KR101580269B1 - 3차원 탐침 및 그 제조 방법 - Google Patents

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준 이
양준모
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이완규
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 3차원 탐침 및 그 제조 방법, 3차원 탐침 제조용 적층체에 관한 것으로, 탐침기판층의 상부에 유효탐침층, 탐침헤드층 및 탐침보호층을 순차 적층한 후 적층체 모재를 추출하는 단계와, 상기 추출된 적층체 모재에 캔틸레버 선단부를 접합하는 단계와, 상기 캔틸레버 선단부 및 적층체 모재를 원기둥 형태로 밀링 가공하는 단계와, 상기 탐침보호층을 제거한 후, 상기 유효탐침층을 기 설정된 깊이만큼 식각하는 단계를 포함함으로써, 물질 또는 재료의 특성에 대한 3차원 측정을 위해 유효탐침부의 상부에 탐침헤드가 돌출 형성되어 3차원 정밀 측정을 수행하는 3차원 탐침을 제조할 수 있다.

Description

3차원 탐침 및 그 제조 방법{THREE DIMENSION PROBE AND ITS FABRICATION METHOD}
본 발명은 물질 또는 재료의 특성에 대한 3차원 측정을 위해 유효탐침부의 상부에 탐침헤드가 돌출 형성되어 3차원 정밀 측정을 수행하는 3차원 탐침을 제조할 수 있는 3차원 탐침 및 그 제조 방법, 3차원 탐침 제조용 적층체에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 원자현미경의 발전 과정을 보면, Rohrer와 Binnig에 의하여 1981년 발명된 주사터널링현미경(STM : scanning tunneling microscope)은 물질이나 재료의 나노미터 크기의 구조와 성질을 이해하는데 사용되었다.
그 후 발명된 원자력현미경(AFM : Atomic Force Microscope, 이하 'AFM'이라 함), 근접광학현미경(NSOM : Near-field Scanning Optical Microscope) 등과 같은 주사탐침현미경(SPM : Scanning Probe Microscope)을 이용하여 물질 및 재료 표면 구조의 관찰 이외에도 다양한 물리적, 광학적 연구가 가능해져 나노 과학이라는 새로운 학문의 장이 열리게 되었다.
여기에서, AFM은 진공에서만 관찰이 가능한 전자현미경과 달리 대기 중에서도 사용할 수 있고, 원자 지름의 수십분의 1까지 측정할 수 있도록 나노 기술로 제조된 탐침(Probe)을 사용하는데, 일반적으로 모판(Substrate) 끝에 아주 미세한 힘에도 쉽게 휘어지는 캔틸레버(Cantilever)의 끝에 원자 몇개 정도의 크기로 가공된 탐침이 접합되어 있는 구조로 제조될 수 있다.
그리고, AFM은 탐침의 끝을 측정하고자 하는 샘플의 표면에 근접시키면 정전기적인힘(Electostatic Force), 반데르발스힘(Van Der Waals Force), 쿨롱힘(Coulombic Force) 등과 같은 끌어당기는 힘 또는 밀어내는 힘이 샘플 표면의 원자와 탐침 끝의 원자 사이에 작용하는데, 이 힘에 의해 캔틸레버의 휨이 발생하고, 이 힘이 일정하게 유지되도록 하면서 귀환회로에 의해 정밀 제어되어 측정하고자 하는 각 지점에서 스캐너의 수직 위치를 저장함으로써, 샘플 표면의 삼차원 영상을 얻을 수 있다.
한편, AFM은 시료의 표면 특성을 측정하는 것 이외에 탐침을 이용하여 시료에 대한 미세 가공 공정 및 시료 표면의 자연산화막 제거와 시료의 전기적인 특성을 측정하는데 사용될 수 있으며, 탐침은 일반적으로 실리콘과 실리콘질화막으로 이루어진 몸체부에 금속성 물질을 코팅하여 형성되거나 또는 몸체부에 도핑된 다이아몬드 팁을 코팅하는 방식으로 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이 종래에 AFM을 이용하여 물질이나 재료의 특성을 3차원적으로 정밀하게 측정하기 위한 탐침 및 그 제조 기술에 대한 연구 개발이 지속적으로 수행되고 있는 실정이다.
