小沙成“芯”记.pdf
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1、 Univ.Chem.2023,38(7),8791 87 收稿:2023-03-04;录用:2023-04-06;网络发表:2023-05-18*通讯作者,Email: 基金资助:深圳市教育学会“十四五”规划2021年度教育科研一般课题(YB2021004);哈尔滨工业大学深圳校区思政课程和课程思政专项课题(HITSZIP22017)科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202303022 小沙成“芯”记小沙成“芯”记 周佳*,钟华英 哈尔滨工业大学(深圳)理学院,城市水资源与水环境国家重点实验室,广东 深圳 518055 摘要:摘要:芯片在人类的生活和生产中有着重要的作用,但芯片的
2、制作却有着繁琐的流程。本文采用拟人的手法,描述了从富含硅的沙子到芯片制备的全过程以及芯片的应用,让读者以生动的方式了解芯片的制作和应用。关键词:关键词:沙子;二氧化硅;硅;芯片的制作;芯片的应用 中图分类号:中图分类号:G64;O6 The“Chip”Formed by Fine Sand Jia Zhou*,Huaying Zhong State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment,School of Science,Harbin Institute of Technology(Shenzhen),Shenzhen 5
3、18055,Guangdong Province,China.Abstract:Chip plays an important role in human life and production,but the production of chip has a tedious process.This article uses anthropomorphic approach to describe the whole process from silicon-rich sand to chip preparation and the application of the chip,allow
4、ing readers to understand the production and application of the chip in a vivid way.Key Words:Sand;Silicon dioxide;Silicon;Chips fabrication;Chips application “您好,作为目前最受人们关注的最新芯片,热烈欢迎您加入成芯之路节目组。我是本期节目的主持人小欣,请您分享一下您成为芯片的经历。”小欣站在舞台上,激动地说着。“我很荣幸能参加这个节目,接下来我会简单地讲述我的经历。”小沙答道,眼中闪烁着泪花。1 “芯”路历程“芯”路历程 在万千沙子中
5、,我这个最平凡的一个,很幸运地被选中,从此开启了一段神奇的旅程。经过几天的长途跋涉,我终于到达芯片工厂。“欢迎来到芯片工厂。如果您想在未来获得闪耀的道路,接下来的日子,您需要刻苦努力,并在我们的训练下实现自我升华。加油吧!”工厂管理员说道。“我一定会努力的!”“我会加油的”大家异口同声地说道。首先我们要经过制备硅的过程(图1)。硅是芯片制造的核心材料,其制备原理为:将二氧化硅和一定量的碳放入高温炉中,经受了碳火和高温的折磨后,还原纯度约为98%的冶金硅锭。然而,我们得到的硅锭纯度还不够,需要进一步提纯。先用盐酸把硅氧化成氯化硅(SiCl4),再通入氢气还原氯化硅便会得到高纯度的多晶硅1。88
6、大 学 化 学 Vol.38 图图1 制备硅的方程式制备硅的方程式 不过,这似乎还达不到管理员的标准。接着他们对我们进行了魔鬼式的训练,经过反复地酸化和蒸馏,再用“直拉法”,最终成为了一根又长又粗的单晶硅棒,纯度高达99.999999999%。小沙润了润嗓子,继续说道:“成为一根优质的单晶硅棒后,我们坎坷的命运才刚开始”“你们还经历了什么呢?”小欣好奇地问。2 “芯”路漫漫“芯”路漫漫 首先,我们被去头去尾,随后进行外径研磨,将我们的直径削成了指定的尺寸(通常是8英寸或12英寸)。接着进行切片,伴随着刺耳的磨锯声,我们被切成一片片又薄又平的圆盘。经过物理磨削和抛光,我们变得锃光瓦亮,成为具有不
7、同尺寸的硅晶圆片(图2)。图图2 硅棒和硅晶圆片硅棒和硅晶圆片2 “恭喜你们!能够走到这一步,表明你们已经达到成为一名合格芯片的门槛。你们将踏上新的旅程,不断历练,继续加油!”管理员充满欣慰和不舍地说道。于是我们被送往了专用的车辆,每辆车装载着25个晶圆,等到全部准备完毕后,便出发了!从此刻开始,他们严禁我们和灰尘幽会。运输过程中同样如此!因此,他们采取了一系列措施,包括使用沉重而庞大的隔尘载具将我们隔离开来,同时还聘请了自动化运输系统来搬运这些载具可真严谨!我们坐着隔尘的车到达了一个超洁净的车间,水和空气必须经过多重过滤,工作人员也必须穿上无尘工作服。我们被送入烤炉,经过精确控制的温度和气体
8、氛围下,表面被均匀地烘烤形成了氧化膜(图3),接着涂布上一种叫做“光刻胶”的保护层,以保护我们的表面不被刻蚀试剂侵蚀。“好耶!我的身上又披上了件防护衣。”小沙开心地说道。“你可别太高兴了,它有个致命的弱点,就是一见紫外光就会变质,再被水一冲就没了。”工作人员用吓唬人的口吻提醒道。小沙的心情瞬间降到了低谷。不知不觉中,我们进入了刻蚀阶段,刻蚀又可以分为两大类:湿法刻蚀和干法刻蚀(图3)。我们进入的是湿法刻蚀阶段,一个接一个地穿过刻蚀试剂(HF溶液),表面没有被光刻胶保护的区域逐渐被侵蚀,直到裸露出硅基底。几分钟后,我们变成了电路的形状,身上剩余的光刻胶也被清理掉了。No.7 doi:10.386
9、6/PKU.DXHX202303022 89 图图3 氧化和刻蚀阶段方程式氧化和刻蚀阶段方程式 接着,马上到了离子注入阶段,他们通过离子束粗暴地将掺杂离子注入我裸露在外的硅基底,从此改变了我的极性。苦命的我又被送进炉子里通过热处理让这些强行进入我身体的离子稳定下来。当离子被稳定下来时,数十亿个微小的晶体管也在我的表面形成。小沙看着身上逐渐呈现出各种芯片原件图形的样子,变得越发兴奋起来:“我的身上变成了真正的电子宝藏,这些电路和器件看起来真地很厉害!”工作人员则耐心地解释道:“是啊,经过多次光刻和蚀刻,你们的身上形成了复杂的电路和器件,这些都是让芯片能够正常工作的重要组成部分。”小沙听后,更加渴
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