KR20070011433A - Metallic thin film piezoresistive transduction in micromechanical and nanomechanical devices and its application in self-sensing spm probes - Google Patents
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Abstract
Description
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본 출원은 2003년 5월 7일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제60/468,452호를 우선권으로 주장하고 있는, 2004년 4월 16일에 출원된 부분 계속 출원 중인 미국 특허 출원 번호 제10/826,007호의 부분 계속 출원이다. 또한, 본 출원은 2004년 4월 15일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제60/562,652호를 우선권으로 주장하고 있다. 여기에서는, 이 모든 출원들의 전체 내용을 참조로서 포함한다. This application claims the priority on US Provisional Patent Application No. 60 / 468,452, filed May 7, 2003, with partial pending US Patent Application No. 10 / 826,007, filed on April 16, 2004. Part of the call is filed. This application also claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 562,652, filed April 15, 2004. The entire contents of all these applications are incorporated herein by reference.
본 발명은 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템(MEMS) 및 나노 일렉트로 메카니컬 시스템(NEMS)용 압전 저항형 센서에 관한 것이다. The present invention relates to piezo-resistive sensors for micro electro mechanical systems (MEMS) and nano electro mechanical systems (NEMS).
일렉트로 메카니컬 시스템(MEMS) 및 나노 일렉트로 메카니컬 시스템(NEMS)은 완벽한 집적화가 가능하고 그 사용이 용이하기 때문에, 압전 저항형 변위 검출 기술은 일렉트로 메카니컬 시스템(MEMS) 및 나노 일렉트로 메카니컬 시스템(NEMS) 모두에서 주목을 받고 있다. 그 애플리케이션은 스캐닝 프로브 현미경, 힘과 압력 센 서, 유량 센서, 화학 및 생체 센서, 가속도계 및 모션 트랜스듀서와 같은 관성 센서를 포함한다. 이들 애플리케이션은 대부분은 센싱 소자로서 p-형 도핑된 실리콘 층을 포함한다. 도핑된 실리콘은 매우 높은 게이지 팩터(20-100)를 갖고 있지만, 높은 면저항(10 ㏀/□)도 갖고 있기 때문에, 비교적 큰 열 잡음 플로어를 갖고 있다. 또한, 캐리어 밀도가 작기 때문에 1/f 잡음이 보다 커질 것으로 예상된다. 추가로, 이온 주입이나 분자 빔 에픽택시와 같은 반도체 압전 저항기의 제조 공정은 고가의 비용이 들고 매우 복잡하다. 마지막으로, 반도체 재료는 공정시 손상을 받기 쉽다. 따라서, 이들 재료는 나노스케일 크기로 이용하기에 적합하지 못하다. Since electromechanical systems (MEMS) and nano electromechanical systems (NEMS) are fully integrated and easy to use, piezo-resistive displacement detection technology is used in both electromechanical systems (MEMS) and nano electromechanical systems (NEMS). It is getting attention. The applications include inertial sensors such as scanning probe microscopes, force and pressure sensors, flow sensors, chemical and biometric sensors, accelerometers and motion transducers. These applications mostly include p-type doped silicon layers as sensing elements. Doped silicon has a very high gauge factor 20-100, but also has a high sheet resistance (10 mA / square), and therefore has a relatively large thermal noise floor. Also, the 1 / f noise is expected to be higher because of the small carrier density. In addition, the manufacturing process of semiconductor piezo resistors such as ion implantation or molecular beam epitaxy is expensive and very complicated. Finally, semiconductor materials are susceptible to damage during processing. Thus, these materials are not suitable for use in nanoscale sizes.
이러한 부적합성을 해결하기 위해서는, 보다 고감도를 갖고 제조 비용이 저렴한 일렉트로 메카니컬 시스템 및 나노 일렉트로 메카니컬 시스템용 압전 저항형 감지 소자가 요구된다. In order to solve such incompatibility, piezo-resistive sensing elements for electro-mechanical systems and nano-electro-mechanical systems with higher sensitivity and lower manufacturing costs are required.
본 발명의 일 실시형태는 가동 소자와, 가동 소자의 이동을 압전 저항 방식으로 감지하는데 이용되는 금속 박막을 포함하는 마이크로 메카니컬 디바이스 및 나노 메카니컬 디바이스를 제공한다. One embodiment of the present invention provides a micromechanical device and a nanomechanical device including a movable element and a metal thin film used to sense movement of the movable element in a piezoelectric resistance manner.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 디바이스의 SEM 이미지를 나타낸다. 1A and 1B show SEM images of exemplary devices in accordance with embodiments of the present invention.
도 2 및 도 3은 도 1a에 도시된 디바이스의 공명 응답 곡선을 나타낸다. 2 and 3 show the resonance response curves of the device shown in FIG. 1A.
도 4는 도 1b에 도시된 디바이스의 열역학적 잡음 스펙트럼 밀도를 나타낸 다. 2개의 모드가 도시되어 있다. 데이터는 로렌츠 펑션(Lorentz function)에 맞추어져 있다. 4 shows the thermodynamic noise spectral density of the device shown in FIG. 1B. Two modes are shown. The data is tailored to the Lorentz function.
도 5a는 본 발명의 실시형태들에 따른 디바이스의 3차원 개략도를 나타낸다. 5A shows a three-dimensional schematic diagram of a device in accordance with embodiments of the present invention.
도 5b는 본 발명의 실시형태들에 따른 AFM 프로브의 SEM 이미지를 나타낸다. 5B shows an SEM image of an AFM probe in accordance with embodiments of the present invention.
도 7, 도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들의 디바이스를 테스트하는데 이용되는 세트업들을 테스트하는 개략도를 나타낸다. 7, 14 and 15 show schematic diagrams for testing setups used to test a device of embodiments of the present invention.
도 6 및 도 8은 본 발명의 실시형태들에 따른 디바이스의 압전 저항형 응답의 플롯을 나타낸다. 6 and 8 show plots of piezoresistive responses of devices in accordance with embodiments of the present invention.
도 9는 금속 박막 압전 저항기로부터의 잡음 스펙트럼 플롯을 나타낸다. 9 shows a noise spectral plot from a metal thin film piezo resistor.
도 10은 압전 저항형 프로브의 힘 인덴테이션(force indentation)을 나타내는 플롯도이다. FIG. 10 is a plot showing force indentation of a piezoresistive probe. FIG.
도 11a는 직접 태핑 모드(tapping mode) AFM으로부터 얻어지는 3D 토포그래피 이미지를 나타낸다. FIG. 11A shows a 3D topography image obtained from a direct tapping mode AFM.
도 11b는 금속 박막 압전 저항기의 로크인 측정으로부터 얻어지는 3D 토포그래피 이미지를 나타낸다. 11B shows a 3D topography image obtained from a lock-in measurement of a metal thin film piezo resistor.
도 12a 내지 도 12h는 자체 감지 비접촉형/태핑 모드 압전 저항형 SPM 프로브에 대한 제조 처리 흐름에서의 단계들을 나타내는 측단면도이다. 12A-12H are side cross-sectional views illustrating steps in a manufacturing process flow for a self-sensing non-contact / tapping mode piezoresistive SPM probe.
도 13a 내지 도 13h는 자체 감지 접촉형 모드 압전 저항형 SPM 프로브에 대한 제조 처리 흐름에서의 단계들을 나타내는 측단면도이다. 13A-13H are side cross-sectional views illustrating steps in the manufacturing process flow for a self-sensing contact mode piezoresistive SPM probe.
본 발명의 실시형태에서는, 마이크로 메카니컬 시스템과 나노 메카니컬 시스템에서의 압전 저항형 자체 감지 소자로서 이용되는 금속 박막이 개시되어 있다. 이들 시스템은 마이크로 일렉트로 시스템 및 나노 일렉트로 시스템을 바람직하게 포함한다. In an embodiment of the present invention, a metal thin film used as a piezo-resistive self-sensing element in a micromechanical system and a nanomechanical system is disclosed. These systems preferably include micro electro systems and nano electro systems.