1. 공개특허공보 제10-2007-0100373호(2007.10.10.공개) : 주사형 프로브 현미경과 그 측정방법 2. 등록특허공보 제10-1159074호(2012.06.18.등록) : 도전성 탄소나노튜브 팁, 이를 구비한 스캐닝 프로브마이크로스코프의 탐침 및 상기 도전성 탄소나노튜브 팁의 제조 방법
본 발명은 물질 또는 재료의 특성에 대한 3차원 측정을 위해 유효탐침부의 상부에 탐침헤드가 돌출 형성되어 3차원 정밀 측정을 수행하는 3차원 탐침을 제조할 수 있는 3차원 탐침 및 그 제조 방법, 3차원 탐침 제조용 적층체를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 유효탐침층, 탐침헤드층 및 보호층이 순차적으로 적층된 3차원 탐침 제조용 적층체를 제공하고, 캔틸레버 선단부와 접합한 후, 집속 이온 빔을 이용하여 원기둥 패턴을 밀링 가공함으로써, 3차원 탐침의 원기둥 형태를 쉽게 가공할 수 있는 3차원 탐침 및 그 제조 방법, 3차원 탐침 제조용 적층체를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 3차원 탐침의 원기둥 패턴을 밀링 가공한 후, 보호층을 제거하고, 유효탐침부를 내측으로 오목하게 식각함으로써, 3차원 정밀 측정을 수행할 수 있도록 탐침헤드가 돌출된 3차원 탐침을 제조할 수 있는 3차원 탐침 및 그 제조 방법, 3차원 탐침 제조용 적층체를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 캔틸레버 선단부에 접합되는 탐침기판부, 유효탐침부 및 탐침헤드부를 포함하며, 상기 캔틸레버 선단부, 탐침기판부 및 유효탐침부는, 상기 캔틸레버 선단부에서 상기 탐침헤드부까지 원기둥 형태로 형성되고, 상기 유효탐침부는, 상기 탐침기판부 및 탐침헤드부가 외측으로 돌출될 수 있도록 내측으로 기 설정된 깊이만큼 식각되어 오목한 형태로 형성되는 3차원 탐침이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 따르면, 탐침기판층의 상부에 유효탐침층, 탐침헤드층 및 탐침보호층을 순차 적층한 후 적층체 모재를 추출하는 단계와, 상기 추출된 적층체 모재를 캔틸레버 선단부에 접합하는 단계와, 상기 캔틸레버 선단부 및 적층체 모재를 원기둥 형태로 밀링 가공하는 단계와, 상기 탐침보호층을 제거한 후, 상기 유효탐침층을 기 설정된 깊이만큼 식각하는 단계를 포함하는 3차원 탐침의 제조 방법이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 제 3 측면에 따르면, 실리콘 웨이퍼(Si wafer)인 탐침기판층과, 아모퍼스탄소(a-C) 또는 실리콘다이옥사이드(SiO2)를 이용하여 상기 탐침기판층의 상부에 형성되는 유효탐침층과, 아모퍼스실리콘(a-Si), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(SiN), 다이아몬드(diamond), DLC(diamond-like Carbon), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 선택된 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 유효탐침층의 상부에 형성되는 탐침헤드층과, PMMA(Poly Methyl Methacrylate)를 포함하는 고분자 물질을 이용하여 상기 탐침헤드층의 상부에 형성되는 탐침보호층을 포함하는 3차원 탐침 제조용 적층체가 제공될 수 있다.
본 발명은 물질 또는 재료의 특성에 대한 3차원 측정을 위해 유효탐침부의 상부에 탐침헤드가 돌출 형성되어 3차원 정밀 측정을 수행하는 3차원 탐침을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 유효탐침층, 탐침헤드층 및 탐침보호층이 순차적으로 적층된 3차원 탐침 제조용 적층체를 제공하고, 캔틸레버 선단부와 접합한 후, 집속 이온 빔을 이용하여 원기둥 패턴으로 밀링 가공함으로써, 3차원 탐침의 원기둥 형태를 쉽게 가공할 수 있다.
