KR102084975B1 - Micro-cantilever structure for an atomic force microscope and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자현미경(AFM)에서 샘플 표면을 스캔하기 위한 마이크로 캔틸레버 구조체 및 그 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microcantilever structure for scanning a sample surface in an atomic force microscope (AFM) and a method of manufacturing the same.
1981년 G. Bignning에 의해 개발된 주사형 터널링 현미경(STM, scanning tunneling microscopy)은 미시세계에 존재하는 자연의 법칙과 형상을 우리에게 알려주었고 꿈으로만 여겨지던 원자의 구조를 3차원으로 보는 것을 가능하게 하였다. 그러나, 주사형 터널링 현미경은 텅스텐 탐침을 사용하여 표면을 고해상도로 분석할 수 있었지만 다양한 샘플들(도체, 반도체, 부도체) 중 전도체에서만 이용이 가능하다는 제한을 가졌다. 이러한 주사형 터널링 현미경의 단점을 개선하기 위해서 원자현미경(AFM, atomic force microscope)이 1986년에 G. Bignning에 의해 개발되었으며 고분해능(~1nm lateral, <0.1nm vertical의 분해능), Quantitative 3-D 정보 분석, 다양한 재료(도체, 반도체, 부도체)의 분석, 다양한 환경(대기, 용액 그리고 진공 등)에서 이용이 가능하다는 장점을 가진다. 원자현미경에서는 텅스텐으로 만든 바늘 대신에 마이크로머시닝 기술로 제조된 탐침(tip)이 집적화된 실리콘 캔틸레버(cantilever)라는 불리는 작은 막대로 사용하여 분석하였으며 캔틸레버 끝단에는 미세한 탐침이 달려 있어 표면을 원자 수준으로 형상화 할 수 있다. 기존의 사용되는 일반적인 원자현미경은 레이저를 캔틸레버 끝단 윗면에 비추는 상태에서 아랫면에 존재하는 탐침을 시료표면에 접근시켜서 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 발생하는 인력과 척력에 의해 휘어지는 캔틸레버의 휘어짐을 포토다이오드를 사용한 레이저 광선 각도를 측정함으로써 표면을 원자수준으로 나타내었다. 그러나, 캔틸레버의 변위를 측정하기 위해 사용된 레이저를 이용한 광학장치는 원자현미경 구성을 복잡하게 하며 소형화를 어렵게 하였다. 이를 해결하기 위해 캔틸레버 내부에 변위센서를 집적한 실리콘 기반의 다양한 캔틸레버들이 개발되어 원자현미경을 소형화하고 단순화할 수 있었지만 캔틸레버 제작 공정이 복잡해지고 제작단가가 상승한다는 문제점을 나타내었다.Scanning tunneling microscopy (STM), developed by G. Bignning in 1981, informed us of the laws and shapes of nature in the microworld and the three-dimensional view of the structure of atoms that were considered dreams. Made it possible. Scanning tunneling microscopy, however, was able to analyze the surface at high resolution using a tungsten probe, but had the limitation that it could only be used in conductors among various samples (conductors, semiconductors, insulators). In order to improve the shortcomings of the scanning tunneling microscope, an atomic force microscope (AFM) was developed by G. Bignning in 1986, and has high resolution (~ 1nm lateral, <0.1nm vertical resolution), quantitative 3-D information. It has the advantage that it can be used in analysis, analysis of various materials (conductors, semiconductors, insulators) and in various environments (air, solution and vacuum). In atomic force microscopy, instead of tungsten needles, a micromachined tip was used as a small rod called an integrated silicon cantilever, and the tip of the cantilever had a tiny probe, shaping the surface to the atomic level. can do. Conventional atomic force microscopy is used to bend the cantilever bent by the attraction and repulsion between the atom at the tip of the probe and the atom at the sample surface by approaching the sample surface on the bottom surface while the laser is illuminated on the upper surface of the cantilever tip. The surface is shown at the atomic level by measuring the laser beam angle using a photodiode. However, the laser-based optical apparatus used to measure the displacement of the cantilever complicates atomic microscope construction and makes it difficult to miniaturize. In order to solve this problem, various silicon-based cantilevers have been developed that integrate displacement sensors inside the cantilever to reduce and simplify the atomic microscope, but show a problem that the cantilever manufacturing process is complicated and the manufacturing cost increases.