Активная зондовая атомно-силовая микроскопия с кватропараллельными кантилевеверными решетками для высокопроизводительного крупномасштабного контроля образцов

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) могут получать 3D-изображения топографии с наноразмерным пространственным разрешением. Исследователи расширили возможности АСМ для создания карт свойств образцов в механической, электрической, магнитной, оптической и тепловой областях. В то же время повышение пропускной способности визуализации также находится в центре внимания исследований по адаптации АСМ к новым экспериментальным потребностям. Существует две основные области применения высокопроизводительной АСМ визуализации: первая категория – это высокоскоростная визуализация небольшой области для регистрации динамических изменений в образце, вызванных биологическими или химическими реакциями ^1,2; Вторая категория – это высокопространственное разрешение, крупномасштабное изображение статических образцов во время контроля, которое подробно рассмотрено в данной работе. В связи с тем, что размер транзисторов уменьшается до наномасштаба, полупроводниковая промышленность остро нуждается в высокопроизводительных АСМ для проверки наноустройств на уровне пластин с наноразмерным пространственным разрешением³.

Определение характеристик наноустройств на пластине может быть сложной задачей из-за огромной разницы в масштабе между характеристиками пластины и транзистора. Крупные дефекты могут быть обнаружены с помощью оптических микроскопов^{автоматически4}. Кроме того, сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) широко используются для контроля размером до десятков нанометров в 2D⁵. Для получения 3D-информации и более высокого разрешения АСМ является более подходящим инструментом, если его пропускная способность может быть улучшена.

При ограниченной пропускной способности визуализации один из подходов заключается в получении изображений выбранных областей пластин, где с большей вероятностью возникнут дефекты нанопроизводства⁶. Это потребует предварительных знаний о процессе проектирования и изготовления. В качестве альтернативы возможно комбинирование других модальностей, таких как оптический микроскоп или РЭМ, с АСМ для обзора и масштабирования ^7,8. Для правильного выравнивания системы координат между инструментами изготовления и определения характеристик необходима широкодиапазонная высокоточная система позиционирования. Кроме того, для реализации этой функциональности необходима автоматизированная система АСМ для получения изображений различных выбранных областей.

В качестве альтернативы исследователи исследовали различные способы увеличения скорости сканирования АСМ. Поскольку обеспечение высокой пропускной способности АСМ является систематической проблемой прецизионных приборов, исследователи исследовали различные методы, в том числе использование датчиков АСМ меньшего размера, перепроектирование широкополосных нанопозиционеров ^9,10,11,12 и управляющей электроники¹³, оптимизацию режимов работы, алгоритмы управления изображениями 14,15,16,17 и так далее. Благодаря этим усилиям эффективная относительная скорость наконечника и образца может быть увеличена максимум до десятков миллиметров в секунду для коммерчески доступных систем АСМ с одним зондом.

Для дальнейшего повышения производительности визуализации естественным решением является добавление нескольких датчиков для параллельной работы. Тем не менее, система оптического отклонения луча (OBD), используемая для измерения отклонения кантилевера, является относительно громоздкой, что делает добавление нескольких датчиков относительно сложной задачей. Индивидуальное управление прогибом консоли также может быть трудно реализовать.

Чтобы преодолеть это ограничение, предпочтение отдается встроенным принципам считывания и приведения в действие без громоздких внешних компонентов. Как подробно описано в ранее опубликованных отчетах^18,19, измерение отклонения с пьезорезистивным, пьезоэлектрическим и оптомеханическим принципами можно рассматривать как встроенное зондирование, причем первые два являются более совершенными и простыми в реализации. Для встраиваемого привода могут использоваться как термомеханические с электрическим нагревом, так и пьезоэлектрические принципы. Несмотря на то, что пьезоэлектрические принципы могут работать в более широком диапазоне температур вплоть до криогенных сред, они могут поддерживать только работу АСМ в режиме отвода, поскольку статическое отклонение не может быть измерено из-за утечки заряда и статического срабатывания, страдающего гистерезисом и ползучестью. В предыдущих работах были разработаны активные консольные зонды, использующие пьезорезистивный датчик и пьезоэлектрический датчик для получения изображений больших диапазонов^20,21, но они не были дополнительно масштабированы для крупномасштабных изображений или коммерциализированы. В данной работе комбинация пьезорезистивного зондирования и термомеханического срабатывания выбрана в качестве встроенных преобразователей с возможностью контроля статического отклонения.

В данной работе в качестве зонда²³ для одновременной визуализации с использованием активных кантилеверов используется новая параллельная активная консольная решетка “Quattro”²². Для измерения прогиба кантилевера пьезорезистивные датчики в конфигурации моста Уитстона¹⁹ наноизготовлены в основании каждого микрокантилевера для измерения внутреннего напряжения, которое линейно пропорционально отклонению кончика кантилевера. Этот компактный встраиваемый датчик также может достигать субнанометрового разрешения, как и обычный датчик OBD. Управляющее уравнение выходного напряжения моста Уитстона U_{на выходе}в ответ на приложенную силу F или прогиб кантилевера z показано в уравнении 1¹⁹ для консоли длиной L, шириной W и толщиной H, коэффициентом пьезорезистивного датчика P_R и эффективным модулем упругости напряжения питания моста кантилевера E U_b.

