Implementatie van heterodyne-gedetecteerde tapping-mode fotothermische atoomkrachtmicroscopie-infraroodspectroscopie voor halfgeleidermaterialen en -componenten

Samenvatting

Dit protocol beschrijft heterodyne-gedetecteerde tapping-mode fotothermische atoomkrachtmicroscopie-infraroodspectroscopie voor nanoschaal chemische karakterisering van halfgeleidermaterialen en -componenten, inclusief infraroodspectrale acquisitie en chemische mapping van gestructureerde oppervlakken en procesgerelateerde contaminanten.

Samenvatting

Atomkrachtmicroscopie (AFM) wordt veelvuldig gebruikt voor het karakteriseren van de elektrische, magnetische, mechanische, thermische, elektrochemische en elektromechanische eigenschappen op nanoschaal van materialen en componenten; het biedt echter geen directe chemische identificatie. In tegenstelling hiermee onderzoekt infrarood- (IR) spectroscopie chemische bindingen via hun vibrationele signaturen, maar is traditioneel beperkt tot een ruimtelijke resolutie op micronschaal door optische diffractie. Fotothermische AFM–IR spectroscopie (AFM–IR) combineert AFM en IR spectroscopie om chemische karakterisering op nanoschaal mogelijk te maken door de gelokaliseerde fotothermische expansie na IR-absorptie te meten. Dit artikel presenteert een protocol voor heterodyne-gedetecteerde tapping-mode fotothermische AFM–IR en de toepassing ervan op halfgeleidermaterialen en -componenten. Het protocol beschrijft de voorbereiding van het instrument, de selectie en afstemming van de probe, AFM-topografie-imaging, de uitlijning en optimalisatie van de IR-laser, de acquisitie van gelokaliseerde IR-spectra en chemische mapping van geselecteerde vibrationele modi. Er wordt bijzondere nadruk gelegd op de praktische implementatie van tapping-mode AFM–IR voor halfgeleiderkarakterisering en factoren die de datakwaliteit beïnvloeden, waaronder de selectie van de probe, resonantie-afstemming en de uitlijning van de IR-bundel. Representatieve voorbeelden demonstreren het gebruik van AFM–IR om de materiaalsamenstelling in gestructureerde patronen te onderscheiden, gedeponeerde materialen op halfgeleidersubstraten te evalueren en residuele fotoresistverontreiniging na verwerking te identificeren. Het protocol maakt de acquisitie mogelijk van co-gelokaliseerde topografische en chemische informatie met ruimtelijke resolutie op nanoschaal en illustreert hoe AFM–IR kan worden toegepast op karakteriseringsuitdagingen in halfgeleideronderzoek en -productie. Om nieuwe gebruikers te ondersteunen, wordt er tevens een kort overzicht van de ontwikkeling van AFM–IR en een vergelijking van veelgebruikte IR-bronnen en imaging-modi gegeven.

Inleiding

Geavanceerde karakteriseringsmethoden spelen een cruciale rol in het onderzoek, de ontwikkeling en de productie van halfgeleiders. Atoomkrachtmicroscopie (AFM), die kan worden uitgevoerd onder omgevingscondities, in een cleanroom-omgeving, in een glovebox met inerte atmosfeer of in vacuüm, wordt op grote schaal toegepast in de halfgeleiderindustrie. De beschikbare AFM-modi combineren topografische mapping op nanoschaal van halfgeleidermaterialen en -componenten met colocalisatieve elektrische, magnetische, mechanische, piëzo-elektrische (d.w.z. elektromechanische) en thermische metingen, waaronder oppervlaktepotentiaal, elektrische weerstand, dopant-profilering en loc....

Protocol

Dit protocol maakt geen gebruik van dierlijke of menselijke cellijnen of proefpersonen. Let op dat, hoewel andere AFM–IR-implementatiemodi worden besproken, dit protocol specifiek is voor heterodyne-gedetecteerde tapping-mode fotothermische AFM–IR.

