Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Mikroskopia sił atomowych z sondą aktywną z układami wspornikowymi Quattro-Parallel do wysokowydajnej kontroli próbek na dużą skalę

2.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65210

⸱

13 czerwca 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

W tym artykule

Podsumowanie

Wielkoskalowa kontrola próbek z rozdzielczością nanoskali ma szeroki zakres zastosowań, szczególnie dla nanofabrykowanych płytek półprzewodnikowych. Mikroskopy sił atomowych mogą być doskonałym narzędziem do tego celu, ale są ograniczone przez szybkość obrazowania. W tej pracy wykorzystuje się równoległe aktywne układy wspornikowe w AFM, aby umożliwić inspekcje o wysokiej przepustowości i na dużą skalę.

Streszczenie

Mikroskop sił atomowych (AFM) to potężne i wszechstronne narzędzie do badań powierzchni w nanoskali, służące do przechwytywania obrazów topografii 3D próbek. Jednak ze względu na ograniczoną przepustowość obrazowania, AFM nie są powszechnie stosowane do celów inspekcji na dużą skalę. Naukowcy opracowali szybkie systemy AFM do nagrywania dynamicznych filmów z procesów chemicznych i biologicznych w reakcjach chemicznych i biologicznych z prędkością kilkudziesięciu klatek na sekundę, kosztem małego obszaru obrazowania wynoszącego do kilku mikrometrów kwadratowych. Z kolei inspekcja wielkoskalowych struktur nanowytwarzanych, takich jak płytki półprzewodnikowe, wymaga obrazowania w nanoskali rozdzielczości przestrzennej próbki statycznej na przestrzeni setek centymetrów kwadratowych z wysoką wydajnością. Konwencjonalne AFM wykorzystują pojedynczą pasywną sondę wspornikową z systemem odchylania wiązki optycznej, która może zbierać tylko jeden piksel na raz podczas obrazowania AFM, co skutkuje niską przepustowością obrazowania. W pracy tej wykorzystano szereg aktywnych wsporników z wbudowanymi czujnikami piezorezystancyjnymi i siłownikami termomechanicznymi, co umożliwia jednoczesną pracę z wieloma wspornikami w trybie równoległym w celu zwiększenia przepustowości obrazowania. W połączeniu z nanopozycjonerami o dużym zasięgu i odpowiednimi algorytmami sterowania, każdy wspornik może być indywidualnie sterowany w celu przechwytywania wielu obrazów AFM. Dzięki algorytmom przetwarzania końcowego opartym na danych obrazy można ze sobą łączyć, a wykrywanie defektów można przeprowadzić poprzez porównanie ich z pożądaną geometrią. W tym artykule przedstawiono zasady niestandardowego AFM z wykorzystaniem aktywnych układów wspornikowych, a następnie omówiono praktyczne rozważania eksperymentalne dotyczące zastosowań inspekcyjnych. Wybrane przykładowe obrazy krzemowej siatki kalibracyjnej, wysoce zorientowanego grafitu pirolitycznego i masek litografii w ekstremalnym ultrafiolecie są rejestrowane przy użyciu układu czterech aktywnych wsporników ("Quattro") z odległością separacji końcówek 125 μm. Dzięki większej integracji inżynieryjnej, to wysokowydajne, wielkoskalowe narzędzie do obrazowania może dostarczać danych metrologicznych 3D dla masek w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV), kontroli planaryzacji chemiczno-mechanicznej (CMP), analizy awarii, wyświetlaczy, pomiarów krokowych cienkowarstwowych, matryc do pomiaru chropowatości i grawerowanych laserowo rowków uszczelnień suchego gazu.

Wprowadzenie

Mikroskopy sił atomowych (AFM) umożliwiają rejestrowanie trójwymiarowych obrazów topografii z rozdzielczością przestrzenną w skali nanometrów. Badacze rozszerzyli możliwości AFM, tworząc mapy właściwości próbek w domenach mechanicznej, elektrycznej, magnetycznej, optycznej i termicznej. Jednocześnie celem badań było zwiększenie przepustowości obrazowania, aby dostosować AFM do nowych potrzeb eksperymentalnych. Istnieją głównie dwie dziedziny zastosowań wysokoprzepustowego obrazowania AFM: pierwsza kategoria obejmuje szybkie obrazowanie niewielkiego obszaru w celu uchwycenia dynamicznych zmian w próbce wynikających z reakcji biologicznych lub chemicznych1,2; druga kategoria dotyczy wielkoskalowego obrazowania próbek statycznych z wysoką rozdzielczością przestrzenną podczas inspekcji, co jest szczegółowo omówione w niniejszej pracy. Wraz ze zmniejszaniem rozmiarów tranzystorów do skali nanometrycznej, przemysł półprzewodnikowy pilnie potrzebuje wysokoprzepustowych systemów AFM do inspekcji nanostruktur na poziomie wafla z rozdzielczością przestrzenną w skali nanometrów3.

