Waiting
Elaborazione accesso...

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 mikroskopi med Quattro-parallelle udkragningssystemer til prøveinspektion i stor skala med høj kapacitet

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

Storstilet prøveinspektion med nanoskalaopløsning har en bred vifte af applikationer, især til nanofabrikerede halvlederskiver. Atomkraftmikroskoper kan være et godt værktøj til dette formål, men er begrænset af deres billeddannelseshastighed. Dette arbejde anvender parallelle aktive cantilever-arrays i AFM'er for at muliggøre inspektioner med høj kapacitet og stor skala.

Abstract

Et Atomic Force Microscope (AFM) er et kraftfuldt og alsidigt værktøj til overfladeundersøgelser i nanoskala til at fange 3D-topografibilleder af prøver. På grund af deres begrænsede billedbehandlingskapacitet er AFM'er imidlertid ikke blevet bredt vedtaget til storstilede inspektionsformål. Forskere har udviklet højhastigheds AFM-systemer til at optage dynamiske procesvideoer i kemiske og biologiske reaktioner med snesevis af billeder i sekundet på bekostning af et lille billeddannelsesområde på op til flere kvadratmikrometer. I modsætning hertil kræver inspektion af nanofabrikerede strukturer i stor skala, såsom halvlederskiver, nanoskala rumlig opløsningsbilleddannelse af en statisk prøve over hundreder af kvadratcentimeter med høj produktivitet. Konventionelle AFM'er bruger en enkelt passiv udkragningssonde med et optisk stråleafbøjningssystem, som kun kan indsamle en pixel ad gangen under AFM-billeddannelse, hvilket resulterer i lav billeddannelsesgennemstrømning. Dette arbejde anvender en række aktive udkragninger med indlejrede piezoresistive sensorer og termomekaniske aktuatorer, som muliggør samtidig multi-cantilever-drift i parallel drift for øget billeddannelsesgennemstrømning. Når det kombineres med nano-positionere med stor rækkevidde og korrekte kontrolalgoritmer, kan hver udkragning styres individuelt for at tage flere AFM-billeder. Med datadrevne efterbehandlingsalgoritmer kan billederne sys sammen, og defektdetektion kan udføres ved at sammenligne dem med den ønskede geometri. Dette papir introducerer principper for den brugerdefinerede AFM ved hjælp af de aktive cantilever arrays, efterfulgt af en diskussion om praktiske eksperimentovervejelser til inspektionsapplikationer. Udvalgte eksempelbilleder af siliciumkalibreringsgitter, højt orienteret pyrolytisk grafit og ekstreme ultraviolette litografimasker optages ved hjælp af en række af fire aktive udkragninger ("Quattro") med en separationsafstand på 125 μm spids. Med mere teknisk integration kan dette billeddannelsesværktøj med høj kapacitet i stor skala levere 3D-metrologiske data til ekstreme ultraviolette masker (EUV), inspektion af kemisk mekanisk planarisering (CMP), fejlanalyse, skærme, tyndfilmstrinmålinger, ruhedsmåledyser og lasergraverede tørgastætningsriller.

Introduction

Atomkraftmikroskoper (AFM'er) kan optage 3D-topografibilleder med rumlig opløsning i nanoskala. Forskere har udvidet AFM'ernes evne til at oprette prøveegenskabskort i mekaniske, elektriske, magnetiske, optiske og termiske domæner. I mellemtiden har forbedring af billedbehandlingsgennemstrømningen også været fokus for forskning for at tilpasse AFM'er til nye eksperimentelle behov. Der er primært to applikationsdomæner til AFM-billeddannelse med høj kapacitet: den første kategori er højhastighedsbilleddannelse af et lille område for at fange dynamiske ændringer i prøven på grund af biologiske eller kemiske reaktioner 1,2; Den anden kategori er til høj rumlig opløsning, storskala billeddannelse af statiske prøver under en inspektion, som diskuteres detaljeret i dette arbejde. Med transistorstørrelse, der krymper ned til nanoskalaen, har halvlederindustrien presserende brug for AFM'er med høj kapacitet til at inspicere nanofabrikerede enheder i waferskala med rumlig opløsning i nanoskala3.

Karakteriseringen af nanofabrikerede enheder på en wafer kan være udfordrende på grund af den store skalaforskel mellem wafer- og transistorfunktioner. Store defekter kan opdages med optiske mikroskoper automatisk4. Derudover anvendes scanningelektronmikroskoper (SEM'er) i vid udstrækning til inspektion ned til snesevis af nanometer i 2D5. For 3D-information og højere opløsning er AFM et mere egnet værktøj, hvis dets gennemstrømning kan forbedres.

