Summary
Крупномасштабный контроль образцов с наноразмерным разрешением имеет широкий спектр применения, особенно для наноготовых полупроводниковых пластин. Атомно-силовые микроскопы могут быть отличным инструментом для этой цели, но они ограничены скоростью визуализации. В этой работе используются параллельные активные консольные массивы в АСМ для обеспечения высокой пропускной способности и крупномасштабных проверок.
Abstract
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) является мощным и универсальным инструментом для наноразмерных исследований поверхности для получения 3D-изображений топографии образцов. Однако из-за ограниченной пропускной способности АСМ не получили широкого распространения для крупномасштабных инспекций. Исследователи разработали высокоскоростные системы АСМ для записи видео динамических процессов химических и биологических реакций с частотой в десятки кадров в секунду за счет небольшой площади изображения до нескольких квадратных микрометров. Напротив, для контроля крупномасштабных наноструктур, таких как полупроводниковые пластины, требуется наноразмерная визуализация статического образца с пространственным разрешением на сотнях квадратных сантиметров с высокой производительностью. В обычных АСМ используется один пассивный консольный зонд с оптической системой отклонения луча, который может собирать только один пиксель за раз во время АСМ-визуализации, что приводит к низкой пропускной способности. В этой работе используется массив активных консолей со встроенными пьезорезистивными датчиками и термомеханическими приводами, что позволяет одновременно работать в нескольких кантилеверах параллельно для повышения производительности визуализации. В сочетании с нанопозиционерами большого радиуса действия и соответствующими алгоритмами управления каждым кантилевером можно управлять индивидуально для получения нескольких АСМ-изображений. С помощью алгоритмов постобработки на основе данных изображения могут быть сшиты вместе, а обнаружение дефектов может быть выполнено путем сравнения их с желаемой геометрией. В этом документе представлены принципы пользовательской АСМ с использованием активных консольных решеток, за которыми следует обсуждение практических соображений эксперимента для применения в инспекционных приложениях. Выбранные примеры изображений кремниевой калибровочной решетки, высокоориентированного пиролитического графита и масок для литографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне получены с помощью массива из четырех активных консолей («Quattro») с расстоянием между зондами 125 мкм. Благодаря большей инженерной интеграции этот высокопроизводительный крупномасштабный инструмент визуализации может предоставлять 3D-метрологические данные для масок в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (EUV), химико-механической планаризации (CMP), анализа отказов, дисплеев, тонкопленочных ступенчатых измерений, матриц для измерения шероховатости и канавок для сухих газовых уплотнений с лазерной гравировкой.
Introduction
Атомно-силовые микроскопы (АСМ) могут получать 3D-изображения топографии с наноразмерным пространственным разрешением. Исследователи расширили возможности АСМ для создания карт свойств образцов в механической, электрической, магнитной, оптической и тепловой областях. В то же время повышение пропускной способности визуализации также находится в центре внимания исследований по адаптации АСМ к новым экспериментальным потребностям. Существует две основные области применения высокопроизводительной АСМ визуализации: первая категория - это высокоскоростная визуализация небольшой области для регистрации динамических изменений в образце, вызванных биологическими или химическими реакциями 1,2; Вторая категория – это высокопространственное разрешение, крупномасштабное изображение статических образцов во время контроля, которое подробно рассмотрено в данной работе. В связи с тем, что размер транзисторов уменьшается до наномасштаба, полупроводниковая промышленность остро нуждается в высокопроизводительных АСМ для проверки наноустройств на уровне пластин с наноразмерным пространственным разрешением3.
Определение характеристик наноустройств на пластине может быть сложной задачей из-за огромной разницы в масштабе между характеристиками пластины и транзистора. Крупные дефекты могут быть обнаружены с помощью оптических микроскоповавтоматически4. Кроме того, сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) широко используются для контроля размером до десятков нанометров в 2D5. Для получения 3D-информации и более высокого разрешения АСМ является более подходящим инструментом, если его пропускная способность может быть улучшена.
При ограниченной пропускной способности визуализации один из подходов заключается в получении изображений выбранных областей пластин, где с большей вероятностью возникнут дефекты нанопроизводства6. Это потребует предварительных знаний о процессе проектирования и изготовления. В качестве альтернативы возможно комбинирование других модальностей, таких как оптический микроскоп или РЭМ, с АСМ для обзора и масштабирования 7,8. Для правильного выравнивания системы координат между инструментами изготовления и определения характеристик необходима широкодиапазонная высокоточная система позиционирования. Кроме того, для реализации этой функциональности необходима автоматизированная система АСМ для получения изображений различных выбранных областей.
В качестве альтернативы исследователи исследовали различные способы увеличения скорости сканирования АСМ. Поскольку обеспечение высокой пропускной способности АСМ является систематической проблемой прецизионных приборов, исследователи исследовали различные методы, в том числе использование датчиков АСМ меньшего размера, перепроектирование широкополосных нанопозиционеров 9,10,11,12 и управляющей электроники13, оптимизацию режимов работы, алгоритмы управления изображениями 14,15,16,17 и так далее. Благодаря этим усилиям эффективная относительная скорость наконечника и образца может быть увеличена максимум до десятков миллиметров в секунду для коммерчески доступных систем АСМ с одним зондом.
