Een lensloze microscoop bouwen om next-gen chips te bestuderen

Nieuws - 08 december 2021 - Communication TNW

Transistors die worden gebruikt in computerchips hebben nu de minuscule schaal van nanometers bereikt, maar chipsfabrikanten beschikken nog steeds niet over het optische vermogen om deze nieuwe generatie chips te bestuderen. Onderzoekers van de TU Delft hebben een lensloze microscoop gebouwd die een beeld maakt op een schaal van 200 nanometer. Met verdere verfijning van deze techniek kunnen de onderzoekers naar verwachting in de komende twee jaar transistors op nanoschaal in beeld brengen.

Met deze succesvolle eerste test hebben de onderzoekers hun baseline gevonden om de lensloze microscoop fijner af te stellen in de richting van scherpere beelden. Het einddoel: zelfs de kleinste structuren op deze chips - transistors van 5 nanometer - zichtbaar maken in de komende twee jaar. Het onderzoeksproject maakt deel uit van het LINX-consortium (Lensless Imaging of 3D Nanostructures with soft X-rays), een samenwerkingsverband tussen vijf Nederlandse universiteiten en industriƫle partners als ASML, een maker van machines die worden gebruikt bij de productie van computerchips.

Infrarood licht, gas en spiegels

Waarom zijn gewone lenzen niet meer voldoende om de chips van tegenwoordig, die structuren op nanoschaal bevatten, te bestuderen? Promovendus Sven Weerdenburg legt uit: "Als chipmaker wil je op de hoogte zijn van alle fouten die optreden bij het bouwen van je chips, zodat je ze kunt verbeteren. Maar met conventionele microscopen kun je die chips niet bekijken. Die werken met de golflengte van het licht dat zichtbaar is voor het menselijk oog, namelijk tussen 400 en 700 nanometer. Maar je hebt beelden nodig met een resolutie die veel hoger ligt dan 400 nanometer. Dat is waar lensloze beeldtechniek om de hoek komt kijken: die werkt met extreem ultraviolet (EUV), dat een veel kortere golflengte heeft van ongeveer 13,5 nanometer."

Een jaar geleden begonnen de onderzoekers met de bouw van de lensloze microscoop in samenwerking met DEMO, de faciliteit voor experimenteel technisch en wetenschappelijk onderwijs van de TU Delft: een 5 meter grote opstelling met daarin een krachtige infraroodlaser, een reusachtige box om EUV-licht te genereren en een beeldkamer. Het infrarode laserlicht wordt gefocust, waarna een edelgas in de lichtbundel wordt geĆÆnjecteerd, die vervolgens veel kortere golflengten begint uit te zenden. Spiegels vormen en focussen de EUV-bundel op een chip sample, die het licht verstrooit: dit verstrooiingspatroon wordt vervolgens opgevangen door een camera in de beeldkamer. Er is software nodig om de verstrooiingspatronen te vertalen in een echt beeld.

(klik om te vergroten) Een overzicht van het lasersysteem dat de korte golflengten produceert die voor de microscoop worden gebruikt. (beeld: Sven Weerdenburg)
(klik om te vergroten) 3D figuur met overzicht van het complete systeem (beeld: Sven Weerdenburg)

Opstelling en software matchen

De juiste combinatie vinden tussen de opstelling en de software om het beeld te interpreteren, was een van de uitdagingen van het project, en zitten beiden vol onzekerheden. Technicus Roland Horsten: "Stel je voor dat je met een lamp op een diamant schijnt, die het licht verstrooit. Wij kijken naar dat fonkelende patroon. Onze collega Yifeng Shao ontwikkelde een software die ons vertelt waar die fonkeling vandaan komt en hoe de diamant - in ons geval de chip - eruitziet. Omdat we bij deze eerste meting een echt beeld zagen, weten we nu dat de software in principe werkt, en dat de opstelling ook werkt." Het bouwen van de opstelling, het schrijven van de software en het produceren van de eerste beelden kostte het team een jaar.

Links: Diffractiepatronen, verkregen met een camera, bevatten informatie over het sample dat we willen decoderen. Rechts: Het computeralgoritme is in staat om een beeld en een hoogtekaart van het sample te reconstrueren. (beeld: Sven Weerdenburg)

Toepassingen voor lensloze beeldvorming zijn vooral waardevol voor fabrikanten van next-gen computerchips. Weerdenburg: "We stellen ons voor dat deze bedrijven, zoals Intel en TSMC, zo'n lensloze microscoop kunnen bevestigen naast hun waferstepper: een soort drukmachine om de chips te maken. Ons apparaat kan worden gebruikt als een inspectie-instrument om te zien of de waferstepper zijn werk goed doet. Het licht dat wij in ons systeem gebruiken, met een golflengte van 13,5 nanometer, is hetzelfde licht dat deze wafersteppers gebruiken om deze chips te produceren. Dit betekent dat we ook een idee krijgen van de fouten die alleen in deze golflengte zichtbaar zijn, zodat we beter kunnen detecteren wat er eventueel mis is met ons chips sample."