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Engineering

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

Published: June 13, 2023 doi: 10.3791/65210
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 4,5
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

Summary

La inspección de muestras a gran escala con resolución a nanoescala tiene una amplia gama de aplicaciones, especialmente para obleas semiconductoras nanofabricadas. Los microscopios de fuerza atómica pueden ser una gran herramienta para este propósito, pero están limitados por su velocidad de imagen. Este trabajo utiliza matrices de voladizos activos paralelos en AFM para permitir inspecciones de alto rendimiento y a gran escala.

Abstract

Un microscopio de fuerza atómica (AFM) es una herramienta potente y versátil para estudios de superficie a nanoescala con el fin de capturar imágenes topográficas en 3D de muestras. Sin embargo, debido a su limitado rendimiento de imágenes, los AFM no se han adoptado ampliamente para fines de inspección a gran escala. Los investigadores han desarrollado sistemas AFM de alta velocidad para grabar vídeos de procesos dinámicos en reacciones químicas y biológicas a decenas de fotogramas por segundo, a costa de una pequeña área de imagen de hasta varios micrómetros cuadrados. Por el contrario, la inspección de estructuras nanofabricadas a gran escala, como las obleas semiconductoras, requiere imágenes de resolución espacial a nanoescala de una muestra estática de cientos de centímetros cuadrados con alta productividad. Los AFM convencionales utilizan una sola sonda en voladizo pasivo con un sistema de desviación de haz óptico, que solo puede recopilar un píxel a la vez durante la obtención de imágenes AFM, lo que da como resultado un bajo rendimiento de imágenes. Este trabajo utiliza una serie de voladizos activos con sensores piezorresistivos integrados y actuadores termomecánicos, lo que permite el funcionamiento simultáneo de varios voladizos en paralelo para aumentar el rendimiento de las imágenes. Cuando se combina con nanoposicionadores de gran alcance y algoritmos de control adecuados, cada voladizo se puede controlar individualmente para capturar múltiples imágenes AFM. Con los algoritmos de posprocesamiento basados en datos, las imágenes se pueden unir y la detección de defectos se puede realizar comparándolas con la geometría deseada. Este documento presenta los principios del AFM personalizado utilizando las matrices en voladizo activas, seguido de una discusión sobre consideraciones de experimentos prácticos para aplicaciones de inspección. Las imágenes de ejemplo seleccionadas de la rejilla de calibración de silicio, el grafito pirolítico altamente orientado y las máscaras de litografía ultravioleta extrema se capturan utilizando una matriz de cuatro voladizos activos ("Quattro") con una distancia de separación de punta de 125 μm. Con una mayor integración de ingeniería, esta herramienta de procesamiento de imágenes de alto rendimiento y gran escala puede proporcionar datos metrológicos en 3D para máscaras ultravioleta extrema (EUV), inspección de planarización mecánica química (CMP), análisis de fallas, pantallas, mediciones de pasos de película delgada, troqueles de medición de rugosidad y ranuras de sellado de gas seco grabadas con láser.

Introduction

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 imágenes14,15,16,17etc. 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 anteriormente18,19, 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 alcance20,21, 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 Uenrespuesta 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 PR y módulo elástico efectivo de la tensión de alimentación del puente en voladizo E Ub.

Equation 1(1)

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 zhcontrolada 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.

Equation 2(2)

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.