Med begrænset billedbehandlingskapacitet er en tilgang at afbilde udvalgte waferområder, hvor nanofabrikationsfejl er mere tilbøjelige til at ske6. Dette ville kræve forudgående kendskab til design- og fabrikationsprocessen. Alternativt er det muligt at kombinere andre modaliteter, såsom et optisk mikroskop eller SEM med en AFM til oversigt og zoom, 7,8. Et bredt positioneringssystem med høj præcision er nødvendigt for korrekt at justere koordinatsystemet mellem fabrikations- og karakteriseringsværktøjerne. Desuden er et automatiseret AFM-system til at afbilde forskellige udvalgte områder nødvendigt for at realisere denne funktionalitet.

Som et alternativ har forskere undersøgt forskellige måder at øge AFM-scanningshastigheden på. Da aktivering af AFM'er med høj kapacitet er en systematisk udfordring med præcisionsinstrumentering, har forskere undersøgt forskellige metoder, herunder brug af mindre AFM-sonder, redesign af nanopositionere med høj båndbredde 9,10,11,12 og kørsel af elektronik 13, optimering af driftsformer, billeddannelseskontrolalgoritmer 14,15,16,17osv. Med disse bestræbelser kan den effektive relative spids- og prøvehastighed øges til maksimalt omkring snesevis af millimeter pr. sekund for kommercielt tilgængelige AFM-systemer med en sonde.

For yderligere at forbedre billedbehandlingshastigheden er det en naturlig løsning at tilføje flere sonder til at fungere parallelt. Imidlertid er det optiske stråleafbøjningssystem (OBD), der anvendes til cantilever-afbøjningssensor, relativt omfangsrigt, hvilket gør tilføjelsen af flere sonder relativt udfordrende. Individuel udkragningskontrol kan også være vanskelig at realisere.

For at overvinde denne begrænsning foretrækkes indlejrede sensor- og aktiveringsprincipper uden omfangsrige eksterne komponenter. Som beskrevet i tidligere offentliggjorte rapporter18,19 kan afbøjningssensing med piezoresistive, piezoelektriske og optomekaniske principper betragtes som indlejret sensing, hvor de to førstnævnte er mere modne og lettere at implementere. Til indlejret aktivering kan termomekaniske med elektrisk opvarmning eller piezoelektriske principper begge anvendes. Selvom piezoelektriske principper kan fungere i et bredere temperaturområde ned til kryogene miljøer, kan de kun understøtte AFM-operationer i aflytningstilstand, da statisk afbøjning ikke kan måles på grund af ladningslækage og statisk aktivering, der lider af hysterese og krybning. I tidligere arbejde er aktive cantilever-sondearrays ved hjælp af en piezoresistiv sensor og den piezoelektriske sensor blevet udviklet til billeddannelse i store områder20,21, men er ikke blevet yderligere opskaleret til storskala billeddannelse eller kommercialiseret. I dette arbejde vælges kombinationen af piezoresistiv sensing og termomekanisk aktivering som indlejrede transducere med statisk afbøjningskontrolkapacitet.

I dette arbejde anvendes et nyt "Quattro"22 parallelt aktivt cantilever-array som sonde23 til samtidig billeddannelse ved hjælp af aktive udkragninger. For at måle udkragningens afbøjning nanofremstilles piezoresistive sensorer i en Wheatstone-brokonfiguration19 i bunden af hver mikroudkragning for at måle den indre spænding, som er lineært proportional med udkragningsspidsens afbøjning. Denne kompakte indlejrede sensor kan også opnå sub-nanometer opløsning som den konventionelle OBD-sensor. Den styrende ligning for Wheatstone-broens spændingsudgang Uudsom reaktion på den påførte kraft F eller cantileverafbøjning z er vist i ligning 119 for en udkragning med længde L, bredde W og tykkelse H, piezoresistiv sensorkoefficient PR og effektivt elastisk modul for cantilever E-broforsyningsspændingen Ub.

Equation 1(1)

Da dynamisk gevindskæring / berøringsfri tilstand foretrækkes til ikke-invasiv billeddannelse for at undgå at forstyrre prøven, bruges en termomekanisk aktuator lavet af serpentinformede aluminiumstråde til at opvarme bimorph-cantileveren lavet med aluminium / magnesiumlegering24, silicium og siliciumoxidmaterialer. På mikroskopisk skala er tidskonstanten for termiske processer meget mindre, og cantileverresonansen ved titusinder til hundreder af kilohertz kan spændes ved at køre varmelegemet med et elektrisk signal. Den cantilever fri endeafbøjning zhstyret af varmetemperaturen ΔT relativ atmosfære er vist i ligning 219for cantilever længde L med en konstant K, afhængigt af bimorph materiale termo ekspansionskoefficient og geometrisk tykkelse og areal. Det skal bemærkes, at ΔT er proportional med varmeeffekten P, hvilket er lig med kvadratet på den påførte spænding V divideret med dens modstand R.

Equation 2(2)

Som en ekstra fordel kan statisk afbøjning også styres ud over resonansexcitation. Dette kan være en særlig nyttig evne til at regulere sonde-prøve-interaktionen mellem hver udkragning individuelt. Desuden kan flere udkragninger på den samme basechip exciteres individuelt med den indlejrede termomekaniske aktuator, hvilket er umuligt i konventionel resonansexcitation med piezogenererede akustiske bølger.

