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康奈尔大学研究团队首次借助高分辨率 3D 成像技术观测到芯片中原子级缺陷，此类缺陷会影响芯片性能

该成像技术由康奈尔大学与台湾积体电路制造股份有限公司（台积电）、先进半导体材料公司（ASM）联合研发，未来或可应用于各类现代电子设备，涵盖手机、汽车，乃至人工智能数据中心与量子计算设备。

相关研究成果发表于《自然・通讯》期刊，博士研究生沙克・卡拉佩强为论文第一作者。

该研究项目负责人、康奈尔大学达菲尔德工程学院塞缪尔・B・埃克特工程学教授戴维・马勒表示：“目前尚无其他方法能观测到这类缺陷的原子结构，因此这项技术将成为计算机芯片调试与故障检测的重要表征工具，在芯片研发阶段的作用尤为关键。”

微小缺陷一直是半导体行业的长期难题，尤其是当下，半导体技术复杂度不断提升，而元器件尺寸已缩小至原子级别，这一问题愈发突出。

（配图说明：平面晶体硅 / 非晶硅二氧化硅界面的 3D 电势重构图。a：多层电子叠层相位成像技术重构的静电势，以深度为变量呈现；b：与 a 为同一图像，叠加了追踪到的原子位置，并从界面开始按双层结构分组。图片来源：《自然・通讯》2026 年，数字对象标识符：10.1038/s41467-026-69733-1）

本次研究的核心对象，也是计算机芯片的核心部件 —— 晶体管，这一微型开关通过栅极控制沟道的通断，实现电流的传导。

马勒解释道：“晶体管就像一根输送电子而非水的细管。可以想象，若管道内壁十分粗糙，电子的传输速度就会变慢。因此，检测晶体管沟道‘内壁’的粗糙程度，判断不同沟道的优劣，如今变得尤为重要。”

成像技术的飞跃：从 “双翼机” 到 “喷气式飞机”

马勒对半导体设计有着独到的见解。1997 年至 2003 年，他曾任职于晶体管的诞生地 —— 贝尔实验室研发部门，研究探索晶体管微型化的物理极限。

马勒表示，20 世纪中期晶体管问世后，最初的制造形式如同郊区的布局，呈平面状向四周延展。随着芯片的平面空间逐渐耗尽，设计者开始采用三维堆叠的方式打造晶体管，如同建造高层公寓楼。

“问题在于，这些 3D 结构的尺寸比病毒还小，如今更是微乎其微，堪比细胞内分子的尺度。” 马勒说。

如今，一枚高性能芯片可集成数十亿个晶体管，但随着晶体管尺寸不断缩小，相关技术的故障排查难度也大幅增加。

卡拉佩强称：“如今，晶体管的沟道宽度仅约 15 至 18 个原子，极其微小且结构复杂。在这一尺度下，每个原子的位置都至关重要，而对其进行表征分析的难度极大。”

在贝尔实验室期间，马勒与现担任 ASM 公司技术副总裁的校友格伦・威尔克（1990 届）曾尝试用氧化铪替代二氧化硅作为栅极材料 —— 二氧化硅在小尺度下存在严重的漏电流问题。数年后，两人离开贝尔实验室，但他们的研究成果仍被半导体企业广泛借鉴，21 世纪初，氧化铪迅速成为计算机和手机领域的主流栅极材料。

马勒同时担任康奈尔大学卡夫利纳米科学研究所与康奈尔材料研究中心联合主任，他说：“我可以肯定，我们发表的关于利用电子显微镜表征这类材料的论文，被众多半导体行业从业者仔细研读。当我们重启这一研究项目时，这一点体现得尤为明显。而且电子显微镜技术也取得了长足的进步，过去的技术就像双翼机，如今已然升级成了喷气式飞机。”

这里的 “喷气式飞机”，指的是电子叠层相位成像技术。这是一种计算成像方法，借助马勒团队联合研发的电子显微镜像素阵列探测器（EMPAD），收集电子穿过晶体管后形成的详细散射图案。科学家通过对比不同扫描位置的散射图案变化，能重构出清晰度极高的图像。该探测器的精度创下吉尼斯世界纪录，可捕捉到世界上分辨率最高的图像，以前所未有的细节呈现原子结构。

半导体中的 “鼠咬状 (Mouse bites)” 缺陷

在两人上一次合作研究的 25 年后，台积电及其企业分析实验室的支持下，马勒团队与威尔克再度联手，利用电子显微镜像素阵列探测器对现代半导体的内部结构展开观测。

卡拉佩强表示：“这项成像技术的研发与应用，无论是收集实验数据，还是进行计算重构，都如同破解一个巨型拼图。”

研究团队完成所有数据的收集、重构与原子位置追踪后，成功检测到了晶体管沟道的界面粗糙度，卡拉佩强将这类缺陷形象地命名为 “鼠咬状” 缺陷。该类粗糙度由半导体优化生长过程中产生的缺陷所致。此次研究采用了比利时微电子研究中心制备的样品结构，为该成像技术的测试提供了理想条件。

卡拉佩强说：“现代半导体器件的制造流程包含数百甚至数千道工序，涉及化学刻蚀、薄膜沉积、加热等操作，每一道工序都会对器件结构产生影响。此前，研究人员只能通过投影图像推测器件内部的实际情况；如今，借助这一技术，我们能在每道工序后直接观测器件结构，更清晰地掌握工艺参数带来的影响，比如设定该温度后，器件结构会发生怎样的变化。”

这项全新的成像技术未来或可应用于所有搭载现代计算机芯片的设备，从手机、笔记本电脑到数据中心均能覆盖，同时也将为量子计算机等下一代技术的调试带来助力 —— 量子计算对材料的结构控制要求极高，而目前相关的控制技术尚未完全成熟。

卡拉佩强表示：“有了这一工具，我们未来能开展更多相关的科学研究，也能实现更精准的工程工艺控制。”

关键词： 电子显微镜 半导体 mouse bite 缺陷