KR101110807B1

KR101110807B1 - 현미경 탐침의 제조 방법

Info

Publication number: KR101110807B1
Application number: KR1020100022415A
Authority: KR
Inventors: 서영덕; 전기석; 김형민; 홍승훈; 김태경
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 한국화학연구원
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2012-02-24
Also published as: KR20110103198A

Abstract

본 발명은, (A)현미경 탐침의 팁을 덮도록 희생 물질막을 증착하는 단계와, (B)상기 희생 물질막이 증착된 상기 팁의 일 말단를 절삭(grinding)하여 첨단부를 형성하고 상기 팁의 첨단부에 증착된 희생 물질막을 제거하는 단계와, (C)상기 팁에 복수의 물질이 적층된 다중층을 형성하는 단계와, (D)상기 다중층이 형성된 팁을 식각(etching)하여 상기 팁의 첨단부 이외에 증착된 희생 물질막 및 상기 희생 물질막에 적층된 다중층을 제거하는 단계를 포함하는 현미경 탐침의 제조 방법을 제공한다.
이러한 제조 방법에 따라 제조된 현미경 탐침의 팁 상에 라만 증강을 가져올 수 있도록 복수의 물질이 적층된 구조의 다중층을 형성하는 과정을 통하여 선명도 및 분해능을 향상할 수 있게 한다.

Description

현미경 탐침의 제조 방법{Method for Manufacturing the Microscope Probe}

본 발명은 현미경 탐침의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탐침의 팁의 첨단부에 적층되는 물질이 복수로 이루어지게 하는 동시에 스캐닝 기판에 대해서 일정각도로 기울어지게 가공함으로써 상기 팁의 일측 꼭짓점에서 라만 증강 작용이 효과적으로 일어나게 하여 나노 단위의 물질을 효과적으로 관찰하기 위한 현미경 탐침의 제조 방법에 관한 것이다.

생명현상과 생체기능조절기술의 기본적인 단위인 분자단위에서의 이해와 이의 진단, 치료 등에의 응용을 위하여서는 생체를 이루고 있는 분자들의 공간적, 시간적, 분자 화학적 상태와 동력학적 변화를 나노미터 수준에서 검지해야 한다. 이러한 나노수준의 관찰을 위해서 전통적인 광학현미경의 단계를 넘어 현재는 전자현미경이 널리 보급되어 사용중에 있는 실정이다.

전자현미경의 발전과정을 보면, Rohrer와 Binnig에 의하여 1981년 발명된 주사 터널링 현미경(STM: scanning tunneling microscope)은 물질이나 재료의 나노미터 크기의 구조와 성질을 이해하는 것을 가능하게 하는 출발점이 되었다. 그 후 발명된 AFM(Atomic Force Microscope), NSOM(Near-field Scanning Optical Microscope; 근접장 광학 현미경)과 같은 주사 프로브 현미경(SPM: Scanning Probe Microscope) 등을 이용하여 물질/재료 표면 구조의 관찰 이외에 다양한 물리적, 광학적 연구가 가능해져 나노과학이라는 새로운 학문의 장이 열리게 되었다.

주사 터널링 현미경은 전자가 탐침부(probe)에서 표본으로 터널링 하는 전류 시그널을 토대로 거리 측정에 상당한 정확도를 지닐 수 있지만 부도체인 표본을 대상으로 활용하기가 매우 힘든 단점을 갖고 있어서 표면 구조 관찰 이외에 생물학적 연구의 응용이 제한되고 있다는 점에 한계가 있고, AFM은 화학적 선택성이 없어 비슷한 부피의 분자들의 화학적 특성을 구별해내는 능력이 없다는 단점이 있다.

이에 반해 NSOM과 같은 광학 현미경은 분석화학적 기법을 활용하여 분자량이 비교적 큰 분자들을 구별해내는 것이 가능하여 광학 현미경과 AFM의 결합이나 AFM 팁의 화학적 처리를 통하여 선택성을 부여하는 등의 방법에 관한 많은 연구가 시작되고 있다.

도 1a는 종래의 유공 근접장을 이용한 광학현미경의 원리를 나타낸 개념도, 및 도 1b는 종래의 무공 근접장을 이용한 광학현미경의 원리를 나타낸 개념도이다. 이하 도 1a 및 도 1b를 참조하여, 기존의 광학 현미경에 대해 설명한다.

