8月5日消息，近日瑞士保羅·謝勒研究院的一組科學家，包括Tomas Aidukas和Mirko Holler，與瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Gabriel Aeppli和美國南加州大學的Tony Levi一起開發出了改進的X射線成像技術，被稱之為 ptychographic X 射線層析成像 (PyXL)技術，分辨率高達4nm，可以在不破壞芯片的前提下，提供芯片內部晶體管及布線的清晰的3D圖像，以揭示芯片內部的設計/制造缺陷。

Levi說，他們希望提供一種替代方案，以替代用于執行芯片質量控制和揭示芯片設計的耗時、破壞性的過程。

使用最先進的芯片成像技術，“你真的需要提前知道你在尋找什么，”位于美國俄勒岡州希爾斯伯勒的英特爾鑄造廠的首席工程師Bao hua Niu說，他沒有參與這項研究。他說，今天的芯片非常復雜，僅靠電氣測試無法確定缺陷的位置。工程師混合使用光學成像和其他方法來發現潛在問題區域。然后，他們用掃描電子顯微鏡對芯片表面的那部分進行成像，最后用透射電子顯微鏡(TEM)取一片芯片進行進一步成像。當他們發現缺陷時，他們可以返回并糾正他們的設計。整個過程非常的復雜，并且耗時耗力。

而PyXL這種新的成像技術，是使用在稱為同步加速器的粒子加速器上產生的高能X射線。這些光束可以完全穿透芯片，無需切片。“與光學顯微鏡不同，制作鏡頭非常困難，”Levi談到X射線范圍時說。他的團隊已經成功通過用相干的高能X射線束從不同角度反復照亮樣品，芯片中的微小特征會衍射光線。然后，算法根據衍射 X 射線的強度和相位重建最可能的圖像版本。這種成像通常稱為層析成像。

“你可以看到他們是如何精確地放置金屬層的，有了這個分辨率，你可以看到晶體管的組裝情況以及它們使用的材料。”Levi說，這種成像技術的初始版本PyXL提供了大約19nm的分辨率，足以辨別芯片內部的互連，但由于太粗糙，依然無法對單個晶體管的特征進行辨別。為了進一步提升分辨率，該團隊試圖消除一個主要的噪聲源，即可能使圖像模糊的微小振動。

幸運的是，他們找到了解決方案，即連拍圖像，然后使用計算方法來分類它們。Levi說：“我們拍攝多張短時照片，將它們堆疊在一起，并消除抖動以獲得穩定的衍射圖案。這使得他們在《自然》雜志上報道的分辨率達到 4nm。Levi 認為該團隊有一條達到 1nm 分辨率的途徑。

英特爾的Niu表示，這種X射線計算機斷層掃描技術的分辨率比TEM提供的分辨率還要好4到5倍。但這種權衡是值得的，因為該技術不需要切割和破壞芯片，并且可以提供更深的3D圖像：工程師可以看到芯片的整個5μm 深度，而不是在TEM下可見的10到30nm深度。

Niu 在英特爾的團隊實施了新流程，并致力于提高芯片產量和性能。他說，新方法應該使工程師更容易、更快地找到芯片缺陷。制造過程并不總能實現設計師所追求的功能，成像可以幫助工程師將設計與現實更緊密地結合在一起。“這就是你的設計目的，這是根據你的設計實際制作的東西，“他說。“它給你提供了物理驗證。”

Levi的團隊使用這種方法對使用臺積電的7nm 節點工藝制造的AMD Ryzen 5處理器進行了成像。結果包括其FinFET晶體管的結構和特性的詳細信息。Levi說，這些圖像可能非常具有啟發性。“你可以看到他們是如何精確地放置金屬的。有了這個分辨率，你可以看到晶體管的組裝情況以及它們使用的材料。X射線圖像還可以揭示互連網絡，即連接芯片上晶體管的金屬線。“事物的連接方式告訴你芯片是如何工作的，”他說

“你可以弄清楚芯片的設計工程和制造到底有多好。你可以看到一個芯片的質量。“Levi說。

Niu說，隨著晶體管和芯片獲得更多的3D特征，獲得更高分辨率的3D視圖變得越來越重要。晶體管變得越來越小，不再是平面的——FinFET 和即將推出的柵極全能晶體管都從表面突出或分層。包括英特爾在內的半導體制造商正計劃在未來幾代中將芯片的電源互連從芯片的正面移至背面，這增加了額外的復雜性。

“計量學是半導體制造繼續進步的關鍵，”Niu說。PyXL技術“是一項非常好的研究工作，可以滿足關鍵需求。因為你如果無法衡量，你就無法改進。”