Microscopie à force atomique à sonde active avec réseaux en porte-à-faux quattro-parallèles pour l’inspection d’échantillons à grande échelle à haut débit

Les microscopes à force atomique (AFM) peuvent capturer des images de topographie 3D avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique. Les chercheurs ont étendu la capacité des AFM à créer des cartes de propriétés d’échantillons dans les domaines mécanique, électrique, magnétique, optique et thermique. Entre-temps, l’amélioration du débit d’imagerie a également fait l’objet de recherches visant à adapter les AFM aux nouveaux besoins expérimentaux. Il existe principalement deux domaines d’application pour l’imagerie AFM à haut débit : la première catégorie est l’imagerie à grande vitesse d’une petite zone pour capturer les changements dynamiques dans l’échantillon dus à des réactions biologiques ou chimiques ^1,2 ; La deuxième catégorie concerne l’imagerie à grande échelle à haute résolution spatiale d’échantillons statiques lors d’une inspection, qui est examinée en détail dans ce travail. Alors que la taille des transistors diminue jusqu’à l’échelle nanométrique, l’industrie des semi-conducteurs a un besoin urgent d’AFM à haut débit pour inspecter les dispositifs nanofabriqués à l’échelle d’une plaquette avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique³.

La caractérisation de dispositifs nanofabriqués sur une plaquette peut être difficile en raison de la grande différence d’échelle entre les caractéristiques de la plaquette et du transistor. Les gros défauts peuvent être repérés automatiquement avec des microscopes optiques⁴. De plus, les microscopes électroniques à balayage (MEB) sont largement utilisés pour l’inspection jusqu’à des dizaines de nanomètres en 2D⁵. Pour les informations 3D et une résolution plus élevée, l’AFM est un outil plus adapté si son débit peut être amélioré.

Avec un débit d’imagerie limité, une approche consiste à imager des zones de plaquettes sélectionnées où les défauts de nanofabrication sont plus susceptibles de se produire⁶. Cela nécessiterait une connaissance préalable du processus de conception et de fabrication. Il est^{également possible de} combiner d’autres modalités, telles qu’un microscope optique ou un MEB avec un AFM pour la vue d’ensemble et le zoom. Un système de positionnement de haute précision à large portée est nécessaire pour aligner correctement le système de coordonnées entre les outils de fabrication et de caractérisation. De plus, un système AFM automatisé permettant d’imager diverses zones sélectionnées est nécessaire pour réaliser cette fonctionnalité.

En guise d’alternative, les chercheurs ont étudié différentes façons d’augmenter la vitesse de balayage de l’AFM. Étant donné que la mise en place de l’AFM à haut débit est un défi systématique pour l’instrumentation de précision, les chercheurs ont étudié diverses méthodes, notamment l’utilisation de sondes AFM plus petites, la refonte de nano-positionneurs à large bande^passante 9,10,11,12 et l’électronique de pilotage ¹³, l’optimisation des modes de fonctionnement, l’imagerie des algorithmes de contrôle 14,15,16,17 etc. Grâce à ces efforts, la vitesse relative effective de la pointe et de l’échantillon peut être augmentée jusqu’à un maximum d’environ dizaines de millimètres par seconde pour les systèmes AFM à sonde unique disponibles dans le commerce.

Pour améliorer encore le débit d’imagerie, l’ajout de plusieurs sondes pour fonctionner en parallèle est une solution naturelle. Cependant, le système de déviation du faisceau optique (OBD) utilisé pour la détection de la déviation en porte-à-faux est relativement encombrant, ce qui rend l’ajout de plusieurs sondes relativement difficile. Le contrôle individuel de la déflexion en porte-à-faux peut également être difficile à réaliser.

