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Engineering

उच्च थ्रूपुट बड़े पैमाने पर नमूना निरीक्षण के लिए क्वाट्रो-समानांतर ब्रैकट सरणियों के साथ सक्रिय जांच परमाणु बल माइक्रोस्कोपी

Published: June 13, 2023 doi: 10.3791/65210
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 4,5
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

Summary

नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ बड़े पैमाने पर नमूना निरीक्षण में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, विशेष रूप से नैनोफैब्रिकेटेड अर्धचालक वेफर्स के लिए। परमाणु बल माइक्रोस्कोप इस उद्देश्य के लिए एक महान उपकरण हो सकता है, लेकिन उनकी इमेजिंग गति से सीमित हैं। यह कार्य उच्च-थ्रूपुट और बड़े पैमाने पर निरीक्षणों को सक्षम करने के लिए AFM में समानांतर सक्रिय ब्रैकट सरणियों का उपयोग करता है।

Abstract

एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) नमूनों की 3 डी स्थलाकृति छवियों को पकड़ने के लिए नैनोस्केल सतह अध्ययन के लिए एक शक्तिशाली और बहुमुखी उपकरण है। हालांकि, उनके सीमित इमेजिंग थ्रूपुट के कारण, एएफएम को बड़े पैमाने पर निरीक्षण उद्देश्यों के लिए व्यापक रूप से नहीं अपनाया गया है। शोधकर्ताओं ने कई वर्ग माइक्रोमीटर तक के एक छोटे इमेजिंग क्षेत्र की कीमत पर प्रति सेकंड दसियों फ्रेम पर रासायनिक और जैविक प्रतिक्रियाओं में गतिशील प्रक्रिया वीडियो रिकॉर्ड करने के लिए उच्च गति वाले एएफएम सिस्टम विकसित किए हैं। इसके विपरीत, अर्धचालक वेफर्स जैसे बड़े पैमाने पर नैनोफैब्रिकेटेड संरचनाओं का निरीक्षण करने के लिए उच्च उत्पादकता वाले सैकड़ों वर्ग सेंटीमीटर पर एक स्थिर नमूने के नैनोस्केल स्थानिक रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग की आवश्यकता होती है। पारंपरिक एएफएम एक ऑप्टिकल बीम विक्षेपण प्रणाली के साथ एक एकल निष्क्रिय ब्रैकट जांच का उपयोग करते हैं, जो एएफएम इमेजिंग के दौरान एक समय में केवल एक पिक्सेल एकत्र कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कम इमेजिंग थ्रूपुट होता है। यह काम एम्बेडेड पीज़ोरेसिस्टिव सेंसर और थर्मोमेकेनिकल एक्ट्यूएटर्स के साथ सक्रिय कैंटिलीवर की एक सरणी का उपयोग करता है, जो बढ़े हुए इमेजिंग थ्रूपुट के लिए समानांतर ऑपरेशन में एक साथ बहु-ब्रैकट ऑपरेशन की अनुमति देता है। जब बड़ी दूरी के नैनो-पोजिशनर्स और उचित नियंत्रण एल्गोरिदम के साथ जोड़ा जाता है, तो प्रत्येक ब्रैकट को कई एएफएम छवियों को कैप्चर करने के लिए व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। डेटा-संचालित पोस्ट-प्रोसेसिंग एल्गोरिदम के साथ, छवियों को एक साथ सिला जा सकता है, और वांछित ज्यामिति से तुलना करके दोष का पता लगाया जा सकता है। यह पत्र सक्रिय ब्रैकट सरणियों का उपयोग करके कस्टम एएफएम के सिद्धांतों का परिचय देता है, इसके बाद निरीक्षण अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक प्रयोग विचारों पर चर्चा होती है। सिलिकॉन अंशांकन झंझरी, अत्यधिक उन्मुख पायरोलाइटिक ग्रेफाइट, और चरम पराबैंगनी लिथोग्राफी मास्क की चयनित उदाहरण छवियों को 125 माइक्रोन टिप पृथक्करण दूरी के साथ चार सक्रिय कैंटिलीवर ("क्वाट्रो") की एक सरणी का उपयोग करके कब्जा कर लिया जाता है। अधिक इंजीनियरिंग एकीकरण के साथ, यह उच्च-थ्रूपुट, बड़े पैमाने पर इमेजिंग टूल चरम पराबैंगनी (ईयूवी) मास्क, रासायनिक यांत्रिक प्लानराइजेशन (सीएमपी) निरीक्षण, विफलता विश्लेषण, डिस्प्ले, पतली-फिल्म चरण माप, खुरदरापन माप के लिए 3 डी मेट्रोलॉजिकल डेटा प्रदान कर सकता है।

Introduction

परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) नैनोस्केल स्थानिक संकल्प के साथ 3 डी स्थलाकृति छवियों को कैप्चर कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने मैकेनिकल, इलेक्ट्रिकल, मैग्नेटिक, ऑप्टिकल और थर्मल डोमेन में नमूना संपत्ति मानचित्र बनाने के लिए एएफएम की क्षमता बढ़ा दी है। इस बीच, इमेजिंग थ्रूपुट में सुधार भी एएफएम को नई प्रयोगात्मक जरूरतों के अनुकूल बनाने के लिए अनुसंधान का फोकस रहा है। उच्च-थ्रूपुट एएफएम इमेजिंग के लिए मुख्य रूप से दो एप्लिकेशन डोमेन हैं: पहली श्रेणी जैविक या रासायनिक प्रतिक्रियाओं 1,2 के कारण नमूने में गतिशील परिवर्तनों को पकड़ने के लिए एक छोटे से क्षेत्र की उच्च गति इमेजिंग है; दूसरी श्रेणी उच्च-स्थानिक संकल्प, एक निरीक्षण के दौरान स्थिर नमूनों की बड़े पैमाने पर इमेजिंग के लिए है, जिस पर इस काम में विस्तार से चर्चा की गई है। नैनोस्केल तक सिकुड़ने वाले ट्रांजिस्टर आकार के साथ, अर्धचालक उद्योग को नैनोस्केल स्थानिक संकल्प3 के साथ वेफर-स्केल नैनोफैब्रिकेटेड उपकरणों का निरीक्षण करने के लिए तत्काल उच्च-थ्रूपुट एएफएम की आवश्यकता होती है।

वेफर और ट्रांजिस्टर सुविधाओं के बीच विशाल पैमाने पर अंतर के कारण वेफर पर नैनोफैब्रिकेटेड उपकरणों का लक्षण वर्णन चुनौतीपूर्ण हो सकता है। बड़े दोषों को ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ स्वचालित रूप सेदेखा जा सकता है 4. इसके अलावा, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) व्यापक रूप से 2 डी5 में नैनोमीटर के दसियों तक निरीक्षण के लिए उपयोग किया जाता है। 3D जानकारी और उच्च रिज़ॉल्यूशन के लिए, AFM एक अधिक उपयुक्त उपकरण है यदि इसके थ्रूपुट में सुधार किया जा सकता है।

