基于X射线的技术可以在不破坏芯片的情况下，逐层[上图]和三维[左图]重建芯片的互连。
当你烘烤一个蛋糕时，很难知道里面是什么时候达到你想要的状态。微电子芯片的情况也是如此，而且识别这种状态的风险更大。工程师是如何确认里面的东西真正符合设计者的意图？一个半导体设计公司如何判断其知识产权是否被盗？更令人担忧的是，谁又能确定一个杀毒开关或其他硬件木马没有被秘密插入呢？
今天，这种探测是通过磨掉芯片的许多层并使用电子显微镜检查它们来完成的。这是一个缓慢的过程，当然也是一个破坏性的过程，就是这种破坏性使得这种方法很难让人满意。
我们中的有的人从事半导体研究，有的人从事X射线研究。因此，在思考了这个问题之后，我们考虑使用X射线对芯片进行无损成像。你需要超越医疗X射线扫描仪中使用的分辨率。但我们很清楚，所需的分辨率是可能的。在那一刻，我们一直称之为 "芯片扫描 "的项目诞生了。
几年后，我们已经有可能在不破坏处理器的情况下绘制出最先进和最复杂的处理器的整个互连结构。现在，这一过程需要超过一天的时间，但在未来几年的改进中，应该能够在几小时内完成整个芯片的映射。
这种技术被称为 "对X射线层析"，该技术需要使用世界上最强大的一些X射线光源。而且，这些设施大多靠近许多先进芯片设计的地方，非常方便。因此，随着这种技术的普及，任何缺陷、故障或邪恶的把戏都将无法隐藏。
芯片诊断：经过X射线扫描之后的截面
在决定采用这种方法后，我们的首要任务是确定最先进的X射线技术能做什么。这是在瑞士的保罗·舍勒研究所（PSI）完成的，我们中的有一位从事X射线扫描的工程师在那里工作。PSI是瑞士光源（SLS）同步加速器的所在地，它是迄今为止建成的15个最明亮的相干X射线源之一。
相干X射线与医疗或牙科诊所使用的射线不同，就像激光笔发出的高度准直的光束与白炽灯向各个方向发出的光不同一样。瑞士光源（SLS）和类似的设施通过首先将电子加速到几乎达到光速而产生高度一致的X射线光子束。然后，磁场使这些电子发生偏转，诱导产生所需的X射线。
为了看看我们能用瑞士光源（SLS）做什么，我们的多学科小组从当地商店花了大约50美元买了一个英特尔奔腾G3260处理器，并拆除了包装，露出了硅。这个CPU是使用22纳米CMOS FinFET技术制造的。
像所有这类芯片一样，G3260的晶体管是由硅制成的，但把它们连接起来形成电路的是金属互连的安排。在一个现代的处理器中，互连被建立在15层以上，从上面看就像一个城市的街道网格地图。较低的层，更接近硅，有令人难以置信的精细特征，在今天最先进的芯片中，其间隔仅为纳米。当你上升到互连层时，这些特征变得越来越稀疏，特征差距越来越大，直到你到达顶部，那里的电接触垫将芯片和它的封装连接起来。
我们从G3260上切出一个10微米宽的圆柱体，开始了我们的检查。我们不得不采取这种破坏性的步骤，因为它大大简化了事情。10微米还不到SLS光源光子穿透深度的一半，所以有了这么小的东西，我们就能检测到足够的光子穿过柱子来确定里面有什么。
我们将样品放在一个机械平台上，使其围绕圆柱轴旋转，然后从侧面发射一束相干的X射线。随着样品的旋转，我们用2微米宽的重叠光斑对其进行照射。
在每个照明点上，相干的X射线在通过芯片上迂回的铜质互连塔时发生衍射，将一个图案投射到一个检测器上，这些图案被储存起来用于后续处理。所记录的投影包含了关于X射线穿过的材料足够的信息，以确定三维的结构。这种方法被称为Ptychographic X射线计算机断层扫描(PXCT: ptychographic X-ray computed tomography)。双层摄影是通过光的干涉模式产生某物的图像的计算过程。
该断层扫描（PXCT）背后的基本原理相对简单，类似于光通过狭缝的衍射。你可能记得在你的物理入门课上，如果你将一束相干的光通过狭缝照射到一个遥远的平面上，实验会产生所谓的夫琅禾费衍射图案。这是一个由明暗带或边缘组成的图案，其间隔与光的波长除以狭缝宽度的比例成正比。
如果不通过狭缝，而是将光照在一对间隔很近的物体上，这些物体小到它们实际上是点，你会得到一个不同的图案。物体在光束中的位置并不重要。只要它们彼此之间保持相同的距离，你可以把它们移来移去，你就会得到相同的图案。
就其本身而言，这些现象都不会让你重建微芯片中纠结的互连。但如果你把它们结合起来，你会开始看到它是如何工作的。把这对物体放在狭缝内。由此产生的干涉图案来自于狭缝和物体的组合所产生的衍射，揭示了关于狭缝宽度、物体之间的距离以及物体和狭缝的相对位置的信息。如果你稍微移动这两点，干涉模式就会发生变化。而正是这种移动使你能够准确地计算出物体在狭缝中的位置。
芯片X射线诊断铜连接图
任何真实的样品都可以被视为一组点状物体，它们会产生复杂的X射线散射图案。这种模式可以用来推断这些点状物体在二维空间中是如何排列的。而这一原理可用于通过在光束内旋转样品来绘制三维事物，这一过程称为断层重建。
你需要确保你的设置能够收集足够的数据，以便以所需的分辨率绘制结构图。分辨率是由X射线的波长、探测器的大小和其他一些参数决定的。对于我们用SLS光源进行的最初测量，即使用0.21纳米波长的X射线，探测器必须放在离样品约7米的地方，以达到我们的目标分辨率13纳米。
2017年3月，我们通过发布一些非常漂亮的英特尔奔腾G3260处理器中铜线互连的三维图像，展示了断层扫描(PXCT)在集成电路无损成像方面的应用。那些图像揭示了这个CMOS(complementary metal-oxide semiconductor：互补金属氧化物半导体)集成电路中电气互连的三维特征和复杂性。但是他们也捕捉到了一些有趣的细节，例如层与层之间的金属连接的不完善之处，以及铜与周围的二氧化硅电介质之间的粗糙程度。
仅从这一原则性演示中就可以看出，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，我们使用断层扫描（PXCT）来探测从用其他公司的技术制造的芯片上切割下来的类似大小的圆柱体。由此产生的三维重建中的细节就像指纹一样，对集成电路来说是独一无二的，同时也揭示了用于制造芯片的许多制造工艺。
我们为我们的早期成功感到鼓舞。但我们知道我们可以做得更好，通过建立一种新型的X射线显微镜，并想出更有效的方法，利用芯片设计和制造信息来改善图像重建。我们把这种新技术称为PyXL(ptychographic X-ray laminography)，是对对映式X射线层析成像的简称
首先要处理的是，当我们的X射线穿透深度只有约30微米时，如何扫描整个10毫米宽的芯片。我们解决了这个问题，首先将芯片相对于光束倾斜了一个角度。接下来，我们围绕垂直于芯片平面的轴旋转样品。同时，我们还以光栅的方式将其侧向移动。这使我们能够用光束扫描芯片的所有部分。
在这个过程中的每个时刻，通过芯片的X射线被IC内部的材料散射，形成一个衍射图案。与PXCT一样，来自重叠的照明点的衍射图案包含了关于X射线所通过的冗余信息。然后，成像算法推断出一个与所有测量的衍射图案最一致的结构。根据这些，我们可以以三维方式重建整个芯片的内部。
不用说，在开发一种新的显微镜时，有很多需要担心的问题。它必须有一个稳定的机械设计，包括精确的运动平台和位置测量。而且它必须详细记录光束如何照亮芯片上的每个点以及随之而来的衍射图案。为这些问题和其他问题找到实际的解决方案需要一个由14名工程师和物理学家组成的团队的努力。PyXL(对映式X射线层析成像)的几何形状也需要开发新的算法来解释收集的数据。这是一项艰苦的工作，但到2018年底，我们已经成功地探测了16纳米的集成电路，在2019年10月发表了结果。
