革命性創(chuàng)新！這個成像技術登上Nature！

文章來源：納米人

研究背景

科學、醫(yī)學和工程領域的進步依賴于成像領域的突破，特別是從集成電路或哺乳動物大腦等功能系統(tǒng)獲取多尺度三維信息。實現這一目標通常需要結合基于電子和光子的方法。電子顯微鏡通過對表面層的連續(xù)破壞性成像提供納米級分辨率，而疊層X射線計算機斷層掃描則提供非破壞性成像，最近已在小體積內實現了低至7納米的分辨率。

關鍵問題

然而，多尺度三維信息的獲取主要存在以下問題：

1、目前的成像手段均存在較大的局限性

SEM僅探測樣品表面，并且對表面充電很敏感，而TEM僅對薄切片有效。對于3D成像，要克服電子穿透力差的問題，TXM實現高分辨率需要納米級的硬件穩(wěn)定性和高數值孔徑透鏡。此外，許多樣品類型由于與X射線的相互作用較弱，因此幾乎沒有吸收對比度。

2、TXM相位成像增加了實驗的復雜性且降低了分辨率

相位成像技術可以克服吸收對比度差的問題，但使用TXM進行相位成像需要額外的硬件，這增加了實驗的復雜性，降低了分辨率并降低了光收集效率，10 nm以下的TXM成像可能僅限于具有出色抗輻射性的樣本。

新思路

有鑒于此，瑞士維利根保羅謝勒研究所Tomas Aidukas、Mirko Holler等人實現了突發(fā)疊層掃描，它克服了實驗不穩(wěn)定性并實現了更高的性能，分辨率為4納米，采集速度提高了170倍，即每秒14,000個分辨率元素。另一項關鍵創(chuàng)新是斷層掃描反向傳播重建，能夠對比傳統(tǒng)景深大十倍的樣本進行成像。通過結合這兩項創(chuàng)新，作者成功成像了最先進的（七納米節(jié)點）商用集成電路，該集成電路具有由低密度和高密度材料（如硅和金屬）制成的納米結構，在選定的 X 射線波長下具有良好的輻射穩(wěn)定性和對比度。這些功能使得能夠詳細研究芯片的設計和制造，直至單個晶體管的水平。下一代X射線源的納米分辨率和更高的X射線通量相結合將對從電子到電化學和神經科學等領域產生革命性影響。

技術方案：

1、將突發(fā)疊層掃描技術應用在X射線成像

為提升X射線成像，作者采用高精度掃描、先進算法和高效數據采集。突發(fā)疊層掃描技術通過多幀低曝光提高穩(wěn)定性，結合迭代算法實現高精度校正。

2、介紹了成像工作流程

作者選擇AMD Ryzen 5 5600G處理器，通過PXCT儀器和突發(fā)疊層掃描技術，有效校射線束不穩(wěn)定性，提高成像信噪比，實現高分辨率斷層圖重建。

3、比較了X射線成像與電子顯微鏡

PXCT技術與SEM和BF-STEM圖像比較驗證了重建質量，揭示了FinFET晶體管的詳細結構和組件。

4、分析了FinFET晶體管的結構

集成電路底層FinFET晶體管的3D斷層圖揭示了關鍵組件和設計規(guī)則，FSC和邊緣響應分析驗證了4.2納米的分辨率。

5、利用PXCT技術實現了集成電路成分的定量表征

集成電路由金屬互連線和低k介電材料組成，PXCT技術可區(qū)分不同材料。銅互連密度低，低k材料密度更低。晶體管層成分復雜，定量分析受部分體積效應影響。

技術優(yōu)勢：

1、首次將突發(fā)疊層掃描技術應用在X射線顯微鏡中

作者利用增強的儀器和數據收集、重建算法，對直徑為5 μm的集成電路進行成像，具有4.2 nm的3D分辨率。使用6.2 keV X射線達到這樣的分辨率會導致景深比5 μm樣品直徑小0倍，這可以通過反向傳播斷層掃描重建方法得到緩解，這是該方法在X射線顯微鏡中的首次應用。

2、實現了5倍小的分辨率并將數據采集率提高了2個數量級

由于本文提出的創(chuàng)新，作者實現了五倍小的分辨率體素體積，數據采集率提高了兩個數量級，達到每秒14,000個3D分辨率元素。

技術細節(jié)

