Method Article

고처리량 대규모 시료 검사를 위한 Quattro-Parallel Cantilever 어레이를 사용한 Active Probe Atomic Force Microscopy

DOI:

10.3791/65210

⸱

June 13th, 2023

 ,  ,  ,  , 
1Mechatronics Research Lab, Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2Mechatronics Group, Department of Mechanical Engineering, Ilmenau University of Technology, 3Production and Precision Measurement Technology Group, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, Ilmenau University of Technology, 4Nanoscale Systems Group, Institute of Process Measurement and Sensor Technology, Ilmenau University of Technology, 5nano analytik GmbH

In This Article

Summary

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나노 단위 분해능의 대규모 샘플 검사는 특히 나노 가공 반도체 웨이퍼의 경우 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 원자력 현미경은 이러한 목적을 위한 훌륭한 도구가 될 수 있지만 이미징 속도에 의해 제한됩니다. 이 작업은 AFM의 병렬 액티브 캔틸레버 어레이를 활용하여 높은 처리량과 대규모 검사를 가능하게 합니다.

Abstract

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원자력 현미경(AFM)은 샘플의 3D 지형 이미지를 캡처하기 위한 나노 스케일 표면 연구를 위한 강력하고 다재다능한 도구입니다. 그러나 제한된 이미징 처리량으로 인해 AFM은 대규모 검사 목적으로 널리 채택되지 않았습니다. 연구원들은 최대 몇 제곱마이크로미터의 작은 이미징 영역을 희생하면서 초당 수십 프레임의 속도로 화학 및 생물학적 반응에서 동적 프로세스 비디오를 녹화하는 고속 AFM 시스템을 개발했습니다. 대조적으로, 반도체 웨이퍼와 같은 대규모 나노 가공 구조를 검사하려면 수백 제곱센티미터가 넘는 정적 샘플의 나노 단위 공간 분해능 이미징이 높은 생산성으로 필요합니다. 기존 AFM은 광학 빔 편향 시스템이 있는 단일 패시브 캔틸레버 프로브를 사용하는데, AFM 이미징 중에 한 번에 하나의 픽셀만 수집할 수 있어 이미징 처리량이 낮습니다. 이 작업은 압전 저항 센서와 열기계 액추에이터가 내장된 액티브 캔틸레버 어레이를 사용하여 이미징 처리량을 높이기 위해 병렬 작동에서 동시 다중 캔틸레버 작동을 가능하게 합니다. 넓은 범위의 나노 포지셔너 및 적절한 제어 알고리즘과 결합하면 각 캔틸레버를 개별적으로 제어하여 여러 AFM 이미지를 캡처할 수 있습니다. 데이터 기반 후처리 알고리즘을 사용하여 이미지를 함께 스티칭할 수 있으며 원하는 형상과 비교하여 결함 감지를 수행할 수 있습니다. 이 백서에서는 액티브 캔틸레버 어레이를 사용하는 맞춤형 AFM의 원리를 소개하고 검사 응용 분야의 실제 실험 고려 사항에 대해 논의합니다. 실리콘 캘리브레이션 격자, 고배향 열분해 흑연 및 극자외선 리소그래피 마스크의 선별된 예시 이미지는 팁 이격 거리가 125μm인 4개의 액티브 캔틸레버("Quattro") 어레이를 사용하여 캡처됩니다. 더 많은 엔지니어링 통합을 통해 이 고처리량 대규모 이미징 도구는 극자외선(EUV) 마스크, 화학적 기계적 평탄화(CMP) 검사, 고장 분석, 디스플레이, 박막 단계 측정, 거칠기 측정 다이 및 레이저 각인 건식 가스 씰 홈을 위한 3D 계측 데이터를 제공할 수 있습니다.

Introduction

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원자력 현미경(AFM)은 나노 단위의 공간 분해능으로 3D 지형 이미지를 캡처할 수 있습니다. 연구원들은 AFM의 기능을 확장하여 기계, 전기, 자기, 광학 및 열 영역에서 샘플 속성 맵을 생성했습니다. 한편, 이미징 처리량 개선은 AFM을 새로운 실험 요구에 맞게 조정하기 위한 연구의 초점이기도 했습니다. 고처리량 AFM 이미징을 위한 두 가지 응용 분야가 있습니다: 첫 번째 범주는 생물학적 또는 화학적 반응으로 인한 샘플의 동적 변화를 포착하기 위한 작은 영역의 고속 이미징입니다 1,2; 두 번째 범주는 검사 중 정적 샘플의 고공간 분해능, 대규모 이미징을 위한 것으로, 이 작업에서 자세히 설명합니다. 트랜지스터 크기가 나노 규모로 축소됨에 따라 반도체 산업은 나노 단위 공간 분해능3을 가진 웨이퍼 규모의 나노 가공 장치를 검사하기 위해 고처리량 AFM이 시급히 필요합니다.

웨이퍼에서 나노 가공 장치의 특성 분석은 웨이퍼와 트랜지스터 기능 간의 막대한 규모 차이로 인해 어려울 수 있습니다. 큰 결함은 광학 현미경으로 자동으로 발견 할 수 있습니다4. ....