마이크로 일렉트로 시스템과 나노 일렉트로 시스템은 적어도 1 차원에서 그리고 바람직하게는 2차원 또는 3차원에서 1 마이크론 내지 100 마이크론 및 1 나노미터 내지 1 마이크론 미만의 크기를 각각 가진 형상부를 포함하는 디바이스를 포함한다. 바람직하게는, 이들 형상부는 캔틸레버, 다이아프레임(diaphragm), 클램핑된 빔, 와이어 등과 같은 이동가능한 형상부 또는 소자를 포함한다. 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템 및 나노 일렉트릭 메카니컬 시스템은 이에 한정되는 것은 아니지만, 원자력 현미경("AFM")과 같은 스캐닝 프로브 마이크로스코프("SPM"), 힘 및 압력 센서, 플로우 센서, 화학 및 생물학적 센서, 및 가속도계 및 모션 트랜스듀서와 같은 관성 센서를 포함한다. 예를 들어, 화학 및 생물학적 센서는 화학적 또는 생물학적 분석(즉, 대상이 되는 화학종이나 생물학적 종을 포함하거나 이들로 이루어진 가스나 액체 분석)으로 선택적으로 바인딩하는 재료로 코팅된 표면을 가진 하나 이상의 캔틸레버를 포함할 수 있다. Micro-electro and nano-electro systems include devices comprising features having sizes in the range of 1 micron to 100 microns and 1 nanometer to less than 1 micron, respectively, in at least one dimension and preferably in two or three dimensions. Preferably, these features include movable features or elements such as cantilevers, diaphragms, clamped beams, wires and the like. Micro electro mechanical systems and nano electric mechanical systems include, but are not limited to, scanning probe microscopes ("SPM"), force and pressure sensors, flow sensors, chemical and biological sensors, and accelerometers, such as atomic force microscopy ("AFM"). And inertial sensors such as motion transducers. For example, chemical and biological sensors may include one or more cantilevers with surfaces coated with materials that selectively bind to chemical or biological assays (ie, gas or liquid assays that include or consist of the species or biological species of interest). It may include.
용어 "박막"은 이하 후술할 바와 같이, 약 100 nm 내지 약 10 마이크론의 두께를 가진 비교적 얇은 금속 박막을 포함하며, 약 10 nm 내지 약 100 nm 두께를 가진 금속 박막 및, 약 10 nm 미만의 두께를 가진 불역속 또는 아일랜드 형태의 금속 박막과 같은 초박막을 포함할 수 있다. 용어 "금속"은 순수 또는 본질적으로 순수 한 금속 또는 금속 합금을 포함한다. The term "thin film" includes a relatively thin metal film having a thickness of about 100 nm to about 10 microns, as described below, a metal film having a thickness of about 10 nm to about 100 nm, and a thickness of less than about 10 nm. It may include an ultra-thin film, such as a metal film of a non-retardant or island form having a. The term "metal" includes pure or essentially pure metals or metal alloys.
용어 "자체 감지"는 캔틸레버 또는 다이아프레임의 편향을 결정하는 반사된 방사선을 검출하는데 이용되는 광검출기 및 방사선으로 캔틸레버 또는 다이아프레임을 조사하는데 이용되는 레이저와 같은 외부 모션 감지 디바이스를 필요로 하지 않고 압전 저항형 소자로서 금속 박막이 이용되고 있는 것을 의미한다. 그러나, 필요에 따라, 외부 모션 감지 디바이스는 자체 감지 금속 박막과 조합하여 이용될 수도 있다. 또한, 금속 박막은 금속 박막 및 가동 소자의 이동량(즉, 파장, 주파수, 방향 및/또는 그 외 어떤 다른 특성)을 판정하기 위해, 금속 박막 양단에 전류를 제공하는 전류원 및 금속 박막 양단의 전압을 검출하는 검출기를 포함한다.The term "self-sensing" does not require a piezoelectric piezoelectric sensor, such as a photodetector used to detect reflected radiation that determines deflection of the cantilever or diaframe and an external motion sensing device such as a laser used to irradiate the cantilever or diaframe with radiation. It means that a metal thin film is used as a resistive element. However, if desired, an external motion sensing device may be used in combination with a self sensing metal thin film. In addition, the metal thin film may be provided with a current source providing a current across the metal thin film and a voltage across the metal thin film to determine the amount of movement (ie, wavelength, frequency, direction and / or any other characteristic) of the metal thin film and the movable element. And a detector for detecting.
스트레인 게이지 팩터("게이지 팩터")는 압전 저항형 재료의 전기 저항과 스트레인 관계를 나타내는데 종종 이용되며, 이 관계는 dR/Rdε= (1+2ν)+dρ/ρdε로 정의되며, 여기서, ν는 포아송(Poisson) 비이며, ρ는 저항율이며, ε는 스트레인이고 R은 저항이다. 첫번째 항은 단순히 기하학적 변형으로부터 발생되며, 두번째 항은 스트레인으로 인한 저항율의 물리적 변화를 나타내는 항으로서, 단순히 재료의 평균 자유 경로로 전달되는 스트레인으로 발생된다. Strain gauge factor (“gauge factor”) is often used to represent the electrical resistance and strain relationship of piezo-resistive materials, which is defined as dR / Rdε = (1 + 2ν) + dρ / ρdε, where ν is Poisson's ratio, ρ is resistivity, ε is strain and R is resistance. The first term is simply derived from geometric deformation, and the second term is the term representing the physical change in resistivity due to strain, which is simply generated by the strain propagated in the average free path of the material.
금속 박막이 반도체 압전 저항기보다 매우 낮은 게이지 팩터(1~4)를 가진 경우에도, 이들은 낮은 저항율을 갖고 보다 높은 전류 밀도를 생성할 수 있기 때문에, 상당한 신호 강도를 얻을 수 있다. 낮은 저항율은 낮은 열 잡음을 발생시킨다. 금속 박막은 반도체 압전 저항기보다 수 오더 크기 정도의 높은 캐리어 밀도를 갖고 있기 때문에, 이들의 1/f 잡음은 상당히 낮은 값으로 된다. 잡음 플로어가 낮을 수록, 실리콘 디바이스와 유사한 분해능을 얻을 수 있게 된다. Even when the metal thin films have
반도체 압전 저항기와 비교하여, 금속 박막형 압전 저항기는 상당히 감소된 비용으로 제조될 수 있다. 10 nm 내지 10 마이크론 두께의 금속 박막은 Si, SiC, SiN, Si02, 유리 및 심지어 플라스틱 재료와 같은 어떠한 대부분의 기판 상에서도 간단하게 증착되거나 스퍼터링될 수 있다. 금속 박막에 대한 처리 데미지도 최소로 할 수 있다. 금속 박막은 나노 스케일 크기 이하로도 패터닝될 수 있고 대규모 어레이로 디바이스 상에 일괄 제조될 수 있다.Compared with semiconductor piezo resistors, metal thin film piezo resistors can be manufactured at a significantly reduced cost. Metal films of 10 nm to 10 microns thick can be simply deposited or sputtered on any substrate, such as Si, SiC, SiN, Si02, glass and even plastic materials. The damage to a metal thin film can also be minimized. Metal thin films can also be patterned down to nanoscale size and fabricated on a device in large arrays.
본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 압전 저항형 감지 소자에 금 박막을 이용한다. 이들에 한정되는 것은 아니지만, Ag, Ni, Pt, Al, Cr, Pd, W를 포함한 또 다른 순수 또는 본질적으로 순수한 금속, 및 콘스탄탄(Constantan), 카르마(Karma), 이소엘라스틱(Isoelastic), 니크롬(Nichrome) V, Pt-W, Pt-Cr 등과 같은 금속 합금도 유사한 결과를 얻을 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, a gold thin film is used for the piezo-resistive sensing element. Other pure or essentially pure metals including, but not limited to, Ag, Ni, Pt, Al, Cr, Pd, W, and Constantan, Karma, Isoelastic, Nichrome Similar results can be obtained with metal alloys such as (Nichrome) V, Pt-W, Pt-Cr and the like.
또 다른 바람직한 실시형태에서는, 마이크론(예를 들어, 1 내지 100 마이크론) 또는 나노미터(예를 들어, 1 마이크론 이하) 크기 소자와 같은 가동 소자를 코팅하는데 금속 박막을 이용한다. 가동 소자는 가동 MEMS 또는 NEMS에서의 어떠한 소자도 될 수 있다. 바람직하게는, 가동 소자는 공진기(resonator)와 같은 가요성 탄성 소자(예를 들어, "플렉셔(flexture)")를 포함할 수 있다. In another preferred embodiment, metal thin films are used to coat movable elements, such as micron (eg, 1-100 micron) or nanometer (eg, 1 micron or less) size devices. The movable element can be any element in a movable MEMS or NEMS. Preferably, the movable element may comprise a flexible resilient element (eg, a "flexture"), such as a resonator.
