Q-factor manipulation of AFM cantilevers with integrated piezoelectric transducers for operation under vacuum

Abstract

Wissenschaftliche Untersuchungen von Objektoberflächen werden mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie (AFM) sowie von Elektronenstrahlmikroskopie (SEM) durchgeführt. Das AFM tastet die Oberfläche mit einem oszillierenden MEMS (micro electromechanical systems) Cantilever ab. Es kann zum Beispiel die Makrostruktur, die Oberflächenrauigkeit, das magnetische Feld und das elektrische Potential erfasst werden. Das Mikroskop liefert sehr gute Bilder bei flachen Oberflächen, aber bei rauen Oberflächen ist die Tiefenschärfe sehr niedrig. Im Gegensatz dazu wird bei einem SEM ein Elektronenstrahl auf die Oberfläche gelenkt und durch die reflektierten Elektronen kann die Oberflächeninformation erfasst werden. Das aufgenommene SEM Bild besitzt eine deutlich höhere Tiefenschärfe als die Bilder vom AFM. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit beider Mikroskopsysteme, wird ein AFM Cantilever in die Vakuumkammer des SEM verbaut. Eine schnellere Messung mit hoher lateraler Auflösung kann durch die Anpassung des Q-Faktors an die Oberfläche erreicht werden. Um die Schwingungen des Cantilevers verändern zu können, wird eine Aluminiumnitritschicht (AlN) auf den Cantilever aufgebracht. Damit sich der Cantilever durch diese Schicht nicht verdreht oder durchbiegt, muss der Filmstress bei dem reaktiven Abscheideprozess von Aluminium und Nitrit zu Aluminiumnitrit kontrolliert werden. Dieser Abscheideprozess heizt das Substrat auf und verursacht eine Verbiegung des Wafers aufgrund undefinierter Wärmeanbindung an das Gehäuse. Zur Verringerung der Abscheidetemperatur und der Schwankungen des Filmstresses, wurde ein neuer Probenhalter entworfen, der den Wärmetransport verbessert und eine gleichmäßigere Wärmeverteilung erzielt. Durch die Klemmung des Wafers während des Abscheideprozesses werden eine Wölbung sowie jegliche laterale Bewegung des Wafers verhindert. Eine Langzeitstudie mit 0,5 μm, 1,0 μm und 2,0 μm AlN Schichtendicken zeigt, dass alle abgeschiedenen AlN Schichten einen negativen Schichtstress und eine Verringerung der Schwankung des Schichtstresses im Vergleich zum Standardwaferhalter aufweisen. Bei der Schichtdicke von 0,5 μm bleibt die Abscheidetemperatur unter 100 °C. Die abgeschiedenen Schichten haben eine durchschnittliche piezoelektrische Konstante von -7 pC/N. Die elektrische Strommessungen an den AlN Schichten zeigen ein Pool-Frenkel Verhalten. Die Manipulation des Q-Faktors wird durch Überlagerung von zwei Schwingungen erreicht. Der Cantilever wird von einem makroskopischen Tapping Piezo angeregt und durch eine mikroskopische Schwingung von der piezoelektrischen Schicht am Cantilever überlagert. Die Schicht ist elektrisch in eine Wheatstone Brücke eingebunden und wird durch ein frequenzabhängiges und phasenverschobenes Signal angeregt. Diese Manipulation reduziert den elektrisch und optisch gemessenen Q-Faktor in Vakuum um den Faktor 1,9. Im Gegensatz zur Überlagerung von Schwingungen, kann durch Wegfall des Tapping Piezos, die Manipulation der Anregung den Q-Faktor reduziert werden. Die piezoelektrische Schicht erzeugt die Schwingung am Cantilever die durch eine anpassbare, proportionale Rückkopplung gesteuert werden kann. Die Rückkopplung wird aus dem kompensierten Strom, der durch die piezoelektrische Schicht fließt, erzeugt. In Luft wird der Q-Faktor um einen Faktor 1,6 verringert und in Vakuum wird eine Reduktion des Q-Faktors um einen Faktor von 3,55 erreicht. Die Reduktion des Q-Faktors bewirkt eine Reduktion der Antwortzeit auf einen Höhensprung um einen Faktor von 3,8. Diese Ergebnisse zeigen das große Potential der aktiven Q-Faktormanipulation. Neben der Anpassung des Q-Faktors liefern diese Ansätze die Möglichkeit für die Verkleinerung der Apparatur in der Vakuumkammer. Durch die Integration der Erfassung der Schwingung ist es möglich, ein Hochgeschwindigkeitsmesssystem in das SEM zu integrieren und so weitere Möglichkeiten für die Oberflächenanalyse zu schaffen.

