微電子

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微電子技術是隨著積體電路,尤其是超大型規模積體電路而發展起來的一門新的技術。微電子技術包括系統電路設計、器件物理、工藝技術、材料製備、自動測試以及封裝、組裝等一系列專門的技術,微電子技術是微電子學中的各項工藝技術的總和。

  • 中文名稱
    微電子
  • 外文名稱
    microelectronics
  • 微電子技術包括
    系統電路設計、器件物理、工藝技術、材料製備、
  • 1947年
    電晶體的發明

歷史

微電子技術是在電子電路和系統的超小型化和微型化過程中逐漸形成和發展起來的。

第二次大戰中、後期,由于軍事需要對電子設備提出了不少具有根本意義的構想,並研究出一些有用的技術。1947年電晶體的發明,後來又結合印刷電路組裝使電子電路在小型化的方面前進了一大步。到1958年前後已研究成功以這種組件為基礎的混合組件。積體電路技術是通過一系列特定的加工工藝,將電晶體、二極體等有源器件和電阻、電容等無源器件,按照-定的電路互連,"集成"在一塊半導體單晶片上,執行特定電路或系統功能。

微電子微電子

概念

微電子技術是高科技信息產業的核心技術。微電子產業是基礎性產業,之所以發展得如此之快,除了技術本身對國民經濟的巨大貢獻之外,還與它極強的滲透性有關。另外,現代戰爭將是以積體電路為關鍵技術、以電子戰和信息戰為特點的高技術戰爭。

積體電路的主要工藝技術,是在50年代後半期矽平面電晶體技術和更早的金屬真空塗膜學技術基礎上發展起來的。1964年出現了磁雙極型積體電路產品。

1962年生產出電晶體--電晶體理邏輯電路和發射極藉合邏輯電路。MOS積體電路出現。由于MOS電路在高度集成方面的優點和積體電路對電子技術的影響,積體電路發展越來越快。

70年代,微電子技術進入了以大規模積體電路為中心的新階段。隨著集成密度日益提高,積體電路正向集成系統發展,電路的設計也日益復雜、費時和昂貴。實際上如果沒有電腦的輔助,較復雜的大規模積體電路的設計是不可能的。70年代以來,積體電路利用電腦的設計有很大的進展。製版的電腦輔助設計、器件模擬、電路模擬、邏輯模擬、布局布線的計算輔助設計等程式,都先後研究成功,並發展成為包括校核、最佳化等演算法在內的混合電腦輔助設計,乃至整套設備的電腦輔助設計系統。

積體電路製造的電腦管理,也已開始實現。此外,與大規模集成和超大規模集成的高速發展相適應,有關的器件材料科學和技術、測試科學和電腦輔助測試、封裝技術和超凈室技術等都有重大的進展。電子技術發展很快,在工藝技術上,微細加工技術,如電子束、離子束、X射線等影印技術和幹法刻蝕技術日益完善,使生產上在到亞微米以至更高的光刻水準,積體電路的集成棄將超大型越每片106-107個元件,以至達到全圖片上集成一個復雜的微電子系統。高質量的超薄氧化層、新的離子註入退火技術、高電導高熔點金屬以其矽化物金屬化和淺歐姆結等一系列工藝技術正獲得進一步的發展。在微電子技術的設計和測試技術方面,隨著集成度和集成系統復雜性的提高,冗餘技術、容錯技術,將在設計技術中得到廣泛套用。

微電子學是研究在固體(主要是半導體)材料上構成的微小型化電路、電路及

系統的電子學分支。作為電子學的分支學科,它主要研究電子或離子在固體材料中的運動規律及其套用,並利用它實現信號處理功能的科學,以實現電路的系統和集成為目的,實用性強。微電子學又是信息領域的重要基礎學科,在這一領域上,微電子學是研究並實現信息獲取、傳輸、存儲、處理和輸出的科學,是研究信息獲取的科學,構成了信息科學的基石,其發展直接影響著整個信息技術的發展。微電子科學技術的發展水準和產業規模是一個國家經濟實力的重要標志。微電子學是一門綜合性很強的邊緣學科,其中包括了半導體器件物理、積體電路工藝和積體電路及系統的設計、測試等多方面的內容;涉及了固體物理學、量子力學、熱力學與統計物理學、材料科學、電子線路、信號處理、電腦輔助設計、測試和加工、圖論、化學等多個領域。

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微電子學是一門發展極為迅速的學科,高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學發展的方向。信息技術發展的方向是多媒體(智慧型化)、網路化和個體化。要求系統獲取和存儲海量的多媒體信息、以極高速度精確可靠的處理和傳輸這些信息並及時地把有用信息顯示出來或用于控製。所有這些都隻能依賴于微電子技術的支撐才能成為現實。超高容量、超小型、超高速、超高頻、超低功耗是信息技術無止境追求的目標,是微電子技術迅速發展的動力。

