Actieve sonde-atoomkrachtmicroscopie met quattro-parallelle vrijdragende arrays voor grootschalige monsterinspectie met hoge doorvoer

Atoomkrachtmicroscopen (AFM’s) kunnen 3D-topografische beelden vastleggen met ruimtelijke resolutie op nanoschaal. De onderzoekers hebben de capaciteit van AFM’s uitgebreid om steekproefeigenschapskaarten in mechanische, elektrische, magnetische, optische, en thermische domeinen te maken. In de tussentijd is het verbeteren van de beeldvormingsdoorvoer ook de focus geweest van onderzoek om AFM’s aan te passen aan nieuwe experimentele behoeften. Er zijn hoofdzakelijk twee toepassingsdomeinen voor high-throughput AFM-beeldvorming: de eerste categorie is high-speed beeldvorming van een klein gebied om dynamische veranderingen in het monster als gevolg van biologische of chemische reacties vast te leggen ^1,2; De tweede categorie is voor grootschalige beeldvorming met hoge ruimtelijke resolutie van statische monsters tijdens een inspectie, die in dit werk in detail wordt besproken. Met transistorgrootte die aan nanoschaal krimpt, heeft de halfgeleiderindustrie dringend behoefte aan high-throughput AFM’s om nanofabricated apparaten op waferschaal met ruimtelijke resolutie op nanoschaal^te inspecteren 3.

De karakterisering van nanogefabriceerde apparaten op een wafer kan een uitdaging zijn vanwege het enorme schaalverschil tussen wafer- en transistorfuncties. Grote defecten kunnen automatisch worden opgemerkt met optische microscopen⁴. Daarnaast worden scanning elektronenmicroscopen (SEM’s) veel gebruikt voor inspectie tot tientallen nanometers in 2D⁵. Voor 3D-informatie en een hogere resolutie is de AFM een geschikter hulpmiddel als de doorvoer kan worden verbeterd.

Met een beperkte weergavedoorvoer is een benadering om geselecteerde wafergebieden in beeld te brengen waar nanofabricagedefecten waarschijnlijker zijn^6. Dit vereist voorkennis van het ontwerp- en fabricageproces. Als alternatief is het combineren van andere modaliteiten, zoals een optische microscoop of SEM met een AFM voor overzicht en zoom, mogelijk ^7,8. Er is een breed, zeer nauwkeurig positioneringssysteem nodig om het coördinatensysteem goed uit te lijnen tussen de fabricage- en karakteriseringstools. Bovendien is een geautomatiseerd AFM-systeem om verschillende geselecteerde gebieden in beeld te brengen noodzakelijk om deze functionaliteit te realiseren.

Als alternatief hebben onderzoekers verschillende manieren onderzocht om de AFM-scansnelheid te verhogen. Aangezien het toestaan van high-throughput AFM’s een systematische uitdaging van precisie-instrumentatie is, hebben de onderzoekers diverse methoden onderzocht, met inbegrip van het gebruik van kleinere AFM-sondes, het herontwerpen van nano-positioners 9,10,11,12 met hoge bandbreedte en het aandrijven van elektronica ¹³, het optimaliseren van werkingswijzen, de algoritmen van de beeldcontrolecontrole 14,15,16,17enz. Met deze inspanningen, kan het efficiënte relatieve uiteinde en de steekproefsnelheid tot een maximum van rond tientallen millimeters per seconde voor in de handel verkrijgbare single-sonde AFM-systemen worden verhoogd.

Om de beeldvormingsdoorvoer verder te verbeteren, is het toevoegen van meerdere sondes om parallel te werken een natuurlijke oplossing. Het optische bundelafbuigingssysteem (OBD) dat wordt gebruikt voor vrijdragende afbuigingsdetectie is echter relatief omvangrijk, wat het toevoegen van meerdere sondes relatief uitdagend maakt. Individuele cantilever-doorbuigingsregeling kan ook moeilijk te realiseren zijn.

