Microscopia a forza atomica con sonda attiva con array a sbalzo Quattro-Parallel per l'ispezione di campioni su larga scala ad alta produttività

I microscopi a forza atomica (AFM) possono catturare immagini topografiche 3D con risoluzione spaziale su scala nanometrica. I ricercatori hanno esteso la capacità degli AFM di creare mappe di proprietà del campione nei domini meccanici, elettrici, magnetici, ottici e termici. Nel frattempo, il miglioramento della produttività dell’imaging è stato anche al centro della ricerca per adattare gli AFM alle nuove esigenze sperimentali. Esistono principalmente due domini di applicazione per l’imaging AFM ad alto rendimento: la prima categoria è l’imaging ad alta velocità di una piccola area per catturare i cambiamenti dinamici nel campione dovuti a reazioni biologiche o chimiche ^1,2; La seconda categoria è per l’imaging ad alta risoluzione spaziale e su larga scala di campioni statici durante un’ispezione, che viene discussa in dettaglio in questo lavoro. Con la riduzione delle dimensioni dei transistor su scala nanometrica, l’industria dei semiconduttori ha urgente bisogno di AFM ad alto rendimento per ispezionare dispositivi nanofabbricati su scala wafer con risoluzione spaziale su scala nanometrica³.

La caratterizzazione di dispositivi nanofabbricati su un wafer può essere impegnativa a causa della grande differenza di scala tra le caratteristiche del wafer e del transistor. I difetti di grandi dimensioni possono essere individuati automaticamente con i microscopi ottici⁴. Inoltre, i microscopi elettronici a scansione (SEM) sono ampiamente utilizzati per l’ispezione fino a decine di nanometri in 2D⁵. Per le informazioni 3D e una risoluzione più elevata, l’AFM è uno strumento più adatto se la sua produttività può essere migliorata.

Con una produttività di imaging limitata, un approccio consiste nell’eseguire l’imaging di aree di wafer selezionate in cui è più probabile che si verifichino difetti di nanofabbricazione⁶. Ciò richiederebbe una conoscenza preliminare del processo di progettazione e fabbricazione. In alternativa, è possibile combinare altre modalità, come un microscopio ottico o SEM con un AFM per la visione d’insieme e lo zoom ^7,8. È necessario un sistema di posizionamento ad ampio raggio e ad alta precisione per allineare correttamente il sistema di coordinate tra gli strumenti di fabbricazione e caratterizzazione. Inoltre, per realizzare questa funzionalità è necessario un sistema AFM automatizzato per l’imaging di varie aree selezionate.

In alternativa, i ricercatori hanno studiato diversi modi per aumentare la velocità di scansione AFM. Poiché l’abilitazione di AFM ad alto rendimento è una sfida sistematica per la strumentazione di precisione, i ricercatori hanno studiato vari metodi, tra cui l’utilizzo di sonde AFM più piccole, la riprogettazione di nanoposizionatori ad alta larghezza di banda 9,10,11,12 e l’elettronica di pilotaggio¹³, l’ottimizzazione delle modalità di funzionamento, gli algoritmi di controllo dell’imaging 14,15,16,17 and so on. Con questi sforzi, l’effettiva velocità relativa della punta e del campione può essere aumentata fino a un massimo di circa decine di millimetri al secondo per i sistemi AFM a sonda singola disponibili in commercio.

Per migliorare ulteriormente la produttività dell’imaging, l’aggiunta di più sonde per operare in parallelo è una soluzione naturale. Tuttavia, il sistema di deflessione ottica del fascio (OBD) utilizzato per il rilevamento della deflessione a sbalzo è relativamente ingombrante, il che rende l’aggiunta di più sonde relativamente impegnativa. Anche il controllo individuale della deflessione a sbalzo può essere difficile da realizzare.

