KR20020045968A

KR20020045968A - 주사 탐침 현미경용 캔틸레버 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20020045968A
Application number: KR1020000075432A
Authority: KR
Inventors: 박상일; 정주환; 진원혁; 홍재완; 국양
Original assignee: 박상일; 피에스아이에이 주식회사
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2002-06-20
Also published as: KR100388916B1

Abstract

본 발명은 신속하게 선명한 표면형상(topography)을 얻을 수 있으며, z축 방향의 큰 변위를 수용할 수 있는 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope)용 캔틸레버(cantilever)를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 캔틸레버(cantilever)는 힘 감지부와 구동부로 이루어지며, 캔틸레버는 힘 감지부에 형성된 원뿔 형상의 탐침(tip)을 포함한다. 상기 구동부는 상기 탐침(tip)을 이동시키기 위한 상기 구동부를 구부리는 수단을 포함하고, 또한 구동부는 도전성 전극, 상기 도전성 전극상에 놓여 있는 압전요소, 및 상기 압전요소상에 놓여 있는 다른 하나의 전극을 포함하며, 상기 두 전극은 서로 다른 열팽창계수를 갖는다.

Description

주사 탐침 현미경용 캔틸레버 및 그의 제조 방법{Cantilever for a scanning probe microscope and a method of manufacturing the same}

종래의 원자력 현미경(Atomic Force Microscope, 이하 AFM 이라 한다)은 2~4인치 정도 길이의 원통형 PZT(Lead Zirconate Titinate)로 이루어진 주사기(scanner)를 포함한다. 이 주사기를 이용하여 시료 표면과 상호작용을 하는 캔틸레버 프로브(cantilever probe)를 x, y 축으로 움직여 주며, 캔틸레버에서 반사되는 수 마이크로미터(㎛) 정도의 크기로 초점이 맞추어진 레이저의 변위를 측정하고 이를 증폭하여 피이드백 회로를 통해 PZT 주사기에 적당한 전압을 인가함으로써, z 방향의 시료 형상을 측정하였다.

여기서, 종래의 AFM에서 무거운 원통형으로 이루어진 주사기의 z 축 방향의 공진주파수는 수 kHz 정도이고, x, y 축 방향의 공진 주파수는 수 백 Hz 정도이다. 이는 위상차 없이 피이드백 회로에 의해 시료 표면을 추적하려면, 수 백 Hz 보다 작은 주파수로 주사(scan)를 해야 한다는 것을 의미한다. 게다가 하나의 원통형 주사기를 이용하여 x, y 축과 z 축의 움직임을 만들어 내기 때문에 x, y 축과 z 축 간의 간섭 현상으로 수십 Hz정도로 밖에는 주사를 할 수 없다. 이런 이유로 종래의 AFM은 하나의 상을 얻어내기 위해서 수 분이 소요되었다.

이러한 AFM의 상을 얻는 시간을 향상시키기 위하여 미세가공(micro-machining) 기술을 이용하여 측정부분인 캔틸레버에 극소-구동기(micro-actuator)를 탑제하는 연구가 진행되어 왔다. 즉, 탐침의 z 축 방향의 움직임을 독립적으로 가벼운 극소형 구동기를 사용하여 표면의 형상을 측정하였다.

종래 캔틸레버의 구조를 도 1a에 의거하여 상세히 설명한다. 도 1a에 보여진 바와 같이, 캔틸레버는 구동부(11), 힘 감지부(12) 및 힘 감지부위에 형성된 탐침(17)으로 이루어진다.

구동부(11)는 압전요소(13)를 포함하며, 압전요소(13)는 금속전극들(15A 및 15B)사이에 ZnO층(14)을 포함하며, 변형 예로서, ZnO 대신 PZT(Lead Zirconate Titinate)가 사용될 수 있다.

종래의 캔틸레버는 압전요소(13)와 압저항(18)사이의 정전용량성 간섭을 최소화하기 위한 구조로 되어 있다. 도 1a에서는 바람직하게는 금속의 전도성 차폐층(140)이 압전요소(13)와 압저항(18)사이에 배열되어 있다. 차폐층(140)은 캔틸레버(10)의 상부면을 덮으며 절연층(141)에 의해 압전요소(18)와 분리되어 있다. 도면에 보여진 바와 같이, 차폐층(140)은 접지 되어 있다.

