Illustration des instabilités expérimentales et de l’acquisition de données en rafale. Crédit : Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07615-6
En collaboration avec l’EPFL, des chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Université de Californie du Sud de l’Institut Paul Scherrer PSI ont utilisé des rayons X pour observer l’intérieur d’une puce électronique avec une précision jamais atteinte auparavant. La résolution de l’image de 4 nanomètres constitue un nouveau record mondial. Les images tridimensionnelles à haute résolution de ce type qu’ils ont produites permettront des avancées dans les technologies de l’information et dans les sciences de la vie.
Les chercheurs rapportent leurs résultats dans le numéro actuel de la revue Nature.
Depuis 2010, les scientifiques du Laboratoire de macromolécules et de bioimagerie du PSI développent des méthodes de microscopie dans le but de produire des images tridimensionnelles de l’ordre du nanomètre. Dans le cadre de leurs recherches actuelles, menées en collaboration avec l’EPFL et l’ETHZ, les écoles polytechniques fédérales de Lausanne et de Zurich ainsi que l’Université de Californie du Sud, ils sont parvenus pour la première fois à photographier des puces électroniques ultramodernes avec une résolution de 4 nanomètres, un record mondial.
Au lieu d’utiliser des lentilles, qui ne permettent pas actuellement de prendre des images de cette ampleur, les scientifiques ont recours à une technique appelée ptychographie, dans laquelle un ordinateur combine plusieurs images individuelles pour créer une seule image haute résolution. Des temps d’exposition plus courts et un algorithme optimisé ont permis d’améliorer considérablement le record du monde qu’ils avaient eux-mêmes établi en 2017. Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé des rayons X de la Source de Lumière Suisse SLS au PSI.
Entre la tomographie à rayons X conventionnelle et la microscopie électronique
Les micropuces sont des merveilles de technologie. Il est aujourd’hui possible d’intégrer plus de 100 millions de transistors par millimètre carré dans des circuits intégrés avancés, une tendance qui ne cesse de croître. Des systèmes optiques hautement automatisés sont utilisés pour graver les traces de circuits de taille nanométrique dans des ébauches de silicium dans des salles blanches.
Des couches sont ajoutées et retirées les unes après les autres jusqu’à ce que la puce finale, le cerveau de nos smartphones et ordinateurs, puisse être découpée et installée. Le processus de fabrication est élaboré et compliqué, et la caractérisation et la cartographie des structures résultantes s’avèrent tout aussi difficiles.
Bien que les microscopes électroniques à balayage aient une résolution de quelques nanomètres et soient donc bien adaptés à l’imagerie des minuscules transistors et interconnexions métalliques qui composent les circuits, ils ne peuvent produire que des images bidimensionnelles de la surface.
« Les électrons ne pénètrent pas suffisamment profondément dans le matériau », explique Mirko Holler, physicien au SLS. « Pour construire des images tridimensionnelles avec cette technique, il faut examiner la puce couche par couche, en retirant des couches individuelles à l’échelle nanométrique, un processus très complexe et délicat qui détruit également la puce. »
La tomographie à rayons X permet de produire des images tridimensionnelles et non destructives, car les rayons X peuvent pénétrer les matériaux beaucoup plus profondément. Cette procédure est similaire à une tomodensitométrie dans un hôpital. L’échantillon est tourné et radiographié sous différents angles. La manière dont le rayonnement est absorbé et diffusé varie en fonction de la structure interne de l’échantillon. Un détecteur enregistre la lumière quittant l’échantillon et un algorithme reconstitue l’image 3D finale à partir de celle-ci.
« Nous avons ici un problème de résolution », explique Holler. « Aucune des lentilles à rayons X actuellement disponibles ne peut focaliser ce rayonnement de manière à pouvoir distinguer des structures aussi minuscules. »
Ptychographie – la lentille virtuelle
La solution est la ptychographie. Dans cette technique, le faisceau de rayons X n’est pas focalisé à l’échelle nanométrique, mais l’échantillon est déplacé à l’échelle nanométrique. « Notre échantillon est déplacé de telle sorte que le faisceau suive une grille précisément définie, comme un tamis. À chaque point le long de la grille, un motif de diffraction est enregistré », explique le physicien.
