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Laboratory X-ray microscopy of 3D nanostructures in the hard X-ray regime enabled by a combination of multilayer X-ray optics

Labor-Röntgenmikroskopie von 3D-Nanostrukturen im harten Röntgenbereich durch eine Kombination von Mehrschicht-Röntgenoptiken

  • High-resolution imaging of buried metal interconnect structures in advanced microelectronic products with full-field X-ray microscopy is demonstrated in the hard X-ray regime, i.e., at photon energies > 10 keV. The combination of two multilayer optics—a side-by-side Montel (or nested Kirkpatrick–Baez) condenser optic and a high aspect-ratio multilayer Laue lens—results in an asymmetric optical path in the transmission X-ray microscope. This optics arrangement allows the imaging of 3D nanostructures in opaque objects at a photon energy of 24.2 keV (In-Kα X-ray line). Using a Siemens star test pattern with a minimal feature size of 150 nm, it was proven that features < 150 nm can be resolved. In-Kα radiation is generated from a Ga-In alloy target using a laboratory X-ray source that employs the liquid-metal-jet technology. Since the penetration depth of X-rays into the samples is significantly larger compared to 8 keV photons used in state-of-the-art laboratory X-ray microscopes (Cu-Kα radiation), 3D-nanopattered materials andHigh-resolution imaging of buried metal interconnect structures in advanced microelectronic products with full-field X-ray microscopy is demonstrated in the hard X-ray regime, i.e., at photon energies > 10 keV. The combination of two multilayer optics—a side-by-side Montel (or nested Kirkpatrick–Baez) condenser optic and a high aspect-ratio multilayer Laue lens—results in an asymmetric optical path in the transmission X-ray microscope. This optics arrangement allows the imaging of 3D nanostructures in opaque objects at a photon energy of 24.2 keV (In-Kα X-ray line). Using a Siemens star test pattern with a minimal feature size of 150 nm, it was proven that features < 150 nm can be resolved. In-Kα radiation is generated from a Ga-In alloy target using a laboratory X-ray source that employs the liquid-metal-jet technology. Since the penetration depth of X-rays into the samples is significantly larger compared to 8 keV photons used in state-of-the-art laboratory X-ray microscopes (Cu-Kα radiation), 3D-nanopattered materials and structures can be imaged nondestructively in mm to cm thick samples. This means that destructive de-processing, thinning or cross-sectioning of the samples are not needed for the visualization of interconnect structures in microelectronic products manufactured using advanced packaging technologies. The application of laboratory transmission X-ray microscopy in the hard X-ray regime is demonstrated for Cu/Cu6Sn5/Cu microbump interconnects fabricated using solid–liquid interdiffusion (SLID) bonding.show moreshow less
  • Die hochauflösende Abbildung von vergrabenen metallischen Verbindungsstrukturen in modernen mikroelektronischen Produkten mit Vollfeld-Röntgenmikroskopie wird im harten Röntgenbereich, d.h. bei Photonenenergien > 10 keV, demonstriert. Die Kombination von zwei Mehrschichtoptiken - einer nebeneinander angeordneten Montel-Kondensoroptik (oder verschachtelten Kirkpatrick-Baez-Optik) und einer Laue-Mehrschichtlinse mit hohem Aspektverhältnis - führt zu einem asymmetrischen Strahlengang im Transmissionsröntgenmikroskop. Diese optische Anordnung ermöglicht die Abbildung von 3D-Nanostrukturen in undurchsichtigen Objekten bei einer Photonenenergie von 24,2 keV (In-Kα-Röntgenlinie). Anhand eines Siemens-Sterntestmusters mit einer Mindeststrukturgröße von 150 nm wurde gezeigt, dass Strukturen < 150 nm aufgelöst werden können. Die In-Kα-Strahlung wird von einem Target aus einer Ga-In-Legierung mit einer Labor-Röntgenquelle in Flüssigmetallstrahltechnik erzeugt. Da die Eindringtiefe der Röntgenstrahlen in die Proben im Vergleich zu den in modernenDie hochauflösende Abbildung von vergrabenen metallischen Verbindungsstrukturen in modernen mikroelektronischen Produkten mit Vollfeld-Röntgenmikroskopie wird im harten Röntgenbereich, d.h. bei Photonenenergien > 10 keV, demonstriert. Die Kombination von zwei Mehrschichtoptiken - einer nebeneinander angeordneten Montel-Kondensoroptik (oder verschachtelten Kirkpatrick-Baez-Optik) und einer Laue-Mehrschichtlinse mit hohem Aspektverhältnis - führt zu einem asymmetrischen Strahlengang im Transmissionsröntgenmikroskop. Diese optische Anordnung ermöglicht die Abbildung von 3D-Nanostrukturen in undurchsichtigen Objekten bei einer Photonenenergie von 24,2 keV (In-Kα-Röntgenlinie). Anhand eines Siemens-Sterntestmusters mit einer Mindeststrukturgröße von 150 nm wurde gezeigt, dass Strukturen < 150 nm aufgelöst werden können. Die In-Kα-Strahlung wird von einem Target aus einer Ga-In-Legierung mit einer Labor-Röntgenquelle in Flüssigmetallstrahltechnik erzeugt. Da die Eindringtiefe der Röntgenstrahlen in die Proben im Vergleich zu den in modernen Labor-Röntgenmikroskopen verwendeten 8 keV-Photonen (Cu-Kα-Strahlung) viel größer ist, können 3D-Nanostrahlen zerstörungsfrei in mm bis cm dicken Proben abgebildet werden. Dies bedeutet, dass für die Visualisierung von Verbindungsstrukturen in mikroelektronischen Produkten, die mit fortschrittlichen Gehäusetechnologien hergestellt werden, keine zerstörende Entnahme, Ausdünnung oder Querschnittszerlegung der Proben erforderlich ist. Die Anwendung der Labor-Transmissions-Röntgenmikroskopie im harten Röntgenbereich wird für Cu/Cu6Sn5/Cu-Mikrobump-Verbindungen demonstriert, die durch Fest-Flüssig-Interdiffusion (SLID) hergestellt wurden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Prof. Dr. rer. nat. habil. Ehrenfried ZschechORCiD, Bartlomiej Lechowski, Kristina Kuturkova, Luliana Panchenko, Peter Krüger, André ClausnerORCiD
DOI:https://doi.org/10.3390/nano14020233
ISSN:2079-4991
Parent Title (English):Nanomaterials
Publisher:MDPI
Place of publication:Basel
Document Type:Scientific article
Language:English
Year of Completion:2024
Year of first Publication:2024
Release Date:2024/04/11
Tag:Erweiterte Verpackung; Hochauflösende Radiographie; Nanostruktur; Röntgenmikroskopie
Advanced packaging; High-resolution radiography; Nanostructure; X-ray microscopy
GND Keyword:Nanostruktur; Röntgenmikroskopie; Radiographie
Volume:14
Issue:2
Article Number:233
Fundername (not EU):Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / Open-Access-Publikationskosten (2023 -2025) / 512881332
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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