KR102630924B1 - 열적으로 안정한, 스캐닝 프로브 현미경을 위한 드리프트 내성 프로브 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
잠재적인 열 드리프트 효과를 수용하는 원자힘 현미경(AFM)과 같은 표면 분석 기기를 위한 프로브 어셈블리는 프로브 어셈블리의 베이스를 정의하는 기판, 원위 단부를 가지고 이로부터 연장되는 캔틸레버 및 원위 단부 또는 근처에 배치된 반사 패드를 포함한다. 반사 패드는 약 25 미크론 사이의 측면 치수(예를 들어, 길이)를 가지며, 미크론 미만일 수 있다. 이상적으로, 반사 패드는 포토리소그래피를 사용하여 캔틸레버 상에 패턴화된다. 열적으로 안정한, 드리프트 내성 프로브의 대응하는 제조 방법 또한 제공된다.
Description
본 출원은 2017년 8월 3일에 출원된 미국 가출원 제62/540,959호 및 2017년 8월 4일에 출원된 미국 가출원 제62/541,617호의 우선권 이익을 주장하며, 그 제목은 스캐닝 프로브 현미경을 위한 프로브 및 제조 방법이다. 이들 출원의 주제는 본 명세서에 그 전문이 참조로 포함된다.
바람직한 실시예는 계측 기기(metrology instrument)를 위한 프로브 조립체 및 대응하는 제조 방법, 보다 구체적으로는 유사한 크기 및 기능의 표준 AFM 프로브 조립체에 비해 열 드리프트(thermal drift)에 덜 민감한 프로브 어셈블리에 관한 것이다.
원자력 현미경(atomic force microscope, AFM)과 같은 스캐닝 프로브 현미경(SPMs)은 샘플의 표면을 원자 치수(atomic dimensions)로 특성화하기 위해 예리한 팁 및 낮은 힘을 사용하는 장치이다. 일반적으로, SPM 프로브의 팁은 샘플의 특성 변화를 감지하기 위해 샘플 표면에 도입된다. 팁 및 샘플 사이의 상대적인 스캐닝 이동을 제공함으로써, 샘플의 특정 영역에 걸쳐 표면 특성 데이터가 획득될 수 있고 샘플의 대응하는 맵이 생성될 수 있다.
전형적인 AFM 시스템이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 캔틸레버(15)를 갖는 프로브(14)를 포함하는 프로브 장치(12)를 사용하는 AFM(10). 프로브-샘플 상호 작용이 측정되는 동안 스캐너(24)는 프로브(14) 및 샘플(22) 사이의 상대 운동을 발생시킨다. 이러한 방식으로 샘플의 이미지 또는 다른 측정값이 획득될 수 있다. 일반적으로 스캐너(24)는 주로 3개의 직교 방향(XYZ)으로 움직임을 발생시키는 하나 이상의 액추에이터로 구성된다. 종종, 스캐너(24)는 하나 이상의 모든 3개의 축으로 샘플 또는 프로브를 이동시키기 위해 액추에이터, 예를 들어 압전 튜브 액추에이터(piezoelectric tube actuator)를 포함하는 단일 통합 유닛이다. 대안적으로, 스캐너는 다수의 개별 액추에이터의 어셈블리일 수 있다. 일부 AFM은 스캐너를 다수의 구성요소, 예를 들어 샘플을 이동시키는 XY 스캐너 및 프로브를 이동시키는 개별 Z-액추에이터로 분리한다. 따라서 기기는 예를 들어 미국 특허 제RE 34,489호 Hansma 외; 미국 특허 제5,266,801호 Elings 외; 및 미국 특허 제5,412,980호 Elings 외;에 기술된 바와 같이 샘플의 지형 또는 다른 표면 특성을 측정하면서 프로브 및 샘플 사이의 상대 운동을 생성할 수 있다.
공통 구성에서, 프로브(14)는 캔틸레버(15)의 공진 주파수에서 또는 근처에서 프로브(14)를 구동하는데 사용되는 진동 액추에이터(oscillating actuator) 또는 드라이브(16)에 종종 결합된다. 대안적인 배열은 캔틸레버(15)의 편향, 비틀림 또는 다른 운동을 측정한다. 프로브(14)는 종종 일체형 팁(17)을 갖는 미세 가공된 캔틸레버이다.
