Summary
Storskalig provinspektion med upplösning i nanoskala har ett brett användningsområde, särskilt för nanotillverkade halvledarskivor. Atomkraftsmikroskop kan vara ett utmärkt verktyg för detta ändamål, men begränsas av sin bildhastighet. Detta arbete använder parallella aktiva fribärande arrayer i AFM:er för att möjliggöra hög genomströmning och storskaliga inspektioner.
Abstract
Ett atomkraftsmikroskop (AFM) är ett kraftfullt och mångsidigt verktyg för ytstudier i nanoskala för att fånga 3D-topografibilder av prover. Men på grund av deras begränsade bildgenomströmning har AFM inte använts i stor utsträckning för storskaliga inspektionsändamål. Forskare har utvecklat höghastighets-AFM-system för att spela in dynamiska processvideor i kemiska och biologiska reaktioner med tiotals bilder per sekund, till priset av en liten bildyta på upp till flera kvadratmikrometer. Inspektion av storskaliga nanofabricerade strukturer, såsom halvledarskivor, kräver däremot avbildning av en statisk provtagning i nanoskala över hundratals kvadratcentimeter med hög produktivitet. Konventionella AFM:er använder en enda passiv fribärande sond med ett optiskt strålavböjningssystem, som bara kan samla in en pixel åt gången under AFM-avbildning, vilket resulterar i låg bildgenomströmning. Detta arbete använder en rad aktiva konsoler med inbyggda piezoresistiva sensorer och termomekaniska ställdon, vilket möjliggör samtidig multi-cantilever-drift i parallell drift för ökad bildgenomströmning. I kombination med nanolägesställare med stor räckvidd och korrekta kontrollalgoritmer kan varje konsol styras individuellt för att ta flera AFM-bilder. Med datadrivna efterbehandlingsalgoritmer kan bilderna sys ihop och defektdetektering kan utföras genom att jämföra dem med önskad geometri. Detta dokument introducerar principerna för den anpassade AFM med hjälp av de aktiva fribärande arrayerna, följt av en diskussion om praktiska experimentöverväganden för inspektionsapplikationer. Utvalda exempelbilder av kiselkalibreringsgitter, högorienterad pyrolytisk grafit och extrema ultravioletta litografimasker fångas med hjälp av en uppsättning av fyra aktiva konsoler ("Quattro") med ett spetsseparationsavstånd på 125 μm. Med mer teknisk integration kan detta storskaliga avbildningsverktyg med hög genomströmning tillhandahålla 3D-metrologiska data för extrema ultravioletta (EUV) masker, inspektion av kemisk mekanisk planarisering (CMP), felanalys, displayer, tunnfilmsstegmätningar, grovhetsmätningsmatriser och lasergraverade torra gastätningsspår.
Introduction
Atomkraftsmikroskop (AFM) kan fånga 3D-topografibilder med rumslig upplösning i nanoskala. Forskare har utökat kapaciteten hos AFM:er för att skapa exempel på egenskapskartor i mekaniska, elektriska, magnetiska, optiska och termiska domäner. Under tiden har förbättrad bildgenomströmning också varit i fokus för forskning för att anpassa AFM till nya experimentella behov. Det finns i första hand två tillämpningsområden för AFM-avbildning med hög genomströmning: den första kategorin är höghastighetsavbildning av ett litet område för att fånga dynamiska förändringar i provet på grund av biologiska eller kemiska reaktioner 1,2; Den andra kategorin är för storskalig avbildning av statiska prover med hög rumslig upplösning under en inspektion, vilket diskuteras i detalj i detta arbete. Med transistorstorlek som krymper ner till nanoskala är halvledarindustrin i akut behov av AFM:er med hög genomströmning för att inspektera nanofabricerade enheter i waferskala med rumslig upplösning i nanoskala3.
Karakteriseringen av nanofabricerade enheter på en wafer kan vara utmanande på grund av den stora skalskillnaden mellan wafer- och transistoregenskaper. Stora defekter kan upptäckas automatiskt med optiska mikroskop4. Dessutom används svepelektronmikroskop (SEM) i stor utsträckning för inspektion ner till tiotals nanometer i 2D5. För 3D-information och högre upplösning är AFM ett lämpligare verktyg om dess genomströmning kan förbättras.
Med begränsad bildgenomströmning är ett tillvägagångssätt att avbilda utvalda waferområden där nanofabrikationsdefekter är mer benägna att inträffa6. Detta skulle kräva förkunskaper om design- och tillverkningsprocessen. Alternativt är det möjligt att kombinera andra modaliteter, såsom ett optiskt mikroskop eller SEM med en AFM för översikt och zoom, 7,8. Ett brett positioneringssystem med hög precision behövs för att korrekt anpassa koordinatsystemet mellan tillverknings- och karakteriseringsverktygen. Dessutom är ett automatiserat AFM-system för att avbilda olika utvalda områden nödvändigt för att realisera denna funktionalitet.
