KR20010003182A - 실리콘 기판상에 형성된 붕소확산층 이용한 표면주사현 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기계적 특성이 우수한 <110> 결정방향의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 마이크로머시닝기술인 건식식각과 붕소확산층을 이용한 선택식각 등의 간단한 방법으로 표면주사현미경 탐침을 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 표면주사현미경 탐침을 제조하기 위하여 실리콘 산화막층을 식각정지층으로 사용하기때문에 가격이 비싼 SOI(Silicon On Insulator)웨이퍼를 사용하고 탐침의 형상을 만들기 위하여 양면 정렬방식을 사용함으로써 제조공정이 복잡하고 제조원가가 높고 수율저하의 문제가 발생되었다.
본 발명은 실리콘을 건식식각하여 침(tip)을 형성하고 붕소확산층을 식각 정지층으로 이방성 식각을 하여 스트레스가 없는 탐침을 제작하였다. 이 공정은 붕소확산층을 식각 정지층으로 이용하기 때문에, 실리콘 산화막층을 식각 정지층으로 이용하는 가격이 비싼 SOI 웨이퍼를 사용하는 대신에, 가격이 싼 <110> 결정방향을 가지는 웨이퍼를 사용하였으며 저가로 탐침을 제작할 수 있다. 그리고, 탐침을 만들기 위한 이방성 식각시에 양면 정렬방식을 사용하지 않고, 단면 정렬방식을 사용함으로써, 공정을 간단하게 했을 뿐만 아니라, 탐침의 끝에서 자동으로 식각이 정지되도록 하였다.
따라서 본 발명을 이용하여 표면주사현미경 탐침을 제조할 경우 가격이 싼 재료와 세장의 간단한 사진공정으로 제작이 가능하여 제조원가의 저감 및 다양한 기능의 탐침을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 표면주사현미경(Scanning Probe Microscope)에 쓰이는 탐침(Cantilever)의 제조 공정에 관한 것이며, 특히, 간단한 공정으로 만들 수 있기 때문에, 기존의 복잡한 공정으로 만들었던 표면주사현미경 탐침을 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 저가로 간단하게 제조하는 방법에 관한 것이다.
표면주사현미경은 광학이나 전자 현미경으로 관찰할 수 없는 물체의 표면의 여러 가지 형상을 탐침의 뾰족한 침과 실리콘 등의 얇은 박막의 미세한 움직임을 이용하여 표면형상을 관찰할 수 있는 현미경의 하나로, 현재 널리 쓰이고 있는 장비이다. 특히, 요즈음에는 원자현미경을 이용해서 고밀도 저장장치를 구현하는 방법을 연구 중에 있고, 미세한 패턴(pattern)의 사진 공정에도 많이 이용되고 있다. 이러한 원자현미경에서 물체를 주사하기 위해서 탐침이 쓰이고 있다. 이러한 탐침은 실리콘 산화막 (silicon dioxide), 실리콘 질화막 (silicon nitride), 금속, 실리콘(silicon)등 여러 가지로 만들 수 있지만, 일반적으로 우수한 기계적인 특성을 가진 실리콘으로 탐침을 제조한다. 그러나, 기존의 실리콘 탐침은 대부분 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼(wafer)를 이용해서 만들기 때문에, 가격이 비싸고 복잡한 공정을 사용해야 했다.
실리콘 탐침이 아닌, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 금속 등으로 만든 표면주사현미경 탐침은 실리콘보다 기계적인 특성이 좋지 않을 뿐 아니라, 탐침의 두께 등의 조절범위가 작다는 제약이 있다. 그밖에도, 막의 증착 특성에 따라서, 탐침(probe)의 침(tip) 이 실리콘 침보다 뾰족하지 않다는 단점이 있다.
