KR100319028B1 - 표면주사 현미경에 사용되는 탐침 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면주사 현미경에 사용되는 탐침 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 ＜100＞ 격자 방향을 갖는 실리콘을 이용하여 제작된 캔틸레버, 상기 캔틸레버를 지지하는 몸체, 상기 캔틸레버의 일단에 형성된 침으로 구성되어 있으며, 상기 몸체의 소정 영역 및 상기 캔틸레버에 붕소가 확산되어 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 실리콘 기판위에 제 1 마스크층을 형성하고, 제 1 마스크층을 이용하여 실리콘 기판을 소정깊이로 식각하여 상기 침을 형성한 다음, 제 1 마스크층을 제거하고, 몸체 및 캔틸레버가 형성되어질 영역을 제외한 실리콘 기판위에 제 2 마스크층을 형성한다. 그런 다음, 제 2 마스크층을 이용하여 몸체의 소정영역 및 캔틸레버가 형성되어질 영역에 붕소를 확산시켜 붕소확산층을 형성하고, 제 2 마스크층를 제거한 후, 붕소확산층위에 제 3 마스크층을 형성하고, 제 3 마스크층을 이용하여 노출된 실리콘 기판의 소정영역을 식각하여 몸체 및 상기 캔틸레버를 형성한다.

Description

표면주사 현미경에 사용되는 탐침 및 그 제조 방법{Fabrication method of SPM probe tips using P+ silicon cantilevers realized in <110>bulk silicon wafer}

본 발명은 표면주사 현미경에 사용되는 탐침 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 기존의 SIO 실리콘기판을 사용하지 않으면서 공정이 간단해지고, 저가로 성능이 우수한 탐침을 제작할 수 있는 표면주사 현미경의 탐침 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

표면주사현미경은 광학이나 전자 현미경으로 관찰할 수 없는 물체의 표면의 여러 가지 형상을 탐침의 뾰쪽한 침과 실리콘 등의 얇은 박막의 미세한 움직임을 이용하여 표면형상을 관찰 할 수 있는 현미경의 하나로, 현재 널리 쓰이고 있는 장비이다.특히, 요즈음에는 원자현미경을 이용해서 고밀도 저장장치를 구현하는 방법을 연구 중에 있고, 미세한 패턴(pattern)의 사진 공정에도 많이 이용되고 있다. 이러한 원자현미경에서 물체를 주사하기 위해서 탐침이 쓰이고 있다.이러한 탐침은 실리콘 산화막 (silicon dioxide), 실리콘 질화막 (silicon nitride), 금속, 실리콘(silicon)등 여러 가지로 만들 수 있지만, 일반적으로 우수한 기계적인 특성을 가진 실리콘으로 탐침을 제조한다.그러나, 기존의 실리콘 탐침은 대부분 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼(wafer)를 이용해서 만들기 때문에, 가격이 비싸고 복잡한 공정을 사용해야 했다.

실리콘 탐침이 아닌, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 금속 등으로 만든 표면주사현미경의 탐침은 실리콘보다 기계적인 특성이 좋지 않을 뿐 아니라, 탐침의 두께 등의 조절범위가 작다는 제약이 있다. 그밖에도, 막의 증착 특성에 따라서, 탐침(probe)의 침(tip) 이 실리콘 침보다 뾰족하지 않다는 단점이 있다.

SOI 웨이퍼로 탐침을 만든 예는 1991년에 씨. 에프. 퀘이트 (C. F. Quate) 등이 IEEE에 발표한 'Atomic Force Microscopy Using a Piezoresistive Cantilever'로, 이 탐침은 SOI 웨이퍼의 중간층에 있는 실리콘 산화막을 식각 정지층으로 사용하여, 양면정렬(Double side align)을 통해서 실리콘 탐침을 만들었다. 이 경우에는 기계적 특성이 좋은 실리콘으로 탐침을 만들고, 뾰족한 침을 얻을 수 있었으나, 양면정렬공정으로 제조방법이 복잡하고, 웨이퍼의 두께에 따라서 실리콘 산화막에서 식각이 정지되는 위치가 다르기 때문에, 탐침의 두께가 변하는 단점이 있다. 그밖에도 가격이 비싼 SOI 웨이퍼를 사용하기 때문에, 대량 생산 시에는 생산단가가 높아지게 된다.

그러므로, 좀 더 간단하고 생산단가가 낮은 제조 방법으로 우수한 성능의 원자현미경 탐침을 만들고자 하는 요구가 대두되고 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 제조 공정에 비해 쉽고 간단하게 표면주사 현미경의 탐침을 제작하는 데 그 목적이 있다.

