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現(xiàn)代高新技術(shù)現(xiàn)代高新技術(shù)群體電子信息技術(shù)－－先導(dǎo)生物技術(shù)空間技術(shù)新能源技術(shù)－－支柱……核心微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)電子信息技術(shù)微電子技術(shù)----基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)技術(shù)----核心現(xiàn)代信息技術(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)人工智能技術(shù)……重要組成部分

第一節(jié)、微電子技術(shù)

一、概念：

1、微電子技術(shù)----是指以集成電路為代表的制造、使用微小型電子元件、器件和電路，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)功能的技術(shù)。微電子技術(shù)的核心是集成電路技術(shù)。

1947年，美國(guó)電話電報(bào)公司貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功世界上第一支晶體管，標(biāo)志著集成電路的發(fā)端。

2、集成電路----是以半導(dǎo)體晶體材料為基片，經(jīng)過(guò)專門(mén)的工藝技術(shù)，把電路的器件和連線集成在基片上的微小型化的電路系統(tǒng)。集成電路常用硅做成，所以，集成電路也叫做硅芯片或芯片。什么是半導(dǎo)體材料？

物質(zhì)存在的形式多種多樣，通常把導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差的材料，如右圖中所示的金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等，稱為絕緣體。而把導(dǎo)電、導(dǎo)熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體。可以簡(jiǎn)單的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。半導(dǎo)體材料1833年，英國(guó)巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)?？偨Y(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。12英寸直拉硅單晶（1m多長(zhǎng)）照片硅原子寬帶隙半導(dǎo)體材料

二、集成電路的性能指標(biāo)及生產(chǎn)工藝1、集成度----是指在一定尺寸的芯片上所容納的晶體管的個(gè)數(shù)。小規(guī)模集成電路----集成度不到100個(gè)晶體管。中規(guī)模集成電路----集成度在100—1000之間。大規(guī)模集成電路----集成度在1000----10萬(wàn)之間。超大規(guī)模集成電路----集成度在10萬(wàn)以上。

硅集成電路的發(fā)展遵循《摩爾定律》，所謂《摩爾定律》就是每18個(gè)月集成電路的集成度增加一倍，而它的價(jià)格也要降低一半。2、門(mén)延遲時(shí)間----反映集成電路的運(yùn)行時(shí)間。集成度和門(mén)延遲時(shí)間是衡量集成電路水平的兩個(gè)指標(biāo)。集成電路的特點(diǎn)：（1）使電子設(shè)備微型化。（2）穩(wěn)定性好、功耗低。（3）物美價(jià)廉、體積小、重量輕。3、集成電路的生產(chǎn)制造工藝半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的特殊性：高清潔度：每立方米空氣中大于0.5微米的灰塵顆粒少于3500個(gè)。高精度：光刻線條、投影誤差小于1微米。高純度：整個(gè)工藝過(guò)程皆采用高純度（99.999﹪）的化學(xué)藥品和水。集成電路的生產(chǎn)制作過(guò)程：（1）制作晶片:硅片單晶硅晶片芯片高純度厚0.5mm清洗、拋光劃分

（2）氧化、離子注入在硅片表面上通過(guò)氧化作用，在1000℃的溫度下，形成二氧化硅層，二氧化硅是化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械性能牢固的良好絕緣材料，可作掩模、絕緣層和鈍化層。氧化膜中會(huì)有少量的負(fù)電荷，注入正離子，以中和這些負(fù)電荷。（3）制作元件將設(shè)計(jì)好的電路按工藝先后制成一個(gè)個(gè)的掩模，經(jīng)過(guò)照相縮小成與芯片大小的光刻掩模版，再把掩模版上的圖形用紫外線照射的方法復(fù)制到芯片上----即光刻，在制作元件的過(guò)程中要用不同的掩模版多次光刻，光刻時(shí)的精度要求特別高，一般器件結(jié)構(gòu)的允許誤差小于0.4um,設(shè)計(jì)圖上的允許誤差小于0.1mm。

