Los investigadores de ARCNL han encontrado una forma de detectar nanoestructuras enterradas bajo muchas capas de material opaco utilizando ondas sonoras de alta frecuencia inducidas por la luz. Sus hallazgos podrían tener aplicaciones en la industria de fabricación de semiconductores, como la alineación de obleas. Los investigadores también revelaron nuevos fenómenos interesantes en fotoacústica que no se habían investigado antes. Sus resultados se publican en Revisión física aplicada . El primer autor Stephen Edward defendió con éxito su Ph.D. sobre este tema el 18 de junio en la Universidad de Amsterdam.

En la producción de chips y componentes informáticos de última generación, Las máquinas de nanolitografía imprimen varias capas de estructuras de tamaño nanométrico en una oblea. Para asegurarse de que las capas estén alineadas con precisión, las obleas contienen líneas de rejilla que actúan como marcadores que indican a las máquinas dónde imprimir. "Si bien los marcadores de alineación son indispensables en nanolitografía, quedan enterrados bajo muchas capas de material. Debido a que estas capas suelen ser opacas, es difícil usar la luz para encontrar los marcadores y alinear la máquina, "dice Stephen Edward, quien realizó su Ph.D. investigación en el Grupo de Interacción Luz-Materia en ARCNL.

Muchos materiales que son opacos a la luz transmiten ondas sonoras, que se puede utilizar para visualizar lo que hay debajo. El líder del grupo Paul Planken dice:"La mayoría de la gente está familiarizada con esto en una situación médica. Los ecoscopios utilizan ondas sonoras de alta frecuencia que se reflejan dentro del cuerpo en la interfaz de diferentes tejidos. Las ondas sonoras reflejadas se convierten en una señal eléctrica para crear una imagen. Mientras que este método contiene suficientes detalles para la mayoría de las aplicaciones médicas, de lejos, no es lo suficientemente detallado para una alineación precisa en nanolitografía. El tamaño de las características que se pueden discernir con métodos ecoscópicos es inversamente proporcional a la frecuencia. Entonces, para poder ver estructuras a nanoescala con sonido, necesitamos ondas sonoras con una frecuencia mucho más alta ".

Planken, Edward y sus coautores sabían que los pulsos de luz cortos de un láser pueden inducir ondas sonoras de alta frecuencia en un material opaco. "Es un poco como tocar una puerta, lo que hace que las ondas de sonido viajen al otro lado de la puerta, "dice Edward." En nuestro experimento, un 'golpe' de alta energía del láser inicia una onda de sonido en el material opaco ".

Como en aplicaciones médicas, las ondas de sonido que viajan a través del material se reflejan en las interfaces dentro del material, provocando una ola que viaja de regreso a la superficie. Cuando empezaron, los investigadores no estaban seguros de si esta señal contendría suficiente información útil. Planken dice:"Era un poco escéptico al principio, porque las ondas sonoras tienen que viajar a través de muchas capas de material dieléctrico antes de llegar a la rejilla enterrada en el interior. Si se reflejan en todas estas interfaces, hubiéramos terminado con un completo lío de ondas sonoras. Pero resultó que la pila de capas dieléctricas delgadas actúa como una capa gruesa porque las capas individuales son más delgadas que la longitud de onda de la onda de sonido. Entonces, las ondas sonoras viajan directamente a las líneas de rejilla enterradas que queremos ver ".

El sonido se refleja en la rejilla. Dado que la rejilla no es una superficie plana sino que tiene valles y picos periódicos, el sonido de los valles llega a la superficie un poco más tarde que el sonido de los picos. "La onda sonora provoca un desplazamiento muy pequeño de los átomos cuando llega a la superficie, haciendo que aparezca una copia de la rejilla en la superficie, "Edward explica." Cuando escaneamos la superficie con un segundo pulso láser, podemos medir la señal de difracción causada por estos pequeños desplazamientos ".

Ahora que han demostrado que es posible detectar nanoestructuras enterradas bajo material opaco, los investigadores van a investigar más a fondo su método. Planken dice:"Nuestros resultados no solo revelan características interesantes en fotoacústica que no se han investigado antes, pero también ofrecen una solución prometedora para problemas prácticos en nanolitografía. Para aplicaciones industriales, debemos optimizar el sistema para obtener señales más fuertes, más rápido y más robusto. Pero también queremos aumentar nuestra comprensión de todos los efectos que vemos en la señal, y encontrar los límites de nuestro método, por ejemplo, tratando de distinguir una rejilla con líneas muy próximas ".