集成电路的助产士

第一台电子计算机 ENIAC 是美国在第二次世界大战中制造的，运算速度每秒钟五千次，重 30 吨，占地 170 平方米，耗电 140 千瓦，是一个庞然大物、电老虎。今天，一台摆在书桌上的微机运算能力每秒钟达上亿次。要达到 E

－NIAC 那样运算能力，只需 60 克重，耗电 0.7 瓦的微机就够了。ENIAC 由于耗电量大，发热厉害，工作一会就得停下来散热，今天的计算机则可以长期连续工作。

体重减轻 50 万倍，耗电减少 20 万倍，这样惊人的技术进步是怎样得来

的呢？归根到底，应该归功于集成电路的诞生。ENIAC 使用电子管作主要元件，用电子管的亮和不亮来表示二进制的 0 和 1 两种状态，每个电子管有一个小电灯泡那样大，再组成电路，体积当然就大了。后来在硅片上掺杂其它金属制作晶体管，用晶体管代替电子管，体积就小多了。而集成电路是把二极管、三极管、电阻、电容等元件都做到一块指甲大小的硅片上，体积更大大减小了。集成电路的诞生，带来了计算机的革命。集成电路的集成量越来越大，从小规模集成电路每块包含几十个元件，到中规模集成电路几百个元件，70 年代的大规模集成电路每块集成上千个到 20 万个元件，80 年代以后的超大规模集成电路达到 200 万个元件或更多。集成电路制造技术的每一次突破，都给计算机带来更新换代，微机的体积没有变化，但运算速度已达到每秒上亿次，相当于几年前大型计算机的水平。计算机价格也随着戏剧性地下降，很多家庭拥有了计算机，这里面就有高分子材料的功劳。

要明白高分子材料在集成电路制作过程中的作用，先得大体了解光刻工艺。要在一小块单晶硅片上加工出几万个元件并把它们连接成电路，用一般的方法是不行的，比较好的方法是把线路图遮盖在硅片上，要保留的部分不让光通过，要去掉的地方让光通过，用光线刻蚀出凹坑来，这种工艺叫光刻。因为光并不能直接在硅片上进行刻蚀，就需要高聚物来完成这个任务了。

实际工艺是很复杂的。先要用专用的仪器把线路图缩小、聚焦到硅片上。硅片表面经过氧化或沉积了一层二氧化硅，二氧化硅上面涂有一层光敏聚合物。这种聚合物必须是对所用的光敏感，就是说经光照能发生交联或者降解反应。所谓降解就是大分了发生断链或分解使分子量下降。因此经过照射后， 线路图就留在这层高分子膜上了：被点和线遮住光的部分没有变化，没有遮住光的地方的聚合物被降解或破坏。到这个时候，线路图还只是潜在的，没有显现出来的图形。再用溶剂去清洗，降解部分的聚合物膜被溶掉了，没有降解的部分还在，线路图就洗出来了，这个步骤叫显影。也可把要保留的部分让光线照射，而把要去掉的部分遮盖住。这时要使用在光照射下进行固化反应的光刻胶。反应后掩膜不溶于溶剂，而未经光照的部分被溶剂洗去。再用氢氟酸去腐蚀，聚合物不怕氢氟酸，复盖住的部分受聚合物保护原封不动， 暴露出来的二氧化硅被氢氟酸溶解掉，硅就裸露出来。再对露出的硅片进入离子注入，扩散掺杂，在上面制造晶体管。再造出电阻、电容，用金属把它们连接起来，就成为集成电路。

在集成电路从大规模到超大规模的演变过程中，高分子科学的任务就是为它提供高性能的掩膜。由于集成块上的元件越来越多，线路越来越复杂， 线条越来越细，可见光发生衍射现象，已经不能刻出清晰准确的线条，必须使用波长更短的紫外线、X—射线等，就必须寻找新的对紫外线、X—射线敏感的聚合物。

光在传播时，只有当光波的波长比它通过的狭缝或小孔的尺寸小很多时才能沿直线传播，当二者尺寸相近时，光就会绕过狭缝，照射到周围去，就是说，光会把应该保留的部分也刻掉了，线路图就不准确。可见光波长在400～800 纳米（1 纳米为百万分之一毫米）。目前工业上使用曝光机用 356 纳米波长的光，可以达到线宽 200～300 纳米水平，使用的聚合物是酚醛环氧作掩膜材料。随着集成度的提高，线宽缩小到 250 纳米以下时，就要发展 X 射线和电子束曝光，也必须发展和它相适应的聚合物材料来满足新技术的要求。