KR20060081038A

KR20060081038A - 정전기력 ｚ－축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝프루브 마이크로스코프나노정보저장장치의 헤더

Info

Publication number: KR20060081038A
Application number: KR1020050001351A
Authority: KR
Inventors: 김영식
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-07-12
Also published as: KR100623028B1

Abstract

본 발명의 정전기력 Z-축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝 프루브 마이크로스코프(Scanning Prove Microscope, 'SPM') 나노정보저장장치의 헤더에 관한 것으로써, 탐침 상부에 미디어층에 열을 가하기 위한 히터저항 및 기계적인 스트레스 변화를 감지하고 이를 전기신호로 변형하는 압전센서를 상부에 포함하는 캔틸레버부; 기록을 행할 미디어층을 하부에서 지지하고, 상기 미디어층과 상기 기판층 사이에 전위차를 발생시키는 기판전극을 포함한다.

SPM, ATM, 캔틸레버

Description

정전기력 Ｚ－축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝 프루브 마이크로스코프나노정보저장장치의 헤더 {The Header of Microscope Nano-data-storage packaging Z-axis Operating System using Static Electricity Force}

도 1a 및 도 1b는 정보저장장치의 재생 및 저장과정을 나타낸 것이다

도 2는 용량성 플랫폼을 탑재한 캔틸레버의 확대 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노-데이터-저장장치의 개념도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 캔틸레버 헤더를 좀 더 확대한 단면도이다.

{도면의 주요부호에 대한 설명}

400 : 캔틸레버부 401 : 압전센서

402 : 상부전극 403 : 압전박막

404 : 하부전극 405 : 저항체

406 : 탐침 407 : 미디어부

408 : 기판전극 409 : 기판

410 : FET 411 : 캐패시터

412 : 연산증폭기 413 : 래치회로

본 발명은 정전기력 Z-축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝 프루브 마이크로스코프(Scanning Prove Microscope, 이하 'SPM'이라 한다) 나노정보저장장치의 헤더에 관한 것으로, 특히 정보 저장장치용 개별 캔틸레버 구조 중 기록방식은 IBM과 같이 히터를 이용해서 팁을 가열하는 방식이며, 재생방식은 압전 케패시터 센서를 이용하여 재생하는 캔틸레버에 관한 것으로, 이 캔틸레버에 z-축 방향으로 정전기력을 이용해서 구동할 수 있는 헤더에 관한 것이다.

원자현미경(Atomic Force Microscope, 이하 'AFM'이라 한다.)은 캔틸레버라 불리는 미소한 막대를 이용하여 표면형상 등을 측정하는 장치이다. 캔틸레버 끝에는 수 nm 크기의 탐침이 형성되어 있으며 이러한 탐침과 시편사이의 원자력을 측정함으로써 시편의 표면형상, 전기 또는 자기적인 성질 등을 알 수 있다. 최근, 이러한 원자현미경의 원리를 이용한 나노-감광장치(nano-lithography) 또는 나노정보저장장치(nano data storage) 에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 원자현미경의 원리를 이용하면 수 nm 크기의 탐침을 이용하여 정보를 저장할 수 있으므로 Tbit/in² 이상의 저장밀도를 갖는 데이터 저장장치를 개발할 수 있다. 이렇게 캔틸레버 탐침을 이용하여 미디어를 변화시켜 기록하는 장치를 "SPM 원리를 이용한 정 보저장장치"라고 한다. 미디어를 변화시키는 방법에는 IBM방식과 같이 열을 이용하여 미디어를 기계적으로 변형시켜 기록/재생하는 방식과 PZT와 같은 강유전체의 분극을 변화시키는 방법과 상전이 물질을 이용해서 열 혹은 전기를 이용하여 상(phase)을 변화시켜 그에 따른 저항의 변화를 이용하는 방법, 강자성체 물질을 이용하는 방법 등 다양하게 존재한다.

