KR100408031B1

KR100408031B1 - 캔틸레버의 구조

Info

Publication number: KR100408031B1
Application number: KR10-2001-0052180A
Authority: KR
Inventors: 김영식
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2003-12-01
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: KR20030018449A

Abstract

본 발명은 캔틸레버의 구조에 관한 것으로, 실리콘 암에 엔형 실리콘 압저항 센서와 피형 실리콘 압저항 센서를 집적하여 휘트스톤 브릿지 회로에 의한 출력전압을 2배 증가시킬 수 있게 됨에 따라 잡음이 실린 경우에도 실리콘 암의 변위를 정확히 측정할 수 있게 되어 센서의 민감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

캔틸레버의 구조{STRUCTURE OF CANTILEVER}

본 발명은 캔틸레버의 구조에 관한 것으로, 특히 원자력 현미경(atomic force microscopy : AFM)용 캔틸레버의 실리콘 암(silicon arm)에 엔형 실리콘 압저항 센서(n type silicon piezoresistive sensor)와 피형 실리콘 압저항 센서(p type silicon piezoresistive sensor)를 집적하여 민감도를 향상시키기에 적당하도록 한 캔틸레버의 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력 현미경용 캔틸레버는 마이크로머시닝(micromaching)으로 제조된 실리콘 암을 사용하는데, 이 실리콘 암은 미세한 힘에 의해서도 상하로 쉽게 휘어지도록 만들어지고, 휘어지는 끝단에는 원자 몇 개 정도의 크기를 갖는 탐침이 구비되며, 이 탐침이 시료의 표면에 접근하면 탐침의 원자와 시료의 원자 사이에 인력이나 척력이 작용하게 되어 그 힘을 감지하는 장치이다.

상기 원자 사이에 작용하는 인력이나 척력은 1 내지 10nN 정도로 아주 미세하지만, 실리콘 암 역시 아주 민감하여 그 미세한 힘에 의해 휘어지게 된다.

상기 실리콘 암의 휘어지는 정도를 측정하기 위하여 레이저 광선을 실리콘 암에 비추고, 포토 다이오드(photo diode)를 사용하여 실리콘 암 상면에서 반사된 광선의 각도를 측정함으로써, 탐침의 움직임을 측정한 다음 그 탐침의 움직임을 압 튜브(piezotube) 구동기에 피드-백(feed-back)시켜 실리콘 암이 휘어지는 각도를 일정하게 유지시키면, 탐침의 끝과 시료사이의 간격도 일정하게 유지시킬 수 있게되어 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope : STM)의 경우에서와 같이 시료의 형상을 측정해낼 수 있다.

그러나, 상기한 바와같은 레이저와 포토 다이오드를 이용한 실리콘 암 탐침의 움직임 감지장치는 복잡하고도 정교한 장치구성이 요구되는 문제점이 있다.

따라서, 실리콘 암에 압저항 센서를 집적하여 탐침의 움직임을 감지하는 장치가 US005386720A 및 US005266801A의 특허에 제안되었다. 이와같은 종래 원자력 현미경용 캔틸레버의 구조를 첨부한 도1a 및 도1b의 사시도 및 그 A-A'선 단면도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 실리콘 지지층(1)은 일측에 경사면을 갖고, 하면에 Si₃N₄재질의 보호막(2)이 구비된다.

그리고, 실리콘 암(3)은 상기 실리콘 지지층(1)의 상면에 소정의 두께로 형성됨과 아울러 상기 실리콘 지지층(1)의 경사면 방향으로 돌출되도록 형성되며, 상기 실리콘 지지층(1)의 경사면과 접하여 돌출된 영역에 소정 형태의 관통구가 구비된다. 이때, 관통구는 통상적으로 삼각, 사각 또는 오각 형태로 형성되며, 실리콘 암(3)은 엔형 실리콘으로 구비된다.

그리고, 탐침(4)은 상기 실리콘 암(3)의 돌출된 영역 끝단 상부에 형성된다.

그리고, 고농도 도핑부(5)는 상기 실리콘 암(3)의 돌출된 영역에 인접한 실리콘 암(3)의 돌출되지 않은 영역에 2개의 영역이 소정 거리 이격되도록 형성된다. 이때, 고농도 도핑부(5)는 후술할 압저항 센서(6)와 금속배선(8)의 오믹접촉(Ohmic contact)을 위해 형성된다.

