半导体入门：纳米技术和纳米制造

纳米技术是一个高度跨学科的领域，涉及在纳米尺度上精确控制和操纵物质。集成电路（ IC ）作为已经达到纳米级别的重要技术，对社会生活产生了深远影响。晶体管器件的关键尺寸在过去数十年间不断缩小，如今已经接近 10 纳米甚至更小。这种技术进步使得每个芯片可以容纳更多的器件，从而实现更强大的运算能力、更高的存储容量以及更快的运行速度。

什么是纳米技术？

美国国家纳米技术计划（ NNI ）对纳米技术的定义非常宽泛，认为它是 " 在原子或分子尺度上操纵物质，其中至少有一个维度的尺寸在 1 到 100 纳米范围内。 " 这一定义并未具体阐释纳米技术的潜力或具体应用，这是有意为之的，因为定义的重点在于从尺寸的角度提供指导。更易理解的定义或许可以表述为：利用简单且廉价的基本物质单元 —— 原子和分子，制造具有实用价值和实际应用的产品的能力。

为了更形象地理解纳米尺度：一个水分子的直径约为 0.1 纳米，一个葡萄糖分子的直径约为 1 纳米，一个典型病毒的直径约为 100 纳米，而一根人类头发的直径大约是 10 ⁵ 纳米，而棒球的直径则大约是 10 ⁸ 纳米。因此，纳米技术的下限，约 1 纳米，相当于自然界中基本分子的大小。

纳米技术的 发展历程：从构想到实用

纳米技术 的 发展历程蕴含着人类智慧的结晶与科学探索的不懈追求。

理论构想的萌芽

纳米技术的理论基础可以追溯到 1959 年，当时诺贝尔物理学奖获得者理查德 · 费曼在其题为《底部还有很大的空间》的演讲中首次系统性地探讨了在原子尺度上操控物质的可能性。费曼在演讲中提出了诸多具有前瞻性的设想，包括高密度集成电路、能够观察原子级结构的显微镜以及微型药物递送机器人等。回顾历史，这些构想已在现代计算机芯片技术、电子显微镜以及智能药物递送系统的发展中得到了实现，证明了费曼远见卓识的价值。

术语的诞生与概念的普及

" 纳米技术 " 一词的正式提出要归功于日本科学家谷口纪男教授。 1974 年，他使用这一术语描述了半导体领域中精确到十纳米尺度的薄膜制造技术，如物理气相沉积等工艺。然而，这一术语的提出最初并未引起广泛关注，其真正的普及要等到更晚的时期。

1986 年，埃里克 · 德雷克斯勒出版了《创造的引擎：即将到来的纳米技术时代》一书，使 " 纳米技术 " 这一概念得到了更为广泛的传播。德雷克斯勒受费曼演讲的启发，在书中提出了许多富有想象力的概念，如在一块方糖大小的空间存储整个国会图书馆的信息，或通过分子级机器在原子尺度上构建物体。尽管这些设想被部分科学家视为科幻小说式的幻想，但该书无疑激发了科学界和公众对纳米技术潜力的思考与讨论。

关键技术的突破与发展

纳米技术的实质性进展源于多项核心技术的科学突破。早在 20 世纪 60 至 70 年代，图案化和成像技术的进步为纳米尺度的设计与制造奠定了基础。虽然电子显微镜早在 1931 年就由恩斯特 · 鲁斯卡和马克斯 · 诺尔发明，但该技术在随后的几十年里发展缓慢，主要局限于实验室研究领域。直到 1961 年，图宾根大学的莫伦施泰特和施派德尔利用电子束光刻技术成功制作出宽度小于 100 纳米的线条，为后续技术发展奠定了基础。

同一时期，多位研究人员开始探索电子束光刻技术在微电子器件制造中的应用。 1960 年，西尔万尼亚电子系统公司的塞尔文和麦克唐纳发表了《电子束技术在微电子电路中的未来》一文；次年，西屋研究所的 O· 韦尔斯也发表了《微电子中的电子束》的研究，进一步推动了该领域的理论发展。

