Rasterkraftmikroskopie mit aktiven Sonden mit quattroparallelen Cantilever-Arrays für die Inspektion von Großproben mit hohem Durchsatz

Rasterkraftmikroskope (AFMs) können 3D-Topographiebilder mit nanoskaliger räumlicher Auflösung aufnehmen. Forscher haben die Fähigkeit von AFMs erweitert, um Muster-Eigenschaftskarten in mechanischen, elektrischen, magnetischen, optischen und thermischen Bereichen zu erstellen. In der Zwischenzeit steht auch die Verbesserung des Bildgebungsdurchsatzes im Fokus der Forschung, um AFMs an neue experimentelle Anforderungen anzupassen. Es gibt im Wesentlichen zwei Anwendungsbereiche für die Hochdurchsatz-AFM-Bildgebung: Die erste Kategorie ist die Hochgeschwindigkeitsbildgebung eines kleinen Bereichs, um dynamische Veränderungen in der Probe aufgrund biologischer oder chemischer Reaktionen zu erfassen ^1,2; Die zweite Kategorie ist die großflächige Abbildung von statischen Proben während einer Inspektion mit hoher räumlicher Auflösung, die in dieser Arbeit ausführlich diskutiert wird. Da die Transistorgröße auf den Nanobereich schrumpft, benötigt die Halbleiterindustrie dringend Hochdurchsatz-AFMs, um nanofabrikierte Bauelemente im Wafer-Maßstab mit nanoskaliger räumlicher Auflösung zu inspizieren³.

Die Charakterisierung von nanofabrizierten Bauelementen auf einem Wafer kann aufgrund des großen Unterschieds zwischen Wafer- und Transistormerkmalen eine Herausforderung darstellen. Große Defekte können mit optischen Mikroskopen automatisch erkannt werden⁴. Darüber hinaus werden Rasterelektronenmikroskope (REM) häufig für die Inspektion bis zu zehn Nanometern in 2D⁵ eingesetzt. Für 3D-Informationen und höhere Auflösungen ist das AFM ein geeigneteres Werkzeug, wenn sein Durchsatz verbessert werden kann.

Bei begrenztem Bildgebungsdurchsatz besteht ein Ansatz darin, ausgewählte Waferbereiche abzubilden, in denen Defekte in der Nanofabrikation mit größerer Wahrscheinlichkeit auftreten⁶. Dies würde Vorkenntnisse über den Design- und Herstellungsprozess erfordern. Alternativ ist die Kombination anderer Modalitäten, wie z. B. eines optischen Mikroskops oder REM mit einem AFM für Übersicht und Zoom, möglich ^7,8. Ein hochpräzises Positionierungssystem mit großem Bereich ist erforderlich, um das Koordinatensystem zwischen den Fertigungs- und Charakterisierungswerkzeugen richtig auszurichten. Darüber hinaus ist ein automatisiertes AFM-System zur Abbildung verschiedener ausgewählter Bereiche erforderlich, um diese Funktionalität zu realisieren.

Als Alternative haben Forscher verschiedene Möglichkeiten untersucht, um die AFM-Scangeschwindigkeit zu erhöhen. Da die Ermöglichung von Hochdurchsatz-AFMs eine systematische Herausforderung bei der Präzisionsinstrumentierung darstellt, haben die Forscher verschiedene Methoden untersucht, darunter die Verwendung kleinerer AFM-Sonden, die Neugestaltung von Nanopositionern mit hoher Bandbreite 9,10,11,12 und der Ansteuerelektronik¹³, die Optimierung von Betriebsmodi und bildgebende Steuerungsalgorithmen 14,15,16,17 etc. Mit diesen Bemühungen kann die effektive relative Spitzen- und Probengeschwindigkeit auf maximal etwa zehn Millimeter pro Sekunde für kommerziell erhältliche Einzelsonden-AFM-Systeme gesteigert werden.

Um den Bildgebungsdurchsatz weiter zu verbessern, ist das Hinzufügen mehrerer Sonden, die parallel betrieben werden, eine natürliche Lösung. Das optische Strahlablenkungssystem (OBD), das für die Cantilever-Ablenkungsmessung verwendet wird, ist jedoch relativ sperrig, was das Hinzufügen mehrerer Sonden relativ schwierig macht. Auch eine individuelle Cantilever-Durchbiegungsregelung kann schwierig zu realisieren sein.

