KR100617471B1 - 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그제조방법 - Google Patents

고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 상부면이 평평한 직육면체 형상의 탐침 지지부, 전자빔 유도 증착에 의한 탐침 중간부 및 전자빔 융착에 의한 탄소나노튜브 탐침 첨두부로 구성되는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 목적은 직육면체 형상의 탐침 지지부를 가지는 실리콘 질화막 캔틸레버를 형성하는 단계, 상기 캔틸레버의 로드부에 2축 구동 압전 액츄에이터를 형성하는 단계, 상기 탐침 지지부에 전자빔 유도 증착법을 통해 탐침 중간부를 형성하는 단계 및 상기 탐침 중간부에 탄소나노튜브를 부착하여 탐침 첨두부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그 제조방법은 상부면이 평평한 직육면체 형상의 탐침 지지부를 형성함으로써 전자빔유도 증착에 의한 탐침 중간부 형성의 재현성을 높이고 전자빔융착에 의한 탄소나노튜브 부착과 그 각도 조절이 용이할 뿐만 아니라 2축 구동 압전 액츄에이터에 의해 측정시의 왜곡을 감소시킴으로서 보다 정밀하고 신뢰성 있는 측정을 가능하게 하는 효과가 있다.
고종횡비, 캔틸레버, 탐침, 2축 구동 압전 액츄에이터, 탄소나노튜브

Description

고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그 제조방법 {Cantilever having piezoelectric actuator and tip with high aspect ratio and method for manufacturing the same}
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 의한 캔틸레버 탐침 제조 공정의 단면도.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명에 의한 탐침 및 캔틸레버 제조 공정의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 캔틸레버 로드부의 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 실리콘 웨이퍼 102, 202 : 홈
104, 204 : 실리콘 질화막(Si3N4) 106, 206 : 유리 기판
208 : 포토레지스트 210 : 금속막
212 : 압전 박막 250 : 탐침
250a : 탐침 지지부 250b : 탐침 중간부
250c : 탐침 첨두부 260 : 캔틸레버 로드부
270 : 압전 액츄에이터
본 발명은 고종횡비 탐침을 가지는 캔틸레버 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 상부면이 평평한 직육면체 형상의 탐침 지지부, 전자빔 유도 증착에 의한 탐침 중간부 및 전자빔 융착에 의한 탄소나노튜브 탐침 첨두부로 구성되는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현대의 전자 산업은 점점 더 밀도화, 고집적화 되어 가고 있다. 따라서, 이러한 고밀도화, 고집적화에 대응하기 위한 소자 크기가 갈수록 미세해져 미세 소자의 형상이나 치수를 정확하게 측정할 수 있는 기기의 개발 필요성이 더욱 증대되어 왔다. 표면구조 파악에 널리 이용되고 있는 기존의 주사 전자 현미경(SEM : Scanning Electron Microscope)은 최적의 조건일 경우 약 수십 nm 정도의 해상도를 얻을 수 있으나 100nm 이하에서는 전자빔에 의한 오염이나 전하 축적으로 인해 실제적인 응용에는 많은 어려움이 있으며 보다 미세한 영역에서의 정보는 제공할 수 없는 단점이 있다. 한편, 얇은 시료를 투과하는 전자선을 측정하여 상(Image)을 얻는 투과 전자 현미경(TEM : Transmission Electron Microscope)은 수 Å 정도의 해상도를 얻을 수 있으나, 시편을 준비하는 과정이 까다로우며, 응용범위도 극히 제한되어 있다는 단점이 있다.
따라서, 물질표면의 구조에 대한 입체적인 정보뿐만 아니라 Å 단위까지의 표면의 원자배치까지도 파악할 수 있는 방법이 개발되고 있으며 그 대표적인 것으로 주사 터널링 현미경(STM : Scanning Tunneling Microscope)과 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscope)으로 대표되는 스캐닝 프로브 마이크로스코프(Scanning Probe Microscope, 이하 SPM)가 있다. 일반적으로, 캔틸레버(Cantilever)에 형성된 탐침(Probe)으로 스캐닝하는 방식으로 여러 종류의 물리량을 측정할 수 있는 다양한 형태의 현미경을 SPM이라 한다.
