微电子器件十篇

微电子器件篇1

关键词：微电子；静电防护；ESD

引言

为了防护微电子器件，电路设计者对电子器件进行静电防护。电路保护的设计要考虑很多的因素，要不断进行试验。其中ESD是对微电子器件一个较大的威胁。ESD严重影响着微电子器件的质量，威胁着器件的整体工作。ESD对微电子器件制造业是一个巨大的威胁。解决ESD问题，是当前微电子生产的一个重要课题。ESD问题的解决，对整个行业的发展有重要的影响。

1 ESD分析

由于电荷的积累，物体表面带上静电，电荷发生移动，就是发生了ESD。ESD包括四个阶段。第一阶段，电荷的产生。电荷的产生是由于摩擦、感应的现象。两种不同的材料接触或摩擦，电荷通过绝缘体传播，而导体间电荷的转移是由于两个物体的电势不同造成的。第二阶段，电荷的转移。电荷发生转移是由于两个物体的电势不同，当两个物体的电势平衡，电荷的转移也就停止了。第三阶段，器件响应。电荷发生转移时，器件的感应。现阶段，要解决电荷重新分布的问题。第四阶段，u估。对器件的效果进行评估。判断期间失效与否，如失效，确认失效原因及失效属性。

2 微电子器件在生产中的静电

对微电子器件生产中静电的研究中，最重要的现象是静电破坏。对器件的静电释放，分析如下：

第一种来源是工作人员。微电子器件的生产过程中，一定离不开工作人员的接触。而器件与人接触，就一定会产生静电。一般摩擦产生的静电，有几万伏的静电势，这样微电子器件就很容易被损坏。而微电子器件生产中，大量的静电无法释放，微电子器件的安全无法保证，所以，微电子器件的生产过程中一定会有微电子器件被破坏，而工作人员产生的静电又不太容易避免，一些静电释放设备等并不能完全保证静电的全部释放。而工作人员在生产过程中一定会有行为动作，这就无法避免的产生静电，这就使微电子器件的生产有一定的阻碍，也影响IT行业的发展[1]。

第二种来源是设备机械。在微电子器件的生产过程中，设备一定会存储大量的静电，而这些静电的释放，必定会造成大量微电子器件的损坏。且企业为了增加生产量，在许多的工艺上都采用自动化设备，这些设备的运行更是会产生大量静电。在微电子器件加工时，静电就会在各个工艺流程中释放，大量的微电子器件就会失效[2]。这对微电子器件的生产影响也是较大的，且无法避免。

第三种是其他来源。一些工作服、座椅、包装材料等是由高分子材料制作的，所以他们都会带有一定的静电，有很高的电势，在微电子生产时它们的释放，又会损坏一批微电子器件。

3 静电防护

3.1 改善器件抗静电能力

第一，静电防护电路要设置一个低阻通路和高阻通路，在ESD发生时能输出电荷，也能进行正常的工作。第二，在输入端加入一个MOS可以检测静电。第三，pn二极管也是防护电路经常用到的一个构件，对静电防护也有重要作用。第四，在静电防护电路中，应加粗金属线[3]。第五，避免90°以上的弯曲，使电路允许通过的电流更大。第六，金属环路尽量的长、远，减小或避免尖端放电产生的损伤。第七，设计多层布线。现在仿真模拟设计技术是成功率比较高的静电防护设计。

3.2 在生产、运输时采取保护措施

防静电地线是微电子器件制造厂需要安装的。地线要与设备仪器都保持连接。防静电地线要分离使用，不能与其他接地线一起使用。防静电腕表是操作人员一定要佩戴的，腕表要与皮肤接触。防静电地线连接完成后，较高的静电就难以形成。操作人员最好要穿戴防静电的工作服。微电子器件生产的厂房内，我们应采用不易产生静电，且静电较易释放的材料。此外，环境的湿度和空气的离子浓度对静电的产生也有影响。所以，要减少厂房内静电的产生还要控制厂房内的温度和湿度。在对微电子的测量与使用时，要注意周围环境，避免周围环境对其的影响，也是避免微电子器件的损伤。在微电子器件的运输等过程中，一定要避免使用泡沫等无法防止静电产生的方式，为防止器件的损害，要使用正确的防静电材料。

4 ESD模型

微电子器件生产中，静电的放电方式有：第一种，微电子器件与带电的人体接触；第二种，带电微电子器件与接地物体的接触；第三种，微电子器件与带电的机械设备接触；第四种，微电子器件周围静电场产生的强大电压[4]。

根据这四种静电放电方式，人们提出四种描述模型：第一种，人体模型即HBM，这也是比较广泛的应用模型。HBM模拟微电子器件与带电的人体接触时，静电放电过程，从而从中寻求解决办法。第二种，机器模型即MM模型。这种模型是模拟器件生产中，设备放电的情况。第三种，器件带点模型即CDM模型。CDM与FIM模型的原理类似，其不同之处是电荷的来源。第四种，感应电场模型即FIM.FIM模型中电场感应产生电荷。ESD模型的建立，可以模拟微电子器件生产中静电的产生、释放过程、释放原理，最重要的是寻求解决办法，得到一个改善措施，从而促进微电子器件生产的效率，使微电子器件在生产中，微电子器件的损害率下降，促进微电子行业的发展。

5 静电防护体系

微电子器件的生产，运输等过程较多，所以受到损害的概率也就比较大，每个环节的防护都要完善。任何一个环节都有可能导致微电子器件的损坏。除了对工作人员服饰上的防护，生产设备上的防护，生产环境的设置，还应追求更高层次的防护措施。静电防护不应只停留在防静电用品，而应是系统化的管理，这样的防护措施才是更有效的。静电防护系统的科学化、标准化、整体化也是静电防护发展的要求。

6 结束语

在微电子器件生产中，为了避免静电损伤器件，不仅技术需要加强，更应对ESD体系进行完善。建立健全ESD防护标准，加强规章制度的贯彻力度，对人员的管理也要加强。ESD防护体系是对静电防护的有效措施。

参考文献

[1]刘进，陈永光.系统级测试下静电防护器件的失效机理分析[J].半导体光电，2016，1（5）：698-702+724.

[2]罗静.微电子器件的静电防护探讨[J].通讯世界，2016，6（8）：250.

微电子器件篇2

关键词：CPGA器件；PIND试验；芯腔向下；多余颗粒；夹具设计

0引言

粒子碰撞噪声试验（PIND）其原理是通过高加速度冲击激活被测器件中的多余粒子，使其形成游离状态，然后再施加一定频率和加速度的振动，使游离的粒子与器件内壁发生碰撞，经由传感器转换成电压及声音信号输出，从而判断多余粒子是否存在[1-3]。

一般情况下，军用微电子器件按照GJB548B-2005方法2020进行粒子碰撞噪声试验时，大多数类型的微电子器件不需要辅助夹具，利用粘附剂就可以直接安装在换能器上检验，为获得最大的灵敏度，应使器件的最薄或厚度均匀的一面（Y1方向）对着换能器，并将其安装在换能器的中心位置或轴线上[4-6]。但对于特殊封装芯腔面向下的陶瓷针栅阵列封装（CPGA）微电子器件，由于管脚与芯腔面同向，所以只能按Y2方向进行安装，导致在规定的频率下可能不能有效激活器件内腔的多余颗粒，尤其是非金属多余物，经常会发生试验的漏判或误判。因此针对该类器件的封装结构特点，通过内腔高度与振动频率的对应关系，研究PIND试验方法，设计符合要求的辅助夹具，保证器件的芯腔面与换能器紧密相连，对提高测试的准确性具有一定参考意义。

1CPGA微电子器件PIND试验现状分析

CPGA微电子器件采用多层陶瓷工艺制造，通常分为腔体向上和腔体向下两种结构，如图1所示。腔体向上的结构可以提供较大的封装内腔及更多的引线数；腔体向下的结构可直接在壳体背部热沉安装散热片，提高散热性能。

腔体向上的CPGA微电子器件可以直接将器件的盖板（芯腔面Y1方向）与设备的换能器安装后进行试验，但对于腔体向下的CPGA微电子器件，引线与芯腔面方向相同，所以只能将器件的基板朝下（芯腔面Y2方向）安装在换能器上进行试验。由于器件的基体底部的热沉比盖板厚，自由粒子信号需通过较厚的底座或基板才能传递到换能器，从而导致信号损失，出现试验误差。

2CPGA微电子器件PIND试验夹具设计及盲样制作

2.1CPGA微电子器件PIND试验夹具设计

根据PIND试验原理及腔体向下的CPGA微电子器件的结构特点可知，在短时间内的冲击及振动过程中，试验夹具首先应能使器件芯腔面与检测设备换能器的中心位置完全接触，并且能保证试验应力能够激活器件内腔多余物，与器件之间不能发生共振及松动；其次，夹具的质量应尽量轻，避免超过换能器的负载（≤300g）；最后，夹具应能够连接灵敏度检测装置（STU），每次进行PIND试验前，能够检验PIND系统性能。根据设计思路建模如图2所示。

本文采用一款外形尺寸为37.80mm×37.80mm×4.60mm、质量为13g的CPGA微电子器件进行设计夹具，如图3所示。整个夹具材料采用7075铝合金，质量为12g，满足换能器的载荷要求；STU连接杆的作用是在每次试验前，连接灵敏度装置（STU）校准设备；塑料螺钉用来固定被测器件，改变传统的粘接方式（水溶胶及双面胶带残留）；安装架用来固定被测器件，保证器件准确安装在换能器的传感器几何中心2.0mm范围内，因为偏离传感器将降低检测效果；连接片起到被测器件与换能器的连接作用，连接片的大小与被测器件的盖板大小保持一致（16.90mm×16.90mm），而且厚度也应尽量薄，太厚将降低能量传递信号，被测器件引线高度为1.70mm，所以连接片厚度设计为1.80mm。整个夹具的实物照片如图4所示。

2.2CPGA微电子器件PIND试验盲样制作

微电子器件多余物的产生来源分为制造过程中产生及外部环境引入两个方面。外部环境引入的多余物种类繁多，且不具有一定代表性。因此，本文主要以工艺制造过程中可能产生的典型多余物作为盲样的制作对象。依据多年PIND的多余物识别案例及在微电子器件制造行业调研可知，工艺生产过程中产生的多余物，可以分为金属多余物及非金属多余物两大类[7-8]，其中金属多余物有硅、键合丝、导线头、焊锡渣、金属屑、残余工艺线等，非金属多余物有毛发、助焊剂、导线护套、环氧胶、基板材料、角料等。

