TW202020458A - 大面積的高速原子力輪廓測定儀 - Google Patents

Abstract

一種在大面積樣本的後續掃描線中使用前饋控制信號來操作原子力輪廓儀(AFP)(諸如AFM)的設備和方法，以便在例如自動化應用中取得大處理量優勢。

Description

大面積的高速原子力輪廓測定儀

較佳的實施例係關於原子力輪廓測定儀(Atomic Force Profilometry, AFP)方法，用於對大樣本面積進行成像，特別是用於偵測與平均樣本平面的表面特徵偏差，稱為「熱點(hot spot)」。

AFP(包括掃描探針顯微鏡，諸如原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM))是採用具有尖端的探針，並使該尖端用適當的力與樣本的表面進行交互作用，以將該表面特徵化至原子維度的裝置。通常，將探針引入至樣本表面並藉由在尖端與樣本之間提供相對掃描運動，可在樣本的特定區域上獲取表面特徵數據，並且可產生樣本的對應映射。

典型的AFM系統示意性地顯示於圖1。採用探針裝置12的AFM 10包括具有懸臂15的探針14。掃描器24在探針14與樣本22之間產生相對運動，同時測量該探針-樣本交互作用。以這種方式可獲得樣本的影像或其他測量值。掃描器24一般包含一或多個致動器，該致動器通常會產生在三個正交方向(XYZ)上的運動。通常，掃描器24是單一整合單元，該單元包括一或多個致動器以便在所有三個軸上移動樣本或探針，例如，壓電管致動器。或者，掃描器可以是多個單獨致動器的總成。一些AFM將掃描器分成多個組件，例如，移動樣本的XY掃描器和移動探針的單獨Z-致動器。因此，在測量樣本的形貌或一些其他表面性質時，儀器能夠在探針與樣本之間創造相對運動，例如描述於Hansma等人之美國專利第RE 34,489號；Elings等人之美國專利第5,266,801號；及Elings等人之美國專利第5,412,980號。

在常見的組態中，探針14常耦合至振盪致動器或驅動器16，該振盪致動器或驅動器是用於在懸臂15的共振頻率處或在共振頻率附近驅動探針14。替代性配置測量懸臂15的偏差、扭轉、或其他運動。探針14常是具有積體尖端17的微製造懸臂。

通常，在SPM控制器20的控制下從AC信號源18施加電子信號，以使致動器16(或替代地掃描器24)驅動探針14振盪。一般經由控制器20的回饋來控制探針-樣本交互作用。值得注意的是，致動器16可耦合至掃描器24和探針14，但可能與探針14的懸臂15一體成形，作為自致動懸臂/探針的一部分。

如上所述，當藉由偵測探針14的振盪之一或多個特徵的變化來監測樣本特徵時，常使選定的探針14振盪並與樣本22接觸。關於這一點，一般採用偏差偵測設備25將光束導向探針14的背側，然後將光束反射朝向偵測器26。當光束橫跨偵測器26移動時，在方塊28處理適當的信號以(例如)判定RMS偏差並將其發送至控制器20，該控制器20處理信號以判定探針14的振盪變化。通常，控制器20產生控制信號以維持尖端與樣本之間相對恆定的交互作用(或懸臂15的偏差)，一般而言是維持探針14的振盪設定點特徵。更具體地，控制器20可包括PI增益控制方塊32和高壓放大器34，其調節藉由與電路30比較而獲得的誤差信號，該信號對應於由尖端-樣本與設定點的交互作用引起的探針偏差。例如，控制器20常用於將振盪幅度維持在設定點值(A_S )，以確保尖端與樣本之間大致上恆定的力。或者，可使用設定點相位或頻率。

亦在控制器20中及/或在連接式或獨立式控制器的單獨控制器或系統中提供工作站40，其從控制器接收所收集的數據並在掃描期間調處(manipulate)獲得的數據以執行點選擇、曲線配適和距離判定操作。