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Protocol

1. Preparación de muestras para inspección a gran escala

  1. Prepare la muestra con un tamaño adecuado para el AFM (ver Tabla de Materiales).
    NOTA: Las muestras en forma de oblea con un diámetro en el plano de 75 mm a 300 mm y una variación de altura esperada fuera del plano inferior a 200 μm pueden caber en la platina de muestra AFM. En este estudio, se utiliza una máscara ultravioleta extrema (EUV) en una oblea de 4 pulgadas (ver Tabla de materiales).
  2. Limpie la muestra para eliminar los contaminantes y manténgala dentro de una sala limpia o en un entorno con poco polvo, como una cámara de vacío o un gabinete purgado con nitrógeno.
    1. Elimine las partículas de polvo grandes soplando la muestra con una pistola rociadora de nitrógeno comprimido o enjuague con agua desionizada si la muestra no reacciona con el agua. Para evitar dañar la muestra, utilice un caudal pequeño por debajo de 0,1 m3/min.
    2. Opcionalmente, aplique limpieza con plasma para eliminar los contaminantes orgánicos. Coloque la muestra en la máquina de tratamiento con plasma. Cierre la cámara y bombee la presión a 600 mTorr. Exponga la muestra al plasma durante 30 s para su limpieza.
      NOTA: El paso 1.3.2 es opcional para la eliminación de la contaminación. En este estudio, la fabricación y caracterización se realizaron dentro de una sala limpia, por lo que este paso no fue necesario.
  3. Identifique las estrategias de imagen adecuadas, incluidas las áreas de interés, el rango de escaneo, la resolución espacial/de píxeles y la velocidad de la línea de escaneo.
    1. Determine si la muestra necesita una panorámica general o imágenes automatizadas de varias áreas seleccionadas más pequeñas.
      NOTA: En el caso de las muestras nanofabricadas con las estructuras deseadas, a menudo es más fácil determinar las áreas clave que son más propensas a defectos para fines de inspección. Para otras muestras, puede ser más fácil tomar una imagen de baja resolución espacial para obtener una visión general rápida y, a continuación, hacer zoom en el área de interés más pequeña para obtener imágenes de alta resolución espacial.
    2. Calcule el tamaño de las entidades en función del conocimiento previo de la muestra para determinar la resolución espacial deseada para resolver estas entidades.
    3. Utilice la relación entre el rango de imagen y la resolución espacial para determinar la resolución de píxeles.
    4. Seleccione una velocidad de línea de escaneo inicial basada en la experiencia previa con la muestra, o utilice el software del sistema AFM más adelante, en función del material de la muestra, la dinámica de la sonda y la resolución espacial deseada.