为了采用人工引入的方式，在CPGA微电子器件内腔分别放入典型金属多余物及非金属多余物，验证夹具对试验结果是否存在影响。虽然美军标MIL-STD-883描述PIND试验，在20mV下的最小检测阈值为0.03μg，但在元器件制造行业内却无法检测到这样的微小粒子，因为这样的微克级别多余物在振动周期内会附在被测器件的内腔某处停止运动，即使在扫描电镜中能够发现，但也很难进行人工制造。而如果引入较大质量的多余物，虽然方便制作，试验时也更容易检测出，但偏离实际生产制造工艺，对检测指导意义不大。

因此根据长期检测出多余物的种类及质量大小，并结合目前加工技术及多余物的放样方法，分别制作具有代表的多余物盲样。制成约2mg的焊锡球（金属多余物），但对于非金属多余物，制作难度比金属多余物大，为了减少非金属多余物的静电吸附及提高制样成功率，需在水中进行显微切割，制成了直径为1mm，长约1mm的环氧树脂。取样完毕后，分别放入两个器件的内腔，再充入保护气体后进行封盖，完成盲样制作。

3CPGA微电子器件PIND试验夹具验证

夹具的作用就是将振动和冲击能量通过机械连接不失真、不放大、1∶1地传递给样品，从而保证试验样品经受到所规定的应力。因此，CPGA微电子器件PIND试验夹具的验证分为以下步骤：首先验证夹具在PIND试验规定的振动频率（40~130Hz）下是否发生共振；其次验证夹具安装到振动冲击台上进行试验时，是否能通过设备的示波器、阈值显示器及音频3个检测系统；最后验证夹具对盲样的检测准确率。

3.1PIND试验夹具共振耦合验证

夹具设计主要考虑刚度、质量和固有频率3个基本参数[7-8]。其中，夹具的一阶固有频率必须高于最高试验频率，才能避免夹具产生共振耦合，从图5可知夹具的固有频率远大于试验的最高频率（150Hz），并且夹具的材料（7075铝合金）刚度大、质量小，满足要求。

3.2PIND试验夹具安装验证

采用粘接剂把换能器连接片及STU灵敏度装置安装在换能器上，对检测系统进行校准。验证在示波器上是否可以观察到低平信号脉冲和检测阈值，对于大于20mV的脉冲应能被检测出来，如图6所示；然后从换能器上取下STU，设置振动及冲击参数，观察示波器显示的系统噪声电平信号30~60s，所示系统噪声电平为带状且不超过20mV，证明设备的状态均满足试验要求。

最后把试验夹具安装在换能器上（见图7）进行测试，示波器能显示正常的恒定背景噪声电平信号，系统未出现劈啪声及阈值灯也未亮起，3个监测结果与换能器（空测）一致，由此证明该夹具不会对试验结果产生影响。

4CPGA微电子器件PIND试验方法研究

PIND试验包含冲击及振动两个过程，冲击是对被试器件施加峰值为1000g、100μs的脉冲，用来激活多余粒子，使其形成游离状态；振动是对被试器件施加一定频率及加速度（10g或20g）的正弦运动，使游离粒子与器件内壁发生碰撞，最后产生电信号输出[9-11]。

振动将动能传递给内腔中的多余粒子，多余粒子因运动而获得动能：

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式中：Ek——物体动能，J；

m——物体质量，kg；

v——物体运动速度，m/s。

由式（1）可知，多余粒子的运动速度及质量将决定动能的大小。假设没有多余粒子或多余粒子没有运动，那么粒子动能为0，因此传感器的电信号也为0。改变振动的幅度或频率可以改变粒子的动能，即影响已知多余粒子电信号输出[12-14]。

由图8可知，在频率范围约40~150Hz内的电压输出几乎是恒定的，高于此频率范围的试验将产生更少的多余粒子碰撞，从而产生更少的电压输出。另外，图9显示了传感器的输出电压与加速度等级的关系，加速度从10g增加到20g时，可使腔体内的多余粒子的输出电压增加30%~50%。

因此，根据动能原理及MIL-STD-883K方法2020.9试验条件A和条件B的要求，在40~150Hz频率范围内，按下式计算被测产品的振动频率：

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式中：D——内腔平均高度，mm；

a——正弦振动加速度，10g或20g；

F——振动频率，Hz。

基于式（2），典型内腔高度与频率值的关系如表1的一些典型值。

另外，对于条件B（振动加速度为10g）的最小频率标准要求为60Hz，所以代入（2）可知对应的产品内腔平均高度D≥1.381mm时，均按最小频率60Hz进行试验，若内腔平均高度D＜1.381mm时的频率典型值可以按表2进行选择。

验证夹具用的陶瓷针栅阵列微电子器件内腔平均高度约为1.23mm，按试验条件A（加速度20g）进行试验，代入式（2）可知，振动频率F为90Hz。然后把内腔存在金属及非金属多余物的盲样各1只混入合格批，10只样品为一组，共进行10次试验。10次试验中，金属多余物盲样有1次试验没有检测出，因此准确率为90%；但对于非金属多余物盲样，由于质量小且吸附能力强，其中有3次试验没有检测出盲样，因此准确率只有70%。另外，由于多余物在试验过程中是处于随机游离状态，多次试验后可能会卡在器件内腔的某处，对于非金属多余物更是如此，从而会导致准确率降低，所以标准要求检测出多余物后的样品不能重新试验[15]。因此对于初始状态内腔存在多余物的样品，夹具对陶瓷针栅阵列微电子器件PIND试验是有效的。

微电子器件篇3

微波元件及其分类

在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波形及极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元(器)件。简单地说，微波元件就是工作在微波频段的电磁元件。

在低频电子线路中，常用的无源元件很多，最常用到的是电阻、电容、电感、变压器等。同样，在微波电路中也广泛地使用电阻、电容、电感等无源元件。但是，由于频率的增高，低频电路中常用的这些元件已经不能运用于微波频段，而通过微波技术的研究与发展，如使用分布参数电路，利用传输线的不均匀性等办法即可实现微波频段的电感与电容。此外，构成一个具有一定功能的微波电路，还离不开诸如定向耦合器、功分器、阻抗匹配器、微波滤波器、衰减器、终端负载等几十种无源微波元件；此外，与低频电子线路一样，微波电子线路也包含有各种形式的微波有源器件，如放大器、混频器、微波开关、振荡器等。它们的各种组合能够完成对微波信号的一系列处理。

如果将微波元件按其工作原理和所用材料、工艺分类，又可分为微波电真空器件、微波半导体器件、微波集成电路和微波功率模块。微波电真空器件包括速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等，利用电子在真空中运动及与电路相互作用产生振荡、放大、混频等各种功能。微波半导体器件包括微波晶体管和微波二极管，具有体积小、重量轻、耗电省等优点，但在高频、大功率情况下，不能完全取代电真空器件。微波集成电路是将具有微波功能的电路用半导体工艺制作在砷化镓或其他半导体材料芯片上，形成功能块，在固态相控阵雷达、电子对抗设备、导弹电子设备、微波通信系统和超高速计算机中，有着广阔的应用前景。微波功率模块是通过采用固态功率合成技术，将多个固态微波功率器件组合形成的器件，具有效率高、使用方便等优点，对雷达、通信、电子对抗等电子装备实现全固态化有重要意义。

微波半导体器件的发展历程

在实际微波系统中，各种形式的有源元件用于微波的产生、放大、倍频、变频等关键问题，微波固体电子学的发展成为这些有源元件发展的主要动力，在过去的几十年里，各种形式的微波半导体器件不断出现，推动了微波技术的发展。

20世纪50年代，出现了微波二极管，其工作频率可达100GHz，但工作效率较低。进入60年代后，微波半导体器件以硅双极微波晶体管为主，至今仍是微波低端半导体功率器件的一种选择。70年代中期，相关的研究转入电子迁移率更高的GaAs MOSFET器件，并形成了微波单片集成电路的集成化进步，同时进入到毫米波低端。80年代初，分子束外延(MBE)和金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)等先进技术的发展，使得人们可以在原子尺度上发展半导体材料，超晶格和异质结由理论设想转化为实际物理结构，新型材料和新型器件层出不穷，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、晶格HEMT(PHEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。从90年代开始，微波半导体器件呈现出两大趋势：一是硅基的集成电路由于工艺的发展形成了射频互补金属氧化物半导体器件(RF CMOS)和射频微机械电子系统(RF MEMS)的新的研究和应用，比如恩智浦半导体的BFU725F微波NPN晶体管，即采用的用于分立器件的硅锗碳(SiGeC)工艺技术，具有高开关频率、高增益和超低噪声等多重特点，另外是化合物半导体由于新材料的发展，形成了宽禁带半导体和窄禁带半导体器件的研究。现阶段，八、九十年展起来的微波半导体器件仍然是现如今的主要发展方向。

前不久，佐治亚理工大学的研究者采用碳60薄膜利用常温工艺成功制造出高性能场效应晶体管，在常温工艺下即可达2.7～5cm2／V／s的电子迁移率(见图1)。相信研发人员在利用有机材料制作晶体管的同时，会尝试利用新材料的形成来增加电子移动率的途径，以便得到更有效的微波半导体器件。

微波集成电路的发展历程

微波电路开始于40年代应用的立体微波电路，它是由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管组成的。随着微波固态器件的发展以及分布型传输线的出现，60年代初，出现了平面微波电路，它是由微带元件、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波元件利用扩散、外延、沉积、蚀刻等制造技术，制作在一块半导体基片上的微波混合集成电路，即HMIC，属于第二代微波电路。与以波导和同轴线等组成的第一代微波电路相比较，它具有体积小、重量轻等优点，避免了复杂的机械加工，而且易与波导器件、铁氧体器件连接，可以适应当时迅速发展起来的小型微波固体器件。又由于其性能好、可靠性强、使用方便等优点，因此被用于各种微波整机，并且在提高军用电子系统的性能和小型化方面起了显著的作用，至今仍是一种灵活有效的电路形式。

