Nano ölçekli çözünürlüğe sahip büyük ölçekli numune incelemesi, özellikle nanofabrikasyon yarı iletken gofretler için geniş bir uygulama alanına sahiptir. Atomik kuvvet mikroskopları bu amaç için harika bir araç olabilir, ancak görüntüleme hızları ile sınırlıdır. Bu çalışma, yüksek verimli ve büyük ölçekli denetimler sağlamak için AFM’lerde paralel aktif konsol dizilerini kullanır.
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), numunelerin 3B topografya görüntülerini yakalamak için nano ölçekli yüzey çalışmaları için güçlü ve çok yönlü bir araçtır. Bununla birlikte, sınırlı görüntüleme verimleri nedeniyle, AFM’ler büyük ölçekli inceleme amaçları için yaygın olarak benimsenmemiştir. Araştırmacılar, kimyasal ve biyolojik reaksiyonlarda dinamik süreç videolarını saniyede onlarca karede, birkaç mikrometrekareye kadar küçük bir görüntüleme alanı pahasına kaydetmek için yüksek hızlı AFM sistemleri geliştirdiler. Buna karşılık, yarı iletken gofretler gibi büyük ölçekli nanofabrikasyon yapıların incelenmesi, statik bir numunenin yüzlerce santimetre kare üzerinde yüksek verimlilikle nano ölçekli uzamsal çözünürlüklü görüntülenmesini gerektirir. Geleneksel AFM’ler, AFM görüntüleme sırasında bir seferde yalnızca bir piksel toplayabilen ve düşük görüntüleme verimine neden olan optik ışın saptırma sistemine sahip tek bir pasif konsol probu kullanır. Bu çalışma, daha fazla görüntüleme verimi için paralel çalışmada eşzamanlı çoklu konsol çalışmasına izin veren gömülü piezorezistif sensörlere ve termomekanik aktüatörlere sahip bir dizi aktif konsol kullanır. Geniş menzilli nano konumlandırıcılar ve uygun kontrol algoritmaları ile birleştirildiğinde, her konsol birden fazla AFM görüntüsü yakalamak için ayrı ayrı kontrol edilebilir. Veriye dayalı son işlem algoritmaları ile görüntüler birbirine dikilebilir ve istenen geometri ile karşılaştırılarak kusur tespiti yapılabilir. Bu belge, aktif konsol dizilerini kullanarak özel AFM’nin ilkelerini tanıtmakta ve ardından denetim uygulamaları için pratik deney hususları hakkında bir tartışma yapmaktadır. Silikon kalibrasyon ızgarası, yüksek düzeyde yönlendirilmiş pirolitik grafit ve aşırı ultraviyole litografi maskelerinin seçilmiş örnek görüntüleri, 125 μm uç ayırma mesafesine sahip dört aktif konsol (“Quattro”) dizisi kullanılarak yakalanır. Daha fazla mühendislik entegrasyonu ile bu yüksek verimli, büyük ölçekli görüntüleme aracı, aşırı ultraviyole (EUV) maskeler, kimyasal mekanik düzlemselleştirme (CMP) denetimi, arıza analizi, ekranlar, ince film adım ölçümleri, pürüzlülük ölçüm kalıpları ve lazerle oyulmuş kuru gaz conta olukları için 3D metrolojik veriler sağlayabilir.
