纳米技术如何制造纳米芯片？
我们知道目前的计算机芯片是由半导体材料制成的。20世纪可以说是半导体的世纪，也可以说是微电子的世纪。微电子技术是指利用微米和亚微米精细结构技术，在半导体单晶材料(目前主要是硅单晶)的薄片上，开发出由成千上万个晶体管和电子元件组成的微型电子电路(称为芯片)，由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表和计算机。芯片可以被视为集成电路块。集成电路块从小规模发展到大规模，可以看作是一个不断小型化的过程。50年代末发展起来的小规模集成电路，集成度为10个元件。60年代发展为中规模集成电路，集成度为1000个元件。70年代，大规模集成电路发展起来，集成度达到65438+万个元件。20世纪超大规模集成电路发展起来，集成度超过654.38+0亿个元件。1988年，美国国际商业机器公司(1BM)已成功研制出存储容量为64兆字节的动态随机存取存储器，集成电路的条带宽度仅为0.35微米。目前实验室研发的新产品是0.25微米，正在向0.1微米进军。到了2001，已经降到0.1微米，也就是100纳米。这是电子技术史上的第四次重大突破。如今，该芯片的集成度已经进一步提高到654.38+00万个元件。如果集成电路的条带宽度再缩小，就会出现一系列的物理效应，从而限制微电子技术的发展。为了解决这一挑战，人们提出了纳米电子学的概念。这种现象说明，随着集成电路集成度的提高，芯片内的条带宽度越来越小，所以制作集成电路的单晶硅材料质量越来越高。哪怕是一粒灰尘，也可能毁掉一个甚至几个晶体管，这也是摩尔本人在几年前宣判摩尔定律死刑的原因。
据有关专家预测，在21世纪，人类将开发出徽记处理芯片与活细胞相结合的计算机。这台电脑的核心部件是纳米芯片。芯片是计算机的关键器件。随着生命科学和材料科学的发展，科学家们正在开发生物芯片，包括蛋白质芯片和DNA芯片。
蛋白质芯片是由蛋白质分子等生物材料通过特殊工艺制成的具有超薄膜结构的叠层结构。比如将蛋白质配制成适当浓度的液体，在水面上展开成单层，然后放在应时层上，用同样的方法制备有机薄膜，就可以得到厚度为80-480纳米的生物薄膜。这种薄膜由两种有机薄膜组成。当薄膜受到紫外光照射时，电阻增加约40%，但受到可见光照射时，又恢复原状。另一种薄膜不受可见光影响，但受到紫外光照射时，电阻下降约6%。据报道，日本三菱电机公司将两种生物材料结合在一起，制成一种新型开关装置，可以用光来控制。这种薄膜为生物电子元件的进一步发展奠定了实验基础，创造了良好的条件。
这种蛋白质芯片体积小，元件密度高。据测量，每平方厘米可达1.01.5 ~ 1.01.6，比硅片集成电路高出数万倍，说明用这种芯片制成的器件比现在的集成电路快得多。因为这种芯片是由蛋白质分子组成的，在一定程度上具有自我修复能力，也就是成为一个活的机器，所以可以直接与生物体结合，比如与大脑、神经系统有机连接，可以扩大大脑的外延。有人想象将蛋白质芯片植入大脑会出现奇迹。比如视力的先天缺陷或后天损伤，都可以修复，让它重新焕发光彩。
虽然上述分子组件的生产和组装还处于探索阶段，天然蛋白质等生物材料还不能直接制成分子组件，在分子水平上进行加工难度很大，但前景是光明的。据报道，日本制定了10年计划开发生物芯片，政府计划投入10亿日元进行各项研究。世界上一些大公司，如日立、夏普等，都看好生物芯片的前景，非常重视这项研究工作。
人脑中约有6543.8+04亿个神经细胞，掌管思维、感觉和全身活动。虽然计算机已经存在很多年了；但它的精细程度与人脑相比还有很大差距。为了使计算机尽快具备人脑的功能和效率，近年来科学家们致力于人工智能计算机的研究和开发，并取得了很多进展。人工智能计算机是基于生物芯片的。生物芯片有很多种，血红蛋白集成电路是新型生物芯片之一。
美国生物化学家詹姆斯·麦克阿瑟首先提出了将生物技术与电子技术相结合的想法。根据计算机的二进制工作原理，他发现血红蛋白也具有类似于“开”和“关”的双稳态特性。当血红蛋白携带的电荷发生变化时，就会发生上述两种变化，这就使得利用生物血红蛋白形成类似硅电子电路的逻辑电路成为可能。麦克阿瑟利用生物工程的重组DNA技术，首次制成血红蛋白“生物集成电路”，在“人工大脑”的研制上取得突破。此后，生物集成电路的研究逐渐展开。美国科学家在硅片上成功重组活细胞组织。它具有硅片的强度和生物分子活细胞的灵活性和智能。德国科学家研制的聚L-赖氨酸生物芯片，在1立方毫米芯片上可以包含100亿个数据点，运算速度可达10皮秒(十亿分之一秒)，比现有计算机快近100倍。
