新的X射线技术可帮助研究人员更快地发现组件中的后门
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当您制作馅饼时，很难知道何时内部在状态。对于微电子芯片而言，这也是如此，但是有了更高的赌注：工程师如何确认内部真正满足了设计师的意图？半导体设计公司如何告诉其知识产权是否被盗？更令人担忧的是，谁能确定杀死开关或其他硬件特洛伊木马尚未被暗中插入？
如今，该探测是通过磨碎芯片的许多层并使用电子显微镜检查它们来完成的。它的进展很慢，当然也具有破坏性，使任何人几乎都无法满足这种方法。
Levi与半导体和AEPPLI一起使用X射线。因此，在考虑了这个问题之后，他们考虑使用X射线对非破坏性图像芯片进行。您需要超越医疗X射线扫描仪中使用的分辨率。但是对于二人来说，很明显所需的决议是可能的。那一刻，“芯片扫描”项目诞生了。
新技术正在行动
几年后，这些家伙使甚至可以绘制最先进和最复杂的处理器的整个互连结构，而不会破坏它们。目前，该过程需要一天以上的时间，但是在接下来的几年中的改进应在数小时内绘制整个芯片。
该技术称为Ptychographic X射线层压板，需要访问世界上一些最强大的X射线光源。但是，这些设施中的大多数都方便地位于许多高级芯片设计的地方。因此，随着该技术的访问扩展，没有缺陷，失败或恶魔般的技巧可以隐藏。
在决定采用这种方法之后，他们的第一阶是确定最先进的X射线技术可以做的。这是在Aeppli工作的瑞士的Paul Scherrer Institute（PSI）中完成的。PSI是瑞士光源（SLS）同步器的所在地，这是迄今为止建造的15个最亮X射线最亮的来源之一。
连贯的X射线不同于医疗或牙科办公室中使用的X射线，就像来自激光指针的高度准直的光束不同于从白炽灯泡中发出的光。SLS和类似设施通过首先将电子加速到光速，从而产生高度相干的光束。然后，磁场偏转这些电子，诱导所需的X射线的产生。
为了了解他们可以使用SLS做什么，他们的多学科团队以大约50美元的价格从当地商店购买了Intel Pentium G3260处理器，并删除了包装以暴露硅 - 该CPU是使用22纳米CMOS CMOS FinFET技术制造的。
像所有这些芯片一样，G3260的晶体管都是由硅制成的，但是金属互连的布置将它们链接到形成电路。在现代处理器中，互连建造了15多层以上，从上面看，就像是城市的街头网格的地图。靠近硅的下层具有令人难以置信的优质特征，在当今最先进的芯片中只有纳米的间隔。当您登上互连层时，功能变得越来越大，直到到达顶部为止，电气接触垫将芯片连接到其包装。
他们通过从G3260中切出一个宽10尺的圆柱来开始我们的检查。他们必须采取这一破坏性步骤，因为它大大简化了事情。十微米小于SLS光子的穿透深度的一半，因此，使用如此小的东西，它们可以检测到足够的光子穿过支柱以确定内部的内容。
然后，他们将样品放在机械阶段，以将其旋转在其圆柱轴上，然后通过侧面发射X射线的连贯光束。当样品旋转时，他们用重叠的2 µm宽斑点照亮了它。
在每个照明的位置，连贯的X射线穿过芯片曲折的铜互连塔时衍射，将图案投射到检测器上，该图案存储在后续处理中。记录的预测包含有关X射线传播以在三个维度确定结构的材料的足够信息。这种方法称为Ptychographic X射线计算机断层扫描（PXCT）。PtyChography是从光线的干扰模式中产生某物图像的计算过程。
PXCT背后的基本原理相对简单，类似于通过缝隙的光的衍射。您可能会从介绍性的物理课上回想起，如果您通过缝隙将一致的光束照亮到遥远的平面上，则实验会产生所谓的Fraunhofer衍射图案。这是光和黑暗带或边缘的模式，与光波长的比例比例分为缝隙的宽度。
如果您没有通过狭缝闪耀光线，而是将其发光在一对紧密间隔的物体上，那是如此小，以至于实际上是点，您将获得不同的模式。物体在光束中的位置都没关系。只要它们彼此之间的距离保持相同的距离，您就可以四处移动它们，并获得相同的模式。
这些现象本身都不会让您重建微芯片中的互连的纠结。但是，如果将它们结合在一起，您将开始看到它如何工作。将一对对象放在缝隙中。由于缝隙和对象的组合，揭示了有关缝隙宽度，对象之间的距离以及对象和缝隙的相对位置，因此从衍射中得出了所得的干扰模式。如果您稍微移动两个点，则干扰模式会移动。正是这种转变使您能够准确计算对象在缝隙中的位置。
任何实际样品都可以视为一组类似点的对象，从而产生复杂的X射线散射模式。这样的模式可用于推断这些尖端的对象如何在两个维度上排列。该原理可以通过将样品旋转在光束中，这是一个称为层析成像重建的过程，将其用于三个维度。
您需要确保设置以收集足够的数据以按所需的分辨率映射结构。分辨率由X射线波长，检测器的大小和其他一些参数确定。对于使用0.21 nm波长X射线的SLS的初始测量，必须将检测器放置在离样品约7米处，以达到我们的目标分辨率13 nm。