Atomik kuvvet mikroskopları (AFM’ler), nano ölçekli uzamsal çözünürlüğe sahip 3D topografya görüntülerini yakalayabilir. Araştırmacılar, AFM’lerin mekanik, elektriksel, manyetik, optik ve termal alanlarda örnek özellik haritaları oluşturma yeteneğini genişletti. Bu arada, görüntüleme veriminin iyileştirilmesi, AFM’leri yeni deneysel ihtiyaçlara uyarlamak için yapılan araştırmaların odak noktası olmuştur. Yüksek verimli AFM görüntüleme için başlıca iki uygulama alanı vardır: ilk kategori, biyolojik veya kimyasal reaksiyonlar nedeniyle numunedeki dinamik değişiklikleri yakalamak için küçük bir alanın yüksek hızlı görüntülenmesidir 1,2; İkinci kategori, bu çalışmada ayrıntılı olarak tartışılan bir inceleme sırasında statik numunelerin yüksek uzamsal çözünürlüklü, büyük ölçekli görüntülenmesi içindir. Transistör boyutunun nano ölçeğe kadar küçülmesiyle birlikte, yarı iletken endüstrisi, nano ölçekli uzamsal çözünürlüğe sahip gofret ölçekli nanofabrikasyon cihazları incelemek için acilen yüksek verimli AFM’lere ihtiyaç duyuyor3.
Bir yonga plakası üzerindeki nanofabrikasyon cihazların karakterizasyonu, yonga plakası ve transistör özellikleri arasındaki büyük ölçek farkı nedeniyle zor olabilir. Büyük kusurlar optik mikroskoplarla otomatik olarak tespit edilebilir4. Ek olarak, taramalı elektron mikroskopları (SEM’ler), 2D5’te onlarca nanometreye kadar inceleme için yaygın olarak kullanılmaktadır. 3D bilgi ve daha yüksek çözünürlük için, verimi iyileştirilebiliyorsa AFM daha uygun bir araçtır.
Sınırlı görüntüleme verimiyle, bir yaklaşım, nanofabrikasyon kusurlarının meydana gelme olasılığının daha yüksek olduğu seçilmiş gofret alanlarını görüntülemektir6. Bu, tasarım ve üretim süreci hakkında önceden bilgi sahibi olmayı gerektirecektir. Alternatif olarak, genel bakış ve yakınlaştırma için optik mikroskop veya SEM gibi diğer modaliteleri bir AFM ile birleştirmek mümkündür 7,8. İmalat ve karakterizasyon araçları arasındaki koordinat sistemini düzgün bir şekilde hizalamak için geniş aralıklı, yüksek hassasiyetli bir konumlandırma sistemine ihtiyaç vardır. Ayrıca, bu işlevselliği gerçekleştirmek için seçilen çeşitli alanları görüntülemek için otomatik bir AFM sistemi gereklidir.
Alternatif olarak, araştırmacılar AFM tarama hızını artırmanın farklı yollarını araştırdılar. Yüksek verimli AFM’lerin etkinleştirilmesi sistematik bir hassas enstrümantasyon zorluğu olduğundan, araştırmacılar daha küçük AFM probları kullanmak, yüksek bant genişliğine sahip nano konumlandırıcılarıyeniden tasarlamak 9,10,11,12 ve sürüş elektroniği13, çalışma modlarını optimize etmek, görüntüleme kontrol algoritmaları 14,15,16,17 dahil olmak üzere çeşitli yöntemleri araştırdılarve saire. Bu çabalarla, piyasada bulunan tek problu AFM sistemleri için etkili bağıl uç ve numune hızı saniyede maksimum on milimetreye yükseltilebilir.
Görüntüleme verimini daha da artırmak için, paralel olarak çalışacak birden fazla prob eklemek doğal bir çözümdür. Bununla birlikte, konsol sapma algılaması için kullanılan optik ışın sapma (OBD) sistemi nispeten hantaldır ve bu da birden fazla probun eklenmesini nispeten zorlaştırır. Bireysel konsol sapma kontrolünün gerçekleştirilmesi de zor olabilir.
Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, hantal harici bileşenler olmadan gömülü algılama ve çalıştırma prensipleri tercih edilir. Daha önce yayınlanmış raporlarda 18,19 detaylandırıldığı gibi, piezorezistif, piezoelektrik ve optomekanik prensiplerle sapma algılama, ilk ikisi daha olgun ve uygulanması daha kolay olan gömülü algılama olarak kabul edilebilir. Gömülü çalıştırma için, elektrikli ısıtmalı termomekanik veya piezoelektrik prensiplerin her ikisi de kullanılabilir. Piezoelektrik prensipler, kriyojenik ortamlara kadar daha geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilmesine rağmen, histerezis ve sürünmeden muzdarip yük sızıntısı ve statik çalıştırma nedeniyle statik sapma ölçülemediğinden, yalnızca kılavuz çekme modu AFM işlemlerini destekleyebilirler. Önceki çalışmalarda, piezodirençli sensör ve piezoelektrik sensör kullanan aktif konsol prob dizileri geniş aralıklı görüntülemeiçin geliştirilmiştir 20,21, ancak büyük ölçekli görüntüleme için daha fazla ölçeklendirilmemiş veya ticarileştirilmemiştir. Bu çalışmada, piezodirençli algılama ve termomekanik çalıştırma kombinasyonu, statik sapma kontrol kabiliyetine sahip gömülü dönüştürücüler olarak seçilmiştir.
Bu çalışmada, aktif konsollar kullanılarak eşzamanlı görüntüleme için prob23 olarak yeni bir “Quattro”22 paralel aktif konsol dizisi kullanılmıştır. Konsol sapmasını ölçmek için, bir Wheatstone köprü konfigürasyonundaki(19) piezorezistif sensörler, konsol ucu sapmasıyla doğrusal olarak orantılı olan iç gerilimi ölçmek için her bir mikro konsolun tabanında nanofabrikasyondur. Bu kompakt gömülü sensör, geleneksel OBD sensörü olarak nanometre altı çözünürlüğe de ulaşabilir. Uygulanan F kuvvetine veya konsol sapmasına z yanıt olarak Wheatstone köprü voltajı çıkışı Uçıkışınınyönetim denklemi, uzunluğu L, genişliği W ve kalınlığı H, piezorezistif sensör katsayısı PR ve konsol E köprüsünün etkin elastik modülü olan bir konsol için Denklem 119’da gösterilmiştir.
(1)
Numuneyi rahatsız etmemek için noninvaziv görüntüleme için dinamik kılavuz çekme/temassız mod çalışması tercih edildiğinden, alüminyum/magnezyum alaşımı24, silikon ve silikon oksit malzemelerden yapılmış bimorf konsolu ısıtmak için serpantin şekilli alüminyum tellerden yapılmış bir termomekanik aktüatör kullanılır. Mikroskobik ölçekte, termal işlemlerin zaman sabiti çok daha küçüktür ve onlarca ila yüzlerce kilohertz’deki konsol rezonansı, ısıtıcıyı bir elektrik sinyali ile çalıştırarak uyarılabilir. Isıtıcı sıcaklığı ΔT bağıl ambiyansı tarafından kontrol edilen konsol serbest uç sapması zh,bimorf malzeme termo genleşme katsayısına ve geometrik kalınlığa ve alana bağlı olarak, sabit bir K ile konsol uzunluğu L için Denklem 219’dagösterilmiştir. ΔT’nin, uygulanan V voltajının karesinin R direncine bölünmesine eşit olan ısıtıcı gücü P ile orantılı olduğuna dikkat edilmelidir.
(2)
Ek bir avantaj olarak, rezonans uyarımına ek olarak statik sapma da kontrol edilebilir. Bu, her bir konsolun prob-numune etkileşimini ayrı ayrı düzenlemek için özellikle yararlı bir yetenek olabilir. Ayrıca, aynı taban yongası üzerindeki birden fazla konsol, piezo tarafından üretilen akustik dalgalarla geleneksel rezonans uyarımında imkansız olan gömülü termomekanik aktüatör ile ayrı ayrı uyarılabilir.
