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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

科学、医学和工程领域的进步依赖于成像领域的突破，特别是从集成电路或哺乳动物大脑等功能系统获取多尺度三维信息。实现这一目标通常需要结合基于电子和光子的方法。电子显微镜通过对表面层的连续破坏性成像提供纳米级分辨率，而叠层X射线计算机断层扫描则提供非破坏性成像，最近已在小体积内实现了低至7纳米的分辨率。

关键问题

然而，多尺度三维信息的获取主要存在以下问题：

1、目前的成像手段均存在较大的局限性

SEM仅探测样品表面，并且对表面充电很敏感，而TEM仅对薄切片有效。对于3D成像，要克服电子穿透力差的问题，TXM实现高分辨率需要纳米级的硬件稳定性和高数值孔径透镜。此外，许多样品类型由于与 X 射线的相互作用较弱，因此几乎没有吸收对比度。

2、TXM相位成像增加了实验的复杂性且降低了分辨率    

相位成像技术可以克服吸收对比度差的问题，但使用 TXM 进行相位成像需要额外的硬件，这增加了实验的复杂性，降低了分辨率并降低了光收集效率，10 nm以下的TXM成像可能仅限于具有出色抗辐射性的样本。

新思路

有鉴于此，瑞士维利根保罗谢勒研究所Tomas Aidukas、Mirko Holler等人实现了突发叠层扫描，它克服了实验不稳定性并实现了更高的性能，分辨率为 4 纳米，采集速度提高了170倍，即每秒 14,000 个分辨率元素。另一项关键创新是断层扫描反向传播重建，能够对比传统景深大十倍的样本进行成像。通过结合这两项创新，作者成功成像了最先进的（七纳米节点）商用集成电路，该集成电路具有由低密度和高密度材料（如硅和金属）制成的纳米结构，在选定的 X 射线波长下具有良好的辐射稳定性和对比度。这些功能使得能够详细研究芯片的设计和制造，直至单个晶体管的水平。下一代X射线源的纳米分辨率和更高的X射线通量相结合将对从电子到电化学和神经科学等领域产生革命性影响。

技术方案：

1、将突发叠层扫描技术应用在X射线成像

为提升X射线成像，作者采用高精度扫描、先进算法和高效数据采集。突发叠层扫描技术通过多帧低曝光提高稳定性，结合迭代算法实现高精度校正。

2、介绍了成像工作流程

作者选择AMD Ryzen 5 5600G处理器，通过PXCT仪器和突发叠层扫描技术，有效校射线束不稳定性，提高成像信噪比，实现高分辨率断层图重建。

3、比较了X 射线成像与电子显微镜

PXCT技术与SEM和BF-STEM图像比较验证了重建质量，揭示了FinFET晶体管的详细结构和组件。

4、分析了FinFET 晶体管的结构

集成电路底层FinFET晶体管的3D断层图揭示了关键组件和设计规则，FSC和边缘响应分析验证了4.2纳米的分辨率。

5、利用PXCT技术实现了集成电路成分的定量表征

集成电路由金属互连线和低k介电材料组成，PXCT技术可区分不同材料。铜互连密度低，低k材料密度更低。晶体管层成分复杂，定量分析受部分体积效应影响。

技术优势：

1、首次将突发叠层扫描技术应用在X射线显微镜中

作者利用增强的仪器和数据收集、重建算法，对直径为 5 μm 的集成电路进行成像，具有4.2 nm的3D分辨率。使用 6.2 keV X 射线达到这样的分辨率会导致景深比5 μm样品直径小 0倍，这可以通过反向传播断层扫描重建方法得到缓解，这是该方法在 X 射线显微镜中的首次应用。    

