KR101109182B1 - 주사 탐침 현미경에 사용되는 탐침의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

주사 탐침 현미경에 사용되는 탐침을 제조하는 방법은 (a) 상면에 상기 탐침 팁 및 상기 캔틸레버를 정의하는 부분이 돌출된 (111) 일반 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계, (b) 상기 실리콘 웨이퍼의 상하면 전체에 보호막을 형성하는 단계, (c) 상기 실리콘 웨이퍼의 상면에 상기 캔틸레버 및 상기 탐침 몸체를 정의하는 마스크 층을 형성하는 단계, (d) 상기 마스크 층을 이용하여 상기 보호막 및 상기 실리콘 웨이퍼를 건식 식각하여 상기 캔틸레버의 더미 패턴 및 상기 탐침 몸체를 형성하는 단계, (e) 상기 캔틸레버의 더미 패턴을 식각하여 상기 캔틸레버를 형성하는 단계 및 (f) 상기 보호막을 제거하는 단계를 포함한다.
탐침 팁, 캔틸레버, (111) 실리콘 웨이퍼

Description

주사 탐침 현미경에 사용되는 탐침의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING PROBE FOR USE IN SCANNING PROBE MICROSCOPE}
본 발명은 주사 탐침 현미경(SPM: Scanning Probe Microscope)을 위한 탐침의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 (111) 단결정 실리콘을 이용한 탐침의 제조 방법에 관한 것이다.
주사 탐침 현미경은 시료의 표면을 탐침(probe)으로 스캐닝함으로써 동작하며, 탐침은 일반적으로 탐침 몸체(probe body), 탐침 몸체에 연결된 캔틸레버(cantilever) 및 캔틸레버의 한쪽 끝에 부착된 탐침 팁(probe tip)으로 구성된다. 도 1은 주사 탐침 현미경의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(120)에 부착된 탐침 팁(110)이 시료(130)의 표면을 스캐닝하면, 탐침 팁(110)과 시료(130)의 상호 작용이 탐지되고, 탐지된 결과는 영상으로 변환된다.
구체적으로, 캔틸레버(120)의 상부 면에 광원(150)으로부터 생성된 레이저 광이 조사된다. 그리고, 탐침 팁(110)이 시료(130)의 표면의 굴곡에 따라 상하로 움직이면, 이에 따라 캔틸레버(120)의 상부면에 조사되는 레이저 광과 시료(130)로 부터 반사되는 레이저 광이 이루는 반사각이 변화하게 된다. 따라서, 반사되는 레이저 광이 진행하는 방향에 위치한 위치 감지 탐지기(position-sensitive detector)(140)가 반사되는 레이저 광의 움직임을 감지하여, 감지된 결과를 영상으로 변환한다.
이러한 주사 탐침 현미경의 성능은 탐침 팁(110)의 특성에 의해 크게 좌우된다. 탐침 팁(110)의 특성은 탐침 팁의 높이, 탐침 팁의 끝부분의 반지름(tip radius), 탐침 팁의 종횡비(aspect ratio) 등으로 평가될 수 있다. 특히, 탐침 팁의 종횡비는 주사 탐침 현미경의 분해능(detection resolution)을 결정하는 데 있어서 매우 중요한 특징이다.
도 2a는 종횡비가 작은 탐침 팁(110)의 일례를 도시한 도면이고, 도 2b는 종횡비가 큰 탐침 팁(110)의 일례를 도시한 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 종횡비가 작은 탐침 팁(110)을 이용하여 시료(130)의 표면의 굴곡을 주사하여 그 결과를 영상으로 변환하는 경우에는, 시료(130)의 표면의 굴곡을 영상으로 정확하게 표현할 수 없게 된다.
반면에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 종횡비가 큰 탐침 팁(110)을 이용하여 시료(130)의 표면을 영상으로 변환하는 경우에는, 비교적 정확한 영상 표현이 가능하다.
따라서, 탐침 팁(110)의 종횡비가 크면 클수록 그 만큼 시료(130)의 표면의 굴곡을 영상으로 정확하게 표현할 수 있게 된다.
한편, 미국 특허 제5,021,364호에 개시된 바와 같이, 종래의 탐침 팁은 대부 분 (100) 단결정 실리콘의 (100) 결정면을 습식 식각 공정이나 등방성 건식 식각 공정에 의해 식각하여 제작하였다. 그러나, 이러한 공정을 이용할 경우 결정학적으로 높은 종횡비를 갖는 실리콘 탐침을 얻는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.
도 3a는 미국 특허 제5,021,364호에 개시된 (100) 단결정 실리콘을 이용하여 제조한 탐침 팁을 도시한 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, (100) 단결정 실리콘을 이용하여 탐침 팁을 제작하는 경우에는 캔틸레버의 (100) 면과 탐침 팁의 (111) 면이 결정학적으로 단지 54.7°의 각도를 이루게 된다.
