Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Aktiv sonde Atomic Force Microscopy med Quattro-Parallel Cantilever Arrays for høy gjennomstrømning storskala prøveinspeksjon

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

Storskala prøveinspeksjon med nanoskalaoppløsning har et bredt spekter av applikasjoner, spesielt for nanofabrikerte halvlederskiver. Atomkraftmikroskoper kan være et flott verktøy for dette formålet, men er begrenset av deres bildehastighet. Dette arbeidet benytter parallelle aktive utkragarrayer i AFM-er for å muliggjøre inspeksjoner med høy gjennomstrømning og stor skala.

Abstract

Et atomkraftmikroskop (AFM) er et kraftig og allsidig verktøy for overflatestudier på nanoskala for å ta 3D-topografibilder av prøver. På grunn av deres begrensede bildebehandlingsgjennomstrømning har AFM-er imidlertid ikke blitt mye brukt for storskala inspeksjonsformål. Forskere har utviklet høyhastighets AFM-systemer for å registrere dynamiske prosessvideoer i kjemiske og biologiske reaksjoner med titalls bilder per sekund, på bekostning av et lite bildeområde på opptil flere kvadratmikrometer. I motsetning til dette krever inspeksjon av storskala nanofabrikerte strukturer, for eksempel halvlederskiver, nanoskala romlig oppløsningsavbildning av en statisk prøve over hundrevis av kvadratcentimeter med høy produktivitet. Konvensjonelle AFM-er bruker en enkelt passiv utkragesonde med et optisk stråleavbøyningssystem, som bare kan samle inn én piksel om gangen under AFM-avbildning, noe som resulterer i lav bildegjennomstrømning. Dette arbeidet benytter en rekke aktive utkragere med innebygde piezoresistive sensorer og termomekaniske aktuatorer, som muliggjør samtidig multi-utkragende drift i parallell drift for økt bildegjennomstrømning. Når det kombineres med nanoposisjoneringsenheter med stor rekkevidde og riktige kontrollalgoritmer, kan hver utkrager styres individuelt for å ta flere AFM-bilder. Med datadrevne etterbehandlingsalgoritmer kan bildene sys sammen, og feildeteksjon kan utføres ved å sammenligne dem med ønsket geometri. Denne rapporten introduserer prinsippene for den tilpassede AFM ved bruk av de aktive utkragingsarrayene, etterfulgt av en diskusjon om praktiske eksperimenthensyn for inspeksjonsapplikasjoner. Utvalgte eksempelbilder av silisiumkalibreringsgitter, høyt orientert pyrolytisk grafitt og ekstreme ultrafiolette litografimasker er tatt ved hjelp av en matrise med fire aktive utkrager ("Quattro") med en separasjonsavstand på 125 μm spiss. Med mer teknisk integrering kan dette storskala bildebehandlingsverktøyet med høy gjennomstrømning gi metrologiske 3D-data for ekstreme ultrafiolette (EUV) masker, inspeksjon av kjemisk mekanisk planarisering (CMP), feilanalyse, skjermer, tynnfilmtrinnsmålinger, grovhetsmålingsdyser og lasergraverte tetningsspor for tørr gass.

Introduction

Atomkraftmikroskoper (AFM) kan ta 3D-topografibilder med nanoskala romlig oppløsning. Forskere har utvidet AFMs evne til å lage prøveeiendomskart i mekaniske, elektriske, magnetiske, optiske og termiske domener. I mellomtiden har forbedring av bildebehandlingsgjennomstrømning også vært fokus for forskning for å tilpasse AFM til nye eksperimentelle behov. Det er primært to applikasjonsdomener for AFM-avbildning med høy gjennomstrømning: den første kategorien er høyhastighetsavbildning av et lite område for å fange dynamiske endringer i prøven på grunn av biologiske eller kjemiske reaksjoner 1,2; Den andre kategorien er for høy romlig oppløsning, storskala avbildning av statiske prøver under en inspeksjon, som diskuteres i detalj i dette arbeidet. Med transistorstørrelsen krymper ned til nanoskalaen, trenger halvlederindustrien akutt AFM med høy gjennomstrømning for å inspisere nanofabrikerte enheter i waferskala med nanoskala romlig oppløsning3.

Karakteriseringen av nanofabrikerte enheter på en wafer kan være utfordrende på grunn av den store skalaforskjellen mellom wafer- og transistorfunksjoner. Store defekter kan oppdages med optiske mikroskoper automatisk4. I tillegg er skanning elektronmikroskoper (SEM) mye brukt for inspeksjon ned til titalls nanometer i 2D5. For 3D-informasjon og høyere oppløsning er AFM et mer egnet verktøy hvis gjennomstrømningen kan forbedres.

Med begrenset bildebehandlingsgjennomstrømning er en tilnærming å avbilde utvalgte waferområder der nanofabrikasjonsdefekter er mer sannsynlig å skje6. Dette vil kreve forkunnskaper om design- og fabrikasjonsprosessen. Alternativt erdet mulig å kombinere andre modaliteter, for eksempel et optisk mikroskop eller SEM med en AFM for oversikt og zoom, 7,8. Et bredt spekter av posisjoneringssystemer med høy presisjon er nødvendig for å justere koordinatsystemet riktig mellom fabrikasjons- og karakteriseringsverktøyene. Videre er et automatisert AFM-system for å avbilde forskjellige utvalgte områder nødvendig for å realisere denne funksjonaliteten.

Som et alternativ har forskere undersøkt forskjellige måter å øke AFM-skannehastigheten på. Siden aktivering av AFM-er med høy gjennomstrømning er en systematisk presisjonsinstrumenteringsutfordring, har forskere undersøkt ulike metoder, inkludert bruk av mindre AFM-sonder, omstrukturering av nanoposisjoner med høy båndbredde 9,10,11,12 og kjøring av elektronikk 13, optimalisering av driftsmoduser, bildekontrollalgoritmer 14,15,16,17etc. Med denne innsatsen kan den effektive relative spiss- og prøvehastigheten økes til maksimalt rundt titalls millimeter per sekund for kommersielt tilgjengelige AFM-systemer med én sonde.