일반적으로, SPM 제어기(20)의 제어 하에 AC 신호 소스(18)로부터 전자 신호가 인가되어 액추에이터(16) (또는 대체 스캐너(24))가 프로브(14)를 진동시키도록 구동하게 한다. 프로브-샘플 상호 작용은 전형적으로 제어기(20)에 의한 피드백을 통해 제어된다. 특히, 액추에이터(16)는 스캐너(24) 및 프로브(14)에 결합될 수 있지만 자체 작동식(self-actuated) 캔틸레버/프로브의 일부로써 프로브(14)의 캔틸레버(15)와 일체로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 프로브(14)의 진동의 하나 이상의 특성의 변화를 검출함으로써 샘플 특성이 모니터링됨에 따라 종종 선택된 프로브(14)가 진동되고 샘플(22)과 접촉하게 된다. 이와 관련하여, 편향 검출 기구(25)는 전형적으로 빔이 프로브(14)의 후면 쪽으로 향하게 하는데 이용되며, 그런 다음, 빔은 검출기(26)를 향해 반사된다. 빔이 검출기(26)를 가로질러 이동함에 따라, 예를 들어 RMS 편향(RMS deflection)을 결정하고 이를 제어기(20)로 전송하기 위해 블록(28)에서 적절한 신호가 처리되고, 이는 프로브(14)의 진동의 변화를 결정하기 위해 신호를 처리한다. 일반적으로, 제어기(20)는 전형적으로 프로브(14)의 진동의 설정값(setpoint) 특성을 유지하기 위해 팁 및 샘플(또는 레버(15)의 검출) 사이의 상대적으로 일정한 상호 작용을 유지하도록 제어 신호를 발생시킨다. 보다 구체적으로, 제어기(20)는 회로(30)와 함께, 설정값과의 팁-샘플 상호 작용에 의해 야기된 프로브 편향에 대응하는 신호를 비교함으로써 획득된 오류 신호를 컨디셔닝하는 PI 이득 제어 블록(PI Gain Control block, 32) 및 고전압 증폭기(34)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(20)는 팁 및 샘플 사이의 일반적으로 일정한 힘을 보장하기 위해 진동폭을 설정 값(AS)으로 유지하는데 종종 사용된다. 대안적으로, 설정값 위상 또는 주파수가 사용될 수 있다.
또한, 단말기(40)는 제어기(20)에 및/또는 별도의 제어기 또는 연결되거나 독립형 제어기의 시스템에 제공되며, 이는 제어기로부터 수집된 데이터를 수신하고 지점 선택, 곡선 맞춤(curve fitting) 및 거리 결정 작업을 수행하기 위해 스캐닝 동안 얻어진 데이터를 조작한다.
AFM은 접촉 모드 및 진동 모드를 포함하는 다양한 모드로 동작하도록 설계될 수 있다. 표면을 가로질러 스캔될 때 프로브 어셈블리의 캔틸레버의 편향에 응답하여 샘플의 표면에 상대적으로 수직하게 상하로 샘플 또는 프로브 어셈블리를 이동시킴으로써 작업이 달성된다. 스캐닝은 전형적으로 샘플의 표면에 적어도 일반적으로 평행한 "x-y" 평면에 발생하고, 수직 운동은 x-y 평면에 수직인 "z" 방향으로 발생한다. 많은 샘플들은 평평한 평면에서 벗어나는 거칠기, 곡률 및 기울기를 가지므로, "일반적으로 평행"이라는 용어가 사용됨을 주목하라. 이러한 방식으로, 수직 운동과 연관된 데이터가 저장되고 측정될 샘플 특성, 예를 들어 표면 지형에 대응하는 샘플 표면의 이미지를 구성하는데 사용될 수 있다.
AFM에서, 예를 들어 접촉 모드로 불리는 작업 모드에서, 현미경은 전형적으로 팁을 스캔하면서 샘플의 표면 상의 팁의 힘을 일반적으로 일정하게 유지한다. 이는 표면을 가로질러 스캔될 때 프로브 어셈블리의 캔틸레버의 편향에 응답하여 샘플의 표면에 상대적으로 수직하게 상하로 샘플 또는 프로브 어셈블리를 이동시킴으로써 달성된다. 이러한 방식으로, 수직 운동과 연관된 데이터가 저장되고 측정될 샘플 특성, 예를 들어 표면 지형에 대응하는 샘플 표면의 이미지를 구성하는데 사용될 수 있다. 유사하게, TappingModeTM(TappingModeTM는 본 양수인이 소유한 상표임)로 알려진, AFM 작업의 또 다른 바람직한 모드에서, 팁은 프로브의 연관된 캔틸레버의 공진 주파수에서 또는 근처에서 진동된다. 이 진동의 진폭 또는 위상은 팁-샘플 상호 작용에 응답하여 생성되는, 피드백 신호를 사용하는 스캐닝 동안 일정하게 유지된다. 접촉 모드에서와 같이, 이러한 피드백 신호는 샘플을 특성화하기 위한 데이터로 수집, 저장 및 사용된다.
