什么是微电子技术?

什么是微电子技术?

[拼音]：weidianzi jishu

[外文]：microelectronic technology

随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术学科。微电子技术包括系统和电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试，以及封装、组装等一系列专门的技术。微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。微电子学研究的对象十分广泛，除各种集成电路（单片集成电路、薄膜电路、厚膜电路和混合集成电路）外，还包括集成磁泡、集成超导器件和集成光电子器件等。

简史

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。第二次世界大战中、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。例如，用电阻墨水和银浆按图形在陶瓷衬底上用网印法制造电阻阵列和连线的方法。利用腐蚀方法成批制作电路连接的技术，经过不断演变成为后来的印制电路制版技术；而用腐蚀方法获得的金属化图案的思想，后来也为集成电路所采用。1947年，晶体管的发明，后来又结合印制电路组装，使电子电路在小型化方面前进了一大步。40年代末到50年代初，人们提出电路组件的概念，当时称为电子模块，即有固定功能的微模组件。到1958年前后已研究成功以这种组件为基础的混合组件(混合集成电路)。这种微型组件只能构成元件数不多的较简单的单元电路，成本和可靠性还不能与集成电路相比。

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等技术基础上发展起来的。在改善锗高频台式管性能的基础上，硅扩散晶体管于1955年制成。此后，由于扩散掩蔽和保护PN结的需要，人们开始对硅(Si)上二氧化硅(SiO2)生长工艺及其性能进行研究，并在1959年前后实现了硅平面工艺，试制出硅平面型晶体管。同年还制成了第一个硅单片集成电路（一个移相振荡电路，由一个张弛振荡器和RC分布回路组成）。随后于1961年出现了硅双极型集成电路产品，即电阻-晶体管逻辑电路。1962年，生产出晶体管-晶体管逻辑电路和发射极耦合逻辑电路。1960年，MOS场效应晶体管问世；1962年，MOS集成电路出现。由于MOS电路在高密度集成方面的优点和集成电路对电子技术的影响，集成电路的发展越来越快。1969年，研制成属于大规模集成的单片MOS1024位随机存储器；MOS计算器和微处理器也于1970和1971年相继问世。从此，微电子技术进入了以大规模集成电路为中心的新阶段。

进入70年代以后，微电子技术的进展十分迅速，这首先表现在工艺技术方面。

（1）微细加工技术：由于引用了电子束制版、投影曝光、硅片上的直接分步重复技术和干法刻蚀等工艺， 最小的光刻线条已达到 1微米左右。

（2）掺杂工艺：由扩散方法转变到全部用离子注入的方法。

（3）多晶硅技术、等平面工艺、化学汽相淀积工艺、新的隔离方法、多层布线以及各种低温加工工艺等被先后采用，从而使加工精度大大提高。

（4）硅片质量的改进使芯片面积(有的已达到50～60毫米2)、加工硅片的直径(已达到120～150毫米)和每批加工硅片的数量(可达200～300片)都大大提高。集成电路的性能-价格比得以持续、大幅度地增长。随着集成密度日益提高，集成电路已向集成系统发展，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、布线的计算机辅助设计等程序，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的计算机辅助设计，乃至整套设计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，有关的器件物理、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。

以金属掩蔽蒸发为主的薄膜电路技术，从60年代以来也在逐步发展。例如，电阻的激光修正技术，可使镍-铬电阻网络做得十分精确，对线性集成电路有重要意义。薄膜混合集成仍是微波集成电路的主要技术。此外，磁泡、超导器件和光电集成等技术，有的在70年代已基本成熟（如磁泡），只因成本或某些技术问题而未推广应用；有的则已付诸应用（如电荷耦合器件光电阵列）。

工艺技术

集成电路芯片加工主要工艺有：硅片制备、光刻掩模制造（见掩模制作技术）、光刻（见光刻技术、刻蚀工艺）、薄膜技术（见真空蒸发工艺、溅射工艺、化学汽相淀积工艺、外延生长、蓝宝石上外延硅工艺）、半导体掺杂技术(见离子注入掺杂工艺)。在比较复杂的电路如超大规模集成电路的制作过程中，不仅每道工序要求十分精确，而且各道工序的配合要求十分严密。例如，用一种精密的曝光机只能把正确的掩模图像投影到硅片的胶膜上。但是，光在胶膜中的干涉等现象控制不好，会使刻蚀出的图像分辨率下降，所以要求胶膜的厚度有准确的配合。又如，离子注入后的杂质分布经过集成电路制造中随后各步加热工序会发生变化，为取得决定器件性能的最后复质分布，需要考虑各个工序的相互影响。不仅要知道每一种工艺的精确规律，而且要求各道工序相互配合。为此，需要在实验和经验基础上依靠计算机模拟程序进行协助，这就是工艺计算机模拟。

