KR100465260B1 - 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.

이 개시된 나노 탐침은 나노미터 단위의 개구가 형성되도록 관통된 홀을 갖는 베이스와; 적어도 상기 개구를 덮도록 상기 베이스 위에 형성된 광학적으로 투명한 나노미터 단위의 두께를 갖는 슬라이드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의해 본 발명에서는 개구에 슬라이드가 접촉되어 탐침이 형성되므로 탐침을 시료에 근접되게 이동시키기 위한 부대 장비나 시료로부터의 거리를 유지시키기 위한 별도의 장비가 필요없다. 따라서, 간단한 장비로 나노 구조의 시료에 대한 광학적 특성을 용이하게 측정할 수 있다.

Description

나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침 및 그 제조 방법{Nano-slide integrated nano-probe and manufacture method thereof}

본 발명은 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노미터 너비의 개구에 나노미터 두께의 슬라이드가 형성되어 슬라이드에 나노구조의 시료를 올려놓고 용이하게 시료의 광학적 특성을 측정할 수 있도록 된 나노 탐침 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

생체 시료나 미세 소자 구조의 형상을 관측하기 위한 도구로 사용되는 광학 현미경은 빛으로 물체를 관측하기 때문에 회절한계현상으로 인해 분해능에 한계가 있다. 즉, 크기가 빛의 파장의 1/2 이하인 물체는 광학적으로 관측할 수 없게 된다. 이러한 회절한계를 극복하고 광학적 특성의 측정을 파장보다 매우 작은 수준에서 행할 수 있는 근접장 광학 현미경이 등장하게 되었다. 근접장 광학 현미경에서 는 빛의 파장보다 작은 개구를 통과한 빛이 이 개구의 크기와 비슷한 거리에 있는 시료를 조사하도록 하는데, 시료 표면에서부터 빛의 파장보다 작은 거리 내에 있는근접장은 회절을 경험하지 않는 현상을 이용한 것이다.

따라서, 근접장 광학 현미경에 사용되는 탐침은 개구가 관측하고자 하는 시료의 표면에 매우 가깝게 위치해야 한다. 이러한 근접장 광학 현미경에 사용되는 근접장 광학 탐침으로 가장 널리 알려진 것은 도 1에 도시된 바와 같은 광섬유 근접장 광학 탐침(100)이다. 광섬유 근접장 광학 탐침(100)은 광섬유(102)에 열을 가하여 가늘게 늘리거나 화학 약품으로 식각하여 한쪽 단부를 수십 내지 수백 나노미터의 크기를 갖도록 만든다. 그리고, 상기 광섬유(102)의 외부면에 빛이 새어나가는 것을 방지하기 위해 금속막(104)을 증착하고 끝부분에 수십 내지 수백 나노미터의 직경을 갖는 개구(105)를 형성한다. 미설명부호 103은 근접장을 나타낸다.

이러한 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 나노구조의 시료(106)의 광학적 특성을 측정하기 위하여 탐침과는 독립적으로 준비된 슬라이드(108)에 시료(106)를 올려놓는다. 그런 다음, 상기 광섬유 근접장 광학 탐침(100)을 상기 시료(106)로부터 수내지 수십 나노미터 범위까지 근접시킨 뒤 시료 표면에 대해 광을 주사하면서 각 주사 포인트에서의 광신호를 측정하고 이들 광신호를 종합하여 전체 영상을 얻는다.

그런데, 상기와 같은 광섬유 근접장 광학 탐침은 광섬유를 극히 얇게 형성하여 제작되므로 매우 약하고, 쉽게 부러져 수명이 짧은 단점이 있다. 또한, 탐침을 잡고 시료에 나노미터 거리까지 근접시키기 위한 부대장치 또는 시료로부터의 거리를 일정하게 유지하도록 하기 위한 거리 유지 장치 등이 필요하다. 이들 부대장치는 매우 복잡할 뿐 아니라 이러한 부대장치를 이용하여 탐침을 이동시킬 때 상기한 바와 같이 광섬유(102)가 매우 약하므로 광섬유(102)를 갖는 탐침을 취급하기도 용이하지 않은 문제점이 있다. 또한, 탐침이 고정되어 있지 않고 이동되므로 매우 불안정하고 그로 인해 시료의 광학적 특성의 측정에 있어 정확도가 떨어질 염려가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 수 내지 수백 나노미터의 직경을 갖는 개구에 나노미터 단위의 두께를 갖는 슬라이드를 결합시킴으로써 슬라이드에 시료를 올려놓고 직접 시료의 광학적 특성을 측정할 수 있도록 된 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 나노구조 시료의 광학적 물성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침의 저면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침의 다른 실시예이다.