Для дальнейшего повышения производительности визуализации естественным решением является добавление нескольких датчиков для параллельной работы. Тем не менее, система оптического отклонения луча (OBD), используемая для измерения отклонения кантилевера, является относительно громоздкой, что делает добавление нескольких датчиков относительно сложной задачей. Индивидуальное управление прогибом консоли также может быть трудно реализовать.
Чтобы преодолеть это ограничение, предпочтение отдается встроенным принципам считывания и приведения в действие без громоздких внешних компонентов. Как подробно описано в ранее опубликованных отчетах18,19, измерение отклонения с пьезорезистивным, пьезоэлектрическим и оптомеханическим принципами можно рассматривать как встроенное зондирование, причем первые два являются более совершенными и простыми в реализации. Для встраиваемого привода могут использоваться как термомеханические с электрическим нагревом, так и пьезоэлектрические принципы. Несмотря на то, что пьезоэлектрические принципы могут работать в более широком диапазоне температур вплоть до криогенных сред, они могут поддерживать только работу АСМ в режиме отвода, поскольку статическое отклонение не может быть измерено из-за утечки заряда и статического срабатывания, страдающего гистерезисом и ползучестью. В предыдущих работах были разработаны активные консольные зонды, использующие пьезорезистивный датчик и пьезоэлектрический датчик для получения изображений больших диапазонов20,21, но они не были дополнительно масштабированы для крупномасштабных изображений или коммерциализированы. В данной работе комбинация пьезорезистивного зондирования и термомеханического срабатывания выбрана в качестве встроенных преобразователей с возможностью контроля статического отклонения.
В данной работе в качестве зонда23 для одновременной визуализации с использованием активных кантилеверов используется новая параллельная активная консольная решетка "Quattro"22. Для измерения прогиба кантилевера пьезорезистивные датчики в конфигурации моста Уитстона19 наноизготовлены в основании каждого микрокантилевера для измерения внутреннего напряжения, которое линейно пропорционально отклонению кончика кантилевера. Этот компактный встраиваемый датчик также может достигать субнанометрового разрешения, как и обычный датчик OBD. Управляющее уравнение выходного напряжения моста Уитстона Uна выходев ответ на приложенную силу F или прогиб кантилевера z показано в уравнении 119 для консоли длиной L, шириной W и толщиной H, коэффициентом пьезорезистивного датчика PR и эффективным модулем упругости напряжения питания моста кантилевера E Ub.
(1)
Поскольку для неинвазивной визуализации предпочтительна работа в динамическом постукивании/бесконтактном режиме, чтобы избежать нарушения образца, для нагрева биморфного кантилевера, изготовленного из алюминиевого сплаваалюминия и магния 24, кремния и материалов оксида кремния, используется термомеханический привод, изготовленный из алюминиево-магниевого сплава 24. В микроскопическом масштабе постоянная времени тепловых процессов значительно меньше, а консольный резонанс на частоте от десятков до сотен килогерц можно возбудить, управляя нагревателем электрическим сигналом. Свободный торцевой прогиб кантилевера zh, контролируемый относительной температурой нагревателя ΔT , показан в уравнении 219для длины кантилевера L с постоянным K, зависящим от термокоэффициента расширения биморфного материала, а также геометрической толщины и площади. Следует отметить, что ΔT пропорциональна мощности нагревателя P, которая равна квадрату приложенного напряжения V , деленного на его сопротивление R.
(2)
Дополнительным преимуществом является то, что в дополнение к резонансному возбуждению можно контролировать статическое отклонение. Это может быть особенно полезно для регулирования взаимодействия зонда и образца каждого кантилевера в отдельности. Кроме того, несколько кантилеверов на одном базовом чипе могут возбуждаться по отдельности с помощью встроенного термомеханического привода, что невозможно при обычном резонансном возбуждении пьезогенерируемыми акустическими волнами.
Сочетая пьезорезистивное зондирование и термомеханическое управление, активный консольный зонд обеспечивает широкий спектр применений, включая совмещенную микроскопию AF в SE-микроскопии, визуализацию в непрозрачной жидкости и сканирующую зондовую литографию, более подробная информация доступна в обзоре25. Для высокопроизводительного контроля активная консольная решетка создается с репрезентативным примером реализации АСМ с четырьмя параллельными консолями, как показано на рисунке 1. В перспективе будет разработана система промышленного масштаба с использованием восьми параллельных активных консолей и десятков позиционеров28. Чтобы проиллюстрировать масштаб на примере, при пространственном разрешении в плоскости 100 нм, изображение области 100 мм на 100 мм даст более 106 строк развертки и 1012 пикселей. При скорости сканирования 50 мм/с на одну консоль это потребовало бы в общей сложности более 555,6 ч сканирования (23+ дня) для одного кантилевера, что слишком долго, чтобы быть практически полезным. Используя технологию активной консольной решетки с десятками позиционеров, требуемое время визуализации может быть сокращено примерно на два порядка до 5-10 ч (менее половины дня) без каких-либо компромиссов с разрешением, которое является разумным сроком для целей промышленного контроля.
