매사추세츠 대학교 애머스트(Amherst) 연구원들은 3D 반도체 칩을 정렬하는 레이저 기반 기술을 개발하여 칩 제조에서 오랫동안 지속된 과제를 잠재적으로 극복했습니다. 이 방법은 동심 금속 렌즈를 사용하여 이전보다 더 작은 규모로 칩 레이어 간의 정렬 불량을 나타내는 홀로그램을 생성합니다.
전통적으로 반도체 칩은 2차원 공정을 통해 제조되었습니다. 그러나 장치가 더욱 강력하고 컴팩트해짐에 따라 업계에서는 여러 개의 2차원 레이어를 적층하는 3D 칩 설계로 점점 더 전환하고 있습니다. 이 접근 방식은 상당한 기술적 과제를 안겨줍니다. 특히 각 레이어를 매우 높은 정밀도로 정렬해야 한다는 점입니다. 약간의 정렬 불량이라도 칩 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
매사추세츠 대학교 애머스트(Amherst) 전기 및 컴퓨터 공학과 부교수이자 이번 연구의 수석 저자인 아미르 아르바비(Amir Arbabi)는 두 레이어를 정렬하는 전통적인 방법은 현미경을 사용하여 두 레이어의 모서리나 십자선과 같은 표시를 보고 겹치도록 시도하는 것이라고 말했습니다.
그러나 이 현미경 기반 프로세스는 레이어 사이의 물리적 간격과 초점 재지정의 필요성으로 인해 제한되며, 이로 인해 실제로 추가 칩 표류 및 정렬 불량이 발생할 수 있습니다. 층간 간격이 수백 미크론에 달하기 때문에 현미경은 두 십자선을 동시에 명확하게 볼 수 없습니다. 연구의 수석 저자인 Maryam Ghahremani는 레이어 간 초점을 다시 맞추는 데 필요한 움직임으로 인해 칩 변위가 발생할 수 있다고 설명합니다. 동시에,현미경 검사법은 또한 회절 한계에 의해 제한되는데, 이는 분해 가능한 가장 작은 특징을 약 200나노미터로 제한합니다.
[왼쪽] 동심원 금속렌즈를 정렬 마크로 사용하여 반도체 층을 적층한 모습. [오른쪽] 빛이 이 마크를 통과하여 홀로그램을 투사합니다. 렌즈의 정렬 및 정렬 불량에 따라 홀로그램의 모양이 결정됩니다.
매사추세츠 대학교 애머스트(Amherst) 대학에서 개발된 새로운 방법은 이러한 한계를 극복합니다. 각 칩에 동심원 금속으로 만들어진 정렬 표시를 삽입하고 이 표시를 레이저로 조명함으로써 연구원들은 두 개의 간섭 홀로그램을 생성했습니다. 결과적인 간섭 패턴은 잘못된 정렬의 방향과 크기를 포함하여 칩 정렬에 대한 직접적인 시각적 단서를 제공합니다.
"간섭 이미지는 칩이 정렬되었는지 여부뿐 아니라 정렬 불량의 방향과 정도도 보여줄 수 있습니다"라고 Ghahremani는 말했습니다.
시스템의 정확도는 초기 기대치를 초과했습니다. 팀의 초기 목표는 100나노미터의 정확도였지만 이 방법은 수평축에서 0.017나노미터, 수직축에서 0.134나노미터의 작은 오정렬을 감지할 수 있었습니다. "두 개의 물체가 있다고 가정해 보세요. 그 물체를 통과하는 빛을 보면 물체 중 하나가 다른 물체에 비해 원자 크기의 거리만큼 이동했는지 여부를 알 수 있습니다."라고 Albaby는 말했습니다.
이러한 수준의 정확도는 정렬 오류가 지속적이고 비용이 많이 드는 과제였던 반도체 산업에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 초정밀 칩 정렬에 대한 기술 및 재정적 장벽을 낮추면 소규모 기업과 신생 기업이 고급 제조 기술에 더 쉽게 접근할 수 있습니다.
연구원들은 또한 이 기술이 소형, 저비용 센서에 적용될 수 있다고 말합니다. Arbabi는 "단순한 레이저와 카메라만으로 감지하려는 많은 물리량을 변위로 변환할 수 있습니다."라고 말했습니다. 이 기술의 응용 분야에는 압력 센서, 진동 감지기 및 동작이나 환경 변화를 모니터링하는 기타 장치가 포함될 수 있습니다.