原子級芯片對準！激光全息圖可能徹底改變 3D 芯片制造
2025-04-16 11:38:27 EETOP馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員開發了一種對準 3D 半導體芯片的新方法，方法是將激光照射穿過芯片上圖案的同心超透鏡，從而創建全息圖。他們的工作發表在《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發，并為經濟實惠的緊湊型傳感器技術打開大門。
半導體芯片通過使電子設備能夠處理、存儲和傳輸信息來為它們提供動力。這些功能依賴于芯片中嵌入的元件的精確模式。然而，傳統的 2D 芯片設計已經達到了其技術潛力的極限，而 3D 集成現在被視為最有前途的前進道路。
模擬和測量不同大小的橫向錯位，從 150 nm 到 1 微米（或 1,000 nm）
為了構建 3D 芯片，需要將多個 2D 芯片堆疊在一起。它們的層必須以極高的精度對齊，精確到幾十納米。此對齊必須在所有三個維度上進行：從前到后、從一側到另一側以及層之間的垂直距離（稱為 x、y 和 z 軸）。
傳統對齊的局限性
“對齊兩層的傳統方法是用顯微鏡觀察兩層上的標記（通常是角或十字準線），并嘗試將它們重疊，”馬薩諸塞大學阿默斯特分校電氣與計算機工程副教授、該論文的資深作者 Amir Arbabi 解釋說。
[左]半導體層使用同心超透鏡作為對準標記進行堆疊。[右]光線穿過這些標記以投影全息影像。鏡片的對齊或錯位決定了全息影像的外觀。
現有的基于顯微鏡的對準方法不適合制造這些 3D 芯片。“顯微鏡無法同時看到聚焦中的兩個十字準線，因為層之間的間隙為數百微米，并且層之間重新聚焦的運動為芯片移動和進一步錯位提供了機會，”博士生、該論文的主要作者 Maryam Ghahremani 說。此外，“您可以分辨的最小特征由衍射極限設置，約為 200 納米，”她補充道。
兩層間隙中不同大小錯位的模擬和測量結果，從 1 微米（或 1,000 納米）到 3 μm。圖片來源：Amir Arbabi
納米級檢測的突破
Arbabi 和他的團隊創建的新對齊方法沒有移動部件，可以在更小的比例尺下看到兩個遙遠的層之間的錯位。研究人員希望達到 100 納米的精度。相反，他們的方法沿側向測量（x 軸和 y 軸）發現高達 0.017 nm 的誤差，在評估兩個芯片之間的距離（z 軸）時發現高達 0.134 nm 的誤差。
“考慮一下你有兩個對象。通過觀察穿過它們的光線，我們可以看到一個相對于另一個是否移動了一個原子的大小，“Arbabi 說，這遠遠超出了他們的預期。肉眼可以發現小到幾納米的誤差，計算機可以讀取更小的誤差。
計算機可以讀取肉眼無法檢測到的錯位，如這個 10 nm 橫向錯位所示
為了實現這一目標，他們在半導體芯片上嵌入了由同心超透鏡制成的對準標記。當激光發出的光穿過兩個芯片上的這些標記時，它會投射出兩個相互干擾的全息圖。“該干涉圖像顯示了芯片是否對齊，以及它們錯位的方向和數量，”Ghahremani 說。
“對于一些從事半導體工具制造的公司來說，[芯片對準] 是一項巨大且代價高昂的挑戰，”Arbabi 說。“我們的方法解決了制造它們的挑戰之一。”較低的成本也增加了希望利用半導體進行創新的小型初創公司獲得這項技術的機會。
Arbabi 還指出，這種方法可用于制造可用于測量位移和其他量的位移傳感器。“你想要檢測的許多物理量都可以轉化為位移，你唯一需要的是一個簡單的激光器和一個相機，”他說。例如，“如果你想要一個壓力傳感器，你可以測量膜的運動。理論上，任何涉及運動的東西——振動、熱量、加速度——都可以通過這種方法進行跟蹤。
