Summary
L'ispezione di campioni su larga scala con risoluzione su scala nanometrica ha un'ampia gamma di applicazioni, in particolare per i wafer semiconduttori nanofabbricati. I microscopi a forza atomica possono essere un ottimo strumento per questo scopo, ma sono limitati dalla loro velocità di imaging. Questo lavoro utilizza array a sbalzo attivi paralleli in AFM per consentire ispezioni ad alta produttività e su larga scala.
Abstract
Un microscopio a forza atomica (AFM) è uno strumento potente e versatile per gli studi di superficie su scala nanometrica per acquisire immagini topografiche 3D di campioni. Tuttavia, a causa della loro limitata produttività di imaging, gli AFM non sono stati ampiamente adottati per scopi di ispezione su larga scala. I ricercatori hanno sviluppato sistemi AFM ad alta velocità per registrare video dinamici di processo in reazioni chimiche e biologiche a decine di fotogrammi al secondo, al costo di una piccola area di imaging fino a diversi micrometri quadrati. Al contrario, l'ispezione di strutture nanofabbricate su larga scala, come i wafer di semiconduttori, richiede l'imaging a risoluzione spaziale su scala nanometrica di un campione statico su centinaia di centimetri quadrati con un'elevata produttività. Gli AFM convenzionali utilizzano una singola sonda a sbalzo passiva con un sistema di deflessione del fascio ottico, che può raccogliere soltanto un pixel alla volta durante l'imaging AFM, con conseguente bassa produttività di imaging. Questo lavoro utilizza una serie di cantilever attivi con sensori piezoresistivi incorporati e attuatori termomeccanici, che consentono il funzionamento simultaneo multi-cantilever in parallelo per una maggiore produttività di immagini. Se combinato con nano-posizionatori ad ampio raggio e algoritmi di controllo adeguati, ogni cantilever può essere controllato individualmente per catturare più immagini AFM. Con algoritmi di post-elaborazione basati sui dati, le immagini possono essere unite insieme e il rilevamento dei difetti può essere eseguito confrontandole con la geometria desiderata. Questo documento introduce i principi dell'AFM personalizzato facendo uso delle matrici a sbalzo attive, seguito da una discussione sulle considerazioni pratiche dell'esperimento per le applicazioni di ispezione. Immagini di esempio selezionate di reticoli di calibrazione in silicio, grafite pirolitica altamente orientata e maschere di litografia ultravioletta estrema vengono catturate utilizzando una serie di quattro cantilever attivi ("Quattro") con una distanza di separazione della punta di 125 μm. Grazie a una maggiore integrazione ingegneristica, questo strumento di imaging su larga scala ad alta produttività è in grado di fornire dati metrologici 3D per maschere a raggi ultravioletti estremi (EUV), ispezione di planarizzazione chimico-meccanica (CMP), analisi dei guasti, display, misurazioni a gradini a film sottile, matrici per la misurazione della rugosità e scanalature di tenuta del gas secco incise al laser.
Introduction
I microscopi a forza atomica (AFM) possono catturare immagini topografiche 3D con risoluzione spaziale su scala nanometrica. I ricercatori hanno esteso la capacità degli AFM di creare mappe di proprietà del campione nei domini meccanici, elettrici, magnetici, ottici e termici. Nel frattempo, il miglioramento della produttività dell'imaging è stato anche al centro della ricerca per adattare gli AFM alle nuove esigenze sperimentali. Esistono principalmente due domini di applicazione per l'imaging AFM ad alto rendimento: la prima categoria è l'imaging ad alta velocità di una piccola area per catturare i cambiamenti dinamici nel campione dovuti a reazioni biologiche o chimiche 1,2; La seconda categoria è per l'imaging ad alta risoluzione spaziale e su larga scala di campioni statici durante un'ispezione, che viene discussa in dettaglio in questo lavoro. Con la riduzione delle dimensioni dei transistor su scala nanometrica, l'industria dei semiconduttori ha urgente bisogno di AFM ad alto rendimento per ispezionare dispositivi nanofabbricati su scala wafer con risoluzione spaziale su scala nanometrica3.
La caratterizzazione di dispositivi nanofabbricati su un wafer può essere impegnativa a causa della grande differenza di scala tra le caratteristiche del wafer e del transistor. I difetti di grandi dimensioni possono essere individuati automaticamente con i microscopi ottici4. Inoltre, i microscopi elettronici a scansione (SEM) sono ampiamente utilizzati per l'ispezione fino a decine di nanometri in 2D5. Per le informazioni 3D e una risoluzione più elevata, l'AFM è uno strumento più adatto se la sua produttività può essere migliorata.
Con una produttività di imaging limitata, un approccio consiste nell'eseguire l'imaging di aree di wafer selezionate in cui è più probabile che si verifichino difetti di nanofabbricazione6. Ciò richiederebbe una conoscenza preliminare del processo di progettazione e fabbricazione. In alternativa, è possibile combinare altre modalità, come un microscopio ottico o SEM con un AFM per la visione d'insieme e lo zoom 7,8. È necessario un sistema di posizionamento ad ampio raggio e ad alta precisione per allineare correttamente il sistema di coordinate tra gli strumenti di fabbricazione e caratterizzazione. Inoltre, per realizzare questa funzionalità è necessario un sistema AFM automatizzato per l'imaging di varie aree selezionate.
