表面工程學(xué)第十二章-表面微細(xì)加工技術(shù)_第1頁(yè)
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1、第十二章 表面微細(xì)加工技術(shù)主要內(nèi)容第一節(jié) 常用微細(xì)加工技術(shù)第二節(jié) 微細(xì)加工技術(shù)典型實(shí)例一:集成電路芯片制造第三節(jié) 微細(xì)加工技術(shù)典型實(shí)例二:微型機(jī)電系統(tǒng)第四節(jié) 納米工藝第五節(jié) 生物芯片技術(shù)表面微細(xì)加工技術(shù)概述定義 表面微細(xì)加工技術(shù)指那些能夠制造微小尺寸元器件或薄膜圖形的方法,微細(xì)加工的加工尺寸一般在亞毫米(常指低于100m)至納米級(jí)范圍內(nèi),而加工的單元?jiǎng)t從微米級(jí)、納米級(jí)到原子級(jí)(級(jí))。分類(lèi) 根據(jù)加工機(jī)理的不同,可以分為三類(lèi):分離型或者去除型加工:以分解、蒸發(fā)、濺射、刻蝕、切削、破碎等方法將材料中所希望去除的部分分離出來(lái)的加工方法。生長(zhǎng)型加工:以一種材料作為基材,在其上添加另一種材料,形成所需的形

2、狀或者圖形的加工方法。變形加工:指材料形狀發(fā)生變化的加工,如塑性變形和流體變形等。表面微細(xì)加工技術(shù)概述其他在集成電路制造和其它微小型零件的制作中,常常將微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)一步分解為橫向微細(xì)加上技術(shù)和縱向微細(xì)加工技術(shù)兩種方式。橫向微細(xì)加工是按照器件的設(shè)計(jì)要求,在材料的表面制作各種所需要的圖形;縱向微細(xì)加工則是根據(jù)器件的要求,在材料的縱深方向制作各種薄膜結(jié)構(gòu)。一般情況下,這種微細(xì)加工的尺度在微米或者亞微米級(jí)。以集成電路的制造為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展在很大程度上取決于微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展。 當(dāng)前,不斷發(fā)展的微細(xì)加工技術(shù)正在向納米制造技術(shù)(NanoTechnology )延伸。納米制造技術(shù)是被公認(rèn)為21世紀(jì)

3、科技發(fā)展的三大技術(shù)領(lǐng)域之一。第一節(jié) 常用微細(xì)加工技術(shù) 一、光刻工藝光刻的定義:它是指利用照相復(fù)制與化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù),在工件表面制取精密、微細(xì)和復(fù)雜薄層圖形的化學(xué)加工方法。它是制造半導(dǎo)體器件和大規(guī)模集成電路的關(guān)鍵工藝之一,并已用于刻劃光柵、刻線(xiàn)尺和度盤(pán)等的精密線(xiàn)紋。光刻的原理:利用光致抗蝕劑(或稱(chēng)為光刻膠)感光后因化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點(diǎn),將掩模版上的圖形刻制到被加工表面上。掩膜(mask):是一塊印有所需要加工圖形的透光玻璃片。當(dāng)光線(xiàn)照在掩模版上時(shí),圖形區(qū)與非圖形區(qū)對(duì)光線(xiàn)的吸收與透過(guò)能力不同。 從圖中可以看出,其主要步驟為:涂布光致抗蝕劑;套準(zhǔn)掩模版并曝光;用顯影液溶解未感光的光致抗蝕劑

