原子力顯微鏡-掃描電子顯微鏡共定位表征系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

蔡 蕊，萬(wàn) 鵬，徐 強(qiáng)，呂天明，孫智廣

（大連理工大學(xué) 分析測(cè)試中心，遼寧 大連 116024）

原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）[1]是亞微米、納米級(jí)形貌[2]，納米磁學(xué)[3]、電學(xué)[4]、力學(xué)[5]、生物學(xué)[6]研究領(lǐng)域必要的表征手段[7-8].但在微納極窄樣品表征時(shí)，AFM 的探針只沿固定方向掃描，無(wú)法調(diào)整所需角度.若樣品放置的方向不正，受針尖性狀、力學(xué)性質(zhì)等影響[9]，不但無(wú)法得到高質(zhì)量掃描圖像，而且還為后期譜圖的處理（拉平基線）制造困難.除此以外，在納米力學(xué)摩擦力測(cè)試中，對(duì)于各向異性樣品的摩擦力測(cè)試，需要樣品在特定的方向上進(jìn)行[10].而現(xiàn)有的AFM，尤其是生物型AFM，在對(duì)微納極窄型等需要以一定方向呈現(xiàn)的樣品進(jìn)行掃描時(shí)，無(wú)法迅速、可控的變換樣品方向，移動(dòng)遠(yuǎn)距離的掃描位點(diǎn).

在微納加工時(shí)，常使用聚焦離子束（focused ion beam，F(xiàn)IB）對(duì)樣品表面原子進(jìn)行剝離，以完成微納米級(jí)表面形貌加工，加工后需要使用AFM 進(jìn)行形貌表征[11]，或者轉(zhuǎn)移到其他掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，以精準(zhǔn)測(cè)量尺寸等.而這三類儀器在測(cè)試過(guò)程中，都需要將樣品固定于樣品臺(tái)上，保證在測(cè)試中不會(huì)移動(dòng)（均為納米級(jí)形貌表征，微小移動(dòng)也會(huì)影響濺射、成像的精準(zhǔn)度）才可進(jìn)行測(cè)試.而樣品一般比較脆弱，從導(dǎo)電膠上取下再向不同儀器的樣品臺(tái)上轉(zhuǎn)移時(shí)十分容易損壞樣品，導(dǎo)致直接碎裂或者鑷子用力夾持導(dǎo)致碎渣崩到樣品表面，影響成像效果，如圖1 所示.

圖1 樣品由于拆卸造成的損壞及對(duì)AFM 形貌表征的影響Fig. 1 Damage of sample caused by disassembly and its effect on AFM morphology characterization

為解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處，本設(shè)計(jì)計(jì)劃提供一種AFM、SEM 和FIB 的樣品共定位系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)儀器間樣品無(wú)損轉(zhuǎn)移，并通過(guò)參照點(diǎn)的輔助定位找到測(cè)試位點(diǎn)，建立起三個(gè)重要表征儀器之間的橋梁，還可實(shí)現(xiàn)AFM 掃描方向可控、迅速調(diào)整位點(diǎn)等功能.

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

共定位系統(tǒng)（自主研制）；原子力顯微鏡Nanowizard 4XP（美國(guó)Bruker 公司）；超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡7900F（JEOL 日本電子株式會(huì)社）；聚焦離子束Helios G4 UX（美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司）；光刻圖案化后的樣品（自制）；FIB 濺射后的溝槽樣品（自制）；探針SNL-10（美國(guó)Bruker 公司）.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 共定位系統(tǒng)的研發(fā)

裝置功能：（1）在AFM 檢測(cè)過(guò)程中，固定、快速移動(dòng)樣品（掃描位點(diǎn)），轉(zhuǎn)換樣品方向.（2）FIB、SEM 和AFM 的樣品共定位系統(tǒng)：AFM、FIB、SEM樣品臺(tái)適配模塊，具有輔助定位點(diǎn)（與操作系統(tǒng)XY坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)定位），樣品固定在該模塊上，將模塊放入固定器的卡槽中，即可用于AFM 掃描.將該模塊從卡槽拆卸下來(lái)，即可直接作為SEM 和FIB樣品臺(tái)，帶著固定好的樣品進(jìn)行檢測(cè)，避免樣品在不同儀器樣品臺(tái)間的拆卸轉(zhuǎn)移過(guò)程中受到破壞.

