众所周知，芯片作为信息产业的核心部件之一，能够大大推动现代科技的发展和智能设备的进步，同时也行业广泛，在当下广泛的应用于各大领域。但是一张由上亿晶体管组成的芯片却需要十几、甚至数十次刻蚀才能完成，光刻曝光则是其中不可或缺的一个环节。

此前的芯片都是通过光刻机来完成，然而没想到，光刻机如今显露出一些技术瓶颈，于是就有了一位湖南大学的教授，率先绕过了光刻机，制造出了一种名为VFET的新型晶体管。那么这次成功绕过光刻机制造出的VFET究竟有什么新的技术，或者说新的突破?

所谓光刻，其实就是把设计好的图案通过硅片印到光刻胶上，然后在经过一系列刻蚀、蚀刻、清洗的过程，将这个图案刻入到硅片中，然后再通过蒸发、溅射等手段将金属材料，将金属材料膜层披挂到硅片层上，这时候就制作出了晶体管。

但是随着电子技术的发展，科研人员发现传统的平面型晶体管在面积缩小到亚微米级别的时候，五个亚微米的延伸距离或者称为沟道长度，与一百微米的距离相比就有着更大的电介质层，这样导致电容就显著增大。也就是说传统的平面型晶体管再也无法满足当下微纳加工技术和电子器件性能方面的发展需求，于是面临更高密度的集成和更小的尺寸等方面的挑战。

所以就有了垂直晶体管的技术产生，顾名思义，垂直晶体管就是在平面晶体管的基础上，将晶体管中的传输层和控制层按照竖向的方式排布，从而缩短传输通道，减小电容，从而提高了器件性能。也就是说垂直晶体管并没有更改现有的晶体管结构，而是通过使得平面晶体管的传输层和控制层两部分按照竖向排布，从而使得掺杂区的间距变短。

从而实现了器件的尺寸微小化，从而得以提高器件的性能，然而现实却是残酷的，由于刻蚀的限制，造成器件的尺寸无法继续缩小。同时垂直晶体管的工艺制造过程中，必不可少的是光刻工艺，而如今一般大规模生产的芯片每一代晶体管尺寸都可以更小一步，但是光刻机承受不了更小的尺寸，制造也非常昂贵，由此可见。

光刻机的科技发展方向已经非常明确，不在是以更小的尺寸为发展目标，更多的是以更高的投资和技术难度为发展目标，所以科学家就率先制造出了无需光刻机工艺的垂直晶体管，这也就是VFET。

光刻的核心是通过硅片上的光掩膜制作上面想要的图案结构，然后对其行腐蚀刻蚀和沉积，从而为制作后的器件留下“导线”，这也是为什么现在光刻机只有在刻蚀硅片的情况下才能有更深的研究。

但是这种方式不仅会大幅提高制作难度，而且也会增加生产制作的成本，同时在实际的器件制造中，也会对其性能造成一定的影响，因此科研工作者就将主要的重点放在对硅片的制作上。在实际场景中，所谓垂直晶体管，就是将传输层、控制层以及绝缘层等材料集成在一起，形成一个圆柱形，在绝缘层上再产生一个孔洞，孔洞的围边是传输结构，孔中是控制结构。

那控制结构和传输结构连接在一起就形成了通道，而掺杂区就是将控制结构和传输结构中相连的部分做掺杂处理，形成一个绝缘区的电容。当控制结构有电流通入的时候，控制结构和传输结构之间就会有导通，控制器和传输器之间的掺杂区就会作为电容器，当两者之间有电压时，电流就会通过控制结构通向传输结构。

所以整个器件的工作原理就是这样，基于这种方向，科研人员在硅片上制造VFET就将“光刻工艺”绕过了，他们采用了一种比较简单的辅助模板工艺，这种工艺制作出来的器件就是VFET，器件尺寸更小。

这其实就相当于辅助图层实际上是在晶圆上做一层更厚的光刻胶层，然后再上面通过光刻机进行曝光、刻蚀，最后再通过等离子刻蚀腐蚀形成硅片上的图案结构。也就是说，科学家就是通过一个辅助模板来缩小刻蚀的难度，同时辅助模板的厚度使得硅片被刻蚀的深度更深。

传统的光刻工艺大约可以在硅片上做出几十纳米的控制尺寸，然而科学家就是通过这种辅助模板的方式，将硅片上的控制尺寸压缩到几个纳米，而且制作难度也大大降低。同时光刻工艺的刻蚀精度依然是一个十分重要的环节，如果不增加刻蚀的深度，那么就无法保障垂直晶体管的性能。

要知道硅片的控制尺寸是几十纳米，而垂直晶体管的尺寸是几个纳米，两者相比差距还是很大的，所以提高刻蚀深度对硅片的制造尤为重要。所以可以说科研人员绕过了光刻机的主要原因就是硅片的制造工艺，也是科研人员将硅片上的控制尺寸由几十纳米缩减到几个纳米的重要原因。

此次绕过光刻机的主要技术创新点在于“辅助模板工艺的复制性强，可以制作出大量的硅片”，从而保障垂直晶体管的尺寸一致，从而起到一定的电子特性。正是因为此次创新突破，使得硅片上的控制尺寸再次降低，同时垂直晶体管的硅片制造也变得非常廉价，所以这种解决方案也将应用于其他行业，也即向其他行业产业扩散。由于垂直晶体管的硅片制造变得非常廉价，金属控制层的生产成本也可以通过多路并行产生器件得到降低，所以这种基于垂直场效应晶体管的技术将会主导未来的半导体产业。

当然这也只是向生产制造行业扩散的一个方向，随着更多科研工作者在此领域有所突破，也会不断向其他方向发展。在人工智能、数据通信等方向，将来也会有更多的芯片性能方面的需求，所以这种基于垂直场效应晶体管技术的创新，也将在未来大放异彩。同时也将在其他器件中，比如听觉芯片、图像芯片等方向，将会有更多垂直场效应晶体管的应用。随着芯片制造产业的挑战和发展，科研人员在不断寻找新的解决方案，同时一路创新的路上也充满了坎坷，但这也是前人们为此付出的血汗，所以我们也要感谢他们的坚持不懈。如今这种创新方案已经成型，且经过了一定的实践验证，同时也逐渐向其他产业扩散，当然这离不开科研人员在研究的一路坎坷中，勤奋的付出，以及探索精神和创新能力。

来源：五彩秦安