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微观世界有哪些超乎想象的现象?

图片:Magnascan / CC0

winningman,半导体行业从业者

都不用微观到原子尺度,在集成电路领域,在微米、纳米尺度范围的现象就已经很玄学了。

举几个栗子:

1. 电子把导线“掐断”

在集成电路后段会部署大量金属连线结构,就像这样:

本来这些金属连线的作用就是让电子迁移,实现导电。但反过来,电子的流动会造成金属材料迁移,最终导线被“掐断”,就像这样:

这种现象,术语叫做电迁移(Electromigration)。电迁移的快慢是集成电路领域考查可靠性的重要指标之一。一旦导线被 “掐断”,芯片就会失效。

当然,如果被迁移走的金属材料原子在导线之间又累积起来,也会导致短路,电路同样发生失效。

电迁移发生的原因是,电子流中高密度、高速运动的电子与金属原子发生碰撞,进而发生动量交换。打一个比喻就是:虽然电子的质量相对于原子的质量很小,但架不住是持续地高密度地打击,经年累月,电子就像愚公移山一般将金属原子慢慢挪走了。

2. 光刻中的“驻波”效应

光刻是芯片各层图案的来源。其实光刻的原理就是和皮影戏一样,将模板上的图案通过投影的方式转移到光刻胶层中。

以条状图案为例,完美的情况是这样,光刻胶的侧壁齐整:

但稍有不慎,光刻胶侧壁就会出现波纹状的结构:

驻波效应的原因是,曝光时光线透过光刻胶照射在 Si 衬底上,在光刻胶和衬底的界面处,光线会被反射。这些反射光和入射光会形成干涉,使得光强沿胶深方向的分布不均匀。所以在图案均匀性要求较高的图层中,需要使用抗反射图层。

总体而言,集成电路简直就是人类微观世界的大型秀场,是所有你想的到的,想不到的,能解释的,鬼才知道的科学与玄学的超级结合体。

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