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(lèi)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(jiàn)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(lèi)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?chē)?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(mén)（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(jiàn)，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