상기 NSOM(근접장 광학 현미경)은 1세대의 유공 근접장 현미경 및 2세대의 무공 근접장 현미경으로 크게 나누어볼 수 있다. 상기 1세대 유공 근접장 현미경은 탐침(10)에 파장의 길이보다 매우 짧게 형성된 구멍(aperture, 12)에 빛(1)을 조사하고 상기 구멍(12)을 통해 새어 나오는 미세한 빛(3)을 스캐닝 기판(2) 상의 시료(4)에 빛의 파장길이보다 짧은 거리까지 근접하여 조사시키면서　스캔(scan)하여 각 스캔 픽셀(scan pixel)마다 근접장 빛이 시료와 상호작용하여 나오는 광신호를 검출, 기록한 후 각 픽셀에 대해서 재구성하면 빛이 원천적으로 가졌던 회절 한계를 극복할 수 있음으로써 분자구조를 파악할 수 있다는 면이 있다. 반면에 상기 1세대 유공 근접장 현미경은 탐침부가 가열되어져 조사되는 빛의 강도를 일정 수준 이상으로 높일 수 없고 살아있는 세포에 대해서는 shear force feedback이 잘 작동하지 않는다는 문제점이 있게 된다.

상기 2세대 무공 근접장 현미경은 1세대 유공 근접장 현미경에서의 광섬유팁(optical fiber tip)을 쓰는 대신 금속이나 유전체로 된 탐침(20)에 매우 집광이 잘된 레이저 광(1')을 쪼여주어서 탐침(20) 끝에 레이저의 광밀도가　집중되도록 한 후 이때 형성된 근접장(22)에 시료(4)를 가까이 접근하여 스캔하는 방식으로서, 이는 무공(apertureless) 근접장 또는 장집중 근접장 분광학 현미경을 발전시키고 있다.

상기 2세대 무공 근접장 현미경 중 대표적인 것으로 탐침 증강 라만 분광학 (TERS, Tip Enhanced Raman Spectroscopy)을 들 수 있는데, 상기 TERS는 공간해상도 개선과 Raman 신호 증강의 두 가지 문제를 동시에 해결한 것으로서 무공 근접장 팁을 SERS(Surface Enhanced Raman Spectroscopy) 현상으로 잘 알려진 뾰족한 금이나 은으로 사용하여 장집중과 SERS신호 증강을 동시에 구현한 것이다. 여기에서, Raman 신호의 경우 형광이나 적외선분광학에 비해 신호 세기가 굉장히 작으므로 장집중에 의한 공간해상도의 개선 이외에도 Raman 신호 자체의 증강도 동시에 필요하게 된다.

한편, TERS에 사용되는 팁인 TERS-Tip의 첨단부(vertex)에서 강력한 라만 증강효과를 얻기 위해서는 탐침부 상으로 인가되는 레이저 등의 광원의 세기를 높일 수 있는 방법이 있는데, 이러한 방법의 경우는 탐침의 첨단부가 과열되거나 하는 등의 문제가 발생할 수 있으므로 상기 첨단부를 이루는 물질층의 구조나 성질에 대한 검토가 필요한 실정이다.

그리고 탐침의 첨단부는 나노 수준의 아주 미세한 크기의 구조체이므로 라만 증강을 위한 섬세한 가공이 용이하지 않은 측면이 있게 되는 어려움이 존재하므로 가공방법의 개선이 필요하게 된다.

EP 794,406 B1은 3개면이 만나는 첨단부(vertex)로 이루어진 팁(tip)에서 각 평면을 별도로 정의하는 방법을 통하여 APM 상에 팁을 장착하고, 장착된 팁의 광축 조절을 개시한다. 그러나 팁의 첨단부의 가공에 대한 개시는 없다.