Для получения изображений большой площади с высоким разрешением также модернизирована система нанопозиционирования. Для получения изображений больших образцов в масштабе пластины предпочтительно сканировать зонд, а не образец, чтобы уменьшить размер перемещаемых объектов. При расстоянии между активными кантилеверами 125 мкм сканер покрывает площадь, немного превышающую этот диапазон, чтобы изображения с каждой консоли можно было сшить вместе во время постобработки. По завершении сканирования грубый позиционер автоматически перемещает датчик в новую соседнюю область для продолжения процесса визуализации. В то время как встроенный термомеханический привод регулирует отклонение каждой консоли, усредненный прогиб всех параллельных консолей регулируется с помощью другого пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, чтобы помочь консолям во время отслеживания топографии. Контроллер сканера также следит за тем, чтобы изгиб каждой консоли не превышал максимального порогового значения, что может привести к потере контакта других датчиков с поверхностью, если изменение рельефа слишком велико.
Уровень вариации топографии, который может быть отслежен для консолей на одной и той же базовой микросхеме, должен быть ограничен, так как диапазон регулирования статического отклонения кантилевера составляет порядка десятков микрон. Для полупроводниковых пластин вариации топографии образца обычно находятся в субмикронном масштабе, поэтому они не должны быть большой проблемой. Однако при добавлении большего количества консолей наклон плоскости образца по отношению к линии консолей может стать проблемой. На практике восемь параллельных консолей с шагом около 1 мм по-прежнему обеспечивают угол наклона 1°, в то время как добавление большего количества консолей может затруднить реализацию управления наклоном. Таким образом, использование нескольких групп восьмикантолеверных зондов, размещенных на отдельных измерительных сканерах, является постоянной попыткой полностью реализовать потенциал параллельного активного кантилевера.
После сбора данных необходима операция постобработки для получения нужной информации. Этот процесс, как правило, включает в себя удаление артефактов сканирования, сшивание смежных изображений для формирования общей панорамы и, при необходимости, идентификацию дефектов структуры путем сравнения их с желаемой геометрией с использованием подходящих алгоритмов26. Стоит отметить, что объем накопленных данных может быть огромным для большого диапазона изображений, и для более эффективной обработки также разрабатываются алгоритмы обучения, основанные наданных27.
В данной статье показан общий процесс получения АСМ изображений высокого разрешения с использованием параллельной активной консольной решетки, интегрированной в пользовательскую систему АСМ. Подробная реализация системы доступна в 22,28,29,30, и она коммерциализируется с номером модели, указанным в таблице материалов. Все четыре консоли работали в режиме врезания, возбуждаемого встроенным тепломеханическим приводом. Для иллюстрации эффективности этого нового инструмента АСМ для контроля больших площадей представлены репрезентативные результаты на калибровочных образцах, масках для наноизготовления и образцах высокоориентированного пиролитического графита (ХОПГ) (см. таблицу материалов).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка образцов для крупномасштабного контроля
- Подготовьте образец подходящего размера для АСМ (см. Таблицу материалов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Пластинчатые образцы с диаметром в плоскости от 75 мм до 300 мм и ожидаемым отклонением высоты вне плоскости менее 200 мкм могут помещаться на предметном столике АСМ. В этом исследовании используется маска для экстремального ультрафиолета (EUV) на 4-дюймовой пластине (см. таблицу материалов). - Очистите образец, чтобы удалить загрязняющие вещества, и храните образцы в чистом помещении или среде с низким уровнем запыленности, например, в вакуумной камере или шкафу, продуваемом азотом.
- Удалите крупные частицы пыли, продув образец пистолетом-распылителем со сжатым азотом, или промойте деионизированной водой, если образец не вступает в реакцию с водой. Чтобы не повредить образец, используйте небольшой расход менее 0,1м3/мин.
- При необходимости можно применить плазменную очистку для удаления органических загрязнений. Поместите образец в машину плазменной обработки. Закройте камеру и откачайте давление до 600 мТорр. Подвергают образец воздействию плазмы в течение 30 с для очистки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Шаг 1.3.2 не является обязательным для удаления загрязнений. В этом исследовании изготовление и определение характеристик выполнялись в чистом помещении, поэтому в этом шаге не было необходимости.
- Определите подходящие стратегии обработки изображений, включая области интереса, дальность сканирования, пространственное/пиксельное разрешение и скорость линии сканирования.
