互动科普

在过去30年中，人类已经逐步掌握了制造微小物体的惊人本领。一个极好的例子就是用硅片制成的计算机芯片(硅片经过在关键位置上掺杂后就形成了许多晶体管)。在芯片之上是一系列的金属薄膜和绝缘层，它们提供了相邻晶体管之间的电连接通道。金属膜的厚度可能小到只有1微米(百万分之一米)，它的厚度和均匀性决定了芯片的效率，最终也就决定使用芯片的计算机的效率。

金属膜的厚度在50埃到几微米之间。(1埃为10-8厘米，而1微米为10-4厘米。)对于最薄的金属膜，其厚度的误差必须控制在1埃内，即小于一个原子的尺寸。测量厚度是非常困难的，目前最有效的办法是破坏性的测量方法：取一块芯片来，切开它，然后从侧面进行观察。大多数制造商在解决确保厚度均匀这个问题时采用的方法是周密地控制生产过程的每一个要素——如温度、湿度、压力等——并检查少数几块将被牺牲掉的芯片的尺寸。

1985年，在对一种半导体进行光学实验时，我和我在布朗大学的同事们碰巧将一束很短的光脉冲射向试样表面的金属薄膜。我们的目标是研究内部电子的反应。但是，在射出第二个光脉冲后，我们注意到试样表面的反射率在周期性地改变。令人惊奇的是，金属薄膜在不停振动，发射出波长极短(约500埃)的声波。在那之前，没有任何人曾想到能够产生频率这样高而持续时间极短(如所证明的那样)的声波。

从那以后，我们一直致力于开发一种方法以利用这些极短的声波来测量诸如芯片上的金属膜之类的微小结构。通过接收从顶部表面和底部表面反射的不同回波，我们可以测定金属膜的厚度。

自然界的技术

在考虑使用声波来测量厚度需要有些什么条件时，试回想一下自然界的一项技术奇迹，即蝙蝠。1912年，一位移居国外的美国人Hiram Maxim——他更著名的成就是建造飞机和发明机关枪等——提出，蝙蝠使用声纳[即。声导航与测距(Sound navigation and ranging)的缩写来测定飞行昆虫的位置。在人类看来，蝙蝠似乎常常是无声无息的，因此Maxim认为蝙蝠使用的是它煽动翅膀时发出的声音。但是这类低频声音由长波构成，而长波在行进时一般是绕过小的物体，不容易被其散射。这样，根据Maxim的理论，很难理解蝙蝠如何能够听到飞行昆虫所反射回的极为微弱的回声。

l920年，剑桥大学的Hamilton Hartridge提出，蝙蝠发射的是超声波脉冲(超声波的频率超出了人能听到的声波频率的范围)，并通过接收超声波的回声来探测昆虫。哈佛大学的George W. Pierce和Donald R. Grimn在1938年首次观测到了这些超声脉冲。自那以后，观测者们已经了解到，海豚以及某些鸟类也使用声纳。甚至连低等的鼓虫科甲虫也依靠它们在穿越水面运动时产生的弓形波的反射来确定物体的位置。

蝙蝠的声纳精巧复杂得令人吃惊。由于昆虫在飞行，因此昆虫反射的回波的频率与蝙蝠发出的声脉冲的频率稍有不同。这一频移(称为多普勒效应)使蝙蝠能够估计出昆虫飞行的速度与方向。(类似地，公路巡警也依靠多普勒效应来抓住那些开飞车的司机。)此外，在发出每一个脉冲的期间内，蝙蝠都改变声音的频率。这种称为。线性调频(Chirping)的调制手段有助于蝙蝠分．析回波，或许有助于它区分其猎物的其它特征，例如形状、大小、翅膀拍击的频率，甚至区分出它究竟是甲虫还是飞蛾。

为了确定到昆虫的距离，蝙蝠必须发出很短的声脉冲，使得它在回波返回之前就完成声发射过程。声音在空气中的速度为每秒330米。这样，如果一只昆虫在3.3米远的距离上，声音只需要五十分之一秒的时间就到达昆并反射回来。当蝙蝠盯上一只昆虫时它就发出迅速而不连贯的短促声脉冲，每一个的持续时间可短至1毫秒，这样它就能以不到1米的误差确定昆虫的位置。

对于测量非常小的金属结构的厚度，时间问题就显得更为严重了。声音在铝中的速度为每秒6000米，大约是在空气中的速度的20倍。因此，声波在厚度为百分之一厘米的铝膜中沿厚度方向来回走一趟所需的时间约为万亿分之三秒。这样，为了对这种微小物体进行声纳测量，我和同事们必须找到一种办法来产生更短的脉冲，即持续时间为万亿分之一秒乃至更短的脉冲。

