目        录

作者的话                                                        2

一、神奇的“芯片”迅速让世界改观                                4

⑴GPS 卫星定位                                              4

⑵天气预报                                                   4

⑶有源相控阵雷达                                            4            

二、简单的历史回顾—从电子管电路到芯片，特征尺度缩小百万倍       7

⑴电子管电路阶段                                             7

⑵从电子管到晶体管                                           7

⑶从晶体管到集成电路                                         7

⑷从集成电路到处理器芯片阶段                                 7

⑸摩尔定律                                                  8

⑹我国芯片技术已有很大进步                                   8

三、现代CPU芯片——纳米尺度的超大规模集成电路                  10

⑴纳米尺度                                                  10

⑵芯片图象                                                 10

⑶半导体器件和线路                                          10

⑷研制工作需要解决的问题                                    13

四、微波单片集成电路（MMIC）                                    14

⑴上世纪90年代微波单片集成线路(MMIC)的结构                 14

⑵21世纪微波单片集成电路模块结构                            14

⑶微波晶体管结构                                            16

⑷研制工作需要解决的问题                                    16

五、当今世界最复杂、最精细的制作工艺                            17

⑴概述                                                      17

⑵21世纪上半叶，CPU芯片仍以硅基CMOS工艺为主流技术         19

六、芯片质量研讨会                                             24

⑴提升主要工艺装备的档次                                    24

⑵从电路设计方面想办法                                      26

⑶质量检测                                                 27

⑷MMIC性能一致性的要求                                     31

⑸其它一些问题                                             32

七、对未来的估计 － 在现有原理基础上的发展                      34

⑴一些估计                                                  34

⑵采用砷化镓材料                                            35

⑶三维晶体管结构                                            35

   ⑷低成本的印刷电子学工艺                                    38

八、新原理的实验 － 量子芯片、DNA芯片、有希望的石墨稀           39

⑴量子芯片                                                   39

⑵DNA 芯片                                                  39

   ⑶有希望的石墨稀                                        

附录                                                           40

(1)芯片中线路传输信号的基本物理概念                          40

  （2）边界扫描测试技术（BST）                                  44

                    作者的话

我曾慕名去听了一个关于“芯片”的专题科普报告，听众挤满了报告大厅。报告完毕，主持人和数百位听众一道热烈鼓掌对报告人表示感谢。这表现了大家对“中国芯”的关切。之后，主持人让大家提问。关于“芯片”质量方面的具体问题，报告人没有回答。场面颇为尴尬。我后来深思，听众（读者）中不乏“高人”！不乏真正关心“中国芯”的“高人”。

最近“钱学森之问”又再次被公众提起。“钱学森之问”的求解，涉及提升人文素养等许多方面的努力，其一是：需要形成一个努力攀登科技高峰的氛围。要务实、少空谈。

我们的这篇科普文章，讨论与“芯片”有关的一些具体问题，希望能够有“抛砖引玉”的效果。

什么是芯片？

高端芯片是集成了大量微米或纳米尺度元器件，而具有美妙功能的各种特殊电路。芯片的研制和生产采用了当今世界最复杂、最精细的制作工艺。目前，各类芯片的理论和实验研究仍然在高速发展。

研制高端芯片，涉及半导体、微电子、计算机、微波技术乃至化学等领域的综合知识。

这篇科普文章不介绍高深的理论。

如果您只想“走马观花”，看一看“芯片”是什么样子，您可以不看“六、芯片质量研讨会” 和 “附录”。关于芯片的制作，大多数读者对专业名词都很生疏，不必去记住它们。初次阅读时也不必弄懂其工艺原理，只要看懂结构的演变就可以了。其实我们参观许多科技博物馆和工厂，或听一个报告，所获得的知识也就是这个层次。看着在基片上加一点什么，减一点什么，再处理一下，反反复复之后芯片就成型了，也算是有了感性认识。

如果您还想了解一下在芯片研制和生产的过程中会发生什么样的问题，原则上该怎么去解决，您可以看一看“六、芯片质量研讨会”。一些专家在作报告时，不愿意回答认真的听众提出的“为什么研制中国芯这么困难！？”的严肃的问题。这篇文章算是简单的回答了这方面的问题。

如果您还打算在科普层次上了解一些物理理论方面的问题，您可以再看一看“附录”。

   “七、对未来的估计 － 在现有原理基础上的发展”介绍了一些新的信息。有关内容科技界还在研究，走马观花看一看就可以了。

如果您是要规划自己人生道路，对计算机、智能机器人、智能无人(飞)机……感兴趣，又勇于攀登科技高峰的高中高年级学生，您又打算到国内著名高校或国外名校求学，走马观花看一看“芯片”是什么样子，也许是有益的。