SOI 웨이퍼로 탐침을 만든 예는 1991년에 씨. 에프. 퀘이트 (C. F. Quate) 등이 IEEE에 발표한 "Atomic Force Microscopy Using a Piezoresistive Cantilever"로. 이 탐침은 SOI 웨이퍼의 중간층에 있는 실리콘 산화막을 식각 정지층으로 사용하여, 양면정렬(Double side align)을 통해서 실리콘 탐침을 만들었다. 이 경우에는 기계적 특성이 좋은 실리콘으로 탐침을 만들고, 뾰족한 침을 얻을 수 있었으나, 양면정렬공정으로 제조방법이 복잡하고, 웨이퍼의 두께에 따라서 실리콘 산화막에서 식각이 정지되는 위치가 다르기 때문에, 탐침의 두께가 변하는 단점이 있다. 그밖에도 가격이 비싼 SOI 웨이퍼를 사용하기 때문에, 대량 생산 시에는 생산단가가 높아지게 된다.
그러므로, 좀 더 간단하고 생산단가가 낮은 제조 방법으로 우수한 성능의 원자현미경 탐침을 만들고자 하는 요구가 대두되고 있다.
본 발명은 위와 같이 기존에 원자현미경 탐침을 만드는데 제시되었던 공정을 개선하고 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 새로운 표면주사현미경 탐침 제작 방법을 고안하여 기존의 제조 방법에 비해 쉽고 간단하게 탐침을 제작하는 데 그 목적이 있다.
더불어, 저가로 제작을 할 수 있는 공정을 개발함으로써 생산 단가를 절감하기 위한 것이다.
또한 표면주사현미경 탐침의 사양을 쉬운 방법으로 변화시킬 수 있는 공정을 개발하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명에서 제시한 공정에 따라 실제로 제작된 표면주사현미경 탐침의 주사 전자 현미경(SEM) 사진;
도 2 는 본 발명에 따른 표면주사현미경 탐침의 침(Tip) 부분 제작 공정도
도 3a 내지 도 3b 는 본 발명에 따른 표면주사현미경의 탐침 제작을 위한 붕소확산층 그림
도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따른 표면주사현미경 탐침의 붕소확산층 탐침 제작 공정도
도 5a 내지 도 5c 는 결정방향에 따른 이방성 식각의 결과를 비교하는 그림
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 표면주사현미경 탐침
102 : 탐침(cantilever)의 윗면
103 : 탐침의 다리
104 : 몸체에 붙어 있는 탐침(Cantilever)
201,202,203 : 탐침의 침(Tip) 그림
308,309 : 붕소확산층
403 : 이방성 식각될 실리콘 노출 부분
407,408 : 실리콘 산화막의 선택적 식각을 위한 포토 레지스트
410 : 식각정지층으로 쓰이는 <111>면
501 : <100> 결정방향을 가지는 실리콘 기판
502 : 실리콘 산화막
503 : <100> 결정방향을 가지는 실리콘의 <111>면
504 : <110> 결정방향을 가지는 실리콘 기판
506 : <110> 결정방향을 가지는 실리콘의 <111>면
507 : SOI(silicon on insulator) 웨이퍼의 실리콘 부분
510 : SOI웨이퍼의 중간 실리콘 산화막 층
512 : SOI 웨이퍼의 실리콘의 <111>면
513 : 붕소확산층의 식각정지층을 이용한 탐침부
표면주사현미경 탐침을 제조하기 위해 본 발명은, 실리콘 기판에 침을 형성하는 단계, 붕소확산층을 형성하는 단계, 탐침(cantilever)을 형성하는 단계를 포함하는 간단한 표면주사현미경 탐침의 제조 방법을 제공한다.
이 제조공정에서는 탐침을 제작하기 위해서 <110> 방향의 결정을 가지는 웨이퍼를 사용한다. 웨이퍼에 실리콘 산화막을 기른 후에, 실리콘 침(tip)을 만들기 위해서 실리콘 산화막을 패터닝 (patterning) 한다. 그리고, 실리콘 산화막이 남아 있지 않은 부분을 프레온계 개스를 이용해서 건식 식각(dry etch)을 한다.