더불어, 저가로 제작을 할 수 있는 공정을 개발함으로써 생산 단가를 절감하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 기존의 탐침에 비해 성능이 우수한 탐침을 제작하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 탐침 제조 방법에 따라 제작된 표면주사현미경 탐침의 구성도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 표면주사 현미경의 탐침의 침(Tip) 부분 제작 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 내지 도 3b 는 본 발명에 따른 표면주사현미경의 탐침에 붕소확산층을 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따른 표면주사 현미경의 탐침의 캔틸레버를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 5a 내지 도 5c 는 실리콘 결정구조의 방향에 다라 이방성 식각후 형성되는 탐침의 형상을 설명하기 위한 단면도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

101 : 표면주사현미경 탐침

102 : 탐침(cantilever)의 윗면

103 : 탐침의 다리

104 : 몸체에 붙어 있는 탐침(Cantilever)

201,202,203 : 탐침의 침(Tip) 그림

308,309 : 붕소확산층

403 : 이방성 식각될 실리콘 노출 부분

407,408 : 실리콘 산화막의 선택적 식각을 위한 포토 레지스트

410 : 식각정지층으로 쓰이는 <111>면

501 : <100> 결정방향을 가지는 실리콘 기판

502 : 실리콘 산화막

503 : <100> 결정방향을 가지는 실리콘의 <111>면

504 : <110> 결정방향을 가지는 실리콘 기판

506 : <110> 결정방향을 가지는 실리콘의 <111>면

507 : SOI(silicon on insulator) 웨이퍼의 실리콘 부분

510 : SOI웨이퍼의 중간 실리콘 산화막 층

512 : SOI 웨이퍼의 실리콘의 <111>면

513 : 붕소확산층의 식각정지층을 이용한 탐침부

상기한 기술적 과제를 달서하기 위한 본 발명의 특징에 따른 표면주사 현미경에 사용되는 탐침은,＜100＞ 격자 방향을 갖는 실리콘을 이용하여 제작된 캔틸레버와, 상기 캔틸레버를 지지하는 몸체, 상기 캔틸레버의 일단에 형성된 침으로 구성되어 있으며, 상기 몸체의 소정 영역 및 상기 캔틸레버에 붕소가 확산되어 있는 것을 특징으로 한다.여기서, 상기 침은 붕소가 확산되어 있는 것이 바람직하다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 표면주사 현미경에 사용되는 탐침의 제작방법은, 탐침을 제작하기 위해서 ＜100＞ 방향의 결정을 가지는 웨이퍼를 사용한다. 웨이퍼에 실리콘 산화막을 기른 후에, 실리콘 침을 만들기 위하여 실리콘 산화막을 패터닝(patterning)한다. 그리고, 실리콘 산화막이 남아 있지 않은 부분을 프레온계 가스를 이용하여 건식 식각(dry etch)을 한다.

그리고, 붕소확산층 형성을 위한 마스크(mask)로 쓰기 위해서 실리콘 산화막을 기른다. 이 산화막을 다시 선택적인 붕소확산을 위해서 패터닝(patterning)을 한다. 그 후에 붕소확산을 하면, 실리콘 산화막이 없는 부분에만 붕소확산층이 만들어진다. 그리고, 탐침(cantilever)을 형성시키는 이방성 식각을 위한 마스크(mask)로 쓰기 위해서 실리콘 산화막을 기른다. 이 산화막을 다시 선택적인 식각을 위해서 패터닝(patterning)을 한다. 그 후에 실리콘 식각 용액을 이용해서 이방성 식각을 하면, 붕소확산층과 실리콘 (111)면이 식각 정지층으로 작용을 해서, 붕소 확산층으로 이루어진 탐침을 형성하게 된다.따라서, 본 발명의 표면주사 현미경에 사용되는 탐침 제조 방법은, 캔틸레버와 상기 캔틸레버를 지지하는 몸체, 및 상기 캔틸레버의 일단에 형성된 침으로 구성된 탐침을 제조하는 방법에 있어서, 실리콘 기판에 침을 형성하는 단계, 붕소 확산층을 형성하는 단계, 탐침을 형성하는 단계를 포함한다.보다 상세히는, 상기 실리콘 기판에 침을 형성하는 단계는 상기 몸체 및 상기 침이 형성되어질 영역의 실리콘 기판위에 제 1 마스크층을 형성하는 공정과 상기 제 1 마스크층을 이용하여 상기 실리콘 기판을 소정깊이로 식각하여 상기 침을 형성하는 공정을 포함한다.그리고, 상기 붕소 확산층을 형성하는 단계는 상기 제 1 마스크층을 제거한 후, 상기 몸체 및 상기 캔틸레버가 형성되어질 영역을 제외한 실리콘 기판위에 제 2 마스크층을 형성하는 공정과 상기 제 2 마스크층을 이용하여 상기 몸체의 소정영역 및 상기 캔틸레버가 형성되어질 영역에 붕소를 확산시켜 붕소확산층을 형성하는 공정을 포함한다.그리고, 상기 탐침을 형성하는 단계는 상기 제 2 마스크층를 제거한 후, 상기 붕소확산층위에 제 3 마스크층을 형성하는 공정과, 상기 제 3 마스크층을 이용하여 노출된 실리콘 기판의 소정영역을 식각하여 상기 몸체 및 상기 캔틸레버를 형성하는 공정을 포함한다.상기에서, 실리콘 기판은 ＜110＞방향의 결정구조를 가지는 실리콘 기판인 것이 바람직하다.또한, 상기 제1, 제2, 및 제3 마스크층은 실리콘 산화막인 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 표면주사 현미경에 사용되는 탐침 및 그 제조 방법을 설명한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 탐침 제조 방법에 따라 제작된 표면주사현미경 탐침의 구성도이다. 도1은 탐침을 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)으로 촬영한 사진으로, 탐침은 캔틸레버(cantilever)(101)와, 이 캔틸레버를 지지하는 몸체(102), 및 캔틸레버의 끝부분에 형성된 침(103)으로 이루어져 있다.