也许这篇科普文章可以供中学物理老师阅读，帮助他们回答充满青春活力、具有理想的学生们的问题。无处不在的芯片是容易引起年轻人的好奇心的。

这篇文章也许还会在技工学校、职业学院找到一些读者；也许可以作为大学本科有关专业的课外读物；生产芯片的企业技术人员读读或许有些益处；一些管理科技的官员，把书本放在案头，必要时也可翻一翻。

   由于“芯片”是许多发达国家都投入力量而快速发展的一个高科技项目，我们在文章中引用的资料必然会有一些不够新颖。“芯片”的许多技术属于国家或企业的机密，本文不可能涉及这些技术细节。由于个人的水平有限，文中错误在所难免，希望读者批评指正。

一、神奇的“芯片”迅速让世界改观

⑴GPS 卫星定位

近年来，芯片显神通，GPS 卫星定位十分方便。无论您走到哪里，您都不会迷失方向了。

GPS 卫星 （复印自 http://baike.baidu.com 2013.3）

        图1 现代科考队员手握卫星定位仪（复印自百度 2009年）

⑵天气预报

进行精确的气象预报是一项非常复杂而困难的课题。随着超大型计算机的出现，气象工作者依靠计算机进行气象预报，精确程度已经愈来愈高。

现在，在气象局，安装有数千个CPU芯片的超大型电子计算机，收集大量的气象资料快速运算，预示天气的变化，已经是人们熟知的情况了。

图2  神威兰光 超级计算机  （复印自：http://tieba.baidu.com  2013.3）

⑶有源相控阵雷达            

现代雷达，特别是飞机（包括无人机）载相控阵雷达的基本单元是微波单片集成电路（MMIC）。由于MMIC指标的提升，有源相控阵雷达的水平已经有了质的飞跃。下面给出几幅有关的图片。

图3 F-16 装备的APG-68脉冲多普勒雷达      图4  装有雷达的无人机

（复印自：http://lutou1203.blog.163.com     （复印自：http://so.360.cn2013.5）

      2013.3）                                          

   图5 多波束、抗干扰有源相控阵雷达功能示意图

（复印自 Dr.Luisa Marescialli,etal.,International Symposium on Phased Array Systems and          

        Technology,2010.）

F-16战机安装的火控雷达，由1500～1800 个T/R（发射/接收）单元—即MMIC模块组成，每个模块表面都集成有细小的发射/接收天线。有些隐身飞机的机身表面一些地方，贴有成千上万块很薄的能与机身表面“共面”的MMIC模块，使飞机能够隐身又不影响飞行性能，让对方雷达“看不见”，而自己却能看见对方。

近来无人机的发展特别引人注目。2013年7月12日，我国媒体以《美无人机首次成功降落航母》为题，副标题是“意味着美军掌握无人机航母起降技术

或颠覆未来海空作战模式”。2013年7月20日前后，CCTV国防军事频道上一专家说，最先进的无人机上的计算机系统和雷达系统等已发展到能够使无人机不用人操控，就能实现很多复杂的作战和侦察功能。想必这类先进无人机系统中的CPU芯片和MMIC芯片的功能又有了很大的进步。

过去人们常说人类生存离不开阳光、空气和水。

现代社会，只需要一个手机，“移动微博” 、“移动QQ”就可以让我们与亲友的联系更紧密，加上个人计算机（笔记本、台式机）……亿万人群深切地感到，芯片基础上的许多机器，在生活中是那么不可或缺。

生活中所用机器的芯片是比较简单的。许多芯片都非常复杂。除了用途十分广泛的巨型计算机（在互联网之外，近年来又提出了云计算的概念）的CPU芯片、飞机的有源相控阵雷达MMIC芯片之外，星载微波成像雷达、复杂的机器人、宇宙飞行器对接乃至互联网和热议中的第三次工业革命的技术本身和物联网等其他许多重要领域，各种各样复杂的芯片也都发挥着极为关键的作用……

二、简单的历史回顾—从电子管电路到芯片，特征尺度缩小百万倍

雷达、电子对抗、通信、计算机有大概相似的发展阶段。下面以计算机电路的发展为例，简介有关历史经历的四个阶段。

⑴电子管电路阶段

1904年，英国人J.A.弗莱明发明了二极管（电流单向导通，用于检波、整流）。1906年，美国人L.德福雷斯特发明了三极管（采用栅极，可精确控制电流，用于电信号放大），从此拉开了电子学进步的帷幕（后来陆续出现了直至8个电极的电子管）。

管子、电阻、电容、电感和其它部件采用导线连接，形成了一个系统（电子管电路）被广泛使用于许多领域。

电子管和相关的电路研究，成为当时世界的热门。从此电子电路的发展突飞猛进。

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学莫契利和埃克特教授研制出了计算机，这台机器共用了17,468只电子管，占地面积170平方米左右，耗电150千瓦，重量为 30吨，运算速度为每秒 5,000次加法。那时存储器尚未发展起来，程序是采用外接配线盘方式接到机器内部的。