70年代，GaAs材料制造工艺的成熟，对微波半导体技术的发展有着极为重要的影响。GaAs材料的电子迁移率比Si高七倍，而且漂移速度也比Si高得多，这种高频高速性能是由其材料特性决定的。又由于GaAs材料的半绝缘性(其电阻率可达105Ω／cm)可以不需要采用特殊的隔离技术而将平面传输线、所有无源元件和有源元件集成在同一块芯片上，更进一步地减小了微波电路的体积。

正是由于GaAs技术的问世与GaAs材料的特性而促成了由微波集成电路向单片微波集成电路(MMIC)的过渡。与第二代的微波混合电路HMIC相比较，MMIC的体积更小、寿命更长、可靠性高、噪声低、功耗小、工作的极限频率更高等优点，因此，受到广泛的重视。尽管如此，Si和GaAs一直是个激烈讨论的题目。两个主要的技术分歧点是微波晶体管的性能和半导体用作无源元件半绝缘基片时的损耗。如上文所述，GaAs的电子迁移率和漂移速度也比Si高得多，这使得GaAs在低耗无源电路的应用方面有很好的特性，但是在热导率方面，Si却远远超出GaAs。这些因素导致许多公司在过去的几年中大量投资于GaAs技术作为微波应用。然而，Si依然

是个强有力的竞争对手。实际上，随着微波无线产品巨大市场的出现，Si MMIC的发展得以强劲复苏。si和GaAs的争夺前沿是潜在商机十分可观的6GHz以下区域。较高频率应用中也已开始出现Si基微波IC，如Ku波段的DBS的卫星接收机之类。Si异质结双级晶体管技术正在为Si技术在更高频率的应用铺平道路。

目前，单片微波集成电路已经使用于各种微波系统中。在这些微波系统中的MMIC器件包括：MMIC功放、低噪声放大器(LNA)、混频器、上变频器、压控振荡器(VCO)、滤波器等直至MMIC前端和整个收发系统。单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的前景。由MMIC器件所组成的微波系统，已广泛应用于空间电子、雷达、卫星、公路交通、民航系统、电子对抗、通信系统等多种尖端科技中。表1列出了一些主流厂商最新MMIC产品，以供参考。

随着MMIC技术的进一步提高和多层集成电路工艺的进步，利用多层基片内实现几乎所有的无源器件和芯片互联网络的三维多层微波结构受到越来越多的重视。而且建立在多层互连基片上的MCM(Multi-Chip Module)技术将使微波／毫米波系统的尺寸变得更小。

此外随着人们对微电子机械系统(MEMS)技术的研究，利用MEMS技术可以使无线通信设备中的外接分立元件达到微型化，低功耗及可携带性的要求。MEMS采用深刻蚀技术，实现宏观机械上的三维结构，使以前的无源器件的小型化成为可能，同时将版图面积大幅度下降，另外更加容易集成，MEMS的器件主要是以Si作为加工材料，这就使它相对传统的利用MMIC技术制作的器件的成本大幅度下降。MEMS的这些特点也就决定了它向微小型化、多样性和微电子技术方向不断发展。因此，根据MEMS和MMIC技术特点，制成一种结合两种技术优点的器件或电路成为一种趋势。

趋势与展望

微电子器件篇4

随着科学技术的快速发展，现代电子技术也呈现突飞猛进的发展状态，智能传感器作为一种带有微型处理机并具有处理、采集、交换信息等多功能的新生代电子器件，在汽车电子中得以广泛应用，不仅能够带动我国汽车产业的稳定发展，也能够促进电子技术的革新。

【关键词】智能传感器 汽车电子 发展

改革开放以来，我国的各项产业都得到了飞速发展，尤其是汽车工业更是得到了空前的发展，汽车工业技术水平取得了史无前例的增长。面对这种迅猛发展的趋势，我们应该意识到汽车的发展并不是自我独立发展，而是在一定程度上依赖于各种电子产业的发展，通过将电子机械系统、智能电子产品和信息通讯技术的有效结合，不仅可以使汽车的动力驱动得以提高，也能够增强汽车的操控能力，在安全环保和舒适程度上也能够得到改善。在汽车的众多电子产品中，最具有代表性的是智能传感器。

智能传感器作为一种新一代电子原器件，是微处理机和传感器大规模集成化结合的产物。智能传感器之所以能够被广泛应用主要是因为它不仅拥有微型处理机同时具有处理、采集、交换信息等多种功能，与传统的传感器相比，不仅具有功能多样化的特点，还拥有一定的自动化编程能力。

1 汽车电子的操控和安全系统

1.1 汽车电子的发展

实质上，汽车电子的发展已经逐步面向成熟阶段，从最初的分立电子原器件搭建的电路检测控制开始，汽车电子具有电子元件或者组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操作系统，随着技术的不断革新和社会发展对汽车电子技术的要求不断提高，如今的汽车电子已经进入了采用高速总线，统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统数据，从而来实现综合、智能调控的新阶段。

1.2 汽车发展对汽车电子的新要求

（1）汽车电子系统在操作过程中必须达到快速、正确和可靠的效果，传统的由传感器加微处理器，再通过微处理器加执行器的技术途径已经无法满足现代汽车的高要求，因此，为了满足现代汽车的需要，必须采用硬件集成、直接交换数据和简化电路的方法，以此来提高智能化的程度并且保证控制单元动作的准确性、可靠性和适应性。

（2）如今，虽然基本上汽车的机械结构部件都由电子装置进行全面控制，但是，仅仅在汽车车体内进行控制，一方面汽车车体内的空间是有限的，由此构件系统的空间也会十分有限，这也无法满足现代汽车发展的要求。因此，电子控制单元应该与受控部件进行紧密结合，由此形成一个整体，这就要求汽车电子要朝向器件和电路的微型化和集成化方向发展。

（3）在智能化迅猛发展的今天，人们对智能化事物的发展充满期待，汽车电子的控制单元必须具有足够的智能化程度，才能够不断满足人们日益增长的需求。例如，汽车中的安全气囊，汽车中拥有安全气囊可以保证汽车在危险时刻能够及时而正确的打开，一次来保证人的安全，在大多数情况下，气囊是处于待命状态的，因此安全气囊的ECU必须具有自检、自我维护功能，并且能够一直确认气囊系统的可正常运作的可靠性和确保动作的“万无一失”。

（4）汽车的各种功能部件都有其各自的运动和操控特点，尤其是长时间处于运动状态下的电子产品，经常是在非常恶劣的环境下进行运作，例如汽车部件总是在高温的状态下工作，在低温的状态下静止，这样便会导致高浓度的油蒸汽和活性气体的产生。因此，为了保证汽车电子系统状态的稳定性，必须使电子原器件和电路拥有高稳定、抗环境和自适应、自补偿调整的能力。

2 智能传感器

2.1 智能传感器的组成

本文所说的智能传感器主要是指三大类器件，分别是：将非电学输入参量转换成电磁学信号输出的传感器、将电学信号转换成非电学参量输出的执行器和既能用作传感器又能作为执行器的变送器。微传感器并不是将传统传感器进行简单的物理性质缩小的产物，而是在半导体工艺技术基础上的一种新一代器件，在微传感器中应用的都是新的工作机制和物化效应，采用的材料也是与标准半导体工艺类同的，通过采用微细加工技术完成的材料制作过程。

2.2 智能传感器中的芯片

智能传感器由两块芯片组成，一块芯片的功能是拥有自检测能力的加速度计单元，另一块芯片则是作为微传感器和微处理器之间的接口电路存在的。这是一种非常实用的器件，一般应用在汽车的自动制动和悬挂系统中，在一定情况下由于其具有自检测特点，还可以将其应用在安全气囊中使用。采用这两种芯片，一方面可以缩小体积，便于集成电路的组合和规模生产，另一方面也可以降低生产成本，提高应用价值。

2.3 智能传感器中的微系统

智能传感器中的微系统和微机电系统主要由微传感器、微电子学电路和微执行器组成的一个三级级联系统，将这三级级联系统集成在一个芯片上便可形成一个微系统。如果其中机械联动或者机械执行机构等微机械部件的器械，那么这种器械便可以称之为微机电系统。

微传感器发展的最终目的是智能传感器，而智能传感器的研究和创新的最终目的是推进微系统和微机电系统的快速发展，两者之间是一种互相推进、互相影响的关系，维系统和微机电系统的发展能够自主接受和分辨外界的信号，从而进行独立、正确的操作。

3 结束语

随着汽车电子技术的快速发展，智能传感器的研制成果也在不断更新，为了保证智能传感器满足现代汽车电子技术的发展需求，微机械技术已经被提上研发的日程，而微机械技术的成功研发和投入适应将会对工业技术和生活质量的提高也产生深远的影响。

参考文献

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[3]庄彦霞.汽车电子技术的应用与发展趋势浅析[J].农业装备与车辆工程，2009（02）.