도 1b는 종래기술의 다른 예로서, 여기서는 압전요소(13)의 바닥전극(15C)이 측정부분(10)의 상부면상에 연장되어 있다. 바닥전극(15C)이 접지되었기 때문에, 전극(15C)은 압전요소(13)로의 입력신호와 압저항(18)과의 전기적 간섭을 막는 차폐역할을 한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 전압 Vpe가 압전요소(13)의 전극들(15A 및 15B)에 인가된다. 잘 알려진 바와 같이, 중간 ZnO층(14)은 Vpe가 변화됨에 따라서 팽창 및 수축하여, 구동부(11)를 휘어지게 한다. 구동부가 500 ㎛ 두께의 모체(실리콘 웨이퍼)에 고정되어 있기 때문에, 구동부(11)의 휘어짐은 팁(17)의 위치를 수직방향으로 변경시킨다.

도시된 바와 같이, 구동부(11)의 두께가 힘 감지부(12)의 두께에 비해 훨씬 더 두껍기 때문에, 구동부(11)는 힘 감지부(12)보다 실질적으로 더 강성이 높다. 따라서, 구동부(11)의 휘어짐은 힘 감지부(12)의 휘어짐으로부터 효과적으로분리된다. 즉, 시료 표면과 탐침(17)간의 상호작용으로 수직력이 힘 감지부(12)에서 심한 휘어짐을 일으키지만, 구동부(11)에는 거의 영향을 미치지 않는다. 반대로, 압전요소(13)의 동작에 의해 생긴 구동부(11)의 휘어짐은 힘 감지부(12)를 구부리지않고 구동부(11)와 힘 감지부(12)를 이동시킨다.

그러나, 이러한 구조의 캔틸레버에서는 압전성만을 이용하여 구동하기 때문에 큰 변위를 얻기 힘들다. 특히 ZnO와 같이 압전상수가 작은 물질에서는, 탐침(17)의 위치가 수직방향으로 움직이는 정도는 압전 상수에만 좌우되어 매우 작다. 따라서, 요철의 정도가 심한 시편의 형상을 얻기가 불가능하다는 문제점이 있었다.

또한, 구동부의 압전요소를 PZT 박막으로 구성하는 경우와 ZnO 박막으로 구성하는 경우가 있었다. PZT 박막의 경우는 큰 압전 계수를 가지고 있어서 같은 전압을 인가했을 경우, ZnO에 비해 큰 변위를 만들어 낼 수 있다는 장점을 가지고 있는 반면에, 공정이 어렵고 제작된 구동기가 이력현상, 비 선형성과 같은 좋지 않은 성질이 두드러진다는 단점을 가진다. 한편, ZnO 박막을 이용한 극소-구동기(micro-actuator)의 경우, PZT의 경우보다 공정이 간단하다는 장점을 가지지만, 상대적으로 압전 계수가 작아서 큰 변위를 얻기 어렵고, 큰 변위를 얻기 위해서는 높은 전압을 인가해야 하기 때문에 전력 소비가 크다는 단점을 갖는다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여, 빠른 표면형상을 얻을수 있는 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope)용 캔틸레버 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여, 열팽창 계수가 서로 다른 바닥전극과 상부전극을 사용하며, 고주파 응답특성이 비교적 좋고 미세구동에 유리한 압전 성질과 고주파 응답성은 떨어지지만 압전 구동에 비해 3∼10배정도 크게 움직일 수 있는 열 변위 특성 모두 사용 가능한 주사 탐침 현미경용 캔틸레버를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 캔틸레버를 나타내는 단면도.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 캔틸레버의 구조를 보여주는 사시도 및 도 2에서의 선 I-I의 단면도.

도 3a 내지 도 7은 본 발명의 실시예를 형성하는 데 사용되는 일련의 단계들을 예시하는 도면.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20: 캔틸레버 22: 구동부

23: 압전요소 24: ZnO 층

25A: 금속전극 25B: 도전구역

26: 실리콘기판 27: 탐침

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2a에 보여진 바와 같이, 캔틸레버는 두 개의 부분, 즉 캔틸레버의 모체(실리콘 웨이퍼)에 가까운 구동부(actuator part)(21)를 가지며, 구동부(21)와 연결된 힘 감지부(22), 힘 감지부위에 형성되어있는 탐침(tip)(27)을 포함한다. 도 2a는 상대적으로 두꺼운 구동부(21)와 상대적으로 얇은 힘 감지부(22)를 보여준다.

