文|史说百家

编辑|史说百家

微电子制造，通常被称为半导体制造，是一个重要的技术过程，它彻底改变了现代世界，该领域包括微电子器件的设计、制造、装配和测试，如集成电路(ICs)、晶体管和微处理器。

这些微小的组件是众多电子设备的组成部分，这些电子设备已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分，从智能手机和笔记本电脑到医疗设备和汽车系统，那么它是如何制造的？

微电子制造的基础在于硅片的制造，硅片用作构建集成电路的衬底，这个过程从从沙子中提取硅开始，然后提纯并转化为单晶锭，然后，使用精密切割技术将该晶锭切割成薄晶片。

得到的晶片经过各种处理，以产生没有杂质和缺陷的原始表面，光刻是一个关键的过程，允许在硅片上创建复杂的图案，将一层光敏光致抗蚀剂施加到晶片上，并将包含所需图案的掩模置于其上。

然后将晶片暴露在紫外光下，使光致抗蚀剂经历化学转化，显影后，光致抗蚀剂的曝光或未曝光区域被选择性地去除，露出下面的硅表面，按照光刻定义的图案，使用蚀刻从硅晶片上去除材料。

两种主要类型的蚀刻是湿法蚀刻和干法蚀刻，湿法蚀刻使用化学溶液来溶解暴露的硅，而干法蚀刻依靠等离子体来去除材料，这些工艺能够在晶片上形成复杂的特征，限定微电子器件的电路。

掺杂是一种将特定的杂质(称为掺杂剂)引入硅片以改变其电特性的过程，掺杂剂可以引入额外的电子(n型掺杂)或产生电子缺陷，称为空穴(p型掺杂)。

这种对硅导电率的可控修改允许制造晶体管和二极管，它们是电子电路的基本构件，氧化包括在晶片表面生长一薄层二氧化硅，该绝缘层用作保护屏障，也用于在晶体管中产生栅极氧化物。

该工艺通常通过将晶片暴露在富氧环境中的高温下来实现，金属化是在晶片表面沉积金属层以在集成电路上的各种组件之间建立互连的过程，为此，铝和铜是常用的金属。

这些金属层使用光刻和蚀刻形成图案，类似于硅表面所采用的工艺， 一旦在晶片上制造出微电子器件，它们就要进行封装，在封装中它们被分成独立的单元并被封装起来以保护它们免受环境因素的影响。

封装后，进行广泛的测试，以确保设备的功能和可靠性，有缺陷的单元被丢弃，而有功能的单元准备集成到电子产品中，微电子制造一直是信息技术革命背后的驱动力。

对小型化和摩尔定律的不懈追求使处理能力不断提高，这促进了具有非凡能力的计算机和智能手机的发展，这些设备已经成为沟通、工作、教育和娱乐的重要工具，塑造了我们的生活方式和与世界的互动方式。

微电子设备的激增彻底改变了全球通信，微电子制造的进步推动了高速互联网连接的发展，使我们能够通过社交媒体、视频通话和即时消息与世界各地的人们保持联系。

此外，微电子设备在无线通信中的集成导致了智能手机的广泛采用和物联网设备的无缝连接，微电子学也对医疗保健行业做出了重大贡献，医疗设备的发展，如起搏器、除颤器和胰岛素泵，改善了无数慢性病患者的生活质量。

此外，微电子传感器和成像设备提高了诊断准确性，使疾病的早期检测和更有效的治疗计划成为可能，在汽车领域，微电子设备彻底改变了汽车技术。

高级驾驶辅助系统(ADAS)依靠微电子技术来实现车道保持辅助、自适应巡航控制和自动驾驶功能等功能，这些技术增强了道路安全，为自动驾驶汽车铺平了道路，自动驾驶汽车有望在未来改变交通运输。

微电子制造在可再生能源发电和能源效率方面发挥着至关重要的作用，太阳能光伏(PV)电池、风力涡轮机和储能系统的发展严重依赖于先进的半导体材料和微电子元件。

智能电网技术中的微电子集成优化了能源分配，带来了更高效、更可持续的能源消耗，虽然微电子制造业取得了长足的进步，但在前进的过程中也面临着一些挑战。

随着晶体管的尺寸接近原子尺度，量子效应和其他物理限制阻碍了传统的缩放，克服这些挑战需要创新方法，如探索量子计算和新材料，如石墨烯和碳纳米管，以取代硅。

随着微电子设备变得越来越强大，它们也消耗更多的能量，能效是一个关键问题，尤其是在移动设备、数据中心和高性能计算领域，正在研究新材料、建筑设计和电源管理技术来解决这个问题。

微电子制造涉及各种化学品和资源的使用，引起了人们对其环境影响的关注，该行业正积极努力最大限度地减少浪费，改善回收流程，并采用可持续的做法来减少其生态足迹。

微电子制造工艺的复杂性呈指数增长，导致生产成本增加，需要先进的设备和洁净室设施，随着技术的进步，在不影响质量的情况下找到经济高效的解决方案仍然是一个巨大的挑战。

微电子制造一直是现代世界变革的驱动力，从晶体管的发明到先进微处理器和物联网设备的发展，对小型化和摩尔定律的不懈追求已经彻底改变了计算、通信、医疗和交通。

这个不断发展的领域面临着挑战，但随着不断的研究和创新，微电子学将塑造一个未来，智能、高效和互连的设备将继续推动进步，提高全球人民的生活质量。

微电子技术的基础可以追溯到19世纪，当时先驱们在半导体的特性方面取得了重大发现，1833年，迈克尔·法拉第观察到某些材料在暴露于光下时表现出可变的电导率，为未来的光电导研究铺平了道路。

