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微电子技术发展历程.pdf
微电子技术发展历程-从基础研究到产业化
1.引言
诺贝尔奖委员会在 2007 年的诺贝尔奖授奖公告[1]指出: “巨磁电阻效应的发
现打开了一扇通向技术新世界的大门,在这里,将同时利用电子的电荷自旋特
性。新兴的纳米技术是发现巨磁电阻的前提条件,而自旋电子学反过来成为促
进纳米技术迅速发展的动力。这为研究领域树立了一个异常清晰的例子:基础
研究和新技术是如果交互作用和互相支持的。”实际上,在现代科学研究和技
术发展历程中,基础研究和新技术交互作用和互相支持的历史事例是非常多
的。本文简要介绍集成电路、硬盘技术及扫描电子显微镜的发展等三个例子,
探讨基础研究和新技术发展的相互关系,希望能给读者一些启迪和思考。
2.集成电路技术的发展简介
1880 年,爱迪生意外地发现在灯泡里加入一支电极,而将它连接到钨丝的电源
去,被加热后的钨丝会向电极放电产生电流,这个物理现象被称为 “爱迪生效
应”。
1904 年,曾担任伦敦的爱迪生电灯公司顾问的英国科学家 J.A.Fleming 发明了
用于无线电信中检波器的真空二极管,这个重大发明的基础就是 “爱迪生效
应”。Fleming 将发明了的二极真空管取名 Bulb,或称Valve。
1946 年 2 月 14 日,公认的世界上第一台电子计算机ENIAC 在美国宾夕法尼亚
大学诞生。这部机器使用了 18800 个真空管,长 50 英尺,宽 30 英尺, 占地
1500 平方英尺,重达 30 吨。它的计算速度为每秒 5000 次的加法运算。机器被
安装在一排 2.75 米高的金属柜里,占地面积为 170 平方米左右,总重量达 到
30 吨。它的耗电量超过 174 千瓦,电子管平均每隔 7 分钟就要被烧坏一只。
ENIAC 标志着电子计算机的创世,人类社会从此大步迈进了计算机时代的门
槛。
1947 年 12 月,美国 Bell 实验室的 Shockley、Bardeen 和 Brattain 等人发明
了晶体三极管[2]。晶体管相较于真空管具有显著的优越性能,因此晶体管促进
并带来了 “固态革命”,进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要
部件,它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用,并产生了巨大的经济效
益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构,集成电路以及大规模集成电路应
运而生。
1958 年,Jack S. Kilby 发明了集成电路方法[3]。在不超过4 平方毫米的面
积上,大约集成了 20 余个元件。1959 年 2 月 6 日, Kilby 向美国专利局申报
专利,这种由半导体元件构成的微型固体组合件,被命名为 “集成电路”
(IC)。Kilby 由此获得2000 年诺贝尔物理学奖。Farichild 公司的
Robort Noyce 和他的研发团队则解决了大规模集成电路生产的关键技术问
题。
1965 年 Intel 公司的 Moore 博士发表论文
Cramming more components onto integrated circuits 预言集成电路上
能被集成的晶体管数目,将会以每 18 个月翻一番的速度稳定增长,并在今后数
十年内保持着这种势头[4]。Moore 的这个预言,因集成电路芯片后来的发展得
以证实,并在较长时期保持着有效性,被人誉为 “Moore定律”。 Moore 定律
一直指导着微电子产业的发展。
2002 年,芯片的特征线宽已达到 0.125 mm,,预计到 2010 年将达
0.05 mm。根据Moore 定律的要求,每 16 个月芯片的集成度要增加一倍,因此
需要不断的发展新的加工工艺,达到更高的加工精度。英特尔前总裁
Craig Barrett 认为:Moore 定律还要有效至少 20 年。
3.硬盘技术和产业的发展
硬盘是电子计算机最重要的存储设备。1956 年 9 月,根据磁致电阻原理,IBM
科学家 Reynold Johnson 发明了世界上第一个计算机磁盘储存系统
IBM 350 RAMAC
(Random Access Method of Accounting and Control),它的磁头可
以直接移动到盘片上的任何一块存储区域,从而成功地实现了随机存储,这套
系统的总容量只有 5MB,共使用了 50 个直径为 24 英寸的磁盘。
在随后几十年中,随着信息量的
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