한편, 도 3b는 본 발명을 통해 구현하고자 하는 (111) 단결정 실리콘을 이용하여 제조한 탐침 팁을 도시한 도면이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, (111) 단결정 실리콘을 이용하여 탐침을 제작하는 경우에는 캔틸레버의 (111) 면과 탐침 팁의 (111) 면이 결정학적으로 70.5°의 각도를 이루기 때문에, (100) 단결정 실리콘을 이용하는 경우보다 상대적으로 종횡비가 큰 탐침을 제작할 수 있다. 이에 대해서는 도 3c 및 도 3d를 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.
도 4a는 (111) 실리콘 웨이퍼의 결정 방향을 나타내는 도면이고, 도 4b는 AB 방향으로 절단했을 때의 결정면을 나타내는 도면이다. 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 표면 결정 방향이 (111)인 실리콘 웨이퍼의 플랫존(flat zone) 방향을 [1-10]으로 정하면, 또 다른 (111) 실리콘 결정면들이 웨이퍼 표면과 19.5°를 이루면서 존재한다. 본 발명에서는 이러한 (111) 면이 팁의 경사면을 형성하도록 하여 높은 종횡비를 가지는 팁을 제조하고자 한다.
또한, (100) 실리콘 웨이퍼를 사용하여 캔틸레버를 제작하는 방법은 미국 특 허 제5,021,364호에 개시되어 있는 바와 같이, 원하는 두께의 캔틸레버를 만들기 위해 실리콘 웨이퍼 표면부에 불순물을 도핑하여 P-N 정션을 형성하고 전기화학적 방법으로 실리콘을 습식 식각하여 식각 정지(etch stop)를 행하여야 한다.
또한, (100) 실리콘 웨이퍼를 사용하여 캔티레버를 형성하는 다른 방법으로는 미국 특허 제5,811,017호에 개시되어 있는 바와 같이, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 사용하는 것을 들 수 있다. SOI 웨이퍼는 절연막으로 두 장의 웨이퍼를 접합시킨 웨이퍼로 캔틸레버 형성시 절연막이 식각 정지층의 역할을 할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다.
그러나, SOI 웨이퍼는 가격이 일반 웨이퍼에 비해 10배 이상 비싸기 때문에, SOI 웨이퍼를 이용하여 탐침을 제작하는 경우 제조 비용이 증가한다고 하는 문제점이 있다.
더욱이, SOI 웨이퍼를 사용하는 경우, SOI 웨이퍼의 디바이스 층(절연막의 상부에 위치하는 실리콘 층)의 두께에 의해 탐침의 캔틸레버의 두께가 결정되므로, SOI 웨이퍼의 가공 상태가 캔틸레버의 두께에 영향을 줄 수 있다.
다시 말하면, 일반적으로 SOI 웨이퍼의 디바이스 층의 두께는 SOI 웨이퍼의 가공 과정에서 오차를 가지게 되는데, 디바이스 층의 두께에 오차가 생기면, 결국 탐침의 캔틸레버의 두께에도 오차가 발생하게 된다.
따라서, 저렴한 일반 실리콘 웨이퍼를 사용하면서, 치수 정밀도가 높으며, 결정학적으로 높은 종횡비를 갖는 주사 탐침 현미경용 탐침의 기술 개발이 절실히 요망되는 상황이다.
본 발명의 일부 실시예들은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, (111) 실리콘 웨이퍼를 이용하여 결정학적으로 높은 종횡비를 갖는 주사 탐침 현미경용 탐침 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명의 일부 실시예들은 SOI 웨이퍼를 이용하지 않고 일반 실리콘 웨이퍼를 이용하여 저렴하고 치수 정밀도가 높은 주사 탐침 현미경용 탐침 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은 주사 탐침 현미경에 사용되는 탐침을 제조하는 방법에 있어서, 상기 탐침은 탐침 팁, 캔틸레버 및 탐침 몸체를 포함하고, (a) 상면에 상기 탐침 팁 및 상기 캔틸레버를 정의하는 부분이 돌출된 (111) 일반 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계, (b) 상기 실리콘 웨이퍼의 상하면 전체에 보호막을 형성하는 단계, (c) 상기 실리콘 웨이퍼의 상면에 상기 캔틸레버 및 상기 탐침 몸체를 정의하는 마스크 층을 형성하는 단계, (d) 상기 마스크 층을 이용하여 상기 보호막 및 상기 실리콘 웨이퍼를 건식 식각하여 상기 캔틸레버의 더미 패턴 및 상기 탐침 몸체를 형성하는 단계, (e) 상기 캔틸레버의 더미 패턴을 식각하여 상기 캔틸레버를 형성하는 단계 및 (f) 상기 보호막을 제거하는 단계를 포함하되, 상기 (d) 단계에서 상기 건식 식각은 상기 캔틸레버가 형성되는 위치로부터 상기 더미 패턴이 형성되는 위치로 수행하는 것인 탐침 제조 방법을 제공한다.
상기 보호막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 (b) 단계 이후에 추가 보호막을 형성하는 단계, 상기 (e) 단계 이후에 상기 추가 보호막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 보호막은 실리콘 산화막이며, 상기 추가 보호막은 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 (d) 단계는 DRIE 공정을 이용해 수행할 수 있다.
