TWI812608B - 用於執行樣品上之偵測或樣品之特性鑑定的方法及系統 - Google Patents
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Abstract
本文獻係有關於一種原子力顯微鏡，其包含：包含一探針尖端的一探針，該探針尖端經組配為可感測鄰設於該探針尖端的一樣品，能偵測該探針尖端之一偏折的一偵測器，一致動器，其耦合至該探針且經組配為可移動該探針以在一預定力設定點與該樣品處於一感測狀態，與一振動器，其與該樣品通訊以提供一振動至該樣品，該振動包含一調變頻率，其中，該聲音振動器經組配為，在無調變的一初始感測週期後，可在一調變週期中提供該振動，且其中，該探針在該調變週期期間或之後移到在該樣品上的一接續樣品位置同時使該探針在一非接觸狀態下移動。
Description
本發明針對一種用於映射樣品之表面及次表面特性的方法。本發明進一步針對一種用於執行原子力顯微術的方法，且針對一種原子力顯微系統。
所謂次表面探針顯微術(也稱為次表面AFM)之原子力顯微術的最近進展已顯示能測量埋在表面下之奈米結構的獨特性能。次表面AFM通常以接觸模式的反饋運作，其中，在同時記錄源於在調變頻率之高頻振幅及相位的次表面影像時，使用懸臂樑偏折信號(cantilever deflection signal)之低頻(小於2kHz)部份的接觸模式反饋取得形貌影像。
圖1為先前技術方法之工作原理的簡圖。
由於次表面AFM以接觸模式運作，其缺點是可能損傷樣品，特別是，由於需要施加較高的力以取得高信噪比。
較高的設定點力(set point force)會導致已知會損傷樣品的較高剪力且在次表面信號測量期間可能造
成漂移。美國專利第US20150338437號描述一種原子力顯微方法，其中，間歇接觸共振原子力顯微鏡經組配為可調變懸臂樑的接觸共振頻率且在使樣品間歇地經受來自懸臂樑的力時以掃描調變頻率來調變樣品以取得成像資料用以判定樣品之表面及次表面部份的材料性質(例如，模數、勁度等等)。間歇接觸共振儘管已顯示可降低損傷問題，但是不完全。不過，在此模式中，力沒有被很好地具體描述，因此定量(次表面)成像有困難。此外，它沒有解決耦合表面及次表面資訊的問題。
本發明的目標是要提供一種原子力顯微方法，該方法用於映射樣品之表面及次表面特性有時效且準確。
為此目的，在此提供一種原子力顯微鏡，其包含：包含一探針尖端的一探針，該探針尖端經組配為可感測鄰設於該探針尖端的一樣品，能偵測該探針尖端之一偏折的一偵測器，一致動器，其耦合至該探針且經組配為可移動該探針以在一預定力設定點與該樣品處於一感測狀態，與一振動器，其與該樣品通訊以提供一振動至該樣品，該振動包含一調變頻率，其中，該聲音振動器經組配為，在無調變的一初始感測週期後，可在一調變週期中提供該振動，且其中，該探針在該調變週期期間或之後移到在該樣品上的一接續樣品位置同時使該探針在一非接觸狀態下移動。
在另一方面，提供一種用於執行原子力顯微術之方法，該方法包含：提供一原子力顯微鏡，其包含一探針，該探針經組配為可感測鄰設於該探針的一樣品，鄰設於該探針的一樣品，與一振動器，其與該樣品通訊以提供一振動至該樣品，該振動包含一調變頻率，使該樣品經受該振動且以該調變頻率來調變該樣品以執行原子力顯微術，其中，在無調變的一初始感測週期之後，提供該振動一調變週期，且其中，該探針在該調變週期期間或之後移到在該樣品上的一接續樣品位置同時使該探針在一非接觸狀態下移動。
因此，藉由提供該方法及系統，可用完全去耦合的方式擷取表面及次表面形貌。實際上，它藉此防止例如顆粒、缺陷等等的任何表面形貌改變可能影響次表面信號的尖端-樣品邊界條件。此影響被視為表面及次表面的耦合且在不損失資訊下幾乎不可能使兩個影像完全去耦合。
與先前技術相比，使用首先以一明確設定點力達到一表面的一非共振懸臂樑探針在無調變的一初始感測週期中實行測量，且隨後在擷取形貌資訊後，收集在該振動器在該初始感測週期之後的一調變週期中的次表面資訊。在該初始感測週期中，以一固定設定點力測量在接觸或者是非接觸區的表面形貌(參考圖2)，這是藉由使該懸臂樑探針從一固定z-高度降下。在該調變週期中，可用在MHz範圍中的振動實行次表面測量，以測量黏彈性收縮機