Som ett alternativ har forskare undersökt olika sätt att öka AFM-skanningshastigheten. Eftersom det är en systematisk utmaning med precisionsinstrumentering att möjliggöra AFM:er med hög genomströmning har forskare undersökt olika metoder, bland annat genom att använda mindre AFM-sonder, omdesigna nanolägesställare med hög bandbredd 9,10,11,12 och driva elektronik13, optimera driftsätt, bildstyrningsalgoritmer 14,15,16,17 etc. Med dessa ansträngningar kan den effektiva relativa spets- och provhastigheten ökas till maximalt cirka tiotals millimeter per sekund för kommersiellt tillgängliga AFM-system med en prob.
För att ytterligare förbättra bildgenomströmningen är det en naturlig lösning att lägga till flera prober för att arbeta parallellt. Det optiska strålavböjningssystemet (OBD) som används för avkänning av fribärande avböjning är dock relativt skrymmande, vilket gör det relativt utmanande att lägga till flera sonder. Individuell styrning av fribärande utböjning kan också vara svår att realisera.
För att övervinna denna begränsning är inbäddade avkännings- och aktiveringsprinciper utan skrymmande externa komponenter att föredra. Som beskrivits i tidigare publicerade rapporter 18,19 kan avböjningsavkänning med piezoresistiva, piezoelektriska och optomekaniska principer betraktas som inbäddad avkänning, där de två förstnämnda är mer mogna och lättare att implementera. För inbäddad manövrering kan både termomekaniska med elektrisk uppvärmning eller piezoelektriska principer användas. Även om piezoelektriska principer kan fungera i ett bredare temperaturområde ner till kryogena miljöer, kan de endast stödja AFM-operationer i gängläge, eftersom statisk avböjning inte kan mätas på grund av laddningsläckage och statisk aktivering som lider av hysteres och krypning. I tidigare arbete har aktiva fribärande probmatriser med hjälp av en piezoresistiv sensor och den piezoelektriska sensorn utvecklats för storskalig avbildning20,21, men har inte skalats upp ytterligare för storskalig avbildning eller kommersialiserats. I detta arbete väljs kombinationen av piezoresistiv avkänning och termomekanisk manövrering som inbäddade givare med statisk avböjningskontroll.
I detta arbete används en ny "Quattro"22 parallell aktiv konsol som sond23 för samtidig avbildning med hjälp av aktiva konsoler. För att mäta utskjutande avböjning nanotillverkas piezoresistiva sensorer i en Wheatstone-bryggkonfiguration19 vid basen av varje mikrokonsol för att mäta den inre spänningen, som är linjärt proportionell mot utliggande spetsens avböjning. Denna kompakta inbyggda sensor kan också uppnå subnanometerupplösning som den konventionella OBD-sensorn. Den styrande ekvationen för Wheatstone-bryggans spänningsutgång Uutsom svar på den applicerade kraften F eller utskjutande avböjning z visas i ekvation 119 för en konsol med längd L, bredd W och tjocklek H, piezoresistiv sensorkoefficient PR och effektiv elasticitetsmodul för den utskjutande E-bryggans matningsspänning Ub.
(1)
Eftersom dynamisk tappning/beröringsfri drift är att föredra för icke-invasiv avbildning för att undvika att störa provet, används ett termomekaniskt ställdon tillverkat av serpentinformade aluminiumtrådar för att värma upp den bimorfa utliggaren gjord med aluminium/magnesiumlegering24, kisel och kiseloxidmaterial. På mikroskopisk skala är tidskonstanten för termiska processer mycket mindre, och den fribärande resonansen vid tiotals till hundratals kilohertz kan exciteras genom att driva värmaren med en elektrisk signal. Den fribärande ändavböjningen zhsom styrs av värmarens temperatur ΔT relativa omgivning visas i ekvation 219för utskjutande längd L med en konstant K, beroende på det bimorfa materialets termokoefficient för expansion och geometrisk tjocklek och area. Det bör noteras att ΔT är proportionell mot värmarens effekt P, som är lika med kvadraten på den applicerade spänningen V dividerat med dess motstånd R.
(2)
Som en extra fördel kan statisk avböjning också kontrolleras utöver resonansexcitation. Detta kan vara en särskilt användbar funktion för att reglera interaktionen mellan sond och prov för varje konsol individuellt. Dessutom kan flera konsoler på samma baschip exciteras individuellt med det inbyggda termomekaniska ställdonet, vilket är omöjligt vid konventionell resonansexcitation med piezogenererade akustiska vågor.
