薄膜在半导体中是如何应用的？构建数字世界，从原子层开始

从本质上讲，薄膜不仅仅是用于半导体，它们就是半导体。 现代微芯片的整个架构，从导线到开关，都是通过精心沉积和蚀刻一系列超薄材料层来构建的。它们执行着每一个关键功能，充当导电层、绝缘层和有源半导体层，以创建复杂的集成电路。

需要理解的核心原则是，半导体制造本质上是堆叠和图案化薄膜的艺术。每层薄膜都是一个独立的层，通常只有原子厚度，具有特定的电学或物理功能——导电、阻断电流或开关电流——它们共同构成了为我们设备提供动力的数十亿个晶体管。

微芯片的功能层

要了解薄膜在半导体中的工作原理，最好根据每层所扮演的不同角色来思考。现代处理器是一个由层层构建的三维电路城市。

芯片上的晶体管必须连接在一起。这通过沉积一层导电金属薄膜来实现，通常是铜或铝。

这些金属薄膜充当微观的“导线”和“高速公路”，在整个集成电路中传输电信号和电力，连接数十亿个独立元件。

为了防止庞大的导电通路网络短路，它们必须彼此电绝缘。这是介电薄膜的工作。

二氧化硅或更先进的“低k”介电材料沉积在导电层之间。它们充当绝缘体，确保电信号保持在指定的路径中。

这是设备的核心。晶体管的有源开关部分本身由一层半导体材料薄膜制成，最常见的是硅。

通过在硅膜中引入杂质，这一过程称为掺杂，工程师们创建了构成晶体管栅极、源极和漏极的区域。对栅极薄膜施加电压可以控制电流通过通道的流动，从而创建数字逻辑的基本开关。

利用薄膜控制电子和光的相同原理也适用于微处理器之外的许多其他半导体设备。

薄膜光伏电池就是一个典型的例子。半导体材料层沉积在玻璃或塑料等基板上。

当光线照射到这些薄膜时，它会激发电子，产生电流。材料的选择和薄膜的厚度都经过优化，以捕获最大量的光能。

在有机发光二极管（OLED）和其他现代显示器中，选择特定的薄膜是因为它们在通电时能够发光。

通过堆叠不同的有机或半导体薄膜，制造商可以生产出手机和电视屏幕上创建鲜艳全彩图像所需的红色、绿色和蓝色光。

最后，完成的半导体器件通常会涂覆一层保护性薄膜。这最后一层，称为钝化层，保护精密的内部电路免受湿气、污染物和物理损坏，确保可靠性和寿命。

薄膜沉积所需的精度令人惊叹，每一个选择都涉及重大的工程权衡。

无论是物理气相沉积（PVD）还是化学气相沉积（CVD），沉积过程都必须在超净环境中进行。薄膜中一个微小的灰尘颗粒或原子杂质都可能使价值数十亿美元的芯片报废。

每层的厚度必须以原子级精度进行控制，以确保设备按设计运行。

每层薄膜的材料选择是一个持续的平衡。一种奇异金属可能提供卓越的导电性，但其成本或沉积难度可能使其不适合大规模生产。

工程师必须不断权衡材料的性能优势与其可制造性和成本，特别是对于消费电子产品或太阳能电池板等大面积设备。

堆叠数十甚至数百层不同的材料会带来巨大的机械挑战。每层薄膜都必须完美地附着在其下方的层上。

此外，材料在受热时膨胀和收缩方式的差异会产生内应力，可能导致层开裂或剥离，从而导致设备故障。

您的重点决定了薄膜技术哪一方面最关键。

最终，掌握薄膜技术就是掌握在原子尺度上工程材料的能力，这项技能是整个数字世界的基础。