고처리량 대규모 시료 검사를 위한 Quattro-Parallel Cantilever 어레이를 사용한 Active Probe Atomic Force Microscopy
Summary
나노 단위 분해능의 대규모 샘플 검사는 특히 나노 가공 반도체 웨이퍼의 경우 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 원자력 현미경은 이러한 목적을 위한 훌륭한 도구가 될 수 있지만 이미징 속도에 의해 제한됩니다. 이 작업은 AFM의 병렬 액티브 캔틸레버 어레이를 활용하여 높은 처리량과 대규모 검사를 가능하게 합니다.
Abstract
원자력 현미경(AFM)은 샘플의 3D 지형 이미지를 캡처하기 위한 나노 스케일 표면 연구를 위한 강력하고 다재다능한 도구입니다. 그러나 제한된 이미징 처리량으로 인해 AFM은 대규모 검사 목적으로 널리 채택되지 않았습니다. 연구원들은 최대 몇 제곱마이크로미터의 작은 이미징 영역을 희생하면서 초당 수십 프레임의 속도로 화학 및 생물학적 반응에서 동적 프로세스 비디오를 녹화하는 고속 AFM 시스템을 개발했습니다. 대조적으로, 반도체 웨이퍼와 같은 대규모 나노 가공 구조를 검사하려면 수백 제곱센티미터가 넘는 정적 샘플의 나노 단위 공간 분해능 이미징이 높은 생산성으로 필요합니다. 기존 AFM은 광학 빔 편향 시스템이 있는 단일 패시브 캔틸레버 프로브를 사용하는데, AFM 이미징 중에 한 번에 하나의 픽셀만 수집할 수 있어 이미징 처리량이 낮습니다. 이 작업은 압전 저항 센서와 열기계 액추에이터가 내장된 액티브 캔틸레버 어레이를 사용하여 이미징 처리량을 높이기 위해 병렬 작동에서 동시 다중 캔틸레버 작동을 가능하게 합니다. 넓은 범위의 나노 포지셔너 및 적절한 제어 알고리즘과 결합하면 각 캔틸레버를 개별적으로 제어하여 여러 AFM 이미지를 캡처할 수 있습니다. 데이터 기반 후처리 알고리즘을 사용하여 이미지를 함께 스티칭할 수 있으며 원하는 형상과 비교하여 결함 감지를 수행할 수 있습니다. 이 백서에서는 액티브 캔틸레버 어레이를 사용하는 맞춤형 AFM의 원리를 소개하고 검사 응용 분야의 실제 실험 고려 사항에 대해 논의합니다. 실리콘 캘리브레이션 격자, 고배향 열분해 흑연 및 극자외선 리소그래피 마스크의 선별된 예시 이미지는 팁 이격 거리가 125μm인 4개의 액티브 캔틸레버(“Quattro”) 어레이를 사용하여 캡처됩니다. 더 많은 엔지니어링 통합을 통해 이 고처리량 대규모 이미징 도구는 극자외선(EUV) 마스크, 화학적 기계적 평탄화(CMP) 검사, 고장 분석, 디스플레이, 박막 단계 측정, 거칠기 측정 다이 및 레이저 각인 건식 가스 씰 홈을 위한 3D 계측 데이터를 제공할 수 있습니다.
Introduction
원자력 현미경(AFM)은 나노 단위의 공간 분해능으로 3D 지형 이미지를 캡처할 수 있습니다. 연구원들은 AFM의 기능을 확장하여 기계, 전기, 자기, 광학 및 열 영역에서 샘플 속성 맵을 생성했습니다. 한편, 이미징 처리량 개선은 AFM을 새로운 실험 요구에 맞게 조정하기 위한 연구의 초점이기도 했습니다. 고처리량 AFM 이미징을 위한 두 가지 응용 분야가 있습니다: 첫 번째 범주는 생물학적 또는 화학적 반응으로 인한 샘플의 동적 변화를 포착하기 위한 작은 영역의 고속 이미징입니다 1,2; 두 번째 범주는 검사 중 정적 샘플의 고공간 분해능, 대규모 이미징을 위한 것으로, 이 작업에서 자세히 설명합니다. 트랜지스터 크기가 나노 규모로 축소됨에 따라 반도체 산업은 나노 단위 공간 분해능3을 가진 웨이퍼 규모의 나노 가공 장치를 검사하기 위해 고처리량 AFM이 시급히 필요합니다.
웨이퍼에서 나노 가공 장치의 특성 분석은 웨이퍼와 트랜지스터 기능 간의 막대한 규모 차이로 인해 어려울 수 있습니다. 큰 결함은 광학 현미경으로 자동으로 발견 할 수 있습니다4. 또한 주사전자현미경(SEM)은 2D에서 수십 나노미터까지 검사하는 데 널리 사용됩니다5. 3D 정보 및 더 높은 해상도의 경우 처리량을 향상시킬 수 있는 경우 AFM이 더 적합한 도구입니다.