2、实现了5倍小的分辨率并将数据采集率提高了2个数量级

由于本文提出的创新，作者实现了五倍小的分辨率体素体积，数据采集率提高了两个数量级，达到每秒 14,000个 3D分辨率元素。

技术细节

突发叠影

为提高成像性能，需采用高精度扫描、先进对准重建算法、剂量高效数据采集等技术。X射线成像接近纳米级时，引入四维扫描透射电子显微镜和高速扫描技术，通过后处理缓解成像不稳定性。突发叠层扫描技术通过收集多个低曝光帧来克服实验不稳定性，并通过专门的重建管道识别和分组相似帧，提高成像质量。最新方法结合迭代分层聚类算法，实现时间波动测量和亚像素级扫描不稳定性校正。

图  实验不稳定性及突发数据采集的说明

工作流程

AMD Ryzen 5 5600G处理器采用TSMC 7纳米FinFET技术制造，通过瑞士光源的PXCT仪器进行高精度成像。该技术利用突发叠层扫描，收集23个帧以校正X射线束不稳定性，有效控制光束运动幅度在±25纳米内。后处理过程中，通过改进的位置相似性识别和求和匹配技术，显著提高了每个突发帧的信噪比，减少了30-40%的衍射图案处理量。最终，通过反向传播重建算法，生成高分辨率的断层图，实现了十倍景深的增加。    

图  突发叠层扫描数据重建工作流程

X 射线成像与电子显微镜的比较

AMD处理器的3D断层图通过PXCT技术获得，每个体素包含X射线吸收和相位对比度的定量数据。尽管吸收对比度较低，但相位投影用于可视化。重建质量通过与SEM和BF-STEM图像的比较得到验证。BF-STEM图像显示50-100纳米厚度的体积，而PXCT重建为4.2纳米薄片。通过定性比较，识别了FinFET晶体管的不同组件，如U形栅极和触点。PXCT能够解析细节，如栅极轮廓，尽管其分辨率低于BF-STEM。两种技术显示了晶体管层结构的显著差异，这可能归因于不同的样品体积、厚度和对比机制。PXCT提供了定量电子密度值，而BF-STEM图像对比度受多种因素影响。尽管存在差异，PXCT图像中观察到的特征增加了其可信度。    

图  X射线成像与电子显微镜获得的晶体管图像比较

FinFET 晶体管的结构分析

集成电路底层包含重复的单元电路，作者展示了关键FinFET组件，包括鳍片、源极和漏极触点，以及与栅极相交的垂直结构。横截面分析显示，U形栅极和触点的间距符合7纳米节点FinFET晶体管的设计规则，栅极材料间距约为17纳米，与设计参数一致。重建横截面揭示了30纳米的低密度结构，与鳍间距预期相符。尽管PXCT图像支持高分辨率主张，但完全解析鳍结构需更高分辨率。FSC分析确定重建图像分辨率受4.2纳米体素大小限制，而25-75边缘响应标准验证了半节距分辨率约为4.2纳米。    

图  FinFET 晶体管层的结构分析

定量成分表征

集成电路由不同材料构成的复杂网络组成，包括金属互连线和介电材料。随着尺寸缩小，互连线间的串扰和电荷积累风险增加。为提高性能，传统二氧化硅电介质被低k材料取代，通过掺杂降低介电极化率。PXCT技术根据电子密度区分不同k值的电介质，其中铜互连的电子密度为2.05 e Å^-3，而低k材料密度低于SiO₂。能量色散X射线光谱分析确认了介电材料和铜互连的存在。PXCT能够区分互连、晶体管与周围电介质，但晶体管层的成分复杂，部分体积效应导致定量分析不可靠。重建的集成电路体积显示了不同密度材料的子网络，上层使用较高k电介质，下层使用较低k电介质绝缘更紧密的导体。

图   集成电路的定量成分表征

展望

总之，尽管辐射损伤、景深限制和实验光束不稳定等挑战的存在，突发叠层扫描技术仍使我们能够重建特征尺寸小至4.2 nm的集成电路体积。作者提出的断层扫描和叠层扫描算法有望在同步加速器、自由电子激光器和小型实验室 X 射线源等不太理想的成像条件下促进进一步的高分辨率实验。

参考文献：

Aidukas, T., Phillips, N.W., Diaz, A. et al. High-performance 4-nm-resolution X-ray tomography using burst ptychography. Nature 632, 81–88 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07615-6