그리고, 붕소확산층 형성을 위한 마스크(mask)로 쓰기 위해서 실리콘 산화막을 기른다. 이 산화막을 다시 선택적인 붕소확산을 위해서 패터닝(patterning)을 한다. 그 후에 붕소확산을 하면, 실리콘 산화막이 없는 부분에만 붕소확산층이 만들어진다.
그리고, 탐침(cantilever)을 형성시키는 이방성 식각을 위한 마스크(mask)로 쓰기 위해서 실리콘 산화막을 기른다. 이 산화막을 다시 선택적인 식각을 위해서 패터닝(patterning)을 한다. 그 후에 실리콘 식각 용액을 이용해서 이방성 식각을 하면, 붕소확산층과 실리콘<111>면이 식각 정지층으로 작용을 해서, 붕소 확산층으로 이루어진 탐침을 형성하게 된다.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
[도 1]은 본 발명에서 제시한 공정에 따라서 제작한 표면주사현미경 탐침의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope;SEM) 사진이다. 탐침의 한쪽 끝(104)은 몸체에 고정이 되어 있고, 다른 한쪽 끝(102)은 공중에 떠 있는 것을 볼 수 있다. 탐침의 끝부분에는 침이 있다.
도면그림을 참조하여 본 발명에 따른 표면주사현미경 탐침의 제조 과정을 간단히 설명한다.
먼저, 탐침의 제작을 위해서 <110>방향의 결정을 가지는 실리콘기판을 준비한다.
다음, [도2]와 같은 실리콘 침(tip)을 형성하기 위하여, 마스크(mask)로 쓰일 실리콘 산화막을 수천Å 기른 후, 감광제(photoresist)를 이용하여 실리콘 산화막을 선택적으로 식각하기 위한 패터닝을 한 후 실리콘 산화막 제거용액을 이용하여 실리콘 산화막을 선택적으로 식각한다. 이후, 패턴닝된 실리콘 산화막을 마스크로 하여 건식 식각을 통해서 실리콘 침(tip)을 형성한다. 건식 식각은 이온반응 플라스마 식각장치(Reactive ion etching)를 통해서 이루어지며, 프레온계 개스를 사용한다. 이때 프레온계 개스의 조성비, 파우워, 압력 등에 따라 침의 두 면(201,202)이 이루는 각도를 조정할 수 있다. 이 각도는 표면주사현미경으로 주사한 이미지(image) 의 해상도에 중요한 영향을 미치게 된다.
[도3a,도3b]는 실리콘 탐침을 형성하는 붕소 확산층을 만들기 위한 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 선택적 붕소확산을 위해, 실리콘 산화막을 형성한 후 실리콘 산화막을 감광제(Photoresist)를 이용하여 패터닝(patterning)한 후 패터닝된 실리콘 산화막을 마스크로하여 선택적 붕소확산층을 형성한다. 붕소확산을 위하여 섭시 1000도 이상의 고온의 확산로를 이용한다. 이때, 확산온도와 시간에 따라 붕소확산 깊이가 결정되며, 이는 탐침의 두께를 결정 짖는 중요한 요소로 작용한다.
탐침부분(309)과 탐침을 지지하는 몸체(308)부분에만 붕소확산이 되어 있고, 이 붕소확산층은 이방성 식각중에 식각정지층으로 작용을 하게 된다.
[도4a,4b,4c]는 실리콘 탐침을 형성하기 위해서 이방성 식각을 하는 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 탐침을 형성하기 위해서, 이방성 식각에 마스크로 쓰일 실리콘 산화막을 형성한다. 이 실리콘 산화막은 이방성 식각시에 식각이 되지 않는 부분을 보호하기 위한 역할을 하는데, 부수적으로 침이 뾰족해지는 효과가 생긴다.