For å forbedre bildegjennomstrømningen ytterligere, er det en naturlig løsning å legge til flere sonder for å operere parallelt. Imidlertid er det optiske stråleavbøyningssystemet (OBD) som brukes til utkragingsavbøyningsføling relativt klumpete, noe som gjør tillegg av flere sonder relativt utfordrende. Individuell utkrageavbøyningskontroll kan også være vanskelig å realisere.

For å overvinne denne begrensningen foretrekkes innebygde sensor- og aktiveringsprinsipper uten store eksterne komponenter. Som beskrevet i tidligere publiserte rapporter 18,19, kan avbøyningssensing med piezoresistive, piezoelektriske og optomekaniske prinsipper betraktes som innebygd sensing, med de to førstnevnte som mer modne og lettere å implementere. For innebygd aktivering kan både termomekanisk med elektrisk oppvarming eller piezoelektriske prinsipper benyttes. Selv om piezoelektriske prinsipper kan operere i et bredere temperaturområde ned til kryogene miljøer, kan de bare støtte tappemodus AFM-operasjoner, siden statisk avbøyning ikke kan måles på grunn av ladningslekkasje og statisk aktivering som lider av hysterese og kryp. I tidligere arbeid har aktive cantilever probe arrays ved hjelp av en piezoresistiv sensor og den piezoelektriske sensoren blitt utviklet for storskala bildebehandling20,21, men har ikke blitt ytterligere oppskalert for storskala bildebehandling eller kommersialisert. I dette arbeidet velges kombinasjonen av piezoresistiv sensing og termomekanisk aktivering som innebygde transdusere med statisk avbøyningskontrollevne.

I dette arbeidet brukes en roman "Quattro"22 parallell aktiv cantilever array som sonde23 for samtidig avbildning ved hjelp av aktive utkrager. For å måle utkragingsavbøyningen blir piezoresistive sensorer i en Wheatstone-brokonfigurasjon19 nanofabrikert ved foten av hver mikroutkrager for å måle den indre spenningen, som er lineært proporsjonal med utkragingsspissavbøyningen. Denne kompakte innebygde sensoren kan også oppnå sub-nanometeroppløsning som den konvensjonelle OBD-sensoren. Den styrende ligningen for Wheatstone-brospenningsutgangen Uutsom svar på den påførte kraften F eller utkragingsavbøyningen z er vist i ligning 119 for en utkrager med lengde L, bredde W og tykkelse H, piezoresistiv sensorkoeffisient PR og effektiv elastisk modul av utkragingsbroforsyningsspenningen Ub.

Equation 1(1)

Siden dynamisk tapping / ikke-kontakt modus foretrekkes for ikke-invasiv avbildning for å unngå å forstyrre prøven, brukes en termomekanisk aktuator laget av serpentinformede aluminiumstråder for å varme opp bimorfutkragen laget av aluminium / magnesiumlegering24, silisium og silisiumoksidmaterialer. I mikroskopisk skala er tidskonstanten for termiske prosesser mye mindre, og utkragerresonansen ved titalls til hundrevis av kilohertz kan begeistres ved å kjøre varmeren med et elektrisk signal. Den utkragede frie endeavbøyningen zhkontrollert av varmetemperaturen ΔT relativ atmosfære er vist i ligning 219for utkragingslengde L med konstant K, avhengig av bimorfmaterialets termokoeffisient for ekspansjon og geometrisk tykkelse og areal. Det skal bemerkes at ΔT er proporsjonal med varmeeffekten P, som er lik kvadratet av den påførte spenningen V dividert med dens motstand R.

Equation 2(2)

Som en ekstra fordel kan statisk avbøyning også kontrolleres i tillegg til resonanseksitasjon. Dette kan være en spesielt nyttig evne til å regulere sondeprøveinteraksjonen til hver utkrager individuelt. Videre kan flere utkrager på samme basebrikke eksiteres individuelt med den innebygde termomekaniske aktuatoren, noe som er umulig i konvensjonell resonanseksitasjon med piezogenererte akustiske bølger.

Ved å kombinere piezoresistiv sensing og termomekanisk aktivering har den aktive utkragesonden muliggjort et bredt spekter av applikasjoner, inkludert samlokalisert AF-mikroskopi i SE-mikroskopi, avbildning i ugjennomsiktig væske og skanningsprobelitografi, med flere detaljer tilgjengelig i gjennomgang25. For inspeksjonsformål med høy gjennomstrømning opprettes den aktive utkragingsmatrisen med et representativt AFM-implementeringseksempel som involverer fire parallelle utkrager, som vist i figur 1. I fremtiden vil det bli utviklet et system i industriell skala ved hjelp av åtte parallelle aktive utkragere og titalls posisjoner28. For å illustrere skalaen ved hjelp av et eksempel, med en romlig oppløsning på 100 nm, vil avbildning av et område på 100 mm med 100 mm resultere i over 106 skannelinjer og 1012 piksler. Med en skannehastighet på 50 mm/s per utkrager, vil dette kreve totalt over 555,6 timers skanning (23+ dager) for en enkelt utkrager, noe som er for lang til å være praktisk nyttig. Ved å bruke den aktive cantilever array-teknologien med titalls posisjoneringsenheter, kan den nødvendige bildetiden reduseres med rundt to størrelsesordener til 5-10 timer (mindre enn en halv dag) uten å gå på kompromiss med oppløsningen, som er en rimelig tidsskala for industrielle inspeksjonsformål.

