De halfgeleiderindustrie zit te springen om een beeldvormende techniek op nanometerschaal. Aan de TU Delft hebben onderzoekers nu een methode ontwikkeld waarmee ze met ultrageluid zelfs binnenin elektronische componenten kunnen ‘kijken’.

Zwangere vrouwen krijgen ermee te maken en in het ziekenhuis wordt het echoapparaat op verschillende afdelingen gebruikt. Met behulp van geluid met onhoorbaar hoge frequenties – ultrageluid – kijkt dat apparaat ín het menselijk lichaam. Een techniek die inmiddels zowel ingeburgerd als onmisbaar is geworden.

Eenzelfde soort techniek wil de Delftse natuurkundige Gerard Verbiest toepassen op elektronische componenten. Die onderdelen, waaronder chips, worden steeds kleiner en daarbij worden steeds meer laagjes bovenop elkaar aangebracht. Bedrijven als ASML willen graag ín dergelijke materialen kunnen kijken. Dat lukt namelijk niet met de bestaande niet-destructieve technieken, zoals optische en elektronenmicroscopie. ‘Licht en elektronen gaan maar tot een beperkte diepte een materiaal in; geluid gaat er echt doorheen’, stelt Verbiest.

Samen met collega’s uit Delft – en in samenwerking met ingenieurs van ASML – heeft Verbiest een opstelling gebouwd die wel het binnenste van materialen moet kunnen afbeelden. Aan het puntje van een atomic force microscope (AFM) voegde hij een onderdeel toe dat ultrakorte geluidspulsjes kan opwekken, zodat geluidssignalen ontstaan van een paar gigahertz. Het apparaat produceert het geluid met dergelijke hoge frequenties niet direct – want dat is technisch onmogelijk – maar op een indirecte manier, namelijk dankzij het fotoakoestisch effect, waarbij licht wordt omgezet in geluid.
 

Nieuwsbrief
Vind je dit een leuk artikel? Abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief!

 

Geluidsgolfje

Dat werkt zo. Om te beginnen laat een laser extreem korte pulsjes van enkele femtoseconden (tien tot honderd femtoseconden, 10-15 seconden) vallen op een dun metaalplaatje op de AFM-cantilever. Dat laserlicht warmt dat metaal in enkele picoseconden (een picoseconde is 10-12 seconden) op, waardoor het metaal een beetje uitzet en een geluidsgolfje uitzendt. Die golf gaat het monster in waar de interesse naar uitgaat en de terugkerende (weerkaatste) geluidsgolven worden gemeten.

Uit deze brij aan geluidsgolven is de interne structuur van het monster te berekenen. ‘Dat vergt een hoop rekenwerk op zware computers, maar het is op zich een geijkte methode’, vertelt Verbiest. ‘In principe gaat dit op dezelfde manier als waarmee oliebedrijven in de bodem naar olie zoeken: je stuurt een geluidsgolf de bodem in en meet wat er terugkomt. Zo leer je hoe de bodem is opgebouwd en waar de olie zit.’


Enkele nanometers

De frequentie van het ultrageluid moet zo enorm hoog zijn, omdat de resolutie (het oplossend vermogen) van een echoapparaat direct samenhangt met de geluidsfrequentie. Verbiest en collega’s hopen interne structuren van enkele nanometers groot te kunnen afbeelden, want dat is de schaal waarop de halfgeleiderindustrie inmiddels werkt.

In de afgelopen maanden heeft Verbiest samen met twee andere onderzoekers in hun laboratorium op de TU Delft de opstelling gebouwd. De komende tijd moet blijken of die precies doet waar ze voor is bedoeld. ‘We hebben al uitgebreide berekeningen en simulaties gedaan, nu is het tijd voor het proof-of-principle in de praktijk’, zegt Verbiest.
 

Fundamentele kennis opdoen

Om de werking van hun meetsysteem te demonstreren, zullen de eerste monsters bestaan uit eenvoudige structuren, waarvan de interne opbouw helemaal bekend is. Later volgen dan complexere vormen. ‘We gaan nu eerst fundamentele kennis opdoen van ons systeem. En de vragen beantwoorden die we hebben. Hoeveel geluid kunnen we eigenlijk het monster in sturen? En hoe groot is dan de demping van de geluidsgolven? Lukt het inderdaad om details van tien nanometer groot af te beelden?’
 

Chips controleren op fouten

De belangrijkste toepassing van het meetsysteem ligt in de halfgeleiderindustrie. Bedrijven als ASML willen graag de interne opbouw kunnen bepalen van meerlaagse structuren. Verbiest: ‘Op termijn kun je met onze techniek wellicht chips controleren op fouten, mogelijk zelfs al tijdens het fabricageproces.’

Maar ook buiten de elektronica voorziet Verbiest toepassingen van het beeldvormingssysteem op basis van ultrageluid. In de celbiologie bijvoorbeeld, waar je straks met deze techniek waarschijnlijk een gedetailleerd driedimensionaal plaatje van een levende cel zou kunnen maken. Of in zijn eigen specialisatie: tweedimensionale materialen, waarvan grafeen de bekendste is. ‘We willen meer weten over het warmtetransport in deze materialen en dat denken we te kunnen meten met ons ultrageluid.’
 

ASML

De komende maanden zijn de Delftse onderzoekers bezig met het testen van de mogelijkheden van hun systeem. Op termijn is het de bedoeling dat ASML, dat ook de patenten van de meettechniek bezit, het onderzoek in de praktijk gaat gebruiken. Het bedrijf wil de nieuwe meetmethode gaan toepassen in onderzoek en misschien bij het bouwen van zijn machines.


Openingsfoto Onderzoekers Gerard Verbiest, Ruben Guis en Martin Robin bij hun opstelling. Foto’s Wouter Slits.