芯片從業(yè)者不能錯(cuò)過(guò)的超薄柔性硅技術(shù)

　　想象一下這樣一個(gè)場(chǎng)景：你一大早起來(lái)趕早班飛機(jī)，昏昏沉沉地去洗澡時(shí)，昨天穿的衣服里裝著的柔性傳感小芯片發(fā)出洗衣提醒。早餐時(shí)，用平板大小的柔性顯示器查看航班狀態(tài)、新聞，瀏覽文本和視頻。這時(shí)彈出醫(yī)生發(fā)來(lái)的一條消息，提醒你貼上醫(yī)用診斷貼劑，收拾好要帶的藥物。離開家時(shí)，地毯和墻紙里的微型傳感器將一些家電改為待機(jī)模式。在機(jī)場(chǎng)，柔性電子客票指引你到登機(jī)口，機(jī)票、護(hù)照與視網(wǎng)膜掃描儀之間的無(wú)線連接使通關(guān)異常迅速。

　　雖然在日常生活用品中尚不能實(shí)現(xiàn)如此天衣無(wú)縫的集成運(yùn)算，很大程度上是因?yàn)檫€沒(méi)有便宜、超薄柔性的電子產(chǎn)品。但該技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越普及：射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽用于跟蹤貨物(且越來(lái)越多地用于跟蹤寵物和人)，汽車座椅中安裝的柔性傳感器會(huì)提醒父母去購(gòu)物時(shí)不要把孩子遺忘在后座上，為電子書設(shè)計(jì)的可折疊顯示屏正在研制中。這些具備內(nèi)在柔性的產(chǎn)品可以大量生產(chǎn)，有的甚至可噴墨印刷，打造大屏幕顯示器。

　　柔性芯片的主要材料是非硅有機(jī)和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，包括聚合物和金屬氧化物半導(dǎo)體，因?yàn)槌杀臼莻鹘y(tǒng)硅芯片的一小部分，使得柔性芯片成為剛性硅電路非常好的替代品，可以用以生產(chǎn)一些簡(jiǎn)單產(chǎn)品(例如光伏電池和電視屏幕)。但是，柔性電子產(chǎn)品在性能上不及傳統(tǒng)方式制作的硅芯片。例如，2011年2月推出了第一款用有機(jī)半導(dǎo)體生產(chǎn)的微處理器，但4000個(gè)晶體管、8位邏輯電路運(yùn)行速度低于10Hz的時(shí)鐘頻率。和1971年推出的英特爾404處理器(運(yùn)行速度是100KHz)相比，慢了整整4個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　但有一種制造超薄硅芯片的技術(shù)，可能會(huì)帶來(lái)許多高性能的柔性應(yīng)用，包括顯示器、傳感器、無(wú)線接口、能源采集和穿戴式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。硅是制造這種芯片的理想的半導(dǎo)體，因?yàn)樗行虻慕Y(jié)構(gòu)確保了轉(zhuǎn)換器良好的性能，比有機(jī)替代品快得多。

　　那么，如何才能兩全其美呢?那就要將價(jià)格低廉的大型柔性電子產(chǎn)品與硅結(jié)合起來(lái)，這和最好的產(chǎn)品相比不僅性能相當(dāng)，更重要的是更加輕薄。

　　硅芯片通常以一毫米厚的晶片為基礎(chǔ)。如此的厚度，使得晶片可以有足夠的剛性和穩(wěn)定性應(yīng)付生產(chǎn)過(guò)程。將厚度縮小到100至300微米，硅片雖然可以保持一定的硬度，但必須小心處理。如果縮小到50和100微米之間，晶片可能會(huì)在自身重力作用下斷裂。

　　奇怪的是，厚度小于50微米卻是最佳狀態(tài)：這時(shí)硅片更柔韌、更穩(wěn)定。10微米以下，硅片甚至可達(dá)到光學(xué)透明，從而簡(jiǎn)化裝配過(guò)程中芯片對(duì)準(zhǔn)的難題，并可用作窗戶和其他透明表面上的傳感器。這些50微米以下的芯片是制造前文提到的薄膜電子設(shè)備的理想選擇。它們能彎曲、扭轉(zhuǎn)、卷起，而且與不銹鋼一樣堅(jiān)硬，畢竟是由高性能晶體硅制成的。

　　正因?yàn)楸?，所以堆疊性更強(qiáng)。由于三維集成電路的問(wèn)世，這成為一個(gè)關(guān)鍵屬性。隨著芯片越來(lái)越復(fù)雜并且晶體管數(shù)目的增加，晶體管之間的金屬連接變得越來(lái)越長(zhǎng)，越來(lái)越復(fù)雜。堆疊的目的是通過(guò)硅穿孔技術(shù)垂直連接晶體管，使晶體管之間的距離縮短，從而增強(qiáng)性能。這正是閃存設(shè)計(jì)師們目前努力的方向。