In alternativa, i ricercatori hanno studiato diversi modi per aumentare la velocità di scansione AFM. Poiché l'abilitazione di AFM ad alto rendimento è una sfida sistematica per la strumentazione di precisione, i ricercatori hanno studiato vari metodi, tra cui l'utilizzo di sonde AFM più piccole, la riprogettazione di nanoposizionatori ad alta larghezza di banda 9,10,11,12 e l'elettronica di pilotaggio13, l'ottimizzazione delle modalità di funzionamento, gli algoritmi di controllo dell'imaging 14,15,16,17 and so on. Con questi sforzi, l'effettiva velocità relativa della punta e del campione può essere aumentata fino a un massimo di circa decine di millimetri al secondo per i sistemi AFM a sonda singola disponibili in commercio.
Per migliorare ulteriormente la produttività dell'imaging, l'aggiunta di più sonde per operare in parallelo è una soluzione naturale. Tuttavia, il sistema di deflessione ottica del fascio (OBD) utilizzato per il rilevamento della deflessione a sbalzo è relativamente ingombrante, il che rende l'aggiunta di più sonde relativamente impegnativa. Anche il controllo individuale della deflessione a sbalzo può essere difficile da realizzare.
Per ovviare a questa limitazione, sono preferibili i principi di rilevamento e attuazione integrati senza ingombranti componenti esterni. Come dettagliato nei rapporti pubblicati in precedenza18,19, il rilevamento della deflessione con principi piezoresistivi, piezoelettrici e optomeccanici può essere considerato un rilevamento embedded, con i primi due più maturi e più facili da implementare. Per l'azionamento incorporato, è possibile utilizzare sia i principi termomeccanici con riscaldamento elettrico che quelli piezoelettrici. Sebbene i principi piezoelettrici possano funzionare in un intervallo di temperatura più ampio fino agli ambienti criogenici, possono supportare solo operazioni AFM in modalità di maschiatura, poiché la deflessione statica non può essere misurata a causa della dispersione di carica e dell'attuazione statica che soffre di isteresi e scorrimento. In lavori precedenti, sono stati sviluppati array di sonde a sbalzo attive che utilizzano un sensore piezoresistivo e il sensore piezoelettrico per l'imaging a grande raggio20,21, ma non sono stati ulteriormente scalati per l'imaging su larga scala o commercializzati. In questo lavoro, la combinazione di rilevamento piezoresistivo e attuazione termomeccanica è selezionata come trasduttori embedded con capacità di controllo della deflessione statica.
In questo lavoro, un nuovo array di cantilever attivi paralleli "Quattro"22 viene utilizzato come sonda23 per l'imaging simultaneo utilizzando cantilever attivi. Per misurare la deflessione a sbalzo, i sensori piezoresistivi in una configurazione a ponte di Wheatstone19 sono nanofabbricati alla base di ogni micro-cantilever per misurare la sollecitazione interna, che è linearmente proporzionale alla deflessione della punta a sbalzo. Questo sensore integrato compatto può anche raggiungere una risoluzione sub-nanometrica come il sensore OBD convenzionale. L'equazione di governo dell'uscita di tensione del ponte di Wheatstone Uinrisposta alla forza applicata F o alla deflessione a sbalzo z è mostrata nell'equazione 119 per un cantilever con lunghezza L, larghezza W e spessore H, coefficiente del sensore piezoresistivo PR e modulo elastico effettivo della tensione di alimentazione del ponte a sbalzo E Ub.
(1)
Poiché il funzionamento dinamico in modalità di maschiatura/senza contatto è preferito per l'imaging non invasivo per evitare di disturbare il campione, viene utilizzato un attuatore termomeccanico realizzato con fili di alluminio a forma di serpentina per riscaldare il cantilever bimorfo realizzato con materiali in lega di alluminio/magnesio24, silicio e ossido di silicio. Su scala microscopica, la costante di tempo dei processi termici è molto più piccola e la risonanza a sbalzo a decine o centinaia di kilohertz può essere eccitata pilotando il riscaldatore con un segnale elettrico. La deflessione dell'estremità libera a sbalzo zhcontrollata dall'ambiente relativo della temperatura del riscaldatore ΔT è mostrata nell'equazione 219per la lunghezza della trave a sbalzo L con una costante K, a seconda del coefficiente di dilatazione termica del materiale bimorfo e dello spessore geometrico e dell'area. Va notato che il ΔT è proporzionale alla potenza del riscaldatore P, che è uguale al quadrato della tensione applicata V diviso per la sua resistenza R.
(2)
Come ulteriore vantaggio, oltre all'eccitazione di risonanza, è possibile controllare anche la deflessione statica. Questa può essere una capacità particolarmente utile per regolare l'interazione sonda-campione di ciascun cantilever individualmente. Inoltre, più cantilever sullo stesso chip di base possono essere eccitati individualmente con l'attuatore termomeccanico incorporato, cosa impossibile nell'eccitazione di risonanza convenzionale con onde acustiche generate piezoelettricamente.
