it产业动力源微电子

1、IT产业的动力源The IT Engine - Microelectronics123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536人类科技进步的回顾工业革命时代 电气时代 电子时代 信息时代 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics37工业革命时代：1733 1878年 1733年：第一台穿梭织机、 轧花机问世。1765年：瓦特改进蒸汽机 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics38电气时代：1879 1946年 1879年：电灯泡18

2、85年：奔驰内燃机机车（德国）1894年：无线电话（意大利）1903年：动力飞机1904年：真空二极管1906年：真空管出现1930年：美国大型模拟计算机出现 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics39第一台计算机1946年：电子管计算机出现（数字积分计算机）第一台计算机重三吨，占地一百五十多平方米40电子时代：19471972年1947年：美国贝尔实验室诞生第一支晶体管。晶体管的发明，是20世纪最重要的发明，是物理学的一次突破性进展。1956年：计算机编程语言问世； 第二代计算机诞生（晶体管）。1959年：第一块IC诞生（晶体管元件最小尺寸在100

3、m以上）1961年：SSI，小规模集成电路（100个元件）1962年：第一颗通讯卫星上天（美）1964年：MSI，中规模集成电路诞生（642048）；出现MOS集成电路19651968年：第三代计算机诞生（SSI）； 用集成电路作的计算机诞生（MSI）1969年：交互网络（美） IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics41晶体管的发明晶体管之父：巴丁（J.Bardeen),肖克莱（W.Schokley）和布拉顿（W.H.Brattain）（从左到右）第一只晶体管42第一只晶体管的发明半导体的发展最早追溯到19世纪30年代，1833年，英国物理学家法拉第

4、发现氧化银的电阻率随温度升高而增加，1873年，英国物理学家史密斯发现晶体硒在光照下电阻变小的光电导效应，1877年，英国物理学家亚当斯发现晶体硒和金属接触在光照下产生电动势的半导体光生伏特效应，1906年，美国物理学家皮尔逊等人发现金属与硅晶体接触产生整流作用的半导体整流效应，1931年，英国物理学家威尔逊提出能带理论，较好地解释了半导体电阻负温度系数和光电导现象，1946年，美国Bell实验室肖克莱、巴丁、布莱顿等人，根据实际需求牵引和理论推动共同作用下发明的，于1947年12月诞生了第一只晶体管。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics43第一

5、块集成电路的诞生1959年，由美国德克萨斯仪器公司科学家基尔比等研制出世界第一块集成电路集成电路的出现，打破了电子技术中器件与线路分离的传统集成电路现已发展到SOC IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics44信息时代：1973至今1970年：LSI，大规模集成电路诞生（204865536）； 差不多同时，第四代计算机诞生（LSI）1971年：Intel生产第一台微处理器1973年：大规模IC出现LSI1974年：6分钟传一页纸的传真机出现； 第一块MOS阵列出现1975年：超大规模IC（VLSI）出现1977年：苹果机推出个人电脑，实现联网 IT发展

6、的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics451980年：VLSI出现（655362097152）第二代计算机诞生1981年：美IBM推出DOS系统（磁盘驱动系统）1983年：MOTOROLR开通移动电话（蜂窝）1984年：荷兰飞利浦和日本索尼推出光盘可读存储器CD-ROM；第一块EPROM型可编辑逻辑器件（PCD）出现1985年：光纤通信（一根光纤可同时传递30万个电话）； 开始出现超大规模IC,ULSI（209715267108864）1990年：交互网全球网出现（瑞士）第六代计算机ULSI,GLSI1993年：奔腾问世1994年：数字卫星天线，18寸收17

7、5个频道1995年：微软视窗1998年：进入特大规模集成电路，GSI(671088642047483648)1998年7月18日：Intel公司成立30周年（而立之年） Intel公司97年销售额251亿元美元，利润70亿美元1999年7月：出现PIII600芯片2002年 SOC 时代 现今, 深亚微米IC时代, 60纳米或更小 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics46 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics 微电子深入信息技术的领域 当代的计算机都是建立在微电子学基础上的，纳米科技的发展可能将计算机建

8、立在更微观集成、更高速的基础之上。卫星通讯（）遥感（）人球定位系统（）宽频带高速数字综合网络信息压缩与高速传输人工智能多媒体技术和模拟现实技术 47 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics 计算机在改变我们的生活 计算机芯片技术深入我们生活的方方面面,从宇宙飞船到电子咖啡壶,交通等到微型计算机. 从根本上讲,如果这个设备使用电我们就能通过编程告诉它 “你可以做什么”我们可以说它 无处不在48 计算机的发展史这是差分机的工作部分（1832年），是已知的最早的自动计算机。49 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectroni

9、cs 计算机的发展史ENIAC (1946)掌上电脑(2002)VS.由18000个电子管组成，占地150m2，重30吨，功率140KW，运行速度只有每秒5000次，存储容量只有千位，平均稳定运行时间只有7分钟。只有手掌大小，重量为180g，具有PC的所有功能。运行速度为206MHz，使用电池可工作125分钟。50微处理器发展：第一代：71年：Intel：4004（4位） 78年：Intel：8008（8位）低档第二代：7881年，中档：（8位）第三代：7881年：（16位）8086、8088第四代：80年以来：（32位）80386（Intel）80486 80486D4/100第五代：92年

10、推出复杂指令和精简指令相结合的Pentium IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics51 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics 计算机的发展史以Intel公司生产的80 x86为例2000 Pentium 4 总晶体管数大约42,000,00052计算机的组成：存储器 内外存储运算器 控制器 CPU 输入输出设备53CPU的组成 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics5455 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics 透

11、视计算机的心脏CPUIntel 的第一块CPU4004Intel 最新的CPUItanium Processor4004,Intel最早的CPU，集成有2，250个晶体管，最大主频为0.1MHz。Itanium Processor，Intel最新的CPU，集成有35，000，000个晶体管，最大主频可以达到2.0GHz。56从4MDRAM4GDRAM的发展4MDRAM：86年日本首推89年开始生产集成度：8106 单元面积：10m2 芯片面积91mm2 设计规则：0.8m 图片直径150mm主要工艺：光刻工艺采用g线（波长436nm）步进光刻机，光刻胶从负性转向正性，刻蚀采用各向异性干法 刻蚀

12、，LDD（轻掺杂漏）结构，浅结注入工艺 、 薄栅绝缘层工艺、多晶硅或难熔硅化物及多层薄膜工艺等。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics5716MDRAM：88年日本率先推出，92年开始生产集成度：3107（个元件）单元面积：3.6m2 芯片面积：135mm2 设计规则：0.5m 圆片直径：200mm2主要工艺：采用i-线（波长365n）步进光刻机，采用选择CVD工艺，化学机械抛光工艺（CMP）等。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics5864MDRAM： 91年日本研制成功 94年开始生产集成度：1.4

13、108 单元面积：1.2m2 芯片面积：197.5mm2 设计规则：0.35m 200mm直径主要工艺：i线步进光刻机相移掩膜（PSM）技术低温平面化工艺，全干法低损伤刻蚀工艺增强型隔离工艺，RTP/RTA(快速热处理/热退火)工艺 高性能浅结工艺，CMP工艺等。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics591GDRAM：95年NEC第一块，2000年开始生产，2004年达高峰 集成度2.2109，单元面积：0.54m2，芯片面积900mm2 设计规则： 0.25m，200mm直径，存贮信息量相当于4000页报纸，约6400万个汉字，数据线输率为400

14、Mb/秒日立和韩国三星为0.16m设计规则主要工艺：X射线刻饰机，分辨率100nm，光源为同步辐射（SOR）和激光等离子体1.5VIC冷却工艺，超线结掺杂（0.05m）工艺，高介电常数的线电介质工艺；碳化硅异质结工艺，CMP工艺，现场真空直接工艺，实时控制工艺的自动化等。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics604GDRAM：97年日本NEC试制成功，2003年生产，2007年高峰集成度为8.8109，单元面积0.23m2，芯片面积：986mm2，0.15m规则，存储信息相当于一台小型笔记本式PC机容量。 IT发展的引导性领域微电子 The IT

15、EdgeMicroelectronics61微电子发展的理论基础物理学革命物理学的两条路线量子力学的三种基本原理IT行业的理论研究基础 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics62物理学革命物理学革命的序幕是从1895年揭开的。1895年底,伦琴发现了具有惊人穿透力的X射线；1895年佩兰(Jean Baptiste Perrin, 18701924) (25岁)证实阴极射线是带负电的粒子。1897年汤姆生发现电子；1896年贝克勒尔发现了铀的放射性；1898年居里夫人用实验验证了贝克勒尔的发现,并且第一次提出了“放射性”概念； 1900年12月14日

16、，德国科学家普朗克在德国物理学会宣读了他的论文“论正常光谱的能量分布定律”首次把一个与经典理论全然不兼容的崭新概念“能量子”引入物理学,一举打破了自然无飞跃的古老格言。这是量子论的开端,标志着物理学革命的正式开始。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics631905年，尚在瑞士土层专利局供职的爱因斯坦发表了狭义相对论论文和光量子论文,并终于在1915年 爱因斯坦建成广义相对论。（爱因斯坦(Albert Einstein,18791956) 1905年（26岁）发表了三篇惊世之作关于光的产生和转化光量子理论的产生；关于热的分子运动论,证实了原子真实存在