프로브 팁과 샘플의 상호 작용에 응답하는 캔틸레버의 편향은 극도로 민감한 편향 검출기, 대부분 광학 레버 시스템으로 측정된다. 이러한 광학 시스템에서, 렌즈는 캔틸레버의 오버헤드에 전형적으로 위치된 소스로부터, 캔틸레버의 후면 상으로 레이저 빔을 포커싱하기 위해 사용된다. 레버의 후면(팁의 반대면)은 반사되어(예를 들어, 제조 동안 금속화를 사용하여) 빔이 광 검출기를 향해 반사될 수 있다. 작업 동안 검출기를 가로지르는 빔의 병진은 레버의 편향의 측정치를 제공하며, 이는 다시 하나 이상의 샘플 특성을 나타낸다.
표준 프로브의 한 가지 중요한 단점은 열 드리프트에 취약하다는 것이다. AFM 캔틸레버의 후면은 전형적으로 캔틸레버 금속의 열 팽창 계수와 다른 열 팽창 계수를 갖는 얇은 금속 필름으로 코팅되기 때문에, 캔틸레버는 온도가 변할 때 바이메탈 효과로 인해 드리프트, 예를 들어 구부러질 수 있다.
AFM 프로브의 열 드리프트 문제를 수용하도록 시도하기 위해 다양한 해결책이 고안되었다. 한 가지에서, 코팅되지 않은 프로브가 사용된다. 프로브 캔틸레버로부터 금속을 벗기는 것은 바이메탈 효과를 제거한다. 불행하게도, 레이저 반사 합 신호는 이 기술을 사용하여 크게 감소된다. AFM 작업 속도 및 해상도의 개선이 계속 이루어질 때, 신호 강도를 유지하는 것이 계속 중요하다.
또 다른 해결책에서, 양면에 금속으로 코팅된 프로브(양면 코팅)가 사용된다. 원래의 금속 코팅과 반대의 캔틸레버 면을 유사한 코팅으로 코팅하는 것은 바이메탈 효과를 상쇄시킨다. 이론적으로, 이는 작동할 수 있다; 그러나, 2개의 금속 코팅이 응력 및 두께의 측면에서 정확하게 균형을 이루도록 프로브를 제조하는 것이 매우 어렵기 때문에 실제 응용에서 이 기술은 불안정하다.
일부 AFM 개발자들은 제한된 금속 코팅을 시도했다. 이 경우, 바이메탈 효과로 인한 드리프트를 감소시키기 위해, 금속 코팅은 캔틸레버의 후면의 원위 단부로 제한된다. 그러나, 금속 코팅은 전형적으로 쉐도우 마스크를 통한 증발에 의해 적용되며, 이는 종종 다양한 프로브 대 프로브 열 드리프트 성능 및 특히 금속 코팅 영역의 크기 감소 측면에서 확장성의 부족을 초래한다.
상기의 관점에서, 스캐닝 프로브 현미경 관찰법은 유사한 금속으로 코팅된 전후면을 갖는 레버를 갖는 프로브와 같은 최근 해결책과 비교하여 감소된 열 드리프트에 매우 안정적이고, 1 미크론 미만의 치수로 확장 가능하지만, 고품질 힘 현미경 데이터를 수집하는 시스템의 능력을 손상시키지 않는 프로브 어셈블리를 필요로 한다.
"SPM" 및 특정 유형의 SPM에 대한 약어는 현미경 기구 또는 연관된 기술, 예를 들어 "원자힘 현미경"을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있음을 주목하라.
바람직한 실시예는 프로브 및 제한된 금속 코팅(즉, 약 25 미크론 미만)의 다른 기술의 한계를 넘어 확장 가능한 레버의 원위 단부(정면 또는 후면)에서 금속(또는 유전체) 영역을 정의하기 위해 포토리소그래피 기술을 사용하는 대응하는 제조 방법을 제공함으로써 종래의 해결책의 단점을 극복한다. 바람직한 실시예는 패턴 충실도의 손실 없이 시선 기반 증발 공정에서 AFM 프로브 캔틸레버 및 그 쉐도우 마스크 개구 사이에 유한 스탠드 오프를 갖는 쉐도우 마스크 기반 공정에 비해 증가된 프로브 대 프로브 반복성으로 그렇게 한다.
