Implementação de Microscopia de Força Atômica Fototérmica em Modo de Batimento com Detecção Heteródina e Espectroscopia de Infravermelho para Materiais e Dispositivos Semicondutores

Resumo

Este protocolo descreve a microscopia de força atômica foto-térmica no modo de batimento com detecção heteródina para caracterização química em escala nanométrica de materiais e dispositivos semicondutores, incluindo a aquisição de espectros no infravermelho e mapeamento químico de superfícies padronizadas e contaminantes relacionados ao processo.

Resumo

A microscopia de força atômica (AFM) é amplamente utilizada para caracterizar as propriedades elétricas, magnéticas, mecânicas, térmicas, eletroquímicas e eletromecânicas de materiais e dispositivos em escala nanométrica; no entanto, ela não fornece identificação química direta. Em contraste, a espectroscopia no infravermelho (IV) sonda ligações químicas por meio de suas assinaturas vibracionais, mas tradicionalmente é limitada a resolução espacial em escala micrométrica pela difração óptica. A espectroscopia fototérmica AFM–IV (AFM–IV) combina AFM e espectroscopia IV para permitir a caracterização química em escala nanométrica, medindo a expansão fototérmica localizada após a absorção de IV. Este artigo apresenta um protocolo para a detecção heteródina no modo de batida fototérmica AFM–IV e sua aplicação a materiais e dispositivos semicondutores. O protocolo descreve o preparo do instrumento, seleção e sintonia da ponta, imageamento da topografia por AFM, alinhamento e otimização do laser IV, aquisição de espectros IV localizados e mapeamento químico de modos vibracionais selecionados. Ênfase especial é dada à implementação prática do AFM–IV no modo de batida para caracterização de semicondutores e fatores que influenciam a qualidade dos dados, incluindo seleção da ponta, sintonia de ressonância e alinhamento do feixe IV. Exemplos representativos demonstram o uso do AFM–IV para distinguir a composição de materiais em estruturas padronizadas, avaliar materiais depositados sobre substratos semicondutores e identificar contaminação residual por resistência fotossensível após processamento. O protocolo permite a aquisição de informações topográficas e químicas co-localizadas com resolução espacial em escala nanométrica e ilustra como o AFM–IV pode ser aplicado a desafios de caracterização encontrados na pesquisa e fabricação de semicondutores. Para auxiliar novos usuários, é fornecida uma breve visão geral do desenvolvimento do AFM–IV e uma comparação das fontes IV e modos de imageamento mais comumente utilizados.

Introdução

Métodos avançados de caracterização desempenham um papel fundamental na pesquisa, desenvolvimento e fabricação de semicondutores. A microscopia de força atômica (AFM), que pode ser realizada em condições ambientes, em um ambiente de sala limpa, em uma caixa de atmosfera inerte ou sob vácuo, é amplamente utilizada na indústria de semicondutores. Os modos disponíveis de AFM combinam mapeamento topográfico em escala nanométrica de materiais e dispositivos semicondutores com medições co-localizadas elétricas, magnéticas, mecânicas, piezoelétricas (ou seja, eletromecânicas) e térmicas, incluindo potencial de superfície, resistência elétrica, perfilagem de dopantes e mediçõ....

Protocolo

Este protocolo não envolve o uso de linhagens celulares animais ou humanas nem de indivíduos. Observe que, embora outros modos de implementação de AFM–IR sejam discutidos, este protocolo é específico para a microscopia de força atômica infravermelha fototérmica no modo toque com detecção heteródina.

1. Configuração do Experimento

OBSERVAÇÃO: Este protocolo de AFM-IR em modo de batimento destina-se a ser o mais geral possível; no entanto, a configuração e operação dependerão da marca e modelo do sistema utilizado, incluindo o hardware associado (por exemplo, fonte(s) de IR, plataforma de AFM e instr....

Resultados

No campo dos semicondutores, um termoplástico como o poli(metacrilato de metila) (PMMA) pode ser usado como isolante e misturado com polímeros semicondutores ativos para ajustar a mobilidade de carga do dispositivo^77,78. O PMMA também possui utilidade como resist positivo para litografia por feixe de elétrons ou por ultravioleta⁷⁹. Em qualquer uma dessas aplicações, a AFM–IR pode ser utilizada para confirmar a distribuição do polímero após.......

