來源：内容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自spectrum，謝謝。

任何商業秘密或硬件木馬都無法躲避 ptychographIC X 射線層析成像。

當你在烤蛋糕的時候，很難知道裡面什麼時候是你想要的狀态。對于微電子芯片來說也是如此，但風險要大得多:工程師如何才能确定芯片内部的東西是否真的滿足了設計師的意圖?半導體設計公司如何判斷其知識産權是否被盜? 更令人擔憂的是，誰能确定沒有秘密插入終止開關或其他硬件木馬？

如今，這種探測是通過磨掉芯片的每一層，并用電子顯微鏡進行檢查來完成的。這是一個緩慢的過程，當然也具有破壞性，使得這種方法很難讓任何人滿意。

我們中的一個(Levi)研究半導體，另一個(Aeppli)研究x射線。因此，在思考了這個問題之後，我們考慮使用x射線對芯片進行無損成像。你需要超越醫用x光掃描儀的分辨率。但我們很清楚，所需的解決方案是可能的。在那一刻，我們稱之為“芯片掃描”的項目誕生了。

幾年後，我們能夠在不破壞處理器的情況下繪制出最先進、最複雜的處理器的整個互連結構。目前，這一過程需要一天多的時間，但未來幾年的改進應該能在數小時内實現整個芯片的測繪。

這種技術被稱為疊層x射線薄片照相技術，需要使用世界上最強大的x射線光源。但這些設施大多位于便利的位置，靠近許多先進芯片設計的地方。因此，随着使用這種技術的範圍擴大，任何缺陷、失敗或邪惡的詭計都将無法隐藏。

在決定采用這種方法之後，我們的第一項任務是确定最先進的x射線技術可以做什麼。這是在瑞士的Paul Scherrer研究所(PSI)完成的，我們中的一個(Aeppli)在那裡工作。PSI是瑞士光源(SLS)同步加速器的所在地，它是迄今為止建造的15個最亮的相幹x射線源之一。

相幹x射線不同于醫療或牙科診所使用的x射線，就像激光筆高度準直的光束不同于白熾燈發出的四面八方的光一樣。SLS和類似的設備首先将電子加速到接近光速，從而産生高度相幹的x射線光子。然後，磁場使這些電子偏轉，從而産生所需的x射線。

為了看看我們能用SLS做些什麼，我們的多學科團隊從當地商店花了大約50美元買了一個英特爾奔騰G3260處理器，并拆下了封裝，露出了矽。(這個CPU是用22納米CMOS FinFET技術制造的)。

像所有這樣的芯片一樣，G3260的晶體管是由矽制成的，但将它們連接起來形成電路的是金屬互連線的排列。在一個現代的處理器中，互連層超過15層，從上面看就像一個城市的街道網格地圖。更靠近矽的較低層具有令人難以置信的精細特征，在當今最先進的芯片中，它們之間的間距隻有納米。随着互連層的上升，特征變得越來越稀疏，直到到達頂部，電接觸墊将芯片連接到其封裝。

我們從G3260上切下了一個10微米寬的圓柱體，開始了檢查。我們必須采取這個破壞性的步驟，因為它極大地簡化了事情。10微米還不到SLS光子穿透深度的一半，所以用這麼小的東西我們就能探測到足夠多的光子穿過柱子來确定裡面是什麼。

我們把樣本放在一個機械台上，讓它繞着圓柱形軸旋轉，然後從側面發射一束相幹的x射線。當樣品旋轉時，我們用2 μ m寬的點重疊的模式來照射它。

在每一個被照亮的點上，連貫的x射線在穿過芯片曲折的銅連接塔時發生衍射，将一個圖案投射到一個探測器上，探測器被存儲起來以備後續處理。記錄下來的投影包含了關于x射線所經過的材料的足夠信息，從而确定了該材料的三維結構。這種方法被稱為層壓x射線計算機斷層掃描(PXCT)。Ptychography是一種通過光的幹涉模式生成圖像的計算過程。