Piezorezistif algılama ve termomekanik çalıştırmayı birleştiren aktif konsol probu, SE mikroskobunda eşdizimli AF mikroskobu, opak sıvıda görüntüleme ve taramalı prob litografisi dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamaları mümkün kılmıştır ve daha fazla ayrıntı inceleme25’te mevcuttur. Yüksek verimli denetim amaçları için, aktif konsol dizisi, Şekil 1’de gösterildiği gibi dört paralel konsol içeren temsili bir AFM uygulama örneği ile oluşturulur. Gelecekte, sekiz paralel aktif konsol ve onlarca pozisyoner28 kullanılarak endüstriyel ölçekte bir sistem geliştirilecektir. Ölçeği bir örnek kullanarak açıklamak gerekirse, 100 nm’lik bir düzlem içi uzamsal çözünürlükle, 100 mm’ye 100 mm’lik bir alanı görüntülemek, 10’dan fazla6 tarama çizgisi ve 1012 piksel ile sonuçlanacaktır. Konsol başına 50 mm/sn’lik bir tarama hızıyla, bu, tek bir konsol için toplam 555,6 saatin üzerinde (23+ gün) tarama gerektirir ve bu, pratik olarak kullanışlı olamayacak kadar uzundur. Onlarca pozisyonerli aktif konsol dizisi teknolojisini kullanarak, gerekli görüntüleme süresi, endüstriyel denetim amacıyla makul bir zaman ölçeği olan çözünürlükten herhangi bir ödün vermeden yaklaşık iki kat azaltılarak 5-10 saate (yarım günden az) düşürülebilir.
Geniş alanlı, yüksek çözünürlüklü görüntüler yakalamak için nano konumlandırma sistemi de yükseltilir. Gofret ölçekli büyük numunelerin görüntülenmesi için, hareket ettirilen nesnelerin boyutunu küçültmek için numune yerine probun taranması tercih edilir. Aktif konsollar arasındaki 125 μm’lik ayırma mesafesi ile tarayıcı, bu aralıktan biraz daha büyük bir alanı kaplar, böylece her bir konsoldan gelen görüntüler son işlem sırasında birbirine dikilebilir. Bir taramanın tamamlanmasının ardından, kaba konumlandırıcı, görüntüleme işlemine devam etmek için probu otomatik olarak yeni bir bitişik alana yeniden konumlandırır. Gömülü termomekanik aktüatör, her bir konsolun sapmasını düzenlerken, tüm paralel konsolların ortalama sapması, topografya takibi sırasında konsollara yardımcı olmak için başka bir oransal-integral-türev (PID) kontrolörü ile düzenlenir. Tarayıcı kontrolörü ayrıca her bir konsolun bükülmesinin maksimum eşik değerini aşmamasını sağlar, bu da topografya varyasyonu çok büyükse diğer probların yüzeyle temasını kaybetmesine neden olabilir.
Konsolun statik sapma kontrol aralığı onlarca mikron mertebesinde olduğundan, aynı taban yongasındaki konsollar için izlenebilecek topografya varyasyonu seviyesi sınırlı olmalıdır. Yarı iletken gofretler için, numune topografyası varyasyonları tipik olarak mikrometre altı ölçektedir, bu nedenle çok büyük bir sorun olmamalıdır. Bununla birlikte, daha fazla konsol eklenmesiyle, konsol hattına göre numune düzlemi eğimi bir sorun haline gelebilir. Pratikte, 1 mm’ye yakın aralıklara sahip sekiz paralel konsol yine de 1° eğim açısına izin verirken, daha fazla konsol eklemek devirme kontrolünün gerçekleştirilmesini zorlaştırabilir. Bu nedenle, ayrı prob tarayıcılarına yerleştirilmiş birden fazla sekiz konsol prob grubunun kullanılması, paralel aktif konsol prob prensibinin potansiyelini tam olarak gerçekleştirmek için devam eden bir çabadır.
