新技术革命与微电子技术

新技术革命中，微电子技术是今后技术发展的关键因素。专家们认为，今后三十年内，新技术对社会的影响主要由微电子技术触发。据国外统计，微电子技术的应用已有2500余种，现在世界上国民生产总值有40％都与微电子有关，发达国家如美国、日本等国的国民生产总值中58％与微电子有关。日本的科学与经济会调查结果表明：日本在80年代初期，有36％的企业由于采用了微电子技术，使生产提高了1l％。如果利用得更好一些，估计最终可以使劳动生产率成倍地提高。因此，有人评价认为：微电子发明的意义，与火和蒸气机的发明一样，对人类来说有同等的重要性。

微电子（Micro Electronics）是1962年作为一本书名而广泛流传的名词。直到现在，世界上还没有一个一致的明确定义。在国内山由于翻译的不一致，有“微电子学”、“微电子技术”和“微电子电路”等不同说法。严格地说，微电子学是电子在固态半导体中微距离运动的物理现象的科学机理的阐述。微电子技术是指在几平方毫米的半导体单晶芯片上，用微米及亚微米加工技术制造成由万个以上晶体管构成的微缩单元电子电路，并用这种电路组成各微电子设备的总称。近年来，把集成电路的研究、开发、生产技术及其应用技术通称为微电子技术。至于微电子器件则是大规模和超大规模集成电路的通称。

电磁波是宇宙间运载信息的主要载体，自从人类发现电磁波以后，就产生了应用电磁波作为远距离传递信息的手段的要求。1912年发明电子管以来，电子技术得到了很大的发展，于1946年出现了电子管计算机。

由于电子管体积大、重量大及热耗高，因此计算机机载电子设备等发展受到了一定限制。于是1948年发明了半导体三极管，电子技术从真空时代进入了固体时代。采用半导体器件以后，各种电子设备开始小型化、轻量化和省能源化。半导体器件早期结构是多层技术，即在芯片的垂直方向上形成P—N—P或N—P－N三层构成三极。以后发明了平面技术，即在芯片的平面上形成P—N结，从而开拓了走向集成电路的道路。

1959年美国发明了集成电路，开始时，每个芯片集成度只有1～100个晶体管单元，称为小规模集成电路（SSI）。1965年发展成集成度为100～1000个单元的中规模集成电路（MSI）。1973年研制成集成度为1,000～100,000个单地的人规模集成电路（LSI）。1978年已发展到集成度为10万～100万个单元的超大规模集成电路（VLSI）。从此，电子技术进入微电子时代。估计80年代末期，集成度将突破100）万个单元，成为极大规模集成电路（ULSI）。

从进入微电子时代以来，技术发展突飞猛进，1970年～1983年集成度提问了一千倍，集成度差不多是每年翻一番，每隔两、三年产品就要换一代。目前，集成电路产品已有174个系列、1154个品种。集成电路的产量10年中提高了2O倍，1984年预计产量为200亿块。集成电路的价格每隔两年约降一半，1970年～1984年14年间，降低了97.75％。世界上还没有任何技术有如此快速而巨大的变化。

目前国际上已掌握的微电子器件生产技术为：①完美单晶生长技术，每平方厘米缺陷在10个以下。②计算机辅助设计技术，包括系统模拟、电路设计、工艺参数模拟、布线设计、数据库、冗余设计等，③计算机辅助制造，包括图形发生、自动绘图、掩膜制版、自动布线等。④薄膜生长和控制技术，控制到数百埃（A。）。包括多层外延、汽相外延、液相外延、分子束外延、介质生长、淀积技术，金属膜淀积、高压氧化、低压氧化等。⑤电子束制版、电子束在接在硅片上扫描成图形、投影曝光、远紫外线光刻、X射线光刻等精细线条制作。目前实用化水平已达到1.5～2微米水平，研制成1024K存储器件样品。⑥离子注入浅结扩散、电子束及激光退火技术。⑦干式腐蚀，包括等离子体腐蚀、真空溅射腐蚀、离子腐蚀、离子铣。⑧纯化保护技术。⑨焊接技术，包括自动压焊、球焊、倒装焊及激光焊接技术。⑩激光电阻精密修正，电路冗余联结切断、红外热分析、红外干燥。过程检测和控制，包括故障诊断、信息反馈控制、表面物理与微观结构分析。自动化包封后测试与分选，检验、包装、打印等技术。高密度组装包封技术，包括厚膜及薄膜混合集成电路、多层及软性印制电路的布线和加工技术、微带技术、微电封技术等。阵列电路单层及多层布线及引线技术。净化技术。