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로서, 틸팅 방향으로 자가 위치 조절을 위한 구동 수단과 캔틸레버의 변위를 측정을 위한 감지 수단이 일체로 캔틸레버에 집적화되어 원자현미경을 소형화할 수 있으며, 샘플 표면에 팁의 접근이 용이한 마이크로 캔틸레버 구조체와 그 제작방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention is to improve the problems of the prior art, the driving means for adjusting the position of the self in the tilting direction and the sensing means for measuring the displacement of the cantilever integrally integrated in the cantilever can reduce the atomic microscope It is an object of the present invention to provide a microcantilever structure having a tip easily accessible to a surface and a method of fabricating the same.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체는, 몸체부와; 상기 몸체부에서 연장되어 선단에 팁이 형성되고 하단 면에 그루브가 형성되어 자중에 의해 틸팅 방향으로 휨이 형성된 벤딩 캔틸레버와; 상기 벤딩 캔틸레버에 실장되어 틸팅 방향의 변위를 검출하게 되는 압저항 변위센서 회로부와; 상기 벤딩 캔틸레버에 실장되어 줄 열에 의해 상기 벤딩 캔틸레버의 틸팅 구동을 위한 열구동 회로부를 포함한다.Micro cantilever structure according to the present invention for achieving this object, the body portion; A bending cantilever extending from the body portion, a tip formed at a tip end, and a groove formed at a bottom end thereof, the bending cantilever being bent in a tilting direction by its own weight; A piezoresistive displacement sensor circuit unit mounted on the bending cantilever to detect displacement in a tilting direction; And a thermal driving circuit unit mounted on the bending cantilever to tilt the driving of the bending cantilever by a row of rows.
바람직하게는, 상기 팁은 상기 벤딩 캔틸레버와 나란하게 돌출 형성되며, 상기 그루브는 상기 벤딩 캔틸레버의 길이 방향에 대해 직각으로 복수 개로 구성되며, 상기 압저항 변위센서 회로부는 상기 몸체부에 배치되는 휘스톤브릿지 회로를 더 포함한다.Preferably, the tip is formed to protrude in parallel with the bending cantilever, the groove is composed of a plurality of the perpendicular to the longitudinal direction of the bending cantilever, the piezoresistance displacement sensor circuit portion is a Wheatstone disposed on the body portion It further comprises a bridge circuit.
다음으로, 본 발명에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 제작방법은, 기판에 상기 그루브와 대응되는 요철 패턴을 형성하고 그 상부에 SU-8을 코팅하고 그 일부를 제거하여 상기 몸체부와 상기 벤딩 캔틸레버의 평면 구조에 해당하는 베이스 패턴을 형성하는 제1단계와; 상기 베이스 패턴의 상부에 AZ 계열의 감광제를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하여 상기 베이스 패턴 상부에 상기 압저항 변위센서 회로부와 상기 열구동 회로부가 형성될 배선 패턴을 형성하고 상기 배선 패턴에 금속층을 증착하여 리프트-오프 공정을 통해 상기 압저항 변위센서 회로부와 상기 열구동 회로부에 대한 도전 패턴을 제작하는 제2단계와; 상기 도전 패턴을 덮도록 기판에 SU-8을 코팅하고 그 일부를 제거하여 상기 베이스 패턴의 상부에 상부 패턴을 일체로 형성하는 제3단계와; 제3단계에서 제작된 마이크로 캔틸레버 조립체와 상기 기판을 분리하는 제4단계를 포함한다.Next, in the method of manufacturing a micro-cantilever structure according to the present invention, forming a concave-convex pattern corresponding to the groove on the substrate, coating SU-8 on the upper portion of the microcantilever structure, and removing a portion thereof to planarize the body portion and the bending cantilever. Forming a base pattern corresponding to the structure; A photolithography process is performed on the base pattern through an AZ-based photoresist to form a wiring pattern on which the piezoresistive displacement sensor circuit part and the thermal driving circuit part are to be formed, and a metal layer is deposited on the wiring pattern. A second step of manufacturing a conductive pattern for the piezoresistive displacement sensor circuit portion and the thermal drive circuit portion through a lift-off process; Coating a SU-8 on the substrate so as to cover the conductive pattern, and removing a portion thereof to integrally form an upper pattern on the base pattern; And a fourth step of separating the substrate from the micro-cantilever assembly manufactured in the third step.
