TWI782972B - 用以執行次表面成像之方法及原子力顯微術系統 - Google Patents

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馬汀 H. 范艾斯
哈美德 沙地海恩瑪納尼
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荷蘭商荷蘭Ｔｎｏ自然科學組織公司
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Abstract

本發明有關於一種使用一種原子力顯微術系統執行在基板表面下之內嵌結構的次表面成像的方法。該系統包含有探針尖端的探針、與用以感測探針尖端之位置的感測器。該方法包含下列步驟：相對於該基板來定位該探針尖端；對該基板施加第一聲響輸入信號；對該基板施加第二聲響輸入信號；響應於該等第一及第二聲響輸入信號，偵測來自該基板的輸出信號；及分析該輸出信號。該第一聲響輸入信號包含一第一信號分量與一第二信號分量，該第一信號分量包含低於250百萬赫的頻率，而該第二信號分量包括低於2.5百萬赫的頻率、或可提供與該第一信號分量有至多2.5百萬赫之差頻的頻率，以便致能該基板中之一誘發應力場的分析；且其中該第二聲響輸入信號包含有高於1吉赫之頻率的一第三信號分量，致使返回信號包括該第二聲響輸入信號從該等內嵌結構散射的一散射部份。這能夠遍及大深度範圍在一回合執行不同深度的成像。

Description

用以執行次表面成像之方法及原子力顯微術系統
本發明針對一種方法，其用以執行在基板中位於基板表面下之一或多個內嵌結構的次表面成像，該方法係使用一原子力顯微術系統執行，其中，該原子力顯微術系統包含有至少一探針尖端的一探針，與用於感測用以偵測探針尖端運動之該探針尖端之一位置的一感測器，該方法包含下列步驟：相對於該基板來定位該探針尖端用以建立該探針尖端與該基板表面之間的接觸；使用至少一第一信號施加致動器對該基板施加一第一聲響輸入信號；使用至少一第二信號施加致動器對該基板施加一第二聲響輸入信號；響應於該等第一及第二聲響輸入信號，使用該感測器偵測來自該基板的一輸出信號；及分析該輸出信號用以得到該等內嵌結構的資訊，供致能該等內嵌結構之成像用。
本發明進一步針對一種原子力顯微術系統，其經組配來執行在基板中位於基板表面下之一或多個內嵌結構的次表面成像，其中，該原子力顯微術系統包含有至少一探針尖端的一探針、與用於感測用以偵測探針尖 端運動之該探針尖端之一位置的一感測器。
半導體工業的發展通常由莫爾定律支配，其預測電晶體在密集積體電路中的個數每兩年倍增。如將意識到的，每當遭遇由物理定律構成且需要克服的技術邊界以滿足工業對於越來越小積體電路的需求時，就會帶來重大的技術挑戰。
目前在崛起的新型結構是三維NAND或3D NAND型記憶體結構。在此背景下，用語NAND不是簡稱或縮寫，反而是指邏輯運算NAND，或換言之為NOT(AND(..，..))。3D NAND裝置由總厚度有數微米的數百個堆疊裝置層組成。為了能夠監控及檢驗在製造此類裝置期間及之後的對準、疊置及/或產品度量衡，將會應用允許視覺化甚至是深埋在裝置表面下(數微米)之奈米結構的次表面成像技術。
聲響型原子力顯微術(AFM)已有人提出作為執行半導體結構之次表面成像的適當技術。這些方法通常對樣本或有時是探針施加超音波信號，同時以接觸模式掃描樣本(超音波原子力顯微術(UAFM))。由於有外加超音波信號，探針與表面的互動包含取決於樣本之彈性性質的分量。由於在樣本下的埋藏結構改變探針尖端與表面之間的局部接觸彈性，施加超音波信號以及正確地分析探針偏折(亦即，經由輸出信號)使得視覺化次表面結構成為可能。特別是，用超音波AFM偵測次表面結構係基於由接觸 勁度變化引起的懸臂樑之共振頻率偏移。此類共振偏移的偵測是藉由測量在單一頻率的振幅或相位變化。
用以次表面成像之前述超音波原子力顯微術方法的缺點是，儘管它們用於執行淺深度的種種成像、監控及檢驗有效，然而它們無法用在較大的深度。特別是，在製造半導體裝置期間，希望監控或檢查在被製裝置之不同深度的數層之間的疊置錯誤。
本發明的目標是要提供一種用以執行次表面成像的方法及系統，特別是，執行在不同深度之數層的成像。
為此目的，提供一種方法用以執行在基板中位於基板表面下之一或多個內嵌結構的次表面成像，該方法的執行係使用一原子力顯微術(AFM)系統，其中，該原子力顯微術系統包含有至少一探針尖端的一探針，與用於感測用以偵測探針尖端運動之該探針尖端之一位置的一感測器，該方法包含下列步驟：相對於該基板來定位該探針尖端用以建立該探針尖端與該基板表面之間的接觸；使用至少一第一信號對該基板施加致動器施加一第一聲響輸入信號；使用至少一第二信號施加致動器對該基板施加一第二聲響輸入信號；響應於該等第一及第二聲響輸入信號，使用該感測器偵測來自該基板的一輸出信號；及分析該輸出信號用以得到該等內嵌結構的資訊，供致能該等內嵌結構之成像用；其中，該第一聲響輸入信號包含一第一信號 分量與一第二信號分量，該第一信號分量包含低於250百萬赫的一頻率，而該第二信號分量包括低於2.5百萬赫的一頻率、或者是可提供與該第一信號分量有至多2.5百萬赫之差頻的一頻率，以便致能該基板中之一誘發應力場的分析；且其中，該第二聲響輸入信號包含有高於1吉赫之一頻率的一第三信號分量，致使返回信號包括該第二聲響輸入信號從該等內嵌結構散射的一散射部份。
