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1、微电子材料概述摘要 微电子材料的应用与影响在我们的日常生活中随处可见。近年来微电子材料更是几乎已成为所有电子产品的心脏。在本文里，将简要地叙述微电子材料的发展历史和现状、实际应用、发展趋势和展望，增进对微电子材料的了解。关键词 晶体管 集成电路 微电子工业 微电子材料 硅晶综观人类社会发展的文明史，一切生产方式和生活方式的重大变革都是由于新的科学发现和新技术的产生而引发的，科学技术作为革命的力量，推动着人类社会向前发展。从50多年前晶体管的发明到目前微电子技术成为整个信息社会的基础和核心的发展历史充分证明了“科学技术是第一生产力”。目前科技的飞速进展与集成电路（是将各种电路器件集成于半导体表面
2、而形成的电路）的发展应用有着密不可分的关系。十九世纪工业革命主要以机器节省人力，二十世纪的工业革命则以电脑为人脑分劳。而电脑的发展归于集成电路工业微小化的趋势，使电子产品得以“轻、薄、短、小”，故集成电路又称微电子工业。1、 微电子工业的发展历史和现状 19 世纪末 20 世纪初的物理学革命，为微电子技术的产生奠定了理论基础。 半导体三个重要物理效应光电导效应、光生伏特效应、整流效应的发现，量 子力学的建立和材料物理的发展，都起到了理论推动作用。1946 年 1 月，Bell 实验室正式成立了半导体研究小组，成员为肖克莱、理 论物理学家巴丁、实验物理学家布拉顿。在系统的研究过程中，巴丁提出了表
3、面 态理论，肖克莱给出了实现放大器的场效应基本设想，巴丁设计进行了无数次实 验，于 1947 年 12月观察到了该晶体管结构的放大特效，标志着世界上第一个点接触型晶体管的诞生。差不多在同时数字计算器的发展提供了集成电路的庞大潜在市场。新器件的出现与应用的配合，造就了晶体管与计算机工业的爆炸性成长。同时因为计算机、太空卫星、飞弹电子系统“轻、薄、短、小”的需求刺激了集成电路的发展。 到了1952 年，肖克莱又与斯帕克斯、迪尔一起发明了单晶锗NPN结型晶体管。1952 年 5 月，英国科学家达默第一次提出了集成电路的构想。1958 年，以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比为首的研究小组研制出世界上第一
4、块集成电路。自此以后，集成电路技术更一日千里。演变至今，各电路器件基本尺寸不断缩小（至深次微米大小），工作速度加快（每秒可执行百亿个指令），耐用性增加，而价格大为减低。估计过去三十年中，电子器件基组使用量每年增加一倍，亦即每年增加数量为该年以前所有生产及使用期间数量总和。同期间，每执行一个工作指令的器件单元价格，却以每年百分之二十到三十的幅度降低。这种价格与功能的关系，是工业革命以来所有工业产品从未出现的异常现象。尤其近年来个人电脑的发展，不仅使微电子产品自工厂进入办公室及家庭，而且更促成其他各种工业革命性改变。所以有人称二十世纪中叶以后的时代为半导体时代。2、微电子材料介绍 微电子材料 主要
5、是大直径（400mm）硅单晶及片材技术，大直径（200mm）硅片外延技术，150mmGaAs和100mmInP晶片及其以它们为基的IIIV族半导体超晶格、量子阱异质结构材料制备技术，GeSi合金和宽禁带半导体材料等。 从1940年代末期晶体管问世以来，电子工业始终以基础材料科学为先导，日新月异，材料科学与工程在电子工业的成长中扮演了极重要的角色。高纯度及几乎无缺陷硅晶的生长，靠“区段纯化”及“柴氏拉伸法”才得已实现，因而促成微电子工业的全面发展。其他各种处理材料的工艺步骤，以及各种物性、结构、成分及缺陷的分析，无一不与材料的工艺及分析息息相关。近年来集成电路晶圆大型化及器件单元微小化的趋向，使
