為硅晶板打造「微創整形」，新的成像技術或提升為量子計算機製造工藝

最近，《Science》子刊《Science Advances》上發表的一篇論文稱，研究團隊開發了一種能夠窺探硅晶體內部結構的非侵入性成像技術。這很有可能成為測試常規硅基晶元的有效方法，且可能為下一代的量子計算技術奠定基礎。

這支來自奧地利林茨大學、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國際團隊將現有成熟的顯微技術——掃描微波顯微鏡（Scanning Microwave Microscopy, SMM）運用到對硅晶元中人工摻入雜質的檢測當中，整個成像過程不會對晶元產生任何損害（半導體中會被摻入雜質來增強其導電和光學性質）。

圖丨磷-硅材料成像

掃描微波顯微鏡在生物細胞和新材料方面有廣泛應用，其中包括石墨和其它半導體材料。它的工作原理結合了原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM)和矢量網路分析儀 (Vector Network Analyzer, VNA)——二者分別有測量樣品特定部分的納米探針，以及往探針上傳輸的微波信號的裝置。該信號會在樣本中反射，並回到矢量網路分析儀中進行計算，最後整套儀器會反饋樣本的三維圖像和電學性質。

研究者使用掃描微波顯微鏡掃描樣本，具體探測了硅晶表層下成一定規律排列的磷原子的電學性質。在這一方法下，研究者成功檢測了在表面4-15納米之下的1900-4200個緊密排列的原子。

當然，諸如二次離子質譜分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）之類的技術也可以用於檢測半導體中人工參入的雜質，但是掃描微波顯微鏡的主要優勢是，它不會對樣本有任何損壞。

在 IEEE Spectrum 的一個郵件採訪中，本實驗的領導者、奧地利林茨大學的 Georg Gramse 表示：「從對硅晶元掃描的新技術中，我們能預見到對全球行業的潛在衝擊。因為在晶元集成電路越來越小的情況下，測量過程已經變得無比困難且耗費時間，而且可能會損壞晶元本身。」

圖丨SMM和VNA對材料的測量結果

除了對硅基晶元的一系列影響，Gramse相信，這項技術可能對未來的磷-硅量子計算機的製造工藝做出貢獻。

與經典計算機基於晶體管（晶體管的開關對應二進位的0和1）的工作原理不同，量子計算通過既可以代表0又可以代表1的量子比特處理數據。

四年前，人們開始用製造傳統計算機的硅材料製造量子計算機，但難點在於硅晶體中磷原子的植入，而磷原子的自旋正是量子比特承載體。

新的成像技術對磷-硅量子計算機的實現奠定了基礎，因為人們能把掃描微波顯微鏡集成到現有的探測儀器中。這將大大加快三維結構的製造速度，因為該技術也能被應用於光刻工藝中原子摻雜的迭代控制。

Gramse最後說：「目前，我們正在研究磷原子層的物理性質，這將是通往磷-硅量子計算機的下一步。」

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來源：http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1602586.full

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/nondestructive-microscopy-technique-offers-a-path-toward-insilicon-quantum-computers

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