바람직하게는, 제1단계에서 상기 기판을 산화시킨 후에 상기 베이스 패턴을 형성하며, 제4단계에서 산화막을 제거하여 상기 기판과 마이크로 캔틸레버 구조체를 분리한다.Preferably, after the substrate is oxidized in the first step, the base pattern is formed, and in the fourth step, the oxide film is removed to separate the substrate from the microcantilever structure.
본 발명에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체는, 몸체부에서 연장되어 선단에 팁이 형성되고 하단 면에 그루브가 형성되어 자중에 의해 틸팅 방향으로 휨이 형성된 벤딩 캔틸레버와, 이 벤딩 캔틸레버에 실장되어 틸팅 방향의 변위를 검출하게 되는 압저항 변위센서 회로부와, 벤딩 캔틸레버에 실장되어 줄 열에 의해 상기 벤딩 캔틸레버의 틸팅 구동을 위한 열구동 회로부를 포함하여, 원자현미경을 소형화할 수 있으며, 샘플 표면에 팁의 접근이 용이하다.The micro-cantilever structure according to the present invention includes a bending cantilever extending from the body portion and having a tip formed at the tip and a groove formed at the bottom surface thereof, the bending cantilever being bent in the tilting direction due to its own weight, and the displacement in the tilting direction mounted on the bending cantilever. A piezoresistive displacement sensor circuit unit for detecting a and a thermal drive circuit unit for tilting the bending cantilever by a row of columns mounted on a bending cantilever can reduce the atomic microscope and facilitate tip access to the sample surface. Do.
또한 본 발명의 마이크로 캔틸레버 구조체는, 압저항 변위센서 회로부가 요철 구조를 갖고 또한 휘스톤브릿지 회로가 구비되어 저항 변화를 정밀하게 측정이 가능하여 정확한 틸팅 방향의 정밀한 변위 측정이 이루어질 수 있다.In addition, the micro-cantilever structure of the present invention, the piezoresistive displacement sensor circuit portion has an uneven structure and the Wheatstone bridge circuit can be accurately measured the resistance change can be precise displacement measurement in the tilting direction.
또한 이러한 마이크로 캔틸레버 구조체의 제작방법은 마이크로 머시닝 공정을 사용한 일괄공정을 통하여 간단하게 제작이 가능한 장점이 있다.In addition, the manufacturing method of such a micro cantilever structure has an advantage that can be easily manufactured through a batch process using a micro machining process.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 사시 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 단면 구성도,
도 3의 (a)(b)(c)는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체와 종래기술의 캔틸레버의 작동예를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 일부 확대된 평면 구성도,
도 5의 (a) 내지 (l)는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 제작 과정을 간략히 보여주는 도면.1 is a perspective configuration diagram of a micro cantilever structure according to an embodiment of the present invention;
2 is a cross-sectional configuration diagram of a micro cantilever structure according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 (a) (b) (c) is a view showing the operation example of the micro cantilever structure and the prior art cantilever according to an embodiment of the present invention,
4 is an enlarged plan view of a part of a micro cantilever structure according to an embodiment of the present invention;