（4）制作連線先將鋁在真空中溶化、蒸發(fā)，將晶片在鋁蒸汽中鍍上一層1um厚的薄膜，再經(jīng)過(guò)光刻和腐蝕把薄膜的大部分去掉，留下連線部分。（5）封裝最后再經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)、切片、封裝、焊接芯片的接角，集成電路就制成了。

二氧化硅是化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械性能牢固的良好電絕緣材料，且硅的價(jià)格便宜，由于價(jià)廉物美，現(xiàn)在，電子元器件90％以上都是由硅材料制備的。目前，單晶硅的世界年產(chǎn)量已超過(guò)一萬(wàn)噸。

集成電路設(shè)計(jì)的目的就是制備掩模圖案。雖然這些工作目前全部由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成，但仍需大量的人力和時(shí)間。故掩模版的制作成本很高，只有反復(fù)使用，才能降低設(shè)計(jì)成本。集成電路行業(yè)是一個(gè)高成本、高產(chǎn)出、高回報(bào)的行業(yè)。直徑為15厘米的硅片價(jià)值幾美元提純單晶硅片價(jià)值30美元加工

集成電路價(jià)值240美元

最終產(chǎn)品價(jià)值可達(dá)700美元檢測(cè)、封裝集成電路標(biāo)準(zhǔn)封裝外形圖集成電路三、微電子技術(shù)的發(fā)展1904年，英國(guó)電氣工程師弗萊明研制出“熱離子閥”從而催生了世界上第一只電子管，即真空二極管。1906年，德·福雷斯特在弗萊明的基礎(chǔ)上發(fā)明了真空三極管。電子管世界上第一支晶體管1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家肖克利、布拉頓和巴丁用實(shí)驗(yàn)證明，只要兩根金屬絲在半導(dǎo)體上的接觸點(diǎn)小于0.4毫米，就可能引起放大效果。當(dāng)他們來(lái)展示他們的新發(fā)現(xiàn)時(shí)，世界上第一支晶體管誕生了。

晶體管的出現(xiàn)可以說(shuō)是集成電路出現(xiàn)的發(fā)端。肖克利、布拉頓和巴丁分享了1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

他們是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)歷史上最偉大的三位發(fā)明家，他們和眾多天才的科學(xué)家一起，開(kāi)創(chuàng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)歷史上激動(dòng)人心的“發(fā)明時(shí)代”。他們是集成電路之父，他們是硅谷的開(kāi)創(chuàng)者，他們改變了我們的世界。

如今，20世紀(jì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)史上最偉大的三位發(fā)明家已經(jīng)全部離我們遠(yuǎn)去。

，然而，他們創(chuàng)造的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)值已經(jīng)超過(guò)2100億美元，并且仍在他們開(kāi)辟的大路上高速前進(jìn)，為這個(gè)世界帶來(lái)日新月異的變化。他們的故事已經(jīng)成為傳說(shuō)，激勵(lì)著一代又一代的工程師和掘金者……。晶體管之父----肖克利20世紀(jì)最偉大科學(xué)家之一的肖克利因?yàn)榘l(fā)明了晶體管，被譽(yù)為“晶體管之父”，并因此和他的研究小組成員巴丁和布拉坦分享了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他的另一個(gè)偉大成就在于在硅谷創(chuàng)辦了肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室，為硅谷吸引了大量的人才和關(guān)注，被譽(yù)為“硅谷的摩西”。然而，由于不善經(jīng)營(yíng)管理和難以與人相處，這個(gè)科學(xué)天才的八位杰出弟子最終棄他而去，成為硅谷歷史上著名的“八叛逆”。集成電路的誕生1959年2月，美國(guó)德克薩斯儀器公司的青年研究人員基爾比成功地把晶體管、電阻和電容等20多個(gè)元件集成在不超過(guò)4平方毫米的微小平板上，基爾比向美國(guó)專利局申報(bào)專利，并命名為“集成電路”?；鶢柋缺蛔u(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”。1952年，英國(guó)科學(xué)家提出集成電路的設(shè)想：將電子設(shè)備做在一個(gè)沒(méi)有導(dǎo)線的固體塊上。固體塊有絕緣、導(dǎo)體等不同的材料層。

1957年，英國(guó)科學(xué)家在硅晶片上制成了觸發(fā)器集成電路。集成電路發(fā)明者杰克﹒基爾比集成電路(IC)發(fā)明者杰克·基爾比

憑借在發(fā)明集成電路方面所取得的成就，他于2000年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

淡看名利的基爾比，也是三位發(fā)明家中最長(zhǎng)壽的一個(gè)。

性格溫和、謙虛和寡言，始終保持技術(shù)本色和遵守科學(xué)原理的基爾比的生活則平靜得多，并且贏得了所有人的尊敬。除了集成電路，他還在其它兩項(xiàng)發(fā)明中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，一個(gè)是手持電子計(jì)算器，另一個(gè)是熱敏打印機(jī)?；鶢柋纫还渤钟?0項(xiàng)電子發(fā)明專利。世界上第一塊集成電路

諾依斯被譽(yù)為“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論的人”。

1969年，美國(guó)聯(lián)邦法院最后從法律上承認(rèn)了集成電路是一項(xiàng)“同時(shí)的發(fā)明”。1959年，以諾依斯為首的仙童半導(dǎo)體公司提出了利用半導(dǎo)體平面處理技術(shù)在硅芯片上集成大量晶體管的設(shè)想。并于同年7月，研制出世界上第一塊集成電路。平面工藝集成電路的發(fā)明人諾伊斯

肖克利的弟子、“八叛逆”之首、平面工藝集成電路的發(fā)明人諾伊斯與肖克利走的是一條完全不同的路。雖然諾伊斯最終沒(méi)有獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但熱情奔放、喜歡冒險(xiǎn)、從不認(rèn)輸、富有領(lǐng)導(dǎo)才能的諾伊斯作為主角先后創(chuàng)辦了飛兆半導(dǎo)體和英特爾兩家偉大的公司，被稱為集財(cái)富、名望和成就于一身的“硅谷市長(zhǎng)”，成為硅谷的傳奇人物。不幸的是，這個(gè)同時(shí)在科學(xué)界和企業(yè)界取得偉大成就的人，在1990年6月3日突然心臟病發(fā)作而去世，享年62歲。集成電路之父2005年6月20日，美國(guó)德州儀器(TI)退休工程師、集成電路(IC)第一位發(fā)明者杰克·基爾比的心臟停止了跳動(dòng)，享年81歲。1989年逝世的“晶體管之父”威廉·肖克利。1990年逝世的集成電路共同發(fā)明人羅伯特·諾伊斯。

三位科學(xué)家的偉大發(fā)明而帶來(lái)的億萬(wàn)顆芯片，正在世界的每一個(gè)角落一刻也不停息地跳動(dòng)著，上至太空，下至海底，已經(jīng)成為人類社會(huì)不可缺少的一部分。他們和福特、愛(ài)迪生、萊特兄弟一起，改變了我們的世界。

50年代----小規(guī)模集成電路的發(fā)展時(shí)期（100以內(nèi)）。60年代----中規(guī)模集成電路的發(fā)展時(shí)期（100—1000）。70年代----大規(guī)模集成電路的發(fā)展時(shí)期（1000以上）。80年代----超大規(guī)模集成電路的發(fā)展時(shí)期（10萬(wàn)以上）。1989年，美國(guó)英特爾公司的芯片容納了120萬(wàn)個(gè)晶體管。90年，日本利用亞微米技術(shù)，在寬1厘米、長(zhǎng)2厘米的芯片上集成了1.4億個(gè)電子元件。集成電路的高速發(fā)展當(dāng)前芯片技術(shù)的最高水平

目前，世界上最高水平的單片集成電路芯片上所容納的元器件數(shù)量已經(jīng)達(dá)到80多億個(gè)。目前，集成電路的超細(xì)微加工國(guó)際水平已經(jīng)達(dá)到130～90納米，實(shí)驗(yàn)室中70納米的技術(shù)已經(jīng)通過(guò)考核；我國(guó)05年在北京建成投產(chǎn)的“中芯國(guó)際”，已進(jìn)入130納米。我國(guó)微電子集成電路的生產(chǎn)水平同國(guó)際上的差距已經(jīng)縮短到1～2代。