Genom att kombinera piezoresistiv avkänning och termomekanisk manövrering har den aktiva fribärande sonden möjliggjort ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive samlokaliserad AF-mikroskopi i SE-mikroskopi, avbildning i ogenomskinlig vätska och svepproblitografi, med mer information tillgänglig i recension25. För inspektion med hög genomströmning skapas den aktiva konsolen med ett representativt AFM-implementeringsexempel som involverar fyra parallella konsoler, som visas i figur 1. I framtiden kommer ett system i industriell skala att utvecklas med åtta parallella aktiva konsoler och tiotals lägesställare28. För att illustrera skalan med hjälp av ett exempel, med en rumslig upplösning i planet på 100 nm, skulle avbildning av ett område på 100 mm gånger 100 mm resultera i över 106 skanningslinjer och 1012 pixlar. Med en skanningshastighet på 50 mm/s per konsol skulle detta kräva totalt över 555,6 timmars skanning (23+ dagar) för en enda konsol, vilket är för lång tid för att vara praktiskt användbart. Med hjälp av den aktiva cantilever array-tekniken med tiotals lägesställare kan den nödvändiga avbildningstiden minskas med cirka två storleksordningar till 5-10 timmar (mindre än en halv dag) utan att kompromissa med upplösningen, vilket är en rimlig tidsskala för industriella inspektionsändamål.
För att fånga stora högupplösta bilder har nanopositioneringssystemet också uppgraderats. För avbildning av stora prover i waferskala är skanning av sonden istället för sample att föredra för att minska storleken på de objekt som flyttas. Med ett separationsavstånd på 125 μm mellan de aktiva konsolerna täcker skannern ett område som är något större än detta område så att bilder från varje konsol kan sys ihop under efterbehandlingen. När en skanning är klar flyttar den grova lägesställaren automatiskt sonden till ett nytt intilliggande område för att fortsätta avbildningsprocessen. Medan det inbyggda termomekaniska ställdonet reglerar avböjningen av varje konsol, regleras den genomsnittliga avböjningen av alla parallella konsoler med en annan PID-regulator (proportional-integral-derivat) för att hjälpa konsolerna under topografispårning. Skannerstyrenheten säkerställer också att böjningen av varje konsol inte överskrider ett maximalt tröskelvärde, vilket kan leda till att andra sonder tappar kontakten med ytan om topografivariationen är för stor.
Nivån av topografivariation som kan spåras för konsoler på samma baschip om den skulle vara begränsad, eftersom det statiska avböjningskontrollområdet för konsolen är i storleksordningen tiotals mikron. För halvledarskivor är provtopografivariationerna vanligtvis på submikrometerskalan, så de borde inte vara något större problem. Men med tillägg av fler konsoler kan provplanets lutning i förhållande till raden av konsoler bli ett problem. I praktiken skulle åtta parallella konsoler med avstånd nära 1 mm fortfarande tillåta 1° lutningsvinkel, medan att lägga till fler konsoler kan göra lutningskontrollen svårare att realisera. Att använda flera grupper av åtta-cantilever-prober placerade på separerade probskannrar är därför ett pågående arbete för att fullt ut realisera potentialen hos den parallella aktiva cantilever-sondprincipen.
Efter datainsamling är en efterbehandling nödvändig för att hämta önskad information. Processen innebär i allmänhet att man tar bort skanningsartefakter, sammanfogar intilliggande bilder för att bilda ett övergripande panorama och eventuellt identifierar strukturdefekterna genom att jämföra dem med önskad geometri med hjälp av lämpliga algoritmer26. Det är värt att notera att mängden data som ackumuleras kan vara enorm för ett stort antal bilder, och datadrivna inlärningsalgoritmer utvecklas också för effektivare bearbetning27.
Den här artikeln illustrerar den allmänna processen för att ta högupplösta AFM-bilder med hjälp av den parallella aktiva fribärande matrisen som är integrerad i ett anpassat AFM-system. Detaljerad implementering av systemet finns i 22,28,29,30, och det kommersialiseras med modellnumret som anges i materialförteckningen. Alla fyra konsolerna manövrerades i gängläge som exciterades av det inbyggda termisk-mekaniska ställdonet. Representativa resultat på kalibreringsprover, nanofabrikationsmasker och högorienterade pyrolytisk grafit (HOPG) prover (se materialförteckning) tillhandahålls för att illustrera effektiviteten hos detta nya AFM-verktyg för inspektion av stora ytor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Provberedning för storskalig inspektion
- Bered provet med en lämplig storlek för AFM (se materialförteckning).
Anmärkning: Skivformade prover med en diameter i planet från 75 mm till 300 mm och en förväntad höjdvariation utanför planet under 200 μm kan passa på AFM-provsteget. I denna studie används en extrem ultraviolett (EUV) mask på en 4 tums wafer (se materialförteckning). - Rengör sample för att avlägsna föroreningar och förvara samples i ett renrum eller en miljö med låg dammhalt, såsom en vakuumkammare eller ett kväverensat skåp.
- Ta bort stora dammpartiklar genom att blåsa provet med en komprimerad kvävesprutpistol, eller skölj med avjoniserat vatten om provet inte reagerar med vatten. För att undvika att skada sample, använd en liten flödeshastighet under 0.1 m3/min.
- Alternativt kan du applicera plasmarengöring för att avlägsna organiska föroreningar. Placera sample i plasmabehandlingsmaskinen. Stäng kammaren och pumpa ner trycket till 600 mTorr. Exponera sample för plasma i 30 s för rengöring.