Combinando il rilevamento piezoresistivo e l'attuazione termomeccanica, la sonda a sbalzo attiva ha consentito un'ampia gamma di applicazioni, tra cui la microscopia AF collocata nella microscopia SE, l'imaging in liquido opaco e la litografia a scansione di sonda, con maggiori dettagli disponibili nella revisione25. Ai fini dell'ispezione ad alta produttività, l'array a sbalzo attivo viene creato con un esempio rappresentativo di implementazione AFM che coinvolge quattro cantilever paralleli, come mostrato nella Figura 1. In futuro, verrà sviluppato un sistema su scala industriale utilizzando otto cantilever attivi paralleli e decine di posizionatori28. Per illustrare la scala con un esempio, con una risoluzione spaziale nel piano di 100 nm, l'imaging di un'area di 100 mm per 100 mm si tradurrebbe in oltre 106 linee di scansione e 1012 pixel. Con una velocità di scansione di 50 mm/s per cantilever, ciò richiederebbe un totale di oltre 555,6 ore di scansione (23+ giorni) per un singolo cantilever, che è troppo lungo per essere praticamente utile. Utilizzando la tecnologia Active Cantilever Array con decine di posizionatori, il tempo di imaging richiesto può essere ridotto di circa due ordini di grandezza a 5-10 ore (meno di mezza giornata) senza compromettere la risoluzione, che è una scala temporale ragionevole per scopi di ispezione industriale.
Per catturare immagini ad alta risoluzione su grandi aree, viene aggiornato anche il sistema di nano-posizionamento. Per l'imaging di campioni di grandi dimensioni su scala wafer, è preferibile eseguire la scansione della sonda anziché del campione, al fine di ridurre le dimensioni degli oggetti spostati. Con una distanza di separazione di 125 μm tra i cantilever attivi, lo scanner copre un'area leggermente più ampia di questo intervallo, in modo che le immagini di ciascun cantilever possano essere unite durante la post-elaborazione. Al termine di una scansione, il posizionatore grossolano riposiziona automaticamente la sonda in una nuova area adiacente per continuare il processo di imaging. Mentre l'attuatore termomeccanico incorporato regola la deflessione di ciascun cantilever, la deflessione media di tutti i cantilever paralleli è regolata con un altro controller PID (Proportional-integral-derivative) per assistere i cantilever durante il tracciamento topografico. Il controller dello scanner assicura inoltre che la flessione di ogni cantilever non superi un valore di soglia massimo, il che potrebbe causare la perdita di contatto di altre sonde con la superficie se la variazione topografica è troppo grande.
Il livello di variazione topografica che può essere tracciato per i cantilever sullo stesso chip di base dovrebbe essere limitato, poiché l'intervallo di controllo della deflessione statica del cantilever è dell'ordine di decine di micron. Per i wafer a semiconduttore, le variazioni della topografia del campione sono in genere su scala sub-micrometrica, quindi non dovrebbero essere un grosso problema. Tuttavia, con l'aggiunta di più cantilever, l'inclinazione del piano campione rispetto alla linea di cantilever può diventare un problema. In pratica, otto cantilever paralleli con distanze prossime a 1 mm consentirebbero comunque un angolo di inclinazione di 1°, mentre l'aggiunta di più cantilever può rendere il controllo dell'inclinazione più difficile da realizzare. Pertanto, l'utilizzo di più gruppi di sonde a sbalzo a otto sonde posizionate su scanner a sonde separate è uno sforzo continuo per realizzare appieno il potenziale del principio della sonda a sbalzo attiva parallela.
Dopo la raccolta dei dati, è necessaria un'operazione di post-elaborazione per recuperare le informazioni desiderate. Il processo prevede generalmente la rimozione degli artefatti di scansione, l'unione di immagini adiacenti per formare un panorama complessivo e, facoltativamente, l'identificazione dei difetti della struttura confrontandoli con la geometria desiderata utilizzando algoritmi appropriati26. Vale la pena notare che la quantità di dati accumulati può essere enorme per un'ampia gamma di immagini e che sono in fase di sviluppo anche algoritmi di apprendimento basati sui dati per un'elaborazione più efficiente27.
Questo articolo illustra il processo generale di acquisizione di immagini AFM ad alta risoluzione utilizzando l'array a sbalzo attivo parallelo integrato in un sistema AFM personalizzato. L'implementazione dettagliata del sistema è disponibile in 22,28,29,30 e viene commercializzato con il numero di modello elencato nella tabella dei materiali. Tutti e quattro i cantilever sono stati azionati in modalità di maschiatura eccitata dall'attuatore termomeccanico incorporato. I risultati rappresentativi su campioni di calibrazione, maschere di nanofabbricazione e campioni di grafite pirolitica altamente orientata (HOPG) (vedi Tabella dei materiali) sono forniti per illustrare l'efficacia di questo nuovo strumento AFM per l'ispezione di grandi aree.
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Protocol
1. Preparazione del campione per l'ispezione su larga scala
- Preparare il campione con una dimensione adatta per l'AFM (vedere la tabella dei materiali).