Figure 5 (a) to (l) is a view briefly showing the manufacturing process of the micro cantilever structure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Specific structural or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are only illustrated for the purpose of describing the embodiments according to the inventive concept, and the embodiments according to the inventive concept may be implemented in various forms. In addition, it is not to be construed as limited to the embodiments described herein, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.Meanwhile, terms such as first and / or second in the present invention may be used to describe various components, but the components are not limited to the terms. The above terms are for the purpose of distinguishing one component from other components only, for example, within the scope not departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, the first component may be named as the second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is to be understood that the component may be directly connected or connected to that other component, but other components may be present in between. something to do. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly contacted" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Other expressions for describing relationships between components, such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should likewise be interpreted.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. The terms "comprises" or "having" herein are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is implemented, and that one or more other features or numbers, It is to be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 사시 구성도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 단면 구성도이다.1 is a perspective configuration diagram of a micro cantilever structure according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional configuration diagram of a micro cantilever structure according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체는, 몸체부(100)와; 몸체부(100)에서 연장되어 선단에 팁(111)이 형성되고 자중에 의해 틸팅 방향(Z축 방향)으로 휨이 형성된 벤딩 캔틸레버(110)와; 벤딩 캔틸레버(110)에 실장되는 압저항 변위센서 회로부와, 벤딩 캔틸레버(110)에 실장되는 열구동 회로부를 포함한다.1 and 2, the micro-cantilever structure according to an embodiment of the present invention, the
몸체부(100)는 일정 두께를 갖는 장방형(rectangle) 구조를 가지며, 일측 모서리에서 직각 방향으로 연장되어 선단에 팁(111)이 형성된 벤딩 캔틸레버(110)가 마련되어 벤딩 캔틸레버(110)를 지지한다. 바람직하게는, 몸체부(100)는 열팽창이 우수한 소재가 사용되며, 이러한 소재로는 PDMS(Poly di-methyl siloxane) 또는 SU-8을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는, 본 발명에서 몸체부(100)는 SU-8이 사용되며, SU-8은 실리콘(Si wafer)에 비하여 저렴하고 열팽창 계수가 커서 낮은 구동 온도에서도 대변위의 구동이 가능하며, 제작공정이 쉽고 간단하다는 장점이 있다.
몸체부(100)의 상면에는 관통 형성된 다수의 포트(101)가 형성될 수 있으며, 각 포트(101)는 몸체부(100) 내부에 배치되는 압저항 변위센서 회로부와 열구동 회로부와 전기적인 접촉을 위한 단자가 마련된다.A plurality of
벤딩 캔틸레버(110)는 몸체부(100)에서 연장된 좁은 폭은 갖는 스트립 형상이며, 몸체부(100)에 지지되어 틸팅이 가능한 자유단에 뾰족한 팁(111)이 형성된다. 바람직하게는, 팁(111)은 벤딩 캔틸레버(110)와 동일 평면 상에서 돌출 형성된다.The
바람직하게는, 도 2에 예시된 것과 같이, 벤딩 캔틸레버(110)는 하단 면에 복수의 그루브(groove)(112)가 형성되며, 바람직하게는, 그루브(112)는 벤딩 캔틸레버(110)의 길이 방향(y축 방향)에 대해 직각 방향(x축 방향)으로 형성되어 벤딩 캔틸레버(110)는 자중에 의해 틸팅 방향(Z축 방향)으로 소정 각도(θ) 휘어진 상태이다. 벤딩 캔틸레버(110)는 자중에 의해 몸체부(100)에 대해 아래로 처진 상태(휨 상태)가 되며, 이때 벤딩 캔틸레버(110)의 휨 정도는 벤딩 캔틸레버(110)의 고정단 하부 면에 형성되는 그루브(112)의 폭 또는 개수에 의해 적절히 결정될 수 있다.Preferably, as illustrated in FIG. 2, the
도 3의 (a)(b)(c)는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체와 종래기술의 캔틸레버의 작동예를 보여주는 도면으로서, (a)는 본 발명에 따른 실시예를 보여주고 있으며, (b)(c)는 종래기술의 캔틸레버를 보여주고 있다.Figure 3 (a) (b) (c) is a view showing the operation example of the micro cantilever structure and the conventional cantilever according to an embodiment of the present invention, (a) shows an embodiment according to the present invention (b) and (c) show cantilevers of the prior art.