作者简介

刘娟（1979-），女 ， 汉，湖南省长沙市人，助教，湖南大学电气工程专业毕业，专业方向：汽车机电。

微电子器件篇5

1微电子工艺清洗技术的理论研究

在微电子元器件的制造过程当中，由于其体积小、制造过程复杂等众多客观原因存在，将会很有可能导致微电子元器件在其步骤繁琐的制造过程当中受到污染。这些污染物质通常会物理吸附或者是化学吸附等多种方式在电子元器件生产过程当中吸附在其表面。比如说，硅胶材质的硅片在其制造过程中污染物质通常会以离子或者是以粒子形式吸附在硅片的表面。这些污染物质还有可能存在于硅片自身的氧化膜当中。产生这一现象的原因并不奇怪，这是由于这些污染物质破坏掉了硅片表面的化学键，从而导致了在其表面形成了自然的力场，让众多污染物质轻松吸附或者直接进入到硅片的氧化膜当中。在产生这种现象之后，要清洗硅片就非常困难了。在清洗过程中，既要保持不能去破坏硅片的结构，又要保持能够对污染物质进行彻底的清洗，以便其对产品结构当中的其他元器件产生污染，这一问题就变得非常棘手，愈发困难了。在当前微电子行业的大多企业或是研究所讲微电子的清洗技术两类：一种叫做湿法清洗；另一种叫做干法清洗。这两种技术都能够保持比较高的清洗度，并且能够在不破坏电子元器件的化学键的基础上祛除电子元器件表面或是氧化膜内存在的污染物和杂质。

2微电子工艺清洗技术的现状研究

由于我国行业的发展更重视对服务业的发展和我国微电子行业的起步和发展较晚，从而致使当前我国微电子工艺的清洗技术比较落后，并且存在诸多的问题。

2.1湿法清洗技术研究

湿法清洗这一技术，是由上个世纪六十年代的一名美国科学家所研究发明出来的。这种方法主要是通过利用化学溶剂同有机溶剂和被清洗的微电子元器件之间发生化学反应，然后再利用多种技术手段，如：超声波技术去污；采用真空去污技术等多种技术手段。最终，利用这些步骤实现对微电子元器件的清洗。

在以上湿法清洗电子元器件的步骤当中还需要用到种类不一的化学试剂。这些化学试剂主要包括氢氧化铵和过氧化氢以及硫酸等物质。氢氧化铵主要是被利用于对污染程度不是非常严重的电子元器件的清洗，或者是作为清洗第一部的化学试剂。其能够在控制的温度下、浓度下以及化学反应所经历的时间下等多种条件下，利用化学反应去腐蚀电子元器件的表面污染物质或者是金属的化合物。但是，由于这种腐蚀程度是需要多种条件来控制的，因此其对人员的技术和企业电子清洗设备的要求也是很高的，如果不能对整个过程实现严密的监控，将会对电子元器件造成损害。过氧化氢在清洗过程当中主要是被利用于对电子元器件的衬底进行清洗，通过清洗衬底上所附着的金属化合物质或者是络合物质。最后一种化学试剂（硫酸）在清洗过程当中扮演着非常重要的角色。在使用硫酸对被清洗电子元器件进行清洗过程中必须采用双氧水这一化学试剂来减少其反应的时间，并且降低硫酸的浓度、反应时候的温度，从而有效的减少了被清洗电子元器件碳化或者是被腐蚀严重的现象发生。以免让硫酸对电子元器件造成损害。湿法清洗技术在众多清洗技术当中是比较有效的一种技术，但是其依靠化学反应的客观因素，让其很有可能造成化学物质残留从而导致电子元器件被腐蚀的现象。

2.2干法清洗技术研究

干洗技术相对于湿洗技术来说其避免了使用化学试剂，从而大大减少了化学物质残留导致电子元器件腐蚀的现象发生。干洗技术主要是采用等离子、气相等清洗技术方式对电子元器件的金属化合物和络合物进行清洗。对于采用等离子技术为主的干洗技术，其具有残留物质少、操作难度低等技术性特点，并且在微电子元器件的清洗行业当中其研究最早、技术较为成熟，从而在当前我国微电子行业的应用最为广泛。但是，等离子技术也存在一定的弱点，就是其无法完全祛除存留于微点电子元器件表面的污染物。而气相技术的应用相对于等离子技术来说是非常少的，主要原因在于其花费时间长、成本高，并且在采用气相技术清洗过程主要是被应用于硅片元器件的清洗，对于其他元器件的适用程度较低。

3对微电子清洗技术的展望

从上文的分析当中可以发现，就我国企业当前的资金、人力等现状来说，我国在微电子清洗工艺当中，应当采用干洗技术当中的等离子技术。这种微电子工艺清洗技术不需要进行二次清洗，就能够达到超过其他技术操作之后的结果。而对于其单次清洗过后残留的金属混合物来说，可以在继续采用其他清洗方式减少其污染物质含量，从而在保证电子元器件质量前提下在较短时间内较低微电子污染物的含量。

微电子器件篇6

关键词：电子科学与技术；实验教学体系；微电子人才

作者简介：周远明（1984-），男，湖北仙桃人，湖北工业大学电气与电子工程学院，讲师；梅菲（1980-），女，湖北武汉人，湖北工业大学电气与电子工程学院，副教授。（湖北 武汉 430068）

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）29-0089-02

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此人才培养必须坚持“理论联系实际”的原则。专业实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要教学环节，对于学生综合素质的培养具有不可替代的作用，是高等学校培养人才这一系统工程中的一个重要环节。[1，2]

一、学科背景及问题分析

1.学科背景

21世纪被称为信息时代，信息科学的基础是微电子技术，它属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”。微电子技术一般是指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元器件和电路，实现电子系统功能的新型技术学科，主要涉及研究集成电路的设计、制造、封装相关的技术与工艺。[3]由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路，因此微电子技术是电子信息技术的核心技术和战略性技术，是信息社会的基石。此外，从地方发展来看，武汉东湖高新区正在全力推进国家光电子信息产业基地建设，形成了以光通信、移动通信为主导，激光、光电显示、光伏及半导体照明、集成电路等竞相发展的产业格局，电子信息产业在湖北省经济建设中的地位日益突出，而区域经济发展对人才的素质也提出了更高的要求。

湖北工业大学电子科学与技术专业成立于2007年，完全适应国家、地区经济和产业发展过程中对人才的需求，建设专业方向为微电子技术，毕业生可以从事电子元器件、集成电路和光电子器件、系统（激光器、太能电池、发光二极管等）的设计、制造、封装、测试以及相应的新产品、新技术、新工艺的研究与开发等相关工作。电子科学与技术专业自成立以来，始终坚持以微电子产业的人才需求为牵引，遵循微电子科学的内在客观规律和发展脉络，坚持理论教学与实验教学紧密结合，致力于培养基础扎实、知识面广、实践能力强、综合素质高的微电子专门人才，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

2.存在的问题与影响分析

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此培养创新型和实用型人才必须坚持“理论联系实际”的原则。要想培养合格的应用型人才，就必须建设配套的实验教学平台。然而目前人才培养有“产学研”脱节的趋势，学生参与实践活动不论是在时间上还是在空间上都较少。建立完善的专业实验教学体系是电子科学与技术专业可持续发展的客观前提。

二、建设思路

电子科学与技术专业实验教学体系包括基础课程实验平台和专业课程实验平台。基础课程实验平台主要包括大学物理实验、电子实验和计算机类实验；专业课程实验平台即微电子实验中心，是本文要重点介绍的部分。在实验教学体系探索过程中重点考虑到以下几个方面的问题：

第一，突出“厚基础、宽口径、重应用、强创新”的微电子人才培养理念。微电子人才既要求具备扎实的理论基础（包括基础物理、固体物理、器件物理、集成电路设计、微电子工艺原理等），又要求具有较宽广的系统知识（包括计算机、通信、信息处理等基础知识），同时还要具备较强的实践创新能力。因此微电子实验教学环节强调基础理论与实践能力的紧密结合，同时兼顾本学科实践能力与创新能力的协同训练，将培养具有创新能力和竞争力的高素质人才作为实验教学改革的目标。

第二，构建科学合理的微电子实验教学体系，将“物理实验”、“计算机类实验”、“专业基础实验”、“微电子工艺”、“光电子器件”、“半导体器件课程设计”、“集成电路课程设计”、“微电子专业实验”、“集成电路专业实验”、“生产实习”和“毕业设计”等实验实践环节紧密结合，相互贯通，有机衔接，搭建以提高实践应用能力和创新能力为主体的“基本实验技能训练实践应用能力训练创新能力训练”实践教学体系。

第三，兼顾半导体工艺与集成电路设计对人才的不同要求。半导体的产业链涉及到设计、材料、工艺、封装、测试等不同领域，各个领域对人才的要求既有共性，也有个性。为了扩展大学生知识和技能的适应范围，实验教学必须涵盖微电子技术的主要方面，特别是目前人才需求最为迫切的集成电路设计和半导体工艺两个领域。

第四，实验教学与科学研究紧密结合，推动实验教学的内容和形式与国内外科技同步发展。倡导教学与科研协调发展，教研相长，鼓励教师将科研成果及时融化到教学内容之中，以此提升实验教学质量。

三、建设内容

微电子是现代电子信息产业的基石，是我国高新技术发展的重中之重，但我国微电子技术人才紧缺，尤其是集成电路相关人才严重不足，培养高质量的微电子技术人才是我国现代化建设的迫切需要。微电子学科实践性强，培养的人才需要具备相关的测试分析技能和半导体器件、集成电路的设计、制造等综合性的实践能力及创新意识。

电子科学与技术专业将利用经费支持建设一个微电子实验教学中心，具体包括四个教学实验室：半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室、微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室、集成电路设计实验室、科技创新实践实验室。使学生具备半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析、微电子器件、光电器件参数测试与应用、集成电路设计、LED封装测试等方面的实践动手和设计能力，巩固和强化现代微电子技术和集成电路设计相关知识，提升学生在微电子技术领域的竞争力，培养学生具备半导体材料、器件、集成电路等基本物理与电学属性的测试分析能力。同时，本实验平台主要服务的本科专业为“电子科学与技术”，同时可以承担“通信工程”、“电子信息工程”、“计算机科学与技术”、“电子信息科学与技术”、“材料科学与工程”、“光信息科学与技术”等10余个本科专业的部分实践教学任务。

（1）半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室侧重于半导体材料基本属性的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论的理解，掌握相关的测试方法与技能，包括半导体材料层错位错观测、半导体材料电阻率的四探针法测量及其EXCEL数据处理、半导体材料的霍尔效应测试、半导体少数载流子寿命测量、高频MOS C-V特性测试、PN结显示与结深测量、椭偏法测量薄膜厚度、PN结正向压降温度特性实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时等。

（2）微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室侧重于半导体器件与集成电路基本特性、微电子工艺参数等的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论、器件参数与性能、工艺等的理解，掌握相关的技能，包括器件解剖分析、用图示仪测量晶体管的交（直）流参数、MOS场效应管参数的测量、晶体管参数的测量、集成运算放大器参数的测试、晶体管特征频率的测量、半导体器件实验、光伏效应实验、光电导实验、光电探测原理综合实验、光电倍增管综合实验、LD/LED光源特性实验、半导体激光器实验、电光调制实验、声光调制实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时、课程设计、创新实践、毕业设计等。

