Un microscope AFM compatible 200 mm pour la métrologie et la caractérisation des surfaces

Depuis sa création, la plateforme de nanotechnologies du 3IT offre l’accès à un microscope à force atomique (Atomic Force Microscope ou AFM). Cette technique de caractérisation et de métrologie est essentielle au développement de nouveaux dispositifs et matériaux semiconducteurs. Cette capacité a récemment été mise à jour avec l’acquisition d’un AFM Park Systems modèle NX20.

Ce nouvel équipement AFM vient bonifier la gamme d’équipements disponibles pour tous les partenaires du 3IT et de la Chaîne d'innovation intégrée, notamment le C2MI, qui utilisent des substrats semiconducteurs de 200 mm. Découvrez-en davantage sur cet équipement grâce aux explications de Étienne Paradis, professionnel de recherche à la plateforme de nanotechnologies.

Qu’est-ce que le microscope AFM ?

L’AFM est une technique de microscopie de très haute résolution utilisant une sonde en forme de pointe extrêmement fine vibrant à haute fréquence. Lorsque cette pointe s’approche de la surface d’un échantillon, la vibration change en raison des forces de répulsion entre les atomes du bout de la pointe et ceux de la surface à mesurer. Les fluctuations sur la vibration sont interprétées pour donner les informations sur la rugosité de la surface ou sur des topographies à l’échelle des nanomètres. L’AFM comme le microscope à effet tunnel font partie d’une même famille de microscopes (scanning probe microscopy). Cependant, le microscope à force atomique permet de topographier une surface 3D non conductrice. L’appareil AFM peut topographier n’importe quelle surface. Son application polyvalente est utile aussi dans plusieurs domaines, tels que la chimie, biologie et médecine.

Qu’est-ce que cet appareil permet d'effectuer ?

L’AFM est utilisé pour mesurer la rugosité de la surface d’un substrat et pour visualiser sa topographie. La topographie sert généralement dans notre laboratoire à mesurer l’épaisseur d’une couche très mince ou un profil de gravure plasma par exemple. L’AFM est un excellent outil pour faire de la métrologie durant le processus de fabrication de nos dispositifs. Notre nouvel AFM peut aussi faire des mesures complètement automatisées pour accélérer encore plus certains travaux.

Les personnes qui l’utilisent pour vérifier la rugosité sont surtout celles qui font des collages directs gaufre sur gaufre, sans usage d’adhésifs. Les surfaces collées doivent être très lisses pour pouvoir adhérer efficacement. C’est comme si vous preniez deux plaques de verre propres, que vous les mettiez en contact et qu’elles restaient soudées instantanément. C’est possible grâce à des surfaces dont les défauts sont plus petits qu’un 100,000ième de cheveux.

Quelles possibilités offre cet équipement en lien avec la recherche et le développement de produits ?

L’accès à un microscope à force atomique beaucoup plus performant et plus rapide permettra un meilleur contrôle des étapes de fabrication des dispositifs. L’AFM permet aux utilisateurs de notre laboratoire de caractériser les étapes intermédiaires durant la fabrication d’un dispositif et ainsi valider ou corriger le processus de fabrication. Il y a donc moins de dispositifs défectueux.

C’est aussi essentiel dans le cadre des projets avec des collaborateurs industriels qui on besoin de faire du procédé et de la caractérisation sur des substrats de 200 mm. L’automatisation des mesures qu’on peut faire avec ce nouveau microscope permet d’accélérer et de standardiser les mesures de contrôles qui sont faites en cours de fabrication.

Qu’est-ce qui distingue l’AFM des autres appareils similaires ?

Trois modes peuvent être utilisés : un mode contact lors duquel la sonde touche l’échantillon en balayant la surface, ce qui peut endommager l’échantillon, un mode « tapping » qui signifie un non-contact intermittent, donc la sonde vient toucher la surface par intermittence, et finalement le « true non-contact », qui garantit de préserver l’intégrité de l’échantillon tout en prolongeant la durée de vie de la sonde.

Contrairement aux autres fabricants, Park Systems offre un appareil où le transducteur en z est découplé de ceux en X et Y, contrairement aux systèmes offerts par les autres compagnies. Ce découplage permet d’avoir un très faible bruit en z (0.02 nm).

Un autre aspect distinctif de ce nouvel AFM est sa surface de lecture de 200 mm qui est entièrement disponible, contrairement à des machines similaires qui ont un plateau pouvant accommoder un substrat de 200mm mais ne permettant pas d’en mesurer toute la surface.

Cet appareil donne des images de meilleure qualité par rapport aux machines similaires.

Posséder cet équipement au 3IT supportera la collaboration avec le C2MI, ainsi qu’avec l’ensemble du tissu industriel du semiconducteur au Canada, qui utilise des substrats de 200 mm. Cette complémentarité offrira davantage de possibilités pour la chaine d’innovation intégrée qui permet de développer des technologies en utilisant les infrastructures de l'Institut quantique, du 3IT et du C2MI.

Comment cette machine changera le quotidien des équipes de recherche et des partenaires ? 

Avec notre précédent AFM, nous devions faire toutes les mesures manuellement, tandis qu’avec l’appareil Park Systems, nous avons accès à des logiciels d’automatisation. Nous définissons nous-mêmes les paramètres et ensuite nous démarrons la séquence de mesures ; l’appareil prend alors les mesures, les enregistre et analyse les résultats. Un rapport est ensuite produit avec les détails de la surface analysée. Il est aussi possible de programmer l’appareil pour qu’il reconnaisse des formes géométriques et les analyse systématiquement et il peut localiser précisément les sites où il doit faire la mesure. Toutes ces tâches n’étaient pas possibles auparavant, mais maintenant l’intelligence artificielle nous permet d’aller un peu plus loin.

Alors que l’AFM que nous possédions avant l’acquisition de cet équipement nous permettait seulement l’utilisation d’une façon manuelle, le nouveau AFM permet à l’utilisateur de programmer une automatisation des mesures. Cette automatisation augmente la productivité en minimisant l'assistance de l'utilisateur lors des processus d'imagerie répétitifs.

Le nouveau AFM est doté d’un logiciel de contrôle d'automatisation qui effectue automatiquement les mesures AFM d'un échantillon selon une procédure prédéfinie (recette). Il peut collecter avec précision des données, effectuer une reconnaissance de formes et effectuer des analyses.

Également, le nouveau AFM offre une approche entre la pointe et la surface à analyser d’une façon complètement automatisée ce qui permettra d’éliminer les accidents entre la tête de l’AFM et la surface et ainsi éliminer les bris de l’appareil.