“小朋友，回到家后，把家里不要的旧照相机、电视机、笔记本电脑都给拆了，看看里头有哪些集成电路芯片，研究下这些集成电路芯片有多复杂。”近日，北京市科学技术协会主办的北京流动科技馆进社区活动在天通苑艺术中心举办，中国科学院微电子研究所研究员陈宝钦为前来参加活动的孩子们作了一场“微电子如何把沙子炼造成芯片”的科普讲座。讲座结束时，他鼓励孩子们动起手来，对芯片进行深入探索。

    沙子炼成高纯度单晶硅片

    几乎所有的电子设备，都安装着大大小小、各种各样的芯片，其中有一种被称为中央处理器（CPU）的芯片是整个电子设备的大脑。一枚小小的芯片就能够为智能手机、计算机、汽车、飞机、高铁甚至北斗提供非常复杂的计算功能和控制功能。如果撬开一枚芯片并将其一层又一层地打磨，我们就能发现，芯片是由千千万万个非常复杂的晶体管及其他电子元件集成在半导体硅片上的。

    为什么说沙子可以做成芯片，这还得从硅片说起。“能做成芯片的沙子是石英石。在石英石中，水晶是比较纯净的二氧化硅。”陈宝钦说，只有极高纯度的单晶硅材料才能做出高端的纳米级集成电路芯片。

    为了将沙子炼造成纯度极高的硅基片材料，需要历经石英石原料去杂、去氧还原成硅、提纯拉成单晶硅、切片、精磨、抛光等非常复杂的工序。“通过化学还原反应把氧赶跑，剩下硅，再通过各种各样的工序将石英石提炼成高纯度的单晶硅材料。切成片后的硅晶片厚度也就零点几毫米，我们用它做基底。”陈宝钦说。

    “单晶硅不能作为半导体材料使用，还需要掺进特定的杂质，变成N型半导体材料和P型半导体材料，才能用于制造集成电路芯片。”陈宝钦的介绍让小朋友再次感受到硅元素的奇妙之处。目前，碳化硅是一种高导热、高硬度的第三代半导体材料。

    芯片里建起64层高楼

    在讲座中，陈宝钦不断拿出沙子、水晶石、金刚石、电子管、晶体管和各种集成电路芯片样品等作为教具。几位小朋友拿到12英寸28纳米和8英寸10纳米规格的集成电路晶片的实物样片后，和家长一起认真地观察。

    “你能想象一枚芯片里有多少个晶体管吗？”当听到“500亿个”的答案后，小朋友和家长们发出了惊讶之声。

    “64层的楼房有多高？”在陈宝钦提问后，一位小朋友很快地计算出答案：“100多米！”“零点几毫米厚的晶片上却建了64层楼！因为‘盖楼的砖头’的厚度是纳米级的，所以64层集成电路的高度也不过微米（1微米=1000纳米）级的。”这样的回答，吊起了现场观众的胃口。

    传统集成电路中的晶体管以平面的顺序进行排列，这种方式注定无法最大限度地利用空间，当集成电路规模越来越大，要求晶体管的尺寸越来越小。当晶体管最小的尺寸达到10纳米以下时，传统平面的场效应管的尺寸已逼近物理极限。而且，现有光刻机技术也逼近了加工的极限，再继续按照等比例缩小原则制造更小尺寸晶体管的方法已经行不通。

    “为了做出10纳米以下的芯片，科学家们想办法将晶体管像积木一样堆叠起来，做成立体的、多层的，还采用了先进封装技术把两片基片键合在一起等手段。”陈宝钦说，“建高楼”的方法在不需要继续缩小晶体管尺寸的条件下，让单位面积的晶体管集成度也实现了翻倍地增加，可以等效地称之为5纳米工艺、3纳米工艺、2纳米工艺甚至1纳米工艺。

    激光精雕细琢造芯片

    “如何把500亿个晶体管做到像指甲盖大小的一块集成电路芯片里？”陈宝钦发问：“每个晶体管中结构的尺寸相当于头发粗度的千分之一到万分之一，大家看是不是很难？这就需要靠光刻技术。”

    什么是光刻技术呢？光刻技术是在照相技术和印刷制版技术的基础上发展起来的。光刻机类似于照相馆相片复印机，将已经设计好的集成电路掩模版图（相当于照相底片），通过紫外光源或者激光光源，采用投影曝光的方式或者直写的方式转移到硅晶片表面上涂覆的光致抗蚀剂（俗称光刻胶）上，最后再通过刻蚀机把集成电路掩模版图形“刻”到硅片表面上。

    “光刻技术是整个半导体集成电路制造工艺中最关键的工艺技术。”陈宝钦介绍，整个芯片制造过程中，需要几十道光刻工艺，每一道光刻工艺后还包含着许多道半导体集成电路平面加工工艺，而且要求每一步出问题的可能性都不得超过百万分之一。其中，看似最简单的基片表面处理和清洗步骤，也需要非常认真地清洗好几遍。“任何一个步骤出了问题，整个集成电路制造过程就是白干，一个好的芯片也出不来。因此，芯片制造工艺团队的成员必须是由最敬业的工程技术人员构成。”