里程碑

20 世纪 80 年代见证了纳米技术领域的多项重大突破。 1981 年，比尼格和罗雷尔在 IBM 苏黎世研究实验室发明了扫描隧道显微镜（ STM ），这一创新使观察单个原子首次成为可能，并为此获得了 1986 年的诺贝尔物理学奖。同年，比尼格及其团队又成功研发并运行了原子力显微镜（ AFM ），进一步拓展了纳米尺度观测的能力。

材料科学领域同样取得了显著进展。 1985 年，克罗托团队发现了富勒烯，这一成就后来获得了 1996 年的诺贝尔化学奖。 1991 年， NEC 公司的饭岛澄男在电弧放电设备的碳烟中发现了碳纳米管。随后在 1992 年，马加纳斯工业公司的哈林顿和马加纳斯利用化学气相沉积（ CVD ）工艺成功合成了碳纳米管，推动了该领域的进一步发展。

纳米技术史上的一个标志性事件发生在 1990 年 11 月，当时 IBM 阿尔马登研究中心的唐纳德 · 艾格勒和埃尔哈德 · 施韦泽利用扫描隧道显微镜，在镍基底表面通过重排单个氙原子拼出了 "IBM" 字样。这标志着人类首次公开展示了操控单个原子的能力，成为纳米技术发展史上的重要里程碑。

纳米制造 ：自上而下， “雕刻”的艺术

纳米技术的实施通常采用两种主要方法之一：自上而下方法。该方法通过一系列制造工艺和技术，从较大的材料中逐步雕刻、塑造并最终形成纳米尺度的元件。

自上而下方法的制造过程与集成电路（ IC ）和微系统工业中常用的工艺密切相关。其核心技术包括：

薄膜沉积：在材料表面沉积薄膜，厚度通常仅为几个到几十个纳米。

光刻技术：利用光敏聚合物，通过图案化处理生成所需的结构模型。

刻蚀工艺：对光刻图案生成的区域进行化学或物理处理，移除不需要的部分，从而形成最终结构。

以图 1 为例，展示了这些技术在制造纳米尺度机械谐振器器件流程中的应用。这一领域广泛采用自上而下的方法来精确构建复杂结构，体现了其在高精度制造中的不可替代性。

图 1 采用自上而下方法实现纳米技术的纳米机械谐振器制造工艺流程图

(a) 起始基底的横截面，通常由硅等半导体材料制成。

(b) 沉积薄膜牺牲材料层 ( 如二氧化硅 ) 后的基底横截面。

(c) 沉积薄膜结构材料层 ( 如多晶硅 ) 后的基底横截面。

(d) 在光刻之前，沉积光敏聚合物层 ( 即光刻胶 ) 后的基底横截面。

(e) 使用光刻技术曝光光刻胶，显影光刻胶，并刻蚀结构材料层后的基底横截面。

(f) 去除光刻胶并通过各向同性刻蚀牺牲层下的多晶硅结构层以释放器件后的基底横截面。

(g) 去除光刻胶并通过各向同性刻蚀多晶硅结构层下的牺牲层以释放器件后的基底平面图。此时器件可以在垂直于基底表面的方向上自由移动或振动。

Substrate ( 基底 ) SiO₂ ( 二氧化硅 ) Polysilicon ( 多晶硅 ) Photoresist ( 光刻胶 )

整个制作过程从一个通常由单晶硅制成的衬底开始。当前的半导体衬底已经达到了极高的平整度和光滑度，这种特性对于制作纳米尺度的元件至关重要。接着，会沉积一层薄膜材料，这一层被称作 “ 牺牲层 ” ，因为它不会用于最终器件中，而是作为谐振器和衬底间的支撑，在制造结束时会移除。常见的牺牲材料包括二氧化硅（ SiO2 ）薄膜层。随后，另一层薄膜被沉积，这一层叫作 “ 结构层 ” ，它将用于形成谐振器。典型的结构材料是多晶硅（也称为 “ 多晶硅 ” ）。

为了沉积这些薄膜层，有多种可选工艺，例如化学气相沉积（ CVD ）、物理气相沉积（如溅射和蒸发）、原子层沉积（ ALD ）、旋涂及分子束外延等技术。这些技术中，有些也被归类为 “ 自下而上 ” 的纳米技术。