NOTA: I campioni a forma di wafer con un diametro interno al piano compreso tra 75 mm e 300 mm e una variazione di altezza prevista fuori dal piano inferiore a 200 μm possono essere inseriti nello stadio del campione AFM. In questo studio, viene utilizzata una maschera ultravioletta estrema (EUV) su un wafer da 4 pollici (vedi Tabella dei materiali). - Pulire il campione per rimuovere i contaminanti e conservarlo all'interno di una camera bianca o di un ambiente a bassa polvere, come una camera a vuoto o un armadio con spurgo dell'azoto.
- Rimuovere le particelle di polvere di grandi dimensioni soffiando il campione con una pistola a spruzzo di azoto compresso o risciacquare con acqua deionizzata se il campione non reagisce con l'acqua. Per evitare di danneggiare il campione, utilizzare una piccola portata inferiore a 0,1 m3/min.
- Facoltativamente, applicare la pulizia al plasma per rimuovere i contaminanti organici. Posizionare il campione nella macchina per il trattamento al plasma. Chiudere la camera e abbassare la pressione a 600 mTorr. Esporre il campione al plasma per 30 secondi per la pulizia.
NOTA: Il passaggio 1.3.2 è facoltativo per la rimozione della contaminazione. In questo studio, la fabbricazione e la caratterizzazione sono state eseguite all'interno di una camera bianca, quindi questo passaggio non è stato necessario.
- Identifica le strategie di imaging adatte, comprese le aree di interesse, il raggio di scansione, la risoluzione spaziale/pixel e la velocità della linea di scansione.
- Determinare se il campione necessita di un panorama generale o di un'acquisizione automatica di più aree selezionate più piccole.
NOTA: Per i campioni nanofabbricati con le strutture desiderate, è spesso più facile determinare le aree chiave che sono più soggette a difetti a scopo di ispezione. Per altri campioni, può essere più semplice acquisire un'immagine a bassa risoluzione spaziale per una rapida panoramica e quindi ingrandire l'area di interesse più piccola per l'imaging ad alta risoluzione spaziale. - Stimare le dimensioni delle feature in base alla conoscenza preliminare del campione per determinare la risoluzione spaziale desiderata per risolvere queste feature.
- Utilizzare il rapporto tra l'intervallo di imaging e la risoluzione spaziale per determinare la risoluzione dei pixel.
- Selezionare una velocità iniziale della linea di scansione in base all'esperienza precedente con il campione o utilizzare il software del sistema AFM in un secondo momento, in base al materiale del campione, alla dinamica della sonda e alla risoluzione spaziale desiderata.
- Determinare se il campione necessita di un panorama generale o di un'acquisizione automatica di più aree selezionate più piccole.
2. Calibrazione dello strumento AFM e configurazione dell'esperimento
- Selezionare l'array di cantilever AFM attivo appropriato.
NOTA: La rigidità attiva del cantilever AFM, la prima frequenza di risonanza e l'affilatura inutilizzata della punta della sonda per ogni cantilever nell'array della sonda sono caratterizzate dalla produzione. I dati possono essere recuperati dal produttore e caricati automaticamente nel software prima dell'imaging. La selezione del cantilever appropriato consigliato dal software in base al materiale campione o all'applicazione è utile per garantire il successo dell'imaging. A causa della variabilità di produzione, le proprietà di ogni cantilever possono essere diverse ma a un livello simile. - Accendere l'AFM accendendo l'alimentazione principale del controller e attendere l'inizializzazione del sistema. Accendere il computer host e aprire il software di sistema AFM.
- Eseguire l'installazione attiva della sonda a sbalzo.
- Sollevare lo scanner a sonda facendo clic sull'installazione a sbalzo attiva. Attendere che il supporto della sonda venga sollevato dal tavolino di campionamento e si fermi automaticamente.
- Montare e fissare l'array di sonde a sbalzo AFM sul supporto della sonda.
NOTA: Gli array a sbalzo AFM sono collegati a un supporto di forma per scheda nano-SD e possono essere maneggiati direttamente a mano per l'installazione della sonda. Con la differenza fondamentale nei principi di rilevamento e attuazione, non è necessario eseguire alcun allineamento laser. - Fare clic su Impostazioni automatiche della sonda e caricare le informazioni sulla sonda fornite dal produttore (vedere la tabella dei materiali). Assicurarsi che corrisponda al numero di serie sulla sonda e nel software.
- Eseguire una scansione della frequenza della sonda per verificare la risonanza di ciascun cantilever per l'imaging. Fare clic su Cantilever Tuning e fare clic su Sweep nella finestra pop-up. Specificare la frequenza iniziale e la frequenza finale , se l'intervallo è noto. In caso contrario, il software aggiornerà automaticamente i valori utilizzando le impostazioni predefinite.
