概述微电子学技术及其发展前景

　　MEMS的加工技术 及MEMS的应用领域MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA(德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写)技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工(EDM)、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。 MEMS在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。目前，MEMS的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境;正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化;还在萌芽的有：家用/安全、化学/配药和食品加工。 MEMS作为一个新兴的技术领域，有可能象当年的微电子技术一样，成为一门重大的产业。但瑞在它还处在初级阶段，因而我国在这一领域，机遇和挑战并存。从研究开发的情况来看，我国在该领域的技术水平与世界先进水平的差距并不太大，某些方面甚至已达到先进水平。但是，我国在MEMS技术的产业化方面，却远远落后于世界先进水平。
　　尽管微电子学技术给人类带来了前所未有的巨大进步，但它进一步发展的空间却已经受到了极大的限制。这些限制已经成为微电子学技术继续发展的重大瓶颈。能否突破这些瓶颈是微电子学技术发展所面临的极大挑战。
　　光刻技术限制
　　集成电路的加工设备中，光刻是核心。30年来，集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用，因为它直接决定了单个晶体管器件的物理尺寸。每一代新的集成电路的出现，总是以光刻所获得的最小线宽为主要标志。为了实现更高的光刻精度，人们仍在不断探索更短波长的F2激光光源(波长为157纳米)光刻技术，它的使用有望使光刻的最小线宽达到90纳米 以下。但是，这种更短波长的紫外光很容易被空气吸收，要想获得最终应用还需要探索新的光学及掩模衬底材料。总之，157纳米光源的光刻技术开发给当今微电 子加工技术带来了新的希望，但还有很多技术难关需要取得突破，也是一个不争的事实。最近，英特尔公司和台积电公司宣布，它们将在2003年推出0.09微 米的光刻生产线，这说明，在光刻精度上人类再次取得了重大突破。
　　材料和制造工艺的限制
　　随着集成电路集成度的提高，芯片中晶体管的尺寸会越来越小，这就对制作集成电路的半导体单晶硅材料的纯度要求也越来越高。哪怕是极其微小的缺陷或杂 质，都有可能使集成电路中的某个或数个晶体管遭到破坏，最终导致整个集成电路的失败。同时，集成电路集成度的提高还会引发另一个十分棘手的问题。随着集成 块上晶体管器件之间绝缘厚度的减小，当小到5个原子的厚度时(特别容易出现在绝缘层的缺陷处)，量子隧道效应将会出现，即传输电荷的电子将会穿过绝缘层， 使晶体管器件之间的绝缘失效。
　　在制造工艺方面，随着光刻精度的提高，也需要相应提高硅片(基板)和光刻掩模板的表面平整度，对于数十纳米的最小线宽制程，表面平整度几乎是原子尺 度。除此之外，光刻精度的提高对基板和掩模板之间的平行度要求也越来越高。这些十分苛刻的制造工艺条件，无疑也将成为提高光刻精度的另一个重要瓶颈。
　　能耗和散热的限制
　　微电子学技术除了在光刻加工技术上和半导体材质上存在着急待突破的技术限制之外，它还受到了器件能耗过大和芯片散热困难的严重困扰。随着集成电路芯片 中晶体管数量大幅度增多，芯片工作时产生的热量也同样在大幅度增加，芯片的散热问题已经成为当今超大规模集成电路进一步发展的严重障碍，降低器件的能耗和 解决芯片的散热也已成为微电子学技术进一步发展的一个主要技术瓶颈。
　　当今的微电子器件(如场效应晶体管)，由于本身的工作能耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。换句话说，即使通过芯片的新设计(如多层芯片设计技 术)和光刻加工技术的改进(如极紫外光光刻技术)在一定程度上可以提高芯片的集成度，但由于目前微电子器件的工作电流和能耗都太大，大量的发热使集成电路 很难保证其正常的工作状态。同时，芯片的过热还会造成其使用寿命缩短、可靠性降低等严重问题。
　　对此，英特尔公司微处理器研究实验室负责人齐勒(J. Ziller)指出“芯片的能耗是提高集成度的一堵难以逾越的障碍”。微处理器速度可望在10年后达到30~100吉赫，运算次数则达到10000亿次/ 秒，高速运行的微处理器芯片的发热量将和它们的速度一样也大得惊人，几乎与核反应产生的热量、或太阳表面的热量不相上下。所以，能够满足“更冷”要求的低 能耗芯片技术的开发是芯片得以进一步发展的当务之急。
　　微电子学技术期待再突破
　　芯片加工工艺
　　提高芯片集成度
　　英特尔公司在最新发展的0.09微米制造工艺中，首次采用了7层铜互连技术。基于硅片上单位电路密度和制造成本的考虑，目前的0.13微米制造工艺全 部采用了6层铜互连技术。英特尔公司的0.09微米制造工艺采用7层铜互连技术后，其最直接的好处是每块微处理器芯片上可以集成数亿个晶体管，大幅度提高 芯片的集成度，同时还可降低生产成本。 0.09微米制造工艺的成功让人们又一次看到了芯片工业的持续发展性。
　　器件特性提高和能耗降低
　　始于1990年代初的纳米技术，其最重要的一个分支领域是纳米电子学技术(nanoelectronics)，它是微电子学技术向纵深发展的直接结 果。数年来的发展表明，纳米电子学技术具有突破微电子学技术瓶颈的技术优势。纳米电子学技术的出现，将给未来计算机芯片的发展带来令人欣喜的曙光，满足人类对未来芯片“更小， 更快，更冷”的要求。当然，纳米电子学技术全面应用的那天，也许还要等待20或30年。
　　我们期待微电子技术的更大突破。