도 5a 내지 도 5k는 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침의 제보 방법을 나타낸 도면이다.

도 6a, 도 6b 및 도 7은 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침을 사용하여 나노구조 시료의 광학적 특성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침에 나노구조 시료를 올려놓는 예를 도시한 것이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

5...개구 10...베이스

15...슬라이드 17...금속막

20...시료 22,25,28...렌즈

30...광검출기 35...SOI 웨이퍼

42...Si₃N₄층

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침은, 나노미터 단위의 개구가 형성되도록 관통된 홀을 갖는 베이스와; 적어도 상기 개구를 덮도록 상기 베이스 위에 형성된 광학적으로 투명한 나노미터 단위의 두께를 갖는 슬라이드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 홀은, 절두 피라미드형으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 홀의 내벽에 광의 흡수를 높일 수 있도록 금속막이 증착되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 나노 탐침의 제조 방법은, 제1산화층, 제1실리콘층, 제2산화층 및 제2실리콘층으로 이루어진 SOI 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 제1실리콘층을 비등방성 식각하여 슬라이드용 영역을 형성하고, 외부로 노출된 상기 제1산화층과 제2산화층을 제거하는 단계; 상기 슬라이드용 영역과 상기 제2실리콘층에 Si₃N₄를 증착하여 슬라이드를 형성하는 단계; 외부로 노출된 면에 포토레지스트를 도포하고 개구를 형성하기 위한 영역을 패터닝하고, 상기 제2실리콘층을 비등방성 식각하여 개구를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침 및 그 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침은, 도 2를 참조하면 베이스(10)에 나노미터 단위의 너비를 갖는 개구(5)가 형성되고, 적어도 상기 개구(5)를 덮는 나노미터 단위의 두께를 갖는 슬라이드(15)가 구비된다.

상기 베이스(10)에는 상부로 갈수록 그 너비가 좁아지는 관통홀(7)이 형성되어 이 관통홀(7)의 상부에 개구(5)가, 하부에는 상기 개구(5)보다 넓은 입구(6)가 형성된다. 상기 관통홀(7)은 예를 들어, 절두 피라미드형으로 형성될 수 있다.

상기 슬라이드(15)는 최소한 상기 개구(5)를 덮도록 상기 베이스(10) 위에 형성되며, 광학적으로 투명한 재질로 형성된다. 예를 들어, 상기 슬라이드(15)는 Si₃N₄재질로 형성되는 것이 바람직하며, 나노미터 단위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

도 3은 도 2의 저면도로서, 베이스(10), 입구(6) 및 개구(5)의 면적 관계를 보여준다.

한편, 상기 베이스(10)의 광흡수도가 충분히 크지 않을 때 상기 개구(5)로부터의 근접장이 개구의 물리적인 크기보다 매우 큰 영역에서 발생하여 광의 국소화를 이룰 수 없는 경우가 있다. 그런데, 근접장 광학 현미경에서는 개구의 크기에 의해 분해능이 결정되는데, 광이 파장보다 매우 작은 크기로 국소화되었을 때 국소화된 광의 크기 정도의 분해능으로 시료를 관측할 수 있다. 따라서, 광이 국소화되지 못하는 경우 분해능이 극도로 저하된다. 따라서, 이런 경우에 대비하여 상기 관통홀(7)의 내벽에 도 4에 도시된 바와 같이 금속막(17)을 증착하여 광흡수도를 높임으로써 개구보다 큰 영역에서 빛이 새는 것을 막을 수 있다. 상기 금속막(17)은 Al, Au, Ag 및 Cr 등 중의 어느 하나의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

다음은, 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 5a는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(35)를 나타낸 것이다. SOI 웨이퍼(35)는 제1산화층(35a), 제1실리콘층(35b), 제2산화층(35c) 및 제2실리콘층(35d)으로 구성된다. 이 SOI 웨이퍼(35)에 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이 Si₃N₄마스크(37)와 포토레지스트(39)를 증착하고 슬라이드를 형성하기 위한 예비 영역(40)을 패터닝한 다음, 상기 포토레지스트(39)를 제거한다. 이어서, 도 5d 및 도 5e를 참조하면, SOI 웨이퍼(35)의 제1실리콘층(35b)을 비등방성 식각을 통하여 식각함으로써 슬라이드를 형성하기 위한 영역(40')을 마련한 다음, 상기 Si₃N₄마스크(37)와 외부로 노출된 제1산화층(35a) 및 제2산화층(35c)을 제거한다.