상기 (e) 단계는 습식 식각 공정을 이용해 수행할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단의 일부 실시예 중 하나에 의하면, (111) 실리콘 웨이퍼를 이용하여 결정학적으로 높은 종횡비를 갖는 주사 탐침 현미경용 탐침을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예들은 SOI 웨이퍼를 이용하지 않고 일반 실리콘 웨이퍼를 이용하여 저렴하고 치수 정밀도가 높은 주사 탐침 현미경용 탐침을 제조할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재와 “상에” 또는 “하에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 "일반 실리콘 웨이퍼"라고 함은 SOI 웨이퍼가 아닌 단결정 실리콘 웨이퍼를 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 탐침 현미경용 탐침을 도시한 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침은 탐침 몸체(430), 탐침 몸체의 한쪽 면에 돌출되어 형성된 캔틸레버(420) 및 캔틸레버(420)의 한쪽 끝에 형성된 탐침 팁(410)을 포함한다.
이하에서는 도 6a 내지 도 7i를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다.
우선 도 6a 내지 도 6r을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁의 제조 방법을 설명한다.
우선, 도 6a 내지 도 6i를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐 침 팁을 형성하는 일 과정을 설명한다.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁을 형성하는 일 과정을 도시한 수순도이다.
먼저, 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, (111) 실리콘 웨이퍼(500) 상에 추후에 실행될 실리콘 건식 식각 공정에서 하드 마스크(hard mask)로 작용할 산화막(510)을 형성한다.
산화막(510)은 본 발명의 일 실시예에 따른 탑칩 팁을 규정하는 것으로서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(500)의 상부면으로부터 보았을 때, 삼각형의 형상을 가진다. 산화막(510)의 두께는 추후에 수행될 DRIE(deep silicon reactive ion etching) 공정을 견딜 수 있을 만큼 충분히 두꺼워야 한다. 예를 들어, 산화막(510)의 두께는 1 ㎛ 이상이 되는 것이 바람직하다.
도 6a에서, 산화막(510)은 예를 들어 다음과 같은 공정을 수행하여 증착될 수 있다. 즉, 습식 열화 산화막을 H2O 분위기에서 화학 기상 방법으로 증착한 후, 추후에 형성될 탐침 팁 부분을 규정하기 위한 포토리소그래피 공정을 수행한다. 다음으로, 플라즈마를 이용한 산화막 건식 식각 장비를 이용하여 산화막을 패터닝한 후, 남아있는 감광막을 O2 플라즈마 방법이나 황산과 과산화수소 혼합 용액을 이용하여 제거한다.
다음에 도 6b에 도시되어 있는 바와 같이, 소정의 패턴을 갖는 포토레지스트 층(520)을 실리콘 웨이퍼(500) 상에 형성한다. 포토레지스트 층(520)은 삼각형 형 상의 산화막(510)의 이등변의 주변을 개구하도록 포토리소그래피 공정에 의해 패터닝된다.
다음에 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이, 산화막(510) 및 포토레지스트 층(520)을 마스크로 하여 실리콘 웨이퍼(500)를 건식 식각 공정, 예컨대, DRIE 공정에 의해 식각하여, 트렌치(530)를 형성한다.
DRIE 공정은 예컨대 다음과 같이 수행될 수 있다. 5초간의 폴리머 증착 단계, 3초간의 폴리머 식각 단계, 5초간의 실리콘 식각 단계를 순서대로 수행하며, 여기서, 실리콘 식각 단계는 SF6 가스의 분위기에서 이루어진다.
다음에 도 6d에 도시되어 있는 바와 같이, 포토레지스트 층(520)을 제거한다. 예컨대, O2 플라즈마 방법이나 황산과 과산화수소 혼합 용액을 이용하여 포토레지스 층(520)을 제거할 수 있다.
다음에 도 6e에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(500)의 상하면 전체에 보호막(540)을 형성한다. 보호막(540)은 실리콘 웨이퍼(500), 산화막(510)뿐만 아니라 트렌치(530)의 측벽 상에도 형성된다. 특히, 삼각형 형상의 산화막(510)의 이등변 아래에 형성된 양 측벽에 보호막(540)이 형성되는 것이 중요하다. 상기 측벽 상에 형성된 보호막은 추후 행해지는 습식 식각 공정시, 탐침 팁을 이루는 2개의 수직면이 식각되지 않도록 한다. 본 공정에서, 보호막(540)은 습식 열화 산화막(thermal oxide film) 또는 실리콘 질화막일 수 있다. 예를 들어, 습식 열화 산화막을 1000 ℃에서 H2O 분위기에서 성장시켜서 형성된다.
다음에 도 6f에 도시되어 있는 바와 같이, 건식 식각 공정을 이용하여 실리콘 웨이퍼(500)의 상부면에 있는 보호막(540)을 제거한 후, 산화막(510)을 마스크로 하여 DRIE 공정에 의해 수직 방향으로 실리콘 웨이퍼(500)를 식각한다. 이에 의해, 실리콘 웨이퍼(500)의 상부면에 삼각형 형상의 산화막(510)이 덮여 있는 삼각 기둥이 형성된다.
