微電子技術(shù)發(fā)展和展望

賴(lài)曉麗

摘 要：微電子在人們的日常生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，直接影響到人們正常的生產(chǎn)生活。本文分析了微電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀同時(shí)對(duì)微電子未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

關(guān)鍵詞：微電子；發(fā)展現(xiàn)狀；展望

0 引言

現(xiàn)階段微電子技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)生活中具有重要的地位，軟件和集成電路已經(jīng)成為21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。微電子技術(shù)作為高新技術(shù)的組成部分之一，逐漸成為電子信息技術(shù)的核心部分，深入到社會(huì)生產(chǎn)生活的每一個(gè)角落。電子器件的小型化和微型化是現(xiàn)代微電子技術(shù)的重要特征之一，其核心是系統(tǒng)集成（SOC）和集成電路（IC）。

1 微電子技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

微電子技術(shù)一門(mén)以集成電路為核心的各種半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上的高新電子技術(shù)，其具有工作速度快、重量輕、體積小、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。微電子技術(shù)是一項(xiàng)起源于19世紀(jì)末20世紀(jì)初的新興技術(shù)，微電子技術(shù)的發(fā)展史從某種意義上說(shuō)是集成電路的發(fā)展史。

現(xiàn)階段大規(guī)模集成電力的集成度代表這微電子技術(shù)的發(fā)展水平。從集成電路在1958年被發(fā)明以來(lái)，集成電路的發(fā)展規(guī)律依然遵循著“摩爾定律”，即DRAM的儲(chǔ)存量每隔3年就變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，集成電路芯片上的元件數(shù)量每18個(gè)月增加1倍（具體見(jiàn)表1）。微電子技術(shù)的發(fā)展歷程如下，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1947年制造出第一個(gè)晶體管，這為制造體積更小的集成電路奠定了相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)。1958年美國(guó)德克薩斯儀器公司的基比爾于研究員制造出第一個(gè)集成電路模型，并與次年該公司宣布發(fā)明了第一個(gè)集成電路。1959年美國(guó)仙童公司將微型晶體管的制造工藝—“平面工藝”經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)改進(jìn)后用于集成電路的制造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了集成電路由實(shí)驗(yàn)階段向工業(yè)生產(chǎn)階段的過(guò)渡。1964年相關(guān)的技術(shù)人員又研制出PMOS集成電路，大大減小了集成電路的體積，其與分立元件相比較PMOS集成電路具有可靠性高、功耗低、制造工藝簡(jiǎn)單和適于大量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。到目前為止，與第一塊集成電路相比集成電路的集成度的尺寸縮小了200多倍，集成度提高了550多萬(wàn)倍，元件成本降低了100多萬(wàn)倍。

在當(dāng)今社會(huì)中微電子元件可以說(shuō)是無(wú)處不在，每個(gè)人都在享受這微電子技術(shù)帶來(lái)的方便快捷。集成電路被廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)行業(yè)，比如計(jì)算機(jī)技術(shù)、環(huán)境工程、交通醫(yī)療等領(lǐng)域。微電子技術(shù)對(duì)各種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)具有強(qiáng)有力的帶動(dòng)作用，幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)結(jié)合，利用芯片更新技術(shù)，都可給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入活力。例如，像汽車(chē)的電子化使傳統(tǒng)的汽車(chē)工業(yè)滲透進(jìn)了微電子技術(shù)，采用微電子技術(shù)的電子引擎監(jiān)控系統(tǒng)“汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)”出租車(chē)的計(jì)價(jià)器等已得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代汽車(chē)上有時(shí)甚至要有十幾個(gè)到幾十個(gè)微處理器又如，印刷工業(yè)采用了微電子技術(shù)排版不再采用鉛字，文字的增添“刪除“編排，字體的選取等都在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以全部按需要設(shè)置完成，與傳統(tǒng)印刷工業(yè)改動(dòng)一字就要涉及全局已不可同日而語(yǔ)。

微電子技術(shù)不僅在工業(yè)制造中應(yīng)用廣泛，同時(shí)為商業(yè)的發(fā)展提供了巨大的方便。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，商場(chǎng)超市傳統(tǒng)的記賬方式發(fā)生了巨大的變化，賬目的記錄、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)方式發(fā)生了巨大的變化。另外，隨著其他技術(shù)和微電子技術(shù)的相互融合滲透逐漸發(fā)展出新的技術(shù)。比如微電子技術(shù)和信息技術(shù)融合創(chuàng)造出數(shù)字地圖，其通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳輸?shù)确绞侥軌驗(yàn)槿藗兲峁┧诘貐^(qū)的天氣狀況、地理狀況等所有信息，為人們的出行和野外作業(yè)等提供便利。

