微電子

微電子技術作為電子技術的分支，是一項研究作用於半導體上的微小型集成電路系統的技術。微電子技術的關鍵在於研究集成電路的工作方式以及如何實際製造應用。集成電路的發展依賴於半導體器件的不斷演化。微電子技術可在納米級超小的區域內實現固體內的微觀電子運動，包括擴散輸運、彈道輸運和量子躍遷，電子輸運能夠實現信息的處理與傳遞，具有高度集成性。

從本質上來看，微電子技術的核心在於集成電路，它是在各類半導體器件不斷髮展過程中所形成的。在信息化時代下，微電子技術對人類生產、生活都帶來了極大的影響。

與傳統電子技術相比，微電子技術具備一定特徵，具體表現為以下幾個方面：

(1) 微電子技術主要通過在固體（主要是半導體）內的微觀電子運動來實現信息處理或信息加工。

(2) 微電子信號傳遞能夠在極小的尺度（微米到納米級）下進行。

(3) 微電子技術可將某個子系統或電子功能部件集成於芯片當中，具有較高的集成度，也具有較為全面的功能性。

隨着信息化時代的到來，基於微電子技術的產品早已滲入我們生活的方方面面。如智能手機、高性能計算機、電子遊戲設備、家用電器、電動汽車等，並隨着微電子技術的不斷髮展，給我們的生活帶來了便捷，提高了我們的生活質量。同時，基於微電子技術的新型診療設備有效提升了人類的生存能力與生存質量。

隨着社會經濟的快速發展，給工業製造產業帶來了良好的發展機遇。面對全球信息技術革命的蓬勃發展，諸多工業製造企業都積極地引進微電子技術支持下的自動化設備來提高企業的生產效率和產品的精準度，以此提高市場競爭優勢，實現產業升級。另一方面，在汽車製造等行業，發生了以微電子技術為基礎的產品革新，如汽車智能駕駛系統、安全保障系統等。

微電子技術在軍工產業中也扮演着重要的角色。在現代軍事對抗中，軍事力量的強大與否主要體現在軍事裝備信息化程度的高低。在軍事裝備中融入的現代微電子信息技術越先進，就越容易在戰爭中取得先機。例如，基於微電子技術通過遠程計算機控制的無人戰鬥機、軍事衞星、先進制導導彈、隱形戰機等等。隨着微電子技術的不斷髮展，微電子在國防中的應用深度與廣度也會越來越大，為確保國家安定奠定堅實基礎。

微電子技術的核心在於其集成電路芯片的製造，結合微電子技術的發展歷程來看，先進的微電子技術的發展都是在不斷的突破集成電路單個芯片元件的集成數量，現今，單個芯片上能夠集成近千億晶體管，該集成數量已經超過超大集成規模的限制，但從物理規律角度來看，微電子技術的發展依然受到其自身客觀限制。在實際應用中通常可以通過對電子元器件尺寸的縮小來提升其IC性能，但電子元器件特徵尺寸縮小的同時意味着其氧化層厚度和溝道長度同樣縮小，這樣克服元器件的“小尺度效應”就變得更加困難，例如金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)的短溝道效應等 ^[1]  。

微電子技術製造中的最小尺寸（一般稱為特徵尺寸）每縮小一次，就會引入一代新的工藝技術（或稱為新的工藝技術節點）。以最常見的MOSFET結構為例，為保證新的技術節點能夠維持溝長的不斷縮小，必須同時減小氧化層厚度、耗盡層寬度和結深，在縮小晶體管橫向長度的同時也要縮小縱向長度，但由於硅材料的短溝道效應和柵極隧穿效應等一系列因素，使得當前微電子技術走入瓶頸。過去20多年裏，MOSFET在發展中引入了應變硅技術、高k/金屬柵技術、高遷移率溝道技術(主要是SiGe)、非平面技術(雙柵結構 ^[2]  、具有鰭形結構的FinFET ^[3]  、具有環柵結構的GAA器件)等，大幅度提升了器件的性能。

