Forscher der University of Massachusetts Amherst haben eine laserbasierte Technik zur Ausrichtung von 3D-Halbleiterchips entwickelt und könnten damit möglicherweise seit langem bestehende Herausforderungen bei der Chipherstellung überwinden. Die Methode nutzt konzentrische Metalllinsen, um Hologramme zu erzeugen, die Fehlausrichtungen zwischen Chipschichten in einem kleineren Maßstab als je zuvor aufdecken.
Traditionell werden Halbleiterchips mit zweidimensionalen Verfahren hergestellt. Doch da Geräte immer leistungsfähiger und kompakter werden, wendet sich die Industrie zunehmend dem 3D-Chipdesign zu, bei dem mehrere zweidimensionale Schichten gestapelt werden. Dieser Ansatz stellt erhebliche technische Herausforderungen dar – vor allem die Notwendigkeit, jede Schicht mit äußerst hoher Präzision auszurichten. Selbst geringfügige Fehlausrichtungen können die Chipleistung beeinträchtigen.
Amir Arbabi, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Massachusetts Amherst und leitender Autor der Studie, sagte, die traditionelle Art, zwei Schichten auszurichten, bestehe darin, mit einem Mikroskop Markierungen auf den beiden Schichten zu betrachten, etwa Ecken oder Fadenkreuze, und zu versuchen, sie zu überlappen.
Dieser mikroskopbasierte Prozess ist jedoch durch physikalische Lücken zwischen den Schichten und die Notwendigkeit einer Neufokussierung begrenzt, was tatsächlich zu weiterer Chipdrift und Fehlausrichtung führen kann. Da die Zwischenschichtabstände Hunderte von Mikrometern groß sind, kann das Mikroskop nicht beide Fadenkreuze gleichzeitig klar erkennen. Maryam Ghahremani, Hauptautorin der Studie, erklärt, dass die Bewegung, die zur Neufokussierung zwischen den Schichten erforderlich ist, zu einer Spanverschiebung führen kann. gleichzeitig,Die Mikroskopie ist außerdem durch die Beugungsgrenze begrenzt, die die kleinsten auflösbaren Merkmale auf etwa 200 Nanometer begrenzt.
[Links] Halbleiterschichten werden mit konzentrischen Metallen als Ausrichtungsmarkierungen gestapelt. [Rechts] Licht dringt durch diese Markierungen und projiziert ein Hologramm. Die Ausrichtung und Fehlausrichtung der Linsen bestimmt das Erscheinungsbild des Hologramms.
Eine neue Methode, die an der University of Massachusetts Amherst entwickelt wurde, umgeht diese Einschränkungen. Indem die Forscher Ausrichtungsmarkierungen aus konzentrischen Metallen in jeden Chip einbetteten und diese Markierungen mit einem Laser beleuchteten, erzeugten sie zwei Interferenzhologramme. Das resultierende Interferenzmuster liefert einen direkten visuellen Hinweis auf die Ausrichtung des Chips, einschließlich der Richtung und des Ausmaßes etwaiger Fehlausrichtungen.
„Das Interferenzbild kann zeigen, ob die Chips ausgerichtet sind, sowie die Richtung und das Ausmaß der Fehlausrichtung“, sagte Ghahremani.
Die Genauigkeit des Systems übertraf die ursprünglichen Erwartungen. Obwohl das ursprüngliche Ziel des Teams eine Genauigkeit von 100 Nanometern war, konnte die Methode Fehlausrichtungen von nur 0,017 Nanometern auf der horizontalen Achse und von nur 0,134 Nanometern auf der vertikalen Achse erkennen. „Angenommen, es gibt zwei Objekte. Indem wir das durch sie hindurchtretende Licht betrachten, können wir sehen, ob sich eines der Objekte relativ zum anderen um eine atomare Entfernung bewegt hat“, sagte Albaby.
Dieses Maß an Genauigkeit könnte erhebliche Auswirkungen auf die Halbleiterindustrie haben, wo Ausrichtungsfehler eine ständige und kostspielige Herausforderung darstellen. Die Senkung der technischen und finanziellen Hürden für die ultrapräzise Chipausrichtung könnte fortschrittliche Fertigungstechnologien für kleine Unternehmen und Start-ups zugänglicher machen.
Die Forscher sagen auch, dass die Technologie auf kompakte, kostengünstige Sensoren angewendet werden könnte. „Viele physikalische Größen, die man erfassen möchte, können mit nur einem einfachen Laser und einer Kamera in Verschiebungen umgewandelt werden“, sagte Arbabi. Zu den Anwendungen dieser Technologie können Drucksensoren, Vibrationsdetektoren und andere Geräte gehören, die Bewegungen oder Umgebungsveränderungen überwachen.