KR20180078437A - 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법 및 원자간력 현미경의 캔틸레버 - Google Patents

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Abstract

제1실리콘층, 절연막과 제2실리콘층이 순차적으로 적층된 SOI기판의 제2실리콘층 상부와 제1실리콘층 하부에 제1상부보호막 및 제1하부보호막을 각각 형성하는 제1단계와, 상기 제1상부보호막에 캔틸레버 아암의 두께를 조절하기 위한 제1패턴을 형성하는 제2단계와, 상기 제1패턴으로 상기 제2실리콘층에 캔틸레버 아암의 두께만큼 제1식각영역을 형성하는 제3단계와, 상기 제1패턴이 형성된 상기 제1상부보호막에 탐침의 상부 기울기를 형성하기 위한 제2패턴을 형성하는 제4단계와, 상기 제3단계의 제1식각영역을 기준으로 상기 절연막의 상부면이 노출될 때까지 상기 제2패턴으로 상기 제2실리콘층을 캔틸레버 아암의 두께만큼 남도록 제거함에 따라 상기 제2패턴 영역에 상기 캔틸레버 아암 영역이 형성되고, 상기 탐침의 상부기울기를 형성하는 제5단계와, 상기 제1상부보호막 및 상기 제1하부보호막을 제거하고, 상기 제2실리콘층 상부 전 영역 및 상기 제1실리콘층 하부 전 영역에 제2상부보호막 및 제2하부보호막을 각각 형성하는 제6단계와, 상기 제2하부보호막에 상기 탐침의 하부 기울기를 형성하기 위한 제3패턴을 형성하는 제7단계와, 상기 제3패턴으로 상기 제1실리콘층을 일부 제거하여 상기 제1실리콘층에 제2식각영역을 형성하는 제8단계와, 상기 제3패턴이 형성된 제2하부보호막에 캔틸레버 지지대를 형성하기 위한 제4패턴을 형성하는 제9단계와, 상기 제8단계에서의 제2식각영역을 기준으로 상기 절연막의 하부면이 노출될 때까지 상기 제3패턴 및 제4패턴으로 상기 제1실리콘층을 제거하여 상기 캔틸레버 지지대를 형성하면서 상기 제1실리콘층을 일부만을 남기고 제거하는 제10단계와, 상기 제10단계에서 노출된 상기 절연막을 제거하여 제3식각영역을 형성하고, 상기 제3식각영역을 이용하여 상기 제2실리콘층을 탐침 하부 기울기를 갖도록 상기 제1실리콘층 일부와 함께 제거하는 제11단계와, 상기 제1실리콘층 일부가 제거되면 노출된 절연막과 제2상부보호막 및 제2하부보호막을 제거하는 제12단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법 및 이에 의해 제조된 원자간력 현미경의 캔틸레버를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 탐침의 기울기의 조절을 용이하게 할 수 있으며, 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 탐침이 조절된 각도로 기울어져 형성되도록 하여 AFM 측정 시 탐침의 끝의 위치를 육안으로 확인할 수 있도록 하여 정확한 시료 정보에 대한 획득이 가능한 이점이 있다.

Description

탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법 및 원자간력 현미경의 캔틸레버{Manufacturing method of AFM cantilever and the AFM cantilever}
본 발명은 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법 및 원자간력 현미경의 캔틸레버에 관한 것으로서, 탐침의 기울기의 조절을 용이하게 할 수 있으며, 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 탐침이 조절된 각도로 기울어져 형성되도록 하여 AFM 측정 시 탐침의 끝의 위치를 육안으로 확인할 수 있도록 하여 정확한 시료 정보에 대한 획득이 가능한 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법 및 원자간력 현미경의 캔틸레버에 관한 것이다.
최근 나노 기술의 발달로 다양한 종류의 나노 소자와 부품들을 제조하는 시도가 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 제품들의 초소형, 고집적화 추세에 따라 이들에 대한 정확한 불량 분석, 공정 평가, 기계적 물성 등의 측정 및 평가를 위한 고해상도의 측정 및 분석장비가 별도로 요구되고 있다.
이러한 분석장비 중 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, 이하 'AFM'이라 한다.)은 시편을 스캐닝하여 시료표면의 평균조도나 2차원 이미지 등 시료 표면의 정보를 얻는 분석장비로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 AFM은 지지체 상에 미세한 힘에 의해 아래위로 휘어지도록 형성된 캔틸레버(Cantilever)와, 상기 캔틸레버 일측 단부에 형성된 뾰족한 형태의 탐침으로 구성되어 있으며, 종래 AFM은 반도체 기판의 습식 식각 또는 건식 식각에 의해 캔틸레버 및 탐침이 제조되고 있다.
이러한 종래의 AFM에서의 탐침은 반도체 기판에 대해 수직한 방향으로 삼각뿔이나 사각뿔, 콘 형태 등으로 구현되어, 실제 AFM 이용 시 탐침 끝의 위치를 육안으로 확인하기가 어려울 뿐만 아니라, 시료의 식각된 부분의 측벽에 대한 정보를 정확하게 획득하기 어려운 문제점 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 미국등록특허 제6,958,124호, 제8,828,243호 등에서는 탐침 끝이 외각으로 기울어진 형태의 기술을 제안하고 있으며, 도 1 및 도 2는 이에 대한 공정을 각각 설명하고 있다.
도 1에 도시된 종래 기술의 경우, 탐침을 형성하기 위해 실리콘 웨이퍼 뒷면에서 스프레이 코팅(Spray coating)과 프로젝션 리소그래피(Projection lithography)를 수행하여 식각 공정을 거치게 되는데, 이 경우 식각 시 실리콘 {111}면의 식각속도가 매우 낮은 것을 이용하게 되므로, 탐침의 각도가 54.7도만으로 이루어지게 된다.
그리고 도 2에 도시된 종래 기술의 경우, 탐침을 형성하기 위해 패턴이 형성된 웨이퍼(1 wafer)를 다른 웨이퍼(2 wafer)와 본딩하여 제작하는 공정으로 이루어지며, 이 또한, 식각 시 실리콘 {111}면의 식각속도가 매우 낮은 것을 이용하게 되므로, 탐침의 각도가 54.7도만으로 이루어지게 된다.
상기의 종래 기술들은 공정이 복잡하여 탐침 제작이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 여러 단계의 공정에 의해 탐침의 형태가 날카롭지 못하여 나노 스캐일의 정보를 얻기 어려워 낮은 해상도의 정보를 제공하게 되는 단점이 있다.
