芯片内部这么小，100多亿个晶体管怎么装进去的？

芯片藏身于城市中随处可见的电子设备，智能手机、电脑、家电等都离不开它的控制。
小小的芯片集成了庞大规模的电路。
把芯片放大，可以看到其内部存在着密密麻麻的线路排布，就像密集交织的高速公路，仿佛在极小的尺寸上建造了一座井然有序的电路城市。
芯片结构图（肉眼和微观） | 图源pixabay
芯片内部有多小呢？如今我们在工业上运用的芯片最小制程，也就是我们人类能创造出的微小尺寸，已经达到 3nm，芯片内部可以集成上百亿个晶体管。
芯片制造的“多层”思路
无数纳米级的电子元件在芯片上错落排布，是将每一个元件事先制好，再一个一个安放上去吗？
图源pixabay（上）；Searchmedia - Wikimedia Commons（下）
不是！我们可以换个角度看待这个问题，在纵向仔细观察，可以发现芯片是由一层层带有不同图案的片状结构纵向垒叠而成。如果我们将每一层事先制好，再纵向累加，二维结构能叠加成三维器件，最后形成功能丰富的芯片。
纵向观察芯片内部结构 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons
现在我们的目标变成了如何制成有特定图案的片状结构。首先我们要有能够用来印上电路图的片状材料，也就是我们常听说的硅晶圆，这是一种纯度极高的硅，经过加工后被切割成光滑、极薄的圆片。
硅晶圆 | 图源pixabay（左）；Searchmedia - Wikimedia Commons（右）
接着，我们就像木匠，需要找到称手的工具来雕刻图案，要制成内部结构复杂且极其微小的芯片，对加工工具的尺寸要求极高。
聪明的我们找到了光这把刻刀，正是由于光具有丰富的波长，我们可以利用短波长的光来实现极其精细的加工。
可见光的丰富波长（不可见光波长更丰富） | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons
我们希望通过光学曝光将图纸上设计好的电路图案转移到硅晶圆上，但是光不能对硅材料产生影响，所以需要借助一个中间材料，也就是能直接和光相互作用的光刻胶。
旋涂在硅晶片上的光刻胶（靠旋转离心力均匀覆盖）| 图源Searchmedia - Wikimedia Commons
要让光实现图案的信息的传递，可以利用将光完全挡住或完全通过的方式产生明暗图案。光通过带有电路图案的挡光板（掩模版），可以复制掩模版的图案信息，最后和硅晶圆表面上均匀覆盖的光刻胶相互作用后，硅晶圆上出现了我们需要的图案信息。