AFM可設計成在各種模式中操作，其包括接觸模式和振盪模式。反應於探針總成的懸臂在橫跨表面掃描時的偏差，藉由相對垂直於樣本表面上下移動樣本或探針總成來完成操作。掃描一般發生在至少大致平行於樣本表面的「x-y」平面，而垂直移動發生在垂直於x-y平面的「z」方向。注意，許多樣本具有偏離平坦表面的粗糙度、曲率和傾斜度，因此使用用語「大致平行」。以這種方式，可儲存與該垂直運動相關聯的數據，然後用於構建與被測量的樣本特徵相對應的樣本表面的影像，例如表面形貌。在一種AFM操作模式(稱為TappingMode™ AFM (TappingMode™是本專利權人的商標))中，尖端在探針的相關懸臂之共振頻率處或在共振頻率附近振盪。回饋迴路試圖使此振盪幅度保持恆定以最小化「牽引力(tracking force)」，即，來自尖端/樣本交互作用產生的力。替代性回饋配置使相位或振盪頻率保持恆定。如同在接觸模式中一般，接著收集、儲存這些回饋信號，並將其用作為特徵化樣本的數據。注意，「SPM」和針對特定類型的SPM之字首縮寫，在本文中可用於指顯微鏡設備或相關技術，例如「原子力顯微鏡」。在普及的TappingMode™之最新改良(稱為峰值力輕拍(Peak Force Tapping® (PFT))模式)中，於美國專利第8,739,309號、第9,322,842號和第9,588,136號中有所討論，其等藉由引用明確地併入本文，在各振盪循環中測量基於力(亦稱為瞬時探針-樣本交互作用力)的回饋。

無論其操作模式為何，AFM都可藉由使用壓電掃描器、光學懸臂偏差偵測器和使用光微影蝕刻技術製造的非常小的懸臂，在空氣、液體或真空中在各種絕緣或導電表面上獲得小至原子級的解析度。由於彼等的解析度和通用性，AFM是從半導體製造到生物研究等許多不同領域中重要的測量裝置。

關於這一點，AFM可用於自動化應用中，其包括高精度製造程序，諸如半導體製造。因為AFM可提供奈米級表面特徵(例如，形貌)的高解析測量，故已證明AFM在半導體領域中是有用的。然而，傳統上，AFM對於半工廠設施中所需的實際高處理量用途而言過於緩慢。在此環境中感興趣的一種測量係CMP(化學機械拋光/平面化)後(post-CMP)「熱點」偵測。為了使AFM對進行此類測量很有用，必須考慮數據採集速度。

例如，對於CMP熱點偵測需要測量的大樣本面積(例如，約33 mm x 26 mm的晶粒面積)，在已知模式中操作的AFM將耗時六至七天來收集所需的測量數據。主要問題圍繞在已知AFM XY樣本掃描器的實體帶寬有限，以及無法使用已知的AFM回饋控制在高速下精確地追蹤樣本特徵。然而，鑑於其優於其他奈米級測量工具的優勢，仍然希望在自動化應用中使用AFM。

結果是AFM領域(以及更具體地，自動化AFM)需要一種在不到24小時內(並且較佳地，實質上更少)測量大樣本尺寸(諸如上述者)的解決方案。這樣的系統將允許AFM識別CMP後的熱點，並因此將AFM開放成整合至半導體製造程序流程中。

藉由在大面積樣本的後續掃描線中使用前饋控制信號，較佳的實施例能夠實現超過已知原子力輪廓測定儀(AFP)系統和方法的大處理量優勢。

在一個較佳實施例中，一種操作原子力顯微鏡(AFM)的方法包括在樣本的第一線處提供該AFM的探針與該樣本之間的相對掃描運動。反應於該提供步驟測量該探針的偏差，並且該AFM根據AFM操作模式來控制該探針-樣本分離。接著，產生基於測量步驟的Z前饋控制信號。然後，在該樣本的第二線處開始該探針與該樣本之間的相對掃描運動。在該第二線中測量該探針的偏差之後，控制該探針-樣本分離。將該前饋Z信號與對應於該第二線的測量偏差結合以產生HyperZ信號。此HyperZ信號是在該掃描的下一線中用作為該Z前饋控制信號。

