KR100214152B1 - 원자력 현미경용 압저항 캔틸레버 - Google Patents

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Abstract

초소형 캔틸레버 구조물의 캔틸레버 아암(102)은 캔틸레버 아암의 적어도 고정 단부에 끼워져 있는 압저항 저항체(120)를 구비하고 있다. 캔틸레버 아암의 자유 단부의 편향은 캔틸레버의 베이스에서 응력을 발생시키는데, 이로 인하여 상기 편향에 비례하여 압저항 저항체의 저항값이 변화된다. 저항값 측정 장치(124)는 압저항 저항체에 접속되어 있다. 초소형 캔틸레버는 반도체 기판(150)상에 형성된다. 캔틸레버 아암은 전기적으로 분리된 U 자형 압저항 저항체(160)를 형성하도록 도핑된다. 금속층(266)은 반도체 표면위에 증착되고 압저항 저항체와 저항값 측정 회로간에 전기 접속(162, 164)이 이루어지도록 패턴닝된다. 캔틸레버 아암 아래에 있는 반도체 기판은 캔틸레버 구조물을 형성할 수 있도록 제거되며, 팁은 캔틸레버 아암의 자유 단부에 접속되어 원자력 현미경에서 상기 구조물의 사용을 용이하게 한다.

Description

[발명의 명칭]
원자력 현미경용 압저항 캔틸레버
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 원자력 현미경과 그밖의 현미경 시스템에 사용하기 위한 마이크로캔틸레버(microcantillever)를 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
원자력 현미경(AFM)은 샘플 표면위를 스캔한다. 통상적으로, 접촉모드(contacting mode) 동작에 있어서, 캔틸레버의 단부에 날카로운 팁이 장착되고, 이 팁은 아주 작은 트래킹력(10-5내지 10-10N)을 가지고 샘플 표면에 놓인다.
표면 지형(topography)의 모양은 아주 높은 분해능으로 나타난다. 각 원자의 위치를 나타내는 영상이 관례적으로 얻어진다. 제2의 동작모드에 있어서는, 팁이 샘플 표면으로부터 5 내지 500 옹스트롬 정도의 짧은 거리를 유지하고 있어 샘플과 팁간의 정전기력, 자기력 및 반데르발스력을 포함하는 여러 가지 힘에 의해 팁이 편향된다.
원자력 현미경은 원자 분해능으로 절연 표면뿐만 아니라 전도 표면까지도 영상화 할 수 있다. 통상적인 AFM은 변위의 측정시 0.1 옹스트롬의 감도와 미터당 약 1 뉴톤(1 N/m)의 스프링 상수를 갖는다. 또한, 캔틸레버는 샘플에 접근 및 접촉할 수 있도록 장착되어야 한다.
캔틸레버의 편향을 검출하는 몇가지 방법은 버큠 터널링(vacuum tunneling), 광학 간섭, 광학 빔 편향, 용량성 기술을 포함하여 서브옹스트롬(sub-angstrom) 감도를 이용할 수 있다. 광학적으로 동작되는 AFM 은 매우 정확하기는 하지만 몇가지 광학적 요소와 미세한 정렬을 필요로 하기 때문에 본 발명에 비해 제조하기가 어려울뿐만 아니라 동작시키기도 어렵다.
[발명의 개요]
요약하면, 본 발명은 캔틸레버 아암의 고정(베이스)단부에 압저항 저항체를 갖는 초소형 캔틸레버이며 여러 가지 물체의 표면 특징을 영상화하는데 사용된다.
캔틸레버 아암의 자유단부가 편향되므로써 캔틸레버의 베이스에서 응력이 발생한다. 이러한 응력은 캔틸레버 아암의 편향 정도에 비례하여 캔틸레버의 베이스에서 압저항 저항체의 저항값을 변화시킨다. 저항값 측정 장치는 압저항 저항체에 접속되어 그 저항값을 측정하여 캔틸레버 아암의 편향에 대응하는 신호를 발생시킨다.
