KR20040027127A - Method for fabricating tip passivation layer in an atomic force microscope - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자힘 현미경의 팁 보호막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 백사이드 식각(backside etch) 공정 시에 팁을 잘 보호할 수 있고, 팁 보호막 형성 및제거 공정 시간을 단축시킬 수 있는 원자힘 현미경의 팁 보호막 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a tip protective film of an atomic force microscope, and particularly, a tip of an atomic force microscope, which can protect a tip well during a backside etch process and can shorten the time of forming and removing a tip protective film. A protective film formation method is related.
잘 알려진 바와 같이, 탐침 원자 현미경의 종류로는 전자의 터널링(tunneling) 현상을 이용하는 스캐닝 터널링 현미경(scanning tunneling microscope : STM), 원자간의 반데르 발스(Van Der Waals) 힘을 이용하는 원자힘 현미경(AFM), 자기력을 이용하는 자기력 현미경(magnetic force microscope : MFM) 등 다양한 SPM 계열이 있으며, 이러한 현미경들은 시료의 지형(topograpgy), 분광(spectroscopy), 표면 마찰(surface friction) 또는 표면 접착(surface adhesion) 등의 분석 장비로써 주로 연구되고 상용화되고 있다. 최근 들어서는 이를 이용한 응용분야가 기록 매체(자기 또는 광자기 기록 매체), 반도체 공정(예를 들면, 리쏘그라피 공정 등)과 물리학은 물론 생물학 분야에 이르기까지 점진적으로 확대되고 있는 실정이다. 여기에서, 본 발명은 특히 원자힘 현미경, 자기 또는 광자기 기록 매체, 반도체 공정에 채용 가능한 컨틸레버의 제조에 관련된다.As is well known, there are two types of probe atomic microscopes: scanning tunneling microscope (STM) using tunneling phenomena of electrons, and atomic force microscope (AFM) using van der Waals forces between atoms. And SPM series, including magnetic force microscopes (MFMs) that utilize magnetic forces. It is mainly researched and commercialized as an analytical instrument of. In recent years, the field of application using the same has been gradually expanded to recording media (magnetic or magneto-optical recording media), semiconductor processes (for example, lithography processes, etc.), physics, and biology. Herein, the present invention relates in particular to the manufacture of a tilter that can be employed in atomic force microscopy, magnetic or magneto-optical recording media, and semiconductor processes.
한편, 1986년에 퀘이트 등에 의해 발명된 원자힘 현미경(AFM)은 물질의 외곽이나 모양을 원자 레벨까지 측정할 수 있는 현미경인 것으로, 예를 들면 수십㎛의 컨틸레버(외팔보)의 구조물 종단 부분에 미세한 팁(tip)을 달아 팁 끝과 시료의 표면간에 발생하는 원자의 힘에 의해 시료 표면의 굴곡을 측정한다. 즉, 그 종단에 팁이 형성된 컨틸레버 구조는 팁 끝과 시료의 표면간에 발생하는 원자의 힘에 의해 컨틸레버의 구조물이 휘어지게 되는 데, 이때 시료의 표면 굴곡을 따라 힘의 차이가 생기게 되며, 여러 가지 방법을 이용하여 컨틸레버의 휘어짐 정도를 측정함으로써 시료의 표면 높이를단위까지 측정할 수 있는 초정밀 표면 측정 기구이다.On the other hand, the atomic force microscope (AFM), which was invented in 1986 by Quate et al., Is a microscope that can measure the outline and shape of a substance to an atomic level. A fine tip is attached and the bending of the surface of the sample is measured by the force of atoms generated between the tip of the tip and the surface of the sample. In other words, the tip of the tip of the container structure is bent by the force of the atoms generated between the tip of the tip and the surface of the sample, the structure of the container is bent, the force difference occurs along the surface curvature of the sample, The surface height of the sample is measured by measuring the degree of deflection of the It is a high precision surface measuring instrument that can measure up to a unit.