2 微電子技術(shù)發(fā)展展望

微電子技術(shù)作為一門(mén)隨著集成電路發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，其只要包括器件物理、工藝技術(shù)、材料研制、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和封裝組裝等技術(shù)，簡(jiǎn)單而言主要包括材料、系統(tǒng)和器件三部分。

2.1 新型半導(dǎo)體材料的研制

其中，材料作為微電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)于先進(jìn)材料的研制一直是微電子技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。在未來(lái)的一段時(shí)間對(duì)于對(duì)新型半導(dǎo)體材、化合物和納米材料的研發(fā)是重點(diǎn)。

新的碳化硅（SiC）材料具有禁帶寬、高熱導(dǎo)率、漂移速度快、高擊穿電壓等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)能夠保證元件在高溫高壓下進(jìn)行工作，同時(shí)元件的功率比較大，能夠進(jìn)行高頻工作并且集成度高。現(xiàn)階段，新型研制出的氧化硅晶體管能夠在520℃下進(jìn)行工作并且擊穿電壓能夠達(dá)到800℃。另外和其他寬緊帶的材料相比較，碳化硅材料能夠通過(guò)熱氧化的方式生成二氧化硅（SiO2）。

氮化鋁（AlN）是一種舉要抗輻射性能高、高擊穿電壓和寬禁帶的材料，并且絕緣體上的硅具有低功耗、高速、抗輻射、無(wú)栓鎖等諸多優(yōu)點(diǎn)。另外，銦磷化合物也是一種新型的半導(dǎo)體材料，它能夠很好的將數(shù)字功能和射頻集中在同一個(gè)芯片上，它的運(yùn)行功耗更加低，運(yùn)行速度比硅型芯片的更加快。

雖然上面有很多的新型材料但是晶體管的尺寸受到熱效應(yīng)、磁場(chǎng)效應(yīng)和量子效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的微電子發(fā)展正面臨嚴(yán)重的瓶頸。現(xiàn)在對(duì)納米尺度下新的量子現(xiàn)象和效應(yīng)的研究成為國(guó)際上近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，新型納電子器件得以迅速發(fā)展。碳納米管（CNT）是其中的一員，它（CNT）是人工合成的天然納米線(xiàn)，由于是一維輸運(yùn)，所以它的電子遷移率比體硅高很多，特別是可能實(shí)現(xiàn)彈道輸運(yùn)。另外由于CNT具有非常高的擊穿電場(chǎng)（最高可達(dá)108V /cm），所以CNT中的電子漂移速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅反型層中的電子，故被業(yè)界一直認(rèn)為最有可能成為硅材料的未來(lái)最終繼承者。因?yàn)樗瓤沙袚?dān)導(dǎo)線(xiàn)的功能，又可承擔(dān)半導(dǎo)體（即晶體管開(kāi)關(guān)）的功能，但其技術(shù)走向市場(chǎng)還有待成熟。如IBM公司于2002年宣布開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的碳納米晶體管，但同時(shí)宣稱(chēng)從硅電子時(shí)代過(guò)渡到碳納米為代表的納米電子時(shí)代可能要10年左右。在芯片集成方面的重要發(fā)展方向是SOC和SIP。

2.2工藝手段越來(lái)越先進(jìn)

隨著集成電路集成度的不斷提高，技術(shù)人員不斷縮短光刻波長(zhǎng)并且改進(jìn)透鏡的孔徑，通過(guò)各種手段改進(jìn)光刻技術(shù)。光刻技術(shù)現(xiàn)階段主要研究的是深紫外線(xiàn)光刻技術(shù)和沉浸光刻技術(shù)。沉浸光刻技術(shù)是指在原來(lái)的光刻設(shè)備的透鏡和晶圓之間灌滿(mǎn)水，從而達(dá)到提高孔徑數(shù)值和透鏡分辨率的目的。沉浸光刻技術(shù)是下一代光刻技術(shù)的主要發(fā)展方向。比如荷蘭的ASXN公司采用190nm 的深紫外光源并且采用沉浸透鏡技術(shù)其應(yīng)用極限達(dá)到30nm，很有希望突破遇到的光刻障礙。現(xiàn)在除了業(yè)界看好的沉浸光刻技術(shù)外，正在研究的其他新工藝也比較多。別如電子束技術(shù)、微型電子束陣列和X射線(xiàn)等等。

3 結(jié)論

21世紀(jì)社會(huì)將成為一個(gè)信息化的社會(huì)，微電子技術(shù)在信息化社會(huì)發(fā)展中將占有及其重要的位置，同時(shí)也將成為本世紀(jì)最為活躍的科技領(lǐng)域。本文對(duì)微電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析，同時(shí)展望了微電子技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

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