For å ta store områder, høyoppløselige bilder, er nano-posisjoneringssystemet også oppgradert. For avbildning av store prøver i wafer-skala foretrekkes skanning av sonden i stedet for prøven, for å redusere størrelsen på objektene som flyttes. Med separasjonsavstanden mellom aktive utkragere på 125 μm, dekker skanneren et område som er litt større enn dette området, slik at bilder fra hver utkrager kan sys sammen under etterbehandling. Når en skanning er fullført, flytter den grove posisjoneringsenheten automatisk sonden til et nytt tilstøtende område for å fortsette avbildningsprosessen. Mens den innebygde termomekaniske aktuatoren regulerer nedbøyningen av hver utkrager, reguleres den gjennomsnittlige avbøyningen av alle parallelle utkragere med en annen proporsjonal-integral-derivativ (PID) kontroller for å hjelpe utkragerne under topografisporing. Skannerkontrolleren sørger også for at bøyningen av hver utkrager ikke overskrider en maksimal terskelverdi, noe som kan føre til at andre sonder mister kontakten med overflaten hvis topografivariasjonen er for stor.

Nivået av topografivariasjon som kan spores for utkrager på samme basebrikke bør det være begrenset, siden det statiske avbøyningskontrollområdet til utkrageren er i størrelsesorden titalls mikron. For halvlederskiver er prøvetopografivariasjonene vanligvis på submikrometerskalaen, så de bør ikke være mye av et stort problem. Imidlertid, med tillegg av flere utkrager, kan prøveplanhellingen i forhold til utkragingslinjen bli et problem. I praksis vil åtte parallelle utkrager med mellomrom nær 1 mm fortsatt tillate 1° hellingsvinkel, mens å legge til flere utkrager kan gjøre vippekontrollen vanskeligere å realisere. Derfor er bruk av flere grupper av åtte-utkragede sonder plassert på separerte sondeskannere en kontinuerlig innsats for å fullt ut realisere potensialet i det parallelle aktive utkragesondeprinsippet.

Etter datainnsamling er det nødvendig med en etterbehandlingsoperasjon for å hente ønsket informasjon. Prosessen innebærer vanligvis å fjerne skanningsartefakter, sy tilstøtende bilder for å danne et overordnet panorama, og eventuelt identifisere strukturdefektene ved å sammenligne dem med ønsket geometri ved hjelp av passende algoritmer26. Det er verdt å merke seg at mengden data som akkumuleres kan være enorm for et stort utvalg av bilder, og datadrevne læringsalgoritmer utvikles også for mer effektiv behandling27.

Denne artikkelen illustrerer den generelle prosessen med å anskaffe AFM-bilder med høy oppløsning ved hjelp av det parallelle aktive utkragarrayet integrert i et tilpasset AFM-system. Detaljert implementering av systemet er tilgjengelig i 22,28,29,30, og det blir kommersialisert med modellnummeret som er oppført i materialfortegnelsen. Alle fire utkragerne ble operert i tappemodus eksitert av den innebygde termisk-mekaniske aktuatoren. Representative resultater på kalibreringsprøver, nanofabrikasjonsmasker og høyt orienterte pyrolytisk grafittprøver (HOPG) (se materialtabell) er gitt for å illustrere effektiviteten til dette nye AFM-verktøyet for inspeksjon i store områder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøveforberedelse for storskala inspeksjon

  1. Forbered prøven med en passende størrelse for AFM (se materialtabell).
    MERK: Prøver med skiveform med en diameter i planet fra 75 mm til 300 mm og en forventet høydevariasjon utenfor planet under 200 μm kan passe på AFM-prøvetrinnet. I denne studien brukes en ekstrem ultrafiolett (EUV) maske på en 4 tommers wafer (se Materialfortegnelse).
  2. Rengjør prøven for å fjerne kontaminanter og oppbevar prøvene i et rent rom eller miljø med lite støv, for eksempel et vakuumkammer eller et nitrogenrenset skap.
    1. Fjern store støvpartikler ved å blåse prøven med en sprøytepistol med komprimert nitrogen, eller skyll med avionisert vann hvis prøven ikke reagerer med vann. For å unngå å skade prøven, bruk en liten strømningshastighet under 0,1 m3/min.
    2. Eventuelt kan du bruke plasmarengjøring for å fjerne organiske forurensninger. Plasser prøven i plasmabehandlingsmaskinen. Lukk kammeret og pump ned trykket til 600 mTorr. Utsett prøven til plasma i 30 s for rengjøring.
      MERK: Trinn 1.3.2 er valgfritt for fjerning av forurensning. I denne studien ble fabrikasjon og karakterisering utført inne i et rent rom, så dette trinnet var ikke nødvendig.
  3. Identifiser passende bildebehandlingsstrategier, inkludert interesseområder, skanneområde, romlig-/pikseloppløsning og skannelinjehastighet.
    1. Bestem om prøven trenger et samlet panorama eller automatisert avbildning av flere mindre utvalgte områder.
      MERK: For nanofabrikkerte prøver med ønskede strukturer er det ofte lettere å bestemme nøkkelområdene som er mer utsatt for defekter for inspeksjonsformål. For andre eksempler kan det være enklere å ta et bilde med lav romlig oppløsning for en rask oversikt, og deretter zoome inn på det mindre interesseområdet for bilder med høy romlig oppløsning.
    2. Beregn størrelsen på funksjonene basert på forkunnskaper om utvalget for å bestemme ønsket romlig oppløsning for å løse disse funksjonene.
    3. Bruk forholdet mellom bildeområdet og romlig oppløsning for å bestemme pikseloppløsningen.
    4. Velg en innledende skannelinjehastighet basert på tidligere erfaring med prøven, eller bruk AFM-systemprogramvaren senere, basert på prøvematerialet, sondedynamikk og ønsket romlig oppløsning.

