课程介绍在线视频

各位同学 大家好

我是来自清华大学

微电子所的吴华强老师

很高兴这学期又和大家共同学习

微纳加工技术这门课程

今天我们先讲第一章

第一章序论课

主要是对课程进行介绍

那么这一章里面

包括三部分内容

一部分是课程简介

课程的组织方式

以及这门课程知识

可以用在什么场合

第二部分呢 我们介绍一下

集成电路的发展历程

因为微纳加工技术的发展

就是集成电路的发展过程

第三部分我们重点讲一下

费曼预言和摩尔定律

我们先讲第一部分课程简介

课程的组织方式

以及课程知识的应用前景

当同学们选择这门课程的时候

看到这门课程的题目

叫微纳加工技术

同学们可能会经常有很多问题

比如说微纳加工技术

主要是讲什么内容

比如说什么叫微什么叫纳

比如说我应该学习这门课程吗

在回答同学们这么多问题之前

我们先来看一段视频

科技的快速发展已经改变了我们的生活方式

从我们口袋里的手机、家里的家用电器

到拯救生命的医疗器械和探索宇宙的卫星

人们对于更快更小更高效设备的需求

需要科技公司的不断创新来实现

而这一切的核心，就是集成电路

想像一下，30年前的个人电脑是什么样的

它是如何迅速演变成今天的笔记本和平板电脑

90年代砖头大小的手机

是如何缩小成为我们如今日常生活中的手机的

那些我们想听的歌，想看的书，想分享的照片

或我们想了解的信息如今都呈现在我们的指尖

很简单，没有集成电路的迅速发展

这些技术将不复存在

至少在我们有生之年无法见到

或者需要更多的时间来实现

这是因为集成电路在速度、容量和成本方面的改进

使得电子产品在短短几年内实现我们无法想象的巨大创新

这要归功于一个著名的预测——摩尔定律

摩尔定律预言集成电路中晶体管的数量

每隔18到24个月翻一翻

所以有了更小更便宜的芯片

正是这种指数形式的进步速度

使得所有这些新技术成为可能

而这个进步速度历史上其他任何行业都无可比拟

让我们对比一下集成电路和另一个具有影响力的技术

比如汽车之间的技术进步

30年前的平均处理器速度是8MHz

今天处理器的时钟频率为4GHz，快了500倍

如果汽车产业能够跟上半导体行业的进步速度

在1983年的汽车能达到每小时200英里的速度

那么今天汽车速度将达到10万英里每小时

驾车环游世界仅需要15分钟

在1983年，我们只能在一个芯片上集成13万个晶体管

而今天，在一个芯片上集成13亿个晶体管绰绰有余

集成度提高了1万倍

同样的对比，如果汽车在1983年每加仑汽油能行驶17英里

根据摩尔定律，今天每加仑汽油将能够行驶17万英里

你开车环游世界只需要消耗一品脱不到的汽油

最后，1983年一个64KB的DRAM模块需要128美元

今天你仅需要用30美元就可以得到8GB大小的DRAM

这相当于1983年一辆汽车售价8300美元

在摩尔定律下今天买汽车只要3美分

这还是考虑通货膨胀的影响后的价格

这些进步是行业中最聪明最有创意的头脑共同努力的结果

他们共同致力于开发新的集成电路

好 我们看完视频了

那么我相信在座的同学

大家很多同学都会有一个智能手机

我也拥有一个智能手机

那么我用的是苹果的iphone

那么我们来看一看这个iphone

跟我们要学的微纳加工技术

有什么关系呢

我们可以把这个iphone手机进行一定的解剖

我们看看这个iphone手机里面

都有哪些元器件

那我们可以看到

这个iphone手机里面

有一个屏幕 同时还有一个大的电池

在这个电池边上

有很多各种各样的芯片

包括计算芯片 包括存储芯片

包括通讯芯片

也包括镜头的摄像头芯片

那么所有这些芯片

包括这个大的屏幕

都需要依赖于微纳技术

把这些元器件给做成

可以看到微纳加工技术

在智能手机里面有非常广泛的应用

那么总的来说

通过本门课程的学习

你可以掌握微纳加工技术的

基础知识

并掌握微纳加工的方法

回答刚刚的问题

这里边的微指的是微米

那么人的头发的直径

是80微米左右

所以一微米

就是人的头发直径的1/80

这里的纳指的是纳米

那么一个纳米相当于一个微米的一千分之一

所以说可以说我们的微纳加工技术

讨论的是在极小尺度下的加工技术

跟我们平常日常生活中的

加工技术是完全不一样的

这门课程的授课对象

是本科大三以上的学生

包括硕士生

它适合于微电子专业

适合于材料专业 物理专业

化学专业 机械专业 生物专业

精密仪器等等等等

各种各样的专业