Ved at kombinere piezoresistiv sensing og termomekanisk aktivering har den aktive cantileversonde muliggjort en bred vifte af applikationer, herunder samlokaliseret AF-mikroskopi i SE-mikroskopi, billeddannelse i uigennemsigtig væske og scanningssondelitografi, med flere detaljer tilgængelige i anmeldelse25. Til inspektionsformål med høj kapacitet oprettes det aktive udkragningssystem med et repræsentativt AFM-implementeringseksempel, der involverer fire parallelle udkragninger, som vist i figur 1. I fremtiden vil der blive udviklet et system i industriel skala ved hjælp af otte parallelle aktive udkragninger og snesevis af positionere28. For at illustrere skalaen ved hjælp af et eksempel med en rumlig opløsning i planet på 100 nm ville billeddannelse af et område på 100 mm x 100 mm resultere i over 106 scanningslinjer og 1012 pixels. Med en scanningshastighed på 50 mm/s pr. udkragning ville dette kræve i alt over 555,6 timers scanning (23+ dage) for en enkelt udkragning, hvilket er for langt til at være praktisk anvendeligt. Ved hjælp af den aktive cantilever array-teknologi med snesevis af positionere kan den krævede billedbehandlingstid reduceres med omkring to størrelsesordener til 5-10 timer (mindre end en halv dag) uden at gå på kompromis med opløsningen, hvilket er en rimelig tidshorisont til industrielt inspektionsformål.

For at tage billeder med store områder i høj opløsning opgraderes nanopositioneringssystemet også. Til billeddannelse af store prøver i waferskala foretrækkes scanning af sonden i stedet for prøven for at reducere størrelsen på de objekter, der flyttes. Med separationsafstanden mellem aktive udkragninger ved 125 μm dækker scanneren et område, der er lidt større end dette område, så billeder fra hver udkragning kan sys sammen under efterbehandling. Efter afslutningen af en scanning flytter den grove positioner automatisk sonden til et nyt tilstødende område for at fortsætte billeddannelsesprocessen. Mens den indlejrede termomekaniske aktuator regulerer udbøjningen af hver udkragning, reguleres den gennemsnitlige afbøjning af alle parallelle udkragninger med en anden proportional-integral-derivat (PID) regulator for at hjælpe udkragningerne under topografisporing. Scannerstyringen sikrer også, at bøjningen af hver udkragning ikke overstiger en maksimal tærskelværdi, hvilket kan medføre, at andre sonder mister kontakten med overfladen, hvis topografivariationen er for stor.

Niveauet af topografivariation, der kan spores for udkragninger på samme basischip, bør det være begrænset, da cantileverens statiske afbøjningskontrolområde er i størrelsesordenen titalls mikron. For halvlederskiver er prøvetopografivariationerne typisk på submikrometerskalaen, så de burde ikke være meget af et stort problem. Men med tilføjelsen af flere udkragninger kan prøveplanets hældning i forhold til linjen af cantilevers blive et problem. I praksis vil otte parallelle udkragninger med afstand tæt på 1 mm stadig tillade 1° hældningsvinkel, mens tilføjelse af flere udkragninger kan gøre vippekontrollen vanskeligere at realisere. Derfor er brug af flere grupper af otte-cantilever sonder placeret på adskilte sondescannere en løbende indsats for fuldt ud at realisere potentialet i det parallelle aktive cantilever sondeprincip.

Efter dataindsamling er en efterbehandling nødvendig for at hente de ønskede oplysninger. Processen involverer generelt fjernelse af scanningsartefakter, syning af tilstødende billeder for at danne et samlet panorama og eventuelt identifikation af strukturfejlene ved at sammenligne dem med den ønskede geometri ved hjælp af passende algoritmer26. Det er værd at bemærke, at mængden af akkumulerede data kan være enorm for en lang række billeder, og datadrevne læringsalgoritmer udvikles også til mere effektiv behandling27.

Denne artikel illustrerer den generelle proces med at erhverve AFM-billeder i høj opløsning ved hjælp af det parallelle aktive udkragningssystem, der er integreret i et brugerdefineret AFM-system. Detaljeret implementering af systemet er tilgængelig i 22,28,29,30, og det kommercialiseres med modelnummeret, der er anført i materialetabellen. Alle fire udkragninger blev betjent i tappetilstand ophidset af den indlejrede termisk-mekaniske aktuator. Repræsentative resultater på kalibreringsprøver, nanofabrikationsmasker og højt orienterede pyrolytiske grafitprøver (HOPG) (se materialetabel) leveres for at illustrere effektiviteten af dette nye AFM-værktøj til inspektion af store områder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøveforberedelse til storstilet inspektion