　　但為了迎合正在開發(fā)的更小的晶體管，芯片需要更薄。如果一切順利，這種芯片將能支持一系列全新的應(yīng)用。與薄膜電器結(jié)合，超薄硅片可置于柔性基板上(通常是一個(gè)聚合箔，但也可以是紙或布)，制成混合薄膜系統(tǒng)(SIF)設(shè)備。由此產(chǎn)生的超薄但高度集成的電路將有能力提供診斷疾病、設(shè)計(jì)家電程序、以及減輕清晨出行的困難。

　　要得到超薄硅芯片并不簡(jiǎn)單。通常情況下，這些芯片是從比薩餅大小的大型超純硅晶片切割而來(lái)的。電子線路只占磁盤頂端的5到10微米，也就是上面1%。其余部分只是作為堅(jiān)實(shí)的襯底，經(jīng)受住自動(dòng)生產(chǎn)線的嚴(yán)格考驗(yàn)。

　　制造超薄芯片的最直接的方法就是磨去襯底。這一過(guò)程可以方便地在電路畫好之后及晶片被切割成芯片之前完成，這樣在加工過(guò)程中結(jié)實(shí)的襯底還是存在的。這種消減技術(shù)是國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖在2005年開始考慮晶元片薄化時(shí)提出的首個(gè)戰(zhàn)略。

　　但是磨削和切割比較粗暴;會(huì)在晶片邊緣處造成晶體缺陷和裂紋。雖然有保護(hù)晶片的變通方法，但厚度低于50微米時(shí)，這些步驟成本非常高。當(dāng)晶片變薄，將其整體磨成均勻的厚度更加困難。芯片制造商必須保證超薄晶片的穩(wěn)定性，只能暫時(shí)將其粘合到硅片或玻璃晶片(即載體)上;安裝和拆卸這些載體的成本很高。

　　使芯片變薄的另一種方法是在較厚硅基板上的氧化物層上形成硅薄膜。有了這些硅晶絕緣體，SOI晶片(之所以如此命名，是因?yàn)檠趸枋墙^佳的絕緣體)，就能有選擇地、均勻地將硅磨去。但SOI晶片的價(jià)格約為常規(guī)晶片的10倍，加上晶片研磨技術(shù)，處理過(guò)程需要額外的基板。除了這些技術(shù)困難外，兩種消減技術(shù)都浪費(fèi)99%的硅晶片。這就像面包師扔掉松餅的底層，只賣松脆的表層一樣。

　　另一種方法是從最底層開始制造超薄芯片。這是一種顛覆性的解決辦法，與半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的芯片制造方法背道而馳，但隨著各種應(yīng)用需要的芯片越來(lái)越薄，減少浪費(fèi)的層疊技術(shù)越來(lái)越理想。

　　德國(guó)斯圖加特微電子研究院開發(fā)了一種層疊技術(shù)，商品名為chipfilm。需要在有很多密封腔的基座上一層一層地結(jié)晶晶體硅。在這個(gè)方案中，將晶體硅層固定在一組小錨點(diǎn)上，確保基座在加工過(guò)程中足以支撐芯片，而完成的芯片又不難從晶片頂部折斷下來(lái)。之后，我們還可以將大部分的硅作為襯底重新利用。

　　首先在固體晶片蝕刻出厚1微米的多孔硅層，然后在下面蝕刻出200納米的粗孔硅層。接下來(lái)，在高溫下將兩層熔結(jié)起來(lái)，粗糙層的納米孔融合，就像小肥皂泡合成大氣泡一樣，下面一層較粗的孔閉合，形成一個(gè)由垂直柱隔開的連續(xù)腔體。

　　表層作為結(jié)晶硅的種子，在晶片整個(gè)表面上結(jié)晶到所需的厚度。然后，芯片經(jīng)過(guò)正常加工，即采用數(shù)百個(gè)步驟在芯片內(nèi)和芯片上建立電子晶體管功能和金屬互連。制作完成后，表層仍通過(guò)下層空腔內(nèi)的柱子牢固地附著在較厚的硅晶片上。

　　為了從底座上將芯片折斷，在芯片的邊緣處蝕刻一條深深的溝槽，一直延伸到空腔。這樣芯片只與支柱連接，由支柱支撐。然后創(chuàng)新地使用一款眾所周知的取放工具。真空鉗子通常用來(lái)抓取和傳送芯片，而我們用它來(lái)抓組芯片拖拽，通過(guò)機(jī)械力折斷垂直柱。有了溝槽，這并不難做到。