6、产品的良品率不断提高，是促使集成电路价格不升反降的主要原因。但也使工艺步骤日益精细复杂，生成缺陷的机会也增加。各电路器件基组尺寸缩小，缺陷对它的不良影响也相对增加。要维持一定的良品率，对材料科学是莫大的挑战。微电子工业在现代工业中居关键枢纽地位，而居于微电子材料中心地位的硅晶也因此有“新钢铁”之誉。2.1硅晶集成电路 集成电路是将各种电路器件包括电阻、电容及集成晶体管链接与半导体表面而形成的电路。集成电路自1960年代问世以来，一直朝器件微小化，制造大型化发展。目前各电路器件尺寸以缩小至深亚微米大小。 材料在半导体工业上的应用十分广泛，目前用于半导体集成电路（IC）的衬底，几乎全为硅单晶（即硅
7、圆晶），以IC工业来看，硅晶材料具有价格低，强度佳，相关工艺技术成熟的优点，因此，大半的IC工业，借以硅晶为衬底，同时也投入相当多的人力、物力在相关技术的研发，而造就了所谓的硅晶时代。目前已步入极大规模集成电路时代，每一芯片实际尺寸约为1.5cm X 1.5cm上含高达两千万个晶体管以上。在制造大型化方面，主要为缩减生产成本，增加产量，晶圆尺寸由1970年代的2英寸到目前的8英寸，而即将有12英寸厂商出现。集成电路的制造工艺主要包括以下内容：图形装换技术：主要是光刻和刻蚀技术。薄膜制备技术：主要是外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积等。掺杂工艺：主要是扩散与离子注入。其他工艺：接触与互连、隔
8、离技术、封装技术和辅助工艺等。 随着集成电路规模的发展，工艺的不断提高，其种类趋于繁多，应用环境的变化，集成电路的设计也起着越来越大的作用。尤其是电子设计自动化EDA工具的应用，在保证实际准确性的同时，大大缩短了设计周期，降低了设计的成本。目前，我们已经进入纳米时代。0.25 微米的CMOS工艺技术已进入大量生产，以该项技术制作出来的 256Mb 的 DRAM 和 600MHz 的微处理器芯片上，每片上的集成的晶体管数已经达到了 108109 数量级；10nm的器件已经在实验室研制成功，相应的栅氧化层只有 1.0-2.0nm；90nm-32nm 工艺已进入规模生 产，晶体管本身宽度只有 30n
9、m-50nm. 微电子产业发展高速、辐射面广，极大地影响了社会的方方面面，已经被列为是支柱产业之一。2.2微电子材料的特性 微电子器件的发展在二十世纪后期掀起第二次工业革命，“轻、薄、短、小”成了时代进步的象征，主要因为微电子器件具有功能替代性：大体而言，以轻工业替代重工业，以信息技术替代机械技术；如以电脑替代人脑，传真电话替代信件传递，计算器替代算盘及机械计算器，电子表替代机械表，交通信号替代交通警察，自动售货机替代售货员。同时在替代过程中，具有下列特性： （1）节省材料：较“轻、薄、短、小”，所需材料总量不大。 （2）节省能源：不仅在使用时，且在制造上均节省能源，如晶体管替代真空管。 （3
10、）节省空间：如个人电脑与早期利用真空管工作的计算器，功能有过之而无不及，所占空间大为减小。 （4）增进性能：如机械操作自动化、新机件自动校准、现场诊断测试能力大增。 （5）耐用可靠：如微电子器件控制相比于真空管控制的家电产品，如收音机、电视机。 （6）价格低廉：微电子器件制造随其微小化，生产力逐渐增加，相关产品价格亦逐渐下降，与一般产品价格逐年上涨有明显差异。3、微电子材料的应用 微电子材料为微电子器件的构成材料。微电子器件为微电子产品的心脏。微电子产品在现代生活中不论在工厂、办公室及家庭可谓无所不在。3.1民用家电用品微电子材料产品和微处理器不再是专门用于科学仪器世界的贵族，而落户于各式各样
11、的普及 型产品之中，进人普通百姓家。例如电子玩具、游戏机、学习机及其他家 用电器产品等。就连汽车这种传统的机械产品也渗透进了微电子技术，使用微电子材料的电子引擎监控系统。汽车安全防盗系统、出租车的计价器等已得到广泛应用，现代汽车上有时甚至要有十几个到几十个微处理器。现代的广播电视系统更是使微电子技术大有用武之地的领域，集成电路代替了彩色电视机中大部分分立元件组成的功能电路，使电视机电路简捷清楚，维修方便，价格低廉。由于采用微电子技术的数字调谐技术，使电视机可以对多达100个频道任选，而且大大提高了声音、图像的保真度。3.2信息产品目前电子信息产业在国际国内均已跃升至第一大产业，微电子作为信息时
