美國康奈爾大學的研究團隊近日取得了一項突破性進展，他們利用高分辨率三維成像技術(shù)，首次在計算機芯片中發(fā)現(xiàn)了可能影響其性能的原子級缺陷，并將其命名為“mouse bite（鼠咬）”。這一發(fā)現(xiàn)可能對全球電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠影響，涉及從智能手機和汽車到人工智能數(shù)據(jù)中心和量子計算等多個領(lǐng)域。

這項研究是康奈爾大學與臺積電以及半導(dǎo)體材料公司ASM合作完成的，相關(guān)成果已于2月23日發(fā)表在《自然·通訊》期刊上。研究團隊通過創(chuàng)新性的成像技術(shù)，成功檢測到芯片制造過程中形成的微小界面粗糙度，這些缺陷在原子尺度上呈現(xiàn)出類似“鼠咬”的形態(tài)，可能阻礙電流在晶體管中的流動，進而影響芯片性能。

晶體管作為計算機芯片的核心組件，其功能類似于電子開關(guān)，通過電門控制電流的通斷。隨著芯片技術(shù)向更小尺寸發(fā)展，晶體管的尺寸已縮小至原子級別，這使得任何微小的結(jié)構(gòu)缺陷都可能對性能產(chǎn)生顯著影響。研究項目負責人、康奈爾大學工程學教授David Muller比喻稱：“晶體管就像電子管道，如果管壁粗糙不平，就會減緩電子流動速度。因此，精確測量管壁質(zhì)量變得至關(guān)重要?！?/p>

現(xiàn)代芯片制造涉及數(shù)百甚至上千道化學蝕刻、沉積和加熱工序，每一步都可能引入結(jié)構(gòu)變化。傳統(tǒng)方法依賴投影圖像推測實際情況，而新成像技術(shù)允許研究人員直接觀察每道工序后的芯片結(jié)構(gòu)。論文第一作者Shake Karapetyan表示：“現(xiàn)在我們可以真正看到，當溫度調(diào)整到特定值時，芯片結(jié)構(gòu)會發(fā)生怎樣的變化。這種可視化能力將極大提升制造過程的可控性?！?/p>

單個高性能芯片可能包含數(shù)十億個晶體管，隨著尺寸縮小，故障排查難度呈指數(shù)級增長。新發(fā)現(xiàn)的“鼠咬”缺陷源于優(yōu)化生長過程中的結(jié)構(gòu)異常，這種原子級缺陷此前難以被檢測。Muller教授強調(diào)，該技術(shù)將成為芯片開發(fā)階段的重要調(diào)試工具，幫助工程師在早期發(fā)現(xiàn)并修正設(shè)計缺陷。

這項突破不僅適用于傳統(tǒng)電子設(shè)備，還可能推動量子計算等前沿技術(shù)的發(fā)展。量子計算機對材料結(jié)構(gòu)控制要求極高，而當前技術(shù)尚無法完全滿足這一需求。新成像技術(shù)提供的原子級精度觀察能力，有望為下一代計算技術(shù)奠定基礎(chǔ)。研究團隊表示，未來將繼續(xù)探索該技術(shù)在其他半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用潛力。