Using a 4-megapixel hybrid photon counting detector for fast, lab-based nanoscale x-ray tomography

Dit artikel demonstreert dat hybride fotonentellende detectoren (HPCDs) geschikt zijn voor snelle, lab-gebaseerde nanoscale röntgentomografie, waarbij een 3D-reconstructie van een geïntegreerd circuit met 130-nm technologie wordt bereikt met een 800-voudige snelheidswinst en een ruimtelijke resolutie van 75-80 nm.

De kern

De "Super-Camera" die Chip-ontwerpers een Dag van Wachten Bespaart

Stel je voor dat je een heel klein, ingewikkeld stadje wilt inspecteren. Dit stadje is niet gemaakt van bakstenen, maar van koperen weggetjes en gebouwen die zo klein zijn dat ze onzichtbaar zijn voor het blote oog. Dit is wat er gebeurt binnenin een computerchip. Om te zien of er iets mis is (bijvoorbeeld een gebroken brug of een verkeerd geplaatst gebouw), moeten ingenieurs door de chip heen kijken zonder hem te openen of te beschadigen.

Vroeger was dit als proberen een muis te zien in een donkere kelder met een kaarsje: het duurde dagen, je zag weinig details, en je moest vaak heel dichtbij komen om iets te zien.

De Nieuwe Held: De Hybrid Photon Counting Detector (HPCD)

In dit artikel vertellen onderzoekers van het NIST (een Amerikaans instituut voor standaardmetingen) hoe ze een nieuwe soort camera hebben gebruikt die dit proces volledig heeft veranderd. Ze noemen dit een "Hybrid Photon Counting Detector" (HPCD).

Laten we een analogie gebruiken:

• De oude camera was als een oude, trage filmrol. Je moest heel lang wachten tot de film was belicht, en als je te veel licht kreeg, werd de foto overbelicht en onbruikbaar.
• De nieuwe HPCD is als een hyper-snel, digitaal super-oog. Het telt elk individueel deeltje licht (foton) dat erop landt, alsof het duizenden tellers zijn die tegelijkertijd werken. Het is zo snel en gevoelig dat het in een flits kan zien wat de oude camera in een hele dag kon zien.

Het Grote Experiment: Een Chip van 130 Nanometer

De onderzoekers namen een echte computerchip (een "geïntegreerd circuit") die op een 130-nanometer technologie is gemaakt. Dat is extreem klein; de weggetjes op deze chip zijn slechts een paar honderd keer breder dan een mensenhaar.

Ze gebruikten hun nieuwe camera in combinatie met een elektronenmicroscoop (een soort super-microscoop die elektronen gebruikt in plaats van licht) om een 3D-afbeelding van de chip te maken.

De Resultaten: Snelheid en Detail

Hier zijn de verbazingwekkende resultaten, vertaald naar begrijpelijke termen:

1. De Snelheid:
   Vroeger duurde het maken van zo'n 3D-afbeelding van dit stukje chip ongeveer 240 uur (dat is 10 dagen!). Met de nieuwe camera deden ze het in iets meer dan 10 uur.

   • Analogie: Het is alsof je vroeger een hele stad moest tekenen met een potlood en het duurde 10 dagen. Nu heb je een magische pen die het in 10 minuten doet, en de tekening is zelfs nog mooier.

2. De Hoeveelheid Licht:
   De nieuwe camera ving 40 keer meer lichtdeeltjes op dan de oude methode.

   • Analogie: Stel je voor dat je een zwart-witfoto maakt in de schemering. De oude camera had een hele lange belichtingstijd nodig en kreeg maar een paar lichtdeeltjes, waardoor de foto korrelig en wazig was. De nieuwe camera vangt een stortvloed aan licht, waardoor de foto kristalhelder is.

3. De Detailgraad:
   Ondanks dat het zo snel ging, zagen ze details die slechts 75 tot 80 nanometer groot waren. De chip had weggetjes van 160 nanometer.

   • Conclusie: Ze konden de weggetjes op de chip heel duidelijk zien, alsof je met een vergrootglas door een stratenplan kijkt. Ze zagen zelfs de "bruggen" (vias) die de verschillende lagen van de chip met elkaar verbinden.

Hoe werkt het? (De "Grote Raam"-Analogie)

Een van de uitdagingen was dat de camera heel groot is (4 megapixels, dat zijn meer dan 4 miljoen kleine vensters). Omdat de lichtbron (de elektronenbundel) zo dichtbij zit, valt het licht schuin op de randen van de camera.

