KR100349929B1

KR100349929B1 - 근접장 광 센서용 팁의 제조방법

Info

Publication number: KR100349929B1
Application number: KR1020000009754A
Authority: KR
Inventors: 최성수; 이주원; 정미영; 김종우; 김대욱; 안승준
Original assignee: 학교법인 선문학원; 최성수
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2002-08-22
Also published as: KR20010084584A

Abstract

본 발명은 근접장 광 센서용 팁(tip)의 제조방법에 관한 것으로서, 실리콘 웨이퍼의 표면에 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 형성하여 실리콘 질화 팁(tip)을 제조한 후, 상기 실리콘 질화 팁(tip)의 표면에 금속막을 증착시킨 다음, 팁(tip) 단부의 금속을 소량 제거 한 후, 실리콘 웨이퍼를 식각하여 캔티레버(cantilever)를 형성하는 근접장 광 센서용 팁(tip)의 제조방법에 있어서, 상기 금속막의 제거는 아르곤 및 네온과 같은 불활성 기체 분위기에서 팁(tip) 단부에 음극 전압을 가하여 스퍼터링(sputtering)하여 행하는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 방법에 의하면 충돌 이온화 현상에 의해 생성된 이온들이 팁(tip) 쪽으로 가속되면서 팁(tip) 단부의 금속막이 미세하게 제거되므로 서브-파장 구멍(sub-wavelength aperture)을 용이하게 형성할 수 있다.

Description

근접장 광 센서용 팁의 제조방법{fabrication method of a nanosize metal aperture tip for NOSM sensor}

본 발명은 근접장 광 센서용 팁(tip)의 제조 방법에 관한 것이다.

종래 광학계에서는 반 파장 이하의 물체를 다룰 수 없는 한계를 지니고 있다. 빛의 회절로 인한 이러한 현상은 미세한 물체를 관찰하기에 어려운 분해능의 한계로 나타난다. 따라서 기존의 광학 현미경으로 볼 수 없는 물체의 관측에는 전자나 X선과 같은 에너지가 큰 입자 파동을 사용하여 관측할 수 있다. 그러나 상기 근접장 광 센서를 이용한 근접장 광학 현미경(near-field scanning optical microscopy ; NSOM)에 의하면 표면측정과 동시에 광신호 측정을 파장보다 매우 작은 수준에서 할 수 있는 것이다.

이 근접장 광학 현미경의 기본 원리는 근접장 현상을 이용한 것이다. 근접장 현상이란 파장보다 작은 구멍을 통과한 빛이 구멍의 크기와 비슷한 거리 내에서는 회절이 일어나지 않는 현상을 말하는 데, 종래의 원격장(far-field) 대신 이 근접장(near-field)을 사용하여 빛의 회절 한계 이상의 고분해능과 함께 다양한 광학적인 정보를 얻을 수 있고 응용할 수 있는 것이다.

나노미터의 분해능을 제공하는 대표적인 기구로서 STM, AFM(atomic force microscopy), 전자현미경 등을 들 수 있으나, 이들은 표면형상검사(surface topology)에 적합할 뿐 광학적 측정은 수행할 수 없으며 측정속도가 매우 느린 단점이 있고, 특히 전자 현미경은 가격이 매우 고가이며 시편을 박막으로 준비해야 하므로 측정에 많은 제약이 따른다. 이에 비해 근접장을 이용한 광학현미경(NSOM, near-field scanning optical microscopy)은 나노미터의 분해능으로 측정물체의 표면형상과 동시에 광학적 특성을 제공하며 시편을 별도로 준비하지 않아도 되는 장점을 갖는다.

NSOM의 이미지의 분해능은 서브 파장구멍을 통과하는 광원(light source)을 이용함으로서 빛의 파장에 의해 제한되는 것이 아니라 서브 파장 구멍에 의해 제한된다. 따라서 서브 파장 구멍의 크기는 분해능에 매우 큰 영향을 미치고 있다.