在此實施例的另一態樣中，重複該等方法步驟直到對該樣本的選定區域進行成像。

根據此實施例的另一態樣，該方法基於該重複步驟的輸出來識別感興趣特徵(例如，CMP後熱點)。

此實施例的另一態樣是用於執行該感興趣特徵的高解析AFM成像。

在此實施例的進一步態樣中，該等提供步驟是以大於2 mm/s的速度進行，且較佳地大於25 mm/s。

根據此實施例的另一態樣，該樣本的表面特徵是在＜1 um的XY像素尺寸下＞2 nm，並且其中橫向掃描速度是至少約30 mm/s。

在較佳實施例的另一態樣中，原子力顯微鏡(AFM)包括掃描器，其提供該AFM的探針與樣本之間的相對掃描運動；以及偵測器，其在AFM操作期間反應於探針-樣本交互作用測量該探針的偏差。控制器，其基於對應於該掃描運動的第一線所測得的偏差產生前饋Z信號，並將該前饋Z信號與對應於該掃描運動的第二線所測得的偏差結合以產生HyperZ信號。在這種情況下，該HyperZ信號是在該掃描運動的下一線中用作為該前饋Z信號。

根據另一較佳實施例，一種操作用於半導體樣本上CMP後熱點偵測的原子力輪廓描繪(AFP)儀器的方法，該方法包括在樣本的第一線處提供該AFM的探針與該樣本之間的相對掃描運動，並且反應於該提供步驟測量該探針的偏差，並根據AFM操作模式控制該探針-樣本分離。該方法亦包括基於該測量步驟產生前饋Z信號，並且在該樣本的第二線處提供該探針與該樣本之間的相對掃描運動。之後，測量該探針在第二線中的偏差，並根據AFM操作模式控制該探針-樣本分離。該方法包括將該前饋Z信號與對應於該第二線所測得的偏差結合以產生HyperZ信號，以及在該掃描的下一線中使用該HyperZ信號作為該前饋Z信號。針對感興趣區域重複該等步驟以基於該HyperZ信號產生HyperZ數據。在這種情況下，可基於HyperZ數據識別該樣本的CMP後熱點。

在本發明的此實施例中，該提供步驟以大於33 mm/s的速度進行。

從下列詳細描述和所附圖式中，本發明的這些和其他特徵及優點對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將變得顯而易見。然而，應理解的是，詳細的描述和具體實例雖然指出本發明的較佳實施例，但彼等是以說明方式而非限制方式給出。在不脫離本發明精神的情況下，可在本發明範疇內進行許多變化和修改，並且本發明包括所有這些修改。

較佳實施例之詳細描述

較佳實施例係關於原子力輪廓測定儀(AFP)的新方法，該方法允許測量全光刻掃描場，使得CMP後熱點偵測和後續高解析原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)成像能用於熱點度量衡。這種新方法能夠以大於~30 mm/s的掃描速度對具有高解析偵測之表面特徵的33 mm x 26 mm晶粒面積(例如，33 mm x 26 mm)進行成像，比傳統成像快約2個數量級。該新方法可實現全晶粒映射，同時所偵測到的熱點可用高解析AFM成像進行分析。

在圖式中示出並在本文中描述用於對大面積(典型地，晶粒區域，例如33 mm x 26 mm)成像的原子力輪廓測定儀(AFP)方法和系統。該方法能夠偵測CMP後表面特徵與平均樣本平面的偏差，稱為「熱點」。在識別和定位這些熱點之後，後續可在高解析AFM模式下對彼等進行再成像以用於度量衡目的。

該技術提供先進的AFM技術組合，包括：使用XY樣本平台進行大面積光柵掃描平台運動、自動補償Z軸上快速和慢速掃描軸樣本傾斜、及使用低剛度原子力顯微鏡(AFM)探針懸臂。

首先轉到圖2，方法100包括在方塊102中選擇AFM探針/懸臂組合。這種選擇是基於掃描用途，該掃描用途滿足樣本特徵解析度所需的尖端銳度要求，並且還具有懸臂剛度，其平衡懸臂的抗撓剛度以及懸臂的共振頻率。目標是維持對樣本表面的牽引力衝擊最小，並維持對樣本形貌變化的高速反應。例如，可提供具有約0.4 N/m的剛度(彈簧常數)和40至70 kHz的共振頻率之懸臂。