सीमित इमेजिंग थ्रूपुट के साथ, एक दृष्टिकोण छवि चयनित वेफर क्षेत्रों के लिए है जहां नैनोफैब्रिकेशन दोष6 होने की अधिक संभावना है। इसके लिए डिजाइन और निर्माण प्रक्रिया के पूर्व ज्ञान की आवश्यकता होगी। वैकल्पिक रूप से, अवलोकन और ज़ूम के लिए AFM के साथ ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप या SEM जैसे अन्य तौर-तरीकों का संयोजन, 7,8 संभव है। निर्माण और लक्षण वर्णन उपकरणों के बीच समन्वय प्रणाली को ठीक से संरेखित करने के लिए एक विस्तृत श्रेणी, उच्च-सटीक स्थिति प्रणाली की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, इस कार्यक्षमता को महसूस करने के लिए विभिन्न चयनित क्षेत्रों की छवि के लिए एक स्वचालित एएफएम प्रणाली आवश्यक है।

एक विकल्प के रूप में, शोधकर्ताओं ने एएफएम स्कैनिंग गति बढ़ाने के विभिन्न तरीकों की जांच की है। चूंकि उच्च-थ्रूपुट एएफएम को सक्षम करना एक व्यवस्थित परिशुद्धता इंस्ट्रूमेंटेशन चुनौती है, शोधकर्ताओं ने विभिन्न तरीकों की जांच की है, जिसमें छोटे एएफएम जांच का उपयोग करना, उच्च-बैंडविड्थ नैनो-पोजिशनर्स 9,10,11,12 को फिर से डिजाइन करना और इलेक्ट्रॉनिक्स 13 को चलाना, ऑपरेशन के तरीकों का अनुकूलन, इमेजिंग नियंत्रण एल्गोरिदम 14,15,16,17आदि। इन प्रयासों के साथ, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल-जांच एएफएम सिस्टम के लिए प्रभावी सापेक्ष टिप और नमूना गति को अधिकतम दसियों मिलीमीटर प्रति सेकंड तक बढ़ाया जा सकता है।

इमेजिंग थ्रूपुट को और बेहतर बनाने के लिए, समानांतर में काम करने के लिए कई जांच जोड़ना एक प्राकृतिक समाधान है। हालांकि, ब्रैकट विक्षेपण संवेदन के लिए उपयोग की जाने वाली ऑप्टिकल बीम विक्षेपण (ओबीडी) प्रणाली अपेक्षाकृत भारी है, जो कई जांचों को अपेक्षाकृत चुनौतीपूर्ण बनाती है। व्यक्तिगत ब्रैकट विक्षेपण नियंत्रण को महसूस करना भी मुश्किल हो सकता है।

इस सीमा को दूर करने के लिए, भारी बाहरी घटकों के बिना एम्बेडेड सेंसिंग और एक्चुएशन सिद्धांतों को प्राथमिकता दी जाती है। जैसा कि पहले प्रकाशित रिपोर्ट18,19 में विस्तृत है, पीज़ोरेसिटिव, पीजोइलेक्ट्रिक और ऑप्टोमैकेनिकल सिद्धांतों के साथ विक्षेपण संवेदन को एम्बेडेड सेंसिंग माना जा सकता है, जिसमें पूर्व दो अधिक परिपक्व और लागू करने में आसान हैं। एम्बेडेड सक्रियण के लिए, विद्युत ताप या पीजोइलेक्ट्रिक सिद्धांतों के साथ थर्मोमेकेनिकल दोनों का उपयोग किया जा सकता है। यद्यपि पीजोइलेक्ट्रिक सिद्धांत क्रायोजेनिक वातावरण तक व्यापक तापमान सीमा में काम कर सकते हैं, वे केवल टैपिंग मोड एएफएम संचालन का समर्थन कर सकते हैं, क्योंकि हिस्टैरिसीस और रेंगने से पीड़ित चार्ज रिसाव और स्थिर सक्रियण के कारण स्थिर विक्षेपण को मापा नहीं जा सकता है। पूर्व काम में, एक piezoresistive सेंसर और piezoelectric सेंसर का उपयोग कर सक्रिय ब्रैकट जांच सरणियों बड़ी दूरी इमेजिंग20,21 के लिए विकसित किया गया है, लेकिन आगे बड़े पैमाने पर इमेजिंग या व्यावसायीकरण के लिए बढ़ाया नहीं गया है. इस काम में, पीज़ोरेसिस्टिव सेंसिंग और थर्मोमेकेनिकल एक्चुएशन के संयोजन को स्थिर विक्षेपण नियंत्रण क्षमता के साथ एम्बेडेड ट्रांसड्यूसर के रूप में चुना जाता है।

इस काम में, एक उपन्यास "क्वाट्रो"22 समानांतर सक्रिय ब्रैकट सरणी का उपयोग सक्रिय कैंटिलीवर का उपयोग करके एक साथ इमेजिंग के लिए जांच23 के रूप में उपयोग किया जाता है। ब्रैकट विक्षेपण को मापने के लिए, व्हीटस्टोन ब्रिज कॉन्फ़िगरेशन19 में पीज़ोरेसिस्टिव सेंसर आंतरिक तनाव को मापने के लिए प्रत्येक माइक्रो-ब्रैकट के आधार पर नैनोफैब्रिकेट किए जाते हैं, जो ब्रैकट टिप विक्षेपण के लिए रैखिक रूप से आनुपातिक है। यह कॉम्पैक्ट एम्बेडेड सेंसर पारंपरिक ओबीडी सेंसर के रूप में उप-नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन भी प्राप्त कर सकता है। लागू बल F या ब्रैकट विक्षेपण z के जवाब में व्हीटस्टोन ब्रिज वोल्टेज आउटपुट Uआउटका शासी समीकरण समीकरण 119 में लंबाई L, चौड़ाई W, और मोटाई H, piezoresistive सेंसर गुणांक PR, और ब्रैकट E ब्रिज आपूर्ति वोल्टेज Ub के प्रभावी लोचदार मापांक के लिए समीकरण 1 19 में दिखाया गया है।

Equation 1(1)

चूंकि नमूने को परेशान करने से बचने के लिए गैर-इमेजिंग इमेजिंग के लिए गतिशील टैपिंग / गैर-संपर्क मोड ऑपरेशन को प्राथमिकता दी जाती है, इसलिए एल्यूमीनियम/मैग्नीशियम मिश्र धातु24, सिलिकॉन और सिलिकॉन ऑक्साइड सामग्री से बने बिमोर्फ ब्रैकट को गर्म करने के लिए सर्पिन आकार के एल्यूमीनियम तारों से बना एक थर्मोमेकेनिकल एक्ट्यूएटर का उपयोग किया जाता है। सूक्ष्म पैमाने पर, थर्मल प्रक्रियाओं का समय स्थिरांक बहुत छोटा होता है, और दसियों से सैकड़ों किलोहर्ट्ज़ पर ब्रैकट अनुनाद को विद्युत संकेत के साथ हीटर चलाकर उत्तेजित किया जा सकता है। हीटर तापमान ΔT सापेक्ष परिवेश द्वारा नियंत्रित ब्रैकट मुक्त अंत विक्षेपण zh समीकरण 219में ब्रैकट लंबाई L के लिए एक स्थिर K के साथ दिखाया गया है, जो विस्तार और ज्यामितीय मोटाई और क्षेत्र के द्विरूपी सामग्री थर्मो गुणांक पर निर्भर करता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ΔT हीटर पावर P के समानुपाती है, जो लागू वोल्टेज V के वर्ग को इसके प्रतिरोध R से विभाजित करने के बराबर है।

Equation 2(2)