为了在固体或液体中产生声波，实验室的研究人员一般使用压电换能器。这种装置用石英之类的材料制成，此类材料在有电压加于其上时便会略微膨胀。因此，当受到交变电压作用时，压电换能器就会振动，发出一列具有相同频率的压缩波——即声脉冲。利用这种始于本世纪二十年代的技术，实验人员能够产生其频率在每秒100千周到每秒1000~周，持续时间短至百万分之一秒的声波。这样短的脉冲使研究人员能够测量几毫米的厚度。遗憾的是，这一分辨率对于测量计算机芯片来说是不够的。

同科学上的许多成就一样，这一领域中的进展最终来自另一个似乎不相关的研究领域多年来取得的成果。1960年，加利福尼亚州马里布市休斯研究实验室的Theodore Maiman建造了第一台激光器。他使用闪光灯把一根红宝石棒中的铝原子激发到能量较高的状态，然后这些原子的多余的能量就可以用来放大被捕获在红宝石内的光

这台激光器产生了持续时间短于千分之一秒的强烈的红光脉冲。在随后的年代里，出现了其它几种激光器，包括气体激光器等，它们的制造材料和工作机制各不相同。(有一种激光器甚至用冻胶作为它的活性材料——而且它在使用后可以吃掉!)到八十年代初，激光器已经能够产生短至10-14秒的光脉冲流。像这样短的一个光脉冲相当于电磁波中仅包含5个波长的一段，其长度为3微米。

在我们的实验室中，我们使用一台脉冲激光器来产生声音，激光被聚焦于一种材料的表面上，该材料把光子吸收到其顶部极薄的一层中。光子的能量最初被电子所吸收，这些电子随后在材料中迅速移动一小段距离，韭在移动的过程中丧失能量。这样，表面附近的材料温度就将突然上升几度，使这一表面层膨胀。于是一列声波就被发射进材料中。(有时它是单个的孤立压缩波，有时是一串压缩波。)

通过这种方式产生的声脉冲可以短至1皮秒(1O秒)，而它在空间中的长度可以只有几毫微米。它的振幅——即它使原子移动的距离——约为万亿分之一厘米，大约是原子核的直径的1O倍。

在找到了产生声波的方法后，我们还需要一种检测方法，以便在这些微小的脉冲穿过待研究的试样后检测出它们。凑巧的是，我们从前面提到的偶然发现中知道如何做到这一点。当回波返回到材料表面时，它便周期性地压缩材料，使它的反射光的能力发生变化这一变化可以用射向材料表面的第二个光脉冲检测出来。

超声脉冲能够以小于1埃的误差测量薄膜的厚度，此误差远小于超声的波长(在5O到500埃这一范围内)。物理学家们通常认为这是不可能的：一个波的分辨率尺寸不可能小于它自己的波长。实际上，我们是通过把发射声波的波形与返回声波的波形进行比较而打破这条法则的。虽然波两端的界限很不明确，但它的峰的位置却能够非常精确地确定。因此，我们能够以远小于1皮秒的误差确定回声达到峰值的时间，从而使回声穿过的距离的测量误差在1埃以内。这种测量类似于干涉测量术，即一种对两个波的波形进行比较的测量方法。

在达到这一步之后，我们中有些人想出了另一个看来有点离题的主意：既然我们能造出声音，肯定我们也能造出音乐。在IBM公司Thomas J．Watson研究中心的专家们的协助下，我们造出了一台“纳米木琴”。这台乐器看起来跟其它任何一种木琴都很相似，只是每根杆都是一个厚度小于400埃(即150个原子)、宽为2000埃的金片。当我们用光脉冲敲击这个纳米木琴时，它就发出每秒振动80亿次的音调，比C中调高出大约24个八度。自那以后我们还做出了其它一些在受到光脉冲激励时便振动的结构。音调最高已经达到每秒振动7千亿次，比C中调高出大约31个八度。(遗憾的是，纳米木琴对音乐完全没有什么用处：它的所有的杆都产生基本相同的音调。)