이 때, 보호막(540)을 제거하는 건식 식각 공정은 트렌치(530)의 측벽 상에 형성된 보호막(540)이 식각되지 않도록 플라즈마에 실리콘 웨이퍼 방향으로 바이어스를 인가하여 수행한다.
다음에 도 6g에 도시되어 있는 바와 같이, 산화막(510) 및 산화막(510)의 측면에 형성된 보호막(540)을 건식 식각 공정에 의해 제거한다.
따라서, 상기한 바와 같은 공정에 의해 (111) 일반 실리콘 웨이퍼(500)가 패터닝됨으로써 그 상부면에 삼각 기둥이 형성되고, 이 삼각 기둥의 두 측벽에는 보호막이 형성된다. 삼각 기둥의 밑면과 윗면은, 예를 들어, 이등변 삼각형일 수 있으며, 그 밑면과 측면이 반드시 수직을 이룰 필요는 없고, 실질적으로 수직을 이루는 형태이면 충분하다.
다음에 도 6h에 도시되어 있는 바와 같이, 습식 식각 공정을 통해 실리콘 웨이퍼(500)를 식각함으로써 탐침 팁(550)을 형성한다. 본 공정에서는, 실리콘 웨이퍼(500) 중에서 캔틸레버가 형성되는 부분의 상부면이 식각 액에 노출되지만, 그 면은 (111) 단결정 실리콘의 (111) 면이기 때문에, 다른 결정면에 비해 50배에서 100배 정도 식각 속도가 느리다. 반면에, 실리콘 웨이퍼(500) 중에서 탐침 팁(550)이 형성되는 부분에 있어서는 탐침 팁(550)의 (111) 면(도 6h에서의 경사면)까지 식각이 진행된다. 이 때, 삼각형 형상의 산화막(510)의 이등변에 형성된 양 측벽에만 보호막(540)이 형성되어 있으므로, 보호막이 형성되어 있지 않은 면에서 서서히 식각되어 탐침 팁(550)의 (111) 면까지 식각된다. 습식 식각은 실리콘을 식각시킬 수 있는 조건의 알칼리 용액인 KOH 용액 또는 TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액을 사용하여 수행될 수 있다. 즉, 예를 들어, 44 wt%의 KOH (potassium hydroxide) 용액을 사용하여 65°의 온도에서 습식 식각이 수행될 수 있다. 위 조건은 (111) 면의 식각률이 가장 낮은 용액 조건으로서, 이 조건 하에서 습식 식각 공정이 20 내지 25분 동안 행하여진다. 아울러, 습식 식각 공정에 사용되는 KOH 용액에 이소프로필 알코올이 첨가될 수 있다. 이는 습식 식각시 발생하는 수소 기포가 식각 대상 구조물의 표면에 남아 있어 식각 공정의 진행을 방해하는 것을 방지하기 위함이다.
따라서, 상기한 바와 같은 공정에 의해 (111) 실리콘 웨이퍼(500)의 상부면에 형성된 삼각 기둥이 삼각 뿔 형태의 탐침 팁으로서 형성될 수 있다.
다음에 도 6i에 도시되어 있는 바와 같이, 보호막(540)을 제거하면 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탐침 팁(550)이 최종적으로 형성된다. 본 공정은, 예를 들어, 버퍼 산화 식각 용액 (BOE : Buffered Oxide Etchant) 또는 플루오르화 수소(HF) 혼합 용액을 이용하여 수행될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁을 형성하는 일 과정에 의해 실리콘 웨이퍼(500) 상에 탐침 팁이 형성된다.
다음, 도 6j 내지 도 6r를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁을 형성하는 다른 과정을 설명한다.
도 6j 내지 도 6r는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁을 형성하는 다른 과정을 도시한 수순도이다.
먼저, 도 6j에 도시되어 있는 바와 같이, (111) 실리콘 웨이퍼(600) 상에 추후에 실행될 실리콘 건식 식각 공정에서 하드 마스크(hard mask)로 작용할 산화막(610)을 형성한다.
산화막(610)은 본 발명의 일 실시예에 따른 탑칩 팁을 규정하는 것으로서, 도 6j에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(600)의 상부면으로부터 보았을 때, 삼각형의 형상을 가진다. 산화막(610)의 두께는 추후에 수행될 DRIE 공정을 견딜 수 있을 만큼 충분히 두꺼워야 한다. 예를 들어, 산화막(610)의 두께는 1 ㎛ 이상이 되는 것이 바람직하다.
다음에 도 6k에 도시되어 있는 바와 같이, 산화막(610)을 마스크로 하여 실리콘 웨이퍼(600)를 건식 식각 공정, 예컨대, DRIE 공정에 의해 식각한다. 이에 의해, 실리콘 웨이퍼(600)의 상부면에 삼각형 형상의 산화막(610)이 덮여 있는 삼각 기둥이 형성된다. DRIE 공정은 예컨대 다음과 같이 수행될 수 있다. 5초간의 폴리머 증착 단계, 3초간의 폴리머 식각 단계, 5초간의 실리콘 식각 단계를 순서대로 수행하며, 여기서, 실리콘 식각 단계는 SF6 가스의 분위기에서 이루어진다.
