Method Article

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

DOI:

10.3791/65210

⸱

June 13th, 2023

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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikroskopy sił atomowych (AFM) mogą rejestrować obrazy topografii 3D z nanoskalową rozdzielczością przestrzenną. Naukowcy rozszerzyli możliwości AFM w celu tworzenia map właściwości próbek w domenach mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, optycznych i termicznych. W międzyczasie poprawa przepustowości obrazowania była również przedmiotem badań mających na celu dostosowanie AFM do nowych potrzeb eksperymentalnych. Istnieją przede wszystkim dwie domeny zastosowań do wysokoprzepustowego obrazowania AFM: pierwsza kategoria to szybkie obrazowanie małego obszaru w celu uchwycenia dynamicznych zmian w próbce spowodowanych reakcjami biologicznymi lub chemicznymi1,2; Druga kategoria dotyczy obrazowania próbek statycznych podczas inspekcji w wysokiej rozdzielczości przestrzennej i na dużą skalę, co zostało szczegółowo omówione w niniejszej pracy. W związku z tym, że rozmiar tranzystora zmniejsza się do nanoskali, przemysł półprzewodnikowy pilnie potrzebuje wysokowydajnych AFM do kontroli nanofabrykowanych urządzeń w skali wafli krzemowych o nanoskalowej rozdzielczości przestrzennej3.

Charakterystyka nanoprefabrykowanych urządzeń na płytce może być trudna ze względu na ogromną różnicę skali między cechami płytki i tranzystora. Duże defekty można automatycznie wykryć za pomocą mikroskopów optycznych4. Ponadto skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) są szeroko stosowane do inspekcji z dokładnością do kilkudziesięciu nanometrów w 2D5. W przypadku informacji 3D i wyższej rozdzielczości AFM jest bardziej odpowiednim narzędziem, jeśli można poprawić jego przepustowość.

Przy ograniczonej przepustowości obrazowania, jednym ze sposobów jest obrazowanie wybranych obszarów płytki, gdzie prawdopodobieństwo wystąpienia wad nanoprodukcji jest bardziej prawdopodobne6. Wymagałoby to wcześniejszej wiedzy na temat procesu projektowania i produkcji. Alternatywnie możliwe jest połączenie innych modalności, takich jak mikroskop optyczny lub SEM z AFM do przeglądu i powiększania7,8. Do prawidłowego wyrównania układu współrzędnych między narzędziami produkcyjnymi i charakteryzacyjnymi potrzebny jest szerokozakresowy, precyzyjny system pozycjonowania. Co więcej, do realizacji tej funkcjonalności niezbędny jest zautomatyzowany system AFM do obrazowania różnych wybranych obszarów.

Jako alternatywę, badacze badali różne sposoby na zwiększenie szybkości skanowania AFM. Ze względu na to, że wykorzystanie wysokowydajnych AFM jest systematycznym wyzwaniem dla precyzyjnego oprzyrządowania, naukowcy zbadali różne metody, w tym użycie mniejszych sond AFM, przeprojektowanie nanopozycjonerów o wysokiej przepustowości9,10,11,12 i elektroniki sterującej13, optymalizacja trybów pracy, algorytmy kontroli obrazowania14,15,16,17, itd. Dzięki tym wysiłkom efektywna względna prędkość końcówki i próbki może zostać zwiększona do maksymalnie około kilkudziesięciu milimetrów na sekundę dla dostępnych na rynku systemów AFM z pojedynczą sondą.

Aby jeszcze bardziej poprawić wydajność obrazowania, naturalnym rozwiązaniem jest dodanie wielu sond do równoległej pracy. Jednak system odchylania wiązki optycznej (OBD) wykorzystywany do wykrywania ugięcia wspornika jest stosunkowo nieporęczny, co sprawia, że dodanie wielu sond jest stosunkowo trudne. Indywidualna kontrola ugięcia wspornika może być również trudna do zrealizowania.

Aby przezwyciężyć to ograniczenie, preferowane są wbudowane zasady wykrywania i uruchamiania bez dużych komponentów zewnętrznych. Jak opisano we wcześniej opublikowanych raportach18,19, wykrywanie ugięcia na zasadach piezorezystancyjnych, piezoelektrycznych i optomechanicznych można uznać za wbudowane wykrywanie, przy czym pierwsze dwa są bardziej dojrzałe i łatwiejsze do wdrożenia. Do wbudowanego uruchamiania można wykorzystać zarówno termomechaniczne z ogrzewaniem elektrycznym, jak i zasady piezoelektryczne. Chociaż zasady piezoelektryczne mogą działać w szerszym zakresie temperatur, aż do środowisk kriogenicznych, mogą obsługiwać tylko operacje AFM w trybie gwintowania, ponieważ nie można zmierzyć ugięcia statycznego z powodu wycieku ładunku i aktywacji statycznej, które cierpią na histerezę i pełzanie. We wcześniejszych pracach aktywne matryce sond wspornikowych wykorzystujące czujnik piezorezystancyjny i czujnik piezoelektryczny zostały opracowane do obrazowania dużego zakresu20,21, ale nie zostały one dalej skalowane do obrazowania na dużą skalę ani skomercjalizowane. W tej pracy wybrano połączenie wykrywania piezorezystancyjnego i uruchamiania termomechanicznego jako wbudowane przetworniki z możliwością statycznej kontroli ugięcia.

