另-段連接至光源或感 著於微型石英音叉之固定於基柄4的搞 第7頁 1220530 五、發明說明（4) 臂端面，而微型石英音又2固定於基板4上，微型石英立 2之兩電極輸出訊號線5，可提供短光纖探針ι的力學感曰 訊息，讓近場掃描光學顯微儀取得高空間解〜口“ 面形貌影像。 又心樣。口表 因此，本發明之短光纖探針丨與微型石英音又2裝置 掃描光學顯微儀，其典型短光纖探針丨與微型石英立 置=結構組成因此至少包含一基板4 ; 一微型石英^叉2广 附著於基板4上，·一短光纖探針丨，附著於微型石英音又^ ^非固定於基板4的振臂端面；一連接至光源或感測器的 平切光纖3，附著於微型石英音又2之固定於基板4的振臂 端面。其中該微型石英音叉2之自然共振頻率為於32 kHz 以上，基板4之材質至少可為金屬氧化物如氧化鋁 (Al2〇3);二氧化矽（Si〇2)，或摻雜之二氧化矽等玻 璃材質；或高分子聚合物等塑膠材質所組成，該基2板4大 小應與微型石英音叉2匹配，使微型石英音叉2之振臂能完 全固定其上並可突出基板4的邊緣，其突出的較佳範圍約 為〇·卜0.3公分，其中將微型石英音叉2固定附著於基板4 上之方法，至少可使用黏著劑如環氧化物黏膠或氰基丙烯 酸酯類黏膠。另外，附著於微型石英音叉2非固定於基板4 的振臂端面的短光纖探針1之長度略長於微型石英音叉2振 臂端f之長、，其兩端突出微型石英音又2振臂端面的較佳 長度範圍約為〇 · 〇 5〜〇 · 2公分，其中將短光纖探針i固定附 著於微型石英音叉2上之方法，至少可使用黏著劑如環氧 化物黏膠或氰基丙烯酸酯類黏膠。而其中該短光纖探針工 尖端，可斜向鍍上金屬薄膜以形成約數 ^-- 1220530

案號921199⑽ 五、發明說明（5) 來收集或送出近場光學訊號，金屬膜的膜厚之較佳範圍為 1 5nm〜1 50nm，且其中該短光纖探針1之材質至少可為石夕或 砷化鎵晶圓等半導體材質；二氧化矽（s i 〇2 )，或摻雜之二 氧化矽（Si 〇2)等玻璃材質；高分子聚合物等塑膠材質；戋 金屬化合物或金屬等材質所組成。另外，連接至光源或織 測器的平切光纖3與短光纖探針丨之距離以大於短光纖探針 1之實際振動幅度，並且不嚴重影響光學訊息之傳遞為依 據’其距離之較佳範圍為1 〇微米〜1㈣微米。 『第為本發明之短光纖探針丨與微型石英音叉2裝置 式近場掃描光學顯微儀之收光模式實施架構圖，使雷射光 調制器7調制後，再經由物鏡8將光束9聚焦於樣品 1 : 3樣品10本身可以電流供應器n來供給電流使其發 立 猎由奈米掃描器12驅動固定於基板4上的微型石英 i極衿屮冋又掃描樣品10之表® ’並將微型石英音又2之兩 1 3 ; ^ —汛旒線5的訊號，提供力學感測訊息至控制盒 1 〇之光學=t，短光纖探針1同時在近場距離内收集樣品 光感測p “’二'Γ ί ί i光源或感測器的平切光纖3送至 Η，連=4，再經鎖相放大器15放大訊號後傳送至控制盒 至個人電腦1 6以同時取得樣品1 〇之矣 和近場光學影像。 ％仟像1 ϋ之表面形貌影像 式Li Ϊ二為本發明之短光纖探針1與微型石英音又2 F晋 式边W插光學顯微儀之送 兴曰又2裝置 雷射光源ft Μ丨 、尤模式貫靶靶例之示意圖，使 席6經光調制器7調制後，再铖ώ取a 定 入連接至先、75十A、ai $ ^ 冉、.工由物鏡8聚焦光束g進 九，原或感測器的平切光纏3的X 各山 ^ 由短光纖探針丄，在短光#/=纖的另—端’雷射光經 --在端形成奈米量級之點

