Nieuw wereldrecord röntgenstraling: met 4 nanometer precisie in een microchip kijken

In samenwerking met EPFL Lausanne, ETH Zurich en de University of Southern California hebben onderzoekers van het Paul Scherrer Institute PSI röntgenstralen gebruikt om met hogere precisie dan ooit tevoren in een microchip te kijken. De beeldresolutie van 4 nanometer markeert een nieuw wereldrecord. De driedimensionale beelden met hoge resolutie van het type dat zij produceerden, zullen vooruitgang in zowel informatietechnologie als de levenswetenschappen mogelijk maken.

De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur.

Sinds 2010 ontwikkelen de wetenschappers van het Laboratory of Macromolecules and Bioimaging bij PSI microscopiemethoden met als doel driedimensionale beelden in het nanometerbereik te produceren. In hun huidige onderzoek, een samenwerking met de EPFL en de ETHZ, de Zwitserse Federale Instituten voor Technologie in Lausanne en Zürich en de University of Southern California, zijn ze er voor het eerst in geslaagd om foto’s te maken van ultramoderne computerchips met een resolutie van 4 nanometer – een wereldrecord.

In plaats van lenzen te gebruiken, waarmee afbeeldingen in dit bereik momenteel niet mogelijk zijn, grijpen de wetenschappers terug op een techniek die bekendstaat als ptychografie, waarbij een computer veel afzonderlijke afbeeldingen combineert om één enkele, hoge resolutie foto te maken. Kortere belichtingstijden en een geoptimaliseerd algoritme waren de sleutel tot het aanzienlijk verbeteren van het wereldrecord dat ze zelf in 2017 vestigden. Voor hun experimenten gebruikten de onderzoekers röntgenstraling van de Zwitserse lichtbron SLS bij PSI.

Tussen conventionele röntgentomografie en elektronenmicroscopie

Microchips zijn wonderen van technologie. Tegenwoordig is het mogelijk om meer dan 100 miljoen transistoren per vierkante millimeter in geavanceerde geïntegreerde schakelingen te verpakken, een trend die blijft toenemen. Zeer geautomatiseerde optische systemen worden gebruikt om de nanometergrote circuitsporen in siliciumblanks te etsen in cleanrooms.

Laag na laag wordt toegevoegd en verwijderd totdat de afgewerkte chip, de hersenen van onze smartphones en computers, kan worden uitgesneden en geïnstalleerd. Het productieproces is uitgebreid en ingewikkeld, en het karakteriseren en in kaart brengen van de resulterende structuren blijkt net zo moeilijk.

Scannende elektronenmicroscopen hebben weliswaar een resolutie van enkele nanometers en zijn daarom zeer geschikt voor het in beeld brengen van de minuscule transistoren en metalen verbindingen waaruit circuits bestaan, maar ze kunnen alleen tweedimensionale beelden van het oppervlak produceren.

“De elektronen reizen niet ver genoeg in het materiaal,” legt Mirko Holler uit, een natuurkundige bij SLS. “Om driedimensionale beelden te construeren met deze techniek, moet de chip laag voor laag worden onderzocht, waarbij afzonderlijke lagen op nanometerniveau worden verwijderd – een zeer complex en delicaat proces dat ook de chip vernietigt.”

Driedimensionale en niet-destructieve beelden kunnen echter worden geproduceerd met behulp van röntgentomografie, omdat röntgenstralen veel dieper in materialen kunnen doordringen. Deze procedure is vergelijkbaar met een CT-scan in een ziekenhuis. Het monster wordt gedraaid en vanuit verschillende hoeken geröntgend. De manier waarop de straling wordt geabsorbeerd en verstrooid, varieert, afhankelijk van de interne structuur van het monster. Een detector registreert het licht dat het monster verlaat en een algoritme reconstrueert het uiteindelijke 3D-beeld ervan.

“Hier hebben we een probleem met de resolutie,” legt Holler uit. “Geen van de momenteel beschikbare röntgenlenzen kan deze straling op een manier focussen die het mogelijk maakt om zulke kleine structuren te onderscheiden.”

Ptychografie – de virtuele lens

De oplossing is ptychografie. Bij deze techniek wordt de röntgenbundel niet op nanometerschaal gefocust; in plaats daarvan wordt het monster op nanometerschaal verplaatst. “Ons monster wordt zodanig verplaatst dat de bundel een nauwkeurig gedefinieerd raster volgt, zoals een zeef. Op elk punt langs het raster wordt een diffractiepatroon vastgelegd,” legt de natuurkundige uit.