초소형 캔틸레버는 반도체 기판상에 형성된다. 캔틸레버 아암은 전기적으로 분리된 U 자형 압저항 저항체를 형성하도록 도핑된다. U 자형 저항체는 비제로 압저항 계수를 갖는 반도체 기판의 축에 평행하게 방위되어 있는 두개의 레그를 갖는다. 금속층은 반도체 표면위에 증착되고 압저항 저항체가 저항값 측정 회로에 전기 접속되게 하여 압저항 저항체의 저항값을 측정할 수 있게 된다. 상기 캔틸레버 아암 아래의 반도체 기판은 캔틸레버 구조물을 형성할 수 있도록 제거되며, 팁은 캔틸레버 아암의 자유단부에 접속되어 원자력 현미경에서 상기 구조물의 사용을 용이하게 한다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 추가 목적 및 특징은 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구 범위로부터 보다 명백하게 드러날 것이다.
제1도는 본 발명을 포함하는 원자력 현미경의 개념적인 블록도이다.
제2도는 압저항체 및 저항 측정 회로의 블록도이다.
제3도는 실리콘 반도체의 표면 도핑 농도와 상기 재료로부터 만들어진 실리콘 압저항체의 압저항 계수간의 관계를 도시한 그래프이다.
제4도는 부하가 가해졌을때의 압저항 캔틸레버의 빔을 도시한 도면이다.
제5도는 초소형 압저항 캔틸레버의 양호한 제1실시예의 배치도이다.
제6도는 제5도에 도시된 초소형 압저항 캔틸레버의 단면도이다.
제7도는 초소형 압저항 캔틸레버의 양호한 제2실시예의 배치도이다.
제8도는 제7도에 도시된 초소형 압저항 캔틸레버의 단면도이다.
제9-13도는 제5도 및 제6도에 도시된 캔틸레버 아암의 제조 공정을 도시한 도면이다.
제14-17도는 제7도 및 제8도에 도시된 캔틸레버 아암의 제조 공정을 도시한 도면이다.
[양호한 실시예의 설명]
제1도는 본 발명을 포함하는 원자력 현미경(100)을 개념적으로 도시하고 있다. 그 자유단부에 돌출팁(104)을 갖는 초소형 캔틸레버 아암(102)은 샘플(110)의 표면을 검사하는데 사용된다. 종래의 원자력 현미경(AFM)에서는 캔틸레버(102)는 고정되어 있고 반대로 XYZ 변환기가 샘플 표면을 스캔하도록 샘플(110)을 이동시킨다. 캔틸레버는 고정되어 있고 그 표면이 스캔되도록 샘플(110)이 이동되는 방식인 이러한 종래의 스캐닝 방법은 종래의 AFM 광학 성분에는 필요하지만 샘플(110)이 클 경우에는 사용하기가 곤란하다.
본 발명의 장점은 본 발명이 샘플을 이동시켜 스캐닝하는 것이 아니라 캔틸레버(102)를 이동시켜 샘플 표면을 스캐닝하도록 되어 있다는 것이다.
일정한 힘으로 동작하는 방식(constant force operation mode)에 있어서, 샘플 표면의 특징에 대해 캔틸레버로부터 얻은 정보를 이용하는 프로그램된 마이크로 제어기 또는 컴퓨터(114)는 XYZ 변환기/스캐너(112)의 Z 방향으로의 이동을 제어한다. 모니터(116)로 전송된 신호는 변환기로 전송된 신호와 동일한 신호이다. 일정한 Z 동작 방식(constant Z operation mode)에 있어서, 캔틸레버는 Z 방향으로는 이동하지 않으며 캔틸레버로부터 얻어진 정보는 모니터(116)로 직접 전송된다.
샘플 표면 특징에 의한 캔틸레버(102)의 편향은 캔틸레버에 있는 압저항체(120)의 저항값을 캔틸레버의 편향에 비례하는 양만큼 변화시킨다. 압저항체(120)는 금속 커넥터(122)에 의해 저항값 측정 회로(124)에 접속된다.
압저항체(120)의 저항값은 측정회로(124)에 의해 계속해서 모니터링 및 측정된다. 통상적으로, 회로(124)는 휘트스톤 브리지 회로이거나 다른 종래의 측정회로이다. 회로(124)는 캔틸레버의 편향 정도에 따라 그에 대응하는 측정신호를 생성한다.