예를 들어, 공진기는 마이크론 또는 나노미터 크기의 캔틸레버를 바람직하게 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 이중 클램프된 빔 공진기, 비틀림 공진기(torsional resonator) 및 다이아프레임 공진기를 포 함한 그 외의 공진기에도 이용될 수 있다. 이중 클램프된 빔 공진기, 비틀림 공진기(torsional resonator) 및 다이아프레임 공진기의 예들은 미국 특허 출원 번호 제10/826,007호, 미국 특허 공보 제6,593,731호 및 PCT 출원 PCT/US03/14566(WO/2004/041998로서 공개) 및 그 대응 미국 특허 출원 번호 제10/502,641호에 개시되어 있으며, 여기서는, 이들 모두를 전체 참조로서 포함한다. 예를 들어, 이중 클램프된 빔 공진기는 양 단부에 고정되어 있지만 중간 부분은 자유 자재로 현수되어 있어 그 길이 방향에 대하여 수직으로 이동이 가능하거나 휨이 가능할 수 있는 빔을 포함한다. 일례에서, 미국 특허 공보 제6,593,731호에 개시되어 설명된 바와 같이, 비틀림 공진기는 2개의 정점에 배치되어 있으며, 이 정점들 사이의 축을 기준으로 트위스트하거나 회전하여 이동할 수 있는 가요성의 다이아몬드 형상 또는 다각형상의 구조체를 포함할 수 있다. 다이아프레임 공진기는 하나 이상의 에지에 고정되고 그 중간 부분이 자유 자재로 현수되어 있어 하나 이상의 방향으로 이동하거나 휘어짐이 가능한 어떠한 판 형상의 공진기를 포함할 수 있다. 다이아프레임 공진기의 일례로는, 트램폴린 공진기(trampoline resonator)가 있다. For example, the resonator may preferably include micron or nanometer sized cantilevers. However, the present invention is not limited to these, but may be used in other resonators including double clamped beam resonators, torsional resonators and diaphragm resonators. Examples of double clamped beam resonators, torsional resonators and diaphragm resonators are described in US Patent Application No. 10 / 826,007, US Patent Publication No. 6,593,731 and PCT Application PCT / US03 / 14566 (WO / 2004/041998). Publication) and their corresponding US patent application Ser. No. 10 / 502,641, all of which are incorporated herein by reference in their entirety. For example, a double clamped beam resonator is fixed at both ends but includes a beam that is freely suspended so that it can move or bend vertically with respect to its length. In one example, as described and disclosed in US Pat. No. 6,593,731, a torsional resonator is disposed at two vertices and is of flexible diamond or polygonal shape that can be twisted or rotated about an axis between the vertices. It can contain a structure. The diaphragm resonator may include any plate-shaped resonator that is fixed to one or more edges and whose middle portion is freely suspended so that it can move or bend in one or more directions. One example of a diaphragm resonator is a trampoline resonator.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에서는, AFM 프로브에서의 센서로서 금속 박막을 이용하는 것이 설명되어 있다. 자체 비접촉 감지형/태핑 모드 압전 저항형 SPM 프로브 및 접촉 감지형 모드 압전 저항형 SPM 프로브 양측을 제조하기 위한 처리가 제공된다. 또한, 상술한 바와 같이, 금속 박막 압전 저항형 감지 소자는 힘 및 압력 센서, 플로우 센서, 화학 및 생화학 센서, 가속도계 및 모션 트랜스듀서와 같은 관성 센서, 및 그 외의 MEMS 또는 NEMS 디바이스에서도 이용될 수 있다. 예시 적인 디바이스는 1.6×10-6/nm 이상으로 추정되는 변위 감도와 도핑된 실리콘 대응부에 상당하는 3.8 fN/√Hz 이상의 힘 분해능 및 1 nV/√Hz 미만의 잡음 레벨을 갖고 있다. In another preferred embodiment of the present invention, the use of a metal thin film as a sensor in an AFM probe has been described. Processing is provided to fabricate both self-contact sensing / tapping mode piezoresistive SPM probes and contact sensing mode piezoresistive SPM probes. As described above, metal thin film piezo-resistive sensing elements can also be used in force and pressure sensors, flow sensors, chemical and biochemical sensors, inertial sensors such as accelerometers and motion transducers, and other MEMS or NEMS devices. . The example device has a displacement sensitivity estimated at 1.6 × 10 −6 / nm or more, a force resolution of at least 3.8 fN / √Hz equivalent to a doped silicon counterpart and a noise level of less than 1 nV / √Hz.
마지막으로, 고감도 전자 다운 믹싱 판독 방식을 채택하여 금속 박막으로부터 압전 저항 응답을 추출한다. 바람직한 실시형태에서, 이러한 검출 방식과 적절한 회로(들)이 접촉 모드 및 비접촉 모드 AFM 동작을 위한 자체 감지형 금속성 압전 저항 프로브용으로 이용된다. Finally, a highly sensitive electronic downmix readout scheme is employed to extract the piezoelectric resistance response from the metal thin film. In a preferred embodiment, this detection scheme and appropriate circuit (s) are used for self-sensing metallic piezo resistor probes for contact mode and non-contact mode AFM operation.
금속 박막Metal thin film
금속 박막은 다소 낮은 게이지 팩터(2∼4)를 갖고 있다. 이들은 매우 낮은 저항을 갖고 있고 반도체 압전 저항기보다 높은 전류 밀도를 생성할 수 있기 때문에, 반도체 압전 저항기에 상당하는 신호 강도를 생성할 수 있다. 저항이 낮을 수록 열 잡음이 작아진다. 금속 박막은 반도체 압전 저항기보다 수 오더 크기 높은 캐리어 밀도를 갖고 있기 때문에, 이들의 1/f 잡음은 상당히 낮아진다. 공진 주파수에서 동작하고 ac 측정을 수행하는 디바이스에서는, 금속 박막이 고감도 특성을 갖는다. The metal thin film has a slightly lower gauge factor (2-4). Since they have a very low resistance and can produce a higher current density than semiconductor piezo resistors, they can produce signal strength equivalent to semiconductor piezo resistors. The lower the resistance, the less thermal noise. Since metal thin films have carrier densities that are orders of magnitude higher than semiconductor piezo resistors, their 1 / f noise is significantly lower. In devices that operate at the resonant frequency and perform ac measurements, the metal thin film has high sensitivity.
금속 박막 압전 저항기는 상당히 감소된 비용으로 제조될 수 있다. 금속 박막은 거의 어떠한 기판 상에서도 간단히 증착되거나 스퍼터링될 수 있다. 금속 박막에 대한 처리 데미지도 최소로 된다. 금속 박막은 나노 스케일 크기로 축소되어 쉽게 패터닝될 수 있으며 대규모 어레이로 디바이스 상에 일괄 제조될 수 있다. Metal thin film piezo resistors can be manufactured at significantly reduced cost. The metal thin film can be simply deposited or sputtered on almost any substrate. The processing damage to the metal thin film is also minimized. Metal thin films can be scaled down to nanoscale sizes and easily patterned and fabricated on devices in large arrays.
바람직한 실시형태에서, 금으로 된 박막이 압전 저항 감지 소자로 이용된다. 벌크형 금의 경우, ν는 0.42이고 통상적인 게이지 팩터는 1~4이다. 금 박막은 박막 두께에 따라 3개의 다른 영역으로 분할될 수 있다. 100 nm 이상의 두께를 가진 막은 벌크형에 가깝다. 10 nm 내지 100 nm의 두께를 가진 막은 연속 박막 구간을 갖는다. 10 nm 이하의 두께에서는, 박막은 종종 불연속 구간을 갖게 된다. 이러한 불연속 박막은 금속 아일랜드 갭의 특성으로 인해 매우 큰 스트레인 게이지 팩터를 갖는다. 상술한 실시형태에서는, 연속적인 박막 영역으로 진행되는 30 nm - 50 nm 두께의 금으로 된 후막은 압전 저항층으로 이용된다. 그러나, 금속 박막의 크기는 상당히 변경될 수 있다. 예를 들어, 30 nm 금 박막으로부터 최대 10 마이크론 박막까지의 모든 연속적인 금 박막에서는 측정 결과에 기초시, 압전 저항 응답이 동일한 정도의 크기로 된다. 금속 박막은 어떠한 적절한 길이와 폭을 가질 수 있다. 예를 들어 금속 박막은 협소한 와이어(약 100 nm 이하의 단면적을 가진 와이어)일 수도 있고, 디바이스의 가동 소자의 표면의 일부 또는 전부를 덮을 수도 있으며, 200 nm 내지 2 마이크론과 같이, 약 100 nm 로부터 최대 10 마이크론의 폭을 가질 수 있다. In a preferred embodiment, a thin film of gold is used as the piezoelectric resistance sensing element. For bulk gold, v is 0.42 and typical gauge factors are 1-4. The gold thin film can be divided into three different regions depending on the thin film thickness. Films with a thickness of more than 100 nm are close to bulk. Films with a thickness of 10 nm to 100 nm have a continuous thin film section. At thicknesses below 10 nm, thin films often have discontinuous sections. These discrete films have very large strain gauge factors due to the nature of the metal island gaps. In the above-described embodiment, a thick film of 30 nm-50 nm thick gold, which proceeds into the continuous thin film region, is used as the piezo resistor layer. However, the size of the metal thin film can be changed considerably. For example, in all successive gold thin films from 30 nm gold thin films up to 10 micron thin films, the piezo-resistance response is about the same magnitude based on the measurement results. The metal thin film can have any suitable length and width. For example, the metal thin film may be a narrow wire (a wire having a cross-sectional area of about 100 nm or less), may cover some or all of the surface of the movable element of the device, and may be about 100 nm, such as 200 nm to 2 microns. Can have a width of up to 10 microns.