世界上公认这台ENIAC是第一台电子计算机。以电子管为主要器件的计算机称为第一代计算机。

1952年1月，冯.诺伊曼提出了存储程序的计算机设计，这在计算机设计史

上是一个重要的贡献。

⑵从电子管到晶体管

1947年12月，贝尔实验室的肖克利等研制成功了第一只半导体放大器件，称为“晶体管”。贝尔实验室于1957年用了800只晶体管组装成第一台晶体管计算机TRADIC 。

1963年8月，控制数据公司的西蒙.克雷研制成功CDC6600巨型机，共用了35万个晶体管，这台机器的出现标志着大型晶体管计算机的诞生，称为第二代计算机。

1959年，美国的基尔比及仙童公司研制成功半导体集成电路。1971年，Intel公司研制成功了第一个微处理器4004，集成了2，250个晶体管。Intel又于1974年4月，推出了8位微处理芯片8080 。

⑶从晶体管到集成电路

1975年，克雷设计完成了第一台巨型计算机CRAY-1,实现了每秒一亿次的运算速度。该机器重量约5吨，共安装了约35万块集成电路。这类机器发展了多项先进技术（快速进位链、流水线、多寄存器栈结构、运算重叠技术等），大大提高了计算机的运算速度。以集成电路为主要器件的计算机称为第三代计算机。

⑷从集成电路到处理器芯片阶段

 1982年2月，Intel发布80286处理器，时钟频率为 20 兆赫，集成了134，000只晶体管。1989年，Intel宣布研制成功含有120万只晶体管的486处理器。Intel又推出80386处理器，这是具有32位的处理器。1993年3月，Intel发布奔腾处理器，集成了300多万个晶体管，工作在60～66兆赫，每秒钟可执行1亿条指令。1999年10月，发布奔腾Ⅲ 处理器。仅仅4年后，技术发展到新的高度，2003年9月，AMD发布了64位处理器Athlon64 。Intel公司正式宣布推出奔腾 Pro 处理器，其最高速度达到 200 兆赫，内部集成有550万只晶体管，每秒可执行4.4亿次指令。从此进入以大规模集成电路为主要器件的计算机阶段，这类计算机称为第四代计算机。

1981年，由IBM推出装有Intel公司80286处理器的IBM PC/AT 个人计算机，开始了个人计算机普及的新时代。

电子管电极之间的尺寸较大，比如 5 毫米，芯片上集成的晶体管的尺度很小，比如场效应晶体管，绝缘层是二氧化硅层，其厚度小至几个纳米，比如5纳米。

从5毫米 到 5纳米，尺度缩小百万倍。

 小贴士：有关历史，参考：王树林教授的《知识处理论》

⑸摩尔定律

1965年,Intel(英特尔)名誉主席,戈登.摩尔发现，芯片上的集成度，每隔18个月就翻一番。科技界把他的发现称为摩尔定律。他的这个论断宣告了微电子科技的突飞猛进，预言了这个星球上信息爆炸时代的到来。

⑹我国芯片技术已有很大进步

我国为研制各类芯片，已经投入了大量的力量。

2012年9月11日，媒体报道，我国超级计算机“神威蓝光”通过验收，系统的峰值运算速度为1.07千万亿次，比20万台普通笔记本电脑同时运算还要快；它的存储容量达到2000万亿字节，相当于国家图书馆目前藏书量的6倍。

这里简介中国科学院计算技术研究所的工作。

1958年，中国科学院计算技术研究所刚刚成立，就开展了计算机的研制工作。计算所与国内多个单位合作并在前苏联专家的帮助下，成功仿制出基于电子管的小型通用计算机—103机及104机。实用计算机在我国诞生后，经过不懈的努力，又研发出来许多型号的计算机、操作系统、算法语言及应用软件……2001年，中国科学院计算技术研究所研制成功通用CPU“龙芯” 芯片；2002年，曙光公司推出具有自主知识产权的“龙腾”服务器，龙腾服务器采用了“龙芯-1”CPU，2009年推出的“曙光5000A”，运算速度达到100万亿次每秒。2010年，“曙光6000”的运算速度达到1000万亿次每秒……

上面的机器是采用大量CPU 芯片的并行结构。

关于芯片的研制情况，2012年10月媒体报道，我国首台采用自主设计的“龙芯3B 1500”八核处理器的万亿次高性能计算机“KD-90”，通过了专家组鉴定。龙芯中科研发的八核龙芯3B1500处理器，理论峰值计算能力达到每秒1万亿次。这是万亿次高性能计算机首次使用八核国产芯。据报道，该龙芯处理器的表面有三四厘米见方，厚度只有两三毫米。 这是国内首枚采用32纳米工艺制造的通用高性能处理器。芯片有几十层电路，集成度达10多亿，电路细到只有32纳米。

