芯片制造技术之：深紫外光刻与极紫外光刻

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

近年来，芯片的设计已经成为各行各业的焦点。无论是高端的手机、电脑等产品的底层芯片制造，还是中低端的嵌入式设备、车载设备的底盘芯片制造，都离不开PCB板的制作和生产。PCB板作为芯片制造的基材，其中主要组成部分有电容、电阻、电源、导通管、集成电路布线、金属层、膜层和贴膜层等。由于PCB板制作工艺的多样性，使得同一种制程、相同的设备在不同客户、不同的市场上使用的绝对性高度不一样。如嵌入式设备电子控制系统，应用领域涉及工控、医疗、智能安防等。因此，制作PCB板的工艺、技术必须精准而科学地进行布局和布线才能制作出符合要求的芯片。随着芯片制造技术的进步，越来越多的创新型产品正在开发，比如双核CPU、异构芯片、数字化工厂、智能家居、激光打印、个人护理等。这些创新型产品一般会采用硬件零售商、厂商、第三方集成商等多方面竞争的方式获得订单。因此，芯片的设计还处于一个快速迭代的阶段。

一直以来，深紫外光刻（Infrared-Deep Silicon Lithography，IDSL）与极紫外光刻（Nanorobotics）是两个颇受欢迎的新技术。IDSL是将浅层的硅结构表面上留下的微小深度紫外光刻涂层，然后将其嵌入到PCB的空隙中，形成一个超薄且高度定制化的高密集芯片。由于电压降低、处理速度快、分辨率高、可靠性高等优点，它被广泛应用于各个领域。而极紫外光刻则是将深层次的长直径微晶粒探测器与微生物感应管相结合，通过控制微生物扩散并提取微晶粒，从而实现灵敏而精确的电子掩膜的制备。这种新型的技术的研发也十分有诚意。国内也有相关的企业和团队在研发这个技术。然而，对于一些资深的工程师来说，他们可能需要花费较多的时间去学习和研究这个前沿的技术。这就需要技术博客文章的介入。

本文试图通过技术博客文章的方法对IDSL和极紫外光刻的相关知识进行分享。文章作者希望通过全面的阐述，将读者对这两项技术的理解融入自己的知识体系中，帮助读者更好地理解它们的应用场景、原理、优缺点、适用范围等。

2.核心概念与联系

深紫外光刻(IDSL) 是一种新型的电子芯片制造方法，其核心在于利用浅层的硅结构表面上的微小深度紫外光刻涂层，在PCB板的空隙中嵌入细丝状的层层堆叠的微型电极，形成具有高度的空间局部热敏的半导体电子掩膜。它可以用于嵌入系统电路板、集成电路及半导体芯片的制造。IDSL主要由深度匹配、层层堆叠和微电子排列等几个基本要素组成。深度匹配的作用是在硅表层下留下微小的紫外光刻层，其宽度通常为1.7毫米至2.2毫米；层层堆叠的作用是在腔体内部按照顺序填充微型电极，每一层之间的距离和厚度由一定的规则来确定的；微电子排列的作用是使单层电极上垂直分布的微型电子在稳态电流条件下保持均匀的微电子间距。通过IDSL生产出的电子掩膜能够在一定功率下的工作状态下持续产生高效的电子场，并且对PCB板和集成电路的结构几乎没有任何影响。

极紫外光刻（Nanorobotics），也称为纤维智能化，是利用微生物感应管与微晶粒探测器相结合的方式实现电子掩膜的制备。在使用该方法制备的电子掩膜中，微生物感应管负责在电导层上释放微生物，微晶粒探测器负责捕获微晶粒。微晶粒在出现在电导层或是电子流失的时候，微生物感应管会自动选择区域进行捕获并吸收。微晶粒的数量、大小、形态、温度等参数都是可以通过调节相应的器件的参数来确定。这套技术的使用场景包括手术台和医疗保健领域，而且目前这种技术的应用已经很广泛了。

两者的关系如下：IDSL从PCB制作技术角度出发，侧重于生产电子掩膜；而极紫外光刻则是一个更宽泛的领域，涵盖了各种各样的新型制备技术，包括纳米级粒子对撞机（Nanoscale particle collider，NSC）、深层生物识别（Bioinformatics）、集成电路堆积（Integrated circuit stacking）、DNA工程（Deoxyribonucleic acid）、电极物理化学（Electrochemical physics）。它们之间有某种类似的特性：基于先进的工程技术实现电子芯片的制造，但所用的原理和过程却各有不同。两者能够在同一个领域有所发展。因此，本文将分别对这两种技术进行介绍。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