W tej pracy nowatorski "Quattro"22 równoległy aktywny układ wspornikowy jest używany jako sonda23 do jednoczesnego obrazowania za pomocą aktywnych wsporników. Aby zmierzyć ugięcie wspornika, czujniki piezorezystancyjne w konfiguracji mostka Wheatstone'a19 są nanowytwarzane u podstawy każdego mikrowspornika w celu pomiaru naprężenia wewnętrznego, które jest liniowo proporcjonalne do ugięcia końcówki wspornika. Ten kompaktowy wbudowany czujnik może również osiągnąć rozdzielczość sub-nanometrową, jak konwencjonalny czujnik OBD. Równanie rządzące wyjściem napięciowym mostka Wheatstone'a Una zewnątrz w odpowiedzi na przyłożoną siłę F lub ugięcie wspornika z pokazano w równaniu 119 dla wspornika o długości L, szerokości W i grubości H, współczynniku czujnika piezorezystancyjnego PRoraz efektywny moduł sprężystości mostka wspornikowego E napięcie zasilania Ub.

figure-introduction-1 (1)

Ponieważ dynamiczne stukanie/tryb bezkontaktowy jest preferowany do obrazowania nieinwazyjnego, aby uniknąć zakłócenia próbki, termomechaniczny siłownik wykonany z drutów aluminiowych o kształcie serpentyny jest używany do podgrzewania wspornika bimorficznego wykonanego ze stopu aluminium/magnezu24, krzem i tlenek krzemu. W skali mikroskopowej stała czasowa procesów termicznych jest znacznie mniejsza, a rezonans wspornikowy przy dziesiątkach do setek kiloherców może być wzbudzony poprzez napędzanie grzejnika sygnałem elektrycznym. Ugięcie swobodnego końca wspornika zh kontrolowane przez temperaturę względnego otoczenia grzałki ΔT jest pokazane w równaniu 219dla długości wspornika L ze stałą K, w zależności od współczynnika termicznego rozszerzalności materiału bimorficznego oraz grubości i powierzchni geometrycznej. Należy zauważyć, że ΔT jest proporcjonalny do mocy grzałki P, która jest równa kwadratowi przyłożonego napięcia V podzielonemu przez jego rezystancję R.

figure-introduction-2 (2)

Jako dodatkowa korzyść, oprócz wzbudzenia rezonansowego można również kontrolować odchylenie statyczne. Może to być szczególnie pomocna funkcja do regulowania interakcji sonda-próbka każdego wspornika z osobna. Co więcej, wiele wsporników na tym samym chipie bazowym może być wzbudzanych indywidualnie za pomocą wbudowanego siłownika termomechanicznego, co jest niemożliwe w konwencjonalnym wzbudzeniu rezonansowym za pomocą fal akustycznych generowanych przez piezo.

Łącząc wykrywanie piezorezystancyjne i termomechaniczne uruchamianie, aktywna sonda wspornikowa umożliwiła szeroki zakres zastosowań, w tym kolokowaną mikroskopię AF w mikroskopii SE, obrazowanie w nieprzezroczystej cieczy i litografię sondą skanującą, z więcej szczegółów dostępnych w review25. Do celów kontroli o wysokiej przepustowości tworzony jest aktywny układ wspornikowy z reprezentatywnym przykładem implementacji AFM obejmującym cztery równoległe wsporniki, jak pokazano na rysunku 1. W przyszłości zostanie opracowany system na skalę przemysłową z wykorzystaniem ośmiu równoległych aktywnych wsporników i dziesiątek pozycjonerów28. Aby zilustrować skalę na przykładzie, przy rozdzielczości przestrzennej w płaszczyźnie wynoszącej 100 nm, obrazowanie obszaru 100 mm na 100 mm dałoby ponad 106 linii skanowania i 1012 pikseli. Przy prędkości skanowania 50 mm/s na wspornik wymagałoby to łącznie ponad 555,6 godzin skanowania (23+ dni) dla jednego wspornika, co jest zbyt długie, aby było praktycznie użyteczne. Korzystając z technologii aktywnego układu wspornikowego z dziesiątkami pozycjonerów, wymagany czas obrazowania można skrócić o około dwa rzędy wielkości do 5-10 godzin (mniej niż pół dnia) bez uszczerbku dla rozdzielczości, która jest rozsądną skalą czasową dla celów inspekcji przemysłowej.