[도4a]를 참조하면, 이방성 식각시에 마스크로 쓰일 부분만 실리콘 산화막을 남기고, 나머지 부분은 식각을 하기 위해서 감광제(Photoresist)를 이용하여 패터닝을 한 후 탐침부분(408)와, 탐침을 지지하는 몸체(407) 부분만 남기고 실리콘 산화막을 제거한다.
[도4b]를 참조하면, [도4a]를 위에서 본 그림이다. 이방성 식각시에 식각이 되지 않을 탐침(408)과 몸체부분(407)을 제외한 나머지 부분(403)의 실리콘 산화막을 제거한 후 실리콘 식각용액을 사용하여 식각을 한다. 이때, 이방성 식각 용액은 실리콘의 결정방향에 따라서 다른 식각 비율을 가진다. 다시 말하면, <111>면의 식각율이 <100>면과 <110>면보다 크게 낮아서, <111>면인 (410)에서 식각이 정지된다. <110> 방향의 결정을 가지는 실리콘으로 탐침을 만들면, [도4c] 와 같이 표면에 수직으로 식각정지층이 형성되기 때문에, <100> 결정방향을 갖는 실리콘을 사용할 경우의 식각정지층[도5a,(503)]과는 달리 탐침의 뒷면에 실리콘이 남아 있지 않아서, 양면정렬방법(Double side align)을 하지 않고도 표면주사현미경 탐침을 만들 수 있다.
또한, 측정 시 탐침의 뒷면에 빛을 쏘아서 반사되는 빛의 상(phase)변화를 효과적으로 관찰하기 위하여 반사가 잘되는 금속을 탐침의 뒷면에 증착한다.
한편 [도5a,5b,5c]는 실리콘의 결정방향에 따라서 실리콘 식각용액을 이용한 이방성 식각후의 탐침과 몸체의 모습을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, [도5a}를 참조하면, <100> 방향의 결정구조를 가지는 실리콘을 이방성 식각을 하면, 탐침의 뒷면에 식각 정지면(503)인 <111>면이 생기게 된다.
[도5b]를 참조하면, <110> 방향의 결정구조를 가지는 실리콘을 이방성 식각을 하면, 탐침의 끝에서 수직으로 식각 정지면(506)인 <111>면이 생기게 된다.
[도5c]를 참조하면, SOI 웨이퍼로 웨이퍼의 앞면과 뒷면 모두 얼라인을 하는 양면정렬(Double side align) 공정을 쓰면, 식각 정지면(512)인 <111>면이 탐침의 뒷면에 생기지 않게 되며, 식각 정지층은 실리콘 사이에 있는 실리콘 산화막층(510)이 된다.
본 발명에서 제시한 제조방법은, 표면주사현미경용 탐침을 제조함에 있어서, <110>방향의 결정을 가지는 실리콘 기판을 사용하여, 건식 식각으로 실리콘 침을 만들고, 붕소확산층으로 탐침을 형성함으로써 SOI 웨이퍼를 쓰는 대신에 붕소확산층을 식각 정지층으로 사용함으로써 양면정렬방법을 이용하지 않고 단면정렬방법의 간단한 공정에 의해 원자현미경용 탐침을 만들 수 있었을 뿐만 아니라 생산 원가도 절감시킬 수 있다.
또한, <110>방향의 결정을 가지는 실리콘의 식각 정지층인 <111>면이 웨이퍼의 표면과 수직인 점을 이용해서, 탐침의 끝부분에서 식각이 정지되는 현상으로 기존에 웨이퍼의 두께에 따라서, 식각 정지 부분이 틀려지는 문제를 해결할 수 있었다.
또, 실리콘 침을 뾰족하게 만드는 실리콘 산화막 형성 과정을 침을 만들기 위해서 따로 수행하지 않고, 실리콘 산화막을 마스크로 사용함으로써 침의 끝을 뾰쪽하게 만드는 공정과 마스크공정을 동시에 실시함으로써 제조공정을 단순화시켰다.
본 발명은 몇 가지 중요한 특징을 가지고 있다.