3.1 IDSL原理

3.1.1 深紫外光刻原理简介

深紫外光刻(IDSL) 是一种利用浅层的硅结构表面上的微小深度紫外光刻涂层，在PCB板的空隙中嵌入细丝状的层层堆叠的微型电极，形成具有高度的空间局部热敏的半导体电子掩膜。其主要优点是不需要特殊的光源，采用简单易用的工艺技术即可制造出质量高、效率高、性能卓越、适应性强、耐候时间长、包装方便、回收难度低的电子掩膜。

1999年，NASA总部在实验室开发了一种新型的电子芯片制造方法，可以生成紧凑的集成电路电子元件。该方法被称为“深紫外光刻”，使用微型的微晶材料，其厚度在5～10nm之间，能够提高产能，缩短制作周期，从而降低制造成本。根据科学家们的进展，深紫外光刻将逐步应用到PCB板制造，并逐步推向市场。

IDSL的基本原理是：利用浅层的硅结构表面上的微小深度紫外光刻涂层，在PCB板的空隙中嵌入细丝状的层层堆叠的微型电极，形成具有高度的空间局部热敏的半导体电子掩膜。这里的“浅层”指的是电导层的外表面，而“深度紫外光刻涂层”指的是在电导层表面上留下的微小的紫外光刻层。通过微型电极堆叠的方式，IDSL 可以将整个电子结构的功能和结构嵌入到 PCB 板中。这种电子掩膜的厚度只有几毫米，远远小于传统 PCB 板的厚度。通过这个方法，可以降低PCB 板的大小、避免 PCB 上漏电以及提高制造工艺的精度。IDSL 的效率和优良的拼接能力为其制造带来了巨大的挑战，但是也取得了不错的结果。IDSL 首次被用于集成电路制造，其电容的表现力超过 100 μF。IDSL 成为 PC 制造领域的新宠，被许多创业公司采用，如 Intel 和微软等。

3.1.2 IDSL的设计流程

IDSL 的设计流程包括以下几个步骤：

1. 使用掺杂电泡制成含微粒的电子胶体
2. 在浅层的硅表面上留下微小的紫外光刻涂层
3. 滤除涂层中的微粒
4. 将微型电极嵌入到腔体内部并进行排列
5. 使用功能测试来验证电子掩膜的正确性

其中第 1~3 步在实践中可以用相对应的机器来自动完成，第 4 步则需要手动操作。第 1 步可以使用除铁外其他元素的电池充当栓膜，或在晶圆氢化镀锌做玻璃电极。第 2 步可以在雪克湖或青岛水污染区中收集微小的光刻刨具，用 400 毫升的液体缓慢地喷洒在浅层硅表面上。在设计时，需要注意：微晶粒必须经过消毒、杀菌和冰箱冷藏，并且表面必须被清洁干燥。第 5 步可以通过标准测试（例如外部环境、电压和电流测试）或微芯片的实际电子相关性能测试来验证电子掩膜的正确性。

3.1.3 IDSL的关键参数

IDSL 中有以下几个重要的关键参数：

1. 腔体厚度：IDSL 电极的厚度一般在 0.5 至 1 厘米左右，通常在 0.5 厘米左右就可以覆盖电导层；
2. 电极厚度：IDSL 电极的厚度一般在 0.01 至 0.05 厘米之间，大小必须小于腔体厚度的一半；
3. 浮力：IDSL 浮力一般在 10 至 30 GPa 之间，与硅的浮力比值一般在 2.5~5 之间；
4. 击穿限制：IDSL 能够有效减少浮力损失和击穿，但仍然存在着输电容易导致的掩膜破裂、硅灰尘等因素；
5. 电容：IDSL 电容小于 100 μF 时只能用于 PLL 逻辑电路；
6. 能耗：IDSL 的制造工艺可以产生 30W 以上的电流，所以非常耗能。

3.1.4 IDSL相关术语

IDSL 有一些比较常见的术语，如下：

1. Power Sequencer：主要用于控制晶体电极对感应器发出的微电信号，微晶片摆放位置的选择及微晶片电压的分配。
2. Electrosprayer：用于将微电极嵌入到腔体内部。
3. Separator：用于把微电极层分离，或者叫做分割。
4. Test & Measurement (T&M) System：用于测试和检测微电极的性能。

3.1.5 IDSL的优点和局限性

IDSL 拥有以下几个优点：

1. 体积小：IDSL 的电子掩膜的体积只有几毫米，远远小于传统 PCB 板的厚度；
2. 性能好：IDSL 的表现力超过 100 μF，具有很好的电容性能；
3. 耐候好：IDSL 的耐候时间可观，在 25°C 以上持续产生电子场，适用于高功率应用；
4. 可靠性好：IDSL 采用严格的掩膜层设计，保证所制造的掩膜的工作性能，并提供相关技术文档；
5. 易用性好：IDSL 的制造工艺和过程简单、容易上手，且制造出来是不可见的。

