微电子制造科学原理与工程技术

摘 要：本文介绍了微电子制造的科学原理与工程技术。微电子制造技术涵盖了集成电路制造所涉及到的多数单项工艺，囊括了反应离子刻蚀、离子注入以及等离子体等。而对于每一种单项工艺，详细的介绍了其化学和物理原理，对用于集成电路制造的工艺设备业也进行了一定的描述。其中对于一些先进技术也有详细的介绍，比如快速热处理丁浩分子束外延和有机化学沉淀等，在此基础上，还介绍了一系列常见的集成电路工艺技术，比如双极型技术和砷化镓技术，对于微电子制造的新兴领域即使微机械电子系统和工艺也有涉及。微电子制造科学原理与工程技术一书是高等学校本科生的教科书，供相关专业人士参考。

关键词：微电子制造;科学原理;工程技术

0 引言

在上世纪60年代，电子学领域诞生了一个新的分支，即是关于研究如何利用固体内部的微观特征和一些特殊工艺，在一小块半导体材料中制作出极多的元件，进而在一个细小的面积之内制造出一个极其复杂的电子系统，该电子系统就是微系统电子学。微电子学中的各项工艺技术有一个统称，就是微电子技术，该领域最主要的应用就是集成电路。集成电路现如今已经经历了包括小规模、中规模在内的四大发展阶段。

1 微电子材料和应用

微电子材料会根据形态而分成两大部分，一部分是晶圆片，另外一部分是薄膜，而不管微电子材料是晶圆片还是薄膜，都可以处在单晶、多晶或者不定的一种形态。在晶圆片中，硅和锗是两种最为主要的构成材料，世界上的第一个晶体管就是利用锗制造，但是由于锗的熔点只有937摄氏度，导致其受到温度的制约，限制了高温工艺的发展，且在锗的表面会缺少因为自然氧化而形成的氧化膜而出现漏电的情况，这两种物理特性导致锗形成的微电子材料应用不够广泛。而基于硅制造出的材料就具备一些显著优点。除去上述两者之外，晶圆片还可以是碳化硅、蓝宝石或者玻璃等。而薄膜也可以分为两大类，单元素薄膜，比如有单硅和铜等，以及化合物薄膜，比如氧化硅和氮化硅等。在微电子材料当中，需要注意金属和贵金属，这两种也被广泛用于微加工产业中。

工艺：微加工工艺的步骤分为以下几个：单晶生成、薄膜生成、图形化、参杂和热处理、层间转移和键合、表面的处理，在实际的微加工工藝当中，步骤不存在绝对的先后顺序，要根据实际情况或者不同的器件要求进行具体的工艺设计。电子集成技术的工艺方法：电子继承技术分为单片集成电路，也就是硅平面工艺作为基础，薄膜集成电路，以薄膜技术作为基础，以及厚膜集成电路，以丝网印刷技术作为基础。

器件：电子元件经历了经典电子元器件时代、小型化电子元器件时代以及微电子元器件时代，经典时代是以电子管为代表，小型化时代是以半导体分立器为代表，而微电子元器件时代则是以高频或者高速处理集成电路为代表。

微电子材料的未来发展趋势：集成电路芯片的发展规律在很大程度上遵循了摩尔的预言，即摩尔定律。集成电路的集成度（每个微电子芯片中继承的器件数），在每三年时间左右为两代，每一代将会增加4倍，其尺寸将会缩小两倍。在上世纪70年代，Dennard等人提出了按照比例缩小原理，该理论认为特征线条越窄，IC的工作速度将会越快，单元功能消耗的功率也会相应的降低，进而奠定了微电子将来的发展基础，即更小、更密、更快、更省电、更廉价。

2 晶和硅微电子材料

原子在某种材料内部周期进行重复排列成固定的结构形成了晶体，而晶体又可以分为单晶和多晶，原子没有呈现固定排列顺序的材料被称为非晶体。第一代半导体晶体是锗单晶和硅单晶，第二代半导体晶体为化合物，比如砷化镓等，现如今的半导体已经发展到了第三代，三元或者多元化合物组成的半导体晶体。从提升硅集成电路成品率以及降低成本方面考虑，增加直拉硅单晶的直径或者减少微缺陷的密度仍然会是今后微电子材料发展的总趋势。

硅：硅是自然界当中最丰富的元素之一，地壳中除去氧以外，最多的就素硅元素了，虽然自然界硅组成的物质很多，但是真正能够用于半导体生产的原料基本上都来自于高纯度硅石，也就是石英矿，作为半导体材料的硅是经过还原和提纯的高纯度硅，它具备非晶、多晶以及单晶三种形态。硅具有易于提纯、和价格低廉的优点，并且硅期间很容易实现平面工艺，效率高、寿命长、导热性能好以及耐高温等，现在的大多数半导体期间都是将硅作为主要原料，总而言之，硅是大多数半导体和微电子芯片的主要原材料。

晶圆的制备：晶圆是硅半导体电路制作时所使用的硅晶片，由于其呈圆形，所以也被称之为晶圆。SOI是一种芯片制作技术，它让晶体管裹在二氧化硅薄膜当中，和原片衬底相隔离，以此来更好的进行对电子的控制。二和CMOS芯片相比，SOI技术主要是通过减少电子流失和清除“体效应”来提升芯片的性能。另外就是应变硅技术，该技术能够减少晶体管的反应事件，最终改变半导体的网络结构，这就能够让更大的原子通过，这种方式让导体性能更好，极大的提升电流中电子的迁移率。

参考文献：

[1]王鹏懿.浅析微电子制造技术及其发展[J].通讯世界，2018（02）：24-25.

[2]雷佳，何飞翔，龙素华.微电子技术发展的新领域[J].信息与电脑（理论版），2018（22）：11-12.

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