한편, 도 5f에 도시된 바와 같이 상기 슬라이드를 형성하기 위한 영역(40')에 Si₃N₄를 증착하여 슬라이드를 형성하는데, 이때 증착되는 Si₃N₄층(42)의 두께는 근접장 광검출이 가능하도록 빛의 파장 이하의 두께를 갖는 것이 좋다. 바람직하게는 나노미터 단위의 두께를 갖도록 하며, 더욱 바람직하게는 50nm 이하의 두께를 갖는 것이 좋다. 이때, 상기 제2실리콘층(35d) 위에도 Si₃N₄층(42)이 증착된다.

그런 다음, 도 5g 내지 도 5i에 도시된 바와 같이 상기 결과물에 포토레지스트(43)를 도포하고, 개구를 형성하기 위한 예비 영역(45)을 패터닝한다. 그리고, 이 패터닝 형상을 따라 상기 Si₃N₄층(42)을 식각한 다음 도 5j에 도시된 바와 같이 상기 포토레지스트(43)를 제거한다. 이어서, 도 5k에 도시된 바와 같이 상기 제2실리콘층(35d)을 비등방성 식각함으로써 나노미터 너비의 개구(47)를 형성한다. 이와 같이 개구(47)를 형성한 다음 제1실리콘층(35b)과 제2산화층(35c)을 절단기를 이용하여 제거한다.

여기서, 비등방성 식각 공정을 살펴보면 Si {111}면이 식각 저지면(도 5k의 p면)이 되므로 Si {100}면은 깊이가 깊어질수록 식각되는 너비가 줄어든다. 따라서, 비등방성 식각에 의해 절두 역피라미드 형상을 얻는다. 이때, 비등방성 식각에 의해 형성되는 개구(47)의 너비를 식각이 되는 실리콘층의 두께와 식각이 시작되는 영역의 너비에 의해 쉽게 산출해낼 수 있다.

도 2를 참조하면, 베이스(10)가 Si층에 대응되며, 여기서 Si {111} 면과 {100} 면 사이의 결정각을 θ, Si층의 두께를 d, 식각이 시작되는 영역 즉, 하부입구(6)의 너비를 m, 개구(15)의 너비를 n이라 할 때 다음의 식이 성립한다.

여기서, θ는 대략 54.74도 정도이다. 상기 수학식 1에 의해 식각층(즉, 실리콘층)의 두께(d)와 식각이 시작되는 영역의 너비(m)를 변화시켜 원하는 너비의 개구를 얻을 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 나노 탐침을 이용하여 나노미터 단위의 구조를 갖는 시료의 광학적 특성을 측정하는 방법에 대해 알아본다.

도 6a를 참조하면, 상기 슬라이드(15) 위에 나노미터 단위의 구조를 갖는 시료(20)를 올려놓고 상기 개구(5) 아래로부터 빛(L)을 조사하여 시료(20)와 상호작용시킨 후 발생하는 빛을 반대편에 있는 광검출기(30)에서 수광한다. 여기서, 빛(L)을 조사하는 광원과 시료(20) 사이에 제1렌즈(22)를 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 시료(20)와 광검출기(30) 사이에 제2렌즈(25)를 더 구비할 수 있다. 이와 같이 상기 슬라이드(20)를 통해 빛이 통과되므로 상기 슬라이드(20)는 광학적으로 투명한 것이 좋다.

이와 같이 본 발명에 따른 나노 탐침을 이용하면 근접장 현상을 이용하기 위해 탐침을 시료로부터 나노미터 단위의 거리 내로 근접시키기 위한 노력이 불필요하다. 즉, 본 발명에서는 상기 슬라이드(15)와 개구(5)가 바로 접촉되어 있으므로 탐침을 시료 가까이 이동시키기 위한 부대 장비나 시료로부터의 거리를 유지시키기 위한 별도의 장비가 필요없다. 본 발명에서는 슬라이드(15)의 두께가 바로 탐침의 개구(5)와 시료(20) 사이의 거리가 되기 때문에, 슬라이드(15)에 시료를 올려 놓고 빛을 조사하면 자동적으로 개구로부터 근접장 범위 내에 시료가 놓이게 되는 것이다.

한편, 상기 예에서는 빛(L)이 상기 개구(5)의 아래로부터 조사되었지만 이밖에 도 6b에 도시된 바와 같이 개구(5)의 상부로부터 빛(L)을 조사할 수도 있다. 이때에는 광원과 광검출기(30)의 위치가 바뀌게 된다.

