走近前沿新材料I：芯片材料——信息时代强有力的“心”

杨硕，梅永丰

 复旦大学材料科学系

从口语传播到信息时代

人类的信息传播历史可以大致分为四种方式：“马上相逢无纸笔，凭君传语报平安”的口语传播，“烽火连三月，家书抵万金”的文字传播，，还有如今“没人上街，但不一定没人逛街”的电子传播。一个人的生命时长在历史的长河中是沧海一粟，但子子孙孙无穷尽也，一代代人类的进步积沙成塔，古人无论如何也难以想象现代人的信息传递方式。“一骑红尘妃子笑，无人知是荔枝来”，即便是唐代贵妃级别的待遇在现在看起来也不过如此，现代人只要打开手机轻轻一点击，鲜果当天就能送到家门口。但是你知道吗？舒适发达的现代社会，离不开信息时代的强“心”——芯片材料。

从“小细胞”到强“心”脏

芯片（chip），又称集成电路（integratedcircuit,缩写IC），在电子学中是一种把电路小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上，常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片材料，是半导体元件材料的统称。 

身处21世纪，没有人能拍着胸脯说自己的生活和芯片材料没有关系。芯片，听起来很高端，让人联想到说着各类专业名词的科学家，还有拥有各类先进仪器的高新科技园区。但实际上，芯片材料非常“亲民”，它是每个现代人的得力助手和知心朋友。现代计算、信息传递、制造、交通系统、互联网，都依赖于芯片材料的存在。没有芯片材料的支持，我们的生活将一下子倒退近百年。芯片技术作为顶尖的科技，既能为企业吸收巨额利润，又能助力大国崛起，提升国家的国际话语权，是当之无愧的现代科技强“芯”脏。                          

图1 芯片

芯片材料的发展日新月异，已经成为企业和国家发展的核心技术。但它诞生在不到100年前，并开始了从“小细胞”到强“芯”脏的逆袭之旅。

1883年，举世闻名的发明大王爱迪生（Thomas Alva Edison）在研究灯泡寿命时，为延长灯泡寿命，通过在灯泡内封入一根铜线来阻止碳丝的蒸发。但细心的爱迪生发现碳丝加热后，铜线存有微弱的电流通过，但铜线与碳丝并没有相互连接。这一现象引起了爱迪生的关注，并被称为“爱迪生效应”。1904年，马可尼无线电报公司的科学顾问约翰·安布罗斯·弗莱明（JohnAmbrose Fleming）预见到爱迪生效应的实用价值，并制造出第一只真空二极电子管，标志着人类进入电子时代。

图2 爱迪生在研究灯泡寿命时发现电子发射现象

自1936年开始，贝尔实验室以威廉·肖克莱（WilliamShockley）、沃特·布拉顿（Walter Brattain）和约翰·巴顿（John Bardeen）为核心的7人研究小组，经过十余年不懈努力，经历了无数次实验失败后，终于在1947年12月23日发明了世界上第一个基于锗半导体的具有电流和电压放大功能的点接触晶体管！晶体管是半导体做的固体电子元件，而硅和锗是最常见的半导体材料。小尺寸、低能耗、性能稳定的晶体管是电子学的第二次重大技术突破，使电子设备发生了革命性的变化，三位科学家也因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。

图3 巴丁和布拉顿发明的点接触式晶体管 

20世纪50年代后期，由于技术发展和需求的推动，电子学取得了前所未有的迅猛发展，电子器件开始朝着小型化微型化的方向发展。1958年9月12日，德州仪器公司的杰克·基尔比（Jack Kilby）和助手给其他同事演示了一个实验。只见基尔比表情严肃、紧抿双唇，先在样品的输入端接入了十伏电压，又在样品的输出端连接了一个示波器。就在线路接通的一瞬间，示波器上跳出了频率为1.2兆赫兹，振幅为0.2伏的震荡波形。这意味着，现代电子工业第一个用单一材料制成的集成电路雏形诞生了！这个集成电路包含一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器，全部器件都在一块半导体锗晶片上，整个电路大小相当于半只曲别针。基尔比的电路和如今“高大上”的芯片相比简直就是“原始人”，显得过于简单和粗糙，但它向人们证明了：将各种电子器件集成在一个晶片上的方法是可行的！相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件，集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片，这是一个里程碑式的进步。