이미징 처리량이 제한되어 있기 때문에 한 가지 접근 방식은 나노 제조 결함이 발생할 가능성이 더 높은 선택된 웨이퍼 영역을 이미지화하는 것입니다6. 이를 위해서는 설계 및 제작 프로세스에 대한 사전 지식이 필요합니다. 대안으로, 광학 현미경 또는 SEM과 같은 다른 양식과 오버뷰 및 줌을 위한 AFM을 결합하는 것이 가능합니다 7,8. 광범위한 고정밀 포지셔닝 시스템은 제작 도구와 특성화 도구 사이의 좌표계를 적절하게 정렬하는 데 필요합니다. 또한 이 기능을 구현하려면 다양한 선택 영역을 이미지화하는 자동화된 AFM 시스템이 필요합니다.
대안으로 연구원들은 AFM 스캔 속도를 높이는 다양한 방법을 조사했습니다. 고처리량 AFM을 활성화하는 것은 체계적인 정밀 계측 과제이기 때문에 연구원들은 더 작은 AFM 프로브 사용, 고대역폭 나노 포지셔너(9,10,11,12) 및 구동 전자 장치(13)의 재설계, 작동 모드 최적화, 이미징 제어 알고리즘(14,15,16,17)을 포함한 다양한 방법을 조사했습니다등. 이러한 노력을 통해 시중에서 판매되는 단일 프로브 AFM 시스템의 경우 효과적인 상대 팁 및 샘플 속도를 초당 최대 약 수십 mm까지 높일 수 있습니다.
이미징 처리량을 더욱 향상시키려면 여러 프로브를 추가하여 병렬로 작동하는 것이 자연스러운 해결책입니다. 그러나 캔틸레버 편향 감지에 사용되는 광학 빔 편향(OBD) 시스템은 상대적으로 부피가 커서 여러 프로브를 추가하는 것이 상대적으로 어렵습니다. 개별 캔틸레버 편향 제어도 실현하기 어려울 수 있습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해서는 부피가 큰 외부 부품이 없는 임베디드 감지 및 작동 원리가 선호됩니다. 이전에 발표된 보고서18,19에서 자세히 설명한 바와 같이, 압전 저항, 압전 및 광기계 원리를 사용한 편향 감지는 임베디드 감지로 간주될 수 있으며, 앞의 두 가지가 더 성숙하고 구현하기 쉽습니다. 임베디드 작동의 경우 전기 가열 또는 압전 원리를 사용하는 열역학을 모두 사용할 수 있습니다. 압전 원리는 극저온 환경까지 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있지만, 히스테리시스 및 크리프로 인한 전하 누출 및 정적 작동으로 인해 정적 편향을 측정할 수 없기 때문에 태핑 모드 AFM 작동만 지원할 수 있습니다. 이전 연구에서, 압전 저항 센서 및 압전 센서를 사용하는 능동 캔틸레버 프로브 어레이는 장거리 이미징20,21을 위해 개발되었지만, 대규모 이미징을 위해 더 이상 확장되거나 상용화되지 않았습니다. 이 작업에서는 압전 저항 감지와 열기계 작동의 조합이 정적 편향 제어 기능이 있는 임베디드 트랜스듀서로 선택되었습니다.
본 연구에서, 새로운 “Quattro”22 평행 활성 캔틸레버 어레이가 활성 캔틸레버를 이용한 동시 이미징을 위한 프로브(23)로서 사용된다. 캔틸레버 편향을 측정하기 위해, 휘트스톤 브리지 구성(19)의 피에조레지스티브 센서들이 각각의 마이크로-캔틸레버의 베이스에서 나노로 제작되어 내부 응력을 측정하는데, 이는 캔틸레버 팁 편향에 선형적으로 비례한다. 이 소형 임베디드 센서는 기존 OBD 센서와 마찬가지로 나노미터 미만의 분해능도 달성할 수 있습니다. 적용된 힘 F 또는 캔틸레버 편향 z에 대한 응답으로 휘트스톤 브리지 전압 출력 U의 지배 방정식은 길이 L, 너비 W 및 두께 H, 압전 저항 센서 계수 PR 및 캔틸레버 E 브리지 공급 전압 WB의 유효 탄성 계수에 대한 수학식 119에 나와 있습니다.
