На начальном этапе своего развития АСМ представлял собой прибор,  применяющийся исключительно для научных исследований. В последние годы АСМ находит все более широкое применение в наноиндустрии в качестве эффективного нанодиагностического инструмента, встраиваемого в технологические процессы создания разнообразных микро-  и наноструктур.  Нами, совместно с ЗАО «НТ-МДТ»,  разработан первый в России аппаратно-программный комплекс на базе АСМ (рис.1а), предназначенный для контроля на различных этапах технологического процесса параметров наноструктур, создаваемых  на пластинах  с диаметром до 200 мм.

Прибор  работает в основных измерительных АСМ модах при минимальном участии оператора и не требует специальной квалификации пользователя, поскольку основные операции автоматизированы, среди них:

— установка зонда на сканер АСМ,

— настройка системы регистрации лазерного луча,

— установка параметров сканирования и режимов работы электронной схемы,

— распознавание и привязка систем координат пластины и кантилевера АСМ,

— позиционирование заранее выбранного участка пластины под зонд АСМ,

— поиск объектов на пластине по чертежу (графическому файлу) структуры, нанесенной на пластине,

— АСМ- измерения в нескольких заранее заданных точках на пластине,

— создание отчета по результатам измерений.

1. Конструкция измерительного узла АСМ.

Измерительный узел обеспечивает полуавтоматическую установку кантилевера, поиск реперных точек на пластине, вывод любого участка пластины под АСМ зонд, предварительную визуализацию структуры на пластине в оптическом микроскопе, характеризацию микро- и наноструктур в основных АСМ режимах.

Одной из основных проблем АСМ, предназначенных для исследования образцов с большими размерами является увеличенная длина конструктивной  петли между зондом и пластиной, снижающая жесткость конструкции и затрудняющая защиту локального прецизионного силового контакта между зондом и образцом от механических вибраций и тепловых дрейфов. Известно, что эффективность защиты конструкции от вибраций повышается при увеличении ее жесткости и уменьшении резонансной частоты механических колебаний основания, на котором она устанавливается.  Поэтому  в конструкции измерительного узла АСМ (рис.1б) используется  массивное основание (1), в виде гранитного моста, установленное на пневмоопоры (видны на изображении общего вида прибора, рис.1а). Большая масса основания уменьшает резонансную частоту пневмоопор,  а гранитный пролет моста, замыкающий  конструктивную петлю между зондом и пластиной, увеличивает жесткость измерительного узла АСМ. Кроме того, в такой конструкции  уменьшены температурные дрейфы.     На нижней части моста закреплен  2-х координатный стол (2) с оптическими датчиками перемещения и вакуумным прижимом пластин. К верхнему пролету моста прикреплен  механизм сближения с пластиной, представляющий собой два синхронно работающих  моторизованных однокоординатных позиционера (3), один из которых несет на себе измерительную АСМ головку (4), а  другой – оптический микроскоп высокого разрешения (5).  Для вывода необходимого участка на пластине под зонд АСМ используется микроскоп прицеливания (6). Акустическую защиту измерительного узла обеспечивает  установленный на  основание (2) съемный прозрачный колпак (7), который может быть заполнен  инертным газом во избежание окисления пластин на воздухе.  Электронный блок управления (виден на изображении общего вида прибора, рис.1а) устанавливается произвольно и соединяется кабелями с остальными частями измерительного узла АСМ и с управляющим персональным компьютером.

 

Рисунок 1. АСМ для диагностики микро- и наноструктур на больших пластинах.

а —  общий вид прибора;

б — изображение измерительного узла: 1- основание в виде гранитного моста, 2 — двухкоординатный стол с датчиками перемещения и вакуумным прижимом пластин, 3- однокоординатные позиционеры, 4- измерительная головка, 5-оптический микроскоп высокого разрешения, 6- оптический микроскоп прицеливания, 7- акустическая защита (колпак).

 

Все описанные выше меры обеспечивают нанометровую точность измерений.  Измерительная головка построена по схеме сканирующего зондового микроскопа с неподвижным образцом и сканирующим зондом (кантилевером) с оптической системой регистрации отклонений кантилевера. Сканирование осуществляется с помощью трубчатого пьезокерамического сканера с площадью сканирования  80х80 мкм.

Рисунок 2 поясняет устройство измерительной головки. Здесь условно показан ход луча лазера, отраженного от зонда и сфокусированного на четырехсекционный фотодиод.

 

Измерительная головка АСМ [4] и оптический микроскоп [5] с высоким пространственным разрешением (1мкм) и большим фокусным расстоянием, оснащенный цифровой видеокамерой (далее — видеомикроскоп), перемещаются синхронно по вертикали с помощью линейных  позиционеров [3] (Рис.1б). Видеомикроскоп может также перемещаться относительно зонда в горизонтальной плоскости с помощью  шаговых двигателей.

