探索神秘的等离子世界（上）：初识等离子体_专栏

相信很多人都着迷于绚烂多姿的星云，然而你知道吗，星云其实是以等离子体的形式存在的。其实，神秘宇宙中的大部分可见物质都以等离子体的形式存在，例如太阳、天狼星等恒星。不过，大多数人可能并没有意识到等离子体的存在，也不太了解它们在日常电子设备的制造过程中发挥的作用，为什么它如此重要，以及相关工艺工程师的工作职责是什么。

1989年，《纽约时报》的一篇文章将等离子工艺形容为“鲜为人知但至关重要的”，还用到了“神秘(arcane)”一词，似乎那些通晓神秘知识的人才知道等离子体的神秘世界。彼时，能够应用等离子的工艺还很少。到如今，制造半导体芯片所需的数百个步骤中将近一半都要使用到等离子体。可以说，如果没有等离子体的应用，我们可能至今还生活在一个没有高性能手机、计算机和互联网的世界中。

无处不在的等离子体

即使是每天都与等离子体打交道的人可能也不知道它真正的起源。等离子体的历史最早可追溯至138亿年前的宇宙大爆炸。当时的宇宙是如此炽热，以至于所有可见的物质都是等离子体——离子、电子、自由基和光子。仅仅数十万年后，这些物质冷却下来结合成为中性原子气体云。即使到了现在，充斥大部分宇宙的仍然是由等离子体组成的恒星和星际空间。尽管今天我们将等离子体称为固体、液体和气体之后的第四种物质形态，但它的起源其实要早于前三种物质形态。

值得一提的是，尽管等离子体是最常见和最基本的物质状态，但“plasma（等离子体）”这一名称的历史只有不到一百年。发明该名称的人是诺贝尔化学奖得主欧文·朗缪尔 (Irving Langmuir)，1928年他用希腊语中的“formation（形成、组成）”或“mold（模型）”来解释荧光灯的发光效果。我们并不知道他选择用词的具体原因，因为当时plasma已经是一个生物学名词（表示血浆）。他选择“plasma”可能存在用词不当的问题，因为等离子体与可塑的模具不同，它一般不会屈服于任何外部影响并似乎总在按照自己的想法运动。近距离观察可以发现，等离子体就像一个复杂的非线性系统，其中的气体已被分解为其组成部分，包括离子、自由基、光子和电子。然而，从足够远的距离观察，等离子体的运动更像是飘渺的光芒，我们平时观察到的闪电、北极光和太阳耀斑等都是等离子体运动的表现。

对于等离子体这一来自宇宙的馈赠，人类开始创造各种方法来加以利用，例如20世纪80年代就开始投入教学应用的等离子灯，90年代开始走进千家万户的等离子电视机以及如今牙医使用的小型等离子设备等。只要足够大胆，你甚至可以在自家厨房里再现等离子运动，只需从中间切开一颗葡萄，并把它放入微波炉中加热，两瓣葡萄之间的空气就会被微波分解成为等离子体。典型的商用等离子反应器和微波炉差不多大小，其工作原理也很类似，不同的是等离子反应器需要在真空中使用无线电波和特殊气体。正是这种控制等离子体及其与晶圆表面相互作用的能力，使其对于推动技术进步很有价值。

等离子体的应用

在初步掌握了控制等离子体的方法后，科学家就开始思考如何利用好等离子体的能量。1938年，科学家开始使用等离子体来重现太阳的聚变反应，以期获得一种取之不尽用之不竭的能源——聚变能。对于聚变的研究让人们了解了等离子体的基本工作原理。在等离子体的科学研究中，有一种被称为电子温度的基本参数，用来描述气体分解的程度，通常以电子伏特(eV)为单位来表示。尽管等离子体所含能量要高于其他物质形态，不同类型的等离子体所含的能量仍然存在一定的差异。

电子温度的概念可以被用于区分半导体和聚变等离子体。将聚变反应堆“加热”到大约10000 eV即可让氢的同位素几乎完全分解。相对于在电子伏特为个位数的固体中让原子保持不动的结合能，前述过程所释放的能量往往要高出好几个数量级。当今世界上正在运行的聚变反应堆有大约100个，其中每个反应堆的规模都和礼堂一样大。相比之下，用于制造芯片的商用等离子体反应器要“冷”得多，只有1–10 eV，其作用也仅限于离解和离子化一小部分气体。这些反应器的尺寸比聚变反应堆小四个数量级，在全世界各处有数十万个。它们的用途是引发化学反应而非核反应，而电子行业需要这些化学反应来添加、移除或修改半导体芯片的构造块。

芯片制造的艺术

芯片是通过半导体工艺在硅晶圆上制造的。单个直径30厘米的晶圆可容纳数百个1平方厘米的芯片，而每个芯片可包含数十亿个密集排列的晶体管或存储单元，这些单元最小可达10纳米。仅一个英文句号的面积就可容纳百万个这样的单元。

位于美国加利福尼亚州的计算机历史博物馆载列着过去半个世纪芯片行业的重大历史时刻。根据该博物馆的记录，集成芯片制造工艺最早发明于1955年，但其基本的原理其实在更早之前就已经出现了。芯片制造方法实际上源自一种称为版画的古老技术，生活在十七世纪的伦勃朗是历史上最著名的版画家之一。简单而言，芯片制造其实就是这种艺术形式的高科技复刻。