يود المؤلفان إيفو دبليو رانجلو وتوماس ساتل أن يعربا عن تقديرهما للوزارة الاتحادية الألمانية للتعليم والبحث (BMBF) والوزارة الاتحادية الألمانية للشؤون الاقتصادية والعمل المناخي (BMWK) لدعم أجزاء من الأساليب المقدمة من خلال تمويل المشاريع FKZ: 13N16580 "مجسات نشطة ذات طرف ماسي للقياس الكمي والتصنيع النانوي" ضمن خط البحث KMU-innovativ: الضوئيات والتقنيات الكمومية و KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner للمهام المترولوجية السريعة والكبيرة في مجهر القوة الذرية" ضمن خط التمويل برنامج الابتكار المركزي للصناعات الصغيرة والمتوسطة الحجم (ZIM). تم تمويل جزء من العمل المذكور هنا من قبل البرنامج الإطاري السابع للاتحاد الأوروبي FP7 / 2007-2013 بموجب اتفاقية المنحة رقم 318804 "تصنيع نانومتر واحد: ما وراء CMOS". يعترف المؤلفان إيفو دبليو رانجلو وإبرهارد مانسكي بامتنان بالدعم المقدم من Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) في إطار مجموعة التدريب البحثي "3D-Nanofabrication القائم على التلميح والليزر في مناطق العمل العيانية الممتدة" (GRK 2182) في جامعة إلميناو التقنية ، ألمانيا.