     图6  龙芯3B1500 的照片

三、现代CPU芯片——纳米尺度的超大规模集成电路

小贴士：计算机的核心部件叫CPU（中央处理器）是计算机的心脏，通常人  

      们也称之为CPU芯片。

小学生们都爱在笔记本电脑上玩游戏，现在又把玩i-Pad，许多成年人也都对这些电子产品爱不释手，“乐此不疲”。

这类东西的顶端产品的结构如何？

这些密度远远胜过蜘蛛网的电路，是怎么生产的？现代发展到什么程度了？未来会怎么样，一些读者需要有科普层次的了解。

也许读者当中有一些人，将来会成就为“芯片”研究的大科学家，大专家。

⑴纳米尺度

关于尺寸，我们都非常熟悉了，1米（m）的一千分之一称为1毫米（mm），1毫米的一千分之一称为1微米（μm），而1微米的一千分之一则称为1纳米（nm）。1纳米等于10^-9米,是小到连普通显微镜都分辨不清楚的尺度了。

现代芯片电路尺寸已发展到10～20纳米。

⑵芯片图象

由于用途不同，现代芯片的种类繁多，外形也各不相同。下面给出3张图片。

图7 AMD（45nm）的顶视图（复印自http://server.chinabyte.com  近年）

图8 一个芯片的局部立体图           图9  苹果A5X 的局部剖面图细节

 （复印自http://coxem 2010.10）      （复印自 http://news.mydrivers.com近年）

⑶ 半导体器件和线路

①半导体器件的结构示意图

电路的基本器件是半导体器件（或称晶体管，以往称固态器件）。

小贴士：关于各类半导体器件的结构、工作原理和电路的工作原理的简单介绍，可参看《中国大百科全书—电工与电子技术》第二版，中国大百科全书出版社，2012年1月。以下简称《大百科》。

电子导电的半导体称电子型半导体，简称N型半导体。空穴导电的半导体称空穴型半导体，简称P型半导体……鍺、硅半导体材料中掺入微量的磷、砷或锑就成为N型半导体；掺入微量的硼、镓或铝，就成为P型半导体。

N型半导体和P型半导体连接在一起就成为一个PN结。PN结是许多半导体电子器件的基本单元结构。

小贴士：一些中学生会安装收音机、会组装机器人，对于里面的电路他们是比较熟悉的，在阅读科普书籍后，他们对于半导体器件的工作原理也会有一定的了解。

晶体管有许多种类，用于不同的领域。MOS（金属-氧化物-半导体）晶体管在硅基大规模集成电路中用得最为普遍。下面给出MOS的原理图。

如图所示，以金属为栅极，在栅极与半导体之间施加电压时，由于电场效应使半导体表面的带电状态即电导率发生变化。MOS场效应晶体管（MOSFET）是利用电导率的变化转换成设置在栅极两边的源极和漏极之间的电流变化效应制成的半导体器件。

在MOS结构的基础上已研制出多种器件，其中最重要的是MOS场效应晶体管。

即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O），利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。这是MOS大规模集成电路的基础。

  图10  金属-氧化物-半导体晶体管（MOS结构）的原理图

功率晶体管元件符号如下图所示。图中G、D、S分别代表其栅极（铝层）、漏极和源极。功率MOSFET是最重要的一种功率场效应晶体管 。为改善某些参数指标，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等，已开发出各种各样不同结构和工艺的MOS晶体管，如VMOS、DMOS、TMOS等。虽然结构不同，但工作原理相同，不一一介绍了。

其中采用垂直双扩散结构的VDMOS场效应晶体管是一种有代表性的器件，它兼有双极型晶体管和普通MOS晶体管的优点。

    图11  N沟道增强型 MOS 场效应管结构示意图

②电阻、电容、电感

集成电路中的电阻多是利用基区或发射区扩散形成的扩散电阻，即利用扩散区所具有的电阻值来实现。也可以在绝缘层(二氧化硅)的表面上淀积一层金属薄膜形成金属膜电阻（原理结构和市售的一些电阻一样）。

集成电路中的电容，可以利用PN结反向偏置时的结电容；也可采用MOS电容，这是以二氧化硅薄膜作为绝缘介质的平板电容（原理结构和市售的一些电容一样）.