(1)

Поскольку для неинвазивной визуализации предпочтительна работа в динамическом постукивании/бесконтактном режиме, чтобы избежать нарушения образца, для нагрева биморфного кантилевера, изготовленного из алюминиевого сплава^{алюминия и магния 24}, кремния и материалов оксида кремния, используется термомеханический привод, изготовленный из алюминиево-магниевого сплава 24. В микроскопическом масштабе постоянная времени тепловых процессов значительно меньше, а консольный резонанс на частоте от десятков до сотен килогерц можно возбудить, управляя нагревателем электрическим сигналом. Свободный торцевой прогиб кантилевера z_h, контролируемый относительной температурой нагревателя ΔT , показан в уравнении 2¹⁹для длины кантилевера L с постоянным K, зависящим от термокоэффициента расширения биморфного материала, а также геометрической толщины и площади. Следует отметить, что ΔT пропорциональна мощности нагревателя P, которая равна квадрату приложенного напряжения V , деленного на его сопротивление R.

(2)

Дополнительным преимуществом является то, что в дополнение к резонансному возбуждению можно контролировать статическое отклонение. Это может быть особенно полезно для регулирования взаимодействия зонда и образца каждого кантилевера в отдельности. Кроме того, несколько кантилеверов на одном базовом чипе могут возбуждаться по отдельности с помощью встроенного термомеханического привода, что невозможно при обычном резонансном возбуждении пьезогенерируемыми акустическими волнами.

Сочетая пьезорезистивное зондирование и термомеханическое управление, активный консольный зонд обеспечивает широкий спектр применений, включая совмещенную микроскопию AF в SE-микроскопии, визуализацию в непрозрачной жидкости и сканирующую зондовую литографию, более подробная информация доступна в обзоре²⁵. Для высокопроизводительного контроля активная консольная решетка создается с репрезентативным примером реализации АСМ с четырьмя параллельными консолями, как показано на рисунке 1. В перспективе будет разработана система промышленного масштаба с использованием восьми параллельных активных консолей и десятков позиционеров²⁸. Чтобы проиллюстрировать масштаб на примере, при пространственном разрешении в плоскости 100 нм, изображение области 100 мм на 100 мм даст более 10⁶ строк развертки и 10¹² пикселей. При скорости сканирования 50 мм/с на одну консоль это потребовало бы в общей сложности более 555,6 ч сканирования (23+ дня) для одного кантилевера, что слишком долго, чтобы быть практически полезным. Используя технологию активной консольной решетки с десятками позиционеров, требуемое время визуализации может быть сокращено примерно на два порядка до 5-10 ч (менее половины дня) без каких-либо компромиссов с разрешением, которое является разумным сроком для целей промышленного контроля.

Для получения изображений большой площади с высоким разрешением также модернизирована система нанопозиционирования. Для получения изображений больших образцов в масштабе пластины предпочтительно сканировать зонд, а не образец, чтобы уменьшить размер перемещаемых объектов. При расстоянии между активными кантилеверами 125 мкм сканер покрывает площадь, немного превышающую этот диапазон, чтобы изображения с каждой консоли можно было сшить вместе во время постобработки. По завершении сканирования грубый позиционер автоматически перемещает датчик в новую соседнюю область для продолжения процесса визуализации. В то время как встроенный термомеханический привод регулирует отклонение каждой консоли, усредненный прогиб всех параллельных консолей регулируется с помощью другого пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, чтобы помочь консолям во время отслеживания топографии. Контроллер сканера также следит за тем, чтобы изгиб каждой консоли не превышал максимального порогового значения, что может привести к потере контакта других датчиков с поверхностью, если изменение рельефа слишком велико.

Уровень вариации топографии, который может быть отслежен для консолей на одной и той же базовой микросхеме, должен быть ограничен, так как диапазон регулирования статического отклонения кантилевера составляет порядка десятков микрон. Для полупроводниковых пластин вариации топографии образца обычно находятся в субмикронном масштабе, поэтому они не должны быть большой проблемой. Однако при добавлении большего количества консолей наклон плоскости образца по отношению к линии консолей может стать проблемой. На практике восемь параллельных консолей с шагом около 1 мм по-прежнему обеспечивают угол наклона 1°, в то время как добавление большего количества консолей может затруднить реализацию управления наклоном. Таким образом, использование нескольких групп восьмикантолеверных зондов, размещенных на отдельных измерительных сканерах, является постоянной попыткой полностью реализовать потенциал параллельного активного кантилевера.

После сбора данных необходима операция постобработки для получения нужной информации. Этот процесс, как правило, включает в себя удаление артефактов сканирования, сшивание смежных изображений для формирования общей панорамы и, при необходимости, идентификацию дефектов структуры путем сравнения их с желаемой геометрией с использованием подходящих алгоритмов²⁶. Стоит отметить, что объем накопленных данных может быть огромным для большого диапазона изображений, и для более эффективной обработки также разрабатываются алгоритмы обучения, основанные на^{данных27}.

В данной статье показан общий процесс получения АСМ изображений высокого разрешения с использованием параллельной активной консольной решетки, интегрированной в пользовательскую систему АСМ. Подробная реализация системы доступна в 22,28,29,30^, и она коммерциализируется с номером модели, указанным в таблице материалов. Все четыре консоли работали в режиме врезания, возбуждаемого встроенным тепломеханическим приводом. Для иллюстрации эффективности этого нового инструмента АСМ для контроля больших площадей представлены репрезентативные результаты на калибровочных образцах, масках для наноизготовления и образцах высокоориентированного пиролитического графита (ХОПГ) (см. таблицу материалов).