또한, 탐침 단부의 각도가 실리콘 웨이퍼의 성장 방향에 따라 고정되어 있어 탐침의 각도 조절이 용이하지 않아, 다양한 종류의 시료 정보에 대한 획득이 어려우며 그 적용분야가 제한적인 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탐침의 기울기의 조절을 용이하게 할 수 있으며, 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 탐침이 조절된 각도로 기울어져 형성되도록 하여 AFM 측정 시 탐침의 끝의 위치를 육안으로 확인할 수 있도록 하여 정확한 시료 정보에 대한 획득이 가능한 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법 및 원자간력 현미경의 캔틸레버의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제1실리콘층, 절연막과 제2실리콘층이 순차적으로 적층된 SOI기판의 제2실리콘층 상부와 제1실리콘층 하부에 제1상부보호막 및 제1하부보호막을 각각 형성하는 제1단계와, 상기 제1상부보호막에 캔틸레버 아암의 두께를 조절하기 위한 제1패턴을 형성하는 제2단계와, 상기 제1패턴으로 상기 제2실리콘층에 캔틸레버 아암의 두께만큼 제1식각영역을 형성하는 제3단계와, 상기 제1패턴이 형성된 상기 제1상부보호막에 탐침의 상부 기울기를 형성하기 위한 제2패턴을 형성하는 제4단계와, 상기 제3단계의 제1식각영역을 기준으로 상기 절연막의 상부면이 노출될 때까지 상기 제2패턴으로 상기 제2실리콘층을 캔틸레버 아암의 두께만큼 남도록 제거함에 따라 상기 제2패턴 영역에 상기 캔틸레버 아암 영역이 형성되고, 상기 탐침의 상부기울기를 형성하는 제5단계와, 상기 제1상부보호막 및 상기 제1하부보호막을 제거하고, 상기 제2실리콘층 상부 전 영역 및 상기 제1실리콘층 하부 전 영역에 제2상부보호막 및 제2하부보호막을 각각 형성하는 제6단계와, 상기 제2하부보호막에 상기 탐침의 하부 기울기를 형성하기 위한 제3패턴을 형성하는 제7단계와, 상기 제3패턴으로 상기 제1실리콘층을 일부 제거하여 상기 제1실리콘층에 제2식각영역을 형성하는 제8단계와, 상기 제3패턴이 형성된 제2하부보호막에 캔틸레버 지지대를 형성하기 위한 제4패턴을 형성하는 제9단계와, 상기 제8단계에서의 제2식각영역을 기준으로 상기 절연막의 하부면이 노출될 때까지 상기 제3패턴 및 제4패턴으로 상기 제1실리콘층을 제거하여 상기 캔틸레버 지지대를 형성하면서 상기 제1실리콘층을 일부만을 남기고 제거하는 제10단계와, 상기 제10단계에서 노출된 상기 절연막을 제거하여 제3식각영역을 형성하고, 상기 제3식각영역을 이용하여 상기 제2실리콘층을 탐침 하부 기울기를 갖도록 상기 제1실리콘층 일부와 함께 제거하는 제11단계와, 상기 제1실리콘층 일부가 제거되면 노출된 절연막과 제2상부보호막 및 제2하부보호막을 제거하는 제12단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법 및 이에 의해 제조된 원자간력 현미경의 캔틸레버를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 탐침의 기울기는, 상기 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 10도~80도 기울어져 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 탐침의 상부 기울기는, 상기 제2패턴의 형태 또는 식각 조건에 따라 결정되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 탐침의 상부 및 하부 기울기는, 상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층의 결정 방향, 제2패턴의 형태, 제3식각영역의 형태 또는 습식식각 조건에 따라 결정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층은, <100>, <110>, <111> 결정 방향 중 어느 하나를 갖는 것으로, 서로 동일한 결정 방향 또는 서로 다른 결정 방향을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1패턴, 제2패턴, 제3패턴 및 제4패턴은,포토리소그라피 공정에 의한 레지스트 패턴에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1상부보호막, 제1하부보호막, 제2상부보호막 및 제2하부보호막은, SiNx, SiO2 및 Si3N4 중 어느 하나 또는 둘 이상 선택하여 한층 또는 다층으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1상부보호막, 제1하부보호막, 제2상부보호막, 제2하부보호막 및 절연막의 제거는 습식 식각 또는 건식 식각으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 건식 식각은, BCl3, SiCl4, Cl2, HBr, SF6, CF4, C4F8, CH4, CHF3, NF3, CFCs(chlorofluorocarbons), H2 및 O2 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 가스를 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층의 제거는 습식 식각으로 수행하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 습식 식각은, KOH, N(CH3)4OH NaOH, NH4OH, H2SO4, HF, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH, H2O2 및 H2O 중 어느 하나 이상을 포함하는 식각 용액을 사용하며, 상기 식각 용액의 농도는 5 ~ 80% 범위이거나 식각 용액의 온도는 30 ~ 150℃ 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 캔틸레버 지지대는, 상부에 단차를 가지는 것이 바람직하다.
한편, 선택적으로 상기 제12단계 이후에 탐침 끝의 사이즈를 줄이기 위한 산화막 형성 및 제거를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명은 원자간력 현미경의 캔틸레버에 관한 것으로서, 특히 탐침의 기울기가 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 기울어져 형성되어 AFM 측정 시 탐침의 끝의 위치를 육안으로 확인할 수 있도록 하고, 탐침의 첨두부를 날카롭게 형성할 수 있어 고해상도의 정확한 시료 정보에 대한 획득이 가능하도록 한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법은 간단한 공정에 의해 사용 용도나 목적에 따라 탐침의 기울기를 용이하게 변경하여 제작할 수 있어, 그 적용분야를 다양하게 확대할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법은 별도의 기준 패턴을 도입하여, 캔틸레버의 두께 조절 및 탐침의 기울기를 용이하게 조절할 수 있도록 함으로써, 캔틸레버의 두께, 탐침의 기울기 및 형태의 정확성 및 재현성이 뛰어나 고품질의 원자간력 현미경용 캔틸레버를 제공할 수 있도록 한 것이다.
또한, 식각 패턴의 형태와 식각 조건 또는 제1실리콘층 및 제2실리콘층의 결정 방향, 제2패턴의 형태 또는 제3식각영역의 형태에 따라 탐침의 형태 및 기울기 조절이 용이하며, 전체적인 캔틸레버의 형태를 다양하게 변화시킬 수 있어, 그 적용분야가 더욱 확대되어 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법은 캔틸레버 지지대와 탐침 하부의 기울기 결정을 위한 패턴의 동시 식각이 가능하도록 하여 탐침의 형성이 용이하며 제작방법이 간단한 효과가 있다.