  1. Prøven klargøres med en passende størrelse til flyvehåndbogen (se materialetabellen).
    BEMÆRK: Wafer-formede prøver med en in-plane diameter fra 75 mm til 300 mm og en forventet out-of-plane højdevariation under 200 μm kan passe på AFM-prøvetrinnet. I denne undersøgelse anvendes en ekstrem ultraviolet (EUV) maske på en 4 tommer wafer (se materialetabel).
  2. Rengør prøven for at fjerne forurenende stoffer, og opbevar prøverne inde i et rent rum eller et miljø med lavt støvindhold, såsom et vakuumkammer eller et nitrogenrenset skab.
    1. Store støvpartikler fjernes ved at blæse prøven med en sprøjtepistol med komprimeret nitrogen, eller skylles med deioniseret vand, hvis prøven ikke reagerer med vand. For at undgå at beskadige prøven skal du bruge en lille strømningshastighed under 0,1 m3/min.
    2. Anvend eventuelt plasmarensning for at fjerne organiske forurenende stoffer. Prøven anbringes i plasmabehandlingsmaskinen. Luk kammeret og pump trykket ned til 600 mTorr. Udsæt prøven for plasma i 30 s til rengøring.
      BEMÆRK: Trin 1.3.2 er valgfrit til fjernelse af kontaminering. I denne undersøgelse blev fabrikation og karakterisering udført inde i et rent rum, så dette trin var ikke nødvendigt.
  3. Identificer passende billeddannelsesstrategier, herunder interesseområder, scanningsområde, rumlig/pixelopløsning og scanningslinjehastighed.
    1. Find ud af, om prøven har brug for et overordnet panoramabillede eller automatisk billeddannelse af flere mindre markerede områder.
      BEMÆRK: For nanofabrikerede prøver med ønskede strukturer er det ofte lettere at bestemme de nøgleområder, der er mere tilbøjelige til defekter til inspektionsformål. For andre eksempler kan det være lettere at tage et billede med lav rumlig opløsning for at få et hurtigt overblik og derefter zoome ind på det mindre interesseområde for billeddannelse med høj rumlig opløsning.
    2. Anslå størrelsen af funktionerne baseret på forudgående kendskab til prøven for at bestemme den ønskede rumlige opløsning for at løse disse funktioner.
    3. Brug forholdet mellem billedområdet og den rumlige opløsning til at bestemme pixelopløsningen.
    4. Vælg en indledende scanningslinjehastighed baseret på tidligere erfaring med prøven, eller brug AFM-systemsoftwaren senere baseret på prøvematerialet, sondedynamikken og den ønskede rumlige opløsning.

2. AFM-instrumentkalibrering og eksperimentopsætning

  1. Vælg det relevante aktive AFM-udkragningssystem.
    BEMÆRK: AFM's aktive udkragningsstivhed, første resonansfrekvens og ubrugt sondespidsskarphed for hver udkragning i sondearrayet er kendetegnet ved produktionen. Dataene kan hentes fra producenten og indlæses automatisk i softwaren inden billeddannelse. Valg af den passende udkragning, der anbefales af softwaren baseret på prøvematerialet eller applikationen, er nyttigt for at sikre en vellykket billeddannelse. På grund af fremstillingsvariabilitet kan egenskaberne for hver cantilever være forskellige, men på et lignende niveau.
  2. Tænd AFM ved at tænde for controllerens hovedstrøm, og vent på, at systemet initialiseres. Tænd værtscomputeren, og åbn AFM-systemsoftwaren.
  3. Udfør aktiv installation af udkragningssonde.
    1. Løft sondescanneren op ved at klikke på Active Cantilever Installation. Vent på, at sondeholderen løftes op fra prøvetrinnet, og stop automatisk.
    2. Monter og fastgør AFM-udkragningssondearrayet på sondeholderen.
      BEMÆRK: AFM-udkragningssystemerne er fastgjort til en nano-SD-kortformholder og kan håndteres direkte manuelt til sondeinstallation. Med den grundlæggende forskel i sensor- og aktiveringsprincipper er der ikke behov for at udføre nogen laserjustering.
    3. Klik på Probe Auto Settings og indlæs sondeoplysningerne fra producenten (se materialetabel). Sørg for at matche serienummeret på sonden og i softwaren.
    4. Udfør en sondefrekvensfejning for at verificere resonansen af hver udkragning til billeddannelse. Klik på Cantilever Tuning og klik på Oprydning i pop op-vinduet. Angiv Startfrekvens og Slutfrekvens , hvis området er kendt. Hvis ikke, opdaterer softwaren automatisk værdierne ved hjælp af standardindstillingerne.
      BEMÆRK: Dette trin er i princippet valgfrit for nye sonder, da de er kalibreret efter produktion. For sonder, der tidligere har været brugt, anbefales det dog at udføre denne fejning, hvis egenskaberne er ændret under den foregående operation (f.eks. Fastgørelse af forurenende partikler, der forskyder cantileverresonansen). På grund af termomekanisk aktivering er varmeeffekten proportional med kvadratet på drivspændingen. Til tapning af berøringsfri tilstand genereres en anden harmonisk af indgangsspændingens sinusbølgekomponent på grund af kvadratrelationen i ligning 2. Denne anden harmoniske matches typisk med cantileverresonansen under excitation, da jævnstrømsoffsetsignalet (DC) ikke påvirker dets amplitude. Derfor styrer DC-komponenterne den gennemsnitlige cantilever-afbøjning, og vekselstrømskomponenten (AC) i drevsignalet indstilles automatisk til halvdelen af cantilever-resonansfrekvensen til billeddannelse.
  4. Læg og fastgør prøven på plads. Sørg for, at den nederste overflade, der er i kontakt med prøven, er parallel med den øverste overflade med de funktioner, der skal afbildes. Finjuster prøvetrinhældningen ved hjælp af mikrometerknapperne for at sikre, at prøven er flad. Tilføj afstandsstykker, hvis hældningen er for stor til, at finjusteringspositionere kan kompensere for.
  5. Juster prøvens XY-position i planet ved hjælp af mikrometeret på AFM-trinnet. Brug et optisk mikroskopbillede til at lokalisere interesseområdet og placere den relative position af udkragningsarrayet på det første interesseområde, der skal afbildes.
  6. Opret en global koordinat ved at klikke på knappen XYZ Zero .
    BEMÆRK: Til oprettelse af et panoramabillede kan dette trin udføres groft ved hjælp af den optiske mikroskopvisning. Ved billeddannelse af udvalgte områder af en nanofabrikeret prøve kan det være nødvendigt at justere XYZ-koordinaten for fabrikationsudstyret præcist med AFM-koordinaten. Dette trin kan udføres mere præcist ved at udføre AFM-billeddannelsen og klikke på XYZ Zero-knappen igen.
  7. Luk og forsegl det akustiske skjold.
    BEMÆRK: Det akustiske skjold hjælper med at reducere vibrationsudbredelse gennem luften. Desuden kan det forseglede dæksel også reducere risikoen for, at støvpartikler lander på prøven, da billeddannelse i stor skala kan tage lang tid at gennemføre. Dette beskyttelsesdæksel kan være valgfrit i et renrumsmiljø uden vibrationskilder.

