Summary
나노 단위 분해능의 대규모 샘플 검사는 특히 나노 가공 반도체 웨이퍼의 경우 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 원자력 현미경은 이러한 목적을 위한 훌륭한 도구가 될 수 있지만 이미징 속도에 의해 제한됩니다. 이 작업은 AFM의 병렬 액티브 캔틸레버 어레이를 활용하여 높은 처리량과 대규모 검사를 가능하게 합니다.
Abstract
원자력 현미경(AFM)은 샘플의 3D 지형 이미지를 캡처하기 위한 나노 스케일 표면 연구를 위한 강력하고 다재다능한 도구입니다. 그러나 제한된 이미징 처리량으로 인해 AFM은 대규모 검사 목적으로 널리 채택되지 않았습니다. 연구원들은 최대 몇 제곱마이크로미터의 작은 이미징 영역을 희생하면서 초당 수십 프레임의 속도로 화학 및 생물학적 반응에서 동적 프로세스 비디오를 녹화하는 고속 AFM 시스템을 개발했습니다. 대조적으로, 반도체 웨이퍼와 같은 대규모 나노 가공 구조를 검사하려면 수백 제곱센티미터가 넘는 정적 샘플의 나노 단위 공간 분해능 이미징이 높은 생산성으로 필요합니다. 기존 AFM은 광학 빔 편향 시스템이 있는 단일 패시브 캔틸레버 프로브를 사용하는데, AFM 이미징 중에 한 번에 하나의 픽셀만 수집할 수 있어 이미징 처리량이 낮습니다. 이 작업은 압전 저항 센서와 열기계 액추에이터가 내장된 액티브 캔틸레버 어레이를 사용하여 이미징 처리량을 높이기 위해 병렬 작동에서 동시 다중 캔틸레버 작동을 가능하게 합니다. 넓은 범위의 나노 포지셔너 및 적절한 제어 알고리즘과 결합하면 각 캔틸레버를 개별적으로 제어하여 여러 AFM 이미지를 캡처할 수 있습니다. 데이터 기반 후처리 알고리즘을 사용하여 이미지를 함께 스티칭할 수 있으며 원하는 형상과 비교하여 결함 감지를 수행할 수 있습니다. 이 백서에서는 액티브 캔틸레버 어레이를 사용하는 맞춤형 AFM의 원리를 소개하고 검사 응용 분야의 실제 실험 고려 사항에 대해 논의합니다. 실리콘 캘리브레이션 격자, 고배향 열분해 흑연 및 극자외선 리소그래피 마스크의 선별된 예시 이미지는 팁 이격 거리가 125μm인 4개의 액티브 캔틸레버("Quattro") 어레이를 사용하여 캡처됩니다. 더 많은 엔지니어링 통합을 통해 이 고처리량 대규모 이미징 도구는 극자외선(EUV) 마스크, 화학적 기계적 평탄화(CMP) 검사, 고장 분석, 디스플레이, 박막 단계 측정, 거칠기 측정 다이 및 레이저 각인 건식 가스 씰 홈을 위한 3D 계측 데이터를 제공할 수 있습니다.
Introduction
원자력 현미경(AFM)은 나노 단위의 공간 분해능으로 3D 지형 이미지를 캡처할 수 있습니다. 연구원들은 AFM의 기능을 확장하여 기계, 전기, 자기, 광학 및 열 영역에서 샘플 속성 맵을 생성했습니다. 한편, 이미징 처리량 개선은 AFM을 새로운 실험 요구에 맞게 조정하기 위한 연구의 초점이기도 했습니다. 고처리량 AFM 이미징을 위한 두 가지 응용 분야가 있습니다: 첫 번째 범주는 생물학적 또는 화학적 반응으로 인한 샘플의 동적 변화를 포착하기 위한 작은 영역의 고속 이미징입니다 1,2; 두 번째 범주는 검사 중 정적 샘플의 고공간 분해능, 대규모 이미징을 위한 것으로, 이 작업에서 자세히 설명합니다. 트랜지스터 크기가 나노 규모로 축소됨에 따라 반도체 산업은 나노 단위 공간 분해능3을 가진 웨이퍼 규모의 나노 가공 장치를 검사하기 위해 고처리량 AFM이 시급히 필요합니다.
웨이퍼에서 나노 가공 장치의 특성 분석은 웨이퍼와 트랜지스터 기능 간의 막대한 규모 차이로 인해 어려울 수 있습니다. 큰 결함은 광학 현미경으로 자동으로 발견 할 수 있습니다4. 또한 주사전자현미경(SEM)은 2D에서 수십 나노미터까지 검사하는 데 널리 사용됩니다5. 3D 정보 및 더 높은 해상도의 경우 처리량을 향상시킬 수 있는 경우 AFM이 더 적합한 도구입니다.
이미징 처리량이 제한되어 있기 때문에 한 가지 접근 방식은 나노 제조 결함이 발생할 가능성이 더 높은 선택된 웨이퍼 영역을 이미지화하는 것입니다6. 이를 위해서는 설계 및 제작 프로세스에 대한 사전 지식이 필요합니다. 대안으로, 광학 현미경 또는 SEM과 같은 다른 양식과 오버뷰 및 줌을 위한 AFM을 결합하는 것이 가능합니다 7,8. 광범위한 고정밀 포지셔닝 시스템은 제작 도구와 특성화 도구 사이의 좌표계를 적절하게 정렬하는 데 필요합니다. 또한 이 기능을 구현하려면 다양한 선택 영역을 이미지화하는 자동화된 AFM 시스템이 필요합니다.
