고해상도 이미징 document_id A220623044079

대상물(또는 시료)에 대한 공간적 정보를 얻기 위한 다양한 이미징 기술이 알려져 있다. 통상적인 투과형 이미징 기술의 경우, 대상물은 평면파 조명(10)에 의해 조사된다. 대상물에 의해 산란된 파동은, 도 1A에 도시된 것처럼, 렌즈(12)에 의해 재간섭(re-interfered)됨으로써 이미지(image)를 형성한다. 극초단파(엑스레이 또는 전자) 이미징의 경우, 이러한 기술은 상기 렌즈에 의해 초래되는 수차 및 불안정성과 연관된 알려진 다양한 문제들 갖고, 최종 이미지의 해상도 및 해석 가능성은 이러한 수차 및 불안정성에 의해 제한된다. 그 결과, 실제로 얻을 수 있는 해상도는 이론적 파장 한계보다 수배 이상 크다. 통상적인 스캔 투과형 이미징 기술에 따르면, 대상물을 지나는 복사선(irradiation)의 스폿(spot)을 포커싱(focusing) 하기 위해 렌즈가 사용된다. 하나 이상의 검출기들이 산란된 복사선을 검출하기 위해 대상물 뒤쪽에 배치된다. 환상형 검출기(annular detectors), 사분 검출기(quadrant detectors) 및 오프-억세스 검출기(off-access detectors)와 같은 다양한 유형의 검출기들이 알려져 있다. 하지만, 이러한 방법들은 복사선의 포커스된 스폿(focused spot)을 대상물의 이미지가 요구되는 모든 점들(points)에 대해 스캐닝하는 방법을 사용하기 때문에, 이러한 기술들은 매우 많은 문제를 갖는다. 예를 들면, 만일 1000 x 1000 개의 픽셀 이미지가 요구되는 경우 백만개의 정밀한 프로브(probe)-위치(position) 점들(points)이 사용돼야 한다는 점에서, 상기 스폿의 매우 정확한 제어가 요구된다. 또 다른 문제는 사용되는 렌즈가 매우 우수한 품질이어야 한다는 것이다. 이는 최종 이미지의 해상도는 단지 상기 스포의 예리함 및 국소화(sharpness and localisation)에 비례하기 때문이기도 하지만, 전자 및 엑스-레이와 같은 다양한 복사선의 경우, 이미지 생성에 영향을 주고 그 해상도의 저하를 초래할 수 있는 수차 효과, 색 번짐(chromatic spread) 및 렌즈 전류 불안정성(lens current instability) 등과 같은 많은 문제가 있기 때문이기도 하다. 이는 도 1B에 개략적으로 도시된 것처럼, 전자 또는 엑스레이와 같은 입사 복사선(15)이 대상물로 사용되는 시료(16)에 입사되고, 대상물에 의해 산란된 복사선은 대상물로부터 빠져 나와 검출 평면(17)으로 진행한다. 통상적인 스캔 투과형 이미징과 관련하여 알려진 문제들에는, 복사광의 입사 스폿에 의해 조사(probe)돼야 하는 점들의 수가 크기 때문에, 이미지들이 완성되기까지 긴 시간이 걸린다는 것이다. 만일 대상물이 데이터를 수집하는 동안 움직인다면, 이는 부정확한 데이터의 수집 및 부정확한 이미지의 생성을 초래할 수 있다. 또한, 통상적인 스캔 투과형 이미징 방법들에 따르면, 대상물로부터 빠져 나오는 복사광의 위상(phase)에 관한 정보는 측정되지 않는다. 즉, 단지 총 산란 세기(total scattering intensity)가 검출기들에서 측정될 수 있을 뿐이며, 대상물로부터 나오는 탈출파(exit wave)와 관련된 위상 정보는 수집될 수 없다. 사차원 디콘볼류션 이미징(four-dimensional de-convolution imaging)은 통상적인 스캔 투과형 이미징 기술의 변형이다. 이는 도 1에 도시된 것과 유사한 장치를 사용하지만 모든 프로브(probe) 위치들에 대해 전체 회절 패턴(whole diffraction pattern)을 기록한다. 이는 스폿 크기 또는 사용되는 렌즈의 반응 함수보다 더 나은 해상도로 대상물의 구조를 결정하는 방법을 제공하지만, 여전히 큰 문제들을 갖는다. 가장 주목할만한 문제는, 그럴듯한 시계(field of view)의 확보를 위해서는, 수시간이 걸리는 매우 큰 양의 데이터가 기록돼야 한다는 것이다. 최종 이미지의 재구성을 위해서는, 프로브 조명을 매우 정밀하게 제어하고 정밀하게 움직여서 모든 (즉, 백만개의) 픽셀들을 스캔해야하기 때문에, 이러한 문제는 실험이 실제로 수행되는 것을 어렵게 만든다. 