马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员开发了一种新的对准3D半导体芯片的方法，该方法使用激光和全息图来检测小至0.017纳米的错位。即通过用激光照射芯片上图案化的同心超透镜，从而生成全息图。他们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上，可以显著降低2D芯片的制造成本，支持3D光子和电子芯片的开发，并为经济实惠的紧凑型传感器技术打开大门。

半导体芯片通过赋能电子设备处理、存储和传输信息，为电子设备提供动力。这些功能依赖于芯片中嵌入元件的精确图案。然而，传统的二维芯片设计已达到其技术潜力的极限，而三维集成如今被视为最有前景的未来发展方向。


不同尺寸横向错位的模拟和测量结果，范围从150纳米到1微米（或1，000纳米）。图片来源：AmirArbabi

要构建3D芯片，需要将多个2D芯片堆叠在一起。这些芯片的层必须以极高的精度对齐，精度可达几十纳米。这种对齐必须在三个维度上进行：前后、左右以及层与层之间的垂直距离（称为x、y和z轴）。

“对齐两层的传统方法是用显微镜寻找两层上的标记（通常是角或十字线）并尝试将它们重叠，”马萨诸塞大学阿默斯特分校电气与计算机工程副教授兼论文高级作者阿米尔·阿尔巴比(AmirArbabi)解释道。


[左]半导体层利用同心超透镜作为对准标记进行堆叠。[右]光线穿过这些标记投射出全息图。透镜的对准与错位决定了全息图的外观。图片来源：AmirArbabi

现有的基于显微镜的对准方法不适合制造这些3D芯片。

“显微镜无法同时清晰地看到两个十字线，因为层与层之间的间隙高达数百微米，而层与层之间重新聚焦的运动会导致芯片发生移动，进一步错位。”博士生兼论文第一作者MaryamGhahremani说道。此外，“能够分辨的最小特征由衍射极限决定，约为200纳米。”她补充道。


两层间隙错位尺寸不同（从1微米（或1，000纳米）到3微米）的模拟和测量结果。图片来源：AmirArbabi

Arbabi及其团队发明的全新对准方法无需移动部件，能够以更小的尺度测量远距离层之间的错位。研究人员原本希望达到100纳米的精度。然而，他们的方法在左右测量（x轴和y轴）时，误差高达0.017纳米，在评估两个芯片之间的距离（z轴）时，误差高达0.134纳米。

“假设有两个物体。通过观察穿过它们的光线，我们可以看到其中一个物体相对于另一个物体是否移动了一个原子大小，”阿尔巴比说道，这远远超出了他们的预期。肉眼可以发现小至几纳米的误差，而计算机甚至可以读取更小的误差。


计算机可以读取肉眼无法察觉的错位，例如这幅10纳米的横向错位。图片来源：AmirArbabi

为了实现这一目标，他们在半导体芯片上嵌入了由同心超透镜制成的对准标记。当激光穿过两个芯片上的这些标记时，会投射出两幅干涉全息图。“这张干涉图像可以显示芯片是否对准，以及它们错位的方向和程度，”Ghahremani说道。

“对于一些从事半导体设备制造的公司来说，芯片对准是一项巨大且成本高昂的挑战，”Arbabi说道，“我们的方法解决了制造过程中的一项挑战。”较低的成本也增加了寻求半导体创新的小型初创公司获得这项技术的机会。

Arbabi还指出，这种方法可以用来制作位移传感器，用于测量位移和其他物理量。“很多你想检测的物理量都可以转换成位移，你只需要一个简单的激光器和一台相机，”他说。例如，“如果你想要一个压力传感器，你可以测量膜的运动。”理论上，任何涉及运动的事物——振动、热量、加速度——都可以用这种方法追踪。

编译自/scitechdaily