금에 더하여, 순수 또는 본질적으로 순수한 금속의 넓은 그룹은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 니켈, 백금, 팔라듐, 텅스텐, 알루미늄 등을 포함하며, 압전 저항 감지 소자용으로 이용될 수 있다. 이들에 한정되는 것은 아니지만, 콘스탄탄, 카르마, 이소엘라스틱 니크롬 V, Pt-W, 및 Pd-Cr를 포함하는 금속 합금도 또한 압 전 저항형 감지 소자용으로 이용될 수 있다. 아래 표는 일부 금속의 예들과, 이들 금속 중 일부에 대한 게이지 팩터를 나열한 것이다. In addition to gold, a broad group of pure or essentially pure metals includes, but is not limited to, nickel, platinum, palladium, tungsten, aluminum, and the like, and can be used for piezoelectric resistance sensing elements. Metal alloys including, but not limited to, constantan, karma, isoelastic nichrome V, Pt-W, and Pd-Cr can also be used for piezo-resistive sensing elements. The table below lists examples of some metals and gauge factors for some of these metals.
[표 1]TABLE 1
공진기Resonator
상술한 바와 같이, 바람직한 공진기 구조는 캔틸레버형 NEMS 또는 MEMS 구조체와 같은 캔틸레버를 포함한다. 2개의 예시적인 캔틸레버의 SEM 이미지를 도 la 및 도 1b에 도시하였다. 도 la는 10 ㎛ 길이와, 2 ㎛ 폭의 캔틸레버를 f0= 1.5MHz에서 본 SEM 이미지다. 도 1b는 33 ㎛ 길이와, 4 ㎛ 폭의 캔틸레버를 f0= 52KHz에서 본 SEM 이미지다. 이 디바이스는 150 ohm인 최종 저항을 갖고 있다. 도 la 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 캔틸레버(1)는 콘택트 패드를 포함하는 캔틸레버 베이스(5) 근처에 개구부 또는 노치(3)를 바람직하게 포함한다. 노치(3)을 둘러싸는 캔 틸레버(1)의 일부분을 "레그(leg)"(7)라 한다. 금 박막(9)은 캔틸레버의 레그(7) 부분에 적어도 형성되어 있는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 노치(3)는 생략할 수도 있다.As mentioned above, preferred resonator structures include cantilevers such as cantilevered NEMS or MEMS structures. SEM images of two exemplary cantilevers are shown in FIGS. La and 1b. La is a SEM image of a
바람직하게는, 도 la 및 도 1b에 도시되어 있는 캔틸레버형 NEMS 구조체는 Y. T. Yang 등의 Appl. Phys. Lett. 78,162(2001)에 개시되어 있는 방법을 이용하여 제조된 것으로서, 그 내용을 참조로서 포함한다. 이하, 예시적인 방법을 설명한다. 개시 재료는 실리콘 웨이퍼 상에 80nm 두께로 에피택셜하게 성장된 실리콘 카바이드이다. 실리콘 카바이드는 그 필요성에 의해서라기 보다는 편리성에 의해 선택된 것이다. 예를 들어, 실리콘과, 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물과 같은 그 외 다른 성분을 대신하여 이용할 수도 있다. 먼저, 금 콘택트 패드를 포토리소그래피에 의해 형성한다. 두번째로, 도 1a에 도시된 레그(7)와 같은 스트레인 집중 레그를 금속 배선 패턴에 의해 형성한 다음 전자 빔 리소그래피에 의해 묘획한다. 1nm 크롬 접착층에 후속하여 30nm 금 층을 실리콘 카바이드 상에 위치한 포토레지스트 패턴 상에 가열 증착한 다음, 리프트 오프를 수행하여 원하는 패턴을 형성한다. 후속하는 전자빔 리소그래피에서는, 50nm 크롬층이 1:1의 Ar:NF3 혼합 가스를 이용하여전체 캔틸레버 형성 영역 위에 에칭 마스크로서 패터닝된다. 그 후, 샘플은 전자 사이클론 리액션(ECR) 에칭기로 에칭된다. SiC 층을 이방성 에칭하는데 250V 바이어스 전압이 이용된다. 그 후, 바이어스 전압이 1OOV 까지 감소되는데, 이는 등방성 에칭을 가능하게 한다. 디바이스 캔틸레버 아래의 실리콘 층이 에칭된 후, 실리 콘 카바이드 구조체가 드러난다. 캔틸레버가 노출될 정도로 언더컷될 때 에칭이 종료된다. 크롬 마스크가 웨트 에칭에 의해 제거되어 캔틸레버 상에 응력이 감소되는데, 이는 캔틸레버를 말아올리게 한다. 최종으로 매우 짧은 ECR 드라이 에칭을 이용하여 캔틸레버 전체를 드러나게 한다. 그 후, 샘플이 압전 세라믹(PZT) 액츄에이터 상에 접착되고, 전체 디바이스가 칩 캐리어 상에 탑재되며, 와이어 본딩에 의해 전기 접속이 이루어진다. Preferably, the cantilevered NEMS structure shown in FIGS. La and 1b is described in Appl. Phys. Lett. 78,162 (2001), manufactured using the method disclosed herein, the contents of which are incorporated by reference. An exemplary method is described below. The starting material is silicon carbide epitaxially grown to 80 nm thickness on the silicon wafer. Silicon carbide is chosen by convenience rather than by necessity. For example, silicon and other components such as silicon nitride and silicon oxide may be used instead. First, a gold contact pad is formed by photolithography. Secondly, a strain concentrating leg such as
그 후, 샘플이 진공 탱크 내로 적재된 다음 실온에서 측정이 수행된다. 측정 시스템은 1/2 dc 브리지, dc 바이어스 소스 및 ac-dc 바이어스 티(bias tee)와 같은 배터리 세트를 포함한다. PZT 액츄에이터는 네트워크 분석기의 출력에 의해 구동된다. 67 dB 이득, 50Ω 입력 및 출력의 2단 임피던스 전치 증폭기 이후, 신호의 ac 부분이 네트워크 분석기에 의해 피드백된다. Thereafter, the sample is loaded into a vacuum tank and the measurement is performed at room temperature. The measurement system includes a battery set such as a 1/2 dc bridge, a dc bias source and an ac-dc bias tee. The PZT actuator is driven by the output of the network analyzer. After a 67 dB gain, 50 Hz input and output two stage impedance preamplifier, the ac portion of the signal is fed back by the network analyzer.
도 2 및 도 3에는, 도 1a의 디바이스의 공진 신호가 50mV의 일정한 dc 바이어스 상태에서 상이한 구동 레벨로 도시되어 있다. 캔틸레버는 5 ㎛ 길이와 500nm 폭을 가진 2개의 레그와 5 ㎛ 길이와 2 ㎛ 폭을 가진 패드를 포함한다. 이 캔틸레버는 1.5MHz에서 기본 공진 주파수를 갖고 14.8MHz에서 제2 공진 모드를 갖고 있다. 도 2는 기본 공진 모드에서의 공진 곡선을 나타내며, 도 3은 제2 공진 모드에서의 공진 곡선을 나타낸다. 도 2 및 도 3에서의 삽입 도면은 동작 레벨 또는 동작 진폭의 함수로서 피크 진폭을 나타낸 것이다. 선형 응답 영역에서는, 공진 주파수에서의 진폭은 압전 액츄에이터에 인가되는 ac 신호 진폭에 비례한다. 기본 공진 모드에서는, 캔틸레버는 진공에서 1000인 Q 팩터(퀄리티 팩터)를 가진다. 또한, 캔 틸레버는 도 2의 점선으로 도시한 바와 같이, 공기중에서는 90인 낮은 Q 팩터에서 동작한다. 제2 공진 모드는 대략 700인 Q 팩터를 갖고 있다. 2 and 3, the resonance signal of the device of FIG. 1A is shown at different drive levels with a constant dc bias of 50 mV. The cantilever includes two
이들 압전 저항형 캔틸레버는 자체 열전기 잡음을 감지하기에 충분한 감도를 갖고 있다. 도 4는 도 1b에 도시된 디바이스의 잡음 스펙트럼을 나타내는데, 이는 52KHz 기본 주파수와 638 KHz에서의 제2 주파수 모드를 갖고 있다. 잡음 스펙트럼 밀도로부터 그리고 계산된 스프링 상수를 이용하여, 캔틸레버의 감도를 교정할 수 있다. 캔틸레버 위치 에너지에 에너지 등분배 법칙, K<z2> = kbT를 적용하면, Cs =ΔR /RΔz로서 정적 상태에서의 감도를 정의할 수 있는데, 여기서, K는 스프링 상수이며, kb 는 볼츠만 상수이며, T 는 절대 온도이고, <z2>는 캔틸레버의 평균 자승 변위 변동량이며, ΔR/R은 압전 저항기의 저항 변화비이며, Δz는 캔틸레버 정적 변위량이다. 잡음 스펙트럼 밀도 곡선을 적분하면 예상값을 구하여 <ν2> = Cs 2 <z2>을 얻을 수 있으며, 여기서, <ν2>는 평균 자승 전압 변동량이다. 디바이스 기하 구조 및 SiC 와 금의 탄성 특성으로부터, 스프링 상수 K≒0.0024 N/m를 계산할 수 있다. 감도는 Cs=1.6 ×10-7/Å으로 판정된다. 이 측정은 52 KHz에서는 3 nV/√Hz이고 638KHz에서는 1.4nV/√Hz의 잡음 플로어를 갖고 Johnson 및 증폭기 잡음에 의해 한정된다. 캔틸레버는 500 KHz에서 3.8 fN/√Hz의 힘 분해능을 갖고 있다. 디바이스의 감도는 비교적 낮은 것이지만, 낮은 잡음 플로어로 인하여 충분한 분해능을 얻 을 수 있다. These piezoresistive cantilevers have sufficient sensitivity to detect their thermoelectric noise. 4 shows the noise spectrum of the device shown in FIG. 1B, which has a 52 KHz fundamental frequency and a second frequency mode at 638 KHz. From the noise spectral density and using the calculated spring constant, the sensitivity of the cantilever can be corrected. By applying the energy equalization law, K <z 2 > = k b T to the cantilever potential energy, we can define the sensitivity in the static state as C s = ΔR / RΔz, where K is the spring constant and k b Is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, <z 2 > is the average square displacement change of the cantilever, ΔR / R is the resistance change ratio of the piezo resistor, and Δz is the cantilever static displacement. By integrating the noise spectral density curve, the expected value can be obtained to obtain <ν 2 > = C s 2 <z 2 >, where <ν 2 > is the mean square voltage variation. From the device geometry and the elastic properties of SiC and gold, the spring constant K ≒ 0.0024 N / m can be calculated. The sensitivity is determined to be C s = 1.6 × 10 −7 / kHz. This measurement has a noise floor of 3 nV / √Hz at 52 KHz and 1.4 nV / √Hz at 638 KHz and is limited by Johnson and amplifier noise. The cantilever has a force resolution of 3.8 fN / √Hz at 500 KHz. The sensitivity of the device is relatively low, but due to the low noise floor, sufficient resolution can be obtained.