다음에 도 6l에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(600)의 상하면 전체에 보호막(620)을 형성한다. 보호막(620)은 실리콘 웨이퍼(600), 산화막(610)뿐만 아니라 삼각형 형상의 산화막(610) 아래에 형성된 3개의 측벽, 즉, 삼각 기둥의 측벽 상에도 형성된다. 본 공정에서, 보호막(620)은 습식 열화 산화막(thermal oxide film) 또는 실리콘 질화막일 수 있다. 예를 들어, 습식 열화 산화막을 1000 ℃에서 H2O 분위기에서 성장시켜서 형성된다.
다음에 도 6m에 도시되어 있는 바와 같이, 소정의 패턴을 갖는 두꺼운 포토레지스트 층(630)을 보호막(620) 상에 형성한다. 포토레지스트 층(630)은 삼각형 형상의 산화막(610)의 밑변의 주변을 개구하도록 포토리소그래피 공정에 의해 패터닝된다. 포토레지스트 층(630)은 상기 삼각 기둥을 덮을 수 있을 정도로 충분이 두꺼워야 한다.
다음에 도 6n에 도시되어 있는 바와 같이, 포토레지스트 층(630)을 마스크로 하여 습식 식각 공정에 의해 포토레지스트 층(630)의 패턴에 의해 노출되어 있던 보호막(620)의 일부를 제거한다. 본 공정은 습식 식각 공정에 의해 행하여지므로, 노출된 실리콘 웨이퍼(600) 상의 보호막(620)뿐만 아니라 삼각형 형상의 산화막(610)의 밑변에 형성된 측벽 상의 보호막(620)도 식각된다. 이 때 습식 식각 공정은 포토레지스트 층에 아무런 영향을 주지 않는 버퍼 산화막 식각 용액(BOE)을 사용한다.
다음에 도 6o에 도시되어 있는 바와 같이, 포토레지스트 층(630)을 제거한 다. 포토레지스트 층(630)은 예컨대, O2 플라즈마 방법이나 황산과 과산화수소 혼합 용액을 이용하여 제거될 수 있다.
다음에 도 6p에 도시되어 있는 바와 같이, 산화막(610)의 상부 표면과 측면에 형성된 보호막(620), 및 산화막(610)을 건식 식각 공정에 의해 제거한다.
따라서, 상기한 바와 같은 공정에 의해 (111) 일반 실리콘 웨이퍼(600)가 패터닝됨으로써 그 상부면에 삼각 기둥이 형성되고, 이 삼각 기둥의 두 측벽에는 보호막이 형성된다. 삼각 기둥의 밑면과 윗면은, 예를 들어, 이등변 삼각형일 수 있으며, 그 밑면과 측면이 반드시 수직을 이룰 필요는 없고, 실질적으로 수직을 이루는 형태이면 충분하다.
다음에 도 6q에 도시되어 있는 바와 같이, 습식 식각 공정에 의해 실리콘 웨이퍼(600)를 식각함으로써 탐침 팁(640)을 형성한다. 본 공정에서는, 실리콘 웨이퍼(600) 중에서 캔틸레버가 형성되는 부분의 상부면이 식각 액에 노출되지만, 그 면은 (111) 단결정 실리콘의 (111) 면이기 때문에, 다른 결정면에 비해 50배에서 100배 정도 식각 속도가 느리다. 반면에, 실리콘 웨이퍼(600) 중에서 탐침 팁(640)이 형성되는 부분에 있어서는 탐침 팁(640)의 (111) 면(도 6q에서의 경사면)까지 식각이 진행된다. 이 때, 삼각형 형상의 산화막(610)의 이등변에 형성된 양 측벽에만 보호막(620)이 형성되어 있으므로, 보호막이 형성되어 있지 않은 면에서 서서히 식각되어 탐침 팁(640)의 (111) 면까지 식각된다. 습식 식각은 실리콘을 식각시킬 수 있는 조건의 알칼리 용액인 KOH 용액 또는 TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액을 사용하여 수행될 수 있다. 즉, 예를 들어, 44 wt%의 KOH (potassium hydroxide) 용액을 사용하여 65℃의 온도에서 습식 식각이 수행될 수 있다. 위 조건은 (111) 면의 식각률이 가장 낮은 용액조건으로서, 이 조건 하에서 습식 식각 공정이 20 내지 25분 동안 행하여진다. 아울러, 습식 식각 공정에 사용되는 KOH 용액에 이소프로필 알코올이 첨가될 수 있다. 이는 습식 식각시 발생하는 수소 기포가 식각 대상 구조물의 표면에 남아 있어 식각 공정의 진행을 방해하는 것을 방지하기 위함이다.
따라서, 상기한 바와 같은 공정에 의해 (111) 실리콘 웨이퍼(600)의 상부면에 형성된 삼각 기둥이 삼각 뿔 형태의 탐침 팁으로서 형성될 수 있다.
