KR20030041725A - 원자간력 현미경용 단일/멀티 캔틸레버 탐침 및 그의제조방법 - Google Patents

원자간력 현미경용 단일/멀티 캔틸레버 탐침 및 그의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 FET 캔틸레버 탐침은 원자간력 현미경(AFM) 캔틸레버 막대 위에 MOSFET 채널이 단일 또는 다수의 어레이 형태로 집적되어 나노미터 크기 영역에서 전하를 이용하여 데이터 저장 및 읽기에 사용될 수 있다.
본 발명의 FET 캔틸레버는 p형 단결정 실리콘-온-절연체(SOI) 웨이퍼를 이용하여 MEMS 공정과 CMOS 공정에 의해 팁 형상의 캔틸레버 아암을 형성하고 아암 선단부의 채널영역을 제외한 나머지 n형 영역을 고 에너지 이온빔으로 이온주입하여, 원자간력 현미경(AFM) 캔틸레버 탐침의 선단부에 n++-p-n++구조의 FET 트랜지스터를 형성하였다. 트랜지스터 구동을 위한 전극은 FET 캔틸레버의 자연 공명 진동수에 영향을 주지 않게 하려고 캔틸레버 아암이 붙어 있는 몸체쪽에 형성하였다. 동일한 방식으로 다수의 캔틸레버 탐침을 단일 SOI 웨이퍼에 집적하여 멀티 캔틸레버 탐침을 제작할 수 있다.

Description

원자간력 현미경용 단일/멀티 캔틸레버 탐침 및 그의 제조방법{Single/Multiple Cantilever Probe for Atomic Force Microscopy and Method for Producing the Same}
본 발명은 원자간력 현미경(AFM)용 단일/멀티 캔틸레버 탐침 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 단일 또는 다수의 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기를 고속, 고정밀, 고해상도로 진행할 수 있는 FET 방식의 단일/멀티 캔틸레버 탐침 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
탐침(Probe)을 스캐닝하는 방식으로 여러 종류의 물리량을 측정할 수 있는 다양한 형태의 현미경으로 발전된 것을 스캐닝 프로브 마이크로스코프(SPM : Scanning Probe Microscope)라 한다.
SPM의 한 종류로서 1986년에 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscopy)이 발명된 이래 다수의 특허 및 이를 이용한 나노 단위(nano scale)의 연구 결과가 발표되어져 왔다. 원자간력 현미경에 사용되는 측정헤드는 초창기보다 보다 쉽게 만들 수 있는 기술이 개발이 되어 반도체 기본 장비를 구축하고 있는 실험실에서도 쉽게 만들 수 있는 상황이다. 최근에는 원자간력 현미경 측정 헤드에 보다 복잡한 구조를 올리는 다양한 시도가 있다.
또한 원자간력 현미경의 캔틸레버(Cantilever)에 다양한 기술을 접합하여 차세대 데이터 저장 시스템으로 발전시키려는 시도가 많이 연구되어지고 있다. 자기력을 이용한 방법은 이미 상용화되어 있지만 많은 연구결과 한계점을 가지고 있어서 차세대 기술을 필요로 하고 있다. 이런 한계를 극복하고자 열적인 방법이 제시된 것(US 특허 제6,249,741호)도 있으나 아직 상용화되지 못하고 있다.
특히, 측정 헤드에 광 센서를 올리는 경우(US 특허 제5,583,286호, US 특허 제5,923,033호)와 기존의 MOSFET 구조를 올리는 경우(US 특허 제5,856,672호) 등 보다 실용적인 면을 위주로 다양한 개발이 진행되어지고 있다. 특히, 원자간력 현미경 측정 헤드에 여러 복잡한 기술을 접목하여 디바이스를 올리는 경우(US 특허 제5,856,672호)는 공정 자체가 너무 복잡하여 수율이 현저하게 떨어지고, 원자간력 현미경 보다 측정헤드 가격이 더 비싸게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 본 발명자 등이 새로운 개념으로서 공개특허공보 제2001-45981호에 제안한 "FET 채널 구조가 형성된 SPM의 탐침 및 그 제작 방법"은, (100)면을 갖는 단결정 실리콘 기판을 양쪽 경사면이 (111)면이 되게 식각하여 막대모양의 탐침을 형성하고, 탐침 끝부분의 V자형 팁의 중앙 첨두부를 포함한 경사면에 제1불순물을 도핑하여 채널영역을 형성한 후, 탐침 끝부분의 V자형 팁의 양쪽 경사면에 제2불순물을 도핑하여 소스 및 드레인을 형성하여, 캔틸레버의 선단부에 FET 채널이 형성된 디바이스를 측정헤드에 올린 것이다.
상기한 FET 채널 구조를 갖는 탐침은 이전의 다른 종래기술에 비하여 획기적인 방법이기는 하나, 실용상 다음과 같이 여러 가지 문제점을 가지고 있다.
그 문제점은 첫째로, 캔틸레버 모양을 만들기 위해 습식 식각(wet etch)을하여야 하므로 캔틸레버의 두께가 상단과 하단의 차이 커서 설계상의 캔틸레버의 자연 공명 진동수(natural resonance frequency)를 얻기 힘든다.
둘째로, 캔틸레버 끝단의 V형 각도를 만들기 위하여 초기 사진공정(photo-lithography)에서 캔틸레버 패턴을 웨이퍼 절단면을 기준으로 어느 특정한 각을 갖는 정확한 사진공정이 필요하다. 사진공정에서의 각도가 틀어지면 캔틸레버 끝단에 노출되는 식각 단면이 다른 결정 방향으로 도출되어 채널을 형성하기가 어렵다.
셋째로, 정확한 각을 이룬 상태에서 사진공정을 실시한 후 실리콘을 습식 식각할 때 여러 번에 추가적인 사진 공정을 거쳐야 원하는 경사면을 만들 수 있으며, 이는 제조상 가장 큰 문제점이 되어서 제조 신뢰성(reliability)이 매우 낮게 된다.
넷째로, 캔틸레버의 끝이 날카롭게 되지 못하여 나노미터 영역을 스캐닝(scanning)할 때 넓은 영역의 데이터가 읽혀져서 원하는 곳의 정확한 전하를 읽기 어렵다.
다섯째, 제조공정의 문제로 소스와 드레인 영역을 형성할 때 열 확산(thermal diffusion) 방법만을 사용 할 수 있어서 채널의 길이 조절이 용이하지 못한 단점이 있다.
여섯째, 단일 캔틸레버 형태로는 가능하지만 위에서 언급한 둘째, 셋째의 문제점으로 수 ~ 수십 개의 캔틸레버가 한 패드(pad) 안에 존재하는 어레이(array) 형태로 집적될 수 없어서 빠른 처리속도를 필요로 하는 차세대 멀티미디어 데이터 저장 및 읽기(read and write)에 적용할 수 없다.
일곱째, 전하량이 분포된 시료에 캔틸레버를 근접시킬 때 캔틸레버를 수직으로 세워야만 원하는 정보를 얻을 수 있다.
여덟째, 캔틸레버 아암의 디바이스 영역이 길어서 디바이스를 구동할 때 캔틸레버 아암 끝에서의 전하량과 캔틸레버 아암 중간에 형성된 소스와 드레인 간의 채널에 따른 전하량이 중첩이 되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 캔틸레버 아암의 선단부에 다수의 MOSFET 채널을 집적하여 단일 또는 다수의 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기를 고속, 고정밀, 고해상도로 진행할 수 있는 AFM용 FET 방식의 단일/멀티 캔틸레버 탐침을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 MEMS(micro-electro-mechanical system) 공정과 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 공정을 이용하여 높은 수율로 단일/멀티 캔틸레버 탐침의 제조가 가능하고 신뢰성이 우수한 단일/멀티 캔틸레버 탐침을 제조할 수 있는 FET 방식의 단일/멀티 캔틸레버 탐침 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전하를 이용한 데이터 저장 시스템에서 고속으로 데이터 저장 및 읽기에 적용하거나, 각 종류별로 서로 상이한 전하를 띠고 있는 DNA의 구분을 위한 DNA 분석장치에 적용할 수 있는 FET 방식의 멀티 탐침을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 FET 캔틸레버 탐침의 개략 사시도,
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따라 서로 다른 모양을 갖는 단일 FET 캔틸레버 탐침을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침의 전기적 특성을 조사하기 위한 측정방법을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침에 대하여 도 2의 측정방식으로 각각 게이트에 일정한 전압을 인가하면서 드레인-소오스 간의 전압(VDS) 변화에 따른 드레인 전류(ID) 값을 측정한 전압-전류 특성 그래프,
도 5는 본 발명의 캔틸레버를 원자간력 현미경에 적용하는 방법을 나타낸 개략도,
도 6 내지 도 19는 도 1에 도시된 본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침의 제조공정을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 20a 내지 도 20d는 각각 도 6의 공정이 완료된 상태를 나타낸 것으로, 도20a는 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진, 도 20b는 캔틸레버 아암 전체를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 20c는 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 20d는 제1실시예에 대하여 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진,
도 21a 내지 도 21c는 각각 도 10까지 공정이 진행된 상태를 나타낸 것으로, 도 21a는 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진, 도 21b는 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 21c는 제1실시예에 대하여 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진,
도 22a 내지 22c는 각각 도 12까지 공정이 진행된 상태를 나타낸 것으로, 도 22a는 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진, 도 22b는 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 22c는 제1실시예에 대하여 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진,
도 23은 각각 도 19까지 모든 공정이 완료된 상태를 나타낸 것으로, 좌측으로부터 제1실시예에 대하여 1×4 탐침 어레이에 대한 배선 구조, 1×4 탐침 어레이에 대한 캔틸레버 아암 부분 및 1×4 캔틸레버 아암 중 하나의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진이다.
