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微電子技術(shù)發(fā)展及未來(lái)趨勢展望論文
摘 要：微電子技術(shù)是目前應用最為廣泛的高新技術(shù)之一。在相關(guān)技術(shù)不斷成熟的情況下，它已經(jīng)融入到各行各業(yè)當中，無(wú)論是人類(lèi)生活，還是工業(yè)生產(chǎn)，都已經(jīng)離不開(kāi)微電子技術(shù)。在信息化時(shí)代背景下，微電子技術(shù)被視為新技術(shù)革命的核心技術(shù)，是信息產(chǎn)業(yè)、計算機產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的基礎。正因為如此，國家對微電子技術(shù)愈來(lái)愈重視，所投入的資源也在不斷增加，這給微電子技術(shù)快速發(fā)展提供了充足的動(dòng)力�；诖�，本文對微電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了探討，提出了相關(guān)觀(guān)點(diǎn)，以供參考。
關(guān)鍵詞：微電子技術(shù)；發(fā)展；趨勢
1 微電子技術(shù)概述
從本質(zhì)上來(lái)看，微電子技術(shù)的核心在于集成電路，它是在各類(lèi)半導體器件不斷發(fā)展過(guò)程中所形成的。在信息化時(shí)代下，微電子技術(shù)對人類(lèi)生產(chǎn)、生活都帶來(lái)了極大的影響。與傳統電子技術(shù)相比，微電子技術(shù)具備一定特征，具體表現為以下幾個(gè)方面：
�。�1）微電子技術(shù)主要是通過(guò)在固體內的微觀(guān)電子運動(dòng)來(lái)實(shí)現信息處理或信息加工。
�。�2）微電子信號傳遞能夠在極小的尺度下進(jìn)行。
�。�3）微電子技術(shù)可將某個(gè)子系統或電子功能部件集成于芯片當中，具有較高的集成性，也具有較為全面的功能性。
�。�4）微電子技術(shù)可在晶格級微區進(jìn)行工作。
2 微電子技術(shù)發(fā)展歷程概述
微電子技術(shù)誕生于20世紀40年代末。1947年，巴丁、布萊頓與肖克萊發(fā)明了晶體管，這使得電子技術(shù)有了極大的突破，也為微電子技術(shù)的后續發(fā)展奠定了基礎。至20世紀50年代末，集成電路的出現推動(dòng)了電子技術(shù)革命，這也意味著(zhù)微電子技術(shù)變得愈來(lái)愈成熟，并進(jìn)入了快速發(fā)展期。同時(shí)，計算機技術(shù)應用范圍的不斷拓展，也進(jìn)一步促進(jìn)了微電子技術(shù)的發(fā)展。至20世紀70年代，伴隨著(zhù)微型計算機的出現，讓微電子技術(shù)發(fā)展達到了空前的高度，也奠定了微電子技術(shù)在高新技術(shù)當中的核心地位[2]。如今，微電子技術(shù)已走入人們的生活當中，計算機、手機、家用電器的制造、生產(chǎn)都離不開(kāi)微電子技術(shù)的支持。同時(shí)，微電子技術(shù)也成為了國防工業(yè)、印刷工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)當中不可或缺的核心技術(shù)。甚至可以說(shuō)微電子技術(shù)無(wú)處不在，它已經(jīng)與整個(gè)社會(huì )形成了一種相互依存的關(guān)系。相對于發(fā)達國家而言，我國微電子技術(shù)起步較晚。但近年來(lái)，我國的微電子技術(shù)取得了很大進(jìn)展，特別是在納米集成技術(shù)方面有所突破，并且集成規模也變得愈來(lái)愈大。其中華為公司在移動(dòng)芯片方面已經(jīng)處于國際領(lǐng)先地位，旗下的海思芯片已經(jīng)能夠與高通、三星等芯片一較長(cháng)短。如今我國已經(jīng)成為全球最大的消費類(lèi)電子市場(chǎng)，在市場(chǎng)刺激下，我國微電子技術(shù)整體水平還將進(jìn)一步提升。
3 微電子技術(shù)發(fā)展趨勢分析