다음에 도 6r에 도시되어 있는 바와 같이, 보호막(620)을 제거하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탐침 팁(640)이 최종적으로 형성된다. 본 공정은 버퍼 산화 식각 용액 (BOE) 또는 플루오르화 수소(HF) 혼합 용액을 이용하여 수행될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁을 형성하는 일 과정에 의해 실리콘 웨이퍼(600) 상에 탐침 팁이 형성된다.
다음, 도 7a 내지 도 7i를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 캔틸레버 및 탐침 몸체의 제조 방법을 설명한다.
도 7a 내지 도 7i는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 캔틸레버 및 탐침 몸체를 형성하는 과정을 도시한 수순도이다.
먼저, 도 7a에 도시되어 있는 바와 같이, (111) 실리콘 웨이퍼(700) 상에 탐침 팁(710)을 덮도록 소정의 패턴을 갖는 제 1 마스크층(720)을 형성한다. 제 1 마스크 층(720)은 캔틸레버의 폭과 길이를 결정하도록 패터닝된다. 또한, 제 1 마스크 층(720)은 추후에 실행될 DRIE 공정시 탐침 팁(710)을 보호할 수 정도의 충분한 두께로 형성된다. 제 1 마스크 층(720)은 포토레지스트 물질을 포함하는 포토레지스트 층일 수 있다.
다음에 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 마스크 층(720)을 마스크로 하여 DRIE 공정에 의해 실리콘 웨이퍼(700)를 식각한다. 이 때, DRIE 공정에 의한 식각 정도에 의해 캔틸레버의 두께가 결정되므로, DRIE 속도를 측정하여 캔틸레버의 두께만큼 실리콘 웨이퍼(700)를 식각한다.
이상과 같이 캔틸레버의 두께만큼 실리콘 웨이퍼(700)가 식각됨으로써, 상면에 탐침 팁(710) 및 캔틸레버를 정의하는 부분이 돌출된 (111) 일반 실리콘 웨이퍼가 형성된다.
다음에 도 7c에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 마스크 층(720)을 제거한다. 제 1 마스크 층(720)은 예컨대, O₂ 플라즈마 방법이나 황산과 과산화수소 혼합 용액을 이용하여 제거될 수 있다.
다음에 도 7d에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(700)의 상하면 전체에 보호막(730)을 형성한다. 보호막(730)은 습식 열화 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다. 예를 들어, 습식 열화 산화막을 1000℃에서 H2O 분위기에서 성장시 켜서 형성한다. 또한, 실리콘 산화는 탐침 팁을 더욱 첨예하게 할 수 있으므로,
습식 열화 산화막(730)을 형성한 후에 추가적으로 실리콘 질화막을 보호막(740)으로서 형성할 수 있다.
다음에 도 7e에 도시되어 있는 바와 같이, 소정의 패턴을 갖는 제 2 마스크 층(760)을 탐침 팁(710)이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼(700)의 상부 측의 보호막(730, 740) 상에 형성한다.
도 7f는 제 2 마스크 층(760)이 형성된 실리콘 웨이퍼(700)를 그 상부 측에서 바라 본 도면이다.
도 7f에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 마스크 층(760)은 탐침 몸체를 규정하도록 패터닝되며, 또한, 추후에 행하여지는 습식 식각 공정에 의해 식각될 캔틸레버의 더미 패턴을 규정하도록 패터닝된다. 즉, 도 7e 및 도f에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(700)의 상면에 캔틸레버 및 탐침 몸체를 정의하는 제 2 마스크 층(760)을 형성한다. 이 때, 제 2 마스크 층(760)을 마스크로서 이용한 건식 식각 공정을 이용하여 실리콘 웨이퍼(700)의 상면 측에 노출되어 위치한 보호막(730, 740)을 제거한다.
다음에 도 7g에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 마스크 층(760)을 마스크로 하여 DRIE 공정에 의해 실리콘 웨이퍼(700)를 식각한다. 이에 따라 탐침 몸체가 형성되며, 또한, 캔틸레버의 하부측에 캔틸레버의 더미 패턴이 형성된다. 이 때, DRIE 공정을 이용한 식각 방향은 실리콘 웨이퍼(700) 상에서 캔틸레버가 형성되는 위치로부터 더미 패턴이 형성되는 위치로 수행한다. 즉, 실리콘 웨이퍼(700)의 상 면으로부터 하면으로 건식 식각을 수행한다. 상기와 같은 식각의 방향에 대한 한정 이유는 후술한다.
다음에 도 7h에 도시되어 있는 바와 같이, 습식 식각 공정에 의해 캔틸레버의 더미 패턴을 식각함으로써, 캔틸레버를 형성한다. 본 공정에서는, 제 2 마스크 층(760)을 이용한 실리콘 웨이퍼(700)의 식각에 의해 더미 패턴의 상하부 면에만 보호막(730, 740)이 형성되어 있을 뿐, 더미 패턴의 양 측면에는 보호막(730, 740)이 형성되어 있지 않으므로, 더미 패턴의 양 측면으로부터 중앙쪽으로 서서히 식각되어, 결국 더미 패턴 전체가 제거된다. 다시 말해, (111) 실리콘 웨이퍼는 습식 식각 공정에 의해 (111) 방향으로 식각이 잘 되지 않으므로, (111) 방향이 아닌 다른 방향, 즉, 더미 패턴의 양 측면으로부터 중앙쪽으로 식각을 진행하여, (111) 면에 해당하는 캔틸레버의 밑면을 노출시킨다.