在进行图案化之前，需要在薄膜上涂覆一层光刻胶，光刻胶是一种光敏感材料，通常通过 旋涂工艺 沉积。随后，使用电子束光刻（ e-beam ）技术对薄膜进行图案化。紧接着，通过干式等离子体反应离子刻蚀，对结构层进行处理并刻蚀出所需的形状。光刻胶随后通过 等离子体灰化工艺 移除，而 “ 牺牲层 ” 则使用 气相刻蚀剂 （如气相氢氟酸）去除。这一过程的完成，使得结构层能够实现自由机械运动，最终形成完整的纳米尺度谐振器器件。

如图 1 所示，谐振器的横截面及平面图清晰地呈现出其制作过程的关键特性，譬如谐振器的宽度标记为 “w” 。尽管如此，须知图 1 仅表明了 “ 自上而下 ” 方法中的一种应用场景，并不是所有纳米器件制造的唯一流程。

迄今为止， “ 自上而下 ” 方法最知名且在商业上极为成功的应用，可能属最先进集成电路中的 FinFET 晶体管技术 。 FinFET 全名为鳍式场效应晶体管（ Field-Effect Transistor ），是一种非平面金属氧化物半导体（ MOS ）晶体管技术，广泛用于当下最先进的微处理器中。这类晶体管的核心尺寸是栅极长度，而目前市场上量产的 FinFET 技术栅极长度已经达到了 3 纳米级别。

备注：现代芯片制程中的 " 纳米 " 数字更多是营销术语，不能完全等同于实际的栅极物理尺寸。不同厂商的同一数字节点可能代表不同的实际特征尺寸。实际栅极物理尺寸通常大于工艺节点命名的数值。

以下是一些参考数据：14nm 工艺节点：实际栅极长度约 20-25nm；7nm 工艺节点：实际栅极长度约 16-18nm；5nm 工艺节点：实际栅极长度约 14-16nm；3nm 工艺节点：实际栅极长度约 12-14nm。

FinFET 的核心特征在于其独特的三维结构。其核心组件是从衬底表面竖立起来的单晶硅鳍状结构，具有较高的纵横比，正如图 2 所示。其中，图 2b 展示了 FinFET 器件拓扑结构的三维示意图，清楚展示了这类晶体管的构造。

与传统的 MOS 晶体管类似， FinFET 也包含源极、漏极和栅极。然而，其区别在于，源极和漏极之间通过一个窄小、拥有高纵横比（高度大于宽度）的硅鳍相连。这个鳍不仅负责作为电荷载流子（电子或空穴）从源极流向漏极的通道，其内部载流子的流动还会受到栅极电位的调控。

栅极的位置和设计亦是 FinFET 的一大亮点。如图 2a 所示，栅极材料由一层导电材料构成，并在三面（顶部及两侧）与鳍重叠，称为 “ 三栅结构 ” 。不过，鳍与栅极之间隔着一层非常薄的介电材料，这样既保持载流子的有效调控，又防止了直接电接触的可能性。这种三面的重叠设计显著增强了栅极电压控制鳍中载流子的能力，从而大幅提升了晶体管性能。

图 2 FinFET 晶体管的示意图

图 2b 展示了单鳍 FinFET 晶体管的三维表示图。源极、漏极和鳍都是由单晶硅制成。鳍是连接源极和漏极的高纵横比沟道，载流子可以在其中流动。如图 2a 所示，鳍被涂覆一层薄介电层，然后是栅极材料层，后者通常是导电材料。由于栅极电压从两侧和顶部产生电场，这种结构也被称为三栅极晶体管。

Gate -> 栅极 Gate dielectric -> 栅极介质 Substrate -> 衬底

Fin -> 鳍片 Drain -> 漏极 Source -> 源极

栅极长度（即图 2 中的 “w” 所示尺寸）是表征 FinFET 的重要参数之一。目前最先进的 FinFET 技术中，栅极长度已达 14 纳米。而这一结构的最大优势之一是支持通过增加鳍的数量来增强 “ 开启 ” 电流，以进一步提高晶体管的效率。此外， FinFET 独特的设计还为更高的封装密度铺平了道路。