또한, 이 방법들에 따르면, 매우 큰 선량의 입사 복사선(huge doses of incident radiation)이 장시간 동안 대상물에 조사돼야 하기 때문에, 대상물에 심각한 손상이 발행할 수 있다. 다른 잘 알려진 이미징 기술은 순수 회절 이미징 기술(pure diffractive imaging)이다. 이러한 대안적 방법에서, 렌즈는 생략되고 대상물은 프로브 복사선의 단순 평면파(simple plane wave)에 의해 조사된다. 원거리에서 측정되는 산란된 패턴은 푸리에 평면 회절 패턴을 형성하고, 이것의 세기는 기록될 수 있다. 상기 측정된 세기로부터 얻어진 정보를 적용하는 반복적 방법을 사용하여 예측 대상물 탈출 파동 필드(estimated object exit wave field)를 계산한다. 상기 예측 파동 필드로부터 대상물에 대한 실제 정보를 결정하기 위해서는, 대상이 없거나 소정의 방식으로 마스크된 것으로 알려진 곳에 실제 공간의 한 영역이 제공돼야 한다. 대상물을 나타내는 파동 필드의 연속적 예측(running estimate)은, 단지 이러한 사실에 의해서도, 반복적으로 바뀌어질 수 있다. 하지만, 순수 회절 이미징과 관련된 다양한 문제들이 있다. 가장 주목할만한 문제는 대상물이 어떠한 방식으로든 소정의 고정된 위치에 매달리거나 고립돼야 한다는 것이다. 현실적으로 이러한 조건은 달성되기 어렵다. 또한, 이러한 해결법(solution)을 대상물의 새로운 부분 또는 다른 부분들로 확장할 수 없으며, 우수한 해상도로 큰 이미지 전체를 얻을 수 없다. 단지 대상물의 고립된 한 영역만이 조사(illuminated)되어 분석될 수 있다. 또한, 대상물은 단일 값으로 평가되어야 한다. 즉, 단일의 실수에 의해 표현돼야 한다. 그 수는 흡수 또는 상변화를 나타낼 수 있지만, 둘 모두를 나타내지는 않을 수 있다. 사실, 대부분의 실제 대상물 파동(즉, 대상물로부터 나오는 파동 함수)는 위상 성분과 진폭 성분을 갖는 복소수로 나타난다. 순수 회절 이미징과 관련된 다른 주요한 문제는 대상물의 가장자리가 또렷이(sharply) 정의돼야 하고 그 결과 뚜렷한 경계를 가져야 한다는 것이다. 이는 대상물이 없거나 소정의 방식으로 마스크된 것으로 알려진 영역이 잘 정의되야 한다는 것이다. 실제에 있어서, 이처럼 정의된 가장자리를 갖는 대상물 또는 조리개(aperture)를 제작하는 것은 어렵다. 또 다른 문제는, 엑스레이 및 전자 산란에서 나타나는 대상물의 공통된 유형인 약한-산란 대상물(weakly-scattering objects)의 경우, 대상물을 투과한 복사선의 대부분이 회절 패턴의 중앙에서 끝난다는 것이다. 이 영역에서의 정보는 이미지 생성 공정에 도움이 되지 않기 때문에 쓸모없을 뿐만 아니라 대상물을 투과하는 복사선은 대상물을 손상시킬 수 있다. 또한, 평행 조명이 요구된다. 하지만, 이는, 정해진 밝기의 광원의 경우, 상대적으로 낮은 계수(relatively few count)가 상기 대상면(object plane)에 제공됨을 의미한다. 상술한 것처럼, 약한 산란 대상물들을 투과하는 많은 복사선이 중앙에서 소멸된다는 사실과 연관지어 고려할 때, 이는 실제에 있어서, 충분한 계수를 얻기 위해서는 오랜 시간이 소요되는 실험이 필요함을 의미한다. 데이터 수집 단계 동안, 대상물 또는 다른 이미징 장치가 움직이거나 표류한다면, 데이터는 무의미해질 수 있다. 상당한 관심을 얻었던, 이러한 문제의 해결 방법을 발견하기 위한 방법은 게르츠베르그 및 색스톤[R.W. Gerchberg and W.0. Saxton. Optik, 35(2):237-246, 1972]에 의해 처음으로 제기되었던 반복적 방법이다. 이러한 반복적 방법들은 최근 전자 및 엑스레이 모두에 대해 도 2에 도시된 배치에 적용되고 있다. 이러한 배치에 있어서, 입사 복사선(2)은 대상물로 사용되는 시료(21)에 조사된다. 대상물은 상기 입사 복사선을 넓은 각도로 산란함으로써, 회절 평면(22)에는 회절 패턴이 형성된다. 상기 회절 평면(22)의 회절 패턴은 사진 필름 또는 CCD 검출기와 같은 적절한 방법을 통해 기록될 수 있다. 회절의 실험적 장점은 간섭 조건이 단지 대상물 자체 내에서의 산란에 의해서만 결정된다는 것이며, 따라서 짧은 파장 렌즈를 이용할 때 수반되는 기술적 어려움들은 회피될 수 있다.