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- 현대 컴퓨터 칩의 집적 회로에는 평방 밀리미터당 1억 개가 넘는 트랜지스터 포함돼
- 전자현미경으로는 표면만 관찰 가능, 품질관리 위해 3D구조 투시 필요
- 펄스 타이코그래피 변경 적용해 4나노미터의 해상도로 새로운 세계 기록 세워
- 칩 산업, 재료 연구 및 의학에 유용

마이크로칩의 X-레이 보기 기록
새로운 프로세스는 4nm(나노미터)의 정확도로 컴퓨터 칩의 3D 구조를 보여준다.

고해상도 깊이 보기:
새로운 프로세스는 X선 단층촬영의 이전 해상도 한계를 극복했다. 처음으로 크기가 몇 나노미터에 불과한 마이크로칩의 도체 트랙을 고해상도와 동시에 3차원 심층 구조로 보여준다. 이전에는 각 트랙 중 하나만 가능했다. 이것은 초단 X선 펄스가 그리드의 샘플을 스캔하는 혁신적인 타이코그래피(ptychography) 변형에 의해 가능해졌다. 

▲ 컴퓨터 칩 내부를 살펴보다. 더 깊은 층에서는 도체 트랙의 구조가 점점 더 복잡해진다. 연결이 보이려면 몇 나노미터의 해상도가 필요하다. © Paul Scherrer Institute PSI/Tomas Aidukas

현대 컴퓨터 칩의 집적 회로에는 평방 밀리미터당 1억 개가 넘는 트랜지스터가 포함돼 있다. 실리콘층에 에칭된 개별 도체 트랙의 크기는 나노미터 범위에 있다. 이를 이미지화하려면 전자현미경이 필요하다. 문제는 이것이 칩 재료를 관통하지 않아 표면만 보인다는 것이다. 품질 관리 등을 위해 완성된 칩의 3D 구조를 비파괴적으로 재현할 수는 없다.

"3차원 이미지를 재구성하려면 칩을 층별로 검사해야 하며 각 층은 나노미터 범위에서 개별적으로 제거되어야 한다. 이는 매우 복잡하고 섬세한 과정이며 이 과정에서 칩이 파괴된다"고 수석 저자인 Paul Scherrer Institute(PSI)의 Mirko Holler가 설명했다. 반면에 3D 이미지는 X선 컴퓨터 단층 촬영으로 가능하지만 그 해상도는 아직 미세한 칩 구조에 충분하지 않다. “현재 이러한 작은 구조를 이미지화하기 위해 이 방사선을 집중시킬 수 있는 X선 렌즈는 없다"고 Holler는 말했다.

초점 렌즈 대신 그리드 스캔

Holler와 그의 팀이 수년 동안 작업해온 프로세스는 이제 ptychography라는 솔루션을 제공한다. 이 과정에서 샘플은 X선 빔에 대해 나노미터 단위로 이동한다. “우리의 샘플은 체와 유사하게 빔이 정확하게 정의된 그리드를 따라갈 수 있는 방식으로 이동된다. 그러면 산란 이미지가 각 그리드 지점에 기록된다”고 Holler는 설명했다. 개별 그리드 점 사이의 거리는 빔의 직경보다 작으므로 이미지 영역이 겹친다.

샘플을 스캔할 때 생성된 간섭 패턴과 회절 이미지는 특수 알고리즘을 사용하여 평가되며 이것이 이미지가 생성되는 유일한 방법이다. 2017년에 팀은 처음으로 직경이 약 15나노미터인 마이크로칩 구조를 이미징하는 데 성공했다. 그러나 이것은 현대 마이크로칩에 비해 여전히 너무 조잡했다. 또한 처음에는 추가 최적화가 중단되었다. “우리는 아마도 1~2나노미터 정도 개선했지만 그후에는 끝났다. "무언가가 우리를 제한하고 있었고 우리는 그것이 무엇인지 알아내야 했다"고 Holler는 설명했다.

카메라 흔들림을 방지하기 위한 짧은 펄스

이제 물리학자들은 획기적인 발전을 이루었다. 4나노미터의 해상도로 그들의 이미지는 새로운 세계 기록을 세웠다. Holler와 그의 팀은 타이코그래피 방법에 두 가지 변경을 적용하여 해결책을 찾았다. 즉, X선 빔의 선명도를 감소시키는 일반적인 변동을 보상하기 위해 X선 조사를 많은 초단거리 개별 펄스로 단축했다. 원리는 천체 사진에서 긴 노출로 인한 카메라 흔들림을 방지하기 위해 여러 장의 짧은 사진을 촬영한 다음 컴퓨터를 사용하여 이를 합치는 것과 유사하다.

이는 새로운 타이코그래피 프로세스와 유사하게 작동한다. “우리 알고리즘은 개별 이미지의 빔 위치를 비교한다. 위치가 일치하면 동일한 그룹에 들어가 합산된다”고 PSI의 수석 저자인 Tomas Aidukas는 설명했다. 이 그룹화는 저노출 개별 이미지의 정보 내용을 증가시킨다. 새로 개발된 특히 민감하고 빠른 X선 검출기를 사용하면 짧은 "노출 시간"에도 불구하고 높은 공간적, 시간적 해상도로 산란된 X선 광자를 캡처할 수 있다.

칩 산업, 재료 연구 및 의학에 유용

“펄스 타이코그래피는 170배 더 높은 기록 속도로 4나노미터의 해상도를 달성한다. 특히 초당 14,000개의 해상도 요소가 있다”고 연구진은 썼다. 또한, 이 단층촬영 방법을 사용하면 기존 시야각보다 10배 더 큰 샘플을 이미지화할 수 있다. 이 프로세스는 비파괴적이므로 재료 연구, 칩 생산 및 생물학적 샘플 검사에서 품질 관리가 가능하다.

Holler와 그의 동료들은 “우리는 차세대 X선 소스의 나노미터 해상도와 훨씬 더 높은 X선 출력의 결합이 전자공학에서 전기화학 및 신경과학에 이르는 분야에서 혁신적인 발전을 가져올 것으로 기대한다”고 말했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07615-6)
출처:Paul Scherrer Institut (PSI)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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