대안으로 연구원들은 AFM 스캔 속도를 높이는 다양한 방법을 조사했습니다. 고처리량 AFM을 활성화하는 것은 체계적인 정밀 계측 과제이기 때문에 연구원들은 더 작은 AFM 프로브 사용, 고대역폭 나노 포지셔너(9,10,11,12) 및 구동 전자 장치(13)의 재설계, 작동 모드 최적화, 이미징 제어 알고리즘(14,15,16,17)을 포함한 다양한 방법을 조사했습니다등. 이러한 노력을 통해 시중에서 판매되는 단일 프로브 AFM 시스템의 경우 효과적인 상대 팁 및 샘플 속도를 초당 최대 약 수십 mm까지 높일 수 있습니다.
이미징 처리량을 더욱 향상시키려면 여러 프로브를 추가하여 병렬로 작동하는 것이 자연스러운 해결책입니다. 그러나 캔틸레버 편향 감지에 사용되는 광학 빔 편향(OBD) 시스템은 상대적으로 부피가 커서 여러 프로브를 추가하는 것이 상대적으로 어렵습니다. 개별 캔틸레버 편향 제어도 실현하기 어려울 수 있습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해서는 부피가 큰 외부 부품이 없는 임베디드 감지 및 작동 원리가 선호됩니다. 이전에 발표된 보고서18,19에서 자세히 설명한 바와 같이, 압전 저항, 압전 및 광기계 원리를 사용한 편향 감지는 임베디드 감지로 간주될 수 있으며, 앞의 두 가지가 더 성숙하고 구현하기 쉽습니다. 임베디드 작동의 경우 전기 가열 또는 압전 원리를 사용하는 열역학을 모두 사용할 수 있습니다. 압전 원리는 극저온 환경까지 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있지만, 히스테리시스 및 크리프로 인한 전하 누출 및 정적 작동으로 인해 정적 편향을 측정할 수 없기 때문에 태핑 모드 AFM 작동만 지원할 수 있습니다. 이전 연구에서, 압전 저항 센서 및 압전 센서를 사용하는 능동 캔틸레버 프로브 어레이는 장거리 이미징20,21을 위해 개발되었지만, 대규모 이미징을 위해 더 이상 확장되거나 상용화되지 않았습니다. 이 작업에서는 압전 저항 감지와 열기계 작동의 조합이 정적 편향 제어 기능이 있는 임베디드 트랜스듀서로 선택되었습니다.
본 연구에서, 새로운 "Quattro"22 평행 활성 캔틸레버 어레이가 활성 캔틸레버를 이용한 동시 이미징을 위한 프로브(23)로서 사용된다. 캔틸레버 편향을 측정하기 위해, 휘트스톤 브리지 구성(19)의 피에조레지스티브 센서들이 각각의 마이크로-캔틸레버의 베이스에서 나노로 제작되어 내부 응력을 측정하는데, 이는 캔틸레버 팁 편향에 선형적으로 비례한다. 이 소형 임베디드 센서는 기존 OBD 센서와 마찬가지로 나노미터 미만의 분해능도 달성할 수 있습니다. 적용된 힘 F 또는 캔틸레버 편향 z에 대한 응답으로 휘트스톤 브리지 전압 출력 U의 지배 방정식은 길이 L, 너비 W 및 두께 H, 압전 저항 센서 계수 PR 및 캔틸레버 E 브리지 공급 전압 WB의 유효 탄성 계수에 대한 수학식 119에 나와 있습니다.
(1)
시료 방해를 피하기 위해 비침습적 이미징에는 동적 태핑/비접촉 모드 작동이 선호되므로 구불구불한 모양의 알루미늄 와이어로 만든 열기계 액추에이터를 사용하여 알루미늄/마그네슘 합금24, 실리콘 및 산화규소 재료로 만든 바이모프 캔틸레버를 가열합니다. 미세한 규모에서 열 과정의 시간 상수는 훨씬 작으며 수십 킬로헤르츠에서 수백 킬로헤르츠의 캔틸레버 공진은 전기 신호로 히터를 구동하여 여기될 수 있습니다. 히터 온도 ΔT 상대적 분위기에 의해 제어되는 캔틸레버 자유단 편향 zh는 바이모프 재료 열 팽창 계수 및 기하학적 두께 및 면적에 따라 일정한 K를 갖는 캔틸레버 길이 L에 대해 수학식 219에 나와 있습니다. ΔT는 히터 전력 P에 비례하며, 이는 인가 전압 V를 저항 R로 나눈 제곱과 같습니다.
(2)
추가적인 이점으로, 공진 여기 외에도 정적 편향을 제어할 수 있습니다. 이는 각 캔틸레버의 프로브-샘플 상호 작용을 개별적으로 조절하는 데 특히 유용한 기능이 될 수 있습니다. 더욱이, 동일한 베이스 칩에 있는 여러 캔틸레버는 내장된 열기계 액추에이터를 사용하여 개별적으로 여기될 수 있으며, 이는 압전 생성 음파를 사용한 기존 공진 여기에서는 불가능합니다.