OBS: Steg 1.3.2 är valfritt för borttagning av föroreningar. I denna studie utfördes tillverkning och karakterisering inne i ett renrum, så detta steg behövdes inte.
- Identifiera lämpliga bildstrategier, inklusive intresseområden, skanningsområde, rumslig/pixelupplösning och skanningslinjehastighet.
- Bestäm om provet behöver ett övergripande panorama eller automatiserad avbildning av flera mindre utvalda områden.
OBS: För nanofabricerade prover med önskade strukturer är det ofta lättare att bestämma de nyckelområden som är mer benägna att defekter. För andra exempel kan det vara enklare att ta en bild med låg rumslig upplösning för en snabb översikt och sedan zooma in på det mindre intresseområdet för avbildning med hög rumslig upplösning. - Beräkna storleken på geoobjekten baserat på tidigare kunskaper om exemplet för att fastställa önskad rumslig upplösning för att lösa dessa funktioner.
- Använd förhållandet mellan bildområdet och den rumsliga upplösningen för att bestämma pixelupplösningen.
- Välj en initial skanningslinjehastighet baserat på tidigare erfarenhet av sample, eller använd AFM-systemprogramvaran senare, baserat på sample material, sonddynamik och önskad rumslig upplösning.
- Bestäm om provet behöver ett övergripande panorama eller automatiserad avbildning av flera mindre utvalda områden.
2. Kalibrering av AFM-instrument och experimentuppställning
- Välj lämplig aktiv AFM-konsol.
ANM: AFM:s aktiva konsolstyvhet, första resonansfrekvens och oanvänd sondspetsskärpa för varje konsol i sondmatrisen karakteriseras från produktion. Data kan hämtas från tillverkaren och laddas in i programvaran automatiskt före avbildning. Att välja lämplig konsol som rekommenderas av programvaran baserat på provmaterialet eller applikationen är till hjälp för att säkerställa framgångsrik avbildning. På grund av tillverkningsvariationer kan egenskaperna hos varje konsol vara olika men på en liknande nivå. - Slå på AFM genom att slå på styrenhetens huvudström och vänta tills systemet initieras. Slå på värddatorn och öppna AFM-systemprogramvaran.
- Utför aktiv installation av konsolsond.
- Höj sondskannern uppåt genom att klicka på den aktiva konsolinstallationen. Vänta tills sondhållaren höjs upp från sample stage och stoppa automatiskt.
- Montera och fäst AFM-givargivaren på sondhållaren.
OBS: AFM-konsolerna är fästa på en nano-SD-kortformhållare och kan hanteras direkt för hand för sondinstallation. Med den grundläggande skillnaden i avkännings- och aktiveringsprinciper finns det inget behov av att utföra någon laserinriktning. - Klicka på sondens automatiska inställningar och ladda sondinformationen från tillverkaren (se materialförteckning). Se till att serienumret på sonden och i programvaran stämmer överens.
- Utför ett sondfrekvenssvep för att verifiera resonansen för varje konsol för avbildning. Klicka på Konsolstämning och klicka på Svep i popup-fönstret. Ange Startfrekvens och Slutfrekvens om intervallet är känt. Om inte, kommer programvaran automatiskt att uppdatera värdena med standardinställningarna.
OBS: Detta steg är i princip valfritt för nya sonder eftersom de har kalibrerats efter produktion. För sonder som har använts tidigare rekommenderas dock att utföra detta svep ifall några egenskaper har förändrats under den tidigare operationen (t.ex. fastsättning av förorenande partiklar som förskjuter den utskjutande resonansen). På grund av termomekanisk manövrering är värmeeffekten proportionell mot kvadraten på drivspänningen. För tappning av beröringsfritt läge genereras en andra överton av ingångsspänningens sinusvågskomponent på grund av kvadratförhållandet i ekvation 2. Denna andra överton matchas vanligtvis med den fribärande resonansen under excitation, eftersom likströmsoffsetsignalen (DC) inte påverkar dess amplitud. Därför styr DC-komponenterna den genomsnittliga fribärande avböjningen, och växelströmskomponenten (AC) i drivsignalen ställs automatiskt in på hälften av den fribärande resonansfrekvensen för avbildning.
- Ladda och säkra sample på plats. Se till att den nedre ytan i kontakt med sample är parallell med den övre ytan med de funktioner som ska avbildas. Finjustera sample stage lutning med hjälp av mikrometerrattarna för att säkerställa sample är platt. Lägg till distanser om lutningen är för stor för att finjusteringslägesställarna ska kompensera för.
- Justera XY-positionen i planet för sample med hjälp av mikrometern på AFM stage. Använd en optisk mikroskopbild för att lokalisera intresseområdet och placera den relativa positionen för den utskjutande matrisen på det första intresseområdet som ska avbildas.
- Skapa en global koordinat genom att klicka på XYZ Zero-knappen .
