16.03.2017

PSI blickt ins Innere von Computerchips

Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben erstmals mit einem Röntgen-Tomografieverfahren zerstörungsfrei die nur nanometergrossen Strukturen eines handelsüblichen Computerchips sichtbar gemacht.

Für Chip-Hersteller ist es schwierig zu bestimmen, ob der Aufbau der nur 45 Nanometer breiten Stromleitungen und 34 Nanometer hohen Transistoren in ihren Chips den Vorgaben entspricht. Während es heute Standard ist, so feine Strukturen herzustellen, ist es immer noch eine Herausforderung, den genauen Aufbau eines fertigen Chips im Detail zu vermessen. Heutzutage nutzen 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 Focused Ion Beam/Scanning Electron Microscope (FIB/SEM) bekannt.

Nun haben Forschende des 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. Mirko Holler, Leiter des Projekts am PSI, erklärte: «Die Bildauflösung, die wir hier erzeugen konnten, ist ähnlich hoch wie bei dem konventionellen Untersuchungsverfahren FIB/SEM.» Die Forscher können mit ihrer Methode aber zwei wesentliche Nachteile vermeiden: Erstens bleibt die Probe unbeschädigt und man hat die vollständige Information über die dreidimensionale Struktur. Zweitens werden Bildverzerrungen vermieden, 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 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 PSI 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 gross.

3-D-Darstellung des PSI von der inneren Struktur eines Mikrochips der Firma Intel mit Blick auf die Ebene, in der sich die Transistoren befinden.
Quelle: Mirko Holler / PSI

Ziel: ganze Mikrochips untersuchen

Gemäss PSI können vollständige Chips mit dem gegenwärtigen Messaufbau nicht untersucht werden. «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», erklärte Gabriel Aeppli, Leiter des Forschungsbereichs Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie am PSI.

Die PSI-Forscher Mirko Holler (rechts) und Manuel Guizar-Sicairos an der Strahllinie cSAXS an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI, mit der sie die dreidimensionale Struktur eines Mikrochips sichtbar gemacht haben.
Quelle: Markus Fischer / PSI
Quelle: 
M.B. nach PSI, Medienmitteilung, 16. März 2017