2009년 2월 12일 공개된 한국 공개특허 제2009-0015779호는 현미경 탐침의 일부에 물질층을 형성하는 내용이 개시된다. 그러나 이는 현미경 탐침의 표면 재질 및 성질에 상관없이 물질층을 형성하기 위함일 뿐이며 그러한 물질층의 배치 및 이를 이용한 스캐닝 효과 상승에 대한 개시는 없다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 탐침의 첨단부를 가공하는 경우에 절삭 기판을 스캐닝 기판과 소정 각도로 기울어진 상태로 위치시키고 절삭 기판을 탐침부의 첨단에 밀착하여 가공하는 과정을 통하여 상기 탐침부의 첨단에 예리한 각도의 나노 프리즘 꼭짓점을 형성하여 라만 증강 효과를 높일 수 있는 현미경 탐침의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공된 본 발명의 일 관점에 따른 현미경 탐침의 제조방법은, (A)현미경 탐침의 팁을 덮도록 희생 물질막을 증착하는 단계와, (B)상기 희생 물질막이 증착된 상기 팁의 일 말단를 절삭(grinding)하여 첨단부를 형성하고 상기 팁의 첨단부에 증착된 희생 물질막을 제거하는 단계와, (C)상기 팁에 복수의 물질이 적층된 다중층을 형성하는 단계와, (D)상기 다중층이 형성된 팁을 식각(etching)하여 상기 팁의 첨단부 이외에 증착된 희생 물질막 및 상기 희생 물질막에 적층된 다중층을 제거하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 (B) 단계에 의해 상기 첨단부의 일 꼭짓점은 다른 꼭짓점들보다 상기 스캐닝 기판에 근접하게 위치하며, 상기 첨단부의 상기 일 꼭짓점에서의 국소적 라만 증강(local Raman enhancement)이 이루어질 수 있다.

또한, 상기 (B) 단계는, 상기 팁의 첨단부 및 절삭 기판을 상기 팁의 하부에 배치되는 스캐닝 기판과 각도를 유지하여 배치하는 단계와, 상기 절삭 기판이 상기 팁의 첨단부와 접촉하여 스크러빙(scrubbing)하도록 하여 상기 팁의 첨단부를 절삭하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (B) 단계는 상기 절삭 기판과 상기 팁 사이에 10nN 내지 500nN의 힘을 가하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 (B) 단계는 화학적 기계적 연마(CMP, Chemical Mechanical Polishing)를 통해 이루어질 수 있다.

또한, 상기 다중층은 접착층(adhesive layer) 및 라만 증강층(Raman-enhancing layer)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 접착층은 Cr층 및 Ti층 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 라만 증강층은 Ag층 및 Au층 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 다중층은 상기 다중층은 보호층(protection layer)을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 보호층은 Au층을 포함할 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 상기 다중층은 Cr층, Ag층, Au층을 포함하며, 상기 Cr층, 상기 Ag층, 상기 Au층이 상기 팁의 첨단부로부터 순차적으로 적층될 수 있다.

또한, 상기 라만 증강층은 70 내지 100nm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 Cr층은 5 내지 10nm이며, 상기 Ag층은 70 내지 100nm이며, 상기 Au층은 5 내지 10nm일 수 있다.

또한, 상기 첨단부의 일변의 크기는 5 내지 500nm일 수 있으며, 또는 상기 첨단부의 일변의 크기는 상기 팁의 일변의 크기의 0.1 내지 10%일 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 현미경 탐침 제조방법에 따라 제조된 현미경 탐침 상에 광원으로부터 빛을 공급할 경우에 스캐닝 기판에 가장 근접한 꼭짓점을 통해 라만 증폭 효과가 매우 효과적으로 일어나게 되어 이를 스캐닝하는 과정에서 좀 더 명확한 분자 구조의 관찰을 도모할 수 있다는 장점이 있게 된다.

또한, 현미경 탐침의 팁 상에 라만 증강을 가져올 수 있도록 복수의 물질이 적층된 구조의 다중층을 형성하는 과정을 통하여 선명도 및 분해능을 향상할 수 있게 한다.

더불어, 복수의 현미경 탐침의 팁을 일렬로 배치한 상태에서 절삭 기판을 소정각도로 기울인 상태에서 가공하는 경우에는 나노 구조의 프리즘을 구비한 팁을 일정한 규격으로 양산이 가능하므로 생산성이 우수하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 모든 효과를 포함한다.

도 1a는 종래의 유공 근접장을 이용한 광학현미경의 원리를 나타낸 개념도,
도 1b는 종래의 무공 근접장을 이용한 광학현미경의 원리를 나타낸 개념도,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 탐침 팁을 제조하는 공정을 차례대로 나타낸 도면,
도 2d 및 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 탐침 팁의 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 복수개의 현미경 탐침 팁의 제조공정을 설명하기 위한 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 탐침 팁을 통하여 스캐닝 기판 상의 분자구조를 파악하는 방법을 보이는 구성도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 탐침 팁의 적용 여부에 따른 라만 증강 효과를 보이기 위한 그래프,
도 6a 및 도 6b는 FEM을 사용하여 탐침부 팁 인근의 전기장 분포를 나타내는 3차원 시뮬레이션 도로서 도 6a는 하부에서 바라본 상태이고, 도 6b는 측면에서 바라본 상태에서의 전기장 상태를 나타낸 도면,
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 팁의 첨단부에 희생 물질막을 입힌후에 절삭 기판을 경사진 방향으로 가공한 경우로서 도 2b의 상태에 대응하는 SEM 이미지 사진,
도 7b는 도 7a의 팁의 첨단부에 다중층으로 물질막을 증착한 후에 식각 공정을 통하여 나노 프리즘 팁을 형성한 경우로서 도 2d의 상태에 대응하는 SEM 이미지 사진, 및
도 8은 탐침에 형성된 나노 프리즘 팁 상에 증착된 Cr, Ag, Au 등의 물질의 EDX 스펙트럼이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 현미경 탐침의 팁을 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 탐침의 팁을 제조하는 공정을 차례대로 나타낸 도면이며, 도 2d 및 도 2e는 이러한 공정에 따라 제조된 현미경 탐침의 팁을 도시한다.