（3）集成电路设计实验室侧重于培养学生初步掌握集成电路设计的硬件描述语言、Cadence等典型的器件与电路及工艺设计软件的使用方法、设计流程等，并通过半导体器件、模拟集成电路、数字集成电路的仿真、验证和版图设计等实践过程具备集成电路设计的能力，目的是培养学生半导体器件、集成电路的设计能力。以美国Cadence公司专业集成电路设计软件为载体，完成集成电路的电路设计、版图设计、工艺设计等训练课程。完成形式包括理论课程的实验课时、集成电路设计类课程和理论课程的上机实践等。

（4）科技创新实践实验室则向学生提供发挥他们才智的空间，为他们提供验证和实现自由命题或进行科研的软硬件条件，充分发挥他们的想象力，目的是培养学生的创新意识与能力，包括LED封装、测试与设计应用实训和光电技术创新实训。要求学生自己动手完成所设计器件或电路的研制并通过测试分析，制造出满足指标要求的器件或电路。目的是对学生进行理论联系实际的系统训练，加深对所需知识的接收与理解，初步掌握半导体器件与集成电路的设计方法和对工艺技术及流程的认知与感知。完成形式包括理论课程的实验课时、创新实践环节、生产实践、毕业设计、参与教师科研课题和部级、省级和校级的各类科技竞赛及课外科技学术活动等。

四、总结

本实验室以我国微电子科学与技术的人才需求为指引，遵循微电子科学的发展规律，通过实验教学来促进理论联系实际，培养学生的科学思维和创新意识，系统了解与掌握半导体材料、器件、集成电路的测试分析和半导体器件、集成电路的设计、工艺技术等技能，最终实现培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、适应范围广的具有较强竞争力的微电子专门人才的目标，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

参考文献：

[1]刘瑞，伍登学.创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践[J].实验室研究与探索，2004，（5）：6-9.

微电子器件篇7

一、前言

微电子技术的发展，为通讯、信息处理和生产、生活及办公自动化等领域带来了巨大的进步，使人类的生活方式、思维方式和社会的产业结构发生了巨大的变化，将人类带入了信息时代。

在电子技术深入发展的同时，一项新的技术棗微机械技术悄然的诞生。微机械发展迅速，具有巨大的发展潜力和应用前景。许多科学家坚信，它将成为继微电子技术之后又一项推动社会迅速进步的革命性技术。

微机械的全称为微电子机械系统，是以微电子技术和微加工技术为基础的一项新技术。早在六十年代，微机械技术的概念就开始萌芽，一些富有创见的科学家开始探索用硅的微加工方法，制作传感器、执行器和控制器，并设想将它们集成在微小的几何空间，从而形成高度自动化、智能化、可以大批量生产、价格低廉的微电子机械系统。八十年代末，微机械压力传感器等技术的成熟并市场化，IC工艺制作的静电微电机的研制成功，标志着微机械技术已经发展成了一门独立的新兴学科。在科学家们的推动下，微机械技术受到了美国、德国、日本等发达国家的重视，投入了大量的人力物力，十余年间，微机械技术取得了众多新成果，微机械技术透浸到众多领域，产生了巨大的经济和社会效益，展现了美好的前景。

二、微机械元件

微机械元件既可以作为独立的器件，应用于宏观的机电系统中，又可以作为微机械集成系统的单元，是微机械迄今为止研究和开发的主要内容。

微机械的研究主要集中在硅基器件上，这与硅的良好的机械性能和与IC工艺的兼容性有关。早期研制成功并商品化的器件是结构简单的传感器棗硅压力传感器，这种传感器性能优良，成本低廉，市场增长十分迅速，95年产量为5千万件，预计2005年产量将达1亿2千万件[1]。1995年全球传感器市场为60亿美元，其中约4分之1为微机械传感器，微机械传感器从起步至今仅十余年历程，发展如此迅速，表现出微机械技术的强大的生命力。

微机械传感器市场潜力仍非常大，不仅可以进一步替代传统传感器，由于其价格低廉，必将在更多领域得到应用，从而开辟更广阔的新兴市场。国际上许多著名的公司如，Rosemout、AnalogDevices和Motorola均有积极的微机械传感器市场发展计划。

（一）微机械元件应用

微机械器件的优势在于大批量生产时成本低廉，产品的性能-价格比明显优于传统器件。目前具有广阔市场的应用领域包括：

1、多功能绝对压力传感器

石油危机和人们对环境保护的要求，使汽车制造商必须改进油料燃烧的经济性，提高汽车单位重量油料的行程，改善汽车尾气质量。基本的方法是严格控制燃料与空气的比例。这种控制系统的关键元件为多功能绝对压力传感器。1995年这种传感器产量为二千五百万件。

2、医用压力传感器

在使用微机械传感器以前，测量血压用的是可靠性较低的普通压力传感器。这些传感器在使用前须稳定化和标定，测血压的费用较高。

汽车用多功能硅压力传感器研制成功，激励人们成功地开发出医用压力传感器，这种医用传感器使用前不需标定和稳定化，使用费用很低，在严重的疾病的诊断和治疗棗如心脏手术等医疗中得到广泛应用，1995年产量为一千八百万件[2，3]。

3、加速度传感器

九十年代初，硅加速度传感器已由实验研究转入实际应用，应用于汽车车祸传感和刹车及安全汽囊释放控制系统。95年年产量逾五百万件[4]。在过去的二十中，虽然美国由于汽车数量增加车祸的数量增加了75%，而车祸死亡率却减少了50%。这与微机械加速度传感器在汽车中的应用有很大的关系。

二、市场预测

十年前，微机械器件仅有硅压力传感器具有较大市场应用，而如今，加速度传感器已在几年的时间中产量由20万件增加到近2千万件，而许多其它微机械器件也逐步商业化，市场价值达数十亿美元。现在，非传感器类微机械器件的市场还非常小，但有理由预测，在今后十年，非传感器类微机械器件将会有明显增长。

近期有较好市场前景的微机械器件有：

1、压力传感器

微机械硅基压力传感器将进一步增长，应用于汽车和智能化网络输出等方面[5]。汽车传感器的应用包括：燃油汽化、高压喷油、发动机的多功能压力传感器、电子刹车等。

2、惯性传感器

惯性传感器发展十分迅速，包括加速度计、转速计和陀螺仪等，主要应用于汽车稳定性控制和驾驶控制及虚拟现实控制器等方面，以汽车安全气囊释放为目标的加速度传感器已经开发成功，尺寸仅为3mm×3mm，量程为5g，预计价格为每件15美元[6]。

惯性传感器可作为智能惯性导航的核心器件，应用于汽车、飞机和航天器件的驾驶和控制，

3、流体控制器

流体器件，如压力阀，将逐步商品化并有较快的增长。但目前微机械流体器件由于操作温度范围较窄，压力和流量控制范围较小，与流体的相容性有限，还不能很好满足传统商业领域的需要[7]。

4、数据存贮

复杂软件和影相技术对大量信息存贮的需求，促进了高密度存贮技术的研究，多项高密度存贮技术正在开发之中，在微机械技术领域，有良好商业前景的存贮技术的研究包括：

（1）用芯片上的伺服电机驱动硬盘磁头，可以实现0.1μm精密定位，存贮密度可达100GB/in2[7]。

（2）IBM开发了一种塑性存贮盘读写技术，用微机械技术制作“笔尖”，在“写”时，在塑性盘上形成凹坑，而读时，与早期的唱片机读的方法一样。用该方法，已实现存贮密度达20GB/in2[8]。

5、显示器芯片

德州仪器开发微转镜显示芯片技术已愈十五年，现在已经开始少量生产种芯片[9]。还有其它硅谷公司也在开发该项技术。微机械显示芯片将最终实现市场化，可望在巨大的显示器市场占有一定份额。

6、微机械通讯器件

正在开发中的光纤微机械反射调制器，有希望实现居民实时影相通讯，有希望得到迅速发展[10]。

7、CMOS热电堆传感器

用氧化物/氮化物支撑的n型多晶硅/p型多晶硅红外传感和电功率传感元件可以用CMOSIC工艺制作，绝热是通过在CMOS热氧化物下面的体硅腐蚀工艺实现的。硅的氧化物和氮化物对8至14微米的波长敏感，可用来监测房间的异常侵入。温升（几mK）用热电堆来检测[11]。预计该元件在民用、工业和军事上都有广阔的应用前景。

8、CMOS热压力传感器

利用压力对空气热传导性能有影响，可以制成测量气体压力的CMOS压力传感器。目前研制的器件，可用来测量102至106Pa空气压力[12]。

9、CMOS热、通风和空气调节（HVAC）多功能传感器

热、通风和空气的调节须测试温度、气流和空气的湿度。将热电堆、热压力传感和测量湿度的指状电容利用CMOS技术集成一体，便构成了HVAC传感器[13]。这种传感器将在人类高质量生活环境的控制中发挥重要作用。

四、微机械仪器

由于微机械技术能够以较低成本制造出尺寸微小的机械结构，并且可以将传感器、执行器、控制器集成了一体，因此在测试仪器等方面表现出了巨大的优越性。

1、微机械电泳仪

在细长的毛细管两端加上直流电压，管中注入离子导电液体，将发生电泳运动，将分析的样品注入毛细管一端，不同分子量的集团将以不同速度运动，从而形成按分子质量的分布排列，在毛细管的侧面用放射线或荧光可以测定试样的组成。如某一组DNA的组成。

用微机械方法制作的电泳仪比传统电泳仪有很大优越性，不仅价格低，而尺寸小，仅为传统电泳仪尺寸的10分之一，速度快也提高10倍，而且测试结果更加准确[14]。

2、微机械质谱仪

电泳仪可用来分析试样的分子组成，而质谱仪是用来分析试样的原子组成的。在质谱仪中，首先将试样气化，然而在真空中电离，再用电场使离子高速运动，并在磁场中将不同质量的离子分离到不同的运动轨道，同探测器检测，即可分析原子组成。用微机械方法制作这种质谱仪正在开发之中，预计可以将尺寸缩成掌上型大小[15]。

3、微机械细胞计

通过将细胞悬浮在液体中，注入装有透明液体的试管。注入时，细胞悬浮液在试管透明液中形成很细的一条液柱，液柱非常细，可以从试管侧面测定单个细胞的形状、尺寸、光学特性，进行统计学研究。这对医学研究非常有益。现在这种仪器十分昂贵，而用微机械方法制作细胞仪的中的微结构十分便利的，微机械细胞计将能用来确定含量仅0.1%的血细胞[16]。

