KR20080039139A - Ａｆｍ 장비 및 이를 이용한 전기적인 특성 측정 방법 - Google Patents

Abstract

AFM(Atomic Force Microscope) 장비는, 전기적 특성을 분석하기 위한 시료의 표면에 발생된 자연산화막을 제거하는 제1팁과, 상기 자연산화막이 제거된 시료의 표면과 접촉해서 상기 시료의 전기적 특성을 측정하는 제2팁을 구비하며, 상기 제1팁은, 지지부와 상기 지지부의 일측에 연결되어 에천트가 저장되는 보관부를 포함하는 이루어진다.

Description

ＡＦＭ 장비 및 이를 이용한 전기적인 특성 측정 방법{Atomic Force Microscope equipment and measuring method of electrical characterization of the same}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 식각용 AFM 장비 팁을 도시한 평면도 및 사시도.

도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 실시예에 따른 식각용 AFM 장비 팁의 제조 과정을 도시한 공정별 단면도 및 사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 실리콘 기판 108 : 제1산화막

110 : 제1실리콘질화막 112 : 제2산화막

114 : 제2실리콘질화막

본 발명은 AFM 장비 및 이를 이용한 전기적인 특성 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 습식 식각으로 시료 표면의 자연산화막이 식각되도록 역할하는 식각용 AFM 장비 팁과 시료의 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 구비한 AFM 장비 및 이를 이용한 전기적인 특성 측정 방법에 관한 것이다.

각종 전기/전자 제품에 구비된 각종 회로들을 포함하여 시료의 미세한 구조를 분석하기 위한 각종 장비들이 개발되고 있는바, 광학 현미경 및 전자 현미경의 뒤를 이어 개발된 것이 AFM(Atomic Force Microscope) 장비이다.

AFM 장비는 진공에서만 관찰이 가능한 전자현미경과 달리 대기 중에서도 사용할 수 있고, 원자 지름의 수십분의 1까지 측정할 수 있어 나노기술 발전에 꼭 필요한 첨단 계측장비로서, 나노 기술로 제조된 프로브(Probe)를 사용하는데, 이 프로브는 모판(Substrate) 끝에 아주 미세한 힘에도 쉽게 휘어지는 캔티레버(Cantilever)와 그 끝에 원자 몇개 정도의 크기로 가공된 탐침(Tip)이 붙어있는 구조이다.

전술한 AFM 장비의 측정 원리는 프로브 탐침의 끝을 측정하고자 하는 샘플의 표면에 근접시키면 정전기적인 힘(Electostatic Force), 반데르발스 힘(Van Der Waals Force), 쿨렁 힘(Coulombic Force)등과 같은 끌어당기는 힘 또는 밀어내는 힘이 샘플 표면의 원자와 탐침 끝의 원자 사이에 작용하는데, 이 힘에 의해 캔티레버의 휨이 발생하고 이 힘이 일정하게 유지되도록 하면서 귀환회로에 의해 정밀 제어되어 측정하고자하는 각 지점에서 스캐너의 수직 위치를 저장하여 샘플 표면의 삼차원 영상을 얻는 것이다.

한편, AFM 장비는 시료의 표면 특성을 측정하는 것 이외에 프로브의 탐침인 캔티레버 팁을 이용하여 시료에 대한 미세 가공 공정 및 시료 표면의 자연산화막 제거와 시료의 전기적인 특성을 측정하는데 사용된다.

상기 시료에 대한 미세 패터닝 공정에 사용되는 캔티레버 팁은 실리콘과 실리콘질화막으로 이루어진 몸체부에 금속성 물질을 코팅하여 형성되거나 또는 몸체부에 도핑된 다이아몬드 팁을 코팅하는 방법으로 형성된다.

그러나, 캔티레버 팁이 실리콘과 실리콘질화막으로 이루어진 몸체부에 금(Au), 백금(Pt), 텅스텐(W), 이리듐(Ir)과 같은 금속성 물질을 코팅하여 구성된 경우, 몸체부와 상기 코팅된 금속과의 부착 상태와 강도가 떨어져 분석시료 표면의 미세 가공 공정 및 자연산화막을 뚫거나 긁어내기 어렵다.

또한, 실리콘과 실리콘질화막으로 이루어진 몸체에 도핑된 다이아몬드 팁이 코팅된 경우, 접촉식 AFM 장비에서 기계적인 그라인딩에 의한 미세 가공은 가능하지만, 시료 표면이 손상되거나 표면거칠기(Roughness)가 좋지 못하게 되는 등의 문제가 발생하여 미세 가공 공정 및 자연산화막 제거에 제한적으로 사용된다.