设计、测试、封装和组装

在微电子电路制造过程中，设计、测试、封装和组装也是重要环节。

设计

微电子系统和电路的设计概念，与分立元件电路的设计概念有原则上的不同。例如，设计一个分立元件电路，常常要考虑节省有源元件，使系统的功耗、体积、成本下降。但对超大规模集成电路，增加晶体管数目往往并不会增加很多麻烦，可通过版图来实现，其他工序并不增加。但是，由于空间的限制，布线问题却十分突出，必须尽量减少连线。微电子系统和电路的设计必须紧密联系器件、版图、工艺制造等整个过程来统一考虑。实际上，系统、电路、器件、测试图案和版图是结合工艺条件一起设计的。设计不仅要求功能正确、性能好、可靠性有保证，而且要尽量使芯片面积减小。微电子集成芯片一经制出就无法调试。调试工作包括校核、优化等，必须在设计过程中由软件来执行。集成系统或电路芯片一般是大批量生产的，所以，设计的好坏影响极大。为此，微电子系统或电路要依靠计算机辅助进行设计。除了研究逻辑、电路、时序、工艺、器件和版图等各项计算机辅助设计程序以外，把这些程序结合在一起，加入各步的校核和优化程序，用一个统一的数据库和管理系统来指挥执行，也就是组成一个大规模或超大规模集成的设计系统，使设计全部自动化。现代超大规模集成和大规模集成按设计方法可分为大批量生产的常用电路和按用户需要设计的定制集成电路两大类。前一类产品如存储器、微处理机等需要量大，产值很高，需要十分精细的设计，力求面积最小，性能最好，而成品率又最高。在这类产品的设计中迄今仍有许多人工介入，各类计算机程序主要是辅助。后一类产品用量较小，制造成本、芯片面积往往不是主要的，而设计和制造周期及其成本则是主要的。逻辑电路有三种设计方法。

（1）母片法：由工厂设计含有一定数量（几百以至几千）的门电路或触发器等单元电路，排成阵列。芯片中所有单元尺寸全部一致，芯片大小对一定的型号也是固定的。阵列周围往往还设计有一定数量的输入输出电路或其他接口电路，阵列间设定了一定的布线通道。用户（或委托厂家）可以按需要选定特定型号的芯片，然后利用布线程序选定单元并进行布线，以取得具有所需功能的集成电路芯片。只需按用户实际需要进行布线设计和制作特定的版，所以，这种电路也叫作半用户电路。由于用户设计是以已有的基本阵列芯片为基础的，这种设计方法叫作母片法。通常的门阵列芯片就是按这种方法设计的。

（2）多元胞法：其单元可以是有一定数量的门、触发器和其他功能块，版图存储在数据库中。芯片中单元结构及其排布有一定的规则，如单元宽度必须相同，长度可以任意，必须按行排列，引线头分别在单元的一侧或两侧等。这些规定都是为了简化布线。人们可以根据用户的需要，调用库中的各种单元和功能块，然后利用程序进行布局和布线，实现最后的芯片设计。多元胞法的设计灵活性显然比母片法高。芯片上没有空余单元，所以，芯片利用率也比一般门阵列要高。

（3）任意元胞法（积木块法）：此法对单元没有形状大小的限制，因而灵活性和芯片利用率更高。但布局、布线的算法更复杂，实际上还处于研究阶段。

测试

微电子学系统，如超大规模集成系统，其芯片功能的检测和性能测定是一项专门的技术。作为高度密集化的电路，由于设计或工艺问题，可能出现大多数功能合格而个别特殊功能达不到要求的情况，不可能对单块集成系统芯片逐级检测，另外在大批量生产中不可能对一个复杂系统在不同条件下的各种功能（如一个存储器的各种存取方式）都测试检验。因此，在设计时就应做到确保芯片功能完全并正确，同时设计好检测的图式，用一定的算法确定检测哪些功能以保证多大比例的准确性等。测试这样复杂的功能和性能必须在计算机辅助之下进行，称为计算机辅助测试。

封装和组装

小规模集成电路有的封装在像晶体管的管壳中或扁平封装中。对于引出头较多的大规模集成电路或超大规模集成电路，多采用双列直插式封装或其他特殊的封装。芯片粘结或烧焊在封装的基座上，芯片上的引出焊接块和基座焊块（与管脚相连）用铝丝或金丝通过超声或热压焊联结。压焊的强度对可靠性有很大影响。管壳一般有塑料和陶瓷两种，后者为气密封装，常用于可靠性要求较高的设备中。此外，还有一些独特的组装形式，例如，把需要的集成电路芯片和子系统直接倒覆在高一级集成的基片上（如布有连线的陶瓷片）。此基片上有相应的焊块恰巧与芯片中焊块相吻合，然后通过球形焊料一次焊接完成，就成为一个较大的子系统，再装入整个系统中去。集成电路或集成系统芯片中没有焊接点或机械接触，可靠性很高。经验表明，封装和组装往往是决定微电子系统可靠性的主要因素。

展望

微电子技术发展较快。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，使生产上达到亚微米以至更高的光刻水平，集成电路的集成度将超越每片106～107个元件，以至达到全圆片上集成一个复杂的微电子系统。高质量的超薄氧化层（约为 100埃）、新的离子注入退火技术、高电导高熔点金属及其硅化物金属化和浅欧姆结等一系列工艺正获得进一步的发展。硅片加工面积将增大至直径15厘米以上。为此，除了晶体完整性大大提高外，加工温度必须再度降低（如800℃以下）。因此，一系列低温加工技术（包括高温瞬态技术）正在发展。这些发展必然导致微电子设备生产工装高速度地更新。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。随着超高速集成电路和光电集成器件的发展，以GaAs为基片的，包括各种异质结和超晶格器件的集成逐渐在微电子技术中起重要作用。因此，与此相联系的如分子束外延、金属有机物外延和相应的工艺技术将加速展现。此外，随着微细加工技术的进步，线度已经接近半导体中电子运动的一些特征长度，如自由程、电子波长等。因而，微电子学中使用新原理的器件和利用新的电子效应也是必然的趋向。