Om deze beperking te overwinnen, wordt de voorkeur gegeven aan ingebedde detectie- en bedieningsprincipes zonder omvangrijke externe componenten. Zoals beschreven in eerder gepubliceerde rapporten ^18,19, kan afbuigdetectie met piëzoresistieve, piëzo-elektrische en optomechanische principes worden beschouwd als ingebedde detectie, waarbij de eerste twee volwassener en gemakkelijker te implementeren zijn. Voor ingebedde bediening kunnen thermomechanische met elektrische verwarming of piëzo-elektrische principes beide worden gebruikt. Hoewel piëzo-elektrische principes in een breder temperatuurbereik tot cryogene milieus kunnen werken, kunnen ze alleen de AFM-verrichtingen van de tikkende modus ondersteunen, aangezien de statische afbuiging niet kan worden gemeten toe te schrijven aan de ladingslekkage en statische aandrijving die aan hysterese en kruip lijdt. In eerder werk zijn actieve cantilever-sonde-arrays met behulp van een piëzoresistieve sensor en de piëzo-elektrische sensor ontwikkeld voor beeldvorming op groot bereik^20,21, maar zijn niet verder opgeschaald voor grootschalige beeldvorming of gecommercialiseerd. In dit werk wordt de combinatie van piëzoresistieve detectie en thermomechanische bediening geselecteerd als ingebedde transducers met statische afbuigingscontrole.

In dit werk wordt een nieuwe “Quattro”²² parallelle actieve cantilever array gebruikt als de sonde²³ voor gelijktijdige beeldvorming met behulp van actieve cantilevers. Om de cantilever-afbuiging te meten, worden piëzoresistieve sensoren in een Wheatstone-brugconfiguratie¹⁹ nanogefabriceerd aan de basis van elke micro-cantilever om de interne spanning te meten, die lineair evenredig is met de cantilever-tipafbuiging. Deze compacte ingebouwde sensor kan ook een resolutie van minder dan een nanometer bereiken als de conventionele OBD-sensor. De heersende vergelijking van de Wheatstone-brugspanningsuitgang Uuit als reactie op de uitgeoefende kracht F of vrijdragende doorbuiging z wordt weergegeven in vergelijking 1¹⁹ voor een cantilever met lengte L, breedte B en dikte H, piëzoresistieve sensorcoëfficiënt P_R en effectieve elastische modulus van de cantilever E-brugvoedingsspanning U_b.

(1)

Aangezien dynamische tik-/contactloze modus de voorkeur heeft voor niet-invasieve beeldvorming om verstoring van het monster te voorkomen, wordt een thermomechanische actuator gemaakt van serpentijnvormige aluminiumdraden gebruikt om de bimorfe cantilever op te warmen die is gemaakt van aluminium/magnesiumlegering²⁴, silicium en siliciumoxidematerialen. Op microscopische schaal is de tijdconstante van thermische processen veel kleiner, en de cantileverresonantie van tientallen tot honderden kilohertz kan worden opgewekt door de kachel met een elektrisch signaal aan te drijven. De vrijdragende doorbuiging z_hdie wordt geregeld door de temperatuur van de verwarming ΔT relatieve sfeer wordt weergegeven in vergelijking 2¹⁹voor de vrijdragende lengte L met een constante K, afhankelijk van de thermo-uitzettingscoëfficiënt van het bimorfe materiaal en de geometrische dikte en oppervlakte. Opgemerkt moet worden dat de ΔT evenredig is met het verwarmingsvermogen P, dat gelijk is aan het kwadraat van de toegepaste spanning V gedeeld door de weerstand R.

(2)

Als bijkomend voordeel kan naast resonantie-excitatie ook statische afbuiging worden geregeld. Dit kan een bijzonder nuttige mogelijkheid zijn om de interactie tussen sonde en monster van elke cantilever afzonderlijk te regelen. Bovendien kunnen meerdere cantilevers op dezelfde basischip afzonderlijk worden geëxciteerd met de ingebouwde thermomechanische actuator, wat onmogelijk is bij conventionele resonantie-excitatie met piëzo-gegenereerde akoestische golven.

Door piëzoresistieve detectie en thermomechanische bediening te combineren, heeft de actieve vrijdragende sonde een breed scala aan toepassingen mogelijk gemaakt, waaronder gecolloceerde AF-microscopie in SE-microscopie, beeldvorming in ondoorzichtige vloeistof en scanningsondelithografie, met meer details beschikbaar in review²⁵. Voor inspectiedoeleinden met een hoge doorvoer wordt de actieve cantilever-array gemaakt met een representatief AFM-implementatievoorbeeld met vier parallelle cantilevers, zoals weergegeven in figuur 1. In de toekomst zal een systeem op industriële schaal worden ontwikkeld met behulp van acht parallelle actieve uitkragingen en tientallen manipulatoren²⁸. Om de schaal te illustreren aan de hand van een voorbeeld: met een ruimtelijke resolutie van 100 nm in het vlak zou het afbeelden van een gebied van 100 mm bij 100 mm resulteren in meer dan 10⁶ scanlijnen en 10¹² pixels. Met een scansnelheid van 50 mm/s per cantilever zou dit in totaal meer dan 555,6 uur scannen (23+ dagen) vergen voor een enkele cantilever, wat te lang is om praktisch bruikbaar te zijn. Met behulp van de actieve cantilever array-technologie met tientallen manipulatoren kan de vereiste beeldvormingstijd met ongeveer twee ordes van grootte worden teruggebracht tot 5-10 uur (minder dan een halve dag) zonder concessies te doen aan de resolutie, wat een redelijke tijdschaal is voor industriële inspectiedoeleinden.

