新型无损成像技术问世

近日，一个由多国研究人员组成的国际研究小组开发出了一种新型无损成像技术，利用该技术可以迅速发现并表征硅材料内部的各种结构特征。这对于检测目前正在信息处理技术中普遍使用到的传统硅芯片是一个巨大的福音，除此之外，该技术还有望大力推进下一代量子信息处理设备的发展。

来自奥地利林茨大学、英国伦敦大学学院、苏黎世联邦理工学院和瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员将这种称为“扫描微波显微镜（SMM）技术”用于识别硅材料内部深处的掺杂剂（掺杂剂指的是添加到半导体中以改变其电学和光学性质的原子），而且不会对材料造成任何损害。该研究成果已发表在《Science Advance》期刊上。

应用领域

扫描微波显微镜技术在许多领域都取得了广泛的应用，包括用于对生物细胞材料、新研发材料（如石墨烯）或标准半导体材料进行表征分析等。

技术原理

该技术主要是通过将一个原子力显微镜（AFM）与一个能够从AFM探针发出微波信号的矢量网络分析仪（VNA）进行结合使用，来完成相应分析表征工作，其中原子力显微镜含有一个能够在样品上进行扫描的纳米级探针。信号在样品内发生反射并最终由矢量网络分析仪进行测量，测量结果能够提供关于样品的三维结构和电特性的相关信息。

实测效果

研究人员利用该技术对硅表面下的磷原子图案层进行了成像以研究其电学性质。结果显示，该技术能够将1900~4200个密集堆积的原子（掩埋在表面以下4~15纳米）进行成像。

当然其他有一些显微镜成像技术，如二次离子质谱技术（SIMS），也可以对这些掺杂剂进行成像。但是，扫描微波显微镜技术的主要优点在于它不会损坏样本，属于一种无损检测技术。

这项技术可能会带来……

负责领导该项研究的奥地利林茨大学博士后Georg Gramse在《IEEE Spectrum》的采访中解释道：“我们已经看到了这种新技术对于标准硅芯片的发展所带来的影响；因为利用一些传统技术对其最小的工作部件进行快照成像都是非常困难和耗时的，并且一般情况下都会破坏芯片的结构”。

Gramse还指出，非破坏性成像技术对于政府组织了解市场上所使用的一些国外芯片材料也正变得越来越重要。

扫描微波显微镜技术的非破坏性扫描特点将极大地助力硅芯片产业的发展，此外，Gramse相信该技术还可能会对制造出磷硅量子计算机产生巨大的影响——量子计算机的操作方式与传统计算机的操作方式截然不同，传统计算机要么将晶体管开启或者关闭，以将数据表示为1或者0。相反的，量子计算机使用量子位元，由于量子力学的规律，它们可以处于叠加状态，同时表示出1和0。

四年前，人们迈出了第一步，通过使用与现今计算机中相同的硅材料来制造量子计算机，其中的诀窍是在硅中注入磷原子，设法利用嵌入在硅中的磷原子的核自旋作为量子位。

这项新技术为磷化硅器件的研发提供了重要的辅助作用，因为扫描微波显微镜技术可以集成到用于硅器件的扫描探针仪器中。这将显著增加获得三维图案结构的速度，该技术也能被应用于光刻工艺中原子掺杂的迭代控制。

Gramse补充道：“目前，我们正在研究磷原子层的物理性质，这将是实现磷-硅量子计算机的下一步计划”。