Veri toplandıktan sonra, istenen bilgileri almak için bir işlem sonrası işlem gereklidir. İşlem genellikle tarama artefaktlarının kaldırılmasını, genel bir panorama oluşturmak için bitişik görüntülerin birleştirilmesini ve isteğe bağlı olarak yapı kusurlarının uygun algoritmalar kullanılarak istenen geometri ile karşılaştırılarak tanımlanmasını içerir26. Toplanan veri miktarının çok çeşitli görüntüler için çok büyük olabileceğini ve daha verimli işleme için veriye dayalı öğrenme algoritmalarının da geliştirildiğini belirtmekte fayda var27.
Bu makalede, özel bir AFM sistemine entegre edilmiş paralel aktif konsol dizisini kullanarak yüksek çözünürlüklü AFM görüntüleri elde etmenin genel süreci gösterilmektedir. Sistemin detaylı uygulaması 22,28,29,30’da mevcuttur ve Malzeme Tablosunda listelenen model numarası ile ticarileştirilmektedir. Dört konsolun tümü, gömülü termal-mekanik aktüatör tarafından uyarılan kılavuz çekme modunda çalıştırıldı. Kalibrasyon numuneleri, nanofabrikasyon maskeleri ve yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafit (HOPG) numuneleri (Malzeme Tablosuna bakınız) ile ilgili temsili sonuçlar, geniş alan denetimi için bu yeni AFM aracının etkinliğini göstermek için sağlanmıştır.
Temsili sonuçlarda gösterildiği gibi, statik bir numunenin birden fazla görüntüsünü paralel olarak yakalamak için aktif bir konsol dizisi kullanılabilir. Bu ölçeklenebilir kurulum, geniş alanlı numunelerin görüntüleme verimini önemli ölçüde artırabilir ve bu da onu yarı iletken gofretler üzerindeki nanofabrikasyon cihazları incelemek için uygun hale getirir. Teknik aynı zamanda insan yapımı yapılarla da sınırlı değildir; Bir grup aktif konsol içindeki topografya varyasyonu, konsol dizis…
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar Ivo W. Rangelow ve Thomas Sattel, Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı’na (BMBF) ve Alman Federal Ekonomi İşleri ve İklim Eylemi Bakanlığı’na (BMWK), KMU-innovativ araştırma hattındaki FKZ:13N16580 “Kuantum metrolojisi ve nanofabrikasyon için elmas uçlu Aktif Problar” projelerini finanse ederek sunulan yöntemlerin bazı kısımlarını destekledikleri için teşekkür eder: Fotonik ve Kuantum Teknolojileri ve küçük ve orta ölçekli endüstriler için Merkezi İnovasyon Programı (ZIM) finansman hattı içinde “Atomik Kuvvet Mikroskobunda hızlı ve büyük metrolojik görevler için Conjungate Nano-Positioner-Scanner” KK5007912DF1. Burada bildirilen çalışmanın bir kısmı, Avrupa Birliği Yedinci Çerçeve Programı FP7/2007-2013 tarafından 318804 No’lu Hibe Sözleşmesi kapsamında “Tek Nanometre Üretimi: CMOS’un Ötesinde” kapsamında finanse edilmiştir. Yazarlar Ivo W. Rangelow ve Eberhard Manske, Deutsche Forschungsgemeinschaft’ın (DFG) Technische Universität Ilmenau, Almanya’daki “Genişletilmiş makroskopik çalışma alanlarında uç ve lazer tabanlı 3D-Nanofabrikasyon” (GRK 2182) Araştırma Eğitim Grubu çerçevesinde verdiği desteği minnetle kabul ederler.
Active-Cantilever | nano analytik GmbH | AC-10-2012 | AFM Probe |
E-Beam | EBX-30, INC | 012323-15 | Mask patterning instrument |
Highly Oriented Pyrolytic Graphite – HOPG | TED PELLA, INC | 626-10 | AFM calibration sample |
Mask Sample | Nanda Technologies GmbH | Test substrate | EUV Mask Sample substrate |
NANO-COMPAS-PRO | nano analytik GmbH | 23-2016 | AFM Software |
nanoMetronom 20 | nano analytik GmbH | 1-343-2020 | AFM Instrument |