Rasterkraftmikroskopie mit aktiven Sonden mit quattroparallelen Cantilever-Arrays für die Inspektion von Großproben mit hohem Durchsatz

Ein Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein leistungsstarkes und vielseitiges Werkzeug für nanoskalige Oberflächenstudien, um 3D-Topographiebilder von Proben zu erfassen. Aufgrund ihres begrenzten Bildgebungsdurchsatzes sind AFMs jedoch nicht weit verbreitet für groß angelegte Inspektionszwecke. Forscher haben Hochgeschwindigkeits-AFM-Systeme entwickelt, um dynamische Prozessvideos bei chemischen und biologischen Reaktionen mit Dutzenden von Bildern pro Sekunde aufzuzeichnen, und das auf Kosten einer kleinen Bildgebungsfläche von bis zu mehreren Quadratmikrometern. Im Gegensatz dazu erfordert die Inspektion großflächiger nanofabrizierter Strukturen, wie z. B. Halbleiterwafer, eine Abbildung einer statischen Probe mit räumlicher Auflösung im Nanobereich über Hunderte von Quadratzentimetern mit hoher Produktivität. Herkömmliche AFMs verwenden eine einzelne passive Cantilever-Sonde mit einem optischen Strahlablenkungssystem, das während der AFM-Bildgebung jeweils nur ein Pixel erfassen kann, was zu einem geringen Bilddurchsatz führt. Diese Arbeit verwendet eine Reihe von aktiven Cantilevern mit eingebetteten piezoresistiven Sensoren und thermomechanischen Aktuatoren, die einen gleichzeitigen Multi-Cantilever-Betrieb im Parallelbetrieb für einen erhöhten Bilddurchsatz ermöglichen. In Kombination mit Nanopositionierern mit großer Reichweite und geeigneten Steuerungsalgorithmen kann jeder Cantilever einzeln gesteuert werden, um mehrere AFM-Bilder aufzunehmen. Mit datengesteuerten Nachbearbeitungsalgorithmen können die Bilder zusammengefügt und eine Fehlererkennung durchgeführt werden, indem sie mit der gewünschten Geometrie verglichen werden. In diesem Artikel werden die Prinzipien des kundenspezifischen Rasterkraftmikroskops unter Verwendung der aktiven Cantilever-Arrays vorgestellt, gefolgt von einer Diskussion über praktische Versuchsüberlegungen für Inspektionsanwendungen. Ausgewählte Beispielbilder von Silizium-Kalibriergittern, hochorientiertem pyrolytischem Graphit und extrem ultravioletten Lithographiemasken werden mit einem Array von vier aktiven Cantilevern ("Quattro") mit einem Spitzenabstand von 125 μm aufgenommen. Mit mehr technischer Integration kann dieses großflächige Bildgebungswerkzeug mit hohem Durchsatz messtechnische 3D-Daten für UV-Masken (EUV), chemisch-mechanische Planarisierungsprüfung (CMP), Fehleranalysen, Displays, Dünnschichtschrittmessungen, Rauheitsmessdüsen und lasergravierte Trockengasdichtungsnuten liefern.