这种方法使用激光和全息图来检测小至0.017纳米的错位。

马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员开发了一种新方法，通过向芯片上刻有同心金属透镜的图案照射激光以产生全息图，从而对三维半导体芯片进行对准。相关研究成果发表于《自然·通讯》上，这项技术有望大幅降低二维芯片的制造成本，推动三维光子芯片和电子芯片的发展，并为经济实惠、体积小巧的传感器技术开辟道路。

半导体芯片使电子设备能够处理、存储和传输信息，从而为电子设备供电。这些功能依赖于芯片中嵌入的组件的精确图案。然而，传统的二维芯片设计已达到其技术潜力的极限，而三维集成技术现在被视为最有前途的发展方向。

要制造3D芯片，需要将几个2D芯片堆叠在一起。它们的层必须对齐到极高的精度，误差必须控制在几十纳米以内。这种对齐必须在所有三个维度上都实现：前后、左右以及层与层之间的垂直距离（即x、y和z轴）。

传统对齐方式的局限性

“对齐两层结构的传统方法是使用显微镜观察两层上的标记（通常是角落或十字准线），并尝试将它们重叠，”马萨诸塞大学阿默斯特分校（UMass Amherst）电气与计算机工程副教授兼本文资深作者阿米尔·阿巴比（Amir Arbabi）解释道。

“显微镜无法同时清晰地看到两个十字准线，因为层与层之间的间隔有数百微米，层与层之间重新对焦的运动会产生芯片移位和进一步错位的机会，”论文的主要作者玛丽亚姆·加赫拉曼尼（Maryam Ghahremani）说道，她是一名在读博士生。她补充道：“你能分辨出的最小特征由衍射极限决定，大约是200纳米。”

纳米级检测取得突破

Arbabi及其团队所开发的新型校准方法无需任何移动部件，并且能够以更小的规模发现两个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。但事实证明，他们的方法在横向测量（x轴和y轴）上的误差小至0.017纳米，在评估两块芯片之间的距离（z轴）时的误差小至0.134纳米。

“假设你有两个物体。通过观察穿过它们的光线，我们能够看出其中一个相对于另一个是否移动了一个原子的距离，”阿尔巴比说道，这远远超出了他们的预期。肉眼就能发现小到几纳米的误差，而计算机甚至能读出更小的误差。

为了实现这一点，他们在半导体芯片上嵌入了由同心金属微透镜组成的对准标记。当激光照射到两块芯片上的这些标记时，会投射出两个相互干涉的全息图。“该干涉图像可以显示芯片是否对准，以及未对准的方向和程度，”加赫拉曼尼（Ghahremani）说。

“（芯片对准）对于一些生产半导体设备的公司来说，是一项艰巨且耗资巨大的挑战，”阿尔巴比说道。“我们的方法解决了制造过程中的一项挑战。”此外，降低成本也能使这项技术更易被那些寻求半导体创新的小型初创公司所获得。

阿尔巴比还指出，该方法可用于制造位移传感器，用以测量位移和其他量。“许多你想要检测的物理量都可以转化为位移，而你所需要的只是一个简单的激光器和一台摄像机。”他说。例如，“如果你想要一个压力传感器，你可以测量膜片的运动。”任何涉及运动——振动、热量、加速度——的物体，理论上都可以通过这种方法进行追踪。

参考文献：《使用超表面实现远场图案的深亚波长精度三维对准》，作者：玛丽亚姆·加赫拉曼尼、安德鲁·麦克朗、巴巴克·米尔扎普尔·贝内卡莱及阿米尔·阿巴比，2024年10月14日，发表于《自然·通讯》。数字对象唯一标识符：10.1038/s41467-024-53219-z

资金来源：美国国家科学基金会