압전 저항 감지와 열기계 작동을 결합한 액티브 캔틸레버 프로브는 SE 현미경의 배치된 AF 현미경, 불투명한 액체의 이미징 및 스캐닝 프로브 리소그래피를 포함한 광범위한 응용 분야를 가능하게 했으며 자세한 내용은 리뷰25에서 확인할 수 있습니다. 고처리량 검사를 위해 액티브 캔틸레버 어레이는 그림 1과 같이 4개의 평행 캔틸레버를 포함하는 대표적인 AFM 구현 예와 함께 생성됩니다. 미래에, 8개의 평행한 능동 캔틸레버와 10개의 포지셔너(28)를 사용하여 산업 규모의 시스템이 개발될 것이다. 예를 들어 스케일을 설명하기 위해 평면 내 공간 해상도가 100nm인 경우 100mm x 100mm의 영역을 이미징하면 106 스캔 라인과 1012 픽셀이 넘습니다. 캔틸레버당 50mm/s의 스캔 속도를 사용하면 단일 캔틸레버에 대해 총 555.6시간(23+일) 이상의 스캔이 필요하며, 이는 너무 길어서 실질적으로 유용하지 않습니다. 수십 개의 포지셔너와 함께 액티브 캔틸레버 어레이 기술을 사용하면 필요한 이미징 시간을 해상도에 영향을 주지 않고 5-10시간(반나절 미만)으로 약 2배 정도 줄일 수 있으며, 이는 산업 검사 목적에 적합한 시간 척도입니다.
넓은 면적의 고해상도 이미지를 캡처하기 위해 나노 포지셔닝 시스템도 업그레이드되었습니다. 웨이퍼 크기의 대형 샘플을 이미징하는 경우, 이동하는 물체의 크기를 줄이기 위해 샘플 대신 프로브를 스캔하는 것이 좋습니다. 액티브 캔틸레버 사이의 이격 거리가 125μm인 스캐너는 이 범위보다 약간 더 큰 영역을 커버하므로 후처리 중에 각 캔틸레버의 이미지를 함께 스티칭할 수 있습니다. 스캔이 완료되면 거친 포지셔너가 자동으로 프로브를 새로운 인접 영역으로 재배치하여 이미징 프로세스를 계속합니다. 내장된 열역학적 액추에이터가 각 캔틸레버의 편향을 조절하는 동안, 모든 평행 캔틸레버의 평균 편향은 지형 추적 중에 캔틸레버를 지원하기 위해 다른 PID(Proportional-Integral-Derivative) 컨트롤러로 조절됩니다. 스캐너 컨트롤러는 또한 각 캔틸레버의 굽힘이 최대 임계값을 초과하지 않도록 하여 지형 변화가 너무 크면 다른 프로브가 표면과의 접촉을 잃을 수 있습니다.
동일한 기본 칩의 캔틸레버에 대해 추적할 수 있는 지형 변동 수준은 캔틸레버의 정적 편향 제어 범위가 수십 미크론 정도이기 때문에 제한되어야 합니다. 반도체 웨이퍼의 경우 샘플 지형 변화는 일반적으로 마이크로미터 미만 규모이므로 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 캔틸레버가 더 많이 추가되면 캔틸레버 라인에 대한 샘플 평면 기울기가 문제가 될 수 있습니다. 실제로 간격이 1mm에 가까운 8개의 평행 캔틸레버는 여전히 1°의 틸트 각도를 허용하지만 더 많은 캔틸레버를 추가하면 틸팅 제어를 실현하기가 더 어려워질 수 있습니다. 따라서 분리된 프로브 스캐너에 배치된 여러 그룹의 8캔틸레버 프로브를 사용하는 것은 병렬 능동 캔틸레버 프로브 원리의 잠재력을 완전히 실현하기 위한 지속적인 노력입니다.
데이터 수집 후 원하는 정보를 검색하기 위해 후처리 작업이 필요합니다. 이 프로세스는 일반적으로 스캐닝 인공물을 제거하고, 인접 이미지를 스티칭하여 전체 파노라마를 형성하고, 선택적으로 적절한 알고리즘(26)을 사용하여 원하는 형상과 비교함으로써 구조 결함을 식별하는 것을 포함한다. 축적된 데이터의 양은 광범위한 이미지에 대해 엄청날 수 있으며, 보다 효율적인 처리를 위해 데이터 기반 학습 알고리즘도 개발되고 있다는 점에 주목할 필요가 있다27.
이 문서에서는 맞춤형 AFM 시스템에 통합된 병렬 활성 캔틸레버 어레이를 사용하여 고해상도 AFM 이미지를 획득하는 일반적인 프로세스를 설명합니다. 시스템의 자세한 구현은 22,28,29,30에서 확인할 수 있으며, 재료 목차에 나열된 모델 번호로 상용화되고 있습니다. 4개의 캔틸레버는 모두 내장된 열-기계식 액추에이터에 의해 여기되는 태핑 모드에서 작동되었습니다. 보정 샘플, 나노 제조 마스크 및 고배향 열분해 흑연(HOPG) 샘플에 대한 대표적인 결과(재료 표 참조)는 대면적 검사를 위한 이 새로운 AFM 도구의 효과를 설명하기 위해 제공됩니다.
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Protocol
1. 대규모 검사를 위한 시료 전처리
- AFM에 적합한 크기로 샘플을 준비합니다( 재료 표 참조).
참고: 면내 직경이 75mm에서 300mm이고 예상되는 면외 높이 변화가 200μm 미만인 웨이퍼형 샘플은 AFM 샘플 스테이지에 맞을 수 있습니다. 이 연구에서는 4인치 웨이퍼에 극자외선(EUV) 마스크를 사용합니다( 재료 표 참조). - 샘플을 세척하여 오염 물질을 제거하고 샘플을 클린룸 또는 진공 챔버 또는 질소 퍼지 캐비닛과 같은 먼지가 적은 환경에 보관합니다.