2. Calibración del instrumento AFM y configuración del experimento

  1. Seleccione la matriz en voladizo AFM activa adecuada.
    NOTA: La rigidez del voladizo activo AFM, la frecuencia de primera resonancia y la nitidez de la punta de la sonda no utilizada para cada voladizo en la matriz de la sonda se caracterizan a partir de la producción. Los datos pueden recuperarse del fabricante y cargarse automáticamente en el software antes de la obtención de imágenes. La selección del voladizo adecuado recomendado por el software en función del material o la aplicación de la muestra es útil para garantizar el éxito de la obtención de imágenes. Debido a la variabilidad de fabricación, las propiedades de cada voladizo pueden ser diferentes pero a un nivel similar.
  2. Encienda el AFM encendiendo la alimentación principal del controlador y espere a que el sistema se inicialice. Encienda la computadora host y abra el software del sistema AFM.
  3. Realice la instalación activa de la sonda en voladizo.
    1. Levante el escáner de la sonda haciendo clic en la instalación activa en voladizo. Espere a que el soporte de la sonda se levante de la platina de muestra y se detenga automáticamente.
    2. Monte y asegure el conjunto de sondas en voladizo AFM en el soporte de la sonda.
      NOTA: Las matrices en voladizo AFM están conectadas a un soporte de forma de tarjeta nano-SD y se pueden manipular directamente a mano para la instalación de la sonda. Con la diferencia fundamental en los principios de detección y actuación, no es necesario realizar ninguna alineación láser.
    3. Haga clic en la configuración automática de la sonda y cargue la información de la sonda proporcionada por el fabricante (consulte la tabla de materiales). Asegúrese de que coincida con el número de serie de la sonda y del software.
    4. Realice un barrido de frecuencia de la sonda para verificar la resonancia de cada voladizo para obtener imágenes. Haga clic en Afinación en voladizo y haga clic en Barrido en la ventana emergente. Especifique la Frecuencia de inicio y la Frecuencia de finalización si se conoce el rango. De lo contrario, el software actualizará automáticamente los valores utilizando la configuración predeterminada.
      NOTA: Este paso es, en principio, opcional para las sondas nuevas, ya que se han calibrado después de la producción. Sin embargo, para las sondas que se han utilizado anteriormente, se recomienda realizar este barrido en caso de que alguna propiedad haya cambiado durante la operación anterior (por ejemplo, fijación de partículas contaminantes que desplaza la resonancia del voladizo). Debido al accionamiento termomecánico, la potencia de calentamiento es proporcional al cuadrado de la tensión de accionamiento. Para la operación en modo sin contacto, se genera un segundo armónico del componente de onda sinusoidal de voltaje de entrada debido a la relación cuadrada en la Ecuación 2. Este segundo armónico suele coincidir con la resonancia en voladizo durante la excitación, ya que la señal de compensación de corriente continua (CC) no afecta a su amplitud. Por lo tanto, los componentes de CC controlan la deflexión media en voladizo, y el componente de corriente alterna (CA) de la señal de accionamiento se establece automáticamente en la mitad de la frecuencia de resonancia en voladizo para la obtención de imágenes.
  4. Cargue y asegure la muestra en su lugar. Asegúrese de que la superficie inferior en contacto con la muestra sea paralela a la superficie superior con las características que se van a fotografiar. Ajuste con precisión la inclinación de la etapa de muestra con las perillas del micrómetro para asegurarse de que la muestra sea plana. Agregue espaciadores si la inclinación es demasiado grande para que los posicionadores de ajuste fino la compensen.
  5. Ajuste la posición XY en el plano de la muestra utilizando el micrómetro en la platina AFM. Utilice una imagen de microscopio óptico para localizar el área de interés y posicionar la posición relativa de la matriz en voladizo en la primera área de interés que se va a fotografiar.
  6. Establezca una coordenada global haciendo clic en el botón XYZ Cero .
    NOTA: Para la creación de una imagen panorámica, este paso se puede realizar aproximadamente utilizando la vista de microscopio óptico. Al obtener imágenes de áreas seleccionadas de una muestra nanofabricada, puede ser necesario alinear con precisión la coordenada XYZ del equipo de fabricación con la coordenada AFM. Este paso se puede realizar con mayor precisión realizando la imagen AFM y haciendo clic en el botón XYZ Zero nuevamente.
  7. Cierre y selle el escudo acústico.
    NOTA: El escudo acústico ayuda a reducir la propagación de la vibración a través del aire. Además, la cubierta sellada también puede reducir la posibilidad de que las partículas de polvo caigan sobre la muestra, ya que las imágenes a gran escala pueden tardar mucho tiempo en completarse. Esta cubierta protectora puede ser opcional en un entorno de sala limpia sin fuentes de vibración.