17、的布朗运动；动体的电动力学E=mc2狭义相对论。）相对论是人类理性思维的杰作,它和量子论是现代物理的两大支柱,并把物理学革命推向高潮。给整个物理学界带来了空前的繁荣。1924年 维格纳(Eugene Paul Wigner, 1902) (22岁)发现了原子具有两种不同的能级,并发现两种能级跃迁的选择定则。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics64物理学的两条路线由爱因斯坦关于辐射的波粒二象性出发,途径德布罗意的物质波,于1926年到达薛定谔的波动力学。从玻尔的对应原理开始,于1924年导致海森堡、玻恩等的矩阵力学。 IT发展的引导性领域微电子 T

18、he IT EdgeMicroelectronics65量子力学的三种基本原理能量量子化原理波粒二相性原理不确定原理。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics66 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics 微电子发展的神奇规律Moores LawDr. Gordon E. Moore is Chairman Emeritus of Intel Corporation. He co-founded Intel in 1968, serving initially as Executive Vice Presid

19、ent. He became President and Chief Executive Officer in 1975 and held that post until being elected Chairman and Chief Executive Officer in 1979. He remained CEO until 1987 and served as Chairman until being named Chairman Emeritus in 1997. The doubling of transistors every couple of years 每隔三年芯片晶体管

20、数翻两番（增加4倍） 67 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics 微电子发展的神奇规律Moores Law68 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics微电子发展的另一定律 按比例缩小理论1974年IBM的H.MYU和DENNARD通过器件物理研究和工艺分析而提出的MOS晶体管结构尺寸按比例缩小的原理。即晶体管横向线宽每3年缩小1/3，纵向结深也按比例缩小，这也是对摩尔定律的充实和支持。 69现在对微电子发展的两种看法 随着加工尺寸越来越小，其中的中心元件的尺寸将逼近到物理的极限，因此出现了两种看法 ：一是

21、认为莫尔定律已不复存在，硅技术已是夕阳。 另一种认为从68年进入“硅石”时代，它将和石器时代、铁器时代一样，持久逾千年。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics702002年世界半导体具有代表性的成果 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics71微电子产业前景光明从已经趋向成熟的技术分析，到2010年芯片生产将大量采用0.1m技术工艺，一个芯片中含有100亿个以上晶体管已成定局；从工艺技术上看，线宽缩小到m以下，即毫微米尺寸仍有很大潜力，软X射线和电子束都有应用前景。 而且，现在还有多种发展优势，这将引发微电

22、子的第四次重大技术突破： IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics72其一，微处理器的发现使硅技术进入一个新的阶段，它对智能化的芯片发展仅仅只是开始，还方兴未艾，有着旺盛的生命力。现在已经出现了将整个系统集成在一个或几个微电子芯片上的集成系统（Integrated System，简称IS）或系统芯片（System on Chip，简称SOC）。 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics73其二，从成群电子到单个电子-纳米电子学 美国贝尔实验室与1988年研制成功隧道三极管近年研制成功单电子晶体管，使器件尺寸缩小

23、100倍，运算速度提高1000到10000倍。（固体是多体运动体系，单就电子也在1022/cm3，纳米要考虑其波动性，即量子功能器件） IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics74其三，虽然以CMOS为主流的加工技术已进入深亚微米，因而日介成熟的微米级平面加工技术在日益开拓新的发展领域。这种技术与其它学科相结合，会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，作为与微电子技术成功结合的典型例子便是MEMS(微机电系统)技术和DNA生物芯片等前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的后者则是与生物工程技术结合的产物 IT发展的引导性领域微电子 The I

24、T EdgeMicroelectronics75微电子机械系统是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统可以在硅片上做直径40m的微齿轮，长度100 m的微手术剪刀。德国工程师制成黄蜂大小的能升空的直升飞机 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics76由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点，MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 IT发展的引导性领域微电子

25、 The IT EdgeMicroelectronics77微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物工程芯片将是2l世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片 IT发展的引导性领域微电子 The IT EdgeMicroelectronics78微电子关键技术展望： 纳米级线宽 大面积硅单晶片 SOI技术 高介电常数介质 铜互连技术 表面钝化技术79 故认为硅技术仍处于“朝阳”阶段，摩尔定律将风行50年！ IT发展的引