同年，仙童公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Norton Noyce）也独立发明了硅基集成电路。诺伊斯和基尔比的思路都是把器件制造在同一晶片上，但诺伊斯比基尔比更胜一筹的是他采用了平面工艺。平面工艺首先在硅片上生长一层氧化硅绝缘层，接着在氧化硅绝缘层上打洞，用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起来。这样一来，各器件之间就有了良好的电绝缘，而且氧化硅绝缘层可以保护硅片上的器件。不过，这种工艺只适用于硅晶体。

图4 （a）基尔比发明的第一个集成电路，（b）仙童的硅晶体集成电路

    基尔比和诺伊斯为了争取集成电路发明专利，打了十年的官司，但诺伊斯在1990年与世长辞。进入新世纪的2000年，也是集成电路问世42周年，基尔比因“为信息时代奠定了基础”获得诺贝尔物理学奖。他在获奖感言中感慨地说，如果诺伊斯还活着，肯定会和他分享诺贝尔奖。

第一块集成电路诞生后，芯片产业迅速增殖，为具有各类功能电子产品的发展开辟了道路。正是因为芯片催生了微处理器，计算机才能得到普及，最终“飞”入寻常百姓家。相比最初一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器的规模，现在已经生产出芯片上拥有10,000-1000,000个逻辑门或100,000-10,000,000个晶体管的极大规模集成电路（ULSI, Ultra Large Scale Integration ）。基尔比于2005年去世时，集成电路已经由他完成的第一个简陋芯片发展成为总销售额高达1900亿美元的全球最大产业，由此而支撑起的全球电子终端设备市场更是达到12750亿美元的巨大规模。芯片材料真正意义上实现了由一个“小细胞”，用肉眼可见的速度成长为全球电子产业强“芯”脏的逆袭之旅。

从沙子到芯片材料

作为芯片的基础材料，硅是一种半导体，意味可以通过引入少量杂质的方法，将它调节为良好的导体或者绝缘体。晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，因为形状为圆形，称为晶圆。通过在晶圆上加工制作各种电路元件结构，得到有特定功能的芯片。作为大部分芯片的载体，晶圆就像一个地基，承载着各种结构的线路设计。要有“广厦千万间”，除了需要优质的建筑材料和精巧的设计，也必须有平整扎实的地基，因此芯片制造必须先有一个表面平整且排列规则的晶圆。

图5 芯片——晶圆上一个个小方块

晶圆的原始材料是硅，而硅是地壳中第二丰富的元素，普通的沙子中就有很高的硅含量，因此可以说，地壳表面有取之不尽，用之不竭的硅。那么，硅究竟是如何从不起眼的沙子，一跃成为核心技术的强“芯”脏呢？

其实，硅晶圆的制造有硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型三大步骤。

首先，沙子的主要成分二氧化硅经过电弧炉提炼，盐酸氯化，再经蒸馏后，制成了纯度高达99.999999999%的电子级硅。

常用的单晶硅生长方法为直拉法，高纯度的多晶硅在石英坩埚中，用外面围绕着的石墨加热器不断加热，使多晶硅熔化。为了形成单晶硅，坩埚带着多晶硅熔化物旋转，把一颗籽晶浸入其中作为引子，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。结晶的过程就像排队，籽晶就像一小部分排好队做示范的人，熔化的多晶硅会跟上籽晶的队形，按籽晶晶格排列的方向不断生长，这样就有了单晶硅柱。单晶硅柱的直径取决于直拉的速度和旋转速度，一般来说，上拉速率越慢，生长的单晶硅柱直径越大。这也很好理解，在快速前进的时候，相比起十列人，当然一列人更容易保持整齐的队形。

图6 直拉法生长单晶硅

经过提纯和单晶硅生长后，对单晶硅柱进行切段、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻、包装后，成为芯片的基本原料——晶圆。制造晶圆需要高精尖技术的支持，晶圆上单晶硅的排列有严格的要求，任何一个环节出现问题，都会导致残次品的出现。然而，这才是芯片材料制备的第一步。

图7 （a）单晶硅柱，（b）晶圆片

当每个芯片面积不变时，尺寸越大的晶圆上能生产出更多的芯片，可以降低芯片的生产成本。晶圆的厚度一方面为保证芯片的小尺寸是非常薄的，但另一方面需要保证晶圆自身强度。因此晶圆的厚度一般在1mm以上。目前应用较广泛的硅晶圆为8寸（200毫米）和12寸（300毫米），过几年将出现18寸晶圆。为保证晶圆强度，晶圆的直径越大，厚度也会增加，意味着芯片厚度的增大，这不符合芯片尺寸小型化的发展需求。此外，晶圆生产过程中，离晶圆中心越远越容易出现坏点的特性限制了晶圆尺寸的增加。也就是说，从晶圆中心沿半径方向扩展，坏点越来越多，不能达到芯片的生产要求。因此，增强晶圆强度或进一步缩小芯片尺寸成为下一步芯片制造技术的方向。

