Microscopia de Força Atômica de Sonda Ativa com Matrizes Cantilever Paralelas Quattro para Inspeção de Amostras em Grande Escala de Alto Rendimento

Um microscópio de força atômica (AFM) é uma ferramenta poderosa e versátil para estudos de superfície em nanoescala para capturar imagens de topografia 3D de amostras. No entanto, devido ao seu rendimento limitado de imagens, os AFMs não têm sido amplamente adotados para fins de inspeção em larga escala. Os pesquisadores desenvolveram sistemas AFM de alta velocidade para gravar vídeos de processos dinâmicos em reações químicas e biológicas a dezenas de quadros por segundo, ao custo de uma pequena área de imagem de até vários micrômetros quadrados. Em contraste, inspecionar estruturas nanofabricadas em grande escala, como wafers semicondutores, requer imagens de resolução espacial em nanoescala de uma amostra estática ao longo de centenas de centímetros quadrados com alta produtividade. Os AFMs convencionais usam uma única sonda de cantilever passiva com um sistema de deflexão de feixe óptico, que só pode coletar um pixel de cada vez durante a aquisição de imagens AFM, resultando em baixo rendimento de imagem. Este trabalho utiliza uma matriz de balanços ativos com sensores piezoresistivos embutidos e atuadores termomecânicos, o que permite a operação simultânea de múltiplos cantilever em operação paralela para maior rendimento de imagem. Quando combinado com nanoposicionadores de grande alcance e algoritmos de controle adequados, cada cantilever pode ser controlado individualmente para capturar várias imagens AFM. Com algoritmos de pós-processamento orientados por dados, as imagens podem ser costuradas e a detecção de defeitos pode ser realizada comparando-as com a geometria desejada. Este artigo apresenta princípios do AFM personalizado usando as matrizes de cantilever ativas, seguido por uma discussão sobre considerações de experimentos práticos para aplicações de inspeção. Imagens de exemplo selecionadas de grade de calibração de silício, grafite pirolítico altamente orientado e máscaras de litografia ultravioleta extrema são capturadas usando uma matriz de quatro cantilevers ativos ("Quattro") com uma distância de separação de ponta de 125 μm. Com mais integração de engenharia, essa ferramenta de imagem de alto rendimento e grande escala pode fornecer dados metrológicos 3D para máscaras ultravioleta extremas (EUV), inspeção de planarização químico-mecânica (CMP), análise de falhas, monitores, medições de passo de filme fino, matrizes de medição de rugosidade e sulcos de vedação de gás seco gravados a laser.