도 24는 도 14의 질화막 형성공정을 거치지 않고 만들어진 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진
도 25는 도 14 공정을 거치지 않고 만들어진 제1 내지 제3 실시예에 따른 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진,
도 26은 도 14 공정을 거치지 않고 만들어진 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
1 ; 벌크형 실리콘 층2 ; 산화막
3 ; 상부 실리콘 층4,5 ; 산화막
4a,6a,10,14,16,19,21 ; 식각 마스크 6 ; 감광막
7,70,700 ; 캔틸레버 아암7a ; 제1아암
7b ; 제2아암7c,7d ; 경사연결부
7d ; 반사판7e ; 반사판
8 ; 산화막9 ; 보호막
11 ; FET 채널11a ; 채널 형성영역
11b ; 소스 영역11c ; 드레인 영역
13a ; 소스 접촉패드13b ; 드레인 접촉패드
15 ; 질화막17a ; 소스 전극패드
17b ; 드레인 전극패드17c,17d ; 연결배선
18 ; Al 층20 ; 보호막
22 ; 보호층23 ; 파라미터 분석기
24 ; 프로브 스테이션25,26 ; 홀더
27 ; 전극면28 ; 실리콘 기판
29 ; 게이트30 ; 캔틸레버 탐침
31,32 ; 금선33 ; 광원
34 ; 광검출장치35 ; 스캐너
37 ; 탐침 본체
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기에 사용되는 FET 방식의 캔틸레버 탐침에 있어서, 단결정 벌크형 제1실리콘 층위에 제1절연층과 제2실리콘 층이 순차적으로 올려져 있는 p형 단결정 실리콘-온-절연체(SOI) 기판과, 상기 SOI 기판 위에 형성된 제2절연층과, 각각 상기 제2절연층 위에 형성되며 소스 및 드레인이 연결되는 적어도 하나의 소스 전극패드 및 드레인 전극패드와, 각각 상기 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 막대 형상으로 연장 형성되며 양측변으로 소스 전극패드 및 드레인 전극패드와 연결되는 제1 및 제2 연결배선이 소정 간격으로 배치된 적어도 하나의 캔틸레버 아암과, 각각 상기 제1 및 제2 연결배선의 선단부로부터 서로 만나도록 경사각도를 갖고 밴드 형상으로 연장 형성되며 n형 불순물이 고 에너지 이온 주입되어 형성된 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 및 드레인 영역이 만나는 선단부에 배치된 p형의 채널형성 영역을 포함하는 n++-p-n++구조의 적어도 하나의 FET 채널로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침을 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기에 사용되는 FET 방식의 캔틸레버 탐침에 있어서; 단결정 벌크형 제1실리콘 층위에 제1절연층과 제2실리콘 층이 순차적으로 올려져 있는 제1타입의 불순물이 도핑된 단결정 실리콘-온-절연체(SOI) 기판과, 상기 SOI 기판 위에 형성된 제2절연층과, 각각 상기 제2절연층 위에 형성되며 소스 및 드레인이 연결되는 적어도 하나의 소스 전극패드 및 드레인 전극패드를 포함하는 탐침 본체와; 각각 상기탐침 본체의 제2실리콘 층으로부터 막대 형상으로 연장 형성되며 소스 전극패드 및 드레인 전극패드와 연결되는 제1 및 제2 연결배선이 소정 간격으로 배치된 다수의 캔틸레버 아암과; 각각 상기 제1 및 제2 연결배선의 선단부로부터 서로 만나도록 경사각도를 갖고 밴드 형상으로 연장 형성되며 제2타입의 불순물이 고 에너지 이온 주입되어 형성된 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 및 드레인 영역이 만나는 선단부에 배치된 제1타입의 불순물이 도핑된 채널형성 영역을 포함하는 다수의 FET 채널로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침을 제공한다.
상기 다수의 캔틸레버 아암은 탐침 본체로부터 동일한 방향을 따라 평행하게 배열되는 경우 다수의 탐침이 일로 배열된 멀티 탐침을 형성할 수 있다.
또한 상기 탐침 본체가 사각형상으로 이루어진 다수의 관통구멍을 포함하며, 다수의 캔틸레버 아암이 각각 관통구멍의 내주면으로부터 공간을 향하여 선단부가 연장 형성되는 경우 다수의 탐침이 어레이 형태로 집적된 구조를 형성하게 된다.
상기 캔틸레버 아암은 각각 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 일정한 폭으로 평행하게 연장된 제1 및 제2 아암으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캔틸레버 아암은 각각 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 일정한 폭으로 평행하게 연장된 제1 내지 제3 아암으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 아암의 선단부에서 제3아암의 선단부로 각각 일자형 제1 및 제2 연결부가 연결되어 있는 구조를 채택할 수 있다.
상기 캔틸레버 탐침에서 제1타입의 불순물은 p형 불순물이고, 제2타입의 불순물은 n형 불순물인 경우 n++-p-n++구조의 FET 채널이 아암의 선단부에 형성된다.
이 경우, 상기 캔틸레버 탐침의 다수의 FET 채널은 다수의 FET 채널과 근접된 피측정체의 다수의 지점에 대한 트랩된 전하량을 동시에 읽거나 기록할 수 있게 된다.
또한, 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기에 사용되는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법은 (가) 단결정 벌크형 제1실리콘 층위에 제1절연층과 제2실리콘 층이 순차적으로 올려져 있는 제1타입의 불순물이 도핑된 단결정 실리콘-온-절연체(SOI) 기판의 양면에 상부 및 하부 제2절연층을 형성하는 단계와, (나) 상기 상부 제2절연층의 일부분을 패턴닝하여 선단부에 역 V자형 돌출부를 갖는 대형상의 아암을 형성하는 단계와, (다) 상기 패턴닝된 상부 제2절연층을 식각 마스크로 사용하여 제2실리콘 층의 노출부분을 제거하는 단계와, (라) 상기 기판의 하부 제2절연층을 제거한 상태에서 상부 제2절연층을 패턴닝하여 상기 아암 형태로 패턴닝된 제2실리콘 층의 역 V자형 선단부에 선형상으로 소스 영역와 드레인 영역을 정의함과 동시에 소스 영역과 드레인 영역으로부터 아암의 양측변을 따라 후단부로 연장되어 본체에 소스 및 드레인 접촉패드를 형성하기 위한 제1 및 제2 패드를 노출시켜 이온 주입 마스크를 형성하는 단계와, (마) 상기 이온 주입 마스크를 이용하여 제2타입의 불순물을 제2실리콘 층으로 고 에너지 이온 주입한 후 열처리하여 소스 영역 및 드레인 영역과 이로부터 소스 및 드레인 접촉패드와 연결되는 제1 및 제2 배선을 형성하는 단계와, (바) 상기 아암 부분의 상부 제2절연층을 제거한 후 본체부분의 상부 제2절연층 위에 상기 소스 및 드레인 접촉패드와 연결되는 소스 및 드레인 전극패드를 형성하는 단계와, (사) 상기 기판의 상부면을 보호층으로 보호한 상태에서 아암 부분에 제2실리콘 층만을 남기도록 기판 하부면의 벌크형 제1실리콘 층과 제1절연층을 건식 식각방법으로 패턴닝하여 제거하고 이어서 상기 보호층을 제거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 캔틸레버에 일반적인 디바이스 영역이 형성되고, 이 디바이스의 구동을 샘플로 사용되는 물질에서 가해주는 전압으로 조절할 수 있다. 즉, 샘플에 가해주는 전압에 따라 샘플에 저장되어지는 전하를 이용하여 캔틸레버의 디바이스가 작동되어 시료의 특성을 알 수 있고, 이를 이용해서 역으로 시료에 원하는 만큼의 전하를 축적할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 단일 또는 다수의 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기를 고속, 고정밀, 고해상도로 진행할 수 있어 차세대 멀티미디어 데이터 저장장치 등에 적용될 수 있고, MEMS 공정과 CMOS 공정을 이용하여 높은 수율로 캔틸레버 탐침의 제조가 가능하여 신뢰성이 우수한 단일/멀티 캔틸레버 탐침을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 각 종류별로 서로 상이한 전하를 띠고 있는 DNA의 구분을 위한 DNA 분석장치에 적용할 수 있다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
(FET 캔틸레버 탐침 구조)
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 단일 FET 캔틸레버 탐침의 개략 사시도이고, 도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따라 서로 다른 모양을 갖는 단일 FET 캔틸레버 탐침을 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침은 단결정 실리콘(1) 위에 실리콘 산화막(2)과 실리콘 층(3)이 순차적으로 올려져 있는 p형 단결정 실리콘-온-절연체(silicon on insulator; SOI) 기판에 도 2a 내지 도 2c에 도시된 여러 형태의 캔틸레버 모양 중 하나를 만들고, 이 막대형 실리콘 캔틸레버 아암(7)의 선단부에 채널형성 영역(11a)을 제외하고 n형 불순물을 고 에너지 이온 주입하여 소스 및 드레인 영역(11b,11c)을 형성하여 캔틸레버 선단부에 n++-p-n++구조의 FET 채널(11)을 형성하였다.
FET 채널(11) 후단의 캔틸레버 아암(7)에는 질화막(SiN)(15)을 형성하여 캔틸레버 탐침(30)의 선단부가 인위적으로 휘어질 수 있도록 만들었다. 이 질화막(15)은 예를들어, 1×4 와 5×5 어레이 형태의 멀티 캔틸레버 탐침(30)을 원자간력 현미경(AFM)에 부착시켰을 때 필요로 하는 박막이다.
캔틸레버 아암(7)의 선단부에 형성된 소스와 드레인 영역(11b,11c)은 캔틸레버 아암(7)을 따라 탐침 본체(37)로 연장 형성되어 상대적으로 넓은 영역의 소스 및 드레인 접촉패드(13a,13b)에 연결되며, 상기 소스와 드레인 접촉패드(13a,13b)와, 외부로 연결되는 소스 및 드레인 전극패드(17a,17b)를 연결하는연결배선(17c,17d)은 각각 알루미늄(Al)을 이용하여 형성되었다. 단결정 실리콘(1)의 하부에 형성된 알루미늄층(18)은 탐침 본체(37)를 하부면의 단결정 실리콘(1)과 산화막(2)으로부터 떼어놓기 위한 공정의 식각 마스크로 사용된 막의 잔류부분이다.
구체적인 캔틸레버의 모양은 예를들어, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 실시예의 3가지 형태로 나뉘어져 있다.
도 2a에 도시된 제1실시예의 경우 캔틸레버 아암(7)은 탐침 본체(37)로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 일정한 폭으로 평행하게 한쌍의 제1 및 제2 아암(7a,7b)이 연장 형성되고, 제1 및 제2 아암(7a,7b)의 각 선단부로부터 선단부가 만나도록 다시 약 45도 각도로 내측 방향으로 경사연결부(7c,7d)가 연장되어 연결부분에 n++-p-n++구조의 FET 채널(11)을 형성한 구조이다.