本發明能夠遍及大深度範圍在一回合執行不同深度的成像。例如，這可用來同時監控淺層、深層之間的疊置錯誤。例如，在淺深度(例如，表面以下達數百奈米(例如，300奈米)之形貌體的正確無誤定位，可對照出現在較深層(例如，表面以下達數微米或更深(例如，小於100微米)的其他形貌體。
包含有低於250百萬赫之一頻率的一第一信號分量與有低於2.5百萬赫之一頻率的一第二信號分量的該第一聲響輸入信號，能夠使用作為對比介質的勁度彈性(stiffness elasticity)來執行次表面成像。這通常致能用在淺深度有大信噪比的次表面成像，例如表面以下達0.3微米，致能樣本在表面以下之頂端少數幾層的準確成像(例如，正在製造或以後會製造的裝置)。
該第二聲響輸入信號包含有高於1吉赫之一頻率的一第三信號分量，其能夠使用作為對比介質的超音波散射來執行次表面成像。在這些頻率，該系統受衍射限制因而信號的波長決定在輸出信號中仍可看到的尺寸。然 而最重要的是，由於對比機構是基於波的散射(而不是彈性應力場)，相較於在較低頻率的測量，在大得多的穿透深度可用這些頻率執行測量。因此，施加至基板或樣本的第二聲響輸入信號致能深埋之數層的成像。
同時，該第一聲響輸入信號使得視覺化有可能通過在表面下之淺深度的彈性變形(亦即，彈性應力場)，然而該第二聲響輸入信號送入樣本而提供包括散射部份(回聲)的返回信號，或在透射模式下，該第二聲響輸入信號的波前由於該散射部份而被扭曲。該組合藉此致能以一回合視覺化在寬廣深度範圍內的不同深度。這致能將此成像技術集成於半導體製造方法中且藉此致能用AFM的一回合裝置檢驗可能遠遠分開的數層。例如，用此方式有可能識別複雜裝置設計中的疊置錯誤。這改善被製造半導體裝置的品質，且致能複雜裝置設計有要在規格內製造成可布置或疊加在不同深度的準確定位元件。
根據一些具體實施例，該至少一第二信號施加致動器附接至該至少一探針尖端，其中，至少該第二聲響輸入信號係經由該至少一探針尖端施加。經由探針尖端的施加提供第二聲響輸入信號作為從探針尖端位置出現進入樣本的點源。然後，第二信號施加致動器同時可用作用於接收散射返回信號的感測器。
在一些具體實施例中，該第一聲響輸入信號可用兩個或多個壓電型致動器施加，其中一個位在樣本下面以施加高頻的第一信號分量(小於或等於250百萬赫)。可 位在探針上或附近或者是附接至樣本的另一個壓電型致動器施加低頻的第二信號分量(小於2.5百萬赫)。替換地，藉由混合有提供低頻分量之差頻的兩個稍微不同頻率(例如，兩者達250百萬赫)，可用外差型方法提供低頻分量。通常，根據此一及其他具體實施例，此低頻分量經選定為其接近(例如，在5%內)探針之懸臂樑或探針尖端的的共振模式頻率。
為了克服或排除由表面粗糙度或表面不平度造成的任何不準確度，根據本發明方法的另一具體實施例，該至少一探針包含形成一探針尖端陣列的複數個探針尖端，其中，在該定位步驟期間，該探針經定位成可建立該基板表面與每個該等探針尖端之間的接觸。在此情形下，多個探針尖端在多個位置取得測量值，能夠排除或平均化差異。
上述具體實施例可組合為以下的較佳具體實施例，其中，複數個第二信號施加致動器附接至該等複數個探針尖端，致使每個探針尖端與該等第二信號施加致動器中之至少一者關聯，用以透過該等複數個探針尖端來施加複數個第二聲響輸入信號，其中，該方法包含：使用一控制器來控制該等第二信號施加致動器的運作，以便控制該等複數個第二聲響輸入信號中每兩個信號之間的相位差，以便提供由該等複數個第二聲響輸入信號組成有一可控制形狀的一組合波前。藉由正確地控制位於該探針尖端陣列之每個探針尖端上方之第二信號施加致動器的運作， 這些具體實施例提供產生波前的有利可能性。特別是，提供有選擇及控制良好之相移的每個第二聲響輸入信號，致能使波前有適當的形狀以提供許多不同的有利效果。使用每個第二信號施加致動器的可控制延遲可實現該等相移，這能夠設計有任何形狀的波前。這些具體實施例允許相位陣列成像概念與多個探針尖端的前述優點結合。
使用此相位陣列成像概念，在本發明方法的一些具體實施例中，可得到各種其他優點。在這些其他具體實施例中，執行該等第二信號施加致動器的控制以便產生下列項目中之至少一者：相對於該等探針尖端聚焦於一焦點處的一聚焦波前；一散焦波前；一平面波前，其中，該平面波前為平行於該基板表面或與該基板表面有一角度中之至少一者；與一弧形波前。
