物理學(xué)研究與微電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展的聯(lián)系

劉香

摘 要：從微電子學(xué)興起和微電子技術(shù)蓬勃發(fā)展以來，微電子技術(shù)在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多具有里程碑意義的發(fā)明，這些發(fā)明在微電子學(xué)中具有很重要的意義，它們都是以物理學(xué)研究為基礎(chǔ)的，所以物理學(xué)研究和微電子技術(shù)不能分離開來。伴隨著社會(huì)科學(xué)水平的不斷發(fā)展，物理學(xué)研究也在科技進(jìn)步的推動(dòng)之下，變得越來越有創(chuàng)造性，而微電子技術(shù)也保持著把尺寸縮小、集成度提高的目標(biāo)前進(jìn)，這樣一來，微電子技術(shù)便為物理學(xué)研究作了很重要的參考和技術(shù)支持，給物理學(xué)研究提供了很多方便和空間。但是微電子技術(shù)也受到物理學(xué)方面的限制與挑戰(zhàn)，包括自然物理規(guī)律的限制、技術(shù)的限制、器件的限制和系統(tǒng)的限制等。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)研究 微電子技術(shù) 技術(shù)發(fā)展

一、微電子科學(xué)技術(shù)概述

1.微電子科學(xué)技術(shù)的起源。微電子科學(xué)技術(shù)是現(xiàn)世紀(jì)下信息社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，微電子技術(shù)即微型電子技術(shù)，是建立在微電子學(xué)基礎(chǔ)之上的技術(shù)總和。微電子學(xué)開創(chuàng)以來最顯著的標(biāo)志性發(fā)明即半導(dǎo)體晶體管，它的出現(xiàn)與物理學(xué)研究密切相關(guān)。半導(dǎo)體晶體管作為人類社會(huì)歷史中具有重要意義的發(fā)明之一，是發(fā)明固體物理、半導(dǎo)體物理后的必然結(jié)果，物理學(xué)研究的成果推動(dòng)了半導(dǎo)體晶體管的出現(xiàn)。微電子學(xué)是結(jié)合了包括電子學(xué)和固體物理學(xué)兩門學(xué)科后的一門獨(dú)立學(xué)科，主要研究在固體成分上建立起微型的電子電路、微型系統(tǒng)等。

2.微電子科學(xué)技術(shù)的概念。微電子科學(xué)技術(shù)主要包含了物理器件、半導(dǎo)體、晶體管、集成電路及系統(tǒng)的構(gòu)建原理和技術(shù)，它的主要構(gòu)成成分有芯片加工工藝和功能的測(cè)試技術(shù)等，其中最主要的是集成電路技術(shù)，簡(jiǎn)單來說，集成電路技術(shù)就是把各元件、電件、半導(dǎo)體按特定的順序集成起來，形成一個(gè)完整的、獨(dú)特的電路或者系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)其功能。微電子技術(shù)的主要特點(diǎn)即在體積上盡可能的縮小，并且能夠反映出與制造工藝技術(shù)有著密切的聯(lián)系，能夠一次性的加工完成。微電子技術(shù)自從誕生以來便發(fā)展迅速，到了現(xiàn)今，微電子技術(shù)正處于一個(gè)新的發(fā)展過程當(dāng)中，它不僅受到各方面的挑戰(zhàn)，也面臨著很多的發(fā)展機(jī)遇，有著很多的發(fā)展空間和突破可能，這些新的發(fā)展機(jī)遇可能對(duì)物理學(xué)研究、相關(guān)技術(shù)帶來革命性的改變。

二、微電子技術(shù)發(fā)展中受到的物理限制

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子器件的體積越來越小，現(xiàn)今已經(jīng)把尺寸縮小到了納米級(jí)別，因此，微電子技術(shù)未來的發(fā)展必將受到各種物理方面的限制與挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)是依賴于自然物理規(guī)律來產(chǎn)生的，有些還來自于技術(shù)、材料、科學(xué)等方面。針對(duì)于這些限制與挑戰(zhàn)，微電子技術(shù)的發(fā)展由單一的發(fā)展方式轉(zhuǎn)變成了多樣的發(fā)展方式，所以，微電子技術(shù)的發(fā)展將要步入一個(gè)全新的階段，并能體現(xiàn)出全新的發(fā)展特點(diǎn)。

