1、1专业导论论文-微电子技术学 院 自动化学院 专 业 电子信息科学与技术 年级班别 2014 级（1）班 学 号 3114001343 学生姓名 麦永轩 2014 年 12 月2目 录1 绪论 31.1 微电子技术的基本概念.32 一般理论、技术及应用 32.1 小型化集成系统.32.2 纳米电子学.32.3 高密度电子组装技术.32.4 微电子技术 - 通信技术.4 3 微电子技术的发展限制 .43.1 基本物理规律的限制.43.2 材料方面的限制.43.3 工艺技术方面的限制.43.4 电路与系统方面的限制.43.4.1 互连引线问题.43.4.2 可靠性问题.43.4.3 散热问题.44
2、 微电子技术的发展前景和趋势 .55 结语 631 绪论1.1 微电子技术的基本概念微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有巨大的影响。微电子技术，顾名思义就是微型的电子电路。它是随着集成电路,尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的,其核心是集成电路,即通过一定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互联,采用微细加工工艺,集成在一块半导体单晶片上,并封装在一个外壳内,执行特定电
3、路或系统功能。与传统电子技术相比,其主要特征是器件和电路的微小型化。它把电路系统设计和制造工艺精密结合起来,适合进行大规模的批量生产,因而成本低,可靠性高。它的特点是体积小、重量小、可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有巨大的影响。它包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术,是微电子学中的各项工艺技术的总和。随着科技的迅猛发展，信息技术，电子技术，自动化技术及计算机技术日渐融合，成为当今社会科技领域的重要支柱技术，任何领域的研发工作都与这些技术紧密联系，而他们的相互交叉，相互渗透，也越来越密切。作为信息科技的前沿应包括下面一些内容：微电子
4、学与纳米电子学；RISC精简指令系统与并行计算技术；Multimedia（多媒体）与 Virtual Reality（虚拟现实， （又称灵境）技术；软件工程、CASE 软件工程开发环境以及根据人的一般思维方法和认知过程去开发的面向对象的软件技术；自动控制（除了第一、第二代控制理论及系统外，还有模糊控制、人工智能、神经网络的理论与系统等） ，最后是与近代通信相关的科技2 一般理论、技术及应用2.1 小型化集成系统集成电路的大生产水平发展也很快。1995 年已经达到了 61.2um 的水平，IC 产量到 2000 年可望达到年产 10 亿块。1995 年 4 月，中科院微电子中心已开发出 0.8u
5、m 的 CMOS 工艺，在 5.05.7mm 面积上集成了 26000只晶体管、输出管脚数为 72，制成了通用的模糊控制集成块。42.2 纳米电子学近几十年来，电子计算机已历经了几代的更迭，而代代更迭都是以存储或处理信息的基本电子学单元的尺度变化为标志的。从 80 年代开始，科学家开始探索特征尺寸为纳米量级的电子学，纳米电子学主要研究以扫描隧道显微镜为工具的单原子或单分子操纵技术。这些技术都有可能在纳米量级进行加工，目前已形成纳米量级的、信息存储器，存储状态已维持一个月以上，希图用此技术去制作 16GB 的存储器。德国的福克斯博士等制出了原子开关，达到了比现今芯片高 100 万倍的存储容量，获
6、得了莫里斯奖。量子力学告诉我们，电子与光同时都具有粒子波的特性，今天的微电子学和光电子器件将缩到。0.1 线宽，电子的波动性质再也不能忽视，把电子视为一种纯粹粒子的半导体理论基础已经动摇。这时电子所表现出来的波动特征和拥有的量子功能就是纳米电子学的任务。纳米电子学有更多诱人之处。科学家们已经预言纳米电子学将导致一场电子技术的革命！2.3 高密度电子组装技术集成电路 IC 实际上完成了芯片级的电子组装，有着极高的互联密度。那么，能不能将高集成 SI/VLSI/ULSI（大规模/超大规模/特大规模集成电路）和 ASIC/FPGA/EPLD（专用 IC/现场可编程门阵列/电可擦除可编程的逻辑器件）等
