Elektrotechnisch ingenieur Stefanos Andreou bouwde een sensor met een buitengewone nauwkeurigheid van minder dan de grootte van een atoom.

Om snellere computers te maken, je hebt kleinere chips nodig. De in Cyprus geboren promovendus Stefanos Andreou bouwde een sensor waarmee vervormingen van minder dan de breedte van een atoom gemeten kunnen worden. Chipmachinebouwer ASML kan deze technologie mogelijk gebruiken om de precisie van zijn machines te verbeteren.

Met behulp van de nieuwste machines van ASML, Er kunnen computerchips worden gemaakt waarvan de details niet meer bedragen dan een handvol nanometers. Geen geringe prestatie als je bedenkt dat er een miljoen nanometer in een enkele millimeter past. De elektrische schakelingen op zo'n chip zijn gemaakt met behulp van lithografie:met behulp van ultraviolet licht wordt een patroon op een plak silicium geëtst. Omdat chipproductie het stapelen van meerdere patronen op elkaar vereist, de positionering van de siliciumschijf (beter bekend als een wafer) is een kwestie van grote precisie.

Zelfs de kleinste vervorming van de wafels veroorzaakt problemen, legt promovendus Stefanos Andreou uit. "Deze wafels zijn eigenlijk vrij stijf, maar omdat ze zich met zo'n grote snelheid voortbewegen, ze zijn onderhevig aan g-krachten die ze enigszins vervormen. Het meten van deze vervorming geeft ASML de mogelijkheid om deze op de een of andere manier te compenseren, en opent de mogelijkheid om nog kleinere chips te produceren." Dit bracht de Cypriotische ertoe om zijn doctoraatswerk te wijden aan het ontwerpen van een speciale sensor, op basis van glasvezel, in staat om deze vervormingen van ongeveer één nanometer per meter te meten.

Buitengewone nauwkeurigheid

Het idee achter deze supernauwkeurige sensor is dat afwijkingen in de frequentie van laserlicht met buitengewone nauwkeurigheid kunnen worden gemeten - een principe dat wordt toegepast in wat bekend staat als een Fiber Bragg-rooster - een soort glasvezel dat zo is behandeld dat het wordt ondoorzichtig voor een zeer specifieke kleur (lees:frequentie) van licht. Deze resonantiefrequentie zoals die wordt genoemd, hangt af van de mate waarin de vezel is uitgerekt.

Bijgevolg, een Fiber Bragg-rasp (FBG), toegepast op de bewegende delen in de chipmachine, kan worden gebruikt als maat voor de vervorming van de wafel, legt André uit. Bijgestaan ​​door masterstudent Roel van der Zon, zelf nu een Ph.D. kandidaat in Valencia, Andreou testte in het lab een meetsysteem op basis van dit soort FBG-sensoren. “In de praktijk zou ASML tientallen van deze sensoren nodig hebben, maar dat is geen probleem:ze zijn goedkoop te produceren en wegen bijna niets."

De promovendus wil erop wijzen dat met de door hen bereikte precisie van 5 nanometer per meter in de sensor zelf – slechts enkele centimeters lang – een vervorming van enkele tientallen picometers kan worden gemeten. "Dat is minder dan de diameter van een atoom!" Voordat dit onwaarschijnlijke niveau van nauwkeurigheid kon worden bereikt, echter, een aantal problemen moesten worden opgelost.

Temperatuur

Ten eerste, geavanceerde stabilisatietechnieken waren nodig om ervoor te zorgen dat het gebruikte laserlicht - gegenereerd door een fotonische chip geproduceerd door Smart Photonics, een spin-off van de onderzoeksgroep Photonic Integration waar Andreou zijn onderzoek deed – had precies de juiste frequentie. Maar misschien was de grootste uitdaging het feit dat de resonantiefrequentie van de sensor niet alleen afhankelijk is van de vervorming, maar ook de temperatuur. “Dat effect is eigenlijk veel groter, " legt Andreou uit. "Als de temperatuur met een duizendste graad Celsius verandert, het veroorzaakt een afwijking in de meting gelijk aan tien nanometer vervorming per meter."

Om de onvermijdelijke temperatuurschommelingen te compenseren, Andreou splitste het laserlicht dat voor de meting werd gebruikt in twee componenten:"Voor elk van deze componenten, of polarisatietoestanden, de vezel vertoont een andere relatie tussen temperatuur en resonantiefrequentie." Dit heft het effect van de temperatuur op, waardoor de vervorming zeer nauwkeurig kan worden bepaald. Ongeveer tien keer nauwkeuriger dan vroeger mogelijk was, volgens de promovendus. "En als het systeem eenmaal volledig is geoptimaliseerd, het moet mogelijk zijn om dat te verbeteren."

Maar de Cypriotische zelf is niet langer gefocust op deze uitdaging; hij werkt nu als postdoc aan de TU Delft. "ASML heeft een deel van de apparatuur geleverd die in mijn project is gebruikt en nu is er een vervolgproject met ASML aan de gang. Er wordt dus aan mijn werk voortgebouwd."