3. Imágenes de topografía y ajuste de parámetros

  1. Seleccione la pestaña Configuración de parámetros de imagen (modo propio en voladizo activo, velocidad de escaneo, punto de ajuste, etc.) e introduzca los parámetros de imagen deseados.
    1. Para una sola imagen panorámica, introduzca la coordenada de la esquina superior izquierda de la imagen y el tamaño del escaneo. Para crear imágenes automáticas de varios pasajes seleccionados, repita este proceso para todos los pasajes que se van a visualizar. Agregue relleno adicional alrededor del área de imágenes para la unión de imágenes de posprocesamiento.
      NOTA: Para el presente estudio, la esquina superior izquierda de la máscara EUV se configuró con características predefinidas, y el sistema se configuró para capturar cuatro imágenes con 130 μm por 130 μm simultáneamente utilizando cada voladizo.
    2. Introduzca la resolución de píxeles deseada en el plano (normalmente miles de píxeles por línea de escaneo) y utilice la velocidad de escaneo de línea predeterminada recomendada por el software para la obtención de imágenes. Si es necesario, ajuste manualmente la velocidad de escaneo de línea para cada región que se va a fotografiar.
      NOTA: En este estudio, se utilizó una resolución de píxeles de 26.000 píxeles por línea, correspondiente a 5 nm por píxel, para obtener imágenes de alta resolución.
    3. Para el modo sin contacto, utilice la amplitud, la frecuencia y el punto de ajuste de accionamiento predeterminados en el software obtenidos a partir de las características del voladizo, o introduzca manualmente el punto de ajuste para cada voladizo de la matriz. Deje la configuración del controlador PID como predeterminada.
  2. Acople la matriz de sondas en voladizo activa con la muestra.
    1. Haga clic en Inicializar voladizo para doblar previamente el voladizo antes de la obtención de imágenes.
    2. Haga clic en Iniciar unidad sin contacto para excitar la resonancia en voladizo.
    3. Haga clic en Engage para que el sistema ponga en contacto automáticamente la muestra y la sonda. La obtención de imágenes se iniciará automáticamente después de completar este paso.
  3. Ajuste los parámetros del controlador PID para cada voladizo en función de la traza/imagen escaneada. Ajuste los parámetros PID para mejorar la coincidencia entre las líneas de trazado y retroceso, lo que ayuda a capturar los cambios de topografía. La velocidad de imagen también se puede ajustar en consecuencia para mejorar el rendimiento del seguimiento de la topografía.
  4. Guarde los datos actuales en la pantalla haciendo clic en el botón Guardar . Los datos también se guardarán automáticamente durante el escaneo al final de cada fotograma.
  5. Detenga la imagen haciendo clic en el botón Detener . El sistema detendrá la obtención de imágenes y retraerá automáticamente la matriz en voladizo de la muestra. La unidad en voladizo también se detendrá para que sea seguro desinstalar la sonda.
  6. Retire la sonda y la muestra con cuidado y apague el sistema.

4. Post-procesamiento y análisis de imágenes

  1. Abra el software de análisis de imágenes AFM suministrado por el proveedor.
    1. Haga clic en Proceso automático para aplicar la secuencia de posprocesamiento predeterminada, incluida la corrección de inclinación de la muestra, la eliminación de valores atípicos a nivel de píxel y la coincidencia de líneas de escaneo.
    2. Aplique manualmente más correcciones en los defectos de la imagen a partir de la observación de las imágenes. Con los instrumentos AFM avanzados, estos defectos son raros, pero las imágenes aún se pueden mejorar con estos pasos.
      NOTA: Para grandes cantidades de imágenes, es posible automatizar el proceso utilizando scripts de macros o Python a través del procesamiento por lotes con la misma operación. Esto no fue necesario para el presente estudio.
  2. Utilice el software para formar una imagen panorámica haciendo clic en el botón Imagen panorámica y seleccionando varias imágenes para unir.
    NOTA: La unión de imágenes se realiza automáticamente utilizando directamente el espacio superpuesto de las imágenes adyacentes. Alternativamente, la combinación de imágenes intenta maximizar la correlación de los píxeles superpuestos en los bordes. Hay varias opciones disponibles en estos comandos y se pueden optimizar para mejorar el rendimiento general de la combinación.
  3. Guarde los datos para su posterior análisis en función de la muestra específica.

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Representative Results

Para demostrar la eficacia de las imágenes de largo alcance de AFM utilizando voladizos activos paralelos para la obtención de imágenes topográficas, en la Figura 2 se muestran las imágenes cosidas de una rejilla de calibración, tomadas por cuatro voladizos operados en paralelo. La estructura de calibración de la oblea de silicio tiene características de 45 μm de largo con una altura de 14 nm. Cada voladizo cubre un área de 125 μm por 125 μm, lo que da una imagen panorámica cosida de 500 μm por 125 μm. La velocidad de escaneo se estableció en 10 líneas por segundo a 1.028 píxeles por línea y canal en el modo de modulación de amplitud, por lo que se tarda menos de 2 minutos en completar este escaneo de área grande.

