微电子技术及其应用

微电子技术及其应用微电子技术及其应用 041050107 陈立陈立 一 微电子技术简介一 微电子技术简介 如今 世界已经进入信息时代 飞速发展的信息产业是这个时代的特征 而微电子技 术制造的芯片则是大量信息的载体 它不仅可以储存信息 还能处理和加工信息 因此 微电子技术在如今已是不可或缺的生活和生产要素 微电子学是研究在固体 主要是半导体 材料上构成的微小型化电路 电路及系统的 电子学分支 作为电子学的分支学科 它主要研究电子或粒子在固体材料中的运动规律及其应用 并利用它实现信号处理功能的科学 以实现电路的系统和集成为目的 实用性强 微电子 学又是信息领域的重要基础学科 在这一领域上 微电子学是研究并实现信息获取 传输 存储 处理和输出的科学 是研究信息获取的科学 构成了信息科学的基石 其发展水平 直接影响着整个信息技术的发展 微电子科学技术的发展水平和产业规模是一个国家经济 实力的重要标志 微电子学是一门综合性很强的边缘学科 其中包括了半导体器件物理 集成电路工艺 和集成电路及系统的设计 测试等多方面的内容 涉及了固体物理学 量子力学 热力学 与统计物理学 材料科学 电子线路 信号处理 计算机辅助设计 测试和加工 图论 化学等多个领域 微电子学是一门发展极为迅速的学科 高集成度 低功耗 高性能 高可靠性是微电 子学发展的方向 信息技术发展的方向是多媒体 智能化 网络化和个体化 要求系统获 取和存储海量的多媒体信息 以极高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用 信息显示出来或用于控制 所有这些都只能依赖于微电子技术的支撑才能成为现实 超高 容量 超小型 超高速 超高频 超低功耗是信息技术无止境追求的目标 是微电子技术 迅速发展的动力 微电子学渗透性强 其他学科结合产生出了一系列新的交叉学科 微机电系统 生物 芯片就是这方面的代表 是近年来发展起来的具有广阔应用前景的新技术 二 微电子技术核心二 微电子技术核心 集成电路技术集成电路技术 集成电路 integrated circuit 是一种微型电子器件或部件 采用一定的工艺 把一个 电路中所需的晶体管 二极管 电阻 电容和电感等元件及布线互连一起 制作在一小块 或几小块半导体晶片或介质基片上 然后封装在一个管壳内 成为具有所需电路功能的微 型结构 其中所有元件在结构上已组成一个整体 这样 整个电路的体积大大缩小 且引 出线和焊接点的数目也大为减少 从而使电子元件向着微小型化 低功耗和高可靠性方面 迈进了一大步 它在电路中用字母 IC 集成电路的分类 1 按功能结构分类 集成电路按其功能 结构的不同 可以分为模拟集成电路 数字集成电路和数 模混合 集成电路 模拟集成电路又称线性电路 用来产生 放大和处理各种模拟信号 指幅度随时间变化 的信号 例如半导体收音机的音频信号 录放机的磁带信号等 其输入信号和输出信号成 比例关系 而数字集成电路用来产生 放大和处理各种数字信号 指在时间上和幅度上离 散取值的信号 例如 3G 手机 数码相机 电脑 CPU 数字电视的逻辑控制和重放的音频 信号和视频信号 2 按制作工艺分类 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路 3 按集成度高低分类 集成电路按集成度高低的不同可分为 SSI 小规模集成电路 Small Scale Integrated circuits MSI 中规模集成电路 Medium Scale Integrated circuits LSI 大规模集成电路 Large Scale Integrated circuits VLSI 超大规模集成电路 Very Large Scale Integrated circuits ULSI 特大规模集成电路 Ultra Large Scale Integrated circuits GSI 巨大规模集成电路 Giga Scale Integration 4 按用途分类 集成电路按用途可分为电视机用集成电路 音响用集成电路 影碟机用集成电路 录 像机用集成电路 电脑 微机 用集成电路 电子琴用集成电路 通信用集成电路 照相 机用集成电路 遥控集成电路 