압저향율은 응력이 재료에 가해질 때 그 저항값이 변함에 따라 발생하는 결과이다. 횡방향으로 휘어지는 캔틸레버 빔의 경우에, 소위 종방향 압저항 계수라고 하는 특정 계수를 가지고 빔의 압저항 특성을 설명할 수 있다. 제2도에 있어서, 저항값 측정회로(124)에 전기 접속된 압저항 막대 제료(130)에 대해 고찰해보자. 응력이 종방향 X 으로 인가될 경우, 막대의 저항값은 다음식에 따라 변하게 된다.
여기서, △R 은 저항값의 변화율, R0는 응력이 가해지지 않을때의 저항값, πL은 종방향 압저항 계수, 그리고 SX는 X 방향으로 가해진 응력을 나타낸다.
실리콘의 종방향 압저항 계수값은 상이한 결정학적 방위와 제3도의 P 형 및 n 형 저항에 대해 표 1 에 제시되어 있다.
제4도에 있어서, 빔의 끝부분에 가해지는 부하 p를 갖는 캔틸레버 빔에 대해 고찰해 보자. 빔의 상부 절반은 그 종방향을 따라 신장 응력에 영향을 받게되고, 그 반면에 빔의 하부 절반은 압축 응력에 영향을 받게된다. 그 결과로서, 빔의 저항율이 일정하다면, 저항값의 첫등급 변화가 삭제될 것이다. 따라서, 저항체(120)는 제1도에 도시된 바와 같이 캔틸레버의 표면 근처로 한정되어야 한다.
제1도에 도시된 저항체(120)는 신장 응력을 받게 되는 반면에 캔틸레버의 몸체는 압축 응력을 받게된다. 캔틸레버 아암의 자유 단부의 편향은 캔틸레버의 베이스에서 주로 응력이 발생하게 한다는 사실에 주목하자. 제1도에 도시된 구성에서, 압저항체(120)의 저항값 변화율은 다음식이 된다는 것을 알 수 있다.
여기서 △R 은 저항값의 변화율, R0는 응력이 가해지지 않을때의 저항값, πL은 종방향 압저항 계수, P 는 캔틸레버상의 부하, L 은 캔틸레버의 길이, H 는 캔틸레버의 두께, 그리고 W 는 캔틸레버의 폭을 나타낸다.
캔틸레버의 편향율 △Z 에 부하 P를 연관시키기 위해서는, 캔틸레버의 스프링 상수 K를 결정해야만 한다.
여기서, E 는 Young 의 계수이고, △Z 는 캔틸레버의 편향율이다. 상기 식들을 조합하면, 캔틸레버의 편향율(△Z)과 압저항체(120)의 저항값 변화율 사이에서 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
따라서 기대한 바와 같이, 저항값의 변화율은 캔틸레버의 편향율(△Z)에 직접 비례한다.
제5도는 초소형 압저항 캔틸레버의 양호한 제1실시예의 배치도이고, 제6도는 제5도에 도시된 초소형 압저항 캔틸레버의 단면도이다. 캔틸레버 아암(102)은 베이스(150)의 일단부에 접속되어 있다. 베이스(150)는 반도체 기판(152)의 일부분이다. 도시된 바와 같이, 캔틸레버 아암(102)은 U 자형 구조로 두개의 압저항 레그(154,156)를 가지고 있으며, 이 압저항 레그(154,156)는 캔틸레버 아암(102)이 형성되어 있는 실리콘 결정의 100축을 따라 방위되어 있다. U 자형 압저항체(160)는 한쌍의 금속 접속선(162,164)을 통해 저항값 측정회로(124)에 쉽게 접속될 수 있도록 되어 있다. 금속 접속선(162,164)은 베이스(150)에 의해 지지되어 있기 때문에 캔틸레버 아암(102)이 구부러질때에도 구부러지지 않게 되어 있다라는 사실에 주목하자.
캔틸레버 아암(102)상의 압저항체(160)는 비소 주입으로 형성된 N+ 형 영역이다. 표 1을 보면, 100 방향에서의 N 형 실리콘에 대한 종방향 압저항 계수가 π11이라는 것을 알 수 있다(제3도 참조). 100 축과 평행한 압저항체를 갖는 캔틸레버는 가장 큰 압저항 계수를 갖기 때문에 캔틸레버의 편향에 대한 압저항체의 감도를 최대로 한다. 양호한 실시예에서, 캔틸레버 아암(102)에서의 압저항체(160)의 두개의 아암은 비제로 압저항 계수를 갖는 결정학적(예를 들어, 실리콘 결정)축에 평행하게 방위되어 있다. 일반적으로 말해서, 캔틸레버 아암(102)이 구부러질 때 종방향 응력은 비제로 압저항 계수를 가져야만 한다.
