3-D-Röntgenbild macht feinste Details eines Computerchips sichtbar

17.03.2017

Paul Scherrer Institut/Mirko Holler

3-D-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 Nanometer (45 millionstel Millimeter) breit; insgesamt wurde ein Stück eines Prozessors mit rund 10 Mikrometer Durchmesser (10 tausendstel Millimeter) untersucht. Das Bild wurde aufgrund von Messungen mit Röntgenstrahlen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts erstellt.

Forschende des PSI haben detaillierte 3-D-Röntgenbilder eines handelsüblichen Computerchips erstellt. In ihrem Experiment haben sie ein kleines Stück aus dem Chip untersucht, das sie zuvor herausgeschnitten hatten. Diese Probe blieb dabei während der Messung unbeschädigt. 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.

Die Stromleitungen in vielen der elektronischen Chips unserer Computer und Mobiltelefone sind nur 45 Nanometer breit, die Transistoren 34 Nanometer 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. 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 3-D mittels Röntgenstrahlen abgebildet, sodass 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 Nanometern (15 millionstel Millimeter) 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 Mikrometer (also 10 tausendstel Millimeter) 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, sodass 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.

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