1. إعداد عينة للتفتيش على نطاق واسع
<ol><li>قم بإعداد العينة بحجم مناسب ل AFM (انظر جدول المواد). ملاحظة: يمكن احتواء العينات على شكل رقاقة بقطر داخل الطائرة من 75 مم إلى 300 مم وتباين متوقع في الارتفاع خارج المستوى أقل من 200 ميكرومتر في مرحلة عينة AFM. في هذه الدراسة ، يتم استخدام قناع الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV) على رقاقة 4 بوصات (انظر جدول المواد).</li>
	<li>نظف العينة لإزالة الملوثات واحتفظ بالعينات داخل غرفة نظيفة أو بيئة منخفضة الغبار ، مثل غرفة مفرغة أو خزانة مطهرة بالنيتروجين.<ol><li>قم بإزالة جزيئات الغبار الكبيرة عن طريق نفخ العينة بمسدس رش النيتروجين المضغوط ، أو اشطفها بالماء منزوع الأيونات إذا لم تتفاعل العينة مع الماء. لتجنب إتلاف العينة ، استخدم معدل تدفق صغير أقل من 0.1 م3 / دقيقة.</li>
		<li>اختياريا ، تطبيق تنظيف البلازما لإزالة الملوثات العضوية. ضع العينة في آلة معالجة البلازما. أغلق الحجرة وضخ الضغط إلى 600 mTorr. تعريض العينة للبلازما لمدة 30 ثانية للتنظيف. ملاحظة: الخطوة 1.3.2 اختيارية لإزالة التلوث. في هذه الدراسة ، تم إجراء التصنيع والتوصيف داخل غرفة نظيفة ، لذلك لم تكن هناك حاجة لهذه الخطوة.</li>
	</ol></li>
	<li>حدد استراتيجيات التصوير المناسبة ، بما في ذلك مجالات الاهتمام ونطاق المسح الضوئي والدقة المكانية / بكسل وسرعة خط المسح.<ol><li>حدد ما إذا كانت العينة تحتاج إلى بانوراما شاملة أو تصوير آلي لمناطق محددة متعددة أصغر. ملاحظة: بالنسبة للعينات المصنعة بالنانو ذات الهياكل المرغوبة ، غالبا ما يكون من الأسهل تحديد المناطق الرئيسية الأكثر عرضة للعيوب لأغراض الفحص. بالنسبة للعينات الأخرى ، يمكن أن يكون التقاط صورة منخفضة الدقة المكانية للحصول على نظرة عامة سريعة ، ثم التكبير في منطقة الاهتمام الأصغر للتصوير عالي الدقة المكانية أسهل.</li>
		<li>تقدير حجم المعالم بناء على المعرفة المسبقة للعينة لتحديد الدقة المكانية المطلوبة لحل هذه المعالم.</li>
		<li>استخدم نسبة نطاق التصوير والدقة المكانية لتحديد دقة البكسل.</li>
		<li>حدد سرعة خط المسح الأولية بناء على الخبرة السابقة مع العينة ، أو استخدم برنامج نظام AFM لاحقا ، بناء على مادة العينة وديناميكيات المسبار والدقة المكانية المطلوبة.</li>
	</ol></li>
</ol>2. معايرة أداة AFM وإعداد التجربة
<ol><li>حدد صفيف ناتئ AFM النشط المناسب. ملاحظة: تتميز صلابة الكابولي النشط AFM ، وتردد الرنين الأول ، وحدة طرف المسبار غير المستخدمة لكل ناتئ في مجموعة المسبار من الإنتاج. يمكن استرداد البيانات من الشركة المصنعة وتحميلها في البرنامج تلقائيا قبل التصوير. يعد اختيار الكابولي المناسب الموصى به من قبل البرنامج بناء على عينة المواد أو التطبيق مفيدا لضمان التصوير الناجح. نظرا لتقلب التصنيع ، يمكن أن تكون خصائص كل ناتئ مختلفة ولكن على مستوى مماثل.</li>
	<li>قم بتشغيل AFM عن طريق تشغيل الطاقة الرئيسية لوحدة التحكم وانتظر حتى تتم تهيئة النظام. قم بتشغيل الكمبيوتر المضيف وافتح برنامج نظام AFM.</li>
	<li>قم بإجراء تركيب مسبار ناتئ نشط.<ol><li>ارفع الماسح الضوئي للمسبار من خلال النقر على التثبيت الكابولي النشط. انتظر حتى يتم رفع حامل المسبار من مرحلة العينة وتوقف تلقائيا.</li>
		<li>قم بتركيب وتأمين مجموعة مسبار الكابولي AFM على حامل المسبار. ملاحظة: يتم توصيل صفائف الكابولي AFM بحامل شكل بطاقة nano-SD ويمكن التعامل معها يدويا مباشرة لتركيب المسبار. مع الاختلاف الأساسي في مبادئ الاستشعار والتشغيل ، ليست هناك حاجة لإجراء أي محاذاة بالليزر.</li>
		<li>انقر فوق إعدادات الفحص التلقائية وقم بتحميل معلومات المسبار المقدمة من الشركة المصنعة (انظر جدول المواد). تأكد من مطابقة الرقم التسلسلي على المسبار وفي البرنامج.</li>
		<li>قم بإجراء مسح تردد المسبار للتحقق من صدى كل ناتئ للتصوير. انقر فوق Cancableever Tuning وانقر فوق Sweep في النافذة المنبثقة. حدد تردد البدء وتكرار النهاية إذا كان النطاق معروفا. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسيقوم البرنامج تلقائيا بتحديث القيم باستخدام الإعدادات الافتراضية. ملاحظة: هذه الخطوة اختيارية من حيث المبدأ للمجسات الجديدة حيث تمت معايرتها بعد الإنتاج. ومع ذلك ، بالنسبة للتحقيقات التي تم استخدامها سابقا ، يوصى بإجراء هذا المسح فقط في حالة تغيير أي خصائص أثناء العملية السابقة (على سبيل المثال ، ربط جزيئات الملوثات التي تحول رنين الكابولي). بسبب التشغيل الحراري الميكانيكي ، تتناسب طاقة التسخين مع مربع جهد القيادة. للاستفادة من عملية وضع عدم الاتصال ، يتم إنشاء توافقي ثان لمكون موجة جيبية لجهد الدخل بسبب العلاقة المربعة في المعادلة 2. عادة ما يتطابق هذا التوافقي الثاني مع الرنين الكابولي أثناء الإثارة ، حيث لا تؤثر إشارة إزاحة التيار المباشر (DC) على سعتها. لذلك ، تتحكم مكونات التيار المستمر في متوسط انحراف الكابولي ، ويتم ضبط مكون التيار المتردد (AC) لإشارة القيادة تلقائيا على نصف تردد الرنين الكابولي للتصوير.</li>
	</ol></li>
	<li>قم بتحميل العينة وتأمينها في مكانها. تأكد من أن السطح السفلي الملامس للعينة مواز للسطح العلوي مع الميزات المراد تصويرها. قم بضبط إمالة مرحلة العينة باستخدام مقابض الميكرومتر للتأكد من أن العينة مسطحة. أضف فواصل إذا كان الميل كبيرا جدا بحيث لا يمكن تعويض مواضع الضبط الدقيقة.</li>
	<li>اضبط موضع XY داخل الطائرة للعينة باستخدام الميكرومتر على مرحلة AFM. استخدم صورة مجهر ضوئي لتحديد منطقة الاهتمام ووضع الموضع النسبي للصفيف الكابولي على منطقة الاهتمام الأولى المراد تصويرها.</li>
	<li>قم بإنشاء إحداثيات عالمية بالنقر فوق الزر XYZ Zero . ملاحظة: لإنشاء صورة بانورامية ، يمكن إجراء هذه الخطوة تقريبا باستخدام عرض المجهر الضوئي. عند تصوير مناطق محددة من عينة نانوية الصنع ، قد يكون من الضروري محاذاة إحداثيات XYZ لمعدات التصنيع بدقة مع إحداثيات AFM. يمكن تنفيذ هذه الخطوة بدقة أكبر عن طريق إجراء تصوير AFM والنقر على زر XYZ Zero مرة أخرى.</li>
	<li>أغلق وأغلق الدرع الصوتي. ملاحظة: يساعد الدرع الصوتي على تقليل انتشار الاهتزاز عبر الهواء. علاوة على ذلك ، يمكن أن يقلل الغطاء المحكم أيضا من فرصة هبوط جزيئات الغبار على العينة ، نظرا لأن التصوير على نطاق واسع قد يستغرق وقتا طويلا حتى يكتمل. يمكن أن يكون هذا الغطاء الواقي اختياريا في بيئة غرفة نظيفة بدون مصادر اهتزاز.</li>
</ol>3. التصوير الطبوغرافي وضبط المعلمات
<ol><li>حدد علامة التبويب إعداد معلمة التصوير (الوضع الذاتي الكابولي النشط ، سرعة المسح ، نقطة الضبط ، إلخ) وأدخل معلمات التصوير المطلوبة.<ol><li>للحصول على صورة بانورامية واحدة، أدخل إحداثيات الزاوية العلوية اليسرى من الصورة وحجم المسح الضوئي. لتصوير مناطق متعددة محددة تلقائيا، كرر هذه العملية لجميع المناطق المراد تصويرها. أضف حشوة إضافية حول منطقة التصوير لخياطة الصور بعد المعالجة. ملاحظة: بالنسبة للدراسة الحالية ، تم ضبط الزاوية العلوية اليسرى من قناع EUV بميزات محددة مسبقا ، وتم تكوين النظام لالتقاط أربع صور بدقة 130 ميكرومتر × 130 ميكرومتر في وقت واحد باستخدام كل ناتئ.</li>
		<li>أدخل دقة البكسل المطلوبة داخل الشاشة (عادة آلاف البكسل لكل خط مسح) واستخدم سرعة مسح الخط الافتراضية الموصى بها من البرنامج للتصوير. إذا لزم الأمر، اضبط سرعة مسح الخط يدويا لكل منطقة يتم تصويرها. ملاحظة: في هذه الدراسة ، تم استخدام دقة بكسل تبلغ 26000 بكسل لكل سطر ، أي ما يعادل 5 نانومتر لكل بكسل ، للحصول على صور عالية الدقة.</li>
		<li>بالنسبة لوضع عدم الاتصال، استخدم سعة محرك الأقراص الافتراضية وترددها ونقطة ضبطها في البرنامج الذي تم الحصول عليه من خصائص الكابولي، أو أدخل نقطة الضبط يدويا لكل ناتئ على الصفيف. اترك إعدادات وحدة تحكم PID كإعدادات افتراضية.</li>
	</ol></li>
	<li>قم بإشراك صفيف مسبار الكابولي النشط مع العينة.<ol><li>انقر فوق تهيئة الكابولي لثني الكابولي مسبقا قبل التصوير.</li>
		<li>انقر فوق بدء محرك الأقراص غير المتصل لإثارة الرنين الكابولي.</li>
		<li>انقر فوق Engage للسماح للنظام تلقائيا بإحضار العينة والمسبار إلى الاتصال. سيبدأ التصوير تلقائيا بعد اكتمال هذه الخطوة.</li>
	</ol></li>
	<li>اضبط معلمات وحدة التحكم PID لكل ناتئ بناء على التتبع/الصورة الممسوحة ضوئيا. اضبط معلمات PID لتحسين المطابقة بين خطوط التتبع والتتبع، مما يساعد على التقاط تغييرات الطبوغرافيا. يمكن أيضا تعديل سرعة التصوير وفقا لذلك لتحسين أداء تتبع التضاريس.</li>
	<li>احفظ البيانات الحالية على الشاشة بالنقر فوق الزر حفظ . سيتم أيضا حفظ البيانات تلقائيا أثناء الفحص في نهاية كل إطار.</li>
	<li>أوقف التصوير بالنقر فوق الزر إيقاف . سيتوقف النظام عن التصوير ويسحب تلقائيا صفيف الكابولي من العينة. سيتم أيضا إيقاف محرك الكابولي بحيث يكون من الآمن إلغاء تثبيت المسبار.</li>
	<li>قم بإزالة المسبار والعينة بعناية وأوقف تشغيل النظام.</li>
</ol>4. مرحلة ما بعد المعالجة وتحليل الصور
<ol><li>افتح برنامج تحليل الصور AFM الذي يوفره المورد.<ol><li>انقر فوق المعالجة التلقائية لتطبيق تسلسل ما بعد المعالجة الافتراضي ، بما في ذلك تصحيح إمالة العينة وإزالة القيم المتطرفة على مستوى البكسل ومطابقة خط المسح الضوئي.</li>
		<li>قم بتطبيق المزيد من التصحيحات على عيوب الصورة يدويا من ملاحظة الصور. مع أدوات AFM المتقدمة ، تكون هذه العيوب نادرة ، ولكن لا يزال من الممكن تحسين الصور بهذه الخطوات. ملاحظة: بالنسبة للكميات الكبيرة من الصور ، من الممكن أتمتة العملية باستخدام البرامج النصية Macro أو Python من خلال معالجة الدفعات بنفس العملية. ولم يكن ذلك مطلوبا لهذه الدراسة.</li>
	</ol></li>
	<li>استخدم البرنامج لتشكيل صورة بانورامية من خلال النقر على زر صورة بانوراما وتحديد صور متعددة ليتم خياطتها. ملاحظة: يتم إجراء خياطة الصور تلقائيا باستخدام المساحة المتداخلة للصور المجاورة مباشرة. بدلا من ذلك، يحاول دمج الصور تعظيم ارتباط البيكسلات المتداخلة على الحواف. تتوفر خيارات مختلفة في هذه الأوامر ويمكن تحسينها لتحسين أداء الدمج العام.</li>
	<li>احفظ البيانات لمزيد من التحليل بناء على العينة المحددة.</li>
</ol>