- Определите, нужна ли образцу общая панорама или автоматическое изображение нескольких небольших выбранных областей.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для наноготовых образцов с желаемой структурой часто легче определить ключевые области, которые более склонны к дефектам для целей контроля. Для других образцов может быть проще сделать снимок с низким пространственным разрешением для быстрого обзора, а затем увеличить масштаб меньшей области интереса для получения изображений с высоким пространственным разрешением. - Оцените размер объектов на основе предварительных знаний выборки, чтобы определить желаемое пространственное разрешение для разрешения этих объектов.
- Используйте соотношение дальности изображения и пространственного разрешения для определения разрешения в пикселях.
- Выберите начальную скорость линии сканирования, основываясь на предыдущем опыте работы с образцом, или используйте системное программное обеспечение AFM позже, в зависимости от материала образца, динамики датчика и желаемого пространственного разрешения.
- Определите, нужна ли образцу общая панорама или автоматическое изображение нескольких небольших выбранных областей.
2. Калибровка прибора АСМ и постановка эксперимента
- Выберите подходящую активную консольную матрицу АСМ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Жесткость активного кантилевера АСМ, первая резонансная частота и резкость неиспользуемого наконечника зонда для каждого кантилевера в массиве датчиков характеризуются с момента производства. Данные могут быть получены от производителя и автоматически загружены в программное обеспечение перед созданием изображения. Выбор подходящего кантилевера, рекомендованного программным обеспечением, в зависимости от материала образца или области применения, полезен для обеспечения успешной визуализации. Из-за вариативности производства свойства каждого кантилевера могут быть различными, но на одинаковом уровне. - Включите АСМ, включив основное питание контроллера и дождитесь инициализации системы. Включите главный компьютер и откройте системное программное обеспечение AFM.
- Выполните активную установку консольного зонда.
- Поднимите сканер зондов вверх, нажав на активную консольную установку. Подождите, пока держатель зонда поднимется из предметного столика и автоматически остановитесь.
- Установите и закрепите консольную матрицу зондов AFM на держателе датчика.
ПРИМЕЧАНИЕ: Консольные массивы AFM крепятся к держателю карты nano-SD и могут управляться непосредственно вручную для установки датчика. Из-за принципиальной разницы в принципах срабатывания и срабатывания нет необходимости выполнять лазерную юстировку. - Нажмите на кнопку «Автоматические настройки датчика» и загрузите информацию о датчике, предоставленную производителем (см. Таблицу материалов). Убедитесь, что серийный номер на пробнике и в программном обеспечении совпадает.
- Проведите зондовую частотную развертку, чтобы проверить резонанс каждого кантилевера для визуализации. Нажмите на Cantilever Tuning и нажмите на Sweep во всплывающем окне. Укажите начальную частоту и конечную частоту , если диапазон известен. В противном случае программное обеспечение автоматически обновит значения, используя настройки по умолчанию.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг, в принципе, не является обязательным для новых датчиков, так как они были откалиброваны после производства. Однако для зондов, которые использовались ранее, рекомендуется выполнять эту развертку только в том случае, если какие-либо свойства изменились во время предыдущей операции (например, присоединение загрязняющих частиц, что смещает консольный резонанс). Благодаря термомеханическому приводу мощность нагрева пропорциональна квадрату управляющего напряжения. Для работы в бесконтактном режиме отвода генерируется вторая гармоника синусоидальной составляющей входного напряжения за счет квадратичного соотношения в уравнении 2. Эта вторая гармоника обычно согласуется с консольным резонансом во время возбуждения, так как сигнал смещения постоянного тока (DC) не влияет на ее амплитуду. Таким образом, компоненты постоянного тока контролируют среднее отклонение кантилевера, а компонент переменного тока (AC) сигнала привода автоматически устанавливается на половину резонансной частоты кантилевера для визуализации.
- Загрузите и закрепите образец на месте. Убедитесь, что нижняя поверхность, контактирующая с образцом, параллельна верхней поверхности с визуализируемыми элементами. Точно отрегулируйте наклон предметного столика с помощью микрометрических ручек, чтобы убедиться, что образец плоский. Добавьте проставки, если наклон слишком велик, чтобы его могли компенсировать позиционеры точной регулировки.
- Отрегулируйте положение образца по оси XY в плоскости с помощью микрометра на АСМ-контроле. Используйте изображение оптического микроскопа, чтобы найти интересующую область и расположить относительное положение кантилевера на первой интересующей области.
- Установите глобальную координату, нажав на кнопку XYZ Zero .
ПРИМЕЧАНИЕ: Для создания панорамного изображения этот шаг можно провести приблизительно, используя вид оптического микроскопа. При визуализации выбранных областей нанопромышленного образца может потребоваться точное совмещение координаты XYZ производственного оборудования с координатой АСМ. Этот шаг можно выполнить более точно, выполнив АСМ визуализацию и снова нажав кнопку XYZ Zero . - Закройте и загерметизируйте акустический экран.
ПРИМЕЧАНИЕ: Акустический экран помогает уменьшить распространение вибрации в воздухе. Кроме того, герметичная крышка также может снизить вероятность попадания частиц пыли на образец, поскольку крупномасштабная визуализация может занять много времени. Этот защитный кожух может быть опциональным в чистом помещении без источников вибрации.