La fusión de las imágenes tomadas por cada voladizo se realiza alineando las entidades en el borde de las imágenes adyacentes. Con un tamaño de imagen real mayor que la separación en voladizo, la fusión se realiza correlacionando las entidades en los bordes. Vale la pena señalar que también es visible un desplazamiento vertical entre cada imagen en la dirección del eje Y en el plano. Esto puede suceder debido al ligero desajuste del eje de escaneo con respecto a la línea de las cuatro matrices en voladizo activas. Sin embargo, el método de correlación puede ser difícil de aplicar para límites sin una variación topográfica significativa. Por lo tanto, el método preferido es el uso de la coincidencia basada en la correlación con el conocimiento previo del desplazamiento para crear imágenes panorámicas, en comparación con la unión directa que utiliza el desplazamiento de posición relativa para tratar estas condiciones imperfectas del instrumento.

Para verificar la resolución espacial de la matriz de voladizo activo, se toman imágenes de alta resolución de HOPG, como se muestra en la Figura 3, con un pequeño rango de imagen en el plano de 5 μm por 5 μm y 1028 por 1028 píxeles. Las muestras HOPG son especialmente adecuadas para la verificación de la resolución, ya que el espaciado entre planos del grafito es de alrededor de 0,335 nm31,32. Se demuestra la resolución fuera del plano subnanométrica y la resolución dentro del plano a varios nanómetros. Como la distancia de separación entre cada voladizo a 125 μm es mucho mayor que el área de imagen de 5 μm, estas cuatro imágenes no se pueden unir directamente, pero la tendencia de orientación de las entidades fotografiadas entre imágenes adyacentes se alinea bien entre sí.

Para aplicaciones prácticas en la inspección de semiconductores, se obtiene una imagen de una máscara de litografía EUV para crear características de semiconductores utilizando la matriz de voladizo activo paralelo. En la Figura 4 se muestra una imagen panorámica general unida con una resolución espacial de 5 nm que cubre un área de 505 μm por 130 μm. La altura del patrón de estructura es de alrededor de 60 nm, con varias áreas del circuito claramente mostradas en la imagen. A 10 líneas por segundo, los 101.000 por 26.000 píxeles se capturan en unos 40 minutos, lo que es significativamente más rápido que los sistemas AFM convencionales.

Figure 1
Figura 1: Ejemplo de implementación de AFM de área grande para inspección de muestras de área grande utilizando una sola matriz de cuatro sondas en voladizo activas. (A) Obtención de imágenes de gran área de una muestra de oblea de silicio utilizando el AFM personalizado con configuración de escaneo de sonda y una etapa de muestra grande. (B) Esquema simplificado del sistema AFM con un microscopio óptico ampliado del área de cuatro voladizos activos unidos por cable a la placa de circuito impreso (PCB) en forma de tarjeta SD. (C) Imagen SEM del accionamiento de roscado para uno de los cuatro voladizos activos que muestra una amplitud máxima superior a 30 μm. (D) Imagen SEM de la matriz de voladizos activos con un esquema que muestra el calentador termomecánico en forma de serpentina y los sensores de tensión piezorresistivos en la base de los voladizos para la medición de la deflexión. Barra de escala = 50 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Fusión panorámica de imágenes tomadas por cuatro voladizos activos simultáneamente en un ancho total de 500 μm. Cada voladizo escanea un área de 140 μm para crear cierta superposición entre la separación de 125 μm de la punta del voladizo en el modo de roscado dinámico de modulación de amplitud. La imagen está tomada a 10 líneas por segundo con una resolución de 1.028 píxeles en cada dirección. La muestra es una estructura de prueba de silicio con líneas largas de 45 μm a una altura de 14 nm. Las cuatro imágenes superiores separadas tomadas por cada voladizo se unen para formar la imagen panorámica en la parte inferior. La figura es una adaptación de Ahmad et al.22. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Imágenes AFM de alta resolución de muestras HOPG. Las imágenes se capturan simultáneamente con cuatro voladizos con un área de 3 μm por 3 μm, capturadas a 10 líneas por segundo con una resolución de 1.028 píxeles en cada dirección. (A-D) Imágenes topográficas capturadas en modo de roscado dinámico de modulación de amplitud mediante voladizos 1-4, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Registro de cuatro imágenes de máscara EUV única 2D y 3D capturadas simultáneamente por los cuatro canales AFM a 10 líneas por segundo en modo de derivación dinámica de modulación de amplitud. El campo de imagen de una sola imagen es de 130 μm x 130 μm. (A) Cuatro imágenes 2D. (B) Cuatro imágenes en 3D. (C) Imagen general cosida en 3D con 500 μm por 500 μm obtenida con cuatro imágenes de 125 μm, donde 5 μm es la superposición entre los campos individuales. La imagen mide 101.000 por 26.000 píxeles con una resolución espacial de 5 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Como se demuestra en los resultados representativos, se puede utilizar una matriz de voladizo activa para capturar varias imágenes de una muestra estática en paralelo. Esta configuración escalable puede mejorar significativamente el rendimiento de imágenes de muestras de gran área, lo que la hace adecuada para inspeccionar dispositivos nanofabricados en obleas semiconductoras. La técnica tampoco se limita a las estructuras hechas por el hombre; Siempre que la variación topográfica dentro de un grupo de voladizos activos no sea demasiado grande para que la matriz en voladizo la maneje, se pueden obtener imágenes de alto rendimiento.

