המחברים Ivo W. Rangelow ו- Thomas Sattel מבקשים להודות למשרד הפדרלי הגרמני לחינוך ומחקר (BMBF) ולמשרד הפדרלי הגרמני לענייני כלכלה ופעילות אקלים (BMWK) על תמיכתם בחלקים מהשיטות המוצגות על ידי מימון הפרויקטים FKZ:13N16580 "בדיקות פעילות עם קצה יהלום למטרולוגיה קוונטית וננו-פבריקציה" במסגרת קו המחקר KMU-innovative: פוטוניקה וטכנולוגיות קוונטיות KK5007912DF1 "Conjungate Nano-Positioner-Scanner למשימות מטרולוגיות מהירות וגדולות במיקרוסקופיית כוח אטומי" במסגרת קו המימון תוכנית החדשנות המרכזית לתעשיות קטנות ובינוניות (ZIM). חלק מהעבודה המדווחת כאן מומנה על ידי תוכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי FP7/2007-2013 במסגרת הסכם מענק מס '318804 "ייצור ננומטר יחיד: מעבר ל- CMOS". המחברים Ivo W. Rangelow ו- Eberhard Manske מודים בהכרת תודה על התמיכה של Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) במסגרת קבוצת ההדרכה למחקר "3D-Nanofabrication מבוסס קצה ולייזר באזורי עבודה מקרוסקופיים מורחבים" (GRK 2182) באוניברסיטה הטכנית אילמנאו, גרמניה.