도 3의 (a)에 예시된 것과 같이, 본 발명에서 벤딩 캔틸레버(110)의 자유단에 돌출 형성되는 팁(111)은 동일 평면 상에서 돌출 형성되며, 또한 벤딩 캔틸레버(110)는 몸체부(100)에 대해 소정 각도 경사를 갖고 배치되며, 따라서 스캔 과정에서 샘플 표면(1)에 팁(111)의 접근이 용이하게 이루어질 수 있다.As illustrated in (a) of FIG. 3, in the present invention, the
한편, 도 3의 (b)(c)에서 종래기술의 캔틸레버(10)에서와 같이, 캔틸레버(10)의 하단에 수직으로 돌출 형성되는 팁(11a)(11b)은 실질적으로 제작 과정에서 팁(11a)(11b)과 캔틸레버(10)의 얼라인(align) 오차로 인하여 캔틸레버(10) 끝단의 정확한 위치에 팁(11a)(11b)을 제작하기 어려운 문제점이 있다. 도 3의 (c)는 종래기술의 캔틸레버(10)의 끝단에 정확히 팁(11b)이 위치하지 않는 경우를 예시하여 보여주고 있으며, 이때 스캔 과정에서 샘플 표면(1)에 팁(11b)이 아닌 캔틸레버(10)의 끝단이 접촉되어 샘플 표면(1)을 정확하게 형상화할 수 없다.On the other hand, as shown in the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 일부 확대된 평면 구성도이다.4 is a partially enlarged plan view of the microcantilever structure according to the embodiment of the present invention.
도 4를 참고하면, 벤딩 캔틸레버(110)에는 틸팅 방향의 변위를 검출하게 되는 압저항 변위센서 회로부(210)와, 줄 열(joule heat)에 의해 벤딩 캔틸레버(110)의 틸팅 구동을 위한 열구동 회로부(220)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the
압저항 변위센서 회로부(210)는 벤딩 캔틸레버(110)의 고정단에 요철 구조로 배치되어 벤딩 캔틸레버(110)의 틸팅 구동 시에 센서 저항의 변화가 크게 발생되며, 바람직하게는, 압저항 변위센서 회로부(210)는 몸체부(100)에 배치되는 휘스톤브릿지 회로(R1)(R2)(R3)(R4)가 형성되어 정밀한 벤딩 캔틸레버(110)의 변위 측정이 이루어질 수 있다.The piezoresistive displacement
열구동 회로부(220)는 몸체부(100)에 배치되어 단자(221a)(222a)와 도전선(221)(222)으로 연결되어 단자(221a)(222a)를 통해 전원 공급이 이루어진다.The thermal
바람직하게는, 열구동 회로부(220)는 벤딩 캔틸레버(110)의 하단 면에 형성된 그루브(111)(도 1 참고)와 대략 인접한 구간에 형성되며, 열구동 회로부(220)에 인가된 줄 열에 의해 낮은 스프링 상수를 갖는 SU-8 소재인 벤딩 캔틸레버(110)의 열팽창에 의해 틸팅 방향의 구동이 이루어진다.Preferably, the thermal
이러한 열구동 회로부(220)는 스캔 과정에서 단자(221a)(222a)를 통해 인가된 전원에 의해 발열량의 조절이 이루어져 틸팅 방향의 변위 제어가 이루어져 팁(111)과 샘플 표면 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있다.The thermal
바람직하게는, 압저항 변위센서 회로부(210)와 열구동 회로부(220)는 벤딩 캔틸레버(110)의 내부에 실장되며, Au 등의 도전성 패턴을 증착하여 제공될 수 있다.Preferably, the piezoresistive
한편, 열구동 회로부(220)의 동작 시에 발생되는 열이 압저항 변위센서 회로부(210)에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 압저항 변위센서 회로부(210)와 열구동 회로부(220) 사이는 일정 거리 이상 떨어져서 배치되며, 이때 벤딩 캔틸레버(110)의 고정단에 배치되는 압저항 변위센서 회로부(210)에 대해 열구동 회로부(220)와 함께 그루브(112)의 위치를 고정단에서 떨어뜨려서 배치함으로써 압저항 변위센서 회로부(210)와 열구동 회로부(220) 사이의 충분한 이격 거리를 확보할 수 있다.Meanwhile, in order to prevent the heat generated during the operation of the thermal
이러한 본 발명에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체는 마이크로 머시닝(micromachining) 공정을 통하여 제작이 가능하며, 이하 그 공정을 구체적으로 설명한다.Such a microcantilever structure according to the present invention can be manufactured through a micromachining process, and the process will be described in detail below.