상수란 N 형 실리콘 기판(152)은 N+ 압저항체(160)가 형성되어 있는 P+ 영역(166)이다. 산화물층(170)은 압저항체(160)를 보호한다. 금속 접속선(162, 164)은 질화물층(172)과 상부 산화물층(174)위에 배치된다. 도시된 바와 같이, 금속은 산화물-질화물-산화물 샌드위치구조(174-172-170)의 접촉 구멍을 통해 압저항체(160)와 접촉된다.
블록(180)은 제조 공정이 완료된 후에 버려지게 되는 실리콘 웨이퍼의 일부분이다.
제7도 및 제8도는 초소형 압저항 캔틸레버의 양호한 제2실시예의 배치도 및 단면도이다. 본 발명의 이러한 제2실시예는 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator)(SOI) 기판(200)을 사용하여 형성된다. 이 실시예의 주요 장점들은 (1) 캔틸레버 아암(202)이 캔틸레버의 베이스와 평행하게 되어 있어서 캔틸레버를 보다 쉽게 사용할 수 있다는 점이고, (2) 이 캔틸레버를 제조하는데 필요한 공정 단계가 줄어든다는 점이다.
이 실시예에서, 캔틸레버 아암(202)상의 두개의 압저항 레그(212,214)는 P 형 실리콘으로 형성되며 실리콘 결정의 110 축에 평행하게 방위되어 있다.
이 실시예는 기판(200)위에 하나의 보호용 절연층(216)만을 필요로 한다. 양호한 실시예에서 절연층(222)위의 P 형 기판(220)의 두께는 약 1.5 미크론이고, 압저항체 그 자체(보론 주입 영역(224))의 두께는 약 0.4 미크론이다. 압저항체위의 보호용 산화물(216)의 두께는 통상 1000 내지 2000 옹스트롬(즉, 0.1 내지 0.2 미크론)이다. 마지막으로, 절연층(222)의 두께는 통상 약 1.0 미크론이다.
캔틸레버의 공진 주파수. 상기 캔틸레버를 제조할 경우, 캔틸레버의 주파수 응답은 신속한 영상화를 허용하도록 10 ㎑ 이상이어야 한다(즉, 캔틸레버는 샘플의 지형(topography)에 신속히 따라야 한다). 길이 L, 높이 H, Young 의 계수 E 및 밀도 ρ 인 캔틸레버에 있어서, 공진 주파수 Fr 는 다음과 같다.
실리콘에 대해서는, Young 계수 E = 1.9×1011N/m2이고 밀도 ρ = 2.3×103kg/m3이다. 두께가 0.5 ㎛ 이고 길이가 100 ㎛ 인 캔틸레버를 사용하면 100 ㎑ 이상의 공진 주파수를 초래하게 된다.
감도/잡음. 1 ㎑ 대역폭에서의 1 옹스트롬의 감도는 특정 표면상의 원자 분석을 증명하는데 필요하다. 본 발명의 캔틸레버의 감도는 다음과 같은 존슨 잡음 Vn 으로 주어지는 저항에서의 신호대 잡음비에 의해 제한된다.
Vn = (4KBTR0△f)0.5
여기서, KB는 볼쯔만 상수, T 는 온도, R0는 응력이 가해지지 않았을때의 캔틸레버의 저항값, 그리고 △f 는 측정된 대역폭이다. 1 옹스트롬 감도는 가능한 것으로 입증되었지만 캔틸레버의 크기에 엄격한 제한을 두고 있다. R0는 캔틸레버의 길이 L 에는 비례하지만 폭 W 에는 반비례한다는 사실에 주목하자. 설계 파라미터(즉, H, L, W, R0)는 캔틸레버의 주어진 스프링 상수에 대해 △R/R0를 최대가 되도록 선택되어야 한다.