OBS: För att skapa en panoramabild kan detta steg utföras grovt med hjälp av det optiska mikroskopet view. Vid avbildning av utvalda områden i ett nanofabricerat prov kan det vara nödvändigt att exakt rikta in XYZ-koordinaten för tillverkningsutrustningen med AFM-koordinaten. Detta steg kan utföras mer exakt genom att utföra AFM-avbildningen och klicka på XYZ Zero-knappen igen. - Stäng och täta den akustiska skölden.
OBS: Den akustiska skölden hjälper till att minska vibrationsutbredningen genom luften. Dessutom kan det förseglade locket också minska risken för att dammpartiklar landar på provet, eftersom storskalig avbildning kan ta lång tid att slutföra. Detta skyddskåpa kan vara valfritt i en renrumsmiljö utan vibrationskällor.
3. Topografisk avbildning och parameterinställning
- Välj registerkortet Inställning av bildparametrar (aktivt grenigt egenläge, skanningshastighet, börvärde osv.) och mata in önskade bildparametrar.
- För en enda panoramabild anger du koordinaten för bildens övre vänstra hörn och skanningsstorleken. Om du vill avbilda flera markerade områden automatiskt upprepar du den här processen för alla områden som ska avbildas. Lägg till extra utfyllnad runt bildområdet för efterbehandling av bildsammanfogning.
OBS: För den aktuella studien ställdes det övre vänstra hörnet av EUV-masken in med fördefinierade funktioner, och systemet konfigurerades för att ta fyra bilder med 130 μm x 130 μm samtidigt med varje konsol. - Ange önskad pixelupplösning i planet (vanligtvis tusentals pixlar per skanningslinje) och använd den rekommenderade standardhastigheten för linjeskanning från programvaran för avbildning. Om det behövs kan du manuellt justera linjeskanningshastigheten för varje region som ska avbildas.
OBS: I denna studie användes en pixelupplösning på 26 000 pixlar per linje, motsvarande 5 nm per pixel, för att få högupplösta bilder. - För beröringsfritt läge, använd standardenheten amplitud, frekvens och börvärde i programvaran som erhålls från cantilever-egenskaperna, eller mata manuellt in börvärdet för varje konsol på arrayen. Lämna PID-regulatorns inställningar som standard.
- För en enda panoramabild anger du koordinaten för bildens övre vänstra hörn och skanningsstorleken. Om du vill avbilda flera markerade områden automatiskt upprepar du den här processen för alla områden som ska avbildas. Lägg till extra utfyllnad runt bildområdet för efterbehandling av bildsammanfogning.
- Koppla in den aktiva fribärande sondmatrisen med sample.
- Klicka på Initiera konsol för att förböja konsolen innan avbildning.
- Klicka på Starta beröringsfri drivning för att excitera den fribärande resonansen.
- Klicka på Engage för att låta systemet automatiskt föra sample och sonden i kontakt. Bildtagningen startar automatiskt när detta steg är slutfört.
- Justera PID-regulatorns parametrar för varje konsol baserat på det skannade spåret/bilden. Justera PID-parametrarna för att förbättra matchningen mellan spårnings- och spårningslinjerna, vilket hjälper till att fånga topografiändringarna. Bildhastigheten kan också justeras på motsvarande sätt för att förbättra topografins spårningsprestanda.
- Spara aktuella data på skärmen genom att klicka på knappen Spara . Data sparas också automatiskt under skanningen i slutet av varje bildruta.
- Stoppa avbildningen genom att klicka på knappen Stopp . Systemet kommer att stoppa avbildningen och automatiskt dra tillbaka den fribärande matrisen från sample. Utskjutsdrivningen kommer också att stoppas så att det är säkert att avinstallera sonden.
- Ta bort sonden och sample försiktigt och stäng av systemet.
4. Efterbehandling och bildanalys
- Öppna AFM-bildanalysprogrammet som tillhandahålls av leverantören.
- Klicka på Auto Process för att tillämpa standardefterbehandlingssekvensen, inklusive samplingslutningskorrigering, borttagning av extremvärden på pixelnivå och skanningslinjematchning.
- Applicera ytterligare korrigeringar på bilddefekter manuellt från observation av bilderna. Med avancerade AFM-instrument är sådana defekter sällsynta, men bilderna kan fortfarande förbättras med dessa steg.
OBS: För stora mängder bilder är det möjligt att automatisera processen med hjälp av makro- eller Python-skript genom batchbearbetning med samma operation. Detta var inte nödvändigt för den aktuella studien.
- Använd programvaran för att skapa en panoramabild genom att klicka på knappen Panoramabild och välja flera bilder som ska sammanfogas.
