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物理學(xué)與微電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展研究論文
【摘要】：開創(chuàng)時(shí)期的微電子或半導(dǎo)體只是物理學(xué)的一個(gè)分支，換句話說，微電子學(xué)的基礎(chǔ)是近代固體物理。在高速度的發(fā)展進(jìn)程中，微電子不斷的推進(jìn)了物理學(xué)的進(jìn)展。由此，在此過程中，技術(shù)科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)相互結(jié)合，緊密相連，形成了具有現(xiàn)代化特色的“時(shí)代感”。在進(jìn)一步拓展的過程中，微電子研究和物理學(xué)，正在醞釀著一次新的革命，并在物理學(xué)研究的背景下理解微電子的發(fā)展動(dòng)向。并且晶體管、集成電路、MOS 器件、微處理器等成為了里程碑里重要的研究和發(fā)明，為物理學(xué)的研究提供了嶄新的技術(shù)基礎(chǔ)。微電子學(xué)也正在向著材料、工藝和物理基礎(chǔ)等方面迎接新的挑戰(zhàn)，呈現(xiàn)多維發(fā)展的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：物理學(xué)；微電子；科學(xué)技術(shù)
1.探索微電子技術(shù)在新時(shí)代的發(fā)展基礎(chǔ)
隨著科技的不斷進(jìn)步，信息和材料、能源成為了“新時(shí)代”的重要資源。信息是客觀事物的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特征的普遍形式，在一定基礎(chǔ)上具有一定的形態(tài)。包含了信息采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、執(zhí)行、顯示等過程中。在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化特征的滲透下，改變了人們的生產(chǎn)和生活方式。例如：計(jì)算機(jī)的誕生，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC 問世，占地面積就150平方米，不僅價(jià)格昂貴，運(yùn)行速度緩慢，純儲(chǔ)量較低。這樣的計(jì)算機(jī)怎么才能進(jìn)入實(shí)際的生活和工作？這些正是在微電子技術(shù)的推動(dòng)下，才有了今天的此種成就。
微電子學(xué)也是衛(wèi)星電子學(xué)，是脫離了電子學(xué)和固體物理學(xué)的一種交叉性學(xué)科。主要研究的領(lǐng)域是固體材料上構(gòu)建的微小型電子電路和子系統(tǒng)及系統(tǒng)的學(xué)科。不僅面臨著來(lái)自于技術(shù)、材料和基礎(chǔ)理論等限制的挑戰(zhàn)，還期待著對(duì)新材質(zhì)的又一次飛躍。微電子技術(shù)是在應(yīng)用社會(huì)需求的推動(dòng)下，按照摩爾定律，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和發(fā)展�？偨Y(jié)集成電路的出現(xiàn)，對(duì)未來(lái)的發(fā)展道路有了一個(gè)總體性的定位，即集成電路的集成度。目前的形勢(shì)下充分體現(xiàn)了微電子技術(shù)在整個(gè)信息社會(huì)發(fā)展的過程中起到了重要的推動(dòng)作用。利用集成電路獲取信息、傳遞、處理、存儲(chǔ)、交換等功能，在如此強(qiáng)大的功能下，卻處于了成本低、高可靠性、大批量生產(chǎn)、耗能低、體積小的特點(diǎn)。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，讓微電子技術(shù)涉及到了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和國(guó)防、科學(xué)技術(shù)上去。由此可見，微電機(jī)學(xué)是物理學(xué)發(fā)展和突破的基礎(chǔ)，兩者之間存在這緊密的聯(lián)系，在微電子基礎(chǔ)促進(jìn)物理學(xué)研究的同時(shí)，物理學(xué)也為其發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。
2.基于物理學(xué)領(lǐng)域下的微電子誕生和突破
以半導(dǎo)體晶體管為基礎(chǔ)的微電子學(xué)，是微觀物理世界的重要發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)30 年代，量子力學(xué)代表著物理學(xué)的完善及其成熟，也為晶體管的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1924 年衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的波動(dòng)性概念。四年后又出了電子的費(fèi)米-狄拉
克統(tǒng)計(jì)理論。接著又是三年，提出了固態(tài)半導(dǎo)體的量子力學(xué)理論。1939 年第一次提出了空間電荷區(qū)理論；1947 年具有放大和功率增益性能的點(diǎn)接觸二極管誕生了；1948年，肖克萊完成了晶體管的三個(gè)基本概念，次年發(fā)表論文。并于1950和1952年制得了鍺 、硅單晶，接著是合金法制成了鍺，擴(kuò)散型基區(qū)臺(tái)式晶體管。指導(dǎo)1956年微電子學(xué)的誕生。由此可見，晶體管的發(fā)明是在社會(huì)需求的作用下產(chǎn)生的。
3.微電子技術(shù)和物理學(xué)進(jìn)展的相互融合