[캔틸레버 제조 공정]
제9도에 있어서, 제5도 및 제6도의 캔틸레버 아암은 다음과 같이 제조된다. 처음 시작하는 제료는 100 n 형 인(P)이 도핑된 10-20Ω㎝ 실리콘 웨이퍼(152)인데, 본 명세서에서는 이를 기판이라고 칭한다. 제1단계는 두께가 약 0.7 미크론이 되는 P+ 영역을 생성하기 위해 보론 이온을 기판의 전체 표면으로 주입(예컨대, 에너지 180 kev 와 도오즈량 6×1015으로)하는 단계이다. 그리고 나서, 저온 실리콘 산화물층(예컨대, 4000 Å)(168,248)이 전체 웨이퍼 양쪽(상부와 하부)에 증착된다.
다음 단계는 상부에 하나 그리고 하부에 하나 실시하는 이중 사진석판공정(photolithography) 단계인데, 여기서는 상부 대 하부 정렬이 요구된다. 감광막(photoresist)이 웨이퍼 양쪽에 증착되고, 상부 및 하부 마스크가 정렬된 다음 웨이퍼가 상기 정렬된 마스크사이에 삽입된다. 두개의 마스크는 증착된 산화물층(168,248)에서 제거될 영역을 한정한다. 상부 마스크 또한 비소가 주입될 곳을 한정한다. 양쪽의 감광막이 노출 형성된 다음 제9도에 도시된 모양을 형성하기 위해 산화물 에칭이 실행된다.
제10도에 있어서, 다음 단계는 두께가 약 0.3 미크론이 되는 N+ 영역(250)을 생성하도록 산화물층(248)의 상부에서 윈도를 통해 비소를 주입하는 단계이다. 다음에, 또다른 마스크가 부가된 다음 캔틸레버의 경계를 한정하는 마스크를 사용하여 감광막을 노출시킨다. 그리고나서, 산화물층(248)의 덮혀지지 않은 부분을 에칭한 다음 산화물층의 에칭된 부분 아래에 있는 실리콘을 1.5 미크론 만큼 에칭함으로써 기판(152)속으로 돌출되어 있는 노치(252)를 생성한다.
다음에, 종래 기술을 사용하여 감광막을 제거하고 새로운 감광막을 웨이퍼의 바닥쪽에 부가한 다음 웨이퍼 상부에 있는 모든 산화물을 에칭으로 제거하여 제10도에 도시된 모양을 생성한다.
주입시에 입은 손상을 회복시키고 주입된 캐리어를 활성화시키기 위해 간단한 어닐링 단계가 사용된다.
제11도에 있어서, 3개의 층이 샌드위치식으로 적층된다. 약 700 Å 의 저온 실리콘 산화물(SiO2)인 첫 번째 층(260)이 웨이퍼의 상부에 증착된 다음 약 1100 A 의 저 응력 실리콘 질화물(SiN2)(262)이 웨이퍼 양쪽에 증착되고, 다음에 1 미크론의 저온 실리콘 산화물(264)이 웨이퍼 양쪽에 증착된다. 이러한 샌드위치 구조로 설계하는 이유는 이 샌드위치 구조가 캔틸레버의 상부에 있는 박막층으로 된 실리콘 산화물을 보호 상태로 유지시켜 주기 때문이다.
웨이퍼 상부의 산화물-질화물-산화물 샌드위치 구조는 제11도에 도시된 것처럼 접촉 구멍(270)을 생성하도록 표준 사진석판공정 및 에칭 단계를 이용하여 페턴닝된 다음 에칭된다.
제12도에 있어서, 또다른 감광막층이 웨이퍼 상부에 부가되어 형성되고, 보호용 감광막이 웨이퍼 하부에 부가된 다음 영역(272)에서의 상부 산화물층(264)과 그 아래에 놓여있는 질화물층(262)을 제거하도록 기다란 산화물이 에칭된 다음에 질화물이 에칭된다. 모든 감광막이 제거된 후에, 보호용 감광막이 웨이퍼 상부에 부가되고, 그 다음에 웨이퍼 하부에 있는 산화물층과 질화물층이 에칭된다. 제12도에는 이러한 결과의 웨이퍼 단면도가 도시되어 있다.