DNA芯片也叫基因芯片，DNA是人类生命遗传物质脱氧核糖核酸的缩写。由于DNA分子链是以ATGC(A-T，G-C)为基础的，它采用一种被称为“原位组合合成化学”的光刻技术和微电子芯片或其他方法，将大量特定序列的NA片段有序地固化在玻璃或硅片上，从而形成存储大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片是近年来高科技领域具有时代特征的重大技术创新。
每个DNA都是一个微处理器。DNA的运算速度超高。理论上它的运算速度可以达到每小时1015次，是硅片的1000倍。而且DNA的存储量非常大，每克DNA可以存储上亿张光盘的信息。但目前的主要困难是解决DNA数据输出的问题。
DNA芯片有可能在1 cm2的芯片上集中固定全部约8万个人类基因。DNA芯片与待测样本的DNA配对后，可以检测出大量相应的生命信息。比如寻找基因与癌症、传染病、常见病、遗传病的关系，进一步研究相应的药物。目前已知有6000多种遗传病与基因有关，还有环境对人体的影响，如花粉过敏、对环境污染的反应等。与环境影响相关的基因有200多个，全面监测这些基因对生态学、环境控制和人类健康具有重要意义。
DNA芯片技术不仅是人类基因组研究的重要应用课题，也是功能基因研究的全新手段。例如，单核苷酸多态性是一种非常重要的生命现象。科学家认为，人体的多样性和个性取决于基因的差异。就是这种单核苷酸多态性的表现，比如人的体型和外貌，跟500多个基因有关。通过DNA芯片，原则上可以确定人的特征，甚至脸型、外貌、外貌特征、生长发育差异。
“芯片巨人”英特尔公司在2000年2月宣布，它已经成功地用最新的纳米技术开发出30纳米晶体管芯片。这一突破将在未来5 ~ 10年内使计算机芯片的速度提高到2000年的10倍，同时使硅片技术更接近物理极限。新芯片的运算速度达到了目前最快芯片的7倍。子弹飞30厘米可以算2000万次，子弹飞25毫米可以算200万次，晶体管门是计算机芯片执行运算的开关。新芯片基于三个原子厚度的晶体管“门”，比目前计算机使用的180 nm晶体管薄得多。制造这种芯片的障碍是控制它产生的热量。芯片运行越快，产生的热量就越多。过热会损坏用于制造计算机芯片的材料。经过长期研究，英特尔公司已经解决了这个问题。这种原子晶体管由一种新的化学成分制成，可以使芯片在工作时温度不至于过高。这种芯片的出现将为开发一种能模拟人类方式与人交流的计算机创造条件。英特尔表示，他们研发的世界上最小最快的晶体管只有30纳米厚。这将使英特尔在未来5 ~ 10年内生产出拥有4亿个晶体管、运行速度为每秒1亿次、工作电压低于1伏的新型芯片。目前市面上最快的芯片奔腾IV集成了4200万个晶体管。据英特尔公司称，用这种新处理器制造的产品最早将于2005年后投放市场。
英特尔的一名工程师说:“30纳米晶体管的成功开发让我们对硅的物理极限有了新的看法。硅可能还能用15年，之后什么材料会取代硅，谁也说不准。”他补充说:“更小的晶体管意味着更快的速度，而更快的晶体管是构建高速计算机芯片的核心模块，计算机芯片是计算机的‘大脑’。”英特尔预测，用30纳米晶体管设计的计算机芯片可以使“通用翻译器”成为现实。比如说，说英语的人到中国旅游，可以通过随身携带的翻译器将英语实时翻译成中文，在机场、酒店、商店都不会有语言障碍。在安全设施方面，这种芯片可以使报警系统识别人的面孔。另外，未来几千元就可以买一台高速台式电脑，计算能力可以媲美现在价值几千万元的主机。
单位面积的晶体管数量是计算机芯片集成度的标志。晶体管越多，集成度越高，集成度越高，处理速度越快。30纳米晶体管将开始出现在0.07微米工艺的产品上。目前英特尔采用0.18微米工艺，而1993的奔腾处理器采用0.35微米工艺。“刻画”芯片上的电路，0.07微米工艺采用了紫外光刻技术，比2001最先进的深紫外光刻技术更先进。如果在纸上画线，深紫外光刻用的是钝铅笔，超紫外光刻用的是削尖的铅笔。
晶体管越来越小的优势主要在两个方面:一是可以用更低的成本提升现有产品的性能；第二，工程师可以设计出原本不可能的新产品。这两个好处是推动半导体技术发展的动力，因为企业增加了利润，有可能投入更多的研发。看来纳米技术确实可以延长摩尔定律的寿命，这也是摩尔本人和很多技术人员关注纳米技术的原因。