صفيفات ناتئة نشطة متوازية في نظام AFMS لتمكين عمليات الفحص عالية الإنتاجية

<ol>
	<li>Ando, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+atomic+force+microscopy+and+its+future+prospects.">High-speed atomic force microscopy and its future prospects.</a> Biophysical Reviews. 10 (2), 285-292 (2018).</li><li>Soltani Bozchalooi, I., Careaga Houck, A., AlGhamdi, J. M., Youcef-Toumi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+control+of+multi-actuated+atomic+force+microscope+for+large-range+and+high-speed+imaging.">Design and control of multi-actuated atomic force microscope for large-range and high-speed imaging.</a> Ultramicroscopy. 160, 213-224 (2016).</li><li>Sohn, Y., Ryu, S., Yang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+technology+challenges+in+high+volume+manufacturing+of+semiconductors.">Semiconductor technology challenges in high volume manufacturing of semiconductors.</a> Microscopy and Microanalysis. 28, 800-801 (2022).</li><li>Ebayyeh, A. A. R. M. A., Mousavi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+and+analysis+of+automatic+optical+inspection+and+quality+monitoring+methods+in+electronics+industry.">A review and analysis of automatic optical inspection and quality monitoring methods in electronics industry.</a> IEEE Access. 8, 183192-183271 (2020).</li><li>Nakamae, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+microscopy+in+semiconductor+inspection.">Electron microscopy in semiconductor inspection.</a> Measurement Science and Technology. 32 (5), 052003 (2021).</li><li>Nduhura-Munga, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+literature+review+on+sampling+techniques+in+semiconductor+manufacturing.">A literature review on sampling techniques in semiconductor manufacturing.</a> IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 26 (2), 188-195 (2013).</li><li>Zhang, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlative+AFM+and+scanning+microlens+microscopy+for+time-efficient+multiscale+imaging.">Correlative AFM and scanning microlens microscopy for time-efficient multiscale imaging.</a> Advanced Science. 9 (12), 2103902 (2022).</li><li>Holz, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlative+microscopy+and+nanofabrication+with+AFM+integrated+with+SEM.">Correlative microscopy and nanofabrication with AFM integrated with SEM.</a> Microscopy Today. 27 (6), 24-30 (2019).</li><li>Yang, C., Xia, F., Wang, Y., Truncale, S., Youcef-Toumi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+control+of+a+multi-actuated+nanopositioning+stage+with+stacked+structure.">Design and control of a multi-actuated nanopositioning stage with stacked structure.</a> 2019 American Control Conference (ACC). , 3782-3788 (2019).</li><li>Xia, F., Truncale, S., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+control+of+a+multi-actuated+high-bandwidth+and+large-range+scanner+for+atomic+force+microscopy.">Design and control of a multi-actuated high-bandwidth and large-range scanner for atomic force microscopy.</a> 2018 Annual American Control Conference (ACC). , 4330-4335 (2018).</li><li>Yong, Y. K., Moheimani, S. O. R., Kenton, B. J., Leang, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Invited+review+article:+high-speed+flexure-guided+nanopositioning:+mechanical+design+and+control+issues.">Invited review article: high-speed flexure-guided nanopositioning: mechanical design and control issues.</a> The Review of Scientific Instruments. 83 (12), 121101 (2012).</li><li>Wang, J. Y., Mullin, N., Hobbs, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+large+area+atomic+force+microscopy+using+a+quartz+resonator.">High-speed large area atomic force microscopy using a quartz resonator.</a> Nanotechnology. 29 (33), 335502 (2018).</li><li>Yang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Charge+controller+with+decoupled+and+self-compensating+configurations+for+linear+operation+of+piezoelectric+actuators+in+a+wide+bandwidth.">Charge controller with decoupled and self-compensating configurations for linear operation of piezoelectric actuators in a wide bandwidth.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 66 (7), 5392-5402 (2019).</li><li>Yang, C., Xia, F., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+study+of+charge-based+motion+control+for+piezoelectric+nanopositioners:+Modeling,+instrumentation+and+controller+design.">Comprehensive study of charge-based motion control for piezoelectric nanopositioners: Modeling, instrumentation and controller design.</a> Mechanical Systems and Signal Processing. 166, 108477 (2022).</li><li>Xia, F., Yang, C., Wang, Y., Youcef-Toumi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bandwidth+based+repetitive+controller+design+for+a+modular+multi-actuated+AFM+scanner.">Bandwidth based repetitive controller design for a modular multi-actuated AFM scanner.</a> 2019 American Control Conference (ACC). , 3776-3781 (2019).</li><li>Ahmad, A., Schuh, A., Rangelow, I. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptive+AFM+scan+speed+control+for+high+aspect+ratio+fast+structure+tracking.">Adaptive AFM scan speed control for high aspect ratio fast structure tracking.</a> The Review of Scientific Instruments. 85 (10), 103706 (2014).</li><li>Coskun, M. B., Alemansour, H., Fowler, A. G., Maroufi, M., Moheimani, S. O. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Q+control+of+an+active+AFM+cantilever+with+differential+sensing+configuration.">Q control of an active AFM cantilever with differential sensing configuration.</a> IEEE Transactions on Control Systems Technology. 27 (5), 2271-2278 (2019).</li><li>Xia, F., Mayborne, M. P., Ma, Q., Youcef-Toumi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+intelligence+in+the+metaverse:+mixed+reality+scale+models+for+twistronics+and+atomic+force+microscopy.">Physical intelligence in the metaverse: mixed reality scale models for twistronics and atomic force microscopy.</a> 2022 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). , 1722-1729 (2022).</li><li>Xia, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+modular+low-cost+atomic+force+microscope+for+precision+mechatronics+education.">A modular low-cost atomic force microscope for precision mechatronics education.</a> Mechatronics. 76, 102550 (2021).</li><li>Minne, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Centimeter+scale+atomic+force+microscope+imaging+and+lithography.">Centimeter scale atomic force microscope imaging and lithography.</a> Applied Physics Letters. 73 (12), 1742-1744 (1998).</li><li>Minne, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+parallel+high-speed+atomic+force+microscopy.">Automated parallel high-speed atomic force microscopy.</a> Applied Physics Letters. 72 (18), 2340-2342 (1998).</li><li>Ahmad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+area+fast-AFM+scanning+with+active+&amp;#34;Quattro&amp;#34;+cantilever+arrays.">Large area fast-AFM scanning with active &amp;#34;Quattro&amp;#34; cantilever arrays.</a> Journal of Vacuum Science &amp; Technology B. 34 (6), (2016).</li><li>Gotszalk, T., Grabiec, P., Rangelow, I. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Piezoresistive+sensors+for+scanning+probe+microscopy.">Piezoresistive sensors for scanning probe microscopy.</a> Ultramicroscopy. 82 (1), 39-48 (2000).</li><li>Angelov, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermo-mechanical+transduction+suitable+for+high-speed+scanning+probe+imaging+and+lithography.">Thermo-mechanical transduction suitable for high-speed scanning probe imaging and lithography.</a> Microelectronic Engineering. 154, 1-7 (2016).</li><li>Rangelow, I. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+scanning+probes:+A+versatile+toolkit+for+fast+imaging+and+emerging+nanofabrication.">Active scanning probes: A versatile toolkit for fast imaging and emerging nanofabrication.</a> Journal of Vacuum Science &amp; Technology B. 35 (6), 101 (2017).</li><li>Marinello, F., Bariani, P., De Chiffre, L., Hansen, H. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+analysis+of+a+software+tool+for+stitching+three-dimensional+surface+topography+data+sets.">Development and analysis of a software tool for stitching three-dimensional surface topography data sets.</a> Measurement Science and Technology. 18 (5), 1404 (2007).</li><li>L&#243;pez de la Rosa, F., S&#225;nchez-Reolid, R., G&#243;mez-Sirvent, J. L., Morales, R., Fern&#225;ndez-Caballero, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+machine+and+deep+learning+for+semiconductor+defect+classification+in+scanning+electron+microscope+images.">A review on machine and deep learning for semiconductor defect classification in scanning electron microscope images.</a> Applied Sciences. 11 (20), 9508 (2021).</li><li>Holz, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+throughput+AFM+inspection+system+with+parallel+active+cantilevers.">High throughput AFM inspection system with parallel active cantilevers.</a> In Photomask Technology 2019. 11148, 278-287 (2019).</li><li>Gotszalk, T., Ivanov, T., Rangelow, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parallel+SPM+cantilever+arrays+for+large+area+surface+metrology+and+lithography.">Parallel SPM cantilever arrays for large area surface metrology and lithography.</a> In Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXVIII. 9050, 274-282 (2014).</li><li>Ahmad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=13th+Intl.+Workshop+on+Nanomechanical+Sensing.">13th Intl. Workshop on Nanomechanical Sensing.</a> Quattro-Cantilever Array: Large Area and High Speed AFM Imaging and Nanolithography. , (2016).</li><li>Shearer, C. J., Slattery, A. D., Stapleton, A. J., Shapter, J. G., Gibson, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accurate+thickness+measurement+of+graphene.">Accurate thickness measurement of graphene.</a> Nanotechnology. 27 (12), 125704 (2016).</li><li>Shioyama, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interactions+of+two+chemical+species+in+the+interlayer+spacing+of+graphite.">The interactions of two chemical species in the interlayer spacing of graphite.</a> Synthetic Metals. 114 (1), 1-15 (2000).</li><li>Ivanova, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+proximal+probes+for+parallel+imaging+and+lithography.">Scanning proximal probes for parallel imaging and lithography.</a> Journal of Vacuum Science &amp; Technology B. 26 (6), 2367-2373 (2008).</li><li>Garc&#237;a, R., San Paulo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Attractive+and+repulsive+tip-sample+interaction+regimes+in+tapping-mode+atomic+force+microscopy.">Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy.</a> Physical Review B. 60 (7), 4961-4967 (1999).</li><li>Ruppert, M. G., Fowler, A. G., Maroufi, M., Moheimani, S. O. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+dynamic+mode+atomic+force+microscopy:+a+silicon-on-insulator+MEMS+approach.">On-chip dynamic mode atomic force microscopy: a silicon-on-insulator MEMS approach.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 26 (1), 215-225 (2017).</li></ol>