后来，在1874年，卡尔·费迪南德·布劳恩发现一些物质，如硒，具有整流特性，只允许电流单向流动，Jagadish Chandra Bose的工作进一步推进了整流效应的突破性发现。

他使用方铅矿(硫化铅)晶体开发了第一个实用的半导体器件，称为“晶体探测器”或“猫须”，Bose的工作为早期无线电接收器和探测器的发展奠定了基础。

微电子技术的真正转折点出现在1947年，当时威廉姆·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿在贝尔实验室发明了晶体管，晶体管是一种能够放大和转换电信号的固态电子设备，取代了当时电子设备中使用的笨重而不可靠的真空管。

晶体管的发明标志着微电子学的诞生，因为它为电子元件的小型化和集成在单个芯片上铺平了道路，微电子技术的下一个重要里程碑是集成电路(IC)的发展。

1958年，德克萨斯仪器公司的杰克·基尔比和飞兆半导体公司的罗伯特·诺伊斯独立构思了在单个半导体衬底上集成多个晶体管和其他元件的想法。

基尔比用锗制造了第一个单片集成电路，而诺伊斯在几个月后成功地用硅制造了一个集成电路，集成电路的发明使复杂的电子电路能够以更小的尺寸大规模生产，从而彻底改变了电子工业。

这一突破也为摩尔定律的实现奠定了基础，摩尔定律指出，芯片上的晶体管数量大约每两年就会增加一倍，从而导致计算能力不断提高，每个晶体管的成本下降。

20世纪60年代，硅因其优越的电性能和丰富的储量而成为半导体制造的主要材料，硅的原子属性允许对电子行为进行精确控制，使其成为构建晶体管和其他半导体器件的理想材料。

硅基技术成为微电子制造的基石，该行业继续缩小晶体管尺寸，提高性能和功能，随着微电子技术的进步，超大规模集成电路(VLSI)和超大规模集成电路(ULSI)的概念开始流行。

超大规模集成电路技术包括在一个芯片上放置数千个晶体管，而超大规模集成电路技术进一步拓展了这一界限，在一个芯片上容纳了数百万个晶体管，这些进步导致了具有前所未有的计算能力的微处理器和微控制器的产生，进一步革新了计算和电子设备。

随着微电子技术的不断进步，研究人员进入了纳米时代，在纳米尺度上制造器件，纳米技术允许制造纳米级晶体管，如FinFETs(鳍式场效应晶体管)和纳米线，改善了对电子流的控制，降低了功耗。

然而，随着器件接近原子级，与量子效应、漏电流和散热相关的挑战出现了，该行业在维护摩尔定律方面面临新的障碍，越来越明显的是，替代材料和新的器件架构是克服这些限制所必需的。

为了应对传统硅基技术带来的挑战，研究人员探索了替代材料，如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和有机半导体，这些材料提供了独特的性能，使它们适用于特定的应用，如高功率电子设备、射频设备和柔性显示器。

此外，新兴技术，如量子计算、神经形态计算和光子学，显示了推动微电子学发展的前景，特别是量子计算，在解决复杂问题上比经典计算机快得多，有望在密码学和材料科学等领域取得突破。

微电子技术对计算和信息技术的影响不能被夸大，晶体管的不断小型化和更强大的微处理器的发展导致了计算机、智能手机和其他数字设备的激增，这些进步改变了我们交流、获取信息、开展业务以及与周围世界互动的方式。

微电子技术在通信和连接的发展中发挥了重要作用，从早期的广播和电视到今天的互联网和5G网络，微电子技术实现了高速数据传输、无线通信和设备的无缝连接，培育了一个全球互联的社会。

消费电子行业已经受到微电子技术的显著影响，从智能电视和可穿戴设备到家用电器和游戏机，强大微电子组件的集成提升了消费设备的性能和功能，增强了用户体验。

微电子技术的进步彻底改变了保健和医疗技术，医疗设备，如起搏器、除颤器和胰岛素泵，通过利用微电子技术进行精确控制和监控，挽救了无数人的生命。

此外，诊断成像设备和实验室仪器已经受益于微电子部件提供的增强的处理能力和精度，由于微电子技术，汽车工业经历了显著的转变，通过在汽车系统中集成微电子技术，高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术已经成为可能。

这些技术增强了安全性，提高了能效，为自动驾驶汽车铺平了道路， 随着微电子技术的不断进步，伦理考虑变得越来越重要，隐私问题、数据安全和电子垃圾对环境的影响是需要认真考虑的紧迫问题。

此外，随着自动化和人工智能的不断发展，对就业市场和人类劳动的影响需要深思熟虑的检验，微电子技术的未来既令人兴奋又充满挑战，随着传统硅基技术接近其物理极限，行业将越来越多地转向替代材料和新的器件架构，以继续追求小型化和性能改进。

量子计算、神经形态计算和其他新兴技术带来了变革性突破的希望，推动了计算和问题解决的极限，在先驱者的远见卓识和对小型化和集成化不懈追求的推动下，微电子技术自诞生以来已经取得了长足的进步。

从晶体管的发明到纳米电子学的发展，这一领域已经塑造了现代世界，并将继续如此，微电子对各种行业的影响是不可否认的，如计算、通信、医疗保健和运输。

然而随着技术的进步，必须解决伦理问题，并采取可持续的做法，以确保未来微电子技术继续丰富我们的生活，而不损害我们的环境和社会福祉，当我们站在进一步发展的尖端时，促进合作和创新以应对挑战并抓住微电子技术动态领域的机遇是至关重要的。

参考文献

【1】《微电子概论微电子概论》肖国玲西安电子科技大学出版社2017年

【2】《微电子技术原理、设计与应用》惠特克机械工业出版社2008年06月

【3】《微电子技术概论》孟祥忠2009年09月