裝置構(gòu)造及用途：（1）轉(zhuǎn)盤A，轉(zhuǎn)盤下方的圓形凸起可嵌入底盤F 的圓形鏤空，且緊密接觸，有一定阻尼，可轉(zhuǎn)動(dòng)，但不易打滑.包括：兩根長(zhǎng)方形夾棍C，每根夾棍靠?jī)筛鶑椈奢SB 固定到轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，兩根夾棍C 可依靠彈簧B 的推力夾緊樣品或樣品托盤D，防止滑動(dòng).把手螺絲E，與底盤F 保持水平位置，擰松把手螺絲E 可作為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤A 的把手，擰緊把手螺絲E，螺絲的另一端抵住底盤F 的邊緣，可固定好轉(zhuǎn)盤.用于調(diào)整樣品的角度.腳柱槽H-3用于放置腳柱H-2.（2）底盤F，鐵質(zhì)或者鋁制，可吸附在AFM 的載物臺(tái)上（依靠磁力或吸力），底盤F中心有圓形鏤空，可將轉(zhuǎn)盤A 嵌入，底盤F 和轉(zhuǎn)盤A 的接觸位置有一定阻尼，可轉(zhuǎn)動(dòng)，但不易打滑.形狀可根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)，不限制.（3）FIB、SEM 樣品臺(tái)適配模塊H，因考慮到SEM 不可用帶有磁性的樣品臺(tái)，因此模塊H 為鋁制.模塊H 包括類圓形樣品臺(tái)H-1 和腳柱H-2，腳柱H-2 取下時(shí)為防止丟失可置于轉(zhuǎn)盤A 上的腳柱槽H-3 中，使用時(shí)取出.樣品固定在該模塊的類圓形樣品臺(tái)H-1 上，將該類圓形樣品臺(tái)H-1 對(duì)準(zhǔn)位置放入樣品托盤D 的凹槽D-1中，兩邊由夾棍C 夾住，用于AFM 的掃描，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤A、沿著夾棍C 方向推拉樣品托盤D 改變角度和位置.（4）樣品托盤D，長(zhǎng)方形.帶兩種尺寸的凹槽.凹槽D-1：尺寸與普通市售載玻片尺寸吻合.尺寸微小、比較薄的樣品可以先固定在載玻片上，再將載玻片置于此凹槽內(nèi)，載玻片、樣品托盤D 被夾棍固定住，有阻尼，但可以拖動(dòng)，可沿著夾棍C 的方向移動(dòng)樣品，迅速更換掃描位置.凹槽D-2：尺寸與FIB、SEM 樣品臺(tái)適配模塊H 中類圓形樣品臺(tái)H-1 形狀一致，可放置該類圓形樣品臺(tái)H-1，夾棍C夾住后，隨樣品托盤D 移動(dòng).如圖2 所示.

圖2 共定位系統(tǒng)整體及分解圖Fig. 2 Overall and decomposition diagrams of co-positioning system

類圓形樣品臺(tái)H-1 取下后可直接作為SEM 樣品臺(tái)使用.底部中央有螺紋孔，腳柱H-2 的螺紋和尺寸與SEM 內(nèi)用于固定樣品臺(tái)的螺紋柱尺寸一致，可通用.將該模塊的類圓形樣品臺(tái)H-1 從樣品托盤D 的凹槽D-1 中拆卸下來(lái)，即可直接擰在SEM 樣品臺(tái)固定位置，作為SEM 樣品臺(tái)直接用于測(cè)試， 具有輔助定位點(diǎn)（與操作系統(tǒng)XY 坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)定位）.類圓形樣品臺(tái)H-1 擰上與之匹配的腳柱H-2，即可作為FIB 樣品臺(tái)，用于FIB 的濺射等操作.該適配模塊H 的尺寸適用于大部分品牌的FIB 和SEM 儀器，或根據(jù)SEM、FIB 所需具體的尺寸制作.腳柱H-2 尺寸較小，為防止丟失，不使用時(shí)可放置于轉(zhuǎn)盤A 上的特定腳柱槽H-3 內(nèi)保存.該適配模塊H 無(wú)需將固定好的樣品取下來(lái)轉(zhuǎn)移到另外的樣品臺(tái)上，可避免樣品在不同儀器樣品臺(tái)的拆卸轉(zhuǎn)移過(guò)程中受到破壞，具有保護(hù)測(cè)試樣品、便捷、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).