그리고, 압저항 센서(6)는 상기 고농도 도핑부(5)의 한 영역에 접하여 상기 관통구의 외면을 따라 다른 영역에 접하도록 상기 실리콘 암(3)의 돌출된 영역에 형성된다. 이때, 압저항 센서(6)는 상기 엔-형 실리콘 암(3)에 붕소(boron)를 10¹⁷∼10¹⁸cm^-3정도로 도핑하여 웨이퍼의 <110> 방향으로 형성된다.

그리고, 절연막(7)은 상기 실리콘 암(3)의 돌출되지 않은 영역 상부전면에 형성되며, 상기 고농도 도핑부(5)의 2개 영역이 노출되도록 서로 이격되는 콘택홀이 구비된다.

그리고, 금속배선(8)은 상기 절연막(7)의 콘택홀에 의해 노출된 상기 고농도 도핑부(5)의 2개 영역과 각각 접속되도록 이격 형성된다.

상기 압저항 센서(6)는 실리콘 암(3)의 탐침(4)에 가해진 힘에 의해 스트레스가 발생하는 경우에 그에 따라 저항값이 변화하는 센서로, 이 저항값의 상대적 변화는 아래의 식1과 같은 관계에 있다.

여기서 π_L은 캐리어 농도와 웨이퍼 방향에 의존하는 압저항 상수이고, S는 실리콘 암(3)의 스트레스이다.

한편, 도2는 상기 수학식1에서 상대적 저항값의 변화를 도출해 내기 위한 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 서로 동일한 저항값을 갖는 제1,제2저항(R1,R2)이전원전압(VDD)과 접지 사이에 직렬접속되고, 아울러 압저항 센서(6)에 해당되는 제3저항(R3) 및 상기 제1,제2저항(R1,R2)과 동일한 저항값을 갖는 제4저항(R4)이 상기 전원전압(VDD)과 접지 사이에 직렬접속되는 휘트스톤 브릿지부(10)와; 상기 제1,제2저항(R1,R2)의 분배전압(V1)과 상기 제3,제4저항(R3,R4)의 분배전압(V2)을 입력받아 그 차를 증폭하여 출력전압(Vout)으로 출력하는 증폭부(20)로 구성된다.

따라서, 상기 실리콘 암(3)의 상기 압저항 센서(6)에 해당하는 제3저항(R3)의 저항값 변화는 상기 증폭부(20)의 출력전압(Vout)을 측정하여 구할 수 있다.

즉, 증폭부(20)의 출력전압(Vout)은 증폭부(20)의 이득(G)에 상기 휘트스톤 브릿지부(10)의 출력전압(Vo)을 곱한 값이며, 이때 휘트스톤 브릿지부(10)의 출력전압(Vo)은 상기 제3,제4저항(R3,R4)의 분배전압(V2)에서 상기 제1,제2저항(R1,R2)의 분배전압(V1)을 뺀 값이기 때문이다.

이를 수식으로 표현하면 아래의 수학식2와 같다.

그러나, 상기한 바와같은 실리콘 암(3)의 상기 압저항 센서(6)에 해당하는 제3저항(R3)의 저항값 변화는 매우 미세하기 때문에 휘트스톤 브릿지부(10)의 출력전압(Vo)에 잡음이 실릴 경우에 이를 통해 제3저항(R3)의 저항값 변화를 감지하는데 한계를 갖게 되어 별도의 잡음 제거장치가 요구되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 원자력 현미경용 캔틸레버의 실리콘 암에 엔형 실리콘 압저항 센서와 피형 실리콘 압저항 센서를 집적하여 민감도를 향상시킬 수 있는 캔틸레버의 구조를 제공하는데 있다.

도1a 및 도1b는 종래 원자력 현미경용 캔틸레버의 구조를 보인 사시도 및 그 A-A'선 단면도.

도2는 도1a 및 도1b에 있어서, 실리콘 암의 변위에 따른 압저항 센서의 저항값 변화를 도출해 내기 위한 회로도.

도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예를 보인 사시도 및 그 평면도.

도4는 도3a 및 도3b에 있어서, 실리콘 암의 변위에 따른 압저항 센서의 저항값 변화를 도출해 내지 위한 회로도.

