Tích hợp mạch ba chiều là một hướng đi đầy hứa hẹn để khắc phục những hạn chế hiện tại của kiến trúc hai chiều trong ngành công nghiệp bán dẫn. Nhưng việc sản xuất chip 3D xếp chồng, chẳng hạn như một số bộ xử lý AMD Ryzen được trang bị bộ nhớ V-Cache 3D, đòi hỏi phải căn chỉnh theo chiều ngang và chiều dọc cực kỳ chính xác và phức tạp, gián tiếp làm tăng chi phí sản xuất của chúng.
Các phương pháp thông thường, dựa trên việc sử dụng các dấu tham chiếu in thạch bản và quan sát chúng bằng kính hiển vi quang học, cho thấy giới hạn của chúng về độ chính xác và có thể không đủ cho các thế hệ chip khắc tinh xảo hơn tiếp theo. Tuy nhiên, một phương pháp tiếp cận sáng tạo mới được một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Massachusetts Amherst phát triển gần đây có thể đưa ra một giải pháp đầy hứa hẹn cho thách thức công nghệ này.
Cụ thể, khi một chùm tia laser chiếu sáng một cặp dấu hiệu căn chỉnh, ánh sáng truyền qua sẽ tương tác với các cấu trúc của siêu bề mặt để tạo ra ảnh ba chiều. Sau đó, chúng giao thoa với nhau, tạo ra một mô hình cường độ được máy ảnh ghi lại. Phân tích mẫu nhiễu xạ này cho thấy với độ chính xác dưới nanomet sự không thẳng hàng ba chiều giữa các dấu và do đó giữa các vật thể – ví dụ, các lớp khác nhau của bộ vi xử lý – mà chúng được gắn vào.
Thiết kế cẩn thận của các dấu căn chỉnh là cốt lõi của kỹ thuật này: hình dạng đồng tâm của chúng với một lỗ hình khuyên hoạt động như các thành phần quang học thực sự làm thay đổi pha của ánh sáng tới để tạo ra ảnh ba chiều mong muốn. Khi được căn chỉnh hoàn hảo, các dấu này sẽ truyền chùm tia tới mà không bị lệch góc. Mặt khác, sự sai lệch theo chiều ngang, ngay cả chỉ một vài phần nhỏ của nanomet, cũng gây ra độ lệch theo các góc khác nhau, dẫn đến sự thay đổi trong các mẫu ảnh ba chiều. Tương tự như vậy, sự sai lệch trục giữa các dấu gây ra sự phân kỳ hoặc hội tụ chùm tia, dẫn đến hiện tượng mờ đặc trưng trong mô hình giao thoa quan sát được.
Đơn giản, mạnh mẽ và đáng tin cậy, phương pháp tiếp cận mới này cũng có thể đo độ lệch ba chiều từ một hình ảnh duy nhất, cho phép thực hiện quy trình căn chỉnh nhanh chóng theo thời gian thực, mở đường cho việc tạo ra các thiết bị điện tử dày đặc hơn, hiệu quả hơn và có khả năng ít tốn kém hơn. Và kỹ thuật đo lường dựa trên sự giao thoa toàn ảnh này thậm chí có thể tìm thấy ứng dụng trong các lĩnh vực khác đòi hỏi phép đo dịch chuyển có độ chính xác cao: nguyên tắc chuyển đổi dịch chuyển vật lý thành biến thể của mẫu quang học do đó có thể được khai thác để phát triển cảm biến dịch chuyển – hay nói cách khác là MEMS hoặc Hệ thống cơ điện tử vi mô – với độ nhạy chưa từng có.
Nguồn: Nature
Các phương pháp thông thường, dựa trên việc sử dụng các dấu tham chiếu in thạch bản và quan sát chúng bằng kính hiển vi quang học, cho thấy giới hạn của chúng về độ chính xác và có thể không đủ cho các thế hệ chip khắc tinh xảo hơn tiếp theo. Tuy nhiên, một phương pháp tiếp cận sáng tạo mới được một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Massachusetts Amherst phát triển gần đây có thể đưa ra một giải pháp đầy hứa hẹn cho thách thức công nghệ này.
