研究人员利用激光和超透镜将3D芯片对准到原子级精度

马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员开发了一种基于激光的技术来对准3D半导体芯片，有望克服芯片制造中长期存在的挑战。该方法采用同心超透镜生成全息图，以比以往更小的尺度揭示芯片层之间的错位。

传统上，半导体芯片采用二维工艺制造。但随着设备功能越来越强大、结构越来越紧凑，业界越来越多地转向 3D 芯片设计，这涉及堆叠多个二维层。这种方法带来了重大的技术挑战——最显著的是，需要以极高的精度对准每一层。即使是轻微的错位也会影响芯片性能。

马萨诸塞大学阿默斯特分校电气与计算机工程副教授、该研究的资深作者阿米尔·阿尔巴比 (Amir Arbabi)表示，对齐两层的传统方法是用显微镜观察两层上的标记，例如角或十字线，并尝试将它们重叠。

然而，这种基于显微镜的工艺受限于层间物理间隙以及需要重新对焦，这实际上可能导致芯片进一步偏移和错位。由于层间间隙高达数百微米，显微镜无法同时清晰地看到两个十字线。该研究的主要作者Maryam Ghahremani解释说，层间重新对焦所需的运动可能会导致芯片位移。与此同时，显微镜还受到衍射极限的限制，将最小可解析特征限制在约 200 纳米。

[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。

马萨诸塞大学阿默斯特分校开发的新方法绕过了这些限制。通过在每个芯片上嵌入由同心超透镜制成的对准标记，并用激光照射这些标记，研究人员生成了两个干涉全息图。由此产生的干涉图样提供了芯片对准情况的直接视觉提示，包括任何错位的方向和幅度。

Ghahremani 表示：“该干涉图像可以显示出芯片是否对齐，以及错位的方向和程度。”

该系统的精度超出了最初的预期。尽管团队最初的目标是100纳米的精度，但该方法能够检测到水平轴上小至0.017纳米、垂直轴上小至0.134纳米的错位。“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的距离，”阿尔巴比说道。

这种精度水平可能对半导体行业产生重大影响，因为对准误差一直是半导体行业一个持续存在且成本高昂的挑战。降低超精密芯片对准的技术和财务门槛，可以让小型企业和初创企业更容易获得先进制造技术。

研究人员还表示，该技术可以应用于紧凑、低成本的传感器。“许多想检测的物理量都可以转化为位移，只需要一个简单的激光器和一台相机，”Arbabi说道。该技术的应用范围可能包括压力传感器、振动检测器以及其他监测运动或环境变化的设备。