1.自然物理規(guī)律的限制。眾所周知，計(jì)算機(jī)在處理信息的時(shí)候，任何時(shí)刻都是以一個(gè)共同的算法來進(jìn)行的，這種算法涉及到一個(gè)布爾邏輯間的轉(zhuǎn)換，科學(xué)家已經(jīng)證明，對(duì)于信息本身而言，它就是一個(gè)物理系統(tǒng)，所以不管是計(jì)算機(jī)還是集成電路，處理信息時(shí)都要經(jīng)歷一個(gè)共同的物理過程，必須完全遵循自然物理規(guī)律，所以必然就受到了自然物理規(guī)律的限制。這些來自于自然物理規(guī)律的限制是無法避免的，甚至可以說這些限制便是微電子技術(shù)的物理極限。

2.既有技術(shù)的限制。以前的光學(xué)光刻工藝、注入工藝、微電子工藝等都幾乎接近了物理規(guī)律的極限，不能夠再進(jìn)一步將尺寸縮小。同時(shí)光電技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，還會(huì)受到微電子裝置的分辨率與焦深的影響。因此，嘗試其他的工藝方式和途徑，包括新型的光刻工藝、納米、印制光刻技術(shù)等，成為人們解決這一技術(shù)限制的突破口。

3.器件的限制。根據(jù)摩爾定律的相關(guān)測(cè)定，直到2020年，對(duì)器件的尺寸研究水平將會(huì)有所縮小，MOS器件由開啟到關(guān)閉只要很少的幾個(gè)電子參與便可完成，以往的MOS器件的相關(guān)理論將被淘汰。而到2030年，MOS器件由開啟到關(guān)閉只要一個(gè)電子參與便可完成。所以，必須開發(fā)和研究出新型的器件和新型的器件工作原理。

4.系統(tǒng)的限制。在系統(tǒng)上的相關(guān)限制包括了系統(tǒng)的延遲、散熱等限制。由于技術(shù)的單一發(fā)展，器件的特征尺寸不斷縮小，集成度不斷增高，所以導(dǎo)致了互連引線的連接面積不斷縮小，造成電阻值增高?；ミB引線總共占用的面積很大，使得了互連引線的互連延遲變成了一個(gè)很大的限制問題，延遲問題是影響集成電路和系統(tǒng)運(yùn)行得最主要因素之一。因此，開發(fā)出新的器件在系統(tǒng)限制上面有著很重要的意義。而使用低K介質(zhì)和銅相連接的技術(shù)，便可以使得互連延遲的限制問題得到一定程度的解決，但要從根本上解決互連延遲的限制問題，還必須采用新型的互連方式，比如光互連方式，但這一方式在集成電路當(dāng)中仍存在許多技術(shù)上的問題。此外，由于集成度在不斷的提高，集成于芯片上面的半導(dǎo)體晶體管的數(shù)目也變得越來越多了，所以也造成了集成電路和系統(tǒng)的散熱問題變得更加嚴(yán)重，散熱問題是影響集成電路和系統(tǒng)的總功率的一個(gè)重要因素。

三、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)今，微電子技術(shù)的發(fā)展正處于一個(gè)全新的發(fā)展階段，微電子技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)出了很多與以往不同的特征，已從以往的單一發(fā)展方式轉(zhuǎn)向了多面發(fā)展方式，尤其是對(duì)物理學(xué)的自然物理規(guī)律的限制發(fā)起了挑戰(zhàn)，對(duì)物理學(xué)研究提出了更高、更嚴(yán)格的要求。所以需要各方積極努力配合，大力推動(dòng)物理學(xué)基礎(chǔ)的發(fā)展，從而為微電子技術(shù)提供更廣闊的發(fā)展空間，充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋長(zhǎng)發(fā).微電子技術(shù)發(fā)展面臨的限制及發(fā)展前景[J].沿海企業(yè)與科技，2006

[2]宣桂鑫.物理學(xué)與高新技術(shù)[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?000