Charakteryzacja nanostrukturowanych urządzeń na waflu może być trudna ze względu na ogromną różnicę w skali między waflem a elementami tranzystora. Duże defekty można automatycznie wykrywać za pomocą mikroskopów optycznych4. Ponadto do inspekcji w 2D z rozdzielczością do kilkudziesięciu nanometrów powszechnie stosuje się skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM)5. W celu uzyskania informacji 3D i wyższej rozdzielczości bardziej odpowiednim narzędziem jest AFM, pod warunkiem poprawy jego przepustowości.

W przypadku ograniczonej przepustowości obrazowania jednym z podejść jest obrazowanie wybranych obszarów wafla, w których z większym prawdopodobieństwem występują defekty nanofabrykacji6. Wymagałoby to wcześniejszej wiedzy na temat projektu i procesu fabrykacji. Alternatywnie możliwe jest połączenie innych modalności, takich jak mikroskop optyczny lub SEM z AFM, w celu uzyskania przekrojowego obrazu i powiększenia7,8. Aby prawidłowo zsynchronizować układ współrzędnych między narzędziami do fabrykacji i charakteryzacji, niezbędny jest szerokozakresowy, wysokoprecyzyjny system pozycjonowania. Ponadto, do realizacji tej funkcjonalności konieczny jest zautomatyzowany system AFM do obrazowania różnych wybranych obszarów.

Alternatywnie badacze analizowali różne sposoby zwiększenia prędkości skanowania AFM. Ponieważ umożliwienie wysokoprzepustowego obrazowania AFM stanowi systemowe wyzwanie w zakresie precyzyjnej aparatury, badano różne metody, w tym stosowanie mniejszych sond AFM, przeprojektowywanie nanopozycjonerów o wysokiej szerokości pasma9,10,11,12 oraz elektroniki sterującej13, optymalizację trybów pracy, algorytmów sterowania obrazowaniem14,15,16,17 i tym podobne. Dzięki tym wysiłkom efektywna prędkość względna sondy i próbki może zostać zwiększona do maksymalnie około kilkudziesięciu milimetrów na sekundę w przypadku komercyjnie dostępnych systemów AFM z pojedynczą sondą.

Aby dodatkowo zwiększyć przepustowość obrazowania, naturalnym rozwiązaniem jest dodanie wielu sond pracujących równolegle. Jednak system optycznego pomiaru odchylenia belki (OBD), wykorzystywany do wykrywania ugięcia wspornika, jest stosunkowo masywny, co sprawia, że dodanie wielu sond jest dość trudne. Trudne do zrealizowania może być również indywidualne sterowanie ugięciem każdego wspornika.

Aby przezwyciężyć to ograniczenie, preferowane są zasady wbudowanego detekcji i aktuacji, które nie wymagają nieporęcznych komponentów zewnętrznych. Jak szczegółowo opisano w poprzednio opublikowanych raportach18,19, detekcję ugięcia opartą na zasadach piezorezystywnych, piezoelektrycznych i optomechanicznych można uznać za detekcję wbudowaną, przy czym dwie pierwsze są bardziej dojrzałe i łatwiejsze w implementacji. W przypadku wbudowanej aktuacji można wykorzystać zarówno zasady termomechaniczne z ogrzewaniem elektrycznym, jak i piezoelektryczne. Chociaż zasady piezoelektryczne mogą działać w szerszym zakresie temperatur, aż do środowisk kriogenicznych, mogą one obsługiwać jedynie pracę AFM w trybie stukowym (tapping mode), ponieważ nie można zmierzyć ugięcia statycznego ze względu na wyciek ładunku, a aktuacja statyczna cierpi na histerezę i pełzanie. W poprzednich pracach opracowano aktywne macierze sond wspornikowych wykorzystujące czujniki piezorezystywne i piezoelektryczne do obrazowania w szerokim zakresie20,21, lecz nie zostały one dalej przeskalowane do obrazowania wielkoskalowego ani skomercjalizowane. W niniejszej pracy kombinację detekcji piezorezystywnej i aktuacji termomechanicznej wybrano jako wbudowane przetworniki z możliwością kontroli ugięcia statycznego.

W niniejszej pracy nowatorska równoległa macierz aktywnych belek wspornikowych „Quattro”22 została wykorzystana jako sonda23 do jednoczesnego obrazowania z użyciem aktywnych belek wspornikowych. W celu pomiaru ugięcia belki wspornikowej, w podstawie każdego mikro-wspornika nanolithograficznie wykonano czujniki piezorezystancyjne w konfiguracji mostka Wheatstone'a19, służące do pomiaru naprężeń wewnętrznych, które są liniowo proporcjonalne do ugięcia końcówki belki. Ten kompaktowy, wbudowany czujnik może osiągnąć rozdzielczość subnanometryczną, podobnie jak konwencjonalny czujnik OBD. Równanie sterujące wyjściowym napięciem mostka Wheatstone'a Uout w odpowiedzi na przyłożoną siłę F lub ugięcie belki wspornikowej z przedstawiono w Równaniu 119 dla belki o długości L, szerokości W i grubości H, współczynniku czujnika piezorezystancyjnego PR, efektywnym module sprężystości belki E oraz napięciu zasilania mostka Ub.

