論集成電路發展的挑戰與機遇

摘 要：集成電路的發展史就是微電子技術生成史，從晶體管到微處理器和光刻技術等,集成電路技術以尺寸縮小、集成度提高為發展路徑,必然受到材料、工藝和物理理論等挑戰。但集成電路正面臨產業調整與市場的雙重機遇。 關鍵詞：集成電路；挑戰；機遇 目前，以數字化和網絡化為特征的信息技術正滲透和改造著各產業和行業,深刻改變著人類生產生活方式以及經濟、社會、政治、文化各領域。信息技術根源于集成電路技術的巨大發展，把人類社會在21世紀定格為信息社會。 一、集成電路與摩爾預測 集成電路就是將晶體管等有源元件和電阻、電容等無源元件,按電路”集成”,完成特定電路或功能的系統，集成電路體積不斷減小,制造工藝技術日益精細，可一次加工完成。集成電路的學科基礎是微電子學，微電子學脫胎于電子學和固體物理學的交叉技術學科,主要研究在半導體材料上構成微型電子電路、子系統及系統。以微電子學發展起來集成電路技術，包括半導體材料及器件物理,集成電路及系統設計原理和技術,芯片加工工藝、功能和特性測試技術等。當下，集成電路技術已成信息社會發展基石,集成電路將信息獲取、傳遞、處理、存儲、交換等功能集成于芯片,芯片可低成本大批量生產,且功耗低體積小,迅速成為各產業、國防的技術基礎。 摩爾于1964年總結集成電路發展歷程,對未來集成電路發展趨勢做出預測。即：集成電路單個芯片上集成元件數,一般稱為集成電路的集成度,每18個月增加一倍,即集成度每三年翻兩番,尺寸縮小2倍,集成電路芯片需求量也以相同速度增加,集成電路性能提高，價格下降。幾十年來,集成電路技術居然一直按摩爾定律指數增長規律發展壯大。 二、集成電路高速發展 集成電路技術伴隨物理、材料和技術成果而實現各階段的飛速發展。晶體管之前,電子管和電阻、電容等元件靠焊裝構成電路系統。第一臺計算機連線和焊接點很多,電路系統體積大,可靠性差。電子裝備可靠性和小型化使”集成”成為需求。人們開始將電阻、電容等無源元件和有源元件制做在同一塊半導體材料上。1958年9月實現第一個集成電路震蕩器演示實驗,標志著集成電路誕生，當時該實驗在鍺晶體管基礎上完成。第一塊集成電路發明是一個技術創新,對物理學發展產生很大影響。平面技術發明是推動集成電路產業化的關鍵。包括氧化、擴散、薄膜生長和光刻刻蝕等在內的平面技術，論重要性首推二氧化硅絕緣層的發現。早期晶體管基區寬度不好控制,不易做薄,頻率提高受限制。1956年,科學家發現二氧化硅不僅具掩蔽作用,還是高頻損耗小、擊穿電場強度高的良好絕緣體。直到今天,二氧化硅仍是集成電路主要絕緣層材料。金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(mos.fet)器件是目前超大規模集成電路基本電路形式。平面工藝的光刻技術是另一關鍵，光刻是一種精密表面加工技術。1957年首次引入到半導體工藝技術，將光刻技術和二氧化硅氧化掩蔽巧妙結合起來,實現精細晶體管和集成電路圖形結構[1]。這種結構使各元件連接不必再用焊接,而用真空蒸發金屬代替,用光刻技術刻出電路完成元件互連。微處理器也是集成電路設計也具里程碑意義。第一臺微處理機由intel公司在1971年制造,開辟計算機應用和普及新紀元。微處理器之前,計算機只能被少數大型單位擁有,主要用在軍事、航空、航天、天氣預報、科學計算等方面[2]。微處理器發明帶動超大規模集成電路技術發展,帶動智能化電子產品發展,成為信息技術基礎元件。集成電路工藝材料不斷發現并發展，如鐵電存儲器是繼dram和rom之后新一代的半導體存儲器。光刻技術發展對尺寸按比例縮小起到關鍵作用，如euv光刻、電子束投影光刻、x射線光刻、離子束光刻、納米印制光刻等技術突飛猛進。銅互連技術的突破也是關鍵。 三、集成電路面臨的技術挑戰 伴隨著集成電路技術發展從一維模式向多維模式轉變,對物理學基礎理論提出了挑戰,也對物理學研究提出了新的更高要求。