Pour surmonter cette limitation, il est préférable d’utiliser des principes de détection et d’actionnement embarqués sans composants externes encombrants. Comme détaillé dans les rapports^18,19 publiés précédemment, la détection de déviation avec les principes piézorésistifs, piézoélectriques et optomécaniques peut être considérée comme une détection intégrée, les deux premières étant plus matures et plus faciles à mettre en œuvre. Pour l’actionnement embarqué, il est possible d’utiliser des principes thermomécaniques avec chauffage électrique ou piézoélectriques. Bien que les principes piézoélectriques puissent fonctionner dans une plage de température plus large jusqu’aux environnements cryogéniques, ils ne peuvent prendre en charge que les opérations AFM en mode de taraudage, car la déflexion statique ne peut pas être mesurée en raison de la fuite de charge et de l’actionnement statique souffrant d’hystérésis et de fluage. Dans des travaux antérieurs, des réseaux de sondes actives en porte-à-faux utilisant un capteur piézorésistif et le capteur piézoélectrique ont été développés pour l’imagerie à grande portée^20,21, mais n’ont pas été mis à l’échelle pour l’imagerie à grande échelle ni commercialisés. Dans ce travail, la combinaison de la détection piézorésistive et de l’actionnement thermomécanique est sélectionnée comme transducteurs intégrés avec une capacité de contrôle de la déflexion statique.

Dans ce travail, un nouveau réseau de porte-à-faux actifs parallèles « Quattro”²² est utilisé comme sonde²³ pour l’imagerie simultanée à l’aide de porte-à-faux actifs. Pour mesurer la déflexion en porte-à-faux, des capteurs piézorésistifs dans une configuration de pont de Wheatstone¹⁹ sont nanofabriqués à la base de chaque micro-porte-à-faux pour mesurer la contrainte interne, qui est linéairement proportionnelle à la déviation de la pointe en porte-à-faux. Ce capteur embarqué compact peut également atteindre une résolution inférieure au nanomètre comme le capteur OBD conventionnel. L’équation 1¹⁹ montre l’équation 1 pour un porte-à-faux de longueur L, de largeur W et d’épaisseur H, le coefficient de capteur piézorésistif P_R et le module d’élasticité effectif du pont E en tension d’alimentation U_b.

(1)

Comme le fonctionnement en mode de taraudage/sans contact dynamique est préférable pour l’imagerie non invasive afin d’éviter de perturber l’échantillon, un actionneur thermomécanique composé de fils d’aluminium en forme de serpentin est utilisé pour chauffer le porte-à-faux bimorphe en alliage d’aluminium/magnésium²⁴, de silicium et d’oxyde de silicium. À l’échelle microscopique, la constante de temps des processus thermiques est beaucoup plus petite et la résonance en porte-à-faux à des dizaines à des centaines de kilohertz peut être excitée en entraînant le chauffage avec un signal électrique. La déflexion de l’extrémité libre en porte-à-faux z_hcontrôlée par la température relative de l’élément chauffant ΔT est indiquée dans l’équation 2¹⁹pour une longueur en porte-à-faux L avec une constante K, en fonction du coefficient de dilatation thermique du matériau bimorphe et de l’épaisseur et de la surface géométriques. Il convient de noter que le ΔT est proportionnel à la puissance de l’échauffement P, qui est égale au carré de la tension appliquée V divisé par sa résistance R.

(2)

En outre, la déviation statique peut également être contrôlée en plus de l’excitation par résonance. Cela peut être une capacité particulièrement utile pour réguler l’interaction sonde-échantillon de chaque porte-à-faux individuellement. De plus, plusieurs porte-à-faux sur la même puce de base peuvent être excités individuellement avec l’actionneur thermomécanique intégré, ce qui est impossible dans l’excitation par résonance conventionnelle avec des ondes acoustiques générées par des piézo.

Combinant la détection piézorésistive et l’actionnement thermomécanique, la sonde active en porte-à-faux a permis un large éventail d’applications, y compris la microscopie AF colocalisée en microscopie SE, l’imagerie dans un liquide opaque et la lithographie par sonde à balayage, avec plus de détails disponibles dans la revue²⁵. À des fins d’inspection à haut débit, le réseau actif en porte-à-faux est créé avec un exemple représentatif de mise en œuvre de l’AFM impliquant quatre porte-à-faux parallèles, comme le montre la figure 1. À l’avenir, un système à l’échelle industrielle sera développé à l’aide de huit porte-à-faux actifs parallèles et de dizaines de positionneurs²⁸. Pour illustrer l’échelle à l’aide d’un exemple, avec une résolution spatiale dans le plan de 100 nm, l’imagerie d’une zone de 100 mm sur 100 mm donnerait plus de 10⁶ lignes de balayage et 10^{à 12} pixels. Avec une vitesse de balayage de 50 mm/s par porte-à-faux, cela nécessiterait un total de plus de 555,6 h de balayage (23+ jours) pour un seul porte-à-faux, ce qui est trop long pour être utile dans la pratique. Grâce à la technologie active de réseau en porte-à-faux avec des dizaines de positionneurs, le temps d’imagerie requis peut être réduit d’environ deux ordres de grandeur à 5-10 h (moins d’une demi-journée) sans faire de compromis sur la résolution, qui est une échelle de temps raisonnable à des fins d’inspection industrielle.