（1）光刻尺寸縮微問題。在微電子技術工藝中最為關鍵的設備為光刻機（曝光工具），此設備的製造過程複雜、成本高且其精密度要求較高，而設備分辨率以及焦深都會影響光刻技術的應用。光刻製程主要通過增加數值孔徑和降低光源波長來優化電路圖案，目前最先進極紫外光刻（EUV）技術通過後一方法來提升電路圖案分辨率，但同時由於極紫外光波長非常短，容易被氣體吸收，所以EUV需要在高真空環境下進行光刻。 ^[4] 

（2）可靠性問題。集成電路在逐漸向着精細加工與小規模元器件發展，但小規模元器件的使用雖然會提升整個電路系統運行的效率但卻降低了電子元器件的使用壽命。尤其是在製造工藝方面出現的可靠性問題更是嚴重影響了微電子技術的發展。

（3）封裝問題。微電子技術在應用過程中出現的散熱問題主要是由封裝技術水平決定的，現今，隨着集成化朝着超特大規模集成電路方向的發展，在未來集成功能也必然越來越複雜，所以，在進行設計時就需要對整體電路的總功耗以及封裝技術間的關係進行衡量。另一方面，集成電路板上面積過小或單位面積內晶體管數量的變多都會使得相互連線間橫截面積縮小，電阻變大，進而造成整體電路反應時間的增加，從另一方面來説集成電路板尺寸的縮小雖然能夠提升晶體管的工作效率，但卻造成互聯引線的反應時間增加，所以，怎麼在已有集成規模條件下將互聯引線進行優化是很多專家學者研究的重點課題。

微電子的發展一直存在頂層設計，從早期的國際半導體技術路線圖(ITRS)到現在的國際器件與系統路線圖(IRDS) ^[5]  ，通過彙集全球頂尖科學家的智慧，對微電子器件和系統的發展路線進行規劃，指導並推動着微電子技術的發展，呈現出以下趨勢：

按照摩爾定律硅平面器件不斷等比例縮小已經基本終結，為了在單位面積上容納更多的器件，對器件進行三維集成成為主流，這和我們從平房轉變為樓房的趨勢十分類似。例如3D NAND存儲器通過增加垂直層數來獲得更大的存儲容量，目前已經突破200層並仍在不斷增加層數。

微電子技術選用以硅原料為主製成的芯片，然而隨着該技術持續多年的快速發展，材料性能已逼近極限。近年來，針對新材料體系的研發逐步加速，如高遷移率半導體材料、寬禁帶和超寬禁帶半導體、非晶氧化物半導體、碳基材料、二維材料等。

具有新型結構的微電子器件開始凸顯其優勢。以MOSFET為例，它的結構從早期的平面型器件逐步發展為雙柵、立體柵、環柵等結構。例如，如TSMC的2 nm製程GAA（gate-all-around），以及尚處於研發階段的CFET（垂直堆疊互補場效應晶體管）等。

微電子封裝技術從最早的陶瓷扁平封裝出現至今，經歷了由2D封裝形式向3D封裝形式轉變，並由單純後道工藝逐漸轉變為前後道融合工藝。3D封裝技術是伴隨着移動互聯網的發展而逐漸興起的，是同時滿足多個芯片組立體式封裝需求的有效途徑。例如，在3D IC中將多顆芯片（如堆疊的高帶寬存儲器HBM）進行三維空間垂直整合，以應對半導體制程受到的電子及材料的物理極限。3D封裝技術具備的主要技術優勢在於功能性豐富、封裝密度高，同時結合TSV、FOWLP等技術大大減少了所需的引線互聯，可有效降低信號損耗，提升集成電路運行速度。

隨着人工智能領域的突飛猛進，微電子技術在該領域的支撐作用越來越明顯，尤其是面向AI的新架構芯片和高算力芯片技術，已成為重要的研發方向。

節能減排是當今社會發展的主要趨勢。未來微電子技術必須實現綠色發展目標，將沿着低功耗、高能效、環境友好等方向發展。