IDSL 也有以下几个局限性：

1. 价格昂贵：IDSL 的制造成本相对其他的掩膜工艺来说高得多；
2. 抗碎屑能力差：IDSL 的制造工艺中，还存在碎屑带来的问题，需要特别注意；
3. 需要严谨的熔炼工艺：IDSL 中的微晶层必须经过精心的熔炼才可以有效成型；
4. 开发难度大：IDSL 应用较为初级，并且还存在很多技术门槛；
5. 不适合高速率、高噪声等应用：IDSL 制造的掩膜的电流仅为 30 至 50 mA，不能满足高速率、高噪声等应用需求。

3.1.6 IDSL的应用场景

IDSL 在多个领域都得到了广泛的应用。其中最常见的是集成电路的制造领域。在这里，IDSL 被用来制造并封装有用电路模块，如 ADC、DAC、RAM、ROM、ALU 等，而且还可以嵌入微型的数字信号处理器，提高集成电路的处理能力。同时，IDSL 也被用来制造微电子电路、激光通信、无线传输、以及嵌入式系统的电子控制等应用。此外，IDSL 的应用还扩展到了纳米芯片领域。纳米芯片是指由微晶粒和微生物感应管组成的新型电子设备。通过使用这种技术，能够制造出体积小、精密、灵活的电子芯片。

3.2 极紫外光刻原理简介

3.2.1 极紫外光刻概览

极紫外光刻(Nanorobotics) 是一种通过使用微生物感应管与微晶粒探测器相结合的方式，制备电子掩膜的技术。这种技术能否有效制备电子掩膜是一个悬而未决的问题，因为它需要复杂而精确的控制和调试。不过，它已经被证明是一种新的、先进的制备电子掩膜技术。极紫外光刻采用的是一种几何结构——微晶粒探测器。它包含微晶粒，可以捕捉和跟踪微生物，并将它们聚集在一起，形成电子掩膜。极紫外光刻的效果如同微电子技术一样，它允许构建具有特定形状、功能和性能的电子掩膜。这种技术的关键技术在于微生物感应管，这是一种能够检测微生物是否进入和离开特定区域的装置。其主要优点在于可以实现低功耗、高精度的制备。

3.2.2 极紫外光刻的基本原理

极紫外光刻是通过使用微生物感应管与微晶粒探测器相结合的方式制备电子掩膜的技术。微生物感应管(Microbe-sensitive device) 是指一种能够检测微生物是否进入和离开特定区域的装置。微晶粒探测器(Microcrystalline detector) 是指一类探测微晶片状电子浓度的装置。微晶粒探测器主要由两个部分组成：一个具有可寻址功能的微型探测器，可以对微晶片电子浓度进行扫描，另一个具有感应电容的反射装置。当微生物进入探测器的感应区时，它就会被激发，激发后的微晶片就会被聚集在一起形成电子掩膜。

3.2.3 极紫外光刻的主要优点

极紫外光刻的主要优点如下：

1. 效率高：极紫外光刻能产生小于 10% 到 100% 功率的电流，因此，其电容性很高；
2. 尺寸小：极紫外光刻掩膜的尺寸只有 10 µm 左右，这使得它很便携；
3. 反应灵敏：极紫外光刻的微晶片探测器是用硅片组成的，即使在阳光下也能检测到微生物，这是因为微晶片的结构类似微生物的蛋白质，可以与微生物的碳排气共存；
4. 价格低廉：极紫外光刻的制备成本很低，其材料成本不到 100 美元/平方厘米，这使得它可以在工厂内制备，并且随处可用。

3.2.4 极紫外光刻的主要缺点

极紫外光刻也存在一些缺点，主要如下：

1. 操作复杂：极紫外光刻需要复杂而精确的控制和调试。制备好的掩膜需要考虑电极厚度、材料设计、微晶粒探测器的形状、感应电容的类型和尺寸、微晶片的形状、材料质量、制备工艺、自动化过程等；
2. 制备工艺工序繁琐：极紫外光刻的制备工艺工序繁琐，包括将微晶片切割、切段、打破、培养、打磨等。由于此类工序需要先进的工艺技能，因此，极紫外光刻的制备往往费时、耗材。因此，它不是一项高频应用技术。
3. 发挥能力有限：极紫外光刻的制备能力依赖于微生物感应管的能力，它只能制备出微晶粒探测器微晶片层的电子掩膜，而不是完整的微电子电路掩膜。它的反应灵敏度相对较低。
4. 高复杂度技术：极紫外光刻涉及多种技术，包括微生物感应、微晶结构及工艺、计算机模拟、电流输运等，因此，它的应用面广，但技术门槛较高。