상술한 바와 같이, 그 종단 부분에 팁을 갖는 컨틸레버 구조물을 채용하는 원자힘 현미경의 일 예로서는 본 발명의 발명자(김유광) 등에 의해 제안되어 1999년 6월 5일자에 "박막형 액츄에이터가 부착된 스캐닝 프로브 및 이를 포함하는 원자힘 현미경" 라는 명칭으로 특허출원 제1999-20852호로, 동일자에 "굴곡 센서를 내장한 스캐닝 프로브 및 이를 이용한 굴곡 측정 장치" 라는 명칭으로 특허출원 제1999-20855호로 각각 대한민국특허청에 출원된 것이 있다.As described above, an example of an atomic force microscope employing a tip-to-end tip-like structure is proposed by the inventor of the present invention (Yu-Kwang Kim) et al. Patent application No. 1999-20852, entitled "Atomic Force Microscope Including It," patent application No. 1999-20855, entitled "Scanning probe with built-in bending sensor and flexure measuring device using the same" in the same person, respectively. There is something.
상기한 인용 특허에서는 광원으로부터 발생하는 레이저 빔을 컨틸레버로 입사시키고, 컨틸레버의 표면으로부터 반사되어 오는 반사광의 광량(예를 들면, 빛의 주파수 변화 등)을 연산함으로써 시료의 표면 높이를 측정하는 구조를 갖는다.In the above-cited patent, a structure in which the surface height of a sample is measured by injecting a laser beam generated from a light source into a receptacle and calculating the amount of reflected light (for example, a change in frequency of light, etc.) reflected from the surface of the revolver Have
한편, 컨틸레버의 종단 부분에 형성된 팁은, 예를 들면 미국특허 제5,517,280호의 도 10에 도시된 바와 같이, 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiO2) 등과 같은 마스크를 임의의 패턴으로 형성하는 공정, 산화 공정, 식각 공정 등을 통해 제조된다.On the other hand, the tip formed on the end of the container, for example, as shown in Figure 10 of US Patent No. 5,517,280, a process of forming a mask such as silicon nitride film (SiNx), silicon oxide film (SiO 2 ) in an arbitrary pattern , An oxidation process, an etching process, or the like.
즉, 상기한 선행 미국특허에서는, 일 예로서 도 1a에 도시된 바와 같이, 팁을 형성하고자 하는 실리콘 기판(10) 상에 산화층(12)과 포토레지스트층(14)을 순차 형성한 후, 패터닝 공정을 수행하여 팁을 형성하고자 하는 부분의 상부에 있는 층만을 남기고 나머지 부분의 층들을 모두 제거함으로써, 산화층(12)과 포토레지스트층(14)으로 된 식각 마스크를 형성한다.That is, in the above-described prior US patent, as shown in FIG. 1A, for example, after the oxide layer 12 and the photoresist layer 14 are sequentially formed on the silicon substrate 10 on which the tip is to be formed, patterning is performed. The process is performed to remove the layers of the remaining portions leaving only the layer on top of the portion where the tip is to be formed, thereby forming an etch mask of the oxide layer 12 and the photoresist layer 14.
다음에, 원추형 팁의 샤프니스를 높이기 위하여 고온(예를 들면, 950℃)의 온도 조건에서 팁을 열산화시킨 후에, 습식 식각 등의 식각 공정을 수행함으로써, 일 예로서 도 1b에 도시된 바와 같이, 식각 마스크 하부에서의 언더컷 현상을 유발시키며, 이러한 공정들을 통해, 일 예로서 도 1c에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10) 상에 목표로 하는 팁(16)(예를 들면, 원추형 팁)을 형성한다.Next, by thermally oxidizing the tip at a high temperature (for example, 950 ° C.) temperature condition to increase the sharpness of the conical tip, and then performing an etching process such as wet etching, as shown in FIG. 1B. , Causing undercut phenomenon under the etch mask, and through these processes, target tip 16 (eg, conical tip) on silicon substrate 10, as shown in FIG. 1C as an example. To form.