如果设计有电感，集成电路中不可能安装线圈电感，集成电路的导线适当变形即可形成电感。

这些元件，利用集成电路工艺都比较容易制作。

   ③导线

电路的基础单元还有传输信号的导线。各类信号在传输过程中不应该发生畸变。在早期，单根微带线是最好的选择。在介质基片上附着一条金属“导带”，介质底部也附着一层金属（通常接地）。

           图12  最简单的微带线— 单微带线

芯片中，信号在导带与接地板之间的介质层中传输。芯片上的微带线有千千万万条，比蜘蛛网细密和复杂得多。通常设计，信号不应该受外界的干扰；信号不发生畸变；在不需要耦合的地方，彼此之间不应该有对性能产生影响的耦合；保持尽量低的损耗。

为了提高集成度、缩短信号传输的距离，发展了三维集成电路。这种电路

使硅集成电路从传统的平面结构，走向立体多层结构。可利用现有集成电路工艺，制作多层、相互之间用绝缘层隔离。芯片的层数已达到10～20层，其间打孔，用引线连接。芯片的集成度已达到10亿、20亿、30亿……

进入纳米尺度后，由于信号电磁波的“趋肤厚度”大大超过传输线的横向尺寸，CPU芯片的线路已经演化为下面形式。

       图13 高端芯片中的导线 ---并联结构

“介质”在“金属”和“导带”之间。每一根线路都像共用导带的4根微带线（比如A-B、A-C、A-D、A-E）的并联结构。问题还没有这么简单，该系统的电磁信号穿出了它的“边界”，而“边界”外的其它电磁信号也会透过“边界”干扰系统中传输的信号。“芯片”的设计应该避免所有的干扰。一些专著给出的图像不太正确。

⑷研制工作需要解决的问题

      ①设计问题－把不同功能的那么多元件、器件、线路组合在一个小小的芯片上，使芯片达到需要的性能，设计工作是颇为艰巨的。

      ②工艺问题－在纳米尺度上进行大量元件、器件、线路的“构建” ，需要多种工艺、多次数的加工处理。

小贴士：这是一个正在迅速发展的领域，随着尺度的缩小研究出了许多种类的工艺设备。这些设备涉及不同的学科，有些理论还颇为深奥。纳米尺度的芯片，需要极高精确度的工艺装备。中国科学院微电子研究所的陈宝钦教授在《中国科学院2008高技术发展报告— 集成电路工艺与设计技术新进展》等7篇文章、报告 （陈宝钦教授最新的文章，时间是 2013年3月22日）中对于这一领域的发展给出了介绍和分析。本文引用了陈宝钦教授的许多观点。

③质量监控问题－一个芯片往往有10～20层，甚至更多层，在一个阶段完成之后应该进行质量监控，即“在线”监测。发现问题应该及时处理，以调整工艺参数。不要等到产品出来后才发现是废品，不仅浪费时间、浪费材料，有时还找不到发生故障的地方和原因。

四、微波单片集成电路（MMIC）

现代就连一些小学生都有手机。小小的手机是一个完善的无线电（通信）的收∕发系统。从学科方面说，微波单片集成电路则是手机类产品的电子电路发展到高级层次的产品的新名称。让我们在科普的层次上来了解微波单片集成电路的结构，和生产中需要注意的一些问题吧。相信一些有抱负的读者，未来会成为研

究微波单片集成电路（正向毫米波和更高功率方向发展）的大科学家、大专家。

MMIC主要用于军事方面，公开的资料只能让公众有一个大概的了解。

微波单片集成电路（MMIC）的结构也十分复杂。

微波单片集成电路是在砷化镓或硅等半导体材料的基片上生长有源器件（晶体管），无源电路则用沉积技术制作而形成的一种微波电路。

⑴上世纪90年代微波单片集成线路(MMIC)的结构

下面给出一个上世纪90年代功率合成MMIC 的照片 。该器件的频率为34—36吉赫（GHz、千兆赫），功率 1 瓦，增益 9 分贝。芯片的尺寸为 4.8 毫米× 2.3 毫米 ， 内部线路的尺度为微米量级。

                  图14 一个MMIC功率合成电路的照片

            （复印自IEEE 1993 Microwave and Millimeter-Wave    

                      Monolithic CircuitSymposium,pp.45-48）

⑵21世纪微波单片集成电路模块结构

微波单片集成电路发展很快，已经形成模块结构。下面给出21世纪初MMIC模块的结构示意图。

                   图15 一个MMIC 模块示意图

                 （复印自2003 IEEE MTT-S Digest.pp.567-570.

              中译名《一种新型共面有源相控阵雷达模块的构建和连接技术》）

天线就在各个单元的顶部，单元总厚度为毫米量级。在一些隐身飞机机翼或机载、星载雷达系统中，数万个T∕R （发射／接收）模块组成有源相控阵。

该文章几乎没有给出任何有用的具体数据。但是，提到了高功率情况，需要液冷。文章给出了每层衬底的厚度为 200 微米，介电常数 8.6 。材料为一种高导热率的氮铝化合物。文章给出测试数据的频率是 10吉赫（GHz）。

估算了一下，50Ω（欧姆）微带线宽度为220微米。如果输出功率为 1 瓦 ，（趋肤厚度内的）功率密度为 6859瓦/平方毫米，需要实施液冷。

后来，模块化的水平有了较大的提高。出现了下面的结构。

      图16  一个MMIC 三维结构模块

（复印自Y.Mancuso,European MicrowaveConference  2008 ）

为了使图清晰，厚度方向的尺寸大大拉大了。

欧洲THALES／UMS公司在GaN（氮化镓）微带线工艺基础上的X-波段（3厘米或称3公分）MMIC高功率放大器的一些具体参量：频率3公分（8—12 GHz或7—11 GHz）。平均输出功率40～50 瓦，直流微波转换效率可达33～37%。