语言集成电路 报警器用集成电路及各种专用集成电路 1 电视机用集成电路包括行 场扫描集成电路 中放集成电路 伴音集成电路 彩色 解码集成电路 AV TV 转换集成电路 开关电源集成电路 遥控集成电路 丽音解码集成 电路 画中画处理集成电路 微处理器 CPU 集成电路 存储器集成电路等 2 音响用集成电路包括 AM FM 高中频电路 立体声解码电路 音频前置放大电路 音 频运算放大集成电路 音频功率放大集成电路 环绕声处理集成电路 电平驱动集成电路 电子音量控制集成电路 延时混响集成电路 电子开关集成电路等 3 影碟机用集成电路有系统控制集成电路 视频编码集成电路 MPEG 解码集成电路 音频信号处理集成电路 音响效果集成电路 RF 信号处理集成电路 数字信号处理集成电 路 伺服集成电路 电动机驱动集成电路等 4 录像机用集成电路有系统控制集成电路 伺服集成电路 驱动集成电路 音频处理 集成电路 视频处理集成电路 发明者 杰克 基尔比 Jack Kilby 1923 年 11 月 8 日 2005 年 6 月 20 日 在我们这个世界上 如果说有一项发明改变的不是某一领域 而是整个世界和革新了整个工业体系 那就是杰 克发明的 集成电路 IC 1958 年 9 月 12 日 这是一个伟大时刻的开始 美国德州仪器公司工程师 杰克 基尔 比 发明了世界上第一个 集成电路 IC 这个装置揭开了人类二十世纪电子革命的序幕 同时宣告了数字信息时代的来临 2000 年他获得了诺贝尔物理学奖 这是一个迟来了四十二年的诺贝尔物理学奖 这份 殊荣 因为得奖时间相隔越久 也就越突显他的成就 迄今为止 人类的电脑 手机 互联 网 电视 照相机 DVD 及所有电子产品内的核心部件 集成电路 都源于他的发明 1947 年 正好是贝尔实验室宣布发明了晶体管的一年 应用晶体管组装的电子设备还 是太笨重了 显然这时个人拥有一台计算机 仍然是一个遥不可及的梦想 科技总是在一 个个梦想的驱动下前进 1952 年 英国雷达研究所的 G W A 达默首先提出了集成电 路的构想 把电子线路所需要的晶体三极管 晶体二极管和其它元件全部制作在一块半导 体晶片上 虽然从对杰克 基尔比的自述中我们看不出这一构想对他是否有影响 但我们 也能感受到 微电子技术的概念即将从工程师们的思维里喷薄而出 当时在德州仪器专注 电路小型化研究的基尔比 利用多数同事放假 无人打扰的两周思考难题 就在贝尔实验 室庆祝发明电晶体十周年后一个月 基尔比灵光涌现 在办公室写下五页关键性的实验日 志 基尔比的新概念 是利用单独一片矽做出完整的电路 如此可把电路缩到极小 当时 同业都怀疑这想法是否可行 我为不少技术论坛带来娱乐效果 基尔比在他所着 集成 电路 IC 的诞生 一文中形容 1958 年 世界上第一个集成电路 IC 微芯片 在他的努力下 诞生了 三 微电子技术的应用与发展三 微电子技术的应用与发展 微电子技术对现代人类生活的影响极大 自从 1947 年第一个晶体管问世以来 微电子 技术发展速猛 Intel 公司的创始人之一 Moore 在上个世纪 1965 年研究指出 集成电路上 集成的晶体管数量每 18 个月将增加一倍 性能将提高一倍 而价格却不相应的增加 这就 是所谓的摩尔定律 Moore s Law 根据美国半导体工业协会预测 至少到 2016 年 集成 电路 IC 线宽依然按 摩尔定律 缩小下去 2016 年可以达到 25nm 的技术水平 根据 发表的大量资料可知 在 2016 年以后的十几年 芯片的特征尺寸将继续缩小 微电子技术 新的发展及应用方向是系统芯片 SOC 它的发展时间可能会更长 所谓的系统芯片是随 着微电子工艺向纳米级迁移和设计复杂度增加 一种新的产品把系统做在了芯片上 该芯 片被称为系统芯片 系统芯片将逐渐取代微处理器 SOC 必将成为今后微电子技术发展新 宠之一 另外 微电子技术还会与其它技术相融合 诞生一系列新的经济和技术增长点 例如 MEMS 技术和生物芯片等 一 微电子的集成技术 微电子器件的特征尺寸缩小将持继下去 目前 建立在以 Si 基材料为基础 CMOS 器 件为主流的半导体集成电路技术 其主流产品的特征尺寸已缩小到 0 18 0 1m 硅基技术 的高度成熟 硅基 CMOS 芯片应用的日益扩大 