具有纳米级分辨率的大规模样品检测具有广泛的应用，尤其适用于纳米制造的半导体晶圆。原子力显微镜可以成为实现此目的的有效工具，但其成像速度受到限制。本研究利用原子力显微镜中的并行主动悬臂阵列，实现高通量和大规模检测。
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摘要
摘要
原子力显微镜 （AFM）是一种 一种用于纳米级表面研究的强大且多功能的工具，可获取样品的三维形貌图像。然而，由于成像通量有限，原子力显微镜（AFM）尚未广泛应用于大规模检测。研究人员已开发出高速AFM系统，能够以每秒数十帧的速度记录化学和生物反应中的动态过程视频，但其成像区域较小，仅达数平方微米。相比之下，对半导体晶圆等大规模纳米制造结构的检测，则要求在数百平方厘米范围内以高通量实现静态样品的纳米级空间分辨率成像。传统的AFM采用单个被动悬臂探针与光束偏转系统，AFM成像过程中每次只能采集一个像素，导致成像通量较低。本研究采用集成压阻传感器和热机械驱动器的主动悬臂阵列，实现多个悬臂探针的并行操作，从而显著提升成像通量。结合大范围纳米定位器与适当的控制算法，可对每个悬臂进行独立控制，以同步获取多个AFM图像。通过数据驱动的后处理算法，可将图像拼接，并通过与目标几何结构对比实现缺陷检测。本文介绍了基于主动悬臂阵列的定制AFM的工作原理，随后讨论了检测应用中的实际实验考量。使用四个主动悬臂组成的阵列，获取了硅校准光栅、高取向热解石墨以及极紫外光刻掩模的典型示例图像。"Quattro"）的探针尖端间距为125 µm。通过进一步的工程集成，该高通量、大规模成像工具可为极紫外（EUV）掩模、化学机械平坦化（CMP）检测、失效分析、显示器件、薄膜台阶测量、粗糙度测量晶粒以及激光雕刻干式气体密封沟槽提供三维计量数据。
引言
原子力显微镜（AFM）能够以纳米级空间分辨率获取三维形貌图像。研究人员已将原子力显微镜的功能拓展至生成样品在力学、电学、磁学、光学和热学等方面的性能图谱。与此同时，提升成像通量也成为研究重点，以使原子力显微镜适应新的实验需求。高通量原子力显微成像主要应用于两个领域：第一类是对微小区域进行高速成像，以捕捉样品因生物或化学反应引起的动态变化1,2；第二类则是在检测过程中对静态样品进行高空间分辨率的大尺度成像，本文将对此类应用进行详细讨论。随着晶体管尺寸缩小至纳米尺度，半导体产业迫切需要具备纳米级空间分辨率的高通量原子力显微镜，用于晶圆级纳米器件的检测3。
由于晶圆与晶体管特征尺寸之间存在巨大的尺度差异，在晶圆上对纳米加工器件进行表征具有较大挑战性。大型缺陷可通过光学显微镜自动识别4。此外，扫描电子显微镜（SEM）被广泛用于二维尺度下至数十纳米的检测5。对于三维信息和更高分辨率的表征，若能提高其通量，原子力显微镜（AFM）则是一种更为合适的工具。
由于成像通量有限，一种方法是针对纳米制造缺陷更易发生的晶圆区域进行选择性成像6
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方案
1. 大规模检测的样品制备
- 准备适合原子力显微镜（AFM）检测的样品尺寸（参见 材料表).
注意：具有面内直径的晶圆形状样品 从75毫米到300毫米，且预期面外高度变化低于200 µm的样品可适配于原子力显微镜（AFM）样品台。本研究中采用了一块4英寸晶圆上的极紫外（EUV）掩模（见 材料表). - 清洁样品以去除污染物，并将样品置于洁净室或低粉尘环境中，例如真空腔室或通入氮气的柜子内。
- 使用压缩氮气喷枪吹除样品上的大颗粒灰尘，或在样品不与水发生反应的情况下用去离子水冲洗。为避免损坏样品，应使用低于0.1 m的低流速3/分钟
- 可选步骤：进行等离子清洗以去除有机污染物。将样品放入等离子处理仪中，关闭腔室并抽真空至600 mTorr。用等离子体处理样品30秒以完成清洗。
注意：步骤 1.3.2 为可选步骤，用于去除污染。本研究中的制备与表征均在洁净室中进行，因此无需执行此步骤。
- 确定合适的成像策略，包括感兴趣区域、扫描范围、空间/像素分辨率和扫描线速度。
- 确定样本是否需要整体全景成像，或对多个选定的小区域进行自动成像。
注意：对于具有目标结构的纳米制造样品，通常更容易确定更易出现缺陷的关键区域以进行检测....