3. Topografi billeddannelse og parameter tuning

  1. Vælg fanen Opsætning af billedparameter (aktiv egentilstand, scanningshastighed, sætpunkt osv.), Og indtast de ønskede billedparametre.
    1. For et enkelt panoramabillede skal du indtaste koordinaten i øverste venstre hjørne af billedet og scanningsstørrelsen. Hvis du automatisk vil afbilde flere valgte områder, skal du gentage denne proces for alle de områder, der skal afbildes. Tilføj ekstra polstring omkring billedområdet til efterbehandling af billedsyning.
      BEMÆRK: Til denne undersøgelse blev det øverste venstre hjørne af EUV-masken indstillet med foruddefinerede funktioner, og systemet blev konfigureret til at tage fire billeder med 130 μm x 130 μm samtidigt ved hjælp af hver udkragning.
    2. Indtast den ønskede in-plane pixelopløsning (typisk tusindvis af pixels pr. scanningslinje), og brug den anbefalede standardlinjescanningshastighed fra softwaren til billeddannelse. Hvis det er nødvendigt, kan du manuelt justere linjescanningshastigheden for hvert område, der skal afbildes.
      BEMÆRK: I denne undersøgelse blev der anvendt en pixelopløsning på 26.000 pixels pr. linje, svarende til 5 nm pr. pixel, til at opnå billeder i høj opløsning.
    3. I berøringsfri tilstand skal du bruge standarddrevets amplitude, frekvens og sætpunkt i softwaren, der er hentet fra cantilever-egenskaberne, eller manuelt indtaste sætpunktet for hver udkragning på arrayet. Lad PID-controllerindstillingerne være standard.
  2. Aktiver det aktive cantilever-sondearray med prøven.
    1. Klik på Initialiser udkragning for at forbøje udkragningen før billeddannelse.
    2. Klik på Start kontaktfrit drev for at begejstre cantilever-resonansen.
    3. Klik på Engage for at lade systemet automatisk bringe prøven og sonden i kontakt. Billedbehandling starter automatisk, når dette trin er fuldført.
  3. Juster PID-controllerparametrene for hver udkragning baseret på den scannede sporing/billede. Juster PID-parametrene for at forbedre matchningen mellem sporings- og retracelinjerne, hvilket hjælper med at registrere topografiændringerne. Billedhastigheden kan også justeres tilsvarende for at forbedre topografisporingsydelsen.
  4. Gem de aktuelle data på skærmen ved at klikke på knappen Gem . Dataene gemmes også automatisk under scanningen i slutningen af hvert billede.
  5. Stop billedbehandlingen ved at klikke på knappen Stop . Systemet stopper billeddannelsen og trækker automatisk udkragningsarrayet tilbage fra prøven. Cantilever-drevet stoppes også, så det er sikkert at afinstallere sonden.
  6. Fjern sonden og prøven forsigtigt, og sluk for systemet.