또한 바람직한 실시예는 동시에 가변 길이로 캔틸레버의 원위 단부에서 금속 영역을 패턴화하는 능력을 가능하게 한다. 추가로, 제조 방법은 캔틸레버 상에 임의의 패턴을 생성하는, 예를 들어 AFM의 빔 바운스 광학 검출 시스템의 레이저 스폿 형상을 미러링하는 능력을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에 관한 추가 배경을 위해, 부록 A가 참조로 제공됨을 주목하라.
바람직한 실시예의 제1 양태에 따르면, 표면 분석 기기를 위한 프로브 어셈블리는 프로브 어셈블리의 베이스를 정의하는 기판, 베이스로부터 연장되고 원위 단부를 갖는 캔틸레버, 및 원위 단부에 배치된 반사 패드를 포함한다. 반사 패드는 약 플러스 또는 마이너스 25 미크론 미만으로 캔틸레버 상의 임의의 지점에서 정확하게 제어 가능한 측면 치수를 갖는다.
바람직한 실시예의 다른 양태에 따르면, 반사 패드는 포토리소그래피를 사용하여 캔틸레버 상에 패턴화된다. 또한, 반사 패드는 캔틸레버의 정면 상에 배치된다. 반사 패드는 또한 금속일 수 있다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 반사 패드는 1 미크론 미만의 치수를 가질 수 있다.
바람직한 실시예의 또 다른 양태에 따르면, 표면 분석 기기는 AFM이다.
바람직한 실시예의 대안적인 양태에 따르면, 표면 분석 기기를 위한 프로브 어셈블리를 제조하는 방법은 기판을 제공하는 단계, 기판으로부터 프로브 어셈블리의 프로브-프로브는 팁 및 원위 단부를 갖는 자유 단부를 가지는 캔틸레버를 포함함-를 형성하는 단계, 및 포토리소그래피를 사용하여 캔틸레버 상에 반사 패드를 패턴화하는 단계를 포함한다. 또한, 패드의 치수는 25 미크론 미만이다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 패턴화 단계는 캔틸레버의 정면 상에 수행된다.
바람직한 실시예의 또 다른 양태에 따르면, 형성 단계는 기판 상에 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 실리콘 질화물, 기판 상에 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 실리콘 질화물 및 실리콘-온-질화물(Silicon-on-Nitride, SON) 기판 중 하나를 사용하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 패드의 치수는 1 미크론 미만이다.
본 발명의 이러한 및 다른 목적, 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예시들은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내면서 제한이 아닌 예시로써 주어진다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 범위 내에서 많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있으며, 본 발명은 이러한 모든 수정을 포함한다.
본 명세서에 개시되어 있다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예는 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호가 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면에 도시되어 있다.
도 1은 종래 기술의 원자힘 현미경의 개략도이다.
도 2는 바람직한 실시예에 따른 프로브의 개략적인 측면도이다.
도 3 은 바람직한 실시예에 따라 포토리소그래피 패턴화된 정면 상에 반사 패드를 갖고 다양한 기하학적 구조를 가지는 일련의 프로브의 개략적인 정면도이다.
도 4a-4g는 포토리소그래피 패턴화된 반사 영역을 사용하여 드리프트 보상된 AFM 프로브 어셈블리의 대안적인 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 5a-5g는 도 2의 프로브 어셈블리를 일괄 미세 제조(batch microfabricate)하는 단계들을 보여주는 일련의 개략적인 측면도이다.
도 6a-6g는 대안적인 방법에 따른, 도 2의 프로브 어셈블리를 일괄 미세 제조하는 단계들을 보여주는 일련의 개략적인 측면도이다.
도 1은 종래 기술의 원자힘 현미경의 개략도이다.
도 2는 바람직한 실시예에 따른 프로브의 개략적인 측면도이다.
도 3 은 바람직한 실시예에 따라 포토리소그래피 패턴화된 정면 상에 반사 패드를 갖고 다양한 기하학적 구조를 가지는 일련의 프로브의 개략적인 정면도이다.
