該方法利用激光和全息圖檢測小至0.017納米的錯位

美國麻省大學阿默斯特分校的研究人員開發(fā)了一種新型3D半導體芯片對準方法：通過激光照射芯片上的同心超表面透鏡（metalens）圖案生成全息圖。這項發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）的研究成果，有望大幅降低2D芯片制造成本、推動3D光子與電子芯片發(fā)展，并為經(jīng)濟型緊湊傳感器技術開辟道路。

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模擬和測量不同大小的橫向錯位，從150nm到1微米（或 1,000 nm）。

半導體芯片通過內部精密排列的元件實現(xiàn)電子設備的信息處理、存儲與傳輸功能。然而，傳統(tǒng)2D芯片設計已逼近技術極限，3D集成被視為最具前景的發(fā)展方向。3D芯片需將多層2D芯片堆疊，各層間需在三維空間（x、y、z軸）實現(xiàn)數(shù)十納米級精度的嚴格對準。

傳統(tǒng)對準技術的局限

論文通訊作者、UMass Amherst電子與計算機工程副教授Amir Arbabi解釋道：“傳統(tǒng)對準方法通過顯微鏡觀察兩層的標記（如邊角或十字線）并嘗試重疊”。

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圖中a.半導體層使用同心超透鏡作為對準標記進行堆疊。圖中b.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。

但顯微對準法難以適配3D芯片制造。論文第一作者、博士生Maryam Ghahremani指出：“顯微鏡無法同時聚焦于相距數(shù)百微米的兩層十字線，且重新調焦可能導致芯片位移。此外，傳統(tǒng)方法的分辨率受限于約200納米的衍射極限。”

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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3μm。

納米級檢測的突破

Arbabi團隊的新方法無需移動部件即可檢測遠距離層間的超微錯位。研究團隊原計劃實現(xiàn)100納米精度，但實際成果遠超預期：側向錯位（x、y軸）檢測精度達0.017納米，層間距（z軸）誤差識別精度達0.134納米。Arbabi比喻道：“若兩個物體發(fā)生原子級位移，我們通過透射光即可檢測。”肉眼可識別數(shù)納米級誤差，計算機甚至能解析更小偏差。

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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。

為實現(xiàn)這一突破，研究團隊在芯片上刻蝕同心超表面透鏡作為對準標記。當激光同時穿透兩芯片標記時，會生成兩組干涉全息圖。Ghahremani解釋：“干涉圖像直接反映芯片對準狀態(tài)及錯位方向與程度。”

Arbabi強調：“芯片對準是半導體設備制造商面臨的重大成本挑戰(zhàn)，我們的方法為這一難題提供了解決方案。”低成本優(yōu)勢還將助力中小型初創(chuàng)企業(yè)的半導體創(chuàng)新。此外，該技術可拓展至位移傳感器領域，用于壓力、振動、溫度、加速度等物理量的測量。Arbabi補充道：“只需簡單激光器與攝像頭，即可將多種物理量轉化為位移信號進行檢測。”

這項突破性技術不僅為3D芯片制造提供高精度工具，更可能催生新一代微型化、低成本的傳感器生態(tài)系統(tǒng)。

相關鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53219-z