1.2 微电子技术简介
微电子技术是现代信息技术中的核心技术之一，本节将对微电子技术的基础知识作简单介绍。
1.2.1 微电子技术与集成电路
1.概述
微电子技术是信息技术领域中的核心技术，是现代信息技术的基础。微电子技术已经渗透到现代高科技的各个领域，我们通常所接触的电子产品，包括通信系统、计算机与网络系统、智能化系统、自动控制系统、空间技术甚至现代家用电器等，都是在微电子技术的基础上发展起来的。可以说，今天一切技术领域的发展都离不开微电子技术，尤其对于计算机技术来说它更是基础和核心。
所谓微电子是相对“强电”、“弱电”等概念而言，指它处理的电子信号极其微小。微电子技术是实现电子电路系统超小型化、微型化的技术，主要包括芯片技术，也就是半导体集成电路制造技术（含超精细加工技术、薄膜生长和控制技术、高密度组装技术、过程检测和过程控制技术等）、计算机辅助设计与计算机辅助测试技术、掩模制造技术、材料加工技术、可靠性技术、封装技术和辐射加固技术等。所涉及的行业主要包括化工、光电技术、半导体材料、精密设备制造、软件等，其中又以芯片的设计与制造技术为核心。
早期的电子技术以真空电子管为基础元器件，如图1-2（a）所示。例如，世界上第一台计算机ENIAC就是以电子管为主要元器件的，它使用了18000多个电子管和1500多个继电器。后来，美国贝尔研究室的三位科学家研制成功第一个晶体三极管（简称三极管），如图1-2（b）所示，并因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管成为集成电路技术发展的基础，集成电路的生产始于1959年，其特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。集成电路是指利用氧化、蚀刻、扩散等方法，将电子电路中大量的电阻、电容、二极管和三极管等元器件及其互联线，做在一个微小面积半导体芯片内，组成能实现某一特定逻辑功能的电路系统。其芯片比用分立元器件制作的电子线路单元具有更小的体积、更强大的功能、更低的能耗和单位成本，并能提供较高的工作速度和可靠性。现代集成电路使用的半导体材料主要是硅（Si），也可以使用半导体化合物，如砷化镓（GaAs）等材料。
微电子技术真正的历史不过40多年，可是在这短短的几十年中，微电子技术取得了突飞猛进的发展。集成电路的集成度由几十个元器件的小规模集成电路发展到今天上亿个元器件的极大规模集成电路。
2.集成电路分类
根据单只芯片所包含的晶体管、电阻、电容等电子元器件数目可以分为小规模、中规模、大规模、超大规模和极大规模集成电路。通常人们将集成度小于100个电子元器件的集成电路称为小规模集成电路（SSI），如图1-2（c）所示；集成度在100～3000个电子元器件之间的集成电路称为中规模集成电路（MSI）；集成度在3000～10万个电子元器件的集成电路称为大规模集成电路（LSI）；集成度在10万～100万个电子元器件的集成电路称为超大规模集成电路（VLSI），如图1-2（d）所示；超过100万个电子元器件的集成电路称为极大规模集成电路（ULSI）。一般对于VLSI和ULSI并不进行严格区分，而是统称为VLSI。集成电路规模分类见表1-1。
图1-2 电子管、晶体管与集成电路
表1-1 集成电路规模分类
根据集成电路所用晶体管结构和工艺的不同，可分为双极型（Bipolar）集成电路、金属氧化物半导体（MOS）集成电路、双极-金属氧化物半导体（Bi-MOS）集成电路。
根据电信号类型和集成电路的功能不同，可分为数字集成电路（如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）和模拟集成电路（又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等）。
根据集成电路的用途不同，可分为专用集成电路与通用集成电路。专用集成电路是按照某种应用的特殊要求而专门设计、定制的集成电路，如用于电视、照相机、洗衣机等家电产品内的IC芯片就属于专用集成电路。通用集成电路中最典型的是微处理器和存储器芯片，应用极为广泛。计算机的换代主要取决于这两项集成电路的集成规模。人们已经公认“一代微电子芯片代表一代整机产品”。以人们所熟悉的个人计算机（电脑）为例，其中央处理器（CPU）就是一只微电子芯片，它是计算机进行运算和管理的大脑，是决定着计算机档次高低的主要因素。正是由于CPU芯片从80386、80486到Pentium系列的改进，才有了计算机从386、486到Pentium的更新换代。近两年Intel公司推出的Core2（酷睿2）系列芯片正大量应用在笔记本电脑和台式计算机，人们所熟悉的Pentium计算机将逐渐淡出我们的视线。存储器是具有信息存储能力的器件，随着集成电路的发展，半导体存储器早已大规模地取代了过去使用的磁性存储器，成为计算机进行数字运算和信息处理过程中的信息存储器件。