NOTA: Questo passaggio è, in linea di principio, facoltativo per le nuove sonde in quanto sono state calibrate dopo la produzione. Tuttavia, per le sonde che sono state utilizzate in precedenza, si consiglia di eseguire questa scansione nel caso in cui le proprietà siano cambiate durante l'operazione precedente (ad esempio, l'attacco di particelle contaminanti che sposta la risonanza a sbalzo). Grazie all'azionamento termomeccanico, la potenza di riscaldamento è proporzionale al quadrato della tensione di pilotaggio. Per il funzionamento in modalità senza contatto, viene generata una seconda armonica della componente sinusoidale della tensione di ingresso a causa della relazione quadrata nell'equazione 2. Questa seconda armonica è tipicamente abbinata alla risonanza a sbalzo durante l'eccitazione, poiché il segnale di offset in corrente continua (CC) non influisce sulla sua ampiezza. Pertanto, i componenti CC controllano la deflessione media del cantilever e la componente di corrente alternata (CA) del segnale di azionamento viene impostata automaticamente sulla metà della frequenza di risonanza del cantilever per l'imaging.
- Caricare e fissare il campione in posizione. Assicurarsi che la superficie inferiore a contatto con il campione sia parallela alla superficie superiore con le caratteristiche da acquisire. Regolare con precisione l'inclinazione del tavolino del campione utilizzando le manopole del micrometro per assicurarsi che il campione sia piatto. Aggiungere distanziatori se l'inclinazione è troppo grande per essere compensata dai posizionatori di regolazione fine.
- Regolare la posizione XY nel piano del campione utilizzando il micrometro sul tavolino AFM. Utilizzare un'immagine al microscopio ottico per individuare l'area di interesse e posizionare la posizione relativa dell'array a sbalzo sulla prima area di interesse da riprendere.
- Stabilire una coordinata globale facendo clic sul pulsante Zero XYZ .
NOTA: Per la creazione di un'immagine panoramica, questo passaggio può essere eseguito approssimativamente utilizzando la vista al microscopio ottico. Quando si esegue l'imaging di aree selezionate di un campione nanofabbricato, potrebbe essere necessario allineare con precisione la coordinata XYZ dell'apparecchiatura di fabbricazione con la coordinata AFM. Questo passaggio può essere eseguito in modo più preciso eseguendo l'imaging AFM e facendo nuovamente clic sul pulsante XYZ Zero . - Chiudere e sigillare lo schermo acustico.
NOTA: Lo schermo acustico aiuta a ridurre la propagazione delle vibrazioni attraverso l'aria. Inoltre, il coperchio sigillato può anche ridurre la possibilità che le particelle di polvere cadano sul campione, poiché l'imaging su larga scala può richiedere molto tempo per essere completato. Questa copertura protettiva può essere opzionale in un ambiente di camera bianca senza fonti di vibrazioni.
3. Imaging topografico e regolazione dei parametri
- Selezionare la scheda Impostazione parametri di imaging (modalità automatica a sbalzo attiva, velocità di scansione, setpoint, ecc.) e immettere i parametri di imaging desiderati.
- Per una singola immagine panoramica, immettere le coordinate dell'angolo in alto a sinistra dell'immagine e le dimensioni di scansione. Per ottenere automaticamente l'imaging di più regioni selezionate, ripetere questo processo per tutte le regioni da riprendere. Aggiungi un'imbottitura extra intorno all'area di imaging per l'unione delle immagini in post-elaborazione.
NOTA: Per il presente studio, l'angolo in alto a sinistra della maschera EUV è stato impostato con caratteristiche predefinite e il sistema è stato configurato per acquisire quattro immagini con 130 μm per 130 μm contemporaneamente utilizzando ciascun cantilever. - Immettere la risoluzione in pixel del piano desiderata (in genere migliaia di pixel per linea di scansione) e utilizzare la velocità di scansione lineare predefinita consigliata dal software per l'imaging. Se necessario, regolare manualmente la velocità di scansione lineare per ciascuna regione da riprendere.
NOTA: In questo studio, è stata utilizzata una risoluzione di 26.000 pixel per linea, corrispondente a 5 nm per pixel, per ottenere immagini ad alta risoluzione. - Per la modalità senza contatto, utilizzare l'ampiezza, la frequenza e il setpoint di azionamento predefiniti nel software ottenuti dalle caratteristiche del cantilever o inserire manualmente il setpoint per ciascun cantilever sull'array. Lasciare predefinite le impostazioni del controller PID.
- Per una singola immagine panoramica, immettere le coordinate dell'angolo in alto a sinistra dell'immagine e le dimensioni di scansione. Per ottenere automaticamente l'imaging di più regioni selezionate, ripetere questo processo per tutte le regioni da riprendere. Aggiungi un'imbottitura extra intorno all'area di imaging per l'unione delle immagini in post-elaborazione.
- Agganciare l'array di sonde a sbalzo attive con il campione.
- Fare clic su Inizializza sbalzo per pre-piegare il cantilever prima dell'imaging.
- Fare clic su Start Non-Contact Drive per eccitare la risonanza a sbalzo.
- Fare clic su Engage per consentire al sistema di mettere automaticamente in contatto il campione e la sonda. L'imaging si avvierà automaticamente al termine di questo passaggio.
- Regolare i parametri del controller PID per ciascun cantilever in base alla traccia/immagine scansionata. Regolare i parametri PID per migliorare la corrispondenza tra le linee di traccia e ritraccia, il che aiuta a catturare i cambiamenti topografici. La velocità di imaging può anche essere regolata di conseguenza per migliorare le prestazioni di tracciamento topografico.
