概述

AFM(原子显微镜)开发

需求详情

1-1：技术背景 - - 原子显微镜(AFM:Atomic Force Microscopy)是根据Microcantilevertip和样品表面的原子间作用力测定纳米级样品的表面形状或其材质特性的装置。 - - 将微悬臂接近样品表面,通过微悬臂的静态(Static)变形和频率增益,利用动态变形来测定表面形状。 - - 这时,样品表面的形状通过激光照射微囊的端部的上表面,根据尖端和样品表面的原子间力,发生微囊的Angle变形,并根据该angle变形,以反射激光的光位移发生,此时光位移值用PSD(Position sensitive device)传感器测定。 - - 在此,利用静态变形的方法是Contact模式测量方法,是Tip直接接触样品表面,测量样品表面高度的方法。 在这种情况下，微囊的接触力和光位移与样品的高度相同，并且光位移根据尖端和样品表面的接触力而变化。 此时,通过在上下方向上移动微囊(使PSD信号保持恒定)以保持恒定的接触力,可以测量样品的高度。 虽然可以通过接触测量的方式来测量样品的表面，但可能会发生tip的耐用性问题和对样品表面的损坏问题。 另外,当样品表面相对较弱或弹性较低时,根据tip的接触力,在测定正确的样品表面形状方面存在局限性或严重时,可能会破坏样品表面。 - - 为了解决接触模式的这些问题,可以通过非接触方式(Non-contact mode)或间歇性接触方式(Tapping or Intermittent mode)测量tip。 这种测量模式被称为动态(Dynamic)测量模式。 - - Non-contact模式是设置具有微型悬臂固有频率(natural frequency)的频率(excitation frequency),利用微型悬臂共振响应(resonance response)的方式。 由于微悬臂的刚性是恒定的，因此响应频率是恒定的。 当具有恒定共振频率的微悬臂的Tip接近样品表面时，原子间力会随着距离而变化。 Tip和样品表面的一定接近距离起到引力(attractive force)作用,Tip接近样品表面超过一定接近距离时,斥力(repulsive force)起作用。 这种引力与斥力的关系是以Lennard Jones Potential模型为基础的。 - - 这时,在人力作用的tip-样品距离区间,微型悬臂的刚性相对减弱,因此微型悬臂的响应频率会减少。 相反，在斥力作用的tip-样品距离区间，会产生微悬臂的刚性相对增加的效果，因此微悬臂的响应频率会增加。 即，频率会根据tip-样品之间的距离发生变化，此时为了保持PSD测量的频率恒定，控制微悬臂的上下方向位置，就可以测量样品的表面高度。 非接触(non-contact)模式的优点是,不损伤样品的表面和tip,但测定准确度低于contact mode,特别是,如果为了固定频率的控制不正确或无法感知Tip-sample的细微相互作用(interaction force),则存在无法正确测定样品表面形状的缺点。 - - 最后,在最大限度地减少tip和样品损伤的同时,提高scan精密度的方法是,将微囊的tip间歇性地接触样品表面的Tapping(或中间接触)测定模式。 与Non-contact方式类似,利用微型悬臂的共振应答,因此虽然具有微型悬臂的固有频率,但不是维持一定的应答频率,而是维持微型悬臂的应答振幅(amplitude)的方式。 通过设定微型悬臂的响应幅度的方式,将利用set-point的概念。 样品在表面不敲击时的振幅与在样品表面敲击时的振幅之比称为set-point。 即，set-point值越低，说明Tip敲击样品表面越强，因此需要根据微悬臂的刚度和样品的弹性模量进行正确的选择。 1-2：需要解决的技术难题 - 为实现高分辨率/高精密XY与Z Scanner的机构设计及制作 - 开发高分辨率/高精密控制的降噪及信号处理技术 - 开发用于微悬臂-Laser调查及光位移PSD感知的Align结构设计技术 - 利用PSD开发Microcantilever光位移获取技术 - 开发Microcantilever光变位feed-back控制及信号处理技术 - 开发Microcantilevertip的Auto exchange功能的Head及相关模块技术 - 实现Microcantilever动态模式的Piezo actuator 设计及控制技术开发 - 开发Auto Contact感知控制和SW技术 - 样品表面形状计量应用技术及算法开发 - 测量模式技术开发 Contact mode, Non-contact mode, Tapping mode 구현 - 开发表面形状重组3D体现算法 - 高光谱( 1:5 以上)，长扫描( 0.1 mm 以上)测量稳定化技术 - 晶圆 样品模式识别技术开发 - 开发Windows等GUI应用程序 利用程序语言开发基于Windows的用户友好型程序 程序设计成可以直观地执行多种测试的open frame结构 开发FDC、SECS/GEM300支持控制程序 - 与自动晶片传送装置EFEM handler system集成自动化开发 开发EFEM&Metrology集成HW系统 开发基于Windows的综合GUI操作程序（测量、分析、设备设置、EFEM设置、HW设置、Log Data Tracking page、 由FDC/SECS/GEM300连接page构成 反映FDC HW要求事项的in-Line自动化剧本制作及优化开发 1-3：需要达成的技术指标(SPEC) 分类 SPEC 项目 Specification AFM Head Maximum XY Scan Range 100μm X 100μm Maximum Z Range 10μm XY Linearity mean error ＜0.1% XY flatness at max.scan range typ.＜5nm Z-Sensor noise level(RMS) typ.150pm/max.200pm Z-measurement noise level (RMS,static mode in air) typ.100pm/max.200pm Z-measurement noise level (RMS,Dynamix mode in air) typ.25pm/max.35pm DC detector noise ＜10 pm RMS(0.1Hz to 1Khz) AC detector noise ＜60 fm hz（-1/2）above 100kHz Detector bandwidth DC to 4 MHz Manufacturing tolerances ±10% Head XY轴, Z轴分离与否 XY轴, Z轴 设计 Head Vision Microcantilever, Sample Stage Max Sample Size 300mm x 300mm x 45 mm Max. Payload 10 kg Vacuum Chuck for 300mm, 200mm Wafer Motorized XY Travel range 300mm x 300mm Motorized approach range < 50mm System dimensions 1100mm x 1800mm x1200 mm system weight 1000 kg Stage XY resolution ＜1μm Unilateral repositioning accuracy ＜2μm Wafer Loading Wafer Alignment Notch方向 Alignment Wafer ID Reading Wafer ID阅读功能 Anti-vibration Active Isolator apply Acoustic Enclosure Acoustic Enclosure apply Tip Exchange Tip Auto Exchange apply EFEM Wafer Size 300 mm / 200 mm option Wafer In/Out FOUP to FOUP Load Port Module Dual LPM (N2 purging option) Robot Dual arm, 3-axis FFU Standard / Heating FFU for uniform ambient (option) Internal Environment < Class 100 Operation Windows 10 Communication SECS/GEM, GEM300 optional PC Industrial PC, 3.1 Ghz Intel i9, 32GB Memory, 1TB SSD