Imagen 3D no invasiva de microchips hasta la nanoescala

Dibujo20170316 3D imaging for microchips 543325a-i1

Los microchips actuales se fabrican a escala nanométrica. La pticografía-tomografía de rayos-X computerizada (PXCT) permite obtener imágenes 3D del interior del circuito integrado. Se publica en Nature el último avances en PXCT de alta resolución, que alcanza una resolución inferior a 14,6 nanómetros para microchips fabricados con tecnología de 22 nanómetros. La técnica PXCT en este contexto tiene como aplicación fundamental el control de calidad de la fabricación de estos microchips.

Las técnicas usuales para visualizar en 3D la calidad de la fabricación de un microchip son destructivas e ineficientes. Por ello su uso es poco habitual en el control de calidad de fabricación. La pticografía de rayos X se basa en el patrón de difracción que se observa al iluminar el chip usando rayos X no destructivos. El análisis se realiza píxel a píxel, luego es lento y requiere una reconstrucción posterior de la imagen vía software. Sin embargo, los resultados son realmente espectaculares, como muestra el vídeo de youtube más abajo.

El artículo es Mirko Holler, Manuel Guizar-Sicairos, …, Gabriel Aeppli, “High-resolution non-destructive three-dimensional imaging of integrated circuits,” Nature 543: 402–406 (16 Mar 2017), doi: 10.1038/nature21698; un resumen breve en Ryan Wilkinson, “Applied physics: 3D imaging for microchips,” Nature 543: 325 (16 Mar 2017), doi: 10.1038/543325a.

Este espectacular vídeo ilustra la calidad de las imágenes que se logran con la técnica PXCT. Hoy en día la fabricación 3D de microchips, en los que fabrican múltiples capas unas encima de otras. La microscopia electrónica, de efecto túnel o de fuerza atómica solo permite una imagen de alta precisión de la capa más externa. Los rayos X con energías de 6 keV, que tienen una longitud de onda de 2 Å (0,2 nm), son ideales para obtener una imagen 3D del interior de un microchip ya fabricado. Sin embargo, hasta ahora no se han logrado los avances en las fuentes sincrotrón de dichos rayos X, en las lentes para focalizarlos y las técnicas de análisis de imagen necesarias. Una combinación de todos estos avances ha dado lugar a la técnica PXCT que ahora se publica en Nature.

Dibujo20170316 Measurement principles of PXCT nature21698-f1

Las imágenes tomográficas (plano a plano) obtenidas con pticografía de rayos X se logran tomando una muestra del circuito de unos 10 micrómetros de diámetro que se coloca en la punta de un pilar (figura a). Esta pilar está en una plataforma rotatoria (figura b) sobre la que inciden los rayos X. El punto focal (figura c) determina la resolución espacial que se puede lograr. Dicho píxel se va moviendo por la imagen (los puntos azules de la figura d). El tiempo de exposición es de una décima de segundo. El patrón de difracción obtenido para cada píxel es analizado por un software específico que obtiene la reconstrucción de la imagen completa. Esta reconstrucción es más precisa si se conocen los materiales con los que ha sido fabricado el chip para poder identificarlos usando los patrones de difracción correspondientes.

Dibujo20170316 PXCT of detector ASIC chip nature21698-f2

En el nuevo trabajo se han obtenido imágenes PXCT de varios circuitos integrados. Esta figura muestra un circuito integrado ASIC fabricado con tecnología CMOS a 110 nm que se usa como sensor de luz láser y de rayos X. Está fabricado con ocho capas, con conexiones metálicas dentro de cada capa y entre diferentes capas. Muchos materiales diferentes se encuentran en este circuito, como aluminio (Al), titanio (Ti) o wolframio (W).

Dibujo20170316 Imaging a set-reset latch detector ASIC chip nature21698-f3

Las imágenes 3D permiten realizar una reconstrucción detallada de los circuitos. Esta imagen muestra un circuito con dos puertas NOR (diagrama lógica en la figura a), el modelo usando transistores (circuito en la figura b), la imagen (coloreada) obtenida por la técnica PCXT (figura c) y la reconstrucción tridimensional correspondiente (figura d). El vídeo youtube de más arriba muestra también este circuito.

Dibujo20170316 PXCT imaging of Intel processor nature21698-f4

También se ha reconstruido la imagen 3D de parte de un procesador Intel Pentium G3260, fabricado con tecnología de 22 nm. En este caso los autores del artículo desconocen el diseño íntimo del dispositivo (secreto industrial de Intel). Gracias a la resolución de 14,6 nm se logra una reconstrucción bastante precisa de los transistores multipuerta de tipo FinFET. La resolución espacial que se logra es muy alta, aunque el sistema de tomas de imágenes es bastante lento. Se requieren importantes avances en las fuentes de rayos X para lograr un incremento importante de la velocidad de toma de imágenes.

En resumen, la pticografía-tomografía de rayos X es una técnica muy prometedora para la inspección de chips durante la fase de control de calidad. Futuros avances lograrán mejores resoluciones espaciales (por debajo de 10 nm) e importantes avances en la velocidad de adquisición de imágenes (el prototipo desarrollado está lejos de lo que la industria exige). Su coste es alto, luego su uso se espera en aplicaciones críticas, como la medicina o la aeronáutica, donde la calidad de los chips tiene que ser óptima.


2 Comentarios

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GuillermoGuillermo

Impresionante!

Terrible herramienta para hacer ingeniería inversa.

Excelente como siempre Francis.

notengoniideanotengoniidea

Nah, para hacer ingeniería inversa esto es muy caro y muy lento, tal como dice Francis esto más bien es para control de calidad, ya que no hace falta destruir el microchip.

Para hacer ingeniería inversa compran unos cuantos lotes del mismo chip y los empiezan a desmontar capa por capa, seguramente grabando todo el proceso y haciendo modelos 3D.

Mira lo que hacen grupos de amiguetes con los chips protegidos de los cartuchos de videoconsolas, arcades, etc…

https://www.youtube.com/watch?v=HwEdqAb2l50

¿Qué no harán AMD e INTEL con los chips de la competencia? seguro que tienen divisiones enteras dedicadas a destripar en cuestión de días cualquier chip que salga al mercado.

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