SPM의 원리를 이용한 정보저장장치 중 대표적인 것으로 IBM에서 개발하고 있는 "밀리페드(Millipede)"가 있다. 밀리페드는 SPM 종류 중의 하나인 AFM의 원리를 응용하여 고순도아크릴수지(PMMA)와 같은 중합체 물질을 기록매체로 사용하였다. IBM의 밀리페드는 속도를 향상시키기 위해 이러한 단위 캔틸레버를 2차원적으로 연결하여 64×64개의 캔틸레버를 구성하였다. 이 캔틸레버는 실리콘 탐침과 탐침 부위에 형성된 저항 발열체, 그리고 실리콘 캔틸레버로 구성되어 있다.

도 1a 및 도 1b는 정보저장장치의 재생과정을 나타낸 것이다.

재생과정은 히터 플랫폼의 냉각속도가 히터 플랫폼과 기록매체 사이의 거리에 따라 변화하는 원리를 이용한다. 그림 1(a)에서 보여진 것과 같이 탐침이 오목한 구멍 속으로 들어가서 히터 플랫폼과 기록 매체 사이의 거리가 가까워지면 히터 플랫폼은 빨리 냉각되나 탐침이 평탄한 면을 지나갈 때에는 히터 플랫폼과 기록매체 사이의 거리가 멀어져 천천히 냉각되게 된다. 이러한 냉각속도의 차이로 인하여 히터 플랫폼 온도가 달라지면 이로 인하여 히터 플랫폼의 전기저항의 차이가 야기되므로 이것을 이용하여 정보(data)를 재생한다.

도 1b의 경우는 미디어에 기록되는 원리를 나타낸 것인데, 히터 플랫폼에 전 류가 흘러 온도가 올라가면 팁의 온도가 올라가고 그러면 이 온도에 의해 미디어가 녹아서 기록되게 된다. 이러한 IBM의 기록/재생방법을 "Thermo-mechanical"(이하 열-기계)방식이라고 한다.

아울러 SPM원리를 이용한 정보저장장치의 경우 동작 속도를 향상시키기 위해 캔틸레버를 64X64와 같이2-차원 어레이(array)로 구성해야 한다 기존의 캔틸레버 어레이 헤더 제작 방법으로는 IBM에서 2003년 연구보고서(RZ 3480 2003, 08. 25) "Nanotechnology-based Approach to Data Storage"와 Transducers'03 ( pp. 1907-1910, 2003)에 발표된 바 있다.

최근 발표(IEEE Transaction on Magnetics Vol. 40 pp. 2531-2536, 2004)에 따르면 기존의 구조에 용량성 플랫폼(Capacitive Platform) 구조를 새롭게 도입하고 있다. 도 2를 참조하면, 용량성 플랫폼을 도입한 이유는 기록/읽기 동작시 캔틸레버 팁 끝이 미디어에 닫지 않게 140-280nm 정도 떨어뜨려 비 접촉 모드로 구동하기 위해서이다. 그리고 데이터 기록시 5V의 펄스 전압을 9㎲동안 용량성 플랫폼과 히터에 인가하고, 10㎲ 정도 이후에 -6V를 미디어 기판에 인가하면 용량성 플랫폼과 미디어 기판 사이에 정전기력이 생겨 캔틸레버 팁은 미디어와 500nN정도의 힘으로 접촉하게 된다.

이러한 기능을 추가한 이유는 다음과 같이 요약할 수 있다. .

첫째, 팁이 미디어에 접촉 후 히터를 가열하면 팁을 통해 미디어로 열이 방출되어 팁이 적절한 온도로 가열되는데 많은 시간이 소요된다. 그러므로 접촉 전에 히터를 가열할 수 있어 빠른 시간 내에 히터를 원하는 온도로 가열할 수 있다.

둘째, 기록시 접촉을 시키기 때문에 큰 피크력을 얻을 수 있다. 이것은 팁이 미디어에 기록시 충격을 주는 것이기 때문에 빠른 시간 내에 국부적으로 미디어를 가열할 수 있어 작은 비트 크기 구현에 유리할 것으로 판단된다.

셋째, 팁 혹은 미디어 마모문제를 상당하게 개선할 수 있다.

