クワトロパラレルカンチレバーアレイを用いたアクティブプローブ原子間力顕微鏡によるハイスループット大規模サンプル検査(英語)

原子間力顕微鏡(AFM)は、ナノスケールの空間分解能で3Dトポグラフィー画像を撮影することができます。研究者は、AFMの機能を拡張して、機械的、電気的、磁気的、光学的、および熱的領域でサンプル特性マップを作成しました。一方、イメージングスループットの向上は、AFMを新しい実験ニーズに適合させるための研究の焦点でもあります。ハイスループットAFMイメージングには、主に2つのアプリケーションドメインがあります:最初のカテゴリは、生物学的または化学反応によるサンプルの動的変化を捉えるための小さな領域の高速イメージングです^1,2;2つ目のカテゴリーは、検査中の静的サンプルの高空間分解能、大規模イメージング用で、これについては本研究で詳しく説明しています。トランジスタのサイズがナノスケールにまで微細化する中、半導体業界では、ウェーハスケールのナノ加工デバイスをナノスケールの^{空間分解能}で検査するためのハイスループットAFMが緊急に必要とされています3。

ウェーハ上のナノファブリケーションデバイスの特性評価は、ウェーハとトランジスタの特性が大きく異なるため、困難な場合があります。大きな欠陥は光学顕微鏡で自動的に発見できます⁴.また、走査型電子顕微鏡(SEM)は、2D⁵で数十ナノメートルまでの検査に広く使用されています。3D情報とより高い解像度のためには、スループットを向上させることができれば、AFMはより適したツールです。

イメージングスループットが限られているため、1つのアプローチは、ナノファブリケーションの欠陥が発生する可能性が高い選択されたウェーハ領域をイメージングすることです⁶。これには、設計および製造プロセスに関する予備知識が必要です。あるいは、光学顕微鏡やSEMなどの他のモダリティを、オーバービューやズーム用のAFMと組み合わせることも可能です^7,8。製造ツールと特性評価ツール間の座標系を適切に調整するには、広範囲で高精度な位置決めシステムが必要です。さらに、この機能を実現するためには、選択されたさまざまな領域を画像化する自動AFMシステムが必要です。

別の方法として、研究者はAFMスキャン速度を上げるためのさまざまな方法を調査してきました。ハイスループットAFMの実現は体系的な精密計測の課題であるため、研究者は、より小さなAFMプローブの使用、高帯域幅ナノポジ^{ショナーの再}設計9、^10、11、12、電子機器^の駆動13、動作モードの最適化、イメージング制御アルゴリズム^14、15、^16、17など、さまざまな方法を調査してきました等。これらの取り組みにより、市販のシングルプローブAFMシステムでは、チップとサンプルの有効相対速度を最大で約10mm/秒まで向上させることができます。

イメージングスループットをさらに向上させるには、複数のプローブを追加して並行して動作させることが自然な解決策です。しかし、カンチレバー偏向センシングに利用される光ビーム偏向(OBD)システムは比較的かさばるため、複数のプローブを追加することは比較的困難です。また、個々のカンチレバーたわみ制御も実現が困難な場合があります。

この制限を克服するには、組み込みセンシングと、かさばる外付け部品を使用しない作動原理が推奨されます。以前に発表されたレポート^18,19で詳述されているように、ピエゾ抵抗、圧電、および光機械の原理による偏向センシングは、組み込みセンシングと見なすことができ、前者の2つはより成熟しており、実装が容易です。組み込み作動には、電気加熱または圧電原理による熱機械の両方を利用することができます。圧電原理は極低温環境までの広い温度範囲で動作できますが、電荷漏れやヒステリシスやクリープによる静的作動のために静的たわみを測定できないため、タッピングモードAFMの動作しかサポートできません。先行研究において、ピエゾ抵抗センサおよび圧電センサを用いたアクティブカンチレバープローブアレイは、広範囲イメージングのために開発されてきた^20,21が、大規模イメージングのためにさらにスケールアップされたり、商品化されたりはされていない。この研究では、ピエゾ抵抗センシングと熱機械式アクチュエーションの組み合わせを、静的偏向制御機能を備えた組み込みトランスデューサとして選択します。

本研究では、新規の「Quattro」²²並列アクティブカンチレバーアレイをプローブ²³として使用し、アクティブカンチレバーを用いた同時イメージングを行う。カンチレバーのたわみを測定するために、ホイートストンブリッジ構成¹⁹のピエゾ抵抗センサーを各マイクロカンチレバーの基部でナノ加工して、カンチレバー先端のたわみに直線的に比例する内部応力を測定する。このコンパクトな組み込みセンサーは、従来のOBDセンサーと同様にサブナノメートルの分解能も実現できます。長さL、幅W、厚さH、ピエゾ抵抗センサ係数PR_、およびカンチレバーEブリッジ供給電圧_Ubの有効弾性率を有するカンチレバーについて、加えられた力Fまたはカンチレバー撓みzに応答して出力されるホイートストンブリッジ電圧出力Uの支配方程式を式1¹⁹に示す。

(1)