進入到納米尺度,集成電路技術面臨著系列物理限制的挑戰,有來自于基本物理規律的物理極限,也有材料、技術、器件、系統和傳統理論方面物理挑戰。一是基本物理規律挑戰。計算機處理信息是一個進行布爾邏輯運算的過程,涉及到布爾邏輯間的轉換。計算機或集成電路處理信息過程是一個物理過程,需滿足物理規律限制[3]。包括電磁學、量子力學測不準、熱力學限制。這些是不可逾越的集成電路技術的物理極限。二是材料方面的挑戰。傳統微電子材料硅襯底、二氧化硅、多晶硅和金屬導電材料等無法滿足集成電路技術發展需要，需要尋找新材料。三是技術方面的挑戰。傳統的集成電路的光學光刻工藝、離子注入工藝等快接近物理極限,器件無法進一步縮小，需尋找新工藝方法和途徑，包括新一代的替代光刻工藝等。四是器件方面的挑戰。按摩爾定律預測,mos器件開關僅需少數幾個電子參與,mos器件經典理論將不適用，須采用新器件結構和新器件工作原理。五是系統方面的挑戰。包括互連延遲、系統散熱問題等挑戰。在集成電路實現光互連,尚有許多基礎物理和技術問題需解決[4]。六是傳統物理理論的挑戰。傳統微電子學理論的挑戰。微電子學大部分理論基礎是基于經典物理理論，需利用量子力學理論等。 上述來自理論與技術層面對集成電路的挑戰，需要在多方面下功夫，首先應積極適應集成電路技術的多維發展模式。其次是通過克服在材料、技術、物理基礎方面遇到的挑戰,按特征尺寸按比例縮小途徑發展。其三是發展納米結構的自組裝技術等。其四是將納米低維材料與集成電路技術結合,開發新型納米電路。其五是研究量子器件,發展量子邏輯運算等。其六是將集成電路技術形成新學科和技術領域，提高處理信息和應用信息能力,提高社會信息化程度。 四、集成電路面臨的機遇 2010年，全球印制電路產業走出金融危機影響，進入新一輪增長期，中國是增長最快國家之一。作為電子信息產業基礎和支撐產業的與集成電路密切相關的pcb產業，我國表現出穩固發展態勢，在全球所占分量快速攀升，產量、產值、利稅總額均大幅度增長。中國已成為全球最大的pcb生產國。 隨著市場對集成電路與相關軟件的巨大需求，使得國家把此技術提升為國家戰略層面優先發展成為可能，這也是集成電路技術面對的巨大機遇。我國集成電路產業快速發展，產業規模迅速擴張，技術水平不斷提升，推動國家信息化建設。但與國際先進水平比，我國集成電路產業發展基礎較薄弱，科技創新和發展能力不強，應用開發水平待提高，產業鏈待完善等。 國家在不久前頒布專門文件，全方位為集成電路產業提供政策。在財稅政策方面，集成電路設計企業從事信息系統集成、咨詢和運營維護，集成電路設計等業務，免征營業稅；對集成電路線寬小于0.25微米或投資額超過80億元的集成電路生產企業，實行所得稅”五免五減半”優惠政策；新辦集成電路設計企業，享受企業所得稅”兩免三減半”優惠政策。在投融資政策方面，地方政府設立集成電路企業發展的股權投資基金或創業投資基金，引導社會資金投資集成電路產業；建立貸款風險補償機制，積極推動集成電路企業利用知識產權等無形資產進行質押貸款。在研究開發政策方面，國家積極支持集成電路重大關鍵技術研發，加快具有自主知識產權技術的產業化和推廣應用；重點支持高端芯片、集成電路裝備和工藝技術、集成電路關鍵材料、關鍵應用系統的研發。[5] 參考文獻: [1]陳仲武,厚膜集成電路絲網印刷工藝技術[j].電子工業專用設備, 2002(1):51-53. [2]吳映紅.gaas集成電路市場千帆競發[n].中國電子報;2000. [3]崔景芝.微細電火花加工的基本規律及其仿真研究[d].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007. [4]吳福全,李國華,代作曉.光隔離器原理的數學描述[j].光電子·激光,1995,6(3):153-156. [5]《國務院關于印發鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》(國發[2011]4號).