微電子學滲透性強,其他學科結合產生出了一系列新的交叉學科。微機電系統生物晶片就是這方面的代表,是近年來發展起來的具有廣闊套用前景的新技術。

發展趨勢

國際微電子發展的趨勢是:積體電路的特征尺寸將繼續縮小,積體電路(IC)將發展為

系統晶片(SOC)。微電子技術和其他學科相結合將產生很多新的學科生長點,與其它產業結合成為重大經濟成長點。1999年中國積體電路的總消耗量折合人民幣為436億元,其中國產晶片的總量為83.8億元人民幣,佔世界晶片產量的0.6%。雖然中國微電子產業的發展有了很大進步,但與發達國家相比還很落後,生產技術整體上還有2代左右的差距。國內積體電路需求的自給率很低,特別是技術含量高的產品,基本上依靠進口。 隨著積體電路技術的發展,使整機、電路與元件、器件之間的明確界限被突跛,器件問題、電路問題和整機系統問題已經結合在一起,體現在一小塊矽片上,這就形成了固體物理、器件工藝與電子學三者交叉的新技術學科一微電子學。隨著積體電路技術的廣泛滲透和延拓,它將是一個更為廣泛的邊緣性學科。

微電子微電子

一言以蔽之:微電子技術是信息社會的基石。實現信息化的網路及其關鍵部件不管是各種電腦還是通訊電子裝備,它們的基礎都是集成電胳。

1946年2月年美國莫爾學院研製成功第一台電子數值積分器和電腦的時代,那是一個由18000個電子管組成,佔地150平方米,重30噸的龐然大物。

構想一下,這樣的電腦能夠進入辦公室、車間和家庭嗎?以至于當時有的科學家認為全世界隻要4台這樣的電腦就夠了,可是現在全世界電腦包括微機在內就有上億台。這隻有在1948年貝爾實驗室的科學家們發明了電晶體(微電子技術發展中第一個裏程碑),特別是1958年矽平面工藝的發展和積體電路的發明(這可以認為是第二個理程碑),之後才可能出現今天這樣的以積體電路技術為基礎的電子信息技術和產業。

正如最近美國工程技術界評出20世紀世界最偉大20項工程技術成就中第5項電子技術時談到,"從真空管到半導體、積體電路已成為當代各行各業智慧型工作的基石。"這是由其本質所決定的:社會信息化的程度取決于對信息的掌握、處理能力和套用程度,而積體電路正是集信息處理、存儲、傳輸于一個小小的晶片中。當前微電子技術發展已進入系統集成晶片(SOC-System On Chip)的時代.可將整個系統或子系統集成在一個矽晶片上。進一步發展,可以將各種物理的、化學的和生物的敏感器(執行信息獲取功能)和執行器與信息處理系統集成在一起,從而完成從信息獲取、處理、存儲、傳輸到執行的系統功能,這是一個更廣義上的系統集成晶片。可以認為這是微電子技術又一次革命性變革。它已如同細胞組成人體一樣,成為現代工農業、國防裝備和家庭耐用消費品的細胞。

現在積體電路產業產值年成長率≥15%,在技術上,集成度以年成長率46%的速率持續發展,世界上還沒有一個產業能以這樣的速度持續發展。

1990年日本以積體電路為基礎的電子工業產值超過號稱為第一產業的汽車工業而成為第-一大產業。2000年以積體電路為基礎的電子信息產業成為世界第一大產業。積體電路的原料是地球上除氧以外含量最豐富的元素-矽,這樣一塊黑褐色小片,肉眼看上去.沒有任何令人滿意的地方,但經過人們的創新設計和一系列創新的工藝技術加工製造,成為積體電路晶片.將人類的智慧與創造固化在矽晶片上,因而是知識創新的載體,價值千金。這是典型的"點石成金"。改變著社會的生產方式和人們的生活方式,不僅成為現代產業和科學技術的基礎,而且正在創造著代表信息時代的矽文化(siliconculture)。因此有科學家認為人類繼石器、青銅器、鐵器時代之後正進入矽石時代。

積體電路產業對國民經濟的戰略作用首先表現在當代食物鏈關系上,現代經濟發展的資料表明,GDP每成長100元,需要10元左右電子工業產值和1元-3元積體電路產值的支持。據美國半導體協會(SIA)預測,到2012年,積體電路全行業銷售額將達到1萬億美元,它將支恃6萬億到8萬億美元的電子裝備、30萬億美元的電子信息服務業和約50萬億美元GDP。