또한, 본 발명은 3차원 탐침의 원기둥 패턴을 밀링 가공한 후, 탐침보호층을 제거하고, 유효탐침부를 내측으로 오목하게 식각함으로써, 3차원 정밀 측정을 수행할 수 있도록 탐침헤드가 돌출된 3차원 탐침을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 탐침 제조용 적층체를 예시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 탐침을 예시한 도면이며,
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 3차원 탐침을 제조하는 과정을 예시한 도면이고,
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 실시예에 따라 3차원 탐침을 제조하는 과정에 대응하는 단면도이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 탐침 제조용 적층체를 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 탐침 제조용 적층체(100)는 탐침기판층(110), 유효탐침층(120), 탐침헤드층(130), 탐침보호층(140) 등을 포함할 수 있다.
탐침기판층(110)은 실리콘 웨이퍼(Si wafer)로서, 3차원 탐침 제조용 적층체의 기판으로 사용될 수 있다.
유효탐침층(120)은 아모퍼스탄소(a-C), 실리콘다이옥사이드(SiO2) 등을 이용하여 탐침기판층(110)의 상부에 형성되는 것으로, AFM 3차원 정밀 측정 시 측정 대상물의 유효 깊이에 따라 열처리로(furnace), 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition), 물리기상증착법(PVD : Physical Vapor Deposition) 등의 방식을 이용하여 탐침기판층(110)의 상부에 30 nm-10 ㎛의 두께 범위로 유효탐침층(120)을 성장시킬 수 있다.
예를 들면, 열처리로를 이용하여 유효탐침층(120)을 형성할 경우 1000 ℃에서 100 분 동안 열처리를 수행하여 실리콘다이옥사이드(SiO2)를 대략 500 nm의 두께로 성장시킬 수 있다.
탐침헤드층(130)은 3차원 탐침을 제조하기 위한 탐침보호층(140) 제거 공정 및 산화물 식각액을 이용한 유효탐침층(120) 식각 공정을 수행하더라도 영향이 없는 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(SiN), 다이아몬드(diamond), DLC(diamond-like Carbon), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 텅스텐카바이드(WC) 중 선택된 적어도 어느 하나를 이용하여 유효탐침층(120)의 상부에 형성될 수 있다.
이러한 탐침헤드층(130)은 AFM 3차원 정밀 측정 시 측정 대상물에 접촉하여 측정할 수 있는 마모성 및 강성을 갖도록 열처리로(furnace), 화학기상증착법(CVD), 물리기상증착법(PVD) 등의 방식을 이용하여 탐침기판층(110)의 상부에 2-500 nm의 두께 범위로 탐침헤드층(130)을 증착(성장)시킬 수 있다.
예를 들면, 열처리로를 이용하여 탐침헤드층(130)을 형성할 경우 770 ℃에서 20 분 동안 열처리를 수행하여 실리콘나이트라이드(SiN)를 대략 50 nm의 두께로 성장시킬 수 있다.
탐침보호층(140)은 PMMA(Poly Methyl Methacrylate) 등을 포함하는 고분자 물질을 이용하여 탐침헤드층(130)의 상부에 형성되는 것으로, 50 nm-10 ㎛의 두께 범위로 탐침헤드층(130)의 상부에 코팅될 수 있다.
이러한 탐침보호층(140)은 3차원 탐침을 제조하기 위한 집속이온빔 장비를 이용한 Pt 코팅 공정 시 발생할 수 있는 시편 손상을 방지할 수 있고, 집속이온빔 공정을 통한 밀링 가공 시 발생할 수 있는 시편 손상을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 AFM을 이용한 3차원 측정을 위해 유효탐침부의 상부에 탐침헤드가 돌출 형성되어 3차원 정밀 측정을 수행하는 3차원 탐침을 제조할 수 있도록 기판 상에 유효탐침층, 탐침헤드층 및 탐침보호층이 순차적으로 적층된 3차원 탐침 제조용 적층체를 제공할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 3차원 탐침 제조용 적층체를 제조한 후, 적층체 모재를 집속이온빔 공정을 통해 절단 추출하고, 캔틸레버 선단부에 적층체 모재를 접합하며, 집속이온빔 공정을 통해 밀링 가공한 후에, 탐침보호층을 제거하고, 탐층유효층을 식각하여 제조된 3차원 탐침에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 탐침을 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 탐침(200)은 캔틸레버 선단부(210), 탐침기판부(220), 유효탐침부(230), 탐침헤드부(240) 등을 포함할 수 있다. 이러한 3차원 탐침(200)은 유효탐침부(230)의 직경이 5-800 nm이며, 그 두께가 30 nm-10 ㎛이고, 탐침헤드부(240)의 직경이 10 nm-1 ㎛이며, 그 두께가 2-500 nm가 되도록 제조될 수 있다.