2017年3月，二人组通过在Intel Pentium G3260处理器中发布一些非常漂亮的3D图像来展示PXCT对集成电路的非破坏性成像的使用。这些图像揭示了该CMOS集成电路中电互连的三维特征和复杂性。但是他们还捕获了有趣的细节，例如层之间的金属连接的缺陷以及铜和二氧化硅介电之间的粗糙度。
仅凭这项原则证明，很明显，该技术在故障分析，设计验证和质量控制方面具有潜力。因此，我们使用PXCT来探测与其他公司技术构建的芯片相似的尺寸的圆柱体。由此产生的3D重建中的细节就像ICS所独有的指纹，并且还揭示了用于制造芯片的制造过程。
我们的早期成功使他们受到鼓舞。但是知道他们可以通过构建一种新型的X射线显微镜并提出更有效的方法来使用芯片设计和制造信息来改善图像重建的方法，从而做得更好。他们称新技术Pyxl，用于Ptychographic X射线层压板的速记。
要处理的第一件事是当我们的X射线穿透深度仅约30 µm左右时，如何扫描整个10毫米范围的芯片。他们通过首先将芯片倾斜到一定角度，从而解决了这个问题。接下来，他们旋转了垂直于芯片平面的轴的样品。同时，他们还向侧面移动了栅格时尚。这使他们可以用梁扫描芯片的所有部分。
在此过程中的每个时刻，穿过芯片的X射线都被IC内部的材料散布，从而产生了衍射图案。与PXCT一样，重叠照明点的衍射模式包含有关X射线通过的内容的冗余信息。然后，成像算法推断出与所有测得的衍射模式最一致的结构。通过这些，它们可以重建3D的整个芯片内部。
不用说，开发一种新的显微镜时，有很多值得担心的事情。它必须具有稳定的机械设计，包括精确的运动阶段和位置测量。它必须详细记录光束如何照亮芯片上的每个斑点和随后的衍射模式。找到这些问题和其他问题的实用解决方案需要14名工程师和物理学家团队的努力。PYXL的几何形状还需要开发新算法来解释收集的数据。这是艰苦的工作，但是到2018年底，二人已经成功探究了16纳米IC，并于2019年10月发布了结果。
在这些实验中，他们能够使用pyxl剥离几个互连的每一层，以揭示它们形成的电路。作为早期测试，他们将一个小缺陷插入了最接近硅的互连层的设计文件中。当他们将此版本的层与芯片的PYXL重建进行比较时，缺陷立即显而易见。
原则上，几天的工作就是他们需要使用pyxl来获得有关即使是最先进的设施中制造的IC的完整性的有意义的信息。当今的尖端处理器可以分开几十纳米的互连，至少在原则上，它们的技术可以产生小于2 nm的结构图像。
但是分辨率提高的确需要更长的时间。尽管我们构建的硬件有能力以最高分辨率的最高扫描1.2乘1.2厘米的区域，但这样做是不切实际的。放大感兴趣的领域将更好地利用时间。在最初的实验中，在芯片的正方形部分上进行了低分辨率（500 nm）的扫描，该芯片的侧面为0.3毫米，需要30小时才能获取。仅40μm宽的芯片的高分辨率（19 nm）扫描需要60小时。
成像速率从根本上受到SLS可用的X射线通量的限制。但是，其他设施具有更高的X射线通量，并且正在进行方法，以提高X射线源“光彩”，这是产生的光子数量，梁面积以及其传播速度的组合。例如，瑞典隆德的最大IV实验室开创了一种通过两个数量级来提高其光彩的方法。可以通过新的X射线光学器件获得另外一个或两个数量级。将这些改进结合起来，应有一天将总通量增加10,000倍。
随着这种较高的通量，他们应该能够在更少的时间内达到2 nm的分辨率，而不是现在获得19 nm的分辨率。我们的系统还可以在不到30小时的时间内以250 nm的分辨率调查一个平方中心的集成电路（大约是Apple M1处理器的大小）。
还有其他方法可以提高成像速度和分辨率，例如更好地稳定探针光束并改善算法以说明ICS的设计规则以及可能导致过多X射线曝光而导致的变形。
尽管我们已经可以从其互连的布局中讲述了很多IC，但通过进一步的改进，我们应该能够发现有关它的所有内容，包括它的材料。对于包括铜，铝，钨和化合物的16 nm技术节点，称为硅化剂。他们甚至能够在硅晶格中对应变进行局部测量，这是由制造尖端设备所需的多层制造工艺产生的。
既然铜间接合技术正在接近其限制，那么识别材料可能会变得特别重要。在当代的CMOS电路中，铜互连容易受到电迁移的影响，在该电路中，电流可以使铜原子从对齐中踢出并引起结构中的空隙。为此，将互连套在屏障材料中。但是这些鞘可能太厚，以至于它们几乎没有空间容纳铜，从而使互连过于电阻。因此，正在探索替代材料，例如钴和丁二烯。由于所讨论的互连非常好，因此它们需要达到低于10 nm的分辨率来区分它们。
有理由认为他们会到达那里。将PXCT和PYXL应用于硬件和Wetware（大脑）的“连接”是世界各地研究人员为支持新的和升级的X射线源的构建而提出的关键论点。同时，在加利福尼亚和瑞士的实验室中继续进行工作，以开发更好的硬件和软件。因此，有一天，如果您对新的CPU或对竞争对手的好奇感到怀疑，则可以通过其内部运作进行飞行之旅，以确保一切都在适当的位置……