PXCT背後的基本原理相對簡單，類似于光通過狹縫的衍射。你可能還記得在你的物理導論課上，如果你把一束相幹光通過狹縫照射到一個遙遠的平面上，實驗會産生所謂的弗勞恩霍夫衍射圖案。這是一種明暗條紋或條紋的圖案，條紋的間距與光的波長除以狹縫的寬度的比率成比例。

圖注：一些相當簡單的 X 射線衍射效應揭示了足夠的信息來推導納米級結構。通過一個小狹縫 [左上] 照射 X 射線将經典的弗勞恩霍夫圖案投射到探測器上 [藍色，上]。将狹縫替換為兩個點狀物體[左中]，它們之間的距離比狹縫更近，并且投影出不同的圖案 [紅色，中]。将點對象放置在狹縫内會結合兩個幹涉圖案 [深紫色，底部]。移動狹縫内的物體[左下]會産生新的組合[淺紫色]。幾個這樣的幹涉圖案一起揭示了物體在 X 射線束路徑中的位置。

如果不是讓光線穿過狹縫，而是把它照射到一對間隔很近的物體上，這些物體很小，實際上就是點，你就會得到不同的圖案。物體在光束中的位置并不重要。隻要它們之間保持相同的距離，你可以移動它們，你會得到相同的圖案。

就其本身而言，這兩種現象都無法讓你重建微芯片中錯綜複雜的互連結構。但如果你把它們結合起來，你就會開始看到它是如何工作的。把這對物體放進狹縫裡。由此産生的幹涉圖樣是由狹縫與物體結合産生的衍射得到的，揭示了狹縫的寬度、物體之間的距離以及物體與狹縫的相對位置等信息。如果你稍微移動這兩個點，幹涉圖案就會改變。正是這種位移讓你可以計算出物體在狹縫中的位置。

任何真實的樣本都可以被視為一組點狀物體，它們會産生複雜的x射線散射模式。這種模式可以用來推斷這些點狀物體在二維空間中的排列方式。這個原理可以用來繪制出三維的圖像通過在光束内旋轉樣本，這個過程叫做層析重建。

您需要确保已經設置好收集足夠的數據，以按照所需的分辨率映射結構。分辨率是由x射線波長、探測器的大小和其他一些參數決定的。我們最初使用SLS進行測量時，使用的是0.21 nm波長的x射線，探測器必須放置在離樣品約7米的地方，才能達到13 nm的目标分辨率。

2017年3月，我們展示了PXCT在集成電路無損成像中的應用，發布了一些非常漂亮的英特爾Pentium G3260處理器銅互聯的3D圖像。這些圖像揭示了這個CMOS集成電路中電子互連的三維特性和複雜性。但他們也捕捉到了一些有趣的細節，比如各層之間金屬連接的缺陷，以及銅和周圍矽介質之間的粗糙度。

從這個簡單的原理證明來看，很明顯，該技術在失效分析、設計驗證和質量控制方面具有潛力。因此，我們使用 PXCT 來探測用其他公司技術制造的芯片切割而成的類似尺寸的圓柱體。生成的 3D 重建中的細節就像是 IC 獨有的指紋，也揭示了用于制造芯片的制造工藝的很多信息。

早期的成功使我們受到鼓舞。但我們知道我們可以做得更好，通過建造一種新型的x射線顯微鏡，并提出更有效的方法，利用芯片設計和制造信息來改善圖像重建。我們稱這項新技術為PyXL，即胸部x射線層攝影的簡稱。

首先要處理的是，當x射線穿透深度隻有30μm左右時，如何掃描整個10毫米寬的芯片。我們首先通過将芯片相對于光束傾斜一個角度來解決這個問題。接下來，我們将樣品繞垂直于芯片平面的軸旋轉。同時我們也以栅格的方式将它橫向移動。這使得我們可以用光束掃描芯片的所有部分。

在這個過程中的每一刻，穿過芯片的x射線都會被IC内部的材料散射，形成一個衍射圖案。與PXCT一樣，來自重疊照明點的衍射圖案包含了關于x射線所經過物體的冗餘信息。然後成像算法推斷出與所有測量到的衍射圖案最一緻的結構。通過這些我們可以重建整個芯片的3D内部。

