Em colaboração com a EPFL Lausanne, a ETH Zurich e os pesquisadores da University of Southern California no Instituto Paul Scherrer PSI usaram raios X para olhar dentro de um microchip com maior precisão do que nunca. A resolução de imagem de 4 nanômetros marca um novo recorde mundial. As imagens tridimensionais de alta resolução do tipo que eles produziram permitirão avanços tanto na tecnologia da informação quanto nas ciências da vida. Os pesquisadores estão relatando suas descobertas na edição atual do periódico Natureza.
Desde 2010, os cientistas do Laboratório de Macromoléculas e Bioimagem no PSI vêm desenvolvendo métodos de microscopia com o objetivo de produzir imagens tridimensionais na faixa nanométrica. Em sua pesquisa atual, uma colaboração com a EPFL e a ETHZ, os Institutos Federais Suíços de Tecnologia em Lausanne e Zurique e a Universidade do Sul da Califórnia, eles conseguiram pela primeira vez tirar fotos de chips de computador de última geração microchips com uma resolução de 4 nanômetros, ou seja, 4 milionésimos de milímetro – um recorde mundial. Em vez de usar lentes, com as quais imagens nessa faixa não são possíveis atualmente, os cientistas recorrem a uma técnica conhecida como pticografia, na qual um computador combina muitas imagens individuais para criar uma única imagem de alta resolução. Tempos de exposição mais curtos e um algoritmo otimizado foram essenciais para melhorar significativamente o recorde mundial que eles próprios estabeleceram em 2017. Para seus experimentos, os pesquisadores usaram raios X da Swiss Light Source SLS no PSI.
Entre a tomografia de raios X convencional e a microscopia eletrônica
Microchips são maravilhas da tecnologia. Hoje em dia, é possível embalar mais de 100 milhões de transistores por milímetro quadrado em circuitos integrados avançados – uma tendência que continua a aumentar. Sistemas ópticos altamente automatizados são usados para gravar os traços de circuitos de tamanho nanométrico em placas de silício em salas limpas. Camada após camada é adicionada e removida até que o chip finalizado, o cérebro de nossos smartphones e computadores, possa ser cortado e instalado. O processo de fabricação é elaborado e complicado, e caracterizar e mapear as estruturas resultantes prova ser igualmente difícil.
Embora os microscópios eletrônicos de varredura tenham uma resolução de alguns nanômetros e, portanto, sejam bem adequados para obter imagens dos minúsculos transistores e interconexões metálicas que compõem os circuitos, eles só podem produzir imagens bidimensionais da superfície. “Os elétrons não viajam longe o suficiente no material”, explica Mirko Holler, um físico do SLS. “Para construir imagens tridimensionais com essa técnica, o chip tem que ser examinado camada por camada, removendo camadas individuais no 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, porque os raios X podem penetrar materiais muito mais longe. Este procedimento é semelhante a uma tomografia computadorizada em um hospital. A amostra é girada e radiografada de diferentes ângulos. A maneira 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. “Aqui temos um problema com a resolução”, explica Mirko Holler. “Nenhuma das lentes de raios X atualmente disponíveis pode focar essa radiação de uma forma que permita que estruturas tão pequenas sejam resolvidas.”
Pticografia – a lente virtual
A solução é a pticografia. Nessa técnica, o feixe de raios X não é focado em uma escala nanométrica; em vez disso, a amostra é movida em uma escala nanométrica. “Nossa amostra é movida de modo que o feixe siga uma grade precisamente definida – como uma peneira. Em cada ponto ao longo da grade, um padrão de difração é registrado”, explica o físico. A distância entre os pontos individuais da grade é menor que o diâmetro do feixe, então as áreas da imagem se sobrepõem. Isso produz informações suficientes para reconstruir a imagem da amostra em alta resolução com a ajuda de um algoritmo. O processo de reconstrução é bastante semelhante ao uso de uma lente virtual.
“Desde 2010, temos aperfeiçoado constantemente nossa configuração experimental e a precisão com que posicionamos nossas amostras. Em 2017, finalmente conseguimos obter imagens espaciais de um chip de computador com uma resolução de 15 nanômetros — um recorde”, lembra Holler. Desde então, a resolução permaneceu inalterada em nosso instrumento, apesar de outras otimizações na configuração e no algoritmo. “Nós a estendemos em um ou dois nanômetros, mas foi o máximo que pudemos ir. Algo estava nos limitando e precisávamos descobrir o que era.”
A busca pelo fator limitante
A busca elaborada finalmente começou em 2021 com um projeto em. Além de Mirko Holler e Manuel Guizar-Sicairos, que estiveram envolvidos no primeiro registro, Tomas Aidukas também se juntou ao grupo. O físico apoiou a equipe com sua experiência em programação e desenvolveu o novo algoritmo que, por fim, os ajudou a atingir o avanço.
Os pesquisadores encontraram sua primeira pista quando reduziram o tempo de exposição – de repente, as imagens de difração ficaram mais nítidas. Isso os levou a concluir que o feixe de raios X que iluminava a amostra não era estável, mas, em vez disso, se movia em pequenas quantidades – o feixe estava oscilando. “Isso é análogo à fotografia”, explica Guizar-Sicairos. “Quando você tira uma foto à noite, escolhe uma exposição longa por causa da escuridão. Se fizer isso sem usar um tripé, seus movimentos serão transmitidos para a câmera e a imagem ficará borrada.” Por outro lado, se escolher um tempo de exposição curto para que a luz seja capturada mais rápido do que nos movemos, a imagem será nítida. “Mas, nesse caso, a imagem pode ficar completamente preta ou com ruído, porque quase nenhuma luz pode ser capturada nesse curto período de tempo.”
Os pesquisadores enfrentaram um problema semelhante. Embora suas imagens agora estivessem nítidas, elas continham pouca informação para reconstruir o microchip inteiro, por causa do curto tempo de exposição.
Menor tempo de exposição e um novo algoritmo
Para resolver o problema, os pesquisadores atualizaram sua configuração com um detector mais rápido, também desenvolvido no PSI. Isso permitiu que eles registrassem muitas imagens em cada ponto da grade, cada uma com um tempo de exposição curto. “Uma enorme montanha de dados”, acrescenta Aidukas. Quando as imagens individuais são adicionadas e sobrepostas, isso resulta na mesma imagem borrada que foi obtida usando um longo tempo de exposição.
“Você pode pensar no feixe de raios X como um ponto na amostra. Agora tiramos muitas fotos individuais neste ponto em particular”, explica Aidukas. Como o feixe está oscilando, cada imagem mudará ligeiramente. “Em algumas das fotos, o feixe está na mesma posição, em outras ele se moveu. Podemos usar essas mudanças para rastrear a posição real do feixe causada pelas vibrações desconhecidas.” A próxima coisa é reduzir a quantidade de dados. “Nosso algoritmo compara as posições do feixe nas imagens individuais. Se as posições forem as mesmas, elas são colocadas no mesmo grupo e adicionadas à soma.” Ao agrupar as imagens de baixa exposição, seu conteúdo de informação pode ser aumentado. Como resultado, os pesquisadores são capazes de reconstruir uma imagem nítida com um alto conteúdo de luz usando o fluxo de fotos de curta exposição.
A nova técnica ptychográfica é uma abordagem básica que também pode ser usada em instalações de pesquisa semelhantes. O método não se limita a microchips, mas também pode ser usado em outras amostras, por exemplo, em ciência de materiais ou ciências da vida.