近日，美國康奈爾大學(xué)聯(lián)合臺積電（TSMC）與先進半導(dǎo)體材料公司（ASM）的研究團隊近日取得重大突破，首次在原子尺度上"拍攝"到計算機芯片內(nèi)部的"鼠咬"（mouse bites）缺陷。

這項成果于2月23日發(fā)表在《自然·通訊》期刊，由康奈爾大學(xué)博士生沙基·卡拉佩特揚（Shake Karapetyan）擔(dān)任第一作者。

項目負責(zé)人戴維·穆勒（David Muller）教授指出，"目前幾乎沒有其他方法能觀察到這類缺陷的原子結(jié)構(gòu)，因此這項技術(shù)將成為芯片調(diào)試與故障定位中極為重要的表征工具，尤其在研發(fā)階段。"這一突破標(biāo)志著人類對芯片微觀世界的觀測邁入全新階段，為半導(dǎo)體行業(yè)提供了前所未有的原子級缺陷分析能力。

圖為晶體管溝道內(nèi)部的硅、二氧化硅與氧化鉿層結(jié)構(gòu)

01、什么是"鼠咬"缺陷

"鼠咬"缺陷并非物理意義上的破損，而是晶體管界面原子級的微小缺口，形似被老鼠啃咬過的邊緣，布滿細小凸起與凹陷。

穆勒教授用形象的比喻，"晶體管就像電子的'微型管道'，內(nèi)壁越粗糙，電子流動就越慢。"隨著芯片工藝向3nm及以下制程邁進，晶體管溝道寬度已縮至15-18個原子，相當(dāng)于人類頭發(fā)絲直徑的萬分之一。

在這個尺度下，任何微小的結(jié)構(gòu)偏差都可能導(dǎo)致性能明顯損耗甚至晶體管失效。此前，半導(dǎo)體行業(yè)對這類缺陷只能通過投影圖像間接推測，無法精準(zhǔn)定位，工程師只能依靠"反復(fù)試錯"來優(yōu)化工藝。

02、電子疊層成像技術(shù)

這項技術(shù)突破的核心是電子疊層成像技術(shù)（electron ptychography），由穆勒團隊聯(lián)合開發(fā)的電子顯微鏡像素陣列探測器（EMPAD）實現(xiàn)。

EMPAD已獲吉尼斯世界紀(jì)錄認證，能呈現(xiàn)全球最高分辨率的原子細節(jié)，穆勒教授將這項技術(shù)比作"從前像開雙翼飛機，現(xiàn)在就像開噴氣式戰(zhàn)機"。

該技術(shù)通過電子束掃描晶體管，收集散射信號，再借助算法重構(gòu)出3D原子級圖像，精度達到原子晶格振動的極限?？ɡ逄負P解釋道："現(xiàn)代設(shè)備的制造需要成百上千步化學(xué)刻蝕、沉積與加熱工藝，每一步都會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。以前我們只能通過投影圖像推測內(nèi)部發(fā)生了什么，現(xiàn)在可以直接觀測，更清晰地掌握：我把溫度設(shè)到這么高，結(jié)果就會是這樣。"

03、半導(dǎo)體行業(yè)的影響

臺積電已表示將逐步將該技術(shù)融入3nm及以下制程的量產(chǎn)中，有望大幅提升芯片良率和性能，對于AI數(shù)據(jù)中心和量子計算等對芯片性能要求極高的領(lǐng)域，這項技術(shù)將提供關(guān)鍵支持。

此外，量子計算對材料結(jié)構(gòu)有著極高的控制要求，而此前行業(yè)對原子級缺陷的認知近乎空白，穆勒團隊的發(fā)現(xiàn)將為這些前沿技術(shù)提供精準(zhǔn)的材料結(jié)構(gòu)分析工具，加速量子處理器的開發(fā)進程。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)逼近物理極限，原子級表征已成為行業(yè)生死線，這項研究不僅是對"鼠咬"缺陷的首次直接觀測，更重塑了芯片設(shè)計范式。

卡拉佩特揚展望道："有了這項工具，我們現(xiàn)在能開展更多科學(xué)研究，也能實現(xiàn)更精細的工程控制。"康奈爾大學(xué)與臺積電、ASM的產(chǎn)學(xué)研合作模式，為全球半導(dǎo)體行業(yè)提供了重要參考。

在2026年3月的行業(yè)峰會上，臺積電技術(shù)副總裁格倫·威爾克（Glen Wilk）重提與穆勒25年前在貝爾實驗室的開創(chuàng)性合作，感慨道："從氧化鉿替代二氧化硅的提案，到如今的原子級成像，我們正站在芯片革命的起點。"