4、微机械染色体链成反应仪

现有技术尚无法测量数量非常少的DNA的结构，只能通过复制DNA的染色体，使数量增多之后才能测定。利用加热时DNA双螺旋蛋白质分子的融解，分解成两条单链，冷却时，在适当的反应试剂中，试剂分子与每一单链相互组合，形成两条双链DNA。重复上述过程，将使DNA分子大量增殖[17]。

用微机械方法制作的链式反应仪，可以在几分钟内完成DNA的样品复制，比传统仪器快5至10倍，而且，可以节约价格昂贵的反应试剂。随着医疗对DNA测试需求增加，成本低、性能优良的微机械链式反应仪将会有较大市场。

5、微机械重金属探测仪

用微机械方法可以制成阳极溶解式重金属探测仪，利用重金属特征电位和电离电量来检测样品中重金属含量，微机械方法可以制作出尺寸较小的便携式重金属探测仪，可以在现场监测重金属污染[18]。

6、微机械血液测试仪

以微机械生物化学传感器为基础的血液手持型测试仪，可以快速测试血液中的CO2、K+、Na+、C1-、葡萄糖、尿素、pH值等多种指标[19]。这种血液分析仪的开发成功预示着化学分析仪进入一个崭新天地。

五、结论

短短的十余年时间，微机械从诞生至今，从原理研究，器件开发到仪器研制，已经积累了众多成果，形成了一个对人类社会众多领域都将发生重大影响的丰富多彩的新学科。目前在微机械传感器表现出了强大的生命力，在传感器市场占有已达1/4以上，并且开拓出汽车安全汽囊释放控制系统等高经济附加值，高社会价值的新型产品，而在微机械陀螺仪、生物和化学传感器等方面的研究成果，表明微机械在众多领域将发挥巨大的作用，产生巨大的经济价值，将对人类社会生活带来巨大的进步。

微机械仪器的开发和研究成果表明，人类已经有能力开发出品种众多、成本低廉的便携式或掌上型仪器，测试速度快，测试结果更加精密，这将使越来越多的人得到高质量的医疗、保健，更多的人有条件从事高层次的科学研究。

与微型计算机相似，微机械器件的优势在于大批量生产带来的价格优势，因此，现在取得商业成功的主要是那些有巨大市场的项目，如力学传感器，但随着各种模块式器件开发，可以期望组合成种类众多的仪器和系统，实现微机械产品的多样化。

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DalianUniversityofScienceandTechnologyShaoPei-ge

微电子器件篇8

关键词：微电子技术；现状概述；发展趋势；

微电子技术作为科学技术发展的最新产物，对人类的生产领域与生活领域产生了直接性的重要影响。20世纪40年代末期，晶体管的发明使微电子技术进入时代的发展中，经过后人半个世纪的不懈努力与科技创新，现代化的微电子技术已经在各个领域中得到了普遍的应用。微电子技术既是科学发展的基础，又是时代的高新技术。微电子技术的出现极大地推动了通信技术、遥测传感技术、计算机技术、航空航天技术、网络科技与家用电器产业的急速发展，现代化的战争逐渐转变为应用电子、信息的高科技战争。

1微电子技术的概念与发展现状

1.1微电子技术概述

微电子技术的发展极大地改变了人们的生活方式，微电子技术的核心内容在于集成电路的设计与制造，集成电路的发展是半导体器件的不断演化。微电子技术有着传统电子技术不具备的优势与特征：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；微电子信号传递能够在极小的尺度下进行；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；微电子技术可在晶格级微区进行工作。

1.2微电子技术发展历程概述

微电子技术开始于20世纪末期，晶体管的发明引起了革命性的进展。晶体管由巴丁、布莱顿与肖克莱在1947年发明，为微电子技术的后来发展奠定了基础。20世纪50年代是微电子技术快速发展的时期，集成电路的出现引领了电子技术的革命浪潮。20世纪70年代可以说是微电子技术发展的高峰期，微型计算机的出现奠定了微电子技术在高新技术中的核心地位。进入21世纪以来，微电子技术得到了普遍的应用，既是发展基础，也是高科技产品，计算机、手机、家用电器等各个领域的产品制造、生产都离不开微电子技术的支持。微电子技术也应用到了国防工业、印刷工业、汽车工业等工业生产建设中，其核心技术成为了行业的发展支柱。但是，时代在快速发展，国内的微电子技术应抓住发展机遇，通过创新研究与功能实践，改变国内微电子技术初步发展的弊端，与社会形成一种相互依赖的关系，实现微电子技术的可持续发展。微电子技术在国内的许多领域已经取得了傲人的成绩，尤其是集成纳米技术的研究突破，扩大了集成规模。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。

2现阶段限制微电子技术发展的主要因素

2.1物理规律限制

硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)是现阶段微电子技术的发展基础，现代的科学研究力求提升集成电路的集成性能，增加芯片的元件容量。而集成电路性能的提高需要对元器件进行合理的缩小，对集成电路施加合适的电源电压。芯片元器件的缩小会受到电源电压、氧化层厚度以及器件沟道长度等物理因素限制。但是，当前的微电子技术还无法通过物理学来克服这些电子、离子的反物理规律运行，因而在很大程度上阻碍了微电子技术的发展。

2.2材料限制

现阶段，微电子技术的常用材料是硅晶体，但硅晶体的材料特性限制了微电子技术的领域化发展，而且硅材料有众多的缺陷。载流子的迁移率μ、介电常数ε、击穿电场强度Ec、载流子的饱和速度vs、热导系数K等是决定材料性能的主要参数，微电子技术的载体材料的选择正在进行不断的试验，为电子技术的微型化发展做出努力。

2.3工艺技术限制

微电子元器件的工艺有着严格的条件限制与技术要求，主要包括微细线条加工以及高质量薄膜的离子注入控制技术工艺。最为困难的工艺在于光刻设备的利用，现阶段的光刻设备应用摩尔定律已经从1微米推进到了0.05微米，已经不可能进一步推进微化光刻设备。

3微电子技术的应用

3.1在生活中的应用

在信息爆炸时代生活的我们，无时无刻不在接受微电子技术带来的影响。生活中常用的通信工具手机、每天在欣赏的电视节目、每天乘坐公交用的IC公交卡、全自动智能洗衣机、做饭用的电饭煲等，微电子技术应用于生活中的各个领域。微电子处理技术与其发挥的功能为我们的生活带来了极大的便利，提高了我们的生活品质。

3.2在工业制造中的应用

现代社会的高新科技带动了现代工业的快速进步，微电子技术已经普遍应用于工业生产中，并带来了巨大经济效益。信息化革命促使工业制造业抛弃了传统的生产制造模式，积极引进先进技术，在工业生产中科学合理地应用微电子技术，提高了制造企业的生产效率与产品精度。工业制造企业应顺应科学技术的发展形势，在产品制造中引进微电子技术，提高行业市场竞争力，实现企业经济效益的长足发展。例如，在汽车制造行业中，应用微电子技术提升防盗系统与监控系统的性能。将微电子技术应用到汽车的电子引擎系统中，可以有效地解决引擎不易控制等问题。现阶段国外的汽车防盗系统与手机相连，通过微电子技术实时监控汽车的防盗情况，及时地通过手机将信息反馈给车主。国内的这一技术正处于研发阶段，相信不久后就会问世，利用微电子技术更好地为人们服务，极大地提高汽车的整体性能。

3.3在军工产业中的应用

国家军事力量的现代化发展，离不开微电子技术的支持。利用微电子技术的优势在于改变战争的传统形式，促使现代战争向信息化转变。在信息化时代，国家军事装备的信息化程度决定了这个国家的军事力量。国家军事中融入的现代电子技术越多，军事装备的整体性能就越有提高，在战争中越能掌握先机。现代技术中的无人战斗机就是最好的例子，利用微电子技术与计算机的远程遥控，对无人机的战斗作业进行有效控制。

4微电子技术的发展趋势

4.1改进传统制造工艺

微电子技术的制造工艺随着新技术的创新得到了飞跃性的进展，从最初传统的单层平面分布到现在的包含多层高密度与多层多功能的多层工艺，微电子制造技术向低成本、多功能方向发展。由人工超晶格工艺制造出来的器件叫做超晶格半导体器件，超晶格半导体器件的最大优势在于其速度比普通硅半导体的速度快10~100倍。利用敏感集成电路缩小微电子器件的体积，不仅可以节约生产成本，还能提高器件性能的整体稳定性。现代集成电路的发展趋向于摩尔定律的规划结构，从系统结构的二维集成转向三维集成，实现电路集成度的新突破，大力促进微电子技术中的集成电路发展。

4.2更新微电子电路的制造材料

随着集成电路的技术的不断发展，传统的硅晶体暴露出越来越多的缺陷与弊病，研究微电子技术的科学家正在寻找新材料代替硅晶体，从而打破硅晶体对于集成电路的局限性。利用砷化镓、磷化铟等氧化物半导体材料和超导材料、金刚石材料制造微电子集成电路，可以极大地提高集成电路的抗辐射能力、开关速度和工作温度，扩大集成电路的应用条件。与此同时，“生物芯片”的相关研究也取得了突破性的成就，利用有机物元原子在化学链中能储存信息的特点，制造出“生物芯片”。

4.3增大微电路芯片尺寸

芯片是集成电路元器件的工作平台，为集成电路提供必要的物质基础。增大芯片的尺寸可以有效提高芯片的集成度，增强芯片的工作能力。现阶段，微电子芯片可以达到12英寸，虽然芯片的规模不大，但其可以容纳十几亿个工作元件，随后的芯片容量发展规模会达到令人震惊的程度，从而大幅度综合提高芯片的功能密度与性能价格比。

4.4器件尺寸继续缩小

器件特征尺寸缩小对提高集成有重要的作用，使得其性价比不断提升，也是微电子技术发展的主要方向之一。而器件特征尺寸缩小也会出现相应的技术挑战。

微电子器件篇9

【关键词】电子信息科学与技术微电子课程体系建设教学改革

【基金项目】大连海事大学教改项目：电子信息科学与技术专业工程人才培养实践教学改革（项目编号：2016Z03）；大连海事大学教改项目：面向2017级培养方案的《微电子技术基础》课程教学体系研究与设计（项目编号：2016Y21）。