方法100接下來可選地包括在方塊104中校準懸臂的偏差靈敏度。雖然不是必需的，但這種懸臂校準是較佳的。這使得校準AFM儀器本身的需求降到最低。較佳的實施例採用一種在獨立參考樣本上自動校準AFM懸臂的偏差靈敏度之方法。(典型單位-nm/V)這涉及在NIST/SI可追蹤樣本上在接觸模式中操作AFM。值得注意的是，每次使用新探針時都需要進行校準。

接著，在方塊106中，將樣本裝載到自動化AFM系統中並對齊，使得XY平台可將要用AFM探針成像的感興趣區域定位出來。

在方塊108中，一旦登錄，將已經安裝在系統中、已校準、並準備用於成像之先前選定的AFM探針與在感興趣區域的樣本表面接觸。在方塊110中，在確認尖端與樣本接合之後，將XY平台以預選的掃描速度在預選的掃描長度上移動。AFM掃描器系統在AFM掃描器的Z軸中使用閉環回饋模式追蹤樣本形貌。儲存此Z-形貌資訊(但不顯示)，以用於下一個輪廓掃描線。此資訊對於建立一種基線使探針/尖端保持在其+/-最大Z範圍內以進行後續掃描的目的是足夠準確的，即使它沒有以選定的掃描速度(至少30 mm/s)完美地追蹤該表面。

當在方塊112中開始下一掃描線時，來自初始閉環回饋輪廓線的Z形貌數據以程式化方式發送到Z掃描器，以便在XY台橫過輪廓線時以「前饋追蹤」方式追蹤樣本形貌。另外，在方塊114中，當穿過第二輪廓線時，擷取校準的懸臂之垂直偏差信號並將其匯總到以程式化方式定義的Z形貌數據中，以產生來自兩個數據集的樣本形貌之組合的單一表示法。

將第二線中遭遇的懸臂標稱偏差之任何偏離儲存且逐像素地添加至前一線Z形貌數據，以作為方塊116中更新的程式化Z追蹤數據來發送。針對所擷取的各後續輪廓線，對樣本追蹤前饋控制的更新進行了細化和更新，直到將整個感興趣區域進行成像為止(方塊118)。值得注意的是，在較佳的實施例中，在第一輪廓線中收集的數據不儲存在影像中。影像數據收集從第2線開始。第2線平台運動與第1線平台運動相反。在第2線之後，有額外的正交平台偏移以到達下一線。

在整個感興趣區域完成之後，可自動識別、手動識別或手動輸入輪廓面積內用於高解析AFM掃描的區域以用於基於AFM的額外成像。然後將選擇用於成像和AFM掃描類型的適當探針，並且掃描、記錄、和分析所欲位置以獲得相關指標。

根據較佳實施例的AFP儀器120(例如，AFM)顯示於圖3。XYZ掃描器122(例如，壓電管掃描器)耦合至機械Z平台124，並支撐包括懸臂128的探針總成126，該懸臂128在其遠端具有尖端130。尖端130在安裝於XY平台134上的樣本132上掃描。XY平台控制器136控制平台134以定位該樣本上的感興趣區域，以及以選定的掃描速度在尖端130與樣本132之間提供掃描運動(例如，光柵)。控制器136是反應於AFM控制器138。電腦140執行控制器136和138。

在操作時，當尖端130與樣本132接合之後，用XYZ掃描器122啟動該樣本的高速掃描，如前所述。當尖端130在例如接觸模式AFM中與樣本132進行交互作用時，該探針發生偏差並且該偏差藉由光束反彈偏差偵測設備142來測量。設備142包括雷射(未示出)，其將光束「L」從懸臂128的背側反彈出來並朝向光偵測器144，該光偵測器144將偏差信號發送至例如AFM控制器138的DSP 146，用於高速處理該偏差信號。

如前所述，AFM控制器138連續地判定前饋控制信號，並將該信號發送至平台134以將該尖端維持在相對於該樣本具有最大的探針Z範圍之Z位置。再者，控制器138判定並提供該AFM回饋以維持該探針在該設定點處的偏差，從而控制XYZ掃描器122。此控制進一步說明於圖4。

