激光全息技術(shù)或徹底改變3D芯片制造
該方法利用激光和全息圖檢測(cè)小至0.017納米的錯(cuò)位 a:GM|X
美國(guó)麻省大學(xué)阿默斯特分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型3D半導(dǎo)體芯片對(duì)準(zhǔn)方法：通過(guò)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(xiàng)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(dòng)3D光子與電子芯片發(fā)展，并為經(jīng)濟(jì)型緊湊傳感器技術(shù)開(kāi)辟道路。 -Sh&x
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模擬和測(cè)量不同大小的橫向錯(cuò)位，從150nm到1微米（或 1,000 nm）。 9%21Q>Y?b
半導(dǎo)體芯片通過(guò)內(nèi)部精密排列的元件實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的信息處理、存儲(chǔ)與傳輸功能。然而，傳統(tǒng)2D芯片設(shè)計(jì)已逼近技術(shù)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(shí)現(xiàn)數(shù)十納米級(jí)精度的嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。 /
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傳統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的局限 [QM N0#(h
論文通訊作者、UMass Amherst電子與計(jì)算機(jī)工程副教授Amir Arbabi解釋道：“傳統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)方法通過(guò)顯微鏡觀察兩層的標(biāo)記（如邊角或十字線(xiàn)）并嘗試重疊”。 zqt%x? l
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圖中a.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。圖中b.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。 z80(+ `
但顯微對(duì)準(zhǔn)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(wú)法同時(shí)聚焦于相距數(shù)百微米的兩層十字線(xiàn)，且重新調(diào)焦可能導(dǎo)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。” C}uzzG6s
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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3μm。 |_g7k2oLY
納米級(jí)檢測(cè)的突破 :!cK?H$+
Arbabi團(tuán)隊(duì)的新方法無(wú)需移動(dòng)部件即可檢測(cè)遠(yuǎn)距離層間的超微錯(cuò)位。研究團(tuán)隊(duì)原計(jì)劃實(shí)現(xiàn)100納米精度，但實(shí)際成果遠(yuǎn)超預(yù)期：側(cè)向錯(cuò)位（x、y軸）檢測(cè)精度達(dá)0.017納米，層間距（z軸）誤差識(shí)別精度達(dá)0.134納米。Arbabi比喻道：“若兩個(gè)物體發(fā)生原子級(jí)位移，我們通過(guò)透射光即可檢測(cè)。”肉眼可識(shí)別數(shù)納米級(jí)誤差，計(jì)算機(jī)甚至能解析更小偏差。 &=S:I!9;;
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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。 kWa5=BW2f
為實(shí)現(xiàn)這一突破，研究團(tuán)隊(duì)在芯片上刻蝕同心超表面透鏡作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。當(dāng)激光同時(shí)穿透兩芯片標(biāo)記時(shí)，會(huì)生成兩組干涉全息圖。Ghahremani解釋?zhuān)骸案缮鎴D像直接反映芯片對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)及錯(cuò)位方向與程度。” f
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Arbabi強(qiáng)調(diào)：“芯片對(duì)準(zhǔn)是半導(dǎo)體設(shè)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(shì)還將助力中小型初創(chuàng)企業(yè)的半導(dǎo)體創(chuàng)新。此外，該技術(shù)可拓展至位移傳感器領(lǐng)域，用于壓力、振動(dòng)、溫度、加速度等物理量的測(cè)量。Arbabi補(bǔ)充道：“只需簡(jiǎn)單激光器與攝像頭，即可將多種物理量轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。” pdFO!A_t
這項(xiàng)突破性技術(shù)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)。 &:ZR % f
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