集成電路CT精準(zhǔn)成像的“源頭”：Excillum高亮度液態(tài)靶X射線源

    X射線穿透物體時會被物體吸收，其吸收能力取決于材料類型與物體厚度。CT(Computed Tomography)，即電子計算機斷層掃描，利用精確的X線束與靈敏度*的探測器一同圍繞被測物的某一部位進(jìn)行連續(xù)的斷面掃描并結(jié)合計算機實現(xiàn)三維重構(gòu)，得到三維成像圖形。

    傳統(tǒng)上我們接觸比較多的是醫(yī)療CT，它是基于人體不同組織對X線的吸收與透過率不同，拍下人體被檢查部位的斷面或立體的圖像，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)某些部位的細(xì)小病變。除醫(yī)療方面的應(yīng)用，CT也在無損檢測和逆向工程中發(fā)揮重大的作用。工業(yè)CT技術(shù)對氣孔、夾雜、針孔、縮孔、分層等各種常見缺陷具有很高的探測靈敏度，并能精確地測定這些缺陷的尺寸，給出其在零件中的部位。與其他常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，工業(yè)CT技術(shù)具有成像尺寸精度高、不受工件材料種類和幾何形狀限制以及可生成材料缺陷的三維圖像等優(yōu)勢。

    隨著CT的發(fā)展，該技術(shù)也被用于電子業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)。半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)傳統(tǒng)的成像往往借助于破壞性的切片成像，而CT可以在樣品任何方向上進(jìn)行非破壞性成像，不受周圍細(xì)節(jié)特征的遮擋，可直接獲得目標(biāo)特征的空間位置、形狀及尺寸信息，在電子元器件的工藝、失效分析等方面有著巨大的應(yīng)用前景。

    2019年美國國防微電子部門（DMEA）的Michael Sutherland等人使用瑞典Excillum公司的液態(tài)金屬靶X射線源MetalJet D2+，定制了一款用于集成電路檢測的CT系統(tǒng)，該系統(tǒng)對90 nm制程的集成電路進(jìn)行了掃描成像^[1]，圖1為90 nm銅制程的某個斷面層析成像，可以非常清楚的觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 90 nm銅制程的某個斷面層析成像

    與標(biāo)準(zhǔn)銅（Kα 8.04 keV）旋轉(zhuǎn)陽極固態(tài)金屬靶源相比，MetalJet D2+以鎵（Kα 9.2 keV）為X射線源，在觀測Cu和Si時，對比度約為標(biāo)準(zhǔn)銅靶的9倍。如圖2所示，鎵靶在Kα 9.2 keV時明顯能比銅Kα 8.04 KeV獲得更大的吸收襯度，并且液態(tài)靶光源亮度比標(biāo)準(zhǔn)銅光源高出約10倍?；谏鲜鰞?yōu)勢，液態(tài)靶光源可獲得更高的成像質(zhì)量，成為集成電路銅互連結(jié)構(gòu)成像的理想光源。

圖2 利用鎵（Kα 9.2 keV）在銅吸收邊上方成像，對銅成分具有良好的對比度

    Michael Sutherland等人還對該成像系統(tǒng)的X射線微焦斑大小和探測計數(shù)等進(jìn)行了探討。在液態(tài)靶X射線源MetalJet D2+中，焦斑大小可以在5-20 µm之間連續(xù)可調(diào)，其電子束的zui大允許功率與光斑尺寸呈線性對應(yīng)關(guān)系，即20 μm光斑尺寸在250 W下運行，10 μm光斑尺寸在125W下運行。此外，其亮度隨電子束焦斑功率密度的提高而增加。例如，與20 μm光斑相比，光源在10 μm光斑下的亮度大約是前者的兩倍。通常，X射線顯微鏡中探測器計數(shù)與光源的亮度有直接關(guān)系，作者預(yù)期在光斑大小為5 μm時系統(tǒng)具有zui高的計數(shù)。為了驗證這一假設(shè)，他們以1 μm為步長在5-20 μm之間的每個光斑大小進(jìn)行了系統(tǒng)配置。對于每一個光斑尺寸，他們對聚光器進(jìn)行校準(zhǔn)，找到*光斑位置，終確定了系統(tǒng)的*光斑尺寸實際上為~12 μm（圖3），而且使12 μm附近的計數(shù)比5 μm和20 μm光斑尺寸增加了30%。通過上述的研究表明X射線光學(xué)顯微鏡計數(shù)zui大時并不一定是在微焦斑小的時候，而是在計數(shù)和焦斑大小之間存在著*對應(yīng)關(guān)系。由此可見，連續(xù)可調(diào)的X射線焦斑大小有利于系統(tǒng)對X射線計數(shù)優(yōu)化，提升系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

圖3 優(yōu)化光斑大小，使x射線計數(shù)zui大化。藍(lán)色的線是圖像中心計數(shù)的中位數(shù)，橙色的線是整個圖像計數(shù)的中位數(shù)

為什么液態(tài)靶X射線源可以比標(biāo)準(zhǔn)光源高出約十倍的亮度呢？

圖4 Excillum液態(tài)金屬靶X射線源示意圖

    在傳統(tǒng)固體陽極技術(shù)中，為了避免陽極被損壞,其表面的工作溫度必須遠(yuǎn)低于靶材的熔點，因此靶材的各種物理性質(zhì)，如熔點、導(dǎo)熱系數(shù)等*地限制了電子束功率的范圍。而液態(tài)金屬陽極則不同，由于靶材本身已處于熔化的狀態(tài)，不受熔點的限制。同時，完好如初的液態(tài)靶材以接近100 m/s的速度在腔體內(nèi)循環(huán)，陽極不斷地自再生，電子束對靶材的損壞將微乎其微，使得液態(tài)靶與其他固態(tài)靶相比，功率密度得到大幅度的提升（如圖5所示）。因此液態(tài)靶光源能夠帶來10倍于普通固體陽極X射線光源所發(fā)射的X射線通量（在相同焦斑面積上），實現(xiàn)更快（測試時間短）、更高（*的亮度）、更強（信號強度）的測試體驗。

圖5 液態(tài)靶與其他固態(tài)靶功率密度對比

    綜上所述，相比于傳統(tǒng)的破壞性檢測，通過X射線進(jìn)行CT成像可以進(jìn)行非破壞性的多維成像檢測，有著非常大的優(yōu)勢，瑞典Excillum的液態(tài)靶X射線源的高亮度以及鎵靶更適合于銅和硅的對比度檢測，是集成電路成像檢測的理想光源。

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參考資料：

[1] Michael Sutherland, Software Automation and Optimization of an X-ray Microscope Custom Designed for Integrated Circuit Inspection. Microsc. Microanal. 24 (Suppl 2), 2018