第9頁 1220530 修正 案號 92119903 五、發明說明（6) 光源，如在『第二圖』中之機制，微型石英音叉2之 極輸出訊號線5的訊號，提供力學感測訊息至控制* 1 3包 將近場距離内掃描樣品10之表面形貌起伏訊號經1 ’ ，至個人電腦Η ;同時另一方面，掃探的短光纖探以3 端之奈米罝級點光源會對樣品i 〇產生近場光學作用，— 品10為可激發出近場光致電流（0ptical Beam Induced右7

Current，0BIC)的光學主動元件，可將此近場光致電流 吼，！鎖相放大器15放大訊號後，送至個人電腦“，此 ，^施範例的架構可同時取得可激發出近場光致電流之樣 。口ίο之表面形貌影像和近場光致電流（Near—fieid

Optical Beam Induced Current，N0BIC)影像。 『第四圖』為本發明之短光纖探針丨與微型石英立叉2 ^置式近場掃描光學顯微儀之收光模式典型實施的實胃驗結 之一，當樣品1 0為以半導體製程製作之摻 : = 皮長為155〇-之光束9導入線形二二Ϊ 山波導一编，再以本發明之短光纖探針1裝置掃描其 端面，可同時取得表面形貌影像1 7與近場光學影像 。如『第四圖』中所示，表面形貌影像丨7 ?線5形：鍺二氧化石夕光波導端面之光波導尺度為5· 近場I ί改：t對應之近場光學影像18，則顯示其對應的 10微ί了佈，在縱向的模場（Mode field)長度約為

第10頁 『第五圖』為本發明之短光纖探針丨與微型石英音又2 果近=掃描光學顯微儀之送光模式典型實施的實驗結 ~當樣品10為InGaN面射型發光二極體，在所掃描 1220530 案號92119903 车》月曰 五、發明說明（7) 的10微米見方區域中，可同時取得其表面形貌影像17與近 場光致電流（Near-field Optical Beam Induced C u r r e n t，N 0 B I C )影像1 9圖。因此本創作之可行性及效能 已經實驗驗證，而且實驗結果證實本發明之短光纖探針丄 與石英音叉2裝置式近場掃描光學顯微儀，可使用於 掃描光學顯微儀中之收光模式或送光模式，且因豆力 與回饋機制的高靈敏度’ 4使用於近場掃描光學顯 $儀中之工作模式，可為敲擊模式或非接觸式。 發明^ ^ Ϊ，僅為本發明之典型實施範例而已，舉凡依本 術所：；範圍所做之均等設m，均應為本案之技

1220530 案號 92119Qf)5i

Hi本發明短光纖探針舆微型石英音…二 知描先學顯微儀的短光纖探 〕二又哀置式近場 組成圖； f /、锨型石央音又裝置之結構 圖式簡單說明 ί:Ϊ與係本發明短光纖探針與微型石英音又妒置 ί三i予顯微儀的收光模式實施架構圖；4置式近場 W 係本發明短光纖探針盘 7； -ώ. 掃描光學顯微儀的详#媪二=與裰型石央音又裝置式近場 ^ m M ”貝u儀的达先杈式實施架構圖； =，顯示本發明之短光纖探針與微型石英立 ，插光學顯微儀之收光模式典型實施的實式 第五圖，顯示本發明之短光纖探針與 ㈣择描光學顯微儀之送光模式典型實 =式 符號說明： 1短光纖探針 2微型石英音叉 3連接至光源或感測器的平切光 4基板 5兩電極輪出訊號線 6雷射光源 7光調制器 8物鏡 9 光束 1220530 _案號92119903 年3月Z今曰 修正 圖式簡單說明 10 樣品 11 電流供應 1 2奈米掃描器 13控制盒 1 4 光感測器 15鎖相放大器 1 6 個人電腦 1 7 表面形貌影像 1 8近場光學影像 1 9近場光致電流影像

