Erstmals wurden zerstörungsfrei und ohne Verzeichnungen oder Verzerrungen die Verläufe der innen liegenden, nur 45 Nanometer (45 millionstel Millimeter) breiten Stromleitungen und die 34 Nanometer hohen Transistoren eines Computerchips deutlich sichtbar. 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, teilt das PSI mit. 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 sei nun, das Verfahren so weiterzuentwickeln, dass man damit komplette Chips untersuchen könne. Die Experimente haben die Forschenden an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul-Scherrer-Instituts durchgeführt.

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. 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. «Die Bildauflösung, die wir mit der neuen Methode erzeugen konnten, ist ähnlich hoch wie bei dem konventionellen Untersuchungsverfahren», 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.

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 Nanometern 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. 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, sodass sich bereits die ersten Interessenten gemeldet haben, die am PSI Messungen durchführen möchten. «Wir beginnen, die Methode so weiterzuentwickeln, dass man damit in akzeptabler Messzeit ganze Mikrochips untersuchen kann», sagt Gabriel Aeppli, Leiter des Forschungsbereichs Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie am PSI. (az)