構(viscoelastic contract mechanism)。之後，此調變週期可以第二接觸力測量不過是在接觸區域中。正常情況下，由於效率的原因，形貌與次表面兩者會以相同的設定點力(在排斥的接觸區域中)測量。
可在非接觸區中實行在GHz範圍中實行以測量波傳播對比機構(wave propagation contrast mechanism)的次表面測量。就效率而言，力最好與形貌測量的相同。
在探針移到新接續樣品位置的階段之間，該懸臂樑縮回到固定z-高度。接近及縮回可用習知方式實行，例如壓電元件或透過懸臂樑的(靜電或熱)直接致動。此類方法可具有較小的z範圍，不過，這並不是限制本申請案。
此方法可具有以下優點：在次表面測量期間，該探針定位在表面附近且在一像素處需要一定的測量時間。在此階段，連續振幅/頻率調變不合適。接觸模式AFM也不合適，因為它在橫向移動時損傷表面。與先前技術相比，樣品上的變形力此時被最小化。特別是，剪力被最小化，因為樣品在接觸尖端時不移動，因此剪力實質上為零。在z的變形可以仍然很大(黏彈性次表面成像可能需要)但是可良好地予以控制以低於損傷臨界值。在遭遇樣品輪廓的大跨步時，例如有高深寬比表面輪廓的樣品，振幅/頻率調變模式的必要掃描容積可能很高。因此，該模式需要低於共振頻率的測量頻率，或‘緩慢’接近與小振幅頻率/
振幅調變的組合。
此外，在單一接近曲線期間可實行修正。相比之下，習知峰值力輕敲(peak force tapping)只基於在前一個曲線期間的‘峰值力’來做曲線之間的反饋。因此，在此新的模式中，是針對當下測量像素來做修正而不像習知峰值力輕敲模式那樣只針對下一個測量像素。
本發明提供原子力顯微(AFM)方法與超音波力顯微術(UFM)或外差力顯微術(HFM)或其他原子力聲音顯微方法以同時執行黏結強度測量及表面形貌映射。為了達成此事，本發明執行AFM是藉由探針掃描元件的表面，同時另外使用轉換器對半導體元件施加聲音振動信號。
因此，本偵測方法致能提供樣品的勁度地圖(stiffness map)、樣品的表面形貌或組合。它可提供樣品的三維勁度或黏彈性。可高通量地執行該方法。
根據各種具體實施例，監控用於映射半導體元件表面之探針尖端運動的步驟包含以下各項中之至少一者：使用該輸出信號的第一部份，其中，該輸出信號的第一部份至少包括有低於第一頻率之頻率的輸出信號分量；或，使用反饋信號，其表示該探針尖端相對於該樣品之表面的高度修正；或，使用z位準感測器，取得該探針尖端之高度相對於該樣品表面的數個高度測量值。例如，分析器系統或控制系統分析該輸出信號中包括低頻(也包括直流或靜態)信號分量的第一部份，以取得用以執行表面形貌映射的必要資訊。此外，此類資訊可從控制掃描頭或探針
在表面以上之高度的反饋信號取得且從它可取得高度修正。另一選項是要使用附加z位準感測器以測量探針的高度或高度修正。有致能取得此一資訊的各種可能實作。
在另一非限定性實施例中，該聲音振動信號包含有載波頻率的載波信號與有調變頻率的調變信號。在此，在控制該設定點力後，可控制調變頻率以便優化輸出信號的輸出信號強度。執行此事視需要可結合設定點力值的微調，如以上所解釋的。調變頻率微調到設定點力係基於以下洞察：通過改變設定點力值，接觸共振頻率也會改變。例如，藉由使調變頻率掃過複數個調變頻率值，且監控輸出信號的解調振幅或解調相位，可找到在某一設定點的接觸共振頻率。例如，藉由執行調變頻率在複數個設定點力值的掃頻，在找到振幅響應是在最大值(或替換地或附加地，相位表明為共振模式的調變頻率)的調變頻率時，可找到與各設定點力值關聯的最佳調變頻率。因此，根據本發明之一具體實施例，其中，該聲音振動信號包含有載波頻率的載波信號與有調變頻率的調變信號，該方法進一步包含以下步驟：在該探針尖端相對於半導體元件的一或多個位置處，控制設定點力以便連貫地設定在複數個設定點力值的設定點力，且在各設定點力值處，執行調變頻率的掃頻，其遍及在一頻率範圍內的複數個頻率，用於使最佳調變頻率與各設定點力值關聯。上述通常包括超音波力顯微術(UFM)。應注意，可用各種UFM組態來執行該方法。這些進一步包括，例如，力調變顯微術與外差力顯微術。