妙手“造芯”的光刻技术

明朝文学家魏学洢在《核舟记》中描写了奇巧人王叔远在小小的果核上创造出技艺精湛的“大苏泛赤壁”微雕作品，匠人们出神入化的微雕技术令人称奇。而制作芯片的过程更为复杂精细，一颗芯片的制备就要涉及2000多道工序，刻蚀线宽已经到纳米级别，就好比在一粒米上刻出几百个核舟。那么，究竟是谁有巧夺天工的妙手，能够把设计好的电路图和电子元器件印刻在晶圆上形成芯片呢？

拥有一双“造芯”妙手的大师名为“光刻”。光刻的作用类似于照相，只是照相机把拍摄的照片印在底片上，而光刻把在掩膜版上设计好的电路图及其他电子元器件按要求的位置微缩在晶圆上。光刻是芯片制造中最重要的加工工艺，在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施都离不开光刻的技术，芯片各功能层像盖房子一样立体重叠，因而光刻工艺总是多次反复进行，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。光刻也是制造芯片最关键的技术，占芯片制造成本的35%以上，光刻的分辨率直接关系到芯片制造的关键尺寸。

图8 超净间中的工作人员

光刻主要包括硅片预处理、匀胶、前烘、曝光、后烘、显影、腐蚀、去胶等一系列生产步骤。衬底预处理是主要为了清洁硅片表面，去除污染物和颗粒，减少针孔和其它缺陷，增强光刻胶和硅片的粘附性。接着通过旋转涂布的方式，利用离心力让光刻胶在晶圆上均匀分布。光刻胶涂覆的质量直接影响到后续制备器件的品质，同一个样品的胶厚均匀性和不同样品间的胶厚一致性不应超过5纳米。常规光刻胶涂布工序中需要考虑滴胶速度、滴胶量、转速、环境温度和湿度等因素的稳定性。再通过前烘（也称为软烘）蒸发光刻胶膜中的溶剂，增强光刻胶的粘附性和机械强度。

接下来到了关键的步骤：曝光。在介绍曝光前，需要对光刻胶曝光原理有基本了解。光刻胶，又称光致抗蚀剂，顾名思义，光刻胶对于某些频率的光十分敏感，同时也可以抵抗后续步骤中用到化学物质的腐蚀。光刻胶分为正胶和负胶。光刻胶曝光的部分溶解于显影液，则显影后留下的图形与掩膜版相同，因此称为正胶。同理，如果光刻胶曝光的部分不溶于显影液，则显影后留下的部分与掩膜版相反，因此称为负胶。接下来我们用正胶举例。

图9 光刻示意图（负胶，掩膜版白色部分透过光的部分在光刻胶上留下）

掩膜版是一块不透光的板上有透明的部分允许光通过，且透明的部分形成特定的图形，在玻璃基板上镀铬膜是一种常见的掩膜版。光透过掩膜版上设计的透明部分照射正胶后，邻-叠氮醌类正胶分子结构重新排列，产生环收缩，在碱性的显影液中生成可溶性羟酸盐。如图11所示，经过曝光部分的正胶被洗去，留下的光刻胶与掩膜版图形相同。为了使光刻胶的性质更稳定，显影后通过后烘（也称为坚膜）去除显影后胶膜内残留的溶液，增加胶膜与衬底间粘附性，使光刻胶更致密，同时提高光刻胶在随后刻蚀过程中的抗蚀能力。

接着进行刻蚀，刻蚀是芯片制造中利用化学途径选择性地移除沉积层特定部分的工艺。刻蚀过程中如果出现失误，将导致硅片不可逆的报废。芯片制造过程中的每一层都会经历多个刻蚀步骤。没有光刻胶保护的衬底会被刻蚀出沟槽，有光刻胶保护的部分“完璧归赵”。因此，刻蚀完毕后，去除光刻胶，原本平整的硅片上被刻蚀出和掩膜版一样的图形，光刻大师就这样给电路图在晶圆上“拍”了一张照片。

光刻的原理简单易懂，但实际上光刻的质量受光刻环境的清洁度、温度、湿度，曝光源、光刻胶分辨率、曝光方式等诸多因素的影响。光刻确定了器件的关键尺寸，光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。目前全球光刻机市场，以荷兰、日本的企业为主力军，全球能制造出光刻机的企业不足百家，能造出顶尖的光刻机的不足五家，顶级光刻机一年产销不过十八台，一台就要一亿欧元，因此光刻当之无愧是核心技术中的核心技术。