- 압축 질소 스프레이 건으로 샘플을 불어 큰 먼지 입자를 제거하거나 샘플이 물과 반응하지 않는 경우 탈이온수로 헹굽니다. 샘플 손상을 방지하려면 0.1m3/min 미만의 작은 유속을 사용하십시오.
- 선택적으로 플라즈마 세척을 적용하여 유기 오염 물질을 제거합니다. 샘플을 플라즈마 처리 기계에 넣습니다. 챔버를 닫고 압력을 600mTorr로 펌핑합니다. 세척을 위해 샘플을 플라즈마에 30초 동안 노출시킵니다.
알림: 1.3.2단계는 오염 제거를 위한 선택 사항입니다. 이 연구에서는 제작 및 특성화가 클린룸 내부에서 수행되었으므로 이 단계가 필요하지 않았습니다.
- 관심 영역, 스캔 범위, 공간/픽셀 해상도 및 스캔 라인 속도를 포함한 적절한 이미징 전략을 식별합니다.
- 샘플에 전체 파노라마가 필요한지 아니면 여러 개의 작은 선택 영역에 대한 자동 이미징이 필요한지 여부를 결정합니다.
참고: 원하는 구조를 가진 나노 가공 샘플의 경우 검사 목적으로 결함이 발생하기 쉬운 주요 영역을 결정하는 것이 더 쉬운 경우가 많습니다. 다른 샘플의 경우 빠른 개요를 위해 낮은 공간 해상도 이미지를 촬영한 다음 높은 공간 해상도 이미징을 위해 더 작은 관심 영역을 확대하는 것이 더 쉬울 수 있습니다. - 표본에 대한 사전 지식을 바탕으로 특징의 크기를 추정하여 이러한 특징을 해결하기 위해 원하는 공간 해상도를 결정합니다.
- 이미징 범위와 공간 해상도의 비율을 사용하여 픽셀 해상도를 결정합니다.
- 샘플에 대한 이전 경험을 기반으로 초기 스캔 라인 속도를 선택하거나 나중에 샘플 재료, 프로브 역학 및 원하는 공간 분해능을 기반으로 AFM 시스템 소프트웨어를 사용하십시오.
- 샘플에 전체 파노라마가 필요한지 아니면 여러 개의 작은 선택 영역에 대한 자동 이미징이 필요한지 여부를 결정합니다.
2. AFM 기기 교정 및 실험 설정
- 적절한 활성 AFM 캔틸레버 어레이를 선택합니다.
알림: 프로브 어레이의 각 캔틸레버에 대한 AFM 활성 캔틸레버 강성, 첫 번째 공진 주파수 및 사용되지 않은 프로브 팁 선명도는 생산에서 특성화됩니다. 데이터는 제조업체에서 검색하여 이미징 전에 소프트웨어에 자동으로 로드할 수 있습니다. 샘플 재료 또는 응용 프로그램을 기반으로 소프트웨어에서 권장하는 적절한 캔틸레버를 선택하는 것은 성공적인 이미징을 보장하는 데 도움이 됩니다. 제조 가변성으로 인해 각 캔틸레버의 특성은 다를 수 있지만 비슷한 수준일 수 있습니다. - 컨트롤러의 주 전원을 켜서 AFM을 켜고 시스템이 초기화될 때까지 기다립니다. 호스트 컴퓨터를 켜고 AFM 시스템 소프트웨어를 엽니다.
- 활성 캔틸레버 프로브 설치를 수행합니다.
- Active Cantilever Installation(활성 캔틸레버 설치)을 클릭하여 프로브 스캐너를 들어 올립니다. 프로브 홀더가 s에서 올라갈 때까지 기다리십시오.tage 자동으로 멈춥니다.
- 프로브 홀더에 AFM 캔틸레버 프로브 어레이를 장착하고 고정합니다.
알림: AFM 캔틸레버 어레이는 nano-SD 카드 모양 홀더에 부착되어 있으며 프로브 설치를 위해 손으로 직접 처리할 수 있습니다. 감지 및 작동 원리의 근본적인 차이로 인해 레이저 정렬을 수행할 필요가 없습니다. - 프로브 자동 설정을 클릭하고 제조업체에서 제공한 프로브 정보를 로드합니다(재료 표 참조). 프로브와 소프트웨어의 일련 번호가 일치하는지 확인하십시오.
- 프로브 주파수 스윕을 수행하여 이미징을 위한 각 캔틸레버의 공진을 확인합니다. Cantilever Tuning 을 클릭하고 팝업 창에서 Sweep 을 클릭합니다. 범위를 알고 있는 경우 Start Frequency(시작 주파수 )와 End Frequency(끝 주파수 )를 지정합니다. 그렇지 않은 경우 소프트웨어는 기본 설정을 사용하여 값을 자동으로 업데이트합니다.
알림: 이 단계는 원칙적으로 생산 후 보정된 새 프로브의 경우 선택 사항입니다. 그러나 이전에 사용된 프로브의 경우 이전 작업 중에 특성이 변경된 경우(예: 캔틸레버 공진을 이동하는 오염 입자 부착)에 대비하여 이 스윕을 수행하는 것이 좋습니다. 열기계적 작동으로 인해 화력은 구동 전압의 제곱에 비례합니다. 탭핑 비접촉 모드 동작의 경우, 입력 전압 사인파 성분의 2차 고조파가 수학식 2의 제곱 관계로 인해 생성된다. 이 두 번째 고조파는 일반적으로 직류(DC) 오프셋 신호가 진폭에 영향을 미치지 않기 때문에 여기 중에 캔틸레버 공진과 일치합니다. 따라서 DC 구성 요소는 평균 캔틸레버 편향을 제어하고 구동 신호의 교류(AC) 구성 요소는 이미징을 위해 캔틸레버 공진 주파수의 절반으로 자동 설정됩니다.