Um diese Einschränkung zu überwinden, werden eingebettete Sensor- und Betätigungsprinzipien ohne sperrige externe Komponenten bevorzugt. Wie in den zuvor veröffentlichten Berichten^{18 und 19} beschrieben, kann die Ablenkungsmessung mit piezoresistiven, piezoelektrischen und optomechanischen Prinzipien als eingebettete Sensorik betrachtet werden, wobei die ersten beiden ausgereifter und einfacher zu implementieren sind. Für die eingebettete Betätigung können sowohl thermomechanische mit elektrischer Beheizung als auch piezoelektrische Prinzipien verwendet werden. Obwohl piezoelektrische Prinzipien in einem breiteren Temperaturbereich bis hin zu kryogenen Umgebungen arbeiten können, können sie nur AFM-Operationen im Zapfmodus unterstützen, da die statische Ablenkung aufgrund des Ladungslecks und der statischen Betätigung, die unter Hysterese und Kriechen leidet, nicht gemessen werden kann. In früheren Arbeiten wurden aktive Cantilever-Sondenarrays, die einen piezoresistiven Sensor und den piezoelektrischen Sensor verwenden, für die Bildgebung im großen Bereich^{entwickelt 20,21}, aber nicht weiter für die großflächige Bildgebung skaliert oder kommerzialisiert. In dieser Arbeit wird die Kombination aus piezoresistiver Sensorik und thermomechanischer Betätigung als eingebettete Wandler mit statischer Durchbiegungsregelung ausgewählt.

In dieser Arbeit wird ein neuartiges “Quattro”²² paralleles aktives Cantilever-Array als Sonde²³ für die simultane Bildgebung unter Verwendung aktiver Cantilever verwendet. Um die Auslenkung des Auslegers zu messen, werden piezoresistive Sensoren in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration¹⁹ an der Basis jedes Mikroauslegers nanofabriziert, um die innere Spannung zu messen, die linear proportional zur Auslenkung der Auslegerspitze ist. Dieser kompakte Embedded-Sensor kann auch eine Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich erreichen wie der herkömmliche OBD-Sensor. Die maßgebende Gleichung des Wheatstone-Brückenspannungsausgangs U_alsReaktion auf die aufgebrachte Kraft F oder Cantilever-Auslenkung z ist in Gleichung 1¹⁹ für einen Cantilever mit der Länge L, der Breite W und der Dicke H, dem piezoresistiven Sensorkoeffizienten P_R und dem effektiven Elastizitätsmodul der Cantilever-E-Brückenversorgungsspannung Ub dargestellt.

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Da für die nicht-invasive Bildgebung ein dynamischer/berührungsloser Betrieb bevorzugt wird, um eine Störung der Probe zu vermeiden, wird ein thermomechanischer Aktuator aus schlangenförmigen Aluminiumdrähten verwendet, um den bimorphen Ausleger aus Aluminium/Magnesium-Legierung²⁴, Silizium und Siliziumoxid-Materialien zu erhitzen. Auf der mikroskopischen Skala ist die Zeitkonstante thermischer Prozesse viel kleiner, und die Cantilever-Resonanz bei zehn bis hundert Kilohertz kann durch den Antrieb der Heizung mit einem elektrischen Signal angeregt werden. Die Auslenkung des freitragenden Endes z_h, die durch die relative Umgebung der Heiztemperatur ΔT gesteuert wird, ist in Gleichung 2¹⁹für die Auslegerlänge L mit einer Konstante K in Abhängigkeit vom Thermoausdehnungskoeffizienten des bimorphen Materials und der geometrischen Dicke und Fläche dargestellt. Es ist zu beachten, dass das ΔT proportional zur Heizleistung P ist, die gleich dem Quadrat der angelegten Spannung V dividiert durch ihren Widerstand R ist.

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Neben der Resonanzanregung kann auch die statische Auslenkung gesteuert werden. Dies kann eine besonders hilfreiche Fähigkeit sein, um die Sonden-Proben-Interaktion jedes Cantilevers einzeln zu regulieren. Darüber hinaus können mehrere Cantilever auf demselben Basischip einzeln mit dem eingebetteten thermomechanischen Aktuator angeregt werden, was bei der herkömmlichen Resonanzanregung mit piezoerzeugten akustischen Wellen nicht möglich ist.

Durch die Kombination von piezoresistiver Sensorik und thermomechanischer Betätigung hat die aktive Cantilever-Sonde eine breite Palette von Anwendungen ermöglicht, darunter die Kollocated AF-Mikroskopie in der SE-Mikroskopie, die Bildgebung in undurchsichtigen Flüssigkeiten und die Rastersondenlithographie, wobei weitere Details in Review²⁵ verfügbar sind. Für Inspektionszwecke mit hohem Durchsatz wird das aktive Cantilever-Array mit einem repräsentativen AFM-Implementierungsbeispiel mit vier parallelen Cantilevern erstellt, wie in Abbildung 1 dargestellt. In Zukunft wird ein System im industriellen Maßstab mit acht parallelen aktiven Auslegern und Dutzenden von Positionierern²⁸ entwickelt. Um die Skala anhand eines Beispiels zu veranschaulichen: Bei einer räumlichen Auflösung von 100 nm in der Ebene würde die Abbildung einer Fläche von 100 mm x 100 mm zu mehr als 10⁶ Scanzeilen und 10¹² Pixeln führen. Bei einer Scangeschwindigkeit von 50 mm/s pro Ausleger würde dies insgesamt über 555,6 Stunden Scannen (23+ Tage) für einen einzelnen Ausleger erfordern, was zu lang ist, um praktisch nützlich zu sein. Durch den Einsatz der aktiven Cantilever-Array-Technologie mit Dutzenden von Positionierern kann die erforderliche Bildgebungszeit um etwa zwei Größenordnungen auf 5-10 h (weniger als einen halben Tag) reduziert werden, ohne Kompromisse bei der Auflösung einzugehen, was ein angemessener Zeitrahmen für industrielle Inspektionszwecke ist.

