微电子技术发展及未来趋势展望

　　1微电子技术概述

　　从本质上来看，微电子技术的核心在于集成电路，它是在各类半导体器件不断发展过程中所形成的。在信息化时代下，微电子技术对人类生产、生活都带来了极大的影响。与传统电子技术相比，微电子技术具备一定特征，具体表现为以下几个方面[1]：（1）微电子技术主要是通过在固体内的微观电子运动来实现信息处理或信息加工。（2）微电子信号传递能够在极小的尺度下进行。（3）微电子技术可将某个子系统或电子功能部件集成于芯片当中，具有较高的集成性，也具有较为全面的功能性。（4）微電子技术可在晶格级微区进行工作。

　　2微电子技术发展历程概述

　　微电子技术诞生于20世纪40年代末。1947年，巴丁、布莱顿与肖克莱发明了晶体管，这使得电子技术有了极大的突破，也为微电子技术的后续发展奠定了基础。至20世纪50年代末，集成电路的出现推动了电子技术革命，这也意味着微电子技术变得愈来愈成熟，并进入了快速发展期。同时，计算机技术应用范围的不断拓展，也进一步促进了微电子技术的发展。至20世纪70年代，伴随着微型计算机的出现，让微电子技术发展达到了空前的高度，也奠定了微电子技术在高新技术当中的核心地位[2]。如今，微电子技术已走入人们的生活当中，计算机、手机、家用电器的制造、生产都离不开微电子技术的支持。同时，微电子技术也成为了国防工业、印刷工业、汽车工业等工业生产当中不可或缺的核心技术。甚至可以说微电子技术无处不在，它已经与整个社会形成了一种相互依存的关系。相对于发达国家而言，我国微电子技术起步较晚。但近年来，我国的微电子技术取得了很大进展，特别是在纳米集成技术方面有所突破，并且集成规模也变得愈来愈大。其中华为公司在移动芯片方面已经处于国际领先地位，旗下的海思芯片已经能够与高通、三星等芯片一较长短。如今我国已经成为全球最大的消费类电子市场，在市场刺激下，我国微电子技术整体水平还将进一步提升。

　　3微电子技术发展趋势分析

　　3.1硅基CMOS电路

　　在硅基技术不断进步、不断成熟的情况下，硅基CMOS的应用深度也在不断提升。从硅基CMOS电路发展趋势来看，硅晶圆片的尺寸正在不断扩大，然而特征尺寸（光刻加工线条）却变得愈来愈小。早期的硅片尺寸为2英寸居多，经过3、4、6英寸的过渡发展，如今已经达到8英寸水平[3]。近年来，集成电路制造工艺技术的进一步突破，使得硅片尺寸已经达到12英寸以上，直径超过300mm。硅片尺寸的扩大，意味着整体生产成本能够进一步降低。英特尔公司在集成电路芯片制造方面一直处于行业领先地位，从2011年开始英特尔便具备了成熟的32nm制造工艺。近年来，由32nm工艺到22nm工艺，再到如今主流的14nm工艺，体现了集成电路制造技术的快速发展。未来两年内，器件的主流特征尺寸将朝着10nm、7nm方向发展。当然，在硅基CMOS电路特征尺寸不断缩小的情况下，器件结构的物理性质会变得愈来愈大，不可能完全按照摩尔定律一直发展下去，甚至可以说硅基CMOS电路已经遇到了一定的发展瓶颈。要让其突破发展瓶颈，必然需要新材料的支持。高K材料、新型栅电极及新制造工艺将是促使其进一步发展的关键。

　　3.2生物芯片

　　生物芯片是微电子技术未来重要的发展方向之一。生物芯片是一种微阵列杂交型芯片，其中微阵列主要由各类生物信息分子所够成，包括DNA、RNA、多肽等。它是典型的生物技术与微电子技术的融合性产物。在阵列当中，各分子序列是预先所设定的序列点阵，并且序列与位置都是已知的[4]。以生物分子特异性作用为基础，可将生化分析过程集成于芯片表面，这样便能够实现生物成分如DNA、RNA、糖分子、蛋白质、多肽等的高通量快速检测。在生物芯片技术水平不断提升的过程中，其应用范围也在逐渐扩大。例如，Santford与Affymetrize公司所生产的DNA芯片上含有超过600种的基因片段。在芯片制造过程中，先在玻璃片上蚀刻出微小沟槽，在将DNA纤维覆于沟槽上，以不同DNA纤维图形来体现基本片段的差异性。利用电场等手段可让某些特殊物质将部分基因的特征表现出来，从而实现基因检测。又如，三位美国科学家被授予了一项关于量子级神经动态计算芯片的专利。此类芯片功能性较强，可进行高速非标准运算，这给量子计算领域的发展带来了巨大的推动力。该芯片是物理过程与生物过程的结合产物。以仿生系统为基础，在接口界面通过突触神经元连接，可实现反馈性学习，无论是运算速度，还是运算能力均具有较高水准。一旦该技术成熟后，可在民用及军事领域大范围应用。