又在另一非限定性實施例中，控制該設定點力以便設定測量深度到在自組裝單層與半導體元件之下半部或層之間的介面區，以致能同時偵測單層的表面缺陷與黏結強度。特別是，在一較佳具體實施例中，該半導體元件包含基板或一或多個裝置層中之至少一者，其中，該半導體元件的上半部由自組裝單層提供，且其中，執行該方法以同時偵測自組裝單層中的表面缺陷且映射表示自組裝單層對半導體裝置之黏結強度的位置相依接觸勁度(position dependent contact stiffness)。
1:原子力顯微系統(AFM)
3:探針
4:懸臂樑
5:(懸臂樑)探針尖端
7:光源
8:信號光束
9:反射光束
10:光學感測器
12:樣品
15:表面
20:振動器/(聲音)轉換器
21:耦合介質
25:第一頻率產生器/高頻輸入信號分量f1
26:第二頻率產生器/低頻輸入信號分量f2
28:信號混合器
29:信號產生器
30:低通濾波器
31:反饋控制系統/控制器
34:高通濾波器
35:解調器
38:分析系統
39:(電氣)輸出信號
50:聲音振動信號
f1:高頻(輸入信號)分量
f2:低頻(輸入信號)分量
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圖示包括樣品的原子力顯微系統；圖2圖示用懸臂樑探針尖端登錄的典型力線圖；圖3圖示新的次表面AFM模式；圖4及圖5圖示使用不同設定點的替代具體實施例步驟；圖6圖示用於計算次表面模式的追蹤圖；圖7圖示AFM系統的對應模型參數。
圖1示意圖示適合使用於本發明方法且根據本發明之一具體實施例的原子力顯微系統(AFM)1。系統1包含有懸臂樑4及探針尖端5的探針3。探針尖端5與樣品12的表面接觸。通常為雷射的光源7提供入射到探針尖端5之背面的信號光束8。反射光束9被光學感測器10接收。探針尖端5與表面樣品12垂直的任何振動會導致反射光束9偏折。用提供用於進一步分析之(電氣)輸出信號39的光學感測器10，可準確判定此偏折。
除了執行表面形貌測量以外，本發明的偵測方法施加聲音振動信號至樣品12，這在它的表面產生聲音振動。這些振動可用探針尖端5很準確地感測。在圖1的系統1中，振動器20配置在樣品12底下。耦合介質21(例如，液體、油或油脂(例如，凡士林))提供聲音轉換器20與樣品12之間的低電阻耦合。這允許由轉換器20產生的聲音信號從樣品12的背面穿過它，如圖1的設置所述。在這方面，應注意，本發明不一定必須從樣品12的背面來施加聲音信號。用於施加聲音振動信號的振動器20可位在相對於半導體元件12的其他地方，這使得有可能從任何所欲方向(例如上方、下方、從旁、甚至通過另一部件或實體)來施加聲音振動信號。
由轉換器20提供的聲音振動信號50在穿透樣品12後通過它輸送且在表面產生聲音振動。這些可用探針尖端5感測。藉由相對於表面15地掃描探針3，致使探針尖端5遵循在半導體元件12之表面15上的路徑，半導體元
件12的表面形貌變成可測量且可映射。有取得此一資訊的各種可能性。主要是，藉由引導輸出信號39通過低通濾波器30，可提供輸出信號39的低頻分量給反饋控制系統。
將會經由轉換器20提供給半導體元件12的聲音振動信號50由高頻分量f1與低頻分量f2組成，且用以下方式產生。一或多個信號產生器至少包含產生器25、第二頻率產生器26及信號混合器28。高頻輸入信號分量f1 25與低頻輸入信號分量f2 26用混合器28混合且提供給轉換器20。轉換器20經由耦合介質21(在本實施例，可為凡士林)傳送聲音振動信號到樣品12中。來自光學感測器10的感測器信號提供給用於接觸模式反饋的低通濾波器30，且低通濾波器30的輸出送到反饋控制系統31。低通濾波器30有例如2kHz左右的截止頻率。相對於掃描速度，這是夠快的，但是只稍微高於取樣頻率(例如，一秒1024個像素對應至1.024kHz的取樣頻率)。反饋控制系統31使用反饋信號使AFM系統繼續固定在它的設定點力。來自光學感測器10的輸出信號39進一步提供給高通濾波器34。高通濾波器34也有例如2kHz左右的截止頻率，因而藉此傳輸輸出信號39中包括高頻超音波信號(亦即，包括分量f1)及低頻調變信號(亦即，包括分量f2)的第二部份給解調器35。解調器35進一步從信號產生器29接收低頻輸入信號f2 26作為參考信號。解調器35的輸出信號提供給分析系統38，其允許分析位置相依超音波輸出信號以取得關於接觸勁度的次表面測量資訊，用於致能黏結強度分析。頻率產生器25