상기 NSOM의 센서의 제조시에는, 실리콘 웨이퍼의 표면에 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 형성하여 실리콘 질화 팁(tip)을 제조한 후, 상기 실리콘 질화 팁(tip)의 표면에 금속막을 증착시킨 다음, 팁(tip) 단부의 금속을 소량 제거하여 팁(tip)을 형성하게 되는데, 이 팁(tip) 단부의 금속을 제거하는 공정은 분해능과 직접적으로 관계되는 과정으로 tip 끝의 금속을 얼마나 소량 제거할 수 있느냐는 근접장 현미경의 정밀도에 직결된다

본 발명은 상기 서브-파장 구멍을 형성하기 위한 팁(tip)을 간단하고 정밀하게 제조하여 제품의 정도를 향상하는 근접장 광 센서용 팁(tip)의 제조방법을 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명의 개략적인 공정도,

도 2a는 등방성 에칭을 한 후의 돌출부의 SEM(scanning electron microscopy) 사진,

도 2b는 이방성 에칭을 한 후의 돌출부의 SEM(scanning electron microscopy) 사진,

도 3a는 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성한 후 이를 제거한 상태의 SEM 사진,

도 3b는 도 3a에서 뽀쪽하게 돌출한 팁(tip)을 확대한 SEM 사진,

도 4a는 실리콘 질화막 및 크롬을 증착한 후의 팁(tip)(원추형)을 나타내는 SEM 사진,

도 4b는 실제 상용제품으로 시판되고 있는 피라미드 형의 팁(tip)을 나타내는 SEM 사진,

도5는 팁부에 PR이 제거된 상태를 나타내는 SEM 사진,

도6은 PR이 제거된 팁부의 AFM 이미지,

도7은 Ne 스퍼터링 중의 볼트변화를 나타내는 그래프,

도8a 및 도8b는 Ne 스퍼터링을 한 팁부의 SEM 사진 및 확대 SEM 사진이다.

본 발명은, 실리콘 웨이퍼의 표면에 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 형성하여 실리콘 질화 팁(tip)을 제조한 후, 상기 실리콘 질화 팁(tip)의 표면에 금속막을 증착시킨 다음, PR막을 도포한 후, 팁(tip) 단부의 금속을 소량 제거 한 후, 실리콘 웨이퍼를 식각하여 캔티 레버(cantilever)를 형성하는 근접장 광 센서용 팁(tip)의 제조방법에 있어서, 상기 금속막의 제거는 아르곤 및 네온과 같은 불활성 기체 분위기에서 팁(tip) 단부에 음극 전압을 가하여 스퍼터링(sputtering)하여 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 근접장 광 센서에 사용하는 팁(tip) 제작에 있어서 반도체공정과 Ar 및 Ne과 같은 불활성 기체를 이용한 스퍼터링(sputtering) 방법을 사용하는 것으로서, 불활성 기체 분위기에서 tip에 음극 전압을 가하고 충돌 이온화(collision ionization) 현상에 의하여 생성된 Ar(아르곤)이온 및 Ne(네온)이온같은 불활성 기체 이온들이 tip 쪽으로 가속되어 스퍼터링(sputtering)함으로서 금속막을 제거하게 되는데, 이는 서브 파장 구멍의 형성을 최적의 상태로 만든다.

이때, 시간에 따른 전압 곡선의 변화에 의해 금속막이 스퍼터링(sputtering)되는 정도를 감지하여 제어한다.

한편, 상기 PR막을 도포할 시에는 팁의 하부로 갈수록 PR막이 두꺼워지도록 실리콘 웨이퍼를 회전기로 회전시켜 PR막을 도포한 후, 산소 플라즈마 에싱(O₂Plasma Ashing)에 의해 팁 단부와 팁하부의 PR막의 도포 두께차이를 이용하여 팁 단부의 PR(포토 레지스트)를 제거한 다음. 상기 스퍼터팅 방법에 의해 팁 단부의 금속막을 제거하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 본 실시예에서는 네온 가스를 사용한 스퍼터링 방법을 예로 들어 설명한다.

도1은 본 발명의 개략적인 공정도이다. 도1의 (a)에 도시한 바와 같이 실리콘 웨이퍼(12)의 상하측에는 실리콘 산화막(SiO₂)(14)(16)을 형성하고, 상기 하측에 형성된 실리콘 산화막((SiO₂)의 표면에는 실리콘 질화막(Si₃N₄)(18)을 형성한 다음, RIE(reactive ion etching)에 의해 상측에 돌출부(20)가 형성된 팁(tip)을 형성한 후, 도1의 (b)에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 웨이퍼(12)의 돌출부를 뽀족하게 하는 실리콘 산화막(SiO₂)(22)을 형성하여 이 실리콘 산화막을 제거하고 세척한 다음, 도1의 (c)에 도시한 바와 같이 실리콘 질화막(Si₃N₄)(24) 및 금속막(26)을 순차적으로 증착한 후, 도1의 (D)에 도시한 한 바와 같이 돌출부의 정점에 있는 금속을 소량제거한 다음, 도1의 (d)에 도시한 바와 같이 하측면의 실리콘 웨이퍼(12)를 KOH용액으로 식각하여 제거한다.

