X射線穿透物體時(shí)會(huì)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(jì)算機(jī)斷層掃描，用精確的X線束與靈敏度*的探測(cè)器同圍繞被測(cè)物的某部位進(jìn)行連續(xù)的斷面掃描并結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)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(duì)X線的吸收與透過(guò)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(wú)損檢測(cè)和逆向工程中發(fā)揮重大的作用。工業(yè)CT技術(shù)對(duì)氣孔、夾雜、針孔、縮孔、分層等各種常見缺陷具有很高的探測(cè)靈敏度，并能精確地測(cè)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(wú)損檢測(cè)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勢(shì)。

    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)征的遮擋，可直接獲得目標(biāo)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(guó)國(guó)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+，定制了款用于集成電路檢測(cè)的CT系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)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(gè)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(gè)斷面層析成像

    與標(biāo)準(zhǔn)銅（Kα 8.04 keV）旋轉(zhuǎn)陽(yáng)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(cè)Cu和Si時(shí)，對(duì)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(shí)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。基于上述勢(shì)，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 用鎵（Kα 9.2 keV）在銅吸收邊上方成像，對(duì)銅成分具有良好的對(duì)比度

    Michael Sutherland等人還對(duì)該成像系統(tǒng)的X射線微焦斑大小和探測(cè)計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，即20 μm光斑尺寸在250 W下運(yùn)行，10 μm光斑尺寸在125W下運(yùn)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(cè)器計(jì)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(shí)系統(tǒng)具有zui高的計(jì)數(shù)。為了驗(yàn)證這假設(shè)，他們以1 μm為步長(zhǎng)在5-20 μm之間的每個(gè)光斑大小進(jìn)行了系統(tǒng)配置。對(duì)于每個(gè)光斑尺寸，他們對(duì)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(shí)際上為~12 μm（圖3），而且使12 μm附近的計(jì)數(shù)比5 μm和20 μm光斑尺寸增加了30%。通過(guò)上述的研究表明X射線光學(xué)顯微鏡計(jì)數(shù)zui大時(shí)并不定是在微焦斑小的時(shí)候，而是在計(jì)數(shù)和焦斑大小之間存在著*對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此可見，連續(xù)可調(diào)的X射線焦斑大小有于系統(tǒng)對(duì)X射線計(jì)數(shù)化，提升系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

圖3 化光斑大小，使x射線計(jì)數(shù)zui大化。藍(lán)色的線是圖像中心計(jì)數(shù)的中位數(shù)，橙色的線是整個(gè)圖像計(jì)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(yáng)技術(shù)中，為了避免陽(yáng)被損壞,其表面的工作溫度必須遠(yuǎn)低于靶材的熔點(diǎn)，因此靶材的各種物理性質(zhì)，如熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)等大地限制了電子束功率的范圍。而液態(tài)金屬陽(yáng)則不同，由于靶材本身已處于熔化的狀態(tài)，不受熔點(diǎn)的限制。同時(shí)，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(yáng)不斷地自再生，電子束對(duì)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(lái)10倍于普通固體陽(yáng)X射線光源所發(fā)射的X射線通量（在相同焦斑面積上），實(shí)現(xiàn)更快（測(cè)試時(shí)間短）、更高（*的亮度）、更強(qiáng)（信號(hào)強(qiáng)度）的測(cè)試體驗(yàn)。

圖5 液態(tài)靶與其他固態(tài)靶功率密度對(duì)比

    綜上所述，相比于傳統(tǒng)的破壞性檢測(cè)，通過(guò)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(cè)，有著非常大的勢(shì)，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(duì)比度檢測(cè)，是集成電路成像檢測(cè)的理想光源。

Quantum Design中國(guó)于2020年正式成為Excillum液態(tài)靶X射線源du家代理，點(diǎn)擊獲取更多產(chǎn)品信息。

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