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微電子技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)
微電子技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)
微電子技術(shù)是隨著集成電路，尤其是超大型規(guī)模集成電路而發(fā)展起來(lái)的一門新的技術(shù)。微電子技術(shù)包括系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、器件物理、工藝技術(shù)、材料制備、自動(dòng)測(cè)試以及封裝、組裝等一系列專門的技術(shù)，微電子技術(shù)是微電子學(xué)中的各項(xiàng)工藝技術(shù)的總和。
微電子技術(shù)是在電子電路和系統(tǒng)的超小型化和微型化過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展起來(lái)的。第二次大戰(zhàn)中、后期，由于軍事需要對(duì)電子設(shè)備提出了不少具有根本意義的設(shè)想，并研究出一些有用的技術(shù)。1947年晶體管的發(fā)明，后來(lái)又結(jié)合印刷電路組裝使電子電路在小型化的方面前進(jìn)了一大步。到1958年前后已研究成功以這種組件為基礎(chǔ)的混合組件。集成電路技術(shù)是通過(guò)一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無(wú)源器件，按照-定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。
微電子技術(shù)是高科技和信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。微電子產(chǎn)業(yè)是基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，之所以發(fā)展得如此之快，除了技術(shù)本身對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的巨大貢獻(xiàn)之外，還與它*的滲透性有關(guān)。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)將是以集成電路為關(guān)鍵技術(shù)、以電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)為特點(diǎn)的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)。集成電路的主要工藝技術(shù)，是在50年代后半期硅平面晶體管技術(shù)和更早的金屬真空涂膜學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1964年出現(xiàn)了磁雙極型集成電路產(chǎn)品。
1962年生產(chǎn)出晶體管——晶體管理邏輯電路和發(fā)射極藉合邏輯電路。MOS集成電路出現(xiàn)。由于MOS電路在高度集成方面的優(yōu)點(diǎn)和集成電路對(duì)電子技術(shù)的影響，集成電路發(fā)展越來(lái)越快。
70年代，微電子技術(shù)進(jìn)入了以大規(guī)模集成電路為中心的新階段。隨著集成密度日益提高，集成電路正向集成系統(tǒng)發(fā)展，電路的設(shè)計(jì)也日益復(fù)雜、費(fèi)時(shí)和昂貴。實(shí)際上如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)的輔助，較復(fù)雜的大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)是不可能的。70年代以來(lái)，集成電路利用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)有很大的進(jìn)展。制版的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、器件模擬、電路模擬、邏輯模擬、布局布線的計(jì)算輔助設(shè)計(jì)等程序，都先后研究成功，并發(fā)展成為包括校核、優(yōu)化等算法在內(nèi)的混合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，乃至整套設(shè)備的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
集成電路制造的計(jì)算機(jī)管理，也已開(kāi)始實(shí)現(xiàn)。此外，與大規(guī)模集成和超大規(guī)模集成的高速發(fā)展相適應(yīng)，有關(guān)的器件材料科學(xué)和技術(shù)、測(cè)試科學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試、封裝技術(shù)和超凈室技術(shù)等都有重大的進(jìn)展。電子技術(shù)發(fā)展很快，在工藝技術(shù)上，微細(xì)加工技術(shù)，如電子束、離子束、X射線等復(fù)印技術(shù)和干法刻蝕技術(shù)日益完善，使生產(chǎn)上在到亞微米以至更高的光刻水平，集成電路的集成棄將超大型越每片106—107個(gè)元件，以至達(dá)到全圖片上集成一個(gè)復(fù)雜的微電子系統(tǒng)。高質(zhì)量的超薄氧化層、新的離子注入退火技術(shù)、高電導(dǎo)高熔點(diǎn)金屬以其硅化物金屬化和淺歐姆結(jié)等一系列工藝技術(shù)正獲得進(jìn)一步的發(fā)展。在微電子技術(shù)的設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)方面，隨著集成度和集成系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)，將在設(shè)計(jì)技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。