OBS: Bildsammanfogning utförs automatiskt genom att direkt använda det överlappande utrymmet för de intilliggande bilderna. Alternativt kan du använda bildsammanslagning för att maximera korrelationen mellan de överlappande pixlarna i kanterna. Olika alternativ är tillgängliga i dessa kommandon och kan optimeras för att förbättra den övergripande sammanslagningsprestandan. - Spara data för ytterligare analys baserat på det specifika urvalet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För att demonstrera effektiviteten hos AFM:s storskaliga avbildning med parallella aktiva konsoler för topografisk avbildning, visas de sammanfogade bilderna av ett kalibreringsgitter, tagna av fyra konsoler som drivs parallellt, i figur 2. Kalibreringsstrukturen för kiselskivor har 45 μm långa funktioner med en höjd på 14 nm. Varje konsol täcker en yta på 125 μm x 125 μm, vilket ger en sydd panoramabild på 500 μm x 125 μm. Skanningshastigheten var inställd på 10 linjer per sekund med 1 028 pixlar per linje och kanal i amplitudmoduleringsläget, så det tar mindre än 2 minuter att slutföra denna stora skanning.
Sammanslagningen av bilderna som tagits av varje konsol utförs genom att rikta in funktionerna på kanten av de intilliggande bilderna. Med en faktisk bildstorlek som är större än den utskjutande separationen utförs sammanslagningen genom att korrelera funktionerna på kanterna. Det är värt att notera att en viss vertikal förskjutning mellan varje bild i Y-axelns riktning också är synlig. Detta kan inträffa på grund av den lilla avvikelsen mellan skanningsaxeln och linjen för de fyra aktiva fribärande matriserna. Korrelationsmetoden kan dock vara svår att tillämpa för gränser utan betydande topografiska variationer. Därför är det att föredra att använda korrelationsbaserad matchning med tidigare offset-kunskaper för att skapa panoramabilder, jämfört med direktsammanfogning med relativ positionsförskjutning för att hantera dessa ofullkomliga förhållanden hos instrumentet.
För att verifiera den rumsliga upplösningen hos den aktiva konsolen tas högupplösta bilder av HOPG, som visas i figur 3, med ett litet bildområde i planet på 5 μm x 5 μm och 1028 x 1028 pixlar. HOPG-prover är särskilt lämpliga för verifiering av upplösning eftersom grafitavståndet mellan plan är cirka 0,335 nm31,32. Sub-nanometer out-of-plane upplösning och in-plane upplösning vid flera nanometer demonstreras. Eftersom separationsavståndet mellan varje konsol vid 125 μm är mycket större än bildområdet på 5 μm kan dessa fyra bilder inte sammanfogas direkt, men orienteringstrenden för de avbildade objekten mellan intilliggande bilder stämmer väl överens med varandra.
För praktiska tillämpningar vid halvledarinspektion avbildas en EUV-litografimask för att skapa halvledaregenskaper med hjälp av den parallella aktiva fribärande matrisen. En sammanfogad panoramabild med en rumslig upplösning på 5 nm som täcker ett område på 505 μm gånger 130 μm visas i figur 4. Höjden på strukturmönstret är cirka 60 nm, med olika delar av kretsen tydligt visade på bilden. Med 10 linjer per sekund fångas de 101 000 x 26 000 pixlarna inom cirka 40 minuter, vilket är betydligt snabbare än konventionella AFM-system.
Figur 1: AFM med stor yta för exempelimplementering av provinspektion med ett stort område med en enda matris med fyra aktiva fribärande sonder. (A) Avbildning av stora ytor av en kiselskiva sample med hjälp av den anpassade AFM med sondskanningskonfiguration och ett stort sample stage. (B) Förenklad schematisk bild av AFM-systemet med ett optiskt mikroskop inzoomat av området för fyra aktiva konsoler som är bundna till SD-kortets form av kretskort (PCB). C) SEM-bild av gängtappspåverkan för en av de fyra aktiva konsolerna som visar en maximal amplitud över 30 μm. (D) SEM-bild av den aktiva konsolen med en schematisk bild som visar den serpentinformade termomekaniska värmaren och piezoresistiva spänningssensorer vid basen av konsolerna för avböjningsmätning. Skalstapel = 50 μm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Panoramasammansmältning av bilder tagna av fyra aktiva konsoler samtidigt över en total bredd på 500 μm. Varje konsol skannar över ett område på 140 μm för att skapa en viss överlappning mellan 125 μm-separationen av den utskjutande spetsen i amplitudmodulerande dynamiskt gängläge. Bilden är tagen med 10 linjer per sekund med en upplösning på 1 028 pixlar i varje riktning. Provet är en kiselteststruktur med 45 μm långa linjer på en höjd av 14 nm. De fyra översta separata bilderna som tas av varje konsol sys ihop för att bilda panoramabilden på botten. Figuren är hämtad från Ahmad et al.22. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Högupplösta AFM-bilder av HOPG-prover. Bilderna tas samtidigt med fyra konsoler med ett område på 3 μm x 3 μm, tagna med 10 linjer per sekund med en upplösning på 1 028 pixlar i varje riktning. (A-D) Topografibilder tagna i amplitudmoduleringsdynamiskt tappningsläge med konsolerna 1-4, respektive. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Registrering av fyra 2D- och 3D-bilder med enkel EUV-mask som tagits samtidigt av de fyra AFM-kanalerna med 10 linjer per sekund i amplitudmodulerande dynamiskt tappningsläge. Bildfältet för en enskild bild är 130 μm x 130 μm. (A) Fyra 2D-bilder. (B) Fyra 3D-bilder. (C) Övergripande 3D-sammanfogad bild med 500 μm x 500 μm erhållen med fyra bilder på 125 μm, där 5 μm är överlappningen mellan de enskilda fälten. Bilden är 101 000 x 26 000 bildpunkter med en rumslig upplösning på 5 nm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Som visas i de representativa resultaten kan en aktiv fribärande matris användas för att ta flera bilder av ett statiskt prov parallellt. Denna skalbara installation kan avsevärt förbättra bildgenomströmningen av prover med stora ytor, vilket gör den lämplig för inspektion av nanofabricerade enheter på halvledarskivor. Tekniken är inte heller begränsad till konstgjorda strukturer; Så länge topografivariationen inom en grupp aktiva konsoler inte är för stor för konsolsystemet att hantera, kan avbildning med hög genomströmning realiseras.
