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高技术时代的微电子

  1947年晶体管的发明是物理学的一次重大突破性进展。 为此三位发明人获得了诺贝尔物理奖。另一方面, 则由于晶体管是通过控制固体中的电子运动实现电信号的放大和传输功能,比当时的主流产品真空电子管性能可靠、耗电省,更为突出的是体积小得多,因此在应用上受到广泛重视。五十年代末,半寻体技术方面又取得了一次革命性突破,发明了把数个晶体管和电阻、电容做在一块半导体硅晶体上具有电路功能的集成电路,它可以使晶体管制做的更小、一块集成电路(通称芯片)中包含的晶体管数目越多、则可完成更复杂的电路功能。从此开创了称为微电子技术发展进步和广泛深入应用的新纪元,即微电子革命。展望二十一世纪微电子技术仍会非?;钤?,具有强大的生命力,所以对它的发展预测受到国际上的高度重视。这里简述并探讨微电子的贡献和它的未来发展。 一、半导体、微电子对当代科技发展的杰出贡献是多方面的,这里略举几点:

1.开创了把微观的物理量用于器件结构和性能的设计。

  物理学上的许多微观量,如能带结构中的禁带宽度、导带、价带、杂质能级、空穴载流子等等通常都是专家学者们进行学术探讨时对物质的微观世界描述而用的高深词汇,抽象且不易弄懂。芯片的设计制造使这些神秘莫测的微观物理量走出了科学的神圣殿堂,成为芯片中晶体管设计的参量。像硅材料的禁带宽度既限制了芯片的最高工作温度又规定了硅探测器的波长,器件结构中掺杂所选取的杂质其首要考虑就是它的杂质能级位置。曾有人担心微观物理量在大量生产中应用是否可靠,全世界四十多年来大量的芯片制造生产和广泛应用实践表明,这些微观物理量非常精确,应用成效显著令人满意。这实际上反过来验证了人们对物质的微观性质的探索研究所得到的结论是正确的。令人感兴趣的是人们用晶体管的性能验证物质的微观性质取得了杰出的成就,五十年代江畸先生研究晶体管中高掺杂PN结伏安特性,对一种反常现象科学的解释为是能带结构中的隧道效应,他因此项贡献而获得了诺贝尔物理学奖。

2.芯片加工制造开发的一代又一代先进的超微细加工技术和装备走在人类发展和应用超微细加工技术的最前列

  从单个晶体管发展到今天的ULSI芯片,是不断的小型化、微型化的过程,即把芯片中晶体管尺寸做的越来越小。在芯片设计加工中常用晶体管几何结构的线条宽度代表技术水平,五十年代一个晶体管中线条宽度约为1mm左右,今天一个包含88亿只晶体管的ULSI芯片中晶体管的线宽为0.13 m (万分之1.3毫米),一个晶体管的面积约为百万分之一平方毫米。超微细加工技术的内容极为丰富,概括起来可分为,超微细图形成形、微区精确掺杂、超薄层材料生长等,其中尤以超微细图形的成形、即光刻技术为技术进步更新换代的核心。光刻技术最主要的指标是,高分辨率、高灵敏度、低缺陷密度、精密地套刻对准和大尺寸硅片上的加工等。上述这些指标分别兑现已难度很大,芯片加工中更为苛刻的要求是必须所有这些指标同时能在大尺寸硅片( 直径200mm) 上达到,这就使得加工的技术控制难上难,其理由很显然,在200mm的两端各加工一线宽为0.2 m的线条,第二次再重复加工叠加其上的二线条要求与第一次的位置偏差为10%,实际上只要硅片的温度在二次加工中相差1度,则因膨胀系数引起的偏移就大於10%。再如,直径约0.1 m的一颗尘粒在硅片上所引起的缺陷就会使一块包含亿只晶体管的芯片失效。这些情况听起来使人惊奇难以置信,但确是超微细加工中必须正视的事实,因此进入深亚微米后,在超微细加工发展中,线宽每缩小0.1 m都需面对当代技术前沿的大量难题,要动员多学科的智慧和成就来指导和支持。令人高兴的是这些技术难关已被攻克,涌现了一套又一套巧夺天功的超微加工先进技术,服务于高水平的芯片制造以很高的成品率大量重复稳定生产。超微细加工技术是多学科先进智慧的结晶,其成就走在人类开发微加工的最前列,理应而且完全可能用于其它领域的技术开发。实际上这个宝贵的技术资源已成功的应用于精密光学、精密机械等方面的产品中。

二.开创了技术创新的新时代

1.科技发明创造成果转入应用的速度使人感到有立竿影之效

  过去,科学技术的发明创造转入生产并把产品推向市场上得到广泛应用,一般短则三十到五十年,长则需经历百年??萍加刖盟溆辛档缮?。在这种情况下,一项发明创造的诞生耗费了发明人大量的心血甚至毕生的精力,饱尝了发明创造过程中的辛酸苦辣,受折磨司空见惯、丢掉性命时有记载,往往亨受不到、或看不到巨大的经济和社会回报带来的荣华富贵,支持发明人的信念是独特的探索兴趣和对科学真理的追求。五十年代高技术及其产业兴起后,科技发展与经济的关系发生了本质的变化,人类社会进入了以知识为推动力新时代,科技是第一生产力。这得益于几项重要的发明,即1946年发明了电子计算机、1947年发明了晶体管、1958年发明了激光器、1959年发明了集成电路(微电子芯片)。这里着重说明晶体管和芯片的作用。