그리고, 캔티레버 팁을 이용한 시료의 전기적인 특성 측정은 AFM 장비와 전기적인 신호를 교환할 수 있는 전기 도선을 포함하는 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 특정 영역에 콘택시켜 전기적인 신호를 측정함으로써 시료의 I-V 특성을 알 수 있고, 요구되는 영역을 캔티레버 팁을 사용하여 전기적으로 스캐닝함으로써 시료의 전기전도성 맵(Map)을 얻을 수 있다.

그러나, 전기적인 특성을 평가하기 위한 시료에는 일반적으로 표면에 자연산화막이 형성되며, 이에 따라, 이를 제거하지 않은 상태에서는 시료의 정확한 전기적인 특성을 평가하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 습식 식각으로 시료 표면의 자연산화막이 식각되도록 역할하는 식각용 AFM 장비 팁과 시료의 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 구비한 AFM 장비 및 이를 이용한 전기적인 특성 측정 방법을 제공한다.

일 실시예에 있어서, AFM(Atomic Force Microscope) 장비는, 전기적 특성을 분석하기 위한 시료의 표면에 발생된 자연산화막을 제거하는 제1팁과, 상기 자연산화막이 제거된 시료의 표면과 접촉해서 상기 시료의 전기적 특성을 측정하는 제2팁을 구비하며, 상기 제1팁은, 지지부와 상기 지지부의 일측에 연결되어 에천트가 저장되는 보관부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지지부는 제1실리콘질화막, 제1산화막, 실리콘기판, 제2산화막 및 제2실리콘질화막의 적층막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 보관부는 내부가 에천트를 보관할 수 있도록 비어있는 형태로, 외곽을 둘러싸면서 타측의 일부에 돌출부를 구비하고 상부면이 개방된 형태로서, 바닥은 제1실리콘질화막으로 이루어지고, 외곽을 둘러싸는 외벽은 제1산화막, 실리콘기판, 제2산화막 및 제2실리콘질화막의 적층막으로 이루어지고, 상기 보관부의 돌출부 바닥에는 상기 보관부에 저장된 에천트가 시료로 흘러나가도록 하는 홀 형상의 콘택부가 구비된 것을 특징으로 한다.

다른 실시예에 있어서, AFM 장비를 이용한 전기적 특성 측정 방법은, 상기와 같은 구성을 갖는 제1팁 및 제2팁을 구비한 AFM 장비를 이용한 전기적 특성 측정 방법에 있어서, 시료 표면에 제1팁을 접촉시키고, 상기 제1팁의 보관부에 저장된 에천트로 시료 표면의 자연산화막을 식각하는 단계; 및 상기 자연산화막이 제거된 시료에 제2팁을 접촉시켜 전기적인 특성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

(실시예)

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은, 습식 식각을 위한 에천트(Etchant)를 보유하는 식각용 AFM 장비 팁을 제조하고, 이를 일반적인 시료의 전기적인 특성 측정용 AFM 장비 팁인 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁과 함께 AFM 장비에 구성하여 시료의 전기적인 특성을 측정한다.

즉, 시료의 전기적인 특성을 측정하기 위하여 식각용 AFM 장비 팁에 저장된 에천트를 이용하여 시료 표면에 형성되어 있는 자연산화막을 식각한 후, 식각이 진행된 시료의 표면에 일반적인 시료의 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 이용하여 시료의 전기적인 특성을 측정한다.

따라서, 시료 표면의 자연산화막 제거를 위한 공정을 줄일 수 있고, 자연산화막을 제거한 후, 빠른 시간내에 시료의 전기적인 특성을 측정함으로써 우수한 측정값을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 식각용 AFM 장비 팁을 도시한 평면도 및 사시도이다.

도시된 바와 같이, 시료와 접촉해서 상기 시료 표면의 자연산화막이 식각되 도록 역할하는 식각용 AFM 장비 팁은 일측이 지지부와 상기 지지부의 일측에 연결되어 에천트가 저장되는 콘택부를 포함하는 보관부로 구성되어 있다.

여기서, 상기 지지부는 AFM 장비와 연결되는 부분으로 제1실리콘질화막(110), 제1산화막(108), 실리콘기판(100), 제2산화막(112) 및 제2실리콘질화막(114)의 적층막 구조로 형성되어 있다. 그리고, 보관부는 내부가 에천트(Etchant)를 보관할 수 있도록 비어있는 형태로, 외곽을 둘러싸면서 타측의 일부에 돌출부를 구비하고 2상부면이 개방된 형태로서, 바닥은 제1실리콘질화막(110)으로 이루어지고, 외곽을 둘러싸는 외벽은 제1산화막(108), 실리콘기판(100), 제2산화막(112) 및 제2실리콘질화막(114)의 적층막으로 이루어져 있다. 또한, 상기 보관부의 돌출부 바닥에는 상기 보관부에 저장된 에천트가 시료로 흘러나가도록 하는 홀 형상의 콘택부가 구비되어 있다.