La distance entre les différents points de la grille est inférieure au diamètre du faisceau, de sorte que les zones imagées se chevauchent. On obtient ainsi suffisamment d’informations pour reconstruire l’image échantillon à haute résolution à l’aide d’un algorithme. Le processus de reconstruction s’apparente à l’utilisation d’une lentille virtuelle.
« Depuis 2010, nous perfectionnons sans cesse notre dispositif expérimental et la précision avec laquelle nous positionnons nos échantillons. En 2017, nous avons enfin réussi à obtenir une image spatiale d’une puce informatique avec une résolution de 15 nanomètres, un record », se souvient Holler.
Depuis, la résolution de notre instrument est restée inchangée, malgré de nouvelles optimisations dans le montage et l’algorithme. « Nous l’avons augmentée d’un ou deux nanomètres, mais c’est tout ce que nous pouvions faire. Quelque chose nous limitait et nous devions trouver ce que c’était », ajoute-t-il.
La recherche du facteur limitant
En 2021, les recherches ont finalement commencé. Aux côtés de Holler et Manuel Guizar-Sicairos, tous deux impliqués dans le premier disque, Tomas Aidukas a également rejoint le groupe. Le physicien a apporté son expérience en programmation à l’équipe et a développé le nouvel algorithme qui a finalement permis de réaliser cette percée.
Les chercheurs ont trouvé leur premier indice en réduisant le temps d’exposition : les images de diffraction étaient soudain plus nettes. Cela les a amenés à conclure que le faisceau de rayons X illuminant l’échantillon n’était pas stable, mais se déplaçait par petites quantités : le faisceau oscillait.
« C’est un peu comme la photographie », explique Guizar-Sicairos. « Quand on prend une photo de nuit, on choisit une exposition longue en raison de l’obscurité. Si on le fait sans utiliser de trépied, nos mouvements sont transmis à l’appareil photo et l’image sera floue. »
En revanche, si l’on choisit un temps d’exposition court pour que la lumière soit captée plus vite que l’on se déplace, l’image sera nette. « Mais dans ce cas, l’image risque d’être complètement noire ou bruyante, car presque aucune lumière ne peut être captée dans ce court laps de temps », ajoute-t-il.
Les chercheurs ont été confrontés à un problème similaire. Bien que leurs images soient désormais nettes, elles contenaient trop peu d’informations pour reconstituer l’intégralité de la puce, en raison du temps d’exposition trop court.
Un temps d’exposition plus court et un nouvel algorithme
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont amélioré leur dispositif en y ajoutant un détecteur plus rapide, également développé au PSI. Cela leur a permis d’enregistrer de nombreuses images à chaque point de la grille, chacune avec un temps d’exposition court.
« Une énorme montagne de données », ajoute Aidukas. Lorsque les images individuelles sont additionnées et superposées, on obtient la même image floue que celle obtenue avec un temps d’exposition long.
« On peut considérer le faisceau de rayons X comme un point de l’échantillon. Nous prenons maintenant un grand nombre d’images individuelles à cet endroit précis », explique Aidukas. Comme le faisceau oscille, chaque image change légèrement. « Sur certaines images, le faisceau est dans la même position, sur d’autres, il a bougé. Nous pouvons utiliser ces changements pour suivre la position réelle du faisceau causée par les vibrations inconnues. »
L’étape suivante consiste à réduire la quantité de données. « Notre algorithme compare les positions du faisceau dans les images individuelles. Si les positions sont identiques, elles sont placées dans le même groupe et ajoutées à la somme », ajoute-t-il.
En regroupant les images à faible exposition, leur contenu informatif peut être augmenté. Les chercheurs sont ainsi en mesure de reconstruire une image nette avec une forte teneur en lumière à partir du flot d’images à courte exposition.
La nouvelle technique ptychographique est une approche de base qui peut également être utilisée dans des installations de recherche similaires. La méthode ne se limite pas aux micropuces, mais peut également être utilisée sur d’autres échantillons, par exemple en science des matériaux ou en sciences de la vie.
Plus d’information:
Tomas Aidukas et al., Tomographie à rayons X haute performance à résolution de 4 nm utilisant la ptychographie en rafales, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07615-6
Fourni par l’Institut Paul Scherrer
Citation: Nouveau record du monde aux rayons X : observation de l’intérieur d’une puce électronique avec une précision de 4 nanomètres (2024, 6 août) récupéré le 6 août 2024 à partir de
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2024-08-06 18:51:25
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