도 4a-4g는 포토리소그래피 패턴화된 반사 영역을 사용하여 드리프트 보상된 AFM 프로브 어셈블리의 대안적인 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 5a-5g는 도 2의 프로브 어셈블리를 일괄 미세 제조(batch microfabricate)하는 단계들을 보여주는 일련의 개략적인 측면도이다.
도 6a-6g는 대안적인 방법에 따른, 도 2의 프로브 어셈블리를 일괄 미세 제조하는 단계들을 보여주는 일련의 개략적인 측면도이다.
먼저 도 2를 참조하면, 바람직한 실시예에 따라 제조된 원자힘 현미경(AFM)을 위한 개략적인 프로브 어셈블리(100)가 도시되어 있다. 포토리소그래피 기술은 일반적으로 AFM을 작동시킬 때 불리한 열 드리프트 효과를 수용하기 위해 프로브의 원위 단부 상에 금속(또는 유전체) 구역 또는 영역을 정의하는데 사용된다.
프로브 어셈블리(100)는 프로브(104)의 캔틸레버(106)를 형성할 때, 전형적으로 실리콘 기판(아래에서 더 설명됨)으로부터 생성된 베이스(102)를 포함한다. 캔틸레버(106)는 팁(110)이 지지되는 원위 단부(109)를 가지는 자유 단부를 포함한다. 팁(110)은 AFM과 동일하게 이미징할 때 샘플의 표면과 상호 작용하는 정점(112)을 갖는다. 프로브/캔틸레버 편향을 측정하는데 사용되는 광학 검출 기법(optical detection scheme)을 수용하기 위해, 레버 상에 반사 영역이 형성된다. 이러한 경우, 반사 영역은 레버(106)의 정면(107) 상에 형성된 금속 패드(114)(캔틸레버의 크기에 따라 1 미크론 미만 내지 100 미크론)이다. 공지된 AFM 프로브와 달리, 포토리소그래피 기술에 따라 패턴화된 패드(114)를 사용하여, 바람직한 실시예는 캔틸레버 편향의 최적 검출을 위해 필요한 반사 특성을 프로브에 구비하면서, 사용된 금속의 양을 최소화하고 따라서 앞서 논의된 열 드리프트 문제를 야기할 수 있는 바이메탈 효과를 최소화한다. 패드(114)가 캔틸레버(106)의 정면 상에 위치되는 동안, 캔틸레버(106)는 광학 빔-바운스 기법으로부터의 레이저 광이 통과하여 검출기, 예를 들어 사분면 포토다이오드를 향해 반사될 수 있도록 충분히 얇음을 주목하라.
다음으로 도 3을 참조하면, 예를 들어 실리콘 웨이퍼를 사용하여 형성된 일괄 제조된 프로브의 예시. 보다 구체적으로, 상이한 기하학적 구조의 프로브(120, 130, 140, 150)(길이가 증가하는 표준 AFM 프로브)는 동일한 실리콘 웨이퍼로부터 생산된다. 프로브(120)는 베이스(122)를 포함하고, 그로부터 연장되는 캔틸레버 아암(124)을 가지며, 팁(127)을 지지하는 원위 단부(126)를 갖는다. 반사 영역(128)도 원위 단부 근처의 레버의 정면 상에 포토리소그래피 패턴화된다. 유사하게, 프로브(130, 140, 150)는 각각의 베이스(132, 142, 152)로부터 연장되는 아암(134, 144, 154)을 가지며, 팁(137, 147, 157)을 지지하는 원위 단부(136, 146, 156)를 포함한다. 더 짧은 프로브(120)와 같이, 프로브(130, 140, 150)는 원위 단부에 인접한 반사 패드/영역(138, 148, 158)을 포함한다.
