KR100849391B1 - Atomic force microscopy cantilever to possible reading/wrighting - Google Patents
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Abstract
본 발명은 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버에 관한 것으로, 보다 자세하게는 원자력 현미경 캔틸레버에 MOSFET를 내장시켜 정보의 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버를 제조하기 위한 것이다.The present invention relates to a nuclear microscope cantilever capable of reading / writing, and more particularly, to a nuclear microscope cantilever capable of reading / writing information by embedding a MOSFET in the atomic microscope cantilever.
본 발명의 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버는 금속층, 제1 실리콘층, 산화막 및 제2 실리콘층이 순차적으로 적층된 캔틸레버 지지부; 상기 캔틸레버 지지부의 제2 실리콘층만이 연장되어 형성된 캔틸레버 아암부; 상기 캔틸레버 아암부의 제2 실리콘층에 형성된 탐침; 상기 탐침의 하부에 형성된 채널; 상기 탐침의 중심부로부터 소정 거리만큼 이격된 양 측면에 형성된 소스/드레인; 및 상기 소스/드레인 사이에 형성된 게이트로 구성됨에 기술적 특징이 있다.Readable / writeable atomic force microscope cantilever of the present invention comprises a cantilever support in which a metal layer, a first silicon layer, an oxide film, and a second silicon layer are sequentially stacked; A cantilever arm portion formed by extending only a second silicon layer of the cantilever support portion; A probe formed on a second silicon layer of the cantilever arm portion; A channel formed at the bottom of the probe; Sources / drains formed on both sides spaced apart from the center of the probe by a predetermined distance; And a gate formed between the source / drain.
캔틸레버, 탐침, 읽기/쓰기, MOSFET Cantilever, Probe, Read / Write, MOSFET
Description
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 원자력 현미경 캔틸레버를 나타내는 구성도이다.1A and 1B are diagrams illustrating the atomic force microscope cantilever according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 캔틸레버의 탐침을 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a probe of a cantilever according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버를 나타내는 구성도이다.Figure 3 is a block diagram showing a nuclear microscope cantilever capable of reading / writing according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 제1 실리콘층 110 : 산화막100: first silicon layer 110: oxide film
120 : 제2 실리콘층 130 : 캔틸레버 지지부120: second silicon layer 130: cantilever support
140 : 캔틸레버 아암부 150 : 탐침140: cantilever arm portion 150: probe
160 : 금속층 170 : 채널160: metal layer 170: channel
180 : 소스 190 : 드레인180: source 190: drain
200 : 게이트200: gate
본 발명은 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버에 관한 것으로, 보다 자세하게는 원자력 현미경 캔틸레버에 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 내장시켜 정보의 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버를 제조하기 위한 것이다.The present invention relates to a nuclear microscope cantilever capable of reading / writing, and more particularly, to a nuclear microscope cantilever capable of reading / writing information by embedding a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) in an atomic force microscope cantilever.
일반적으로 탐침을 스캐닝하는 방식으로 여러 종류의 물리량을 측정할 수 있는 다양한 형태의 현미경으로 발전된 것을 스캐닝 프로브 마이크로스코프(SPM : Scanning Probe Microscope)라 한다.In general, the scanning probe microscope (SPM) has been developed into various types of microscopes capable of measuring various physical quantities by scanning probes.
상기 스캐닝 프로브 마이크로스코프의 한 종류로 탐침과 시료 사이에 원자적인 힘을 이용하여 시료의 전하량을 측정할 수 있는 원자력 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy)이 있다.One type of scanning probe microscope is an atomic force microscope (AFM) capable of measuring the amount of charge in a sample by using an atomic force between the probe and the sample.
최근에는 원자력 현미경의 캔틸레버 탐침에 전계 효과 트랜지스터 구조를 내장한 형태의 탐침을 이용하여 차세대 데이터 저장용 센서로 사용하려는 시도가 많이 연구되고 있다.Recently, many attempts have been made to use as a sensor for the next generation data storage using a probe having a field effect transistor structure embedded in a cantilever probe of an atomic force microscope.
