Onderzoekers van ARCNL hebben een manier gevonden om nanostructuren te detecteren die zijn begraven onder vele lagen ondoorzichtig materiaal met behulp van hoogfrequente geluidsgolven veroorzaakt door licht. Hun bevindingen kunnen toepassingen hebben in de halfgeleiderindustrie, zoals waferuitlijning. De onderzoekers onthulden ook interessante nieuwe fenomenen in de foto-akoestiek die nog niet eerder zijn onderzocht. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast . Eerste auteur Stephen Edward verdedigde met succes zijn Ph.D. hierover op 18 juni aan de Universiteit van Amsterdam.

Bij de productie van state-of-the-art computerchips en componenten, nanolithografiemachines printen verschillende lagen structuren van nanoformaat op een wafer. Om ervoor te zorgen dat de lagen nauwkeurig zijn uitgelijnd, de wafels bevatten rasterlijnen die fungeren als markeringen die de machines vertellen waar ze moeten afdrukken. "Hoewel uitlijnmarkeringen onmisbaar zijn in nanolithografie, ze raken bedolven onder vele lagen materiaal. Omdat deze lagen vaak ondoorzichtig zijn, het is moeilijk om licht te gebruiken om de markeringen te vinden en de machine uit te lijnen, " zegt Stephen Edward, die zijn Ph.D. onderzoek in de Light-Matter Interaction Group van ARCNL.

Veel materialen die ondoorzichtig zijn voor licht zenden geluidsgolven uit, die kan worden gebruikt om te visualiseren wat eronder is. Groepsleider Paul Planken zegt:"De meeste mensen kennen dit in een medische situatie. Echoscopen gebruiken hoogfrequente geluidsgolven die in het lichaam worden gereflecteerd op het grensvlak van verschillende weefsels. De gereflecteerde geluidsgolven worden omgezet in een elektrisch signaal om een ​​beeld te creëren. Terwijl deze methode bevat voldoende details voor de meeste medische toepassingen, het is bij lange na niet gedetailleerd genoeg voor nauwkeurige uitlijning in nanolithografie. De grootte van de kenmerken die met echoscopische methoden kunnen worden onderscheiden, is omgekeerd evenredig met de frequentie. Dus om structuren op nanoschaal met geluid te kunnen zien, we hebben geluidsgolven nodig met een veel hogere frequentie."

Planken, Edward en co-auteurs wisten dat korte lichtpulsen van een laser zulke hoogfrequente geluidsgolven in een ondoorzichtig materiaal kunnen veroorzaken. "Het is een beetje alsof je op een deur klopt, waardoor geluidsgolven doorstromen naar de andere kant van de deur, " zegt Edward. "In ons experiment, een hoge energie 'klop' van de laser start een geluidsgolf in het ondoorzichtige materiaal."

Net als bij medische toepassingen, de geluidsgolven die door het materiaal reizen, worden gereflecteerd door grensvlakken in het materiaal, veroorzaakt een golf die terug naar het oppervlak reist. Toen ze voor het eerst begonnen, de onderzoekers wisten niet zeker of dit signaal voldoende bruikbare informatie zou bevatten. Planken zegt, "In het begin was ik een beetje sceptisch, omdat de geluidsgolven door zoveel lagen diëlektrisch materiaal moeten reizen voordat ze het rooster bereiken dat erin begraven is. Als ze op al deze raakvlakken reflecteren, we zouden zijn geëindigd met een complete puinhoop van geluidsgolven. Maar het bleek dat de stapel dunne diëlektrische lagen als één dikke laag fungeert omdat de afzonderlijke lagen dunner zijn dan de golflengte van de geluidsgolf. Dus de geluidsgolven reizen rechtstreeks naar de begraven roosterlijnen die we willen zien."

Het geluid weerkaatst op het rooster. Aangezien het rooster geen plat oppervlak is, maar periodieke dalen en pieken heeft, geluid uit de valleien bereikt iets later de oppervlakte dan het geluid van de toppen. "De geluidsgolf veroorzaakt een zeer kleine verplaatsing van de atomen wanneer deze het oppervlak bereikt, waardoor een kopie van het rooster aan de oppervlakte verschijnt, Edward legt uit. "Als we het oppervlak scannen met een tweede laserpuls, we kunnen het diffractiesignaal meten dat door deze kleine verplaatsingen wordt veroorzaakt."

Nu ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om nanostructuren te detecteren die zijn begraven onder ondoorzichtig materiaal, de onderzoekers gaan hun methode verder onderzoeken. Planken zegt, "Onze resultaten onthullen niet alleen interessante eigenschappen in foto-akoestiek die nog niet eerder zijn onderzocht, maar bieden ook een kansrijke oplossing voor praktische vraagstukken in nanolithografie. Voor industriële toepassingen, we moeten het systeem optimaliseren om signalen te krijgen die sterker zijn, sneller en robuuster. Maar we willen ook ons ​​begrip vergroten van alle effecten die we in het signaal zien, en vind de grenzen van onze methode, bijvoorbeeld door te proberen een rooster te onderscheiden met lijnen die heel dicht bij elkaar liggen."