Laser, ảnh ba chiều và siêu bề mặt
Kỹ thuật do các nhà nghiên cứu phát triển dựa trên việc sử dụng "siêu bề mặt" được thiết kế đặc biệt để làm dấu căn chỉnh, kết hợp với một hệ thống đơn giản bao gồm một nguồn laser và một camera. Không giống như các phương pháp truyền thống đòi hỏi phải chụp ảnh trực tiếp các dấu hiệu dưới kính hiển vi, phương pháp mới này khai thác sự giao thoa của các mẫu ảnh ba chiều do các siêu bề mặt này tạo ra.Cụ thể, khi một chùm tia laser chiếu sáng một cặp dấu hiệu căn chỉnh, ánh sáng truyền qua sẽ tương tác với các cấu trúc của siêu bề mặt để tạo ra ảnh ba chiều. Sau đó, chúng giao thoa với nhau, tạo ra một mô hình cường độ được máy ảnh ghi lại. Phân tích mẫu nhiễu xạ này cho thấy với độ chính xác dưới nanomet sự không thẳng hàng ba chiều giữa các dấu và do đó giữa các vật thể – ví dụ, các lớp khác nhau của bộ vi xử lý – mà chúng được gắn vào.
Thiết kế cẩn thận của các dấu căn chỉnh là cốt lõi của kỹ thuật này: hình dạng đồng tâm của chúng với một lỗ hình khuyên hoạt động như các thành phần quang học thực sự làm thay đổi pha của ánh sáng tới để tạo ra ảnh ba chiều mong muốn. Khi được căn chỉnh hoàn hảo, các dấu này sẽ truyền chùm tia tới mà không bị lệch góc. Mặt khác, sự sai lệch theo chiều ngang, ngay cả chỉ một vài phần nhỏ của nanomet, cũng gây ra độ lệch theo các góc khác nhau, dẫn đến sự thay đổi trong các mẫu ảnh ba chiều. Tương tự như vậy, sự sai lệch trục giữa các dấu gây ra sự phân kỳ hoặc hội tụ chùm tia, dẫn đến hiện tượng mờ đặc trưng trong mô hình giao thoa quan sát được.
Đo sự liên kết 3D của một vài picomet
Độ chính xác đạt được bằng phương pháp này là đáng chú ý: các mô phỏng đã chứng minh độ chính xác giới hạn theo cấp độ bước sóng laser chia cho 50.000 đối với sự sai lệch bên và chia cho 6.300 đối với sự sai lệch trục. Trên thực tế, đối với tia laser hoạt động ở bước sóng 850 nanomet, điều này tương ứng với độ chính xác vài picomet đối với độ dịch chuyển ngang và vài trăm picomet đối với độ dịch chuyển dọc. Các mức độ chính xác này vượt xa khả năng của các phương pháp thông thường dựa trên kính hiển vi quang học, có độ phân giải bị giới hạn bởi nhiễu xạ ánh sáng.Đơn giản, mạnh mẽ và đáng tin cậy, phương pháp tiếp cận mới này cũng có thể đo độ lệch ba chiều từ một hình ảnh duy nhất, cho phép thực hiện quy trình căn chỉnh nhanh chóng theo thời gian thực, mở đường cho việc tạo ra các thiết bị điện tử dày đặc hơn, hiệu quả hơn và có khả năng ít tốn kém hơn. Và kỹ thuật đo lường dựa trên sự giao thoa toàn ảnh này thậm chí có thể tìm thấy ứng dụng trong các lĩnh vực khác đòi hỏi phép đo dịch chuyển có độ chính xác cao: nguyên tắc chuyển đổi dịch chuyển vật lý thành biến thể của mẫu quang học do đó có thể được khai thác để phát triển cảm biến dịch chuyển – hay nói cách khác là MEMS hoặc Hệ thống cơ điện tử vi mô – với độ nhạy chưa từng có.
Nguồn: Nature