4、層;用腐蝕液溶解掉無(wú)光致抗蝕劑保護(hù)的二氧化硅層;去除已感光的光致抗蝕別層。通過(guò)這些步驟,就將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)化成為二氧化硅在襯底上的圖形。下圖為光刻半導(dǎo)體晶片二氧化硅過(guò)程的示意圖。光致抗蝕劑是一種對(duì)光敏感的高分子溶液,種類(lèi)很多,根據(jù)光化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)一般可分為正性和負(fù)性?xún)纱箢?lèi)。凡用顯影液能把感光的部分溶解去除的稱(chēng)為正性光致抗蝕劑;凡用顯影液能把未感光的部分溶解去除的稱(chēng)為負(fù)性光致抗蝕劑。光刻的精度很高,可達(dá)微米數(shù)量級(jí)。為了得到蝕刻線(xiàn)條清晰、邊緣陡直、分辨率小于1m的超微細(xì)圖形近年來(lái)發(fā)展出遠(yuǎn)紫外曝光、x射線(xiàn)曝光、電子束掃描曝光以及等離子體干法蝕刻等新技術(shù)。二、掩模板的制作工藝概述由光刻工藝的過(guò)程,我

5、們可知掩模版的制作實(shí)際上是決定所加工圖形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。半導(dǎo)體工藝技術(shù)中制作光刻工藝用的光復(fù)印掩蔽模版技術(shù)(亦稱(chēng)制版技術(shù))已經(jīng)成熟。集成電路的制作過(guò)程通常需要經(jīng)過(guò)多次光刻工藝,為此需要一整套(幾塊甚至十幾塊)相互間能精確套準(zhǔn)、具有特定幾何圖形的光復(fù)印掩蔽模版(簡(jiǎn)稱(chēng)光掩模版)。 隨著大規(guī)模集成電路工藝的迅速發(fā)展,對(duì)光掩模版的質(zhì)量,包括各種掩模精度、缺陷密度和掩模版的耐用性能等都提出了極高的要求。要求套刻精度必須控制在約0.1m,掩模版的分步重復(fù)精度、定位精度等都必須控制在0.1m范圍以?xún)?nèi)。此外,光掩模版的隨機(jī)缺陷密度對(duì)芯片成品率的影響,將滿(mǎn)足博塞一愛(ài)因斯坦分布,即芯片成品率隨著單元有效面積的增大

6、或隨機(jī)缺陷密度的增大而按負(fù)指數(shù)關(guān)系急劇下降。掩模板制造技術(shù)的分類(lèi):傳統(tǒng)的刻圖縮微制版技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、光學(xué)圖形發(fā)生器自動(dòng)制版技術(shù)、以電子束掃描成像為代表的各種短波長(zhǎng)射線(xiàn)成像曝光技術(shù)。 1、刻圖縮微制版技術(shù) 其工藝比較復(fù)雜。主要分以下三個(gè)步驟進(jìn)行: 首先,需要根據(jù)半導(dǎo)體器件或集成電路電學(xué)參數(shù)的要求、工藝條件和精度的要求確定適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵蕘?lái)繪制掩模原圖。 其次,利用縮微照相技術(shù)或圖形發(fā)生系統(tǒng)制作掩模原版(亦稱(chēng)中間掩模版)。為了能在同一個(gè)硅片上同時(shí)制作多個(gè)電路芯片而且又便于切割成單個(gè)芯片,中間掩模版的圖形還要用具有分步重復(fù)功能的精密縮小照相機(jī)進(jìn)一步縮小到實(shí)際芯片尺寸。同時(shí),讓同一圖形在縱橫兩個(gè)方

7、向按一定的間距重復(fù)曝光,制成含有芯片圖形陣列的母掩模版。 最后,復(fù)印出供給生產(chǎn)上光刻工藝使用的工作掩模版 。2、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、光學(xué)圖形發(fā)生器自動(dòng)制版技術(shù)系統(tǒng)隨著半導(dǎo)體器件、集成電路、大規(guī)模集成電路制作技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)今形成了半導(dǎo)體工藝技術(shù)中所特有的高精度光掩模制作技術(shù)體系。尤其是電子束圖形發(fā)生器,具有很高的分辨率和高速掃描成像系統(tǒng),不但可用于制作中間掩模版,而且還能取代分布重復(fù)設(shè)備直接制作出含有芯片陣列圖形的母掩模版或公作掩模版。然后再利用各種光刻設(shè)備把光掩模圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的光致抗蝕層上。這種技術(shù)在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路制作工藝中起著越來(lái)越重要的作用。到目前為比,采用這此技術(shù)已制作出具有