3. Визуализация топографии и настройка параметров
- Выберите вкладку Imaging Parameter Setup (собственный режим активного кантилевера, скорость сканирования, заданное значение и т. д.) и введите желаемые параметры изображения.
- Для одного панорамного изображения введите координату верхнего левого угла изображения и размер сканирования. Для автоматического создания изображений нескольких выбранных областей повторите этот процесс для всех областей, которые необходимо отобразить. Добавьте дополнительные отступы вокруг области изображения для сшивания изображений после обработки.
ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании верхний левый угол EUV-маски был настроен с предопределенными функциями, и система была сконфигурирована для одновременного захвата четырех изображений размером 130 мкм на 130 мкм с использованием каждого кантилевера. - Введите желаемое разрешение пикселей в плоскости (обычно тысячи пикселей на строку сканирования) и используйте рекомендуемую скорость линейной развертки по умолчанию, указанную в программном обеспечении для визуализации. При необходимости вручную отрегулируйте скорость линейного сканирования для каждой области, которую необходимо отобразить.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании для получения изображений с высоким разрешением использовалось разрешение 26 000 пикселей на строку, что соответствует 5 нм на пиксель. - Для бесконтактного режима используйте амплитуду, частоту и заданное значение по умолчанию в программном обеспечении, полученные на основе характеристик кантилевера, или вручную введите заданное значение для каждого кантилевера на массиве. Оставьте настройки ПИД-регулятора по умолчанию.
- Для одного панорамного изображения введите координату верхнего левого угла изображения и размер сканирования. Для автоматического создания изображений нескольких выбранных областей повторите этот процесс для всех областей, которые необходимо отобразить. Добавьте дополнительные отступы вокруг области изображения для сшивания изображений после обработки.
- Зацепите активную консольную зондовую матрицу с образцом.
- Нажмите на кнопку Initialize Cantilever , чтобы предварительно согнуть консоль перед визуализацией.
- Нажмите на кнопку Start Non-Contact Drive , чтобы возбудить консольный резонанс.
- Нажмите кнопку Engage , чтобы система автоматически установила контакт между образцом и зондом. После завершения этого шага создание образов начнется автоматически.
- Настройте параметры ПИД-регулятора для каждой консоли на основе отсканированной трассы/изображения. Настройте параметры ПИД, чтобы улучшить согласование между линиями трассировки и трассировки, что поможет зафиксировать изменения топографии. Скорость съемки также может быть отрегулирована соответствующим образом, чтобы улучшить качество отслеживания топографии.
- Сохраните текущие данные на экране, нажав на кнопку Сохранить . Данные также будут автоматически сохраняться во время сканирования в конце каждого кадра.
- Остановите визуализацию, нажав кнопку Стоп . Система прекратит визуализацию и автоматически удалит консольную решетку из образца. Консольный привод также будет остановлен, чтобы можно было безопасно удалить зонд.
- Осторожно извлеките зонд и образец и выключите систему.
4. Постобработка и анализ изображений
- Откройте программное обеспечение для анализа изображений АСМ, поставляемое поставщиком.
- Нажмите « Автообработка », чтобы применить последовательность постобработки по умолчанию, включая коррекцию наклона образца, удаление выбросов на уровне пикселей и сопоставление строк сканирования.
- Внесите дополнительные исправления в дефекты изображения вручную на основе наблюдения за изображениями. С помощью современных приборов АСМ такие дефекты встречаются редко, но изображения все же можно улучшить с помощью этих шагов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для больших объемов изображений можно автоматизировать процесс с помощью макросов или скриптов Python путем пакетной обработки с той же операцией. В данном исследовании этого не требовалось.
- Используйте программное обеспечение для формирования панорамного изображения, нажав на кнопку Panorama Image и выбрав несколько изображений для сшивания.
ПРИМЕЧАНИЕ: Сшивание изображений выполняется автоматически путем непосредственного использования перекрывающегося пространства соседних изображений. Кроме того, при объединении изображений делается попытка максимизировать корреляцию перекрывающихся пикселей по краям. В этих командах доступны различные параметры, которые могут быть оптимизированы для повышения общей производительности слияния. - Сохраните данные для дальнейшего анализа на основе конкретной выборки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Чтобы продемонстрировать эффективность АСМ широкодиапазонной визуализации с использованием параллельных активных кантилеверов для получения топографической визуализации, на рисунке 2 показаны сшитые изображения калибровочной решетки, сделанные четырьмя кантилеверами, работающими параллельно. Калибровочная структура кремниевой пластины имеет длину 45 мкм и высоту 14 нм. Каждый кантилевер покрывает площадь 125 мкм на 125 мкм, что дает сшитое панорамное изображение размером 500 мкм на 125 мкм. Скорость сканирования была установлена на уровне 10 строк в секунду при 1028 пикселях на строку и канал в режиме амплитудной модуляции, поэтому сканирование большой площади занимает менее 2 минут.
