KR100418907B1 - Ｓｐｍ용 캔틸레버 - Google Patents

Abstract

내부 커플링(coupling)을 최소화시킨 SPM(scanning probe microscope)용 캔틸레버(cantilever)에 관한 것으로, 팁(tip)을 갖는 기판과, 기판 위에 형성되고 외부의 전기적 신호에 따라 움직이는 압전 액튜에이터와, 압전 액튜에이터와 팁 사이의 기판 표면 내에 형성되어 신호를 감지하는 센싱부와, 압전 액튜에이터와 중첩되지 않도록 압전 액튜에이터의 적어도 어느 한 측방(側傍)에 형성되고 센싱부에 전기적으로 연결되어 센싱부에서 감지된 신호를 전달하는 신호 전달부로 구성된다. 여기서, 본 발명은 액튜에이터의 하부 전극과 센싱 신호 전달부에 의한 기생 커패시턴스를 최소화하기 위해 액튜에이터의 하부 전극과 센싱 신호 전달부를 중첩되지 않도록 배치하였고, 센싱 신호 전달부의 저항을 최소화하기 위하여 센싱 신호 전달부를 고농도로 도핑하거나 금속선으로 대체하였다.

Description

ＳＰＭ용 캔틸레버{cantilever for a scanning probe microscope}

본 발명은 캔틸레버에 관한 것으로, 특히 내부 커플링(coupling)을 최소화시킨 SPM(scanning probe microscope)용 캔틸레버(cantilever)에 관한 것이다.

일반적으로, SPM(scanning probe microscope) 중에서 AFM(atomic force microscope) 등은 마이크로머시닝으로 제조된 캔틸레버(cantilever)라고 불리는 작은 막대를 사용한다.

이 캔틸레버는 미세한 힘에 의해서도 아래나 위로 쉽게 휘어지도록 만들어져 있으며, 그의 끝 부분에는 원자 몇 개 정도의 크기를 갖는 뾰족한 바늘의 탐침이 달려 있다.

이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는(척력) 힘이 작용한다.

AFM은 바로 이 힘을 감지하는 장치인데, 이 원리는 현재 나노-식각장치(nano-lithography) 및 데이터 저장장치(data storage system) 등에도 적용되고 있다.

AFM의 동작 모드 중에서 콘택 모드(contact mode)의 경우에는 척력을 사용하는데, 그 힘의 크기는 약 1 - 10nN 정도로 아주 미세하지만 캔틸레버 역시 아주 민감하여 그 미세한 힘에 의해서도 휘어지게 된다.

이 캔틸레버가 아래나 위로 휘는 것을 측정하기 위해서는 레이저 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드로 측정한다.

이러한 캔틸레버의 바늘 끝의 움직임을 피에조튜브(piezotube) 구동기에 역되먹임(feedback)하여 캔틸레버가 일정하게 휘도록 유지시키면 바늘 끝과 시료 사이의 간격도 일정해지므로 시료의 형상을 측정해낼 수 있다.

그러나, 상기와 같이 레이저와 포토다이오드를 이용한 감지 장치는 복잡하고 정교한 장치가 필요한 단점이 있었다.

그러므로 이를 해결하기 위해 캔틸레버에 피에조레지스터(piezoresistor) 센서를 집적하여 감지하는 장치를 사용하는 방법이 제안되기도 하였다.

또한, AFM은 시료 측정에 소비되는 시간이 너무 큰 단점을 가지고 있어 AFM을 이용한 식각장치 및 데이터 저장 장치에서도 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.

소비되는 시간이 큰 이유는 피에조튜브의 경우, 기계적 응답 효율이 나쁘고 매우 낮은 공명 주파수(resonance frequency)를 가지고 있기 때문이다.

그러므로, 이를 해결하기 위해 피에조튜브 대신에 압전 액튜에이터(piezoelectric actuator)를 캔틸레버의 베이스(base)에 집적한 기술이 발표되기도 하였다.

최근에는 피에조레지스터 센서와 압전 액튜에이터를 집적한 AFM용 캔틸레버가 제안되었다.

도 1a는 피에조레지스터 센서와 압전 액튜에이터를 집적한 종래 기술의 캔틸레버를 보여주는 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ선상에 따른 단면도이며, 도 1c는 도 1a의 평면도이다.