Aby rejestrować obrazy o dużej powierzchni i wysokiej rozdzielczości, system nano-pozycjonowania jest również aktualizowany. W przypadku obrazowania dużych próbek w skali waflowej preferowane jest skanowanie sondy zamiast próbki, w celu zmniejszenia rozmiaru przenoszonych obiektów. Dzięki odległości separacji między aktywnymi wspornikami wynoszącej 125 μm, skaner pokrywa obszar nieco większy niż ten zakres, dzięki czemu obrazy z każdego wspornika mogą być łączone ze sobą podczas obróbki końcowej. Po zakończeniu skanowania pozycjoner zgrubny automatycznie przestawia sondę na nowy sąsiedni obszar, aby kontynuować proces obrazowania. Podczas gdy wbudowany siłownik termomechaniczny reguluje ugięcie każdego wspornika, uśrednione ugięcie wszystkich równoległych wsporników jest regulowane za pomocą innego regulatora proporcjonalno-całkowo-pochodnej (PID), który wspomaga wsporniki podczas śledzenia topografii. Sterownik skanera zapewnia również, że zginanie każdego wspornika nie przekracza maksymalnej wartości progowej, co może spowodować utratę kontaktu z powierzchnią przez inne sondy, jeśli odchylenie topografii jest zbyt duże.

Poziom zmienności topografii, który można śledzić dla wsporników na tym samym chipie bazowym, jeśli jest ograniczony, ponieważ zakres kontroli ugięcia statycznego wspornika jest rzędu dziesiątek mikronów. W przypadku płytek półprzewodnikowych różnice topografii próbki są zwykle w skali submikrometrowej, więc nie powinny stanowić dużego problemu. Jednak po dodaniu większej liczby wsporników nachylenie płaszczyzny próbki w stosunku do linii wsporników może stać się problemem. W praktyce osiem równoległych wsporników o rozstawie zbliżonym do 1 mm nadal pozwala na kąt nachylenia 1°, podczas gdy dodanie większej liczby wsporników może utrudnić realizację kontroli przechyłu. W związku z tym stosowanie wielu grup sond z ośmioma kanałami umieszczonymi na oddzielnych skanerach sond jest ciągłym wysiłkiem, aby w pełni wykorzystać potencjał zasady równoległej aktywnej sondy wspornikowej.

Po zebraniu danych, konieczna jest operacja przetwarzania końcowego, aby pobrać żądane informacje. Proces ten zazwyczaj polega na usuwaniu artefaktów skanowania, łączeniu sąsiednich obrazów w celu utworzenia ogólnej panoramy i opcjonalnie identyfikowaniu wad struktury poprzez porównanie ich z pożądaną geometrią przy użyciu odpowiednich algorytmów26. Warto zauważyć, że ilość zgromadzonych danych może być ogromna dla dużego zakresu obrazów, a algorytmy uczenia oparte na danych są również opracowywane w celu bardziej wydajnego przetwarzania27.

Ten artykuł ilustruje ogólny proces pozyskiwania obrazów AFM o wysokiej rozdzielczości za pomocą równoległej aktywnej macierzy wspornikowej zintegrowanej z niestandardowym systemem AFM. Szczegółowa implementacja systemu jest dostępna w22,28,29,30 i jest komercjalizowany z numerem modelu wymienionym w Tabeli materiałów. Wszystkie cztery wsporniki pracowały w trybie gwintowania wzbudzanym przez wbudowany siłownik termiczno-mechaniczny. Przedstawiono reprezentatywne wyniki dotyczące próbek kalibracyjnych, masek nanoprodukcyjnych i próbek grafitu pirolitycznego (HOPG) o wysokiej orientacji (patrz tabela materiałów) w celu zilustrowania skuteczności tego nowego narzędzia AFM do kontroli dużych obszarów.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aby zademonstrować skuteczność obrazowania AFM o dużym zasięgu przy użyciu równoległych aktywnych wsporników do obrazowania topografii, zszyte obrazy siatki kalibracyjnej, wykonane przez cztery wsporniki działające równolegle, są pokazane w Rysunek 2. Struktura kalibracyjna płytki krzemowej ma cechy o długości 45 μm i wysokości 14 nm. Każdy wspornik obejmuje obszar 125 μm na 125 μm, co daje zszyty obraz panoramiczny o wymiarach 500 μm na 125 μm. Prędkość skanowania została ustawiona na 10 li...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie pozostają w konflikcie interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ando, T. High-speed atomic force microscopy and its future prospects. Biophysical Reviews. 10 (2), 285-292 (2018).
  2. Soltani Bozchalooi, I., Careaga Houck, A., AlGhamdi, J. M., Youcef-Toumi, K. Design and control of multi-actuated atomic force 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Atomic Force MicroscopyActive Cantilever ArraysParallel AFM ImagingHigh Throughput AFMPiezoresistive SensorsThermomechanical ActuatorsNano PositionersTopography ImagingDefect DetectionSemiconductor Wafer Inspection

Related Articles