2. AFM-instrumentkalibrering og eksperimentoppsett

  1. Velg riktig aktiv AFM-utkragingsmatrise.
    MERK: AFMs aktive utkragede stivhet, første resonansfrekvens og ubrukte sondespissskarphet for hver utkrager i sonderekken er karakterisert fra produksjonen. Dataene kan hentes fra produsenten og lastes inn i programvaren automatisk før avbildning. Å velge riktig utkrager som anbefales av programvaren basert på prøvematerialet eller applikasjonen, er nyttig for å sikre vellykket avbildning. På grunn av produksjonsvariabilitet kan egenskapene til hver utkrager være forskjellige, men på samme nivå.
  2. Slå på AFM ved å slå på hovedstrømmen til kontrolleren og vent til systemet initialiseres. Slå på vertsdatamaskinen og åpne AFM-systemprogramvaren.
  3. Utfør aktiv cantilever probe installasjon.
    1. Hev sondeskanneren opp ved å klikke på Active Cantilever Installation. Vent til sondeholderen heves opp fra prøvetrinnet og stopper automatisk.
    2. Monter og fest AFM cantilever probe array på probeholderen.
      MERK: AFM cantilever arrays er festet til en nano-SD-kortformholder og kan håndteres direkte for hånd for sondeinstallasjon. Med den grunnleggende forskjellen i sensor- og aktiveringsprinsipper, er det ikke nødvendig å utføre laserjustering.
    3. Klikk på Probe Auto Settings og last inn sondeinformasjonen fra produsenten (se Materialfortegnelse). Sørg for å samsvare med serienummeret på sonden og i programvaren.
    4. Utfør et sondefrekvenssveip for å verifisere resonansen til hver utkrager for avbildning. Klikk på Cantilever Tuning og klikk på Sweep i popup-vinduet. Angi Startfrekvens og Sluttfrekvens hvis området er kjent. Hvis ikke, vil programvaren automatisk oppdatere verdiene ved hjelp av standardinnstillingene.
      MERK: Dette trinnet er i prinsippet valgfritt for nye sonder ettersom de er kalibrert etter produksjon. For sonder som har blitt brukt tidligere, anbefales det imidlertid å utføre denne feiingen i tilfelle noen egenskaper har endret seg under forrige operasjon (f.eks. festing av forurensende partikler som forskyver utkragerresonansen). På grunn av termomekanisk aktivering er varmeeffekten proporsjonal med kvadratet av kjørespenningen. For å tappe ikke-kontaktmodusdrift, genereres en andre harmonisk av sinusbølgekomponenten for inngangsspenning på grunn av kvadratforholdet i ligning 2. Denne andre harmoniske er vanligvis tilpasset utkragingsresonansen under eksitasjon, da likestrøms (DC) offsetsignal ikke påvirker amplituden. Derfor styrer DC-komponentene den gjennomsnittlige utkragingsavbøyningen, og vekselstrømskomponenten (AC) i drivsignalet settes automatisk til halvparten av utkragingsresonansfrekvensen for avbildning.
  4. Last inn og fest prøven på plass. Forsikre deg om at bunnflaten som er i kontakt med prøven, er parallell med toppoverflaten med funksjonene som skal avbildes. Finjuster vippingen på prøvetrinnet med mikrometerknappene for å sikre at prøven er flat. Legg til avstandsstykker hvis vippingen er for stor til at finjusteringsposisjonene kan kompensere.
  5. Juster XY-posisjonen i planet til prøven ved hjelp av mikrometeret på AFM-trinnet. Bruk et optisk mikroskopbilde til å lokalisere interesseområdet og plassere den relative posisjonen til utkragingsgruppen på det første interesseområdet som skal avbildes.
  6. Opprett en global koordinat ved å klikke på XYZ Zero-knappen .
    MERK: For å lage et panoramabilde, kan dette trinnet utføres omtrent ved hjelp av den optiske mikroskopvisningen. Ved avbildning av utvalgte områder av en nanofabrikert prøve, kan det være nødvendig å justere XYZ-koordinaten til fabrikasjonsutstyret nøyaktig med AFM-koordinaten. Dette trinnet kan utføres mer presist ved å utføre AFM-avbildningen og klikke på XYZ Zero-knappen igjen.
  7. Lukk og forsegl det akustiske skjoldet.
    MERK: Det akustiske skjoldet bidrar til å redusere vibrasjonsutbredelse gjennom luften. Dessuten kan det forseglede dekselet også redusere sjansen for at støvpartikler lander på prøven, siden storskala avbildning kan ta lang tid å fullføre. Dette beskyttelsesdekselet kan være valgfritt i et rent rommiljø uten vibrasjonskilder.

