发明超精密对准 3D 半导体芯片的方法

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马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员发明了一种新方法来对准 3D 半导体芯片，即用激光照射芯片上的同心超透镜以产生全息图。他们的研究成果发表在《自然通讯》上，有助于降低生产 2D 半导体芯片的成本，实现 3D 光子和电子芯片，并可能为其他低成本、紧凑型传感器铺平道路。
半导体芯片使电子设备能够处理、存储和接收信息。这些功能由镶嵌在芯片中的特定元件图案控制。然而，这种 2D 设计已达到技术进步的上限，3D 集成被认为是最有前途的解决方案。
要制作 3D 芯片，需要堆叠多个 2D 芯片，并且它们的层需要对齐到几十纳米（一毫米等于一百万纳米）。它们需要沿三个维度对齐——前后、左右以及两个芯片之间的间隙（沿 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（通常是角落或十字线）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 (Amir Arbabi) 解释道。
现有的基于显微镜的对准方法不适合制造这些 3D 芯片。“显微镜无法同时看到两个十字准线的焦点，因为层与层之间的间隙有数百微米，而层与层之间重新聚焦的运动为芯片移动和进一步错位提供了机会，”博士候选人、论文第一作者 Maryam Ghahremani 说道。
此外，“可以分辨的最小特征由衍射极限决定，约为 200 纳米，”她补充道。
Arbabi 及其团队发明的新对准方法没有移动部件，可以在更小的范围内发现两个相距较远的层之间的错位。研究人员希望达到 100 纳米的精度。然而，他们的方法发现，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，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，这远远超出了他们的预期。肉眼可以发现小到几纳米的误差，而计算机可以读取更小的误差。
为了实现这一点，他们在半导体芯片上嵌入了由同心超透镜制成的对准标记。当激光照射到两个芯片上的这些标记时，它会投射出两个干涉全息图。“这个干涉图像显示了芯片是否对准，以及它们错位的方向和程度，”Ghahremani 说。
“对于一些从事半导体工具制造的公司来说，[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这些工具的挑战之一。”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，这种方法可用于制作位移传感器，用于测量位移和其他量。“你想要检测的许多物理量都可以转化为位移，你唯一需要的就是一台简单的激光器和一台照相机，”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。”任何涉及运动的事物——振动、热量、加速度——理论上都可以通过这种方法进行追踪。