상기와 같이 제작된 식각용 AFM 장비 팁을 이용한 습식 식각 공정은, 식각용 AFM 장비 팁의 콘택부를 포함한 보관부에 습식 식각을 위한 에천트를 보유시킨 상태에서 콘택부를 요구되는 시료 부분에 콘택시키고, 콘택부를 통하여 에천트를 시료에 흘려보내는 방법으로 이루어진다.

따라서, 콘택부에서 흘러나온 에천트로 시료 표면의 자연산화막을 제거하여 그 하부에 위치한 시료에 직접적으로 전기적인 특성 측정을 위한 캔티레버 팁을 콘택시킴으로써 정확한 시료의 전기적인 특성을 측정할 수 있다.

자세하게, 도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 실시예에 따른 식각용 AFM 장비 팁의 제조 과정을 도시한 공정별 단면도 및 사시도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.

이하 도면에서 도시된 단면도는 콘택부를 포함한 보관부의 일부분을 도시한 것으로서, 보관부 바닥을 포함한 외벽 적층막의 구조는 지지부의 적층막 구조와 동일하다. 그리고, 이하 제조 방법 중에 각 에칭 공정으로 제거되는 막들은 콘택부를 포함한 보관부 영역의 막들이며, 지지부를 형성하고 있는 막들은 제조 과정에서 제거하지 않는다.

도 2a를 참조하면, (1,0,0)의 격자구조를 가지는 실리콘 기판(200)의 상면에 실리콘산화막(202)과 비정질(Amophous) 실리콘질화막(204)을 순차적으로 증착한다.

도 2b를 참조하면, 포토레지스트(Photo Resist)로 상기 비정질 실리콘질화막(204) 상에 마스크패턴(미도시)을 형성하고, 콘택부가 형성될 영역을 제외한 실리콘 기판(200) 부분이 노출되도록 비등방성 식각공정으로 실리콘산화막(202)과 비정질 실리콘질화막(204)을 제거한다.

도 2c를 참조하면, 상기 비등방성 식각공정으로 제거되지 않고 남아있는 실리콘산화막(202)과 비정질 실리콘질화막(204)을 식각 마스크로 이용하여 (1,0,0)의 격자구조를 가지는 실리콘 기판(200)을 비등방성 에칭을 이용하여 일정 높이로 제거한다.

이때, 상기 식각 마스크의 하부를 제외하고 제거되는 실리콘 기판(200)의 높이는 대략 10 ∼ 25㎛이고, 상기 식각 마스크로 사용되었던 실리콘산화막(202)과 비정질 실리콘질화막(204)은 에칭 공정 중 콘택되어 있던 실리콘 기판(200) 부분이 뿔 형태를 가지면서 떨어져 나가 제거된다.

도 2d를 참조하면, 상기 에칭 공정으로 일부분이 뿔 형태를 가지는 실리콘 기판(200)에 열산화 공정을 진행하여 에칭 공정으로 손상된 실리콘 기판(200)의 계면을 안정화시킨다. 이때, 열산화 공정으로 실리콘 기판(200)의 표면에는 열산화 공정에 의한 표면산화막(206)이 형성되고, 이로 인하여 뿔 형태를 가지는 실리콘 기판 부분은 날카로운 형태를 가진다.

도 2e를 참조하면, 불산(HF)을 이용한 습식 식각 공정으로 상기 실리콘 기판(200) 상에 형성되어 있던 표면산화막을 제거하고, 클리닝 공정을 진행하여 잔류물을 제거한다.

도 2f를 참조하면, 실리콘 기판(200) 상에 제1산화막(208)을 증착한다. 여기서, 증착된 제1산화막(208)은 이후 증착될 제1실리콘질화막과의 열적인 스트레스를 해소시켜 계면특성을 향상시키고, 콘택부 및 콘택부의 홀을 형성하기 위한 더미 레이어로 사용된다.

도 2g를 참조하면, 상기 제1산화막(208) 상에 콘택부를 포함하는 보관부의 바닥을 이루게 되는 제1실리콘질화막(210)을 형성한다. 그런 다음, 상기 제1실리콘질화막(210) 상의 콘택부가 형성될 부분에 홀을 형성하기 위하여 패터닝 공정을 진행하고 등방성 건식식각을 이용하여 홀이 형성될 부분의 제1실리콘질화막(210)을 제거한다.

도 2h를 참조하면, 상기 실리콘 기판(200)의 하면에 제2산화막(212)과 제2실리콘질화막(214)을 증착한다.