도 1b에 되시된 디바이스의 기하 구조는 힘 분해능이나 변위 분해능을 추가로 향상시키기 위하여 변경될 수 있다. 도 1b의 디바이스에서는, 스트레인 감지 소자(9)만이 캔틸레버의 길이의 1/10 만큼을 점유하였다. 주어진 스프링 상수에서는, 힘 감도는 l/t2에 비례하기 때문에, 캔틸레버가 얇고 짧을수록 향상된 힘 감도를 얻을 수 있다. 도핑된 실리콘 디바이스도 또한 큰 1/f 잡음을 받을 수 있다. Hooge의 법칙은 1/f 잡음이 총 캐리어 수에 반비례하고 있음을 나타내며, 따라서, 캔틸레버가 작을수록 잡음 성능이 열화되게 된다. 금속 박막의 경우에는, 캐리어 수(~ 1022/cm3)가 통상의 도핑된 반도체(~ 1018/cm3)보다 4 오더 정도 큰 크기를 갖고 있다. 1/f 잡음은 한정된 문제는 아니다. The geometry of the device shown in FIG. 1B can be modified to further enhance the force resolution or displacement resolution. In the device of FIG. 1B, only the
캔틸레버에 더하여, 또한 금속 박막은 또 다른 기하 구조로 이용될 수 있다. 따라서, 금속 박막 압전 저항형 센서는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 이중 클램프된 빔, 비틀림 공진기 및 다이아프레임 공진기와 같은 그 외 다른 공진기와 함께 이용될 수 있다. In addition to cantilevers, metal thin films can also be used as another geometry. Accordingly, metal thin film piezo-resistive sensors may be used with, but not limited to, other resonators such as double clamped beams, torsional resonators, and diaphragm resonators.
디바이스 적용예Device application example
도 5a 및 도 5b는 원자력 현미경에 대한 자체 감지형 캔틸레버 프로버에서의 금속 박막의 이용예를 나타낸다. 도 5a는 개략도이고 도 5b는 150 ㎛ 길이 x 30 ㎛ 폭 x 4 ㎛ 두께로 된 마이크로 스케일 크기를 가진 마이크로머시닝 캔틸레버(즉, 프로브; 11)의 SEM이미지를 나타낸다. 프로브(11)는 캔틸레버(1), 노치(3), 베이스(5), 레그(7), 금속 박막(9) 및 AFM 첨단 팁(tip: 13)을 포함한다. 바람직하게는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 금속 박막(9)은 첨단 팁(13)으로서 캔틸레버의 동일한 면에 형성된다. 도 5에 도시되어 있는 특정 프로브(11)는 탭핑 모드 AFM 용으로 설계된 것이다. 후술될 바와 같이, 접촉 모드 AFM용 프로브도, 스프링 상수가 매우 작기는 하지만, 또한 바람직하게 설계될 수 있다. 5A and 5B show examples of the use of metal thin films in self-sensing cantilever probers for atomic force microscopy. FIG. 5A is a schematic diagram and FIG. 5B shows an SEM image of a micromachining cantilever (ie, probe) 11 having a microscale size of 150 μm length × 30 μm width × 4 μm thickness. The
도 12 및 도 13은 비접촉 모드 프로브 프로브(11)와 접촉 모드 프로브(21) 모두에 대한 각각의 제조 처리를 나타낸 것이다. 도 12a 내지 도12h에 도시한 바와 같이, 비접촉/탭핑 모드 압전 저항형 SPM 프로브(11)를 금속 박막(9)으로 제조하는 방법은 다음 단계들을 포함한다. 12 and 13 show respective manufacturing processes for both the non-contact
먼저, 도 12a에 도시한 바와 같이, 개시 기판(101)을 준비한다. 이 기판은 예를 들어, SIMOX (즉, 산소가 주입된) SOI 기판 또는 UNIBOND(즉, 본딩된) SOI 기판과 같은 어떤 적절한 SOI(silicon on insulator) 기판일 수 있다. 이 기판은 2개의 실리콘 부(105, 107) 사이에서 0.5 내지 5 마이크론 두께의 산화물층(103)을 가진 550 마이크론 두께와 같은 400 내지 900 마이크론의 두께를 가질 수 있다. First, as shown in FIG. 12A, the starting
그 후, 도 12b에 도시한 바와 같이, 실리콘 에칭의 마스크로서 이용가능한 임의의 재료로 이루어질 수 있는 마스킹 층(109 및 111)이 기판(101)의 양면에 성막된다. 예를 들어, 마스킹 층(109 및 111)은 550 옹스토롱 두께와 같은 400 내지 2000 옹스트롱 두께로 LPCVD에 의해 성막되는 실리콘 질화물층을 포함할 수 있다. 실리콘 산질화물이나 알루미늄 산화물과 같은 또 다른 재료를 이용할 수도 있다. Then, as shown in FIG. 12B, masking
도 12c에 도시한 바와 같이, 마스킹 층(111)은 포토리소그래피를 이용하여 패터닝된다(즉, 마스킹 층 상에 포토레지스트를 도포/스핀 코팅한 다음, 포토레지스트를 베이킹하고, 그 포토레지스트를 선택적으로 노광한 다음, 그 포토레지스트를 패터닝하고 마스크층을 선택적으로 에칭한다). 보다 자세하게는, 결정축 노광 피트(crystal axis exposure pit: 113)와 캔틸레버 영역 개구부(115)를 층(111) 내에 형성한 다음 기판(101)의 실리콘 부(107)로 연장시킨다. 피트(113)는 KOH 피트 에칭에 의해 형성될 수 있으며 개구부(115)는 포토레지스트 마스크를 이용하여 층(111)을 리액티브 이온 에칭함으로써 형성할 수 있다. As shown in FIG. 12C, the
그 후, 도 12d에 도시한 바와 같이, 팁 마스크를 형성한다. 바람직하게는, 팁 마스크(117)는 팁 마스크(117)를 남겨놓도록 마스킹 층(109)을 포토리소그래피 방식으로 패터닝함으로써 형성한다. 예를 들어, 패터닝된 포토레지스트층에 의해 피복되지 않은 층(109)의 부분들을 리액티브 이온 에칭을 수행하여 마스크(117)를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 이 단계에 이용되는 포토레지스트는 팁 에칭 단계 이전에 제거될 수도 있다. Thereafter, as shown in Fig. 12D, a tip mask is formed. Preferably,
그 후, 도 12e에 도시한 바와 같이, 팁 마스크(117)가 팁 에칭 단계에 이용된다. 첨단 팁(13)은 팁 마스크(117)를 이용하여 실리콘 부(105)를 에칭함으로써 형성된다. 예를 들어, 실리콘(105)은 KOH를 이용하여 이방성 에칭을 수행받고 산화/HF 에칭 사이클을 수행받아 첨단 팁(13)을 형성할 수도 있다. 이 단계시, 기판(101)의 실리콘 부(105)는 더 얇게 처리되어 그 두께가 원하는 캔틸레버(1) 두께와 대략 동일하게 된다. Thereafter, as shown in Fig. 12E, a
그 후, 도 12f에 도시한 바와 같이, 금속 패드와 금속 압전 저항막(9)을 형성한다. 바람직하게는, 30 내지 70 nm와 같은 금속막, 예를 들어, 50 nm 두께의 Au 층이 첨단 팁(13)에 인접하는 실리콘 부(105)상에 형성된다(즉, 금속 막은 기판 앞이나 기판의 최단부측에 바람직하게 형성된다). 금속 패드 및 막(9)은 포토리소그래피 공정을 이용하여 원하는 형상으로 패터닝될 수 있다. 또 다른 방법으로는, 금속 패드 및 막(9)은 포토레지스트 패턴 상에 금속을 성막한 다음 그 포토레지스트 패턴을 리프트오프하여 기판(101)의 실리콘 부(105) 상에 패터닝된 금속을 남겨놓는 리프트오프 방법에 의해 패터닝될 수도 있다. Thereafter, as shown in Fig. 12F, a metal pad and a metal piezoelectric
