Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте представили инновационный способ сверхточного выравнивания полупроводниковых чипов, способный изменить подход к производству 3D-электроники.

Разработка, опубликованная в журнале Nature Communications, предлагает заменить традиционные микроскопические методы выравнивания новым оптическим подходом на основе голографии. Это открытие может не только удешевить производство современных чипов, но и дать старт новой волне компактных сенсорных технологий.

Современные электронные устройства в значительной степени зависят от точной структуры полупроводниковых чипов, отвечающих за обработку, хранение и передачу данных. Однако возможности классических 2D-чипов практически исчерпаны. Разработка 3D-чипов, в которых несколько слоев соединяются друг с другом, становится перспективным направлением, но требует беспрецедентной точности — выравнивание слоев должно происходить с точностью до десятков нанометров по всем осям: x, y и z.

По словам доцента кафедры электротехники Амира Арбаби, существующие методы, основанные на микроскопическом распознавании перекрестий и углов, не подходят для многослойной структуры. Проблема в том, что микроскоп не способен одновременно сфокусироваться на двух удаленных слоях. Попытки перефокусировки создают риск смещения чипов, что снижает точность.

Докторант Марьям Гахремани, ведущий автор исследования, отмечает: «Разрешение ограничено дифракционным пределом — около 200 нанометров. Это не подходит для задач, где требуются субнанометровые измерения».

Решение, предложенное командой Арбаби, полностью оптическое и не требует движущихся частей. В чипы встроены концентрические металинзы, которые создают голограмму при освещении лазером. Перекрывающиеся голографические изображения от двух чипов показывают не только факт смещения, но и его направление и величину.

«Представьте, что вы можете заметить смещение между объектами на уровне атома. Именно такую точность мы достигли», — говорит Арбаби. Новый метод обеспечивает точность до 0,017 нанометра по осям x и y, и 0,134 нанометра по оси z, что значительно превышает ожидания ученых.

Помимо применения в микроэлектронике, метод может быть использован для создания чувствительных сенсоров. Поскольку многие физические величины можно преобразовать в смещение, достаточно простого лазера и камеры, чтобы построить датчики давления, вибрации, тепла и других параметров.

Арбаби подчеркивает: «Многие компании тратят миллионы на оборудование для выравнивания. Наш метод может стать доступной альтернативой, особенно для стартапов».