제13도에 있어서, 웨이퍼에 금속층(266)을 스퍼터링시킨 다음에 이 금속이 압저항체에 접속되도록 표준 사진석판공정 기술을 사용하여 금속층을 페턴닝한다. 그리고나서, 웨이퍼의 상부가 폴리아미드(polyimide)로 피복된 다음 보론 주입 영역(166)아래의 모든 실리콘이 제거될때까지 실리콘 기판은 뒤쪽으로부터 웨트 에칭된다. 실리콘 웨트 에칭 공정은 약 7×1019㎝-3의 보론 농도에 이를 때 자동으로 정지한다. 제1양호한 실시예에서, 이러한 보론 농도는 깊이가 약 0.6 미크론이 될 때 나타난다. 이러한 결과의 단면도는 제6도에 도시되어 있다.
하부로부터 실리콘 웨이퍼를 웨트 에칭할 경우, 이는 110 방향을 따라 방위되어 있는 윈도를 개방할 때만이 가능하다. 그 결과로서, 이 실시예의 캔틸레버는 개구에 대해 45 도 각도로 있게된다.
[양호한 제2실시예의 제조 공정]
제14도 내지 제17도에 있어서, 초소형 압저항 캔틸레버의 양호한 제2실시예를 제조하는 공정은 제7도 및 제8도에 도시된 것처럼 다음과 같다.
처음에 시작하는 재료는 절연층(222)위에 1.5 미크론 두께의 100 P 형 실리콘층(220)을 갖는 실리콘-온-절연체 웨이퍼(200)이다. 상부 실리콘층(220)의 두께는 캔틸레버의 두께를 결정한다. 상부 실리콘층(220)과 기판(200)은 100으로 방위되어 있다. 제조공정의 제1단계는 웨이퍼의 앞면과 뒷면에 산화물을 성장시키고, 앞면에서 그것을 제거시킨 다음에 앞면에 약 0.4 미크론의 깊이까지 보론을 전체적으로 주입하여 P+ 영역(224)을 형성하는 단계이다. 제14도는 이 공정 단계에서의 웨이퍼 단면도를 도시하고 있다.
다음 단계는 웨이퍼의 앞면에 하나 그리고 뒷면에 하나 실시하는 이중 사진석판공정 단계이다. 뒤쪽 또는 바닥면에서, 큰 윈도가 산화물(230)에서 개방된다. 상부에서, 감광제를 마스크로 사용하여 절연 산화물층(222)까지 상부 실리콘층(220)을 에칭한다. 제15도는 감광제를 제거한 후의 웨이퍼 단면도를 도시하고 있다.
웨이퍼상에 박막 산화물층(216)을 성장 또는 증착시킨 다음 사진석판공정 단계를 사용하여 제16도에 도시된 것처럼 이 산화물층(216)에서 접촉 구멍(232)이 생기게 된다.
이 시점에서, 통상적으로 알루미늄/실리콘 금속이 웨이퍼의 앞면에 스퍼터링된다. 4 번째이면서 마지막인 사진석판공정 단계를 사용하여, 금속선이 캔틸레버 저항체 패드에 접속되게 한다. 제17도는 이 단계까지의 웨이퍼 단면도를 도시하고 있다.
마지막으로, 웨이퍼의 상부가 폴리마이드로 피복되고, 실리콘 기판은 우선적인 실리콘 부식제용제를 사용하여 뒷면으로부터 웨트 에칭된다. 이러한 용제의 특성은 111 면보다 100 Si 면을 훨씬 더 빨리 에칭시키고 아주 작은 비율로 산화물을 에칭시킨다는 것이다. 실리콘 에칭이 완료된 후에, 절연층(222)의 노출된 부분을 포함하여 웨이퍼의 뒷면으로부터 산화물이 제거된 다음 앞면으로부터 폴리마이드가 제어되어 결과적으로 제8도에 도시된 단면도와 같이 된다.
본 발명이 몇몇 특정 실시예에 대해서만 기술되어 있지만, 상세한 설명은 본 발명을 예시하고자 한 것이지 본 발명을 제한하는 의도로 기술된 것이 아니다.
당업자라면 첨부된 청구범위에 한정된것처럼 본 발명의 진정한 정신과 범위를 벗어남이 없이 여러 가지로 변경할 수 있을 것이다. 일반적으로, 본 발명에 따라서 AFM 과 프로필로메터(profilometer)에 사용하기에 적합한 압저항 캔틸레버는 스캔중인 표면을 변형시키지 않도록 낮은 스프링 상수(예컨대, 10N/m 이하)를 가지고 있고 응용에 따라서 0.1 내지 100 옹스트롬 범위에 있는 감도를 갖게 된다.