　　3.3集成系统

　　集成系统是微电子技术发展的重点方向。以往微电子芯片都是以集成电路芯片为基础，然而，电子信息类型及数量的不断增多对集成电路芯片提出了新的要求，要求其具备更低的功耗、更快的速度，并且能够快速处理不同类型的复杂智能问题。在此需求下，SOC（系统级芯片）概念愈来愈受到关注。SOC具有极强的集成性功能，不但能够将信息处理系统、执行器集于一体，还能集成生物、化学、物理敏感器[5]。目前，SOC已经成为了移动终端中最为主流的芯片解决方案。部分手机的SOC性能已经达到了很高的水平，甚至接近于桌面级CPU。以苹果的A10芯片为例，A10晶体管的数量已经超过30亿，其整体性能较上一代A9芯片提升了约40%，所集成的GPU性能较A9也有50%的提升，但整体能耗却下降了30%。同时，SOC当中还集成了数字信号处理器模块、控制器模块、存储器单元模块等多个模块，可以胜任各种任务。未来随着相关技术的不断成熟，SOC还将具备更大的发展空间，并成为社会生产当中不可或缺的一部分。

　　3.4微电子制造工艺

　　穆尔定则指出，集成电路的集成度每3年左右就会成倍增长，而特征线宽则会下降30%。特征线条愈窄，也就意味着集成电路的工作速度愈快，并且单元功能消耗功率也会一定幅度下降。集成电路集成度的不断增大对相关制造技术（光刻技术、蚀刻技术、扩散氧化技术）也提出了新的要求。（1）光刻技术。利用波长为436nm光线，即可获取亚微米尺寸图形，从而得到集成度为1M位与4M位的DRAM。然而i射线曝光设备的出现进一步提升了光刻技术整体水平。利用i射线曝光可获得半微米尺寸及深亚微米尺寸图形，得到16M位与64M位的DRAM。目前主流的光刻技术为248nmDUV技术及193nmDUV技术，未来纳米压印光刻技术及极紫外光刻技术均存在较大潜力，极有可能成为下一代的主流光刻技术。（2）蚀刻技术。在高密度集成电路制造过程中，由于特征尺寸的不断缩小，对蚀刻工艺的要求也在不断提升。随着相关工艺的不断成熟，采取CER等离子源及ICP高密度等离子源，并将其与静电卡盘技术相结合，可进一步提升蚀刻效果。（3）扩散氧化技术。以往的气体扩散法需要在高温条件下长时间扩散，才能获得扩散层。新一代的离子注入技術进一步提升了扩散氧化效果。采取离子注入技术，可在任意位置置入杂质，再经过低温处理，便能得到扩散层。

　　3.5立体微电子封装

　　在电子产品集成度不断提升的情况下，微电子封装已经成为主流封装技术。相对于传统封装技术而言，微电子封装技术具有高性能、高密度的特征，具有更好的适用性及更高效率。从发展趋势来看，未来微电子封装技术将朝着少封装、无封装的方向发展，平面型封装会逐渐转向立体封装。立体封装是基于传统微电子封装技术发展而来[6]。立体封装可将两个及以上的芯片在单个封装中进行堆叠，即实现正方向上的多芯片堆叠。换句话说，立体封装是一种典型的堆叠封装技术。通过立体封装能够大幅度提升组装密度，提升幅度可达200%至300%。目前立体封装主要包括三种形式，即有源基板立体封装、叠层立体封装及埋置型立体封装。上述三种封装方式各具特点，适用于不同类型的芯片。

　　4结语

　　在微电子技术不断发展的过程中，它的影响力变得愈来愈大，并逐渐成为了衡量国家科学技术实力的重要标志，也体现了国家的综合实力。未来，微电子技术还将具备更大的发展空间，它将成为引导人类社会发展、推动技术革命的重要因素。

　　参考文献

　　[1]肖李李.微电子技术的应用和发展分析[J].电子制作，2016（16）：98.

　　[2]李彦林.微电子技术的发展与应用研究[J].电子制作，2015（20）：36.

　　[3]金撼尘.微电子技术发展的新领域[J].电子世界，2014（09）：5-6.

　　[4]邓海刚，席宏扬，尤晓亮.浅谈微电子技术的应用和发展[J].电子制作，2013（17）：93.

　　[5]程晓芳.微电子技术的现状及其发展趋势[J].山西电子技术，2012（04）：93-94.

　　[6]关晓丹，梁万雷.微电子封装技术及发展趋势综述[J].北华航天工业学院学报，2013（01）：34-37.

　　来源：中国科技纵横 2017年3期

　　作者：吴至斌