Объединение изображений, сделанных каждым кантилевером, выполняется путем выравнивания объектов по краям смежных изображений. При фактическом размере изображения, большем, чем расстояние между кантилеверами, слияние выполняется путем сопоставления объектов на ребрах. Стоит отметить, что также видно некоторое смещение по вертикали между каждым изображением в направлении оси Y в плоскости. Это может произойти из-за небольшого несовпадения оси сканирования относительно линии четырех активных консольных массивов. Однако корреляционный метод может быть трудно применить для границ без значительных вариаций топографии. Таким образом, использование корреляционного сопоставления с предыдущими знаниями о смещении для создания панорамных изображений является предпочтительным методом по сравнению с прямым сшиванием с использованием смещения относительного положения для работы с этими неидеальными условиями прибора.
Для проверки пространственного разрешения активной консольной решетки делаются изображения HOPG с высоким разрешением, как показано на рисунке 3, с малым диапазоном изображений в плоскости 5 мкм на 5 мкм и 1028 на 1028 пикселей. Образцы HOPG особенно подходят для проверки разрешения, так как межплоскостное расстояние графита составляет около 0,335 нм31,32. Продемонстрировано субнанометровое разрешение вне плоскости и разрешение в плоскости на несколько нанометров. Поскольку расстояние между кантилевером на расстоянии 125 мкм намного больше, чем область изображения 5 мкм, эти четыре изображения не могут быть сшиты напрямую, но тенденция ориентации визуализируемых объектов между соседними изображениями хорошо совпадает друг с другом.
Для практического применения в контроле полупроводников с помощью параллельной активной кантилевера визуализируется EUV-литографическая маска для создания полупроводниковых элементов. Общее сшитое панорамное изображение с пространственным разрешением 5 нм, охватывающее площадь 505 мкм на 130 мкм, показано на рисунке 4. Высота структурного рисунка составляет около 60 нм, при этом на изображении отчетливо видны различные участки схемы. При скорости 10 строк в секунду разрешение 101 000 на 26 000 пикселей захватывается примерно за 40 минут, что значительно быстрее, чем у обычных систем АСМ.
Рисунок 1: Пример реализации АСМ большой площади для контроля больших площадей образцов с использованием одного массива из четырех активных кантилеверов. (A) Визуализация образца кремниевой пластины на большой площади с использованием специальной АСМ с конфигурацией зондового сканирования и большим столиком образца. (B) Упрощенная схема системы АСМ с помощью оптического микроскопа с увеличенным изображением области четырех активных консолей, прикрепленных проводами к печатной плате (PCB) в форме SD-карты. (C) СЭМ-изображение срабатывания отвода для одной из четырех активных консолей, показывающее максимальную амплитуду более 30 мкм. (D) СЭМ-изображение активной консольной решетки со схемой, показывающей змеевидный термомеханический нагреватель и пьезорезистивные датчики напряжений в основании консолей для измерения прогиба. Масштабная линейка = 50 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Панорамное объединение изображений, полученных одновременно четырьмя активными костями, на общей ширине 500 мкм. Каждый кантилевер сканирует на площади 140 мкм, чтобы создать некоторое перекрытие между 125 мкм на расстоянии 125 мкм от кончика кантилевера в режиме динамического постукивания с амплитудной модуляцией. Снимок сделан со скоростью 10 строк в секунду с разрешением 1 028 пикселей в каждом направлении. Образец представляет собой кремниевую тестовую структуру с линиями длиной 45 мкм на высоте 14 нм. Четыре верхних отдельных изображения, сделанных каждой консолью, сшиваются, образуя панорамное изображение внизу. Рисунок взят из Ahmad et al.22. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: АСМ изображения образцов HOPG с высоким разрешением. Изображения захватываются одновременно четырьмя кантилеверами с площадью 3 мкм на 3 мкм, снятыми со скоростью 10 строк в секунду с разрешением 1028 пикселей в каждом направлении. (А-Д) Топографические изображения, полученные в режиме динамического постукивания с амплитудной модуляцией кантилеверами 1-4 соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Запись четырех 2D и 3D изображений одиночной EUV-маски, полученных одновременно четырьмя каналами АСМ со скоростью 10 линий в секунду в режиме динамического постукивания с амплитудной модуляцией. Поле изображения одного изображения составляет 130 мкм x 130 мкм. (A) Четыре 2D-изображения. (Б) Четыре 3D-изображения. (C) Общее 3D-сшитое изображение размером 500 мкм на 500 мкм, полученное с четырьмя изображениями по 125 мкм, где 5 мкм — перекрытие между отдельными полями. Размер изображения составляет 101 000 на 26 000 пикселей с пространственным разрешением 5 нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Как показано в репрезентативных результатах, активная консольная матрица может быть использована для параллельного захвата нескольких изображений статического образца. Эта масштабируемая установка может значительно повысить производительность визуализации образцов большой площади, что делает ее пригодной для проверки наноустройств на полупроводниковых пластинах. Техника также не ограничивается рукотворными сооружениями; До тех пор, пока вариации топографии в группе активных консолей не слишком велики для обработки консольной решеткой, можно реализовать высокопроизводительную визуализацию.