이와 같이 FET 채널(11)로부터 탐침 본체(37)의 연결을 분리된 제1 및 제2 아암(7a,7b)을 사용하여 분리시킨 이유는 FET 채널(11)을 형성하기 위하여 n형 불순물을 도핑한 경우 캔틸레버 아암 또는 탐침 본체에서 채널이 형성될 수 있기 때문이다.
이 점과 관련하여 한국공개특허공보 제2001-0045981호의 종래 기술에서는 FET 채널로부터 본체로 연결되는 아암 부분이 단일체로 형성되어 이러한 문제점을 해결할 수 없어서 탐침 디바이스 특성이 전압이 높아지는 영역에서는 기존의 MOSFET의 특성과 다르게 나타나는 문제가 존재한다.
그러나, 제1실시예의 본 발명 구조에서는 FET 채널(11)이 캔틸레버 아암(7)의 최선단부에서만 이루어지게 되므로 정상적인 기존의 MOSFET의 특성을 갖게 된다. 캔틸레버 아암(7)의 2아암이 만나는 끝 부분의 폭(L1)은 3 마이크로미터로 설계되어졌다. 이 부분이 n++-p-n++의 트랜지스터가 형성되는 FET 채널(11) 영역이다.
캔틸레버 아암(7)의 전체 길이(L)는 예를들어, 200 마이크로미터로 설정하였고, 캔틸레버 아암의 전체 폭(W)은 50 마이크로미터로 설정하였다. 제1 및 제2 아암의 각 폭(W1)은 10 마이크로미터, 제1 및 제2 아암(7a,7b) 사이의 폭(W2)은 30 마이크로미터로 떨어지게 설계하였다. 제1 및 제2 아암(7a,7b) 사이의 폭(W2)은 캔틸레버 아암이 부착되어진 탐침 몸체(body)(37)에서도 600 마이크로미터까지 같은 폭(W2)으로 떨어져 있게 설계되어져 있다.
또한, 제1 및 제2 아암(7a,7b)의 선단부분에 위치한 사각형 모양의 반사판(M)은 캔틸레버 아암(7)의 끝에서 27.5 마이크로미터(L2)의 거리에 위치하고, 제1 및 제2 아암(7a,7b)의 선단부에서는 6 마이크로미터(L4)의 위치에 있다. 이 반사판(M)은 도 5와 같이 원자력간 현미경 시스템(AFM)에 부착하여 사용할 때 이용된다. 즉, 원자력간 현미경 시스템에서 샘플과 캔틸레버 아암(7)을 얼라인(align) 하기 위해 레이저 빔을 사용하는데 반사판(M)은 레이저 빔을 반사하는 역할을 수행한다. 이때 반사판(M)의 길이(L3)와 폭(W7)은 각각 18 마이크로미터의 크기를 갖도록 하였다.
또한, 이 반사판(M)을 제1 및 제2 아암(7a,7b)에 연결하기 위해 각각 한쌍의"??" 자 연결부(7e)와, 연결부(7e)의 중앙에서 연장되어 이를 반사판(M)에 연결하는 일자형 연결부(7f)는 채널의 영향을 최대한 억제하기 위한 설계이다.
도 2(b)에 도시된 제2실시예의 경우 캔틸레버 아암(70)은 탐침 본체(37)로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 평행하게 3개의 제1 내지 제3 아암(7a,7b,7g)이 연장 형성되고, 제1 및 제2 아암(7a,7b)의 선단부에서 제3아암(7g)의 선단부로 각각 일자형 연결부(7h)가 연결되어 있다.
제2실시예의 샘플제작시에 캔틸레버 아암(70)의 전체 길이(L')는 예를들어, 250 마이크로미터, 전체 캔틸레버 아암의 폭(W')은 50 마이크로미터, 제1 및 제2 아암(7a,7b)의 폭(W'1)은 각각 10 마이크로미터, 제3아암(7g)의 폭(W'2)은 20 마이크로미터, 제1 및 제2 아암과 제3아암 사이의 간격(W'3)은 각각 5 마이크로미터로 제작되었다.
또한, FET 채널(11) 영역의 폭(L'1)은 제1실시예와 동일하게 3 마이크로미터로 설정하였다.
도 2(c)에 도시된 제3실시예의 경우 캔틸레버 아암(700)은 단일 막대의 형태로 이루어져 있으며, 캔틸레버 아암(700)의 선단부에는 삼각형의 연장부(110)가 연장형성되고, 삼각형 연장부(110)의 선단부에는 제1실시예와 유사한 FET 채널(11)이 형성되도록 내부에 오각형상의 관통홈(110a)이 구비되어 있다.
상기 제3실시예에서는 캔틸레버 아암(700) 전체의 길이(L'')는 250 마이크로미터이고, 캔틸레버 아암의 폭(W'')은 25 마이크로미터이다. 오각형 관통홈(110a)의 길이(L''3)는 20 마이크로미터이고, 폭(W''1)은 5 마이크로미터의 오각형 형태를 이루도록 하였다. FET 채널(11) 영역의 폭(L''1)은 제1실시예와 동일하게 3 마이크로미터로 설정하였고, 오각형 내부의 삼각형 높이(L''2)는 12.5 마이크로미터이다.
상기한 제1 내지 제3 실시예의 캔틸레버 아암(7,70,700)의 샘플 제작을 위해 예시한 상기 수치들은 단지 예시를 위한 것이며 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기한 바와 같이 각각 제1 내지 제3 실시예의 캔틸레버 아암(7,70,700)과 탐침 몸체로 구성되는 캔틸레버 탐침은 도 24 내지 도 26에 도시된 바와 같이 단일 또는 멀티 타입으로 구현될 수 있다.
도 24는 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 선단부를 확대한 전자 현미경 사진, 도 25는 제1 내지 제3 실시예에 따른 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 26은 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진이다.
본 발명에 따른 캔틸레버 탐침은 먼저 도 24와 같이 각 캔틸레버 몸체에 캔틸레버 아암이 한 개만 존재하는 단일 타입과, 도 25와 같이 하나의 캔틸레버 몸체에 일자로 100 마이크로미터 거리를 두고 각 4개의 캔틸레버 아암이 일체로 형성된 1×4 탐침 어레이 형태, 도 26과 같이 단일 몸체 내부에 사변형으로 150 마이크로미터 거리를 두는 5×5 탐침 어레이 형태로 구현된다.
이와 같이 본 발명의 FET 방식의 캔틸레버 탐침은 단일/멀티 캔틸레버 아암마다 선단부에 단일/다수의 FET 채널(11)이 3 마이크로미터 크기로 형성되므로 단일 또는 다수의 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기를 고속, 고정밀, 고해상도로 진행할 수 있게 된다.
즉, 각각의 캔틸레버 탐침은 단일/멀티 캔틸레버 아암마다 선단부에 형성된 단일/다수의 n++-p-n++구조의 FET 채널(11)에 의해, 시료 위에 분포된 다수의 전하 농도가 다른 다수의 미세 영역에 대한 전하량을 한번에 감지할 수 있게 된다.
상기한 시료 위에 분포된 전하량의 감지는 캔틸레버 탐침의 FET 채널(11) 즉, 채널형성 영역(11a)이 FET의 게이트 역할을 하는 시료 위를 지나갈 때 시료에 분포된 전하량에 따라 채널형성 영역(11a)에 형성되는 채널 폭이 변하여 소스 및 드레인 영역(11b,11c) 사이에 흐르는 전류량이 변하므로 시료에 분포된 전하량에 비례한 전류량을 검출할 수 있게 된다.
이 경우 본 발명에서는 다수의 캔틸레버 탐침에 의해 시료위에 분포된 다수의 나노미터 영역에 대한 전하량을 한번에 감지할 수 있게 되어 상기 한국공개특허공보 제2001-0045981호의 단일 탐침에서는 불가능하였던 고속의 전하의 읽기를 고정밀, 고해상도로 진행할 수 있게 된다.
상기와 동일한 원리로 다수의 나노미터 영역에 대한 고속의 전하 쓰기도 이루어질 수 있게 되어 초소형, 고집적, 대용량의 기억장치에 적용이 가능하게 된다.
도 3은 본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침의 전기적 특성을 조사하기 위한 측정방법을 나타낸 개략도이다.
캔틸레버 탐침의 전기적 특성을 조사는 전압 변화에 따른 전류 특성 측정 장비인 HP 4155A 파라미터 분석기(parameter analyzer)(23)와 캔틸레버 탐침 디바이스를 올려놓는 프로브 스테이션(probe station)(24)을 이용하여 디바이스 특성을 조사했다. 이 때 시료로서 사용한 게이트(29)는 실리콘 기판(28) 위에 형성된 양질의 산화막-질화막-산화막(oxide-nitride-oxide; ONO) 구조를 사용하였고, 이 기판 뒷면의 전극면(27)에 금 선(gold wire)(32)을 연결하여 파라미터 분석기(23)의 게이트 라인에 연결하였다.
또한, 본 발명의 캔틸레버 탐침(30)의 소스와 드레인 영역(11b,11c)과 연결된 소스와 드레인 전극패드(17a,17b)에도 금 선(31)으로 연결을 하여 파라미터 분석기(23)의 소스와 드레인 라인에 연결하였다. 게이트(29)는 절연체로 만들어진 홀더(holder)(25)에 각도를 주어 부착하였고, 본 발명의 캔틸레버 탐침(30)도 절연체 홀더(26)에 부착하였다. 두 절연체 홀더는 모두 테플론(teflon) 재질로 되어있다. 이 절연체 홀더들은 프로브 스테이션(24) 위에 올려져 있고, 게이트와 캔틸레버 탐침(30)은 프로브 스테이션(24)에 부착되어진 프로브를 이용하여 거리를 조절 할 수 있게 하였다.
도 4는 본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침에 대하여 도 3의 측정방식으로 게이트에 일정한 전압을 인가하면서 드레인-소오스 간의 전압(VDS) 변화에 따른 드레인 전류(ID) 값을 측정한 전압-전류 특성 그래프를 나타낸다.
도시된 바와 같이 인가되는 게이트 전압(VG)이 0-20V일 때 드레인-소오스 간의 전압(VDS) 변화에 따른 전류 특성 곡선은 상기 한국공개특허공보 제2001-0045981호에 개시된 종래의 n 채널 MOSFET의 특성과 유사한 형태를 나타내는 것을 알 수있다.