那么我们这门课程组织方式呢

采取了两个系列的组织方式

一个系列叫核心课程系列

那么通过核心课程系列的学习

你可以掌握微纳加工的基本方法

这是比较适合材料 物理 化学

等等各种专业

另外一个是全课程系列的学习

通过全课程系列的学习

那么你如果想深入掌握集成电路

你就可以学习全课程系列

如果你只想掌握微纳加工基本方法

那你就学习核心课程系列

那么整个核心课程系列

我们包含25节课

全课程系列包含45节课

那么只学微纳加工技术

我们只要看核心课程

如果想学集成电路加工方法

你就要学全课程系列

那么这门课程在内容编排上面

我们有课程的基本介绍

有超净间的基础知识

还有微纳加工技术的各个模块

另外呢 我们还给了几个案例的分析

包括集成电路CMOS的案例分析

包括存储芯片的案例分析

包括MEMS传感器的案例分析

总的来说微纳加工技术

这是一个应用非常广泛的

一门理工科的基础课程

同学们未来

如果你将来做的工作

跟微小世界相关

那么你就需要微纳加工技术的

基础知识

无论同学你将来是继续深造

读研究生

还是你将来找工作

那么微纳加工技术这门课的

基础知识

对于你将来的发展

都是有 非常有重要作用的

比如说国外的大公司像苹果

三星 因特尔

他们就需要很多这个新招聘的人员

就需要微纳加工技术的基础知识

那比如说国内的像华为 联想 小米

等等也是一样

那么刚刚讲这门课程知识

微纳加工技术

不仅仅用在集成电路里面

它其实还有很多应用的方面

比如说我们现在用的投影机

投影机里面有个DRP的芯片

这个DRP的芯片

就是用微纳加工技术给它制备成的

那么它的原理

就是通过这个微纳加工

做成很多小的这个镜片

那么这个通过镜片的反射光

来打到投影的效果

那再比如说随着现在技术的发展

那么在医疗里面

也用了很多微纳加工技术

比如说我们可以制备一个小的

医用的胶囊

这个胶囊里面带着摄像头

那么当你吃入这个胶囊之后呢

这个胶囊就可以看到你人体里面的

拍摄很多情况

把这个情况反馈给这个医生

医生呢 就能给出更好的诊断意见

比如说你吃一个胶囊

这个胶囊里面有一个微小系统

可以控制这个药物的释放速度

和释放的浓度

以达到更好的疗效效果

这里面也用到了微纳加工技术

再比如说我们现在家里面的电视越来越大

那么有很多平板

那么整个平板显示行业

用的也是微纳加工技术

还有我们说的绿色能源

那绿色能源里面用到太阳能

他用的也是微纳加工技术

所以我们说微纳加工技术

不仅可以用于集成电路

还可以用于平板显示

还可以用于太阳能

还可以用于医疗微电子

有非常广泛的应用前景

同学们选择这门课程

通过这门课程的学习

掌握了微纳加工技术的基本知识

对于未来你的深造

对于未来你的就业

都是有很大的帮助的

好 我们现在开始讲第一章的第二节

第一章第二节重点讲述一下

集成电路的发展历程

集成电路的发展历史

其实就是一个信息产业的发展历史

为什么这么说呢

因为集成电路是制备芯片的

那芯片就是新兴产业里面的大佬

我们回头看看芯片

芯片里面最基本的元器件

就是一个晶体管

历史上第一个晶体管

是1947年在美国的贝尔实验室

研制出来的

1956年9年之后

就获得了诺贝尔奖

那么我们 让我们记住这三个人

这发明人是威廉 · 肖克利

约翰 · 巴丁、沃尔特 · 布拉顿

这三个人的发明

对于我们整个信息产业的发展

是起到了巨大的作用

大家可以看

这个图片是第一个晶体管的图片

那个时候晶体管的大小

是20个厘米左右的大小

是非常大的

那么看到这个图片

我再想提两个小点

第一个就是贝尔实验室

在历史上贝尔实验室

六次获得诺贝尔奖

这在世界上是独一无二的

贝尔实验室

对于世界信息产业的发展

也起到了无可伦比的作用

第二个呢 大家看这个图片

这里面最上面居然用了一个什么

一个别针 可以这么说

创新无处不在

不要说创新一定要有很好的条件

我们再看这里

这张图片显示的是1958年

制备的第一个集成电路

这个集成电路上面只有一个晶体管

加三个电阻和一个电容

这个集成电路获得了

2000年的诺贝尔奖

那个时候的器件之间的连接线

还是简单的用了焊接的方法

来实现的

我们再看下面这张图

这是1961年

第一个硅基集成电路实现

那个时候也只有4个晶体管

加两个电阻

那到今天集成电路发展到什么情况

今天我们说你买了PS机