탐침기판부(220)는 일단이 캔틸레버 선단부(210)에 접합되는 것으로, 집속이온빔 장비를 이용한 Pt 코팅 공정을 통해 접합될 수 있다.
이러한 집속이온빔 장비를 이용한 Pt 코팅 공정은 집속이온빔 장비에 접합시킬 캔틸레버를 안착시키고, 캔틸레버 선단부(210)의 끝단에 추출된 적층체 모재(M)를 각각의 중앙을 기준으로 정렬시킨 후, 접촉되는 측면 외주에서 Pt(백금)를 증착시키는 방식으로 수행될 수 있다.
유효탐침부(230)는 탐침기판부(220)에 지지되는 것으로, 아모퍼스탄소(a-C), 실리콘다이옥사이드(SiO2) 등을 이용하여 30 nm-10 ㎛의 두께 범위로 형성될 수 있고, 탐침기판부(220) 및 탐침헤드부(240)가 외측으로 돌출될 수 있도록 내측으로 기 설정된 깊이만큼 식각되어 오목한 형태로 형성될 수 있다.
예를 들면, BOE(Buffered Oxide Etchant) 300:1인 식각액에 담아 식각할 경우 실리콘다이옥사이드(SiO2)를 이용하여 형성된 유효탐침층(120)은 12-13 Å/min의 식각률로 식각되므로, 대략 45-50 분 동안 식각액에 담아 유효탐침층(120)의 직경이 탐침헤드층(130)의 직경보다 상대적으로 작게 되도록(예를 들면, 5-800 nm) 식각될 수 있다. 이 후, 잔류하는 BOE 용액을 초순수를 이용하여 세정할 수 있다.
탐침헤드부(240)는 유효탐침부(230)에 지지되는 것으로, 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(SiN), 다이아몬드(diamond), DLC(diamond-like Carbon), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 텅스텐카바이드(WC) 중 선택된 적어도 어느 하나를 이용하여 2-500 nm의 두께 범위를 갖도록 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 캔틸레버 선단부(210), 탐침기판부(220) 및 유효탐침부(230)는 캔틸레버 선단부(210)에서 탐침헤드부(240)로 갈수록 직경이 좁아지는 원기둥 형태로 형성될 수 있으며, 집속이온빔 공정을 통해 원기둥 형태로 밀링 가공될 수 있다.
이러한 집속이온빔 공정은 환형 마스크를 이용하여 내경을 순차적으로 감소시켜가면서 밀링 가공하는 방식으로 수행될 수 있는데, 예를 들어 탐침헤드부(240)의 직경이 100 nm가 되도록 4단계로 순차적으로 진행할 경우 전류값 10 pA, 가속전압 5 kV의 밀링 조건으로 수행될 수 있다.
여기에서, 전류값과 가속전압은 직경의 크기에 따라 변화시킬 수 있는데, 전류값은 1.5 pA-2.8 nA의 범위, 가속전압 3-15 kV의 범위에서 조절될 수 있다.
따라서, 본 발명은 물질 또는 재료의 특성에 대한 3차원 측정을 위해 유효탐침부의 상부에 탐침헤드가 돌출 형성되어 3차원 정밀 측정을 수행하는 3차원 탐침을 제조할 수 있다.