可用提供不同相位差的不同方式實現相位陣列成像的優點。在這些具體實施例中，該探針包含一懸臂樑，其具有該至少一探針尖端位於此處的前端、與相對於該前端形成該懸臂樑之一遠側相對立端的一後端，其中，該至少一第二信號施加致動器在該後端處附接至該懸臂樑，該方法包含：透過該懸臂樑施加該第二聲響輸入信號作為一導波，且其中，經由每個探針尖端施加之該第二聲響輸入信號的一相位取決於個別探針尖端的一相對位置，其中，該等探針尖端的位置可提供具有一形狀的一組合波前，該形狀由經由每個探針尖端施加之該第二聲響輸入信號的該等相位來決定。該導波型輸入信號傳播通過該 懸臂樑，其傳播速度取決於懸臂樑橫截面(橫切縱向)的尺寸，主要是厚度。該傳播速度進一步取決於施加信號的頻率。該懸臂樑的尺寸對於該懸臂樑是固定的，因此可適當地設計施加信號的頻譜以得到所欲速度分布。即使沒有這個，行進通過懸臂樑的導波會首先到達該等複數個探針尖端中最近的探針尖端，然後取決於與懸臂樑後端的距離依序到達其他的探針尖端。在不同的探針尖端之間，也提供相位差，它可用來形塑經由該等探針尖端施加之組合第二聲響輸入信號部份的波前。特別是，在一些具體實施例中，該等複數個探針尖端的位置可提供下列項目中之至少一者：非平面波前、或與該基板表面平行或與該基板表面有一角度中之至少一者的平面波前。
又在本發明的其他具體實施例中，該探針尖端包含用於與該基板表面接觸的一接觸表面，其中，為了提供該第二聲響輸入信號作為一點源信號，該接觸表面有小於1.25*103平方奈米的接觸表面積，例如小於20奈米的接觸表面半徑；或其中，為了提供該第二聲響輸入信號作為一聲束，該接觸表面有大於1.25*103平方奈米的接觸表面積，例如大於20奈米的接觸表面半徑，較好是大於1.25*105平方奈米，例如大於200奈米的接觸表面半徑，更好是大於7.85*105平方奈米，例如大於500奈米的接觸表面半徑。在後者情形下，探針尖端之接觸表面的大接觸面積使施加的第二聲響輸入信號從點源變成與此大孔關聯的激發場(excitation field)。這造成第二聲響輸入信號被 施加作為聲束。這樣的優點是，取決於接觸區的大小及形狀與結合在樣本之相應材料中之聲速的信號頻率，該聲束可在樣本內會聚。特別是，在該束內的聲音強度會取決於在該束內的位置，在某一深度附近有最大的強度在該束之中央的小區內。由嵌在樣本中與該束之會聚區重合之元件的局部材料差異造成的任何扭曲會提供強烈的返回信號供取得與此類內嵌元件之性質有關的資訊。由於該會聚區不僅取決於接觸區的大小，也取決於它的形狀，根據一些具體實施例，該探針尖端包含用於與該基板表面接觸的一接觸表面，其中，該接觸表面有選自由下列形狀組成之群組的形狀：方形、長方形、圓形、橢圓形、有圓角的方形或矩形、三角形、或多角形。
本發明的第二方面，提供一種原子力顯微術系統，其經組配來執行在一基板中位於一基板表面下之一或多個內嵌結構的次表面成像，其中，該原子力顯微術系統包含有至少一探針尖端的一探針、與用於感測用以偵測探針尖端運動之該探針尖端之一位置的一感測器，該系統進一步包含：一致動器平臺，其用以相對於該基板來定位該探針尖端，以在該探針尖端與該基板表面之間建立接觸；用以對該基板施加一第一聲響輸入信號的至少一第一信號施加致動器；用以對該基板施加一第二聲響輸入信號的至少一第二信號施加致動器；其中，該感測器經組配來響應於該等第一及第二聲響輸入信號，偵測來自該基板的一輸出信號；其中，該系統進一步包含一分析器，其經組 配來分析該輸出信號用以得到該等內嵌結構的資訊供致能該等內嵌結構之成像用；且其中，該第一信號施加致動器經組配來施加包含一第一信號分量及一第二信號分量的該第一聲響輸入信號，該第一信號分量包含低於250百萬赫的一頻率，而該第二信號分量包括低於2.5百萬赫的一頻率或者是可提供與該第一信號分量有至多2.5百萬赫之差頻的一頻率，以便致能該基板中之一誘發應力場的分析；且其中，該第二信號施加致動器經組配來施加包含有高於1吉赫之一頻率之一第三信號分量的該第二聲響輸入信號，致使返回信號包括該第二聲響輸入信號從該等內嵌結構散射的一散射部份。
例如，該致動器平臺可為該原子力顯微鏡的掃描頭，其根據本發明之第一方面的方法，致能相對於樣本表面來掃描探針以執行一區域的成像。
21:(測量)系統
22:掃描頭
23:壓電致動器
25:(樣本)表面
26:樣本
27:轉換器
28:探針
29:懸臂樑
30、30-1、30-2、30-3:探針尖端
31:探針尖端陣列
35:(準直)雷射光束；反射光束
36:雷射(單元)
38:光學偵測器；光二極體；光感測器
39、76:輸出信號
43:分析(器)系統；鎖相放大器分析系統
49:信號產生器
51:第一超音波輸入信號
52:第二超音波輸入信號；聲響信號
53:z位準感測器
58:前置放大器
60:分析器
