KR20050012777A - 원자 현미경 팁 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자 현미경 팁 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명은 도핑 실리콘의 제1층의 정사각형 영역이나 직사각형 영역이 마스킹 층에 의해 덮이지 않도록 하면서 상기 도핑 실리콘의 제1층 위에 상기 마스킹 층을 증착하는 단계, 상기 도핑 실리콘의 제1층의 피라미드형 구경을 에칭하는 단계, 상기 마스킹 층을 제거하는 단계, 상기 도핑 실리콘의 제1층 위에, 상기 도핑 실리콘의 제1층과는 반대로 도핑된, 도핑 실리콘의 제2층을 증착하는 단계, 상기 도핑 실리콘의 제1층을 에칭하는 단계를 포함한다. 캔틸레버의 끝에 원자 현미경 팁을 형성하기 위한 추가의 단계가 더해질 수 있다.

Description

원자 현미경 팁 형성 방법{METHOD OF FORMING ATOMIC FORCE MICROSCOPE TIPS}

원자력 현미경 팁(atomic force microscope tip)은 표면의 지형도를 원자 수준으로 측정하는데 사용된다. 원자력 현미경에서는 원자 팁을 표면 위에 스캔하여 팁 단부의 수 개의 원자와 상기 표면 사이의 상호작용을 기록한다. 팁의 날카로움이나 그 곡률 반경에 의해 스캔의 해상도가 결정된다. 일부의 원자력 현미경 팁은 캔틸레버의 가장자리에 형성된다. 캔틸레버식 원자력 현미경 팁을 이용하면 캔틸레버의 움직임을 기록하여 스캐닝되는 표면의 지형도를 결정할 수 있다. 원자력 현미경은 또한 집적회로(IC)의 제조에도 사용되어 IC 상의 구성요소의 치수를 측정할 수 있다. 데이터 저장 분야에 원자력 현미경이 응용되기도 한다. 이러한 응용에서는 팁이 날카로울수록 데이터 밀도가 더 높아지므로 사각형 영역마다 데이터 비트를 더 많이 기록할 수 있다.

원자력 현미경 팁을 형성하는 한 가지 방법에서는 종래의 전자 빔 화학 증기 증착법(CVD)을 사용한다. 이 방법은 미국 특허 제5,611,942호에 개시되어 있으며먼저 라운딩된 팁(rounded tip)을 형성한다. 그런 다음 포인트가 형성될 영역에서 팁에 마스크를 부가한다. 그런 다음 팁을 덮고 있는 마스크를 소정의 시간 동안 에칭한다. 이 에칭 공정에 의해 상기 마스크 층들 아래의 포인트들이 남겨지는 마스크들 사이에 있는 팁 재료를 파라볼라 방식으로 제거한다. 최종적으로 상기 마스크 층을 제거하여 멀티포인트 원자력 현미경 팁을 제조한다. 이 방법에서의 한 가지 문제점은 에칭 공정의 일정함을 유지하여 일정한 팁을 형성해야 한다는 점이다. 다른 문제점은 팁이 날카롭게 되기 전에 갑작스럽게 중단되어 결국 파손되어 버린다는 점이다.

원자력 현미경 팁을 형성하는 다른 방법에서는 수산화 칼륨(KOH)과 같은 에칭액을 이용하여 실리콘으로 피라미드형 피트를 에칭한다. 그런 다음 이러한 피트를 질화 실리콘 팁을 위한 몰드(mould)로서 사용한다. 상기 몰드 내에 증착되는 공통 재료는 폴리머, 이산화 실리콘 및 질화 실리콘을 포함한다. 이러한 방식으로 형성되는 임의의 몰딩된 팁은 상기 몰드로부터 분리된다. 이 방법은 상기 몰드로부터 팁을 결점 없는 분리를 확실하게 하는 데 어려움이 있을 뿐만 아니라, 보다 복잡한 유형의 MEMS(microelectromechanical) 구조에 응용되지도 않는다. 이외에 실리콘으로 형성된 팁은 다른 재료로 형성된 팁에 비해 고 강도(strength) 및 강성(stiffness) 같은 우수한 물리적 특성을 갖는다.