- Salva i dati correnti sullo schermo facendo clic sul pulsante Salva . I dati verranno inoltre salvati automaticamente durante la scansione alla fine di ogni fotogramma.
- Interrompere l'imaging facendo clic sul pulsante Interrompi . Il sistema interromperà l'imaging e ritrarrà automaticamente l'array a sbalzo dal campione. Anche l'azionamento a sbalzo verrà arrestato in modo che sia sicuro disinstallare la sonda.
- Rimuovere con cautela la sonda e il campione e spegnere il sistema.
4. Post-elaborazione e analisi delle immagini
- Aprire il software di analisi delle immagini AFM fornito dal fornitore.
- Fare clic su Elaborazione automatica per applicare la sequenza di post-elaborazione predefinita, inclusa la correzione dell'inclinazione del campione, la rimozione dei valori anomali a livello di pixel e la corrispondenza della linea di scansione.
- Applicare manualmente ulteriori correzioni sui difetti dell'immagine dall'osservazione delle immagini. Con gli strumenti AFM avanzati, tali difetti sono rari, ma le immagini possono ancora essere migliorate con questi passaggi.
NOTA: Per grandi quantità di immagini, è possibile automatizzare il processo utilizzando script Macro o Python attraverso l'elaborazione batch con la stessa operazione. Questo non è stato richiesto per il presente studio.
- Utilizzare il software per creare un'immagine panoramica facendo clic sul pulsante Immagine panoramica e selezionando più immagini da unire.
NOTA: L'unione delle immagini viene eseguita automaticamente utilizzando direttamente lo spazio sovrapposto delle immagini adiacenti. In alternativa, l'unione delle immagini tenta di massimizzare la correlazione dei pixel sovrapposti sui bordi. In questi comandi sono disponibili varie opzioni che possono essere ottimizzate per migliorare le prestazioni complessive dell'unione. - Salvare i dati per ulteriori analisi in base al campione specifico.
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Representative Results
Per dimostrare l'efficacia dell'imaging ad ampio raggio di AFM facendo uso di cantilever attivi paralleli per l'imaging topografico, le immagini cucite di un reticolo di calibrazione, prese da quattro cantilever azionati in parallelo, sono mostrate nella Figura 2. La struttura di calibrazione del wafer di silicio ha caratteristiche lunghe 45 μm con un'altezza di 14 nm. Ogni cantilever copre un'area di 125 μm per 125 μm, che fornisce un'immagine panoramica cucita di 500 μm per 125 μm. La velocità di scansione è stata impostata su 10 linee al secondo a 1.028 pixel per linea e canale nella modalità di modulazione dell'ampiezza, quindi ci vogliono meno di 2 minuti per completare questa scansione di grandi aree.
L'unione delle immagini scattate da ciascun cantilever viene eseguita allineando gli elementi sul bordo delle immagini adiacenti. Con una dimensione effettiva dell'immagine maggiore della separazione a sbalzo, l'unione viene eseguita correlando le caratteristiche sui bordi. Vale la pena notare che è visibile anche un certo offset verticale tra ogni immagine nella direzione dell'asse Y nel piano. Ciò può accadere a causa del leggero disallineamento dell'asse di scansione rispetto alla linea dei quattro array cantilever attivi. Tuttavia, il metodo di correlazione può essere difficile da applicare per i contorni senza variazioni topografiche significative. Pertanto, l'utilizzo della corrispondenza basata sulla correlazione con la conoscenza precedente dell'offset per creare immagini panoramiche è il metodo preferito, rispetto allo stitching diretto che utilizza l'offset di posizione relativa per gestire queste condizioni imperfette dello strumento.
Per verificare la risoluzione spaziale dell'array a sbalzo attivo, vengono scattate immagini ad alta risoluzione di HOPG, come mostrato nella Figura 3, con un piccolo intervallo di immagini in piano di 5 μm per 5 μm e 1028 x 1028 pixel. I campioni HOPG sono particolarmente adatti per la verifica della risoluzione poiché la spaziatura tra i piani della grafite è di circa 0,335 nm 31,32. Vengono dimostrate la risoluzione fuori piano sub-nanometrica e la risoluzione in-plane a diversi nanometri. Poiché la distanza di separazione tra ciascun cantilever a 125 μm è molto maggiore dell'area di imaging di 5 μm, queste quattro immagini non possono essere unite direttamente, ma l'andamento dell'orientamento delle caratteristiche riprodotte tra immagini adiacenti si allinea bene tra loro.
Per applicazioni pratiche nell'ispezione dei semiconduttori, viene eseguita l'immagine di una maschera litografica EUV per la creazione di caratteristiche dei semiconduttori utilizzando l'array a sbalzo attivo parallelo. Nella Figura 4 è mostrata un'immagine panoramica complessiva con una risoluzione spaziale di 5 nm che copre un'area di 505 μm per 130 μm. L'altezza del modello della struttura è di circa 60 nm, con varie aree del circuito chiaramente mostrate nell'immagine. A 10 linee al secondo, i 101.000 x 26.000 pixel vengono catturati in circa 40 minuti, che è significativamente più veloce dei sistemi AFM convenzionali.