Om beelden met een groot oppervlak en een hoge resolutie vast te leggen, is het nanopositioneringssysteem ook geüpgraded. Voor het maken van grote monsters op waferschaal wordt de voorkeur gegeven aan het scannen van de sonde in plaats van het monster, om de grootte van de objecten die worden verplaatst te verkleinen. Met een scheidingsafstand van 125 μm tussen actieve uitkragingen bestrijkt de scanner een gebied dat iets groter is dan dit bereik, zodat beelden van elke uitkraging tijdens de nabewerking aan elkaar kunnen worden genaaid. Na voltooiing van een scan verplaatst de grove positioner de sonde automatisch naar een nieuw aangrenzend gebied om het beeldvormingsproces voort te zetten. Terwijl de ingebedde thermomechanische actuator de doorbuiging van elke cantilever regelt, wordt de gemiddelde afbuiging van alle parallelle cantilevers geregeld met een andere proportionele-integraal-afgeleide (PID) controller om de cantilevers te helpen tijdens het volgen van de topografie. De scannercontroller zorgt er ook voor dat de buiging van elke cantilever een maximale drempelwaarde niet overschrijdt, waardoor andere sondes het contact met het oppervlak kunnen verliezen als de topografische variatie te groot is.

Het niveau van topografische variatie dat kan worden gevolgd voor cantilevers op dezelfde basischip moet beperkt zijn, aangezien het statische deflectiecontrolebereik van de cantilever in de orde van tientallen microns ligt. Voor halfgeleiderwafers zijn de topografische variaties van het monster meestal op de submicrometerschaal, dus ze zouden niet zo’n groot probleem moeten zijn. Met de toevoeging van meer uitkragingen kan de kanteling van het monstervlak ten opzichte van de lijn van uitkragingen echter een probleem worden. In de praktijk zouden acht parallelle uitkragingen met een tussenruimte van bijna 1 mm nog steeds een hellingshoek van 1° mogelijk maken, terwijl het toevoegen van meer uitkragingen de kantelbediening moeilijker te realiseren kan maken. Daarom is het gebruik van meerdere groepen van acht-cantilever-sondes die op afzonderlijke sondescanners zijn geplaatst, een voortdurende inspanning om het potentieel van het parallelle actieve cantilever-sondeprincipe volledig te realiseren.

Na het verzamelen van de gegevens is een nabewerking nodig om de gewenste informatie op te halen. Het proces omvat over het algemeen het verwijderen van scanartefacten, het samenvoegen van aangrenzende afbeeldingen om een algemeen panorama te vormen en optioneel het identificeren van de structuurdefecten door ze te vergelijken met de gewenste geometrie met behulp van geschikte algoritmen²⁶. Het is vermeldenswaard dat de hoeveelheid verzamelde gegevens enorm kan zijn voor een groot aantal afbeeldingen, en er worden ook datagestuurde leeralgoritmen ontwikkeld voor een efficiëntere verwerking²⁷.

Dit artikel illustreert het algemene proces van het verkrijgen van AFM-beelden met hoge resolutie met behulp van de parallelle actieve cantilever-array die in een aangepast AFM-systeem wordt geïntegreerd. Gedetailleerde implementatie van het systeem is beschikbaar in 22,28,29,30 en het wordt gecommercialiseerd met het modelnummer vermeld in de materiaaltabel. Alle vier de uitkragingen werden bediend in tapmodus die werd opgewekt door de ingebouwde thermisch-mechanische actuator. Representatieve resultaten op kaliberbepalingssteekproeven, nanofabricatiemaskers, en hoogst georiënteerde pyrolytische grafiet (HOPG) steekproeven (zie Lijst van Materialen) worden verstrekt om de doeltreffendheid van dit nieuwe AFM-hulpmiddel voor grootgebiedsinspectie te illustreren.