3. Topografiavbildning og parameterinnstilling

  1. Velg fanen Imaging Parameter Setup (aktiv utkragingsegenmodus, skannehastighet, set-point, etc.) og skriv inn de ønskede bildeparametrene.
    1. For et enkelt panoramabilde, skriv inn koordinaten til øverste venstre hjørne av bildet og skannestørrelsen. Hvis du vil avbilde flere valgte områder automatisk, gjentar du denne prosessen for alle områdene som skal vises. Legg til ekstra polstring rundt bildeområdet for etterbehandling av bildesøm.
      MERK: For denne studien ble øverste venstre hjørne av EUV-masken satt med forhåndsdefinerte funksjoner, og systemet ble konfigurert til å ta fire bilder med 130 μm med 130 μm samtidig ved hjelp av hver utkrager.
    2. Angi ønsket pikseloppløsning i planet (vanligvis tusenvis av piksler per skannelinje) og bruk standard anbefalt linjeskannehastighet fra programvaren for avbildning. Juster om nødvendig linjeskannehastigheten manuelt for hvert område som skal avbildes.
      MERK: I denne studien ble en pikseloppløsning på 26 000 piksler per linje, tilsvarende 5 nm per piksel, brukt til å oppnå bilder med høy oppløsning.
    3. For ikke-kontaktmodus, bruk standard stasjonsamplitude, frekvens og settpunkt i programvaren hentet fra utkragingsegenskapene, eller skriv inn settpunktet for hver utkrager manuelt på tabellen. La PID-kontrollerinnstillingene være standard.
  2. Koble til den aktive utkragingssondematrisen med prøven.
    1. Klikk på Initialiser utkraging for å bøye utkragingen på forhånd før avbildning.
    2. Klikk på Start berøringsfri stasjon for å opphisse utkrageresonansen.
    3. Klikk på Engasjer for å la systemet automatisk bringe prøven og sonden i kontakt. Avbildningen starter automatisk etter at dette trinnet er fullført.
  3. Juster PID-kontrollerparametrene for hver utkrager basert på det skannede sporet/bildet. Juster PID-parameterne for å forbedre samsvaret mellom sporings- og retrace-linjene, noe som bidrar til å fange opp topografiendringene. Bildehastigheten kan også justeres tilsvarende for å forbedre topografisporingsytelsen.
  4. Lagre gjeldende data på skjermen ved å klikke på Lagre-knappen . Dataene lagres også automatisk under skanningen på slutten av hver ramme.
  5. Stopp bildebehandling ved å klikke på Stopp-knappen . Systemet stopper avbildningen og trekker automatisk utkragingsgruppen tilbake fra prøven. Utkragingsstasjonen vil også bli stoppet slik at det vil være trygt å avinstallere sonden.
  6. Fjern sonden og prøven forsiktig og slå av systemet.

4. Etterbehandling og bildeanalyse

  1. Åpne AFM-bildeanalyseprogramvaren som leveres av leverandøren.
    1. Klikk på Automatisk prosess for å bruke standard etterbehandlingssekvens, inkludert korrigering av prøvehelling, fjerning av uteliggere på pikselnivå og samsvar med skannelinjer.
    2. Bruk ytterligere korrigeringer på bildefeil manuelt fra observasjon av bildene. Med avanserte AFM-instrumenter er slike feil sjeldne, men bilder kan fortsatt forbedres med disse trinnene.
      MERK: For store mengder bilder er det mulig å automatisere prosessen ved hjelp av makro- eller Python-skript gjennom batchbehandling med samme operasjon. Dette var ikke nødvendig for den foreliggende studien.
  2. Bruk programvaren til å danne et panoramabilde ved å klikke på Panorama Image-knappen og velge flere bilder som skal sys.
    MERK: Bildesammensetting utføres automatisk ved å bruke det overlappende rommet til de tilstøtende bildene direkte. Alternativt prøver bildesammenslåing å maksimere korrelasjonen til de overlappende pikslene på kantene. Ulike alternativer er tilgjengelige i disse kommandoene og kan optimaliseres for å forbedre den generelle sammenslåingsytelsen.
  3. Lagre dataene for videre analyse basert på den spesifikke prøven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For å demonstrere effektiviteten av AFM storområdeavbildning ved bruk av parallelle aktive utkrager for topografiavbildning, er de sydde bildene av et kalibreringsgitter, tatt av fire utkragere som drives parallelt, vist i figur 2. Silisiumskivekalibreringsstrukturen har 45 μm lange funksjoner med en høyde på 14 nm. Hver utkrager dekker et område på 125 μm med 125 μm, noe som gir et sydd panoramabilde på 500 μm med 125 μm. Skannehastigheten ble satt til 10 linjer per sekund med 1 028 piksler per linje og kanal i amplitudemodulasjonsmodus, så det tar mindre enn 2 minutter å fullføre denne skanningen med stort område.

Sammenslåingen av bildene tatt av hver utkrager utføres ved å justere funksjonene på kanten av de tilstøtende bildene. Med en faktisk bildestørrelse som er større enn utkragingsseparasjonen, utføres sammenslåingen ved å korrelere funksjonene på kantene. Det er verdt å merke seg at noe vertikal forskyvning mellom hvert bilde i Y-akseretningen i planet også er synlig. Dette kan skje på grunn av den lille feilpasningen av skanningsaksen i forhold til linjen til de fire aktive utkragede arrayene. Korrelasjonsmetoden kan imidlertid være vanskelig å anvende for grenser uten signifikant topografivariasjon. Derfor er bruk av korrelasjonsbasert matching med tidligere offsetkunnskap for å lage panoramabilder den foretrukne metoden, sammenlignet med direkte søm ved hjelp av relativ posisjonsforskyvning for å håndtere disse ufullkomne forholdene til instrumentet.

For å verifisere den romlige oppløsningen til den aktive utkragermatrisen, tas høyoppløselige bilder av HOPG, som vist i figur 3, med et lite bildeområde i planet på 5 μm med 5 μm og 1028 x 1028 piksler. HOPG-prøver er spesielt egnet for oppløsningsverifisering siden avstanden mellom plan av grafitt er rundt 0,335 nm31,32. Sub-nanometer out-of-plane oppløsning og in-plane oppløsning på flere nanometer er demonstrert. Siden separasjonsavstanden mellom hver utkrager ved 125 μm er mye større enn avbildningsområdet på 5 μm, kan ikke disse fire bildene sys direkte, men orienteringstrenden til de avbildede funksjonene mellom tilstøtende bilder stemmer godt overens med hverandre.

For praktiske anvendelser i halvlederinspeksjon avbildes en EUV-litografimaske for å lage halvlederfunksjoner ved hjelp av den parallelle aktive utkragingsmatrisen. Et samlet sydd panoramabilde med en romlig oppløsning på 5 nm som dekker et område på 505 μm med 130 μm er vist i figur 4. Høyden på strukturmønsteret er rundt 60 nm, med forskjellige områder av kretsen tydelig vist på bildet. Med 10 linjer per sekund fanges 101 000 x 26 000 piksler opp i løpet av rundt 40 minutter, noe som er betydelig raskere enn konvensjonelle AFM-systemer.