1. הכנת מדגם לבדיקה בקנה מידה גדול
<ol><li>הכינו את הדגימה בגודל המתאים ל-AFM (ראו טבלת חומרים). הערה: דגימות בצורת רקיק בקוטר In-plane מ-75 מ"מ עד 300 מ"מ ושינוי צפוי בגובה מחוץ למישור מתחת ל-200 מיקרומטר יכולות להתאים לשלב הדגימה של AFM. במחקר זה נעשה שימוש במסכת אולטרה סגול קיצוני (EUV) על רקיק בגודל 4 אינץ' (ראו טבלת חומרים).</li>
	<li>נקו את הדגימה כדי להסיר מזהמים ולשמור את הדגימות בתוך חדר נקי או סביבה דלת אבק, כגון תא ואקום או ארון מטוהר בחנקן.<ol><li>הסר חלקיקי אבק גדולים על ידי ניפוח הדגימה עם אקדח תרסיס חנקן דחוס, או שטוף במים נטולי יונים, אם הדגימה אינה מגיבה עם מים. כדי להימנע מפגיעה בדגימה, השתמש בקצב זרימה קטן מתחת ל-0.1 מ' 3/דקה.</li>
		<li>לחלופין, יש למרוח ניקוי פלזמה כדי להסיר מזהמים אורגניים. הכניסו את הדגימה למכונת הטיפול בפלזמה. סגור את התא ומשאב למטה את הלחץ ל 600 mTorr. חשוף את הדגימה לפלזמה במשך 30 שניות לניקוי. הערה: שלב 1.3.2 הוא אופציונלי להסרת זיהום. במחקר זה, הייצור והאפיון בוצעו בתוך חדר נקי, ולכן שלב זה לא היה נחוץ.</li>
	</ol></li>
	<li>זהה אסטרטגיות הדמיה מתאימות, כולל תחומי עניין, טווח סריקה, רזולוציה מרחבית/פיקסלים ומהירות קו הסריקה.<ol><li>קבע אם הדגימה זקוקה לפנורמה כוללת או להדמיה אוטומטית של מספר אזורים נבחרים קטנים יותר. הערה: עבור דגימות ננו-מפוברקות עם מבנים רצויים, לעתים קרובות קל יותר לקבוע את אזורי המפתח המועדים יותר לפגמים למטרות בדיקה. עבור דגימות אחרות, צילום תמונה ברזולוציה מרחבית נמוכה לקבלת סקירה מהירה, ולאחר מכן התקרבות לאזור העניין הקטן יותר להדמיה ברזולוציה מרחבית גבוהה יכולים להיות קלים יותר.</li>
		<li>הערך את גודל התכונות בהתבסס על ידע מוקדם של הדגימה כדי לקבוע את הרזולוציה המרחבית הרצויה לפתרון תכונות אלה.</li>
		<li>השתמשו ביחס בין טווח התמונה לרזולוציה המרחבית כדי לקבוע את רזולוציית הפיקסלים.</li>
		<li>בחר מהירות קו סריקה ראשונית בהתבסס על ניסיון קודם עם הדגימה, או השתמש בתוכנת מערכת AFM מאוחר יותר, בהתבסס על חומר הדגימה, דינמיקת הבדיקה והרזולוציה המרחבית הרצויה.</li>
	</ol></li>
</ol>2. כיול מכשירי AFM והגדרת ניסויים
<ol><li>בחר את מערך ה- AFM הפעיל המתאים. הערה: קשיחות ה-AFM Active Cantilever, תדירות התהודה הראשונה וחדות קצה הבדיקה שאינה בשימוש עבור כל Cantilever במערך הבדיקה מאופיינים מייצור. ניתן לאחזר את הנתונים מהיצרן ולטעון אותם לתוכנה באופן אוטומטי לפני ההדמיה. בחירת המזנון המתאים המומלץ על ידי התוכנה בהתבסס על חומר הדגימה או היישום מועילה כדי להבטיח הדמיה מוצלחת. בשל שונות הייצור, המאפיינים של כל מזנון יכולים להיות שונים אך ברמה דומה.</li>
	<li>הפעל את AFM על-ידי הפעלת הכוח הראשי של הבקר והמתן לאתחול המערכת. הפעל את המחשב המארח ופתח את תוכנת מערכת AFM.</li>
	<li>בצע התקנת בדיקה פעילה.<ol><li>הרם את סורק הבדיקה למעלה על ידי לחיצה על התקנת קנטיליבר פעיל. המתן עד שבעל הבדיקה יתרומם משלב הדגימה ויפסיק באופן אוטומטי.</li>
		<li>הרכיבו ואבטחו את מערך הגשושיות AFM על מחזיק הבדיקה. הערה: מערכי ה-AFM מחוברים למחזיק בצורת כרטיס ננו-SD וניתן לטפל בהם ישירות ביד לצורך התקנת בדיקה. עם ההבדל המהותי בעקרונות החישה וההפעלה, אין צורך לבצע יישור לייזר כלשהו.</li>
		<li>לחץ על הגדרות הבדיקה האוטומטיות וטען את פרטי הבדיקה שסופקו על ידי היצרן (ראה טבלת חומרים). ודא להתאים את המספר הסידורי בבדיקה ובתוכנה.</li>
		<li>בצע טאטוא תדר בדיקה כדי לאמת את התהודה של כל מיכל להדמיה. לחץ על Cantilever Tuning ולחץ על Sweep בחלון הקופץ. ציין את תדירות ההתחלה ותדירות הסיום אם הטווח ידוע. אם לא, התוכנה תעדכן באופן אוטומטי את הערכים באמצעות הגדרות ברירת המחדל. הערה: שלב זה הוא, באופן עקרוני, אופציונלי עבור בדיקות חדשות מכיוון שהן כוילו לאחר הייצור. עם זאת, עבור בדיקות שהיו בשימוש בעבר, מומלץ לבצע טאטוא זה רק במקרה שתכונות כלשהן השתנו במהלך הפעולה הקודמת (למשל, התקשרות של חלקיקים מזהמים המזיזים את התהודה הקנטיליברית). בשל הפעלה תרמומכנית, כוח החימום פרופורציונלי לריבוע מתח הנסיעה. עבור הקשה על פעולה במצב ללא מגע, נוצרת הרמונית שנייה של רכיב גל הסינוס של מתח הכניסה עקב היחס הריבועי במשוואה 2. הרמונית שנייה זו מותאמת בדרך כלל לתהודה הקנטיליוורית במהלך העירור, מכיוון שאות ההיסט של זרם ישר (DC) אינו משפיע על המשרעת שלו. לכן, רכיבי DC שולטים בסטיית הקנטיליבר הממוצעת, ורכיב זרם החילופין (AC) של אות הכונן מוגדר אוטומטית למחצית מתדר התהודה של הקנטיליבר לצורך הדמיה.</li>
	</ol></li>
	<li>טען ואבטח את הדגימה במקומה. ודא שהמשטח התחתון במגע עם הדגימה מקביל למשטח העליון עם התכונות שיש לצלם. כוונן את הטיית שלב הדגימה באמצעות ידיות המיקרומטר כדי להבטיח שהדגימה שטוחה. הוסף ספייסרים אם ההטיה גדולה מדי כדי שמיקומי הכוונון העדינים יוכלו לפצות עליה.</li>
	<li>התאם את מיקום XY במישור של הדגימה באמצעות המיקרומטר על במת AFM. השתמש בתמונת מיקרוסקופ אופטי כדי לאתר את אזור העניין ולמקם את המיקום היחסי של מערך הקנטיל על אזור העניין הראשון שיש לצלם.</li>
	<li>קבע קואורדינטה גלובלית על ידי לחיצה על כפתור XYZ Zero . הערה: ליצירת תמונה פנורמית, שלב זה יכול להתבצע בערך באמצעות תצוגת המיקרוסקופ האופטי. בעת הדמיה של אזורים נבחרים של דגימה ננו-מפוברקת, ייתכן שיהיה צורך ליישר במדויק את קואורדינטת XYZ של ציוד הייצור עם קואורדינטת AFM. שלב זה יכול להתבצע בצורה מדויקת יותר על ידי ביצוע הדמיה AFM ולחיצה על כפתור XYZ Zero שוב.</li>
	<li>סגור ואטם את המגן האקוסטי. הערה: המגן האקוסטי מסייע בהפחתת התפשטות הרעידות באוויר. יתר על כן, הכיסוי האטום יכול גם להפחית את הסיכוי של חלקיקי אבק לנחות על הדגימה, שכן הדמיה בקנה מידה גדול יכול לקחת זמן רב כדי להשלים. כיסוי מגן זה יכול להיות אופציונלי בסביבת חדר נקי ללא מקורות רטט.</li>
</ol>3. הדמיית טופוגרפיה וכוונון פרמטרים
<ol><li>בחר בכרטיסייה Imaging Parameter Setup (מצב עצמי פעיל cantilever, מהירות סריקה, נקודת הגדרה וכו') והזן את פרמטרי ההדמיה הרצויים.<ol><li>לתמונה פנורמית אחת, הזינו את הקואורדינטות של הפינה השמאלית העליונה של התמונה ואת גודל הסריקה. להדמיה אוטומטית של אזורים נבחרים מרובים, חזור על תהליך זה עבור כל האזורים לתמונה. הוסיפו ריווח נוסף מסביב לאזור ההדמיה לתפירת תמונה לאחר עיבוד. הערה: במחקר הנוכחי, הפינה השמאלית העליונה של מסיכת EUV הוגדרה עם תכונות מוגדרות מראש, והמערכת הוגדרה לצלם ארבע תמונות עם 130 מיקרומטר על 130 מיקרומטר בו זמנית באמצעות כל קנטילבר.</li>
		<li>הזן את רזולוציית הפיקסלים הרצויה במישור (בדרך כלל אלפי פיקסלים לקו סריקה) והשתמש במהירות ברירת המחדל המומלצת של סריקת קו מהתוכנה לצורך הדמיה. במידת הצורך, התאם ידנית את מהירות סריקת הקו עבור כל אזור לתמונה. הערה: במחקר זה, רזולוציית פיקסלים של 26,000 פיקסלים לשורה, המקבילה ל- 5 ננומטר לפיקסל, שימשה לקבלת תמונות ברזולוציה גבוהה.</li>
		<li>עבור מצב ללא מגע, השתמש באמפליטודת הכונן, התדירות ונקודת ההגדרה המוגדרים כברירת מחדל בתוכנה המתקבלים ממאפייני ה- cantilever, או הזן ידנית את נקודת ההגדרה עבור כל cantilever במערך. השאר את הגדרות בקר PID כברירת מחדל.</li>
	</ol></li>
	<li>הפעל את מערך הבדיקה הפעיל עם הדגימה.<ol><li>לחץ על Initialize Cantilever כדי לכופף מראש את הקנטיליבר לפני ההדמיה.</li>
		<li>לחץ על Start Non-Contact Drive כדי לעורר את התהודה של cantilever.</li>
		<li>לחץ על Engage כדי לאפשר למערכת להביא את הדגימה ואת הבדיקה באופן אוטומטי למגע. ההדמיה תתחיל באופן אוטומטי לאחר השלמת שלב זה.</li>
	</ol></li>
	<li>התאם את הפרמטרים של בקר PID עבור כל מיכל בהתבסס על המעקב/התמונה הסרוקים. התאם את פרמטרי PID כדי לשפר את ההתאמה בין קווי המעקב והמעקב, דבר המסייע ללכוד את שינויי הטופוגרפיה. ניתן גם לכוונן את מהירות ההדמיה בהתאמה כדי לשפר את ביצועי מעקב הטופוגרפיה.</li>
	<li>שמור את הנתונים הנוכחיים על המסך על ידי לחיצה על להציל לחצן. הנתונים גם יישמרו אוטומטית במהלך הסריקה בסוף כל מסגרת.</li>
	<li>הפסק את ההדמיה על ידי לחיצה על כפתור עצור . המערכת תפסיק את ההדמיה ותמשוך אוטומטית את מערך הקנטיליבר מהדגימה. כונן cantilever ייעצר גם כך שיהיה בטוח להסיר את הבדיקה.</li>
	<li>הסר את הבדיקה ואת הדגימה בזהירות וכבה את המערכת.</li>
</ol>4. עיבוד לאחר וניתוח תמונה
<ol><li>פתח את תוכנת ניתוח התמונות AFM שסופקה על-ידי הספק.<ol><li>לחצו על 'תהליך אוטומטי' להחלת רצף ברירת המחדל לאחר העיבוד, כולל תיקון הטיית דגימה, הסרה חריגה ברמת הפיקסל והתאמת קו סריקה.</li>
		<li>החל תיקונים נוספים על פגמים בתמונה באופן ידני מהתבוננות בתמונות. עם מכשירי AFM מתקדמים, פגמים כאלה הם נדירים, אך עדיין ניתן לשפר תמונות באמצעות שלבים אלה. הערה: עבור כמויות גדולות של תמונות, ניתן להפוך את התהליך לאוטומטי באמצעות סקריפטים של מאקרו או Python באמצעות עיבוד אצווה באותה פעולה. זה לא נדרש למחקר הנוכחי.</li>
	</ol></li>
	<li>השתמש בתוכנה כדי ליצור תמונה פנורמית על ידי לחיצה על כפתור תמונת פנורמה ובחירת תמונות מרובות לתפירה. הערה: תפירת תמונות מתבצעת באופן אוטומטי באמצעות השטח החופף של התמונות הסמוכות. לחלופין, מיזוג תמונות מנסה למקסם את המתאם של הפיקסלים החופפים בקצוות. אפשרויות שונות זמינות בפקודות אלה וניתן למטב אותן כדי לשפר את ביצועי המיזוג הכוללים.</li>
	<li>שמור את הנתונים לניתוח נוסף בהתבסס על המדגם הספציפי.</li>
</ol>

מערכי קנטיליבר פעילים מקבילים ב-AFMS כדי לאפשר בדיקות בתפוקה גבוהה

<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>

למחברים אין ניגודי עניינים.

כפי שהודגם בתוצאות המייצגות, ניתן להשתמש במערך קנטליבר פעיל כדי ללכוד תמונות מרובות של דגימה סטטית במקביל. התקנה ניתנת להרחבה זו יכולה לשפר באופן משמעותי את תפוקת ההדמיה של דגימות בשטח גדול, מה שהופך אותה למתאימה לבדיקת התקנים ננו-מפוברקים על פרוסות מוליכים למחצה. הטכניקה אינה מוגבלת גם ל...

מיקרוסקופי כוח אטומי (AFM) יכולים ללכוד תמונות טופוגרפיה תלת-ממדיות ברזולוציה מרחבית ננומטרית. חוקרים הרחיבו את היכולת של AFMs ליצור מפות מאפיינים לדוגמה בתחומים מכניים, חשמליים, מגנטיים, אופטיים ותרמיים. בינתיים, שיפור תפוקת ההדמיה עמד גם במוקד המחקר להתאמת AFM לצרכים ניסיוניים חדשים. ישנם בעיקר שני תחומי יישום עבור דימות AFM בתפוקה גבוהה: הקטגוריה הראשונה היא הדמיה במהירות גבוהה של שטח קטן כדי ללכוד שינויים דינמיים בדגימה עקב תגובות ביולוגיות או כימיות 1,2; הקטגוריה השנייה היא עבור רזולוציה מרחבית גבוהה, הדמיה בקנה מידה גדול של דגימות סטטיות במהלך בדיקה, אשר נדון בפירוט בעבודה זו. כאשר גודל הטרנזיסטור מתכווץ עד לקנה מידה ננומטרי, תעשיית המוליכים למחצה זקוקה בדחיפות ל- AFM בתפוקה גבוהה כדי לבדוק התקנים ננומטריים בקנה מידה של פרוסות עם רזולוציה מרחבית ננומטרית3.
אפיון התקנים ננו-מפוברקים על פרוסה יכול להיות מאתגר בשל ההבדל העצום בקנה מידה בין רקיק ותכונות טרנזיסטור. פגמים גדולים ניתן לאתר באמצעות מיקרוסקופים אופטיים באופן אוטומטי4. בנוסף, מיקרוסקופי אלקטרונים סורקים (SEMs) נמצאים בשימוש נרחב לבדיקה עד עשרות ננומטרים בדו-ממד5. לקבלת מידע תלת-ממדי ורזולוציה גבוהה יותר, AFM הוא כלי מתאים יותר אם ניתן לשפר את התפוקה שלו.
עם תפוקת הדמיה מוגבלת, גישה אחת היא לצלם אזורי פרוסות נבחרים שבהם סביר יותר שיתרחשו פגמים בננו-פבריקציה6. זה ידרוש ידע מוקדם של תהליך העיצוב והייצור. לחלופין, שילוב של שיטות אחרות, כגון מיקרוסקופ אופטי או SEM עם AFM לסקירה כללית וזום, אפשרי 7,8. יש צורך במערכת מיקום רחבת טווח ומדויקת כדי ליישר כראוי את מערכת הקואורדינטות בין כלי הייצור והאפיון. יתר על כן, מערכת AFM אוטומטית כדי לצלם אזורים נבחרים שונים יש צורך לממש פונקציונליות זו.
כחלופה, חוקרים חקרו דרכים שונות להגביר את מהירות סריקת AFM. מכיוון שהפעלת AFM בתפוקה גבוהה היא אתגר מכשור מדויק שיטתי, חוקרים חקרו שיטות שונות, כולל שימוש בבדיקות AFM קטנות יותר, תכנון מחדש של ננו-מיקומים בעלי רוחב פס גבוה 9,10,11,12 והנעת אלקטרוניקה 13, אופטימיזציה של מצבי פעולה, אלגוריתמים לבקרת הדמיה 14,15,16,17וכו. באמצעות מאמצים אלה, ניתן להגדיל את החוד היחסי האפקטיבי ואת מהירות הדגימה למקסימום של כעשרות מילימטרים לשנייה עבור מערכות AFM בעלות בדיקה יחידה הזמינות מסחרית.
כדי לשפר עוד יותר את תפוקת ההדמיה, הוספת גשושיות מרובות שיפעלו במקביל היא פתרון טבעי. עם זאת, מערכת הטיית הקרן האופטית (OBD) המשמשת לחישת הסטה היא מגושמת יחסית, מה שהופך את התוספת של גשושיות מרובות למאתגרת יחסית. בקרת הסטה בודדת יכולה גם להיות קשה למימוש.