3.1 硅基CMOS電路
在硅基技術(shù)不斷進(jìn)步、不斷成熟的情況下，硅基CMOS的應用深度也在不斷提升。從硅基CMOS電路發(fā)展趨勢來(lái)看，硅晶圓片的尺寸正在不斷擴大，然而特征尺寸（光刻加工線(xiàn)條）卻變得愈來(lái)愈小。早期的硅片尺寸為2英寸居多，經(jīng)過(guò)3、4、6英寸的過(guò)渡發(fā)展，如今已經(jīng)達到8英寸水平[3]。近年來(lái)，集成電路制造工藝技術(shù)的進(jìn)一步突破，使得硅片尺寸已經(jīng)達到12英寸以上，直徑超過(guò)300mm。硅片尺寸的擴大，意味著(zhù)整體生產(chǎn)成本能夠進(jìn)一步降低。英特爾公司在集成電路芯片制造方面一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位，從2011年開(kāi)始英特爾便具備了成熟的32nm制造工藝。近年來(lái)，由32nm工藝到22nm工藝，再到如今主流的14nm工藝，體現了集成電路制造技術(shù)的快速發(fā)展。未來(lái)兩年內，器件的主流特征尺寸將朝著(zhù)10nm、7nm方向發(fā)展。當然，在硅基CMOS電路特征尺寸不斷縮小的情況下，器件結構的物理性質(zhì)會(huì )變得愈來(lái)愈大，不可能完全按照摩爾定律一直發(fā)展下去，甚至可以說(shuō)硅基CMOS電路已經(jīng)遇到了一定的發(fā)展瓶頸。要讓其突破發(fā)展瓶頸，必然需要新材料的支持。高K材料、新型柵電極及新制造工藝將是促使其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。
3.2 生物芯片
生物芯片是微電子技術(shù)未來(lái)重要的發(fā)展方向之一。生物芯片是一種微陣列雜交型芯片，其中微陣列主要由各類(lèi)生物信息分子所夠成，包括DNA、RNA、多肽等。它是典型的生物技術(shù)與微電子技術(shù)的融合性產(chǎn)物。在陣列當中，各分子序列是預先所設定的序列點(diǎn)陣，并且序列與位置都是已知的[4]。以生物分子特異性作用為基礎，可將生化分析過(guò)程集成于芯片表面，這樣便能夠實(shí)現生物成分如DNA、RNA、糖分子、蛋白質(zhì)、多肽等的高通量快速檢測。在生物芯片技術(shù)水平不斷提升的過(guò)程中，其應用范圍也在逐漸擴大。例如，Santford與Affymetrize公司所生產(chǎn)的DNA芯片上含有超過(guò)600種的基因片段。在芯片制造過(guò)程中，先在玻璃片上蝕刻出微小溝槽，在將DNA纖維覆于溝槽上，以不同DNA纖維圖形來(lái)體現基本片段的差異性。利用電場(chǎng)等手段可讓某些特殊物質(zhì)將部分基因的特征表現出來(lái)，從而實(shí)現基因檢測。又如，三位美國科學(xué)家被授予了一項關(guān)于量子級神經(jīng)動(dòng)態(tài)計算芯片的專(zhuān)利。此類(lèi)芯片功能性較強，可進(jìn)行高速非標準運算，這給量子計算領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力。該芯片是物理過(guò)程與生物過(guò)程的結合產(chǎn)物。以仿生系統為基礎，在接口界面通過(guò)突觸神經(jīng)元連接，可實(shí)現反饋性學(xué)習，無(wú)論是運算速度，還是運算能力均具有較高水準。一旦該技術(shù)成熟后，可在民用及軍事領(lǐng)域大范圍應用。
3.3 集成系統
集成系統是微電子技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。以往微電子芯片都是以集成電路芯片為基礎，然而，電子信息類(lèi)型及數量的不斷增多對集成電路芯片提出了新的要求，要求其具備更低的功耗、更快的速度，并且能夠快速處理不同類(lèi)型的復雜智能問(wèn)題。在此需求下，SOC（系統級芯片）概念愈來(lái)愈受到關(guān)注。SOC具有極強的集成性功能，不但能夠將信息處理系統、執行器集于一體，還能集成生物、化學(xué)、物理敏感器[5]。