Figure 1
Figur 1: AFM for stort område for implementering av prøveinspeksjon i stort område ved bruk av en enkelt matrise med fire aktive utkrageprober. (A) Storområdeavbildning av en silisiumskiveprøve ved hjelp av den tilpassede AFM med sondeskanningskonfigurasjon og et stort prøvetrinn. (B) Forenklet skjematisk av AFM-systemet med et optisk mikroskop zoomet inn visning av området av fire aktive utkrager wire-bundet til SD-kortet form trykt kretskort (PCB). (C) SEM-bilde av tappeaktivering for en av de fire aktive utkragerne som viser en maksimal amplitude over 30 μm. (D) SEM-bilde av den aktive utkragerekken med et skjema som viser den serpentinformede termomekaniske varmeren og piezoresistive stresssensorer ved foten av utkragene for avbøyningsmåling. Skala bar = 50 μm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Panoramasammenslåing av bilder tatt av fire aktive utkragere samtidig over en total bredde på 500 μm. Hver utkrager skanner over et område på 140 μm for å skape litt overlapping mellom 125 μm separasjonen av utkragingsspissen i dynamisk tappemodus for amplitudemodulasjon. Bildet er tatt med 10 linjer per sekund med en oppløsning på 1,028 piksler i hver retning. Prøven er en silisiumteststruktur med 45 μm lange linjer i en høyde på 14 nm. De fire øverste separate bildene tatt av hver utkrager er sydd for å danne panoramabildet på bunnen. Figuren er tilpasset fra Ahmad et al.22. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: AFM-bilder med høy oppløsning av HOPG-prøver. Bildene tas samtidig med fire utkragere med et område på 3 μm x 3 μm, tatt med 10 linjer per sekund med en oppløsning på 1028 piksler i hver retning. (AD) Topografibilder tatt i amplitudemodulasjon dynamisk tappemodus med henholdsvis utkrager 1-4. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Opptak av fire 2D- og 3D-maskebilder tatt samtidig av de fire AFM-kanalene med 10 linjer per sekund i dynamisk tappemodus for amplitudemodulasjon. Bildefeltet til et enkelt bilde er 130 μm x 130 μm. (A) Fire 2D-bilder. (B) Fire 3D-bilder. (C) Samlet 3D-sydd bilde med 500 μm med 500 μm oppnådd med fire bilder på 125 μm, hvor 5 μm er overlappingen mellom de enkelte feltene. Bildet er 101 000 x 26 000 piksler med en romlig oppløsning på 5 nm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Som vist i de representative resultatene, kan en aktiv utkragingsmatrise brukes til å ta flere bilder av en statisk prøve parallelt. Dette skalerbare oppsettet kan forbedre bildegjennomstrømningen til prøver med stort område betydelig, noe som gjør det egnet for inspeksjon av nanofabrikerte enheter på halvlederskiver. Teknikken er heller ikke begrenset til menneskeskapte strukturer; Så lenge topografivariasjonen innenfor en gruppe aktive utkragere ikke er for stor for utkragingsgruppen å håndtere, kan avbildning med høy gjennomstrømning realiseres.

I tillegg til å muliggjøre inspeksjon med stor gjennomstrømning og stort område, gir en aktiv utkragesondegruppe flere fordeler når det gjelder bildeoppsett. For det første er det ikke nødvendig å utføre laserutkragingsjustering for sondeinstallasjon. Når det gjelder drift, reduserer dette operatørens overhead. Enda viktigere, forsterkningen av cantilever deflection sensor er fast og endres ikke mellom eksperimenter. Kvantitative kraft- og avbøyningsmålinger kan tas med disse sondene både i tappemodus og kontaktmodus 29,33,34. Dette gjør også avbildningsprosessen mer pålitelig, da drifting av laserjusteringen for langsiktig avbildning lenger er et problem. For det andre unngår den termomekaniske utkragedriften den falske strukturresonansen til utkragerholderen, noe som kan bli et problem under resonansfeiing i konvensjonell piezo akustisk aktivering. Den konvensjonelle resonanseksitasjonsteknikken bruker en piezoelektrisk aktuator plassert på basestøttebrikken til AFM-utkrageren. Siden vibrasjonen som genereres er akustisk forplantet gjennom hele basebrikken, kan utkrageresonanseksitasjon faktisk forstyrre hverandre. Den termomekaniske aktiveringen virker imidlertid direkte på den enkelte utkrageren, og basestøttebrikken forblir stasjonær. Siden massen til basestøttebrikken er flere størrelsesordener høyere enn utkrageren, er interferensen mellom de parallelle aktive utkragerne ubetydelig. For det tredje gir den kompakte størrelsen på den aktive utkrageren enklere parallell integrasjon for sondeskanningskonfigurasjon. Dette betyr at prøven kan forbli statisk, og flere sondeposisjonere kan skanne samtidig med forskjellige hastigheter under avbildning, noe som bidrar til å maksimere effektiv utnyttelse av hver utkrager.

Når det gjelder begrensninger, kan håndtering av prøver med store topografiendringer være utfordrende på grunn av den maksimale nedbøyningsgrensen for hver utkraging. Noen spesielle hensyn må tas under prøveforberedelsen og installasjonen. Siden prøven som håndteres er på makroskopisk skala, bør hellingen i forhold til skanneplanet minimeres for å sikre god sporing av topografien. Vipping av overflaten større enn 1° i forhold til skannertrinnet kan føre til utkragingsavbøyningskontroll utenfor rekkevidde som kan forårsake skade på sonden. For nanofabrikkerte strukturer på en halvlederskive er flatheten vanligvis garantert og ingen polering er nødvendig. Dette unngår også potensiell skade på de fine funksjonene som skal avbildes. Overflatefinishen til konvensjonell datamaskin numerisk kontroll (CNC) maskinering på mikrometernivå bør være tilstrekkelig for den aktive utkragingsgruppen å håndtere. For generiske prøver kan polering være nødvendig på bekostning av å endre overflatefunksjoner som skal fanges. En CNC-maskin brukes til å fjerne store uønskede utstående funksjoner. Hvis stor topografivariasjon ikke kan unngås, for eksempel på en buet overflate, vil bruk av en matrise av to parallelle aktive utkragere med vippekontroll romme stor topografivariasjon. Flere separerte posisjoneringsenheter vil være nødvendig for parallellisering for ytterligere å forbedre bildegjennomstrømningen med flere utkrageprober. Ved hjelp av nanofabrikasjonsteknikker er det også mulig å fremstille et nanoskala nanoposisjoneringssystem på Z-aksen for bedre å løse dette problemet i en mer kompakt design35.

