为什么能在一小块硅片上制作成千上万个元件

有的集成电路的体积只有指甲片那么小，它却具有比较复杂的电气功能。集成电路的“心脏”是一片小小的硅单晶片（可叫芯片）。一个芯片上至少有十几个元件，多的可达成千上万个元器件呢！

打开一只集成电路的盖板，在显微镜下观察芯片可有意思啦，小小芯片上阡陌纵横，星罗棋布的图形，比一张城市交通地图还要复杂呢！图上布满着晶体管、电阻等元件，它们紧凑地排列在乌黑光亮的硅片上。不过，它们与普通单个元器件的形状已完全不同了，每个元件都非常微小。普通二十分之一瓦的电阻，也得有一段铅笔芯大小，而集成电路中的电阻只有一根头发丝〈直径约80微米）的四分之一粗细，有的元件只有1～2微米大小。

那么，一小片硅片上，这么多微小的元件是怎样制造上去的呢？

科学家经过艰苦的科学研究和试验，终于找到了制造集成电路的加工工艺。在对硅片加工前，先要将成千上万个元器件，根据线路需要，设计在一定位置上，放大几百倍来作图，然后，用专门的照相机把图微缩到实际尺寸，拍摄在感光玻璃版上，就得到了对硅片加工用的“版子”——掩模。这好比将成千上万人先集中在一个很大的广场上，在飞机上用专门的照相机照下广场的全貌，这样，一张很小的照相底片上，微缩了千万人的影迹。有了掩模，就可以进行光刻工艺。用掩模对热生长二氧化硅并涂了光致抗蚀剂的硅片进行曝光，将成千上万元器件印在硅片上。这又好象印洗相片时，将底片放在照相纸上进行曝光一样。曝光后的硅片经过显影，洗去未照到光的感光胶后，放入腐蚀液中去，这样，被洗去感光胶的那块地方，二氧化硅层失去了保护膜，会被腐蚀掉露出硅片，这就完成了对硅片的光刻工艺，刻成成千上万个可供制造半导体元器件的精细图形，这些图形在工艺上称为“窗口”。

接着，进行P型杂质硼的扩散，在“窗口”处形成一个P—N结，而有保护膜覆盖处，硼原子受到阻挠，仍然是N型，这就在成千上万个“窗口”处形成了三极管的基区及扩散电阻。所谓扩散是一种常见的自然现象，如一滴蓝墨水滴入一杯清水中，蓝色逐渐化开，这是颜料分子在水中扩散的现象。制造集成电路也是利用扩散的方法，通过专门的设备对半导体掺入一定的杂质原子，形成结或者控制它的电阻率，制成半导体电阻器。同样，可在这硅片上再次生成一层二氧化硅保护膜，然后在很多基区位置上再次开小“窗口”，进行N型杂质磷扩散。于是形成了一批N—P—N三极管的发射区。经过以上几道工序，制造集成电路的成千上万个三极管和电阻器的主要环节已告完成。

这么多晶体管和电阻密聚在一块硅片上，不会短路吗？这正是集成电路必须解决的关键问题。制作时，要将一块小硅片分隔成若干彼此绝缘的区域，称为“隔离岛”。“隔离岛”之间可用二氧化硅介质或P—N结构成20微米宽的隔离槽。各种元件分别制作在岛上，从而保证了元件之间的绝缘。

那么，各个元件之间的必要连接又如何解决呢？那是在扩散工序结束后，再使硅片生长一层二氧化硅，在需要引出电极的部位，光刻开“窗口”，然后用真空蒸发上一层金属铝薄膜，又用光刻方法，把需要内部互连的铝膜留下，就行了。只要光刻留下的铝条和铝条相互不相交，即使铝膜布线跨过电阻等元件，也不必担心短路，因为二氧化硅膜的绝缘性极好。

制造一只集成电路，要经过四十几道工序，许多工序要在显微镜下操作。在完成光刻、扩散、布线等工艺后，经过仪器的测试，把合格的管芯进行封装，即制成小巧的集成电路了。

当然，制造集成电路的车间是非常干净的，要求一尘不染。因为元件是极其精细微小的，如果沾上一点灰尘，原器件不是漏电，就是断路，变成废品。