Pour capturer des images haute résolution sur de grandes surfaces, le système de nano-positionnement est également mis à niveau. Pour l’imagerie de grands échantillons à l’échelle d’une plaquette, il est préférable de scanner la sonde plutôt que l’échantillon, afin de réduire la taille des objets déplacés. Avec une distance de séparation de 125 μm entre les porte-à-faux actifs, le scanner couvre une zone légèrement plus grande que cette plage, de sorte que les images de chaque porte-à-faux peuvent être assemblées pendant le post-traitement. À la fin d’un balayage, le positionneur grossier repositionne automatiquement la sonde sur une nouvelle zone adjacente pour poursuivre le processus d’imagerie. Alors que l’actionneur thermomécanique intégré régule la déflexion de chaque porte-à-faux, la déflexion moyenne de tous les porte-à-faux parallèles est régulée par un autre contrôleur proportionnel-intégral-dérivé (PID) pour assister les porte-à-faux lors du suivi topographique. Le contrôleur du scanner veille également à ce que la flexion de chaque porte-à-faux ne dépasse pas une valeur seuil maximale, ce qui peut entraîner la perte de contact d’autres sondes avec la surface si la variation de topographie est trop importante.

Le niveau de variation topographique qui peut être suivi pour les porte-à-faux sur la même puce de base doit être limité, car la plage de contrôle de la déflexion statique du porte-à-faux est de l’ordre de quelques dizaines de microns. Pour les plaquettes de semi-conducteurs, les variations de la topographie de l’échantillon sont généralement à l’échelle submicrométrique, elles ne devraient donc pas poser de gros problèmes. Cependant, avec l’ajout de plus de porte-à-faux, l’inclinaison du plan d’échantillonnage par rapport à la ligne de porte-à-faux peut devenir un problème. En pratique, huit porte-à-faux parallèles avec des espacements proches de 1 mm permettraient toujours un angle d’inclinaison de 1°, tandis que l’ajout de porte-à-faux supplémentaires peut rendre le contrôle d’inclinaison plus difficile à réaliser. Par conséquent, l’utilisation de plusieurs groupes de sondes en porte-à-faux à huit cantilever placées sur des scanners à sondes séparées est un effort continu pour réaliser pleinement le potentiel du principe de la sonde en porte-à-faux active parallèle.

Après la collecte des données, une opération de post-traitement est nécessaire pour récupérer les informations souhaitées. Le processus consiste généralement à supprimer les artefacts de numérisation, à assembler les images adjacentes pour former un panorama global et, éventuellement, à identifier les défauts de la structure en les comparant à la géométrie souhaitée à l’aide d’algorithmes appropriés²⁶. Il convient de noter que la quantité de données accumulées peut être énorme pour un large éventail d’images, et que des algorithmes d’apprentissage basés sur les données sont également en cours de développement pour un traitement plus efficace²⁷.

Cet article illustre le processus général d’acquisition d’images AFM haute résolution à l’aide du réseau de porte-à-faux actif parallèle intégré dans un système AFM personnalisé. La mise en œuvre détaillée du système est disponible dans les^{numéros 22, 28, 29 et 30}, et il est commercialisé avec le numéro de modèle indiqué dans le tableau des matériaux. Les quatre porte-à-faux ont été actionnés en mode taraudage excité par l’actionneur thermomécanique intégré. Des résultats représentatifs sur des échantillons d’étalonnage, des masques de nanofabrication et des échantillons de graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG) (voir le tableau des matériaux) sont fournis pour illustrer l’efficacité de ce nouvel outil AFM pour l’inspection de grandes surfaces.