第13頁

Claims (1)

1220530 ?!年今月2彡 曰 羞正 tm 9211QQn.q 六、申請專利範圍 央曰又哀置，其組成結構至少包含：纖钹針與微型石 一基板； 微型石每i 受 一tig 附著於基板上； 短先纖捸針，附著於立 的振臂端面； 、’' 、曰又之非固定於基板 連接至光源或感测琴 音叉之固定於基板的振臂端面。 、，，附著於微型石英 2叉二二：範圍第i項所述之短光 以上。 、又自、振頻率為於32 kHz ^ H睛專利範圍第1項所述之短光纖探針鱼汽型石笨立 叉裝置，其中該基板之材質可 八^、彳政型石央音 屬氧化物如氧化紹⑷2〇3) t材質所組成化合物，或金 4叉裝如置'WIT/1項所述之短光纖探針與微型石英音 之、化射S ;，質可為二氧切(Si〇2)，或摻雜 之一乳化矽（s 1 〇2 )之玻璃材質所組成。 ^如申請專利範圍第丨項所述之短光纖探針與微型石 中該基板之材質可為高分子聚合物之塑膠材； 6·如申請專利範圍第1項所述之短光纖探針與微型石英音 叉裝置，其中將微型石英音叉固定附著於基板上之方法: 可使用黏著劑如環氧化物黏膠或氰基丙烯酸酯類黏膠。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之短光纖探針與微型石英音

1220530 案號 92119903

六、申請專利範圍 ^置，其中將短光纖探針固定附著於微型石 :法，可使用黏著劑如環氧化物黏膠或氛基丙 8· ^申請專利範圍第丨項所述之短光 又裝置，其中該基板大小盥n刑&芷立I、镁型石央音 英音叉之振臂能完全if配’使微型石 出的較佳範圍約為〇. ho 3公八。大土板的邊緣，其突 9又Π請圍第1項所：：短光纖探針與微型… y置，其中該短光纖探針之長度略 i央曰 :端面之長1兩端突出微型石英二振 度範圍約為〇· 05〜〇· 2公分。 费I *而面的較佳長 1 〇·如申請專利範圍第1項 又裝置，其中該短光输^迷之短光纖探針與微型石英音 形成約數十奈十端’可斜向鑛上金屬薄膜以 入碎 光學孔穴來收集或送出近埸伞與π咕 至屬膜的膜厚之較佳範圍為15nm〜i5〇nm。穷先子況说， 11·如申請專利範圍第1項所沭之Μ #孅 音叉裝置，其中該短=毁型石英 12.如申請專利笳圊筮〗丁石α丄 刊員所組成。 音叉裝置，心所述之短光纖探針與微型石英 之半導體材質所；。纖棟針之材質可為石夕或坤化鎵晶圓 叉圍！1項所述之短光纖探針與微型石英 之塑膠材質;斤組;^先纖探針之材質可為高分子聚合物等

第15頁 1220530 I 虎 92119903 六、申請專利範圍 曰 月 14·如申請專利範圍第1項所述之短光纖探 屬之材質所組成。 歲屬化合物或金 1又；所二短，光纖探針與微… 八T巧遷接至光源或感測器的 ，:針之距離以大於短光纖探針之實際振動枰产’ 2紐光 光學訊息之傳遞為依據，其距離之二:r 广 被未〜1 0 0微米。 < 孕乂佳乾圍為1 〇 1 音6’又Π請：3=;::述之短光纖」罙針與微型石^ 於近場掃描光學顯微ϋ::二=的；靈敏|，其使用 接觸式。 作杈式，可為敲擊模式或非 音又裝置mm項所述之短光纖探針與微型石英 18.如申請專利範圍第光學顯微儀中之收光模式。 又裝置，可使用☆近場掃光纖探針與微型石英音 田光予顯微儀中之送光模式。 第16頁