Równanie: Równowaga dynamiczna, wzór ze zmiennymi PRF, WH, RHEZ, L w analizie fizyki doświadczalnej.    (1)

Ponieważ w celu nieniszczącego obrazowania, aby uniknąć zaburzeń próbki, preferowany jest tryb dynamiczny stukający/bezkontaktowy, do podgrzewania dwuwarstwowej belki bimorficznej wykonanej z materiałów takich jak stop aluminium/magnezu24, krzem i tlenek krzemu, stosuje się siłownik termomechaniczny wykonany z aluminiowych drutów o kształcie serpentyny. W skali mikroskopowej stała czasowa procesów termicznych jest znacznie mniejsza, a rezonans belki w zakresie od dziesiątek do setek kilohertz może zostać wzbudzony poprzez sterowanie grzałką sygnałem elektrycznym. Ugięcie wolnego końca belki zh kontrolowane przez temperaturę grzałki ΔT względem otoczenia przedstawiono w Równaniu 219 dla długości belki L ze stałą K, zależną od termicznego współczynnika rozszerzalności materiału bimorficznego oraz geometrycznej grubości i powierzchni. Należy zauważyć, że ΔT jest proporcjonalne do mocy grzałki P, która jest równa kwadratowi przyłożonego napięcia V podzielonemu przez jego rezystancję R.

Równanie termiczne, wzór na wymianę ciepła z relacją proporcjonalności, schemat naukowy    (2)

Dodatkową zaletą jest możliwość kontrolowania ugięcia statycznego obok wzbudzenia rezonansowego. Funkcja ta może być szczególnie pomocna w indywidualnej regulacji oddziaływania sondy z próbką dla każdego wspornika z osobna. Ponadto, za pomocą wbudowanego aktuatora termomechanicznego można indywidualnie wzbudzać wiele wsporników na tym samym chipie bazowym, co jest niemożliwe przy konwencjonalnym wzbudzeniu rezonansowym za pomocą fal akustycznych generowanych piezoelektrycznie.

Dzięki połączeniu detekcji piezorezystywnej i aktuacji termomechanicznej, aktywna sonda wspornikowa umożliwiła szeroki zakres zastosowań, w tym kolokowaną mikroskopię AF w mikroskopii SE, obrazowanie w nieprzezroczystych cieczach oraz litografię za pomocą sondy skanującej, a więcej szczegółów znajduje się w przeglądzie25. W celu zapewnienia wysokiej przepustowości inspekcji, stworzono układ aktywnych wsporników w reprezentatywnym przykładzie implementacji AFM obejmującym cztery równoległe wsporniki, jak pokazano na Rysunku 1. W przyszłości zostanie opracowany system w skali przemysłowej wykorzystujący osiem równoległych aktywnych wsporników i dziesiątki pozycjonerów28. Aby zilustrować skalę na przykładzie: przy rozdzielczości przestrzennej w płaszczyźnie 100 nm, obrazowanie obszaru o wymiarach 100 mm na 100 mm skutkowałoby powstaniem ponad 106 linii skanowania i 1012 pikseli. Przy prędkości skanowania 50 mm/s na wspornik, wymagałoby to łącznie ponad 555,6 h skanowania (23+ dni) dla pojedynczego wspornika, co jest zbyt długim czasem, aby było to praktycznie użyteczne. Dzięki zastosowaniu technologii układu aktywnych wsporników z dziesiątkami pozycjonerów, wymagany czas obrazowania może zostać zredukowany o około dwa rzędy wielkości do 5-10 h (mniej niż pół dnia) bez żadnych kompromisów w zakresie rozdzielczości, co stanowi rozsądną skalę czasową dla celów inspekcji przemysłowej.

Aby uzyskać obrazy o dużej rozdzielczości i szerokim polu widzenia, zaktualizowano również system nanopozycjonowania. W przypadku obrazowania dużych próbek w skali wafla preferowane jest skanowanie sondy zamiast próbki, aby zmniejszyć rozmiar przemieszczanych obiektów. Przy odległości 125 µm pomiędzy aktywnymi wspornikami, skaner obejmuje obszar nieco większy niż ten zakres, co pozwala na zszycie obrazów z każdego wspornika podczas postprocesingu. Po zakończeniu skanowania pozycjoner gruboziarnisty automatycznie przenosi sondę do nowego sąsiedniego obszaru, aby kontynuować proces obrazowania. Podczas gdy wbudowany siłownik termomechaniczny reguluje ugięcie każdego wspornika, średnie ugięcie wszystkich równoległych wsporników jest regulowane za pomocą innego kontrolera proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID), aby wspomagać wsporniki podczas śledzenia topografii. Kontroler skanera zapewnia również, że ugięcie każdego wspornika nie przekracza maksymalnej wartości progowej, co mogłoby spowodować utratę kontaktu innych sond z powierzchnią w przypadku zbyt dużych zmian topograficznych.

