مجهر القوة الذرية للمسبار النشط مع صفائف ناتئة متوازية Quattro لفحص العينات على نطاق واسع عالي الإنتاجية

يمكن لمجاهر القوة الذرية (AFMs) التقاط صور تضاريس 3D بدقة مكانية نانوية. قام الباحثون بتوسيع قدرة AFMs على إنشاء خرائط خصائص عينة في المجالات الميكانيكية والكهربائية والمغناطيسية والبصرية والحرارية. في غضون ذلك ، كان تحسين إنتاجية التصوير أيضا محور البحث لتكييف AFMs مع الاحتياجات التجريبية الجديدة. هناك في المقام الأول مجالان تطبيقيان لتصوير AFM عالي الإنتاجية: الفئة الأولى هي التصوير عالي السرعة لمنطقة صغيرة لالتقاط التغيرات الديناميكية في العينة بسبب التفاعلات البيولوجية أو الكيميائية ^1,2 ؛ الفئة الثانية هي الدقة المكانية العالية ، والتصوير على نطاق واسع للعينات الثابتة أثناء الفحص ، والتي تتم مناقشتها بالتفصيل في هذا العمل. مع تقلص حجم الترانزستور إلى المقياس النانوي ، تحتاج صناعة أشباه الموصلات بشكل عاجل إلى AFMs عالية الإنتاجية لفحص الأجهزة المصنعة بالنانو على نطاق الرقاقة بدقة مكانية^{نانوية 3}.

يمكن أن يكون توصيف الأجهزة المصنعة بالنانو على رقاقة أمرا صعبا بسبب الاختلاف الكبير بين ميزات الرقاقة والترانزستور. يمكن رصد العيوب الكبيرة بالمجاهر الضوئية تلقائيا⁴. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم المجاهر الإلكترونية الماسحة (SEMs) على نطاق واسع للفحص وصولا إلى عشرات النانومتر في 2D⁵. للحصول على معلومات 3D ودقة أعلى ، يعد AFM أداة أكثر ملاءمة إذا كان من الممكن تحسين إنتاجيته.

مع إنتاجية التصوير المحدودة ، يتمثل أحد الأساليب في تصوير مناطق الرقاقة المختارة حيث من المرجح أن تحدث عيوب التصنيع النانوي⁶. سيتطلب ذلك معرفة مسبقة بعملية التصميم والتصنيع. بدلا من ذلك ، من الممكن الجمع بين الطرائق الأخرى ، مثل المجهر الضوئي أو SEM مع AFM للنظرة العامة والتكبير / التصغير ، ^7,8. هناك حاجة إلى نظام تحديد المواقع واسع النطاق وعالي الدقة لمواءمة نظام الإحداثيات بشكل صحيح بين أدوات التصنيع والتوصيف. علاوة على ذلك ، من الضروري وجود نظام AFM آلي لتصوير مناطق محددة مختلفة لتحقيق هذه الوظيفة.

كبديل ، قام الباحثون بالتحقيق في طرق مختلفة لزيادة سرعة مسح AFM. نظرا لأن تمكين AFMs عالي الإنتاجية يمثل تحديا منهجيا للأجهزة الدقيقة ، فقد قام الباحثون بالتحقيق في طرق مختلفة ، بما في ذلك استخدام مجسات AFM أصغر ، وإعادة تصميم محددات المواقع النانوية ذات النطاق الترددي العالي^{9،10،11،12} وإلكترونيات القيادة¹³ ، وتحسين أوضاع التشغيل ، وخوارزميات التحكم في التصوير^{14،15،16،17}الخ. من خلال هذه الجهود ، يمكن زيادة الطرف النسبي الفعال وسرعة العينة إلى حد أقصى يبلغ حوالي عشرات المليمترات في الثانية لأنظمة AFM أحادية المسبار المتاحة تجاريا.

لزيادة تحسين إنتاجية التصوير ، تعد إضافة مجسات متعددة للعمل بالتوازي حلا طبيعيا. ومع ذلك ، فإن نظام انحراف الحزمة الضوئية (OBD) المستخدم لاستشعار انحراف الكابولي ضخم نسبيا ، مما يجعل إضافة مجسات متعددة أمرا صعبا نسبيا. قد يكون من الصعب أيضا تحقيق التحكم في انحراف الكابولي الفردي.