그 구조를 살펴보면, 도 1a, 도 1b, 도 1c에 도시된 바와 같이 실리콘 캔틸레버(7)는 보론(boron)을 도핑하여 피에조레지스터로 작용하는 센싱부(6)과, 피에조레지스터에 전기 신호를 전달하기 위한 센싱 신호 전달 부분(5)으로 구성된다.

여기서, 센싱 신호 전달 부분(5)은 액튜에이터에서 발생되는 기계적 스트레스에 의해 센싱 신호 전달 부분(5)에 불필요한 전기적 신호를 발생시키지 못하도록 하기 위해 실리콘 캔틸레버에 보론으로 하이(high) 도핑시켜 구성한다.

그리고, 이 센서가 집적된 실리콘 캔틸레버 위에 전기적 절연을 위해 절연막(4)이 형성되고, 그 위에 액튜에이터 동작 부분인 강유전체 커패시터가 하부전극(3)-강유전체(2)-상부전극(1)의 구조로 형성되어 있다.

이 구조에서는 센싱 신호 전달 부분(5)이 액튜에이터 동작 부분인 강유전체 커패시터 밑으로 지나가고 있는데, 이 경우 강유전체 커패시터의 하부전극(3)과 센싱 신호 전달 부분(5)에서 발생하는 기생 커패시터(C1)와 저항(R1,R2)에 의한 전기적 커플링 현상을 피할 수 없다.

일반적으로 커플링의 효과는 크게 기계적 커플링과 전기적 커플링 효과로 나눌 수 있는데, 기계적 커플링이란 액튜에이터의 기계적 작용에 의해 발생되는 스트레스가 실리콘 캔틸레버에 전달되고, 이 스트레스가 실리콘의 피에조레지스티브(piezoresistive) 현상에 의해 전기적 신호로 바뀌어 나타나 전기적 신호의 잡음(noise)으로 작용하는 것을 말한다.

그리고, 전기적 커플링이란 전기 신호선들 사이의 기생 커패시터와 기생 저항 때문에 신호들간의 크로스토크(crosstalk)가 발생하여 이로 인해 전기적으로 잡음이 발생하는 것을 말한다.

이러한 잡음은 센서에서 감지되는 전압 크기(수 ㎶ - 수백 ㎶)에 비교해서 매우 크게 나타나므로 잡음을 최소화하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

종래에는 기계적 커플링은 종래 기술 도 1a - 1c와 같이 압전 액튜에이터 밑으로 지나가는 피에조레지스터 센서 신호선을 높게 도핑된 p형 반도체를 이용하여 간단히 제거할 수 있지만, 전기적 커플링은 제거하기가 어려웠다.

그러므로, 이 전기적 커플링을 제거하기 위해 교정회로장치를 따로 두거나, 측정단에 복잡한 회로장치와 록-인 앰플리파이어(lock-in amplifier)를 사용하였다.

하지만, 이러한 추가장치들은 캔틸레버를 다른 응용분야에 이용할 경우, 집적도와 스피드면에서 치명적인 결함으로 작용하고, 특히 AFM의 단가를 상승시키므로 보다 간단한 방법으로 센서 신호와 액튜에이터 신호 사이의 전기적 커플링을 방지할 수 있는 캔틸레버 구조가 요망되고 있다.

본 발명은 센서와 액튜에이터의 입출력 신호간의 전기적 커플링에 의해 발생하는 잡음을 최소화할 수 있는 SPM용 캔틸레버를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 피에조레지스터 센서와 압전 액튜에이터를 집적한 종래 기술의 캔틸레버를 보여주는 사시도

도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ선상에 따른 단면도

도 1c는 도 1a의 평면도

도 2 내지 도 7은 본 발명 제 1 - 제 6 실시예에 따른 SPM용 캔틸레버를 보여주는 평면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 팁(tip) 11 : 압전 액튜에이터

12 : 실리콘 기판 13 : 센싱부

14 : 센싱 신호 전달부 15,18 : 콘택홀

16 : 도핑 영역 17 : 금속 신호선

본 발명에 따른 SPM용 캔틸레버는 팁(tip)을 갖는 기판과, 기판 위에 형성되고 외부의 전기적 신호에 따라 움직이는 압전 액튜에이터와, 압전 액튜에이터에 중첩되지 않도록 압전 액튜에이터의 주변에 형성되는 센서로 구성된다.

