近日，马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究团队开创了一种新技术，利用激光照射芯片上的同心超透镜生成全息图，从而实现对3D半导体芯片的精确对齐。
这项研究成果在《自然·通讯》杂志上发表，不仅有望降低2D半导体芯片的生产成本，还推动了3D光子与电子芯片的可行性，并为其他低成本、紧凑型的传感器技术的发展奠定了基础。
半导体芯片是电子设备处理、存储和接收信息的核心，其功能由芯片内嵌的特定元件布局决定。然而，随着2D设计的潜能接近极限，3D集成技术被视为突破瓶颈的关键路径。
构建3D芯片，需要将多个2D芯片堆叠，并确保各层在三维方向上（即前后、左右及垂直间隙，对应x、y、z轴）精确对齐，误差需控制在几十纳米内（1毫米等于100万纳米）。
麻省大学阿默斯特分校电子与计算机工程副教授、论文资深作者Amir Arbabi比解释，传统对齐方法是利用显微镜观察每层上的标记（如角或十字准线）并尝试重叠，但这种方法不适用于3D芯片制造。论文第一作者、博士生Maryam Ghahremani指出，显微镜无法同时清晰聚焦两层标记，因为层间间隙达数百微米，重新聚焦过程中可能引发芯片移动和错位。
研究团队模拟并测量了从150纳米至1微米（1000纳米）的不同横向不对准情况。Maryam Ghahremani还提到，显微镜的分辨率受限于衍射极限，约为200纳米。
Amir Arbabi团队的新校准技术无需移动部件，能在更小范围内检测两层间的不对准。他们期望达到100纳米的精度，而实际测试中，沿x和y轴测量的误差低至0.017纳米，z轴上的误差也仅为0.134纳米，远超预期。Amir Arbabi表示，该技术能通过观察光穿过物体的变化，检测到仅相当于一个原子大小的移动，肉眼可识别几纳米的误差，计算机则能读取更微小的误差。
为实现这一目标，研究团队在半导体芯片上嵌入了由同心金属透镜构成的对准标记。激光穿过这些标记时，会形成两个干涉全息图。加赫拉曼尼指出，这些干涉图像能直观显示芯片是否对齐，以及不对齐的方向和程度。
“对于半导体工具制造商而言，芯片对齐是一个艰巨且“烧钱”的挑战。”Amir Arbabi说，“我们的方法解决了这一难题之一。”此外，该技术降低了成本，为寻求半导体创新的小型初创公司提供了更多机会。
Amir Arbabi还提到，该技术可应用于制造位移传感器，用于测量位移等物理量。他说：“许多待检测的物理量都可转化为位移，只需一台激光器和相机即可。”例如，通过测量膜的运动可制作压力传感器，任何涉及运动的现象，如振动、热量、加速度等，理论上均可通过该技术追踪。
小结
在当前的芯片制造中，多层图案的对准依赖于显微成像技术，但由于距离较大，传统方法难以达到所需的纳米级精度。而麻省大学阿默斯特分校的研究团队通过引入超表面对准标记，配合激光和相机，成功实现了亚纳米级精度的对准，大大提高了精度和操作简便性。
实验结果表明，该方法能够实现横向精度为激光波长的五万分之一，轴向精度为激光波长的六千三百分之一。这一技术有望推动新一代3D集成光学与电子芯片的生产，为高精度位移传感器等应用铺平道路。
