طور الباحثون في جامعة ماساتشوستس أمهيرست تقنية تعتمد على الليزر لمحاذاة رقائق أشباه الموصلات ثلاثية الأبعاد، مما قد يتغلب على التحديات طويلة الأمد في تصنيع الرقائق. تستخدم هذه الطريقة تراكيب معدنية متحدة المركز لتوليد صور ثلاثية الأبعاد تكشف عن الاختلالات بين طبقات الرقاقة على نطاق أصغر من أي وقت مضى.
تقليديا، يتم تصنيع رقائق أشباه الموصلات باستخدام عمليات ثنائية الأبعاد. ولكن مع زيادة قوة الأجهزة وصغر حجمها، تتجه الصناعة بشكل متزايد إلى تصميم الشرائح ثلاثية الأبعاد، والذي يتضمن تكديس طبقات متعددة ثنائية الأبعاد. ويطرح هذا النهج تحديات تقنية كبيرة، أبرزها الحاجة إلى محاذاة كل طبقة بدقة عالية للغاية. حتى الاختلالات الطفيفة يمكن أن تؤثر على أداء الشريحة.
وقال أمير أربابي، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة ماساتشوستس أمهيرست وكبير مؤلفي الدراسة، إن الطريقة التقليدية لمحاذاة الطبقتين هي استخدام المجهر للنظر في العلامات الموجودة على الطبقتين، مثل الزوايا أو الشعيرات المتقاطعة، ومحاولة تداخلها.
ومع ذلك، فإن هذه العملية المعتمدة على المجهر محدودة بسبب الفجوات المادية بين الطبقات والحاجة إلى إعادة التركيز، مما قد يؤدي في الواقع إلى مزيد من انجراف الرقاقة واختلال المحاذاة. ونظرًا لأن فجوات الطبقات البينية تصل إلى مئات الميكرونات، فإن المجهر لا يمكنه رؤية كلا التقاطعين بوضوح في نفس الوقت. توضح مريم قهرماني، المؤلفة الرئيسية للدراسة، أن الحركة المطلوبة لإعادة التركيز بين الطبقات يمكن أن تسبب إزاحة الرقاقة. في نفس الوقت،ويقتصر الفحص المجهري أيضًا على حد الحيود، الذي يحد من أصغر الميزات القابلة للتحليل بحوالي 200 نانومتر.
[يسار] يتم تكديس طبقات أشباه الموصلات باستخدام معادن متحدة المركز كعلامات محاذاة. [يمين] يمر الضوء عبر هذه العلامات ليُنتج صورة ثلاثية الأبعاد. تحدد محاذاة العدسات واختلالها مظهر الصورة الثلاثية الأبعاد.
هناك طريقة جديدة تم تطويرها في جامعة ماساتشوستس أمهيرست تتحايل على هذه القيود. من خلال تضمين علامات محاذاة مصنوعة من معادن متحدة المركز على كل شريحة وإضاءة هذه العلامات بالليزر، أنتج الباحثون صورتين ثلاثية الأبعاد للتداخل. يوفر نمط التداخل الناتج دليلًا مرئيًا مباشرًا لمحاذاة الشريحة، بما في ذلك اتجاه وحجم أي اختلال في المحاذاة.
وقال قهرماني: "يمكن لصورة التداخل أن تظهر ما إذا كانت الرقائق متحاذية، وكذلك اتجاه ومدى عدم المحاذاة".
تجاوزت دقة النظام التوقعات الأولية. على الرغم من أن الهدف الأولي للفريق كان دقة 100 نانومتر، إلا أن الطريقة كانت قادرة على اكتشاف اختلالات صغيرة تصل إلى 0.017 نانومتر في المحور الأفقي وصغيرة تصل إلى 0.134 نانومتر في المحور الرأسي. وقال ألبابي: "لنفترض أن هناك جسمين. ومن خلال النظر إلى الضوء الذي يمر عبرهما، يمكننا أن نرى ما إذا كان أحد الجسمين قد تحرك مسافة بحجم ذري بالنسبة إلى الآخر".
يمكن أن يكون لهذا المستوى من الدقة تأثير كبير على صناعة أشباه الموصلات، حيث تمثل أخطاء المحاذاة تحديًا مستمرًا ومكلفًا. إن خفض الحواجز التقنية والمالية التي تحول دون محاذاة الرقائق فائقة الدقة يمكن أن يجعل تقنيات التصنيع المتقدمة في متناول الشركات الصغيرة والشركات الناشئة.
ويقول الباحثون أيضًا إنه يمكن تطبيق هذه التكنولوجيا على أجهزة استشعار مدمجة ومنخفضة التكلفة. وقال أربابي: "يمكن تحويل العديد من الكميات الفيزيائية التي تريد اكتشافها إلى إزاحات باستخدام ليزر بسيط وكاميرا". قد تشمل تطبيقات هذه التقنية أجهزة استشعار الضغط، وكاشفات الاهتزاز، وغيرها من الأجهزة التي تراقب الحركة أو التغيرات البيئية.