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 의한 캔틸레버 탐침 제조 공정의 단면도이다. 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 종래 기술에 의한 캔틸레버 탐침 제조 공정을 간략히 살펴보면, 먼저 실리콘 웨이퍼(100)의 소정 영역에 V자형의 홈(102)를 형성한다(도 1a). 다음 상기 실리콘 웨이퍼(100) 상부에 실리콘 질화막(Si3N4, 104)을 형성하고(도 1b) 유리기판(106)을 부착한(도 1c) 후 절단(Sawing)하여 상기 V자형의 홈(102)이 있는 부분을 노출시킨다(도 1d). 마지막으로 상기 실리콘 웨이퍼(100)을 식각하여 제거함으로써 탐침을 포함한 캔틸레버가 완성된다(도 1e).
SPM을 이용하여 구조물의 표면 형상(Morphology)이나 임계치수(CD: Critical Dimension)와 같은 물리량을 정확히 측정하기 위해서는 SPM의 캔틸레버(Cantilever)에 형성되는 탐침이 날카로와야 하며 종횡비(Aspect ratio)가 커야 한다. 그러나 도 1a 내지 도 1e에 예시된 종래의 제조방법에 의한 탐침은 그 첨두부가 날카롭지 못하다. 따라서 탐침의 첨두부를 날카롭게 하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다. 이러한 방법으로 이온집속빔(FIB: Focused Ion Beam)에 의한 에칭, 샤프닝 산화처리(Sharpening oxidation), 전자빔증착(EBD : Electron Beam Deposition) 등이 사용되고 있으나 이러한 방법으로는 첨두부를 날카롭게 하는 데 한계가 있다. 원자 수준의 요철을 측정하기 위해서는 첨두의 곡률반경이 10nm 이하가 되는 것이 바람직하지만 상기 기술로는 달성하기 곤란하다.
최근에는 탄소나노튜브(CNT: Carbon NanoTube)를 탐침의 첨두부로 사용하는 기술이 개발되고 있다. 탄소나노튜브(Carbon nanotube)는 길이가 수십 내지 수백 ㎛, 직경이 수 nm 정도 밖에 되지 않아 SPM의 탐침으로 사용되기에 적당한 구조를 가지고 있으며 그 어느 탐침보다도 높은 해상도를 얻을 수 있다. 1996년 Stanford 대학의 Dai 그룹이 기존의 SPM 탐침에 탄소나노튜브를 기계적으로 연결시켜 탄소나노튜브 원자간력 현미경 탐침을 만드는 데 성공한(H. Dai et al. Nature 384, 147(1996)) 이래 탄소나노튜브를 SPM 캔틸레버에 올리는 다양한 방법이 시도되고 있다.
캔틸레버 탐침에 탄소나노튜브를 성장시켜 임계치수를 측정하더라도 수직 방향의 탐침 컨볼루션(Convolution)이 일어나고 탄소나노튜브와 측정면의 상호작용으로 인해 측정 영상의 왜곡이 발생하며 탄소나노튜브를 성장시키는 방법의 재현성이 떨어져 양산에 적합하지 않다.
SPM을 사용하여 구조물의 임계치수를 측정할 때의 또 하나의 문제점은 측정 속도가 떨어진다는 것이다. 시료를 압전 튜브(Piezoelectric tube)에 장착하고 전 튜브가 시료 표면과 캔틸레버의 간격을 조절하는 방식으로 측정이 이루어지는 종래의 기술에서는 10 내지 100㎛/s의 스캔 속도가 얻어지는 것이 일반적인데 이러한 속도로는 하나의 영상을 얻기 위해 수분의 시간이 걸린다. 이와 같이 느린 CD-SPM의 속도 개선을 위해 압전저항(Piezoresistive) 센서와 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 액츄에이터(Actuator)를 박막으로 형성시키는 방법들과 속도 개선과 아울러 임계치수 측정을 개선하고자 2축 구동 압전 액츄에이터를 형성하는 방법 등을 이용하고 있다.