- 샘플을 로드하고 제자리에 고정합니다. 샘플과 접촉하는 하단 표면이 이미지화할 형상이 있는 상단 표면과 평행한지 확인합니다. 샘플 미세 조정tage 마이크로미터 손잡이를 사용하여 기울기를 사용하여 샘플이 평평한지 확인합니다. 기울기가 너무 커서 미세 조정 포지셔너가 보정할 수 없는 경우 스페이서를 추가하십시오.
- AFM 스테이지에서 마이크로미터를 사용하여 샘플의 면내 XY 위치를 조정합니다. 광학 현미경 이미지를 사용하여 관심 영역을 찾고 캔틸레버 어레이의 상대적 위치를 이미징할 첫 번째 관심 영역에 배치합니다.
- XYZ Zero 버튼을 클릭하여 전역 좌표를 설정합니다.
알림: 파노라마 이미지 생성을 위해 이 단계는 광학 현미경을 사용하여 대략적으로 수행할 수 있습니다. 나노 가공 샘플의 선택된 영역을 이미징할 때 제조 장비의 XYZ 좌표를 AFM 좌표와 정밀하게 정렬해야 할 수 있습니다. 이 단계는 AFM 이미징을 수행하고 XYZ Zero 버튼을 다시 클릭하여 보다 정확하게 수행할 수 있습니다. - 방음판을 닫고 밀봉합니다.
알림: 방음은 공기를 통한 진동 전파를 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 밀봉된 덮개는 대규모 이미징을 완료하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있기 때문에 먼지 입자가 샘플에 떨어질 가능성을 줄일 수 있습니다. 이 보호 커버는 진동원이 없는 클린룸 환경에서 선택사양으로 사용할 수 있습니다.
3. 지형 이미징 및 파라미터 튜닝
- 이미징 파라미터 설정(활성 캔틸레버 고유 모드, 스캔 속도, 설정값 등) 탭을 선택하고 원하는 이미징 파라미터를 입력합니다.
- 단일 파노라마 이미지의 경우 이미지의 왼쪽 상단 모서리 좌표와 스캔 크기를 입력합니다. 선택한 여러 영역을 자동으로 이미징하려면 이미지화할 모든 영역에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 후처리 이미지 스티칭을 위해 이미징 영역 주위에 패딩을 추가합니다.
참고: 본 연구를 위해 EUV 마스크의 왼쪽 상단 모서리는 사전 정의된 기능으로 설정되었으며 시스템은 각 캔틸레버를 사용하여 130μm x 130μm의 이미지 4개를 동시에 캡처하도록 구성되었습니다. - 원하는 면내 픽셀 해상도(일반적으로 스캔 라인당 수천 픽셀)를 입력하고 이미징을 위해 소프트웨어의 기본 권장 라인 스캔 속도를 사용합니다. 필요한 경우 이미징할 각 영역의 라인 스캔 속도를 수동으로 조정합니다.
참고: 이 연구에서는 픽셀당 5nm에 해당하는 라인당 26,000픽셀의 픽셀 해상도를 사용하여 고해상도 이미지를 얻었습니다. - 비접촉 모드의 경우 캔틸레버 특성에서 얻은 소프트웨어의 기본 구동 진폭, 주파수 및 설정값을 사용하거나 어레이의 각 캔틸레버에 대한 설정값을 수동으로 입력합니다. PID 제어기 설정을 기본값으로 둡니다.
- 단일 파노라마 이미지의 경우 이미지의 왼쪽 상단 모서리 좌표와 스캔 크기를 입력합니다. 선택한 여러 영역을 자동으로 이미징하려면 이미지화할 모든 영역에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 후처리 이미지 스티칭을 위해 이미징 영역 주위에 패딩을 추가합니다.
- 활성 캔틸레버 프로브 어레이를 샘플과 맞물립니다.
- 캔틸레버 초기화(Initialize Cantilever)를 클릭하여 이미징하기 전에 캔틸레버를 미리 구부립니다.
- Start Non-Contact Drive(비접촉 드라이브 시작)를 클릭하여 캔틸레버 공진을 자극합니다.
- Engage를 클릭하면 시스템이 자동으로 샘플과 프로브를 접촉시킵니다. 이 단계가 완료되면 이미징이 자동으로 시작됩니다.
- 스캔한 트레이스/이미지를 기반으로 각 캔틸레버에 대한 PID 제어기 매개변수를 조정합니다. PID 매개변수를 조정하여 추적선과 되추적선 간의 일치를 개선하면 지형 변화를 캡처하는 데 도움이 됩니다. 이미징 속도도 그에 따라 조정하여 지형 추적 성능을 향상시킬 수 있습니다.
- 저장 버튼을 클릭하여 현재 데이터를 화면에 저장합니다. 데이터는 또한 각 프레임이 끝날 때 스캔하는 동안 자동으로 저장됩니다.
- 중지 버튼을 클릭하여 이미징을 중지합니다. 시스템이 이미징을 중지하고 샘플에서 캔틸레버 어레이를 자동으로 집어넣습니다. 프로브를 안전하게 제거할 수 있도록 캔틸레버 드라이브도 중지됩니다.