В дополнение к высокопроизводительному контролю больших площадей, активная консольная матрица зондов предлагает ряд преимуществ с точки зрения настройки визуализации. Во-первых, для установки датчика нет необходимости выполнять лазерно-консольную юстировку. С точки зрения эксплуатации, это снижает нагрузку на оператора. Что еще более важно, коэффициент усиления датчика отклонения кантилевера фиксирован и не меняется между экспериментами. Количественные измерения силы и прогиба можно проводить с помощью этих датчиков как в режиме нарезания резьбы, так и в контактном режиме 29,33,34. Это также делает процесс визуализации более надежным, так как дрейф лазерной юстировки для долговременной визуализации дольше остается проблемой. Во-вторых, термомеханический привод консоли позволяет избежать резонанса паразитной структуры держателя кантилевера, который может стать проблемой при резонансной развертке в обычном пьезоакустическом приводе. В традиционном методе резонансного возбуждения используется пьезоэлектрический привод, размещенный на опорном чипе основания консоли АСМ. Поскольку генерируемая вибрация акустически распространяется по всей базовой микросхеме, возбуждение кантилеверного резонанса действительно может интерферировать друг с другом. Тем не менее, термомеханический привод непосредственно воздействует на индивидуальную консоль, а опорный чип основания остается неподвижным. Поскольку масса базовой опорной микросхемы на несколько порядков превышает массу кантилевера, интерференция между параллельными активными кантилеверами пренебрежимо мала. В-третьих, компактный размер активного кантилевера обеспечивает более простую параллельную интеграцию для конфигурации сканирования датчика. Это означает, что образец может оставаться статичным, а несколько позиционеров зондов могут сканировать одновременно с разной скоростью во время визуализации, что помогает максимально эффективно использовать каждый кантилевер.
Что касается ограничений, то работа с образцами с большими изменениями рельефа может быть сложной задачей из-за максимального предела прогиба каждой консоли. При подготовке и установке образца необходимо уделить особое внимание. Поскольку обрабатываемый образец находится в макроскопическом масштабе, наклон по отношению к плоскости сканирования должен быть сведен к минимуму, чтобы обеспечить хорошее отслеживание топографии. Наклон поверхности более чем на 1° по отношению к предметному столику сканера может привести к отклонению кантилевера за пределы допустимого диапазона, что может привести к повреждению датчика. Для наноструктур на полупроводниковой пластине, как правило, гарантируется плоскостность и полировка не требуется. Это также позволяет избежать потенциального повреждения мелких элементов, которые необходимо изобразить. Чистота поверхности обычной обработки с числовым программным управлением (ЧПУ) на микрометровом уровне должна быть достаточной для работы активной консольной решетки. Для типовых образцов может потребоваться полировка за счет изменения характеристик поверхности, которые необходимо захватить. Станок с ЧПУ используется для удаления крупных нежелательных выступающих элементов. Если больших отклонений рельефа не избежать, например, на криволинейной поверхности, использование массива из двух параллельных активных консолей с регулировкой наклона позволяет приспособиться к большим изменениям рельефа. Для распараллеливания потребуется несколько отдельных позиционеров, чтобы еще больше повысить пропускную способность изображения с большим количеством консольных датчиков. Используя методы нанопроизводства, можно также изготовить наноразмерную систему нанопозиционирования по оси Z, чтобы лучше решить эту проблему в более компактной конструкции35.
Чтобы в полной мере реализовать потенциал параллельной консольной матрицы, особенно для целей контроля полупроводников, в настоящее время ведутся дополнительные инженерные разработки по коммерциализации системы. Цель состоит в том, чтобы интегрировать зонд с массивом из восьми активных консолей в трехосевой пьезосканер и воспроизвести десятки таких структур с точным управлением движением для параллельной визуализации. С помощью этой установки область размером 60мм2 с пространственным разрешением 100 нм может быть получена в течение 30 минут, что должно быть достаточно для многих областей применения. При использовании динамического режима визуализации в бесконтактном режиме силовое взаимодействие зонда и образца невелико за счет более низкой скорости визуализации. В качестве компромисса контактный режим может значительно увеличить скорость визуализации, но может увеличить силу взаимодействия зонда с образцом и привести к повреждению образца или износу наконечника зонда. Чтобы еще больше увеличить срок службы этих преобразователей, можно также использовать алмазные наконечники, которые значительно снижают износ наконечников преобразователей для длительной непрерывной работы. Чтобы обеспечить хорошее качество изображения, среда визуализации должна быть защищена таким образом, чтобы она имела низкий уровень вибрации и пыли, чтобы избежать попадания частиц на образец в процессе визуализации.