21世紀經濟是信息經濟,目前發達國家信息產業產值已佔國民經濟總產值的40%-60%,國民經濟總產值成長部分的65%與積體電路有關。因此,抓住了積體電路產業發展,就能促進國民經濟的高速發展。

微電子微電子

上世紀90年代以來,美國經濟持續高速發展,主要得益于IT產業的發展,而它的基礎是微電子技術。

實際上,不僅電腦更新換代,即使是家電的更新換代都基于微電子技術的進步。電子裝備,包拆機械裝置,其靈巧程度直接關系到它的高附加值和市場競爭力,都依賴于積體電路晶片的"智慧"程度和使用程度。

在信息社會時代,產品以其信息含量的多少和處理信息能力的強弱,決定著其附加值的高低,從而決定它在國際市場分工中的地位。如果我們不發展積體電路產業,將使我們的IT行業隻能停留在裝配業水準上,掙的是"辛苦錢",在國際分工中我們將隻能處于低附加值的低端上。微電子產業的發展規模和科學技術水準已成為衡量一個國際綜合實力的重要標志。

幾乎所有的傳統產業隻要與微電子技術結合,用積體電路晶片進行智慧型改造,就會使傳統產業重新煥發青春。例如微機控製的數控機床已不再是傳統的機床;又如汽車的電子化導致汽車工業的革命,目前先進的現代化汽車,其電子裝備已佔其總成本的70%。進入信息化社會,積體電路成為武器的一個組成單元,于是電子戰、智慧型武器應運而生。雷達的精確定位和導航,戰略飛彈的減重增程,戰術飛彈的精確製導,巡航飛彈的圖形識別與匹配.以及各類衛星的有效載荷和壽命的提高等等,其核心技術都是微電子技術。

目前,積體電路在整機中的套用,以電腦最大,通訊次之,第三位則是消費類電子。積體電路枝術是一種使其他所有工業黯然失色,又使其他工業得以繁榮發展的技術,其設計規格從1959年以來40多年間縮小為原來的140分之一,而電晶體的平均價格降低為原來的百萬分之一。如果小汽車也按照此速度進步的活,那麽現在小汽車的價格隻需1美分。難怪日本人認為控製了超大規模積體電路技術,就控製了世界產業。"

中國現狀

中國的積體電路產業起步于1965年,經過30多年的發展,現已初步形成了包括設計、製造、封裝業共同發展的產業結構。晶片生產技術已達到8英寸、0.25微米-0.18微米水準。但整體來講,我國積體電路產業比較弱小,1999年銷售額僅佔國際市場份額的0.7%,隻能滿足國內市場需求的16%。要提高我國微電子技術的整體水準,我們還需要長期的艱苦努力。

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我國高校微電子專業目前所開專業課程包括:半導體物理與器件、積體電路原理與設計、近代物理實驗、固體物理導論、微機電系統技術基礎、薄膜材料與薄膜技術等。

目前中國微電子存在的主要問題有:

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1.缺乏高標準和可持續發展的長遠規劃和措施以及建立微電子產業群體的目標。

2.機製上不適應微電子產業自身發展的要求。產業投資方式單一;投資和其它政策方面的決策太慢,使發展滯後;科研和產業嚴重脫節,而且科研和開發的投資嚴重不足。

3.缺乏系統的市場戰略。國內市場被國外大公司瓜分。對于有戰略意義而且量大面廣的如中央處理器(CPU)和存儲器等關鍵晶片市場沒有給予足夠的重視和決心自主研製開發的決心。整機設計開發與晶片廠脫節,產品不能配套生產。

4.政策環境不適應現代化微電子產業的發展。我國微電子企業資金有較大一部分是貸款,加之增值稅過重,使得企業負擔很重。

5.微電子領域人才流失現象嚴重,缺乏吸引和激勵人才的有效措施。

建議:製訂加速中國微電子產業發展的目標。5年內達到:以多元投資模式建成一定規模的產業群,其中一半以上企業在技術、市場和管理上中國有主導權。組織和引進優秀人才,大力研發新一代核心生產工藝技術,積累自主的智慧產權,使中國微電子晶片生產製造工藝技術達到與國際水準隻差一代。積體電路產量到2005年由目前的佔世界產量的0.6%提高到2%左右。通過10年左右的努力,掌握集成電路設計、生產的關鍵技術,提高國內外市場佔有率和國內市場的自給率,佔世界產量從2%提高到4%,自給率達到30%左右;滿足國防工業和信息安全對積體電路的需求;形成能夠良性迴圈的科研、生產體系;產業與科學技術水準與當時的國際水準相當。