للتغلب على هذا القيد ، يفضل الاستشعار المضمن ومبادئ التشغيل بدون مكونات خارجية ضخمة. كما هو مفصل في التقارير المنشورة سابقا^18،19 ، يمكن اعتبار استشعار الانحراف بمبادئ مقاومة الضغط والكهرضغطية والميكانيكية البصرية استشعارا مضمنا ، مع كون الأولين أكثر نضجا وأسهل في التنفيذ. بالنسبة للتشغيل المضمن ، يمكن استخدام كل من الميكانيكا الحرارية مع التسخين الكهربائي أو مبادئ كهرضغطية. على الرغم من أن المبادئ الكهرضغطية يمكن أن تعمل في نطاق درجة حرارة أوسع وصولا إلى البيئات المبردة ، إلا أنها يمكن أن تدعم فقط عمليات AFM في وضع التنصت ، حيث لا يمكن قياس الانحراف الثابت بسبب تسرب الشحنة والتشغيل الثابت الذي يعاني من التباطؤ والزحف. في العمل السابق ، تم تطوير صفائف مسبار ناتئ نشط باستخدام مستشعر مقاوم للضغط ومستشعر كهرضغطية للتصوير واسع المدى^20,21 ، ولكن لم يتم توسيع نطاقها للتصوير على نطاق واسع أو تسويقها. في هذا العمل ، تم اختيار مزيج من الاستشعار المقاوم للضغط والتشغيل الحراري الميكانيكي كمحولات مدمجة مع إمكانية التحكم في الانحراف الثابت.

في هذا العمل ، يتم استخدام مصفوفة ناتئ نشطة متوازية “Quattro”²² كمسبار²³ للتصوير المتزامن باستخدام الكابوليات النشطة. لقياس انحراف الكابولي ، يتم تصنيع المستشعرات المقاومة للضغط في تكوين جسر ويتستون¹⁹ بشكل نانوي في قاعدة كل ناتئ صغير لقياس الضغط الداخلي ، والذي يتناسب خطيا مع انحراف طرف الكابولي. يمكن لهذا المستشعر المدمج المدمج أيضا تحقيق دقة دون النانومتر مثل مستشعر OBD التقليدي. تظهر المعادلة الحاكمة لخرج جهد جسر ويتستون Uاستجابة للقوة المطبقة F أو انحراف الكابولي z في المعادلة 1¹⁹ لناتئ بطول L وعرض W وسمك H ، معامل مستشعر مقاومة الضغط P_R ، ومعامل المرونة الفعال لجهد إمداد الجسر الكابولي E U_b.

(1)

نظرا لأن عملية النقر الديناميكي / وضع عدم الاتصال مفضلة للتصوير غير الباضع لتجنب إزعاج العينة ، يتم استخدام مشغل ميكانيكي حراري مصنوع من أسلاك الألمنيوم على شكل أفعواني لتسخين الكابولي ثنائي الشكل المصنوع من سبائك الألومنيوم / المغنيسيوم²⁴ والسيليكون ومواد أكسيد السيليكون. على النطاق المجهري ، يكون ثابت الوقت للعمليات الحرارية أصغر بكثير ، ويمكن إثارة الرنين الكابولي عند عشرات إلى مئات الكيلوهرتز عن طريق قيادة السخان بإشارة كهربائية. يظهر انحراف الطرف الحر الكابولي z_hالذي يتم التحكم فيه بواسطة درجة حرارة السخان ΔT الأجواء النسبية في المعادلة 2¹⁹لطول الكابولي L مع ثابت K ، اعتمادا على المعامل الحراري للمواد ثنائية الشكل للتمدد والسمك الهندسي والمساحة. وتجدر الإشارة إلى أن ΔT يتناسب مع طاقة السخان P ، والتي تساوي مربع الجهد المطبق V مقسوما على مقاومته R.

(2)

كميزة إضافية ، يمكن أيضا التحكم في الانحراف الساكن بالإضافة إلى إثارة الرنين. يمكن أن تكون هذه قدرة مفيدة بشكل خاص لتنظيم تفاعل عينة المسبار لكل ناتئ على حدة. علاوة على ذلك ، يمكن إثارة الكابوليات المتعددة على نفس الشريحة الأساسية بشكل فردي باستخدام المحرك الحراري الميكانيكي المدمج ، وهو أمر مستحيل في إثارة الرنين التقليدية مع الموجات الصوتية الناتجة عن بيزو.

من خلال الجمع بين الاستشعار المقاوم للضغط والتشغيل الحراري الميكانيكي ، مكن مسبار الكابولي النشط مجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك الفحص المجهري AF المترابط في الفحص المجهري SE ، والتصوير في سائل معتم ، والتصوير الحجري لمسبار المسح ، مع مزيد من التفاصيل المتاحة في المراجعة²⁵. لأغراض الفحص عالي الإنتاجية ، يتم إنشاء صفيف الكابولي النشط بمثال تنفيذ AFM تمثيلي يتضمن أربعة ناتئات متوازية ، كما هو موضح في الشكل 1. في المستقبل ، سيتم تطوير نظام على نطاق صناعي باستخدام ثمانية ناتئات نشطة متوازية وعشرات من أجهزة تحديد المواقع²⁸. لتوضيح المقياس باستخدام مثال ، مع دقة مكانية داخل المستوى تبلغ 100 نانومتر ، فإن تصوير مساحة 100 مم × 100 مم سيؤدي إلى أكثر من 10⁶ خطوط مسح و 10¹² بكسل. مع سرعة مسح تبلغ 50 مم / ثانية لكل ناتئ ، سيتطلب ذلك ما مجموعه أكثر من 555.6 ساعة من المسح (23+ يوما) لناتئ واحد ، وهو طويل جدا بحيث لا يكون مفيدا عمليا. باستخدام تقنية الصفيف الكابولي النشط مع عشرات من أجهزة تحديد المواقع ، يمكن تقليل وقت التصوير المطلوب بحوالي أمرين من الحجم إلى 5-10 ساعات (أقل من نصف يوم) دون تقديم أي تنازلات عن الدقة ، وهو مقياس زمني معقول لغرض الفحص الصناعي.