그러나, 본 발명의 캔틸레버 탐침에 대한 특성 그래프에서는 게이트 전압(VG)이 0V일 경우에도 게이트 전압(VG)이 5V일 때와 유사하게 드레인-소오스 간의 전압(VDS)이 증가하는 것에 비례하여 드레인 전류가 증가하는 것으로 나타나, 종래의 n 채널 MOSFET의 경우와 다르게 나타났다. 이와 같은 결과는 종래의 n 채널 MOSFET 디바이스 공정에서는 문턱전압(threshold bias; Vt)을 조절하는 공정이 있는데 비해 본 발명의 공정에서는 이 공정을 실시하지 않기 때문이다.
본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침에 대한 특성 측정 결과로서 1×4 탐침 어레이 및 5×5 탐침 어레이의 멀티 FET 캔틸레버 탐침의 특성도 동일하게 얻어진다.
따라서, 상기한 전압-전류 특성 그래프를 통하여 본 발명의 단일 FET 캔틸레버 탐침을 이용하여 나노미터 영역에서 전하 저장 및 읽기가 가능함을 알 수 있었다.
한편 DNA는 각 종류별로 상이한 전하를 띠고 있기 때문에 본 발명의 캔틸레버 탐침을 이용하면 생의료(biomedical) 부분에서 DNA의 구분을 위한 측정 장비로도 사용 가능하다.
도 5는 본 발명의 캔틸레버 탐침을 원자간력 현미경에 적용하는 방법을 나타낸 개략도로서, 금선(31)을 통하여 AFM용 MOSFET 캔틸레버 탐침(30)의 소스와 드레인 사이에 동작전압을 인가한 상태에서 드레인으로 흐르는 전류를 측정한다. 또한 시료 역할을 하는 실리콘 기판(28) 위에 형성된 절연체 구조의 게이트(29)에는 실리콘 기판(28) 배면의 전극면(27)에 옴 접합된 금선(32)에 인가되는 게이트 전압(VG)에 의해 시료의 특성을 조사하게 된다.
이때 게이트 절연체 대신 DNA 시료를 올려놓으면 DNA의 특성을 FET 캔틸레버 탐침(30)으로 읽을 수 있다. 상용화된 원자력간 현미경 시스템에 본 발명의 FET 원자간력 현미경 캔틸레버 탐침(30)을 부착시키고, 압전 원통형 스캐너(piezoelectric tube scanner)(35)를 이용하여 캔틸레버 탐침(30)의 캔틸레버 아암(7) 선단부와 시료간의 거리를 조절한다.
이 때 캔틸레버 아암(7)의 휨 정도는 광원(33)을 통해 나오는 빔이 캔틸레버 아암(7) 끝에서 반사되어 광검출장치(photo detector)(34)에 도달하므로 캔틸레버 아암의 휨 정도를 알 수 있게 되어 시료의 표면지형(topography)을 읽을 수 있다. 상용화된 원자간력 현미경(AFM) 시스템에 관련된 것은 이미 많이 알려져 있어 더 이상 상세한 언급은 하지 않는다.
(캔틸레버 탐침 제조공정)
이하에 상기한 본 발명의 FET 캔틸레버 탐침에 대한 제조공정을 도 6 내지 도 26을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 FET 캔틸레버 탐침은 단일, 1×4 탐침 어레이 및 5×5 탐침 어레이 구조가 동시에 만들어지도록 설계되어 있으나 제조공정의 설명은 설명의 편의상 단일 FET 캔틸레버 탐침의 제작을 기준으로 설명한다.
먼저 도 6을 참고하면, 처음에 시작하는 재료는 단결정 벌크(bulk) 실리콘층(1) 위에 실리콘 산화막(silicon dioxide; SiO2)(2)이 1 마이크로미터 두께로 쌓이고, 그 위에 7.5 마이크로미터 두께의 100 방향의 p형 상부 실리콘 층(3)을 갖는 실리콘-온-절연체(SOI) 웨이퍼이다. 상부 실리콘 층(3)은 캔틸레버 아암(7)의 두께를 결정하게 되어 있고, 이 두께는 캔틸레버의 공명 진동수에 관련되어진다. 낮은 공명 진동수를 얻으려고 캔틸레버 아암(7) 두께를 얇게 할 경우는 화학적 물리적 식각(chemical mechanical polish; CMP)을 통해서 가능하다. 상부 실리콘 층(3)과 벌크 실리콘 층(1)의 결정 방향은 100 방향이고, 모두 p형이다.
이 실리콘-온-절연체 웨이퍼의 양면에 먼저 실리콘 산화막(4, 5)을 형성한다. 이 때 사용되어진 산화막(4, 5)은 화학기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법을 사용해도 무관하다. 그러나, 본 발명 실시예에서는 제조공정 중 웨이퍼 뒷면에 긁힘을 방지 및 양질의 산화막을 위하여 열 산화 방법을 사용하였다. 본 발명의 제조공정에서는 산화막(4,5)이 충분히 두꺼운 상태를 필요로 하는 과정이 있어서 습식 열 산화 방법(wet thermal oxidation)으로 산화막을 1 마이크로미터 두께로 형성하였다.
그후, 1 마이크로미터 두께의 열 산화막이 형성된 다음 상부의 산화막(4)에 캔틸레버 탐침 모양을 형성하는 사진 공정을 진행한다. 사진 공정에서 사용한 양성 감광막(positive photoresist)(6)은 AZ1512 감광제를 표준 공정으로 사용하였다. AZ1512 감광제의 표준공정은 웨이퍼 위에 감광막을 스포이드로 뿌려준 후 저속 회전(500 rpm)으로 5~7초간 돌린 후, 고속 회전(4000 rpm)으로 35초간 돌린다. 이때감광막의 두께는 1.1~1.3 마이크로미터의 두께로 도포 된다. 웨이퍼 위에 AZ1512 감광제가 회전 도포(spin coating)된 후 95℃의 전기로(electric oven)에서 20~30분간 초기 열처리를 실시한다. 열처리 후 도포된 감광막(6)의 열을 공기 중에서 충분히 식힌다.
이어서 충분히 식힌 웨이퍼에 사진 건판(photo mask)을 올려 놓고, 자외선을 조사(UV expose)한다. 자외선은 12 mW 출력으로 7.9초 조사하였다. 자외선 조사 후 웨이퍼를 현상액(developer)에 넣는다. 이때 사용한 현상액은 AZ 300 MIF 용액과 초 순수 물(deionized water)을 6:1로 혼합한 용액을 사용하여 75초간 현상을 실시하였다. 현상이 완료된 웨이퍼를 초 순수 물로 60초씩 6회 헹굼을 실시 한 후 회전 건조기(spin dryer)를 이용하여 웨이퍼에 잔존하는 물기를 제거한다. 물기가 완전히 제거된 웨이퍼를 110℃ 전기로에서 30분간 후속 열처리를 실시한다.
도 6에 도시된 사진공정을 거쳐 상부의 산화막(4)을 패턴닝하기 위한 식각 마스크(6a)가 캔틸레버 아암의 형상으로 정의된다. 이 경우 캔틸레버 아암의 패턴은 상기한 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 내지 제3 실시예로 구별되도록 3가지 형태를 이룬다.
도 20a 내지 도 20d는 각각 도 6의 공정이 완료된 상태를 나타낸 것으로, 도 20a는 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진, 도 20b는 캔틸레버 아암 전체를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 20c는 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 20d는 제1실시예에 대하여 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진을 확대하여 나타낸 것이다.
그후 도 6의 사진 공정을 통하여 형성된 식각 마스크(6a)를 사용하여 도 7과 같이 산화막(4)을 식각(etch)함에 의해 후속 공정에서 상부 실리콘 층(3)을 식각하기 위한 식각 마스크(4a)를 형성하는 공정이다.
산화막(4)을 식각하는 방법으로 초 순수 물(deionized water)과 불산(HF)을 섞은 용액을 사용하거나, NH4F와 불산을 7:1로 혼합한 BHF(buffered HF)용액(다른 말로 BOE(buffered oxide etchant)라 칭한다.)을 이용하는 습식 식각(wet etch) 방법을 하는 경우 공정 단가를 줄 일 수 있다.
하지만, 본 실시예 공정에서는 도 6에서 형성된 산화막(4)의 성질이 우수하여 사용한 감광막(6)이 산화막(4)을 습식 식각하는 과정에서 마스크 역할을 하지 못하게 되어 정확한 패턴을 얻을 수 없었다. 그래서 산화막(4)의 식각은 건식 식각(dry etch) 방법으로 실시하였다. 도 6에서 화학기상증착 방법으로 산화막(4)을 형성하는 경우는 습식 식각을 실시하여도 감광막(6)이 마스크 역할을 수행할 수 있다.
산화막(4)을 건식 식각하여 식각 마스크(4a)를 형성한 후 사용한 감광막(6)을 황산(H2SO4)과 과산화 수소(H2O2)를 4 : 1 비율로 혼합한 용액에서 120℃ 온도로 가열하여 10분 이상 감광막을 제거한다. 일반적으로 건식 식각 방법으로 산화막을 식각하였을 때 사용한 감광막은 변형이 되어 용액을 이용한 방법으로 감광제를 제거하는데 시간이 많이 소요되므로 산소 플라즈마(oxygen plasma) 방법을 이용하여 감광막을 태워 제거하는 방법을 사용하지만, 본 발명의 공정에서 사용한 건식 식각장비는 감광막 변형이 적게 이루어져서 용액 방법으로 쉽게 제거할 수 있었다.
황산 용액에서 감광막을 제거한 후, 기판을 초 순수 물로 60초씩 6회 걸쳐 황산을 없앤다. 또한, 다음 공정을 위해 웨이퍼 세척작업을 감광막 제거 용액과 똑같은 용액이 들어 있는 다른 용기에서 120℃ 온도로 가열하여 10분간 세척 작업을 실시한다. 웨이퍼 세척 작업이 완료 된 후 기판을 초 순수 물로 60초씩 6회 걸쳐 황산을 없앤다. 웨이퍼 표면에 남아 있는 물기는 회전 건조기에 넣고 물기를 제거했다.
도 8은 건식 식각된 산화막 식각 마스크(4a)를 사용하여 상부 실리콘 층(3)을 중간 산화막(middle oxide)(2)까지 플라즈마를 이용한 건식 식각하기 위한 공정이다. 실리콘 식각 공정에서 용액을 이용하여 실시하였을 경우 상부 실리콘 층(3)의 식각 단면이 비등방성 식각(anisotropy etch)이 되지 못하고 등방성 식각(isotropy etch)이 되어 도 3 및 도 5의 방법으로 측정할 경우 많은 문제점을 가지게 된다.