Scientific studies of physical objects can be done by analysing the surface properties of the underlying objects with the atomic force microscopy (AFM) and the scanning electrode microscopy (SEM). The oscillating MEMS (micro electromechanical systems) AFM cantilever scans the sample surface to acquire the surface related properties i.e. micro-structure, roughness, magnetic fields and surface potential. The aperture delivers fantastic images on flat surfaces, but on rough surfaces the depth of field is quite low. On the other hand, the SEM guides an electron beam to the sample surface and the reflected electrodes are detected to acquire the surface information. The SEM excels the AFM in the quality of high depth of field images. To enhance the performance of microscopy systems, the integration of AFM cantilevers into a SEM vacuum environment is a promising approach. To enable high speed measurements with highest lateral resolution, a tuneable Q-factor may be a key feature. Therefore, a piezoelectric aluminium nitride (AlN) layer placed on the cantilever manipulates the resonantly operated AFM cantilever. To avoid any static torsion or deflection, the AFM cantilever has to be straight. To achieve this, the film stress of the AlN thin film has to be controlled during the fabrication of a cantilever, where a reactive sputter process through aluminium and nitrogen deposits the layer. The deposition process heats up the substrate and therefore the wafer bow causes variations of the thermal connection between wafer and sample holder. This goes along with undefined film stress of the AlN layer. In order to minimize the derivation of film stress, the reduction of substrate temperature and the enhancement of thermal connection between substrate and substrate holder is targeted. Therefore, a novel clamped substrate holder is designed which offers a great heat flow from the substrate to the ambient equipment and provides an equal heat distribution. Through clamping of the wafer during the fabrication process, any movement of the waver is prohibited. A long-term study was made to verify the improvement of the clamped sample holder. Therefore, AlN layers with thicknesses of 0.5 μm, 1.0 μm and 2.0 μm were deposited on silicon wafers. Through clamping the wafer, the deposition temperature at 0.5 μm thickness is lower than 100 °C. The measurement of the deposited films yields to a compressive layer stress and a reduction of scattering compared to a standard wafer holder. The piezoelectric coefficient has an average value of -7 pC/N. The leakage current characteristic was specified as Pool-Frenkel. To achieve the aim of Q-factor manipulation, the oscillation introduced by a macroscopic piezoelectric actuator, the tapping piezo, is manipulated by an additional mechanical stimulus through the AlN thin film. The phase shifted electrical stimulus of the thin film, which is electrically integrated in a Wheatstone bridge configuration, allows an electrically determined and optically verified Q-factor reduction of 1.9 in vacuum. Quite contrary to the latter solution, the replacement of the tapping piezo through an active actuated cantilever is introduced. The piezoelectric layer is stimulated with an adjustable proportional feedback which manipulates the oscillation amplitude of the cantilever. The feedback itself is calculated from the compensated current through the piezoelectric layer. At ambient pressure, a reduction of the Q-factor of a factor 1.6 is possible. At vacuum, in fact it was designed for this purpose, the reduction of a factor 3.55 is achieved. A realistic assessment with a simulated microstructure reaches a reduction of the response time by a factor of 3.8, which is close to the response time, which was measured in ambient pressure. These findings clearly demonstrate the potential of the active Q-factor manipulation by super-positioning or by excitation manipulation by an active feedback circuit. Beside the adjustability of the Q-factor in vacuum and the possibility of miniaturisation (integration of sensor chip into the cantilever), it is possible to integrate a high-speed sensor unit into a SEM, which widens the options for surface analysis methods.