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح.

كما هو موضح في النتائج التمثيلية ، يمكن استخدام مصفوفة ناتئة نشطة لالتقاط صور متعددة لعينة ثابتة بالتوازي. يمكن لهذا الإعداد القابل للتطوير أن يحسن بشكل كبير إنتاجية التصوير للعينات ذات المساحة الكبيرة ، مما يجعله مناسبا لفحص الأجهزة المصنعة بالنانو على رقائق أشباه الموصلات. لا تقتصر هذ?...

يمكن لمجاهر القوة الذرية (AFMs) التقاط صور تضاريس 3D بدقة مكانية نانوية. قام الباحثون بتوسيع قدرة AFMs على إنشاء خرائط خصائص عينة في المجالات الميكانيكية والكهربائية والمغناطيسية والبصرية والحرارية. في غضون ذلك ، كان تحسين إنتاجية التصوير أيضا محور البحث لتكييف AFMs مع الاحتياجات التجريبية الجديدة. هناك في المقام الأول مجالان تطبيقيان لتصوير AFM عالي الإنتاجية: الفئة الأولى هي التصوير عالي السرعة لمنطقة صغيرة لالتقاط التغيرات الديناميكية في العينة بسبب التفاعلات البيولوجية أو الكيميائية 1,2 ؛ الفئة الثانية هي الدقة المكانية العالية ، والتصوير على نطاق واسع للعينات الثابتة أثناء الفحص ، والتي تتم مناقشتها بالتفصيل في هذا العمل. مع تقلص حجم الترانزستور إلى المقياس النانوي ، تحتاج صناعة أشباه الموصلات بشكل عاجل إلى AFMs عالية الإنتاجية لفحص الأجهزة المصنعة بالنانو على نطاق الرقاقة بدقة مكانيةنانوية 3.
يمكن أن يكون توصيف الأجهزة المصنعة بالنانو على رقاقة أمرا صعبا بسبب الاختلاف الكبير بين ميزات الرقاقة والترانزستور. يمكن رصد العيوب الكبيرة بالمجاهر الضوئية تلقائيا4. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم المجاهر الإلكترونية الماسحة (SEMs) على نطاق واسع للفحص وصولا إلى عشرات النانومتر في 2D5. للحصول على معلومات 3D ودقة أعلى ، يعد AFM أداة أكثر ملاءمة إذا كان من الممكن تحسين إنتاجيته.
مع إنتاجية التصوير المحدودة ، يتمثل أحد الأساليب في تصوير مناطق الرقاقة المختارة حيث من المرجح أن تحدث عيوب التصنيع النانوي6. سيتطلب ذلك معرفة مسبقة بعملية التصميم والتصنيع. بدلا من ذلك ، من الممكن الجمع بين الطرائق الأخرى ، مثل المجهر الضوئي أو SEM مع AFM للنظرة العامة والتكبير / التصغير ، 7,8. هناك حاجة إلى نظام تحديد المواقع واسع النطاق وعالي الدقة لمواءمة نظام الإحداثيات بشكل صحيح بين أدوات التصنيع والتوصيف. علاوة على ذلك ، من الضروري وجود نظام AFM آلي لتصوير مناطق محددة مختلفة لتحقيق هذه الوظيفة.
كبديل ، قام الباحثون بالتحقيق في طرق مختلفة لزيادة سرعة مسح AFM. نظرا لأن تمكين AFMs عالي الإنتاجية يمثل تحديا منهجيا للأجهزة الدقيقة ، فقد قام الباحثون بالتحقيق في طرق مختلفة ، بما في ذلك استخدام مجسات AFM أصغر ، وإعادة تصميم محددات المواقع النانوية ذات النطاق الترددي العالي9،10،11،12 وإلكترونيات القيادة13 ، وتحسين أوضاع التشغيل ، وخوارزميات التحكم في التصوير14،15،16،17الخ. من خلال هذه الجهود ، يمكن زيادة الطرف النسبي الفعال وسرعة العينة إلى حد أقصى يبلغ حوالي عشرات المليمترات في الثانية لأنظمة AFM أحادية المسبار المتاحة تجاريا.
لزيادة تحسين إنتاجية التصوير ، تعد إضافة مجسات متعددة للعمل بالتوازي حلا طبيعيا. ومع ذلك ، فإن نظام انحراف الحزمة الضوئية (OBD) المستخدم لاستشعار انحراف الكابولي ضخم نسبيا ، مما يجعل إضافة مجسات متعددة أمرا صعبا نسبيا. قد يكون من الصعب أيضا تحقيق التحكم في انحراف الكابولي الفردي.
للتغلب على هذا القيد ، يفضل الاستشعار المضمن ومبادئ التشغيل بدون مكونات خارجية ضخمة. كما هو مفصل في التقارير المنشورة سابقا18،19 ، يمكن اعتبار استشعار الانحراف بمبادئ مقاومة الضغط والكهرضغطية والميكانيكية البصرية استشعارا مضمنا ، مع كون الأولين أكثر نضجا وأسهل في التنفيذ. بالنسبة للتشغيل المضمن ، يمكن استخدام كل من الميكانيكا الحرارية مع التسخين الكهربائي أو مبادئ كهرضغطية. على الرغم من أن المبادئ الكهرضغطية يمكن أن تعمل في نطاق درجة حرارة أوسع وصولا إلى البيئات المبردة ، إلا أنها يمكن أن تدعم فقط عمليات AFM في وضع التنصت ، حيث لا يمكن قياس الانحراف الثابت بسبب تسرب الشحنة والتشغيل الثابت الذي يعاني من التباطؤ والزحف. في العمل السابق ، تم تطوير صفائف مسبار ناتئ نشط باستخدام مستشعر مقاوم للضغط ومستشعر كهرضغطية للتصوير واسع المدى20,21 ، ولكن لم يتم توسيع نطاقها للتصوير على نطاق واسع أو تسويقها. في هذا العمل ، تم اختيار مزيج من الاستشعار المقاوم للضغط والتشغيل الحراري الميكانيكي كمحولات مدمجة مع إمكانية التحكم في الانحراف الثابت.
في هذا العمل ، يتم استخدام مصفوفة ناتئ نشطة متوازية "Quattro"22 كمسبار23 للتصوير المتزامن باستخدام الكابوليات النشطة. لقياس انحراف الكابولي ، يتم تصنيع المستشعرات المقاومة للضغط في تكوين جسر ويتستون19 بشكل نانوي في قاعدة كل ناتئ صغير لقياس الضغط الداخلي ، والذي يتناسب خطيا مع انحراف طرف الكابولي. يمكن لهذا المستشعر المدمج المدمج أيضا تحقيق دقة دون النانومتر مثل مستشعر OBD التقليدي. تظهر المعادلة الحاكمة لخرج جهد جسر ويتستون Uاستجابة للقوة المطبقة F أو انحراف الكابولي z في المعادلة 119 لناتئ بطول L وعرض W وسمك H ، معامل مستشعر مقاومة الضغط PR ، ومعامل المرونة الفعال لجهد إمداد الجسر الكابولي E Ub.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65210/65210eq01.jpg" style="margin: auto;">(1)
نظرا لأن عملية النقر الديناميكي / وضع عدم الاتصال مفضلة للتصوير غير الباضع لتجنب إزعاج العينة ، يتم استخدام مشغل ميكانيكي حراري مصنوع من أسلاك الألمنيوم على شكل أفعواني لتسخين الكابولي ثنائي الشكل المصنوع من سبائك الألومنيوم / المغنيسيوم24 والسيليكون ومواد أكسيد السيليكون. على النطاق المجهري ، يكون ثابت الوقت للعمليات الحرارية أصغر بكثير ، ويمكن إثارة الرنين الكابولي عند عشرات إلى مئات الكيلوهرتز عن طريق قيادة السخان بإشارة كهربائية. يظهر انحراف الطرف الحر الكابولي zhالذي يتم التحكم فيه بواسطة درجة حرارة السخان ΔT الأجواء النسبية في المعادلة 219لطول الكابولي L مع ثابت K ، اعتمادا على المعامل الحراري للمواد ثنائية الشكل للتمدد والسمك الهندسي والمساحة. وتجدر الإشارة إلى أن ΔT يتناسب مع طاقة السخان P ، والتي تساوي مربع الجهد المطبق V مقسوما على مقاومته R.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65210/65210eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
كميزة إضافية ، يمكن أيضا التحكم في الانحراف الساكن بالإضافة إلى إثارة الرنين. يمكن أن تكون هذه قدرة مفيدة بشكل خاص لتنظيم تفاعل عينة المسبار لكل ناتئ على حدة. علاوة على ذلك ، يمكن إثارة الكابوليات المتعددة على نفس الشريحة الأساسية بشكل فردي باستخدام المحرك الحراري الميكانيكي المدمج ، وهو أمر مستحيل في إثارة الرنين التقليدية مع الموجات الصوتية الناتجة عن بيزو.
من خلال الجمع بين الاستشعار المقاوم للضغط والتشغيل الحراري الميكانيكي ، مكن مسبار الكابولي النشط مجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك الفحص المجهري AF المترابط في الفحص المجهري SE ، والتصوير في سائل معتم ، والتصوير الحجري لمسبار المسح ، مع مزيد من التفاصيل المتاحة في المراجعة25. لأغراض الفحص عالي الإنتاجية ، يتم إنشاء صفيف الكابولي النشط بمثال تنفيذ AFM تمثيلي يتضمن أربعة ناتئات متوازية ، كما هو موضح في الشكل 1. في المستقبل ، سيتم تطوير نظام على نطاق صناعي باستخدام ثمانية ناتئات نشطة متوازية وعشرات من أجهزة تحديد المواقع28. لتوضيح المقياس باستخدام مثال ، مع دقة مكانية داخل المستوى تبلغ 100 نانومتر ، فإن تصوير مساحة 100 مم × 100 مم سيؤدي إلى أكثر من 106 خطوط مسح و 1012 بكسل. مع سرعة مسح تبلغ 50 مم / ثانية لكل ناتئ ، سيتطلب ذلك ما مجموعه أكثر من 555.6 ساعة من المسح (23+ يوما) لناتئ واحد ، وهو طويل جدا بحيث لا يكون مفيدا عمليا. باستخدام تقنية الصفيف الكابولي النشط مع عشرات من أجهزة تحديد المواقع ، يمكن تقليل وقت التصوير المطلوب بحوالي أمرين من الحجم إلى 5-10 ساعات (أقل من نصف يوم) دون تقديم أي تنازلات عن الدقة ، وهو مقياس زمني معقول لغرض الفحص الصناعي.
لالتقاط صور كبيرة الحجم وعالية الدقة ، تمت ترقية نظام تحديد المواقع النانوي أيضا. لتصوير العينات الكبيرة على نطاق الرقاقة ، يفضل مسح المسبار بدلا من العينة ، من أجل تقليل حجم الأشياء التي يتم نقلها. مع مسافة الفصل بين الكابوليات النشطة عند 125 ميكرومتر ، يغطي الماسح الضوئي مساحة أكبر قليلا من هذا النطاق بحيث يمكن خياطة الصور من كل ناتئ معا أثناء المعالجة اللاحقة. عند الانتهاء من الفحص ، يقوم محدد الموضع الخشن تلقائيا بإعادة وضع المسبار إلى منطقة مجاورة جديدة لمواصلة عملية التصوير. بينما ينظم المشغل الحراري الميكانيكي المدمج انحراف كل ناتئ ، يتم تنظيم متوسط الانحراف لجميع الكابوليات المتوازية باستخدام وحدة تحكم أخرى مشتقة متناسبة متكاملة (PID) لمساعدة الكابوليات أثناء تتبع التضاريس. تضمن وحدة التحكم في الماسح الضوئي أيضا أن ثني كل ناتئ لا يتجاوز قيمة العتبة القصوى ، مما قد يتسبب في فقدان المجسات الأخرى الاتصال بالسطح إذا كان تباين التضاريس كبيرا جدا.
يجب أن يكون مستوى تباين التضاريس الذي يمكن تتبعه للناتئات على نفس الشريحة الأساسية محدودا ، نظرا لأن نطاق التحكم في الانحراف الثابت للناتئ يبلغ عشرات الميكرونات. بالنسبة لرقائق أشباه الموصلات ، عادة ما تكون اختلافات تضاريس العينة على مقياس دون ميكرومتر ، لذلك لا ينبغي أن تكون مشكلة كبيرة. ومع ذلك ، مع إضافة المزيد من الكابوليات ، يمكن أن يصبح إمالة مستوى العينة فيما يتعلق بخط الكابوليات مشكلة. من الناحية العملية ، فإن ثمانية ناتئات متوازية ذات مسافات قريبة من 1 مم ستظل تسمح بزاوية إمالة بمقدار 1 درجة ، في حين أن إضافة المزيد من الكابوليات يمكن أن تجعل التحكم في الإمالة أكثر صعوبة في التحقيق. لذلك ، فإن استخدام مجموعات متعددة من مجسات الكابولي الثمانية الموضوعة على ماسحات ضوئية منفصلة هو جهد مستمر لتحقيق إمكانات مبدأ مسبار الكابولي النشط الموازي.
بعد جمع البيانات ، تكون عملية ما بعد المعالجة ضرورية لاسترداد المعلومات المطلوبة. تتضمن العملية عموما إزالة القطع الأثرية الممسوحة ضوئيا ، وخياطة الصور المجاورة لتشكيل بانوراما شاملة ، وتحديد عيوب الهيكل اختياريا من خلال مقارنتها بالهندسة المطلوبة باستخدام خوارزميات مناسبة26. تجدر الإشارة إلى أن كمية البيانات المتراكمة يمكن أن تكون هائلة لمجموعة كبيرة من الصور ، كما يتم تطوير خوارزميات التعلم القائمة على البيانات من أجل معالجة أكثر كفاءة27.
توضح هذه المقالة العملية العامة للحصول على صور AFM عالية الدقة باستخدام صفيف الكابولي النشط المتوازي المدمج في نظام AFM مخصص. يتوفر التنفيذ التفصيلي للنظام في22،28،29،30 ، ويتم تسويقه برقم الطراز المدرج في جدول المواد. تم تشغيل جميع الكابوليات الأربعة في وضع النقر متحمسا بواسطة المشغل الحراري الميكانيكي المدمج. يتم توفير نتائج تمثيلية على عينات المعايرة وأقنعة التصنيع النانوي وعينات الجرافيت الانحلالي الحراري عالي التوجيه (HOPG) (انظر جدول المواد) لتوضيح فعالية أداة AFM الجديدة هذه للفحص على مساحة كبيرة.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Active-Cantilever&#160;</td>
			<td>nano analytik GmbH</td>
			<td>AC-10-2012</td>
			<td>AFM Probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E-Beam</td>
			<td>EBX-30, INC</td>
			<td>012323-15</td>
			<td>Mask patterning instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Highly Oriented Pyrolytic Graphite &#8211; HOPG</td>
			<td>TED PELLA, INC</td>
			<td>626-10</td>
			<td>AFM calibration sample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mask Sample</td>
			<td>Nanda Technologies GmbH</td>
			<td>Test substrate</td>
			<td>EUV Mask Sample substrate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NANO-COMPAS-PRO&#160;</td>
			<td>nano analytik GmbH</td>
			<td>23-2016</td>
			<td>AFM Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>nanoMetronom 20</td>
			<td>nano analytik GmbH</td>
			<td>1-343-2020</td>
			<td>AFM Instrument</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

active probe atomic force microscopy with quattro-parallel cantilever arrays for high-throughput large-scale sample inspection

مجهر القوة الذرية (AFM) هو أداة قوية ومتعددة الاستخدامات للدراسات السطحية النانوية لالتقاط صور تضاريس 3D للعينات. ومع ذلك ، نظرا لمحدودية إنتاجية التصوير ، لم يتم اعتماد AFMs على نطاق واسع لأغراض التفتيش على نطاق واسع. طور الباحثون أنظمة AFM عالية السرعة لتسجيل مقاطع فيديو عملية ديناميكية في التفاعلات الكيميائية والبيولوجية بعشرات الإطارات في الثانية ، على حساب مساحة تصوير صغيرة تصل إلى عدة ميكرومتر مربع. في المقابل ، يتطلب فحص الهياكل المصنعة النانوية واسعة النطاق ، مثل رقائق أشباه الموصلات ، تصويرا بدقة مكانية نانوية لعينة ثابتة على مئات السنتيمترات المربعة ذات الإنتاجية العالية. تستخدم AFMs التقليدية مسبارا ناتئا سلبيا واحدا مع نظام انحراف شعاع بصري ، والذي يمكنه جمع بكسل واحد فقط في كل مرة أثناء تصوير AFM ، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاجية التصوير. يستخدم هذا العمل مجموعة من الكابوليات النشطة مع مستشعرات مدمجة مقاومة للضغط ومشغلات ميكانيكية حرارية ، مما يسمح بالتشغيل المتزامن متعدد الكابولي في التشغيل المتوازي لزيادة إنتاجية التصوير. عند دمجها مع محددات تحديد المواقع النانوية واسعة النطاق وخوارزميات التحكم المناسبة ، يمكن التحكم في كل ناتئ بشكل فردي لالتقاط صور AFM متعددة. باستخدام خوارزميات ما بعد المعالجة المستندة إلى البيانات ، يمكن تجميع الصور معا ، ويمكن إجراء اكتشاف العيوب من خلال مقارنتها بالهندسة المطلوبة. تقدم هذه الورقة مبادئ AFM المخصصة باستخدام صفائف الكابولي النشطة ، تليها مناقشة حول اعتبارات التجربة العملية لتطبيقات الفحص. تم التقاط أمثلة مختارة من صور صريف معايرة السيليكون ، والجرافيت الانحلال الحراري عالي التوجيه ، وأقنعة الطباعة الحجرية فوق البنفسجية الشديدة باستخدام مجموعة من أربعة ناتئات نشطة ("Quattro") بمسافة فصل طرف 125 ميكرومتر. مع المزيد من التكامل الهندسي ، يمكن لأداة التصوير عالية الإنتاجية وواسعة النطاق هذه توفير بيانات مترولوجية 3D لأقنعة الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV) ، وفحص الاستواء الميكانيكي الكيميائي (CMP) ، وتحليل الفشل ، وشاشات العرض ، وقياسات خطوة الأغشية الرقيقة ، وقوالب قياس الخشونة ، وأخاديد ختم الغاز الجاف المحفورة بالليزر.