集成電路是將晶體管等元件進(jìn)行科學(xué)集成，并于1952得到了提出。是愛寶電子管和電阻、電容等元件焊裝在一起，構(gòu)建具有一定功能的電路系統(tǒng)。就像以上所提到的世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC，就是利用這個(gè)電路系統(tǒng)，不斷連線和焊接點(diǎn)增加，在復(fù)雜的設(shè)備線路下，形成了龐大的系統(tǒng)�！凹伞钡某霈F(xiàn)，讓人類的生活和生產(chǎn)步入了小型化的世界里。在以往無(wú)法解決的問題中，現(xiàn)在采用全半導(dǎo)體連接的方式為全半導(dǎo)體化提供了新方法。Kilby 完成了集成電路的創(chuàng)新思維過程，利用分離硅元件和生長(zhǎng)結(jié)晶體管等搭成一個(gè)全半導(dǎo)體化的實(shí)驗(yàn)裝。實(shí)現(xiàn)了可行性，也是第一個(gè)集成電路的誕生。集成電路是一個(gè)技術(shù)的創(chuàng)新，也是在物理分析的過程中實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的。2000年Kilby也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此外，平面技術(shù)是推進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氧化、擴(kuò)散等技術(shù)。Fuller及其同事，在氣相到固態(tài)雜質(zhì)擴(kuò)散中，為形成 p-n 結(jié)技術(shù)做了系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作，并進(jìn)一步，對(duì)二氧化硅特性進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的研究。在平面工藝中，光刻技術(shù)是一種精密的表面加工技術(shù)。1957年，DOF 實(shí)驗(yàn)室首次提出了半導(dǎo)體工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)晶體管和集成電路圖形結(jié)構(gòu)，有機(jī)的將光刻技術(shù)和二氧化硅氧化掩蔽融合起來(lái)。讓集成電路中主流光刻技術(shù)成為了超深亞微米量級(jí)重要應(yīng)用。
其中，金屬→氧化物→半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的出現(xiàn)，是微電子技術(shù)的另外一個(gè)里程碑。并在此基礎(chǔ)上，提出了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理論。目前，半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展中 ，95%以上的集成電路產(chǎn)品都是采用 CMOS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展的。1971年第一臺(tái)微處理器誕生以后，就一直集中在大、中、小型機(jī)中被應(yīng)用，主要運(yùn)用于軍事和航空、航天、天氣預(yù)報(bào) 、科學(xué)計(jì)算等方面，直到1998年微機(jī)在全世界的占有率已經(jīng)高達(dá)3.7 %。由此帶動(dòng)了智能化的發(fā)展，同時(shí)也為物理學(xué)及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了新的發(fā)展。接著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD），對(duì)器件和電路、工藝等領(lǐng)域進(jìn)行深化的發(fā)展，把量子隧穿效應(yīng)應(yīng)用到半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域。20 世紀(jì) 80 年代，隨著新材料和新物理效應(yīng)的出現(xiàn)，高性能鐵電材料如 PZT 和 SBT呈現(xiàn)到了大家的面前，微電子技術(shù)也進(jìn)入了第二發(fā)展期。緊接著銅互連技術(shù)的發(fā)明，在微電子技術(shù)中，起到了承上啟下的重要性作用，解決了銅污染的問題。微電子技術(shù)對(duì)物理學(xué)研究工作，不僅起到了推動(dòng)性作用，還讓物理學(xué)的研究呈現(xiàn)了更為廣闊的空間。
4.微電子技術(shù)發(fā)展的物理限制和相互作用
從基本物理規(guī)律的限制上看，不管是計(jì)算機(jī)還是集成電路，都是采用器件結(jié)構(gòu)和工作原理，實(shí)現(xiàn)了信息處理的過程。其中還存在著不少物理性限制，包括電磁學(xué)和熱力學(xué)等，并呈現(xiàn)了微電子技術(shù)的物理極限狀態(tài)。從材料方面的限制看，如硅襯底材料 、二氧化硅絕緣材料等無(wú)法滿足新時(shí)代的需求。目前SOI，Ge-Si ， Ⅲ-Ⅴ族等實(shí)現(xiàn)了新材料在微電子技術(shù)當(dāng)中的主要應(yīng)用。從技術(shù)方面的限制看，像光學(xué)光刻工藝這樣的工藝技術(shù)已經(jīng)成為了物理技術(shù)的極限，EUV 光刻 和納米印制光刻技術(shù)等為新一代的光刻藝術(shù)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。從器件方面的限制看，MOS 器件開關(guān)已經(jīng)過時(shí)，采用新的器件結(jié)構(gòu)和工作原理成為了勢(shì)在必行的責(zé)任和義務(wù)。從系統(tǒng)方面的限制看，微電子學(xué)的理論基礎(chǔ)屬于典型物理理論的范疇。隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小到納米尺度同時(shí)，微電子技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出多維發(fā)展的模式。例如：微電子技術(shù)與機(jī)械學(xué)光學(xué)結(jié)合的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），
總結(jié)：隨著科技的不斷進(jìn)步，微電子技術(shù)經(jīng)歷了重要的三個(gè)發(fā)展階段，并在每一個(gè)階段都體現(xiàn)了突出性特征，并在此基礎(chǔ)上，從單一的發(fā)展向著多元化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，同時(shí)與物理學(xué)基礎(chǔ)相輔相成，為以后的進(jìn)一步拓展提供了良好的基礎(chǔ)。
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