Объектив видеомикроскопа всегда находится внутри измерительной головки и сфокусирован на кончик зонда. Видеомикроскоп  закреплен  на отдельном позиционере и не имеет механического контакта с узлами АСМ головки, что защищает измерительную часть АСМ головки от вибраций.

Синхронное движение двух механизмов обеспечивает постоянную фокусировку видеомикроскопа на кончик зонда независимо от расстояния до исследуемой пластины. Видеомикроскоп имеет поле зрения 2.4х1.8 мм с автоматической регулировкой фокуса и «зума», осуществляемой с помощью шаговых двигателей. В измерительном узле (Рис.1б) также имеется второй цифровой видеомикроскоп   (микроскоп прицеливания [6]) с пространственным разрешением 10 мкм и полем зрения 20х20 мм. Большое  поле зрения микроскопа прицеливания позволяет  осуществлять  предварительный грубый поиск  исследуемого объекта.

Для упрощения достаточно сложного ручного процесса замены кантилевера  в конструкции измерительной головки (рис.2) ,  используется специальный транспортер [3], обеспечивающий  автоматическое перемещение кантилевера в нужную позицию под сканер и механизм автоматической установки зонда на сканер [4]. Подобное  конструктивное решение, используется в установке  NanoFab [8 ]. Транспортер (рисунок 3) представляет собой полую планку, которая выдвигается из измерительной головки с помощью  зубчатой рейки, приводимой в движение двигателем. При установке зонда (кантилевера) на сканер на выдвинутый из измерительной головки транспортер помещается держатель с зондом (зондом вниз), как это изображено на рисунке 3. Транспортер автоматически перемещает  держатель зонда под сканер.

 

Механизм установки держателя на сканер (поз. 4, рисунок 2) перемещается  шаговым двигателем и спроектирован таким образом, чтобы обеспечить защиту хрупких  частей сканера от повреждения при установке на него зонда.

 Перемещение транспортера и установка зонда на сканер осуществляется автоматически под управлением программного обеспечения.

Автоматизация процесса замены кантилевера может быть произведена за счет использования многозондовых картриджей, разработанных ЗАО «НТ-МДТ». Многозондовый картридж представляет собой микромеханическое устройство – диск из монокристаллического кремния со сформированными на нем 38 кантилеверами (рисунок 7). Замена кантилевера осуществляется автоматически путем вращения картриджа вокруг его оси поворотным механизмом. Использование многозондовых картриджей позволяет ускорить замену кантилевера, а также существенно упростить и обезопасить ручные операции по установке микромеханического зонда в соответствующий держатель.

 

Функционирование АСМ.

 

Функциональная схема АСМ  представлена на рисунке 4.

1-персональный компьютер; 2- электронный блок; 3- виброзащитное основание; 4- измерительная головка; 5-плата коммутации; 6- электронная плата измерительной головки; 7- оптический микроскоп прицеливания; 8 — двухкоординатный стол; 9 — оптические датчики перемещения; 10 — позиционер вертикального перемещения измерительной головки; 11 — вакуумый прижим пластины; 12- позиционер вертикального перемещения оптического микроскопа высокого разрешения; 13 — сканер; 14 — шаговые двигатели; 15 — лазер; 16 — четырехсекционный фотодиод; 17 -зонд; 18 — транспортер; 19 — защитный колпак; 20 — магистраль газообразного азота; 21- магистраль воздуха низкого давления; 22- микроскоп прицеливания.

В соответствии с функциональной схемой (рисунок 4, электронный блок (2) (Nova PX производства ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград) соединен с управляющим компьютером (1) по интерфейсу USB. Электронная плата коммутации (5), соединенная  кабелями с электронным блоком (2), обеспечивает коммутацию и распределение сигналов управления между позиционерами (8, 10, 12) , датчиками (9) и измерительной головкой (4) (на рисунке 7 измерительная головка (4) условно изображена вне виброзащитного основания (3)). Сигналы от измерительной головки и датчиков положения стола поступают в электронный блок через плату (6) и через плату коммутации (5).

Двухкоординатный стол (8) с диапазоном перемещения 300мм х400 мм выполняет две функции: 1- позиционирование пластины относительно зонда АСМ для сканирования нужной области на пластине, 2- перемещение в специальные служебные позиции для  парковки  и замены пластины.

Зонд АСМ расположен на измерительной головке, поэтому взаимное 3D позиционирование зонда и пластины обеспечивается за счет перемещения пластины 2-х координатным столом (8) в плоскости пластины и перемещением измерительной головки (4) однокоординатным позиционером (10) в направлении перпендикулярном к плоскости пластины.