4. Efterbehandling og billedanalyse

  1. Åbn AFM-billedanalysesoftwaren, der leveres af leverandøren.
    1. Klik på Automatisk behandling for at anvende standardefterbehandlingssekvensen, herunder prøvehældningskorrektion, fjernelse af afvigelse på pixelniveau og matchning af scanningslinje.
    2. Anvend yderligere korrektioner på billedfejl manuelt fra observation af billederne. Med avancerede AFM-instrumenter er sådanne defekter sjældne, men billeder kan stadig forbedres med disse trin.
      BEMÆRK: For store mængder billeder er det muligt at automatisere processen ved hjælp af makro- eller Python-scripts gennem batchbehandling med samme handling. Dette var ikke nødvendigt for nærværende undersøgelse.
  2. Brug softwaren til at danne et panoramabillede ved at klikke på knappen Panoramabillede og vælge flere billeder, der skal sys.
    BEMÆRK: Billedsyning udføres automatisk ved direkte brug af den overlappende plads i de tilstødende billeder. Alternativt forsøger billedfletning at maksimere korrelationen mellem de overlappende pixel på kanterne. Forskellige muligheder er tilgængelige i disse kommandoer og kan optimeres for at forbedre den samlede fletningsydelse.
  3. Gem dataene til yderligere analyse baseret på den specifikke prøve.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For at demonstrere effektiviteten af AFM-billeddannelse i store områder ved hjælp af parallelle aktive udkragninger til topografibilleddannelse er de syede billeder af et kalibreringsgitter, taget af fire udkragninger, der drives parallelt, vist i figur 2. Siliciumskivekalibreringsstrukturen har 45 μm lange funktioner med en højde på 14 nm. Hver udkragning dækker et areal på 125 μm ved 125 μm, hvilket giver et syet panoramabillede på 500 μm x 125 μm. Scanningshastigheden blev indstillet til 10 linjer pr. sekund ved 1.028 pixels pr. linje og kanal i amplitudemodulationstilstand, så det tager mindre end 2 minutter at gennemføre denne scanning med stort område.

Sammenlægningen af billederne taget af hver cantilever udføres ved at justere funktionerne på kanten af de tilstødende billeder. Med en faktisk billedstørrelse, der er større end cantileverseparationen, udføres sammensmeltningen ved at korrelere funktionerne på kanterne. Det er værd at bemærke, at en vis lodret forskydning mellem hvert billede i Y-akseretningen i planet også er synlig. Dette kan ske på grund af den lille uoverensstemmelse mellem scanningsaksen og linjen i de fire aktive cantilever-arrays. Korrelationsmetoden kan dog være vanskelig at anvende for grænser uden væsentlig topografivariation. Derfor er brug af korrelationsbaseret matchning med forudgående offset-viden til at skabe panoramabilleder den foretrukne metode sammenlignet med direkte syning ved hjælp af relativ positionsforskydning for at håndtere disse ufuldkomne forhold i instrumentet.

For at verificere den rumlige opløsning af det aktive cantilever-array tages billeder i høj opløsning af HOPG, som vist i figur 3, med et lille in-plane billedområde på 5 μm x 5 μm og 1028 x 1028 pixels. HOPG-prøver er særligt velegnede til opløsningsverifikation, da afstanden mellem planerne for grafit er omkring 0,335 nm31,32. Sub-nanometer out-of-plane opløsning og in-plane opløsning ved flere nanometer er demonstreret. Da afstanden mellem hver udkragning ved 125 μm er meget større end billedområdet på 5 μm, kan disse fire billeder ikke sys direkte, men orienteringstendensen for de afbildede funktioner mellem tilstødende billeder stemmer godt overens med hinanden.

Til praktiske anvendelser i halvlederinspektion er en EUV-litografimaske til oprettelse af halvlederfunktioner afbildet ved hjælp af det parallelle aktive cantilever-array. Figur 4 viser et samlet syet panoramabillede med en rumlig opløsning på 5 nm, der dækker et areal på 505 μm x 130 μm. Højden af strukturmønsteret er omkring 60 nm, med forskellige områder af kredsløbet tydeligt vist på billedet. Ved 10 linjer i sekundet fanges 101.000 x 26.000 pixels inden for ca. 40 minutter, hvilket er betydeligt hurtigere end konventionelle AFM-systemer.

