KR100945278B1

KR100945278B1 - 나노패턴을 이용한 고성능 광프로브

Info

Publication number: KR100945278B1
Application number: KR1020080083543A
Authority: KR
Inventors: 최성수
Original assignee: 선문대학교 산학협력단; 최성수
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-12

Abstract

본 발명은 광프로브에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 프로브의 외부면에 나노 패턴이 형성된 광프로브 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광프로브는 돌출된 형태의 광출력면에 주기적인 나노 패턴이 형성되어 기존의 광 프로브의 투과율에 비해 월등히 향상된 투과율을 제공할 수 있다.

광프로브, 나노패턴

Description

나노패턴을 이용한 고성능 광프로브{HIGH PERFORMANCE NANOPATTERNED OPTICAL PROBE}

본 발명은 광프로브에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 프로브의 외부면에 나노 패턴이 형성된 광프로브 및 그 제조방법에 관한 것이다.

실리콘 반도체 기술의 발달은 나노 스케일(nano scale)의 기억 장치 개발을 가능하게 하였다. 이러한 기술의 발달은 최근 보고된 IBM-zurich 연구소의 P. Vettiger 연구단이 개발한 500gigabyte/inch2 기억 소자를 통해 접할 수 있다. 빠르게 변해가는 정보화 사회에 발맞추어 기억(memory) 용량도 테라(tera) 바이트 시대로 접어들고 있다. 이러한 기억소자들은 "읽고 쓰기(read and write)" 기술의 향상을 요구하고 있다. P. Vettiger 연구단이 개발한 500gigabyte/inch2의 용량을 읽고 쓰는 방법은 '캔틸레버 배열(cantilever array)'를 이용한 '열 확산에 의한 읽기 쓰기(thermal writing and reading)' 기술이다. 그러나 이런 열 확산방법에 의한 '읽기(reading)' 기술은 열 확산속도의 한계로 그 기술개발에 한계가 있다.

최근에는 이러한 기술의 한계를 극복하고자 근접장 광센서를 이용한 "읽기(reading)" 방식이 개발되고 있다. 이러한 근접장 광을 이용한 읽기 방식은 기존 의 열 확산방식에 의한 기술보다 속도 및 정밀도의 면에서 월등한 것으로 알려지고 있다.

상기 근접장 광센서는 기존의 광학적 분해능의 한계, 즉 '아베 한계(Abbe Limit)-λ/2'를 초과하는 현미경을 개발할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 살아있는 생물학적 세포(living cell), 즉 단백질 또는 DNA 등의 분자 상호간의 작용(interaction)을 연구할 수 있는 21세기의 최첨단 기술(state of art technology)이라 할 수 있다.

즉, 기존의 광학계에서는 반파장이하의 물체를 다룰 수 없는 한계를 지니고 있다. 빛의 회절로 인한 이러한 현상은 미세한 물체를 관찰하기 어렵다는 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 검침 또는 센서를 이용한 근접장 주사 현미경(near-field scanning optical microscopy;NSOM)을 이용하면 살아있는 생체분자를 물리화학적으로 측정할 수 있고 표면측정과 동시에 광신호 측정을 파장보다 매우 작은 수준에서 할 수 있는 것이다. 또한 이러한 광 검침 또는 센서는 전기적 접촉을 이용한 현재의 컴퓨터 연결소자를 광학적 소자로 이용할 수 있는 광학연결소자 즉 광학안테나 (optical antenna)로서 사용가능할 것이다.

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

상기 근접장 광센서의 단점은 광의 광도(intensity)가 보통 광섬유질로 만든 근접장 광센서의 경우 백만분의 일 정도로 줄어들면서 동시에 광의 에너지 분산에 의한 광섬유 센서 끝에 코팅된 박막이 녹는다는 것이 있다.

상기 근접장 광센서의 핵심부는 빛이 통과하는 구멍 즉, 나노 크기의 구멍(Nano-size aperture)이다. 종래 나노 크기의 구멍으로서 반도체 공정을 이용하여 기존의 AFM(Atomic Force Microscopy) 팁(tip) 끝 주위에 금속 구멍(metallic aperture)을 만들어주는 방법 등이 개시되어 있으나, 복잡하고 재현성이 낮으며 식각률을 조절하기가 어려워 정밀도가 낮다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 근접장 광센서는 입력된 광의 세기가 근접장 광으로 배출될 때 약 백만분의 일 정도로 그 세기가 약하게 되고, 이 때문에 발생되는 많은 열 때문에 광섬유를 이용하여 제작하는 알루미늄 박막으로 코팅된 근접장 광센서가 쉽게 녹는 단점이 있다.