　　這時(shí)，支柱完成了使命，即在制造過(guò)程中保持芯片的完好，否則這么薄的芯片很容易在如此多的制作步驟中被損壞。由于芯片始終附著在某些東西上(基板或真空夾具)，所以不會(huì)斷裂或卷起。而后取放工具將每個(gè)芯片與其他薄膜組件堆疊或者放在柔性基板上。

　　取下芯片后，可重復(fù)這一過(guò)程，對(duì)原始晶片進(jìn)行拋光和修復(fù)。每重復(fù)一次，晶片就會(huì)變得更薄，這一過(guò)程可重復(fù)多次，直到晶片變得太薄。1毫米厚的晶片經(jīng)過(guò)多次使用可降到400微米，其間形成約50層，每一層都能產(chǎn)生許多超薄芯片。殘余的襯底就會(huì)丟掉，但使用這種技術(shù)，浪費(fèi)的硅遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前面提到的消減技術(shù)。

　　由于消減技術(shù)可在芯片制造后實(shí)施，因此有時(shí)確實(shí)有邏輯優(yōu)勢(shì)。但經(jīng)過(guò)完整加工后，硅片的價(jià)值約為原硅晶片的100倍，只有后期的磨削工藝成功率較高，這方面的優(yōu)勢(shì)才會(huì)顯現(xiàn)。正如此前所提到的，隨著芯片變薄，成功率也會(huì)不斷下降。與此相反，層疊方法將大部分的薄化步驟移到開始階段，這樣即使出現(xiàn)任何失誤，損壞的也只是未加工的晶片，而不是加工完成的珍貴晶片。此外，如果從底層開始制造芯片，芯片越薄，加工成本越低。但如果采用消減技術(shù)，情況恰恰相反。

　　把所有因素綜合起來(lái)考慮，對(duì)于厚度超過(guò)100微米的芯片，消減技術(shù)的成本效益更高。但對(duì)于厚度小于30微米(3-DIC和較大的柔性SiF應(yīng)用的理想厚度)的芯片，層疊方法的成本效益似乎更高。

　　引進(jìn)新技術(shù)總是一個(gè)先有雞還是先有蛋的問(wèn)題：技術(shù)或應(yīng)用，先有哪一個(gè)?對(duì)于超薄芯片的情況，業(yè)界如此致力于3-DIC的研究，在一定程度上回答了這個(gè)問(wèn)題。為了繼續(xù)微電子的小型化趨勢(shì)，產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖提出在2020年前將5到10微米厚的芯片用于3-D堆棧。芯片制造商有辦法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　Chipfilm程序可將芯片厚度降至10微米，但尚無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。原因是多方面的，例如，由于燒結(jié)過(guò)程會(huì)在種子上表面留下一些微小隆起，在表面上結(jié)晶的晶體硅可能存在瑕疵或堆垛層錯(cuò)。根據(jù)上部硅層厚度和孔隙率，優(yōu)化燒結(jié)條件，可改善結(jié)晶硅和電路的質(zhì)量。我們還在優(yōu)化最后階段的裂化技術(shù)(這個(gè)過(guò)程會(huì)損壞5%的芯片)，進(jìn)一步提高產(chǎn)量。

　　但即使在超薄芯片完成后，還要解決另外一些障礙。它們最具價(jià)值的柔韌性卻使得它們很難貼在基板上。襯底和芯片之間可能產(chǎn)生氣泡，就像保護(hù)膜和觸摸屏之間形成的氣泡一樣。如果對(duì)芯片施加壓力，這些氣泡可能會(huì)使模具破裂。

　　按照3-D芯片藍(lán)圖，在克服這些難題的同時(shí)，競(jìng)相開發(fā)這類芯片將推動(dòng)超薄芯片其他應(yīng)用的發(fā)展。到2020年，電子紙平板電腦和其他高性能顯示器市場(chǎng)將足夠大，召喚超薄硅芯片的推出。如果芯片可以像金屬箔載體一樣超薄、柔韌，還可大大提高柔性芯片應(yīng)用(如RFID、貨幣和安全文件的電子標(biāo)簽)的可靠性。

　　接下來(lái)就是真正令人難以置信的應(yīng)用。由于超薄芯片可切割成各種形狀，因此對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用特別有用。圓芯片適用于視網(wǎng)膜植入物、微型內(nèi)窺鏡攝像頭和診斷用藥丸式攝影機(jī)。超薄柔韌的芯片甚至可能與人腦互動(dòng)，收集或刺激神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)，甚至可能增強(qiáng)腦力。這種互動(dòng)非常困難，但有一點(diǎn)很明確：芯片必須超級(jí)薄，才不至于在與腦組織一起移動(dòng)時(shí)造成傷害。

　　在這些應(yīng)用的推出之前，有個(gè)能提醒洗衣的芯片我已經(jīng)很高興了。