61:低通濾波器
62:輸入
63:比較器
65:反饋控制器
66:放大器
70:(聲響)轉換器
71:耦合介質
72:硬體或軟體模組；產生器
75:(壓電型)致動器；感測器
75-1、75-2、75-3:(壓電)致動器/轉換器
80:(次表面)結構；(內嵌)元件
82-1、82-2、82-3:延遲
85:控制器
90:(極高頻)聲響輸入信號；輸入信號；(點源)信號
90-1、90-2、90-3:(聲響)輸入信號；點源
92:(散射)部份/(散射)返回信號
93:(聚焦)波前
96:(聲)束
100:接觸區
102:橢圓形
f1、f2:頻率
將會參考附圖用一些特定具體實施例的說明進一步闡述本發明。詳細說明提供本發明之可能實作的實施例，但是不應被視為只有提及具體實施例落在範疇內。本發明的範疇在請求項中界定，且該描述應被視為圖解說明而不是限制本發明。附圖中：圖1根據本發明示意圖示一系統；圖2根據本發明之一具體實施例示意圖示一方法；圖3根據本發明之一具體實施例示意圖示一方法；圖4根據本發明之一具體實施例示意圖示一方法； 圖5示意圖示用於導波的傳播速度相依圖。
圖1根據本發明之一具體實施例示意圖示測量系統21。系統21可用於執行本發明方法，例如圖示於圖2至圖4及其他之具體實施例的方法。在系統21中，一探針28附接至一致動器平臺或掃描頭22。掃描頭22致能探針28相對於一樣本26之表面25的掃描。探針28由一懸臂樑29與一探針尖端30組成。在掃描期間，使探針尖端30與樣本26的表面25接觸。例如，可使探針尖端30以接觸模式(探針尖端30與樣本26表面25連續接觸)掃描越過樣本26的表面25。一雷射單元36提供一準直雷射光束35，其打到在探針28背面的(鏡面反射)區段上且朝向一光學偵測器38(例如光二極體)反射。使用光學偵測器38，可感測懸臂樑29由反射光束35在振動影響下之小偏折引起的振動。這提供用以進一步分析的輸出信號39。應瞭解，儘管圖1圖示單一掃描頭22，然而該方法同樣可應用於包括多個掃描頭的系統。
本系統能對樣本26施加極高頻聲響輸入信號90(例如，參考圖3)。此極高頻聲響輸入信號，具有在高於1吉赫之範圍中之頻率，為先前所稱的第二聲響輸入信號(下文會進一步描述第一聲響輸入信號)。使用裝在探針尖端30之非接觸面(亦即，背面)上的壓電型致動器75施加圖1的聲響輸入信號90。聲響輸入信號90經由探針尖端30傳播進入樣本26。在樣本26內，假如使用有尖銳尖端的 探針尖端(這提供與樣本表面25有夠小的接觸區)，聲響輸入信號90作為點源信號90傳播，如附圖所示。刺激探針尖端30以便經由尖端30對樣本26施加極高頻聲響輸入信號90的替代方式，例如可包括透過脈衝雷射或強度可變雷射(未圖示)利用膨脹及收縮的熱效應以產生聲響信號的刺激。例如，這可使用雷射36及打在探針28上之材料層的雷射光束35或獨立雷射光束(未圖示)實現。
聲響輸入信號90會傳播通過樣本26的材料，且任何結構80或遭受的密度變化會造成輸入信號90的部份92被散射回到表面25。
聲響輸入信號90可具有短持續時間，例如增量脈衝(delta pulse)的脈衝信號，或聲響輸入信號90可具有長持續時間，甚至是連續的。如果施加短持續時間的信號90，所施加的脈衝信號或脈衝序列必須短到足以確保該不連續信號的來回傳播不會在樣本中混合。因此，空間脈衝長度可取決於材料(因為不同材料的聲速不同)，且對於較軟的材料空間脈衝長度可短些，同時對於較硬的材料空間脈衝長度可長些。在一些具體實施例中，不連續信號的信號持續時間小於除以聲音在樣本之主要材料中之速度的預定偵測深度。施加短持續時間的聲響輸入信號90進入樣本會造成自存在於樣本26中之任何內嵌元件80散射的一散射返回信號92被接收。
另一方面，如果施加長信號或連續信號，任何元件80同時會向後散射一部份92。不過，隨後在仍在施 加輸入信號90時會收到散射返回信號92。因此，可能需要分析輸出信號的附加分析步驟，以分離所施加的輸入信號90與輸出信號以找出返回信號92。例如，使用相位相依濾波法，可忽略輸出信號中相位與輸入信號90相同的信號部份，以便只產生源自於由在樣本中之內嵌元件80散射之返回信號92的部份。其他技術同樣可用來執行此類濾波法。另一方面，施加連續的聲響輸入信號90減少輸入側的複雜度，且藉由不必執行施加信號90及收聽返回信號的交替送出-接收序列而可大幅加速測量。
可用各種不同的方式執行返回信號92的感測。例如，可使用探針28拾取返回信號92。藉由使探針尖端30以接觸模式掃描越過表面25，可使用探針28得到返回信號92。使用鏡面反射離開探針尖端30或懸臂樑29之背面或離開致動器75之背面且入射於例如四象限型光二極體之光二極體38上的雷射光束35來得到輸出信號39。與表面25接觸的探針尖端30會接收返回信號92的誘發聲響振動。藉由分析經由懸臂樑29與探針尖端30之振動響應被收到的返回信號92，可視覺化任何次表面結構80。藉由分析來自光感測器38的輸出信號39，可分析返回信號92。輸出信號39的正確分析允許剔出對應至返回信號92的信號分量。提供此輸出信號39給分析系統43以執行此分析。在分析系統43中，硬體或軟體模組72從輸出信號39剔出散射部份92以提供次表面結構80的影像。