Además de permitir una inspección de alto rendimiento y de gran área, un conjunto de sondas en voladizo activo ofrece varias ventajas en términos de configuración de imágenes. En primer lugar, no es necesario realizar la alineación láser-voladizo para la instalación de la sonda. En términos de operación, esto reduce los gastos generales del operador. Y lo que es más importante, la ganancia del sensor de deflexión en voladizo es fija y no cambia entre experimentos. Con estas sondas se pueden realizar mediciones cuantitativas de fuerza y deflexión tanto en modo de roscado como en modo de contacto 29,33,34. Esto también hace que el proceso de obtención de imágenes sea más fiable, ya que la deriva de la alineación del láser para la obtención de imágenes a largo plazo ya no es un problema. En segundo lugar, el accionamiento termomecánico en voladizo evita la resonancia de la estructura espuria del soporte en voladizo, que puede convertirse en un problema durante el barrido de resonancia en el accionamiento piezoacústico convencional. La técnica convencional de excitación por resonancia utiliza un actuador piezoeléctrico colocado en el chip de soporte base del voladizo AFM. Dado que la vibración generada se propaga acústicamente a través de todo el chip base, la excitación por resonancia en voladizo puede interferir entre sí. Sin embargo, el accionamiento termomecánico actúa directamente sobre el voladizo individual y el chip de soporte de la base permanece estacionario. Como la masa del chip de soporte base es varios órdenes de magnitud mayor que el voladizo, la interferencia entre los voladizos activos paralelos es insignificante. En tercer lugar, el tamaño compacto del voladizo activo permite una integración paralela más sencilla para la configuración del escaneo de la sonda. Esto significa que la muestra puede permanecer estática y varios posicionadores de sonda pueden escanear simultáneamente a diferentes velocidades durante la obtención de imágenes, lo que ayuda a maximizar la utilización efectiva de cada voladizo.

En cuanto a las limitaciones, el manejo de muestras con grandes cambios topográficos puede ser un desafío debido al límite máximo de deflexión de cada voladizo. Se debe tener una consideración especial durante la preparación e instalación de la muestra. Como la muestra que se manipula está en la escala macroscópica, la inclinación con respecto al plano de escaneo debe minimizarse para garantizar un buen seguimiento de la topografía. La inclinación de la superficie superior a 1° con respecto a la platina del escáner puede dar lugar a un control de deflexión en voladizo fuera de rango que puede causar daños a la sonda. En el caso de las estructuras nanofabricadas en una oblea semiconductora, la planitud suele estar garantizada y no es necesario pulirla. Esto también evita posibles daños a las características finas que se van a fotografiar. El acabado superficial del mecanizado convencional de control numérico por computadora (CNC) a nivel micrométrico debe ser suficiente para que la matriz de voladizo activo la maneje. En el caso de las muestras genéricas, puede ser necesario pulir a costa de alterar las características de la superficie que se van a capturar. Se utiliza una máquina CNC para eliminar grandes características sobresalientes no deseadas. Si no se puede evitar una gran variación topográfica, como en una superficie curva, el uso de una matriz de dos voladizos activos paralelos con control de inclinación se adapta a una gran variación topográfica. Se necesitarían varios posicionadores separados para la paralelización a fin de mejorar aún más el rendimiento de las imágenes con más sondas en voladizo. Utilizando técnicas de nanofabricación, también es posible fabricar un sistema de nanoposicionamiento a nanoescala en el eje Z para abordar mejor este problema en un diseño más compacto35.

Para aprovechar al máximo el potencial de la matriz de voladizo paralelo, especialmente para fines de inspección de semiconductores, se están llevando a cabo más desarrollos de ingeniería para comercializar el sistema. El objetivo es integrar una sonda con un conjunto de ocho voladizos activos en un escáner piezoeléctrico de tres ejes y replicar decenas de tales estructuras con un control de movimiento preciso para obtener imágenes paralelas. Con esta configuración, se puede obtener una imagen de un área de 60 mm2 con una resolución espacial de 100 nm en 30 minutos, lo que debería ser suficiente para muchas aplicaciones de inspección. Al utilizar imágenes en modo dinámico en modo sin contacto, la interacción entre la sonda y la fuerza de la muestra es pequeña a costa de una velocidad de obtención de imágenes más lenta. Como compensación, el modo de contacto puede aumentar significativamente la velocidad de obtención de imágenes, pero puede aumentar la fuerza de interacción entre la sonda y la muestra y puede provocar daños en la muestra o desgaste de la punta de la sonda. Para garantizar aún más la longevidad de estas sondas, también se pueden usar puntas de diamante para reducir significativamente el desgaste de la punta de la sonda para un funcionamiento continuo a largo plazo. Para garantizar un buen rendimiento de la imagen, el entorno de la imagen debe controlarse para que tenga baja vibración y polvo, para evitar que las partículas caigan sobre la muestra durante el proceso de obtención de imágenes.

En cuanto a las mejoras de software, se está investigando el ajuste automatizado de parámetros para un gran número de controladores. La velocidad de escaneo adaptativa y el ajuste de la resolución son deseables para obtener imágenes de muestras con grandes variaciones de propiedades. La unión automatizada de miles de imágenes y la identificación de defectos de miles de millones de píxeles mediante algoritmos basados en el aprendizaje automático pueden ayudar a que esta técnica sea aún más útil en estudios de investigación e inspección industrial.

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Disclosures

Los autores no tienen conflictos de intereses.

Acknowledgments

Los autores Ivo W. Rangelow y Thomas Sattel desean agradecer al Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) y al Ministerio Federal de Economía y Acción Climática de Alemania (BMWK) por apoyar partes de los métodos presentados mediante la financiación de los proyectos FKZ:13N16580 "Sondas activas con punta de diamante para metrología cuántica y nanofabricación" dentro de la línea de investigación KMU-innovativ: Fotónica y Tecnologías Cuánticas y KK5007912DF1 "Nano-Posicionador-Escáner Conjungate para tareas metrológicas rápidas y grandes en Microscopía de Fuerza Atómica" dentro de la línea de financiación Programa Central de Innovación para la pequeña y mediana industria (ZIM). Parte del trabajo que aquí se presenta fue financiado por el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea FP7/2007-2013 en virtud del Acuerdo de Subvención Nº 318804 "Fabricación de un solo nanómetro: más allá de CMOS". Los autores Ivo W. Rangelow y Eberhard Manske agradecen el apoyo de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) en el marco del Grupo de Formación en Investigación "Tip- and laser-based 3D-Nanofabrication in extended macroscopic working areas" (GRK 2182) en la Technische Universität Ilmenau, Alemania.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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