轉到圖4，提供較佳實施例的AFP控制的說明，包括在各步驟中收集的數據。控制方案150首先運作以在方塊152中擷取第一線數據。儲存相應的形貌資訊160 (但一般不顯示，因為這不是最終將用於例如識別CMP後熱點的數據)。之後，在方塊154中，該AFM運作以獲得第二線數據。在這種情況下，由方塊152產生的前饋Z信號(方塊162)基本上用於為後續(例如，第二線)掃描提供起始點。將輪廓描繪(profiling)期間擷取的測量懸臂偏差(方塊164)匯總到Z前饋信號(方塊162)中以提供新的數據類型，稱為HyperZ數據(方塊166)。

在下一掃描線(此實例中的第3線)中，方塊170中的前饋Z信號是基於經過誤差校正的第2線之HyperZ數據(方塊168)。在該方法的此步驟中(方塊156)，掃描該樣本並在輪廓描繪期間擷取該懸臂偏差(方塊172)。產生新的HyperZ數據集(方塊174)。在方塊158中重複這些步驟，其中基於誤差校正線(N-1)的前饋Z信號是用來產生新的HyperZ數據。在各情況下，將輪廓描繪期間擷取的懸臂偏差匯總到Z前饋中以提供高速數據。已顯示此實施方案可以約30 mm/s的掃描速度實現HyperZ數據擷取。

這種新方法能夠至少但不限於對33 mm x 26 mm的晶粒面積之區域進行成像。將這種樣本的影像顯示於圖5。值得再次注意的是，在第一個輪廓線中收集的數據並未儲存在影像中。影像數據收集從第2線開始。第2線平台運動與第1線平台運動相反。在第2線之後，有額外的正交平台偏移以到達下一線。

該方法和設備對Z高度在＜1 um的XY像素尺寸下＞2 nm、橫向掃描速度至少~30 mm/s的表面特徵提供高解析偵測。由於橫向掃描速度的關係，新方法使得33 mm x 26 mm的晶粒面積在目前方法的大約12%的時間內成像-17小時對142小時-顯著提高了生產力(處理量)和實用性。

此改進亦定義了原子力輪廓測定儀(AFP)的新方法和應用，該新方法和應用允許測量全光刻掃描場，使得CMP後熱點偵測和後續高解析原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)成像能用於熱點度量衡。

雖然以上揭示本發明人設想的實施本發明之最佳模式，但是上述發明的實踐不限於此。顯而易見的是，在不脫離本發明構思的精神和範疇的情況下，可對本發明的特徵進行各種添加、修改和重排。

10:原子力輪廓測定儀 12:探針裝置 14:探針 15:懸臂 16:致動器 17:積體尖端 18:AC信號源 20:控制器 22:樣本 24:掃描器 25:偏差偵測設備 26:偵測器 28:方塊 30:電路 32:PI增益控制方塊 34:高壓放大器 40:工作站 100:方法 102:方塊 104:方塊 106:方塊 108:方塊 110:方塊 112:方塊 114:方塊 116:方塊 118:方塊 120:AFP儀器 122:XYZ掃描器 124:機械式Z平台 128:懸臂 130:尖端 132:樣本 134:XY平台 136:XY平台控制器 138:AFM控制器 140:電腦 142:偏差偵測設備 144:光偵測器 146:數位信號處理器 150:控制方案 152:方塊(第一線數據) 154:方塊(第二線數據) 156:方塊(第三線數據) 158:方塊(第N線數據) 160:形貌資訊 162:方塊(前饋Z信號) 164:方塊(懸臂偏差) 166:方塊(HyperZ數據) 170:方塊(前饋Z信號) 172:方塊(懸臂偏差) 174:方塊(HyperZ數據)