먼저, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 탐침의 팁을 제조하는 공정을 설명한다.

도 2a를 참조하여, 우선 캔틸레버(111)에 부설된 팁(112)을 구비한 현미경 탐침(110)에 희생 물질막(113)을 증착 공정 등을 통해 도포한다. 상기의 증착 공정은 일반적인 반도체 제조 공정 상에서 이루어지는 화학기상증착(CVD), 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 통하여 캔틸레버(111) 및 팁(112)을 균일하게 덮도록 공정이 진행될 수 있다.

여기에 사용되는 팁(112)은 AFM 탐침부에 사용되는 어떠한 팁일 수 있으며, 일 실시예에서 실리콘(Si) 또는 실리콘계 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 희생 물질막(113)으로는 팁(112)과 충분한 선택 식각비를 갖는 어떠한 물질이 사용될 수 있다. 일 실시예에서 가공성이 용이한 알루미늄(Al) 등을 적용할 수 있다.

도 2b를 참조하여, 현미경 탐침(110) 하부에는 스캐닝 기판(130)이 배치되는데, 상기 스캐닝 기판(130) 상에는 분석하고자 하는 물질이 그 상면에 배치된 상태에서 현미경 탐침(110)의 팁(112)을 통해 광이 조사되어 물질 구조를 파악할 수 있도록 한다. 도면 부호 134는 스캐닝 기판(130)이 길이 방향으로 운동하는 궤적을 나타낸다.

여기에서, 본 발명에 따른 팁(112)을 제조하도록 스캐닝 기판(130)과 소정의 각도(122)를 이루어 절삭 기판(120)이 배치될 수 있다. 상기의 각도(122)는 예각을 유지하는 선에서 결정될 수 있지만 생산 공정 및 가공의 편리성 등을 고려하여 10°내지 30°의 범위에서 결정되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 절삭 기판(120)은 팁(112)에 근접한 상태에서 길이 방향으로 스크러빙(scrubbing)을 행하는 과정을 통해 팁(112)의 일 말단을 미세하게 절삭(grinding)하는 작업을 하게 된다. 도면 부호 124는 절삭 기판(120)이 길이 방향으로 스크러빙하는 궤적을 나타낸다. 본 발명에서는 절삭 기판(120)이 소정의 폭을 유지한 채 반복적으로 스크러빙하는 과정을 통해 절삭 작업이 이루어질 수 있으며, 상기 소정의 폭은 약 0.5 내지 2㎛일 수 있다.

일 실시예에서 상기의 절삭 과정에서 절삭 기판(120)은 실리콘 산화 기판으로 이루어지는 것이 바람직하나, 상기와 같은 절삭을 수행할 수 있는 어떠한 기판도 사용될 수 있음은 물론이다.

스크러빙과 동시에 팁(112)과 절삭 기판(120) 사이에 가해지는 힘에 의해 팁(112)의 두께가 감소된다. 정교한 가공을 위한 일 실시예에서, 팁(112)과 절삭 기판(120) 사이에 가해지는 힘은 10nN 내지 500nN일 수 있다.

이러한 방식으로 팁(11)에 첨단부(115)가 형성되며, 팁(112)의 첨단부(115) 상에 증착된 희생 물질막(113)이 제거된다. 이에 따라, 실리콘(Si)과 같은 팁(112)의 성분이 외부로 노출된다.

여기에서, "첨단부(vertex)"는 팁의 일 말단 부분을 의미하며, 보다 상세하게는 팁의 일 말단이 절삭되어 형성된 일부분을 뜻한다. 첨단부(115)의 형상 및 크기는 아래에서 후술한다.