For fullt ut å realisere potensialet til den parallelle utkragingsrekken, spesielt for halvlederinspeksjonsformål, pågår det flere tekniske utviklinger for å kommersialisere systemet. Målet er å integrere en sonde med en rekke åtte aktive utkragere i en treakset piezoskanner og replikere titalls slike strukturer med presis bevegelseskontroll for parallell avbildning. Med dette oppsettet kan et 60 mm2 område med en romlig oppløsning på 100 nm avbildes innen 30 minutter, noe som bør være tilstrekkelig for mange inspeksjonsapplikasjoner. Ved bruk av dynamisk modusavbildning i ikke-kontaktmodus, er sonde-prøvekraftinteraksjonen liten på bekostning av en langsommere bildehastighet. Som en avveining kan kontaktmodus øke bildehastigheten betydelig, men kan øke sondeprøvens interaksjonskraft og kan føre til prøveskade eller slitasje på sondespissen. For ytterligere å sikre levetiden til disse sondene, kan diamantspisser også brukes til å redusere slitasjen på sondespissen betydelig for langvarig, kontinuerlig drift. For å sikre god bildeytelse, bør bildemiljøet kontrolleres for å ha lav vibrasjon og støv, for å unngå at partikler lander på prøven under avbildningsprosessen.

Når det gjelder programvareforbedringer, undersøkes automatisert parameterinnstilling for et stort antall kontrollere. Adaptiv skannehastighet og oppløsningsjustering er ønskelig for avbildningsprøver med store egenskapsvariasjoner. Automatisert sammensetting av tusenvis av bilder og identifisering av feil fra milliarder av piksler ved hjelp av maskinlæringsbaserte algoritmer kan ytterligere bidra til å gjøre denne teknikken enda mer nyttig i forskningsstudier og industriell inspeksjon.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Forfatterne Ivo W. Rangelow og Thomas Sattel ønsker å anerkjenne det tyske føderale utdannings- og forskningsdepartementet (BMBF) og det tyske føderale departementet for økonomi og klimatiltak (BMWK) for å støtte deler av de presenterte metodene ved å finansiere prosjektene FKZ: 13N16580 "Aktive sonder med diamantspiss for kvantemetrologi og nanofabrikasjon" innenfor forskningslinjen KMU-innovativ: Photonics and Quantum Technologies og KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner for raske og store metrologiske oppgaver i Atomic Force Microscopy" innenfor finansieringslinjen Central Innovation Program for små og mellomstore næringer (ZIM). En del av arbeidet som er rapportert her, ble finansiert av EUs syvende rammeprogram FP7/2007-2013 under tilskuddsavtale nr. 318804 "Single Nanometer Manufacturing: Beyond CMOS." Forfatterne Ivo W. Rangelow og Eberhard Manske anerkjenner takknemlig støtten fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) innenfor rammen av Research Training Group "Tip- og laserbasert 3D-nanofabrikasjon i utvidede makroskopiske arbeidsområder" (GRK 2182) ved Technische Universität Ilmenau, Tyskland.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ando, T. High-speed atomic force microscopy and its future prospects. Biophysical Reviews. 10 (2), 285-292 (2018).
  2. Soltani Bozchalooi, I., Careaga Houck, A., AlGhamdi, J. M., Youcef-Toumi, K. Design and control of multi-actuated atomic force microscope for large-range and high-speed imaging. Ultramicroscopy. 160, 213-224 (2016).
  3. Sohn, Y., Ryu, S., Yang, Y. Semiconductor technology challenges in high volume manufacturing of semiconductors. Microscopy and Microanalysis. 28, 800-801 (2022).
  4. Ebayyeh, A. A. R. M. A., Mousavi, A. A review and analysis of automatic optical inspection and quality monitoring methods in electronics industry. IEEE Access. 8, 183192-183271 (2020).
  5. Nakamae, K. Electron microscopy in semiconductor inspection. Measurement Science and Technology. 32 (5), 052003 (2021).
  6. Nduhura-Munga, J., et al. A literature review on sampling techniques in semiconductor manufacturing. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 26 (2), 188-195 (2013).
  7. Zhang, T., et al. Correlative AFM and scanning microlens microscopy for time-efficient multiscale imaging. Advanced Science. 9 (12), 2103902 (2022).
  8. Holz, M., et al. Correlative microscopy and nanofabrication with AFM integrated with SEM. Microscopy Today. 27 (6), 24-30 (2019).
  9. Yang, C., Xia, F., Wang, Y., Truncale, S., Youcef-Toumi, K. Design and control of a multi-actuated nanopositioning stage with stacked structure. 2019 American Control Conference (ACC). , IEEE. Philadeplhia. 3782-3788 (2019).
  10. Xia, F., Truncale, S., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. Design and control of a multi-actuated high-bandwidth and large-range scanner for atomic force microscopy. 2018 Annual American Control Conference (ACC). , IEEE. Milwaukee, WI. 4330-4335 (2018).
  11. Yong, Y. K., Moheimani, S. O. R., Kenton, B. J., Leang, K. K. Invited review article: high-speed flexure-guided nanopositioning: mechanical design and control issues. The Review of Scientific Instruments. 83 (12), 121101 (2012).
  12. Wang, J. Y., Mullin, N., Hobbs, J. K. High-speed large area atomic force microscopy using a quartz resonator. Nanotechnology. 29 (33), 335502 (2018).
