TU Delft en ASML brengen ultrageluid naar nanoniveau

Een nieuwe beeldvormingstechniek, ontwikkeld door TU Delft en ASML, geeft atoomkrachtmicroscopen toegang tot ultrageluidmogelijkheden op extreem hoge frequenties. Zo zouden structuren onder het oppervlak met nanometerresolutie in beeld kunnen worden gebracht. Dat maakt het een zeer interessante optie voor metrologie-experts in de halfgeleiderindustrie.

Paul van Gerven

Chipstructuren worden kleiner en kleiner, en bij elke generatie is er minder ruimte voor fabricagefouten. Alleen door een complex samenspel van metrologie, uitgebreide analyses en realtime correctiemechanismes kunnen chipmakers de opbrengsten hoog houden. Dit veld is natuurlijk big business, en ASML heeft het enthousiast omarmd. Het mag dan ook geen verrassing heten dat de Veldhovense machinebouwer interesse heeft getoond in een nieuwe beeldvormingstechniek die, in tegenstelling tot alle andere niet-destructieve beeldvormingstechnieken, belooft een kijkje te geven enkele micron onder oppervlakken.

Het concept, dat lijkt op het maken van een ultrasoundscan op nanoschaal, is bedacht door Gerard Verbiest, momenteel universitair docent aan de Technische Universiteit Delft. ‘Toen ik voor mijn proefschrift werkte aan atoomkrachtmicroscopie onder het oppervlak, realiseerde ik me dat zo’n microscoop in combinatie met ultrageluid een veel betere manier zou moeten opleveren om 3D-nanostructuren in kaart te brengen’, zegt hij.

De groep van Verbiest heeft het afgelopen jaar met succes ultrasoundfunctionaliteit toegevoegd aan een atoomkrachtmicroscoop (afm) en onderzoekt momenteel de mogelijkheden. ASML biedt zowel financiële als technische ondersteuning voor het project, in ruil voor het intellectuele eigendom. Het Veldhovense bedrijf zou de techniek op een gegeven moment industrieel kunnen toepassen. Een woordvoerder wil desgevraagd niet ingaan op die mogelijkheid.

Doorbuiging

Ultrasone systemen om de gezondheid en ontwikkeling van ongeboren baby’s te controleren, gebruiken doorgaans frequenties tussen de 10 en 20 MHz, wat overeenkomt met een golflengte van ongeveer een millimeter. ‘We hebben veel hogere frequenties nodig om de gewenste nanometerresolutie te bereiken, zelfs hoog in het gigahertzbereik’, zegt Verbiest. Dat is echter verre van triviaal, aangezien piëzo-elektrische transducers, momenteel de meest innovatieve methode om ultrasone golven te genereren, niet in staat zijn om zulke hoge frequenties te halen.

Een alternatief vond Verbiest in picoseconde-ultrasound (PU), een techniek waarbij ultrahoogfrequente ultrasound wordt gegenereerd met ultrakorte lichtpulsen. Na het afvuren van een ‘pomp’-laserpuls op een substraat, warmt dat snel op en zet het uit. De spanning die door dit proces wordt veroorzaakt, genereert een ultrasone puls die zich voortplant door het substraat totdat het (gedeeltelijk) wordt gereflecteerd op een grensvlak. De echo (of echo’s) kan aan het oppervlak worden gedetecteerd met een ‘sonde’-lichtpuls. Typisch is het zo mogelijk om structuren tot enkele micrometers onder het oppervlak af te beelden.

‘PU wordt al gebruikt voor het afbeelden van onder meer biologische cellen en heterostructuren van halfgeleiders. We verwachten dat de integratie met afm de ruimtelijke resolutie zal verbeteren tot enkele nanometers’, aldus Verbiest. ‘Uiteindelijk hopen we een oppervlak te scannen met een afm en tegelijkertijd PU-metingen uit te voeren, waardoor we zowel het oppervlak als wat er zich onder bevindt in beeld kunnen brengen. Dat is echter nog ver weg.’

Technisch gezien, is het relatief eenvoudig om een afm-instrument aan te passen voor PU-functionaliteit. In de basis bestaat afm uit een scherpe punt op een cantilever, die dicht bij een oppervlak wordt gebracht. Krachten tussen de punt en het sample ‘trekken’ aan de cantilever. Die doorbuiging kun je meten via de reflectie van een laserbundel die je op het uiteinde van de cantilever hebt gericht. ‘Standaard afm-tips zijn gemaakt van silicium met een metaallaagje. We gebruiken dit laagje zowel om de ultrasone pulsen te genereren als om de echo’s te detecteren die door de punt terug in het metaal gaan’, legt Verbiest uit.

Uitlijning

Nu de setup klaar is, werken Verbiest en zijn collega’s aan een proof of principle van hun techniek: de kakofonie van echo’s omzetten in nuttige informatie. De Delftse onderzoeker ziet daar geen beren op de weg. Tenslotte wordt geluid al decennia gebruikt ‘om mee te kijken’. Niet alleen voor het checken van baby’s maar ook voor onder meer sonar en het vinden van oliebronnen. ‘In eerste instantie houden we de tip op één plek en meten we eenvoudige monsters van bekende structuren om metingen te relateren aan structurele informatie. Van daaruit kunnen we de stap zetten naar meer complexe monsters en metingen’, verklaart Verbiest.

Tegelijkertijd wil de groep van Verbiest zien hoe ver ze de techniek kunnen oprekken. ‘Veel vragen zijn nog onbeantwoord. Welke resolutie kunnen we bereiken? Bij welke signaal-ruisverhouding? Hoe diep kunnen we in een materiaal doordringen? Dit is een zeer interessante mix van fundamenteel onderzoek en engineering’, aldus Verbiest. ‘Ik verwacht bijvoorbeeld dat het ontwerp van de cantilever en de punt van grote invloed is op hoeveel geluid we het materiaal in kunnen sturen en hoe goed we het kunnen detecteren. De prestaties zullen waarschijnlijk ook variëren voor verschillende materialen – dat willen we graag begrijpen.’

Al met al moet er nog veel werk worden verzet voordat PU-afm zijn weg heeft gevonden naar commerciële toepassingen. ASML zegt niet wat het in gedachten heeft (en Verbiest mag dat niet vertellen), maar het is niet moeilijk in te zien hoe de mogelijkheid om de driedimensionale structuur van een niet-transparant monster op een niet-destructieve manier in kaart brengen kan worden gebruikt voor het uitlijnen van bijvoorbeeld chiplagen. Of om de aard van een defect te achterhalen dat is opgemerkt tijdens de fabricage van de chip. Pas dan kun je immers aan de juiste knoppen draaien en de fout corrigeren.

Verbiest ziet ook toepassingen buiten de chipfabricage. ‘Je zou het in de celbiologie kunnen gebruiken om een gedetailleerd 3D beeld te maken van een enkele levende cel, bijvoorbeeld van de manier waarop mitochondriën in een cel worden opgevouwen’, zegt hij. ‘En in de materiaalkunde zou je de technologie kunnen gebruiken voor onderzoek naar warmtetransport in 2D-materialen zoals grafeen, of om de interacties tussen gestapelde lagen 2D-materialen te karakteriseren.’ Met dat laatste zijn we terug bij elektronica, aangezien gestapelde 2D-materialen momenteel worden onderzocht als een mogelijke opvolger van silicium als basismateriaal van chips.