- 确定样本是否需要整体全景成像，或对多个选定的小区域进行自动成像。
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结果
为了展示利用并行主动悬臂梁进行原子力显微镜大范围成像在形貌观测中的有效性，图2显示了由四个并行操作的悬臂梁获取的校准光栅拼接图像。该硅晶圆校准结构的特征长度为45 µm，高度为14 nm。每个悬臂梁覆盖125 µm × 125 µm的区域，最终拼接成一幅500 µm × 125 µm的全景图像。扫描速度设置为在振幅调制模式下每秒10行，每行每通道1,028像素，因此完成此大范围扫描所需时间少于2分钟。
通过比对相邻图像边缘的特征，将每个悬臂所采集的图像进行合并。由于实际成像尺寸大于悬臂间距，可通过相关性分析边缘特征实现图像拼接。值得注意的是，各图像在面内Y轴方向上还存在一定的垂直偏移，这可能是由于扫描轴与四个有源悬臂阵列的排列方向存在微小偏差所致。然而，对于表面形貌变化不显著的边界区域，相关性方法可能难以有效应用。因此，在已知先验偏移信息的前提下，采用基于相关性的匹配方法生成全景图像，相较于直接利用相对位置偏移进行拼接，是应对仪器此类非理想状况的首选方法。
为了验证主.......
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讨论
如代表性结果所示，利用有源悬臂梁阵列可并行获取静态样品的多幅图像。这种可扩展的装置能显著提高大面积样品的成像通量，适用于半导体晶圆上纳米制造器件的检测。该技术不仅限于人造结构；只要一组有源悬臂梁内的形貌变化在悬臂梁阵列可承受范围内，即可实现高通量成像。
除了实现高通量、大范围检测外，有源悬臂探针阵列在成像设置方面还具有多项优势。首先，探针安装时无需进行激光-悬臂对准，从而在操作上降低了操作人员的工作负担。更重要的是，悬臂偏转传感器的增益是固定的，不会在不同实验之间发生变化。使用这些探针可在轻敲模式和接触模式下进行定量的力和偏转测量29,33,34。这同时也提高了成像过程的可靠性，因为长期成像过程中激光对准漂移的问题不再存在。其次，热机械驱动的悬臂避免了传统压电声学激励中可能出现的悬臂支架伪结构共振问题。传统的共振激励技术将压电致动器置于原子力显微镜（AFM）悬臂基底芯片上，由于振动通过整个基底芯片.......
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致谢
作者 Ivo W. Rangelow 和 Thomas Sattel 谨此感谢德国联邦教育与研究部（BMBF）以及德国联邦经济事务与气候行动部（BMWK）对本研究中部分方法的支持，这些支持包括资助研究项目 FKZ:13N16580 "用于量子计量学与纳米制造的金刚石尖端主动探针"（属于“中小型企业创新计划：光子学与量子技术”研究方向），以及项目 KK5007912DF1 "用于原子力显微镜中快速大范围计量任务的共轭纳米定位-扫描仪"（属于“中小企业中央创新计划”ZIM 资助方向）。本文所报告的部分工作还获得了欧洲联盟第七框架计划 FP7/2007-2013 的资助，资助协议编号为 318804 "单纳米制造：超越CMOS"。作者 Ivo W. Rangelow 和 Eberhard Manske 谨此感谢德国研究基金会（DFG）在德国伊尔梅瑙工业大学开展的研究生院项目 "基于探针与激光的宏观工作区域扩展型三维纳米制造"（GRK 2182）框架内提供的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 主动悬臂 | nano analytik GmbH | AC-10-2012 | 原子力显微镜探针 |
| 电子束光刻系统 | EBX-30, INC | 012323-15 | 掩模图形化仪器 |
| 高取向热解石墨 – HOPG | TED PELLA, INC | 626-10 | 原子力显微镜校准样品 |
| 掩模样品 | Nanda Technologies GmbH | Test substrate | 极紫外光刻掩模样品基底 |
| NANO-COMPAS-PRO | nano analytik GmbH | 23-2016 | 原子力显微镜软件 |
| nanoMetronom 20 | nano analytik GmbH | 1-343-2020 | 原子力显微镜仪器 |
参考文献
- Ando, T. High-speed atomic force microscopy and its future prospects. Biophysical Reviews. 10 (2), 285-292 (2018).
- Soltani Bozchalooi, I., Careaga Houck, A., AlGhamdi, J. M., Youcef-Toumi, K. Design and control of multi-actuated atomic force microsc....
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重印与许可