Двухкоординатный стол оснащен двумя шаговыми двигателями и датчиками перемещения в виде оптических линейных энкодеров.

Точность определения положения стола по координатам X и Y составляет ±10 нм.

III  Автоматизация позиционирования заданной области на пластине под зонд АСМ.

Обычно транспортировка и позиционирование пластин при массовом производстве изделий микроэлектроники автоматизированы с помощью специальных роботов загрузчиков. Предлагаемая конструкция предусматривает стыковку измерительного узла АСМ с такими роботами.  Мы также предусмотрели возможность ручной установки пластин на СЗМ. Так как ручное позиционирование менее точное, чем автоматическое, то для дальнейшего автоматического вывода определенной области на пластине под АСМ зонд, необходимо привязать координаты зонда к системе координат на пластине.

Для автоматизации процесса определения системы координат, связанной с пластиной, на ее поверхность одновременно с создаваемой структурой наносятся специальные оптические реперные метки, координаты которых жестко связанны с системой координат на пластине. Ориентируясь по этим меткам, можно с помощью моторизованного 2-х координатного стола автоматически выводить нужную область на пластине под зонд АСМ. При этом попадание заданной области на пластине в область сканирования АСМ зонда обеспечивается тем, что используемый пьезосканер  имеет поле сканирования  80мкм x 80 мкм, а шаг перемещения стола значительно меньше (12 мкм). Следует отметить, что вследствие неточности ручной установки пластины, реперная метка может оказаться вне поля зрения видеомикроскопа с большим увеличением и малым полем зрения, однако она легко обнаруживается с помощью микроскопа прицеливания, имеющего большое поле зрения (20х20 мм). Так как положения микроскопов высокого разрешения и прицеливания фиксированы, то, распознав реперную метку в поле зрения микроскопа прицеливания, можно грубо определить ее координаты (первый шаг позиционирования), а затем, переместив метку с точностью позиционирования стола в поле зрения микроскопа высокого разрешения, уточнить её координаты (второй шаг позиционирования). Относительные координаты двух цифровых видеомикроскопов определяются с помощью  N- кодеров стола при калибровке прибора.

Процесс привязки систем координат автоматизирован с помощью специально разработанных   программных алгоритмов анализа изображений реперных меток,  перехватываемых  с микроскопа прицеливания и  видеомикроскопа высокого разрешения. Таким образом,  имея реперные метки,  можно осуществлять автоматическое позиционирование под зонд АСМ  заданных микрообластей на больших  пластинах.

Микроскоп прицеливания также используется при ручном выборе области сканирования на пластинах, не имеющих реперных точек. Действительно, в силу конструктивных особенностей измерительного узла, видеомикроскоп, объектив которого расположен внутри измерительной головки АСМ, не обеспечивает предварительного обзора поверхности пластины с необходимым увеличением.  Поэтому для удобства предварительного обзора используется микроскоп прицеливания. Выбранный с его помощью участок на пластине затем автоматически перемещается столом в поле зрения видеомикроскопа высокого разрешения под зонд АСМ.

Таблица1.Основные технические параметры АСМ.

Параметр	Значение параметра
Размер образцов	Пластины диаметром до 200 мм
Диапазон перемещения моторизованного координатного стола	350х300 мм
Диапазон вертикального перемещения головки	150 мм
Шаг перемещения координатного стола	12 мкм
Шаг перемещения  головки по вертикали	0.3 мкм
Макс. площадь сканирования	80х80х10 мкм
Вертикальное пространственное разрешение	0.5 нм

 

IV Автоматизация управлением АСМ.

Общее управление АСМ осуществляется стандартной программой «NOVA PX», разработанной ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград под управлением ОС  Windows XP и старше (рисунок 5).  Связь контроллера Nova PX с компьютером осуществляется через интерфейс USB.

Для упрощения работы оператора при выполнении рутинных измерений  и минимизации человеческого фактора управление стандартной программой автоматизировано. Для этого разработано специальное программное обеспечение (программа  Гаджет LS 150). Программа Гаджет LS 150 управляет программой Nova PX, с помощью скриптов, написанных на языке VBScript с использованием технологии Active Scripting (рисунок 6).

Программа  Гаджет LS 150 позволяет  автоматизировать весь процесс работы АСМ, начиная с составления  задания, представляющего собой дерево элементарных заданий, редактирования задания, запуска задания на выполнение, контролирования процесса выполнения задания, интерактивного вмешательства в процесс выполнения и подготовки отчета о проведенных измерениях. Пример задания приведен на рисунке 7.

