微电子

高科技和信息产业的核心技术

微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术是研究信息载体的技术，构成了信息科学的基石，其发展水平直接影响整个信息技术的发展水平，其理论基础是19世纪末到20世纪30年代期间建立起来的现代物理学。

技术介绍

微电子技术作为电子技术的分支，是一项研究作用于半导体上的微小型集成电路系统的技术。微电子技术的关键在于研究集成电路的工作方式以及如何实际制造应用。集成电路的发展依赖于半导体器件的不断演化。微电子技术可在纳米级超小的区域内实现固体内的微观电子运动，包括扩散输运、弹道输运和量子跃迁，电子输运能够实现信息的处理与传递，具有高度集成性。

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。

特点

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) 微电子技术主要通过在固体（主要是半导体）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（微米到纳米级）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，具有较高的集成度，也具有较为全面的功能性。

应用

生活方面

随着信息化时代的到来，基于微电子技术的产品早已渗入我们生活的方方面面。如智能手机、高性能计算机、电子游戏设备、家用电器、电动汽车等，并随着微电子技术的不断发展，给我们的生活带来了便捷，提高了我们的生活质量。同时，基于微电子技术的新型诊疗设备有效提升了人类的生存能力与生存质量。

工业方面

随着社会经济的快速发展，给工业制造产业带来了良好的发展机遇。面对全球信息技术革命的蓬勃发展，诸多工业制造企业都积极地引进微电子技术支持下的自动化设备来提高企业的生产效率和产品的精准度，以此提高市场竞争优势，实现产业升级。另一方面，在汽车制造等行业，发生了以微电子技术为基础的产品革新，如汽车智能驾驶系统、安全保障系统等。

军工产业应用方面

微电子技术在军工产业中也扮演着重要的角色。在现代军事对抗中，军事力量的强大与否主要体现在军事装备信息化程度的高低。在军事装备中融入的现代微电子信息技术越先进，就越容易在战争中取得先机。例如，基于微电子技术通过远程计算机控制的无人战斗机、军事卫星、先进制导导弹、隐形战机等等。随着微电子技术的不断发展，微电子在国防中的应用深度与广度也会越来越大，为确保国家安定奠定坚实基础。

发展限制

物理规律限制

微电子技术的核心在于其集成电路芯片的制造，结合微电子技术的发展历程来看，先进的微电子技术的发展都是在不断的突破集成电路单个芯片元件的集成数量，现今，单个芯片上能够集成近千亿晶体管，该集成数量已经超过超大集成规模的限制，但从物理规律角度来看，微电子技术的发展依然受到其自身客观限制。在实际应用中通常可以通过对电子元器件尺寸的缩小来提升其IC性能，但电子元器件特征尺寸缩小的同时意味着其氧化层厚度和沟道长度同样缩小，这样克服元器件的“小尺度效应”就变得更加困难，例如金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的短沟道效应等。

微电子技术制造中的最小尺寸（一般称为特征尺寸）每缩小一次，就会引入一代新的工艺技术（或称为新的工艺技术节点）。以最常见的MOSFET结构为例，为保证新的技术节点能够维持沟长的不断缩小，必须同时减小氧化层厚度、耗尽层宽度和结深，在缩小晶体管横向长度的同时也要缩小纵向长度，但由于硅材料的短沟道效应和栅极隧穿效应等一系列因素，使得当前微电子技术走入瓶颈。过去20多年里，MOSFET在发展中引入了应变硅技术、高k/金属栅技术、高迁移率沟道技术(主要是SiGe)、非平面技术(双栅结构、具有鳍形结构的FinFET、具有环栅结构的GAA器件)等，大幅度提升了器件的性能。

工艺技术限制

（1）光刻尺寸缩微问题。在微电子技术工艺中最为关键的设备为光刻机（曝光工具），此设备的制造过程复杂、成本高且其精密度要求较高，而设备分辨率以及焦深都会影响光刻技术的应用。光刻制程主要通过增加数值孔径和降低光源波长来优化电路图案，目前最先进极紫外光刻（EUV）技术通过后一方法来提升电路图案分辨率，但同时由于极紫外光波长非常短，容易被气体吸收，所以EUV需要在高真空环境下进行光刻。

（2）可靠性问题。集成电路在逐渐向着精细加工与小规模元器件发展，但小规模元器件的使用虽然会提升整个电路系统运行的效率但却降低了电子元器件的使用寿命。尤其是在制造工艺方面出现的可靠性问题更是严重影响了微电子技术的发展。

（3）封装问题。微电子技术在应用过程中出现的散热问题主要是由封装技术水平决定的，现今，随着集成化朝着超特大规模集成电路方向的发展，在未来集成功能也必然越来越复杂，所以，在进行设计时就需要对整体电路的总功耗以及封装技术间的关系进行衡量。另一方面，集成电路板上面积过小或单位面积内晶体管数量的变多都会使得相互连线间横截面积缩小，电阻变大，进而造成整体电路反应时间的增加，从另一方面来说集成电路板尺寸的缩小虽然能够提升晶体管的工作效率，但却造成互联引线的反应时间增加，所以，怎么在已有集成规模条件下将互联引线进行优化是很多专家学者研究的重点课题。

发展趋势

微电子的发展一直存在顶层设计，从早期的国际半导体技术路线图(ITRS)到现在的国际器件与系统路线图(IRDS)，通过汇集全球顶尖科学家的智慧，对微电子器件和系统的发展路线进行规划，指导并推动着微电子技术的发展，呈现出以下趋势：

器件尺寸不断缩小、三维集成成为主流

按照摩尔定律硅平面器件不断等比例缩小已经基本终结，为了在单位面积上容纳更多的器件，对器件进行三维集成成为主流，这和我们从平房转变为楼房的趋势十分类似。例如3D NAND存储器通过增加垂直层数来获得更大的存储容量，目前已经突破200层并仍在不断增加层数。

新材料的引入

微电子技术选用以硅原料为主制成的芯片，然而随着该技术持续多年的快速发展，材料性能已逼近极限。近年来，针对新材料体系的研发逐步加速，如高迁移率半导体材料、宽禁带和超宽禁带半导体、非晶氧化物半导体、碳基材料、二维材料等。

新结构的引入

具有新型结构的微电子器件开始凸显其优势。以MOSFET为例，它的结构从早期的平面型器件逐步发展为双栅、立体栅、环栅等结构。例如，如TSMC的2 nm制程GAA（gate-all-around），以及尚处于研发阶段的CFET（垂直堆叠互补场效应晶体管）等。

新型封装技术

微电子封装技术从最早的陶瓷扁平封装出现至今，经历了由2D封装形式向3D封装形式转变，并由单纯后道工艺逐渐转变为前后道融合工艺。3D封装技术是伴随着移动互联网的发展而逐渐兴起的，是同时满足多个芯片组立体式封装需求的有效途径。例如，在3D IC中将多颗芯片（如堆叠的高带宽存储器HBM）进行三维空间垂直整合，以应对半导体制程受到的电子及材料的物理极限。3D封装技术具备的主要技术优势在于功能性丰富、封装密度高，同时结合TSV、FOWLP等技术大大减少了所需的引线互联，可有效降低信号损耗，提升集成电路运行速度。

面向人工智能的新应用方向

随着人工智能领域的突飞猛进，微电子技术在该领域的支撑作用越来越明显，尤其是面向AI的新架构芯片和高算力芯片技术，已成为重要的研发方向。

绿色环保微电子技术

节能减排是当今社会发展的主要趋势。未来微电子技术必须实现绿色发展目标，将沿着低功耗、高能效、环境友好等方向发展。

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