다음에 도 7i에 도시되어 있는 바와 같이, 보호막(730, 740)을 제거하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침이 최종적으로 형성된다. 예컨대, 산화막(730)은 버퍼 산화 식각 용액 (BOE) 또는 플루오르화 수소(HF) 혼합 용액을 이용한 습식 식각 공정에 의해 제거될 수 있으며, 질화막(740)은 버퍼 산화 식각 용액 (BOE) 또는 플루오르화 수소(HF) 혼합 용액 또는 인산(H2PO4) 용액을 이용한 습식 식각 공정에 의해 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 제조 방법에 따르면, 도 7i에 도시되어 있는 바와 같이, 탐침 팁에 형성된 경사면과 동일한 각도의 경사면이 탐침 몸체에 형성된다. 이것은 (111) 실리콘 웨이퍼에서의 (111) 면에 해당하는 것으로, 상기 캔틸레버의 더미 패턴을 습식 식각 공정에 의해 제거할 때, 탐침 몸체에 노출되는 결정면이다. 이러한 경사면은 주사 탐침 현미경의 동작시, 광원으로부터 조사된 레이저 광이 탐침의 캔틸레버에 도달되는 것을 탐침 몸체가 방해하지 않도록 한다.
또한, 탐침을 제조하기 위한 제 1 마스크 층(720) 및 제 2 마스크 층(760)이 탐침 팁(710)이 형성된 실리콘 웨이퍼(700)의 상부면에서만 형성되기 때문에, 탐침 팁(710)을 얼라인 키(align key)로서 사용하여 실리콘 웨이퍼(700)에 대하여 제 1 마스크 층(720) 및 제 2 마스크 층(760)을 정확히 형성할 수 있다. 즉, 탐침을 형성하기 위하여 사용되는 제 1 마스크 층(720) 및 제 2 마스크 층(760)이 탐침 팁(710)을 기준으로 실리콘 웨이퍼(700) 상의 정확한 위치에 형성됨으로써, 제 1 마스크층(720) 및 제 2 마스크 층(760)의 오 형성에 의하여 발생될 수 있는 탐침 제조 불량이 방지된다.
또한, 만일 제 2 마스크 층(760)을 탐침 팁(710)이 형성된 실리콘 웨이퍼(700)의 상부면과 대향하는 하부면에 형성할 경우, 제조 공정 시 발생할 수 있는 탐침 팁(710)의 파손을 원천적으로 방지한다.
한편, 도 8 내지 도 10을 참조하여 캔틸레버 및 더미 패턴을 형성할 때, 실리콘 웨이퍼(700)의 상면으로부터 하면으로 건식 식각을 수행하는 이유에 대하여 자세히 설명한다.
도 8은 일반적인 DRIE 공정을 나타낸 단면도이고, 도 9는 DRIE 공정의 식각 방향에 대한 피식각체의 특성을 나타낸 단면도이며, 도 10은 본 발명의 특징을 설명하기 위해 도 7g를 재도시한 도면이다.
우선적으로, 실리콘 웨이퍼(700)의 상면으로부터 하면 방향으로 건식 식각의 방향을 설정한 이유는 건식 식각 공정 자체의 특성 및 탐침 자체의 특성을 고려한 때문임을 밝히는 바이며, 건식 식각 공정 자체의 특성 및 탐침 자체의 특성에 대한 고려는 아래와 같다.
도 8에 도시된 바와 같이, DRIE 공정은 피식각체를 건식 식각하는 공정으로서, 건식 식각을 수행하는 방향이 끝나는 지점에 대응하는 피식각체의 일 부분이 라운딩 처리되는 특성을 가지고 있는데, 이를 풋팅 효과(footing effect)라 한다.
풋팅 효과란, 식각 수단인 식각 가스의 양이온이 보호막과 충돌한 후, 방전되지 못하고 남아있는 상태에서, 뒤따르는 양이온들과 척력을 발생하여 실리콘과 보호막 사이에서 원하지 않는 방향인 실리콘 웨이퍼의 내측 방향으로 식각이 발생되는 것을 말한다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 건식 식각을 수행하는 방향에 따라 건식 식각이 끝나는 지점에 대응하는 피식각체의 일 부분이 라운딩 처리된다.
만일, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탐침을 본 발명과는 다르게 실리콘 웨이퍼의 하면으로터 상면으로 DRIE 공정을 수행하여 형성할 경우, 제조 과정에서 DRIE 공정에 의해 도 10에 도시된 A부분이 라운딩 처리될 수 있다. 도 10에 도시된 A부분은 탐침의 캔틸레버가 형성되는 부분으로서, 이 부분의 단부측이 라운딩 처리될 경우, 제조된 탐침의 캔틸레버의 단부측이 라운딩 처리되기 때문에, 캔틸레버의 폭 및 두께가 설정된 수치를 가지지 못하게 되어 캔틸레버 자체의 설정된 고유 강도 및 탄성을 가지지 못하게 됨으로써, 캔틸레버의 일 단부에 형성된 탐침 팁의 탐침 동작에 영향을 미쳐 탐침 팁에 의한 탐침 과정에서 탐침 오류가 발생된다.