용액을 이용한 등방성 식각은 종래기술에서 사용한 방법과 유사하다. 또한, 등방성 식각이 되는 경우 캔틸레버 아암(7)의 고유 진동수가 설계된 값에서 크게 벗어나거나 설계상에 이점을 고려하였다 하더라도 캔틸레버 아암(7)의 윗면과 아래면의 넓이가 달라 원하는 캔틸레버 아암의 고유 진동수를 얻기 어려운 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 비등방성 식각을 필요로 하여 플라즈마를 이용한 건식 식각을 실시하였다. 이 공정이 완료 된 후 캔틸레버 아암을 형성하기 위해 돌출된 실리콘 부분(3a)은 대략 8 마이크로미터의 단차를 갖게 된다.
도 21a 내지 도 21c는 각각 도 8까지 공정이 진행된 상태를 나타낸 것으로, 도 21a는 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진, 도 21b는 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 21c는 제1실시예에 대하여 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 9는 도 8의 공정에서 형성된 캔틸레버 아암의 선단부가 둔탁해진 것을 뾰족하게 보상하는 것과 식각이 이루어진 실리콘 면이 깔끔하게 되도록 하기 위하여 열 산화 방법으로 실리콘 층(3)의 노출면에 0.1 마이크로미터 두께의 산화막(8)을 형성하는 공정이다.
이 공정을 거침에 따라 추후 이루어지는 공정에서 산화막(8)을 제거함으로서 캔틸레버 아암의 선단부를 보다 날카롭게 만들 수 있었고, 캔틸레버 아암의 벽면을 깔끔하게 처리할 수 있었다. 또한, 이때 형성된 산화막(8)은 FET 채널의 소스(source)와 드레인(drain) 영역을 형성하기 위한 사진공정을 보다 원활하게 하는 장점도 얻었다.
도 10a 및 도 10b는 도 6에서 실리콘 기판(1)의 하부면에 형성된 1 마이크로미터 두께의 산화막(5)을 제거하는 공정이다. 하부면에 형성된 산화막(5) 만을 제거하기 위하여 먼저 상부면을 보호하기 위한 보호막(9)으로 AZ 4620 감광막을 사용하였다. AZ 4620 감광제를 표준 회전 수 4000 rpm으로 하는 경우 감광제가 6 마이크로미터 두께로 형성되어 도 10a까지 진행한 공정에서 기판의 단차를 충분히 덮지 못하므로 다음과 같은 수학식 1을 이용하였다.
8마이크로미터 단차를 충분히 덮는 조건을 설정하기 위하여 AZ 4620 감광제를 저속 회전수 500 rpm으로 5초 회전한 후 고속 회전수 2000 rpm으로 55초 회전 도포하였다. 이때 AZ 4620 감광제의 점도에 의해 고속 회전수가 표준보다 적게 될 경우 웨이퍼 끝부분에 AZ 4620 감광제가 물방울처럼 맺히는 에지 비드(edge bead) 현상이 생긴다.
이 현상을 없애고자 AZ 4620 감광제를 2000 rpm으로 회전시킬 때 회전 시간을 표준시간인 35초 보다 20초 가량 더 늘려 실시하였다. AZ 4620 감광막을 2000 rpm으로 회전시킬 때 회전 시간이 55초 이상이면 에지 비드 현상이 없어지지만, 너무 과도한 시간동안 회전을 시키면 AZ 4620 감광막이 다소 얇아지는 문제가 있으므로 본 발명에서는 55초가 가장 적정한 조건이었다.
이렇게 회전 코팅한 AZ 4620 감광막을 전기로에서 95℃에서 30분 열처리하고 곧 바로 110℃에서 30분 열처리 실시 한 후 곧 바로 130℃에서 5분간 열처리를 실시하였다. AZ 4620 감광막을 열처리 한 후 충분히 공기 중에서 식혔다. 도 10(a)는 충분히 식은 상태에서 웨이퍼 하부면의 열 산화막(5)을 제거하기 전의 공정 단면도이고, 도 10(b)는 하부면의 열 산화막(5)을 제거 한 후, 회전 도포된 AZ 4620 감광막 보호막(9)을 황산(H2SO4)과 과산화 수소(H2O2)를 4 : 1 비율로 혼합한 용액에서 120℃ 온도로 가열하여 600초 동안 감광막을 제거한 상태를 보여주고 있다.
황산 용액에서 감광막을 제거한 후, 기판을 초 순수 물로 60초씩 6회 걸쳐 황산을 없애는 과정을 실시하였다. 다음 공정을 위해 웨이퍼 세척작업을 감광막 제거 용액과 똑같은 용액이 들어 있는 다른 용기에서 120도 온도로 가열한 후 10분간 세척 작업을 실시한다.
도 11은 캔틸레버 아암의 선단부에 소스와 드레인 영역(11b,11c)을 형성함과 동시에 탐침 본체에 소스 및 드레인 접촉패드(13a,13b)를 형성하기 위해 산화막(4)을 패턴닝하여 이온 주입 마스크를 형성하고 이온 주입을 실행하는 공정의 사시도이다. 소스 영역(11b)과 드레인 영역(11c) 간의 폭, 즉 채널형성 영역(11a)은 3 마이크로미터로 설정하였다.
먼저 소스와 드레인 영역 형성을 위해 산화막(4)의 패턴닝을 위한 사진공정의 감광제 선택은 본 발명의 FET 채널(11)의 형성에 매우 중요하다. 먼저, 해상도(resolution)가 좋은 AZ 1512 감광제(단차가 없는 평면에서의 AZ 1512 감광막의 해상도는 1 마이크로미터 정도이다.)를 상기 식 1에 기초하여 rpm을 설정하는 경우에는 단차를 충분히 덮어주지 못한다.
이런 문제를 해결하고자 여러 번의 AZ 1512 감광제를 회전도포 하였을 경우는 웨이퍼 끝부분에 에지 비드 현상으로 자외선 노광 시에 마스크와 웨이퍼 간의 접촉 거리가 조절되기 어려워 정확한 패턴을 웨이퍼 위에 형성시키기 어렵다.
반면, 해상도가 AZ 1512 감광막 보다 떨어지지만 단차를 쉽게 덮을 수 있는 AZ 4620 감광제(단차가 없는 평면에서의 AZ 4620 감광막의 해상도는 3 마이크로미터 정도이다.) 만을 사용하였을 경우 표준 회전수보다 적은 회전수로는 회전도포하면 단차를 모두 덮어주기는 하였지만, 자외선 노광 시 AZ 4620 감광막의 해상도가 급격히 감소하여 3 마이크로미터의 해상도를 얻을 수 없었다.
이러한 문제점을 해결하고자 깊은 단차를 어느 정도 메울 수 있는 사진공정도 실시하여 보았다. 깊은 단차 메움을 위하여 단차 메움(step coverage)이 우수한 화학기상 증착 방법으로 올려진 TEOS 산화막(tetraethoxysilne silicon dioxide) 사용하여 보았다. TEOS 산화막을 3 마이크로미터 두께로 형성하고, 열처리를 하였을 때 단차의 경계부분을 많이 메워줌으로써 상기 식 1을 이용하여 단일 감광제 만을 이용한 사진공정이 가능한 경우도 확인하였다. TEOS 산화막 형성 공정을 진행하였을 경우 단차가 5 마이크로미터 정도까지 감소하여 AZ 1512 감광제만을 이용하여도 3 마이크로미터의 해상도를 갖는 패턴을 웨이퍼에 형성 할 수 있었다. 그러나, 본 발명에서는 제조공정의 공정단가를 최소로 할 수 있는 방법을 하기에 제시한다.
단차가 크게 나는 경우 AZ 1512 감광제만을 이용하거나 AZ 4620 감광제만을 사용하여서는 작은(여기서는 3 마이크로미터 크기, 실제로는 마스크와 웨이퍼 얼라인(align) 패턴에서 가장 작은 경우 2 마이크로미터이다.) 패턴을 웨이퍼 위에 형성하기 어렵기 때문에 AZ 1512 감광제와 AZ 4620 감광제를 이중으로 사용하는 방법을 사용하였다. 일반적으로 AZ 1512 감광제의 경우 점성계수가 작아서 점성계수가 큰 AZ 4620 감광제보다 먼저 도포를 실시한다. 이러한 방법으로 실시해 본 결과 AZ 4620 감광제의 해상도가 3 마이크로미터를 얻지 못한 결과를 얻었다.
본 발명의 캔틸레버 탐침에서는 낮은 해상도를 이용하여 소스와 드레인 영역의 폭을 설정하면 디바이스 구동 전압이 높아지므로 적절하지 못한 결과를 얻게 된다. 따라서 상기와 반대로 점성계수가 다소 큰 AZ 4620 감광제를 먼저 도포하고, 점성계수가 작은 AZ 1512 감광제를 나중에 도포하는 방법을 사용하였다. 이때 감광제 도포과정에서 먼저 도포된 AZ 4620 감광제를 열처리한 후 다음 AZ 1512 감광제를 도포하였을 경우 자외선 노광 시간 조절과 후속으로 올라간 감광제가 자외선 노광 시에 타는 문제(burning problem)를 유발한다.
또한, 자외선 노광 중에 일어나는 문제점이 없더라도 노광 후 감광막을 현상하는 과정에서 AZ 1512 감광막을 현상하는 용액을 먼저 사용하고, AZ 4620 감광막을 현상하는 용액(AZ 400K developer)을 사용할 때 먼저 현상된 AZ 1512 감광막이 AZ 4620 현상액 속에서 녹으면서 3 마이크로미터 패턴이 없어지거나, 후속 공정을 진행시키기 어려울 정도로 얇은 감광막 형태로 남는 문제점이 유발되었다. 이러한 문제점은 다음과 같이 해결하였다.
AZ 4620 감광제와 AZ 1512 감광제를 이중으로 사용하는데 먼저, AZ 4620 감광제를 표준 조건인 저속 회전의 경우 500 rpm으로 5초간 실시한 후 고속 회전 4000 rpm으로 35초간 회전 도포하고 열처리를 거치지 않은 상태에서, AZ 4620 감광제를 도포한 후 AZ 1512 감광제를 저속 회전의 경우 500 rpm으로 5초간 실시한 후 고속 회전의 경우 표준 회전수보다 낮은 1000 rpm으로 35초간 회전 도포하였다. 이렇게 하였을 때 8 마이크로미터인 단차를 이중 감광막이 모두 덮을 수 있었다. 또한, 웨이퍼 끝에 에지 비드(edge bead)가 나타나는 문제는 없었다.