美国专利（PatentNo:US7.671.696B1,Mar.2.2010）有类似工作的介绍。

美国F-22 飞机上安装了 1500～1800 个 T／R模块。构建的火控雷达可实现快速电子扫描、多目标跟踪，抗干扰能力较强。

⑶微波晶体管结构

MMIC的核心是各类晶体管。这里给出一个近期研制出的晶体管的典型参量：频率8.5—11.5吉赫，输出功率 9 瓦，增益～9分贝，脉冲峰值功率（脉冲工作时间段）转换效率61%

晶体管的结构示意图如下。

图17 一只MMIC晶体管结构示意图 （复印自J.S.Moon,et al.PAWR 2012）

⑷研制工作需要解决的问题

①一些问题与CPU芯片相同

②追求效率以降低功耗或同样功耗给出更高的功率

③产品之间性能一致性问题－由于要实施功率合成，产品之间的性能一致性要求十分严格。这就是要求科研生产具有极高的成品率。

④热问题－热问题是几乎所有电子器件所必需面对和解决的问题。一个耗电8瓦的节能灯，手摸上去可以感到灯管的温度不低。一个平均微波功率25瓦，耗电约50瓦，体积比8瓦节能灯小数十倍以上的MMIC模块的温度是非常高的。模块工作的环境条件也要比节能灯严酷得多，因此，模块遇到的热问题是需要认真研究和对待的。

五、当今世界最复杂、最精细的制作工艺

⑴概述

①以科普形式只能对芯片制作工艺进行极为粗略的介绍

现代科技领域的划分很细，由于历史的传承，有时对于同一事物不同学科采用的专业术语都不太一样。关于加工技术，情况也是一样的。讲解有关技术，最好的方式是以实际的工件在流程中的“变化”图像来说话。

关于汽车工业，我们在电视屏幕上看得最多的是，一间巨大的厂房，在汽车装配流水线上，工人用挂在顶棚上的焊接机（通过压力和大电流的点焊）对两个部件进行焊接。最大工件的尺寸有1～2米。我们有了一点认识。

关于由分立元、器件组装的电路，我们在电视屏幕上看得最多的是，流水线上，片子传送到某一位置，机器自动在片子已开出的若干小孔中插上某一个元、器件。这些元、器件的尺度是几个毫米。

而关于集成电路芯片，我们在电视屏幕上看得最多的是，用机械手把已封装好的集成电路模块插入电路板上，并进行自动焊接。一块厘米级大小的芯片的尺度太小了，结构太复杂了，很难以科普的形式给出它结构的真实画面。

好在关于任何产品的制造，我们还可以用这样的角度去看待：

制造一件产品，无外乎按设计采用不同的工艺，在材料上不断减去一些部分、不断增加一些东西、不断地对工件进行一些特殊的处理，最终达到设计的要求，完成任务。

简介有关工艺过程之前，有两个方面的问题必须指出：

②要求极高的超净环境和各种超纯的工艺材料

大规模集成电路（芯片）技术，每18个月技术更新一代。更形象地说：集成电路芯片大生产遵循摩尔定律，每三年集成度翻两番（增大4倍），而特征尺寸缩小0.7倍。任何国家与半导体产业相关的芯片制造，材料、设备等的发展都必须跟得上这个发展速度，否则会在残酷的竞争中，被远远甩在后面。

2007年英特尔公司推出集成度达到10亿个晶体管的MPU，国际上科技界预言2013年达到32纳米技术节点，2019年达到16纳米技术节点，2025年有可能突破10纳米工艺节点，实现集成度达到1万亿个晶体管的目标。

为了缩短信号传输的距离，大规模集成电路已经发展了多层布线工艺，比如10～20层，或更多。

如此细微的尺度，关于芯片的加工环境要求，必须是非常严格的。许多尘埃的尺度是微米级，微米要比纳米大1000倍，一个微米尺度的尘埃落在芯片电路的关键部位将造成废品。下面给出一个示意图。

               图18 尘埃的尺度远远大于线路的宽度

   关于环境要求的等级，如掩模制作技术、光刻技术等要求在100级、10级、1级和0.1级（人们已习惯用单位体积的尘埃个数 — 即浓度来命名洁净环境的等级了）的超净微环境下操作。这里的数据应该是西方国家制定的标准。