요컨대, 탐침을 실리콘 웨이퍼의 하면으로부터 상면으로 식각 할 경우 식각이 완료되었을 때 캔틸레버 단부측 부분이 풋팅 효과로 인하여 약간 노출됨으로써, 실리콘 웨이퍼의 (111)면이 노출되며, 이로 인해, 건식 식각 후 수행되는 습식 식각에서 캔틸레버 부분의 단부측이 식각되어 최종 제조된 캔틸레버의 두께가 달라지는 문제점이 발생된다.
상기와 같은 문제점을 발견하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 제조 방법은 탐침을 제조할 때, 캔틸레버가 형성되는 실리콘 웨이퍼의 상면으로부터 하면으로 DRIE 공정을 수행함으로써, DRIE 공정에 의한 건식 식각이 끝나는 지점에 대응하는 피식각체의 일 부분인 B부분(도 10에 도시)이 라운딩 처리된다. B부분은 상술한 바와 같이, 습식 식각 공정에 의해 제거되는 더미 패턴에 대응하는 부분으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 제조 방법에 의해 제조된 탐침으로부터 제거되는 부분임을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 제조 방법은 건식 식각 공정의 방향으로 실리콘 웨이퍼의 상면으로부터 하면으로 한정함으로써, 건식 식각 공정 자체의 특성에 의해 라운딩 처리되는 부분을 더미패턴 부분으로 대응시켜 제조된 탐침의 캔틸레버가 설정된 강도 및 탄성을 가지도록 한다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 제조 방법은 (111) 실리콘 웨이퍼의 특성, 건식 식각 공정의 특성 및 탐침의 특성을 고려함으로써, 저렴하고 치수 정밀도가 높은 주사 탐침 현미경용 탐침을 제조할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 주사 탐침 현미경의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 종횡비가 작은 탐침 팁의 일례를 도시한 도면이다.
도 2b는 종횡비가 큰 탐침 팁의 일례를 도시한 도면이다.
도 3a는 (100) 단결정 실리콘을 이용하여 제조한 탐침 팁을 도시한 도면이다.
도 3b는 (111) 단결정 실리콘을 이용하여 제조한 탐침 팁을 도시한 도면이다.
도 4a는 (111) 실리콘 웨이퍼의 결정 방향을 나타내는 도면이다.
도 4b는 도 4a에서 AB 방향으로 절단했을 때의 결정면을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 탐침 현미경용 탐침을 도시한 사시도이다.
도 6a 내지 도 6i는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁을 형성하는 일 과정을 도시한 수순도이다.
도 6j 내지 도 6r은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 탐침 팁을 형성하는 다른 과정을 도시한 수순도이다.
도 7a 내지 도 7i는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침의 캔틸레버 및 탐침 몸체를 형성하는 과정을 도시한 수순도이다.
도 8은 일반적인 DRIE 공정을 나타낸 단면도이다.
도 9는 DRIE 공정의 식각 방향에 대한 피식각체의 특성을 나타낸 단면도이 다.
도 10은 본 발명의 특징을 설명하기 위해 도 7g를 재도시한 도면이다.

Claims (6)

  1. 주사 탐침 현미경에 사용되는 탐침을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 탐침은 탐침 팁, 캔틸레버 및 탐침 몸체를 포함하고,
    (a) 상면에 상기 탐침 팁 및 상기 캔틸레버를 정의하는 부분이 돌출된 (111) 일반 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계,
    (b) 상기 실리콘 웨이퍼의 상하면 전체에 보호막을 형성하는 단계,
    (c) 상기 실리콘 웨이퍼의 상면에 상기 캔틸레버 및 상기 탐침 몸체를 정의하는 마스크 층을 형성하는 단계,
    (d) 상기 마스크 층을 이용하여 상기 보호막 및 상기 실리콘 웨이퍼를 상기 실리콘 웨이퍼의 상면으로부터 하면으로 건식 식각하여 상기 캔틸레버의 더미 패턴 및 상기 탐침 몸체를 형성하는 단계,
    (e) 상기 캔틸레버의 더미 패턴을 식각하여 상기 캔틸레버를 형성하는 단계 및
    (f) 상기 보호막을 제거하는 단계
    를 포함하되,
    상기 (d) 단계에서 상기 건식 식각은 상기 캔틸레버가 형성되는 위치로부터 상기 더미 패턴이 형성되는 위치로 수행하는 것인 탐침 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 탐침 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후에 추가 보호막을 형성하는 단계,
    상기 (e) 단계 이후에 상기 추가 보호막을 제거하는 단계
    를 더 포함하는 탐침 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보호막은 실리콘 산화막이며,
    상기 추가 보호막은 실리콘 질화막인
    탐침 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 DRIE 공정을 이용해 수행하는 것인 탐침 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는 습식 식각 공정을 이용해 수행하는 것인 탐침 제조 방법.
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