도5a 및 도5b는 도3b의 B-B'선 단면도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

101:실리콘 지지층 102:보호막

103:실리콘 암 104:탐침

105A∼105D:제1∼제4고농도 도핑부 106:엔형 실리콘 압저항 센서

107:피형 실리콘 압저항 센서 108:절연막

109A∼109C:제1∼제3배선

상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 캔틸레버의 구조는 지지층의 상면에 형성됨과 아울러 그 지지층의 일측방향으로 돌출부가 구비된 실리콘 암과; 상기 실리콘 암의 돌출부 끝단 상부에 구비된 탐침과; 상기 실리콘 암의 돌출부를 상하 방향으로 관통하여 실리콘 암의 돌출이 시작되는 영역을 일측 및 타측으로 분리시키는 관통구와; 상기 실리콘 암의 일측 영역에 인접한 실리콘 암의 돌출되지 않은 영역에 이격 형성되는 제1,제2고농도 도핑부 및 타측 영역에 인접한 실리콘 암의 돌출되지 않은 영역에 이격 형성되는 제3,제4고농도 도핑부와; 상기 제1고농도 도핑부에 접하여 소정 길이의 띠 형태로 상기 제2고농도 도핑부에 접하도록 상기 실리콘 암의 일측 영역에 형성되는 제1압저항 센서 및 상기 제3고농도 도핑부에 접하여 소정의 띠 형상으로 상기 제4고농도 도핑부에 접하도록 상기 실리콘 암의 타측 영역에 형성되는 제2압저항 센서와; 상기 실리콘 암의 돌출되지 않은 영역 상부에 형성되어 상기 제1 내지 제4고농도 도핑부가 노출되도록 제1 내지 제4콘택홀이 구비된 절연막과; 상기 절연막 상부에 형성되어 제1콘택홀을 통해 제1고농도 도핑부와 접속되는 제1배선, 상기 절연막 상부에 제1배선과 이격 형성되어 제2,제3콘택홀을 통해 상기 제2,제3고농도 도핑부와 접속되는 제2배선 및 상기 절연막 상부에 제1,제2배선과 이격 형성되어 제4콘택홀을 통해 상기 제4고농도 도핑부에 접속되는 제3배선을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 캔틸레버의 구조를 첨부한 도3a 및 도3b의 사시도 및 그 평면도를 일 실시예로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 실리콘 지지층(101)은 일측에 경사면을 갖고, 하면에 Si₃N₄재질의 보호막(102)이 구비된다.

그리고, 실리콘 암(103)은 상기 실리콘 지지층(101)의 상면에 소정의 두께로 형성됨과 아울러 상기 실리콘 지지층(101)의 경사면 방향으로 돌출되도록 형성된다. 이때, 실리콘 암(103)은 후술할 엔형 실리콘 압저항 센서(106)와 피형 실리콘 압저항 센서(107)의 민감도를 고려하여 엔형 또는 피형 실리콘을 적용할 수 있다.

그리고, 관통구(인용부호 미표시)는 상기 실리콘 암(103)의 돌출부를 상하 방향으로 관통하여 실리콘 암(103)의 돌출이 시작되는 영역을 일측 및 타측으로 분리시킨다. 이때, 관통구는 통상적으로 삼각, 사각 또는 오각 형태로 형성된다.

그리고, 탐침(104)은 상기 실리콘 암(103)의 돌출된 영역 끝단 상부에 형성된다.

그리고, 제1,제2고농도 도핑부(105A,105B)는 상기 실리콘 암(103)의 일측 영역에 인접한 실리콘 암(103)의 돌출되지 않은 영역에 이격 형성된다.

그리고, 제3,제4고농도 도핑부(105C,105D)는 상기 실리콘 암(103)의 타측 영역에 인접한 실리콘 암(103)의 돌출되지 않은 영역에 이격 형성된다.

여기서, 상기 제1 내지 제4고농도 도핑부(105A∼105D)는 후술할 엔형 실리콘압저항 센서(106) 및 피형 실리콘 압저항 센서(107)와 제1∼제3배선(109A∼109C)의 오믹접촉을 위해 형성된다.

그리고, 엔형 실리콘 압저항 센서(106)는 상기 제1고농도 도핑부(105A)에 접하여 소정 길이의 띠 형태로 상기 제2고농도 도핑부(105B)에 접하도록 상기 실리콘 암(103)의 일측 영역에 형성된다.

그리고, 피형 실리콘 압저항 센서(107)는 상기 제3고농도 도핑부(105C)에 접하여 소정 길이의 띠 형태로 상기 제4고농도 도핑부(105D)에 접하도록 상기 실리콘 암(103)의 타측 영역에 형성된다.

여기서, 통상 압저항 센서의 민감도(sensitivity)는 캔틸레버 끝단의 변위(deflection)에 대한 압저항값의 변화로 정의되며, 도3b의 인용부호(W', L, L1, L2, Wo)를 변수로하여 압저항 센서의 민감도(S)는 아래의 수학식3과 같다.

이때, t는 실리콘 암(103)의 두께, π_L은 압저항 상수, E는 캔틸레버의 영(Young) 계수이고, C는 캔틸레버의 구조에 따라 정해지는 상수이다.

상기 수학식3에 의하면, 압저항 센서의 민감도(S)는 E×π_L에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다.

일반적으로, 피형 실리콘 압저항 센서(107)는 <110> 방향으로 형성할 경우에압저항 상수(π_L)가 최대값을 갖게 되며, 양(+)의 값을 갖는다.

반면에, 엔형 실리콘 압저항 센서(106)는 <100> 방향으로 형성할 경우에 압저항 상수(π_L)의 절대값이 최대값을 갖게 되며, 음(-)의 값을 갖는다.

한편, <100> 방향의 웨이퍼에서는 엔형 실리콘 압저항 센서(106)를 <110> 방향에서 20°정도 기울여 형성할 경우에 피형 실리콘 압저항 센서(107)를 <110> 방향으로 형성할 경우와 압저항 상수(π_L) 값의 절대값이 유사하게 나타난다.

상기한 바와같은 압저항 센서의 방향에 따른 압저항 상수(π_L)값의 변화에 대한 자료는 'Y.Su et al., Sensor and Actuactor, Vol. 76,pp.139-144, 1991'에 제시되어 있다.

상기 엔형 실리콘 압저항 센서(106)와 피형 실리콘 압저항 센서(107)를 하나의 실리콘 암(103)에 집적 형성하기 위해서는 엔형 실리콘 압저항 센서(106)와 피형 실리콘 압저항 센서(107)의 압저항 상수(π_L)가 유사하게 설계되어야 하며, 그 값이 커야 한다.

따라서, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 최적의 실시예는 <100> 방향의 실리콘 암(103)에 피형 실리콘 압저항 센서(107)를 <110> 방향으로 형성함과 아울러 엔형 실리콘 압저항 센서(106)를 <110> 방향에서 20°정도 기울여 형성한 것이며, 엔형 실리콘 압저항 센서(106)와 피형 실리콘 압저항 센서(107)를 띠 형태로 형성하고, 그 길이를 적절히 조절하여 엔형 실리콘 압저항 센서(106)와 피형 실리콘 압저항 센서(107)가 동일한 초기 저항값을 갖도록 한다.

그리고, 절연막(108)은 상기 실리콘 암(103)의 돌출되지 않은 영역 상부에 형성되어 상기 제1 내지 제4고농도 도핑부(105A∼105D)가 노출되도록 제1 내지 제4콘택홀이 구비된다.

그리고, 제1 내지 제3배선(109A∼109C)은 상기 절연막(108) 상부에 형성되며, 제1배선(109A)은 제1콘택홀을 통해 제1고농도 도핑부(105A)와 접속되고, 제2배선(109B)은 제1배선(109A)과 이격 형성되어 제2,제3콘택홀을 통해 상기 제2,제3고농도 도핑부(105B,105C)와 접속되고, 제3배선(109C)은 제1,제2배선(109A,109C)과 이격 형성되어 제4콘택홀을 통해 상기 제4고농도 도핑부(105D)에 접속된다.

한편, 도4는 상기한 바와같은 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서의 상대적 저항값 변화를 도출해 내기 위한 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 서로 동일한 저항값을 갖는 제1,제2저항(R1,R2)이 전원전압(VDD)과 접지 사이에 직렬접속되고, 아울러 엔형 실리콘 압저항 센서(106)에 해당되는 제3저항(R3) 및 피형 실리콘 압저항 센서(107)에 해당하는 제4저항(R4)이 상기 전원전압(VDD)과 접지 사이에 직렬접속되는 휘트스톤 브릿지부(100)와; 상기 제1,제2저항(R1,R2)의 분배전압(V1)과 상기 제3,제4저항(R3,R4)의 분배전압(V2)을 입력받아 그 차를 증폭하여 출력전압(Vout)으로 출력하는 증폭부(200)로 구성된다.

따라서, 상기 실리콘 암(103)에 부하가 인가되면, 상기 엔형 실리콘 압저항 센서(106)에 해당되는 제3저항(R3)의 저항값은 △Rn 만큼 감소하고, 상기 피형 실리콘 압저항 센서(107)에 해당하는 제4저항(R4)의 저항값은 △Rp 만큼 증가한다.

이때, 증폭부(200)의 출력전압(Vout)은 아래의 수학식4로 나타낼 수 있다.

여기서, △Rn=△Rp=△R로 설계할 경우에는 상기 수학식4에서 휘트스톤 브릿지부(100)의 출력전압(Vo)은 아래의 수학식5로 나타낼 수 있다.

따라서, 상기 수학식5와 종래 수학식2를 비교해보면 휘트스톤 브릿지부(100)의 출력전압(Vo)가 종래에 비해 2배 증가함에 따라 잡음이 실릴 경우에도 실리콘 암(103)의 변위를 정확히 측정할 수 있게 되어 압저항 센서의 민감도를 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 도5a 및 도5b는 도3b의 B-B'선 단면도이다.

먼저, 도5a는 상기 실리콘 암(103)을 엔형으로 형성하는 경우에 피형 실리콘 압저항 센서(107)는 피형 불순물의 이온주입을 통해 형성하고, 엔형 실리콘 압저항 센서(106)는 엔형 실리콘 암(103)에 피형 불순물을 도핑하여 피형 웰(110)을 형성한 다음 다시 엔형 불순물을 도핑하여 형성한다.

그리고, 도5b는 상기 실리콘 암(103)을 엔형으로 형성하는 경우에 도5a와 달리 엔형 실리콘 압저항 센서(106)를 형성하기 위한 피형 웰(110)의 형성과정에서 피형 실리콘 압저항 센서(107)를 동시에 형성하여 사용되는 마스크의 갯수를 줄이고, 공정을 단순화할 수 있게 된다.

한편, 상기 실리콘 암(103)을 피형으로 형성하는 경우에는 상기 도5a 및 도5b와 반대로 엔형 웰을 형성하여 피형 실리콘 압저항 센서(107)를 형성한다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 캔틸레버의 구조는 실리콘 암에 엔형 실리콘 압저항 센서와 피형 실리콘 압저항 센서를 집적하여 휘트스톤 브릿지 회로에 의한 출력전압을 2배 증가시킬 수 있게 됨에 따라 잡음이 실린 경우에도 실리콘 암의 변위를 정확히 측정할 수 있게 되어 센서의 민감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

지지층의 상면에 형성됨과 아울러 그 지지층의 일측방향으로 돌출부가 구비된 실리콘 암과; 상기 실리콘 암의 돌출부 끝단 상부에 구비된 탐침과; 상기 실리콘 암의 돌출부를 상하 방향으로 관통하여 실리콘 암의 돌출이 시작되는 영역을 일측 및 타측으로 분리시키는 관통구와; 상기 실리콘 암의 일측 영역에 인접한 실리콘 암의 돌출되지 않은 영역에 이격 형성되는 제1,제2고농도 도핑부 및 타측 영역에 인접한 실리콘 암의 돌출되지 않은 영역에 이격 형성되는 제3,제4고농도 도핑부와; 상기 제1고농도 도핑부에 접하여 소정 길이의 띠 형태로 상기 제2고농도 도핑부에 접하도록 상기 실리콘 암의 일측 영역에 형성되는 제1압저항 센서 및 상기 제3고농도 도핑부에 접하여 소정의 띠 형상으로 상기 제4고농도 도핑부에 접하도록 상기 실리콘 암의 타측 영역에 형성되는 제2압저항 센서와; 상기 실리콘 암의 돌출되지 않은 영역 상부에 형성되어 상기 제1 내지 제4고농도 도핑부가 노출되도록 제1 내지 제4콘택홀이 구비된 절연막과; 상기 절연막 상부에 형성되어 제1콘택홀을 통해 제1고농도 도핑부와 접속되는 제1배선, 상기 절연막 상부에 제1배선과 이격 형성되어 제2,제3콘택홀을 통해 상기 제2,제3고농도 도핑부와 접속되는 제2배선 및 상기 절연막 상부에 제1,제2배선과 이격 형성되어 제4콘택홀을 통해 상기 제4고농도 도핑부에 접속되는 제3배선을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버의 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 암의 일측과 타측 영역에 형성되는 제1,제2압저항 센서는 동일한 저항값을 갖는 엔형 실리콘 압저항 센서와 피형 실리콘 압저항 센서로 구성한 것을 특징으로 하는 캔틸레버의 구조.
제 2 항에 있어서, 상기 실리콘 암은 <100> 방향으로 형성하고, 피형 실리콘 압저항 센서는 <110> 방향으로 형성하며, 엔형 실리콘 압저항 센서는 <110> 방향에서 20°정도 기울여 형성한 것을 특징으로 하는 캔틸레버의 구조.