• Het probleem: Het lijkt alsof het licht in het midden van de foto helderder is dan aan de randen, niet omdat er meer licht is, maar omdat de hoek anders is.
• De oplossing: De onderzoekers hebben een wiskundige "bril" op de foto's gezet. Deze software corrigeert de hoek, zodat de helderheid overal in het beeld precies hetzelfde is. Zonder deze correctie zou de 3D-afbeelding vervormd zijn, alsof je door een gekromd raam kijkt.

Waarom is dit belangrijk?

Voor chipfabrikanten is tijd geld. Als er een fout zit in een chip, willen ze weten waar die zit, en ze willen het vandaag weten, niet volgende week.

• Vroeger moesten ze soms de chip openbreken (vernietigen) om te kijken wat er mis was.
• Nu kunnen ze de chip intact laten, er in een paar uur doorheen kijken, en zien waar de fout zit.

Samenvatting

De onderzoekers hebben bewezen dat je met een speciale, snelle camera (de HPCD) en wat slimme software 3D-afbeeldingen van microscopisch kleine chips kunt maken. Ze zijn 800 keer sneller geworden dan in hun vorige experimenten (door 40x meer licht te vangen en 20x sneller te scannen), terwijl ze tegelijkertijd scherper zien.

Dit betekent dat chipfabrieken in de toekomst veel sneller en goedkoper fouten kunnen vinden, zonder hun kostbare producten te hoeven slopen. Het is een grote stap voorwaarts voor de technologie die onze computers, telefoons en auto's aanstuurt.

Technische samenvatting

Probleemstelling

De halfgeleiderindustrie vereist steeds vaker niet-destruktieve metrologie met nanometer-resolutie voor het analyseren van geïntegreerde schakelingen (IC's). Bestaande methoden hebben echter beperkingen:

• Synchrotron-metingen: Bieden weliswaar de hoogste resolutie (tot 4 nm) en snelheid, maar zijn niet praktisch voor fabrieken (foundries) vanwege de beperkte beschikbaarheid en de noodzaak van snelle, "on-demand" analyse (binnen één dag).
• Elektronenmicroscopie (FIB-SEM): Biedt hoge resolutie maar is destructief; het monster wordt tijdens de meting opgeofferd.
• Lab-gebaseerde röntgentomografie (nano-xCT): Bestaande commerciële en academische systemen bereiken vaak slechts een resolutie van 300 nm tot 1 µm. Om resoluties onder de 500 nm te bereiken zonder vacuüm of destructieve voorbereiding, ontbreekt er een robuuste oplossing. Het grootste obstakel is het "fotonen-gebrek" (photon-starved) in lab-systemen, wat leidt tot zeer lange meettijden of onvoldoende signaal-ruisverhouding.

Methodologie

Het onderzoeksteam van het NIST (National Institute of Standards and Technology) heeft een bestaande SEM-gebaseerde nano-xCT-tool geüpgraded met een hybride fotonentel-detectie (HPCD), specifiek een DECTRIS Eiger2 R 4M.

Belangrijke technische aspecten:

1. Opstelling:
   • Een elektronenbundel (spot < 100 nm) raakt een platina (Pt) doelwit op de achterkant van een IC-chip (130-nm technologie), wat röntgenstraling genereert.
   • De straling passeert door de chip en wordt opgevangen door de HPCD buiten het vacuümkamer.
   • De chip is verdund tot 3,32 µm (zes circuitlagen) om de transmissie te maximaliseren.
2. Detector Specificaties:
   • De detector heeft een actief oppervlak van 155,1 x 162,2 mm met meer dan 4 miljoen pixels (2068 x 2162).
   • Door de korte afstand tot de bron (256 mm) en de kleine pixelgrootte (75 µm), wordt een enorme geometrische vergroting bereikt ($M_G \approx 25.000$), wat resulteert in een geprojecteerde pixelgrootte op het monster van slechts 3 x 3 nm.
3. Geometrische Correcties:
   • Vanwege de grootte van de detector en de conische bundel, treden er significante intensiteitsvariaties op over het detectoroppervlak (tot >20% verschil tussen centrum en hoeken).
   • De auteurs implementeren een correctie voor het vastgestelde hoek-effect ($\propto (z/r)^3$) en de obliquiteit (hoek van inval), waarbij $z$ de afstand tot de dichtstbijzijnde pixel is en $r$ de afstand tot een willekeurige pixel.
   • Een energie-afhankelijke absorptiecorrectie werd verwaarloosd omdat deze effecten <1% bedragen binnen het relevante energiebereik (4-10 keV).
4. Beperkte Hoek Tomografie (Limited Angle Tomography):
   • Door de fysieke beperkingen in de SEM-kamer kan het monster slechts tussen -22,5° en +22,5° worden gedraaid (totaal 7 discrete hoeken).
   • De grote detector vult dit gat echter op: door de grote hoek die de detector subtendert (33,5° horizontaal), krijgt elke "discrete" rotatiehoek een effectieve hoekbereik van ±16,75°.
   • Het monster wordt gescand over een raster van punten om de gaten tussen de detectormodules te overbruggen.
5. Reconstructie:
   • Gebruik van de TomoScatt code (NIST), die een Maximum Likelihood (ML) schatting combineert met een Maximum A Posteriori (MAP) benadering met Bayesiaanse priors voor een ruisarme reconstructie.
   • Een uniek alignement-algoritme wordt gebruikt waarbij 3D-reconstructies van aangrenzende hoeken worden uitgelijnd om verschuivingen van de orde van de voxelgrootte (~40 nm) te corrigeren.