  13. Yang, C., et al. Charge controller with decoupled and self-compensating configurations for linear operation of piezoelectric actuators in a wide bandwidth. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 66 (7), 5392-5402 (2019).
  14. Yang, C., Xia, F., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. Comprehensive study of charge-based motion control for piezoelectric nanopositioners: Modeling, instrumentation and controller design. Mechanical Systems and Signal Processing. 166, 108477 (2022).
  15. Xia, F., Yang, C., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. Bandwidth based repetitive controller design for a modular multi-actuated AFM scanner. 2019 American Control Conference (ACC). , IEEE. Philadelphia, PA. 3776-3781 (2019).
  16. Ahmad, A., Schuh, A., Rangelow, I. W. Adaptive AFM scan speed control for high aspect ratio fast structure tracking. The Review of Scientific Instruments. 85 (10), 103706 (2014).
  17. Coskun, M. B., Alemansour, H., Fowler, A. G., Maroufi, M., Moheimani, S. O. R. Q control of an active AFM cantilever with differential sensing configuration. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 27 (5), 2271-2278 (2019).
  18. Xia, F., Mayborne, M. P., Ma, Q., Youcef-Toumi, K. Physical intelligence in the metaverse: mixed reality scale models for twistronics and atomic force microscopy. 2022 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). , IEEE. Sapporo, Japan. 1722-1729 (2022).
  19. Xia, F., et al. A modular low-cost atomic force microscope for precision mechatronics education. Mechatronics. 76, 102550 (2021).
  20. Minne, S. C., et al. Centimeter scale atomic force microscope imaging and lithography. Applied Physics Letters. 73 (12), 1742-1744 (1998).
  21. Minne, S. C., et al. Automated parallel high-speed atomic force microscopy. Applied Physics Letters. 72 (18), 2340-2342 (1998).
  22. Ahmad, A., et al. Large area fast-AFM scanning with active "Quattro" cantilever arrays. Journal of Vacuum Science & Technology B. 34 (6), (2016).
  23. Gotszalk, T., Grabiec, P., Rangelow, I. W. Piezoresistive sensors for scanning probe microscopy. Ultramicroscopy. 82 (1), 39-48 (2000).
  24. Angelov, T., et al. Thermo-mechanical transduction suitable for high-speed scanning probe imaging and lithography. Microelectronic Engineering. 154, 1-7 (2016).
  25. Rangelow, I. W., et al. Active scanning probes: A versatile toolkit for fast imaging and emerging nanofabrication. Journal of Vacuum Science & Technology B. 35 (6), 101 (2017).
  26. Marinello, F., Bariani, P., De Chiffre, L., Hansen, H. N. Development and analysis of a software tool for stitching three-dimensional surface topography data sets. Measurement Science and Technology. 18 (5), 1404 (2007).
  27. López de la Rosa, F., Sánchez-Reolid, R., Gómez-Sirvent, J. L., Morales, R., Fernández-Caballero, A. A review on machine and deep learning for semiconductor defect classification in scanning electron microscope images. Applied Sciences. 11 (20), 9508 (2021).
  28. Holz, M., et al. High throughput AFM inspection system with parallel active cantilevers. In Photomask Technology 2019. 11148, SPIE. 278-287 (2019).
  29. Gotszalk, T., Ivanov, T., Rangelow, I. Parallel SPM cantilever arrays for large area surface metrology and lithography. In Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXVIII. 9050, SPIE. 274-282 (2014).
  30. Ahmad, A., et al. 13th Intl. Workshop on Nanomechanical Sensing. Quattro-Cantilever Array: Large Area and High Speed AFM Imaging and Nanolithography. , (2016).
  31. Shearer, C. J., Slattery, A. D., Stapleton, A. J., Shapter, J. G., Gibson, C. T. Accurate thickness measurement of graphene. Nanotechnology. 27 (12), 125704 (2016).
  32. Shioyama, H. The interactions of two chemical species in the interlayer spacing of graphite. Synthetic Metals. 114 (1), 1-15 (2000).
  33. Ivanova, K., et al. Scanning proximal probes for parallel imaging and lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 26 (6), 2367-2373 (2008).
  34. García, R., San Paulo, A. Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy. Physical Review B. 60 (7), 4961-4967 (1999).
  35. Ruppert, M. G., Fowler, A. G., Maroufi, M., Moheimani, S. O. R. On-chip dynamic mode atomic force microscopy: a silicon-on-insulator MEMS approach. Journal of Microelectromechanical Systems. 26 (1), 215-225 (2017).

Tags

Aktiv sonde atomkraftmikroskopi quattro-parallelle utkragede arrayer høy gjennomstrømning storskala prøveinspeksjon atomkraftmikroskop nanoskala overflatestudier 3D-topografibilder bildegjennomstrømning høyhastighets AFM-systemer dynamiske prosessvideoer kjemiske og biologiske reaksjoner halvlederskiver nanofabrikerte strukturer nanoskala romlig oppløsningsavbildning statisk prøve høy produktivitet passiv utkragesonde optisk stråleavbøyningssystem bildebehandlingsgjennomstrømning Aktive utkragere innebygde piezoresistive sensorer termomekaniske aktuatorer parallell drift bildegjennomstrømning nanoposisjoneringsenheter med stort område kontrollalgoritmer datadrevne etterbehandlingsalgoritmer
Aktiv sonde Atomic Force Microscopy med Quattro-Parallel Cantilever Arrays for høy gjennomstrømning storskala prøveinspeksjon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Xia, F., Youcef-Toumi, K., Sattel,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter