集成電路CT精準成像的「源頭」:Excillum高亮度液態靶X射線源

2020-11-25 中國教育裝備採購網

　　X射線穿透物體時會被物體吸收，其吸收能力取決於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線束與靈敏度極高的探測器一同圍繞被測物的某一部位進行連續的斷面掃描並結合計算機實現三維重構，得到三維成像圖形。

　　傳統上我們接觸比較多的是醫療CT，它是基於人體不同組織對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，發現體內某些部位的細小病變。除醫療方面的應用，CT也在無損檢測和逆向工程中發揮重大的作用。工業CT技術對氣孔、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，並能精確地測定這些缺陷的尺寸，給出其在零件中的部位。與其他常規無損檢測技術相比，工業CT技術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勢。

　　隨著CT的發展，該技術也被用於電子業和半導體工業。半導體領域內傳統的成像往往藉助於破壞性的切片成像，而CT可以在樣品任何方向上進行非破壞性成像，不受周圍細節特徵的遮擋，可直接獲得目標特徵的空間位置、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公司的液態金屬靶X射線源MetalJet D2+，定製了一款用於集成電路檢測的CT系統，該系統對90 nm製程的集成電路進行了掃描成像[1]，圖1為90 nm銅製程的某個斷面層析成像，可以非常清楚的觀察到內部結構。

圖1 90 nm銅製程的某個斷面層析成像

　　與標準銅（Kα 8.04 keV）旋轉陽極固態金屬靶源相比，MetalJet D2+以鎵（Kα 9.2 keV）為X射線源，在觀測Cu和Si時，對比度約為標準銅靶的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，並且液態靶光源亮度比標準銅光源高出約10倍。基於上述優勢，液態靶光源可獲得更高的成像質量，成為集成電路銅互連結構成像的理想光源。

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的X射線微焦斑大小和探測計數等進行了探討。在液態靶X射線源MetalJet D2+中，焦斑大小可以在5-20 µm之間連續可調，其電子束的最大允許功率與光斑尺寸呈線性對應關係，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與光源的亮度有直接關係，作者預期在光斑大小為5 μm時系統具有最高的計數。為了驗證這一假設，他們以1 μm為步長在5-20 μm之間的每個光斑大小進行了系統配置。對於每一個光斑尺寸，他們對聚光器進行校準，找到最佳光斑位置，最終確定了系統的最佳光斑尺寸實際上為~12 μm（圖3），而且使12 μm附近的計數比5 μm和20 μm光斑尺寸增加了30%。通過上述的研究表明X射線光學顯微鏡計數最大時並不一定是在微焦斑最小的時候，而是在計數和焦斑大小之間存在著最佳對應關係。由此可見，連續可調的X射線焦斑大小有利於系統對X射線計數優化，提升系統的成像質量。

圖3 優化光斑大小，使x射線計數最大化。藍色的線是圖像中心計數的中位數，橙色的線是整個圖像計數的中位數

　　為什麼液態靶X射線源可以比標準光源高出約十倍的亮度呢？

圖4 Excillum液態金屬靶X射線源示意圖

　　在傳統固體陽極技術中，為了避免陽極被損壞,其表面的工作溫度必須遠低於靶材的熔點，因此靶材的各種物理性質，如熔點、導熱係數等極大地限制了電子束功率的範圍。而液態金屬陽極則不同，由於靶材本身已處於熔化的狀態，不受熔點的限制。同時，完好如初的液態靶材以接近100 m/s的速度在腔體內循環，陽極不斷地自再生，電子束對靶材的損壞將微乎其微，使得液態靶與其他固態靶相比，功率密度得到大幅度的提升（如圖5所示）。因此液態靶光源能夠帶來10倍於普通固體陽極X射線光源所發射的X射線通量（在相同焦斑面積上），實現更快（測試時間短）、更高（極高的亮度）、更強（信號強度）的測試體驗。

圖5 液態靶與其他固態靶功率密度對比

　　綜上所述，相比於傳統的破壞性檢測，通過X射線進行CT成像可以進行非破壞性的多維成像檢測，有著非常大的優勢，瑞典Excillum的液態靶X射線源的高亮度以及鎵靶更適合於銅和矽的對比度檢測，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

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