Microscopía de fuerza atómica de sonda activa con matrices en voladizo cuatór-paralelas para la inspección de muestras a gran escala de alto rendimiento

Los microscopios de fuerza atómica (AFM) pueden capturar imágenes topográficas en 3D con resolución espacial a nanoescala. Los investigadores han ampliado la capacidad de los AFM para crear mapas de propiedades de muestra en dominios mecánicos, eléctricos, magnéticos, ópticos y térmicos. Mientras tanto, la mejora del rendimiento de las imágenes también ha sido el foco de la investigación para adaptar los AFM a las nuevas necesidades experimentales. Existen principalmente dos dominios de aplicación para la obtención de imágenes de AFM de alto rendimiento: la primera categoría es la obtención de imágenes de alta velocidad de un área pequeña para capturar cambios dinámicos en la muestra debidos a reacciones biológicas o químicas ^1,2; La segunda categoría es para la obtención de imágenes a gran escala y de alta resolución espacial de muestras estáticas durante una inspección, que se analiza en detalle en este trabajo. Con el tamaño de los transistores reduciéndose a la nanoescala, la industria de los semiconductores necesita urgentemente AFM de alto rendimiento para inspeccionar dispositivos nanofabricados a escala de oblea con resolución espacial a nanoescala³.

La caracterización de dispositivos nanofabricados en una oblea puede ser un desafío debido a la gran diferencia de escala entre las características de la oblea y el transistor. Los defectos grandes se pueden detectar automáticamente con microscopios ópticos⁴. Además, los microscopios electrónicos de barrido (SEM) se utilizan ampliamente para la inspección de hasta decenas de nanómetros en 2D⁵. Para obtener información 3D y una mayor resolución, el AFM es una herramienta más adecuada si se puede mejorar su rendimiento.

Con un rendimiento limitado de la obtención de imágenes, un enfoque consiste en obtener imágenes de áreas de obleas seleccionadas en las que es más probable que se produzcan defectos de nanofabricación⁶. Esto requeriría un conocimiento previo del proceso de diseño y fabricación. Alternativamente,^{es posible combinar} otras modalidades, como un microscopio óptico o SEM con un AFM para la visión general y el zoom, ^7,8. Se necesita un sistema de posicionamiento de amplio rango y alta precisión para alinear correctamente el sistema de coordenadas entre las herramientas de fabricación y caracterización. Además, para realizar esta funcionalidad es necesario un sistema AFM automatizado para obtener imágenes de varias áreas seleccionadas.

Como alternativa, los investigadores han investigado diferentes formas de aumentar la velocidad de escaneo AFM. Dado que habilitar AFM de alto rendimiento es un desafío sistemático de instrumentación de precisión, los investigadores han investigado varios métodos, incluido el uso de sondas AFM más pequeñas, el rediseño de nanoposicionadores de gran ancho de banda 9,10,11,12 y la electrónica de control¹³, la optimización de modos de operación, algoritmos de control de imágenes^14,15,16,17etc. Con estos esfuerzos, la punta relativa efectiva y la velocidad de la muestra se pueden aumentar hasta un máximo de alrededor de decenas de milímetros por segundo para los sistemas AFM de una sola sonda disponibles en el mercado.

Para mejorar aún más el rendimiento de las imágenes, agregar varias sondas para operar en paralelo es una solución natural. Sin embargo, el sistema de deflexión óptica del haz (OBD) utilizado para la detección de deflexión en voladizo es relativamente voluminoso, lo que hace que la adición de múltiples sondas sea relativamente difícil. El control individual de la deflexión en voladizo también puede ser difícil de realizar.