एक अतिरिक्त लाभ के रूप में, अनुनाद उत्तेजना के अलावा स्थैतिक विक्षेपण को भी नियंत्रित किया जा सकता है। यह व्यक्तिगत रूप से प्रत्येक ब्रैकट की जांच-नमूना बातचीत को विनियमित करने के लिए एक विशेष रूप से सहायक क्षमता हो सकती है। इसके अलावा, एक ही बेस चिप पर कई कैंटिलीवर को एम्बेडेड थर्मोमैकेनिकल एक्ट्यूएटर के साथ व्यक्तिगत रूप से उत्साहित किया जा सकता है, जो पीजो-जनित ध्वनिक तरंगों के साथ पारंपरिक अनुनाद उत्तेजना में असंभव है।

piezoresistive संवेदन और thermomechanical सक्रियण के संयोजन, सक्रिय ब्रैकट जांच एसई माइक्रोस्कोपी में collocated वायुसेना माइक्रोस्कोपी, अपारदर्शी तरल में इमेजिंग, और स्कैनिंग जांच लिथोग्राफी सहित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला सक्षम किया गया है, समीक्षा25 में उपलब्ध अधिक जानकारी के साथ. उच्च-थ्रूपुट निरीक्षण उद्देश्यों के लिए, सक्रिय ब्रैकट सरणी एक प्रतिनिधि एएफएम कार्यान्वयन उदाहरण के साथ बनाई गई है जिसमें चार समानांतर कैंटिलीवर शामिल हैं, जैसा कि चित्र 1में दिखाया गया है। भविष्य में, आठ समानांतर सक्रिय कैंटिलीवर और दसियों पोजिशनर्स28 का उपयोग करके एक औद्योगिक पैमाने की प्रणाली विकसित की जाएगी। एक उदाहरण का उपयोग करके पैमाने को स्पष्ट करने के लिए, 100 एनएम के इन-प्लेन स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ, 100 मिमी से 100 मिमी के क्षेत्र में इमेजिंग के परिणामस्वरूप 106 स्कैन लाइनें और 1012 पिक्सेल होंगे। प्रति कैंटिलीवर 50 mm/s की स्कैनिंग गति के साथ, इसके लिए एक एकल ब्रैकट के लिए कुल 555.6 घंटे से अधिक स्कैनिंग (23+ दिन) की आवश्यकता होगी, जो व्यावहारिक रूप से उपयोगी होने के लिए बहुत लंबा है। दसियों पोजिशनर्स के साथ सक्रिय ब्रैकट सरणी तकनीक का उपयोग करते हुए, आवश्यक इमेजिंग समय को संकल्प के लिए कोई समझौता किए बिना 5-10 घंटे (आधे दिन से भी कम) के परिमाण के लगभग दो आदेशों से कम किया जा सकता है, जो औद्योगिक निरीक्षण उद्देश्य के लिए एक उचित समय पैमाना है।

बड़े क्षेत्र, उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियों को कैप्चर करने के लिए, नैनो-पोजिशनिंग सिस्टम को भी अपग्रेड किया गया है। वेफर-स्केल बड़े नमूनों की इमेजिंग के लिए, नमूने के बजाय जांच को स्कैन करना पसंद किया जाता है, ताकि वस्तुओं के आकार को कम किया जा सके। 125 माइक्रोन पर सक्रिय कैंटिलीवर के बीच जुदाई दूरी के साथ, स्कैनर इस सीमा से थोड़ा बड़ा क्षेत्र को कवर करता है ताकि प्रत्येक ब्रैकट से छवियों को पोस्ट-प्रोसेसिंग के दौरान एक साथ सिला जा सके। एक स्कैन के पूरा होने पर, मोटे पोजिशनर स्वचालित रूप से इमेजिंग प्रक्रिया को जारी रखने के लिए जांच को एक नए आसन्न क्षेत्र में बदल देता है। जबकि एम्बेडेड थर्मोमेकेनिकल एक्ट्यूएटर प्रत्येक कैंटिलीवर के विक्षेपण को नियंत्रित करता है, सभी समानांतर कैंटिलीवर के औसत विक्षेपण को स्थलाकृति ट्रैकिंग के दौरान कैंटिलीवर की सहायता के लिए एक अन्य आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न (पीआईडी) नियंत्रक के साथ विनियमित किया जाता है। स्कैनर नियंत्रक यह भी सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक ब्रैकट का झुकना अधिकतम थ्रेशोल्ड मान से अधिक न हो, जिससे स्थलाकृति भिन्नता बहुत बड़ी होने पर अन्य जांच सतह से संपर्क खो सकती है।

स्थलाकृति भिन्नता का स्तर जिसे एक ही बेस चिप पर कैंटिलीवर के लिए ट्रैक किया जा सकता है, इसे सीमित होना चाहिए, क्योंकि ब्रैकट की स्थिर विक्षेपण नियंत्रण सीमा दसियों माइक्रोन के क्रम पर है। सेमीकंडक्टर वेफर्स के लिए, नमूना स्थलाकृति विविधताएं आमतौर पर उप-माइक्रोमीटर पैमाने पर होती हैं, इसलिए उन्हें एक बड़ी समस्या नहीं होनी चाहिए। हालांकि, अधिक कैंटिलीवर के अतिरिक्त के साथ, कैंटिलीवर की रेखा के संबंध में नमूना विमान झुकाव एक समस्या बन सकता है। व्यवहार में, 1 मिमी के करीब स्पेसिंग वाले आठ समानांतर कैंटिलीवर अभी भी झुकाव कोण के 1 ° की अनुमति देंगे, जबकि अधिक कैंटिलीवर जोड़ने से झुकाव नियंत्रण को महसूस करना अधिक कठिन हो सकता है। इसलिए, अलग जांच स्कैनर पर रखा आठ cantilever जांच के कई समूहों का उपयोग पूरी तरह से समानांतर सक्रिय ब्रैकट जांच सिद्धांत की क्षमता का एहसास करने के लिए एक सतत प्रयास है.

डेटा संग्रह के बाद, वांछित जानकारी प्राप्त करने के लिए पोस्ट-प्रोसेसिंग ऑपरेशन आवश्यक है। प्रक्रिया आम तौर पर स्कैनिंग कलाकृतियों को हटाने, एक समग्र चित्रमाला फार्म आसन्न छवियों सिलाई शामिल है, और वैकल्पिक रूप से उन्हें उपयुक्त एल्गोरिदम26 का उपयोग कर वांछित ज्यामिति के लिए तुलना करके संरचना दोषों की पहचान करना. यह संचित डेटा की मात्रा छवियों की एक बड़ी रेंज के लिए भारी हो सकता है कि ध्यान देने योग्य है, और डेटा संचालित सीखने एल्गोरिदम भी अधिक कुशल प्रसंस्करण27 के लिए विकसित किया जा रहा है.