첫번째는 <110>결정방향을 갖는 실리콘을 사용하면 양면정렬(Double side align)공정이 필요없다는 점이다. 식각 정지층[도 5b (506)]이 웨이퍼의 수평면과 수직방향으로 있기 때문에, [도 5a]에서 보는 바와 같이<100>방향의 결정구조를 가지는 실리콘을 썼을때의 문제점을 해결 할 수 있다. 뿐만 아니라, 캔틸레버의 끝부분에서 자동으로 식각이 정지되는 장점이 있다. SOI wafer를 쓸 경우도 [도 5c]와 같이 식각정지층(512)을 생기게 함으로써, 캔틸레버의 뒷면을 가리는 실리콘은 남아 있지 않지만, 이 경우에도 역시 뒷면에도 얼라인(align)을 해야하는 양면 얼라인 공정이 필요하다. 본 발명에서 제안한 구조처럼 <110>방향의 결정을 가지는 실리콘을 사용하면 이처럼 양면 패터닝을 하지 않으면서도 캔틸레버의 구조가 간단하고 신뢰성이 높게 된다.
두 번째는 원자현미경 탐침의 침 형성 후에 거치는 실리콘 산화막 형성과정이다. 실리콘 산화막을 형성할 때 침끝(203)의 스트레스(stress)로 인하여 산화막의 형성이 잘 안 되기 때문에 상대적으로 침의 옆면(201,202)보다 실리콘 산화막 형성 속도가 느려서, 침끝이 뾰족해지는 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 거칠었던 표면을 매끄럽게 해주는 결과도 가져온다. 본 공정에서는 이 산화막을 붕소 확산을 막는 마스크로 사용함으로써, 따로 실리콘 산화막 형성과정을 쓰지 않고 공정을 단순화 하였다.
세 번째는 기존에 실리콘 캔틸레버를 만들기 위해서 사용하던 SOI웨이퍼를 쓰지 않고 <110>방향의 결정구조를 가지는 웨이퍼를 사용한다는 점이다. 기존의 공정에서 실리콘 탐침을 만들기 위해서 SOI웨이퍼에서 중간에 있는 실리콘 산화막층(510)을 식각정지층으로 사용했지만, 본 발명에서 제안된 공정에서는 붕소확산층을 식각 정지층으로 사용했기 때문에, SOI 웨이퍼를 쓰지 않고도 실리콘 캔틸레버를 만들 수 있다. 또, 붕소확산층의 두께(513)를 확산시간과 온도에 따라서 자유롭게 조정할 수 있으므로, 결과적으로 실리콘 캔틸레버의 두께를 자유롭게 조정할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 원자현미경용 탐침을 제작함에 있어서 <110> 방향의 결정구조를 갖는 웨이퍼를 사용하여, <100> 웨이퍼를 사용했을 경우의 문제점들을 해결하였고, SOI웨이퍼를 사용했을 때보다 저가로 붕소확산층을 이용한 탐침을 제작하였다.