8、亞微米線(xiàn)寬的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片,這一數(shù)值已接近光掩模加工技術(shù)和光掩模圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)的極限。3、短波長(zhǎng)射線(xiàn)成像曝光技術(shù)系統(tǒng) 為保證大規(guī)模集成電路的芯片成品率,并進(jìn)一步提高集成度,已采用電子束、離子束或x射線(xiàn)等直接在硅片上掃描成像的加工新技術(shù),取代傳統(tǒng)的光掩模圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。4、掩膜制作工序 掩模板制作工序主要分以下四個(gè)步驟進(jìn)行:選擇掩模板材料設(shè)計(jì)掩模板圖制作中間掩模板制作工作掩模板。(1)掩膜材料的選擇 發(fā)展過(guò)程為:濕版鹵化銀乳劑干版超微粒乳膠干版、硬質(zhì)鉻版和彩色版。 這些掩模材料的襯底基片,都采用精選的高平整度制版玻璃。(2)掩模版圖設(shè)計(jì) 根據(jù)半導(dǎo)體器件和集成電路電學(xué)功能和制造工藝的要求,按照集成

9、電路版圖設(shè)計(jì)規(guī)則,設(shè)計(jì)并繪制出原始的布局布線(xiàn)總圖。早期是將電路圖形在方格坐標(biāo)紙上畫(huà)好;現(xiàn)在已普遍采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)和自動(dòng)布局布線(xiàn)。(3)中間掩模版制作 首先根據(jù)設(shè)計(jì)原始總圖,利用刻圖機(jī)按照光刻不同層次將所需的圖形分別刻在若干張可剝離的聚酯紅膜片上,并揭去不需要的部分,即制成一套掩模原圖。 然后,通過(guò)大型初縮機(jī)將原圖照相縮小成中問(wèn)掩模版。通常,這種中間掩模版比實(shí)際芯片尺寸大10倍。 隨著集成度的提高,人工制圖和刻圖已不能滿(mǎn)足要求,因而轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)制版或自動(dòng)掃描成像。 (4)工作掩模版制作 工作掩模版是實(shí)際用于光刻工藝的光掩模版。通常是由中間掩模版經(jīng)過(guò)精縮機(jī)進(jìn)一步縮小到芯片實(shí)際尺

10、寸的圖形。同時(shí),進(jìn)行分步重復(fù)制成含有芯片圖形陣列的母掩模版;再經(jīng)過(guò)一次或多次掩模復(fù)印工序,最終制成用于生產(chǎn)的工作掩模版。 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,電路幾何圖形結(jié)構(gòu)的加工尺寸接近微米或亞微米級(jí),以往的光學(xué)光刻技術(shù)已難以適應(yīng),需要采用電子束曝光、X射線(xiàn)曝光等短波長(zhǎng)曝光復(fù)印技術(shù)來(lái)提高加工精度。而這些短波長(zhǎng)曝光專(zhuān)用掩模的制作,需要更復(fù)雜的復(fù)制工藝技術(shù)三、電子束與離子束微細(xì)加工技術(shù)定義:它是指通過(guò)具有一定能量的電子束、離子束與固體表面相互作用來(lái)改變固休表面物理、化學(xué)性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)的精密加工技術(shù)。加工精度可達(dá)微米、亞微米直至納米級(jí)。主要分類(lèi):電子束曝光 、離子束刻蝕、離子束曝光與聚焦離子束。1、電

