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Röntgentomografie

Computerchip bis in den Nanometerbereich dargestellt

| Autor / Redakteur: Paul Piwnicki* / Marc Platthaus

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 Nanometer breit; insgesamt wurde ein Stück eines Prozessors mit rund 10 Mikrometer Durchmesser untersucht. Das Bild wurde mithilfe von Messungen mit Röntgenstrahlen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts erstellt.
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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 Nanometer breit; insgesamt wurde ein Stück eines Prozessors mit rund 10 Mikrometer Durchmesser untersucht. Das Bild wurde mithilfe von Messungen mit Röntgenstrahlen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts erstellt. (Bild: Paul Scherrer Institut/Mirko Holler)

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Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts haben erstmals detaillierte 3D-Röntgenbilder eines handelsüblichen Computerchips erstellt. Dabei wurden zerstörungsfrei und ohne Verzeichnungen oder Verzerrungen die Verläufe der Stromleitungen und die Transistoren im Inneren deutlich sichtbar.

Villigen/Schweiz – 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.

Messungen sind zerstörungsfrei

Jetzt haben Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI die Strukturen in einem Chip zerstörungsfrei in 3D 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.

Im folgenden kurzen Video sehen Sie die dreidimensionalen Aufnahmen des Computerchips.

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.

Originalpublikation: 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

* P. Piwnicki, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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