Para superar esta limitación, se prefieren los principios de detección y actuación integrados sin componentes externos voluminosos. Como se detalla en los informes publicados anteriormente^18,19, la detección de deflexión con principios piezorresistivos, piezoeléctricos y optomecánicos puede considerarse detección integrada, siendo las dos primeras más maduras y fáciles de implementar. Para el accionamiento embebido, se pueden utilizar principios termomecánicos con calentamiento eléctrico o piezoeléctricos. Aunque los principios piezoeléctricos pueden funcionar en un rango de temperatura más amplio hasta entornos criogénicos, solo pueden admitir operaciones AFM en modo de roscado, ya que la deflexión estática no se puede medir debido a la fuga de carga y la actuación estática que sufren de histéresis y fluencia. En trabajos anteriores, se han desarrollado matrices de sondas en voladizo activo que utilizan un sensor piezorresistivo y el sensor piezoeléctrico para la obtención de imágenes de gran alcance^20,21, pero no se han ampliado aún más para la obtención de imágenes a gran escala ni se han comercializado. En este trabajo, la combinación de detección piezorresistiva y accionamiento termomecánico se seleccionan como transductores embebidos con capacidad de control de deflexión estática.

En este trabajo, se utiliza una novedosa matriz de voladizos activos paralelos “Quattro”²² como sonda²³ para la obtención de imágenes simultáneas utilizando voladizos activos. Para medir la deflexión en voladizo, se nanofabrican sensores piezorresistivos en una configuración de puente de Wheatstone¹⁹ en la base de cada microvoladizo para medir la tensión interna, que es linealmente proporcional a la deflexión de la punta del voladizo. Este sensor integrado compacto también puede alcanzar una resolución subnanométrica como el sensor OBD convencional. La ecuación que gobierna la salida de tensión del puente de Wheatstone U_enrespuesta a la fuerza aplicada F o a la deflexión del voladizo z se muestra en la ecuación 1¹⁹ para un voladizo con longitud L, anchura W y espesor H, coeficiente de sensor piezorresistivo P_R y módulo elástico efectivo de la tensión de alimentación del puente en voladizo E U_b.

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Como se prefiere el funcionamiento en modo de roscado dinámico/sin contacto para la obtención de imágenes no invasivas para evitar perturbar la muestra, se utiliza un actuador termomecánico hecho de alambres de aluminio en forma de serpentina para calentar el voladizo bimorfo fabricado con materiales de aleación de aluminio/magnesio²⁴, silicio y óxido de silicio. A escala microscópica, la constante de tiempo de los procesos térmicos es mucho menor, y la resonancia en voladizo de decenas a cientos de kilohercios puede excitarse accionando el calentador con una señal eléctrica. La deflexión del extremo libre del voladizo z_hcontrolada por la temperatura relativa del calentador ΔT se muestra en la Ecuación 2¹⁹para la longitud del voladizo L con una constante K, dependiendo del coeficiente térmico de expansión del material bimorfo y del espesor geométrico y del área. Cabe señalar que el ΔT es proporcional a la potencia del calentador P, que es igual al cuadrado de la tensión aplicada V dividida por su resistencia R.

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Como beneficio adicional, la deflexión estática también se puede controlar además de la excitación por resonancia. Esta puede ser una capacidad particularmente útil para regular la interacción sonda-muestra de cada voladizo individualmente. Además, se pueden excitar individualmente varios voladizos en el mismo chip base con el actuador termomecánico integrado, lo que es imposible en la excitación por resonancia convencional con ondas acústicas generadas piezoeléctricamente.

Combinando la detección piezorresistiva y el accionamiento termomecánico, la sonda en voladizo activo ha permitido una amplia gama de aplicaciones, incluida la microscopía AF colocada en microscopía SE, la obtención de imágenes en líquido opaco y la litografía de sonda de barrido, con más detalles disponibles en la revisión²⁵. Para fines de inspección de alto rendimiento, la matriz de voladizos activos se crea con un ejemplo representativo de implementación de AFM que involucra cuatro voladizos paralelos, como se muestra en la Figura 1. En el futuro, se desarrollará un sistema a escala industrial utilizando ocho voladizos activos paralelos y decenas de posicionadores²⁸. Para ilustrar la escala con un ejemplo, con una resolución espacial en el plano de 100 nm, la obtención de imágenes de un área de 100 mm por 100 mm daría como resultado más de 10⁶ líneas de escaneo y 10¹² píxeles. Con una velocidad de escaneo de 50 mm/s por voladizo, esto requeriría un total de más de 555,6 h de escaneo (23+ días) para un solo voladizo, lo cual es demasiado largo para ser útil en la práctica. Utilizando la tecnología de matriz en voladizo activo con decenas de posicionadores, el tiempo de imagen requerido se puede reducir en alrededor de dos órdenes de magnitud a 5-10 h (menos de medio día) sin comprometer la resolución, que es una escala de tiempo razonable para fines de inspección industrial.