다음에, 3차원 탐침 제조용 적층체를 제조한 후, 적층체 모재를 집속이온빔 공정을 통해 절단 추출하고, 캔틸레버 선단부에 적층체 모재를 접합하며, 집속이온빔 공정을 통해 밀링 가공한 후에, 탐침보호층을 제거하고, 탐층유효층을 식각하여 3차원 탐침을 제조하는 과정에 대해 설명한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 3차원 탐침을 제조하는 과정을 예시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 실시예에 따라 3차원 탐침을 제조하는 과정에 대응하는 단면도이다. 이하에서는, 상술한 바와 같이 도 1 및 도 2에 사용된 도면부호를 동일하게 사용하여 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3g과 도 4a 내지 도 4g를 참조하면, 탐침기판층(110)의 상부에 유효탐침층(120), 탐침헤드층(130) 및 탐침보호층(140)을 순차 적층하여 도 3a에 도시한 바와 같이 3차원 탐침 제조용 적층체(100)를 제조할 수 있다.
여기에서, 유효탐침층(120)은 아모퍼스탄소(a-C), 실리콘다이옥사이드(SiO2) 등을 이용하여 AFM 3차원 정밀 측정 시 측정 대상물의 유효 깊이에 따라 열처리로(furnace), 화학기상증착법(CVD), 물리기상증착법(PVD) 등의 방식을 이용하여 탐침기판층(110)의 상부에 30 nm-10 ㎛의 두께 범위로 유효탐침층(120)을 성장시킬 수 있다.
예를 들면, 열처리로를 이용하여 유효탐침층(120)을 형성할 경우 1000 ℃에서 100 분 동안 열처리를 수행하여 실리콘다이옥사이드(SiO2)를 대략 500 nm의 두께로 성장시킬 수 있다.
또한, 탐침헤드층(130)은 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(SiN), 다이아몬드(diamond), DLC(diamond-like Carbon), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 텅스텐카바이드(WC) 중 선택된 적어도 어느 하나를 이용하여 2-500 nm의 두께 범위로 유효탐침층(120)의 상부에 증착될 수 있다.
이러한 탐침헤드층(130)은 AFM 3차원 정밀 측정 시 측정 대상물에 접촉하여 측정할 수 있는 마모성 및 강성을 갖도록 열처리로(furnace), 화학기상증착법(CVD), 물리기상증착법(PVD) 등의 방식을 이용하여 탐침기판층(110)의 상부에 2-500 nm의 두께 범위로 탐침헤드층(130)을 증착(성장)시킬 수 있다.
예를 들면, 열처리로를 이용하여 탐침헤드층(130)을 형성할 경우 770 ℃에서 20 분 동안 열처리를 수행하여 실리콘나이트라이드(SiN)를 대략 50 nm의 두께로 성장시킬 수 있다.
한편, 탐침보호층(140)은 PMMA(Poly Methyl Methacrylate) 등을 포함하는 고분자 물질을 이용하여 탐침헤드층(130)의 상부에 형성되는 것으로, 50 nm-10 ㎛의 두께 범위로 탐침헤드층(130)의 상부에 코팅될 수 있다.
이러한 탐침보호층(140)은 3차원 탐침을 제조하기 위한 집속이온빔 장비를 이용한 Pt 코팅 공정 시 발생할 수 있는 시편 손상을 방지할 수 있고, 집속이온빔 공정을 통한 밀링 가공 시 발생할 수 있는 시편 손상을 방지할 수 있다.
다음에, 3차원 탐침 제조용 적층체(100)에서 집속이온빔 공정을 이용하여 도 3b에 도시한 바와 같이 절단함으로써, 적층체 모재(M)를 추출할 수 있다.
여기에서, 적층체 모재(M)는 필요한 크기(예를 들면, 1-3 ㎛2)만큼 집속이온빔을 이용하여 절단 추출될 수 있는데, 집속이온빔을 이용하여 트렌치 밀링을 수행한 후, 옴니프로브를 이용하여 절개된 적층체 모재(M)를 떼어내는 방식으로 추출할 수 있다.
상술한 바와 같이 추출된 적층체 모재(M)를 도 3c 및 도 3d에 도시한 바와 같이 캔틸레버 선단부(210)에 접합할 수 있다.