상기 실리콘 웨이퍼(12)는 웨이퍼는 세척하여 사용하는데, H₂SO₄와 H₂O₂를 4:1 의 비율로 섞은 후 120℃에서 10분간 세척한다. 10분간 세척 한 후 증류수(Distilled Water)로 6분간 다시 세척하고, 상온에서 생성되는 자연 산화막을 제거하기 위해 10 : 1 HF 용액에 약 10초간 담근 후 다시 증류수로 세척하고 원심 건조기(Spin Dryer)로 건조 시킨다.

계속해서 식각 마스크로 사용될 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 형성시킨다. 산화막은 열산화(Thermal Oxidation)방법으로 2400 Å형성시킨다. 산화막 성장은 H₂를 6.755 slpm(standard liter per minute), H₂0를 4.5 slpm으로 하여 1000℃에서 34 min간 진행한다. 하측에 형성된 질화막은 저온화학 기상 증착(LPCVD ; Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 3100 Å을 형성시킨다. 증착조건은 SiH₂Cl₂를 30 sccm(standard cubic centi-meter per minute), NH₃를 100sccm 으로 300 mtorr 증착 압력, 기판온도 785 ℃에서 진행하며 이 때의 증착률(deposition rate)은 35 - 40 Å/min 이다.

다음에 상측에는 RIE(reactive ion etching)에 의해 돌출부(20)를 형성한다. 이 RIE(reactive ion etching)는 등방성 에칭(isotropic etching)과 이방성 에칭(anisotropic etching)을 순차적으로 행한다.

상기 등방성 에칭은 150 W의 RF(Radio Frequency) power로, SF₆가스를 50 sccm으로 250 mTorr에서 4분간 건식 식각하였다. 도 2a는 등방성 에칭을 한 후의 돌출부의 SEM(scanning electron microscopy)사진을 나타낸다.

상기 이방성 에칭은 300 W의 RF(Radio Frequency) power로, He가스를 100 sccm으로 Cl₂가스를 58 sccm 으로 하여 100 mTorr에서 7분간 건식 식각하였다. 도 2b는 이방성 에칭을 한 후의 돌출부의 SEM(scanning electron microscopy) 사진을 나타낸다.

다음에는 1000。 C의 온도에서 산소분위기에서 실리콘 웨이퍼의 상면을 산화시켜 실리콘 산화막을 형성시키면서 돌출부(20)를 뽀쪽하게 한 다음, 7:1 BHF 용액으로 실리콘 웨이퍼 상면에 형성된 실리콘 산화막을 제거한 후, 증류수로 세척하고 건조기에서 건조시킨다. 이와 같이, 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성한 후 이를 제거한상태의 SEM 사진이 도 3a에 나타나 있다. 도 3b는 뽀쪽하게 돌출한 팁(tip)을 확대한 SEM사진이다.

다음에는 상기 저온화학 기상 증착(LPCVD ; Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 상면에는 실리콘 질화막((Si₃N₄)을 형성한 후, 전자 빔 증착법(E-beam evaporation)의해 크롬(cr)을 증착한다. 이때 실리콘 훼이퍼가 손상을 입을 염려가 있으므로 증착 후에는 어닐링(annealing)을 한다. 도 4a는 이와 같이 실리콘 질화막 및 크롬을 증착한 후의 팁(tip)(원추형)을 나타낸 SEM 사진이다. 도 4b는 실제 상용제품으로 시판되고 있는 피라미드 형의 팁(tip)을 나타낸 SEM 사진이다.

다음에 팁(tip)의 높이에 따라 다른 높이로 PR(포토 레지스트)를 도포하기 위해 회전기(Spinner)의 스핀 속도를 조정한다. PR층의 도포 두께는 스핀 속도와 팁의 형상에 따라 좌우되는데, 이때 3700 rpm 으로 스핀 속도에 금속막의 상측면은 완전히 PR 코팅된다. 이때, 팁의 단부에서 하부로 갈수록 PR팁의 도포두께가 두꺼워진다.