替換地，也可使用作為感測器的壓電型致動 器75來接收返回信號92。應瞭解，致動器75對於在輸入信號90之頻率範圍內的聲響信號有特別響應，因為它也用來施加聲響輸入信號90。因此，可直接提供來自致動器/感測器75的輸出信號76給分析器系統43以執行此一分析。
系統21進一步包括裝在樣本26下的轉換器70、與裝在懸臂樑29上的另一轉換器27。轉換器70及27致能系統21同時以較低的頻率來應用附加超音波力顯微術(UFM)。在系統21中，在應用施加至樣本26的極高頻聲響輸入信號90的同時，轉換器70例如可以在1至250百萬赫(MHz)之頻率範圍內的頻率f1施加另一聲響輸入信號。有與f1在相同頻率範圍內之頻率f2的附加低頻率信號經由轉換器27施加於懸臂樑29上，致使差值f1-f2在懸臂樑的共振頻率中之一者附近(例如，在100千赫(kHz)與1MHz之間；例如，550kHz)。轉換器70及27可為壓電型轉換器或其他合適轉換器。轉換器27可如圖示裝上懸臂樑29、或裝上探針尖端30的背面(亦即，在探針尖端30上方)、或在探針28安裝至掃描頭22的附近。使來自轉換器27之振動可有效地饋入探針28的任何位置都適合用於安裝轉換器27。替換地，在頻率f2的信號甚至可直接或甚至經由轉換器70施加至樣本26。轉換器70不必位在樣本26下，但是可位在表面25上、或甚至位在樣本26旁。此外，來自轉換器70及27兩者的信號可用單一轉換器施加，使得在此情形下可淘汰這兩個轉換器中之任一或兩者。頻率f1及f2的信號也可經由在懸臂樑29上的轉換器27來施加。視需要，可塗上耦合 介質71(例如，液體、油或油脂(例如，凡士林))以在聲響轉換器70與樣本26之間提供低電阻耦合。
儘管有前述替代例，然而在圖1中，系統21的分析器系統43包含一信號產生器49，其致能產生包括頻率f1的第一超音波輸入信號51與包括頻率f2的第二超音波輸入信號52。在圖1中，頻率f1的第一超音波輸入信號51在探針28掃描越過表面25期間經由轉換器70施加作為聲響信號52。與懸臂樑29接觸的轉換器27接收包括頻率f2的第二超音波輸入信號52。在頻率f1的高頻超音波信號造成探針尖端30壓凹表面25。探針尖端30與表面25之間的尖端-樣本互動造成探針的共振頻率偏移。這取決於樣本的局部彈性性質，接著其係取決於次表面結構。因此，藉由分析在共振頻率左右(亦即，在f2附近或處於外差激發(heterodyne excitation)的f2-f1)的輸出信號39，可測量彈性應力場(赫茲場)內的結構。該效應可與物件透過枕頭的感覺做比較，亦即，輸出信號39由共振頻率偏移造成的變化允許視覺化次表面結構。
如以上所解釋的，該應力場的穿透深度有限(例如，在表面以下達300奈米)，且可使用施加至樣本26的前述極高頻不連續信號來偵測較深的結構。不過，從後一種UFM測量得到的淺結構附加資訊提供可用來提高準確度的附加資訊，以及例如在淺應力場內之不同數層之完整性的結構資訊。在工業設定中，此類附加測量在製程中可能非常寶貴。
除了映射次表面結構外，系統21可進一步配置成可執行常規原子力顯微術以便映射在表面25上的表面上結構。在圖1中，為此目的，在前置放大器58的前置放大之後與在分析器60的事前分析之後，提供輸出信號39給鎖相放大器分析系統43以及給低通濾波器61兩者。該低通濾波器從輸出信號移除與次表面測量有關的高頻分量且提供該信號給比較器63。該比較器比較該輸出信號與在輸入62(例如，來自控制器系統)收到的設定點，且產生提供給反饋控制器65的差分信號。該反饋控制器提供控制信號給放大器66用於驅動壓電致動器23供調整探針28的z位準，亦即，探針28在表面25以上的高度距離。可用z位準感測器53更準確地判定藉由分析控制信號可從反饋控制器65得到的修正。映射經判定的z位準修正以提供表面25的表面形貌圖。
以下，參考附圖略述本發明方法的複數個不同具體實施例。這些具體實施例包括以下兩者的各種不同實作：對樣本26施加聲響輸入信號90，和偵測返回信號92。該等各種具體實施例進一步包括：以使尖端-樣本互動由局部彈性性質支配的頻率額外施加超音波AFM(UAFM)，應用在表面25以下達150奈米之淺深度的附加次表面成像。