Claims (34)

  1. 샘플 홀더와; 고정 단부, 자유 단부 및 압저항 소자를 갖는 캔틸레버 아암을 구비하는데, 상기 캔틸레버 아암의 자유 단부의 편향으로 상기 압저항 소자의 저항값이 변화되며, 서로 관련된 상기 캔틸레버 아암 및 샘플 홀더를 이동시켜 상기 샘플 홀더내에 위치한 샘플의 표면을 스캔하는 스캐닝 수단과; 상기 압저항 소자의 저항값의 변화를 검출하며 상기 저항값의 변화에 응답하여 신호를 발생시키는 편향 검출 수단을 구비하는데, 상기 발생된 신호는 상기 샘플의 표면 특징을 표시하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암은 상기 표면이 스캔되는 동안 10-5`N 이하의 트랙킹력으로 상기 샘플의 표면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  3. 제1항에 있어서, 상기 편향 검출 수단에 의해 발생된 신호에 응답하여, 상기 샘플의 표면에 수직인 방향으로 상기 캔틸레버 아암과 샘플 사이의 거리를 제어하는데 적당한 제어기 또는 컴퓨터를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  4. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암은 자신의 자유 단부 부근에 위치한 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  5. 제4항에 있어서, 상기 팁은 상기 샘플 표면이 스캔되는 동안, 상기 샘플 표면으로부터 5 옹스트롬(Å) 이상의 거리를 유지하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스캐닝 수단은 상기 샘플의 표면을 스캔하도록 상기 캔틸레버 아암을 이동시키는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스캐닝 수단은 상기 샘플의 표면을 스캔하도록 상기 샘플을 이동시키는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  8. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암은 10 KHz 이상의 기계적 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  9. 제1항에 있어서, 상기 편향 검출 수단은 100 옹스트롬(Å) 이하의 상기 캔틸레버 아암의 자유 단부의 편향을 검출하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  10. 제1항에 있어서, 상기 팁은 현미경이 원자 스케일 이하의 샘플 표면의 특징을 검출할 수 있을 정도로 충분히 날카로운 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  11. 제1항에 있어서, 상기 압저항 소자는 상기 캔틸레버 아암내에 포함된 반도체 재료의 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  12. 제11항에 있어서, 상기 압저항 소자는 비제로 압저항 계수의 축을 갖는 실리콘 결정으로 형성되며, 상기 압저항 저항체는 비제로 압저항 계수를 갖는 실리콘 결정 축에 평행하게 방위가 설정된 종방향 축을 갖는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  13. 제11항에 있어서, 상기 반도체 재료의 영역은 P 형 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  14. 제13항에 있어서, 상기 반도체 재료는 실리콘 결정으로 구성되며, 상기 실리콘 결정의 110 축은 상기 압저항 소자의 종방향 축과 평행하게 방위가 설정된 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  15. 제11항에 있어서, 상기 반도체 재료의 영역은 N 형 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반도체 재료는 실리콘 결정으로 구성되며, 상기 실리콘 결정의 100 축은 상기 압저항 소자의 종방향 축과 평행하게 방위가 설정된 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
  17. 샘플 홀더와; 고정 단부와 자유 단부와 압저항 소자를 갖는 캔틸레버 아암을 구비하는데, 상기 캔틸레버 아암의 자유 단부의 편향으로 상기 압저항 소자의 저항값이 변화되며, 서로 관련된 상기 캔틸레버 아암과 샘플 홀더를 이동시켜 상기 샘플 홀더내에 위치한 샘플의 표면을 스캔하는 스캐닝 수단과; 상기 압저항 소저의 저항값의 변화를 검출하며 상기 저항값의 변화에 응답하여 신호를 발생시키는 편향 검출 수단을 구비하는데, 상기 발생된 신호는 상기 샘플의 표면 특징을 표시하며, 상기 편향 검출 수단은 100 옹스트롬(Å) 이하의 상기 캔틸레버 아암의 자유 단부의 편향을 검출하는 것을 특징으로 하는 표면 특징 검출 시스템.