이에 의해 캔틸레버 탐침의 제조공정 수율을 향상시킬 수 있으며, 공정의 정확성 및 제품의 신뢰성을 향상시켜 공정 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2 - 종래 기술에 따른 캔틸레버 제조방법에 대한 모식도.
도 3 - 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법에 대한 모식도.
도 4 - 본 발명에 따른 탐침의 다양한 실시예를 나타낸 도.
도 5 - 본 발명에 따른 탐침의 다양한 실시예에 대한 모식도.
도 6 - 본 발명의 제2패턴의 다양한 실시예를 나타낸 도.
도 7 - 본 발명에 따른 실리콘층의 결정면에 따라 형성될 수 있는 탐침의 기울기 각도를 나타낸 도.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 각도는 일실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게
설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구
항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 온도, 농도, 패턴 형상, 각도, 길이, 결정방향 및 결정면 등과 그 형태는 편의를 위하여 표현될 수도 있다.
본 발명은 원자간력 현미경의 캔틸레버에 관한 것으로서, 특히 탐침의 기울기가 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 기울어져 형성되어 AFM 측정 시 탐침의 끝의 위치를 육안으로 확인할 수 있도록 하고, 탐침의 첨두부를 날카롭게 형성할 수 있어 고해상도의 정확한 시료 정보에 대한 획득이 가능하도록 한 것이다.
이에 의해 캔틸레버 탐침의 제조공정 수율을 향상시킬 수 있으며, 공정의 정확성 및 제품의 신뢰성을 향상시켜 공정 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 3은 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법에 대한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 탐침의 다양한 실시예를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명에 따른 탐침의 다양한 실시예에 대한 모식도이고, 도 6은 본 발명의 제2패턴 및 제3식각영역의 다양한 실시예를 나타낸 도이며, 도 7은 본 발명에 따른 실리콘층의 결정면에 따라 형성될 수 있는 탐침의 기울기 각도를 나타낸 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법은, 제1실리콘층(10), 절연막(20)과 제2실리콘층(30)이 순차적으로 적층된 SOI기판의 제2실리콘층(30) 상부와 제1실리콘층(10) 하부에 제1상부보호막(40) 및 제1하부보호막(50)을 각각 형성하는 제1단계와, 상기 제1상부보호막(40)에 캔틸레버 아암(2)의 두께를 조절하기 위한 제1패턴(100)을 형성하는 제2단계와, 상기 제1패턴(100)으로 상기 제2실리콘층(30)에 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 제1식각영역(200)을 형성하는 제3단계와, 상기 제1패턴(100)이 형성된 상기 제1상부보호막(40)에 탐침(3)의 상부 기울기를 형성하기 위한 제2패턴(300)을 형성하는 제4단계와, 상기 제3단계의 제1식각영역(200)을 기준으로 상기 절연막(20)의 상부면이 노출될 때까지 상기 제2패턴(300)으로 상기 제2실리콘층(30)을 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 남도록 제거함에 따라 상기 제2패턴(300) 영역에 상기 캔틸레버 아암 영역(400)이 형성되고, 상기 탐침(3)의 상부기울기를 형성하는 제5단계와, 상기 제1상부보호막(40) 및 상기 제1하부보호막(50)을 제거하고, 상기 제2실리콘층(30) 상부 전 영역 및 상기 제1실리콘층(10) 하부 전 영역에 제2상부보호막(60) 및 제2하부보호막(70)을 각각 형성하는 제6단계와, 상기 제2하부보호막(70)에 상기 탐침(3)의 하부 기울기를 형성하기 위한 제3패턴(500)을 형성하는 제7단계와, 상기 제3패턴(500)으로 상기 제1실리콘층(10)을 일부 제거하여 상기 제1실리콘층(10)에 제2식각영역(600)을 형성하는 제8단계와, 상기 제3패턴(500)이 형성된 제2하부보호막(70)에 캔틸레버 지지대(1)를 형성하기 위한 제4패턴(700)을 형성하는 제9단계와, 상기 제8단계에서의 제2식각영역(600)을 기준으로 상기 절연막(20)의 하부면이 노출될 때까지 상기 제3패턴(500) 및 제4패턴(700)으로 상기 제1실리콘층(10)을 제거하여 상기 캔틸레버 지지대(1)를 형성하면서 상기 제1실리콘층(10)을 일부만을 남기고 제거하는 제10단계와, 상기 제10단계에서 노출된 상기 절연막(20)을 제거하여 제3식각영역(800)을 형성하고, 상기 제3식각영역(800)을 이용하여 상기 제2실리콘층(30)을 탐침(3) 하부 기울기를 갖도록 상기 제1실리콘층(10) 일부와 함께 제거하는 제11단계와, 상기 제1실리콘층(10) 일부가 제거되면 노출된 절연막(20)과 제2상부보호막(60) 및 제2하부보호막(70)을 제거하는 제12단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이렇게 제조된 본 발명에 따른 캔틸레버의 탐침(3)의 기울기는, 상기 캔틸레버 아암(2)의 선단부를 기준으로 바깥으로 10도~80도 기울어져 있는 것을 특징으로 하며, 상기 탐침(3)의 기울기, 탐침(3)의 형상, 캔틸레버의 두께 및 캔틸레버 지지대(1)의 형태 등은 상기 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)의 식각에 의해 진행되게 된다.
특히, 상기 탐침(3)은 캔틸레버 아암(2)의 선단부를 기준으로 바깥으로 기울어져 형성되며, 상기 기울기의 조절은 실리콘층의 결정 방향이나 식각 패턴의 형태, 식각 조건 등에 따라서 용이하게 변경할 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 탐침(3)의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법은, 먼저, 제1실리콘층(10), 절연막(20)과 제2실리콘층(30)이 순차적으로 적층된 SOI(Silicon On Insulator)기판을 준비하며, 상기 절연막(20)은 실리콘 산화막을 사용한다. 여기에서, 상기 제2실리콘층(30) 상부와 제1실리콘층(10) 하부에 제1상부보호막(40) 및 제1하부보호막(50)을 각각 형성한다(제1단계).
상기 제1상부보호막(40) 및 제1하부보호막(50)은 상기 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)에 수행되는 식각 공정 시 상기 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)을 보호하고, 특정 부분에 식각영역을 형성하기 위한 것으로서, 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)에 대해 식각 선택비가 높은 재료를 사용한다.