这些方法对于测试计算机芯片有实际意义。芯片的制造是一个涉及几百道工序的复杂过程，需要许多个星期的时间才能完成。芯片制造的第一步是把一块非常纯净的硅晶体切开韭磨光成一些圆形硅片，直径通常为2O厘米，厚几分之一毫米。然后经过专门选择的杂质被植入芯片表面的某些部位，形成了确定芯片特性的晶体管。接着技术人员在芯片上面沉积出一系列用各种材料制成的薄膜，有的材料是金属材料，有的则是绝缘材料。这一系列薄膜形成一个“迭层”(Stack)。

金属薄膜起着芯片各部分间的电气连接线路的作用。它们构成了在整个芯片上纵横交错的一个复杂结构，有点像由许多立交桥和枢纽点构成的高速公路系统。绝缘薄膜(通常为玻璃或聚合物)使各金属层之间保持绝缘。整个制造过程需要极其洁净的环境和高度严密的控制：一颗尘粒就有可能使一块芯片报废，最终每块硅片被分为大约100块芯片。

制造过程发生任何未被察觉的变化，都可能造成灾难性的后果。特别是，一块芯片的运行要求它的所有组份晶体管的动作都同步。因此，信号从一个晶体管到另一个晶体管所需的时间是极端重要的。这一“时间常数”与两个元件之间的金属薄膜的电阻成正比，而电阻又与薄膜的厚度成反比。因此，控制薄膜的厚度对于芯片的正常运行非常重要。

芯片及其他

借助于皮秒超声技术，制造商可以精确地测量一块芯片中不同薄膜的厚度。首先，一个激光脉冲聚焦于薄膜的需要测量厚度的那一部分上，此脉冲被迭层的最上一层吸收。激光脉冲被吸收后的热量及由此而来的膨胀产生一个穿越迭层的声脉冲。每当声波到达两层膜之间的边界时，就有部分声波被反射回来。根据这些回声返回到迭层表面所需的时间，研究人员可以精确地计算出每一层的厚度。

这种方法类似于地质学家在测定地壳的不同层次的厚度时采用的震波测量术。不过两者间有一点差别：芯片迭层中薄膜的厚度极小，以致不时返回的声波紧挨在一起，可能发生重迭。当光从水面上的一层油膜反射时，类似的“干涉”会导致彩色图案的出现(有时在停车场可见到此现象)。在我们的例子中，相干波产生一种拍频模式，我们必须对它进行分析才能得出有关薄膜的几何特性和尺寸的信息。

回声还可以透露薄膜迭层的其它许多特性。例如，当声脉冲从一个粗糙的表面上反射回来时，它在空间和时间上将展宽，此，分析回声的形状，可以得知表面的粗糙程度。此外，根据回声的响度，可以知道相邻的两层薄膜之间的粘合是否良好。如果两层薄膜的连接比较松(司能是因为存在污染的缘故)，则声波就不能穿过边界层，因此大部分肪冲将反射回来。这样，根据从不同面上反射回来的回声的强度，我就能验证薄膜确实是牢固地粘合走来的，因而芯片出现机械故障的可能性将极小。

在下一阶段研究中，我们希望运用皮秒超声术来研究生物细胞内所发生的过程。超声波已广泛用于观察子宫内胎儿的发育情况。借或于产生极短脉冲的新方法，我们或许能在活细胞内进行类似的实验。我们希望声波有助于建立细胞的一幅声学图象，从而使研究人员能够观察细胞的发育情况。例如，使用皮秒超声术，或许能获得一幅“细胞骨架”(cytoskeleton，细胞的支撑框架)的图象，其细致程度可与常规射线照相所获得的人体骨胳图象相媲美。

虽然自然界制造微小物体的本领远胜过人的本领，而且可能将永远如此，但是差距正在不断缩小。皮秒超声脉冲为人们提供了跟上这个竞赛的一种方法。

皮秒探头

芯片内各金属层的性质可以用超声来探测。射向芯片表面的一束激光(a)使芯片加热，产生一个声脉冲(b)，其长度约100埃，即持续时间为1皮秒。这个声脉冲被芯片内的各个结构反射。图C示出了这些结构的截面图，而图d则是理想的简化囱，当声波返回到材料表面后，回声就使表面的光学性质发生变化，此变化可以用第二台激光器来测量．然后把回声同计算机模型(e)对照，以测定各内层的确切位置、厚度及结合情况．

图1纳米木琴(nanoxylophone，见前面照片)是一种能产生频率为80亿赫兹的声音的乐器，此声音比中C调高24个八度．这种琴由薄金片构成，每一片的厚度小于150个原子．左边的图示出了它发出的声音的时间特性曲线．频率更小的波——有的持续时间仅1皮秒，即10-12，有助于了解计算机芯片内的结构．