일련의 대안적인 포토리소그래피 패턴화된 반사 영역/패드가 도 4a-4g에 도시되어 있다. 도 4a에서, 프로브(200)는 정점(208)을 갖는 팁(206)을 지지하는 원위 단부(204)를 갖는 캔틸레버(202)를 포함한다. 이 경우, 반사 패드(210)(금속/유전체)는 (도 2와 같은 정면이 아닌) 레버(203)의 후면(203) 상에 패턴화된다. 이 설계의 장점은 AFM 레이저의 직접 반사가 제공되어(캔틸레버 재료-전형적으로 실리콘 질화물을 통과해야 하는 것과 반대로), 편향 신호 강도를 향상시킨다는 것이다. 도 4b 및 도 4c는 선택된 AFM 모드로 캔틸레버를 구동하는데 사용되는 레이저를 수용하기 위한 하나 및 프로브 모드의 검출을 위한 다른 하나인, 2개의 패드가 각각의 레버 상에 배치되어 있는 2개의 실시예를 도시한다. 도 4b는 정점(228)을 갖는 팁(226)을 가지는 원위 단부(224)를 갖는 캔틸레버(222)를 가지는 프로브(220)를 도시한다. 이러한 경우, 상이한 반사 특성을 가지는 2개의 패드(230, 232)는 캔틸레버(222)의 정면(213) 상에 지지된다. 이것의 예는 하나의 패드가 그 변위를 감지하는데 사용되고, 다른 하나는 상이한 파장 레이저를 사용하여 패드를 구동하는 캔틸레버일 수 있다. 두 패드가 반드시 그 원위 단부 상에 있을 필요는 없다. 유사하게, 도 4c에 도시된 프로브(240)는 2개의 패드(250, 252)를 포함하지만 정점(248)을 가지는 팁(246)을 돌출시키는 원위 단부(244)를 가지는 캔틸레버(242)의 후면(243) 상에 지지된다.
다음으로 도 4d를 참조하면, 정점(268)을 갖는 팁(266)을 지지하는 원위 단부(264) 및 후면(263)을 가지는 캔틸레버(262)를 포함하는 프로브(260)가 최적 편향 민감도를 위해 설계된다. 이 경우, 반사(예를 들어, 금속) 패드는 레버(262)의 원위 단부(264)에서 길이 "L"(캔틸레버의 크기에 따라, 1 미크론 미만 내지 100 미크론)인, 팁의 끝까지 연장되도록 포토리소그래피 패턴화된다. 반사 패드를 사용함으로써 열 드리프트 이점을 감소시킬 수 있는 이 경우에는 보다 반사성인 재료가 사용되지만 더 많은 레이저 광이 검출 기법에서 포착 및 반사될 수 있다. 도 4e는 레버의 정면(283) 상에 배치된 패드(292)를 갖는 캔틸레버(282)를 가지는 프로브(180)를 나타낸다. 프로브는 또한 정점(288)을 가지는 팁(286)을 포함하며, 팁은 이를 사전 기능화하기 위해, 예를 들어 샘플의 생체/전기/자기 특성을 수용하기 위해 재료(290)로 코팅된다.
다음으로, 도 4f 및 도 4g를 참조하면, 캔틸레버의 양면을 패턴화하기 위해 포토리소그래피가 사용된다. 특히, 도 4g에서, 프로브(300)는 AFM 작업 동안 샘플 표면(미 도시)과 상호 작용하는 정점(308)을 가지고 그로부터 연장되는 팁(306)을 갖는 원위 단부(304)를 가지는 캔틸레버(302)를 포함한다. 캔틸레버(302)는 각각 반사층(310, 312)을 지지하는 정면 및 후면(303, 305)을 포함한다. 유사하게, 도 4g의 프로브(320)는 샘플 표면과 상호 작용하는 정점(328)을 가지고 그로부터 연장되는 팁(326)을 갖는 원위 단부(324)를 가지는 캔틸레버(322)를 포함한다. 캔틸레버(322)는 각각 반사층(330, 332)을 지지하는 정면 및 후면(323, 325)을 포함한다. 추가적으로, 도 4g 프로브는 시험 중인 샘플의 생체/자기/전기 특성을 수용하기 위해 상이한 재료의 팁(326) 상에 코팅(334)을 포함한다. 이들 두 경우 모두에서, 캔틸레버의 양면 코팅은 단지 한 면이 코팅되었을 경우에만 캔틸레버를 구부릴 수 있는 (당 업계에서 이해되는 바와 같은 일부 응용 분야, 예를 들어 세포 이미징, 화학 분석, 전기 분석에 사용되는) 고응력 재료(highly stressed material)에 의해 수행된다.