도1에 도시된 탐침은 본 발명의 제작 방법에 따른 결과물임과 동시에 일반적으로 있는 탐침이다.

이하, 도 2 내지 도5를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 탐침 제조 방법을 설명한다.

도 2a 내지 도 2f 는 본 발명에 따른 표면주사 현미경의 탐침의 침(Tip) 부분 제작 공정을 설명하기 위한 단면도이다.우선, 도 2a와 같은 실리콘 침을 형성하기 위하여 ＜110＞방향의 결정을 가지는 실리콘 기판을 준비한다.그런 다음, 도 2b와 같이, 식각공정시 제1 마스크로 쓰일 실리콘 산화막(202, 203)을 수천 Å 기른다. 이때, 길러진 수천 Å는 실리콘 산화막의 두께이며, 이 두께는 실리콘 기판(201)과 실리콘 산화막의 식각 선택비에 따라 결정된다.제1 마스크가 형성되면, 도 2c와 같이, 실리콘 산화막을 선택적으로 식각하기 위해서 감광제(photoresist)(204)를 코팅한 후, 패터닝하여 실리콘 침이 형성되어질 부분(A)과, 캔틸레버를 지지하는 몸체가 형성될 부분(B)만 포토레지스트를 남긴다.그런 다음 도 2d와 같이, 남아 있는 포토레지스트를 마스크로하여 노출된 실리콘 산화막을 선택적으로 식각한다.그리고, 도 2e와 같이, 남아 있는 포토레지스트를 제거한 후, 실리콘 침(205)을 형성하기 위하여 남아있는 실리콘 산화막(202)을 마스크로하여 실리콘 기판(201)을 소정 깊이로 건식 식각한다. 이때의 건식 식각은 이온반응 플라스마 식각장치(Reactive ion etching)를 통해서 이루어지며, 프레온계 가스를 사용한다.이때 프레온계 가스의 조성비, 파워, 압력 등에 따라 침의 날카로운 정도를 조절할 수 있다. 침의 날카로움 정도는 표면주사 현미경으로 주사한 이미지(image)의 해상도에 중요한 영향을 미치게 된다.이어서, 도 2f와 같이 남아 있는 실리콘 산화막을 제거한다. 실리콘 침의 상단에 있는 실리콘 산화막은 도 2e의 공정시 식각 시간을 조절함에 의해 미리 제거될 수 있다.

도 3a 내지 도 3b 는 본 발명에 따른 표면주사현미경의 탐침에 붕소확산층을 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.

먼저, 도 3a를 참조하면, 상기 도2f에서 형성된 실리콘 침(205)을 가지는 실리콘 기판위에 선택적인 붕소 확산층을 형성하기 위하여 실리콘 산화막(301)을 형성한다. 이때, 이 실리콘 산화막(301)은 마스크로 사용되는 마스크층이다.