그러나 탐침 제작 공정이 이루어지고 난 후 탐침 보호 공정 및 액츄에이터 박막 제작 제작 공정이 이루어지기 때문에 추후 탐침의 보호막을 제거할 때 공정 특성상 탐침의 날카로움을 잃게 된다. 또한 2축 구동 압전 액츄에이터의 사용이 가능하기 위해서는 탐침 지지부의 높이가 10㎛ 이상이 되어야 하는데 전술한 바와 같이 탐침 제작 후 압전 액츄에이터를 제작하기 때문에 탐침의 날카로움을 잃어 탄소나노튜브 부착이 용이하지 않으며 그 각도 조절이 용이하지 않다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상부면이 평평한 직육면체 형상의 탐침 지지부를 형성함으로써 전자빔 유도 증착에 의한 탐침 중간부 형성의 재현성을 높이고 탄소나노튜브 부착 및 그 각도 조절이 용이할 뿐만 아니라 2축 구동 압전 액츄에이터에 의해 측정시의 왜곡을 감소시킴으로써 보다 정밀하고 신뢰성 있는 측정을 가능하게 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그 제조방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 직육면체 형상의 탐침 지지부를 가지는 실리콘 질화막 캔틸레버를 형성하는 단계, 상기 캔틸레버의 로드부에 2축 구동 압전 액츄에이터를 형성하는 단계, 상기 탐침 지지부에 전자빔 유도 증착법을 통해 탐침 중간부를 형성하는 단계 및 상기 탐침 중간부에 탄소나노튜브를 부착하여 탐침 첨두부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 실리콘 질화막으로 구성되며 직육면체 형상을 가지는 탐침 지지부, 상기 탐침 지지부에 연결되는 탐침 중간부 및 상기 탐침 중간부에 부착되는 탄소나노튜브 탐침 첨두부로 이루어지는 탐침 및 상기 탐침과 2축 구동 압전 액츄에이터가 위치하는 캔틸레버 로드부 및 캔틸레버 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버에 의해서도 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참고한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
이하에서는 본 발명에 의한 탐침 및 캔틸레버 제조방법의 공정 단면도를 나타낸 도 2a 내지 도 2j를 참조하여 설명하도록 한다.
먼저, 실리콘 웨이퍼(200)에 직육면체의 홈(202)을 D-RIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 형성한다(도 2a). 반응성 이온의 반응성과 라디칼(Radical)의 높은 선택비를 이용하는 D-RIE에 의해 10 내지 50㎛ 정도의 깊이를 가진 홈을 수직 방향으로 정확하게 형성할 수 있으며 그 홈의 바닥면 또한 평평하게 형성하는 것이 가능하다. 상기 홈(202)을 형성하기 위한 마스킹막으로 산화막을 증착하여 패터닝하는 것이 바람직하나 포토레지스트(Photoresist)를 도포한한 후 패터닝하는 것도 가능하다.
다음, 상기 홈(202)을 매립할 수 있도록 실리콘 질화막(204)을 웨이퍼 전면에 증착하고 캔틸레버 모양으로 패터닝한다(도 2b). 상기 실리콘 질화막은 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, 이하 저압 CVD)법으로 Si3N4를 증착하는 것이 바람직하나 산화막을 증착한 후 질소처리하여 Si3N4막으로 변환시키는 것도 가능하다. 저압 CVD법에 의한 Si3N4막은 실란(SiH4) 또는 디클로로시란(SiCl2H2) 등과 같은 소스를 700 내지 900℃에서 암모니아와 반응시켜 형성할 수 있다.