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Protocol

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1. 대규모 검사를 위한 시료 전처리

  1. AFM에 적합한 크기로 샘플을 준비합니다( 재료 표 참조).
    참고: 면내 직경이 75mm에서 300mm이고 예상되는 면외 높이 변화가 200μm 미만인 웨이퍼형 샘플은 AFM 샘플 스테이지에 맞을 수 있습니다. 이 연구에서는 4인치 웨이퍼에 극자외선(EUV) 마스크를 사용합니다( 재료 표 참조).
  2. 샘플을 세척하여 오염 물질을 제거하고 샘플을 클린룸 또는 진공 챔버 또는 질소 퍼지 캐비닛과 같은 먼지가 적은 환경에 보관합니다.
    1. 압축 질소 스프레이 건으로 샘플을 불어 큰 먼지 입자를 제거하거나 샘플이 물과 반응하지 않는 경우 탈이온수로 헹굽니다. 샘플 손상을 방지하려면 0.1m3/min 미만의 작은 유속을 사용하십시오.
    2. 선택적으로 플라즈마 세척을 적용하여 유기 오염 물질을 제거합니다. 샘플을 플라즈마 처리 기계에 넣습니다. 챔버를 닫고 압력을 600mTorr로 펌핑합니다. 세척을 위해 샘플을 플라즈마에 30초 동안 노출시킵니다.
      알림: 1.3.2단계는 오염 제거를 위한 선택 사항입니다. 이 연구에서는 제작 및 특성화가 클린룸 내부에서 수행되었으므로 이 단계가 필요하지 않았....

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Results

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지형 이미징을 위해 평행 액티브 캔틸레버를 사용하는 AFM 장거리 이미징의 효과를 입증하기 위해 병렬로 작동하는 4개의 캔틸레버로 촬영한 보정 격자의 스티칭 이미지가 그림 2에 나와 있습니다. 실리콘 웨이퍼 보정 구조는 14nm의 높이에 45μm 길이의 형상을 가지고 있습니다. 각 캔틸레버는 125μm x 125μm의 면적을 차지하며, 이는 500μm x 125μm의 스티칭 파노라마 이미지를 제공합니다. 스캔 속도는 진폭 변조 모드에서 라인당 1,028픽셀, 채널당 1,028픽셀에서 초당 10라인으로 설정되었으므로 이 대면적 스캔을 완료하는 데 2분도 채 걸리지 않습니다.

각 캔틸레버에서 촬영한 이미지의 병합은 인접한 이미지의 가장자리에 피처를 정렬하여 수행됩니다. 캔틸레버 분리보다 큰 실제 이미징 크기의 경우 가장자리의 형상을 상호 연관시켜 병합을 수행합니다. 평면 내 Y축 방향의 각 이미지 사이의 일부 수직 오프셋도 볼 수.......

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Discussion

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대표적인 결과에서 알 수 있듯이 활성 캔틸레버 어레이를 사용하여 정적 샘플의 여러 이미지를 병렬로 캡처할 수 있습니다. 이 확장 가능한 설정은 대면적 샘플의 이미징 처리량을 크게 향상시킬 수 있으므로 반도체 웨이퍼의 나노 가공 장치를 검사하는 데 적합합니다. 이 기술은 또한 인공 구조물에만 국한되지 않습니다. 활성 캔틸레버 그룹 내의 지형 변화가 캔틸레버 어레이가 처리하기에 너무 크지 않은 한, 고처리량 이미징을 실현할 수 있습니다.

높은 처리량, 넓은 면적 검사를 가능하게 하는 것 외에도 액티브 캔틸레버 프로브 어레이는 이미징 설정 측면에서 몇 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 프로브 설치를 위해 레이저 캔틸레버 정렬을 수행할 필요가 없습니다. 작동 측면에서 이는 작업자 오버헤드를 줄여줍니다. 더 중요한 것은 캔틸레버 편향 센서의 이득이 고정되어 있고 실험 간에 변경되지 않는다는 것입니다. 정량적 힘 및 편향 측정은 태핑 모드 및 접촉 모드 29,33,34 모두에서 이러한

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Disclosures

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저자는 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

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저자 Ivo W. Rangelow와 Thomas Sattel은 연구 라인 KMU-innovativ 내에서 프로젝트 FKZ:13N16580 "양자 계측 및 나노 제조를 위한 다이아몬드 팁이 있는 활성 프로브"에 자금을 지원하여 제시된 방법의 일부를 지원한 독일 연방 교육 연구부(BMBF)와 독일 연방 경제 및 기후 행동부(BMWK)에 감사드립니다. Photonics and Quantum Technologies와 KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner for Fast and Large Metrological tasks in Atomic Force Microscopy"를 중소 규모 산업을 위한 중앙 혁신 프로그램(Central Innovation Program for Small and Medium Industries (ZIM))의 자금 조달 라인 내에서 제공합니다. 여기에 보고된 작업의 일부는 보조금 계약 번호 318804 "단일 나노미터 제조: CMOS를 넘어서"에 따라 유럽 연합 7차 프레임워크 프로그램 FP7/2007-2013의 자금 지원을 받았습니다. 저자 Ivo W. Rangelow와 Eberhard Manske는 Technische Universität Ilmenau, Germany의 연구 교육 그룹 "확장된 거시적 작업 영역에서 팁 및....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
액티브 캔틸레버 nano analytik GmbHAC-10-2012AFM 프로브
E-BeamEBX-30, INC012323-15마스크 패터닝 기기
고방향 열분해 그라파이트 – HOPGTED PELLA, INC626-10AFM 보정 샘플
마스크 샘플Nanda Technologies GmbH테스트 기판EUV 마스크 샘플 기판
NANO-COMPAS-PRO nano analytik GmbH23-2016AFM 소프트웨어
nanoMetronom 20nano analytik GmbH1-343-2020AFM 기기

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ando, T. High-speed atomic force microscopy and its future prospects. Biophysical Reviews. 10 (2), 285-292 (2018).
  2. 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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Atomic Force MicroscopyActive Cantilever ArraysParallel AFM ImagingHigh Throughput AFMPiezoresistive SensorsThermomechanical ActuatorsNano PositionersTopography ImagingDefect DetectionSemiconductor Wafer Inspection

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