또 다른 방법으로서, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 개구(5)의 아래쪽에 빔스프리터(27)를 구비하고, 이 빔스프리터(27)를 통해 빛(L)을 조사하여 일부광은 반사되어 상기 개구(5)를 통해 시료(20)와 상호작용하고 나머지 광은 빔스프리터(27)을 투과해 나가도록 한다. 상기 빔스프리터(27)를 통해 시료(20)쪽으로 향한 빛이 상기 시료(20)와 상호작용한 후 상기 빔스프리터(27)를 통과해 광검출기(30)에 수광된다. 상기 빔스프리터(27)와 개구(5) 사이의 광경로상에는 제3렌즈(28)가 더 구비될 수 있다. 특히, 도 7에 도시된 구조를 이용한 광검출 방식은 광기록매체 등에 응용될 수 있다.

도 6a, 도 6b 및 도 7에 도시된 그림은 나노 탐침과 렌즈의 실제 비례도는 아니며 설명의 편의를 위해 나노 탐침을 과장되게 도시한 것이다.

한편, 상기 예에서는 광학적 특성을 측정하고자 하는 시료(20)를 슬라이드(15) 위에 올려놓고 측정하였지만, 도 8에 도시된 바와 같이 시료(32)를 슬라이드(15)의 아래쪽에 코팅하여 측정할 수도 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 나노 탐침에는 슬라이드가 일체형으로 결합되어 있으므로 시료를 슬라이드에 올려놓고 빛을 조사하면 자동적으로 시료가 개구로부터 근접장 범위 내에 놓이게 되어 관측하기가 용이하며 시료를 위치시키는 방향 및 빛을 조사하는 방향에 대한 자유도를 높일 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침 및 그 제조 방법은, 개구에 슬라이드가 접촉되어 탐침이 형성되므로 탐침을 시료에 근접되게 이동시키기 위한 부대 장비나 시료로부터의 거리를 유지시키기 위한 별도의 장비가 필요없다. 따라서, 간단한 장비로 나노 구조의 시료에 대한 광학적 특성을 용이하게 측정할 수 있다. 다시 말하면, 일반 현미경에서 슬라이드에 시료를 올려놓고 바로 시료를 관찰할 수 있는 것과 같이 본 발명에 따른 나노 슬라이드가 결합된 나노 탐침을 이용하여 슬라이드에 나노 구조의 시료를 올려놓고 간단하게 측정할 수 있는 이점이 있다. 또한, 슬라이드가 탐침에 고정되어 있으므로 사용시 손상되거나 파손될 염려가 거의 없다.

더욱이, 구조가 간단하여 제조 단가가 저렴할 뿐 아니라 기존에 주변 장치가 복잡하여 대량생산이 용이치 않았던 근접장 광학 현미경에 의한 광소자의 산업화를 촉진할 수 있게 되었다.

Claims (7)

1. 나노미터 단위의 개구가 형성된 관통홀을 갖는 베이스와;

   적어도 상기 개구를 덮도록 상기 베이스 위에 형성된 광학적으로 투명한 나노미터 단위의 두께를 갖는 슬라이드;를 포함하여, 상기 슬라이드에 시료를 올려놓고 빛을 조사할 때 상기 개구로부터 시료가 근접장 범위 내에 놓이게 되는 것을 특징으로 하는 나노 슬라이드가 결합된 광학 현미경용 나노 탐침.
2. 제 1항에 있어서, 상기 관통홀은,

   절두 피라미드형으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노 슬라이드가 결합된 광학 현미경용 나노 탐침.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 관통홀의 내벽에 광의 흡수를 높일 수 있도록 금속막이 증착되는 것을 특징으로 하는 나노 슬라이드가 결합된 광학 현미경용 나노 탐침.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 슬라이드는 Si₃N₄로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 슬라이드가 결합된 광학 현미경용 나노 탐침.
5. 제1산화층, 제1실리콘층, 제2산화층 및 제2실리콘층으로 이루어진 SOI 웨이퍼를 준비하는 단계;

   상기 제1실리콘층을 비등방성 식각하여 슬라이드용 영역을 형성하고, 외부로 노출된 상기 제1산화층과 제2산화층을 제거하는 단계;

   상기 슬라이드용 영역과 상기 제2실리콘층에 Si₃N₄를 증착하여 나노미터 두께의 슬라이드를 형성하는 단계;

   외부로 노출된 면에 포토레지스트를 도포하고 개구를 형성하기 위한 영역을 패터닝하고, 상기 제2실리콘층을 비등방성 식각하여 나노미터 너비의 개구를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 슬라이드가 결합된 광학 현미경용 나노 탐침 제조 방법.
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