温控探针台杠杆式探针支架

近日，研究人员在Nature Communications发表相关论文，提出了一种方法来实现AFM大面积高分辨率的成像。在显微镜中，分辨率和视野通常是互相矛盾的。以原子力显微镜（AFM）为例，悬臂探针在扫描基板时，在局部力的影响下会发生偏转，因此高分辨率成像很大程度上会局限于小区域。尽管原子力显微镜在材料科学、生物学和表面科学等领域产生了巨大的影响，但成像领域的局限性仍然是研究复杂层次结构样品的关键障碍。针对于此，研究人员通过结合无悬臂梁探针结构和用于检测探针-样品接触的可伸缩光学方法，证明了具有1000个探针的大规模平行AFM是可能的。具体而言，发现相对柔顺薄膜上的光学反射锥形探针包含分布式光学杠杆，该杠杆将探针运动转换为提供低于10 nm垂直精度的光信号。这种方法的可扩展性使得它非常适合需要大面积高分辨率的成像应用。原子力显微镜（AFM）自1986年发明以来，已成为获取微纳米尺度表面形貌和功能特性信息的主要方法。为了检测尖端和基底之间的微小力，AFM通常使用在局部力的影响下偏转的微悬臂，产生可以使用光学杠杆检测到的运动。然而，由于基于探针的成像的串行性，只能以较小的视场为代价来获得更高的空间分辨率。目前正在努力解决这一挑战，包括设计具有更高带宽的探测器，以及采用诸如IBM千足虫之类的探测器阵列。然而，现代成像阵列只有30个探头，突出了有效并行悬臂梁传感的困难。虽然AFM界对探针阵列的采用受到限制，但是探针阵列被广泛用于扫描探针光刻（SPL），或者通过机械变形、阳极氧化和直接材料沉积等多种方式使用纳米级物理探针来定义图案的过程。为了解决串行图形固有的有限吞吐量，研究人员探索了一种无悬臂梁结构，其中探针阵列位于刚性表面上的顺应膜上。虽然这种结构赋予了探针所需的柔顺性探针-样品接触和可扩展性提供多达数百万探头，但悬臂梁提供的力感应能力丧失。如果这种无悬臂梁的探针阵列能够被修改以实现探针-样品接触的并行检测，那么它们就可以提供一种大规模并行化AFM的方法，并且可以革命性地增加这种有影响力的成像工具系列的吞吐量。a.实验装置侧视图，探针-样品接触导致弹性体薄膜变形。b.通过蓝宝石晶圆观察弹性薄膜变形时的光学对比度图示。反射光强度I随位置变化x而变化。探针运动的光学特征称为分布光学杠杆。c.用于实现用于成像的探针阵列的微加工工艺，涉及蓝宝石晶片、聚二甲基硅氧烷（PDMS）背衬层、刚性聚合物探针和铝反射涂层。探针阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像和比例尺分别为60µm和3µm的阵列d和单个探针e的图像。科研人员在成果中展示了由无悬臂结构中的探针阵列实现的大规模并行原子力显微镜，这些探针通过被称之为分布式光学杠杆的可伸缩光学机制提供局部形貌信息。通过建立分布式光学杠杆的模型，利用配位力和光学显微镜对其进行系统的研究，研究人员发现光学对比度在力和变形方面呈线性关系，能够提供低于10 nm的垂直精度。基于这种结构和成像机制的探针阵列，研究人员同时在阵列中使用1088个探针成像，并以100纳米横向分辨率和9纳米垂直精度在0.5毫米范围内绘制样本高度。该系统的高通量特性使其在高分辨率大面积的领域具有重要的应用前景，如集成电路计量、光学亚表面表征和生物组织的多尺度研究。通过设计分布式光学杠杆来测量每个探针的变形，科研人员证明了扫描探针可以并行化，从而提高AFM成像的吞吐量。在最初的演示中，1088个探针被并行使用，以纳米级分辨率成像5毫米宽的表面。由于其结构简单且与现有的光刻系统兼容，这些探针阵列可以作为独立的成像工具或作为大规模并行光刻系统的补充，以实现纳米组合实验中的同时光刻和成像。并行化在增加成像带宽的同时，也加强了这种方法的主要局限性，即探头无法独立移动以调节探头-样本力或容纳非常高的特征。在这里讨论的探针阵列中，这将对样品平面度和垂直范围施加限制。然而，值得强调的是，显示无悬臂梁阵列不必是被动的，因为扫描探针光刻实验表明，这种阵列可以使用光、热或气动系统进行独立调制，这可能为克服并行化带来的挑战提供了一条途径。有趣的是，亚波长光阑阵列与无悬臂梁结构相结合，实现了无衍射光刻。如果目前的CF-AFM方法可以与这种孔径阵列结合使用，它就有可能实现大规模并行扫描近场光学显微镜（SNOM）。因此，这种成像方法为从组织工程到光学超表面和集成电路的检测等多种应用的表面形貌的快速和高分辨率查询打开了大门。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20612-3