구동부(21)는 압전요소(23)에 의해 정해지며, 압전요소(23)는 금속전극(25A)과 실리콘 기판(26)상의 도전구역(25B)사이에 ZnO층(24)을 포함하며, 변형예로서, ZnO 대신에 PZT(lead zirconate titinate)가 사용될 수 있다. 여기서, 도전구역(25B)은 실리콘 기판(26)상에 불순물이 첨가되어 이루어진다.

캔틸레버(20)는 실리콘 기판(26)상에 형성되며 탐침(27)을 포함한다. 구동부(21)에서, 압전요소의 바닥면은 도전 구역(25B)으로 형성되어 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 구동부(21)는 힘 감지부(22)보다 두께가 더 크기 때문에 구동부(21)는 힘 감지부(22)보다 실질적으로 더 강성이 높다.

캔틸레버(20)의 장방형상에 대하여, 관성 모멘트는 두께의 3승에 비례한다. 그러므로, 전체구조물의 영계수(Young's modulus)을 취할 때, 탐침(27)에 작용되는 힘은, 구동부(11)가 T³/t³의 인자만큼 힘 감지부(22)보다 더 강성이 높기 때문에, 구동부(21)는 거의 휘어지지 않는다.

전압 Vpe가 압전요소(23)의 전극(25A)과 도전구역(25B)에 인가된다. 잘 알려진 바와 같이, ZnO 중간층은 Vpe가 변화됨에 따라서 팽창 및 수축하여, 구동부(21)를 휘어지게 만든다. 구동부가 500 ㎛ 두께의 모체(실리콘 웨이퍼)에 고정되어 있기 때문에, 구동부(21)의 휘어짐은 탐침(27)의 위치를 수직방향으로 이동시킨다.

이 구조에서, 구동부(21)의 휘어짐은 힘 감지부(22)의 휘어짐으로부터 효과적으로 분리된다. 즉, 탐침(27)에 대한 수직력이 힘 감지부(22)에서 심한 휘어짐을 일으키지만, 구동부(21)에는 거의 영향을 미치지 않는다. 반대로, 압전요소(23)의 동작에 의해 생긴 구동부(21)의 휘어짐은 어렵지 않게 힘 감지부(22)를 이동시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상부 및 하부 전극이 동일하거나 비슷한 열팽창을 나타내는 재질로 이루어진 종래의 경우와 달리, 상부전극과 하부전극은 그의 열팽창계수가 서로 다른 재질로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 실시예에서는 상부전극은 Al, Au등의 금속으로 구성하고, 하부전극은 단결정 실리콘상에 불순물을 첨가하여 구성한다. 상부전극으로 사용되는 Al의 열팽창계수는 23.5×10^-6/K이고, Au의 열팽창계수는 14.2×10^-6/K이며, 반면에 단결정 실리콘의 열팽창 계수는 약 5.0×10^-6/K이다. 도 2b와 같은 구조일 경우, 단결정 실리콘에 비해 상대적으로 열팽창계수가 큰 상부전극에 의해 열 구동이 가능하게 된다. 또한 열 구동기(31B)와 압전 구동기(31A)를 공간적으로 병렬로 구성하여, 고주파 응답특성이 비교적 좋고 미세구동에 유리한 압전 성질과 고주파 응답성을 떨어지지만 압전 구동에 비해 3~10배정도 크게 구동할 수 있는 열 구동을 동시에 할 수 있는 구조를 구현하였다.

다음에는, 본 발명의 구현 예를 형성하는 데 사용된 단계들의 순서를 예시한다.

우선, 탐침을 형성하는 공정을 설명한다.

SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(400)를 가지고 공정을 시작한다. 도 3a에 보여진 바와 같이, 핸들 웨이퍼(412), 중간 SiO₂층(414), 디바이스 층(416)으로 형성된 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(400)를 사용하여 공정을 수행한다. 여기서 각 층은 두께가 각각 500 ㎛, 0.37 ㎛, 10 ㎛이다. 다음에, 습식산화공정으로 산화막을 형성하는데, 로(furnace) 장비를 이용하여 웨이퍼의 전면에 1 ㎛두께의 SiO₂막(418)을 형성한다(도 3b 참고). 이어서, 광학석판술을 이용하여 3.5 ㎛ 직경의 감광막을 형성한다. 이 감광막을 마스크로 하여 7:1 BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하여 감광막으로 가려진 SiO₂막(420)을 남기고 SiO₂막(418)을 식각한다. 그리고 남아있는 감광막을 120℃의 H₂SO₄용액을 이용하여 제거한다.(도 3c 참고)

도 3d에 보여진 바와 같이, 반응성이온식각장비(reactive ion etching apparatus)를 이용하여 디바이스 층(416)을 등방성 식각하여 4-6 ㎛ 두께만큼 제거하고, 3.5∼5.5 ㎛ 두께의 디바이스 층(422)을 잔류시킨다. 이 때에 반응 가스로 SF₆를, 안정화 가스로 He이나 Ar을 사용한다.

그 후, 7:1 BOE를 이용하여 남아 있는 잔류 SiO₂막(420)을 제거한다.(도 3e 참고)

잔류 디바이스 층(422) 전면에 다시 한번 습식산화법으로 1 ㎛ 두께의 SiO₂막(424)을 형성한다.(도 4a 참고)

도 4b에 보여진 바와 같이, SiO₂막(424)상에 포토리소그라피법으로 하부 전극 영역을 정의하고, 7:1 BOE를 이용하여 하부 전극 영역에 있는 SiO₂막을 제거하여 SiO₂막으로 이루어진 마스크(424a)를 형성한다.

도 4c에 보여진 바와 같이, SiO₂를 마스크(424a)로 하여 BF₂ ⁺이온을 50KeV의 에너지로 10¹⁶ions/cm²의 양으로 이온주입한다. 변형예로서, 로(furnace)내에서 고체 혹은 기체 상태의 Boron을 이용하여 900℃에서 90분 정도 열처리하는 확산법을 이용하여 불순물 주입도 가능하다.

이온주입 공정 후, 웨이퍼를 로(furnace)에서 N₂분위기로 950℃, 30분간 열처리하여 주입된 이온을 활성화시켜 주어 Si의 도전성을 높여준다.

그리고나서, 도 4d에 보여진 바와 같이, 7:1 BOE 용액으로 남아있는 SiO₂막(424)을 모두 제거한다. 이 때에 붕소가 주입된 영역(426)이 나중에 ZnO 압전 구동기의 전극 역할을 한다.

이어서, 웨이퍼의 자연 산화막을 제거하기 위하여 10:1 BHF(Buffered HF) 용액에 10 초간 웨이퍼를 담그고, 산소 분위기의 플라즈마 처리로 이물질을 제거한다. 이물질을 제거한 후에, 도 4e에 보여진 바와 같이, ZnO막(428)을 형성한다. 소스는 분말 상태의 ZnO를 압축 소결한 고체 ZnO로 하고 스퍼터링 장비를 이용하여 ZnO를 증착한다. 이 때, 100∼400W 의 고주파 전력을 사용하지만, 바람직하게는 고주파 전력 300W를 사용한다. 또한 산소를 반응가스로 하고, Ar을 안정화가스로 하여 100℃에서 증착 한다.

그 후에, 도 4f에 도시된 바와 같이, 포토리소그라피법을 이용하여 압전 구동기에 해당되는 영역에 감광막을 남기고, 감광막을 마스크로하여 인산, 초산, 아세트산, 초순수(deionized water)를 각각 5:1:1:20의 비율로 함유된 용액으로 감광막 영역 이외의 ZnO막을 제거한다. 이어서 아세톤을 이용하여 감광막을 제거하고, 산소 플라즈마(plasma)를 이용하여 잔여 감광막 찌꺼기를 없앤다.

그 다음에, 포토리소그라피법으로 상부 전극이 형성될 영역을 정의한다. 이때, 감광막 형상은 음각, 즉 상부 전극 부분의 감광막이 제거된 상태이다. 그 후에 열 증착법으로 Al을 약 3000Å 정도 증착 한다. 아세톤(Acetone)을 이용하여 감광막을 제거함으로써 감광막위에 증착된 Al도 함께 제거하여 상부전극(430)을 형성한다.(도 5a 참고).

도 5b에 도시된 바와 같이, 포토리소그라피법으로 구동기, 힘 감지부를 포함하는 영역을 감광막으로 (432) 정의한다.