7、组装在一起实现集成电路的功能集成呢？这就是 SMT（表面安装技术） 、HWSI（混合大圆片规模集成技术）和 3D（三维组装技术） 。这些技术，推动着电子设备和产品继续向薄轻短小发展，在片状元件的小型化和自动安装设备所能处理的元件尺寸已濒临极限的今天，起着关键的作用。进入 90 年代，代表性技术则轮到了 MCM，人称多芯片组装时代，到 2000年即下世纪初，将是 WSI/HWSI/3D 时代！WSI 是将复杂的电子电路集成在一个大圆片上。将 IC 芯片，MCM 和 WSI 进行三维迭装的 3D 组装突破了二维的限制，使组装密度更上一层楼。2.4 微电子技术 - 通信技术（一）光纤通信技术光波是电
8、磁波，其波长在微米级，频率在 1014Hz 数量级，比微波要高出103104 倍，所以比之有高出千万倍的通信容量。光纤现有窗口可容纳20THz 带宽的信号，如何发挥其潜力呢？一是提高信号的码率；一是用相干光通信；一是用掺铒光纤放大器；一是采用光波频分复用技术，还可采用光孤子通信。什么是光孤子？光脉冲在光纤的非线性和光纤的色散特性相互补偿下会形成光孤子。光孤子脉冲可以在光纤中长距离传输而不发生畸变，因而可得到很高的码率，是高速度、长距离光纤通信的优越方案。（二）卫星通信技术卫星通信具有容量大、覆盖面广、通信质量高、选站灵活和成本低廉的特点。卫星通信按运行轨道分有同步轨道卫星、中轨道卫星和椭星轨道
9、卫星。卫星的业务范围很广，除电话、数据和电视广播外，还为海陆空提供移动通信、GPS 定位导航和 VSAT（卫星小型地面站）等。到 1995 年为止，全世界的卫星通信转发按 36MHz 有效带宽计已达 3140 个。80 年代出现了国防海事卫星通信系统，目前已有 5 颗卫星正在为三大洋的航船提供海陆空商务和遇难/救援工作。近期，他们又在原卫星通信系统的基础上使用了11 颗距地面 35860 公里的同步卫星将开展 14 项服务业务。目前全球汽车电话系统已经开通，用户汽车上都安有一个无线系统，不论汽车的运行方5向与速度如何变化，天线系统均能自动跟踪 Internet 通信卫星，从而实现在汽车运行中的
10、全球通信。目前已有 6500 个用户，每个用户每天平均使用 2 次时间约 2 分钟，每分钟通话费仅 4-6 美元。目前已开通电话与传真收发业务，今年年底将开通数据传输业务。（三）移动通信技术移动通信有着丰富的内容：蜂窝移动电话系统、集群式专用调度移动通信、CT 无绳电话系统与无线寻呼（BP）机系统。总的发展趋势是数字化、小型化与个人化。蜂窝式移动电话系统已有二十多年的历史了，可过去是模拟制的，存在着频率利用率低、保密性差、功能少、设备复杂及价格偏高的缺陷，所以从80 年代开始，不少国家都开发了第二代数字化的蜂窝移动电话通信系统。预计 2000 年用户可达 12 亿，美国占 50%，模拟制被淘汰
11、。（四）GPS 卫星导航定位系统1964 年世界上第一个卫星导航系统美国“子午仪”投运，通过 46 颗卫星组成的导航卫星网，运行于近似圆形的极轨道上，卫星由南向北运行，高度 1100 公里，运行周期；107 分钟，可完成全球、全天候的经纬二维定位，精度才 100300M。为了满足现代战争的需要，美国防部已投资 100 亿美元，历时 20 年开发制成了 GPS 系统。系统由卫星、设在美国本地及三大洋的主控站、监控站组成。不仅在海湾战争中发挥了作用，而且在全球掀起了 GPS 热潮，引发了导航界的一场革命，大有取代所有导航方式的趋势，包括地下与水下。难怪美国军方声称 GPS 的应用仅限于人们的想象力
12、。目前不论用户在任何地点、任何时间至少能同时观测到 5 颗卫星，GPS 系统可从其中 34 颗星发出的信号里通过数据转换成导航的批示。它具有全球性、全天候和实时的导航、定位、定时功能，能实时地提供三维坐标（经、纬、高度）和速度与时间信息，定位精度 10M。我国“远望”号测量船已用国产的 GPS 为发射的第二颗澳星测轨。（五）BIP-ISDN实际上，今天业已存在的长途电信网、卫星通信网、海底光缆网、国际计算机互联网已无一不是国际性的全球网络了。所有的通信网都是由传输设备、交换设备、终端设备与网控设备四部分组成的，信息高速公路的目标模式是 BIP-ISDN。首先是 B-ISDN，B-ISDN 应采
13、用 CCITT 的建议，用同步数字系列（SDH）进行复接传输，全国要采用统一的时钟同步，这样的光纤网就叫作同步光纤网 SONET。BIP-ISDN 在交换方面采用 ATM 异步转移模式，也就是宽带综合业务的交换系统，包括电的、光的、光电混合的 ATM技术。在终端方面，必须采用多媒体终端。智能网采用开放式结构与标准接口，在网络中应引入语言识别，语音合成、人工智能、神经网络技术，网络的智能化应包括网络自身的管理、组织、监控、调度的智能化以及向用户提供如电话翻译等带智能化的信息服务业务。随着 BIP-ISDN 的逐步完善，通信业务除了传统的电话外，像数据、文字、可视电话、语音信箱、电子邮政、电子数据