В процессе выполнения задания Гаджет LS 150 следит за тем, чтобы пользователь не мог выполнить критические действия, приводящие к поломке комплекса, например, перемещать стол, когда зонд АСМ находится в контакте с пластиной или осуществлять захват взаимодействия зонда с поверхностью  вне пластины.

Анализ сканов может проводиться, как вручную (при помощи программы обработки изображений Image Analisys или Nova PX), так и автоматически, путем добавления в задание, необходимых методов обработки и анализа. По результатам анализа, при необходимости, можно сгенерировать отчет о проделанной работе. Для этого в дерево заданий  необходимо добавить элементарное задание “генерация отчета”.

Конечным результатом работы ПО Гаджет LS 150 являются СЗМ- изображение микрорельефа (скана) поверхности пластины и количественные параметры визуализированных структур.

 

V Основные технические параметры прибора и примеры полученных АСМ данных.

Основные технические параметры прибора приведены в таблице1.

Разработанный АСМ предоставляет возможность, как получать отдельные сканы по всей поверхности пластины, так и сетку сканов в заданной области на пластине. На рисунке 8 приведено оптическое изображение  резонатора на поверхностных акустических волнах, сформированного на пьезопластине диаметром 150 мм. На рис.12 наблюдается изображение кантилевера (1) и слабо различимая периодическая структура (2) под кантилевером. На рис.9 представлены АСМ изображения и поперечное сечение периодической структуры на пластине.

Пример отчета по результатам измерений указанного выше объекта при работе программы  «Гаджет LS 150»  приведен на рисунке 14. В данном случае параметры периодической структуры определялись автоматически путем автоматизированного анализа АСМ изображения при помощи вычисления и анализа двумерного Фурье-спектра. В отчете приводятся основные геометрические параметры структуры, такие как:

— величина периода структуры по всему изображению,

— среднее значение периода для сечения изображения, проведенного автоматически в направлении, в котором структура является периодической,

— стандартное отклонение,

— шероховатость поверхности отдельно для выступающих и заглубленных участков структуры,

— угол между направлением периодической структуры и горизонтальной осью изображения.

 

Отметим, что разработанный АСМ может быть оснащен дополнительным контроллером для реализации нерезонансной осцилляционной методики АСМ, также называемой гибридной модой [9]. Методика основана на регистрации в режиме реального времени отклонения кантилевера в процессе колебательного взаимодействия зонда и образца при частоте колебаний на уровне 1-10 кГц. Гибридная методика позволяет получать карты распределения широкого спектра морфологических, механических, химических, электрических и других характеристик образца. При этом возможно не только картирование соответствующих контрастов, но и получение численных данных.

Таким образом, представлен первый российский аппаратно-программный АСМ комплекс для характеризации микро- и наноструктур на пластинах с диаметром до 200мм. Комплекс ориентирован на оператора, не имеющего квалификацию исследователя и обеспечивает получение в автоматическом режиме данных о микро- и наноструктурах в основных измерительных АСМ модах. Комплекс функционирует в Центре микросистемотехники ОАО «Авангард» (Санкт-Петербург)  в помещении с классом чистоты 5 ИСО и используется при отработке технологических процессов при создании устройств микросистемотехники.

ЛИТЕРАТУРА

1. G.Binnig, H.Rohrer — Scanning tunneling microscopy. // Helv. Phys. Acta, v. 55, № 6, p. 726 – 735 (1982).
2. G.Binnig, C.F.Quate, Ch.Gerber – Atomic force microscope. // Phys. Rev. Lett., v. 56, № 9, p. 930 – 933 (1986).
3. Richard P. Feynman  There’s Plenty of Room at the Bottom. Caltech Engineering and Science, Volume 23:5, February 1960, pp 22-36
4. 4.       Eric Drexler. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Published by Anchor (1987). ISBN 10: 0385199732
5. 5.       UHV STM Nanofabrication: Progress, Technology Spin-Offs, and Challenges
   J.W. Lyding  IEEE Proc. 85 (1997), 589
6. 6.       E.S. Snow. P.M. Campbell, and F.K. Perkins Nanofabrication with Proximal Probes. IEEE Proc. 85 (1997), 601
7. 7.       Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. Изд. 2-е. – М.: Техносфера, 2006.-159с.
8. 8.       Руководство пользователя модуля FIB Ultra-High Vacuum свервысоковакуумного           нанотехнологического         НАНОФАБ НТК-9. www.ntmdt.ru
9. M. Surtchev et. al. – Comprehensive Characterization of Neat Polymers and Compositional Imaging Heterogeneous Polymer Systems with AFM Based Mechanical, Electric and Spectroscopic Methods // MRS Proc., v. 1754, mrsf14-1754-pp07-02, (2015).