在圖2的具體實施例中，探針28包含懸臂樑29。在懸臂樑29的前端，探針尖端陣列31包含有複數個探針尖端30-1、30-2及30-3的探針尖端頭部。在每個探針尖 端30-1至30-3上面，相關壓電致動器/轉換器75-1、75-2及75-3附接至探針尖端陣列31。各自來自壓電致動器75-1、75-2及75-3的聲響輸入信號90傳播通過探針尖端陣列31朝向相應探針尖端30-1至30-3。在樣本26的表面25，極高頻聲響輸入信號90傳送到樣本26中。耦合於樣本26中係經由每個探針尖端30-1至30-3的尖銳末端實現。因此，在樣本26內，每個極高頻輸入信號90用作點源信號，如對應至每個探針尖端的相應輸入信號90-1、90-2及90-3所示。
從產生器72接收要由每個致動器75-1、75-2及75-3施加的信號，在此其係如以上所述地產生，然而當然替換地，這些信號可用許多不同方式產生。不過，在本具體實施例中，控制器85(主要)可控制複數個延遲82-1、82-2及82-3，致使聲響輸入信號90-1、90-2及90-3的相位取決於各個延遲82-1、82-2、82-3的設定而不相同。各個延遲82-1、82-2及82-3與致動器75-1、75-2及75-3中之一者關聯。以此方式，可控制輸入信號90-1、90-2及90-3的相位使得樣本26中的組合波包含按需要使其形狀適合用於相應測量的波前93。例如，如圖2所示，波前93可會聚於某一焦點上(例如，樣本26內在表面25以下的某一深度)。替換地，可產生散焦波前，或可控制波面(face)，以提供與表面25有角度的線性波前。
探針尖端陣列31以此方式提供應用相位陣列型測量的可能性。例如使用聚焦波前93，藉由使波前93 會聚於某一焦點上，極高頻聲響輸入信號90的強度在該焦點會最高。在內嵌元件80所處深度與焦點重合的情形下，它會提供在表面25可拾取的極強的返回信號92。
圖3的具體實施例提供應用用以成像之相位陣列概念的不同方式。在此，用於提供極高頻聲響輸入信號90的致動器75附接至探針28之懸臂樑29的後端。為了解釋，該後端為懸臂樑相對於探針尖端的遠端。極高頻聲響輸入信號90經由轉換器75施加至懸臂樑29中，懸臂樑29藉此用作波導。以此方式，施加聲響輸入信號90作為通過懸臂樑29傳播的導波。以下從圖5的曲線圖可知，相位速度(單位：公里/秒)取決於由致動器75施加之輸入信號的頻率與懸臂樑29的厚度兩者。相位速度進一步取決於由聲響輸入信號90誘發之導波是對稱波(S0、S1及S2的S模式)還是反對稱波(A0、A1、A2的A模式)。首先考慮單一頻率的聲響輸入信號90，懸臂樑29的厚度在測量期間被固定，且輸入信號90傳播通過懸臂樑朝向探針尖端30-1、30-2及30-3。聲響輸入信號隨後到達探針尖端30-1至30-3中之每一者，且經由該等探針尖端中之每一者耦合於樣本26中。假設直線傳播通過圖3的系統，點源90-1、90-2及90-3會形成為平面但是與樣本表面25有角度的波前93。
給定傳播速度相對於該頻率的相依性，藉由包括各種頻率分量以便得到所欲波前93也有可能設計極高頻聲響輸入信號90。用此方式，可得到不同的平面波前或甚至非平面波前(例如，會聚)而不需要如圖2之具體實施 例的控制器或延遲。應瞭解，在沒有控制器或延遲時，形塑波前的可能性有點更受限，不過，此具體實施例只需要單一壓電致動器75用於極高頻聲響輸入信號90且沒有用於此目的的控制器或延遲。
圖4圖示本發明的另一具體實施例。在圖4中，探針尖端30包含用它來與樣本26表面25接觸的接觸區100。接觸區100不尖銳，但是已刻意想出相對大的接觸區以便施加遍及整個接觸區100的極高頻聲響輸入信號90。這在樣本中產生有極高聲響信號強度的聲束96。在聲束96外，有聲響強度低很多的極高頻分量。應瞭解，如果內嵌元件80與聲束96重合，會散射在表面25用高信燥比可拾取的強返回信號。
不僅接觸區100的大小對於得到聲束來說很重要，提供有一定橫截面形狀的接觸區100也有其他優點。例如，接觸區100的形狀可為方形、圓形、橢圓形、多角形、或這些或其他形狀中之任一。聲響信號在束96內的強度分布取決於接觸區100的形狀。例如，如同圖4的具體實施例，使用圓形形狀導致聲束96包含有極高聲響輸入信號90強度的某一區域。此會聚區示意及大體圖示在圖4的橢圓形102內標示為在束96內的暗區。這可用來使該束聚焦在某一深度且從這個深度得到大量的資訊。
已用一些特定具體實施例來描述本發明。應瞭解，圖示於附圖且描述於本文的具體實施例旨在只用來圖解說明而非旨在用任何方式或手段來限制本發明。相信 從上述說明及附圖會明白本發明的操作及構造。熟諳此藝者會明白本發明不受限於描述於本文的任何具體實施例且可能有應被視為在隨附請求項之範疇內的修改。再者，運動逆推(kinematic inversions)本質上被視為已揭露且應在本發明範疇內。此外，各種揭露具體實施例的任何組件及元件在其他具體實施例中在視為有必要、為所欲或較佳時可予以組合或合併，而不脫離如在請求項中所界定的本發明範疇。