【中图分类号】G42 【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2018）01-0228-02

1.開设《微电子技术基础》的意义

目前，高速发展的集成电路技术产业使集成电路设计人才成为最抢手的人才，掌握微电子技术是IC设计人才的重要基本技能之一。本文希望通过对《微电子技术基础》课程教学体系的研究与设计，能够提高学生对集成电路制作工艺的认识，提高从事微电子行业的兴趣，拓宽知识面和就业渠道，从而培养更多的微电子发展的综合人才，促进我国微电子产业的规模和科学技术水平的提高。

2.目前学科存在的问题

目前电子信息科学与技术专业的集成电路方向开设的课程已有低频电子线路、数字逻辑与系统设计、单片机原理、集成电路设计原理等。虽然课程开设种类较多，但课程体系不够完善。由于现在学科重心在电路设计上，缺少对于器件的微观结构、材料特性讲解[1]，导致学生在后续课程学习中不能够完全理解。比如MOS管，虽然学生们学过其基本特性，但在实践中发现他们对N沟道和P沟道的工作原理知之甚少。

近来学校正在进行本科学生培养的综合改革，在制定集成电路方向课程体系时，课题组成员对部分学校的相关专业展开调研。我们发现大部分拥有电子信息类专业的高校都开设了微电子课程。譬如华中科技大学设置了固体电子学基础、微电子器件与IC设计、微电子工艺学以及电子材料物理等课程。[2]又如电子科技大学设置了固体物理、微电子技术学科前沿、半导体光电器件以及高级微电子技术等课程。[3]因此学科课题组决定在面向2017级电子信息科学与技术专业课程培养方案中，集成电路设计方向在原有的《集成电路设计原理》、《集成电路设计应用》基础上，新增设《微电子技术基础》课程。本课程希望学生通过掌握微电子技术的原理、工艺和设计方法，为后续深入学习集成电路设计和工程开发打下基础。

3.微电子课程设置

出于对整体课程体系的考虑，微电子课程总学时为32学时。课程呈现了微电子技术的基本概论、半导体器件的物理基础、集成电路的制造工艺及封装测试等内容。[4]如表1所示，为课程的教学大纲。

微电子技术的基本概论是本课程的入门。通过第一章节的学习，学生对本课程有初步的认识。

构成集成电路的核心是半导体器件，理解半导体器件的基本原理是理解集成电路特性的重要基础。为此，第二章重点介绍当代集成电路中的主要半导体器件，包括PN结、双极型晶体管、结型场效应晶体管（JFET）等器件的工作原理与特性。要求学生掌握基本的微电子器件设计创新方法，具备分析微电子器件性能和利用半导体物理学等基本原理解决问题的能力。

第三章介绍硅平面工艺的基本原理、工艺方法，同时简要介绍微电子技术不断发展对工艺技术提出的新要求。内容部分以集成电路发展的顺序展开，向学生展示各种技术的优点和局限，以此来培养学生不断学习和适应发展的能力。

第四章围绕芯片单片制造工艺以外的技术展开，涵盖着工艺集成技术、封装与测试以及集成电路工艺设计流程，使学生对微电子工艺的全貌有所了解。

4.教学模式

目前大部分高校的微电子课程仍沿用传统落后的教学模式，即以教师灌输理论知识，学生被动学习为主。这种模式在一定程度上限制了学生主动思考和自觉实践的能力，降低学习兴趣，与本课程授课的初衷相违背。[5]为避免上述问题，本文从以下几个方面阐述了《微电子技术基础》课程的教学模式。

教学内容：本课程理论知识点多数都难以理解且枯燥乏味，仅靠书本教学学生会十分吃力。因此，我们制作多媒体课件来辅助教学，将知识点采用动画的形式来展现。例如可通过动画了解PN结内电子的运动情况、PN结的掺杂工艺以及其制造技术。同时课件中补充了工艺集成与分装测试这部分内容，加强课堂学习与实际生产、科研的联系，便于学生掌握集成电路工艺设计流程。

教学形式：课内理论教学+课外拓展。

1）课内教学：理论讲解仍需教师向学生讲述基本原理，但是在理解运用方面采用启发式教学，课堂上增加教师提问并提供学生上台演示的机会，达到师生互动的目的。依托学校BBS平台，初步建立课程的教学课件讲义、课后习题及思考题和课外拓展资料的体系，以方便学生进行课后的巩固与深度学习。此外，利用微信或QQ群，在线上定期进行答疑，并反馈课堂学习的效果，利于老师不断调整教学方法和课程进度。还可充分利用微信公众号，譬如在课前预习指南，帮助学生做好课堂准备工作。

2）课外拓展：本课程目标是培养具有电子信息科学与技术学科理论基础，且有能力将理论付诸实践的高素质人才。平时学生很难直接观察到半导体器件、集成电路的模型及它们的封装制造流程，因此课题组计划在课余时间组织同学参观实验室或当地的相关企业，使教学过程更为直观，加深学生对制造工艺的理解。此外，教师需要充分利用现有的资源（譬如与课程有关的科研项目），鼓励学生参与和探究。

考核方式：一般来说，传统的微电子课程考核强调教学结果的评价，而本课程组希望考核结果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教学进度中的考核。课题组决定采用期末笔试考核与平时课堂表现相结合的方式，期末笔试成绩由学生在期末考试中所得的卷面成绩按照一定比例折合而成，平时成绩考评方式有随堂小测、课后习题、小组作业等。这几种方式将考核过程融入教学，能有效地协助老师对学生的学习态度、学习状况以及学习能力做出准确评定。

5.结语

微电子器件篇10

关键词微电子技术集成系统微机电系统DNA芯片

1引言

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”。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的重要资源，但对它的利用却仅仅是开始。当前面临的信息革命以数字化和网络化作为特征。数字化大大改善了人们对信息的利用，更好地满足了人们对信息的需求；而网络化则使人们更为方便地交换信息，使整个地球成为一个“地球村”。以数字化和网络化为特征的信息技术同一般技术不同，它具有极强的渗透性和基础性，它可以渗透和改造各种产业和行业，改变着人类的生产和生活方式，改变着经济形态和社会、政治、文化等各个领域。而它的基础之一就是微电子技术。可以毫不夸张地说，没有微电子技术的进步，就不可能有今天信息技术的蓬勃发展，微电子已经成为整个信息社会发展的基石。

50多年来微电子技术的发展历史，实际上就是不断创新的过程，这里指的创新包括原始创新、技术创新和应用创新等。晶体管的发明并不是一个孤立的精心设计的实验，而是一系列固体物理、半导体物理、材料科学等取得重大突破后的必然结果。1947年发明点接触型晶体管、1948年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、CMOS技术、半导体随机存储器、CPU、非挥发存储器等微电子领域的重大发明也都是一系列创新成果的体现。同时，每一项重大发明又都开拓出一个新的领域，带来了新的巨大市场，对我们的生产、生活方式产生了重大的影响。也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。自1968年开始，与硅技术有关的学术论文数量已经超过了与钢铁有关的学术论文，所以有人认为，1968年以后人类进入了继石器、青铜器、铁器时代之后硅石时代（siliconage）〖1〗。因此可以说社会发展的本质是创新，没有创新，社会就只能被囚禁在“超稳态”陷阱之中。虽然创新作为经济发展的改革动力往往会给社会带来“创造性的破坏”，但经过这种破坏后，又将开始一个新的处于更高层次的创新循环，社会就是以这样螺旋形上升的方式向前发展。

在微电子技术发展的前50年，创新起到了决定性的作用，而今后微电子技术的发展仍将依赖于一系列创新性成果的出现。我们认为：目前微电子技术已经发展到了一个很关键的时期，21世纪上半叶，也就是今后50年微电子技术的发展趋势和主要的创新领域主要有以下四个方面：以硅基CMOS电路为主流工艺；系统芯片（SystemOnAChip，SOC）为发展重点；量子电子器件和以分子（原子）自组装技术为基础的纳米电子学；与其他学科的结合诞生新的技术增长点，如MEMS，DNAChip等。

221世纪上半叶仍将以硅基CMOS电路为主流工艺

微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及性能价格比，因此便要求提高芯片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。以MOS技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度；同时缩小沟道长度和宽度还可减小器件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上；此外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信号的延迟总小于芯片间的信号延迟，这样在器件尺寸缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能也可以得到很大的提高。

自1958年集成电路发明以来，为了提高电子系统的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高，同时硅片的面积不断增大。集成电路芯片的发展基本上遵循了Intel公司创始人之一的GordonE．Moore1965年预言的摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小倍。在这期间，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业三十多年来发展的状况证实了Moore的预言[2]。而且根据我们的预测，微电子技术的这种发展趋势还将在21世纪继续一段时期，这是其它任何产业都无法与之比拟的。

现在，0．18微米CMOS工艺技术已成为微电子产业的主流技术，0．035微米乃至0．020微米的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入亚0．1微米技术阶段，相应的栅氧化层厚度只有2．0～1．0nm。预计到2010年，特征尺寸为0．05～0．07微米的64GDRAM产品将投入批量生产。

21世纪，起码是21世纪上半叶,微电子生产技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大进展；但还不具备替代硅基工艺的条件。根据科学技术的发展规律，一种新技术从诞生到成为主流技术一般需要20到30年的时间，硅集成电路技术自1947年发明晶体管1958年发明集成电路,到60年代末发展成为大产业也经历了20多年的时间。另外，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力；同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在50年内仍起重要作用，人们不会轻易放弃。

目前很多人认为当微电子技术的特征尺寸在2015年达到0．030～0．015微米的“极限”之后，将是硅技术时代的结束，这实际上是一种误解。且不说微电子技术除了以特征尺寸为代表的加工工艺技术之外，还有设计技术、系统结构等方面需要进一步的大力发展，这些技术的发展必将使微电子产业继续高速增长。即使是加工工艺技术，很多著名的微电子学家也预测，微电子产业将于2030年左右步入像汽车工业、航空工业这样的比较成熟的朝阳工业领域。即使微电子产业步入汽车、航空等成熟工业领域，它仍将保持快速发展趋势，就像汽车、航空工业已经发展了50多年仍极具发展潜力一样。