이상과 같이 z-축 구동장치를 캔틸레버에 집적하기 위해서 IBM의 용량성 플랫폼을 새롭게 추가해야 한다. 아울러 기록시 용량성 플랫폼에 히터와 같은 전압인 5V를 인가하고 미디어 기판에는 -6V를 입력한다. 그런데, IBM 캔틸레버 구조는 용량성 플랫폼에 히터에 같은 전압을 인가하는 구조로 되어 있다. 그래서 히터에 인가되는 전압은 읽기 때와 기록 때가 다르기 때문에 용량성 플랫폼에도 읽기와 기록때 다르게 인가된다. 그러므로 같은 z-축 구동을 하기 위해서 미디어 기판에 인가되는 전압도 읽기시와 기록시에 달라야 된다. 그러므로 구동 방법이 매우 복잡하게 되는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 읽기(read)와 기록(write)시 같은 전압으로 캔틸레버를 구동 가능하게 하는 캔틸레버 헤더를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 정전기력 Z-축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝 프루브 마이크로스코프(Scanning Prove Microscope, 'SPM') 나노정보저장장치의 헤더는 탐침 상부에 미디어층에 열을 가하기 위한 히터저항 및 기계적인 스트레스 변화를 감지하고 이를 전기신호로 변형하는 압전센서를 상부에 포함하는 캔틸레버부; 기록을 행할 미디어층을 하부에서 지지하고, 상기 미디어층과 상기 기판층 사이에 전위차를 발생시키는 기판전극을 포함한다.

본 발명에서 상기 압전센서는 하부전극, 압전박막, 상부전극이 순서대로 적층되어 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 하부전극은 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 정전기력 Z-축 구동장치가 집적되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노-데이터-저장장치의 개념도를 도시한 것이다.

상기 실시예에서, 나노-데이터-저장장치는 씨모스 리드아웃 회로, 마이크로 스캐너, 프루브 팁 어레이, 및 범퍼를 포함한다.

상기 실시예는, 씨모스 리드아웃 회로가 집적되어 있는 웨이퍼에 캔틸레버가 옮겨진(transfer) 구조를 개략적으로 나타낸 것으로써, 마이크로 스캐너 상부에 미디어가 증착되어 X-Y방향으로 움직이면서 프루브(캔틸레버)의 팁으로 정보를 기록 및 재생한다.

상기 실시예에서, 캔틸레버 헤더는 캔틸레버부(400)와 기판부를 포함한다. 상기 캔틸레버부(400)는 탐침(406), 히터저항(405), 압전센서(401)를 포함하고, 상기 기판부는 기판(409), 미디어(407), 및 기판전극(408)을 포함한다.

상기 실시예는, 상기 기판부에 기판전극(408)이 구비되는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 캔틸레버 헤더는 씨모스 리드아웃 회로와 연결되어 있다. 상기 씨모스 리드아웃 회로는 하나의 캐패시터(411), 하나의 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor, 'FET')(410), 하나의 연산증폭기(412) 및 래치회로(413)로 구성된다. 상기 FET(410)와 상기 캐패시터(411) 및 상기 FET(410)의 일단은 상기 연산증폭기(412)의 (-)단자에 연결되고, 타단은 상기 연산증폭기(412)의 출력단자에 연결된다. 상기 연산증폭기(412)의 (+)단자는 접지되어 있으며, 상기 래치회로(413)는 상기 연산증폭기(412)의 출력단자와 연결되어, 상기 FET(410)와 상기 캐패시터(411)의 타단과도 연결된다. 씨모스 리드 아웃은 전하 증폭기로 구성 되어 있고 압전박막(납-지르코늄-티타늄 센서, 'PZT sensor')에서 발생하는 전하를 증폭해서 전압으로 출력하는 역할을 한다.

상기 캔틸레버부는 상부면에 히터저항(405)과 압전센서(401)를 구비하고, 상기 히터저항(405) 하부에는 탐침(406)이 구비된다. 상기 압전센서(401)는 하부전극(404), 압전박막(403), 상부전극(402)이 차례로 적층된다. 상기 하부전극(404)은 접지되어 있으며, 상기 상부전극(402)은 상기 씨모스 리드아웃 회로내 연산증폭기(412)의 (-)단자와 연결된다.