이러한 절삭 과정은 화학적 기계적 연마 공정(CMP)을 통하여 이루어지는 것이 정밀한 절삭 가공을 수행하는데 있어서 가능한 방법일 수 있으나, 정밀한 절삭을 수행하는 어떠한 방법도 사용될 수 있다.

도 2c를 참조하면, 스캐닝 기판(130)에 경사진 방향으로 절삭가공이 이루어진 후에 캔틸레버(111) 및 첨단부(115)가 가공된 팁(112)을 전체적으로 덮도록 복수의 물질층(114, 116, 117)이 입혀져서 다중층을 형성한다. 복수의 물질층(114, 116, 117)은 증착(Evaporation)이나 스퍼터링 등의 공정을 통하여 차례대로 도포될 수 있으며, 물질을 도포시킬 수 있는 어떠한 공정도 사용할 수 있음은 물론이다.

이와 같이 복수의 물질층(114, 116, 117)이 입혀진 상태에서 식각(etching) 공정이 이루어져서 희생 물질막(113)을 제거한다.

상기 식각 과정에서 식각비를 적절히 조절하여 희생 물질막(113)과 팁(112)의 경계선에서 정확한 식각이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 식각 공정을 통하여 희생 물질막(113)이 제거되며, 이와 동시에 희생 물질막(113) 상에 증착된 복수의 물질층(114, 116, 117)도 희생 물질막(113)과 함께 제거된다. 그러나 팁(112)의 첨단부(115) 상에서는 이전의 절삭 과정으로 인해 희생 물질막(113)이 제거된 상태이기에 도 2d에 도시된 바와 같이 팁(112)의 첨단부(115) 상에 복수의 물질층(114, 116, 117)이 제거되지 않고 남는다. 복수의 물질층(114, 116, 117)은 다중층(118)으로 지칭될 수 있다.

즉, 도 2a 내지 2c에 도시된 바와 같은 절차에 의해, 팁(112)의 첨단부(115) 상의 다중층(118)을 제외한 모든 복수의 물질층(114, 116, 117)과 모든 희생 물질막(113)이 제거된다. 팁(112)의 첨단부(115)에 형성된 다중층(118)은 현미경 상에서 나노 프리즘 역할을 한다.

도 2d와 도 2e를 참조하여 상기와 같은 절차에 의해 이루어진 본 발명에 따른 현미경 탐침(110)을 설명한다.

현미경 탐침(110)은 소정의 길이의 캔틸레버(111)의 일 측단에 부설되는 팁(112)과 다중층(118)을 포함한다. 여기에서 팁(112)은 삼각뿔대의 형상일 수 있으며, 일 단면은 캔틸레버(111) 상에 견고히 부착되고 삼각뿔대의 측면인 세 단면이 외부에 노출되며, 삼각뿔대의 다른 단면인 작은 삼각 형상인 첨단부(115)에는 복수의 물질로 이루어진 다중층(118)이 형성된다. 특히, 첨단부(115)는 팁(112)의 하부에 배치되는 스캐닝 기판(130)과 소정의 각도를 유지한다.

첨단부(115)에 대해 상술한다.

절삭되기 이전의 팁이 사면체의 형상인 경우, 절삭을 통하여 형성된 팁(112)은 삼각뿔대의 형상이며 첨단부(115)는 삼각뿔대의 끝단을 가리키므로 그 단면이 삼각형 구조임을 알 수 있다. 다중층(118)은 삼각 기둥과 유사한 형상으로서 그 하부면 역시 삼각 형상이다. 삼각형의 각 꼭짓점을 a, b, c로 표시할 때, 일 꼭짓점인 a지점이 b, c지점과 비교하여 스캐닝 기판(130)에 가장 근접하도록 첨단부(115)가 스캐닝 기판(130)과 각도를 이루어 배치되는 것이 바람직하다(도 2e 참조).

첨단부(115)가 스캐닝 기판(130)과 각도를 이루어 배치되지 않고 평행하게 배치되는 경우, a, b, c지점 모두 동일한 간격만큼 스캐닝 기판(130)과 이격되는데, 이 경우 각 지점에서의 라만 증강 효과가 유사하여 상호 영향을 주게 되어 결과적으로 전체적인 현미경 해상도에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

그러나 도시된 바와 같이 일 꼭짓점인 a지점이 b, c지점과 비교하여 스캐닝 기판(130)에 가장 근접하도록 배치되는 경우, 팁(112)으로 조사되는 광신호가 첨단부(115)의 a지점에서 일어나는 라만 증폭 효과에 의해서 국소적인 라만 증강(local Raman enhancement)이 발생하고 b, c지점에서는 상대적으로 효과 정도가 덜하기 때문에 전체적인 해상도를 비약적으로 증가시킬 수 있다.

