Revolutionaire Techniek in de Halfgeleiderfabricage: Precisie tot op Atomaire Schaal
Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft een innovatieve techniek ontwikkeld die een grote stap voorwaarts kan betekenen in de productie van halfgeleiders. De nieuwe methode, die gebruikmaakt van lasers en meta-lenzen, biedt een ongekende precisie bij het uitlijnen van lagen in driedimensionale chips, met nauwkeurigheden die vergelijkbaar zijn met de grootte van een atoom.
De Uitdaging van Driedimensionale Chips
Naarmate elektronische apparaten kleiner en krachtiger worden, begint de halfgeleiderindustrie steeds vaker te kiezen voor driedimensionale ontwerpen. Dit houdt in dat meerdere lagen van bidimensionale chips op elkaar worden gestapeld. Echter, deze architectuur brengt aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee, met name de noodzaak voor een extreem precieze uitlijning van de lagen. Een kleine afwijking in de uitlijning kan de prestaties van de chip aanzienlijk beïnvloeden.
Beperkingen van Huidige Methodes
Traditionele uitlijntechnieken maken gebruik van microscopen om visuele markers, zoals kruisen of hoeken, op elke laag te superponeren. Dit proces lijdt echter onder een aantal beperkingen, waaronder de afstand tussen de lagen (van de orde van honderden micrometers) en de noodzaak om constant opnieuw te focussen, wat kan leiden tot verdere verschuivingen. “Het microscoop kan niet beide lagen tegelijkertijd scherpstellen, en door het proberen kan de desorganisatie verergeren”, verklaarde Maryam Ghahremani, de hoofdauteur van de studie.
Bovendien beperkt de diffractiegrens van optische microscopen de minimumresolutie tot ongeveer 200 nanometer, waardoor het detecteren van kleinere oneffenheden onmogelijk is.
Een Nieuwe Techniek met Sub-Nanometer Precisie
De nieuwe methode van het team van UMass Amherst maakt gebruik van concentische meta-lenzen als uitlijnmarkers. Deze meta-lenzen, platte optische structuren met geavanceerde lichtmanipulatiecapaciteiten, worden in elke laag van de chip ingebed. Door een laser door deze markers te laten lopen, worden interferentie-hologrammen gegenereerd die de vorm onthullen en aangeven of de lagen correct zijn uitgelijnd.
“Dit interferentiebeeld geeft niet alleen aan of de chips uitgelijnd zijn, maar ook in welke richting en met welke magnitude ze niet uitgelijnd zijn,” voegde Ghahremani toe. De resultaten overtroffen de oorspronkelijke verwachtingen; hoewel het doel was een nauwkeurigheid van 100 nanometer te behalen, kon de techniek afwijkingen van slechts 0,017 nanometer in de horizontale as en 0,134 nanometer in de verticale as detecteren.
“Wij kunnen detecteren of een object ten opzichte van een ander is verschoven over een afstand ter grootte van een atoom,” benadrukte Amir Arbabi, professor in elektrotechniek en computerwetenschappen en senior auteur van de studie.
Gevolgen voor de Halfgeleiderindustrie
De behaald precisie kan een radicale verandering teweegbrengen in de chipproductie, waar verkeerde uitlijning een aanhoudend technisch en economisch probleem vertegenwoordigt. Het verminderen van dit obstakel zou kleinere bedrijven en startups in staat stellen toegang te krijgen tot geavanceerde productieprocessen zonder afhankelijk te zijn van extreem dure gereedschappen.
Bovendien geloven de onderzoekers dat deze technologie kan worden toegepast voor compacte en goedkope sensoren. “Veel fysische grootheden kunnen worden vertaald naar verschuivingen. Met een eenvoudige laser en een camera zouden we druk- en trillingdetectoren kunnen ontwikkelen, of apparaten om veranderingen in het milieu te monitoren,” aldus Arbabi.
Dit vooruitgang, voorbij zijn relevantie voor de halfgeleiderindustrie, kan de deur openen naar nieuwe generaties van hoge precisie sensoren voor industriële, medische en wetenschappelijke toepassingen.
Bron: University of Massachusetts Amherst en Techspot