用的是因特尔的i7的这个芯片 CPU

或者说我们的智能手机iphone里面

用了A8的芯片

他们都用的是22纳米的工艺节点

但是在这个里面

它集成了10亿个晶体管

那时候我们第一个晶体管

是20多厘米一个

现在的芯片这么小

1厘米见方

但它里面集成了10亿个晶体管

我们再看我们经常用的存储器芯片

存储器芯片它的工艺节点

也是20纳米左右

那这个时候我们说

存储器芯片的容量

是64GB

那64GB对应的是多少呢

对应的是5120亿个晶体管

存储器芯片

所以说可以看到

现在这个时代

它的集成度是非常非常大的

我们再看一看集成电路

跟我们中国现在关系是什么情况

其实你会惊奇的从这张图表

可以发现中国在集成电路

在过去这么多年的进口上面

它的原油的进口是不相上下的

而且在过去五年里面

其实集成电路

往往是中国第一大进口产品

超过了原油

比如说2013年

我们中国进口的集成电路的产品

就达到了2400多亿美元

那我们同时期我们原油进口额

只有2000亿美元左右

因为集成电路

它的整个新兴产业的大佬

这个芯片是新兴产业大佬

所以说它对于我们的国家安全

对于我们整个产业的这个核心

都是至关重要的

正因为此

所以在2014年

我们国家推出了中国国家集成电路

推进纲要这么一个方案

大家可以在公信部的网站上

看到这个方案

这个方案呢 这个发布

应该说对于我国集成电路产业发展

会有巨大的一个推动作用

那么正是在这个方案的指引下

国家成立了一个1200亿人民币的

一个大基金

叫集成电路发展基金

随着这个基金对产业的不断投入

那么我们国家的集成电路产业

会带来一个飞跃

那么集成电路产业的一个飞跃

就会带来我们微纳加工的一个飞跃

那么同学们学习这门课程

也会有更多机会

进入这些大公司工作

好 我们下面再讲第三章

第三章我们讲费曼预言

和这个摩尔定律

前面我们讲了三个著名的人

他们发明了晶体管

那么我们再来讲另外两个很有名的人

一个叫费曼 一个叫摩尔

那费曼预言 理查德费曼

在1959年美国物理学会上

做了一个报告

他题目叫做

There's Plenty of Room at the Bottom

他在这个报告里面预言了

纳米技术的发展方向

那是1959年

他提到我今天想讨论的

就是如何在极小尺度下

进行加工和控制

他提到如果我们假设

100个原子可以存储一个英文字母

ABCD

那么我们假设人类这么多年下来

所积攒的所有的知识可以写

用大英百科全书来写的话

2400万册大英百科全书

就可以把所有的知识

给它集聚在里边

那么如果说一个英文字母

是100个原子的话

你转换成 就会体现多少呢

就一个灰尘的大小

所以说他说在这个底下

有无穷无尽的空间

也就是纳米技术

可以给我们带来无穷无尽的机会

这是一段费曼当时做报告的录音

大家可以听一下

好 我们再来讲摩尔定律

那么戈登摩尔

曾经是因特尔的CEO

那么1965年他在电子学杂志上面

发表一篇文章

叫"Cramming more components onto

integrated circuits "

那个时候他们提出来摩尔定律

那他提出说

当价格不变的时候

集成电路上可容纳的元器件的数目

约每隔24个月 便会增加一倍

性能也提升一倍

后来产业界发展更快

其实是每隔18个月就增加一倍

性能也提升一倍

我们可以看到这张

这张图上我们有这个1965年

实际的数据

还有他们预计的数据

这里面还有这个存储器发展的数据

还有CPU发展的数据

我们可以看到不管是存储器

还是CPU

基本上是按照摩尔在1965年

他预测的这个来进行的

那么我们先来存储器芯片

到2015年的时候

已经可以做到64GB

甚至还有128GB

所以说摩尔定律

对于集成电路产业的发展

起到了至关重要的推动作用

好 我们来最后总结一下我们今天讲的内容

第一部分我们介绍了

本门课程的基本情况

和课程的组织情况

因为这两个课程分两个系列组织

一个是核心课程系列

适用于非微电子专业的同学的

还有一门是全课程系列的

是用于微电子专业的同学的

第二个呢我们重点介绍了一下

微纳加工技术是一门

理工科的基础课程

有着广泛的应用前景

第三个我们介绍了一下集成电路的发展的历程

以及他广泛的应用的背景

最后呢我们介绍了

费曼语言和摩尔定律

好 谢谢各位同学