研究人员开发了一种新颖的技术，通过使用激光在芯片上的特殊设计金属透镜创建全息图，从而对3D半导体芯片进行对齐。这项创新可能显著降低2D半导体芯片的生产成本，促进3D光子和电子芯片的创建，并可能导致开发经济实惠、紧凑的传感器。
来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的一个团队创造了一种突破性的方法来对齐3D半导体芯片。这个过程涉及通过芯片上的同心金属透镜导向激光，以生成全息图。他们的研究结果发表在自然通讯上，为降低与制造2D半导体芯片相关的成本带来了希望，为先进的3D光子和电子芯片铺平了道路，也可能将其他廉价、紧凑的传感器引入市场。
半导体芯片在使电子设备管理、存储和传输信息方面至关重要。这些芯片的性能依赖于其组件的排列。然而，现有的2D结构已经达到技术瓶颈，许多专家认为3D集成是未来发展的关键。
创建3D芯片需要将多个2D芯片堆叠在一起，同时确保它们的层对齐在纳米级别的范围内（为了更加形象理解，一毫米等于100万个纳米）。这种对齐必须在三个维度上进行：前后、左右，以及芯片之间的间距（x、y和z轴）。
阿米尔·阿尔巴比，马萨诸塞大学阿默斯特分校电气与计算机工程的副教授，也是本研究的主要作者之一，解释道：“传统的对齐两层的方法涉及使用显微镜找到特定标记，如角落或十字线，并尝试将它们匹配。”
然而，基于显微镜的技术不适合制造这些3D芯片。论文的主要作者、博士研究生玛丽亚姆·加赫雷马尼强调：“显微镜不能同时聚焦在两组十字线上，因为层之间的间隙达到数百微米。所需的聚焦调整可能导致芯片移动并变得不对齐。”她补充说，能够检测到的最小特征受限于衍射极限，大约为200纳米。
阿尔巴比和他的团队构思的创新对齐技术在没有运动部件的情况下运作，并且可以更精确地检测远层之间的错位。最初以100纳米的精度为目标，他们的方法在左右对齐（x和y轴）方面达到了0.017纳米的检测，芯片之间的间距（z轴）则达到了0.134纳米。
阿尔巴比指出：“想象一下你有两个物体。通过分析经过它们的光，我们可以识别出其中一个是否相对于另一个移动了原子级的距离，”远远超过他们最初的目标。人眼可以察觉到接近几纳米的误差，而计算机甚至可以检测到更小的差异。
为了实现这一点，研究人员在半导体芯片上加入了由同心金属透镜制成的对齐标记。当激光光线通过这两个芯片上的标记时，会生成两个重叠的全息图。“这种干涉图案揭示了芯片是否对齐、任何错位的方向及其大小，”加赫雷马尼解释道。
阿尔巴比表示：“[芯片对齐]对制造半导体工具的公司来说是一个重大且昂贵的挑战。”他认为他们的方法解决了生产过程中一个关键障碍。此外，降低成本可以提高小型初创公司获得这项技术的机会，帮助他们在半导体领域进行创新。
此外，阿尔巴比强调，这种技术还可以用于创建能够测量各种物理量的位移传感器。“许多物理测量可以被解释为位移，只需一个简单的激光和一台相机，”他解释道。例如，“压力传感器可以跟踪膜的运动。”从原则上讲，这种方法还可以监测涉及运动的任何活动，如震动、温度变化或加速度。