여기서, 센서는 압전 액튜에이터와 팁 사이의 기판 표면 내에 형성되어 신호를 감지하는 센싱부와, 압전 액튜에이터와 중첩되지 않도록 압전 액튜에이터의 적어도 어느 한 측방(側傍)에 형성되고 센싱부에 전기적으로 연결되어 센싱부에서 감지된 신호를 전달하는 신호 전달부로 구성된다.

상기 신호 전달부는 불순물 이온이 도핑되어 기판 표면 내에 형성되거나, 금속선으로 기판 상부에 형성된다.

그리고, 팁이 형성된 영역의 기판 표면 내에는 불순물 영역을 형성하고, 전기적 신호를 인가하기 위하여 불순물 영역에 콘택되는 금속선을 더 형성할 수도 있다.

이와 같이, 구성되는 본 발명에서는 액튜에이터의 하부 전극과 센싱 신호 전달부에 의한 기생 커패시턴스를 최소화하기 위해 액튜에이터의 하부 전극과 센싱 신호 전달부를 중첩되지 않도록 배치하였다.

또한, 센싱 신호 전달부의 저항을 최소화하기 위하여 센싱 신호 전달부를 고농도로 도핑하거나 금속선으로 대체하였다.

그러므로, 본 발명은 센서 신호와 액튜에이터 신호 사이의 커플링 현상을 최소화할 수 있기 때문에 센싱 신호의 잡음을 줄일 수 있어 센싱 신호 출력을 비교 증폭하기 위한 회로단을 매우 간단히 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 피에조레지스터 센서와 압전 액튜에이터가 집적된 캔틸레버에서는 도 1b에 도시된 바와 같이 액튜에이터의 하부 전극과 센싱 신호 전달부에 의한 기생 커패시턴스와, 센싱 신호 전달부의 저항 R1, R2가 크면 클수록 전기적 커플링현상이 커지게 된다.

그러므로, 본 발명에서는 액튜에이터의 하부 전극과 센싱 신호 전달부에 의한 기생 커패시턴스를 최소화하기 위해 액튜에이터의 하부 전극과 센싱 신호 전달부를 중첩되지 않도록 배치하였다.

또한, 센싱 신호 전달부의 저항을 최소화하기 위하여 센싱 신호 전달부를 고농도로 도핑하거나 금속선으로 대체하였다.

도 2 내지 도 7은 본 발명 제 1 - 제 6 실시예에 따른 SPM용 캔틸레버를 보여주는 평면도이다.

본 발명의 캔틸레버 구조는 피에조레지스터 센서와 압전 액튜에이터를 집적한 종래 기술의 캔틸레버 구조와 거의 유사하므로 다른 부분만을 중점적으로 설명하도록 한다.

제 1 실시예

본 발명 제 1 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이, 끝 부분에 팁(tip)(10)을 갖는 실리콘 기판(12) 위에 절연막(도시되지 않음)이 형성되고, 절연막 위에는 외부의 전기적 신호에 따라 움직이도록 하부전극-강유전체-상부전극의 구조를 갖는 압전 액튜에이터(11)가 형성된다.

그리고, 압전 액튜에이터(11)의 앞쪽에 있는 기판 표면 내에는 보론(boron)으로 도핑된 센싱부(13)가 형성되어 있으며, 압전 액튜에이터(11)의 양측에 있는 기판 표면 내에는 고농도로 보론이 도핑된 센싱 신호 전달부(14)가 센싱부(13)에 전기적으로 연결되어 형성된다.

여기서, 센싱 신호 전달부(14)를 고농도로 도핑하는 이유는 센싱 신호 전달부(14)의 저항을 최소화하기 위해서이다.

이처럼 제 1 실시예에서는 압전 액튜에이터(11)를 가운데에 두고 센싱 신호 전달부(14)가 양측으로 배치되기 때문에 압전 액튜에이터(11)와 센싱 신호 전달부(14)가 중첩되지 않는다.

그러므로, 기생 커패시턴스를 최소화할 수 있어 불필요한 커플링 현상을 줄일 수 있다.

제 2 실시예

본 발명 제 2 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 끝 부분에 팁(tip)(10)을 갖는 실리콘 기판(12) 위에 절연막(도시되지 않음)이 형성되고, 절연막 위에는 외부의 전기적 신호에 따라 움직이도록 하부전극-강유전체-상부전극의 구조를 갖는 압전 액튜에이터(11)가 형성된다.

