微电子技术的发展研究

张俊杰

（池州学院， 安徽 池州 247000）

引言

信息、材料、能源被称为人类文明三大支柱，其中信息科技占着很大的比重，而电子信息技术的发展依赖于微电子技术的发展。微电子技术作为一种新兴的技术，是信息产业的核心，在出现之初就引起不小的轰动。作为存储、处理、连接信息的芯片已经成为21世纪的标志，全世界国家都对微电子技术重视起来。说得通俗一些，制造芯片的技术就等于微电子技术。因此，在现如今这个信息决定一切的新时代，谁掌握了微电子技术谁就坐上了快速发展的时代新车。

1 微电子技术定义

微电子技术是一门作用于半导体上的微小型集成电路系统的学科。微电子技术的关键在于研究集成电路的工作方式以及如何实际制造应用。集成电路的发展依赖于半导体器件的不断演化。微电子技术可在纳米级超小的区域内通过固体内的微观电子运动来实现信息的处理与传递，并且有着很好的集成性。

2 微电子技术发展历程

1875年左右，物理学家开始研究阴极射线管的放电现象；19世纪最后的五年，德国科学家发现X射线；1899年，提出原子不是物质最小的组成单元，还有比原子更小的电子；1947年，发明了晶体管，这个发明引起了微电子技术的革命性进展，为后来的发展奠定了坚实的基础；1958年，采用硅平面晶体管加金属真空涂膜学复合技术研制出集成电路（IC）；同年9月，研制出具有划时代意义的集成电路IC装置，宣告了人类数字信息时代的到来；1962年，以金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOS）为主要元件构成的集成电路（IC）问世；1963年，研制出互补金属氧化物半导体（CMOS），它是一种制作大规模集成电路的技术，即便是现在绝大多数的集成电路芯片都是用的这种技术；1965年，提出摩尔定律，集成电路（IC）上可安装晶体管的个数，每周期（大约18个月）基本会增加一倍的数量，性能也会随之加倍；1971年，出现的动态随机存储器（DRAM）是大规模集成电路发展的开端，这个划时代的发现标志着微电子技术步入了全新的发展阶段，主要表现为以大规模的集成电路和微型处理器为中心来进行微电子领域的研发及应用[1]。

3 微电子技术发展现状

发展中国家科技的发展一般需要先模仿发达国家技术，模仿的基础上实现创新，最后才能完全自主创新。这也是我们国家最快赶超发达国家的必由之路。微电子行业已经通过晶体管时代和大规模集成电路时代，现在正处于以超大规模集成电路和传输技术为核心的互联网时代[2]。在我国新政策的引导下，我国的微电子技术不断提高，并逐渐向国际先进水平靠拢。我国自主研发的芯片已经有了突破性进展并应用于多个领域，比如说华为技术有限公司自主研发的海思麒麟系列芯片性能优越，在芯片行业里处于领先地位。我国已经逐渐摆脱过去直接生搬硬套先进技术的路线，开启了以自主研发设计为主的创新路线。信息化新时代不可阻挡，微电子技术的发展将蕴含着极大的生机。但是微电子技术在我国发展的时间还比较短，与国际先进水平之间还存在一定的差距。未来的微电子技术领域进步空间很大，需建立健全专利申请保护机制，提升科研领域的创新积极性及良好的学术氛围，打造符合新时代可持续发展的微电子科研生产体系。

4 微电子技术的限制因素及发展方向

4.1 物理规律限制

硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）是现阶段微电子技术的发展基础，现代的科学研究力求提升集成电路的集成性能，增加芯片的元件容量。而集成电路性能的提高需要对元器件进行合理的缩小，寻求集成电路最佳工作电压。芯片元器件的尺寸变小会受到工作电压、半导体大小等因素限制。这种物理规律的限制也就决定了日后的科研方向从最原始的一层面分布向多层多功能方向进军，从二维集成转向三维集成，促进微电子技术中集成电路的进一步发展。

4.2 材料限制

到目前为止微电子技术的常用材料是硅晶体，但是硅晶体材料的一些固有属性限制了微电子技术的快速发展[3]。所以说微电子行业想继续发展下去就必须要更新微电子电路的制造材料，科研人员尝试利用氧化物半导体材料、超导材料以及金刚石材料代替硅晶体制造集成电路，有望突破一直困扰微电子界的材料难题。碳纳米管制成晶体管，这又是半导体技术的又一大突破，而且由碳纳米管研制出分子内逻辑电路的电压反向器（非门）。在这种新纳米管电路中,总输出信号大于总输入信号，表明存在放大功能，当碳纳米管的放大作用与硅晶体管媲美时,它将以更小的尺寸替代硅晶体，从而推动微电子技术进一步发展。

塑料半导体技术是使用简单的脱水反应来制造共轭聚合物(一种像金属一样可以导电的塑料)的方法，该方法唯一的副产品仅是水，是有机化学发展与半导体技术结合的产物，研究者希望利用聚合物这种特殊的电学性质，制造出可弯曲并且不会破裂的集成电路，这是微电子技术发展的另一个新方向[4]。

4.3 工艺技术限制

4.3.1 光刻设备尺度问题

微电子工艺技术主要包括超细线条的制作、高质量薄膜淀积的控制和离子注入的控制,其中关键设备是光刻机（曝光工具），堪称现代光学工业的一枝独秀，制造过程复杂且价格昂贵，是世界上为数不多的精密仪器之一，光刻技术受到来自设备的分辨率(R)和焦深(DOF)的限制，尺寸推进到0.05 um后，长期停滞不前，直接导致集成电路不能快速地从微米时代进入纳米时代。

4.3.2 互连引线问题

表面积变小以及单位面积上晶体管数目增多,相互连线间横截面变小直接引起电阻增大，反应时间延长。尺寸的变小确实提高了晶体管的工作频率,但是互连引线的反应时间变长问题更加突出。因此，如何在现有的规模下优化互连引线问题成了微电子技术发展的一个重大问题。

4.3.3 可靠性问题

精细加工、规模的变小、器件变薄特性导致对器件的信赖程度降低，并且寿命也出现问题。一些物理学原理、热力学机理以及制造工艺方面引发的可靠性问题,阻碍了微电子技术的进一步发展。

4.3.4 散热问题

散热问题说到底由封装技术决定。在集成度不断提高、集成功能越来越复杂的情况下,在整个的设计中,必须要考虑电路的总功耗与封装技术之间的关系。散热问题成为限制芯片集成度的一个因素。

5 结语

微电子学的内容繁多，而且具有很强的渗透性，微电子学与其他学科进行结合渗透，可以产生出一系列新的而且具有很强实用性的交叉学科。任何科学技术的发展都不可能是一帆风顺的，微电子技术的发展也不例外，在整个的发展过程中会存在着各种限制与困难，通过新材料的研发，将微电子与这些学科结合起来，将会使微电子技术上一个层面，为人类的社会文明做贡献。