מיקרוסקופ כוח אטומי פעיל של בדיקה עם מערכי קנטיליבר קוואטרו-מקביליים לבדיקת דגימות בקנה מידה גדול בתפוקה גבוהה

מיקרוסקופי כוח אטומי (AFM) יכולים ללכוד תמונות טופוגרפיה תלת-ממדיות ברזולוציה מרחבית ננומטרית. חוקרים הרחיבו את היכולת של AFMs ליצור מפות מאפיינים לדוגמה בתחומים מכניים, חשמליים, מגנטיים, אופטיים ותרמיים. בינתיים, שיפור תפוקת ההדמיה עמד גם במוקד המחקר להתאמת AFM לצרכים ניסיוניים חדשים. ישנם בעיקר שני תחומי יישום עבור דימות AFM בתפוקה גבוהה: הקטגוריה הראשונה היא הדמיה במהירות גבוהה של שטח קטן כדי ללכוד שינויים דינמיים בדגימה עקב תגובות ביולוגיות או כימיות ^1,2; הקטגוריה השנייה היא עבור רזולוציה מרחבית גבוהה, הדמיה בקנה מידה גדול של דגימות סטטיות במהלך בדיקה, אשר נדון בפירוט בעבודה זו. כאשר גודל הטרנזיסטור מתכווץ עד לקנה מידה ננומטרי, תעשיית המוליכים למחצה זקוקה בדחיפות ל- AFM בתפוקה גבוהה כדי לבדוק התקנים ננומטריים בקנה מידה של פרוסות עם רזולוציה מרחבית ננומטרית³.

אפיון התקנים ננו-מפוברקים על פרוסה יכול להיות מאתגר בשל ההבדל העצום בקנה מידה בין רקיק ותכונות טרנזיסטור. פגמים גדולים ניתן לאתר באמצעות מיקרוסקופים אופטיים באופן אוטומטי⁴. בנוסף, מיקרוסקופי אלקטרונים סורקים (SEMs) נמצאים בשימוש נרחב לבדיקה עד עשרות ננומטרים בדו-ממד⁵. לקבלת מידע תלת-ממדי ורזולוציה גבוהה יותר, AFM הוא כלי מתאים יותר אם ניתן לשפר את התפוקה שלו.

עם תפוקת הדמיה מוגבלת, גישה אחת היא לצלם אזורי פרוסות נבחרים שבהם סביר יותר שיתרחשו פגמים בננו-פבריקציה⁶. זה ידרוש ידע מוקדם של תהליך העיצוב והייצור. לחלופין, שילוב של שיטות אחרות, כגון מיקרוסקופ אופטי או SEM עם AFM לסקירה כללית וזום, אפשרי ^7,8. יש צורך במערכת מיקום רחבת טווח ומדויקת כדי ליישר כראוי את מערכת הקואורדינטות בין כלי הייצור והאפיון. יתר על כן, מערכת AFM אוטומטית כדי לצלם אזורים נבחרים שונים יש צורך לממש פונקציונליות זו.

כחלופה, חוקרים חקרו דרכים שונות להגביר את מהירות סריקת AFM. מכיוון שהפעלת AFM בתפוקה גבוהה היא אתגר מכשור מדויק שיטתי, חוקרים חקרו שיטות שונות, כולל שימוש בבדיקות AFM קטנות יותר, תכנון מחדש של ננו-מיקומים בעלי רוחב פס גבוה 9,10,11,12 והנעת אלקטרוניקה ¹³, אופטימיזציה של מצבי פעולה, אלגוריתמים לבקרת הדמיה 14,15,16,17וכו. באמצעות מאמצים אלה, ניתן להגדיל את החוד היחסי האפקטיבי ואת מהירות הדגימה למקסימום של כעשרות מילימטרים לשנייה עבור מערכות AFM בעלות בדיקה יחידה הזמינות מסחרית.

כדי לשפר עוד יותר את תפוקת ההדמיה, הוספת גשושיות מרובות שיפעלו במקביל היא פתרון טבעי. עם זאת, מערכת הטיית הקרן האופטית (OBD) המשמשת לחישת הסטה היא מגושמת יחסית, מה שהופך את התוספת של גשושיות מרובות למאתגרת יחסית. בקרת הסטה בודדת יכולה גם להיות קשה למימוש.

