自 2010 年以來(lái)，PSI 大分子和生物成像實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家一直致力于開(kāi)發(fā)顯微成像方法，目的是生成納米級(jí)的三維圖像。在目前的研究中，他們與洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL)、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 (ETHZ) 以及南加州大學(xué)合作，首次成功拍攝了最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)芯片微芯片的圖像，分辨率達(dá)到 4 納米，即 百萬(wàn)分之四毫米，創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。

科學(xué)家們沒(méi)有使用透鏡（目前無(wú)法使用鏡頭拍攝此范圍內(nèi)的圖像），而是采用了一種稱(chēng)為 疊層成像 ptychography 的技術(shù)，即通過(guò)計(jì)算機(jī)將許多單獨(dú)的圖像組合起來(lái)以創(chuàng)建一張高分辨率圖片。更短的曝光時(shí)間和優(yōu)化的算法是此次顯著提高由他們?cè)?2017 年創(chuàng)下的世界紀(jì)錄的關(guān)鍵因素。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了 PSI 瑞士光源 SLS 發(fā)出的 X 射線，并由瑞士XRnanotech提供的FZP聚焦。

微芯片是科技的奇跡。如今，先進(jìn)的集成電路中每平方毫米可以容納超過(guò) 1 億個(gè)晶體管，這一趨勢(shì)還在不斷增長(zhǎng)。高度自動(dòng)化的光學(xué)系統(tǒng)用于在潔凈室中將納米級(jí)電路跡線蝕刻到硅坯中。一層又一層地添加和移除，直到完成芯片（智能手機(jī)和電腦的大腦）可以被切割和安裝。制造過(guò)程繁瑣復(fù)雜，表征和繪制最終結(jié)構(gòu)也同樣困難。

掃描電子顯微鏡有幾納米的分辨率，因此非常適合對(duì)構(gòu)成電路的微型晶體管和金屬互連進(jìn)行成像，但它們只能產(chǎn)生表面的二維圖像。“電子在材料中傳播得不夠遠(yuǎn)，” SLS 的物理學(xué)家 Mirko Holler 解釋道?！耙眠@種技術(shù)構(gòu)建三維圖像，必須逐層檢查芯片，在納米級(jí)別去除各個(gè)層——這是一個(gè)非常復(fù)雜和精細(xì)的過(guò)程，而且會(huì)破壞芯片?！?/p>

然而，使用 X 射線斷層掃描可以生成三維和無(wú)損圖像，因?yàn)?X 射線可以穿透材料更深，這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于醫(yī)院的 CT 掃描。樣品被旋轉(zhuǎn)并從不同角度進(jìn)行 X 射線照射，輻射的吸收和散射方式各不相同，這取決于樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。探測(cè)器記錄離開(kāi)樣品的光，然后算法從中重建最終的 3D 圖像?！斑@里我們遇到了分辨率問(wèn)題，” Mirko Holler 解釋說(shuō)，“目前可用的 X 射線鏡頭都無(wú)法以分辨如此微小結(jié)構(gòu)的方式聚焦這種輻射。”

解決方案是疊層成像。在這種技術(shù)中，不是將X射線束聚焦在納米尺度上，而是使樣品在納米尺度上移動(dòng)?！拔覀兊臉悠繁灰苿?dòng)，使得光束遵循精確定義的網(wǎng)格——就像篩子一樣。在網(wǎng)格上的每個(gè)點(diǎn)，都會(huì)記錄衍射圖案，” 物理學(xué)家解釋說(shuō)。各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)之間的距離小于光束的直徑，因此成像區(qū)域會(huì)重疊。這會(huì)產(chǎn)生足夠的信息，以便在算法的幫助下以高分辨率重建樣品圖像。重建過(guò)程就像使用虛擬鏡頭一樣。

“自 2010 年以來(lái)，我們一直在不斷完善實(shí)驗(yàn)裝置和樣品定位的精度。2017 年，我們終于成功對(duì)計(jì)算機(jī)芯片進(jìn)行了空間成像，分辨率達(dá)到 15 納米——?jiǎng)?chuàng)下了紀(jì)錄，” Holler 回憶道。從那時(shí)起，盡管裝置和算法進(jìn)一步優(yōu)化，但我們儀器的分辨率一直保持不變?！拔覀儗⑵溲由斓搅艘坏絻杉{米，但這是我們能達(dá)到的極限。有些東西限制了我們，我們必須找出它是什么。”