随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会遇到器件结构、关键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题，究其原因，主要是：对其中的物理规律等科学问题的认识还停留在集成电路诞生和发展初期所形成的经典或半经典理论基础上，这些理论适合于描述微米量级的微电子器件，但对空间尺度为纳米量级、空间尺度为飞秒量级的系统芯片中的新器件则难以适用；在材料体系上，SiO2栅介质材料、多晶硅／硅化物栅电极等传统材料由于受到材料特性的制约，已无法满足亚50纳米器件及电路的需求；同时传统器件结构也已无法满足亚50纳米器件的要求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技术。具体的需要创新和重点发展的领域包括：基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、器件模型、模拟和仿真软件，新型器件结构，高k栅介质材料和新型栅结构，电子束步进光刻、13nmEUV光刻、超细线条刻蚀，SOI、GeSi／Si等与硅基工艺兼容的新型电路，低K介质和Cu互连以及量子器件和纳米电子器件的制备和集成技术等。

3量子电子器件（QED）和以分子原子自组装技术为基础的纳米电子学将带来崭新的领域

在上节我们谈到的以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术，可称之为“scalingdown”，与此同时我们必须注意“bottomup”。“bottomup”最重要的领域有二个方面：

(1)量子电子器件（QED—QuantumElectronDevice）这里包括单电子器件和单电子存储器等。它的基本原理是基于库仑阻塞机理控制一个或几个电子运动，由于系统能量的改变和库仑作用，一个电子进入到一个势阱，则将阻止其它电子的进入。在单电子存储器中量子阱替代了通常存储器中的浮栅。它的主要优点是集成度高；由于只有一个或几个电子活动所以功耗极低；由于相对小的电容和电阻以及短的隧道穿透时间，所以速度很快；且可用于多值逻辑和超高频振荡。但它的问题是制造比较困难，特别是制造大量的一致性器件很困难；对环境高度敏感，可靠性难以保证；在室温工作时要求电容极小（αF），要求量子点大小在几个纳米。这些都为集成成电路带来了很大困难。

因此，目前可以认为它们的理论是清楚的，工艺有待于探索和突破。

(2)以原子分子自组装技术为基础的纳米电子学。这里包括量子点阵列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳纳米管为基础的原子分子器件等。

量子点阵列由量子点组成，至少由四个量子点,它们之间以静电力作用。根据电子占据量子点的状态形成“0”和“1”状态。它在本质上是一种非晶体管和无线的方式达到阵列的高密度、低功耗和实现互连。其基本优势是开关速度快，功耗低，集成密度高。但难以制造，且对值置变化和大小改变都极为灵敏，0．05nm的变化可以造成单元工作失效。

以碳纳米管为基础的原子分子器件是近年来快速发展的一个有前景的领域。碳原子之间的键合力很强，可支持高密度电流，而热导性能类似于金刚石，能在高集成度时大大减小热耗散，性质类金属和半导体，特别是它有三种可能的杂交态，而Ge、Si只有一个。这些都使碳纳米管（CNT）成为当前科研热点，从1991年发现以来，现在已有大量成果涌现，北京大学纳米中心彭练矛教授也已制备出0．33纳米的CNT并提出“T形结”作为晶体管的可能性。但是问题是如何去生长有序的符合设计性能的CNT器件，更难以集成。

目前“bottomup”的量子器件和以自组装技术为基础的纳米器件在制造工艺上往往与“Scalingdown”的加工方法相结合以制造器件。这对于解决高集成度CMOS电路的功耗制约将会带来突破性的进展。

QCA和CNT器件不论在理论上还是加工技术上都有大量工作要做，有待突破，离开实际应用还需较长时日！但这终究是一个诱人探索的领域，我们期待它们将创出一个新的天地。

4系统芯片（SystemOnAChip）是21世纪微电子技术发展的重点

在集成电路（IC）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了集成电路单元库（Cell－Lib），使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了IC产业的发展。但集成电路仅仅是一种半成品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。IC芯片是通过印刷电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之间的连线延时、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成108－109个晶体管，而且随着微电子制造技术的发展，21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代（即存储容量由G位发展到T位、集成电路器件的速度由GHz发展到灯THz、数据传输速率由Gbps发展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒传输数据位数）。

正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯片上的系统芯片（SystemOnAChip，简称SOC）概念。

系统芯片（SOC）与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命，它和集成电路的关系与当时集成电路与分立元器件的关系类似，它对微电子技术的推动作用不亚于自50年代末快速发展起来的集成电路技术。

SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个（或少数几个）芯片上完成整个系统的功能，它的设计必须是从系统行为级开始的自顶向下（Top－Down）的。很多研究表明，与IC组成的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。例如若采用SOC方法和0．35μm工艺设计系统芯片,在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0．18～0.25μm工艺制作的IC所实现的同样系统的性能；还有，与采用常规IC方法设计的芯片相比,采用SOC设计方法完成同样功能所需要的晶体管数目约可以降低l～2个数量级。

对于系统芯片（SOC）的发展，主要有三个关键的支持技术。

（1）软、硬件的协同设计技术。面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（FunctionalPartitionTheory），这里不同的系统涉及诸多计算机系统、通讯系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等等。

（2）IP模块库问题。IP模块有三种,即软核，主要是功能描述；固核，主要为结构设计；和硬核，基于工艺的物理设计、与工艺相关，并经过工艺验证过的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成为硬核。其中尤以基于深亚微米的新器件模型和电路模拟为基础，在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。现在,美国硅谷在80年代出现无生产线（Fabless)公司的基础上，90年代后期又出现了一些无芯片（Chipless）的公司,专门销售IP模块。

（3）模块界面间的综合分析技术,这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术（gluelogictechnologies）和IP模块综合分析及其实现技术等。

微电子技术从IC向SOC转变不仅是一种概念上的突破,同时也是信息技术新发展的里程碑。通过以上三个支持技术的创新,它必将导致又一次以系统芯片为主的信息技术上的革命。目前，SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。

在新一代系统芯片领域，需要重点突破的创新点主要包括实现系统功能的算法和电路结构两个方面。在微电子技术的发展历史上,每一种算法的提出都会引起一场变革，例如维特比算法、小波变换等均对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用,目前神经网络、模糊算法等也很有可能取得较大的突破。提出一种新的电路结构可以带动一系列的应用,但提出一种新的算法则可以带动一个新的领域,因此算法应是今后系统芯片领域研究的重点学科之一。在电路结构方面,在系统芯片中，由于射频、存储器件的加入，其中的电路结构已经不是传统意义上的CMOS结构，因此需要发展更灵巧的新型电路结构。另外，为了实现胶联逻辑（GlueLogic）新的逻辑阵列技术有望得到快速的发展,在这一方面也需要做系统深入的研究。

5微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点

微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，这方面的典型例子便是MEMS（微机电系统）技术和DNA生物芯片。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。

微电子机械系统不仅是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成该指令。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等〖3〗。

MEMS的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点,因而MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；信息MEMS系统将在射频系统、全光通讯系统和高密度存储器和显示等方面发挥重大作用；同时MEMS系统还可以用于医疗、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。

MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，目前正处在技术发展时期，再过若干年将会迎来MEMS产业化高速发展的时期。2000年，全世界MEMS的市场达到120到140亿美元，而带来的与之相关的市场达到1000亿美元。

目前，MEMS系统与集成电路发展的初期情况极为相似。集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,但它的诱人前景吸引了人们进行大量投资，促进了集成电路飞速发展。集成电路技术的进步,加快了计算机更新换代的速度，对CPU和RAM的需求越来越大,反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命。现阶段的微机电系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限,还没有出现类似于CPU和RAM这样量大面广的产品。随着微机电系统的进步，最后将有可能形成像微电子技术一样有广泛应用前景的新产业，从而对人们的社会生产和生活方式产生重大影响。

当前MEMS系统能否取得更更大突破，取决于两方面的因素：第一是在微系统理论与基础技术方面取得突破性进展，使人们依靠掌握的理论和基础技术可以高效地设计制造出所需的微系统；第二是找准应用突破口，扬长避短，以特别适合微系统应用的重大领域为目标进行研究,取得突破，从而带动微系统产业的发展。在MEMS发展中需要继续解决的问题主要有：MEMS建模与设计方法学研究；三维微结构构造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力学和热学研究；MEMS的表征与计量方法学；纳结构与集成技术等。

微电子与生物技术紧密结合诞生的以DNA芯片等为代表的生物芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。

采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。

DNA芯片的基本思想是通过生物反应或施加电场等措施使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性从而起到检测基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他们制作的DNA芯片是通过在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维。不同的DNA纤维图案分别表示不同的DNA基因片段，该芯片共包括6000余种DNA基因片段。DNA（脱氧核糖核酸）是生物学中最重要的一种物质，它包含有大量的生物遗传信息，DNA芯片的作用非常巨大，其应用领域也非常广泛：它不仅可以用于基因学研究、生物医学等，而且随着DNA芯片的发展还将形成微电子生物信息系统，这样该技术将广泛应用到农业、工业、医学和环境保护等人类生活的各个方面，那时，生物芯片有可能象今天的IC芯片一样无处不在。

目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计、检测方法学等等。

6结语

在微电子学发展历程的前50年中，创新和基础研究曾起到非常关键的决定性作用。而随着器件特征尺寸的缩小、纳米电子学的出现、新一代SOC的发展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的课题，客观需求正在“召唤”创新成果的诞生。

回顾20世纪后50年，展望21世纪前50年，即百年的微电子科学技术发展历程，使我们深切地感受到，世纪之交的微电子技术对我们既是一个重大的机遇，也是一个严峻的挑战，如果我们能够抓住这个机遇，立足创新，去勇敢地迎接这个挑战，则有可能使我国微电子技术实现腾飞，在新一代微电子技术中拥有自己的知识产权，促进我国微电子产业的发展，为迎接21世纪中叶将要到来的伟大的民族复兴奠定技术基础，以重铸中华民族的辉煌！

参考文献

[1]S.M.SZE:LecturenoteatPekingUniversity,FourDecadesofDevelopmentsinMicroelectronics:Achievementsandchallenges.

[2]BobSchaller.TheOrigin,Natureandlmplicationof“Moore’sLaw”,.1996.

[3]张兴、郝一龙、李志宏、王阳元。跨世纪的新技术－微电子机械系统。电子科技导报，1999，4：2

[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997