  1956年日本在北京举办的第一届工业展览会上,有晶体管收音机(俗称半导体)出售,即从重大发明诞生到产品扩散于世界各地的市场只用了八年,实际进入美国市场只用四年左右。发明创造只用几年的时间就见到了巨大的经济和社会效益,有立竿见影之功效,这就大大地激励和吸引人们为利益而搞发明创造。知识值钱,知识是高价的资源已逐步成为社会的共识和崇敬的时尚,从此知识产权受到高度重视。 2.强大的技术带动性,使微电子技术的进步充满了活力,一直处于高技术发展的核心地位。

  近几十年电子计算机的创新发展经历了集中运算、分散运算和目前正在开发的纲上运算三个重要阶段,微电子技术的进步起了关键作用。集中运算起步靠晶体管,比电子管的计算机小很多但还占据几立方米的体积,用户只能到放计算机的地方去做计算。芯片发明后,计算机的体积本可变小,因系统功能增强和水平提高体积缩不下来,只适宜集中运用。VLSI芯片发明后,可把计算机的核心部份(CPU)浓缩到一块芯片上,因此发明了体积小到可放在桌上的个人用计算机,俗称电脑,从此步入了分散运算的时期。个人电脑从286、386进步到‘686',更新换代主要依靠芯片的创新。正在开发的纲上运算仍然是以微电子开发的新一代ULSI芯片为基础。这式并非出现在计算机创新中的特有现象,通信技术、广播电视、家用电器、机械制造等等都跟随微电子的发展而推陈出新。高技术产业的发展仰仗微电子的支持,传统产业的技术改造升级也依赖先进的芯片。 三.价格竞争进入新的模式

  产品推行优质优价、一分钱一分货,特别是对那些注入了高智慧的产品应有高附加值的经济回报,这是人人皆知的通行的市场价值规律。但是微电子的发展走的是另一条路,产品水平、性能升级换代价格不是上涨反而随之下跌。例如用目前的市价,1兆位的DRAM芯片成品约0.7美元一块,其中一个晶体管价格约为十万分之四美分。技术升级后一块4兆位DRAM市价约1.6美元,芯片中晶体管数比1兆位DRAM增加了约四倍,但其中单个晶体管的价格约十万分之二美分,即下降了一倍。这里讲的不是同一产品不断降价,而是升级换后的先进产品价格降了。造成这样奇特现象的原因是多方面的,但主要是技术的特殊优势。芯片制造因技术升级将生产设备全部更新换代一次投资增加1.7倍,但芯片的集成规模扩大和产量增加带来的效益增加倍数远大于投入,所以技术提升芯片价格下降,这个时候人们很自然会关心企业的利润,实践表明新产品问世时,技术处于领先高峰期利润可高达40%,这是一般产业很难达到的,这就形成在市场上出现了技术竞争取代价格战的新模式。

  在微电子技术的带动下,受其牵制和激励的电脑、通信、家用电器等产业,几乎是一步一趋地步微电子后尘,加速开发新技术产品获取利润。用先进技术开发出新的产品获取高利润,遍及高技术产业的各个方面,是一种非常有吸引力的时代潮流。 四.指导和支持微电子技术高速发展进步的二个公式

  半导体、微电子技术以惊人的速度提高,一块小小的芯片功能奇妙,可完成各种复杂的功能,其应用涉及现代社会的各个方面无孔不入,影响和改变着人类社会的生产方式、生活方式、和思维方式。令人有兴趣的是,它们的发展到底尊循那些规律。这里举二个产生重大影响的著名公式,即摩尔定律(MOORE‘S LAW)和按此例缩小原理(SCALING DOWN THEORY)。

  1965年摩尔根据前几年一块芯片中晶体管数逐年增加的情况,用半对数座标划了一条曲线,发现存在一个规律,即每隔三年芯片中晶体管数翻二番(增加四倍),所采用的线条宽度缩小三分之一。他预测在可以见到的未来也会是这样的发展速度。三十多年来国际上微电子的发展成就,证实了这个定律是正确的。 1974年IBM的H.N.YU和DENNARD等通过器件物理研究和工艺分析,提出MOS晶体管的结构尺寸可按比例缩小的原理,即晶体管的横向线宽每三年缩小三分之一,其纵向结深也应随之按一定比例缩小,可获得设计要求的芯片。这个原理指明了芯片中晶体管密度增加的技术路线。近二十多年,不断有人探索其它的技术路线并未成功,国际上芯片的设计和大量加工制造唯有采用按比例缩小这个原理非常成功,效果令人满意,这对摩尔定律是极大地充实和支持。

  鉴于微电子产业发展在当代处于执牛耳的地位,因此摩尔定律战为预测未来世界工业动向和社会信息化进程的晴雨表,毫不跨张地说,一个企业家、经济专家、社会学家和战略家,诺不关心和研究摩尔定律,就会在强烈的国际综合国力竞争中落后。

五.微电子产业的光明未来

  在以知识创新为社会进步主要推动力的高速发展时代,像微电子这样一项高技术能保持半个世纪的旺盛不衰,仍充满活力是奇迹。因此微电子今日的辉煌能够持续多久就成为热门话题。这既要回答二个公式能用多久,还要说明新的光明前途。 从己经趋向成熟的技术分析,到2010年芯片大量生产用0.1微米工艺,一个芯片中含有100亿只以上晶体管已成定局。在此以后摩尔定律面对的问题实质上是按比例缩小原理屯能否适用。这就是人们通常提到的器件物理极限和工艺技术极限如何突破。从工艺技术方面看线宽缩小到微米以下,即毫微米尺寸仍有很大的潜力,软X射线和电子束都有应用的前景,特别是单原操作成功使毫微米技术应用信心大增。关于器件物理的限制,主要是量子力学效应的克服和利用,最近的实验研究表明,有可能在7纳米见方的面积上设计加工存储一个电子的晶体管,即1厘米见方可放下1000万亿只晶体管,如果开发成功,产品将在2050年问世。摩尔定律还可风行五十年。

摘自《纸业资讯》

 

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