14、交换、彩色传真、智能用户电报、会议电视、大众广播、虚拟专用网，尤其是 Internet 业务都可开展。3 微电子技术的发展限制63.1 基本物理规律的限制硅基 CMOS 是今天微电子技术的基础。而 IC 性能的提高主要是通过对器件尺度以及电源电压进行合理的缩小实现的。但是这一缩小不是无限的，随着器件沟道长度、氧化层厚度，以及电源电压的缩小，诸如短沟道效应（SCE） 、漏感应势垒降低效应（DIBL） 、穿通效应(Punch-Through)以及热载流子效应（HCE） 、量子隧道穿透“次级”效应将会越来越难以克服。由于 DIBL、量子隧道穿透等效应的增强将增大晶体管的漏电流，进而增加器件的静态功耗
15、。当静态功耗在总功耗中达到一定比例，并且器件的输出电导大于其跨道时晶体管的缩小就到达极限。换言之，微电子学的理论基础就是电磁学、量子力学、热力学与统计物理学。在集成电路中，是通过控制载流子在媒体中的运动来实现信息的传输、存储及处理，载流子在固体中的运动要遵循一系列的基本物理规律，而随着芯片的微小型化，热效应、电效应等造成的不良影响，目前技术还无法克服这些违反规律的现象。3.2 材料方面的限制目前微电子技术所采用的材料主要是硅材料(包括单晶硅和双晶硅)，决定材料性质的参数主要有：介电常数、载流子的迁移率、载流子的饱和速度、击穿电铲强度、热导系数等。这些性质共同决定了微电子技术在 IC 高度集成时
16、受到极大的限制，制约了微型化的进一步发展。3.3 工艺技术方面的限制微电子工艺技术主要包括微线条的加工、高质量薄膜淀积和离子注入的控制，其中光刻技术是核心技术。其工艺方面挑战主要是光刻设备。1978年时，人们认为光学光刻的极限是一微米。到现在虽已推进到 0.05 微米，但光刻技术受到来自于设备的分辨率和焦深的限制，每往前一步都十分困难。虽然摩尔博士在 2000 年说：“摩尔定律十年不会变” ，但现在进一步的微小型化仍受到限制，摩尔定律正面临挑战。3.4 电路与系统方面的限制3.4.1 互连引线问题。随着器件尺寸的缩小和集成密度增加，互连引线的横截面越来越小使得电阻值增高，互连引线的延迟时间增大
17、。尺寸的缩小使晶体管的工作频率得到提高，但互连引线的延迟并没因为尺寸的缩小而得到改善，反而成为更加突出的问题。因此，如何在 IC 电路设计中考虑引线的优化，就成了制约微电子发展的因素。3.4.2 可靠性问题微细加工的特征，尺寸的缩小尤其是栅氧化层的变薄，导致器件的可靠性和亚微米器件的寿命问题突出。但可靠性问题包含的大量物理学和热力学机理及制造工艺方面的技术需要克服，这也成为制约微电子技术发展的因素。3.4.3 散热问题散热为题主要受到封装系统技术的限制。在集成度不断提高，集成功能约趋向于复杂的情况下，在电路和系统的设计中，必须仔细考虑电路的总功耗与芯片的散热能力之间的关系。总功率的限制成为限制
18、芯片集成度的一个主要因素。74 微电子技术的发展前景和趋向微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，这方面的典型例子便是 MEMS（微机电系统）技术和 DNA 生物芯片。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。微电子机械系统不仅是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS 将电子系统和外部世界联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信
19、号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成该指令。从广义上讲，MEMS 是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。MEMS 的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于 MEMS 器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强
20、大等传统传感器无法比拟的优点,因而 MEMS 在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS） 、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；信息 MEMS 系统将在射频系统、全光通讯系统和高密度存储器和显示等方面发挥重大作用；同时 MEMS 系统还可以用于医疗、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为 5m 的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS 技术及