도 5의 (a) 내지 (l)는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 제작 과정을 간략히 보여주는 도면이다.5 (a) to (l) is a view briefly showing the manufacturing process of the micro cantilever structure according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체의 제작방법은, 기판(20)에 그루브와 대응되는 요철 패턴(21)을 형성하고 그 상부에 SU-8을 코팅하고 그 일부를 제거하여 몸체부와 벤딩 캔틸레버의 평면 구조에 해당하는 베이스 패턴(51)을 형성하는 제1단계와; 베이스 패턴(51)의 상부에 AZ 계열의 감광제를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하여 베이스 패턴(51) 상부에 압저항 변위센서 회로부와 열구동 회로부가 형성될 배선 패턴을 형성하고 배선 패턴에 금속층을 증착하여 리프트-오프 공정을 통해 상기 압저항 변위센서 회로부와 상기 열구동 회로부에 대한 도전 패턴(60)을 제작하는 제2단계와; 도전 패턴(60)을 덮도록 기판(20)에 SU-8을 코팅하고 그 일부를 제거하여 베이스 패턴(51)의 상부에 상부 패턴을 일체로 형성하는 제3단계와; 제3단계에서 제작된 마이크로 캔틸레버 조립체와 상기 기판을 분리하는 제4단계를 포함한다.Referring to FIG. 5, in the method of manufacturing a microcantilever structure according to the present invention, a concave-
제1단계는 기판(20)에 몸체부와 그립부의 평면 구조에 해당하는 베이스 패턴(51)을 형성하는 과정이다. The first step is a process of forming a
구체적으로는, 실리콘(Si; 100) 기판(20)의 상부에 산화로를 사용하여 산화막(SiO2)(30)을 100㎚ 두께로 형성하며(a)(b), 다음으로 스핀코터를 이용하여 AZ5214 PR을 코팅하고, 코팅된 PR을 포토리소그래피 공정을 통해서 패턴한 다음 BHF(6:1) 용액을 사용하여 100㎚ 두께의 산화막(SiO2)을 식각하여 산화막(SiO2)을 패턴하며, 산화막(SiO2)이 패턴된 기판(30)을 TMAH에 넣고 실리콘(Si)을 식각하여 벤딩 캔틸레버의 하부 면에 형성되는 그루브 형성을 위한 요철 패턴(31)을 형성한다(c). 다음으로, 산화막(SiO2)을 BHF(6:1) 용액을 사용하여 식각한 기판(20)을 산화로를 사용하여 300㎚ 두께의 산화막(SiO2)(40)을 형성한다(d)(e). 이후 SU-8 2002(50)을 3㎛ 두께로 코팅하며(f), 코팅된 SU-8 2007(30)을 마스크얼라이너를 사용한 포토리소그래피 공정을 통해 베이스 패턴(51)을 형성한다(g). 한편, 본 실시예에서 포토리소그래피 공정에서 사용되는 마스크의 설계는 L-edit 프로그램이 사용되었으며, 마이크로 PG 장비를 사용하여 마스크를 제작하였다.Specifically, an oxide film (SiO 2 ) 30 is formed to a thickness of 100 nm on the silicon (Si) 100
제2단계는 베이스 패턴(51) 상부에 압저항 변위센서 회로부와 열구동 회로부에 대한 도전 패턴(60)을 제작하는 과정으로서, 베이스 패턴(51)의 상부에 AZ5214를 2㎛ 두께로 코팅한 후에 포토리소그래피 공정을 통해 압저항 변위센서 회로부와 열구동 회로부가 형성될 배선 패턴을 형성하며, 이후 배선 패턴 위에 E-beam을 사용하여 Cr(5㎚)/Au(200㎚)를 증착하고 리프트-오프(lift-off) 공정을 통해 도전 패턴(60)을 형성한다(h).The second step is to fabricate the
제3단계는 베이스 패턴(51)의 상부에 SU-8의 바디 패턴을 일체로 형성하는 과정으로서, 구체적으로는, 도전 패턴(60)을 덮도록 산화막(40)의 상부에 다시 SU-8 2007(50)을 2㎛ 두께로 코팅하며(i), 이후 포토리소그래피 공정을 통하여 베이스 패턴(51)의 상부에 상부 패턴(71)을 일체로 형성하여 캔틸레버 조립체를 제작한다(j).The third step is a process of integrally forming a body pattern of SU-8 on the