여기에서, 적층체 모재(M)는 집속이온빔 장비를 이용한 Pt 코팅 공정을 통해 캔틸레버 선단부(210)에 접합될 수 있는데, 예를 들어 집속이온빔 장비에 접합시킬 캔틸레버를 안착시키고, 도 4a 및 도 4b에 도시한 단면사진과 같이 캔틸레버 선단부(210)의 끝단에 추출된 적층체 모재(M)를 각각의 중앙을 기준으로 정렬시킨 후, 접촉되는 측면 외주에서 Pt(백금)를 증착시키는 방식으로 수행될 수 있다.
그리고, 캔틸레버 선단부(210) 및 적층체 모재(M)를 도 3e에 도시한 바와 같이 원기둥 형태로 밀링 가공할 수 있다.
여기에서, 집속이온빔 밀링 공정은 환형 마스크를 이용하여 캔틸레버 선단부(210) 및 적층체 모재(M)를 원기둥 형태로 밀링 가공할 수 있는데, 환형 마스크를 이용하여 내경을 순차적으로 감소시켜가면서 밀링을 수행할 수 있다.
예를 들면, 도 4c(1단계 밀링), 도 4d(2단계 밀링), 도 4e(3단계 밀링) 및 도 4f(4단계 밀링)에 도시한 단면사진과 같이 탐침헤드부(240)의 직경이 100 nm가 되도록 4단계로 순차적으로 진행할 경우 전류값 10 pA, 가속전압 5 kV의 밀링 조건으로 수행될 수 있다. 이러한 전류값과 가속전압은 직경의 크기에 따라 변화시킬 수 있는데,
여기에서, 전류값과 가속전압은 직경의 크기에 따라 변화시킬 수 있는데, 전류값은 1.5 pA-2.8 nA의 범위, 가속전압 3-15 kV의 범위에서 조절될 수 있다.
다음에, 원기둥 형태로 밀링 가공된 구조물에서 도 3f에 도시한 바와 같이 탐침보호층(140)을 제거할 수 있다. 여기에서, 탐침보호층(140)은 아세톤, 알코올 등을 포함하는 유기용매를 이용하여 제거될 수 있다.
이어서, 원기둥 형태로 밀링 가공된 구조물에서 유효탐침층(120)을 기 설정된 폭만큼 식각함으로써, 도 3g에 도시한 바와 같이 캔틸레버 선단부(210), 탐침기판부(220), 유효탐침부(230) 및 탐침헤드부(240)를 포함하는 3차원 탐침(200)을 제조할 수 있다.
여기에서, 탐침헤드층(130)이 외측으로 돌출되도록 산화물 식각액을 이용하여 유효탐침층(120)이 식각될 수 있는데, 예를 들어 BOE 300:1인 식각액에 담아 식각할 경우 실리콘다이옥사이드(SiO2)를 이용하여 형성된 유효탐침층(120)은 12-13 Å/min의 식각률로 식각되므로, 도 4g에 도시한 단면사진과 같이 시간을 조절하여 유효탐침층(120)의 직경이 탐침헤드층(130)의 직경보다 상대적으로 작게 되도록 식각될 수 있다. 이 후, 잔류하는 BOE 용액을 초순수를 이용하여 세정할 수 있다.
상술한 바와 같은 3차원 탐침(200)은 유효탐침부(230)의 직경이 5-800 nm이며, 그 두께가 30 nm-10 ㎛이고, 탐침헤드부(240)의 직경이 10 nm-1 ㎛이며, 그 두께가 2-500 nm가 되도록 제조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 유효탐침층, 탐침헤드층 및 탐침보호층이 순차적으로 적층된 3차원 탐침 제조용 적층체를 제공하고, 캔틸레버 선단부와 접합한 후, 집속 이온 빔을 이용하여 원기둥 패턴으로 밀링 가공함으로써, 3차원 탐침의 원기둥 형태를 쉽게 가공할 수 있다.