Para capturar imágenes de gran superficie y alta resolución, también se ha actualizado el sistema de nanoposicionamiento. Para obtener imágenes de muestras grandes a escala de oblea, se prefiere escanear la sonda en lugar de la muestra, con el fin de reducir el tamaño de los objetos que se mueven. Con una distancia de separación entre voladizos activos de 125 μm, el escáner cubre un área ligeramente mayor que este rango para que las imágenes de cada voladizo se puedan unir durante el posprocesamiento. Al finalizar un escaneo, el posicionador grueso reposiciona automáticamente la sonda en una nueva área adyacente para continuar con el proceso de obtención de imágenes. Mientras que el actuador termomecánico integrado regula la deflexión de cada voladizo, la deflexión promediada de todos los voladizos paralelos se regula con otro controlador proporcional-integral-derivativo (PID) para ayudar a los voladizos durante el seguimiento de la topografía. El controlador del escáner también garantiza que la flexión de cada voladizo no supere un valor umbral máximo, lo que puede hacer que otras sondas pierdan contacto con la superficie si la variación topográfica es demasiado grande.

El nivel de variación topográfica que se puede rastrear para voladizos en el mismo chip base debe ser limitado, ya que el rango de control de deflexión estática del voladizo es del orden de decenas de micras. En el caso de las obleas semiconductoras, las variaciones de la topografía de la muestra suelen estar en la escala submicrométrica, por lo que no deberían ser un gran problema. Sin embargo, con la adición de más voladizos, la inclinación del plano de muestra con respecto a la línea de voladizos puede convertirse en un problema. En la práctica, ocho voladizos paralelos con espaciamientos cercanos a 1 mm aún permitirían 1° de ángulo de inclinación, mientras que agregar más voladizos puede hacer que el control de inclinación sea más difícil de realizar. Por lo tanto, el uso de múltiples grupos de sondas en voladizo colocadas en escáneres de sonda separados es un esfuerzo continuo para aprovechar plenamente el potencial del principio de la sonda en voladizo activo paralelo.

Después de la recopilación de datos, es necesaria una operación de posprocesamiento para recuperar la información deseada. Por lo general, el proceso implica la eliminación de artefactos de escaneo, la unión de imágenes adyacentes para formar un panorama general y, opcionalmente, la identificación de los defectos de la estructura comparándolos con la geometría deseada mediante algoritmos adecuados²⁶. Vale la pena señalar que la cantidad de datos acumulados puede ser enorme para una amplia gama de imágenes, y también se están desarrollando algoritmos de aprendizaje basados en datos para un procesamiento más eficiente²⁷.

Este artículo ilustra el proceso general de adquisición de imágenes AFM de alta resolución utilizando la matriz de voladizo activo paralelo integrada en un sistema AFM personalizado. La implementación detallada del sistema está disponible en 22,28,29,30, y se está comercializando con el número de modelo que figura en la Tabla de Materiales. Los cuatro voladizos se operaron en modo de roscado excitado por el actuador termomecánico incorporado. Se proporcionan resultados representativos de muestras de calibración, máscaras de nanofabricación y muestras de grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) (consulte la Tabla de materiales) para ilustrar la eficacia de esta nueva herramienta AFM para la inspección de grandes áreas.