감광제를 회전 도포한 후 열처리 공정은 전기로를 이용하여 110℃에서 30분간 실시하였다. 열처리 공정이 완료된 후 감광막을 공기 중에서 식히는 과정을 거쳤다. 감광제가 회전 도포된 실리콘 기판이 충분히 식은 후 자외선 노광을 실시하였다. 자외선 노광 시간은 노광 출력(expose power)에 따라 차이는 있지만, AZ 4620 감광제의 노광 조건을 사용하였다. 이렇게 노광하였을 때 감광막이 자외선에 의해 타는 문제는 발생하지 않았다.
자외선 노광 후 감광막 현상은 AZ 1512 감광막 현상액인 AZ 300 MIF 용액과 물을 6 : 1 비율로 희석시킨 용액을 사용하여 현상을 하였다. 이때 AZ 4620 감광막은 별도의 현상액을 사용하지 않고도 현상이 이루어졌다. AZ 1512 감광막 현상액에서의 현상 시간은 표준 AZ 1512 감광막 현상 시간에 비해 다소 길어진 5분 정도의 시간동안 이루어졌다. 현상이 진행되어지는 동안 채널 형성부분에 대응하는 3 마이크로미터의 패턴이 있는 곳의 감광막 두께는 변화가 거의 없었고, 해상도의 차이도 표준공정과 별 차이를 나타내지 않았다.
현상액에서 현상이 완료된 후 현상액을 모두 제거하기 위하여 초 순수 물에서 수 차례 헹굼을 실시하고, 남아 있는 물기를 제거하기 위하여 회전 건조기에서 물기를 제거하였다. 현상이 완료된 후 기판은 다음 공정을 위하여 전기로를 이용하여 110℃에서 30분, 130℃에서 10분간 열처리 과정을 거쳤다. 이런 공정과정을 하였을 때 소스와 드레인 사이의 3 마이크로미터의 폭은 정확히 얻을 수 있었고, 2 마이크로미터의 폭을 갖는 정렬 패턴도 정확히 얻을 수 있었다.
소스와 드레인 영역 형성을 위해 산화막(4)의 패턴닝을 위한 사진공정이 완료된 웨이퍼에서 고 에너지 이온 주입(high energy ion implantation)을 위한 산화막 제거(패턴닝)를 상기한 감광막 식각 마스크(10)를 이용하여 7 :1 BHF 용액으로제거하였다. 필요 없는 부분의 산화막(4)을 제거한 후 초 순수 물을 수 차례 이용하여 웨이퍼 표면에 남아있는 불산 성분을 제거하고, 회전 건조기로 물기를 제거하여 이온 주입을 위한 산화막 마스크(4b)를 형성하였다. 이 과정에서 감광막은 마스크 역할을 하는 동안 그대로 유지되었다.
이 경우 산화막(4)의 패턴닝시에 실리콘-온-절연체(SOI) 웨이퍼의 중간 산화막(2) 또한 그 상부 실리콘 층(3)이 마스크로 이용되어 노출된 중간 산화막(2) 부분이 식각됨과 동시에 도 9에서 형성된 0.1 마이크로미터 두께의 산화막(8)도 제거가 되었다. 이러한 공정이 완료된 후 감광막 식각 마스크(10)를 제거하는 공정은 실시하지 않았다. 소스와 드레인 영역에 불순물을 이온 주입할 때 보다 확실한 마스킹을 필요로 하기 때문이다.
상기 감광막 식각 마스크(10)와 산화막 마스크(4b)를 이온 주입 마스크로 이용하여 소스와 드레인 영역에 고 에너지 이온 도핑을 위한 이온은 소스와 드레인 영역(11b,11c)이 n형이 되도록 원자가 31번의 인(P+)을 사용하였다. 고 에너지 이온 도핑 시스템(high energy ion implant)을 이용하여 예를들어, 70 keV 에너지로 1×1016/cm2의 양으로 도핑을 하였다.
이온 도핑을 위해 더 무거운 비소(arsenic; As)를 사용하는 경우 도판트들(dopants)이 캔틸레버 아암으로 깊숙이 들어가지 못하고, 도핑하는 동안 캔틸레버 아암(17)의 실리콘 층(3)에 손상을 많이 주는 문제가 있어서 인을 사용하였다. 그러나, 소스와 드레인 영역(11b,11c)에 불순물 도핑을 다른 5족 원소들(질소, 비소, 안티몬 등)을 저 에너지 이온 도핑 방법을 사용하는 경우 실리콘 기판의 손상 문제는 해결 할 수 있다.
또한, 불순물 도핑을 이온 도핑 시스템을 사용하지 않고, 열적인 확산방법(thermal diffusion)을 사용해도 원하는 채널을 형성 할 수 있다. 열 확산 방법을 이용할 경우 산화막(4)을 식각 한 후 사진공정에 사용되는 감광막 패턴 마스크(10)를 반드시 제거하여야 만 열 확산로의 오염을 막을 수 있다.
또한, 최근에 개발된 플라즈마 이온 도핑 방법은 이온에 의한 기판의 손상도 적고, 기판 깊숙하게 불순물을 주입하기 어렵기 때문에 불순물 주입 공정 과정 전에 감광막 식각 마스크(10)를 제거해도 문제가 되지 않는다. 따라서 소스와 드레인 영역 형성을 위한 불순물 도핑 방법은 기존의 어떠한 공정을 이용하여도 같은 결과를 얻을 수 있다.
도 12는 도 11의 고 에너지 이온 도핑공정이 완료 된 후 열처리 공정을 보여주는 공정 단면도이다. 도 11에서 남아 있는 감광막 식각 마스크(10)를 제거 한 후 열처리 공정을 실시하여 손상된 실리콘의 회복과 주입된 불순물을 활성화시킨다.
마스크로 이용된 감광막 제거는 산소 플라즈마 방법을 이용하여 감광막을 태워 제거하거나, 감광막을 황산(H2SO4)과 과산화 수소(H2O2)를 4 : 1 비율로 혼합한 용액에서 120℃ 온도로 가열하여 2 ~ 3시간 동안 감광막을 제거할 수 있다. 황산 용액에서 감광제를 제거하는 경우, 기판을 상기와 같이 세척한다.
감광막을 완전히 제거한 후 이온 도핑과정에서 손상된 실리콘 격자를 원상복귀 및 도핑 물질의 활성화를 위하여 고온의 로(furnace)를 이용하여 열처리 공정을 실시하였다. 열처리 공정은 질소가스를 주입하면서 1000℃에서 6시간 30분 동안 실시하였다. 열처리 공정으로 도판트들이 산화막 마스크(4b) 밑에서 확산(diffusion)이 일어난다. 이러한 이온 확산으로 인하여 이온 확산된 소스와 드레인 영역(11b,11c) 사이의 채널형성 영역(11a)의 간격은 최초 설계된 3 마이크로미터 보다 작은 1 마이크로미터 이하로 줄어들게 된다.
도 22a 내지 22c는 각각 도 12까지 공정이 진행된 상태를 나타낸 것으로, 도 22a는 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진, 도 22b는 1×4 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진, 도 22c는 제1실시예에 대하여 5×5 탐침 어레이를 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 22a를 참고하면 도 12에서 형성된 소스/드레인 영역 사이의 채널형성 영역(11a)에 대하여 3 마이크로미터 간격이 제대로 이루어져 있음을 알 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 캔틸레버 탐침의 몸체에 금속배선이 놓일 위치를 제외한 다른 부분의 산화막을 제거한 사시도이다. 이 사진공정에서도 도 11에서 언급한 AZ 4620 감광막과 AZ 1512 감광막을 이중으로 사용한 이중 감광막을 사용하였다. 도 13a는 이중 감광막 식각 마스크(14)를 사용하여 캔틸레버 아암과 탐침 몸체의 일부분에 있는 산화막(4)을 7 :1 BHF 용액으로 제거하는 과정이고, 도 13b는 남아있는 감광막 식각 마스크(14)를 제거한 상태를 보여준다.
도 14a 및 도 14b는 질화막(silicon nitride; SiN)(15) 형성공정을 보여준다. 1×4 어레이 캔틸레버 탐침이나 5×5 어레이 캔틸레버 탐침의 경우 각각의 캔틸레버 아암의 휨 정도가 공정상 약간은 차이가 나게 된다. 이러한 휨의 차이를 보정해주기 위하여 질화막(15)을 캔틸레버 탐침의 일부에 올렸다.
그러나, 본 발명에 있어서 질화막 형성공정을 실시하지 않아도 캔틸레버 아암의 특성에는 크게 영향을 주지 않으므로 필수적인 것은 아니어서 질화막을 제외한 경우도 있다. 최종 완성된 캔틸레버 탐침의 특성조사는 질화막 공정을 거치지 않은 샘플에서 실시하였다.
상기 질화막 형성공정은 화학기상증착 방법으로 스트레스 질화막을 0.2 마이크로미터 두께로 올린 후, 도 11에서 설명한 방법으로 사진공정을 실시하여 감광막의 식각 마스크(16)를 도 14a와 같이 형성하고 플라즈마 방법을 이용한 건식 식각 방법을 실시하여 몸체로부터 전체 캔틸레버 아암의 2/3 까지 덮도록 질화막(15)을 패턴닝하였다.
도 14b는 질화막의 패턴닝후에 감광막 식각 마스크(16)를 황산(H2SO4)과 과산화 수소(H2O2)를 4 : 1 비율로 혼합한 용액에서 120℃ 온도로 가열하여 600초 동안 감광막을 제거한 상태를 보여주고 있다.
도 15a 및 도 15b는 디바이스 구동을 위한 연결배선 형성공정의 모식도이다. 연결배선용 금속물질로는 5N(99.999 %) 알루미늄(Al)을 열 증착기(thermal evaporator)로 0.3 마이크로미터 이상의 두께로 올렸다. 이 공정에서 열 증착 방법이 아닌 스퍼터(sputter) 방법을 사용하는 경우 사용되어지는 물질은 실리콘이 미세하게 첨가된 알루미늄을 사용하므로 후속 공정에서 미세하게 잔존하는 실리콘 성분을 식각할 필요가 있다. 본 발명에 두 가지 모두 적용해보았으나, 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이 경우 Al 이외에 주지된 다른 종류의 금속물질을 사용하는 것도 가능하다.