- 프로브와 s를 제거amp조심스럽게 시스템을 끕니다.
4. 후처리 및 이미지 분석
- 공급업체에서 제공하는 AFM 이미지 분석 소프트웨어를 엽니다.
- Auto Process(자동 처리)를 클릭하여 샘플 기울기 보정, 픽셀 수준 이상치 제거 및 스캔 라인 일치를 포함한 기본 후처리 시퀀스를 적용합니다.
- 이미지 관찰에서 수동으로 이미지 결함에 대한 추가 보정을 적용합니다. 고급 AFM 장비를 사용하면 이러한 결함이 드물지만 이러한 단계를 통해 이미지를 개선할 수 있습니다.
참고: 많은 양의 이미지의 경우 동일한 작업으로 일괄 처리를 통해 매크로 또는 Python 스크립트를 사용하여 프로세스를 자동화할 수 있습니다. 이것은 본 연구에서는 필요하지 않았습니다.
- 소프트웨어를 사용하여 파노라마 이미지 버튼을 클릭하고 스티칭할 여러 이미지를 선택하여 파노라마 이미지를 형성합니다.
참고: 이미지 스티칭은 인접 이미지의 겹치는 공간을 직접 사용하여 자동으로 수행됩니다. 또는 이미지 병합은 가장자리에서 겹치는 픽셀의 상관 관계를 최대화하려고 합니다. 이러한 명령에서 다양한 옵션을 사용할 수 있으며 전체 병합 성능을 향상시키기 위해 최적화할 수 있습니다. - 특정 샘플을 기반으로 추가 분석을 위해 데이터를 저장합니다.
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Representative Results
지형 이미징을 위해 평행 액티브 캔틸레버를 사용하는 AFM 장거리 이미징의 효과를 입증하기 위해 병렬로 작동하는 4개의 캔틸레버로 촬영한 보정 격자의 스티칭 이미지가 그림 2에 나와 있습니다. 실리콘 웨이퍼 보정 구조는 14nm의 높이에 45μm 길이의 형상을 가지고 있습니다. 각 캔틸레버는 125μm x 125μm의 면적을 차지하며, 이는 500μm x 125μm의 스티칭 파노라마 이미지를 제공합니다. 스캔 속도는 진폭 변조 모드에서 라인당 1,028픽셀, 채널당 1,028픽셀에서 초당 10라인으로 설정되었으므로 이 대면적 스캔을 완료하는 데 2분도 채 걸리지 않습니다.
각 캔틸레버에서 촬영한 이미지의 병합은 인접한 이미지의 가장자리에 피처를 정렬하여 수행됩니다. 캔틸레버 분리보다 큰 실제 이미징 크기의 경우 가장자리의 형상을 상호 연관시켜 병합을 수행합니다. 평면 내 Y축 방향의 각 이미지 사이의 일부 수직 오프셋도 볼 수 있습니다. 이는 4개의 활성 캔틸레버 어레이의 라인에 대한 스캐닝 축의 약간의 불일치로 인해 발생할 수 있습니다. 그러나 상관 방법은 큰 지형 변동 없이 경계에 적용하기 어려울 수 있습니다. 따라서 파노라마 이미지를 생성하기 위해 사전 오프셋 지식과 상관 관계 기반 매칭을 사용하는 것이 선호되는 방법이며, 이러한 불완전한 기기 조건을 처리하기 위해 상대 위치 오프셋을 사용하는 직접 스티칭과 비교됩니다.
액티브 캔틸레버 어레이의 공간 분해능을 검증하기 위해 그림 3과 같이 5μm x 5μm 및 1028 x 1028 픽셀의 작은 면내 이미지 범위로 HOPG의 고해상도 이미지를 촬영합니다. HOPG 샘플은 흑연의 면간 간격이 약 0.335nm31,32이기 때문에 분해능 검증에 특히 적합합니다. 수 나노미터 미만의 면외 분해능과 수 나노미터에서의 면내 분해능이 시연됩니다. 125μm에서 각 캔틸레버 사이의 이격 거리가 5μm 이미징 영역보다 훨씬 크기 때문에 이 4개의 이미지를 직접 스티칭할 수는 없지만 인접한 이미지 간의 이미징된 특징의 배향 추세는 서로 잘 정렬됩니다.
반도체 검사의 실제 응용 분야를 위해 반도체 형상을 생성하기 위한 EUV 리소그래피 마스크는 병렬 능동 캔틸레버 어레이를 사용하여 이미지화됩니다. 그림 4에는 505μm x 130μm의 면적을 차지하는 5nm 공간 분해능의 전체 스티칭 파노라마 이미지가 나와 있습니다. 구조 패턴의 높이는 약 60nm이며 회로의 다양한 영역이 이미지에 명확하게 표시됩니다. 초당 10라인에서 101,000 x 26,000 픽셀은 약 40분 이내에 캡처되며, 이는 기존 AFM 시스템보다 훨씬 빠릅니다.