Claims (10)
- 다음과 같은 구조를 가지는 표면주사현미경용 탐침<110> 격자방향을 갖는 실리콘을 이용하여 제작된 켄틸레버(Cantilever)한쪽 끝은 몸체에 고정되어 있고, 다른 한쪽 끝은 공중에 떠 있는 붕소확산층으로 이루어진 캔틸레버붕소확산층으로 이루어진 캔틸레버의 공중에 떠 있는 부분의 끝의 가운데에 얼라인되어 있는 실리콘으로 이루어진 침침의 두면이 45°이하의 끝이 뾰쪽한 실리콘 원추형 침캔틸레버의 몸체에 고정된 부분의 끝에서 캔틸레버와 수직을 이루고 있는 원자현미경용 탐침의 몸체<110> 결정방향을 갖는 실리콘 기판을 이용하여, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막,금속박막을 이용한 표면주사현미경용 캔틸레버
- <110>방향의 결정을 갖는 실리콘 기판을 사용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 표면주사현미경 탐침 제조방법건식 식각으로 침을 만드는 단계;붕소확산층을 만드는 단계;붕소확산층을 식각정지층으로 이용해서 탐침을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자현미경 탐침의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,원모양의 실리콘 산화막으로 패터닝된 실리콘을 건식 식각하는 과정에서 CF4,SF6,O2,He 개스를 사용하여 건식식각을 특징으로 하는 탐침 및 침(tip) 제조방법붕소확산 시간과 온도를 조정하여 붕소확산층의 두께를 조정함으로써 켄틸레버 두께를 변화시키는 방법붕소확산된 부분을 식각정지층으로 사용하여 붕소확산후에 이방성 식각으로 붕소확산층으로 이루어진 캔틸레버를 제작하는 방법
- 제 3 항에 있어서 이방성 식각으로 <110>방향의 결정을 갖는 실리콘 기판의 수평면과 수직인 <111>면을 이용해서, 이를 식각정지면으로 사용하여 탐침을 제작하는 방법이방성 식각으로 붕소확산층 캔틸레버를 제작하는 방법에서 TMAH,EDP,KOH 등 붕소확산층에 대한 식각 선택성을 갖는 용액을 사용해서 이방성 식각을 하는 방법실리콘 산화막으로 패터닝된 실리콘을 습식식각하여 침을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자현미경 탐침의 제조 방법
- 제 4 항에 있어서 이방성 식각으로 <110>방향의 결정을 가진 실리콘 기판의 수평면과 수직인 <111>면을 이용해서, 이를 식각 정지면으로 사용하여, 캔틸레버의 끝에서 식각이 정지되도록 캔틸레버를 제작하는 방법.
- 제 5 항에 있어서 제작된 다음과 같은 특징을 가진 캔틸레버단결정 실리콘으로 이루어진 캔틸레버붕소확산층으로 이루어진 캔틸레버윗면, 아래면, 윗면과 아래면에 동시에 수직인 면 등 세 개의 면으로 이루어졌으며, 윗면과 아랫면이 서로 평행하고, 세면이 캔틸레버의 끝에서 만나는 캔틸레버두개의 다리가 몸체에 연결되어 있고, 다리의 끝이 서로 만나서 삼각형의 모양을 이루는 캔틸레버침과 캔틸레버가 집적된 (integrated) 캔틸레버캔틸레버의 한쪽끝은 몸체에 고정되어 있고, 다른 한면은 공중에 떠 있는 캔틸레버캔틸레버의 공중에 떠 있는 쪽의 끝 중앙에 침이 집적된 캔틸레버
- 제 5 항에 있어서 캔틸레버의 뒷면에 빛의 반사를 위하여 금, 알루미늄 등 반사가 잘 되는 물질을 코팅하거나 증착함으로써, 캔틸레버의 뒷면에 빛을 반사해서 캔틸레버의 움직임을 측정하는 시스템에 쓰일 수 있는 캔틸레버
- 제 1 항에 있어서, 선택적인 붕소확산 공정과, 캔틸레버를 형성하기 위한 이방성 식각시에 마스크로 사용되는 실리콘 산화막 형성과정에서 1000℃ 이하의 온도에서 실리콘 산화막을 기르는 과정을 포함하는 침끝이 뾰족하게 하는 방법
- 제 2 항에 있어서 제작된 표면주사현미경용 탐침은 AFM(Atomic Force Microscope), STM(Scaning Tunneling Microscope), MFM(Magnetic Force Microscope), EFM(Electrostatic Force Microscope), SCM(Scanning Capacitance Microscope), SNOM(Scanning Near-Field Optical Microscope) 등의 SPM(Scanning Probe Microscope)등에도 사용 가능.
- 제 2 항에 있어서 원자현미경용 탐침을 제조하는 방법은 원자현미경을 이용한 높은 집적도를 가진 저장 장치에도 응용 가능.
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