Zakres zmienności topografii, który można monitorować dla belek wspornikowych na tym samym chipie bazowym, powinien być ograniczony, ponieważ zakres sterowania statycznym ugięciem belki wspornikowej wynosi rzędu kilkunastu mikrometrów. W przypadku wafli półprzewodnikowych zmienność topografii próbki występuje zazwyczaj w skali submikrometrowej, więc nie powinna ona stanowić większego problemu. Jednakże przy dodaniu większej liczby belek wspornikowych problemem może stać się nachylenie płaszczyzny próbki względem linii belek. W praktyce osiem równoległych belek wspornikowych z odstępami bliskimi 1 mm wciąż pozwalałoby na kąt nachylenia 1°, podczas gdy dodanie kolejnych belek może utrudnić realizację kontroli nachylenia. Dlatego stosowanie wielu grup sond ośmiobelkowych umieszczonych na oddzielnych skanerach sond jest obecnie wdrażanym rozwiązaniem, mającym na celu pełne wykorzystanie potencjału zasady równoległych aktywnych sond z belkami wspornikowymi.

Po zebraniu danych konieczne jest przeprowadzenie operacji postprocessingu w celu uzyskania pożądanych informacji. Proces ten polega zazwyczaj na usuwaniu artefaktów skanowania, łączeniu sąsiednich obrazów w celu utworzenia pełnej panoramy oraz opcjonalnie na identyfikacji defektów strukturalnych poprzez porównanie ich z pożądaną geometrią przy użyciu odpowiednich algorytmów26. Warto zauważyć, że w przypadku szerokiego zakresu obrazów ilość zgromadzonych danych może być ogromna, dlatego opracowywane są również algorytmy uczenia oparte na danych w celu bardziej efektywnego przetwarzania27.

Niniejszy artykuł przedstawia ogólny proces pozyskiwania obrazów AFM o wysokiej rozdzielczości przy użyciu równoległego układu aktywnych wsporników zintegrowanego z niestandardowym systemem AFM. Szczegółowa implementacja systemu jest opisana w 22,28,29,30, a system jest komercjalizowany pod numerem modelu wymienionym w Tabeli materiałów. Wszystkie cztery wsporniki pracowały w trybie stukającym (tapping mode), pobudzanym przez wbudowany aktuator termomechaniczny. W celu zilustrowania skuteczności tego nowego narzędzia AFM w inspekcji dużych obszarów przedstawiono reprezentatywne wyniki uzyskane na próbkach kalibracyjnych, maskach do nanofabrykacji oraz próbkach wysoko zorientowanego grafitu pirolitycznego (HOPG) (patrz Tabela materiałów).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie próbki do kontroli na dużą skalę

  1. Przygotować próbkę o rozmiarze odpowiednim dla AFM (patrz tabela materiałów).
    UWAGA: Próbki w kształcie płytki o średnicy w płaszczyźnie od 75 mm do 300 mm i oczekiwanej zmienności wysokości poza płaszczyzną poniżej 200 μm mogą zmieścić się na stoliku na próbki AFM. W tym badaniu zastosowano maskę na ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe (EUV) na 4-calowej płytce (patrz tabela materiałów).
  2. Oczyść próbkę, aby usunąć zanieczyszczenia i przechowuj próbki w czystym pomieszczeniu lub środowisku o niskim zapyleniu, takim jak komora próżniowa lub szafa przedmuchiwana azotem.
    1. Usuń duże cząstki kurzu, przedmuchując próbkę pistoletem natryskowym ze sprężonym azotem lub spłucz wodą dejonizowaną, jeśli próbka nie reaguje z wodą. Aby uniknąć uszkodzenia próbki, należy stosować małe natężenie przepływu poniżej 0,1 m3/min.
    2. Opcjonalnie należy zastosować czyszczenie plazmowe w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych. Umieścić próbkę w maszynie do obróbki plazmowej. Zamknij komorę i obniż ciśnienie do 600 mTorr. Wystawić próbkę na działanie plazmy przez 30 s w celu oczyszczenia.
      UWAGA: Krok 1.3.2 jest opcjonalny w przypadku usuwania zanieczyszczeń. W tym badaniu produkcja i charakterystyka zostały przeprowadzone w pomieszczeniu czystym, więc ten krok nie był potrzebny.
  3. Zidentyfikuj odpowiednie strategie obrazowania, w tym obszary zainteresowania, zasięg skanowania, rozdzielczość przestrzenną/pikselową i prędkość linii skanowania.
    1. Określ, czy próbka wymaga ogólnej panoramy, czy automatycznego obrazowania wielu mniejszych, wybranych obszarów.
      UWAGA: W przypadku próbek nanowytwarzanych o pożądanej strukturze często łatwiej jest określić kluczowe obszary, które są bardziej podatne na defekty do celów kontroli. W przypadku innych próbek wykonanie obrazu o niskiej rozdzielczości przestrzennej w celu uzyskania szybkiego przeglądu, a następnie powiększenie mniejszego obszaru zainteresowania w celu obrazowania w wysokiej rozdzielczości przestrzennej może być łatwiejsze.
    2. Oszacuj rozmiar obiektów na podstawie wcześniejszej wiedzy o próbie, aby określić żądaną rozdzielczość przestrzenną w celu rozwiązania tych obiektów.
    3. Użyj stosunku zakresu obrazowania i rozdzielczości przestrzennej, aby określić rozdzielczość pikseli.
    4. Wybierz początkową prędkość linii skanowania w oparciu o wcześniejsze doświadczenia z próbką lub użyj oprogramowania systemowego AFM później, w oparciu o materiał próbki, dynamikę sondy i żądaną rozdzielczość przestrzenną.