그림 1: 4개의 액티브 캔틸레버 프로브로 구성된 단일 어레이를 사용한 대면적 시료 검사 구현을 위한 대면적 AFM 예. (A) 프로브 스캔 구성과 대형 샘플 스테이지가 있는 맞춤형 AFM을 사용한 실리콘 웨이퍼 샘플의 대면적 이미징. (B) 광학 현미경을 사용한 AFM 시스템의 단순화된 회로도는 SD 카드 모양의 인쇄 회로 기판(PCB)에 와이어로 결합된 4개의 활성 캔틸레버 영역을 확대하여 볼 수 있습니다. (C) 30μm 이상의 최대 진폭을 보여주는 4개의 액티브 캔틸레버 중 하나에 대한 태핑 작동의 SEM 이미지. (D) 편향 측정을 위한 캔틸레버 베이스의 구불구불한 모양의 열기계 히터 및 압전 저항 응력 센서를 보여주는 회로도가 있는 액티브 캔틸레버 어레이의 SEM 이미지. 스케일 바 = 50 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 총 너비 500μm에 걸쳐 4개의 액티브 캔틸레버로 동시에 촬영한 이미지의 파노라마 병합. 각 캔틸레버는 140μm의 면적을 스캔하여 진폭 변조 동적 태핑 모드에서 캔틸레버 팁의 125μm 간격 사이에 일부 겹침을 생성합니다. 이미지는 각 방향에서 1,028픽셀의 해상도로 초당 10라인으로 촬영됩니다. 샘플은 14nm 높이에 45μm 길이의 라인이 있는 실리콘 테스트 구조입니다. 각 캔틸레버로 촬영한 상단 4개의 개별 이미지가 스티칭되어 하단에 파노라마 이미지를 형성합니다. 이 그림은 Ahmad et al.22에서 발췌한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: HOPG 샘플의 고해상도 AFM 이미지. 이미지는 각 방향에서 1,028픽셀의 해상도로 초당 10라인으로 캡처되는 3μm x 3μm 면적의 4개의 캔틸레버로 동시에 캡처됩니다. (서기-인도) 각각 캔틸레버 1-4에 의해 진폭 변조 동적 태핑 모드에서 캡처된 지형 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 진폭 변조 동적 태핑 모드에서 초당 10라인으로 4개의 AFM 채널에서 동시에 캡처한 4개의 2D 및 3D 단일 EUV 마스크 이미지 기록. 단일 이미지의 이미징 필드는 130 μm x 130 μm입니다. (A) 4개의 2D 이미지. (B) 4개의 3D 이미지. (C) 125μm의 이미지 4개로 얻은 500μm x 500μm의 전체 3D 스티칭 이미지(여기서 5μm는 단일 필드 간의 겹침입니다). 이미지는 101,000 x 26,000 픽셀, 5nm 공간 해상도입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
대표적인 결과에서 알 수 있듯이 활성 캔틸레버 어레이를 사용하여 정적 샘플의 여러 이미지를 병렬로 캡처할 수 있습니다. 이 확장 가능한 설정은 대면적 샘플의 이미징 처리량을 크게 향상시킬 수 있으므로 반도체 웨이퍼의 나노 가공 장치를 검사하는 데 적합합니다. 이 기술은 또한 인공 구조물에만 국한되지 않습니다. 활성 캔틸레버 그룹 내의 지형 변화가 캔틸레버 어레이가 처리하기에 너무 크지 않은 한, 고처리량 이미징을 실현할 수 있습니다.
높은 처리량, 넓은 면적 검사를 가능하게 하는 것 외에도 액티브 캔틸레버 프로브 어레이는 이미징 설정 측면에서 몇 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 프로브 설치를 위해 레이저 캔틸레버 정렬을 수행할 필요가 없습니다. 작동 측면에서 이는 작업자 오버헤드를 줄여줍니다. 더 중요한 것은 캔틸레버 편향 센서의 이득이 고정되어 있고 실험 간에 변경되지 않는다는 것입니다. 정량적 힘 및 편향 측정은 태핑 모드 및 접촉 모드 29,33,34 모두에서 이러한 프로브를 사용하여 수행할 수 있습니다. 이것은 또한 이미징 프로세스를 더 안정적으로 만드는데, 이는 장기 이미징을 위한 레이저 정렬의 드리프트가 더 오래 문제가 되기 때문입니다. 둘째, 열기계식 캔틸레버 구동은 캔틸레버 홀더의 스퓨리어스 구조 공진을 방지하는데, 이는 종래의 압전 음향 작동에서 공진 스윕 중에 문제가 될 수 있다. 종래의 공진 여기 기술은 AFM 캔틸레버의 베이스 지지 칩에 배치된 압전 액추에이터를 사용합니다. 생성된 진동은 전체 베이스 칩을 통해 음향적으로 전파되기 때문에 캔틸레버 공진 여기가 실제로 서로 간섭할 수 있습니다. 그러나 열역학적 작동은 개별 캔틸레버에 직접 작용하고 베이스 지지 칩은 고정된 상태로 유지됩니다. 베이스 지지 칩의 질량이 캔틸레버보다 몇 배 더 높기 때문에 평행 활성 캔틸레버 사이의 간섭은 무시할 수 있습니다. 셋째, 액티브 캔틸레버의 컴팩트한 크기는 프로브 스캔 구성을 위한 병렬 통합을 더 쉽게 허용합니다. 즉, 샘플이 정적으로 유지될 수 있고 이미징 중에 여러 프로브 포지셔너가 서로 다른 속도로 동시에 스캔할 수 있어 각 캔틸레버의 효과적인 활용을 극대화하는 데 도움이 됩니다.