探针台是一种很专业的仪器，它主要的功能就是针对半导体元件进行检测，这里面说的半导体元件指的是集成电路，分立器件，光电器件，传感器等元件以及封装的测试。通过探针台配合测量仪器可完成集成电路的电压，电流，电阻和电容电压特性曲线等参数检测。可以适用于对芯片进行科研分析，抽查检测等；可以保证这些半导体元件的质量，缩短研发时间和器件制作工艺的成本，所以，它的存在对于制造半导体的企业来说是非常重要的。随着半导体市场的逐步开放和增长，作为半导体检测的必备仪器—探针台的市场也在逐年增长和扩大中，不论是海外品牌还是国产品牌，近几年在半导体检测仪器市场中的规模都在逐年扩大。由于高校的管理模式及制度，探针台大多养在“深闺”，大量科研资源潜能没有得到充分发挥。为解决这个问题并加速释放科技创新的动能，中央及各级政府在近几年来制订颁布了关于科学仪器、科研数据等科技资源的共享与平台建设文件。2021年1月22日，科技部和财政部联合发布《科技部 财政部关于开展2021年度国家科技基础条件资源调查工作的通知（国科发基〔2020〕342号）》，全国众多高校和科研院所将各种科学仪器上传共享。其中，对探针台的统计分析或可一定程度反映科研领域相关仪器的市场信息（注：本文搜集信息来源于重大科研基础设施和大型科研仪器国家网络管理平台，部分仪器品牌信息不全则根据型号等信息补全，不完全统计分析仅供读者参考）。不同地区（省/市）仪器分布情况本次统计，共涉及探针台的总数量为235台，涉及20省（直辖市/自治区），84家单位。其中，上海市共享磁测量仪器数量最多达63台，占比29%，涉及17所高校、研究院所和企事业单位等，上海如此高的占比主要是由于其集成电路等半导体产业发达。上海市探针台主要来自于上海华岭集成电路技术股份有限公司，共有25台，占上海市总共享探针台的11%。仪器所属学科领域分布从仪器所属学科领域分布可以看出，探针台主要用于电子与通信技术、物理学和材料科学研究，占比分别为32%、17%和14%。不过，信息科学与系统科学和信息与系统科学相关工程与技术两个学科重合度较高，合计占比达16%，比材料科学略高。需要注意的是，以上统计存在交叉分布的情况，即该仪器同时属于多类学科领域。仪器所属单位性质分布那么这些仪器主要分布在哪些单位呢？统计结果表明，共享探针台主要分布于高校中，占比达60%，这一结果主要是因为共享仪器平台的仪器由高校上传所致，统计结果并不能体现出此类仪器的市场分布。不过共享仪器最多的确实企业中的上海华岭集成电路。而高校和科研院所共享数量TOP5分别为清华大学、苏州大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、东南大学、北京大学，这些高校院所都具有集成电路研发的基础。探针台主要品牌分布探针台品牌所属地区分布这些探针台主要品牌为美国Cascade、美国Lake Shore和日本东京精密，占比分别为28%、23%和16%。Cascade是全球领先的的探测系统、探针、探测器等产品的设计生产商，公司成立于1983年，总部设在美国俄勒冈州西北部城镇，为全球晶圆级测试的销售、服务和应用而存在，自主拥有150多项专利技术。Lake Shore公司成立于1968年，位于美国俄亥俄州哥伦布市，是低温与磁场科研设备的国际领导者。主要产品包括：振动样品磁强计、低温真空探针台、霍尔效应测量系统、低温控温仪、低温传感器、高斯计、磁通计等。可以看出，目前我国高校院所的探针台仍以进口为主，大部分市场被美日产品垄断，进口产品占比超过90%。此外，在统计过程中，笔者发现探针台常与半导体参数测量仪搭配联用，而搭配的半导体参数测量仪主要是美国Keithley的4200-SCS型号的产品。这是美国泰克旗下的吉时利品牌的一款产品。不过目前该型号已下架，最新款是4200A-SCS型号，4200A-SCS 参数分析仪支持许多手动和半自动晶片探测器和低温控制器，包括 MPI、Cascade MicroTech、Lucas Labs/Signatone、MicroManipulator、Wentworth Laboratories、LakeShore Model 336 低温控制器。