바람직하게는, 상기 제1상부보호막(40) 및 제1하부보호막(50)은 SiNx, SiO2 및 Si3N4 중 어느 하나 또는 둘 이상 선택하여 한층 또는 다층으로 형성하거나 이들 중 둘 이상을 선택하여 교대로 형성할 수 있으며, 공지의 물리, 화학적 박막 증착 공정에 의해 형성한다.
한편, 상기 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)은 다양한 결정 방향의 실리콘을 사용할 수 있으며, 종래에 널리 사용되는 <100> 방향뿐만 아니라, <110>, <111> 결정 방향 중 어느 하나를 사용할 수도 있는 등, 단결정, 다결정, 비정질 실리콘층 등 다양한 구조를 갖는 실리콘층을 사용할 수 있다. 이러한 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)은, 서로 동일한 결정 방향 또는 서로 다른 결정 방향을 가질 수도 있다.
즉, 종래에는 <100> 방향 실리콘층을 사용하여 탐침(3)의 첨단부가 캔틸레버 아암(2)의 상단면에 대해 수직한 위치에 형성된 삼각뿔형태로 형성되거나, 실리콘의 특정 {111}면 만을 사용하여, 비등방성 습식 식각에 의해 탐침(3)의 첨단부가 캔틸레버 아암(2)의 선단부를 기준으로 54.7도만으로 이루어져 형성된 것만 제공되었으나, 본 발명에서는 다양한 결정 방향의 실리콘층을 사용하여 원하는 기울기를 갖는 탐침(3)의 제조가 용이하도록 한 것이다.
본 발명에서의 탐침(3)의 기울기의 제어는 실리콘층의 결정 방향뿐만 아니라, 식각 패턴의 형태나 식각 조건 등의 다양한 조합에 의해 구현될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하고자 한다.
그리고, 상기 제1상부보호막(40)에 캔틸레버 아암(2)의 두께를 조절하기 위한 제1패턴(100)을 형성한다(제2단계). 상기 제1패턴(100)은 포토리소그라피 공정에 의한 레지스트 패턴에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 제2실리콘층(30) 상부에 형성된 제1상부보호막(40)을 패터닝하기 위하여 제1상부보호막(40) 상부에 감광성 레지스트층을 코팅한 후, 포토리소그라피 공정에 의한 패터닝 공정에 의해 레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각 마스크로 하여 건식 또는 습식 식각을 진행하여 상기 제1상부보호막(40)에 제1패턴(100)을 형성하는 것이다.
여기에서, 상기 제1상부보호막(40)의 상기 건식 식각은, BCl3, SiCl4, Cl2, HBr, SF6, CF4, C4F8, CH4, CHF3, NF3, CFCs(chlorofluorocarbons), H2 및 O2 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 가스를 사용하여 이루어지며, 상기 습식 식각은, KOH, N(CH3)4OH NaOH, NH4OH, H2SO4, HF, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH, H2O2 및 H2O중 어느 하나 이상을 포함하는 식각 용액을 사용하여 이루어진다.
상기 제1상부보호막(40)에 형성된 제1패턴(100)은 상기 제2실리콘층(30)이 노출된 영역을 제공하며, 상기 제1패턴(100)으로 상기 제2실리콘층(30)을 식각하여 식각영역을 형성하게 된다.
여기에서, 상기 제1패턴(100)으로 식각되는 제2실리콘층(30)의 두께는 캔틸레버 아암(2)의 두께를 결정하는 기준이 되므로, 상기 제1패턴(100)은 캔틸레버 아암(2)의 두께를 조절하기 위한 기준 패턴으로 제공되는 것이다.
그리고, 상기 제1패턴(100)으로 상기 제2실리콘층(30)에 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 제1식각영역(200)을 형성하는 것으로(제3단계), 상기 제1상부보호막(40)은 식각공정으로부터 상기 제2실리콘층(30)을 전체적으로 보호하며, 제1상부보호막(40)에 형성된 제1패턴(100)으로 상기 제2실리콘층(30)을 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 식각하여 제1식각영역(200)을 형성하는 것이다.
즉, 상기 제2실리콘층(30)의 제1식각영역(200)은 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 식각하여 형성함으로써, 상기 제1패턴(100)은 후술할 제2패턴(300)으로 제2실리콘층(30)을 식각하여 캔틸레버 아암(2)의 두께를 설정하고자 할 때 기준 패턴이 되는 것이다.
그리고, 상기 제1패턴(100)이 형성된 상기 제1상부보호막(40)에 탐침(3)의 상부 기울기를 형성하기 위한 제2패턴(300)을 형성한다(제4단계).
상기 제1패턴(100)에 의해 상기 제2실리콘층(30)에 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 제1식각영역(200)을 형성한 후, 상기 제1상부보호막(40)의 다른 영역인 캔틸레버 아암(2)이 형성될 위치에 제2패턴(300)을 형성한다. 상기 제2패턴(300) 또한 제1패턴(100)과 동일하게 캔틸레버 아암(2)이 형성될 위치에 포토리소그라피 공정에 의한 레지스트 패턴에 의해 구현된다.
상기 제2패턴(300)으로 제2실리콘층(30)을 식각하게 되면, 캔틸레버 아암 영역(400)이 형성되면서, 캔틸레버 아암(2)의 선단부에는 탐침(3)의 상부 기울기가 형성되게 된다.
그리고, 상기 제3단계의 제1식각영역(200)을 기준으로 상기 절연막(20)의 상부면이 노출될 때까지 상기 제2패턴(300)으로 상기 제2실리콘층(30)을 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 남도록 제거함에 따라 상기 제2패턴(300) 영역에 상기 캔틸레버 아암 영역(400)이 형성되고, 상기 탐침(3)의 상부 기울기를 형성하게 된다(제5단계).
즉, 상기 제1패턴(100)에 의해 형성된 제2실리콘층(30)의 제1식각영역(200)을 기준으로 하여 제2패턴(300)을 동시에 식각하되, 제1식각영역(200)으로 상기 절연막(20)의 상부면이 노출되면 상기 제2패턴(300) 영역으로는 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 캔틸레버 아암 영역(400)이 형성되게 되므로 식각 공정을 멈추게 되며, 이에 의해 상기 캔틸레버 아암 영역(400)의 모서리는 탐침(3)의 상부 기울기를 형성하게 된다.
여기에서, 상기 제1식각영역(200) 및 캔텔레버 아암 영역 형성을 위해 제2실리콘층(30)의 제거는 습식 식각 공정으로 이루어지게 되며, 제2실리콘층(30)의 이방성 식각에 이루어지게 된다.