Per ovviare a questa limitazione, sono preferibili i principi di rilevamento e attuazione integrati senza ingombranti componenti esterni. Come dettagliato nei rapporti pubblicati in precedenza^18,19, il rilevamento della deflessione con principi piezoresistivi, piezoelettrici e optomeccanici può essere considerato un rilevamento embedded, con i primi due più maturi e più facili da implementare. Per l’azionamento incorporato, è possibile utilizzare sia i principi termomeccanici con riscaldamento elettrico che quelli piezoelettrici. Sebbene i principi piezoelettrici possano funzionare in un intervallo di temperatura più ampio fino agli ambienti criogenici, possono supportare solo operazioni AFM in modalità di maschiatura, poiché la deflessione statica non può essere misurata a causa della dispersione di carica e dell’attuazione statica che soffre di isteresi e scorrimento. In lavori precedenti, sono stati sviluppati array di sonde a sbalzo attive che utilizzano un sensore piezoresistivo e il sensore piezoelettrico per l’imaging a grande raggio^20,21, ma non sono stati ulteriormente scalati per l’imaging su larga scala o commercializzati. In questo lavoro, la combinazione di rilevamento piezoresistivo e attuazione termomeccanica è selezionata come trasduttori embedded con capacità di controllo della deflessione statica.

In questo lavoro, un nuovo array di cantilever attivi paralleli “Quattro”²² viene utilizzato come sonda²³ per l’imaging simultaneo utilizzando cantilever attivi. Per misurare la deflessione a sbalzo, i sensori piezoresistivi in una configurazione a ponte di Wheatstone¹⁹ sono nanofabbricati alla base di ogni micro-cantilever per misurare la sollecitazione interna, che è linearmente proporzionale alla deflessione della punta a sbalzo. Questo sensore integrato compatto può anche raggiungere una risoluzione sub-nanometrica come il sensore OBD convenzionale. L’equazione di governo dell’uscita di tensione del ponte di Wheatstone U_inrisposta alla forza applicata F o alla deflessione a sbalzo z è mostrata nell’equazione 1¹⁹ per un cantilever con lunghezza L, larghezza W e spessore H, coefficiente del sensore piezoresistivo P_R e modulo elastico effettivo della tensione di alimentazione del ponte a sbalzo E U_b.

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Poiché il funzionamento dinamico in modalità di maschiatura/senza contatto è preferito per l’imaging non invasivo per evitare di disturbare il campione, viene utilizzato un attuatore termomeccanico realizzato con fili di alluminio a forma di serpentina per riscaldare il cantilever bimorfo realizzato con materiali in lega di alluminio/magnesio²⁴, silicio e ossido di silicio. Su scala microscopica, la costante di tempo dei processi termici è molto più piccola e la risonanza a sbalzo a decine o centinaia di kilohertz può essere eccitata pilotando il riscaldatore con un segnale elettrico. La deflessione dell’estremità libera a sbalzo z_hcontrollata dall’ambiente relativo della temperatura del riscaldatore ΔT è mostrata nell’equazione 2¹⁹per la lunghezza della trave a sbalzo L con una costante K, a seconda del coefficiente di dilatazione termica del materiale bimorfo e dello spessore geometrico e dell’area. Va notato che il ΔT è proporzionale alla potenza del riscaldatore P, che è uguale al quadrato della tensione applicata V diviso per la sua resistenza R.

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Come ulteriore vantaggio, oltre all’eccitazione di risonanza, è possibile controllare anche la deflessione statica. Questa può essere una capacità particolarmente utile per regolare l’interazione sonda-campione di ciascun cantilever individualmente. Inoltre, più cantilever sullo stesso chip di base possono essere eccitati individualmente con l’attuatore termomeccanico incorporato, cosa impossibile nell’eccitazione di risonanza convenzionale con onde acustiche generate piezoelettricamente.

Combinando il rilevamento piezoresistivo e l’attuazione termomeccanica, la sonda a sbalzo attiva ha consentito un’ampia gamma di applicazioni, tra cui la microscopia AF collocata nella microscopia SE, l’imaging in liquido opaco e la litografia a scansione di sonda, con maggiori dettagli disponibili nella revisione²⁵. Ai fini dell’ispezione ad alta produttività, l’array a sbalzo attivo viene creato con un esempio rappresentativo di implementazione AFM che coinvolge quattro cantilever paralleli, come mostrato nella Figura 1. In futuro, verrà sviluppato un sistema su scala industriale utilizzando otto cantilever attivi paralleli e decine di posizionatori²⁸. Per illustrare la scala con un esempio, con una risoluzione spaziale nel piano di 100 nm, l’imaging di un’area di 100 mm per 100 mm si tradurrebbe in oltre 10⁶ linee di scansione e 10¹² pixel. Con una velocità di scansione di 50 mm/s per cantilever, ciò richiederebbe un totale di oltre 555,6 ore di scansione (23+ giorni) per un singolo cantilever, che è troppo lungo per essere praticamente utile. Utilizzando la tecnologia Active Cantilever Array con decine di posizionatori, il tempo di imaging richiesto può essere ridotto di circa due ordini di grandezza a 5-10 ore (meno di mezza giornata) senza compromettere la risoluzione, che è una scala temporale ragionevole per scopi di ispezione industriale.