또한, 본 발명은 3차원 탐침의 환형 패턴을 밀링 가공한 후, 탐침보호층을 제거하고, 유효탐침부를 내측으로 오목하게 식각함으로써, 3차원 정밀 측정을 수행할 수 있도록 탐침헤드가 돌출된 3차원 탐침을 제조할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에서는 종래의 AFM에 적용되어 3차원 정밀 측정을 수행할 수 있는 3차원 탐침에 대해 설명하였지만, 3차원 탐침을 이용하여 물질 또는 재료의 특성을 3차원적으로 측정할 수 있는 다양한 주사 프로브 현미경(SPM) 장비에서도 적용될 수 있음은 물론이다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100 : 3차원 탐침 제조용 적층체 110 : 탐침기판층
120 : 유효탐침층 130 : 탐침헤드층
140 : 탐침보호층 200 : 3차원 탐침
210 : 캔틸레버 선단부 220 : 탐침기판부
230 : 유효탐침부 240 : 탐침헤드부

Claims (20)

  1. 캔틸레버 선단부에 접합되는 탐침기판부, 유효탐침부 및 탐침헤드부를 포함하며,
    상기 캔틸레버 선단부, 탐침기판부 및 유효탐침부는, 상기 캔틸레버 선단부에서 상기 탐침헤드부까지 원기둥 형태로 형성되고,
    상기 유효탐침부는, 상기 탐침기판부 및 탐침헤드부가 외측으로 돌출될 수 있도록 내측으로 기 설정된 깊이만큼 식각되어 오목한 형태로 형성되며,
    상기 탐침기판부는 실리콘 웨이퍼이고,
    상기 유효탐침부는, 아모퍼스탄소(a-C) 또는 실리콘다이옥사이드(SiO2)를 이용하여 형성되며,
    상기 탐침헤드부는, 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(SiN), 다이아몬드(diamond), DLC(diamond-like Carbon), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 텅스텐카바이드(WC) 중 선택된 적어도 어느 하나를 이용하여 형성되고,
    상기 캔틸레버 선단부, 탐침기판부 및 유효탐침부는, 집속이온빔 공정을 통해 환형 마스크를 이용하여 내경을 순차적으로 감소시켜가면서 상기 원기둥 형태로 밀링 가공되는 3차원 탐침.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효탐침부는, 30 nm-10 ㎛의 두께 범위를 갖는 3차원 탐침.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침헤드부는, 2-500 nm의 두께 범위를 갖는 3차원 탐침.
  6. 삭제
  7. 제 1 항, 제 3 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버 선단부와 상기 탐침기판부는, 집속이온빔 장비를 이용한 Pt 코팅 공정을 통해 접합되는 3차원 탐침.
  8. 실리콘 웨이퍼인 탐침기판층의 상부에 유효탐침층, 탐침헤드층 및 탐침보호층을 순차 적층한 후 적층체 모재를 추출하되, 상기 유효탐침층은, 아모퍼스탄소(a-C) 또는 실리콘다이옥사이드(SiO2)를 이용하여 형성되고, 상기 탐침헤드층은, 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(SiN), 다이아몬드(diamond), DLC(diamond-like Carbon), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 텅스텐카바이드(WC) 중 선택된 적어도 어느 하나를 이용하여 형성되는 단계와,
    상기 추출된 적층체 모재를 캔틸레버 선단부에 접합하는 단계와,
    집속이온빔 공정을 통해 환형 마스크를 이용하여 내경을 순차적으로 감소시켜가면서 상기 캔틸레버 선단부 및 적층체 모재를 원기둥 형태로 밀링 가공하는 단계와,
    상기 탐침보호층을 제거한 후, 상기 유효탐침층을 기 설정된 폭만큼 식각하는 단계
    를 포함하는 3차원 탐침의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적층체 모재를 추출하는 단계는, 필요한 크기만큼 집속이온빔을 이용하여 절단하는 3차원 탐침의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 캔틸레버 선단부에 접합하는 단계는, 집속이온빔 장비를 이용한 Pt 코팅 공정을 통해 접합하는 3차원 탐침의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 탐침보호층는, 아세톤 또는 알코올을 포함하는 유기용매를 이용하여 제거되는 3차원 탐침의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 기 설정된 깊이만큼 식각하는 단계는, 상기 탐침헤드층이 외측으로 돌출되도록 산화물 식각액을 이용하여 상기 유효탐침층을 식각하는 3차원 탐침의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 8 항 내지 제 10 항, 제 12 항 및 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탐침보호층은, PMMA(Poly Methyl Methacrylate)를 포함하는 고분자 물질을 이용하여 형성되는 3차원 탐침의 제조 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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