通过以上微电子技术的应用，制造出各种集成电路，其集成度每个芯片目前已达到百万个器件。

目前大量生产的微电子产品可以分为：

一、数字电路 包括存储器件（其中有静态、动态、只读、可编程序、电改写只读等存储器）；微处理器；通用逻辑电路、特殊逻辑电路、门阵列电路等。

二、模拟电路 包括通用电路、特殊电路和接口电路。

以工艺技术可分为：

一、双极型电路 包括晶体管——晶体管逻辑电路（TTL）；肖特基晶体管——晶体管逻辑电路（STTL）；发射极耦合电路（ECL）和集成注入逻辑电路（I\(^{2}\)L）等。

二、金属氧化物半导体电路（MOS）包括PMOS、NMOS、CMOS、HMOS、蓝宝石淀积电路SOS以及砷化镓电路等。

三、其它微电子器件 包括磁泡存储器件、约塞夫森器件、声表面波器件和薄膜晶体管阵列器件等。

由于MOS技术的发展迅速、集成度最高、价格便宜，所以它已成为微电子器件的主流。

最近研制出硅片上氧化层技术（SOI），即在氧化层表面外延一层硅单晶，可以得到280微微秒的时延，同时具有高速、廉价的特点。如果解决了多层连线技术，还可以在制成电路后增加氧化层、外延单晶层，形成多层微电子电路，也叫三维电路。

随着微电子技术的发展，微电子器件的生产工艺也在不断改进。现在正在研制一步法工艺，以期达到提高成品率、降低成本的目的。一步工艺法就是采用铝制掩膜版，在真空中充氯气，用激光照射掩膜，硅片受光照部分与激光激活的分子氯化合形成氯化硅气体，使得光刻、腐蚀一步形成。此法可降低成本约10倍，有较大的经济效益。此外，有不少新方法还在研制中，将来对微电子技术的发展会产生较大的影响。

自从世界不断讨论新技术革命以来，信息技术是新技术革命的核心，而微电子又是信息技术的基础，所以微电子就成为引人注目的中心了。

微电子技术的特点是能够节约能源、材料、空间和劳动力，从而降低成本。微电子产品轻、薄、小而廉价，非常适宜向一切领域推广应用。技术发展是一种推动力，而应用的需要是一种吸引力，两种力合在一起，就产生了极大的效应。特别是微电子技术自70年代以来，性能提高一千倍、价格降低了97.75％，如果说当年每个晶体管要10元钱，那么现在一元钱就可以得到相当于1000个晶体管的电路。因此，微电子技术就具备了向各个方面渗透的条件。

过去技术革命，人类发展了可以辅助体力劳动的动力机和工具机。现在，出现了可以辅助人类脑力劳动的工具——计算机。特别是计算机技术与微电子技术结合产生微型计算机以来，短短十三年中，微型计算机就换了四代，见下表，其变化是非常快的。

预计1984年世界微型计算机产量为700万台，199O年预计将达到4000～6000万台，那时，计算机将像电视机一样地普及到家庭。微型计算机之所以有这种可能，这是因为1962年每秒运算速度为70万次的中型计算机售价为120万美元，而现在同样功能的微型计算机只值5000美元，预计到199O年售价可能只有几百美元，因此，具备了大量推广应用的条件。

今天在发达国家中说的所谓“三C”、“四A”革命，“三C”指通信化（Communication）、计算机化（Co－mputerization）和自动控制化（control），“四A”（A是英义“自动化”automation的第一个字母）指工厂自动化、）办公室自动化、家庭自动化和农业自动化，无不以微电子技术为基础。

机械电子自动化将引起机械设备的大变革。由于微电子与机械和仪表等技术溶合，使传统技术发生了质的变化。如数控机床、灵活性生产线、智能仪表和机器人等是体力和脑力结合的产物，也是人类体脑劳动的延伸。由于它们具有判断、决定、控制和适应等高级功能，因此，生产的产品不但能提高质量、降低成本、节约原材料和能源，而且易于更换品种，还可以转为多品种、小批量生产，以适应人们对多样化、选择性的要求。特别是以微电子技术为核心的机器人进入生产现场，必将进一步提高生产的灵活性。

微电子的应用也引起了商品结构的变革。近年来，如袖珍计算器、收录机、电视机、录像机、数字电话机、电子钟则是品种繁多。某些消费品如照像机、缝纫机、洗衣机、电冰箱和电烤炉等，采用微电子技术后，使产品性能自动化，本来市场已经饱和的产品，又有了新的需求。微电子产品也大量进入家庭，据日本统计，平均每个家庭至少有7块微电子电路。

由于微电子的触发，现代电于武器的出现以及武器“智能化”的结果，大大提高了武器系统的反应速度和命中精度。由微型计算机构成的火力控制系统，加上智能微电子引信，可以达到点命中的准确度。现代化作战指挥系统，只有应用微电子及计算机技术，才能在敌人突然袭击情况下瞬间作出反应。特别是战争机器人的出现，将使陆军战术改观。

