Bits&Chips

Microlithografie voor de ruimte

Auteur: Marcel Bruijn
17 februari 2017 

Om de volgende grote sprong in de röntgensterrenkunde te kunnen maken, bouwt Sron voor de toekomstige röntgensatelliet Athena een speciale röntgencamera, met hoog spectraal oplossend vermogen. Cruciale onderdelen zijn echter niet zomaar bij een halfgeleiderproducent of universitair lab te bestellen. Met in-huis microlithografische technieken ontwikkelt het instituut daarom zelf de chips met supergeleidende schakelingen.

Esa heeft de Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics (Athena) verkozen tot tweede grote missie in het satellietprogramma Cosmic Vision 2015 - 2025 voor ruimteonderzoek. De telescoop, te lanceren in 2028, gaat in het röntgengolflengtegebied kijken naar ontploffende sterren, zwarte gaten en zeer hete gaswolken. De spiegel, door Cosine uit Warmond en Micronit uit Enschede gemaakt met specifiek ontwikkelde optische materialen genaamd silicon pore optics, levert een unieke combinatie van hoog ruimtelijk oplossend vermogen, hoge lichtsterkte en een groot beeldveld.

Athena moet belangrijke astrofysische vragen helpen beantwoorden, zoals ‘Hoe verzamelt materie zich in de extreem grootschalige structuren zoals we die nu zien in het universum?’ en ‘Hoe groeien zwarte gaten en beïnvloeden die hun omgeving?’. Hiervoor dienen we niet alleen een visueel plaatje te maken van het zeer hete gas tussen clusters en groepen melkwegstelsels en rondom superzware zwarte gaten. We moeten dat plaatje ook ontleden in een spectrum, waaruit we bewegingen en chemische samentelling van stoffen en gassen kunnen afleiden.

De Athena-ruimtetelescoop gaat ontploffende sterren, zwarte gaten en zeer hete gaswolken observeren. Illustratie: Esa

X-IFU

In het brandvlak van de Athena-telescoop zijn twee instrumenten gepland: een groothoekcamera (WFI) die afbeeldingen maakt met een groot beeldveld maar laag spectraal oplossend vermogen, en de X-ray Integral Field Unit (X-IFU). Deze spectrograaf heeft een relatief klein beeldveld (vijf boogminuten met vierduizend pixels) maar een hoog spectraal oplossend vermogen voor elke pixel (E/ΔE = 2800 bij een energie van 6 keV).

De ontwikkeling van de X-IFU is een samenwerking tussen verschillende Europese landen, Japan en de Verenigde Staten. De leiding is in handen van een zogeheten principal investigator (pi) uit Frankrijk. Voor Sron is een belangrijke rol weggelegd als co-pi.

De X-IFU is een zeer complex instrument. Een array van supergeleidende calorimeters vormt het hart. Elk röntgenfoton dat op een pixel valt, zorgt daar voor een minieme temperatuurverhoging, door een terugkoppelmechanisme vertaald naar een weerstandsverandering. Een keten van speciale supergeleidende en warme analoge en digitale elektronica zet die weer om in een waarde voor de energie van het foton, waaruit de acquisitiesoftware het spectrum voor elke pixel kan opbouwen.

De pixels werken bij een temperatuur van 0,1 K, om de verstoring door thermische ruis te minimaliseren. Daarnaast is het belangrijk om ze zeer goed af te schermen voor (elektro)magnetische verstoringen. Het hele systeem moet bovendien bestand zijn tegen de lancering in een raket, die gepaard gaat met zeer veel akoestisch geweld.

De Focal Plane Assembly (FPA), zoals de constructie met de array heet, is een fijnmechanisch hoogstandje verzorgd door Sron. De bedrading komt bijvoorbeeld erg nauw omdat deze de detector zou kunnen opwarmen. Daarom hebben we de hele constructie opgesplitst in diverse temperatuurniveaus.

Ook moeten we het signaal van meerdere (veertig) pixels op een slimme manier samenvoegen en later weer uit elkaar halen. Hiervoor gebruiken we een techniek die te vergelijken is met de welbekende am-radio. Elke pixel spreekt in zijn eigen frequentie in het megahertzgebied en wordt opgenomen in een resonantiekring met een supergeleidende condensator en spoel. De lijnen van de veertig pixels komen samen in twee punten waar we de voedingsspanning (frequentiekam) en de eerste voorversterker, een Superconducting Quantum Interference Device (Squid), aansluiten.