Belangrijkste Bijdragen

• Integratie van HPCD in Lab-omgeving: Eerste demonstratie van een 4-megapixel HPCD voor snelle, lab-gebaseerde nano-xCT.
• Correctie voor Grote Detector-artefacten: Een gedetailleerde analyse en correctie van geometrische effecten ($(z/r)^3$) die essentieel zijn voor accurate reconstructies met vlakke panelen, iets wat eerder vaak werd genegeerd bij kleinere detectoren.
• Kwaliteitsmetingen: Toepassing van gevestigde beeldkwaliteitsmetrieken (MTF, FSC, CNR) om de resolutie en snelheid objectief te valideren, in plaats van alleen visuele inspectie.
• Snelheid en Efficiëntie: Het aantonen dat een volledige 3D-reconstructie mogelijk is in een fractie van de tijd die nodig was met eerdere detectoren, zonder in te leveren op beeldkwaliteit.

Resultaten

• Snelheid en Dataverzameling:
  • De meting van een IC-chip (130-nm node) duurde ongeveer 10 uur (inclusief scannen en reconstructie).
  • Dit is 20 keer sneller dan eerdere metingen met een X-ray spectrometer in dezelfde opstelling (die 240 uur nodig had).
  • Er werden 40 keer meer fotonen verzameld (40 miljard vs. 1 miljard).
  • De auteurs tonen aan dat zelfs met een dataset van minder dan 2 uur een vergelijkbare beeldkwaliteit kan worden bereikt.
• Resolutie en Beeldkwaliteit:
  • CNR (Contrast-to-Noise Ratio): Een waarde van 69 voor de bedrading, wat aanzienlijk boven de Rose-criterium (5) ligt, wat duidt op uitstekende zichtbaarheid.
  • MTF (Modulation Transfer Function) & FSC (Fourier Shell Correlation): Deze metrieken bevestigen een ruimtelijke resolutie van 75-80 nm.
  • Visuele Bevestiging: 160 nm brede bedradingselementen in de IC zijn duidelijk en scherp opgelost in de 3D-reconstructie.
• Vergelijking: De resultaten zijn vergelijkbaar met de staat-van-de-kunst van synchrotron-metingen, maar dan uitgevoerd in een laboratoriumomgeving.

Betekenis en Impact

Dit werk markeert een doorbraak in de niet-destruktieve inspectie van halfgeleiders:

1. Industriële Toepasbaarheid: Het biedt een oplossing voor de "failure analysis" in chipfabrieken, waar snelle (dagelijkse), niet-destruktieve metingen met nanometer-resolutie essentieel zijn, maar synchrotrons niet beschikbaar zijn.
2. Schaalbaarheid: De techniek is schaalbaar naar nog kleinere structuren (onder de 75 nm) door de elektronenbundel te verkleinen, hoewel dit ten koste gaat van de snelheid.
3. Toekomstperspectief: Het bewijst dat lab-gebaseerde nano-xCT nu een concurrentiekrachtige alternatief is voor destructieve FIB-SEM-methoden voor het inspecteren van kritieke afmetingen in moderne IC's, met een snelheid die 800x sneller is dan eerdere generaties van dit specifieke NIST-instrument.

Samenvattend demonstreert dit artikel dat hybride fotonentel-detectoren de kloof kunnen overbruggen tussen de hoge resolutie van synchrotrons en de praktische behoeften van industriële lab-omgevingen, waardoor snelle, hoog-resolutie 3D-inspectie van geavanceerde elektronica mogelijk wordt.