도 2i를 참조하면, 패터닝 공정 및 식각 공정을 진행하여 콘택부를 포함하는 보관부 부분의 내부에 형성되어 있는 제1실리콘질화막(210)을 제외한 제2실리콘질 화막(214), 제2산화막(212), 실리콘 기판(200), 제1산화막(208)을 순차적으로 제거하여 식각용 AFM 장비 팁을 완성한다.

이때, 식각 공정으로 콘택부를 포함하는 보관부는 외곽을 둘러싸면서 타측의 일부에 돌출부를 구비하고 상부면이 개방된 형태로서, 외곽을 둘러싸는 외벽은 제1산화막, 실리콘기판, 제2산화막 및 제2실리콘질화막의 적층막으로 이루어지고, 내부는 바닥을 구성하고 있는 제1실리콘질화막을 제외하고 상기 적층막들은 모두 식각되어 에천트를 보관할 수 있도록 비어있는 형태이다.

그리고, 상기 보관부의 돌출부 바닥에는 상기 보관부에 저장된 에천트가 시료로 흘러나가도록 하는 홀 형상의 콘택부가 형성된다.

한편, 상기와 같은 구성을 가지는 습식 식각을 위한 에천트(Etchant)를 보유하는 식각용 AFM 장비 팁과 일반적인 시료의 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 구비한 AFM 장비를 이용하여 시료의 전기적인 특성 측정 방법은 다음과 같다.

우선, 식각용 AFM 장비 팁을 측정이 요구되는 특정 표면 영역에 콘택시키고, 식각용 AFM 장비 팁에 저장된 에천트를 이용하여 시료 표면에 형성되어 있는 자연산화막을 식각한다. 그런 다음, 식각이 진행된 시료의 표면에 일반적인 시료의 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 이용하여 시료의 전기적 특성을 측정하는 것으로 이루어진다.

그리고, 본 발명의 실시예에 사용되는 습식 식각을 위한 에천트(Etchant)를 보유할 수 있는 식각용 AFM 장비 팁을 구비한 AFM 장비는 시료 내 특정 영역의 미세 회로의 에칭하는 것을 포함하여 미세한 영역을 에칭하여야 하는 공정에 사용되 어 미세 가공 공정을 진행할 수 있다.

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 습식 식각을 위한 에천트(Etchant)를 보유하는 식각용 AFM 장비 팁과 일반적인 시료의 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 구비한 AFM 장비를 이용하여 시료 표면의 자연산화막을 제거한 후, 일반적인 시료의 전기적인 특성 측정용 캔티레버 팁을 이용하여 시료의 전기적인 특성을 측정함으로써, 시료 표면의 자연산화막 제거를 위한 공정을 줄일 수 있고, 자연산화막을 제거한 후, 빠른 시간내에 시료의 전기적인 특성을 측정함으로써 우수한 측정값을 얻을 수 있다.

그리고, 습식 식각을 위한 에천트(Etchant)를 보유하는 식각용 AFM 장비 팁을 구비한 AFM 장비는 미세 영역을 에칭하는 공정에 사용되어 미세 가공 공정을 진행할 수 있다.

Claims (4)

1. 전기적 특성을 분석하기 위한 시료의 표면에 발생된 자연산화막을 제거하는 제1팁과, 상기 자연산화막이 제거된 시료의 표면과 접촉해서 상기 시료의 전기적 특성을 측정하는 제2팁을 구비하며,

   상기 제1팁은, 지지부와 상기 지지부의 일측에 연결되어 에천트가 저장되는 보관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM(Atomic Force Microscope) 장비.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지부는 제1실리콘질화막, 제1산화막, 실리콘기판, 제2산화막 및 제2실리콘질화막의 적층막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 AFM 장비.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보관부는 내부가 에천트를 보관할 수 있도록 비어있는 형태로, 외곽을 둘러싸면서 타측의 일부에 돌출부를 구비하고 상부면이 개방된 형태로서, 바닥은 제1실리콘질화막으로 이루어지고, 외곽을 둘러싸는 외벽은 제1산화막, 실리콘기판, 제2산화막 및 제2실리콘질화막의 적층막으로 이루어지고,

   상기 보관부의 돌출부 바닥에는 상기 보관부에 저장된 에천트가 시료로 흘러나가도록 하는 홀 형상의 콘택부가 구비된 것을 특징으로 하는 AFM 장비.
4. 청구항1의 구성을 갖는 제1팁 및 제2팁을 구비한 AFM 장비를 이용한 전기적 특성 측정 방법에 있어서,

   시료 표면에 제1팁을 접촉시키고, 상기 제1팁의 보관부에 저장된 에천트로 시료 표면의 자연산화막을 식각하는 단계; 및

   상기 자연산화막이 제거된 시료에 제2팁을 접촉시켜 전기적인 특성을 측정하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 AFM 장비를 이용한 전기적 특성 측정 방법.

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