及26，混合器28，解調器35，與視需要的分析系統38可形成集成系統。
圖2更詳細地圖示用接近樣品12之懸臂樑探針尖端5登錄的典型力線圖。在遠處的區域中，吸引力接近零。當在非接觸階段接近樣品12時，探針尖端登錄在接觸區域消失的吸引力。當接觸樣品表面且進一步減少與樣品的距離時，該力變成排斥力且實質遞增。
根據本發明之一方面，提出一種新的次表面AFM模式，以下如圖3所示。在第一步驟100，探針尖端5不產生共振且接近樣品。在此階段，它與樣品有預定距離且接近樣品直到它到達設定點力200。相應地，隨後將高度差記錄下來作為該像素的形貌資訊。在此階段300，樣品在站立不動時不移動。隨後，在擷取形貌信號時，立即在下一個階段400發射聲波至樣品或者是尖端或兩者以擷取該像素的次表面信號，它在步驟500被記錄下來。隨後，在記錄該像素的次表面信號時，懸臂樑立即在下一個步驟600縮回到預定初始距離且樣品或頭部在步驟700移到下一個像素。有多少個像素需要記錄就重覆此過程多少次。
圖4及圖5圖示使用不同設定點的替代具體實施例步驟，例如用於表面形貌記錄及次表面測量，及/或在許多力設定點處實行單點測量的次表面測量。具體言之，圖4中的步驟100至300與圖3中相對應的步驟相同。在步驟410達到另一設定點，而不是在步驟200達到之指定設定點處，發射聲波。此第二設定點可在高於或低於初始第
一力設定點的力設定點。隨後，在步驟420發射聲波至樣品或尖端或兩者。隨後，步驟500至700與圖3的步驟相同。
圖5圖示另一個振動。在此振動中，在另一設定點力處重覆測量步驟430、440及500，而不是在第二設定點力處實行單一次表面測量(步驟430)。此設定點力可高於或低於第二設定點力。又在另一振動中，組合圖3及圖5的步驟，例如，在與表面形貌記錄步驟200相同的設定點力(步驟430)處實行第一次測量。
圖6圖示根據上述步驟之計算次表面模式的追蹤圖(為求方便，只圖示此模式)。假設測量周期約為1毫秒。在周期的接近階段，控制器31使懸臂樑探針尖端在朝向樣品有30奈米的高度移到新的像素位置。在此圖中，尖端因此移動(以零力)離開表面有30奈米，亦即，在此週期中，力等於0奈牛頓。在打到樣品後，反饋在達到-100nN的設定點之前有-300nN的超值(overshoot)。在對應力線圖中，在處於有小於300nN(奈牛頓)之峰值力的次表面階段時，力從約100nN變到零牛頓。隨後，在階段500執行次表面測量。隨後，在縮回階段600，控制器31移動30奈米的懸臂樑探針尖端。
該等實施例所描述的振動器係由耦合至樣品的聲音壓電轉換器提供。替換地或另外，可使懸臂樑尖端振動。模型(參考圖7)的對應動態模型參數為：
懸臂樑：本徵頻率300kHz，勁度40N/m，Q因子100，分成11塊(傾斜尖端)
壓電：3x3x3mm，密度7800kg/m3，本徵頻率大約等於50kHz，Q因子50
微振(Dither)：3x3x0.3mm，密度7800kg/m3，本徵頻率大約等於1.2MHz，Q因子50(‘微振’為以習知輕敲模式AFM來驅動懸臂樑的壓電)
固定領域：本徵頻率大約等於1kHz，Q因子30
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方法來限制本發明。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)本質上被視為已揭示且應在本發明範疇內。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(comprising)'及‘包括(including)’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)’及‘一(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(means for…)」)應理解為：「經組配為可用於...之組件(component configured for…)」或「經建構
