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馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員開發了一種新的對準3D半導體晶片的方法，即透過用雷射照射晶片上圖案化的同心超透鏡，從而生成全息圖。他們的研究成果發表在《自然通訊》雜誌上，有望顯著降低2D晶片的製造成本，支援3D光子和電子晶片的開發，併為經濟實惠的緊湊型感測器技術開啟大門。
半導體晶片透過賦能電子裝置處理、儲存和傳輸資訊，為電子裝置提供動力。這些功能依賴於晶片中嵌入元件的精確圖案。然而，傳統的二維晶片設計已達到其技術潛力的極限，而三維整合如今被視為最有前景的未來發展方向。
要構建 3D 晶片，需要將多個 2D 晶片堆疊在一起。這些晶片的層必須以極高的精度對齊，精度可達幾十奈米。這種對齊必須在三個維度上進行：前後、左右以及層與層之間的垂直距離（稱為 x、y 和 z 軸）。
傳統對齊方式的侷限性
“對齊兩層的傳統方法是用顯微鏡尋找兩層上的標記（通常是角或十字線）並嘗試將它們重疊，”馬薩諸塞大學阿默斯特分校電氣與計算機工程副教授兼論文高階作者阿米爾·阿爾巴比 (Amir Arbabi) 解釋道。
現有的基於顯微鏡的對準方法不適合製造這些 3D 晶片。
“顯微鏡無法同時清晰地看到兩個十字線，因為層與層之間的間隙高達數百微米，而層與層之間重新聚焦的運動會導致晶片發生移動，進一步錯位。” 博士生兼論文第一作者 Maryam Ghahremani 說道。此外，“能夠分辨的最小特徵由衍射極限決定，約為 200 奈米。” 她補充道。
奈米級檢測的突破
Arbabi 及其團隊發明的全新對準方法無需移動部件，能夠以更小的尺度測量遠距離層之間的錯位。研究人員原本希望達到 100 奈米的精度。然而，他們的方法在左右測量（x 軸和 y 軸）時，誤差高達 0.017 奈米，在評估兩個晶片之間的距離（z 軸）時，誤差高達 0.134 奈米。
“假設有兩個物體。透過觀察穿過它們的光線，我們可以看到其中一個物體相對於另一個物體是否移動了一個原子大小，”阿爾巴比說道，這遠遠超出了他們的預期。肉眼可以發現小至幾奈米的誤差，而計算機甚至可以讀取更小的誤差。
為了實現這一目標，他們在半導體晶片上嵌入了由同心超透鏡製成的對準標記。當雷射穿過兩個晶片上的這些標記時，會投射出兩幅干涉全息圖。“這張干涉影像可以顯示晶片是否對準，以及它們錯位的方向和程度，”Ghahremani 說道。
“對於一些從事半導體裝置製造的公司來說，晶片對準是一項巨大且成本高昂的挑戰，”Arbabi說道，“我們的方法解決了製造過程中的一項挑戰。” 較低的成本也增加了尋求半導體創新的小型初創公司獲得這項技術的機會。
Arbabi 還指出，這種方法可以用來製作位移感測器，用於測量位移和其他物理量。“很多你想檢測的物理量都可以轉換成位移，你只需要一個簡單的雷射器和一臺相機，”他說。例如，“如果你想要一個壓力感測器，你可以測量膜的運動。” 理論上，任何涉及運動的事物——振動、熱量、加速度——都可以用這種方法追蹤。
參考連結
https://scitechdaily.com/laser-holograms-could-revolutionize-3d-chip-manufacturing/
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