微電子技術(shù)的發(fā)展研究

張俊杰

（池州學(xué)院， 安徽 池州 247000）

引言

信息、材料、能源被稱為人類文明三大支柱，其中信息科技占著很大的比重，而電子信息技術(shù)的發(fā)展依賴于微電子技術(shù)的發(fā)展。微電子技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，是信息產(chǎn)業(yè)的核心，在出現(xiàn)之初就引起不小的轟動(dòng)。作為存儲(chǔ)、處理、連接信息的芯片已經(jīng)成為21世紀(jì)的標(biāo)志，全世界國家都對微電子技術(shù)重視起來。說得通俗一些，制造芯片的技術(shù)就等于微電子技術(shù)。因此，在現(xiàn)如今這個(gè)信息決定一切的新時(shí)代，誰掌握了微電子技術(shù)誰就坐上了快速發(fā)展的時(shí)代新車。

1 微電子技術(shù)定義

微電子技術(shù)是一門作用于半導(dǎo)體上的微小型集成電路系統(tǒng)的學(xué)科。微電子技術(shù)的關(guān)鍵在于研究集成電路的工作方式以及如何實(shí)際制造應(yīng)用。集成電路的發(fā)展依賴于半導(dǎo)體器件的不斷演化。微電子技術(shù)可在納米級超小的區(qū)域內(nèi)通過固體內(nèi)的微觀電子運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)信息的處理與傳遞，并且有著很好的集成性。

2 微電子技術(shù)發(fā)展歷程

1875年左右，物理學(xué)家開始研究陰極射線管的放電現(xiàn)象；19世紀(jì)最后的五年，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)X射線；1899年，提出原子不是物質(zhì)最小的組成單元，還有比原子更小的電子；1947年，發(fā)明了晶體管，這個(gè)發(fā)明引起了微電子技術(shù)的革命性進(jìn)展，為后來的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；1958年，采用硅平面晶體管加金屬真空涂膜學(xué)復(fù)合技術(shù)研制出集成電路（IC）；同年9月，研制出具有劃時(shí)代意義的集成電路IC裝置，宣告了人類數(shù)字信息時(shí)代的到來；1962年，以金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOS）為主要元件構(gòu)成的集成電路（IC）問世；1963年，研制出互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS），它是一種制作大規(guī)模集成電路的技術(shù)，即便是現(xiàn)在絕大多數(shù)的集成電路芯片都是用的這種技術(shù)；1965年，提出摩爾定律，集成電路（IC）上可安裝晶體管的個(gè)數(shù)，每周期（大約18個(gè)月）基本會(huì)增加一倍的數(shù)量，性能也會(huì)隨之加倍；1971年，出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）是大規(guī)模集成電路發(fā)展的開端，這個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著微電子技術(shù)步入了全新的發(fā)展階段，主要表現(xiàn)為以大規(guī)模的集成電路和微型處理器為中心來進(jìn)行微電子領(lǐng)域的研發(fā)及應(yīng)用[1]。

3 微電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)展中國家科技的發(fā)展一般需要先模仿發(fā)達(dá)國家技術(shù)，模仿的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，最后才能完全自主創(chuàng)新。這也是我們國家最快趕超發(fā)達(dá)國家的必由之路。微電子行業(yè)已經(jīng)通過晶體管時(shí)代和大規(guī)模集成電路時(shí)代，現(xiàn)在正處于以超大規(guī)模集成電路和傳輸技術(shù)為核心的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代[2]。在我國新政策的引導(dǎo)下，我國的微電子技術(shù)不斷提高，并逐漸向國際先進(jìn)水平靠攏。我國自主研發(fā)的芯片已經(jīng)有了突破性進(jìn)展并應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，比如說華為技術(shù)有限公司自主研發(fā)的海思麒麟系列芯片性能優(yōu)越，在芯片行業(yè)里處于領(lǐng)先地位。我國已經(jīng)逐漸擺脫過去直接生搬硬套先進(jìn)技術(shù)的路線，開啟了以自主研發(fā)設(shè)計(jì)為主的創(chuàng)新路線。信息化新時(shí)代不可阻擋，微電子技術(shù)的發(fā)展將蘊(yùn)含著極大的生機(jī)。但是微電子技術(shù)在我國發(fā)展的時(shí)間還比較短，與國際先進(jìn)水平之間還存在一定的差距。未來的微電子技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)步空間很大，需建立健全專利申請保護(hù)機(jī)制，提升科研領(lǐng)域的創(chuàng)新積極性及良好的學(xué)術(shù)氛圍，打造符合新時(shí)代可持續(xù)發(fā)展的微電子科研生產(chǎn)體系。