  18. 샘플 홀더와; 고정 단부, 자유 단부 및 압저항 소자를 갖는 캔틸레버 아암을 구비하는데, 상기 켄틸레버 아암의 자유 단부의 편향으로 상기 압저항 소자의 저항값이 변화되며, 서로 관련된 상기 캔틸레버 아암 및 샘플 홀더를 이동시켜 상기 샘플 홀더내에 위치한 샘플의 표면을 스캔하는 스캐닝 수단과; 상기 압저항 소저의 저항값의 변화를 검출하며 상기 저항값의 변화에 응답하여 신호를 발생시키는 편향 검출 수단을 구비하는데, 상기 발생된 신호는 상기 샘플의 표면 특징을 표시하며, 상기 캔틸레버 아암은 자신의 자유 단부 부근에 위치한 팁을 포함하고, 상기 팁은 현미경이 원자 스케일 이하의 샘플 표면의 특징을 검출할 수 있을 정도로 충분히 날카로운 것을 특징으로 하는 표면 특징 검출 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 원자 스케일 이하의 샘플 표면의 특징을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 표면 특징 검출 시스템.
  20. 고정 단부와 자유 단부와 압저항 소자가 있으며, 10 KHz 이상의 기계적 공진 주파수를 갖는 캔틸레버 아암을 구비하는데, 상기 캔틸레버 아암의 자유 단부의 편향으로 상기 압저항 소자의 저항값이 변화되며, 상기 캔틸레버 아암의 자유 단부 부근에서 상기 캔틸레버 아암으로부터 돌출된 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버 구조체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암은 반도체 재료로 구성되며, 상기 압저항 소자는 상기 반도체 소자의 도핑된 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버 구조체.
  22. 제21항에 있어서, 상기 반도체 재료는 실리콘으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버 구조체.
  23. 제20항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암은 10-5N 이하의 트랙킹력으로 동작하도록 설계된 것을 특징으로 하는 원자력 현미경용 캔틸레버 구조체.
  24. 샘플의 표면 특징을 검출하는 방법에 있어서, (a) 10 KHz 이상의 공진 주파수를 가지며, 자유 단부 부근에 위치한 팁과 압저항 소자를 갖는 캔틸레버 아암을 제공하는 단계와; (b) 상기 캔틸레버 아암의 팁이 상기 샘플의 표면에 대해 500 옹스트롬(Å) 또는 그 이하의 범위내에 놓일 때까지 상기 캔틸레버와 샘플을 모으는 단계와; (c) 상기 샘플 표면에 평행한 방향으로 서로에 대해 상기 샘플 및 캔틸레버 아암을 이동시키는 단계와; (d) 상기 캔틸레버 아암이 상기 샘플 표면의 특징에 응답하여 편향됨에 따라 상기 압저항 소자의 저항값의 변화를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 캔틸레버의 팁은 상기 단계 (c) 동안 상기 샘플의 표면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 캔틸레버의 팁은 상기 단계 (c) 동안 상기 샘플로부터 5 옹스트롬(Å) 이상의 거리를 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 압저항 소자의 저항값의 변화에 응답하여, 상기 샘플의 표면과 상기 캔틸레버의 고정 단부 사이의 거리를 변동시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 원자력 현미경용 캔틸레버를 제조하는 방법에 있어서, 반도체 기판 위에 자유 단부 및 고정 단부를 갖는 캔틸레버 아암을 형성하는 단계와; 압저항 소자를 형성하기 위해 상기 캔틸레버 아암의 일부를 도핑하는 단계와; 상기 캔틸레버의 자유 단부 부근에, 끝이 뾰족하며 샘플 표면과 상호작용하기 적당한 크기와 형태를 갖는 돌출팁을 제공하여 원자력 현미경을 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 반도체 기판은 실리콘으로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 도핑 단계는 도펀트를 주입하여 상기 반도체 기판에 N 형 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 도펀트는 비소로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제28항에 있어서, 상기 도핑 단계는 도펀트를 주입하여 상기 반도체 기판에 P 형 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 도펀트는 보론으로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제28항에 있어서, 상기 캔틸레버 아암의 아래에 있는 영역으로부터 상기 반도체 기판을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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