실리콘 산화막(301)을 형성하면, 산화막에 포토레지스트를 코팅한 후, 패터닝하여 도 3b에 도시된 탐침의 몸체가 형성될 부분(302)과 캔틸레버가 형성될 부분(303)의 포토레지스트를 제거한다.그러면, 탐침의 몸체(302)와 캔틸레버가 형성될 부분(303)에만 실리콘 산화막이 남아 있게 되고, 남아있는 실리콘 산화막 이외의 부분은 포토레지스트가 형성되어 있다. 이어서, 남아있는 포토레지스트를 마스크(mask)로 하여 실리콘 산화막(301)을 제거하고 실리콘 기판을 노출시킨 후에 붕소를 확산시킨다.본 발명은 붕소 확산을 위해 섭씨 1000도 이상의 고온 확산로를 이용한다. 이때, 확산 온도와 시간에 따라 붕소 확산 깊이가 결정되며, 이는 탐침의 두께를 결정하는 중요한 요소로 작용하게 된다.

도 3b를 보면, 캔틸레버(303)와 캔틸레버를 지지하는 몸체(302)부분에만 붕소 확산이 되어 있고, 이 붕소 확산층은 이방성 식각중에 식각정지층으로 작용하게 된다.

도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따른 표면주사 현미경의 탐침의 캔틸레버를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.

먼저, 도 4a와 같이, 상기 도 3a에서 형성된 붕소 확산층(301)을 가지는 실리콘 기판위에 이방성 식각시 마스크로 사용될 실리콘 산화막을 형성한다. 이때 실리콘 산화막은 제 3마스크층이다. 이 실리콘 산화막은 이방성 식각시에 식각이 되지 않는 부분을 보호하기 위한 역할을 하고, 부수적으로 침이 뾰족해지는 효과가 생긴다.

이어서 결과물 전면에 포토레지스트(401)를 코팅한 후, 캔틸레버 부분(408)과 캔틸레버를 지지하는 몸체부분(407)만을 남기고 상기 포토레지스트를 제거한다. 이에, 캔틸레버 부분(408)과 캔틸레버를 지지하는 몸체부분(407)에만 포토레지스트(404)가 남아있고, 나머지 부분에는 식각될 실리콘 산화막이 드러난다.

이어서, 상기 남아있는 포토레지스트(401)를 마스크로 하여 노출된 실리콘 산화막을 식각한다. 이때, 실리콘 기판 하부의 실리콘 산화막(403)도 함께 제거된다. 이어서, 남아있는 포토레지스트를 제거하면 상기 캔틸레버와 몸체부분에만 실리콘 산화막이 남아있고 다른 부분은 실리콘 기판이 노출되게 된다.다음 도 4c를 참조하면, 캔틸레버(408)와 캔틸레버를 지지할 몸체 부분(407)위에 남아있는 실리콘 산화막을 마스크로 하여, 노출된 실리콘 기판을 실리콘 식각 용액을 사용하여 식각한다.실리콘 식각 용액은 실리콘의 결정방향에 따라서 다른 식각비율을 가진다. 다시 말하면, (111)면의 식각율이 (100)면과 (110)면보다 크게 낮아서, (111)면(410)에서 식각이 정지된다. 즉, 실리콘 기판이 표면으로부터 수직으로 식각된다. 이것은 ＜100＞ 결정방향을 갖는 실리콘을 사용할 경우와는 달리 캔틸레버의 뒷면에 실리콘이 남아 있지 않기 때문에, 양면 얼라인을 하지 않고도 표면주사 현미경의 탐침을 만들 수 있게 한다.또한, 측정시 탐침의 뒷면에 빛을 쏘아서 반사되는 빛의 상(phase)변화를 효과적으로 관찰하기 위하여 반사가 잘되는 금속을 탐침의 뒷면에 증착한다.

도 5a 내지 도 5c 는 실리콘 결정구조의 방향에 다라 이방성 식각후 형성되는 탐침의 형상을 설명하기 위한 단면도로서, 본 발명에 따른 ＜110＞ 방향의 결정 구조를 가지는 실리콘 기판을 사용한 경우와 기타 종래 기술과를 비교설명한 것이다.

먼저, 도 5a는 ＜100＞ 방향의 결정구조를 가지는 실리콘 기판(501)을 사용한 경우로, 실리콘 기판(501)을 이방성 식각을 하면, 캔틸레버(502)의 뒷면에 식각 정지면(503)인 (111)면이 생기게 되어 캔틸레버의 뒷면에 실리콘이 남게된다. 이는 캔틸레버의 뒷면에 빛을 쏘아서 캔틸레버의 움직임을 감지하는 기존의 표면주사 현미경 방식에서는 쓰일 수 없다는 단점이 있다.