또한, 종래의 광프로브는 섬유 광프로브(fiber optical probe) 또는 피라미달 프로브 형태이다. 피라미달 프로브가 섬유 광프로브의 광투과율 (10^-6)보다 훨씬 좋은 10^-3 정도 까지 투과율을 가지게 되었지만 그 값은 여전히 낮다고 할 수 있다. 이러한 낮은 투과율은 근접장의 영상 해상도의 향상을 저해하고 있으며 동시에 근접장 광을 이용한 단세포 생체분자의 광포획(optical trapping) 기술의 개발을 저해하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 프로브 주변에 주기적으로 나노 패턴을 형성하여 광파장보다 작은 구멍(subwavelength size aperture)를 통하여 나오는 광투과율을 향상시키는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 돌출된 광센서의 프로브의 정점을 중심으로 프로브의 경사면을 따라 광 출력면에 주기적으로 나노 패턴이 형성된 광프로브를 제공한다.

또한, 본 발명은, (a) 실리콘 웨이퍼의 앞면 및 뒷면에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 형성하는 단계, (b) 상기 실리콘 웨이퍼의 앞면에 형성된 실리콘 산화막과 실리콘 질화막에 패턴을 전사하고, 건식 식각을 통해 식각 마스크를 형성하는 단계, (c) 습식 식각을 통해 앞면의 실리콘 웨이퍼를 식각하여 골을 형성하는 단계, (d) 상기 골을 열산화하여 골 표면에 산화막을 형성하는 단계, (e) 상기 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 형성된 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 건식 식각을 통해 식각 마스크를 형성한 후, 습식 식각을 통해 뒷면의 실리콘 웨이퍼를 식각하여 돌출된 형태의 프로브를 형성하는 단계, (f) 상기 프로브의 정점에 나노 크기의 구멍 형성 및 상기 프로브 표면에 금속박막을 증착하는 단계, 및 (g) 상기 프로브의 구멍 입구 주위의 경사면에 나노 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 광프로브의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 광프로브는 돌출된 형태의 광출력면에 주기적인 나노 패턴이 형성되어 기존의 광 프로브의 투과율(10^-6 -10^-3)에 비해 월등히 향상된 투과율(최대 10³)을 제공할 수 있다.

특히, 피라미달 프로브에서 타원 형태의 나노 패턴 및 원뿔형 프로브에서 원 형태의 나노 패턴은 광의 보강 간섭의 동위상조건(equi-phase constructive interference)을 만족하여주어 광투과율을 향상시킨다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

상기 나노 패턴은 예를 들어, 도 2에 예시된 바와 같이, 프로브의 정점을 중심으로 형성되는 사각형, 원형, 또는 타원형의 주기적 나노 패턴을 포함할 수 있다.

상기 나노 패턴은 입사광 또는 전자파의 파장에 따라 달라질 수 있는데, 특별히 한정하는 것은 아니지만 적절한 출력광 세기를 얻기 위하여 15 내지 100 nm의 깊이 및 100 내지 500 nm의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 나노 패턴 간격은 공기와 접하는 금속표면의 표면 플라즈몬 파장의 반(λ_spp/2) 또는 그 이하의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 돌출된 광센서의 프로브의 정점에는 구멍(aperture)이 형성되어 있으며, 상기 구멍의 직경은 입사파장(λ)의 λ/10 내지 λ인 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 λ/4 내지 λ/2인 것이 바람직하다. 이와 같은 입사파장 이하의 직경은 구멍을 지나는 전자기파의 투과율을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 나노패턴이 형성된 광프로브의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 실리콘 산화막 및 상기 실리콘 질화막의 형성은, 특별히 한정하는 것은 아니지만 각각 열산화 방법(Thermal Oxidation) 또는 저압 화학 기상 증착(LPCVD)으로 행하는 것이 바람직하다.

상기 (c) 습식 식각을 통해 골을 형성하는 단계는 알칼리성 용액을 이용할 수 있다. 상기 골은 피라미드형의 사면체 구조이거나 원뿔형 구조일 수 있다. 상기 알칼리성 용액은 바람직하게는 유기 또는 무기 수산화물 수용액이고, 더욱 바람직하게는 테트라메틸 암모늄 히드록사이드(Tetra-methylammonium hydroxide, TMAH) 또는 KOH(potassium hydroxide) 수용액이다.