यह आलेख एक कस्टम AFM सिस्टम में एकीकृत समानांतर सक्रिय ब्रैकट सरणी का उपयोग करके उच्च-रिज़ॉल्यूशन AFM छवियों को प्राप्त करने की सामान्य प्रक्रिया को दिखाता है। प्रणाली का विस्तृत कार्यान्वयन 22,28,29,30 में उपलब्ध है, और सामग्री की तालिका में सूचीबद्ध मॉडल संख्या के साथ इसका वाणिज्यीकरण किया जा रहा है। सभी चार कैंटिलीवर को एम्बेडेड थर्मल-मैकेनिकल एक्ट्यूएटर द्वारा उत्साहित टैपिंग मोड में संचालित किया गया था। अंशांकन नमूने, नैनोफैब्रिकेशन मास्क, और अत्यधिक उन्मुख पायरोलाइटिक ग्रेफाइट (एचओपीजी) नमूनों पर प्रतिनिधि परिणाम (सामग्री की तालिकादेखें) बड़े क्षेत्र के निरीक्षण के लिए इस नए एएफएम उपकरण की प्रभावशीलता को स्पष्ट करने के लिए प्रदान किए जाते हैं।

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Protocol

1. बड़े पैमाने पर निरीक्षण के लिए नमूना तैयार करना

  1. एएफएम के लिए उपयुक्त आकार के साथ नमूना तैयार करें ( सामग्री की तालिकादेखें)।
    नोट: 75 मिमी से 300 मिमी तक एक इन-प्लेन व्यास के साथ वेफर-आकार के नमूने और 200 माइक्रोन से नीचे एक अपेक्षित आउट-ऑफ-प्लेन ऊंचाई भिन्नता एएफएम नमूना चरण पर फिट हो सकती है। इस अध्ययन में, एक 4 इंच वेफर पर एक चरम पराबैंगनी (EUV) मुखौटा प्रयोग किया जाता है ( सामग्री की तालिकादेखें).
  2. दूषित पदार्थों को हटाने के लिए नमूने को साफ करें और नमूनों को एक साफ कमरे या कम धूल वाले वातावरण के अंदर रखें, जैसे वैक्यूम कक्ष या नाइट्रोजन-शुद्ध कैबिनेट।
    1. एक संपीड़ित नाइट्रोजन स्प्रे बंदूक के साथ नमूना उड़ा से बड़े धूल कणों निकालें, या नमूना पानी के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है, तो विआयनीकृत पानी के साथ कुल्ला. नमूना को नुकसान पहुंचाने से बचने के लिए, 0.1 मीटर3/मिनट से नीचे एक छोटे प्रवाह दर का उपयोग करें।
    2. वैकल्पिक रूप से, कार्बनिक दूषित पदार्थों को हटाने के लिए प्लाज्मा सफाई लागू करें। प्लाज्मा उपचार मशीन में नमूना रखें. कक्ष बंद करें और दबाव को 600 mTorr तक पंप करें। सफाई के लिए 30 एस के लिए प्लाज्मा के लिए नमूना बेनकाब.
      नोट: चरण 1.3.2 संदूषण हटाने के लिए वैकल्पिक है। इस अध्ययन में, एक साफ कमरे के अंदर निर्माण और लक्षण वर्णन किया गया था, इसलिए इस कदम की आवश्यकता नहीं थी।
  3. उपयुक्त इमेजिंग रणनीतियों की पहचान करें, जिसमें रुचि के क्षेत्र, स्कैनिंग रेंज, स्थानिक/पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन और स्कैनिंग लाइन गति शामिल हैं।
    1. निर्धारित करें कि क्या नमूने को एक समग्र पैनोरमा या कई छोटे चयनित क्षेत्रों की स्वचालित इमेजिंग की आवश्यकता है।
      नोट: वांछित संरचनाओं के साथ नैनोफैब्रिकेटेड नमूनों के लिए, निरीक्षण उद्देश्यों के लिए दोषों की संभावना वाले प्रमुख क्षेत्रों को निर्धारित करना अक्सर आसान होता है। अन्य नमूनों के लिए, एक त्वरित अवलोकन के लिए एक कम स्थानिक संकल्प छवि लेने, और फिर उच्च स्थानिक संकल्प इमेजिंग के लिए ब्याज की छोटी क्षेत्र में zooming आसान हो सकता है.
    2. इन सुविधाओं को हल करने के लिए वांछित स्थानिक संकल्प निर्धारित करने के लिए नमूने के पूर्व ज्ञान के आधार पर सुविधाओं के आकार का अनुमान लगाएं।
    3. पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन निर्धारित करने के लिए इमेजिंग रेंज और स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के अनुपात का उपयोग करें।
    4. नमूने के साथ पूर्व अनुभव के आधार पर एक प्रारंभिक स्कैन लाइन गति का चयन करें, या नमूना सामग्री, जांच गतिशीलता और वांछित स्थानिक संकल्प के आधार पर बाद में AFM सिस्टम सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें।

