集成电路CT精准成像的“源头”：Excillum高亮度液态靶X射线源
发布日期：2020-03-12
X射线穿透物体时会被物体吸收，其吸收能力取决于材料类型与物体厚度。CT(Computed Tomography)，即电子计算机断层扫描，利用精确的X线束与灵敏度的探测器一同围绕被测物的某一部位进行连续的断面扫描并结合计算机实现三维重构，得到三维成像图形。
传统上我们接触比较多的是医疗CT，它是基于人体不同组织对X线的吸收与透过率不同，拍下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内某些部位的细小病变。除医疗方面的应用，CT也在无损检测和逆向工程中发挥重大的作用。工业CT技术对气孔、夹杂、针孔、缩孔、分层等各种常见缺陷具有很高的探测灵敏度，并能精确地测定这些缺陷的尺寸，给出其在零件中的部位。与其他常规无损检测技术相比，工业CT技术具有成像尺寸精度高、不受工件材料种类和几何形状限制以及可生成材料缺陷的三维图像等优势。
随着CT的发展，该技术也被用于电子业和半导体工业。半导体领域内传统的成像往往借助于破坏性的切片成像，而CT可以在样品任何方向上进行非破坏性成像，不受周围细节特征的遮挡，可直接获得目标特征的空间位置、形状及尺寸信息，在电子元器件的工艺、失效分析等方面有着巨大的应用前景。
2019年美国国防微电子部门（DMEA）的Michael Sutherland等人使用瑞典Excillum公司的液态金属靶X射线源MetalJet D2+，定制了一款用于集成电路检测的CT系统，该系统对90 nm制程的集成电路进行了扫描成像[1]，图1为90 nm铜制程的某个断面层析成像，可以非常清楚的观察到内部结构。
图1 90 nm铜制程的某个断面层析成像
与标准铜（Kα 8.04 keV）旋转阳极固态金属靶源相比，MetalJet D2+以镓（Kα 9.2 keV）为X射线源，在观测Cu和Si时，对比度约为标准铜靶的9倍。如图2所示，镓靶在Kα 9.2 keV时明显能比铜Kα 8.04 KeV获得更大的吸收衬度，并且液态靶光源亮度比标准铜光源高出约10倍。基于上述优势，液态靶光源可获得更高的成像质量，成为集成电路铜互连结构成像的理想光源。
图2 利用镓（Kα 9.2 keV）在铜吸收边上方成像，对铜成分具有良好的对比度
Michael Sutherland等人还对该成像系统的X射线微焦斑大小和探测计数等进行了探讨。在液态靶X射线源MetalJet D2+中，焦斑大小可以在5-20 µm之间连续可调，其电子束的大允许功率与光斑尺寸呈线性对应关系，即20 μm光斑尺寸在250 W下运行，10 μm光斑尺寸在125W下运行。此外，其亮度随电子束焦斑功率密度的提高而增加。例如，与20 μm光斑相比，光源在10 μm光斑下的亮度大约是前者的两倍。通常，X射线显微镜中探测器计数与光源的亮度有直接关系，作者预期在光斑大小为5 μm时系统具有高的计数。为了验证这一假设，他们以1 μm为步长在5-20 μm之间的每个光斑大小进行了系统配置。对于每一个光斑尺寸，他们对聚光器进行校准，找到佳光斑位置，终确定了系统的佳光斑尺寸实际上为~12 μm（图3），而且使12 μm附近的计数比5 μm和20 μm光斑尺寸增加了30%。通过上述的研究表明X射线光学显微镜计数大时并不一定是在微焦斑小的时候，而是在计数和焦斑大小之间存在着佳对应关系。由此可见，连续可调的X射线焦斑大小有利于系统对X射线计数优化，提升系统的成像质量。
图3 优化光斑大小，使x射线计数大化。蓝色的线是图像中心计数的中位数，橙色的线是整个图像计数的中位数
为什么液态靶X射线源可以比标准光源高出约十倍的亮度呢？
图4 Excillum液态金属靶X射线源示意图
在传统固体阳极技术中，为了避免阳极被损坏,其表面的工作温度必须远低于靶材的熔点，因此靶材的各种物理性质，如熔点、导热系数等地限制了电子束功率的范围。而液态金属阳极则不同，由于靶材本身已处于熔化的状态，不受熔点的限制。同时，完好如初的液态靶材以接近100 m/s的速度在腔体内循环，阳极不断地自再生，电子束对靶材的损坏将微乎其微，使得液态靶与其他固态靶相比，功率密度得到大幅度的提升（如图5所示）。因此液态靶光源能够带来10倍于普通固体阳极X射线光源所发射的X射线通量（在相同焦斑面积上），实现更快（测试时间短）、更高（的亮度）、更强（信号强度）的测试体验。
图5 液态靶与其他固态靶功率密度对比
综上所述，相比于传统的破坏性检测，通过X射线进行CT成像可以进行非破坏性的多维成像检测，有着非常大的优势，瑞典Excillum的液态靶X射线源的高亮度以及镓靶更适合于铜和硅的对比度检测，是集成电路成像检测的理想光源。
Quantum Design中国于2020年正式成为Excillum液态靶X射线源代理，更多产品信息，请点击：http://www.qd-china.com/zh/pro/detail/1912171072456。
参考资料：
[1] Michael Sutherland, Software Automation and Optimization of an X-ray Microscope Custom Designed for Integrated Circuit Inspection. Microsc. Microanal. 24 (Suppl 2), 2018