3.IC卡
当今世界，微电子技术早已悄悄进入人们的日常生活之中。IC卡的出现，给人们的生活带来了很大的便利。IC卡是“集成电路卡”的缩写，它把集成电路芯片密封在一个塑料卡基片内部，使其成为能够存储、处理和传递数据的载体。IC卡采用的是非易失性电子电路（也称闪存，在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）记录数据，因此它能长期可靠地存储数据，并可以有控制地反复读出。它与磁卡的功能相似，但它却不受磁场、电场的影响，没有退磁之忧，无需维护，只要在正常的环境下使用与保存，寿命较长。
IC卡从功能上可分为三类，即存储器卡、带加密功能的存储卡和CPU卡。存储器卡的结构简单，使用方便，主要用于安全性要求不是很高的的场合。常用的存储器卡有电话卡、公交卡等。带加密的存储卡是除了存储器卡外，还增加了加密电路。CPU卡上则是集成了微处理器、程序存储器和数据存储器，同时配有操作系统。因此，这种卡具有智能处理功能，保密性更好，应用灵活性大，常被用做证件和信用卡使用。例如，手机用的SIM卡，它除了存储用户的身份信息外，还可将电话号码、短信息等大量内容存储在卡上。
IC卡按使用方式可分为接触式和非接触式两种。接触式IC卡，其卡的一个表面有一个镀金接口，有6个或8个触点，如电话IC卡。使用时必须将卡插入读卡机卡口内，通过接口的金属触点传输数据。这种IC卡易磨损，使用寿命较短，通常用于存储信息量大、读/写操作比较复杂的场合。非接触式IC卡，又称为射频（Radio Frequency）卡，它是采用电磁感应方式无线传输数据的，并且电源也由电磁感应电流提供。使用时，IC卡只要在读卡器有效区域内，无需接触，均可与读卡器交换数据，操作非常简单、方便。这种IC卡由于采用全密封胶固化，防水，防污，因此使用寿命很长，常用于身份验证等场合。例如，我国第二代居民身份证就是采用的这种IC卡芯片制成的。它由四部分组成，分别是射频天线、控制模块、存储模块和加密模块。
1.2.2 集成电路的制造
集成电路是在硅衬底上制作而成的，制造过程要经过400多道工序，可以简单的理解为以下几个过程，如图1-3所示。
（1）将单晶硅经切割、研磨、抛光，制成硅抛光片。
（2）经氧化、光刻、掺杂、互联等工艺，制成含有成百上千独立集成电路的晶圆。按其直径分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸等规格。晶圆越大，同一晶圆上可生产的IC芯片就越多，成本就越低，但对材料和生产技术的要求也越高。
（3）将晶圆切开，剔除废品，就成了一批芯片。
图1-3 集成电路制造过程示意图
（4）将芯片安装在陶瓷基座上，将芯片与插脚连线并加盖封装，就成了集成电路。封装的作用首先是密封、防止物理损伤、防尘，其次是采用标准接口。封装技术关系到产品的功能性。常见的封装形式有单列直插式（SIP）、两边带插脚的双列直插式（DIP）、四边带插脚的阵列式（PGA）、扁平贴片式（QFP）和球栅阵列式（BGA）等。
（5）将成品进行测试、分级并打印标签，就可包装出厂。
集成电路生产设备涉及现今制造技术中最复杂而要求十分苛刻的工艺过程与技术。为了获得高合格率，芯片中集成的数千万个元器件必须保证100%完好率，一颗小于1μm的灰尘都会导致集成电路芯片的失败。因此，集成电路必须在超净环境下生产，而其制造过程中所需的材料、气体和试剂必须是超纯的。其他高密度封装技术、测试技术、微缺陷和玷污的检测与分析技术都是必不可少的环节。
1.2.3 集成电路的发展趋势
近年来，单块集成电路的集成度一直保持着平均每18～24个月就提高一倍的趋势，这就是著名的Moore定律，是Intel公司的创始人之一摩尔（G.E.Moore）1965年4月19日在《微电子学》双周刊杂志上发表的《在集成电路中塞进更多的元件》一文中所预测的。例如，Intel公司自1971年推出的第一款微处理器4004起，8008、8086、8088、80386、80486、Pentium（奔腾）系列和Core2（酷睿2双核）系列微处理器的集成度基本上是按照这个规律发展的。