2. एएफएम साधन अंशांकन और प्रयोग सेटअप

  1. उपयुक्त सक्रिय AFM ब्रैकट सरणी का चयन करें।
    नोट: एएफएम सक्रिय ब्रैकट कठोरता, पहली अनुनाद आवृत्ति, और जांच सरणी में प्रत्येक ब्रैकट के लिए अप्रयुक्त जांच टिप तीक्ष्णता उत्पादन से विशेषता है। डेटा को निर्माता से पुनर्प्राप्त किया जा सकता है और इमेजिंग से पहले स्वचालित रूप से सॉफ़्टवेयर में लोड किया जा सकता है। नमूना सामग्री या आवेदन के आधार पर सॉफ्टवेयर द्वारा अनुशंसित उपयुक्त ब्रैकट का चयन करना सफल इमेजिंग सुनिश्चित करने में सहायक होता है। विनिर्माण परिवर्तनशीलता के कारण, प्रत्येक ब्रैकट के गुण अलग-अलग हो सकते हैं लेकिन समान स्तर पर।
  2. नियंत्रक की मुख्य शक्ति पर स्विच करके AFM चालू करें और सिस्टम के प्रारंभ होने की प्रतीक्षा करें। होस्ट कंप्यूटर चालू करें और AFM सिस्टम सॉफ़्टवेयर खोलें।
  3. सक्रिय ब्रैकट जांच स्थापना करें।
    1. सक्रिय ब्रैकट स्थापना पर क्लिक करके जांच स्कैनर उठाएँ. जांच धारक नमूना चरण से ऊपर उठाया जा करने के लिए प्रतीक्षा करें और स्वचालित रूप से बंद करो.
    2. जांच धारक पर AFM कैंटिलीवर जांच सरणी को माउंट और सुरक्षित करें।
      नोट: एएफएम ब्रैकट सरणियाँ एक नैनो-एसडी कार्ड आकार धारक से जुड़ी होती हैं और जांच स्थापना के लिए सीधे हाथ से नियंत्रित की जा सकती हैं। संवेदन और सक्रियण सिद्धांतों में मूलभूत अंतर के साथ, किसी भी लेजर संरेखण को करने की कोई आवश्यकता नहीं है।
    3. प्रोब ऑटो सेटिंग्स पर क्लिक करें और निर्माता द्वारा प्रदान की गई जांच जानकारी लोड करें (सामग्री की तालिकादेखें)। जांच और सॉफ्टवेयर में सीरियल नंबर का मिलान करना सुनिश्चित करें।
    4. इमेजिंग के लिए प्रत्येक ब्रैकट की अनुनाद को सत्यापित करने के लिए एक जांच आवृत्ति स्वीप का संचालन करें। कैंटिलीवर ट्यूनिंग पर क्लिक करें और पॉप-अप विंडो में स्वीप पर क्लिक करें। निर्दिष्ट करें प्रारंभ आवृत्ति तथा समाप्ति आवृत्ति यदि श्रेणी ज्ञात है। यदि नहीं, तो सॉफ़्टवेयर डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स का उपयोग करके मानों को स्वचालित रूप से अपडेट कर देगा।
      नोट: यह कदम, सिद्धांत रूप में, नई जांच के लिए वैकल्पिक है क्योंकि उन्हें उत्पादन के बाद कैलिब्रेट किया गया है। हालांकि, पहले इस्तेमाल किया गया है कि जांच के लिए, यह सिर्फ मामले में इस स्वीप प्रदर्शन करने के लिए सिफारिश की है किसी भी गुण पिछले आपरेशन के दौरान बदल गया है (उदाहरण के लिए, दूषित कणों है कि ब्रैकट अनुनाद बदलता है के लगाव). थर्मोमेकेनिकल एक्चुएशन के कारण, हीटिंग पावर ड्राइविंग वोल्टेज के वर्ग के समानुपाती होती है। गैर-संपर्क मोड ऑपरेशन को टैप करने के लिए, इनपुट वोल्टेज साइन वेव घटक का दूसरा हार्मोनिक समीकरण 2 में वर्ग संबंध के कारण उत्पन्न होता है। यह दूसरा हार्मोनिक आमतौर पर उत्तेजना के दौरान ब्रैकट अनुनाद के साथ मेल खाता है, क्योंकि प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) ऑफसेट सिग्नल इसके आयाम को प्रभावित नहीं करता है। इसलिए, डीसी घटक औसत ब्रैकट विक्षेपण को नियंत्रित करते हैं, और ड्राइव सिग्नल के प्रत्यावर्ती वर्तमान (एसी) घटक स्वचालित रूप से इमेजिंग के लिए ब्रैकट अनुनाद आवृत्ति के आधे हिस्से पर सेट हो जाते हैं।
  4. लोड करें और जगह में नमूना सुरक्षित. सुनिश्चित करें कि नमूने के संपर्क में नीचे की सतह छवि की जाने वाली सुविधाओं के साथ शीर्ष सतह के समानांतर है। नमूना फ्लैट है सुनिश्चित करने के लिए micrometer knobs का उपयोग कर नमूना चरण झुकाव ठीक-धुन. स्पेसर जोड़ें यदि ठीक समायोजन पोजिशनर्स के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए झुकाव बहुत बड़ा है।
  5. AFM पर माइक्रोमीटर का उपयोग करके नमूने की इन-प्लेन XY स्थिति को समायोजित करें मंच। ब्याज के क्षेत्र का पता लगाने के लिए एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि का उपयोग करें और छवि के लिए ब्याज के पहले क्षेत्र पर ब्रैकट सरणी की सापेक्ष स्थिति की स्थिति।
  6. XYZ Zero बटन पर क्लिक करके एक वैश्विक समन्वय स्थापित करें।
    नोट: एक मनोरम छवि के निर्माण के लिए, इस कदम को मोटे तौर पर ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप दृश्य का उपयोग करके आयोजित किया जा सकता है। जब एक नैनोफैब्रिकेटेड नमूने के चयनित क्षेत्रों की इमेजिंग करते हैं, तो AFM निर्देशांक के साथ निर्माण उपकरण के XYZ समन्वय को ठीक से संरेखित करना आवश्यक हो सकता है। यह चरण AFM इमेजिंग करके और XYZ ज़ीरो बटन पर फिर से क्लिक करके अधिक सटीक रूप से किया जा सकता है।
  7. ध्वनिक ढाल को बंद करें और सील करें।
    नोट: ध्वनिक ढाल हवा के माध्यम से कंपन प्रसार को कम करने में मदद करता है। इसके अलावा, सीलबंद कवर नमूने पर धूल के कणों के उतरने की संभावना को भी कम कर सकता है, क्योंकि बड़े पैमाने पर इमेजिंग को पूरा होने में लंबा समय लग सकता है। यह सुरक्षात्मक आवरण कंपन स्रोतों के बिना एक साफ कमरे के वातावरण में वैकल्पिक हो सकता है।

3. स्थलाकृति इमेजिंग और पैरामीटर ट्यूनिंग

  1. टैब इमेजिंग पैरामीटर सेटअप (सक्रिय ब्रैकट ईजेनमोड, स्कैनिंग गति, सेट-पॉइंट, आदि) का चयन करें और वांछित इमेजिंग मापदंडों को इनपुट करें।
    1. एकल मनोरम छवि के लिए, छवि के ऊपरी बाएँ कोने का समन्वय और स्कैन आकार दर्ज करें। एकाधिक चयनित क्षेत्रों स्वचालित रूप से इमेजिंग के लिए, सभी क्षेत्रों imaged किया जा करने के लिए इस प्रक्रिया को दोहराएँ. पोस्ट-प्रोसेसिंग छवि सिलाई के लिए इमेजिंग क्षेत्र के आसपास अतिरिक्त पैडिंग जोड़ें।
      नोट: वर्तमान अध्ययन के लिए, EUV मुखौटा के ऊपरी बाएँ कोने पूर्व परिभाषित सुविधाओं के साथ सेट किया गया था, और प्रणाली प्रत्येक कैंटिलीवर का उपयोग कर एक साथ 130 माइक्रोन द्वारा 130 माइक्रोन के साथ चार छवियों पर कब्जा करने के लिए विन्यस्त किया गया था.
    2. वांछित इन-प्लेन पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन (आमतौर पर स्कैन लाइन प्रति हजारों पिक्सेल) दर्ज करें और इमेजिंग के लिए सॉफ़्टवेयर से डिफ़ॉल्ट अनुशंसित लाइन स्कैन गति का उपयोग करें। यदि आवश्यक हो, तो प्रत्येक क्षेत्र को इमेज करने के लिए लाइन स्कैन गति को मैन्युअल रूप से समायोजित करें।
      नोट: इस अध्ययन में, प्रति पंक्ति 26,000 पिक्सल का एक पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन, प्रति पिक्सेल 5 एनएम के अनुरूप, उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियों को प्राप्त करने के लिए उपयोग किया गया था।
    3. गैर-संपर्क मोड के लिए, ब्रैकट विशेषताओं से प्राप्त सॉफ़्टवेयर में डिफ़ॉल्ट ड्राइव आयाम, आवृत्ति और सेटपॉइंट का उपयोग करें, या सरणी पर प्रत्येक ब्रैकट के लिए सेटपॉइंट को मैन्युअल रूप से इनपुट करें। PID नियंत्रक सेटिंग्स को डिफ़ॉल्ट के रूप में छोड़ दें।
  2. नमूने के साथ सक्रिय ब्रैकट जांच सरणी संलग्न करें।
    1. इमेजिंग से पहले ब्रैकट को प्री-बेंड करने के लिए इनिशियलाइज़ कैंटिलीवर पर क्लिक करें।
    2. ब्रैकट अनुनाद को उत्तेजित करने के लिए स्टार्ट नॉन-कॉन्टैक्ट ड्राइव पर क्लिक करें।
    3. सिस्टम को स्वचालित रूप से नमूना और जांच को संपर्क में लाने के लिए एंगेज पर क्लिक करें। इस चरण के पूरा होने के बाद इमेजिंग स्वचालित रूप से प्रारंभ हो जाएगा.
  3. स्कैन किए गए ट्रेस/छवि के आधार पर प्रत्येक ब्रैकट के लिए पीआईडी नियंत्रक मापदंडों को समायोजित करें। ट्रेस और रिट्रेस लाइनों के बीच मिलान को बेहतर बनाने के लिए पीआईडी मापदंडों को समायोजित करें, जो स्थलाकृति परिवर्तनों को पकड़ने में मदद करता है। स्थलाकृति ट्रैकिंग प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए इमेजिंग गति को भी तदनुसार समायोजित किया जा सकता है।
  4. सहेजें बटन पर क्लिक करके स्क्रीन पर वर्तमान डेटा सहेजें। प्रत्येक फ्रेम के अंत में स्कैन के दौरान डेटा भी स्वचालित रूप से सहेजा जाएगा।
  5. स्टॉप बटन पर क्लिक करके इमेजिंग बंद करें। सिस्टम इमेजिंग बंद कर देगा और नमूने से ब्रैकट सरणी को स्वचालित रूप से वापस ले लेगा। कैंटिलीवर ड्राइव को भी रोक दिया जाएगा ताकि जांच को अनइंस्टॉल करना सुरक्षित रहे।
  6. जांच और नमूने को ध्यान से निकालें और सिस्टम को बंद कर दें।

