Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте изобрели новый способ выравнивания 3D-полупроводниковых чипов, направляя лазер через концентрические металлические линзы, нанесённые на чипы, для создания голограммы.
Эта разработка может снизить стоимость производства 2D-полупроводниковых чипов, создать 3D-фотонные и электронные чипы и проложить путь для других недорогих компактных датчиков.
Полупроводниковые микросхемы позволяют электронным устройствам обрабатывать, хранить и получать информацию. Эти функции контролируются определённым набором компонентов, встроенных в микросхему. Однако эта двухмерная конструкция достигла предела технологического прогресса, и наиболее перспективным решением считается трёхмерная интеграция.
Чтобы создать 3D-чип, несколько 2D-чипов укладываются друг на друга, и их слои должны быть выровнены с точностью до десятков нанометров . Они должны быть выровнены по трём измерениям — вперёд и назад, слева направо и по зазору между двумя чипами.
«Традиционный подход к совмещению двух слоёв заключается в том, чтобы с помощью микроскопа найти метки (обычно углы или перекрестия) на двух слоях и попытаться совместить их», — объясняет Амир Арбаби, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Массачусетса в Амхерсте и старший автор статьи.
Существующие методы выравнивания с помощью микроскопа плохо подходят для создания таких 3D-чипов. «Микроскоп не может одновременно фокусироваться на обоих перекрестиях, потому что зазор между слоями составляет сотни микрон, а движение для перефокусировки между слоями приводит к смещению чипов и их дальнейшему рассогласованию». — говорит Марьям Гахремани, кандидат наук и соавтор разработки. Кроме того, «наименьшие детали, которые вы можете различить, ограничены дифракционным пределом, который составляет около 200 нанометров», — добавляет она.
Новый метод выравнивания, созданный Арбаби и его командой, не имеет движущихся частей и позволяет видеть смещения между двумя удаленными слоями в гораздо меньшем масштабе. Исследователи надеялись достичь точности в 100 нм. Вместо этого их метод обнаруживает ошибки размером до 0,017 нм при измерениях из стороны в сторону (оси x и y) и 0,134 нм при оценке расстояния между двумя чипами (ось z).
«Представьте, что у вас есть два объекта. Глядя на свет, проходящий через них, мы можем увидеть, сдвинулся ли один из них на размер атома по отношению к другому, — говорит Арбаби, намного превосходя их ожидания. Невооружённый глаз может заметить ошибки размером в несколько нанометров, а компьютеры могут считывать ещё меньшие.
Для этого они нанесли на полупроводниковый чип метки для выравнивания, сделанные из концентрических металлических линз. Когда свет от лазера проходит через эти метки на обоих чипах, он проецирует две интерферирующие голограммы. «Это интерференционное изображение показывает, выровнены ли чипы, а также направление и величину их смещения», — говорит Гахремани.
«[Выравнивание чипов] — это серьёзная и дорогостоящая задача для некоторых компаний, которые занимаются производством полупроводниковых инструментов, — говорит Арбаби. — Наш подход решает одну из проблем, связанных с их производством». Более низкие затраты также расширяют доступ к этой технологии для небольших стартапов, которые хотят внедрять инновации в сфере полупроводников.
Арбаби также отмечает, что этот метод можно использовать для создания датчиков перемещения, которые можно применять для измерения перемещений и других величин. «Многие физические величины, которые вы хотите измерить, можно преобразовать в перемещения, и всё, что вам для этого нужно, — это простой лазер и камера», — говорит он. Например, «если вам нужен датчик давления, вы можете измерить движение мембраны». Теоретически с помощью этого метода можно отслеживать всё, что связано с движением, — вибрацию, тепло, ускорение.