그 후, 도 12g에 도시한 바와 같이, 캔틸레버(1)는 포토리소그래피를 이용하여 패터닝된다. 예를 들어, 기판(101)의 실리콘 부(105)는 RIE나 웨트 에칭을 이용하여 패터닝될 수 있다. Then, as shown in FIG. 12G, the
그 후, 도 12h에 도시한 바와 같이, 기판(101)의 뒷면이 에칭되어 캔틸레버(1)가 드러나도록 한다. 이것은 예를 들어, 마스킹 층(111)에서 개구부(115)를 통하여 기판(101)의 뒷면 실리콘 부(107)를 KOH 에칭한 다음, HF 에칭하여 캔틸레버(1) 아래의 산화물층(103)을 제거함으로써 수행된다. Thereafter, as shown in FIG. 12H, the backside of the
물론, 다른 재료와 에칭 방법/매개물을 이용할 수도 있다. 또한, 포토레지스트 층은 에칭 단계 이후에 바로 제거될 수도 있고 시간이 지난 후에 제거될 수도 있다. 예를 들어, 개구부(115)를 형성하는데 이용되는 포토레지스트는 개구부(115)를 형성한 한 바로 제거될 수도 있고 도 12h에 도시된 단계 이후에 제거될 수도 있다. Of course, other materials and etching methods / mediators may be used. In addition, the photoresist layer may be removed immediately after the etching step or after time. For example, the photoresist used to form the
도 13a 내지 도 13h는 접촉 모드 압전 저항형 SPM 프로브(21)를 형성하는 방법을 나타낸다. 도 13a 내지 도 13h에서, 프로브의 앞면은 프로브의 상단면보다 다소 하단부쪽에 도시되어 있다. 물론, "상단" 및 "하단"은 프로브가 어떠한 방식으로 위치되어 있느냐에 따라 달라지는 상대적인 개념의 용어로서, 도면 내의 구성요소들을 설명하기 위해서만 이용된 것이다. 13A to 13H show a method of forming the contact mode piezo-resistive SPM probe 21. In FIGS. 13A-H, the front face of the probe is shown somewhat lower than the top face of the probe. Of course, "top" and "bottom" are terms of relative concept that depend on how the probe is positioned and are used only to describe the components in the figures.
먼저, 도 13a에 도시한 바와 같이, 개시 기판(101)이 준비된다. 이 기판은 예를 들어, 실리콘 웨이퍼와 같은 어떤 적절한 반도체 또는 절연체 기판일 수 있다. 따라서, SOI 기판이 이 방법에 반드시 이용될 필요가 있는 것은 아니다. 웨이퍼는 도 12a에서의 SOI 기판과 동일한 두께를 갖고 있다. First, as shown in FIG. 13A, the starting
그 후, 도 13b에 도시한 바와 같이, 실리콘 에칭을 위한 마스크로서 이용될 수 있는 어떠한 재료로도 형성될 수 있는 마스킹 층(109 및 111)이 기판(101)의 양면에 성막된다. 예를 들어, 마스킹 층(109 및 111)은 1000 옹스트롱 두께와 같은 낮은 응력의 800 내지 1500 옹스트롱 두께로, LPCVD로 성막된 실리콘 질화물층일 수 있다. 또한, 실리콘 산질화물이나 알루미늄 산화물과 같은 또 다른 재료를 이용할 수도 있다. Thereafter, as shown in Fig. 13B, masking
그 후, 도 13c에 도시한 바와 같이, 뒷면 마스킹 층(111)이 포토리소그래피를 이용하여 패터닝되어, 기판(101)의 뒷면으로 연장되는 정렬홀(114)을 형성한다. 이 홀(114)은 포토레지스트 마스크를 이용하여 패터닝 층(111)을 리액티브 이온 에칭한 다음 후속하여 패터닝 층(111) 및 옵션으로 (포토레지스트가 아직 제거되지 않은 경우에는) 포토레지스트를 마스크로 이용하여 기판(101)을 KOH 에칭함으로써 형성될 수 있다. KOH 에칭은 예를 들어, 60℃에서 30% KOH 용액을 이용하는 에칭을 포함할 수 있다. Thereafter, as shown in FIG. 13C, the
그 후, 도 13d에 도시한 바와 같이, 층(111)에 멤브레인 마스크를 형성한다. 보다 자세하게는, 기판으로 연장되는 멤브레인 개구부(116)를 포토리소그래피 방법을 이용하여 층(111)에 형성한다. 개구부(116)는 포토레지스트 마스크를 이용하여 층(111)을 리액티브 이온 에칭한 다음 후속하여 패터닝 층(111) 및 옵션으로 (포토레지스트가 아직 제거되지 않은 경우에는) 포토레지스트를 마스크로 이용하여 기판(101)을 KOH 에칭함으로써 형성될 수 있다. 기판의 KOH 에칭은 앞면 마스킹 층(109)으로 연장될 때까지 홀(114)을 깊게 한다. Thereafter, as shown in FIG. 13D, a membrane mask is formed in the
그 후, 도 13e에 도시한 바와 같이, 팁 마스크를 형성한다. 바람직하게는, 팁 마스크(117)는 마스킹 층(109)을 포토리소그래피 방식으로 패터닝하여 팁 마스크(117)를 남겨놓음으로써 형성된다. 예를 들어, 패터닝된 포토레지스트 층에 의해 피복되지 않은 층(109)의 부분들은 마스크(117)를 형성하기 위해 리액티브 이온 에칭을 수행받을 수 있다. 바람직하게는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 이 단계에 이용되는 포토레지스트는 팁 에칭 단계 이전에 제거된다. E-빔 리소그래피 정렬 마스크 또한 이 단계 동안에 형성될 수도 있다. Thereafter, as shown in Fig. 13E, a tip mask is formed. Preferably, the
그 후, 도 13f에 도시한 바와 같이, 팁 마스크(117)는 팁 에칭 단계에 이용된다. 첨단 팁(13)은 팁 마스크(117)를 이용하여 기판의 앞면을 에칭함으로써 형성된다. 예를 들어, 실리콘 기판(101)은 KOH를 이용하여 이방성으로 에칭될 수 있다. 그 후, 나머지 마스킹 층(111)이 바람직하게 제거된다. Thereafter, as shown in Fig. 13F, the
그 후, 도 13g에 도시한 바와 같이, 옵션의 저압 실리콘 질화물층(118)을 기판(101)의 앞면과 첨단 팁(13)의 윗쪽에 형성함으로써, 이에 의해 팁 표면이 실리콘 질화물로 코팅된다. 또한, 또 다른 코팅 재료를 이용할 수도 있다. 그 후, 금속패드 및 금속 압전 저항막(9)이 기판(101) 앞면 위의 층(118) 바로 앞에 바람직하게 형성된다. 금속 박막(9)은 도 12f에 도시된 막(9)과 동일한 것일 수 있다. 금속 박막(9)은 어떤 적절한 방법, 예를 들어, 전자 빔 리소그래피를 이용하여 패터닝될 수 있다. Then, as shown in FIG. 13G, an optional low pressure
그 후, 도 13h에 도시한 바와 같이, 기판(101)의 뒷면이 에칭되어 캔틸레버(1)가 드러나게 한다. 이는 예를 들어, 마스킹 층(111)에서의 개구부(116)를 통하여 기판의 뒷면을 KOH 에칭함으로써 수행될 수 있다. Thereafter, as shown in FIG. 13H, the backside of the
또한, 또 다른 재료와 에칭 방법/매개물을 이용할 수도 있다. 또한, 포토레지스트 층은 에칭 단계 이후 즉시 제거될 수도 있고 시간이 지난 후에 제거될 수도 있다. In addition, other materials and etching methods / mediators may be used. In addition, the photoresist layer may be removed immediately after the etching step or after time.
