Microscopia de Força Atômica de Sonda Ativa com Matrizes Cantilever Paralelas Quattro para Inspeção de Amostras em Grande Escala de Alto Rendimento

Microscópios de força atômica (AFMs) podem capturar imagens de topografia 3D com resolução espacial em nanoescala. Os pesquisadores ampliaram a capacidade dos AFMs de criar mapas de propriedades de amostra em domínios mecânicos, elétricos, magnéticos, ópticos e térmicos. Enquanto isso, melhorar o rendimento das imagens também tem sido o foco da pesquisa para adaptar os AFMs às novas necessidades experimentais. Existem principalmente dois domínios de aplicação para imagens AFM de alto rendimento: a primeira categoria é a imagem de alta velocidade de uma pequena área para capturar mudanças dinâmicas na amostra devido a reações biológicas ou químicas ^1,2; A segunda categoria é para imagens de alta resolução espacial e em larga escala de amostras estáticas durante uma inspeção, o que é discutido em detalhes neste trabalho. Com o tamanho do transistor encolhendo para a nanoescala, a indústria de semicondutores precisa urgentemente de AFMs de alto rendimento para inspecionar dispositivos nanofabricados em escala de wafer com resolução espacial em nanoescala³.

A caracterização de dispositivos nanofabricados em um wafer pode ser desafiadora devido à grande diferença de escala entre as características do wafer e do transistor. Grandes defeitos podem ser detectados automaticamente com microscópios ópticos⁴. Além disso, microscópios eletrônicos de varredura (SEMs) são amplamente utilizados para inspeção até dezenas de nanômetros em 2D⁵. Para informações 3D e maior resolução, o AFM é uma ferramenta mais adequada se sua taxa de transferência puder ser melhorada.

Com rendimento de imagem limitado, uma abordagem é obter imagens de áreas selecionadas de wafer onde defeitos de nanofabricação são mais prováveis de acontecer⁶. Isso exigiria conhecimento prévio do processo de projeto e fabricação. Alternativamente,^{é possível combinar} outras modalidades, como microscópio óptico ou MEV com um AFM para visão geral e zoom7,8. Um sistema de posicionamento de grande alcance e alta precisão é necessário para alinhar adequadamente o sistema de coordenadas entre as ferramentas de fabricação e caracterização. Além disso, um sistema de AFM automatizado para obter imagens de várias áreas selecionadas é necessário para realizar essa funcionalidade.

Como alternativa, os pesquisadores investigaram diferentes maneiras de aumentar a velocidade de varredura do AFM. Uma vez que habilitar AFMs de alto rendimento é um desafio sistemático de instrumentação de precisão, pesquisadores investigaram vários métodos, incluindo o uso de sondas AFM menores, redesenho de nanoposicionadores de alta largura de banda 9,10,11,12 e eletrônica de condução ¹³, otimização de modos de operação, algoritmos de controle de imagem 14,15,16,17etc. Com esses esforços, a velocidade relativa efetiva da ponta e da amostra pode ser aumentada para um máximo de cerca de dezenas de milímetros por segundo para sistemas AFM de sonda única disponíveis comercialmente.

Para melhorar ainda mais a taxa de transferência de imagem, adicionar várias sondas para operar em paralelo é uma solução natural. No entanto, o sistema de deflexão do feixe óptico (OBD) utilizado para detecção de deflexão de cantilever é relativamente volumoso, o que torna a adição de múltiplas sondas relativamente desafiadora. O controle individual da deflexão do cantilever também pode ser difícil de realizar.