다음에 1.5 KW의 RF(Radio Frequency) power로,O₂가스를 325 sccm으로 하여 60 。 C에서 10분간 산소 플라즈마 에싱(O₂Plasma Ashing)에 의해 tip단부의 PR(포토 레지스트)를 제거한다. 도5는 팁부에 PR이 제거된 상태를 나타내는 SEM 사진이고, 도6은 PR이 제거된 팁부의 AFM 이미지이다.

다음에 Ne 가스 분위기에서 tip에 음극 전압을 가하고 충돌 이온화(collision ionization) 현상에 의하여 생성된 Ne 이온들이 tip 쪽으로 가속되어 스퍼터링(sputtering)함으로서 팁(tip)부의 금속(Cr)막을 소량 제거한다. 스퍼터링시의 전류는 직류 10 μA이다. 이때, 가하는 음극전압의 크기 및 간격, 즉 전계장은 4㎸~6㎸/50㎛ 이다.

도7은 Ne 스퍼터링 중의 볼트변화를 나타내는 그래프이다. 이때 전압의 반복되는 감소 및 급격한 증가는 팁 네킹(tip necking) 및 팁 브런팅(tip blunting) 때문이다. 도8a 및 도8b는 Ne 스퍼터링을 한 팁부의 SEM 사진 및 확대 SEM 사진이다.

다음에는 하측면의 실리콘 웨이퍼(12)를 KOH 용액과 같은 알카리성 용액으로 실리콘을 습식 식각 하였다. 알카리성 용액은 방향에 의존하는 식각(orientation - dependant etching)의 특성을 가진다.

식각은 KOH의 농도 40 wt%, 80℃에서 진행하였는데 이 조건의 식각률은 약 1.1 ??m/min이다. KOH 용액을 사용함에 있어 일반적으로 가장 중요한 변수로 작용하는 것은 온도와 농도이다. 온도가 높고 농도가 낮으면 식각 속도는 빨라지지만, 표면이 거칠어지고 녹지 않는 침전물들이 생겨서, 일반적으로 농도는 20 wt% 이하로 낮추지 않고 온도는 80℃이상으로 올리지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 KOH 용액의 온도는 40°C ~ 80°C 이고, KOH 용액의 KOH 농도는 20 wt % ~ 60 wt %에서 식각하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 충돌 이온화 현상에 의해 생성된 아르곤 이온 및 네온이온등과 같은 불활성 기체 이온들이 팁(tip) 쪽으로 가속되면서 팁(tip) 단부의 금속막이 미세하게 제거되므로 서브-파장 구멍(sub-wavelength aperture)을 용이하게형성할 수 있다.

Claims

실리콘 웨이퍼의 표면에 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 형성하여 돌출부가 형성된 실리콘 질화 팁(tip)을 제조한 후, 상기 실리콘 질화 팁(tip)의 표면에 금속막을 증착한 다음, 상기 돌출부의 단부에 있는 금속막을 소량 제거한 후, 실리콘 웨이퍼를 식각하여 캔티레버(cantilever)를 형성하여 근접장 광센서용 팁을 제조하되,

상기 금속막의 제거는 불활성 가스 분위기에서 상기 돌출부의 단부에 음극전압을 가하여 스퍼터링(sputtering)하여 행하는 것을 특징으로 하는 근접장 광센서용 팁(tip)의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 금속막을 증착한 다음, 포토 레지스트(PR) 막을 도포한 후, 상기 돌출부의 단부에 있는 포토 레지스트(PR)막을 제거한 다음, 돌출부의 단부에 있는 금속막을 소량 제거하되,

상기 포토 레지스트 막을 도포할 시에는, 상기 돌출부의 하부로 갈수록 포토 레지스트(PR)막이 두꺼워지도록 실리콘 웨이퍼를 회전기로 회전시켜 포토 레지스트막을 도포하고,

상기 돌출부의 단부에 있는 포토 레지스트 막을 제거할 시에는, 산소 플라즈마 에싱(O2 Plasma Ashing)에 의해 돌출부 단부와 돌출부 하부의 포토 레지스트 막의 도포 두께 차이를 이용하여 포토 레지스트 막을 제거하는 것을 특징으로 하는 근접장 광센서용 팁(tip)의 제조방법.