Mon Mar 08 2021

03 08

Echo voor onderzoek op nanoschaal

04/02/2021

Door Ad Spijkers

De steeds verdere miniaturisatie van elektrische componenten in de industrie vereist een nieuwe beeldvormende techniek op nanometerschaal. TU Delft en ASML werken er aan.


     

Onderzoeker Dr. Gerard Verbiest (foto) van de faculteit 3mE heeft samen met ASML een eerste proof-of-concept methode ontwikkeld die ze nu verder uit gaan werken. De methode gebruikt hetzelfde principe als een echoscopie bij zwangerschappen, maar dan op een veel en veel kleinere schaal.

De bestaande niet-destructieve technieken om nano-elektronica in beeld te brengen, zoals optische- en elektronenmicroscopie, zijn niet nauwkeurig genoeg of toepasbaar voor dieper liggende structuren. Ultrageluid is een hele goede manier om de 3D-structuur van een niet-transparant monster op niet-destructieve wijze in kaart te brengen. Maar er bestond nog geen ultrageluid-technologie op nanoschaal. De resolutie van ultrasound imaging wordt sterk bepaald door de golflengte van het gebruikte geluid, en die ligt typisch in de buurt van een millimeter.

Ultrageluid

Om dit te verbeteren, werd ultrageluid al eerder geïntegreerd in een zogenoemde Atomic Force Microscope (AFM). Dit is een techniek om met een minuscule naald oppervlakken heel precies af te tasten en in kaart te brengen. Hierdoor bepaalt niet de golflengte maar de grootte van de tip van de AFM de resolutie. Helaas is bij de tot nu toe gebruikte frequenties (1-10 MHz) de respons van de AFM klein en onduidelijk. De frequentie van het gebruikte geluid moest daarvoor verder omhoog, naar het GHz-regime, en dat hebben Verbiest en zijn team gedaan.

Verhoging van de frequentie is pas recent mogelijk met foto-akoestiek. Door gebruik te maken van het foto-akoestisch effect zijn extreem korte geluidspulsjes te genereren. Het onderzoeksteam gaat deze techniek integreren in een AFM. Met de tip van de AFM is het signaal te focussen. De opstelling is klaar en de eerste testen zijn gedaan.

Toepassingen

De nieuwe methode is vooral interessant voor de nano-elektronica. Om in de toekomst nog kleinere chips met nog kleinere patroontjes te kunnen maken, is deze stap noodzakelijk. Bijvoorbeeld om het mogelijk te maken om twee laagjes met nanometerprecisie op elkaar te leggen.

‘Maar er zijn ook mogelijke toepassingen buiten de elektronica. In de celbiologie zou men hiermee een gedetailleerd 3D-plaatje van een enkele levende cel kunnen maken, bijvoorbeeld van de manier waarop mitochondriën zijn opgevouwen in een cel. In de materiaalkunde valt te denken aan onderzoek naar warmtetransport in een materiaal als grafeen.

De onderzoekers zijn er binnen acht maanden in geslaagd de eerste metingen te doen en ze zullen dat de komende tijd verder uitbouwen. Op termijn zal ASML, dat ook het intellectueel eigendom bezit, het onderzoek overnemen, hopelijk op weg naar industriële toepassing van de nieuwe methode. Maar dat is afhankelijk van de behaalde resultaten.

Foto: TU Delft