팁(16)이 형성된 실리콘 기판(10) 전면에 두께 2.4㎛의 아큐플로(18a)와 2∼4㎛ 두께의 PE(Plasma Enhanced)-산화막(18b)을 순차적으로 증착하여, 도 1d에 도시된 바와 같이, 팁 보호막(18)을 형성한다.Acupuncture 18a with a thickness of 2.4 탆 and a Plasma Enhanced (PE) -oxide film 18b with a thickness of 2 to 4 탆 are sequentially deposited on the entire surface of the silicon substrate 10 on which the tip 16 is formed, and as shown in FIG. As described above, the tip protective film 18 is formed.
이후, 실리콘 기판(10)의 뒷면(Backside)에 포토레지스트를 도포한 후에 패터닝하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 포토레지스트 패턴이 형성된 실리콘 기판(10)의 뒷면에 형성된 포토레지스트 패턴에 맞추어서 실리콘 기판(10) 뒷면을 식각시키는 백사이드 식각 공정을 진행한다.Thereafter, the photoresist is applied to the backside of the silicon substrate 10 and then patterned to form a photoresist pattern. 10) A backside etching process is performed to etch the back side.
상기와 같은 백사이드 식각 공정은 백사이드 식각 장비에서 수행되는데, 이때 실리콘 기판(10)은 고온(100℃ 이상)에 잘 견딜 수 있고 장비의 진공척에 잘 잡힐 수 있도록 평평도(flatness)가 좋아야할 뿐만 아니라 고온 상태에서 팁(16)을 잘 보호할 수 있어야한다. 이런 이유로 인하여 실리콘 기판(10) 상부에 아큐플로(18a)와 PE-산화막(18b)으로 이루어진 팁 보호막(18)을 형성한다.Such a backside etching process is performed in a backside etching equipment, wherein the silicon substrate 10 needs to have good flatness so that the silicon substrate 10 can withstand high temperatures (over 100 ° C.) and can be well caught by the vacuum chuck of the equipment. Rather, it should be able to protect the tip 16 well at high temperatures. For this reason, a tip protective film 18 made of the accucu 18a and the PE-oxide film 18b is formed on the silicon substrate 10.
그리고 나서, 상기 결과물을 BOE액을 이용하여 팁 보호막(18)으로 사용된 PE-산화막(18b)을 제거한 후에 아큐플로(18a) 애서(asher) 장비를 이용하여 제거한다.Then, the resultant is removed using an Acuflo 18a asher apparatus after removing the PE-oxide film 18b used as the tip protective film 18 using the BOE solution.
그러나, AFM 공정에 생성된 팁의 높이가 매우 높은데 비하여 상기와 같은 아큐플로와 산화막으로 이루어진 팁 보호막의 두께는 5㎛ 미만이기 때문에 백사이드 식각 공정 진행시에 팁을 제대로 보호할 수 없다.However, the tip produced in the AFM process is very high, whereas the tip protective film formed of the acuflo and the oxide film is less than 5 μm, so that the tip cannot be properly protected during the backside etching process.