1. Experimentele opstelling

OPMERKING: Dit tapping-mode AFM-IR-protocol is bedoeld om zo algemeen mogelijk te zijn; de installatie en bediening zijn echter afhankelijk van het merk en model van het gebruikte systeem, inclusief de bijbehorende hardware (bijv. IR-bron(nen), AFM-platform en gerelateerde instrumentatie) en software. Raadpleeg

Resultaten

In het halfgeleiderveld kan een thermoplast zoals poly(methylmethacrylaat) (PMMA) worden gebruikt als isolator en worden gemengd met actieve halfgeleidende polymeren om de ladingsmobiliteit van het apparaat af te stemmen^77,78. PMMA is daarnaast nuttig als positieve resist voor elektronenbundel- of ultravioletlithografie⁷⁹. In beide toepassingen kan AFM–IR worden gebruikt om de polymeerdistributie na verwerking te bevestigen. In

Discussie

Het selecteren van de juiste probe voor de AFM–IR-geometrie (d.w.z. top-down versus bottom-up belichting) en de werkmodus (bijv. tapping-mode versus contact-mode AFM–IR) is een belangrijke overweging voor het verkrijgen van optimale, artefactvrije gegevens. Algemene probe-kenmerken om rekening mee te houden zijn de nominale veerconstante en de resonantiefrequentie, die doorgaans samen schalen. Hogere resonantiefrequenties, en dus grotere veerconstanten (d.w.z. stijvere cantilevers), hebben over het algemeen de voorkeur v.......

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
AFM-besturingssoftware	Bruker	Analysis Studio v3.17	Instrumentbesturing, AFM-imaging, AFM–IR-acquisitie en data-analyse.
AFM-beeldverwerkings- en analyse-software	Gwyddion	V2.69	AFM-dataverwerking en -analyse.
AFM–IR-probe(s), contactmodus	Bruker	PR-EX-CNIR-B-10	Resonantieversterkte contact-mode AFM–IR-probe; nominale veerconstante (k) = 0,2 N/m, resonantiefrequentie (f0) = 13 kHz, tipstraal (r) = 20 nm, Au-gecoate cantilever en tip.
AFM–IR-probe(s), tapping-modus	Bruker	PR-EX-TNIR-D-10	Tapping-mode AFM–IR-probe; nominale veerconstante (k) = 40 N/m, resonantiefrequentie (f0) = 300 kHz, tipstraal (r) = 20 nm. Au-gecoate cantilever en tip voor top-down verlichtings-AFM–IR-metingen. Alternatieve tapping-mode probe: PR-EX-TNIR-A-10 (k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 20 nm, Au-gecoate cantilever en tip).
AFM/STM-metalen specimen-schijf	Ted Pella	16208	Beschikbaar in meerdere maten (diameters): Product #16223 (6 mm diameter), 16207 (10 mm), 16208 (12 mm), 16218 (15 mm) en 16219 (20 mm).
Atomic force microscoop	Bruker (Anasys)	nanoIR3-s	AFM–IR-systeem gebruikt voor topografie-imaging, spectroscopie en chemische mapping. Inclusief Analysis Studio-software en Zurich Instruments MFLI lock-in versterker.
Breedbandige optische parametrische oscillator (OPO) bron	APE	Carmina tunable broadband MIR light source	Breedbandige mid-infraroodbron met golflengte-afstemming van 2,15–15 μm (~670–4650 cm-1) en een bandbreedte van ~20 cm-1 of ~170 cm-1 FWHM, afhankelijk van het gebruik in smalbandige (ps) of breedbandige (fs) modus. Ondersteunt AFM–IR (gepulseerde) en IR s-SNOM (quasi-CW) werking. Output is een lineair gepolariseerde TEM00-modus. Bediend met externe waterkoeling bij ongeveer 22 °C.
Koelmiddel voor chiller/corrosieremmer	Innovatek	Protect IP Concentrate	Op ethyleenglycol gebaseerd koelmiddel voor chiller en corrosieremmer, ontworpen voor menging in een verhouding van 1:3 met gedestilleerd water.
Samengeperste droge lucht	Beacon Medaes	SPR30T	Alternatief spoelgas wanneer ultra-zuivere (99,999%) N2 niet beschikbaar is. Een intern olievrije luchtcompressor- en drogersysteem voorziet laboratoria in het gehele gebouw.
Cyanoacrylaatlijm (superlijm)	Gorilla	7500101	Optionele niet-geleidende lijm voor het monteren van monsters op magnetische specimen-schijven. Superlijm met penseel en tuit voor eenvoudig aanbrengen bij monstermontage op magnetische specimen-schijven. Vrijwel elke op cyanoacrylaat gebaseerde superlijm is bruikbaar en kan ter vervanging worden gebruikt.
Gedestilleerd water	Albertsons	Pure Life	Gebruikt voor de bereiding van laser-chiller koelmiddelmengsels. Aangeschaft bij een lokale supermarkt, maar ook verkrijgbaar via leveranciers van wetenschappelijke/chemische benodigdheden.
Dubbelzijdige koolstofband	Fisher Scientific	50-285-81	Gebruikt voor tijdelijke/eenvoudig verwijderbare geleidende monstermontage op magnetische specimen-schijven. Iets minder geleidend/hogere plaatweerstand (50 Ω/in2) dan zilverpasta. Er kunnen ook dubbelzijdige koolstofband-lijmtabs worden gebruikt. Een handige vergelijkingstabel is te vinden op https://www.tedpella.com/adhesive_html/conductive-tapes-comparison.aspx.
Electron-beam lithografie (EBL) systeem	FEI	Teneo Nabity NPGS	Gebruikt om polymeer (PMMA) te patroneren voor een representatief monster van halfgeleiderpolymeer-fotoresistverwerking.
Epoxylijm	Loctite	EA E-60HP (237112)	Optionele niet-geleidende (isolerende) lijm voor het monteren van monsters op magnetische specimen-schijven. Dubbele cartridge spuitmengtuit voor eenvoudig aanbrengen en het waarborgen van de juiste verhouding tussen hars en hardingsmiddel. Vrijwel elke 2-componentenepoxy is bruikbaar en kan ter vervanging worden gebruikt, afhankelijk van aanvullende overwegingen voor monsterkarakterisering (bijv. bedrijfstemperatuur, vacuüm-outgassing, etc.).
Nagellak	Sally Hansen	Teflon Tuff 10 Day Nail Color	Optionele tijdelijke lijm voor het monteren van monsters op magnetische specimen-schijven. Ook clear LA Colors Base Coat/Top Coat is gebruikt. Vrijwel elke nagellak die verkrijgbaar is bij een lokale drogist is bruikbaar.
Isopropanol (IPA)	Fisher Scientific	A451-4	Gebruikt in een concentratie van 10% (v/v) in gedestilleerd water voor het QCL-chillerkoelmiddel om algengroei te voorkomen.
Laserveiligheidsbril	Thorlabs	LG11(A)	LG11 of LG11A Schott-glas IR-laserveiligheidsbrillen.
Lock-in versterker	Zurich Instruments	MFLI	Signaal-demodulatie en detectie voor AFM–IR-metingen.
Stikstofgasvoorraad	Norco	SPG TUHPNI	Ultra-zuiver (99,999%) instrument-spoelgas gebruikt om waterdamp en kooldioxide uit het optische pad te verwijderen.
Zuurstof-descum-instrument	Glen	1000P Plasma Cleaner	Gebruikt in representatieve experimenten voor de fabricage van halfgeleider-wafer-verwerkingsapparaten.
Fotoresist	Merck	AZ nLOF 2020 fotoresist + AZ 726 developer	Fotoresist en developer gebruikt voor een representatief monster van halfgeleider-wafer-verwerkingsapparaten.
Fotoresist-monster	Zelfgemaakt (Cornell University)	N/A	Een representatief monster voor de fabricage van halfgeleider-wafer-verwerkingsapparaten is bereid met AZ nLOF 2020/AZ 726 op een MOCVD-gegroeide Ga2O3-film op een Fe-gedopeerd (010) substraat en gebruikt voor AFM–IR-karakterisering.
PMMA	Kayaku Advanced Materials	495 PMMA A6	Gebruikt voor het fabriceren van een representatief polymeermonster voor EBL-patronering en daaropvolgende AFM–IR-karakterisering.
PMMA-monster	Zelfgemaakt (Boise State University)	N/A	Representatief polymeermonster bereid met 495 PMMA A6, gepatroneerd via EBL en gebruikt voor AFM–IR-karakterisering.
Polyethyleentereftalaat (PET)	Zelfgemaakt (Boise State University)	N/A	IR-actief uitlijnmonster gebruikt voor laseruitlijning en optimalisatie. Kan worden gefabriceerd door PET, PMMA of een ander carbonyl-bevattend polymeer via spin- of drop-casting aan te brengen op een glazen dekglas, siliciumwafer of ander geschikt vlak, idealiter sterk reflecterend, substraat.
Polypyrrool (PPy) monster	Zelfgemaakt (North Carolina State University)	N/A	Representatief gepatroneerd area selective deposition (ASD) monster gebruikt voor AFM–IR-karakterisering.
Quantumcascade-laser (QCL)	Daylight Solutions	MIRcat Ultra-Broadly Tunable Mid-IR Laser	Afstembare mid-infraroodbron met vier geïnstalleerde chips die 2635–3000 cm-1, 1425–1835 cm-1, 955–1425 cm-1 en 755–1005 cm-1 dekken. Lineair gepolariseerde (>100:1 contrastverhouding) TEM00-outputmodus met een bandbreedte van <1 cm-1. Bediend met externe waterkoeling bij ongeveer 21 °C.
Monsterhouder / chuck	Bruker	N/A	Monstermontage tijdens AFM–IR-metingen.
Scanning elektronenmicroscoop (SEM)	FEI	Verios 460L	Gebruikt voor aanvullende karakterisering, indien van toepassing.
Scanning elektronenmicroscoop (SEM)	Hitachi	SU8700	Gebruikt voor aanvullende karakterisering, indien van toepassing.
Blanket-coated siliciumwafer met siliciumdioxide (SiO2)	Micron Technology	N/A	Representatief oxide-gecoat siliciumwafer-substraat gebruikt om PMMA-monsters voor AFM–IR-metingen te fabriceren. Ongedopeerde Si-wafer met thermisch oxide van 100 nm dik.
Gepatroneerde siliciumwafer met siliciumnitride / siliciumdioxide	Tokyo Electron Limited (TEL)	N/A	Representatief gepatroneerd halfgeleider-wafer-monster gebruikt voor AFM–IR-karakterisering.
Zilverpasta	Ted Pella	16062	Sneldrogende geleidende lijm voor het monteren van monsters op magnetische specimen-schijven. Alternatieven voor Pelco Conductive Silver Paint (Product #16062) zijn onder meer Product #16031 (Pelco Colloidal Silver based Conductive Liquid Silver Paint). Een handige vergelijkingstabel is te vinden op https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx.
Software voor spectrale verwerking en presentatie	OriginLab	Origin 10.0.5.157	IR-spectrale verwerking en plotting.
Pincetten	Sigma-Aldrich	Titanium pincetten	Hantering van probes en monsters.
Trillingsvrije optische tafel	Newport	Integrity 2 VCS	Optische tafel gebruikt om mechanische trillingen tijdens AFM–IR-metingen te minimaliseren.
Waterkoeler	ThermoTek	T257P-20	Recirculerende chiller gebruikt voor het koelen van IR-laserbronnen. Koelmiddel en bedrijfsomstandigheden dienen de aanbevelingen van de fabrikant te volgen.