종래기술인 대한민국 등록특허 제366701호를 살펴보면, 마이크로머시닝 공정만을 이용하여 제작하여 탐침에 소스와 드레인이 형성된 트랜지스터가 형성되어 시료 위에 분포된 다수의 전하 농도가 다른 영역을 감지하는 원리로 작동한다. 이 탐침을 절연체가 형성된 시료에 수직으로 부착시켜서 소스에 전압을 가하면서 드레인 에 흐르는 전류를 시료의 전압 변화에 따라 측정한 결과 일반적인 MOSFET 소자의 특성을 보여주었다. 실제로 표면 전하 분포를 읽은 예는 없었다.Referring to Korean Patent No. 366701, which is a prior art, a transistor having a source and a drain formed on a probe by using only a micromachining process is formed to operate on a principle of detecting a region having a plurality of charge concentrations distributed on a sample. The probe was attached vertically to the insulator-formed sample, applying the voltage to the source, and measuring the current flowing through the drain according to the voltage change of the sample. In practice, no surface charge distribution has been read.
또한, 종래기술인 대한민국 등록특허 제466157호를 살펴보면, 작동 원리는 상기 제366701호와 같지만 일반적인 원자간력 현미경 캔틸레버 탐침으로 작동할 수 있는 형태로 개량 되었고, 일반적인 반도체 소자의 공정과 마이크로머시닝 기술이 복합되어 소스와 드레인 사이의 유효 채널 길이를 줄임으로써 감도를 높였으며, 한 몸체에 여러개의 탐침이 존재할 수 있는 어레이 타입으로 구성이 가능하게 되었다.In addition, referring to Korean Patent No. 466157, which is a prior art, the operating principle is the same as that of No. 36701, but it has been improved to operate with a general atomic force microscope cantilever probe. This improves sensitivity by reducing the effective channel length between the source and drain, enabling the array to be configured with multiple probes in one body.
따라서, 종래의 원자간력 현미경 캔틸레버에서 캔틸레버가 도핑 또는 금속 박막이 입혀져 있는 경우에는 상기 캔틸레버를 이용하여 시료에 전하를 이용한 저장 및 읽기가 가능하였다. 그러나 상기 방법은 비 접촉 모드로 작동 되면서 락인(Lock-in) 증폭기를 필요로 하므로 속도가 매우 느리고, 주변의 환경 변화에 매우 민감하다.Therefore, when the cantilever is doped or coated with a metal thin film in a conventional atomic force microscope cantilever, the cantilever can be used to store and read a sample using charge. However, the method requires a lock-in amplifier while operating in contactless mode, which is very slow and very sensitive to changes in the surrounding environment.
상기와 같은 종래의 기술은 전계 효과 트랜지스터가 내장된 캔틸레버 탐침으로서 주변 환경에 덜 민감하면서 표면 전하를 읽을 수 있는 형태를 가지고 있어, 탐침을 이용하여 시료 표면의 전하 분포를 잘 읽을 수 있었다. The conventional technology as described above is a cantilever probe having a field effect transistor embedded therein, which is less sensitive to the surrounding environment and can read surface charges, and thus the charge distribution on the sample surface can be read well using the probe.
또한, 전계 효과 트랜지스터의 채널 길이가 적어도 100 nm 이하로 줄어야 하고, 드레인에 흐르는 전류가 시료의 전하량 변화에 따라 매우 민감하게 작동해야 하며, 이러한 읽기 기능에 첨부되어 반드시 쓰기 기능이 가능한 탐침이 되어야 한다. 이러한 기능을 가지는 경우 단일 탐침으로만 읽기와 쓰기가 가능하기 때문에 테라비트급 탐침형 정보저장장치에 사용 가능하다.In addition, the channel length of the field effect transistor should be reduced to at least 100 nm or less, the current flowing in the drain should be very sensitive to the change of the charge amount of the sample, and it should be attached to this read function to be a write function probe. do. With this capability, only a single probe can be read and written, which can be used for terabit probe type information storage.
또한, 전계 효과 트랜지스터가 내장된 원자간력 현미경의 캔틸레버 탐침에서 주로 소스 부분에 어느 정도의 전압을 인가하면서 시료의 표면을 지나갈 때 표면 전하의 변화에 따라 드레인에 흐르는 전류량이 변화하는 형태의 이용하고 있다. 이러한 전계 효과 트랜지스터 캔틸레버 탐침에서 드레인에 흐르는 전류만을 이용하는 대신에 읽기 기능을 하기 위해서 드레인에 소스와 동일한 전압을 인가하는 방법을 사용하여 읽기/쓰기가 가능한 형태의 탐침으로 사용할 수 있는데, 이러한 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.In addition, the cantilever probe of an atomic force microscope with a built-in field effect transistor is mainly used in the form of varying the amount of current flowing in the drain according to the change of the surface charge when passing the surface of the sample while applying a certain voltage to the source portion. have. The field effect transistor cantilever probe can be used as a read / write type probe by applying the same voltage as the source to the drain to perform a read function instead of using only the current flowing through the drain. There is the same problem.