在該等請求項中，任何參考符號不應被視為請求項的限制。用語「包含」及「包括」在使用於說明或隨附請求項時不應被視為有排他或窮盡的意思反而是有含括的意思。因此，如使用於本文的措詞「包含」不排除存在其他的元件或步驟，除了列於任何請求項中的以外。此外，用字「一(a/an」不應被視為受限於「唯一」，反而是用來表示「至少一」的意思，且不排除複數個。在本發明範疇內的結構中可另外包括未具體或明確描述或加以主張的特徵。措詞(例如「用於…之構件」)應理解為：「經組配為可用於...之組件」或「經建構以…之構件」且應視為包括所揭示之結構的等效形式。所用措詞(例如「關鍵的」、「較佳的」、「特別較佳的」)等等非旨在限制本發明。在不脫離取決於請求項的本發明精神及範疇下，大體可做出在熟諳此藝者之視界內的添加、刪除及修改。除具體描述於本文的以外，本發明可用其他方式來實施，且只受限於隨附請求項。
21‧‧‧(測量)系統
22‧‧‧掃描頭
23‧‧‧壓電致動器
25‧‧‧(樣本)表面
26‧‧‧樣本
27‧‧‧轉換器
28‧‧‧探針
29‧‧‧懸臂樑
30‧‧‧探針尖端
35‧‧‧(準直)雷射光束；反射光束
36‧‧‧雷射(單元)
38‧‧‧光學偵測器；光二極體；光感測器
39、76‧‧‧輸出信號
43‧‧‧分析(器)系統；鎖相放大器分析系統
49‧‧‧信號產生器
51‧‧‧第一超音波輸入信號
52‧‧‧第二超
53‧‧‧z位準感測器
58‧‧‧前置放大器
60‧‧‧分析器
61‧‧‧低通濾波器
62‧‧‧輸入
63‧‧‧比較器
65‧‧‧反饋控制器
66‧‧‧放大器
70‧‧‧(聲響)轉換器
71‧‧‧耦合介質
72‧‧‧硬體或軟體模組；產生器
75‧‧‧(壓電型)致動器；感測器
80‧‧‧(次表面)結構；(內嵌)元件
85‧‧‧控制器
90‧‧‧(極高頻)聲響輸入信號；輸入信號；(點源)信號
92‧‧‧(散射)部份；(散射)返回信號
f1、f2‧‧‧頻率 音波輸入信號/聲響信號

Claims (15)

  1. 一種執行一或多個內嵌結構之次表面成像的方法，該一或多個內嵌結構在一基板中位於一基板表面下，該方法係使用一原子力顯微術系統執行，其中，該原子力顯微術系統包含有至少一探針尖端的一探針、與用於感測用以偵測探針尖端運動之該探針尖端之一位置的一感測器，該方法包含下列步驟：相對於該基板來定位該探針尖端用以建立該探針尖端與該基板表面之間的接觸；使用至少一第一信號施加致動器來對該基板施加一第一聲響輸入信號；使用至少一第二信號施加致動器來對該基板施加一第二聲響輸入信號；響應於該等第一及第二聲響輸入信號，使用該感測器偵測來自該基板的一輸出信號；及分析該輸出信號用以得到該等內嵌結構的資訊，供致能該等內嵌結構之成像用；其中，該第一聲響輸入信號包含一第一信號分量與一第二信號分量，該第一信號分量包含低於250百萬赫的一頻率，而該第二信號分量包括低於2.5百萬赫的一頻率、或者是可提供與該第一信號分量有至多2.5百萬赫之差頻的一頻率，以便致能該基板中之一誘發應力場的分析；且 其中，該第二聲響輸入信號包含有高於1吉赫之一頻率的一第三信號分量，致使在該輸出信號中提供下列項目中之一者：一返回信號，包括該第二聲響輸入信號從該等內嵌結構散射的一散射部份；或一透射之第二聲響輸入信號，其波前由於源自該等內嵌結構之散射而扭曲。
  2. 如請求項1之方法，其中，該至少一第二信號施加致動器附接至該至少一探針尖端，且其中該第二聲響輸入信號係經由該至少一探針尖端施加。
  3. 如請求項1之方法，其中，該至少一探針包含形成一探針尖端陣列的複數個探針尖端，其中，在該定位步驟期間，該探針經定位成可在該基板表面與每個該等探針尖端之間建立接觸。
  4. 如請求項2之方法，其中，該至少一探針包含形成一探針尖端陣列的複數個探針尖端，其中，在該定位步驟期間，該探針經定位成可在該基板表面與每個該等探針尖端之間建立接觸，其中，第二信號施加致動器中之一或多者附接至該等複數個探針尖端，致使每個探針尖端與該等第二信號施加致動器中之至少一者關聯，用以透過該等複數個探針尖端來施加複數個第二聲響輸入信號，其中，該方法包含：使用一控制器來控制該等第二信號施加致動器的運作，以便控制該等複數個第二聲響輸入信號中每兩個信號 之間的一相位差，以便提供由該等複數個第二聲響輸入信號組成有一可控制形狀的一組合波前。
  5. 如請求項4之方法，其中，執行該等第二信號施加致動器的控制以便產生下列項目中之至少一者：相對於該等探針尖端聚焦於一焦點處的一聚焦波前、一散焦波前、一平面波前，其中該平面波前為平行於該基板表面或與該基板表面有一角度之其中一者。
  6. 如請求項3之方法，其中，該探針包含一懸臂樑，其具有該至少一探針尖端位於此處的一前端、與相對於該前端形成該懸臂樑之一遠側相對立端的一後端，其中，該至少一第二信號施加致動器在該後端處附接至該懸臂樑，該方法包含：透過該懸臂樑施加該第二聲響輸入信號作為一導波，且其中經由每個探針尖端施加之該第二聲響輸入信號的一相位取決於個別探針尖端的一相對位置，其中，該等探針尖端的位置係用以提供具有一形狀的一組合波前，該形狀由經由每個探針尖端施加之該第二聲響輸入信號的該等相位來決定。