為保證上述目標的實現,建議"十五"期間實施以下9項措施:

1.成立國家微電子管理委員會:直屬中央,賦予權利和責任,實行一元化的領導,用"兩彈一星"精神,按系統工程思路有機地製定出科研、開發和生產的長期發展戰略,管理好微電子產業。

2.為實現可持續發展,以自主研究和開發0.18微米以下矽積體電路大生產技術為突破口,逐步掌握核心技術。建設3-5條8英寸以上的矽生產線,並掌握其技術、市場和管理的主導權。同時,以多元化模式5年內共建成6-10條(含上述"自主"的3-5條)大生產線,初步形成產業群。建設產業群的多元模式可採用政府先導、貸款政策的傾斜、吸引和利用外資、港澳台的資金和鼓勵引導集體和私營等非國有經濟涉足微電子行業等措施相結合。這樣5年內國家需投入股本金4.5-7.5億美元,貼息3-5億美元。

3.建設好積體電路設計業的基礎環境,給予優惠政策,吸引投資,突破重點,放活一片。建立國家級有智慧產權的設計模組(IP)庫和服務、復用機製。組織突破以CPU和存儲器為代表的積體電路設計核心技術。

4.以最快的速度建設一條砷化鎵器件和積體電路的生產線。發展射頻(RF)領域的砷化鎵積體電路目前尚不需要十分苛刻的微細加工技術,符合中國的國情,抓住時機建設一條砷化鎵民用電路生產線,可扭轉我國通訊市場單純依賴進口砷化鎵晶片的局面。該生產線投資約需4億元人民幣。

5.抓住機遇研究開發新一代關鍵的微電子專用設備。國家應組織力量以充足的投資,選準方向,加強與國際的合作,開展以瞄準可用于0.1-0.13微米光刻的193納米準分子雷射投影光刻機為重點的專用設備中的關鍵技術研究並達到實用化。同時開展電子束和X射線光刻等新一代光刻機等關鍵設備的技術攻關,為佔領未來微電子技術的製高點做好專用設備技術方面的準備。

6.建立國家級微電子研究開發中心。集中國家有限的人力和財力,建立獨立的國家級微電子研究開發中心。國家應有長遠的投資規劃,並能逐步吸引大企業入資。把國內有優勢的高校和研究所力量更好地組織起來,形成一支穩定、有效的研發力量。該中心的任務:密切與產業的結合,開發新一代微電子核心工藝技術以及市場有大量需求的高檔產品,轉移到大生產線上,並且在開發新一代微電子工藝的基礎上開發我國微電子關鍵設備。同時,針對10年以後我國微電子產業的需求,開展新一代系統晶片中新工藝、新器件和新結構電路的前瞻性、戰略性研究。該中心定位于:支持高校和研究所進行創新性研究,並將成果加以驗證、集成和中試,最終發展成為自主智慧產權的源泉,並轉移到產業界,從而實現我國微電子產業的自主和可持續發展。該中心一次性投入約需50億元人民幣,今後每年投入3~5億人民幣,中心也應當從企業和市場中得到部分經費來源。

7.實施"微電子人才培養和引進工程",以最大的力度吸引國外優秀的微電子技術和管理人才,尤其是事業有成的國外留學生;製訂出優惠政策,扭轉微電子人才大量外流的趨勢;近期內應訂出計畫,大量培養出一批微電子工藝開發、設計和系統套用人才。

8.產業的發展很大程度上靠機製創新和各種優惠政策,應製訂出符合微電子產業發展的現代企業的集資機製和能使其良性發展的優惠稅收及其它政策。

9.從系統工程觀點出發,製訂微電子市場發展戰略(包括國內市場和國際市場的佔領)。從政策、技術和組織諸方面提出並落實幾點對策:下決心佔領通用晶片市場;由國家組織專項重點工程,從整機到自主設計晶片,建立起整機業與晶片業的戰略聯盟;國家採取非關稅保護措施,努力加大國產晶片的市場空間。

加快發展我國的微電子產業已經成為刻不容緩的大事。政府除了繼續加大資金的投入外,目前至關重要的是如何轉換機製,製訂系統的市場戰略和更加優惠的政策,吸引資金和人才。調動一切積極因素,既大力發展自主的民族微電子產業,又形成良好的投資環境吸引外資投入我國的微電子產業,盡快形成產業群;同時加大對科學研究與人才培養的投入,形成植根于中國、可持續發展的微電子產業和科學研究體系,抓住機遇迎接挑戰。相信在中央的正確領導下,我國微電子將在世界微電子市場佔有一席之地,為中國在二十一世紀的世界強國地位奠定基礎。

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