본 발명은 원자력 현미경 팁에 관한 것이며, 특히 에칭 기술을 사용하여 실리콘 원자력 현미경 팁을 형성하는 방법에 관한 것이다.

도 1a는 마스킹 층으로 일부 덮인 실리콘 층을 도시한다.

도 1b는 습식 에칭 후 실리콘 층과 마스킹 층을 도시한다.

도 1c는 실리콘의 제1층에 결합된 실리콘의 제2층을 도시한다.

도 1d는 실리콘의 제2층 위에 이방성 에칭의 결과를 도시한다.

도 1e는 실리콘의 제2층에 결합된 실리콘의 제3층을 도시한다.

도 1f는 실리콘의 제2층 위에 증착된 마스킹 층을 도시한다.

도 1g는 실리콘의 제2층 위에 해제 에칭에 의해 형성된 캔틸레버식 원자력 현미경 팁을 도시한다.

본 발명의 목적은 전술한 단점을 극복하거나 적어도 일반인에게 유용한 선택을 제공하는, 원자력 현미경 팁을 실리콘으로 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

넓게 보아, 본 발명은 도핑 실리콘의 제1층의 일부 정사각형 영역이나 직사각형 영역이 마스킹 층에 의해 덮이지 않도록 하면서 상기 도핑 실리콘의 제1층 위에 상기 마스킹 층을 증착하는 단계, 상기 도핑 실리콘의 제1층의 피라미드형 구경을 에칭하는 단계, 상기 마스킹 층을 제거하는 단계, 상기 도핑 실리콘의 제1층 위에, 상기 도핑 실리콘의 제1층과는 반대로 도핑된, 상기 도핑 실리콘의 제2층을 증착하는 단계, 및 상기 도핑 실리콘의 제1층을 에칭하는 단계를 포함하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법을 포함한다.

상기 도핑 실리콘의 제1층을 에칭하기 전에 본 발명은 상기 도핑 실리콘의 제2층에 대해 이방성 습식 에칭을 수행하여 적어도 하나의 상승 영역을 제공하는 단계, 상기 상승 영역 위에 실리콘의 제3층을 융해 결합시켜 상기 제2층과 상기 제3층 사이에 적어도 하나의 공동을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 도핑 실리콘의 제1층을 에칭하는 단계에 이어, 본 발명은 이전에 상기 실리콘의 제1층과 접촉한 측면 상의 상기 실리콘의 제2층 위에 마스킹 층을 증착하는 단계, 팁의 한 측면에 마스킹하지 않는 영역을 포함하도록 상기 마스킹 층을 패터닝하는 단계, 해제 에칭을 수행하여 상기 마스킹 층에 의해 덮이지 않는 공동 위의 실리콘을 제거하는 단계, 및 상기 마스킹 층을 제거하는 단계를 더 포함한다.

도 1a는 마스킹 층(2)에 의해 거의 덮이는 실리콘의 제1층(1)을 도시한다. 상기 마스킹 층은 직사각형 영역이나 정사각형 영역(7)이 덮이지 않도록 증착된다. 이러한 영역들은 원자력 현미경 팁이 형성되는 영역이다. 상기 실리콘은 p형 도핑 실리콘이거나 n형 도핑 실리콘이다.

상기 실리콘 위에 마스킹 층(2)을 증착한 후, 강염기성 에칭액, 예를 들어 수산화 칼륨(KOH)으로 에칭함으로써 상기 도핑 실리콘 층에 피라미드형 개구를 형성한다.

실리콘의 결정 구조는 하부격자에 동일한 원자가 있는 섬아연광 격자(zinc blende lattice)이다. 실리콘 결정은 수 개의 면을 따라 지향될 수 있다. 이러한 면들은 좌표에 표시된다. 예를 들어 ＜100＞, ＜110＞ 및 ＜111＞은 모두 실리콘 결정 내에서 서로 다른 면이다. 단결정을 에칭할 때, 특정의 에칭액은 방향에 의존하는 에칭 속도를 보인다. 수산화 칼륨(KOH), 테트라메틸 수산화 암모늄(tetramethyl ammonium hydroxide)(TMAH) 및 에틸렌 피로카테콜(ethylene diamine pyrochatecol)(EDP)과 같은 특별한 강염기성 에칭액에 있어서는, 실리콘의 높은 방향 종속 에칭 특성을 보인다.

