Microscopia a forza atomica con sonda attiva con array a sbalzo Quattro-Parallel per l'ispezione di campioni su larga scala ad alta produttività

Un microscopio a forza atomica (AFM) è uno strumento potente e versatile per gli studi di superficie su scala nanometrica per acquisire immagini topografiche 3D di campioni. Tuttavia, a causa della loro limitata produttività di imaging, gli AFM non sono stati ampiamente adottati per scopi di ispezione su larga scala. I ricercatori hanno sviluppato sistemi AFM ad alta velocità per registrare video dinamici di processo in reazioni chimiche e biologiche a decine di fotogrammi al secondo, al costo di una piccola area di imaging fino a diversi micrometri quadrati. Al contrario, l'ispezione di strutture nanofabbricate su larga scala, come i wafer di semiconduttori, richiede l'imaging a risoluzione spaziale su scala nanometrica di un campione statico su centinaia di centimetri quadrati con un'elevata produttività. Gli AFM convenzionali utilizzano una singola sonda a sbalzo passiva con un sistema di deflessione del fascio ottico, che può raccogliere soltanto un pixel alla volta durante l'imaging AFM, con conseguente bassa produttività di imaging. Questo lavoro utilizza una serie di cantilever attivi con sensori piezoresistivi incorporati e attuatori termomeccanici, che consentono il funzionamento simultaneo multi-cantilever in parallelo per una maggiore produttività di immagini. Se combinato con nano-posizionatori ad ampio raggio e algoritmi di controllo adeguati, ogni cantilever può essere controllato individualmente per catturare più immagini AFM. Con algoritmi di post-elaborazione basati sui dati, le immagini possono essere unite insieme e il rilevamento dei difetti può essere eseguito confrontandole con la geometria desiderata. Questo documento introduce i principi dell'AFM personalizzato facendo uso delle matrici a sbalzo attive, seguito da una discussione sulle considerazioni pratiche dell'esperimento per le applicazioni di ispezione. Immagini di esempio selezionate di reticoli di calibrazione in silicio, grafite pirolitica altamente orientata e maschere di litografia ultravioletta estrema vengono catturate utilizzando una serie di quattro cantilever attivi ("Quattro") con una distanza di separazione della punta di 125 μm. Grazie a una maggiore integrazione ingegneristica, questo strumento di imaging su larga scala ad alta produttività è in grado di fornire dati metrologici 3D per maschere a raggi ultravioletti estremi (EUV), ispezione di planarizzazione chimico-meccanica (CMP), analisi dei guasti, display, misurazioni a gradini a film sottile, matrici per la misurazione della rugosità e scanalature di tenuta del gas secco incise al laser.