英特尔在推出使用 FinFET 技术的 22 纳米 Ivy Bridge 微处理器时，首次提出了利用这种创新技术延续摩尔定律的设想。他们指出，为实现 22 纳米节点，传统的晶体管架构已经无法满足需求，必须在设计上进行突破。而 FinFET 结构的成功，不仅实现了这一目标，还推动了制程技术向 14 纳米及更小的节点演进。

FinFET 结构仅是 “ 自上而下 ” 纳米技术的众多成功案例之一。实际上，还有许多其他工具和方法被用于制造纳米级器件，并且每年都有新技术被开发和应用。然而，需要特别提到的是， 自上而下的方法通常无法实现原子级别的精准控制 ，这意味着某些极限应用可能不得不转向其他技术路径。

纳米制造：自下而上，从分子 开始 “搭积木”

实施纳米技术的第二种主要方法是 “ 自下而上 ” 方法，这种技术路径本质上是通过工程手段，将原子或分子逐步组装为具有纳米尺度，甚至更大结构的物体。这种方法以控制精度高、设计灵活著称，其核心思想之一便是设计具有特定形状和分子识别功能的分子，使这些分子能够在适当条件下自动实现自组装，从而形成预设的系统配置。

一个典型的自下而上方法的实现例子是原子层沉积（ Atomic Layer Deposition ，简称 ALD ）。

ALD 是一种高度精确的薄膜沉积技术，其关键在于采用顺序和自限制的气相化学反应过程。在这一过程中，被称为 “ 前驱体 ” 的反应性气体会与目标表面以自限制的方式发生反应，从而层层构建材料的薄膜。

图 3 原子层沉积（ ALD ）过程示意图

在典型的 ALD 操作中，通常使用两种前驱体气体，且它们不会同时引入沉积室。整个过程分为多个步骤循环进行：

图 3a ：首先，将衬底放入反应室，这是薄膜沉积的起点。图 3b ：引入第一种前驱体气体，与衬底表面发生化学反应，形成单分子层的化学物种。图 3c ：完成第一层反应后，清除反应室中过剩的前驱体气体。图 3d ：随后，引入第二种前驱体，与第一种前驱体的单分子层发生反应，形成新的单分子层。图 3e ：完成第二种反应后，再次清除余气。

这个化学反应循环可以根据需求重复任意次数，以最终实现精确的薄膜厚度控制。

与传统的化学气相沉积（ CVD ）方法相比， ALD 的显著优势在于其沉积层具有出色的共形性和均匀性，同时 薄膜厚度可以达到极高的控制精度 。通过 ALD 可以沉积各种材料，包括 SiO2 、 Al2O3 、 ZrO2 、 HfO2 、 TiN 等。其中， 高 k 介质材料（如 HfO2 ） 已成为现代集成电路中 FinFET 晶体管栅极介质层的优选材料。

不过， ALD 虽具备众多优势，其缺点亦不可忽视，主要表现为 较低的沉积速率 。这一特性使其在大规模生产中需要进行效率优化。

在自下而上方法的众多实例中，最著名的案例莫过于碳纳米管和富勒烯家族的其他碳基分子。这些材料因其卓越的结构和性能，在纳米技术中占据了极为重要的地位。

碳纳米管 的制造

碳纳米管是碳的一种同素异形体，主要分为单壁纳米管和多壁纳米管两类。它们的结构形式包括同心管状（所谓的 “ 俄罗斯套娃模型 ” ）以及卷曲的 “ 羊皮纸模型 ” 。如图 4 所示，碳的多种同素异形体还包括金刚石、石墨、富勒烯及 C60 碳富勒烯分子（又称为 “ 巴基球 ” ）。其中，单壁碳纳米管的直径通常约为 1 纳米，其长径比可以达到惊人的 132,000,000:1 。

