青島佳鼎分析儀器有限公司
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閱讀：145發(fā)布時間：2024-7-22
來源：湖南日報
芯片藏身于城市中隨處可見的電子設(shè)備，智能手機(jī)、電腦、家電等都離不開它的控制。
小小的芯片集成了龐大規(guī)模的電路。
把芯片放大，可以看到其內(nèi)部存在著密密麻麻的線路排布，就像密集交織的高速公路，仿佛在極小的尺寸上建造了一座井然有序的電路城市。
芯片結(jié)構(gòu)圖（肉眼和微觀） | 圖源pixabay
芯片內(nèi)部有多小呢？如今我們在工業(yè)上運(yùn)用的芯片最小制程，也就是我們?nèi)祟惸軇?chuàng)造出的微小尺寸，已經(jīng)達(dá)到 3nm，芯片內(nèi)部可以集成上百億個晶體管。
芯片制造的“多層"思路
無數(shù)納米級的電子元件在芯片上錯落排布，是將每一個元件事先制好，再一個一個安放上去嗎？
圖源pixabay（上）；Searchmedia - Wikimedia Commons（下）
不是！我們可以換個角度看待這個問題，在縱向仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)芯片是由一層層帶有不同圖案的片狀結(jié)構(gòu)縱向壘疊而成。如果我們將每一層事先制好，再縱向累加，二維結(jié)構(gòu)能疊加成三維器件，最后形成功能豐富的芯片。
縱向觀察芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
現(xiàn)在我們的目標(biāo)變成了如何制成有特定圖案的片狀結(jié)構(gòu)。首先我們要有能夠用來印上電路圖的片狀材料，也就是我們常聽說的硅晶圓，這是一種純度的硅，經(jīng)過加工后被切割成光滑、極薄的圓片。
硅晶圓 | 圖源pixabay（左）；Searchmedia - Wikimedia Commons（右）
接著，我們就像木匠，需要找到稱手的工具來雕刻圖案，要制成內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且極其微小的芯片，對加工工具的尺寸要求。
聰明的我們找到了光這把刻刀，正是由于光具有豐富的波長，我們可以利用短波長的光來實(shí)現(xiàn)極其精細(xì)的加工。
可見光的豐富波長（不可見光波長更豐富） | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
我們希望通過光學(xué)曝光將圖紙上設(shè)計好的電路圖案轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，但是光不能對硅材料產(chǎn)生影響，所以需要借助一個中間材料，也就是能直接和光相互作用的光刻膠。
旋涂在硅晶片上的光刻膠（靠旋轉(zhuǎn)離心力均勻覆蓋）| 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
要讓光實(shí)現(xiàn)圖案的信息的傳遞，可以利用將光擋住或通過的方式產(chǎn)生明暗圖案。光通過帶有電路圖案的擋光板（掩模版），可以復(fù)制掩模版的圖案信息，最后和硅晶圓表面上均勻覆蓋的光刻膠相互作用后，硅晶圓上出現(xiàn)了我們需要的圖案信息。
光刻成像曝光過程 | 圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
光刻膠是光刻成像的主要承載介質(zhì)，分為正膠和負(fù)膠，曝光區(qū)域更容易在顯影液中溶解的為正性光刻膠，曝光區(qū)域更不易在顯影液中溶解的是負(fù)性光刻膠。
曝光過程的兩種結(jié)果（正膠和負(fù)膠）|圖源Searchmedia - Wikimedia Commons
假設(shè)使用的是正性光刻膠，當(dāng)曝光過程結(jié)束后，顯影液能夠溶解暴露在光下的光刻膠。接著再用化學(xué)物質(zhì)溶解裸露的硅晶圓，遺留在硅晶圓表面的光刻膠能起到保護(hù)硅晶圓的作用，這就是刻蝕過程。
現(xiàn)在我們完成了目標(biāo)，獲得了帶有特定電路圖案的硅晶圓。在這整個過程中，大致思路其實(shí)比較流暢，但芯片制造這項(xiàng)代表人類智慧的精密工程包含了無數(shù)嚴(yán)苛的要求。
來源：湖南日報 摘自：湖南日報
參考文獻(xiàn)
[1] 韋亞一.計算光刻與版圖優(yōu)化[M].1.電子工業(yè)出版社,2021.
[2] 斯蒂芬 A·坎貝爾.微納尺度制造工程[M].3.電子工業(yè)出版社,2010.
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