链接：2001年，中华人民共和国制定了国家标准，命名“洁净厂房设计规范”。2002年1月1日正式实施。规范的数据如下：

空气洁净      大于或等于表中粒径的最大浓度限值（pc∕）

度等级                    

1            10       2    

2           100      24       10      4

3          1000     237      102     35       8

4         10000    2370     1020    352      83

5        100000   23700    10200   3520     832        29

……        ……    ……     ……    ……    ……      ……

1立方英尺= 0.0283 立方米。中西方的标准需要换算一下。

仅仅就工艺环境来说，芯片制作工艺的要求也是当今世界最严格的。实现这一环境的设备是十分精细的，长期保持其性能也是不容易的。

关于尘埃，我们已经有了深刻的认识。2012年底至2013年初的几次雾霾天气，覆盖了一百多万平方千米的我国国土面积，空中的尘埃小颗粒，其浓度高到使能见度大大降低。人们非常吃惊，啊可怕的尘埃！

即使在晴空万里的时候，用窗帘遮挡，只让一缕阳光透入房间，你也可以看到空中大大小小的浮尘在飘来飘去。大浮尘的长度可能大于1mm。

关于芯片工艺的“超净环境” ，有一点在这里必须说清楚：

即使“超净环境”达到1级，工件进入这道工序之前，在10级、100级……“超净环境”中已经沉降了一些尘埃到芯片上了。1级的“超净环境”并没有发挥1级的功效。

人是最大的污染源，在超净间中应该尽量减少工作人员数量。

在100 nm以下工艺节点的光刻间要采用全自动化生产，尽量避免人员污染。

应付检查，你在一个很小的空间也许可以达到1级。实际工艺过程中，你的1级“超净环境”的效果也许连 1000级的效果都达不到。

科学地讲，应该根据芯片的特征尺寸（集成度）来规定允许的尘埃的最大尺寸和浓度。因为一种空气洁净度等级，对不同的集成度的危害是不相同的。

   “超净环境”应该是一个整体的“超净环境”！

在几十道制备工序中，所用的超纯试剂、超纯气体、超纯水和感光胶等，无不有严格的要求。

③应注意对工艺人员和环境的保护

由于在一些工艺过程中要用到有危险性的溶液，对工艺人员的安全和对环境的保护，都必须给予足够的重视。

下面以CPU芯片的制作工艺为代表简介芯片的制作工艺。

⑵21世纪上半叶，CPU芯片仍以硅基CMOS工艺为主流技术

关于芯片的发展，目前一些专家认为，可以替代硅基CMOS（互补对称MOS集成电路）工艺的下一代主流工艺技术尚未明朗，但至少21世纪上半叶，仍将以硅基CMOS工艺为主流技术，并继续研发纳米CMOS器件其他CMOS延伸技术。

   下面以图示的形式简要介绍（以科普的形式）硅基CMOS工艺技术。由于有些层的厚度只有几个纳米，有的层则较厚，在一幅图中很难按比例给出真实的示图，后面给出的都是不按比例的示意图。

小贴士：关于芯片的工艺， 在《大百科》里有介绍。其它一些书籍也有片断介绍。这里以CPU芯片为例，简介集成电路工艺。完全采用《数字集成电路—电路、系统与设计（第二版）》，（周润德等译，电子工业出版社，2010年北京。）里面的示图，增加了一些说明。

①硅圆片

制造工艺的基础材料是一个单晶硅掺杂（对硅单晶的纯度、位错、均匀性、含氧量、微缺陷等有严格要求）圆片，由单晶锭切成。圆片直径100～450 mm，厚度最多1mm。切成片后的硅圆片还要经过研磨、抛光，之后才能供给半导体芯片制造工艺使用。下面给出有关的示图。

     图19  单晶硅锭         图20 已完成的圆片，每个小方块是一个芯片

                           图21 Intel 制备有45 nm 工艺节点的硅片

                                  （复印自http://it.big5.gog.com.cn 2006.02）

CMOS工艺需要经过许多工艺步骤来完成，每一个步骤包括一系列基本操作。其中许多步骤或操作在工艺制造过程中是反复进行的。下面先给出两个示图，其一是一个n阱CMOS 工艺的截面图，其二是一个现代双阱 CMOS 工艺的截面图。

小贴士：图中，，阱，多晶，外延等术语的解释可参看《大百科》  

      和其它科普著作

图22 一个n阱CMOS工艺的截面图

     图23 现代双阱CMOS工艺的截面图

②光刻

以刻二氧化硅的光刻工艺为例，这是借助于光在衬底硅的氧化层上刻出所需要的图形的技术。光刻的过程是先在氧化层上涂一层负性光刻胶（称负性光致抗蚀剂），在上面盖上刻有各种图形的光掩模版，然后用光（如紫外线）进行曝光，再用显影剂将未曝光的光刻胶溶解，显露出来的地方用腐蚀液把二氧化硅腐蚀掉，之后再进行下面工序。