Keithley 4200A-SCS 参数分析仪本次共享探针台仪器盘点，涉及等Cascade、Lake Shore、东京精密、MPI、Janis、SUSS、东京电子、奕叶、Signatone、ARS、FORMFACTOR、MPI等三十多家厂商，呈现出三超多强局面。探针台高校院所市场将爆发随着集成电路产业的爆发式发展，2018 年开始，将集成电路设置成一级学科的提案开始出现。2018 年中国科学院院士王阳元在新时期中国集成电路产业论坛中提议，微电子学科提升为一级学科。学术界和产业界对集成电路成为一级学科异常关注。2019 年 10 月 8 日，工信部官网发布《关于政协十三届全国委员会第二次会议第 2282 号（公交邮电类 256 号）提案答复的函》中表示，工信部与教育部等部门将进一步加强人才队伍建设，推进设立集成电路一级学科，进一步做实做强示范性微电子学院。去年12月30日，国务院学位委员会、教育部正式下发关于设置“集成电路科学与工程”一级学科的通知。过去一年来，北京航空航天大学、安徽大学、广东工业大学、中山大学、清华大学等国内多所高校均成立集成电路相关学院。随着集成电路学院的纷纷成立，高校院所对半导体相关仪器设备需求将剧增，探针台作为半导体检测的重要仪器，相关市场将爆发。

KLA探针式轮廓仪的过去，现在，与未来。KLA Instruments&trade 探针式轮廓仪（也称台阶仪）提供高精度2D和3D表面量测，测量台阶高度、表面粗糙度、翘曲度和应力以及优秀的稳定性和可靠性，满足客户的研发和生产要求。目前，KLA Instruments&trade 台阶仪包括专为研发助力的Alpha-Step系列D-500/D600桌面式台阶仪，工厂生产用Tencor P-系列P-7，P-17，P-17 OF量产型台阶仪，还有自动化产线上的 HRP系列P-170和HRP-260全自动台阶仪。自1977年KLA首款商用探针式轮廓仪问世，经过四十多年的不断探索和技术创新，KLA取得了一个又一个突破，不断稳固自身在行业中的领导地位。1977Alpha-Step100 是Tencor 推出的首款台阶仪产品。其在台阶高度测量的准确性和重复性方面表现优异。凭借价格实惠、外形小巧和功能强大，很快就成为大多数半导体制造厂或晶圆厂重要的工具。1983Alpha-Step 200 发布，扫描速度比竞品快 2 倍，配备 CRT 显示器，能够自动测量、调平和计算。1987Alpha-Step 250 问世，灵敏度增强至 1 &angst ，增加了隔声外壳。1988Tencor P系列的P-1探针式轮廓仪实现了单次长度 200mm 扫描，且无需任何拼接。P-1 轮廓仪采用革 命性的全新设计，在扫描平台、光学和传感器技术方面进行了行业创新，提供无可匹敌的稳定性、灵敏度和重复性。该系统具有超平面扫描平台，能够单次扫描实现高达 200mm 的高分辨率，确定表面粗糙度、波纹度和薄膜应力特征。新平台也是 3D 扫描平台，增加了第三维度来表现表面形貌。该系统的特色是采用顶视光学系统来提供清晰的样品视图，不受传统倾斜侧视的扭曲影响。此外，该系统的传感器技术采用业界先进的线性可变差分电容器 (LVDC)，从而使电子分辨率达到亚埃级，并且转动惯量小，可实现低作用力控制并降低对噪声的敏感性。1991Tencor P2H 支持自动晶圆和磁盘机械手臂， 减少接触样品带来的污染。同年的Tencor P2 采用开放式框架，支持尺寸达 430mm x 430mm 的样品，同时Tencor FP2可扫描尺寸达 630mm x 630mm 的样品，用于平板行业。1994Tencor P-20 全自动探针式轮廓仪发布，增加了图案识别和 SECS/GEM，并且与现有的机械手臂相结合，实现了全自动化。Alpha-Step 500增加垂直量程至 1mm，并配备了全新高倍率光学器件和彩色摄像头。1996Tencor P-10、 P-11、 P-12 和 P-22 相继发布，产品采用最新的低作用力控制技术，延长垂直量程至1000µ m并增强环境隔离功能。Microhead II 增强线性可变差分电容器 (LVDC)，并增加低至 0.05mg的程式控制低作用力。它增加了通过动态调整枢轴上的作用力，确保在任何台阶高度下，样品表面都能够施加相同的力。此外，新传感器可支持高达 1000µ m 台阶高度。