论集成电路发展的挑战与机遇

论集成电路发展的挑战与机遇

摘要：集成电路的发展史就是微电子技术生成史，从晶体管到微处理器和光刻技术等,集成电路技术以尺寸缩小、集成度提高为发展路径,必然受到材料、工艺和物理理论等挑战。但集成电路正面临产业调整与市场的双重机遇。

关键词：集成电路；挑战；机遇

目前，以数字化和网络化为特征的信息技术正渗透和改造着各产业和行业,深刻改变着人类生产生活方式以及经济、社会、政治、文化各领域。信息技术根源于集成电路技术的巨大发展，把人类社会在21世纪定格为信息社会。

一、集成电路与摩尔预测

集成电路就是将晶体管等有源元件和电阻、电容等无源元件,按电路”集成”,完成特定电路或功能的系统，集成电路体积不断减小,制造工艺技术日益精细，可一次加工完成。集成电路的学科基础是微电子学，微电子学脱胎于电子学和固体物理学的交叉技术学科,主要研究在半导体材料上构成微型电子电路、子系统及系统。以微电子学发展起来集成电路技术，包括半导体材料及器件物理,集成电路及系统设计原理和技术,芯片加工工艺、功能和特性测试技术等。当下，集成电路技术已成信息社会发展基石,集成电路将信息获取、传递、处理、存储、交换等功能集成于芯片,芯片可低成本大批量生产,且功耗低体积小,迅速成为各产业、国防的技术基础。摩尔于1964年总结集成电路发展历程,对未来集成电路发展趋势

做出预测。即：集成电路单个芯片上集成元件数,一般称为集成电路的集成度,每18个月增加一倍,即集成度每三年翻两番,尺寸缩小2倍,集成电路芯片需求量也以相同速度增加,集成电路性能提高，价格下降。几十年来,集成电路技术居然一直按摩尔定律指数增长规律发展壮大。

二、集成电路高速发展

集成电路技术伴随物理、材料和技术成果而实现各阶段的飞速发展。晶体管之前,电子管和电阻、电容等元件靠焊装构成电路系统。第一台计算机连线和焊接点很多,电路系统体积大,可靠性差。电子装备可靠性和小型化使”集成”成为需求。人们开始将电阻、电容等无源元件和有源元件制做在同一块半导体材料上。1958年9月实现第一个集成电路震荡器演示实验,标志着集成电路诞生，当时该实验在锗晶体管基础上完成。第一块集成电路发明是一个技术创新,对物理学发展产生很大影响。平面技术发明是推动集成电路产业化的关键。包括氧化、扩散、薄膜生长和光刻刻蚀等在内的平面技术，论重要性首推二氧化硅绝缘层的发现。早期晶体管基区宽度不好控制,不易做薄,频率提高受限制。1956年,科学家发现二氧化硅不仅具掩蔽作用,还是高频损耗小、击穿电场强度高的良好绝缘体。直到今天,二氧化硅仍是集成电路主要绝缘层材料。金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mos.fet)器件是目前超大规模集成电路基本电路形式。平面工艺的光刻技术是另一关键，光刻是一种精密表面加工技术。1957年首次引入到半导体工艺技术，将光刻技术和二氧化

硅氧化掩蔽巧妙结合起来,实现精细晶体管和集成电路图形结构[1]。这种结构使各元件连接不必再用焊接,而用真空蒸发金属代替,用光刻技术刻出电路完成元件互连。微处理器也是集成电路设计也具里程碑意义。第一台微处理机由intel公司在1971年制造,开辟计算机应用和普及新纪元。微处理器之前,计算机只能被少数大型单位拥有,主要用在军事、航空、航天、天气预报、科学计算等方面[2]。微处理器发明带动超大规模集成电路技术发展,带动智能化电子产品发展,成为信息技术基础元件。集成电路工艺材料不断发现并发展，如铁电存储器是继dram和rom之后新一代的半导体存储器。光刻技术发展对尺寸按比例缩小起到关键作用，如euv光刻、电子束投影光刻、x射线光刻、离子束光刻、纳米印制光刻等技术突飞猛进。铜互连技术的突破也是关键。