Discussão

A seleção da sonda apropriada para a geometria do AFM–IR (ou seja, iluminação de cima para baixo versus de baixo para cima) e o modo de operação (por exemplo, modo tapping versus modo contato do AFM–IR) é uma consideração importante para obter dados ótimos e livres de artefatos. As características gerais da sonda a serem consideradas incluem a constante de mola nominal e a frequência de ressonância, que normalmente aumentam juntas. Frequências de ressonância mais altas, e portanto constantes de mola maiores (ou seja, can.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Software de controle de AFM	Bruker	Analysis Studio v3.17	Controle do instrumento, imagem de AFM, aquisição de AFM–IR e análise de dados.
Software de processamento e análise de imagens de AFM	Gwyddion	V2.69	Processamento e análise de dados de AFM.
Proba(s) de AFM–IR, modo de contato	Bruker	PR-EX-CNIR-B-10	Proba de AFM–IR no modo de contato com ressonância aumentada; constante elástica nominal (k) = 0,2 N/m, frequência de ressonância (f0) = 13 kHz, raio da ponta (r) = 20 nm, haste e ponta revestidas com ouro.
Proba(s) de AFM–IR, modo de batida	Bruker	PR-EX-TNIR-D-10	Proba de AFM–IR no modo de batida; constante elástica nominal (k) = 40 N/m, frequência de ressonância (f0) = 300 kHz, raio da ponta (r) = 20 nm. Haste e ponta revestidas com ouro para medições de AFM–IR com iluminação superior. Proba alternativa no modo de batida: PR-EX-TNIR-A-10 (k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 20 nm, haste e ponta revestidas com ouro).
Disco metálico para amostras de AFM/STM	Ted Pella	16208	Disponível em vários tamanhos (diâmetros): Produto #16223 (6 mm de diâmetro), 16207 (10 mm), 16208 (12 mm), 16218 (15 mm) e 16219 (20 mm).
Microscópio de força atômica	Bruker (Anasys)	nanoIR3-s	Sistema de AFM–IR utilizado para imagem de topografia, espectroscopia e mapeamento químico. Inclui software Analysis Studio e amplificador de detecção por fase (lock-in) Zurich Instruments MFLI.
Fonte de oscilador óptico paramétrico (OPO) de banda larga	APE	Carmina tunable broadband MIR light source	Fonte de infravermelho médio de banda larga com ajuste de comprimento de onda de 2,15–15 μm (~670–4650 cm-1) e largura de banda de ~20 cm-1 ou ~170 cm-1 FWHM, dependendo de operar em modo de banda estreita (ps) ou larga (fs). Suporta operação de AFM–IR (pulsada) e IR s-SNOM (quase-CW). A saída é um modo TEM00 linearmente polarizado. Opera com refrigeração externa por água a aproximadamente 22 °C.
Refrigerante/anticorrosivo para chiller	Innovatek	Protect IP Concentrate	Refrigerante para chiller à base de etileno glicol e inibidor de corrosão, projetado para ser misturado com água destilada na proporção de 1:3.
Ar comprimido seco	Beacon Medaes	SPR30T	Gás de purga alternativo quando o N2 de pureza ultralevada (99,999%) não está disponível. Sistema interno de compressor e secador sem óleo fornece ar para todos os laboratórios do edifício.
Adesivo de cianoacrilato (supercola)	Gorilla	7500101	Adesivo não condutivo opcional para montagem de amostras em discos magnéticos. Supercola com pincel e bico para facilitar a aplicação no montagem de amostras em discos magnéticos. Qualquer supercola à base de cianoacrilato pode ser usada e substituída.
Água destilada	Albertsons	Pure Life	Utilizada na preparação de misturas de refrigerante para chiller a laser. Comprada em supermercado local, mas também disponível em fornecedores científicos/químicos.
Fita de carbono de dupla face	Fisher Scientific	50-285-81	Utilizada para montagem condutiva temporária ou facilmente removível de amostras em discos magnéticos. Ligeiramente menos condutiva/maior resistência superficial (50 Ω/in2) que pasta de prata. Também pode-se usar abas adesivas de fita de carbono de dupla face. Uma tabela comparativa útil pode ser encontrada em https://www.tedpella.com/adhesive_html/conductive-tapes-comparison.aspx.
Sistema de litografia por feixe de elétrons (EBL)	FEI	Teneo Nabity NPGS	Utilizado para padronizar polímero (PMMA) como amostra representativa de processo de fotoresina em semicondutores.
Adesivo epóxi	Loctite	EA E-60HP (237112)	Adesivo não condutivo (isolante) opcional para montagem de amostras em discos magnéticos. Misturador em seringa com cartucho duplo para facilitar a aplicação e garantir a proporção correta entre resina e agente de cura. Qualquer epóxi de duas partes pode ser usado e substituído, dependendo de considerações adicionais de caracterização da amostra (por exemplo, temperatura de trabalho, desgaseificação em vácuo, etc.).