微電子學(xué)是研究在固體（主要是半導(dǎo)體）材料上構(gòu)成的微小型化電路、電路及系統(tǒng)的電子學(xué)分支。作為電子學(xué)的分支學(xué)科，它主要研究電子或離子在固體材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用，并利用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的科學(xué)，以實(shí)現(xiàn)電路的系統(tǒng)和集成為目的，實(shí)用性強(qiáng)。微電子學(xué)又是信息領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科，在這一領(lǐng)域上，微電子學(xué)是研究并實(shí)現(xiàn)信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)、處理和輸出的科學(xué)，是研究信息獲取的科學(xué)，構(gòu)成了信息科學(xué)的基石，其發(fā)展直接影響著整個(gè)信息技術(shù)的發(fā)展。微電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。微電子學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科，其中包括了半導(dǎo)體器件物理、集成電路工藝和集成電路及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試等多方面的內(nèi)容；涉及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、材料科學(xué)、電子線路、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、測(cè)試和加工、圖論、化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。
微電子學(xué)是一門發(fā)展極為迅速的學(xué)科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學(xué)發(fā)展的方向。信息技術(shù)發(fā)展的方向是多媒體（智能化）、網(wǎng)絡(luò)化和個(gè)體化。要求系統(tǒng)獲取和存儲(chǔ)海量的多媒體信息、以*速度可靠的處理和傳輸這些信息并及時(shí)地把有用信息顯示出來(lái)或用于控制。所有這些都只能依賴于微電子技術(shù)的支撐才能成為現(xiàn)實(shí)。超高容量、超小型、超高速、超高頻、超低功耗是信息技術(shù)無(wú)止境追求的目標(biāo)，是微電子技術(shù)迅速發(fā)展的動(dòng)力。
微電子學(xué)滲透性強(qiáng)，其他學(xué)科結(jié)合產(chǎn)生出了一系列新的交叉學(xué)科。微機(jī)電系統(tǒng)、生物芯片就是這方面的代表，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的具有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)。
微電子發(fā)展的趨勢(shì)是：集成電路的特征尺寸將繼續(xù)縮小，集成電路(IC)將發(fā)展為系統(tǒng)芯片(SOC)。微電子技術(shù)和其他學(xué)科相結(jié)合將產(chǎn)生很多新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)，與其它產(chǎn)業(yè)結(jié)合成為重大經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。1999年中國(guó)集成電路的總消耗量折合人民幣為436億元，其中國(guó)產(chǎn)芯片的總量為83.8億元人民幣，占世界芯片產(chǎn)量的0.6%。雖然中國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有了很大進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還很落后，生產(chǎn)技術(shù)總體上還有2代左右的差距。國(guó)內(nèi)集成電路需求的自給率很低，特別是技術(shù)含量高的產(chǎn)品，基本上依靠進(jìn)口。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，使整機(jī)、電路與元件、器件之間的明確界限被突跛，器件問(wèn)題、電路問(wèn)題和整機(jī)系統(tǒng)問(wèn)題已經(jīng)結(jié)合在一起，體現(xiàn)在一小塊硅片上，這就形成了固體物理、器件工藝與電子學(xué)三者交叉的新技術(shù)學(xué)科一微電子學(xué)。隨著集成電路技術(shù)的廣泛滲透和延拓，它將是一個(gè)更為廣泛的邊緣性學(xué)科。
一言以蔽之：微電子技術(shù)是信息社會(huì)的基石。實(shí)現(xiàn)信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計(jì)算機(jī)還是通訊電子裝備，它們的基礎(chǔ)都是集成電胳。
1946年2月年美國(guó)莫爾學(xué)院研制成功*臺(tái)電子數(shù)值積分器和計(jì)算器的時(shí)代，那是一個(gè)由18000個(gè)電子管組成，占地150平方米，重30噸的龐然大物。
設(shè)想一下，這樣的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)入辦公室、車間和家庭嗎？以至于當(dāng)時(shí)有的科學(xué)家認(rèn)為*只要4臺(tái)這樣的計(jì)算機(jī)就夠了，可是現(xiàn)在*計(jì)算機(jī)包括微機(jī)在內(nèi)就有上億臺(tái)。這只有在1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們發(fā)明了晶體管(微電子技術(shù)發(fā)展中*個(gè)里程碑)，特別是1958年硅平面工藝的發(fā)展和集成電路的發(fā)明(這可以認(rèn)為是第二個(gè)里程碑)，之后才可能出現(xiàn)今天這樣的以集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。
正如zui近美國(guó)工程技術(shù)界評(píng)出20世紀(jì)世界zui偉大20項(xiàng)工程技術(shù)成就中第5項(xiàng)電子技術(shù)時(shí)談到，“從真空管到半導(dǎo)體、集成電路已成為當(dāng)代各行各業(yè)智能工作的基石。”這是由其本質(zhì)所決定的：社會(huì)信息化的程度取決于對(duì)信息的掌握、處理能力和應(yīng)用程度，而集成電路正是集信息處理、存儲(chǔ)、傳輸于一個(gè)小小的芯片中。當(dāng)前微電子技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入系統(tǒng)集成芯片(SOC-System On Chip)的時(shí)代.可將整個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)集成在一個(gè)硅芯片上。進(jìn)一步發(fā)展，可以將各種物理的、化學(xué)的和生物的敏感器(執(zhí)行信息獲取功能)和執(zhí)行器與信息處理系統(tǒng)集成在一起，從而完成從信息獲取、處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)綀?zhí)行的系統(tǒng)功能，這是一個(gè)更廣義上的系統(tǒng)集成芯片?？梢哉J(rèn)為這是微電子技術(shù)又一次革命性變革。它已如同細(xì)胞組成人體一樣，成為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、國(guó)防裝備和家庭耐用消費(fèi)品的細(xì)胞。