試料の邪魔をしない非侵襲的イメージングでは、試料の乱れを避けるため、蛇行形状のアルミ線で作られた熱機械アクチュエータを使用して、アルミニウム/マグネシウム合金²⁴、シリコン、および酸化シリコン材料で作られたバイモルフカンチレバーを加熱します。微視的スケールでは、熱プロセスの時定数ははるかに小さく、電気信号でヒーターを駆動することにより、数十〜数百キロヘルツのカンチレバー共振を励起できます。ヒータ温度ΔTの相対雰囲気によって制御される片持ち梁自由端たわみ_zhは、バイモルフ材料の熱膨張係数および幾何学的厚さおよび面積に応じて、一定のKを有する片持ち梁長さLについて式2¹⁹に示される。ΔTはヒーター電力Pに比例し、印加電圧Vの2乗を抵抗Rで割った値に等しいことに注意する必要があります。

(2)

追加の利点として、共振励起に加えて静的たわみも制御できます。これは、各カンチレバーのプローブとサンプルの相互作用を個別に調整するのに特に役立つ機能です。また、従来のピエゾ発生音波による共振励起では不可能であった、同じベースチップ上の複数のカンチレバーを内蔵した熱機械アクチュエータで個別に励起することができます。

ピエゾ抵抗センシングと熱機械作動を組み合わせたアクティブカンチレバープローブは、SE顕微鏡でのコロケーションAF顕微鏡、不透明液体でのイメージング、走査型プローブリソグラフィーなど、幅広いアプリケーションを可能にし^ました。ハイスループット検査の目的で、アクティブカンチレバーアレイは、図1に示すように、4つの並列カンチレバーを含む代表的なAFM実装例で作成されます。将来的には、8つの並列アクティブカンチレバーと数十のポジショ^ナー28を使用して、産業規模のシステムが開発されます。100 nmの面内空間分解能でスケールを説明するために、100 mm x 100 mmの領域をイメージングすると、10 6 6 スキャン ラインと 10¹² ピクセル以上になります。カンチレバーあたり50mm/sのスキャン速度では、1つのカンチレバーで合計555.6時間(23+日)以上のスキャンが必要になりますが、これは実用的ではありません。数十のポジショナーを備えたアクティブカンチレバーアレイ技術を使用すると、必要なイメージング時間を約2桁短縮して5〜10時間(半日未満)にすることができ、分解能を損なうことなく、工業検査の目的に適した時間スケールです。

大面積で高解像度の画像を撮影するために、ナノポジショニングシステムもアップグレードされています。ウェーハスケールの大きなサンプルをイメージングする場合、移動するオブジェクトのサイズを小さくするために、サンプルの代わりにプローブをスキャンすることが好ましいです。アクティブカンチレバー間の分離距離が125μmの場合、スキャナーはこの範囲よりわずかに広い領域をカバーし、後処理中に各カンチレバーからの画像をつなぎ合わせることができます。スキャンが完了すると、粗いポジショナーは自動的にプローブを新しい隣接領域に再配置し、イメージングプロセスを続行します。埋め込まれた熱機械アクチュエータが各カンチレバーのたわみを調整する一方で、すべての平行なカンチレバーの平均たわみは、トポグラフィー追跡中にカンチレバーを支援するために、別の比例-積分-微分(PID)コントローラーで調整されます。また、スキャナーコントローラーは、各カンチレバーの曲がりが最大しきい値を超えないようにし、トポグラフィーのばらつきが大きすぎると、他のプローブが表面に接触しなくなる可能性があります。

カンチレバーの静的たわみ制御範囲は数十ミクロンのオーダーであるため、同じベースチップ上のカンチレバーで追跡できるトポグラフィーの変動レベルは制限されます。半導体ウェーハの場合、サンプルトポグラフィーのばらつきは通常サブミクロンスケールであるため、大きな問題にはなりません。しかし、カンチレバーの数が増えると、カンチレバーのラインに対するサンプル平面の傾きが問題になる可能性があります。実際には、間隔が1mmに近い8つの平行なカンチレバーでも1°の傾斜角度が可能ですが、カンチレバーを追加すると、傾斜制御の実現が難しくなる可能性があります。したがって、分離されたプローブスキャナーに配置された8つのカンチレバープローブの複数のグループを使用することは、パラレルアクティブカンチレバープローブの原理の可能性を完全に実現するための継続的な取り組みです。

データ収集後、必要な情報を取得するために後処理操作が必要です。このプロセスは、一般に、走査アーチファクトを除去し、隣接する画像をつなぎ合わせて全体的なパノラマを形成し、任意選択で、適切なアルゴリズム²⁶を用いてそれらを所望の幾何学的形状と比較することによって、構造欠陥を特定することを含む。蓄積されるデータ量は、広範囲の画像に対して膨大になる可能性があり、より効率的な処理のためにデータ駆動型学習アルゴリズムも開発されていることは注目に値します²⁷。

本稿では、カスタムAFMシステムに統合されたパラレルアクティブカンチレバーアレイを使用して高解像度AFM画像を取得する一般的なプロセスについて説明します。^22,28,29,30に詳細な実装が可能で、部品表記載の型番で製品化中です。4つのカンチレバーはすべて、埋め込まれた熱機械式アクチュエーターによって励起されたタッピングモードで操作されました。キャリブレーションサンプル、ナノファブリケーションマスク、高配向熱分解グラファイト(HOPG)サンプルの代表的な結果(材料表を参照)は、広域検査に対するこの新しいAFMツールの有効性を示しています。