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新型無損成像技術(shù)問世

近日，一個(gè)由多國研究人員組成的國際研究小組開發(fā)出了一種新型無損成像技術(shù)，利用該技術(shù)可以迅速發(fā)現(xiàn)并表征硅材料內(nèi)部的各種結(jié)構(gòu)特征。這對于檢測目前正在信息處理技術(shù)中普遍使用到的傳統(tǒng)硅芯片是一個(gè)巨大的福音，除此之外，該技術(shù)還有望大力推進(jìn)下一代量子信息處理設(shè)備的發(fā)展。

來自奧地利林茨大學(xué)、英國倫敦大學(xué)學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員將這種稱為“掃描微波顯微鏡（SMM）技術(shù)”用于識別硅材料內(nèi)部深處的摻雜劑（摻雜劑指的是添加到半導(dǎo)體中以改變其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的原子），而且不會(huì)對材料造成任何損害。該研究成果已發(fā)表在《Science Advance》期刊上。

應(yīng)用領(lǐng)域

掃描微波顯微鏡技術(shù)在許多領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用，包括用于對生物細(xì)胞材料、新研發(fā)材料（如石墨烯）或標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體材料進(jìn)行表征分析等。

技術(shù)原理

該技術(shù)主要是通過將一個(gè)原子力顯微鏡（AFM）與一個(gè)能夠從AFM探針發(fā)出微波信號的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）進(jìn)行結(jié)合使用，來完成相應(yīng)分析表征工作，其中原子力顯微鏡含有一個(gè)能夠在樣品上進(jìn)行掃描的納米級探針。信號在樣品內(nèi)發(fā)生反射并最終由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量，測量結(jié)果能夠提供關(guān)于樣品的三維結(jié)構(gòu)和電特性的相關(guān)信息。

實(shí)測效果

研究人員利用該技術(shù)對硅表面下的磷原子圖案層進(jìn)行了成像以研究其電學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示，該技術(shù)能夠?qū)?900~4200個(gè)密集堆積的原子（掩埋在表面以下4~15納米）進(jìn)行成像。

當(dāng)然其他有一些顯微鏡成像技術(shù)，如二次離子質(zhì)譜技術(shù)（SIMS），也可以對這些摻雜劑進(jìn)行成像。但是，掃描微波顯微鏡技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于它不會(huì)損壞樣本，屬于一種無損檢測技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)帶來……

負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的奧地利林茨大學(xué)博士后Georg Gramse在《IEEE Spectrum》的采訪中解釋道：“我們已經(jīng)看到了這種新技術(shù)對于標(biāo)準(zhǔn)硅芯片的發(fā)展所帶來的影響；因?yàn)槔靡恍﹤鹘y(tǒng)技術(shù)對其最小的工作部件進(jìn)行快照成像都是非常困難和耗時(shí)的，并且一般情況下都會(huì)破壞芯片的結(jié)構(gòu)”。

Gramse還指出，非破壞性成像技術(shù)對于政府組織了解市場上所使用的一些國外芯片材料也正變得越來越重要。

掃描微波顯微鏡技術(shù)的非破壞性掃描特點(diǎn)將極大地助力硅芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，此外，Gramse相信該技術(shù)還可能會(huì)對制造出磷硅量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生巨大的影響——量子計(jì)算機(jī)的操作方式與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的操作方式截然不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要么將晶體管開啟或者關(guān)閉，以將數(shù)據(jù)表示為1或者0。相反的，量子計(jì)算機(jī)使用量子位元，由于量子力學(xué)的規(guī)律，它們可以處于疊加狀態(tài)，同時(shí)表示出1和0。

四年前，人們邁出了第一步，通過使用與現(xiàn)今計(jì)算機(jī)中相同的硅材料來制造量子計(jì)算機(jī)，其中的訣竅是在硅中注入磷原子，設(shè)法利用嵌入在硅中的磷原子的核自旋作為量子位。

這項(xiàng)新技術(shù)為磷化硅器件的研發(fā)提供了重要的輔助作用，因?yàn)閽呙栉⒉@微鏡技術(shù)可以集成到用于硅器件的掃描探針儀器中。這將顯著增加獲得三維圖案結(jié)構(gòu)的速度，該技術(shù)也能被應(yīng)用于光刻工藝中原子摻雜的迭代控制。

Gramse補(bǔ)充道：“目前，我們正在研究磷原子層的物理性質(zhì)，這將是實(shí)現(xiàn)磷-硅量子計(jì)算機(jī)的下一步計(jì)劃”。