De afstand tussen de individuele rasterpunten is kleiner dan de diameter van de straal, dus de afgebeelde gebieden overlappen elkaar. Dit levert genoeg informatie op om de voorbeeldafbeelding met een hoge resolutie te reconstrueren met behulp van een algoritme. Het reconstructieproces lijkt een beetje op het gebruik van een virtuele lens.

“Sinds 2010 perfectioneren we gestaag onze experimentele opstelling en de nauwkeurigheid waarmee we onze samples positioneren. In 2017 slaagden we er eindelijk in om een ​​computerchip ruimtelijk in beeld te brengen met een resolutie van 15 nanometer, een record,” herinnert Holler zich.

Sindsdien is de resolutie in ons instrument onveranderd gebleven, ondanks verdere optimalisaties in de opstelling en het algoritme. “We hebben het met een of twee nanometer uitgebreid, maar dat was het maximum. Iets beperkte ons en we moesten erachter komen wat dat was,” voegt hij toe.

De zoektocht naar de beperkende factor

De uitgebreide zoektocht begon uiteindelijk in 2021. Naast Holler en Manuel Guizar-Sicairos, die beiden betrokken waren bij de eerste plaat, sloot ook Tomas Aidukas zich aan bij de groep. De natuurkundige ondersteunde het team met zijn programmeerervaring en ontwikkelde het nieuwe algoritme dat hen uiteindelijk hielp de doorbraak te bereiken.

De onderzoekers vonden hun eerste aanwijzing toen ze de belichtingstijd verkortten: plotseling waren de diffractiebeelden scherper. Dit leidde hen tot de conclusie dat de röntgenbundel die het monster verlichtte niet stabiel was, maar in plaats daarvan met kleine beetjes bewoog: de bundel wiebelde.

“Dit is analoog aan fotografie,” legt Guizar-Sicairos uit. “Wanneer je ’s nachts een foto maakt, kies je voor een lange belichtingstijd vanwege de duisternis. Als je dit doet zonder statief, worden je bewegingen doorgegeven aan de camera en wordt de foto wazig.”

Aan de andere kant, als je een korte belichtingstijd kiest zodat het licht sneller wordt vastgelegd dan wij bewegen, dan zal de afbeelding scherp zijn. “Maar in dat geval kan de foto volledig zwart of ruisig zijn, omdat er in die korte tijd bijna geen licht kan worden vastgelegd,” voegt hij toe.

De onderzoekers hadden een soortgelijk probleem: hoewel hun beelden nu scherp waren, bevatten ze te weinig informatie om de hele microchip te reconstrueren, vanwege de korte belichtingstijd.

Kortere belichtingstijd en een nieuw algoritme

Om het probleem op te lossen, hebben de onderzoekers hun opstelling geüpgraded met een snellere detector, ook ontwikkeld bij PSI. Hierdoor konden ze veel beelden vastleggen op elk rasterpunt, elk met een korte belichtingstijd.

“Een enorme berg data”, voegt Aidukas toe. Wanneer de afzonderlijke beelden worden opgeteld en over elkaar heen worden gelegd, resulteert dit in hetzelfde wazige beeld dat werd verkregen met een lange belichtingstijd.

“Je kunt de röntgenstraal zien als één punt op het monster. We maken nu een heleboel individuele foto’s op dit specifieke punt,” legt Aidukas uit. Omdat de straal wiebelt, zal elke afbeelding lichtjes veranderen. “Op sommige foto’s bevindt de straal zich op dezelfde positie, op andere is hij verplaatst. We kunnen deze veranderingen gebruiken om de werkelijke positie van de straal te volgen die wordt veroorzaakt door de onbekende trillingen.”

Het volgende is om de hoeveelheid data te verminderen. “Ons algoritme vergelijkt de posities van de straal in de individuele beelden. Als de posities hetzelfde zijn, worden ze in dezelfde groep geplaatst en aan de som toegevoegd,” voegt hij toe.

Door de beelden met lage belichting te groeperen, kan hun informatiegehalte worden vergroot. Als gevolg hiervan zijn de onderzoekers in staat om een ​​scherp beeld met een hoog lichtgehalte te reconstrueren met behulp van de vloed van kort belichte beelden.

De nieuwe ptychografische techniek is een basisbenadering die ook kan worden gebruikt bij vergelijkbare onderzoeksfaciliteiten. De methode is niet beperkt tot microchips, maar kan ook worden gebruikt op andere monsters, bijvoorbeeld in materiaalkunde of life sciences.