超震撼！人類首次拍到芯片內部原子級"鼠咬"缺陷，原子級發現

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

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

項目負責人戴維·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構，因此這項技術將成為芯片調試與故障定位中極為重要的表征工具，尤其在研發階段。"這一突破標志著人類對芯片微觀世界的觀測邁入全新階段，為半導體行業提供了前所未有的原子級缺陷分析能力。

圖為晶體管溝道內部的硅、二氧化硅與氧化鉿層結構

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，相當于人類頭發絲直徑的萬分之一。

在這個尺度下，任何微小的結構偏差都可能導致性能明顯損耗甚至晶體管失效。此前，半導體行業對這類缺陷只能通過投影圖像間接推測，無法精準定位，工程師只能依靠"反復試錯"來優化工藝。

02、電子疊層成像技術

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

EMPAD已獲吉尼斯世界紀錄認證，能呈現全球最高分辨率的原子細節，穆勒教授將這項技術比作"從前像開雙翼飛機，現在就像開噴氣式戰機"。

該技術通過電子束掃描晶體管，收集散射信號，再借助算法重構出3D原子級圖像，精度達到原子晶格振動的極限。卡拉佩特揚解釋道："現代設備的制造需要成百上千步化學刻蝕、沉積與加熱工藝，每一步都會對結構產生影響。以前我們只能通過投影圖像推測內部發生了什么，現在可以直接觀測，更清晰地掌握：我把溫度設到這么高，結果就會是這樣。"

03、半導體行業的影響

臺積電已表示將逐步將該技術融入3nm及以下制程的量產中，有望大幅提升芯片良率和性能，對于AI數據中心和量子計算等對芯片性能要求極高的領域，這項技術將提供關鍵支持。

此外，量子計算對材料結構有著極高的控制要求，而此前行業對原子級缺陷的認知近乎空白，穆勒團隊的發現將為這些前沿技術提供精準的材料結構分析工具，加速量子處理器的開發進程。

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

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

在2026年3月的行業峰會上，臺積電技術副總裁格倫·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。"