這項(xiàng)精心的研究終于在在2021 年由瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始。除了參與了第一次記錄的 Mirko Holler 和 Manuel Guizar-Sicairos 之外，Tomas Aidukas 也加入了該小組。這位物理學(xué)家用他的編程經(jīng)驗(yàn)支持團(tuán)隊(duì)并開(kāi)發(fā)了新的算法，最終幫助他們?nèi)〉昧送黄啤?/p>

研究人員在減少曝光時(shí)間時(shí)找到了他們的第一個(gè)線索——衍射圖像突然變得更清晰了。這讓他們得出結(jié)論，照射樣品的 X 射線束并不穩(wěn)定，而是發(fā)生了微小的移動(dòng)——光束在擺動(dòng)。“這類(lèi)似于攝影，” Guizar-Sicairos 解釋說(shuō)?！爱?dāng)你在晚上拍照時(shí)，你會(huì)因?yàn)楹诎刀x擇長(zhǎng)時(shí)間曝光。如果你不使用三腳架這樣做，你的動(dòng)作就會(huì)傳輸?shù)较鄼C(jī)上，照片就會(huì)模糊?！?另一方面，如果你選擇較短的曝光時(shí)間，這樣光線被捕捉的速度比我們移動(dòng)的速度快，那么圖像就會(huì)很清晰。 “但在那種情況下，圖像可能是全黑的或充滿噪點(diǎn)，因?yàn)樵谶@么短的時(shí)間內(nèi)幾乎無(wú)法捕捉到任何光線?！?/p>

研究人員也面臨類(lèi)似的問(wèn)題。盡管現(xiàn)在的圖像已經(jīng)很清晰，但由于曝光時(shí)間太短，圖像所包含的信息太少，無(wú)法重建整個(gè)微芯片。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員升級(jí)了他們的裝置，換上了一個(gè)更快的探測(cè)器，這也是 PSI 開(kāi)發(fā)的。這樣他們就可以在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)記錄許多圖像，每張圖像的曝光時(shí)間都很短?！皵?shù)據(jù)量非常大，” Aidukas 補(bǔ)充道。當(dāng)將各個(gè)圖像加在一起并疊加時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生與使用長(zhǎng)曝光時(shí)間獲得的模糊圖像相同的效果。

“你可以把 X 射線束看作是樣本上的一個(gè)點(diǎn)。我們現(xiàn)在在這個(gè)特定點(diǎn)拍攝大量單獨(dú)的照片，”Aidukas 解釋道。由于光束在擺動(dòng)，每幅圖像都會(huì)略有變化?！?在一些圖片中，光束處于相同的位置，而在另一些圖片中，光束已經(jīng)移動(dòng)。我們可以利用這些變化來(lái)追蹤未知振動(dòng)引起的光束的實(shí)際位置。”接下來(lái)要做的是減少數(shù)據(jù)量?！拔覀兊乃惴〞?huì)比較各個(gè)圖像中光束的位置。如果位置相同，則將它們放在同一組中并加和。” 通過(guò)對(duì)低曝光圖像進(jìn)行分組，可以增加它們的信息內(nèi)容。因此，研究人員能夠使用大量短曝光圖片重建具有高光內(nèi)容的清晰圖像。

新的疊層掃描技術(shù)是一種基本方法，也可以在類(lèi)似的研究設(shè)施中使用。該方法不僅限于微芯片，還可以用于其他樣品，例如材料科學(xué)或生命科學(xué)。

文本：Paul Scherrer Institute PSI/Benjamin A. Senn

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瑞士XRnanotech源自瑞士PSI，專(zhuān)注于研究納米結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)和制造最具創(chuàng)新性的X射線光學(xué)器件。XRnanotech 制造的菲涅耳波帶片分辨率可低至<10nm，憑借獨(dú)特的 Ir-線倍增技術(shù)，可以獲得精確到4nm的X射線束聚焦，這使得 XRnanotech 成為 X 射線透鏡世界紀(jì)錄保持者。

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