4. पोस्ट-प्रोसेसिंग और छवि विश्लेषण

  1. विक्रेता द्वारा प्रदान किया गया AFM छवि विश्लेषण सॉफ़्टवेयर खोलें।
    1. डिफ़ॉल्ट पोस्ट-प्रोसेसिंग अनुक्रम लागू करने के लिए ऑटो प्रोसेस पर क्लिक करें, जिसमें नमूना झुकाव सुधार, पिक्सेल स्तर बाहरी निष्कासन और स्कैन लाइन मिलान शामिल हैं।
    2. छवियों के अवलोकन से मैन्युअल रूप से छवि दोषों पर और सुधार लागू करें। उन्नत AFM उपकरणों के साथ, ऐसे दोष दुर्लभ हैं, लेकिन इन चरणों के साथ छवियों को अभी भी सुधारा जा सकता है।
      नोट: बड़ी मात्रा में छवियों के लिए, एक ही ऑपरेशन के साथ बैच प्रोसेसिंग के माध्यम से मैक्रो या पायथन स्क्रिप्ट का उपयोग करके प्रक्रिया को स्वचालित करना संभव है। वर्तमान अध्ययन के लिए इसकी आवश्यकता नहीं थी।
  2. पैनोरमा छवि बटन पर क्लिक करके और सिले जाने के लिए कई छवियों का चयन करके मनोरम छवि बनाने के लिए सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें।
    नोट: छवि सिलाई सीधे आसन्न छवियों के अतिव्यापी स्थान का उपयोग करके स्वचालित रूप से की जाती है। वैकल्पिक रूप से, छवि विलय किनारों पर अतिव्यापी पिक्सेल के सहसंबंध को अधिकतम करने का प्रयास करता है। इन आदेशों में विभिन्न विकल्प उपलब्ध हैं और समग्र विलय प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।
  3. विशिष्ट नमूने के आधार पर आगे के विश्लेषण के लिए डेटा सहेजें।

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Representative Results

स्थलाकृति इमेजिंग के लिए समानांतर सक्रिय कैंटिलीवर का उपयोग करके एएफएम बड़ी दूरी की इमेजिंग की प्रभावशीलता को प्रदर्शित करने के लिए, समानांतर में संचालित चार कैंटिलीवर द्वारा ली गई अंशांकन झंझरी की सिले हुई छवियों को चित्र 2में दिखाया गया है। सिलिकॉन वेफर अंशांकन संरचना में 14 एनएम की ऊंचाई के साथ 45 माइक्रोन लंबी विशेषताएं हैं। प्रत्येक ब्रैकट 125 माइक्रोन द्वारा 125 माइक्रोन के क्षेत्र को कवर करता है, जो 125 माइक्रोन द्वारा 500 माइक्रोन की एक सिले हुए मनोरम छवि देता है। स्कैनिंग गति आयाम मॉडुलन मोड में लाइन और चैनल प्रति 1,028 पिक्सल पर प्रति सेकंड 10 लाइनों के लिए सेट किया गया था, तो यह कम से कम इस बड़े क्षेत्र स्कैन को पूरा करने के लिए 2 मिनट से भी कम समय लेता है.

प्रत्येक ब्रैकट द्वारा ली गई छवियों का विलय आसन्न छवियों के किनारे पर सुविधाओं को संरेखित करके किया जाता है। ब्रैकट पृथक्करण से बड़े वास्तविक इमेजिंग आकार के साथ, किनारों पर सुविधाओं को सहसंबंधित करके विलय किया जाता है। यह ध्यान देने योग्य है कि इन-प्लेन वाई-अक्ष दिशा में प्रत्येक छवि के बीच कुछ ऊर्ध्वाधर ऑफसेट भी दिखाई देता है। यह चार सक्रिय ब्रैकट सरणियों की रेखा के संबंध में स्कैनिंग अक्ष के मामूली बेमेल के कारण हो सकता है। हालांकि, महत्वपूर्ण स्थलाकृति भिन्नता के बिना सीमाओं के लिए सहसंबंध विधि लागू करना मुश्किल हो सकता है। इसलिए, मनोरम छवियों को बनाने के लिए पूर्व ऑफसेट ज्ञान के साथ सहसंबंध-आधारित मिलान का उपयोग करना पसंदीदा तरीका है, साधन की इन अपूर्ण स्थितियों से निपटने के लिए सापेक्ष स्थिति ऑफसेट का उपयोग करके प्रत्यक्ष सिलाई की तुलना में।

सक्रिय ब्रैकट सरणी के स्थानिक संकल्प को सत्यापित करने के लिए, एचओपीजी की उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियां ली जाती हैं, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, 5 माइक्रोन गुणा 5 माइक्रोन और 1028 गुणा 1028 पिक्सल की एक छोटी इन-प्लेन छवि रेंज के साथ। HOPG नमूने संकल्प सत्यापन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं क्योंकि ग्रेफाइट का अंतर-विमान अंतर लगभग 0.335 एनएम31,32 है। उप-नैनोमीटर आउट-ऑफ-प्लेन रिज़ॉल्यूशन और कई नैनोमीटर पर इन-प्लेन रिज़ॉल्यूशन का प्रदर्शन किया जाता है। 125 माइक्रोन पर प्रत्येक ब्रैकट के बीच जुदाई दूरी 5 माइक्रोन इमेजिंग क्षेत्र की तुलना में बहुत बड़ा है, इन चार छवियों को सीधे सिले नहीं किया जा सकता है, लेकिन आसन्न छवियों के बीच imaged सुविधाओं के उन्मुखीकरण प्रवृत्ति एक दूसरे के साथ अच्छी तरह से संरेखित करता है.

अर्धचालक निरीक्षण में व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, अर्धचालक सुविधाओं को बनाने के लिए एक EUV लिथोग्राफी मास्क समानांतर सक्रिय ब्रैकट सरणी का उपयोग कर imaged है. 130 माइक्रोन द्वारा 505 माइक्रोन के एक क्षेत्र को कवर करने वाले 5 एनएम स्थानिक संकल्प के साथ एक समग्र सिले मनोरम छवि चित्रा 4 में दिखाया गया है। संरचना पैटर्न की ऊंचाई लगभग 60 एनएम है, सर्किट के विभिन्न क्षेत्रों को छवि में स्पष्ट रूप से दिखाया गया है। प्रति सेकंड 10 लाइनों पर, 101,000 गुणा 26,000 पिक्सेल लगभग 40 मिनट के भीतर कैप्चर किए जाते हैं, जो पारंपरिक एएफएम सिस्टम की तुलना में काफी तेज है।