상기 (d) 상기 피라미드 골을 열산화하여 골 표면에 산화막을 형성하는 단계는 특별히 한정하는 것은 아니지만 900℃ 이상 1000℃ 이하에서 진행하는 것이 바람직하다.

상기 (e) 단계는 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 형성된 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 건식 식각을 통해 식각 마스크를 형성한 후, 알칼리성 용액을 이용하여 습식 식각을 행하는 것이 바람직하다.

상기 (f) 단계는 HF와 같은 산성용액을 사용하여 구멍을 형성한 후 금속박막을 증착하거나, 또는 금속 박막을 증착한 후 FIB를 이용하여 구멍을 형성할 수 있다. 산성용액을 사용하는 경우 상기 나노 크기의 구멍은 산성 용액의 농도와 시간에 따라 조절될 수 있다.

상기 금속박막은, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 금 및 은으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 단독 층이거나 상기 금속 층 사이에 절연체가 삽입된 다층형 구조인 것이 바람직하다.

상기 (g) 구멍 입구 주위의 경사면에 나노 패턴을 형성하는 단계는 이온집중빔(Focused Ion Beam, FIB)를 이용하여 형성될 수 있다. 상기 나노 패턴은 구멍을 중심으로 사각형, 원형 및 타원형으로 형성될 수 있다.

도 1의 (a) 내지 (f')는 본 발명의 나노 패턴이 형성된 광프로브의 제조방법의 일 실시상태의 개략적인 공정을 나타낸 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시상태를 상세히 설명한다.

먼저, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 앞면 및 뒷면(front and back side)에 열산화(Thermal Oxidation) 방법을 통해 실리콘 산화막(SiO₂)을 각각 형성한 후, 상기 형성된 각각의 실리콘 산화막(SiO₂) 위에 저압화학기상증착(LPCVD;Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 통해 실리콘 질화막(Si₃N₄)을 각각 형성한다.

이어, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 앞면에 형성된 실리콘 산화막(SiO₂)과 실리콘 질화막(Si₃N₄) 위에 포토 레지스터(PR)를 이용하여 건식 식각을 통해 식각 마스크를 형성한다. 상기 건식식각용 가스로는 CHF₃, CF₄, Ar이 사용될 수 있다.

상기 형성된 식각 마스크를 통해 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼를 속이 비어있는 피라미드 형태의 사면체 구조로 습식식각한다.

상기 습식 식각에는 테트라메틸암모늄히드록사이드 수용액 또는 KOH 수용액과 같은 알카리성 용액이 사용될 수 있다.

이어서, 상기 속이 비어있는 피라미드 형태 사면체를 도 1(d)에 도시된 바와 같은 일정 형상으로 열산화시켜 상기 식각된 실리콘 웨이퍼에 산화막을 형성한다.

이어서, 상기 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 형성된 실리콘 산화막(SiO₂)과 실리콘 질화막(Si₃N₄) 위에 건식 식각을 통해 식각 마스크를 형성한다. 상기 건식 식각용 가스로는 CHF₃, CF₄, Ar이 사용된다.

상기 형성된 식각 마스크를 통해 도 1(e)에 도시된 바와 같이, 속이 비어있는 피라미드 형태 사면체를 포함하는 실리콘 웨이퍼의 뒷면을 TMAH 용액과 같은 알카리성 용액을 사용하여 습식 식각을 통해 식각한 후, 도 1(f)에 도시된 바와 같이 스퍼터(sputter) 장비 또는 열증착 장비를 이용하여 금속박막을 증착한다.

이어서, 도 1(f')에 도시된 바와 같이, FIB를 이용하여 사면체의 정점에 나노 크기의 구멍을 생성한다.