Esmalte de unha	Sally Hansen	Teflon Tuff 10 Day Nail Color	Adesivo temporário opcional para montagem de amostras em discos magnéticos. Também foi usado o esmalte transparente LA Colors Base Coat/Top Coat. Qualquer esmalte de unha disponível em farmácia local pode ser usado.
Álcool isopropílico (IPA)	Fisher Scientific	A451-4	Utilizado a 10% (v/v) em água destilada como refrigerante para chiller de QCL para prevenir crescimento de algas.
Óculos de proteção contra laser	Thorlabs	LG11(A)	Óculos de proteção Schott-glass IR LG11 ou LG11A.
Amplificador de detecção por fase (lock-in)	Zurich Instruments	MFLI	Desmodulação e detecção de sinal para medições de AFM–IR.
Fonte de gás nitrogênio	Norco	SPG TUHPNI	Gás de purga de pureza ultralevada (99,999%) utilizado para remover vapor de água e dióxido de carbono do caminho óptico.
Ferramenta de remoção de oxigênio (descum)	Glen	1000P Plasma Cleaner	Utilizada em experimentos representativos de fabricação de dispositivos em processamento de pastilhas semicondutoras.
Fotoresina	Merck	AZ nLOF 2020 photoresist + AZ 726 developer	Fotoresina e revelador utilizados para amostra representativa de fabricação de dispositivos em pastilhas semicondutoras.
Amostra de fotoresina	Caseira (Cornell University)	N/A	Amostra representativa de fabricação de dispositivos em pastilhas semicondutoras foi preparada com AZ nLOF 2020/AZ 726 sobre uma película de Ga2O3 crescida por MOCVD em um substrato dopado com Fe (010) e utilizada para caracterização por AFM–IR.
PMMA	Kayaku Advanced Materials	495 PMMA A6	Utilizado para fabricar amostra representativa de polímero para padronização por EBL e subsequente caracterização por AFM–IR.
Amostra de PMMA	Caseira (Boise State University)	N/A	Amostra representativa de polímero preparada usando 495 PMMA A6, padronizada por EBL e utilizada para caracterização por AFM–IR.
Tereftalato de polietileno (PET)	Caseiro (Boise State University)	N/A	Amostra de alinhamento ativa na região do infravermelho utilizada para alinhamento e otimização do laser. Pode ser fabricada por spin ou casting de gota de PET, PMMA ou outro polímero contendo carbonila sobre lamínula de vidro, pastilha de silício ou outro substrato adequadamente plano e, idealmente, altamente reflexivo.
Amostra de polipirrol (PPy)	Caseira (North Carolina State University)	N/A	Amostra representativa de deposição seletiva em área (ASD) padronizada, utilizada para caracterização por AFM–IR.
Laser de cascata quântica (QCL)	Daylight Solutions	MIRcat Ultra-Broadly Tunable Mid-IR Laser	Fonte de infravermelho médio ajustável com quatro chips instalados cobrindo 2635–3000 cm-1, 1425–1835 cm-1, 955–1425 cm-1 e 755–1005 cm-1. Modo de saída TEM00 linearmente polarizado (>100:1 de razão de contraste) com largura de banda de <1 cm-1. Opera com refrigeração externa por água a aproximadamente 21 °C.
Suporte da amostra / mandril	Bruker	N/A	Montagem da amostra durante medições de AFM–IR.
Microscópio eletrônico de varredura (MEV)	FEI	Verios 460L	Utilizado para caracterização complementar, se aplicável.
Microscópio eletrônico de varredura (MEV)	Hitachi	SU8700	Utilizado para caracterização complementar, se aplicável.
Disco de silício com camada contínua de dióxido de silício (SiO2)	Micron Technology	N/A	Substrato representativo de disco de silício com óxido utilizado para fabricar amostra de PMMA para medições de AFM–IR. Disco de Si não dopado com óxido térmico de 100 nm de espessura.
Disco de silício padronizado com nitreto de silício/dióxido de silício	Tokyo Electron Limited (TEL)	N/A	Amostra representativa de disco semicondutor padronizado utilizada para caracterização por AFM–IR.
Pasta de prata	Ted Pella	16062	Adesivo condutivo de secagem rápida para montagem de amostras em discos magnéticos. Alternativas à Tinta Condutiva de Prata Pelco (Produto #16062) incluem o Produto #16031 (Tinta Líquida de Prata Coloidal Condutiva Pelco). Uma tabela comparativa útil pode ser encontrada em https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx.
Software de processamento e apresentação espectral	OriginLab	Origin 10.0.5.157	Processamento e plotagem de espectros de infravermelho.
Pincetas	Sigma-Aldrich	Pincetas de titânio	Manuseio de provas e amostras.
Mesa óptica com isolamento de vibração	Newport	Integrity 2 VCS	Mesa óptica utilizada para minimizar vibrações mecânicas durante medições de AFM–IR.
Chiller de água	ThermoTek	T257P-20	Chiller recirculante utilizado para resfriamento de fontes de laser de infravermelho. O refrigerante e as condições operacionais devem seguir as recomendações do fabricante.