Förutom att möjliggöra inspektion med hög genomströmning och stora ytor, erbjuder en aktiv fribärande probuppsättning flera fördelar när det gäller bildinställning. För det första finns det inget behov av att utföra laser-cantilever-inriktning för sondinstallation. När det gäller drift minskar detta operatörens omkostnader. Ännu viktigare är att förstärkningen av den fribärande avböjningssensorn är fast och inte ändras mellan experimenten. Kvantitativa kraft- och nedböjningsmätningar kan göras med dessa prober både i gängningsläge och kontaktläge 29,33,34. Detta gör också avbildningsprocessen mer tillförlitlig, eftersom drift av laserinriktningen för långtidsavbildning längre är ett problem. För det andra undviker den termomekaniska fribärande drivningen den falska strukturresonansen hos konsolhållaren, vilket kan bli ett problem under resonanssvep vid konventionell piezoakustisk aktivering. Den konventionella resonansexcitationstekniken använder ett piezoelektriskt ställdon placerat på basstödschipet på AFM-konsolen. Eftersom vibrationerna som genereras fortplantas akustiskt genom hela baschipet, kan fribärande resonansexcitation verkligen störa varandra. Den termomekaniska manövreringen verkar dock direkt på den enskilda konsolen och basstödschipet förblir stillastående. Eftersom massan på basstödschipet är flera storleksordningar högre än konsolen, är interferensen mellan de parallella aktiva konsolerna försumbar. För det tredje möjliggör den kompakta storleken på den aktiva konsolen enklare parallell integration för sondskanningskonfiguration. Detta innebär att provet kan förbli statiskt och att flera sondlägesställare kan skanna samtidigt med olika hastigheter under avbildningen, vilket hjälper till att maximera det effektiva utnyttjandet av varje konsol.
När det gäller begränsningar kan det vara svårt att hantera prover med stora topografiförändringar på grund av den maximala avböjningsgränsen för varje konsol. Viss särskild hänsyn måste tas under provberedningen och installationen. Eftersom provet som hanteras är på makroskopisk skala bör lutningen i förhållande till skanningsplanet minimeras för att säkerställa god spårning av topografin. Lutning av ytan större än 1° i förhållande till skannertage kan resultera i utskjutande avböjningskontroll utanför räckvidden som kan orsaka skada på sonden. För nanofabricerade strukturer på en halvledarskiva är planheten vanligtvis garanterad och ingen polering behövs. På så sätt undviks också potentiella skador på de fina egenskaper som ska avbildas. Ytjämnheten hos konventionell CNC-bearbetning (Computer Numerical Control) på mikrometernivå bör vara tillräcklig för att den aktiva fribärande matrisen ska kunna hanteras. För generiska prover kan polering krävas på bekostnad av att ändra ytegenskaper som ska fångas. En CNC-maskin används för att ta bort stora oönskade utskjutande funktioner. Om stora topografivariationer inte kan undvikas, t.ex. på en krökt yta, kan man använda en matris med två parallella aktiva konsoler med lutningskontroll för att tillgodose stora topografiska variationer. Flera separerade lägesställare skulle behövas för parallellisering för att ytterligare förbättra bildgenomströmningen med fler fribärande sonder. Med hjälp av nanofabrikationstekniker är det också möjligt att tillverka ett nanopositioneringssystem i nanoskala på Z-axeln för att bättre ta itu med detta problem i en mer kompakt design35.
