芯片從業(yè)者不能錯過的超薄柔性硅技術

　　想象一下這樣一個場景：你一大早起來趕早班飛機，昏昏沉沉地去洗澡時，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，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。這時彈出醫(yī)生發(fā)來的一條消息，提醒你貼上醫(yī)用診斷貼劑，收拾好要帶的藥物。離開家時，地毯和墻紙里的微型傳感器將一些家電改為待機模式。在機場，柔性電子客票指引你到登機口，機票、護照與視網(wǎng)膜掃描儀之間的無線連接使通關異常迅速。

　　雖然在日常生活用品中尚不能實現(xiàn)如此天衣無縫的集成運算，很大程度上是因為還沒有便宜、超薄柔性的電子產(chǎn)品。但該技術已經(jīng)越來越普及：射頻識別(RFID)標簽用于跟蹤貨物(且越來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提醒父母去購物時不要把孩子遺忘在后座上，為電子書設計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和無機半導體，包括聚合物和金屬氧化物半導體，因為成本是傳統(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半導體生產(chǎn)的微處理器，但4000個晶體管、8位邏輯電路運行速度低于10Hz的時鐘頻率。和1971年推出的英特爾404處理器(運行速度是100KHz)相比，慢了整整4個數(shù)量級。

　　但有一種制造超薄硅芯片的技術，可能會帶來許多高性能的柔性應用，包括顯示器、傳感器、無線接口、能源采集和穿戴式生物醫(yī)學設備。硅是制造這種芯片的理想的半導體，因為它有序的結構確保了轉換器良好的性能，比有機替代品快得多。

　　那么，如何才能兩全其美呢?那就要將價格低廉的大型柔性電子產(chǎn)品與硅結合起來，這和最好的產(chǎn)品相比不僅性能相當，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。如此的厚度，使得晶片可以有足夠的剛性和穩(wěn)定性應付生產(chǎn)過程。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)：這時硅片更柔韌、更穩(wěn)定。10微米以下，硅片甚至可達到光學透明，從而簡化裝配過程中芯片對準的難題，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備的理想選擇。它們能彎曲、扭轉、卷起，而且與不銹鋼一樣堅硬，畢竟是由高性能晶體硅制成的。

　　正因為薄，所以堆疊性更強。由于三維集成電路的問世，這成為一個關鍵屬性。隨著芯片越來越復雜并且晶體管數(shù)目的增加，晶體管之間的金屬連接變得越來越長，越來越復雜。堆疊的目的是通過硅穿孔技術垂直連接晶體管，使晶體管之間的距離縮短，從而增強性能。這正是閃存設計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用。與薄膜電器結合，超薄硅片可置于柔性基板上(通常是一個聚合箔，但也可以是紙或布)，制成混合薄膜系統(tǒng)(SIF)設備。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、設計家電程序、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實的襯底，經(jīng)受住自動生產(chǎn)線的嚴格考驗。

　　制造超薄芯片的最直接的方法就是磨去襯底。這一過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，這樣在加工過程中結實的襯底還是存在的。這種消減技術是國際半導體技術發(fā)展藍圖在2005年開始考慮晶元片薄化時提出的首個戰(zhàn)略。

　　但是磨削和切割比較粗暴;會在晶片邊緣處造成晶體缺陷和裂紋。雖然有保護晶片的變通方法，但厚度低于50微米時，這些步驟成本非常高。當晶片變薄，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，是因為氧化硅是絕佳的絕緣體)，就能有選擇地、均勻地將硅磨去。但SOI晶片的價格約為常規(guī)晶片的10倍，加上晶片研磨技術，處理過程需要額外的基板。除了這些技術困難外，兩種消減技術都浪費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，與半個世紀以來的芯片制造方法背道而馳，但隨著各種應用需要的芯片越來越薄，減少浪費的層疊技術越來越理想。

　　德國斯圖加特微電子研究院開發(fā)了一種層疊技術，商品名為chipfilm。需要在有很多密封腔的基座上一層一層地結晶晶體硅。在這個方案中，將晶體硅層固定在一組小錨點上，確?；诩庸み^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。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，在高溫下將兩層熔結起來，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，形成一個由垂直柱隔開的連續(xù)腔體。

　　表層作為結晶硅的種子，在晶片整個表面上結晶到所需的厚度。然后，芯片經(jīng)過正常加工，即采用數(shù)百個步驟在芯片內(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。真空鉗子通常用來抓取和傳送芯片，而我們用它來抓組芯片拖拽，通過機械力折斷垂直柱。有了溝槽，這并不難做到。

　　這時，支柱完成了使命，即在制造過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)，所以不會斷裂或卷起。而后取放工具將每個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，可重復這一過程，對原始晶片進行拋光和修復。每重復一次，晶片就會變得更薄，這一過程可重復多次，直到晶片變得太薄。1毫米厚的晶片經(jīng)過多次使用可降到400微米，其間形成約50層，每一層都能產(chǎn)生許多超薄芯片。殘余的襯底就會丟掉，但使用這種技術，浪費的硅遠遠低于前面提到的消減技術。

　　由于消減技術可在芯片制造后實施，因此有時確實有邏輯優(yōu)勢。但經(jīng)過完整加工后，硅片的價值約為原硅晶片的100倍，只有后期的磨削工藝成功率較高，這方面的優(yōu)勢才會顯現(xiàn)。正如此前所提到的，隨著芯片變薄，成功率也會不斷下降。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，情況恰恰相反。

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

　　引進新技術總是一個先有雞還是先有蛋的問題：技術或應用，先有哪一個?對于超薄芯片的情況，業(yè)界如此致力于3-DIC的研究，在一定程度上回答了這個問題。為了繼續(xù)微電子的小型化趨勢，產(chǎn)業(yè)藍圖提出在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現(xiàn)這一目標。

　　Chipfilm程序可將芯片厚度降至10微米，但尚無法進行大規(guī)模生產(chǎn)。原因是多方面的，例如，由于燒結過程會在種子上表面留下一些微小隆起，在表面上結晶的晶體硅可能存在瑕疵或堆垛層錯。根據(jù)上部硅層厚度和孔隙率，優(yōu)化燒結條件，可改善結晶硅和電路的質(zhì)量。我們還在優(yōu)化最后階段的裂化技術(這個過程會損壞5%的芯片)，進一步提高產(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，就像保護膜和觸摸屏之間形成的氣泡一樣。如果對芯片施加壓力，這些氣泡可能會使模具破裂。

　　按照3-D芯片藍圖，在克服這些難題的同時，競相開發(fā)這類芯片將推動超薄芯片其他應用的發(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用(如RFID、貨幣和安全文件的電子標簽)的可靠性。

　　接下來就是真正令人難以置信的應用。由于超薄芯片可切割成各種形狀，因此對醫(yī)學領域的應用特別有用。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。超薄柔韌的芯片甚至可能與人腦互動，收集或刺激神經(jīng)系統(tǒng)活動，甚至可能增強腦力。這種互動非常困難，但有一點很明確：芯片必須超級薄，才不至于在與腦組織一起移動時造成傷害。

　　在這些應用的推出之前，有個能提醒洗衣的芯片我已經(jīng)很高興了。