硅平面的加工工艺技术作为高新技术基础 的高新加工技术也将持继下去 据国际权威机构预测 到 2012 年 微电子芯片加工技术将 达到 400mm 硅片 50nm 特征尺寸 到 2016 年 器件的最小特征尺寸应在 13nm 然而 硅基 CMOS 的发展和任何事物一样 都有其产生 发展 成熟 衰亡的过程 不可能按摩 尔定律揭示的规律长期的发展下去 随着特征尺寸的缩小 将达到器件结构的诸多物理限 制 当代各种集成电路发展状况 越来越接近物理限制 采用新材料的非经典 CMOS 必将发展起来 高 K 材料和新型的栅电极 采用非经典的 FET 器件结构 采用新工艺技术等 在非经典 CMOS 迫切需要解决的问题中 功耗是一个 最严峻的问题 能否圆满解决这一问题 将是制约发展非经典 CMOS 发展的一个重要因素 二 正在成长的系统芯片 SOC 由芯片发展到系统芯片 SOC 是改善芯片集成技术的新举措 微电子器件的特征尺 寸难于按摩尔定律无限的缩小下去 在芯片上增加集成器件是集成技术发展的另一方向 与当年从分立晶体管到集成芯片一样 系统芯片将是微电子技术领域中又一场新的革命 上个世纪 90 年代以来 集成芯片系统讯速发展起来 它基于硅基 CMOS 工艺 但又不 局限于 CMOS 和硅平面加工工艺 它是以硅基 CMOS 为基础技术 将整个电子系统和子系 统整个集成在一个芯片上或几个芯片上 它是集软件和硬件于一身的产物 SOC 的设计是 通过嵌入模拟电路 数字电路等 IP 的结合体 可以具有更大的灵活性 一个典型的 SOC 可 能包含应用处理器模块 数字信号处理器模块 存储器单元模块 控制器模块 外设接口 模块等等多种模块 微电子技术从 IC 向 SOC 转变不仅是一种概念上的突破 同时也是信 息技术发展的必然结果 集成系统的发展是以应用为驱动的 随着社会信息化的进程 它 将越来越重要 21 世纪仅仅是 SOC 发展的开始 它将进入空间 进入人体 进入家庭 它 将进入需要所有需要掌握信息处理的信息空间和时间 有的科学家就把集成芯片系统 SOC 称为 USOC User SOC 三 MEMS 技术是微电子技术新的增长点 微机电系统制造 Micro Electro Mechanical systems MEMS 是微电子发展的另一方向 它的目标是把信息获取 处理和执行一体化地集成在一起 使其成为真正的系统 也可以 说是更广泛的 SOC 概念 MEMS 不仅为传统的机械尺寸领域打开了新的大门 也真正实现 了机电一体化 因此 它被认为是微电子技术的又一次革命 对 21 世纪的科学技术 生产 方式 人类生活都有深远影响 微机电系统 MEMS 技术是建立在微米 纳米技术 micro nanotechnology 基础上的 21 世纪前沿技术 是指对微米 纳米材料进行设计 加工 制造 测量和控制的技术 它可将 机械构件 光学系统 驱动部件 电控系统集成为一个整体单元的微型系统 这种微机电 系统不仅能够采集 处理与发送信息或指令 还能够按照所获取的信息自主地或根据外部 的指令进行操作 它用微电子技术和微加工技术 包括硅体微加工 硅表面微加工 LIGA 和 晶片键合等技术 相结合的制造工艺 制造出各种性能优异 价格低廉 微型化的传感器 执行器 驱动器和微系统 微机电系统 MEMS 是近年来发展起来的一种新型多学科交 叉的技术 该技术将对未来人类生活产生极大性影响 它涉及机械 电子 化学 物理 光学 生物 材料等多学科 微机电系统 MEMS 的研究已取得很多成果 在微传感器方面 利用物质的各种特性研制出了各种微型传感器 在微执生器方面有微型马达 微阀 微泵 及各种专用微型机械已组成微化学系统和 DNA 反应室 此外 还有其它很多方面的应用 微机电系统 MEMS 的制造 是从专用集成电路 ASIC 技术发展过来的 如同 ASIC 技术那样 可以用微电子工艺技术的方法批量制造 但比 ASIC 制造更加复杂 这是由 于微机电系统 MEMS 的制造采用了诸如生物或者化学活化剂之类的特殊材料 是一种 高水平的微米 纳米技术 微米制造技术包括对微米材料的加工和制造 纳米制造技术和工 艺 除了包括微米制造的一些技术 如离子束光刻等 与工艺外 还包括利用材料的本质 特性而对材料进行分子和原子量级