物理學與微電子科學技術的發展研究論文

　　【摘要】：開創時期的微電子或半導體只是物理學的一個分支，換句話說，微電子學的基礎是近代固體物理。在高速度的發展進程中，微電子不斷的推進了物理學的進展。由此，在此過程中，技術科學和基礎科學相互結合，緊密相連，形成了具有現代化特色的“時代感”。在進一步拓展的過程中，微電子研究和物理學，正在醞釀著一次新的革命，并在物理學研究的背景下理解微電子的發展動向。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明，為物理學的研究提供了嶄新的技術基礎。微電子學也正在向著材料、工藝和物理基礎等方面迎接新的挑戰，呈現多維發展的趨勢。

　　關鍵詞：物理學；微電子；科學技術

　　1.探索微電子技術在新時代的發展基礎

　　隨著科技的不斷進步，信息和材料、能源成為了“新時代”的重要資源。信息是客觀事物的狀態及其運動特征的普遍形式，在一定基礎上具有一定的形態。包含了信息采集、處理、傳輸、存儲、執行、顯示等過程中。在數字化和網絡化特征的滲透下，改變了人們的生產和生活方式。例如：計算機的誕生，第一臺計算機ENIAC 問世，占地面積就150平方米，不僅價格昂貴，運行速度緩慢，純儲量較低。這樣的計算機怎么才能進入實際的生活和工作？這些正是在微電子技術的推動下，才有了今天的此種成就。

　　微電子學也是衛星電子學，是脫離了電子學和固體物理學的一種交叉性學科。主要研究的領域是固體材料上構建的微小型電子電路和子系統及系統的學科。不僅面臨著來自于技術、材料和基礎理論等限制的挑戰，還期待著對新材質的又一次飛躍。微電子技術是在應用社會需求的推動下，按照摩爾定律，進行實現創新和發展。總結集成電路的出現，對未來的發展道路有了一個總體性的定位，即集成電路的集成度。目前的形勢下充分體現了微電子技術在整個信息社會發展的過程中起到了重要的推動作用。利用集成電路獲取信息、傳遞、處理、存儲、交換等功能，在如此強大的功能下，卻處于了成本低、高可靠性、大批量生產、耗能低、體積小的特點。正因為這些特點，讓微電子技術涉及到了現代化農業和國防、科學技術上去。由此可見，微電機學是物理學發展和突破的基礎，兩者之間存在這緊密的聯系，在微電子基礎促進物理學研究的同時，物理學也為其發展提供了廣闊的發展空間。

　　2.基于物理學領域下的微電子誕生和突破

　　以半導體晶體管為基礎的微電子學，是微觀物理世界的重要發現。20世紀30 年代，量子力學代表著物理學的完善及其成熟，也為晶體管的出現奠定了基礎。1924 年衍射實驗證實了電子的波動性概念。四年后又出了電子的費米-狄拉

　　克統計理論。接著又是三年，提出了固態半導體的量子力學理論。1939 年第一次提出了空間電荷區理論；1947 年具有放大和功率增益性能的點接觸二極管誕生了；1948年，肖克萊完成了晶體管的三個基本概念，次年發表論文。并于1950和1952年制得了鍺 、硅單晶，接著是合金法制成了鍺，擴散型基區臺式晶體管。指導1956年微電子學的誕生。由此可見，晶體管的發明是在社會需求的作用下產生的。

　　3.微電子技術和物理學進展的相互融合

　　集成電路是將晶體管等元件進行科學集成，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，構建具有一定功能的電路系統。就像以上所提到的世界上第一臺計算機ENIAC，就是利用這個電路系統，不斷連線和焊接點增加，在復雜的設備線路下，形成了龐大的系統。“集成”的出現，讓人類的生活和生產步入了小型化的世界里。在以往無法解決的問題中，現在采用全半導體連接的方式為全半導體化提供了新方法。Kilby 完成了集成電路的創新思維過程，利用分離硅元件和生長結晶體管等搭成一個全半導體化的實驗裝。實現了可行性，也是第一個集成電路的誕生。集成電路是一個技術的創新，也是在物理分析的過程中實現技術創新的。2000年Kilby也因此獲得了諾貝爾物理學獎。此外，平面技術是推進集成電路產業化的關鍵性技術，實現了氧化、擴散等技術。Fuller及其同事，在氣相到固態雜質擴散中，為形成 p-n 結技術做了系統的基礎工作，并進一步，對二氧化硅特性進行了深入而系統的研究。在平面工藝中，光刻技術是一種精密的表面加工技術。1957年，DOF 實驗室首次提出了半導體工藝技術，實現了精細晶體管和集成電路圖形結構，有機的將光刻技術和二氧化硅氧化掩蔽融合起來。讓集成電路中主流光刻技術成為了超深亞微米量級重要應用。

　　其中，金屬→氧化物→半導體場效應晶體管器件的出現，是微電子技術的另外一個里程碑。并在此基礎上，提出了場效應晶體管的理論。目前，半導體工業發展中 ，95%以上的集成電路產品都是采用 CMOS 結構進行拓展的。1971年第一臺微處理器誕生以后，就一直集中在大、中、小型機中被應用，主要運用于軍事和航空、航天、天氣預報 、科學計算等方面，直到1998年微機在全世界的占有率已經高達3.7 %。由此帶動了智能化的發展，同時也為物理學及其實驗技術提供了新的發展。接著計算機輔助設計（CAD），對器件和電路、工藝等領域進行深化的發展，把量子隧穿效應應用到半導體存儲器領域。20 世紀 80 年代，隨著新材料和新物理效應的出現，高性能鐵電材料如 PZT 和 SBT呈現到了大家的面前，微電子技術也進入了第二發展期。緊接著銅互連技術的發明，在微電子技術中，起到了承上啟下的重要性作用，解決了銅污染的問題。微電子技術對物理學研究工作，不僅起到了推動性作用，還讓物理學的研究呈現了更為廣闊的空間。

　　4.微電子技術發展的物理限制和相互作用

　　從基本物理規律的限制上看，不管是計算機還是集成電路，都是采用器件結構和工作原理，實現了信息處理的過程。其中還存在著不少物理性限制，包括電磁學和熱力學等，并呈現了微電子技術的物理極限狀態。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法滿足新時代的需求。目前SOI，Ge-Si ， Ⅲ-Ⅴ族等實現了新材料在微電子技術當中的主要應用。從技術方面的限制看，像光學光刻工藝這樣的工藝技術已經成為了物理技術的極限，EUV 光刻 和納米印制光刻技術等為新一代的光刻藝術提供了應用基礎。從器件方面的限制看，MOS 器件開關已經過時，采用新的器件結構和工作原理成為了勢在必行的責任和義務。從系統方面的限制看，微電子學的理論基礎屬于典型物理理論的范疇。隨著器件尺寸的進一步縮小到納米尺度同時，微電子技術的發展呈現出多維發展的模式。例如：微電子技術與機械學光學結合的微機電系統（MEMS），

　　總結：隨著科技的不斷進步，微電子技術經歷了重要的三個發展階段，并在每一個階段都體現了突出性特征，并在此基礎上，從單一的發展向著多元化的發展趨勢進行轉變，同時與物理學基礎相輔相成，為以后的進一步拓展提供了良好的基礎。

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