P-12 新增隔声罩和主动隔离台，不仅增强对环境噪声的隔离，还能够测量超光滑硬盘的粗糙度。P-22 在现有 P-20 机械手臂的基础上新增一个隔离台，实现自动晶圆传送、图案识别和 SECS/GEM 等全自动测量，从而为半导体行业提供整体解决方案， 提高其生产效率。1997Tencor P-30 将开放式晶圆盒机械臂替换为 SMIF 机械臂和系统的内置微环境， 以支持半导体行业新的洁净度要求。HRP-220 是在线表面量测的一大突破，配备了 P-22 的长扫描平台以及高分辨率压电平台，DuraSharp 探针可实现精细的特征测量和分析。同年，Tencor Instruments 和 KLA Instruments 两家公司合并成立了 KLA-Tencor, Inc.，成为世界领先的半导体制造和相关行业的良率管理及工艺控制解决方案供应商之一。1998HRP-320 在HRP-220 的测量能力基础上扩展到 300mm 晶圆，是能够单次扫描测量 300mm 晶圆全直径的系统。1999HRP-240 和 HRP-340 在使用的便利性、产出和精度上有了重大改进。新增压电挠性平台设计，以尽量减少平面外的运动，扫描平面度 2x 在保持 90µ m x 90µ m 扫描区域和 1nm 分辨率的同时，比以前的设计有了很大的进步。该系统增加在线高倍和低倍光学器件，并利用距离传感器实现无接触自动聚焦，从而可允许快速、精确对焦，并通过减少探针的表面接触次数来延长其使用寿命。长扫描平台通过增加线性编码器来提高样品定位的准确性，而更细螺距的丝杠可实现更高的分辨率。通过增加数字信号处理器来管理所有平台控制，将计算机处理能力留给用户接口，从而改善系统的整体性能。新增浸渍模式（Dipping Mode&trade ）能够测量高深宽比的蚀刻深度特征。2001Tencor P-15 结合了 P-10 和 P-11 系统的功能，技术更加成熟，为单一平台上的研发和生产提供支持。2003Alpha-Step IQ 在 Alpha-Step 500 基础上新增 USB 电子器件和全新设计的软件，可以显著提供增强的扫描排序和数据分析能力。2007Tencor P-16+ 在-15 的基础上进行了改进：新的 USB 电子器件、更强大的软件以及 Apex 高级数据分析和报告撰写软件功能。2008Tencor P-6 是一台高性能探针式轮廓仪，在较小的平台上沿用了 P-16+ LVDC 传感器技术和扫描平台技术。HRP-250 和 HRP-350 仪器采用噪音更低的 LVDC 传感器技术、新的隔离系统（仅 HRP-350）和第二代 DuraSharp II 探针。可实现更小特征的测量和接近 2 倍的吞吐量。2009Ambios Technology 加入KLA-Tencor并发布 XP100 和 XP200，采用光学杠杆传感器技术，垂直量程1200µ m 并支持200mm晶圆样品。2010KLA-Tencor 发布了基于 Ambios Technology 平台的 Alpha-Step D-100 和 D-120，采用增强光学杠杆传感器技术， 显著改善了测量的稳定性。2013Tencor P-7 和 P-17 配备了新高分辨率彩色相机，并增强了对翘曲度和应力的测量。2014Alpha-Step D-500 和 D-600 仪器采用了与 P系列相同的高分辨率相机。增加了侧视图的梯形校正功能，并且进一步改善了测量的重复性。2016Tencor P-170结合了 P-17 与 HRP 机械手臂，是一款新的全自动探针式轮廓仪。同年，HRP系列的新机型HRP-260 也随后发布。新仪器在自动化晶圆处理方面有了重大的改进。增加了几何图案识别，提高了倾斜校正算法的准确性，并采用新方法进行自动灯光控制。机械手臂包含新电子器件，可支持碳化硅 (SiC) 和蓝宝石等透明样品以及硅、砷化镓 (GaAs) 和 AlTiC 等不透明样品的预对准。也支持卡盒内wafer探测和读取wafer ID.2019KLA Instruments&trade 全系列探针式轮廓仪Alpha-Step、Tencor P- 和 HRP，移植软件平台至最新的Windows 10 OS。同时，新的测量和数据分析功能发布在新的软件平台中。2023KLA将继续探索的脚步，而探针式轮廓仪全线产品也将持续发展，为满足客户的需求不断努力创新。Keep Looking Ahead！