כדי להתגבר על מגבלה זו, עדיפים עקרונות חישה משובצים והפעלה ללא רכיבים חיצוניים מגושמים. כפי שפורט בדוחות^{שפורסמו בעבר 18,19}, חישת סטייה עם עקרונות פיאזו-התנגדותיים, פיאזואלקטריים ואופטומכניים יכולה להיחשב כחישה משובצת, כאשר שני הראשונים בוגרים יותר וקלים יותר ליישום. עבור הפעלה משובצת, תרמומכני עם חימום חשמלי או עקרונות פיאזואלקטריים ניתן להשתמש שניהם. למרות שעקרונות פיאזואלקטריים יכולים לפעול בטווח טמפרטורות רחב יותר עד סביבות קריוגניות, הם יכולים לתמוך רק בפעולות AFM במצב הקשה, מכיוון שלא ניתן למדוד סטייה סטטית עקב דליפת המטען וההפעלה הסטטית הסובלת מהיסטרזיס וזחילה. בעבודה קודמת, מערכי בדיקה אקטיביים באמצעות חיישן פיאזו-התנגדותי והחיישן הפיזואלקטרי פותחו עבור הדמיה לטווח גדול^20,21, אך לא הורחבו עוד יותר להדמיה בקנה מידה גדול או מוסחרו. בעבודה זו, השילוב של חישה פיאזו-התנגדותית והפעלה תרמומכנית נבחרים כמתמרים משובצים בעלי יכולת בקרת סטייה סטטית.

בעבודה זו, מערך קנטיליבר פעיל מקבילי “קוואטרו” ²² חדש משמש כבדיקה²³ להדמיה סימולטנית באמצעות קנטיליברים פעילים. כדי למדוד את סטיית הקנטיליבר, חיישנים פיאזו-התנגדותיים בתצורת גשר ויטסטון¹⁹ מיוצרים בננו-ייצור בבסיס כל מיקרו-קנטיליבר כדי למדוד את הלחץ הפנימי, שהוא פרופורציונלי באופן ליניארי לסטיית קצה הקנטיליבר. חיישן משובץ קומפקטי זה יכול גם להשיג רזולוציה תת-ננומטרית כמו חיישן OBD הקונבנציונאלי. המשוואה השולטת של פלט המתח U_שלגשר ויטסטון בתגובה לכוח המופעל F או סטיית הקנטליבר z מוצגת במשוואה 1¹⁹ עבור קנטליבר עם אורך L, רוחב W ועובי H, מקדם חיישן פיאזוהתנגדותי P_R, ומודולוס אלסטי יעיל של מתח אספקת גשר E U_b.

(1)

מכיוון שפעולת הקשה דינמית / מצב ללא מגע מועדפת להדמיה לא פולשנית כדי למנוע הפרעה לדגימה, נעשה שימוש במפעיל תרמומכני העשוי מחוטי אלומיניום בצורת סרפנטין כדי לחמם את מיכל הבימורף העשוי מסגסוגת אלומיניום^{/ מגנזיום 24}, סיליקון וחומרי תחמוצת סיליקון. בקנה מידה מיקרוסקופי, קבוע הזמן של תהליכים תרמיים הוא הרבה יותר קטן, ואת התהודה cantilever בעשרות עד מאות קילוהרץ ניתן לעורר על ידי הפעלת תנור עם אות חשמלי. סטיית הקצה החופשי z_hהנשלטת על ידי טמפרטורת החימום ΔT האווירה היחסית מוצגת במשוואה 2¹⁹עבור אורך הקנטיליבר L עם K קבוע, בהתאם למקדם התרמו-חומר הבימורפי של ההתפשטות ולעובי ושטח גיאומטריים. יש לציין כי ה- ΔT פרופורציונלי לכוח החימום P, השווה לריבוע המתח V המופעל חלקי התנגדותו R.

(2)

כיתרון נוסף, ניתן לשלוט גם בסטייה סטטית בנוסף לעירור תהודה. זו יכולה להיות יכולת מועילה במיוחד לווסת את האינטראקציה בין דגימת הבדיקה של כל אחד בנפרד. יתר על כן, ניתן לעורר מספר מיכלים על אותו שבב בסיס בנפרד עם המפעיל התרמומכני המשובץ, דבר שאינו אפשרי בעירור תהודה קונבנציונלי עם גלים אקוסטיים שנוצרו על ידי פיאזו.

בשילוב של חישה פיאזו-התנגדותית והפעלה תרמומכנית, הגשושית האקטיבית אפשרה מגוון רחב של יישומים, כולל מיקרוסקופ AF משולב במיקרוסקופ SE, הדמיה בנוזל אטום וליתוגרפיית בדיקה סורקת, עם פרטים נוספים זמינים בסקירה²⁵. למטרות בדיקה בתפוקה גבוהה, מערך הקנטיליבר הפעיל נוצר עם דוגמה מייצגת ליישום AFM הכוללת ארבעה קנטילברים מקבילים, כפי שמוצג באיור 1. בעתיד תפותח מערכת בקנה מידה תעשייתי באמצעות שמונה קנטיליברים פעילים מקבילים ועשרות ממקמים²⁸. כדי להמחיש את קנה המידה באמצעות דוגמה, עם רזולוציה מרחבית במישור של 100 ננומטר, הדמיה של שטח של 100 מ”מ על 100 מ”מ תוביל ליותר מ-10⁶ קווי סריקה ו-10¹² פיקסלים. עם מהירות סריקה של 50 מ”מ לשנייה לכל קנטילבר, זה ידרוש סך של מעל 555.6 שעות סריקה (23+ ימים) עבור מיכל יחיד, שהוא ארוך מדי מכדי להיות שימושי מבחינה מעשית. באמצעות טכנולוגיית מערך הקנטליברים האקטיבי עם עשרות מיקומים, ניתן לקצר את זמן ההדמיה הנדרש בכשני סדרי גודל ל-5-10 שעות (פחות מחצי יום) מבלי להתפשר על הרזולוציה, שהיא סולם זמן סביר למטרת בדיקה תעשייתית.