  7. 如請求項6之方法，其中，該等複數個探針尖端的位置與該懸臂樑的厚度或形狀中之至少一者用以提供經由每個探針尖端施加之該第二聲響輸入信號的數個信號部分之間的一相位延遲，來提供下列項目中之至少一者：與該基板表面平行或與該基板表面有一角度之其中一者的一平面波前、或一散焦波前。
  8. 如請求項1之方法，其中，該探針尖端 包含用以與該基板表面接觸的一接觸表面，其中，為了提供該第二聲響輸入信號作為一點源信號，該接觸表面有小於1.25*103平方奈米的接觸表面積，例如小於20奈米的接觸表面半徑；或其中，為了提供該第二聲響輸入信號作為一聲束，該接觸表面有大於1.25*103平方奈米的接觸表面積，例如大於20奈米的接觸表面半徑。
  9. 如請求項1之方法，其中，該探針尖端包含用以與該基板表面接觸的一接觸表面，其中，該接觸表面有自下列形狀組成之群組選出的形狀：方形、長方形、圓形、橢圓形、有圓角的方形或矩形、三角形、或多角形。
  10. 一種原子力顯微術系統，其經組配來執行在一基板中位於一基板表面下之一或多個內嵌結構的次表面成像，其中，該原子力顯微術系統包含具有至少一探針尖端的一探針、與用於感測用以偵測探針尖端運動之該探針尖端之一位置的一感測器，該系統進一步包含：一致動器平臺，其用以相對於該基板來定位該探針尖端，以在該探針尖端與該基板表面之間建立接觸；用以對該基板施加一第一聲響輸入信號的至少一第一信號施加致動器；用以對該基板施加一第二聲響輸入信號的至少一第二信號施加致動器；其中，該感測器經組配來響應於該等第一及第二聲響輸入信號，偵測來自該基板的一輸出信號； 其中，該系統進一步包含一分析器，其經組配來分析該輸出信號，以得到該等內嵌結構的資訊供致能該等內嵌結構之成像用；且其中，該第一信號施加致動器經組配來施加包含一第一信號分量及一第二信號分量的該第一聲響輸入信號，該第一信號分量包含低於250百萬赫的一頻率，而該第二信號分量包括低於2.5百萬赫的一頻率、或者是可提供與該第一信號分量有至多2.5百萬赫之差頻的一頻率，以便致能該基板中之一誘發應力場的分析；且其中，該第二信號施加致動器經組配來施加包含有高於1吉赫之一頻率之一第三信號分量的該第二聲響輸入信號，以便在該輸出信號中提供以下項目中之一者：一返回信號，包括該第二聲響輸入信號從該等內嵌結構散射的一散射部份；或一透射的第二聲響輸入信號，其波前由於源自該等內嵌結構之散射而扭曲。
  11. 如請求項10之原子力顯微術系統，其中，該至少一第二信號施加致動器附接至該至少一探針尖端，以便經由該至少一探針尖端施加該第二聲響輸入信號。
  12. 如請求項10之原子力顯微術系統，其中，該至少一探針包含形成一探針尖端陣列的複數個探針尖端，以便致能該探針的定位，以在該基板表面與每個該等探針尖端建立接觸。
  13. 如請求項11之原子力顯微術系統，其 中，該至少一探針包含形成一探針尖端陣列的複數個探針尖端，以便致能該探針的定位，以在該基板表面與每個該等探針尖端建立接觸，其中，第二信號施加致動器中之一或多者附接至該等複數個探針尖端，致使每個探針尖端與該等第二信號施加致動器中之至少一者關聯，用以透過該等複數個探針尖端來施加複數個第二聲響輸入信號，其中，該系統進一步包含一控制器，其用以控制該等第二信號施加致動器的運作，以便控制該等複數個第二聲響輸入信號中每兩個信號之間的相位差，以便能夠提供由該等複數個第二聲響輸入信號組成有一可控制形狀的一組合波前。
  14. 如請求項12之原子力顯微術系統，其中，該探針包含一懸臂樑，其具有該至少一探針尖端位於此處的一前端、與形成該懸臂樑相對於該前端之遠側相對立端的一後端，其中，該至少一第二信號施加致動器在該後端處附接至該懸臂樑，以便透過該懸臂樑施加該第二聲響輸入信號作為一導波，且其中經由每個探針尖端施加之該第二聲響輸入信號的一相位取決於個別探針尖端的一相對位置，其中，該等探針尖端的位置係用以提供具有一形狀的一組合波前，該形狀由經由每個探針尖端施加之該第二聲響輸入信號的該等相位來決定。
  15. 如請求項10之原子力顯微術系統，其中，該探針尖端包含用以與該基板表面接觸的一接觸表面，其中，有下列特徵中之至少一者： 為了提供該第二聲響輸入信號作為一點源信號，該接觸表面有小於1.25*103平方奈米的接觸表面積，例如小於20奈米的接觸表面半徑；或該接觸表面有大於1.25*103平方奈米的接觸表面積，例如大於20奈米的接觸表面半徑；或該接觸表面有自下列形狀組成之群組選出的形狀：方形、長方形、圓形、橢圓形、有圓角的方形或矩形、三角形、或多角形。
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