以…之構件(member constructed to…)」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(critical)」、「較佳的(preferred)」、「特別較佳的(especially preferred)」)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。
1‧‧‧原子力顯微系統(AFM)
3‧‧‧探針
4‧‧‧懸臂樑
5‧‧‧(懸臂樑)探針尖端
7‧‧‧光源
8‧‧‧信號光束
9‧‧‧反射光束
10‧‧‧光學感測器
12‧‧‧樣品
20‧‧‧振動器/(聲音)轉換器
25‧‧‧第一頻率產生器/高頻輸入信號分量f1
26‧‧‧第二頻率產生器/低頻輸入信號分量f2
28‧‧‧信號混合器
30‧‧‧低通濾波器
31‧‧‧反饋控制系統/控制器
34‧‧‧高通濾波器
35‧‧‧解調器
38‧‧‧分析系統
39‧‧‧(電氣)輸出信號
50‧‧‧聲音振動信號
f1‧‧‧高頻(輸入信號)分量
f2‧‧‧低頻(輸入信號)分量
Claims (12)
- 一種原子力顯微鏡，其包含：包含一探針尖端的一探針，該探針尖端經組配為可感測鄰設於該探針尖端的一樣品；能偵測該探針尖端之一偏折的一偵測器；一致動器，其耦合至該探針且經組配為可移動該探針以在一第一預定力設定點與該樣品處於一感測狀態；一聲音振動器，其與該樣品通訊以提供一振動至該樣品，該振動包含一調變頻率；以及一控制器，其中，該控制器經組配為：操作該聲音振動器以在無調變的一初始感測週期後，於一調變週期中提供該振動；在該初始感測週期期間，執行一表面形貌測量，且在該調變週期期間，執行該樣品之一表面特性鑑定或一次表面特性鑑定；以及在該調變週期期間或在該調變週期之後，移動該探針到在該樣品上的一接續樣品位置，其中於移動該探針時係在一非接觸狀態。
- 如請求項1之原子力顯微鏡，其中，該致動器經組配為可使該探針在該調變週期中在與該第一預定力設定點不同的一第二預定力設定點與該樣品保持在該感測狀態。
- 如請求項1之原子力顯微鏡，其中，該 聲音振動器包含一機械轉換器。
- 如請求項3之原子力顯微鏡，其中，該機械轉換器包含一壓電轉換器。
- 如請求項1之原子力顯微鏡，其中，該原子力顯微鏡經組配為可使該樣品在一個二維平面中移位。
- 如請求項1之原子力顯微鏡，其中，該原子力顯微鏡經組配為提供該樣品的一勁度地圖、該樣品的一表面形貌、或包含前述中之至少一者的組合。
- 如請求項1之原子力顯微鏡，其中，該原子力顯微鏡提供該樣品的一個三維勁度或黏彈性。
- 一種用於執行原子力顯微術之方法，該方法使用支承一樣品之一原子力顯微鏡，該原子力顯微鏡包含：一探針，其經組配為在該樣品被鄰設於該探針時以一第一力設定點感測該樣品；以及一聲音振動器，其經組配為與該樣品通訊以提供一振動至該樣品，該振動包含一調變頻率；該方法包含：在無調變的一初始感測週期期間，在該第一力設定點用該探針感測該樣品，以執行一表面形貌測量；在無調變的該初始感測週期後，使該樣品在一調變週期期間經受該振動；以該調變頻率用於調變該樣品以執行該樣品的表面特性鑑定或次表面特性鑑定；以及 在該調變週期期間或在該調變週期期間之後移動該探針到在該樣品上的一接續樣品位置，其中於移動該探針時係在一非接觸狀態。
- 如請求項8之方法，其中，該樣品經受振動同時在該第一力設定點感測鄰設於該探針的該樣品。
- 如請求項8之方法，其中，該樣品經受振動同時在與該第一力設定點不同的另一力設定點感測鄰設於該探針的該樣品。
- 如請求項8之方法，其中，用以執行該測量的方法包含偵測該探針尖端之該偏折的步驟，該步驟包含以下各項中之至少一者：使用一偵測器輸出信號的一部份；或使用一反饋信號，其表示該探針尖端相對於該樣品之表面的高度修正；或使用一z位準感測器，取得該探針尖端之高度相對於該樣品之表面的數個高度測量值。
- 如請求項8至11中之任一項的方法，其中，使該樣品經受該振動的步驟係藉由該聲音振動器來執行，用該聲音振動器直接施加一聲音振動信號至該樣品，例如經由以下各項中之至少一者：在該樣品底下的一接觸表面、該樣品的上側、或該樣品的側面。
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