여기서, 압전 액튜에이터(11)는 2개가 형성되는데, 이들은 기판(12) 가장자리에 위치한다.

그리고, 압전 액튜에이터(11)들의 앞쪽의 기판 표면 내에는 보론(boron)으로 도핑된 센싱부(13)가 형성되고, 압전 액튜에이터(11)들 사이의 기판 표면 내에 고농도로 보론이 도핑된 센싱 신호 전달부(14)가 센싱부(13)에 전기적으로 연결되어 형성된다.

압전 액튜에이터(11)들 사이에 형성된 센싱 신호 전달부(14)는 본 발명 제 1 실시예와 같이 압전 액튜에이터(11)와 센싱 신호 전달부(14)가 중첩되지 않는다.

그러므로, 기생 커패시턴스를 최소화할 수 있어 불필요한 커플링 현상을 줄일 수 있다.

제 3 실시예

본 발명 제 3 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 구조가 본 발명 제 1 실시예와 거의 유사하다.

다른 점은 센싱 신호 전달부(14)를 기판 내에 고농도로 도핑하여 형성하지 않고, 절연막 위에 금속선을 형성하여 콘택홀(15)을 통해 센싱부(13)에 전기적으로 연결되도록 형성한다.

그 이유는 실리콘 기판의 저항이 금속보다는 높으므로, 센싱 신호 전달부(14)를 실리콘 기판에 보론을 높게 도핑한 구조 대신에 Pt 혹은 Al 등의 금속을 사용하여 형성함으로써 저항을 최소화하여 전기적 커플링 현상을 줄일 수 있기 때문이다.

제 4 실시예

본 발명 제 4 실시예는 도 5에 도시된 바와 같이, 그 구조는 본 발명 제 2 실시예와 거의 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.

다른 점은 본 발명 제 3 실시예와 같이 센싱 신호 전달부(14)를 실리콘 기판에 보론을 높게 도핑한 구조 대신에 Pt 혹은 Al 등의 금속을 사용하여 형성함으로써 저항을 최소화하여 전기적 커플링 현상을 줄였다.

제 5 실시예

본 발명 제 5 실시예는 주로 EFM(Electrostatic Force Microscopy) 용도나나노-리소그래피(nano-lithography) 용도 등에 사용되는 캔틸레버로서, 상기 실시예들과 다른 점은 캔틸레버의 팁에 전기적 신호를 인가해야 한다는 점이다.

그러므로, 도 6에 도시된 바와 같이 끝 부분에 팁(tip)(10)을 갖는 실리콘 기판(12) 위에 절연막(도시되지 않음)이 형성되고, 절연막 위에는 외부의 전기적 신호에 따라 움직이도록 하부전극-강유전체-상부전극의 구조를 갖는 압전 액튜에이터(11)가 형성된다.

여기서, 압전 액튜에이터(11)는 2개가 형성되는데, 이들은 기판(12) 가장자리에 위치한다.

그리고, 팁(10) 부분의 기판 표면 내에는 보론이 고농도로 도핑된 도핑 영역(16)이 형성되고, 압전 액튜에이터(11)의 앞쪽에 있는 기판 표면 내에는 보론(boron)으로 도핑된 센싱부(13)가 형성되어 있다.

또한, 압전 액튜에이터(11)의 바깥쪽 측방(側傍)에 있는 절연막 위에는 Pt 혹은 Al 등의 금속으로 이루어진 센싱 신호 전달부(14)가 센싱부(13)에 콘택홀(15)을 통해 전기적으로 연결되고, 압전 액튜에이터(11)들 사이에는 콘택홀(18)을 통해 센싱부(13)에 전기적으로 연결된 금속 신호선(17)이 형성된다.

본 발명 제 5 실시예도 다른 실시예와 마찬가지로 압전 액튜에이터(11)의 하부 전극과 센싱 신호 전달부(14)를 중첩되지 않도록 배치하여 기생 커패시턴스를 최소화하고, 센싱 신호 전달부(14)를 금속선으로 대체하여 센싱 신호 전달부의 저항을 최소화함으로써 전기적 커플링 현상을 줄였다.

