ARCNL persbericht
Verborgen nanostructuren zichtbaar maken met conversie van licht naar geluid
Onderzoekers van ARCNL hebben een manier gevonden om nanostructuren te
detecteren die verborgen liggen onder vele lagen ondoorzichtig materiaal. Zij
gebruiken hiervoor extreem hoogfrequente geluidsgolven opgewekt door licht.
Hun methode is interessant voor de productie van halfgeleiders, bijvoorbeeld
bij het uitlijnen van wafers. De onderzoekers kwamen ook nieuwe, interessante
verschijnselen op het gebied van fotoakoestiek op het spoor. Ze publiceerden
hun resultaten in Physical Review Applied op 7 juli 2020. Stephen Edward, de
eerste auteur van het artikel, verdedigde op 18 juni zijn proefschrift over dit
onderwerp online aan de Universiteit van Amsterdam.
Voor de productie van geavanceerde computerchips en onderdelen print een
nanolithografiemachine meerdere lagen met uiterst kleine structuren op een
wafer. Om te zorgen dat deze lagen accuraat op elkaar aansluiten zijn er op de
wafer lijnen aangebracht die de machine vertellen waar te printen. “Terwijl
markeerlijnen onmisbaar zijn bij nanolithografie, liggen ze begraven onder vele
lagen materiaal dat ook nog vaak ondoorzichtig is. Dit maakt het lastig om met
licht de lijnen te lokaliseren en de machine uit te lijnen.”, zegt Stephen
Edward die zijn promotieonderzoek deed in de groep Light-Matter Interaction van
ARCNL.
‘Kijken’ met licht
Veel materialen die ondoorzichtig zijn voor licht laten wel geluidsgolven
door, die ook gebruikt kunnen worden om onderliggende structuren zichtbaar te
maken. Groepsleider Paul Planken: “De meeste mensen kennen dit van de medische
wereld. Een echoscopieapparaat stuurt geluidsgolven met een hoge frequentie het
lichaam in en die weerkaatsen aan het grensvlak van verschillende weefsels. Er
ontstaat een beeld door omzetting van de geluidsgolven in een elektrisch
signaal. Voor de meeste medische toepassingen zijn deze afbeeldingen
gedetailleerd genoeg, maar bij het uitlijnen in de nanolithografie voldoet
echoscopie bij lange na niet. De afmetingen van de contouren die zichtbaar
worden met echoscopie zijn omgekeerd evenredig met de frequentie. Dus, om
structuren op de nanoschaal zichtbaar te maken met geluid moeten we
geluidsgolven gebruiken met een veel hogere frequentie.”
'Kloppen' met licht
Planken, Edward en de co-auteurs wisten dat met een laser gegenereerde korte
lichtpulsen dergelijke hoogfrequente geluidsgolven kunnen opwekken in een
ondoorzichtig materiaal. “Het is een beetje zoals het kloppen op een deur
waarbij de geluidsgolven zich voortbewegen naar de andere kant van de deur”,
zegt Edward. “Bij ons experiment ging het om een ‘bons’ van de laser die een
geluidsgolf veroorzaakt in het ondoorzichtige materiaal.”
Net als in medische toepassingen, reflecteren de geluidsgolven bij de
grensvlakken in het materiaal waardoor er een golf ontstaat die teruggaat naar
het oppervlak. In het begin hadden de onderzoekers hun twijfels; zou er wel
voldoende bruikbare informatie zitten in dit signaal? Planken: “Ik was
sceptisch want de geluidsgolven moeten door vele lagen dilectrisch materiaal
heen voordat ze het diepgelegen tralie bereiken. Als ze dan reflecteren bij
alle grensvlakken, dan zitten we opgescheept met een warboel aan geluidsgolven.
Maar het bleek dat de stapel dunne lagen dilectrisch materiaal zich gedraagt
als één dikke laag. Dit komt doordat elke afzonderlijke laag dunner is dan de
golflengte van de geluidsgolven. Hierdoor bereikt het geluid rechtstreeks de
diepgelegen lijnen van het tralie.”
‘Luisteren’ met licht
Het geluid wordt door het tralie wel gereflecteerd. Doordat het oppervlak niet
vlak is maar bestaat uit periodieke dalen en pieken, komt het geluid uit een
dal net iets later aan het oppervlak dan het geluid uit een piek. “Wanneer de
geluidsgolf het oppervlak bereikt, ontstaat er een minieme verplaatsing van de
atomen; een kopie van het tralie verschijnt aan het oppervlak”, vertelt Edward.
“Als we het oppervlak scannen met een tweede laserpuls, dan kunnen we het
diffractiesignaal meten dat is ontstaan door de kleine atoomverplaatsingen.”
Nu de onderzoekers hebben laten zien dat het mogelijk is om verborgen
nanostructuren in ondoorzichtig materiaal te detecteren, willen ze hun methode
verder ontwikkelen. Planken: “Onze resultaten laten niet alleen interessante en
nieuwe aspecten op het gebied van fotoakoustiek zien, maar bieden ook
veelbelovende oplossingen voor praktische uitdagingen in de nanolithografie.
Voor industriële toepassingen moeten we het systeem optimaliseren zodat we
signalen krijgen die sterker, sneller en robuuster zijn. Maar we willen ook de
effecten van het signaal beter begrijpen en de grenzen van onze aanpak bepalen.
Zo willen we kijken of we ook markeerlijnen kunnen waarnemen die heel dicht
tegen elkaar aan liggen.”
Noot voor de redactie
Contactpersoon
Paul Planken (ARCNL groepsleider en UvA professor)
email: p.planken@xxxxxxxx
Referentie
S. Edward, H. Zhang, I. Setija, V. Verrina, A. Antoncecchi, S. Witte, P.C.M.
Planken, Detection of hidden gratings through multilayer nanostructures using
light and sound, Phys. Rev. Appl. 14, 014015 (2020)
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.014015
Illustratie
Bijschrift
Een femtoseconde laserpuls ‘klopt’ op het ondoorzichtige materiaal (1),
waardoor er een hoogfrequente akoestische golf voortbeweegt door de lagen (2)
totdat het de verborgen tralielijnen bereikt. De akoestische golven reflecteren
bij het tralie en gaan retour (3) als een tralie-vormige golf . Als deze golf
het oppervlak bereikt (4), deformeert dat enigszins, wat gedetecteerd worden
aan de hand van het diffractiesignaal een tweede laserpuls die het oppervlak
scant.
Erny Lammers | Communicatie | AMOLF <http://www.amolf.nl/> & Advanced Research
Center for Nanolithography (ARCNL <http://www.arcnl.nl/> )| Postbus 41883 -
1009 DB Amsterdam | Science Park 104 - 1098 XG Amsterdam | t: +31 (0)20 754
7408 |e.lammers@xxxxxxxx <mailto:e.lammers@xxxxxxxx>
Aanwezig: maandag, dinsdag, donderdag, vrijdag
Volg AMOLF op: Twitter | LinkedIn | YouTube
<http://www.youtube.com/user/fominstituteamolf>
Volg ARCNL op: Twitter
Attachment:
Fig. verborgen nanostructuren.png
Description: PNG image