不用說，在開發一種新的顯微鏡時，有很多事情要擔心。它必須有一個穩定的機械設計，包括精确的運動階段和位置測量。它還必須詳細記錄光束如何照亮芯片上的每個點，以及随後産生的衍射圖案。為這些問題和其他問題找到切實可行的解決方案，需要一個由14名工程師和物理學家組成的團隊的努力。PyXL的幾何結構還需要開發新的算法來解釋收集到的數據。這是一項艱苦的工作，但到2018年底，我們已經成功探測了16納米集成電路，并于2019年10月公布了結果。

今天最先進的處理器之間的互連距離隻有30nm，而我們的技術至少在原則上可以産生小于2nm的結構圖像。

在這些實驗中，我們能夠使用PyXL虛拟地剝離互連層，以揭示它們形成的電路。作為一個早期的測試，我們在最靠近矽的互連層的設計文件中插入了一個小缺陷。當我們将這個版本的層與芯片的PyXL重建進行比較時，缺陷立即顯現出來。

原則上，我們隻需要幾天的工作，就可以使用PyXL獲得有關在最先進的設備中制造的IC完整性的有意義的信息。今天最先進的處理器之間的互連距離隻有幾十納米，而我們的技術至少在原則上可以産生小于2納米的結構的圖像。

但提高分辨率确實需要更長的時間。盡管我們制造的硬件有能力以最高分辨率完全掃描1.2 *1.2厘米的區域，但這樣做是不切實際的。放大一個感興趣的領域将是一個更好的利用時間。在我們最初的實驗中，低分辨率(500納米)掃描一塊邊長0.3毫米的芯片的方形部分需要30小時才能獲得。對芯片上更小的部分(僅40μm寬)進行高分辨率(19納米)掃描需要60個小時。

在SLS，成像速率從根本上受到x射線通量的限制。但是其他設施擁有更高的x射線通量，并且正在研究提高x射線源“亮度”的方法——結合産生的光子數量、光束的面積和傳播速度。例如，位于瑞典隆德的MAX IV實驗室，開創了一種将其才華提升兩個數量級的方法。用新的x射線光學方法還可以得到一個或兩個數量級。将這些改進結合起來，總通量有一天會增加10,000倍。

有了這個更高的通量，我們應該能夠在更短的時間内獲得2納米的分辨率，而不是現在獲得19納米的分辨率。我們的系統還可以在不到30小時的時間内，以250納米的分辨率探測一個1平方厘米的集成電路(大約相當于蘋果M1處理器的大小)。

還有其他提高成像速度和分辨率的方法，比如更好地穩定探測光束，改進算法，以考慮集成電路的設計規則和過多x射線照射可能導緻的變形。

雖然我們已經可以從集成電路的互連布局了解它的很多信息，但随着進一步的改進，我們應該能夠發現它的一切，包括它的材料。對于16nm技術節點，它包括銅、鋁、鎢和一種叫做矽化物的化合物。我們甚至可以對矽晶格中的應變進行局部測量，這種應變來自制造尖端設備所需的多層制造過程。

由于銅互連技術正接近極限，識别材料可能變得尤為重要。在當代CMOS電路中，銅互連很容易受到電遷移的影響，電流可以将銅原子踢出對齊，并導緻結構中的空隙。為了解決這個問題，互連線被包裹在一個屏障材料中。但這些護套可能太厚，以至于幾乎沒有給銅留下空間，這使得互連線的電阻太大。因此，钴和钌等替代材料正在開發中。由于所讨論的互連線非常精細，我們需要達到10納米以下的分辨率才能區分它們。

我們有理由相信我們能做到。将PXCT和PyXL應用于硬件和濕件(大腦)的“連接體”是世界各地的研究人員為支持新的和升級的x射線源的構建而提出的關鍵論點之一。與此同時，我們在加州和瑞士的實驗室繼續緻力于開發更好的硬件和軟件。因此，在不久的将來，如果你對自己的新CPU感到懷疑，或者對競争對手的CPU感到好奇，你可以對它的内部工作方式進行一次“飛來”之旅，以确保一切都在正确的位置上。

*免責聲明：本文由作者原創。文章内容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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