Figure 1
Figur 1: AFM med stort område til prøveinspektion i store områder Eksempel på implementering ved hjælp af et enkelt array af fire aktive cantileversonder. (A) Billeddannelse i store områder af en siliciumskiveprøve ved hjælp af den brugerdefinerede AFM med sondescanningskonfiguration og et stort prøvetrin. (B) Forenklet skematisk oversigt over AFM-systemet med et optisk mikroskop zoomet ind af arealet af fire aktive udkragninger, der er forbundet med SD-kortformen printkort (PCB). C) SEM-billede af gevindskæringsaktivering for en af de fire aktive udkragninger, der viser en maksimal amplitude over 30 μm. D) SEM-billede af det aktive udkragningssystem med et skema, der viser det serpentinformede termomekaniske varmelegeme og piezoresistive spændingssensorer ved bunden af udkragningerne til måling af udbøjning. Skalabjælke = 50 μm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Panoramisk sammenlægning af billeder taget af fire aktive udkragninger samtidigt over en samlet bredde på 500 μm. Hver udkragning scanner over et område på 140 μm for at skabe en vis overlapning mellem 125 μm adskillelsen af udkragningsspidsen i amplitudemodulationsdynamisk gevindskæringstilstand. Billedet er taget med 10 linjer i sekundet med en opløsning på 1.028 pixels i hver retning. Prøven er en siliciumteststruktur med 45 μm lange linjer i en højde af 14 nm. De øverste fire separate billeder taget af hver udkragning sys for at danne panoramabilledet i bunden. Figuren er tilpasset fra Ahmad et al.22. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: AFM-billeder i høj opløsning af HOPG-prøver. Billederne tages samtidigt med fire udkragninger med et areal på 3 μm x 3 μm, taget med 10 linjer i sekundet med en opløsning på 1.028 pixels i hver retning. (A-D) Topografibilleder taget i amplitudemodulation dynamisk tappetilstand af cantilevers 1-4, henholdsvis. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Optagelse af fire 2D- og 3D-enkelt-EUV-maskebilleder taget samtidigt af de fire AFM-kanaler med 10 linjer pr. sekund i dynamisk amplitudemodulationstilstand. Billedfeltet for et enkelt billede er 130 μm x 130 μm. (A) Fire 2D-billeder. (B) Fire 3D-billeder. (C) Samlet 3D-syet billede med 500 μm x 500 μm opnået med fire billeder på 125 μm, hvor 5 μm er overlapningen mellem de enkelte felter. Billedet er 101.000 x 26.000 pixels med en 5 nm rumlig opløsning. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Som demonstreret i de repræsentative resultater kan et aktivt cantilever-array bruges til at optage flere billeder af en statisk prøve parallelt. Denne skalerbare opsætning kan forbedre billedbehandlingsgennemstrømningen af prøver i store områder betydeligt, hvilket gør den velegnet til inspektion af nanofabrikerede enheder på halvlederskiver. Teknikken er heller ikke begrænset til menneskeskabte strukturer; Så længe topografivariationen inden for en gruppe aktive udkragninger ikke er for stor til, at cantilever-arrayet kan håndtere, kan billeddannelse med høj kapacitet realiseres.

Ud over at muliggøre inspektion med høj kapacitet og stort område giver et aktivt cantilever-sondearray flere fordele med hensyn til billedopsætning. For det første er der ikke behov for at udføre laser-cantilever justering til sondeinstallation. Med hensyn til drift reducerer dette operatørens omkostninger. Endnu vigtigere er forstærkningen af cantilever-afbøjningssensoren fast og ændres ikke mellem eksperimenter. Kvantitative kraft- og afbøjningsmålinger kan foretages med disse sonder både i tappetilstand og kontakttilstand 29,33,34. Dette gør også billeddannelsesprocessen mere pålidelig, da drift af laserjusteringen til langvarig billeddannelse længere er et problem. For det andet undgår det termomekaniske cantileverdrev den falske strukturresonans af cantileverholderen, hvilket kan blive et problem under resonansfejning i konventionel piezo akustisk aktivering. Den konventionelle resonansexcitationsteknik bruger en piezoelektrisk aktuator placeret på AFM-udkragningens basisstøttechip. Da den genererede vibration udbredes akustisk gennem hele basischippen, kan cantilever resonansexcitation faktisk forstyrre hinanden. Den termomekaniske aktivering virker imidlertid direkte på den enkelte cantilever, og basisstøttechippen forbliver stationær. Da massen af basisstøttechippen er flere størrelsesordener højere end cantileveren, er interferensen mellem de parallelle aktive cantilevers ubetydelig. For det tredje muliggør den kompakte størrelse af den aktive udkragning lettere parallel integration til sondescanningskonfiguration. Dette betyder, at prøven kan forblive statisk, og flere sondepositionere kan scanne samtidigt med forskellige hastigheder under billeddannelse, hvilket hjælper med at maksimere den effektive udnyttelse af hver udkragning.