바람직하게는, 제3단계에서 완성된 캔틸레버 조립체는 몸체부의 상부에 바디 패턴(72)을 형성하는 과정이 추가될 수 있다. 이와 같이 바디 패턴(72)이 추가 형성되어 몸체부의 두께가 두꺼워짐으로써 캔틸레버 조립체의 조작이 쉽게 이루어질 수 있다. 바디 패턴(72)의 제작 과정은 상부 패턴(71)이 형성된 캔틸레버 조립체를 덮도록 200㎛ 두께로 SU-8 2100을 코팅하고 포토리소그래피 공정을 통해 이루어질 수 있다(k).Preferably, the cantilever assembly completed in the third step may be a process of forming a body pattern 72 on the upper portion of the body portion. As described above, the body pattern 72 is additionally formed to increase the thickness of the body portion, thereby easily operating the cantilever assembly. The manufacturing process of the body pattern 72 may be performed by coating SU-8 2100 with a thickness of 200 μm so as to cover the cantilever assembly on which the
제4단계에서는 기판으로부터 캔틸레버 조립체를 분리하는 과정으로서, 기판 상부의 산화막(40)과 접합된 캔틸레버 조립체를 BHF(6:1) 용액을 사용하여 300㎚ 두께의 산화막(40)을 제거함으로써 기판으로부터 분리하여 최종적인 마이크로 캔틸레버 구조체를 얻을 수 있다(i). 한편, 기판에서 분리된 마이크로 캔틸레버 구조체는 몸체부(100)에 대해 벤딩 캔틸레버(110)가 틸팅 방향으로 소정 각도(θ)의 휨이 형성된 상태이다.In the fourth step, the cantilever assembly is separated from the substrate. The cantilever assembly bonded to the
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 마이크로 캔틸레버 구조체는, 벤딩 캔틸리버와 나란한 방향으로 팁이 돌출 형성되고 벤딩 캔틸레버는 몸체부에 대해 틸팅 방향으로 경사를 갖도록 휨이 형성되어 샘플 표면에 팁의 접근이 용이하다. In the micro cantilever structure according to the present invention configured as described above, the tip is protruded in a direction parallel to the bending cantilever, and the bending cantilever is bent so as to have an inclination in the tilting direction with respect to the body portion, so that the tip is easily accessible to the sample surface. .
또한, 벤딩 캔틸레버의 틸팅 방향의 변위를 검출하기 위한 압저항 변위센서 회로와 틸팅 방향의 구동을 위한 열구동 회로부가 벤딩 캔틸레버에 집적화되어 구비됨으로써, 캔틸레버의 변위를 정밀하게 측정할 수 있으며 스캔 과정에서 샘플 표면에서 발생한 급격한 단차 변화에 대해 실시간의 대응이 가능하다. 또한 압저항 변위센서 회로부와 열구동 회로부가 벤딩 캔틸레버의 내부에 실장되어 다양한 환경에서 사용할 수 있어 3차원 표면 분석을 위한 연구 분야 등에 응용이 가능하다.In addition, a piezoresistive displacement sensor circuit for detecting displacement in the tilting direction of the bending cantilever and a thermal drive circuit unit for driving in the tilting direction are integrated in the bending cantilever, so that the displacement of the cantilever can be accurately measured and Real-time response to rapid step changes in the sample surface is possible. In addition, the piezoresistive displacement sensor circuit portion and the thermal drive circuit portion are mounted inside the bending cantilever and can be used in various environments, so that they can be applied to research fields for 3D surface analysis.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.
100 : 몸체부 111 : 팁
112 : 그루브 110 : 벤딩 캔틸레버
210 : 압저항 변위센서 회로부 220 : 열구동 회로부100: body 111: tip
112: groove 110: bending cantilever
210: piezoresistive displacement sensor circuit portion 220: thermal drive circuit portion
Claims (6)
몸체부와;
상기 몸체부에서 연장되어 선단에 돌출된 팁이 형성되고 하단 면에 그루브가 형성되어 자중에 의해 틸팅 방향으로 휨이 형성된 벤딩 캔틸레버와;
상기 벤딩 캔틸레버에 실장되어 틸팅 방향의 변위를 검출하게 되는 압저항 변위센서 회로부와;
상기 벤딩 캔틸레버에 실장되어 줄 열에 의해 상기 벤딩 캔틸레버의 틸팅 구동을 위한 열구동 회로부를 포함하는 원자 현미경용 마이크로 캔틸레버 구조체.As a micro cantilever structure for an atomic microscope,
A body portion;
A bending cantilever extending from the body portion, a tip protruding at the tip end, and a groove formed at the bottom surface thereof, the bending cantilever being bent in a tilting direction by its own weight;
A piezoresistive displacement sensor circuit unit mounted on the bending cantilever to detect displacement in a tilting direction;
A microcantilever structure for an atomic force microscope including a thermal drive circuit for tilting the bending cantilever by a row of wires mounted on the bending cantilever.
기판에 상기 그루브와 대응되는 요철 패턴을 형성하고 그 상부에 SU-8을 코팅하고 그 일부를 제거하여 상기 몸체부와 상기 벤딩 캔틸레버의 평면 구조에 해당하는 베이스 패턴을 형성하는 제1단계와;
상기 베이스 패턴의 상부에 AZ 계열의 감광제를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하여 상기 베이스 패턴 상부에 상기 압저항 변위센서 회로부와 상기 열구동 회로부가 형성될 배선 패턴을 형성하고 상기 배선 패턴에 금속층을 증착하여 리프트-오프 공정을 통해 상기 압저항 변위센서 회로부와 상기 열구동 회로부에 대한 도전 패턴을 제작하는 제2단계와;
상기 도전 패턴을 덮도록 기판에 SU-8을 코팅하고 그 일부를 제거하여 상기 베이스 패턴의 상부에 상부 패턴을 일체로 형성하는 제3단계와;
제3단계에서 제작된 마이크로 캔틸레버 조립체와 상기 기판을 분리하는 제4단계를 포함하는 원자 현미경용 마이크로 캔틸레버 구조체의 제작방법.In the method for producing a micro-cantilever structure for an atomic microscope according to claim 1,
Forming a base pattern corresponding to the planar structure of the body portion and the bending cantilever by forming a concave-convex pattern corresponding to the groove on the substrate, coating SU-8 on an upper portion thereof, and removing a portion thereof;
A photolithography process is performed on the base pattern through an AZ-based photoresist to form a wiring pattern on which the piezoresistive displacement sensor circuit part and the thermal driving circuit part are to be formed, and a metal layer is deposited on the wiring pattern. A second step of manufacturing a conductive pattern for the piezoresistive displacement sensor circuit part and the thermal drive circuit part through a lift-off process;
Coating a SU-8 on the substrate so as to cover the conductive pattern and removing a portion thereof to integrally form an upper pattern on the base pattern;
Method of manufacturing a micro-cantilever structure for an atomic microscope comprising a fourth step of separating the substrate and the micro-cantilever assembly manufactured in the third step.
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