3D-Röntgenbilder

Feinste Details eines Mikrochips sichtbar gemacht

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben detaillierte 3D-Röntgenbilder eines handelsüblichen Computerchips erstellt. Dabei wurden erstmals zerstörungsfrei und ohne Verzeichnungen oder Verzerrungen die Verläufe der innen liegenden, nur 45 nm breiten Stromleitungen und die 34 nm hohen Transistoren deutlich sichtbar. 

3D-Darstellung der inneren Struktur eines Mikrochips (Prozessor der Firma Intel). Gezeigt ist der Blick direkt auf die Ebene, in der sich die Transistoren befinden. Das Material, das in Gelb dargestellt ist, ist Kupfer – sichtbar sind die Schaltverbindungen des Prozessors, die die einzelnen Transistoren miteinander verbinden. Zur Verdeutlichung wurden einige Verbindungen eingefärbt, deren Anschlüsse durch das untersuchte Volumen verfolgt werden können. Die einzelnen gezeigten Leitungen sind rund 45 nm breit; insgesamt wurde ein Stück eines Prozessors mit rund 10 µm Durchmesser untersucht. Das Bild wurde aufgrund von Messungen mit Röntgenstrahlen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts erstellt. (Foto: Paul Scherrer Institut / Mirko Holler)

Für Hersteller ist es eine große Herausforderung, zu bestimmen, ob der Aufbau ihrer Chips am Ende den Vorgaben entspricht. Somit stellen diese Ergebnisse eine wichtige Anwendung eines Röntgen-Tomografieverfahrens dar, das die PSI-Forschenden seit einigen Jahren entwickeln.

In ihrem Experiment haben die Forschenden ein kleines Stück aus dem Chip untersucht, das sie zuvor herausgeschnitten hatten. Diese Probe blieb dabei während der Messung unbeschädigt. Ziel ist nun, das Verfahren so weiterzuentwickeln, dass man damit komplette Chips untersuchen kann. Die Experimente haben die Forschenden an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts durchgeführt. Über die Ergebnisse berichten sie in der neuesten Ausgabe des Fachjournals Nature.

Die Stromleitungen in vielen  der elektronischen Chips unserer Computer und Mobiltelefone sind nur  45 nm breit, die Transistoren 34 nm hoch. Während es heute Standard ist, so feine Strukturen herzustellen, ist es immer noch eine Herausforderung, den genauen Aufbau eines solchen fertigen Chips im Detail zu vermessen, um beispielsweise zu prüfen, ob er den Vorgaben entsprechend aufgebaut ist.

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Heutzutage nutzen Chip-Hersteller für solche Untersuchungen vor allem ein Verfahren, bei dem man den Chip Schicht für Schicht abträgt und dann nach jedem Schritt die Oberfläche mit einem Elektronenmikroskop untersucht; dieses ist als FIB/SEM – Focused Ion Beam/Scanning Electron Microscope – bekannt.

Jetzt haben Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI die Strukturen in einem Chip zerstörungsfrei in 3D mittels Röntgenstrahlen abgebildet, so dass der Verlauf der Stromleitungen und die Position der einzelnen Transistoren und anderer Schaltelemente deutlich sichtbar wurden.

„Die Bildauflösung, die wir hier erzeugen konnten, ist ähnlich hoch wie bei dem konventionellen Untersuchungsverfahren FIB/SEM“, erklärt Mirko Holler, Leiter des Projekts. „Dafür konnten wir zwei wesentliche Nachteile vermeiden: Erstens blieb bei uns die Probe unbeschädigt und wir haben die vollständige Information über die dreidimensionale Struktur. Zweitens vermeiden wir Verzerrungen der Bilder, die bei  FIB/SEM entstehen, wenn die Oberfläche der einzelnen Schnitte nicht genau plan ist.“

Nanometergenau positioniert

Für ihre Untersuchungen haben die Forschenden ein besonderes Tomografieverfahren (Ptychotomografie) genutzt, das sie im Laufe der letzten Jahre entwickelt und immer weiter verfeinert haben und das heute die weltweit beste Auflösung von 15 nm bei vergleichsweise großem untersuchtem Volumen bietet. Bei dem Experiment wird das Untersuchungsobjekt an genau festgelegten Stellen mit Röntgenlicht aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts durchleuchtet – ein Detektor misst dann jeweils die Eigenschaften des Lichts nach dem Durchgang durch die Probe.

Die Probe wird dann in kleinen Schritten gedreht und nach jedem Drehschritt wieder schrittweise durchleuchtet. Aus der Gesamtheit der gewonnenen Daten lässt sich die dreidimensionale Struktur der Probe bestimmen. „Bei diesen Messungen muss man die Position der Probe auf wenige Nanometer genau kennen – das war eine der besonderen Herausforderungen beim Aufbau unseres Experimentierplatzes“, so Holler.

In ihrem Experiment haben die Forschenden kleine Stücke von zwei Chips untersucht – einem am PSI entwickelten Detektorchip und einem handelsüblichen Computerchip. Die Stücke waren jeweils rund 10 µm groß. Während die Untersuchung eines vollständigen Chips mit dem gegenwärtigen Messaufbau nicht möglich ist, sind die Vorteile des Verfahrens  in dieser Form schon zum Tragen gekommen, so dass sich bereits die ersten Interessenten gemeldet haben, die am PSI Messungen durchführen möchten.

Ziel: ganze Mikrochips untersuchen

„Wir beginnen gerade, die Methode so weiterzuentwickeln, dass man damit in akzeptabler Messzeit ganze Mikrochips untersuchen kann. Dann wird es auch möglich werden, denselben Bereich eines Chips mehrfach zu untersuchen und damit zum Beispiel zu beobachten, wie er sich durch äußere Einflüsse verändert“, erklärt Gabriel Aeppli, Leiter des Forschungsbereichs Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie am PSI.

Text: Paul Scherrer Institut / Paul Piwnicki

Originalveröffentlichung:

High-resolution non-destructive three-dimensional imaging of integrated circuits: Mirko Holler, Manuel Guizar-Sicairos, Esther H. R. Tsai, Roberto Dinapoli, Elisabeth Müller, Oliver Bunk, Jörg Raabe, Gabriel Aeppli. Nature  16 March 2017.

Kontakt / Ansprechpartner:

Dr. Mirko Holler, Labor für Makromoleküle und Bioimaging,  Forschungsbereich Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz,  E-Mail: mirko.holler@psi.ch.

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