突發(fā)疊影

為提高成像性能，需采用高精度掃描、先進對準重建算法、劑量高效數據采集等技術。X射線成像接近納米級時，引入四維掃描透射電子顯微鏡和高速掃描技術，通過后處理緩解成像不穩(wěn)定性。突發(fā)疊層掃描技術通過收集多個低曝光幀來克服實驗不穩(wěn)定性，并通過專門的重建管道識別和分組相似幀，提高成像質量。最新方法結合迭代分層聚類算法，實現時間波動測量和亞像素級掃描不穩(wěn)定性校正。

圖 實驗不穩(wěn)定性及突發(fā)數據采集的說明

工作流程

AMD Ryzen 5 5600G處理器采用TSMC 7納米FinFET技術制造，通過瑞士光源的PXCT儀器進行高精度成像。該技術利用突發(fā)疊層掃描，收集23個幀以校正X射線束不穩(wěn)定性，有效控制光束運動幅度在±25納米內。后處理過程中，通過改進的位置相似性識別和求和匹配技術，顯著提高了每個突發(fā)幀的信噪比，減少了30%~40%的衍射圖案處理量。最終，通過反向傳播重建算法，生成高分辨率的斷層圖，實現了十倍景深的增加。

圖 突發(fā)疊層掃描數據重建工作流程

X射線成像與電子顯微鏡的比較

AMD處理器的3D斷層圖通過PXCT技術獲得，每個體素包含X射線吸收和相位對比度的定量數據。盡管吸收對比度較低，但相位投影用于可視化。重建質量通過與SEM和BF-STEM圖像的比較得到驗證。BF-STEM圖像顯示50-100納米厚度的體積，而PXCT重建為4.2納米薄片。通過定性比較，識別了FinFET晶體管的不同組件，如U形柵極和觸點。PXCT能夠解析細節(jié)，如柵極輪廓，盡管其分辨率低于BF-STEM。兩種技術顯示了晶體管層結構的顯著差異，這可能歸因于不同的樣品體積、厚度和對比機制。PXCT提供了定量電子密度值，而BF-STEM圖像對比度受多種因素影響。盡管存在差異，PXCT圖像中觀察到的特征增加了其可信度。

圖 X射線成像與電子顯微鏡獲得的晶體管圖像比較

FinFET晶體管的結構分析

集成電路底層包含重復的單元電路，作者展示了關鍵FinFET組件，包括鰭片、源極和漏極觸點，以及與柵極相交的垂直結構。橫截面分析顯示，U形柵極和觸點的間距符合7納米節(jié)點FinFET晶體管的設計規(guī)則，柵極材料間距約為17納米，與設計參數一致。重建橫截面揭示了30納米的低密度結構，與鰭間距預期相符。盡管PXCT圖像支持高分辨率主張，但完全解析鰭結構需更高分辨率。FSC分析確定重建圖像分辨率受4.2納米體素大小限制，而25-75邊緣響應標準驗證了半節(jié)距分辨率約為4.2納米。

圖 FinFET晶體管層的結構分析

定量成分表征

集成電路由不同材料構成的復雜網絡組成，包括金屬互連線和介電材料。隨著尺寸縮小，互連線間的串擾和電荷積累風險增加。為提高性能，傳統(tǒng)二氧化硅電介質被低k材料取代，通過摻雜降低介電極化率。PXCT技術根據電子密度區(qū)分不同k值的電介質，其中銅互連的電子密度為2.05 e ?-3，而低k材料密度低于SiO2。能量色散X射線光譜分析確認了介電材料和銅互連的存在。PXCT能夠區(qū)分互連、晶體管與周圍電介質，但晶體管層的成分復雜，部分體積效應導致定量分析不可靠。重建的集成電路體積顯示了不同密度材料的子網絡，上層使用較高k電介質，下層使用較低k電介質絕緣更緊密的導體。

圖 集成電路的定量成分表征

展望

總之，盡管輻射損傷、景深限制和實驗光束不穩(wěn)定等挑戰(zhàn)的存在，突發(fā)疊層掃描技術仍使我們能夠重建特征尺寸小至4.2 nm的集成電路體積。作者提出的斷層掃描和疊層掃描算法有望在同步加速器、自由電子激光器和小型實驗室X射線源等不太理想的成像條件下促進進一步的高分辨率實驗。

參考文獻：

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

審核編輯 黃宇