Um großflächige, hochauflösende Bilder aufnehmen zu können, wird auch das Nano-Positioniersystem aufgerüstet. Für die Abbildung großer Proben im Wafer-Maßstab wird das Abtasten der Sonde anstelle der Probe bevorzugt, um die Größe der zu bewegenden Objekte zu reduzieren. Mit einem Abstand von 125 μm zwischen den aktiven Cantilevern deckt der Scanner einen Bereich ab, der etwas größer ist als dieser Bereich, so dass Bilder von jedem Cantilever bei der Nachbearbeitung zusammengefügt werden können. Nach Beendigung eines Scans positioniert der Grobpositionierer die Sonde automatisch in einen neuen angrenzenden Bereich, um den Bildgebungsprozess fortzusetzen. Während der eingebettete thermomechanische Aktuator die Auslenkung jedes Auslegers regelt, wird die gemittelte Auslenkung aller parallelen Ausleger mit einem weiteren PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative) geregelt, um die Ausleger bei der Topographieverfolgung zu unterstützen. Die Scannersteuerung stellt außerdem sicher, dass die Biegung jedes Cantilevers einen maximalen Schwellenwert nicht überschreitet, was dazu führen kann, dass andere Sonden den Kontakt zur Oberfläche verlieren, wenn die Topographievariation zu groß ist.

Der Grad der Topographie-Variation, der für Cantilever auf demselben Basischip verfolgt werden kann, sollte begrenzt sein, da der Kontrollbereich für die statische Durchbiegung des Cantilevers in der Größenordnung von Dutzenden von Mikrometern liegt. Bei Halbleiterwafern liegen die Variationen der Probentopografie in der Regel im Submikrometerbereich, so dass sie kein großes Problem darstellen sollten. Wenn jedoch mehr Cantilever hinzugefügt werden, kann die Neigung der Probenebene in Bezug auf die Linie der Cantilever zu einem Problem werden. In der Praxis würden acht parallele Ausleger mit Abständen von etwa 1 mm immer noch einen Neigungswinkel von 1° ermöglichen, während das Hinzufügen weiterer Ausleger die Kippsteuerung erschweren kann. Daher ist die Verwendung mehrerer Gruppen von acht Cantilever-Sonden, die auf getrennten Sondenscannern platziert werden, ein kontinuierliches Bestreben, das Potenzial des parallelen aktiven Cantilever-Sondenprinzips voll auszuschöpfen.

Nach der Datenerfassung ist eine Nachbearbeitung erforderlich, um die gewünschten Informationen abzurufen. Das Verfahren umfasst im Allgemeinen das Entfernen von Scan-Artefakten, das Zusammenfügen benachbarter Bilder zu einem Gesamtpanorama und gegebenenfalls das Identifizieren der Strukturdefekte durch Vergleichen mit der gewünschten Geometrie unter Verwendung geeigneter Algorithmen²⁶. Es ist erwähnenswert, dass die Menge der anfallenden Daten für eine Vielzahl von Bildern enorm sein kann, und es werden auch datengesteuerte Lernalgorithmen für eine effizientere Verarbeitung entwickelt²⁷.

Dieser Artikel veranschaulicht den allgemeinen Prozess der Erfassung hochauflösender AFM-Bilder mit dem parallelen aktiven Cantilever-Array, das in ein benutzerdefiniertes AFM-System integriert ist. Die detaillierte Implementierung des Systems ist in^{22, 28, 29 und 30} verfügbar und wird mit der in der Materialtabelle aufgeführten Modellnummer vermarktet. Alle vier Ausleger wurden im Gewindeschneidbetrieb betrieben, der durch den eingebetteten thermisch-mechanischen Aktuator angeregt wurde. Repräsentative Ergebnisse von Kalibrierproben, Nanofabrikationsmasken und hochorientierten pyrolytischen Graphitproben (HOPG) (siehe Materialtabelle) werden bereitgestellt, um die Wirksamkeit dieses neuen AFM-Werkzeugs für die großflächige Inspektion zu veranschaulichen.