Japans instituut jaagt met röntgenlicht op verborgen fouten in chips

Computerchips worden steeds kleiner, dichter opgebouwd en gemaakt van steeds meer verschillende materialen. Voor fabrikanten wordt het daardoor lastiger om te controleren of zo'n chip wel goed in elkaar zit, zeker als een fout diep onder meerdere lagen verstopt zit. Vaak kan een chip niet worden opengesneden om te kijken, want dan is hij onbruikbaar. Bestaande röntgentechnieken, zoals klassieke röntgendiffractie, lopen tegen hun grenzen aan bij de allerkleinste structuren en bij chips met veel opeenvolgende materiaallagen.

Om dat probleem aan te pakken, hebben het Japanse bedrijf Rigaku en de Tohoku University op 1 augustus het Rigaku-Tohoku University Co-Creation Research Institute for X-ray Metrology geopend, gevestigd in de stad Sendai. Beide partijen werken de komende drie jaar samen, met de mogelijkheid tot verlenging als de resultaten goed zijn. Rigaku brengt jarenlange ervaring mee met het bouwen van röntgenapparatuur, terwijl de universiteit expertise levert op het gebied van materiaalonderzoek en data-analyse.

Zachte röntgenstraling als sleutel

Een belangrijk spoor in het onderzoek is het gebruik van zogeheten zachte röntgenstraling: röntgenlicht met een lagere energie en langere golflengte dan de gangbare röntgenstraling die bijvoorbeeld in ziekenhuizen wordt gebruikt. Dat type straling kan gevoeliger reageren op kleine structuren en subtiele materiaalverschillen, wat precies is wat nodig is om defecten tussen chiplagen op te sporen. Tohoku University heeft daarvoor een groot voordeel in huis: NanoTerasu, een moderne synchrotronfaciliteit op de campus. Bij synchrotronanalyse worden deeltjes op bijna de lichtsnelheid rondgejaagd om extreem intens en precies afstembaar licht te produceren, licht dat gedetailleerder onderzoek mogelijk maakt dan met een gewone röntgenbron.

Naast de metingen zelf richt het instituut zich op de interpretatie van de data. Metingen aan complexe, meerlagige chips leveren enorme hoeveelheden ruwe informatie op, die alleen bruikbaar wordt met slimme analysesoftware. Onderzoekers willen daarom niet alleen betere meetapparatuur bouwen, maar ook nieuwe rekenmethodes ontwikkelen om uit die data betrouwbare conclusies te trekken. Dat soort materiaalkarakterisering is essentieel voor elke moderne halfgeleiderfabriek, waar chips met steeds fijnere structuren van de band rollen.

Ook opleiding van nieuwe onderzoekers

Het instituut wil niet alleen techniek ontwikkelen, maar ook een nieuwe generatie specialisten opleiden. Er komen cursussen met studiepunten, van de basisprincipes van röntgenonderzoek tot toepassingen op nieuwe materialen. Via het Rigaku Scholarship System kunnen promovendi financiële steun krijgen voor onderzoek dat de wetenschap dichter bij de praktijk brengt. Kazuhiko Omote van Rigaku benadrukt dat er na meer dan 130 jaar röntgenonderzoek nog altijd veel te ontdekken valt. Daichi Chiba van Tohoku University ziet het instituut vooral als een plek waar onderzoekers uit verschillende vakgebieden en generaties elkaar kunnen versterken. De eerste drie jaar draait alles om chips, maar de partners hopen de kennis later ook in te zetten voor onderzoek naar andere geavanceerde materialen.