도 5a-5g로 넘어가서, 도 2에 도시된 것과 같은 바람직한 실시예에 따른 열적으로 보상된 프로브 어셈블리를 제조하는 방법이 도시되어 있다. 상기 도시된 것과 같은 프로브의 제조가 설명되어 있지만, 설명은 다양한 특성의 프로브를 일괄 제조하는데에도 적용됨이 이해된다는 것을 주목하라. 먼저, 실리콘 웨이퍼와 같은 시작 재료(500)가 도 5a에 제공된다. 다음으로, 도 5b에서, 팁(502)은 적절한 마스크를 이용하는 리소그래피 및 실리콘 이방성(볼록 몰드)의 습식(또는 건식) 에칭을 사용하여 형성된다. 도 5c에서, 레버 재료(504), 전형적으로 LPCVD (저압 화학 기상 증착) 또는 PECVD (플라즈마 강화 화학 기상 증착), 또는 스퍼터링을 사용하는 질화물이 배치된다.
도 5d를 참조하면, 반사 영역 또는 패드의 형성은 반사 재료(506)를 증발 또는 스퍼터링 또는 전기 도금함으로써 시작되어, 개시될, 이 경우에는 프로브의 정면 상에 코팅을 생성한다. 전형적으로, 반사 재료는 알루미늄, 크롬 및/또는 금일 것이다. 다음으로, 도 5e에 도시된 바와 같이, 패드 리소그래피 단계는 반사 패드 또는 영역(508)을 생성하도록 금속 층/코팅을 패턴화함으로써 수행된다. 특히, 본 리소그래피 기술을 사용하여 패드의 형상은 AFM 툴의 특정 양태, 예를 들어 광학 편향 검출 기구에서의 레이저 스폿 형상을 반영하도록 재단될 수 있다. 도 5f에서, 레버를 정의하기 위해, 리소그래피는 다시 동일하게 패턴화하도록 사용될 수 있다. 마지막으로, 도 5g에서, 캔틸레버 에칭이 수행되어 예를 들어 캔틸레버 길이를 정의한다. 팁(502)은 중공일 수 있고, 또는 그렇지 않을 수 있다.
도 6a-6g로 넘어가서, 도 2에 도시된 것과 같은, 바람직한 실시예에 따른 열적으로 안정한/드리프트 내성 프로브 어셈블리(600)를 제조하는 대안적인 방법이 도시되어 있다. 또한, 설명은 다양한 특성의 프로브를 일괄 제조하는데에도 적용됨이 이해된다. 먼저, 실리콘 워터 대신에, 실리콘-온-질화물 웨이퍼와 같은 시작 재료(500)가 도 6a에 제공된다. 602는 실리콘 장치 층이고, 606은 내장된 레버 재료(전형적으로 질화물(Si3N4), 또는 다른 유전체 재료와의 조합)이며, 604는 실리콘 핸들 층(프로브 어셈블리(600)의 베이스)이다. 다음으로, 도 6b에서, 팁(608)은 적절한 마스크를 이용하는 리소그래피 및 실리콘 이방성의 습식(또는 건식) 에칭을 사용하여 형성된다. 도 6c에서, 레버 재료(606)는 이를 레버(610)로 만들기 위해 포토리소그래피를 사용하여 패턴화된다.
도 6d를 참조하면, 반사 영역 또는 패드의 형성은 반사 재료(612)를 증발 또는 스퍼터링 또는 전기 도금함으로써 시작되어, 개시될, 이 경우에는 프로브의 정면 상에 코팅을 생성한다. 전형적으로, 반사 재료는 알루미늄, 크롬(특정 응용 분야를 위한 고응력 재료) 및/또는 금일 것이다. 다음으로, 도 6e에 도시된 바와 같이, 패드 리소그래피 단계는 반사 패드 또는 영역(614)을 생성하도록 금속 층/코팅을 패턴화함으로써 수행된다. 마지막으로, 도 6f에서, 캔틸레버 에칭이 수행되어 예를 들어 캔틸레버 길이 "L"을 정의한다. 프로브(500)의 팁(502)과 유사하게, 팁(608)은 중공일 수 있고, 또는 그렇지 않을 수 있다.
요약하면, AFM 프로브 상에 반사 재료의 미세 조정된 영역을 생성하도록 포토리소그래피를 사용함으로써, 원자힘 현미경의 분야는 열 드리프트에 대해 AFM 프로브를 상당히, 즉 10배 이상 둔감하게 하는 해결책을 갖는다. 예를 들어 프로브 이동의 검출을 용이하게 하는데 사용되는 프로브 상의 반사 재료에 의해 야기된 바이메탈 효과와 관련한 것과 같이, 열 드리프트 문제를 극복하려는 이전의 시도와 달리, 바람직한 실시예는 반사 영역의 측면 치수(예를 들어, 길이/폭)를 +/- 25 미크론 미만, 일부 경우에서는 이상적인 열 특성을 위해 1 미크론 미만의 양으로 정확하고 반복적으로 제어할 수 있다. 이는 AFM이 새로운 응용 분야를 열게 하며, 이는 포스 클램핑, 풀-앤-홀드 프로틴 폴딩/리폴딩, 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
본 발명을 수행하는 발명자에 의해 고려된 최선의 모드가 상기 개시되어 있지만, 본 발명의 실시는 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 특징의 다양한 추가, 수정 및 재배열은 근본적인 발명 개념의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.