Figure 1
चित्रा 1: चार सक्रिय ब्रैकट जांच की एक सरणी का उपयोग करके बड़े क्षेत्र के नमूना निरीक्षण उदाहरण कार्यान्वयन के लिए बड़े क्षेत्र एएफएम। (ए) जांच स्कैन कॉन्फ़िगरेशन और एक बड़े नमूना चरण के साथ कस्टम एएफएम का उपयोग करके एक सिलिकॉन वेफर नमूने की बड़े क्षेत्र की इमेजिंग। (बी) एसडी कार्ड आकार मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) के लिए वायर-बंधुआ चार सक्रिय कैंटिलीवर के क्षेत्र के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप ज़ूम-इन दृश्य के साथ एएफएम प्रणाली का सरलीकृत योजनाबद्ध। (सी)30 माइक्रोन से अधिक अधिकतम आयाम दिखाने वाले चार सक्रिय कैंटिलीवर में से एक के लिए दोहन सक्रियण की एसईएम छवि। (डी) विक्षेपण माप के लिए कैंटिलीवर के आधार पर सर्पिन के आकार के थर्मोमेकेनिकल हीटर और पीजोरेसिस्टिव स्ट्रेस सेंसर दिखाने वाले योजनाबद्ध के साथ सक्रिय ब्रैकट सरणी की एसईएम छवि। स्केल बार = 50 माइक्रोन. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: 500 माइक्रोन की कुल चौड़ाई पर एक साथ चार सक्रिय कैंटिलीवर द्वारा ली गई छवियों का पैनोरमिक विलय। प्रत्येक ब्रैकट आयाम मॉडुलन गतिशील दोहन मोड में ब्रैकट टिप के 125 माइक्रोन जुदाई के बीच कुछ ओवरलैप बनाने के लिए 140 माइक्रोन के एक क्षेत्र पर स्कैन करता है। छवि को प्रत्येक दिशा में 1,028 पिक्सेल के रिज़ॉल्यूशन के साथ 10 लाइन प्रति सेकंड पर लिया जाता है। नमूना 14 एनएम की ऊंचाई पर 45 माइक्रोन लंबी लाइनों के साथ एक सिलिकॉन परीक्षण संरचना है। प्रत्येक ब्रैकट द्वारा ली गई शीर्ष चार अलग-अलग छवियों को तल पर पैनोरमा छवि बनाने के लिए सिला जाता है। यह आंकड़ा अहमद एट अल.22 से अनुकूलित है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: एचओपीजी नमूनों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन एएफएम छवियां। छवियों को 3 माइक्रोन क्षेत्र द्वारा 3 माइक्रोन के साथ चार कैंटिलीवर के साथ एक साथ कैप्चर किया जाता है, प्रत्येक दिशा में 1,028 पिक्सल के संकल्प के साथ प्रति सेकंड 10 लाइनों पर कब्जा कर लिया जाता है। (ए-डी) स्थलाकृति छवियों आयाम मॉडुलन गतिशील दोहन मोड में कब्जा कर लिया कैंटिलीवर 1-4, क्रमशः. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: आयाम मॉडुलन गतिशील दोहन मोड में प्रति सेकंड 10 लाइनों पर चार एएफएम चैनलों द्वारा एक साथ कब्जा कर लिया चार 2 डी और 3 डी एकल EUV मुखौटा छवियों का रिकॉर्ड. एक एकल छवि के इमेजिंग क्षेत्र 130 माइक्रोन x 130 माइक्रोन है. (ए) चार 2 डी छवियों. (बी) चार 3 डी छवियों. (सी)500 माइक्रोन द्वारा 500 माइक्रोन के साथ कुल मिलाकर 3 डी सिले छवि 125 माइक्रोन की चार छवियों के साथ प्राप्त की जाती है, जहां 5 माइक्रोन एकल क्षेत्रों के बीच ओवरलैप है। छवि 5 एनएम स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ 101,000 गुणा 26,000 पिक्सेल है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

जैसा कि प्रतिनिधि परिणामों में दिखाया गया है, समानांतर में एक स्थिर नमूने की कई छवियों को पकड़ने के लिए एक सक्रिय ब्रैकट सरणी का उपयोग किया जा सकता है। यह स्केलेबल सेटअप बड़े क्षेत्र के नमूनों के इमेजिंग थ्रूपुट में काफी सुधार कर सकता है, जिससे यह अर्धचालक वेफर्स पर नैनोफैब्रिकेटेड उपकरणों का निरीक्षण करने के लिए उपयुक्त हो जाता है। तकनीक भी मानव निर्मित संरचनाओं तक सीमित नहीं है; जब तक सक्रिय कैंटिलीवर के समूह के भीतर स्थलाकृति भिन्नता ब्रैकट सरणी को संभालने के लिए बहुत बड़ी नहीं होती है, तब तक उच्च-थ्रूपुट इमेजिंग को महसूस किया जा सकता है।

उच्च-थ्रूपुट, बड़े-क्षेत्र निरीक्षण को सक्षम करने के अलावा, एक सक्रिय ब्रैकट जांच सरणी इमेजिंग सेटअप के संदर्भ में कई फायदे प्रदान करती है। सबसे पहले, जांच स्थापना के लिए लेजर-ब्रैकट संरेखण करने की कोई आवश्यकता नहीं है। ऑपरेशन के संदर्भ में, यह ऑपरेटर ओवरहेड को कम करता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात, ब्रैकट विक्षेपण सेंसर का लाभ तय हो गया है और प्रयोगों के बीच नहीं बदलता है। मात्रात्मक बल और विक्षेपण माप दोनों दोहन मोड और संपर्क मोड 29,33,34 में इन जांच के साथ लिया जा सकता है. यह इमेजिंग प्रक्रिया को और अधिक विश्वसनीय बनाता है, क्योंकि दीर्घकालिक इमेजिंग के लिए लेजर संरेखण का बहाव अब एक समस्या है। दूसरा, थर्मोमेकेनिकल ब्रैकट ड्राइव ब्रैकट धारक की नकली संरचना अनुनाद से बचा जाता है, जो पारंपरिक पीजो ध्वनिक सक्रियण में अनुनाद स्वीप के दौरान एक समस्या बन सकता है। पारंपरिक अनुनाद उत्तेजना तकनीक एएफएम कैंटिलीवर के आधार समर्थन चिप पर रखे एक पीजोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर का उपयोग करती है। चूंकि उत्पन्न कंपन ध्वनिक रूप से पूरे बेस चिप के माध्यम से प्रचारित होता है, इसलिए ब्रैकट अनुनाद उत्तेजना वास्तव में एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर सकती है। हालांकि, थर्मोमेकेनिकल एक्चुएशन सीधे व्यक्तिगत कैंटिलीवर पर कार्य करता है, और बेस सपोर्ट चिप स्थिर रहता है। चूंकि बेस सपोर्ट चिप का द्रव्यमान कैंटिलीवर से अधिक परिमाण के कई ऑर्डर हैं, इसलिए समानांतर सक्रिय कैंटिलीवर के बीच हस्तक्षेप नगण्य है। तीसरा, सक्रिय ब्रैकट का कॉम्पैक्ट आकार जांच स्कैन कॉन्फ़िगरेशन के लिए आसान समानांतर एकीकरण की अनुमति देता है। इसका मतलब है कि नमूना स्थिर रह सकता है, और इमेजिंग के दौरान कई जांच पोजिशनर्स एक साथ अलग-अलग गति से स्कैन कर सकते हैं, जो प्रत्येक कैंटिलीवर के प्रभावी उपयोग को अधिकतम करने में मदद करता है।

