3D Multimodal X-ray Imaging of a Microchip: Correlating Structure, Composition and Orientation at the Nanoscale

Abstract

Mit den schnellen technologischen Entwicklungen unserer Zeit offenbaren sich stets neue Möglichkeiten, verschiedene komplexere Prozesse, seien diese biologischer, chemischer oder physikalischer Natur, und Materialien besser zu verstehen. In den Naturwissenschaften sind Röntgen- und Elektronenmikroskopie dabei unverzichtbare Hilfsmittel. Hochentwickelte mikroskopische Verfahren mit Auflösungen im Nanometerbereich ermöglichen es uns, neue Kenntnisse über Zusammenhänge und Funktionsprinzipien zu gewinnen. Ein Beispiel dafür ist Nanotechnologie, welche kontinuierlich an physikalische Grenzen stößt, um immer kleinere Strukturen wie Transistoren in Mikrochips zu bauen und dabei Rechenleistung verbessert. Gleichzeitig wird der Energieverbrauch gegenwärtiger Bauelemente gesenkt. Ohne Mikrochips wären all diese Möglichkeiten ebenso wie viele alltägliche Dinge des modernen Lebens undenkbar. Darum wird in der Herstellung dieser Halbleiterprodukte ein großes Augenmerk auf die Fehlersuche und die Kontrolle der Fertigungsprozesse sowie der entstandenen Strukturen gelegt. Mit den stetig kleiner werdenden Strukturen stoßen die Analysemöglichkeiten der Hersteller in mancher Hinsicht an ihre Grenzen. Untersuchungen mithilfe hochbrillanter Röntgenstrahlung bieten eine Vielfalt ergänzender Untersuchungsmöglichkeiten. In Halbleiterfabriken ist Elektronenmikroskopie im täglichen Gebrauch, aber damit können nur Oberflächen oder sehr dünne Proben untersucht werden, was teilweise präziser Probenpräparation bedarf, welche nicht zerstörungsfrei umsetzbar ist. Neben elektronenmikroskopischen Abbildungen, wie sie bereits in Halbleiterfabriken alltäglich sind, sorgt auch die ptychographische Bildgebung dank der hohen Eindringtiefe von Röntgenstrahlen in Materie für neue Einblicke mit Auflösungen im Nanometerbereich an vergleichsweise dicken Proben.

Das Potential dieser Verfahren wird in dieser Arbeit an dem Beispiel eines Testchips demonstriert. Darüber hinaus hilft die Röntgenfluoreszenz, die elementare Zusammensetzung zu bestimmen, so wie die Röntgenbeugung Aufschluss über kristalline Zustände verschiedener Komponenten gibt. Diese Verfahren wurden in einem multimodalen Experiment angewandt und ausgewertet. Durch die Auswertung von Röntgenbeugungsdaten mit Pulveranalyseverfahren werden die Phasen der kristallinen Materialien genau bestimmt. Die Beugungsdaten dienen zudem auch der Ermittlung von Position, Größe und Orientierung von einzelnen Körnern im Mikrochip. In der Verbindung mit Computertomographie werden diese Infomationen den inneren Strukturen räumlich zugeordnet und können so Hinweise auf Funktion und Zusammenhänge der Beschaffenheit der Strukturen geben. Das Zusammenspiel der verschiedenen Röntgentechniken liefert ein sich ergänzendes Bild über die Strukturen im Inneren eines Mikrochips, ihre räumliche Auflösung, ihre chemische Zusammensetzung, deren kristalline Phasen und Orientierung. Außerdem eröffnet es neue Perspektiven sowohl für die Untersuchung und Entwicklung von Mikrochips als auch von anderen zusammengesetzten Festkörpern aus verschiedenen Materialien und kristallinen Zuständen. Das Vorgehen bietet Perspektiven für den Ausbau dieser Untersuchungsmöglichkeiten, beispielsweise um weitere Kontraste wie der Röntgenptychographie oder um die Abbildung aktiver Leitungsvorgänge.

With the fast technological developments of our time often new possibilities arise to gain a deeper scientific understanding of complex processes, may these be of biological, chemical or physical nature, and materials. In natural sciences, X-ray and electron microscopy is indispensable to help uncovering these scientific backgrounds. Sophisticated microscopy methods with spatial resolutions in the nanometer range allow us to gain new insights about relations and function principles. One example in this regard is nanotechnology continuously pushing the physical limits to build smaller structures such as transistors in microchips, thereby enhancing computing power while simultaneously lowering energy consumption of current devices. Without microchips, all these possibilities just as much as the many everyday things and gadgets of modern life would be unthinkable. Therefore, in the manufacture of these semiconductor products troubleshooting and controlling of the manufacturing processes and the resulting structures gain great attention. With continuously decreasing structure sizes, the analysis options of these manufactories reach their limits in some aspects. Examinations using high-brilliance X-rays offer a variety of complementary analysis opportunities. Electron microscopy is commonplace in semiconductor factories, but it only images surfaces or transmits thin samples, partially demanding for precise preparation including destruction. Due to the high penetration depth of X-rays in matter, the usage of X-ray ptychography provides new insights into the produced microchips as comparably thick samples can be investigated with resolutions in the nanometer range.

In this thesis, the potential of imaging even the smallest structures inside a microchip is demonstrated on the example of a test chip. In addition, X-ray fluorescence helps determine the elemental composition and X-ray diffraction provides information about the crystalline states of various components. These procedures were all applied in a multimodal experiment. Through the evaluation of X-ray diffraction data using powder X-ray diffraction methods, the phases of crystalline materials are precisely determined. The diffraction data is furthermore used to determine the position, size and orientation of single grains inside the microchip. The combination with computed tomography allows for spatial assignment of these information to the internal structures and can thus point to function and structure relations. The interplay of the various X-ray techniques provides a complementary picture of the inside of a microchip, the spatial resolution of structures, their composition, crystalline phase and orientation. It opens up new perspectives for both the investigation and development of microchips as well as of other composite solids made of different materials and crystalline states. It also offers prospects for the expansion of these investigations, for example by additional contrasts such as X-ray ptychography or visualizing active conduction.