Per catturare immagini ad alta risoluzione su grandi aree, viene aggiornato anche il sistema di nano-posizionamento. Per l’imaging di campioni di grandi dimensioni su scala wafer, è preferibile eseguire la scansione della sonda anziché del campione, al fine di ridurre le dimensioni degli oggetti spostati. Con una distanza di separazione di 125 μm tra i cantilever attivi, lo scanner copre un’area leggermente più ampia di questo intervallo, in modo che le immagini di ciascun cantilever possano essere unite durante la post-elaborazione. Al termine di una scansione, il posizionatore grossolano riposiziona automaticamente la sonda in una nuova area adiacente per continuare il processo di imaging. Mentre l’attuatore termomeccanico incorporato regola la deflessione di ciascun cantilever, la deflessione media di tutti i cantilever paralleli è regolata con un altro controller PID (Proportional-integral-derivative) per assistere i cantilever durante il tracciamento topografico. Il controller dello scanner assicura inoltre che la flessione di ogni cantilever non superi un valore di soglia massimo, il che potrebbe causare la perdita di contatto di altre sonde con la superficie se la variazione topografica è troppo grande.

Il livello di variazione topografica che può essere tracciato per i cantilever sullo stesso chip di base dovrebbe essere limitato, poiché l’intervallo di controllo della deflessione statica del cantilever è dell’ordine di decine di micron. Per i wafer a semiconduttore, le variazioni della topografia del campione sono in genere su scala sub-micrometrica, quindi non dovrebbero essere un grosso problema. Tuttavia, con l’aggiunta di più cantilever, l’inclinazione del piano campione rispetto alla linea di cantilever può diventare un problema. In pratica, otto cantilever paralleli con distanze prossime a 1 mm consentirebbero comunque un angolo di inclinazione di 1°, mentre l’aggiunta di più cantilever può rendere il controllo dell’inclinazione più difficile da realizzare. Pertanto, l’utilizzo di più gruppi di sonde a sbalzo a otto sonde posizionate su scanner a sonde separate è uno sforzo continuo per realizzare appieno il potenziale del principio della sonda a sbalzo attiva parallela.

Dopo la raccolta dei dati, è necessaria un’operazione di post-elaborazione per recuperare le informazioni desiderate. Il processo prevede generalmente la rimozione degli artefatti di scansione, l’unione di immagini adiacenti per formare un panorama complessivo e, facoltativamente, l’identificazione dei difetti della struttura confrontandoli con la geometria desiderata utilizzando algoritmi appropriati²⁶. Vale la pena notare che la quantità di dati accumulati può essere enorme per un’ampia gamma di immagini e che sono in fase di sviluppo anche algoritmi di apprendimento basati sui dati per un’elaborazione più efficiente²⁷.

Questo articolo illustra il processo generale di acquisizione di immagini AFM ad alta risoluzione utilizzando l’array a sbalzo attivo parallelo integrato in un sistema AFM personalizzato. L’implementazione dettagliata del sistema è disponibile in 22,28,29,30 e viene commercializzato con il numero di modello elencato nella tabella dei materiali. Tutti e quattro i cantilever sono stati azionati in modalità di maschiatura eccitata dall’attuatore termomeccanico incorporato. I risultati rappresentativi su campioni di calibrazione, maschere di nanofabbricazione e campioni di grafite pirolitica altamente orientata (HOPG) (vedi Tabella dei materiali) sono forniti per illustrare l’efficacia di questo nuovo strumento AFM per l’ispezione di grandi aree.