使用Quattro-Parallel 悬臂阵列的主动探针原子力显微镜，用于高通量大规模样品检测

摘要

具有纳米级分辨率的大规模样品检测具有广泛的应用，特别是对于纳米制造的半导体晶圆。原子力显微镜可以成为实现这一目标的绝佳工具，但受到其成像速度的限制。这项工作利用原子力显微镜中的并行有源悬臂阵列来实现高通量和大规模检测。

摘要

原子力显微镜 （AFM） 是一种功能强大且用途广泛的纳米表面研究工具，用于捕获样品的 3D 形貌图像。然而，由于成像通量有限，AFM尚未被广泛用于大规模检测目的。研究人员开发了高速AFM系统，以每秒数十帧的速度记录化学和生物反应中的动态过程视频，但代价是成像面积很小，只有几平方微米。相比之下，检测半导体晶圆等大规模纳米加工结构需要对数百平方厘米的静态样品进行纳米级空间分辨率成像，且生产率很高。传统的原子力显微镜使用带有光束偏转系统的单个无源悬臂探头，在探力显微镜成像过程中一次只能采集一个像素，导致成像吞吐量低。这项工作利用一系列带有嵌入式压阻传感器和热机械致动器的有源悬臂，允许同时并行操作多悬臂操作，以提高成像吞吐量。当与大范围纳米定位器和适当的控制算法相结合时，每个悬臂都可以单独控制以捕获多个AFM图像。通过数据驱动的后处理算法，可以将图像拼接在一起，并通过将它们与所需的几何形状进行比较来执行缺陷检测。本文介绍了使用主动悬臂阵列的定制AFM的原理，然后讨论了检测应用的实际实验注意事项。硅校准光栅、高定向热解石墨和极紫外光刻掩模的选定示例图像使用四个有源悬臂（“Quattro”）阵列捕获，尖端间隔距离为 125 μm。随着更多的工程集成，这种高通量、大规模成像工具可以为极紫外 （EUV） 掩模、化学机械平坦化 （CMP） 检测、失效分析、显示、薄膜阶跃测量、粗糙度测量模具和激光雕刻的干气密封槽提供 3D 计量数据。

引言

原子力显微镜 （AFM） 可以捕获具有纳米级空间分辨率的 3D 形貌图像。研究人员扩展了AFM的能力，以在机械、电气、磁、光学和热域中创建样品属性图。与此同时，提高成像通量也是使AFM适应新实验需求的研究重点。高通量AFM成像主要有两个应用领域：第一类是小区域的高速成像，以捕获由于生物或化学反应引起的样品动态变化^1,2;第二类是用于在检测过程中对静态样品进行高空间分辨率、大规模成像，本文将对此进行详细讨论。随着晶体管尺寸缩小到纳米级，半导体行业迫切需要高通量原子力显微镜来检测具有纳米级空间分辨率的晶圆级纳米制造器件³。

由于晶圆和晶体管特征之间存在巨大的尺度差异，因此在晶圆上表征纳米制造器件可能具有挑战性。用光学显微镜可以自动发现大缺陷⁴.此外，扫描电子显微镜 （SEM） 广泛用于低至数十纳米的 2D⁵ 检测。对于 3D 信息和更高分辨率，如果可以提高其通量，AFM 是更合适的工具。

在成像通量有限的情况下，一种方法是对选定的晶圆区域进行成像，在这些区域中，纳米加工缺陷更容易发生⁶。这需要对设计和制造过程有先验知识。....

研究方案

1. 大规模检测样品制备

1. 为AFM准备合适尺寸的样品（参见 材料表）。
   注：面内直径为 75 mm 至 300 mm 且预期面外高度变化低于 200 μm 的晶圆形样品可以安装在 AFM 样品台上。在这项研究中，在 4 英寸晶圆上使用了极紫外 （EUV） 掩模（参见 材料表）。
2. 清洁样品以去除污染物，并将样品保存在洁净室或低尘环境中，例如真空室或氮气吹扫柜。
   1. 用压缩氮气喷枪吹扫样品，去除大粉尘颗粒，如果样品不与水反应，则用去离子水冲洗。为避免损坏样品，请使用低于 0.1 m³/min 的小流速。
   2. 或者，应用等离子清洗以去除有机污染物。将样品放入等离子处理机中。关闭腔室并将压力降至 600 mTorr。将样品暴露于等离子体中30秒进行清洁。
      注意：步骤 1.3.2 对于去除污染物是可选的。在这项研究中，制造和表征是在洁净室内进行的，因此不需要此步骤。
3. 确定合适的成像策略，包括感兴趣区域、扫描范围、空间/像素分辨率和扫描线速度。
   1. 确定样品是需要对多个较小的选定区域进行整体全景成像还是自动成像。
      注意：对于具有所需结构的纳米制造样品，通常更容易确定更容易出现缺陷的关键区域，以便进行检查。对于其他样品，拍摄低空间分辨率图像以快速概览，然后放大较小的感兴趣区域以获得高空....

结果

为了证明使用平行主动悬臂进行形貌成像的AFM大范围成像的有效性， 图2显示了由四个并联操作的悬臂拍摄的校准光栅的拼接图像。硅晶圆校准结构具有 45 μm 长的特征，高度为 14 nm。每个悬臂覆盖 125 μm x 125 μm 的面积，可提供 500 μm x 125 μm 的拼接全景图像。在幅度调制模式下，扫描速度设置为每秒 10 行，每行和通道 1,028 像素，因此完成此大面积扫描只需不到 2 分钟。

.......

讨论

如代表性结果所示，主动悬臂阵列可用于并行捕获静态样品的多个图像。这种可扩展的设置可以显著提高大面积样品的成像通量，使其适用于检测半导体晶圆上的纳米制造器件。该技术也不仅限于人造结构;只要一组活动悬臂内的形貌变化不是悬臂阵列处理的太大，就可以实现高通量成像。

除了实现高通量、大面积检测外，主动悬臂探针阵列在成像设置方面还具有多项优势。?.......

材料

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