在所附圖式中繪示出本發明的較佳例示性實施例，其中全文中相同的參考數字表示相同的部件，並且其中：

圖1是先前技術之原子力顯微鏡AFM的示意圖；

圖2是較佳實施例之AFM高速數據擷取方法的流程圖；

圖3是配置成實施圖2所示方法的AFM的示意圖；

圖4是使用圖2所示方法獲得AFP數據的說明；

圖5是一系列示意影像，說明如圖4所示獲得的數據；以及

圖6是使用本文所示和所述方法所擷取的半導體樣本的晶粒映射影像。

120:AFP儀器

122:XYZ掃描器

124:機械式Z平台

128:懸臂

130:尖端

132:樣本

134:XY平台

136:XY平台控制器

138:AFM控制器

140:電腦

142:偏差偵測設備

144:光偵測器

146:數位信號處理器

L:光束

Claims (15)

1. 一種原子力輪廓測定儀(atomic force profilometry, AFP)之方法，該方法包含： 在樣本的第一線處提供該AFM的探針與該樣本之間的相對掃描運動； 反應於該提供步驟測量該探針的偏差，並根據AFM操作模式控制該探針-樣本分離； 基於該測量步驟產生前饋Z信號； 在該樣本的第二線處提供該探針與該樣本之間的相對掃描運動； 測量該探針在該第二線中的偏差，並根據AFM操作模式控制該探針-樣本分離； 將該前饋Z信號與對應於該第二線所測得的偏差結合以產生HyperZ信號；以及 在該掃描的下一線中使用該HyperZ信號作為該前饋Z信號。
2. 如請求項1之方法，重複所有步驟直到該樣本的感興趣區域被成像。
3. 如請求項2之方法，其進一步包含基於該重複步驟的輸出識別感興趣的特徵。
4. 如請求項3之方法，其進一步包含對該感興趣的特徵進行高解析AFM成像。
5. 如請求項1之方法，其中該提供步驟是以大於2 mm/s的速度進行。
6. 如請求項1之方法，其中該提供步驟是以大於25 mm/s的速度進行。
7. 如請求項1之方法，其中該樣本的表面特徵是在＜1 um的XY像素尺寸下＞2 nm，並且其中橫向掃描速度是至少約30 mm/s。
8. 如請求項1之方法，其中該模式是峰值力輕拍(peak force tapping, PFT)模式及輕拍模式其中之一者。
9. 一種原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)，其包含： 掃描器，其提供該AFM的探針與樣本之間的相對掃描運動； 偵測器，其在AFM操作期間反應於探針-樣本交互作用測量該探針的偏差； 控制器，其基於對應於該掃描運動的第一線所測得的偏差產生前饋Z信號，並將該前饋Z信號與對應於該掃描運動的第二線所測得的偏差結合以產生HyperZ信號；以及 其中該HyperZ信號是在該掃描運動的下一線中用作為該前饋Z信號。
10. 如請求項9之AFM，其中該樣本的表面特徵是在＜1 um的XY像素尺寸下＞ 2 nm，並且其中該掃描器的橫向掃描速度是至少約30 mm/s。
11. 如請求項9之AFM，其中該AFM是在峰值力輕拍(PFT)模式及輕拍模式其中之一者中操作。
12. 一種操作用於半導體樣本上CMP後(post-CMP)熱點偵測的原子力輪廓(AFP)儀器之方法，該方法包括： 在樣本的第一線處提供該AFP的探針與該樣本之間的相對掃描運動； 反應於該提供步驟測量該探針的偏差，並根據AFM操作模式控制該探針-樣本分離； 基於該測量步驟產生前饋Z信號； 在該樣本的第二線處提供該探針與該樣本之間的相對掃描運動； 測量該探針在該第二線中的偏差，並根據AFM操作模式控制該探針-樣本分離； 將該前饋Z信號與對應於該第二線所測得的偏差結合以產生HyperZ信號； 在該掃描的下一線中使用該HyperZ信號作為該前饋Z信號； 針對感興趣區域重複上述步驟以基於該等HyperZ信號產生HyperZ數據；以及 基於該HyperZ數據識別該樣本的CMP後熱點。
13. 如請求項12之方法，其中該模式是PFT模式。
14. 如請求項12之方法，其中該提供步驟是以大於33 mm/s的速度進行。
15. 如請求項12之方法，其中該樣本的表面特徵是在＜1 um的XY像素尺寸下＞2 nm，並且其中橫向掃描速度是至少約30 mm/s。

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