在与洛桑联邦理工学院、苏黎世联邦理工学院和南加州大学保罗谢尔研究所 (PSI) 的合作下，研究人员利用 X 射线以前所未有的精度查看了微芯片内部。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发展。

新的 X 射线世界纪录以 4 纳米的精度观察微芯片内部

研究人员在最新一期的《自然》杂志上报告了他们的研究成果。

自 2010 年以来，PSI 大分子和生物成像实验室的科学家一直在开发显微镜方法，目的是生成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、瑞士洛桑和苏黎世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 纳米的最先进的计算机芯片微芯片的照片，创下了世界纪录。

科学家们没有使用镜头(因为目前无法用镜头拍摄这种范围的图像)，而是采用了一种称为叠层成像的技术，即计算机将许多单独的图像组合起来，以创建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提高他们在 2017 年创下的世界纪录的关键。在实验中，研究人员使用了 PSI 的瑞士光源 SLS 发出的 X 射线。

传统 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，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片上。

芯片是智能手机和电脑的大脑，需要一层又一层地添加和移除，直到芯片成品可以被切割和安装。制造过程非常复杂，而表征和绘制最终结构也同样困难。

虽然扫描电子显微镜的分辨率为几纳米，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。

“电子无法深入材料内部足够深的地方，”SLS 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，而且会损坏芯片。”

然而，使用 X 射线断层扫描可以生成三维和非破坏性图像，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，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，”霍勒解释道。“目前市面上没有一种 X 射线透镜能够聚焦这种辐射，以便分辨出如此微小的结构。”

叠层摄影——虚拟镜头

解决方案是叠层衍射技术。在这项技术中，X 射线束不会聚焦在纳米尺度上;相反，样品会以纳米尺度移动。“我们的样品移动方式是，光束会沿着精确定义的网格移动——就像筛子一样。网格上的每个点都会记录一个衍射图案，”物理学家解释道。

各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确度。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，”霍勒回忆道。

从那时起，尽管在设置和算法方面进行了进一步优化，但我们仪器的分辨率一直保持不变。“我们将其扩展了一到两纳米，但这是我们能做到的极限。有些东西限制了我们，我们必须找出它是什么，”他补充道。

寻找限制因素

精心的搜寻终于在 2021 年开始。除了参与了第一项记录的 Holler 和 Manuel Guizar-Sicairos 之外，Tomas Aidukas 也加入了该团队。这位物理学家利用自己的编程经验支持团队，开发了新的算法，最终帮助他们取得了突破。

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。这让他们得出结论，照射样品的 X 射线束并不稳定，而是以微小的量移动——光束在摆动。

“这类似于摄影，”Guizar-Sicairos 解释道。“当你在夜间拍照时，你会选择长时间曝光，因为天很黑。如果你不使用三脚架，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。“但在这种情况下，图片可能会完全是黑色或嘈杂的，因为在这么短的时间内几乎没有光线可以捕捉到，”他补充道。

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。

更短的曝光时间和新的算法

为了解决这个问题，研究人员升级了他们的装置，使用同样由 PSI 开发的更快的探测器。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。

“这是海量的数据，”Aidukas 补充道。当将各个图像相加并叠加时，结果就是使用长曝光时间获得的模糊图像。

“你可以把 X 射线束看作是样品上的一个点。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。”

接下来要做的就是减少数据量。“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添加到总和中，”他补充道。

通过对低曝光图像进行分组，可以增加其信息量。因此，研究人员能够使用大量短曝光图片重建具有高光含量的清晰图像。

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。