图10 双列直插式封装

经过光刻、离子注入、刻蚀、气相淀积等步骤完成芯片制作后，还需要把芯片从晶圆上一块块切割下来。又薄又小的芯片就像一个脆弱的单细胞，需要通过封装来保护它。如下图所示，通过给芯片穿上“塑料外衣”加以保护，再通过两侧的金属引脚将芯片与外部电路连接，就是封装的主要步骤。封装完成后，就进入测试阶段，检测封装完的芯片能否正常工作，确认无误后便可出货给组装厂，做成我们常见的电子产品。

磨出强悍中国“芯”

近年来中国的芯片材料奋起直追、发展势头迅猛，但与国际领先水平仍有着短期内难以消除的明显差距。国际核心技术的封锁与竞争催促着中国芯片材料发展小步快走达到领先水平，但芯片是一个“吃力不讨好”的高门槛产业，需要强大的技术实力、长期持续地投入巨额资金和精力，并且投入和产出在短时间内不成正比，未来收益不可预期，不可能一蹴而就。

经过震惊全国的中兴制裁案，中国已经清醒地意识到仅仅靠走捷径、靠买好用的“洋货”却没有掌握核心技术背后巨大的风险。一旦情况有变，我们就会因为一颗小芯片被别人卡住喉咙，被断了粮食。尽管芯片材料需要巨额投入，但中国必须站起来，减少对外国的依赖，保持战略定力，把核心技术的命门牢牢掌握在自己手里，将芯片材料从竞争的“软肋”变为“利器”。

尽管造“芯”路漫漫其修远兮，但中国在芯片材料领域的发展速度极快，正在大力实施的“中国制造2025”也成为行业发展的加速器。在芯片设备生产方面，经全球最大的晶圆代工厂台积电验证，上海的中微半导体已成功研发出5纳米等离子刻蚀机，具备国际领先水平，将被用于全球首条5纳米工艺制程生产线。在芯片设计方面，令国人感到骄傲的华为，更是默默无闻地在芯片行业耕耘了近30年，终于打磨出海思芯片。海思芯片除了在智能手机的应用，处理器还在安防领域大有作为，截至2017年，已经占有全球安防市场份额的90%。2018年华为发布的7纳米麒麟980处理器芯片创造了六个世界第一，未来华为还会采用国产先进刻蚀机生产5纳米的麒麟处理器芯片。2019年1月，国际知名咨询机构Gartner发布2018年全球半导体营收和25强榜单，海思半导体排名第21位，再次让国人为之振奋。

图11 华为海思芯片

华为海思耀眼的成绩，不仅给国内企业做出示范，更给中国打了一针强“芯”剂。但我们也必须清醒地认识到25强名单中国大陆海思一枝独秀，既肯定了中国芯片设计业的奋起直追，也一针见血地指出中国芯片产业整体上的势单力薄。中国的政府和企业必须有十年磨一剑的恒心和毅力，有坐冷板凳耐得住寂寞受得住委屈的定力和积累，做到“抓铁有痕，踏石有印”，一步步把夯实基础，经过全方位的打磨，才能有一颗强悍的中国“芯”。

参考文献从略。

中国科学技术大学出版社
地址：安徽省合肥市金寨路70号　　邮政编码：230022

高等教育分社：杨振宁  [e-mail]  0551-63607216

内容简介

　　我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。

目 录

200岁的“热电少年”——探秘热电材料的前世今生
超材料——真的能让你来无影去无踪吗？
当代“鲁班”的故事——揭秘道法自然的仿生材料
常温液态金属——自然界精灵般的材料
芯片材料——信息时代强有力的“心”
微纳机器人——于细微处见神奇
操纵光子的神奇材料——光子晶体
透明胶带中诞生的诺贝尔奖——奇妙的二维材料
纳米世界的碳材料——碳纳米管
石墨烯的“前世今生”
从活字印刷到纳米印刷
从哈利·波特的“复活石”到机体修复的再生医学材料
救死扶伤的神奇玻璃一生物活性玻璃
人类的健康卫士——生物医用材料
可逆的“光合作用”——神奇的光催化
环境净化之必杀利器——催化剂
质子交换膜——神奇的质子导电“高速公路”
合金材料界“新秀”——高嫡合金
会变色的纤维
光热转换—架起太阳与能源危机的桥梁

延伸阅读