Recorde mundial na microscopia mostra interior de microchip em 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/08/2024

Interior de um chip de computador de última geração, mostrando as diferentes camadas que constituem o circuito integrado, que se torna cada vez mais complexo à medida que se desce pelas camadas. Tornar as conexões visíveis requer uma resolução de apenas alguns nanômetros.
[Imagem: PSI/Tomas Aidukas]

Microscopia 3D

Há cerca de 15 anos, pesquisadores do Instituto Paul Scherrer, na Alemanha, vêm desenvolvendo métodos de microscopia com o objetivo de produzir imagens tridimensionais das amostras, e fazer isto com resolução nanométrica, no mínimo.

O resultado mais recente deste esforço é um recorde mundial, uma imagem 3D do interior de um processador de computador com uma resolução de apenas 4 nanômetros.

Imagens tridimensionais de alta resolução desse tipo permitirão avanços tanto na tecnologia da informação, permitindo aprimorar as técnicas de fabricação da microeletrônica, como nas ciências da vida.

Em vez de usar lentes, com as quais atualmente não são possíveis imagens nessa faixa de precisão, os cientistas recorreram a uma técnica conhecida como pticografia, na qual um computador combina muitas imagens individuais para criar uma imagem única de alta resolução.

Tempos de exposição mais curtos e um algoritmo otimizado foram fundamentais para melhorar significativamente os recordes anteriores - nos últimos anos, a técnica pticográfica permitiu enxergar um décimo do diâmetro de um átomo e mostrar ligações atômicas, e desde então vem melhorando, ampliando amostras inteiras de uma vez só, enxergando mais fundo matéria adentro e, claro, mostrar átomos com resolução recorde.

A pticografia é uma técnica de microscopia sem lentes - as lentes são virtuais.
[Imagem: Tomas Aidukas et al. - 10.1038/s41586-024-07615-6]

Pticografia

Uma das novidades é que a equipe usou raios X, que penetram nos materiais muito mais longe dos que os feixes de elétrons disparados pelos microscópios eletrônicos.

Embora os microscópios eletrônicos de varredura tenham uma resolução de poucos nanômetros e, portanto, sejam adequados para gerar imagens dos transistores e interconexões metálicas que compõem os circuitos integrados, eles só conseguem produzir imagens bidimensionais da superfície. "Os elétrons não viajam suficientemente longe no material," explicou Mirko Holler, membro da equipe. "Para construir imagens tridimensionais com esta técnica, o chip deve ser examinado camada por camada, removendo camadas individuais em nível nanométrico - um processo muito complexo e delicado que também destrói o chip."

No entanto, imagens tridimensionais e não destrutivas podem ser produzidas usando tomografia de raios X, um procedimento muito semelhante a uma tomografia computadorizada feita em um hospital. A amostra é girada e radiografada de diferentes ângulos, e o modo como a radiação é absorvida e espalhada varia dependendo da estrutura interna da amostra. Um detector registra a luz que sai da amostra e um algoritmo reconstrói a imagem 3D final a partir dela.

Mas isso gera um problema de resolução, já que não existem lentes de raios X capazes de focar esta radiação de uma forma que permita captar imagens de estruturas na faixa dos nanômetros. Foi aí que entrou a pticografia, que é essencialmente uma técnica de microscopia sem lentes.

Nesta técnica, o feixe de raios X não é focado em escala nanométrica; em vez disso, a amostra é movida com passos em escala nanométrica. "Nossa amostra é movimentada de forma que o feixe siga uma grade definida com precisão, como uma peneira. Em cada ponto da grade, um padrão de difração é registrado," explicou Holler. A distância entre os pontos individuais da grade é menor do que o diâmetro do feixe de radiação, de modo que as áreas fotografadas se sobrepõem. Isso produz informações suficientes para reconstruir a imagem da amostra em alta resolução com a ajuda de um algoritmo. Ou seja, o processo de reconstrução é como usar uma lente virtual.

A técnica terá muitos usos além de melhorar a tecnologia da microeletrônica.
[Imagem: Tomas Aidukas et al. - 10.1038/s41586-024-07615-6]

Ver chips e muito mais

Mas porque começar fazendo imagens 3D do interior de chips de computador?

Os chamados microchips são as estrelas da tecnologia atual, com circuitos integrados contendo facilmente mais de 100 milhões de transistores por milímetro quadrado, uma tendência que continua a aumentar continuamente.

Para escavar esses transistores e outros componentes de tamanho nanométrico no silício, são usados sistemas ópticos altamente automatizados e altamente focalizados. Camada após camada é adicionada e removida até que o chip finalizado, o cérebro dos nossos celulares e computadores, possa ser cortado e receba os eletrodos que permitem sua conexão às placas de circuito impresso. Esse processo de fabricação é elaborado e complicado, e caracterizar e mapear as estruturas resultantes é importante para aferir a qualidade dos chips e melhorar suas ferramentas de fabricação.

Mas a nova técnica pticográfica é uma abordagem básica, que não se limita a microchips, podendo ser usada em outras amostras, por exemplo, em ciências dos materiais ou em ciências da vida. E inúmeros laboratórios ao redor do mundo dispõem das linhas de luz usadas pelos pesquisadores para demonstrar a técnica.

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