这是一个重要而复杂的工艺过程。

下面给出运用光刻工艺的一个具体例子，即形成二氧化硅（）层的图形。这是一个并行的过程，它把千百万个图形同时转移到半导体表面上。

图24  形成图形的光刻工艺步骤

解释如下：

氧化层——将硅圆片置于～1000℃的高纯度氧和氢的混合气体（有比例要求）中，使硅片的表面淀积一层很薄的。这一氧化层用做绝缘层，同时也形成晶体管的栅。

涂光刻胶——通过旋转圆片，在片上均匀涂上一层厚度约1微米的光敏聚合物。这种材料原来能够溶于有机溶剂，但在曝光之后成为不可溶物质。这种类型的光刻胶称为负胶。另一种正胶则具有相反的特性，原本不可溶，但曝光之后可溶。有时工艺过程中正、负胶都要用，同一个掩模常常也可以用于两个步骤，形成工艺需要的互补区域。

光刻机曝光——它把一个含有将要转移到硅圆片上的图形的玻璃掩模（或光栅）靠近硅圆片。掩模上需要加工的区域是不透明的，其余部分是透明的（假设使用的是负光刻胶）。可以把玻璃掩模看成是一个工艺层的负片，而把掩模和硅圆片组合在一起在紫外光下曝光。在掩模透明的地方，光刻胶就变成不可溶的了。

光刻胶的显影和烘干——用酸或碱溶液显影圆片，去掉未曝光部分的光刻胶。之后，把圆片置于低温下慢慢烘干，使留下的光刻胶便硬。

酸刻蚀——去掉圆片上未被光刻胶覆盖部分的材料。这个过程靠使用一些不同类型的酸、碱溶液和腐蚀剂与将要去除的材料的作用来完成。

旋转、清洗和干燥——采用特殊工具用去离子水来清洗圆片，之后用氮气将其干燥。

一些重复进行的工艺步骤——请见下面一段。

去除光刻胶——用高温等离子体有选择地去除剩下的光刻胶而不破坏器件层。（此过程称为“沙洗”）

③一些重复进行的工艺步骤

离子注入（或扩散）－ 以改变材料某些部分的掺杂浓度，要掺杂的区域暴露在外，而圆片的其余部分则用一种缓冲材料层覆盖，一般为二氧化硅（，靠氧化工艺生成），离子注入法可以独立控制注入深度和剂量。

淀积 － 任何一个CMOS工艺都需要在整个圆片表面上反复淀积不同的材料层，以作为一个工艺步骤的缓冲层，或绝缘层，或导电层。有不同的淀积工艺：如化学气相淀积、溅射工艺等。后一工艺被用来形成金属（铝、铜）互连。

刻蚀 － 材料一旦淀积之后，就可以采用有选择的刻蚀来形成如连线或接触孔这样的图形。在等离子刻蚀工艺中，低真空（7.5 Pa）环境下充以带正电荷的特定的等离子体……形成一种微观的化学和物理的“喷沙”效应，以去除暴露在外的材料。

平面化 － 每当在绝缘的层上再淀积一层金属层之前都必须有一个化学机械抛光的步骤。表面的平整度对于保证在其上能可靠地淀积下一个材料层是非常关键的。

④CMOS工艺流程简介

CPU芯片的集成度上亿、一些薄层的厚度小到几个纳米量级，在工艺中对上亿个元件、器件的尺寸都做到精确的控制，这实在是要有很高超的水平才行。说芯片研制面对的是当今世界最复杂、最精细的制作工艺，一点都不过分。

读者不必去弄懂工艺方面的专业名词，这些工艺的目的只是形成最后的结构。我们明白最后的结构是怎么一步一步变化而形成的，就可以了。

下面以图形来显示有关的工艺（由于一些层太薄了，另一些层却较厚，画出能够说明问题的图不可能按比例）：

图25 双阱CMOS工艺中制造NMOS 管和PMOS 管的工艺流程

下面是现代CMOS工艺流程中的一个截面图。可以看到，上面放大到很大的晶体管实际尺寸是非常小的。

      图26  现代CMOS 工艺流程中的一个截面图

该书还介绍一些新工艺，如绝缘体上硅工艺，“真三维集成电路”相关的工艺，大马士革工艺……大马士革工艺见下图。

                    工艺步骤    移去绝缘体后互连线的微缩照片

                  图27 大马士革镶嵌工艺

集成电路的内部工序完成后，对它的封装也是一个重要的工序。包括互连和导线压焊……这道工序也是很复杂而精细的。

随着集成电路的集成度越来越高，特征尺寸越来越小，工艺也越来越复杂。以我们所用二代身份证中的芯片为例，是采用0.18μm工艺，大约需要23道光刻工艺实现。而65nm CMOS 工艺需要28道光刻工艺，500多道工序，上千个步骤。22 nm CMOS 工艺将需要45道光刻工艺。

研制和生产各类芯片,如何控制其质量, 是一个非常关键的问题。下面虚拟一个公司召开质量研讨会的形式展开讨论。