11、子束曝光 電子束曝光是用具有一定能量的電子束照射抗蝕劑,經(jīng)顯影后在抗蝕劑中產(chǎn)生圖形的一種微細(xì)加工技術(shù)。 對(duì)正性抗蝕劑,在顯影后經(jīng)電子束照射區(qū)域的抗蝕劑被溶解掉,而未經(jīng)照射區(qū)域的抗蝕劑則保留下來(lái);對(duì)負(fù)性抗蝕劑則情況相反。這樣就在抗蝕劑中形成了需要制作的圖形。 電子束曝光有投影和掃描兩種工作方式。電子束投影方式與光刻過(guò)程類(lèi)似,是將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成襯底表面介質(zhì)的圖形的過(guò)程,只是將光源改成了電子束而已。而掃描電子束曝光機(jī)由電子計(jì)算機(jī)控制,能靈活地產(chǎn)生和修改圖形,不需要掩膜可直接成像。 掃描電子束曝光機(jī)分為主機(jī)和電子計(jì)算機(jī)兩大部分,主機(jī)由電子光學(xué)鏡筒將和工作臺(tái)組成。電子光學(xué)鏡筒的原理圖如右圖所示。

12、左圖為電子束投影曝光機(jī)的示意圖。陰極是一個(gè)光電發(fā)射模,紫外光能透過(guò)石英而不能透過(guò)鉻膜,所以當(dāng)陰極受到紫外光照射時(shí),沒(méi)有受到鉻膜掩蔽的碘化銫發(fā)射材料就發(fā)射電子。電子在加速電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下打到基片上,使整個(gè)基片上的抗蝕劑同時(shí)曝光。用電子束投影曝光機(jī)可以復(fù)制掩模和對(duì)基片進(jìn)行曝光,但是必須先用其他方法來(lái)制作掩模圖形。電子束投影曝光機(jī)的分辨率已達(dá)到亞微米,只需幾秒鐘就能曝光一片直徑為100mm的基片。2、離子束刻蝕定義:它是用具有一定能量的離子束轟擊帶有掩模圖形的固體表面,使不受掩蔽的固體表面被刻蝕,從而將掩模圖形轉(zhuǎn)移到固體表面的一種微細(xì)加工技術(shù)。 分類(lèi):一種是離子刻蝕,另一種是反應(yīng)離子束刻蝕。 離子

13、刻蝕 是指利用惰性氣體離子在固體表面產(chǎn)生的物理濺射作用來(lái)進(jìn)行刻蝕。 其優(yōu)點(diǎn)是刻蝕方向性好,精度高,適合于任何材料,包括化學(xué)活性很差的材料。其缺點(diǎn)是選擇性差,因?yàn)榭涛g速率主要取決于被刻蝕材料的濺射率,所以對(duì)幾篇材料和掩模材料的刻蝕速率相差不大,而且還存在刻蝕產(chǎn)物再沉積等缺點(diǎn)。 反應(yīng)離子束刻蝕 是指利用反應(yīng)離子和固體表面材料的化學(xué)反應(yīng)和物理濺射雙重作用來(lái)進(jìn)行刻蝕。反應(yīng)離子束刻蝕是離子束刻蝕技術(shù)的進(jìn)一步提高,不但消除了再沉積現(xiàn)象,在刻蝕的選擇性和刻蝕速率方面也有很大的提高。左圖為離子束刻蝕機(jī)的示意圖。在離子源中,惰性氣體氬被電離,形成等離子體,引出加速系統(tǒng)用來(lái)抑制電子并引出離子束。在引出加速系統(tǒng)和靶

14、面之間有一個(gè)熱燈絲中和器,它發(fā)射電子使離子束中和,從而避免正離子轟擊絕緣體表面產(chǎn)生電荷積累,減小正離子空間電荷的發(fā)散作用,使離子束的均勻性得到改善。靶可以?xún)A斜和旋轉(zhuǎn)。靶的傾斜是為了改變離子束轟擊基片的角度,以控制刻蝕圖形側(cè)壁的傾斜角度和改變刻蝕速率;靶的旋轉(zhuǎn)則可以改善刻蝕的均勻性。在離子束刻蝕機(jī)中,決定刻蝕特性的主要參量是離子束的電流密度、離子能量和離子束轟擊基片的角度。這些參量可以獨(dú)立控制,所以離子束刻蝕具有很大的工藝靈活性。反應(yīng)離子束刻蝕機(jī)的原理和離子束刻蝕機(jī)相似,只是為了避免反應(yīng)離子的化學(xué)腐蝕作用,離子源的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一定的改進(jìn)或者采用冷陰極離子源,在真空系統(tǒng)和機(jī)器材料的選用上也采取某些防腐