또한, 팁 보호막을 제거하기 위하여 두 번에 걸친 식각 공정이 필요하며, 이에 따라 보호막을 제거하는데 시간이 많이 걸리는 문제점이 있고, 특히 팁 보호막으로 사용되는 산화막을 증착하는데 걸리는 시간이 많이 소모되는 문제점이 있다.In addition, two etching processes are required to remove the tip protective layer, and thus, it takes a long time to remove the protective layer, and in particular, it takes a long time to deposit an oxide layer used as the tip protective layer. have.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산화막 대신에 두꺼운 포토레지스트로 두꺼운 팁 보호막을 형성하여 백사이드 식각 공정에서 팁을 보호하며, 팁 보호막 형성 및 제거 시간을 단축시킬 수 있는 원자힘 현미경의 팁 보호막 형성 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art, to form a thick tip protective film with a thick photoresist instead of an oxide film to protect the tip in the backside etching process, it is possible to shorten the tip protective film formation and removal time It is intended to provide a method of forming a tip protective film of an atomic force microscope.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 실리콘 기판 상에 형성된 소정 높이 만큼 돌출된 형상의 팁을 보호막 형성 방법에 있어서, 상기 팁이 형성된 실리콘 기판 전면에 아큐플로를 형성하는 단계와, 상기 아큐플로의 상부에 포토레지스트를 도포하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the protective film forming method of forming a tip protruding by a predetermined height formed on the silicon substrate, the step of forming an accucu on the entire surface of the silicon substrate having the tip, and the accu Applying a photoresist on top of the flow.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 의한 원자힘 현미경의 팁 보호막 형성 과정을 도시한 공정 단면도이고,1A to 1D are cross-sectional views illustrating a process of forming a tip protective film of an atomic force microscope according to the prior art;
도 2는 본 발명에 따른 원자힘 현미경의 팁 보호막을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이고,2 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a tip protective film of an atomic force microscope according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 원자힘 현미경의 팁 보호막 형성 과정을 도시한 흐름 도이다.3 is a flow chart showing a tip protective film forming process of the atomic force microscope according to the present invention.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
100 : 실리콘 기판 102 : 팁100: silicon substrate 102: tip
104a : 아큐플로 104b : 포토레지스트104a: Accuflow 104b: photoresist
104 : 팁 보호막104: tip shield
본 발명의 실시 예는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 기술 분야의 숙련자라면 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 잘 이해할 수 있을 것이다.There may be a plurality of embodiments of the present invention, and a preferred embodiment will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Those skilled in the art will be able to better understand the objects, features and advantages of the present invention through this embodiment.
도 2는 본 발명에 따른 원자힘 현미경의 팁 보호막을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 구체적으로 설명하면, 팁(102)이 형성된 실리콘 기판(100) 전면에 두께 1.2㎛를 갖는 아큐플로(104a)를 형성하고, 아큐플로(104a)의 상부에 두께 7㎛를 갖는 포토레지스트(104b)를 도포함으로서 아큐플로(104a) 및 포토레지스트(104b)로 이루어진 팁 보호막(104)을 형성한다.2 is a cross-sectional view illustrating a step of forming a tip protective film of an atomic force microscope according to the present invention. Specifically, the photoresist 104b having a thickness of 1.2 μm is formed on the entire surface of the silicon substrate 100 on which the tip 102 is formed, and the thickness of the accucu 104a is 7 μm. The tip protective film 104 which consists of accucu 104a and photoresist 104b is formed as a coating.
이하, 도 3을 참조하여 원자힘 현미경의 팁 보호막 형성 과정을 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 원자힘 현미경의 팁 보호막 형성 과정을 도시한 흐름 도이다.Hereinafter, a process of forming a tip protective film of an atomic force microscope will be described with reference to FIG. 3. 3 is a flow chart showing a tip protective film forming process of the atomic force microscope according to the present invention.
도 3을 참조하면, 팁(102)이 형성된 실리콘 기판(100) 상에 아큐플로(104a)를 형성하는 과정을 설명하면, 먼저 팁(102)이 형성된 실리콘 기판(100) 전면에 1.2㎛ 두께를 갖는 아큐플로(104a)를 증착한다. 이후 결과물을 214℃ 플레이트(plate)에서 180초 동안 베이킹한 후에 288℃의 플레이트에서 60초 동안 베이킹한다.Referring to FIG. 3, a process of forming the accucu 104a on the silicon substrate 100 having the tip 102 is described. First, a thickness of 1.2 μm is formed on the entire surface of the silicon substrate 100 on which the tip 102 is formed. Accurate 104a having the same is deposited. The result is then baked for 180 seconds on a 214 ° C. plate and then for 60 seconds on a 288 ° C. plate.