제한 사항과 관련하여, 지형 변화가 큰 시료를 취급하는 것은 각 캔틸레버의 최대 편향 한계로 인해 어려울 수 있습니다. 샘플 준비 및 설치 중에 몇 가지 특별한 고려 사항을 고려해야 합니다. 처리되는 샘플이 거시적 규모에 있기 때문에 지형을 잘 추적할 수 있도록 스캔 평면에 대한 기울기를 최소화해야 합니다. 스캐너 스테이지에 대해 1°보다 큰 표면을 기울이면 범위를 벗어난 캔틸레버 편향 제어가 발생하여 프로브가 손상될 수 있습니다. 반도체 웨이퍼의 나노 가공 구조의 경우 일반적으로 평탄도가 보장되며 연마가 필요하지 않습니다. 이렇게 하면 이미징할 미세한 형상의 잠재적인 손상도 방지할 수 있습니다. 마이크로미터 수준의 기존 컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공의 표면 마감은 활성 캔틸레버 어레이가 처리하기에 충분해야 합니다. 일반 샘플의 경우, 캡처할 표면 특징을 변경하는 비용으로 연마가 필요할 수 있습니다. CNC 기계는 원치 않는 큰 돌출 형상을 제거하는 데 사용됩니다. 곡면과 같이 큰 지형 변동을 피할 수 없는 경우 틸팅 제어 기능이 있는 두 개의 평행 활성 캔틸레버 어레이를 사용하면 큰 지형 변동을 수용할 수 있습니다. 더 많은 캔틸레버 프로브로 이미징 처리량을 더욱 향상시키기 위해 병렬화를 위해 여러 개의 분리된 포지셔너가 필요합니다. 나노 제조 기술을 사용하여, Z-축에 나노 스케일의 나노-포지셔닝 시스템을 제작하는 것도 가능하여, 보다 컴팩트한 설계(35)에서 이 문제를 더 잘 해결할 수 있다.
병렬 캔틸레버 어레이의 잠재력을 완전히 실현하기 위해, 특히 반도체 검사 목적으로, 시스템을 상용화하기 위한 더 많은 엔지니어링 개발이 진행 중입니다. 목표는 8개의 액티브 캔틸레버 어레이가 있는 프로브를 3축 피에조 스캐너에 통합하고 병렬 이미징을 위한 정밀한 모션 제어로 수십 개의 구조를 복제하는 것입니다. 이 설정을 사용하면 100nm 공간 분해능의 60mm2 영역을 30분 이내에 이미징할 수 있으며, 이는 많은 검사 응용 분야에 충분합니다. 비접촉 모드에서 동적 모드 이미징을 사용하면 프로브-샘플 힘 상호 작용이 적지만 이미징 속도가 느려집니다. 접촉 모드는 이미징 속도를 크게 높일 수 있지만 프로브-샘플 상호 작용력을 증가시킬 수 있으며 샘플 손상 또는 프로브 팁 마모를 초래할 수 있습니다. 이러한 프로브의 수명을 더욱 보장하기 위해 다이아몬드 팁을 사용하여 장기간 연속 작동을 위해 프로브 팁 마모를 크게 줄일 수도 있습니다. 우수한 이미징 성능을 보장하려면 이미징 과정에서 입자가 샘플에 떨어지지 않도록 이미징 환경을 진동과 먼지가 적게 제어해야 합니다.
소프트웨어 개선 측면에서는 많은 수의 컨트롤러에 대한 자동화된 파라미터 튜닝이 연구되고 있습니다. 적응형 스캔 속도 및 해상도 조정은 특성 변화가 큰 샘플을 이미징하는 데 적합합니다. 머신 러닝 기반 알고리즘을 사용하여 수천 개의 이미지를 자동으로 스티칭하고 수십억 픽셀의 결함을 식별하면 이 기술을 연구 및 산업 검사에서 더욱 유용하게 사용할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
저자 Ivo W. Rangelow와 Thomas Sattel은 연구 라인 KMU-innovativ 내에서 프로젝트 FKZ:13N16580 "양자 계측 및 나노 제조를 위한 다이아몬드 팁이 있는 활성 프로브"에 자금을 지원하여 제시된 방법의 일부를 지원한 독일 연방 교육 연구부(BMBF)와 독일 연방 경제 및 기후 행동부(BMWK)에 감사드립니다. Photonics and Quantum Technologies와 KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner for Fast and Large Metrological tasks in Atomic Force Microscopy"를 중소 규모 산업을 위한 중앙 혁신 프로그램(Central Innovation Program for Small and Medium Industries (ZIM))의 자금 조달 라인 내에서 제공합니다. 여기에 보고된 작업의 일부는 보조금 계약 번호 318804 "단일 나노미터 제조: CMOS를 넘어서"에 따라 유럽 연합 7차 프레임워크 프로그램 FP7/2007-2013의 자금 지원을 받았습니다. 저자 Ivo W. Rangelow와 Eberhard Manske는 Technische Universität Ilmenau, Germany의 연구 교육 그룹 "확장된 거시적 작업 영역에서 팁 및 레이저 기반 3D 나노 제조"(GRK 2182)의 프레임워크에서 DFG(Deutsche Forschungsgemeinschaft)의 지원을 감사하게 생각합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Active-Cantilever | nano analytik GmbH | AC-10-2012 | AFM Probe |
| E-Beam | EBX-30, INC | 012323-15 | Mask patterning instrument |
| Highly Oriented Pyrolytic Graphite – HOPG | TED PELLA, INC | 626-10 | AFM calibration sample |
| Mask Sample | Nanda Technologies GmbH | Test substrate | EUV Mask Sample substrate |
| NANO-COMPAS-PRO | nano analytik GmbH | 23-2016 | AFM Software |
| nanoMetronom 20 | nano analytik GmbH | 1-343-2020 | AFM Instrument |
References
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