Para superar essa limitação, os princípios de sensoriamento embutido e atuação sem componentes externos volumosos são preferidos. Como detalhado em relatos publicados^{anteriormente18,19}, o sensoriamento por deflexão com princípios piezoresistivos, piezelétricos e optomecânicos pode ser considerado sensoriamento embutido, sendo os dois primeiros mais maduros e de mais fácil implementação. Para o acionamento embutido, termomecânicos com aquecimento elétrico ou princípios piezoelétricos podem ser utilizados. Embora os princípios piezoelétricos possam operar em uma faixa de temperatura mais ampla até ambientes criogênicos, eles só podem suportar operações AFM no modo de torneamento, uma vez que a deflexão estática não pode ser medida devido ao vazamento de carga e atuação estática que sofre de histerese e fluência. Em trabalhos anteriores, matrizes de sondas de cantilever ativas usando um sensor piezoresistivo e o sensor piezoelétrico foram desenvolvidas para imagens de grande alcance^20,21, mas não foram ampliadas para imagens em larga escala ou comercializadas. Neste trabalho, a combinação de sensoriamento piezoresistivo e atuação termomecânica são selecionadas como transdutores embutidos com capacidade de controle estático de deflexão.

Neste trabalho, um novo arranjo de cantiléver ativo paralelo “Quattro”²² é usado como sonda²³ para obtenção simultânea de imagens usando cantiléveres ativos. Para medir a deflexão do cantiléver, sensores piezoresistivos em uma configuração de ponte de Wheatstone¹⁹ são nanofabricados na base de cada micro-cantilever para medir a tensão interna, que é linearmente proporcional à deflexão da ponta do cantiléver. Este sensor embutido compacto também pode alcançar resolução sub-nanométrica como o sensor OBD convencional. A equação governante da saída de tensão da ponte de Wheatstone U_emresposta à força aplicada F ou deflexão z do cantilever é mostrada na Equação 1¹⁹ para um cantilever com comprimento L, largura W e espessura H, coeficiente do sensor piezoresistivo P_R e módulo elástico efetivo da tensão de alimentação da ponte E do cantilever U_b.

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Como a operação em modo de toque dinâmico/sem contato é preferida para imagens não invasivas para evitar perturbar a amostra, um atuador termomecânico feito de fios de alumínio em forma de serpentina é usado para aquecer o cantiléver bimorfo feito com materiais de alumínio/magnésio liga²⁴, silício e óxido de silício. Na escala microscópica, a constante de tempo dos processos térmicos é muito menor, e a ressonância do cantilever em dezenas a centenas de quilohertz pode ser excitada acionando o aquecedor com um sinal elétrico. A deflexão da extremidade livre do cantiléver z_hcontrolada pela temperatura do aquecedor ΔT ambiência relativa é mostrada na Equação 2¹⁹para o comprimento do cantilever L com uma constante K, dependendo do coeficiente térmico de expansão do material bimorfo e da espessura e área geométricas. Deve-se notar que o ΔT é proporcional à potência do aquecedor P, que é igual ao quadrado da tensão aplicada V dividido pela sua resistência R.

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Como um benefício adicional, a deflexão estática também pode ser controlada, além da excitação por ressonância. Esta pode ser uma capacidade particularmente útil para regular a interação sonda-amostra de cada cantilever individualmente. Além disso, vários cantilevers no mesmo chip base podem ser excitados individualmente com o atuador termomecânico embutido, o que é impossível na excitação de ressonância convencional com ondas acústicas geradas por piezo.

Combinando sensoriamento piezoresistivo e atuação termomecânica, a sonda cantilever ativa possibilitou uma ampla gama de aplicações, incluindo microscopia AF colocada em microscopia SE, imagem em líquido opaco e litografia por sonda de varredura, com mais detalhes disponíveis na revisão²⁵. Para fins de inspeção de alto rendimento, a matriz de cantiléver ativa é criada com um exemplo de implementação de AFM representativo envolvendo quatro cantiléveres paralelos, conforme mostrado na Figura 1. No futuro, um sistema em escala industrial será desenvolvido usando oito balanços ativos paralelos e dezenas de posicionadores²⁸. Para ilustrar a escala usando um exemplo, com uma resolução espacial no plano de 100 nm, a obtenção de imagens de uma área de 100 mm por 100 mm resultaria em mais de 10⁶ linhas de varredura e 10¹² pixels. Com uma velocidade de varredura de 50 mm/s por cantilever, isso exigiria um total de mais de 555,6 h de varredura (23+ dias) para um único cantilever, o que é muito longo para ser praticamente útil. Usando a tecnologia de matriz de cantilever ativo com dezenas de posicionadores, o tempo de imagem necessário pode ser reduzido em cerca de duas ordens de magnitude para 5-10 h (menos de meio dia) sem comprometer a resolução, que é uma escala de tempo razoável para fins de inspeção industrial.