강염기성 에칭액을 사용하면, 실리콘의 에칭 속도는 실리콘의 결정면 방향에 높게 의존한다. ＜100＞ 및 ＜110＞ 면은 ＜111＞ 면보다 훨씬 빨리 에칭한다. 그러므로 팁의 종횡비는 에칭 피트 물질의 결정학적 구조에 의해 제한된다. 단결정 실리콘을 사용하면 ＜111＞ 면은 치수가 정확한 몰드와 날카로운 팁을 형성할 수 있는 에칭 중지부를 효과적으로 형성한다. 단결정 실리콘에 형성되는 구경의 측면은 54.7°에서 수평에 이르는 에칭각을 형성한다. 마스크 개구 크기를 변화시킴으로써 팁 높이를 용이하게 다르게 할 수 있다. 그러므로 강염기성 에칭을 사용하여 형성되는 구경의 크기를 마스킹 층의 구경의 크기로 제어할 수 있다.

도 1b는 에칭 공정의 결과를 도시한다. 에칭액은 이상적으로는 강염기이지만 예를 들어 KOH, TMAH 또는 EDP가 될 수 있다. KOH 에칭에서는 에칭액으로서 45% 농도가 흔히 사용된다. 에칭의 선택성을 높이기 위해 또한 이소프로필 알코올을 부가한다. KOH 에칭의 공통 온도 범위는 50℃ 내지 85℃ 사이이다. 에칭의 온도는 에칭 속도에 영향을 미쳐 온도가 증가할수록 에칭 속도도 증가한다.

강염기성 에칭액으로 에칭을 수행한 후에는 마스킹 층을 공지의 기술로 제거한다. 그런 다음 도핑된 실리콘의 층 위에 에피택셜 실리콘의 층을 증착하여 도 1c에 도시된 바와 같이 KOH 에칭에 의해 형성된 구경을 채운다. 상기 에피택셜 실리콘의 층은 상기 실리콘의 제1층과는 반대의 도핑을 갖도록 도핑된다. 예를 들어 상기 실리콘의 제1층이 p형 도핑이면 상기 에피택셜 실리콘의 층은 n형이고, 상기 실리콘의 제1층이 n형 도핑이면 상기 에피택셜 실리콘의 층은 p형이다.

도 1d는 이방성 에칭의 결과를 도시한다. 이 에칭으로 에피택셜 실리콘의 층(4)에 저장공간(troughs)과 상승한 영역이 형성된다. 도 1e에서 상기 에피택셜 실리콘의 층에 실리콘의 제2층을 융해 결합시킨다. 이에 의해 두 개의 층 상에 공동(cavities)(8)이 형성된다. 상기 실리콘의 제2층은 이상적으로는 상기 에피택셜 실리콘의 층과 동일한 도핑을 갖는다.

상기 실리콘의 2개 층을 결합한 후 상기 실리콘의 제1층(1)을 전자화학 에칭으로 제거한다. 상기 실리콘의 제1층과 상기 실리콘의 에피택셜 층은 서로 다르게 도핑되기 때문에, 이 두 층 사이의 경계는 다이오드 접합을 형성한다. 이 다이오드 접합이 전자화학 에칭에서 정지부로서 동작한다. 이에 의해 상기 실리콘의 제1층(1)이 제거되고 상기 에피택셜 실리콘의 층(4)에 형성된 팁이 남게 되어 팁이 몰드로부터 제거되는 문제점이 해결된다.

도 1f는 실리콘의 제1층을 제거한 후 공동(8)을 갖는 에피택셜 실리콘의 층을 도시한다. 상기 에피택셜 층(4) 위에 마스킹 층(5)을 증착한다. 상기 마스킹 층(5)은 원자력 현미경 팁을 덮기는 하지만 각각의 팁 뒤에 갭을 남겨 두도록 증착된다.

도 1g는 해제 에칭의 결과를 도시한다. 이것은 상기 마스킹 층(5)에 의해 덮여 있지 않은 상기 에피택셜 실리콘을 에칭으로 제거한다. 이에 의해 에피택셜 실리콘(4)의 가장 근접한 상승 영역에서 팁을 해제하여 이 팁을 캔틸레버식으로 남긴다. 최종적으로 상기 마스킹 층(5)을 제거하여 상기 캔틸레버식 원자력 현미경 팁을 형성한다.