21、其产品的增长速度非常之高，目前正处在技术发展时期，再过若干年将会迎来 MEMS 产业化高速发展的时期。2000 年，全世界 MEMS 的市场达到 120 到 140 亿美元，而带来的与之相关的市场达到 1000 亿美元。目前，MEMS 系统与集成电路发展的初期情况极为相似。集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,但它的诱人前景吸引了人们进行大量投资，促进了集成电路飞速发展。集成电路技术的进步,加快了计算机更新换代的速度，对 CPU 和 RAM 的需求越来越大,反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信
22、息革命。现阶段的微机电系统专用性很强单个系统的应用范围非常有限,还没有出现类似于 CPU 和 RAM 这样量大面广的产品。随着微机电系统的进步，最后将有可能形成像微电子技术一样有广泛应用前景的新产业，从而对人们的社会生产和生活方式产生重大影响。当前 MEMS 系统能否取得更更大突破，取决于两方面的因素：第一是在微系统理论与基础技术方面取得突破性进展，使人们依靠掌握的理论和基础技术可以高效地设计制造出所需的微系统；第二是找准应用突破口，扬长避短，以特别适合微系统应用的重大领域为目标进行研究,取得突破，从而带动微系8统产业的发展。在 MEMS 发展中需要继续解决的问题主要有：MEMS 建模与设计方
23、法学研究；三维微结构构造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力学和热学研究；MEMS 的表征与计量方法学；纳结构与集成技术等。微电子与生物技术紧密结合诞生的以 DNA 芯片等为代表的生物芯片将是21 世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是 DNA 芯片。采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达万种 DNA 基因片段的芯片。
24、利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。DNA 芯片的基本思想是通过生物反应或施加电场等措施使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性从而起到检测基因的目的。目前 Stanford 和Affymetrix 公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA 芯片。他们制作的 DNA 芯片是通过在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层 DNA 纤维。不同的 DNA 纤维图案分别表示不同的 DNA 基因片段，该芯片共包括 6000 余种 DNA 基因片段。DNA（脱氧核糖核酸）是
25、生物学中最重要的一种物质，它包含有大量的生物遗传信息，DNA 芯片的作用非常巨大，其应用领域也非常广泛：它不仅可以用于基因学研究、生物医学等，而且随着 DNA 芯片的发展还将形成微电子生物信息系统，这样该技术将广泛应用到农业、工业、医学和环境保护等人类生活的各个方面，那时，生物芯片有可能象今天的 IC 芯片一样无处不在。目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片
26、的设计、检测方法学等等。5 结语中国的集成电路产业起步于 1965 年，经过 30 多年的发展，现已初步形成了包括设计、制造、封装业共同发展的产业结构。芯片生产技术已达到 8 英时、0.25 微米-0.18 微米水平。但总体来讲，我国集成电路产业比较弱小，1999 年销售额仅占国际市场份额的 0.7%，只能满足国内市场需求的 16%。要提高我国微电子技术的整体水平，我们还需要长期的艰苦努力。回顾 20 世纪后 50 年，展望 21 世纪前 50 年，即百年的微电子科学技术发展历程，使我深切地感受到，世纪之交的微电子技术对我们既是一个重大的机遇，也是一个严峻的挑战。如果我们能够抓住这个机遇，立足创新，去勇敢地迎接这个挑战，则有可能使我国微电子技术实现腾飞，在新一代微电子技术中拥有自己的知识产权，促进我国微电子产业的发展，为迎接 21 世纪中叶将要到来的伟大的民族复兴奠定技术基础，以重铸中华民族的辉煌！9