다음, 상기 실리콘 웨이퍼(200)에 유리기판(206)을 부착하고(도 2c) 캔틸레버의 로드부 길이에 맞도록 적당한 위치를 절단한(도 2d) 후 상기 실리콘 웨이퍼(200)를 식각하여 제거함으로써 탐침 지지부(250a)를 포함한 캔틸레버 형상을 부상시킨다(도 2e). 상기 탐침 지지부(250a)는 상부면이 평평한 직육면체 형상을 하고 있으며 이는 이후 진행될 전자빔 유도 증착법에 의한 탐침 중간부 형성의 재현성을 높이는 역할을 하며 2축 구동 압전 액츄에이터 형성 및 탄소나노튜브 부착을 용이하게 한다.
다음, 상기 탐침 지지부(250a)가 존재하는 캔틸레버 전면에 포토레지스트를 도포하고 캔틸레버 로드부(A)의 소정 영역을 노출시킨다(도 2f). 도 2f 내지 도 2j의 'B'는 캔틸레버 지지부를 나타낸 것이다.
다음, 상기 노출된 영역에 금속막(210)과 압전 박막(212)을 순차적으로 증착하여 2축 구동 압전 액츄에이터를 형성하고(도 2g) 상기 포토레지스트(208)를 스트립 공정으로 제거한다(도 2h). 상기 압전 액츄에이터는 캔틸레버의 영상 획득 속도를 개선하고 이후 공정에서 형성될 탄소나노튜브 탐침의 옆면과 피측정 구조물 간의 상호 작용을 감소시켜 영상 왜곡을 최소화하기 위해 2축 구동 압전 액츄에이터를 형성하도록 한다.
상기 금속막(210)으로는 금, 은, 구리, 알루미늄, 백금, 백금-탄타륨 등의 모든 금속 또는 그 합금을 사용할 수 있다. 상기 압전 박막(212)용 재료로는 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3), PbTiO3 , PLZT(Lanthanum-doped lead zirconium titanate), PbZrO3, PLT((Pb,La)TiO3), LiNbO3 또는 LiTaO3 등이 가능하나 PZT가 바람직하다.
다음, 전자빔 유도 증착법으로 탄소 재질의 탐침 중간부(250b)를 형성한다(도 2i). 상기 탐침 중간부(250b)를 형성하기 위해서 확산펌프(Diffusion pump)의 냉각온도, 전자빔 가속전압, 빔 전류, 노출 시간, 첨가할 탄소 소스 등의 탐침 중간부 형성을 위한 파라미터값을 설정하고 상기 탐침 지지부(250a)의 상부면에 전자빔을 조사하게 된다. 조사된 전자빔에 의해 상기 탐침 지지부(250a)의 상부면이 가열되며 이로 인해 탄화수소 가스가 분해되어 탐침 지지부에 나란하게 원추형의 탐침 중간부(250b)가 성장하게 된다. 상기 탄화수소 가스로는 방향족 또는 지방족 계 열을 사용할 수 있다.
다음, 상기 탐침 중간부(250b)의 상단에 탄소나노튜브(250c)를 견고하게 부착하여 탐침(250)을 완성한다(도 2j). 상기 탄소나노튜브(250c)를 부착하는 방법은 전자빔 융착법을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 기형성된 탄소나노튜브를 상기 탐침 중간부(250b)에 근접시키면 반데르발스(Van der Waals) 인력이 발생하고 이 힘에 의해 탄소나노튜브가 탐침 중간부(250b)로 비상하여 부착되게 된다. 상기 탄소나노튜브(250c)와 탐침 중간부(250b)의 접촉 부분에 전자빔을 조사하면 조사된 부분이 용융되어 견고하게 고정된다.
