微電子技術(shù)發(fā)展及未來(lái)趨勢(shì)展望

吳至斌

摘 要：微電子技術(shù)是目前應(yīng)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(dāng)中，無(wú)論是人類生活，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(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的基礎(chǔ)。正因?yàn)槿绱?，?guó)家對(duì)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?；诖耍疚膶?duì)微電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了探討，提出了相關(guān)觀點(diǎn)，以供參考。

關(guān)鍵詞：微電子技術(shù)；發(fā)展；趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP393.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）03-0022-02

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，它是在各類半導(dǎo)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(duì)人類生產(chǎn)、生活都帶來(lái)了極大的影響。與傳統(tǒng)電子技術(shù)相比，微電子技術(shù)具備一定特征，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面[1]：（1）微電子技術(shù)主要是通過(guò)在固體內(nèi)的微觀電子運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息處理或信息加工。（2）微電子信號(hào)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(tǒng)或電子功能部件集成于芯片當(dāng)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(jí)微區(qū)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(jì)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(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。至20世紀(jì)50年代末，集成電路的出現(xiàn)推動(dòng)了電子技術(shù)革命，這也意味著微電子技術(shù)變得愈來(lái)愈成熟，并進(jìn)入了快速發(fā)展期。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)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(jì)70年代，伴隨著微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，讓微電子技術(shù)發(fā)展達(dá)到了空前的高度，也奠定了微電子技術(shù)在高新技術(shù)當(dāng)中的核心地位[2]。如今，微電子技術(shù)已走入人們的生活當(dāng)中，計(jì)算機(jī)、手機(jī)、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(guó)防工業(yè)、印刷工業(yè)、汽車工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)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(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)微電子技術(shù)起步較晚。但近年來(lái)，我國(guó)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(guī)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(guó)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(zhǎng)短。如今我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的消費(fèi)類電子市場(chǎng)，在市場(chǎng)刺激下，我國(guó)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(shì)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(yīng)用深度也在不斷提升。從硅基CMOS電路發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，硅晶圓片的尺寸正在不斷擴(kuò)大，然而特征尺寸（光刻加工線條）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(dá)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(dá)到12英寸以上，直徑超過(guò)300mm。硅片尺寸的擴(kuò)大，意味著整體生產(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(xiàn)了集成電路制造技術(shù)的快速發(fā)展。未來(lái)兩年內(nèi)，器件的主流特征尺寸將朝著10nm、7nm方向發(fā)展。當(dāng)然，在硅基CMOS電路特征尺寸不斷縮小的情況下，器件結(jié)構(gòu)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(dāng)中，各分子序列是預(yù)先所設(shè)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(chǔ)，可將生化分析過(guò)程集成于芯片表面，這樣便能夠?qū)崿F(xiàn)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(cè)。在生物芯片技術(shù)水平不斷提升的過(guò)程中，其應(yīng)用范圍也在逐漸擴(kuò)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(xiàn)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(xiàn)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)基因檢測(cè)。又如，三位美國(guó)科學(xué)家被授予了一項(xiàng)關(guān)于量子級(jí)神經(jīng)動(dòng)態(tài)計(jì)算芯片的專利。此類芯片功能性較強(qiáng)，可進(jìn)行高速非標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算，這給量子計(jì)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(jié)合產(chǎn)物。以仿生系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在接口界面通過(guò)突觸神經(jīng)元連接，可實(shí)現(xiàn)反饋性學(xué)習(xí)，無(wú)論是運(yùn)算速度，還是運(yùn)算能力均具有較高水準(zhǔn)。一旦該技術(shù)成熟后，可在民用及軍事領(lǐng)域大范圍應(yīng)用。

3.3 集成系統(tǒng)

集成系統(tǒng)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(chǔ)，然而，電子信息類型及數(shù)量的不斷增多對(duì)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型的復(fù)雜智能問(wèn)題。在此需求下，SOC（系統(tǒng)級(jí)芯片）概念愈來(lái)愈受到關(guān)注。SOC具有極強(qiáng)的集成性功能，不但能夠?qū)⑿畔⑻幚硐到y(tǒng)、執(zhí)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(jī)的SOC性能已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，甚至接近于桌面級(jí)CPU。以蘋(píng)果的A10芯片為例，A10晶體管的數(shù)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(dāng)中還集成了數(shù)字信號(hào)處理器模塊、控制器模塊、存儲(chǔ)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(dāng)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(zhǎng)，而特征線寬則會(huì)下降30%。特征線條愈窄，也就意味著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(duì)相關(guān)制造技術(shù)（光刻技術(shù)、蝕刻技術(shù)、擴(kuò)散氧化技術(shù)）也提出了新的要求。（1）光刻技術(shù)。利用波長(zhǎng)為436nm光線，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射線曝光設(shè)備的出現(xiàn)進(jìn)一步提升了光刻技術(shù)整體水平。利用i射線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(duì)蝕刻工藝的要求也在不斷提升。隨著相關(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(jié)合，可進(jìn)一步提升蝕刻效果。（3）擴(kuò)散氧化技術(shù)。以往的氣體擴(kuò)散法需要在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散，才能獲得擴(kuò)散層。新一代的離子注入技術(shù)進(jìn)一步提升了擴(kuò)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(kuò)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(duì)于傳統(tǒng)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(shì)來(lái)看，未來(lái)微電子封裝技術(shù)將朝著少封裝、無(wú)封裝的方向發(fā)展，平面型封裝會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向立體封裝。立體封裝是基于傳統(tǒng)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(xiàn)正方向上的多芯片堆疊。換句話說(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(dá)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)，適用于不同類型的芯片。

4 結(jié)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(guó)家科學(xué)技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)志，也體現(xiàn)了國(guó)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(dǎo)人類社會(huì)發(fā)展、推動(dòng)技術(shù)革命的重要因素。

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