新型無損成像技術問世

近日，一個由多國研究人員組成的國際研究小組開發出了一種新型無損成像技術，利用該技術可以迅速發現并表征硅材料內部的各種結構特征。這對于檢測目前正在信息處理技術中普遍使用到的傳統硅芯片是一個巨大的福音，除此之外，該技術還有望大力推進下一代量子信息處理設備的發展。

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

應用領域

掃描微波顯微鏡技術在許多領域都取得了廣泛的應用，包括用于對生物細胞材料、新研發材料（如石墨烯）或標準半導體材料進行表征分析等。

技術原理

該技術主要是通過將一個原子力顯微鏡（AFM）與一個能夠從AFM探針發出微波信號的矢量網絡分析儀（VNA）進行結合使用，來完成相應分析表征工作，其中原子力顯微鏡含有一個能夠在樣品上進行掃描的納米級探針。信號在樣品內發生反射并最終由矢量網絡分析儀進行測量，測量結果能夠提供關于樣品的三維結構和電特性的相關信息。

實測效果

研究人員利用該技術對硅表面下的磷原子圖案層進行了成像以研究其電學性質。結果顯示，該技術能夠將1900~4200個密集堆積的原子（掩埋在表面以下4~15納米）進行成像。

當然其他有一些顯微鏡成像技術，如二次離子質譜技術（SIMS），也可以對這些摻雜劑進行成像。但是，掃描微波顯微鏡技術的主要優點在于它不會損壞樣本，屬于一種無損檢測技術。

這項技術可能會帶來……

負責領導該項研究的奧地利林茨大學博士后Georg Gramse在《IEEE Spectrum》的采訪中解釋道：“我們已經看到了這種新技術對于標準硅芯片的發展所帶來的影響；因為利用一些傳統技術對其最小的工作部件進行快照成像都是非常困難和耗時的，并且一般情況下都會破壞芯片的結構”。

Gramse還指出，非破壞性成像技術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的非破壞性掃描特點將極大地助力硅芯片產業的發展，此外，Gramse相信該技術還可能會對制造出磷硅量子計算機產生巨大的影響——量子計算機的操作方式與傳統計算機的操作方式截然不同，傳統計算機要么將晶體管開啟或者關閉，以將數據表示為1或者0。相反的，量子計算機使用量子位元，由于量子力學的規律，它們可以處于疊加狀態，同時表示出1和0。

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

這項新技術為磷化硅器件的研發提供了重要的輔助作用，因為掃描微波顯微鏡技術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構的速度，該技術也能被應用于光刻工藝中原子摻雜的迭代控制。

Gramse補充道：“目前，我們正在研究磷原子層的物理性質，這將是實現磷-硅量子計算機的下一步計劃”。