馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員開發了一種基於雷射的技術來對準3D半導體晶片，有望克服晶片製造中長期存在的挑戰。此方法採用同心超透鏡生成全像圖，以比以往更小的尺度揭示晶片層之間的錯位。

傳統上，半導體晶片採用二維製程製造。但隨著設備功能越來越強大、結構越來越緊湊，業界也越來越多地轉向3D 晶片設計，這涉及堆疊多個二維層。這種方法帶來了重大的技術挑戰——最顯著的是，需要以極高的精度對準每一層。即使是輕微的錯位也會影響晶片效能。

麻州大學阿默斯特分校電機與電腦工程副教授、該研究的資深作者阿米爾·阿爾巴比(Amir Arbabi)表示，對齊兩層的傳統方法是用顯微鏡觀察兩層上的標記，例如角或十字線，並嘗試將它們重疊。

然而，這種基於顯微鏡的製程受限於層間物理間隙以及需要重新對焦，這實際上可能導致晶片進一步偏移和錯位。由於層間隙高達數百微米，顯微鏡無法同時清楚地看到兩條十字線。該研究的主要作者Maryam Ghahremani解釋說，層間重新對焦所需的運動可能會導致晶片位移。同時，顯微鏡也受到衍射極限的限制，將最小可解析特徵限制在約200 奈米。

[左] 半導體層利用同心超透鏡作為對準標記進行堆疊。 [右] 光線穿過這些標記投射出全像圖。透鏡的對準與錯位決定了全像圖的外觀。

馬薩諸塞大學阿默斯特分校開發的新方法繞過了這些限制。透過在每個晶片上嵌入由同心超透鏡製成的對準標記，並用雷射照射這些標記，研究人員產生了兩個乾涉全像圖。由此產生的干涉圖樣提供了晶片對準情況的直接視覺提示，包括任何錯位的方向和幅度。

Ghahremani 表示：“此干涉影像可以顯示晶片是否對齊，以及錯位的方向和程度。”

該系統的精度超出了最初的預期。儘管團隊最初的目標是100奈米的精度，但該方法能夠檢測到水平軸上小至0.017奈米、垂直軸上小至0.134奈米的錯位。 「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的距離，」阿爾巴比說。

這種精度水準可能對半導體產業產生重大影響，因為對準誤差一直是半導體產業持續存在且成本高昂的挑戰。降低超精密晶片對準的技術和財務門檻，可以讓小型企業和新創公司更容易獲得先進製造技術。

研究人員還表示，該技術可以應用於緊湊、低成本的傳感器。 「許多想檢測的物理量都可以轉化為位移，只需要一個簡單的雷射和一台相機，」Arbabi說。此技術的應用範圍可能包括壓力感測器、振動偵測器以及其他監測運動或環境變化的設備。