상기 압전센서(401)는 캔틸레버부 중 탐침이 상하이동시 신장변위가 일어나는 면의 상부에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 탐침(406) 상부에 구비되는 히터저항(405)은 바람직하게는 폴리-실리콘으로 구성되고, 상기 미디어부(407)에 기록을 위해 열을 발생시킨다. 상기 탐침(406)은 상기 히터저항(405)에서 발생되는 열을 상기 미디어부(407)에 가하여 홈(indentation)을 새겨 기록한다. 상기 미디어부(407)에 기록됨 홈을 재생하는 방법은 상기 탐침(406)이 홈에 들어가게 되면 상기 캔틸레버부는 하부로 휘어지게 되고, 상기 캔틸레버부가 하부로 휘어짐에 따라 탐침(406)을 지지하는 면은 하부면은 수축을, 상부면은 신장(stress)하는 운동을 하게된다. 상기와 같은 변형운동은 상기 탐침(406)을 지지하는 면의 상부에 구비된 압전박막(403)의 변형을 일으키게 하고, 상기 압전박막(403)의 변형에 의해 전하가 생성된다. 즉, 상기 기계적인 운동을 전기적인 운동으로 바꾸어 준다. 상기 전기신호의 검출에 의하여 상기 미디어부(407)에 저장된 데이터를 판독 가능하게 한다.

상기 기판부에는 기판(409), 기판전극(408), 및 미디어부(407)가 차례로 적층된다. 상기 미디어부는 데이터를 기록하기 위한 매체이다.

상기 캔틸레버부를 정전기력을 이용하여 Z-축으로 구동하기 위해서는 상기 캔틸레버부와 미디어부(407) 사이에 전위차가 발생해야 한다. 그러기 위해서는 미디어부(407)의 구성을 정보가 기록될 미디어부(407)와 미디어부(407) 하부에 전위차를 줄 수 있는 전극(408)을 기판(409)위에 구성하고, 이 두 전극(408) 사이에 전위차를 인가하면 된다. 단, 캔틸레버 구동에 변화를 주지 않게 하기 위해서 압전 센서(401)의 하부전극은 접지 전압으로 유지하고 미디어부(407)의 하부 기판전극(408)에 전위를 인가한다.

압전 센서(401)가 집적된 캔틸레버를 이용할 때, 기록시 압전 센서를 액츄에이터로 사용해서 Z-구동기를 구현할 수 있으나, 기록시에는 압전센서를 센서 자체로만로 사용해야 하기 때문에 액츄에이터로 사용할 수 없었으나, 본 발명에 의해서 읽기(read)와 기록(write)시 같은 전압으로 캔틸레버를 구동할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 캔틸레버 구조를 바꾸지 않고 미디어 하부에 전극을 형성하고 미디어 하부에 적절한 전원만 인가하면 되므로 매우 간단하게 Z-축으로 구동할 수 있다.

아울러, 추가된 장치로 기존의 캔틸레버 동작은 바뀌는 것이 없으며, 읽기/쓰기시 구동이 동일하다.

Claims

탐침 상부에 미디어층에 열을 가하기 위한 히터저항 및 기계적인 스트레스 변화를 감지하고 이를 전기신호로 변형하는 압전센서를 상부에 포함하는 캔틸레버부; 기록을 행할 미디어층을 하부에서 지지하고, 상기 미디어층과 상기 기판층 사이에 전위차를 발생시키는 기판전극을 포함하는 정전기력 Z-축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝 프루브 마이크로스코프(Scanning Prove Microscope, 'SPM') 나노정보저장장치의 헤더.
제 1항에 있어서, 상기 압전센서는 하부전극, 압전박막, 상부전극이 순서대로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전기력 Z-축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝 프루브 마이크로스코프(Scanning Prove Microscope, 'SPM') 나노정보저장장치의 헤더.
제 2항에 있어서, 상기 하부전극은 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 정전기력 Z-축 구동장치가 집적된 압전 센서 스캐닝 프루브 마이크로스코프(Scanning Prove Microscope, 'SPM') 나노정보저장장치의 헤더.