15、蝕的特殊措施。 用電子束曝光和離子束刻蝕已能制出80的金線(xiàn)條。3、離子束曝光與聚焦離子束離子束曝光定義:指用具有一定能量的離子束照射抗蝕劑,經(jīng)顯影后在抗蝕劑中產(chǎn)生圖形的一種微細(xì)加工技術(shù)。離子束曝光和電子束曝光的比較:離子束曝光的固有分辨率比電子束曝光高。它對(duì)抗蝕劑的曝光靈敏度也比電子束曝光高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。采用離子束曝光,圖形最小尺寸可小于0.1m,而采用掃描電子束曝光機(jī),圖形最小尺寸大約為0.5m。離子源的選擇:靶面上的離子束電流密度與離子源的亮度成正比。因此,為了達(dá)到高的電流密度,應(yīng)盡量提高離子源的亮度。現(xiàn)階段一般采用氣態(tài)的和液態(tài)金屬的場(chǎng)致發(fā)射離子源,如用液態(tài)金屬離子源引出了硼、砷、銻等離

16、子,其亮度可達(dá)106-108A/cm。聚焦離子束(FIB):是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型微細(xì)加工技術(shù),可用于微區(qū)成分分析。聚焦離子束系統(tǒng)是通過(guò)把離子束匯聚,并以?huà)呙璺绞骄劢沟奖患庸の镔|(zhì)表面上,對(duì)工件進(jìn)行轟擊,達(dá)到微細(xì)加工的目的。特別的,F(xiàn)IB可不用曝光工藝而可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體基片的選區(qū)摻雜。四、激光微細(xì)加工 激光微細(xì)加工技術(shù)的范疇非常廣泛,本書(shū)介紹的脈沖激光沉積技術(shù)、激光誘導(dǎo)CVD技術(shù)、激光誘導(dǎo)化學(xué)鍍和激光誘導(dǎo)固相反應(yīng)技術(shù)屬于其范疇。此外,它還包括激光精密刻蝕、激光微細(xì)打孔等技術(shù)。1、激光精密刻蝕激光精密刻蝕:是采用高能量密度的聚焦激光束直接對(duì)薄膜材料進(jìn)行去除加工的一種方式。其過(guò)程中所采用的激光

17、器有準(zhǔn)分子激光器、氬離子激光器和YAG固體激光器。激光精密刻蝕機(jī)理:高功率的激光束使所選定的材料在極短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)或者剝離,即產(chǎn)生激光燒蝕現(xiàn)象。激光精密刻蝕的主要用途:激光直寫(xiě)電路:得到的圖形分辨率高,線(xiàn)寬分辨率可達(dá)0.18m。薄膜元件的激光微調(diào):可控性好,無(wú)加工慣性、加工位置定位精確。薄膜電路及光掩膜的修整:可以修復(fù)薄膜電路缺陷(短路、凸起、刻蝕不足等)和光掩膜的缺陷(穿孔、破裂、凹坑)。2、激光微細(xì)打孔及其它應(yīng)用 激光微細(xì)打孔技術(shù)原理:用透鏡將激光能量聚焦到表面的微小區(qū)域上,可使表面物質(zhì)迅速汽化而成微孔。 激光微細(xì)打孔技術(shù)特點(diǎn):激光打孔特別適合于打微孔、異形孔和盲孔,孔徑最小可達(dá)微米級(jí)。 其

