物理學研究與微電子科學技術發展的聯系

劉香

摘 要：從微電子學興起和微電子技術蓬勃發展以來，微電子技術在其發展過程中出現了很多具有里程碑意義的發明，這些發明在微電子學中具有很重要的意義，它們都是以物理學研究為基礎的，所以物理學研究和微電子技術不能分離開來。伴隨著社會科學水平的不斷發展，物理學研究也在科技進步的推動之下，變得越來越有創造性，而微電子技術也保持著把尺寸縮小、集成度提高的目標前進，這樣一來，微電子技術便為物理學研究作了很重要的參考和技術支持，給物理學研究提供了很多方便和空間。但是微電子技術也受到物理學方面的限制與挑戰，包括自然物理規律的限制、技術的限制、器件的限制和系統的限制等。

關鍵詞：物理學研究 微電子技術 技術發展

一、微電子科學技術概述

1.微電子科學技術的起源。微電子科學技術是現世紀下信息社會發展的重要基礎之一，微電子技術即微型電子技術，是建立在微電子學基礎之上的技術總和。微電子學開創以來最顯著的標志性發明即半導體晶體管，它的出現與物理學研究密切相關。半導體晶體管作為人類社會歷史中具有重要意義的發明之一，是發明固體物理、半導體物理后的必然結果，物理學研究的成果推動了半導體晶體管的出現。微電子學是結合了包括電子學和固體物理學兩門學科后的一門獨立學科，主要研究在固體成分上建立起微型的電子電路、微型系統等。

2.微電子科學技術的概念。微電子科學技術主要包含了物理器件、半導體、晶體管、集成電路及系統的構建原理和技術，它的主要構成成分有芯片加工工藝和功能的測試技術等，其中最主要的是集成電路技術，簡單來說，集成電路技術就是把各元件、電件、半導體按特定的順序集成起來，形成一個完整的、獨特的電路或者系統，并能實現其功能。微電子技術的主要特點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有著密切的聯系，能夠一次性的加工完成。微電子技術自從誕生以來便發展迅速，到了現今，微電子技術正處于一個新的發展過程當中，它不僅受到各方面的挑戰，也面臨著很多的發展機遇，有著很多的發展空間和突破可能，這些新的發展機遇可能對物理學研究、相關技術帶來革命性的改變。

二、微電子技術發展中受到的物理限制

隨著微電子技術的不斷發展，電子器件的體積越來越小，現今已經把尺寸縮小到了納米級別，因此，微電子技術未來的發展必將受到各種物理方面的限制與挑戰，這些挑戰是依賴于自然物理規律來產生的，有些還來自于技術、材料、科學等方面。針對于這些限制與挑戰，微電子技術的發展由單一的發展方式轉變成了多樣的發展方式，所以，微電子技術的發展將要步入一個全新的階段，并能體現出全新的發展特點。

1.自然物理規律的限制。眾所周知，計算機在處理信息的時候，任何時刻都是以一個共同的算法來進行的，這種算法涉及到一個布爾邏輯間的轉換，科學家已經證明，對于信息本身而言，它就是一個物理系統，所以不管是計算機還是集成電路，處理信息時都要經歷一個共同的物理過程，必須完全遵循自然物理規律，所以必然就受到了自然物理規律的限制。這些來自于自然物理規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的物理極限。

2.既有技術的限制。以前的光學光刻工藝、注入工藝、微電子工藝等都幾乎接近了物理規律的極限，不能夠再進一步將尺寸縮小。同時光電技術在實際應用中，還會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、印制光刻技術等，成為人們解決這一技術限制的突破口。

3.器件的限制。根據摩爾定律的相關測定，直到2020年，對器件的尺寸研究水平將會有所縮小，MOS器件由開啟到關閉只要很少的幾個電子參與便可完成，以往的MOS器件的相關理論將被淘汰。而到2030年，MOS器件由開啟到關閉只要一個電子參與便可完成。所以，必須開發和研究出新型的器件和新型的器件工作原理。

4.系統的限制。在系統上的相關限制包括了系統的延遲、散熱等限制。由于技術的單一發展，器件的特征尺寸不斷縮小，集成度不斷增高，所以導致了互連引線的連接面積不斷縮小，造成電阻值增高。互連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很大的限制問題，延遲問題是影響集成電路和系統運行得最主要因素之一。因此，開發出新的器件在系統限制上面有著很重要的意義。而使用低K介質和銅相連接的技術，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中仍存在許多技術上的問題。此外，由于集成度在不斷的提高，集成于芯片上面的半導體晶體管的數目也變得越來越多了，所以也造成了集成電路和系統的散熱問題變得更加嚴重，散熱問題是影響集成電路和系統的總功率的一個重要因素。

三、結語

現今，微電子技術的發展正處于一個全新的發展階段，微電子技術的發展表現出了很多與以往不同的特征，已從以往的單一發展方式轉向了多面發展方式，尤其是對物理學的自然物理規律的限制發起了挑戰，對物理學研究提出了更高、更嚴格的要求。所以需要各方積極努力配合，大力推動物理學基礎的發展，從而為微電子技術提供更廣闊的發展空間，充分發揮其經濟價值和社會價值。

參考文獻：

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[2]宣桂鑫.物理學與高新技術[M].上海：上海科技教育出版社，2000