三、集成电路面临的技术挑战

伴随着集成电路技术发展从一维模式向多维模式转变,对物理学

基础理论提出了挑战,也对物理学研究提出了新的更高要求。进入到纳米尺度,集成电路技术面临着系列物理限制的挑战,有来自于

基本物理规律的物理极限,也有材料、技术、器件、系统和传统理论方面物理挑战。一是基本物理规律挑战。计算机处理信息是一个进行布尔逻辑运算的过程,涉及到布尔逻辑间的转换。计算机或集成电路处理信息过程是一个物理过程,需满足物理规律限制[3]。包括电磁学、量子力学测不准、热力学限制。这些是不可逾越的集成电路技术的物理极限。二是材料方面的挑战。传统微电子材料硅衬

底、二氧化硅、多晶硅和金属导电材料等无法满足集成电路技术发展需要，需要寻找新材料。三是技术方面的挑战。传统的集成电路的光学光刻工艺、离子注入工艺等快接近物理极限,器件无法进一步缩小，需寻找新工艺方法和途径，包括新一代的替代光刻工艺等。四是器件方面的挑战。按摩尔定律预测,mos器件开关仅需少数几个电子参与,mos器件经典理论将不适用，须采用新器件结构和新器件工作原理。五是系统方面的挑战。包括互连延迟、系统散热问题等挑战。在集成电路实现光互连,尚有许多基础物理和技术问题需解决[4]。六是传统物理理论的挑战。传统微电子学理论的挑战。微电子学大部分理论基础是基于经典物理理论，需利用量子力学理论等。

上述来自理论与技术层面对集成电路的挑战，需要在多方面下功夫，首先应积极适应集成电路技术的多维发展模式。其次是通过克服在材料、技术、物理基础方面遇到的挑战,按特征尺寸按比例缩小途径发展。其三是发展纳米结构的自组装技术等。其四是将纳米低维材料与集成电路技术结合,开发新型纳米电路。其五是研究量子器件,发展量子逻辑运算等。其六是将集成电路技术形成新学科和技术领域，提高处理信息和应用信息能力,提高社会信息化程度。

四、集成电路面临的机遇

2010年，全球印制电路产业走出金融危机影响，进入新一轮增长期，中国是增长最快国家之一。作为电子信息产业基础和支撑产业的与集成电路密切相关的pcb产业，我国表现出稳固发展态势，在

全球所占分量快速攀升，产量、产值、利税总额均大幅度增长。中国已成为全球最大的pcb生产国。

随着市场对集成电路与相关软件的巨大需求，使得国家把此技术提升为国家战略层面优先发展成为可能，这也是集成电路技术面对的巨大机遇。我国集成电路产业快速发展，产业规模迅速扩张，技术水平不断提升，推动国家信息化建设。但与国际先进水平比，我国集成电路产业发展基础较薄弱，科技创新和发展能力不强，应用开发水平待提高，产业链待完善等。

国家在不久前颁布专门文件，全方位为集成电路产业提供政策。在财税政策方面，集成电路设计企业从事信息系统集成、咨询和运营维护，集成电路设计等业务，免征营业税；对集成电路线宽小于0.25微米或投资额超过80亿元的集成电路生产企业，实行所得税”五免五减半”优惠政策；新办集成电路设计企业，享受企业所得税”两免三减半”优惠政策。在投融资政策方面，地方政府设立集成电路企业发展的股权投资基金或创业投资基金，引导社会资金投资集成电路产业；建立贷款风险补偿机制，积极推动集成电路企业利用知识产权等无形资产进行质押贷款。在研究开发政策方面，国家积极支持集成电路重大关键技术研发，加快具有自主知识产权技术的产业化和推广应用；重点支持高端芯片、集成电路装备和工艺技术、集成电路关键材料、关键应用系统的研发。[5]

参考文献:

[1]陈仲武,厚膜集成电路丝网印刷工艺技术[j].电子工业专用设

备, 2002(1):51-53.

[2]吴映红.gaas集成电路市场千帆竞发[n].中国电子报;2000.

[3]崔景芝.微细电火花加工的基本规律及其仿真研究[d].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[4]吴福全,李国华,代作晓.光隔离器原理的数学描述[j].光电子·激光,1995,6(3):153-156.

[5]《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》(国发[2011]4号).