8月5日消息，近日瑞士保羅·謝勒研究院的一組科學(xué)家，包括Tomas Aidukas和Mirko Holler，與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Gabriel Aeppli和美國(guó)南加州大學(xué)的Tony Levi一起開發(fā)出了改進(jìn)的X射線成像技術(shù)，被稱之為 ptychographic X 射線層析成像 （PyXL）技術(shù)，分辨率高達(dá)4nm，可以在不破壞芯片的前提下，提供芯片內(nèi)部晶體管及布線的清晰的3D圖像，以揭示芯片內(nèi)部的設(shè)計(jì)/制造缺陷。
Levi說，他們希望提供一種替代方案，以替代用于執(zhí)行芯片質(zhì)量控制和揭示芯片設(shè)計(jì)的耗時(shí)、破壞性的過程。
使用最先進(jìn)的芯片成像技術(shù)，“你真的需要提前知道你在尋找什么，”位于美國(guó)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(xiàng)研究。他說，今天的芯片非常復(fù)雜，僅靠電氣測(cè)試無法確定缺陷的位置。工程師混合使用光學(xué)成像和其他方法來發(fā)現(xiàn)潛在問題區(qū)域。然后，他們用掃描電子顯微鏡對(duì)芯片表面的那部分進(jìn)行成像，最后用透射電子顯微鏡（TEM）取一片芯片進(jìn)行進(jìn)一步成像。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，他們可以返回并糾正他們的設(shè)計(jì)。整個(gè)過程非常的復(fù)雜，并且耗時(shí)耗力。
而PyXL這種新的成像技術(shù)，是使用在稱為同步加速器的粒子加速器上產(chǎn)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(xué)顯微鏡不同，制作鏡頭非常困難，”Levi談到X射線范圍時(shí)說。他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功通過用相干的高能X射線束從不同角度反復(fù)照亮樣品，芯片中的微小特征會(huì)衍射光線。然后，算法根據(jù)衍射 X 射線的強(qiáng)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(gè)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(shù)的初始版本PyXL提供了大約19nm的分辨率，足以辨別芯片內(nèi)部的互連，但由于太粗糙，依然無法對(duì)單個(gè)晶體管的特征進(jìn)行辨別。為了進(jìn)一步提升分辨率，該團(tuán)隊(duì)試圖消除一個(gè)主要的噪聲源，即可能使圖像模糊的微小振動(dòng)。
幸運(yùn)的是，他們找到了解決方案，即連拍圖像，然后使用計(jì)算方法來分類它們。Levi說：“我們拍攝多張短時(shí)照片，將它們堆疊在一起，并消除抖動(dòng)以獲得穩(wěn)定的衍射圖案。這使得他們?cè)凇蹲匀弧冯s志上報(bào)道的分辨率達(dá)到 4nm。Levi 認(rèn)為該團(tuán)隊(duì)有一條達(dá)到 1nm 分辨率的途徑。
英特爾的Niu表示，這種X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的分辨率比TEM提供的分辨率還要好4到5倍。但這種權(quán)衡是值得的，因?yàn)樵摷夹g(shù)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(gè)5μm 深度，而不是在TEM下可見的10到30nm深度。
Niu 在英特爾的團(tuán)隊(duì)實(shí)施了新流程，并致力于提高芯片產(chǎn)量和性能。他說，新方法應(yīng)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師所追求的功能，成像可以幫助工程師將設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)更緊密地結(jié)合在一起。“這就是你的設(shè)計(jì)目的，這是根據(jù)你的設(shè)計(jì)實(shí)際制作的東西，“他說。“它給你提供了物理驗(yàn)證。”
Levi的團(tuán)隊(duì)使用這種方法對(duì)使用臺(tái)積電的7nm 節(jié)點(diǎn)工藝制造的AMD Ryzen 5處理器進(jìn)行了成像。結(jié)果包括其FinFET晶體管的結(jié)構(gòu)和特性的詳細(xì)信息。Levi說，這些圖像可能非常具有啟發(fā)性。“你可以看到他們是如何精確地放置金屬的。有了這個(gè)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(wǎng)絡(luò)，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(shè)計(jì)工程和制造到底有多好。你可以看到一個(gè)芯片的質(zhì)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(nèi)的半導(dǎo)體制造商正計(jì)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(fù)雜性。
“計(jì)量學(xué)是半導(dǎo)體制造繼續(xù)進(jìn)步的關(guān)鍵，”Niu說。PyXL技術(shù)“是一項(xiàng)非常好的研究工作，可以滿足關(guān)鍵需求。因?yàn)槟闳绻麩o法衡量，你就無法改進(jìn)。”