Claims (20)
- 표면 분석 기기를 위한 프로브 어셈블리에 있어서,
상기 프로브 어셈블리의 베이스를 정의하는 기판;
상기 베이스로부터 연장되고 자유 단부를 갖는 캔틸레버, 상기 캔틸레버는 정면 및 후면을 지니고, 팁은 상기 정면에 위치됨; 및
상기 캔틸레버의 상기 정면 상의 원위 단부에 배치된 반사 패드, 상기 반사 패드는 포토리소그래피를 사용하여 패턴화되고 적어도 하나의 반사 패드는 상기 캔틸레버의 상기 후면 상에 배치되지 않음;
를 포함하는, 프로브 어셈블리.
- 제1항에 있어서,
상기 반사 패드는 상기 캔틸레버 상의 임의의 지점에서 플러스 또는 마이너스 25 미크론 미만으로 제어 가능한 측면 치수를 갖는, 프로브 어셈블리.
- 제2항에 있어서,
상기 치수는 미크론 미만인, 프로브 어셈블리.
- 제3항에 있어서,
상기 측면 치수는 길이 및 폭 중 적어도 하나인, 프로브 어셈블리.
- 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 반사 패드는 상기 자유 단부의 원위 단부로 연장되는, 프로브 어셈블리.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 반사 패드의 재료는 고응력 재료인, 프로브 어셈블리.
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 반사 패드는 적어도 2개의 반사 패드- 편향 측정값을 수용하기 위한 하나 및 AFM 작동 모드에 따라 상기 프로브 어셈블리를 구동하는 것을 수용하기 위한 다른 하나-를 포함하는, 프로브 어셈블리.
- 제2항에 있어서,
상기 반사 패드는 유전체 및 금속 중 적어도 하나인, 프로브 어셈블리.
- 제1항에 있어서,
상기 표면 분석 기기는 AFM인, 프로브 어셈블리.
- 제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 반사 패드의 치수는 상기 캔틸레버의 길이에 의존하는, 프로브 어셈블리.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 웨이퍼 및 실리콘-온-질화물 웨이퍼 중 하나인, 프로브 어셈블리.
- 표면 분석 기기를 위한 프로브 어셈블리를 제조하는 방법에 있어서,
기판을 제공하는 단계;
기판으로부터 상기 프로브 어셈블리의 프로브를 형성하는 단계, 상기 프로브는 원위 단부를 갖는 자유 단부 및 팁을 가지는 캔틸레버를 포함하고 상기 캔틸레버는 정면 및 후면을 지니고 상기 팁은 상기 정면에 위치됨; 및
포토리소그래피를 사용하여 상기 캔틸레버 상에 적어도 하나의 반사 패드를 패턴화하는 단계, 적어도 하나의 반사 패드는 상기 캔틸레버의 상기 정면 상의 상기 원위 단부에 배치되고, 상기 적어도 하나의 반사 패드는 상기 캔틸레버의 상기 후면 상에 배치되지 않음;
를 포함하고,
상기 적어도 하나의 반사 패드의 치수는 25 미크론 미만인, 방법.
- 삭제
- 제14항에 있어서,
상기 형성하는 단계는 상기 기판 상에 실리콘 질화물을 증착하기 위해 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 및 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 중 하나를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 치수는 1 미크론 미만인, 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 웨이퍼 및 실리콘-온-질화물 웨이퍼 중 하나인, 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 적어도 하나의 반사 패드는 적어도 2개의 반사 패드- 표면 분석 기기의 작동 모드에 따라 상기 프로브를 구동하기 위한 하나 및 상기 프로브의 편향 측정값을 수용하기 위한 하나-를 포함하는, 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 패턴화하는 단계는 상기 표면 분석 기기의 편향 검출 기구의 레이저 빔의 형상에 대응하도록 상기 패드를 형상화하는 단계를 포함하는, 방법.
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Legal Events
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |