クワトロパラレルカンチレバーアレイを用いたアクティブプローブ原子間力顕微鏡によるハイスループット大規模サンプル検査(英語)

要約

ナノスケールの分解能による大規模なサンプル検査は、特にナノ加工された半導体ウェーハにおいて、幅広い用途があります。原子間力顕微鏡は、この目的のための優れたツールとなり得ますが、イメージング速度によって制限されます。本研究では、AFMに並列アクティブカンチレバーアレイを採用し、ハイスループットかつ大規模な検査を可能にしています。

要約

原子間力顕微鏡(AFM)は、試料の3Dトポグラフィー画像をキャプチャするためのナノスケール表面研究のための強力で汎用性の高いツールです。しかし、AFMはイメージングスループットが限られているため、大規模な検査目的に広く採用されていませんでした。研究者は、最大数平方マイクロメートルの小さなイメージング領域を犠牲にして、化学反応および生物学的反応の動的プロセスビデオを毎秒数十フレームで記録する高速AFMシステムを開発しました。一方、半導体ウエハーなどの大規模なナノ加工構造の検査では、数百平方センチメートルを超える静的試料をナノスケールの空間分解能で高い生産性でイメージングする必要があります。従来のAFMは、光ビーム偏向システムを備えた単一のパッシブカンチレバープローブを使用しており、AFMイメージング中に一度に1つのピクセルしか収集できないため、イメージングスループットが低くなっていました。この作業では、ピエゾ抵抗センサーと熱機械アクチュエーターが埋め込まれた一連のアクティブカンチレバーを利用しており、マルチカンチレバー操作と並列操作を同時に行うことができ、イメージングスループットが向上します。広範囲のナノポジショナーと適切な制御アルゴリズムと組み合わせることで、各カンチレバーを個別に制御して複数のAFM画像をキャプチャできます。データ駆動型の後処理アルゴリズムにより、画像をつなぎ合わせ、目的の形状と比較することで欠陥検出を実行できます。本稿では、アクティブカンチレバーアレイを用いたカスタムAFMの原理を紹介し、その後、検査アプリケーションにおける実践的な実験の考慮事項について議論します。シリコンキャリブレーショングレーティング、高配向熱分解グラファイト、極端紫外線リソグラフィーマスクの画像は、先端分離距離125μmの4つのアクティブカンチレバー(「クワトロ」)のアレイを使用して撮影されています。さらにエンジニアリングの統合により、このハイスループットで大規模なイメージングツールは、極端紫外線(EUV)マスク、化学機械平坦化(CMP)検査、故障解析、ディスプレイ、薄膜ステップ測定、粗さ測定ダイ、およびレーザー彫刻されたドライガスシール溝の3D計測データを提供できます。

概要

原子間力顕微鏡(AFM)は、ナノスケールの空間分解能で3Dトポグラフィー画像を撮影することができます。研究者は、AFMの機能を拡張して、機械的、電気的、磁気的、光学的、および熱的領域でサンプル特性マップを作成しました。一方、イメージングスループットの向上は、AFMを新しい実験ニーズに適合させるための研究の焦点でもあります。ハイスループットAFMイメージングには、主に2つのアプリケーションドメインがあります:最初のカテゴリは、生物学的または化学反応によるサンプルの動的変化を捉えるための小さな領域の高速イメージングです^1,2;2つ目のカテゴリーは、検査中の静的サンプルの高空間分解能、大規模イメージング用で、これについては本研究で詳しく説明しています。トランジスタのサイズがナノスケールにまで微細化する中、半導体業界では、ウェーハスケールのナノ加工デバイスをナノスケールの^{空間分解能}で検査するためのハイスループットAFMが緊急に必要とされています3。

ウェーハ上のナノファブリケーションデバイスの特性評価は、ウェーハとトランジスタの特性が大きく異なるため、困難な場合があります。大きな欠陥は光学顕微鏡で自動的に発見できます⁴.また、走査型電子顕微鏡(SEM)は、2D

プロトコル

1. 大規模検査のための試料作製

1. AFMに適したサイズのサンプルを調製します( 材料表を参照)。
   注:面内直径が75mmから300mmで、面外の高さの変動が200μm未満と予想されるウェーハ形状のサンプルは、AFMサンプルステージに収まります。この研究では、4インチウェーハ上の極端紫外線(EUV)マスクを使用します( 材料表を参照)。
2. サンプルを洗浄して汚染物質を除去し、サンプルをクリーンルームまたは真空チャンバーや窒素パージキャビネットなどの粉塵の少ない環境内に保管してください。
   1. 圧縮窒素スプレーガンでサンプルを吹き飛ばして大きな粉塵粒子を除去するか、サンプルが水と反応しない場合は脱イオン水ですすいでください。サンプルの損傷を防ぐため、0.1 m³/min未満の小流量を使用してください。
   2. 必要に応じて、プラズマ洗浄を適用して有機汚染物質を除去します。サンプルをプラズマ処理装置に入れます。チャンバーを閉じ、圧力を600mTorrまで下げます。サンプルをプラズマに30秒間さらして洗浄します。
      メモ: ステップ 1.3.2 は、汚れの除去ではオプションです。本研究では、クリーンルーム内で作製と特性評価を行ったため、このステップは不要でした。
3. 対象領域、スキャン範囲、空間/ピクセル解像....

ディスカッション

代表的な結果で実証されているように、アクティブカンチレバーアレイを使用して、静的サンプルの複数の画像を並行してキャプチャできます。このスケーラブルなセットアップにより、大面積サンプルのイメージングスループットが大幅に向上し、半導体ウェーハ上のナノファブリケーションデバイスの検査に適しています。また、この技術は人工構造物に限定されません。アクティブカ?.......

資料

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