마지막으로, 상기와 같이 형성된 피라미드 외부 경사면에 FIB를 이용하여 나노 패턴을 형성할 수 있다. FIB에 사용되는 이온으로는 한정하는 것은 아니지만 Ga이온을 사용하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 실시상태에 따른 이온 집중빔(FIB)으로 가공한 패턴 모양 을 나타낸 것이다. 상기 패턴은 피라미드 형태의 프로브 위에 형성된 나노구조물로써, 위에서 내려다 볼 때, 왼쪽부터 사각형, 원형, 타원형의 패턴이 형성되어 있다. 실제로는 피라미드 정점의 써브파장구멍에서 피라미드 옆면의 주기적 나노구조물까지의 거리는 타원형으로 제작된 경우에만 광학적으로 등거리에 있다. 정중앙 위에서 본 원형의 구조물은 실제로는 한정된 4 fold symmetry 만을 가지고 있다. 즉, 한 측면상에서의 정점과 나노 패턴과의 거리는 등거리가 아니다. 따라서 실제 광학적으로 등거리인 타원 패턴인 경우 완전한 동위상간섭효과를 가져 광 투과율을 향상 시킬 수 있다.

일반적으로 입사광의 광세기는 약 2 Milliwatt이고 촛점반경 약 3 micrometer 정도로 집중되고 구멍의 면적대비를 고려하면 100 nm 직경의 경우 2 milli-watt/area 이하가 되고 투과된 광세기는 나노와트(nanowatt) 정도의 크기로 감소한다. 그러나, 본 발명의 주기적 사각형(square), 원형(circular), 타원형(elliptic)의 나노패턴을 가진 피라미드형 프로브(검침)는 그 광세기가 현저하게 증가하며, 특히 타원형인 경우 아주 큰 값을 가지게 된다.

도 3은 5개의 등거리 타원형 그루브(groove)를 갖는 본 발명의 광프로브와 나노패턴을 형성하기 전의 광프로브의 구멍의 크기에 따른 투과율(transmittance)의 변화를 나타낸 것으로 본 발명의 나노패턴을 형성한 광프로브의 경우가 투과율이 약 1000배 정도 좋아진 것을 알 수 있다.

투과율(transmittance) = (Iout/Iinput) x (d²aperture/D²beam)

d : 구멍의 직경

D : 입사광의 직경(input beam diameter)

상기 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

이하는 본 발명의 근접장 광프로브에 따른 광세기를 보여주는 실시예이다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 하기 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위 및 그와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.

[실시예 1] 시료번호 SO6 BDP II #2-30-1, Hole -Up 12 (5 elliptic-type groove, 100nm width, 250 nm pitch, 100 nm depth)

나노패턴을 갖는 알루미늄 박막이 형성된 광프로브에 532 nm 입사파를 가진 Nd Yag 레이저(laser)를 도 4와 같이 입사하고 약 1-5 millimeter 떨어진 곳에서 nwatt 해상도를 가진 센서를 이용하여 출사 광을 측정한다. 입사광의 세기에 따른 출사광의 세기를 측정하고 표 1에 나타내었다.

[비교예 1]

실시예 1과 동일하게 하되 나노패턴이 없는 광프로브의 입사광의 세기에 따른 출사광의 세기를 측정하고 표 2에 나타내었다.

상기 실시예 1과 비교예 1의 결과를 비교하면 본 발명의 나노패턴을 갖는 광프로브의 경우가 나노패턴이 없는 경우에 비하여 투과율이 월등히 좋아진 것을 알 수 있다.

[실시예 2] 시료번호 SO6 BDP II #2-30-1, Hole -Up 11 (5 elliptic-type groove, 100nm width, 250 nm pitch, 100 nm depth)

532 nm 입사파를 가진 레이저를 도 4와 같이 입사하고 약 1-5 millimeter 떨어진 곳에서 nwatt 해상도를 가진 센서를 이용하여 출사광을 측정한다. 입사광의 세기에 따른 출사광의 세기를 측정하고 표 3에 나타내었다.

[비교예 2]

실시예 2와 동일하게 하되 나노패턴이 없는 광프로브의 입사광의 세기에 따른 출사광의 세기를 측정하고 표 4에 나타내었다.

상기 실시예 2와 비교예 2의 결과를 비교하면 본 발명의 나노패턴을 갖는 광프로브의 경우가 나노패턴이 없는 경우에 비하여 투과율이 월등히 좋아진 것을 알 수 있다.

[실시예 3] 패턴 간격에 따른 광세기

실시예 1과 같이 하되 패턴의 간격을 달리하여 출력광의 세기를 측정하여 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5에서 본 발명의 패턴 간격에 따른 측정된 광의 원거리세기(far-field intensity)의 의존도를 나타낸다. 본 실시예에서 공기와 금속(Al) 경계면에서 표면 플라즈몬 파장(λ_spp) 값이 519nm 이하임을 고려하면 패턴의 간격이 약 λ_spp/2 이하인 경우 광 세기가 아주 커짐을 보여주고 있다.