아큐플로(104a)는 팁(102) 부분에서 돌출되어 형성되는데, 상기와 같이 두 번에 걸쳐 베이킹 공정을 수행함으로서 팁(102)에 관계없이 아큐플로(104a)의 평탄도를 향상시킨다. 이에 따라 후술되는 백사이드 식각 공정 시에 실리콘 기판(100)이 척에 잘 고정할 수 있다.Accuculo 104a is formed to protrude from the tip 102, by performing the baking process twice as described above to improve the flatness of the acculo 104a irrespective of the tip (102). Accordingly, the silicon substrate 100 may be well fixed to the chuck during the backside etching process described later.
이후, 평탄화된 아큐플로(104a)의 상부에 7㎛ 정도의 두께로 포토레지스트(104b)를 도포하고, 실리콘 기판(100)의 뒷면도 포토레지스트를 도포한다. 이때 도포되는 포토레지스트(104b)의 종류는 AZ4620이다.Thereafter, the photoresist 104b is coated on the flattened accucu 104a to a thickness of about 7 μm, and the photoresist is also coated on the back surface of the silicon substrate 100. At this time, the type of photoresist 104b applied is AZ4620.
이후 포토레지스트(104b)를 110℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 120초 동안 저온 베이킹한다. 이어서 저온 베이킹된 포토레지스트(106b)를 160℃의 핫 플레이트에서 180초 동안 베이킹한 후에 190℃ 핫 플레이트에서 베이킹 공정을 수행한다.Thereafter, the photoresist 104b is baked at low temperature on a 110 ° C. hot plate for 120 seconds. The low temperature baked photoresist 106b is then baked for 180 seconds on a 160 ° C. hot plate and then baked on a 190 ° C. hot plate.
세 번에 걸친 베이킹 공정을 통해 포토레지스트(104b)가 도포된 실리콘 기판(100)은 핫 플레이트를 통과할 때, 팁 보호막(104)으로 사용되는 포토레지스트(104b)는 실리콘 기판(100)에 눌러 붙지 않는다.When the silicon substrate 100 to which the photoresist 104b is applied is passed through a hot plate through three baking processes, the photoresist 104b used as the tip protection film 104 is pressed against the silicon substrate 100. Does not stick
상기와 같은 과정을 통해 팁 보호막(104)의 두께가 종래의 5㎛∼6㎛ 정도에 비해 8㎛ 정도 되기 때문에 후술되는 백사이드 식각 공정에서 팁(102)을 확실히 보호할 수 있다.Since the tip protective film 104 has a thickness of about 8 μm through the above process, the tip 102 may be reliably protected in the backside etching process described later.
또한, 종래의 보호막으로 사용되는 산화막 대신에 포토레지스트(104b)를 도포하여 팁 보호막(104)을 형성함으로써, 팁 보호막(104)을 형성하는데 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 백사이드 식각 공정 후에 팁 보호막(104)을 제거하는 시간을 단축시킬 수 있다.In addition, by forming the tip protection film 104 by applying the photoresist 104b instead of the oxide film used as a conventional protection film, it is possible to shorten the time for forming the tip protection film 104 as well as the tip protection film after the backside etching process. The time for removing 104 can be shortened.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 산화막 대신에 두꺼운 포토레지스트를 팁 보호막으로 사용함으로써, 종래에 비해 두꺼운 보호막을 형성하여 백사이드 식각 공정 시에 실리콘 기판 전면에 형성된 원자힘 현미경 팁을 잘 보호할 수 있을 뿐만 아니라 팁 보호막 형성 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention uses a thick photoresist as a tip protective film instead of an oxide film, thereby forming a thick protective film as compared with the prior art, thereby protecting the atomic force microscope tip formed on the entire surface of the silicon substrate during the backside etching process. In addition, there is an effect that can shorten the tip protective film formation time.
또한, 본 발명은 백사이드 식각 공정 이후에 팁 보호막을 제거하는 공정에서도 시간을 단축시킬 수 있다.In addition, the present invention can shorten the time even in the process of removing the tip protective film after the backside etching process.
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