Para capturar imagens de grande área e alta resolução, o sistema de nanoposicionamento também é atualizado. Para imagens de grandes amostras em escala de wafer, a varredura da sonda em vez da amostra é preferível, a fim de reduzir o tamanho dos objetos que estão sendo movidos. Com a distância de separação entre os cantilevers ativos em 125 μm, o scanner cobre uma área ligeiramente maior do que essa faixa para que as imagens de cada cantilever possam ser costuradas durante o pós-processamento. Após a conclusão de uma varredura, o posicionador grosso reposiciona automaticamente a sonda para uma nova área adjacente para continuar o processo de obtenção de imagens. Enquanto o atuador termomecânico embutidoregula a deflexão de cada cantilever, a deflexão média de todos os cantilevers paralelos é regulada com outro controlador proporcional-integral-derivativo (PID) para auxiliar os cantilevers durante o rastreamento topográfico. O controlador do scanner também garante que a flexão de cada cantilever não exceda um valor limite máximo, o que pode fazer com que outras sondas percam contato com a superfície se a variação da topografia for muito grande.

O nível de variação de topografia que pode ser rastreado para cantilevers no mesmo chip de base deve ser limitado, uma vez que a faixa de controle de deflexão estática do cantilever é da ordem de dezenas de mícrons. Para wafers semicondutores, as variações de topografia de amostra são tipicamente na escala sub-micrométrica, por isso não devem ser um grande problema. No entanto, com a adição de mais cantilevers, a inclinação do plano da amostra em relação à linha de cantilevers pode se tornar um problema. Na prática, oito balanços paralelos com espaçamentos próximos a 1 mm ainda permitiriam 1° de ângulo de inclinação, enquanto a adição de mais balanços pode tornar o controle de inclinação mais difícil de realizar. Portanto, o uso de vários grupos de sondas de oito cantilever colocadas em scanners de sonda separados é um esforço contínuo para realizar plenamente o potencial do princípio de sonda de cantilever ativa paralela.

Após a coleta de dados, uma operação de pós-processamento é necessária para recuperar as informações desejadas. O processo geralmente envolve a remoção de artefatos de varredura, costura de imagens adjacentes para formar um panorama geral e, opcionalmente, a identificação dos defeitos estruturais comparando-os com a geometria desejada usando algoritmos adequados²⁶. Vale ressaltar que a quantidade de dados acumulados pode ser enorme para uma grande variedade de imagens, e algoritmos de aprendizagem orientados por dados também estão sendo desenvolvidos para um processamento mais eficiente²⁷.

Este artigo ilustra o processo geral de aquisição de imagens AFM de alta resolução usando a matriz de cantilever ativa paralela integrada a um sistema AFM personalizado. A implementação detalhada do sistema está disponível em 22,28,29,30, e está sendo comercializado com o número do modelo listado na Tabela de Materiais. Todos os quatro cantilevers foram operados no modo de rosqueamento excitado pelo atuador termomecânico incorporado. Resultados representativos em amostras de calibração, máscaras de nanofabricação e amostras de grafite pirolítico altamente orientado (HOPG) (ver Tabela de Materiais) são fornecidos para ilustrar a eficácia desta nova ferramenta AFM para inspeção de grandes áreas.