상기 습식 식각은, KOH, N(CH3)4OH NaOH, NH4OH, H2SO4, HF, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH, H2O2 및 H2O 중 어느 하나 이상을 포함하는 식각 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 식각 용액의 농도를 5~80%으로 조절하거나, 식각 용액의 온도를 30~150℃으로 조절하거나 또는 식각 용액의 종류를 조절하거나, 상기 제2패턴(300)의 형태를 다양하게 변화시켜서 식각 공정 후 노출되는 실리콘의 면을 제어할 수 있게 되므로 탐침(3)의 기울기를 다양하게 조절할 수 있다.
여기서, 식각 용액의 농도가 5% 보다 낮거나 온도가 30℃ 보다 낮은 경우에는 실리콘의 식각율(Etching rate)이 느려지게 되어 바람직하지 않으며, 식각 용액의 농도가 80% 보다 높거나 온도가 150℃ 보다 높은 경우에는 식각율이 높아서 캔틸레버의 두께 제어 및 탐침의 기울기 조절에 있어서 어렵다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 제2실리콘층(30)의 결정 방향에 따라 이방성 식각 정도가 달라지며, 식각 부분의 노출된 면이 달라지게 되므로, 탐침(3)의 상부 기울기의 제어가 용이하게 된다.
따라서, 상기 식각 용액의 농도나 종류, 패턴형태와 같은 식각 조건을 달리하거나, 제2실리콘층(30)의 결정 방향을 미리 설정하여, 원하는 기울기 및 형태를 가지는 탐침(3)을 형성할 수 있는 것이다.
여기에서, 상기 캔틸레버 아암(2)의 두께는 상술한 바와 같이, 상기 제1패턴(100)에 형성된 제1식각영역(200)이 기준이 되며, 미리 제1패턴(100)으로 제1식각영역(200)을 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 형성한 다음, 이를 기준으로 절연막(20)이 노출될 때까지 식각 공정을 진행하게 되면 상기 제2패턴(300)으로는 캔틸레버 아암(2)의 두께를 제외한 두께만큼 제2실리콘층(30)이 제거가 되어 상기 제2패턴(300)으로는 설계된 캔틸레버 아암(2)의 두께를 가지는 캔틸레버 아암 영역(400)이 형성되게 된다.
이러한 상기 캔틸레버 아암 영역(400)의 형성에 따라, 상기 캔틸레버 지지대(1)는 상부에 단차(4)를 가지는 형태로 형성되게 된다. 즉, 상기 캔틸레버 아암 영역(400)은 상기 캔틸레버 지지대(1) 상부 형태 및 탐침(3)의 상부 기울기를 동시에 결정짓게 된다.
상기 캔틸레버 지지대(1) 상부에 형성된 단차(4)는, 캔틸레버 지지대(1)의 높이와 탐침(3)의 높이가 같거나 다르게 형성되도록 하여, 탐침(3)의 손상을 방지할 수 있도록 한다.
한편, 상기 제2패턴(300)은 탐침(3)의 기울기에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있다(도 6 참조). 즉, 상기 제2패턴(300)의 형태에 따라 제2실리콘층(30)의 이방성 식각 정도가 달라지므로, 상기 제2패턴(300)의 형태에 따라 탐침(3)의 기울기를 용이하게 조절할 수 있다.
즉, 본 발명은 제1패턴(100)과 제1식각영역(200)이라는 기준 패턴을 도입함으로써, 일정 두께의 캔틸레버 아암(2)의 형성과 캔틸레버 탐침(3)의 기울기를 동시에 형성할 수 있어, 간단한 공정에 의해 캔틸레버의 두께, 탐침(3)의 기울기 및 형태의 정확성 및 재현성이 도모할 수 있도록 한 것이다.
그리고, 상기 제1상부보호막(40) 및 상기 제1하부보호막(50)을 제거하고, 상기 제2실리콘층(30) 상부 전 영역 및 상기 제1실리콘층(10) 하부 전 영역에 제2상부보호막(60) 및 제2하부보호막(70)을 각각 형성한다(제6단계). 상기 제2상부보호막(60) 및 제2하부보호막(70)은 상기 제2실리콘층(30) 및 제1실리콘층(10)을 식각 공정으로부터 보호하기 위한 것으로서, 상술한 상기 제1상부보호막(40) 및 제1하부보호막(50)과 동일한 방법으로 상기 제2실리콘층(30)의 상부에 형성한다. 또한, 상기 제1상부보호막(40) 및 제1하부보호막(50)의 제거는 상술한 건식 또는 습식 식각으로 제거된다.
그리고, 상기 제2하부보호막(70)에 상기 탐침(3)의 하부 기울기를 형성하기 위한 제3패턴(500)을 형성한다(제7단계). 그리고, 상기 제3패턴(500)으로 상기 제1실리콘층(10)을 일부 제거하여 상기 제1실리콘층(10)에 제2식각영역(600)을 형성하고(제8단계), 상기 제3패턴(500)이 형성된 제2하부보호막(70)에 캔틸레바 지지대를 형성하기 위한 제4패턴(700)을 형성한다(제9단계).
상기 제2하부보호막(70)은 상술한 바와 같이, SiNx, SiO2 및 Si3N4 중 어느 하나 또는 둘 이상 선택하여 한층 또는 다층으로 이루어 질 수 있다.
상기 제2하부보호막(70)에 상기 제1패턴(100)과 동일한 방법으로 상기 탐침(3)의 하부 기울기를 형성할 수 있도록 상기 제1실리콘층(10)의 일부 영역이 노출되도록 제3패턴(500)을 형성하는 것이다. 상기 제3패턴(500)은 상기 제1실리콘층(10) 영역의 두 영역 상에 형성되며, 하나는 상기 절연막(20)이 노출될 때까지 제1실리콘층(10)을 식각하기 위한 기준 패턴이 되며, 하나는 탐침(3)의 하부 기울기를 형성할 수 있도록 하기 위함이다.
그리고, 상기 제3패턴(500)이 형성된 제2하부보호막(70)에 캔틸레바 지지대 형성을 위한 제4패턴(700)을 형성하며, 이 또한 제1패턴(100)과 동일한 포토리소그라피 공정에 의한 레지스트 패턴에 의해 구현되게 된다.
그리고, 상기 제8단계에서의 제2식각영역(600)을 기준으로 상기 절연막(20)의 하부면이 노출될 때까지 상기 제3패턴(500) 및 제4패턴(700)으로 상기 제2실리콘층(30)을 제거하여 상기 캔틸레버 지지대(1)를 형성하면서 상기 제1실리콘층(10)을 일부만을 남기고 제거하게 된다(제10단계).
