马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员开发了一种对准 3D 半导体芯片的新方法，方法是将激光照射穿过芯片上图案的同心超透镜，从而创建全息图。他们的工作发表在《自然通讯》上，可以显著降低 2D 芯片的制造成本，支持 3D 光子和电子芯片的开发，并为经济实惠的紧凑型传感器技术打开大门。

半导体芯片通过使电子设备能够处理、存储和传输信息来为它们提供动力。这些功能依赖于芯片中嵌入的元件的精确模式。然而，传统的 2D 芯片设计已经达到了其技术潜力的极限，而 3D 集成现在被视为最有前途的前进道路。

模拟和测量不同大小的横向错位，从 150 nm 到 1 微米（或 1,000 nm）

为了构建 3D 芯片，需要将多个 2D 芯片堆叠在一起。它们的层必须以极高的精度对齐，精确到几十纳米。此对齐必须在所有三个维度上进行：从前到后、从一侧到另一侧以及层之间的垂直距离（称为 x、y 和 z 轴）。

传统对齐的局限性

“对齐两层的传统方法是用显微镜观察两层上的标记（通常是角或十字准线），并尝试将它们重叠，”马萨诸塞大学阿默斯特分校电气与计算机工程副教授、该论文的资深作者 Amir Arbabi 解释说。

[左]半导体层使用同心超透镜作为对准标记进行堆叠。[右]光线穿过这些标记以投影全息影像。镜片的对齐或错位决定了全息影像的外观。

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聚焦中的两个十字准线，因为层之间的间隙为数百微米，并且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，”博士生、该论文的主要作者 Maryam Ghahremani 说。此外，“您可以分辨的最小特征由衍射极限设置，约为 200 纳米，”她补充道。

两层间隙中不同大小错位的模拟和测量结果，从 1 微米（或 1,000 纳米）到 3 μm。图片来源：Amir Arbabi

纳米级检测的突破

Arbabi 和他的团队创建的新对齐方法没有移动部件，可以在更小的比例尺下看到两个遥远的层之间的错位。研究人员希望达到 100 纳米的精度。相反，他们的方法沿侧向测量（x 轴和 y 轴）发现高达 0.017 nm 的误差，在评估两个芯片之间的距离（z 轴）时发现高达 0.134 nm 的误差。

“考虑一下你有两个对象。通过观察穿过它们的光线，我们可以看到一个相对于另一个是否移动了一个原子的大小，“Arbabi 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，计算机可以读取更小的误差。

计算机可以读取肉眼无法检测到的错位，如这个 10 nm 横向错位所示

为了实现这一目标，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。当激光发出的光穿过两个芯片上的这些标记时，它会投射出两个相互干扰的全息图。“该干涉图像显示了芯片是否对齐，以及它们错位的方向和数量，”Ghahremani 说。

“对于一些从事半导体工具制造的公司来说，[芯片对准] 是一项巨大且代价高昂的挑战，”Arbabi 说。“我们的方法解决了制造它们的挑战之一。”较低的成本也增加了希望利用半导体进行创新的小型初创公司获得这项技术的机会。

Arbabi 还指出，这种方法可用于制造可用于测量位移和其他量的位移传感器。“你想要检测的许多物理量都可以转化为位移，你唯一需要的是一个简单的激光器和一个相机，”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。理论上，任何涉及运动的东西——振动、热量、加速度——都可以通过这种方法进行跟踪。