(1)
시료 방해를 피하기 위해 비침습적 이미징에는 동적 태핑/비접촉 모드 작동이 선호되므로 구불구불한 모양의 알루미늄 와이어로 만든 열기계 액추에이터를 사용하여 알루미늄/마그네슘 합금24, 실리콘 및 산화규소 재료로 만든 바이모프 캔틸레버를 가열합니다. 미세한 규모에서 열 과정의 시간 상수는 훨씬 작으며 수십 킬로헤르츠에서 수백 킬로헤르츠의 캔틸레버 공진은 전기 신호로 히터를 구동하여 여기될 수 있습니다. 히터 온도 ΔT 상대적 분위기에 의해 제어되는 캔틸레버 자유단 편향 zh는 바이모프 재료 열 팽창 계수 및 기하학적 두께 및 면적에 따라 일정한 K를 갖는 캔틸레버 길이 L에 대해 수학식 219에 나와 있습니다. ΔT는 히터 전력 P에 비례하며, 이는 인가 전압 V를 저항 R로 나눈 제곱과 같습니다.
(2)
추가적인 이점으로, 공진 여기 외에도 정적 편향을 제어할 수 있습니다. 이는 각 캔틸레버의 프로브-샘플 상호 작용을 개별적으로 조절하는 데 특히 유용한 기능이 될 수 있습니다. 더욱이, 동일한 베이스 칩에 있는 여러 캔틸레버는 내장된 열기계 액추에이터를 사용하여 개별적으로 여기될 수 있으며, 이는 압전 생성 음파를 사용한 기존 공진 여기에서는 불가능합니다.
압전 저항 감지와 열기계 작동을 결합한 액티브 캔틸레버 프로브는 SE 현미경의 배치된 AF 현미경, 불투명한 액체의 이미징 및 스캐닝 프로브 리소그래피를 포함한 광범위한 응용 분야를 가능하게 했으며 자세한 내용은 리뷰25에서 확인할 수 있습니다. 고처리량 검사를 위해 액티브 캔틸레버 어레이는 그림 1과 같이 4개의 평행 캔틸레버를 포함하는 대표적인 AFM 구현 예와 함께 생성됩니다. 미래에, 8개의 평행한 능동 캔틸레버와 10개의 포지셔너(28)를 사용하여 산업 규모의 시스템이 개발될 것이다. 예를 들어 스케일을 설명하기 위해 평면 내 공간 해상도가 100nm인 경우 100mm x 100mm의 영역을 이미징하면 106 스캔 라인과 1012 픽셀이 넘습니다. 캔틸레버당 50mm/s의 스캔 속도를 사용하면 단일 캔틸레버에 대해 총 555.6시간(23+일) 이상의 스캔이 필요하며, 이는 너무 길어서 실질적으로 유용하지 않습니다. 수십 개의 포지셔너와 함께 액티브 캔틸레버 어레이 기술을 사용하면 필요한 이미징 시간을 해상도에 영향을 주지 않고 5-10시간(반나절 미만)으로 약 2배 정도 줄일 수 있으며, 이는 산업 검사 목적에 적합한 시간 척도입니다.
넓은 면적의 고해상도 이미지를 캡처하기 위해 나노 포지셔닝 시스템도 업그레이드되었습니다. 웨이퍼 크기의 대형 샘플을 이미징하는 경우, 이동하는 물체의 크기를 줄이기 위해 샘플 대신 프로브를 스캔하는 것이 좋습니다. 액티브 캔틸레버 사이의 이격 거리가 125μm인 스캐너는 이 범위보다 약간 더 큰 영역을 커버하므로 후처리 중에 각 캔틸레버의 이미지를 함께 스티칭할 수 있습니다. 스캔이 완료되면 거친 포지셔너가 자동으로 프로브를 새로운 인접 영역으로 재배치하여 이미징 프로세스를 계속합니다. 내장된 열역학적 액추에이터가 각 캔틸레버의 편향을 조절하는 동안, 모든 평행 캔틸레버의 평균 편향은 지형 추적 중에 캔틸레버를 지원하기 위해 다른 PID(Proportional-Integral-Derivative) 컨트롤러로 조절됩니다. 스캐너 컨트롤러는 또한 각 캔틸레버의 굽힘이 최대 임계값을 초과하지 않도록 하여 지형 변화가 너무 크면 다른 프로브가 표면과의 접촉을 잃을 수 있습니다.