18、它應(yīng)用:隨著金剛石薄膜、高分子聚合物薄膜逐漸應(yīng)用于微電子及其它系統(tǒng)中,激光微細(xì)加工技術(shù)在這些領(lǐng)域中的不可替代的作用日趨顯著 將上述的各種微細(xì)加工工藝方法匯成圖,如下頁(yè)圖所示。第二節(jié) 微細(xì)加工技術(shù)典型實(shí)例集成電路芯片制造 本文所用的集成電路是互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)集成電路。該集成電路時(shí)由NMOS和PMOS(N溝道MOS管和P溝道MOS管)兩種類(lèi)型的器件組成。它的基本電路單元式倒相器和傳輸門(mén)。前者是NMOS和PMOS器件的串聯(lián),而后者是二者的并聯(lián)。由他們的不同排列組合,可組成各種CMOS電路。下圖是CMOS單元復(fù)合圖和等效電路圖。我們以圖形的形式來(lái)說(shuō)明這類(lèi)集成電路結(jié)構(gòu)的制作過(guò)程圖a為

19、原始基片制備圖b為場(chǎng)區(qū)磷注入圖c為場(chǎng)氧化圖d為第二次光刻和對(duì)P阱注入硼圖e為去膠和P阱推進(jìn)圖f為沉積多晶硅并第三次光刻圖g為第四次光刻圖h為第五次光刻圖i為第六次光刻圖j為第七次光刻圖k為第八次光刻圖l為背面減薄,最后在背面蒸鍍一層厚為0.20.4um的金膜。第三節(jié) 微細(xì)加工技術(shù)典型實(shí)例二微型機(jī)電系統(tǒng)微型機(jī)電系統(tǒng)是將微電子技術(shù)和微型機(jī)械技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的一門(mén)新興的前沿科技。其英文簡(jiǎn)稱(chēng)為MEMS。MEMS的制作過(guò)程分類(lèi):一種是用光刻刻蝕等微細(xì)加工方法,將大的材料割小,形成結(jié)構(gòu)或器件,并與電路集成,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化,亦稱(chēng)為由大到小的途徑;另一種是采用分子、原子組裝技術(shù)的辦法,即借助分子、原子內(nèi)的作用力,

20、把具有特定理化性質(zhì)的功能分子、原子,精細(xì)地組成納米尺度的分子線(xiàn)、膜和其它結(jié)構(gòu),進(jìn)而由納米結(jié)構(gòu)與功能單元集成為微系統(tǒng),這稱(chēng)為由小到大的途徑。MEMS定義:可以批量制作的,集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路,直至接口、通訊和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS制造的特點(diǎn):1、必須采用微細(xì)加工技術(shù);2、一般采用智能集成;3、具有明顯學(xué)科交叉的特點(diǎn)。第四節(jié) 納米工藝納米技術(shù)和納米工藝的提出:隨著集成度的提高,要求器件尺寸不斷減小。雖然現(xiàn)階段已經(jīng)得到了穩(wěn)定的改進(jìn),但是它會(huì)隨著微細(xì)加工的極限的到來(lái)而會(huì)受阻。從物理角度看,在1.0um時(shí),晶體管是非常理想的開(kāi)關(guān),但在0.05um時(shí),開(kāi)關(guān)特性就消失了。而且從今天的制造工藝看,也可以證明是難以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)晶體管及布線(xiàn)極小時(shí),量子效應(yīng)開(kāi)始干擾其功能。 因此,從失去開(kāi)關(guān)特性和邏輯功能的意義上講,目前可以認(rèn)為晶體管的極限時(shí)0.05um。為了超越這個(gè)極限,我們必然要進(jìn)入納米尺度下的各種研究領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō),將尺度在0.1100nm范圍的空間定義為納米空間。一、納米電子技術(shù)納米器件:利用電子的量子效應(yīng)原理制作的器件稱(chēng)為電子器件或納米器件(單電子晶體管)。其中,只要控制一個(gè)電子的行為就可以完成特定的功能,它主要是通過(guò)控制電子波動(dòng)的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)某種功能的。納米器件的優(yōu)點(diǎn):響應(yīng)速度更高,功耗更低,

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