三維芯片成像

Marcus Woo

有一種新的X射線成像技術(shù)，這種技術(shù)可以穿透計(jì)算機(jī)的每一層芯片，同時(shí)在保持芯片完整的前提下揭示芯片的秘密。這種技術(shù)被稱為X射線斷層成像技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)可被用于對芯片進(jìn)行逆向工程、驗(yàn)證芯片設(shè)計(jì)以及識別假冒偽劣產(chǎn)品。這項(xiàng)技術(shù)也可被應(yīng)用于科學(xué)和工程學(xué)的其他分支，用于放大具有平面幾何形狀的樣品的三維（3D）結(jié)構(gòu)。

瑞士保羅謝爾研究所（PSI）、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)教授Gabriel Aeppli說：“創(chuàng)新之處在于，我們不需要對芯片進(jìn)行切片就能檢查芯片?！盇eppli、PSI的Mirko Holler以及來自美國洛杉磯南加州大學(xué)的Tony Levi共同領(lǐng)導(dǎo)了開發(fā)該項(xiàng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。

通常，探測芯片的設(shè)計(jì)或?qū)π酒M(jìn)行逆向工程需要一層層剝離芯片，并用掃描電子顯微鏡（SEM）對其進(jìn)行檢查?！皞鹘y(tǒng)方法要求我們對芯片進(jìn)行逐層檢查，這實(shí)際上破壞了芯片上的所有東西。”加拿大渥太華的一家半導(dǎo)體逆向工程公司TechInsights的運(yùn)營副總裁Jason Abt說。SEM的小視場要覆蓋一個(gè)芯片可能需要成千上萬張圖像。

2019年10月發(fā)表在Nature Electronics雜志上的一篇論文對這種新技術(shù)進(jìn)行了描述。該項(xiàng)技術(shù)不僅能在不破壞芯片的情況下創(chuàng)建芯片的3D圖像，而且還具有可放大的廣闊視野[1]。

美國加利福尼亞州帕羅奧圖市的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的光子科學(xué)教授Jerry Hastings表示：“這項(xiàng)技術(shù)的驚人之處在于它的類似于光學(xué)顯微鏡的‘變焦’功能?！盝erry Hastings并沒有參加這項(xiàng)研究。

新技術(shù)結(jié)合了兩種成熟的技術(shù)，即X射線斷層成像技術(shù)和分層成像技術(shù)。在X射線斷層成像技術(shù)中，相干的X射線束掃描旋轉(zhuǎn)的樣品，且射線束垂直于旋轉(zhuǎn)軸。X射線從樣品中散射出來。通過分析所得的衍射圖，我們創(chuàng)建了樣品圖。在早期的研究中，Aeppli及其同事演示了如何使用X射線斷層成像技術(shù)來窺探芯片內(nèi)部。但是，由于X射線束沿邊緣撞擊芯片，導(dǎo)致芯片吸收過多的X射線，這就需要我們在芯片上雕刻出一個(gè)支柱以使X射線到達(dá)我們感興趣的區(qū)域[2]。

使用新技術(shù)就不需要雕刻或切割芯片。通過調(diào)整X射線束相對于旋轉(zhuǎn)芯片表面的角度（斷層成像技術(shù)的幾何特征）就能讓足夠多的X射線掃描芯片的所有部分。研究人員首先將芯片基板的厚度拋光至20 μm，然后，在由16 nm制造工藝制作的芯片上使用他們的技術(shù)使分辨率達(dá)到18.9 nm（圖1）。

Abt說，當(dāng)芯片樣品很少時(shí)，新技術(shù)的非破壞性特別有優(yōu)勢。如當(dāng)只有幾個(gè)樣本可被用于復(fù)制設(shè)計(jì)文件已丟失的獨(dú)特舊芯片時(shí)，或者利用少量特制芯片來驗(yàn)證設(shè)計(jì)或檢查是否安裝了硬件木馬時(shí)。新技術(shù)也可被用于驗(yàn)證已經(jīng)滲透到供應(yīng)鏈中的假冒芯片。例如，美國軍方估計(jì)其設(shè)備（包括集成電路）的備用和替換部件中有15%都是偽造的，這導(dǎo)致了故障風(fēng)險(xiǎn)的升高[3,4]。

但是檢查集成電路只是這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用中的一種。該技術(shù)可被用于任何能被制備成平坦幾何形狀的樣品的成像。例如，研究人員使用該技術(shù)去探測材料中的磁化強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度對于開發(fā)磁傳感器和存儲(chǔ)設(shè)備很重要[5]。研究大腦運(yùn)作方式的科學(xué)家不必通過對大腦組織樣本進(jìn)行逐層切片來檢查樣本。該技術(shù)還可以檢查鋰離子電池。鋰離子電池的陽極會(huì)生長出一種指狀結(jié)構(gòu)（被稱為樹突結(jié)構(gòu)），這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)引起電池短路。高分辨率圖像可以更好地揭示樹突結(jié)構(gòu)的形成方式，從而幫助工程師設(shè)計(jì)壽命更長的電池。

圖1. 利用X射線斷層成像技術(shù)數(shù)據(jù)集獲得的圖像，以灰度圖的形式顯示了集成電路芯片的3D虛擬切片表示，且最低層可見以及由這些層堆疊形成的較大的結(jié)構(gòu)也可見。3D體積渲染圖在不同放大倍數(shù)下顯示為彩色。數(shù)據(jù)集的分辨率為18.9 nm。圖片來源：保羅謝爾研究所，已獲許可。

成像技術(shù)至少具有一種潛在的局限性。該項(xiàng)技術(shù)需要像強(qiáng)大的同步加速器這樣的X射線源。PSI的研究人員使用了瑞士同步輻射光源（Swiss Light Source）。位于美國伊利諾伊州阿貢市的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的光子源（Advanced Photon Source），該實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Junjing Deng說，盡管世界上有十幾臺這樣的機(jī)器，但并非都可以使用。

Deng表示，升級后的機(jī)器不久將會(huì)產(chǎn)生更亮的X射線，從而提高該技術(shù)成像的分辨率和速度。Aeppli與他的合作者利用計(jì)算機(jī)芯片進(jìn)行的演示，需要耗時(shí)30 h的最初始寬視野掃描，然后需要耗時(shí)60 h的放大掃描，該過程覆蓋體積范圍為40 μm × 40 μm × 4 μm [1]。研究人員建議，通過進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)并使用升級版的光源，例如，位于美國加利福尼亞州斯坦福市的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線加速器相干光源II （Linac Coherent Light Source II，其亮度計(jì)劃在2020年秋季被提高100 倍 [1,6]），可以在相同的成像時(shí)間內(nèi)獲得2 nm的分辨率，或者在3 h內(nèi)以50 nm的分辨率對300 μm ×300 μm芯片進(jìn)行成像。

其他升級后的機(jī)器包括最近在法國格勒諾布爾市的歐洲同步加速器輻射設(shè)施（European Synchrotron Radiation Facility）啟用的極亮光源（亮度提高了100倍）[7]，以及計(jì)劃2022年在阿貢大學(xué)投產(chǎn)的先進(jìn)光子源（Advanced Photon Source）（亮度提高了100～1000倍）[8]。功能更強(qiáng)大的新機(jī)器正在建造中，如北京的高能同步輻射光源（High Energy Photon Source）和上海的新X射線自由電子激光設(shè)施[9,10]。

Deng表示，隨著X射線源的不斷增強(qiáng)和計(jì)算能力的不斷提高，該技術(shù)將成為一種強(qiáng)大的工具，它能夠在合理的成像時(shí)間內(nèi)無損地提高分辨率和提供大視場。