微电子也渗透到各种医疗诊断和检测仪器中。目前用微电子技术制成的心脏起搏器已植入人体。不久的将来，微电子可能作为神经元件植入人体，用以解决恢复视觉和听觉以及肢体运动功能的问题。

工厂自动化主要将在工厂中推行以微电子技术为中心的柔性加工系统。）办公室自动化将使文件的起草、定稿、分发、归档以及会议记录、翻译、复印、打印、传真等繁复手续由各种电子设备来完成。有朝一日家庭中将出现家用机器人，完成购货、清洁、炊事和洗衣等劳动，使家庭自动化。农业自动化意味着以微电子技术和新材料技术等为标志的理化技术革命和以生物工程为标志的生物技术革命，使农业也终将成为一个高度知识密集型的产业。

微电子广阔的扩散性、渗透性、普及性使得各种新技术，如生物工程、海洋开发、宇航和原子能开发等都离不开微电子，所以微电子作为新技术革命的主角是当之无愧的。

电子学的规律是越小越好，但是究竟小到什么程度呢？不少专家认为，依靠硅工艺，可以在一块芯片上集成几千万甚至1亿个元件，但是这种技术面临的困难越来越大，散热问题不好解决， 元件之间靠得太近造成严重的相互干扰，而且废品率的增高降低了经济效益。虽然可以考虑用超导技术制成约瑟夫森器件，但是由于需要超低温致冷从而使其应用受到限制。电子学能不能突破“物理极限”？这就成为微电子专家关心的重大问题。

1983年10月美国国家科学基金会（NSF）召开了生物电路会议，讨论坚尼克斯公司研究员乌尔默提出的蛋白质生物电子电路（Biochip）的基本设想。既然所有的高级生物的大脑都是由蛋白质构成，为什么不可以模拟这种结构，制成以生物化学方式运行的蛋白质微型计算机？它在1立方毫米中就可以包含1000万亿（1015)个分立元件，而运行时间达到微微秒。当然一下于作到会有困难，可以考虑分步骤发展。

首先可以考虑采用分子级有机化合物聚合键或有机晶体。虽然这些分子结构复杂、精密、三维和完全不对称，但实验结果证实，聚合物的P型和N型聚乙炔或其它如TTF及TCQN分子两种电性能完全相反的有机化合物分子结合在一起时，能够产生振荡、旋转、激励、传输、开关和位置变化等一系列功能。由于半醌分子是由氢连接的，在电激励下能从一种稳态翻转为另一种稳态，因此可以用于制成分子存储器。由于发现塑性凝胶的有机分子具有光学双稳态性能，即时而透明、时而不透明，因此可形成光敏存储器，其存取响应时间为微微秒，价格极为便宜。

由于发现植物发生光合作用时，细胞能使电子单向流动，因此，可以用人工模拟一个分子内带正电的质子单向流动，制成有机逻辑电路，使其具有触发开关作用。同时还发现，血液中的红血球里的血红素在红血球的输载电荷发生变动时，随之也产生形态变化，利用这种机理，也可以构成开关电路。

蛋白质的单分子结构可以作为激活场的框架，例如酶，起催化作用的并非整个分子，而只是分子的一小部分。蛋白质即存在空间运行的操作系统，又有一个执行开关的“工具”。这些“工具”中，有的可以保存或传输信息，有的具备逻辑电路的形态。今后可能利用几十种活性组织的基础氨基酸，组合出具有逻辑功能的蛋白质元件。

鸡蛋能生出小鸡，这是生物基因（即遗传密码）的定向反应。如果能够应用生物工程原理和技术给一种有机物植入某种基因，它也可能长出一只“生物电脑”。生物世界虽然包罗万象，不知有多少信息处理系统在运行，有多少物理现象在发生，但是生物世界的各级都有接收、传感、触发、开关、存储、信息传送、信息转换和放大功能，所以可以把它看作是未来“生物微电子学”的模拟基础。自然界的三维基本元件密度高达十亿分之一米。例如，叶绿素的密度为10\(^{9}\)／立方毫米，比现在的微电子电路小得多。当然寻找什么样的、如此细的导线来连接它？信息输入、输出如何处理？宏观与微观的信息怎样转换等等？这些都是今后要研究的课题。

总之，研究将是长期的，但是可以预言，生物逻辑将代替布尔逻辑，生物微电子技术肯定是人类信息科学和技术发展的基础和发展方向。

目前，微电子技术革命的呼声日益高涨，我国自然科学专家和社会科学专家也开始研究和探讨这个问题。这次新技术革命不仅只是涉及经济领域，而且还会影响生产结构、社会结构、生活结构和文化结构。我国是发展中的国家，必须抓住时机，抓住方向，迎接新技术革命的挑战。(国际信息处理协会常务理事 郭平欣)