전술한 팁의 제조 공정 난이도 및 팁을 이용한 라만 증강 효과 정도를 고려할 경우, 첨단부의 일변의 크기는 5 내지 500nm인 것이 바람직하다. 특히, 팁이 크기와 첨단부의 크기를 비교할 경우, 첨단부의 일변의 크기는 팁의 일변의 크기의 0.1 내지 10%인 것이 바람직하다.

다중층(118), 즉 복수의 물질층(114, 116, 117)에 관하여 상술한다.

본 발명의 일 실시예에서, 복수의 물질층(114, 116, 117)은 희생 물질막(113) 상에 순서대로 형성된 접착층(114), 라만 증강층(116), 보호층(117)일 수 있다.

여기에서 "접착층"은 라만 증강층(116)과 같은 다른 물질층을 팁(112)에 단단히 고정하기 위한 물질층을 의미한다. 실리콘 또는 실리콘 계열의 팁(112)에 라만 증강 효과가 있는 은(Ag) 또는 금(Au)과 같은 물질을 단단히 고정하기 위해서, 일 실시예에서 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)이 사용될 수 있다.

여기에서 "라만 증강층"은 라만 증강 효과를 증진시키기 위한 물질층을 의미한다. 이에 사용되는 물질은 라만 증강 효과가 높은 은(Ag) 또는 금(Au)일 수 있다.

여기에서 "보호층"은 은(Ag)과 같은 라만 증강층(116)을 변성으로부터 보호하기 위한 물질층을 의미한다. 일 실시예에서, 은(Ag)의 산화로부터 보호하도록 금(Au)이 사용될 수 있다. 특히, 금(Au)을 보호층(117)으로 사용하는 경우, 산화로부터 라만 증강층(116)을 보호하는 역할에 추가하여 금의 성질로 인해 추가의 라만 증강 효과를 더 가져올 수 있어서 보다 효과적이다.

즉, 본 발명의 일 실시예에서, 접착층(114)은 Cr층 또는 Ti층을 포함할 수 있으며, 라만 증강층(116)은 Ag층을 포함할 수 있으며, 보호층(117)은 Au층을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에서 상기 다중층(118)은 차례대로 Cr층(114), Ag층(116), Au층(117)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 적층되는 Cr층(114), Ag층(116), Au층(117)의 두께는 실험적으로 결정될 수 있는데, 본 발명에서는 라만 증강 효과를 고려하여 Ag층(116)이 70nm 이상 100nm 이하의 범위에서 결정되는 것이 바람직할 수 있다. Cr층(114) 및 Au층(117)은 5nm이상 10nm이하의 범위에서 결정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 복수의 물질층은 접착층과 라만 증강층으로 이루어질 수 있다. 즉, 라만 증강층이 라만 증강 효과를 증진시키면서 동시에 산화에 강한 물질을 사용하는 경우 보호층 없이 라만 증강 효과를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 라만 증강층은 Au층을 포함할 수 있다.

상기와 같은 접착층(114), 라만 증강층(116), 보호층(117) 외에도 현미경 탐침(110)의 기능 및 목적을 위해 다른 물질층이 추가될 수 있으며, 또한 크롬, 은, 금 외에 다른 물질이 사용될 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 복수의 현미경 탐침부 팁의 제조공정을 설명하기 위한 사시도이다. 현미경 탐침부 팁을 양산하기 위해서는 일정규격을 유지한 채 빠른 시간 내에 생산할 수 있는 가공 공정이 필요하게 된다.

제1현미경 탐침부(110a)와 제2현미경 탐침부(110b)가 일정한 간격을 유지한 채 캔틸레버(102) 상에 부착이 된다. 여기에서, 복수의 현미경 탐침부(110')는 캔틸레버(102)를 길이 방향을 따라서 병렬로 배치될 수 있는데, 그 개수는 생산 공정에 따라서 2개 이상으로 증가시킬 수 있음을 물론이다. 복수의 현미경 탐침부(110') 하측에는 스캐닝 기판(130') 및 상기 스캐닝 기판(130')과 소정각도(122')를 유지하는 절삭 기판(120')이 배치되고, 절삭 기판(120')이 일정한 폭을 유지한 상태에서 병진운동을 하는 과정을 통해서 복수의 현미경 탐침부(110')의 팁에 대한 미세가공이 행해질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 탐침부 팁을 통하여 스캐닝 기판 상의 분자구조를 파악하는 방법을 보이는 구성도, 도 5는 본 발명인 탐침부 팁의 적용 여부에 따른 라만 증강 효과를 보이기 위한 그래프, 도 6a, 도 6b는 FEM을 사용하여 탐침부 팁 인근의 전기장 분포를 나타내는 3차원 시뮬레이션 도로서 도 6a는 하부에서 바라본 상태이고, 도 6b는 측면에서 바라본 상태에서의 전기장 상태를 나타낸 도면이다.

