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超精确传感器,可以测量小于原子宽度的形变

发布时间:2020-07- 03点击量:0

电气工程师斯特凡诺斯·安德鲁(Stefanos Andreou)建造了一种非凡的传感器,其精确度小于原子大小。

为了使计算机速度更快,需要更小的芯片。出生于塞浦路斯的博士生斯特凡诺斯·安德鲁(Stefanos Andreou)建造了一个传感器,利用该传感器可以测量小于原子宽度的形变。光刻机制造商阿斯麦(ASML)也许可以使用这项技术来提高其机器的精度。

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使用ASML的最新极紫外光刻机,生产出的计算机芯片其细节尺寸不超过几纳米。当您考虑到一毫米相当于一百万纳米时,这绝非易事。像这样的芯片上的电路是使用光刻技术生产的:借助紫外线将图案蚀刻到硅片上。由于芯片生产需要在彼此之上堆叠多个图案,因此硅片(生产中称为晶圆)的定位需要非常精确。

博士生斯特凡诺斯·安德鲁解释说,即使是最轻微的晶圆变形也会引起问题。“这些晶圆实际上非常坚硬,但是由于受到重力的作用使它们略微变形。对这种变形的测量使ASML有机会以某种或其他方式对其进行补偿,然后获得了生产甚至更小的芯片的可能性。” 这促使塞浦路斯人以此作为他的博士学位课题。安德鲁致力于设计一种基于玻璃纤维的特殊传感器,该传感器能够测量每米大约1纳米的变形。

非凡的准确性

这种超高精度传感器的原理是,可以以非常高的精度测量激光频率的偏差(一种被称为“光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)”的原理),这种玻璃纤维经过了多种处理,对于非常特定的颜色(颜色既光的频率)的光变得不透明。这个谐振频率依赖于纤维被拉伸的程度。

因此,安德鲁解释说,光纤布拉格光栅可以应用于光刻机中的运动部件,用来测量晶圆的变形。在硕士生罗尔·范德宗(Roel van der Zon)的协助下,安德鲁在实验室中测试了基于这种光纤布拉格光栅传感器的测量系统。“实际上,ASML需要数十个这样的传感器,但这没问题:它们可以廉价生产并且几乎没有重量。”

这位博士生指出,他们达到的每米5纳米的精度意味着在传感器尺度上(长度仅为几厘米)中,可以测量几十皮米(picometer,10^-12米)的变形。比原子的直径还小!然而,在达到这种不可能的准确性之前,必须解决许多问题。

温度

首先,需要先进的稳定技术来确保由安德鲁使用的激光具有正确的频率,这种激光由Smart Photonics生产的光子芯片产生。最大的挑战是这样的,即传感器的共振频率不仅取决于变形,还取决于温度。“这种影响实际上要大得多,” 安德鲁解释说。“当温度变化千分之一摄氏度时,它将导致测量偏差,相当于每米变形10纳米。”

为了补偿不可避免的温度波动,安德鲁将用于测量的激光分为两个分量:“对于这些分量或偏振态中的每一个,光纤在温度和谐振频率之间显示出不同的关系。”,这抵消了温度的影响,从而可以非常精确地确定变形,准确度是过去的十倍。“一旦系统得到充分优化,就应该可以对此进行改进。”

但是,塞浦路斯人本人不再专注于这一挑战。他现在是代夫特大学的博士后。“ASML提供了我的项目中使用的一些设备,现在正在进行ASML的后续项目。因此,我的工作正在继续进行。”