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微电子技术发展历程-从基础研究到产业化

已有 9372 次阅读 2007-11-3 16:21 |个人分类:科研与教学

微电子技术发展历程-从基础研究到产业化
刘亚俊
华南理工大学机械工程学院   广州五山510640
摘要 本文简要分析微电子技术发展的三个重要发明:集成电路、硬盘和扫描隧道显微镜的发展历程,发现其都异常清晰的遵循基础研究—技术进步—大规模生产的三个阶段。基础研究导致技术进步,技术进步导致产业发展的发展规律值得思考和借鉴。
关键词 微电子;基础研究;产业化
The Roadmap of Micro-electric Technology-Form basic research to Information Industry
Liu Yajun
South China University of Technology   Guangzhou Wushan 510640
Abstract Integer-circuit, hard disk and Scanning-tunnel microscope are very important discoveries of micro-electric technologies. Through reviewing on the development history of those technologies, it is found that all of them following the way from basic research to technology innovation to large-scale industry. Maybe this is a basic principle for our science research, technical innovation and production.     
Keywords Micro-electric; Basic research; Industry production

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,随着信息量的激增,人们希望磁盘中能储存更多信息,或将磁盘变得更小,但因为磁致电阻效应只有极小的提高,通常只在1%到2%之间,磁阻材料的研究进展极为缓慢。在20世纪80年代末期,IBM研发的磁阻磁头实现了硬盘内容的大幅上升,其原理依然是磁致电阻原理,这时,科学家们仍然认为磁头的性能不可能有显著提高。
1988年,由法国物理学家Fert领导的一个研究小组,在纳米尺度内,用厚度只几个原子大小的磁性材料铁膜片和非磁性材料铬膜片做成一个纳米尺度的多层膜,发现在低温[4.2K]下磁致电阻可减小50%[5];与此同时,德国尤利希研究中心的实验物理学家Grünberg领导的研究小组,将铬膜片置入两个铁膜片之间,组装成一个纳米尺度的3层膜,发现室温下磁致电阻提高6%[6]。他们的发现表明:一个由磁性和非磁性导体相间组成的多层薄膜材料放入外来磁场中,磁场的微弱变化会导致电阻的极大变化,这种现象被命名为巨磁电阻效应(GMR)。
IBM的实验科学家Stuart Parkin和他在IBM Almaden研究中心的同事很快意识到巨磁电阻的重要性和它在更灵敏磁头中的应用[7]。Stuart Parkin采用阴极真空喷镀的方法于1994年研制出更为灵敏的读出磁头,磁盘记录密度提高17倍;1997年,第一个基于巨磁电阻效应的硬盘驱动器问世,并很快成为行业技术标准。目前几乎最新的磁头读出技术都是基于巨磁电阻原理研制的。
因为在巨磁电阻效应方面的先驱性工作,1997年,欧洲物理学会将惠普欧洲物理学奖颁发给帕金、费尔和格林贝格尔。2006年和2007年,费尔和格林贝格尔共同获得沃尔夫物理奖和日本奖。2007年费尔和格林贝格尔获得诺贝尔物理学奖。
巨磁阻磁头的问世大大激发了工程师在娱乐、通讯及信息产品上的创造力,MP3音乐播放器、掌上电脑等新产品闪亮登场,极大地丰富了人们的生活。从1997年开始,每年超过10亿个使用这种技术的硬盘和MP3涌入市场,给IBM带来了上百亿美元的收入。
诺贝尔奖委员会公告指出:“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,而自旋电子学正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。” 

4.扫描隧道显微镜的发明
根据量子力学理论的计算和实验证明:当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定程度时,电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁,这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应,而跃迁形成的电流叫做隧道电流.隧道电流有一种特殊的性质,既对两导体之间的距离非常敏感,如果把距离减少0.1nm,隧道电流就会增大一个数量级。隧道显微镜的原理正是巧妙利用了隧道效应及隧道电流。
早在量子力学建立之初,G.Gamow就预言过隧道效应。1957年,Leo Esaki发现了半导体的隧道效应,并研制成功隧道二极管。1960年,Giaever成功的观察到了超导体的隧道效应。1962年,Josephson理论预言超导电流能够通过隧道阻挡层。因为在隧道效应方面的研究成就,Brian David Josephson 、Ivar Giaever 和Leo Esaki共同获得1973年的诺贝尔物理学奖[8]。
1982年,IBM苏黎世实验室的Binnig和Rohrer及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope, STM)。为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献,1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。STM及一系列相关仪器的发展推动了微电子、纳米等尖端科学技术及相关产业的快速发展。

5.几点思考
以上三个例子均为基础研究和新技术交互作用和互相支持,从研究到产业化的成功典范。值得我们在制订科学研究和技术创新机制时加以借鉴。
我国的技术创新体制强调以企业为主体的创新机制,强调产学研结合。但从上述例子来看,从基础研究开始,到技术进步再到产业化恐怕是发展的三个不同阶段,三个阶段的时间间隔有长有短,但界限是清晰的,基础研究、技术开发和产业化并不是同时性的,而是有明显的先后顺序。
基础研究是源头,其研究成果和突破不可规划。技术进步和产业发展的主体应该是企业,需要企业在人力和物力的大量投入,但其投入的动力主要应该是来自市场和企业内部需要,来自企业外部的外力推动究竟起到什么作用值得深入探讨。
目前政府制订的产学研联盟政策出发点当然是好的,但一开始就把基础研究、技术改进和产业化进程绑在一块是否有些急于求成。目前政策实施的效果是否一定好,需要实践的检验。 

参考文献
[1] The Nobel Prize in Physics 2007. http://nobelprize.org/index.html
[2] William Shockley. Transistor technology evokes new physics. Nobel Lecture, December 11, 1956.
[3] Jack S.Kilby. Turning Potential into Realities: the Invention of the Integrated Circuit. Nobel Lecture, December 8, 2000.
[4] Gordon E. Moore. Cramming more components onto integrated circuits. Electronics, Volume 38, Number 8, April 19, 1965
[5]G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn, “Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange”, Phys. Rev. B 39, 4828 (1989). 
[6]M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F. Nguyen van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, “Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlat-tices”, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988). 
[7]S.S.P.Parkin,N. More and K.P. Roche, “Oscillations in Exchange Coupling and Magnetoresistance in Metallic Superlattice Structures – Co/Ru, Co/Cr and Fe/Cr”, Phys.Rev.Lett. 64, 2304 (1990). 
[8]. 郭奕玲,沈慧君. 诺贝尔奖百年鉴(卞毓麟主编)——物理学与技术[M] 上海:科技教育出版社,2001


诺贝尔情结
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