여기에서 남은 제1실리콘층(10)의 일부는 상기 제2식각영역(600)의 두께만큼 남게 된다.
상기 제8단계 및 제9단계에서 형성된 제3패턴(500)(이미 제2식각영역(600)이 형성되어 있는 상태) 및 제4패턴(700)으로 동시에 식각 공정을 진행함으로써, 상기 제3패턴(500)으로는 제3식각영역(800)을 형성하여 탐침(3)의 하부 기울기를 형성하도록 하고, 상기 제4패턴(700)으로는 상기 캔틸레버 지지대(1)의 하부 부분을 형성하게 되면서, 제2식각영역(600) 상으로 절연막(20)이 노출되게 되어 공정을 멈추게 되면, 상기 제4패턴(700) 영역으로 상기 제1실리콘층(10)의 일부만이 남게 되는 것이다.
즉, 상기 제3패턴(500) 및 제4패턴(700)에 의해 캔틸레버 지지대(1)와 탐침(3) 하부의 기울기 결정을 위한 패턴형성 공정이 동시에 이루어지게 되어 탐침(3)의 형성이 용이하게 이루어 질 수 있다.
그리고, 상기 제10단계에서 노출된 상기 절연막(20)을 제거하여 제3식각영역(800)을 형성하고, 상기 제3식각영역(800)을 이용하여 상기 제2실리콘층(30)을 탐침(3)의 하부 기울기를 갖도록 상기 제1실리콘층(10) 일부와 함께 제거한다(제11단계).
즉, 상기 제10단계에서 제3패턴(500)을 기준으로 하여 절연막(20)이 노출될 때까지 식각하고, 이 때 노출된 상기 절연막(20)을 제거하면 상기 제2식각영역(600)의 두께에 해당하는 제1실리콘층(10)의 일부와 제3식각영역(800)이 형성되게 된다.
상기 제3식각영역(800)을 이용하여 상기 제2실리콘층(30)을 탐침(3)의 하부 기울기를 갖도록 식각 공정을 수행하게 되면, 상기 제1실리콘층(10)의 남은 부분도 제거되게 되면서, 캔틸레버 지지대(1), 아암 및 탐침(3)의 형성이 완료되게 된다.
여기에서, 상기 캔틸레버 지지대(1)의 형태나 탐침(3)의 기울기 등은 상술한 바와 같이, 상기 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)의 결정 방향, 제2패턴(300)의 형태나, 제3식각영역(800)의 형태, 습식 식각 조건, 패턴 형상에 따라 결정될 수 있으며, 이러한 조건들의 조합에 의해 다양한 형태의 탐침(3)을 형성할 수 있는 것이다.
그 후, 상기 제1실리콘층(10) 일부가 제거되면 노출된 절연막(20)과 상기 제2상부보호막(60) 및 제2하부보호막(70)을 모두 제거하여, 본 발명에 따른 캔틸레버의 제조를 완성하게 된다.
한편, 선택적으로 상기 제12단계 이후에 탐침(3) 끝의 사이즈를 줄이기 위한 산화막 형성 및 제거를 수행할 수도 있다.
이와 같이 제조된 본 발명에 따른 캔틸레버는 캔틸레버 지지대(1)와, 상기 캔틸레버 지지대(1) 상부에 위치하며 일측이 부상된 캔틸레버 아암(2) 및 싱기 캔틸레버 아암(2)의 부상된 영역의 끝단에 형성된 탐침(3)을 포함하여 이루어지며, 상기 탐침(3)의 기울기는 상기 캔틸레버 아암(2)의 선단부를 기준으로 바깥으로 10도~80도 기울어져 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐침(3)의 기울기, 탐침(3)의 형상, 캔틸레버의 두께 및 캔틸레버 지지대(1)의 형태 등은 상기 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)의 식각에 의해 진행되게 되며, 특히, 상기 탐침(3)은 캔틸레버 아암(2)의 선단부를 기준으로 바깥으로 기울어져 형성되며, 상기 기울기의 조절은 기판으로 사용되는 실리콘층의 결정 방향이나 식각 패턴의 형태, 식각 조건 등에 따라서 용이하게 변경할 수 있는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 3은 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법에 대한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 탐침의 다양한 실시예를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명에 따른 탐침의 다양한 실시예에 대한 모식도이며, 도 6은 본 발명의 제2패턴 및 제3식각영역의 다양한 실시예를 나타낸 도이다.
먼저, 제1실리콘층(10), 절연막(20)과 제2실리콘층(30)이 순차적으로 적층된 SOI 기판의 제2실리콘층(30) 상부와 제1실리콘층(10) 하부에 실리콘 산화막(제1상부보호막(40) 및 제2상부보호막(60))을 증착한다.
그리고, 상기 제1상부보호막(40) 상에 포토리소그라피 공정을 통하여 패턴한 후 건식 에칭을 통하여 상기 제1상부보호막(40)을 패터닝하여 제1패턴(100)을 형성한다.
이후 70℃, 50% KOH:DI = 1:3 비율의 식각 용액에 담가 습식 식각을 통하여 제2실리콘층(30)을 원하는 캔틸레버 아암(2)의 두께만큼 남도록 제거하여 제1식각영역(200)을 형성한 후 다시 포토리소그라피 공정 및 건식 식각 공정을 통하여 캔틸레버 탐침(3) 상부 기울기를 만들기 위해 상기 제1상부보호막(40)에 제2패턴(300)을 만든다.
그리고, 상기 제2실리콘층(30)을 70℃, 50% KOH:DI = 1:3 비율의 식각 용액에 담가 습식 식각을 수행하면서, 미리 형성된 상기 제1패턴(100)으로 절연막(20)이 나타나면 식각 공정을 중단하여 캔틸레버 아암(2)의 두께 만큼 제2패턴(300) 영역 상에 상기 캔틸레버 아암 영역(400)이 남도록 형성한다.
이후 전체 제1상부보호막(40) 및 제1하부보호막(50)을 50% HF : DI = 1:5 비율의 식각 용액에 담가 제거하고, 상기 제2실리콘층(30) 상부와 제1실리콘층(10) 하부에 제2상부보호막(60) 및 제2하부보호막(70)으로 실리콘산화막과 실리콘 질화막으로 이루어진 다층의 보호막을 각각 형성한다.
그리고, 상기 제2하부보호막(70)에는 포토리소그리피 공정 및 건식 식각 공정에 의해 제3패턴(500)을 형성하고, 이후 제1실리콘층(10)을 70℃, 50% KOH:DI = 1:3 비율의 식각 용액에 담가 습식 식각 제거하여 제2식각영역(600)을 형성한다.