2. Kalibracja przyrządu AFM i konfiguracja eksperymentu

  1. Wybierz odpowiednią aktywną tablicę wspornikową AFM.
    UWAGA: Sztywność aktywnego wspornika AFM, częstotliwość pierwszego rezonansu i ostrość nieużywanej końcówki sondy dla każdego wspornika w układzie sondy są charakteryzowane na podstawie produkcji. Dane mogą być pobierane od producenta i automatycznie ładowane do oprogramowania przed obrazowaniem. Wybór odpowiedniego wspornika zalecanego przez oprogramowanie na podstawie próbki materiału lub aplikacji jest pomocny w zapewnieniu udanego obrazowania. Ze względu na zmienność produkcji, właściwości każdego wspornika mogą być różne, ale na podobnym poziomie.
  2. Włącz AFM, włączając główne zasilanie kontrolera i poczekaj na zainicjowanie systemu. Włącz komputer hosta i otwórz oprogramowanie systemowe AFM.
  3. Wykonaj aktywną instalację sondy wspornikowej.
    1. Podnieś skaner sondy do góry, klikając aktywną instalację wspornikową. Poczekaj, aż uchwyt sondy zostanie podniesiony z sample stage i zatrzyma się automatycznie.
    2. Zamontuj i zabezpiecz zestaw sond wspornikowych AFM na uchwycie sondy.
      UWAGA: Matryce wspornikowe AFM są przymocowane do uchwytu w kształcie karty nano-SD i mogą być obsługiwane bezpośrednio ręcznie w celu instalacji sondy. Dzięki zasadniczej różnicy w zasadach wykrywania i uruchamiania, nie ma potrzeby wykonywania żadnego wyrównania laserowego.
    3. Kliknij na Probe Auto Settings (Ustawienia automatyczne sondy) i załaduj informacje o sondzie dostarczone przez producenta (patrz Tabela materiałów). Upewnij się, że numer seryjny na sondzie i w oprogramowaniu jest zgodny.
    4. Przeprowadź przemiatanie częstotliwości sondy, aby zweryfikować rezonans każdego wspornika do obrazowania. Kliknij Cantilever Tuning i kliknij Sweep w wyskakującym okienku. Określ częstotliwość początkową i częstotliwość końcową, jeśli zakres jest znany. Jeśli nie, oprogramowanie automatycznie zaktualizuje wartości przy użyciu ustawień domyślnych.
      UWAGA: Ten krok jest w zasadzie opcjonalny dla nowych sond, ponieważ zostały one skalibrowane po wyprodukowaniu. Jednak w przypadku sond, które były używane wcześniej, zaleca się wykonanie tego przemiatania na wypadek, gdyby jakiekolwiek właściwości uległy zmianie podczas poprzedniej operacji (np. przyłączenie cząstek zanieczyszczeń, które przesuwają rezonans wspornika). Dzięki uruchamianiu termomechanicznemu moc grzewcza jest proporcjonalna do kwadratu napięcia sterującego. W przypadku pracy w trybie bezkontaktowym generowana jest druga harmoniczna składowej sinusoidalnej napięcia wejściowego ze względu na zależność kwadratową w równaniu 2. Ta druga harmoniczna jest zwykle dopasowywana do rezonansu wspornikowego podczas wzbudzenia, ponieważ sygnał przesunięcia prądu stałego (DC) nie wpływa na jego amplitudę. W związku z tym składowe prądu stałego kontrolują średnie ugięcie wychylenia wspornika, a składowa prądu przemiennego (AC) sygnału sterującego jest automatycznie ustawiana na połowę częstotliwości rezonansowej wspornika w celu obrazowania.
  4. Załaduj i zabezpiecz próbkę na miejscu. Upewnij się, że dolna powierzchnia stykająca się z próbką jest równoległa do górnej powierzchni z obiektami, które mają być obrazowane. Dostosuj nachylenie stolika próbki za pomocą pokręteł mikrometru, aby upewnić się, że próbka jest płaska. Dodaj podkładki dystansowe, jeśli nachylenie jest zbyt duże, aby pozycjonery precyzyjnej regulacji mogły to skompensować.
  5. Wyregulować położenie XY próbki w płaszczyźnie za pomocą mikrometru na stoliku AFM. Użyj obrazu z mikroskopu optycznego, aby zlokalizować obszar zainteresowania i ustawić względne położenie układu wspornikowego na pierwszym obszarze zainteresowania, który ma być obrazowany.
  6. Ustal współrzędną globalną, klikając przycisk XYZ Zero.
    UWAGA: W celu utworzenia obrazu panoramicznego ten krok można wykonać z grubsza przy użyciu widoku mikroskopu optycznego. Podczas obrazowania wybranych obszarów próbki wytworzonej w nanostanie może być konieczne precyzyjne wyrównanie współrzędnej XYZ sprzętu produkcyjnego ze współrzędną AFM. Ten krok można wykonać bardziej precyzyjnie, wykonując obrazowanie AFM i ponownie klikając przycisk XYZ Zero.
  7. Zamknij i uszczelnij osłonę akustyczną.
    UWAGA: Osłona akustyczna pomaga zmniejszyć rozchodzenie się drgań w powietrzu. Co więcej, uszczelniona pokrywa może również zmniejszyć ryzyko lądowania cząstek kurzu na próbce, ponieważ obrazowanie na dużą skalę może zająć dużo czasu. Ta osłona ochronna może być opcjonalna w środowisku czystym bez źródeł wibracji.