目前，世界集成电路技术已经进入纳米（1纳米=10-9米）时代，全球已有多条90nm（纳米）的生产线用于规模化生产，基于70～65nm水平线宽的生产技术基本成形，而Intel公司的CPU芯片（Core2Quad）也已经采用了45nm的生产工艺，芯片集成度已达到10的9次幂。
衡量微电子技术进步的标志主要有以下几个方面：
（1）开拓有针对性的设计应用。
（2）增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模。
（3）缩小芯片中元器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度。
（4）先进的封装技术。
在集成电路发展初期，电路都从元器件的物理版图设计入手，后来出现了IC单元库（Cell-Lib），使用IC设计从元器件级进入到逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计人员可以直接参与IC设计，极大地推动了IC产业的发展。但IC不是最终产品，它只有被装入整机系统才能发挥它的作用。IC是通过印制电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高，功耗可以很小，但由于PCB中IC之间的连线延迟，PCB可靠性及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统IC设计技术已经无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平不断提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，目前已经出现可以将整个系统集成在一个IC芯片上的系统级芯片SoC（System on Chip）。
SoC与IC的设计原理是不同的，它是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、软件（嵌入式的操作系统、应用软件系统）、芯片结构、各层次电路直至元器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。
微电子技术从IC向SoC转变不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术发展的必然结果。目前，SoC技术已经崭露头角，21世纪将是SoC技术真正快速发展的时期。
随着微电子技术的快速发展，大批量的具有高可靠性和高精度的微电子结构模块不断问世，其应用领域也越来越广泛。这种技术一旦与其他学科相结合，便会形成一系列崭新的学科和重大的经济增长点。例如，比较典型的有MEMS（微电子机械系统，或称微机电系统）技术和生物芯片等。MEMS技术是微电子技术与机械、光学等领域相互结合而成的。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统及电源于一体的微机电系统。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。而生物芯片则是微电子技术与生物工程技术结合的产物，其加工技术则主要依赖于微电子加工技术。例如，采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出含有多达10万～20万种DNA基因片段的芯片。此外，光学与微电子学的结合，发展为光电子技术，被称为尖端中的尖端。美国《时代》杂志预测：21世纪将成为光电子时代，其主要应用领域包括激光技术、红外技术、光纤通信技术等。
当前，世界上集成电路生产的主流技术已经使晶圆直径达到12～14英寸，不远的将来16英寸晶圆也将问世。随着集成电路技术的不断发展，集成电路的封装形式也在不断作出相应的调整变化。封装技术已进步到CSP（Chip Size Package，芯片尺寸封装技术）。它减小了芯片封装外形的尺寸，基本做到了裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。
目前，随着集成电路技术的迅猛发展，一些障碍也相伴而生。例如，为提高集成度，缩小晶体管基本线条的宽度和它们之间的相互距离，会带来线路干扰加重；可以采用进一步降低电压，减小电流（降低功耗）的方法来解决。但当晶体管的基本线条小到纳米级，在这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，可能会出现一些新的量子现象和效应。人们正在研究如何利用这些量子效应研制具有新功能的量子器件，这就是纳米芯片技术。