В части усовершенствования программного обеспечения исследуется автоматизированная настройка параметров для большого количества контроллеров. Адаптивная регулировка скорости сканирования и разрешения желательна для образцов изображений с большими вариациями свойств. Автоматизированное сшивание тысяч изображений и выявление дефектов из миллиардов пикселей с помощью алгоритмов на основе машинного обучения может сделать этот метод еще более полезным в научных исследованиях и промышленном контроле.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Конфликт интересов у авторов отсутствует.
Acknowledgments
Авторы Иво В. Ранглоу и Томас Заттель выражают благодарность Федеральному министерству образования и научных исследований Германии (BMBF) и Федеральному министерству экономики и борьбы с изменением климата Германии (BMWK) за поддержку части представленных методов путем финансирования проектов FKZ:13N16580 «Активные зонды с алмазным наконечником для квантовой метрологии и нанопроизводства» в рамках исследовательского направления KMU-innovativ: «Фотоника и квантовые технологии» и KK5007912DF1 «Конъюнктивный нанопозиционер-сканер для быстрых и крупных метрологических задач в атомно-силовой микроскопии» в рамках Центральной инновационной программы для малых и средних предприятий (ЗИМ). Часть работы, представленной здесь, была профинансирована Седьмой рамочной программой Европейского Союза FP7/2007-2013 в рамках Соглашения о гранте No 318804 «Однонанометровое производство: за пределами КМОП». Авторы Иво В. Ранглоу и Эберхард Манске выражают признательность Немецкому научно-исследовательскому обществу (DFG) за поддержку в рамках научно-исследовательской учебной группы «Tip- и laser-based 3D-Nanofabrication in extended macroscopic working areas» (GRK 2182) в Техническом университете Ильменау, Германия.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Active-Cantilever | nano analytik GmbH | AC-10-2012 | AFM Probe |
| E-Beam | EBX-30, INC | 012323-15 | Mask patterning instrument |
| Highly Oriented Pyrolytic Graphite – HOPG | TED PELLA, INC | 626-10 | AFM calibration sample |
| Mask Sample | Nanda Technologies GmbH | Test substrate | EUV Mask Sample substrate |
| NANO-COMPAS-PRO | nano analytik GmbH | 23-2016 | AFM Software |
| nanoMetronom 20 | nano analytik GmbH | 1-343-2020 | AFM Instrument |
References
- Ando, T. High-speed atomic force microscopy and its future prospects. Biophysical Reviews. 10 (2), 285-292 (2018).
- 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).
- Sohn, Y., Ryu, S., Yang, Y. Semiconductor technology challenges in high volume manufacturing of semiconductors. Microscopy and Microanalysis. 28, 800-801 (2022).
- 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).
- Nakamae, K.
- Nduhura-Munga, J., et al. A literature review on sampling techniques in semiconductor manufacturing. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 26 (2), 188-195 (2013).
- Zhang, T., et al. Correlative AFM and scanning microlens microscopy for time-efficient multiscale imaging. Advanced Science. 9 (12), 2103902 (2022).
- Holz, M., et al. Correlative microscopy and nanofabrication with AFM integrated with SEM. Microscopy Today. 27 (6), 24-30 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, J. Y., Mullin, N., Hobbs, J. K. High-speed large area atomic force microscopy using a quartz resonator. Nanotechnology. 29 (33), 335502 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xia, F., et al. A modular low-cost atomic force microscope for precision mechatronics education. Mechatronics. 76, 102550 (2021).
- Minne, S. C., et al. Centimeter scale atomic force microscope imaging and lithography. Applied Physics Letters. 73 (12), 1742-1744 (1998).
- Minne, S. C., et al. Automated parallel high-speed atomic force microscopy. Applied Physics Letters. 72 (18), 2340-2342 (1998).
- Ahmad, A., et al. Large area fast-AFM scanning with active "Quattro" cantilever arrays. Journal of Vacuum Science & Technology B. 34 (6), (2016).
- Gotszalk, T., Grabiec, P., Rangelow, I. W. Piezoresistive sensors for scanning probe microscopy. Ultramicroscopy. 82 (1), 39-48 (2000).
- Angelov, T., et al. Thermo-mechanical transduction suitable for high-speed scanning probe imaging and lithography. Microelectronic Engineering. 154, 1-7 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Holz, M., et al. High throughput AFM inspection system with parallel active cantilevers. In Photomask Technology 2019. 11148, SPIE. 278-287 (2019).
- 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).
- Ahmad, A., et al. 13th Intl. Workshop on Nanomechanical Sensing. Quattro-Cantilever Array: Large Area and High Speed AFM Imaging and Nanolithography. , (2016).
- Shearer, C. J., Slattery, A. D., Stapleton, A. J., Shapter, J. G., Gibson, C. T.
- Shioyama, H. The interactions of two chemical species in the interlayer spacing of graphite. Synthetic Metals. 114 (1), 1-15 (2000).
- Ivanova, K., et al. Scanning proximal probes for parallel imaging and lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 26 (6), 2367-2373 (2008).
- 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).
- 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).