3. Obrazowanie topografii i dostrajanie parametrów

  1. Wybierz zakładkę Imaging Parameter Setup (aktywny tryb własny wysięgnika, prędkość skanowania, wartość zadana itp.) i wprowadź żądane parametry obrazowania.
    1. W przypadku pojedynczego obrazu panoramicznego wprowadź współrzędne lewego górnego rogu obrazu i rozmiar skanowania. Aby automatycznie obrazować wiele wybranych regionów, powtórz ten proces dla wszystkich obszarów, które mają być obrazowane. Dodaj dodatkowe wyściółkę wokół obszaru obrazowania, aby zszywać obrazy po przetworzeniu.
      UWAGA: W niniejszym badaniu lewy górny róg maski EUV został ustawiony z predefiniowanymi cechami, a system został skonfigurowany do jednoczesnego przechwytywania czterech obrazów o wymiarach 130 μm na 130 μm przy użyciu każdego wspornika.
    2. Wprowadź żądaną rozdzielczość pikseli w płaszczyźnie (zwykle tysiące pikseli na linię skanowania) i użyj domyślnej zalecanej prędkości skanowania linii z oprogramowania do obrazowania. W razie potrzeby ręcznie dostosuj prędkość skanowania linii dla każdego obszaru, który ma zostać zobrazowany.
      UWAGA: W tym badaniu do uzyskania obrazów o wysokiej rozdzielczości użyto rozdzielczości pikseli 26 000 pikseli na linię, co odpowiada 5 nm na piksel.
    3. W trybie bezkontaktowym należy użyć domyślnej amplitudy napędu, częstotliwości i wartości zadanej w oprogramowaniu uzyskanej na podstawie charakterystyki wspornika lub ręcznie wprowadzić wartość zadaną dla każdej wysięgnika w tablicy. Pozostaw ustawienia regulatora PID jako domyślne.
  2. Połączyć układ aktywnych sond wspornikowych z próbką.
    1. Kliknij Zainicjuj wspornik, aby wstępnie zgiąć wspornik przed obrazowaniem.
    2. Kliknij Rozpocznij napęd bezkontaktowy, aby wzbudzić rezonans wspornika.
    3. Kliknij przycisk Włącz, aby system automatycznie zetknął się z próbką i sondą. Obrazowanie rozpocznie się automatycznie po zakończeniu tego kroku.
  3. Dostosuj parametry regulatora PID dla każdej wysięgnika na podstawie zeskanowanego śladu/obrazu. Dostosuj parametry PID, aby poprawić dopasowanie między liniami śledzenia i retracenia, co pomaga uchwycić zmiany topografii. Szybkość obrazowania można również odpowiednio dostosować, aby poprawić wydajność śledzenia topografii
    4. .
  4. Zapisz bieżące dane na ekranie, klikając przycisk Zapisz. Dane zostaną również automatycznie zapisane podczas skanowania na końcu każdej klatki.
  5. Zatrzymaj obrazowanie, klikając przycisk Zatrzymaj. System zatrzyma obrazowanie i automatycznie wycofa matrycę wspornikową z próbki. Napęd wspornikowy zostanie również zatrzymany, aby można było bezpiecznie odinstalować sondę.
  6. Wyjmij sondę i sample ostrożnie i wyłącz system.

