从微电子器件到纳米电子器件

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1、天津理工大学纳米材料与技术研究中心第五章：从微电子器件到纳电子器件工业革命以来已经历了三次主导技术，引发了三次工业革命什么是主导技术？科学革命技术革命产业革命天津理工大学纳米材料与技术研究中心第一次产业革命(1734-1834）主导技术：蒸汽机动力变革，热能、机械能科学基础:牛顿力学、热力学、能量转化原理天津理工大学纳米材料与技术研究中心第二次产业革命（1835-1914）科学基础：电的发现、电磁理论主导技术：电气化技术(发电机和电动机、电力传输、无线电通讯)天津理工大学纳米材料与技术研究中心第三次产业革命（1945-2010？）科学基础：X射线的发现放射线的发

2、现半导体的发现主导技术：微米技术微电子技术天津理工大学纳米材料与技术研究中心三次产业革命的启示:1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家；2.主导技术经历了孕育期生长期、高速发展期、稳定期，主导技术周期约50-60年；3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术；4.主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，逐渐形成新的产业群。天津理工大学纳米材料与技术研究中心节省能源利用资源优化环境新工业革命天津理工大学纳米材料与技术研究中心存储密度：1061011=10万个磁盘读写速度：1GB20GB纳米技术—新工业革命的主导技术20世纪天津理工大学纳米材料与技术研究中心高集成、高空

3、间分辨率，存储密度：1000GB计算速度提高100~1000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低100~1000倍纳米技术21世纪纳米技术是21世纪科技发展的制高点,是新工业革命的主导技术。天津理工大学纳米材料与技术研究中心纳米技术医疗药物环境能源宇航交通生物农业电子器件计算机国家安全新材料制造传统产业推动GDP快速增长对关键问题的影响力天津理工大学纳米材料与技术研究中心信息技术知识爆炸时代纳米科技技术爆炸时代纳米科学的内涵基础纳米材料制高点纳米电子学纳米加工纳米生物基础纳米物理纳米化学纳米力学在纳米科技中，纳米电子学处于特殊重要的地位，因为纳米电子

4、学是微电子学发展的下一代。电子器件的发展与三代电子器件1897年Thomson发现电子后，在物理学上做了两件重要的事：控制电子在真空中和固体中（固体中电子达1022/cm）的运动状态，产生了电子器件。电子器件的发展已经历了两个时期，真空电子管和固体晶体管。电子器件主要用于处理光、电信号光、电信号的主要参量是振幅、频率和相位信号加工就是按信号的内容来改变这些参量，包括信号的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存储等信号加工中最基本的是放大，即用小信号控制生成对应的大信号，最关键的元件是放大三极管1.真空电子管：1906年发明，它是将电子引入真空环境中，用加在珊极上的电

5、压改变发射电子阴极表面附近的电场，来控制达到阳极电流的大小，从而实现信号放大作用。有真空二极管和真空三极管，其尺寸在几厘米到几百厘米。2.晶体管：1947年诞生，电子器件发展经历了第一次变革。晶体管基本单元为p-n（整流特性）结和p-n-p结(信号放大），相应的有晶体二极管和晶体三极管。晶体管的体积小（由厘米降到微米），功耗小（从毫安降到微安），制成大（超大）规模集成电路，称为微电子器件。4004808080868008Pentium486™DX386™Processor286PentiumIIPentiumIIIItanium®Goal:Over1billiontran

6、sistorsby2005Pentium4Itanium®2微电子器件发展的摩尔(moore)定律-----芯片上晶体管数量每隔18个月将会增加一倍。天津理工大学纳米材料与技术研究中心Moore’sSecondLawPlantcostMaskcostgenerationX1000$微光刻与微纳技术历程和发展趋势1968197119741977198019831986198919921995199820012004200720102013201616K1M16M1G16G光刻工艺特征尺寸芯片集成度8.0um5.0um3.0um2.0um1.3um0.8um0.5um0.35

7、um0.25um0.18um0.13um90nm65nm45nm32nm22nm1986年最细线宽0.5um◆1995年最细线宽0.18um2004年最细线宽22～50nm1980年最细线宽1.0um◆3〞4〞6〞12〞8〞4〞3〞8〞一台JBX3040电子束光掩模制造系统2000万美圆相当一架波音737建设一家45nm技术节点、12英寸集成电路制造厂30-35亿美圆一套180nm工艺节点掩模版25万美圆一套130nm工艺节点掩模版85万美圆一套90nm工艺节点掩模版150万美圆一套65nm工艺节点掩模版300万美圆一套45n