따라서, 프로브(11)와 프로브(21)를 제조하는 일반적인 방법은 기판을 준비하는 단계와, 기판의 앞면과 뒷면에 마스크 층을 형성하는 단계와; 마스크 층을 패터닝하는 단계와; 기판의 앞면에 패터닝된 마스크 층을 이용하여 기판의 앞면에 SPM 팁을 형성하는 단계와; 기판의 앞에 패터닝된 금속 박막의 압전 저항형 센서를형성하는 단계와; 뒷면 마스킹 층의 개구부를 통하여 뒷쪽에서부터 기판을 에칭하여, SPM 팁과 금속 박막을 지원하는 캔틸레버를 형성하는 단계를 포함한다. Thus, a general method of manufacturing the
압전 저항 응답 예Piezoresistive Response Example
도 6은 본 발명의 또 다른 예에 따라서, 도 5b의 것과 동일하게 캔틸레버 상에 금속 박막의 압전 저항 응답을 나타낸다. 캔틸레버는 종래의 팁을 갖고 125 마이크론 길이와 40 마이크론 폭과 4 마이크론 두께를 갖는다. 이 캔틸레버는 탭핑 모드 AFM 애플리케이션용으로 설계된 자체 감지형 프로브(11)에 적합한 것이다(즉, 이 캔틸레버는 도 1a에 도시된 NEMS 디바이스보다 다소 크기가 큰 MEMS 디바이스이다). 금 박막은 캔틸레버의 2개의 레그를 피복하고 있고 전류 루프를 형성한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 매우 강한 압전 저항 응답이 관측된다. 비공명 배경 신호는 로우 데이터(raw data)로부터 추출된다. 이 특정 캔틸레버에 대한 Q 팩터는 공기중에서 약 220 정도이다. 진공 조건하에서는, 압전 저항 응답이 보다 강해져서 Q 팩터가 360 이상으로 상승한다. 진공에서의 데이터는 보다 가시적인 검사를 위하여 오른쪽으로 시프트된다. FIG. 6 illustrates the piezoelectric resistance response of the metal thin film on the cantilever in the same manner as in FIG. 5B according to another example of the present invention. The cantilever has a conventional tip and is 125 microns long, 40 microns wide and 4 microns thick. This cantilever is suitable for a self-sensing
이 실험에 대한 측정 회로 세트업이 도 14 및 도 15에 도시되어 있다. 도 14는 프로브가 콘택트 모드 AFM에 이용되는 경우, SPM 프로브의 압전 저항 응답을 측정하는 방식을 나타낸 것이다. 도 14에 도시된 일 실시형태에서는, ac 바이어스 전류가 압전 저항기를 통과하고 ac 전압이 측정되어 측정 감도를 향상시킨다. 도 14에서의 방식은 간단한 브리지 저항 측정 방식을 제공한다. 또한, DC 측정을 직접 채택하여 캔틸레버의 휘어짐을 검출할 수도 있다. 고정된 주파수(예를 들어, 20KHz)에서의 로크인을 채택하여 측정 감도를 강화시킬 수도 있다. Measurement circuit set-up for this experiment is shown in FIGS. 14 and 15. 14 illustrates a method of measuring the piezoelectric resistance response of an SPM probe when the probe is used in contact mode AFM. In one embodiment shown in FIG. 14, an ac bias current passes through the piezo resistor and the ac voltage is measured to improve measurement sensitivity. The scheme in FIG. 14 provides a simple bridge resistance measurement scheme. In addition, the DC measurement can be directly adopted to detect the warp of the cantilever. A lock-in at a fixed frequency (eg 20 KHz) may be employed to enhance measurement sensitivity.
도 15는 프로브가 탭핑/비접촉/ac 모드 AFM에 이용되는 경우, SPM 프로브의 압전 저항 응답을 측정하는 방식을 나타낸 것이다. 압전 저항기를 통과하는 바이어스 전류는 한 주파수에서 변조되는 한편, 캔틸레버는 또 다른 주파수에서 구동된다. 캔틸레버의 기계적인 응답은 이들과 다른 또 다른 주파수에서 또는 이들을 모두 합한 주파수에서 검출된다. FIG. 15 illustrates a method of measuring piezoelectric resistance response of an SPM probe when the probe is used for tapping / contactless / ac mode AFM. The bias current through the piezo resistor is modulated at one frequency while the cantilever is driven at another frequency. The mechanical response of the cantilever is detected at these and other frequencies or at the sum of them.
따라서, 도 15에 도시한 바와 같이, ac 구동 소스를 이용하여, 베이스(5)에서 압전 구동 소스를 통하여 캔틸레버(1)를 구동시킨다. 구동 소스는 ac 바이어스 소스와 동기화될 수 있고 ac 구동 소스 및 바이어스 소스의 출력들은 믹서의 개개의 입력으로 제공된다. 믹서의 출력은 저대역 통과 필터(LPF)를 통하여 로크인 증폭기에 기준 신호로서 제공된다. ac 바이어스 소스를 이용하여 금속 박막(9)를 바이어싱하는데, 그 출력은 또한 또 다른 LPF 및 증폭기를 통하여 로크 인 증폭기에 제공된다. 도 15에 도시된 방식에서는, ac 드라이브 소스를 이용하여 캔틸레버를 예를 들어, 240 KHz와 같은 공진 주파수에서 구동시킬 수 있다. 로크 인 직접 측정을 채택하여 오실레이션의 진폭을 검출할 수 있다. 크로스토크로 인한 전기 배경 신호를 제거하기 위하여, 위에서 도시된 예는 다운 믹싱 검출 방식을 채택하는데, 이 방식은 아래 자세히 설명되어 있다. 샘플 바이어스 전류는 구동 주파수보다 20 KHz 높은 것(예를 들어, 240 KHz 구동 주파수에서는 260 KHz)과 같은 10-50 KHz 이상의 공진 주파수에서 적용될 수 있다. 로크 인 측정은 예를 들어, 20 KHz 또는 500 KHz에서 수행될 수 있다(미국 가특허 출원 번호 제60/562,652호를 참조할 것, 그 내용을 추가 상세 설명부에서 참조로서 포함한다). Therefore, as shown in FIG. 15, the
그 후, 프로브(11)는 외부 신호 액세스 및 제어를 위한 신호 액세스 모듈이 장착된 AFM 시스템(DI 디멘젼 3100 시스템)을 이용하여 테스트될 수 있다. 측정 세트업은 도 7에서 개략적으로 설명되어 있다. 표준 DI 프로브 홀더를 변형하여 금속 압전 저항 프로브의 테스트를 보다 용이하게 이용할 수 있다. 먼저, 칩 홀더로부터 AFM 헤드스테이지로의 전기 접속을 접속 단절시킨다. 두번째로, 4개의 와이어(31, 33, 35, 37)를 칩 홀더에 솔더링하여, 프로브(11) 하에서의 압전 액츄에이터(5)로의 전기적 접속을 가능하게 하고 자체 감지 프로브 상에서의 2개의 전기 콘택트 패드(39, 41)에 대한 전기 접속을 가능하게 한다. 외부 펑션 제너레이터(43; Stanford Research System DS345)을 통하여 압전 액츄에이터(5)에 구동 신호를 인가한다. dc 바이어스 전압은 캔틸레버(1)의 2개의 레그(7) 양단 간에 인가된다. 캔틸레버의 저항값과 유사한 저항값을 가진 저항기(43)를 밸런스 저항기(20.3 Ohms)로서 이용하여, 공명 ac 신호를 추출한다. 프로브(11) 양단의 전압 변화량은 저잡음 전압 증폭기(45; Stanford Research System SR560)를 통하여 추가로 증폭된다. 그 후, 이렇게 발진된 ac 전압은 로크 인 증폭기(47; Stanford Research System SR830)로 공급된다. 그 측정값은 펑션 제너레이터에 의해 제공되는 구동 신호와 로킹된다. 로크 인 증폭기의 x-출력은 위상 익스텐더 박스 이후 신호 액세스 모듈을 통하여 나노스코프 컨트롤러의 한 입력 채널에 공급된다. The
전기적인 측정으로부터의 공진 곡선이 먼저 얻어진다. 도 8은 동일한 캔틸레버로부터 얻어지는 3개의 공진 곡선을 나타낸다. 트레이스 1(하단 곡선)은 AFM 내장형 레이저 편향 측정부에서 나온 결과이다. 트레이스 2(중간 곡선)은 dc 바이어스 전류를 이용한 캔틸레버의 직접적인 전기적 로크 인 측정 결과를 나타낸다. 트 레이스 3 (상단 곡선)은 ac 바이어스 전류를 이용한 개선된 측정 결과(상술한 다운 믹싱 방식)를 나타낸다. 3개 모든 곡선에서 상당한 신호 강도가 관측된다. 광학 데이터에서는, 비 변형 공명으로 인한 측대역이 명확히 나타난다. 이들은 전기적 측정 곡선에서는 나타나지 않는다. 전기적 측정값은 광학 측정 데이터에 표시되는 전단 변형 운동에 영향을 받지 않는다. 트레이스 2와 트레이스 3 간의 비교 결과는 다운 믹싱 방식이, 측정시 통상 피할 수 없는 크로스토크 신호를 효과적으로 제거할 수 있음을 보여준다.Resonance curves from electrical measurements are first obtained. 8 shows three resonance curves obtained from the same cantilever. Trace 1 (bottom curve) is from the AFM embedded laser deflection measurement unit. Trace 2 (middle curve) shows the direct electrical lock-in measurement of the cantilever using dc bias current. Trace 3 (top curve) shows an improved measurement result with the ac bias current (downmixing method described above). Significant signal strength is observed in all three curves. In the optical data, the sidebands due to unstrained resonances are clearly shown. They do not appear in the electrical measurement curves. Electrical measurements are not affected by the shear strain movements shown in the optical measurement data. The comparison between
그 후, 도 9에 도시한 바와 같이, 금속 박막 프로브 상에서 잡음 스펙트럼 측정을 수행한다. 잡음 스펙트럼이 매우 낮은 것으로 관측된다. 1000 Hz 미만의 주파수에서, 잡음 레벨은 l nV/√Hz 아래에 있으며, 이것은 실온에서 50 Ohm 저항기에 의해 발생되는 Johnson 잡음보다 작은 것이다. 통상적으로, 동일한 주파수 범위에서는, p+ 실리콘에서의 잡음 레벨이 약 30 nV/√Hz로 된다. 금속 압전 저항기의 잡음 성능은 반도체 Si 재료로 된 압전 저항기 보다 약 30배 이상 더 우수한 것으로 된다. Thereafter, as shown in FIG. 9, noise spectrum measurement is performed on the metal thin film probe. The noise spectrum is observed to be very low. At frequencies below 1000 Hz, the noise level is below l nV / √Hz, which is less than the Johnson noise generated by a 50 Ohm resistor at room temperature. Typically, in the same frequency range, the noise level in p + silicon is about 30 nV / √Hz. The noise performance of metal piezo resistors is about 30 times better than piezo resistors made of semiconductor Si material.
