En una colaboración entre el Instituto Paul Scherrer (PSI), el EPFL Lausanne, el ETH Zurich y la Universidad del Sur de California, los investigadores han utilizado rayos X para observar el interior de un microchip con una precisión sin precedentes. La resolución de la imagen, de 4 nanómetros, marca un nuevo récord mundial. Estas imágenes tridimensionales de alta resolución permitirán avances tanto en la tecnología de la información como en las ciencias de la vida.
Desde 2010, los científicos del Laboratorio de Macromoléculas e Imágenes Biomédicas del PSI han estado desarrollando métodos de microscopía con el objetivo de producir imágenes tridimensionales en el rango de nanómetros. En su investigación actual, en colaboración con el EPFL y el ETHZ, las Instituciones Federales Suizas de Tecnología en Lausana y Zúrich, y la Universidad del Sur de California, han logrado por primera vez tomar imágenes de microchips de última generación con una resolución de 4 nanómetros.
En lugar de usar lentes, que actualmente no permiten imágenes en este rango, los científicos recurrieron a una técnica conocida como ptychografía. En esta técnica, una computadora combina muchas imágenes individuales para crear una sola imagen de alta resolución. Tiempos de exposición más cortos y un algoritmo optimizado fueron clave para mejorar significativamente el récord mundial que ellos mismos establecieron en 2017. Para sus experimentos, los investigadores utilizaron rayos X de la Fuente de Luz Suiza (SLS) en el PSI.
Los microchips son maravillas tecnológicas. Hoy en día, es posible empaquetar más de 100 millones de transistores por milímetro cuadrado en circuitos integrados avanzados. Sistemas ópticos altamente automatizados se utilizan para grabar las trazas de los circuitos del tamaño de nanómetros en obleas de silicio en salas limpias.
Mientras que los microscopios electrónicos de barrido tienen una resolución de unos pocos nanómetros y, por lo tanto, son adecuados para imágenes de transistores diminutos y conexiones metálicas que componen los circuitos, solo pueden producir imágenes bidimensionales de la superficie.
Las imágenes tridimensionales y no destructivas pueden producirse mediante tomografía de rayos X, ya que los rayos X pueden penetrar los materiales mucho más profundamente. Este procedimiento es similar a una tomografía computarizada en un hospital. El problema radica en la resolución, ya que ninguna de las lentes de rayos X disponibles puede enfocar esta radiación de manera que se resuelvan estructuras tan pequeñas.
La ptychografía, sin embargo, no requiere que el haz de rayos X se enfoque a escala nanométrica; en su lugar, la muestra se mueve a escala nanométrica. Al grabar patrones de difracción en cada punto de una cuadrícula definida, se obtiene suficiente información para reconstruir la imagen de la muestra con alta resolución mediante un algoritmo, actuando como una lente virtual.
Desde 2010, el equipo ha estado perfeccionando su configuración experimental y la precisión con la que posicionan sus muestras. En 2017, lograron una resolución de 15 nanómetros. Sin embargo, la resolución se mantuvo sin cambios a pesar de las optimizaciones. Finalmente, en 2021, se inició una búsqueda exhaustiva para superar esta limitación, involucrando a Tomas Aidukas, quien desarrolló un nuevo algoritmo que permitió alcanzar el avance.
Los investigadores descubrieron que reduciendo el tiempo de exposición, las imágenes de difracción se volvían más nítidas, lo que indicó que el haz de rayos X no era estable y se movía en pequeñas cantidades. Para solucionar este problema, actualizaron su configuración con un detector más rápido, desarrollado en PSI, que les permitió registrar muchas imágenes en cada punto de la cuadrícula con tiempos de exposición cortos.
