Simulatiepakket voor Hoge-Resolutie Rutherford Backscattering Spectrometrie analyse

Wetenschappelijke computersimulaties toegankelijk voor iedereen.

 Tegenwoordig wagen meer en meer we­tenschappers zich eraan om hun eigen software te schrijven. Het gevolg is dat deze vaak enkel bruikbaar is voor de wetenschappers zelf. Ze hebben enkel oog voor de efficiënte werking van het algoritme, niet voor de gebruiksvriendelijkheid of de robuustheid van het programma. Maar is het mogelijk om van zulke software een uniek pakket te maken, dat toegankelijk is voor alle toekomstige gebruikers? Zelf gaven we het voorbeeld met de Hoge-resolutie Rutherford Backscattering Spectrometrie (HRBS) meettechniek.

 Misschien het best eerst een korte toelichting bij de HRBS-techniek. De HRBS-techniek wordt gebruikt om een welbepaald sample te analyseren en te karakteriseren. Een sample is een deel van een wafer en dit is dan weer een zeer belangrijke basiscomponent van computerchips of andere elektronische schakelingen. Wafers bestaan uit meerdere chemische lagen; met de HRBS-techniek kan de lagenstructuur van het sample in kaart gebracht worden. De lagenstructuur is een bepalende factor in de succesvolle realisatie van de chip.

De juiste werking wordt schematisch voorgesteld in figuur 1. Er wordt een hoogenergetische bundel ionen afgeschoten op zo’n sample; dit zijn deeltjes met een heel hoge energie. De ionen gaan zoals twee biljarballen elastisch kaatsen en terechtkomen op een detector.

Verder zijn er nog een aantal belangrijke elementen die de resolutie verhogen. De resolutie van de meting komt overeen met het kleinst meetbare deeltje, en heeft een subnanometerbereik. Ter vergelijking: de diameter van een menselijk haar is 50.000 nm; we praten dus over héél kleine deeltjes. Het belangrijkste element is het toevoegen van een magneetveld rond de weerkaatste ionenbundel. Het magneetveld zorgt ervoor dat de lage energie harder afgebogen wordt, er vindt dus een energieseparatie plaats. Je kunt dit vergelijken met het uitspreiden van verf over een oppervlak, waardoor je “meer” verf te zien krijgt.

Om de resultaten van deze meting te kunnen analyseren, moest software geschreven worden. Software om de experimentele of meetgegevens in te lezen en te analyseren bestond al onder de naam Sake. Sake is een professioneel softwarepakket om experimentele HRBS-data in te lezen en te analyseren. Het pakket is objectgeoriënteerd geschreven. Het voordeel is dat de klassen makkelijk herbruikbaar en uitbreidbaar zijn. Een andere positieve eigenschap is dat het een multiplatform is. Het kan zowel op een Linux- als een Windows-systeem werken, wat in de wetenschappelijke wereld zeer wenselijk is. Tot slot is de in- en uitvoer van het programma compatibel met andere programma’s en is het programma gebruiksvriendelijk en robuust.

Wat is nu onze bijdrage die van het bestaande Sake-pakket een uniek pakket maakt? Wel heel kort: de mogelijkheid om HRBS-metingen te simuleren en de resultaten van de simulaties te vergelijken met de experimentele data. Dit maakt het tot een alles-in-één-pakket, wat tot nog toe uniek is.

Op het vlak van ontwikkeling moesten enkele stappen gezet worden, waaronder een nieuwe grafische user interface om de invoer van de nodige gegevens vlot te laten verlopen. Een voorbeeld hiervan is het venster voor de beschrijving van de verschillende lagen van de wafer, genaamd “target” of “doelbeschrijving”. Figuur 2 toont het resultaat. Een mooi voorbeeld van gebruiksvriendelijkheid is de knop voor de elementkeuze, waarna een periodiek systeem verschijnt (figuur 3) dat de nodige informatie betreffende de elementen in zich houdt.

Een tweede stap was het ontwikkelen van een simulatiealgoritme. Het algoritme is gebaseerd op dat van prof. Kimura van de Universiteit van Kyoto. Het algoritme diende zo omgevormd te worden dat het in de klassenstructuur zou passen. Hiernaast waren ook de efficiëntie en robuustheid twee belangrijke factoren.

Ook zou het mooi zijn, mochten de resultaten grafisch kunnen worden weergegeven zodat ze snel en makkelijk te interpreteren zijn. Wat de gebruiker het eerst te zien krijgt is het gesimuleerde spectrum (energie versus aantal deeltjes). Op één grafiek krijgt de gebruiker een duidelijk overzicht van het gesimuleerde spectrum, de spectra van de elementen in het sample en het spectrum van de experimentele meting (figuur 4). Hiernaast, in het volgend tabblad, ziet de gebruiker een diepteprofiel van het sample (figuur 5). Dit tweede is handig om grafisch na te gaan of de ingevoerde waardes wel correct zijn. Tot slot is er een mogelijkheid om de waarden uit te voeren. Dit kan door middel van een serialisatiebestand (*.sake) (vergelijkbaar met een *.doc-bestand in MSWord) of door middel van ASCII-bestanden (dit zijn – voor ons – leesbare bestanden zoals *.txt-bestanden). Om de gebruiksvriendelijkheid te verhogen werd hier ook een automatische save-load ingevoerd. Als de gebruiker het programma afsluit, worden de laatste gegevens automatisch opgeslagen. Bij het heropstarten worden ze weer ingeladen.

Tot slot zijn er extra mogelijkheden ingebouwd, vooral om de gebruiksvriendelijkheid van het programma te verhogen, maar ook om de vergelijkende analyses te vergemakkelijken. Een eerste is de lineaire achtergrondonderdrukking. Deze laat toe om een bepaald deel van het spectrum te onderdrukken. De tweede optie is de mogelijkheid om tot 10 grafieken op elkaar te leggen en met elkaar te vergelijken (figuur 6). Hiernaast is ook nog een installer gemaakt om het programma gemakkelijk en snel te installeren op een nieuwe computer.

Bij wijze van afronding nog een woordje over het testen van het programma. Dit is immers een cruciaal onderdeel van de ontwikkeling. De eerste test is het nagaan of het algoritme wel degelijk overeenkomt. Figuur 6 toont een gesimuleerd spectrum (groen), hetzelfde experimentele spectrum (rood) en een spectrum gesimuleerd met de software van prof. Kimura (blauw). Het is duidelijk dat deze spectra perfect overeenkomen (behalve in het begin, door een onnauwkeurigheid van de detector bij het experimentele spectrum). Het valt zelfs op dat de resolutie van het gesimuleerde spectrum met het Sake-pakket hoger ligt. Daarnaast is het programma ook getest op een Linux-systeem. Het bleek vlot te draaien en gaf duidelijk een robuuste, gebruiksvriendelijke indruk.

Besluit

Het ontwikkelde softwarepakket, Sake, is operationeel en in staat HRBS-metingen te simuleren. Het pakket is gebruiksvriendelijk, robuust en er is een integratie voorzien met de experimentele gegevens, wat het tot een uniek pakket maakt. Het is intussen al in gebruik op imec en aan de universiteit van Kyoto en zal binnenkort ook aan andere onderzoeksinstellingen gebruikt worden.