لالتقاط صور كبيرة الحجم وعالية الدقة ، تمت ترقية نظام تحديد المواقع النانوي أيضا. لتصوير العينات الكبيرة على نطاق الرقاقة ، يفضل مسح المسبار بدلا من العينة ، من أجل تقليل حجم الأشياء التي يتم نقلها. مع مسافة الفصل بين الكابوليات النشطة عند 125 ميكرومتر ، يغطي الماسح الضوئي مساحة أكبر قليلا من هذا النطاق بحيث يمكن خياطة الصور من كل ناتئ معا أثناء المعالجة اللاحقة. عند الانتهاء من الفحص ، يقوم محدد الموضع الخشن تلقائيا بإعادة وضع المسبار إلى منطقة مجاورة جديدة لمواصلة عملية التصوير. بينما ينظم المشغل الحراري الميكانيكي المدمج انحراف كل ناتئ ، يتم تنظيم متوسط الانحراف لجميع الكابوليات المتوازية باستخدام وحدة تحكم أخرى مشتقة متناسبة متكاملة (PID) لمساعدة الكابوليات أثناء تتبع التضاريس. تضمن وحدة التحكم في الماسح الضوئي أيضا أن ثني كل ناتئ لا يتجاوز قيمة العتبة القصوى ، مما قد يتسبب في فقدان المجسات الأخرى الاتصال بالسطح إذا كان تباين التضاريس كبيرا جدا.

يجب أن يكون مستوى تباين التضاريس الذي يمكن تتبعه للناتئات على نفس الشريحة الأساسية محدودا ، نظرا لأن نطاق التحكم في الانحراف الثابت للناتئ يبلغ عشرات الميكرونات. بالنسبة لرقائق أشباه الموصلات ، عادة ما تكون اختلافات تضاريس العينة على مقياس دون ميكرومتر ، لذلك لا ينبغي أن تكون مشكلة كبيرة. ومع ذلك ، مع إضافة المزيد من الكابوليات ، يمكن أن يصبح إمالة مستوى العينة فيما يتعلق بخط الكابوليات مشكلة. من الناحية العملية ، فإن ثمانية ناتئات متوازية ذات مسافات قريبة من 1 مم ستظل تسمح بزاوية إمالة بمقدار 1 درجة ، في حين أن إضافة المزيد من الكابوليات يمكن أن تجعل التحكم في الإمالة أكثر صعوبة في التحقيق. لذلك ، فإن استخدام مجموعات متعددة من مجسات الكابولي الثمانية الموضوعة على ماسحات ضوئية منفصلة هو جهد مستمر لتحقيق إمكانات مبدأ مسبار الكابولي النشط الموازي.

بعد جمع البيانات ، تكون عملية ما بعد المعالجة ضرورية لاسترداد المعلومات المطلوبة. تتضمن العملية عموما إزالة القطع الأثرية الممسوحة ضوئيا ، وخياطة الصور المجاورة لتشكيل بانوراما شاملة ، وتحديد عيوب الهيكل اختياريا من خلال مقارنتها بالهندسة المطلوبة باستخدام خوارزميات مناسبة²⁶. تجدر الإشارة إلى أن كمية البيانات المتراكمة يمكن أن تكون هائلة لمجموعة كبيرة من الصور ، كما يتم تطوير خوارزميات التعلم القائمة على البيانات من أجل معالجة أكثر كفاءة²⁷.

توضح هذه المقالة العملية العامة للحصول على صور AFM عالية الدقة باستخدام صفيف الكابولي النشط المتوازي المدمج في نظام AFM مخصص. يتوفر التنفيذ التفصيلي للنظام في^{22،28،29،30} ، ويتم تسويقه برقم الطراز المدرج في جدول المواد. تم تشغيل جميع الكابوليات الأربعة في وضع النقر متحمسا بواسطة المشغل الحراري الميكانيكي المدمج. يتم توفير نتائج تمثيلية على عينات المعايرة وأقنعة التصنيع النانوي وعينات الجرافيت الانحلالي الحراري عالي التوجيه (HOPG) (انظر جدول المواد) لتوضيح فعالية أداة AFM الجديدة هذه للفحص على مساحة كبيرة.