כדי לצלם תמונות בשטח גדול וברזולוציה גבוהה, מערכת מיקום הננו משודרגת גם היא. עבור הדמיה של דגימות גדולות בקנה מידה של רקיקות, עדיף לסרוק את הבדיקה במקום הדגימה, על מנת להקטין את גודל האובייקטים המוזזים. כאשר מרחק ההפרדה בין המכלים הפעילים הוא 125 מיקרומטר, הסורק מכסה שטח מעט גדול יותר מטווח זה, כך שניתן לתפור יחד תמונות מכל מיכל במהלך העיבוד שלאחר העיבוד. עם השלמת הסריקה, הממקם הגס מחדש באופן אוטומטי את הגשושית לאזור סמוך חדש כדי להמשיך בתהליך ההדמיה. בעוד שהאקטואטורטורה התרמומכנית המשובצת מווסתת את הסטייה של כל קנטילבר, הסטייה הממוצעת של כל הקנטליברים המקבילים מווסתת באמצעות בקר נוסף פרופורציונלי-אינטגרלי-נגזרת (PID) כדי לסייע לקנטילברים במהלך מעקב טופוגרפי. בקר הסורק גם מבטיח שהכיפוף של כל מיכל לא יעלה על ערך סף מרבי, מה שעלול לגרום לגשושיות אחרות לאבד מגע עם המשטח אם השונות בטופוגרפיה גדולה מדי.

רמת השונות הטופוגרפית שניתן לעקוב אחריה עבור קנטילברים על אותו שבב בסיס אם היא מוגבלת, שכן טווח בקרת הסטייה הסטטית של הקנטיל הוא בסדר גודל של עשרות מיקרונים. עבור פרוסות מוליכים למחצה, וריאציות טופוגרפיית הדגימה הן בדרך כלל בקנה מידה תת-מיקרומטרי, כך שהן לא אמורות להוות בעיה גדולה. עם זאת, עם תוספת של cantilevers יותר, הטיה מישור הדגימה ביחס לקו של cantilevers יכול להיות בעיה. בפועל, שמונה קנטילברים מקבילים עם מרווחים קרובים ל-1 מ”מ עדיין יאפשרו זווית הטיה של 1°, בעוד שהוספת קנטילרים נוספים יכולה להקשות על מימוש בקרת ההטיה. לכן, שימוש בקבוצות מרובות של גשושיות בעלות שמונה קנטיליוור הממוקמות על סורקי בדיקה נפרדים הוא מאמץ מתמשך לממש באופן מלא את הפוטנציאל של עקרון הגשושית הפעילה המקבילה.

לאחר איסוף הנתונים, יש צורך בפעולה שלאחר עיבוד כדי לאחזר את המידע הרצוי. התהליך כולל בדרך כלל הסרת חפצים סורקים, תפירת תמונות סמוכות ליצירת פנורמה כוללת, ואפשרות לזיהוי פגמים במבנה על ידי השוואתם לגיאומטריה הרצויה באמצעות אלגוריתמים מתאימים²⁶. ראוי לציין כי כמות הנתונים שנצברו יכולה להיות עצומה עבור מגוון רחב של תמונות, ואלגוריתמי למידה מונחי נתונים מפותחים גם לעיבוד יעיל יותר²⁷.

מאמר זה מדגים את התהליך הכללי של רכישת תמונות AFM ברזולוציה גבוהה באמצעות מערך הקנטליברות הפעיל המקבילי המשולב במערכת AFM מותאמת אישית. יישום מפורט של המערכת זמין ב 22,28,29,30, והוא נמצא במסחור עם מספר הדגם המופיע בטבלת החומרים. כל ארבעת הקנטילברים הופעלו במצב הקשה המופעל על ידי המפעיל התרמי-מכני המשובץ. תוצאות מייצגות על דגימות כיול, מסכות ננו-ייצור ודגימות גרפיט פירוליטי (HOPG) בעלות אוריינטציה גבוהה (ראה טבלת חומרים) מסופקות כדי להמחיש את יעילותו של כלי AFM חדש זה לבדיקת שטחים גדולים.