12、代发展的基础和核心，将继续发挥越来越重要的作用，微电子产业的飞速发展又进一步刺激了以信息技术为主的新经济。现在信息技术中的数字化概念正被人们广泛地接受，以机顶盒（STB）、DVD播放机、MP3播放机、数码相机、数字电视广播、移动电话等为代表的数字消费电子新产品的市场正在蓬勃发展。追根溯源，微电子是这场革命的原动力。在微电子技术的推动下，电子整机或数字化系统的性能、功能、体积和功耗不仅得到显著改善，而且价格不断下降。系统或电子整机产品中的IC技术和成本含量不断增加，下面是一些电子产品硅芯片占整个成本的比例：PC机 4050% DVD 3540% STB 3540% 传真机 2030%近几年来，随
13、着TV、PC、STB、PDA、手机、DVD、Internet设备等行业的蓬勃发展，特别是消费电子类产品数量的快速增长，全球的微电子产业得到了迅猛发展，微电子已成为信息社会的支柱产业，是衡量一个国家综合国力的重要因素。3.3医疗及工业设备微电子材料与生物医学之间有着非常紧密的联系。一方面微电子材料的发展，将大大地推动生物医学的发展，另一方面生物医学的研究成果同样也对微电子材料的发展起着巨大的促进作用。其在医疗方面的主要有两个应用：一是用微电子材料制造的微机械系统（MEMS），微机械在医疗领域的应用有着极其诱人的前景。例如微小血管检测器，用于心脏衰弱者的心脏起搏器，微小人工血管，用于外科手术中可实
14、现各种微细操作的微型可控镊子等等。 二是微电子材料与生物技术紧密结合，其是以DNA芯片等为代表的生物工程芯片，它将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。微电子材料的发展对各种传统产业具有强有力的带动作用：几乎所有的传统产业与微电子材料结合。对集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业焕发青春。例如火电厂的锅炉给水泵送风机、引水机站电厂全部耗能的 72%，而仅仅对全国风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电659亿度，相当于三个葛洲坝的发电量。电子设备的更新换代都基于微电子材料的进步。只有微电子材料的发展取得突破，才能制造出更高性能的集成电路，从而导致相关的一系列电子产
15、品的更新。3.4国防设备。 微电子技术在军事国防方面同样有重要的应用。微电子技术的发展和应用，不仅提升了军事装备和作战平台的性能，而且导致了新式武器以及新兵种的产生。微电子技术的产生改变了传统战争的模式，将面对面的战斗演变为超视距作战。 4、未来挑战与展望微电子作为一个非常有活力的领域，依然在不断快速发展。一些技术已经投入应用，在社会各个方面为人类提供便利；而另一些技术还处于试验阶段，有待科学家们的继续研究。目前，微电子领域的前沿技术包括微电子制造工艺、微电子材料的研究、超大规模集成电路的设计以及MEMS技术等。微加工工艺是制造 MEMS 的主要手段，IC制造技术含（如光刻、薄膜淀积、注入扩散
16、、刻蚀等）、微机械加工技术（如牺牲层技术、各向异性刻蚀、双面光刻以及软光刻技术等）和特殊微加工技术。目前微电子的制造工艺采用光刻和刻蚀等微加工方法，将大的材料制造为小的结构和器件，并与电路集成，实现系统微型化。对半导体材料的研究也是微电子领域的热门。由最原始的元素半导体（锗、硅、硒、硼、锑、碲），到化合物半导体（砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等），乃至热门的有机半导体和无定型半导体。半导体材料的改变必然会引起半导体器件性能的改变。随着研究的深入，新型宽禁带半导体材料的开发可能会在极大程度上决定半导体器件的性能。 集成电路的设计必须考虑多方面的因素，要求速度更快、面积更小、功能更多。多种验证方法相结合，数
