来源：湖南日报
芯片藏身于城市中随处可见的电子设备，智能手机、电脑、家电等都离不开它的控制。
小小的芯片集成了庞大规模的电路。
把芯片放大，可以看到其内部存在着密密麻麻的线路排布，就像密集交织的高速公路，仿佛在极小的尺寸上建造了一座井然有序的电路城市。
芯片结构图（肉眼和微观） | 图源pixabay
芯片内部有多小呢？如今我们在工业上运用的芯片最小制程，也就是我们人类能创造出的微小尺寸，已经达到 3nm，芯片内部可以集成上百亿个晶体管。
芯片制造的“多层”思路
无数纳米级的电子元件在芯片上错落排布，是将每一个元件事先制好，再一个一个安放上去吗？
图源pixabay（上）；Searchmedia - Wikimedia Commons（下）
不是！我们可以换个角度看待这个问题，在纵向仔细观察，可以发现芯片是由一层层带有不同图案的片状结构纵向垒叠而成。如果我们将每一层事先制好，再纵向累加，二维结构能叠加成三维器件，最后形成功能丰富的芯片。
纵向观察芯片内部结构 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons
现在我们的目标变成了如何制成有特定图案的片状结构。首先我们要有能够用来印上电路图的片状材料，也就是我们常听说的硅晶圆，这是一种纯度极高的硅，经过加工后被切割成光滑、极薄的圆片。
硅晶圆 | 图源pixabay（左）；Searchmedia - Wikimedia Commons（右）
接着，我们就像木匠，需要找到称手的工具来雕刻图案，要制成内部结构复杂且极其微小的芯片，对加工工具的尺寸要求极高。
聪明的我们找到了光这把刻刀，正是由于光具有丰富的波长，我们可以利用短波长的光来实现极其精细的加工。
可见光的丰富波长（不可见光波长更丰富） | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons
我们希望通过光学曝光将图纸上设计好的电路图案转移到硅晶圆上，但是光不能对硅材料产生影响，所以需要借助一个中间材料，也就是能直接和光相互作用的光刻胶。
旋涂在硅晶片上的光刻胶（靠旋转离心力均匀覆盖）| 图源Searchmedia - Wikimedia Commons
要让光实现图案的信息的传递，可以利用将光完全挡住或完全通过的方式产生明暗图案。光通过带有电路图案的挡光板（掩模版），可以复制掩模版的图案信息，最后和硅晶圆表面上均匀覆盖的光刻胶相互作用后，硅晶圆上出现了我们需要的图案信息。
光刻成像曝光过程 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons
光刻胶是光刻成像的主要承载介质，分为正胶和负胶，曝光区域更容易在显影液中溶解的为正性光刻胶，曝光区域更不易在显影液中溶解的是负性光刻胶。
曝光过程的两种结果（正胶和负胶）|图源Searchmedia - Wikimedia Commons
假设使用的是正性光刻胶，当曝光过程结束后，显影液能够溶解暴露在光下的光刻胶。接着再用化学物质溶解裸露的硅晶圆，遗留在硅晶圆表面的光刻胶能起到保护硅晶圆的作用，这就是刻蚀过程。
现在我们完成了目标，获得了带有特定电路图案的硅晶圆。在这整个过程中，大致思路其实比较流畅，但芯片制造这项代表人类巅峰智慧的精密工程包含了无数严苛的要求。
来源：湖南日报 摘自：湖南日报
参考文献
[1] 韦亚一.计算光刻与版图优化[M].1.电子工业出版社,2021.
[2] 斯蒂芬 A·坎贝尔.微纳尺度制造工程[M].3.电子工业出版社,2010.