預(yù)計(jì)2022年，集成電路的線寬將達(dá)到10納米，這是硅集成電路的“物理極限”。隨著納米加工技術(shù)的發(fā)展，這一極限將進(jìn)一步縮小，但總有一天，硅電子技術(shù)會(huì)走到盡頭。CPU發(fā)展圖鑒4004AthlonXPDuronAthlon800Intel英特爾1971年，世界上第一款微處理器----4004誕生。我國(guó)集成電路的發(fā)展廣州集成電路設(shè)計(jì)中心蘇州中科集成電路設(shè)計(jì)中心國(guó)家集成電路設(shè)計(jì)深圳產(chǎn)業(yè)化基地國(guó)家集成電路設(shè)計(jì)杭州產(chǎn)業(yè)化基地我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)高速發(fā)展由于中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)全行業(yè)持續(xù)高速發(fā)展和全球電子信息產(chǎn)品制造業(yè)向中國(guó)等地的轉(zhuǎn)移以及中國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)信息化改造升級(jí)的深入，都為中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)開(kāi)辟了廣闊的市場(chǎng)空間，提供了強(qiáng)有力的需求拉動(dòng)。中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)的設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)規(guī)模開(kāi)始大幅提升，自主知識(shí)產(chǎn)品的技術(shù)含金量也呈攀升趨勢(shì)。尤為重要的是，中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)在2003年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)飛躍性成長(zhǎng)。2004～2008年中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)將繼續(xù)高速成長(zhǎng)。預(yù)計(jì)，2004年中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)市場(chǎng)銷售額將達(dá)到75.6億元，2008年這一數(shù)字將高達(dá)288.0億元。2004～2008年中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)如圖所示。四、微電子技術(shù)的搖籃——硅谷

在美國(guó)加利福尼亞州有一個(gè)狹長(zhǎng)的山谷，這里空氣清新、氣候宜人、果園蔥蔥，是聞名的“心悅之谷”，此地就是享譽(yù)世界的微電子技術(shù)的發(fā)源地——硅谷。硅谷具有一種神奇的魅力，它產(chǎn)生了眾多影響世界的發(fā)明家和技術(shù)成果；它知識(shí)和人才的密集程度之高在美國(guó)首屈一指；它具有良好的外部環(huán)境；它完善的投資環(huán)境和風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)制成為思想和技術(shù)冒險(xiǎn)者的天堂。五、微電子技術(shù)的地位和作用

微電子技術(shù)是高科技中的關(guān)鍵技術(shù)，也是衡量科學(xué)技術(shù)水平的的重要標(biāo)志。1、引進(jìn)微電子技術(shù)是企業(yè)改造的關(guān)鍵。2、微電子技術(shù)+其它技術(shù)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)。3、微電子技術(shù)在國(guó)防建設(shè)中的重大作用。4、微電子技術(shù)對(duì)人類生活的影響。六、微電子技術(shù)的發(fā)展前景集成電路不斷追求高集成度、高速度、低功耗和更強(qiáng)的性能。1、量子功能元件超細(xì)微加工的尺寸進(jìn)入納米尺寸（1—100nm），即進(jìn)入量子功能器件階段。2、三維集成電路----向空間發(fā)展，形成立體結(jié)構(gòu)。3、砷化鎵微電子技術(shù)----以砷化鎵取代硅。4、光電子技術(shù)----以光為信息載體，與硅片上的集成電路結(jié)合，形成光電集成。是集成電路追求高速度的產(chǎn)物。5、超導(dǎo)電子技術(shù)----是集成電路追求低功耗、高速度的產(chǎn)物。

中科院院士談

中國(guó)集成電路發(fā)展的現(xiàn)狀中國(guó)目前集成電路的狀況

自從國(guó)家“909工程