제 6 실시예

본 발명 제 6 실시예는 도 7에 도시된 바와 같이 팁(10) 부분의 기판 표면 내에는 보론이 고농도로 도핑된 도핑 영역(16)이 형성되고, 센싱 신호 전달부(14)들 사이에 콘택홀(18)을 통해 센싱부(13)에 전기적으로 연결된 금속 신호선(17)이 형성되는 것을 제외하고는 본 발명 제 4 실시예와 동일하다.

이외에도 본 발명은 사용 용도에 따라 다양한 구조로 변형하여 제작할 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 SPM용 캔틸레버는 고속 AFM은 물론이고, 데이터 저장 시스템 및 나노-식각 장치 등의 응용분야에도 적용 가능하다.

본 발명은 센서와 액튜에이터의 신호선을 구조적으로 분리함으로써 센서 신호와 액튜에이터 신호 사이의 커플링 현상을 최소화할 수 있다.

그로 인하여, 센싱 신호의 잡음을 줄일 수 있기 때문에 센싱 신호 출력을 비교 증폭하기 위한 회로단을 매우 간단히 구현할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (14)

1. 팁(tip)을 갖는 기판;

   상기 기판 위에 형성되고, 외부의 전기적 신호에 따라 움직이는 압전 액튜에이터; 그리고,

   상기 압전 액튜에이터와 팀 사이의 기판 표면 내에 형성되어 신호를 감지하는 센싱부; 그리고

   상기 압전 액튜에이터와 중첩되지 않도록 상기 압전 액튜에이터의 양측방의 기판에 형성되고, 상기 센싱부에 전기적으로 연결되어 상기 센싱부에서 감지된 신호를 전달하는 신호 전달부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 전달부는 상기 기판 표면 내에 형성되거나 상기 기판 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 기판 표면 내에 형성되는 신호 전달부는 기판 표면 내에 고농도로 보론이 도핑된 것이고, 상기 기판 상부에 형성되는 신호 전달부는 금속선인 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 팁이 형성된 영역의 기판 표면 내에 형성되는 불순물 영역;

   상기 불순물 영역에 콘택되어 전기적 신호를 인가하는 금속선을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
6. 팁(tip)을 갖는 기판;

   상기 기판 위에 형성되는 절연막;

   상기 절연막 위에 형성되고, 외부의 전기적 신호에 따라 움직이는 적어도 복수개 이상의 압전 액튜에이터;

   상기 압전 액튜에이터와 팁 사이의 기판 표면 내에 형성되어 신호를 감지하는 센싱부; 그리고,

   상기 압전 액튜에이터와 중첩되지 않도록 상기 복수개 이상의 압전 액튜에이터 사이의 적어도 어느 한 측방(側傍) 이상의 기판 표면 내에 형성되고, 상기 센싱부에 전기적으로 연결되어 상기 센싱부에서 감지된 신호를 전달하는 신호 전달부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 센싱부와 신호 전달부에는 불순물 이온이 도핑된 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 신호 전달부의 불순물 이온의 농도는 상기 센싱부의 불순물 이온의 농도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 불순물 이온은 보론(boron)인 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 팁이 형성된 영역의 기판 표면 내에 형성되는 불순물 영역;

    상기 불순물 영역에 콘택되어 전기적 신호를 인가하는 금속선을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
11. 팁(tip)을 갖는 기판;

    상기 기판 위에 형성되는 절연막;

    상기 절연막 위에 형성되고, 외부의 전기적 신호에 따라 움직이는 적어도 하나의 압전 액튜에이터;

    상기 압전 액튜에이터와 팁 사이의 기판 표면 내에 형성되어 신호를 감지하는 센싱부; 그리고,

    상기 압전 액튜에이터와 중첩되지 않도록 상기 압전 액튜에이터의 적어도 어느 한 측방(側傍)의 절연막 위에 형성되고, 상기 센싱부에 콘택홀을 통해 전기적으로 연결되어 상기 센싱부에서 감지된 신호를 전달하는 신호 전달부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 센싱부에는 불순물 이온이 도핑되고, 상기 신호 전달부는 금속선인 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 불순물 이온은 보론(boron)이고, 상기 금속선은 Pt, Al 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 팁이 형성된 영역의 기판 표면 내에 형성되는 불순물 영역;

    상기 불순물 영역에 콘택되어 전기적 신호를 인가하는 금속선을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SPM용 캔틸레버.