今天的尖端处理器的互连间距可以小到30纳米，而我们的技术至少在原则上可以产生小于2纳米的结构的图像。
在这些实验中，我们能够使用PyXL(对映式X射线层析成像)剥离每一层互连，以显示它们形成的电路。作为一个早期的测试，我们在最接近硅的互连层的设计文件中插入了一个小缺陷。当我们把这个版本的互连层与PyXL重建的芯片进行比较时，这个缺陷立刻就显现出来了。
原则上，我们只需要几天的工作，就可以用PyXL获得关于在最先进的设施中制造的集成电路的完整性的有意义的信息。今天的尖端处理器可以有相距仅几十纳米的互连，而我们的技术至少在原则上可以产生小于2纳米的结构的图像。
但是提高分辨率确实需要更长的时间。尽管我们建立的硬件有能力在最高分辨率下完全扫描一个1.2乘1.2厘米的区域，但这样做是不切实际的。放大一个感兴趣的区域将是对时间的更好利用。在我们最初的实验中，对一个边长为0.3毫米的芯片的一个正方形部分进行低分辨率（500纳米）扫描，需要30个小时才能获得。对芯片的一个更小的部分（仅40微米宽）进行高分辨率（19纳米）扫描，需要60小时。
双色球X射线计算机断层扫描，首先在一个22纳米的英特尔处理器的一部分上进行了测试，构建了芯片互连的详细3D图像。
成像率从根本上受限于我们在SLS光源的X射线通量。但是其他设施拥有更高的X射线通量，并且正在研究提高X射线源 "亮度 "的方法：该方法就是产生的光子数量、光束的面积以及它传播的速度的组合。例如，2020年6月份瑞典隆德的MAX IV实验室开创了一种方法，将其亮度提高两个数量级。通过新的X射线光学装置，还可以再获得一到两个数量级。将这些改进结合起来，有朝一日，总的通量会增加一万倍。
有了这个更高的通量，我们应该能够在比现在获得19纳米分辨率更短的时间内实现2纳米的分辨率。我们的系统还可以在不到30个小时内以250纳米的分辨率测量一个一平方厘米的集成电路，这大约是一个苹果M1处理器的大小。
还有其他提高成像速度和分辨率的方法，比如更好地稳定探针束，改进我们的算法，以考虑到集成电路的设计规则和由于过多的X射线曝光而可能导致的变形。
尽管我们已经可以从一个集成电路的互连布局中看出很多东西，但随着进一步的改进，我们应该能够发现它的一切，包括它的材料。对于16纳米技术节点，这包括铜、铝、钨和被称为硅化物的化合物。我们甚至可能能够对硅晶格中的应变进行局部测量，这是由制造尖端设备所需的多层制造工艺引起的。
在边上的位置，这个芯片[橙色]太厚，X射线无法穿透。但是将芯片倾斜一个角度[见theta，中心]，就能使横截面足够薄。芯片所处的机械平台[未显示]然后在X射线束内围绕Z轴旋转样品，将干扰图案投射到检测器上，可用于重建芯片的互连。
识别材料可能变得特别重要，因为现在铜互连技术正在接近其极限。在当代CMOS电路中，铜互连容易受到电迁移的影响，电流会将铜原子踢出排列，导致结构中出现空隙。为了解决这个问题，互连线被包裹在一种屏障材料中。但这些护套可能太厚，以至于没有给铜留下多少空间，使互连的电阻过大。因此，人们正在探索替代材料，如钴和钌。由于有关的互连是如此精细，我们将需要达到10纳米以下的分辨率来区分它们。
我们有理由认为我们会达到这个目标。将PXCT和PyXL应用于硬件和湿件（大脑）的 "连接组 ", 这是世界各地的研究人员为支持建造新的和升级的X射线源而提出的关键论据之一。与此同时，2021年6月，我们在加利福尼亚和瑞士的实验室继续工作，以开发更好的硬件和软件。因此，不久的某一天，如果你对你的新CPU感到怀疑或对竞争对手的CPU感到好奇，你可以对它的内部工作进行一次飞越式的参观，以确保所有的东西真的在其适当的位置上。
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