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馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種對(duì)準(zhǔn) 3D 半導(dǎo)體芯片的新方法，方法是將激光照射穿過(guò)芯片上圖案的同心超透鏡，從而創(chuàng)建全息圖。他們的工作發(fā)表在《自然通訊》上，可以顯著降低 2D 芯片的制造成本，支持 3D 光子和電子芯片的開(kāi)發(fā)，并為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的緊湊型傳感器技術(shù)打開(kāi)大門(mén)。

半導(dǎo)體芯片通過(guò)使電子設(shè)備能夠處理、存儲(chǔ)和傳輸信息來(lái)為它們提供動(dòng)力。這些功能依賴(lài)于芯片中嵌入的元件的精確模式。然而，傳統(tǒng)的 2D 芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了其技術(shù)潛力的極限，而 3D 集成現(xiàn)在被視為最有前途的前進(jìn)道路。

模擬和測(cè)量不同大小的橫向錯(cuò)位，從 150 nm 到 1 微米（或 1,000 nm）

為了構(gòu)建 3D 芯片，需要將多個(gè) 2D 芯片堆疊在一起。它們的層必須以極高的精度對(duì)齊，精確到幾十納米。此對(duì)齊必須在所有三個(gè)維度上進(jìn)行：從前到后、從一側(cè)到另一側(cè)以及層之間的垂直距離（稱(chēng)為 x、y 和 z 軸）。

傳統(tǒng)對(duì)齊的局限性

“對(duì)齊兩層的傳統(tǒng)方法是用顯微鏡觀察兩層上的標(biāo)記（通常是角或十字準(zhǔn)線(xiàn)），并嘗試將它們重疊，”馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授、該論文的資深作者 Amir Arbabi 解釋說(shuō)。

[左]半導(dǎo)體層使用同心超透鏡作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行堆疊。[右]光線(xiàn)穿過(guò)這些標(biāo)記以投影全息影像。鏡片的對(duì)齊或錯(cuò)位決定了全息影像的外觀。

現(xiàn)有的基于顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)方法不適合制造這些 3D 芯片。“顯微鏡無(wú)法同時(shí)看到聚焦中的兩個(gè)十字準(zhǔn)線(xiàn)，因?yàn)閷又g的間隙為數(shù)百微米，并且層之間重新聚焦的運(yùn)動(dòng)為芯片移動(dòng)和進(jìn)一步錯(cuò)位提供了機(jī)會(huì)，”博士生、該論文的主要作者 Maryam Ghahremani 說(shuō)。此外，“您可以分辨的最小特征由衍射極限設(shè)置，約為 200 納米，”她補(bǔ)充道。

兩層間隙中不同大小錯(cuò)位的模擬和測(cè)量結(jié)果，從 1 微米（或 1,000 納米）到 3 μm。圖片來(lái)源：Amir Arbabi

納米級(jí)檢測(cè)的突破

Arbabi 和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的新對(duì)齊方法沒(méi)有移動(dòng)部件，可以在更小的比例尺下看到兩個(gè)遙遠(yuǎn)的層之間的錯(cuò)位。研究人員希望達(dá)到 100 納米的精度。相反，他們的方法沿側(cè)向測(cè)量（x 軸和 y 軸）發(fā)現(xiàn)高達(dá) 0.017 nm 的誤差，在評(píng)估兩個(gè)芯片之間的距離（z 軸）時(shí)發(fā)現(xiàn)高達(dá) 0.134 nm 的誤差。

“考慮一下你有兩個(gè)對(duì)象。通過(guò)觀察穿過(guò)它們的光線(xiàn)，我們可以看到一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)是否移動(dòng)了一個(gè)原子的大小，“Arbabi 說(shuō)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他們的預(yù)期。肉眼可以發(fā)現(xiàn)小到幾納米的誤差，計(jì)算機(jī)可以讀取更小的誤差。

計(jì)算機(jī)可以讀取肉眼無(wú)法檢測(cè)到的錯(cuò)位，如這個(gè) 10 nm 橫向錯(cuò)位所示

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們?cè)?a href="http://www.xebio.com.cn/semi" target="_blank" class="keylink">半導(dǎo)體芯片上嵌入了由同心超透鏡制成的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。當(dāng)激光發(fā)出的光穿過(guò)兩個(gè)芯片上的這些標(biāo)記時(shí)，它會(huì)投射出兩個(gè)相互干擾的全息圖。“該干涉圖像顯示了芯片是否對(duì)齊，以及它們錯(cuò)位的方向和數(shù)量，”Ghahremani 說(shuō)。

“對(duì)于一些從事半導(dǎo)體工具制造的公司來(lái)說(shuō)，[芯片對(duì)準(zhǔn)] 是一項(xiàng)巨大且代價(jià)高昂的挑戰(zhàn)，”Arbabi 說(shuō)。“我們的方法解決了制造它們的挑戰(zhàn)之一。”較低的成本也增加了希望利用半導(dǎo)體進(jìn)行創(chuàng)新的小型初創(chuàng)公司獲得這項(xiàng)技術(shù)的機(jī)會(huì)。

Arbabi 還指出，這種方法可用于制造可用于測(cè)量位移和其他量的位移傳感器。“你想要檢測(cè)的許多物理量都可以轉(zhuǎn)化為位移，你唯一需要的是一個(gè)簡(jiǎn)單的激光器和一個(gè)相機(jī)，”他說(shuō)。例如，“如果你想要一個(gè)壓力傳感器，你可以測(cè)量膜的運(yùn)動(dòng)。理論上，任何涉及運(yùn)動(dòng)的東西——振動(dòng)、熱量、加速度——都可以通過(guò)這種方法進(jìn)行跟蹤。