כדי להתגבר על מגבלה זו, עדיפים עקרונות חישה משובצים והפעלה ללא רכיבים חיצוניים מגושמים. כפי שפורט בדוחותשפורסמו בעבר 18,19, חישת סטייה עם עקרונות פיאזו-התנגדותיים, פיאזואלקטריים ואופטומכניים יכולה להיחשב כחישה משובצת, כאשר שני הראשונים בוגרים יותר וקלים יותר ליישום. עבור הפעלה משובצת, תרמומכני עם חימום חשמלי או עקרונות פיאזואלקטריים ניתן להשתמש שניהם. למרות שעקרונות פיאזואלקטריים יכולים לפעול בטווח טמפרטורות רחב יותר עד סביבות קריוגניות, הם יכולים לתמוך רק בפעולות AFM במצב הקשה, מכיוון שלא ניתן למדוד סטייה סטטית עקב דליפת המטען וההפעלה הסטטית הסובלת מהיסטרזיס וזחילה. בעבודה קודמת, מערכי בדיקה אקטיביים באמצעות חיישן פיאזו-התנגדותי והחיישן הפיזואלקטרי פותחו עבור הדמיה לטווח גדול20,21, אך לא הורחבו עוד יותר להדמיה בקנה מידה גדול או מוסחרו. בעבודה זו, השילוב של חישה פיאזו-התנגדותית והפעלה תרמומכנית נבחרים כמתמרים משובצים בעלי יכולת בקרת סטייה סטטית.
בעבודה זו, מערך קנטיליבר פעיל מקבילי "קוואטרו" 22 חדש משמש כבדיקה23 להדמיה סימולטנית באמצעות קנטיליברים פעילים. כדי למדוד את סטיית הקנטיליבר, חיישנים פיאזו-התנגדותיים בתצורת גשר ויטסטון19 מיוצרים בננו-ייצור בבסיס כל מיקרו-קנטיליבר כדי למדוד את הלחץ הפנימי, שהוא פרופורציונלי באופן ליניארי לסטיית קצה הקנטיליבר. חיישן משובץ קומפקטי זה יכול גם להשיג רזולוציה תת-ננומטרית כמו חיישן OBD הקונבנציונאלי. המשוואה השולטת של פלט המתח Uשלגשר ויטסטון בתגובה לכוח המופעל F או סטיית הקנטליבר z מוצגת במשוואה 119 עבור קנטליבר עם אורך L, רוחב W ועובי H, מקדם חיישן פיאזוהתנגדותי PR, ומודולוס אלסטי יעיל של מתח אספקת גשר E Ub.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65210/65210eq01.jpg" style="margin: auto;">(1)
מכיוון שפעולת הקשה דינמית / מצב ללא מגע מועדפת להדמיה לא פולשנית כדי למנוע הפרעה לדגימה, נעשה שימוש במפעיל תרמומכני העשוי מחוטי אלומיניום בצורת סרפנטין כדי לחמם את מיכל הבימורף העשוי מסגסוגת אלומיניום/ מגנזיום 24, סיליקון וחומרי תחמוצת סיליקון. בקנה מידה מיקרוסקופי, קבוע הזמן של תהליכים תרמיים הוא הרבה יותר קטן, ואת התהודה cantilever בעשרות עד מאות קילוהרץ ניתן לעורר על ידי הפעלת תנור עם אות חשמלי. סטיית הקצה החופשי zhהנשלטת על ידי טמפרטורת החימום ΔT האווירה היחסית מוצגת במשוואה 219עבור אורך הקנטיליבר L עם K קבוע, בהתאם למקדם התרמו-חומר הבימורפי של ההתפשטות ולעובי ושטח גיאומטריים. יש לציין כי ה- ΔT פרופורציונלי לכוח החימום P, השווה לריבוע המתח V המופעל חלקי התנגדותו R.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65210/65210eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
כיתרון נוסף, ניתן לשלוט גם בסטייה סטטית בנוסף לעירור תהודה. זו יכולה להיות יכולת מועילה במיוחד לווסת את האינטראקציה בין דגימת הבדיקה של כל אחד בנפרד. יתר על כן, ניתן לעורר מספר מיכלים על אותו שבב בסיס בנפרד עם המפעיל התרמומכני המשובץ, דבר שאינו אפשרי בעירור תהודה קונבנציונלי עם גלים אקוסטיים שנוצרו על ידי פיאזו.
בשילוב של חישה פיאזו-התנגדותית והפעלה תרמומכנית, הגשושית האקטיבית אפשרה מגוון רחב של יישומים, כולל מיקרוסקופ AF משולב במיקרוסקופ SE, הדמיה בנוזל אטום וליתוגרפיית בדיקה סורקת, עם פרטים נוספים זמינים בסקירה25. למטרות בדיקה בתפוקה גבוהה, מערך הקנטיליבר הפעיל נוצר עם דוגמה מייצגת ליישום AFM הכוללת ארבעה קנטילברים מקבילים, כפי שמוצג באיור 1. בעתיד תפותח מערכת בקנה מידה תעשייתי באמצעות שמונה קנטיליברים פעילים מקבילים ועשרות ממקמים28. כדי להמחיש את קנה המידה באמצעות דוגמה, עם רזולוציה מרחבית במישור של 100 ננומטר, הדמיה של שטח של 100 מ"מ על 100 מ"מ תוביל ליותר מ-106 קווי סריקה ו-1012 פיקסלים. עם מהירות סריקה של 50 מ"מ לשנייה לכל קנטילבר, זה ידרוש סך של מעל 555.6 שעות סריקה (23+ ימים) עבור מיכל יחיד, שהוא ארוך מדי מכדי להיות שימושי מבחינה מעשית. באמצעות טכנולוגיית מערך הקנטליברים האקטיבי עם עשרות מיקומים, ניתן לקצר את זמן ההדמיה הנדרש בכשני סדרי גודל ל-5-10 שעות (פחות מחצי יום) מבלי להתפשר על הרזולוציה, שהיא סולם זמן סביר למטרת בדיקה תעשייתית.
כדי לצלם תמונות בשטח גדול וברזולוציה גבוהה, מערכת מיקום הננו משודרגת גם היא. עבור הדמיה של דגימות גדולות בקנה מידה של רקיקות, עדיף לסרוק את הבדיקה במקום הדגימה, על מנת להקטין את גודל האובייקטים המוזזים. כאשר מרחק ההפרדה בין המכלים הפעילים הוא 125 מיקרומטר, הסורק מכסה שטח מעט גדול יותר מטווח זה, כך שניתן לתפור יחד תמונות מכל מיכל במהלך העיבוד שלאחר העיבוד. עם השלמת הסריקה, הממקם הגס מחדש באופן אוטומטי את הגשושית לאזור סמוך חדש כדי להמשיך בתהליך ההדמיה. בעוד שהאקטואטורטורה התרמומכנית המשובצת מווסתת את הסטייה של כל קנטילבר, הסטייה הממוצעת של כל הקנטליברים המקבילים מווסתת באמצעות בקר נוסף פרופורציונלי-אינטגרלי-נגזרת (PID) כדי לסייע לקנטילברים במהלך מעקב טופוגרפי. בקר הסורק גם מבטיח שהכיפוף של כל מיכל לא יעלה על ערך סף מרבי, מה שעלול לגרום לגשושיות אחרות לאבד מגע עם המשטח אם השונות בטופוגרפיה גדולה מדי.
רמת השונות הטופוגרפית שניתן לעקוב אחריה עבור קנטילברים על אותו שבב בסיס אם היא מוגבלת, שכן טווח בקרת הסטייה הסטטית של הקנטיל הוא בסדר גודל של עשרות מיקרונים. עבור פרוסות מוליכים למחצה, וריאציות טופוגרפיית הדגימה הן בדרך כלל בקנה מידה תת-מיקרומטרי, כך שהן לא אמורות להוות בעיה גדולה. עם זאת, עם תוספת של cantilevers יותר, הטיה מישור הדגימה ביחס לקו של cantilevers יכול להיות בעיה. בפועל, שמונה קנטילברים מקבילים עם מרווחים קרובים ל-1 מ"מ עדיין יאפשרו זווית הטיה של 1°, בעוד שהוספת קנטילרים נוספים יכולה להקשות על מימוש בקרת ההטיה. לכן, שימוש בקבוצות מרובות של גשושיות בעלות שמונה קנטיליוור הממוקמות על סורקי בדיקה נפרדים הוא מאמץ מתמשך לממש באופן מלא את הפוטנציאל של עקרון הגשושית הפעילה המקבילה.
לאחר איסוף הנתונים, יש צורך בפעולה שלאחר עיבוד כדי לאחזר את המידע הרצוי. התהליך כולל בדרך כלל הסרת חפצים סורקים, תפירת תמונות סמוכות ליצירת פנורמה כוללת, ואפשרות לזיהוי פגמים במבנה על ידי השוואתם לגיאומטריה הרצויה באמצעות אלגוריתמים מתאימים26. ראוי לציין כי כמות הנתונים שנצברו יכולה להיות עצומה עבור מגוון רחב של תמונות, ואלגוריתמי למידה מונחי נתונים מפותחים גם לעיבוד יעיל יותר27.
מאמר זה מדגים את התהליך הכללי של רכישת תמונות AFM ברזולוציה גבוהה באמצעות מערך הקנטליברות הפעיל המקבילי המשולב במערכת AFM מותאמת אישית. יישום מפורט של המערכת זמין ב 22,28,29,30, והוא נמצא במסחור עם מספר הדגם המופיע בטבלת החומרים. כל ארבעת הקנטילברים הופעלו במצב הקשה המופעל על ידי המפעיל התרמי-מכני המשובץ. תוצאות מייצגות על דגימות כיול, מסכות ננו-ייצור ודגימות גרפיט פירוליטי (HOPG) בעלות אוריינטציה גבוהה (ראה טבלת חומרים) מסופקות כדי להמחיש את יעילותו של כלי AFM חדש זה לבדיקת שטחים גדולים.

<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

מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) הוא כלי רב עוצמה ורב-תכליתי למחקרי שטח ננומטריים ללכידת תמונות טופוגרפיה תלת-ממדיות של דגימות. עם זאת, בשל תפוקת ההדמיה המוגבלת שלהם, AFMs לא אומצו באופן נרחב למטרות בדיקה בקנה מידה גדול. חוקרים פיתחו מערכות AFM מהירות להקלטת סרטוני תהליך דינמי בתגובות כימיות וביולוגיות בקצב של עשרות פריימים לשנייה, במחיר של שטח הדמיה קטן של עד כמה מיקרומטרים רבועים. לעומת זאת, בדיקת מבנים ננו-מיוצרים בקנה מידה גדול, כגון פרוסות מוליכים למחצה, דורשת הדמיה ברזולוציה מרחבית ננומטרית של דגימה סטטית על פני מאות סנטימטרים רבועים עם פרודוקטיביות גבוהה. מערכות מיקוד אוטומטי קונבנציונליות משתמשות בגשושית פסיבית יחידה עם מערכת הטיית אלומה אופטית, שיכולה לאסוף רק פיקסל אחד בכל פעם במהלך דימות AFM, וכתוצאה מכך תפוקת הדמיה נמוכה. עבודה זו עושה שימוש במערך של מכלים פעילים עם חיישנים פיאזו-התנגדותיים משובצים ומפעילים תרמומכניים, המאפשרים הפעלה סימולטנית מרובת קנטיליוור בפעולה מקבילית להגדלת תפוקת ההדמיה. בשילוב עם ננו-מיקומים בעלי טווח גדול ואלגוריתמי בקרה מתאימים, ניתן לשלוט בנפרד בכל כלי כדי ללכוד תמונות AFM מרובות. בעזרת אלגוריתמים מבוססי נתונים לאחר עיבוד, ניתן לתפור את התמונות זו לזו, ולבצע זיהוי פגמים על ידי השוואתן לגיאומטריה הרצויה. מאמר זה מציג עקרונות של AFM מותאם אישית באמצעות מערכי cantilever פעיל, ואחריו דיון על שיקולי ניסוי מעשי עבור יישומי בדיקה. תמונות נבחרות לדוגמה של סורגי כיול סיליקון, גרפיט פירוליטי בעל אוריינטציה גבוהה ומסיכות ליתוגרפיה אולטרה סגולות קיצוניות מצולמות באמצעות מערך של ארבעה מכלים פעילים ("קוואטרו") עם מרחק הפרדת קצה של 125 מיקרומטר. עם אינטגרציה הנדסית רבה יותר, כלי הדמיה בקנה מידה גדול ובעל תפוקה גבוהה זה יכול לספק נתונים מטרולוגיים תלת-ממדיים עבור מסכות אולטרה סגולות קיצוניות (EUV), בדיקת פלנריזציה מכנית כימית (CMP), ניתוח כשלים, תצוגות, מדידות צעדים של סרט דק, מתים למדידת חספוס וחריצי אטם גז יבש חרוטים בלייזר.

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.

מחבר זרקור: מבוא למיקרוסקופ כוח אטומי של בדיקה פעילה עם מערכי קנטיליבר קוואטרו-מקביליים

מיקרוסקופ כוח אטומי פעיל של בדיקה עם מערכי קנטיליבר קוואטרו-מקביליים לבדיקת דגימות בקנה מידה גדול בתפוקה גבוהה

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.

כדי להדגים את היעילות של הדמיה לטווח גדול של AFM באמצעות קנטיליברים פעילים מקבילים לדימות טופוגרפי, התמונות התפורים של סורג כיול, שצולמו על-ידי ארבעה קנטילברים הפועלים במקביל, מוצגות באיור 2. מבנה כיול פרוסות הסיליקון הוא בעל תכונות באורך 45 מיקרומטר עם גובה של 14 ננומטר. כל מי...

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

לבדיקת דגימה בקנה מידה גדול עם רזולוציה ננומטרית יש מגוון רחב של יישומים, במיוחד עבור פרוסות מוליכים למחצה ננו-מפורקות. מיקרוסקופ כוח אטומי יכול להיות כלי נהדר למטרה זו, אך מוגבל על ידי מהירות ההדמיה שלהם. עבודה זו משתמשת במערכי קנטיליבר פעילים מקבילים ב- AFM כדי לאפשר בדיקות בתפוקה גבוהה ובקנה מידה גדול.

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

מיקרוסקופ בדיקה סורק המבוסס על מערכת מיקרו אלקטרומכנית חדשנית בדיקות נקראות קנטיליברות פעילות. קנטילברות עם הפעלה וחישה משולבות מספקות מספר יתרונות על פני קנטילברות פסיביות, המסתמכות על עירור פיאזואלקטרי ומדידת סטיית קרן אופטית. הפיתוח האחרון בתחום זה הוא מימוש מערכים של מזנונים פעילים להדמיית SPM מקבילית בתפוקה גבוהה.המערכים של המזנונים הפעילים משתמשים בחיישנים פיאזו-התנגדותיים משולבים כדי להציע רגישות דומה לשיטות קריאה אופטיות ללא מגבלות עקיפה כדי לאפשר בדיקות AFM קטנות, רכות וקומפקטיות יותר. התוצאות של טכניקה זו סללו את הדרך להפעלה ובנייה של מיקרוסקופי כוח אטומי בתפוקה גבוהה באמצעות אלקטרוניקה רב-ערוצית במהירות גבוהה. ההתקדמות בטכניקה זו יכולה להקל על פעולה מהירה ואמינה יותר של מערכות פעילות מקבילות מסיביות בעתיד.

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. מיקרוסקופ בדיקה סורק המבוסס על מערכת מיקרו אלקטרומכנית חדשנית בדיקות נקראות קנטיליברות פעילות. קנטילברות עם הפעלה וחישה משולבות מספקות מספר יתרונות על פני קנטילברות פסיביות, המסתמכות על עירור פיאזואלקטרי ומדידת סטיית קרן אופטית. הפיתוח האחרון בתחום זה הוא מימוש מערכים ש...

Video: מחבר זרקור: מבוא למיקרוסקופ כוח אטומי של בדיקה פעילה עם מערכי קנטיליבר קוואטרו-מקביליים

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.