Atomic force microscopes (AFMs) can capture 3D topography images with nanoscale spatial resolution. Researchers have extended the capability of AFMs to create sample property maps in mechanical, electrical, magnetic, optical, and thermal domains. In the meantime, improving imaging throughput has also been the focus of research to adapt AFMs to new experimental needs. There are primarily two application domains for high-throughput AFM imaging: the first category is high-speed imaging of a small area to capture dynamic changes in the sample due to biological or chemical reactions1,2; the second category is for high-spatial resolution, large-scale imaging of static samples during an inspection, which is discussed in detail in this work. With transistor size shrinking down to the nanoscale, the semiconductor industry urgently needs high-throughput AFMs to inspect wafer-scale nanofabricated devices with nanoscale spatial resolution3.
The characterization of nanofabricated devices on a wafer can be challenging due to the vast scale difference between wafer and transistor features. Large defects can be spotted with optical microscopes automatically4. In addition, scanning electron microscopes (SEMs) are widely used for inspection down to tens of nanometers in 2D5. For 3D information and higher resolution, the AFM is a more suitable tool if its throughput can be improved.
With limited imaging throughput, one approach is to image selected wafer areas where nanofabrication defects are more likely to happen6. This would require prior knowledge of the design and fabrication process. Alternatively, combining other modalities, such as an optical microscope or SEM with an AFM for overview and zoom, is possible7,8. A wide-range, high-precision positioning system is needed to properly align the coordinate system between the fabrication and characterization tools. Moreover, an automated AFM system to image various selected areas is necessary to realize this functionality.
As an alternative, researchers have investigated different ways to increase AFM scanning speed. Since enabling high-throughput AFMs is a systematic precision instrumentation challenge, researchers have investigated various methods, including using smaller AFM probes, redesigning high-bandwidth nano-positioners9,10,11,12 and driving electronics13, optimizing modes of operation, imaging control algorithms14,15,16,17, etc. With these efforts, the effective relative tip and sample speed can be increased to a maximum of around tens of millimeters per second for commercially available single-probe AFM systems.
To further improve the imaging throughput, adding multiple probes to operate in parallel is a natural solution. However, the optical beam deflection (OBD) system utilized for cantilever deflection sensing is relatively bulky, which makes the addition of multiple probes relatively challenging. Individual cantilever deflection control can also be difficult to realize.
To overcome this limitation, embedded sensing, and actuation principles without bulky external components, are preferred. As detailed in previously published reports18,19, deflection sensing with piezoresistive, piezoelectric, and optomechanical principles can be considered embedded sensing, with the former two being more mature and easier to implement. For embedded actuation, thermomechanical with electrical heating or piezoelectric principles can both be utilized. Although piezoelectric principles can operate in a wider temperature range down to cryogenic environments, they can only support tapping mode AFM operations, since static deflection cannot be measured due to the charge leakage and static actuation suffering from hysteresis and creep. In prior work, active cantilever probe arrays using a piezoresistive sensor and the piezoelectric sensor have been developed for large-range imaging20,21, but have not been further scaled up for large-scale imaging or commercialized. In this work, the combination of piezoresistive sensing and thermomechanical actuation are selected as embedded transducers with static deflection control capability.
In this work, a novel &#34;Quattro&#34;22 parallel active cantilever array is used as the probe23 for simultaneous imaging using active cantilevers. To measure the cantilever deflection, piezoresistive sensors in a Wheatstone bridge configuration19 are nanofabricated at the base of each micro-cantilever to measure the internal stress, which is linearly proportional to the cantilever tip deflection. This compact embedded sensor can also achieve sub-nanometer resolution as the conventional OBD sensor. The governing equation of the Wheatstone bridge voltage output Uout in response to the applied force F or cantilever deflection z is shown in Equation 119 for a cantilever with length L, width W, and thickness H, piezoresistive sensor coefficient PR, and effective elastic modulus of the cantilever E bridge supply voltage Ub.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65210/65210eq01.jpg" style="margin: auto;" />&#160; &#160; (1)
As dynamic tapping/non-contact mode operation is preferred for noninvasive imaging to avoid disturbing the sample, a thermomechanical actuator made of serpentine shape aluminum wires is used to heat up the bimorph cantilever made with aluminum/magnesium alloy24, silicon, and silicon oxide materials. At the microscopic scale, the time constant of thermal processes is much smaller, and the cantilever resonance at tens to hundreds of kilohertz can be excited by driving the heater with an electrical signal. The cantilever free end deflection zh controlled by the heater temperature&#160;&#916;T relative ambience is shown in Equation 219for cantilever length L with a constant K, depending on the bimorph material thermo coefficient of expansion and geometric thickness and area. It should be noted that the&#160;&#916;T&#160;is proportional to the heater power P, which is equal to the square of the applied voltage V divided by its resistance R.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65210/65210eq02.jpg" style="margin: auto;" />&#160; &#160; (2)
As an added benefit, static deflection can also be controlled in addition to resonance excitation. This can be a particularly helpful capability to regulate the probe-sample interaction of each cantilever individually. Moreover, multiple cantilevers on the same base chip can be excited individually with the embedded thermomechanical actuator, which is impossible in conventional resonance excitation with piezo-generated acoustic waves.
Combining piezoresistive sensing and thermomechanical actuation, the active cantilever probe has enabled a wide range of applications, including collocated AF microscopy in SE microscopy, imaging in opaque liquid, and scanning probe lithography, with more details available in review25. For high-throughput inspection purposes, the active cantilever array is created with a representative AFM implementation example involving four parallel cantilevers, as shown in Figure 1. In the future, an industrial-scale system will be developed using eight parallel active cantilevers and tens of positioners28. To illustrate the scale using an example, with an in-plane spatial resolution of 100 nm, imaging an area of 100 mm by 100 mm would result in over 106 scan lines and 1012 pixels. With a scanning speed of 50 mm/s per cantilever, this would require a total of over 555.6 h of scanning (23+ days) for a single cantilever, which is too long to be practically useful. Using the active cantilever array technology with tens of positioners, the required imaging time can be reduced by around two orders of magnitude to 5-10 h (less than half a day) without making any compromise to the resolution, which is a reasonable time scale for industrial inspection purpose.
To capture large-area, high-resolution images, the nano-positioning system is also upgraded. For imaging wafer-scale large samples, scanning the probe instead of the sample is preferred, in order to reduce the size of the objects being moved. With the separation distance between active cantilevers at 125 &#181;m, the scanner covers an area slightly larger than this range so that images from each cantilever can be stitched together during post-processing. Upon completion of a scan, the coarse positioner automatically repositions the probe to a new adjacent area to continue the imaging process. While the embedded thermomechanical actuatorregulates the deflection of each cantilever, the averaged deflection of all parallel cantilevers is regulated with another proportional-integral-derivative (PID) controller to assist the cantilevers during topography tracking. The scanner controller also ensures that the bending of each cantilever does not exceed a maximum threshold value, which may cause other probes to lose contact with the surface if the topography variation is too large.
The level of topography variation that can be tracked for cantilevers on the same base chip should it be limited, since the static deflection control range of the cantilever is on the order of tens of microns. For semiconductor wafers, the sample topography variations are typically on the sub-micrometer scale, so they should not be much of a big problem. However, with the addition of more cantilevers, the sample plane tilt with respect to the line of cantilevers can become a problem. In practice, eight parallel cantilevers with spacings close to 1 mm would still allow 1&#176; of tilt angle, while adding more cantilevers can make the tilting control more difficult to realize. Therefore, using multiple groups of eight-cantilever probes placed on separated probe scanners is an ongoing effort to fully realize the potential of the parallel active cantilever probe principle.
After data collection, a post-processing operation is necessary to retrieve the desired information. The process generally involves removing scanning artifacts, stitching adjacent images to form an overall panorama, and optionally identifying the structure defects by comparing them to the desired geometry using suitable algorithms26. It is worth noting that the amount of data accumulated can be enormous for a large range of images, and data-driven learning algorithms are also being developed for more efficient processing27.
This article illustrates the general process of acquiring high-resolution AFM images using the parallel active cantilever array integrated into a custom AFM system. Detailed implementation of the system is available in22,28,29,30, and it is being commercialized with the model number listed in Table of Materials. All four cantilevers were operated in tapping mode excited by the embedded thermal-mechanical actuator. Representative results on calibration samples, nanofabrication masks, and highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) samples (see Table of Materials) are provided to illustrate the effectiveness of this new AFM tool for large-area inspection.

تسليط الضوء على المؤلف: مقدمة في الفحص المجهري للقوة الذرية للمسبار النشط مع صفائف ناتئ متوازية Quattro

مجهر القوة الذرية للمسبار النشط مع صفائف ناتئة متوازية Quattro لفحص العينات على نطاق واسع عالي الإنتاجية

Scanning probe microscopy based on novel micro electromechanical system probes are called active cantilevers. Cantilevers with integrated actuation and sensing provide several advantages over passive cantilevers, which rely on piezoelectric excitation and optical beam deflection measurement. The most recent development in this field is the realization of arrays of active cantilevers for high-throughput parallel SPM imaging.The arrays of active cantilevers use integrated piezoresistive sensors to offer sensitivity comparable to optical readout methods without diffraction limits to allow smaller, softer, and more compact AFM probes. The results of this technique paved the way for the operation and building of high-throughput atomic force microscopes using high-speed multichannel electronics. The advances in this technique can facilitate the faster and more reliable operation of massively parallel active cantilever systems in the future.

لإثبات فعالية التصوير واسع المدى AFM باستخدام ناتئات نشطة متوازية للتصوير الطبوغرافي ، يتم عرض الصور المخيطة لشبكة المعايرة ، التي تم التقاطها بواسطة أربعة ناتئات تعمل بالتوازي ، في الشكل 2. يتميز هيكل معايرة رقاقة السيليكون بميزات بطول 45 ميكرومتر بارتفاع 14 نانومتر. يغطي ك?...

Watch this Scientific Journal Video about Author Spotlight: Introduction to Active Probe Atomic Force Microscopy with Quattro-Parallel Cantilever Arrays at JoVE.com

يحتوي فحص العينات على نطاق واسع بدقة متناهية الصغر على مجموعة واسعة من التطبيقات ، خاصة بالنسبة لرقائق أشباه الموصلات النانوية. يمكن أن تكون مجاهر القوة الذرية أداة رائعة لهذا الغرض ، ولكنها محدودة بسبب سرعة التصوير. يستخدم هذا العمل صفائف ناتئ نشطة متوازية في AFMs لتمكين عمليات الفحص عالية الإنتاجية وواسعة النطاق.

An Atomic Force Microscope&#160;(AFM) is&#160;a powerful and versatile tool for nanoscale surface studies to capture 3D topography images of samples. ...

يطلق على مجهر مسبار المسح الضوئي القائم على مجسات النظام الكهروميكانيكي الدقيقة الجديدة الكابوليات النشطة. توفر الكابوليات ذات التشغيل والاستشعار المدمجين العديد من المزايا مقارنة بالناتئات السلبية ، والتي تعتمد على الإثارة الكهرضغطية وقياس انحراف الحزمة البصرية. أحدث تطور في هذا المجال هو تحقيق صفائف من الكابوليات النشطة لتصوير SPM المتوازي عالي الإنتاجية.تستخدم صفائف الكابوليات النشطة مستشعرات مدمجة مقاومة للضغط لتوفير حساسية مماثلة لطرق القراءة البصرية دون حدود الحيود للسماح بمجسات AFM أصغر حجما وأكثر ليونة وإحكاما. مهدت نتائج هذه التقنية الطريق لتشغيل وبناء مجاهر القوة الذرية عالية الإنتاجية باستخدام إلكترونيات متعددة القنوات عالية السرعة. يمكن للتقدم في هذه التقنية أن يسهل التشغيل الأسرع والأكثر موثوقية لأنظمة الكابولي النشطة المتوازية على نطاق واسع في المستقبل.

active-probe-atomic-force-microscopy-with-quattro-parallel-cantilever

Research

JoVE Journal

Engineering

Active Probe Atomic Force Microscopy with Quattro-Parallel Cantilever Arrays for High-Throughput Large-Scale Sample Inspection

1.1K Views.  Massachusetts Institute of Technology. يطلق على مجهر مسبار المسح الضوئي القائم على مجسات النظام الكهروميكانيكي الدقيقة الجديدة الكابوليات النشطة. توفر الكابوليات ذات التشغيل والاستشعار المدمجين العديد من المزايا مقارنة بالناتئات السلبية ، والتي تعتمد على الإثارة الكهرضغطية وقياس انحراف الحزمة البصرية. أحدث...

Video: تسليط الضوء على المؤلف: مقدمة في الفحص المجهري للقوة الذرية للمسبار النشط مع صفائف ناتئ متوازية Quattro

An Atomic Force Microscope&#160;(AFM) is&#160;a powerful and versatile tool for nanoscale surface studies to capture 3D topography images of samples. However, due to their limited imaging throughput, AFMs have not been widely adopted for large-scale inspection purposes. Researchers have developed high-speed AFM systems to record dynamic process videos in chemical and biological reactions at tens of frames per second, at the cost of a small imaging area of up to several square micrometers. In contrast, inspecting large-scale nanofabricated structures, such as semiconductor wafers, requires nanoscale spatial resolution imaging of a static sample over hundreds of square centimeters with high productivity. Conventional AFMs use a single passive cantilever probe with an optical beam deflection system, which can only collect one pixel at a time during AFM imaging, resulting in low imaging throughput. This work utilizes an array of active cantilevers with embedded piezoresistive sensors and thermomechanical actuators, which allows simultaneous multi-cantilever operation in parallel operation for increased imaging throughput. When combined with large-range nano-positioners and proper control algorithms, each cantilever can be individually controlled to capture multiple AFM images. With data-driven post-processing algorithms, the images can be stitched together, and defect detection can be performed by comparing them to the desired geometry. This paper introduces principles of the custom AFM using the active cantilever arrays, followed by a discussion on practical experiment considerations for inspection applications. Selected example images of silicon calibration grating, highly-oriented pyrolytic graphite, and extreme ultraviolet lithography masks are captured using an array of four active cantilevers (&#34;Quattro&#34;) with a 125 &#181;m tip separation distance. With more engineering integration, this high-throughput, large-scale imaging tool can provide 3D metrological data for extreme ultraviolet (EUV) masks, chemical mechanical planarization (CMP) inspection, failure analysis, displays, thin-film step measurements, roughness measurement dies, and laser-engraved dry gas seal grooves.

Large-scale sample inspection with nanoscale resolution has a wide range of applications, especially for nanofabricated semiconductor wafers. Atomic force microscopes can be a great tool for this purpose, but are limited by their imaging speed. This work utilizes parallel active cantilever arrays in AFMs to enable high-throughput and large-scale inspections.