前言
康乃爾大學研究人員運用高解析度三維成像技術，成功識別出積體電路晶片中存在的原子尺度缺陷。這些缺陷是導致元件性能下降的關鍵因素之一。這項與台積電（TSMC）及先進半導體材料公司（ASM）合作完成的研究，對從智慧型手機到量子電腦等各類電子產品的製程品質控制具有深遠意義。
相關研究成果已於 2026 年 2 月 23 日發表於國際頂尖期刊《自然通訊》（Nature Communications）。研究核心聚焦於電晶體——這個控制電流通斷的微型開關。負責本研究的 Samuel B. Eckert 工程學教授 David Muller 以淺顯的比喻解釋道：「電晶體就像一條供電子流通的細小管道，電子就如同水一樣流過其中。」
「從雙翼機時代，一躍進入噴射機時代」
現今最先進的電晶體通道寬度僅有 15 至 18 個原子。Muller 教授於 1997 年至 2003 年間任職於貝爾實驗室，期間曾與 Glen Wilk 共同研究以氧化鉿（Hafnium Oxide）取代二氧化矽作為閘極介電材料的可行性。這項創新技術克服了二氧化矽在極薄化後漏電流急遽增加的物理極限，最終在 2000 年代中期成為業界標準，延續了摩爾定律的發展。
然而，材料的革新並不代表問題的終結。隨著元件尺寸持續縮小，如何以前所未有的精度解析介面結構，成為下一個關鍵挑戰。Muller 教授以一句話形容這次的技術躍升：「過去我們開的是雙翼螺旋槳飛機，現在換上了噴射機。」
「鼠咬」缺陷的發現
本研究採用「電子疊層繞射成像術」（Electron Ptychography），搭配電子顯微鏡像素陣列偵測器（EMPAD）進行量測。此計算式成像技術能重建電子穿透樣品時的完整散射訊號，從而以空前的原子細節還原材料結構，其成像解析度已獲金氏世界紀錄認證為全球最高。
藉由這項技術，研究團隊在閘極介電薄膜的界面處發現了「鼠咬」形貌的缺陷——一種在製程優化步驟中形成的局部粗糙結構。博士生 Shake Karapetyan 說明：「過去我們只能透過投影影像來猜測內部的真實狀況，而現在我們可以直接看到三維的原子排列，就像從空中俯瞰一幅精確的地形圖。」
這些微小缺陷對電晶體性能有顯著影響：界面粗糙度會造成電子散射增加，進而提高元件的漏電流和功耗，限制了晶片在高頻操作下的效能。能夠精確識別並量化這類缺陷，為半導體製造商提供了新的除錯工具，有助於優化製程、提升良率。
對次世代技術的啟示
這項突破不僅能改善現有半導體製程的除錯能力，更對下一代量子電腦的開發具有潛在貢獻。量子位元（Qubit）對材料缺陷極為敏感，任何原子尺度的界面不均勻性都可能造成量子相干性的損失。更精確的三維成像技術，將有助於研究人員找到更理想的材料組合與製程條件，為量子計算鋪平道路。
- 高解析三維成像：電子疊層繞射成像術突破傳統投影影像的限制，實現真正的三維原子結構解析。
- 製程缺陷識別：首次直接觀測到閘極介電材料界面的「鼠咬」粗糙缺陷及其形成機制。
- 產業合作：結合 TSMC 與 ASM 的製程樣品，確保研究成果與實際量產製程高度相關。
- 量子計算應用：原子級缺陷分析技術有望加速量子位元材料的篩選與優化。
隨著半導體元件持續微縮，傳統的光學或低解析度電子顯微鏡已難以滿足先進製程的分析需求。電子疊層繞射成像術與像素陣列偵測器的結合，代表著材料表徵技術的一次重大跨越，預期將在半導體製程監控、失效分析以及新材料研發等領域發揮越來越關鍵的作用。