Computertomographie: Ein Blick in den Chip

Wer in einen Chip hineinschauen will, schleift ihn normalerweise ab. Mit Röntgenstrahlen und Rechenleistung geht das auch zerstörungsfrei.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Unten die Transistoren, oben die Leiter: prinzipieller Aufbau eines Chips.
Unten die Transistoren, oben die Leiter: prinzipieller Aufbau eines Chips. (Bild: Intel)

Es gibt viele Gründe, den inneren Aufbau eines Chips untersuchen zu wollen: zur Fehleranalyse, um sicherzustellen, dass nicht heimlich zusätzliche Schaltungen ergänzt wurden oder zum Reverse Engineering. Bislang bedeutet der Blick ins Innere jedoch auch die Zerstörung des Chips. In der aktuellen Ausgabe des IEEE Spectrum berichtet nun ein Forschungsteam aus Kalifornien und der Schweiz, wie es den Aufbau mit Röntgenstrahlen sichtbar macht.

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Aktueller Stand der Technik ist, schichtweise Material abzuschleifen oder wegzuätzen. Dann kommen die metallischen Verbindungen (Metal Layer) zum Vorschein und können mikroskopisch aufgezeichnet werden. Das Forschungsteam um die Professoren Gabriel Aeppli vom Paul Scherer Institut (PSI) in der Schweiz und Anthony Levi von der University of Southern California nutzt stattdessen eine Variante der Computertomographie (CT).

Das entwickelte Verfahren wurde ptychographische Röntgenlaminographie getauft und erstellt ein dreidimensionales Bild der elektrischen Leiter im Chip. Deren Aufbau verrät die Funktion der einzelnen Komponenten sowie ihre Verschaltung. Das Silizium einfach zu durchleuchten, reicht dafür nicht: Auf dem entstehenden Bild wäre kaum etwas zu erkennen, da viele Leiterschichten übereinander liegen.

Interferenzen, viele Bilder und Rechenleistung

Um die Leiter dreidimensional abbilden zu können, werden wie bei der medizinischen CT Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln gemacht. Aus ihnen werden die inneren Strukturen berechnet. Da die abzubildenden Strukturen viel kleiner sind als menschliche Organe, wird allerdings mit Interferenzen gearbeitet. Diese entstehen, da die Röntgenstrahlung von den Leitern und Spalten zwischen ihnen gebeugt wird.

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Der zu untersuchende Chip ist auf einer beweglichen Aufnahmevorrichtung montiert. Damit wird ein Punkt des Chips aus verschiedenen Winkeln bestrahlt und die entstehenden Interferenzmuster aufgezeichnet. Aus deren Veränderung in Abhängigkeit vom Winkel wird mittels Ptychographie die dort vorhandene Leiterstruktur berechnet. Das Ergebnis zeigt das Video oben. Um einen Bereich zu untersuchen, müssen mehrere überlappende Punkte auf diese Weise abgetastet werden.

Jeder der untersuchten Punkte hat einen Durchmesser von lediglich 2μm. Je höher die gewünschte Auflösung, desto mehr Punkte müssen abgetastet werden. Jeder Punkt muss zudem einige Zeit bestrahlt werden, um verwertbare Daten zu erhalten. Das führt dazu, dass die Untersuchung selbst kleiner Bereiche mit der aktuellen Technik Tage dauert - 30 Stunden für ein Quadrat mit 0,3mm Kantenlänge bei 500nm Auflösung, 60 Stunden für 40μm Kantenlänge bei 19 nm Auflösung.

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Großes Röntgengerät für kleine Strukturen

Die verwendete Quelle für die Röntgenstrahlung ist kein gewöhnliches Gerät. Zum Einsatz kam die Swiss Light Source, ein Synchrotron. Es erzeugt kohärente Röntgenstrahlung, die die Interferenzanalyse überhaupt erst möglich macht. Theoretisch können mit dem aktuellen Aufbau Auflösungen von 2nm erreicht werden. Dies würde allerdings extrem lange dauern, da sehr viele Punkte bestrahlt werden müssen. Um praktikabel zu sein, ist eine höhere Bestrahlungsstärke erforderlich.

Neue Entwicklungen in der Röntgenoptik sollen diese um den Faktor 10.000 steigern. Damit sollen Chips mit einem Quadratzentimeter Fläche bei einer Auflösung von 250nm in weniger als 30 Stunden vollständig abbildbar sein. Als Beispiel wird Apples M1 genannt. Zudem könnten Optimierungen der Algorithmen und eine bessere Stabilisierung des Röntgenstrahls die Analyse weiter beschleunigen. In den meisten Fällen jedoch wird Schleifen oder Ätzen vorerst wohl weiterhin erste Wahl bleiben.

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kalle43 10. Mai 2022

Beeindruckende Bilder! Die Metallverbindungen scheinen im Video hohl zu sein, z.B. bei 25...

jhi (Golem.de) 03. Mai 2022

Genau, da geht es darum, erst einmal einen Überblick zu gewinnen. Zum Reverse Engineering...



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