이와 같이, 전자빔 유도 증착에 의해 끝이 날카로운 탐침 중간부(250b)를 형성하고 2축 구동 압전 액츄에이터를 탐침 중간부보다 먼저 형성하여 2축 구동 압전 액츄에이터 형성 시에 탐침의 날카로움이 없어지는 현상을 방지하여 탄소나노튜브(250c)와의 부착이 보다 쉽고 견고하게 이루어지며 그 부착시의 각도 조절이 용이하다. 아울러 탐침 중간부(250b)를 탄소 재질로 형성하였기 때문에 탄소나노튜브(250c)와의 부착이 보다 쉽게 이루어지는 장점도 존재한다. 또한, 전자빔 유도 증착법에 의한 탐침 중간부의 형성과 탄소나노튜브의 부착은 50nm 이하의 선폭 측정을 용이하게 하고 마모에 따른 내마모성을 높이는 효과가 있다.
도 3은 완성된 캔틸레버 로드부의 평면도로서 탄소나노튜브로 구성되는 탐침 첨두부, 전자빔 유도 증착법으로 형성된 탐침 중간부 및 저압 CVD로 형성된 실리콘 질화막으로 구성된 탐침 지지부를 포함한 탐침(250), 캔틸레버 로드부(260) 및 압전 액츄에이터(270)를 나타낸 것이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 및 그 제조방법은 상부면이 평평한 직육면체 형상의 탐침 지지부를 형성함으로써 전자빔유도 증착에 의한 탐침 중간부 형성의 재현성을 높이고 전자빔융착에 의한 탄소나노튜브 부착과 그 각도 조절이 용이할 뿐만 아니라 2축 구동 압전 액츄에이터에 의해 측정시의 왜곡을 감소시킴으로써 보다 정밀하고 신뢰성 있는 측정을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 캔틸레버 제조방법에 있어서,
    직육면체 형상의 탐침 지지부를 가지는 실리콘 질화막 캔틸레버를 형성하는 단계;
    상기 캔틸레버의 로드부에 2축 구동 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;
    상기 탐침 지지부에 전자빔 유도 증착법을 통해 탄소 재질의 탐침 중간부를 형성하는 단계; 및
    상기 탐침 중간부에 탄소나노튜브를 부착하여 탐침 첨두부를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 질화막 캔틸레버를 형성하는 단계는
    실리콘 웨이퍼에 상부면이 평평한 직육면체의 홈을 형성하는 단계;
    상기 홈을 포함한 웨이퍼 전면에 실리콘 질화막을 증착하고 패터닝하여 캔틸레버 형상을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 질화막 상부에 유리기판을 부착하고 상기 캔틸레버 로드부의 유리기판을 제거하는 단계; 및
    상기 실리콘 웨이퍼를 제거하여 실리콘 질화막 캔틸레버를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 홈은 10 내지 50㎛의 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 홈은 D-RIE를 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 질화막은 Si3N4로 이루어짐을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 질화막은 저압 CVD로 형성하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터용 압전 물질은 PZT임을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침 첨두부를 형성하는 단계는
    상기 탐침 중간부에 기형성된 탄소나노튜브를 근접시키는 단계;
    상기 탄소나노튜브를 비상시켜 상기 탐침 중간부에 부착하는 단계; 및
    상기 탐침 중간부와 탄소나노튜브의 접촉 부분에 전자빔을 조사하여 융착하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버 제조방법.
  10. SPM용 캔틸레버에 있어서,
    실리콘 질화막으로 구성되며 직육면체 형상을 가지는 탐침 지지부, 상기 탐침 지지부에 연결되어 탄소 재질로 이루어진 탐침 중간부 및 상기 탐침 중간부에 부착되는 탄소나노튜브탐침 첨두부로 이루어지는 탐침; 및
    상기 탐침과 2축 구동 압전 액츄에이터가 위치하는 캔틸레버 로드부 및 캔틸레버 지지부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터용 압전 물질은 PZT인 것을 특징으로 하는 고종횡비 탐침을 가지는 압전 액츄에이터 캔틸레버.
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