[실시예 4] 구멍 크기에 따른 광세기

532 nm 입사파를 가진 레이저를 이용하고, 패턴 width 100 nm, 패턴 주기 250 nm, 골 깊이 15-100 nm 정도의 5개의 타원형 패턴(grooved pattern)을 가진 프로브의 가운데 구멍의 직경을 변화시킬 때 구멍의 크기에 따른 광세기를 측정하고 그 결과를 도 6에 도시하였다. 이때 구멍의 크기가 입사파장의 반 (즉 입사파장 532nm의 반값 λ/2, 여기서 260 nm 정도) 이하 일 때 아주 큰 투과 값을 나타내고 있다. 이러한 현상은 구멍의 크기가 작아짐에 따라 구멍을 투과한 광중에서 피라미드 측면을 따라 뒤로 진행하는 파의 세기가 커지고, 따라서 피라미드 금속 측면에 형성된 나노패턴 형태와 상호작용의 크기가 늘어남에 의한 것이다.

도 1의 (a) 내지 (g)는 본 발명에 따른 나노 패턴이 형성된 근접장 광프로브의 제조방법의 일 실시상태의 개략적인 공정을 나타낸 것이다.

도 2는 이온 집중빔(FIB)으로 가공한 나노 패턴 모양을 나타낸 것이다.

도 3은 나노 패턴을 형성하기 전후의 구멍 크기에 따른 투과율을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 광프로브의 출사광의 세기를 측정하기 위한 장치의 개략도이다.

도 5는 원형 및 타원형의 나노 패턴의 간격에 따른 출력 광세기를 나타낸 것이다.

도 6은 구멍 크기에 따른 출력 광세기를 나타낸 것이다.

Claims

돌출된 광센서의 프로브의 정점을 중심으로 금속박막이 증착된 프로브의 외부 경사면을 따라, 광 출력면에 주기적으로 나노 패턴이 형성된 광프로브.
청구항 1에 있어서, 상기 돌출된 광센서의 프로브는 피라미드형 또는 원뿔형 구조인 것을 특징으로 하는 광프로브.
청구항 1에 있어서, 상기 나노 패턴은 위에서 본 형태가 사각형, 원형, 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 광프로브.
청구항 1에 있어서, 상기 나노 패턴은 15 내지 500 nm의 깊이, 1 내지 500 nm의 폭 및 공기와 접하는 금속표면의 표면 플라즈몬 파장의 반(λ_spp/2) 또는 그 이하의 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광프로브.
청구항 1에 있어서, 상기 프로브의 정점에는 직경이 입사파장(λ)의 λ/10 내지 λ인 구멍(aperture)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광프로브.
(a) 실리콘 웨이퍼의 앞면 및 뒷면에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 형성하는 단계,

(b) 상기 실리콘 웨이퍼의 앞면에 형성된 실리콘 산화막과 실리콘 질화막에 패턴을 전사하고, 건식 식각을 통해 식각 마스크를 형성하는 단계,

(c) 습식 식각을 통해 앞면의 실리콘 웨이퍼를 식각하여 골을 형성하는 단계,

(d) 상기 골을 열산화하여 골 표면에 산화막을 형성하는 단계,

(e) 상기 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 형성된 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 건식 식각을 통해 식각 마스크를 형성한 후, 습식 식각을 통해 뒷면의 실리콘 웨이퍼를 식각하여 돌출된 형태의 프로브를 형성하는 단계,

(f) 상기 프로브의 정점에 나노 크기의 구멍 형성 및 상기 프로브 표면에 금속박막을 증착하는 단계, 및

(g) 상기 프로브의 구멍 입구 주위의 외부 경사면에 나노 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 광프로브의 제조방법.
청구항 6에 있어서, 상기 (f) 단계는 산성용액을 사용하여 구멍을 형성한 후 금속박막을 증착하거나, 또는 금속 박막을 증착한 후 FIB를 이용하여 구멍을 형성하여 진행되는 것을 특징으로 하는 광프로브의 제조방법.
청구항 6에 있어서, 상기 금속박막은 알루미늄, 금 및 은으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 단독 층이거나 상기 금속 층 사이에 절연체가 삽입된 다층형 구조인 것을 특징으로 하는 광프로브의 제조방법.