康奈爾大學研究團隊首次借助高分辨率 3D 成像技術觀測到芯片中原子級缺陷，此類缺陷會影響芯片性能

該成像技術由康奈爾大學與臺灣積體電路制造股份有限公司（臺積電）、先進半導體材料公司（ASM）聯合研發，未來或可應用于各類現代電子設備，涵蓋手機、汽車，乃至人工智能數據中心與量子計算設備。

相關研究成果發表于《自然?通訊》期刊，博士研究生沙克?卡拉佩強為論文第一作者。

該研究項目負責人、康奈爾大學達菲爾德工程學院塞繆爾?B?埃克特工程學教授戴維?馬勒表示：“目前尚無其他方法能觀測到這類缺陷的原子結構，因此這項技術將成為計算機芯片調試與故障檢測的重要表征工具，在芯片研發階段的作用尤為關鍵。”

微小缺陷一直是半導體行業的長期難題，尤其是當下，半導體技術復雜度不斷提升，而元器件尺寸已縮小至原子級別，這一問題愈發突出。

（配圖說明：平面晶體硅 / 非晶硅二氧化硅界面的 3D 電勢重構圖。a：多層電子疊層相位成像技術重構的靜電勢，以深度為變量呈現；b：與 a 為同一圖像，疊加了追蹤到的原子位置，并從界面開始按雙層結構分組。圖片來源：《自然?通訊》2026 年，數字對象標識符：10.1038/s41467-026-69733-1）

本次研究的核心對象，也是計算機芯片的核心部件 —— 晶體管，這一微型開關通過柵極控制溝道的通斷，實現電流的傳導。

馬勒解釋道：“晶體管就像一根輸送電子而非水的細管?？梢韵胂?，若管道內壁十分粗糙，電子的傳輸速度就會變慢。因此，檢測晶體管溝道‘內壁’的粗糙程度，判斷不同溝道的優劣，如今變得尤為重要?！?/p>

成像技術的飛躍：從 “雙翼機” 到 “噴氣式飛機”

馬勒對半導體設計有著獨到的見解。1997 年至 2003 年，他曾任職于晶體管的誕生地 —— 貝爾實驗室研發部門，研究探索晶體管微型化的物理極限。

馬勒表示，20 世紀中期晶體管問世后，最初的制造形式如同郊區的布局，呈平面狀向四周延展。隨著芯片的平面空間逐漸耗盡，設計者開始采用三維堆疊的方式打造晶體管，如同建造高層公寓樓。

“問題在于，這些 3D 結構的尺寸比病毒還小，如今更是微乎其微，堪比細胞內分子的尺度?！?馬勒說。

如今，一枚高性能芯片可集成數十億個晶體管，但隨著晶體管尺寸不斷縮小，相關技術的故障排查難度也大幅增加。

卡拉佩強稱：“如今，晶體管的溝道寬度僅約 15 至 18 個原子，極其微小且結構復雜。在這一尺度下，每個原子的位置都至關重要，而對其進行表征分析的難度極大?！?/p>

在貝爾實驗室期間，馬勒與現擔任 ASM 公司技術副總裁的校友格倫?威爾克（1990 屆）曾嘗試用氧化鉿替代二氧化硅作為柵極材料 —— 二氧化硅在小尺度下存在嚴重的漏電流問題。數年后，兩人離開貝爾實驗室，但他們的研究成果仍被半導體企業廣泛借鑒，21 世紀初，氧化鉿迅速成為計算機和手機領域的主流柵極材料。

馬勒同時擔任康奈爾大學卡夫利納米科學研究所與康奈爾材料研究中心聯合主任，他說：“我可以肯定，我們發表的關于利用電子顯微鏡表征這類材料的論文，被眾多半導體行業從業者仔細研讀。當我們重啟這一研究項目時，這一點體現得尤為明顯。而且電子顯微鏡技術也取得了長足的進步，過去的技術就像雙翼機，如今已然升級成了噴氣式飛機?！?/p>

這里的 “噴氣式飛機”，指的是電子疊層相位成像技術。這是一種計算成像方法，借助馬勒團隊聯合研發的電子顯微鏡像素陣列探測器（EMPAD），收集電子穿過晶體管后形成的詳細散射圖案?？茖W家通過對比不同掃描位置的散射圖案變化，能重構出清晰度極高的圖像。該探測器的精度創下吉尼斯世界紀錄，可捕捉到世界上分辨率最高的圖像，以前所未有的細節呈現原子結構。

半導體中的 “鼠咬狀 (Mouse bites)” 缺陷

在兩人上一次合作研究的 25 年后，臺積電及其企業分析實驗室的支持下，馬勒團隊與威爾克再度聯手，利用電子顯微鏡像素陣列探測器對現代半導體的內部結構展開觀測。

卡拉佩強表示：“這項成像技術的研發與應用，無論是收集實驗數據，還是進行計算重構，都如同破解一個巨型拼圖。”

研究團隊完成所有數據的收集、重構與原子位置追蹤后，成功檢測到了晶體管溝道的界面粗糙度，卡拉佩強將這類缺陷形象地命名為 “鼠咬狀” 缺陷。該類粗糙度由半導體優化生長過程中產生的缺陷所致。此次研究采用了比利時微電子研究中心制備的樣品結構，為該成像技術的測試提供了理想條件。

卡拉佩強說：“現代半導體器件的制造流程包含數百甚至數千道工序，涉及化學刻蝕、薄膜沉積、加熱等操作，每一道工序都會對器件結構產生影響。此前，研究人員只能通過投影圖像推測器件內部的實際情況；如今，借助這一技術，我們能在每道工序后直接觀測器件結構，更清晰地掌握工藝參數帶來的影響，比如設定該溫度后，器件結構會發生怎樣的變化?！?/p>

這項全新的成像技術未來或可應用于所有搭載現代計算機芯片的設備，從手機、筆記本電腦到數據中心均能覆蓋，同時也將為量子計算機等下一代技術的調試帶來助力 —— 量子計算對材料的結構控制要求極高，而目前相關的控制技術尚未完全成熟。

卡拉佩強表示：“有了這一工具，我們未來能開展更多相關的科學研究，也能實現更精準的工程工藝控制?！?/p>