동일한 기본 칩의 캔틸레버에 대해 추적할 수 있는 지형 변동 수준은 캔틸레버의 정적 편향 제어 범위가 수십 미크론 정도이기 때문에 제한되어야 합니다. 반도체 웨이퍼의 경우 샘플 지형 변화는 일반적으로 마이크로미터 미만 규모이므로 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 캔틸레버가 더 많이 추가되면 캔틸레버 라인에 대한 샘플 평면 기울기가 문제가 될 수 있습니다. 실제로 간격이 1mm에 가까운 8개의 평행 캔틸레버는 여전히 1°의 틸트 각도를 허용하지만 더 많은 캔틸레버를 추가하면 틸팅 제어를 실현하기가 더 어려워질 수 있습니다. 따라서 분리된 프로브 스캐너에 배치된 여러 그룹의 8캔틸레버 프로브를 사용하는 것은 병렬 능동 캔틸레버 프로브 원리의 잠재력을 완전히 실현하기 위한 지속적인 노력입니다.
데이터 수집 후 원하는 정보를 검색하기 위해 후처리 작업이 필요합니다. 이 프로세스는 일반적으로 스캐닝 인공물을 제거하고, 인접 이미지를 스티칭하여 전체 파노라마를 형성하고, 선택적으로 적절한 알고리즘(26)을 사용하여 원하는 형상과 비교함으로써 구조 결함을 식별하는 것을 포함한다. 축적된 데이터의 양은 광범위한 이미지에 대해 엄청날 수 있으며, 보다 효율적인 처리를 위해 데이터 기반 학습 알고리즘도 개발되고 있다는 점에 주목할 필요가 있다27.
이 문서에서는 맞춤형 AFM 시스템에 통합된 병렬 활성 캔틸레버 어레이를 사용하여 고해상도 AFM 이미지를 획득하는 일반적인 프로세스를 설명합니다. 시스템의 자세한 구현은 22,28,29,30에서 확인할 수 있으며, 재료 목차에 나열된 모델 번호로 상용화되고 있습니다. 4개의 캔틸레버는 모두 내장된 열-기계식 액추에이터에 의해 여기되는 태핑 모드에서 작동되었습니다. 보정 샘플, 나노 제조 마스크 및 고배향 열분해 흑연(HOPG) 샘플에 대한 대표적인 결과(재료 표 참조)는 대면적 검사를 위한 이 새로운 AFM 도구의 효과를 설명하기 위해 제공됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
대표적인 결과에서 알 수 있듯이 활성 캔틸레버 어레이를 사용하여 정적 샘플의 여러 이미지를 병렬로 캡처할 수 있습니다. 이 확장 가능한 설정은 대면적 샘플의 이미징 처리량을 크게 향상시킬 수 있으므로 반도체 웨이퍼의 나노 가공 장치를 검사하는 데 적합합니다. 이 기술은 또한 인공 구조물에만 국한되지 않습니다. 활성 캔틸레버 그룹 내의 지형 변화가 캔틸레버 어레이가 처리하기에 너?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자 Ivo W. Rangelow와 Thomas Sattel은 연구 라인 KMU-innovativ 내에서 프로젝트 FKZ:13N16580 “양자 계측 및 나노 제조를 위한 다이아몬드 팁이 있는 활성 프로브”에 자금을 지원하여 제시된 방법의 일부를 지원한 독일 연방 교육 연구부(BMBF)와 독일 연방 경제 및 기후 행동부(BMWK)에 감사드립니다. Photonics and Quantum Technologies와 KK5007912DF1 “Conjungate Nano-Positioner-Scanner for Fast and Large Metrological tasks in Atomic Force Microscopy”를 중소 규모 산업을 위한 중앙 혁신 프로그램(Central Innovation Program for Small and Medium Industries (ZIM))의 자금 조달 라인 내에서 제공합니다. 여기에 보고된 작업의 일부는 보조금 계약 번호 318804 “단일 나노미터 제조: CMOS를 넘어서”에 따라 유럽 연합 7차 프레임워크 프로그램 FP7/2007-2013의 자금 지원을 받았습니다. 저자 Ivo W. Rangelow와 Eberhard Manske는 Technische Universität Ilmenau, Germany의 연구 교육 그룹 “확장된 거시적 작업 영역에서 팁 및 레이저 기반 3D 나노 제조”(GRK 2182)의 프레임워크에서 DFG(Deutsche Forschungsgemeinschaft)의 지원을 감사하게 생각합니다.
Materials
| Active-Cantilever | nano analytik GmbH | AC-10-2012 | AFM Probe |
| E-Beam | EBX-30, INC | 012323-15 | Mask patterning instrument |
| Highly Oriented Pyrolytic Graphite – HOPG | TED PELLA, INC | 626-10 | AFM calibration sample |
| Mask Sample | Nanda Technologies GmbH | Test substrate | EUV Mask Sample substrate |
| NANO-COMPAS-PRO | nano analytik GmbH | 23-2016 | AFM Software |
| nanoMetronom 20 | nano analytik GmbH | 1-343-2020 | AFM Instrument |
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