이때, 상기 제2식각영역(600)의 깊이는 제2실리콘층(30)의 두께보다 적게 되도록 형성하여, 상기 제2실리콘층(30)을 식각하여 탐침(3)의 하부 기울기의 형성 시 제1실리콘층(10)으로 형성된 패턴이 없어지도록 하기 위함이다.
이후 다시 포토리소그라피 공정을 통하여 캔틸레버 지지대(1)를 만들기 위해 건식 식각 공정을 통해 상기 제2하부보호막(70)을 식각하여 제4패턴(700)을 형성하며, 그 후 80℃, 50% KOH:DI = 1:3 비율의 식각 용액에 담가 제1실리콘층(10)을 제거하게 된다.
이 때 미리 형성된 캔틸레버 탐침(3) 하부 기울기를 만들기 위한 제3패턴(500)에 절연막(20)이 나타나면 식각 공정을 중단하여 캔틸레버 지지대(1) 및 탐침(3)의 하부 기울기를 형성하기 위한 패턴 모양이 제1실리콘층(10)에 남도록 한다.
그리고, 남은 제1실리콘층(10)으로 탐침(3)의 하부 기울기를 형성하기 위해 상기 제1실리콘층(10)에 남은 패턴 모양을 마스크 삼아 절연막(20)을 건식 식각을 통해 제거함으로써, 제3식각영역(800)을 형성한다.
그리고, 상기 제2실리콘층(30)을 70℃, 50% KOH의 식각 용액에 담가 습식 식각을 진행하여 탐침(3)의 하부 기울기를 형성하여 탐침(3)을 완성하게 된다.
그 후 남은 제2상부보호막(60)과 제2하부보호막(70)을 50% HF : DI = 1:5 비율로 만든 식각 용액에 담가 제거한다.
완성된 캔틸레버의 탐침(3)의 끝의 사이즈를 작게 하기 위해 산화막을 형성하고 제거하는 공정을 진행하여 캔틸레버 탐침(3)의 끝 사이즈를 작게 하거나, 탐침(3)의 첨두부를 더욱 날카롭게 할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탐침(3)의 다양한 실시예를 나타낸 것으로서, 도 4(a)는 제1패턴(100) 및 제2패턴(300)에 의해 소정 두께의 캔틸레버 아암 영역(400)이 형성된 상태에서의 탐침(3)의 상부 기울기가 형성된 것이다.
이 경우에의 다양한 탐침(3)의 상부 기울기를 도시한 것으로서, 도 4(b)는 탐침(3)의 상부 기울기가 45도인 경우, 도 4(c)는 탐침(3)의 상부 기울기가 54.7도인 경우, 도 4(d)는 탐침(3)의 상부 기울기가 72.4도인 경우를 도시한 것으로서, 제1실리콘층(10)의 결정 방형, 제2패턴(300)의 형태 또는 식각 조건에 따라 다양한 상부 기울기가 나타나게 된다.
도 5는 이러한 탐침(3)의 상부 기울기 및 하부 기울기에 대한 다양한 예시를 나타낸 모식도로써, 일반적으로, <100> 방향 실리콘 기판에서 54.7도의 기울기의 경우에는 실리콘 {111}면, 72.4도의 경우 실리콘 {113}면, 45도의 경우 실리콘 {110}면을 나타낸다.
여기에서, 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)의 결정 방향에 따라 또는 식각 용액의 농도를 5~80%로, 식각 용액의 온도를 30~150℃로 조절하거나, 식각 용액의 종류를 달리하여, 상기 탐침(3)의 기울기를 다양하게 조절할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제2패턴(300) 및 제3식각영역(800)의 다양한 실시예를 나타낸 것으로서, 도 6(a)와 같은 제2패턴(300) 및 제3식각영역(800)의 경우에는 실리콘 {111} 면이 노출되어 탐침(3)의 기울기 또는 탐침(3)하부의 기울기가 54.7도로 구현되며, 도 6(b)와 같은 제2패턴(300) 및 제3식각영역(800)의 경우에는 식각용액 농도에 따라 실리콘 {110} 면 또는 {113} 면이 노출되어 탐침(3)의 기울기 또는 탐침(3)하부의 기울기가 각각 45도, 72.4도를 이루게 되며, 상기 제2패턴(300) 및 제3식각영역(800)의 형태를 다양하게 변화시켜, 식각 공정 후 노출되는 실리콘의 면을 제어할 수 있도록 하여, 탐침(3)의 기울기를 다양하게 조절할 수도 있다.
도 7은 실리콘층의 결정면에 따라 형성될 수 있는 탐침의 기울기 각도를 나타낸 것으로, 본 발명에서는 다양한 각도를 구현하기 위하여 제1실리콘층(10) 및 제2실리콘층(30)의 결정 방향을 조절하거나, 식각 용액의 농도를 5~80%으로 조절하거나, 식각 용액의 온도를 30~150℃으로 조절하거나 또는 식각 용액의 종류를 조절하거나, 상기 제2패턴(300) 및 제3식각영역(800)의 형태를 다양하게 변화시켜서 식각 공정 후 노출되는 실리콘의 면을 제어할 수 있게 되므로 탐침(3)의 기울기를 다양하게 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 원자간력 현미경의 캔틸레버에 관한 것으로서, 특히 탐침의 기울기가 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 기울어져 형성되어 AFM 측정 시 탐침의 끝의 위치를 육안으로 확인할 수 있도록 하고, 탐침의 첨두부를 날카롭게 형성할 수 있어 고해상도의 정확한 시료 정보에 대한 획득이 가능하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법은 간단한 공정에 의해 사용 용도나 목적에 따라 탐침의 기울기를 용이하게 변경하여 제작할 수 있어, 그 적용분야를 다양하게 확대할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법은 별도의 기준 패턴이나 식각영역을 도입하여, 캔틸레버의 정밀한 두께 조절 및 탐침의 기울기를 용이하게 조절할 수 있도록 함으로써, 캔틸레버의 두께, 탐침의 기울기 및 형태의 정확성 및 재현성이 뛰어나 고품질의 원자간력 현미경용 캔틸레버를 제공할 수 있도록 한 것이다.
