新的X射线世界纪录：以4纳米精度观察微芯片内部

PSI与洛桑联邦理工学院、苏黎世联邦理工大学和南加州大学Paul Scherrer研究所的研究人员合作，使用X射线以比以往更高的精度观察微芯片内部。4纳米的图像分辨率创下了新的世界纪录。他们制作的这种高分辨率三维图像将推动信息技术和生命科学的进步

研究人员在最新一期的《自然》杂志上报告了他们的发现

自2010年以来，PSI大分子和生物成像实验室的科学家们一直在开发显微镜方法，目标是产生纳米范围内的三维图像。在他们目前的研究中，他们与EPFL和ETHZ、洛桑和苏黎世的瑞士联邦理工学院以及南加州大学合作，首次成功拍摄了分辨率为4纳米的最先进计算机芯片微芯片的照片，创下了世界纪录

科学家们没有使用目前无法在这个范围内成像的镜头，而是求助于一种称为ptychography的技术，在这种技术中，计算机将许多单独的图像组合在一起，形成一张高分辨率的图片。更短的曝光时间和优化的算法是显著改善他们自己在2017年创造的世界纪录的关键。在他们的实验中，研究人员使用了PSI瑞士光源SLS的X射线

在传统的X射线断层扫描和电子显微镜之间

微芯片是技术的奇迹。如今，每平方毫米可以将超过1亿个晶体管封装到先进的集成电路中，这一趋势还在继续增长。高度自动化的光学系统用于在洁净室中将纳米尺寸的电路迹线蚀刻到硅坯料中

一层又一层被添加和删除，直到完成的芯片，我们智能手机和电脑的大脑，可以被切割和安装。制造过程复杂而精细，对由此产生的结构进行表征和映射也同样困难

虽然扫描电子显微镜的分辨率只有几纳米，因此非常适合对组成电路的微小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

SLS的物理学家Mirko Holler解释说：“电子在材料中的传播距离不够远。”。“为了用这种技术构建三维图像，必须逐层检查芯片，在纳米级别去除单个层——这是一个非常复杂和微妙的过程，也会破坏芯片。”

然而，使用X射线断层扫描可以产生三维和非破坏性的图像，因为X射线可以更深入地穿透材料。该程序类似于医院的CT扫描。旋转样品并从不同角度进行X射线检查。辐射的吸收和散射方式因样品的内部结构而异。探测器记录离开样品的光，算法从中重建最终的3D图像。

“这里我们的分辨率有问题，”Holler解释道。“目前可用的X射线透镜都不能以一种能够分辨这种微小结构的方式聚焦这种辐射。”

心理描记术——虚拟透镜

解决方案是心理描记法。在这种技术中，X射线束不是聚焦在纳米尺度上的；相反，样品在纳米尺度上移动。这位物理学家解释说：“我们的样品被移动，使光束遵循一个精确定义的网格，就像筛子一样。在网格上的每个点上，都记录了衍射图案。”

单个网格点之间的距离小于光束的直径，因此成像区域重叠。这产生了足够的信息，可以在算法的帮助下以高分辨率重建样本图像。重建过程相当于使用虚拟镜头

“自2010年以来，我们一直在稳步完善我们的实验装置和样品定位的准确性。2017年，我们终于成功地对分辨率为15纳米的计算机芯片进行了空间成像，创下了纪录，”Holler回忆道

从那时起，尽管在设置和算法上进行了进一步的优化，但我们的仪器的分辨率保持不变。他补充道：“我们将其延长了一两纳米，但这是我们所能达到的极限。有些东西限制了我们，我们必须找出它是什么。”

寻找限制因素

精心设计的搜索终于在2021年开始。除了Holler和Manuel Guizar Sicairos都参与了第一张唱片外，Tomas Aidukas也加入了该乐队。这位物理学家凭借其编程经验为团队提供了支持，并开发了新的算法，最终帮助他们实现了突破

当研究人员减少曝光时间时，他们发现了第一条线索——衍射图像突然变得更清晰。这使他们得出结论，照射样品的X射线束不稳定，而是以微小的量移动——束在摆动

“这类似于摄影，”Guizar Sicairos解释道。“当你在晚上拍照时，由于黑暗，你会选择长时间曝光。如果你在不使用三脚架的情况下这样做，你的动作会被传输到相机上，照片会变得模糊。”

另一方面，如果你选择短曝光时间，这样光线会比我们移动得更快，那么图像就会很清晰。他补充道：“但在这种情况下，照片可能完全是黑色或嘈杂的，因为在这么短的时间内几乎无法捕捉到光线。”

研究人员也面临着类似的问题。尽管他们的图像现在很清晰，但由于曝光时间短，它们包含的信息太少，无法重建整个微芯片

更短的曝光时间和新的算法

为了解决这个问题，研究人员用PSI开发的更快的探测器升级了他们的设置。这使他们能够在每个网格点记录许多图像，每张图像的曝光时间都很短

“海量的数据，”Aidukas补充道。当将各个图像相加并叠加时，这会导致使用长曝光时间获得的模糊图像相同

Aidukas解释说：“你可以把X射线束看作样品上的一个点。我们现在在这个特定点拍摄了很多单独的照片。”。由于光束摆动，每张图像都会略有变化。“在某些图片中，光束处于相同的位置，而在其他图片中，它已经移动。我们可以使用这些变化来跟踪未知振动引起的光束的实际位置。”

接下来是减少数据量。他补充道：“我们的算法比较了单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相加。”

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照片重建出高光含量的清晰图像

新的心理描记术是一种基本方法，也可用于类似的研究机构。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 More information: Tomas Aidukas et al, High-performance 4-nm-resolution X-ray tomography using burst ptychography, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07615-6

Journal information: Nature