Prototype interconnectiechipset met spoelen en supergeleidende bedrading op een flexibele polyimide folie

Microlithografie

Voor verschillende onderdelen vereist de X-IFU maatwerk van ons lithografische laboratorium. Daarvoor beschikken we sinds 1991 over een cleanroom van duizend vierkante meter, waarvan zo’n driehonderd vierkante meter met een Iso-5-classificatie voor lithografie. Hier staan inmiddels diverse hulpmiddelen voor de ontwikkeling van cryogene detectoren en optische componenten opgesteld, waaronder apparatuur voor depositie van dunne lagen (sputteren en e-beamverdamping), plasma-etsen, natte processing en patroonoverdracht via contact-alignment. De resolutie hiervan is iets beter dan 1 µm.

Een van de belangrijkste onderdelen die we met microlithografie maken voor de X-IFU is de detectorarray - hoofdleverancier hiervoor is Nasa, maar omdat het nogal een risicovol element is, ondersteunt Esa de ontwikkeling van een Europese back-up. De opbouw van een pixel verloopt in ruwweg vijftien stappen van depositie en/of etsen. Zo vormen we een set vrijdragende membranen van 1 µm dik tussen een verticaal geëtste steunstructuur vanaf de achterzijde van de wafer. Op zo’n membraan is een röntgen absorberend element gekoppeld aan een weerstandsthermometer. De absorbeerder van goud/bismut, gegroeid met electroplating, maakt slechts contact via een stel 10 µm kleine deukjes en hangt verder vrij over. De thermometer is een bi-laag van titaan/goud die supergeleidend wordt bij 0,1 K. Over de balkjes tussen de pixels loopt een fijnmazig netwerk van dubbellaags bedrading. Via een set van vierduizend kleine planaire spoeltjes wordt het signaal inductief doorgegeven aan het volgende element.

Dat zijn de flexibele verbindingsmodules. Voor de uitleeselektronica is geen plaats in het brandvlak, dus die hebben we op de zijkanten van een hexagonale ‘bus’ geplaatst. De connector die de bocht van negentig graden overbrugt, bestaat uit twee silicium chips, verbonden door een dubbellaags polyimide membraan, waartussen 640 dubbellaagse supergeleidende niobium lijntjes lopen. Op de ene connector zitten 640 spoeltjes die koppelen aan de detector. Hiervoor hebben we een ingenieuze methode bedacht (en al getest) met een set M0.5-schroefjes, zodat de aansluiting voor testen afneembaar is. De andere connector is via twee keer 640 gouden pilaartjes (bump bonding) verbonden met een derde element.

Dat derde element is de resonantiefiltermodule. Het verlies in de met elke pixel verbonden lc-resonator moet zeer laag zijn (hoge kwaliteitsfactor Q). Daarom is ook dit circuit volledig supergeleidend onder een temperatuur van 4 K. De planaire condensatoren (met een oppervlak tot enkele vierkante millimeters) bestaan uit een sandwich van niobium lagen, gescheiden door een 28 nm dun amorf silicium laagje. De spiraalvormige spoeltjes tellen vele windingen van 2 µm breed.

Het ontwerp en de fabricage van deze filtermodules bieden nog een aantal uitdagingen. De circuits mogen niet te veel met elkaar praten, maar we mogen ook niet te veel ruimte gebruiken. Verder moeten we alle resonantiefrequenties erg nauwkeurig definiëren. Uiteindelijk willen we dat van het hele systeem minimaal 98 procent van de pixels een goed signaal gaat geven. Het complete proces van ontwerp, chipfabricage, montage en testen is daarom zeker niet triviaal.

Marcel Bruijn is groepsleider lithografie binnen de Instrument Science-groep van Sron Netherlands Institute for Space Research.

Redactie Nieke Roos

Abonneer direct op onze nieuwsbrief

abonneren

Masterclass Machineveiligheid

4 april - 12 april

Pilz, Vianen

Ultra low power for Internet of Things

6 april - 7 april

Eindhoven

Ultra low power for Internet of Things

6 april - 7 april

Eindhoven