팁(112)의 끝단에 다중층(118)이 형성된 현미경 탐침부(110)의 하부에는 BCB 분자(Brilliant Cresyl Blue molecules, 132)가 놓인 스캐닝 기판(130)이 배치되고, 스캐닝 기판(130)은 그 하측으로 측정렌즈(150)가 위치한다. 측정과정을 보면, 상기 측정렌즈(150)를 통해 레이저 빔과 같은 조사광이 입사된 후에 입사된 광(152)이 상기 BCB 분자(132)에 반사되어 다시 측정렌즈(150) 측으로 산개되어 입수(154)되는 과정을 통해서 가능할 수 있게 된다.

다중층(118)이 구비된 상기 팁(112)은 도 4의 그래프에서 보이듯이 z-축(z-axis)을 따라 일정 초점구간을 이동하는 과정을 통해 나노 프리즘의 기능을 한다. 여기에서, 전체적으로 2π의 나사 형상의 진동(Tapping Oscillation) 구간 중 A에 해당하는 일부 구간(in focal area)에서 회절이 제한되는 초점 영역(Diffraction limited confocal spot)을 형성하는 것을 알 수 있다.

도 5를 보면, 본 발명에 따른 다중층(118)이 형성된 현미경 탐침(110)이 장착된 상태에서의 라만 신호의 증가가 다중층(118)의 장착이 안된 상태에서의 라만 신호에 비해서 대략 6배 정도의 신호 증강 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 여기에서, X축을 라만 변이(Raman Shift)로 하고, Y축을 라만증강의 세기(Intensity)를 하여 다중층(118)이 형성된 현미경 탐침(110)에서의 라만 증강의 세기를 상대적으로 비교한 것인데, 안테나(Antenna)는 팁(112)에 형성된 다중층(118)을 의미하는 것으로 볼 수 있다. 즉, 안테나가 있는 경우(적색)가 안테나가 없는 경우(흑색)에 비해 라만 신호증강현상이 뚜렷하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.

도 6a와 도 6b의 FEM 사진을 보면, 팁(112)에 형성된 다중층(118)의 최외곽의 삼각형 부위에서 장 집중 효과가 다른 인근 부분에 비해 월등하게 나타나고, 더불어 절삭가공을 통해 상대적으로 예리하고 스캐닝 기판(130) 측에 더 가까이 배치되는 a 부위의 장 집중 현상이 두드러지는 것을 알 수 있다. 도면 상에서 k-벡터는 레이저빔 전파벡터(laser beam propagation vector)를 의미하고, E-벡터는 전기장 벡터(electric field vector)를 의미한다.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 팁의 첨단부에 희생 물질막을 입힌 후에 절삭 기판을 경사진 방향으로 가공한 경우로서 도 2b의 상태에 대응하는 SEM 이미지 사진, 도 7b는 도 7a의 팁의 첨단부에 다중층으로 물질막을 증착한 후에 식각 공정을 통하여 나노 프리즘 팁을 형성한 경우로서 도 2d의 상태에 대응하는 SEM 이미지 사진, 및 도 8은 탐침부에 형성된 나노 프리즘 팁 상에 증착된 Cr, Ag, Au 등의 물질의 EDX 스펙트럼이다.

도 7a에서 보면, 탐침(110)의 팁(112)에 대해 절삭기판(120)을 사용하여 절삭가공을 행한 후에 삼각형 모양의 첨단부(115)가 형성되고 상기 첨단부(115)를 제외한 부위는 희생물질막(113)으로 덮여져 있는 것을 알 수 있다.

도 7b에서 보이듯이, 탐침부 팁(112) 상에 다중층(118)이 형성되어진 것을 볼 수 있다. 여기에서, 일측 꼭짓점에 해당하는 a부위의 각이 다른 두 꼭짓점의 각에 비해 더 작게 형성되어지는 것이 a부위에서의 라만 증강을 극대화하기 위해서 바람직하다.