도 15a 및 도 15b는 열 증착 방법을 사용하여 연결배선을 형성한 예이다. 열 증착 방법으로 알루미늄을 웨이퍼 상부면과 하부면에 올렸다. 상부면의 알루미늄은 패턴닝을 거쳐 소스 및 드레인 전극패드(17a,17b)와, 상기 전극패드와 접촉패드(13a,13b)를 연결하기 위한 연결배선(17c,17d)으로 사용하고, 하부면의 알루미늄 층(18)은 후속공정에서의 마스크 물질로 사용한다.
상부면의 알루미늄 층에 사진공정을 하기 위해 하부면의 알루미늄 층(18)은 보호할 필요가 있다. 이때 하부면의 알루미늄 층(18)은 보호막(20)을 형성하기 위해 감광제 AZ 1512를 500 rpm으로 5초간 돌린 후 1000 rpm으로 35초간 회전 도포하였다. 감광제가 알루미늄 층에 대한 접착력이 떨어지므로 감광제 도포 전에 HMDS란 물질을 표준공정으로 웨이퍼 전면에 회전 도포를 실시하였다. 회전 도포된 감광제를 전기로에서 110℃에서 20분 실시하고 130℃에서 10분간 실시하면 보호막(20)이 형성된다. 하부면에 보호막(20)으로 올린 감광제가 충분히 식은 후 상부면에 대하여 도 11의 방법과 동일한 방법으로 사진 공정을 실시하였다. 상부면의 감광제 도포 공정 전에 하부면과 동일하게 HMDS 도포 공정을 거쳤다.
사진 공정이 완료된 후 형성된 감광막 식각 마스크(19)를 이용하여 알루미늄을 습식 식각한 결과 도 15a의 구조가 얻어진다.
도 15(b)는 건조가 완료된 후 마스크로 존재하는 감광막 식각 마스크(19)와보호막(20)으로 형성된 하부면의 감광막을 제거하는 공정 단면도이다. 감광막 제거로 사용된 용액은 금속이 웨이퍼에 입혀져 있으므로 황산용액을 사용하지 못한다. 감광막은 AZ 700 리무버(remover) 용액을 40℃로 가열하여 제거하였다. 감광막이 완전히 제거 된 후 초 순수 물을 사용하여 60초씩 6회 반복하여 웨이퍼 세정을 실시하였고, 회전 건조기를 이용하여 실리콘에 남아 있는 물기를 제거하였다
도 16은 도 15a 및 도 15b에서 형성된 알루미늄으로 이루어진 소스 및 드레인 전극패드(17a,17b)와 연결배선(17c,17d)을 보호하면서 하부면의 알루미늄 층(18)을 습식 식각하는 공정을 나타낸다.
웨이퍼 하부면의 알루미늄 층(18)을 식각할 때 먼저 상부면에 형성된 디바이스를 충분히 보호하기 위한 보호층(22)이 필요하다. 상부면의 보호층(22)은 AZ 4620 감광막을 500 rpm으로 5초 회전 도포한 후 1000 rpm으로 55초간 회전 도포하고, AZ 1512 감광막을 500 rpm으로 5초 회전 후 1000 rpm으로 55초간 회전 도포하였다.
이 경우 이미 형성된 알루미늄의 전극패드(17a,17b)와 연결배선(17c,17d)에 감광제의 접착력을 높이기 위하여 도 15a 및 도 15b와 같이 HMDS를 사용하였다. 이 보호층(22)은 실리콘-온-절연체(SOI) 웨이퍼의 중간 산화막(2)을 제거하는 과정까지 보호층 역할을 충분히 하도록 전기로를 이용하여 110℃에서 20분, 130℃에서 10분간 열처리를 실시하였다. 보호층(22)을 열처리 후 웨이퍼가 충분히 식도록 공기 중에 노출하였다.
보호층(22)이 형성된 후 실리콘-온-절연체(SOI) 웨이퍼의 중간 산화막(2)을제거하기 위하여 하부면의 알루미늄층(18)에 사진공정을 실시하였다. 이때 사진공정에서도 먼저 웨이퍼의 하부면에 HMDS를 회전 도포한 후 AZ 1512 감광제를 사용하였다. AZ 1512 감광제를 표준 공정인 500 rpm으로 5초 회전 후 4000 rpm으로 35초간 회전 도포하였다. 회전 도포된 감광막은 전기로를 이용하여 95℃에서 30분간 초기 열처리 과정을 실시하였다. 충분히 웨이퍼가 식은 후 자외선 조사와 감광제 현상은 표준 방법을 사용하였다.
감광막에 대한 사진공정을 실시하여 알루미늄 층(18)을 패턴닝하기 위한 식각 마스크(21)를 형성한 후 이를 이용하여 노출된 알루미늄 층(18)의 일부분을 도 15a에서와 동일한 용액을 이용한 습식 식각으로 제거하였다.
도 17은 웨이퍼 하부면의 벌크(bulk) 실리콘 층(1)을 건식 식각하기 위한 공정도이다. 습식 식각을 하기 위해서는 보호층(22)을 습식 식각에 사용되는 용액에서 충분히 버틸 수 있도록 형성하여야 하는데 벌크 실리콘 층(1)을 식각한 후 이러한 보호층을 제거하는데 문제점이 있다. 또한, 습식 식각을 할 경우 캔틸레버 아암의 아래쪽이 등방성 식각이 되므로 초기 마스크 설계부터 바뀌어야 한다. 또한, 이 경우 캔틸레버 탐침의 취급 시 몸체에 약하게 붙어있는 캔틸레버 아암이 쉽게 부러질 수 있다.
따라서 이러한 문제점이 없도록 초기 마스크 설계에서 건식 식각 방법을 할 수 있는 마스크를 설계하는 것이 필요하다. 본 발명에서는 건식 식각방법으로 벌크 실리콘 층(1)을 식각하였다. 이 경우 단일 캔틸레버 탐침과 1×4 탐침 어레이 경우는 식각하는 면적이 동일하여 동시에 식각이 잘 이루어지지만, 5×5 탐침 어레이경우는 한 웨이퍼 안에서 식각할 때 식각되는 면적이 작기 때문에 식각율(etch rate)이 떨어지는 로딩 효과(loading effect)가 일어난다.
그런데 본 발명의 실시예 공정에서는 한 웨이퍼 안에 단일 캔틸레버 탐침, 1×4 어레이 캔틸레버 탐침, 5×5 어레이 캔틸레버 탐침이 동시에 만들어지도록 설계되어서 로딩효과를 피할 수 없었다. 그래서 단일 캔틸레버 탐침과 1×4 어레이 캔틸레버 탐침의 벌크 실리콘 층(1)을 식각한 후 웨이퍼를 절단하여 5×5 어레이 캔틸레버 탐침 부분은 추가적인 식각을 실시하였다. 따라서, 만약 웨이퍼가 단일 캔틸레버 탐침이나 1×4 어레이 캔틸레버 탐침 만으로 설계가 된다면 이러한 로딩효과가 없을 것이다.
도 18은 도 17의 공정이 완료된 구조에서 캔틸레버 아암(7)의 밑에 존재하는 산화막(2)을 제거하기 위한 공정도이다. 이때 산화막(2)을 제거하기 위하여 습식 식각을 할 경우 습식 식각 용액이 상부면의 보호층(22)의 경계로 들어가서 알루미늄의 전극패드(17a,17b)와 연결배선(17c,17d)을 손상시킬 우려가 있다. 따라서 본 발명에서는 건식 식각 방법을 사용하여 산화막(2)을 제거하였다. 이 공정까지 진행되는 동안 실제로 하부면에 형성된 식각 마스크(21)는 아주 일부분만 웨이퍼 뒷면에 잔존하게 된다.
도 19는 도 18의 공정이 완료된 후 하부면에 일부 남아 있는 식각 마스크(21)용 감광막을 먼저 산소 플라즈마를 이용하여 제거하고, 상부면의 보호층(22)용 감광막을 산소 플라즈마로 제거하는 공정 단면도이다. 이 공정이 완료되면 도 1에 도시된 것과 동일한 본 발명에 따른 단일 FET 캔틸레버 탐침, 1×4탐침 어레이 및 5×5 탐침 어레이의 멀티 FET 캔틸레버 탐침이 하나의 셀로 완성된다.
도 23은 각각 도 19까지 모든 공정이 완료된 상태를 나타낸 것으로, 좌측으로부터 제1실시예에 대하여 1×4 탐침 어레이에 대한 배선 구조, 1×4 탐침 어레이에 대한 캔틸레버 아암 부분 및 1×4 캔틸레버 아암 중 하나의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진이다.
도 24는 도 14의 질화막 형성공정을 거치지 않고 만들어진 제1 내지 제3 실시예에 따른 단일 탐침의 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 전자 현미경 사진으로서, 좌측이 제1실시예, 중앙부가 제2실시예, 우측이 제3실시예를 가리킨다.
FET 캔틸레버 탐침에서 가장 중요한 캔틸레버 아암 선단부를 확대한 사진을 참고할 때 제1 내지 제3 실시예 각각의 캔틸레버 아암의 형상이 원하는 대로 잘 형성되었음을 알 수 있다.
도 25는 도 14의 질화막 형성공정을 거치지 않고 만들어진 제1 내지 제3 실시예에 따른 1×4 탐침 어레이의 멀티 FET 캔틸레버 탐침을 나타낸 전자 현미경 사진으로서, 좌측이 제1실시예, 중앙부가 제2실시예, 우측이 제3실시예를 가리킨다.
도 26은 도 14의 질화막 형성공정을 거치지 않고 만들어진 5×5 탐침 어레이의 멀티 FET 캔틸레버 탐침을 나타낸 전자 현미경 사진이다. 도 26에서 상측부는 5×5 탐침 어레이의 멀티 FET 캔틸레버 탐침 전체에 대한 사진이고, 하측부는 상측부의 25개의 캔틸레버 탐침 중 하나의 확대 전자 현미경 사진으로서, 좌측이 제3실시예, 중앙부가 제2실시예, 우측이 제1실시예를 적용한 경우를 가리킨다.
도 25 및 도 26을 참고할 때 1×4 탐침 어레이 및 5×5 탐침 어레이의 멀티 FET 캔틸레버 탐침 구조에 있어서도 단일 탐침일 때와 동일하게 정확한 형상의 사이즈로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기한 제조 프로세스는 단일 및 멀티 캔틸레버 탐침의 양산시에 높은 제조 신뢰성을 제공하여 생산 수율이 높게 된다.