Figura 1: Esempio di implementazione di AFM di grandi dimensioni per l'ispezione di campioni di grandi dimensioni utilizzando un singolo array di quattro sonde a sbalzo attive. (A) Imaging di grandi dimensioni di un campione di wafer di silicio utilizzando l'AFM personalizzato con configurazione di scansione della sonda e un grande stadio di campionamento. (B) Schema semplificato del sistema AFM con un microscopio ottico vista ingrandita dell'area di quattro cantilever attivi collegati al circuito stampato (PCB) a forma di scheda SD. (C) Immagine SEM dell'azionamento della maschiatura per uno dei quattro cantilever attivi che mostra un'ampiezza massima superiore a 30 μm. (D) Immagine SEM dell'array di cantilever attivi con uno schema che mostra il riscaldatore termomeccanico a forma di serpentina e i sensori di sollecitazione piezoresistivi alla base dei cantilever per la misurazione della deflessione. Barra della scala = 50 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Unione panoramica di immagini scattate da quattro cantilever attivi simultaneamente su una larghezza totale di 500 μm. Ogni cantilever esegue la scansione su un'area di 140 μm per creare una certa sovrapposizione tra la separazione di 125 μm della punta del cantilever in modalità di maschiatura dinamica a modulazione di ampiezza. L'immagine viene scattata a 10 linee al secondo con una risoluzione di 1.028 pixel in ogni direzione. Il campione è una struttura di prova in silicio con linee lunghe 45 μm ad un'altezza di 14 nm. Le quattro immagini separate in alto scattate da ciascun cantilever sono cucite per formare l'immagine panoramica in basso. La figura è adattata da Ahmad et al.22. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Immagini AFM ad alta risoluzione di campioni HOPG. Le immagini vengono catturate simultaneamente con quattro cantilever con un'area di 3 μm per 3 μm, catturate a 10 linee al secondo con una risoluzione di 1.028 pixel in ciascuna direzione. (A-D) Immagini topografiche catturate in modalità di tocco dinamico a modulazione di ampiezza da cantilever 1-4, rispettivamente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Registrazione di quattro immagini di maschere EUV singole 2D e 3D catturate simultaneamente dai quattro canali AFM a 10 linee al secondo in modalità di tocco dinamico a modulazione di ampiezza. Il campo di imaging di una singola immagine è di 130 μm x 130 μm. (A) Quattro immagini 2D. (B) Quattro immagini 3D. (C) Immagine complessiva unita in 3D con 500 μm per 500 μm ottenuta con quattro immagini da 125 μm, dove 5 μm è la sovrapposizione tra i singoli campi. L'immagine è di 101.000 x 26.000 pixel con una risoluzione spaziale di 5 nm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Come dimostrato nei risultati rappresentativi, un array a sbalzo attivo può essere utilizzato per acquisire più immagini di un campione statico in parallelo. Questa configurazione scalabile può migliorare significativamente la produttività di imaging di campioni di grandi dimensioni, rendendola adatta per l'ispezione di dispositivi nanofabbricati su wafer di semiconduttori. Inoltre, la tecnica non si limita alle strutture artificiali; Finché la variazione topografica all'interno di un gruppo di cantilever attivi non è troppo grande per essere gestita dall'array a sbalzo, è possibile realizzare immagini ad alto rendimento.
Oltre a consentire un'ispezione ad alta produttività e su grandi aree, un array di sonde a sbalzo attive offre diversi vantaggi in termini di configurazione dell'imaging. Innanzitutto, non è necessario eseguire l'allineamento laser-cantilever per l'installazione della sonda. In termini di funzionamento, questo riduce il sovraccarico dell'operatore. Ancora più importante, il guadagno del sensore di deflessione a sbalzo è fisso e non cambia tra un esperimento e l'altro. Le misurazioni quantitative della forza e della deflessione possono essere effettuate con queste sonde sia in modalità di maschiatura che in modalità di contatto 29,33,34. Ciò rende anche il processo di imaging più affidabile, poiché la deriva dell'allineamento laser per l'imaging a lungo termine non è più un problema. In secondo luogo, l'azionamento a sbalzo termomeccanico evita la risonanza spuria della struttura del supporto a sbalzo, che può diventare un problema durante la scansione della risonanza nell'attuazione piezoacustica convenzionale. La tecnica convenzionale di eccitazione della risonanza utilizza un attuatore piezoelettrico posizionato sul chip di supporto di base del cantilever AFM. Poiché la vibrazione generata si propaga acusticamente attraverso l'intero chip di base, l'eccitazione della risonanza a sbalzo può effettivamente interferire l'una con l'altra. Tuttavia, l'azionamento termomeccanico agisce direttamente sul singolo cantilever e il chip di supporto della base rimane fermo. Poiché la massa del chip di supporto di base è di diversi ordini di grandezza superiore a quella del cantilever, l'interferenza tra i cantilever attivi paralleli è trascurabile. In terzo luogo, le dimensioni compatte del cantilever attivo consentono una più facile integrazione parallela per la configurazione della scansione della sonda. Ciò significa che il campione può rimanere statico e che più posizionatori di sonde possono eseguire la scansione simultaneamente a velocità diverse durante l'imaging, il che aiuta a massimizzare l'utilizzo efficace di ciascun cantilever.