도 8에서의 EDX(Energy Dispersive X-Ray) 스펙트럼을 보면 현미경 탐침(110)의 다중층(118) 여부에 따라 형성되는 피크(peak)가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 상단의 그래프(On Prism Antena)는 다중층(118) 부위에 대한 측정치이고, 하단의 그래프(On Probe Side)는 다중층(118)이 형성되어 있지 않은 팁(112)의 측면부에 대한 측정치를 나타내고 있다.

상단의 그래프를 보면 Si(팁을 이루는 실리콘을 의미), Cr(접착층을 의미), Ag(라만 증강층을 의미), Au(보호층을 의미) 각각에 대한 신호의 세기가 원소의 개수(Atomic Counts)로서 명확하게 표시되는 것을 알 수 있다. 반면에 하단의 그래프를 보면, 다중층(118)이 형성되어 있지 않은 팁(112) 상에서는 팁 자체에 의한 신호 이외에는 어떤 신호도 표시되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이러한 점을 볼 때 탐침부 팁(112) 상에 다중층(118)이 형성된 첨단부(115)를 통해서 라만 증강 효과가 보다 확연히 이루어져서 본 발명의 중요 특징인 고 선명도를 구현할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명인 현미경 탐침부 팁은 상기 팁의 첨단을 경사지게 가공한 후 상기 팁 상에 라만 증강을 촉진하기 위한 복수의 물질층을 차례로 적층함으로써 형성된 일 꼭짓점을 통하여 나노 단위의 분자구조에 대한 선명한 관찰을 가능하게 한다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

102, 111 : 캔틸레버 110 : 현미경 탐침
112 : 팁 113 : 희생 물질막
114 : 접착층 115 : 첨단부
116 : 라만 증강층 117 : 보호층
118 : 다중층 120, 120' : 절삭 기판
130, 130' : 스캐닝 기판 132 : BCB 분자
150 : 측정렌즈

Claims

(A) 현미경 탐침의 팁을 덮도록 희생 물질막을 증착하는 단계;
(B) 상기 희생 물질막이 증착된 상기 팁의 일 말단를 절삭(grinding)하여 첨단부를 형성하고 상기 팁의 첨단부에 증착된 희생 물질막을 제거하는 단계;
(C) 상기 팁에 복수의 물질이 적층된 다중층을 형성하는 단계; 및
(D) 상기 다중층이 형성된 팁을 식각(etching)하여 상기 팁의 첨단부 이외에 증착된 희생 물질막 및 상기 희생 물질막에 적층된 다중층을 제거하는 단계;
를 포함하며,
상기 (B) 단계에 의해, 상기 첨단부의 일 꼭짓점은 다른 꼭짓점들보다 스캐닝 기판에 근접하게 위치하며, 상기 첨단부의 상기 일 꼭짓점에서의 국소적 라만 증강(local Raman enhancement)이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 (B) 단계는,
상기 팁의 첨단부 및 절삭 기판을 상기 팁의 하부에 배치되는 상기 스캐닝 기판과 각도를 유지하여 배치하는 단계; 및
상기 절삭 기판이 상기 팁의 첨단부와 접촉하여 스크러빙(scrubbing)하도록 하여 상기 팁의 첨단부를 절삭하는 단계;
를 포함하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 3 항에 있어서,
상기 (B) 단계는, 상기 절삭 기판과 상기 팁 사이에 10nN 내지 500nN의 힘을 가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (B) 단계는 화학적 기계적 연마(CMP, Chemical Mechanical Polishing)를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다중층은 접착층(adhesive layer) 및 라만 증강층(Raman-enhancing layer)을 포함하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 접착층은 Cr 및 Ti 중 어느 하나 이상을 포함하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 라만 증강층은 Ag 및 Au 중 어느 하나 이상을 포함하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 다중층은 보호층(protection layer)을 더 포함하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 보호층은 Au을 포함하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다중층은 Cr층, Ag층, Au층을 포함하며,
상기 Cr층, 상기 Ag층, 상기 Au층이 상기 팁의 첨단부로부터 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 라만 증강층은 70 내지 100nm인 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 Cr층은 5 내지 10nm이며, 상기 Ag층은 70 내지 100nm이며, 상기 Au층은 5 내지 10nm인 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 첨단부의 일변의 크기는 5 내지 500nm인 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 첨단부의 일변의 크기는 상기 팁의 일변의 크기의 0.1 내지 10%인 것을 특징으로 하는,
현미경 탐침의 제조 방법.