För att fullt ut realisera potentialen hos den parallella konsolen, särskilt för halvledarinspektionsändamål, pågår mer teknisk utveckling för att kommersialisera systemet. Målet är att integrera en sond med en uppsättning av åtta aktiva konsoler i en treaxlig piezoskanner och replikera tiotals sådana strukturer med exakt rörelsekontroll för parallell avbildning. Med den här inställningen kan ett område på 60mm2 med en rumslig upplösning på 100 nm avbildas inom 30 minuter, vilket bör vara tillräckligt för många inspektionstillämpningar. Genom att använda avbildning i dynamiskt läge i beröringsfritt läge är interaktionen mellan sond och provkraft liten på bekostnad av en långsammare avbildningshastighet. Som en kompromiss kan kontaktläget öka bildhastigheten avsevärt, men kan öka interaktionskraften mellan sond och sample och kan resultera i provskada eller slitage på sondspetsen. För att ytterligare säkerställa livslängden på dessa sonder kan diamantspetsar också användas för att avsevärt minska sondspetsens slitage för långsiktig, kontinuerlig drift. För att säkerställa god bildprestanda bör avbildningsmiljön kontrolleras så att den har låga vibrationer och damm, för att undvika att partiklar landar på provet under avbildningsprocessen.
När det gäller mjukvaruförbättringar undersöks automatiserad parameterjustering för ett stort antal styrenheter. Adaptiv skanningshastighet och upplösningsjustering är önskvärd för avbildning av prover med stora egenskapsvariationer. Automatiserad sammanfogning av tusentals bilder och identifiering av defekter från miljarder pixlar med hjälp av maskininlärningsbaserade algoritmer kan ytterligare bidra till att göra denna teknik ännu mer användbar i forskningsstudier och industriell inspektion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna Ivo W. Rangelow och Thomas Sattel vill tacka det tyska federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF) och det tyska federala ministeriet för ekonomi och klimatåtgärder (BMWK) för att ha stött delar av de presenterade metoderna genom att finansiera projekten FKZ:13N16580 "Active Probes with diamond tip for quantum metrology and nanofabrication" inom forskningslinjen KMU-innovativ: Fotonik och kvantteknologi och KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner for fast and large metrological tasks in Atomic Force Microscopy" inom finansieringslinjen Central Innovation Program for small and medium sized industries (ZIM). En del av det arbete som redovisas här finansierades av EU:s sjunde ramprogram FP7/2007-2013 enligt bidragsavtal nr 318804 "Single Nanometre Manufacturing: Beyond CMOS". Författarna Ivo W. Rangelow och Eberhard Manske tackar för stödet från Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) inom ramen för forskarutbildningsgruppen "Tip- and laser-based 3D-Nanofabrication in extended macroscopic working areas" (GRK 2182) vid 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 |
References
- Ando, T. High-speed atomic force microscopy and its future prospects. Biophysical Reviews. 10 (2), 285-292 (2018).
- 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).
- Sohn, Y., Ryu, S., Yang, Y. Semiconductor technology challenges in high volume manufacturing of semiconductors. Microscopy and Microanalysis. 28, 800-801 (2022).
- 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).
- Nakamae, K.
- Nduhura-Munga, J., et al. A literature review on sampling techniques in semiconductor manufacturing. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 26 (2), 188-195 (2013).
- Zhang, T., et al. Correlative AFM and scanning microlens microscopy for time-efficient multiscale imaging. Advanced Science. 9 (12), 2103902 (2022).
- Holz, M., et al. Correlative microscopy and nanofabrication with AFM integrated with SEM. Microscopy Today. 27 (6), 24-30 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, J. Y., Mullin, N., Hobbs, J. K. High-speed large area atomic force microscopy using a quartz resonator. Nanotechnology. 29 (33), 335502 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xia, F., et al. A modular low-cost atomic force microscope for precision mechatronics education. Mechatronics. 76, 102550 (2021).
- Minne, S. C., et al. Centimeter scale atomic force microscope imaging and lithography. Applied Physics Letters. 73 (12), 1742-1744 (1998).
- Minne, S. C., et al. Automated parallel high-speed atomic force microscopy. Applied Physics Letters. 72 (18), 2340-2342 (1998).
- Ahmad, A., et al. Large area fast-AFM scanning with active "Quattro" cantilever arrays. Journal of Vacuum Science & Technology B. 34 (6), (2016).
- Gotszalk, T., Grabiec, P., Rangelow, I. W. Piezoresistive sensors for scanning probe microscopy. Ultramicroscopy. 82 (1), 39-48 (2000).
- Angelov, T., et al. Thermo-mechanical transduction suitable for high-speed scanning probe imaging and lithography. Microelectronic Engineering. 154, 1-7 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Holz, M., et al. High throughput AFM inspection system with parallel active cantilevers. In Photomask Technology 2019. 11148, SPIE. 278-287 (2019).
- 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).
- Ahmad, A., et al. 13th Intl. Workshop on Nanomechanical Sensing. Quattro-Cantilever Array: Large Area and High Speed AFM Imaging and Nanolithography. , (2016).
- Shearer, C. J., Slattery, A. D., Stapleton, A. J., Shapter, J. G., Gibson, C. T.
- Shioyama, H. The interactions of two chemical species in the interlayer spacing of graphite. Synthetic Metals. 114 (1), 1-15 (2000).
- Ivanova, K., et al. Scanning proximal probes for parallel imaging and lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 26 (6), 2367-2373 (2008).
- 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).
- 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).