그 후에, 도 5c에 보여진 바와 같이, 감광막(432)을 마스크로하고 Cl₂가스를 이용하여 Si을 건식식각하게 되면, SOI 구조의 중간 SiO₂가 드러나게 된다.

도5 d에 보여진 바와 같이, 감광막을 산소 플라즈마를 이용하여 제거한다. 즉, 감광막(432)을 벗겨낸다.

그리고 나서, 도 6a에 보여진 바와 같이, 폴리이미드(Polyimide)나 두꺼운 감광막을 웨이퍼 전면에 10∼15 ㎛ 두께로 회전 도포하고, 이를 고온 금속판을 이용하여 150℃에서 약 20분간 가열하여 전면측 보호층(passivation layer)(434)을 형성한다.

그 후에, 도 6b에 보여진 바와 같이, 열 증착법으로 웨이퍼의 후면에 4000Å 두께의 Al(436)을 증착한다.

그리고 나서, 도 6c에 보여진 바와 같이, 광학석판술로 웨이퍼의 후면의 Al(438) 위에 감광막을 정의한다. 이 때, 웨이퍼의 전면과 포토-마스크(photo-mask)를 동시에 볼 수 있는 정렬장비(alignment apparatus)를 이용하여 웨이퍼의 전면과 웨이퍼의 후면에 있는 포토-마스크를 정렬하게 된다. 인산, 질산 등으로 이루어진 Al 전용 식각용액(etchant)을 이용하여 Al을 식각 한다.

도 6d에 보여진 바와 같이, 형성된 Al(438)을 마스크로 하고, SF₆가스를 반응성 가스로 하여 SOI 구조의 중간 SiO₂층(414)이 드러날 때까지 후면 Si을 식각 한다. 여기서 Si의 식각 두께는 약 500 ㎛이다.

도 7에 보여진 바와 같이, 후면 실리콘 식각을 마치면, 드러난 SiO₂층(414)를 CHF₂가스를 반응 가스로 하여 건식식각하거나 7:1 BOE 용액으로 식각 한다. 그리고, 산소 플라즈마를 이용하여 전면의 보호층(434)을 벗겨 낸다.

본 발명에 의하면, 신속하게 선명한 표면 형상을 얻을 수 있는 주사 탐침 현미경용 캔틸레버를 얻을 수 있다. 또한 표면 형상을 얻을 때, 압전 구동과 열 구동을 동시에 사용하게 되므로 z 축 방향의 고주파 응답성과 큰 변위가 가능하며, 미세 가공상 절연공정 등으로 복잡해지는 금속 공정을 한 단계 제거함으로써 보다 간단한 공정에 의해 주사 탐침 현미경용 캔틸레버를 제조할 수 있다.

Claims

힘 감지부;

상기 힘 감지부위에 형성된 탐침; 및

상기 힘 감지부와 연결된 구동부를 포함하며,

상기 구동부는 상기 탐침을 이동시키기 위한 상기 구동부를 움직이는 수단을 포함하고, 또한 구동부는 도전성 전극, 상기 도전성 전극상에 놓여 있는 압전요소, 및 상기 압전요소상에 놓여 있는 다른 하나의 전극을 포함하며, 상기 두 전극은 서로다른 열팽창계수를 갖는 주사 탐침 현미경용 캔틸레버.
제 1 항에 있어서, 상기 하부 전극은 상기 힘 감지부와 일체로 연결된 주사 탐침 현미경용 캔틸레버.
제 1 항에 있어서, 상기 구동부의 단면은 위로부터 금속 박막, ZnO, 불순물이 주입된 단결정 실리콘인 주사 탐침 현미경용 캔틸레버.
제 1 항에 있어서, 상기 구동부의 단면은 위로부터 금속 박막, SiO₂, 불순물이 주입된 단결정 실리콘인 주사 탐침 현미경용 캔틸레버.
제 1 항에 있어서, 상기 구동부의 단면은 위로부터 금속 박막, SiNx, 불순물이 주입된 단결정 실리콘인 주사 탐침 현미경용 캔틸레버.
제 3 항, 4 항, 5 항에 있어서, 상기 불순물은 붕소인 주사 탐침 현미경용 캔틸레버.
제 3 항, 4 항, 5 항에 있어서. 상기 금속 박막은 Al인 주사 탐침 현미경용 캔틸레버.