Med hensyn til begrænsninger kan håndtering af prøver med store topografiændringer være udfordrende på grund af den maksimale afbøjningsgrænse for hver udkragning. Der skal tages særlige hensyn under forberedelsen og installationen af prøven. Da prøven, der håndteres, er på makroskopisk skala, skal hældningen i forhold til scanningsplanet minimeres for at sikre god sporing af topografien. Hældning af overfladen, der er større end 1° i forhold til scannertrinnet, kan resultere i udkragningskontrol uden for rækkevidde, der kan forårsage skade på sonden. For nanofabrikerede strukturer på en halvlederskive er fladheden typisk garanteret, og der er ikke behov for polering. Dette undgår også potentiel skade på de fine funktioner, der skal afbildes. Overfladefinishen af konventionel computer numerisk kontrol (CNC) bearbejdning på mikrometerniveau skal være tilstrækkelig til, at det aktive cantilever-array kan håndtere. For generiske prøver kan polering være påkrævet på bekostning af ændring af overfladeegenskaber, der skal fanges. En CNC-maskine bruges til at fjerne store uønskede fremspringende funktioner. Hvis stor topografivariation ikke kan undgås, f.eks. på en buet overflade, kan der anvendes en række af to parallelle aktive udkragninger med vippekontrol, der tager højde for stor topografivariation. Flere adskilte positionere ville være nødvendige for parallelisering for yderligere at forbedre billeddannelsesgennemstrømningen med flere udkragningsprober. Ved hjælp af nanofabrikationsteknikker er det også muligt at fremstille et nanoskala nanopositioneringssystem på Z-aksen for bedre at løse dette problem i et mere kompakt design35.

For fuldt ud at realisere potentialet i det parallelle cantilever-array, især til halvlederinspektionsformål, er der flere tekniske udviklinger i gang for at kommercialisere systemet. Målet er at integrere en sonde med en række af otte aktive udkragninger i en tre-akset piezo-scanner og replikere snesevis af sådanne strukturer med præcis bevægelseskontrol til parallel billeddannelse. Med denne opsætning kan et 60 mm2-område med en rumlig opløsning på 100 nm afbildes inden for 30 minutter, hvilket burde være tilstrækkeligt til mange inspektionsapplikationer. Ved hjælp af dynamisk tilstandsbilleddannelse i berøringsfri tilstand er sonde-prøvekraftinteraktionen lille på bekostning af en langsommere billeddannelseshastighed. Som en afvejning kan kontakttilstand øge billeddannelseshastigheden betydeligt, men kan øge sonde-prøve-interaktionskraften og kan resultere i prøveskader eller slid på sondespidsen. For yderligere at sikre disse sonders levetid kan diamantspidser også bruges til at reducere slid på sondespidsen betydeligt ved langvarig, kontinuerlig drift. For at sikre god billeddannelse skal billedmiljøet kontrolleres, så det har lav vibration og støv for at undgå, at partikler lander på prøven under billeddannelsesprocessen.

Med hensyn til softwareforbedringer undersøges automatiseret parameterindstilling for et stort antal controllere. Adaptiv scanningshastighed og opløsningsjustering er ønskelig til billeddannelse af prøver med store egenskabsvariationer. Automatisk syning af tusindvis af billeder og identifikation af defekter fra milliarder af pixels ved hjælp af maskinlæringsbaserede algoritmer kan yderligere hjælpe med at gøre denne teknik endnu mere nyttig i forskningsundersøgelser og industriel inspektion.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Forfatterne Ivo W. Rangelow og Thomas Sattel vil gerne takke det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF) og det tyske forbundsministerium for økonomi og klima (BMWK) for at støtte dele af de præsenterede metoder ved at finansiere projekterne FKZ:13N16580 "Active Probes with diamond tip for quantum metrology and nanofabrication" inden for forskningslinjen KMU-innovativ: Fotonik og kvanteteknologi og KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner til hurtige og store metrologiske opgaver i Atomic Force Microscopy" inden for finansieringslinjen Central Innovation Program for små og mellemstore industrier (ZIM). En del af det arbejde, der rapporteres her, blev finansieret af EU's syvende rammeprogram FP7/2007-2013 under tilskudsaftale nr. 318804 "Single Nanometer Manufacturing: Beyond CMOS." Forfatterne Ivo W. Rangelow og Eberhard Manske anerkender taknemmeligt støtten fra Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) inden for rammerne af Research Training Group "Tip- og laserbaseret 3D-nanofabrikation i udvidede makroskopiske arbejdsområder" (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 cantilever arrays høj gennemstrømning storskala prøveinspektion atomkraftmikroskop nanoskala overfladeundersøgelser 3D-topografibilleder billeddannelsesgennemstrømning højhastigheds-AFM-systemer dynamiske procesvideoer kemiske og biologiske reaktioner halvlederskiver nanofabrikerede strukturer nanoskala rumlig opløsningsbilleddannelse statisk prøve høj produktivitet passiv cantileversonde optisk stråleafbøjningssystem billeddannelsesgennemstrømning Aktive udkragninger indlejrede piezoresistive sensorer termomekaniske aktuatorer parallel drift billeddannelseskapacitet nanopositionere med stor rækkevidde kontrolalgoritmer datadrevne efterbehandlingsalgoritmer
Aktiv sonde Atomic Force mikroskopi med Quattro-parallelle udkragningssystemer til prøveinspektion i stor skala med høj kapacitet
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