图 4 碳分子的几种不同同素异形体示意图，包括（ a ）金刚石，（ b ）石墨（单原子层分子碳），（ c ）六方金刚石，（ d ） C60 或巴基球（白金富勒烯），（ e ） C540 富勒烯，（ f ） C70 富勒烯，（ g ）无定形碳，以及（ h ）单壁碳纳米管。

碳纳米管表现出许多超群的材料性能。例如：机械性能：碳纳米管具备极高的抗拉强度（ 13 至 53 GPa ）和弹性模量（ 1 至 5 TPa ），同时密度较低，因此其比强度可达 48,000 kN·m·kg−1 ，是已知材料中最高的。电学性能：根据结构，碳纳米管可以表现出金属性或半导体性，其理论最大电流密度超过 10 ⁹ A/cm² ，是铜的 1000 倍。不过，需要注意的是，碳纳米管仅沿管轴方向具有导电性。热学性能：单壁碳纳米管沿管轴方向的热导率高达 3500 W·m⁻¹·K⁻¹ ，而径向热导率则低得多，仅约 1.5 W·m⁻¹·K⁻¹ ，这显著体现了其各向异性特性。

目前已开发出多种制备碳纳米管的方法，包括电弧放电、激光烧蚀以及化学气相沉积（ CVD ）。其中， CVD 方法因其在大规模生产中的巨大潜力而备受关注。

CVD 过程中，通常需要在基底表面沉积一层合适的催化剂材料，或在特定位置图案化催化剂，这样碳纳米管便会在催化剂存在的区域生长。常用的催化剂包括镍、钴、铁，或这些材料的组合。重要的是： 碳纳米管的尺寸和类型受基底表面催化剂颗粒直径的影响 —— 较小直径的催化剂会形成单壁纳米管 。可通过精确图案化催化剂的位置和直径，合理控制碳纳米管的尺寸、类型和位置。

CVD 生长碳纳米管的过程包括以下步骤：

1 将基底加热至约 700°C 。 2 向反应室中引入工艺气体（如氨气、氮气或氢气）与含碳气体（如乙炔、乙烯或甲烷）。 3 碳纳米管从基底表面的金属催化剂位点开始生长。

如果在沉积室中施加电场，碳纳米管的生长方向将沿着电场方向定向，这使得可以从催化剂位点生长出垂直定向的碳纳米管。例如，使用等离子体增强 CVD 技术时会观察到这种结构。此外，在一些特殊条件下，即使没有电场，只要催化剂位点的分布足够密集，也能实现垂直定向生长。而水辅助的 CVD 技术与催化剂的结合已被证明可以显著提高生长速率。

石墨烯的制造

在众多新型碳基材料中，石墨烯因其卓越性能正被研发用于替代传统半导体材料（如硅）。石墨烯作为碳的二维同素异形体，以单层原子厚度的片状结构存在，其中碳原子以蜂窝状晶格排列。它拥有许多非凡的特性，包括超强度、高导热性和导电性，以及接近透明的外观。

关于石墨烯的结构，有两种主要取向：锯齿形取向：始终表现出金属性行为。

扶手椅形取向：其导电特性依赖于手性，可表现为半导体或金属性。

石墨烯在室温下具有极高的电子迁移率，已报告数值超过 15,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹ ，理论极限更是高达 200,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹ ， 是铜的上万倍 。此外，其电子和空穴迁移率预计接近对称。凭借这些超群特性，石墨烯提供了显著提升集成电路性能的可能性。

研究表明，石墨烯能够成功用于制造晶体管。一个典型例子是 IBM 研究团队开发的石墨烯场效应晶体管（ FET ），展示了石墨烯的巨大潜力。 IBM 团队报告，这些晶体管的运行频率随着器件尺寸的缩小而显著提高。例如，他们测量出栅极长度为 150 纳米的石墨烯晶体管拥有 26 GHz 的截止频率，创下了石墨烯 FET 的最高记录。

石墨烯的开发例证了碳基材料在实现高性能集成电路方面的巨大潜能。然而，目前纳米技术仍处于发展初期，随着不断涌现的新材料、制造工艺及器件设计，其未来发展潜力难以估量。

除了石墨烯，一些其他二维材料也显示出了卓越的潜力。例如，瑞士联邦理工学院（