한편, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 ＜110＞ 방향의 결정구조를 가지는 실리콘 기판(504)을 사용한 경우로, 상기 실리콘 기판(504)을 이방성 식각을 하면, 캔틸레버(502)의 끝에서 수직으로 식각 정지면(505)인 (111)면이 생기게 된다. 이는 도 5a와 같은 캔틸레버 뒷면에 실리콘이 남아 있는 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 캔틸레버 끝부분에서 자동으로 식각이 정지되는 장점이 있다.

도 5c는 SOI 웨이퍼를 기판(506)으로 사용한 경우를 나타낸 것으로, 웨이퍼의 앞면과 뒷면 모두를 얼라인(align)하는 양면 얼라인 공정을 사용하면, 식각 정지면(507)인 (111)면이 캔틸레버(502)의 뒷면에 생기지 않게 되며, 식각 정지층은 실리콘 사이에 있는 실리콘 산화막층(508)이 된다.이 경우는 본 발명에서 캔틸레버의 뒷면을 가리는 실리콘은 남아 있지 않지만 뒷면에도 얼라인을 해야하는 양면 얼라인 공정이 필요하여 공정이 복잡해지고 캔틸레버의 길이가 웨이퍼 두께의 변화에 따라 영향을 받게되는 단점이 있다.이상에서 설명한 본 발명은 앞서 설명한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환과 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명에 따른 탐침 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 탐침의 재료로써 ＜110＞방향의 결정구조를 가지는 실리콘을 사용하기 때문에 기존의 SOI웨이퍼 사용시의 양면얼라인 공정과 같은 공정이 필요없어 공정이 간단해 진다.

둘째, 탐침의 침을 형성한 후에 마스크로 사용되는 실리콘 산화막의 형성과정에 있어서, 마스크로서의 역할이외에도 침의 끝부분이 측면에 비해 산화막 형성속도가 느려지기 때문에 침끝이 뾰족해질 뿐만 아니라, 거칠었던 표면을 매끄럽게 해주는 효과가 있다.

셋째, 캔틸레버를 붕소 확산층을 이용하여 형성하기 때문에, 그 두께를 확산온도와 시간에 따라 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있으며, 상기 붕소 확산층을 식각 정지층으로도 사용하기 때문에 기존의 SOI웨이퍼를 쓰지 않고도 실리콘 캔틸레버를 제작할 수 있다. 또한, 기존의 SOI웨이퍼를 사용했을 때보다 저가로 탐침을 제작함으로써 생산단가를 낮출 수 있다.

Claims (6)

1. ＜100＞ 격자 방향을 갖는 실리콘을 이용하여 제작된 캔틸레버와,

   상기 캔틸레버를 지지하는 몸체,

   상기 캔틸레버의 일단에 형성된 침으로 구성되어 있으며,

   상기 몸체의 소정 영역 및 상기 캔틸레버에 붕소가 확산되어 있는 것을 특징으로 탐침.
2. 캔틸레버와 상기 캔틸레버를 지지하는 몸체, 및 상기 캔틸레버의 일단에 형성된 침으로 구성된 탐침을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 몸체 및 상기 침이 형성되어질 영역의 실리콘 기판위에 제 1 마스크층을 형성하는 공정,

   상기 제 1 마스크층을 이용하여 상기 실리콘 기판을 소정깊이로 식각하여 상기 침을 형성하는 공정,

   상기 제 1 마스크층을 제거한 후, 상기 몸체 및 상기 캔틸레버가 형성되어질 영역을 제외한 실리콘 기판위에 제 2 마스크층을 형성하는 공정,

   상기 제 2 마스크층을 이용하여 상기 몸체의 소정영역 및 상기 캔틸레버가 형성되어질 영역에 붕소를 확산시켜 붕소확산층을 형성하는 공정,

   상기 제 2 마스크층를 제거한 후, 상기 붕소확산층위에 제 3 마스크층을 형성하는 공정, 및

   상기 제 3 마스크층을 이용하여 노출된 실리콘 기판의 소정영역을 식각하여 상기 몸체 및 상기 캔틸레버를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 붕소확산층을 형성하는 공정은,

   붕소확산 시간과 확산 온도를 조정하여 붕소확산층의 두께를 조정하는 것을 특징으로 하는 탐침의 제조 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 실리콘 기판은,

   ＜110＞방향의 결정 구조를 가지는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 탐침의 제조 방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1, 제2, 및 제3 마스크층은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 탐침의 제조 방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 침을 형성하는 공정은,

   가스를 이용한 반응성이온식각 공정인 것을 특징으로 하는 탐침의 제조 방법.