4. Przetwarzanie końcowe i analiza obrazu

  1. Otwórz oprogramowanie do analizy obrazu AFM dostarczone przez dostawcę.
    1. Kliknij Auto Process, aby zastosować domyślną sekwencję przetwarzania końcowego, w tym korekcję nachylenia próbki, usuwanie wartości odstających na poziomie pikseli i dopasowywanie linii skanowania.
    2. Dalsze korekty wad obrazu należy stosować ręcznie na podstawie obserwacji obrazów. W przypadku zaawansowanych instrumentów AFM takie defekty są rzadkie, ale obrazy można poprawić, wykonując te czynności.
      UWAGA: W przypadku dużych ilości obrazów możliwe jest zautomatyzowanie procesu za pomocą skryptów makr lub języka Python poprzez przetwarzanie wsadowe z tą samą operacją. Nie było to wymagane w niniejszym badaniu.
  2. Użyj oprogramowania, aby utworzyć obraz panoramiczny, klikając przycisk Obraz panoramiczny i wybierając wiele obrazów do zszycia.
    UWAGA: Zszywanie obrazów odbywa się automatycznie poprzez bezpośrednie wykorzystanie nakładającej się przestrzeni sąsiednich obrazów. Alternatywnie, scalanie obrazów próbuje zmaksymalizować korelację nakładających się pikseli na krawędziach. W tych poleceniach dostępne są różne opcje, które można zoptymalizować, aby poprawić ogólną wydajność scalania.
  3. Zapisz dane do dalszej analizy w oparciu o konkretną próbkę.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Aby zademonstrować skuteczność obrazowania AFM w szerokim zakresie z wykorzystaniem równoległych aktywnych wsporników do obrazowania topografii, na Rysunku 2 przedstawiono zszyte obrazy siatki kalibracyjnej, wykonane przez cztery wsporniki pracujące równolegle. Struktura kalibracyjna na płytce krzemowej posiada elementy o długości 45 µm i wysokości 14 nm. Każdy wspornik obejmuje obszar 125 µm na 125 µm, co pozwala na uzyskanie zszytego obrazu panoramicznego o wymiarach 500 µm na 125 µm. Pręd...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Jak wykazano w reprezentatywnych wynikach, aktywny układ wspornikowy może być używany do równoległego przechwytywania wielu obrazów próbki statycznej. Ta skalowalna konfiguracja może znacznie poprawić wydajność obrazowania próbek o dużej powierzchni, dzięki czemu nadaje się do kontroli nanowytwarzanych urządzeń na płytkach półprzewodnikowych. Technika ta nie ogranicza się również do konstrukcji stworzonych przez człowieka; Dopóki różnice topografii w grupie aktywnych wsporników nie są zbyt duże, aby układ wspornikowy móg...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie pozostają w konflikcie interesów.

Podziękowania

Autorzy Ivo W. Rangelow i Thomas Sattel pragną podziękować niemieckiemu Federalnemu Ministerstwu Edukacji i Badań (BMBF) oraz niemieckiemu Federalnemu Ministerstwu Spraw Gospodarczych i Działań na rzecz Klimatu (BMWK) za wsparcie części prezentowanych metod poprzez finansowanie projektów FKZ:13N16580 "Aktywne sondy z diamentową końcówką do metrologii kwantowej i nanofabrykacji" w ramach linii badawczej KMU-innovativ: Fotonika i Technologie Kwantowe oraz KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner for fast and large metrological tasks in Atomic Force Microscopy" w ramach linii finansowania Central Innovation Program for small and medium industries (ZIM). Część przedstawionych tu prac została sfinansowana ze środków Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej 7PR/2007-2013 w ramach umowy o grant nr 318804 "Single Nanometre Manufacturing: Beyond CMOS". Autorzy, Ivo W. Rangelow i Eberhard Manske, wyrażają wdzięczność za wsparcie ze strony Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) w ramach Naukowej Grupy Szkoleniowej "Nanofabrykacja 3D oparta na końcówkach i laserach w rozszerzonych makroskopowych obszarach roboczych" (GRK 2182) na Technische Universität Ilmenau, Niemcy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Aktywny wspornik nano analytik GmbHAC-10-2012Sonda AFM
E-BeamEBX-30, INC012323-15Przyrząd do modelowania masek
Wysoce zorientowany grafit pirolityczny – HOPGTED PELLA, INC626-10Próbka kalibracyjna AFM
Próbka maskiNanda Technologies GmbHPodłoże testoweMaska EUV Próbka podłoża
NANO-COMPAS-PRO nano analytik GmbH23-2016AFM Software
nanoMetronom 20nano analytik GmbH1-343-2020AFM Instrument

Bibliografia

  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 microscope for large-range and high-speed imaging. Ultramicroscopy. 160, 213-224 (2016).
  3. Sohn, Y., Ryu, S., Yang, Y. Semiconductor technology challenges in high volume manufacturing of semiconductors. Microscopy and Microanalysis. 28, 800-801 (2022).
  4. Ebayyeh, A. A. R. M. A., Mousavi, A. A review and analysis of automatic optical inspection and quality monitoring methods in electronics industry. IEEE Access. 8, 183192-183271 (2020).
  5. Nakamae, K. Electron microscopy in semiconductor inspection. Measurement Science and Technology. 32 (5), 052003(2021).
  6. Nduhura-Munga, J., et al. A literature review on sampling techniques in semiconductor manufacturing. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 26 (2), 188-195 (2013).
  7. Zhang, T., et al. Correlative AFM and scanning microlens microscopy for time-efficient multiscale imaging. Advanced Science. 9 (12), 2103902(2022).
  8. Holz, M., et al. Correlative microscopy and nanofabrication with AFM integrated with SEM. Microscopy Today. 27 (6), 24-30 (2019).
  9. Yang, C., Xia, F., Wang, Y., Truncale, S., Youcef-Toumi, K. Design and control of a multi-actuated nanopositioning stage with stacked structure. 2019 American Control Conference (ACC). , IEEE. Philadeplhia. 3782-3788 (2019).
  10. Xia, F., Truncale, S., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. Design and control of a multi-actuated high-bandwidth and large-range scanner for atomic force microscopy. 2018 Annual American Control Conference (ACC). , IEEE. Milwaukee, WI. 4330-4335 (2018).
  11. Yong, Y. K., Moheimani, S. O. R., Kenton, B. J., Leang, K. K. Invited review article: high-speed flexure-guided nanopositioning: mechanical design and control issues. The Review of Scientific Instruments. 83 (12), 121101(2012).
  12. Wang, J. Y., Mullin, N., Hobbs, J. K. High-speed large area atomic force microscopy using a quartz resonator. Nanotechnology. 29 (33), 335502(2018).
  13. Yang, C., et al. Charge controller with decoupled and self-compensating configurations for linear operation of piezoelectric actuators in a wide bandwidth. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 66 (7), 5392-5402 (2019).
  14. Yang, C., Xia, F., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. Comprehensive study of charge-based motion control for piezoelectric nanopositioners: Modeling, instrumentation and controller design. Mechanical Systems and Signal Processing. 166, 108477(2022).
  15. Xia, F., Yang, C., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. Bandwidth based repetitive controller design for a modular multi-actuated AFM scanner. 2019 American Control Conference (ACC). , IEEE. Philadelphia, PA. 3776-3781 (2019).
  16. Ahmad, A., Schuh, A., Rangelow, I. W. Adaptive AFM scan speed control for high aspect ratio fast structure tracking. The Review of Scientific Instruments. 85 (10), 103706(2014).
  17. Coskun, M. B., Alemansour, H., Fowler, A. G., Maroufi, M., Moheimani, S. O. R. Q control of an active AFM cantilever with differential sensing configuration. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 27 (5), 2271-2278 (2019).
  18. Xia, F., Mayborne, M. P., Ma, Q., Youcef-Toumi, K. Physical intelligence in the metaverse: mixed reality scale models for twistronics and atomic force microscopy. 2022 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). , IEEE. Sapporo, Japan. 1722-1729 (2022).
  19. Xia, F., et al. A modular low-cost atomic force microscope for precision mechatronics education. Mechatronics. 76, 102550(2021).
  20. Minne, S. C., et al. Centimeter scale atomic force microscope imaging and lithography. Applied Physics Letters. 73 (12), 1742-1744 (1998).
  21. Minne, S. C., et al. Automated parallel high-speed atomic force microscopy. Applied Physics Letters. 72 (18), 2340-2342 (1998).
  22. Ahmad, A., et al. Large area fast-AFM scanning with active "Quattro" cantilever arrays. Journal of Vacuum Science & Technology B. 34 (6), (2016).
  23. Gotszalk, T., Grabiec, P., Rangelow, I. W. Piezoresistive sensors for scanning probe microscopy. Ultramicroscopy. 82 (1), 39-48 (2000).
  24. Angelov, T., et al. Thermo-mechanical transduction suitable for high-speed scanning probe imaging and lithography. Microelectronic Engineering. 154, 1-7 (2016).
  25. Rangelow, I. W., et al. Active scanning probes: A versatile toolkit for fast imaging and emerging nanofabrication. Journal of Vacuum Science & Technology B. 35 (6), 101(2017).
  26. Marinello, F., Bariani, P., De Chiffre, L., Hansen, H. N. Development and analysis of a software tool for stitching three-dimensional surface topography data sets. Measurement Science and Technology. 18 (5), 1404(2007).
  27. López de la Rosa, F., Sánchez-Reolid, R., Gómez-Sirvent, J. L., Morales, R., Fernández-Caballero, A. A review on machine and deep learning for semiconductor defect classification in scanning electron microscope images. Applied Sciences. 11 (20), 9508(2021).
  28. Holz, M., et al. High throughput AFM inspection system with parallel active cantilevers. In Photomask Technology 2019. 11148, SPIE. 278-287 (2019).
  29. Gotszalk, T., Ivanov, T., Rangelow, I. Parallel SPM cantilever arrays for large area surface metrology and lithography. In Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXVIII. 9050, SPIE. 274-282 (2014).
  30. Ahmad, A., et al. 13th Intl. Workshop on Nanomechanical Sensing. Quattro-Cantilever Array: Large Area and High Speed AFM Imaging and Nanolithography. , (2016).
  31. Shearer, C. J., Slattery, A. D., Stapleton, A. J., Shapter, J. G., Gibson, C. T. Accurate thickness measurement of graphene. Nanotechnology. 27 (12), 125704(2016).
  32. Shioyama, H. The interactions of two chemical species in the interlayer spacing of graphite. Synthetic Metals. 114 (1), 1-15 (2000).
  33. Ivanova, K., et al. Scanning proximal probes for parallel imaging and lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 26 (6), 2367-2373 (2008).
  34. García, R., San Paulo, A. Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy. Physical Review B. 60 (7), 4961-4967 (1999).
  35. Ruppert, M. G., Fowler, A. G., Maroufi, M., Moheimani, S. O. R. On-chip dynamic mode atomic force microscopy: a silicon-on-insulator MEMS approach. Journal of Microelectromechanical Systems. 26 (1), 215-225 (2017).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Aktywne macierze wspornikówrównoległe obrazowanie AFMwysokoprzepustowe AFMczujniki piezorezystancyjneaktuatory termomechanicznenanopozycjoneryobrazowanie topograficznewykrywanie defektówinspekcja wafli półprzewodnikowych
Mikroskopia sił atomowych z sondą aktywną z układami wspornikowymi Quattro-Parallel do wysokowydajnej kontroli próbek na dużą skalę
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.