또한 상기 제조공정에 따라 얻어된 FET 캔틸레버 탐침은 도 4와 같은 전압-전류 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있는바, 이를 이용하면 나노미터 영역에서 원하는 곳의 정확한 전하 읽기 및 전하 저장이 가능함을 알 수 있다.
더욱이 본 발명의 FET 방식의 캔틸레버 탐침은 단일/멀티 캔틸레버 아암마다 선단부에 단일/다수의 FET 채널(11)이 1 마이크로미터 크기 이하로 형성되므로, 단일 또는 다수의 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기를 고속, 고정밀, 고해상도로 진행할 수 있게 되어 차세대 멀티미디어 데이터 저장장치에 적용될 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 각 종류별로 서로 상이한 전하를 띠고 있는 DNA의 구분을 위한 DNA 분석장치에 적용할 수 있다.
상기한 실시예 설명에서는 3가지 타입의 캔틸레버 아암을 예로들어 단일 및 멀티 탐침 구조에 대하여 설명하였으나, 상기한 본 발명의 정신에 기초하여 다른 타입의 형상과 모양을 갖는 캔틸레버 아암을 사용하여 멀티 탐침 구조에 적용하는 것도 가능하다.
또한 상기 실시예에서 샘플의 제작에 적용한 각종 수치와 처리 프로세스는 예시를 위한 것이며, 당업자가 주지된 다른 프로세스를 사용하여 변형시키는 것도물론 가능하다.
더욱이, 본 발명의 탐침은 상기한 데이터 저장장치나 DNA 분석장치 이외에 시료의 표면형상을 얻기 위한 장치 등에 응용 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 단일 또는 다수의 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기를 고속, 고정밀, 고해상도로 진행할 수 있어 차세대 멀티미디어 데이터 저장장치 등에 적용될 수 있고, MEMS 공정과 CMOS 공정을 이용하여 높은 수율로 캔틸레버 탐침의 제조가 가능하여 신뢰성이 우수한 단일/멀티 캔틸레버 탐침을 제조할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기에 사용되는 FET 방식의 캔틸레버 탐침에 있어서,
    단결정 벌크형 제1실리콘 층위에 제1절연층과 제2실리콘 층이 순차적으로 올려져 있는 p형 단결정 실리콘-온-절연체(SOI) 기판과,
    상기 SOI 기판 위에 형성된 제2절연층과,
    각각 상기 제2절연층 위에 형성되며 소스 및 드레인이 연결되는 적어도 하나의 소스 전극패드 및 드레인 전극패드와,
    각각 상기 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 막대 형상으로 연장 형성되며 양측변으로 소스 전극패드 및 드레인 전극패드와 연결되는 제1 및 제2 연결배선이 소정 간격으로 배치된 적어도 하나의 캔틸레버 아암과,
    각각 상기 제1 및 제2 연결배선의 선단부로부터 서로 만나도록 경사각도를 갖고 밴드 형상으로 연장 형성되며 n형 불순물이 고 에너지 이온 주입되어 형성된 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 및 드레인 영역이 만나는 선단부에 배치된 p형의 채널형성 영역을 포함하는 n++-p-n++구조의 적어도 하나의 FET 채널로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침.
  2. 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기에 사용되는 FET 방식의 캔틸레버탐침에 있어서;
    단결정 벌크형 제1실리콘 층위에 제1절연층과 제2실리콘 층이 순차적으로 올려져 있는 제1타입의 불순물이 도핑된 단결정 실리콘-온-절연체(SOI) 기판과, 상기 SOI 기판 위에 형성된 제2절연층과, 각각 상기 제2절연층 위에 형성되며 소스 및 드레인이 연결되는 적어도 하나의 소스 전극패드 및 드레인 전극패드를 포함하는 탐침 본체와;
    각각 상기 탐침 본체의 제2실리콘 층으로부터 막대 형상으로 연장 형성되며 소스 전극패드 및 드레인 전극패드와 연결되는 제1 및 제2 연결배선이 소정 간격으로 배치된 다수의 캔틸레버 아암과;
    각각 상기 제1 및 제2 연결배선의 선단부로부터 서로 만나도록 경사각도를 갖고 밴드 형상으로 연장 형성되며 제2타입의 불순물이 고 에너지 이온 주입되어 형성된 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 및 드레인 영역이 만나는 선단부에 배치된 제1타입의 불순물이 도핑된 채널형성 영역을 포함하는 다수의 FET 채널로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암이 다수개일 때 상호간의 휨 정도의 차이를 보상하기 위해 SOI 기판으로부터 캔틸레버 아암의 일부로 연장 형성된 질화막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암은 각각 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 일정한 폭으로 평행하게 연장된 제1 및 제2 아암으로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암은 각각 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 일정한 폭으로 평행하게 연장된 제1 내지 제3 아암으로 구성되며,
    상기 제1 및 제2 아암의 선단부에서 제3아암의 선단부로 각각 일자형 제1 및 제2 연결부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 FET 채널은 제1 및 제2 아암의 각 선단부로부터 선단부가 만나도록 내측 방향 경사각을 갖고 연장 형성된 p형 제1 및 제2 경사연결부와, 상기 p형 제1 및 제2 경사연결부에 n형 불순물을 고 에너지 이온 주입하여 형성된 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 및 드레인 영역이 만나는 선단부에 배치된 p형의 채널형성 영역으로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탐침 본체는 사각형상으로 이루어진 다수의 관통구멍을 포함하며, 다수의 캔틸레버 아암은 각각 관통구멍의 내주면으로부터 공간을 향하여 선단부가 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침.
  8. 나노미터 영역에 대한 전하의 저장 및 읽기에 사용되는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법에 있어서;
    (가) 단결정 벌크형 제1실리콘 층위에 제1절연층과 제2실리콘 층이 순차적으로 올려져 있는 제1타입의 불순물이 도핑된 단결정 실리콘-온-절연체(SOI) 기판의 양면에 상부 및 하부 제2절연층을 형성하는 단계와,
    (나) 상기 상부 제2절연층의 일부분을 패턴닝하여 선단부에 역 V자형 돌출부를 갖는 대형상의 아암을 형성하는 단계와,
    (다) 상기 패턴닝된 상부 제2절연층을 식각 마스크로 사용하여 제2실리콘 층의 노출부분을 제거하는 단계와,
    (라) 상기 기판의 하부 제2절연층을 제거한 상태에서 상부 제2절연층을 패턴닝하여 상기 아암 형태로 패턴닝된 제2실리콘 층의 역 V자형 선단부에 선형상으로 소스 영역와 드레인 영역을 정의함과 동시에 소스 영역과 드레인 영역으로부터 아암의 양측변을 따라 후단부로 연장되어 본체에 소스 및 드레인 접촉패드를 형성하기 위한 제1 및 제2 패드를 노출시켜 이온 주입 마스크를 형성하는 단계와,
    (마) 상기 이온 주입 마스크를 이용하여 제2타입의 불순물을 제2실리콘 층으로 고 에너지 이온 주입한 후 열처리하여 불순물을 활성화시킴에 의해 소스 영역 및 드레인 영역과 이로부터 소스 및 드레인 접촉패드와 연결되는 제1 및 제2 배선을 형성하는 단계와,
    (바) 상기 아암 부분의 상부 제2절연층을 제거한 후 본체 부분의 상부 제2절연층 위에 상기 소스 및 드레인 접촉패드와 연결되는 소스 및 드레인 전극패드를 형성하는 단계와,
    (사) 상기 기판의 상부면을 보호층으로 보호한 상태에서 아암 부분에 제2실리콘 층만을 남기도록 기판 하부면의 벌크형 제1실리콘 층과 제1절연층을 건식 식각방법으로 패턴닝하여 제거하고 이어서 상기 보호층을 제거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (다) 단계에서 패턴닝된 제2실리콘 층의 아암은 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 일정한 폭으로 평행하게 연장된 제1 및 제2 아암으로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (다) 단계에서 패턴닝된 제2실리콘 층의 아암은 SOI 기판의 제2실리콘 층으로부터 서로 일정한 간격을 유지하면서 일정한 폭으로 평행하게 연장된 제1 내지 제3 아암으로 구성되며,
    상기 제1 및 제2 아암의 선단부에서 제3아암의 선단부로 각각 일자형 제1 및 제2 연결부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 (라) 단계에서 이온 주입 마스크를 형성하는 단계는
    저해상도의 제1감광제를 기판에 도포한 후 저속 회전 및 고속 회전으로 회전 도포하여 제1감광막을 형성하는 단계와,
    열처리를 거치지 않은 상태에서, 고해상도의 제2감광제를 제1감광막 위에 도포한 후 저속 회전 및 고속 회전으로 회전 도포하여 제2감광막을 형성하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 감광막에 대한 열처리 후에 감광막에 대한 자외선 노광을 제1감광제의 노광조건에 따라 실시하는 단계와,
    상기 자외선 노광 후 제2감광제용 현상액을 사용하여 제1 및 제2 감광막을 현상함에 의해 상부 제2절연층을 패턴닝하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 식각 마스크를 사용하여 노출된 상부 제2절연층을 식각하여 이온 주입 마스크를 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제2실리콘 층을 패턴닝하는 단계는 비등방성 식각방법을 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 소스 및 드레인 접촉패드와 연결되는 소스 및 드레인 전극패드를 형성하는 단계는
    상기 기판의 상부면과 하부면에 연결배선용 금속물질로 상부 및 하부 금속막을 형성하는 단계와,
    상기 하부 금속막을 식각용액으로부터 보호하면서 상부 금속막을 패턴닝하여소스 및 드레인 접촉패드와 연결되는 소스 및 드레인 전극패드를 형성하는 단계로 구성되며,
    상기 기판 하부면의 벌크형 제1실리콘 층과 제1절연층을 건식 식각방법으로 패턴닝하기 위한 식각 마스크는 상기 하부 금속막을 패턴닝하여 형성되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 (나) 단계에서 상부 제2절연층의 일부분을 패턴닝하여 선단부에 역 V자형 돌출부를 갖는 대형상의 아암은 상부 제2절연층 본체로부터 동일한 방향을 따라 평행하게 다수개 배열되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 상부 제2절연층 본체는 사각형상으로 이루어진 다수의 관통구멍을 포함하며, 다수의 아암이 각각 관통구멍의 내주면으로부터 공간을 향하여 선단부가 연장 형성된 패턴으로 성형되는 것을 특징으로 하는 FET 방식의 캔틸레버 탐침 제조방법.
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