目前，SOC已經(jīng)成為了移動(dòng)終端中最為主流的芯片解決方案。部分手機的SOC性能已經(jīng)達到了很高的水平，甚至接近于桌面級CPU。以蘋(píng)果的A10芯片為例，A10晶體管的數量已經(jīng)超過(guò)30億，其整體性能較上一代A9芯片提升了約40%，所集成的GPU性能較A9也有50%的提升，但整體能耗卻下降了30%。同時(shí)，SOC當中還集成了數字信號處理器模塊、控制器模塊、存儲器單元模塊等多個(gè)模塊，可以勝任各種任務(wù)。未來(lái)隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，SOC還將具備更大的發(fā)展空間，并成為社會(huì )生產(chǎn)當中不可或缺的一部分。
3.4 微電子制造工藝
穆?tīng)柖▌t指出，集成電路的集成度每3年左右就會(huì )成倍增長(cháng)，而特征線(xiàn)寬則會(huì )下降30%。特征線(xiàn)條愈窄，也就意味著(zhù)集成電路的工作速度愈快，并且單元功能消耗功率也會(huì )一定幅度下降。集成電路集成度的不斷增大對相關(guān)制造技術(shù)（光刻技術(shù)、蝕刻技術(shù)、擴散氧化技術(shù)）也提出了新的要求。
�。�1）光刻技術(shù)。利用波長(cháng)為436nm光線(xiàn)，即可獲取亞微米尺寸圖形，從而得到集成度為1M位與4M位的DRAM。然而i射線(xiàn)曝光設備的出現進(jìn)一步提升了光刻技術(shù)整體水平。利用i射線(xiàn)曝光可獲得半微米尺寸及深亞微米尺寸圖形，得到16M位與64M位的DRAM。目前主流的光刻技術(shù)為248nm DUV技術(shù)及193nm DUV技術(shù)，未來(lái)納米壓印光刻技術(shù)及極紫外光刻技術(shù)均存在較大潛力，極有可能成為下一代的主流光刻技術(shù)。
�。�2）蝕刻技術(shù)。在高密度集成電路制造過(guò)程中，由于特征尺寸的不斷縮小，對蝕刻工藝的要求也在不斷提升。隨著(zhù)相關(guān)工藝的不斷成熟，采取CER等離子源及ICP高密度等離子源，并將其與靜電卡盤(pán)技術(shù)相結合，可進(jìn)一步提升蝕刻效果。
�。�3）擴散氧化技術(shù)。以往的氣體擴散法需要在高溫條件下長(cháng)時(shí)間擴散，才能獲得擴散層。新一代的離子注入技術(shù)進(jìn)一步提升了擴散氧化效果。采取離子注入技術(shù)，可在任意位置置入雜質(zhì)，再經(jīng)過(guò)低溫處理，便能得到擴散層。
3.5 立體微電子封裝
在電子產(chǎn)品集成度不斷提升的情況下，微電子封裝已經(jīng)成為主流封裝技術(shù)。相對于傳統封裝技術(shù)而言，微電子封裝技術(shù)具有高性能、高密度的特征，具有更好的適用性及更高效率。從發(fā)展趨勢來(lái)看，未來(lái)微電子封裝技術(shù)將朝著(zhù)少封裝、無(wú)封裝的方向發(fā)展，平面型封裝會(huì )逐漸轉向立體封裝。立體封裝是基于傳統微電子封裝技術(shù)發(fā)展而來(lái)[6]。立體封裝可將兩個(gè)及以上的芯片在單個(gè)封裝中進(jìn)行堆疊，即實(shí)現正方向上的多芯片堆疊。換句話(huà)說(shuō)，立體封裝是一種典型的堆疊封裝技術(shù)。通過(guò)立體封裝能夠大幅度提升組裝密度，提升幅度可達200%至300%。目前立體封裝主要包括三種形式，即有源基板立體封裝、疊層立體封裝及埋置型立體封裝。上述三種封裝方式各具特點(diǎn)，適用于不同類(lèi)型的芯片。
4 結語(yǔ)
在微電子技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，它的影響力變得愈來(lái)愈大，并逐漸成為了衡量國家科學(xué)技術(shù)實(shí)力的重要標志，也體現了國家的綜合實(shí)力。未來(lái)，微電子技術(shù)還將具備更大的發(fā)展空間，它將成為引導人類(lèi)社會(huì )發(fā)展、推動(dòng)技術(shù)革命的重要因素。
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