첫째, 소스와 드레인 사이의 채널 영역에 흐르는 전류가 결국에는 시료쪽으로 이동하여 쓰기 기능을 함으로써 시료에서 쓰기 방식은 전류 조절 방식으로 된다. 이러한 경우 전류량을 정확히 조절할 수 없는 문제점이 있었다.First, the current flowing in the channel region between the source and the drain eventually moves toward the sample to perform a write function, so that the write method in the sample becomes a current control method. In this case, there was a problem that the amount of current cannot be adjusted accurately.
둘째, 뾰족한 팁 영역에 국부적으로 전류가 계속 흐름으로써 탐침이 쉽게 마모되는 문제점이 있었다.Second, there is a problem that the probe is easily worn by the continuous current flow in the pointed tip area.
셋째, 소스와 드레인 사이에 흐르는 누설 전류를 막지 못한다면 항상 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류에 의하여 데이터 저장을 하는 시료에 원하지 않는 데이터를 기록하는 문제점이 있었다. Third, if the leakage current flowing between the source and the drain cannot be prevented, there is a problem in that unwanted data is always recorded in the sample storing data by the current flowing between the source and the drain.
따라서, 상기와 같은 문제점은 단일 탐침일 경우에는 별다른 문제를 발생하지 않을 수 있지만, 탐침 형태의 정보저장장치는 단일 탐침 형태로는 현재의 자기 방식의 속도를 따라 잡을 수 없으므로 병렬 방식을 사용해야 할 때 큰 문제를 갖는다. Therefore, the above problems may not cause any problems in the case of a single probe, but the information storage device in the form of a probe cannot catch up with the speed of the current magnetic method in the form of a single probe. Have a big problem.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원자력 현미경용 캔틸레버에 MOSFET를 내장시켜 정보의 읽기와 쓰기 동작이 구현할 수 있도록 하는 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages and problems of the prior art, it is possible to implement a read / write nuclear microscope cantilever to implement a read and write operation of information by embedding a MOSFET in the nuclear microscope cantilever It is an object of the present invention to provide.
본 발명의 상기 목적은 금속층, 제1 실리콘층, 산화막 및 제2 실리콘층이 순차적으로 적층된 캔틸레버 지지부; 상기 캔틸레버 지지부의 제2 실리콘층만이 연장되어 형성된 캔틸레버 아암부; 상기 캔틸레버 아암부의 제2 실리콘층에 형성된 탐침; 상기 탐침의 하부에 형성된 채널; 상기 탐침의 중심부로부터 소정 거리만큼 이격된 양 측면에 형성된 소스/드레인; 및 상기 소스/드레인 사이에 형성된 게이트를 포함하는 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버에 의해 달성된다.The object of the present invention is a cantilever support unit in which a metal layer, a first silicon layer, an oxide film and a second silicon layer are sequentially stacked; A cantilever arm portion formed by extending only a second silicon layer of the cantilever support portion; A probe formed on a second silicon layer of the cantilever arm portion; A channel formed at the bottom of the probe; Sources / drains formed on both sides spaced apart from the center of the probe by a predetermined distance; And a read / write capable atomic force microscope cantilever comprising a gate formed between the source / drain.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 원자력 현미경 캔틸레버를 나타내는 구성도이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 캔틸레버는 제1 실리콘층(100), 산화막(110), 제2 실리콘층(120)이 순차적으로 적층된 캔틸레버 지지부(130), 캔틸레버 지지부(130)의 제2 실리콘층(120)이 연장되어 형성된 캔틸레버 아암부(140), 캔틸레버 아암부(140)의 제2 실리콘층(120)에 형성된 탐침(150), 캔틸레버 지지부(130)에 형성된 금속층(160), 탐침(150)의 하부에 형성된 채널(170), 채널(170)의 좌우측에 형성된 소스(180)와 드레인(190) 및 소스(180)/드레인(190) 사이에 형성된 게이트(200)를 포함한다. 이는 금속층(160), 산화막(110), 제2 실리콘층(120)이 순차적으로 적층되어 있으므로 MOS 구조를 갖는다.1A and 1B are diagrams illustrating the atomic force microscope cantilever according to the present invention. As shown in FIGS. 1A and 1B, the cantilever of the present invention includes a