4 微電子技術(shù)的限制因素及發(fā)展方向

4.1 物理規(guī)律限制

硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是現(xiàn)階段微電子技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，現(xiàn)代的科學(xué)研究力求提升集成電路的集成性能，增加芯片的元件容量。而集成電路性能的提高需要對元器件進(jìn)行合理的縮小，尋求集成電路最佳工作電壓。芯片元器件的尺寸變小會(huì)受到工作電壓、半導(dǎo)體大小等因素限制。這種物理規(guī)律的限制也就決定了日后的科研方向從最原始的一層面分布向多層多功能方向進(jìn)軍，從二維集成轉(zhuǎn)向三維集成，促進(jìn)微電子技術(shù)中集成電路的進(jìn)一步發(fā)展。

4.2 材料限制

到目前為止微電子技術(shù)的常用材料是硅晶體，但是硅晶體材料的一些固有屬性限制了微電子技術(shù)的快速發(fā)展[3]。所以說微電子行業(yè)想繼續(xù)發(fā)展下去就必須要更新微電子電路的制造材料，科研人員嘗試?yán)醚趸锇雽?dǎo)體材料、超導(dǎo)材料以及金剛石材料代替硅晶體制造集成電路，有望突破一直困擾微電子界的材料難題。碳納米管制成晶體管，這又是半導(dǎo)體技術(shù)的又一大突破，而且由碳納米管研制出分子內(nèi)邏輯電路的電壓反向器（非門）。在這種新納米管電路中,總輸出信號大于總輸入信號，表明存在放大功能，當(dāng)碳納米管的放大作用與硅晶體管媲美時(shí),它將以更小的尺寸替代硅晶體，從而推動(dòng)微電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

塑料半導(dǎo)體技術(shù)是使用簡單的脫水反應(yīng)來制造共軛聚合物(一種像金屬一樣可以導(dǎo)電的塑料)的方法，該方法唯一的副產(chǎn)品僅是水，是有機(jī)化學(xué)發(fā)展與半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，研究者希望利用聚合物這種特殊的電學(xué)性質(zhì)，制造出可彎曲并且不會(huì)破裂的集成電路，這是微電子技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)新方向[4]。

4.3 工藝技術(shù)限制

4.3.1 光刻設(shè)備尺度問題

微電子工藝技術(shù)主要包括超細(xì)線條的制作、高質(zhì)量薄膜淀積的控制和離子注入的控制,其中關(guān)鍵設(shè)備是光刻機(jī)（曝光工具），堪稱現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)的一枝獨(dú)秀，制造過程復(fù)雜且價(jià)格昂貴，是世界上為數(shù)不多的精密儀器之一，光刻技術(shù)受到來自設(shè)備的分辨率(R)和焦深(DOF)的限制，尺寸推進(jìn)到0.05 um后，長期停滯不前，直接導(dǎo)致集成電路不能快速地從微米時(shí)代進(jìn)入納米時(shí)代。

4.3.2 互連引線問題

表面積變小以及單位面積上晶體管數(shù)目增多,相互連線間橫截面變小直接引起電阻增大，反應(yīng)時(shí)間延長。尺寸的變小確實(shí)提高了晶體管的工作頻率,但是互連引線的反應(yīng)時(shí)間變長問題更加突出。因此，如何在現(xiàn)有的規(guī)模下優(yōu)化互連引線問題成了微電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大問題。

4.3.3 可靠性問題

精細(xì)加工、規(guī)模的變小、器件變薄特性導(dǎo)致對器件的信賴程度降低，并且壽命也出現(xiàn)問題。一些物理學(xué)原理、熱力學(xué)機(jī)理以及制造工藝方面引發(fā)的可靠性問題,阻礙了微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

4.3.4 散熱問題

散熱問題說到底由封裝技術(shù)決定。在集成度不斷提高、集成功能越來越復(fù)雜的情況下,在整個(gè)的設(shè)計(jì)中,必須要考慮電路的總功耗與封裝技術(shù)之間的關(guān)系。散熱問題成為限制芯片集成度的一個(gè)因素。

5 結(jié)語

微電子學(xué)的內(nèi)容繁多，而且具有很強(qiáng)的滲透性，微電子學(xué)與其他學(xué)科進(jìn)行結(jié)合滲透，可以產(chǎn)生出一系列新的而且具有很強(qiáng)實(shí)用性的交叉學(xué)科。任何科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都不可能是一帆風(fēng)順的，微電子技術(shù)的發(fā)展也不例外，在整個(gè)的發(fā)展過程中會(huì)存在著各種限制與困難，通過新材料的研發(fā)，將微電子與這些學(xué)科結(jié)合起來，將會(huì)使微電子技術(shù)上一個(gè)層面，為人類的社會(huì)文明做貢獻(xiàn)。