概述微电子学技术及其发展前景

　　前言：随着半导体新兴技术的发展，微电子成为越来越多人青睐的专业之一。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;设计了固体物理学、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。下面我就从如下几个方面来谈谈微电子的一些基本情况。
　　微电子学(Microelectronics)是电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离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学科。它以实现电路和系统的集成为目的的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，其发展书评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。
　　微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的，第二次大战中、后期，由于军事需要对电子设备提出了不少具有根本意义的设想，并研究出一些有用的技术。1947年晶体管的发明，后来又结合印刷电路组装使电子电路在小型化的方面前进了一大步。到1958年前后已研究成功以这种组件为基础的混合组件。集成电路的主要工艺技术，是在50年代后半期硅平面晶体管技术和更早的金属真空涂膜学技术基础上发展起来的。19614年出现了磁双极型集成电路产品。1962年生产出晶体管——晶体管理逻辑电路和发射极藉合逻辑电路。MOS集成电路出现。由于MOS电路在高度集成方面的优点和集成电路对电子技术的影响，集成电路发展越来越快。70年代，微电子技术进入了以大规模集成电路为中心的新阶段。随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统发展，电路的设计也日益复杂、费时和昂贵。实际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集成电路的设计是不可能的。70年代以来，集成电路利用计算机的设计有很大的进展。制版的计算机辅助设计、器件模拟、电路模拟、逻辑模拟、布局布线的计算辅助设计等程序，都先后研究成功，并发展成为包括校核、优化等算法在内的混合计算机辅助设计，乃至整套设备的计算机辅助设计系统。集成电路制造的计算机管理，也已开始实现。此外，与大规模集成和超大规模集成的高速发展相适应，有关的器件材料科学和技术、测试科学和计算机辅助测试、封装技术和超净室技术等都有重大的进展。 电子技术发展很快，在工艺技术上，微细加工技术，如电子束、离子束、X射线等复印技术和干法刻蚀技术日益完善，使生产上在到亚微米以至更高的光刻水平，集成电路的集成弃将超大型越每片106—107个元件，以至达到全图片上集成一个复杂的微电子系统。高质量的超薄氧化层、新的离子注入退火技术、高电导高熔点金属以其硅化物金属化和浅欧姆结等一系列工艺技术正获得进一步的发展。在微电子技术的设计和测试技术方面，随着集成度和集成系统复杂性的提高，冗余技术、容错技术，将在设计技术中得到广泛应用。
　　微电子学中实现的电路和系统又成为集成电路和集成系统，是微小化的;在微电子学中的空间尺寸通常是以微米(μm，1μm=10 & #8722; 6m)和纳米(nm，1nm=10 & #8722; 9m)为单位的。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，它主要研究电子或例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。
　　集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两部分：芯片硬件设计和软件协同设计。芯片硬件设计包括：
　　1.功能设计阶段。
　　设计人员产品的应用场合，设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环 境温度及消耗功率等规格，以做为将来电路设计时的依据。更可进一步规划软 件模块及硬件模块该如何划分，哪些功能该整合于SOC 内，哪些功能可以设 计在电路板上。
　　2.设计描述和行为级验证
　　供能设计完成后，可以依据功能将SOC 划分为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的IP 核。此阶段将接影响了SOC 内部的架构及各模块间互动的讯号，及未来产品的可靠性。决定模块之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计。接着，利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器，对设计进行功能验证(function simulation，或行为验证 behavioral simulation)。
　　注意，这种功能仿真没有考虑电路实际的延迟，但无法获得精确的结果。
　　3.逻辑综合
　　确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具(synthesizer)进行综合。综合过程中，需要选择适当的逻辑器件库(logic cell library)，作为合成逻辑电路时的参考依据。硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率的一个重要因素。事实上，综合工具支持的HDL 语法均是有限的，一些过于抽象的语法只适于作为系统评估时的仿真模型，而不能被综合工具接受。逻辑综合得到门级网表。
　　4.门级验证(Gate-Level Netlist Verification)
　　门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。
　　注意，此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。
　　5.布局和布线
　　布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。注意，各模块之间的连线通常比较长，因此，产生的延迟会严重影响SOC的性能，尤其在0.25 微米制程以上，这种现象更为显著。目前，这一个行业仍然是中国的空缺，开设集成电路设计与集成系统专业的大学还比较少，其中师资较好的学校有 上海交通大学，哈尔滨工业大学，东南大学，西安电子科技大学，电子科技大学，哈尔滨理工大学,复旦大学，华东师范大学等。这个领域已经逐渐饱和，越来越有趋势走上当年软件行业的道路。
　　微机电系统(Micro Electro-Me-chanical Systems，MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。