新的X射线世界纪录：以4nm的分辨率观察微芯片内部结构

自 2010 年以来，PSI 大分子和生物成像实验室的科学家一直致力于开发显微成像方法，目的是生成纳米级的三维图像。在目前的研究中，他们与洛桑联邦理工学院 (EPFL)、苏黎世联邦理工学院 (ETHZ) 以及南加州大学合作，首次成功拍摄了最先进的计算机芯片微芯片的图像，分辨率达到 4 纳米，即 百万分之四毫米，创下了世界纪录。

科学家们没有使用透镜（目前无法使用镜头拍摄此范围内的图像），而是采用了一种称为 叠层成像 ptychography 的技术，即通过计算机将许多单独的图像组合起来以创建一张高分辨率图片。更短的曝光时间和优化的算法是此次显著提高由他们在 2017 年创下的世界纪录的关键因素。在实验中，研究人员使用了 PSI 瑞士光源 SLS 发出的 X 射线，并由瑞士XRnanotech提供的FZP聚焦。

频链接：https://youtu.be/aKEhNgUdFvc

微芯片是科技的奇迹。如今，先进的集成电路中每平方毫米可以容纳超过 1 亿个晶体管，这一趋势还在不断增长。高度自动化的光学系统用于在洁净室中将纳米级电路迹线蚀刻到硅坯中。一层又一层地添加和移除，直到完成芯片（智能手机和电脑的大脑）可以被切割和安装。制造过程繁琐复杂，表征和绘制最终结构也同样困难。

扫描电子显微镜有几纳米的分辨率，因此非常适合对构成电路的微型晶体管和金属互连进行成像，但它们只能产生表面的二维图像。“电子在材料中传播得不够远，” SLS 的物理学家 Mirko Holler 解释道。“要用这种技术构建三维图像，必须逐层检查芯片，在纳米级别去除各个层——这是一个非常复杂和精细的过程，而且会破坏芯片。”

然而，使用 X 射线断层扫描可以生成三维和无损图像，因为 X 射线可以穿透材料更深，这个过程类似于医院的 CT 扫描。样品被旋转并从不同角度进行 X 射线照射，辐射的吸收和散射方式各不相同，这取决于样品的内部结构。探测器记录离开样品的光，然后算法从中重建最终的 3D 图像。“这里我们遇到了分辨率问题，” Mirko Holler 解释说，“目前可用的 X 射线镜头都无法以分辨如此微小结构的方式聚焦这种辐射。”

解决方案是叠层成像。在这种技术中，不是将X射线束聚焦在纳米尺度上，而是使样品在纳米尺度上移动。“我们的样品被移动，使得光束遵循精确定义的网格——就像筛子一样。在网格上的每个点，都会记录衍射图案，” 物理学家解释说。各个网格点之间的距离小于光束的直径，因此成像区域会重叠。这会产生足够的信息，以便在算法的帮助下以高分辨率重建样品图像。重建过程就像使用虚拟镜头一样。

“自 2010 年以来，我们一直在不断完善实验装置和样品定位的精度。2017 年，我们终于成功对计算机芯片进行了空间成像，分辨率达到 15 纳米——创下了纪录，” Holler 回忆道。从那时起，尽管装置和算法进一步优化，但我们仪器的分辨率一直保持不变。“我们将其延伸到了一到两纳米，但这是我们能达到的极限。有些东西限制了我们，我们必须找出它是什么。”

这项精心的研究终于在在2021 年由瑞士国家科学基金会资助的一个项目开始。除了参与了第一次记录的 Mirko Holler 和 Manuel Guizar-Sicairos 之外，Tomas Aidukas 也加入了该小组。这位物理学家用他的编程经验支持团队并开发了新的算法，最终帮助他们取得了突破。

研究人员在减少曝光时间时找到了他们的第一个线索——衍射图像突然变得更清晰了。这让他们得出结论，照射样品的 X 射线束并不稳定，而是发生了微小的移动——光束在摆动。“这类似于摄影，” Guizar-Sicairos 解释说。“当你在晚上拍照时，你会因为黑暗而选择长时间曝光。如果你不使用三脚架这样做，你的动作就会传输到相机上，照片就会模糊。” 另一方面，如果你选择较短的曝光时间，这样光线被捕捉的速度比我们移动的速度快，那么图像就会很清晰。 “但在那种情况下，图像可能是全黑的或充满噪点，因为在这么短的时间内几乎无法捕捉到任何光线。”

研究人员也面临类似的问题。尽管现在的图像已经很清晰，但由于曝光时间太短，图像所包含的信息太少，无法重建整个微芯片。

为了解决这个问题，研究人员升级了他们的装置，换上了一个更快的探测器，这也是 PSI 开发的。这样他们就可以在每个网格点记录许多图像，每张图像的曝光时间都很短。“数据量非常大，” Aidukas 补充道。当将各个图像加在一起并叠加时，就会产生与使用长曝光时间获得的模糊图像相同的效果。

“你可以把 X 射线束看作是样本上的一个点。我们现在在这个特定点拍摄大量单独的照片，”Aidukas 解释道。由于光束在摆动，每幅图像都会略有变化。“ 在一些图片中，光束处于相同的位置，而在另一些图片中，光束已经移动。我们可以利用这些变化来追踪未知振动引起的光束的实际位置。”接下来要做的是减少数据量。“我们的算法会比较各个图像中光束的位置。如果位置相同，则将它们放在同一组中并加和。” 通过对低曝光图像进行分组，可以增加它们的信息内容。因此，研究人员能够使用大量短曝光图片重建具有高光内容的清晰图像。

新的叠层扫描技术是一种基本方法，也可以在类似的研究设施中使用。该方法不仅限于微芯片，还可以用于其他样品，例如材料科学或生命科学。