또한, 식각 패턴의 형태와 식각 조건 또는 제1실리콘층 및 제2실리콘층의 결정 방향, 제2패턴의 형태 또는 제3식각영역의 형태에 따라 탐침의 형태 및 기울기 조절이 용이하며, 전체적인 캔틸레버의 형태를 다양하게 변화시킬 수 있어, 그 적용분야가 더욱 확대되어 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자간력 현미경용 캔틸레버의 제조방법은 캔틸레버 지지대와 탐침 하부의 기울기 결정을 위한 패턴의 동시 식각이 가능하도록 하여 탐침의 형성이 용이하며 제작방법이 간단한 장점이 있다.
이에 의해 캔틸레버 탐침의 제조공정 수율을 향상시킬 수 있으며, 공정의 정확성 및 제품의 신뢰성을 향상시켜 공정 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
1 : 캔틸레버 지지대 2 : 캔틸레버 아암
3 : 탐침 4 : 단차
10 : 제1실리콘층 20 : 절연막
30 : 제2실리콘층 40 : 제1상부보호막
50 : 제1하부보호막 60 : 제2상부보호막
70 : 제2하부보호막 100 : 제1패턴
200 : 제1식각영역 300 : 제2패턴
400 : 캔틸레버 아암 영역 500 : 제3패턴
600 : 제2식각영역 700 : 제4패턴
800 : 제3식각영역

Claims (17)

  1. 제1실리콘층, 절연막과 제2실리콘층이 순차적으로 적층된 SOI기판의 제2실리콘층 상부와 제1실리콘층 하부에 제1상부보호막 및 제1하부보호막을 각각 형성하는 제1단계;
    상기 제1상부보호막에 캔틸레버 아암의 두께를 조절하기 위한 제1패턴을 형성하는 제2단계;
    상기 제1패턴으로 상기 제2실리콘층에 캔틸레버 아암의 두께만큼 제1식각영역을 형성하는 제3단계;
    상기 제1패턴이 형성된 상기 제1상부보호막에 탐침의 상부 기울기를 형성하기 위한 제2패턴을 형성하는 제4단계;
    상기 제3단계의 제1식각영역을 기준으로 상기 절연막의 상부면이 노출될 때까지 상기 제2패턴으로 상기 제2실리콘층을 캔틸레버 아암의 두께만큼 남도록 제거함에 따라 상기 제2패턴 영역에 상기 캔틸레버 아암 영역이 형성되고, 상기 탐침의 상부기울기를 형성하는 제5단계;
    상기 제1상부보호막 및 상기 제1하부보호막을 제거하고, 상기 제2실리콘층 상부 전 영역 및 상기 제1실리콘층 하부 전 영역에 제2상부보호막(60) 및 제2하부보호막을 각각 형성하는 제6단계;
    상기 제2하부보호막에 상기 탐침의 하부 기울기를 형성하기 위한 제3패턴을 형성하는 제7단계;
    상기 제3패턴으로 상기 제1실리콘층을 일부 제거하여 상기 제1실리콘층에 제2식각영역을 형성하는 제8단계;
    상기 제3패턴이 형성된 제2하부보호막에 캔틸레버 지지대를 형성하기 위한 제4패턴을 형성하는 제9단계;
    상기 제8단계에서의 제2식각영역을 기준으로 상기 절연막의 하부면이 노출될 때까지 상기 제3패턴 및 제4패턴으로 상기 제1실리콘층을 제거하여 상기 캔틸레버 지지대를 형성하면서 상기 제1실리콘층을 일부만을 남기고 제거하는 제10단계;
    상기 제10단계에서 노출된 상기 절연막을 제거하여 제3식각영역을 형성하고, 상기 제3식각영역을 이용하여 상기 제2실리콘층을 탐침 하부 기울기를 갖도록 상기 제1실리콘층 일부와 함께 제거하는 제11단계;
    상기 제1실리콘층 일부가 제거되면 노출된 절연막과 제2상부보호막 및 제2하부보호막을 제거하는 제12단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 탐침의 기울기는,
    상기 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 10도~80도 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 탐침의 상부 기울기는,
    상기 제2패턴의 형태 또는 식각 조건에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 탐침의 상부 및 하부 기울기는,
    상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층의 결정 방향, 제2패턴의 형태, 제3식각영역의 형태 및 습식 식각 조건 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 조합함에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층은,
    <100>, <110>, <111> 결정 방향 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층은,
    서로 동일한 결정 방향 또는 서로 다른 결정 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제1패턴, 제2패턴, 제3패턴 및 제4패턴은,
    포토리소그라피 공정에 의한 레지스트 패턴에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제1상부보호막, 제1하부보호막, 제2상부보호막 및 제2하부보호막은,
    SiNx, SiO2 및 Si3N4 중 어느 하나 또는 둘 이상 선택하여 한층 또는 다층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제1상부보호막, 제1하부보호막, 제2상부보호막, 제2하부보호막 및 절연막의 제거는 습식 식각 또는 건식 식각으로 수행하는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 건식 식각은,
    BCl3, SiCl4, Cl2, HBr, SF6, CF4, C4F8, CH4, CHF3, NF3, CFCs(chlorofluorocarbons), H2 및 O2 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 가스를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층의 제거는 습식 식각으로 수행하는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  12. 제 4항, 제 9항 및 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 습식 식각은,
    KOH, N(CH3)4OH NaOH, NH4OH, H2SO4, HF, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH, H2O2 및 H2O 중 어느 하나 이상을 포함하는 식각 용액을 사용하며,
    상기 식각 용액의 농도는 5 ~ 80% 범위이거나 식각 용액의 온도는 30 ~ 150℃ 범위인 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 제12단계 이후에 탐침 끝의 사이즈를 줄이기 위한 산화막 형성 및 제거를 수행하는 것을 특징으로 하는 탐침의 기울기 조절이 용이한 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 캔틸레버 지지대는,
    상부에 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경의 캔틸레버 제조방법.
  15. 원자간력 현미경의 캔틸레버에 있어서,
    캔틸레버 지지대;
    상기 캔틸레버 지지대 상부에 위치하며 일측이 부상된 캔틸레버 아암; 및
    싱기 캔틸레버 아암의 부상된 영역의 끝단에 형성된 탐침;을 포함하여 이루어지며,
    상기 탐침의 기울기는 상기 캔틸레버 아암의 선단부를 기준으로 바깥으로 10도~80도 기울어져 형성된 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경의 캔틸레버.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 캔틸레버 지지대는,
    제1실리콘층, 절연막, 제2실리콘층이 순차적으로 적층된 SOI기판을 사용하며, 상기 제1실리콘층 및 제2실리콘층은 서로 동일한 결정 방향 또는 서로 다른 결정 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경의 캔틸레버.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 캔틸레버 지지대는,
    상부에 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 원자간력 현미경의 캔틸레버.
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