이러한 공정에 다른 공정 단계를 추가하여 금속 상호접속/본드패드와 같은 액추에이터나 특징 등의 다른 MEMS 구조를 형성할 수 있다.

다른 실시예에서는 도 1d 내지 도 1g에 도시된 단계를 생략하여 도 1c에 도시된 에피택셜 실리콘(4)의 층을 증착하는 단계 후 실리콘의 제1층(1)을 전자화학 에칭으로 제거한다. 이러한 실시예에서는 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 원자력 현미경 팁이 캔틸레버식이 아니다. 다시 이러한 공정에 추가의 정지부를 추가하여 다른 MEMS 구조나 다른 특징을 형성할 수 있다.

본 발명의 방법을 사용하면 원자력 현미경 팁은 베이스가 4 x 4 미크론이고 높이가 2.82 미크론으로 해서 형성된다. 본 발명의 방법을 사용하여 생성된 팁은 실리콘으로 형성되어 질화 실리콘, 이산화 실리콘 등의 다른 물질로 형성되는 팁보다 우수한 강성 및 강도를 갖는다. 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 원자력 현미경 팁은 화학 증기 증착법을 사용하여 형성된 팁보다 균일하다.

본 발명의 양호한 형성에 관하여 전술하였다. 당분야의 기술인에게는 분명한 바와 같이 수정 및 변형은 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 발명의 범주 내에 포함되어야 한다.

Claims (10)

1. 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법에 있어서,

   도핑 실리콘의 제1층의 일부 정사각형 영역이나 직사각형 영역이 마스킹 층에 의해 덮이지 않도록 하면서 상기 도핑 실리콘의 제1층 위에 상기 마스킹 층을 증착하는 단계,

   상기 도핑 실리콘의 제1층의 피라미드형 구경을 에칭하는 단계,

   상기 마스킹 층을 제거하는 단계,

   상기 도핑 실리콘의 제1층 위에, 상기 도핑 실리콘의 제1층과는 반대로 도핑된, 상기 도핑 실리콘의 제2층을 증착하는 단계, 및

   상기 도핑 실리콘의 제1층을 에칭하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 최종 에칭은 전자화학 에칭인 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 도핑 실리콘의 제1층은 p형 도핑 실리콘이고 상기 도핑 실리콘의 제2층은 n형 도핑 실리콘인 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 도핑 실리콘의 제1층은 n형 도핑 실리콘이고 상기 도핑 실리콘의 제2층은 p형 도핑 실리콘인 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피라미드형 구경은 강염기성 에칭액으로 에칭되는 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 강염기성 에칭액은 수산화 칼륨인 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 강염기성 에칭액은 테트라메틸 수산화 암모늄(tetramethyl ammonium hydroxide)인 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
8. 제5항에 있어서,

   상기 강염기성 에칭액은 에틸렌 디아민 피로카테콜(ethylene diamine pyrochatecol)인 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 도핑 실리콘의 제1층을 에칭하기 전에 상기 도핑 실리콘의 제2층에 대해 이방성 습식 에칭을 수행하여 적어도 하나의 상승 영역을 제공하는 단계,

   상기 상승 영역 위에 실리콘의 제3층을 융해 결합시켜 상기 제2층과 상기 제3층 사이에 적어도 하나의 공동을 형성하는 단계,

   상기 도핑 실리콘의 제1층을 에칭하는 단계에 이어, 이전에 상기 실리콘의 제1층과 접촉한 측면 상의 상기 실리콘의 제2층 위에 마스킹 층을 증착하는 단계,

   팁의 한 측면에 마스킹하지 않는 영역을 포함하도록 상기 마스킹 층을 패터닝하는 단계,

   해제 에칭을 수행하여 상기 마스킹 층에 의해 덮이지 않는 공동(cavity) 위의 실리콘을 제거하는 단계, 및

   상기 마스킹 층을 제거하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 실리콘의 제3층은 상기 실리콘의 제2층과 동일한 도핑을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 원자력 현미경 팁 형성 방법.