現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年增長(zhǎng)率≥15%，在技術(shù)上，集成度以年增長(zhǎng)率46%的速率持續(xù)發(fā)展，世界上還沒(méi)有一個(gè)產(chǎn)業(yè)能以這樣的速度持續(xù)發(fā)展。
1990年日本以集成電路為基礎(chǔ)的電子工業(yè)產(chǎn)值超過(guò)號(hào)稱為*產(chǎn)業(yè)的汽車工業(yè)而成為第-一大產(chǎn)業(yè)。2000年以集成電路為基礎(chǔ)的電子信息產(chǎn)業(yè)成為世界*大產(chǎn)業(yè)。集成電路的原料是地球上除氧以外含量zui豐富的元素-硅，這樣一塊黑褐色小片，肉眼看上去.沒(méi)有任何令人滿意的地方，但經(jīng)過(guò)人們的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和一系列創(chuàng)新的工藝技術(shù)加工制造，成為集成電路芯片.將人類的智慧與創(chuàng)造固化在硅芯片上，因而是知識(shí)創(chuàng)新的載體，價(jià)值千金。這是典型的“點(diǎn)石成金”。改變著社會(huì)的生產(chǎn)方式和人們的生活方式，不僅成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，而且正在創(chuàng)造著代表信息時(shí)代的硅文化(siliconculture)。因此有科學(xué)家認(rèn)為人類繼石器、青銅器、鐵器時(shí)代之后正進(jìn)入硅石時(shí)代。
集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略作用首先表現(xiàn)在當(dāng)代食物鏈關(guān)系上，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，GDP每增長(zhǎng)100元，需要10元左右電子工業(yè)產(chǎn)值和1元-3元集成電路產(chǎn)值的支持。據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(SIA)預(yù)測(cè)，到2012年，集成電路全行業(yè)銷售額將達(dá)到1萬(wàn)億美元，它將支恃6萬(wàn)億到8萬(wàn)億美元的電子裝備、30萬(wàn)億美元的電子信息服務(wù)業(yè)和約50萬(wàn)億美元GDP。
21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)是信息經(jīng)濟(jì)，目前發(fā)達(dá)國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的40%-60%，國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長(zhǎng)部分的65%與集成電路有關(guān)。因此，抓住了集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就能促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。
上世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，主要得益于IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而它的基礎(chǔ)是微電子技術(shù)。
實(shí)際上，不僅計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代，即使是家電的更新?lián)Q代都基于微電子技術(shù)的進(jìn)步。電子裝備，包拆機(jī)械裝置，其靈巧程度直接關(guān)系到它的高附加值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，都依賴于集成電路芯片的“智慧”程度和使用程度。
在信息社會(huì)時(shí)代，產(chǎn)品以其信息含量的多少和處理信息能力的強(qiáng)弱，決定著其附加值的高低，從而決定它在市場(chǎng)分工中的地位。如果我們不發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，將使我們的IT行業(yè)只能停留在裝配業(yè)水平上，掙的是“辛苦錢”，在分工中我們將只能處于低附加值的低端上。微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和科學(xué)技術(shù)水平已成為衡量一個(gè)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。
幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)只要與微電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進(jìn)行智能改造，就會(huì)使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春。例如微機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床已不再是傳統(tǒng)的機(jī)床；又如汽車的電子化導(dǎo)致汽車工業(yè)的革命，目前*的現(xiàn)代化汽車，其電子裝備已占其總成本的70%。進(jìn)入信息化社會(huì)，集成電路成為武器的一個(gè)組成單元，于是電子戰(zhàn)、智能武器應(yīng)運(yùn)而生。雷達(dá)的定位和導(dǎo)航，戰(zhàn)略daodan的減重增程，戰(zhàn)術(shù)daodan的制導(dǎo)，巡航daodan的圖形識(shí)別與匹配.以及各類衛(wèi)星的有效載荷和壽命的提高等等，其核心技術(shù)都是微電子技術(shù)。
目前，集成電路在整機(jī)中的應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)zui大，通訊次之，第三位則是消費(fèi)類電子。集成電路枝術(shù)是一種使其他所有工業(yè)黯然失色，又使其他工業(yè)得以繁榮發(fā)展的技術(shù)，其設(shè)計(jì)規(guī)格從1959年以來(lái)40多年間縮小為原來(lái)的140分之一，而晶體管的平均價(jià)格降低為原來(lái)的百萬(wàn)分之一。如果小汽車也按照此速度進(jìn)步的活，那么現(xiàn)在小汽車的價(jià)格只需1美分。難怪日本人認(rèn)為控制了超大規(guī)模集成電路技術(shù)，就控制了世界產(chǎn)業(yè)。”