접촉 모드 AFM에서는, 캔틸레버가 공명 주파수에서 동작하지 않지만, 샘플 표면의 기하학적 구조에 따르게 된다. 캔틸레버의 DC 또는 준-DC 응답은 접촉 모드 동작에 대한 최대 관심으로 되고 있다. AFM 힘 인덴테이션은 캔틸레버가 샘플 표면과 접촉 상태에 있은 후 어떤 범위에서 압전 프로브를 Z방향으로 변경시키는데 채택된다. 그에 따라 캔틸레버는 변조 주파수에서 휘어진다. 변조된 압전 저항 신호는 광대역 dc 증폭기에 의해 픽업되어 오실로스코프에 의해 측정된다. 프로브의 힘 인덴테이션에 대한 데이터는 도 10(오른쪽 축)에 도시되어 있다. 압전 튜브의 z 방향에 인가되는 전압도 또한 비교를 위하여 도 10(왼쪽 축)에 도시하였다. 이 전압 변조는 300nm 휨 증폭에 대응한다. 55 V 신호 증폭은 압전 저항 프로브 양단 간에 관측된다. 이는 2000 배의 전압 증폭 후의 0.88 mV/nm에 대응한다. 공유된 표준 광학 AFM 검출에서는, 응답이 ∼20mV/nm이다. 예시적인 압전 저항기에 예시적인 저 잡음이 제공되는 경우, 30 배 높은 이득 증폭기가 얻어질 수 있으며 광학 캔틸레버의 성능에 매칭하는, 26.4mV/nm의 신호 응답을 가진 상당한 잡음 플로어 상에서 동작할 수 있다. In contact mode AFM, the cantilever does not operate at the resonant frequency, but depends on the geometry of the sample surface. The cantilever's DC or quasi-DC response is of utmost concern for contact mode operation. AFM force indentation is employed to change the piezoelectric probe in the Z direction in a range after the cantilever is in contact with the sample surface. The cantilever is therefore bent at the modulation frequency. The modulated piezo resistor signal is picked up by a wideband dc amplifier and measured by an oscilloscope. Data for force indentation of the probe is shown in FIG. 10 (right axis). The voltage applied in the z direction of the piezoelectric tube is also shown in FIG. 10 (left axis) for comparison. This voltage modulation corresponds to 300 nm bending amplification. 55 V signal amplification is observed across the piezo resistor probe. This corresponds to 0.88 mV / nm after 2000 times voltage amplification. In shared standard optical AFM detection, the response is ˜20 mV / nm. If the exemplary piezo resistor is provided with exemplary low noise, a 30 times higher gain amplifier can be obtained and can operate on a significant noise floor with a signal response of 26.4 mV / nm, matching the performance of the optical cantilever.
표준 SPM 교정 격자를 채택하여 예시적인 금속 박막 프로브의 이미징 능력을 설명할 수 있다. 격자는 3 마이크론 피치를 가진 실리콘 웨이퍼 상에 직사각형 SiO2 단차부로 된 1차원 어레이이다. 단차부의 높이는 20 nm ± 1 nm이다. 도 11b에 도시된 기하 구조의 이미지는 AFM이 "리프트 모드(lift mode)"에서 동작할 경우, 로크 인 증폭기의 출력을 모니터링함으로써 얻어진다. 비교를 위하여, 광학적 탭핑 모드 AFM 이미지를 도 11a에 도시한다. 신호를 컨디셔닝 처리할 필요가 없는 경우에도, 금속 박막 압전 저항기는 매우 낮은 신호 대 잡음 비를 발생시킨다. 이미지 품질은 광학 측정 결과 이미지 품질에 상당한다. 따라서, AFM과 같은 SPM을 이용하여, 금속 박막(9)의 압전 저항 응답에 기초하여 AFM 프로브(11, 21)에 의해 조사되는 표면의 특성들을 판정하거나 및/또는 이미징할 수 있다. 즉, AFM 프로브를 이용하여 도 11b에 도시된 재료의 표면을 이미징할 수도 있고 또는 FM을 가지고 수행시 재료 표면의 하나 이상의 특성을 판정할 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 컴퓨터 또는 전용 프로세서와 같은 데이터 처리 디바이스를 이용하여 AFM 프로브와, 로크 인 증폭기와 같은 관련 장치로부터 신호를 처리하여 표면 특성에 대응하는 이미지 및/또는 데이터를 생성, 저장 및/또는 디스플레이할 수 있다. 금속 박막은 바람직한 압전 저항 막으로서 상술하였다. 그러나, 그 외 다른 압전 저항 재료 막을 대신 이용할 수 있다. 예를 들어, 도핑된 실리콘 박막, 예를 들어, p형 도핑된 실리콘 박막과 같은 압전 저항 반도체 박막을 공진기 표면 상에 형성할 수 있고 공진기의 이동을 검출하는데 이용할 수 있다. Standard SPM calibration gratings can be employed to illustrate the imaging capabilities of the exemplary metal thin film probe. The grating is a one dimensional array of rectangular SiO 2 steps on a silicon wafer with a 3 micron pitch. The height of the step is 20 nm ± 1 nm. The image of the geometry shown in FIG. 11B is obtained by monitoring the output of the lock-in amplifier when the AFM is operating in “lift mode”. For comparison, an optical tapping mode AFM image is shown in FIG. 11A. Even when there is no need to condition the signal, metal thin film piezo resistors produce a very low signal to noise ratio. Image quality corresponds to image quality as a result of optical measurement. Thus, an SPM such as AFM may be used to determine and / or image the properties of the surface irradiated by the AFM probes 11, 21 based on the piezoelectric resistance response of the metal
본 발명의 상술한 설명은 설명과 기술용으로 제공된 것이다. 개시되어 있는 세부 내용은 본 발명을 한정하거나 제한하기 위해 제공된 것이 아니며, 이러한 교시에서 변형 및 수정이 이루어지거나 실시될 수 있다. 상세한 설명부의 내용은 본 발명의 원리와 그 적용예를 설명하기 위해 선택된 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위 및 그 등가물에 의해 규정되는 것이다. The foregoing description of the invention has been presented for the purposes of illustration and description. The details disclosed are not provided to limit or limit the invention, and variations and modifications may be made or practiced in these teachings. The contents of the detailed description are chosen to explain the principles of the invention and its application. The scope of the invention is defined by the claims and their equivalents.
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