1.2.2 微納表面形貌表征方法

AFM 形貌表征條件：將微納圖案化樣品或由FIB 濺射的溝槽樣品置于自主研制的共定位系統(tǒng)上，導(dǎo)電膠粘牢，且保證水平.頂置10X 光鏡XY 坐標(biāo)協(xié)助定位.使用Quantitative Imaging（QI）模式，Setpoint 為 0.3 V，Zlength 為 200 nm，Zspeed 為 77μm/s.SEM 形貌表征測(cè)試加速電壓為10 kV.

2 應(yīng)用案例-微納加工材料表征中的應(yīng)用效果

以光刻圖案化后的樣品為案例，對(duì)設(shè)計(jì)的共定位系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用.極紫外光刻材料的研發(fā)一直是半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的瓶頸之一[12]，開發(fā)新型極紫外光刻膠材料具有重大的戰(zhàn)略意義.光刻膠膜表面形貌和粗糙度是評(píng)價(jià)光刻膠質(zhì)量的重要指標(biāo)[13-16].圖案化的光刻有機(jī)膜，需要使用AFM 和SEM 表征證實(shí)其在電子束光刻和極紫外光刻測(cè)試中的表現(xiàn).使用本文設(shè)計(jì)的共定位系統(tǒng)，可以很好實(shí)現(xiàn)該樣品在SEM、FIB 和AFM 之間的轉(zhuǎn)換和樣品定位，并且在AFM表征中輕松實(shí)現(xiàn)方向調(diào)整和樣品快速移位.

如圖3 所示，光刻圖案化后的樣品（自制）需要先在SEM 或FIB 上進(jìn)行電子束光刻蝕，刻蝕完畢后，在AFM 上進(jìn)行粗糙度測(cè)試以及3D 成像.使用所設(shè)計(jì)的共定位系統(tǒng)中的適配模塊H 作為樣品臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了樣品在三種儀器間的自由切換，無(wú)需拆卸，避免了樣品損傷，還可以使用共定位功能，鎖定目標(biāo)區(qū)域分別進(jìn)行SEM、AFM 成像，操作便捷，節(jié)省了大量時(shí)間.除此之外，以溝槽樣品（自制）作為樣本，使用AFM 測(cè)試其溝槽的尺寸時(shí)，調(diào)整濺射的參數(shù)后，需要先在FIB 上完成濺射，再置于AFM 上成像和測(cè)量.若溝槽放置傾斜，會(huì)使計(jì)算存在偏差或成像出現(xiàn)瑕疵.因此需要將溝槽角度調(diào)整于合適方向.

圖3 圖案化微納有機(jī)膜表面SEM、AFM 表征Fig. 3 Characterization of SEM and AFM on surface of patterned micro-nano organic films

如圖4 所示，使用所設(shè)計(jì)的適配模塊H 固定樣品，先后進(jìn)行了FIB 和AFM 測(cè)試，利用所設(shè)計(jì)的共定位系統(tǒng)使得操作簡(jiǎn)便，并且測(cè)試結(jié)果優(yōu)異.

圖4 固定于FIB、SEM 樣品臺(tái)適配模塊H 的類圓形樣品臺(tái)H-1 上的FIB 濺射后的溝槽樣品，需要測(cè)試其溝槽尺寸（a）經(jīng)AFM 表征，發(fā)現(xiàn)溝槽方向傾斜，（b）經(jīng)轉(zhuǎn)盤調(diào)整角度后，擺正方向Fig. 4 Groove samples after FIB sputtering fixed on disklike sample stage H-1 of FIB and SEM sample tables adaptation module H, tested size of groove(a) groove direction was tilted after AFM characterization,(b) groove positioned in right direction after adjusting angle of turntable

3 結(jié)論

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，所設(shè)計(jì)的共定位系統(tǒng)可建立AFM、SEM 和FIB 三大形貌表征儀器之間的橋梁，不但可以保護(hù)珍貴樣品不被損壞，還可大幅提高樣品測(cè)試效率以及效果.另外，其快速移位和變換方向功能可大幅提升方向依賴形貌、磁學(xué)、摩擦力等測(cè)試的成功率和圖像效果，并且提升原有載物臺(tái)的樣品測(cè)試范圍和速度，方便快捷，實(shí)用性強(qiáng).