सीमाओं के संबंध में, प्रत्येक कैंटिलीवर की अधिकतम विक्षेपण सीमा के कारण बड़े स्थलाकृति परिवर्तनों के साथ नमूनों को संभालना चुनौतीपूर्ण हो सकता है। नमूना तैयार करने और स्थापना के दौरान कुछ विशेष ध्यान देने की आवश्यकता है। चूंकि संभाला जा रहा नमूना मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर है, स्कैन विमान के संबंध में झुकाव को स्थलाकृति की अच्छी ट्रैकिंग सुनिश्चित करने के लिए कम से कम किया जाना चाहिए। स्कैनर के संबंध में 1° से बड़ी सतह का झुकाव चरण आउट-ऑफ-रेंज ब्रैकट विक्षेपण नियंत्रण में परिणाम कर सकता है जो जांच को नुकसान पहुंचा सकता है। अर्धचालक वेफर पर नैनोफैब्रिकेटेड संरचनाओं के लिए, आमतौर पर समतलता की गारंटी होती है और पॉलिशिंग की आवश्यकता नहीं होती है। यह छवि की जाने वाली ठीक सुविधाओं को संभावित नुकसान से भी बचाता है। माइक्रोमीटर स्तर पर पारंपरिक कंप्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण (सीएनसी) मशीनिंग की सतह खत्म सक्रिय ब्रैकट सरणी को संभालने के लिए पर्याप्त होनी चाहिए। जेनेरिक नमूनों के लिए, सतह की विशेषताओं को बदलने की कीमत पर पॉलिशिंग की आवश्यकता हो सकती है। एक सीएनसी मशीन का उपयोग बड़ी अवांछित उभरी हुई विशेषताओं को हटाने के लिए किया जाता है। यदि बड़ी स्थलाकृति भिन्नता से बचा नहीं जा सकता है, जैसे कि घुमावदार सतह पर, झुकाव नियंत्रण के साथ दो समानांतर सक्रिय कैंटिलीवर की एक सरणी का उपयोग करना बड़ी स्थलाकृति भिन्नता को समायोजित करता है। अधिक ब्रैकट जांच के साथ इमेजिंग थ्रूपुट को और बेहतर बनाने के लिए समांतरकरण के लिए कई अलग पोजिशनर्स की आवश्यकता होगी। नैनोफैब्रिकेशन तकनीकों का उपयोग करना, जेड-अक्ष पर नैनोस्केल नैनो-पोजिशनिंग सिस्टम बनाना भी संभव है ताकि अधिक कॉम्पैक्ट डिजाइन35 में इस समस्या का बेहतर समाधान किया जा सके।

समानांतर ब्रैकट सरणी की क्षमता को पूरी तरह से महसूस करने के लिए, विशेष रूप से अर्धचालक निरीक्षण उद्देश्यों के लिए, सिस्टम के व्यावसायीकरण के लिए अधिक इंजीनियरिंग विकास प्रगति पर हैं। लक्ष्य एक तीन-अक्ष पीजो स्कैनर में आठ सक्रिय कैंटिलीवर की एक सरणी के साथ एक जांच को एकीकृत करना है और समानांतर इमेजिंग के लिए सटीक गति नियंत्रण के साथ ऐसी संरचनाओं के दसियों को दोहराना है। इस सेटअप के साथ, 100 एनएम स्थानिक संकल्प के साथ एक 60 मिमी2 क्षेत्र को 30 मिनट के भीतर इमेज किया जा सकता है, जो कई निरीक्षण अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त होना चाहिए। गैर-संपर्क मोड में गतिशील मोड इमेजिंग का उपयोग करना, धीमी इमेजिंग दर की कीमत पर जांच-नमूना बल बातचीत छोटी है। एक व्यापार बंद के रूप में, संपर्क मोड इमेजिंग गति काफी वृद्धि कर सकते हैं, लेकिन जांच नमूना बातचीत बल में वृद्धि कर सकते हैं और नमूना क्षति या जांच टिप पहनने में परिणाम हो सकता है. इन जांचों की दीर्घायु सुनिश्चित करने के लिए, हीरे की युक्तियों का उपयोग दीर्घकालिक, निरंतर संचालन के लिए जांच टिप पहनने को काफी कम करने के लिए भी किया जा सकता है। अच्छा इमेजिंग प्रदर्शन सुनिश्चित करने के लिए, इमेजिंग वातावरण को इमेजिंग प्रक्रिया के दौरान नमूने पर उतरने वाले कणों से बचने के लिए, कम कंपन और धूल के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए।

सॉफ्टवेयर सुधार के संदर्भ में, बड़ी संख्या में नियंत्रकों के लिए स्वचालित पैरामीटर ट्यूनिंग की जांच की जा रही है। अनुकूली स्कैन गति और संकल्प समायोजन बड़ी संपत्ति विविधताओं के साथ इमेजिंग नमूने के लिए वांछनीय हैं. हजारों छवियों की स्वचालित सिलाई और मशीन लर्निंग-आधारित एल्गोरिदम का उपयोग करके अरबों पिक्सेल से दोषों की पहचान करना इस तकनीक को शोध अध्ययन और औद्योगिक निरीक्षण में और भी उपयोगी बनाने में मदद कर सकता है।

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Disclosures

लेखकों के हितों का कोई टकराव नहीं है।

Acknowledgments

लेखक इवो डब्ल्यू रेंजलो और थॉमस सैटल जर्मन फेडरल मिनिस्ट्री ऑफ एजुकेशन एंड रिसर्च (BMBF) और जर्मन फेडरल मिनिस्ट्री ऑफ इकोनॉमिक्स अफेयर्स एंड क्लाइमेट एक्शन (BMWK) को FKZ: 13N16580 "क्वांटम मेट्रोलॉजी और नैनोफैब्रिकेशन के लिए डायमंड टिप के साथ सक्रिय जांच" अनुसंधान लाइन KMU-innovativ के भीतर प्रस्तुत विधियों के कुछ हिस्सों का समर्थन करने के लिए स्वीकार करना चाहते हैं: फोटोनिक्स और क्वांटम टेक्नोलॉजीज और KK5007912DF1 "परमाणु बल माइक्रोस्कोपी में तेज और बड़े मेट्रोलॉजिकल कार्यों के लिए नैनो-पोजिशनर-स्कैनर" छोटे और मध्यम आकार के उद्योगों (जेडआईएम) के लिए फंडिंग लाइन सेंट्रल इनोवेशन प्रोग्राम के भीतर। यहां रिपोर्ट किए गए कार्य का एक हिस्सा यूरोपीय संघ के सातवें फ्रेमवर्क प्रोग्राम FP7/2007-2013 द्वारा अनुदान समझौते संख्या 318804 "सिंगल नैनोमीटर मैन्युफैक्चरिंग: बियॉन्ड CMOS" के तहत वित्त पोषित किया गया था। लेखक Ivo W. Rangelow और Eberhard Manske कृतज्ञतापूर्वक Deutsche Forschungsgemeinschaft द्वारा समर्थन स्वीकार करते हैं (DFG) अनुसंधान प्रशिक्षण समूह के ढांचे में "टिप- और विस्तारित मैक्रोस्कोपिक कार्य क्षेत्रों में लेजर आधारित 3D-नैनोफैब्रिकेशन" (GRK 2182) Technische Universität Ilmenau, जर्मनी में.

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

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Xia, F., Youcef-Toumi, K., Sattel, T., Manske, E., Rangelow, I. W. Active Probe Atomic Force Microscopy with Quattro-Parallel Cantilever Arrays for High-Throughput Large-Scale Sample Inspection. J. Vis. Exp. (196), e65210, doi:10.3791/65210 (2023).

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