Per quanto riguarda le limitazioni, la gestione di campioni con grandi cambiamenti topografici può essere impegnativa a causa del limite massimo di deflessione di ciascun cantilever. È necessario prestare particolare attenzione durante la preparazione e l'installazione del campione. Poiché il campione da maneggiare è su scala macroscopica, l'inclinazione rispetto al piano di scansione deve essere ridotta al minimo per garantire un buon tracciamento della topografia. L'inclinazione della superficie superiore a 1° rispetto al tavolino dello scanner può causare un controllo della deflessione a sbalzo fuori portata che può causare danni alla sonda. Per le strutture nanofabbricate su un wafer di semiconduttore, la planarità è in genere garantita e non è necessaria alcuna lucidatura. In questo modo si evitano anche potenziali danni alle caratteristiche fini da fotografare. La finitura superficiale della lavorazione convenzionale a controllo numerico computerizzato (CNC) a livello micrometrico dovrebbe essere sufficiente per la gestione dell'array a sbalzo attivo. Per i campioni generici, può essere necessaria la lucidatura al costo di alterare le caratteristiche superficiali da acquisire. Una macchina CNC viene utilizzata per rimuovere grandi elementi sporgenti indesiderati. Se non è possibile evitare grandi variazioni topografiche, ad esempio su una superficie curva, l'utilizzo di una serie di due cantilever attivi paralleli con controllo dell'inclinazione consente di adattarsi a grandi variazioni topografiche. Sarebbero necessari più posizionatori separati per la parallelizzazione per migliorare ulteriormente la produttività dell'imaging con più sonde a sbalzo. Utilizzando tecniche di nanofabbricazione, è anche possibile fabbricare un sistema di nano-posizionamento su scala nanometrica sull'asse Z per affrontare meglio questo problema in un design più compatto35.
Per realizzare appieno il potenziale dell'array a sbalzo parallelo, in particolare per scopi di ispezione dei semiconduttori, sono in corso ulteriori sviluppi ingegneristici per commercializzare il sistema. L'obiettivo è quello di integrare una sonda con una serie di otto cantilever attivi in uno scanner piezoelettrico a tre assi e replicare decine di tali strutture con un controllo preciso del movimento per l'imaging parallelo. Con questa configurazione, è possibile acquisire un'area di 60 mm2 con una risoluzione spaziale di 100 nm in 30 minuti, il che dovrebbe essere sufficiente per molte applicazioni di ispezione. Utilizzando l'imaging in modalità dinamica in modalità senza contatto, l'interazione della forza sonda-campione è piccola al costo di una velocità di imaging più lenta. Come compromesso, la modalità di contatto può aumentare significativamente la velocità di imaging, ma può aumentare la forza di interazione sonda-campione e può causare danni al campione o usura della punta della sonda. Per garantire ulteriormente la longevità di queste sonde, le punte diamantate possono essere utilizzate anche per ridurre significativamente l'usura della punta della sonda per un funzionamento continuo a lungo termine. Per garantire buone prestazioni di imaging, l'ambiente di imaging deve essere controllato in modo da avere basse vibrazioni e polvere, per evitare che le particelle cadano sul campione durante il processo di imaging.
In termini di miglioramenti del software, si sta studiando la regolazione automatica dei parametri per un gran numero di controllori. La velocità di scansione adattiva e la regolazione della risoluzione sono auspicabili per l'imaging di campioni con grandi variazioni di proprietà. Lo stitching automatizzato di migliaia di immagini e l'identificazione di difetti da miliardi di pixel utilizzando algoritmi basati sull'apprendimento automatico possono contribuire ulteriormente a rendere questa tecnica ancora più utile negli studi di ricerca e nelle ispezioni industriali.
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Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse.
Acknowledgments
Gli autori Ivo W. Rangelow e Thomas Sattel ringraziano il Ministero Federale Tedesco dell'Istruzione e della Ricerca (BMBF) e il Ministero Federale Tedesco dell'Economia e dell'Azione per il Clima (BMWK) per aver supportato parti dei metodi presentati finanziando i progetti FKZ:13N16580 "Active Probes with diamond tip for quantum metrology and nanofabrication" all'interno della linea di ricerca KMU-innovativ: Photonics and Quantum Technologies e KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner per compiti metrologici veloci e di grandi dimensioni nella microscopia a forza atomica" nell'ambito del programma di innovazione centrale per le piccole e medie industrie (ZIM). Parte del lavoro qui riportato è stato finanziato dal Settimo Programma Quadro dell'Unione Europea FP7/2007-2013 nell'ambito dell'accordo di sovvenzione n. 318804 "Single Nanometre Manufacturing: Beyond CMOS". Gli autori Ivo W. Rangelow e Eberhard Manske ringraziano per il sostegno della Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) nell'ambito del gruppo di formazione alla ricerca "Tip- and laser-based 3D-Nanofabrication in extended macroscopic working areas" (GRK 2182) presso la Technische Universität Ilmenau, Germania.
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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