通关原创 方寸之困：纳米级芯片通关路( 二 )
然后 ， IC芯片就像是用乐高积木盖房子一样 ， 将设计好的电路在硅片基底上面一层 。 一层又一层的堆叠出来 。 这里就要使用到“光刻”的方法 。
本文插图
（IC电路3D剖面图 ， 蓝色为晶圆 ， 红色和黄色为层叠的电路）
首先在硅晶圆片上涂一层光刻胶 ， 然后放上掩模版 ， 再用光束照射掩模版 。 经过一段时间的曝光 ， 被照射的光刻胶区域发生变化 ， 然后再用化学试剂刻蚀 ， 就在硅片上留下了想要的图形 。 这个过程就称之为“光刻” 。
然后 ， 是对硅片进行掺杂 ， 也就是加入三族（硼）或者五族（磷）元素 ， 形成相应的P型或者N型晶体管 。 硅片上面残留的光刻胶的部分就会阻挡掺杂元素进入下面的硅片 ， 而对于那些光刻胶被刻蚀的区域 ， 掺杂元素就会进入硅片 ， 形成晶体管了 。
本文插图
（CPU内部的层状结构 ， 最下层为器件层 ， 线宽最窄 ， 即MOSFET晶体管）
整体上 ， 一块圆形硅晶薄片穿梭在各种极端精密的加工设备之间 ， 要经过昼夜无休地被连续加工两个月 ， 进行热处理、光刻、刻蚀、清洗、沉积等成百上千道工序 ， 在硅片表面制作出只有发丝直径千分之一的沟槽或电路 ， 最终集成了海量的微小电子器件 ， 经切割、封装 ， 成为现代电子设备当中最核心的硬件——芯片 。
因为要在如此小的空间里放上亿个半导体元件 ， 那么晶体管的尺寸就要达到了纳米量级 。 直观地理解 ， 我们的指甲的厚度大约是0.1毫米 ， 而1纳米就相当于我们指甲厚度的十万分之一 。
【通关原创 方寸之困：纳米级芯片通关路】所谓制程 ， 就是在芯片中最基本功能单位门电路的宽度 ， 也就是线宽 。 缩小线宽的作用 ， 就是在更小的芯片中塞入更多的晶体管 ， 可以增加处理器的运算效率 ， 降低成本；或者是在满足运算的前提下 ， 减少芯片体积 ， 以降低耗电量和满足设备轻薄、微小化的需求 。
现在主流的纳米级制程是10nm和7nm ， 最先进的制程已经达到5nm ， 并正在向3nm演进 。
5nm工艺制程如何实现？
尽管缩小制程带来性能和功耗等诸多好处 ， 但实际上 ， 受到物理界限和漏电问题的制约 ， 制程变小并不是无限制的 。
我们知道 ， 信息世界是由0和1二进制生成的 ， 而晶体管就是将0101之类的数字信息转换成电信号的半导体硬件 。 晶体管由“沟道”和“栅极”组成 ， 其中电流在半导体的源极和漏极之间流动 ， “栅极”用于管理流过“沟道”的电流 。， “门”通过放大电信号并且还用作开关 ， 产生二进制的系统数据 。 随着晶体管变小 ， 源极和漏极之间的距离变小 ， 使得作为开关的晶体管难以工作 。
具体来讲 ， 晶体管的门与通道之间有一层绝缘的二氧化硅 ， 作用就是防止漏电流 ， 自然绝缘层越厚绝缘作用越好 。 然而随着工艺的发展 ， 这个绝缘层的厚度被慢慢削减 ， 原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层变得更薄 ， 进而导致泄漏更多电流 ， 泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗 。
为应对这些挑战 ， 第一个重要改进出现在2000年后 ， 为应对绝缘层的漏电 ， 工程师使用了更多的新型绝缘材料 ， 即使其他组件继续收缩 ， 绝缘层也不再收缩 。 第二个是对晶体管的结构进行剧烈改进 。 当晶体管的制程进入到25nm以下的时候 ， 即使是更绝缘的材料也不能防止漏电 。 原先的平面晶体管（PlanarFET）的尺寸就已达到其物理极限 ， 而一种采用更复杂的三维立体结构（FinFET）的鳍式晶体管应运而生 。
推荐阅读
- 手机教授|原创 你还在等5G覆盖吗？6G都已经出现了，意料之中！
- 最极客网|原创 中兴推5G视频手机，衰颓之后还能凭技术回归主流吗？
- 曼巴侃侃侃|原创 两国开始禁售iPhone，国内主播还在争先恐后给苹果带货，原因是啥
- 机智万象|原创 高管确认荣耀Play4系列将支持红外测温 网友曝光全系配置差异明显
- 科技云评|原创 OPPO新机素皮材质机身引发新一轮热潮，比陶瓷机身香太多
- 科技小李|原创 vivo火力全开，iQOO3全速跌至“退场价”，网友：买早了！
- 新出行|原创 实用性更好 体验理想 ONE V1.2.5 版本 OTA 升级
- 竹影说说|原创 不只红蓝CP，还有黑白配，OPPO Reno4最新配色组合绝了
- 电脑爱好者|原创 办公小技巧：3+2 灵活使用WPS集成环境
- 评测猿|原创 Reno4发布会时间定了！荧光夜拍邀请函被媒体刷爆了