도 2는 본 발명에 따른 캔틸레버의 탐침 단면도이다. 도 2를 살펴보면, 탐침(150)의 하부에 채널(170)이 형성되어 있고, 채널(170)의 양측면에는 소스(180)와 드레인(190)이 각각 형성되어 있다. 즉, 소스(180), 드레인(190), 채널(170)과 탐침(150)이 포함되어 있으므로, 원자력 현미경용 FET 구조를 갖는다.2 is a cross-sectional view of a probe of a cantilever according to the present invention. Referring to FIG. 2, the
여기서, 소스(180)와 드레인(190)은 n형 불순물을 도핑하여 형성하는데, n형 불순물을 도핑하여 소스(180)와 드레인(190)을 형성하면, 채널(170)에는 p형 불순물이 도핑되야 한다.Here, the
이를 위해 미리 p형 불순물이 도핑된 제2 실리콘층을 사용하여 채널(170)을 마스크하고, 제2 실리콘층에 도핑된 불순물과 전도성이 다른 불순물을 하이 도핑하면, 소스(180)와 드레인(190)에는 n++의 상태가 된다.To this end, if the
상기와 같이 소스(180)와 드레인(190)을 n++ 불순물이 도핑된 영역으로 분리한 이유는 테라 비트급 탐침형 정보 저장기기에 적용하기 위하여 채널(170)의 폭을 100㎚ 이하로 해야 한다.The reason why the
도 3은 본 발명에 따른 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버를 나타내는 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 정보 읽기는 전하의 축적으로 기록된 기록매체에 원자력 현미경용 MOSFET 캔틸레버의 탐침을 접촉시켜, 소스(180)에 전압(Vs)을 인가하면, 탐침과 기록매체를 통하여 드레인(190)에 흐르는 전류(Id)를 읽어, 드레인(190)의 전류값으로 기록매체에 '1' 또는 '0'의 기록된 정보를 읽는다.Figure 3 is a block diagram showing a nuclear microscope cantilever capable of reading / writing according to the present invention. Referring to FIG. 3, in the information reading according to the present invention, when a probe of an atomic force microscope MOSFET cantilever is brought into contact with a recording medium recorded as a charge accumulation, and a voltage Vs is applied to the
또한, 본 발명에 의한 정보 쓰기는 기록매체에 원자력 현미경용 MOSFET 캔틸레버의 탐침을 접촉시키면, 게이트(200)의 금속층(160)에 전압(Vg)을 인가한다. 이때, 게이트(200)에 인가되는 전압(Vg)은 소스(180)와 드레인(190)의 불순물이 p형이면, +전압을 인가하고, 불순물이 n형이면, -전압을 인가하여, 채널(170)과 탐침을 통하여 기록매체에 전하를 축적하여, '1' 또는 '0'의 정보를 기록하게 된다. 금속층(160)은 금을 재질로 한다.In the information writing according to the present invention, when the probe of the atomic force microscope MOSFET cantilever is brought into contact with the recording medium, a voltage Vg is applied to the
따라서, 본 발명의 캔틸레버는 전류 조절 방식보다는 전압 조절 방식을 이용함으로써 안정적인 동작이 가능하고, 로컬 영역의 전하량이 매우 작아 드레인 영역 의 감도가 매우 크다.Therefore, the cantilever of the present invention can be stably operated by using the voltage regulation method rather than the current regulation method, and the sensitivity of the drain region is very high because the amount of charge in the local region is very small.
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.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
따라서, 본 발명의 읽기/쓰기가 가능한 원자력 현미경 캔틸레버는 원자력 현미경용 캔틸레버에 MOSFET를 내장함으로써, 유효 채널 길이가 100 nm 이하로 줄고 감도도 증대되어 읽기 기능이 향상됨과 동시에 안정적으로 쓰기 기능이 가능한 효과가 있다.Therefore, the read / write atomic microscope cantilever of the present invention has an effect that the effective channel length is reduced to 100 nm or less and the sensitivity is also increased by embedding a MOSFET in the nuclear microscope cantilever, thereby improving the reading function and stably writing function. There is.
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